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Arduinoとステッピングモータ28BYJ-48で既存のカーテンを電動化

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Arduinoとステッピングモータ28BYJ-48で既存のカーテンを電動化

Arduinoとステッピングモータ28BYJ-48で既存のカーテンを電動化

2020/04/04

 Arduinoとステッピングモータ28BYJ-48-5V/モータドライバULN2003、タミヤ スプロケット&ラダーチェーンを使って電動カーテンを作ってみるページ。

 ギヤモータではなく、ステッピングモータ、中でも28BYJ-48 5Vを使ったのは、静音重視、かつ、実用的なものに使う前提で在庫消化の為です。

 以前は、後に無線化した電動ロールスクリーン自体を自作しましたが、今回は、使用中の(遮光)カーテンを自作・後付けで電動にします。

 今のところ、未完成ですが、これら構成で電動でのカーテンの開閉動作ができることの確認ができました。

 また、この検証では、開閉操作をタクトスイッチとしましたが、既にラダーチェーン・スプロケットセット購入・到着時にArduinoの他ESP8266/ESP32で無線化検証済みです。

 よって実装することにした場合、無線操作、自作スマートスピーカーによる音声操作は大前提で新たにページを起こす予定です。

[2020/04/23] まだ、一部、残作業はあるものの、完成に先立ってESP8266・ESP32/WebSocketでこのカーテンの無線電動化及びこの電動カーテンを自作Julius/Open JTalkラズパイスマートスピーカーから音声操作できるようにしました。

必要なモノ・使ったモノ

試作・自作電動カーテン装置外観

 回路に使った材料は次の通りです。

試作・自作電動カーテン駆動部

 カーテンレール、レールランナーやカーテンは、使用中のものを使う前提で後付けで電動にするものとします。

 また、検証では針金を使いましたが、ラダーチェーンとレールランナー接続用構造物もしくは、針金など、また、仮固定するためのツールや部材は、別途用意するものとします。

 ちなみに検証で使ったレールランナーはコロなし、カーテンフックは金属製のAフック、カーテンは、幅200cm前後・高さ約180cmの遮光カーテンです(写真の白いカーテンは、より窓側にある2枚モノの遮熱・遮光カーテンですが、今回の検証では対象外です)。

 回路を載せているのは、100均のMDF材で、ステッピングモータ部や対向するスプロケットユニットを載せているのは、ダンボール紙、固定は、ラダーチェーンセット付属のボルト&ナットや100均のクランプです。

 現時点では、試作であり、完成させるためには、リミットスイッチ、ユニバーサルボードや配線コード、電池ではなく、9Vや12VのACアダプタ、降圧モジュール、これらを配線する際の何らかのアダプタ・コネクタなど必要に応じて準備・設置する必要があるでしょう。

 尚、モータ用電源は、5Vちょっとじゃ無理だろうな...ということで初期検証では、5Vモータに必要以上の負荷がかかる9V電池から直としましたが、仮に12Vから降圧した5Vちょっとでも無理だとしたら、ステッピングモータ28BYJ-48にも12V版が存在するようなので、それか、他の12V以上のステッピングモータに替えるか、5Vにこだわるなら、ギヤ比などを考慮の上、十分な性能を持つギヤモータを選定、採用する必要に迫られる可能性もあるでしょう。 => 後述の通り、結果、無負荷時5Vちょっとでいけました。

 検証した部材の金額の概算としては、ArduinoやUSBケーブル、ステップモータ&モータドライバ、タクトスイッチ、ブレッドボード、ジャンパワイヤ、電池や電池スナップでAmazon/Amazonマーケットプレイス/100均価格で絞って900円前後、Aliexpressで買ってもほぼ同じくらい、これに加えてラダーチェーン&スプロケットセット 700円前後x2セット、ユニバーサルアームセット500円弱で約1900円で3000円前後といったところでしょうか。

試作・自作電動カーテンス用プロケット

 ただし、ラダーチェーンは、2セット使ってもガラス戸1枚分(約90cm・半間)程度であり、これに伴い、検証したのは、一方向の開閉のみ、カーテンは1重(1枚)のみです。

