CN111673709A - 基于上转换长余辉材料的指纹识别机器人装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于上转换长余辉材料的指纹识别机器人装置及控制方法，包括分别连接于主控制平台(5)的运动与控制模块(1)、溶液与气体喷涂模块(2)、红外发射模块(3)和视觉模块(4)；使用视觉模块采集图像，通过图像识别确认指纹位置；使用运动与控制模块驱动机器人向指纹位置移动；接近达指纹位置时，使用溶液与气体喷涂模块向指纹位置喷涂上转换长余辉材料；使用溶液与气体喷涂模块喷涂空气去除残余材料；使用红外发射模块发射近红外光照射喷涂区域并持续3～5分钟；关闭红外发射模块后，使用视觉模块的图像采集装置记录所得指纹余晖图。本发明具有可避免生物组分自发荧光和散射光干扰灵敏度高、信噪比高、稳定性强的优点。

Description

基于上转换长余辉材料的指纹识别机器人装置及控制方法

技术领域

本发明涉及特种机器人技术领域，具体涉及一种指纹识别机器人装置及其控制方法。

背景技术

指纹识别技术已经广泛用于刑事侦查、权限控制、医疗诊断等领域。目前指纹检测方法有仪器法(质谱法、红外光谱法等)和化学着色法(比色法和光致发光法)。仪器法需要依赖于昂贵的大型检测仪器，不能实现实时指纹检测，因此很难满足便携化的要求；比色法虽然操作简单，但灵敏度不高；光致发光检测法灵敏度高，操作简单，成本低，具有很好的实际应用前景。然而使用普通荧光材料不能排除背景光信号的干扰，而且激发光能量高，可能会破坏指纹纹路。而使用上转换长余辉发光材料来进行光致发光可以避免这些缺点。上转换发光是指低能光激发产生高能光的现象，长余辉发光是指激发光源关闭后仍能保持数秒到数小时发光的现象。长余辉材料可以将激发光能量储存起来，在激发光源关闭后缓慢地把这些储存的能量以辐射的形式释放出来。相比于传统荧光材料，上转换长余辉材料具有高灵敏度、高信噪比、优异的光和物理化学稳定性、较强的组织穿透能力、对生物组织无损伤、无背景荧光干扰等优点，因此被广泛用于显示、照明和生物成像等领域。

目前已有利用长余辉材料或上转换材料来检测指纹的相关专利申请，但其并没有将上转换材料与长余辉材料结合起来，而是通过人工处理，因此费时费力。对于公安、消防等部门，在执行任务过程中往往需要花费大量时间、承担一定风险去确认人员身份。而采用基于上转换长余辉材料的指纹识别机器人可以大大减少人工劳动，一方面可以快速准确清晰地提取指纹确认人员身份，将指纹提取识别储存一体化；另一方面可以在高温、磁场等危险复杂环境下代替人工去进行指纹采集。

发明专利201210454769.1《表面功能化的上转换材料用于潜在指纹的显现》公开了一种利用表面功能化纳米上转换材料的醛基与潜在指纹中的氨基酸残基反应，通过化学偶联沉积在指纹纹线上，在980nm红外光照射下发出可见的有色荧光，从而清晰地显现出客体表面的潜在指纹。发明专利201410568050.X《一种基于上转换荧光材料的指纹显现方法及其应用》公开了利用熏显剂熏显后，将上转换荧光材料刷、涂或喷至白色熏显指纹上，使用近红外光照射显现指纹。发明专利201710016025.4公开了《一种上转换纳米粒子的制备及其用于显现潜血指纹的方法》，制备了NaYF4:Yb3+/Er3+/Gd3+纳米粒子，使其与潜血指纹成分中的血红蛋白特异性结合，在980nm波长条件下激发，得到绿色荧光指纹样本。发明专利201710146299.5公开了《一种基于长余辉纳米材料的指纹检测探针及其制备方法与在潜指纹检测中的应用》，制备了表面连接3-氨丙基三乙氧基硅烷后再连接丁二酸酐的Zn2GeO4:0.5％Mn长余辉纳米材料，再与指纹表面结合，用紫外灯照射一段时间。关闭紫外灯后得到持续发光的指纹样本。以上有关基于上转换或长余辉材料潜指纹显现方法的专利中，并没有对基于上转换长余辉材料的指纹识别机器人装置进行保护。

