吳子彬，吳志坤，許紹聰，余乃浩，林嘉樂，殷惠莉

（1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)電子工程學(xué)院（人工智能學(xué)院），廣州 510642；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣州 510642）

0 引言

無人直升機(jī)，因其結(jié)構(gòu)緊湊、轉(zhuǎn)場靈活、機(jī)動(dòng)性和安全性高，且可以實(shí)現(xiàn)空中懸停、垂直起降等特點(diǎn)，在搜救、自然災(zāi)害監(jiān)測等領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景［1-2］。然而當(dāng)下國內(nèi)對(duì)于無人機(jī)搜救抓取方面的研究尚不成熟，薛彩梁等［3］提出一種鐵絲網(wǎng)抓取方案，雖然抓取面積大，但容易掉落。章東莞等［4］提出一種搜救抓取一體化無人機(jī)的方案設(shè)計(jì)，但傳統(tǒng)機(jī)械手抓取不同形狀物體難度大，作業(yè)效率低，且抓取精度不高。因此本文設(shè)計(jì)了一種機(jī)載半自動(dòng)氣吸抓取裝置，該裝置采用吸附吸盤接觸抓取物體，可以克服物體形狀問題，有效提高了精準(zhǔn)度和作業(yè)效率。同時(shí)附有保護(hù)裝置，確保物品不會(huì)因飛行姿態(tài)改變而掉落。

1 設(shè)計(jì)思路

無人直升機(jī)機(jī)載半自動(dòng)氣吸抓取裝置主要由兩部分構(gòu)成，無人直升機(jī)與氣吸機(jī)械抓手。無人直升機(jī)采用直升機(jī)為亞拓700級(jí)航模遙控直升機(jī)，該直升機(jī)在正常飛行中可以提供100 N～600 N 的力，因此可搭載10 kg～20 kg 的負(fù)載工作。氣吸式機(jī)械抓手部分又分為主控系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)三個(gè)方面。在抓手部分搭建電控圖傳系統(tǒng)，上位機(jī)搭建視覺系統(tǒng)，使用圖傳設(shè)備實(shí)現(xiàn)超視距識(shí)別并實(shí)時(shí)回傳視頻，可直接在視覺系統(tǒng)界面采取手動(dòng)點(diǎn)擊畫面，系統(tǒng)會(huì)把點(diǎn)擊處的坐標(biāo)信息以算法解讀反饋給電控系統(tǒng)，電控系統(tǒng)讀取坐標(biāo)信息，得到物體在現(xiàn)實(shí)世界中位置距離信息，并控制機(jī)械部分完成搜索、拾取以及投放等相應(yīng)任務(wù)。使其在災(zāi)害領(lǐng)域可以發(fā)揮安全、高效等作用。

2 主控系統(tǒng)

在控制系統(tǒng)中，雙目攝像頭通過圖傳模塊將圖像信息傳輸至計(jì)算機(jī)上位機(jī)端，上位機(jī)經(jīng)過一系列信息處理，獲得目標(biāo)的坐標(biāo)信息，并通過數(shù)傳模塊將信息發(fā)送至裝置主控系統(tǒng)，主控系統(tǒng)分別對(duì)舵機(jī)、繼電器、泄氣閥進(jìn)行操作以此控制機(jī)械手完成相應(yīng)任務(wù)，控制示意圖如圖1所示。

圖1 控制示意圖

3 機(jī)械部分

機(jī)械手的設(shè)計(jì)包括主體架、傳動(dòng)部分、機(jī)械爪三部分，完整建模圖如圖2所示。

圖2 機(jī)械手的機(jī)械建模圖

3.1 機(jī)械手主體架

主體架采用碳管以及三通鋁管搭建，具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕等特點(diǎn)［5］，由于700級(jí)直升機(jī)施加給傳動(dòng)軸的扭矩不超過1000 N·m，所以在進(jìn)行仿真分析時(shí)外部載荷施加的扭矩為1000 N·m。運(yùn)用SolidWorks Simulation 進(jìn)行靜應(yīng)力分析，得出傳動(dòng)軸受到的最小應(yīng)力為4.154 N/m2，最大應(yīng)力為6.677e+07 N/m2，仍小于碳纖板的拉伸強(qiáng)度3500 Mpa 和彎曲強(qiáng)度1700 MPa。故可以使腳架在無人機(jī)下保持穩(wěn)定。

