冠軍是這樣煉成的

河北科大搜救組

在學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)和相關(guān)教師的關(guān)心和支持下，河北科技大學(xué)已經(jīng)連續(xù)10年參加了中國國際飛行器設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)賽暨科研類全國航空航天模型錦標(biāo)賽（以下簡稱CADC）。10年間，河北科技大學(xué)航模隊(duì)一共獲得了7次CADC模擬搜救項(xiàng)目冠軍，尤其在2012-2016年，連續(xù)5年奪得了該項(xiàng)目的團(tuán)體冠軍。在2018年CADC的模擬搜救項(xiàng)目中，航模隊(duì)再接再厲，包攬了單項(xiàng)冠亞軍和團(tuán)體冠軍！作為河北科技大學(xué)航模隊(duì)CADC模擬搜救項(xiàng)目組的一員，我心里明白，這份榮譽(yù)來之不易。

2018年CADC的模擬搜救項(xiàng)目，規(guī)則變動幅度創(chuàng)歷年之最。與往屆相比最大的一個改變，是需要抓取的物資由斯諾克球，變?yōu)榧扔兴怪Z克球又有三階魔方。之前我隊(duì)設(shè)計(jì)的機(jī)械抓取裝置，只適用于球體，魔方卻是一個立方體，這意味著必須重新設(shè)計(jì)一款既能抓球體又能抓立方體的機(jī)械手。

比賽規(guī)則一公布，我隊(duì)立刻開會商討競賽方案，重點(diǎn)是機(jī)械抓取裝置的設(shè)計(jì)。初次探討，大家決定用粘的方式抓取物資。粘取裝置主要分兩部分：粘頭，作用是粘住魔方和斯諾克球，并放入載荷容器中;容器，作用是防止已經(jīng)進(jìn)入的物資掉落。這個裝置的優(yōu)點(diǎn)是，物體的擺放方式不影響抓取效率，既能粘球又能粘魔方，而且在飛行過程中，不會出現(xiàn)載荷物掉落的問題。然而測試時發(fā)現(xiàn)，一旦外場有揚(yáng)塵，該裝置的使用次數(shù)就變得有限，成功率僅有45%。于是只能放棄這個方案。

之后考慮使用機(jī)械手完成物資的抓取。根據(jù)規(guī)則提供的物資規(guī)格，得出了機(jī)械手抓取物資的要求：標(biāo)準(zhǔn)斯諾克球的直徑約52.5mm，重量約146 g：標(biāo)準(zhǔn)三階魔方的邊長約56mm，重量約75g，且6個面不同色。比照這些要求，新方案選取了四爪定心卡盤，其中卡盤直徑52mm，4個夾爪均能圍繞各自定軸做收縮運(yùn)動，輕松抓取單個魔方。而通過改變夾爪的長度或彎折角度，4個夾爪收緊時又能完全包裹住斯諾克球。為了防止斯諾克球在運(yùn)輸過程中掉落，我們還特意在機(jī)械手內(nèi)側(cè)增加了曲面結(jié)構(gòu)，增大摩擦力。

2018年CADC模擬搜救項(xiàng)目物資桶內(nèi)增加了三階魔方，比賽難度顯著提高。

改進(jìn)后得到的機(jī)械手三維模型，其中紅色和褐色部分為四爪定心卡盤，綠色和藍(lán)色部分為夾爪。

機(jī)械手下降到指定點(diǎn)后，卡盤轉(zhuǎn)動30°、夾爪打開的結(jié)構(gòu)簡化圖。

抓取物資后的機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡化圖

很快，機(jī)械手的試用品做了出來。但在訓(xùn)練時，出現(xiàn)了許多極端情況。例如當(dāng)1個斯諾克球夾在兩個魔方之間時，機(jī)械手無法順利拾取球。為此，我們將拾取程序設(shè)定為：機(jī)械手先下降到距拾取區(qū)56mm（魔方邊長）的高度，然后卡盤轉(zhuǎn)動300、夾爪打開，再拾取斯諾克球。為配合此設(shè)定，要求機(jī)械手在收緊狀態(tài)下占用的空間盡量小，且在四爪聚合時，爪尖至少距桶底53mm（斯諾克球的直徑）。

