潘 波，羅永戰(zhàn)，鄭 龍

（邁得醫(yī)療工業(yè)設(shè)備股份有限公司，浙江 臺(tái)州318000）

1 引言

安全式注射針由針座及針管構(gòu)成的注射針和護(hù)套組成，它能夠安全有效地防止對患者或醫(yī)務(wù)人員造成的意外刺傷、感染。其中針尖角度的偏轉(zhuǎn)對于醫(yī)護(hù)人員在進(jìn)行扎針和穿刺造成不便，不利于醫(yī)護(hù)人員使用。對于批量生產(chǎn)的安全式注射針而言，單純依靠人工目測來確定針尖的角度，很難把控針尖角度的差異和準(zhǔn)確性，不但容易產(chǎn)生視覺疲勞，而且也會(huì)對工作人員造成危險(xiǎn)。同時(shí)人工檢測效率低下，對于針尖角度的把控和準(zhǔn)確度偏差較大，難以保證生產(chǎn)質(zhì)量，嚴(yán)重制約安全式注射針的生產(chǎn)效率。為此，針對針尖角度方面的檢測就顯得迫切重要，面對此種問題，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套基于機(jī)器視覺的安全式注射針針尖角度檢測系統(tǒng)，利用CCD拍照計(jì)算出針尖的相對角度，并將其針尖的角度數(shù)據(jù)傳遞給PLC，通過PLC控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)將針尖轉(zhuǎn)正，既減少了不良產(chǎn)品的出現(xiàn)，也提升了工作效率。

2 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)器視覺是為了代替人眼，進(jìn)行產(chǎn)品特征檢測的一門技術(shù)。機(jī)器視覺安全式注射針針尖角度檢測系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)主要是由針排夾具、圖像檢測裝置（2組CCD和2組光源，每組CCD3個(gè)、光源各1個(gè)）、2個(gè)觸發(fā)光電開關(guān)、人機(jī)交互界面及執(zhí)行機(jī)構(gòu)（伺服電機(jī)、傳送帶、滑臺(tái)）等組成。總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 針尖檢測的總體結(jié)構(gòu)圖

在每排針夾具上共放置30個(gè)安全式注射針，待檢測的針尖朝上放置，定位通過針排夾具的結(jié)構(gòu)屬性進(jìn)行定位。為了保證檢測的可靠性和穩(wěn)定性，需要被檢測的部分是針尖到刃口長度的3倍及其以上的視野范圍。在針排夾具上放置30根針，伺服電機(jī)帶動(dòng)皮帶轉(zhuǎn)動(dòng)到固定位置，通過氣缸沿著Y方向?qū)⑨樑艎A具推到CCD拍照位置。此時(shí)，讓CCD和光源同時(shí)移動(dòng)對偶數(shù)針進(jìn)行拍照計(jì)算角度，然后將角度數(shù)值輸出給PLC，控制第一組伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)針尖相應(yīng)的角度（對偶數(shù)針進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)），第二組CCD和伺服轉(zhuǎn)針機(jī)構(gòu)對針排夾具的奇數(shù)次進(jìn)行拍照和轉(zhuǎn)動(dòng)。

3 視覺系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

安全式注射針針尖角度檢測系統(tǒng)硬件部分主要是由照明系統(tǒng)、CCD影像系統(tǒng)組成，由于每個(gè)針排夾具有30個(gè)針，每個(gè)針之間間距較小，為了保證CCD將檢測出來的針尖角度傳輸給PLC控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，能夠讓執(zhí)行機(jī)構(gòu)有足夠余量促使伺服電機(jī)帶動(dòng)氣缸有足夠的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)空間，所以要進(jìn)行分組檢測，采用兩組CCD及兩組光源。

在照明系統(tǒng)中，一個(gè)良好的照明方式能夠讓圖像特征更加明顯，圖像具有更高的對比度，因此，選擇一個(gè)良好的照明方式起到至關(guān)重要的作用。從外形上分，光源包含條形光源、環(huán)形光源、同軸光源、點(diǎn)光源、穹頂光源和背光光源等；從顏色上分，光源包括白色光源、紅色光源、藍(lán)色光源、綠色光源、紫外光源和紅外光源等。當(dāng)然對于不同的材質(zhì)、不同的檢測對象，照明方式也就不盡相同，這樣才能凸顯被檢測的物體特征。

