Projets:Appui-tete electrique

Appui-tete electrique
Informations
Description	Appui-tête motorisé, permettant de soutenir et faire pivoter la tête d’une personne qui a une insuffisance musculaire au niveau du cou.
Catégorie	Motricité
Etat d'avancement	Réalisés
Techniques
Durée de fabrication	de 16 à 32 h
Coût matériel	De 100 à 200 euros
Niveau	Difficile
Licence	by-sa
Date de création	2017-04-25
Équipe
Porteur de projet	Mathilde
Contributeurs	Ylc, Philippe Pacotte, Stéphane Godin, Elektron, André, Danke
Fabmanager	Delphine
Référent documentation	Delphine
Nom humanlab	Humanlab_MHK
Documentation
Statut de la documentation	Complète
Relecture de la documentation	Vérifiée

Description du projet

Créer un support à bas-coût permettant de soutenir et faire pivoter la tête d’une personne dont l’insuffisance musculaire au niveau du cou ne lui permet ni un soutien ni une rotation naturelle de gauche à droite (la rotation n’étant pas impossible articulairement mais uniquement musculairement). Mathilde ne souhaite pas un énième bouton de télécommande pour le contrôle de cette fonctionnalité car elle en a déjà beaucoup et ne peut pas toujours y accéder selon les circonstances.

Cahier des charges

Le dispositif doit :

• supporter le poids de la tête,
• permettre une rotation de 30° à gauche, 30° à droite,
• être piloté électroniquement à la demande,
• supporter un usage quotidien en toutes conditions (vibrations, humidité, chaleur,...)
• être suffisamment hermétique pour ne pas que les cheveux se prennent dans le mécanisme
• être résistant aux intempéries
• prendre en compte le fait que Mathilde va être équipée d'un nouveau fauteuil

Analyse de l'existant

Cette solution existe seulement en non électrifiée dans le commerce.

La solution suivante a été testée et convient à Mathilde, excepté le manque d'aide électrique. http://www.medifab.co.nz/products/wheelchair-seating/axion-rotary-interface-wheelchair-headrests

Exemple d'interface rotative du commerce : https://media.wix.com/ugd/3c5a2b_070f4373519443e69189391e8c695b87.pdf

Détails sur le mécanisme de roulements http://ot-sieber.ch/wp-content/uploads/2016/03/DSC_0052_3-180x180.jpg

Equipe (Porteur de projet et contributeurs)

• Porteurs du projet :

Mathilde Fuchs

• Concepteurs/contributeurs :

Philippe Pacotte, Stéphane Godin, André Bécot, Jean-Pierre Legrand, Yves Le Chevalier, Christian Fromentin, Danke, Francis Esnault, Jean-François Duguest, Brice Besançon, Yohann Véron,

• Animateur (coordinateur du projet)

Delphine Bézier

• Fabmanager référent

Delphine Bézier

• Responsable de documentation

Matériel nécessaire

#	Composant	Quantité
1	Arduino-NANO	1
2	resistance-1K	4
3	micro-switch	4
4	nema17-42SHD0228	1
5	veroboard	1
6	batterie-12V	2
7	carte-big-easy-driver	1
8	boitier-derivation-electrique	1
9	poulie-GT2-bore5-20dents	1
10	nema17	1
11	vis-M3-12	2
12	roulement-F624ZZ	4
13	rondelles	4
14	fil-de-cablage-monobrin-0.2	1
15	vis CHc-M2X16	2
16	ecrous-M2	2
17	vis CHc-M3x14	2
18	ecrous-nylstop-M3	4
19	vis-CHc-M5X35	1
20	ecrou-nylstop	1
21	vis-CHc-M5X15	1
22	rondelle	1
23	vis-M3	2

Fichiers source

Télécharger le code

Télécharger les documents

Télécharger les images

Télécharger les modèles 3D (STL)

Etapes de fabrication pas à pas

Étape 1 - Vue légendée du prototype final

Étape 2 - Fabrication de la pièce de liaison entre rail et support réglable de l'appui-tête du fauteuil

La pièce de liaison entre le rail et le support réglable de l'appui-tête fixé sur le fauteuil a été réalisé à partir de trois fers plats soudés entre eux. Se référer au fichier "piece entre rail et fauteuil.stl"

Télécharger le fichier stl support entre rail et fauteuil

Étape 3 - Fabrication du rail

Pour fabriquer le rail , prendre la plaque d'aluminium 4G (voir image pour les côtes) et ajuster la courbe à la ceintreuse comme sur le fichier STL. IL est éventuellement possible de faire un gabarit en carton ou imprimé en 3D pour vérifier et ajuster la courbe.

