基于圖像識別的仿生柔性抓取裝置

馬永正 賀旭棟

摘 要：為突破傳統裝置的束縛，極大擴展抓取裝置的利用價值，本文在傳統機械臂目標抓取的基礎上，改進了一種新的仿生抓取裝置。通過Arduino對舵機和步進的精確控制，實現了對目標的準確定位，對仿生柔性抓手的創新，提高抓取物體的牢固性和穩定性，經過多次實驗測試，對目標的搜索識別、定位、抓取等功能精確可靠，具有較好的穩定實用性。

關鍵詞：目標抓取;仿生柔性抓手;模擬搜救

隨著人工智能的迅猛發展，智能化、自動化成為一種潮流趨勢，各種智能自動化產品不斷涌現，抓取裝置也有了多種多樣的設計，但是目前大部分的產品存在著各種各樣的弊端缺點，使得難以應用于實際生產生活中。本文設計的仿生柔性抓取裝置，能夠解決的當前存在多個問題，可實現對硬、軟、易碎、不規則等物體的抓取，并在保證穩定性的基礎上不會損傷物體，通過舵機、步進、攝像頭、數傳等實現對抓手的遠程操作，可以用于遠程搜救、倉庫分揀、物品搬運等多領域多任務。

1 知識儲備

XBEE模塊是美國DIGI的Zigbee模塊，是一種遠距離低功耗的數傳模塊，應用范圍非常廣泛，包括智能家居，遠程控制，傳感器，無線檢測，資產管理等。調試過程如下：通過XCTU軟件對XBEE進行配置，即設置XBEE1的DH和DL等于XBEE2的SH和SL，設置XBEE2的DH和DL等于XBEE1的SH和SL，調整各模塊為AT透傳模式，配置好后點擊右上角小電腦圖標進行通訊測試，查看互相收發是否正常。

Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺，包含硬件（各種型號的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、開源的強大優點，本實驗使用的是Arduino Mega 2560，其包含54路數字輸入輸出，適合需要大量IO接口的設計。其中15路可作為PWM輸出，4路UART接口，一個16MHz晶體振蕩器，可通過多種方式供電并自動選擇供電方式。

2 抓取裝置介紹及設計理念

抓取裝置由三部分組成，分別為支撐裝置、旋轉移動裝置，伸縮抓取裝置。第一部分為支撐裝置，主要由碳管、碳板組成，四根碳管構成主體結構，碳管間再次通過碳管進行固定支撐，增加了裝置的承重能力，碳管連接處通過碳板固定，增加了碳管的穩定程度，裝置底部增加了泡沫，極大增加了裝置的減震及穩定。第二部分為旋轉移動裝置，主要由中間支撐的碳板、軸承旋轉圓盤、傳送裝置組成，并搭載了開發板、電源、舵機、電機等硬件，位于整個裝置的中心位置，構成了定點移動的總體構架。第三部分為伸縮抓取裝置，通過舵機控制伸縮裝置，通過步進電機對抓手進行控制，仿生柔性抓手的設計創新，仿生理念來自于自然界中的魚鰭，能夠感受外界壓力，具有被動適用的能力，可根據抓取物體的形狀特點，自行改變壓力大小，在保護物體的基礎上，進行牢固可靠的抓取，尤其適用圓形物體、玻璃易碎等物體的抓取。

Arduino是整個抓取裝置的控制中心，PC端通過采集卡接RS832接收器，攝像頭以特定角度固定在碳管上，通過計算對圖像進行標定，實現視頻圖像與實際場景的坐標對應。攝像頭連接TS832發射器，通過無線傳輸，完成視頻圖像的實時采集處理。

實驗通過IDE實現對舵機角度的控制及步進電機的收張，采用控制PWM波段的大小，實現舵機角度的偏轉，整個抓取過程代碼簡單明了，實驗中通用性強、實時性好，圖像處理通過MATLAB軟件實現，自行設計GUI用戶界面，簡單明了，便于操作，通過圖傳進行實時監測，建立相應坐標系，進行相機校準標定，通過鼠標確定目標位置，經過極坐標計算，按照標定位置確定返回值，通過數傳回傳到Arduino開發板上，控制舵機實現目標抓取過程。

經過實踐驗證，可適用于模型直升機機載飛行，可承受較重的飛機重量，可用于圖像區域中任意點的抓取，多次實驗，可模擬直升機飛行救援、直升機遠程投放等任務，還可實現物體分揀、遠程操縱等任務。

3 實驗測試過程

為驗證一抓取裝置的可行性，進行了一系列的現場實驗。第一個實驗為直升機模擬救援任務，首先將抓取裝置固定于小型直升機上，由直升機機載抓取裝置，飛行到模擬救援位置，直升機進行降落，以測試支撐裝置的承重穩固性和抗震性;降落后，通過遠程PC端，實時監控攝像頭畫面，對特定物體進行選取并控制抓取，檢測抓取裝置的可靠性;抓取物體后，直升機機載抓取裝置返回出發點，檢測抓取裝置的承重力及穩固性，同時，通過直升機機動過程，對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據進行測量。

第二個實驗為遠程快速分揀，固定抓取裝置，確定抓取裝置的初始位置，即為模擬目標區，在觀察區域內放入大量物品，通過遠程實時監控畫面，確定所需分揀物品，通過鼠標點擊物體，遠程控制抓取裝置進行抓取并放進目標區，解決了人工頻繁重復同一動作的煩惱，通過大量實驗來測試抓取裝置對定點目標抓取的精確度、可靠性，以及抓取裝置的抓取次數、磨損情況等。

4 結果分析及總結改進

通過多次實驗得到的數據，進行分析對比后發現，該裝置基本完成了對目標的搜索識別、定位、抓取等功能，發揮較為穩定。

但同時也發現抓取裝置存在的幾個問題，一是精確度不高，由于采用單目標定、標定過程存在誤差、電源電壓不穩定、舵機自身轉動存在誤差等因素，使得抓取過程中存在偏差，不能準確到特定點的抓取，從而導致實驗中出現錯抓漏抓問題;二是傳輸距離不遠，由于直升機飛行時存在電磁干擾，加上設備的接觸老化等問題，使得圖像質量不高，噪聲較多，在較遠距離下難以準確把握。

基于實驗存在的問題，對裝置的設計有了改進，首先是抓取裝置設計，取代旋轉伸縮，通過一條六自由度的機械臂直接對特定目標進行抓取，既減輕重量，又提高效率;其次是重新改進標定方法，采用雙目標定，提高標定的精確度;最后，通過MATLAB目標識別處理，通過顏色、形狀、移動等特征的檢測，實現對目標物體的自動檢測、精確識別、智能抓取的過程。