基于图像识别的穿刺打孔取样系统的制作方法

本实用新型涉及的是一种机械加工和生物试样、制剂检测领域的技术，具体是一种基于图像识别的穿刺打孔取样系统。

背景技术：

现有多种智能型作动器均采用压电陶瓷、压电薄膜、电致伸缩、磁致伸缩、形状记忆合金、伺服和电流变流体作为动力电路。这些作动器的出现为实现高精度的振动主动控制提供了必要条件。

技术实现要素：

本实用新型针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于图像识别的穿刺打孔取样系统，通过一个专门设计的穿刺打孔取样执行装置，结合二维移动机构，实现全过程自动化。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

本实用新型涉及一种基于图像识别的穿刺打孔取样系统，包括：用于识别试样形貌或试样上斑点形貌、分布和位置并生成穿刺采样轨迹的轨迹规划机构和根据轨迹进行样本采集的旋转切片机构，其中：旋转切片机构根据穿刺采样轨迹移动至预设位置后穿刺造孔，在试样上形成穿刺点轨迹后再施加剪切力实现样本与试样的分离。

所述的轨迹规划机构包括：图像采集电路、廓形构建电路、有效性判断电路以及路径生成电路，其中：两个图像采集电路分别设置于试样的上下两侧并各自采集包含斑点的试样图像和透光图像后输出至廓形构建电路，廓形构建电路通过坐标转换和廓形重建后输出至有效性判断电路，有效性判断电路将更新的样本廓形与标准廓形比较以判断斑点的合格性，并将合格斑点的样本廓形输出至路径生成电路，路径生成电路根据旋转切片机构的预设参数叠加至合格斑点的样本廓形上并生成穿刺采样轨迹。

附图说明

图1为本实用新型轨迹规划机构示意图；

图2为旋转切片机构示意图；

图3和图4为实施例切片过程示意图；

图5为不同结构的操作端示意图；

图6为不同结构的穿刺针示意图；

图7为穿刺筒示意图；

图8为操作端替换示意图；

图9为实施例工作示意图；

图10为实施例路径生成示意图；

图中：固定部件1、样条2、斑块3、传输带4、相机5、固定台板6、光源7、暗箱8、连接件9、步进电机10、驱动杆11、线圈12、双线圈12a、12b、壳体13、永磁体14、磁致动体15、结构体15a、内嵌于偏置磁体15b、导向柱16、操作端17、收纳筒18、待采集片19、固定块20、穿刺针21、弹性体22、拉簧23、永磁体24、顶块25、底端盖26。

具体实施方式

本实施例通过轨迹规划机构识别斑点并生成穿刺采样轨迹，再由旋转切片机构根据轨迹进行样本采集。

如图1所示，将带有斑块3的样条2设置于传输带4上，通过设置于暗箱8内作为图像采集电路的相机5获取图像，样条2的正反两侧均设有图像采集电路并分别采集包含斑点的试样图像和透光图像。

如图2和图3所示，所述的旋转切片机构包括：二维移动机构以及与之相连的驱动机构和操作端。

所述的驱动机构包括外部设有线圈12的壳体13、设置于壳体内的磁致动体15和导向柱16，其中：导向柱16的一端与操作端17相连，当线圈12上施加电流并产生磁场时，磁致动体15基于磁场力实现轴向移动以驱动操作端进行旋转和轴向动作。

所述的壳体内进一步设有用于限制磁致动体15移动范围的永磁体14。

所述的旋转和轴向动作，通过设置：

①电机10，该电机的输出轴与磁致动体套接以带动磁致动体在壳体内的径向转动，和/或

②非均匀磁化的磁致动体15，例如图9所示的结构体15a和内嵌于偏置磁体15b，该磁致动体15的磁轴与几何轴线不重合，例如存在θ角且0＜θ＜90°。当线圈生成轴向磁场h时，非均匀磁化的磁致动体15将同时受到轴向作用力f和周向作用力fw，从而带动导向柱和操作端同时进行旋转和轴向动作，形成平转动一体化运动的效果。该动作过程可以实现穿孔时上下动作同时的切割力的形成，有助于斑块样品取样有效率提高。

