Как я разработал устройство для качания детской кроватки / Хабр
Эта статья о том, как я разработал устройство для качания детской кроватки с маятниковым механизмом.
Если интересно – добро пожаловать под кат.
Началась эта история уже три с лишним года назад, когда мы с женой готовились к рождению сына. Помимо всего прочего, я озаботился покупкой детской кроватки, начал исследовать рынок на эту тему. Оказалось, что на сегодняшний день продаются следующие виды кроваток:
- Просто кроватка, стоит на ногах. Ноги обычно снабжены колесами.
- Кроватка-качалка с дугообразным полозом.
- Кроватка с маятниковым механизмом качания.
Маятниковые механизмы бывают продольными (кроватка качается вдоль длинной стороны, как на заглавной картинке), поперечными (кроватка качается вдоль короткой стороны) или универсальными. В последнем случае одну и ту же кроватку можно собрать и так, и так.
Еще бывают колыбели – маленькая люлька, которую удобно ставить рядом с собой, когда занимаешься чем-нибудь, а малыш бодрствует.
Еще есть кровати-манежи, китайские. Есть еще кровати-трансформеры, к ним с торца пристроен комод и пеленальный столик, и тоже есть варианты с маятником. И еще много чего экзотического есть.
Но я был настроен именно на традиционную кроватку, стандартных размеров, из березы или бука, с маятниковым механизмом качания. Ну и как «человек прогрессивный, передовых взглядов» я сразу же задумался о том, что не руками же эту кроватку качать. Наверняка, думал я, давно придуманы механизмы качания, надо просто пойти в магазин и купить.
Однако к моему удивлению обнаружилось, что никакого готового устройства в продаже нет. Зато есть советы. Например, привязать веревочку одним концом к ноге, а другим – к кровати, и, качая ногой, качать кровать. Можно при этом даже за компьютером сидеть. А можно веревочку привязать к столику CD-ROMа, и написать программку, которая будет открывать и закрывать столик с какой-нибудь периодичностью.
Кроме советов обнаружилось несколько патентов, однако никаких устройств по ним не производится. Был один вроде бы производитель, я бы даже купил, наверное, тогда их устройство. Но на тот момент это уже было невозможно – насколько я понял, производство, если оно и было, они свернули.
Так мне и пришла в голову мысль разработать собственное устройство для качания кроватки.
Я проанализировал все патенты и другие найденные в интернете материалы, которые могли бы мне помочь. Также пришлось разобрать детские китайские электрические качели, чтобы посмотреть, что там внутри.
Постепенно сформировались требования к устройству:
- Бесшумность.
Это значит – никаких моторчиков, шестеренок, редукторов быть не должно. Можно, конечно, городить звукоизоляцию, но лучше изначально обойтись без всего этого. - Возможность дистанционного управления. А это, в свою очередь, означает способность устройства раскачать кроватку из состояния покоя.
- Простота установки на кроватку. И, как следствие, возможность установки если не на все, то хотя бы на большинство имеющихся в продаже кроваток.
Это значит – никаких моторчиков, шестеренок, редукторов быть не должно. Можно, конечно, городить звукоизоляцию, но лучше изначально обойтись без всего этого.
Размышляя о конструкции прибора, я отметил для себя несколько основных моментов. Во-первых, устройство качания должно подстраиваться под частоту собственных колебаний кроватки, подталкивая ее в строго определенные, нужные моменты времени, также как человек, стоящий на земле, раскачивает качели. Кроме того, связь кроватки с приводом не должна быть жесткой, нужно сделать так, чтобы качающуюся кроватку в любой момент можно было остановить рукой без ущерба для привода и руки. Кроватка должна качаться сама, а привод будет лишь компенсировать рассеивающуюся в результате трения энергию.
Помните, одно время были популярны «настольные вечные двигатели»? Там в подставке расположена катушка, а в качающейся части – магнит. Достаточно качнуть «двигатель», и он будет качаться до тех пор, пока в нем батарейки не сядут.
