生物胚胎自动检测装置数字样机建模与仿真

汪佳雨 高浩源 张鑫 贾东岳 陈天帅

【摘 要】我国物种丰富，也十分重视生物胚胎的运用，但是大量生物胚胎需要检测，检测过程又涉及庞大的数据记录与运算，仅靠人力效率很低。针对以上问题，根据现有箱式孵化的尺寸和模式设计的一款生物胚胎自动检测装置。装置分为装卸机械臂和自动检测两个部分，装卸机械臂由升降机构和剪叉式装卸结构构成负责运送蛋盘；自动检测装置通过图像识别算法以及移动和转动两个伺服电机控制，逐排检测生物胚胎。除此之外，根据设计的装置和系统进行数字样机建模与仿真，对实用过程中可能出现的问题进行解决，减少研发周期提升质量。

【关键词】生物胚胎；自动检测装置

生物胚胎多采用“鸡胚法”制造，即注射病毒进入胚胎，并一同培育。在注射前需进行两次照蛋检测，注射后需要进行一次照蛋检测。我国通常使用箱式孵化蛋车，蛋胚放在尺寸为1600mm*570mm*2100mm的蛋盘上，一个蛋盘150枚蛋胚。检测蛋胚合格性时需要人工手持发光的照蛋设备照射蛋胚，并将照射的图像记录下来进行图像比对，通过比对结果筛选蛋胚，将不合格的蛋胚剔除防止培育時感染正常蛋胚。一个中型工厂每天需要检测胚胎约10万枚，人力需要装卸生物胚胎并进行生物胚胎检测，效率低，出错率大。

一、生物胚胎自动检测装置的结构设计

生物胚胎自动检测装置结构分为装卸和运送蛋盘的机械装置和自动检测的检测控制装置。在装卸和运送蛋盘的机械装置设计上，没有采用国外较为流行的多自由度机械手抓取方式，而是依照标准的蛋盘尺寸，采用矩形支架的箱式结构。通过升降架上下移动从上至下运送蛋盘，低于蛋盘高度的剪叉式结构伸缩拖住下移的蛋盘，水平导轨和同步带旋转组合带动蛋盘水平运动到检测区域。为防止蛋盘脱落和支撑支架变形，增加了防脱钩和联筋。

在自动检测的检测控制装置设计上，国内已有的“一种疫苗胚蛋自动检测装置”或“完全自动型胚蛋检测设备”等生物胚胎自动检测设备，均通过换位电机和照蛋电机的驱使，对蛋盘上所有的胚胎进行依次照射，并自动识别出不合格的生物胚胎。但在实际的使用过程中，换位电机在往复的运动过程中，易产生误差积累，使得灯罩不能与蛋盘上每行的生物胚胎对准，造成生物胚胎照射失败。同时，照蛋电机也容易发生误差累积，造成灯罩的升降高度变化，使得照蛋失败或损坏生物胚胎。

为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种可对灯罩的位置和转动角度进行校准的生物胚胎自动检测装置的控制系统。该生物胚胎自动检测装置由机架、进盘电机、水平移动伺服电机、桁架转动伺服电机、左底座、右底座和桁架组成。通过在水平移动伺服电机下方的前后两端和中间位置上分别设置水平移动左限位传感器、水平移动右限位传感器和水平移动零点传感器，既实现了对水平移动伺服电机移动的左右限位，又可对其零点位置进行校准，对每个蛋盘上生物胚胎照射时均校准一次，避免了以往桁架上灯罩与蛋盘上生物胚胎不对应的弊端。通过在左立板上设置桁架转动低位传感器、桁架转动高位传感器和桁架转动零点传感器，既实现了对摆动臂转动的最高点和最低点限位，又实现了对摆动臂的零点校准，解决了以往照蛋时灯罩转动不到位或转动过度的问题。通过在上导向板的前后两端分别设置蛋盘进入传感器和蛋盘运出传感器，实现了对蛋盘进入和运出的检测，以便自动执行照蛋步骤。

二、生物胚胎自动检测装置的系统设计

检测装置的设有结构控制系统和图像检测系统。结构控制系统由微控制器及与其相连接的桁架转动低位传感器、桁架转动高位传感器和桁架转动零点传感器、水平移动左限位传感器、水平移动右限位传感器、水平移动零点传感器、蛋盘进入传感器和蛋盘运出传感器组成，用于对水平移动伺服电机的位置、摆动臂的转动位置进行检测。上述传感器均经光电耦合器与微控制器相连接，传感器的输出信号与光电耦合器的输入端相连接，光电耦合器的输出端与微控制器的输入端相连接。

对于生物胚胎的图像检测和质量预测是有数学模型的，现有的边缘检测和特征提取法较为高效，用二分法查找胚胎特征区域的边缘，确定区域面积，再确定胚胎形心，通过公式计算质量与图像面积的像素比进行比较，得出胚胎是否合格。图像检测系统主要运用现有的图像检测算法，通过计算机计算并记录不合格生物胚胎坐标，更精准地帮助去除不合格的生物胚胎。

三、生物胚胎自动检测装置的数字建模与仿真

仿真技术发展迅速，概念化设计过后，通过设计建模，设计分析，设计优化，制造样机，样机试验，系统确定这样一个流程，发挥了简化生产过程，缩短产品的开发周期，降低产品的开发成本等巨大的优势。另外，三维数字化模型与仿真清晰明了地呈现其工作原理和优势，美观动态的仿真演示也能最大程度优化产品成果，吸引更多人关注。

数字建模与仿真的过程主要运用Solidworks软件建立基本件形成装配体，并进行力学上的简单分析，模拟运行时产生的力，对易冲击部位增加防护措施。运用Admax进行运动学分析，计算运行和检测时的加速度，从而对同步带的大小带轮直径调配，计算Dp、Pb等相关参数。

四、结论

（1）通过装卸机械控制装置和胚胎检测控制装置的多机构融合设计，配合合理完整的自动化系统，优化已有设计的缺陷，解决生物胚胎检测制造业的问题。

（2）通过模拟仿真，调整样机，提高其适应性从而提高生物胚胎行业及其下游生物企业生产产量和质量。

【参考文献】

[1]黄超，刘衍聪，伊鹏.孵化蛋车装卸机械臂的设计与试验[J].工程设计学报，2017，24（5）：602-608.

[2]周平，刘俭英，王巧华，文友先.鸡蛋图像检测方法与质量预测模型[J].农业机械学报，2017，38（11）：81-83.