Développement d'un joystick rétractable motorisé : 10 étapes (avec photos)

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:07

Ce joystick rétractable motorisé est une solution économique pour les utilisateurs de fauteuils roulants électriques qui éprouvent des difficultés à utiliser les supports de joystick pivotants manuels. Il s'agit d'une itération de conception sur un précédent projet de joystick rétractable.

Le projet est composé de deux parties: une partie mécanique (conception du support, assemblage etc.) et une partie électrique (circuits, code Arduino etc.).

Le module de joystick rétractable motorisé peut être fabriqué et reproduit par n'importe qui en suivant les instructions fournies ici. Aucune connaissance préalable des circuits ou Arduino ou Solidworks n'est nécessaire. Très peu de soudure est impliquée dans ce projet, et les instructions de soudure peuvent être trouvées ici. L'accès aux opérations de base de perçage/usinage sera nécessaire. Des explications détaillées de la conception sont abordées dans la partie mécanique et la partie électrique.

Étape 1: Contenu

1. Contenu

2. Caractéristiques et fonctionnalités

   • Mécanisme de rétraction et d'extension motorisé
   • Mode gauche/droite
   • Modularité
   • Vitesse de rotation réglable

3. Préparation

   • Logiciel

     Arduino

   • Matériel

     • Résumé de toutes les pièces et outils nécessaires
     • Arduino Nano (Rév 3.0)
     • Puce de pilote de moteur: L293D
     • Résistances de tirage
     • Boutons et commutateurs
     • Sélection du moteur

   • Alimentation à partir de fauteuils roulants électriques

     Utilisation d'un port USB

4. Partie mécanique

   • Fabrication
   • Fixation de l'interrupteur de fin de course
   • Montage/Démontage
   • Remplacement du moteur
   • Boîtier électronique

5. Partie électrique

   • Circuits

     • Schémas
     • Mise en page de la planche à pain
   • Code Arduino

6. Instructions étape par étape

   Téléchargez le fichier PDF des instructions

7. Dépannage
8. Documentation vidéo
9. Les références

Étape 2: Caractéristiques et fonctionnalités

Mécanisme de rétraction et d'extension motorisé

Ce support de joystick rétractable motorisé permettra aux utilisateurs de fauteuils roulants électriques de rétracter ou d'étendre leur joystick automatiquement. Les utilisateurs ont la possibilité d'appuyer sur deux boutons (un pour la rétraction et un pour l'extension) ou sur un bouton (un seul bouton pour la rétraction et l'extension) en fonction de leurs préférences. L'emplacement des boutons est flexible et peut changer pour répondre aux différentes exigences des utilisateurs. Les boutons sont attachés au circuit via des prises de bouton universelles, de sorte que les boutons utilisés dans cette démo peuvent être remplacés par n'importe quel bouton universel.

Mode gauche/droite

Ce produit convient aussi bien aux gauchers qu'aux droitiers. Le technicien qui installe le système motorisé sur le fauteuil roulant électrique du client peut facilement changer de mode en basculant un interrupteur dans le boîtier électronique. Aucune modification ne doit être apportée au code.

Modularité

Le produit est à sécurité intégrée. Si le mécanisme automatisé est défaillant ou si le système est en cours de réparation, le mécanisme de basculement manuel ne sera pas affecté. Une description détaillée du processus simple de montage et de démontage est incluse plus loin dans les instructions.

Vitesse de rotation réglable

La vitesse de rotation du mécanisme automatisé peut être ajustée en modifiant le code Arduino (des instructions sont fournies dans les sections suivantes). Par mesure de sécurité, la vitesse de rotation ne doit pas être trop rapide, car le système ne peut pas détecter ce qui pourrait gêner, ce qui pourrait causer des blessures mineures.

Étape 3: Préparation

Logiciel

Dans ce projet, Arduino est utilisé, vous devrez donc avoir l'IDE Arduino installé sur votre ordinateur. Le lien pour télécharger l'application est ici. Le code Arduino utilisé pour ce produit est disponible dans une section ultérieure.

Matériel

Résumé de toutes les pièces et outils nécessaires

Le tableau suivant contient toutes les pièces et outils nécessaires pour ce projet.