Voir la manipulation en vidéo ici :

https://youtu.be/oLzzKH7SkhM

https://youtu.be/36KCF7G6KE4

https://youtu.be/mCTa5f2ztH4

Percer ensuite des trous et les filter pour les butées de fin de course dont la position est à ajuster selon le degré de mouvement voulu ou l'angle de rotation de la tête qui doit rester confortable pour l'usager

Télécharger le fichier stl rail

Étape 4 - Fabrication de la rotule

En fonction de l’appui-tête de la personne, il faudra ajuster la taille de la rotule. Si le modèle correspond à celui-ci rapprochez-vous d’un tourneur pour la réaliser en aluminium 4G suivant le modèle STL (rotule.stl) . Il faudra ensuite la percer et filter (pour une vis CHc-M5X15)pour permettre sa fixation. Attention ajout d’un ergo en acier sur l’embase de la rotule parallèle à la vis et qui va également sur le sur le support de la rotule pour éviter que la rotule tourne sur elle-même.

Télécharger le fichier stl rotule model

Étape 5 - Fabrication de la plaque de fixation de la rotule et des galets

Fabriquer la plaque de fixation de la rotule avec une plieuse en se basant sur le fichier plaquerotule.stl.

Fabriquer les 4 galets (galets à réa de 5mm -le creux intérieur en largeur, et l’épaulement du réa de 2.5mm) Tourner en pom C (pom C=matériau plastique) les 4 galets de diamètre extérieur 15mm et 10mm en diamètre intérieur et les aléser pour les roulements qui viennent se loger aux deux extrémités.

Télécharger le fichier stl galet_perce

Télécharger le fichier stl plaquerotule

Les galets ont été tournés un peu dissymétriquement, il faut les mettre tous dans le même sens pour le montage. La plaque a les trous du haut taraudés, ainsi il faut commencer le montage par les vis du haut, puis ajuster avec celles du bas, sans taraudage elles permettent un certain jeu.

Afin de permettre le bon fonctionnement des roulements, il ne faut pas trop serrer les vis (une entretoise peut être nécessaire si besoin).

Étape 6 - Impression des pièces en 3D (faire simulation temps d'impression dans Cura)

Imprimer l’ensemble des pièces situées dans le dossier « STL/A imprimer »

• Matériau du filament : de préférence ABS ou PLA
• Paramétrage sur Cura : Densité : 90 % de remplissage, qualité 0.2.

Il s'agit d'imprimer les butées, le support moteur, le support à capteur de fin de course et le capot protecteur

Télécharger le fichier butees.stl

Télécharger le fichier capot.stl

Télécharger le fichier capteurs_fin_course.stl

Télécharger le fichier support_moteur.stl

Étape 7 - Réalisation du circuit électronique

Composants nécessaires:

• Arduino-NANO
• resistance-1K
• micro-switch
• nema17-42SHD0228
• veroboard
• batterie-12V
• carte-big-easy-driver

___________________________________

• PCB (auquel il faut ajouter le circuit on/off )
• Fichier arduino (code)

Télécharger le code

Réaliser ou faire fabriquer le circuit imprimé en vous référant au schema et PCB (Appuiteteschemav1.2.jpg, appui-tete-PCBv1.2.png) ci-dessous.

Téléverser le code sur la carte Arduino.

#include "cli.h"
#include "config.h"


#include "command.h"


// task definition for periodic scheduling 1ms
//void motorControl(Task* me);
//Task schedule (1, motorControl);



void setup() {

  // intialize command
  cli_open ();
  
  // initialize motor
  load_config ();
  get_stepper()->setMaxSpeed (get_speed());
  get_stepper()->setAcceleration (get_accel());
  // initialize led
  pinMode(LED, OUTPUT);
  digitalWrite (LED, LOW);

  // initialize buttons
  pinMode(BTN_RIGHT, INPUT);
  pinMode(BTN_LEFT, INPUT);

  // stepper microstep
  pinMode (MOTOR_MS1, OUTPUT),
  pinMode (MOTOR_MS2, OUTPUT);
  digitalWrite (MOTOR_MS1, LOW); // todo place config in config.h
  digitalWrite (MOTOR_MS2, LOW);

