TÄMÄ TYÖ KUULUU OPISKELIJOIDEN MIDE-TEKNOLOGIA- PROJEKTIIN "YLÄMUMMO HEILAHTAA" 2008-A32-Moottoroitu kauppakassi

Transkriptio

1 AS Automaatio- ja systeemitekniikan projektityöt LOPPURAPORTTI Simo Heimonen, Sampo Tuominen, Lassi Viitanen, 2008-A32-Moottoroitu kauppakassi Aloitettu: Päätetty: Ohjaaja: Panu Harmo TÄMÄ TYÖ KUULUU OPISKELIJOIDEN MIDE-TEKNOLOGIA- PROJEKTIIN "YLÄMUMMO HEILAHTAA"

2 Sisällys Johdanto... 3 Kauppakassi Kauppakassi Kauppakassi Mekaniikka Pyörästö ja voimansiirto Runko Kahva Toteutus Testit Elektroniikka Mikrokontrollerikortti Johdotus Toteutus Ohjelma Ohjelman rakenne Toteutus ja muutokset Työmäärät Yhteenveto Liitteet... 32

3 Johdanto Ylämummo heilahtaa projektityökurssilla on tarkoitus tehdä ikäihmisiä helpottavia apuvälineitä arkipäivän askariin. Moottoriavusteinen kauppakassi helpottaa kauppakassin liikuttamista ylämäissä ja portaissa. Moottoriavusteisia kauppakasseja on suunniteltu ja toteutettu laboratoriossa aiemmin. Projektin alkaessa kauppakasseja on olemassa versio 1 ja versio 2. Työn tarkoituksena on parantaa jo valmista kauppakassin versiota 2 sekä suunnitella ja toteuttaa kokonaan uusi versio kassista. Kurssin lopussa on tarkoitus esittää valmis prototyyppi, joka toimii vähintääkin kohtuullisesti. Laurea ammattikorkeakoulu osallistuu kauppakassien testaamiiseen kenttätesteillä ja haastattelemalla tulevaa asiakaskuntaa heidän kokemuksista ja toiveistaan älykkään kauppakassin suhteen. Projektin toteutus jaettiin kolmeen osaan tekijöiden mukaan. Sampo otti tehtäväkseen version 2 kehittämisen, Simo teki mekaniikan versioon 3 ja Lassi elektroniikan ja ohjelmat versioon 3.

4 Kauppakassi 1 Kauppakassiin 1 ei tehty muutoksia alkuperäisisistä suunnitelmista poiketen. Kauppakassi 1 annettiin kuitenkin kahdelle eri ryhmälle testattavaksi Laurea-ammattikorkeakouluun, testiryhmät kirjoittivat raportit testeistään (Liitteet [1] ja [2]). Lisäksi kauppakassi 1 vietiin esittelyyn Lasipalatsiin. Kauppakassi 2 Kauppakassi 2 oli alunperin varustettu voima-anturilla, joka mittasi voimaa jolla kassia vedetään. Voima-anturi ei kuitenkaan toiminut kovinkaan luotettavasti, sillä kauppakassilla oli taipumus lähteä ryömimään itsestään ja lisäksi kauppakassissa 1 oleva jousipotentiometri oli todettu mukavammaksi kassia vedettäessä, jousen toimiessa iskunvaimentimena. Kauppakassiin 2 oli myös tarkoitus asentaa jousipotentiometri. Kauppakassi 2 on ensimmäistä versiota huomattavasti kevyempi ja pienempi, joten sen oletetaan toimivan käytössä paremmin. Aluksi irroitettiin voima-anturi ja hankittiin tarvittavat osat jousipotentiometriratkaisua varten. Halkaisijaltaan 13 mm paksua metalliputkea Protoshopista, muoviset holkit liikkuvan putken ja kassin väliin sorvattiin asennushallissa, jouset asennushallista ja 60 mm liikkumalla varustettu potentiometri (Kuva 1) Farnellilta. Kuva 1. Potentiometri. Ensimmäisen version jouset olivat jousivakioltaan 2880 N/m ja ne olivat osoittautuneet käytössä liian löysiksi. Uuteen versioon oli siis saatava jäykemmät jouset. Kokouksissa oltiin sovittu, että kassi ja kuorma painavat maksimissaan yhteensä 18 kg ja koska potentiometrin liikkuma (60 mm eli 30 mm yhteen suuntaan) tiedettiin voitiin laskea tarvittava jousivakio uusille jousille.

5 F kx mg mg kx mg k x 2 18kg 9,81m / s k 5886N / m ( 0,03m) Jousivakion tuli siis olla 5886 N/m hujakoilla, asennushallista löytyi jouset joiden jousivakio oli 6000 N/m. Kun osat oltiin hankittu rakennettiin jousipotentiometri ensimmäisen kauppakassin kaltaisella tavalla (Kuvat 2-5). Potentiometri asetettiin niin, että alkutilassa vaste on noin 2,5V, kuten kuvasta 4 näkyy. Kuva 2. Kauppakassi 2 ilman voima-anturia.

