用于播种种子的系统和方法与流程

本发明涉及一种用于播种种子的系统和方法。本发明更具体地涉及一种用于作为植物育种过程的一部分的播种种子的系统和方法。

背景技术：

在植物育种中，努力获得具有一种或多种期望性质的植物品种。为了这个目的，可以杂交一个或多个植物品种，并且可以在由此获得的后代中寻找合适的候选物。然后可以对这些候选物执行进一步的杂交和选择步骤。

由于dna技术的出现，已经可以在早期阶段确定植物是否具有期望的性质。例如，可以对幼小植物进行取样，其中去除小部分植物以用于dna分析。如果分析表明，基于获得的遗传信息，该植物具有期望的性质，则已经可以在早期阶段选择这种植物以用于后续步骤。这与先前的途径形成对比，在早先的途径中，在可以确定(通常是光学地确定)植物是否具有期望的性质之前，植物首先必须已经显著生长。因此，利用先前的这些技术时，需要预留植物可以在其上生长的很大的表面积。通过dna技术，可以在植物还是较小的阶段选择它们，因此占据很小的表面积。只有被选择的植物需要在此继续生长。与先前的途径相比，令人关注的植物因此是唯一继续增长的植物。由此节省了相当多的空间。

dna技术的使用也使得能够更快地执行选择步骤。在先前的途径中仍然需要等待或多或少充分生长的植物可能显示或可能不显示期望的性质的时刻，然而现在可以在植物还是幼苗时通过dna分析来确定这一点。由于遗传信息不会改变，或几乎不改变，所以可以使用植物先前或后续的生长阶段。

因此，未来育种技术在大多数情况下将不再受限于可供育种者使用的土壤量，而是更有可能受限于能够被处理和分析的种子和幼苗的数量。

育种过程中的一个重要步骤是播种可能引人关注的种子。这些种子例如可以来自后代，可能来自杂交亲本。目前的dna技术使得可以处理更加多样化的种子。在育种过程中必须精确地监测种子。

然而，每种类型的种子数量通常很小，因此不能使用标准播种机。这些机器配置成大规模地播种种子。这种播种机的示例包括圆筒，圆筒在其外周上设置有真空孔。使圆筒在装有大量种子的箱子附近旋转，使得种子通过真空吸附在圆筒的真空孔的位置处，然后在不同的地点释放，从而种子将落在给定的播种位置。例如因为在生长基底中形成多个凹部或空腔，所以通常在此使用包括多个播种位置的托盘。播种位置在此以规则的相互间距放置。

上述机器不适合播种一批精选的种子，例如播种10至100粒种子。这个数量的种子不足以有效地能够播种，因为这些种子只能覆盖圆筒的很小一部分。大多数真空孔终究将保持未被覆盖。与存在大量种子(大于10000)的情况相反，不能确保种子真正地被播种。当数量很多时，总会有种子相对于真空孔很好地定位。这当然不是少量的情况。

根据现有技术，因此种子在育种过程中被手动播种。这个过程是很耗时的。另外，还必须追踪哪粒种子播种在哪个位置。由于使用dna分析，未来将会增加不同种子的数量，所以这个过程将变得越来越易于出错。

技术实现要素：

因此，本发明的目的是提供一种解决方案，其中种子能够以较不劳动密集和较不易于出错的方式播种。

该目的通过权利要求1限定的用于播种种子的系统来实现。根据本发明，该系统包括用于相对于多粒种子中的其余部分分离出单粒种子的分离装置，用于识别被分离出的种子的光学识别系统，用于拾取被分离出的种子且用于播种所拾取的种子的机械臂装置，以及用于控制分离装置、光学识别系统和机械臂装置的控制单元。

根据本发明，单粒种子与多粒种子的其余部分分离。这使得可以自动拾取并播种被分离出的种子。种子是否被分离由光学识别系统来识别。

所述多粒种子的所有种子优选具有相同的分类。更具体地，所述多粒种子的所有种子属于相同的植物科、属、种、亚种或变种。所述多粒种子也可以属于确定的杂交或杂交群体的后代，或者属于同一种群的植物。然而，所述多粒种子的种子可以例如不专属于以下属之一：芹属、鼠耳芥属、菾属、芸苔属、辣椒属、菊苣属、西瓜属、黄瓜属、南瓜属、胡萝卜属、二行芥属、芝麻菜属、大豆属、大麦属、莴苣属、稻属、萝卜属、茄属、菠菜属、小麦属和玉蜀黍属。

