摆动型吸盘

自然界中有许多水生生物具有令人惊叹的吸附能力，例如，章鱼可以利用手臂上的吸盘在海中爬行并捕捉猎物，鮣鱼可以使用背上的粘性圆盘附着在鲨鱼身上 “搭便车”，爬岩鱼将它们的整个身体用作吸附系统抵御湍流的冲击。这些生物大多具有基于负压效应的吸盘黏附系统，尽管生物吸附器官的种类和形式不同，但学者们在生物黏附器官表面均发现了特殊的微/纳米级结构。有报道指出，这些微细结构在提高生物表面适应性、增加各向异性摩擦力等方面发挥了至关重要的作用。为了制造出表面覆盖微纳结构的仿生黏附器件，基于立体光刻的微型 3D 打印方法越来越受欢迎。近期，中国科学院合肥物质科学研究院的吴晅副研究员团队受爬岩鱼吸附现象的启发，研制了一款边缘具有分层微结构的仿生吸附器件（图1），并从毛细力和Stefan黏附相关的角度解释了微结构边缘在增强粘附力所起的作用。该团队利用新型面投影微立体光刻技术(nanoArch S140，摩方精密)和胶体球刻蚀技术制造了具有不同仿生特征（图2）的仿生吸盘，通过实验验证了微结构形状和规模、表面粗糙度和边缘材料对仿生吸盘粘附力的影响。最后，团队进行了拉脱实验以表征仿生边缘的剥离行为，并说明微结构在吸盘边缘从基底动态剥离中的作用。相关成果以“Enhanced Adhesion of Synthetic Discs with Micro-Patterned Margins”为题发表在《Biomimetics》期刊上。图1 爬岩鱼生物吸盘和仿生吸盘结构：（a-e）爬岩鱼生物吸盘边缘结构；（f）仿生吸盘边缘；（g）仿生分层微结构；（h）仿生吸盘 图2 不同仿生特征的微结构示意图该研究中，团队发现常规吸盘的吸附力曲线在 0–1 s 和 1.2–1.5 s 处显示两个峰值，在 1–1.2 s 和 1.5–1.8 s 处显示两个谷值。 另一方面，对于具有微观结构的吸盘，它们在 0.5 秒后只显示一个峰值和一个谷值（图3）。这表明与仿生吸盘相比，常规吸盘的性能不稳定，可能由于边缘突然从基板上剥离导致粘附力突然下降，这也很容易导致黏附完全失效。相反的，随着拉力的逐渐增加，仿生吸盘边缘的剥离平缓，粘附力曲线相对平滑。通过对仿生吸盘和含水基底的界面接触观察，团队发现，液体在单层六边形结构表面产生了聚集，导致部分液膜厚度不均匀。然而，这种液体聚集现象并没有发生在分层微结构的表面上（图4）。此外，液膜在分层微结构表面出现了分层现象：初级液层沿着六边形凹槽流出，次级液层受摩擦粘滞力作用被困在纤维阵列间（图5）。该团队认为，这种现象有助于维持湿黏附状态，增强仿生吸盘的剪切强度。该研究提出的仿生吸附器件和协同黏附策略表现优异，在攀爬机器人和水下抓取方面极具应用潜力。图3 具有不同仿生特征的吸盘吸附力测试图4 不同仿生特征边缘从基底上剥离时的接触界面变化：（a）单层微结构和基底间的液膜；（b）分层微结构和基底间的液膜；（c）单层微结构和基底接触截面示意图；（c）分层微结构和基底接触截面示意图；图5 液膜在单个分级微结构单元中的迁移过程：(a) 分层结构被液膜覆盖；(b) 液膜开始分离为初级层和次级层。浅蓝色箭头表示次级液层边界，深蓝色箭头表示初级液层边界； (c–g) 次级液膜迁移到单个二级结构上； (h) 单个分层微结构单元完全从基底上剥离。

