基于視覺技術(shù)的紡錘形魚類疫苗注射機設計與試驗

摘要：針對國內(nèi)魚類養(yǎng)殖過程中疫苗注射主要依靠人工的問題，設計一種由翻轉(zhuǎn)模塊、夾緊模塊和注射模塊等組成的魚類疫苗注射機。運用SolidWorks軟件對各模塊進行結(jié)構(gòu)設計并建立設備的整體三維模型。基于ANSYS軟件對魚苗夾緊模塊進行有限元仿真分析，得到虛擬魚苗的最大等效應力約為0.14 MPa，最大變形量約為1.1 mm，符合安全夾緊要求。搭建以PLC為核心的控制系統(tǒng)，采用基于Python的OpenMV視覺識別平臺，通過算法識別魚苗的長度及魚腹或魚背特征。根據(jù)設計結(jié)果制作實物樣機進行試驗驗證，結(jié)果表明：通過視覺識別技術(shù)可以獲得誤差允許范圍內(nèi)的魚苗計算長度并穩(wěn)定地識別魚腹和魚背特征，降低魚苗投放要求的同時提升注射效率，實物樣機對尺寸為80～120 mm的魚苗均能成功進行疫苗注射，且當魚苗體長在100～120 mm時，設備的疫苗注射成功率可達100%。為魚類疫苗注射設備的研制提供設計方案并為設備后續(xù)優(yōu)化和試驗提供基礎。

關鍵詞：疫苗注射機；虛擬魚苗；視覺識別；夾緊模塊；樣機試驗

中圖分類號：S951； TP391" " " 文獻標識碼：A" " " 文章編號：2095?5553 （2025） 04?0163?08

Design and experiment of vaccine injection machine for spindle shaped fish

based on visual technology

Zhang Dongdong， Wang Shuchun， Xu Jinfeng， Sun Guodong， Cai Guangyi， Bao Qihang

（Institute of Intelligent Manufacturing， Zhejiang Polytechnic University of Mechanical and Electrical Engineering， Hangzhou， 310053， China）

Abstract： Aiming at the problem that the vaccine injection in domestic fish culture mainly depends on manual injection， a kind of fish vaccine injection machine composed of the flip module， clamping module and injection module was designed. The structure of each module and the overall three dimensional model of the equipment was designed with SolidWorks software. The finite element analysis of clamping action of the virtual fry was carried out based on the ANSYS， the maximum equivalent stress was about 0.14 MPa， and the maximum deformation was about 1.1 mm， which met the requirements of safety clamping. The control system was built based on PLC， and the visual recognition platform of OpenMV which based on Python was used to identify the length of fish fry and the characteristics of fish belly or back through algorithms. According to the design results， the prototype was made and tested. The results indicate that the calculated length of fish fry within the allowable error range can be obtained， and stable recognition of fish belly and back features can be achieved by using visual recognition technology， which will reduce the need of fry delivery and improve the injection efficiency. The physical prototype can successfully inject vaccines into fish fry within the design size range of 80-120 mm， and the success rate of vaccine injection can reach 100% when the fish fry reaches a length of about 100 mm to 120 mm. This study provides a design scheme for the development of fish vaccine injection equipment and provides a basis for the subsequent optimization and testing of the equipment.

Keywords： vaccine injection machine; virtual fish; visual recognition; clamping module; prototype testing

0 引言

魚類養(yǎng)殖過程往往伴隨著傳染性疾病的發(fā)生，采取免疫學途徑預防魚類病害是解決問題的關鍵[1， 2]。疫苗接種已逐漸成為魚類疾病防治的主流方式，不僅效果好，而且對水環(huán)境沒有危害[3]。目前魚類疫苗接種方式主要有注射、浸泡、口服等，其中注射方式具有接種劑量相對精確且劑量小、疫苗在體內(nèi)存在持續(xù)時間長、免疫效果好等特點，越來越多地被魚類養(yǎng)殖戶所采用[4]。現(xiàn)階段，我國魚類養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)中疫苗仍然依靠人工注射，注射前需對魚苗進行麻醉處理以更好把控魚苗的魚腹朝向，操作工人一只手將魚苗逐條抓起并使其腹部朝向注射一側(cè)，另一只手操作注射器使針頭扎入魚鰭下方腹部進行疫苗注射。人工注射時往往需要工人長期浸泡在水中進行作業(yè)，不僅會影響其身體健康，而且人工扎針困難，偶爾容易誤扎到手，造成一定的危害。隨著技術(shù)的發(fā)展，采用機器代替或輔助人工完成魚類疫苗注射是必然趨勢。