该系统可以包括配置成存储种子简介的存储器，其中种子简介描述了关于种子尺寸和/或形状的特征，以用于分离。种子简介可以例如包括由用户加载到系统中的档案。控制单元可以在此实现为计算机或嵌入式系统，其可以分析加载的数据并且可以基于读取的数据来控制系统中的其他部件。

种子简介可以包括种子的几何描述。当在确定的位置平放在平板上时，种子可以例如具有椭圆形轮廓。种子可以位于多个位置，其中种子也可以具有不同的轮廓。在这种情况下，种子简介可以包括每个位置的特征尺寸和/或形状。特征尺寸的示例包括长度、宽度、周长。

通过种子简介，光学识别系统可以识别种子是否处于合适的位置并且在适当的地点被拾取。要不是例如由于种子太紧密地抵靠另一种子，种子所在的位置被认为不适于以可靠的方式拾取，种子也可能被识别为单粒种子。

光学识别系统可以设置有用于记录多粒种子的图像的相机以及用于分析被记录的图像的图像分析单元。图像分析单元可以配置成基于种子简介来鉴别被分离出的种子。光学识别系统还可以包括输出单元，用于可选地经由控制单元将关于所鉴别的种子的位置信息输出至机械臂装置。

图像分析单元例如可以配置成检测被记录的图像中的轮廓，并且如果检测到的轮廓的尺寸和/或形状对应于种子简介，则将该轮廓分配给种子。然后该系统可以配置成，如果检测到的轮廓和相邻轮廓之间的距离大于预定距离，则仅拾取检测到的种子。相邻轮廓在此可以是另一个单独的种子，其可以处于或可以不处于适于拾取的位置。然而，相邻轮廓也可以涉及一群种子。

为了以可靠的方式拾取种子，机械臂装置需要离相邻种子一段确定的距离。基于检测到的轮廓确定是否是这种情况，并且可以在图像分析单元或控制单元内进行确定。

控制单元可以配置成，如果光学识别系统已经检测到至少一个轮廓，但其中没有种子基于种子简介被识别出时，则控制单元控制分离装置再次分离种子。这种情况的一个示例是：在分离装置的第一分离过程之后已经从30粒种子中分离出10个，而另外20粒种子仍然是成群的。机械臂装置将首先拾取并任选地以预定的模式播种10个被分离出的种子。然后光学识别系统将识别轮廓，即剩余集群的轮廓。然而，该集群将不被认为是种子。在这种情况下，控制单元可以再次控制分离装置，以分离种子的剩余集群。

分离装置包括例如振动板。这种板可以连接至多个可单独移动的马达，由此该板获得多个运动自由度。这也可以影响种子在振动板上的位置。如果已经播种了足够的种子，则剩余的种子因此可以通过振动板的适当运动沿振动板的确定方向被甩掉并进入废物容器中。

机械臂装置可以包括机械臂，该机械臂在一端设有吸嘴。利用该吸嘴，可以通过合适的低压将种子吸附在吸嘴上。吸嘴包括用于该目的具有小开口的本体，种子无法通过该小开口被吸入。也可以将小开口连接至压缩空气系统，使其可以在用于拾取种子的吸力和用于播种种子的推力之间切换。也可以通过给小开口通风来实现播种，而不在此使用压缩空气。

为了在种子被卡在小开口中的情况下疏通小开口，也可以在吸嘴的管道中接收可动销。

在另一个或进一步的实施例中，系统被配置成比较分别在机械臂装置拾取被分离出的种子之后和之前被记录的图像，其中控制单元被配置成如果所比较的图像之间差异不足，则再次控制机械臂装置以拾取被分离出的种子。如果确定种子未被拾取，则可以针对被分离出的种子的所述重复拾取来调整深度设定，该深度设定对应于吸嘴到被分离出的种子所在基部的距离。

