采样切割装置及种子自动切片采样设备的制作方法

本发明涉及一种采样切割装置及具有该采样切割装置的种子自动切片采样设备。

背景技术：

在植物开发和改良中，通过选择性育种或遗传操纵对植物进行遗传改良。其中，种子经非破坏性或破坏性检验。传统地，对种子样本进行检验得到遗传、生物化学或表型信息，种子被采样切割后的余下部分仍保持成活力而可以发芽并生长成成熟植物。相应地，要记录种子样本与采样切割所余下的种植部分之间的一一对应关系。无论如何，希望对种子的切割能够一致地、快速地、有效地进行。

中国发明专利CN103238389A涉及一种全自动玉米育种切片机，包括上料机构、检测机构、剪切机构和分拣机构，上料机构包括料盒和提升装置；检测机构包括光线传感器、方向控制器及相对应的滑道；剪切机构包括带有红外传感器的玉米承载台和切刀；分拣机构包括内嵌滑道、玉米胚分拣盒、玉米胚落料盒；料盒设在提升装置下端，提升装置上端与方向控制器连通，方向控制器通过滑道与玉米胚分拣盒连通，玉米胚分拣盒与玉米胚落料盒连通。其中，带有红外线传感器的玉米承载台通过传感信号控制磁力设备吸合传力棒而致动切刀，从而实现剪切取样。并且，切割后收集胚乳要通过玉米承载台的翻转实现。

中国发明专利申请CN103118527A披露了一种种子采样系统，该系统具有自动化种子加载组件、自动化种子采样组件、自动化种子传送组件。其中，自动化种子传送组件中的每个保持构件能够相对于自动化种子加载组件和自动化种子采样组件移动经分拣的种子。如其图9所示，保持构件的端部与采样器的通道的两个斜坡表面共同限定种子的位置。切割轮通过旋转从种子上去除组织样本。在切割后的种子及样本收集方面，被切割后的种子由保持构件释放并漏进导管，而最终落入种子托盘。组织样本在夹持机构松开之后漏进导管并最终落入样本托盘的凹陷内。

中国发明专利CN102686099A涉及一种用于种子取样的自动化高通量设备、方法和系统。种子取样系统包括具有控切割路径的切除子系统、以及种子处理子系统，其中种子处理子系统又包括分级系统和载体系统。其中，对种子的切割通过激光切除装置实现，经切割后留在种子分级位置的样品部分在正压场的作用下排出或释放。

中国发明专利申请CN101573602A披露了一种用于玉米育种切片的设备。每粒种子移动通过激光器的激光束，从而切下剪片。也可以采用切削刃、钻孔机或摩擦表面等方式来取得样本。切下的剪片由于铁基涂层而被保持吸附在连接件上，而将分离的切削种子保留在连接件的V形凹部里。剪片然后在刮片、刷子的作用下或通过电磁铁的断电而与连接件分离，落入样本收集漏斗。而分离后的切削种子则在重力作用下从连接件落下到种子收集漏斗中。

上述种子切割装置不能满足对切割功能在一致性、快速性和有效性方面的要求。在这些方面，种子的采样切割装置仍有改进和提高的余地。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明所要解决的技术问题是提供一种采样切割装置，该采样切割装置能够实现对种子的快速切割，并能够保持种子始终被切下基本恒定的体积或质量。

这一技术问题通过一种根据本发明的采样切割装置得以实现。该采样切割装置用于对布置在承载面上的种子进行切片采样，所述种子由夹持机构与承载面相配合地夹紧且使所述种子的一部分伸出所述承载面，所述采样切割装置包括：旋转切割件，所述旋转切割件被设计为适于在种子下部沿所述承载面的边沿对所述种子的伸出所述承载面的部分进行切割，从而形成穿透所述种子下部的切割缝隙；冲切装置，所述冲切装置的冲头布置在所述种子上方，而下模由所述承载面构成，所述冲切装置被设计为适于对着所述切割缝隙自上向下从所述种子上冲切下所述种子的伸出所述承载面的部分；测距装置，该测距装置被设计为适于测量所述种子在所述旋转切割件的切割平面内的厚度；其中，根据所述测距装置测得的所述厚度控制所述旋转切割件对种子的切割深度，使得所述种子的上部在经所述旋转切割件切割之后仍保持相连。