综上所述，近年来，虽然基于上转换或者长余辉材料的指纹显现方法取得了一定进展，应用范围也在不断扩大。但是基于上转换长余辉材料的指纹识别机器人装置的研究还没有被报道，也没有与其相关的专利公开。

发明内容

本发明的目的是克服现有的不足，提出了一种基于上转换长余辉材料的指纹识别机器人装置及控制方法，创新地实现了基于上转换长余辉材料的指纹识别机器人装置，从而将指纹提取识别储存一体化。

本发明的一种基于上转换长余辉材料的指纹识别机器人装置，该装置包括分别连接于主控制平台5的运动与控制模块1、溶液与气体喷涂模块2和红外发射模块3、视觉模块4；所述运动与控制模块1具体包括轮胎11和转向装置12；所述溶液与气体喷涂模块2具体包括喷雾装置21、喷气装置22、溶质23和溶剂24；其中喷雾装置将指定上转换长余辉材料溶液均匀覆盖于指纹表面，喷气装置喷涂气体去除指纹表面残余溶液，溶质与溶剂结合使指纹在红外光激发后发光；所述视觉模块4具体包括激光探测及测距系统41、高清摄像头42、图像采集装置43以及LED均匀光侦察灯44，其中所述激光探测及测距系统41用于结合python算法机器人在移动过程中进行地形的探测和障碍物的判断，所述高清摄像头42用于结合python算法环境识别、物体识别等视觉功能的实现，所述图像采集装置43用于记录指纹发光图像并从余晖发光图像中读取指纹信息；所述LED均匀光侦察灯44与所述高清摄像头42同步旋转，用于照射显现指纹便于摄像头的图像识别。

本发明的一种基于上转换长余辉材料的指纹识别机器人装置控制方法，该方法具体包括以下步骤：

步骤一、与主控制平台确认开始进行指纹扫描任务；

步骤二、使用视觉模块：打开LED均匀光侦察灯，利用高清摄像头与LED均匀光侦察灯同步旋转采集图像，通过高清摄像头拍摄的图像识别确认指纹位置，确认指纹位置的具体操作包括：通过图像识别判断目标图像是否为指纹图像：若否，则驱动机器人沿某一方向移动一段距离，再次旋转采集图像；若是，则驱动机器人向指定方向移动；

