De automatische pildispenser - Ajarnpa

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:17

Wij zijn eerste Masterstudenten Elektromechanica aan de Brusselse Faculteit Ingenieurswetenschappen (kortweg "Bruface"). Dit is een initiatief van twee universiteiten in het centrum van Brussel: de Université Libre de Bruxelles (ULB) en de Vrije Universiteit Brussel (VUB).

Als onderdeel van het programma moesten we voor het vak Mechatronica een echt werkend mechatronisch systeem maken.

In theoretische cursussen leerden we hoe verschillende componenten gecombineerd moeten worden tot echte toepassingen. Daarna kregen we een introductie over de basisprincipes van een Arduino-microcontroller en het besturen van een mechatronica-systeem. Het doel van de cursus was om mechatronische systemen te kunnen ontwerpen, produceren en programmeren.

Dit moet allemaal in groep gebeuren. Onze groep was een internationaal team dat bestaat uit twee Chinese studenten, twee Belgische studenten en één Kameroenese student.

Allereerst willen we onze dank uitspreken voor de steun van Albert De Beir en professor Bram Vanderborght.

Als groep besloten we een maatschappelijk relevant probleem aan te pakken. Naarmate de vergrijzende bevolking een wereldwijd probleem wordt, wordt de werklast van zorgverleners en verpleegkundigen te groot. Naarmate mensen ouder worden, moeten ze vaak meer medicijnen en vitamines slikken. Met een automatische pillenautomaat is het voor verstrooide ouderen mogelijk om deze taak wat langer zelfstandig uit te voeren. Hierdoor kunnen zorgverleners en verpleegkundigen meer tijd besteden aan meer afhankelijke patiënten.

Het zou ook erg handig zijn voor iedereen die af en toe een beetje vergeetachtig is en zich niet herinnert zijn of haar pillen in te nemen.

Het mechatronische systeem zou dus een oplossing moeten bieden die de gebruiker eraan herinnert zijn of haar pillen in te nemen en ook de pillen afgeeft. Daarnaast geven we er de voorkeur aan dat de automatische pillendoos gebruiksvriendelijk is om het voor iedereen mogelijk te maken het te gebruiken: ongeacht hun leeftijd!

Stap 1: Materialen

Behuizing:

• Mdf: 4 mm dikte voor de binnenbehuizing
• Mdf: 3 en 6 mm dikte voor de buitenbehuizing

samenkomst

• Bouten en moeren (M2 en M3)
• Klein kogellager

Microcontroller:

Arduino UNO [Bestellink]

Elektronische onderdelen

• Blanco printplaat [Bestellink]
• Kleine servomotor 9g [Bestellink]
• Kleine DC-motor 5V [Bestellink]
• Transistor: BC 237 (NPN bipolaire transistor) [Bestellink]
• Diode 1N4001 (piek inverse spanning van 50V) [Bestellink]
• Passieve zoemer: Transducteur piëzo
• LCD1602

• Weerstanden:

  • 1x 270 ohm
  • 1x 330 ohm
  • 1x 470 ohm
  • 5 x 10k ohm
• infrarood zender:
• Infrarood detector

Stap 2: Binnenbehuizing

De binnenkast kan gezien worden als de doos die alle innerlijke mechanica en elektronica bevat. Het bestaat uit 5 platen van 4 mm MDF die met een laser in de juiste vormen zijn gesneden. Er is ook een optionele zesde plaat die men kan toevoegen. Dit optionele zesde stuk heeft een vierkante vorm en kan als deksel worden gebruikt. De 5 platen (de bodem en de vier zijkanten) zijn ontworpen in een puzzelvorm zodat ze perfect in elkaar passen. Hun montage kan worden versterkt met schroeven. De vlakken hebben al de gaten waar de andere delen in moeten passen of waar de bouten moeten worden geplaatst.

