[0030] 下面结合附图和实施例对本发明提供的基于智能控制系统的自动化验装置进行详细说明。
[0031] 如图2所示，本发明提供的基于智能控制系统的自动化验装置包括机械臂主体1、末端执行器2、气泵3、试管架4、上位机控制系统5以及视觉识别系统。
[0032] 其中，试管架4用于固定试管，视觉识别系统设置于机械臂主体1上，视觉识别系统用于提供目标试管的坐标，并将坐标传输至上位机控制系统5，上位机控制系统5的输出端与机械臂主体1的输入端连接，上位机控制系统5根据接收到的目标试管的坐标向机械臂主体1发送第一控制指令以控制机械臂主体1运动至目标试管位置，上位机控制系统5的输出端还与气泵3的输入端连接，末端执行器2安装于机械臂主体1末端，末端执行器2用于排出与吸入设置于试管架4上试管中的待化验的试剂，末端执行器2与气泵3连接，在机械臂主体1的运动至目标试管位置后，上位机控制系统5向气泵3发送第二控制指令以控制气泵3通过控制气压的正负以控制末端执行器2的工作，末端执行器2正下方为试管架4。
[0033] 如图1所示，机械臂主体1包括第一伺服电机13、第二伺服电机6、大臂7、第三伺服电机8、小臂9以及联动关节10；末端执行器2包括注射器11和摄像头12。
[0034] 其中，第一伺服电机13固定设置于工作平台上，第二伺服电机6与第一伺服电机13直接连接，大臂7的一端与第二伺服电机6相连，大臂7的另一端与第三伺服电机8连接，小臂9的一端与第三伺服电机8连接，小臂9的另一端与联动关节10的一端连接，联动关节10的另一端设置有注射器11，注射器11一侧设置有摄像头12，第一伺服电机13控制大臂7左右转动，第二伺服电机6控制大臂7前后转动，第三伺服电机8控制注射器11上下运动。
[0035] 如图3所示，机械臂对试管操作之前首先要确定目标试管的位置，这个过程主要由两部分构成，分别是获取目标试管坐标以及目标试管坐标与世界坐标系下坐标的转换。
[0036] 具体地，视觉识别系统提供目标试管的坐标，包括以下步骤：步骤1：在将摄像头12采集的图像经过灰度化、平滑、二值化、提取轮廓并生成中心点，建立一个以像素为单位的直角坐标系uov，每一像素的坐标(u，v)分别代表该像素在数组中的列数与行数，再建立一个物理单位的直角坐标系XO1Y，用来表示图像点的位置，并将直角坐标系XO1Y的原点定在摄像头的主点上，其中，x轴与u轴平行、y轴与v轴平行，uov坐标系的原点定在XO1Y坐标系的左上角，设O1在uov坐标系中的坐标为(u0，v0)，每一个像素在x轴与y轴方向上的物理尺寸为dx，dy，则图像中任意一个像素在两个坐标系下的坐标有如下关系：
x=(u-u0)dx，y=-(v-v0)dy，
转换为矩阵形式为：
。
[0037] 如图4所示，ABCD是经过图像处理得到的外围试管中心点拟合的矩形，O点是矩形的中点，以O点为原点建立直角坐标系，X轴平行于矩形的长，Y轴平行于矩形的宽。
[0038] 步骤2：设ABCD是经过图像处理得到的外围试管中心点拟合的矩形，O点是矩形的中点，以O点为原点建立直角坐标系，x轴平行于矩形的长，y轴平行于矩形的宽；设A’B’C’D’是摄像头12采集图像的外边框， 是其中点，试管架4相对于摄像头12的旋转角θ可以通过计算线AB的斜率或者线CD的斜率得出。
[0039] 如图5所示，A’B’C’D’是摄像头采集图像的外边框， 是其中点，ABCD是试管架所在的矩形，试管架相对于摄像头的旋转角θ可以通过计算线AB的斜率或者线CD的斜率得出。
[0040] 本系统设计采用的是平面视觉，所以设计中考虑到平面视觉相关的二维坐标公式变化的相关特性，因为我们对装置的设计为摄像头轴线垂直于试管架平面，所以图像坐标系与世界坐标系平行，这样我们仅仅需要对其进行二维变换即可，二维坐标变换即旋转与平移，我们对处理过的图像进行参数计算，则可以得出试管架相对于摄像头的平移和旋转的数据量。
[0041] 如图6所示，图4 为标号后的试管架图像。
