机载气吸式抓取一体装置设计与试验

吴子彬，吴志坤，许绍聪，余乃浩，林嘉乐，殷惠莉

（1.华南农业大学电子工程学院（人工智能学院），广州 510642；2.华南农业大学工程学院，广州 510642）

0 引言

无人直升机，因其结构紧凑、转场灵活、机动性和安全性高，且可以实现空中悬停、垂直起降等特点，在搜救、自然灾害监测等领域都有着广阔的应用前景［1-2］。然而当下国内对于无人机搜救抓取方面的研究尚不成熟，薛彩梁等［3］提出一种铁丝网抓取方案，虽然抓取面积大，但容易掉落。章东莞等［4］提出一种搜救抓取一体化无人机的方案设计，但传统机械手抓取不同形状物体难度大，作业效率低，且抓取精度不高。因此本文设计了一种机载半自动气吸抓取装置，该装置采用吸附吸盘接触抓取物体，可以克服物体形状问题，有效提高了精准度和作业效率。同时附有保护装置，确保物品不会因飞行姿态改变而掉落。

1 设计思路

无人直升机机载半自动气吸抓取装置主要由两部分构成，无人直升机与气吸机械抓手。无人直升机采用直升机为亚拓700级航模遥控直升机，该直升机在正常飞行中可以提供100 N～600 N 的力，因此可搭载10 kg～20 kg 的负载工作。气吸式机械抓手部分又分为主控系统、机械系统、视觉系统三个方面。在抓手部分搭建电控图传系统，上位机搭建视觉系统，使用图传设备实现超视距识别并实时回传视频，可直接在视觉系统界面采取手动点击画面，系统会把点击处的坐标信息以算法解读反馈给电控系统，电控系统读取坐标信息，得到物体在现实世界中位置距离信息，并控制机械部分完成搜索、拾取以及投放等相应任务。使其在灾害领域可以发挥安全、高效等作用。

2 主控系统

在控制系统中，双目摄像头通过图传模块将图像信息传输至计算机上位机端，上位机经过一系列信息处理，获得目标的坐标信息，并通过数传模块将信息发送至装置主控系统，主控系统分别对舵机、继电器、泄气阀进行操作以此控制机械手完成相应任务，控制示意图如图1所示。

图1 控制示意图

3 机械部分

机械手的设计包括主体架、传动部分、机械爪三部分，完整建模图如图2所示。

图2 机械手的机械建模图

3.1 机械手主体架

主体架采用碳管以及三通铝管搭建，具有质量轻、强度高、耐腐蚀等特点［5］，由于700级直升机施加给传动轴的扭矩不超过1000 N·m，所以在进行仿真分析时外部载荷施加的扭矩为1000 N·m。运用SolidWorks Simulation 进行静应力分析，得出传动轴受到的最小应力为4.154 N/m²，最大应力为6.677e+07 N/m²，仍小于碳纤板的拉伸强度3500 Mpa 和弯曲强度1700 MPa。故可以使脚架在无人机下保持稳定。

3.2 机械手传动部分

传动部分分为旋转部分和水平位移部分。抓取装置旋转结构设计机械手的旋转360°舵机直接驱动。在本设计中，舵机机身作为动力输出部分，机身与机械手整体固定一起转动。与舵机齿轮配合的舵盘直接固定在脚架支撑板上，这样更加充分利用有效空间，使系统更加紧凑，旋转结构的转动范围为-90°～+90°，即可覆盖全部抓取区域。

装置水平位移设计选用软传动设计方案。水平位移结构由四根8×12×850 mm 碳纤维圆管做导轨与结构框架，整个水平位移结构上层两个碳管和旋转结构固定，下层的两根碳管用来实行位移的导轨，导轨上装有一对直线轴承，可以在导轨上顺滑运动。机械手水平位移原理，皮带轮与皮带啮合，而皮带从结构框架一端起，经过压带轮，再环绕皮带轮3/4 圈，行成包角，再通过另一个压带轮回到框架另一端，相当于皮带与框架都相对静止，从正上方看，形成字母Ω。720°舵机带动皮带轮，皮带轮在皮带上的位移就是水平位移的距离。

