Desarrollo de un joystick retráctil motorizado: 10 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:42

Este joystick retráctil motorizado es una solución de bajo costo para los usuarios de sillas de ruedas eléctricas que experimentan dificultades para usar los soportes de joystick abatibles manualmente. Es una iteración del diseño de un proyecto de joystick retráctil anterior.

El proyecto se compone de dos partes: una parte mecánica (diseño de montaje, montaje, etc.) y una parte eléctrica (circuitos, código Arduino, etc.).

Cualquiera puede fabricar y reproducir el módulo de joystick retráctil motorizado siguiendo las instrucciones que se proporcionan aquí. No se necesitan conocimientos previos sobre circuitos o Arduino o Solidworks. En este proyecto hay muy poca soldadura, y las instrucciones de soldadura se pueden encontrar aquí. Será necesario el acceso a operaciones básicas de taladrado / mecanizado. Las explicaciones detalladas del diseño se tratan en Parte mecánica y Parte eléctrica.

Paso 1: contenido

1. Contenido

2. Características y funcionalidad

   • Mecanismo motorizado de retracción y extensión
   • Modo de mano izquierda / derecha
   • Modularidad
   • Velocidad de rotación ajustable

3. Preparación

   • Software

     Arduino

   • Hardware

     • Resumen de todas las piezas y herramientas necesarias
     • Arduino Nano (Rev 3.0)
     • Chip de controlador de motor: L293D
     • Resistencias desplegables
     • Botones e interruptores
     • Selección de motor

   • Alimentación desde sillas de ruedas eléctricas

     Usando un puerto USB

4. Parte mecánica
   • Fabricación
   • Accesorio de interruptor de límite
   • Montaje / Desmontaje
   • Reemplazo del motor
   • Carcasa de la electrónica
5. Parte eléctrica

   • Circuitos

     • Esquemas
     • Disposición de la placa de pruebas
   • Código Arduino

6. Instrucciones paso a paso

   Descarga el archivo PDF de Instrucciones

7. Solución de problemas
8. Documentación de video
9. Referencias

Paso 2: características y funcionalidad

Mecanismo motorizado de retracción y extensión

Este soporte de joystick retráctil motorizado permitirá a los usuarios de sillas de ruedas eléctricas retraer o extender su joystick automáticamente. Los usuarios tienen la opción de presionar dos botones (uno para retraer y otro para extender) o un botón (un solo botón para retraer y extender) según sus preferencias. La ubicación de los botones es flexible y puede cambiar para adaptarse a los diferentes requisitos de los usuarios. Los botones están conectados al circuito a través de tomas de botones universales, por lo que los botones utilizados en esta demostración se pueden reemplazar por cualquier botón universal.

Modo de mano izquierda / derecha

Este producto es adecuado para usuarios diestros y zurdos. El técnico que instala el sistema motorizado en la silla de ruedas eléctrica del cliente puede cambiar fácilmente el modo activando un interruptor en la caja de la electrónica. No es necesario realizar modificaciones en el código.

Modularidad

El producto es a prueba de fallas. Si el mecanismo automatizado falla o si el sistema está siendo reparado, el mecanismo de apertura manual no se verá afectado. Más adelante en las instrucciones se incluye una descripción detallada del proceso simple de montaje y desmontaje.

Velocidad de rotación ajustable

La velocidad de rotación del mecanismo automatizado se puede ajustar modificando el código Arduino (las instrucciones se proporcionan en secciones posteriores). Como precaución de seguridad, la velocidad de rotación no debe ser demasiado rápida, ya que el sistema no puede detectar lo que podría estar en el camino, lo que podría causar lesiones menores.

Paso 3: preparación

Software

En este proyecto, se utiliza Arduino, por lo que deberá tener el IDE de Arduino instalado en su computadora. El enlace para descargar la aplicación está aquí. El código Arduino utilizado para este producto está disponible en una sección posterior.

Hardware

Resumen de todas las piezas y herramientas necesarias

La siguiente tabla contiene todas las piezas y herramientas necesarias para este proyecto.

