基于機器視覺的智能坐便器遙控器自動識別與可靠性試驗設備

翁曉偉 葉益陽 林相華

1.臺州市產品質量安全檢測研究院 浙江臺州 318000；

2.浙江大學臺州研究院 浙江臺州 318000

1 引言

自我國游客在日本搶購智能馬桶蓋事件的發生，智能坐便器便以“黑馬”的姿態闖入大眾視野，被越來越多的民眾所關注。目前，智能坐便器產業步入了黃金期，產業技術水平持續提升，智能坐便器產品作為日常潔具逐漸進入了大眾生活，隨著人們生活水平的不斷提高和市場競爭的日益激烈，可靠性指標已成為企業提高產品質量、提升品牌知名度、贏得市場的關鍵因素之一。可靠性也稱為壽命或耐久性，產品的可靠性越好相對壽命就越長，產品的壽命越長也就越經久耐用，可靠性因此成為產品綜合質量水平的集中體現。

智能坐便器產業屬于新興產業，檢測中所涉及的可靠性性能檢測設備全部為非標準設備，存在設備生產企業少，設備定型難、安裝不方便等問題。具體表現如下：（1）設備便利性方面：對于遙控型的智能坐便器，由于實驗室進行可靠性測試需要在遙控器上操作相應的功能，而各個品牌甚至同一品牌不同的系列，都有不同的遙控器，如圖1所示。常見智能坐便器遙控器按鍵的形式有：按鈕型、觸摸感應型、薄膜開關型、觸控型；遙控器按鍵布局有：單面型、正面側面型、正面斜邊型、正面兩邊型；遙控器的外型有：長方形、長條形、膠囊型、異型。經調研，目前市面上的檢測設備已經無法應對快速增長的智能坐便器遙控器發展的需求，現有的測試系統按鍵檢測使用氣動手指，主要存在安裝不便利、無法夾持、通用性太差等問題。（2）設備功能方面：國內智能坐便器檢測設備主要生產企業都不具備打開蓋板、關閉蓋板、負載持續加載等步驟，與智能坐便器的實際使用不符合，無法很好地模擬智能坐便器的實際使用情況，影響檢測結果的準確性。

因此，研制基于機器視覺的智能坐便器遙控器自動識別與可靠性試驗設備，不僅能構建模擬實際使用情況的智能坐便器可靠性試驗系統，而且依靠視覺技術使得安裝更便捷，該設備對改善行業產品質量，提升產品競爭力具有重要的積極意義。

2 機械系統的設計和原理

本套系統主要由PLC、電源模塊、步進電機、控制器、六自由度機械手等組成，如圖2所示。本試驗系統能夠實現“機械手坐便器掀蓋→移入砝碼加壓→機械手按鈕（依次多個）→移走砝碼→機械手坐便器關蓋”這樣的周期循環工作過程，很好地模擬了實際使用智能坐便器的用戶實際場景[1]，保證檢測結果的準確可靠性；并根據不同廠家不同智能坐便器的功能，進行功能切換；根據不同消費者的需求，進行不同時間進度的設置。

2.1 工作原理

本套系統的核心處理部分是機械手和伺服驅動系統，組合實現系統的各種動作。

機械手為六軸組成的空間六桿開鏈機構，理論上可達到運動范圍內任何一點。每個轉軸均帶一個齒輪箱，機械手運動精度（綜合）達正負0.05 mm至正負0.2 mm。六軸均帶AC伺服電機驅動，每個電機后均有編碼器與剎車。機械手帶有串口測量板（SMB），測量板上帶有六節可充電的鎳鉻電池，起到保存數據的作用。機械手帶有手動松閘按鈕，維修時使用，非正常使用會造成設備或人員傷害。機械手帶有平衡氣缸或彈簧。

伺服驅動系統的結構示意圖如圖3所示，其基本功能是對位置、速度和電機電流進行數字化調整，對電機的交流控制進行同步。具體而言，伺服驅動系統又可分為兩部分：（1）下位機部分，負責讀取傳感器數據、解算機械手的姿態以及控制電機的運動；（2）上位機部分，負責與下位機通訊、提供API接口函數以及通過視覺處理獲取按鈕位置。

2.2 系統設計

（1）夾裝試驗臺設計。底座上設有固定坐便器和遙控器的夾具，由于坐便器和遙控器型式不同，夾具采用兩軸加壓板的氣動結構，開始檢測前，將坐便器和遙控器分別放置至待夾持區域，啟動氣動電磁閥，氣缸伸出，固定坐便器和遙控器。