Принцип работы устройства прост – магнит, пролетая над катушкой, наводит в ней ЭДС, которая меняет знак в тот момент, когда магнит начинает удаляться от катушки. Вот на этом же принципе я и решил создать свое устройство. Важный момент – в качестве датчика я решил использовать ту же самую приводную катушку (а не, например, другую катушку, оптопару или датчик Холла). Другими словами, микроконтроллер (а конструкция собрана, конечно, именно на нем) сначала «слушает» ЭДС в катушке, а потом в нужный момент времени подключает ту же самую катушку к источнику питания.
Проходя путь от идеи до готового устройства, мне пришлось решить множество вопросов. В качестве микроконтроллера подошел ATtiny24.
Магнит был выбран неодимовый, в виде шайбы, диаметром 15 мм и толщиной 8 мм. Отдельная история с катушкой – ее параметры пришлось скрупулезно подбирать, используя как и некоторую теорию, так и несколько катушек-прототипов c разными размерами, диаметрами провода и количеством витков. Также варьировались геометрия и материалы сердечника. Конечно, мне хотелось сделать магнитную систему как можно более замкнутой, в идеале магнит должен двигаться с минимальными зазорами между полюсами сердечника. В этом случае достигался бы наибольший КПД устройства (а значит, и минимальное количество меди в обмотке). Однако в угоду простоты конструкции высоким КПД пришлось пожертвовать. Один из вариантов катушки (не окончательный) приведен на фотографии.
Для того, чтобы механизм качания мог сдвинуть кроватку с места, было предусмотрено некоторое смещение катушки относительно магнита в положении равновесия.
Дистанционное управление было выполнено с помощью готового китайского пульта с четырьмя кнопками (пуск, стоп, больше, меньше) и приемника к нему.
Сейчас используется такой пульт:
В программе для микроконтроллера было предусмотрено шесть скоростей качания (меняется, по сути дела, длина подталкивающего импульса). Для шестой скорости алгоритм несколько сложнее – там используется серия коротких импульсов с проверкой полярности наводимой ЭДС в паузах между ними. Это позволяет достичь максимальной энергии качания.
На протяжении этих трех лет по мере возникновения новых идей программа совершенствуется. Например, был опробован (и сейчас используется) алгоритм динамического изменения длины импульсов в зависимости от периода качания кроватки. Также был создан алгоритм для плавного нарастания и плавного спада тока в приводной катушке, что определяет полную, абсолютную бесшумность устройства. Без этого усовершенствования устройство при работе все же издавало некоторый звук, похожий на тиканье часов. Есть еще идея создания ПИ-регулятора с обратной связью по амплитуде качания, но здесь пока не решена проблема определения этой самой амплитуды с помощью имеющегося «датчика».
В качестве корпуса устройства был выбран готовый корпус Gainta, через какое-то время он обзавелся красивой картинкой, выгравированной лазером.
Блок питания – готовый, 12 В, 2 А.
Еще несколько фотографий устройства:
Нестандартные крепежные детали вырезаны с помощью лазерной резки и окрашены порошковой краской.
И видео:
Мы пользовались нашим устройством качания около года, жена осталась очень довольна. А потом дитя отказалось укачиваться в кроватке, и устройство оказалось неактуально для нас.
А потом оказалось, что такие устройства можно продавать. Но это уже другая история.
Если вам понравится эта статья, я могу рассказать:
— о том, как я получал патент на полезную модель, и как он оказался практически бесполезным в реально произошедшем случае нарушения моих патентных прав;
— о том, как я начал серийно выпускать и продавать устройства качания, но пока так и не разбогател;
Устройство качания кровати с маятниковым механизмом
Устройство качания кровати с маятниковым механизмом относится к бытовым устройствам, предназначенным для детской мебели, в частности для детских кроватей, оборудованным маятниковым механизмом укачивания. Устройство содержит установленные в корпусе 1 электромагнит 2, состоящий из обмотки 3 и магнитопровода 4. Внутри обмотки 3 установлена направляющая труба 5, в которой размещен подвижный сердечник 6, соединенный с гибкими тягами 7, вторые концы которых предназначены для соединения с подвижной частью кровати. Обмотка 3 электромагнита 2 подключена к источнику питания 9 через блок 10 управления, который соединен с датчиками 12 положения перемещения подвижного сердечника 6. Электромагнит 2, блок 10 управления и датчики 12 положения подвижного сердечника 6 установлены в едином корпусе. Повышается безопасность, улучшаются условия эксплуатации, универсальность устройства. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.
