玻璃量器自動檢定技術研究*

李維明，蔡永洪，韋志堅，趙書顯，張曉鳳

（廣州計量檢測技術研究院，廣州 510663）

0 引言

玻璃量器是測量液體體積的計量器具，材質為透明玻璃，分為量入式（如容量瓶）和量出式（如吸量管）兩種。依據(jù)國家有關規(guī)定，新制造和使用中的玻璃量器需要定期檢定，檢定方法常使用衡量法，即使用被檢量器量取標稱容量的純水的質量，再通過K(t)值換算成20℃下的容積值[1]。在實際操作中，純水注入玻璃量器的過程需要保持視線與液面平齊，當觀察到液面的彎月面與標線相切時，注水應結束。對于人工操作，該過程對人眼視力和判斷力要求較高，容易引起疲勞和誤讀。因此，研究和發(fā)展玻璃量器自動檢定技術具有重要的應用價值和意義。

通過文獻檢索，目前關于玻璃量器自動檢定技術的研究報道較少，僅有少數(shù)幾篇是關于檢定數(shù)據(jù)處理自動化的內容[2-4]，卻再無涉及其他方面的研究。然而，隨著工業(yè)機器人技術和機器視覺技術在傳統(tǒng)領域的應用發(fā)展，本文研究基于機器視覺技術與工業(yè)機器人的玻璃量器自動化檢定技術，為玻璃量器計量工作做出探索。鑒于滴定管結構形式繁多，這里僅討論量大面廣的容量瓶、吸量管和量筒等常見的玻璃量器。

1 機器視覺檢測自動化

機器視覺技術是利用攝像頭代替人眼捕獲目標圖像，通過計算機圖像處理、特征識別及檢測分析，從而做出判斷和決策，為執(zhí)行機構提供所需信息的一門技術。在檢測應用方面，機器視覺技術因其信息化和自動化集成度高、現(xiàn)場作業(yè)能力強，能夠解決許多人所不能、人所不及的問題，故而越來越受到人們的關注，相關研究的報道較多[5-8]。

1.1 基于機器視覺的被檢量瓶識別與定位

國家標準GB/T 12804《實驗室玻璃儀器量筒》、GB/T 12806《實驗室玻璃儀器單標線容量瓶》、GB/T 12807《實驗室玻璃儀器分度吸量管》均對幾種玻璃量器的結構和尺寸給出了規(guī)定，使玻璃量器的容量規(guī)格與其特征尺寸，如量筒的高度、容量瓶的瓶身外徑、吸量管的管外徑等，具有一一對應的關系，因此這些尺寸可以用來識別被檢量器的規(guī)格。此外，上述玻璃量器都具有軸對稱的結構特點，其俯視圖皆為圓形圖像。然而，攝像頭往往不在被檢量器的正上方，無法采集到嚴格的俯視圖像，而且玻璃量器一般較高或較長，獲得的圖像都是如圖1中所示瓶口與瓶身偏心的情況。盡管如此，容量瓶的瓶身不管是梨型還是錐型，其最大徑處通常都在底部，這使得容量瓶的瓶身圖像——最大圓基本接近俯視圖。當圖像坐標系與世界坐標系建立映射關系后，最大圓的直徑基本等于實際的瓶身外徑，而且圓心即代表容量瓶所在位置，實現(xiàn)對現(xiàn)實世界里的被檢量器的識別與定位。

圖1 容量瓶識別與定位開發(fā)案例

基于機器視覺的被檢量瓶識別與定位的流程如圖2所示，首先采集被檢量瓶圖像，截取圖像中的感興趣區(qū)域（ROI）并進行灰度調節(jié)（BCG），以增強有用信息和消除或減弱干擾信息；然后輸入校準點陣圖形，建立圖像坐標系與現(xiàn)實坐標系的映射關系；接著對圖像中的被檢量瓶進行邊界提取，獲得瓶身外圓特征；最后通過檢測特征得到被檢量器的規(guī)格尺寸和定位坐標。

