機載氣吸式抓取一體裝置設計與試驗

吳子彬，吳志坤，許紹聰，余乃浩，林嘉樂，殷惠莉

（1.華南農業大學電子工程學院（人工智能學院），廣州 510642；2.華南農業大學工程學院，廣州 510642）

0 引言

無人直升機，因其結構緊湊、轉場靈活、機動性和安全性高，且可以實現空中懸停、垂直起降等特點，在搜救、自然災害監測等領域都有著廣闊的應用前景［1-2］。然而當下國內對于無人機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的方案設計，但傳統機械手抓取不同形狀物體難度大，作業效率低，且抓取精度不高。因此本文設計了一種機載半自動氣吸抓取裝置，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，有效提高了精準度和作業效率。同時附有保護裝置，確保物品不會因飛行姿態改變而掉落。

1 設計思路

無人直升機機載半自動氣吸抓取裝置主要由兩部分構成，無人直升機與氣吸機械抓手。無人直升機采用直升機為亞拓700級航模遙控直升機，該直升機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 的負載工作。氣吸式機械抓手部分又分為主控系統、機械系統、視覺系統三個方面。在抓手部分搭建電控圖傳系統，上位機搭建視覺系統，使用圖傳設備實現超視距識別并實時回傳視頻，可直接在視覺系統界面采取手動點擊畫面，系統會把點擊處的坐標信息以算法解讀反饋給電控系統，電控系統讀取坐標信息，得到物體在現實世界中位置距離信息，并控制機械部分完成搜索、拾取以及投放等相應任務。使其在災害領域可以發揮安全、高效等作用。

2 主控系統

在控制系統中，雙目攝像頭通過圖傳模塊將圖像信息傳輸至計算機上位機端，上位機經過一系列信息處理，獲得目標的坐標信息，并通過數傳模塊將信息發送至裝置主控系統，主控系統分別對舵機、繼電器、泄氣閥進行操作以此控制機械手完成相應任務，控制示意圖如圖1所示。

圖1 控制示意圖

3 機械部分

機械手的設計包括主體架、傳動部分、機械爪三部分，完整建模圖如圖2所示。

圖2 機械手的機械建模圖

3.1 機械手主體架

主體架采用碳管以及三通鋁管搭建，具有質量輕、強度高、耐腐蝕等特點［5］，由于700級直升機施加給傳動軸的扭矩不超過1000 N·m，所以在進行仿真分析時外部載荷施加的扭矩為1000 N·m。運用SolidWorks Simulation 進行靜應力分析，得出傳動軸受到的最小應力為4.154 N/m2，最大應力為6.677e+07 N/m2，仍小于碳纖板的拉伸強度3500 Mpa 和彎曲強度1700 MPa。故可以使腳架在無人機下保持穩定。

3.2 機械手傳動部分

傳動部分分為旋轉部分和水平位移部分。抓取裝置旋轉結構設計機械手的旋轉360°舵機直接驅動。在本設計中，舵機機身作為動力輸出部分，機身與機械手整體固定一起轉動。與舵機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，使系統更加緊湊，旋轉結構的轉動范圍為-90°～+90°，即可覆蓋全部抓取區域。

裝置水平位移設計選用軟傳動設計方案。水平位移結構由四根8×12×850 mm 碳纖維圓管做導軌與結構框架，整個水平位移結構上層兩個碳管和旋轉結構固定，下層的兩根碳管用來實行位移的導軌，導軌上裝有一對直線軸承，可以在導軌上順滑運動。機械手水平位移原理，皮帶輪與皮帶嚙合，而皮帶從結構框架一端起，經過壓帶輪，再環繞皮帶輪3/4 圈，行成包角，再通過另一個壓帶輪回到框架另一端，相當于皮帶與框架都相對靜止，從正上方看，形成字母Ω。720°舵機帶動皮帶輪，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，從復位原點到最大移動距離舵機行程剛好為一圈。