國外魚類疫苗自動注射設備的研發(fā)起步較早，已經(jīng)有一些成熟的半自動或全自動設備，Lv2x and Lv4 vaccination machine和Easy-Vac系列產(chǎn)品屬于半自動疫苗機，它們往往需要手工放魚或手動調(diào)整注射位置，而挪威推出的Maskon vaccination system注射機是一款全自動的魚類疫苗注射設備，集成了魚苗麻醉、運送、自動注射等功能，雖然自動化程度高但體型較大且價格昂貴。國內(nèi)對魚類疫苗注射機的研究起步較晚，公開文獻顯示僅有浙江大學等少數(shù)高校或科研院所的學者開展相關研究，且目前大多處于測試階段。梁仍昊[5]根據(jù)注射要求完成了魚類疫苗自動注射機關鍵機構(gòu)設計和控制系統(tǒng)設計，并基于魚背和魚腹對同一板材摩擦系數(shù)不同的特點進行翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)設計，以確保魚腹始終朝向注射針管一側(cè)，但這種翻轉(zhuǎn)方式與魚苗的尺寸、體型、接觸板材的摩擦力等多種因素有關，實際使用時具有一定的不確定性；李冬冬[6]在梁仍昊的成果基礎上做了進一步研究，設計一種單工位、雙通道疫苗注射機，沿用前者魚苗翻轉(zhuǎn)方式的同時，提出以氣缸為動力的夾持放行機構(gòu)，并在設備中引入圖像處理等技術(shù)輔助注射作業(yè)，但此設備的夾持機構(gòu)夾持力難以調(diào)節(jié)。對比分析國內(nèi)外現(xiàn)有設備，發(fā)現(xiàn)在注射前大多需要對魚苗進行麻醉處理，以方便自動注射，這會造成一定程度的過度用藥，而不恰當?shù)聂~苗翻轉(zhuǎn)方式、定位夾緊方式是造成無法避免麻醉環(huán)節(jié)的根本原因[7?9]。

針對現(xiàn)有設備的不足，本文設計一種無麻醉紡錘形魚類自動疫苗注射機，通過視覺技術(shù)及穩(wěn)定翻轉(zhuǎn)模塊的設計，確定疫苗注射位置并降低魚苗的朝向要求，基于實物樣機制作并以草魚苗為例進行實際注射過程試驗。

1 整體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

根據(jù)疫苗注射的一般流程，魚類疫苗注射機應當具有魚苗夾緊、注射器扎入魚腹、注射疫苗等基本功能，為實現(xiàn)自動作業(yè)，設備應具有傾斜的滑道及循環(huán)的水流系統(tǒng)。此外，為降低魚苗放入時的朝向要求以提升接種效率，設備還應具有魚苗翻轉(zhuǎn)的功能。設備整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括翻轉(zhuǎn)模塊、夾緊模塊、注射模塊等功能模塊[10]。運用SolidWorks軟件完成設備整體結(jié)構(gòu)設計，設備外形尺寸（長×寬×高）為500 mm×440 mm×960 mm，占地空間較小，操作高度約為720 mm，符合人機工程設計要求，為方便魚苗沿著滑道順利滑下，設計滑道與水平面的夾角為20°，同時通過抽水泵及儲水槽實現(xiàn)滑道流動水循環(huán)。滑道尺寸決定可適用魚苗的尺寸大小，以草魚苗作為研究對象，其結(jié)構(gòu)為紡錘型，查閱文獻可知，一般100 mm左右長的草魚苗需要進行一次疫苗注射，初步設計設備可對長度為80～120 mm的魚苗接種疫苗，根據(jù)最大接種尺寸設計滑道總長520 mm，其中翻轉(zhuǎn)滑道長度為135 mm，夾爪長度為135 mm，滑道寬度為25 mm，滑道高度為16 mm，活動夾爪和固定夾爪的最大間隙為16 mm。

