CN103592447A - 检测或检查实验室工作站的工作区域上的实验室用品的排列的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了检测或检查实验室工作站的工作区域上的实验室用品的排列的方法和装置。在检测方法中，通过数字相机(5)记录和存储参考数字图像(6)来检测实验室工作站(3)的工作区域(2)的实验室用品(1)的原始排列。当显示参考数字图像(6)时，带有特征性标记(10)的实验室工作站(3)的工作区域(2)的可视区域被使用者使用输入设备(11)进行选定和标记。接着，产生并存储工作区域(2)的所述区域的参考图像部分(12)和相应参考图像参数文件(13)。在检查方法中，将该工作区域(2)的实验室用品(1)的当前排列与先前记录的实验室用品(1)的原始排列进行比较。该检查方法包括采用数字相机(5)记录当前数字图像(6’)来检测当前排列，并且从当前数字图像(6’)产生用参考图像参数文件(13)的X/Y参数定义的当前图像部分(14)。检查方法优选另外包括基于计算机的将处理过的当前图像部分14’和处理过的参考图像部分12’进行比较，对该比较的分析，以及实验室工作站(3)的工作区域(2)的实验室用品(1)的当前排列与原始排列的一致性、偏差和错误的显示。

Description

检测或检查实验室工作站的工作区域上的实验室用品的排列的方法和装置
相关专利申请
本专利申请以2012年7月31日提出的瑞士申请No.01233/12为优先权，其全部内容通过引用全部并入本申请。
相关技术领域
本发明涉及检测或检查实验室工作站的工作区域的实验室用品的排列的方法和相应装置。该实验室工作站为已知的，其包括例如工作面或至少一个放置实验室用品的工作区域，实验室用品例如以微盘或样品管形式的容器、支承或称为“托架”以接纳这些容器或例如吸液管头或吸液管头匣。这些实验室工作站优选包括机动机械装置或机械臂，其可以装配夹子用于夹取实验室用品和/或通过吸液管来容纳和输送液体样品。特别优选地，实验室工作站还另外包括处理器或计算机用来控制机动机械装置或机械臂的动作和另外优选的实验室工作站的其他参数。实验室工作站的工作面或工作区域优选为基本水平地排列。优选地，配置为吸液装置的机械装置或机械臂包括至少一个吸液管用于接收(抽吸)和传送(配液)液体样品。通常实验室工作站的控制器连接到机械装置或机械臂，并装备了以以下方式运行的相关软件，处理器使得机械装置或机械臂将诸如吸液管或夹子之类的工作工具放置在至少一个工作区域的确定位置上并在此执行选定的操作。这样的实验室工作站本身是已知的，并且由当前申请人生产和经销，其商品名为Free-dom
这些实验室工作站或系统的一个共同特点是样品在标准化微盘中频繁地被处理。这些微盘已经由美国国家标准化学会(ANSI)和生物分子科学协会(SBS)说明和标准化。这些微盘可以是任何可能的形式，但是典型地包括96-样品容器或井，这些96-样品容器或井排列成具有9mm的轴向间隔的规则的8×12格子。也可以使用具有该井或密度数目的倍数(例如384或1536)或仅一部分(例如48或24)的微盘。
例如，一个或多个根据直角坐标系统或极坐标系统移动的机械装置可以用于在实验室工作站的矩形或圆形工作区域工作。这些机械装置可以支承盘或其他样品容器并且还传送液体。中心控制系统或计算机监测和控制这些已知的实验室系统，其独特的益处在于工作过程的完全自动化。因此，这样的实验室系统可以不需要人力干预的运行数小时或数天。
相关现有技术
这样的自动化实验室系统，其往往也被定义为“机械化样品处理器”(RSP)，它们的机械装置或机械臂的移动典型地基于所谓航位推算法。根据这传统过程，真实情况(工作区域上的实验室用品的放置和定位)的图像通过系统软件产生。这种情况下，针对特定目标或实验室用品的机械臂的移动基于软件模型中包含的距离进行计算。计算得到的由机械臂执行的动作不考虑与真实情况的矛盾时(即例如实验室用品的误放或甚至工具的遗忘)，其结果会产生一些问题。非常明显的误放，例如，取代了标准微盘的深井盘的放置，微盘的不正确的排列甚至微盘支承或托架的不正确的放置会引起不可避免的过程误差和装在机械臂上的设备(例如吸液管)的高代价的碰撞。甚至更糟的是，从可能的错误定位的微盘收到的诊断结果会引起相关诊断的错误分配。因此在自动化实验技术中最多样化的分支中，不管是在药物研究，临床诊断或甚至这些产品的生产中都需要检测实验室仪器中物体的排列的方法。另外，该需求涉及检查实验室工作站的工作区域的实验室用品的排列的方法。
已知在专利EP1733239B1中涉及一种识别和定位位于实验室工作台面上的实验室用品的实验室系统和对应方法，其基于无线电射频识别标签的使用，称为RFID标签。由于采用虚拟的格子对实验室工作台进行划分，在格子交叉点上布置了通过实验室工作台发送能量的发送和接收元件，带有射频标签的实验室用品可以通过可辨识的天线激发，并且通过连接至中心发射器的计算机进行可靠的识别和定位。
从文件US2006/0088928A1，已知一种针对组织样品的自动染色方法和装置。该装置包括：控制元件，其操纵染色过程和2-D光学传感器，其检测与组织样品相关特性有关的二维图像数据并将得到的图像数据传给控制元件。通过染色装置的多个部分的当前图像可以得到后来的情况，其中光学传感器用来自动识别和检查在染色装置中的组织样品、组织样品托架、和试剂容器的当前位置。结果，2-D传感器可以用于染色装置的自校准(例如在执行维护或再供给工作之后)，其中自动装置将当前的图像与存储的图像进行比较并由此确定是否所有主要部件被安装于正确位置、缺席或仅轻微错位放置。