根据本发明的采样切割装置的一种优选实施形式，所述种子的上部在经所述旋转切割件切割之后保持相连的厚度被选择为，使得所述种子能够被所述冲切装置沿所述切割缝隙整齐地切断。对于玉米种子，旋转切割件在种子的下部切出一条缝隙，但种子上部仍有1-2毫米保持完整相连。

根据本发明的采样切割装置的一种优选实施形式，所述夹持机构根据事先识别出的种子三维形状确定所述种子伸出所述承载面的尺寸，使得所述种子被所述旋转切割件切割下来的体积保持恒定。对于种子三维形状的确定可事先通过CCD相机实现。

根据本发明的采样切割装置的一种优选实施形式，所述采样切割装置还具有负压粉末收集装置，该负压粉末收集装置用于在切割过程中利用负压吸尘收集切割过程产生的粉末。

根据本发明的采样切割装置的一种优选实施形式，所述采样切割装置是用于采样切割玉米种子的采样切割装置。

根据本发明的另一方面，本发明还提供了一种种子自动切片采样设备。该种子自动切片采样设备包括：分拣装置，所述分拣装置被设计用于将储料斗中的种子单粒地运送到升降平台上；移动拾取装置，所述移动拾取装置被设计用于从所述升降平台拾取种子并将其移动到切片采样工位；夹持机构，所述夹持机构由第一夹持件和可相对于所述第一夹持件运动的第二夹持件组成，所述夹持机构被设计用于与所述切片采样工位的承载种子的承载面相配合地夹紧所拾取的种子，且所述第一夹持件和第二夹持件能够一体地运动；如上所述的采样切割装置，所述采样切割装置对由所述夹持机构夹持在所述切片采样工位的承载面上的种子进行切割；样本收集装置，所述样本收集装置包括样本收集导管和布置在所述样本收集导管下方的样本收集容器，所述样本收集导管被设计为适于运动到所切割的种子的下方以便使所述样本切片经过所述样本收集导管落入到所述样本收集容器中，其中，所述样本收集导管总是运动到所述切片采样工位下方的相同位置，而所述样本收集容器则被设计为适于在水平面内沿相互垂直的XY方向移动，以便使所述样本收集容器的不同存储部位对准所述样本收集导管；种子收集装置，所述种子收集装置包括种子收集导管和布置在所述种子收集导管下方的种子收集容器，所述种子收集导管的入口布置于所述切片采样工位的所述承载面内且位置被选择为，使切割后的种子能够在由所述夹持机构夹持回退的过程中落入所述种子收集导管，从而落入所述种子收集容器中，其中，所述种子收集容器总是运动到所述切片采样工位下方的相同位置，而所述种子收集导管的出口则被设计为适于在水平面内沿相互垂直的XY方向移动，从而使所述种子收集容器的不同存储部位能够被依次装填。

由于样本切片的质量和体积较小，因而希望其下落时通过的样品收集导管保持不动，否则容易卡在导管里造成系统失效。而切割后的种子质量较大，收集它的种子收集容器也因而较大，所以希望种子收集容器保持不动。因此，上面这种要求样品收集容器和种子收集导管运动的设计就具有特别有益的技术效果。

根据本发明的种子自动切片采样设备的一种优选实施形式，所述自动切片采样设备还包括用于识别种子的三维形状的视觉识别系统，所述移动拾取装置根据由所述视觉识别系统识别出的种子三维形状确定所述种子在所述承载面上的安放位置，使得所述种子被所述旋转切割件切割下来的体积保持恒定。样本切片的体积保持恒定有助于后续检测得到更加精细的结果。

