無人液體配比實驗室

張海國，崔志亮，楊豪，曹蘇群

（淮陰工學(xué)院，江蘇 淮安 223000）

0 引言

目前在化工行業(yè)中，采用化學(xué)液體配比來得到需要的液體濃度，或者人為觀察調(diào)配時的反應(yīng)情況是最為普遍的實驗現(xiàn)象，尤其在化學(xué)實驗室。可是，很多化學(xué)試劑對人體具有不可逆轉(zhuǎn)性的危害：例如硫酸的強烈刺激及腐蝕性作用；丙酮的易揮發(fā)性并且對人體中樞神經(jīng)系統(tǒng)起到抑制麻醉作用[1]；氯苯酚對眼睛、黏膜、呼吸道及皮膚有強烈刺激作用，吸入后可能發(fā)生喉、支氣管的炎癥、水腫、痙攣，以及化學(xué)性肺炎等[2]。對于人體近距離調(diào)配化學(xué)液體，稍有不慎很有可能會對人體造成不可逆的損害，造成非常嚴(yán)重的事故，實驗風(fēng)險性大。因此，設(shè)計一種無人液體配比實驗室顯得非常必要，無人液體配比實驗室的設(shè)計致力于解放實驗人員的雙手，實現(xiàn)實驗員在試劑配比過程中與化學(xué)試劑達到“零”接觸的效果，提高化工液體配比工作的安全性，保障實驗人員的健康安全。

該方案設(shè)計了一種無人液體配比實驗室，將計算機視覺與化工實驗室結(jié)合，主要采用雙目視覺定位技術(shù)，完成對化學(xué)實驗室中器材的識別與定位，配合機械臂等現(xiàn)代智能化手段取代傳統(tǒng)的手工配比方式，以達到實現(xiàn)化學(xué)試劑無人化配比的目的。

1 需求分析

1.1 硬件需求

本方案設(shè)計的一種無人液體配比實驗室，實驗臺上應(yīng)包括傳統(tǒng)化學(xué)配比實驗室所需的實驗設(shè)備，如燒杯、量筒等。除此之外，還應(yīng)包括無人液體配比實驗室所需的其他設(shè)備，如攝像裝置、機械臂、運行車等。這些設(shè)備將代替實驗員進行具體的處理操作，完成試劑的配比工作。

1.2 功能需求

為實現(xiàn)無人液體配比實驗室的功能，本技術(shù)方案采用計算機視覺與化工實驗室結(jié)合設(shè)計方式。利用攝像裝置代替實驗人員的眼睛，對實驗室中的實驗器械及實驗環(huán)境進行監(jiān)控，采集獲得實驗室數(shù)據(jù)。機械臂代替實驗人員的雙手，抓取實驗室中各種實驗器材，完成化學(xué)試劑的配比工作。上位機相當(dāng)于實驗人員的大腦，用于處理各類數(shù)據(jù)信息，并完成各種信號的傳遞，達到無人化配比的目的。

2 實驗室環(huán)境搭建

該方案設(shè)計的一種無人液體配比實驗室的完整硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)包括實驗臺、操作臺、器皿架、各種器皿、攝像裝置、滑軌、運行車、中控機、機械臂。其整體組成結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 整體結(jié)構(gòu)組成示意圖

為獲得實驗所需的圖像數(shù)據(jù)，本方案共采用8個雙目裝置。8個雙目裝置均勻地分布在兩排器皿架的正上方，分別通過支架固定在操作臺的頂部。攝像裝置的攝像范圍為器皿架、操作臺和實驗臺的臺面。雙目裝置包括雙目攝像頭和安裝在雙目攝像頭邊上的補光燈，補光燈為雙目攝像頭提供了亮度支持，有利于提高機械臂定位的準(zhǔn)確度。

為了保障運行車能夠更加方便地實現(xiàn)全方位移動的功能，本技術(shù)方案中采用麥克納姆輪作為移動滾輪。麥克納姆輪可以保證在不改變機輪自身方向的前提下自由移動，同時在它的輪緣上斜向分布著許多小滾子，故輪子可以橫向滑移。麥克納姆輪結(jié)構(gòu)緊湊、運動靈活，是很成功的一種全方位輪[3]。由此組裝而成的運行車可以更靈活方便。

3 核心技術(shù)

3.1 坐標(biāo)系的建立與轉(zhuǎn)換

視覺定位系統(tǒng)的最終目的是為了從二維圖像中獲取現(xiàn)實世界中物體的三維坐標(biāo)信息，也就是說，從圖像像素之間的相關(guān)關(guān)系轉(zhuǎn)換到物理世界之間的相關(guān)關(guān)系[4]。在進行攝像機標(biāo)定的過程中涉及了像素坐標(biāo)系、相平面坐標(biāo)系、相機坐標(biāo)系、世界坐標(biāo)系的相互轉(zhuǎn)換[5]。相機投影過程的坐標(biāo)系建立如圖2所示。

圖2 相機投影過程的坐標(biāo)系建立圖

像素坐標(biāo)系由橫坐標(biāo)u，縱坐標(biāo)v軸組建而成，其基本單位是像素點。相平面坐標(biāo)系由x、y軸組建而成，其基本單位為mm。相機坐標(biāo)系由Xc、Yc、Zc組建而成，相機模型光心作為原點，Z軸與成像平面是垂直關(guān)系，其基本單位是m。世界坐標(biāo)系由Xw、Yw、Zw表示，描述攝像機的位置，根據(jù)情況可以表示任何物體，其基本單位是m。