1.2 工作原理

魚類疫苗注射機是一種半自動化設備，工作時，操作人員將魚苗放入滑道入口，魚苗沿著傾斜滑道向下滑入翻轉(zhuǎn)模塊并觸碰到入口門，傳感器檢測魚苗到位后，通過視覺相機拍照獲取魚苗長度信息并進行特征識別。當識別出是魚腹時，入口門迅速打開，魚苗進入注射區(qū)域；若識別出魚背特征，通過翻轉(zhuǎn)模塊工作將魚苗旋轉(zhuǎn)180°，使魚腹朝向注射一側(cè)后由入口門進入注射區(qū)域。在注射區(qū)域內(nèi)，傳感器檢測到魚苗到達注射位置時，夾緊模塊的電磁鐵斷電收回，夾爪夾緊魚苗，同時注射模塊根據(jù)獲取的魚苗長度信息以及計算得到的注射位置尺寸調(diào)節(jié)注射姿態(tài)和角度，在電機和推桿驅(qū)動下實現(xiàn)疫苗注射作業(yè)。注射完成后，注射模塊復位，夾緊模塊的夾爪松開魚苗，出口門打開后魚苗沿著滑道掉入魚框，單個魚苗的疫苗注射工作完畢。

2 關鍵部件設計

2.1 翻轉(zhuǎn)模塊

魚苗經(jīng)過滑道進入注射位置前，為使魚腹始終朝向注射一側(cè)，同時為實現(xiàn)更加準確的疫苗注射，設計出基于視覺技術(shù)的翻轉(zhuǎn)模塊，其結(jié)構(gòu)設計如圖2所示。

翻轉(zhuǎn)模塊主要由兩個視覺相機、翻轉(zhuǎn)滑道、齒輪副、步進電機及支撐部件等組成，視覺相機可基于Python語言算法計算魚苗的長度信息以及識別魚苗的魚腹或魚背特征。當魚苗進入翻轉(zhuǎn)模塊后，長度識別相機計算魚苗長度并將所取長度信息傳回控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)控制注射模塊完成相應的姿態(tài)調(diào)整以找到相對準確的注射位置，而魚背識別相機則對魚腹或魚背特征進行識別，當識別到魚腹特征時，翻轉(zhuǎn)模塊步進電機不工作，魚苗繼續(xù)沿著傾斜滑道向下滑動到注射區(qū)域，當識別到魚背特征時，步進電機通過齒輪副傳動將翻轉(zhuǎn)滑道翻轉(zhuǎn)180°，使得魚腹朝向注射一側(cè)，翻轉(zhuǎn)后的魚苗繼續(xù)沿著滑道進入注射區(qū)域。翻轉(zhuǎn)滑道外需要安裝大軸承配合齒輪副完成運動，設計齒輪副模數(shù)m為2.5 mm、大齒輪齒數(shù)為40、小齒輪齒數(shù)為20。

2.2 夾緊模塊

魚苗由翻轉(zhuǎn)模塊沿著滑道進入注射區(qū)域時，為完成注射器穩(wěn)定扎入魚腹的動作，需要夾緊模塊對魚苗進行限位。夾緊模塊主要由電磁鐵、夾緊彈簧、導柱、夾爪座、活動夾爪、固定夾爪等部分組成，其結(jié)構(gòu)設計如圖3所示。

