Desenvolvendo um joystick retrátil motorizado: 10 etapas (com imagens)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:37

Este joystick retrátil motorizado é uma solução de baixo custo para usuários de cadeiras de rodas elétricas que têm dificuldade em usar suportes de joystick giratórios manuais. É uma iteração de design em um projeto anterior de joystick retrátil.

O projeto é composto por duas partes: uma parte mecânica (projeto de montagem, montagem etc.) e uma parte elétrica (circuito, código Arduino etc.).

O módulo de joystick retrátil motorizado pode ser feito e replicado por qualquer pessoa, seguindo as instruções fornecidas aqui. Nenhum conhecimento prévio sobre circuitos ou Arduino ou Solidworks é necessário. Muito pouca solda está envolvida neste projeto, e as instruções de soldagem podem ser encontradas aqui. O acesso às operações básicas de furação / usinagem será necessário. Explicações detalhadas do projeto são abordadas na Parte Mecânica e na Parte Elétrica.

Etapa 1: Conteúdo

1. Conteúdo

2. Recursos e funcionalidade

   • Mecanismo motorizado de retração e extensão
   • Modo Esquerda / Direita
   • Modularidade
   • Velocidade de rotação ajustável

3. Preparação

   • Programas

     Arduino

   • Hardware

     • Resumo de todas as peças e ferramentas necessárias
     • Arduino Nano (Rev 3.0)
     • Chip do driver do motor: L293D
     • Resistores pull-down
     • Botões e interruptores
     • Seleção do motor

   • Movendo a partir de cadeiras de rodas elétricas

     Usando uma porta USB

4. Parte Mecânica
   • Manufatura
   • Acessório de chave de limite
   • Montagem / Desmontagem
   • Substituição do motor
   • Carcaça de eletrônicos
5. Parte Elétrica

   • Circuitos

     • Esquemas
     • Layout da placa de ensaio
   • Código Arduino

6. Instruções passo a passo

   Baixe o arquivo PDF de instruções

7. Solução de problemas
8. Documentação de Vídeo
9. Referências

Etapa 2: recursos e funcionalidade

Mecanismo motorizado de retração e extensão

Este suporte de joystick retrátil motorizado permitirá que usuários de cadeiras de rodas elétricas retraiam ou estendam seu joystick automaticamente. Os usuários têm a opção de pressionar dois botões (um para retrair e outro para estender) ou um botão (um único botão para retrair e estender) dependendo de suas preferências. O posicionamento dos botões é flexível e pode mudar para atender a diferentes requisitos do usuário. Os botões são conectados ao circuito por meio de conectores de botão universais, de modo que os botões usados nesta demonstração podem ser substituídos por qualquer botão universal.

Modo Esquerda / Direita

Este produto é adequado para usuários destros e canhotos. O técnico que instala o sistema motorizado na cadeira de rodas motorizada do cliente pode facilmente alterar o modo, alternando um interruptor na caixa de eletrônicos. Nenhuma modificação precisa ser feita no código.

Modularidade

O produto é à prova de falhas. Se o mecanismo automatizado falhar ou se o sistema estiver sendo reparado, o mecanismo de oscilação manual não será afetado. Uma descrição detalhada do processo simples de montagem e desmontagem está incluída posteriormente nas instruções.

Velocidade de rotação ajustável

A velocidade de rotação do mecanismo automatizado pode ser ajustada modificando o código do Arduino (as instruções são fornecidas nas seções posteriores). Como medida de segurança, a velocidade de rotação não deve ser muito rápida, pois o sistema não pode detectar o que pode estar no caminho, o que pode causar ferimentos leves.

Etapa 3: Preparação

Programas

Neste projeto, o Arduino é usado, portanto, você precisará ter o IDE do Arduino instalado em seu computador. O link para baixar o aplicativo está aqui. O código Arduino usado para este produto está disponível em uma seção posterior.

Hardware

Resumo de todas as peças e ferramentas necessárias

A tabela a seguir contém todas as peças e ferramentas necessárias para este projeto.

