冠軍是這樣煉成的

河北科大搜救組

在學校領導和相關教師的關心和支持下，河北科技大學已經連續10年參加了中國國際飛行器設計挑戰賽暨科研類全國航空航天模型錦標賽（以下簡稱CADC）。10年間，河北科技大學航模隊一共獲得了7次CADC模擬搜救項目冠軍，尤其在2012-2016年，連續5年奪得了該項目的團體冠軍。在2018年CADC的模擬搜救項目中，航模隊再接再厲，包攬了單項冠亞軍和團體冠軍！作為河北科技大學航模隊CADC模擬搜救項目組的一員，我心里明白，這份榮譽來之不易。

2018年CADC的模擬搜救項目，規則變動幅度創歷年之最。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，變為既有斯諾克球又有三階魔方。之前我隊設計的機械抓取裝置，只適用于球體，魔方卻是一個立方體，這意味著必須重新設計一款既能抓球體又能抓立方體的機械手。

比賽規則一公布，我隊立刻開會商討競賽方案，重點是機械抓取裝置的設計。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，作用是防止已經進入的物資掉落。這個裝置的優點是，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，不會出現載荷物掉落的問題。然而測試時發現，一旦外場有揚塵，該裝置的使用次數就變得有限，成功率僅有45%。于是只能放棄這個方案。

之后考慮使用機械手完成物資的抓取。根據規則提供的物資規格，得出了機械手抓取物資的要求：標準斯諾克球的直徑約52.5mm，重量約146 g：標準三階魔方的邊長約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輸過程中掉落，我們還特意在機械手內側增加了曲面結構，增大摩擦力。

2018年CADC模擬搜救項目物資桶內增加了三階魔方，比賽難度顯著提高。

改進后得到的機械手三維模型，其中紅色和褐色部分為四爪定心卡盤，綠色和藍色部分為夾爪。

機械手下降到指定點后，卡盤轉動30°、夾爪打開的結構簡化圖。

抓取物資后的機械手結構簡化圖

很快，機械手的試用品做了出來。但在訓練時，出現了許多極端情況。例如當1個斯諾克球夾在兩個魔方之間時，機械手無法順利拾取球。為此，我們將拾取程序設定為：機械手先下降到距拾取區56mm（魔方邊長）的高度，然后卡盤轉動300、夾爪打開，再拾取斯諾克球。為配合此設定，要求機械手在收緊狀態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，狀態如右側中欄圖所示。

用夾爪抓取物資后的模型直升機

在機械手執行拾取斯諾克球任務時，夾爪處于張開狀態，卡盤距地面高度a=53mm。為保證機械手抓取成功，夾爪的長度d>26.5mm。將已知條件整理后構建數學模型，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。通過做出實物后的反復驗證，發現夾爪長度為45.9mm時，拾取誤差不超過±3mm，符合使用要求。

然后根據正弦定理和正弦值表，推得當夾爪聚合時，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定性，夾爪末端被設計成有突起結構的平面，增加摩擦力。此外，我們還在四爪定心卡盤外側又套了一層卡爪，使得拾取魔方的成功率增至95%。

機械手的設計基本定型，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，均靠電機驅動舵機來實現。為了在夾緊物資時，夾爪的定位點、夾持力皆可控將控制夾爪的舵機轉軸與卡盤中心軸重合連接，并以朝下（舵機轉軸可向下運動）的姿態固定在伸縮架上，結構簡單、組裝方便。執行模擬搜救任務時，操縱者只需利用程序控制舵機，舵機便會驅動卡盤旋轉，并帶動4個夾爪沿中心軸伸縮，達到抓取物資的目的。

比賽時使用的機械手成品，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

最初設想的運動機構，上層滑軌控制二維平面內的定點，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模擬搜救項目規則的另一個變動是執行任務程序，由之前的手動控制機械臂轉為自動抓取。因此，要求機械抓取裝置的定位必須自動、準確。而且實現勸能時，不僅要對其視覺反饋進行處理，還要對與之相連的伸縮、旋轉機構（統稱運動機構）進行優化。于是我們決定，在往屆成品的基礎上，重新設計一套能夠伸縮、旋轉的運動機構。

根據四爪定心卡盤和卡爪尺寸，運動機構的總尺寸被限定在72cm×32cm×27cm的空間內。因為四爪定心卡盤的舵機轉軸固定在伸縮機構上，且需滿足舵機每轉360°、伸縮機構也整體旋轉360°的要求，所以舵機與伸縮機構之間連接軸承的齒輪比被設定為1：1。結合加工齒輪的三軸雕刻機的精度，齒輪模數定為1.6。

可知舵機上齒輪的齒數越多，每個齒對應的轉動角度范圍就越小。而運動機構的寬度是27cm，如果齒數極限值為50，軸承的外徑就是8cm。一般軸承材質為高碳鋼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。

因為運動機構的橫向最大距離是72cm，所以為了盡可能增大抓取范圍，滑軌長度被確定為63cm?；売?根碳桿、2個全包的直線軸承組成，以極坐標的形式，控制機械手在二維平面內定位?；墐啥朔謩e放置一個同步車企，且每一端裝一個舵機。其中一個控制轉動角度，另一個控制水平移動距離。