3.2 機(jī)械手傳動(dòng)部分

傳動(dòng)部分分為旋轉(zhuǎn)部分和水平位移部分。抓取裝置旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)360°舵機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。在本設(shè)計(jì)中，舵機(jī)機(jī)身作為動(dòng)力輸出部分，機(jī)身與機(jī)械手整體固定一起轉(zhuǎn)動(dòng)。與舵機(jī)齒輪配合的舵盤直接固定在腳架支撐板上，這樣更加充分利用有效空間，使系統(tǒng)更加緊湊，旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為-90°～+90°，即可覆蓋全部抓取區(qū)域。

裝置水平位移設(shè)計(jì)選用軟傳動(dòng)設(shè)計(jì)方案。水平位移結(jié)構(gòu)由四根8×12×850 mm 碳纖維圓管做導(dǎo)軌與結(jié)構(gòu)框架，整個(gè)水平位移結(jié)構(gòu)上層兩個(gè)碳管和旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)固定，下層的兩根碳管用來實(shí)行位移的導(dǎo)軌，導(dǎo)軌上裝有一對(duì)直線軸承，可以在導(dǎo)軌上順滑運(yùn)動(dòng)。機(jī)械手水平位移原理，皮帶輪與皮帶嚙合，而皮帶從結(jié)構(gòu)框架一端起，經(jīng)過壓帶輪，再環(huán)繞皮帶輪3/4 圈，行成包角，再通過另一個(gè)壓帶輪回到框架另一端，相當(dāng)于皮帶與框架都相對(duì)靜止，從正上方看，形成字母Ω。720°舵機(jī)帶動(dòng)皮帶輪，皮帶輪在皮帶上的位移就是水平位移的距離。

這樣得出的皮帶輪直徑，從復(fù)位原點(diǎn)到最大移動(dòng)距離舵機(jī)行程剛好為一圈。

3.3 機(jī)械爪抓取

該機(jī)械爪的抓取系統(tǒng)主要是由負(fù)壓發(fā)生器、泄氣閥、吸附吸盤、真空吸盤緩沖支架、氣管、氣動(dòng)三通管組成。真空吸盤是氣吸式抓取的執(zhí)行結(jié)構(gòu)。工作時(shí)首先將真空吸盤通過接管與真空泵接通，然后與待抓取物體等接觸，此時(shí)泄氣閥開始工作，真空泵開始抽吸，使吸盤產(chǎn)生負(fù)壓，被吸材料將被牢固地抬起，可以開始移動(dòng)被抓取物。當(dāng)被抓取物體抓取成功時(shí)，升降系統(tǒng)到達(dá)上止點(diǎn)，泄氣閥停止工作，使真空吸盤內(nèi)由負(fù)氣壓變成零氣壓或稍為正的氣壓。由于重力被抓取物體就會(huì)脫離吸盤，從而完成了抓取和釋放動(dòng)作。

本設(shè)計(jì)中，五個(gè)真空泵分別對(duì)應(yīng)五只吸盤，相互獨(dú)立，因此在吸附抓取時(shí)即使個(gè)別吸盤未能與待抓取物體接觸，也能完成抓取任務(wù)。并附加一個(gè)聯(lián)動(dòng)抓手結(jié)構(gòu)，通過一個(gè)120°舵機(jī)、在下降過程中抓手張開，上升過程中抓手合攏，避免因飛行姿態(tài)的改變而導(dǎo)致抓取失敗。抓取建模圖如圖3所示。

圖3 機(jī)械手的抓取建模圖

4 視覺系統(tǒng)

4.1 視覺處理流程

本文中，視覺系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)顯示圖傳的圖像，并通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)字圖像幾何畸變矯正［6］，計(jì)算機(jī)端根據(jù)圖像建立直角坐標(biāo)系，操作者點(diǎn)擊位置后通過程序?qū)⑵滢D(zhuǎn)化為極坐標(biāo)，再發(fā)送指令控制機(jī)械手精準(zhǔn)地抓取目標(biāo)，流程圖如圖4所示。

圖4 抓取流程圖

4.2 下位機(jī)端視覺系統(tǒng)搭建

下位機(jī)端在無人直升機(jī)腳架上構(gòu)建電控圖傳系統(tǒng)，本文采用Ratel2 攝像頭搭配PandaRC VT5802 圖傳，該搭配具有傳輸圖像清晰、穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn)。具體硬件連接圖如圖5所示。

