CN111317591A - 针对纺锤形鱼类的疫苗自动注射装置及自动获取鱼苗注射位置的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种针对纺锤形鱼类的疫苗自动注射装置及自动获取鱼苗注射位置的方法，该装置主要包括控制模块、注射装置、图像获取装置、传送装置、检测装置、推鱼装置、定位放行机构。本发明可以实现纺锤形鱼类的疫苗注射。本发明的自动获取鱼苗注射位置的方法利用机器视觉获取鱼苗形态参数，采用一种全新的图像处理方法，可准确预测鱼苗的注射位置。本发明在预测鱼苗注射位置后对鱼苗进行疫苗注射，本发明自动化程度高、注射效率高、成功率高、易维护，可以有效对常见鱼类进行疫苗注射。
Description
技术领域
本发明涉及鱼类加工、鱼苗疫苗注射领域，具体涉及一种针对纺锤形鱼类的疫苗自动注射装置及自动获取鱼苗注射位置的方法。
背景技术
随着水产行业的迅速发展、工业化水产养殖等新技术普及以及上下游产业链的整合，生产、加工自动化要求逐步提高。
疫苗接种是预防鱼类得病的重要手段。注射免疫可以同时预防多种疾病，与其他免疫方式相比具有抗原利用率高、免疫效果稳定等特点。当前疫苗注射以手工注射为主，效率低、注射质量不稳定、操作工人易受伤，亟需一套自动化鱼类疫苗注射装备。如何实现鱼类疫苗的自动注射是自动化鱼类疫苗注射系统的前提和关键。
注射免疫的方法主要有三种，胸鳍注射，腹腔注射和背部注射。胸鳍注射一般在胸鳍基部的肌肉处，腹腔注射一般在腹鳍基部前后的小范围内注射。但是这两种注射方式不适用于体型小的鱼，部分鱼种胸腹部表皮较薄，过深的插针深度容易损伤内脏。背部注射适用于所有生长阶段的鱼苗，鱼背部肉多，可注射区域肉厚、宽度大，易于控制插针深度和插针位置。
现有技术中，存在能对畜禽和水产动物注射的自动化连续注射器，如申请号为201820149902.5的一种连续注射器针管组件，其能在雏鸡注射中实现自动推液，但其只能在固定位置注射，无法根据被注射对象与注射器的距离自动调节插针行程，也无法实现插针动作；申请号为201720319471.8的专利提供了一种鱼类疫苗自动注射机，其中介绍了一种自动注射机构，可以实现疫苗自动注射，但其无法根据被注射对象与注射器的距离自动调节插针行程，也无法实现定位，针筒在滑槽上易转动，互换性差；申请号为202010065117.3的专利提供了一种气动式疫苗连续注射装置，可以完成定位、插针和推液动作，并实现自动化疫苗注射，装置结构紧凑、刚度大、装配拆卸方便、成本低廉、适用场景广，但该装置无法实现精确定位。
发明内容
本发明为解决针对纺锤形鱼类的疫苗自动注射问题提供了一种针对纺锤形鱼类的疫苗自动注射装置及自动获取鱼苗注射位置的方法。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：
一种针对纺锤形鱼类的疫苗自动注射装置，包括控制模块、注射装置、图像获取装置、传送装置、检测装置、推鱼装置、定位放行机构；所述的控制模块与注射装置机架和图像获取装置相连；所述的图像获取装置设于传送装置上；所述的检测装置与传送装置相连；所述的推鱼装置与传送装置相连，位于传送装置的一侧；所述的注射装置与传送装置相连，位于推鱼装置的对侧；所述的控制模块通过图像获取装置获取鱼苗图像，确定鱼苗的注射位置；
所述的注射装置由注射装置机架、横向定位装置、注射机构、压紧机构组成；所述的控制模块与注射装置机架相连；所述的横向定位装置由丝杆滑台A、丝杆滑台B、丝杆滑台C组成，丝杆滑台C与丝杆滑台A和丝杆滑台B相连，丝杆滑台A和丝杆滑台B与注射装置机架相连，丝杆滑台C和注射机构相连；所述的压紧机构与注射机构相连；所述的注射机构由横向定位连接板、连续注射器、注射控制装置组成，所述的横向定位连接板与丝杆滑台C相连，所述的注射控制装置分别与连续注射器、横向定位连接板和压紧机构相连。
