生物胚胎自動(dòng)檢測(cè)裝置數(shù)字樣機(jī)建模與仿真

汪佳雨 高浩源 張?chǎng)? 賈東岳 陳天帥

【摘 要】我國(guó)物種豐富，也十分重視生物胚胎的運(yùn)用，但是大量生物胚胎需要檢測(cè)，檢測(cè)過(guò)程又涉及龐大的數(shù)據(jù)記錄與運(yùn)算，僅靠人力效率很低。針對(duì)以上問(wèn)題，根據(jù)現(xiàn)有箱式孵化的尺寸和模式設(shè)計(jì)的一款生物胚胎自動(dòng)檢測(cè)裝置。裝置分為裝卸機(jī)械臂和自動(dòng)檢測(cè)兩個(gè)部分，裝卸機(jī)械臂由升降機(jī)構(gòu)和剪叉式裝卸結(jié)構(gòu)構(gòu)成負(fù)責(zé)運(yùn)送蛋盤(pán)；自動(dòng)檢測(cè)裝置通過(guò)圖像識(shí)別算法以及移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)兩個(gè)伺服電機(jī)控制，逐排檢測(cè)生物胚胎。除此之外，根據(jù)設(shè)計(jì)的裝置和系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字樣機(jī)建模與仿真，對(duì)實(shí)用過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行解決，減少研發(fā)周期提升質(zhì)量。

【關(guān)鍵詞】生物胚胎；自動(dòng)檢測(cè)裝置

生物胚胎多采用“雞胚法”制造，即注射病毒進(jìn)入胚胎，并一同培育。在注射前需進(jìn)行兩次照蛋檢測(cè)，注射后需要進(jìn)行一次照蛋檢測(cè)。我國(guó)通常使用箱式孵化蛋車(chē)，蛋胚放在尺寸為1600mm*570mm*2100mm的蛋盤(pán)上，一個(gè)蛋盤(pán)150枚蛋胚。檢測(cè)蛋胚合格性時(shí)需要人工手持發(fā)光的照蛋設(shè)備照射蛋胚，并將照射的圖像記錄下來(lái)進(jìn)行圖像比對(duì)，通過(guò)比對(duì)結(jié)果篩選蛋胚，將不合格的蛋胚剔除防止培育時(shí)感染正常蛋胚。一個(gè)中型工廠每天需要檢測(cè)胚胎約10萬(wàn)枚，人力需要裝卸生物胚胎并進(jìn)行生物胚胎檢測(cè)，效率低，出錯(cuò)率大。

一、生物胚胎自動(dòng)檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

生物胚胎自動(dòng)檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)分為裝卸和運(yùn)送蛋盤(pán)的機(jī)械裝置和自動(dòng)檢測(cè)的檢測(cè)控制裝置。在裝卸和運(yùn)送蛋盤(pán)的機(jī)械裝置設(shè)計(jì)上，沒(méi)有采用國(guó)外較為流行的多自由度機(jī)械手抓取方式，而是依照標(biāo)準(zhǔn)的蛋盤(pán)尺寸，采用矩形支架的箱式結(jié)構(gòu)。通過(guò)升降架上下移動(dòng)從上至下運(yùn)送蛋盤(pán)，低于蛋盤(pán)高度的剪叉式結(jié)構(gòu)伸縮拖住下移的蛋盤(pán)，水平導(dǎo)軌和同步帶旋轉(zhuǎn)組合帶動(dòng)蛋盤(pán)水平運(yùn)動(dòng)到檢測(cè)區(qū)域。為防止蛋盤(pán)脫落和支撐支架變形，增加了防脫鉤和聯(lián)筋。

在自動(dòng)檢測(cè)的檢測(cè)控制裝置設(shè)計(jì)上，國(guó)內(nèi)已有的“一種疫苗胚蛋自動(dòng)檢測(cè)裝置”或“完全自動(dòng)型胚蛋檢測(cè)設(shè)備”等生物胚胎自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備，均通過(guò)換位電機(jī)和照蛋電機(jī)的驅(qū)使，對(duì)蛋盤(pán)上所有的胚胎進(jìn)行依次照射，并自動(dòng)識(shí)別出不合格的生物胚胎。但在實(shí)際的使用過(guò)程中，換位電機(jī)在往復(fù)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，易產(chǎn)生誤差積累，使得燈罩不能與蛋盤(pán)上每行的生物胚胎對(duì)準(zhǔn)，造成生物胚胎照射失敗。同時(shí)，照蛋電機(jī)也容易發(fā)生誤差累積，造成燈罩的升降高度變化，使得照蛋失敗或損壞生物胚胎。