根据本发明的种子自动切片采样设备的一种优选实施形式，所述夹持机构被设计为适于携带种子横向移动但却无法为种子提供向上的支承力。

根据本发明的种子自动切片采样设备的一种优选实施形式，所述第一夹持件和所述第二夹持件两者中的至少一个具有向下凹斜的夹持面。这样的夹持面能够提供侧向夹持力，但却不能阻止种子在失去承载面的支承力时下落。在此，将第一夹持件的夹持面设计为两个拼接在一起的三角形斜面，如图6、图7所示，但是本领域技术人员显然也可以考虑其它形状的支承面，例如圆弧形的，或者是由更多三角形斜面拼接而成的支承面。

这样，冲切完成之后，夹持机构夹持切割后的种子沿回退方向后退，使种子在后退过程中落入种子收集导管，从而落入专用种子收集容器。

根据本发明的采样切割装置及种子自动切片采样设备的优点在于，对种子的切割通过旋转切割件和冲切装置的协同作用实现，因而使得样本切片不会受到旋转切割件旋转的影响沿切线方向抛射，而是会随着冲切装置的冲切下落。

附图说明

图1是根据本发明的采样切割装置的立体图；

图2是根据本发明的采样切割装置的侧视图；

图3是根据本发明的采样切割装置下部的局部侧视图，示出了落料导管通过气动换向阀与两个出料导管相连的布置；

图4是根据本发明的种子自动切片采样设备的俯视图；

图5是根据本发明的种子自动切片采样设备的夹持机构的立体图；

图6是图5所示夹持机构中的第一夹持机构的立体图；

图7是图6所示第一夹持机构从另一个方向观察的立体图；

图8是根据本发明的种子自动切片采样设备的分拣装置的侧面剖视图；

图9是根据本发明的种子自动切片采样设备的分拣装置的立体图；

图10是根据本发明的种子自动切片采样设备的样本收集装置的正视图；

图11是根据本发明的种子自动切片采样设备的样本收集装置的立体图；

图12是根据本发明的种子自动切片采样设备的种子收集装置的正视图；

图13是根据本发明的种子自动切片采样设备的种子收集装置的立体图；

图14是根据本发明的种子自动切片采样设备的侧视图；

图15是根据本发明的种子自动切片采样设备的正视图；

图16是根据本发明的种子自动切片采样设备的立体图；

图17是根据本发明的种子自动切片采样设备的移动拾取装置的侧视图，其中示出了一粒种子被移动拾取装置的吸头从一个升降平台上拾起而另一粒种子位于另一个升降平台上；

图18以局部立体图的形式示出了落料导管、气动换向阀和升降平台之间的空间位置关系；

图19是冲切装置的立体图，同时也示出了承载面上的种子收集导管入口。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的采样切割装置14的一种实施形式，为清楚起见，图中仅示意地示出了主要的部件。待切割的种子5在夹持机构11和承载面1的配合下固定在承载面1上，上方布置有冲切装置3，而下方在侧面则布置有旋转切割件2。

待切割的种子5的位置和取向由夹持机构11根据由一个未示出的识别装置(例如，在此实施例中是CCD相机)识别出的该种子5的三维形状确定。确定待切割的种子5的位置和取向的原则是使种子5的对于成活性有关键作用的部分不被破坏，并且每个种子5被切割下的部分的体积或者说质量大致相同，都相当于一个预定的体积或质量。

如图5所示，夹持机构11由第一夹持件12和可相对于所述第一夹持件12运动的第二夹持件13组成。它与切片采样工位10的承载种子5的承载面1相配合地夹紧所拾取的种子5，且所述第一夹持件12和第二夹持件13能够一体地运动。

第一和第二夹持件12、13中的至少一个具有向下凹斜的夹持面22。这样的夹持面适于携带种子5横向移动但却无法为种子5提供向上的支承力。例如，图6和图7以立体图的形式示出了第一夹持件12由两个三角形夹持面组成的向下凹斜的夹持面22。这样的夹持面能够在第一和第二夹持件12、13相互靠近时夹紧种子，亦能够在种子失去承载面1的支承时使种子能够自由下落。