上述技术方案中，进一步地，所述的图像获取装置由工业相机、工业相机安装座、遮光罩组成，所述的遮光罩设于传送装置上，工业相机安装座与遮光罩相连，工业相机与工业相机安装座相连。
进一步地，所述的传送装置包括传送装置机架、以及设于传送装置机架上的传送带；所述的注射装置机架与传送装置机架相连。
进一步地，所述的检测装置由传感器支架、和设于传感器支架上的传感器组成，所述的传感器支架设于传送装置机架上，检测装置安置在图像获取装置和推鱼装置之间。
更进一步地，检测装置中的传感器采用光电开关、对射式激光开关或其他非接触式传感器。
进一步地，所述的推鱼装置由气缸、推块、推鱼装置支架组成，所述的推鱼装置支架设于传送装置机架上，推鱼装置支架和气缸相连，所述的推块与气缸相连；所述的推鱼装置用于将鱼体推送到定位放行机构处。
进一步地，所述的定位放行机构由旋转气缸、放行旋转板、挡鱼板A、挡鱼板B、头部定位板、底板、旋转气缸支架组成；所述的旋转气缸支架与注射装置机架和旋转气缸相连，所述的放行旋转板与旋转气缸相连，所述的底板与传送装置机架相连，所述的挡鱼板A、挡鱼板B、头部定位板都与底板相连；所述的底板是倾斜的，推鱼装置推出的鱼苗在底板上在重力的作用下自动滑落到至头部靠住头部定位板，腹部靠住放行旋转板；头部定位板与水平面之间的角度应大于鱼苗与底板材料之间的摩擦角，对于不锈钢材料一般大于20度。
进一步地，横向定位装置也可以采用气动、液压以及其他机械传动方式。
进一步地，所述的检测装置中的传感器可以用光电开关、对射式激光开关以及其他非接触式传感器。
进一步地，所述的控制模块可以为PLC、计算机、工控机、单片机以及其他控制装置。
本发明中，放入装置的鱼苗应经过麻醉，使其失去行动能力，头朝向传送带运动方向、腹部朝向注射装置安装侧，并对接触鱼苗的装置喷水。注射机构应可以完成压紧、插针、推液、拔针、吸液、回位等操作。注射机构所用的针头可以采用鲁尔锁型或者其他带锁定机构的针头。
本发明还提供一种自动获取鱼苗注射位置的方法，基于上述针对纺锤形鱼类的疫苗自动注射装置实现，所述的控制模块通过图像获取装置获取鱼苗图像，并确定鱼苗的注射位置的方法，包括以下步骤：
S1、在鱼苗到达图像获取装置的工业相机正下方时，控制模块控制工业相机自动获取一幅鱼苗的图像，应保证鱼苗完全在图像范围内；
S2、用畸变矫正算法矫正工业相机镜头带来的畸变效应，使图像中鱼苗与现实中的鱼苗比例一致或使误差在1～3个像素点之内；
S3、提取感兴趣区域，除去传送带以外区域的干扰，仅保留传送带所在区域范围；
S4、灰度化，对获取的多通道彩色图像利用灰度化算法统一变换成单通道的灰度图；若以灰度模式拍摄，可以忽略这步；
S5、阈值分割，对灰度化后的图像进行阈值分割，使鱼苗和背景区分开；
S6、形态学运算，利用形态学算法去除图像中的噪声，并闭合断开的轮廓边界；
S7、边缘轮廓提取，利用边缘检测算法提取出闭合的轮廓边界，并以得到的轮廓中面积最大的轮廓线作为鱼苗的外轮廓线；
S8、计算最小外接矩形，根据提取出的鱼苗的外轮廓线计算最小外接矩形；
S9、计算鱼苗长度和宽度，根据最小外接矩形的四个角的点坐标计算矩形的边长，以长边的长度为鱼的长度，短边的长度为鱼的宽度；
S10、根据像素点长度与实际尺寸之间的比例计算鱼苗的实际长度和宽度；
S11、通过测量不同鱼种外形尺寸与注射位置，事先建立鱼苗外形尺寸与注射位置之间的数学模型，根据鱼苗的注射位置模型，确定鱼苗的疫苗注射位置；