6 Kuva 3. Jousipotentiometrin rakentelua. Kuva 4. Asennetun jousipotentiometrin testausta.

7 Kuva 5. Jousipotentiometri ja reppu. Koska potentiometri käyttää 0-5V jännitettä ja voima-anturi käytti 5-5V jännitettä oli elektroniikkaan tehtävä muutamia muutoksia, jotta potentiometri saataisiin toimimaan kunnolla oikealla jännitealueella. Muutokset on esitetty piirikaaviossa (Kuva 6). Piiriin on jätetty komponentteja, joiden läpi ei kulje virtaa. Niiden poistaminen olisi ollut mahdollista, piiri osoittautui kuitenkin aivan liian herkäksi, joten kaikki sille tehtävä ylimääräinen ja tarpeeton kolvaus päätettiin olla tekemättä. Suositellaan vahvasti olla tekemättä myös tulevaisuudessa! Muutama juotos havaittiin vikaantumisherkiksi piirin kanssa taisteltaessa, esim. ledien kiinnitys piiriin saattaa irrota kolauksista.

8 Kuva 6. Elektroniikan piirikaavio, jossa muutokset kommentoitu. Kun potentiometrin vaatimat muutokset elektroniikkaan oltiin tehty, testattiin uutta kokonaisuutta. Testattaessa paljastui, että ohjaustaulukko oli uusittava ja voima-anturilla käytetty kalibrointi, kauppakassi päälle pantaessa, oli poistettava. Kun kauppakassiin yritettiin ottaa yhteyttä sarjaporttia pitkin, havaittiin valitettavasti, että se ei onnistunut. Samoin kun mikrokontrolleriin yritettiin ottaa yhteyttä ISP:n kautta, jotta koodista voitaisiin poistaa kalibrointi, ei sekään onnistunut. Lopulta mikrokontrolleri irroitettiin itse piiristä ja se ohjelmoitiin uudestaan kiinnittämällä se STK500:an. Samalla selvisi myös, että piirin sarjaportti-komponentti MAX233 oli viallinen ja se vaihdettiin uuteen ja toimivaan. Aikaa piirin vikojen etsimiseen ja korjaamiseen meni reippaasti enemmän, kuin osattiin ennustaa, minkä takia muita suunniteltuja muutoksia kassille (esim. teleskooppivarsi) ei toteutettu. Lopulta kassi saatiin toimimaan ja yksi ryhmä Laurea-ammattikorkeakoulusta testasikin sitä käytännössä kenttätestissä (Liite [3]). Kenttätestin lisäksi kassin hyödyllisyyttä tutkittiin tarkkailemalla tarvittavan voiman suuruutta, vedettäessä kassia portaissa voima-avustuksen ollessa päällä ja pois päältä, sekä vertailemalla saatuja tuloksia (Kuvaajat 1-6). Ohjaustaulukko valittiin hyvin jyrkäksi (Kuvaaja 1), sillä sen on todettu olevan toimivin porrasnousussa.

9 voima voima ohjaus (-1 = 100% taakse, 1 = 100% eteen) 2 Ohjaustaulukko voima Kuvaaja 1. Ohjaustaulukko. 3 Porrasta voima-avustus päällä, ei lisäpainoa 3 Porrasta voima-avustus ei päällä, ei lisäpainoa aika Kuvaaja Porrasnosutesti aika Kuvaaja Porrasnousutesti.

10 voima voima voima Voima-avustuksella ja ilman, ei lisäpainoa Voima-avustuksella Ilman voima-avustusta aika Kuvaaja Porrasnousutesti (yhdistetty kuva). 3 Porrasta voima-avustus päällä, 5kg lisäpainoa 3 Porrasta voima-avustus ei päällä, 5kg lisäpainoa aika Kuvaaja Porrasnousutesti aika Kuvaaja Porrasnousutesti.

11 voima Voima-avustuksella ja ilman, 5kg lisäpainoa 0.5 Voima-avustuksella Ilman Voima-avustusta aika Kuvaaja Porrasnousutesti (yhdistetty kuva). Porrasnousutesti osoittaa, että käytettävä voima on noin 4 kertaa pienempää kun voima-avustus on päällä. Tämä voi olla suureksi avuksi, kun halutaan liikuttaa kauppakassia portaissa, joita väistämättä joillain vanhuksilla on esteenä.

12 Kauppakassi 3 Mekaniikka Kauppakassin 3 mekaniikassa lähdettiin hakemaan selkeästi uusia ratkaisuja edellisiin versioihin nähden. Edellisissä versioissa oli lähdetty kahdesta pyörästä, putkirungosta ja erillisestä kassiosasta. Kauppakassin 3 mekaanisessa toteutuksessa haluttiin kassista kevyempi, matkalaukkumainen ja uusia ideoita sisältävä. Kauppakassi on mekaniikaltaan yksinkertainen. Mekaniikka voidaan jakaa osiin, joita ovat pyörästö ja voimansiirto, runko sekä kahva. Lisäksi mekaniikassa on huomioitava elektroniikan, akkujen ja moottorin viemä tila. Pyörästö ja voimansiirto Pyörästön ja voimansiirron osalta projektissa määriteltiin reunaehdot, joiden mukaan ratkaisuja suunniteltiin. Kauppakassin toimivuuden osalta määritettiin kolme moodia, joissa kauppakassin tulee toimia: tasainen eteneminen, mäki ja portaat. Näistä tasainen eteneminen määrittää kassin huippunopeuden, mäki tarvitun maksimitehon ja portaat sekä väännön että pyöräratkaisun. Portaiden osalta pyörältä vaaditaan tietty koko portaalle pääsemiseksi. Testaamalla arvioitiin että pyörän säteen on oltava vähintään ~4/3 portaan korkeudesta. Tällöin portaan reuna osuu pyörän alapinnalle ja kitkavoiman avulla kassi kiipeää portaalle. Jos porras on korkeampi, niin tällöin kahvasta on vedettävä suurella teholla, jotta kitka pystysuoralla pinnalla kohoaa riittävästi. Kuva 7. Pyörän koon merkitys portaiden nousussa. Vasemmanpuoleisessa kuvassa pyörä on riittävän suuri, jolloin portaan nurkan ja pyörän välinen kitka on riittävä. Oikeanpuoleisessa kuvassa pyörä on liian pieni. Portaan ja pyörän välille ei synny riittävää kitkaa ilman että vedetään kahvasta.

