基于程控机械手的实验室样品自适应取样检测系统及控制方法

本发明属于机械手，具体涉及一种基于程控机械手的实验室样品自适应取样检测系统及控制方法。

背景技术：

1、在地质实验室中，常常需要对大量样品瓶中的样品成分进行检测分析。样品通常预先装入多个样品瓶中，并按照预定阵列排布于样品瓶载具内，以便进行集中存储、转运和批量处理。例如，一个样品瓶载具中可排列多个样品瓶，实验人员需将多个载具依次送入检测流程中完成检测任务。

2、现有地质实验室中的样品检测过程通常包括：从物料柜中取出样品瓶载具，逐个取出样品瓶，将样品瓶送入检测仪器中进行成分检测，检测完成后再将样品瓶放回原载具中。上述流程多依赖人工完成，或者，采用若干彼此独立的设备分别处理不同步骤。

3、在样品瓶自动取放方面，部分现有设备设置固定相机或机械臂末端相机，通过图像识别样品瓶、试管架、瓶盖或标签，并根据识别到的位置、姿态或预先划分的规格类别控制夹爪抓取。该类方案通常以视觉结果作为单向控制输入：视觉系统给出抓取坐标、试管类别或夹爪预设开口，夹爪随后按照固定行程或与规格类别对应的预设参数闭合。

4、但是，样品瓶尤其是玻璃试管、透明离心管或表面具有高反光区域的检测管，其真实外壁边界容易受到环境光、背景纹理、液面折射、瓶身标签、相邻试管遮挡以及镜头标定误差影响。由图像像素或点云拟合得到的视觉外径可能偏离夹手实际接触高度处的物理外径；即使视觉中心定位准确，样品瓶在管夹中的倾斜、偏心或瓶身局部锥度也可能导致两个夹手不能同步接触。现有仅依赖视觉定位或视觉分类的方案一般缺少利用夹手实际接触结果反向修正视觉外径和抓取中心的闭环，因此可能出现夹爪开口过大、夹持位置偏心、细管欠夹或粗管过夹。

5、在夹持力反馈方面，部分现有设备利用夹爪位置传感器、电机电流、压力传感器或末端力/力矩传感器判断是否夹到试管、限制最大夹持力，或者在搬运过程中根据单一力阈值判断是否滑移。该类方案多采用固定夹持力、固定力阈值，或者根据预先登记的试管规格查询夹持力参数，其力反馈主要用于接触后的到位确认、过载保护或被动补偿。

6、但是，样品瓶从载具中拔出时除了承受自重，还需要克服管夹弹性突触产生的保持力；在机械臂加减速、旋转开盖以及喷淋清洗时，又分别受到惯性载荷、瓶盖反扭矩和喷流扰动力。上述外载荷随载具磨损、瓶壁标签、瓶身潮湿程度、样品重量和工序状态而变化，不能仅由试管外径或预设规格表准确确定。单一力阈值还难以区分正常加减速造成的载荷突变和瓶体相对夹手的真实滑移：阈值过低容易误停，阈值过高或简单持续增大夹持力则可能挤裂薄壁玻璃管或使塑料管变形。

7、还有部分现有方案同时配置视觉系统与力反馈装置，但通常是先由视觉系统选择抓取位置或夹持模式，再由力反馈确认是否夹紧，视觉信息与力信息按先后顺序分别工作。此种串联方式中，力反馈结果通常不用于反向校正视觉尺寸，视觉系统也不用于验证力信号所表示的滑移是否真实发生；系统亦通常不在正式拔取前通过受控微动作分离样品瓶自重与管夹保持力，且不会将同一支样品瓶的实际摩擦状态和载荷数据继续用于开盖、清洗及回置工序。

8、因此，在样品瓶数量大、规格和材质混杂的情况下，现有技术仍存在以下相互关联的问题：视觉测量值缺少接触校正，无法可靠代表夹持位置处的真实外径；力反馈缺少对管夹保持力和实际摩擦状态的主动辨识，难以建立兼顾防滑与防损的夹持力范围；视觉滑移信息与力学滑移信息彼此独立，容易误判；同一支样品瓶在拔取、搬运、开盖、清洗和回置过程中的载荷数据相互割裂，不能随工序变化更新控制参数。

技术实现思路

1、本发明旨在提供一种基于程控机械手的实验室样品自适应取样检测系统及控制方法，用以解决现有技术中存在的上述问题中的一者或多者。本技术利用程序控制器将视觉引导、夹爪接触校正、微提拉载荷辨识和各工序运动控制组织为连续程序，使同一套夹爪能够处理不同外径、不同材质及不同管夹保持状态的样品瓶。