為了克服上述技術(shù)問(wèn)題的缺點(diǎn)，提供了一種可對(duì)燈罩的位置和轉(zhuǎn)動(dòng)角度進(jìn)行校準(zhǔn)的生物胚胎自動(dòng)檢測(cè)裝置的控制系統(tǒng)。該生物胚胎自動(dòng)檢測(cè)裝置由機(jī)架、進(jìn)盤(pán)電機(jī)、水平移動(dòng)伺服電機(jī)、桁架轉(zhuǎn)動(dòng)伺服電機(jī)、左底座、右底座和桁架組成。通過(guò)在水平移動(dòng)伺服電機(jī)下方的前后兩端和中間位置上分別設(shè)置水平移動(dòng)左限位傳感器、水平移動(dòng)右限位傳感器和水平移動(dòng)零點(diǎn)傳感器，既實(shí)現(xiàn)了對(duì)水平移動(dòng)伺服電機(jī)移動(dòng)的左右限位，又可對(duì)其零點(diǎn)位置進(jìn)行校準(zhǔn)，對(duì)每個(gè)蛋盤(pán)上生物胚胎照射時(shí)均校準(zhǔn)一次，避免了以往桁架上燈罩與蛋盤(pán)上生物胚胎不對(duì)應(yīng)的弊端。通過(guò)在左立板上設(shè)置桁架轉(zhuǎn)動(dòng)低位傳感器、桁架轉(zhuǎn)動(dòng)高位傳感器和桁架轉(zhuǎn)動(dòng)零點(diǎn)傳感器，既實(shí)現(xiàn)了對(duì)擺動(dòng)臂轉(zhuǎn)動(dòng)的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)限位，又實(shí)現(xiàn)了對(duì)擺動(dòng)臂的零點(diǎn)校準(zhǔn)，解決了以往照蛋時(shí)燈罩轉(zhuǎn)動(dòng)不到位或轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)度的問(wèn)題。通過(guò)在上導(dǎo)向板的前后兩端分別設(shè)置蛋盤(pán)進(jìn)入傳感器和蛋盤(pán)運(yùn)出傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)蛋盤(pán)進(jìn)入和運(yùn)出的檢測(cè)，以便自動(dòng)執(zhí)行照蛋步驟。

二、生物胚胎自動(dòng)檢測(cè)裝置的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

檢測(cè)裝置的設(shè)有結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)和圖像檢測(cè)系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)由微控制器及與其相連接的桁架轉(zhuǎn)動(dòng)低位傳感器、桁架轉(zhuǎn)動(dòng)高位傳感器和桁架轉(zhuǎn)動(dòng)零點(diǎn)傳感器、水平移動(dòng)左限位傳感器、水平移動(dòng)右限位傳感器、水平移動(dòng)零點(diǎn)傳感器、蛋盤(pán)進(jìn)入傳感器和蛋盤(pán)運(yùn)出傳感器組成，用于對(duì)水平移動(dòng)伺服電機(jī)的位置、擺動(dòng)臂的轉(zhuǎn)動(dòng)位置進(jìn)行檢測(cè)。上述傳感器均經(jīng)光電耦合器與微控制器相連接，傳感器的輸出信號(hào)與光電耦合器的輸入端相連接，光電耦合器的輸出端與微控制器的輸入端相連接。

對(duì)于生物胚胎的圖像檢測(cè)和質(zhì)量預(yù)測(cè)是有數(shù)學(xué)模型的，現(xiàn)有的邊緣檢測(cè)和特征提取法較為高效，用二分法查找胚胎特征區(qū)域的邊緣，確定區(qū)域面積，再確定胚胎形心，通過(guò)公式計(jì)算質(zhì)量與圖像面積的像素比進(jìn)行比較，得出胚胎是否合格。圖像檢測(cè)系統(tǒng)主要運(yùn)用現(xiàn)有的圖像檢測(cè)算法，通過(guò)計(jì)算機(jī)計(jì)算并記錄不合格生物胚胎坐標(biāo)，更精準(zhǔn)地幫助去除不合格的生物胚胎。

三、生物胚胎自動(dòng)檢測(cè)裝置的數(shù)字建模與仿真

仿真技術(shù)發(fā)展迅速，概念化設(shè)計(jì)過(guò)后，通過(guò)設(shè)計(jì)建模，設(shè)計(jì)分析，設(shè)計(jì)優(yōu)化，制造樣機(jī)，樣機(jī)試驗(yàn)，系統(tǒng)確定這樣一個(gè)流程，發(fā)揮了簡(jiǎn)化生產(chǎn)過(guò)程，縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，降低產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)成本等巨大的優(yōu)勢(shì)。另外，三維數(shù)字化模型與仿真清晰明了地呈現(xiàn)其工作原理和優(yōu)勢(shì)，美觀動(dòng)態(tài)的仿真演示也能最大程度優(yōu)化產(chǎn)品成果，吸引更多人關(guān)注。

數(shù)字建模與仿真的過(guò)程主要運(yùn)用Solidworks軟件建立基本件形成裝配體，并進(jìn)行力學(xué)上的簡(jiǎn)單分析，模擬運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的力，對(duì)易沖擊部位增加防護(hù)措施。運(yùn)用Admax進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，計(jì)算運(yùn)行和檢測(cè)時(shí)的加速度，從而對(duì)同步帶的大小帶輪直徑調(diào)配，計(jì)算Dp、Pb等相關(guān)參數(shù)。

四、結(jié)論

（1）通過(guò)裝卸機(jī)械控制裝置和胚胎檢測(cè)控制裝置的多機(jī)構(gòu)融合設(shè)計(jì)，配合合理完整的自動(dòng)化系統(tǒng)，優(yōu)化已有設(shè)計(jì)的缺陷，解決生物胚胎檢測(cè)制造業(yè)的問(wèn)題。

（2）通過(guò)模擬仿真，調(diào)整樣機(jī)，提高其適應(yīng)性從而提高生物胚胎行業(yè)及其下游生物企業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)量和質(zhì)量。

【參考文獻(xiàn)】

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