スマート自動手指消毒ディスペンサー – Arduinoで非接触・全自動化

必要な部品と材料

• Arduino Nano R3 × 1
• DRV8825 ステッピングモータードライバー × 1
• ジャンパーワイヤー × 1式
• ブレッドボード (ミニ×2推奨) × 1
• 9V電池 × 1
• 9V電池スナップ × 1
• 抵抗 1kΩ × 1
• 電解コンデンサー 100µF × 1
• 28BYJ-48 ステッピングモーター (5V) × 1
• M3ネジ (8-20mm) × 19
• 赤外線障害物検知センサーモジュール × 1
• リミットスイッチ KW12-3 (ローラーレバー) × 1
• アルミ剛性カップリング 5mm-8mm × 1
• 台形ネジ T8-300mm (真鍮ナット付き, ピッチ2mm) × 1
• オンオフスイッチ × 1
• 手指消毒液ボトル × 1
• 688ZZ ベアリング (8×16×5mm) × 1
• LM8UU リニアベアリング (8×15×24mm) × 1
• ベルクロタイ × 1

必要な工具

• 3Dプリンター (Creality Ender 3 V2など)
• はんだごて (オプション)
• 金切り鋸 (ネジカット用)

使用するアプリとオンラインサービス

• Arduino IDE
• 3D設計ソフト (Onshapeなど、オプション)
• Ultimaker Cura (スライサー)

プロジェクト概要

COVID-19パンデミックで手指消毒の重要性が高まる中、ディスペンサーに触れること自体が感染リスクになっています。14歳の作者が、既存の消毒液/石鹸ディスペンサーに後付けして完全非接触・自動化できるアタッチメントを開発しました。安価で、様々なボトルに簡単装着可能です。

仕組みの理解

ステッピングモーターとカップリングで台形ネジを回転。3Dプリントしたプレス部がナットでネジと連結し、リニアベアリングで回転力を直線運動に変換します。これにより任意の距離・速度でプレスを上下動できます。

動作フロー

1. 起動時: プレスが上昇し、リミットスイッチが押されるまで動作 (原点復帰/セルフキャリブレーション)
2. 待機中: IRセンサーが手を検知 (数cm下方)
3. 検知時: プレスが設定距離下降 (ディスペンサーを押す) → 2秒待機 → リミットスイッチが押されるまで上昇 (元の位置に戻る)

ベルクロタイでボトルに巻き付けて固定すれば、あらゆるディスペンサーに対応可能です。

ステッピングモーターのバイポーラ化 (トルク2.5倍!)

28BYJ-48はユニポーラ仕様 (トルク約300g·cm) ですが、基板の中央パターンをカットし赤線を除去する簡単な改造でバイポーラ化可能。トルクが 800g·cm以上 に向上します。DRV8825などのバイポーラドライバーが必要になりますが、5V定格モーターでも8.4V以上の駆動電圧で問題なく動作します。

ベルクロタイの自作

マジックテープテープを長短2本 (約30-40cm と 4-7cm) 用意し、同面同士 (両方ともフック面またはループ面) をホチキスで留めるだけ。2セット作ります。

回路図

9V電池 → スイッチ → 100µFコンデンサー → Arduino VIN/GND。IRセンサー: VCC→5V, GND→GND, OUT→D9。リミットスイッチ: COM→5V, NO→D8 & 1kΩ→GND。DRV8825: VMOT→VIN, GND→GND, DIR→D2, STEP→D3, EN→D4, RST-SLP短絡。モーター: 青→A2, 黄→A1, 橙→B1, 桃→B2。

プログラム概要

• stepsPerRevolution = 6000 (1回転2048ステップ、約3回転分)
• 起動時: EN=LOWでドライバー有効、リミットスイッチが押されるまで反時計回りで原点復帰、その後EN=HIGHで省電力
• ループ: IRセンサー=LOW(手あり) で EN=LOW、時計回りに6000ステップ下降 → 2秒待機 → リミットスイッチが押されるまで反時計回りで上昇 → EN=HIGH

組み立て手順 (概要)

1. カバー部: ベルクロタイ → ホルダー → ネジ止め ×2
2. プレス部: リニアベアリング圧入、T8ナットを4本ネジで固定
3. 電子ケース: 配線済み基板を収納、ケーブルを穴から出す
4. IRセンサーホルダー: センサーをネジ固定、ナットで位置調整
5. 最終組み立て: ベアリング挿入 → T8ネジ (70-82mm、長ければ金切り鋸でカット) とプレス部装着 → カップラーでモーターとネジ連結 → モーター固定 → リミットスイッチ取付 → カバーをベースに5本ネジ止め → IRホルダーをベース前面に2本ネジ止め → 電子ケースをカバーに3本ネジ止め

コード

Automatic_Hand_Sanitizer_Transformer.code

const int dirPin = 2;
const int stepPin = 3;
const int enablePin = 4;
const int stepsPerRevolution = 6000;
int endStop = 8;
int irSensor = 9;

void setup() {
    pinMode(endStop, INPUT);
    pinMode(irSensor, INPUT);
    pinMode(stepPin, OUTPUT);
    pinMode(dirPin, OUTPUT);
    pinMode(enablePin, OUTPUT);
    digitalWrite(enablePin, LOW);
    while (digitalRead(endStop) == LOW) {
        digitalWrite(dirPin, HIGH);
        for (int x = 0; x < 1; x++) {
            digitalWrite(stepPin, HIGH);
            delayMicroseconds(2000);
            digitalWrite(stepPin, LOW);
            delayMicroseconds(2000);
        }
    }
    digitalWrite(enablePin, HIGH);
}

void loop() {
    if (digitalRead(irSensor) == 0) {
        digitalWrite(enablePin, LOW);
        digitalWrite(dirPin, LOW);
        for (int x = 0; x < stepsPerRevolution; x++) {
            digitalWrite(stepPin, HIGH);
            delayMicroseconds(2000);
            digitalWrite(stepPin, LOW);
            delayMicroseconds(2000);
        }
        delay(2000);
        while (digitalRead(endStop) == LOW) {
            digitalWrite(dirPin, HIGH);
            for (int x = 0; x < 1; x++) {
                digitalWrite(stepPin, HIGH);
                delayMicroseconds(2000);
                digitalWrite(stepPin, LOW);
                delayMicroseconds(2000);
            }
        }
        digitalWrite(enablePin, HIGH);
    }
}

3Dプリントパーツ

• メインベース (本体)
• プレス部 (ディスペンサーを押すパーツ)
• カバー (電子部品ケース兼用)
• ベルクロタイ機構 ×2
• プレス支持ロッド
• IRセンサーホルダー
• ベルクロ固定具 ×2 (カバー用)

回路図