CN109840915A - 基于视觉原理的移液枪枪头质量检测系统及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于视觉原理的移液枪枪头质量检测方法，其包括步骤一，首先，将该系统移动到指定位置，驱动抓地螺杆旋转，带动抓地底座下降抓地；然后，将安装有移液枪枪头的载物平台固定到位于机架总成上；步骤二，首先，升降装置带动采集装置下降来到移液枪枪头上方；然后，工业摄像机通过远心镜头获取得到移液枪枪头的图像；其次，通过工业摄像机对图像进行分析以确定移液枪枪头的物理特性。本发明设计合理、结构紧凑且使用方便。
Description
技术领域
本发明涉及基于视觉原理的移液枪枪头质量检测系统及检测方法。
背景技术
随着生物学、医学对试剂移取精度需求的提高，移液枪作为一种精密的移液器，常用于实验室少量或微量液体的移取。出于实验需要，移液枪有不同规格，配套使用不同大小的枪头。枪头（即一次性吸头）是移液枪加样系统的一个重要组成部分，其形状、材料特性及与加样器的吻合程度均对加样的准确度有很大的影响。枪头多近似锥形，材质为聚丙烯，紧密排列在多孔（如8X12=96孔）的微孔板中保存。
由于聚丙烯材质耐低温冲击性较差，在封装保存或与多通道加样器（8孔或12孔）契合的过程中，若枪头垂直度，管头圆度达不到要求，易造成器材损毁浪费，影响实验进行这便对检测提出更高的要求。
现今检测手段主要为人工检测，其存在明显缺陷，如测量手段复杂，效率低下，无法满足枪头作为耗材的高需求量；误判可能性高，误差大，无法满足枪头作为精密仪器的高精度要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题总的来说是提供一种基于视觉原理的移液枪枪头质量检测系统及检测方法；详细解决的技术问题以及取得有益效果在后述内容以及结合具体实施方式中内容具体描述。
为解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：
一种基于视觉原理的移液枪枪头质量检测方法，借助于基于视觉原理的移液枪枪头质量检测系统，该系统包括包括机架总成、设置在机架总成上的升降装置、设置在升降装置下端的采集装置、以及设置在机架总成上且位于采集装置正下方且用于放置移液枪枪头的载物平台；该方法包括以下步骤；
步骤一，首先，将该系统移动到指定位置，驱动抓地螺杆旋转，带动抓地底座下降抓地；然后，将安装有移液枪枪头的载物平台固定到位于机架总成上；
步骤二，首先，升降装置带动采集装置下降来到移液枪枪头上方；然后，工业摄像机通过远心镜头获取得到移液枪枪头的图像；其次，通过工业摄像机对图像进行分析以确定移液枪枪头的物理特性。
作为上述技术方案的进一步改进：
在步骤二中获取移液枪枪头的物理特性的具体算法步骤如下：
步骤A，工业摄像机的摄像机图像平面与测量平面关系的确定；首先，建立基于摄像机的测量模型；然后，将空间中任一平面上的点在图像平面上进行投影，建立空间点与图像点之间为单应的线性关系；其次，将一平面棋盘格靶标放置于载物平台的载物平面上；再次，在棋盘格靶标特征点上建立靶标平面坐标系，并以其作为系统的世界坐标系；紧接着由靶标特征点坐标与摄像机对应的图像坐标系下点坐标之间的对应关系确定载物平面与图像平面之间的单应矩阵，同时，根据远心镜头的成像特性，平行于载物平面的空间平面到图像平面之间的单应矩阵和载物平面到图像平面的单应矩阵相同；
步骤B，特征分割；首先，在忽略安装误差的情况，将移液枪枪头上的圆特征在图像平面的投影看作一个圆；然后，应用Hough变换确定圆的圆心坐标a、b，和半径r；
步骤C，特征提取；首先，获取移液枪枪头图像后，通过对圆特征的边缘的图像特征进行提取，确定图像特征点在摄像机坐标系下的坐标；然后，采用改进Steger线条提取算法，通过求解法向量方向上的极值点确定线条边缘的位置，对于图像边缘特征的精度为亚像素级的提取；
