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中玉金標(biāo)記（北京）生物技術(shù)股份有限公司（以下簡稱中玉金公司），主要從事與基因檢測及農(nóng)作物育種相關(guān)的技術(shù)開發(fā)、推廣、咨詢和技術(shù)培訓(xùn)，擁有我國最先進(jìn)、通量最高的分子標(biāo)記實(shí)驗(yàn)室。

2018年，中玉金公司啟動水稻種子的基因分子標(biāo)記項(xiàng)目。其中，在對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、透明并且在貼附時有褶皺。

而在對切片進(jìn)行基因提取時，需要人工揭開整個密封膜，用鑷子將種子從存儲盒中夾出。這樣的流程就帶來了兩個問題：

1. 揭開保護(hù)膜有可能導(dǎo)致整個存儲盒的種子被污染；

2. 人工夾取種子太慢，費(fèi)時費(fèi)力。

“在未采用視覺設(shè)備之前，我們都是人工從存儲盒中用鑷子把玉米種子夾出來，再放到對應(yīng)的收料盒里面，在這之前還需要用掃碼槍讀取兩個盒上的條形碼信息，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，“這套流程下來效率非常低，常常導(dǎo)致各種實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目延期?！?/p>

為了提高實(shí)驗(yàn)效率，中玉金公司引進(jìn)了一套裝備有視覺模塊的自動化設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了用機(jī)械手自動夾取種子。

該自動化設(shè)備從結(jié)構(gòu)上共分為3大模塊：堆棧式上料模塊、機(jī)械手視覺模塊、堆棧式下料模塊。堆棧式上、下料模塊用于種子存儲盒的自動送盒、收盒。機(jī)械手視覺模塊是該設(shè)備的核心，由4軸機(jī)械手、視覺系統(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是應(yīng)用該設(shè)備最大的難點(diǎn)。解決問題的關(guān)鍵就是怎樣透過反光、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，刀具就會把存儲盒扎破，導(dǎo)致報廢。

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%的識別錯誤率，多次試驗(yàn)都以失敗告終。

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始尋找解決方案。在一次展會上，他們結(jié)識了公司的銷售工程師，了解到對反光產(chǎn)品的識別有對應(yīng)的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，于是就邀請專家來實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行現(xiàn)場評估。

在接到中玉金公司的項(xiàng)目需求后，迅速派出了技術(shù)工程師，在對該項(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視覺系統(tǒng)。

優(yōu)化后的設(shè)備工作流程如下：

1. 堆棧式料倉自動放出一盒儲料盒；

2. 運(yùn)行到抓取位后，識別儲料盒的條形碼并錄入控制系統(tǒng)，相機(jī)開始識別種子位置；

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)移動到指定位置對孔位中的種子進(jìn)行識別，識別成功后，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)行器上的吸盤把種子吸附起來；

5. 堆棧式收料倉放出一個空盒，待空盒移動到定位點(diǎn)，讀碼器讀取料盒上的條形碼；

6. 機(jī)械手移動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、儲料盒條碼信息，使被挑取出來的種子信息一一對應(yīng)。

在測試中，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。識別孔位的成功率高達(dá)97%-99%。

最終，借助In-Sight 8200視覺系統(tǒng)強(qiáng)大的軟件工具，完美解決了以下檢測挑戰(zhàn)：1）密封膜反光問題；2）孔位內(nèi)種子打光不足，導(dǎo)致無法識別的問題；3）密封膜褶皺導(dǎo)致的無法識別的問題。

In-Sight 8200視覺系統(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?！敝杏窠鸸镜膶?shí)驗(yàn)室主管張博士對該設(shè)備的研發(fā)成功給予了高度評價，“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)行水稻胚芽識別，將來我們也會和保持戰(zhàn)略合作，以確保該項(xiàng)目的順利實(shí)施。”