基于視覺識別的水下抓取機械臂設計

摘要：由于水下環境較為復雜，普通的機械臂常常因為防水性能較差等問題，導致很難完成水下特殊作業。通過水下攝像頭采集信息，并且采用防水機械臂，可以提高機器人水下作業的精度和智能化程度，所以基于視覺識別的水下抓取機械臂在水下機器人應用上具有重要的現實意義。介紹了基于視覺識別的水下抓取機械臂的設計和實現，整體采用防水材料，視覺部分采用OpenMV機器視覺模塊，主控芯片采用STM32RCT6單片機，搭配超聲波測距模塊，配合舵機控制機械臂抓取目標物。

關鍵詞：防水機械臂；視覺識別；水下機械臂

中圖分類號：TP241；TP391.41 文獻標識碼：A

0 引言

水資源是重要的戰略資源，中國擁有廣闊的海洋領土，海洋資源豐富。海洋中有豐富的能源資源，如石油、天然氣等，深度開發海洋資源并提升海洋資源利用能力有利于我國經濟建設和民生發展[1]。

相較于陸地環境，水下作業情況更為復雜，很多作業人類無法直接參與，然而水下機器人的出現為水下探測提供了新方法。水下機器人的機械臂是進行水下作業必不可少的工具，在水下作業、深海探索、水下科學實驗及油氣采集等極端工作環境中，機械臂的防水性能是決定其能否有效執行任務的關鍵因素。防水機械臂不僅能夠承受高水壓、適應低溫環境，還能在水下完成精細的操作和復雜的作業任務，如勘探、修復、取樣等。

因此，研發高效、可靠的防水機械臂已成為當前機械工程技術領域的重要研究方向，本文提出一個基于視覺識別的水下抓取機械臂的設計方案。

1 系統總體設計

基于視覺識別的水下抓取機械臂主要由STM32RCT6單片機（主控芯片）、視覺識別模塊、藍牙通信模塊、機械臂驅動模塊、抓取模塊、旋轉云臺系統和超聲波測距模塊組成。基于視覺識別的水下抓取機械臂的主要功能包括水下抓取和水下識別追蹤。機械臂工作時，視覺識別系統在水下進行圖像采集，裝置前部的超聲波測距模塊可以在水下測量與目標物的距離，將收集的圖像信息與位置信息通過藍牙通信模塊發送至手機，操作者通過在手機上選定目標物體，將目標物體信息發送至主控芯片，主控芯片向舵機發出動作組指令，控制機械臂追蹤或抓取目標物體[2]。

1.1 機械臂驅動模塊

機械臂結構的動力由6個舵機提供。動作依靠多個關節臂結構聯動完成，在抓取舵機的輸出軸安裝主齒輪，主齒輪與連桿齒輪嚙合，實現第一抓手和第二抓手的閉合或張開。第一防水舵機坐落在滾動圓盤上，第一關節臂一端鉸接第一防水舵機的輸出軸，第一關節臂的另外一端與第二防水舵機端蓋連接。第二關節臂一端鉸接第二防水舵機的輸出軸，第二關節臂的另外一端與第三防水舵機端蓋連接。第三關節臂一端鉸接第三防水舵機的輸出軸，第三關節臂的另外一端與第四防水舵機端蓋連接。第四防水舵機的輸出軸與框架連接，該框架內安裝有抓取舵機和防水攝像頭。6個舵機協同工作，以實現多自由度轉動。底側舵機控制旋轉云臺轉動，實現水平面全方位轉動[3]。

1.2 抓取模塊

機械爪結構由1個舵機、2個齒輪連桿、2個連桿、1個齒輪和2個抓手組成，舵機與齒輪同軸連接，齒輪與齒輪連桿二嚙合，齒輪連桿一與齒輪連桿二嚙合，由舵機旋轉帶動齒輪，齒輪和齒輪連桿配合，以便抓夾開合抓取目標物體。裝置斷電時，機械爪結構處于閉合狀態。檢測到目標物體時，舵機帶動齒輪連桿轉動使機械爪完全張開，再由舵機帶動齒輪連桿轉動，完成對目標物的抓取。

1.3 旋轉云臺系統

旋轉云臺主要由齒輪、履帶、旋轉臺、軸承和舵機構成。利用螺釘將舵機固定在滾動圓盤上，利用履帶將齒輪和滾動圓盤齒輪同軸連接，舵機的輸出軸帶動齒輪旋轉，從而帶動滾動圓盤旋轉，以實現機械臂在水平面上全方位轉動。

由于單個舵機的自由度有限，無法提供較為全面的視野范圍，因此存在視野盲區。為了保證裝置可以無視野盲區，在機械臂底部安裝舵機控制云臺進行旋轉。

2 智能控制系統設計

2.1 視覺識別模塊

視覺識別模塊采用OpenMV視覺模塊，以STM32RCT6為主控，集成OpenMV4 H7攝像頭芯片，利用C語言設計算法，其還提供Python編程接口，利用Python語言實現OpenMV的視覺功能。防水攝像模塊通過感光元件，尋找色塊和畫圖進行物體識別，通過測量距離和實際距離進行判斷，再進行串口發送。在STM32端進行串口接收和數據處理，將相關數據處理為脈沖寬度調制（pulse width modulation，PWM）信號。STM32對各個舵機輸出相應的PWM信號值，從而控制相應的舵機進行旋轉。