步骤三、使用运动与控制模块驱动机器人向指纹位置移动；

步骤四、接近达指纹位置时，使用溶液与气体喷涂模块向指纹位置喷涂上转换长余辉材料；

步骤五、使用溶液与气体喷涂模块喷涂空气去除残余材料；

步骤六、使用红外发射模块发射近红外光照射喷涂区域并持续3～5分钟；

步骤七、关闭红外发射模块后，使用视觉模块的图像采集装置记录所得指纹余晖图。

本发明所述的基于上转换长余辉材料的指纹识别机器人装置中所述红外发射模块。

本发明所述的基于上转换长余辉材料的指纹识别机器人装置中所述主控制平台(5)与机器人装置通过无线信号进行交互，可以向机器人装置下达指令并接受机器人装置的采集数据。

本发明提供的基于上转换长余辉材料的指纹识别机器人装置的控制方法，该方法具体包括如下步骤：

步骤一、与主控制平台确认开始进行指纹扫描任务；

步骤二、使用视觉模块，打开LED均匀光侦察灯，通过高清摄像头拍摄的图像识别确认指纹位置；

步骤三、使用运动与控制模块驱动机器人向指纹位置移动；

步骤四、使用运动与控制模块驱动机器人到达指纹位置附近，使用溶液与气体喷涂模块向指纹位置喷涂上转换长余辉材料；

步骤五、使用溶液与气体喷涂模块喷涂空气去除残余材料；

步骤六、使用红外发射模块发射近红外光照射喷涂区域并持续3～5分钟；

步骤七、关闭红外发射模块后使用视觉模块的图像采集装置记录所得指纹余晖图。

进一步，在基于上转换长余辉材料的指纹识别机器人装置的控制方法中，步骤二中寻找指纹位置，具体包括以下步骤：

步骤一、使用视觉模块，打开LED均匀光勘察灯，利用高清摄像头与LED均匀光勘察灯同步旋转采集图像；

步骤二、通过图像识别使得机器人装置能够判断目标图像是否为指纹图像。若否，则驱动机器人沿某一方向移动一段距离，再次旋转采集图像；若是，则驱动机器人向指定方向移动。

与现有技术相比，本发明的基于上转换长余辉材料的指纹识别机器人装置具有如下有益效果：

1、使用上转换长余辉材料进行指纹识别，具有可避免生物组分自发荧光和散射光干扰、灵敏度高、信噪比高、稳定性强的优点；

2、此外，本发明可以代替人在高温、磁场、辐射、有毒等危险复杂环境下进行指纹采集，具有操作科学、可替代人工、可实现主动探测的特点。

附图说明

图1是本发明的基于上转换长余辉材料的指纹识别机器人装置实施例结构图；

图2是本发明的基于上转换长余辉材料的指纹识别机器人装置实施例模块图；

图3是溶液喷涂模块2的细部结构放大图；

图4是上转换长余辉材料Zn₃Ga₂GeO_8:Er³⁺、Yb³⁺、Cr³⁺的X射线衍射图谱；

图5是本发明的基于上转换长余辉材料的指纹识别机器人系统的控制流程图；

附图标记：

1、运动与控制模块，2、溶液喷涂模块，3、红外与紫外发射模块，11、轮胎，12、转向装置，41、激光探测及测距系统；42、高清摄像头；43、图像采集装置；44、LED均匀光侦察灯，5、主控制平台，6、机械臂。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明技术方案进行详细描述。

如图1、图2所示，是本发明的基于上转换长余辉装置的指纹识别机器人装置实施例。该机器人装置包括运动与控制模块1、溶液与气体喷涂模块2和红外发射模块3、视觉模块4、主控制平台5和机械臂6。其中，运动与控制模块1具体包括轮胎11和转向装置12。溶液与气体喷涂模块2和红外发射模块3设置于机械臂6上，并且通过所述机械臂6与所述主控制平台5连接。如图3所示，是溶液喷涂模块2的细部结构放大图。溶液与气体喷涂模块2具体包括喷雾装置21、喷气装置22、溶质23和溶剂24。所采用的溶质23为上转换长余辉材料Zn₃Ga₂GeO₈:E^r3+、Yb³⁺、Cr³⁺，溶剂24选用易与指纹油脂结合的物质，本装置选取了茚三酮溶液。如图4所示，是上转换长余辉材料Zn₃Ga₂GeO_8:Er³⁺、Yb³⁺、Cr³⁺的X射线衍射图谱。红外发射模块3用于向喷涂位置发射功率可调的近红外光，近红外光选用波长范围为900～1100nm波段。视觉模块4具体包括激光探测及测距系统41、高清摄像头42、图像采集装置43以及LED均匀光侦察灯44。其中激光探测及测距系统41使用激光雷达实现地图的障碍扫描；高清摄像头42选用一台可360°旋转摄像头，当异常物体出现或移动至视野边缘时摄像头旋转；获取图像后在视觉结果处理上使用深度学习SIFT方法处理高清摄像头得到的图像，可通过程序训练的方式实现对指纹的视觉识别与追踪；图像采集装置43获取图像后结合对特定单色光的识别从余晖发光图片中读取指纹信息；LED均匀光侦察灯44可与摄像头同步旋转，用于显现指纹位置。主控制平台5由控制板和上位机共同运行，具体包括树莓派及ROS系统等。

如图5所示，是本发明的基于上转换长余辉材料的指纹识别机器人装置实施例的控制方法，具体包括以下步骤：

步骤S100、上位机发送无线信号给指纹识别机器人装置，该装置进入工作模式；

步骤S200、打开LED均匀光侦察灯；

步骤S300、利用高清摄像头与LED均匀光侦察灯同步旋转采集图像；包括以下步骤：顺时针同步旋转LED灯与摄像头15°，拍摄所在角度内的图像，重复以上步骤直到LED灯与摄像头旋转一周(360°)；

步骤S400、利用图像识别技术，判断所摄像头采集图像是否为指纹图像；

若发现指纹，则关闭LED均匀光侦察灯，在余晖发光时间内(2秒内)用图像采集装置记录所得指纹图，驱动机器人向指纹位置移动(即向指定方向移动，到达指纹附近)，步骤S500；判断是否到达指定位置包括以下步骤：通过激光雷达测距，判断以激光雷达为原点到指纹图像的距离是否满足小于0.3m的条件。若满足，则判定到达指纹图像附近；若不满足，则判定未到达指纹图像附近；