2、本发明不是仅由视觉结果单向驱动夹爪，而是由程序控制器先根据视觉外径生成预开口量和抓取轨迹，再在夹手首次形成双侧接触时读取实际夹爪开口量；程序控制器依据视觉结果的置信度融合视觉外径和接触外径，并在双侧接触不同步时执行重新对中程序，使夹爪接触信息反向校正视觉尺寸和抓取中心。

3、本发明不是采用固定夹持力或单一力阈值，而是在正式拔取前由程序控制器控制机械手执行低加速度微提拉。程序控制器根据样品瓶脱离管夹前后的轴向载荷差辨识管夹保持力，并结合未发生视觉相对滑移时的试探载荷确定摩擦系数下界，进而生成防滑夹持力下限和防损夹持力上限。

4、本发明将校正外径、管夹保持力、摩擦系数下界和工作夹持力按样品瓶标识写入状态参数档案；程控机械手执行搬运、开盖、检测、清洗和回置程序时，程序控制器连续读取和更新该状态参数档案，并通过力觉与视觉联合滑移判据触发增力、降速或回置，使前一工序的实测状态成为后一工序的控制输入。

5、本发明的目的是这样实现的：

6、第一方面，本发明提供一种基于程控机械手的实验室样品自适应取样检测控制方法，包括如下步骤：

7、s110，程序控制器控制视觉采集组件采集目标样品瓶的图像或点云，获得视觉外径、中心轴线、瓶口高度、姿态及视觉外径置信度，并生成夹爪预开口量、抓取位姿和运动轨迹。

8、s120，程序控制器控制机械臂按所述运动轨迹将第一夹爪移动至抓取位姿，并控制第一夹爪低速闭合，其中，低速闭合速度不大于10 mm/s，也即闭合过程中，第一夹爪开口量的减小速度不大于10 mm/s；在首次形成双侧对称接触时读取夹爪开口量作为接触外径，依据视觉外径置信度融合视觉外径和接触外径，得到校正外径。

9、s130，程序控制器以试探夹持力夹持目标样品瓶，并在正式拔取前控制机械臂执行微提拉辨识动作；根据样品瓶脱离管夹前后的轴向载荷差获得管夹保持力，根据未发生视觉相对滑移时的试探载荷与试探夹持力确定摩擦系数下界。

10、s140，程序控制器根据管夹保持力、摩擦系数下界及当前工序外载荷生成防滑夹持力下限，根据目标样品瓶的材质及校正外径生成防损夹持力上限，并在二者之间确定工作夹持力。

11、s150，程序控制器将校正外径、管夹保持力、摩擦系数下界和工作夹持力与目标样品瓶的标识绑定，控制程控机械手依次执行搬运、开盖、检测、清洗和回置中的至少两个工序，并在工序之间读取和更新相应状态参数。

12、s160，程序控制器根据夹持力变化和末端载荷变化获得力觉滑移量，根据连续图像获得目标样品瓶相对于夹手的视觉滑移量；根据力觉滑移量和视觉滑移量的联合判据，控制程控机械手执行安全区间内增力、降低运动速度或回置。

13、在一些可选实施方式中，视觉采集组件为设置于机械臂末端法兰附近的眼在手上相机，程序控制器通过手眼标定关系将样品瓶轮廓、点云直径、中心轴线、瓶口高度和倾斜角转换至机械臂坐标系，并根据轮廓完整度、反光比例、遮挡比例和多次测量离散度生成视觉外径置信度。

14、在一些可选实施方式中，校正外径按照dc=wdv+(1-w)df获得，其中dv为视觉外径，df为接触外径，w为随视觉外径置信度增大而增大的权重；当dv与df的差值超过尺寸阈值时，程序控制器控制第一夹爪张开、重新对中并再次进行第二次双侧接触测量，当第二次测量仍超过尺寸阈值时，将目标样品瓶标记为异常规格，并转入低速限力程序；

15、在一些可选实施方式中，低速限力程序是指夹爪开口量减小速度为5 mm/s且夹持力不超过防损夹持力上限的异常规格程序。

16、在一些可选实施方式中，微提拉辨识动作采用低于正式拔取加速度的辨识加速度；程序控制器分别记录样品瓶受弹性突触约束时的轴向载荷峰值和脱离管夹后稳定悬持时的稳态轴向载荷，以二者之差作为管夹保持力。

17、在一些可选实施方式中，防滑夹持力下限由样品瓶自重、管夹保持力、机械臂惯性载荷、开盖反扭矩折算的切向载荷以及清洗喷流扰动力中的当前有效载荷共同确定；防损夹持力上限由样品瓶材质对应的允许接触压强和夹手柔性衬垫的有效接触面积确定。

18、在一些可选实施方式中，程序控制器为每一目标样品瓶建立状态参数档案，至少记录样品瓶标识、校正外径、瓶口高度、管夹保持力、摩擦系数下界、夹持力上下限、开盖载荷、清洗姿态和回置深度；各工序程序以样品瓶标识为索引读取前一工序数据并写回本工序实测数据。