利用这种技术也可以确定种子是否已经卡住。这是因为不再能够拾取另一种子。据此，在随后的种子被拾取之前和拾取之后的图像将几乎相同。这意味着可以通过图像分析单元确定没有种子被拾取。如果机械臂装置的重复控制不能提供解决方案，则可以产生错误消息，允许用户检查吸嘴。然而，也可以首先激活销以清洁吸嘴。

还有其他选项来检查种子是否已经真正地被播种。例如可以用光学系统在播种位置处确定这一点。为了这个目的，可以使用上述或另外的光学识别系统。也可以测量上述管道中的压力。种子的释放终究会造成压力增加。

如果确定种子已经卡住，则机械臂装置可以控制存在于管道中的销以清洁小开口。然后系统将再次尝试把种子放置在错过的播种位置中。

系统还可以设置有用于供应在容器中的种子的供应装置。合适的容器的示例包括例如管、碟等。进一步可能的是利用其中设置有多个隔室以容纳不同分类的种子的容器。关于此点的示例是其中可以放置多个管的盒，其中每个管每次对应于一种分类。

控制单元可以被配置成控制机械臂装置接合容器并将种子运送出容器至分离装置。机械臂装置可以例如夹住带有种子的管并且使管在振动板上方旋转，使得种子从管落到振动板上。为了这个目的，机械臂装置可以包括用于拾取被分离出的种子的第一装置和用于接合容器的第二装置。在此第一装置可以包括上述吸嘴，第二装置可以包括夹具或其它吸嘴。

存储器可以被配置成存储播种程序，该播种程序包括关于种子分类的信息与用于所述播种的播种模式之间的相关性。不同的植物可能需要不同的播种模式，因为不同的植物需要不同的最小相互间距以便正常地生长。在此，播种模式可以指示种子能够在任何可用的播种位置处播种，例如在相对较小的植物的情况下，或者指示必须跳过确定的播种位置以获得确定的相互间距。在播种程序中也可以为每粒种子明确地指示播种位置。播种程序可以例如指示必须将30粒种子放置在播种位置1-30中。在此可行的是，系统已经包括关于控制机械臂装置在相关播种位置处播种种子所需的那些x-y位置的信息。

可行的是，播种程序进一步包括每种分类的待播种的种子数量，并且其中如果已经播种了这一数量的种子且仍有种子剩余，则控制单元被配置成控制分离装置排出剩余的种子。如果播种程序例如指示必须播种30粒种子而分离装置上有40粒种子，则在播种30粒种子后会排出10粒种子。

控制单元还可以被配置成追踪已经播种有确定分类的种子的播种位置和/或播种程序可以包括关于必须播种确定分类的种子的播种位置的信息。在第一种情况下，控制单元可以被配置成用于信息的输出，包括种子分类与播种有该种子的播种位置之间的相关性。然后可以将该信息添加到播种程序中，由此可以在以后使用修改过的播种程序。

在一个实施例中，种子被播种在具有多个播种位置的生长基底(诸如托盘)中，其中生长基底优选地设有标识符。在此可以由多个塑料隔室制造托盘，这些隔室相互连接并具有基本上恒定的相互间距。可以在每个隔室中提供合适的生长介质。也可以在播种后将这种生长介质放置到每个隔室中。生长基底也可以完全由生长介质组成，其中通过生长介质中的凹部形成播种位置。

系统还可以包括用于以步进方式移动生长基底的基底移动单元，其中生长基底包括横向于生长基底的运动方向的一排播种位置，并且其中控制单元被配置成控制机械臂装置每次在一排播种位置中的一个播种位置播种一粒种子，并且当在这排中的播种已经完成时，控制该基底移动单元以将随后排播种位置带到位。在此可行的是只有具有相同分类的种子被允许在同一排中。

系统还可以包括多个下落管，这些下落管被设置成使得每个下落管的每个下开口在操作期间与和同一排相关联的各自的播种位置对准。在一个实施例中，生长基底包括30排播种位置，其中每排包括10个播种位置。在这种情况下，系统10可以包括下落管，其中种子从其落下的下开口与在一排中的10个播种位置对准。机械臂装置现在每次将一粒种子放在一个下落管中，由此所放置的种子将落入相应的播种位置中。在该实施例中，机械臂装置将以这种方式放置10粒种子。然后生长基底将移动一排。

