CN111248090A - 一种猪舍粪便清洁系统用粪便清洁装置 - Google Patents

一种猪舍粪便清洁系统用粪便清洁装置 Download PDF

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姚腾飞
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Abstract

本发明公开了一种猪舍粪便清洁系统用粪便清洁装置，属于猪舍粪便清洁技术领域。包括行走小车，机械臂和控制器；行走小车包括通过轨道轮支撑的装粪箱；机械臂包括由前至后依次连接的下述部件：前后向运动臂转动关节，前后向运动臂，伸缩臂转动关节，伸缩臂，连接杆转动关节，连接杆，拾便抓转动关节和拾便抓；控制器包括单片机MCU，前后向运动臂角度传感器，前后向运动臂位移传感器，伸缩臂角度传感器，伸缩臂位移传感器，用于检测连接杆相对于伸缩臂偏转角度的连接杆角度传感器，拾便抓角度传感器，电动推杆驱动电路和步进电机驱动电路。它应用于猪舍粪便清洁系统中，具有自动化程度高，清洁效果好等特点。

Description

一种猪舍粪便清洁系统用粪便清洁装置
技术领域
本发明涉及猪舍粪便清洁技术领域。
背景技术
生猪养殖是我国农村的重要产业，近年来取得了快速进展，伴随着农业技术的进步，生猪养殖业发展面临的风险与挑战与日俱增。生猪养殖在我国养殖业中占主要地位，占畜牧业51％，而且在人们的生活中不可或缺，现在人们的生活水平上升，不仅仅是吃饱而且还要吃的健康。人们越来越注重生猪的健康水平，为了满足市场需要，生猪规模化养殖已站主导地位，但猪舍的卫生清洁问题是生猪养殖的难题，普遍存在粪污处理难度大、人工成本高、疾病感染无法控制、环保要求不达标等问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种猪舍粪便清洁系统用粪便清洁装置，它具有自动化程度高，清洁效果好等特点，极大地降低了劳动强度和人工成本。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
一种猪舍粪便清洁系统用粪便清洁装置，包括行走小车，机械臂和控制器；
行走小车包括通过轨道轮支撑的装粪箱，轨道轮通过驱动装置驱动，驱动装置包括小车驱动电机和变速器，小车驱动电机通过变速器控制轨道轮在行走小车轨道上向前/向后转动；
机械臂包括由前至后依次连接的下述部件：前后向运动臂转动关节，前后向运动臂，伸缩臂转动关节，伸缩臂，连接杆转动关节，连接杆，拾便抓转动关节和拾便抓，前后向运动臂和伸缩臂均为电动推杆，各转动关节包括步进电机和减速器，在各转动关节中，步进电机壳体为其前端部件的连接端，减速器的输出轴为其后端部件的连接端，前后向运动臂转动关节的步进电机壳体固定在行走小车上，各转动关节的减速器的输出轴均在水平方向平行设置，以使机械臂在同一铅锤面内转动，机械臂在该铅锤面横向运动的最长距离形成机械臂的抓取范围；
控制器包括单片机MCU，下述传感器：用于检测前后向运动臂相对于行走小车水平偏转角度的前后向运动臂角度传感器，用于检测前后向运动臂的电动推杆的推杆伸出长度的前后向运动臂位移传感器，用于检测伸缩臂相对于前后向运动臂偏转角度的伸缩臂角度传感器，用于检测伸缩臂的电动推杆的推杆伸出长度的伸缩臂位移传感器，用于检测连接杆相对于伸缩臂偏转角度的连接杆角度传感器，用于检测拾便抓相对于伸缩臂偏转角度的拾便抓角度传感器，下述执行机构：前后向运动臂和伸缩臂的电动推杆驱动电路和各转动关节的步进电机驱动电路；粪便清洁装置通过其行走小车的轨道轮与行走小车轨道滚动连接，单片机MCU设有与计算机PC链接的无线通信模块，用于单片机MCU接收计算机PC所发出的区域识别信息和计算机PC接收单片机MCU发出的粪便清理结束的信息；区域识别信息用于识别与粪便所处区域相对应的时序控制指令；单片机MCU通过无线通信模块，接收到计算机PC发出的铲除某一区域范围内的粪便时，通过其相应的I/0端口发出开关控制信号控制相应的执行机构驱动电路工作，从而使各执行机构由初始的最小行程产生相应动作，同时单片机MCU通过其相应的I/0端口接收各传感器检测的各执行机构的动作位置实时信号，当各执行机构的位置达到该区域的时序控制设定值后，单片机MCU通过其相应的I/0端口发出开关控制信号控制相应的执行机构停止动作，从而完成对各执行机构的时序控制，机械臂产生相应的时序动作，以使拾便抓将粪便铲起并装入装粪箱内，之后使各执行机构恢复到初始的最小行程。