交通气象移动观测新手段背景 道路交通安全与国民经济和民众生活息息相关，而变化多端的天气对道路交通运行安全与畅通具有极大的影响。随着现代公路运输体系所追求的快速、高效和安全理念的提出，在极端气候条件下道路行车安全也越来越受到普通大众、交通管理者的广泛关注。这些极端天气的影响体现在强风、路面积水、降雪、降温结冰、夏季高温（爆胎）、团雾等等。 为了缓解天气对于道路交通的不利影响、避免造成不必要的经济和生命损失，我们必须密切监测道路交通气象的变化。目前常规的监测手段是布设固定交通气象监测站，固定站点可以全天候24小时在线监测，但是本身也存在一定的劣势：一，覆盖面小，仅监测一个点，整个路段的代表性不足；二，高密度固定点 安装造成成本增加。Lufft作为交通气象行业的引领者，在道路交通气象安全方面有着丰富的经验和完整的解决方案，重点开发的移动路面传感器MARWIS-UMB为交通气象监测提供了新思路。 移动监测方案 Lufft MARWIS-UMB移动式路面传感器能同时测量：路面状况、路面温度、环境温度、水膜高度、露点温度、相对湿度、雪厚、含冰比例和摩擦系数等环境参数。通过磁力吸盘方便地安装于不同款的车上，实时高频率采集道路和环境参数为各种应用提供数据决策支撑。由于开放的接口协议，MARWIS很容易地集成到各种监测系统中。 MARWIS的集成方式分两种：一，通过无线蓝牙接口连接到终端（手机、平板），经终端的网络传输数据到中心平台，如图1所示；二，通过有线RS485接口连接到本地数据采集器，经数据采集器的网络传输到中心平台，如图2所示。 图1 无线蓝牙模式 图2 有线RS485模式 产品特点- 动态实时监测路面和大气环境参数；- 红外光谱分析技术，精准测量水膜厚度；- 内部100Hz的采集频率，高密度采点；- 用于校准、数据查看和数据传输的APP；- 磁力吸盘，易于安装到各种车型；- 支持蓝牙、RS-485或CAN-BUS多种接口并行传输；应用场景- 构建移动气象站，弥补固定站点的不足；- 特种车辆限速预警；- 助力热谱地图技术采集关键指标数据；- 自动控制喷洒水或融雪剂；- 与机场跑道新规范无缝衔接，提供整体解决方案；- 为无人驾驶和车路协同护航；应用案例移动巡逻车机场跑道表面状况评估美国马里兰州道路实时监测（52台MARWIS）

《产品外观缺陷机器视觉在线检测技术及设备开发》一文由合肥工业大学仪器科学与光电工程学院卢荣胜教授投稿分享，包括自序、研究背景、典型系统组成、成像技术及实现策略、关键核心单元部件、缺陷识别与分类、结束语、致谢几个部分。由于篇幅较长分为四篇发布，以下为第一部分：自序、研究背景、典型系统组成。1．自序本人1985年大学毕业后在量仪厂从事量具、刃具、工装、专机与机加工工艺开发等技术工作，于1992年从师费业泰教授攻读硕士与博士学位，从事精密机械热变形误差、精密仪器精度理论方面研究， 1998年末博士毕业后又拜师天津大学叶声华教授，从事机器视觉在线检测方面的博士后研究，研究方向随之聚焦于机器视觉与光学精密测量领域。之后在香港城市大学、英国帝国理工学院和哈德斯菲尔德大学进行了为期6年的三维机器视觉、自动光学检测和光学测量技术研发工作，于2006年5月返回母校合肥工业大学任教。回国后继续从事机器视觉与光学测量方面的研究，坚持面向平板显示、新能源、软性电路板、半导体等先进制造产业，注重技术的应用开发。先后主持了国家自然科学基金项目3项、863专项1项、国家科技支撑项目1项、国家重大科学仪器设备开发专项1项、国家重点研发课题1项、以及其它省部级项目和产学研合作项目10余项，在机器视觉与光学测量领域已培养硕士和博士研究生100余人。鉴于在机器视觉技术研究及应用开发方面20余年的研究积累，2021年无锡市锡山区政府与我们科研团队合作，联合创立了一个新型科技研发机构——无锡维度机器视觉产业技术研究院，采用实体化运营模式，面向先进制造产业链，从事机器视觉与光学精密测量方面产业共性关键技术研究与产业化开发。