承载面1上如图19所示地提供了种子收集导管入口20，因而在第一夹持件12和第二夹持件13共同夹持种子回退而远离承载面边沿时，能够使种子失去承载面1的支承的情况发生，从而通过种子收集导管入口20收集落下的种子。

在种子5上方还布置有一个未示出的测距装置，在本实施例中是一个激光测距装置，用于测量待切割的种子5在切割位置上方的高度，也就是在旋转切割件2的切割平面处的种子厚度。

如图1所示，布置在平台2上的种子5的一部分伸出平台。旋转切割件2沿承载面1的边沿从侧面旋转进入种子5，控制其进刀深度小于所测得的种子厚度到一个这样的程度，以至于所述种子5的下部由旋转切割件2形成切割缝隙，而上部则在经旋转切割件2切割之后仍保持相连。

图2以侧视图示出了冲切装置3是如何自上而下冲切被夹持机构夹持在承载面上的种子5的。图2中示出了冲头4正切割在种子5上，而下方的样本收集导管16则对准种子下方以便收集所冲切下来的种子5。

切割结束之后，样本收集导管16就运动到种子5的下方，同时其导管端口处于开口状态。冲切装置3此时也运动到种子5的上方。在旋转切割件2退回初始位置后，上方的冲切装置3向下运动，将这个种子5对着上述切割形成的切割缝隙冲切断开，被切下的种子5的样本(对于玉米种子而言是已被部分切割的胚乳部分)落入样本收集导管16，并经过样本收集导管16，落入到样本收集容器17(样本九十六孔板)中。在此，样本收集导管16总是运动到对准种子5的下方的位置，而样本九十六孔板则在机械手的夹持下在XY方向上移动。

在旋转切割件2和冲切装置3动作时，布置在平台2附近的负压粉末收集装置利用负压吸尘收集切割过程产生的粉末。

冲切完成之后，夹持机构11携带着被切割后的种子向后退，远离切割位置，直到到达承载面1上的种子收集导管入口20上而顺势落入种子收集导管19，从而经由种子收集导管19落入种子收集容器21。其中，种子九十六孔板运动到位后，由气动夹爪定位，固定不动。种子收集导管19置于XY运动平台之上，出口对着种子九十六孔板内的单元格依次装填。

根据本发明的采样切割装置14的另一种实施形式，与上述实施形式的区别在于：承载面1上没有作为种子收集导管入口的开孔，种子收集导管19布置在所述承载面1边沿附近，且额外设置了推杆。在冲切完成、夹持机构打开之后，所述推杆扫过所述承载面1，将切割后的种子5从承载面1上扫到其边沿附近的种子收集导管入口20内，从而落入种子收集容器21(种子九十六孔板)中。

图14至图16中示出了一种带有采样切割装置14的种子自动切片采样设备，该设备包括分拣装置7、移动拾取装置9、采样切割装置14、样本收集装置15、种子收集装置18等主要部分，用于将储料斗23中的种子5单粒拾取，并在其形状和位置符合要求的情况下将其拾取和移动到切片采样工位10进行切割，切割后的样本切片和余下的种子分别由样本收集装置15和种子收集装置18一一对应地收集。

分拣装置7的储料斗23用于储存一定量的种子5，保证设备持续运转。分拣装置7确保每次只有一粒种子5被输送到一个升降平台8上。两个升降平台8根据气动换向阀31的动作交替往复工作。图8和图9分别以侧面剖视图和立体图的形式示出了根据本发明的种子自动切片采样设备的分拣装置。图3则示出了气动换向阀31上端连接的落料导管26与下端连接的两根出料导管30。种子经落料导管26、气动换向阀31落下后，由轮流工作的两个升降平台8之一顶起到适于CCD相机进行视觉识别的高度，升降平台如图18所示地布置在气动换向阀31旁。

