CN107199405B - 一种玉米育种取样自动切片机 - Google Patents

Abstract

本发明属于工业自动化技术领域，尤其涉及一种玉米育种取样自动切片机。包括种子自动分离装置、种子视觉定向装置、种子姿态调整装置、双臂机器人系统、激光器系统及标准盘上下料系统，其中种子自动分离装置通过滑道与种子姿态调整装置连接，所述种子视觉定向装置设置于所述种子姿态调整装置上，所述标准盘上下料系统、双臂机器人系统和激光器系统分别于所述种子姿态调整装置的四周。本发明自动完成种子分离、定向、定位、切削、样本分离、样本标记等全部过程，整个过程无需人工参与，提高生产效率，降低切片制取人工成本。

Description

一种玉米育种取样自动切片机

技术领域

本发明属于工业自动化技术领域，尤其涉及一种玉米育种取样自动切片机。

技术背景

现代玉米育种常采用分子标记育种，育种切片是一种用于现代分子标记育种的分析样本，可以由人工手动切取也可以使用机器自动切取。在玉米育种切片制取过程中，人工制取成本高、效率低、一致性差，迫切需要一种自动化装备来代替人工劳动，提高切片制取效率和准确率，从而提高玉米育种效率。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种玉米育种取样自动切片机。该设备可以自动完成玉米种子分离、定向、定位、切削、样本分离、样本标记等全部过程。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种玉米育种取样自动切片机，包括种子自动分离装置、种子视觉定向装置、种子姿态调整装置、双臂机器人系统、激光器系统及标准盘上下料系统，其中种子自动分离装置通过滑道与种子姿态调整装置连接，所述种子视觉定向装置设置于所述种子姿态调整装置上，所述标准盘上下料系统、双臂机器人系统和激光器系统分别设置于所述种子姿态调整装置的四周；所述种子自动分离装置用于种子的分离；所述种子视觉定向装置对种子进行图像采集并分析得到种子当前姿态，通过计算和对比将当前姿态和理想姿态的偏差值输出给种子姿态调整装置；所述种子姿态调整装置可将种子姿态由任意姿态调整为理想姿态；所述双臂机器人系统用于种子的加持和传输；所述激光器系统用于完成玉米种子切片的切削；所述标准盘上下料系统自动完成空标准盘的上料动作、标准盘定位动作以及满标准盘的下料动作。

所述种子自动分离装置和种子姿态调整装置通过软管滑道连接，且所述种子自动分离装置的位置高于种子姿态调整装置。

所述种子自动分离装置包括种子单粒分离器、种子队列导向槽及振动盘，其中种子队列导向槽的两端分别与振动盘和种子单粒分离器连接，所述种子单粒分离器通过软管滑道与所述种子姿态调整装置连接。

所述种子姿态调整装置包括滑道导引装置、姿态调整台、进步电机、出料装置及夹持对中装置，所述姿态调整台的外侧沿周向布设有滑道导引装置、出料装置及夹持对中装置，所述滑道导引装置与所述种子自动分离装置连接，所述种子视觉定向装置设置于姿态调整台的上方，所述姿态调整台与进步电机的输出轴连接、并且通过进步电机的驱动而旋转。

所述双臂机器人系统包括右臂单元和左臂单元，所述右臂单元和左臂单元均由两组直线单元组成，均可以在XY平面内自由移动，使得双臂机器人系统的右臂末端执行器和左臂末端执行器可以到达XY平面内指定位置。

所述右臂单元和左臂单元中的组成直线单元中，X向直线单元均采用导轨固定、滑块运动的安装方式，Y向直线单元均采用滑块固定、导轨运动的安装方式。

所述激光器系统使用固定光路，种子切削轨迹通过双臂机器人系统夹持玉米种子，协同运动完成。

所述标准盘上下料系统包括种子母体标准盘上下料机构和种子切片标准盘上下料机构，所述种子母体标准盘上下料机构和种子切片标准盘上下料机构布设于种子姿态调整装置的两侧。

所述种子母体标准盘上下料机构包括种子母体标准盘空盘缓冲区、种子母体标准盘定位气缸、种子母体标准盘、种子母体标准盘运动导轨、种子母体摆放区及种子母体标准盘满盘缓冲区，其中种子母体摆放区通过种子母体标准盘运动导轨与种子母体标准盘空盘缓冲区和种子母体标准盘满盘缓冲区连接，所述种子母体摆放区的一侧设有种子母体标准盘定位气缸，所述种子母体标准盘通过所述双臂机器人系统的驱动在所述种子母体标准盘运动导轨上滑动。