魚苗由翻轉(zhuǎn)模塊完成朝向檢測或翻轉(zhuǎn)動作后將經(jīng)過入口門進入注射區(qū)域，入口門打開的同時夾緊模塊的電磁鐵吸合工作，將活動夾爪向上頂出，使魚苗能夠順利滑入注射區(qū)域，當傳感器檢測到魚苗到位時，電磁鐵斷電復位，活動夾爪在夾緊彈簧的作用下向下夾緊魚苗。導柱、直線軸承等結(jié)構(gòu)設計確保了夾爪開合的穩(wěn)定性，通過電磁鐵驅(qū)動和夾緊彈簧可實現(xiàn)對魚苗的快速夾緊和松開。為使魚苗能安全進入夾緊模塊，且在下滑途中限制其活動空間，因此，設計固定夾爪和活動夾爪最大間隙為16 mm。調(diào)節(jié)夾緊彈簧可實現(xiàn)對夾緊力的調(diào)節(jié)，以確保在夾緊魚苗的同時不會對其造成身體結(jié)構(gòu)的傷害，彈性海綿則可起到緩沖作用。

2.3 注射模塊

夾緊模塊夾緊魚苗后由注射模塊完成疫苗的注射作業(yè)。為提高設備適應性以及注射位置和注射量的準確性，注射模塊在實現(xiàn)自動接種注射的同時，還應滿足注射角度、注射深度、注射量可調(diào)節(jié)的功能。如圖4所示，注射模塊主要由角度調(diào)節(jié)電機、齒輪副、扎針電機、絲桿螺母副、注射推桿、注射器等組成。角度調(diào)節(jié)電機選用42步進電機，通過齒輪副傳動實現(xiàn)注射角度調(diào)節(jié)。扎針電機選用24 V直流減速電機，轉(zhuǎn)速為550 r/min，通過絲桿螺母副傳動實現(xiàn)注射深度調(diào)節(jié)，注射推桿通過連接塊實現(xiàn)疫苗注射量的調(diào)節(jié)。

疫苗注射量及注射深度與魚苗的種類及體形大小相關，以草魚為例，一般體長90～150 mm的魚苗疫苗注射量為0.4 mL左右，魚腹處注射深度為2 mm左右為宜[6]。

疫苗注射區(qū)域一般選擇在魚腹的腹鰭基部前后5 mm區(qū)域附近，注射時一般要求針管方向與魚的朝向呈一定角度，以方便針管扎入魚腹為宜[6]。為實現(xiàn)注射模塊在注射區(qū)域內(nèi)相對準確的角度調(diào)節(jié)和注射深度調(diào)節(jié)，獲得如圖5所示的注射模塊結(jié)構(gòu)簡圖。

根據(jù)圖5可獲得注射角度及注射時針管的移動距離，計算如式（1）和式（2）所示。

參數(shù)A、B、l0為定值，根據(jù)設計模型可測量得到A=49 mm，B=102.5 mm，l0=86.5 mm。X為未知數(shù)，通過魚苗樣本統(tǒng)計可知注射位置尺寸X與魚苗長度尺寸基本呈線性關系，線性比例約為0.49[11]，運用視覺技術(shù)可以獲得魚苗的長度尺寸，通過計算則可獲得注射位置尺寸X的數(shù)值。將各參數(shù)取值代入式（1）和式（2），可得到不同長度魚苗注射疫苗時注射模塊的注射角度α及注射時針管的移動距離[Δl]的簡化計算如式（3）和式（4）所示。

2.4 扎針受力分析

疫苗注射時，針管受到來自魚腹的軸向阻力，由于針管為細長桿，因此，這一過程可視為壓桿穩(wěn)定問題[6]，圖6為針管的受力分析圖。

參考文獻[6]對插針阻力進行測試，而計算得到的臨界載荷Fcr大于插針阻力，因此，針管可以順利完成插針動作而不會彎曲。但由于插針次數(shù)較多會引起針管的疲勞破壞，因此，實際應用時應定期進行針管的更換。

3 魚苗夾緊仿真分析

結(jié)構(gòu)靜力學分析用于計算在固定不變的載荷作用下結(jié)構(gòu)的效應，不考慮慣性和阻尼的影響，靜力學分析基本矩陣方程如式（7）所示。

為保證注射疫苗時針管能夠順利扎入魚腹，魚苗到達注射位置需要由夾緊模塊進行夾緊操作以限制其活動。夾緊力的大小不僅關系到魚苗的活動能力，同時關系到魚苗的安全，過大的夾緊力會突破魚苗的變形量，從而傷害魚苗內(nèi)臟。有研究表明，魚苗的安全壓力范圍為0～30 N，安全變形量為0～9 mm[11， 12]。