 戸2枚分(約180cm・1間)の場合、更に材料費がかかりますし、カーテン1枚や2枚で幅方向180cmの片開きは、それで済むとしても、両開きや特殊な開閉、2重カーテンの操作については、考慮していません。

回路・スケッチ

 試作段階の現在、回路は、まだ、リミットスイッチを付けていないこともあり、Arduinoでステッピングモータ駆動の回転台を正転/逆転/停止(2-2相励磁)をそのまま使いました。

完成に向けて

 これ、このままだとボタン、無線化するにしても無線操作や音声操作での開閉はできますが、サーッと手でも開けられるようにしたいところ。

 ただ、クラッチ・ブレーキ付モーターに替えるか、ステッピングモータとスプロケット側双方に歯車を付けるなどして前者をサーボモータか何かで可動...とか、イレギュラーながらもとってつけでもどうにかこうにか動力を切り離すことはできそうな気がしなくもありません...。

 => [2020/05/08] 残すは手引き(手動開閉)もできるようにするのみということで電動/手動切り替えクラッチのプロトタイプを作ってみました。

 が、これに加えてレールランナーかラダーチェーン何れか、または両方の接続物をうまく着脱できるような超ウルトラスーパーテクニックを生み出さない限り、今の構想のままだとできない...か...?

 と思いつつ、モーターを外して手で開け閉めしてみたところ、レールランナーとラダーチェーンの接続条件さえ良好なら、これを外さなくても開閉できそう...もラダーチェーン部の各パーツは、軽くはめ込んでいるだけなので何らかの影響で横方向に負荷がかかると厳しい...。

 手で開閉できるか否かは、実装するかどうかにも影響してくる...。

 => [2020/04/11] 後述の通り、手動時、雑でやや乱暴な開け閉めをしても動じない程度に双方のスプロケット台をがっつり固定(これが難しい?)、かつ、プラ板加工物をうまく作ることで手動・電動を切り替えることができた場合でもレールランナーとラダーチェーン接続構造物を着脱する必要はなさそうですが、手動で荒い開閉をするとなると相当よどみなくスムースにチェーンを稼働できるようにしないとはめ込んであるだけのプラスチック製のラダーチェーンがもたないかも...。

 => [2020/04/13] 交換ではないものの、厚さ1.2mmのプラバンを採用、加工の通り、結果一体の方が良好な2つになってしまった構造物を一体化加工してやってみたところ変なガタツキのある音を発することがないよう、双方のスプロケット台をがっつり固定しつつ、ラダーチェーンを一定のテンションで張ることができれば、多少手荒い開け閉めをしても大丈夫そうです。

 また、検証時点では、その心配は要らなそうにも思う反面、万一、引っかかってモータに異常な負荷がかかるようなら、その場合も動力を断ちたい...。

 => [2020/04/13] 今のところ、やはり、そうした心配には及ばなさそうですが、万一に備えるなら、開閉時間を実測、ソフト的に開または、閉後、一定時間、リミットスイッチに反応かない場合、停止などとすればよいかも。

 検索をしてみるとタミヤのギヤモータで実現している例がいくつかあり、だとすると3〜6V程度でいけている?となるとギア比によっては、5Vちょいでもいけていると考えてよさそうです...。

 一方、初期検証時点でちょっと厳しいだろうなということで9V電池からそのまま電源をとった構想中の静音なステッピングモータ(28BYJ-48)でも同様にいけるのかは気になるところ。