所述种子切片标准盘上下料机构包括种子切片标准盘空盘缓冲区、种子切片标准盘、种子切片标准盘运动导轨、种子切片标准盘定位气缸、种子切片摆放区及种子切片标准盘满盘缓冲区，其中种子切片摆放区通过种子切片标准盘运动导轨与种子切片标准盘空盘缓冲区和种子切片标准盘满盘缓冲区连接，所述种子切片摆放区的一侧设有种子切片标准盘定位气缸，所述种子切片标准盘通过所述双臂机器人系统的驱动在所述种子切片标准盘运动导轨上滑动。

本发明的优点及有益效果是：

1.本发明中使用双臂机器人自动完成种子抓取、种子切削轨迹生成、种子切片分离等过程，双臂同步协同作业，左右作业臂均由两直线单元沿笛卡尔坐标系X、Y方向搭建而成。

2.本发明由种子自动分离装置、种子视觉定向装置、种子姿态调整装置、双臂机器人系统、激光器系统及标准盘上下料系统，自动完成种子分离、定向、定位、切削、样本分离、样本标记等全部过程，整个过程无需人工参与，提高生产效率，降低切片制取人工成本。

3.本发明中种子识别方法使用机器视觉和机械调整装置相结合的方案，对种子适应性强，可以适用各类形态甚至其他作物如花生、大豆等农作物种子的方向识别，可以有效应对不同品种的玉米种子，方便系统升级。

4.本发明中切片信息管理适用条码识别，自动录入切片标准盘和母体标准盘的编码信息，实现信息化管理，在切片分析完成后可以根据切片所在标准盘条码信息快速定位到对应母体信息，改善育种效率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中种子分离定向装置的结构示意图；

图3为本发明中姿态调整装置和种子视觉定向装置的结构示意图；

图4为本发明中姿态调整装置的结构示意图；

图5为本发明中双臂机器人系统的结构示意图；

图6为本发明中标准盘上下料系统的结构示意图。

图中：1为标准盘上下料系统，101为种子母体标准盘空盘缓冲区，102为种子母体标准盘定位气缸，103为种子母体标准盘，104为种子母体标准盘运动导轨，105为种子母体标准盘满盘缓冲区，106为种子切片标准盘，107为种子切片标准盘运动导轨，108为种子切片标准盘空盘缓冲区，109为种子切片标准盘空盘定位气缸，110为种子切片标准盘满盘缓冲区，2为种子姿态调整装置，201为滑道导引装置，202为姿态调整台，203为出料装置，204为夹持对中装置，3为激光器系统，4为种子视觉定向装置，5为双臂机器人系统，501为双臂机器人右臂末端执行器，502为双臂机器人右臂Y向导轨，503为双臂机器人右臂X向导轨，504为双臂机器人右臂Y向驱动电机，505为双臂机器人右臂X向驱动电机，506为双臂机器人左臂末端执行器，507为双臂机器人左臂Y向导轨，508为双臂机器人左臂Y向驱动电机，509为双臂机器人左臂X向驱动电机，510为双臂机器人左臂X向导轨，6为种子自动分离装置，601为软管滑道，602为种子单粒分离器，603为种子队列导向槽，604为振动盘。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细阐述，以便本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员了解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

