Conception et prototypage du joystick
Base du joystick
Prototypage du capteur AS5600
Avant de se lancer dans la modélisation du mécanisme du joystick, nous sommes passés par une phase de prototypage des capteurs à effet Hall AS5600 afin de découvrir leur fonctionnement et nous préparer à la programmation de ces derniers. Le but de cette manoeuvre consiste en grande partie à ne pas se faire surprendre lors de leur intégration au mécanisme aussi bien lors de la phase de modélisation avec la tolérance de distance entre le capteur et l’aimant mais également lors de sa programmation.
Nous avons donc modélisé une pièce accueillant un roulement, un axe possédant à son extrémité un aimant et le capteur AS5600 :
Rendu 3D de la pièce destinée à prototyper un capteur AS5600
Cette pièce a été imprimée par une imprimante 3D Artillery Sidewinder X2 utilisant la technologie de dépôt de filament fondu (FDM) :
Photo de la pièce destinée à prototyper un capteur AS5600 en cours d’impression
Enfin nous avons prototypé ce capteur à l’aide de la carte électronique Arduino Pro Micro et d’un bouton poussoir.
Modélisation du mécanisme
Suite au prototypage des capteurs à effet Hall, nous sommes passés par une phase de modélisation du mécanisme en s’inspirant du mécanisme de retour de force choisit lors de la phase d’étude et choix techniques. Nous avons notamment intégré lors de cette modélisation, les composants mécaniques mais également les vis et écrous, ce qui est une bonne pratique pour ne pas avoir de surprise au montage. Pour information, seuls les patins rouges sont directement issus d’une modélisation existante.
Rendu 3D de la première version du mécanisme du joystick
Rendu 3D de la première version du mécanisme du joystick
Rendu 3D de la première version du mécanisme du joystick
Prototypage du mécanisme
Prototypage matériel
Afin d’entamer la phase de prototypage du mécanisme du joystick, nous avons imprimé ses différents composants en 3D puis les avons nettoyés.
Composants du mécanisme imprimés en 3D
Composants du mécanisme imprimés en 3D
Puis nous sommes passés au montage et à la programmation des capteurs.
Mécanisme en cours de montage
Mécanisme monté pour prototypage
Mécanisme monté pour prototypage
Prototypage logiciel
A cette étape du projet, nous avons eu l’occasion de commencer la programmation du joystick. Nous avons utilisé l’environnement de développement Arduino IDE aisni que la bibliothèque Jostick.h afin de programmer et interfacer notre carte électronique notamment dans l’utilisation de capteurs AS5600.
Voici l’algorigramme de notre programme :
Algorigramme du programme du joystick
Interface de test du joystick sous Windows 10
Première difficultée physique rencontrée
Une fois les capteurs programmés, une première difficulté s’est confrontée à nous lors du test de ce dernier, la casse d’un des axes du mécanisme dû à un décollage entre deux couches de filament. La force s’appliquant perpendiculairement à l’axe, ce dernier a cédé sous le poids de notre bras.
Axe X inférieur du mécanisme cassé
Nous avons donc amélioré notre mécanisme en renforçant chaque axe par une vis M3. De plus, nous avons modifié la base de la poignée afin de faciliter son câblage avec une coupe en son centre et ajouté un mécanisme d’attache poignée afin de permettre la fixation de la future poignée sur le mécanisme.
Nouvel axe du mécanisme renforcé
Analyse de section du renforcement de l’axe
Evolution du mécanisme
Mécanisme final
La modélisation terminée, nous sommes passés à l’impression des différents composants du mécanisme final et à son assemblage.
Impression 3D de composants du mécanisme
Quelques composants du mécanisme
Voici le mécanisme du joystick terminé :
Rendus 3D :
Mécanisme final du joystick
Mécanisme final du joystick
Vidéo 3D du montage :
Model 3D du mécanisme :
Poignée du joystick
Design de la poignée
Possédant dès à présent un mécanisme fonctionnel et répondant à nos attentes, nous nous sommes penchés sur le développement d’une poignée de joystick sur mesure s’inspirant du joystick de l’avion de chasse F-16.
Le développement d’une telle pièce étant délicat d’un point de vue ergonomique, nous nous sommes inspirés d’une modélisation existante du joystick du F-16 afin d’obtenir les différentes dimensions importantes (hauteur/largeur/profondeur/…) dans le but d’éviter une phase de prototypage ergonomique.
Modélisation existante utilisée dans le développement de notre poignée
Avant de nous lancer dans la modélisation, nous avons déssinés sur des rendus le design attendu lors de la phase de modélisation de cette poignée.
Design attendu de la poignée
Design attendu de la poignée
Design attendu de la poignée
Développement du hat-switch
Notre cahier des charges incluant un hat-switch, nous avons décidé de développer ce dernier sur mesure car la disponibilité et le prix de ce composant étaient un frein dans son intégration au sein de notre joystick. Nous sommes donc passés par une étape de modélisation puis de prototypage.
Modélisation de la première version du hat_switch
Après de nombreuses corrections de dimensions, nous sommes parvenus à un résultat satisfaisant.
Prototypes de la première version du hat_switch
Malheureusement, en vue de l’encombrement de notre hat-switch au sein de la poignée, nous avons retravaillé sa conception afin de faciliter son intégration entre les différents composants présents. Outre cela, nous avons développé un circuit imprimé sur-mesure à l’aide du logiciel KiCad.