3.3 機械爪抓取

該機械爪的抓取系統主要是由負壓發生器、泄氣閥、吸附吸盤、真空吸盤緩沖支架、氣管、氣動三通管組成。真空吸盤是氣吸式抓取的執行結構。工作時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，此時泄氣閥開始工作，真空泵開始抽吸，使吸盤產生負壓，被吸材料將被牢固地抬起，可以開始移動被抓取物。當被抓取物體抓取成功時，升降系統到達上止點，泄氣閥停止工作，使真空吸盤內由負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脫離吸盤，從而完成了抓取和釋放動作。

本設計中，五個真空泵分別對應五只吸盤，相互獨立，因此在吸附抓取時即使個別吸盤未能與待抓取物體接觸，也能完成抓取任務。并附加一個聯動抓手結構，通過一個120°舵機、在下降過程中抓手張開，上升過程中抓手合攏，避免因飛行姿態的改變而導致抓取失敗。抓取建模圖如圖3所示。

圖3 機械手的抓取建模圖

4 視覺系統

4.1 視覺處理流程

本文中，視覺系統需要實時顯示圖傳的圖像，并通過神經網絡進行數字圖像幾何畸變矯正［6］，計算機端根據圖像建立直角坐標系，操作者點擊位置后通過程序將其轉化為極坐標，再發送指令控制機械手精準地抓取目標，流程圖如圖4所示。

圖4 抓取流程圖

4.2 下位機端視覺系統搭建

下位機端在無人直升機腳架上構建電控圖傳系統，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、穩定、抗干擾能力強等一系列優點。具體硬件連接圖如圖5所示。

圖5 硬件連接圖

4.3 上位機端視覺系統搭建

上位機端的視覺系統搭建，要求能夠與無人直升機上的電控圖傳系統通信，接收其發送的數據和圖片,傳輸過程具有快速、實時、準確等特點。并且視覺系統需要友好的GUI 界面，方便操作者觀察數據和發送指令，本文用Python 搭建上位機，利用Python 的serial 模塊、QT和OpenCV庫完成搭建。上位機界面如圖6所示。

圖6 上位機軟件圖

4.4 窗口點擊參數轉化

雙目視覺可以從兩個視點觀察同一物體，然后通過三角測量原理計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Xleft=Xright=Y，f是攝像機的焦距。由幾何關系可得：

圖7 雙目視覺成像原理

視差D=Xleft=Xright，由此可計算出特征點P在攝像機坐標下的三維坐標為

在視覺系統中，世界坐標與像素坐標是不同的，為了準確抓取該目標需要確定兩者的關系［8］。需要對雙目攝像機標定，本文采用張正友標定法，得到相機內部參數矩陣M1，外部參數矩陣M2，由如圖8 所示的小孔成像模型，在攝像機的光軸中心建立坐標系。

圖8 小孔模型

其中xoy為相機坐標，XfOfYf為圖像坐標，XOY為像素坐標，XWYWZW為世界坐標，各坐標系之間的轉換關系如下。

視覺系統坐標為（x，y）坐標系，機械手運動軌跡為極坐標，由以下公式進行轉化。

5 機載機抓取試驗

5.1 試驗目的

實物制作完畢之后，對機械手進行試驗測試，進行模擬搜救任務，驗證直升機機載抓取的效果是否符合設計要求，并對試驗過程中裝置出現的問題進行進一步優化，為設計提供參考。

5.2 試驗內容

無人直升機從起降區起飛，飛行至救援物資存放區，領航員通過機載圖像設備尋找、選定并自動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內特定的待救對象，完成一趟搜救任務，試驗現場圖如圖9所示。在規定時間內，循環試驗抓取性能，試驗設備穩定性與準確性。

圖9 試驗現場圖

5.3 試驗數據

在5 min 內進行抓取試驗，試驗所得到的數據見表格1。

表1 模擬搜救試驗數據

6 結語

本文設計了一種無人直升機機載氣吸式抓取機械手，機械手滿足抓?。ㄎ。╊惙襟w和球體以及不規則表面的物體，能夠在各種惡劣環境下進行搜救任務。本設計對搜救機器人的研究和推廣有一定的參考價值。試驗結果顯示，對機械手的結構和控制系統進行優化后，可以滿足三維空間作業需求，機械手動作響應較快，誤差較小，滿足高精度快速運作的需求。