2.2 藍牙通信模塊

在本文所設計的系統中，核心通信組件選用了高度集成且功能豐富的HC_05藍牙串口通信模塊，這一選擇顯著增強了系統的靈活性與實用性。該模塊憑借其雙模工作模式：命令響應模式與自動連接模式，為用戶提供了多樣化的操作選項，以滿足不同應用場景的需求。具體而言，通過巧妙地控制外部引腳輸入的電平狀態，用戶可以輕松地在兩種模式間進行切換，這極大簡化了系統配置流程，提升了用戶體驗。

在自動連接模式下，將HC_05藍牙串口通信模塊進一步細化為3種角色：主設備、從設備和回環模式，每種角色均針對特定通信場景進行了優化。作為主設備時，模塊能夠主動搜索并嘗試與周圍的從設備進行配對連接，實現數據的主動發起與傳輸；作為從設備時，其處于等待狀態，響應來自主設備的連接請求，適用于需要被動接收數據的場景；而回環模式則是一種特殊的調試模式，允許模塊將接收的數據直接回傳，便于開發者在不連接外部設備的情況下進行功能驗證與調試。在自動連接模式下，模塊能夠自動處理數據包的發送與接收，無須用戶干預，極大地提高了數據傳輸的效率和穩定性。

另外，命令響應模式賦予了用戶更高的控制權。通過向HC_05藍牙串口通信模塊發送一系列預定義的AT（attention）指令，用戶可以靈活地設置模塊的工作參數，如波特率、配對密碼等，或發布控制命令以改變模塊的工作狀態。這種基于指令的交互方式不僅使得模塊的配置過程更加直觀和精確，還為用戶提供了強大的自定義能力，使得系統能夠更好地適應復雜多變的通信環境。

綜上，HC_05藍牙串口通信模塊的雙模設計及其靈活的工作模式切換機制，為本文所設計的系統提供了強大的通信支持，這不僅簡化了系統配置、提高了數據傳輸效率與穩定性，還通過AT指令集為用戶提供了豐富的控制選項，增強了系統的可定制性和可擴展性。

2.3 超聲波測距模塊

本文采用HC-SR04超聲波模塊作為核心測距工具，這一選擇是基于超聲波技術獨特的優勢與廣泛的應用前景。HC-SR04超聲波模塊利用超聲波的反射原理，即當超聲波遇到障礙物時，會發生反射現象，通過測量超聲波發射到接收這一完整過程所需的時間，可以精確地計算攝像頭與目標物體之間的距離。

這種測距方式不僅具有高度的準確性和可靠性，而且操作簡便，無須復雜的設置與校準。HC-SR04超聲波模塊展現出在多種介質中穩定工作的能力，特別是在水下環境中，超聲波傳感器依然能夠保持優秀的測距性能。這一特性使得該模塊在需要水下測距的應用場景中尤為適用，如在水下機器人導航、海洋資源勘探、水產養殖監測等領域，都展現出了廣闊的應用前景。

因此，本文采用HC-SR04超聲波模塊作為測距模塊是基于實際需求與性能考量的選擇。它不僅能夠滿足設計中對測距精度和可靠性的要求，還能夠適應復雜多變的工作環境，為整個系統的穩定運行提供了堅實的保障。

3 系統主程序設計

在主程序中，首先建立手機與單片機的藍牙通信，成功后OpenMV開始工作，OpenMV上傳信息至單片機，通過手機發送指令控制對目標物的抓取。

4 裝置防水性能

本裝置防水措施分為線束防水、舵機防水和結構防水3個部分。線束部分采用防水軟管設計，將其全包于防水軟管中實現線束防水，軟管緊貼于裝置側面，不會影響裝置的多角度旋轉。舵機部分采用市面上主流防水舵機，其外殼設計采用高強度的密封膠、防水材料以及防水接口，可在富含泥沙、微生物等自然環境中正常運行。機械臂整體材料采用鋁合金，其具有良好的耐腐蝕性和防水性能。攝像頭和超聲波測距模塊全包于防水外殼中，單片機密封于防水底座中，以實現防水功能。

5 結語

目前，許多水下作業依靠人工完成，但傳統作業方法耗時長、成本高、效率低、安全性差。具有OpenMV、STM32RCT6主控芯片且搭配超聲波測距模塊的多自由度防水機械臂可以實現對目標物體的識別、追蹤、抓取，可搭配其他水下機器人實現水下多功能復雜作業，極大地提升作業的廣度和深度，具有廣闊的應用前景。

參考文獻

[1] 彭湃.基于視覺動態跟蹤的水下機械臂抓取技術研究[D].沈陽：沈陽工業大學，2023.

[2] 甘國慶.水下抓取機械手的結構設計與分析[D].大連：大連交通大學，2022.

[3] 張云海.基于ROS的協作機器人抓取技術研究[D].煙臺：煙臺大學，2022.