基于機(jī)器視覺(jué)的智能坐便器遙控器自動(dòng)識(shí)別與可靠性試驗(yàn)設(shè)備

翁曉偉 葉益陽(yáng) 林相華

1.臺(tái)州市產(chǎn)品質(zhì)量安全檢測(cè)研究院 浙江臺(tái)州 318000；

2.浙江大學(xué)臺(tái)州研究院 浙江臺(tái)州 318000

1 引言

自我國(guó)游客在日本搶購(gòu)智能馬桶蓋事件的發(fā)生，智能坐便器便以“黑馬”的姿態(tài)闖入大眾視野，被越來(lái)越多的民眾所關(guān)注。目前，智能坐便器產(chǎn)業(yè)步入了黃金期，產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平持續(xù)提升，智能坐便器產(chǎn)品作為日常潔具逐漸進(jìn)入了大眾生活，隨著人們生活水平的不斷提高和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈，可靠性指標(biāo)已成為企業(yè)提高產(chǎn)品質(zhì)量、提升品牌知名度、贏得市場(chǎng)的關(guān)鍵因素之一?？煽啃砸卜Q為壽命或耐久性，產(chǎn)品的可靠性越好相對(duì)壽命就越長(zhǎng)，產(chǎn)品的壽命越長(zhǎng)也就越經(jīng)久耐用，可靠性因此成為產(chǎn)品綜合質(zhì)量水平的集中體現(xiàn)。

智能坐便器產(chǎn)業(yè)屬于新興產(chǎn)業(yè)，檢測(cè)中所涉及的可靠性性能檢測(cè)設(shè)備全部為非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，存在設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)少，設(shè)備定型難、安裝不方便等問(wèn)題。具體表現(xiàn)如下：（1）設(shè)備便利性方面：對(duì)于遙控型的智能坐便器，由于實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行可靠性測(cè)試需要在遙控器上操作相應(yīng)的功能，而各個(gè)品牌甚至同一品牌不同的系列，都有不同的遙控器，如圖1所示。常見(jiàn)智能坐便器遙控器按鍵的形式有：按鈕型、觸摸感應(yīng)型、薄膜開(kāi)關(guān)型、觸控型；遙控器按鍵布局有：?jiǎn)蚊嫘汀⒄鎮(zhèn)让嫘?、正面斜邊型、正面兩邊型；遙控器的外型有：長(zhǎng)方形、長(zhǎng)條形、膠囊型、異型。經(jīng)調(diào)研，目前市面上的檢測(cè)設(shè)備已經(jīng)無(wú)法應(yīng)對(duì)快速增長(zhǎng)的智能坐便器遙控器發(fā)展的需求，現(xiàn)有的測(cè)試系統(tǒng)按鍵檢測(cè)使用氣動(dòng)手指，主要存在安裝不便利、無(wú)法夾持、通用性太差等問(wèn)題。（2）設(shè)備功能方面：國(guó)內(nèi)智能坐便器檢測(cè)設(shè)備主要生產(chǎn)企業(yè)都不具備打開(kāi)蓋板、關(guān)閉蓋板、負(fù)載持續(xù)加載等步驟，與智能坐便器的實(shí)際使用不符合，無(wú)法很好地模擬智能坐便器的實(shí)際使用情況，影響檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

因此，研制基于機(jī)器視覺(jué)的智能坐便器遙控器自動(dòng)識(shí)別與可靠性試驗(yàn)設(shè)備，不僅能構(gòu)建模擬實(shí)際使用情況的智能坐便器可靠性試驗(yàn)系統(tǒng)，而且依靠視覺(jué)技術(shù)使得安裝更便捷，該設(shè)備對(duì)改善行業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量，提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力具有重要的積極意義。

2 機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和原理

本套系統(tǒng)主要由PLC、電源模塊、步進(jìn)電機(jī)、控制器、六自由度機(jī)械手等組成，如圖2所示。本試驗(yàn)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)“機(jī)械手坐便器掀蓋→移入砝碼加壓→機(jī)械手按鈕（依次多個(gè)）→移走砝碼→機(jī)械手坐便器關(guān)蓋”這樣的周期循環(huán)工作過(guò)程，很好地模擬了實(shí)際使用智能坐便器的用戶實(shí)際場(chǎng)景[1]，保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確可靠性；并根據(jù)不同廠家不同智能坐便器的功能，進(jìn)行功能切換；根據(jù)不同消費(fèi)者的需求，進(jìn)行不同時(shí)間進(jìn)度的設(shè)置。