系统可以包括用于在生长基底上布置标识符的标识符施加单元。该标识符能够耦合至用于在生长基底中播种种子的播种程序。系统优选地被配置成使得已经播种在生长基底中的种子的分类能够利用播种程序和生长基底的标识符以简单的方式确定。生长基底可以包括存储介质，其中控制单元被配置成将关于已经播种有确定分类的种子的播种位置的信息存储在存储介质中。

播种程序可以包括针对不同分类的种子的上述相关性。这使得可以用单个播种程序播种多种种子。供应装置例如可以被配置成供应多个容器，其中至少两个容器包括不同分类的种子。每个容器本身优选仅包括具有同一分类的种子。然而，在本发明的上下文中，不排除的是，光学识别系统能够基于各自的种子简介来识别具有不同分类的种子。由此不再需要严格按照分类的顺序播种。

系统还可以包括用于向所播种的种子供应选自由水、发芽促进剂、生长促进剂和农药构成的组中的一种或多种物质的装置。这种装置优选地设置在播种点的下游。在此播种程序可以包括每粒种子或每种分类的物质信息，该信息是关于哪些物质必须被供应。在此控制单元可以被配置成根据物质信息控制用于供应这些物质的装置。

根据第二方面，本发明提供了用于播种种子的方法，其包括以下步骤：利用分离装置相对于多粒种子的其余部分分离出单粒种子，利用光学识别系统光学地识别被分离出的种子，利用机械臂装置拾取被分离出的种子并利用机械臂装置播种拾取的种子。

附图说明

下面将参照附图更详细地讨论本发明，其中：

图1和图2示出了本发明的实施例的示意性概述图；

图3是图1所示的机械臂装置的联接部的细节图；以及

图4给出了种子简介的示例。

具体实施方式

图1和图2示出了本发明的实施例的示意性概述图。这包括可以输送多个盒2的供应装置1。具有种子的多个管3可以放置在每个盒2中。以下假设具有相同分类的种子，例如黄瓜或番茄，存在于每个管3中。

供应装置1将盒2移位至机械臂装置4能够与管3接合的位置。为此目的，机械臂装置4设有第二夹持构件5，其在图3中更详细地示出。该构件用于从盒2中取出管3并将管3的内容物(即种子)清空到振动板6上。在操作期间，优选地只有相同分类的种子存在于振动板6上。

夹持构件5包括橡胶或其它类型的弹性元件，弹性元件具有连接至导管30的一个或多个孔。在此导管30连接至真空泵，该真空泵用于产生用于拾取管3所需的吸力。

机械臂装置4包括枢转地连接至联接部8的多个可单独移动的臂7。在此第二夹持构件5可以连接至联接部8。

图1的系统还包括光学识别系统9，该光学识别系统包括一个或多个光学相机19，参见图2。设置光学相机以记录振动板6和可能存在于振动板上的种子的图像。

在播种过程开始之前，用户将播种程序加载到系统的存储器(未示出)中。下面将使用与播种两种种子(即不同分类的种子)相关的播种程序。在这个示例中，播种程序包括每种待播种的种子的数量、播种模式和种子简介。

播种模式指示必须播种种子的播种位置。这可以包括能够由机械臂装置4处理的绝对位置指示。然而，在该示例中，播种模式包括关于在此采用的最小相互间距的信息。这种相互间距与种子或源自其的植物的生长方式有关。一些植物在早期就需要很多的空间。因此，播种模式可以包括以下信息：种子不需要直接彼此相邻地播种，而是需要一个或多个空着的播种位置存在于其间。

种子简介涉及种子的形状和/或尺寸。一些种子是圆形且扁平的，而其他种子更像蛋形。种子简介包括信息，通过该信息，光学识别系统可以决定种子是否相对于其他种子充分隔离，以及决定所检测的种子是否对应于待播种的种子。