本发明进一步改进在于：
在机械臂的拾便抓的前端设有超声波传感器，单片机MCU通过其相应的I/0端口接收超声波传感器的输出信号，当单片机MCU检测到牲畜距离范围小于设定的危险距离阈值时，单片机MCU通过其相应的I/0端口发出开关控制信号控制相应的执行机构停止动作。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
本发明应用于猪舍粪便清洁系统之中，可以自动完成猪舍清扫区域的清扫工作，提高生猪生长环境质量，避免交叉感染，它具有自动化程度高，清洁效果好等特点，极大地降低了劳动强度和人工成本。
附图说明
图1是本发明中行走小车的结构示意图；
图2是图1的俯视图；
图3是本发明中控制器的控制原理图；
图4是猪舍粪便清洁系统的结构示意图；
图5是猪舍粪便清洁系统的控制器原理图。
在附图中：1.轨道轮；2.装粪箱；3.前后向运动臂转动关节；4.前后向运动臂；5.伸缩臂转动关节；6.伸缩臂；7.连接杆转动关节；8.连接杆；9.拾便抓转动关节；10.拾便抓；11.超声波传感器；12.猪舍环境检测深度相机；13.行走小车轨道。
位移传感器又称为线性传感器，一般分为测量实物尺寸和机械位移两种。按被测变量变换的形式不同，位移传感器可分为模拟式和数字式两种。模拟式又可分为物性型和结构型两种。电位器式位移传感器的可动电刷与被测物体相连，它通过电位器元件将机械位移转换成与之成线性或任意函数关系的电阻或电压输出。直线电位器和圆形电位器都可分别用作直线位移和角位移传感器。
时序控制(程序控制系统)的设定值是变化的，它是一个已知时间的函数，即设定值按一定的时间程序变化，可以通过单片机简单编程或通过PLC(可编程控制器)进行组态来实现。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对本发明进行进一步详细说明。
为了便于说明，将采用本粪便清洁装置的猪舍粪便清洁系统作为实施例进行详细介绍。
本发明中使用到的标准零件均可以从市场上购买，异形件根据说明书的和附图的记载均可以进行订制，各个零件的具体连接方式均采用现有技术中成熟的螺栓、铆钉、焊接、粘贴等常规手段，在此不再详述。
参见图1～5，本实施例包括计算机PC，一个猪舍环境检测深度相机12【型号：Xbox Kinect 2.0体感器】，行走小车轨道13和粪便清洁装置；
猪舍环境检测深度相机12设置在猪舍地板的上方，以使其拍摄范围覆盖猪舍的地板；
行走小车轨道13紧邻猪舍地板的边沿设置；
粪便清洁装置包括行走小车，机械臂和控制器；行走小车包括通过轨道轮1支撑的装粪箱2，轨道轮1通过驱动装置驱动，驱动装置包括小车驱动电机和变速器(从现有技术，例如现在普遍生产的玩具小车所采用的变速器)，小车驱动电机通过变速器控制轨道轮1在行走小车轨道13上向前/向后转动；向前/向后转动(图中未示出，从现有技术，具体结构不再赘述)；机械臂包括由前至后依次连接的下述部件：前后向运动臂转动关节3，前后向运动臂4，伸缩臂转动关节5，伸缩臂6，连接杆转动关节7，连接杆8，拾便抓转动关节9和拾便抓10，前后向运动臂4和伸缩臂6均为电动推杆【型号：龙翔BXTL150(长度具体尺寸依猪舍的大小决定)】，各转动关节包括步进电机【型号：42BYG34-401A插线式】和减速器，在各转动关节中，步进电机壳体为其前端部件的连接端，减速器的输出轴为其后端部件的连接端，前后向运动臂转动关节3的步进电机壳体固定在行走小车上，各转动关节的减速器的输出轴均在水平方向平行设置，以使机械臂在同一铅锤面内转动，机械臂在该铅锤面横向运动的最长距离形成机械臂的抓取范围；控制器包括单片机MCU，下述传感器：用于检测前后向运动臂4相对于行走小车水平偏转角度的前后向运动臂角度传感器【型号：诺柏瑞恩DA-3006-5V-TTL-0.3％-IP67】，用于检测前后向运动臂4的电动推杆的推杆伸出长度的前后向运动臂位移传感器【型号：MILON MPS-1000mm】，用于检测伸缩臂6相对于前后向运动臂4偏转角度的伸缩臂角度传感器【型号：诺柏瑞恩DA-3006-5V-TTL-0.3％-IP67】，用于检测伸缩臂6的电动推杆的推杆伸出长度的伸缩臂位移传感器【型号：MILON