摘要：由于水下環(huán)境較為復(fù)雜，普通的機械臂常常因為防水性能較差等問題，導(dǎo)致很難完成水下特殊作業(yè)。通過水下攝像頭采集信息，并且采用防水機械臂，可以提高機器人水下作業(yè)的精度和智能化程度，所以基于視覺識別的水下抓取機械臂在水下機器人應(yīng)用上具有重要的現(xiàn)實意義。介紹了基于視覺識別的水下抓取機械臂的設(shè)計和實現(xiàn)，整體采用防水材料，視覺部分采用OpenMV機器視覺模塊，主控芯片采用STM32RCT6單片機，搭配超聲波測距模塊，配合舵機控制機械臂抓取目標物。

關(guān)鍵詞：防水機械臂；視覺識別；水下機械臂

中圖分類號：TP241；TP391.41 文獻標識碼：A

0 引言

水資源是重要的戰(zhàn)略資源，中國擁有廣闊的海洋領(lǐng)土，海洋資源豐富。海洋中有豐富的能源資源，如石油、天然氣等，深度開發(fā)海洋資源并提升海洋資源利用能力有利于我國經(jīng)濟建設(shè)和民生發(fā)展[1]。

相較于陸地環(huán)境，水下作業(yè)情況更為復(fù)雜，很多作業(yè)人類無法直接參與，然而水下機器人的出現(xiàn)為水下探測提供了新方法。水下機器人的機械臂是進行水下作業(yè)必不可少的工具，在水下作業(yè)、深海探索、水下科學(xué)實驗及油氣采集等極端工作環(huán)境中，機械臂的防水性能是決定其能否有效執(zhí)行任務(wù)的關(guān)鍵因素。防水機械臂不僅能夠承受高水壓、適應(yīng)低溫環(huán)境，還能在水下完成精細的操作和復(fù)雜的作業(yè)任務(wù)，如勘探、修復(fù)、取樣等。

因此，研發(fā)高效、可靠的防水機械臂已成為當前機械工程技術(shù)領(lǐng)域的重要研究方向，本文提出一個基于視覺識別的水下抓取機械臂的設(shè)計方案。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

基于視覺識別的水下抓取機械臂主要由STM32RCT6單片機（主控芯片）、視覺識別模塊、藍牙通信模塊、機械臂驅(qū)動模塊、抓取模塊、旋轉(zhuǎn)云臺系統(tǒng)和超聲波測距模塊組成?；谝曈X識別的水下抓取機械臂的主要功能包括水下抓取和水下識別追蹤。機械臂工作時，視覺識別系統(tǒng)在水下進行圖像采集，裝置前部的超聲波測距模塊可以在水下測量與目標物的距離，將收集的圖像信息與位置信息通過藍牙通信模塊發(fā)送至手機，操作者通過在手機上選定目標物體，將目標物體信息發(fā)送至主控芯片，主控芯片向舵機發(fā)出動作組指令，控制機械臂追蹤或抓取目標物體[2]。

1.1 機械臂驅(qū)動模塊

機械臂結(jié)構(gòu)的動力由6個舵機提供。動作依靠多個關(guān)節(jié)臂結(jié)構(gòu)聯(lián)動完成，在抓取舵機的輸出軸安裝主齒輪，主齒輪與連桿齒輪嚙合，實現(xiàn)第一抓手和第二抓手的閉合或張開。第一防水舵機坐落在滾動圓盤上，第一關(guān)節(jié)臂一端鉸接第一防水舵機的輸出軸，第一關(guān)節(jié)臂的另外一端與第二防水舵機端蓋連接。第二關(guān)節(jié)臂一端鉸接第二防水舵機的輸出軸，第二關(guān)節(jié)臂的另外一端與第三防水舵機端蓋連接。第三關(guān)節(jié)臂一端鉸接第三防水舵機的輸出軸，第三關(guān)節(jié)臂的另外一端與第四防水舵機端蓋連接。第四防水舵機的輸出軸與框架連接，該框架內(nèi)安裝有抓取舵機和防水攝像頭。6個舵機協(xié)同工作，以實現(xiàn)多自由度轉(zhuǎn)動。底側(cè)舵機控制旋轉(zhuǎn)云臺轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)水平面全方位轉(zhuǎn)動[3]。