研究内容与产业化业务范围涉及机器视觉缺陷在线检测、三维机器视觉精密测量、机器人视觉引导、半导体检测、机器视觉关键零部件开发等。开发的视觉系统与仪器已经在平板显示、光伏、锂电池、软性电路板、半导体等行业得到成功应用。鉴于篇幅问题，本文重点聚焦于产品外观缺陷视觉在线检测技术，归纳了我20多年来在这些方面的科学研究与产业化开发的进展情况与心得体会。2．研究背景在产品制造过程中，由于生产环境不理想、制造工艺不规范等各种原因，零部件和产品外观难免会含有多种缺陷，如印制电路板上出现孔位、划伤、断路、短路和污染，液晶面板的基板玻璃和滤光片表面含有针孔、划痕、颗粒，带钢表面产生裂纹、辊印、孔洞和麻点，铁路钢轨出现凹坑、鼓包、划痕、擦伤、色斑和锈蚀，等等。这些缺陷不仅影响产品外观，更重要的是影响产品性能，严重时甚至危害生命安全，对用户造成巨大经济损失，因此，现代制造业对产品的表面质量控制非常重视。产品外观缺陷在线检测最传统的方法就是采用人工目视检测法，目前高端制造工厂大部分都采用自动化生产，但人工目视检测岗位仍占据工厂整体人员的15%-30%。鉴于人工目视检测存在对人眼伤害大、主观性强、准确率低、不确定性大、易产生歧义和效率低下等缺点，已很难满足现代工业对产品质量及外观越来越高的严格要求。随着电子技术、图像传感技术和计算机技术的快速发展，利用基于图像传感技术的视觉在线检测方法已逐渐成为外观缺陷检测的重要手段，因为这种方法具有自动化、非接触、速度快、准确度高等优点。目前，外观缺陷视觉在线检测技术已经广泛应用于工业、农业、生物医疗等行业，尤其在现代制造业，如平板显示、光伏、锂电池、半导体、汽车、3C电子（计算机、通讯和消费电子产品）等领域，对能够实现机器换人的外观缺陷视觉检测技术需求越来越旺盛。3．典型系统组成产品外观缺陷机器视觉检测是基于人眼视觉成像与人脑智能判断的原理，采用图像传感技术获取被测对象的信息，通过数字图像处理增强缺陷目标特征，再通过Blob(Binary large object)分析、模板匹配或深度学习等算法从背景图像中提取缺陷特征信息，并进行分类与表征。在工业应用领域，外观缺陷视觉检测系统实际上是一种智能化的数字成像与处理系统，即采用各种成像技术（如光学成像）模拟人眼的视觉成像功能，用计算机处理系统代替人脑执行实时图像处理、特征识别与分类等任务，最后把结果反馈给执行机构，代替人手进行操作，执行产品的分类、分组或分选、生产过程中的质量控制等任务。（左）6代线液晶阵列和彩色滤光片缺陷检测仪 （中）8.5代线玻璃基板缺陷检测仪 （右）ITO导电膜表面缺陷检测仪图 1 高世代液晶面板关键工艺节点缺陷视觉在线检测系统图 2 表面缺陷视觉在线检测系统组成原理图图1为我们在国家重大科学仪器设备开发专项的资助下，针对6代线和8.5代线液晶面板显示器制程中关键工艺节点，开发的三种缺陷视觉在线检测系统。该系统能很好地揭示一个视觉在线检测系统的各个组成部分、关键技术难点，以及所需的关键零部件。主要技术参数为：待测幅面大小≤1800x2200mm, 快速发现缺陷分辨率10μm, 复检显微分辨率0.5μm， 并行图像处理与缺陷识别系统采用CPU+FPA+GPU 主从分布式异构并行处理架构，检测时间节拍20s。系统组成与关键零部件单元可用图2示意图来清晰地描述，它由精密传输机构、光源、相机阵列、显微复检、并行处理、控制、主控计算机、服务器等单元模块，以及与工厂数据中心互联的工业局域网组成。图 3 展示了我们开发的手机液晶显示屏背光源模组缺陷转盘式多工位视觉在线检测系统的结构组成，该检测系统包括自动上料、编码、对准、检测、分选、返修识别等几个部分。