2018年CADC模擬搜救項目改為自動抓取物資后，場上只有一名負責飛行平臺的操縱手。

工作時，機械手靠與之連接的直線軸承在碳桿上做往復運動，不僅運動順滑、穩定、無間隙，而且定位精確、動力優越，能讓抓取裝置迅速到達指定位置。其定位舵機通過齒輪與皮帶傳動裝置連接，每轉動360°，皮帶傳動裝置移動32cm（滑軌的半徑）。因為選用的同步輪半徑為1.68cm，可求得周長為10.6cm，即同步輪每轉一圈，皮帶的行程為10.6cm。所以皮帶傳動裝置的實際操控距離，與皮帶行程的比例大概為3：1，即同步輪每轉動，圈，與其同步轉動的齒輪轉動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比為，：3。再次取模數為1.6，算得傳動齒輪的幽數為13。根據比例關系，并考慮筐輪制作精度產生的誤差，確定同步輪的i當數為45。

運動機構做出來后，再次進行了試驗。在每天使用7小時、連續使用5天的情況下，我們發現滑軌一端同步輪上的舵機安裝位發生了嚴重形變。經分析找到原因，舵機安裝位是薄壁結構，舵機動作時，因受力不均而產生形變。解決方法是把薄壁結構換成了盒式結構，這樣不僅增加了舵機工作的穩定性，保證了受力更均勻、側壁不變形，而且有效防止了舵機淋雨。方案確定后，大家邊做邊進行優化，盡量保證裝置沒有虛位、設備總重量減少。

測試用定位盤被分成了12個區域

攝像頭畸變調試輔助圖

機械抓取裝置實物，兩個攝像頭安裝在離地面最高的地方。

由手動控制抓取，變為自動抓取，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。具體實現方法是將兩個攝像頭的圖像經透視變換，合并到一個平面上，以得到完全相同的重合區域。但測試時發現，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。盡管負責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行畸變矯正，讓處理后的圖像大致能線性顯示實際物體的距離。實現定位功能的方法如下。

360°定位舵機與皮帶傳動裝置靠齒輪咬合實現控制

組員將運行自動抓取程序的電腦搬進賽場

因為處理后的圖像能線性顯示實際物體的距離，所以假設擬合由線白勺函數為：

y=Kx+b

根據兩個圖像的結果，可算得具體的擬合函數。接下來根據相機標定的質量和擬合函數，推算出控制定位舵機的PWM信號。由于抓取裝置、相機標定、校準靶板都存在一定的誤差，因此特詹才巴校準靶板分成了12個區域，最后擬合出由12段直線組成的分段函數，以此提高精度。這個方案利用了相機內參和畸變系數，通過對圖像（在程序中以矩陣的形式存在）進行矯正，得到與實際物體成比例的圖像。結合利用擬合分段函數的圖像處理方式，形成了系統方案，調整數據也更方便快捷。

從程序流程圖可以一窺機械抓取裝置的動作順序。啟動程序后，下位機會向上位機發送一個握手包，之后定時發送心跳包。當上位機的通訊部分正常接收到下位機的握手包和心跳包時，就會把點擊鼠標的動作指令轉換為控制定位舵機的PWM信號，并與控制抓取裝置不同動作的指令一起列為數據位。這兩個指令會采用美國標準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檢驗的計算方法，算出校驗位，再打包成一幀數據，最后發送給下位機。下位機得到數據后，會解析數據并發送到定位舵機和抓取裝置，執行抓取魔方或斯諾克球的命令。

自制的舵機調整設備

進入測試階段的機械抓取裝置

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個區域。這種劃分方法，適合用極坐標定點，與骨軌裝置一致。但難點在于，雙目不融合的視覺系統，建立在垂直坐標系下（兩個坐標軸垂直），擬合的分段線性函數，也建立垂直坐標系下。所以在得到物資的二維坐標點后，程序還需將其轉換成極坐標。如果探測到物資是魔方，發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。

自動抓取系統程序流程圖

為此我們設計的抓取程序是，舵機在完成一次拾取后自動歸中，調整好角度后再進行下一次抓取。為了保證精準歸中和順利變換角度，還在機械抓取裝置上加裝了一個調整舵機的設備，以便快速將計算得到的抓取位置轉化為控制定位舵機的PWM信號，再用標板輔助攝像頭調節畸變，增加物資定位的準確度。通過程序調試，最終實現了每3秒完成一次抓取動作，抓取成功率達到了驚人的98%。

運動機構基本定型后，我們根據測試所得數據，列出了機械抓取裝置需要達到的基本性能參數。其中機械手應達到：關節轉速<30r/min;工作負載>2kg ;重復定位精度<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匹配;其次是鏡頭的焦距，根據實際工作距離確定;最后通過公式組，換算得到其他數據。

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，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則是鏡頭焦距。

之后針對運動機構和機械手應具備的功能，我們再次進行了程序系統優化。為得到最穩定的受力結構，在仿真系統中建立了各式各樣的分揀、抓取模型。做靜應力分析時，在仿真模型中模擬了不同材質立方體和球體的拾取過程，并進行了運動機構和機械手的強度測算。

機械抓取裝置，由上而下的零件有滾動軸承、滑軌、伸縮臂和機械手。

直線軸承、伸縮臂和機械手細節圖。

機械手零部件爆炸圖。

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