Arduino Nano (Rev 3.0)

Arduino Nano (Rev 3.0) é usado neste produto. No entanto, você pode substituir esta placa por outras placas Arduino contendo pinos PWM. Os pinos PWM são necessários neste projeto, pois usaremos Arduino (imagem) para controlar um chip de driver de motor (L293D), e o chip precisa ser controlado por entradas PWM. Os pinos PWM do Arduino Nano (Rev 3.0) incluem: pino D3 (pino 6), pino D5 (pino 8), pino D6 (pino 9), pino D9 (pino 12), pino D10 (pino 13), pino D11 (Pino 14). Se você estiver interessado em mais detalhes sobre o Arduino Nano, seu layout de pino e os esquemas podem ser consultados aqui.

Chip do driver do motor: L293D

L293D é um poderoso chip driver de motor DC que permite que o motor DC gire tanto no sentido horário quanto no anti-horário.

Os pinos usados neste projeto incluem: Ativar1, 2 pinos (Pino 1), Entrada 1 (Pino 2), Saída 1 (Pino 3), GND (Pino 4), Saída 2 (Pino 6), Entrada 2 (Pino 7), Vcc 1 (pino 8), Vcc 2 (pino 16).

• Enable1, 2 pin (Pin 1): controla a velocidade do motor
• Entrada 1 (Pino 2): controla a direção do motor
• Saída 1 (Pino 3): conecte ao motor, a polaridade não importa
• GND (Pino 4): conecte ao aterramento
• Saída 2 (pino 6): conecte ao motor, a polaridade não importa
• Entrada 2 (Pino 7): controla a direção do motor
• Vcc 1 (pino 8): alimente o circuito interno do chip, conecte a 5 V
• Vcc 2 (Pino 16): alimenta o motor DC, varia com os requisitos do motor. O motor usado para este projeto pode ser alimentado a 5 V.

Se você estiver interessado em mais detalhes sobre o L293D, sua ficha técnica pode ser acessada aqui e aqui.

Resistores pull-down

Cada botão / chave está emparelhado com um resistor pull-down. Os resistores pull-down estão aqui para ajudar a garantir que o Arduino lerá um valor constante do pino. Se você não emparelhar nossos botões / chave com um resistor, o valor que o Arduino lê do pino correspondente flutuaria entre 0 e 1. Nesse caso, os botões / chave não funcionarão conforme o esperado. Como estamos usando resistores pull-down, os resistores serão conectados entre o pino digital correspondente e o terra, então os botões / chave serão ligados entre o pino de alimentação (+ 5V) e o pino digital no Arduino Nano. Quando o botão é pressionado, o Arduino lerá 1 do pino correspondente. Três resistores de 270 Ω são usados neste projeto.

Botões / interruptor

Neste projeto, implementamos conector (es) de botão de 3,5 mm na placa de ensaio para facilitar a substituição do botão. Um interruptor de dois pinos (para alternar o modo para destros / canhotos) é conectado diretamente na placa de ensaio, uma vez que a maioria dos usuários de cadeiras de rodas motorizadas não precisa interagir com o interruptor e o interruptor foi projetado para a pessoa que ajuda a instalar todo o mecanismo.

Seleção do motor

Obtivemos alguns suportes retráteis manualmente de diferentes cadeiras de rodas elétricas da The Boston Home Inc. A quantidade de força e torque necessários para retrair todas essas amostras foram testadas e calculadas. Depois de verificar as especificações do motor, um motor redutor CC foi escolhido para a montagem do suporte do joystick mostrado anteriormente como uma demonstração das instruções, uma vez que a montagem do suporte do joystick exigiu a maior parte do torque entre as 4 amostras que tínhamos. Você vai querer testar a quantidade de força e torque necessários para o braço do joystick + o peso do próprio conjunto do joystick para ter certeza de que ele se encaixará nas especificações.

Movendo a partir de cadeiras de rodas elétricas

A maioria das cadeiras de rodas elétricas são equipadas com uma fonte de alimentação de 24 V. Este produto de joystick retrátil automatizado requer uma entrada de 5V. Como o produto foi projetado para receber energia da fonte de alimentação da cadeira de rodas, nenhuma fonte de alimentação externa é necessária.

Usando uma porta USB

Um conversor buck DC-DC 24V-5V (um conversor buck é usado para reduzir a tensão). O módulo com uma porta USB pode ser encomendado online (o que usamos foi encomendado aqui). Conecte a entrada do conversor Buck à fonte de alimentação de 24 V (porta de alimentação para porta de alimentação e porta de aterramento para porta de aterramento), e a placa Arduino Nano pode então ser conectada ao módulo conversor de Buck por meio da porta USB.