1.2 抓取模塊

機械爪結(jié)構(gòu)由1個舵機、2個齒輪連桿、2個連桿、1個齒輪和2個抓手組成，舵機與齒輪同軸連接，齒輪與齒輪連桿二嚙合，齒輪連桿一與齒輪連桿二嚙合，由舵機旋轉(zhuǎn)帶動齒輪，齒輪和齒輪連桿配合，以便抓夾開合抓取目標物體。裝置斷電時，機械爪結(jié)構(gòu)處于閉合狀態(tài)。檢測到目標物體時，舵機帶動齒輪連桿轉(zhuǎn)動使機械爪完全張開，再由舵機帶動齒輪連桿轉(zhuǎn)動，完成對目標物的抓取。

1.3 旋轉(zhuǎn)云臺系統(tǒng)

旋轉(zhuǎn)云臺主要由齒輪、履帶、旋轉(zhuǎn)臺、軸承和舵機構(gòu)成。利用螺釘將舵機固定在滾動圓盤上，利用履帶將齒輪和滾動圓盤齒輪同軸連接，舵機的輸出軸帶動齒輪旋轉(zhuǎn)，從而帶動滾動圓盤旋轉(zhuǎn)，以實現(xiàn)機械臂在水平面上全方位轉(zhuǎn)動。

由于單個舵機的自由度有限，無法提供較為全面的視野范圍，因此存在視野盲區(qū)。為了保證裝置可以無視野盲區(qū)，在機械臂底部安裝舵機控制云臺進行旋轉(zhuǎn)。

2 智能控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 視覺識別模塊

視覺識別模塊采用OpenMV視覺模塊，以STM32RCT6為主控，集成OpenMV4 H7攝像頭芯片，利用C語言設(shè)計算法，其還提供Python編程接口，利用Python語言實現(xiàn)OpenMV的視覺功能。防水攝像模塊通過感光元件，尋找色塊和畫圖進行物體識別，通過測量距離和實際距離進行判斷，再進行串口發(fā)送。在STM32端進行串口接收和數(shù)據(jù)處理，將相關(guān)數(shù)據(jù)處理為脈沖寬度調(diào)制（pulse width modulation，PWM）信號。STM32對各個舵機輸出相應(yīng)的PWM信號值，從而控制相應(yīng)的舵機進行旋轉(zhuǎn)。

2.2 藍牙通信模塊

在本文所設(shè)計的系統(tǒng)中，核心通信組件選用了高度集成且功能豐富的HC_05藍牙串口通信模塊，這一選擇顯著增強了系統(tǒng)的靈活性與實用性。該模塊憑借其雙模工作模式：命令響應(yīng)模式與自動連接模式，為用戶提供了多樣化的操作選項，以滿足不同應(yīng)用場景的需求。具體而言，通過巧妙地控制外部引腳輸入的電平狀態(tài)，用戶可以輕松地在兩種模式間進行切換，這極大簡化了系統(tǒng)配置流程，提升了用戶體驗。

在自動連接模式下，將HC_05藍牙串口通信模塊進一步細化為3種角色：主設(shè)備、從設(shè)備和回環(huán)模式，每種角色均針對特定通信場景進行了優(yōu)化。作為主設(shè)備時，模塊能夠主動搜索并嘗試與周圍的從設(shè)備進行配對連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的主動發(fā)起與傳輸；作為從設(shè)備時，其處于等待狀態(tài)，響應(yīng)來自主設(shè)備的連接請求，適用于需要被動接收數(shù)據(jù)的場景；而回環(huán)模式則是一種特殊的調(diào)試模式，允許模塊將接收的數(shù)據(jù)直接回傳，便于開發(fā)者在不連接外部設(shè)備的情況下進行功能驗證與調(diào)試。在自動連接模式下，模塊能夠自動處理數(shù)據(jù)包的發(fā)送與接收，無須用戶干預(yù)，極大地提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎头€(wěn)定性。