S12、根据阈值分割的图像和得到的最小外接矩形判断鱼苗的头尾位置，在鱼苗长度方向上，计算最小外接矩形两端的一段长度上鱼体所代表的像素点与该区域总像素点数目之间的比值。鱼体所代表的像素点密度高的一端为鱼苗头部，像素点密度低的一端为鱼尾，确定鱼头朝前还是鱼尾朝前；
S13、输出鱼苗的疫苗注射位置和鱼头朝向。
本发明装置的工作过程如下：
通过手工或者经过鱼苗自动翻身装置和侧翻机构将鱼苗形成头朝向传送带运动方向，腹部朝向注射装置安装侧的序列放在传送带上，图像获取装置获取一幅鱼苗图像，经过控制模块的计算，得到疫苗的注射点位置和鱼头朝向。若鱼头朝向前方，在得到疫苗的注射点位置后，控制模块控制横向定位装置的丝杆电机运动，使注射机构的针头位于待注射位置上方。待检测装置检测到所需要注射的鱼苗到达时，延迟一段时间，控制模块控制推鱼装置的气缸动作，使推块将鱼苗推入定位放行机构。鱼苗在定位放行机构上下滑到头部靠住头部定位板，腹部靠住放行旋转板。压紧机构在注射控制装置的动作下压紧在鱼苗侧面，连续注射器完成插针、推液、拔针、吸液操作，完成疫苗注射。注射控制装置控制压紧机构松开鱼苗。放行旋转板在旋转气缸的作用下旋转，鱼苗顺着打开的缺口滑落，从而完成该条鱼苗的疫苗注射。
与背景技术相比，本发明具有的有益效果是：
本发明可以实现纺锤形鱼类的疫苗注射。本发明利用机器视觉获取鱼苗形态参数，在预测鱼苗注射位置后对鱼苗进行疫苗注射，设计了一种自动化程度高、注射效率高、成功率高、易维护的针对纺锤形鱼类的疫苗自动注射装置，可以有效减少手工给鱼类注射疫苗的工作量，保护操作工人免受注射针的伤害。
本发明还提供一种自动获取鱼苗注射位置的方法，在对图像获取装置拍摄的鱼苗图像进行处理时，采用一种全新的图像处理方法，可准确预测鱼苗的注射位置。相比于人工注射疫苗，本发明方法效率高、成功率高、成本低且易于实现。
附图说明
图1是一种针对纺锤形鱼类的疫苗自动注射装置结构图；
图2是注射机构结构图；
图3是横向定位机构结构图；
图4是定位放行机构结构图；
图5是鱼苗的注射位置的自动确定方法；
图中：1、控制模块，2、注射装置，3、图像获取装置，4、传送装置，5、检测装置，6、推鱼装置，7、定位放行机构，201、注射装置机架，202、横向定位装置，203、注射机构，204、压紧机构，301、工业相机，302、工业相机安装座，303、遮光罩，401、传送带，402、传送装置机架，501、传感器支架，502、传感器，601、气缸，602、推块，603、推鱼装置支架，701、旋转气缸，702、放行旋转板，703、挡鱼板2，704、挡鱼板1，705、头部定位板，706、底板，707、旋转气缸支架，20201、丝杆滑台A，20202、丝杆滑台B，20203、丝杆滑台C，20301、横向定位连接板，20302、连续注射器，20303、注射控制装置。
具体实施方式
一种针对纺锤形鱼类的疫苗自动注射装置，包括控制模块1、注射装置2、图像获取装置3、传送装置4、检测装置5、推鱼装置6、定位放行机构7；所述的控制模块1与注射装置2和图像获取装置3相连；所述的图像获取装置3设于传送装置4上；所述的检测装置5与传送装置4相连；所述的推鱼装置6与传送装置4相连，位于传送装置4的一侧；所述的注射装置2与传送装置4相连，位于推鱼装置6的对侧；所述的控制模块1通过图像获取装置3获取鱼苗图像，确定鱼苗的注射位置。
