ربما يعرف الكثيرون منكم الدراجة الكهربائية ذات العجلتين والتوازن الذاتي Segway والتي تظهر بالشكل المجاور، وهي وسيلة تنقل فردية أصبح لديها شعبية كبيرة، وفي هذا المقال سنقوم بتحويل كرسي مدولب كهربائي عادي إلى كرسي يعمل بنفس المبدأ (التوازن الذاتي) وسأسميه Sitway.

كرسي مدولب (Electric wheelchair):

وأيضا تحتاج لـ:

حشوة للمقعد.

علبة دهان بخاخ (صباغة).

ملاحظة: في حالة إذا استعصى عليك إيجادة فيمكنك أن تستعمل بديلا له ونفذ عليه نفس المشروع.

حساس إلكتروني من النوع:

5 degrees of freedom IMU 

وظيفته هي حفظ التوازن في مختلف الاتجاهات وهو من إنتاج شركة Spark Fun.

ملاحظة: إذا كنت تريد أن تصنعه بنفسك وبطريقة أفضل منه فاضغط على المقال التالي:

بطاقة FreeIMU المتطورة

متحكم أوردينو من النوع Arduino Uno

ملاحظة: إذا كنت تريد صنعها بنفسك فعليك بالمقال التالي:

بطاقة أردوينو أونو

غطاء للأوردينو من النوع Arduino Uno Proto-shield من إنتاج شركة SparkFun

ملاحظة: ليس ضروريا وقد تستغني عنه.

كنترولور المحرك Sabertooth 2x25

وظيفته هي التحكم بالمحركين وهو من إنتاج شركة Dimension Engineering

ملاحظة: يمكنك صنعها بنفسك أيضا، وعليك إذن بالمقالات في:

قسم المحركات

مفتاحين للقيادة من النوع micro switches ومفتوحين Normally Open.

مفتاح تشغيل من النوع SPST
(Single pole single throw power switch)

(مفتاح تشغيل وإيقاف ON-Off عادي)

مفتاحي تشغيل لضبط التوازن من النوع اللحظي Momentary contact switch's ومفتوحين Normally open

مفتاح تشغيل لعصا القيادة من النوع dead man Switch وهو نوع من مفاتيح الطوارئ، وكما هو واضح من اسمه (مفتاح الرجل الميت) فهو يقوم بالتوصيل طالما يكون المشغل ضاغطاً عليه، أما إن زال الضغط عن المفتاح لأي سبب كان (وفاة المشغل مثلاً) فإن التوصيل يتوقف.

مصباحين LED's:

صفيحة معدنية للقاعدة بقياس

12 × 20 × 1/4 إنش

أنبوب مفرغ ذو مقطع مستطيل قياس 1/2 إنش لإطار المقعد.

سوف نحتفظ بالمحركين مع دولابي القيادة (غالباً ما يكون الدولاب مع المحرك قطعة واحدة)، كما يمكن الاستفادة من الأسلاك والموصلات والدلائل بين المحرك والبطارية، أما الأجزاء الالكترونية فيمكن الاحتفاظ بها لمشروع آخر إن كانت صالحة.

للكرسي المدولب دولابان كبيران للقيادة ودولابان صغيران للثبات عند القيام من المقعد، يمكن الاستفادة من الدولابين الصغيرين للتدرب على قيادة الكرسي المتوازن.

احتفظ أيضاً بصندوق البطارية مع الغطاء أما بقية الأجزاء فلن نحتاجها في مشروعنا.

يمكنك صنع الهيكل من الخشب المعاكس ولكنني صنعته من الفولاذ بسبب قوته وبسبب المتعة التي أجدها في عملية اللحام، أما القاعدة فهي عبارة عن صفيحة بقياس 12x20" وبسماكة 0.25"، قوائم المقعد مع المسندين مصنوعة من أنبوب فولاذي ذو مقطع مستطيل بقياس 1"، ولا تنسى الدعامات عند الزوايا بدرجة 45.