13 Edellisissä kauppakassien versioissa (joissa käytetään yhtä pyörää / puoli) pyörän koko on suuri. Kauppakassia voi olla hankala kuljettaa tästä johtuen. Pyöriä ei voida kuitenkaan pienentää porrasnousuominaisuuksien vuoksi. Tämän johdosta projektin alkuvaiheessa ideoimme erilaisia pyöräratkaisuja, joita esitetty seuraavassa. Kuva 8. Erilaisia pyöräratkaisuja. 1 = yksi iso pyörä, 2 = kaksi pyörää, 3 = kolme pyörää, 4 = kolme pyörää limittäin, 5 = kolmipyörä, 6 = telaketju ja pyörä, 7 = siipipyörä, 8 = telaketju / pyörä yhdistelmä, jossa kassin molempia puolia käytetään hyväksi. Näistä pohdimme vaihtoehtoa 4. Se kuitenkin osoittautui voimansiirron kannalta liian hankalaksi ratkaisuksi. Voimansiirto ja pyörät olisi vienyt liikaa tilaa kassin sisältä. Pohdimme myös vaihtoehtoa 6. Ongelmana tässä vaihtoehdossa olisi luultavasti kulkeminen lumessa, hiekassa tai muussa vastaavassa. Telaketjun ja hammaspyörien välille pääsisi helposti roskaa, joka estäisi kulkemisen ja pahimmillaan rikkoisi telaketjun. Vaihtoehto 8 on käytännössä tämän pohjalta ideoitu ja siinä ketju on suojassa alustasta tuleville epäpuhtauksille. Kauppakassia 3:sta varten valitsimme kuitenkin vaihtoehdon 7. eli siipipyörän. Se vaikutti mekaanisesti yksinkertaiselta sekä muutenkin toimintavarmalta. Siipipyöräratkaisussa on kantavana ideana korvata pyörä siivellä. Portaalle tullessa siipipyörä osuu paremmassa kulmassa portaan nurkkaan. Kolmilapaisessa siivessä portaan korkeus voi olla reilusti yli siiven säteen (vrt. pyörä ~3/4 säteestä), kunhan siiven kärki yltää portaalle. Tasaisen kulkemisen varmistamiseksi ratkaisussa pitää olla lisäksi tavallinen pyörä. Pyörän ja siiven yhdistelmässä siipi auttaa portaan reunan pyörän alapinnalle. Tällöin voidaan käyttää hyväksi molemmat, siiven ja pyörän antama portaan korkeus. Tällöin siiven ja pyörän koko saadaan suhteellisen pieneksi.

14 Kuva 9. Siipipyörän idea. Vasemmanpuoleisesta kuvasta nähdään siipipyörän osuminen portaalle. Siiven ja portaan välinen kulma on huomattavasti parempi kuin pyörän tapauksessa (kuva 1) vaikka portaan reuna on ylempänä kuin siiven keskiö. Oikeanpuoleisesta kuvasta nähdään vedon siirtyminen siiveltä pyörälle. Tällöin ollaan jo pyörän alapinnalla ja kitka on riittävä portaalle nousemiseksi. Runko Rungon osalta pohdittiin erilaisia kevyitä ratkaisuja: alumiinia, muovia, hiilikuitua ja lasikuitua. Alumiinin osalta ongelmaksi muodostui hitsaaminen, joka olisi pitänyt teettää protopajassa. Hyvän muovisen kassin tekemiseen olisi tarvittu muottien tekoa ja valamista, joka olisi ollut liian hankalaa. Hiilikuidun käsittelystä ei myöskään ollut projektitiimissä osaamista. Lasikuitu näytti vaihtoehdoista lupaavimmalta sillä se on kevyttä, helppoa työstää, helppo hankkia eikä ole kovinkaan kallista. Lisäksi lasikuidusta on yksinkertaista saada toteutettua kassi matkalaukkumaisesti. Lasikuituista runkoa varten piti kartoittaa laukun muodot karkeasti sillä lasikuituisen rungon muokkaaminen voi olla hankalaa tietyissä tapauksissa. Tätä varten rakennettiin puinen malli kassin sivuprofiilista. Kuva 10. Puinen malli kassin profiilista ja siipipyöräratkaisusta.