2.1 工作原理

本套系統(tǒng)的核心處理部分是機(jī)械手和伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，組合實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各種動(dòng)作。

機(jī)械手為六軸組成的空間六桿開(kāi)鏈機(jī)構(gòu)，理論上可達(dá)到運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)任何一點(diǎn)。每個(gè)轉(zhuǎn)軸均帶一個(gè)齒輪箱，機(jī)械手運(yùn)動(dòng)精度（綜合）達(dá)正負(fù)0.05 mm至正負(fù)0.2 mm。六軸均帶AC伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，每個(gè)電機(jī)后均有編碼器與剎車(chē)。機(jī)械手帶有串口測(cè)量板（SMB），測(cè)量板上帶有六節(jié)可充電的鎳鉻電池，起到保存數(shù)據(jù)的作用。機(jī)械手帶有手動(dòng)松閘按鈕，維修時(shí)使用，非正常使用會(huì)造成設(shè)備或人員傷害。機(jī)械手帶有平衡氣缸或彈簧。

伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，其基本功能是對(duì)位置、速度和電機(jī)電流進(jìn)行數(shù)字化調(diào)整，對(duì)電機(jī)的交流控制進(jìn)行同步。具體而言，伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)又可分為兩部分：（1）下位機(jī)部分，負(fù)責(zé)讀取傳感器數(shù)據(jù)、解算機(jī)械手的姿態(tài)以及控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)；（2）上位機(jī)部分，負(fù)責(zé)與下位機(jī)通訊、提供API接口函數(shù)以及通過(guò)視覺(jué)處理獲取按鈕位置。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）夾裝試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)。底座上設(shè)有固定坐便器和遙控器的夾具，由于坐便器和遙控器型式不同，夾具采用兩軸加壓板的氣動(dòng)結(jié)構(gòu)，開(kāi)始檢測(cè)前，將坐便器和遙控器分別放置至待夾持區(qū)域，啟動(dòng)氣動(dòng)電磁閥，氣缸伸出，固定坐便器和遙控器。

圖1 不同形狀的遙控器

圖2 智能坐便器遙控器自動(dòng)識(shí)別與可靠性試驗(yàn)設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)

圖3 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

（2）座圈可靠性試驗(yàn)?zāi)K設(shè)計(jì)。采用電缸取代了傳統(tǒng)氣缸，其將伺服電機(jī)與絲杠一體化設(shè)計(jì)的模塊化，將伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)利用伺服電機(jī)最佳優(yōu)點(diǎn)——精確轉(zhuǎn)速控制和精確轉(zhuǎn)數(shù)控制，達(dá)到精確推力控制，比原有氣缸的推力更加穩(wěn)定。電缸末端連接柔性材料制成的壓板（模擬人體臀部尺寸）連接在龍門(mén)架上，通過(guò)電缸的推力精準(zhǔn)模擬不同重量的人體的落座。

圖4 智能坐便器遙控板檢測(cè)軟件型號(hào)、按鈕模板設(shè)置界面

圖5 視覺(jué)識(shí)別流程圖

（3）翻蓋可靠性試驗(yàn)?zāi)K設(shè)計(jì)。通過(guò)六自由度機(jī)械手的末端安裝有柄梁、真空吸頭手指組成的操作頭，真空吸頭貼合在智能坐便器蓋后，真空發(fā)生器打開(kāi)，吸頭產(chǎn)生吸附力，在機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)下開(kāi)啟馬桶蓋或閉上馬桶蓋，手指為柔性材料制成，機(jī)械手示教后運(yùn)動(dòng)按下相應(yīng)的按鍵（如沖洗、婦洗等）。

（4）數(shù)據(jù)記錄模塊設(shè)計(jì)。測(cè)控系統(tǒng)的核心由PLC組成[2]，PLC的IO口與六自由度機(jī)械手的信號(hào)線、下壓機(jī)構(gòu)電缸的繼電器、真空吸頭的真空發(fā)生器電磁閥及氣動(dòng)夾具的電磁閥連接。

3 視覺(jué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和原理

在智能坐便器自動(dòng)檢測(cè)項(xiàng)目中，利用機(jī)器視覺(jué)快速、準(zhǔn)確地獲取遙控板的整體位置信息和全部按鈕位置以及按鈕具體功能信息，機(jī)械手根據(jù)這些信息對(duì)智能坐便器遙控板進(jìn)行重復(fù)點(diǎn)擊以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)。智能坐便器遙控板檢測(cè)軟件型號(hào)、按鈕模板設(shè)置界面如圖4所示。