圖2 玻璃量器識別與定位流程

1.2 基于機器視覺的容量標線平視算法

使用攝像頭代替人眼觀察并判斷液面是否達到與標線相切的位置，其關鍵是攝像頭應“平視”標線，即攝像頭與標線在同一水平面之上。然而，不同規(guī)格的玻璃量器的標線所在位置是不同的，需要控制攝像頭從當前位置移動到平視位置，這就需要首先獲取平視位置。當攝像頭與標線不在一個水平面上時，“看”到的標線呈開口狀，越接近平視位置，開口就越小，直到閉合成一條水平線段。因此，可以使用標線成像開口的大小來判斷攝像頭距離平視位置的大小。本文提出了一種攝像頭自動尋找容量標線平視位置的算法[9]。該算法基于像平面容量標線開口大小與運動系攝像頭高度的幾何關系及變化規(guī)律建立了平視位置的預測模型，即：

式中：H0為預測的平視高度；H1和H2分別為攝像頭在位置1和2處的高度，mm；d1和d2分別為位置1和2對應的圖像中標線開口的大小，單位為像素。

自動尋找平視位置的流程如圖3所示，首先攝像頭在高度為H1處采集圖像，分析圖像得到標線開口大小d1和標線幾何中心像素坐標y1，然后移動攝像頭至高度H2，同樣得到d2和y2。根據(jù)式（1），計算攝像頭平視位置的高度H0，作為新的目標高度Hi=H0（i=3、4…）。移動攝像頭至目標高度Hi，再次采集圖像，分析得到di。判斷di是否小于或等于閾值δ。“是”為達到平視位置，程序退出。“否”則繼續(xù)判斷di是否小于或等于di-1。當di≤di-1時，設定新的目標高度為Hi+1+Sgn(Hi-Hi-1)移動步長，即繼續(xù)沿Hi-1→Hi的方向增加一個步長。當di＞di-1時，設定新的目標高度為Hi+1-Sgn(Hi-Hi-1)移動步長，即反方向移動一個步長。這里Sgn(x)表示取x的符號。于是，攝像頭再次移動到新的目標高度，重新采集圖像進行分析和判斷，如此重復直到程序退出。實際開發(fā)案例如圖4所示。

圖3 自動平視標線算法流程

圖4 容量瓶機器視覺軟件前面板

1.3 基于機器視覺的注水過程控制

由于液面具有較強的鏡面反光效果，其成像灰度較大，這為攝像頭進行液面跟蹤提供了條件。當液面經(jīng)過標線時，標線灰度將發(fā)生由小到大、再由大到小的變化，這為判斷彎月面與標線相切的時機提供了依據(jù)。

圖5所示為一個基于機器視覺的注水過程流程。首先根據(jù)被檢量器的規(guī)格，將不大于該規(guī)格的一定體積的純水以較大流速泵送到玻璃量器內。完成大流量注入后，再以較小流速繼續(xù)注水，同時機器視覺檢測系統(tǒng)實時檢測玻璃量器容量標線附近設定區(qū)域內的灰度變化。當液面進入設定區(qū)域后，灰度將出現(xiàn)較大變化，這時再以滴注的方式向玻璃量器內注水，同時機器視覺檢測系統(tǒng)實時檢測玻璃量器容量標線的灰度變化。當液面經(jīng)過標線時，標線灰度呈現(xiàn)由小變大再由大變小的趨勢，而當液面與標線相切時，標線灰度正處于從大變小的初始階段，具體灰度值應通過實驗確定。當機器視覺檢測系統(tǒng)判定液面與標線相切時，注水結束。實際開發(fā)案例如圖6所示。

圖5 注水過程控制流程

圖6 注水過程控制案例

2 檢定操作自動化

2.1 工業(yè)機器人

工業(yè)機器人（也叫機械臂）的應用為無人操作提供了解決方案，目前輕量化、高性能的六軸機械臂實現(xiàn)了將控制和驅動系統(tǒng)嵌入機械臂本體內，非常適合桌面運行，并且開放通信協(xié)議滿足用戶發(fā)送指令控制機械臂運動。玻璃量器的檢定過程涉及多個區(qū)域（如待檢區(qū)、檢測區(qū)、倒水區(qū)、完檢區(qū)）的操作，應用工業(yè)機器人能夠完成這一系列位置之間的無人搬運，若搭載機器視覺模塊，可進一步實現(xiàn)自動定位和智能操作。

