[发明专利]一种用于引导自动化毛囊采集机器的视觉系统

权利要求书

1.一种用于引导自动化毛囊采集机器的视觉系统，其特征在于：包括上位机、Matlab相机标定工具箱、棋盘标定板、高斯滤波器、双目全局摄像头(7)和电子显微镜(11)，上位机安装有Matlab相机标定工具箱和棋盘标定板；

所述双目全局摄像头(7)和3个电子显微镜(11)均与上位机通讯连接，双目全局摄像头(7)和3个电子显微镜(11)均安装在自动化毛囊采集机器上，自动化毛囊采集机器包括粗调螺旋(1)、滑槽(2)、滑块(3)、微调螺旋(4)、微调升降部件(5)、电子显微镜升降部件(6)、连接臂Ⅱ(8)和刀具(10)；

所述粗调螺旋(1)包括转杆(101)、平台(102)和步进电机Ⅰ(103)，平台(102)上设置有供转杆(101)穿过的通孔Ⅰ，转杆(101)竖直设置，转杆(101)的上端穿过平台(102)上的通孔Ⅰ并伸出平台(102)的上表面，转杆(101)与平台(102)固定；所述平台(102)上安装有步进电机Ⅰ(103)，步进电机Ⅰ(103)的输出轴通过皮带与转杆(101)的上端传动连接；

所述滑槽(2)呈弧形，滑槽(2)的开口位于滑槽(2)凹面上，转杆(101)的下端与滑槽(2)的外表面连接，连接点靠近滑槽(2)的一端，这一端记为滑槽(2)的上端；所述滑槽(2)的上端连接有步进电机Ⅱ(201)，步进电机Ⅱ(201)的下表面连接有双目全局摄像头(7)；

所述滑块(3)安装到滑槽(2)内，滑块(3)上连接有皮带，该皮带与步进电机Ⅱ(201)传动连接；

所述微调螺旋(4)包括连接杆(401)、转动板(402)、带轮(403)、圆锥滚子轴承(404)和步进电机Ⅲ(405)，连接杆(401)的上端连接到滑块(3)的下表面；所述转动板(402)设置有供连接杆(401)穿过的通孔Ⅱ和供步进电机Ⅲ(405)输出轴穿过的通孔Ⅲ；所述步进电机Ⅲ(405)安装在转动板(402)的上表面，步进电机Ⅲ(405)的输出轴穿过转动板(402)的通孔Ⅲ并伸到转动板(402)的下方；

所述连接杆(401)的下端穿过转动板(402)的通孔Ⅱ并伸到转动板(402)的下方，位于转动板(402)下方的圆锥滚子轴承(404)的内钢圈套设并固定在连接杆(401)上，圆锥滚子轴承(404)外钢圈的上边缘连接在转动板(402)的下表面；位于所述圆锥滚子轴承(404)下方的带轮(403)套设在连接杆(401)上，带轮(403)的上边缘与圆锥滚子轴承(404)外钢圈的下边缘连接；所述带轮(403)通过皮带与步进电机Ⅲ(405)的输出轴传动连接；

所述电子显微镜升降部件(6)包括步进电机Ⅳ(601)、丝杆Ⅰ(602)、升降圆环(603)、限位块(604)和连接件Ⅰ(607)，连接件Ⅰ(607)的上端连接在转动板(402)的下表面，下端连接有输出端朝上的步进电机Ⅳ(601)，步进电机Ⅳ(601)的输出端连接有丝杆Ⅰ(602)，丝杆Ⅰ(602)的上端设置有限位块(604)，限位块(604)连接在连接件Ⅰ(607)上；所述丝杆Ⅰ(602)上旋入丝杆螺母Ⅰ(605)，丝杆螺母Ⅰ(605)的侧壁上连接有若干撑杆(606)，若干撑杆(606)沿丝杆螺母Ⅰ(605)的周向间隔布置，若干撑杆(606)连接到升降圆环(603)的内壁上；