15 Mallin perusteella huomattiin että porrasta varten piti laukkuun tehdä lovi alapuolelle. Muuten porras ei mennyt siivelle hyvin. Suunnitelmana oli toteuttaa kassi mahdollisimman ohuesta kerroksesta lasikuitua. Käytännössä tämä tarkoitti yhtä kerrosta kuitua kassin reunoihin ja yläpuolelle, pohjaan kaksi kerrosta. Voimansiirtoa ja kahvan kiinnitystä varten lasikuidun sisään tarkoituksena oli laittaa koivuvaneria vahvikkeiksi. Lisäksi sähköputken avulla tarkoituksena oli taivuttaa kuitua kassin pohjalla ja siten vahvistaa rakennetta. Kahva Edellisten kauppakassiversioiden testien perusteella kahvan pituus ja asento on erittäin tärkeää sujuvan vetämisen onnistumiseksi. Vetävän henkilön pituus vaikuttaa myös hyvin paljon vetämiseen. Erilaisten ihmisten pituuseroja voidaan kahvan avulla kompensoida. Tasaisella ja lievässä mäessä kassin asennon tulee olla suhteellisen pysty. Tällöin kassi kulkee kevyemmin ja pienet esteet eivät estä matkaa. Portaissa taas vetävä henkilö seisoo ylempänä. Tämän johdosta lyhyellä kahvalla kassi on liian pystyssä tai jopa ilmassa. Siipipyöräratkaisuun nähden on myös tärkeää että kassi tulee oikeassa kulmassa portaalle sekä että siipipyörä ei ota maahan tasaisella työnnettäessä. Mukautuvaa kahvaa ideoitiin myös pyöräratkaisujen ohella. Ideoinnin tuloksen saimme kolme ratkaisua: teleskooppikahvan, kaksiasentoisen kahvan ja käännettävän kahdella kädensijalla olevan kahva. Myös kahvaa, jossa on useampi kiinniottokohta, ehdotettiin. Kuva 11. Ideoituja kahvavaihtoehtoja. 1 = teleskooppikahva, 2 = kaksiasentoinen kahva, 3 = käännettävä kahdella kädensijalla oleva kahva. Kahvaratkaisuksi valittiin teleskooppikahva, koska se olisi luultavasti helpoin toteuttaa. Kahvassa ajatuksena oli käyttää valmiista kassista saatavaa kahvaa. Lisäksi siihen porattaisiin lisäreikiä, jolloin kahvan saa myös väliasentoon täysin auki tai täysin kiinni vaihtoehtojen lisäksi.

16 Toteutus Kassin toteutus aloitettiin tarvikkeiden hankinnalla sekä rungon lasikuitumuotin tekemisellä. Aluksi tehtiin alaosan muotti. Muotti leikattiin ja taivutettiin 0,5 mm pellistä. Muotin osat kiinnitettiin pistemäisillä hitseillä toisiinsa. Saumat tiivistettiin silikonilla. Lopuksi muotti maalattiin mustalla maalilla. Kuva 12. Alaosan muotti lasikuidun valamista varten. Muotti tehtiin siten että lasikuitu laminoidaan muotin sisälle. Tällöin lasikuiturunkoon jää siisti pinta ulospäin. Muotista näkyy pyöräkotelot laidoilla sekä portaan vaatima lovi keskellä. Muotin ulkoreunaan lisättiin lattateräksestä lista jäykentämään muottia. Pohjaosa laminoitiin kahdessa osassa yhdellä lasikuitukangaskerroksella. Ensin laminoitiin vasen puoli ja sitten oikea. Tällä vältettiin lasikuiturungon kiinnittyminen muottiin. Samalla kassin leveyttä voitiin vielä säätää. Puolien laminoinnin jälkeen ne kiinnitettiin päällekkäin puristimilla ja niitä yhdistävä reuna sahattiin pistosahalla. Tällä tavalla toimimalla saadaan yhtenäinen leikkaus molempiin puoliin. Tämän jälkeen puoliskot yhdistettiin ilmastointiteipillä toisiinsa ja asetettiin vahvikkeet haluttuihin paikkoihin. Samalla laminoitiin toinen kerros lasikuitua. Pohjaosan laminoinnin jälkeen tuli selväksi että kassi on liian suuri. Tämän johdosta pohja leikattiin halki ja samalla kavennettiin. Takaisiin kokoon alaosa saatiin samalla tavalla kuin eri puolien yhdistettäessä. Tämä kuitenkin lisäsi pohjan laminointikerroksia yhdellä ja pohja alkoi olla aika paksu. Kaventamisen jälkeen pohjaosa oli sopivan kokoinen. Seuraavaksi lasikuitu hiottiin ja kitattiin kertaalleen.

17 Kuva 13. Lasikuituinen pohjaosa kittausvaiheessa. Samaan tapaan tehtiin muotti kassin yläosalle. Yläosa laminoitiin yhdellä kerroksella lasikuitua. Laminointi tehtiin erikseen ylä- ja alaosalle. Tekemällä näin päin saatiin yläosa sopimaan alaosan pituuteen paremmin. Lasikuitu irrotettiin muotista hieman liian aikaisin. Tämän johdosta yläosaan tuli muutama halkeama. Nämä halkeamat kuitenkin korjattiin myöhemmin. Kuva 14. Yläosan muotti ja laminoitu yläosa.