  //endstop
  pinMode (ENDSTOP_LEFT, INPUT),
  pinMode (ENDSTOP_RIGHT, INPUT);
  
  
  // run scheduler
  //SoftTimer.add(&schedule);

}

// function :SensorLeft
//
// Description :
// return te logic state of the left sensor
//
// Return :
// true if the left sensor is active. Otherwise false
boolean SensorLeft ()
{
  if (get_force_left () > 0)
    return (true);
  return (digitalRead (BTN_LEFT)== BTN_LEFT_ACTIVE_STATE ? true : false);
}

// function :SensorRight
//
// Description :
// return te logic state of the right sensor
//
// Return :
// true if the right sensor is active. Otherwise false
boolean SensorRight()
{
  if (get_force_right () > 0)
    return (true);
  return (digitalRead (BTN_RIGHT) == BTN_RIGHT_ACTIVE_STATE ? true : false);
}

// function :EndStopLeft
//
// Description :
// return the logic state of the left endstop sensor
//
// Return :
// true if the left endstop is active. Otherwise false
boolean EndStopLeft ()
{
  return (digitalRead (ENDSTOP_LEFT) == ENDSTOP_LEFT_STATE ? true : false); 
}

// function :EndStopRight
//
// Description :
// return the logic state of the right endstop sensor
//
// Return :
// true if the right endstop is active. Otherwise false
boolean EndStopRight ()
{
  return (digitalRead (ENDSTOP_RIGHT) == ENDSTOP_RIGHT_STATE ?  true : false); 
}

int RIGHT_MOVE = 1;
int LEFT_MOVE = -1;
int STOP_MOVE = 0;

//void turnOn(Task* me)
//{

//}


// Function: motorControl
//
// Description :
// The function is called every 1 ms. check command sensor and enstop and control the motor
//
// 
//void motorControl(Task* me)
void loop ()
{
  AccelStepper *pstepper = get_stepper ();
  
  // put your main code here, to run repeatedly:

  int step = 0;
  // decide move
  int move = STOP_MOVE;

  boolean right = SensorRight ();
  boolean left = SensorLeft ();
  
  boolean endl = EndStopLeft ();
  boolean endr = EndStopRight ();

 
  
 if (endr || endl)
  digitalWrite (LED, HIGH);
  else
  digitalWrite (LED,LOW);
 
 //endr = false;
 //endl=false;
  if (right == left)
  {
    move = STOP_MOVE;
    
    //digitalWrite(LED, LOW);
  }
  else if (right==true)
  {
    if (endr)
    {
      move=STOP_MOVE;
    }
    else
    {
      move = RIGHT_MOVE;
      pstepper->move (20000);
      //digitalWrite(LED, HIGH);
    }
  }
  else if (left == true)
  {
    if (endl)
    {
      move=STOP_MOVE;
    }
    else
    {
      move = LEFT_MOVE;
      pstepper->move(-20000);
      //digitalWrite(LED, HIGH);
    }
  }

  // motor control
  if (move != STOP_MOVE)
  {
    pstepper->run();
  }
  else
  {
    //stepper1.disableOutputs();
    pstepper->setSpeed(0);
    pstepper->setCurrentPosition (0);
  }

  // process command
   CLI.process();
}

La carte arduino est alimentée en 5V depuis la sortie 5V de la carte easy driver. Raccorder le 24V du PCB aux batteries du fauteuil (voir Schema_batterie.jpg).

Ajouter le circuit interrupteur ON/OFF led en image ci-contre afin de pouvoir éteindre le dispositif et ne pas consommer de batterie pour rien :)

Étape 8 - Mise en place du circuit dans le boîtier du circuit électronique

Composant nécessaire:

• boitier-derivation-electrique

Positionner le circuit dans le boitier de dérivation électrique étanche dont voici la référence : https://www.leroymerlin.fr/v3/p/produits/boite-de-derivation-etanche-en-saillie-debflex-8-entrees-e29160

Ce boitier sera fixé à l'arrière du fauteuil.

Étape 9 - Assemblage du bouton ou système choisi pour commander l'appui-tête rotatif

Assembler le bouton en se référant au schéma. Prévoir une longueur de câble suffisamment longue pour le relier au PCB situé dans le boîtier qui a été fixé à l’arrière du fauteuil.