3.1 工作原理

視頻采集裝置采用日本ARTRAY公司的CCD攝像機(jī)，攝像機(jī)安裝在機(jī)械手本體外的固定位置，以便穩(wěn)定識(shí)別安裝架上的遙控器，視覺(jué)系統(tǒng)可分為圖像獲取、圖像處理、圖像理解、圖像存儲(chǔ)等功能模塊[4]，其中最核心的部分是圖像處理，主要實(shí)現(xiàn)了圖像的灰度化、圖像的二值化、圖像輪廓的提取以及中心點(diǎn)的生成等。具體到按鈕的識(shí)別，其原理主要為：利用按鈕上不同的簡(jiǎn)單圖案、數(shù)字或字符，實(shí)現(xiàn)按鈕的區(qū)分與位置獲取，即將按鈕識(shí)別轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單圖案識(shí)別。

視覺(jué)識(shí)別流程如圖5所示，首先，固定好遙控器后，系統(tǒng)會(huì)嘗試進(jìn)行視覺(jué)識(shí)別，若不能識(shí)別，會(huì)自動(dòng)新建一個(gè)新的遙控器模板，并將其中的功能按鈕也做相關(guān)的定義，整合成一個(gè)完整的數(shù)據(jù)包，添加到模板數(shù)據(jù)庫(kù)。接著系統(tǒng)會(huì)再次對(duì)遙控器進(jìn)行模板匹配，從而識(shí)別到該遙控器，若是已經(jīng)測(cè)過(guò)的遙控器，系統(tǒng)一次便能準(zhǔn)確識(shí)別到對(duì)應(yīng)的模板，如此便能進(jìn)一步識(shí)別到模板中的按鈕圖標(biāo)與定位，將相應(yīng)的位置數(shù)據(jù)傳送給機(jī)器人，助力機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循環(huán)測(cè)試。

3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）標(biāo)定板標(biāo)定。利用標(biāo)定板進(jìn)行標(biāo)定，將現(xiàn)實(shí)坐標(biāo)系、相機(jī)坐標(biāo)系和機(jī)械手坐標(biāo)系這三者進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

（2）模板設(shè)置。主要分為部分模板：根據(jù)不同廠家不同型號(hào)的遙控板的關(guān)鍵型號(hào)信息設(shè)置型號(hào)模板，一個(gè)型號(hào)模板對(duì)應(yīng)唯一一款智能坐便器遙控板；每一個(gè)按鈕圖案設(shè)置按鈕模板 ，一個(gè)按鈕模板對(duì)應(yīng)該型號(hào)智能坐便器遙控板上的按鈕實(shí)際功能。

（3）形狀匹配。按既定時(shí)間間隔對(duì)相機(jī)進(jìn)行外觸發(fā)，得到遙控器圖像，根據(jù)設(shè)置好的型號(hào)模板對(duì)圖像進(jìn)行形狀匹配，得到位置信息和對(duì)應(yīng)廠家以及對(duì)應(yīng)型號(hào)信息。并根據(jù)信息找到此前設(shè)置好的該型號(hào)按鈕模板，根據(jù)按鈕模板對(duì)該智能坐便器遙控板圖像進(jìn)行形狀匹配，得到所有按鈕的位置信息以及按鈕對(duì)應(yīng)的實(shí)際功能[3]。

（4）機(jī)械手操作。根據(jù)實(shí)操作順序，視覺(jué)檢測(cè)軟件依次將所有的按鈕位置信息通過(guò)485通訊協(xié)議傳遞給機(jī)械手。機(jī)械手移動(dòng)到相應(yīng)按鈕位置，完成相應(yīng)的操作。量盲測(cè)、企業(yè)產(chǎn)品委托定性等項(xiàng)目中，經(jīng)過(guò)分析比較，現(xiàn)有設(shè)備更科學(xué)合理，極大地提高了檢測(cè)效率和檢驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，其與傳統(tǒng)設(shè)置比較結(jié)果如表1所示。

表1 傳統(tǒng)和新設(shè)計(jì)可靠性試驗(yàn)裝置參數(shù)比對(duì)

通過(guò)本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自主、長(zhǎng)期的測(cè)試，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，大大提高智能坐便器的質(zhì)量水平，降低智能坐便器的返修率，進(jìn)一步促進(jìn)智能坐便器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

4 結(jié)語(yǔ)

基于機(jī)器視覺(jué)的智能坐便器遙控器自動(dòng)識(shí)別與可靠性試驗(yàn)設(shè)備已經(jīng)應(yīng)用于浙江省消費(fèi)者智能坐便器產(chǎn)品質(zhì)