安全式注射針針尖角度檢測系統

潘 波，羅永戰，鄭 龍

（邁得醫療工業設備股份有限公司，浙江 臺州318000）

1 引言

安全式注射針由針座及針管構成的注射針和護套組成，它能夠安全有效地防止對患者或醫務人員造成的意外刺傷、感染。其中針尖角度的偏轉對于醫護人員在進行扎針和穿刺造成不便，不利于醫護人員使用。對于批量生產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確性，不但容易產生視覺疲勞，而且也會對工作人員造成危險。同時人工檢測效率低下，對于針尖角度的把控和準確度偏差較大，難以保證生產質量，嚴重制約安全式注射針的生產效率。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，設計開發了一套基于機器視覺的安全式注射針針尖角度檢測系統，利用CCD拍照計算出針尖的相對角度，并將其針尖的角度數據傳遞給PLC，通過PLC控制執行機構運動將針尖轉正，既減少了不良產品的出現，也提升了工作效率。

2 系統的總體結構設計

機器視覺是為了代替人眼，進行產品特征檢測的一門技術。機器視覺安全式注射針針尖角度檢測系統的機構主要是由針排夾具、圖像檢測裝置（2組CCD和2組光源，每組CCD3個、光源各1個）、2個觸發光電開關、人機交互界面及執行機構（伺服電機、傳送帶、滑臺）等組成。總體結構如圖1所示。

圖1 針尖檢測的總體結構圖

在每排針夾具上共放置30個安全式注射針，待檢測的針尖朝上放置，定位通過針排夾具的結構屬性進行定位。為了保證檢測的可靠性和穩定性，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，伺服電機帶動皮帶轉動到固定位置，通過氣缸沿著Y方向將針排夾具推到CCD拍照位置。此時，讓CCD和光源同時移動對偶數針進行拍照計算角度，然后將角度數值輸出給PLC，控制第一組伺服電機旋轉針尖相應的角度（對偶數針進行轉動），第二組CCD和伺服轉針機構對針排夾具的奇數次進行拍照和轉動。

3 視覺系統的硬件設計

安全式注射針針尖角度檢測系統硬件部分主要是由照明系統、CCD影像系統組成，由于每個針排夾具有30個針，每個針之間間距較小，為了保證CCD將檢測出來的針尖角度傳輸給PLC控制的執行機構，能夠讓執行機構有足夠余量促使伺服電機帶動氣缸有足夠的旋轉運動空間，所以要進行分組檢測，采用兩組CCD及兩組光源。

在照明系統中，一個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，選擇一個良好的照明方式起到至關重要的作用。從外形上分，光源包含條形光源、環形光源、同軸光源、點光源、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、藍色光源、綠色光源、紫外光源和紅外光源等。當然對于不同的材質、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，在本系統的照明系統中，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的、不固定的，所以要想保證檢測針尖角度無盲區，就需要保證CCD檢測針尖角度有3個CCD和1個光源作為一組檢測系統。其中每個CCD之間成45°共同拍攝同一根針，而光源系統則采用背光照明（白色光源），共用同一個光源。第一組CCD檢測偶數針，第一組伺服轉針旋轉機構旋轉偶數針的角度；第二組CCD檢測奇數針，第二組伺服轉針旋轉機構旋轉奇數針的角度，對每排針進行檢測。

CCD拍照系統中，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。考慮到物體特征的大小，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。在實際生產過程中，針排夾具、針管的前后擺動都會影響CCD的拍照效果，所以最好選用大景深、高分辨率的遠心鏡頭。本系統是采用動態拍照，即針排夾具靜止，CCD和光源是一個整體的隨動系統，進行實時拍照、圖像采集處理，再將處理后的數據發送給PLC控制執行機構轉動針的角度。在本系統中，CCD拍照觸發、PLC數據接收、光電感應和圖像處理是非常重要的，它們的時序圖如圖2所示。

圖2 光電感應開關、CCD觸發拍照、圖像處理的時序圖

4 視覺系統的軟件設計

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

3個CCD數學原理模型如圖3所示。

圖3 數學原理模型圖

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

圖4 同一針尖不同拍攝角度的圖像實際效果圖

5 結束語

通過機器視覺技術安全式注射針針尖角度檢測系統，可以對每個針尖的角度進行準確計算，針尖角度的準確率達到100%，本系統的設計已經成功應用到生產線上，填補了國內對針尖角度檢測的難題，有效提升了產品的生產質量和生產效率。