Arduino Nano (Rév 3.0)

Arduino Nano (Rev 3.0) est utilisé dans ce produit. Cependant, vous pouvez remplacer cette carte par d'autres cartes Arduino contenant des broches PWM. Des broches PWM sont requises dans ce projet, car nous utiliserons Arduino (image) pour contrôler une puce de pilote de moteur (L293D), et la puce doit être contrôlée par des entrées PWM. Les broches PWM de l'Arduino Nano (Rev 3.0) comprennent: la broche D3 (broche 6), la broche D5 (broche 8), la broche D6 (broche 9), la broche D9 (broche 12), la broche D10 (broche 13), la broche D11 (broche 14). Si vous êtes intéressé par plus de détails sur Arduino Nano, sa disposition des broches et les schémas peuvent être référencés ici.

Puce de pilote de moteur: L293D

L293D est une puissante puce de commande de moteur à courant continu qui permet au moteur à courant continu de tourner à la fois dans le sens des aiguilles d'une montre et dans le sens inverse des aiguilles d'une montre.

Les broches utilisées dans ce projet comprennent: Enable1, 2 broches (Broche 1), Entrée 1 (Broche 2), Sortie 1 (Broche 3), GND (Broche 4), Sortie 2 (Broche 6), Entrée 2 (Broche 7), Vcc 1 (broche 8), Vcc 2 (broche 16).

• Enable1, 2 pin (Pin 1): contrôle la vitesse du moteur
• Entrée 1 (broche 2): contrôle la direction du moteur
• Sortie 1 (broche 3): connectez-vous au moteur, la polarité n'a pas d'importance
• GND (broche 4): connectez-vous à la terre
• Sortie 2 (broche 6): connectez-vous au moteur, la polarité n'a pas d'importance
• Entrée 2 (broche 7): contrôle la direction du moteur
• Vcc 1 (broche 8): alimente le circuit interne de la puce, se connecte à 5 V
• Vcc 2 (broche 16): alimente le moteur à courant continu, varie selon les besoins du moteur. Le moteur utilisé pour ce projet peut être alimenté en 5 V.

Si vous êtes intéressé par plus de détails sur le L293D, sa fiche technique est accessible ici et ici.

Résistances de tirage

Chaque bouton/interrupteur est associé à une résistance pull-down. Les résistances pull-down sont là pour aider à s'assurer que l'Arduino lira une valeur constante à partir de la broche. Si vous n'associez pas nos boutons/interrupteur à une résistance, la valeur qu'Arduino lit à partir de la broche correspondante flotterait entre 0 et 1. Dans ce cas, les boutons/interrupteur ne fonctionneront pas comme prévu. Puisque nous utilisons des résistances pull-down, les résistances seront câblées entre la broche numérique correspondante et la terre, donc les boutons/interrupteur seront câblés entre la broche d'alimentation (+5V) et la broche numérique sur l'Arduino Nano. Lorsque le bouton est enfoncé, l'Arduino lira 1 à partir de la broche correspondante. Trois résistances de 270 Ω sont utilisées dans ce projet.

Boutons/Interrupteur

Dans ce projet, nous implémentons une ou plusieurs prises jack 3,5 mm sur la planche à pain pour un remplacement facile des boutons. Un interrupteur à deux broches (pour basculer en mode gaucher/droitier) est câblé directement sur la maquette, car la plupart des utilisateurs de fauteuils roulants électriques n'auront pas besoin d'interagir avec l'interrupteur et l'interrupteur est conçu pour la personne qui aide à installer l'ensemble du mécanisme.

Sélection du moteur

Nous avons obtenu des supports de support rétractables manuellement de différents fauteuils roulants électriques de The Boston Home Inc. La force et le couple nécessaires pour rétracter tous ces échantillons ont été testés et calculés. Après avoir vérifié les spécifications du moteur, un motoréducteur à courant continu a été choisi pour le support de joystick illustré ci-dessus à titre de démonstration pour les instructions, car ce support de joystick nécessitait le plus de couple parmi les 4 échantillons que nous avions. Vous voudrez tester la force et le couple nécessaires pour votre bras de joystick + le poids de l'ensemble de joystick lui-même pour vous assurer qu'il s'adaptera aux spécifications.

Alimentation à partir de fauteuils roulants électriques

La plupart des fauteuils roulants électriques sont équipés d'une alimentation 24V. Ce produit de joystick rétractable automatisé nécessite une entrée 5V. Étant donné que le produit est conçu pour être alimenté par l'alimentation électrique du fauteuil roulant, aucune alimentation électrique externe n'est nécessaire.

Utilisation d'un port USB

Un module convertisseur buck DC-DC 24V-to-5V (un convertisseur buck est utilisé pour abaisser la tension.) avec un port USB peut être commandé en ligne (celui que nous avons utilisé a été commandé ici). Connectez l'entrée du convertisseur buck à l'alimentation 24 V (port d'alimentation au port d'alimentation et port de terre au port de terre), et la carte Arduino Nano peut ensuite être connectée au module convertisseur buck via le port USB.

