中玉金標(biāo)記（北京）生物技術(shù)股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱中玉金公司），主要從事與基因檢測(cè)及農(nóng)作物育種相關(guān)的技術(shù)開(kāi)發(fā)、推廣、咨詢和技術(shù)培訓(xùn)，擁有我國(guó)最先進(jìn)、通量最高的分子標(biāo)記實(shí)驗(yàn)室。
2018年，中玉金公司啟動(dòng)水稻種子的基因分子標(biāo)記項(xiàng)目。其中，在對(duì)種子切片提取基因后，種子就要被保存在貼有密封膜的存儲(chǔ)盒中，以隔絕外界環(huán)境。該密封膜質(zhì)厚、透明并且在貼附時(shí)有褶皺。
In-Sight8200正在對(duì)切片后的玉米種子進(jìn)行識(shí)別定位
而在對(duì)切片進(jìn)行基因提取時(shí)，需要人工揭開(kāi)整個(gè)密封膜，用鑷子將種子從存儲(chǔ)盒中夾出。這樣的流程就帶來(lái)了兩個(gè)問(wèn)題：1）揭開(kāi)保護(hù)膜有可能導(dǎo)致整個(gè)存儲(chǔ)盒的種子被污染；2）人工夾取種子太慢，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。
"在未采用視覺(jué)設(shè)備之前，我們都是人工從存儲(chǔ)盒中用鑷子把玉米種子夾出來(lái)，再放到對(duì)應(yīng)的收料盒里面，在這之前還需要用掃碼槍讀取兩個(gè)盒上的條形碼信息，以便后續(xù)實(shí)驗(yàn)做參照。"中玉金公司的實(shí)驗(yàn)室主管張博士表示，"這套流程下來(lái)效率非常低，常常導(dǎo)致各種實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目延期。"
為了提高實(shí)驗(yàn)效率，中玉金公司引進(jìn)了一套裝備有視覺(jué)模塊的自動(dòng)化設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了用機(jī)械手自動(dòng)夾取種子。
該自動(dòng)化設(shè)備從結(jié)構(gòu)上共分為3大模塊：堆棧式上料模塊、機(jī)械手視覺(jué)模塊、堆棧式下料模塊。堆棧式上、下料模塊用于種子存儲(chǔ)盒的自動(dòng)送盒、收盒。機(jī)械手視覺(jué)模塊是該設(shè)備的核心，由4軸機(jī)械手、視覺(jué)系統(tǒng)、玉米種子夾取機(jī)構(gòu)組成，主要功能是精確定位種子、引導(dǎo)機(jī)械手扎破密封膜，并吸取種子。
但是，如何扎破密封膜把種子取出來(lái)是應(yīng)用該設(shè)備最大的難點(diǎn)。解決問(wèn)題的關(guān)鍵就是怎樣透過(guò)反光、褶皺的密封膜精準(zhǔn)地定位孔位。密封膜的扎破由機(jī)械手末端的6刃刀執(zhí)行。如果定位失敗或偏差太大，刀具就會(huì)把存儲(chǔ)盒扎破，導(dǎo)致報(bào)廢。
設(shè)備啟用伊始，在使用傳統(tǒng)的模板匹配算法下，由于密封膜的反光和褶皺導(dǎo)致了10%-15%的識(shí)別錯(cuò)誤率，多次試驗(yàn)都以失敗告終。
密封種子存儲(chǔ)盒中的玉米種子
為了解決困擾設(shè)備正常運(yùn)行的難題，中玉金公司的工程師們開(kāi)始尋找解決方案。在一次展會(huì)上，他們結(jié)識(shí)了康耐視公司的銷售工程師，了解到康耐視對(duì)反光產(chǎn)品的識(shí)別有對(duì)應(yīng)的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，于是就邀請(qǐng)康耐視的專家來(lái)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估。
在接到中玉金公司的項(xiàng)目需求后，康耐視迅速派出了技術(shù)工程師，在對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行了詳細(xì)的論證和大量的實(shí)驗(yàn)后，推薦使用帶有PatMax功能的In-Sight 8200視覺(jué)系統(tǒng)。
優(yōu)化后的設(shè)備工作流程如下：
1）堆棧式料倉(cāng)自動(dòng)放出一盒儲(chǔ)料盒；
2）運(yùn)行到抓取位后，識(shí)別儲(chǔ)料盒的條形碼并錄入控制系統(tǒng)，相機(jī)開(kāi)始識(shí)別種子位置；
3）根據(jù)系統(tǒng)中確定需要挑選的孔位，機(jī)械手帶著相機(jī)移動(dòng)到指定位置對(duì)孔位中的種子進(jìn)行識(shí)別，識(shí)別成功后，相機(jī)返回種子的坐標(biāo)信息給機(jī)械手；
4）末端執(zhí)行器首先扎破密封膜，然后末端執(zhí)行器上的吸盤(pán)把種子吸附起來(lái)；
5）堆棧式收料倉(cāng)放出一個(gè)空盒，待空盒移動(dòng)到定位點(diǎn)，讀碼器讀取料盒上的條形碼；
6）機(jī)械手移動(dòng)并將種子并按依次放入收料盒中，系統(tǒng)保存收料盒條形碼信息、儲(chǔ)料盒條碼信息，使被挑取出來(lái)的種子信息一一對(duì)應(yīng)。
在測(cè)試中，中玉金公司的工程師們驚喜地發(fā)現(xiàn)，在PatMax算法幫助下，再加上機(jī)械手末端的低角度隨動(dòng)光源，即使某些反光強(qiáng)烈、褶皺較大的孔位也能進(jìn)行準(zhǔn)確定位。識(shí)別孔位的成功率高達(dá)97%-99%。
最終，借助In-Sight 8200視覺(jué)系統(tǒng)強(qiáng)大的軟件工具，完美解決了以下檢測(cè)挑戰(zhàn)：1）密封膜反光問(wèn)題；2）孔位內(nèi)種子打光不足，導(dǎo)致無(wú)法識(shí)別的問(wèn)題；3）密封膜褶皺導(dǎo)致的無(wú)法識(shí)別的問(wèn)題。
識(shí)別程序：首先判斷孔內(nèi)是否有玉米粒？如果有的話定位孔的中心，并把坐標(biāo)傳給機(jī)械手
In-Sight 8200視覺(jué)系統(tǒng)的順利導(dǎo)入，成功解決了設(shè)備瓶頸，極大降低了人工操作強(qiáng)度和人工輸入數(shù)據(jù)的概率，提高了設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性和實(shí)驗(yàn)室分子標(biāo)記的速度，得到中玉金公司的一致肯定，為中國(guó)分子育種事業(yè)的快速發(fā)展添了濃重一筆。
"玉米種子實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)挑選，節(jié)省了實(shí)驗(yàn)室的人力成本和種子的挑選速度，最重要是應(yīng)用了單孔式扎破密封膜拿走種子的作業(yè)方式，避免了其它種子受到外部環(huán)境污染，最大限度保證了切片后種子和切片基因的相關(guān)性。"中玉金公司的實(shí)驗(yàn)室主管張博士對(duì)該設(shè)備的研發(fā)成功給予了高度評(píng)價(jià)，"現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室正在探討使用深度學(xué)習(xí)的算法進(jìn)行水稻胚芽識(shí)別，將來(lái)我們也會(huì)和康耐視保持戰(zhàn)略合作，以確保該項(xiàng)目的順利實(shí)施。"