Arduino Nano (Rev 3.0)

En este producto se utiliza Arduino Nano (Rev 3.0). Sin embargo, puede reemplazar esta placa con otras placas Arduino que contengan pines PWM. Se requieren pines PWM en este proyecto, ya que usaremos Arduino (imagen) para controlar un chip controlador de motor (L293D), y el chip debe ser controlado por entradas PWM. Los pines PWM de Arduino Nano (Rev 3.0) incluyen: pin D3 (pin 6), pin D5 (pin 8), pin D6 (pin 9), pin D9 (pin 12), pin D10 (pin 13), pin D11 (Pin 14). Si está interesado en obtener más detalles sobre Arduino Nano, puede consultar el diseño de sus pines y los esquemas aquí.

Chip de controlador de motor: L293D

L293D es un potente chip controlador de motor de CC que permite que el motor de CC gire tanto en el sentido de las agujas del reloj como en el sentido contrario a las agujas del reloj.

Los pines que se utilizan en este proyecto incluyen: Enable1, 2 pines (Pin 1), Entrada 1 (Pin 2), Salida 1 (Pin 3), GND (Pin 4), Salida 2 (Pin 6), Entrada 2 (Pin 7), Vcc 1 (patilla 8), Vcc 2 (patilla 16).

• Enable1, 2 pin (Pin 1): controla la velocidad del motor
• Entrada 1 (Pin 2): controla la dirección del motor
• Salida 1 (Pin 3): conectar al motor, la polaridad no importa
• GND (pin 4): conectar a tierra
• Salida 2 (Pin 6): conectar al motor, la polaridad no importa
• Entrada 2 (Pin 7): controla la dirección del motor
• Vcc 1 (Pin 8): alimenta el circuito interno del chip, conecta a 5 V
• Vcc 2 (Pin 16): alimenta el motor de CC, varía según los requisitos del motor. El motor utilizado para este proyecto se puede alimentar a 5 V.

Si está interesado en obtener más detalles sobre el L293D, puede acceder a su hoja de datos aquí y aquí.

Resistencias desplegables

Cada botón / interruptor está emparejado con una resistencia desplegable. Las resistencias desplegables están aquí para ayudar a asegurarse de que Arduino lea un valor constante del pin. Si no empareja nuestros botones / interruptor con una resistencia, el valor que Arduino lee del pin correspondiente flotaría entre 0 y 1. En este caso, los botones / interruptor no funcionarán como se esperaba. Como estamos usando resistencias desplegables, las resistencias se conectarán entre el pin digital correspondiente y el suelo, por lo que los botones / interruptor se conectarán entre el pin de alimentación (+ 5V) y el pin digital en el Arduino Nano. Cuando se presiona el botón, el Arduino leerá 1 en el pin correspondiente. En este proyecto se utilizan tres resistencias de 270 Ω.

Botones / Interruptor

En este proyecto, implementamos conectores de botón de 3,5 mm en la placa de pruebas para facilitar el reemplazo de los botones. Un interruptor de dos clavijas (para cambiar el modo zurdo / diestro) está conectado directamente en la placa de pruebas, ya que la mayoría de los usuarios de sillas de ruedas eléctricas no necesitarán interactuar con el interruptor y el interruptor está diseñado para la persona que ayuda a instalar todo el mecanismo.

Selección de motor

Obtuvimos algunos montajes de soporte retráctiles manualmente de diferentes sillas de ruedas eléctricas de The Boston Home Inc. Se probó y calculó la cantidad de fuerza y torque necesarios para retraer todas estas muestras. Después de verificar las especificaciones del motor, se eligió un motorreductor de CC para el soporte del joystick que se muestra antes como una demostración de las instrucciones, ya que ese soporte del joystick requería la mayor torsión entre las 4 muestras que teníamos. Deberá probar la cantidad de fuerza y torsión necesarios para el brazo de la palanca de mando + el peso del conjunto de la palanca de mando para asegurarse de que se ajusta a las especificaciones.

Alimentación desde sillas de ruedas eléctricas

La mayoría de las sillas de ruedas eléctricas están equipadas con una fuente de alimentación de 24 V. Este producto de joystick retráctil automatizado requiere una entrada de 5V. Dado que el producto está diseñado para recibir energía de la fuente de alimentación de la silla de ruedas, no se necesita una fuente de alimentación externa.

Usando un puerto USB

Un módulo convertidor reductor CC-CC de 24 V a 5 V (se utiliza un convertidor reductor para reducir el voltaje) con un puerto USB se puede pedir en línea (el que usamos se solicitó desde aquí). Conecte la entrada del convertidor buck a la fuente de alimentación de 24 V (puerto de alimentación al puerto de alimentación y puerto de tierra al puerto de tierra), y la placa Arduino Nano se puede conectar al módulo convertidor buck a través del puerto USB.