所設計的夾緊模塊夾緊力主要通過夾緊彈簧調(diào)節(jié)，預設夾緊力為15 N，將簡化后的夾緊模塊導入到ANSYS軟件進行靜力學仿真分析，設定夾爪和虛擬魚苗的力學性能參數(shù)[11， 12]如表1所示，添加約束和載荷后運行仿真計算，得到夾緊模塊等效應力云圖和總體變形云圖（圖7）以及魚苗的等效應力云圖和總體變形云圖（圖8）[13， 14]。

由圖7可知，夾緊模塊的最大等效應力約為17.26 MPa，最大變形量約為1.58 mm，最大應力及最大變形主要集中于夾爪上，小于PE材料的許用范圍。由圖8可知，在壓緊力作用下，虛擬魚苗的最大等效應力約為0.14 MPa，最大變形量約為1.1 mm，遠小于9 mm的安全范圍，因此，夾緊力不會造成魚苗的內(nèi)臟損傷。

4 控制系統(tǒng)設計

控制系統(tǒng)包括MCGS觸摸屏、PLC（可編程控制器）、直流電機控制器、步進電機驅(qū)動器、OpenMV視覺模塊、直流電源等。觸摸屏控制面板安裝在設備上，PLC與步進驅(qū)動器、直流電機控制器等連接，魚苗入口和疫苗注射位置設有紅外光電傳感器，該光電傳感器與PLC的輸入端連接[15， 16]。

控制系統(tǒng)主要以三菱FX3U-48MT/ES-A型號的PLC為核心搭建，通過PLC收集處理輸入信號并控制直流電機、步進電機、電磁鐵的動作，由OpenMV進行視覺識別魚苗的魚腹或魚背特征，使用MCGS觸摸屏設計人機交互，通過與PLC通訊提供系統(tǒng)控制按鈕。

4.1 硬件系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由PLC、MCGS觸摸屏、OpenMV視覺模塊、電源、紅外光電傳感器等組成，控制各直流電機、步進電機和電磁鐵的動作，其結(jié)構(gòu)如圖9所示。

PLC使用的輸入輸出模塊及用途：（1）輸入模塊：用于收集各種電機的運行狀態(tài)、系統(tǒng)中各設備的數(shù)字量信號等；（2）輸出模塊：用于控制各電機啟停、電磁鐵的通斷；（3）OpenMV視覺模塊：用于視覺檢測及與PLC進行數(shù)據(jù)交互；（4）MCGS觸摸屏：通過與PLC通訊實現(xiàn)人機交互控制。

4.2 軟件系統(tǒng)

系統(tǒng)具備手動、自動兩種運行模式。在手動模式下，操作員點動操作設備各部分進行單獨運行。系統(tǒng)自動運行流程如圖10所示。

在自動模式點擊啟動按鈕后，水泵開始工作，滑道上的流動水開始循環(huán)。在滑道入口處將魚苗頭部斜向下放入滑道，魚苗到達翻轉(zhuǎn)模塊，入口光電傳感器檢測到魚苗，PLC發(fā)送信號給視覺相機進行拍照檢測，檢測是否為魚背。如果檢測結(jié)果為魚背朝注射方向，則翻轉(zhuǎn)模塊驅(qū)動翻轉(zhuǎn)滑道旋轉(zhuǎn)180°，使魚腹朝注射方向。入口門隨即打開，同時電磁鐵吸合，帶動活動夾爪升起。魚苗進入注射位置后，檢測光電傳感器發(fā)出訊號，入口門關閉，同時電磁鐵失電縮回，夾緊模塊夾緊魚苗。注射模塊驅(qū)動注射器針管扎入魚腹，注射器上方的注射推桿工作，將疫苗注射進魚腹中。完成后，注射推桿退回，注射模塊復位，出口門打開，同時電磁鐵吸合使活動夾爪再次升起，魚苗落入魚框后，出口門關閉，電磁鐵縮回，完成單個魚苗注射疫苗流程。