Circuit électronique du PCB du hat-switch
Modélisation du hat-switch final
Modélisation et prototypage de la poignée
Nous avons ensuite commencé la modélisation de cette poignée avec une méthode de modélisation habituelle : la modélisation solide. Cela nous permet de fixer les différentes contraintes de formes afin de simplifier la suite de la modélisation. Pour information, aucun composant de notre modélisation n’a été tiré de la modélisation existante.
Modélisation solide de la poignée
Modélisation solide de la poignée
Cette première étape de modélisation nous a permis de passer à une seconde méthode de modélisation : la modélisation surfacique. Cette méthode étant très compliquée à prendre en main, nous avons rencontré de nombreuses difficultés dans son utilisation. Après plus d’une trentaine de prototypes de modélisation, nous avons réussi à aboutir à une modélisation convenable de la poignée où nous avons eu l’occasion d’intégrer le système de gâchette ainsi que les différents composants électroniques que nous avons fixés dans notre cahier des charges.
Modélisation finale de la poignée
Modélisation finale de la poignée
Une fois de plus, nous avons imprimé et nettoyé les différents composants de la poignée afin de procéder à son montage.
Impression 3D de la partie droite de la poignée
Parties latérales de la poignée avant et après nettoyage
Vidéo 3D du montage :
Model 3D de la poignée :
Intégration de la poignée
Les éléments principaux composant notre joystick étant développés et remplissents nos attentes, nous sommes passés à la dernière phase du développement du joystick, l’intégration de la poignée au mécanisme. Pour cela, nous avons commencé par nous pencher sur la création du boitier destiné à accueillir le mécanisme ainsi que l’électronique de notre projet.
Création du boitier
L’objectif de ce boitier est d’accueillir et de protéger le mécanisme et les composants électroniques de ce joystick tout en laissant entrevoir les éléments du mécanisme en fonctionnement. Afin d’obtenir un boitier solide tout en prenant en compte les contraintes de l’impression 3D, nous avons développé une base coupée en son centre à l’horizontale permettant une impression en deux parties à plat sans supports destinée à accueillir des plaques en acrylique d’une épaisseur de 3 mm découpés à l’aide d’une découpeuse laser. Ces plaques sont transparentes afin de laisser apparaître les entrailles de notre commande à l’exception de la partie supérieure qui quant à elle est gravée du logo de notre groupe réalisé à l’occasion de ce projet.
Modélisation du boitier sans mécanisme
Modélisation du boitier avec mécanisme
Enfin nous avons imprimé les éléments constituants la base de ce boitier puis effectué les découpes laser nécessaires.
Impression 3D de la partie inférieure de la base du boitier
Partie supérieure de la base du boitier
Développement du circuit imprimé
Afin de rendre la poignée du joystick interchangeable, nous avons décidé de développer un PCB sur-mesure dans le but de simplifier la connexion des composants électroniques en plus de les rendre modulables à l’aide de connecteurs JST 2,56 mm. De plus, ce PCB sert de base universelle dans la connexion de composants sur une carte Arduino Pro Micro, ce qui la rend compatible dans le cadre de la connexion des composants de la commande de gaz.
Afin de développer cette carte électronique, nous avons une fois de plus utilisé le logiciel KiCad puis y avons importé une bibliothèque comprenant la schématique et l’empreinte de notre carte électronique programmable. Dans un premier temps, nous nous sommes penchés sur la schématique de notre PCB en effectuant les connexions nécessaires de la carte électronique aux connecteurs JST après avoir défini le nombre total de câbles traversant le mécanisme pour arriver aux composants placés dans la poignée. Nous avons également relié chaque pin de l’Arduino Pro Micro à des pins parallèles afin de garder un accès total aux pins de cette dernière, le but étant de permettre de prototyper ou de modifier nos connexions avec les composants sans changer de circuit imprimé. Enfin nous avons ajouté les perçages de notre PCB.
Schématique du circuit imprimé
Nous sommes ensuite passé à la phase de routage du circuit imprimé. Pour cela, nous avons utilisé dans un premier temps le plugin Freeroute qui nous a permis d’avoir une idée du passage des différentes pistes. Nous avons ensuite routé chaque piste à la main après avoir défini la largeur des routes à 0.5 mm, ce qui est acceptable dans notre contexte puisque l’alimentation de nos composants ne demande pas beaucoup de puissance. Enfin nous avons placé un plan de masse sur les deux faces de notre PCB afin de simplifier son routage et réduire les interferances des signaux envoyés par les composants.
Circuit électronique du circuit imprimé
La conception de notre circuit imprimé terminé, nous l’avons intégré dans notre modélisation.
Rendu 3D du circuit imprimé
Rendu 3D du circuit imprimé intégré dans le boitier du joystick
Après réception de ces circuits imprimés commandés auprès du fournisseur spécialisé dans ce domaine Aisler, nous avons eu l’occasion de procéder à la soudure des connecteurs JST et des broches de pins mâles et femelles.
Photo du circuit imprimé vierge et soudé
Câblage des composants électroniques
Dans le cadre du câblage des composants électroniques de la poignée du joystick, nous avons utilisé du câble électrique en PVC 24/AWG, une épaisseur de câble largement suffisante dans notre application. Nous avons protégé toutes les connexions à l’aide de gaine thermo-rétractable et installés les connecteurs JST à l’aide d’une pince à sertir.
Photo du câblage des composants électroniques du joystick
Photo du câblage des composants électroniques du joystick
Montage final
Tout les élements composant notre commande étants opérationnels, nous sommes passés au montage final du joystick.
Vidéo 3D du montage :
Model 3D du joystick :