步骤D，缺陷计算；首先，当图像边缘点确定后，由最小二乘法即可确定圆心坐标值，并计算圆度，从而得到缺陷位置；判断出不符合标准的移液枪枪头并进行报警。
在步骤B中，应用Hough变换确定圆的圆心坐标a、b，和半径r；包括以下步骤，
（A）应用Canny算子对圆的边界特征进行提取；
（B）在参数a、b、r最大值和最小值之间建立合适的三维空间坐标系；
（C）建立一个累加器，并将每个元素设置为0；
（D）对图像空间中每个点做Hough变换，并算出该点在三维空间上对应的曲线，并在相应的累加器加1，即；
（E）确定对应图像对应累加器上的局部最大值，即为图像平面圆心和半径对应的累加器，从而确定圆的参数。
本发明可实现对移液枪枪头圆度和垂直度的判定，智能化程度高，采集信息准确，提高了残次品的检测效率，保证了产品的质量。
本发明为了解决现有移液枪枪头质量检测中存在的问题，本发明采用计算机视觉相关方法，对移液枪枪头的垂直度、圆度进行检测，快速查找不合格的移液枪枪头，并进行报警。
本发明的有益效果不限于此描述，为了更好的便于理解，在具体实施方式部分进行了更加详细的描述。
附图说明
图1是本发明立体的结构示意图。
图2是本发明平面的结构示意图。
其中：1、机架总成；2、升降装置；3、采集装置；4、载物平台；5、滚轮；6、抓地支撑座；7、抓地螺杆；8、抓地升降架；9、抓地底座；10、支撑架；11、升降控制头；12、工业摄像机；13、远心镜头；14、气孔；15、吸风装置。
具体实施方式
如图1-2所示， 本实施例的基于视觉原理的移液枪枪头质量检测系统，包括机架总成1、设置在机架总成1上的升降装置2、设置在升降装置2下端的采集装置3、以及设置在机架总成1上且位于采集装置3正下方且用于放置移液枪枪头的载物平台4。
采集装置3包括设置在升降装置2下端的工业摄像机12、以及设置在工业摄像机12下端的远心镜头13。
在机架总成1下端设置有滚轮5，在机架总成1上竖直设置有抓地支撑座6，在抓地支撑座6上旋转设置有抓地螺杆7，在抓地支撑座6上套装有上端通过内螺纹与抓地螺杆7螺纹连接的抓地升降架8，在抓地升降架8下端设置有用于下降后与地面接触的抓地底座9。
在机架总成1上设置有支撑架10，在支撑架10上倒置设置有升降控制头11。
升降控制头11为气缸、推杆或直线电机。
在机架总成1设置有用于放置载物平台4的固定平台，在固定平台上分布有气孔14，在机架总成1设置有气孔14下端连接的吸风装置15和/或吹风装置。
本实施例的基于视觉原理的移液枪枪头质量检测方法，借助于基于视觉原理的移液枪枪头质量检测系统，该系统包括包括机架总成1、设置在机架总成1上的升降装置2、设置在升降装置2下端的采集装置3、以及设置在机架总成1上且位于采集装置3正下方且用于放置移液枪枪头的载物平台4；该方法包括以下步骤；
步骤一，首先，将该系统移动到指定位置，驱动抓地螺杆7旋转，带动抓地底座9下降抓地；然后，将安装有移液枪枪头的载物平台4固定到位于机架总成1上；
步骤二，首先，升降装置2带动采集装置3下降来到移液枪枪头上方；然后，工业摄像机12通过远心镜头13获取得到移液枪枪头的图像；其次，通过工业摄像机12对图像进行分析以确定移液枪枪头的物理特性。
在步骤二中获取移液枪枪头的物理特性的具体算法步骤如下：
步骤A，工业摄像机12的摄像机图像平面与测量平面关系的确定；首先，建立基于摄像机的测量模型；然后，将空间中任一平面上的点在图像平面上进行投影，建立空间点与图像点之间为单应的线性关系；其次，将一平面棋盘格靶标放置于载物平台4的载物平面上；再次，在棋盘格靶标特征点上建立靶标平面坐标系，并以其作为系统的世界坐标系；紧接着由靶标特征点坐标与摄像机对应的图像坐标系下点坐标之间的对应关系确定载物平面与图像平面之间的单应矩阵，同时，根据远心镜头的成像特性，平行于载物平面的空间平面到图像平面之间的单应矩阵和载物平面到图像平面的单应矩阵相同；
步骤B，特征分割；首先，在忽略安装误差的情况，将移液枪枪头上的圆特征在图像平面的投影看作一个圆；然后，应用Hough变换确定圆的圆心坐标a、b，和半径r；
