馬永正 賀旭棟

摘 要：為突破傳統(tǒng)裝置的束縛，極大擴(kuò)展抓取裝置的利用價(jià)值，本文在傳統(tǒng)機(jī)械臂目標(biāo)抓取的基礎(chǔ)上，改進(jìn)了一種新的仿生抓取裝置。通過(guò)Arduino對(duì)舵機(jī)和步進(jìn)的精確控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)的準(zhǔn)確定位，對(duì)仿生柔性抓手的創(chuàng)新，提高抓取物體的牢固性和穩(wěn)定性，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)測(cè)試，對(duì)目標(biāo)的搜索識(shí)別、定位、抓取等功能精確可靠，具有較好的穩(wěn)定實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：目標(biāo)抓取;仿生柔性抓手;模擬搜救

隨著人工智能的迅猛發(fā)展，智能化、自動(dòng)化成為一種潮流趨勢(shì)，各種智能自動(dòng)化產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，抓取裝置也有了多種多樣的設(shè)計(jì)，但是目前大部分的產(chǎn)品存在著各種各樣的弊端缺點(diǎn)，使得難以應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)生活中。本文設(shè)計(jì)的仿生柔性抓取裝置，能夠解決的當(dāng)前存在多個(gè)問(wèn)題，可實(shí)現(xiàn)對(duì)硬、軟、易碎、不規(guī)則等物體的抓取，并在保證穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上不會(huì)損傷物體，通過(guò)舵機(jī)、步進(jìn)、攝像頭、數(shù)傳等實(shí)現(xiàn)對(duì)抓手的遠(yuǎn)程操作，可以用于遠(yuǎn)程搜救、倉(cāng)庫(kù)分揀、物品搬運(yùn)等多領(lǐng)域多任務(wù)。

1 知識(shí)儲(chǔ)備

XBEE模塊是美國(guó)DIGI的Zigbee模塊，是一種遠(yuǎn)距離低功耗的數(shù)傳模塊，應(yīng)用范圍非常廣泛，包括智能家居，遠(yuǎn)程控制，傳感器，無(wú)線檢測(cè)，資產(chǎn)管理等。調(diào)試過(guò)程如下：通過(guò)XCTU軟件對(duì)XBEE進(jìn)行配置，即設(shè)置XBEE1的DH和DL等于XBEE2的SH和SL，設(shè)置XBEE2的DH和DL等于XBEE1的SH和SL，調(diào)整各模塊為AT透?jìng)髂Ｊ剑渲煤煤簏c(diǎn)擊右上角小電腦圖標(biāo)進(jìn)行通訊測(cè)試，查看互相收發(fā)是否正常。

Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺(tái)，包含硬件（各種型號(hào)的Arduino板）和軟件（Arduino IDE）。其可滿足使用者各種各樣的需求，具有跨平臺(tái)、開源的強(qiáng)大優(yōu)點(diǎn)，本實(shí)驗(yàn)使用的是Arduino Mega 2560，其包含54路數(shù)字輸入輸出，適合需要大量IO接口的設(shè)計(jì)。其中15路可作為PWM輸出，4路UART接口，一個(gè)16MHz晶體振蕩器，可通過(guò)多種方式供電并自動(dòng)選擇供電方式。

2 抓取裝置介紹及設(shè)計(jì)理念

抓取裝置由三部分組成，分別為支撐裝置、旋轉(zhuǎn)移動(dòng)裝置，伸縮抓取裝置。第一部分為支撐裝置，主要由碳管、碳板組成，四根碳管構(gòu)成主體結(jié)構(gòu)，碳管間再次通過(guò)碳管進(jìn)行固定支撐，增加了裝置的承重能力，碳管連接處通過(guò)碳板固定，增加了碳管的穩(wěn)定程度，裝置底部增加了泡沫，極大增加了裝置的減震及穩(wěn)定。第二部分為旋轉(zhuǎn)移動(dòng)裝置，主要由中間支撐的碳板、軸承旋轉(zhuǎn)圓盤、傳送裝置組成，并搭載了開發(fā)板、電源、舵機(jī)、電機(jī)等硬件，位于整個(gè)裝置的中心位置，構(gòu)成了定點(diǎn)移動(dòng)的總體構(gòu)架。第三部分為伸縮抓取裝置，通過(guò)舵機(jī)控制伸縮裝置，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)對(duì)抓手進(jìn)行控制，仿生柔性抓手的設(shè)計(jì)創(chuàng)新，仿生理念來(lái)自于自然界中的魚鰭，能夠感受外界壓力，具有被動(dòng)適用的能力，可根據(jù)抓取物體的形狀特點(diǎn)，自行改變壓力大小，在保護(hù)物體的基礎(chǔ)上，進(jìn)行牢固可靠的抓取，尤其適用圓形物體、玻璃易碎等物體的抓取。

Arduino是整個(gè)抓取裝置的控制中心，PC端通過(guò)采集卡接RS832接收器，攝像頭以特定角度固定在碳管上，通過(guò)計(jì)算對(duì)圖像進(jìn)行標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)視頻圖像與實(shí)際場(chǎng)景的坐標(biāo)對(duì)應(yīng)。攝像頭連接TS832發(fā)射器，通過(guò)無(wú)線傳輸，完成視頻圖像的實(shí)時(shí)采集處理。