الثقوب الأربعة في المسندين هي لتثبيت القاعدة الخشبية للمقعد، أما الثقوب الخاصة بتثبيت المحركين فهي عبارة عن شقوق بطول 6" وذلك لتسهيل ضبط المحرك عند ربطه مع المسنن الاسطواني والدولابين.

العجلات الصغيرة تستخدم للتدريب ولمنع الكرسي من السقوط عند عدم الاستعمال.

بعد الانتهاء من التركيب يمكن دهن الاطار وتركيب المقعد المنجد.

غالباً ما كنت أستخدم الذراع الجانبية للقيادة والتحكم، ولكنها غير مناسبة لمشروعنا هذا لأننا نحتاج إلى شيء صلب كفاية للتمسك به أثناء القيادة، فالكرسي يقوم بعمل توازن جيد بدون المحاولة للقيام بعملية التوازن بنفسك، لذلك سوف أستخدم عصا القيادة بدلاً من الذراع.

عصا القيادة صلبة أثناء التحريك في الاتجاه الأمامي الخلفي، ويمكنها التحرك جانبياً للقيادة لليمين واليسار، أما النوابض فتؤمن الضغط لبقاء العصا في المركز.

استخدمت برغيي ضبط (set screws) لتأمين التوقفات وبرغيين آخرين يعملان كحساسي نهاية شوط لمفتاحي (micro switches) واللذان يتحكمان بالقيادة.

كان بإمكاني وضع هذه المفاتيح على عصا القيادة من الخارج ولكنني فضلت وضعها مخفية داخل العصا.

عجلة التدريب الأمامية القابلة للضبط تخدم أمرين: الأول منع الوقوع إلى الأمام أثناء أي وقوف مفاجئ، والثاني أنها تحد من السرعة باتجاه الأمام عن طريق تقليل زاوية الانحدار وذلك أثناء الإقلاع ريثما تصبح مرتاحاً بالقيادة.

أما العجلة الخلفية فتخفض السرعة أثناء الرجوع إلى الخلف إلى السرعة الآمنة.

الالكترونيات: تتألف من:

• متحكم أوردينو من النوع Arduino Uno

• غطاء للأوردينو من النوع Arduino Uno Proto-shield

• لوح إلكتروني من النوع 5 degrees of freedom IMU

• لوح الكتروني Sabertooth 2x25

• مصابيح LEDs ومفاتيح مساعدة

• مقاومة تخفيض أومية 10K pull down عدد (5).

• أسلاك وصل

لا أفضل وصل الأسلاك مباشرة إلى الأوردينو، بدلاً من ذلك استعملت غطاء الأوردينو (Arduino Uno Proto-shield) مما يسمح لي بوصل الأسلاك عن طريق اللحام عوضاً عن المآخذ أو المقابس plugs والتي قد لا تكون متينة تماماً أثناء الحركة. يمكن البدء باللحام بالمقاومات الخمسة إلى غطاء الأوردينو، وهي مقاومات تخفيض أومية موصولة إلى دارة التوازن (balance trim circuit) ودارة القيادة (steering circuit) ودارة مفتاح الطوارئ (dead man circuit).

طريقة وصل الأسلاك:

1. أرجل الأوردينو الرقمية Arduino digital pins:

• الرجل 4 إلى دارة القيادة يميناً.

• الرجل 5 إلى دارة القيادة يساراً.

• الرجل 6 إلى دارة ضبط الارتفاع.

• الرجل 7 إلى دارة ضبط الانخفاض.

• الرجل 9 إلى دارة مفتاح الطوارئ.

أما النهايات الأخرى للمقاومات فتذهب إلى تأريض دارة الأوردينو.

• الرجل رقم 13 إلى المدخل S1 في دارة التحكم بالمحركين Sabertooth Motor Controller

2. أرجل الأردينو التماثلية Arduino Analog pins

• الرجل 0 إلى Y Rate 4.5 في دارة التوازن IMU

• الرجل 2 إلى X Rate في دارة التوازن IMU

• الرجل 3 إلى Y Rate في دارة التوازن IMU

• الرجل 4 إلى ZACC في دارة التوازن IMU

• +5 volts إلى دارة القيادة

• +3.3 volts إلى دارة التوازن IMU (كن حذراً من ألا تصل +5 volts إلى IMU)

• GND إلى دارة التوازن IMU

يمكن وصل الأسلاك إلى الأرجل التماثلية في الأوردينو باللحام مباشرة، أما الرقمية فيمكن وصلها عن طريق المقابس.