图4示出了种子简介的示例。在该示例中，种子简介指出待检测的种子必须具有椭圆的外形，其中种子的检测到的轮廓10必须位于种子简介中指出的最大轮廓11和最小轮廓12之间。该示例是基于种子的检测到的轮廓或多或少相同的情况，而不管种子位置如何。然而，种子可以具有这样的形状，使得种子能够以几种方式稳定地位于振动板6上。种子简介可以包括每个稳定位置的最大和最小轮廓和/或尺寸。在这种情况下，种子不仅可以这样识别，而且可以确定种子在振动板6上的位置。然后该信息可以用于最佳地控制机械臂装置4。

系统包括用于控制系统的不同部件的控制单元(未示出)。该单元可以例如控制供应装置1，以针对机械臂装置4将一个盒2带到位。然后可以控制机械臂装置4，以便根据播种程序从盒2中取出管3。管3通常包括鉴别管中内容物的标识符，例如条形码。机械臂装置4现在可以从盒2中取出管3，并且通过为此目的配置的扫描单元来读取该管的标识符。该单元优选地形成光学识别系统9的一部分。在扫描标识符之后，系统知道哪些种子在被拾取的管中。将这些数据与播种程序进行比较。如果播种程序指示考虑中的种子必须被播种，则机械臂装置4将把管中的内容物清空到振动板6上。在其他方面不排除在播种过程中必须采用确定的顺序。因此，可能的是机械臂装置4将管放回，并且开始搜索带有必须首先播种的种子的管。

在管3的内容物已经清空到振动板6上之后，振动板6将开始振动，以便使种子彼此分离。这是必要的步骤，因为在清空管子之后，种子通常会彼此重叠或直接相邻。一方面，这使得无法或很难检查种子的分类，另一方面，无法或很难利用机械臂装置4从振动板6单个地拾取种子。

振动板6可以实现为与三个或更多个致动器连接的板，每个致动器可以在不同的方向上移动或旋转板。这种振动板从现有技术中是已知的。通过组合致动器的运动，在振动板上的种子能够以针对性的方式操纵。

在振动板6振动短时间后，运动停止，并且光学识别系统9将验证具有期望尺寸和/或位置的种子是否位于振动板6上，以及该种子距离最近的其他种子是否足够远。为此目的，光学识别系统9包括图像分析单元，该图像分析单元利用本身已知的图像处理技术来比较检测到的轮廓和一个或多个参考轮廓。

如果确定期望的种子存在于振动板6上且与其他种子相距足够的距离，则光学识别系统9将位置信息的输出提供至控制单元和/或机械臂装置4，使得后者可以拾取种子。为此目的，机械臂装置4设置有连接到联接部8的吸嘴13。吸嘴13由本体中的空气管道的端部处的一个或多个小开口14形成。该管道经由导管31连接至空气系统。该空气系统优选地包括用于将管道抽空的真空泵，由此以便吸取种子。选择不太大的开口可以防止种子进入管道中。

在机械臂装置4已经拾取种子之后，机械臂装置4将联接部8移动到与种子的播种位置对应的下落管15。下落管15在图2中更详细地示出。下落管15的下端通过联接元件16相互连接。联接元件也被布置在上侧，在那里下落管15的上开口18通过联接元件17相互连接。机械臂装置4在操作期间将利用吸嘴13从振动板6拾取种子，并且将种子投入开口18中的一个内。

图1和图2清楚地示出了下落管15的外端设置在一条线上。这使得可以在包括多个播种位置的生长基底(例如托盘)上播种。托盘包括例如横向于托盘的运动方向的一排20个播种位置，托盘的运动方向在图1中由箭头17指示，以及在运动方向上包括30排或更多排。播种位置优选地以规则的图案放置，例如以棋盘图案。

为了简明起见，托盘在图1和图2中未示出。在此足以指示系统包括托盘引导系统，该引导系统能够沿箭头17所示的方向以步进方式移动托盘。这里的意图是，在播种期间，一排播种位置每次相对于下落管15的外端对齐。

当机械臂装置4已经将种子运送至下落管15时，种子可以被释放。这可以通过空气系统使吸嘴13的管道通风或者经由导管31向其提供压缩空气来实现。由此，种子将通过下落管15落入设置在下落管15的外端下方的生长基底中的播种位置内。

