一种基于视觉-力反馈的小麦种子切片取样方法和系统

本发明属于自动化取样装备相关的一种小麦种子切片取样系统，更具体地，涉及一种基于视觉-力反馈的小麦种子切片取样方法和系统。

背景技术：

1、种子样本提取是种质资源培育的重要流程，对种子的胚乳进行微量样品提取可以在不损伤种子活性的前提下获得种子萌发后对应植株的全部基因，进而方便育种学家挑选出期望的植株并进行培育。

2、由于小麦种子属于生物物料，其外形轮廓不尽相同，长期以来依赖人工操作，由于小麦种子体积细小，抓取、切割困难，导致劳动强度大，取样耗时长，成为制约高通量基因检测的瓶颈。近些年，也有企业和科研机构研制了切片取样装置，由于使用单一的取样参数对小麦种子取样，亦存在样本均匀性差、切割成功率低等缺陷。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种基于视觉-力反馈的小麦种子切片取样方法和系统，该系统结合深度学习、lqr最优控制等技术，针对种子外形差异设定合适的切割取样参数，进而保证种子母体的活性和切合后样品量满足后续检测需求。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

3、一、一种基于视觉-力反馈的小麦种子切片取样方法

4、s1：通过机械臂将小麦种子转移至取样平台上方；

5、s2：利用外部视觉相机系统获取取样平台上刀片和小麦种子的图像，记为刀片-小麦种子图像，将刀片-小麦种子图像输入到深度学习网络模型中，获得刀片和小麦种子的位置信息；

6、s3：根据待切割的胚乳样品长度以及刀片和小麦种子的位置信息调整机械臂的位姿，机械臂将小麦种子转移至取样平台的u字型槽中并且小麦种子的待切割胚乳部分设置在u字型槽外；

7、s4：控制取样平台夹持小麦种子；

8、s5：控制取样平台对小麦种子切片，切片过程中实时采集切割力信号，根据切割力信号判断是否切割成功，若切割成功，则控制机械臂将切片后的小麦种子转移至目标位置，切割下来的小麦种子胚乳样品掉落至落料装置，否则丢弃当前小麦种子。

9、所述s5中，切片过程中，若实际切割力一直小于种子切割力上限并且实际切割力的最大值存在大于种子切割力下限时，则当实际切割力下降至种子切割力下限以下时，小麦种子切割成功，控制取样平台松开切片后的小麦种子；

10、若存在某一时刻的实际切割力大于种子切割力上限，则立即停止切割并丢弃当前小麦种子；

11、若在预设切割行程内实际切割力的最大值一直小于种子切割力下限，则立即停止切割并丢弃当前小麦种子。

12、所述外部视觉相机系统与机械臂之间的坐标对应关系满足以下公式：

13、[δxr,δyr,δzr]t＝p3t[mtx][dist]-p5t[mtx][dist]+[0,δyw,δ]t

14、其中，[δxr,δyr,δzr]为机械臂在当前坐标系下需要移动的相对坐标，δyw为待切割的胚乳样品长度，δ为刀片上边缘与种子高度安置面的距离，t为转置，[mtx]和[dist]分别为外部视觉相机系统的内参矩阵和外参矩阵；p3为小麦种子识别框左下点像素坐标；p5为刀片识别框右上点像素坐标。

15、所述种子切割力上限和种子切割力下限的获取方法如下：

16、首先利用取样平台对若干粒小麦种子进行切割并记录对应的切割力，再将所有小麦种子的切割力拟合为切割力上限正态分布和切割力下限正态分布，进而分别获得种子切割力上限和种子切割力下限。

17、二、一种基于视觉-力反馈的小麦种子切片取样系统

18、系统包括安装平台、机械臂、负压吸嘴、取样平台、落料装置和外部视觉相机系统；安装平台上安装有机械臂、取样平台和落料装置，机械臂设置在取样平台的一侧，落料装置靠近取样平台设置，取样平台上方设置有外部视觉相机系统，机械臂的末端安装有负压吸嘴，机械臂和负压吸嘴的控制将小麦种子转移至取样平台中，取样平台对小麦种子切片，机械臂和负压吸嘴的控制将切片后的小麦种子转移至目标位置，切割下来的小麦种子胚乳样品掉落至落料装置。

19、所述取样平台包括切割台底板、第一滑动云台、切割力传感器、刀片第一安装件、刀片、第一夹持件、夹持力传感器、夹持力传感器安装座、第二夹持件、压力弹簧、第二滑动云台；切割台底板上表面依次固定安装有第一滑动云台、第一夹持件和第二滑动云台，第一滑动云台上固定安装有刀片第一安装件，刀片第一安装件中安装有切割力传感器，刀片的一端部固定安装在刀片第一安装件中，刀片的一端面与切割力传感器紧密接触；刀片的另一端部穿过第一夹持件后靠近第二滑动云台设置；夹持力传感器安装座固定安装在第二滑动云台上，夹持力传感器安装座中靠近刀片的另一端部安装有夹持力传感器，夹持力传感器安装座与夹持力传感器之间设置有压力弹簧，夹持力传感器的检测端固定安装有第二夹持件，第二夹持件与第一夹持件之间形成开口向上的u字型槽，开口向上的u字型槽中放置小麦种子，第一滑动云台驱动刀片向第一夹持件方向运动，使得刀片的另一端部对u字型槽中的小麦种子切片。