18 Tämän jälkeen alaosaan kiinnitettiin akselien laakerit. Laakerit saatiin ruohonleikkuriin tarkoitetuista pyöristä. Yläosaan tehtiin samaan aikaan aukot luukuille. Luukkuja varten yläosaan laminoitiin reunat aukkoihin. Reunojen avulla luukunsauma on kestävämpi ja tiiviimpi. Reunus tehtiin siten että irtileikattu luukku päällystettiin foliopaperilla ja asetettiin aukkoon. Tämän jälkeen laminoitiin kerros lasikuitua saumakohtaan. Foliopaperi olisi pitänyt painaa tasaiseksi paremmin, koska reunasta tuli rypykäs. Kuva 15. Lasikuituinen yläosa kiinnitettynä alustavasti alaosaan. Reunoissa nähtävissä foliopaperia luukuista tarttuneena. Aukon yli oleva sähköputki tukee rakennetta kunnes ylä- ja alaosat ovat kiinnitettyinä toisiinsa. Seuraavaksi alaosaan tehtiin kahvalle aukko ja ylä- ja alaosa kiinnitettiin toisiinsa. Ylä- ja alaosan välisestä saumasta leikattiin ylimääräiset lasikuidut pois (mm. alaosan sauma). Osat kiinnitettiin toisiinsa ruuveilla ja kiiloilla. Tämän jälkeen osat asetettiin sivu kerrallaan peltilevyä ja pöytää vasten. Osat puristettiin ruuvipuristimilla ja puupalikoiden avulla peltiä vasten. Tämän jälkeen osat laminoitiin toisiinsa ohuella lasikuitukaistaleella. Tämän jälkeen molemmat osat hiottiin huolellisesti ja kitattiin. Kittaus hiottiin ja kitattiin uudelleen. Kittaus- ja hiontakertoja tuli kohdasta riippuen 2-4 kappaletta. Tämän jälkeen kassi maalattiin ruiskukitillä ja hiottiin vielä kertaalleen. Lopuksi kassi maalattiin spray-pohjamaalilla.

19 Kuva 16. Kassi ylä- ja alaosien yhdistämisen jälkeen kittauksessa. Pohjatöiden jälkeen kassiin rakennettiin voimansiirto ja kiinnitettiin moottori. Voimansiirtona käytettiin yhtä ketjua akseleiden sekä moottorin välillä. Ketju ja ketjupyörät löytyivät edellisten projektien jäljiltä. Myöhemmissä testeissä osoittautui että ketjun mitoitus ei ollut riittävä vaan ketju hyppi moottorin hammaspyörän kohdalta hampaiden yli. Ketjupyörät korvattiin isommilla ja ketju järeämmällä. Uudessa toteutuksessa ketjupyöriksi valittiin PV-50-mopon 12-piikkiset ketjupyörät ja standardiketju. Korvaamisen jälkeen ongelmia ei ole ilmennyt hyppimisen suhteen. Moottoriksi valittiin Bosch:in tuulilasinpyyhkijän moottori (tyyppi: CDP 24 V 22/29 W). Tämä moottori oli edullinen 89 ja sekä välitys 20 rpm että momentti sopiva 55 N/m. Kuva 17. Voimansiirto kiinnityksen jälkeen. Ketju on ensimmäinen kokeiltu eli edellisen projektin peruja. Kyseinen ketju hyppi yli moottorin ketjupyörältä. Korjatussa versiossa ketju mahtuu juuri ja juuri pyörimään ilman että ottaa laitteen pohjaan kiinni. Myös akkujen paikat ovat siistitty.

20 Kahvana käytettiin kaupasta ostetun kassin kahvaa. Kyseinen kassi, josta kahva otettiin, oli ainoa joka löytyi lyhyellä etsimisellä ja jossa kahvan pituus oli riittävän pieni. Pidempi kahva ottaa kiinni porrasta varten tehtyyn loveen kassin pohjassa. Voima-anturointia varten kahvan ja kassin väliin rakennettiin jousimekanismi. Jousimekanismi toteutettiin aluksi liian jäykillä jousilla. Jouset korvattiin hieman pienemmillä ja osoittautui että myös nämä jouset olivat liian jäykät. Kolmannessa jousien vaihdossa jouset korvattiin selvästi pienemmillä jousilla. Näiden jousien sisähalkaisija oli hieman yli 4 mm ja langanpaksuus noin 1 mm, kun alkuperäisissä jousissa sisähalkaisija oli 12 mm ja paksuus noin 3 mm. Kuva 18. Kahvaratkaisu. Alumiini / muovikehikko on kaupasta ostetusta kassista. Keskellä oleva jousimekanismi on tehty itse. Jouset ovat ensimmäiset testatut. Huomattavaa on myös kuvan alareunassa, pidempi kahva ottaisi kiinni kassin pohjaan. Seuraavaksi kassi maalattiin. Maalaus suoritettiin automaaleilla Alfa Romeon punaisella maalilla (DELTRON , 160/A, FIA). Ensin maalattiin värillinen massa kahteen kertaan. Tämän jälkeen kaksikomponenttinen lakka kahteen kertaan. Maalaus onnistui muuten hyvin mutta maalaustilan pölyisyydestä johtuen pintaan tuli pölyhiukkasia, kassin nurkasta jäin väriä pois ja lakkapinta ei ole kaikilta osin tasainen. Kassi on kuitenkin riittävän siisti prototyypiksi.

