CN201182627Y

CN201182627Y - 腹腔镜取石钳自动检测系统

Info

Publication number: CN201182627Y
Application number: CNU2008200563567U
Authority: CN
Inventors: 尹勋超; 王殊轶; 葛斌; 谢海明; 杨维初
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2008-03-19
Filing date: 2008-03-19
Publication date: 2009-01-21
Anticipated expiration: 2018-03-19

Abstract

本实用新型涉及一种腹腔镜取石钳自动检测系统，包括计算机、摄像机、光源灯，取石钳定位装置由底座，夹具座，夹具，镜头架，导轨，升降机构组成，底座上面连接燕尾立柱导轨，燕尾导轨通过其燕尾槽连接升降机构，升降机构上面设有镜头架，底座与导轨的衔接处连接夹具座，夹具座通过其燕尾槽连接夹具，夹具下面底座上放置平行光板，平行光板下面置有光源，固定在镜头架上的摄像机镜头中心、夹具中心、夹具内的被测工件中心在同一垂直线上。该系统是一套快速、准确的检测系统，可以解决取石钳检测问题，提高产品合格率和安全性，避免人为的误判，提高检测效率，保证产品的质量。因此，具有准确度高、速度快、结构设计简洁的优点，适合推广使用。

Description

腹腔镜取石钳自动检测系统

技术领域

本实用新型涉及一种腹腔镜取石钳自动检测系统，尤其是一种腹腔镜取石钳在线自动检测系统。

背景技术

取石钳是腹腔镜成套手术器械中的一种手术器械，腹腔取石手术中，在腹腔镜直视下，将取石钳伸入腹腔内抓取结石，并将结石取出。若取石钳装配孔位置偏移或取石钳的对称度不准可能造成取石钳上下钳闭合面间隙，则在取石手术时可能发生结石从间隙滑脱，造成取石不净，直接决定了手术的成败。所以在出厂前，对取石钳装配孔的位置及取石钳对称度的检测显得尤为重要。

目前国内的取石钳生产企业并没有行之有效的检测手段，部分企业是用眼睛来检测取石钳的质量，既费精力又费时间，且不能保证检测效果，在检测人员疲劳或精力不集中的情况下容易形成误判。

发明内容

本实用新型是要提供一种腹腔镜取石钳自动检测系统，该系统能够有效地检测取石钳上钳头装配孔位置及取石钳对称度，以此快速准确的检测产品是否符合设计要求，并且具有高精度、速度快、无接触的特点。

本实用新型的技术方案是这样实现的：一种腹腔镜取石钳自动检测系统，包括计算机，光源灯，取石钳定位装置，由CMOS图像传感器和CMOS摄像头组成的摄像机，其特点是：取石钳定位装置由底座，夹具座，夹具，镜头架，燕尾立柱导轨，升降机构组成，其中底座上面固定连接燕尾立柱导轨，燕尾立柱导轨通过其燕尾槽连接升降机构，升降机构上面设有镜头架，底座与导轨的衔接处连接固定夹具座，夹具座通过其燕尾槽固定连接夹具，夹具下面，底座上放置平行光板，平行光板下面置有光源；固定在镜头架上的摄像机镜头中心、夹具中心、夹具内的被测工件中心置于同一垂直线上；摄像机与计算机通过USB2.0通用串行总线接口连接。

计算机操作系统为WindowsXP+SP2，所用软件为基于Visual C++6.0的检测系统软件。

CMOS图像传感器的最高分辨率为2048*1536，像素尺寸为3.2μm*3.2μm，光学尺寸为1/2inch，信噪比＞42dB，动态范围＞60dB，敏感度在550nm的光源下为1V/lux-sec。

CMOS摄像头的光学镜头的焦距为55mm，图像最大尺寸8.8mm*6.6mm，光圈F2.8-F32C，焦点0.14m-Inf，工作距离140mm-Inf，光学放大率0.5x。光源灯为LED高亮度背光灯。

计算机数据输出口接显示器或打印机。

本实用新型的有益效果是：该系统能够有效地检测取石钳的外轮廓对称度与内轮廓对称度的相差量，装配孔两孔心距离，两孔心连线与上下钳闭合面垂线的夹角，孔心到闭合面的距离等量值，以此快速准确的检测产品是否符合设计要求，并且具有高精度、速度快、无接触的特点。因此，该系统是一套快速、准确的检测系统，可以解决取石钳检测问题，提高产品合格率和安全性，避免人为的误判，提高检测效率，保证产品的质量。具有准确度高、速度快、结构设计简洁的优点，适合推广使用。

