CN109220825A - 一种猪用玩具型自动清粪系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种猪用玩具型自动清粪系统，包括用于装载清粪机器人的玩具型保护基座和清粪机器人，所述玩具型保护基座可实现开闭功能，实现对其中的清粪机器人的保护。此外，本发明通过在猪舍内侧边中点最高处安装摄像头来识别猪、粪便、机器人三者的位置，进行最优路线规划，使清粪机器人能够高效地清理所需要处理的粪便，通过超声波测距传感器指引清粪机器人有效地避障，通过设置机器人基座来保护非工作状态的清粪机器人，并且刺激猪长时间与玩具玩耍，有利于猪只的健康成长。猪用玩具型自动清粪机器人不仅能够实现对猪场粪便的及时清理，具有省时节力、高效的特点，还同时满足了动物福利的要求。

Description

一种猪用玩具型自动清粪系统

技术领域

本发明涉及一种猪用玩具型自动清粪系统。

背景技术

随着经济的发展和人民生活水平的提高，人们对畜牧产品的需求越来越高。与传统分散饲养相比，生猪规模化养殖具有高产量、低成本、疫病可控性强等明显优势，因而得到了迅速发展。但我国猪场普遍存在生产过程中产生的大量有机废弃物未能得到及时有效的处理，未经处理或处理不达标的猪场废弃物通过粪污、废水等介质进入环境，造成生态失衡，对地表水、地下水和土壤造成不同程度的污染。猪场粪污处理的前提是高效的舍内粪污清理和收集，现阶段我国猪场的猪粪大多采用人工清理，此方法具有清理不及时的缺点，可能对猪的生长状况产生不利影响。少数养殖场采用机械刮粪装置，但是对现有猪舍的改造成本较高。因此，低成本、高效率的自动清粪方法亟待开发。

动物福利始于19世纪初的“马丁法案”，距今已有近200年的历史。近半个多世纪以来，国内外许多学者的研究推动了动物福利的进一步发展。动物福利主要包含两方面内容：心理健康和生理健康，即动物福利是指动物的生理和心理与其生存环境协调一致，而且生理和心理的健康可以通过动物的生产性能、行为、机体健康、生理状况直接表现出来。例如，Broom等认为，生长或繁殖性能、机体损伤程度、行为、生理指标可用来评价动物福利。中国农业科学院(杨伟等，2009)的一项研究表明，给猪提供玩具能在不降低猪生产性能的同时，一定程度上减少争斗行为的发生频率，降低猪只的应激水平，提高猪的动物福利水平。

集约化、规模化猪场为节约空间成本，追求更高的经济效益，往往采用高密度的饲养方式。但因饲养密度过高、粪便未及时清理而带来的动物福利健康问题已经不容忽略。高密度饲养方式的圈舍内猪排泄量增加，导致空气质量变差，尘埃、有害微生物数量升高，直接威胁猪只健康。大多数研究发现，高密度的饲养方式对猪的生产性能、行为、身体损伤及生理状况产生不良影响。

发明内容

本发明提供了一种猪用玩具型自动清粪系统，主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，能让机器人在猪舍内有针对性的避障和清粪，具有省时节力、高效的特点，同时满足动物福利的要求。

本发明采用如下技术方案：一种猪用玩具型自动清粪系统，包括用于装载清粪机器人的玩具型保护基座和清粪机器人，所述玩具型保护基座包括隔层，隔层通过两个圆心角为60度的弧形固定板固定于地面上，两个弧形固定板中心对称；隔层底面开有两个槽口向下的环形槽，两个环形槽分别位于弧形固定板的内侧和外侧；两个环形槽之间固定有两个齿轮，两个齿轮嵌入式安装于隔层中，两个齿轮关于圆心对称，且弧形固定板关于两个齿轮连线对称；其中位于内侧的第一环形槽内安装有两个圆心角为120度的第一弧形齿条，第一弧形齿条外侧与齿轮啮合；位于外侧的第二环形槽内安装有两个圆心角为120度的第二弧形齿条，第二弧形齿条内侧与齿轮啮合；每个齿轮的内侧和外侧分别啮合一个第一弧形齿条和第二弧形齿条；

第一弧形齿条和第二弧形齿条分别连接一与所述弧形固定板相同大小形状的弧形活动板，在两个第一弧形齿条接触时，连接于第一弧形齿条的两个第一弧形活动板接触或间隔120度；在第二弧形齿条接触时，连接于第二弧形齿条的两个第二弧形活动板接触或间隔120度；四个弧形活动板、两个弧形固定板以及隔层共同构成密闭的柱形容仓，或前后120度开口的容仓。

