CN111563882B - 一种药瓶倾斜校准与姿态调整机械结构装置的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种药瓶倾斜校准与姿态调整机械结构装置及其控制方法，结构装置包括底部粗调机构、垂直粗调机构、顶部精调机构、挡板限位机构等。底部粗调机构设有线性模组；垂直粗调机构由支持撑板组成；顶部精调机构由微动平台组成，可精密调节挡板限位机构。所涉及的药瓶倾斜校准微调算法步骤包括：图像采集、提取药瓶轮廓、获取轮廓特征点及角度、构造平移矩阵、构造缩放矩阵、构造旋转矩阵、装配仿射变换矩阵、图像仿射变换、获取期望姿态图像。结构装置可实现大尺度的粗调以及小范围的精密调节，从源头上保证成像质量，使得药瓶平稳运动传输。所述倾斜校准算法可从软件层面上修正药瓶图像的姿态，完成姿态的微细调节，最终实现精密成像。

Description

一种药瓶倾斜校准与姿态调整机械结构装置的控制方法

技术领域

本发明涉及姿态校准技术领域，具体涉及一种药瓶倾斜校准与姿态调整机械结构装置的控制方法。

背景技术

目前的药瓶倾斜校准与姿态调整机械结构装置与方法，是使用水平传送带运输工件；当需要调整其姿态时，传送带停止运动，将工件上下夹持固定，并原地旋转，直到工件姿态符合要求；之后传送带继续运输工件。上述方式的缺陷在于：工作效率较低，响应较慢。因此，如何提供一种效率较高、响应快速的传输装置成为了业界需要解决的问题。

中国专利【CN207890475U】提供了一种具有姿态调整功能的传输装置,其包括：支撑框架；姿态调整机构,其位于支撑框架上；姿态调整机构包括两个传送带,传送带带面竖直设置；两个传送带相对设置；用于调节传送带空间位置的调节机构,其与传送带对应设置；调节机构位于支撑框架上,且与对应的传送带相连；调节机构包括竖直位移机构和水平位移机构。但该装置工作效率低，不能精准调整姿态。

中国专利【CN210132064U】公开了一种三自由度姿态调整装置,涉及多自由度车刀调整领域,包括底座和调整连接板,所述底座上固定连接有球头螺钉,球头螺钉下方活动连接有球头锁紧垫,调整连接板通过连接螺钉与球头锁紧垫连接,连接螺钉外侧滑动连接有上锁紧板,上锁紧板上螺纹连接有与调整连接板配合的球头锁紧螺钉；所述底座前后分别螺纹连接有与调整连接板相配合的水平角度调整螺钉,所述调整连接板左侧螺纹连接有横滚角度调整螺钉,调整连接板前方螺纹连接有俯仰角度调整螺钉。但装置结构设计复杂，不能达到精确调整的目的。

关于工业运用上的倾斜校准与姿态调整机械结构装置，仍然存在许多不足，本发明致力于创造一种药瓶倾斜校准与姿态调整机械结构装置与方法，解决定位准确度低、算法定位准、结构复杂化等问题，实现药瓶的稳定快速传送。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种药瓶倾斜校准与姿态调整机械结构装置及其控制方法。

为了解决上述技术问题，第一方面，本发明实施例提供了一种药瓶倾斜校准与姿态调整机械结构装置，包括底部粗调机构、垂直粗调机构、顶部精调机构、挡板限位机构。

进一步地，所述底部粗调机构，主要由左右两条线性模组组成，线性模组包括线性滑轨，可手动或电动调整线性滑轨，大范围调节支持撑板的X方向位置，安装在支持平台上。

进一步地，所述垂直粗调机构，采用单轴微动平台，可调节四个支持撑板的高低位置，大范围调节挡板在Z方向上的位置，底部与滑轨相连，而顶部与所述顶部精调机构进行连接。

进一步地，所述挡板限位机构，由前后两块挡板组成，用于夹紧调整姿态后的药瓶。

进一步地，所述顶部精调机构，主要由分布在顶部的四个千分尺的微动平台构成，在X方向小范围调节，可精密调节挡板位置与姿态，使两条挡板平行，控制挡板与药瓶之间的距离，并且挡板上安装传送带机构，传送带与药瓶传动摩擦，用以约束药瓶姿态，以防药瓶前后、左右、上下漂移，保证药瓶在姿态平稳下，工业相机能采集清晰稳定的图像。