所述升降圆环(603)的下表面连接有3个电子显微镜(11)，3个电子显微镜(11)沿升降圆环(603)的周向等间距布置；

所述微调升降部件(5)包括步进电机Ⅴ(501)、丝杆Ⅱ(502)、丝杆螺母Ⅱ(503)和连接臂Ⅰ(504)，转动板(402)上设置有供步进电机Ⅴ(501)输出轴穿过的通孔Ⅳ，步进电机Ⅴ(501)安装在转动板(402)的上表面，步进电机Ⅴ(501)的输出轴穿过转动板(402)的通孔Ⅳ并伸到转动板(402)的下方；

所述步进电机Ⅴ(501)的输出轴与丝杆Ⅱ(502)连接，丝杆Ⅱ(502)上旋入丝杆螺母Ⅱ(503)，连接臂Ⅰ(504)的上端连接到丝杆螺母Ⅱ(503)的侧壁上；

所述连接臂Ⅰ(504)的下端设置有供步进电机Ⅵ(12)输出轴穿过的通孔Ⅴ，步进电机Ⅵ(12)的输出轴穿过连接臂Ⅰ(504)的通孔Ⅴ并与连接臂Ⅱ(8)的上端连接；所述连接臂Ⅱ(8)的下端设置有供步进电机Ⅶ(13)输出轴穿过的通孔Ⅵ；

所述刀具(10)包括刀架(1001)、步进电机Ⅷ(1002)和刀头(1003)，步进电机Ⅶ(13)的输出轴穿过连接臂Ⅱ(8)的通孔Ⅵ并与刀架(1001)连接，步进电机Ⅷ(1002)安装到刀架(1001)上，步进电机Ⅷ(1002)的输出轴连接有丝杆Ⅲ(1004)，丝杆Ⅲ(1004)上旋入丝杆螺母Ⅲ(1005)，刀头(1003)连接到丝杆螺母Ⅲ(1005)的外壁上；

工作时，通过所述Matlab相机标定工具箱和棋盘标定板标定双目全局摄像头(7)和3个电子显微镜(11)，得到双目全局摄像头(7)和3个电子显微镜(11)的相机矩阵，计算出相邻两个电子显微镜(11)之间的基本矩阵与本质矩阵；所述双目全局摄像头(7)通过图像分割法找到使用者头部(14)的毛囊区域，并将毛囊区域的视觉信息发送至上位机；所述上位机通过控制系统控制步进电机Ⅰ(103)和步进电机Ⅱ(201)转动，转杆(101)转动，滑块(3)滑动，刀头(1003)和3个电子显微镜(11)移动到毛囊区域正上方；所述控制系统控制步进电机Ⅲ(405)和步进电机Ⅳ(601)转动，使用索贝尔算子与电子显微镜(11)采集到的图像进行卷积操作，得到各个像素点的梯度值，筛选出梯度大于10的像素点作为图像角点；将3个所述电子显微镜(11)完全对焦；3个所述电子显微镜(11)将拍摄到的毛囊区域图像发送至上位机，并将图像从RGB色彩空间转化到HSV色彩空间；根据预先调试毛囊的HSV色彩值，将毛囊区域的所有毛囊放入HSV色彩空间进行筛选，留下毛囊的图像轮廓，采用高斯滤波器对图像轮廓进行处理去除图像噪点；对图像轮廓进行轮廓查找，区分图像中的连通区域与非连通区域，再寻找连通区域的最小外接矩形；根据毛囊的几何特征对最小外接矩形进行筛选，在总体毛囊中选出目标毛囊；通过所述刀头(1003)与目标毛囊的几何特征，获取毛囊的首末两端及刀头(1003)的像素坐标；再利用所述电子显微镜(11)之间的基本矩阵与本质矩阵构建每一个目标像素点与电子显微镜(11)之间的核面，根据核面几何学，对三个电子显微镜的目标像素进行一一匹配；匹配完成后，采用相机中央透视模型与相机矩阵计算出每一个目标像素点相对于相机坐标系的相对坐标，通过三维坐标变换，计算得到目标毛囊与所述刀头(1003)的空间绝对位姿和相对位姿；基于目标毛囊与所述刀头(1003)的空间绝对位姿和相对位姿，控制系统控制步进电机Ⅴ(501)、步进电机Ⅵ(12)和步进电机Ⅶ(13)转动，刀头(1003)移动到工作位姿，控制系统控制步进电机Ⅷ(1002)转动，刀头(1003)通过伸缩对目标毛囊进行拔取。