所述弧形固定板底部嵌入式安装有电机，电机的输出轴与齿轮相连，控制两个齿轮反向转动。

进一步地，在所述弧形固定板的外侧，固定有若干弹簧球。

进一步地，隔层具有一保护罩，保护罩内安装有音乐模块，音乐模块的电源通过嵌于弧形固定板内的引线引入。

进一步地，所述清粪机器人包括车体、控制器和推粪铲；推粪铲固定在车体前方；车体前方上部左右两端分别设有一个超声波测距传感器；超声波传感器与控制器相连，车体采用履带驱动。超声波测距传感器采集前方信号，控制器根据超声信号判断前方障碍物，控制车体的运动。

进一步地，所述车体顶部具有带磁性的充电插口，所述隔层设置有一带磁性的弹性充电插头，充电插头和充电插口配套；充电插头通过弹簧线圈与内嵌于隔层的供电模块相连，供电模块的电源通过嵌于隔层和弧形固定板内的引线引入。

进一步地，还包括安装在猪舍侧边中点处围墙上的摄像头和上位机，上位机根据摄像头采集的图像数据进行路径规划，并将规划后的路径无线发送至下位机，即清粪机器人的控制器。

进一步地，所述上位机根据摄像头采集的图像数据计算粪便积余量，当达到阈值时，发送路径信息和驱动信号。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明的微型保护罩设计，能有效保证清粪小车的安全性。

(2)本发明能够实现对猪场粪便的及时清理，具有省时节力、高效的特点，同时满足动物福利的要求；

(3)本发明能采用路径规划手段，选取较优化的路径，同时又能极好的适应养猪场的较为复杂的环境。

附图说明

图1是本发明结构图；

图2是本发明中清粪机器人的侧视图；

图3是本发明中清粪机器人的俯视图；

图4是本发明中隔层底面的示意图；

图5是本发明中隔层的仰视图；

图6是本发明中齿轮齿条的示意图；

图7是本发明中弧形固定板中电机及其输出轴的示意图，输出轴连接齿轮；

图8是本发明中容仓关闭状态下，齿条与弧形活动板的位置图；

图9是本发明中容仓关闭状态下的外部视图；

图10是本发明中容仓打开状态下，齿条与弧形活动板的位置图；

图11是本发明中容仓打开状态下的外部视图；

图12是本发明中保护罩的示意图；

图13是本发明中摄像头所获得的目标点图；

图14是本发明中摄像头所获得的背景点图；

图15是本发明中经过二值化之后的图像；

图16是本发明中经过腐蚀、膨胀后的图像；

图17是本发明中经过筛选后去掉联通区域较小的图；

图18是本发明中经过栅格化处理(栅格边长为50)的图；

图19是本发明中经过栅格化处理(栅格边长为25)的图；

图20是本发明中的猪场平面结构设计简图。

其中：1：推粪铲；2：超声波传感器；3：履带；4：车体；5：主动轮；6：带磁性的充电插口；7：隔层；7-1：供电模块；8：第二环形槽；8-1：第二弧形齿条(两个)；8-2：第二弧形活动板(两个)；9：第一环形槽；9-1：第一弧形齿条(两个)；9-2：第一弧形活动板(两个)；10：齿轮齿槽(两个)；10-1：齿轮(两个)；10-2：弧形固定板(两个)；11：基座底座；12：电机；13：弹簧球；14：音乐模块的供电插头；15：弹簧线圈；16：带磁性的弹性充电插头；17：音乐模块；18：音乐模块保护罩。

具体实施方式

如图1所示，一种猪用玩具型自动清粪系统，包括用于装载清粪机器人的玩具型保护基座和清粪机器人，所述玩具型保护基座包括隔层7，隔层7通过两个圆心角为60度的弧形固定板10-2固定于地面上，两个弧形固定板10-2中心对称；如图4和5所示，隔层7底面开有两个槽口向下的环形槽，两个环形槽分别位于弧形固定板10-2的内侧和外侧；两个环形槽之间固定有两个齿轮10-1，如图6所示，两个齿轮嵌入式安装于隔层7中，两个齿轮10-1关于圆心对称，且弧形固定板10-2关于两个齿轮连线对称；其中位于内侧的第一环形槽9内安装有两个圆心角为120度的第一弧形齿条9-1，第一弧形齿条9-1外侧与齿轮10-1啮合；位于外侧的第二环形槽8内安装有两个圆心角为120度的第二弧形齿条8-1，第二弧形齿条8-1内侧与齿轮10-1啮合；每个齿轮10-1的内侧和外侧分别啮合一个第一弧形齿条9-1和第二弧形齿条8-1；