如图1所示，本发明提供的一种玉米育种取样自动切片机，包括种子自动分离装置6、种子视觉定向装置4、种子姿态调整装置2、双臂机器人系统5、激光器系统3及标准盘上下料系统1，其中种子自动分离装置6通过滑道与种子姿态调整装置2连接，所述种子视觉定向装置4设置于所述种子姿态调整装置2上，所述标准盘上下料系统1、双臂机器人系统5和激光器系统3分别设置于所述种子姿态调整装置2的四周；所述种子自动分离装置6用于种子的分离；所述种子视觉定向装置4对种子进行图像采集并分析得到种子当前姿态，通过计算和对比将当前姿态和理想姿态的偏差值输出给种子姿态调整装置2；所述种子姿态调整装置2可将种子姿态由任意姿态调整为理想姿态；所述双臂机器人系统5用于种子的加持和传输；所述激光器系统3用于完成玉米种子切片的切削；所述标准盘上下料系统1自动完成空标准盘的上料动作、标准盘定位动作以及满标准盘的下料动作。

所述种子自动分离装置6的安装位置高于种子姿态调整装置2，种子经自动分离装置6由无规则叠放状态变为有序直线排列状态，排列于种子自动分离装置6的种子导向槽中，在控制信号的控制下，单粒释放，释放后的种子经一段软管滑道滑落到种子姿态调整装置2上，此时种子视觉定向装置4对种子进行拍照，并进行分析运算得到种子当前姿态，如种子当前姿态与理想姿态有偏差则发送偏差调整值给种子姿态调整装置2，经种子姿态调整装置2调整后种子姿态变为理想姿态，种子分离定向过程完成。

如图2所示，所述种子自动分离装置6和种子姿态调整装置2通过软管滑道601连接。所述种子自动分离装置6包括种子单粒分离器602、种子队列导向槽603及振动盘604，其中种子队列导向槽603的两端分别与振动盘604和种子单粒分离器602连接，所述种子单粒分离器602通过软管滑道601与所述种子姿态调整装置2连接。种子经软管滑道601从种子自动分离装置6到达种子姿态调整装置2，种子姿态调整装置2可以将种子姿态由任意姿态调整为理想姿态，以便种子切削。

所述振动盘604可以使种子从振动盘604中逐渐运动到种子队列导向槽603中，此时种子已经变为有序排列状态，在种子队列导向槽603的末端安装有种子单粒分离器602，种子单粒分离器602受控制系统控制。当控制系统发送“释放”控制信号时，种子单粒分离器602打开并释放一粒种子，然后闭合，被释放的种子进入软管滑道601内，最终落入种子姿态调整装置2内。

所述种子单粒分离器602为市购产品，购置于沈阳明华自动化机械设备有限公司，双A牌，型号：MH-SA-08102，额定处理料2kg。

如图3所示，所述姿态调整装置2的上方设有种子视觉定向装置4。所述种子视觉定向装置4包括相机和照明装置，用于种子图像信息采集。

如图4所示，所述种子姿态调整装置2包括滑道导引装置201、姿态调整台202、出料装置203及夹持对中装置204，所述姿态调整台202的外侧沿周向布设有滑道导引装置201、出料装置203及夹持对中装置204。所述滑道导引装置201与软管滑道601连接，所述种子视觉定向装置4设置于姿态调整台202的上方。

由所述软管滑道601滑过来的种子进入滑道导引装置201端部的导引管内，并由所述导引管落入姿态调整台202上。所述出料装置203为气缸驱动推料板，将姿态调整完成后的种子推入所述双臂机器人系统5的手爪内。所述夹持对中装置204为气动夹爪。

种子定向工作过程为：单粒种子从滑道引导装置201的导引管进入姿态调整台202，夹持对中装置204进行初次对中，然后种子视觉定向装置4进行图像采集，根据采集到的图像信息分析得到调整参数，姿态调整台202根据调整参数进行姿态调整，调整后夹持对中装置204进行再次对中，最后出料装置203将种子推出，种子自动定向过程完成。

所述姿态调整台202由步进电机驱动旋转，种子落入姿态调整台202后可以由步进电机的带动下旋转，从而改变姿态。

如图5所示，所述双臂机器人系统5完成种子移载、切削轨迹生成、切片与母体分离、标准盘上下料等功能。如图3所示，所述双臂机器人系统5包括右臂单元和左臂单元，所述右臂单元和左臂单元均由两组直线单元组成，均可以在XY平面内自由移动，使得双臂机器人系统5的右臂末端执行器501和左臂末端执行器506可以到达XY平面内指定位置。