升降平台8上的种子5由CCD相机进行视觉识别，根据典型样本的图像分析、利用智能视觉识别软件、以平台外形定位、识别种子5的外形中心和偏转角度，从而快速确定种子5的位置和方向；如果发现该粒种子不适于切割(比如：找不到种子粒的轴线，种子粒太小，长宽比太大，以及切割位置太薄等)，则由废料剔除机构36将该粒种子5推送到废料收集容器内。

如图4及图17所示，被识别为适于进行切割的种子5由移动拾取装置9(四轴机器人，例如Epson机器人)根据CCD相机的反馈抓取并调整方向，然后将种子5搬运到切片采样工位10，其中，移动拾取装置的机械手抓取方式采用真空吸盘吸取的方式，吸头与机械手主轴中心同轴。采用负压监控的方式识别种子5是否在搬运过程中掉落，如掉落系统将报警。如图16所示，移动拾取装置9以吸头将一粒种子5从升降平台8上吸起，而另一粒种子则处在另一个升降平台8上。

在切片采样工位10，根据CCD相机传递的数据调整种子5的方向和位置以及夹持机构11的位置，使夹持机构11在承载面1的配合下将种子5夹紧固定。图5示出了种子5被夹持机构的第一夹持件12和第二夹持件13共同夹持在承载面1上的状态。图6和图7则详细示出了第一夹持件12的夹持面形状。种子5被夹持之后，由另一套CCD相机进行识别和判断，如果判定种子5被切割位置伸出平台的尺寸达到要求，则使激光测距传感器运动到承载面1的边沿上方测量种子切割线位置上方的高度，从而控制旋转切割件的切割深度，使得种子5在胚乳部分的下部被切出一条缝隙，但种子5的上部仍保持完整，约有1-2毫米的连接，这样，样本就不至于掉落。

在切割过程中，同时利用负压吸尘收集切割过程产生的粉末。切割缝隙的深度根据种子激光测高的结果进行调整，通过步进电机和凸轮机构实现。

图10和图11示出了样本收集装置15。切割结束之后，样本收集导管16运动到种子5的下方，同时样本收集导管16的端口打开，然后冲切气缸向下运动，将已被部分切割的胚乳部分冲切下来，使之经过样本收集导管16，落入到专用样本收集容器17(样本九十六孔板)中。其中，样本收集导管16的位置始终对准种子5的下方，而样本九十六孔板则可在水平面内相互垂直的XY方向上移动。

图12和图13单独示出了种子收集装置18。冲切完成之后，夹持机构11夹持切割后的种子5沿回退方向后退，使种子在后退过程中落入种子收集导管19，从而落入专用种子收集容器21(种子九十六孔板)中。图19以立体图的形式示出了种子收集导管20上端在承载面1内的开口，从而清楚地表明了切割后的种子是如何在回退过程中落入种子收集导管20的。其中，种子九十六孔板运动到位后，由气动夹爪定位，固定不动。种子收集导管19置于XY运动平台之上，出口对着九十六孔板内的单元格依次装填。

以上记载了本发明的优选实施例，但是本发明的精神和范围不限于这里所公开的具体内容。本领域技术人员能够根据本发明的教导而做出更多的实施方式和应用，这些实施方式和应用都在本发明的精神和范围内。本发明的精神和范围不由具体实施例来限定，而由权利要求来限定。

附图标记列表

1 承载面

2 旋转切割件

3 冲切装置

4 冲头

5 种子

7 分拣装置

8 升降平台

9 移动拾取装置

10 切片采样工位

11 夹持机构

12 第一夹持件

13 第二夹持件

14 采样切割装置

15 样本收集装置

16 样本收集导管

17 样本收集容器

18 种子收集装置

19 种子收集导管

20 种子收集导管入口

21 种子收集容器

22 夹持面

23 储料斗

24 固定盘

25 开口

26 落料导管

27 分选转盘

28 缺口

29 斜面突起部

30 出料导管

31 气动换向阀

32 气流作用装置

33 检测装置

34 视觉识别装置

35 CCD相机

36 废料剔除机构

38 控制柜

39 气泵

40 CCD相机