Paso 4: parte mecánica

Todas las medidas y dimensiones se hicieron en referencia al brazo de joystick específico que usamos para este proyecto. Estos pueden variar según el brazo y notaremos importantes áreas de variabilidad.

Fabricación

Hay tres piezas adicionales que deben fabricarse para recrear la pieza mecánica (ver figuras). El brazo exterior del brazo de la palanca de mando también requiere modificaciones para conectar los componentes mecánicos al soporte de la palanca de mando.

1. Soporte superior
2. Pedalier
3. Bloque de acoplador de par
4. Brazo exterior

Utilizando la culata de aluminio en ángulo en forma de L (soportes superior e inferior), la culata de aluminio de la barra cuadrada (bloque del acoplador de torsión) y el brazo de la palanca de mando existente (brazo exterior), siga los dibujos de las piezas y / o los archivos 3D STL.

Accesorio del interruptor de límite Los cables deben soldarse al interruptor de límite antes de colocarlos. La posición del interruptor de límite es flexible siempre que el interruptor esté cerrado cuando el brazo está retraído y abierto cuando el joystick esté en su posición normal. Consulte el Paso de ensamblaje 8 y los archivos "outer_arm" vinculados anteriormente para obtener más detalles.

Método de montaje

Consulte las figuras de cada paso.

1. Conecte el motor al soporte del motor alineando los orificios y atornillando 6 tornillos de cabeza plana M-3 (no se necesitarán los 6 para mantener el motor en su lugar, pero atornille tantos como sea posible para una máxima seguridad; asegúrese de usar tornillos del longitud correcta de acuerdo con el grosor del soporte para evitar daños en el motor).
2. Alinee la pieza de acoplamiento debajo de la barra exterior y atorníllela en su lugar con un tornillo de cabeza plana de ½”# 8-32. Es posible que deba taladrar y roscar un orificio 8-32 en el brazo para conectar la pieza de acoplamiento al brazo. * En este caso, el brazo se balancea hacia la izquierda, por lo que la barra exterior (desde la perspectiva del usuario de la silla de ruedas eléctrica) está a la izquierda. Para los usuarios diestros, esto se invertirá.
3. Fije el soporte superior al brazo retráctil con el tornillo M-6 (sin apretar).
4. Lleve el brazo retráctil a la posición extendida.
5. Conecte el subconjunto del soporte del motor-motor al brazo retráctil insertando el eje del motor en el orificio correspondiente en la pieza de acoplamiento. La parte del soporte debe encajar entre el brazo y el soporte superior, alineando los orificios.
6. Utilice el tornillo de ¼-20 y una contratuerca para unir los dos soportes. Luego, apriete el tornillo M6 en el soporte superior.
7. Asegurándose de que el soporte esté en la posición extendida, asegure el motor al acoplamiento con los tornillos de fijación 10-32.
8. Atornille el interruptor de límite con 2 tornillos # 2-56 (asegúrese de que el interruptor de límite esté cerrado en la posición completamente hacia afuera; en nuestro caso, el perno de hombro lo presiona para cerrarlo).

* Nota sobre la instalación de los tornillos de fijación: los tornillos de fijación deben interactuar con el lado plano del eje D. Para ajustar la dirección del eje, conecte el motor a la fuente de alimentación hasta que el lado plano esté en la posición deseada. Alternativamente, configure el circuito como se describe en 4.1 Circuitos de partes eléctricas a continuación y cambie la sincronización en la línea 52 del código como se indica en 4.2 Código Arduino de partes eléctricas hasta que esté en la posición deseada. ¡Recuerde volver a cambiarlo después del montaje!

Desmontaje

Siga el procedimiento de montaje en sentido inverso. Vea a continuación si su motor se quema y necesita ser reemplazado.

Reemplazo del motor

1. Retire el tornillo de fijación que sujeta el eje a la pieza de acoplamiento.
2. Desatornille el sujetador del soporte de ¼-20 y la contratuerca.
3. Extraiga el subconjunto del soporte del motor-motor y desatornille el motor para reemplazarlo.
4. Fije el motor nuevo al soporte con tornillos.
5. Inserte el nuevo eje del motor en el orificio de la pieza de acoplamiento, colocando el soporte en su lugar (afloje el tornillo superior M6 si es necesario).
6. Atornille el tornillo de ¼-20 y la contratuerca para volver a sujetar los soportes (apriete el tornillo M6 superior si es necesario).
7. Finalmente, asegure el eje al acoplamiento con el tornillo de fijación.