所述右臂单元和左臂单元中的组成直线单元中，X向直线单元均采用导轨固定、滑块运动的安装方式，Y向直线单元均采用滑块固定、导轨运动的安装方式。

本实施例中，所述右臂单元和左臂单元协同作业，双臂机器人右臂末端执行器501安装在双臂机器人右臂Y向导轨502的末端，由双臂机器人右臂Y向驱动电机504驱动沿Y向自由移动，双臂机器人右臂X向导轨503固定在设备主体上，机器人右臂Y向驱动电机504和双臂机器人右臂X向驱动电机505均固定在滑块上，双臂机器人右臂X向驱动电机505驱动滑块可以沿双臂机器人右臂X向导轨503移动，此时双臂机器人右臂末端执行器201就可以在机器人右臂Y向驱动电机204和双臂机器人右臂X向驱动电机205的驱动下，在XY平面内到达导轨行程内的任意位置，从而可以精确地到达种子姿态调整装置2对应位置，双臂机器人右臂末端执行器201可以夹持住已经定向完成的玉米种子，并移载到激光器激光头下方切削区域。同理，双臂机器人左臂末端执行器506也可以在双臂机器人左臂Y向驱动电机508和双臂机器人左臂X向驱动电机509的驱动下，到达种子切削区域对应位置，与双臂机器人右臂末端执行器501对接，双臂机器人左臂末端执行器506安装有吸盘，吸盘吸附住种子胚乳位置，激光器出光，双臂机器人左臂末端执行器506和双臂机器人右臂末端执行器501携带种子运动即可实现切削，切削完成后种子被分为切片和母体两部分，切片由双臂机器人左臂末端执行器506移载放入种子切片标准盘106对应位置，母体由双臂机器人右臂末端执行器501移载放入种子母体标准盘103对应位置，切削过程完成。

所述激光器系统3使用固定光路，种子切削轨迹通过双臂机器人系统5夹持玉米种子，协同运动完成。

所述激光器系统3包括激光器、激光器支架、气源、冷水机，其中激光器包括电源、镜座、镜头组件等，激光器系统用于完成玉米种子切片的切削，激光器激光头固定，种子切削轨迹由双臂机器人系统5夹持种子做曲线运动生成，实现种子切削动作。切削完成的种子切片和种子母体分别由双臂机器人的左臂和右臂携带放置到标准盘中，标准盘的切换和标记由标准盘上下料系统1完成。

所述标准盘上下料系统1包括种子母体标准盘上下料机构和种子切片标准盘上下料机构，所述种子母体标准盘上下料机构和种子切片标准盘上下料机构布设于种子姿态调整装置2的两侧，如图1所示。

如图6所示，所述种子母体标准盘上下料机构包括种子母体标准盘空盘缓冲区101、种子母体标准盘定位气缸102、种子母体标准盘103、种子母体标准盘运动导轨104、种子母体摆放区及种子母体标准盘满盘缓冲区105，其中种子母体摆放区通过种子母体标准盘运动导轨104与种子母体标准盘空盘缓冲区101和种子母体标准盘满盘缓冲区105连接，所述种子母体摆放区的一侧设有种子母体标准盘定位气缸102，所述种子母体标准盘103通过所述双臂机器人系统5的驱动在所述种子母体标准盘运动导轨104上滑动。

种子母体空标准盘叠放于种子母体标准盘空盘缓冲区101，根据控制指令可以由缓冲区推入种子母体标准盘运动导轨104中并在双臂机器人右臂末端执行器501的驱动下沿导轨移动，到达种子母体标准盘103位置后，种子母体标准盘定位气缸102推出，种子母体标准盘103位置被固定，当种子母体标准盘103被摆放满之后母体标准盘定位气缸102退回，种子母体标准盘103由双臂机器人右臂末端执行器501驱动推入到种子母体标准盘满盘缓冲区105内。