附图说明

图1是系统的方案结构示意图；

图2是系统的取石钳定位装置结构立体总装示意图；

图3是系统的工作流程图；

图4是图像轮廓处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步的描述。

如图1所示，腹腔镜取石钳自动检测系统，包括计算机1，摄像机2、光源灯5、取石钳定位装置3。摄像机2由CMOS图像传感器和CMOS摄像头组成。

如图2所示，取石钳定位装置3包括底座11，夹具座9，夹具10，镜头架9，导轨6，升降机构7，底座11上面设有燕尾立柱导轨6，与燕尾导轨6的燕尾连接固定有升降机构7，升降机构7上面设有镜头架8，底座11与导轨6的衔接处连接固定有夹具座9，夹具座9的燕尾槽连接固定夹具10，夹具10下面底座上放置平行光板4，平行光板4下面置有光源灯5，固定在镜头架8上的摄像机2镜头中心、夹具10中心、夹具10内的被测工件中心在同一垂直线上。夹具10，摄像机2与计算机1通过USB2.0通用串行总线接口连接；计算机1操作系统为WindowsXP+SP2，所用软件为基于Visual C++6.O自行开发的检测系统软件。

本系统采用CMOS(互补金属氧化物半导体，ComplementaryMetal-Oxide Semiconductor)感光器件构成的摄像机2采集图像，自行设计了统一、简洁的光路和配合各类型的被测物的机械装置，运用多种数字图像处理方法和特征识别技术，实现了取石钳自动检测。

1.CMOS图像传感器与周边电路的整合性高，体积较小，电源消耗量较低，传输速度可以较快。采用的高分辨率数字摄像机2已经完成了ADC、采集卡、控制芯片及电路的整合，体积小，重量轻，携带方便，并且和计算机1的接口采用USB2.O通用串行总线接口，传输速度高达480Mb/s，适合高速、实时的设计要求。

为了让检测达到高精度，应尽量提高所摄取图像的分辨率，并且避免图像边缘畸变，这些要求决定了光学器件的参数。

表1所选光学元件的主要参数

2.专业的LED红光背面照明光源，辅助以平行光板，使光线漫反射，形成平行光，均匀光线，降低光强，增加对比度。因为取石钳为金属实体，光线从底部照射取石钳可使摄像机获取具有清晰分明边缘的图像。

3.系统机械装置的设计目的主要为摄像头和被测元件提供一个稳定良好的工作环境，以便准确定位和图像的采集。如图2所示，以平行光板4的中心为工作中心，保证镜头中心、夹具10中心、被测工件中心在同一垂直线上，工作平面选择所有工件中最高被测点，即距工作中心的垂直距离0.50mm。利用升降机构7实现了工作距离的调节。

4.整个系统的工作流程(图3)如下：初始化设备(内存清零、摄像头内部参数还原为原始状态等)；采集图像至内存(实时和单帧采集、停止、读取、存储)；系统标定(标定图像中每像素代表的实际宽度)；图像处理(使用腐蚀和膨胀等运算)；特征识别；测距、角度及对称度；判别产品优劣。

系统软件的运行环境是：512MB内存、120GB硬盘的P43.0G戴尔计算机，操作系统为WindowsXP+SP2中文版，采用Visual C++6.0编制软件。该系统软件能够设置和实时调节摄像头的多个参数(分辨率、图像窗口、曝光、增益、白平衡、Gamma校正等)，使图像采集质量达到最佳，从获得的数字图像中提取特征；该系统软件亦能使用公制量块进行系统标定，实现准确测距，测距误差不超过±0.01mm；从而实现高正确率、高精度的检测，功能完善、运行可靠、界面友好、使用方便。

