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可视化远程遥控移动机械手设计与实现

  的应用领域不断扩展。从自动化生产线到海洋资源的探索,乃至太空作业等领域,机械手已成为高技术领域内具有代表性的战略目标。然而就目前的机械手技术水平而言,机械手在信息的获取、处理及控制能力等方面都是有限的,对于复杂的工作任务及多变的工作环境,机械手的能力更显不足。随着移动互联网时代的到来、嵌入式技术及软件技术的快速发展,越来越多的高性能嵌入式芯片的出现,嵌入式操作系统的快速发展,并且应用到嵌入式处理器中,促进了移动机械手向更加向智能化方向发展。本文以TI公司的OMAP4430异构多核处理器为核心,Android手机为控制终端,实现了一款基于摇杆手柄操作的可视化移动机械手。控制终端Android手机响应摇杆事件控制移动机械手操作。同时借助OMAP4430异构多核处理器在视频编解码上的强大优势实现了对720P视频的实时无线传输。为了提高移动机械手的控制精度和相应速度,采用直流马达驱动机械手运动并采用实现180级别角度和速度的7个AX-12马达来提供更大的力矩。最后通过实验来验证本次设计的可行性。

  本次设计的可视化远程遥控移动机械手硬件部分主要分为OMAP4430开发板、Android手机、车体及机械手马达三部分。

  OMAP4430是TI公司的实现了高性能和低功耗完美平衡的Soc,其内部主要包括四个处理引擎:基于ARMv7l指令集的SMP Cortex-A9 1Ghz双核处理器,可编程多媒体硬件加速引擎IVA-HD及协处理核Cortex-M3,高性能的图像显卡Power SGX540及提供图像视频并行计算的ISP.其中IVA-HD多媒体加速引擎内部有7个针对各种视频编解码而设计的加速引擎,能够实现对720P视频的实时编解码。其内部示意图如图1所示:

  Android是一个以Linux为基础的开放源代码移动设备操作系统,主要用于移动设备,由Google成立的Open Handset Alliance持续领导与开发中。Android具有开源、良好的可移植性等成为全球第一大智能手机操作系统。本次设计Android手机采用联发科Cortex-A7处理器,支持无线移动机械手

  移动机械手由运动小车和机械手组成,运动小车负责地面移动,而机械手通过旋转6个马达关节来完成捉取地面目标任务。

  利用高性能MCU ATmega128L芯片通过传感器采集当前的状态及驱动DC马达进行移动, ATmega128单片机为基于AVR RISC结构的8位低功耗CMOS微处理器。由于其先进的指令集以及单周期指令执行时间,ATmega128单片机的数据吞吐率高达1MIPS/MHZ,小车采用4轮驱动车轮形移动机器人,配有4个DC直流马达及多种传感器,具有卓越的旋转能力和稳定性好的特点,小车控制框架如图2所示:

  机械手由6个AX-12马达组成,AX-12马达具有180级别位置和速度控制、位置角度和速度的实时反馈、内部温度或力矩超出范围时给予警告提示等优点。第一个马达的关节负责机械手360度旋转,第二个关节的同时控制两个马达,这个关节在提起和放下物体时提供了必须的扭矩,因此通过控制两个马达补充扭矩大小的不足,而第三第四个马达提供了机械手捉取目标时前伸和后缩所需的力矩,第五个马达则是手腕旋转马达,用于旋转最后一个马达的空中角度。最后一个马达的旋转将推动夹子张开和闭合来捉取地表目标。通过这6个马达的机械臂,可向所有方向移动并进行多样化的动作实验。

  系统软件设计包括Android手机应用、OMAP4430开发板Linux控制服务端和无线视频服务软件设计、AVR单片机程序设计,系统软件框架如图5所示。

  Android应用主要负责接收手柄水平、竖直方向的摇杆时间和手柄按键事件、实时分析处理事件、将结果通过Socket发送给OMAP4430开发板。同时Android将实时接收经过OMAP4430开发板通过H264算法压缩的720P视频流并通过硬解码技术将解码缓存绘制到控制界面上。

  OMAP4430开发板搭载Linux3.9.11操作系统,通过无线网卡Socket编程与Android手机建立通信,它主要负责接收Android平台发过来的控制命令并进行处理后将数据通过无线蓝牙串口发送给AVR单片机控制移动机械手的运动和马达操作。利用OMAP4430异构多核处理器在视频编解码上的强大优势,通过USB摄像头采集720P分辨力的视频帧通过libdce库利用内部的IVA-HD多媒体硬件加速引擎进行H264编码,并将编码视频缓存流通过无线网卡Socket通信发送到Android手机进行显示。

  而底端AVR单片机则负责接收OMAP4430发过来的控制命令来操作4个直流电机进行运动、同时将通信数据进行解析成机械马达旋转速度及角度械手的动作来完成任务。

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