所述种子切片标准盘上下料机构包括种子切片标准盘空盘缓冲区108、种子切片标准盘106、种子切片标准盘运动导轨107、种子切片标准盘定位气缸109、种子切片摆放区及种子切片标准盘满盘缓冲区110，其中种子切片摆放区通过种子切片标准盘运动导轨107与种子切片标准盘空盘缓冲区108和种子切片标准盘满盘缓冲区110连接，所述种子切片摆放区的一侧设有种子切片标准盘定位气缸109，所述种子切片标准盘106通过所述双臂机器人系统5的驱动在所述种子切片标准盘运动导轨107上滑动。

所述种子切片空标准盘叠放于种子切片标准盘空盘缓冲区108内，根据控制指令可以由缓冲区推入种子切片标准盘运动导轨107中、并在双臂机器人左臂末端执行器506的驱动下沿种子切片标准盘运动导轨107移动，到达种子切片标准盘106的位置，种子切片标准盘定位气缸109推出，种子切片标准盘106被固定，当种子切片标准盘106被摆放满之后切片标准盘定位气缸109退回，种子切片标准盘106由双臂机器人左臂末端执行器506驱动推入切片标准盘满盘缓冲区110，标准盘上下料过程完成。

本发明的工作原理是：

所述种子视觉定向装置4与所述种子姿态调整装置2由漏斗相连接。整个过程中，种子依次经过种子自动分离装置6、种子姿态调整装置2后，通过种子视觉定向装置4进行图像采集，根据采集到的图像信息分析得到调整参数，姿态调整台202根据调整参数进行姿态调整，就可以完成种子定向。定向完成的种子经双臂机器人系统5夹持定位并移载到激光器系统3中，由激光器进行切削后摆放到标准盘中，标准盘的上料和下料过程由标准盘上下料系统1完成，以上所有过程中的信号控制由控制系统完成。

所述控制系统包括PLC控制系统和工控机，PLC控制系统用于实现系统各传感器信号采集处理，用于实现机器人双臂伺服电机驱动，工控机用于实现人机交互界面、样本信息管理。

本发明的一个实施例中，所述双臂机器人系统5可以有效弥补玉米种子尺寸差异性对种子切削带来的影响，可以满足切片制取需求，所述种子姿态调整装置2和种子视觉定向装置4可以只通过软件升级就可以满足如瓠瓜、葵花、花生等不同种类作物种子的定向，具有良好的兼容性。

本发明是放入一定量的玉米种子到设备入料口，启动设备就可以得到制取并标记完成的玉米种子切片和母体(种子被切去切片后剩下的部分)，切片和母体整齐摆放在标准盘(一种样本专用存储装置)中。本发明自动完成种子分离、定向、定位、切削、样本分离、样本标记等全部过程，整个过程无需人工参与，提高生产效率，降低切片制取人工成本。

Claims (7)

1.一种玉米育种取样自动切片机，其特征在于，包括种子自动分离装置(6)、种子视觉定向装置(4)、种子姿态调整装置(2)、双臂机器人系统(5)、激光器系统(3)及标准盘上下料系统(1)，其中种子自动分离装置(6)通过滑道与种子姿态调整装置(2)连接，所述种子视觉定向装置(4)设置于所述种子姿态调整装置(2)上，所述标准盘上下料系统(1)、双臂机器人系统(5)和激光器系统(3)分别设置于所述种子姿态调整装置(2)的四周；所述种子自动分离装置(6)用于种子的分离；所述种子视觉定向装置(4)对种子进行图像采集并分析得到种子当前姿态，通过计算和对比将当前姿态和理想姿态的偏差值输出给种子姿态调整装置(2)；所述种子姿态调整装置(2)可将种子姿态由任意姿态调整为理想姿态；所述双臂机器人系统(5)用于种子的夹持和传输；所述激光器系统(3)用于完成玉米种子切片的切削；所述标准盘上下料系统(1)自动完成空标准盘的上料动作、标准盘定位动作以及满标准盘的下料动作；