Carcasa de la electrónica

1. Coloque el circuito de la placa de pruebas ensamblado en la pieza eléctrica en la caja de la carcasa de la electrónica como se muestra en la imagen.
2. Con un molino y / o un taladro, cree ranuras y orificios para los conectores (puerto USB Arduino, conector de botón e interruptor de palanca).
3. Consulte la figura anterior para ver un ejemplo. Las posiciones de las ranuras y los orificios dependerán de sus componentes y circuito.

Paso 5: parte eléctrica

Circuitos

Esquemas

Los esquemas del circuito se muestran en la Figura 1 en esta sección, y también está disponible en Github. Se suministrará una potencia de 5 V desde la silla de ruedas eléctrica a la placa Arduino Nano. La placa Arduino Nano está codificada para que controle el comportamiento del interruptor y el movimiento del motor de CC. El diseño y el cableado del circuito se explica en la sección de Hardware (hipervínculo a la sección de hardware), si está interesado.

Disposición de la placa de pruebas

Una imagen del cableado de la placa de pruebas de Fritzing o del circuito se muestra en la Figura 2 en esta sección, y la imagen de la placa final se muestra en la Figura 3.

Código Arduino

El código utilizado para este producto se muestra en el lateral y puede descargarlo aquí.

Para cargar el código en el arduino, descargue el IDE de Arduino en la computadora. Utilice el código "Rhonda_v4_onebutton.ino" que ha descargado.

Cada línea de código tiene su explicación línea por línea dentro del archivo de código.

Sube el código al Arduino por (la interfaz se muestra aquí):

1. Conecte el Arduino a la computadora usando el conector USB

2. Desde la pestaña Herramientas en la interfaz Arduino:

   • Configure la placa en "Arduino Nano"
   • Configure el puerto en el puerto USB
3. Presione el botón de carga (→)
4. Espere hasta que la interfaz lea "carga completada".

La velocidad actual se establece en el máximo 255 en la línea 25 "analogWrite (motorPin, 255)" para hacer girar el motor, y mínimo 0 en la línea 36 "analogWrite (motorPin, 0)" para detener el motor. El rango de velocidad se puede establecer entre 0 y 255 como mejor se ajuste a la velocidad del motor.

El tiempo de rotación actual está cronometrado para el soporte del joystick específico que elegimos, pero simplemente puede modificar el código (línea 52) para cambiar el tiempo de rotación y adaptarse al brazo de joystick específico que tiene. El tiempo está en microsegundos en Arduino. Por ejemplo, si queremos que el tiempo de rotación sea de 5 segundos, entonces debe configurar el tiempo en “5000” en Arduino.

Paso 6: Descarga de instrucciones paso a paso

Paso 7: Solución de problemas (actualizado el 12/12/17)

1. El motor no retrae el brazo.

   • Asegúrese de que el interruptor esté en la dirección deseada
   • Verifique para asegurarse de que los tornillos de fijación estén apretados
   • Compruebe si hay atascos mecánicos
   • Verifique las conexiones entre el motor y el circuito.
   • Verifique las conexiones del circuito (pruebe el circuito con solo el motor, sin conectar al ensamblaje)
   • Apoye el joystick con algo de fuerza: si el brazo ahora se retrae con apoyo, ¡su motor no es lo suficientemente potente! Comprueba si el botón que usaste funciona

2. El brazo se mueve demasiado o no lo suficiente.

   Cambie la sincronización en el código Arduino como se describe en Léame del código Arduino

Paso 8: documentación de video

Paso 9: referencias

1. Aprenda y fabrique su propio controlador de motor L293D económico (una guía completa para L293D) https://just4electronics.wordpress.com/2015/08/28/learn-make-your-own-cheap-l293d-motor-drivera- guía-completa-para-l293d /

Paso 10: ACTUALIZAR 14/05/18

• Barras de brazo nuevas mecanizadas en acero (en comparación con el aluminio original) con una altura mayor para evitar la deflexión de la viga durante la carga
• Cambiado a motor de mayor torque (1497 oz-in)
• Código actualizado que no se estaba compilando
• Dispositivo revisado probado en la silla de ruedas del cliente