Устройство для качания детской кроватки, которое не нужно устанавливать

Всем привет! Приблизительно 15 лет назад мне в голову пришла идея о том, что вот бы было здорово разработать устройство для автоматического качания классической детской кроватки с маятниковым механизмом. Чтобы качать ребенка не вручную, по старинке, а сообразно веяниям времени – нажал кнопку, и оно само.

С тех пор идея, пережив некоторое количество воплощений, итераций, вариантов, переросла в маленькое предприятие – производство по выпуску различных устройств качания кроваток.

Про самое первое устройство я писал статью в далёком 2014 году. И надо сказать, что за эти годы принцип действия устройств не изменился. Как и прежде, на неподвижную часть кроватки устанавливается катушка с ферромагнитным сердечником, на подвижную — крепится постоянный магнит. Катушка в определенные моменты времени отталкивает магнит — и таким образом происходит качание. Управляется устройство дистанционно, с помощью пульта с экраном или приложением на телефоне. Еще есть шлюз, который позволяет подключить устройство к mqtt‑серверу и управлять через какой‑нибудь «умный дом», объединив на одном интерфейсе разные домашние приборы, индикаторы, датчики и даже, например, видеокамеры.

Раньше еще были маленькие пульты-брелоки с кнопками и управление по wi-fi через веб-интерфейс, потом от этого отказались. Про эти варианты я тоже как-то писал статью.

В аппаратной основе самого первого устройства качания лежал микроконтроллер Attiny44 (а потом Attiny24), в следующих поколениях в пультах использовался Atmega32U4, связь осуществлялась через NFR24L01+,  далее были варианты на ESP8266, RTL8710, и, наконец, TLSR8253 от Telink, который применяется и по сей день.

Долгое время приводы и пульты к ним изготавливались в готовых универсальных корпусах для РЭА. В какой-то момент достижения современной 3д-печати позволили «одеть» устройства качания в оптимизированные специально разработанные корпуса, снабдить их функциональными и симпатичными крепёжными деталями, аксессуарами.

В общем, все эти годы шла эволюция. Всё менялось – элементная база, внешний вид, методы управления, технологии и организация производства (и продаж тоже), но идея оставалась прежней. «Революция», а именно появление принципиально нового устройства качания, тоже однажды произошла – об этом я писал в этой статье. Однако, по многим причинам в существенную серию то новое устройство («Лошадка») так и не пошло – было изготовлено всего несколько десятков штук.

Да и нужно ли что-то менять? Существующее устройство вполне удачное. Оно бесшумное, компактное, технологичное.  За годы выпуска программное обеспечение было отлажено, даже, можно сказать, отполировано – придуманы датчики движения и плача, таймер, защиты от некорректной установки и использования (например, устройство не будет качать заблокированную кроватку и будет отключаться при слишком высокочастотных качаниях). В маркетинговом плане тоже всё как будто устоялось – четыре модели с разным функционалом и разными способами управления.

Но, на самом деле, проблема есть. И проблема эта – в необходимости установки устройства на кроватку.

Покупателям же не устройство нужно, не корпус, не катушка, электроника и всё остальное. Покупателям нужна функция. Чтобы кроватка качалась сама, ребенок спал, и родители в это время – тоже.

Заплатить за функцию покупатель, допустим, готов. Но потом оказывается, что помимо собственно покупки девайса, нужно сделать ещё кое-что – установить его на кроватку. И это «кое-что» иногда оказывается гораздо сложнее, чем покупка. Покупка – понятна: отдал деньги – получил товар. Установка – непонятна, сложна и в некоторых случаях непосильна вовсе.

Это на словах просто – «установить приводной блок на неподвижную часть, магнит на подвижную, так, чтобы магнит в положении равновесия располагался над стрелкой на блоке, и зазор между магнитом и блоком составлял 1,5-3 мм». А как тут установишь, когда на некоторых кроватках вообще таких мест нет, где бы можно было выполнить описанное? Или когда в доме нет ни отвертки, ни шуруповёрта, да и, честно скажем – рук, которые бы эти инструменты могли использовать?

Да, установить можно на любую кроватку с маятниковым механизмом. Эта фраза – ответ на соответствующий вопрос – полностью правдива. Вопрос в том, какими усилиями, и готов ли покупатель к этим усилиям. Не только материально и в плане объективных возможностей, но и психологически. «Я уже заплатил, почему я должен ещё и сверлить свою новую красивую кроватку?» «Что значит “нужно использовать какой-нибудь дополнительный брусок”? У меня нет дома никаких брусков, и даже если бы были, я не собираюсь их размечать, пилить, сверлить, прикручивать!» «Мы вызвали мастера, и он сказал, что установить это на нашу кроватку невозможно!»