步骤C，特征提取；首先，获取移液枪枪头图像后，通过对圆特征的边缘的图像特征进行提取，确定图像特征点在摄像机坐标系下的坐标；然后，采用改进Steger线条提取算法，通过求解法向量方向上的极值点确定线条边缘的位置，对于图像边缘特征的精度为亚像素级的提取；
步骤D，缺陷计算；首先，当图像边缘点确定后，由最小二乘法即可确定圆心坐标值，并计算圆度，从而得到缺陷位置；判断出不符合标准的移液枪枪头并进行报警。
在步骤B中，应用Hough变换确定圆的圆心坐标a、b，和半径r；包括以下步骤，
（A）应用Canny算子对圆的边界特征进行提取；
（B）在参数a、b、r最大值和最小值之间建立合适的三维空间坐标系；
（C）建立一个累加器，并将每个元素设置为0；
（D）对图像空间中每个点做Hough变换，并算出该点在三维空间上对应的曲线，并在相应的累加器加1，即；
（E）确定对应图像对应累加器上的局部最大值，即为图像平面圆心和半径对应的累加器，从而确定圆的参数。
工业摄像机与远心镜头竖直放置，并固定在一维位移台上，一维位移台由立柱支撑固定。通过控制一维位移台的运动，即可在竖直方向上移动工业摄像机和远心镜头。将移液枪枪头放置在测量系统下方载物平台上，由工业摄像机获取得到移液枪枪头的图像，进而对图像进行分析以确定移液枪枪头的物理特性。
具体算法步骤如下：
（1）摄像机图像平面与测量平面关系的确定。由摄像机测量模型，空间中任一平面上的点在图像平面上投影，空间点与图像点之间为线性关系，称之为单应关系。
将一平面棋盘格靶标放置于载物平面上，在棋盘格靶标特征点上建立靶标平面坐标系，并以其作为系统的世界坐标系，则由靶标特征点坐标与对应的图像坐标系下点坐标之间的对应关系，即可确定载物平面与图像平面之间的单应矩阵。由于远心镜头的成像特性，平行于载物平面的空间平面到图像平面之间的单应矩阵和载物平面到图像平面的单应矩阵相同。
（2）特征分割。由于远心镜头的成像特性，移液枪枪头上平行于图像平面的圆特征在图像平面上的投影为一正圆，不平行于图像平面的圆特征在图像平面的投影为一椭圆，在忽略安装误差的情况下，载物平面与图像平面平行。由于图像分割并不需要确定出移液枪枪头的精确位置，因此，可以将移液枪枪头上的圆特征在图像平面的投影看作一个正圆。
应用Hough变换确定圆（包括圆心和半径）的过程如下：
（A）应用Canny算子对圆的边界特征进行提取；
（B）在参数a、b、r最大值和最小值之间建立合适的三维空间坐标系；
（C）建立一个累加器，并将每个元素设置为0；
（D）对图像空间中每个点做Hough变换，并算出该点在三维空间上对应的曲线，并在相应的累加器加1，即；
（E）确定对应图像对应累加器上的局部最大值，即为图像平面圆心和半径对应的累加器，从而确定圆的参数。
由于图像上可能存在若干个目标圆，目标圆的圆心在数学上可描述为空间的局部极大值，从而检测出可能的圆心。由于对于批量的移液枪枪头，其外径圆的大小是确定的，因此，通过空间圆半径的约束，即可确定正确的目标圆圆心和半径。阈值的选取由先验知识确定，通过选取合适的阈值即可确定正确的解对。由确定的圆心点坐标和圆的半径，可以完成对圆区域的分割任务。
（3）特征提取。获取移液枪枪头图像后，需要对图像特征（即圆特征的边缘）进行提取，从而确定特征点在摄像机坐标系下的坐标。对于图像边缘特征的精确提取，采用改进Steger线条提取算法，通过求解法向量方向上的极值点确定线条边缘的位置，其精度可以达到亚像素级。
（4）缺陷计算。图像边缘点确定后，由最小二乘法即可确定精确的圆心坐标值，并计算圆度。从而得到缺陷位置，并进行报警。
使用本发明时，机架总成1为支撑，升降装置2实现升降控制，采集装置3实现对图像信息的提交与计算检测，载物平台4用于放置枪头，滚轮5方便移动，抓地支撑座6实现旋转支撑，抓地螺杆7实现升降控制，抓地升降架8实现导向，抓地底座9实现抓地使得滚轮离开地面，支撑架10为悬臂，升降控制头11实现升降控制，工业摄像机12与远心镜头13实现采集信息，气孔14，吸风装置15实现负压固定，也可以采用螺栓连接或其他方式实现对平台的固定。
