《基于图像识别的仿生柔性抓取装置》
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摘 要：为突破传统装置的束缚,极大扩展抓取装置的利用价值,本文在传统机械臂目标抓取的基础上,改进了一种新的仿生抓取装置.通过Arduino对舵机和步进的精确控制,实现了对目标的准确定位,对仿生柔性抓手的创新,提高抓取物体的牢固性和稳定性,经过多次实验测试,对目标的搜索识别、定位、抓取等功能精确可靠,具有较好的稳定实用性.
关键词：目标抓取;仿生柔性抓手;模拟搜救
随着人工智能的迅猛发展,智能化、自动化成为一种潮流趋势,各种智能自动化产品不断涌现,抓取装置也有了多种多样的设计,但是目前大部分的产品存在着各种各样的弊端缺点,使得难以应用于实际生产生活中.本文设计的仿生柔性抓取装置,能够解决的当前存在多个问题,可实现对硬、软、易碎、不规则等物体的抓取,并在保证稳定性的基础上不会损伤物体,通过舵机、步进、摄像头、数传等实现对抓手的远程操作,可以用于远程搜救、仓库分拣、物品搬运等多领域多任务.
1 知识储备
XBEE模块是美国DIGI的Zigbee模块,是一种远距离低功耗的数传模块,应用范围非常广泛,包括智能家居,远程控制,传感器,无线检测,资产管理等.调试过程如下：通过XCTU软件对XBEE进行配置,即设置XBEE1的DH和DL等于XBEE2的SH和SL,设置XBEE2的DH和DL等于XBEE1的SH和SL,调整各模块为AT模式,配置好后点击右上角小电脑图标进行通讯测试,查看互相收发是否正常.
Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台,包含硬件（各种型号的Arduino板）和软件（Arduino IDE）.其可满足使用者各种各样的需求,具有跨平台、开源的强大优点,本实验使用的是Arduino Mega 2560,其包含54路数字输入输出,适合需要大量IO接口的设计.其中15路可作为PWM输出,4路UART接口,一个16MHz晶体振荡器,可通过多种方式供电并自动选择供电方式.
2 抓取装置介绍及设计理念
抓取装置由三部分组成,分别为支撑装置、旋转移动装置,伸缩抓取装置.第一部分为支撑装置,主要由碳管、碳板组成,四根碳管構成主体结构,碳管间再次通过碳管进行固定支撑,增加了装置的承重能力,碳管连接处通过碳板固定,增加了碳管的稳定程度,装置底部增加了泡沫,极大增加了装置的减震及稳定.第二部分为旋转移动装置,主要由中间支撑的碳板、轴承旋转圆盘、传送装置组成,并搭载了开发板、电源、舵机、电机等硬件,位于整个装置的中心位置,构成了定点移动的总体构架.第三部分为伸缩抓取装置,通过舵机控制伸缩装置,通过步进电机对抓手进行控制,仿生柔性抓手的设计创新,仿生理念来自于自然界中的鱼鳍,能够感受外界压力,具有被动适用的能力,可根据抓取物体的形状特点,自行改变压力大小,在保护物体的基础上,进行牢固可靠的抓取,尤其适用圆形物体、玻璃易碎等物体的抓取.
Arduino是整个抓取装置的控制中心,PC端通过采集卡接RS832接收器,摄像头以特定角度固定在碳管上,通过计算对图像进行标定,实现视频图像与实际场景的坐标对应.摄像头连接TS832发射器,通过无线传输,完成视频图像的实时采集处理.
实验通过IDE实现对舵机角度的控制及步进电机的收张,采用控制PWM波段的大小,实现舵机角度的偏转,整个抓取过程代码简单明了,实验中通用性强、实时性好,图像处理通过MATLAB软件实现,自行设计GUI用户界面,简单明了,便于操作,通过图传进行实时监测,建立相应坐标系,进行相机校准标定,通过鼠标确定目标位置,经过极坐标计算,按照标定位置确定返回值,通过数传回传到Arduino开发板上,控制舵机实现目标抓取过程.
经过实践验证,可适用于模型直升机机载飞行,可承受较重的飞机重量,可用于图像区域中任意点的抓取,多次实验,可模拟直升机飞行救援、直升机远程投放等任务,还可实现物体分拣、远程操纵等任务.
3 实验测试过程
为验证一抓取装置的可行性,进行了一系列的现场实验.第一个实验为直升机模拟救援任务,首先将抓取装置固定于小型直升机上,由直升机机载抓取装置,飞行到模拟救援位置,直升机进行降落,以测试支撑装置的承重稳固性和抗震性;降落后,通过远程PC端,实时监控摄像头画面,对特定物体进行选取并控制抓取,检测抓取装置的可靠性;抓取物体后,直升机机载抓取装置返回出发点,检测抓取装置的承重力及稳固性,同时,通过直升机机动过程,对抓取装置的传输距离、传输抗干扰能力、承重力、载重力、工作效率等一系列数据进行测量.
第二个实验为远程快速分拣,固定抓取装置,确定抓取装置的初始位置,即为模拟目标区,在观察区域内放入大量物品,通过远程实时监控画面,确定所需分拣物品,通过鼠标点击物体,远程控制抓取装置进行抓取并放进目标区,解决了人工频繁重复同一动作的烦恼,通过大量实验来测试抓取装置对定点目标抓取的精确度、可靠性,以及抓取装置的抓取次数、磨损情况等.
4 结果分析及总结改进
通过多次实验得到的数据,进行分析对比后发现,该装置基本完成了对目标的搜索识别、定位、抓取等功能,发挥较为稳定.
但同时也发现抓取装置存在的几个问题,一是精确度不高,由于采用单目标定、标定过程存在误差、电源电压不稳定、舵机自身转动存在误差等因素,使得抓取过程中存在偏差,不能准确到特定点的抓取,从而导致实验中出现错抓漏抓问题;二是传输距离不远,由于直升机飞行时存在电磁干扰,加上设备的接触老化等问题,使得图像质量不高,噪声较多,在较远距离下难以准确把握.
基于实验存在的问题,对装置的设计有了改进,首先是抓取装置设计,取代旋转伸缩,通过一条六自由度的机械臂直接对特定目标进行抓取,既减轻重量,又提高效率;其次是重新改进标定方法,采用双目标定,提高标定的精确度;最后,通过MATLAB目标识别处理,通过颜色、形状、移动等特征的检测,实现对目标物体的自动检测、精确识别、智能抓取的过程.
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