本发明的目的和概要
本发明的目的是提供检测或检查一种实验室工作站的工作区域上的实验室用品的排列的可变换方法和相应装置。该目的通过此处公开的一种检测方法的第一方面实现，并且通过这里公开的一种检查方法的第二方面实现。该目的通过执行此处公开的该方法的实验室工作站的第三方面实现。根据本发明的进一步优选特征由所附各权利要求得到。
本发明相对于现有技术的益处在于：
如已知的当自动估算当前定位状态时，计算机将实际图像和目标图像进行比较(参考US2006/0088928A1)，其需要具有相当复杂算法的精密的软件为了仅得到一个合理的评价。然而根据本发明，困难的部分例如，通过使用者来执行特别断定的定位特性的识别和选择(所谓图像评估)。计算机(是外部的或实验室工作站中的)随后开始进行比较根据本发明的已由用户选择的图像信息的较简单工作，于是确保得到高可信度评估。
当进行根据US2006/0088928A1的对当前情况的自动评估时，在装置的自校准的开始过程中唯一地识别关键部分；然而，这里没有公开识别的特性。相反根据本发明，提供了一种使用者互动界面的详细用法和一种可以用于过程顺序的不同情况和随意环境中的动态方法。不过，当应用本发明的方法时，至少两个新定义的任意工作区域范围的图像在每种情况下被使用者选定，并且将表示实际图像和目标图像的至少两幅图像彼此比较。结果除了设备的校准之外，实验室工作站的操作过程中选定的实验室用品的排列可以被控制和被检查。
附图介绍
用于检测和检查实验室工作站的工作区域的实验室用品的根据本发明的方法和根据本发明的实验室工作站通过参考示意图详细描述，其中检测和检查方法的示例性实施例和实验室工作站的示例性实施例和它的使用的说明不对本发明的范围进行限定。在附图中：
图1显示了用于执行根据本发明的方法的实验室工作站，其包括至少一个工作区域和一个机械臂作为支承设备，一个或两个数字相机固定在其上；
图2显示了根据本发明的检测方法的第一学习步骤，其中数字相机用于检测实验室工作站中工作区域的规定的实验室用品的原始排列；
图3显示了根据本发明的检测方法的第二学习步骤，其中四个可供使用的吸液管头被放置在角位置，其在来自图2中的图像上通过十字记号标注；
图4显示了选自图2的参考图像部分的数字处理，其中：
图4A显示了选自图2的参考图像部分，
图4B显示了根据x的一阶导数的选定的参考图像部分的灰度图像，
图4C显示了根据y的一阶导数的选定的参考图像部分的灰度图像，
图4D显示了从图4B和4C的两幅图像的缩放参考加合图像；
图5显示了检测实验室工作站的工作区域的实验室用品的原始排列的结果示意图；
图6显示了从当前数字图像中产生当前图像部分的示意图，其中这些当前图像部分被参考图像参数文件中的X/Y参数定义；
图7显示了从当前数字图像中替代地产生当前图像部分的示意图，其中这些当前图像部分被参考图像参数文件的X/Y参数定义，其中除了被参考图像参数文件的X/Y参数定义的从当前数字图像中得到的当前图像部分，另外添加了围绕这些当前图像部分的缓冲区；
图8显示了采用指示的协议和错误来检查实验室工作站中工作区域的实验室用品排列的结果；
图9显示了检测方法的优选实施例的流程图；
图10显示了检查方法的优选实施例的流程图。
本发明的详细说明
为了实施根据本发明的用于检测实验室工作站3的工作区域2的实验室用品1排列的方法，提供了至少一个支承设备4，其放置在实验室工作站3的工作区域2之上。图1显示了实验室工作站3，其用于实施根据本发明的方法，其包括至少一个工作区域2和包括用作支承设备4(这里在X方向移动，见双箭头)的机械臂，在该机械臂上固定了一个或两个数字相机5，5’。实际上，这里显示的两个工作区域2，2’其中第一工作区域2可以认为是工作台或工作台的下部区域。第二工作区域2’相对于工作区域2来说较低并且优选基本平行于第一工作区域2且水平延伸。与图1的示意图不同，第二工作区域2’可以设置在第一工作区域2之上(未显示)。
如所示的，实验室用品1或，例如处理或分析微盘中的样品的设备(例如，离心机，孵化器，洗涤器，阅读器等)也可以被放置在第二工作区域。在更简单的实施例中，一个或两个数字相机5，5’可以被放置在固定位置，不可移动(未显示)。作为另一替代方案，可以规定实验室工作站3的工作区域2上的实验室用品1的原始排列通过两个数字相机5，5’来检测，其中这些数字相机5被固定到两个不同的支承设备4，4’上，其放置成彼此有间隔(未显示)。本发明的范围包括最多样的支承设备4，4’为可动的或可替换的，例如机械臂、滑架或滑车，但是其也可以设计为固定的，例如固定角、螺丝钉或类似物。
在实验室工作站3和它的至少一个工作区域2被装配上实验室用品和构建之后(且最好被使用或测试)，可以应用根据本发明的方法。
根据本发明的检测方法包括通过至少一个参考数字图像6检测实验室工作站3中工作区域2的实验室用品1的原始排列，其中参考数字图像6是通过按照规定的位置和校准固定至支承设备4的数字相机5记录的。
优选地，为了检测实验室工作3中工作区域2的实验室用品1的原始排列，其上固定有一个或两个数字相机5，5’的至少一个支承设备4被移动到至少两个接收位置，在这些接收位置的每一个上，通过这些数字相机5，5’记录参考数字图像6.
