玻璃量器自動檢定技術(shù)研究*

李維明，蔡永洪，韋志堅，趙書顯，張曉鳳

（廣州計量檢測技術(shù)研究院，廣州 510663）

0 引言

玻璃量器是測量液體體積的計量器具，材質(zhì)為透明玻璃，分為量入式（如容量瓶）和量出式（如吸量管）兩種。依據(jù)國家有關(guān)規(guī)定，新制造和使用中的玻璃量器需要定期檢定，檢定方法常使用衡量法，即使用被檢量器量取標稱容量的純水的質(zhì)量，再通過K(t)值換算成20℃下的容積值[1]。在實際操作中，純水注入玻璃量器的過程需要保持視線與液面平齊，當觀察到液面的彎月面與標線相切時，注水應(yīng)結(jié)束。對于人工操作，該過程對人眼視力和判斷力要求較高，容易引起疲勞和誤讀。因此，研究和發(fā)展玻璃量器自動檢定技術(shù)具有重要的應(yīng)用價值和意義。

通過文獻檢索，目前關(guān)于玻璃量器自動檢定技術(shù)的研究報道較少，僅有少數(shù)幾篇是關(guān)于檢定數(shù)據(jù)處理自動化的內(nèi)容[2-4]，卻再無涉及其他方面的研究。然而，隨著工業(yè)機器人技術(shù)和機器視覺技術(shù)在傳統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展，本文研究基于機器視覺技術(shù)與工業(yè)機器人的玻璃量器自動化檢定技術(shù)，為玻璃量器計量工作做出探索。鑒于滴定管結(jié)構(gòu)形式繁多，這里僅討論量大面廣的容量瓶、吸量管和量筒等常見的玻璃量器。

1 機器視覺檢測自動化

機器視覺技術(shù)是利用攝像頭代替人眼捕獲目標圖像，通過計算機圖像處理、特征識別及檢測分析，從而做出判斷和決策，為執(zhí)行機構(gòu)提供所需信息的一門技術(shù)。在檢測應(yīng)用方面，機器視覺技術(shù)因其信息化和自動化集成度高、現(xiàn)場作業(yè)能力強，能夠解決許多人所不能、人所不及的問題，故而越來越受到人們的關(guān)注，相關(guān)研究的報道較多[5-8]。

1.1 基于機器視覺的被檢量瓶識別與定位

國家標準GB/T 12804《實驗室玻璃儀器量筒》、GB/T 12806《實驗室玻璃儀器單標線容量瓶》、GB/T 12807《實驗室玻璃儀器分度吸量管》均對幾種玻璃量器的結(jié)構(gòu)和尺寸給出了規(guī)定，使玻璃量器的容量規(guī)格與其特征尺寸，如量筒的高度、容量瓶的瓶身外徑、吸量管的管外徑等，具有一一對應(yīng)的關(guān)系，因此這些尺寸可以用來識別被檢量器的規(guī)格。此外，上述玻璃量器都具有軸對稱的結(jié)構(gòu)特點，其俯視圖皆為圓形圖像。然而，攝像頭往往不在被檢量器的正上方，無法采集到嚴格的俯視圖像，而且玻璃量器一般較高或較長，獲得的圖像都是如圖1中所示瓶口與瓶身偏心的情況。盡管如此，容量瓶的瓶身不管是梨型還是錐型，其最大徑處通常都在底部，這使得容量瓶的瓶身圖像——最大圓基本接近俯視圖。當圖像坐標系與世界坐標系建立映射關(guān)系后，最大圓的直徑基本等于實際的瓶身外徑，而且圓心即代表容量瓶所在位置，實現(xiàn)對現(xiàn)實世界里的被檢量器的識別與定位。

圖1 容量瓶識別與定位開發(fā)案例

基于機器視覺的被檢量瓶識別與定位的流程如圖2所示，首先采集被檢量瓶圖像，截取圖像中的感興趣區(qū)域（ROI）并進行灰度調(diào)節(jié)（BCG），以增強有用信息和消除或減弱干擾信息；然后輸入校準點陣圖形，建立圖像坐標系與現(xiàn)實坐標系的映射關(guān)系；接著對圖像中的被檢量瓶進行邊界提取，獲得瓶身外圓特征；最后通過檢測特征得到被檢量器的規(guī)格尺寸和定位坐標。