Stap 3: Binnenmechanisme

HET AFGIFTEMECHANISME

Mechanisme

Ons pillenuitgiftemechanisme is als volgt: de gebruiker legt de pillen in het opbergvak bovenaan de doos. Omdat de bodemplaat van dat compartiment schuin staat, glijden de pillen automatisch naar beneden in de eerste buis, waar ze zich opstapelen. Onder dit buisje zit een cilinder met een klein gaatje waar maar één pil perfect in past. Dit gaatje bevindt zich precies onder het buisje zodat de pillen erboven opstapelen, terwijl de eerste pil in het gat van de cilinder ligt. Wanneer een pil moet worden ingenomen, draait de cilinder (met een pil erin) 120 graden zodat de pil in de cilinder naar beneden valt in een tweede cilinder. In deze tweede cilinder zit een sensor die detecteert of er daadwerkelijk een pil uit de cilinder is gevallen. Dit dient als feedbacksysteem. Deze buis heeft een zijde die hoger uitsteekt dan de andere. Deze kant voorkomt namelijk dat de pil over de tweede tube valt en helpt zo te garanderen dat de pil in de tube valt en door de sensor wordt gedetecteerd. Onder dit buisje zit een schuifje zodat de druppelpil door het gaatje aan de voorkant van de binnendoos glijdt.

Dit hele mechanisme heeft verschillende onderdelen nodig:

• Lasergesneden onderdelen

  1. De onderste schuine plaat van het opbergvak.
  2. De schuine zijplaten van het opbergvak

• 3D-geprinte onderdelen

  1. De bovenste buis
  2. de cilinder
  3. de as
  4. De onderste buis (zie het onderste buis- en sensorcompartiment)
  5. De glijbaan

• overige onderdelen

  Rollager

Alle bestanden van onze onderdelen die nodig zijn om te lasersnijden of 3D printen vindt u hieronder.

Verschillende onderdelen en hun montage

DE OPBERGRUIMTEPLATEN

Het opbergvak bestaat uit drie platen die lasergesneden zijn. Deze platen kunnen worden geassembleerd en aan elkaar en de binnendoos worden verbonden omdat ze enkele gaten en kleine stukjes hebben die eruit springen. Zo passen ze allemaal als een puzzel in elkaar! De gaten en opvallende stukken zijn al toegevoegd aan de CAD-bestanden, men kan het met de laser uitsnijden.

BOVENSTE BUIS

De bovenbuis is slechts aan één zijde van de binnenbak aangesloten. Het is verbonden met behulp van een plaat die eraan is bevestigd (het is opgenomen in de CAD-tekening voor het 3D-printen).

CILINDER & ROLLAGER

De cilinder is verbonden met 2 zijden van de doos. Aan de ene kant is hij verbonden met de servomotor die de roterende beweging induceert wanneer een pil moet vallen. Aan de andere kant is het

HET ONDERSTE BUIS EN SENSOR COMPARTIMENT

Sensing is een belangrijke handeling als het gaat om het verstrekken van pillen. We moeten op het juiste moment een bevestiging kunnen krijgen dat een toegewezen pil door de patiënt is ingenomen. Om deze functionaliteit te krijgen, is het belangrijk om rekening te houden met de verschillende ontwerpstappen.

De juiste detectiecomponenten kiezen:

Vanaf de set toen het project werd gevalideerd, moesten we zoeken naar een geschikt onderdeel dat de passage van een pil uit de doos bevestigt. Wetende dat sensoren voor deze actie nuttig kunnen zijn, was de grootste uitdaging om te weten welk type compatibel is met het ontwerp. Het eerste onderdeel dat we vonden was een foto-interuptor bestaande uit een IR-emitter en een IR-fototransistordiode. De 25/64'' slot PCB HS 810 foto-interuptor was een oplossing vanwege zijn compatibiliteit waardoor we het mogelijke probleem van hoekconfiguratie konden vermijden. We hebben besloten dit niet te gebruiken vanwege de geometrie, het zal moeilijk te integreren zijn met het mondstuk. Van een verwant project zagen we dat het mogelijk is om een IR-zender te gebruiken met een IR-detector met minder andere componenten als sensor. Deze IR-componenten waren in verschillende vormen te vinden.