已知斯諾克球直徑為53mm，抓取時夾爪各自撐開30°后，狀態(tài)如右側(cè)中欄圖所示。

用夾爪抓取物資后的模型直升機(jī)

在機(jī)械手執(zhí)行拾取斯諾克球任務(wù)時，夾爪處于張開狀態(tài)，卡盤距地面高度a=53mm。為保證機(jī)械手抓取成功，夾爪的長度d>26.5mm。將已知條件整理后構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，利用余弦定理以及試差法得到3個公式：

b²=a²+c²-2a·c·cos30°

d≥26.5

d²=b²+（a-c）²-2b·（a-c）·cosθ

通過不斷試差，最終確定夾爪長度為45.9mm，此時d=26.7mm，符合假定。通過做出實(shí)物后的反復(fù)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)夾爪長度為45.9mm時，拾取誤差不超過±3mm，符合使用要求。

然后根據(jù)正弦定理和正弦值表，推得當(dāng)夾爪聚合時，相對各自定軸的彎折角度為89°。為了增加裝置拾取物資的穩(wěn)定性，夾爪末端被設(shè)計(jì)成有突起結(jié)構(gòu)的平面，增加摩擦力。此外，我們還在四爪定心卡盤外側(cè)又套了一層卡爪，使得拾取魔方的成功率增至95%。

機(jī)械手的設(shè)計(jì)基本定型，主要包括四爪定心卡盤和卡爪。前者用于拾取斯諾克球和三階魔方，后者用于防止拾取物掉落。其中四爪定心卡盤上夾爪的收緊、放開、繞各自定軸彎折等動作，均靠電機(jī)驅(qū)動舵機(jī)來實(shí)現(xiàn)。為了在夾緊物資時，夾爪的定位點(diǎn)、夾持力皆可控將控制夾爪的舵機(jī)轉(zhuǎn)軸與卡盤中心軸重合連接，并以朝下（舵機(jī)轉(zhuǎn)軸可向下運(yùn)動）的姿態(tài)固定在伸縮架上，結(jié)構(gòu)簡單、組裝方便。執(zhí)行模擬搜救任務(wù)時，操縱者只需利用程序控制舵機(jī)，舵機(jī)便會驅(qū)動卡盤旋轉(zhuǎn)，并帶動4個夾爪沿中心軸伸縮，達(dá)到抓取物資的目的。

比賽時使用的機(jī)械手成品，紅色部分為四爪定心卡盤，外套的黑色部分為卡爪。

位于滑軌一端的同步輪和皮帶傳動裝置

最初設(shè)想的運(yùn)動機(jī)構(gòu)，上層滑軌控制二維平面內(nèi)的定點(diǎn)，下層伸縮臂控制垂直方向的位移。

除了抓取物的外形，2018年CADC模擬搜救項(xiàng)目規(guī)則的另一個變動是執(zhí)行任務(wù)程序，由之前的手動控制機(jī)械臂轉(zhuǎn)為自動抓取。因此，要求機(jī)械抓取裝置的定位必須自動、準(zhǔn)確。而且實(shí)現(xiàn)勸能時，不僅要對其視覺反饋進(jìn)行處理，還要對與之相連的伸縮、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)（統(tǒng)稱運(yùn)動機(jī)構(gòu)）進(jìn)行優(yōu)化。于是我們決定，在往屆成品的基礎(chǔ)上，重新設(shè)計(jì)一套能夠伸縮、旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動機(jī)構(gòu)。

根據(jù)四爪定心卡盤和卡爪尺寸，運(yùn)動機(jī)構(gòu)的總尺寸被限定在72cm×32cm×27cm的空間內(nèi)。因?yàn)樗淖Χㄐ目ūP的舵機(jī)轉(zhuǎn)軸固定在伸縮機(jī)構(gòu)上，且需滿足舵機(jī)每轉(zhuǎn)360°、伸縮機(jī)構(gòu)也整體旋轉(zhuǎn)360°的要求，所以舵機(jī)與伸縮機(jī)構(gòu)之間連接軸承的齒輪比被設(shè)定為1：1。結(jié)合加工齒輪的三軸雕刻機(jī)的精度，齒輪模數(shù)定為1.6。