所述种子姿态调整装置(2)包括滑道导引装置(201)、姿态调整台(202)、进步电机、出料装置(203)及夹持对中装置(204)，所述姿态调整台(202)的外侧沿周向布设有滑道导引装置(201)、出料装置(203)及夹持对中装置(204)，所述滑道导引装置(201)与所述种子自动分离装置(6)连接，所述种子视觉定向装置(4)设置于姿态调整台(202)的上方，所述姿态调整台(202)与进步电机的输出轴连接、并且通过进步电机的驱动而旋转；单粒种子从所述滑道导引装置(201)的导引管进入姿态调整台(202)，夹持对中装置(204)进行初次对中，然后所述种子视觉定向装置(4)进行图像采集，根据采集到的图像信息分析得到调整参数，姿态调整台(202)根据调整参数进行姿态调整，调整后夹持对中装置(204)进行再次对中，最后出料装置(203)将种子推出，完成种子自动定向过程；

所述双臂机器人系统(5)包括右臂单元和左臂单元，所述右臂单元和左臂单元均由两组直线单元组成，均可以在XY平面内自由移动，使得双臂机器人系统(5)的右臂末端执行器(501)和左臂末端执行器(506)可以到达XY平面内指定位置；

所述激光器系统(3)使用固定光路，种子切削轨迹通过所述双臂机器人系统(5)夹持玉米种子协同运动完成；

所述标准盘上下料系统(1)包括种子母体标准盘上下料机构和种子切片标准盘上下料机构，所述种子母体标准盘上下料机构和种子切片标准盘上下料机构布设于种子姿态调整装置(2)的两侧。

2.根据权利要求1所述的玉米育种取样自动切片机，其特征在于，所述种子自动分离装置(6)和种子姿态调整装置(2)通过软管滑道(601)连接，且所述种子自动分离装置(6)的位置高于种子姿态调整装置(2)。

3.根据权利要求1或2所述的玉米育种取样自动切片机，其特征在于，所述种子自动分离装置(6)包括种子单粒分离器(602)、种子队列导向槽(603)及振动盘(604)，其中种子队列导向槽(603)的两端分别与振动盘(604)和种子单粒分离器(602)连接，所述种子单粒分离器(602)通过软管滑道(601)与所述种子姿态调整装置(2)连接。

4.根据权利要求1所述的玉米育种取样自动切片机，其特征在于，所述右臂单元和左臂单元中的组成直线单元中，X向直线单元均采用导轨固定、滑块运动的安装方式，Y向直线单元均采用滑块固定、导轨运动的安装方式。

5.根据权利要求1所述的玉米育种取样自动切片机，其特征在于，所述激光器系统(3)使用固定光路，种子切削轨迹通过双臂机器人系统(5)夹持玉米种子，协同运动完成。

6.根据权利要求1所述的玉米育种取样自动切片机，其特征在于，所述种子母体标准盘上下料机构包括种子母体标准盘空盘缓冲区(101)、种子母体标准盘定位气缸(102)、种子母体标准盘(103)、种子母体标准盘运动导轨(104)、种子母体摆放区及种子母体标准盘满盘缓冲区(105)，其中种子母体摆放区通过种子母体标准盘运动导轨(104)与种子母体标准盘空盘缓冲区(101)和种子母体标准盘满盘缓冲区(105)连接，所述种子母体摆放区的一侧设有种子母体标准盘定位气缸(102)，所述种子母体标准盘(103)通过所述双臂机器人系统(5)的驱动在所述种子母体标准盘运动导轨(104)上滑动。

7.根据权利要求1所述的玉米育种取样自动切片机，其特征在于，所述种子切片标准盘上下料机构包括种子切片标准盘空盘缓冲区(108)、种子切片标准盘(106)、种子切片标准盘运动导轨(107)、种子切片标准盘定位气缸(109)、种子切片摆放区及种子切片标准盘满盘缓冲区(110)，其中种子切片摆放区通过种子切片标准盘运动导轨(107)与种子切片标准盘空盘缓冲区(108)和种子切片标准盘满盘缓冲区(110)连接，所述种子切片摆放区的一侧设有种子切片标准盘定位气缸(109)，所述种子切片标准盘(106)通过所述双臂机器人系统(5)的驱动在所述种子切片标准盘运动导轨(107)上滑动。

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