所述的线圈12也可以采用分体双线圈12a、12b的方式实现。

所述的磁致动体15和永磁体之间优选设有拉簧23。

如图5所示，所述的操作端17与导向柱16优选为活动连接，该操作端17包括：固定块20和设置与其底部的穿刺针21和弹性体22。

所述的活动连接，通过固定块20与导向柱16卡接实现。

在某些场合下，所述的导向柱16也可以通过磁性体24实现，通过磁性体24与磁致动体15相互吸引实现活动连接；对应所述的线圈的线筒底端设有永磁材料制成底端盖26，该底端盖26的磁极方向与磁致动体相反布置，通过反向磁斥力而限制中间磁致动体的下限位置且避免碰撞。

所述的弹性体22也可以替换为顶块25，从而具有非弹性直接挤压的功能效果。但弹性体22有挤压过程中弹性势能集聚，增加弹性力至切片切断剪切力时，22的弹性势能突然释放，而致使裁剪出来的样本切片被进一步弹入收纳筒17，而促使进入收纳筒底端的效果。

如图6所示，所述的穿刺针21为针形结构、楔形结构、锯齿形结构、一侧或两侧带有锯齿的楔形结构，其分别可实现小压力大压强效果、先穿透后连带扩孔的效果，提高单次穿孔的面积，减少整体切片时间，提高现率；锯齿形结构进一步能够有在穿透后对纤维连带材料的锯断效果，有利于便利实现轻薄材料上取材的功能。

如图7所示，所述的穿刺针21可以进一步替换为半开放结构或筒形结构的穿刺筒，此时只要根据中心定位点判断位置即可，筒形或弧形切刀下切实同时旋转，刃部还可配有小锯齿等，使达到高压强旋切取样效果；通过步进电机10带动旋转的同时可以直接切除圆形斑点试样。

当旋切动作为如图9所示的永磁体嵌入磁致动体结构形成的磁致动体15时，旋切动作也可不依赖电机而独立工作。

如图8所示，所述的壳体13的末端设有用于限位操作端17的底端盖26，通过收起导向柱16可以使得操作端17与导向柱16分离，进一步替换带有不同形式穿刺针或穿刺筒的操作端17。

如图9所示，本实施例涉及上述装置的穿刺打孔取样方法，具体包括以下步骤：

步骤1)根据穿刺采样轨迹，二维移动机构操纵驱动机构将操作端至试样上方；

步骤2)对双线圈12a和12b通电产生电磁场，该电磁场产生斥力作用于磁致动体15向下运动并带动操作端17同步向下运动，到电磁斥力足够大时，穿刺针21刺穿待采集片19；由于针尖压强大，作用面积小，因此刺穿过程中对待采集片19作用力较小，使待采集片19能够提供反向支持力的情况下而能被刺穿；然后通过对双线圈加载反相电信号或断电通过拉簧拉力的方式实现复位，即操作端17向上抬起，至穿刺针21从待采集片19拔出；进而当此时穿刺针21为锯齿针，则在穿刺针21尖部穿入后或拔出过程中，可使待采集片19的连接材料或纤维被局部切断，增加一次穿插过程中的切空面积而提高切孔效率；

步骤3)当完成一次穿插后，步进电机10进行一个步距或二维移动机构带动驱动机构行至下一个确定的斑点廓形上的样本点正对位置，重复前述动作过程直至所有确定的斑点廓形上的样本点穿刺完成后制成斑点廓形。

优选地，当穿孔待采集片19往往存在连带(纤维连接)，被切除片不能靠自重掉出，通过对双线圈12a和12b施加更大电流电以增大磁致动体15的运动幅度，使操作端17上的弹性体22瞬间释放的弹力至待采集片19的斑点廓形表面，致使被穿孔剪裁出廓形的待采集片19上的材料挤压掉出或弹至收纳筒18。