另外，命令響應(yīng)模式賦予了用戶更高的控制權(quán)。通過向HC_05藍牙串口通信模塊發(fā)送一系列預(yù)定義的AT（attention）指令，用戶可以靈活地設(shè)置模塊的工作參數(shù)，如波特率、配對密碼等，或發(fā)布控制命令以改變模塊的工作狀態(tài)。這種基于指令的交互方式不僅使得模塊的配置過程更加直觀和精確，還為用戶提供了強大的自定義能力，使得系統(tǒng)能夠更好地適應(yīng)復(fù)雜多變的通信環(huán)境。

綜上，HC_05藍牙串口通信模塊的雙模設(shè)計及其靈活的工作模式切換機制，為本文所設(shè)計的系統(tǒng)提供了強大的通信支持，這不僅簡化了系統(tǒng)配置、提高了數(shù)據(jù)傳輸效率與穩(wěn)定性，還通過AT指令集為用戶提供了豐富的控制選項，增強了系統(tǒng)的可定制性和可擴展性。

2.3 超聲波測距模塊

本文采用HC-SR04超聲波模塊作為核心測距工具，這一選擇是基于超聲波技術(shù)獨特的優(yōu)勢與廣泛的應(yīng)用前景。HC-SR04超聲波模塊利用超聲波的反射原理，即當超聲波遇到障礙物時，會發(fā)生反射現(xiàn)象，通過測量超聲波發(fā)射到接收這一完整過程所需的時間，可以精確地計算攝像頭與目標物體之間的距離。

這種測距方式不僅具有高度的準確性和可靠性，而且操作簡便，無須復(fù)雜的設(shè)置與校準。HC-SR04超聲波模塊展現(xiàn)出在多種介質(zhì)中穩(wěn)定工作的能力，特別是在水下環(huán)境中，超聲波傳感器依然能夠保持優(yōu)秀的測距性能。這一特性使得該模塊在需要水下測距的應(yīng)用場景中尤為適用，如在水下機器人導(dǎo)航、海洋資源勘探、水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)測等領(lǐng)域，都展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。

因此，本文采用HC-SR04超聲波模塊作為測距模塊是基于實際需求與性能考量的選擇。它不僅能夠滿足設(shè)計中對測距精度和可靠性的要求，還能夠適應(yīng)復(fù)雜多變的工作環(huán)境，為整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供了堅實的保障。

3 系統(tǒng)主程序設(shè)計

在主程序中，首先建立手機與單片機的藍牙通信，成功后OpenMV開始工作，OpenMV上傳信息至單片機，通過手機發(fā)送指令控制對目標物的抓取。

4 裝置防水性能

本裝置防水措施分為線束防水、舵機防水和結(jié)構(gòu)防水3個部分。線束部分采用防水軟管設(shè)計，將其全包于防水軟管中實現(xiàn)線束防水，軟管緊貼于裝置側(cè)面，不會影響裝置的多角度旋轉(zhuǎn)。舵機部分采用市面上主流防水舵機，其外殼設(shè)計采用高強度的密封膠、防水材料以及防水接口，可在富含泥沙、微生物等自然環(huán)境中正常運行。機械臂整體材料采用鋁合金，其具有良好的耐腐蝕性和防水性能。攝像頭和超聲波測距模塊全包于防水外殼中，單片機密封于防水底座中，以實現(xiàn)防水功能。

5 結(jié)語

目前，許多水下作業(yè)依靠人工完成，但傳統(tǒng)作業(yè)方法耗時長、成本高、效率低、安全性差。具有OpenMV、STM32RCT6主控芯片且搭配超聲波測距模塊的多自由度防水機械臂可以實現(xiàn)對目標物體的識別、追蹤、抓取，可搭配其他水下機器人實現(xiàn)水下多功能復(fù)雜作業(yè)，極大地提升作業(yè)的廣度和深度，具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻

[1] 彭湃.基于視覺動態(tài)跟蹤的水下機械臂抓取技術(shù)研究[D].沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué)，2023.

[2] 甘國慶.水下抓取機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析[D].大連：大連交通大學(xué)，2022.

[3] 張云海.基于ROS的協(xié)作機器人抓取技術(shù)研究[D].煙臺：煙臺大學(xué)，2022.