然后光学识别系统9将确定是否还有可以被拾取的另一粒种子。如果不是这种情况，则可以控制振动板6进行另一次振动运动。后续的种子被放置在同一排的后续播种位置中，可选地，如果播种程序有所规定，则可以考虑跳过播种位置。

重复上述方法直到一排中的所有播种位置已经完成。然后将托盘沿运动方向转移一个位置，使得新的一排在下落管15下方就位。然后重新开始放置种子，直到不再有种子存在于振动板6上，或者直到不再有种子可以被充分分离，例如因为种子已经聚成一团，或者直到不再有种子对应于播种简介，或者直到已经播种了预期数量的种子。

播种程序可以指示必须播种100粒种子，而管3中只有50粒。在这种情况下，必须从盒2的另一个管3中取出其余种子。如果不存在这样的管，则可以产生错误消息。

机械臂装置4包括用于拾取和投下种子的错误校正机构。错误可以通过光学识别系统9检测到在拾取种子之前和之后其上存在种子的振动板6的图像差异不足而被检测到。错误可能有不同的原因。第一种可能性是，由于吸嘴13没有足够接近，所以种子根本没有被拾取。这可以通过使机械臂装置4朝同一种子移动，而其中吸嘴13移动至更靠近振动板6来解决。

错误的另一个原因是种子被卡在开口14中。机械臂装置4由此不能播种种子并且不能拾取后续的种子。在一个实施例中，机械臂装置4设置有在管道中可移动的销。通过向下移动该销并且可选地将其插入开口14，被卡住的种子可被推开。在此销可以实现为气缸的活塞杆的一部分，或者销可以连接至气缸的活塞杆，该活塞杆经由导管32用压缩空气致动。通过向该导管供应压缩空气，销将向下移动且优选地从开口14伸出，从而去除任何积垢，例如卡住的种子。活塞杆或销可以处于弹簧张力之下，使得当压缩空气退出时，销自动地快速返回。

还可以通过管道中的压力测量来确定种子是否被卡住。这是因为在种子按预期落下之后管道中的压力应该会降低。如果不是这种情况，那么很可能种子被卡住了。

上述校正机构可以组合。如果图像对比例如指示在已经拾取种子之前和之后的图像之间的差异太小，则可以移动销，并且可以利用机械臂装置4的不同深度设定来再次拾取同一种子。

在已经放置了期望数量的确定分类的种子之后，系统将继续播种后续分类的种子。在此采用了上述方法，其中应当注意的是，后续的种子通常来自不同的管。这些种子可选地放置在与先前种子不同的排中。然而，将种子放置在同一排中并不是不可能的，再次优选地考虑到种子之间期望的相互间距。

当已经处理了来自盒2的所有管4时，供应装置1可以例如通过推动将后续的盒2引导就位。系统将根据播种程序继续播种。因此，可以在一个播种程序内使用来自多个盒2的多个管3的种子。播种程序还可以包括关于哪些不同分类的种子可以在同一生长基底上组合的信息。

系统可以包括将确定的营养物、水或生物活性物质(例如农药)添加到被播种的种子的装置。该装置优选地放置在播种点的下游。在本发明的上下文中，控制单元可以控制这种装置，使得物质的添加专门针对每粒种子、每个托盘或每种不同的分类进行。

在播种程序中指出的所有种子已经被播种后，该方法停止。系统可以包括托盘引导系统(未示出)，其中可以存储多个托盘并且可以被带至与下落管15逐个地对准。在一个实施例中，托盘被放置成在引导件上接合在一起，由此创造基本上细长的生长基底。标识符施加单元优选地在每个托盘中布置不同的标识符。这使得系统可以追踪哪个托盘提供哪些种子。

生长基底可以包括存储介质，例如具有存储器的rfid芯片。关于播种在生长基底上的种子的信息可以通过系统存储在该存储介质上。有关在播种之前、期间或之后可能已经添加的物质的信息也可以存储在该存储器中。

对于本领域技术人员明显的是，在不脱离由所附权利要求限定的保护范围的情况下，可以对上述实施例进行不同的修改。