如图8所示，第一弧形齿条9-1和第二弧形齿条8-1分别连接一与所述弧形固定板10-2相同大小形状的弧形活动板，在两个第一弧形齿条9-1接触时，连接于第一弧形齿条9-1的两个第一弧形活动板9-2接触(图8、9)或间隔120度(图10、11)；在第二弧形齿条8-1接触时，连接于第二弧形齿条8-1的两个第二弧形活动板8-2接触或间隔120度；四个弧形活动板、两个弧形固定板以及隔层7共同构成密闭的柱形容仓，如图8、9所示，或前后120度开口的容仓，如图10、11所示。

本发明中，罩子等分为相同的6个部分，其中对称的两块固定在底座上，另外4块是可活动的，每当机器人工作时，4块板打开，机器人可以通过。清扫完毕后，机器人回到基座处，活动罩子关闭，这样可以有效保护清粪机器人免受破坏。

如图7所示，所述弧形固定板10-2底部嵌入式安装有电机12，电机12的输出轴与齿轮10-1相连，控制两个齿轮10-1反向转动。电机12的控制可以人为控制，也可以额外通过一个上位机进行控制，该上位机连接电机12和清粪机器人的控制器，可定时启动电机12，使得其中的清粪机器人定时清理猪粪。作为优选的方案，还包括安装在猪舍侧边中点处围墙上的摄像头，上位机根据摄像头采集的图像数据，即可通过现有的路径规划方法进行路径规划，并将规划后的路径无线发送至下位机，即清粪机器人的控制器。其作用在于路径信息用于供给清粪机器人最优清粪路线，驱动机器人开始工作，同时控制电机12，以控制机器人容仓的开闭。采集图像数据主要是采集猪、粪便、清粪机器人三者的位置，对于猪的识别主要是通过颜色。猪身主要是粉红色、或黑色、棕色等，为暗沉的猪舍增添了许多亮色。可以结合多组数据，包括猪身体、耳朵、鼻子各处颜色，选取目标点，如图13所示，和非目标的背景颜色数据，选取背景点，如图14所示。训练二元分类器，将前景(猪)和背景区分开来。首先对所选图片进行二值化处理，得到图15，再进行腐蚀，膨胀处理后得到图16，最后筛选去掉较小的联通区域，得到图17。上述功能的实现均可采用当前图像处理领域、路径规划领域中的常用技术手段。本领域技术人员可以根据需要，在本发明所述结构的基础上，对上位机植入相应程序即可实现相应功能。

粪便也可通过类似方式区分。在得到二值图像之后，通过腐蚀和膨胀将零碎的噪声点去除，排除干扰。然后找出所有联通区域，计算区域的大小，当超过一定阈值之后，判定为要清除的粪便目标。

对于机器人的识别，可以通过在机器人头顶形心处添加特定标记的方式实现，如贴一个红色的圆形标签。颜色可以通过RGB空间判断，再加上使用Hough变换识别圆形，从而确定标签所在位置，即机器人当前位置。

在得到障碍(即猪)分布图像后，为将这一信息转化为路径规划时便于处理的数据，应当对图片进行栅格化处理，如图18为栅格边长为50的栅格化处理，如图19为栅格边长为25的栅格化处理。具体栅格的大小视实际计算能力、计算耗时而定，当某个栅格上有部分有障碍时，则标记为1，这样经过处理之后图片转化为一个更小的矩阵，便于更高效地进行初始路径规划。

作为优选的方案，所述上位机还根据摄像头采集的图像数据计算粪便积余量，当达到阈值时，给下位机发送路径信息和驱动信号，给电机12发送开闭信号。

在所述弧形固定板10-2的外侧，固定有若干弹簧球13。弹簧球采用鲜艳的橘黄色，为食品级材料，能够散发气味，且在猪玩耍时气味还会增强，这会激发猪的好奇心，去探究这种气味的源头，从而刺激猪与玩具能玩耍更长的时间。另外金属弹簧使得球会持续左右摇摆，使猪群长期保持新鲜感。作为本领域的公知常识，金属弹簧采用耐腐蚀材料制成，可延长其使用寿命。

如图11、12所示，隔层7上具有一保护罩，保护罩内安装有音乐模块17，音乐模块17的电源通过嵌于弧形固定板10-2内的引线引入。通过音乐模块分别对不同生长阶段的猪舍配置不同的音乐，满足猪只的福利需求，对那些刚断奶的仔猪、分群饲养的猪与合群饲养的猪，音乐的调节作用更明显，能让躁动不安的它们很快趋于平静，适应新的生长环境。

