Microswitch met hefboom

Wat het is

Een microswitch met hefboom, oftewel een miniatuur-snelwerkschakelaar, is een mechanisch contact in een kleine kunststofbehuizing met een metalen hefboom die eruit steekt. Duw de hefboom en een interne veer schakelt het contact; laat hem los en de veer schakelt het terug. Het is een van de oudste onderdelen in deze bibliotheek en op een robot een van de nuttigste.

Wat het tot een robotonderdeel maakt, is de snelwerking. Het contact sluit niet geleidelijk terwijl je duwt; het springt op een herhaalbaar punt met een hoorbare klik. Zo krijg je een duidelijk ja of nee van een mechanisme dat door een bewegende robot wordt omvergegooid, precies de situatie waarin een geleidelijk werkende sensor onzin oplevert.

Hoe het werkt

Drie aansluitingen: COM (common), NO (normaal geopend) en NC (normaal gesloten). In de ruststand verbindt COM zich met NC. Bij indrukken schakelt COM over naar NO. Je gebruikt er twee van de drie en negeert de derde.

Bedraad voor een robotbumper COM naar aarde en NO naar de ingangspin, met de interne pull-upweerstand van de pin aan:

pinMode(BUMP_L, INPUT_PULLUP);              // idle HIGH
bool pressed = digitalRead(BUMP_L) == LOW;  // LOW means the bumper moved

Deze opstelling is fail-safe: een gebroken bumperkabel leest HIGH, oftewel niet ingedrukt. Bedraad je het anders, dan overtuigt een losse draad de robot van een permanente botsing. Gebruik voor een noodstop NC; daar moet een gebroken draad de machine juist stoppen.

De hefboom ruilt kracht in voor slag. De kale stempel vraagt ongeveer 1 N over circa 1 mm; een hefboomarm vergroot de beweging, zodat een bumperomhulsel 3–5 mm kan bewegen en met een veel lichtere druk activeert. Een rol aan het uiteinde vermindert de wrijving wanneer er iets langs schuift in plaats van recht erop te drukken.

Wanneer je hem gebruikt

Gebruik er een zodra de robot moet weten dat hij al contact heeft gemaakt: bumpers, eindstoppen op een arm of een schuif, een deksel- of ladesensor of een sensor voor het aanmeren. Het is de detectie van laatste instantie, en dat is een compliment: het vindt de zwarte stoelpoot, het glazen paneel en het obstakel op een hoogte waar elke optische en akoestische sensor mist.

Het is ook de enige detectie die een robot voor ruimtedekking die willekeurige bochten maakt nodig heeft. Twee schakelaars en een willekeurige generator bestrijken een volledige kamer, een verwonderlijk veel gedrag voor slechts twee bewegende onderdelen.

Kies iets anders wanneer je een botsing moet voorkomen in plaats van detecteren; daar is een ultrasone of looptijdsensor voor. Gebruik beide: de afstandssensor vermijdt de meeste obstakels en de schakelaar vangt wat hij niet kan zien.

Veelvoorkomende valkuilen

• Eén druk is negen flanken. Debounce de schakelaar en gebruik nooit een interrupt die telt; alleen een interrupt die een vlag zet of een tijdstempel vastlegt.
• De schakelaarbehuizing is geen constructieonderdeel. Geef het bumperomhulsel een harde stop die de impact opvangt. Behuizingen barsten; daar gaan ze lang vóór de contacten slijten aan kapot.
• De eigen veer kaatst je bumper niet terug. Een microswitch duwt met 50–100 g terug. Gebruik rubberbanden of lichte drukveren voor de terugslag en laat de schakelaar alleen detecteren.
• Een vlakke bumper mist treffers onder een hoek. Buig elke kant van het omhulsel minstens 45° naar achteren en plaats achter elke helft een schakelaar, zodat de code weet welke kant op moet draaien.
• Lange kabels vangen motorruis op. Houd de bedrading kort, draai de twee draden in elkaar en vertrouw op het laagohmig pad van de pull-upweerstand wanneer de schakelaar gesloten is.
• Contactbelasting geldt voor netstroom, niet voor logica. Een schakelaar die is gespecificeerd voor 5 A bij 125 V AC hoeft hier slechts enkele microampère door te laten. De contactbelasting zegt niets bruikbaars over de levensduur in deze toepassing; voorafloop en bedieningskracht wel.

Bedrading

Je gebruikt twee van de drie aansluitingen, en welke bepaalt hoe de robot uitvalt.

Het onderscheid is belangrijk. Een bumper die op NO is aangesloten is fail-safe doordat hij “geen botsing” leest. Dat klopt: een robot met een gebroken bumperkabel moet blijven rijden en niet vastlopen. Een noodstop die op NC is aangesloten is fail-safe doordat hij “gestopt” leest. Dat klopt ook, maar om de tegenovergestelde reden.

Gebruik de interne pull-upweerstand. Die kost niets, vereist geen onderdelen en geeft een eenduidige ruststand. Een pin die alleen als INPUT is ingesteld en een schakelaar heeft, zweeft als de schakelaar open is. Zwevende pinnen lezen de elektrische ruis in de omgeving, en op een robot vol motoren is dat veel.

