張文博 鄭溟天 李杰

摘要：本文主要研究了一種用于水質(zhì)化驗的視覺SCARA機(jī)器人，并闡述了整個化驗機(jī)器人的結(jié)構(gòu)及手眼標(biāo)定，視覺識別的模型構(gòu)建與實驗。在進(jìn)一步完善以后，使智能化驗機(jī)器人可以在水質(zhì)檢測工作中發(fā)揮重要作用。

關(guān)鍵詞：電動抓手 手眼標(biāo)定 邊緣檢測

1 引言

隨著我國的發(fā)展，污水處理行業(yè)已然作為國家新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)之一——節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)中的重要內(nèi)容受到廣泛關(guān)注，國家“十三五”規(guī)劃也對城鎮(zhèn)污水處理提出更高要求，并明確要求縣級鎮(zhèn)、尤其是重點(diǎn)鎮(zhèn)必須建立污水處理廠。在智慧水務(wù)和無人管控概念的提出后，污水處理廠也開始走向無人化運(yùn)營體系。由此，本作品旨在設(shè)計一種應(yīng)用于污水處理廠，包括完全取代人工，完成對每日水指標(biāo)化驗分析的機(jī)器人。

2 研究內(nèi)容

針對污水處理工藝流程、水質(zhì)化驗工作流程、化驗工作人員投入等方面調(diào)研。發(fā)現(xiàn)現(xiàn)在急需研發(fā)一套不需人員操作，能夠?qū)崿F(xiàn)自主化驗的智能系統(tǒng)，取代人工化驗，提升化驗精度，實現(xiàn)精細(xì)化管理的同時減少人員投入成本。

（1）實現(xiàn)進(jìn)、出水口24小時混合樣的檢測;

（2）能夠?qū)崿F(xiàn)總磷、總氮、氨氮、COD水質(zhì)指標(biāo)的檢測;

（3）進(jìn)、出水口總磷、總氮、氨氮、COD每日檢測一次;

（4）檢測數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r備份及上傳信息中心;

（5）具有自動上樣、消解、測定、移出功能;

3 設(shè)計方案

根據(jù)美國水質(zhì)監(jiān)測檢測系統(tǒng)DR6000設(shè)計方案，結(jié)合我國國家水質(zhì)監(jiān)測相關(guān)條例設(shè)計化驗機(jī)器人。整體機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖一：

機(jī)器人系統(tǒng)需求主要有：三坐標(biāo)機(jī)械手運(yùn)動定位;藥劑試管定位;滴定試劑的量;翻轉(zhuǎn)蓋子的控制;監(jiān)測數(shù)據(jù)的保存通信設(shè)備的穩(wěn)定性擰蓋系統(tǒng)的配合。

控制程序流程圖如圖二所示

3.1 智能化驗機(jī)器人系統(tǒng)功能：

智能檢測水質(zhì)化驗機(jī)器人可根據(jù)不同的檢測指標(biāo)完成不同的檢測步驟，在檢測過程中，安裝在導(dǎo)軌模組上的電動抓手抓取藥品試管放在開蓋裝置工位處并將瓶蓋取下，注液裝置吸取調(diào)配好的水樣，注入試管中，之后，該裝置系統(tǒng)可根據(jù)具體實驗步驟需求可完成如下動作（各檢測動作可根據(jù)具體化驗步驟調(diào)整）：取下蓋的試管移動到投放藥品裝置下，接受從該裝置中掉下的藥片，也可移動到藥液導(dǎo)人裝置下，接受從該裝置中導(dǎo)人的藥液;加入藥品后的試樣，可重新旋上蓋子，并由電動抓手送到搖勻裝置處，將藥品充分搖勻;檢測過程中，有時也需要根據(jù)具體操作步驟，將密封在試管蓋上端的藥品混合人試樣中，此時就需要利用翻蓋倒置將蓋子倒置并重新擰在試管上，之后送人搖勻裝置中搖勻：當(dāng)試管需要加熱時，利用電動抓手將試管放入消解儀中，加熱到指定溫度，并取出，放在試管擺放區(qū)降溫;最后，將試管放入紫外分光光度儀中，該儀器可根據(jù)試管上的條形碼，完成不同檢測指標(biāo)的檢測?？筛鶕?jù)紫外分光光度儀獲得最后的檢測指標(biāo)，并上傳給電腦，完成數(shù)據(jù)的傳輸、存儲。