在某些场合，所述的弹性体22可替换为顶块25以直接传导电磁力实现将被切除片的连带部分撕开挤出掉落。

优选地，当切除片切除后为避免样品成分交叉感染，要更换新的一次性使用的操作端17；如图8所示，先指令二维移动机构带动工作部/操作端17至收纳操作端17的工位；导向柱16与操作端17为弹性挤压连接或磁吸力连接，此时通过加反向抬起的电磁力，与磁致动体15刚性连接的导向柱16带动操作端17向上运动，直至与底端盖26碰撞，碰撞力大于导向柱16与操作端17为弹性挤压连接或磁吸力时，操作端17脱落至其收纳箱。

如图10所示，所述的穿刺采样轨迹，采用但不限于以下方式实现：

a)在试样的正反两侧各设置至少一个参考点，通过两个图像采集电路各自获取包含待测斑点的试样图像和透光图像，分别计算试样图像上所有点至参考点的距离向量以及透光图像上所有点至参考点的色度值，构建得到距离向量与色度值一一对应的特征检索数据。

b)将待测斑点的特征检索数据与标准斑点的特征检索数据进行比对，生成复合对标样本的成像斑点的几何位置中心坐标，廓形、均匀度等要求的数字图像，具体包括：

b.1)将给定的标准/期望或通过数学模型计算生成的图形分割成m条线段；

b.2)将每条分割后的线段离散成n个点；

b.3)以每条线段的指定点如最左端点为起点，比较线段离散点坐标和斑点取样点坐标当满足以下标准：(xa-xd)²+(ya–yd)²≤c，其中：xa和ya分别表示斑点取样点坐标，xd和yd分别表示标准或期望或通过数学模型计算生成的图形分割线段离散点坐标，c为设定的最大允许偏差值，则提取斑点取样点值并放置在集合s中；

b.4)循环执行步骤b.2和b.3)直到线段的右端点；

b.5)循环执行步骤b.1至步骤b.4)直到遍历图中所有点，构成在og坐标系中所有符合步骤b.3中关系式的斑点取样点位置坐标数据的集合s。

c)将廓形数字图像与标准斑点逐点数据比较，构建级数多项式模型后进行有效性判断。

所述的标准斑点是指：参考点坐标系下预设的理想斑点的形状和色度值以及该理想斑点的几何构型的特征点的坐标，该特征点采用但不限于几何中心、对角线交叉点、最高最低点、色度中值点或亮度中值点。

所述的数据比较是指：将廓形数字图像的灰度值/透光度与标准目标透光灰度图/透光图比较。

所述的有效性判断是指：根据级数多项式模型，求取廓形数字图像与标准目标构型图比较后的差值，当差值小于阈值时则该待测斑纹有效；差值求取可采用但不限于最小均方根、最小二乘法算法。

d)将步骤c)得到的有效斑纹的几何位置中心坐标和廓形数字图像分别生成旋转切片机构的移动指令和操作端穿刺指令，经合并后得到穿刺采样轨迹。

经过具体实际实验，当设置为穿刺针直径为0.05mm，步进电机转动一圈为180步，穿刺针上下穿刺位移幅值为1mm，频率为10hz，以及步进电机每秒步进10步的情况下，本系统可以在20秒以内，在厚度为0.5mm的试样条上制得半径小于2.3毫米的圆形切片。

并且根据穿刺针的直径选择，以及穿刺位移幅值、频率调节，可以在更短/更长时间范围内制得更小/更大的的样本。理想情况下切片尺寸可达微米量级。目前现有技术尚没有能够实现在软性带材上实现对带材施加小压力而剪裁出微小切片和孔的技术。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本实用新型原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本实用新型的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本实用新型之约束。