5.系统关键技术-数字图像处理技术

本系统从计算机视觉的角度提出了一种基于图像处理技术的取石钳自动检测的方法。具体的算法流程如下：

(1)将图像进行开运算，即先腐蚀再膨胀，以消除大部分噪声点；

(2)使用公制量块进行系统标定，得出每像素代表的实际宽度；

(3)图像的边缘检测和轮廓处理是软件系统的核心，采用最有效的亚像素边缘检测方法，将量块及取石钳的边缘提取出来，并进行轮廓处理，找到所需的线、圆轮廓。

①亚像素边缘检测方法

所用方法先经过传统模板算子确定边缘的大致位置，然后用曲线拟合方法求出边缘的精确位置，经过粗、精两次定位，在不牺牲速度的情况下，就可获得亚像素级的定位精度。

1)粗定位

利用Sobel算子边缘定位速度快的特点，进行边缘点的粗定位。

Sobel算子的形式为R(i，j)＝max{|Δx|，|Δy|}

式中Δx，Δy用模板表示为

Δx = (\begin{matrix} - 1 & 0 & 1 \\ - 2 & 0 & 2 \\ - 1 & 0 & 1 \end{matrix}),

Δy = (\begin{matrix} - 1 & - 2 & - 1 \\ 0 & 0 & 0 \\ 1 & 2 & 1 \end{matrix})

2)精定位

在使用Sobel算子之后得到的是包含边缘点的向量，将向量进行差分处理，再带入下面公式进行计算就可以得到亚像素精度的边缘点。

x_{g} = - \frac{- 0.2 \ln f_{- 2} - 0.1 \ln f_{- 1} + 0.1 \ln f_{1} + 0.2 \ln f_{2}}{2 (0.1429 \ln f_{- 2} - 0.0714 {\ln f}_{- 1} - 0.1429 {\ln f}_{0} - 0.0714 \ln f_{1} + 0.1429 \ln f_{2})}

其中f₀为令差分值最大的点的值，f_-2、f_-1、f₁、f₂分别为f₀左右相邻的4个点的值。

②图像轮廓处理

经亚像素边缘检测出的图像边缘多呈现断开的小轮廓而不是连续的线段或圆弧，这时需采用轮廓处理技术(图4所示)来得到所需的轮廓。

根据实际工作环境，图像分辨率为2048*1536，正常采集速度，选取最佳的曝光条件和增益系数，白平衡调节采用试验的经验数值的条件下，对取石钳进行在线检测，准确率达90％，平均时间7658ms，效果良好。

该系统能够有效地检测取石钳上钳头装配孔的位置偏移及取石钳中心对称度，以此快速准确的检测产品是否符合设计要求。该方法提高生产实践效率，发展了数字图像处理技术的应用领域，具有准确度高、速度快、结构设计简洁的优点，适合推广使用。

Claims

1.一种腹腔镜取石钳自动检测系统，包括计算机(1)，由CMOS图像传感器和CMOS摄像头组成的摄像机(2)、光源灯(5)、取石钳定位装置(3)，其特征在于，所述取石钳定位装置(3)由底座(11)，夹具座(9)，夹具(10)，镜头架(8)，燕尾立柱导轨(6)，升降机构(7)组成，其中底座(11)上面固定连接燕尾立柱导轨(6)，燕尾导轨(6)通过其燕尾槽连接升降机构(7)，升降机构(7)上面设有镜头架(8)，底座(11)与导轨(6)的衔接处连接固定夹具座(9)，夹具座(9)通过其燕尾槽固定连接夹具(10)，夹具(10)下面，底座(11)上放置平行光板(4)，平行光板(4)下面置有光源灯(5)；固定在镜头架(8)上的摄像机(2)镜头中心、夹具(10)中心、夹具内的被测工件中心置于同一垂直线上；所述摄像机(2)与计算机(1)通过USB2.0通用串行总线接口连接。

2.根据权利要求1所述的腹腔镜取石钳自动检测系统，其特征在于，所述计算机(1)操作系统为WindowsXP+SP2，所用软件为基于VisualC++6.0的检测系统软件。

3.根据权利要求1所述的腹腔镜取石钳自动检测系统，其特征在于，所述CMOS图像传感器的最高分辨率为048*1536，像素尺寸为3.2μm*3.2μm，光学尺寸为1/2inch，信噪比＞42dB，动态范围＞60dB，敏感度在550nm的光源下为1V/lux-sec。

4.据权利要求1所述的腹腔镜取石钳自动检测系统，其特征在于，所述CMOS摄像头的光学镜头的焦距为55mm，图像最大尺寸8.8mm*6.6mm，光圈F2.8-F32C，焦点0.14m-Inf，工作距离140mm-Inf，光学放大率0.5x。

5根据权利要求1所述的腹腔镜取石钳自动检测系统，其特征在于，所述光源灯(5)为LED高亮度背面光源。

6.根据权利要求1所述的腹腔镜取石钳自动检测系统，其特征在于，所述计算机(1)数据输出口接显示器或打印机。