21 Kuva 19. Kassi maalauksesta ja koonnista tulleena. Testit Mekaanista toimivuutta testattiin kytkemällä moottori suoraan kytkimen kautta akkuihin. Kytkennän avulla saadaan moottoria pyöritettyä eteenpäin tasaista nopeutta. Moottorina käytössä on tuulilasinpyyhkijän moottori. Moottorissa on kaksi käämitystä kahdelle eri nopeudelle. Testejä varten käytettiin hitaampaa 1-käämitystä. Näillä käämeillä kassi kulkee portaita sopivalla nopeudella. Nopeampaa 2-käämitystä voidaan luultavasti käyttää, kun kassissa on elektroniikka asennettuna. Kuva 20. Testikytkentä. Akut kiinnitettiin sarjaan 24 voltin saamiseksi ja akkujen ja moottorin välille lisättiin kytkin. Moottorilta tulevat johdot kiinnitettiin sokeripalaan. Musta johto on maa, keltainen 1-vaihde ja keltainen 2-vaihde. Moottori pyörii toiseen suuntaan kun jännite käännetään toisin päin.

22 Mekaniikan testeissä testattiin kassin porrasominaisuuksia. Tasaisella pinnalla kassi kulkee liian hiljaa 1-käämeillä. Jatkossa tasaista kulkemista varten tulee käyttää 2-käämejä tai asentaa pyöriin vapaapyörät. Portaissa kassi lähti kipuamaan portaita hyvin. Ongelmaksi muodostui vedon siirtyminen siiveltä pyörälle. Siipi oli hieman liian pieni, koska portaan kulma osui pyörään liian ylös. Kallistamalla kassia riittävästi edestä alas ja auttamalla kahvasta kassi nousi portaita. Siiven kokoa kasvatettiin maksimiin eli säteeltään 110 mm. Suurempi siipi ottaisi kiinni pyörän akseliin. Siiven koon kasvattamisen jälkeen siipi ja pyörä ovat molemmat 220 mm halkaisijaltaan eli sopivat hyvin toisiinsa. Koon kasvattamisen jälkeen kassi kiipesi portaita hyvin kevyellä voimalla. Kahvan jouset menevät juuri ja juuri pohjaan kassin vaihtaessa siiveltä pyörälle. Lisäämällä siiven ja pyörän kitkaa päällystämällä ne voidaan luultavasti voimaa vähentää edelleen. Testeissä ilmeni myös ongelma, jossa toisen puolen siipi lähti pyörimään auki akselilta. Siipi on hitsattu mutteriin kiinni ja kiristetty toista mutteria vasten akselilla. Irtoavalla puolella siipi kiertää mutteriaan irti toisesta mutterista, kun kassin paino on siivellä. Toisella puolella siipi kiertää mutteriaan toista mutteria vasten eli kiristää kiinnitystä. Ongelma korjattiin vaihtamalla irtoavalla puolella siiven ja kiristysmutterin paikkaa toisin päin. Sama ongelma ilmeni myös ketjupyörillä, jotka ovat vastaavasti kiinnitetty akseleihin. Ongelma korjattiin lisäämällä kiristysmutterit molemmille puolille ketjupyörää. Jos ongelmaa esiintyy vielä jatkossa, niin pitää muttereihin porata holkit pitämään mutterit paikallaan. Holkkien lisääminen voi kuitenkin heikentää akseleita liian paljon ja akselit katketa. Tämän johdosta holkkeja ei vielä porattu. Elektroniikka Kauppakassi 3:n elektroniikkaa suunniteltaessa tarkoituksena oli vaihtaa kontrolleri parempaan, lähinnä enemmän ohjelmamuistia sisältävään malliin, mutta pitää muuten konstruktio kohtuullisen samanlaisena edelliseen malliin verrattuna. Toteutettu elektroniikkajärjestelmä koostuu mikrokontrollerikortista ja moottorinohjaimesta, sekä merkkivalot, latausliittimen ja pääkytkimen sisältävästä käyttöpaneelista. Voimasensorina käytetään ensimmäisestä versiosta tuttua jousikuormitettua liukupotentiometriä, joka on osoittautunut toimintavarmuudeltaan ja hinnaltaan paremmaksi ratkaisuksi, kuin toisessa versiossa käytetty voima-anturi. Mikrokontrollerikortti Päädyimme käyttämään laboratoriossa kehitettyä nousutankoa varten suunniteltua atmega128 pohjaista ohjainkorttia, joka tarjosi meille enemmän kuin riittävästi ominaisuuksia ja lisäksi mukavasti laajennusvaraa. Ohjainkortti on suunniteltu yleiskäyttöiseksi, joten se tarjoaa kaikki kontrollerin liitännät johdotettuna joko piikkirimoiksi tai ruuviliittimiksi. Kommunikointi pc:n kanssa onnistuu sarjaportin yli asetuksilla: 9600bps, 8bits, no parity. Kassin ohjelmisto sisältää tekstipohjaisen käyttöliittymän, jonka avulla kassin toimintaa voidaan seurata ja muokata. Kortille on lisäksi asennettu mm. usb-liitin ja summeri, joita ei tässä projektissa hyödynnetty. Mikrokontrollerikortin piirikaavio on esitetty kuvassa 21 ja komponenttisijoittelu kuvassa 22. Alkuperäiset eagle-kaaviot ja tarkemmat kuvat liitteenä [4].