MPS-1000mm】，用于检测连接杆8相对于伸缩臂6偏转角度的连接杆角度传感器【型号：诺柏瑞恩DA-3006-5V-TTL-0.3％-IP67】，用于检测拾便抓10相对于伸缩臂6偏转角度的拾便抓角度传感器【型号：诺柏瑞恩DA-3006-5V-TTL-0.3％-IP67】，下述执行机构：前后向运动臂4和伸缩臂6的电动推杆驱动电路和各转动关节的步进电机驱动电路(电动推杆驱动电路和步进电机驱动电路为常规电路，电路结构有多种形式，例如：通过两个电子开关分别控制电机的直流电源输入端与直流电源以不同的极性接通，从而完成电机正转或反转)；单片机MCU设有与计算机PC链接的无线通信模块，用于单片机MCU接收计算机PC所发出的区域识别信息和计算机PC接收单片机MCU发出的粪便清理结束的信息；区域识别信息用于识别与粪便所处区域相对应的时序控制指令；单片机MCU根据粪便清洁装置与粪便在机械臂的抓取范围内以距离远近划分的不同区域，对各执行机构的行程按时间顺序设有相应的设定值(该设定值通过实测机械臂模拟清理该区域内的粪便时各执行机构的行程参数获得)，形成与不同区域相对应的时序控制指令，当单片机MCU通过无线通信模块接收到计算机PC发出的铲除某一区域范围内的粪便时，通过其相应的I/0端口发出开关控制信号控制相应的执行机构驱动电路工作，从而使各执行机构由初始的最小行程产生相应动作，同时单片机MCU通过其相应的I/0端口接收各传感器检测的各执行机构的动作位置实时信号，当各执行机构的位置达到该区域的时序控制设定值后，单片机MCU通过其相应的I/0端口发出开关控制信号控制相应的执行机构停止动作，从而完成对各执行机构的时序控制，机械臂产生相应的时序动作，以使拾便抓10将粪便铲起并装入装粪箱2内，具体动作过程如下：前后向运动臂转动关节3转动，以使前后向运动臂4向前伸出，前后向运动臂4和伸缩臂6根据粪便的区域范围按设定好的给定值时电动推杆的推杆伸出相应的长度，伸缩臂转动关节5，连接杆转动关节7和拾便抓转动关节9配合使拾便抓10产生向前铲的动作将粪便铲起，完成铲拾粪便的动作；之后前后向运动臂转动关节3转动，以使前后向运动臂4向后回转，前后向运动臂4和伸缩臂6回缩，伸缩臂转动关节5，连接杆转动关节7和拾便抓转动关节9配合使拾便抓10保持水平状态下将分别送入装粪箱2上方，之后连接杆转动关节7和拾便抓转动关节9转动，时拾便抓10倾斜，将粪便倒入装粪箱2内，之后使各执行机构恢复到最小行程(初始状态)；
猪舍环境检测深度相机12所拍摄的猪舍地板图像信息通过相应的I/0端口传输至计算机PC，计算机PC根据通过机器学习算法获悉的粪便与粪便清洁装置的识别信息识别出粪便与粪便清洁装置，通过使用matlab软件或opencv软件进行处理获得它们的相对位置，使用的是目标检测中基于深度学习的Yolo-v3算法。该算法舍去了候选提取分支，直接将特征提取，使网络结构变得简单。Yolo-v3在Yolo-v2的基础上使用了全新设计的Darknet53残差网络并结合FPN网络结构，在一些层之间设置了快捷链路(shortcut connections)，这些改进使得Yolo-v3可以在更短的时间内达到与原有方法相当的精度。在使用过程中，图像数据的像素大小必须是32的倍数。
根据粪便与粪便清洁装置相对位置计算出粪便清洁装置在行走小车轨道13上的清洁粪便位置，当粪便清洁装置位于清洁粪便位置时，粪便位于机械臂的抓取范围内，计算机PC通过相应的I/0端口发出开关控制信号控制小车驱动电机正转或反转，从而使粪便清洁装置行走至清洁粪便位置，计算机PC根据粪便在机械臂的抓取范围内以距离远近划分的不同区域，生成区域识别信息，通过无线通信模块传输至单片机MCU，单片机MCU根据区域识别信息识别出粪便所处区域及机械臂拾取该区域粪便时所对应的时序控制指令，当猪舍地板在不同的位置有多个粪便时，计算机PC根据粪便在猪舍地板的由前至后位置设定粪便清理先后次序，当粪便所处的前后位置相同时，计算机PC根据粪便清洁装置与粪便在机械臂的抓取范围内由近至远的区域设定粪便清理先后次序，单片机MCU对处于清理次序最末的粪便清理完毕(时序控制指令执行完毕)后，计算机PC通过相应的I/0端口发出开关控制信号控制小车驱动电机转动，从而使粪便清洁装置行走至行走小车轨13的端部靠近猪舍外墙，以便于清理出装粪箱2内的粪便。
在机械臂的拾便抓10的前端设有超声波传感器11【型号：US-100超声波测距模块】，单片机MCU通过其相应的I/0端口接收超声波传感器11的输出信号，当单片机MCU检测到牲畜距离范围小于设定的危险距离阈值时，单片机MCU通过其相应的I/0端口发出开关控制信号控制相应的执行机构停止动作。