تثبت الـ IMU على كتلة خشبية او بلاستيكية صغيرة وتوضع على القاعدة في المنتصف تماماً عند نقطة التقاء المحاور، وثقوب التثبيت في الدارة يجب أن توجه باتجاه الأرض، أما الجانب الذي يحوي المكونات الالكترونية فيجب أن توجه نحو الأعلى (وضع الدارة بشكل معاكس يؤدي إلى حدوث العديد من المشاكل).

مفتاح التشغيل power switch ومفاتيح ضبط التوازن trim switches توضع على صفيحة من الألمنيوم تثبت على الكرسي بحيث يمكن الوصل إليها بشكل سهل أثناء الجلوس.

كما وضعت مصباحاً LED للتأشير على التشغيل (مع مقاومة تخفيض) لتحقيق الجهد الكهربائي اللازم للأوردينو (12 فولط).

تعمل الكراسي الكهربائية عادة على جهد كهربائي 24 فولط، يتم ذلك عن طريق بطاريتين من النوع U1 الحامضية وهي نفس البطاريات المستخدمة في جزازات العشب، وهي بطاريات رخيصة (حوالي 40 دولار أمريكي) ويمكن الحصول عليها بسهولة.

هناك أربع قيم للجهد مستعملة في هذا المشروع:

• 24 فولط للمحركين: ويتم وصلها للمحركين عن طريق دارة الـ Sabertooth حيث يتم وصل البطاريتين على التسلسل للحصول على الجهد المطلوب، كما يتم وصل مفتاح التشغيل مع القطب السالب للدارة، مع ملاحظة أن التوصيل الخاطئ قد يسبب تعطل الدار نهائياً.

• 12 فولط للأوردينو: ويمكن الحصول على هذا الجهد عبر وصلة من بطارية واحدة فقط، (لا تستخدم مأخذ الأوردينو من النوع USB للحصول على الطاقة لأن ذلك قد يسبب بعض المشاكل).

• 5 فولط لدارة القيادة والتوازن: يتم الحصول عليها من دارة الأوردينو.

• 3.3 فولط لدارة الـ IMU: يتم الحصول عليها من دارة الأوردينو.

ثبت القطع الإلكترونية (Sabertooth، IMU مع الكتلة الخشبية، الأوردينو مع غطاءه) بالبراغي إلى أرضية القاعدة، بعد ذلك قم بتوصيل المحركين مع الـ Sabertooth، المحرك اليساري مع M1A و M1B، والمحرك اليميني مع M2A و M2B.

أما المأخذ S1 من الـ Sabertooth فيتم توصيلها بالرجل 13 من الأوردينو.

والأرضي من الـ Sabertooth أو 0V إلى الأرضي (Ground) في الأوردينو.

بهذا نكون قد انتهينا من توصيل دارة التحكم بالمحركين Sabertooth، وسنقوم بالتحقق من هذا التوصيل أثناء إجراء الاختبار على المحركين.

أما مفاتيح DIP الخاصة بالـ Sabertooth وهي المفاتيح التي تضبط نوع البطارية المربوط بالدارة فيتم وضعها على الشكل التالي:

المفاتيح 1 و 3 و 5 و 6 على وضعية التشغيل On.

المفتاحين 2 و 4 على وضعية الإيقاف  Off.

قم بتوجيه الأسلاك القادمة من الأرجل 4 و 5 و 9 للأوردينو و السلك الموصول بمخرج 5 فولط إلى مقبض القيادة.

قم بتوصيل سلك الـ 5 فولط إلى طرف واحد لكل من مفتاحي القيادة steering switches وأحد أطراف مفتاح الطوارئ dead man switch..

أما الأطراف الأخرى فتوصل كما يلي

• مفتاح القيادة يميناً إلى الرجل 4 للأوردينو.