23 Kuva 21. Mikrokontrollerikortin piirikaavio

24 Kuva 22. Mikrontrollerikortin komponenttisijoittelu Johdotus Kassin johdotukseen on tarvittu melko paljon kaapelointia, jota ei ehditty kätkeä rungon sisään. Koska kyseessä on prototyyppi voitaneen tämä kuitenkin hyväksyä. Laitteisto saa 24V:n käyttöjännitteensä kahdesta sarjaan kytketystä 12V:n akusta. Jännite johdetaan kontrollerikortille ja moottorinohjaimelle sulakkeen ja virtakytkimen kautta, joten virtakytkin toimii ns. pääkytkimenä. Johdotuskaavio on esitetty kuvassa 23. Eri liitäntöjen kytkentäpisteet mikrokontrollerikortilla selviävät kuvan 22 komponenttisijoittelukaaviosta.

25 Kuva 23. Kauppakassin johdotuskaavio Käytännön johdotuksessa on käytetty apuna sokeripalaa, jonka avulla kytkennät ovat helposti muutettavissa ilman johtojen juottamista. Riviliittimen kytkentä on esitetty kuvassa 24. Kuva 24. Riviliittimen kytkentä Toteutus Elektroniikkaosion toteutuksen piti olla sikäli suoraviivaista, että kaikki piirilevyt oli suunniteltu valmiiksi. Urakka aloitettiin tutustumalla korttien piirustuksiin ja laatimalla tilauslista tarvittavista osista. Osien saapumista odotellessa valmistettiin piirilevyt EAGLE-kuvien perusteella jyrsimällä.

26 Osien saavuttua huomattiin, että mikrokontrollerit puuttuivat toimituksesta kokonaan. Ne olivat päässeet loppumaan toimittajalta. Laboratorion varastoista löytyi kuitenkin ylimääräinen kontrolleri, joten ohjainkorttia päästiin kokoamaan. Koska tekijän edellinen kokemus juottamisesta oli yläasteaikojen ledinvilkuttimesta, Antti Karjalainen auttoi vaikeiden läpivientien tekemisessä ja mikrokontrollerin kiinnittämissä. Muilta osin kortti saatiin koottua suuremmitta ongelmitta, joskin melko pitkäkestoisen tekemisen tuloksena. Testeissä kuitenkin ilmeni, että kortti ei jostain syystä toimi. Yhteyttä ohjelmointilaitteeseen ei saatu. Korttia testailtiin ja kytkentöjä mittailtiin huolella. Kaiken piti olla kunnossa. Lopulta huomattiin vian johtuvan väärin päin kiinnitetystä mikrokontrollerista. Antti Karjalainen lupasi kääntää kontrollerin, mutta korjaustoimenpiteestä huolimatta piiri ei suostunut toimimaan. Ilmeisesti kontrolleri oli hajonnut lopullisesti, kun sitä irrotettiin paikaltaan kuumailmapuhaltimella. Tässä vaiheessa ylikuumennut kortti päätettiin hylätä kokonaan, ja ajan säästämiseksi Antti Karjalainen kokosi nopeasti uuden mikrokontrollerikortin. Tässä jouduttiin kuitenkin käyttämään laboratoriosta löytynyttä atmega128 kontrolleria alunperin kaavaillun atmega1281:n sijaan, koska tilatut kontrollerit eivät olleet edelleenkään saapuneet. Erot edellä mainittujen kontrollerien välillä ovat kuitenkin varsin pienet ja ulkoiset liitännätkin samat, joten voimme käyttää ongelmitta käsillä ollutta atmega128:aa. Seuraavaksi koottiin moottorinohjain laboratoriossa valmiina olleiden piirustusten ja komponenttien avulla. Lisäksi laadittiin yksinkertainen led-kytkentä joka sisältää kaksi lediä, niille etuvastukset ja liittimen kytkentäjohtoa varten. Näiden kokoaminen sujui ohjainkortista saadun kokemuksen jälkeen melko kivuttomasti. Valmiit piirilevyt on esitetty kuvassa 25. Kuva 25. Mikrokontrollerikortti ja moottorinohjain Ohjelma Kauppakassin kolmannessa versiossa käytettiin toisesta versiosta tuttua, C-kielistä ohjelmaa, joka portattiin uudelle alustalle. Ohjelmoinnissa käytettiin AvrStudio ohjelmointiympäristöä ja lähdekoodin mukana on projektitiedosto mummo.aps. Lähdekoodi löytyy liitteenä [5]. Ohjelman perustoiminta on melko yksinkertaista. Ohjelma lukee AD-muuntimen avulla potentiometriltä tulevaa jännitesignaalia, jonka avulla se etsii ohjaustaulukosta vastaavan ohjausarvon. Ohjausarvo skaalataan välille [0,255] ja lähetetään edelleen PWM-signaalina moottorinohjaimelle. Jännitesignaalin lukeminen ja PWM-arvon muuttaminen on ajastettu