第二方面，本发明提供一种药瓶倾斜校准与姿态调整机械结构装置的控制方法所采用的技术方案是：

药瓶倾斜校准微调算法，采用仿射变换原理，可实现倾斜药瓶的在算法层面的细微倾斜校正，包括以下步骤：

步骤1、采集下半部药瓶彩色图像；

步骤2、将彩色图像进行灰度化处理，并提取药瓶轮廓；采用灰度平均值作为图像的分割阈值分割图像，实现图像中的药瓶目标提取并得到目标轮廓：

步骤3、获取给定的图形特征的区域，获取轮廓特征点，采用最小二乘拟合直线方程，计算直线方程的倾斜角度；

步骤4、创建初始化矩阵，构造平移矩阵、构造缩放矩阵、构造旋转矩阵；

步骤5、将旋转、平移、缩放矩阵特征点因子添加到初始化矩阵中，装配仿射变换矩阵；

步骤6、对图像整体绩效仿射变换，以获取期望姿态图像。

进一步地，所述药瓶倾斜校准与姿态调整机械结构装置的控制方法，可实现倾斜药瓶的在算法层面的细微倾斜校正，所述的步骤4构造仿射变换的步骤为：获取轮廓特征点及角度创建仿射变换矩阵，创建一个空的二维变换矩阵；

将旋转角度、缩放、平移矩阵添加到空的二维变换矩阵；根据轮廓特征点和角度计算刚性仿射变换矩阵，仿射矩阵的一般式为：

其中设图像平面为1，坐标只有一个比例因子，故z_image＝1，a₃₃＝1，求得包含a₁₁，a₁₂，a₁₃，a₂₁，a₂₂，a₂₃，a₃₁，a₃₂，基于这8个参数得到仿射矩阵；并且，为了得到仿射后的一一对应关系，8个未知数应有8个方程，故需要4个不同的点对应才能求解；由矩阵乘法，把公式(1)写成方程的形式，可知：

由投影的三角相似法，可得到z_w的平面内x和y的值，见公式(3)：

把式2带入式3可得：

把四个对应点对代入到公式(4)，并写成矩阵A·x＝0的形式，可得：

根据公式5，可求得方程的8个未知数，得到仿射变换矩阵。

进一步地，所述药瓶倾斜校准与姿态调整机械结构装置的控制方法，采用基于仿射变换的倾斜校准算法，其倾斜兼容角度β，即倾斜角度兼容范围为：-300<β<300。

本发明的有益效果是：一种药瓶倾斜校准与姿态调整机械结构装置及方法，在机械层面上可实现大尺度的粗调以及小范围的精密调节，实现了对药瓶姿态稳定可控，从源头上保证成像质量，使得药瓶平稳运动传输。克服了输送过程中药瓶出现倾斜、成像不清晰等导致算法无法定位的问题。并且，所述倾斜校准算法可从软件层面上修正药瓶图像的姿态，完成姿态的微细调节，最终实现精密成像。具有结构设计简单、算法定位精准、快速、工作效率高、成本低的特点。

附图说明

图1是本发明的药瓶倾斜校准与姿态调整机械结构装置的结构示意图；

图2是本发明的药瓶倾斜校准与姿态调整机械结构装置进行仿射变换前后的坐标点原理示意图；

图3是本发明的药瓶倾斜校准与姿态调整机械结构装置中药瓶下半部出现倾斜现象时外形轮廓的示意图；

图4是本发明的药瓶倾斜校准与姿态调整机械结构装置中药瓶下半部进行校准后的期望姿态的外形轮廓的示意图；

图5是本发明的药瓶倾斜校准与姿态调整机械结构装置的控制方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供的一种药瓶倾斜校准与姿态调整机械结构装置，包括底部粗调机构、垂直粗调机构、顶部精调机构、挡板限位机构等。

进一步地，所述底部粗调机构，主要由左右两条线性模组组成，线性模组包括线性滑轨(105)，可手动或电动调整线性滑轨，大范围调节支持撑板(104)的X方向位置，安装在支持平台上。