根据优选实施例，数字相机5，5’向接收位置的移动和在接收位置处数字图像6的记录根据实验室工作站3的软件的优选实施例来控制。根据优选的第一可替代实施例，检测方法由计算机程序控制，其可以在独立计算机8’上被激活以实施检测实验室工作站3中工作区域2的实验室用品1的排列的方法。根据优选的第二可替代实施例，检测方法通过实验室工作站3的软件控制，其中实验室工作站3优选地还包括第一和第二存储器7，7’、处理器8、屏幕9和输入设备11。代替屏幕9，可使用其他适合显示图像的装置即图像显示设备9(如，可以使用投影机)可操作地连接到处理器8。
通常，如果电脉冲、能量、电磁波、信息或数据可以在这装置与另一装置之间根据它们的确定经由电缆连接或经由无线连接(例如，通过WiFi或蓝牙)交换，则装置被认为“可操作地连接”到其他装置。
图像根据选定的测试结构通过实验室工作站3的特定软件被记录，所述软件被设计为开始激活相机控制程序。在每个位置变化之后，数字相机5，5’通过步进式方式触发。
几乎所有的相机5，5’都包括一个具有至少320×240像素分辨率的图像传感器，该方法中使用的数字相机至少640×480像素更加合适。能自动调节聚焦、白平衡、曝光和反差的数字相机是更优的。在一个实验设置中使用了一或两个来自罗技(罗技瑞士AG，CH-8048苏黎世)的C310USB网络摄像机，具有以下尺寸：长度＝80mm，宽度＝20mm，高度＝12mm。此相机的图像传感器具有640×480的分辨率并记录彩色图像；这些相机的白平衡、曝光、反差都是自动调节的。与这里的实施例不同，代替一个或两个数字相机或网络摄像机，还可以使用一个或两个模拟相机或摄像机。在这几个优选实施例中最初存储的模拟参考图像必须首先另外以任意形式数字化以得到合适的结果。
安装在前面的相机5(或它的光学轴19)倾斜成与垂直方向(Z方向)成45°角并且工作区域2的前方区域与微盘托架1的第二微盘的位置一样远设计为夹持三个微盘。成像的微盘托架的第一位置(在具有较低X值的位置)被具有很低总高度的微盘占据，第三位置被具有高的总高度的微盘占据；此处微盘托架上的第二位置未被占据。成像的吸液管头支架的第二位置(在具有较高X值的位置)装配了大容量一次性吸液管；此处吸液管头支架的第一位置未被占据。
后面的相机5’(或它的光学轴19’)相对于垂直方向倾斜60°，并且同样工作区域2的后方区域与微盘托架1的第二微盘位置一样远。后面的相机5’在X方向上位置相对于前面的相机5偏置了大约2.5cm。两个数字相机5，5’以肖像模式记录图像，图像纵向边与实验室工作站3的直角坐标系统的Y方向平行。传输至处理器8，8’的图像通过两个商业通用USB线(因分辨率原因在图1中未显示)完成。两个网络摄像机5，5’的能源消耗很低，使得它们可以在同样的时间内以录像模式在同样的无源USB插口上操作。
根据本发明的检测方法进一步包括将至少一个参考数字图像6存储在处理器8，8’的第一存储器7中，该第一存储器7可操作地连接数字相机5，并将至少一个参考数字图像6显示在可操作地连接处理器8，8’的屏幕或图像显示设备9上。优选地处理器8，8’的随机存取存储器(RAM)用作第一存储器7。可替换地，至少一个参考数字图像6还可以存储在别处，例如在内部或外部硬驱动器(硬盘驱动器＝HDD)上。实验室工作站3(RSP)的中心计算机8或独立处理器8’可以用作处理器。
根据本发明的检测方法进一步包括参考图像部分12的标记和产生，在至少一个参考数字图像6上有特征性可见特征10，该特征10从由工作区域10’的特征、实验室用品10”和附加记号10”’的特征组成的组中选出。为此目的，至少一个参考数字图像6(但是优选与至少一个条形图结合的多个参考数字图像6)在屏幕或图像显示设备9上呈现给使用者，优选需要标记在相对小、特色的地方，其如参考图像部分12对于计划测试的顺序是重要的。
使用者现在在实验室工作站3的工作区域2上选择区域，其中特征性特征10在至少一个参考数字图像6上是可见的。这些特征10从由工作区域10’的特征、实验室用品10”的特征，和附加施加记号10”’的特征构成的组中挑选。选择是在屏幕上或在图像显示设备9的帮助下通过目视方式进行的。至少一个输入设备11可操作地连接到处理器8，8’，用于标记这些参考图像部分12。工作区域的特征典型的位置具有高对比度，例如边缘确定平面、平面的孔洞、垂直毛边、螺丝钉头、铭刻和类似物。实验室用品的特征10”是典型的边缘确定平面、平面中的凹凸、垂直毛边、铭刻和类似物。附加记号10”’是典型的线、表面、区域、标志、铭刻和类似物，例如印刷在自粘标签上。所有计算机外部设备例如键盘、鼠标、触摸屏、图形用户界面(GUI)、智能电话和类似物被指定为输入设备11，其被配置成将信息输入计算机或其可被用作此用途。这些输入设备11可以如所示通过线缆或无线手段(例如通过蓝牙或WiFi连接；未显示)被连接到处理器8，8’。
根据实际测试的示例性检测方法，使用者画出长方形标示在屏幕上，并且优选地通过计算机鼠标11使他们的尺寸符合在这些特征10’，10”，10”’周围，并且他用鼠标左键或按下事先指定的按键，例如计算机键盘上的输入键来确认该选择。实现该检测方法的计算机程序给使用者通过长方形颜色变化的执行标记操作的确认条(参考图2)。如果使用者标记了所有想要的标记10’，10”，10”’，则他通过鼠标右键或按下计算机键盘的ESC按键来离开当前激活的检测对话。根据本发明，这可以通过执行计算机程序中的错误设置区域的取消操作来提供。
图2显示了根据本发明的检测方法的第一学习步骤，其中前面的数字相机5用于检测实验室工作站3的工作区域3上按规定构建的实验室用品1的原始排列。显示了从六个参考数字图像6组成的条形图。
为了确定实验室工作站3的机械臂4已经被正确安装，可以规定工作区域2的静止不变的元件必须被标记为第一标记区域或参考图像部分12，例如固定安装的清洗站的角(参考图2的远左方，第一参考数字图像6中的特征10”)、特别的格子标志(参考图2的基本中心处，在第三参考数字图像6中的特征10’)或黑色小突起中的一个，其定义工作区域2上的插入槽(参考图2的第二参考数字图像6中的特征10’)。该初始化使得机械臂4和工作区域2之间的任何偏置能够被识别。
