Разработка действующей модели автоматической поворотной двери с кинематикой Клеменса Торглера для IT-полигона

Актуальность

Последние несколько лет в нашей школе активно ведётся ремонт. На глазах учащихся происходит долгожданное обновление внутренней планировки и интерьера корпусов. У школьников есть возможность высказывать свои пожелания и поднимать проблемы.

В текущем году авторы перешли на обучение в обновлённый корпус старшей школы с IТ-полигоном. К сожалению, летом за время ремонта строители не успели доделать более мелкие задачи плана. Одной из таких задач является раздвижная перегородка – вход в верхнее помещение IТ-полигона.

Так как полигон является творческим пространством для инженеров и программистов, на входе не может стоять обычная дверь. Авторы решили разработать автоматическую дверь-перегородку с особым дизайном и кинематикой, которая сможет стать истинным украшением для их IТ-полигона и всей старшей школы.

Цель

Разработать действующую модель автоматической раздвижной двери с кинематикой типа «оригами» в стиле Клеменса Торглера.

Предложить использовать разработанный дизайн при ремонте в корпусе старшей школы.

Задачи

1.   Изучить механизмы дверей с различными кинематическими системами.

2.   Разработать 3D-модель (сборку) механизма двери OrigamiDoor.

3.   Проверить работу механики OrigamiDoor в CAD и сделать анимацию открытия-закрытия.

4.   Собрать тестовый макет OrigamiDoor из фанеры для проверки нагрузок и отладки кинематики на практике.

5.   Определить способ автоматизации макета.

6.   Автоматизировать процесс открытия/закрытия двери OrigamiDoor при нажатии на кнопку или по команде со смартфона.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

• Компьютер с установленным программным обеспечением
• Фанера
• Фрезерный станок с ЧПУ
• Серводвигатель, 2 шт.
• Микроконтроллер с WiFi и Bluetooth
• Блок питания
• Адресная светодиодная лента
• Динамик с усилителем
• Датчик – концевик, 2 шт.
• Конденсатор

Описание

Разработав данную модель и удостоверившись, что она работает, авторы приступили к сборке. Затем они определили способ автоматизации двери и занялись электроникой.

Далее авторы выбрали нужные компоненты и определили их количество, рассмотрели мощность и модели. Затем начали составлять электрические схемы.

Составив таблицу подключений, авторы занялись составлением алгоритма работы устройства, чтобы в дальнейшем написать код программы.

Устройство управляется оператором беспроводным способом – с помощью мобильного приложения Bluetooth. Дверь не требует физического воздействия оператора при работе.

Для того чтобы открыть дверь, требуется зайти в мобильное приложение и ввести пароль. В случае верно введённого пароля дверь автоматически открывается, загорается зелёный свет. В случае если пароли не совпадают, загорается красный свет, а также издаётся звуковой сигнал, оповещающий о несовпадении.

При введении заданного пароля в мобильном приложении данные передаются по Bluetooth и сверяются с первоначальными. В случае совпадения пароля мобильное приложение сообщает об этом микроконтроллеру, который позже приводит в действие сервоприводы, для того чтобы дверь открылась.

Окончательно во всём разобравшись, авторы написали код для устройства.

Затем изучили различные серверы.

Для разработки сервера используется следующий стек:

- Python 3.8.2 (язык программирования общего назначения)

- Веб-фреймворк Flask v1.0.2

- Werkzeug v0.14.1

- Flask-Login v0.4.1

- SQLAlchemy v1.2.12

- Flask-SQLAlchemy v2.3.2

- Jinja2 v2.10

- СУБД SQLite v3.31.1

На момент защиты проекта реализованы страницы:

● Авторизация

● Регистрация

● Просмотр записей в БД с фильтрацией

Затем авторы расписали функционал/устройство двери:

• Автоматический механизм открытия-закрытия двери
• Станция контроля и мониторинга с веб-интерфейсом
• Интерфейс для ввода пароля в мобильном приложении Сотрудника
• Передача введённого пароля с мобильного приложения на устройство двери по Bluetooth
• Автоматическое открытие двери при получении правильного пароля
• Автоматическое закрытие двери через 20 секунд после открытия
• Световая и цветовая индикация двери при введении верного и неверного пароля (верный – зелёный свет, неверный – красный)
• Звуковая индикация при неверно введённом пароле
• Смена актуального пароля двери по запросу от станции мониторинга
• Логирование всех событий устройства на станции мониторинга
• Просмотр логов на системе мониторинга в записи, а также в режиме реального времени (попытка подключения к двери, результат, время и пр.)

Результаты работы/выводы

1. Разработана 3D-сборка первой версии OrigamiDoor v.1 с механизмом вращения секций-треугольников.

2. С помощью фрезерного ЧПУ-станка изготовлена действующая модель OrigamiDoor первой версии.

3. Найдены проблемы автоматизации OrigamiDoor v.1.

Было решено переделать геометрию двери, а также параллельно протестировать другую кинематику двери (в полностью закрытом состоянии для открытия двери нужно сменить вектор действующей силы. Вследствие этого от двигателя требуется очень высокий момент вращения при старте открытия двери. Ставить более мощный двигатель неэффективно. Было решено улучшить геометрию модели).

4.   Разработана 3D-сборка новой двери OrigamiDoor 2.0 с другой кинематикой.

5.   Собран действующий прототип кинематики OrigamiDoor 2.0.

6.   Определён способ автоматизации двери, разработаны электрические схемы.

7.   Разработана финальная демонстрационная версия модели OrigamiDoor 2.0.