3D-printen van het pillenmondje dat de sensor gaat

Omdat we het hoofdonderdeel konden uitzoeken dat als sensor moest worden gebruikt, was het tijd om te controleren hoe ze op het mondstuk zouden worden geplaatst. Het mondstuk heeft een binnendiameter van 10 mm voor de vrije doorgang van de pil uit de roterende cilinder. Door het gegevensblad van de sensorelementen realiseerden we ons dat het een bijkomend voordeel zal zijn om gaten rond het mondstukoppervlak te maken die overeenkomen met de afmeting van het onderdeel. Moeten deze gaten op een willekeurig punt langs het oppervlak worden geplaatst? nee, want om maximale detectie te bereiken, moet de hoekigheid worden geëvalueerd. Op basis van bovenstaande specificaties hebben we een prototype geprint en gecontroleerd op detecteerbaarheid.

Evaluatie van de mogelijke stralingshoek en detectiehoek

Uit het datablad van de sensorcomponenten blijkt dat de bundel en detectiehoek 20 graden zijn, dit betekent dat zowel het uitstralende licht als de detector een brede spanwijdte van 20 graden hebben. Hoewel dit fabrieksspecificaties zijn, is het nog steeds belangrijk om te testen en te bevestigen. Dit werd gedaan door simpelweg te spelen met de componenten die naast een LED een DC-bron introduceerden. De conclusie was om ze tegenover elkaar te plaatsen.

samenkomst

Aan het 3D-printontwerp van de buis is een plaat verbonden met 4 gaten. Deze gaten worden gebruikt om de buis met bouten aan de binnenbehuizing te bevestigen.

Stap 4: Elektronisch binnenmechanisme

Uitgiftemechanisme:

Het doseermechanisme wordt bereikt door een kleine servomotor te gebruiken voor de rotatie van de grote cilinder.

De aandrijfpin voor de 'Reely Micro-servo 9g' servomotor is rechtstreeks aangesloten op de microcontroller. De microcontroller Arduino Uno kan eenvoudig worden gebruikt voor de aansturing van de servomotor. Dit vanwege het bestaan van de ingebouwde bibliotheek voor servomotoracties. Met het 'schrijf'-commando kunnen bijvoorbeeld de gewenste hoeken van 0° en 120° worden bereikt. (Dit gebeurt in de projectcode met 'servo.write(0)' en 'servo.write(120)').

Vibrator:

Kleine borstelloze gelijkstroommotor met onbalans

Deze onbalans wordt bereikt met een stuk plastic dat de motoras verbindt met een kleine bout en moer.

De motor wordt aangedreven door een kleine transistor, dit wordt gedaan omdat de digitale pin geen hogere stromen dan 40,0 mA kan leveren. Door de stroom van de Vin-pin van de Arduino Uno-microcontroller te leveren, kan men stromen tot 200,0 mA bereiken. Dit is voldoende om de kleine DC-motor van stroom te voorzien.

Wanneer de motorvoeding abrupt wordt gestopt, krijgt u een stroompiek vanwege de zelfinductie van de motor. Er wordt dus een diode over de motoraansluitingen geplaatst om te voorkomen dat de stroom terugvloeit die de microcontroller kan beschadigen.

sensor systeem:

Met behulp van een infrarood-emitterdiode (LTE-4208) en een infrarooddetectordiode (LTR-320 8) aangesloten op de Arduino Uno-microcontroller om de doorgang van een pil te bevestigen. Als een pil eenmaal naar beneden valt, zou deze in korte tijd het licht van de infrarood-emitterdiode verduisteren. Met behulp van een analoge pin van de arduino zouden we deze informatie krijgen.

voor detectie:

analoog lezen (A0)

Stap 5: Buitenbehuizing

• Afmeting: 200 x 110 x 210 mm

• Materiaal:vezelplaat van gemiddelde dichtheid

  Dikte plaat: 3 mm 6 mm

• Verwerkingsmethode: lasersnijden;

Voor de buitenste behuizing hebben we verschillende soorten diktes gebruikt vanwege fouten bij het lasersnijden. We kiezen voor de 3 mm en 6 mm om ervoor te zorgen dat alle platen goed te combineren zijn.