优选地实验室工作站3的工作区域2或实验室用品1上标记的附加特征10”’通过选自由印刷、注模、过冷却、粘连、焊接组成的组中的方法制备，其中这些附加特征10”’被配置为公司标志、1D条形码、2D条形码、3D条形码、二维码、图形元素或记号。
图3显示了根据本发明的检测方法的第二学习步骤，其中被放置在角落位置的四个一次性吸液管头在图2中的图像上被标记为十字线18。所有96个吸液管显示在参考数字图像6上。
在随后的步骤中可选择地，可以根据需要制作更多复杂的标记，例如计算机程序的更高功能可以重新执行检测方法。作为一个示例，执行检测遗失的一次性吸液管头的检测(参考图3)。为了此目的，装有一次性吸液管头的支架的四个角落被标记，这样96个一次性吸液管头中4个最明显的吸液管头通过十字线18被标出。这种情况下，标记通过鼠标单击进行。这更复杂的对话通过按下计算机键盘上的ESC键结束。
根据本发明的检测方法进一步包括对于先前产生的参考图像部分12产生至少一个参考图像参数文件13。这样的参考图像参数文件13优选包括事件号、参考图像部分12(像素)的X坐标(宽度)和Y坐标(高度)或其他形式的相应参考图像部分12的X/Y参数。替代地，这样的参考图像参数文件13除了事件号之外优选包括从参考图像部分12(像素)的中心的角度和距离或其他形式的对应参考图像部分12的极坐标。
根据本发明的检测方法进一步包括将先前产生的参考图像部分12和先前产生的参考图像参数文件13存储在第二存储器7’中。优选地，在多个参考数字图像6被需要用来检测实验室工作站3中工作区域2上的实验室用品1的当前排列时，参考数字图像6被组合形成完整的参考图像15。因此先前产生的完整参考图像15和先前产生的参考图像参数文件13被存储到第二存储器7’。次优选的可替换方案包括将先前产生的完整参考图像15和先前产生的参考图像参数文件13存储在随机存取存储器(RAM)中，其因此可以可替代地指定为第一和第二存储器7，7’。
优选和可选择的地，所记录的参考数字图像6或完整参考图像15的曝光被自动检查。在任何参考数字图像6或完整参考图像15的过曝光或欠曝光(各自的阈值优选为预先确定的)的情况下，优选执行下列可替换步骤之一：
●请求使用者，或
●发出指令到控制器，或
●自动发出命令到控制器
以再一次检测实验室工作站3的工作区域2上的实验室用品1的原始排列。这种情况下，优选地在第一情况中使用者可以给出相关命令到控制器，第二情况下可以确认指令以及第三情况下提供处理已经执行的信息。
优选地，处理器8，8’的内部或外部硬件驱动上(硬盘驱动器＝HDD)的随机读取存储器用作第二存储器。可替代地，这些预先产生的参考图像部分12和参考图像参数文件13还可以存储在别处，例如在随机存取存储器(RAM)中。实验室工作站的中心计算机8(RSP)或独立处理器8’可用作处理器。在任何情况下，或多或少移动的处理器(例如PC、便携式电脑、上网本和类似物)并且固定的大型计算机(例如计算中心的中央计算机)可以指定为独立处理器8’。在独立处理器8’和实验室工作站3之间的数据传递可以是有线或无线的。
图4显示了从图2中选择参考图像部分12的数字处理过程，其中图4A显示了选自图2中的参考图像部分12作为灰度图像17。这样的灰度图像至少进行x或y方向上的求导操作(Sobel算子)并且将得到的灰度图像相加以获得密度加权的边缘信息，这些边缘信息在原始参考图像部分12的真彩信息有显著的更独立的照度(参考图2)。
图4B显示了在获得对于x的一阶求导后选定的参考图像部分12的灰度图像，由此基本垂直的连续边缘具有白色“阴影”。图4C显示了在对于y的一阶求导后选定的参考图像部分12的灰度图像，由此基本水平的连续边缘具有白色“阴影”。图4D显示了图4B和4C的两幅图像的比例参考加合图像。
优选地产生的参考图像部分12或产生的完整参考图像15在未经加工或加工之后与各自相关的参考图像参数文件13一起被存储在第二存储器7’中，其中可选的图像处理包括提取高对比度的位置信息。图像处理可以不仅对灰度图像执行，还可以对彩色图像的红、绿和蓝色通道图像执行。另外，个体图像的求导不仅在x或y方向，还可以在背离x或y方向特定角度的方向上。
图5显示了实验室工作站3中工作区域2上的实验室用品1的原始排列的检测结果的示意图。作为特征性特征10的示例，这里选择了Z形图或结构。在此单独的参考数字图像6三个参考图像部分12被标记，且各自的相应参考图像参数文件13被以表达式(x，y)表示。
本发明还包括检查实验室工作站3中工作区域2的实验室用品1的排列的方法，其中实验室用品1的当前排列被与先前检测的实验室工作站3中工作区域2的实验室用品1的原始排列进行比较。该检查方法的特点在于该方法包括产生未处理的参考图像部分12或经处理的参考图像部分12’或产生未处理的完整参考图像15或经处理的完整参考图像15’和各自的相应参考图像参数文件13，其与实验室工作站3中工作区域2上的实验室用品1的原始排列有关。
该检查方法优选包括根据至少一个当前数字图像6’检测实验室工作站3中工作区域2上的实验室用品1的当前排列，其中当前数字图像6’采用至少一个数字相机5，5’记录，该数字相机5，5’以规定的位置和排列固定至支承装置4。类似于检测方法，实验室工作站3的工作区域2再一次在同样的距离被拍摄并且至少一副当前数字图像6’被存储在可操作地连接于至少一个数字相机5，5’的处理器8，8’的第一存储器7(例如在RAM中)中。
该检查方法另外包括从第二存储器7’(例如从HDD)中将处理过的参考图像部分12’或处理过的完整参考图像15’和相关的参考图像参数文件13装载到处理器8，8’的第一存储器7中，并且从当前数字图像6’生成当前图像部分14，其中这些当前图像部分14都用参考图像参数文件13的X/Y参数或极坐标定义。