Étape 4: partie mécanique

Toutes les mesures et dimensions ont été faites en référence au bras de manette spécifique que nous avons utilisé pour ce projet. Celles-ci peuvent varier en fonction du bras et nous noterons des zones de variabilité importantes.

Fabrication

Il y a trois pièces supplémentaires qui doivent être fabriquées pour recréer la pièce mécanique (Voir les figures). Le bras extérieur du bras de la manette nécessite également une modification pour fixer les composants mécaniques au support de la manette.

1. Support supérieur
2. Support inférieur
3. Bloc de coupleur de couple
4. Bras extérieur

À l'aide de la crosse angulaire en L en aluminium (supports supérieur et inférieur), de la crosse carrée en aluminium (bloc de coupleur) et du bras de manette existant (bras extérieur), suivez les dessins de pièces et/ou les fichiers STL 3D.

Les fils de fixation de l'interrupteur de fin de course doivent être soudés sur l'interrupteur de fin de course avant la fixation. Le positionnement de l'interrupteur de fin de course est flexible tant que l'interrupteur est fermé lorsque le bras est rétracté et ouvert lorsque le joystick est dans sa position normale. Voir l'étape 8 de l'assemblage et les fichiers "outer_arm" liés ci-dessus pour plus de détails.

Méthode d'assemblage

Voir les figures pour chaque étape.

1. Fixez le moteur au support du moteur en alignant les trous et en vissant 6 vis à tête plate M-3 (les 6 vis ne seront pas toutes nécessaires pour maintenir le moteur en place, mais vissez-en autant que possible pour une sécurité maximale; assurez-vous d'utiliser les vis du longueur correcte en fonction de l'épaisseur du support afin d'éviter d'endommager le moteur).
2. Alignez la pièce d'accouplement sous la barre extérieure et vissez en place avec une vis à tête plate #8-32 de ½". Vous devrez peut-être percer et tarauder un trou 8-32 dans le bras afin de connecter la pièce d'accouplement au bras. *Dans ce cas, le bras pivote dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, de sorte que la barre extérieure (du point de vue de l'utilisateur de fauteuil roulant électrique) se trouve sur la gauche. Pour les droitiers, cela sera inversé.
3. Fixez le support supérieur au bras rétractable avec la vis M-6 (sans serrer).
4. Amener le bras rétractable en position étendue.
5. Fixez le sous-ensemble support moteur-moteur au bras rétractable en insérant l'arbre moteur dans le trou correspondant sur la pièce d'accouplement. La partie du support doit s'insérer entre le bras et le support supérieur, en alignant les trous.
6. Utilisez la vis ¼-20 et un contre-écrou pour fixer les deux supports ensemble. Ensuite, serrez la vis M6 sur le support supérieur.
7. Assurez-vous que le support est en position étendue, fixez le moteur à l'accouplement avec la/les vis de réglage 10-32.
8. Vissez l'interrupteur de fin de course avec 2 vis #2-56 (assurez-vous que l'interrupteur de fin de course sera fermé dans la position complètement vers l'extérieur - dans notre cas, le boulon à épaulement le ferme).

*Remarque sur la fixation des vis de réglage: les vis de réglage doivent s'interfacer avec le côté plat de l'arbre en D. Afin d'ajuster la direction de l'arbre, fixez le moteur à l'alimentation jusqu'à ce que le côté plat soit dans la position souhaitée. Vous pouvez également configurer le circuit comme indiqué dans 4.1 Circuits de pièces électriques ci-dessous et modifier la synchronisation à la ligne 52 du code comme indiqué dans 4.2 Code Arduino des pièces électriques jusqu'à ce qu'il soit dans la position souhaitée. N'oubliez pas de le changer après l'assemblage !

Démontage

Suivez la procédure de montage dans le sens inverse. Voir ci-dessous si votre moteur grille et doit être remplacé.

Remplacement du moteur

1. Retirez la vis de réglage qui maintient l'arbre à la pièce d'accouplement.
2. Dévisser la fixation du support ¼-20 et le contre-écrou.
3. Retirez le sous-ensemble de support moteur-moteur et dévissez le moteur pour le remplacer.
4. Fixez le nouveau moteur au support avec des vis.
5. Insérez le nouvel arbre moteur dans le trou de la pièce d'accouplement, en insérant le support en place (desserrez la vis M6 supérieure si nécessaire).
6. Vissez la vis ¼-20 et le contre-écrou pour fixer à nouveau les supports (serrez la vis M6 supérieure si nécessaire).
7. Enfin, fixez l'arbre à l'accouplement avec la vis de réglage.