所述的注射装置2由注射装置机架201、横向定位装置202、注射机构203、压紧机构204组成。所述的横向定位装置202由丝杆滑台A20201、丝杆滑台B20202、丝杆滑台C20203组成，丝杆滑台C20203与丝杆滑台A20201和丝杆滑台B20202相连，丝杆滑台A20201和丝杆滑台B20202与注射装置机架201相连，丝杆滑台C20203和注射机构203相连；所述的压紧机构204与注射机构203相连；所述的注射机构203由横向定位连接板20301、连续注射器20302、注射控制装置20303组成，所述的横向定位连接板20301与丝杆滑台C20203相连，所述的注射控制装置20303分别与连续注射器20302、横向定位连接板20301和压紧机构204相连。
所述的图像获取装置3由工业相机301、工业相机安装座302、遮光罩303组成，所述的遮光罩303设于传送装置4上，工业相机安装座302与遮光罩303相连，工业相机301与工业相机安装座302相连。
所述的传送装置4包括传送装置机架402、以及设于传送装置机架402上的传送带401；所述的注射装置机架201与传送装置机架402相连。
所述的检测装置5由传感器支架501、和设于传感器支架501上的传感器502组成，所述的传感器支架502设于传送装置机架402上，检测装置5安置在图像获取装置3和推鱼装置6之间。
所述的推鱼装置6由气缸601、推块602、推鱼装置支架603组成，所述的推鱼装置支架603设于传送装置机架402上，推鱼装置支架603和气缸601相连，所述的推块602与气缸601相连；所述的推鱼装置6用于将鱼体推送到定位放行机构7处。
所述的定位放行机构7由旋转气缸701、放行旋转板702、挡鱼板A 703、挡鱼板B704、头部定位板705、底板706、旋转气缸支架707组成；所述的旋转气缸支架707与注射装置机架201和旋转气缸701相连，所述的放行旋转板702与旋转气缸701相连，所述的底板706与传送装置机架402相连，所述的挡鱼板A 703、挡鱼板B 704、头部定位板705都与底板706相连；所述的底板706是倾斜的，推鱼装置6推出的鱼苗在底板706上，在重力的作用下自动滑落到至头部靠住头部定位板705，腹部靠住放行旋转板702。鱼体在定位放行机构7处完成自动注射。
所述的控制模块1与注射装置机架201相连；所述的图像获取装置3设置在传送装置4上，与传送装置机架402相连；所述的注射装置2与传送装置机架402相连，位于推鱼装置6的对侧。
横向定位装置202也可以采用气动、液压以及其他机械传动方式。注射机构203应可以完成压紧、插针、推液、拔针、吸液、回位等操作。所用针头可以采用鲁尔锁型或者其他带锁定机构的针头。所述的检测装置5中的传感器可以用光电开关、对射式激光开关以及其他非接触式传感器。所述的控制模块1可以为PLC、计算机、工控机、单片机以及其他控制装置。头部定位板705与水平面的角度应大于鱼苗与底板材料之间的摩擦角，对于不锈钢材料一般大于20度。
本发明中，所述的控制模块通过图像获取装置获取鱼苗图像，并确定鱼苗的注射位置的方法，包括以下步骤：
S1、在鱼苗到达图像获取装置的工业相机正下方时，控制模块控制工业相机自动获取一幅鱼苗的图像，应保证鱼苗完全在图像范围内；
S2、用畸变矫正算法矫正工业相机镜头带来的畸变效应，使图像中鱼苗与现实中的鱼苗比例一致或使误差在1～3个像素点之内
S3、提取感兴趣区域，除去传送带以外区域的干扰，仅保留传送带所在区域范围；
S4、灰度化，对获取的多通道彩色图像利用适当的灰度化算法(本发明实施例中采用的是加权平均法)统一变换成单通道的灰度图；若以灰度模式拍摄，可以忽略这步；
S5、阈值分割，对灰度化后的图像进行阈值分割，使鱼苗和背景区分开；
S6、形态学运算，利用形态学算法去除图像中的噪声，并闭合断开的轮廓边界；
S7、边缘轮廓提取，利用边缘检测算法提取出闭合的轮廓边界，并以得到的轮廓中面积最大的轮廓线作为鱼苗的外轮廓线；