針尖角度檢測系統(tǒng)主要是通過觀察針尖的位置，通過CCD拍照凸顯針尖及針管的外輪廓，而不是觀察針管表面的特征，因此，在本系統(tǒng)的照明系統(tǒng)中，采用背光照明更加能夠清晰凸顯針管的外部輪廓特征及針尖的角度位置，使對比度更加銳化。由于每根針的角度是隨機(jī)的、不固定的，所以要想保證檢測針尖角度無盲區(qū)，就需要保證CCD檢測針尖角度有3個(gè)CCD和1個(gè)光源作為一組檢測系統(tǒng)。其中每個(gè)CCD之間成45°共同拍攝同一根針，而光源系統(tǒng)則采用背光照明（白色光源），共用同一個(gè)光源。第一組CCD檢測偶數(shù)針，第一組伺服轉(zhuǎn)針旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)偶數(shù)針的角度；第二組CCD檢測奇數(shù)針，第二組伺服轉(zhuǎn)針旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)奇數(shù)針的角度，對每排針進(jìn)行檢測。

CCD拍照系統(tǒng)中，要想保證拍照后獲取的圖像足夠合適，就需要考慮到CCD拍照的視野大小、景深和分辨率等?？紤]到物體特征的大小，所以CCD的視野范圍一般選取針尖到刃面距離的3～4倍即可。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，針排夾具、針管的前后擺動(dòng)都會(huì)影響CCD的拍照效果，所以最好選用大景深、高分辨率的遠(yuǎn)心鏡頭。本系統(tǒng)是采用動(dòng)態(tài)拍照，即針排夾具靜止，CCD和光源是一個(gè)整體的隨動(dòng)系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)時(shí)拍照、圖像采集處理，再將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給PLC控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)針的角度。在本系統(tǒng)中，CCD拍照觸發(fā)、PLC數(shù)據(jù)接收、光電感應(yīng)和圖像處理是非常重要的，它們的時(shí)序圖如圖2所示。

圖2 光電感應(yīng)開關(guān)、CCD觸發(fā)拍照、圖像處理的時(shí)序圖

4 視覺系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

安全式注射針針尖角度檢測系統(tǒng)的軟件部分主要是通過CCD拍照采集圖像發(fā)送到圖像采集卡（圖像采集模塊），然后通過圖像處理軟件（CV-X、Halcon、OpenCV等）對圖像進(jìn)行灰度處理，包括二值化、收縮、膨脹以及實(shí)時(shí)濃度對比等，確保處理后的圖像不僅具有高對比度而且還具有清晰、穩(wěn)定的特點(diǎn)。

3個(gè)CCD數(shù)學(xué)原理模型如圖3所示。

圖3 數(shù)學(xué)原理模型圖

由于在拍攝時(shí)，采用3個(gè)CCD同時(shí)拍照的模式，實(shí)際效果如圖4所示。利用圖像處理軟件即可計(jì)算每個(gè)CCD在拍攝同一個(gè)針時(shí)各自的針尖相應(yīng)角度。以CCD角度絕對值最小的CCD作為針尖（或刃口）校正的參考。進(jìn)行分類討論如下：①當(dāng)絕對值最小值是CCD1且CCD2和CCD3的角度都小于0°時(shí)，針尖（或刃口）校正的角度為45°－CCD1的角度；若此時(shí)CCD1和CCD3的角度大于0°時(shí)，則CCD1的角度應(yīng)為CCD1的角度－135°。②當(dāng)絕對值最小值是CCD2時(shí)，CCD1的角度大于0°且CCD3的角度小于0°時(shí)，針尖（或刃口）校正的角度為180°＋CCD2的角度；若此時(shí)CCD1的角度小于0°且CCD3的角度大于0°時(shí)，則應(yīng)為－CCD2的角度。③當(dāng)絕對值最小值是CCD3且CCD1和CCD2的角度都大于0°時(shí)，針尖（或刃口）校正的角度為135°＋CCD3的角度；若此時(shí)CCD1和CCD2的角度小于0°時(shí)，則CCD3的角度應(yīng)為45°－CCD3的角度。

圖4 同一針尖不同拍攝角度的圖像實(shí)際效果圖

5 結(jié)束語

通過機(jī)器視覺技術(shù)安全式注射針針尖角度檢測系統(tǒng)，可以對每個(gè)針尖的角度進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，針尖角度的準(zhǔn)確率達(dá)到100%，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)已經(jīng)成功應(yīng)用到生產(chǎn)線上，填補(bǔ)了國內(nèi)對針尖角度檢測的難題，有效提升了產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率。