Однажды мы попробовали организовать сервис по установке устройств в отдельно взятой Москве. Ничем хорошим это не закончилось, вернее, довольно быстро всё закончилось. У сервиса банально не сходилась экономика.

Конструктив крепежных элементов, конечно, совершенствовался (особенно, когда стала доступна 3д-печать). Например, теперь не нужно сверлить отверстие для магнита сверлом Форстнера, достаточно прикрутить на саморезы клипсу (оправу) магнита. Причем как на вертикальную, так и на горизонтальную поверхность кроватки, как удобнее. А для круглых и овальных кроваток разработана специальная планка – отрезок конструкционного профиля с двумя регулируемыми струбцинами на концах. Всё это облегчает установку в частных случаях, но не решает вопрос радикально. Все кроватки разные, да что там кроватки – и покупатели все разные. Для кого-то не проблема проявить некоторую изобретательность применительно к самым неудобным кроваткам, а для кого-то сложно выполнить, казалось бы, элементарные операции на самой подходящей для установки кроватке.

Здесь нужно упомянуть еще одно обстоятельство. Кроватка не будет хорошо раскачиваться приводом, если она сама по себе качается плохо. Если в подшипниковых узлах есть повышенное трение из-за перекосов, пластиковых втулок, сломанных подшипников, то каким бы замечательным ни был привод, как хорошо он ни был бы установлен – результат будет плохим, кроватка будет качаться плохо. Есть конкретные рекомендации, как оценить трение в маятниковом механизме (отклонить от положения равновесия, отпустить, посчитать количество колебаний до полной остановки) и что делать, если трение окажется повышенным. Всё это подробно описано в инструкции, однако далеко не все покупатели готовы так внимательно читать инструкцию...

Вот если бы привод не нужно было устанавливать – вот было бы здорово. Просто положил в кроватку какую-нибудь штуковину – и кроватка закачалась. Ну или привязал это что-то к борту, днищу, не важно. Никакой ответной части на неподвижной части, никакого позиционирования частей, всех этих меток, стрелок, зазоров и прочих обстоятельств. Возможно ли такое в принципе?

Помните, в детстве мы качались на качелях? Поначалу, в совсем юном возрасте, нас обязательно кто-то раскачивал. Сидишь так на качелях, и тебя качает, например, папа. Красота! Папа стоит на земле. Периодически он прикладывает к качелям усилие – обязательно в нужный момент времени, и само это усилие должно продолжаться сравнительно недолго. Иначе ничего не получится. Говоря языком, который предстоит узнать лишь через много лет, папа прикладывает усилие с определенной частотой и, более того, попадает в определенную фазу качания качелей.

А потом, через несколько лет – мы уже почти взрослые, почти самостоятельные, и качаемся на качелях уже без папы. Сели на сиденье, оттолкнулись ногой от земли (хотя это и не обязательно) и начали корпусом и ногами отклоняться вперед-назад. Да, не сразу стало получаться, надо поймать эти моменты, почувствовать их – и качели будут раскачиваться. И вот удивительно – мы раскачиваем качели, находясь при этом не на земле, а на самих качелях! Главное, чтобы качели были правильные, не на цепочках. Те так просто не раскачаешь.

Значит, всё возможно. Если можно раскачивать качели, не касаясь земли, то и кроватку, наверное, можно раскачать, не взаимодействуя с её неподвижной частью. Для этого нужно иметь в кроватке какой-то груз, который будет возвратно-поступательно перемещаться в направлении раскачивания. Или, допустим, массивный маятник на подвесе. При этом перемещаться этот груз должен не как попало, а с частотой, совпадающей с собственной (резонансной) частотой колебания кроватки. И мало того – он должен двигаться в строго определенную фазу, чтобы с каждым движением всё больше и больше раскачивать кроватку, а не, наоборот, тормозить или сбивать её с ритма. В этом и состоит принципиальная идея нового устройства качания, которое не нужно устанавливать на кроватку. 

Ну а дальше – дело инженера, как это всё реализовать наилучшим способом. Для начала нужен какой-то груз. И он должен как-то двигаться. Вариантов здесь, как минимум, два – двигаться линейно возвратно-поступательно или двигаться на подвесе по дуге, вращаясь вокруг точки закрепления подвеса. По многим причинам был выбран первый вариант – линейное возвратно-поступательное движение.