如图2所示，所述清粪机器人包括车体4、控制器和推粪铲1；推粪铲1固定在车体前方；车体4前方上部左右两端分别设有一个超声波测距传感器2；超声波传感器2与控制器相连，车体4采用履带3驱动。超声波测距传感器2采集前方信号，控制器根据超声信号判断前方障碍物，控制车体4的运动。推粪铲1可在车体行进过程中推动猪舍地板上的粪便到达目标位置，机器人行进过程中主要通过车体前方左右两组超声波测距传感器感应猪舍内障碍物，将感应信息传递给控制器来实现高效的避障，本发明中采用的避障方法为导航领域的常用技术手段。履带3结构可以有效地在猪舍内防止打滑，使清粪机器人平稳地在猪舍内清粪。

如图3所示，所述车体4顶部具有带磁性的充电插口6，如图4所示，所述隔层7设置有一带磁性的弹性充电插头16，充电插头16和充电插口6配套；充电插头16通过弹簧线圈15与内嵌于隔层7的供电模块7-1相连，供电模块7-1的电源通过嵌于隔层7和弧形固定板10-2内的引线引入。当车体4进入保护罩内，车体4顶部的带磁性的充电插口6与带磁性的弹性充电插头16会通过磁性相连在一起，用于给清粪机器人供给电源。

Claims (7)

1.一种猪用玩具型自动清粪系统，其特征在于，包括用于装载清粪机器人的玩具型保护基座和清粪机器人，所述玩具型保护基座包括隔层(7)，隔层(7)通过两个圆心角为60度的弧形固定板(10-2)固定于地面上，两个弧形固定板(10-2)中心对称；隔层(7)底面开有两个槽口向下的环形槽，两个环形槽分别位于弧形固定板的内侧和外侧；两个环形槽之间固定有两个齿轮(10-1)，两个齿轮嵌入式安装于隔层(7)中，两个齿轮(10-1)关于圆心对称，且弧形固定板(10-2)关于两个齿轮连线对称；其中位于内侧的第一环形槽(9)内安装有两个圆心角为120度的第一弧形齿条(9-1)，第一弧形齿条(9-1)外侧与齿轮(10-1)啮合；位于外侧的第二环形槽8内安装有两个圆心角为120度的第二弧形齿条(8-1)，第二弧形齿条(8-1)内侧与齿轮(10-1)啮合；每个齿轮(10-1)的内侧和外侧分别啮合一个第一弧形齿条(9-1)和第二弧形齿条(8-1)；

第一弧形齿条(9-1)和第二弧形齿条(8-1)分别连接一与所述弧形固定板(10-2)相同大小形状的弧形活动板，在两个第一弧形齿条(9-1)接触时，连接于第一弧形齿条(9-1)的两个第一弧形活动板(9-2)接触或间隔120度；在第二弧形齿条(8-1)接触时，连接于第二弧形齿条(8-1)的两个第二弧形活动板(8-2)接触或间隔120度；四个弧形活动板、两个弧形固定板以及隔层(7)共同构成密闭的柱形容仓，或前后120度开口的容仓。

所述弧形固定板(10-2)底部嵌入式安装有电机(12)，电机(12)的输出轴与齿轮(10-1)相连，控制两个齿轮(10-1)反向转动。

2.根据权利要求1所述的自动清粪系统，其特征在于，在所述弧形固定板(10-2)的外侧，固定有若干弹簧球(13)。

3.根据权利要求1所述的猪用玩具型自动清粪系统，其特征在于，隔层(7)上方具有一保护罩，保护罩内安装有音乐模块(17)，音乐模块(17)的电源通过嵌于弧形固定板(10-2)内的引线引入。

4.根据权利要求1所述的猪用玩具型自动清粪系统，其特征在于，所述清粪机器人包括车体(4)、控制器和推粪铲(1)；推粪铲(1)固定在车体前方；车体(4)前方上部左右两端分别设有一个超声波测距传感器(2)；超声波传感器(2)与控制器相连，车体(4)采用履带(3)驱动。超声波测距传感器(2)采集前方信号，控制器根据超声信号判断前方障碍物，控制车体(4)的运动。

5.根据权利要求4所述的猪用玩具型自动清粪系统，其特征在于，所述车体(4)顶部具有带磁性的充电插口(6)，所述隔层(7)设置有一带磁性的弹性充电插头(16)，充电插头(16)和充电插口(6)配套；充电插头(16)通过弹簧线圈(15)与内嵌于隔层(7)的供电模块(7-1)相连，供电模块(7-1)的电源通过嵌于隔层(7)和弧形固定板(10-2)内的引线引入。

6.根据权利要求1所述的猪用玩具型自动清粪系统，其特征在于，还包括安装在猪舍侧边中点处围墙上的摄像头和上位机，上位机根据摄像头采集的图像数据进行路径规划，并将规划后的路径无线发送至下位机，即清粪机器人的控制器。

7.根据权利要求6所述的猪用玩具型自动清粪系统，其特征在于，所述上位机根据摄像头采集的图像数据计算粪便积余量，当达到阈值时，发送路径信息和驱动信号。