可視化遠程遙控移動機械手設計與實現

　　機械手在現代社會已經廣泛應用于制造業(yè)，航空航天業(yè)，軍事業(yè)，同時也將進入服務業(yè)，移動機械手是近年來迅速發(fā)展起來的高新技術密集的機電一體的產品。隨著社會生產技術的飛速發(fā)展，移動機械手的應用領域不斷擴展。從自動化生產線到海洋資源的探索，乃至太空作業(yè)等領域，機械手已成為高技術領域內具有代表性的戰(zhàn)略目標。然而就目前的機械手技術水平而言，機械手在信息的獲取、處理及控制能力等方面都是有限的，對于復雜的工作任務及多變的工作環(huán)境，機械手的能力更顯不足。隨著移動互聯網時代的到來、嵌入式技術及軟件技術的快速發(fā)展，越來越多的高性能嵌入式芯片的出現，嵌入式操作系統的快速發(fā)展，并且應用到嵌入式處理器中，促進了移動機械手向更加向智能化方向發(fā)展。本文以TI公司的OMAP4430異構多核處理器為核心，Android手機為控制終端，實現了一款基于搖桿手柄操作的可視化移動機械手?？刂平K端Android手機響應搖桿事件控制移動機械手操作。同時借助OMAP4430異構多核處理器在視頻編解碼上的強大優(yōu)勢實現了對720P視頻的實時無線傳輸。為了提高移動機械手的控制精度和相應速度，采用直流馬達驅動機械手運動并采用實現180級別角度和速度的7個AX-12馬達來提供更大的力矩。最后通過實驗來驗證本次設計的可行性。

　　1硬件平臺

　　本次設計的可視化遠程遙控移動機械手硬件部分主要分為OMAP4430開發(fā)板、Android手機、車體及機械手馬達三部分。

　　1.1 OMAP4430開發(fā)板

　　OMAP4430是TI公司的實現了高性能和低功耗完美平衡的Soc，其內部主要包括四個處理引擎：基于ARMv7l指令集的SMP Cortex-A9 1Ghz雙核處理器，可編程多媒體硬件加速引擎IVA-HD及協處理核Cortex-M3，高性能的圖像顯卡Power SGX540及提供圖像視頻并行計算的ISP.其中IVA-HD多媒體加速引擎內部有7個針對各種視頻編解碼而設計的加速引擎，能夠實現對720P視頻的實時編解碼。其內部示意圖如圖1所示：

　　圖1 OMAP4430內部引擎示意圖

　　1.2 Android平臺

　　Android是一個以Linux為基礎的開放源代碼移動設備操作系統，主要用于移動設備，由Google成立的Open Handset Alliance持續(xù)領導與開發(fā)中。Android具有開源、良好的可移植性等成為全球第一大智能手機操作系統。本次設計Android手機采用聯發(fā)科Cortex-A7處理器，支持無線網卡AP熱點，支持H264硬解碼。

　　1.3移動機械手

　　移動機械手由運動小車和機械手組成，運動小車負責地面移動，而機械手通過旋轉6個馬達關節(jié)來完成捉取地面目標任務。

　　1.3.1移動小車

　　利用高性能MCU ATmega128L芯片通過傳感器采集當前的狀態(tài)及驅動DC馬達進行移動， ATmega128單片機為基于AVR RISC結構的8位低功耗CMOS微處理器。由于其先進的指令集以及單周期指令執(zhí)行時間，ATmega128單片機的數據吞吐率高達1MIPS/MHZ，小車采用4輪驅動車輪形移動機器人，配有4個DC直流馬達及多種傳感器，具有卓越的旋轉能力和穩(wěn)定性好的特點，小車控制框架如圖2所示：

　　圖2小車運動控制示意圖

　　1.3.2機械手

　　機械手由6個AX-12馬達組成，AX-12馬達具有180級別位置和速度控制、位置角度和速度的實時反饋、內部溫度或力矩超出范圍時給予警告提示等優(yōu)點。第一個馬達的關節(jié)負責機械手360度旋轉，第二個關節(jié)的同時控制兩個馬達，這個關節(jié)在提起和放下物體時提供了必須的扭矩，因此通過控制兩個馬達補充扭矩大小的不足，而第三第四個馬達提供了機械手捉取目標時前伸和后縮所需的力矩，第五個馬達則是手腕旋轉馬達，用于旋轉最后一個馬達的空中角度。最后一個馬達的旋轉將推動夾子張開和閉合來捉取地表目標。通過這6個馬達的機械臂，可向所有方向移動并進行多樣化的動作實驗。

　　1.4系統硬件框架

　　圖4系統硬件框架圖

　　2軟件設計

　　系統軟件設計包括Android手機應用、OMAP4430開發(fā)板Linux控制服務端和無線視頻服務軟件設計、AVR單片機程序設計，系統軟件框架如圖5所示。

　　Android應用主要負責接收手柄水平、豎直方向的搖桿時間和手柄按鍵事件、實時分析處理事件、將結果通過Socket發(fā)送給OMAP4430開發(fā)板。同時Android將實時接收經過OMAP4430開發(fā)板通過H264算法壓縮的720P視頻流并通過硬解碼技術將解碼緩存繪制到控制界面上。

　　OMAP4430開發(fā)板搭載Linux3.9.11操作系統，通過無線網卡Socket編程與Android手機建立通信，它主要負責接收Android平臺發(fā)過來的控制命令并進行處理后將數據通過無線藍牙串口發(fā)送給AVR單片機控制移動機械手的運動和馬達操作。利用OMAP4430異構多核處理器在視頻編解碼上的強大優(yōu)勢，通過USB攝像頭采集720P分辨力的視頻幀通過libdce庫利用內部的IVA-HD多媒體硬件加速引擎進行H264編碼，并將編碼視頻緩存流通過無線網卡Socket通信發(fā)送到Android手機進行顯示。

　　而底端AVR單片機則負責接收OMAP4430發(fā)過來的控制命令來操作4個直流電機進行運動、同時將通信數據進行解析成機械馬達旋轉速度及角度械手的動作來完成任務。

　　圖5系統軟件框架圖