20、所述刀片第一安装件的刀片安装面处设置有“c”形凹槽，“c”形凹槽中嵌装有刀片。

21、与现有技术相比，本发明所具有的有益效果在于：

22、1、本发明实现了小麦种子的微创取样，降低了育种的劳动力成本。

23、2、本发明通过结合视觉-力反馈信息，针对种子外形差异设定合适的切割取样参数，保证种子母体取样后的活性和切合后样品量的均一性。

技术特征：

1.一种基于视觉-力反馈的小麦种子切片取样方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于视觉-力反馈的小麦种子切片取样方法，其特征在于，所述s5中，切片过程中，若实际切割力一直小于种子切割力上限并且实际切割力的最大值存在大于种子切割力下限时，则当实际切割力下降至种子切割力下限以下时，小麦种子切割成功，控制取样平台(4)松开切片后的小麦种子；

3.根据权利要求1所述的一种基于视觉-力反馈的小麦种子切片取样方法，其特征在于，所述外部视觉相机系统(6)与机械臂(2)之间的坐标对应关系满足以下公式：

4.根据权利要求3所述的一种基于视觉-力反馈的小麦种子切片取样方法，其特征在于，所述种子切割力上限和种子切割力下限的获取方法如下：

5.用于实施权利要求1-4所述一种基于视觉-力反馈的小麦种子切片取样方法的一种基于视觉-力反馈的小麦种子切片取样系统，其特征在于，包括安装平台(1)、机械臂(2)、负压吸嘴(3)、取样平台(4)、落料装置(5)和外部视觉相机系统(6)；安装平台(1)上安装有机械臂(2)、取样平台(4)和落料装置(5)，机械臂(2)设置在取样平台(4)的一侧，落料装置(5)靠近取样平台(4)设置，取样平台(4)上方设置有外部视觉相机系统(6)，机械臂(2)的末端安装有负压吸嘴(3)，机械臂(2)和负压吸嘴(3)的控制将小麦种子转移至取样平台(4)中，取样平台(4)对小麦种子切片，机械臂(2)和负压吸嘴(3)的控制将切片后的小麦种子转移至目标位置，切割下来的小麦种子胚乳样品掉落至落料装置(5)。

6.根据权利要求5所述的一种基于视觉-力反馈的小麦种子切片取样系统，其特征在于，所述取样平台(4)包括切割台底板(41)、第一滑动云台(42)、切割力传感器(44)、刀片第一安装件(45)、刀片(47)、第一夹持件(49)、夹持力传感器(410)、夹持力传感器安装座、第二夹持件(411)、压力弹簧(412)、第二滑动云台(414)；切割台底板(41)上表面依次固定安装有第一滑动云台(42)、第一夹持件(49)和第二滑动云台(414)，第一滑动云台(42)上固定安装有刀片第一安装件(45)，刀片第一安装件(45)中安装有切割力传感器(44)，刀片(47)的一端部固定安装在刀片第一安装件(45)中，刀片(47)的一端面与切割力传感器(44)紧密接触；刀片(47)的另一端部穿过第一夹持件(49)后靠近第二滑动云台(414)设置；夹持力传感器安装座固定安装在第二滑动云台(414)上，夹持力传感器安装座中靠近刀片(47)的另一端部安装有夹持力传感器(410)，夹持力传感器安装座与夹持力传感器(410)之间设置有压力弹簧(412)，夹持力传感器(410)的检测端固定安装有第二夹持件(411)，第二夹持件(411)与第一夹持件(49)之间形成开口向上的u字型槽，开口向上的u字型槽中放置小麦种子，第一滑动云台(42)驱动刀片(47)向第一夹持件(49)方向运动，使得刀片(47)的另一端部对u字型槽中的小麦种子切片。

7.根据权利要求5所述的一种基于视觉-力反馈的小麦种子切片取样系统，其特征在于，所述刀片第一安装件(45)的刀片安装面处设置有“c”形凹槽，“c”形凹槽中嵌装有刀片(47)。

技术总结
本发明公开了一种基于视觉‑力反馈的小麦种子切片取样方法和系统。本发明通过机械臂将小麦种子转移至取样平台上方；再利用外部视觉相机系统获取取样平台上刀片和小麦种子的图像，进而获得刀片和小麦种子的位置信息；接着，根据待切割的胚乳样品长度以及刀片和小麦种子的位置信息调整机械臂的位姿，机械臂将小麦种子转移至取样平台的U字型槽中并且小麦种子的待切割胚乳部分设置在U字型槽外；然后控制取样平台夹持小麦种子并切片，切片过程中实时采集切割力信号，直至切割成功后。本发明通过结合深度学习、LQR最优控制等技术，针对种子外形差异设定合适的切割取样参数，进而保证种子母体的活性和切合后样品量满足后续检测需求。

技术研发人员：周鸣川,刘传杰,赵安恬,曹兴,王芳豪
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：
技术公布日：2024/6/5