该检查方法另外包括根据处理过的参考图像部分12’处理当前图像部分14。这种情况下，图像处理可以不仅以灰度图像还可以以彩色图像的红、绿和蓝色通道进行。另外，个体图像的求导不仅在x或y方向还可以在背离x或y方向一定角度的方向上。处理过的当前图像部分14’接着被存储到处理器8，8’的存储器7(例如RAM中)中。
优选地和随意地，记录的当前数字图像6’的曝光被自动检查。在任何当前数字图像6′的过曝光或欠曝光(各自的阈值优选为预先确定的)的情况下，优选执行下列可变换步骤之一：
●请求使用者，或
●发出指令到控制器，或
●自动发出命令到控制器
以再一次检测实验室工作站3的工作区域2上的实验室用品1的原始排列。这种情况下，优选地在第一情况中使用者可以给出相应指令到控制器，第二情况下可以确认指令以及第三情况下提供关于处理已经执行的信息。
图6显示了从当前数字图像6’中产生当前图像部分14的示意图，其中这些当前图像部分14被之前存储的参考图像参数文件13中的X/Y参数定义。之前选择作为示例的特征性特征10在此以虚线再现：
-当前图像部分14检测到整个特征10底部左边位于的位置很好的吻合该特征的原始位置。该实验室用品1具有正确的特征10并且被标识为正确的，另外它定位于正确的位置。
-当前图像部分14检测到整个特征10顶部中心位于的位置，其不是很吻合该标记的原始位置。该实验室用品1具有正确的特征10并且被识别为正确的，但是其没有定位于正确的位置，指示在Y方向上偏移，引发相关警报。
-当前图像部分14未检测到整个特征10底部右边位于该特征的原始位置。该实验室用品1未被识别，因为其不具有正确的特征10，引发相关警报。
图7显示了从当前数字图像6’中可变换的产生当前图像部分14’的示意图，其中这些当前图像部分14’通过参考图像参数文件的X/Y参数定义，其中除了来自通过参考图像参数文件13的X/Y参数定义的当前数字图像6’的当前图像部分14之外，添加了围绕这些当前图像部分14的缓冲区16(参考图6)。优选地，当从通过参考图像参数文件13的X/Y参数定义的记录的当前数字图像6’中生成当前图像部分14时，添加了围绕这些当前图像部分14的缓冲区域16，该缓冲区域16具有恒定的宽度，例如10像素。该缓冲区域16的宽度与图像边缘匹配(加宽或变窄)。
该检查方法优选地包括通过在具有或不具有缓冲区域16的各个处理过的当前图像部分14’中搜索相关的处理过的参考图像部分12’，将具有或不具有缓冲区域16的当前图像部分14’(在步骤I中处理)与处理器8，8’中的处理过的参考图像部分12’作比较。
该检查方法优选地包括对各特征10’，10”，10…，通过结果值确定，关于特征10’，10”，10”’的图像内容和位置，在实验室用品1的当前排列和实验室工作站3中工作区域2上的实验室用品1的原始排列之间是否存在一致。这种情况下，这些结果值优选地包括图像内容分量、X方向上的空间分量和Y方向的空间分量。另外，优选地，这些至少三个组分中的每一个的一致关于各自的一个对应阈值来确定。
特别优选地，在根据本发明的该检查方法中，每个非常一致的情况显示为被分配给对应当前图像部分14的单个绿色区域[或第一颜色区域]，并且每个符合要求的一致情况显示为被分配给屏幕上或通过图像显示装置9的对应当前图像部分14的单个橙色区域[或第二颜色区域]。另外，特别优选地，每个错误被显示为警报，以被分配给当前图像部分12或屏幕上的警告窗口的灯闪、图标、单个红色区域[或第三颜色区域]、听得见的警报(以汽笛、锣、铃形式)、警报信息(例如通过e-mail、通过SMS，作为计算机协议)和实验室工作站3的机械锁定。
图8显示了采用一致和错误指示来检查实验室工作站中工作区域2上的实验室用品1排列的结果。显示了由四个参考数字图像6组成的条形图。
在第一参考数字图像6的区域中(从左边)，在远左方可以看到用于清洗吸液管头的清洗槽。当前图像部分14显示了在正确位置处的正确特征，这不令人惊讶，因为清洗槽钉在工作区域2上并因此已经处于正确的地方。该清洗槽或它的特征性标记10可以用作机械臂4的直接初始化参考点或检查初始化是否已经完成的参考点。
没有实验室用品放在第二参考数字图像6的区域中(从左边)。代替工作区域10’的特征性特征(例如黑色凸起，其定义工作区域2上的插入槽)在这里是可见的。
在第三参考数字图像6的区域中(从左边)，带有一次性吸液管头的支架的托架1在第一位置是可见的。当前图像部分14显示了正确的特征10”’在正确的定位，所以托架1被正确的放置。然而4个一次性吸液管头的整体(一次性头＝DiTi)被遗漏，其以“DiTi错误”显示在错误窗口。另外，这四个遗漏的吸液管头的位置被黑色边框(优选地：红色边框)圆形区域标记。在一优选过程中，在存在用于DiTi检查的参数文件中，给出的区域被边缘复制并且在四个输入角落点的基础上透视地矫正变形。得到的图像被分成8×12的亚区域。类似的过程采用通过学习程序得到的参考图像参数文件。96个亚区域中的每一个现在被检查与根据参考图像参数文件的亚区域是否一致。优选地，没有进行通过Sobel算子的预处理，因为这通常包括几乎没有边缘的很暗的图像，其中任何偏离(＝遗漏DiTi)会在彩色/明亮信息中被首先发现。如果该偏离太大了(q＜0.350；参考下文)，会给出DiTis的位置的警报信息并且该位置会被标记上红色圈[或第三颜色圈]，否者显示绿色圈[或第一颜色圈](参考图3)。为了避免错误的负面信息，优选地不考虑整个亚区域，而是2-5象素的边缘区域被忽略，因为邻近一次性吸液管头(DiTis)在这里的影响是最大的。
在四个参考数字图像6的区域内(从左边)，可以看见一个空的微盘托架1。当前图像部分14肯定显示了正确特征(这里是2D条形码)，但是它没有完全定位在正确的位置，因此托架没有正确放置。事实上其不是完全插入因此错误窗口内显示“警告”。
本发明包括实验室工作站3，实验室工作站3包括至少一个工作区域2，其特别地适用于执行对实验室工作站3中工作区域2上的实验室用品1的排列进行检测或检查的方法。该实验室工作站3包括：
n)至少一个支承装置4，设置于实验室工作站3的工作区域2之上；
o)至少一个数字相机5，5’，以限定位置和排列固定在支承装置4上；