Устройство качания кровати с маятниковым механизмом относится к бытовым устройствам, предназначенным для детской мебели, в частности для детских кроватей, оборудованным маятниковым механизмом укачивания.
Известно электроколебательное устройство, которое может быть использовано в детских кроватях для убаюкивания (патент на полезную модель RU 10522, A47D 9/02, дата публ. 16.08.1999), содержащее источник колебаний и две эластичные опоры для установки на концах двух ножек кроватки, так что колебания колебательного элемента, передаваемые кроватке, передаются также на обе эластичные опоры с выработкой сложного колебательного движения, получаемого путем суммирования колебаний кроватки и колебаний, передаваемых на эластичные опоры.
Известное устройство обладает существенными недостатками. Так для получения плавных колебаний требуется значительная масса эксцентрического колебательного элемента, и как следствие мощного электродвигателя, при этом нагруженная масса детской кровати с ребенком накладывает определенные требования к жесткости и упругости эластичных опор, что также влечет к увеличению мощности и массы колебательного элемента. В режиме высокочастотных колебаний данное устройство представляет собой вибратор, что, несомненно, не способствует убаюкиванию малыша.
Кроме того, данное устройство не обладает универсальностью и не может быть применено в большинстве моделей кроватей, выпускаемых промышленностью, и не может быть использовано для кроватей с маятниковым механизмом укачивания.
Известно устройство качания кровати с маятниковым механизмом (патент на полезную модель RU 96474, A47D 9/02, дата публ. 10.08.2010), содержащее приводной рычаг, обладающий свойством упругой деформации относительно оси, одним концом жестко закрепляемый на верхней (подвижной) части кровати посредством зажимного узла, а другим концом соединенный с колебательным рычагом, приводимым в колебательное движение относительно оси электродвигателем, электродвигатель, вращающиеся части, контроллер управления работой электродвигателя закрыты защитным кожухом, содержащим консоль управления, и закреплены на основании устройства, которое жестко закрепляется с основанием (неподвижной частью) кровати. Верхняя (подвижная) часть кровати при помощи данного устройства может совершать резонансные колебательные движения относительно основания (неподвижной части) кровати.
Недостатком описанного выше устройства для качания кровати с маятниковым механизмом является неудобство его в эксплуатации, обусловленное наличием в конструкции электродвигателя и вращающихся частей, которые в процессе работы производят шум, мешающий пользователю.
Известно устройство для качания кровати (патент на полезную модель RU 112007, A47D 9/02, дата публ. 10.01.2012), взятое в качестве прототипа, содержащее опорную конструкцию, к которой с помощью подвесок прикреплена кровать. На опорной конструкции установлен электромагнит с обмоткой, подключенной к сети электрического тока через прерыватель с блоком управления. На днище кровати закреплена с возможностью взаимодействия с электромагнитом металлическая пластина, смещенная относительно электромагнита в направлении качания кровати.
Недостатком описанного выше устройства для качания кровати является сложность устройства, а так же то, что электромагнит, расположенный под геометрическим центром кровати, является мощным источником электромагнитного поля, оказывающим вредное воздействие на ребенка.
Задача полезной модели — создание безопасного, удобного в эксплуатации, универсального устройства качания кровати с маятниковым механизмом, как для продольного, так и для поперечного качания кровати.
Технический результат, получаемый в результате решения задачи, состоит в повышении надежности работы устройства, за счет его упрощения, удобстве эксплуатации, снижении уровня шума, безопасности за счет отсутствия излучения электромагнитных полей.
Указанный технический результат достигается тем, что, в устройстве качания кровати с маятниковым механизмом, содержащем электромагнит с обмоткой, подключенной к источнику питания через блок управления, согласно полезной модели, электромагнит снабжен магнитопроводом и подвижным сердечником, размещенным в направляющей трубе, установленной внутри обмотки электромагнита, при этом подвижный сердечник соединен с гибкими тягами, вторые концы которых предназначены для закрепления на подвижной части кровати, устройство снабжено одним или более датчиками положения подвижного сердечника, при этом электромагнит, блок управления и датчики положения подвижного сердечника установлены в едином корпусе.