 => [2020/04/11] ステッピングモータ28BYJ-48 5V、モータドライバULN2003、降圧モジュールLM2596、ACアダプタ12V/2Aを接続、約2m幅のカーテン、コロなしレールランナー(セットランナー?単にランナー?)、金属製カーテンフック、ラダーチェーンとランナー接続構造物が微妙に未完という環境、スプロケット台やモータの固定も不十分。
 そんな中、ざっとですが、LM2596のポテンショメータで電圧を変えながら確認してみたところ、11V前後あれば、比較的スムースも10V前後だと厳しい感じ、今のところ、5Vでは無理があるかなという印象です。
 尤も今時点では未完でチェーンがひっかかることさえあり、手で開閉するのも重めなので、装置をしっかり、位置決め、固定、加工物をうまく作れば、更にランナーをコロ付きにしたり、フックを樹脂製などにすれば、今よりは軽快で円滑になる≒モータへの負荷を軽減できるはずなので手動開閉もスムースになったり、より低い電圧(電流)で電動で稼働できるようになったりもするでしょう。

試作・自作電動カーテン装置外観2

 => [2020/04/13] 他の条件は同一で、まだ、1.2mm厚のプラバンを追加購入していないので、とりあえず、手持ちのダイソーの切って使える仕切り板1(①、高さ4cm以上用)とグルーガンを使って前述の2つになっていた構造物を一体加工して、ラダーチェーンの異音がしない程度の状態で試したところ、8V弱(7V台後半)でも安定稼働と言っても良いレベルでいけました(6〜7Vでも微妙にいけなくもない様子も非力感がある一方、条件次第では改善できるかも?)。

既存のランナー・100均と激安ニトリカーテンレールに付属のレールランナー・マグネットランナー比較

 => [2020/04/15] 既存のコロなしランナーと差し替えることを想定し、ダイソーでコロ付きレールランナー16個入り(写真左・上下)と当面、電動化検証では使いませんが、マグネットランナー1対/2個(写真中央・上)も併せて買ってきました。
 実物のコロを直接持ってスライドさせてみるとその差は歴然ですが、事前に検索した際には、ダイソーのコロは、効果があまりない、違いがわかりにくいという情報も見かけ、他方、コロなしで効果てきめんだったという情報もあったプラスチックにも対応の潤滑剤KUREシリコンスプレーをコロ部分にも塗布することでコロありの効果向上をも期待して(まだ届いてはいませんが、)ヨドバシドットコムで買ってみたのでより低電圧での駆動にも期待が持てます。
 既存のランナー(写真中央・下)と激安ニトリ伸縮式カーテンレール1m用付属マグネットランナー(写真右・上)、レールランナー(写真右・下)を比較してみるとこんな感じ。
 ニトリの付属品は、アルミっぽいシャフトもコロも各々回転、ダイソーの方は樹脂製シャフト+コロなのかシャフト一体成型コロなのかが回転する構造の模様。
 手で持って滑りを確認しようと思ったら、ニトリのは、家で使っているカーテンレールには、入りませんでしたが、ニトリのよりだいぶ大きめながら、コロがフレーム内に収まっているダイソーの方は、余裕で入り、前述の通り、快調。
 が、レールに通してカーテンをかけてみると少し大ぶりであることとコロゆえ左右への振り幅があるからなのか、開閉は、レールランナー単独でスライドさせるのと違って円滑さに欠け、これが交換の効果がないように見受けられるということなのかもしれません。

 => [2020/04/17] と思いましたが、そのコロ付きレールランナーに届いたシリコンスプレーを噴霧・塗布、ステッピングモータを装着してみたところ、わずかな非力感がなくもないものの、期待通り、5V強(6V弱)でもいけるようになりました。
 更にAmazonで購入、一両日中に届く予定の樹脂製フックを既存の金属製フックと替えれば、非力感もなく、5V強(6V弱)で、何なら5Vちょいでもいけそうな雰囲気です。
 というか、実は、コロ付きよりもコロなしの方がシリコンスプレーの効果絶大だったので、むしろコロなしに戻した方が、と試してみると微妙...戻しても5V強(6V弱)ではいけましたが、何れにしてもそれ以下は厳しそう、5V強(6V弱)での余力ある運転、もしくは、これ以上(以下?)の低電圧駆動は、樹脂製フックに期待してみることにします。