p)处理器8，可操作地连接在至少一个数字相机5上，该数字相机5具有第一和第二存储器7，7’；
q)图像显示设备9，可操作地连接在处理器8上；
r)至少一个输入设备11，可操作地连接在处理器8上；并且
s)计算机程序，可以在处理器8中被激活以执行对实验室工作站3的工作区域2上的实验室用品1的排列进行检测或检查的方法。
在优选的实验室工作站3中，工作区域2根据直角坐标系被限定，X轴和Y轴在其中以直角延伸，实验室工作站3包括的垂直于工作区域2延伸的Z轴。该优选的实验室工作站3的特征为至少一个支承装置4，其上固定有设计为在X轴或Y轴方向直线移动的数字相机。
在替代的实验室工作站3中，工作区域2根据极坐标系统通过中心、与该中心有关的角度和距离区域(未显示)来限定。另外，该替代的实验室工作站3可以包括垂直于工作区域2延伸的Z轴。该替代的实验室工作站3的特征为固定有数字相机5，5’的至少一个支承装置4被配置为沿围绕中心的圆移动。
替代地，还可以规定支承装置4设置在实验室工作站3上，上面固定有两个数字相机5，5’，两者之间有一定距离，或两个支承装置4以彼此之间一定距离地方式设置在实验室工作站3上，其中每个支承装置4上各固定一个数字相机5。
图9显示了检测方法的优选实施例的流程图。假定实验室工作站3的工作区域2已经按需要的方式进行构建。一旦使用者请求检测实验室用品1的排列，就通过学习程序检测该构造。为此按需要通过一个或两个数字摄像机5，5’记录逐条参考数字图像6。参考数字图像6最初被存储在处理器8的RAM7上(任意地这些参考数字图像6还可以被存储在处理器8的HDD7’上)。参考数字图像6然后被合并以给出完整参考图像15(任意地该完成参考图像15的曝光被检查并且引起更新的参考数字图像6的记录)。完整参考图像15显示在屏幕9上，因此参考图像部分12可以通过特征性特征10来标记。参考图像部分12接着被存储在处理器8的RAM7中(任意地这些参考图像部分12还可以被存储在处理器8的HDD7’中)。平行于此参考图像部分12的参考图像参数文件13被存储在处理器8的HDD7’上。参考图像部分12接着被处理并存储在处理器8的HDD7’中。作为检测方法的结果，处理过的参考图像部分12’或未处理的参考图像部分12和相应的参考图像参数文件13被存储在处理器8的硬盘7’上并且可以从那里取出。
图10显示了检查方法的优选实施例的流程图。假定实验室工作站3的工作区域2已经以希望的方式预先构建并且已经通过学习程序检测过。另外，假定原始地检测过的实验室用品的构造被保留或至少基本没改变或至少实验室用品1的类似构造被建立。只要使用者请求检查实验室用品1的当前排列，该当前排列通过检查程序检测并与原始的检测过的实验室用品1的排列比较。为此，按需要通过一个或两个网络摄像机5，5’从当前工作区域2记录逐条当前数字图像6’。这些当前数字图像6’最初存储在处理器8的RAM7中。任意地，当前数字图像6’的曝光可以被检查并且更新的记录和当前数字图像6’的存储可以被发起(任意地当前数字图像6’还可以被存储在处理器8的HDD7’中)。在执行学习程序时之前存储的参考图像参数文件13从处理器8的硬盘7’上取出并被加载到处理器8的RAM7。在这些参考图像参数文件13的支持下，限定的区域或当前图像部分14被从当前数字图像6’中切割出来(任意地这些当前图像部分14可以被存储在处理器8的HDD7’中)。当前图像部分14接着被处理，并且处理过的当前图像部分14’被存储在处理器8的RAM7中(可选地这些处理过的当前图像部分14’被存储在处理器8的HDD7’中)。在执行学习程序时之前存储的经处理的参考图像部分12’从硬盘7’加载到处理器8的RAM7之后，进行处理过的当前图像部分14’与处理过的参考图像部分12’的基于计算机的比较。该比较通过检查程序分析并且通过预先限定的阈值、当前实验室用品1排列相对实验室工作站3中工作区域2的实验室用品1的原始排列的一致性、偏差和错误被显示。作为检查方法的结果，使用者会被告知是否实验室用品1的排列可以或不可以用于计划的实验，该实验已经在原始排列下成功执行。当检测实验室用品1以原始排列放置在工作区域2上时，如果仅有轻微的偏离能被确定或如果不存在未知物体(如工具、票据卡、手套等)，相关警报被传达给使用者。
为了将处理过的当前图像部分14’与处理过的参考图像部分12’进行比较，处理过的图像区域与带有参数CV_TM_CCOEFF_NORMED的函数cv匹配模板相匹配。通过获得的最佳匹配位置和得到的质量值0≤q≤1(1＝完美一致性)，确定是否成功或不成功匹配。如果与期望位置相比X值的不同小于3象素和Y值不同小于2象素且q≥0.650时匹配成功。这以工作区域2的图像上的绿色矩形[或第一颜色矩形]显示给使用者。X和Y方向上的不同容许偏差由于相机的X位置依赖于机械臂4的X驱动的精密度，因此其可能会稍微偏离于托架1的实际X值。例如，当使用申请人的Freedom实验室工作站3时，当其它参数保持相同时，托架1的X值仅能以2.5cm的步幅变化()(该距离与工作区域格子相关＝X方向的凸起间距)。另一方面固定安装的相机5的Y值会一直精确相同。托架的Y值会以一些小步幅发生变化，因为在Y方向的位移是可能的。不完全插入的托架1造成不可忽视的危险，且因此必须强力重压。如果仅位置值一致同时q值低于0.650，则输出黄色矩形形式的警告。
当评估较小的误放看来似乎是相当困难时，关于分辨率的毫米数据是能实现的，这是由于精确的分辨率直接依赖于相机位置、镜片和成像传感器的分辨率。也影响分辨率的附加参数有例如物体与光路轴的角度、物体与相机之间的距离等。甚至当使用带有中等分辨率(如使用640×480象素的网络摄像机)时，1-2mm的误放可以被检测到，其中每个维度上的优选容许偏差表示可调的参数。
如果超过了位置值，则通过红色矩形[或第三颜色矩形]显示。取决于超过的类型，特别的信息将传送给使用者，例如：
-在X方向：托架在错误的格子内；
-在Y方向：托架未完全插入；
-在X和Y方向：托架未正确地位于格子内；