2.2 電控夾具

機械臂的末端需要安裝夾具以抓取玻璃量器。對于量入式的玻璃量器，如1 mL和5 000 mL的容量瓶，不同規(guī)格的大小和重量（注滿時）差別巨大。使用剛性爪易夾碎，使用柔性爪易脫落，使用吸盤吸附缺少條件（雖然量瓶底部適合吸附，但大小差別太大且容易滑落）。針對玻璃量器的結構特點和使用情況，本文采用套有膠套的彈性夾條夾取容量瓶，能適應不同大小的容量瓶而不夾碎玻璃，以及利用膠套強大的摩擦力避免容量瓶滑落，同時夾條呈傾斜安裝使容量瓶在重力作用下具有自緊功能[10]。對于量出式的吸量管，管體細長，操作復雜，需要特殊的夾具才能實現(xiàn)無人操作。本文提出了一種內外圓管套裝結構的吸量管夾取方法和設計[11]。該夾具使用高延展性、高彈性、高韌性的橡膠質皮管，通過上管口與下管口反向旋擰的辦法，實現(xiàn)插入其中的細長物體的夾取；通過兩組橡膠質皮管上下排列、反向旋擰的辦法，抵消兩個膠管包覆被夾對象時產生的不平衡作用力；當套管夾具中的內管與氣壓管道連通時，可完成吸量管吸取液體和釋放液體的操作，易于實現(xiàn)移液操作的自動控制。

圖7所示為安裝了電控夾具的機械臂，圖8所示為一種套管結構的吸量管夾具。

圖7 安裝容量瓶電控爪的機械臂

圖8 吸量管電控爪

2.3 自動注水系統(tǒng)

由于衡量法對檢定介質有著嚴格的要求，注水過程不宜改變純水的溫度，更不能污染水質，而且注水過程應該速度可控，能夠實現(xiàn)滴注，為此使用步進電機控制的注射器進行注水，能較好地保持水溫水質及控制水流。如圖9所示，自動注水裝置由2個注射器同時使用，分別交替做抽水和注水運動，使用電磁閥控制管路的通斷可實現(xiàn)不間斷出水與不同出水管的選擇。

圖9 自動注水裝置開發(fā)案例

3 實驗研究

實驗使用基于上述技術方案研制的容量瓶機器視覺自動檢測裝置[12]，如圖10所示。該裝置主要由機器視覺搬運系統(tǒng)、機器視覺檢測系統(tǒng)、自動注水系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等部分組成。實驗選用某品牌標稱容量分別為200 mL、500 mL、1 000 mL的A級容量瓶進行測試，每個容量瓶重復測量5次，并計算測量誤差與測量結果重復性，數(shù)據(jù)處理如表1所示。通過測試得到，200 mL容量瓶的測量重復性為0.018 mL，500 mL容量瓶的測量重復性為0.011 mL，1 000 mL容量瓶的測量重復性為0.016 mL。由此可知，該裝置測量重復性優(yōu)于0.02 mL。

圖10 容量瓶機器視覺自動檢測裝置

表1 3種規(guī)格容量瓶重復性測量數(shù)據(jù)

4 結束語

綜上所述，用工業(yè)鏡頭代替人眼判讀，用機械臂和彈性電控爪代替人手操作，通過運用機器視覺檢測技術和工業(yè)機器人技術可以實現(xiàn)玻璃量器檢定操作的全程自動化。本文提出的玻璃量器機器視覺檢定技術的目標識別定位、標線形態(tài)檢測、注水過程控制的計算機程序框圖，鏡頭平視與液面相切的算法，以及玻璃量器自動檢定裝置的執(zhí)行機構設計方案，這些通過容量瓶校準實驗得到了驗證，測量數(shù)據(jù)表明了所述技術的可行性和系統(tǒng)設計的準確性。然而也應看到，文中機器視覺檢測場景是特定的，相對簡單，體型也較大，由此限制了其應用范圍；另外，不同規(guī)格的被檢量器的形狀大小差異巨大，而且環(huán)繞瓶頸的容量標線固有較大的景深，這些都是有待進一步解決的技術問題。隨著人工智能的發(fā)展，基于深度學習的機器視覺自動檢定技術是玻璃量器檢定技術的發(fā)展方向。