19、在一些可选实施方式中，滑移由力觉滑移量和视觉滑移量共同确认；程序控制器将机械臂加减速或喷流脉动造成的单一载荷变化与真实滑移区分，并在不超过防损夹持力上限的条件下分级执行增力、降速或回置。

20、在一些可选实施方式中，开盖或盖合期间，程序控制器根据旋转开盖器的反扭矩实时更新防滑夹持力下限，并根据轴向载荷偏差调整机械臂轴向进给速度，使瓶盖旋转、轴向进给和瓶身保持力联动。

21、在一些可选实施方式中，清洗期间，程序控制器根据校正外径、瓶口高度和瓶口姿态确定插入深度、倾角、旋转速度及喷淋参数，并根据喷流引起的横向载荷更新防滑夹持力下限；当安全裕量不足时优先降低喷淋强度或旋转速度。

22、在一些可选实施方式中，当防滑夹持力下限不小于防损夹持力上限时，程序控制器禁止程控机械手执行正式搬运并输出异常处置指令；当二者之间的裕量小于安全裕量阈值时，降低机械臂加速度、开盖转速或清洗喷淋强度中的至少一项。

23、第二方面，本发明提供一种基于程控机械手的实验室样品自适应取样检测系统，包括：

24、物料柜、样品放置工位、旋转开盖器、检测仪器、清洗机构以及程控机械手；所述程控机械手在程序控制器控制下，在上述装置之间转运载具或样品瓶，并按取样检测程序完成抓取、搬运、开盖、检测、清洗和回置。

25、所述程控机械手包括机械臂、程序控制器、第一夹爪、视觉采集组件和力感知组件。机械臂构成空间运动执行机构，第一夹爪构成样品瓶抓取工作头；程序控制器的存储器中存储有取样检测程序，处理器执行所述程序以协调机械臂运动、夹爪开口、视觉采集、载荷采集以及各工位动作。

26、所述程序控制器包括视觉引导功能，用于根据视觉外径、中心轴线和姿态生成夹爪预开口量、抓取位姿和运动轨迹，并根据轮廓完整度、反光区域比例、遮挡比例及多次测量离散度确定视觉外径置信度。

27、所述程序控制器包括接触校正功能，用于在第一夹爪首次形成双侧对称接触时读取夹爪开口量作为接触外径，根据视觉外径置信度融合视觉外径和接触外径，并在接触不同步或尺寸偏差超限时执行重新对中程序。

28、所述程序控制器包括载荷辨识功能，用于在正式拔取前控制机械臂执行微提拉，依据样品瓶脱离管夹前后的轴向载荷差获得管夹保持力，并依据未发生视觉相对滑移时的试探载荷和试探夹持力确定摩擦系数下界。

29、所述程序控制器包括安全夹持力生成功能，用于根据管夹保持力、摩擦系数下界和当前工序外载荷生成防滑夹持力下限，根据样品瓶材质和校正外径生成防损夹持力上限，并在所述下限与上限之间确定工作夹持力。

30、所述程序控制器包括跨工序协调功能，用于将同一样品瓶的校正外径和载荷参数连续用于搬运、开盖、检测、清洗和回置程序，并根据力觉与视觉联合滑移判据更新工作夹持力、机械臂运动参数或工位工作参数。

31、在一些可选实施方式中，机械臂末端设有第一夹爪和第二夹爪，第一夹爪用于抓取样品瓶，第二夹爪用于抓取载具；程序控制器根据取样检测程序选择对应夹爪，无需更换末端夹具即可完成单瓶操作和整盘载具转运。

32、在一些可选实施方式中，载具包括承载框和多个管夹，管夹内壁具有弹性突触并在底部设有高度调节机构；视觉采集组件识别各管夹内样品瓶的外径、露出高度和倾斜状态，程序控制器据此确定抓取高度及微提拉参数。

33、在一些可选实施方式中，程序控制器分别与物料柜、旋转开盖器、检测仪器和清洗机构通信连接，并通过样品瓶标识和状态参数档案同步程控机械手的轨迹程序、夹持程序以及各工位的动作程序。

34、与现有技术相比，本发明以程控机械手的程序控制链为主线，将视觉外径、接触外径、微提拉载荷、摩擦系数下界和工序外载荷转化为可被连续执行和更新的控制参数，避免视觉定位、夹持力设定和各工位动作彼此割裂。

35、本发明通过接触校正提高透明、反光或局部锥形样品瓶的尺寸与中心估计可靠性，通过微提拉在正式拔取前辨识管夹保持力和真实摩擦状态，通过防滑下限与防损上限双边约束降低滑落和挤裂风险，并通过跨工序状态更新降低开盖打滑、清洗偏位及回置不到位的风险，实现不同规格样品瓶的免换夹爪自适应处理。