基于图像识别的仿生柔性抓取装置

马永正 贺旭栋

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透传模式，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。