本发明设计合理、成本低廉、结实耐用、安全可靠、操作简单、省时省力、节约资金、结构紧凑且使用方便。
本发明充分描述是为了更加清楚的公开，而对于现有技术就不再一一例举。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；作为本领域技术人员对本发明的多个技术方案进行组合是显而易见的。而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。
Claims (4)
1.一种基于视觉原理的移液枪枪头质量检测方法，其特征在于:借助于基于视觉原理的移液枪枪头质量检测系统，该系统包括包括机架总成（1）、设置在机架总成（1）上的升降装置（2）、设置在升降装置（2）下端的采集装置（3）、以及设置在机架总成（1）上且位于采集装置（3）正下方且用于放置移液枪枪头的载物平台（4）；该方法包括以下步骤；
步骤一，首先，将该系统移动到指定位置，驱动抓地螺杆（7）旋转，带动抓地底座（9）下降抓地；然后，将安装有移液枪枪头的载物平台（4）固定到位于机架总成（1）上；
步骤二，首先，升降装置（2）带动采集装置（3）下降来到移液枪枪头上方；然后，工业摄像机（12）通过远心镜头（13）获取得到移液枪枪头的图像；其次，通过工业摄像机（12）对图像进行分析以确定移液枪枪头的物理特性。
2.根据权利要求1所述的基于视觉原理的移液枪枪头质量检测方法，其特征在于:在步骤二中获取移液枪枪头的物理特性的具体算法步骤如下：
步骤A，工业摄像机（12）的摄像机图像平面与测量平面关系的确定；首先，建立基于摄像机的测量模型；然后，将空间中任一平面上的点在图像平面上进行投影，建立空间点与图像点之间为单应的线性关系；其次，将一平面棋盘格靶标放置于载物平台（4）的载物平面上；再次，在棋盘格靶标特征点上建立靶标平面坐标系，并以其作为系统的世界坐标系；紧接着由靶标特征点坐标与摄像机对应的图像坐标系下点坐标之间的对应关系确定载物平面与图像平面之间的单应矩阵，同时，根据远心镜头的成像特性，平行于载物平面的空间平面到图像平面之间的单应矩阵和载物平面到图像平面的单应矩阵相同；
步骤B，特征分割；首先，在忽略安装误差的情况，，将移液枪枪头上的圆特征在图像平面的投影看作一个圆；然后，应用Hough变换确定圆的圆心坐标a、b,和半径r;
步骤C，特征提取；首先，获取移液枪枪头图像后，通过对圆特征的边缘的图像特征进行提取，确定图像特征点在摄像机坐标系下的坐标；然后，采用改进Steger线条提取算法，通过求解法向量方向上的极值点确定线条边缘的位置，对于图像边缘特征的精度为亚像素级的提取;
步骤D，缺陷计算；首先，当图像边缘点确定后，由最小二乘法即可确定圆心坐标值，并计算圆度，从而得到缺陷位置；判断出不符合标准的移液枪枪头并进行报警。
3.根据权利要求2所述的基于视觉原理的移液枪枪头质量检测系统及检测方法，其特征在于: 在步骤B中，应用Hough变换确定圆的圆心坐标a、b,和半径r；包括以下步骤，
（A）应用Canny算子对圆的边界特征进行提取；
（B）在参数a、b、r最大值和最小值之间建立合适的三维空间坐标系；
（C）建立一个累加器，并将每个元素设置为0；
（D）对图像空间中每个点做Hough变换，并算出该点在三维空间上对应的曲线，并在相应的累加器加1，即；
（E）确定对应图像对应累加器上的局部最大值，即为图像平面圆心和半径对应的累加器，从而确定圆的参数。
4.一种基于视觉原理的移液枪枪头质量检测系统，其特征在于：包括机架总成（1）、设置在机架总成（1）上的升降装置（2）、设置在升降装置（2）下端的采集装置（3）、以及设置在机架总成（1）上且位于采集装置（3）正下方且用于放置移液枪枪头的载物平台（4）。
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