[0042] 步骤3：在试管架4的平面图像中，以矩形的中心点为原点建立直角坐标系，两个相邻试管的圆心的横向间距和纵向间距都为Δ，设d号试管在试管架上的第a行第b列，其中，试管架4最上面一行为第0行，试管架4最左边一列为第0列，a、b都为整型，设试管架4共6列3行，且试管以试管架4左上角第一个为1号试管，按照先从左往右，再从上到下依次排序，则，d号试管的位置P：；
步骤4：将d号试管的位置从平面坐标系转换到摄像头坐标系，最终得到P在摄像头坐标中的坐标P’’，坐标P’’为目标试管的坐标。
[0043] 具体地，上述步骤1中，将摄像头12采集的图像经过灰度化、平滑、二值化、提取轮廓并生成中心点包括如下步骤：步骤11：将摄像头12采集的彩色图像转化成为灰度图像；
步骤12：在对上述灰度图像进行平滑处理的过程中，对图像应用高斯模糊进行噪声去除，减少伪边缘的识别度；
步骤13：在对上述经过平滑处理后的图像进行二值化处理的过程中，首先找到图像中所有像素的最大值和最小值，然后取中心点作为阈值，低于阈值的像素设为黑色，高于或等于阈值的像素设为白色；
步骤14：在对上述经过二值化处理后的图像进行提取轮廓并生成中心点的过程中，首先，对图像进行高斯模糊，其次，计算梯度幅值和方向，然后，进行非最大值抑制，接着，使用一个高阀值和一个低阀值来区分边缘像素，最后，进行滞后边界跟踪。
[0044] 具体地，上述步骤2中，试管架4相对于摄像头12的旋转角θ可以通过计算线AB的斜率或者线CD的斜率得出，包括如下步骤：步骤21：设图像坐标系中A点的坐标为（xa，ya），B点的坐标为（xb，yb），C点的坐标为（xc，yc），D点的坐标为（xd，yd），试管所在矩形的长AB的斜率为kAB，宽CD的斜率为kCD，内边框的长AB相对于外边框的长A’B’的倾斜角为θAB，内边框的宽CD相对于外边框的宽C’D’的倾斜角为θCD，则，
；
；
；
；
步骤22：取倾斜角θAB和θCD的平均值：
。
[0045] 具体地，上述步骤4中，将d号试管的位置从平面坐标系转换到摄像头坐标系，最终得到P在摄像头坐标中的坐标P’’包括如下步骤：步骤41：由试管架4相对于摄像头12的旋转角θ引入旋转矩阵R：
；
步骤42：将坐标P经过旋转之后得到P’，则，
；
步骤43：加上试管架平面坐标系相对于摄像头坐标系的偏移量（xo，yo），得到最终P在摄像头坐标中的坐标P’’：
。
[0046] 如图7所示，目标试管坐标由试管架平面坐标系变换到摄像头坐标系。
[0047] 具体地，使用气泵3驱动注射器11，气泵3产生正压与负压分别对应注射器11排出与吸入液体，关闭气泵3则注射器11不再吸取与排出试管内试剂，吸入或排出试剂的量与气泵3打开时间成正比，设吸取与排出的液体量为Y，时间为T，常数K，压强系数P，则，；其中，P为正数则排出液体，P为负数则吸入液体。
[0048] 更进一步地，由于在末端执行器2作业时的振动对本发明提供的基于智能控制系统的自动化验装置的精度有巨大影响，现有技术中，对执行器的振动测试往往精度不高，在精密作业中，振动对本发明提供的基于智能控制系统的自动化验装置的影响不可忽略。
[0049] 因此，本发明提供的基于智能控制系统的自动化验装置还包括设置于末端执行器2上的振动传感器，其中，振动传感器用于监测末端执行器2的振动信号，振动传感器的输出端与信号处理电路的输入端连接，信号处理电路依次对接收到的振动信号进行信号放大和信号滤波处理后将信号传输至上位机控制系统5，上位机控制系统5再将接收到的振动信号转换为振动值传输至与上位机控制系统5连接的显示装置，由此，工作人员能够通过显示器精确获知末端执行器2的振动情况，在末端执行器2振动过大时，工作人员能够及时检查设备。
[0050] 如图8所示，振动传感器用于监测末端执行器2的振动信号，将采集的振动信号转换为电流信号I0，并将电流信号I0传输至信号处理电路，V1为经过信号处理电路处理后的电压信号，信号处理电路包括信号放大单元和信号滤波单元，振动传感器的输出端与信号放大单元的输入端连接，信号放大单元的输出端与信号滤波单元的输入端连接，信号滤波单元的输出端与上位机控制系统5的输入端连接。