可知舵機(jī)上齒輪的齒數(shù)越多，每個齒對應(yīng)的轉(zhuǎn)動角度范圍就越小。而運(yùn)動機(jī)構(gòu)的寬度是27cm，如果齒數(shù)極限值為50，軸承的外徑就是8cm。一般軸承材質(zhì)為高碳鋼GCr15，為了盡量減輕齒輪傳動裝置的重量，我們采用了密度1.9g/cm³的玻纖材料。

因?yàn)檫\(yùn)動機(jī)構(gòu)的橫向最大距離是72cm，所以為了盡可能增大抓取范圍，滑軌長度被確定為63cm。滑軌由4根碳桿、2個全包的直線軸承組成，以極坐標(biāo)的形式，控制機(jī)械手在二維平面內(nèi)定位?；墐啥朔謩e放置一個同步車企，且每一端裝一個舵機(jī)。其中一個控制轉(zhuǎn)動角度，另一個控制水平移動距離。

2018年CADC模擬搜救項(xiàng)目改為自動抓取物資后，場上只有一名負(fù)責(zé)飛行平臺的操縱手。

工作時，機(jī)械手靠與之連接的直線軸承在碳桿上做往復(fù)運(yùn)動，不僅運(yùn)動順滑、穩(wěn)定、無間隙，而且定位精確、動力優(yōu)越，能讓抓取裝置迅速到達(dá)指定位置。其定位舵機(jī)通過齒輪與皮帶傳動裝置連接，每轉(zhuǎn)動360°，皮帶傳動裝置移動32cm（滑軌的半徑）。因?yàn)檫x用的同步輪半徑為1.68cm，可求得周長為10.6cm，即同步輪每轉(zhuǎn)一圈，皮帶的行程為10.6cm。所以皮帶傳動裝置的實(shí)際操控距離，與皮帶行程的比例大概為3：1，即同步輪每轉(zhuǎn)動，圈，與其同步轉(zhuǎn)動的齒輪轉(zhuǎn)動3圈。由此推算，皮帶傳動裝置上的傳動齒輪與同步輪的齒數(shù)比為，：3。再次取模數(shù)為1.6，算得傳動齒輪的幽數(shù)為13。根據(jù)比例關(guān)系，并考慮筐輪制作精度產(chǎn)生的誤差，確定同步輪的i當(dāng)數(shù)為45。

運(yùn)動機(jī)構(gòu)做出來后，再次進(jìn)行了試驗(yàn)。在每天使用7小時、連續(xù)使用5天的情況下，我們發(fā)現(xiàn)滑軌一端同步輪上的舵機(jī)安裝位發(fā)生了嚴(yán)重形變。經(jīng)分析找到原因，舵機(jī)安裝位是薄壁結(jié)構(gòu)，舵機(jī)動作時，因受力不均而產(chǎn)生形變。解決方法是把薄壁結(jié)構(gòu)換成了盒式結(jié)構(gòu)，這樣不僅增加了舵機(jī)工作的穩(wěn)定性，保證了受力更均勻、側(cè)壁不變形，而且有效防止了舵機(jī)淋雨。方案確定后，大家邊做邊進(jìn)行優(yōu)化，盡量保證裝置沒有虛位、設(shè)備總重量減少。