圖1 不同形狀的遙控器

圖2 智能坐便器遙控器自動識別與可靠性試驗設備機械結構

圖3 伺服驅動系統結構示意圖

（2）座圈可靠性試驗模塊設計。采用電缸取代了傳統氣缸，其將伺服電機與絲杠一體化設計的模塊化，將伺服電機的旋轉運動轉換成直線運動，同時利用伺服電機最佳優點——精確轉速控制和精確轉數控制，達到精確推力控制，比原有氣缸的推力更加穩定。電缸末端連接柔性材料制成的壓板（模擬人體臀部尺寸）連接在龍門架上，通過電缸的推力精準模擬不同重量的人體的落座。

圖4 智能坐便器遙控板檢測軟件型號、按鈕模板設置界面

圖5 視覺識別流程圖

（3）翻蓋可靠性試驗模塊設計。通過六自由度機械手的末端安裝有柄梁、真空吸頭手指組成的操作頭，真空吸頭貼合在智能坐便器蓋后，真空發生器打開，吸頭產生吸附力，在機械手的運動下開啟馬桶蓋或閉上馬桶蓋，手指為柔性材料制成，機械手示教后運動按下相應的按鍵（如沖洗、婦洗等）。

（4）數據記錄模塊設計。測控系統的核心由PLC組成[2]，PLC的IO口與六自由度機械手的信號線、下壓機構電缸的繼電器、真空吸頭的真空發生器電磁閥及氣動夾具的電磁閥連接。

3 視覺系統的設計和原理

在智能坐便器自動檢測項目中，利用機器視覺快速、準確地獲取遙控板的整體位置信息和全部按鈕位置以及按鈕具體功能信息，機械手根據這些信息對智能坐便器遙控板進行重復點擊以實現自動檢測。智能坐便器遙控板檢測軟件型號、按鈕模板設置界面如圖4所示。

3.1 工作原理

視頻采集裝置采用日本ARTRAY公司的CCD攝像機，攝像機安裝在機械手本體外的固定位置，以便穩定識別安裝架上的遙控器，視覺系統可分為圖像獲取、圖像處理、圖像理解、圖像存儲等功能模塊[4]，其中最核心的部分是圖像處理，主要實現了圖像的灰度化、圖像的二值化、圖像輪廓的提取以及中心點的生成等。具體到按鈕的識別，其原理主要為：利用按鈕上不同的簡單圖案、數字或字符，實現按鈕的區分與位置獲取，即將按鈕識別轉化為簡單圖案識別。

視覺識別流程如圖5所示，首先，固定好遙控器后，系統會嘗試進行視覺識別，若不能識別，會自動新建一個新的遙控器模板，并將其中的功能按鈕也做相關的定義，整合成一個完整的數據包，添加到模板數據庫。接著系統會再次對遙控器進行模板匹配，從而識別到該遙控器，若是已經測過的遙控器，系統一次便能準確識別到對應的模板，如此便能進一步識別到模板中的按鈕圖標與定位，將相應的位置數據傳送給機器人，助力機器人實現自動循環測試。

3.2 系統設計

（1）標定板標定。利用標定板進行標定，將現實坐標系、相機坐標系和機械手坐標系這三者進行關聯。

（2）模板設置。主要分為部分模板：根據不同廠家不同型號的遙控板的關鍵型號信息設置型號模板，一個型號模板對應唯一一款智能坐便器遙控板；每一個按鈕圖案設置按鈕模板 ，一個按鈕模板對應該型號智能坐便器遙控板上的按鈕實際功能。

（3）形狀匹配。按既定時間間隔對相機進行外觸發，得到遙控器圖像，根據設置好的型號模板對圖像進行形狀匹配，得到位置信息和對應廠家以及對應型號信息。并根據信息找到此前設置好的該型號按鈕模板，根據按鈕模板對該智能坐便器遙控板圖像進行形狀匹配，得到所有按鈕的位置信息以及按鈕對應的實際功能[3]。

（4）機械手操作。根據實操作順序，視覺檢測軟件依次將所有的按鈕位置信息通過485通訊協議傳遞給機械手。機械手移動到相應按鈕位置，完成相應的操作。量盲測、企業產品委托定性等項目中，經過分析比較，現有設備更科學合理，極大地提高了檢測效率和檢驗結果的準確性，其與傳統設置比較結果如表1所示。

表1 傳統和新設計可靠性試驗裝置參數比對

通過本系統實現自主、長期的測試，可以及時發現問題，大大提高智能坐便器的質量水平，降低智能坐便器的返修率，進一步促進智能坐便器產業的發展。

4 結語

基于機器視覺的智能坐便器遙控器自動識別與可靠性試驗設備已經應用于浙江省消費者智能坐便器產品質