Geavanceerd Mechatronica Afstudeerproject: Real-Arm Beweging Interface met 3D Modelleren

Dit was mijn Mechatronica Afstudeerproject aan de Faculteit Werktuigbouwkunde in Skopje. Het doel was om een apparaat te ontwikkelen dat interactie van echte armbewegingen met 3D-computermodellen mogelijk maakt. Ik integreerde drie verschillende vakgebieden in één apparaat: mechanische, elektrische en computertechniek:

• SolidWorks om het 3D-model te ontwerpen dat de armbewegingen vertegenwoordigt.
• Arduino Mega 2560 kaart voor het verbinden van de echte wereld met de computer.
• MATLAB / Simulink om de besturing van het 3D-model te programmeren.

In de volgende video kun je een presentatie van het project zien. Dit is de inhoud:

• Inleiding. Hier praat ik kort over Mechatronica als studierichting die me in staat stelde om dit soort apparaat te ontwikkelen.
• De Arduino Mega 2560. Enkele basiskenmerken van dit Arduino-bord die ik in dit project gebruikte.
• 3D-modellen in Simulink-omgeving. Hoe je een 3D-model van SolidWorks naar Matlab/Simulink kunt overbrengen met de SimMechanics Link.
• Ontwikkeling van het apparaat. Hier praat ik over de componenten die ik gebruikte om het apparaat te bouwen en hoe ze werken, evenals het Simulink-model, het programma dat op het Arduino-bord draait en de interactie tussen de echte wereld en de computer mogelijk maakt.
• Je kunt de volgende video bekijken of de geschreven tutorial hieronder lezen.

Het apparaat bouwen

Onderdelen gebruikt in dit project

• Arduino Mega 2560
• 3-as Versnellingsmeter
• Lineaire Potentiometer x5

De versnellingsmeter wordt gebruikt voor het volgen van de oriëntatie van de arm. Naarmate de arm beweegt, veranderen de waarden van de X-, Y- en Z-as van de versnellingsmeter en worden deze in de analoge ingangen van het Arduino-bord ingelezen. Volgens deze waarden beweegt het 3D-model mee.

De potentiometers worden gebruikt voor het volgen van de positie van de vingers. Ik bevestigde een veer (penveer) aan elke potentiometer. De veer houdt de potentiometer-schuif op een bepaalde positie en naarmate de vingers bewegen, wordt de schuif getrokken en verandert de weerstand van de potentiometer. Die waarden worden in de analoge ingangen van het Arduino-bord ingelezen en volgens deze waarden bewegen de vingers van het 3D-model ook.

Ik gebruikte een plastic hoesje van een rekenmachine als basis waarop ik de vijf potentiometers bevestigde. Erbovenop plaatste ik het breadboard waarop ik het Arduino-bord en de versnellingsmeter met tape bevestigde. Op de onderstaande afbeelding kun je de uiteindelijke uitstraling van het apparaat zien.

Schakelschema van het apparaat

Het 3D-model

Het 3D-model is een weergave van een menselijke arm. Eerst modeleerde ik het met SolidWorks en daarna overbracht ik het naar Matlab/Simulink met de SimMechanicsLink van MathWorks.

Het MATLAB / Simulink-model

Voordat ik het Simulink-model bouwde, moest ik eerst het Arduino IO-pakket installeren, dat de Simulink-bibliotheek voor communicatie met het Arduino-bord bevat. Ook met de Arduino IDE moest ik de code uploaden naar het Arduino-bord die bij het pakket hoort om de Simulink-bibliotheek in te schakelen. Hier raad ik mijn tutorial voor Matlab en Arduino IO-pakket ten zeerste aan, zodat je het werkingsprincipe kunt begrijpen en de code kunt zien.

Ik organiseerde mijn Simulink-model in zes subsystemen:

• Arduino analoge ingangsblokken voor de waarden van de versnellingsmeter en de potentiometers
• Correctie van de analoge metingen volgens mijn behoeften
• PID-regeling voor gladde bewegingen
• Gewrichtsactuator-blokken voor het aansturen van de gewrichten van het 3D-model
• Het 3D-model dat automatisch gegenereerd werd met de SimMechanicsLink
• Gewrichtsensor-blok voor het volgen van de positie van het 3D-model

Je kunt het Simulink-model hier downloaden:

Bekijk mijn uitbreiding van dit project.

Ik herprogrammeerde de Arduino-handschoen om als gamecontroller te werken.