圖5 硬件連接圖

4.3 上位機(jī)端視覺系統(tǒng)搭建

上位機(jī)端的視覺系統(tǒng)搭建，要求能夠與無人直升機(jī)上的電控圖傳系統(tǒng)通信，接收其發(fā)送的數(shù)據(jù)和圖片,傳輸過程具有快速、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確等特點(diǎn)。并且視覺系統(tǒng)需要友好的GUI 界面，方便操作者觀察數(shù)據(jù)和發(fā)送指令，本文用Python 搭建上位機(jī)，利用Python 的serial 模塊、QT和OpenCV庫完成搭建。上位機(jī)界面如圖6所示。

圖6 上位機(jī)軟件圖

4.4 窗口點(diǎn)擊參數(shù)轉(zhuǎn)化

雙目視覺可以從兩個(gè)視點(diǎn)觀察同一物體，然后通過三角測量原理計(jì)算圖像像素間的位置偏差（視差）來獲取景物的三維信息［7］。如圖7所示，此時(shí)Xleft=Xright=Y，f是攝像機(jī)的焦距。由幾何關(guān)系可得：

圖7 雙目視覺成像原理

視差D=Xleft=Xright，由此可計(jì)算出特征點(diǎn)P在攝像機(jī)坐標(biāo)下的三維坐標(biāo)為

在視覺系統(tǒng)中，世界坐標(biāo)與像素坐標(biāo)是不同的，為了準(zhǔn)確抓取該目標(biāo)需要確定兩者的關(guān)系［8］。需要對(duì)雙目攝像機(jī)標(biāo)定，本文采用張正友標(biāo)定法，得到相機(jī)內(nèi)部參數(shù)矩陣M1，外部參數(shù)矩陣M2，由如圖8 所示的小孔成像模型，在攝像機(jī)的光軸中心建立坐標(biāo)系。

圖8 小孔模型

其中xoy為相機(jī)坐標(biāo)，XfOfYf為圖像坐標(biāo)，XOY為像素坐標(biāo)，XWYWZW為世界坐標(biāo)，各坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下。

視覺系統(tǒng)坐標(biāo)為（x，y）坐標(biāo)系，機(jī)械手運(yùn)動(dòng)軌跡為極坐標(biāo)，由以下公式進(jìn)行轉(zhuǎn)化。

5 機(jī)載機(jī)抓取試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

實(shí)物制作完畢之后，對(duì)機(jī)械手進(jìn)行試驗(yàn)測試，進(jìn)行模擬搜救任務(wù)，驗(yàn)證直升機(jī)機(jī)載抓取的效果是否符合設(shè)計(jì)要求，并對(duì)試驗(yàn)過程中裝置出現(xiàn)的問題進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，為設(shè)計(jì)提供參考。

5.2 試驗(yàn)內(nèi)容

無人直升機(jī)從起降區(qū)起飛，飛行至救援物資存放區(qū)，領(lǐng)航員通過機(jī)載圖像設(shè)備尋找、選定并自動(dòng)拾取某一特定的救援物資（魔方與斯諾克彩球）。飛越障礙后將該救援物資投放給待救區(qū)內(nèi)特定的待救對(duì)象，完成一趟搜救任務(wù)，試驗(yàn)現(xiàn)場圖如圖9所示。在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，循環(huán)試驗(yàn)抓取性能，試驗(yàn)設(shè)備穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性。

圖9 試驗(yàn)現(xiàn)場圖

5.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

在5 min 內(nèi)進(jìn)行抓取試驗(yàn)，試驗(yàn)所得到的數(shù)據(jù)見表格1。

表1 模擬搜救試驗(yàn)數(shù)據(jù)

6 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種無人直升機(jī)機(jī)載氣吸式抓取機(jī)械手，機(jī)械手滿足抓?。ㄎ。╊惙襟w和球體以及不規(guī)則表面的物體，能夠在各種惡劣環(huán)境下進(jìn)行搜救任務(wù)。本設(shè)計(jì)對(duì)搜救機(jī)器人的研究和推廣有一定的參考價(jià)值。試驗(yàn)結(jié)果顯示，對(duì)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化后，可以滿足三維空間作業(yè)需求，機(jī)械手動(dòng)作響應(yīng)較快，誤差較小，滿足高精度快速運(yùn)作的需求。