高度なメカトロニクス卒研：3Dモデリング連携リアルアームモーションインターフェース

これは、スコピエの機械工学部での私のメカトロニクス卒業研究です。目的は、実際の腕の動きと3Dコンピュータモデルの相互作用を可能にするデバイスを開発することでした。機械、電気、コンピュータ工学の3分野を1つのデバイスに統合しました：

• Solidworksで腕の動きを表す3Dモデルを設計
• Arduino Mega 2560で現実世界とコンピュータを接続
• MATLAB/Simulinkで3Dモデルの制御をプログラミング

次の動画でプロジェクトのプレゼンテーションを見ることができます。内容は以下の通りです：

• 導入。 この種のデバイス開発を可能にしたメカトロニクスという学問分野について簡単に説明。
• Arduino Mega 2560。 このプロジェクトで使用したArduinoボードの基本機能。
• Simulink環境での3Dモデル。 SimMechanics Linkを使ってSolidworksからMatlab/Simulinkへ3Dモデルを転送する方法。
• デバイスの開発。 使用したコンポーネントとその仕組み、Simulinkモデル、Arduinoボードで動作するプログラム、現実世界とコンピュータの相互作用を可能にする仕組みについて説明。
• 以下の動画を見るか、書面チュートリアルをお読みください。

デバイスの製作

このプロジェクトで使用したパーツ

• Arduino Mega 2560
• 3軸加速度センサー
• リニアポテンショメーター ×5

加速度センサーは腕の向きを追跡するために使用します。腕が動くと、加速度センサーのX、Y、Z軸の値が変化し、Arduinoボードのアナログ入力で読み取られます。これらに基づいて3Dモデルも動きます。

ポテンショメーターは指の位置を追跡するために使用します。各ポテンショメーターにバネ（ペンのバネ）を取り付けました。バネがポテンショメーターのスライダーを特定の位置に保持し、指が動くとスライダーが引っ張られて抵抗値が変化します。これらの値がArduinoボードのアナログ入力で読み取られ、それに基づいて3Dモデルの指も動きます。

電卓のプラスチックカバーをベースとして5つのポテンショメーターを取り付けました。その上にブレッドボードを置き、Arduinoボードと加速度センサーをテープで固定しました。下の画像でデバイスの最終的な外観を確認できます。

デバイスの回路図

3Dモデル

3Dモデルは人間の腕を表現しています。まずSolidworksでモデリングし、その後MathWorksのSimMechanicsLinkを使ってMatlab/Simulinkに転送しました。

MATLAB/Simulinkモデル

Simulinkモデルを構築する前に、まずArduino IOパッケージをインストールする必要があります。これにはArduinoボードとの通信用Simulinkライブラリが含まれています。また、Arduino IDEを使ってパッケージに付属のコードをArduinoボードにアップロードし、Simulinkライブラリを有効化する必要があります。MatlabとArduino IOパッケージのチュートリアルを強くお勧めします。仕組みとコードが理解できます。

Simulinkモデルを6つのサブシステムに整理しました：

• 加速度センサーとポテンショメーターからの値用Arduinoアナログ入力ブロック
• ニーズに合わせたアナログ読み取り値の補正
• より滑らかな動きのためのPID制御
• 3Dモデルの関節を駆動する関節アクチュエーターブロック
• SimMechanicsLinkで自動生成された3Dモデル
• 3Dモデルの位置を追跡する関節センサーブロック

Simulinkモデルはこちらからダウンロードできます：

このプロジェクトの拡張版をチェックしてください。

Arduinoグローブをゲームコントローラーとして動作するよう再プログラミングしました。