Etapa 4: Parte Mecânica

Todas as medidas e dimensões foram feitas em referência ao braço de joystick específico que usamos para este projeto. Eles podem variar dependendo do braço e notaremos áreas importantes de variabilidade.

Manufatura

Existem três peças adicionais que precisam ser fabricadas para recriar a parte mecânica (veja as figuras). O braço externo do braço do joystick também requer modificações para conectar os componentes mecânicos à montagem do joystick.

1. Top Bracket
2. Suporte Inferior
3. Bloco do acoplador de torque
4. Braço Externo

Usando o estoque de alumínio em forma de L (colchetes superior e inferior), o estoque de barra quadrada de alumínio (bloco do acoplador de torque) e o braço do joystick existente (braço externo), siga os desenhos das peças e / ou arquivos 3D STL.

Fixação da chave limitadora Os fios devem ser soldados na chave limitadora antes da fixação. O posicionamento da chave limitadora é flexível, desde que a chave esteja fechada quando o braço estiver retraído e aberta quando o joystick estiver em sua posição normal. Consulte a etapa de montagem 8 e os arquivos "outer_arm" vinculados acima para obter detalhes.

Método de Montagem

Veja as figuras para cada etapa.

1. Fixe o motor ao suporte do motor alinhando os orifícios e aparafusando os 6 parafusos de cabeça chata M-3 (nem todos os 6 serão necessários para manter o motor no lugar, mas aparafuse o máximo possível para obter segurança máxima; certifique-se de usar os parafusos do comprimento correto de acordo com a espessura do suporte para evitar danos ao motor).
2. Alinhe a peça de acoplamento abaixo da barra externa e aparafuse no lugar com um parafuso de cabeça chata ½”# 8-32. Pode ser necessário perfurar e fazer um furo 8-32 no braço para conectar a peça de acoplamento ao braço. * Neste caso, o braço gira para fora no sentido anti-horário, de forma que a barra externa (da perspectiva do usuário da cadeira de rodas motorizada) fique à esquerda. Para usuários destros, isso será revertido.
3. Prenda o suporte superior ao braço retrátil com o parafuso M-6 (sem apertar).
4. Traga o braço retrátil para a posição estendida.
5. Fixe o subconjunto do suporte motor-motor ao braço retrátil inserindo o eixo do motor no orifício correspondente na peça de acoplamento. A parte do suporte deve se encaixar entre o braço e o suporte superior, alinhando os orifícios.
6. Use o parafuso ¼-20 e uma contraporca para prender os dois suportes juntos. Em seguida, aperte o parafuso M6 no suporte superior.
7. Certificando-se de que a montagem está na posição estendida, prenda o motor ao acoplamento com o (s) parafuso (s) de ajuste 10-32.
8. Parafuse a chave de limite com 2 parafusos # 2-56 (certifique-se de que a chave de limite esteja fechada na posição totalmente para fora - em nosso caso, o parafuso de ombro o pressiona para fechá-lo).

* Nota sobre a fixação dos parafusos de fixação: os parafusos de fixação devem fazer interface com o lado plano do eixo D. Para ajustar a direção do eixo, conecte o motor à fonte de alimentação até que o lado plano esteja na posição desejada. Alternativamente, configure o circuito conforme descrito em 4.1 Circuitos da parte elétrica abaixo e altere o tempo na linha 52 do código conforme indicado em 4.2 Código do Arduino da parte elétrica até que esteja na posição desejada. Lembre-se de alterá-lo novamente após a montagem!

Desmontagem

Siga o procedimento de montagem na direção inversa. Veja abaixo se o seu motor queima e precisa ser substituído.

Substituição do motor

1. Remova o parafuso de fixação que prende o eixo à peça de acoplamento.
2. Desaparafuse o fixador do suporte ¼-20 e a contraporca.
3. Puxe o subconjunto do suporte motor-motor para fora e desparafuse o motor para substituí-lo.
4. Fixe o novo motor ao suporte com parafusos.
5. Insira o novo eixo do motor no orifício da peça de acoplamento, encaixando o suporte no lugar (afrouxe o parafuso M6 superior se necessário).
6. Aparafuse o parafuso ¼-20 e a contraporca para apertar os suportes novamente (aperte o parafuso M6 superior se necessário).
7. Finalmente, fixe o eixo ao acoplamento com o parafuso de fixação.