4.3 視覺模塊

4.3.1 魚背或魚腹特征識別

OpenMV是基于MicroPython的開源機器視覺平臺，可以用于圖像和視頻處理、運動檢測和跟蹤等任務。其中，識別顏色是其一個典型應用場景，也是本設備所運用的主要功能。本系統(tǒng)采用型號為OpenMV4-H7-PLUS的視覺模塊，重約17 g，模塊尺寸為45 mm×36 mm×29 mm，具有500萬高清像素攝像頭，其板載核心處理器為STM32H743II單片機，工作電壓為3.3～5 V，主頻為480 MHz，F(xiàn)LASH最大支持2 MB+外置32 MB。

使用OpenMV進行顏色的識別與區(qū)分，需要準備足夠數(shù)量的草魚苗，在不同光線條件、不同角度和不同位置的場景下進行多次測試，從而獲得更加準確的魚背顏色閾值。將準備好的魚苗放入機器中，開啟機器電源并連接電腦，在魚苗到達識別位置后，根據(jù)采集到的圖片，在OpenMV IDE的菜單欄中選擇「Tools」gt;「Machine Vision」gt;「Threshold Editor」，打開閾值編輯器，點擊「Load Image」按鈕，將獲取的圖像加載到閾值編輯器中，將鼠標懸停在顏色區(qū)域上，可以查看該區(qū)域的閾值范圍，調(diào)整閾值范圍，直到滿足需求的顏色區(qū)域被選中，在閾值編輯器中點擊「Generate Code」按鈕，將生成顏色的閾值復制到OpenMV的運行腳本中即可。此系統(tǒng)中OpenMV主要使用開源代碼“image.find_blobs（thresholds，roi=Auto，pixels_threshold=10）”函數(shù)判別魚腹或魚背，其中參數(shù)“thresholds”即為上文設置好的顏色閾值，“roi”是目標區(qū)域（需手動輸入），“pixels_threshold”是目標色像素數(shù)量閾值，如果目標色像素數(shù)量小于這個值，則會被過濾掉，通過調(diào)整“pixels_threshold”到合適的數(shù)值來提高識別準確率。魚背顏色閾值設置界面如圖11所示。

在軟硬件準備好后，啟動設備，待魚到達識別位置后，根據(jù)采集到的圖片，可通過預先框出的感興趣區(qū)中和顏色閾值符合的像素總數(shù)量與整個框的像素總數(shù)量的比值大小來識別是否為魚背（經(jīng)過多次試驗結(jié)果可知，當比值大小大于設置的界限1/5時，可以判定采集對象為魚背，否則為魚腹）。

4.3.2 魚苗長度信息獲取及計算取值

為得到魚苗的長度尺寸，將翻轉(zhuǎn)滑道設計成含有顏色塊的透明形式，并使用OpenMV IDE編寫程序以實現(xiàn)魚苗的長度識別。在OpenMV IDE中，通過調(diào)用find_blobs函數(shù)在預先設置的感興趣區(qū)域來識別魚苗所在翻轉(zhuǎn)滑道背景的色塊。對于RGB565圖像，每個元組需要有6個值（l_lo，l_hi，a_lo，a_hi，b_lo，b_hi）分別是L、A和B通道的最小值和最大值。根據(jù)實際情況調(diào)整顏色閾值和參數(shù)，以確保正確地檢測到色塊。計算每個識別到的色塊的像素大小，并過濾掉實際像素小于原像素的色塊。魚苗長度識別示意圖如圖12所示，魚苗的計算長度可通過式（8）獲得。

由于背景的兩種交錯顏色塊與魚苗形成鮮明對比，利用背景色塊被遮擋的情況來反推魚苗的長度準確率較高。圖13為實際長度約109.8 mm的草魚苗試驗時的色塊識別情況，根據(jù)魚苗長度識別和計算原則，并基于魚苗的實際長度和式（8）獲得其計算長度為108.5 mm。