Étape 10 - Fixation de la poulie GT2 bore 5 sur moteur NEMA17 (ajouter ref vis)

Composants nécessaires:

• poulie-GT2-bore5-20dents
• nema17

Enfiler la poulie la poulie GT2 bore (trou) 5 20 dents sur l'axe du moteur Nema17. Puis la fixer avec les deux vis sans tête de blocage de la poulie.

Se référer à l'image du schéma global.

Étape 11 - Fixation du moteur+poulie sur support moteur

Composant nécessaire:

• vis-M3-12

Fixer l'ensemble moteur+poulie sur le support moteur avec 2 vis M3x12.

Étape 12 - Fixation roulements pour coulissage de la courroie

Composants nécessaires:

• roulement-F624ZZ
• rondelles

Fixer les 4 roulements à bille F624ZZ mis 2 par 2 en mirroir avec l'épaulement vers l'extérieur, avec des rondelles entre la vis et le roulement, pour éviter de comprimer la partie extérieure du roulement. Et de l'autre coté de la plaque du support moteur, on vient fixer la vis de M4x20 (ou 25) avec un écrou nylstop.

Étape 13 - Câblage des capteurs de fin de course (end-stop)

Composants nécessaires:

• micro-switch
• fil-de-cablage-monobrin-0.2

Souder les fils sur les capteurs de fin de course (autrement dit end stop ou microswitchs). Prévoir une longueur de fil suffisante pour aller jusqu'au boitier où se situe le circuit électronique.

Étape 14 - Montage des capteurs de fin de course sur leur support

Composants nécessaires:

• vis CHc-M2X16
• ecrous-M2

Assembler les capteurs de fin de courses (microswitchs) à leurs supports avec 2 vis CHc-M2X16 chacun et l'écrou associé

Étape 15 - Assemblage support des capteurs de fin de course sur support moteur (add photo)

Composants nécessaires:

• vis CHc-M3x14
• ecrous-nylstop-M3

Fixer les support des capteurs de fin de course sur le support moteur avec 2 vis CHc-M3x14 qui sont fixées sur le Nema 17.

Étape 16 - Préparation des galets

Introduire de part et d'autre de chaque galet un roulement MR84ZZ. Insérer par la force les roulements (2 par galet) dans les galets.

Étape 17 - Assemblage des galets sur la plaque de fixation de la rotule (add photo+précision nb vis)

Composants nécessaires:

• vis-CHc-M5X35
• ecrou-nylstop

Assembler les galets sur la plaque de fixation de la rotule avec les vis CHc-M4X35 et écrous nylstop M4. Ne pas visser à fond et laisser du jeu pour l'assemblage sur le rail.

Étape 18 - Assemblage de la rotule sur la plaque support rotule

Composants nécessaires:

• vis-CHc-M5X15
• rondelle

Assembler la rotule et son ergo sur la plaque avec la vis CHc-M5X15 et sa rondelle (il faut penser à mettre du frein filet si ça se déserre trop souvent).

https://youtu.be/SlecIxJOSQ0

Étape 19 - Assemblage de plaque rotule sur le rail de guidage (add photo+vis ref)

Enfiler la plaque rotule sur le rail de guidage.

Serrer les écrous de fixation des galets en ne les serrant pas trop fort pour que le coulissement soit correct.

Étape 20 - Fixation de la cornière aluminium sur la plaque de support rotule

Composants nécessaires:

• vis-M3
• ecrous-nylstop-M3

Fixer la cornière aluminium sur la plaque de support rotule. La corniere de 20x20 sur 31 mm de longueur + 2 vis M3 avec écrous nylstop + 2 vis (ref+longueur???)

Étape 21 - Pose, tension et fixation de la courroie

Pose, tension et fixation de la courroie GT2 de largeur 6 mm, pas de 2 mm et longueur environ 35mm ou ajuster la longueur selon la course du rail. La fixer à chaque extrémité en la faisant passer par le trou prévu sur la butée de fin de course, et la fixer avec un cerflex sur le côté extérieur. Les crans de la courroie doivent être orientés vers le rail.

Fixation de l'appui-tête : https://urlz.fr/bjPY

Fixation courroie : https://youtu.be/NXCGfeGCh6I

Étape 22 - Vidéo du montage

https://urlz.fr/bjPs

Étape 23 - Photos du prototype final