圖2 玻璃量器識別與定位流程

1.2 基于機器視覺的容量標線平視算法

使用攝像頭代替人眼觀察并判斷液面是否達到與標線相切的位置，其關(guān)鍵是攝像頭應(yīng)“平視”標線，即攝像頭與標線在同一水平面之上。然而，不同規(guī)格的玻璃量器的標線所在位置是不同的，需要控制攝像頭從當前位置移動到平視位置，這就需要首先獲取平視位置。當攝像頭與標線不在一個水平面上時，“看”到的標線呈開口狀，越接近平視位置，開口就越小，直到閉合成一條水平線段。因此，可以使用標線成像開口的大小來判斷攝像頭距離平視位置的大小。本文提出了一種攝像頭自動尋找容量標線平視位置的算法[9]。該算法基于像平面容量標線開口大小與運動系攝像頭高度的幾何關(guān)系及變化規(guī)律建立了平視位置的預(yù)測模型，即：

式中：H0為預(yù)測的平視高度；H1和H2分別為攝像頭在位置1和2處的高度，mm；d1和d2分別為位置1和2對應(yīng)的圖像中標線開口的大小，單位為像素。

自動尋找平視位置的流程如圖3所示，首先攝像頭在高度為H1處采集圖像，分析圖像得到標線開口大小d1和標線幾何中心像素坐標y1，然后移動攝像頭至高度H2，同樣得到d2和y2。根據(jù)式（1），計算攝像頭平視位置的高度H0，作為新的目標高度Hi=H0（i=3、4…）。移動攝像頭至目標高度Hi，再次采集圖像，分析得到di。判斷di是否小于或等于閾值δ?！笆恰睘檫_到平視位置，程序退出?！胺瘛眲t繼續(xù)判斷di是否小于或等于di-1。當di≤di-1時，設(shè)定新的目標高度為Hi+1+Sgn(Hi-Hi-1)移動步長，即繼續(xù)沿Hi-1→Hi的方向增加一個步長。當di＞di-1時，設(shè)定新的目標高度為Hi+1-Sgn(Hi-Hi-1)移動步長，即反方向移動一個步長。這里Sgn(x)表示取x的符號。于是，攝像頭再次移動到新的目標高度，重新采集圖像進行分析和判斷，如此重復(fù)直到程序退出。實際開發(fā)案例如圖4所示。

圖3 自動平視標線算法流程

圖4 容量瓶機器視覺軟件前面板

1.3 基于機器視覺的注水過程控制

由于液面具有較強的鏡面反光效果，其成像灰度較大，這為攝像頭進行液面跟蹤提供了條件。當液面經(jīng)過標線時，標線灰度將發(fā)生由小到大、再由大到小的變化，這為判斷彎月面與標線相切的時機提供了依據(jù)。

圖5所示為一個基于機器視覺的注水過程流程。首先根據(jù)被檢量器的規(guī)格，將不大于該規(guī)格的一定體積的純水以較大流速泵送到玻璃量器內(nèi)。完成大流量注入后，再以較小流速繼續(xù)注水，同時機器視覺檢測系統(tǒng)實時檢測玻璃量器容量標線附近設(shè)定區(qū)域內(nèi)的灰度變化。當液面進入設(shè)定區(qū)域后，灰度將出現(xiàn)較大變化，這時再以滴注的方式向玻璃量器內(nèi)注水，同時機器視覺檢測系統(tǒng)實時檢測玻璃量器容量標線的灰度變化。當液面經(jīng)過標線時，標線灰度呈現(xiàn)由小變大再由大變小的趨勢，而當液面與標線相切時，標線灰度正處于從大變小的初始階段，具體灰度值應(yīng)通過實驗確定。當機器視覺檢測系統(tǒng)判定液面與標線相切時，注水結(jié)束。實際開發(fā)案例如圖6所示。

圖5 注水過程控制流程

圖6 注水過程控制案例

2 檢定操作自動化

2.1 工業(yè)機器人

工業(yè)機器人（也叫機械臂）的應(yīng)用為無人操作提供了解決方案，目前輕量化、高性能的六軸機械臂實現(xiàn)了將控制和驅(qū)動系統(tǒng)嵌入機械臂本體內(nèi)，非常適合桌面運行，并且開放通信協(xié)議滿足用戶發(fā)送指令控制機械臂運動。玻璃量器的檢定過程涉及多個區(qū)域（如待檢區(qū)、檢測區(qū)、倒水區(qū)、完檢區(qū)）的操作，應(yīng)用工業(yè)機器人能夠完成這一系列位置之間的無人搬運，若搭載機器視覺模塊，可進一步實現(xiàn)自動定位和智能操作。