3.2 機(jī)器視覺系統(tǒng)設(shè)計：

利用工業(yè)機(jī)器人手眼標(biāo)定對機(jī)械手進(jìn)行定位。想要達(dá)到對機(jī)械手位置坐標(biāo)的高精度視覺定位，就需要保證對模型的高精度標(biāo)定。通過建模，我們可以將化驗機(jī)器人的手眼標(biāo)定問題轉(zhuǎn)化為求解AX-XB方程的問題。其中AA為機(jī)器人末端連桿坐標(biāo)架在機(jī)器人攝像機(jī)系統(tǒng)移動前后的轉(zhuǎn)換關(guān)系，B為攝像機(jī)坐標(biāo)架在移動前后的相對關(guān)系。為唯一確定手眼矩陣的各分量，至少需要旋轉(zhuǎn)軸不平行的兩組運(yùn)動。由于在觀測中一般存在噪聲，因此在實際測量中一般需要多組運(yùn)動來求解該方程。

因此為確定手眼矩陣的各個分量需要旋轉(zhuǎn)軸不平行的兩組運(yùn)動，為避免運(yùn)動中，因觀測噪聲影響精度，一般用多組運(yùn)動來求解該方程。

假設(shè)有多組觀測值“AI，B1），（A2，B2），，（Ak，Bk）}，求解AX_XB方程可以轉(zhuǎn)化為如下問題。

d表示在歐式群上的距離測度，最后通過李群理論知識將該最小化問題轉(zhuǎn)化為最小二乘擬合問題，可以得到簡單明確解，實現(xiàn)化驗機(jī)器人手眼標(biāo)定。

3.3 試管定位及識別系統(tǒng)設(shè)計

針對藥劑試管，我們通過攝像頭獲取圖像后，利用加權(quán)平均法將圖像轉(zhuǎn)為灰度圖，通過中值濾波器消除孤立的噪聲點(diǎn)，它既能去除噪聲又能很好的保護(hù)圖像邊緣，然后利用Sobel算子檢測試管的邊緣，利用相關(guān)系數(shù)算法進(jìn)行預(yù)存模板匹配進(jìn)行試管識別，通過二值化及邊緣檢測進(jìn)行試管管身條形碼的識別工作。

3.4 上位機(jī)軟件流程設(shè)計

化驗完成的數(shù)據(jù)可以通過XML文件自動入庫到頁面中展示，操作人員可以通過圖表和查詢功能對數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析功能。可以直觀的看出是某幾項指標(biāo)超標(biāo)提醒化驗人員查看當(dāng)天數(shù)據(jù)。化驗人員可以對其進(jìn)行導(dǎo)出備份等操作。

4 結(jié)語

該智能化驗機(jī)器人在水務(wù)行業(yè)的應(yīng)用具有以下優(yōu)勢：

（1）高度的自動化程序，操作精準(zhǔn)度高，各項化驗指標(biāo)能嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)方法實行檢測。

（2）工作效率高，化驗流程穩(wěn)定且一致性高。大大提高了水質(zhì)化驗數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

（3）解決化驗人員技術(shù)水平和積極性的問題，解決了化驗室人員管理問題，數(shù)據(jù)造假等問題。

（4）生產(chǎn)可復(fù)制性強(qiáng)，投入使用后更能減少大量人工成本投入，為企業(yè)增加效益。

我們的智能化驗機(jī)器人保證化驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)一，為水務(wù)集團(tuán)下～步實現(xiàn)實現(xiàn)長期、海量生產(chǎn)數(shù)據(jù)的智能專家輔助運(yùn)營系統(tǒng)的搭建提供統(tǒng)一、完善的數(shù)據(jù)支持。

參考文獻(xiàn)

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