Voor de grootte, rekening houdend met de ruimte voor de binnenbehuizing en elektronische apparaten, is de breedte en hoogte van de buitenbehuizing groter dan de binnenbehuizing. De lengte is veel langer om ruimte te maken voor de elektronische apparaten. Bovendien, om ervoor te zorgen dat de pillen gemakkelijk uit de doos kunnen vallen, hebben we de binnen- en buitendoos heel dicht bij elkaar gehouden.

Stap 6: buitenste elektronica

Voor externe elektronica moesten we onze robot laten communiceren met mensen. Om dit te bereiken hebben we gekozen voor een LCD, een zoemer, een LED en 5 knoppen als onze componenten. Dit onderdeel van de pillendoos fungeert als wekker. Als het niet het juiste moment is om pillen in te nemen, geeft het LCD-scherm alleen de tijd en datum weer. Wanneer de patiënt een pil moet nemen, gaat de LED branden, de zoemer speelt muziek en het LCD-scherm toont "Ik wens u gezondheid en geluk". We kunnen ook de onderkant van het scherm gebruiken om de tijd of datum te wijzigen.

LCD inschakelen

We gebruikten de LCD-1602 om rechtstreeks verbinding te maken met de microcontroller en gebruikten de functie: LiquidCrystal lcd om de LCD in te schakelen.

Zoemer

We kozen voor een passieve zoemer die geluiden van verschillende frequenties kan afspelen.

Om de zoemer de nummers "City of the Sky" en "Happy Acura" te laten spelen, hebben we vier arrays gedefinieerd. Twee daarvan worden "tune" genoemd, waarin de nootinformatie van de twee nummers wordt opgeslagen. De twee andere arrays werden "Duration" genoemd. Die arrays slaan het ritme op.

Vervolgens bouwen we een loop die muziek afspeelt, wat je kunt zien in de broncode.

timing

We schreven een reeks functies voor de seconde, minuut, uur, datum, maand, week en jaar.

We gebruikten de functie: millis() om de tijd te berekenen.

Met drie knoppen, 'select', 'plus' en 'minus', kan de tijd worden gewijzigd.

Zoals we allemaal weten, moeten we de pinnen van Arduino gebruiken als we een onderdeel willen besturen.

De pinnen die we gebruikten waren de volgende:

LCD: Pin 8, 13, 9, 4, 5, 6, 7

Bruzzer: Pin 10

Servomotor: Pin 11

Motor voor trillingen: Pin12

Sensor: A0

Knop1(s): A1

Knop2 (plus): A2

Knop3 (min): A3

Button4 (neem de pillen): A4

LED: A5

Stap 7: Totale montage

Eindelijk krijgen we de totale montage zoals de afbeelding hierboven. We hebben op sommige plaatsen lijm gebruikt om ervoor te zorgen dat het strak genoeg is. Op sommige plaatsen aan de binnenkant van de machine hebben we ook tape en schroeven gebruikt om hem sterk genoeg te maken. Het. STEP-bestand van onze CAD-tekeningen vindt u onderaan deze stap.

Stap 8: De code uploaden

Stap 9: Epiloog

De machine kan de gebruiker waarschuwen om het medicijn in te nemen en geeft de juiste hoeveelheid pillen af. Na een gesprek met een gekwalificeerde en ervaren apotheker zijn er echter enkele opmerkingen te maken. Een eerste probleem is de vervuiling van de pillen die gedurende lange tijd aan de lucht in de houder worden blootgesteld, waardoor de kwaliteit en werkzaamheid zullen afnemen. Normaal gesproken moeten pillen in een goed gesloten aluminium tablet zitten. Ook wanneer de gebruiker gedurende een bepaalde tijd pil A afgeeft en daarna pil B moet afgeven, is het vrij ingewikkeld om de machine schoon te maken om er zeker van te zijn dat er geen deeltjes van pil A zijn die pil B vervuilen.

Deze observaties geven een kritische kijk op de oplossing die deze machine levert. Er is dus meer onderzoek nodig om deze tekortkomingen tegen te gaan…

Stap 10: Referenties

[1]

[2] Wei Chih Wang. Optische detectoren. Afdeling Power Mechanical Engineering, National Tsing Hua University.