Boîtier électronique

1. Placez le circuit de la maquette assemblé dans la partie électrique dans le boîtier du boîtier électronique, comme indiqué sur l'image.
2. À l'aide d'une fraise et/ou d'une perceuse, créez des fentes et des trous pour les connecteurs (port USB Arduino, prise bouton et interrupteur à bascule).
3. Voir la figure ci-dessus pour un exemple. Les positions des fentes et des trous dépendront de vos composants et de votre circuit.

Étape 5: partie électrique

Circuits

Schémas

Le schéma du circuit est illustré à la figure 1 de cette section, et il est également disponible sur Github. Une alimentation 5V sera fournie du fauteuil roulant électrique à la carte Arduino Nano. La carte Arduino Nano est codée de manière à contrôler le comportement du commutateur et le mouvement du moteur à courant continu. La conception et le câblage du circuit sont expliqués dans la section Matériel (lien hypertexte vers la section matériel), si vous êtes intéressé.

Mise en page de la planche à pain

Une image de câblage de la maquette de Fritzing ou du circuit est illustrée à la figure 2 de cette section, et l'image de la planche à pain finale est illustrée à la figure 3.

Code Arduino

Le code utilisé pour ce produit est indiqué sur le côté, et vous pouvez le télécharger ici.

Pour télécharger le code sur l'arduino, téléchargez l'IDE Arduino sur l'ordinateur. Utilisez le code "Rhonda_v4_onebutton.ino" que vous avez téléchargé.

Chaque ligne de code a son explication ligne par ligne dans le fichier de code.

Téléchargez le code sur l'Arduino par (l'interface est affichée ici):

1. Connectez l'Arduino à l'ordinateur à l'aide du connecteur USB

2. Dans l'onglet Outils de l'interface Arduino:

   • Réglez la carte sur "Arduino Nano"
   • Réglez le port sur le port USB
3. Appuyez sur le bouton de téléchargement (→)
4. Attendez que l'interface indique « téléchargement terminé ».

La vitesse actuelle est réglée au maximum 255 à la ligne 25 "analogWrite(motorPin, 255)" pour faire tourner le moteur, et au minimum 0 à la ligne 36 "analogWrite(motorPin, 0)" pour arrêter le moteur. La plage de vitesse peut être réglée entre 0 et 255 selon les besoins de la vitesse du moteur.

Le temps de rotation actuel est chronométré pour le support de joystick spécifique que nous avons choisi, mais vous pouvez simplement modifier le code (ligne 52) pour changer le temps de rotation et l'adapter au bras de joystick spécifique que vous avez. Le temps est en microsecondes dans Arduino. Par exemple, si nous voulons que le temps de rotation soit de 5 secondes, vous devez régler le temps sur « 5000 » dans Arduino.

Étape 6: Téléchargement des instructions étape par étape

Étape 7: Dépannage (mis à jour le 12/12/17)

1. Le moteur ne rétracte pas le bras.

   • Assurez-vous que l'interrupteur est réglé dans la direction souhaitée
   • Vérifiez que les vis de réglage sont serrées
   • Vérifiez s'il y a des bourrages mécaniques
   • Vérifier les connexions entre le moteur et le circuit
   • Vérifiez les connexions du circuit (circuit de test avec juste le moteur, non attaché à l'assemblage)
   • Soutenez le joystick avec un peu de force: si le bras se rétracte maintenant avec l'appui, votre moteur n'est pas assez puissant ! Vérifiez si le bouton que vous avez utilisé est fonctionnel

2. Le bras se déplace trop ou pas assez.

   Modifiez la synchronisation dans le code Arduino comme indiqué dans le code Arduino Lisez-moi

Étape 8: Documentation vidéo

Étape 9: Références

1. Apprenez et créez votre propre pilote de moteur L293D bon marché (Guide complet pour L293D) https://just4electronics.wordpress.com/2015/08/28/learn-make-your-own-cheap-l293d-motor-drivera- guide-complet-pour-l293d/

Étape 10: MISE À JOUR 2018-05-14

• Nouvelles barres de bras usinées en acier (par rapport à l'aluminium d'origine) avec une plus grande hauteur pour empêcher la déviation du faisceau de se charger
• Passé au moteur à couple plus élevé (1497 oz-in)
• Code mis à jour qui ne se compilait pas
• Appareil révisé testé sur le fauteuil roulant du client