无人液体配比实验室

张海国，崔志亮，杨豪，曹苏群

（淮阴工学院，江苏 淮安 223000）

0 引言

目前在化工行业中，采用化学液体配比来得到需要的液体浓度，或者人为观察调配时的反应情况是最为普遍的实验现象，尤其在化学实验室。可是，很多化学试剂对人体具有不可逆转性的危害：例如硫酸的强烈刺激及腐蚀性作用；丙酮的易挥发性并且对人体中枢神经系统起到抑制麻醉作用[1]；氯苯酚对眼睛、黏膜、呼吸道及皮肤有强烈刺激作用，吸入后可能发生喉、支气管的炎症、水肿、痉挛，以及化学性肺炎等[2]。对于人体近距离调配化学液体，稍有不慎很有可能会对人体造成不可逆的损害，造成非常严重的事故，实验风险性大。因此，设计一种无人液体配比实验室显得非常必要，无人液体配比实验室的设计致力于解放实验人员的双手，实现实验员在试剂配比过程中与化学试剂达到“零”接触的效果，提高化工液体配比工作的安全性，保障实验人员的健康安全。

该方案设计了一种无人液体配比实验室，将计算机视觉与化工实验室结合，主要采用双目视觉定位技术，完成对化学实验室中器材的识别与定位，配合机械臂等现代智能化手段取代传统的手工配比方式，以达到实现化学试剂无人化配比的目的。

1 需求分析

1.1 硬件需求

本方案设计的一种无人液体配比实验室，实验台上应包括传统化学配比实验室所需的实验设备，如烧杯、量筒等。除此之外，还应包括无人液体配比实验室所需的其他设备，如摄像装置、机械臂、运行车等。这些设备将代替实验员进行具体的处理操作，完成试剂的配比工作。

1.2 功能需求

为实现无人液体配比实验室的功能，本技术方案采用计算机视觉与化工实验室结合设计方式。利用摄像装置代替实验人员的眼睛，对实验室中的实验器械及实验环境进行监控，采集获得实验室数据。机械臂代替实验人员的双手，抓取实验室中各种实验器材，完成化学试剂的配比工作。上位机相当于实验人员的大脑，用于处理各类数据信息，并完成各种信号的传递，达到无人化配比的目的。

2 实验室环境搭建

该方案设计的一种无人液体配比实验室的完整硬件结构应包括实验台、操作台、器皿架、各种器皿、摄像装置、滑轨、运行车、中控机、机械臂。其整体组成结构示意图如图1所示。

图1 整体结构组成示意图

为获得实验所需的图像数据，本方案共采用8个双目装置。8个双目装置均匀地分布在两排器皿架的正上方，分别通过支架固定在操作台的顶部。摄像装置的摄像范围为器皿架、操作台和实验台的台面。双目装置包括双目摄像头和安装在双目摄像头边上的补光灯，补光灯为双目摄像头提供了亮度支持，有利于提高机械臂定位的准确度。

为了保障运行车能够更加方便地实现全方位移动的功能，本技术方案中采用麦克纳姆轮作为移动滚轮。麦克纳姆轮可以保证在不改变机轮自身方向的前提下自由移动，同时在它的轮缘上斜向分布着许多小滚子，故轮子可以横向滑移。麦克纳姆轮结构紧凑、运动灵活，是很成功的一种全方位轮[3]。由此组装而成的运行车可以更灵活方便。

3 核心技术

3.1 坐标系的建立与转换

视觉定位系统的最终目的是为了从二维图像中获取现实世界中物体的三维坐标信息，也就是说，从图像像素之间的相关关系转换到物理世界之间的相关关系[4]。在进行摄像机标定的过程中涉及了像素坐标系、相平面坐标系、相机坐标系、世界坐标系的相互转换[5]。相机投影过程的坐标系建立如图2所示。

图2 相机投影过程的坐标系建立图

像素坐标系由横坐标u，纵坐标v轴组建而成，其基本单位是像素点。相平面坐标系由x、y轴组建而成，其基本单位为mm。相机坐标系由Xc、Yc、Zc组建而成，相机模型光心作为原点，Z轴与成像平面是垂直关系，其基本单位是m。世界坐标系由Xw、Yw、Zw表示，描述摄像机的位置，根据情况可以表示任何物体，其基本单位是m。