根據(jù)魚苗計算長度的計算方式可獲得不同長度尺寸范圍魚苗的計算長度取值，如表2所示，魚苗計算長度L與實際長度誤差保持在1.5 mm以內(nèi)，由此換算出的注射位置尺寸X的誤差則會更小，符合設計要求。

在實際應用中，由于環(huán)境光照的差異，可能會導致識別誤差率較高，因此，需要對算法進行優(yōu)化和調(diào)試，以提高識別準確率。此外，還需要考慮運行速度和系統(tǒng)資源的限制，在實際應用中需要選擇合適的算法和硬件設備，以實現(xiàn)最佳的識別性能。OpenMV程序流程如圖14所示。

4.4 人機交互界面

通過觸摸屏上人機界面控制設備的運行。圖15為控制系統(tǒng)人機交互界面設計圖，設備操作分為手動和自動兩種模式，對于不同尺寸范圍的魚苗，工作前可通過手動模式點動調(diào)節(jié)注射量、注射深度和角度，調(diào)節(jié)完成后即可通過自動模式進行魚苗的疫苗注射。點擊啟動，只需將魚苗放入滑道入口，即可自動接種疫苗，注射數(shù)量會顯示在控制面板左下方。

5 樣機制作與試驗

根據(jù)結(jié)構(gòu)設計模型進行實物樣機制作，框架選用型材搭建，采用3D打印和機加工等技術(shù)獲得設備核心零部件，選用三菱FX3U-48MT/ES-A系列PLC等電器元件完成設備控制系統(tǒng)搭建與調(diào)試，獲得實物樣機，如圖16所示。

為驗證設備的可行性，以草魚魚苗為例進行疫苗注射試驗，試驗時將魚苗從滑道入口放入，經(jīng)過設備的各個模塊工作，最終在其腹部注射區(qū)域注射疫苗即為成功。在設計尺寸內(nèi)按照80～90 mm、90～100 mm、100～110 mm、110～120 mm四個范圍各選擇30條不同大小的草魚苗進行試驗，對注射成功率進行初步樣本測試，魚苗選樣方式如圖17所示，試驗結(jié)果如表3所示。

由表3可知，雖然設備對設計尺寸范圍內(nèi)的草魚苗均能進行成功的疫苗注射，但注射成功率有所不同，魚苗體長在100～120 mm時能實現(xiàn)100%的注射成功率。分析注射失敗的原因主要在于魚苗在滑道中未能順利滑入預定的位置，未經(jīng)麻醉的活躍魚苗在滑道中發(fā)生了卡位現(xiàn)象，且尺寸越小的魚苗越容易發(fā)生卡位現(xiàn)象，這說明魚苗的尺寸與滑道的尺寸須滿足一定的關系才能保證穩(wěn)定的注射成功率，試驗結(jié)果為設備優(yōu)化設計以及后續(xù)進一步研究提供基礎。

6 結(jié)論

1） 設計一種魚類疫苗接種機，通過翻轉(zhuǎn)模塊、夾緊模塊、注射模塊等設計獲得設備的三維模型。運用ANSYS軟件對魚苗夾緊進行仿真分析，得到虛擬魚苗在15 N夾緊力作用下最大應力約為0.14 MPa，最大變形量約為1.1 mm，小于9 mm的安全范圍。

2） 搭建以三菱FX-3U系列PLC為核心的控制系統(tǒng)，采用基于Python的OpenMV計算機視覺平臺，運用算法實現(xiàn)魚苗的長度尺寸識別及魚腹和魚背特征區(qū)分，結(jié)合翻轉(zhuǎn)模塊設計，降低魚苗投放要求的同時提升注射效率。

3） 根據(jù)設計結(jié)果制作設備樣機并對80～120 mm設計尺寸范圍內(nèi)的120條草魚苗進行試驗驗證，初步試驗結(jié)果表明，魚苗體長為100～120 mm時，疫苗注射成功率可達100%。試驗結(jié)果為設備的優(yōu)化及后續(xù)進一步應用研究提供基礎。

參 考 文 獻

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