进一步地，所述垂直粗调机构，采用单轴微动平台，可调节四个支持撑板(104)的高低位置，大范围调节挡板在Z方向上的位置，底部与滑轨相连接，而顶部与顶部精调机构进行连接。

进一步地，所述挡板限位机构，由前后两块挡板(103)组成，用于夹紧调整姿态后的药瓶。

进一步地，所述顶部精调机构主要由分布在顶部的四个千分尺(101)的微动平台构成，在X方向小范围调节，可精密调节挡板位置与姿态，使两条挡板平行，控制挡板与药品之间的距离，用以约束药瓶姿态。并且挡板上安装有传送带机构(102)，挡板与药品的构成滑动摩擦，以防药瓶前后、左右、上下漂移。并且防止对瓶身造成二次摩擦损伤，保证了药瓶在姿态平稳下，工业相机能采集清晰稳定的图像。

如图2所示，S(j,k)点坐标经过旋转变换前后得到T(m,n)点的坐标，矩阵变换的表达式如下：

写成方程的形式，可的m，n的表达式：

根据计算结果将虚线旋转至实线所在位置，完成旋转变换。

如图3所示，在药瓶在传送过程中，即使采用机械结构限制药瓶的姿态，虽然在大尺度上可以限制，保证了药瓶底部不超出成像视野，但是在小尺度上药瓶底部仍然存在或多或小的细微倾斜现象。致使相机采集到的药瓶底部图像，外部轮廓呈现为倾斜的现象。

如图4所示，图3的倾斜药瓶，通过药瓶倾斜校准微调算法，得到正确姿态的下半部药瓶图像。

如图5所示，本发明提供一种药瓶倾斜校准与姿态调整机械结构装置的控制方法所采用的技术方案是：药瓶倾斜校准微调算法，采用仿射变换原理，包括以下步骤：

步骤1、采集下半部药瓶彩色图像；

步骤2、将彩色图像进行灰度化处理，并提取药瓶轮廓；采用灰度平均值作为图像的分割阈值分割图像，实现图像中的药瓶目标提取并得到目标轮廓：

步骤3、获取给定的图形特征的区域，获取轮廓特征点，采用最小二乘拟合直线方程，计算直线方程的倾斜角度；

步骤4、创建初始化矩阵，构造平移矩阵、构造缩放矩阵、构造旋转矩阵；

步骤5、将旋转、平移、缩放矩阵特征点因子添加到初始化矩阵中，装配仿射变换矩阵；

步骤6、对图像整体绩效仿射变换，以获取期望姿态图像。

进一步地，所述药瓶倾斜校准与姿态调整机械结构装置的控制方法，可实现倾斜药瓶的在算法层面的细微倾斜校正，所述步骤4构造仿射变换的步骤为：

获取轮廓特征点及角度创建仿射变换矩阵，创建一个空的二维变换矩阵；

将旋转角度、缩放、平移矩阵添加到空的二维变换矩阵；根据轮廓特征点和角度计算刚性仿射变换矩阵，仿射矩阵的一般式为：

其中设图像平面为1，坐标只有一个比例因子；故z_image＝1，a₃₃＝1，求得包含a₁₁，a₁₂，a₁₃，a₂₁，a₂₂，a₂₃，a₃₁，a₃₂，基于这8个参数得到仿射矩阵；并且，为了得到仿射后的一一对应关系，8个未知数应有8个方程，故需要4个不同的点对应才能求解；由矩阵乘法，把公式(1)写成方程的形式，可知：

由投影的三角相似法，可得到z_w的平面内x和y的值，见公式(3)：

把式2带入式3可得：

把四个对应点对代入到公式(4)，并写成矩阵A·x＝0的形式，可得：

根据公式5，可求得方程的8个未知数，得到仿射变换矩阵。

进一步地，所述药瓶倾斜校准与姿态调整机械结构装置的控制方法，采用基于仿射变换的倾斜校准算法，其倾斜兼容角度β，即倾斜角度兼容范围为：-300<β<300。

进一步地，挡板上的传送带与药瓶之间存在间隙，该间隙D的大小范围为：0.5mm<D<2.0mm。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种药瓶倾斜校准与姿态调整机械结构装置的控制方法，其特征在于，所述药瓶倾斜校准与姿态调整机械结构装置，包括底部粗调机构、垂直粗调机构、顶部精调机构、挡板限位机构；所述底部粗调机构设有线性模组，可手动或电动调整滑轨距离；所述垂直粗调机构，由四个可上下运动的支持撑板组成；所述顶部精调机构，可精密调节所述挡板限位机构，使两条挡板平行；所述挡板限位机构用于保证药瓶在姿态平稳下，工业相机能采集清晰稳定的图像；