實(shí)驗(yàn)通過(guò)IDE實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)角度的控制及步進(jìn)電機(jī)的收張，采用控制PWM波段的大小，實(shí)現(xiàn)舵機(jī)角度的偏轉(zhuǎn)，整個(gè)抓取過(guò)程代碼簡(jiǎn)單明了，實(shí)驗(yàn)中通用性強(qiáng)、實(shí)時(shí)性好，圖像處理通過(guò)MATLAB軟件實(shí)現(xiàn)，自行設(shè)計(jì)GUI用戶界面，簡(jiǎn)單明了，便于操作，通過(guò)圖傳進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，建立相應(yīng)坐標(biāo)系，進(jìn)行相機(jī)校準(zhǔn)標(biāo)定，通過(guò)鼠標(biāo)確定目標(biāo)位置，經(jīng)過(guò)極坐標(biāo)計(jì)算，按照標(biāo)定位置確定返回值，通過(guò)數(shù)傳回傳到Arduino開發(fā)板上，控制舵機(jī)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)抓取過(guò)程。

經(jīng)過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證，可適用于模型直升機(jī)機(jī)載飛行，可承受較重的飛機(jī)重量，可用于圖像區(qū)域中任意點(diǎn)的抓取，多次實(shí)驗(yàn)，可模擬直升機(jī)飛行救援、直升機(jī)遠(yuǎn)程投放等任務(wù)，還可實(shí)現(xiàn)物體分揀、遠(yuǎn)程操縱等任務(wù)。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試過(guò)程

為驗(yàn)證一抓取裝置的可行性，進(jìn)行了一系列的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。第一個(gè)實(shí)驗(yàn)為直升機(jī)模擬救援任務(wù)，首先將抓取裝置固定于小型直升機(jī)上，由直升機(jī)機(jī)載抓取裝置，飛行到模擬救援位置，直升機(jī)進(jìn)行降落，以測(cè)試支撐裝置的承重穩(wěn)固性和抗震性;降落后，通過(guò)遠(yuǎn)程PC端，實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)z像頭畫面，對(duì)特定物體進(jìn)行選取并控制抓取，檢測(cè)抓取裝置的可靠性;抓取物體后，直升機(jī)機(jī)載抓取裝置返回出發(fā)點(diǎn)，檢測(cè)抓取裝置的承重力及穩(wěn)固性，同時(shí)，通過(guò)直升機(jī)機(jī)動(dòng)過(guò)程，對(duì)抓取裝置的傳輸距離、傳輸抗干擾能力、承重力、載重力、工作效率等一系列數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量。

第二個(gè)實(shí)驗(yàn)為遠(yuǎn)程快速分揀，固定抓取裝置，確定抓取裝置的初始位置，即為模擬目標(biāo)區(qū)，在觀察區(qū)域內(nèi)放入大量物品，通過(guò)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面，確定所需分揀物品，通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊物體，遠(yuǎn)程控制抓取裝置進(jìn)行抓取并放進(jìn)目標(biāo)區(qū)，解決了人工頻繁重復(fù)同一動(dòng)作的煩惱，通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)試抓取裝置對(duì)定點(diǎn)目標(biāo)抓取的精確度、可靠性，以及抓取裝置的抓取次數(shù)、磨損情況等。

4 結(jié)果分析及總結(jié)改進(jìn)

通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，該裝置基本完成了對(duì)目標(biāo)的搜索識(shí)別、定位、抓取等功能，發(fā)揮較為穩(wěn)定。

但同時(shí)也發(fā)現(xiàn)抓取裝置存在的幾個(gè)問(wèn)題，一是精確度不高，由于采用單目標(biāo)定、標(biāo)定過(guò)程存在誤差、電源電壓不穩(wěn)定、舵機(jī)自身轉(zhuǎn)動(dòng)存在誤差等因素，使得抓取過(guò)程中存在偏差，不能準(zhǔn)確到特定點(diǎn)的抓取，從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)錯(cuò)抓漏抓問(wèn)題;二是傳輸距離不遠(yuǎn)，由于直升機(jī)飛行時(shí)存在電磁干擾，加上設(shè)備的接觸老化等問(wèn)題，使得圖像質(zhì)量不高，噪聲較多，在較遠(yuǎn)距離下難以準(zhǔn)確把握。

基于實(shí)驗(yàn)存在的問(wèn)題，對(duì)裝置的設(shè)計(jì)有了改進(jìn)，首先是抓取裝置設(shè)計(jì)，取代旋轉(zhuǎn)伸縮，通過(guò)一條六自由度的機(jī)械臂直接對(duì)特定目標(biāo)進(jìn)行抓取，既減輕重量，又提高效率;其次是重新改進(jìn)標(biāo)定方法，采用雙目標(biāo)定，提高標(biāo)定的精確度;最后，通過(guò)MATLAB目標(biāo)識(shí)別處理，通過(guò)顏色、形狀、移動(dòng)等特征的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物體的自動(dòng)檢測(cè)、精確識(shí)別、智能抓取的過(guò)程。