步骤S600、到达指纹位置附近后，向指纹位置喷涂上转换长余辉材料；向指纹位置喷涂长余辉材料包括以下步骤：激光雷达建立所在区域的二维地图，在此基础上建立三维空间坐标系；再次采集图像，通过数学模型确定目标指纹图像在以溶液喷涂模块为原点的坐标轴中的坐标；将机械臂调整至对应坐标同方向，距离目标坐标0.05～0.1m距离处喷涂长余辉材料；

步骤S700、再喷涂空气去除残余材料；

步骤S800、用近红外光照射喷涂区域并持续3～5分钟；具体步骤为：打开红外发射模块，近红外光照射喷涂区域3～5min；

步骤S900、关闭近红外光；

步骤S1000、用图像采集装置记录所得指纹图；

步骤S1100、上传数据，退出工作模式；

步骤S1200、若未发现指纹，则沿“Z”字形移动机器人，具体步骤为：沿“Z”字形移动机器人，其中“Z”字横向移动距离为1m，斜边与横边成角度60°；若移动过程中完成所述指纹图像方向确认，则停止“Z”字形移动机器人；若移动过程中未完成所述指纹图像方向确认，则继续沿“Z”字形移动，且其中“Z”字横边移动距离增加0.5m，斜边与横边成角度保持不变，以此循环。

应当理解，本发明的保护范围包括但不限于以上描述，任何对本发明实施例及其等同技术做出的本领域技术人员容易想到的替换、变形、改进均应落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于上转换长余辉材料的指纹识别机器人装置，其特征在于，该装置包括分别连接于主控制平台(5)的运动与控制模块(1)、溶液与气体喷涂模块(2)、红外发射模块(3)和视觉模块(4)；所述运动与控制模块(1)具体包括轮胎(11)和转向装置(12)；所述溶液与气体喷涂模块(2)具体包括喷雾装置(21)、喷气装置(22)、溶质(23)和溶剂(24)；其中喷雾装置将指定上转换长余辉材料溶液均匀覆盖于指纹表面，喷气装置喷涂气体去除指纹表面残余溶液，溶质与溶剂结合使指纹在红外光激发后发光；所述红外发射模块(3)用于向喷涂位置发射功率可调的近红外光；所述视觉模块(4)具体包括激光探测及测距系统(41)、高清摄像头(42)、图像采集装置(43)以及LED均匀光侦察灯(44)，其中所述激光探测及测距系统(41)用于结合python算法机器人在移动过程中进行地形的探测和障碍物的判断，所述高清摄像头(42)用于结合python算法环境识别、物体识别等视觉功能的实现，所述图像采集装置(43)用于记录指纹发光图像并从余晖发光图像中读取指纹信息；所述LED均匀光侦察灯(44)与所述高清摄像头(42)同步旋转，用于照射显现指纹便于摄像头的图像识别。

2.如权利要求1所述的一种基于上转换长余辉材料的指纹识别机器人装置，其特征在于，所述上转换长余辉材料至少从Zn₃Ga₂GeO₈:E^r3+、Yb³⁺或Cr³⁺三种材料中选择其一使用。

3.如权利要求1所述的一种基于上转换长余辉材料的指纹识别机器人装置，其特征在于，所述溶液与气体喷涂模块(2)和红外发射模块(3)设置于机械臂(6)上，并且通过所述机械臂(6)与所述主控制平台(5)连接。

4.如权利要求1所述的一种基于上转换长余辉材料的指纹识别机器人装置，其特征在于，所述红外发射模块(3)的近红外光选用波长范围为900～1100nm波段。

5.一种基于上转换长余辉材料的指纹识别机器人装置控制方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

步骤一、与主控制平台确认开始进行指纹扫描任务；

步骤二、使用视觉模块：打开LED均匀光侦察灯，利用高清摄像头与LED均匀光侦察灯同步旋转采集图像，通过高清摄像头拍摄的图像识别确认指纹位置，确认指纹位置的具体操作包括：通过图像识别判断目标图像是否为指纹图像：若否，则驱动机器人沿某一方向移动一段距离，再次旋转采集图像；若是，则驱动机器人向指定方向移动；

步骤三、使用运动与控制模块驱动机器人向指纹位置移动；

步骤四、接近达指纹位置时，使用溶液与气体喷涂模块向指纹位置喷涂上转换长余辉材料；

步骤五、使用溶液与气体喷涂模块喷涂空气去除残余材料；

步骤六、使用红外发射模块发射近红外光照射喷涂区域并持续3～5分钟；

步骤七、关闭红外发射模块后，使用视觉模块的图像采集装置记录所得指纹余晖图。

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