Carcaça de eletrônicos

1. Coloque o circuito da placa de ensaio montado na parte elétrica na caixa do invólucro eletrônico, conforme mostrado na imagem.
2. Usando uma fresadora e / ou furadeira, crie slots e orifícios para os conectores (porta USB do Arduino, conector de botão e chave seletora).
3. Veja a figura acima para um exemplo. As posições dos slots e orifícios dependerão dos componentes e do circuito.

Etapa 5: parte elétrica

Circuitos

Esquemas

O esquema do circuito é mostrado na Figura 1 nesta seção e também está disponível no Github. Uma alimentação de 5 V será fornecida da cadeira de rodas elétrica para a placa Arduino Nano. A placa Arduino Nano é codificada para controlar o comportamento da chave e o movimento do motor DC. O projeto e a fiação do circuito são explicados na seção Hardware (hiperlink para a seção de hardware), se você estiver interessado.

Layout da placa de ensaio

Uma imagem da fiação da placa de ensaio de Fritzing ou do circuito é mostrada na Figura 2 nesta seção, e a imagem da placa de ensaio final é mostrada na Figura 3.

Código Arduino

O código usado para este produto é mostrado ao lado, e você pode baixá-lo aqui.

Para fazer o upload do código para o arduino, baixe o IDE do Arduino no computador. Use o código "Rhonda_v4_onebutton.ino" que você baixou.

Cada linha de código tem sua explicação linha por linha dentro do arquivo de código.

Faça upload do código para o Arduino por (a interface é mostrada aqui):

1. Conecte o Arduino ao computador usando o conector USB

2. Na guia Ferramentas na interface do Arduino:

   • Defina a placa para “Arduino Nano”
   • Defina a porta para a porta USB
3. Pressione o botão de upload (→)
4. Espere até que a interface indique "upload concluído".

A velocidade atual é definida no máximo 255 na linha 25 "analogWrite (motorPin, 255)" para girar o motor e no mínimo 0 na linha 36 "analogWrite (motorPin, 0)" para parar o motor. A faixa de velocidade pode ser definida entre 0 e 255 conforme o ajuste para a velocidade do motor.

O tempo de rotação atual é cronometrado para o suporte de joystick específico que escolhemos, mas você pode simplesmente modificar o código (linha 52) para alterar o tempo de rotação e se adaptar ao braço de joystick específico que você tem. O tempo está em microssegundos no Arduino. Por exemplo, se quisermos que o tempo de rotação seja de 5 segundos, você deve definir o tempo como “5000” no Arduino.

Etapa 6: Download das instruções passo a passo

Etapa 7: Solução de problemas (atualizado em 12/12/17)

1. O motor não está retraindo o braço.

   • Certifique-se de que o interruptor esteja na direção desejada
   • Verifique se os parafusos de fixação estão apertados
   • Verifique se há obstruções mecânicas
   • Verifique as conexões entre o motor e o circuito
   • Verifique as conexões do circuito (teste o circuito apenas com o motor, desconectado do conjunto)
   • Apoie o joystick com alguma força: se o braço agora retrair com o apoio, seu motor não é poderoso o suficiente! Verifique se o botão que você usou é funcional

2. O braço está se movendo muito ou não o suficiente.

   Altere o tempo no código do Arduino conforme descrito em Leia-me do código do Arduino

Etapa 8: Documentação de vídeo

Etapa 9: Referências

1. Aprenda e faça seu próprio driver de motor L293D barato (um guia completo para L293D) https://just4electronics.wordpress.com/2015/08/28/learn-make-your-own-cheap-l293d-motor-drivera- complete-guide-for-l293d /

Etapa 10: ATUALIZAÇÃO 14/05/18

• Novas barras de braço usinadas em aço (em comparação com o alumínio original) com uma altura maior para evitar a deflexão da viga devido ao carregamento
• Comutado para motor de torque mais alto (1497 oz-in)
• Código atualizado que não estava compilando
• Dispositivo revisado testado na cadeira de rodas do cliente