其任意一点在像素坐标系、相平面坐标系、相机坐标系、世界坐标下的转换公式为

3.2 立体匹配

立体匹配的目标是从不同视点图像中找到匹配的对应点。对双目摄像头采集到的图像进行立体校准，分析立体匹配的对极线、唯一性、顺序一致性、视差范围等约束条件，运用SGBM算法求取目标物视差图，恢复场景的深度信息。

半全局优化算法SGBM算法具有4个基本步骤：图像预处理操作、代价值的获取、动态规划算法、图像后处理[5]。

3.3 手眼标定

手眼系统是工业机器人视觉应用最广泛的形式，在本方案设计的一种无人液体配比实验室中手眼标定是必不可少的关键技术。手眼标定的目的是确定视觉坐标系与机器人坐标系的映射关系，从而获取目标在机器人坐标系的位姿，进而实现视觉引导[6]。

按照机器人末端与视觉系统的安装关系，手眼系统可归结为两大类：一种是视觉系统安装在末端上，称为眼在手上（Eye-in-Hand）模式；另一种视觉系统与末端分离，安装在固定位置，不与末端随动，称为眼在手外（Eyeto-Hand）模式[7-8]。本方案设计的一种无人液体配比实验室采用的Eye-to-Hand模式。在该模式下机器人末端和标定板末端2次运动保持不变，需求解相机与器械手臂末端的关系，从而得到双目摄像头在机器人基坐标系下的位姿信息[9-10]。

4 抓取系统

为实现无人液体配比实验室的功能，本方案设计了一种基于双目视觉定位的抓取系统。该系统主要由图像获取单元、中央控制单元及执行单元3个部分组成。该系统所需的如烧杯、试管等化学仪器的图像数据由双目摄像装置采集获取；中央控制单元处理双目摄像装置获取的图像数据及向执行单元发送执行指令；执行单元主要职能是驱动运行车的移动及操控机械臂完成化学试剂的配比工作。系统结构图如图3所示。

图3 系统结构图

图像获取单元获取的图像数据上传至中央控制单元进行数据处理，对目标物进行定位。目标物定位流程图如图4所示。

图4 目标物定位流程图

以烧杯作为定位目标为例，实验中通过双目相机采集左右图像，对左图像进行处理，右图像加以辅助，实现目标的定位。图5为目标物中心点图。

图5 目标物中心点图

之后中央控制单元向执行单元下达执行指令，操纵运行车和机械臂完成抓取工作。运行车的顶部安装有用于抓取各种器皿的机械臂，机械臂包括固定在运行车顶部的底座，底座上固定连接有转向衔接件，转向衔接件上安装有六自由度机械臂，六自由度机械臂的顶部安装有抓取件，可对各种器皿进行抓取操作。执行单元结构图如图6所示。

图6 执行单元结构图

工作原理：在实验室外的上位机上输入需要调配的液体，通过实验室中的WIFI将信号传送到运行车的中控机上，同时双目摄像头开始工作，双目摄像头将采集到的视频实时地传送给上位机，上位机通过接收到的视频进行视觉识别与定位；小车沿着导轨运动，并根据双目摄像头定位到的器皿实现机械臂的定位抓取，并将空置器皿放置在操作台上，机械臂再根据顺序抓取所需的调配液体器皿，对准空置器皿移动一定的偏移角度实现定量配比，并将调配过的液体器皿放回原处。

5 结语

无人液体配比实验室具有较强的使用价值，通过机械臂代替人手进行调配作业，可以减小在化学试剂配比过程当中产生的有害气体对实验人员的损害，对实验研究人员具有很好的保护作用。本技术方案采用的双目视觉定位技术发展已经相当成熟，大大提高了机械臂抓取的准确度，同时运行车采用的麦克纳姆轮，增强了运行车的灵活性，大大提高了无人液体配比实验室的可操作性。

为避免化工实验室试剂调配过程中对研究人员的损害，本文设计了一种无人液体配比实验室，采用双目视觉定位技术方案，实现了化学器皿的抓取及试剂的配比，具有稳定性较好、结构简单、易操作等特点。后续将进一步开展研究，以便满足调配精细化要求。