2.2 電控夾具

機械臂的末端需要安裝夾具以抓取玻璃量器。對于量入式的玻璃量器，如1 mL和5 000 mL的容量瓶，不同規(guī)格的大小和重量（注滿時）差別巨大。使用剛性爪易夾碎，使用柔性爪易脫落，使用吸盤吸附缺少條件（雖然量瓶底部適合吸附，但大小差別太大且容易滑落）。針對玻璃量器的結(jié)構(gòu)特點和使用情況，本文采用套有膠套的彈性夾條夾取容量瓶，能適應(yīng)不同大小的容量瓶而不夾碎玻璃，以及利用膠套強大的摩擦力避免容量瓶滑落，同時夾條呈傾斜安裝使容量瓶在重力作用下具有自緊功能[10]。對于量出式的吸量管，管體細長，操作復(fù)雜，需要特殊的夾具才能實現(xiàn)無人操作。本文提出了一種內(nèi)外圓管套裝結(jié)構(gòu)的吸量管夾取方法和設(shè)計[11]。該夾具使用高延展性、高彈性、高韌性的橡膠質(zhì)皮管，通過上管口與下管口反向旋擰的辦法，實現(xiàn)插入其中的細長物體的夾??；通過兩組橡膠質(zhì)皮管上下排列、反向旋擰的辦法，抵消兩個膠管包覆被夾對象時產(chǎn)生的不平衡作用力；當套管夾具中的內(nèi)管與氣壓管道連通時，可完成吸量管吸取液體和釋放液體的操作，易于實現(xiàn)移液操作的自動控制。

圖7所示為安裝了電控夾具的機械臂，圖8所示為一種套管結(jié)構(gòu)的吸量管夾具。

圖7 安裝容量瓶電控爪的機械臂

圖8 吸量管電控爪

2.3 自動注水系統(tǒng)

由于衡量法對檢定介質(zhì)有著嚴格的要求，注水過程不宜改變純水的溫度，更不能污染水質(zhì)，而且注水過程應(yīng)該速度可控，能夠?qū)崿F(xiàn)滴注，為此使用步進電機控制的注射器進行注水，能較好地保持水溫水質(zhì)及控制水流。如圖9所示，自動注水裝置由2個注射器同時使用，分別交替做抽水和注水運動，使用電磁閥控制管路的通斷可實現(xiàn)不間斷出水與不同出水管的選擇。

圖9 自動注水裝置開發(fā)案例

3 實驗研究

實驗使用基于上述技術(shù)方案研制的容量瓶機器視覺自動檢測裝置[12]，如圖10所示。該裝置主要由機器視覺搬運系統(tǒng)、機器視覺檢測系統(tǒng)、自動注水系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等部分組成。實驗選用某品牌標稱容量分別為200 mL、500 mL、1 000 mL的A級容量瓶進行測試，每個容量瓶重復(fù)測量5次，并計算測量誤差與測量結(jié)果重復(fù)性，數(shù)據(jù)處理如表1所示。通過測試得到，200 mL容量瓶的測量重復(fù)性為0.018 mL，500 mL容量瓶的測量重復(fù)性為0.011 mL，1 000 mL容量瓶的測量重復(fù)性為0.016 mL。由此可知，該裝置測量重復(fù)性優(yōu)于0.02 mL。

圖10 容量瓶機器視覺自動檢測裝置

表1 3種規(guī)格容量瓶重復(fù)性測量數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

綜上所述，用工業(yè)鏡頭代替人眼判讀，用機械臂和彈性電控爪代替人手操作，通過運用機器視覺檢測技術(shù)和工業(yè)機器人技術(shù)可以實現(xiàn)玻璃量器檢定操作的全程自動化。本文提出的玻璃量器機器視覺檢定技術(shù)的目標識別定位、標線形態(tài)檢測、注水過程控制的計算機程序框圖，鏡頭平視與液面相切的算法，以及玻璃量器自動檢定裝置的執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計方案，這些通過容量瓶校準實驗得到了驗證，測量數(shù)據(jù)表明了所述技術(shù)的可行性和系統(tǒng)設(shè)計的準確性。然而也應(yīng)看到，文中機器視覺檢測場景是特定的，相對簡單，體型也較大，由此限制了其應(yīng)用范圍；另外，不同規(guī)格的被檢量器的形狀大小差異巨大，而且環(huán)繞瓶頸的容量標線固有較大的景深，這些都是有待進一步解決的技術(shù)問題。隨著人工智能的發(fā)展，基于深度學(xué)習(xí)的機器視覺自動檢定技術(shù)是玻璃量器檢定技術(shù)的發(fā)展方向。