[0051] 信号放大单元包括集成运放A1-A2、电容C1-C4、三极管VT1-VT4和电阻R1-R10。
[0052] 其中，振动传感器的输出端与电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端与集成运放A1的反相输入端连接，集成运放A1的同相输入端接地，电阻R1的另一端与电容C1的一端连接，电容C2和电阻R2并联后的一端与电阻R2的另一端连接，电容C2和电阻R2并联后的另一端与所述信号滤波单元连接，电容C1的另一端与集成运放A1的输出端连接，集成运放A1的输出端与集成运放A2的输入端连接，电容C3的一端接地，电容C3的另一端与+15V电源连接，电容C4的一端接地，电容C4的另一端与-15V电源连接，电容C4的另一端还与电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端与集成运放A2的V-端连接，电阻R4的另一端还与三极管VT4的基极连接，电阻R3的一端与集成运放A2的V+端连接，电阻R3的一端与三极管VT3的基极连接，电阻R3的一端还与三极管VT1的集电极连接，电阻R3的另一端与+15V电源连接，电阻R10的一端与三极管VT2的集电极连接，三极管VT2的集电极还与-15V电源连接，电阻R10的另一端与三极管VT4的发射极连接，电阻R9的一端与三极管VT2的基极连接，电阻R9的另一端与电阻R10的另一端连接，三极管VT2的集电极与三极管VT4的基极连接，电阻R8的一端接地，电阻R8的另一端与集成运放A2的输出端连接，电阻R8的另一端还与电阻R7的一端连接，电阻R7的另一端与三极管VT4的集电极连接，三极管VT4的集电极与三极管VT3的集电极连接，三极管VT3的基极与三极管VT1的集电极连接，电阻R6的一端与三极管VT1的基极连接，电阻R6的另一端与三极管VT3的集电极连接，电阻R5的一端与三极管VT1的集电极连接，电阻R5的另一端与电阻R6的另一端连接。
[0053] 信号滤波单元包括电阻R11-R20、电容C5-C11以及集成运放A3-A6。
[0054] 其中，信号放大单元的输出端与电阻R11的一端连接，电阻R11的另一端与电容C5的一端连接，电阻R15的一端接地，电阻R15的另一端与电阻R14的一端连接，电阻R15的另一端与集成运放A3的同相输入端连接，电阻R14的另一端与电阻R13的一端连接，电阻R14的另一端还与集成运放A4的输出端连接，电阻R13的另一端与集成运放A3的反相输入端连接，电阻R13的另一端与集成运放A4的反相输入端连接，电阻R13的另一端还与电容C7的一端连接，电容C7的另一端与集成运放A3的输出端连接，电容C7的另一端与电阻R12的一端连接，电阻R12的另一端与电容C6的一端连接，电阻R12的另一端还与集成运放A4的同相输入端连接，电容C6的另一端与电容C5的另一端连接，电容C5的另一端还与电容C8的一端连接，电阻R19的一端接地，电阻R19的另一端与电阻R18的一端连接，电阻R19的另一端与集成运放A5的同相输入端连接，电阻R18的另一端与电阻R17的一端连接，电阻R18的另一端还与集成运放A6的输出端连接，电阻R17的另一端与集成运放A5的反相输入端连接，电阻R17的另一端与集成运放A6的反相输入端连接，电阻R17的另一端还与电容C10的一端连接，电容C10的另一端与集成运放A5的输出端连接，电容C10的另一端与电阻R16的一端连接，电阻R16的另一端与电容C9的一端连接，电阻R16的另一端还与集成运放A6的同相输入端连接，电容C9的另一端与电容C8的另一端连接，电容C8的另一端还与电容C11的一端连接，电阻R20的一端接地，电阻R20的另一端与电容C11的另一端连接，电阻R20的另一端与上位机控制系统5的输入端连接，信号滤波单元将电压信号V1传输至上位机控制系统5。