所述底部粗调机构，主要由左右两条线性模组组成，线性模组包括线性滑轨，可手动或电动调整线性滑轨，大范围调节支持撑板的X方向位置，安装在支持平台上；

所述垂直粗调机构，采用单轴微动平台，可调节四个支持撑板高低位置，大范围调节挡板在Z方向上的位置，底部与滑轨相连接，而顶部与所述顶部精调机构进行连接；

所述顶部精调机构主要由分布在顶部的四个千分尺的微动平台构成，在X方向小范围调节，可精密调节挡板位置与姿态，使两条挡板平行，控制挡板与药品之间的距离，用以约束药瓶姿态；并且挡板上安装有传送带机构，挡板与药品的摩擦，以防药瓶前后、左右、上下漂移，保证药瓶在姿态平稳下，工业相机能采集清晰稳定的图像；

所述药瓶倾斜校准与姿态调整机械结构装置的控制方法可实现倾斜药瓶的在算法层面的细微倾斜校正，具体包括以下步骤：

步骤1、采集药瓶下半部的彩色图像；

步骤2、将彩色图像进行灰度化处理，并提取药瓶轮廓；采用灰度平均值作为图像的分割阈值分割图像，实现图像中的药瓶目标提取，并得到目标轮廓：

步骤3、获取给定的图形特征的区域，获取轮廓特征点，采用最小二乘拟合直线方程，计算直线方程的倾斜角度；

步骤4、创建初始化矩阵，构造平移矩阵、构造缩放矩阵、构造旋转矩阵；

步骤5、将旋转、平移、缩放矩阵的特征因子添加到初始化矩阵中，装配仿射变换矩阵；

步骤6、对图像整体绩效仿射变换，以获取期望姿态图像。

2.如权利要求书1所述的药瓶倾斜校准与姿态调整机械结构装置的控制方法，其特征在于，药瓶和所述挡板限位机构存在误差范围θ。

3.如权利要求书1所述的药瓶倾斜校准与姿态调整机械结构装置的控制方法，其特征在于，挡板上的传送带与药瓶之间存在间隙，这种间隙D的大小范围为：0.5mm<D<2.0mm。

4.如权利要求书1所述的药瓶倾斜校准与姿态调整机械结构装置的控制方法，其特征在于，所述的步骤4构造仿射变换的步骤为：

获取轮廓特征点及角度创建仿射变换矩阵，创建一个空的二维变换矩阵；

将旋转角度、缩放、平移矩阵添加到空的二维变换矩阵；根据轮廓特征点和角度计算刚性仿射变换矩阵，仿射矩阵的一般式为：

其中设图像平面为1，坐标只有一个比例因子，故z_image＝1，a₃₃＝1，求得包含a₁₁，a₁₂，a₁₃，a₂₁，a₂₂，a₂₃，a₃₁，a₃₂，基于这8个参数得到仿射矩阵；并且，为了得到仿射后的一一对应关系，8个未知数应有8个方程，故需要4个不同的点对应才能求解；由矩阵乘法，把公式(1)写成方程的形式，可知：

由投影的三角相似法，可得到z_w的平面内x和y的值，见公式(3)：

把式2带入式3可得：

把四个对应点对代入到公式(4)，并写成矩阵A·x＝0的形式，可得：

根据公式5，可求得方程的8个未知数，得到仿射变换矩阵。

5.如权利要求书4所述的药瓶倾斜校准与姿态调整机械结构装置的控制方法，其特征在于，采用基于仿射变换的倾斜校准算法，其倾斜兼容角度β，即倾斜角度兼容范围为：-300<β<300。

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