27 kellokeskeytyksen avulla noin 8 ms:n välein. Taustaprosessina pyörii tekstipohjainen käyttöliittymä, joka kommunikoi sarjaportin kautta PC-tietokoneen kanssa. Käyttöliittymän avulla voidaan tarkkailla järjestelmän tilaa tai muuttaa ohjaustaulukon arvoja. Ohjaustalukko on tallennettu EEPROM-muistiin, joten se ei häviä vaikka prosessorilta katkaistaan virta. Ohjelman rakenne Ohjelma on jaettu toiminnallisiin lohkoihin, jotka on eritelty omiksi tiedostoikseen: - mummo.c - eri osien ja porttien alustukset, sekä tautaprosessina pyörivän käyttöliittymä. - ctrl.c - ohjaukseen käytettävän säätöluuppi ja sitä ajava keskeytysrutiini. - led.c - ledien ohjaukseen tarvittavat funktiot. - table.c - ohjaustalukon käyttöön ja muokkaamiseen liittyvät funktiot. - pwm.c - pwm-signaalin alustukseen ja generointiin liittyvät funktiot. Edellä mainittujen tiedostojen lisäksi on käytetty monia valmiita kirjastoja, jotka helpottavat mm. ad-muuntimen, uart:n ja käyttöliittymän ohjelmointia. Toteutus ja muutokset Ohjelman kääntäminen aloitettiin tutustumalla kauppakassi 2:n ohjelmaan. Tähän saatiin kulumaan melko paljon aikaa, koska ohjelmaa ei oltu kommentoitu juuri lainkaan. Lisäksi tutustuttiin 2. versiossa käytetyn atmega 168:n ja nyt käytetyn atmega 128:n datalehtiin ja selviteltiin kontollerien eroja. Huomattin että lähes kaikki ohjausrekisterit ovat erilaisia. Lisäksi uusi versio toimii suuremmalla kellotaajuudella kuin vanha, joten myös laskurien raja-arvot oli mietittävä uudelleen. Samoin eri portteihin liittyvät toiminnallisuudet olivat erilaiset, mikä pakotti vaihtamaan käytettyjä i/o-portteja. Muokkaus aloitettiin käymällä läpi koko ohjelma ja muuttamalla ohjausrekistereihin kohdistuvat operaatiot sopiviksi uudelle kontrollerille. Samalla ohjelmasta kommentoitiin pois enkooderiin liittyvät osat, koska sellaista ei tässä projektissa käytetä. Lopuksi PWM:n ja keskeytyksiin liittyvät kellon asetukset asetettiin uudelleen, koska prosessorin kellotaajuus oli muuttunut. Näin muokattu ohjelma saatiin käännettyä uudelle prosessorille, muuta ohjelma ei kuitenkaan toiminut kunnolla. Yhteyttä sarjaporttiin ei saatu, mutta ledit tuntuivat toimivan. Vikaa yritettiin pitkään etsiä rivi kerrallaan käyttäen ledejä merkkivaloina, kunnes huomattiin että ongelma oli sarjakommunikointiin liittyvässä uart-kirjastossa. Vanhassa prosessorissa oli vain yksi uart-portti, kun uudessa niitä on kaksi, tästä syystä on käytettävä uart2 kirjastoa uart-kirjaston sijaan. Kirjasto vaihdettiin ja ohjelma käytiin uudelleen läpi muokaten uart:n käyttöön liittyvät funktiokutsut uutta kirjastoa vastaaviksi. Testeissä kuitenkin huomattiin, että valikkoa ei edelleenkään saada näkyviin näytölle. Ongelmaa lähdettiin rajaamaan lisäämällä sarjakommunikoinnin alustus heti ohjelman alkuun, ja tulostamalla testirivi uart:n kautta sarjaporttiin. Tämä onnistuin, joten vika ei llut itse sarjaliikenteessä. Testiprinttien avulla vikaa lähdettiin etsimään, mutta sitä ei tuntunut löytyvän. Lopulta laadittiin kokonaan erillinen testiohjelma, jolla yritettiin etsiä vian lähdettä. Pitkällisen testaamisen jälkeen huomattiin, että ohjelma alustaa itsensä satunnaisin väliajoin ennen kuin valikko ehtii tulostua näytölle. Kun alustuksen lähdettä alettiin etsiä, huomattiin että se aiheutuu EEPROM:n käsittelyn jälkeen. Lopulta google:n avulla selvisi, että käytetyssä prosessorissa on rautatason bugi, joka aiheuttaa hallitsemattomia keskeytyksiä tietyilla optimointimoodeilla EEPROM:a käsiteltäessä. Ongelma hävisi, kun EEPROM kirjasto vaihdettiin korjattuun versioon. Aiemmassa versiossa käytetystä voima-anturista johtuen ohjelma ei ollut täysin yhteensopiva potentiometrianturin kanssa, joten lukurutiiniin piti tehdä muutoksia. Ohjelmaa muutettiin niin, että