[0055] 上述实施方式中，信号处理电路的噪声在2.25nV以内，漂移为1.25μV/℃，集成运放A1的型号均为LT1056，集成运放A2的型号为LT1010,集成运放A3-A6的型号为LT1192，三极管VT1的型号均为2N3906，三极管VT2的型号均为2N3904，三极管VT3的型号均为MJE2955，三极管VT4的型号均为MJE3055。
[0056] 在信号放大单元中，电阻R1的阻值为10kΩ，电阻R2的阻值为10kΩ，电阻R3的阻值为33Ω，电阻R4的阻值为33Ω，电阻R5的阻值为0.18Ω，电阻R6的阻值为1kΩ，电阻R7的阻值为100Ω，电阻R8的阻值为100Ω，电阻R9的阻值为1kΩ，电阻R10的阻值为0.18Ω，电容C1的电容值为22μF，电容C2的电容值为15pF，电容C3的电容值为22μF，电容C4的电容值为22μF。
[0057] 由于振动传感器采集的信号较为微弱，容易被噪声覆盖/影响，因此，本实施例提供的信号放大单元的电路结构提供了一个抗噪、快速增加集成运放A2的输出功率，对于放大本发明中传感器采集的信号效果较佳，克服了现有技术中传感器采集精度不高的问题。
[0058] 电阻R3和电阻R4采集集成运放A2的供电信号，其负载采用了接地的电阻R8。电阻R3和电阻R4上的压降偏置三极管VT3和VT4，另外，采用电阻R7形成闭合的反馈回路，以保障信号放大信号的稳定输出，通过电阻R2直接反馈到集成运放A1控制放大，三极管VT1和三极管VT2感测电阻R5和R10上的压降，可有效抑制噪声信号。
[0059] 集成运放A1的稳定性通过电容C1使其滚降来保证，而电容C2的反馈电容微调边缘响应，本实施例中的信号放大单元中采用的三极管具有低频率响应，因此，在信号放大单元中不必再考虑进行额外的频率补偿。
[0060] 信号放大单元的输出电压信号为V01。
[0061] 在信号滤波单元中，电阻R15-R24的阻值、电容C10-C11的电容值为根据滤波需求进行设置。
[0062] 本实施例中优选一组电阻R11-R20的阻值、电容C5-C11的电容值的值，其中，电阻R11的阻值为100kΩ，电阻R12的阻值为66.5kΩ，电阻R13的阻值为66.5kΩ，电阻R14的阻值为66.5kΩ，电阻R15的阻值为66.5kΩ，电阻R16的阻值为75kΩ，电阻R17的阻值为75kΩ，电阻R18的阻值为75kΩ，电阻R19的阻值为75kΩ，电阻R20的阻值为100kΩ，电容C5的电容值为5.161nF，电容C6的电容值为35.05nF，电容C7的电容值为10nF，电容C8的电容值为3.251nF，电容C9的电容值为12.03nF，电容C10的电容值为10nF，电容C11的电容值为
6.505nF。
[0063] 由于振动传感器采集的信号为微弱的电压信号，因而信号放大单元通过集成运放A1-A2、电容C1-C4、三极管VT1-VT4和电阻R1-R10对振动传感器输出的电流I0进行放大处理，由集成运放A1-A2、电容C1-C4、三极管VT1-VT4和电阻R1-R10构成的信号放大单元只有1.25μV/℃的漂移、2μV以内的偏移、100pA偏置电流和0.1Hz到10Hz宽带内2.25nV的噪声。其中，信号滤波单元使用电阻R11-R20、电容C5-C11以及集成运放A3-A6对经过放大后的电信号进行滤波处理，从而提高了振动检测的精度。
[0064] 本发明提供一种基于智能控制系统的自动化验装置，该装置包含上位机控制系统，机械臂主体，视觉识别系统，末端执行装置。上位机控制系统主要对整个装置进行系统的控制；机械臂主体是整个装置的“身体”，控制整个装置的移动；视觉识别系统为本装置的“眼睛”，通过它来确定目标试管的精确位置；末端执行装置为整个装置的执行部件，实现最后一步操作，吸进与排出目标化验试剂。整个自动化验装置的化验效率与准确度与以上各个部分密切相关，缺一不可，以上各个部件牵一发而动全身，只有每个部分都正常工作才能保证整个系统的稳定性。本装置采用开放式控制，可实现机械臂移动，试管的识别，吸取与排出试剂，人机交互等工作。
[0065] 最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
