安全式注射针针尖角度检测系统

2021-09-14罗永战

科技与创新 2021年17期

潘波，罗永战，郑龙

（迈得医疗工业设备股份有限公司，浙江台州318000）

1 引言

安全式注射针由针座及针管构成的注射针和护套组成，它能够安全有效地防止对患者或医务人员造成的意外刺伤、感染。其中针尖角度的偏转对于医护人员在进行扎针和穿刺造成不便，不利于医护人员使用。对于批量生产的安全式注射针而言，单纯依靠人工目测来确定针尖的角度，很难把控针尖角度的差异和准确性，不但容易产生视觉疲劳，而且也会对工作人员造成危险。同时人工检测效率低下，对于针尖角度的把控和准确度偏差较大，难以保证生产质量，严重制约安全式注射针的生产效率。为此，针对针尖角度方面的检测就显得迫切重要，面对此种问题，设计开发了一套基于机器视觉的安全式注射针针尖角度检测系统，利用CCD拍照计算出针尖的相对角度，并将其针尖的角度数据传递给PLC，通过PLC控制执行机构运动将针尖转正，既减少了不良产品的出现，也提升了工作效率。

2 系统的总体结构设计

机器视觉是为了代替人眼，进行产品特征检测的一门技术。机器视觉安全式注射针针尖角度检测系统的机构主要是由针排夹具、图像检测装置（2组CCD和2组光源，每组CCD3个、光源各1个）、2个触发光电开关、人机交互界面及执行机构（伺服电机、传送带、滑台）等组成。总体结构如图1所示。

图1 针尖检测的总体结构图

在每排针夹具上共放置30个安全式注射针，待检测的针尖朝上放置，定位通过针排夹具的结构属性进行定位。为了保证检测的可靠性和稳定性，需要被检测的部分是针尖到刃口长度的3倍及其以上的视野范围。在针排夹具上放置30根针，伺服电机带动皮带转动到固定位置，通过气缸沿着Y方向将针排夹具推到CCD拍照位置。此时，让CCD和光源同时移动对偶数针进行拍照计算角度，然后将角度数值输出给PLC，控制第一组伺服电机旋转针尖相应的角度（对偶数针进行转动），第二组CCD和伺服转针机构对针排夹具的奇数次进行拍照和转动。

3 视觉系统的硬件设计

安全式注射针针尖角度检测系统硬件部分主要是由照明系统、CCD影像系统组成，由于每个针排夹具有30个针，每个针之间间距较小，为了保证CCD将检测出来的针尖角度传输给PLC控制的执行机构，能够让执行机构有足够余量促使伺服电机带动气缸有足够的旋转运动空间，所以要进行分组检测，采用两组CCD及两组光源。

在照明系统中，一个良好的照明方式能够让图像特征更加明显，图像具有更高的对比度，因此，选择一个良好的照明方式起到至关重要的作用。从外形上分，光源包含条形光源、环形光源、同轴光源、点光源、穹顶光源和背光光源等；从颜色上分，光源包括白色光源、红色光源、蓝色光源、绿色光源、紫外光源和红外光源等。当然对于不同的材质、不同的检测对象，照明方式也就不尽相同，这样才能凸显被检测的物体特征。

针尖角度检测系统主要是通过观察针尖的位置，通过CCD拍照凸显针尖及针管的外轮廓，而不是观察针管表面的特征，因此，在本系统的照明系统中，采用背光照明更加能够清晰凸显针管的外部轮廓特征及针尖的角度位置，使对比度更加锐化。由于每根针的角度是随机的、不固定的，所以要想保证检测针尖角度无盲区，就需要保证CCD检测针尖角度有3个CCD和1个光源作为一组检测系统。其中每个CCD之间成45°共同拍摄同一根针，而光源系统则采用背光照明（白色光源），共用同一个光源。第一组CCD检测偶数针，第一组伺服转针旋转机构旋转偶数针的角度；第二组CCD检测奇数针，第二组伺服转针旋转机构旋转奇数针的角度，对每排针进行检测。

CCD拍照系统中，要想保证拍照后获取的图像足够合适，就需要考虑到CCD拍照的视野大小、景深和分辨率等。考虑到物体特征的大小，所以CCD的视野范围一般选取针尖到刃面距离的3～4倍即可。在实际生产过程中，针排夹具、针管的前后摆动都会影响CCD的拍照效果，所以最好选用大景深、高分辨率的远心镜头。本系统是采用动态拍照，即针排夹具静止，CCD和光源是一个整体的随动系统，进行实时拍照、图像采集处理，再将处理后的数据发送给PLC控制执行机构转动针的角度。在本系统中，CCD拍照触发、PLC数据接收、光电感应和图像处理是非常重要的，它们的时序图如图2所示。

图2 光电感应开关、CCD触发拍照、图像处理的时序图

4 视觉系统的软件设计

安全式注射针针尖角度检测系统的软件部分主要是通过CCD拍照采集图像发送到图像采集卡（图像采集模块），然后通过图像处理软件（CV-X、Halcon、OpenCV等）对图像进行灰度处理，包括二值化、收缩、膨胀以及实时浓度对比等，确保处理后的图像不仅具有高对比度而且还具有清晰、稳定的特点。

3个CCD数学原理模型如图3所示。

图3 数学原理模型图

由于在拍摄时，采用3个CCD同时拍照的模式，实际效果如图4所示。利用图像处理软件即可计算每个CCD在拍摄同一个针时各自的针尖相应角度。以CCD角度绝对值最小的CCD作为针尖（或刃口）校正的参考。进行分类讨论如下：①当绝对值最小值是CCD1且CCD2和CCD3的角度都小于0°时，针尖（或刃口）校正的角度为45°－CCD1的角度；若此时CCD1和CCD3的角度大于0°时，则CCD1的角度应为CCD1的角度－135°。②当绝对值最小值是CCD2时，CCD1的角度大于0°且CCD3的角度小于0°时，针尖（或刃口）校正的角度为180°＋CCD2的角度；若此时CCD1的角度小于0°且CCD3的角度大于0°时，则应为－CCD2的角度。③当绝对值最小值是CCD3且CCD1和CCD2的角度都大于0°时，针尖（或刃口）校正的角度为135°＋CCD3的角度；若此时CCD1和CCD2的角度小于0°时，则CCD3的角度应为45°－CCD3的角度。