• مفتاح القيادة يساراً إلى الرجل 5 للأوردينو.

• مفتاح الطوارئ إلى الرجل 9 للأوردينو.

اما الأسلاك القادمة من الأرجل 6 و 7 للأوردينو فيتم توجيهها إلى صفيحة الألمنيوم التي تحوي مفتاحي ضبط التوازن trim switches بحيث يتم وصل طرف واحد لكل من المفتاحين بمخرج 5 فولط للأوردينو والطرفين الأخريين بالرجلين 6 و 7.

وجه السلك القادم من مفتاح التشغيل الرئيسي إلى هذه الصفيحة وقم بتوصيله إلى مفتاح SPST قياس 40 أمبير.

ثبت مؤشراً ضوئياً صغيراً surface mounted LED indicator على الصفيحة وقم بتغذيته بجهد 5 فولط والطرف الآخر إلى الأرضي عبر مقاومة تخفيض 10K

لم يتبق تقريباً إلا وضع البطاريتين ضمن العلبة الخاصة بهما وتثبيت المقعد والمسندين.

بعد الانتهاء من التوصيلات لا بد من اختبار الاتصال بين الأوردينو والـ Sabertooth.

ارفع الكرسي على بحيث تدور العجلات بحرية بدون أن تلامس الأرض.

افتح برنامج الأوردينو وانسخ الكود من الملف المرفق new_motot_test.txt والصقه داخل البرنامج ثم حمل الكود إلى الأوردينو.

هذا الكود لا يستعمل إلا مداخل الأوردينو الرقمية رقم 9 و13 (مفتاح الطوارئ Dead man و والمدخل التسلسلي للـ Sabertooth)

شغل مفتاح الطاقة الرئيسي واضغط مفتاح الطوارئ Dead man switch، هذا سيجعل العجلتين تدوران بالاتجاه المعاكس لدوران عقارب الساعة، إذا لم يحدث هذا فبدل السلكين الذاهبين إلى M1 و M2 في Sabertooth.

ستزداد سرعة المحركين بالتدريج بنسبة 10 % من التوقف وحتى 50%، ثم تتباطئ من 50% وحتى التوقف

بعد التأكد من صحة الاتصال وجهة الدوران يمكن تحميل الكود الكامل (من الملف:

full_balance_rocker_test.txt

(، هذا الكود يسمح بالإقلاع التدريجي أي أن الكرسي سيقلع بلطف في البدء وبعد 5 ثواني سينتقل إلى الطاقة الكاملة، يمكن عمل ذلك بعد الجلوس بشكل جيد على الكرسي وتشغيل المفتاح الرئيسي والعد إلى 5 ببطئ مما يسمح للـ IMU بالمعايرة الذاتية، بعد ذلك نضغط على زر الطوارئ dead man switch (هذا سيجعل المؤشر الضوئي يضيء(، ثم نرفع الكرسي إلى وضعية السير) بشكل تقريبي لأن الكرسي سيقوم بالتوازن بنفسه)، وفي أي لحظة تشعر فيها بأي مشكلة ارفع الضغط عن مفتاح الطوارئ وسيتوقف الكرسي فوراً، للسير مجدداً سيتوجب عليك البدء بالخطوات السابقة مرة أخرى. حاول أن تجرب السير باتجاه الأمام والخلف قليلاً، كما جرب الانعطاف لليمين واليسار، إذا سار كل شيء كما يجب ستكون جاهزاً للقيادة لأول مرة.

عند القيادة لأول مرة اتخذ كافة وسائل الحماية (استعن بأحد الأصدقاء ليساعدك على البدء والبس خوذة للحماية).

عند التجربة الأولى استخدمت الذراع الجانبية ولكن بعد ذلك عدلت عنها واستخدمت عصا القيادة المشروحة سابقاً.

لتجميل الكرسي قدمت بإضافة بعض القطع التي صممتها ببرنامح 123D وطبعتها بالطابعة ثلاثية الأبعاد، هذه القطع غير ضرورية ولكنها تجميلية كما أن بعضها سيسهل عملية تركيب المفاتيح في مواضعها.