Далее – двигатель, вернее, привод этого груза. Он должен быть точным. Это важно – меняя амплитуду движения груза, мы сможем менять амплитуду качания кроватки. А регулируя частоту движения и точно выбирая момент старта и остановки – мы сможем попадать в такт колебания кроватки и подталкивать ее. В этом плане здорово подходит шаговый двигатель – у него по принципу действия есть возможность точного «дозирования» движения минимальными средствами – без обратных связей и датчиков. К шаговому двигателю нужен драйвер. Диапазон выбора здесь не слишком велик, возьмем TMC2209 – у него есть бездатчиковая парковка (в отличие от TMC2208), а также множество полезных функций, которые тоже пригодятся.

Еще нужен датчик, который будет определять, в какой момент начинать движение груза.  Человек, качающийся на качелях, чувствует этот момент вестибулярным аппаратом. В нашем устройстве роль вестибулярного аппарата будет играть акселерометр. Я выбрал LIS3DH, он дешев, доступен и подходит по всем параметрам.

В качестве управляющего контроллера я выбрал уже хорошо знакомый TLSR8253, в большей степени из соображений унификации с остальной выпускаемой продукцией. Как и в других устройствах качания, здесь он выполняет две функции – обеспечивает связь по Bluetooth LE и реализует логику работы привода. В общем и целом, прошивку реализовать удалось, но из-за ограниченности ресурсов некоторые моменты пришлось придумывать довольно нестандартно. Сложность, главным образом, заключается в том, что и связь по BLE, и управление движением требуют точного соблюдения таймингов, и нельзя пропустить ни сеанс связи BLE, ни импульсы, подаваемые на двигатель. Точно могу сказать, что станок на такой платформе не построить, по крайней мере с одновременным отзывчивым управлением по BLE. Но так как в данном случае некоторые погрешности в движении допустимы (с коррекцией на следующих этапах движения), то в итоге всё получилось.

Конструкция нового устройства, которое было названо «Ладушкой», разрабатывалась, конечно же, методами 3д-проектирования во Fusion 360.

Корпус и все детали изготовлены с помощью 3д-печати.

Отдельно хочу отметить, что хотя акселерометр измеряет ускорение, из этих данных можно получить информацию и об амплитуде качания кроватки, следовательно, можно реализовать регулятор этой амплитуды. Что и было сделано - пропорционально-дифференциальный (ПД) регулятор поддерживает заданную амплитуду качания, меняя амплитуду движения груза. Если, например, притормозить кроватку рукой, то груз начинает двигаться туда-сюда на большее расстояние, дополнительно раскачивая кроватку. Если, наоборот, подтолкнуть кроватку, то движение груза станет менее интенсивным, вплоть до полной его остановки.

Какие достоинства и недостатки имеет новое устройство качания «Ладушка» по сравнению с линейкой «магнитных» устройств («Паинька»/ «Соня»/ «Тихоня»/ «Совушка»)?

Начнём с недостатков – «Ладушка» дороже, тяжелее, сложнее, имеет движущиеся части в конструкции, и, следовательно, издаёт некоторый шум при работе. Хотя в режиме установившегося качания шум почти не слышен.

Теперь достоинства. «Ладушку» не нужно устанавливать на кроватку, ну почти. Достаточно просто привязать ее к борту или днищу кроватки стяжками. Нужно отметить, однако, что кроватка всё равно должна хорошо качаться сама по себе, то есть маятники должны быть выровнены, подшипники исправны, дистанционные втулки из пластмассы заменены на металлические (или гайки М6). Но дополнительно что-то размечать, сверлить, позиционировать – не нужно. И это – главное достоинство, ради чего всё и затевалось. Следующее достоинство – точное регулирование (или поддержание) амплитуды качания. В «магнитных» устройствах такого функционала нет, принцип действия привода не позволяет реализовать регулятор без дополнительных датчиков. И, наконец, оказалось, что «Ладушка» может качать не только кроватку с маятниковым механизмом, но и кроватку на дугообразном полозе. И даже китайскую колыбель на подвесах. И, я уверен, будет качать традиционные восточные люльки – бешики (бесики, гавхоры). Такой запрос, оказывается, очень актуален.

Но главное – в стандартном случае обычной маятниковой кроватки у покупателя появился выбор – практически бесшумное устройство, но требующее установки, или привод, который не нужно устанавливать, но, может, чуть более шумный.

«Ладушка» — это результат попытки устранить главное препятствие при использовании прежних устройств. Насколько удачным окажется новое решение – покажет опыт реальной эксплуатации.

В процессе разработки нового устройства качания был получен патент на полезную модель №245735 «Устройство для движения качающегося предмета мебели».