S8、计算最小外接矩形，根据提取出的鱼苗的外轮廓线计算最小外接矩形；
S9、计算鱼苗长度和宽度，根据最小外接矩形的四个角的点坐标计算矩形的边长，以长边的长度为鱼的长度，短边的长度为鱼的宽度；
S10、根据像素点长度与实际尺寸之间的比例计算鱼苗的实际长度和宽度；
S11、通过测量不同鱼种外形尺寸与注射位置，事先建立鱼苗外形尺寸与注射位置之间的数学模型，根据鱼苗的注射位置模型，确定鱼苗的疫苗注射位置；所述的鱼苗的注射位置模型的建立方法为，手工测量鱼苗外形尺寸以及注射位置，通过建模建立起外形尺寸和注射位置之间的关系模型，该模型应该在机器工作前提前确定好；
S12、根据阈值分割的图像和得到的最小外接矩形判断鱼苗的头尾位置。在鱼苗长度方向上，计算最小外接矩形两端的一段长度上鱼体所代表的像素点与该区域总像素点数目之间的比值。鱼体所代表的像素点密度高的一端为鱼苗头部，像素点密度低的一端为鱼尾，确定鱼头朝前还是鱼尾朝前；
S13、输出鱼苗的疫苗注射位置和鱼头朝向。
放入本装置的鱼苗应经过麻醉，使其失去行动能力，并对接触鱼苗的装置喷水。通过手工或者经过鱼苗自动翻身装置(如采用申请号为202010067100.1的装置)和侧翻机构(如申请号201710198970.0的导向机构2)将鱼苗形成头朝向传送带运动方向、腹部朝向注射装置2安装侧的序列放在传送带401上，图像获取装置3获取一幅鱼苗图像，经过控制模块1的计算，得到疫苗的注射点位置。在得到疫苗的注射点位置后，控制模块1控制横向定位装置202的丝杆电机运动，使注射机构203的针头位于待注射位置上方。待检测装置5检测到所需要注射的鱼苗到达时，控制模块1控制推鱼装置6的气缸动作，使推块602推动到达的鱼苗进入定位放行机构7。鱼苗从定位放行机构7下滑到头部靠住头部定位板705，腹部靠住放行旋转板702。压紧机构204在注射控制装置20303的动作下压紧在鱼苗侧面，连续注射器20302完成插针、推液、拔针、吸液操作，完成疫苗注射。注射控制装置20303控制压紧机构204松开鱼苗。放行旋转板702在旋转气缸701的作用下旋转，鱼苗顺着打开的缺口滑落，从而完成该条鱼苗的疫苗注射。
Claims (10)
1.一种针对纺锤形鱼类的疫苗自动注射装置，其特征在于，包括控制模块、注射装置、图像获取装置、传送装置、检测装置、推鱼装置、定位放行机构；所述的控制模块与注射装置和图像获取装置相连；所述的图像获取装置设于传送装置上；所述的检测装置与传送装置相连；所述的推鱼装置与传送装置相连，位于传送装置的一侧；所述的注射装置与传送装置相连，位于推鱼装置的对侧；所述的控制模块通过图像获取装置获取鱼苗图像，确定鱼苗的注射位置；
所述的注射装置由注射装置机架、横向定位装置、注射机构、压紧机构组成；所述的控制模块与注射装置机架相连；所述的横向定位装置由丝杆滑台A、丝杆滑台B、丝杆滑台C组成，丝杆滑台C与丝杆滑台A和丝杆滑台B相连，丝杆滑台A和丝杆滑台B与注射装置机架相连，丝杆滑台C和注射机构相连；所述的压紧机构与注射机构相连；所述的注射机构由横向定位连接板、连续注射器、注射控制装置组成，所述的横向定位连接板与丝杆滑台C相连，所述的注射控制装置分别与连续注射器、横向定位连接板和压紧机构相连。
2.根据权利要求1所述的针对纺锤形鱼类的疫苗自动注射装置，其特征在于，所述的图像获取装置由工业相机、工业相机安装座、遮光罩组成，所述的遮光罩设于传送装置上，工业相机安装座与遮光罩相连，工业相机与工业相机安装座相连。
3.根据权利要求1所述的针对纺锤形鱼类的疫苗自动注射装置，其特征在于，所述的传送装置包括传送装置机架、以及设于传送装置机架上的传送带；所述的注射装置机架与传送装置机架相连。
