毕设级机电一体化项目：真实手臂动作驱动 3D 模型交互系统
项目背景
这是作者在斯科普里机械工程学院的机电一体化毕业设计。目标：开发一套装置，将真实手臂动作实时映射至计算机 3D 模型。融合三大领域：
- SolidWorks：建立手臂 3D 模型（含手指关节）
- Arduino Mega 2560：采集传感器数据，经串口与 PC 通信
- MATLAB/Simulink (SimMechanics)：接收数据驱动 3D 模型关节运动
硬件系统构建
传感器选型与布局
- 三轴加速度计：贴于前臂，测量手臂姿态（俯仰/横滚/偏航），输出三路模拟电压接 Arduino 模拟输入。
- 线性电位器 ×5：各连接一根笔弹簧，固定于手套指尖。手指弯曲拉动滑块，电阻变化，映射指关节角度。共 5 路模拟输入。
机械集成
计算器外壳做底板，固定 5 只电位器；面包板搭载 Arduino Mega 与加速度计，胶带固定。最终形态为一只“数据手套”原型。
电路原理图
3D 模型构建与导入
- SolidWorks 建模：按人体工程学建立上臂、前臂、手掌、五指关节层级装配体。
- 利用 SimMechanics Link 插件导出
.xml+.stl，直接导入 Simulink 生成SimMechanics多体模型，自动保留质量、惯性、关节约束。
MATLAB/Simulink 控制模型
安装 Arduino IO Package（含 Simulink 块库与 Arduino 固件），先烧录固件使板卡成为 I/O 从站。Simulink 模型分 6 子系统：
- Arduino Analog Input：读取 8 路模拟量（3 轴加速度 + 5 指电位器）
- Signal Conditioning：偏移校零、量程映射、低通滤波
- PID Control：对关节目标角度做 PID 控制，输出平滑驱动信号
- Joint Actuators：驱动 SimMechanics 模型对应关节
- 3D Model：自动生成的多体动力学模型
- Joint Sensors：反馈当前关节角度，可用于闭环或记录
扩展应用：手势游戏手柄
作者后续将同一硬件重编程为 HID 游戏手柄，可玩飞行/赛车类游戏，展示了平台的可复用性。
关键技术难点与经验
- 模拟信号噪声：长导线易拾取干扰，采用屏蔽线 + RC 滤波 + 软件滑动平均。
- 坐标系统一：加速度计坐标系、SimMechanics 关节坐标系、人体解剖坐标系需严格对齐，否则动作镜像/错位。
- 实时性：Simulink 外部模式仿真步长设为 10ms，串口 115200，延迟感知 < 50ms，满足遥操作体验。
- 机械回差：弹簧预紧力需调试，避免手指松开时电位器不回零。
项目完整 Simulink 模型文件可在文末下载。此作为机电一体化综合训练的优秀范例，展示了从机械设计、嵌入式采集到多体动力学仿真闭环的全流程。
制造工艺
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