这样得出的皮带轮直径，从复位原点到最大移动距离舵机行程刚好为一圈。

3.3 机械爪抓取

该机械爪的抓取系统主要是由负压发生器、泄气阀、吸附吸盘、真空吸盘缓冲支架、气管、气动三通管组成。真空吸盘是气吸式抓取的执行结构。工作时首先将真空吸盘通过接管与真空泵接通，然后与待抓取物体等接触，此时泄气阀开始工作，真空泵开始抽吸，使吸盘产生负压，被吸材料将被牢固地抬起，可以开始移动被抓取物。当被抓取物体抓取成功时，升降系统到达上止点，泄气阀停止工作，使真空吸盘内由负气压变成零气压或稍为正的气压。由于重力被抓取物体就会脱离吸盘，从而完成了抓取和释放动作。

本设计中，五个真空泵分别对应五只吸盘，相互独立，因此在吸附抓取时即使个别吸盘未能与待抓取物体接触，也能完成抓取任务。并附加一个联动抓手结构，通过一个120°舵机、在下降过程中抓手张开，上升过程中抓手合拢，避免因飞行姿态的改变而导致抓取失败。抓取建模图如图3所示。

图3 机械手的抓取建模图

4 视觉系统

4.1 视觉处理流程

本文中，视觉系统需要实时显示图传的图像，并通过神经网络进行数字图像几何畸变矫正［6］，计算机端根据图像建立直角坐标系，操作者点击位置后通过程序将其转化为极坐标，再发送指令控制机械手精准地抓取目标，流程图如图4所示。

图4 抓取流程图

4.2 下位机端视觉系统搭建

下位机端在无人直升机脚架上构建电控图传系统，本文采用Ratel2 摄像头搭配PandaRC VT5802 图传，该搭配具有传输图像清晰、稳定、抗干扰能力强等一系列优点。具体硬件连接图如图5所示。

图5 硬件连接图

4.3 上位机端视觉系统搭建

上位机端的视觉系统搭建，要求能够与无人直升机上的电控图传系统通信，接收其发送的数据和图片,传输过程具有快速、实时、准确等特点。并且视觉系统需要友好的GUI 界面，方便操作者观察数据和发送指令，本文用Python 搭建上位机，利用Python 的serial 模块、QT和OpenCV库完成搭建。上位机界面如图6所示。

图6 上位机软件图

4.4 窗口点击参数转化

双目视觉可以从两个视点观察同一物体，然后通过三角测量原理计算图像像素间的位置偏差（视差）来获取景物的三维信息［7］。如图7所示，此时Xleft=Xright=Y，f是摄像机的焦距。由几何关系可得：

图7 双目视觉成像原理

视差D=Xleft=Xright，由此可计算出特征点P在摄像机坐标下的三维坐标为

在视觉系统中，世界坐标与像素坐标是不同的，为了准确抓取该目标需要确定两者的关系［8］。需要对双目摄像机标定，本文采用张正友标定法，得到相机内部参数矩阵M1，外部参数矩阵M2，由如图8 所示的小孔成像模型，在摄像机的光轴中心建立坐标系。

图8 小孔模型

其中xoy为相机坐标，XfOfYf为图像坐标，XOY为像素坐标，XWYWZW为世界坐标，各坐标系之间的转换关系如下。

视觉系统坐标为（x，y）坐标系，机械手运动轨迹为极坐标，由以下公式进行转化。

5 机载机抓取试验

5.1 试验目的

实物制作完毕之后，对机械手进行试验测试，进行模拟搜救任务，验证直升机机载抓取的效果是否符合设计要求，并对试验过程中装置出现的问题进行进一步优化，为设计提供参考。

5.2 试验内容

无人直升机从起降区起飞，飞行至救援物资存放区，领航员通过机载图像设备寻找、选定并自动拾取某一特定的救援物资（魔方与斯诺克彩球）。飞越障碍后将该救援物资投放给待救区内特定的待救对象，完成一趟搜救任务，试验现场图如图9所示。在规定时间内，循环试验抓取性能，试验设备稳定性与准确性。

图9 试验现场图

5.3 试验数据

在5 min 内进行抓取试验，试验所得到的数据见表格1。

表1 模拟搜救试验数据

6 结语

本文设计了一种无人直升机机载气吸式抓取机械手，机械手满足抓取（吸取）类方体和球体以及不规则表面的物体，能够在各种恶劣环境下进行搜救任务。本设计对搜救机器人的研究和推广有一定的参考价值。试验结果显示，对机械手的结构和控制系统进行优化后，可以满足三维空间作业需求，机械手动作响应较快，误差较小，满足高精度快速运作的需求。