当执行根据本发明的检测或检查方法时，特别优选在一个方向上的灰度图像或彩图的红、绿和蓝色通道的图像的至少一个导数。优选地每个参考灰度图像17和每个当前灰度图像17’进行至少一个求导操作。该求导操作可以任意地以x方向或y方向完成，虽然其它方向例如45°也可以被选择进行求导操作。附加地和可变化地，单独的求导操作可以在三个色彩等级R(红)、G(绿)或B(蓝)的至少一个方向上执行。
如所述的，优选第一计算机程序用于检测实验室工作站3中工作区域2上的实验室用品1的排列(学习程序)和第二计算机程序用于检查实验室工作站3中工作区域2上的实验室用品1的排列(检查程序)。然而，其还可以将两个计算机程序合并到一个单独的应用程序中。
所有使用的图像处理程序都在采用C++的
Figure BSA0000096862600000161
Visual Studio2010下使用OpenCV-Library(V2.1)和ZBar Library(V0.1)下运行。实验室工作站的控制程序以Freedom 
Figure BSA0000096862600000162
V2.4SP1，Build2.4.8.0编写。
相同的图标记编号指定为相同的或至少相关的标记，即使在每种情况下并未详细描述。外部计算机的选择，如独立处理器8’或实验室工作站3的处理器8的使用优选由使用者执行，这样他可以在没有偏离本发明的思想的前提下使用一个或其它处理器。
如果本领域技术人员决定使用设计的替代的实验室工作站3和根据极坐标系操作实施根据本发明的检测和/或检查方法，在本发明的思想内他可以指示程序专家相应地改编该方法，并且例如以极坐标也就是通过中心、与中心相关的角度和距离来定义参考图像参数文件13。
附图标记列表：
1实验室用品，微盘，托架，支架
2工作区域，第一工作区域
2’第二工作区域
3实验室工作站
4，4’支承装置，机械臂
5，5’数字相机，网络摄像机
6参考数字图像(原始的)
6’当前数字图像
7第一存储器(RAM)
7’第二存储器(HDD)
8 RSP的处理器
8’单独的处理器
9屏幕、图像显示设备
10特征性特征
10’工作区域的特征
10”实验室用品的特征
10”’附加记号的特征
11输入设备
12参考图像部分(原始的)
12’处理过的参考图像部分
13参考图像参数文件(原始的)
14当前图像部分
14’处理过的当前图像部分
15完整参考图像
15’处理过的完整参考图像
16至14的缓冲区域
17参考灰度图像
17’当前灰度图像
18十字线
19 5的光学轴
19’ 5’的光学轴

Claims (22)

1.一种检测实验室工作站(3)的工作区域(2)的实验室用品(1)的排列的方法，其中至少一个支承装置(4)设置于实验室工作站(3)的工作区域(2)之上，并且其中该方法包括如下步骤：
a)通过至少一个参考数字图像(6)来检测实验室工作站(3)的工作区域(2)上的实验室用品(1)的原始排列，其中参考数字图像(6)通过以确定位置和排列固定在支承装置(4)的至少一个数字相机(5)记录；
b)将所述至少一个参考数字图像(6)存储在处理器(8，8’)的第一存储器中，所述处理器(8，8’)可操作地连接到数字相机(5)；
其中随后，执行以下步骤：
c)将所述至少一个参考数字图像(6)显示到可操作地连接到处理器(8，8’)的图像显示设备(9)上；
d)由使用者选择并利用特征性特征(10)标记实验室工作站(3)中的工作区域(2)上的区域，所述特征性特征在至少一个参考数字图像(6)上是可见的，其中特征(10)从由工作区域的特征(10’)、实验室用品的特征(10”)和附加施加记号的特征(10”’)组成的组中选择，并且其中所述使用者使用可操作的连接至计算机(8，8’)上的至少一个输入设备(11)以标记参考图像部分(12)；
e)产生在步骤d)中由使用者选择和标记的实验室工作站(3)的工作区域(2)上的所述区域的参考图像部分(12)；
f)针对在步骤e)中产生的所述参考图像部分(12)产生至少一个参考图像参数文件(13)；以及
g)将步骤e)中产生的参考图像部分(12)和步骤f)中产生的参考图像参数文件存储到第二存储器(7’)中。
2.如权利要求1所述的检测方法，
其中将所述至少一个参考数字图像(6)显示到可操作地连接到处理器(8，8’)的图像显示设备(9)是与请求使用者标记相对小的、区别性的位置一起执行的，所述区别性的位置作为参考图像部分(12)对于计划的测试顺序是重要的。
3.如权利要求2所述的检测方法，
其中使用者用计算机鼠标(11)画出显示在屏幕上的矩形，并且优选地使矩形的尺寸适应在这些特征(10’，10”)或记号(10”’)的周围，并通过鼠标点击或按下预先设定的键如计算机键盘上的输入键的方式来确认选择。
4.如权利要求1所述的检测方法，
其中实验室工作站(3)的工作区域(2)上的实验室用品(1)的原始排列通过以一定距离彼此间隔地固定至相同支承装置(4)的两个数字相机(5，5’)检测。
5.如权利要求1所述的检测方法，
其中实验室工作站(3)的工作区域(2)的实验室用品(1)的原始排列通过两个数字相机(5，5’)检测，其中这些数字相机(5，5’)分别固定在以一定距离彼此间隔的两个不同支承装置(4，4’)上。
6.如权利要求1所述的检测方法，
其中为了检测实验室工作站(3)的工作区域(2)上的实验室用品(1)的原始排列，将固定有一个或两个数字相机(5，5’)的至少一个支承装置(4)移动到至少两个记录位置，其中在这些记录位置的每一个上用这些数字相机(5，5’)中的每一个记录参考数字图像(6)。
7.如权利要求6所述的检测方法，
其中数字相机(5，5’)向记录位置的移动和在记录位置处记录参考数字图像(6)由实验室工作站(3)的软件控制。
8.如权利要求1所述的检测方法，
其中在步骤f)中产生的每个参考图像参数文件(13)包括相应的参考图像部分(12)的X/Y参数或极坐标。
9.如权利要求1所述的检测方法，
其中参考数字图像(6)被组合以形成完整参考图像(15)。
10.如权利要求1所述的检测方法，
其中参考数字图像(6)或完整参考图像(15)的曝光被检查，经检查之后，如果参考数字图像(6)或完整参考图像(15)被过曝或者欠曝，则执行以下替代的步骤之一：