其任意一點在像素坐標(biāo)系、相平面坐標(biāo)系、相機坐標(biāo)系、世界坐標(biāo)下的轉(zhuǎn)換公式為

3.2 立體匹配

立體匹配的目標(biāo)是從不同視點圖像中找到匹配的對應(yīng)點。對雙目攝像頭采集到的圖像進行立體校準(zhǔn)，分析立體匹配的對極線、唯一性、順序一致性、視差范圍等約束條件，運用SGBM算法求取目標(biāo)物視差圖，恢復(fù)場景的深度信息。

半全局優(yōu)化算法SGBM算法具有4個基本步驟：圖像預(yù)處理操作、代價值的獲取、動態(tài)規(guī)劃算法、圖像后處理[5]。

3.3 手眼標(biāo)定

手眼系統(tǒng)是工業(yè)機器人視覺應(yīng)用最廣泛的形式，在本方案設(shè)計的一種無人液體配比實驗室中手眼標(biāo)定是必不可少的關(guān)鍵技術(shù)。手眼標(biāo)定的目的是確定視覺坐標(biāo)系與機器人坐標(biāo)系的映射關(guān)系，從而獲取目標(biāo)在機器人坐標(biāo)系的位姿，進而實現(xiàn)視覺引導(dǎo)[6]。

按照機器人末端與視覺系統(tǒng)的安裝關(guān)系，手眼系統(tǒng)可歸結(jié)為兩大類：一種是視覺系統(tǒng)安裝在末端上，稱為眼在手上（Eye-in-Hand）模式；另一種視覺系統(tǒng)與末端分離，安裝在固定位置，不與末端隨動，稱為眼在手外（Eyeto-Hand）模式[7-8]。本方案設(shè)計的一種無人液體配比實驗室采用的Eye-to-Hand模式。在該模式下機器人末端和標(biāo)定板末端2次運動保持不變，需求解相機與器械手臂末端的關(guān)系，從而得到雙目攝像頭在機器人基坐標(biāo)系下的位姿信息[9-10]。

4 抓取系統(tǒng)

為實現(xiàn)無人液體配比實驗室的功能，本方案設(shè)計了一種基于雙目視覺定位的抓取系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由圖像獲取單元、中央控制單元及執(zhí)行單元3個部分組成。該系統(tǒng)所需的如燒杯、試管等化學(xué)儀器的圖像數(shù)據(jù)由雙目攝像裝置采集獲取；中央控制單元處理雙目攝像裝置獲取的圖像數(shù)據(jù)及向執(zhí)行單元發(fā)送執(zhí)行指令；執(zhí)行單元主要職能是驅(qū)動運行車的移動及操控機械臂完成化學(xué)試劑的配比工作。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖像獲取單元獲取的圖像數(shù)據(jù)上傳至中央控制單元進行數(shù)據(jù)處理，對目標(biāo)物進行定位。目標(biāo)物定位流程圖如圖4所示。

圖4 目標(biāo)物定位流程圖

以燒杯作為定位目標(biāo)為例，實驗中通過雙目相機采集左右圖像，對左圖像進行處理，右圖像加以輔助，實現(xiàn)目標(biāo)的定位。圖5為目標(biāo)物中心點圖。

圖5 目標(biāo)物中心點圖

之后中央控制單元向執(zhí)行單元下達執(zhí)行指令，操縱運行車和機械臂完成抓取工作。運行車的頂部安裝有用于抓取各種器皿的機械臂，機械臂包括固定在運行車頂部的底座，底座上固定連接有轉(zhuǎn)向銜接件，轉(zhuǎn)向銜接件上安裝有六自由度機械臂，六自由度機械臂的頂部安裝有抓取件，可對各種器皿進行抓取操作。執(zhí)行單元結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖6 執(zhí)行單元結(jié)構(gòu)圖

工作原理：在實驗室外的上位機上輸入需要調(diào)配的液體，通過實驗室中的WIFI將信號傳送到運行車的中控機上，同時雙目攝像頭開始工作，雙目攝像頭將采集到的視頻實時地傳送給上位機，上位機通過接收到的視頻進行視覺識別與定位；小車沿著導(dǎo)軌運動，并根據(jù)雙目攝像頭定位到的器皿實現(xiàn)機械臂的定位抓取，并將空置器皿放置在操作臺上，機械臂再根據(jù)順序抓取所需的調(diào)配液體器皿，對準(zhǔn)空置器皿移動一定的偏移角度實現(xiàn)定量配比，并將調(diào)配過的液體器皿放回原處。

5 結(jié)語

無人液體配比實驗室具有較強的使用價值，通過機械臂代替人手進行調(diào)配作業(yè)，可以減小在化學(xué)試劑配比過程當(dāng)中產(chǎn)生的有害氣體對實驗人員的損害，對實驗研究人員具有很好的保護作用。本技術(shù)方案采用的雙目視覺定位技術(shù)發(fā)展已經(jīng)相當(dāng)成熟，大大提高了機械臂抓取的準(zhǔn)確度，同時運行車采用的麥克納姆輪，增強了運行車的靈活性，大大提高了無人液體配比實驗室的可操作性。

為避免化工實驗室試劑調(diào)配過程中對研究人員的損害，本文設(shè)計了一種無人液體配比實驗室，采用雙目視覺定位技術(shù)方案，實現(xiàn)了化學(xué)器皿的抓取及試劑的配比，具有穩(wěn)定性較好、結(jié)構(gòu)簡單、易操作等特點。后續(xù)將進一步開展研究，以便滿足調(diào)配精細(xì)化要求。