Наличие магнитопровода в электромагните позволяет защитить пользователя (ребенка) от воздействия электромагнитного поля, возбуждаемого электрическим током, проходящим через обмотку электромагнита, что повышает безопасность использования устройства.
Наличие в устройстве гибких тяг, обладающих свойством упругой деформации, обеспечивает равномерность перемещения сердечника в направляющей трубе, что обеспечивает плавность качания кровати.
Наличие датчиков положения перемещения подвижного сердечника позволяет контролировать значение амплитуды качания кровати, что позволяет задавать значение амплитуды и стабильно поддерживать ее в течение всего времени работы устройства.
Размещение электромагнита, блока управления и датчиков положения подвижного сердечника в едином корпусе позволяет повысить эксплуатационную безопасность устройства, упростить эксплуатацию устройства, снизить его габариты и вес.
Выполнение блока управления устройства на основе микропроцессора позволяет увеличить функциональные возможности и повысить безопасность эксплуатации устройства.
Устройство может быть дополнительно снабжено пультом дистанционного управления, что позволяет повысить удобство эксплуатации устройства.
В данной полезной модели колебания осуществляются с резонансной частотой кровати, что позволяет снизить количество потребляемой электрической энергии, шума и габаритные размеры самого устройства.
Заявленное устройство универсально, что позволяет использовать его в конструкциях детских кроватей как с продольно расположенным маятниковым механизмом, так и с поперечно расположенным маятниковым механизмом.
Сравнение заявленного решения с прототипом и другими техническими решениями в данной области техники показывает, что изложенная совокупность признаков не известна из существующего уровня техники, на основании чего можно сделать вывод о его соответствии критерию полезной модели «новизна».
Соответствие заявленной полезной модели критерию «промышленная применимость» показано на примере конкретного выполнения устройства.
На фиг.
1 приведена конструкция устройства качания кровати с маятниковым механизмом.
На фиг.2 приведена функциональная схема блока управления.
Устройство содержит установленные в корпусе 1 (фиг.1) электромагнит 2, состоящий из обмотки 3 и магнитопровода 4. Внутри обмотки 3 установлена направляющая труба 5, в которой размещен подвижный сердечник 6, соединенный с гибкими тягами 7, вторые концы которых предназначены для соединения с подвижной частью кровати, например, стойками 8. Обмотка 3 электромагнита 2 подключена к источнику питания 9 (фиг.2) через блок 10 управления, который установлен также в корпусе 1, оснащен микропроцессором 11, например, PIC16F628, соединен с датчиками 12 положения перемещения подвижного сердечника 6 и элементом приема сигналов с пульта дистанционного управления, например, фотоприемником 13. Корпус 1 устройства, устанавливают на неподвижную часть кровати, например, опору 14.
Питание устройства осуществляют с внешнего электрического источника питания 9, например, адаптер NET 36, http://www.
fsp-power.ru/product/adapter_net_3 6.
Устройство качания кровати с маятниковым механизмом может быть дополнительно снабжено пультом 15 дистанционного управления (например, TV Remote Controller RM-9S, http://en.chunghop.com).
Устройство работает следующим образом.
При подаче сигнала с пульта 15 дистанционного управления на фотоприемник 13, микропроцессор 11 блока 10 управления подает импульсы напряжения на обмотку 3 электромагнита 2, вокруг которой возникает электромагнитное поле, под действием которого сердечник 6 втягивается внутрь обмотки 3. При этом одна из тяг, например, левая тяга 7, натягивается, передавая усилие на подвижную часть кровати стойки 8. В результате стойки 8 отклоняются от начального положения. Далее под действием силы тяжести подвижная часть кровати начинает обратное движение, возвращаясь в начальное положение, и по инерции отклоняется в противоположную сторону. При повторном приближении сердечника 6 под действием правой тяги 7 к начальному положению процессор 11 блока управления 10 по сигналам с датчиков 12 положения подвижного сердечника 6 снова подает импульс напряжения на обмотку 3 электромагнита 2.