4.根据权利要求1所述的针对纺锤形鱼类的疫苗自动注射装置，其特征在于，所述的检测装置由传感器支架、和设于传感器支架上的传感器组成，所述的传感器支架设于传送装置机架上，检测装置安置在图像获取装置和推鱼装置之间。
5.根据权利要求4所述的针对纺锤形鱼类的疫苗自动注射装置，其特征在于，检测装置中的传感器采用光电开关、对射式激光开关或其他非接触式传感器。
6.根据权利要求1所述的针对纺锤形鱼类的疫苗自动注射装置，其特征在于，所述的推鱼装置由气缸、推块、推鱼装置支架组成，所述的推鱼装置支架设于传送装置机架上，推鱼装置支架和气缸相连，所述的推块与气缸相连；所述的推鱼装置用于将鱼体推送到定位放行机构处。
7.根据权利要求1所述的针对纺锤形鱼类的疫苗自动注射装置，其特征在于，所述的定位放行机构由旋转气缸、放行旋转板、挡鱼板A、挡鱼板B、头部定位板、底板、旋转气缸支架组成；所述的旋转气缸支架与注射装置机架和旋转气缸相连，所述的放行旋转板与旋转气缸相连，所述的底板与传送装置机架相连，所述的挡鱼板A、挡鱼板B、头部定位板都与底板相连；所述的底板是倾斜的，推鱼装置推出的鱼苗在底板上在重力的作用下自动滑落至头部靠住头部定位板，腹部靠住放行旋转板；头部定位板与水平面之间的角度应大于鱼苗与底板材料之间的摩擦角。
8.根据权利要求1所述的针对纺锤形鱼类的疫苗自动注射装置，其特征在于，横向定位装置采用气动、液压或其他机械传动方式。
9.根据权利要求1所述的针对纺锤形鱼类的疫苗自动注射装置，其特征在于，所述的控制模块为PLC、计算机、工控机、单片机或其他控制装置。
10.一种自动获取鱼苗注射位置的方法，其特征在于，基于如权利要求1-9任一项所述的针对纺锤形鱼类的疫苗自动注射装置实现，所述的控制模块通过图像获取装置获取鱼苗图像，确定鱼苗注射位置的方法如下：
S1、在鱼苗到达图像获取装置的工业相机正下方时，控制模块控制工业相机自动获取一幅鱼苗的图像，应保证鱼苗完全在图像范围内；
S2、用畸变矫正算法矫正工业相机镜头带来的畸变效应，使图像中鱼苗与现实中的鱼苗比例一致或使误差在1～3个像素点之内；
S3、提取感兴趣区域，除去传送带以外区域的干扰，仅保留传送带所在区域范围；
S4、灰度化，对获取的多通道彩色图像利用灰度化算法统一变换成单通道的灰度图；若以灰度模式拍摄，可以忽略这步；
S5、阈值分割，对灰度化后的图像进行阈值分割，使鱼苗和背景区分开；
S6、形态学运算，利用形态学算法去除图像中的噪声，并闭合断开的轮廓边界；
S7、边缘轮廓提取，利用边缘检测算法提取出闭合的轮廓边界，并以得到的轮廓中面积最大的轮廓线作为鱼苗的外轮廓线；
S8、计算最小外接矩形，根据提取出的鱼苗的外轮廓线计算最小外接矩形；
S9、计算鱼苗长度和宽度，根据最小外接矩形的四个角的点坐标计算矩形的边长，以长边的长度为鱼的长度，短边的长度为鱼的宽度；
S10、根据像素点长度与实际尺寸之间的比例计算鱼苗的实际长度和宽度；
S11、通过测量不同鱼种外形尺寸与注射位置，事先建立鱼苗外形尺寸与注射位置之间的数学模型，根据鱼苗的注射位置模型，确定鱼苗的疫苗注射位置；
S12、根据阈值分割的图像和得到的最小外接矩形判断鱼苗的头尾位置，在鱼苗长度方向上，计算最小外接矩形两端的一段长度上鱼体所代表的像素点与该区域总像素点数目之间的比值；鱼体所代表的像素点密度高的一端为鱼苗头部，像素点密度低的一端为鱼尾，确定鱼头朝前还是鱼尾朝前；
S13、输出鱼苗的疫苗注射位置和鱼头朝向。
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