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(yàn)的視覺SCARA機(jī)器人，并闡述了整個(gè)化驗(yàn)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)及手眼標(biāo)定，視覺識(shí)別的模型構(gòu)建與實(shí)驗(yàn)。在進(jìn)一步完善以后，使智能化驗(yàn)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(dòng)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(duì)城鎮(zhèn)污水處理提出更高要求，并明確要求縣級(jí)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(jì)一種應(yīng)用于污水處理廠，包括完全取代人工，完成對(duì)每日水指標(biāo)化驗(yàn)分析的機(jī)器人。

2 研究內(nèi)容

針對(duì)污水處理工藝流程、水質(zhì)化驗(yàn)工作流程、化驗(yàn)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(yàn)的智能系統(tǒng)，取代人工化驗(yàn)，提升化驗(yàn)精度，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理的同時(shí)減少人員投入成本。

（1）實(shí)現(xiàn)進(jìn)、出水口24小時(shí)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(shí)備份及上傳信息中心;

（5）具有自動(dòng)上樣、消解、測定、移出功能;

3 設(shè)計(jì)方案

根據(jù)美國水質(zhì)監(jiān)測檢測系統(tǒng)DR6000設(shè)計(jì)方案，結(jié)合我國國家水質(zhì)監(jiān)測相關(guān)條例設(shè)計(jì)化驗(yàn)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(dòng)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(yàn)機(jī)器人系統(tǒng)功能：

智能檢測水質(zhì)化驗(yàn)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(dòng)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(shí)驗(yàn)步驟需求可完成如下動(dòng)作（各檢測動(dòng)作可根據(jù)具體化驗(yàn)步驟調(diào)整）：取下蓋的試管移動(dòng)到投放藥品裝置下，接受從該裝置中掉下的藥片，也可移動(dòng)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(dòng)抓手送到搖勻裝置處，將藥品充分搖勻;檢測過程中，有時(shí)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(shí)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(shí)，利用電動(dòng)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(chǔ)。

3.2 機(jī)器視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)：

利用工業(yè)機(jī)器人手眼標(biāo)定對(duì)機(jī)械手進(jìn)行定位。想要達(dá)到對(duì)機(jī)械手位置坐標(biāo)的高精度視覺定位，就需要保證對(duì)模型的高精度標(biāo)定。通過建模，我們可以將化驗(yàn)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(dòng)前后的轉(zhuǎn)換關(guān)系，B為攝像機(jī)坐標(biāo)架在移動(dòng)前后的相對(duì)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(dòng)。由于在觀測中一般存在噪聲，因此在實(shí)際測量中一般需要多組運(yùn)動(dòng)來求解該方程。

因此為確定手眼矩陣的各個(gè)分量需要旋轉(zhuǎn)軸不平行的兩組運(yùn)動(dòng)，為避免運(yùn)動(dòng)中，因觀測噪聲影響精度，一般用多組運(yùn)動(dòng)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(shí)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(shí)現(xiàn)化驗(yàn)機(jī)器人手眼標(biāo)定。

3.3 試管定位及識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)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(shí)別，通過二值化及邊緣檢測進(jìn)行試管管身?xiàng)l形碼的識(shí)別工作。

3.4 上位機(jī)軟件流程設(shè)計(jì)

化驗(yàn)完成的數(shù)據(jù)可以通過XML文件自動(dòng)入庫到頁面中展示，操作人員可以通過圖表和查詢功能對(duì)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(xiàng)指標(biāo)超標(biāo)提醒化驗(yàn)人員查看當(dāng)天數(shù)據(jù)?；?yàn)人員可以對(duì)其進(jìn)行導(dǎo)出備份等操作。

4 結(jié)語

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

（1）高度的自動(dòng)化程序，操作精準(zhǔn)度高，各項(xiàng)化驗(yàn)指標(biāo)能嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)方法實(shí)行檢測。

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

（3）解決化驗(yàn)人員技術(shù)水平和積極性的問題，解決了化驗(yàn)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(yàn)機(jī)器人保證化驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一，為水務(wù)集團(tuán)下～步實(shí)現(xiàn)實(shí)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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