В дальнейшем происходит периодическое воздействие усилий, передаваемых с сердечника 6 тягами 7 на стойки 8 в такт вынужденных колебаний подвижной части кровати. Амплитуду раскачивания кровати задают с пульта 15 дистанционного управления и поддерживают микропроцессором 11 блока 10 управления в соответствии с показаниями датчиков 12 положения сердечника 6.
Возможна работа устройства в режиме подхвата раскачивания. Достаточно качнуть кровать два — три раза и в дальнейшем колебания кровати будут поддерживаться автоматически.
Использование устройства качания кровати с маятниковым механизмом предложенной конструкции позволяет обеспечить бесшумное раскачивание кровати с различной амплитудой и не мешает раскачивать кровать в ручном режиме.
1. Устройство качания кровати с маятниковым механизмом, содержащее электромагнит с обмоткой, подключенной к источнику питания через блок управления, отличающееся тем, что электромагнит снабжен магнитопроводом и подвижным сердечником, размещенным в направляющей трубе, установленной внутри обмотки электромагнита, при этом подвижный сердечник соединен с гибкими тягами, вторые концы которых предназначены для закрепления на подвижной части кровати, устройство снабжено одним или более датчиками положения подвижного сердечника, при этом электромагнит, блок управления и датчики положения подвижного сердечника установлены в едином корпусе.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок управления выполнен на основе микропроцессора.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено пультом дистанционного управления.
Качели-кровати Southern Home and Farm Edition
Эти кровати-качели отличаются своим внешним видом и долговечностью, начиная от плетеной вручную веревки морского класса и заканчивая устойчивым к непогоде античным кипарисом. Мы предлагаем множество различных вариантов в дополнение к БЕСПЛАТНОЙ доставке в пределах 48 континентальных штатов.
КРОВАТЬ-КАЧАЛКА ХАРАКТЕРИСТИКИ:
Восстановленный старинный кипарис, который очень хорошо переносит непогоду
Состаренная патина, которая выделяется на фоне типичного магазинного вида
Ручная работа местных плотников
Водонепроницаемый виниловый матрас
Индивидуальный вид
РАЗМЕР: 9000 5
Двойной размер: 44–50 дюймов x 84–90 дюймов x 20–22 дюйма
Размер кроватки: 33-37” x 70-73” x 19-23”
*Размеры варьируются в пределах нескольких дюймов из-за использования антикварного дерева.
ЦВЕТ И ПАТИНА:
Каждая кровать-качели изготовлена из старинного кипариса, который был извлечен из исторических зданий на юге. Из-за уникальности дерева окраска и патина будут различаться в зависимости от каждой кровати, даже если она окрашена в серый или белый цвет.
Натуральный кипарис невероятно хорошо переносит непогоду и не нуждается в герметике или отделке для защиты от непогоды. Когда качели подвергаются солнечному свету и другим погодным условиям, древесина становится серой и покрывается естественной патиной. При серой или белой окраске вам может потребоваться повторное нанесение покрытия через несколько лет в зависимости от количества солнечного света и погодных условий.
Все кровати-качели изготовлены из античного кипариса. Если вы хотите обсудить использование другой породы дерева, пожалуйста, свяжитесь с нами.
ВЕРЕВКА:
Веревка представляет собой синтетическую веревку морского класса, которая не изнашивается и не изнашивается, как веревка из органического шпагата.
Длина веревки указана от вершины петли ручного плетения до свободного конца, проходящего через балки. Учитывайте количество веревки, необходимое для завязывания узла, и высоту конструкции, на которой висят качели.
Виниловый водонепроницаемый матрас:
Эти виниловые водонепроницаемые матрасы местного производства выдерживают непогоду. Хотя матрасы водонепроницаемы, мы рекомендуем снимать матрас перед дождем. Это делается для того, чтобы под матрасом не скапливалась влага. Это позволит полозьям полностью высохнуть, а не задерживать влагу между полозьями кровати и матрасом.
ВРЕМЯ ПРОИЗВОДСТВА:
Пожалуйста, подождите 10-12 недель для производства. Как только изготовление ваших индивидуальных качелей будет завершено, ваши качели будут упакованы и отправлены. Процесс упаковки и отправки обычно занимает 2-3 недели Информация о доставке будет отправлена после завершения производства ваших качелей. Все продажи являются окончательными.