測試用定位盤被分成了12個區(qū)域

攝像頭畸變調(diào)試輔助圖

機(jī)械抓取裝置實(shí)物，兩個攝像頭安裝在離地面最高的地方。

由手動控制抓取，變?yōu)樽詣幼ト?，最大的功夫是下在電腦程序的編寫上。最初的方案是雙目融合，即將兩個不同攝像頭里的圖像融合成一個大視野里的整體圖像。具體實(shí)現(xiàn)方法是將兩個攝像頭的圖像經(jīng)透視變換，合并到一個平面上，以得到完全相同的重合區(qū)域。但測試時發(fā)現(xiàn)，攝像頭之間的距離受抓取裝置布局的影響很大，如果距離過大，還會因圖像在不同高度平面上而得不到理想的融合效果。盡管負(fù)責(zé)電腦編程的成員接連幾天通宵修改代碼，卻無法解決問題，無奈放棄了這個方案。

之后我們嘗試了雙目不融合的方案，即將兩個不同攝像頭里的圖像分別進(jìn)行畸變矯正，讓處理后的圖像大致能線性顯示實(shí)際物體的距離。實(shí)現(xiàn)定位功能的方法如下。

360°定位舵機(jī)與皮帶傳動裝置靠齒輪咬合實(shí)現(xiàn)控制

組員將運(yùn)行自動抓取程序的電腦搬進(jìn)賽場

因?yàn)樘幚砗蟮膱D像能線性顯示實(shí)際物體的距離，所以假設(shè)擬合由線白勺函數(shù)為：

y=Kx+b

根據(jù)兩個圖像的結(jié)果，可算得具體的擬合函數(shù)。接下來根據(jù)相機(jī)標(biāo)定的質(zhì)量和擬合函數(shù)，推算出控制定位舵機(jī)的PWM信號。由于抓取裝置、相機(jī)標(biāo)定、校準(zhǔn)靶板都存在一定的誤差，因此特詹才巴校準(zhǔn)靶板分成了12個區(qū)域，最后擬合出由12段直線組成的分段函數(shù)，以此提高精度。這個方案利用了相機(jī)內(nèi)參和畸變系數(shù)，通過對圖像（在程序中以矩陣的形式存在）進(jìn)行矯正，得到與實(shí)際物體成比例的圖像。結(jié)合利用擬合分段函數(shù)的圖像處理方式，形成了系統(tǒng)方案，調(diào)整數(shù)據(jù)也更方便快捷。

從程序流程圖可以一窺機(jī)械抓取裝置的動作順序。啟動程序后，下位機(jī)會向上位機(jī)發(fā)送一個握手包，之后定時發(fā)送心跳包。當(dāng)上位機(jī)的通訊部分正常接收到下位機(jī)的握手包和心跳包時，就會把點(diǎn)擊鼠標(biāo)的動作指令轉(zhuǎn)換為控制定位舵機(jī)的PWM信號，并與控制抓取裝置不同動作的指令一起列為數(shù)據(jù)位。這兩個指令會采用美國標(biāo)準(zhǔn)信息交換碼中的特殊控制字符作為幀頭和幀尾，并以類似CRC檢驗(yàn)的計(jì)算方法，算出校驗(yàn)位，再打包成一幀數(shù)據(jù)，最后發(fā)送給下位機(jī)。下位機(jī)得到數(shù)據(jù)后，會解析數(shù)據(jù)并發(fā)送到定位舵機(jī)和抓取裝置，執(zhí)行抓取魔方或斯諾克球的命令。

自制的舵機(jī)調(diào)整設(shè)備

進(jìn)入測試階段的機(jī)械抓取裝置

為了提高抓取精度，程序中以等分圓心角的方式，把抓取范圍分成了12個區(qū)域。這種劃分方法，適合用極坐標(biāo)定點(diǎn)，與骨軌裝置一致。但難點(diǎn)在于，雙目不融合的視覺系統(tǒng)，建立在垂直坐標(biāo)系下（兩個坐標(biāo)軸垂直），擬合的分段線性函數(shù)，也建立垂直坐標(biāo)系下。所以在得到物資的二維坐標(biāo)點(diǎn)后，程序還需將其轉(zhuǎn)換成極坐標(biāo)。如果探測到物資是魔方，發(fā)出的指令還包括利用“X”形伸縮臂拉高四爪定位卡盤，方便機(jī)械手抓取魔方。這一步不再是二維定位，而是三維定位。