图 3 背光源模组在线自动光学检测系统3.1 自动上料机构自动上料机构包括装配线上传输来的背光源模组位姿探测、电动与气动机构抓取、位置校正、送料等部分组成。工作原理如下：1. 在装配线传输带工位（1）的上方放入一个监视相机，当前道工序组装系统装配好背光源模组传输到工位（1）后，监视相机拾取到有待测模组时，计算模组在工位（1）处的位置与模组姿态信息，并发出工作同步指令给后续上料与检测系统。2. 监视相机发出工作同步指令后，气动与电动缸组成的送料系统把工位（1）处的背光源模组从传输带上吸起来，然后在气动滑台的带动下，把工位（1）处的背光源模组搬运到工位（2）处。在放到工位（2）上之前，计算机根据工位（1）上方的相机拍摄到的模组位置与姿态，发出指令给真空抓取吸盘角度校正电缸，初步校正背光源模组在空间的角度。当背光源模组运送到工位（2）后，模组在工位（2）处由4个气动滑缸从四边向中间对中，校正模组的位置，然后背光源模组下方的相机，对模组成像，识别待检背光源模组喷码序列号，作为有缺陷模组在返修过程中，从缺陷数据库中自动调出缺陷信息，指导返修任务。3. 在工位（1）处吸盘抓取背光源模组的同时，右边的吸盘在工位（2）处把已经校正好的模组吸起来，然后在气动滑台的带动下，把校正后的模组输送检测转盘工位（3）处。至此，一个上料循环完成。3.2 检测机构检测机构由间隙转动工位转盘、上料位置对准探测、异常检测、画面检测和外观检测工位组成。工作原理如下：1. 背光源模组被自动送料机构传输到工位（3）后，转盘在控制系统的控制下，转到工位（4）。在工位（4）的上方安装一个相机，检测背光源模组定位是否正常，模组LED灯工作是否正常，并把信息传给主控计算机。如果一切正常，则后续检测工位按预定的方案进行检测；如果不正常，后续检测对该模组不检测，然后传送到工位（9），由分选机构抓取，传送到不良品传输带上。2. 当模组转到工位（5）~（8）处后，缺陷扫描成像系统对画面缺陷进行扫描检测，缺陷扫描成像系统由高速扫描相机、一维滑动台、光栅、伺服系统、调整机构组成。由于外观检测项目较多，一个工位难以不够，故把工位（7）和（8）两个工位作为外观检测机构。3.3 分选机构分选机构由良品与不良品气动抓取机构、间隙运动传输带组成。结构布局参看图 3 所示，其工作原理如下：1. 如图 3 所示，画面（外观、异常等）缺陷检测完毕后，模组继续向下道工位转动，当模组运动到工位（9）后：分选机构左边的气动吸盘抓取工位（9）上的模组，传输到工位（11）处。2. 如果该模组是不良品，在分选机构向工位（9）移动的过程中，不良品传输带向前移动一个工位，把工位（11）清空，等待放置下个模组。3. 如果是良品，在下一个时刻分选机构抓取工位（9）上的模组时，右边的吸盘同时抓取工位（11）上的模组，在分选机构左吸盘把模组放到工位（11）处时，右吸盘把良品模组放置到良品传输带上工位（12）处，然后良品传输带向前移动一个工位，清空工位（12）等待放置下个模组。传输带之所以作间隙运动，一方面可以节省空间，另一方面考虑到不良品只是少数，这样可以让不良品按顺序一个一个经凑地排列在传输带上，不需要有人监视，返修人员只要传输带上放满了不良品后取走返修。3.4 复检与不良品返修对于检测到的不良品，再采用人工目视复检，并对不良品进行返修。在返修工作台上放置一个电脑，并安装一台成像系统，拾取不良品背面的编码。返修显示电脑通过工业以太网与缺陷数据库服务器相连，相机在电脑的控制下，获得带返修的不良品编码后，根据编码从服务器中调用缺陷信息，显示在屏幕上，导引返修人员对不良品进行合理的返修。