●请求使用者，
●发出指令到控制器，
●自动发出命令到控制器
以再次检测实验室工作站(3)的工作区域(2)上的实验室用品(1)的原始排列。
11.一种用于检查实验室工作站(3)的工作区域(2)上的实验室用品(1)的排列的方法，
其中将实验室用品(1)的当前排列与先前根据权利要求1检测的该实验室工作站(3)的工作区域(2)上的实验室用品(1)的原始排列进行比较，并且其中该方法包括产生关于该实验室工作站(3)的工作区域(2)上的实验室用品(1)的原始排列的未处理的参考图像部分(12)或处理过的参考图像部分(12’)或产生未处理的完整参考图像15或处理过的完整参考图像(15’)和各自的相应参考图像参数文件(13)。
12.如权利要求11所述的检查方法，
其包括以下步骤：
h)通过在至少一个当前数字图像(6’)检测实验室工作站(3)中工作区域(2)的实验室用品(1)的当前排列，其中当前数字图像(6’)通过固定至支承装置(4)上指定位置和排列的数字相机(5，5’)记录；
i)将所述至少一个当前数字图像(6’)存储在可操作地连接到至少一个数字相机(5，5’)的处理器(8，8’)的第一存储器(7)中；
j)将处理过的参考图像部分(12’)或处理过的完整参考图像(15’)和相应的参考图像参数文件(13)从第二存储器(7’)加载到处理器(8，8’)的第一存储器(7)中；
k)从当前数字图像(6’)产生当前图像部分(14)，其中这些当前图像部分(14)通过参考图像参数文件(13)的X/Y参数定义；
l)根据处理过的参考图像部分(12’)处理当前图像部分(14)；以及
m)将处理过的当前图像部分(14’)存储在处理器(8，8’)的第一存储器(7)中。
13.如权利要求12所述的检查方法，
其中在步骤h)后，检查当前数字图像(6’)的曝光，经检查之后，如果当前数字图像(6’)过曝或者欠曝，则执行以下替代步骤之一：
●请求使用者，
●发出指令到控制器，
●自动发出命令到控制器
以再次检测实验室工作站(3)的工作区域(2)上的实验室用品(1)的原始排列。
14.如权利要求12所述的检查方法，
其中当产生用从步骤k)中的当前数字图像(6’)中得到的参考图像参数文件(13)的X/Y参数或极坐标限定的当前图像部分(14)时，额外添加围绕这些当前图像部分(14)的缓冲区域(16)。
15.如权利要求11所述的检查方法，
其中产生每个参考图像部分(12)或完整参考图像(15)的参考灰度图像(17)，并且
其中参考图像部分(12)或完整参考图像(15)的每个参考灰度图像(17)和/或彩色参考图像部分(12)或完整参考图像(15)的三个色彩等级R(红)、G(绿)或B(蓝)中的每一个被执行至少一次求导操作。
16.如权利要求12所述的检查方法，
其中通过在每个处理过的当前图像部分(14’)中搜索相应的处理过的参考图像部分(12’)，将在步骤l)中处理的当前图像部分(14’)与在处理器(8，8’)中的处理过的参考图像部分(12’)进行比较。
17.如权利要求14所述的检查方法，
其中通过在每个处理过的当前图像部分(14’)与缓冲区域(16)中搜索相应的处理过的参考图像部分(12’)，将在步骤l)中处理的具有缓冲区与(16)的当前图像部分(14’)与处理器(8，8’)中的处理过的参考图像部分(12’)进行比较。
18.如权利要求16所述的检查方法，
其中对于每个特征(10’，10”，10”’)，通过结果值确定，关于特征(10’，10”，10”’)的图像内容和位置而言，实验室用品(1)的当前排列和实验室工作站(3)的工作区域(2)上的实验室用品(1)的原始排列之间是否存在一致，
其中这些结果值包括图像内容分量、X方向的空间分量和Y方向的空间分量，并且
这些至少三个分量中的每一个的一致情况关于各自的一个相应阈值来确定。
19.如权利要求17所述的检查方法，
其中对于每个特征(10’，10”，10”’)，通过结果值确定，关于特征(10’，10”，10”’)的图像内容和位置而言，实验室用品(1)的当前排列和实验室工作站(3)的工作区域(2)上的实验室用品(1)的原始排列之间是否存在一致，
其中这些结果值包括图像内容分量、X方向的空间分量和Y方向的空间分量，并且
这些至少三个分量中的每一个的一致情况关于各自的一个相应阈值来确定。
20.如权利要求18或19所述的检查方法，
其中在图像显示装置(9)上，每个非常一致的情况被显示为被分配给相应的当前图像部分(14)的单个第一颜色区域，并且每个符合要求的一致情况被显示为被分配给相应的当前图像部分(14)的单个第二颜色区域，并且，
其中每个错误被显示为警报，其中警报从由可视警报、可听警报、警报消息和实验室工作站(3)的机械锁定组成的组中选择。
21.一种实验室工作站(3)，包括至少一个工作区域(2)，
其中所述实验室工作站(3)进一步包括：
n)至少一个支承装置(4)，设置于实验室工作站(3)的工作区域(2)之上；
o)至少一个数字相机(5，5’)，以确定位置和排列固定至支承装置(4)；
p)处理器(8)，可操作地连接至至少一个数字相机(5)，且具有第一和第二存储器(7，7’)；
q)图像显示设备(9)，可操作地连接至处理器(8)；
r)至少一个输入设备(11)，可操作地连接至处理器(8)；以及
s)计算机程序，可在处理器(8)中被激活以执行根据权利要求1的对实验室工作站(3)的工作区域(2)上的实验室用品(1)的排列进行检测或根据权利要求11对实验室工作站(3)的工作区域(2)上的实验室用品(1)的排列进行检查的方法。
22.如权利要求21所述的实验室工作站(3)，
其中所述工作区域(2)通过X轴和Y轴定义，X轴和Y轴在其中成直角延伸，
其中实验室工作站(3)包括垂直于工作区域(2)延伸的Z轴，并且
其中其上固定有数字相机的至少一个支承装置(4)被配置成能在X轴或Y轴方向上直线移动。
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