自動抓取系統(tǒng)程序流程圖

為此我們設(shè)計(jì)的抓取程序是，舵機(jī)在完成一次拾取后自動歸中，調(diào)整好角度后再進(jìn)行下一次抓取。為了保證精準(zhǔn)歸中和順利變換角度，還在機(jī)械抓取裝置上加裝了一個調(diào)整舵機(jī)的設(shè)備，以便快速將計(jì)算得到的抓取位置轉(zhuǎn)化為控制定位舵機(jī)的PWM信號，再用標(biāo)板輔助攝像頭調(diào)節(jié)畸變，增加物資定位的準(zhǔn)確度。通過程序調(diào)試，最終實(shí)現(xiàn)了每3秒完成一次抓取動作，抓取成功率達(dá)到了驚人的98%。

運(yùn)動機(jī)構(gòu)基本定型后，我們根據(jù)測試所得數(shù)據(jù)，列出了機(jī)械抓取裝置需要達(dá)到的基本性能參數(shù)。其中機(jī)械手應(yīng)達(dá)到：關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)速<30r/min;工作負(fù)載>2kg ;重復(fù)定位精度<0.5mm;三自由度。攝像頭的鏡頭，首先保證鏡頭的成像面大小與攝像機(jī)匹配;其次是鏡頭的焦距，根據(jù)實(shí)際工作距離確定;最后通過公式組，換算得到其他數(shù)據(jù)。

Mi=Hi/Ho=Di/Do

F=Do×Mi×（1+Mi）

LE=Di-F=Mi×F

公式中Mi表示放大倍數(shù)，Hi和Ho分別表示像高和物高，Di和Do分別表示像距和物距，LE表示鏡頭范圍，F(xiàn)則是鏡頭焦距。

之后針對運(yùn)動機(jī)構(gòu)和機(jī)械手應(yīng)具備的功能，我們再次進(jìn)行了程序系統(tǒng)優(yōu)化。為得到最穩(wěn)定的受力結(jié)構(gòu)，在仿真系統(tǒng)中建立了各式各樣的分揀、抓取模型。做靜應(yīng)力分析時，在仿真模型中模擬了不同材質(zhì)立方體和球體的拾取過程，并進(jìn)行了運(yùn)動機(jī)構(gòu)和機(jī)械手的強(qiáng)度測算。

機(jī)械抓取裝置，由上而下的零件有滾動軸承、滑軌、伸縮臂和機(jī)械手。

直線軸承、伸縮臂和機(jī)械手細(xì)節(jié)圖。

機(jī)械手零部件爆炸圖。

經(jīng)過多次優(yōu)化的機(jī)械抓取裝置，由上而下的零件有軸承、滑軌、伸縮臂、機(jī)械手。其中的軸承、滑軌和伸縮臂，屬于運(yùn)動機(jī)構(gòu)，機(jī)械手為機(jī)械抓取裝置。最上面的軸承是滾珠軸承，可在同一平面內(nèi)順滑地旋轉(zhuǎn)360°?；売糜谘由鞕C(jī)械手的橫向距離，與滾珠軸承一起以極坐標(biāo)的方式標(biāo)記二維空間內(nèi)的定位點(diǎn)。伸縮臂是“X”形狀，能夠快速舒張或收緊，用于控制機(jī)械手在三維空間中垂直方向上的運(yùn)動（Z軸）。機(jī)械手采用三自由度、四爪結(jié)構(gòu)，其中四爪定心卡盤控制著四爪圍繞各自定軸做收縮運(yùn)動，配合大扭力舵機(jī)，抓取魔方或斯諾克球。外套卡盤，能防止物資在飛行器運(yùn)動過程中掉落。抓取裝置的機(jī)器視覺系統(tǒng)是2個光學(xué)非接觸傳感器（攝像頭）。在電腦程序的幫助下，該系統(tǒng)先自動獲取、處理一個真實(shí)物體的圖像，然后經(jīng)過數(shù)字化等一系列處理，提取出必要的特征信息加以整合，最后通過邏輯運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位。