 => [2020/04/19] A/Bフック兼用アジャスター付き樹脂製カーテンフック 75mm 100本セットが届いたので早速、既存の金属製フックと交換して動作確認してみました。
 結果、予想通り、明らかに開閉がスムースになり、5.6V前後(電圧降下を踏まえ運転時に概ね4.9V以上〜)で運転できるようになりました。
 ACアダプタからの電源共用でも当然ながらArduinoはUSB給電、ACアダプタを別電源としてもいけました。
 前者でも特に問題はありませんが、後者の方がより安定するのは言うまでもありません。
 コロなしと(ダイソーの)コロありレールランナーは、感触としては、あまり変わりませんでしたが、マルチメータを接続したまま、両者を確認してみたところ、コロありの方が終始、電圧降下が低く抑えられたのでコロあり優位ということでコロありを採用することにします。
 というわけで5Vで運用可能なことがわかりました。

 検証では、戸1枚分だったので、2枚分とすべく、ラダーチェーンは延長すれば済むでしょう。

 => [2020/04/07] ラダーチェーン延長完了

 自室の対象のカーテンは、約200cm幅1枚もので両側を開いて中央付近で束ねるようにしています。

 現在の1つのモータから成る装置構成とレイアウトでこの開閉方向を実装する最もシンプルな手法は、一方の進行方向先端のレールランナーと他方をラダーチェーン上部と下部にそれぞれ接続することでしょう。

 ただ、これは、試作で使ったような針金というわけにはいかず、意外と難しいと思われます。

 イメージとしては、超軽量かつ丈夫で作動中、レール固定金具に接触することなくレールランナーとラダーチェーン部を接続、また、これらへの負荷を最小限に抑えつつ、その姿勢を常に保持できる樹脂や発泡スチロール、プラスチック等々による何らかの構造物とその実現に思考を巡らせる必要があるだろうと考えています。

自作電動カーテンレールランナー・ラダーチェーン接続パーツ試作サンプル
試行錯誤中...

 => [2020/04/07] 構造物は、プラバンやプラ材で自作してみようかと。

 => [2020/04/11] この方法は良好、試行錯誤の上、構造物も良い感じのものができ、ラダーチェーン上部と下部に装着することで一応、電動・手動共に左右共に開閉、カーテンを中央に束ねることができました。
 結果、当たり前ですが、手動でも一方の開閉で他方も開閉されるのがおもしく、ふと電動にしなくてもよいか?なんて思ってみたり、みなかったり。
 曲げ加工には、当初、100均のスチロールカッターを使おうと思っていましたが、ニクロム線の長さが足りないこともあり、カッターで溝を切り、ろうそくで曲げたいあたりをまんべんなく炙り(特定箇所に時間をかけすぎるとススがつく)、柔らかくなったところですかさず木片などある程度のサイズで角をとれるものに押し当てる方法をとりました。

試作・自作電動カーテン装置外観1
幅広が良さげ...

 => [2020/04/13] 結果、開閉する側(今回は、両側)端においてカーテンを伸ばした状態のレールランナー2個分をラダーチェーンと接続するとスペースを十分確保したつもりでも、それ以上に加工物が引っ張られて横方向に傾き、時折あった数箇所あるカーテンレール固定金具との干渉も幅がある分、傾くことなく、回避、解消でき、安定して開閉できて、よさそうです。
 その分、全開時、レール付近については、(今回は、中央で束ねるので両端分、)束になる幅が広くなりますけどね。

 => [2020/04/15] ダイソーのコロ付きレールランナーに交換してみたら、その大きさと構造から左右への振り幅が大きく傾く分、仕切り板で突貫工事した部分の柔軟性ゆえ、湾曲(伸縮)しやすくなり、微妙に不安定ったので、この部分は元のレールランナーに戻すか、一体モノに替えるかする必要がありそうです。 => と思いましたが、これとラダーチェーンのつなぎ方の問題でつなぎ直すことで解決しました。