Correct debouncen

Een enkele druk veroorzaakt ongeveer negen overgangen gedurende ongeveer 4,7 ms terwijl de contacten inspringen en terugveer. Software die de pin rechtstreeks leest, ziet negen drukken.

const int BUMP_L = 2, BUMP_R = 3;
const unsigned long DEBOUNCE_MS = 8;      // longer than the ~5 ms bounce

struct Bumper {
  uint8_t pin;
  bool stable;            // the debounced state
  bool lastRead;
  unsigned long changedAt;
};

Bumper left  = {BUMP_L, true, true, 0};
Bumper right = {BUMP_R, true, true, 0};

// Returns true on the frame the bumper newly closes.
bool update(Bumper &b) {
  bool now = digitalRead(b.pin);          // HIGH = open, with INPUT_PULLUP
  if (now != b.lastRead) {
    b.lastRead = now;
    b.changedAt = millis();               // restart the timer on any edge
    return false;
  }
  if (millis() - b.changedAt >= DEBOUNCE_MS && b.stable != now) {
    b.stable = now;
    return (now == LOW);                  // newly pressed
  }
  return false;
}

void setup() {
  pinMode(BUMP_L, INPUT_PULLUP);
  pinMode(BUMP_R, INPUT_PULLUP);
}

void loop() {
  if (update(left))  { backUp(); turnRight(); }
  if (update(right)) { backUp(); turnLeft(); }
}

Het belangrijke structuurdetail is dat de timer op elke flank opnieuw begint, in plaats van eenmaal te samplen en te wachten. Een vaste meet-en-wachtprocedure kan midden in het denderen terechtkomen en de verkeerde waarde onthouden. Door het venster opnieuw te starten, wordt de toestand pas geaccepteerd als de pin de volledige periode stil is gebleven.

Waarom geen interrupt

Interrupts op een botsschakelaar zijn een valkuil, en dan vooral deze:

• Gebruik nooit een interrupt die telt. Negen flanken worden negen tellingen, en debouncen binnen een ISR vereist millis(), dat op een AVR niet doorloopt binnen een ISR.
• Een interrupt die een vlag zet is prima, als het debouncen in de hoofdlus gebeurt. Een schakelaar 100 Hz pollen kost niets en de robotlus draait toch al.
• Reserveer D2 en D3 op een Uno voor encoders. Dit zijn de enige twee pins voor externe interrupts en encoders hebben ze werkelijk nodig. Een bumper niet.

Het enige geval waarin een interrupt gerechtvaardigd is, is een harde noodstop die de motoren moet uitschakelen, zelfs als de hoofdlus is vastgelopen. Dat los je beter op door de schakelaar rechtstreeks aan de enable-lijn van de motordriver te sluiten, zodat hij zonder software werkt.

Montage: het onderdeel dat bepaalt of het werkt

Alles hierboven is een opgelost probleem. Het mechanische ontwerp bepaalt of een bumper slaagt of mislukt.

Het omhulsel vangt de impact op, niet de schakelaar. Een kunststof microswitch-behuizing is dun en barst bij een directe treffer. Bouw een bumperomhulsel dat draait of schuift, geef het een harde stop die de kracht opvangt en laat de schakelaar aan het einde van die slag een kleine beweging detecteren.

Buig het omhulsel om. Een vlakke voorbumper mist alles wat onder een hoek wordt geraakt. Een robot die met afstandssensoren navigeert, raakt meestal voorwerpen onder een hoek, want rechtvooruit gelegen obstakels zijn al gedetecteerd. Buig elke kant minstens 45° naar achteren.

Twee schakelaars, niet één. Links en rechts, achter de twee helften van het omhulsel. Eén schakelaar vertelt dat je iets hebt geraakt; twee vertellen welke kant je op moet draaien. Het verschil in gedrag is groot en de meerkosten ongeveer twintig cent.

Laat de bumper terugveer met een eigen veer. De interne veer van een microswitch duwt met slechts 50–100 g terug, onvoldoende om een omhulsel met wrijving in de draaipunt betrouwbaar te resetten. Gebruik rubberbanden of lichte drukveren en laat de schakelaar uitsluitend detecteren.

Stel de voorafloop zo in dat het omhulsel beweegt voordat de schakelaar op zijn eind zit. De schakelaar werkt na 1–3 mm en heeft daarna nog een kleine overloop. De harde stop van het omhulsel moet binnen die overloop komen, anders vangt het interne mechanisme van de schakelaar de impact op.

Een schakelaar kiezen

De contactbelasting is hier irrelevant. Een schakelaar voor 5 A bij 125 V AC hoeft hier slechts enkele microampère naar een pull-upweerstand te sturen. De mechanische specificatie telt: bedieningskracht, voorafloop en nominale mechanische levensduur (10⁵–10⁷ schakelbewerkingen). Een robot die per rit honderd keer botst, bereikt 10⁵ schakelbewerkingen na duizend ritten, dus de mechanische levensduur is praktisch onbeperkt. De schakelaar gaat veel eerder kapot door een gebarsten behuizing.

Problemen oplossen

Waarom dit goedkope onderdeel zijn plaats verdient

Elke andere sensor op een robot heeft oppervlakken die hij niet kan zien. Een ultrasone sensor ziet niets van gordijnen en niets van muren die hij onder een steile hoek raakt. Een VL53L0X ziet niets van zwart matte oppervlakken, spiegels of alles in fel zonlicht. Een camera heeft licht nodig.

Een microswitch heeft zulke lijst niet. Als iets de bumper aanraakt, sluit de schakelaar. Daardoor is dit de detectie van laatste instantie en op een robot die onbeheerd moet blijven werken biedt het de goedkoopste manier om de betrouwbaarheid te vergroten: twee schakelaars, twee pinnen en ongeveer veertig cent.

Verrassend genoeg is hij ook op zichzelf voldoende. Een robot met twee botsschakelaars die bij contact willekeurig draait, bestrijkt met voldoende tijd een volledige kamer. De eerste generatie stofzuigrobots werkte precies zo, en het is de moeite waard dat te begrijpen voordat je naar iets gecompliceerder gaat.