 もし、仮にラダーチェーンでできそうにない場合、プーリー式を検討するのも一考かと思いますが、少なくともカーテンレールとカーテン上部の間にレイアウトする前提でないと厳しいでしょうし、タイミングプーリーとベルトを入れる余地はないでしょうから薄いプーリーに糸では、できたとしても心もとない、タコ糸だと太すぎるでしょうし、テグスだと滑りや伸びが発生しやすいかなとも思います。

 =>  タミヤのなら、プーリーユニットセットプーリー(L)セットは購入済み。

 => [2020/04/18] 窓用はラダーチェーンでいけたこともあってプーリー(L)は、応急カーテンの電動化で採用してみました。

 何らかの工夫をすれば、このパターンの開閉の場合でも駆動部設置側に双方それぞれ、もしくは共用で1つリミットスイッチを設置することはできるだろうと思っています。

 尚、これ用として用意したわけではないものの、各種リミットスイッチは購入済み

 => [2020/04/11] カーテンを中央に束ねる方向への左右の開閉で実測したラダーチェーンの位置にリミットスイッチを押すに足るものを装着することができれば、完全な開・閉ともに停止させることができることがわかりました。
 モーター側スプロケット台や装置の設置方法と併せてリミットスイッチの設置場所を決めようと思います。

 => [2020/04/22] ラダーチェーン上にブルタック/Blu・Tack(粘着ラバー)を使って使用済みのインシュロック(結束バンド)の頭を埋め込んでみたら、ちゃんとリミットスイッチを押せそうです。

 PC/スマホ/タブレットなどブラウザからの操作(無線遠隔操作)前提ですが、赤外線リモコンやボタン操作の併用も可能なのか、できるとしてやるのかなどは、今のところ考えていません。

 また、タイマー操作についても今のところ考えていません。

 => [2020/04/30] ArduinoをESP32に代えて無線操作や音声操作、加えてデフォルト開・閉時間とブラウザから指定時間の設定も可能な自動タイマー付き無線電動カーテンにしてみました。

 詳細詰めてません。

 => [2020/04/07] スプロケット台の固定には、タミヤのユニバーサルアームを使ってみましたが、2m弱の距離を両端で保持しつつ、チェーンのテンションを張りつつ、スプロケットがスムースに回転しつつ、両サイドをがっつり固定するのが意外と難しい...ものの、反対側はそこそこいけているのでモータや回路と土台を共有すれば、いけそうな気がしなくもありません。

 => [2020/04/15] とりあえず、有力候補としてタミヤのユニバーサルプレート(210×160mm)を買ってみました。

 さすがにこうした装置を設置するなら、埃対策のためにも自作カーテンボックスも付ける予定です。

 装置構造物を露出するのもある意味、おしゃれかもしれませんが、透明のカーテンボックスにはしないと思います。

 => [2020/05/03] カーテンボックス自作してみました。

備考

 他方が、薄いレースなら特に問題にならないかもしれませんが、それぞれが、それなりの厚さの二重カーテンの場合、レール間の距離が狭いほど、他方のカーテンが、束ねてある場合、レールランナーが余剰で飛び飛びでフックをかけている場合などは、カーテン同士が干渉しやすいので注意。

 結果、一時的、または、駆動できないほど、ひっかかることになり、正常な開閉を行うことができなくなります。

 他方のカーテンを束ねないとか、余ったレールランナーは外すなど運用で対応する方法で済めば、それで良いでしょうが、制約ができるのはちょっとという場合には、他の方策を講じる必要があります。

 その場合、モータを相応に選定するなら別ですが、仕様を超えて電圧を上げるには限界がある為、できることならば、別途、程よいブラケットを調達するなどして2本のカーテンレールの距離をとるのが、最善の策かと。

 ただ、どうしてもネジで固定になると思いますし、二重レールの間隔を広く取ればとるほど、壁や梁などに負荷がかかるので既存の穴を流用することができるのか含め、強度には注意が必要でしょう。

 もちろん、カーテン全面に渡り、電動での開閉中、障害物がある状況は論外ですから、そもそも手前側に十二分にスペースがない場合には、レール間隔をとればとるほど、スペースの確保が必要になる点にも注意が必要です。

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