Claims (2)

1.一种猪舍粪便清洁系统用粪便清洁装置，其特征在于：包括行走小车，机械臂和控制器；
所述行走小车包括通过轨道轮(1)支撑的装粪箱(2)，所述轨道轮(1)通过驱动装置驱动，所述驱动装置包括小车驱动电机和变速器，所述小车驱动电机通过变速器控制轨道轮(1)在行走小车轨道(13)上向前/向后转动；
所述机械臂包括由前至后依次连接的下述部件：前后向运动臂转动关节(3)，前后向运动臂(4)，伸缩臂转动关节(5)，伸缩臂(6)，连接杆转动关节(7)，连接杆(8)，拾便抓转动关节(9)和拾便抓(10)，所述前后向运动臂(4)和所述伸缩臂(6)均为电动推杆，各所述转动关节包括步进电机和减速器，在各所述转动关节中，所述步进电机壳体为其前端部件的连接端，所述减速器的输出轴为其后端部件的连接端，所述前后向运动臂转动关节(3)的步进电机壳体固定在所述行走小车上，各所述转动关节的所述减速器的输出轴均在水平方向平行设置，以使所述机械臂在同一铅锤面内转动，所述机械臂在该铅锤面横向运动的最长距离形成所述机械臂的抓取范围；
所述控制器包括单片机MCU，下述传感器：用于检测前后向运动臂(4)相对于所述行走小车水平偏转角度的前后向运动臂角度传感器，用于检测所述前后向运动臂(4)的电动推杆的推杆伸出长度的前后向运动臂位移传感器，用于检测伸缩臂(6)相对于所述前后向运动臂(4)偏转角度的伸缩臂角度传感器，用于检测所述伸缩臂(6)的电动推杆的推杆伸出长度的伸缩臂位移传感器，用于检测所述连接杆(8)相对于所述伸缩臂(6)偏转角度的连接杆角度传感器，用于检测所述拾便抓(10)相对于所述伸缩臂(6)偏转角度的拾便抓角度传感器，下述执行机构：所述前后向运动臂(4)和所述伸缩臂(6)的电动推杆驱动电路和各所述转动关节的所述步进电机驱动电路；所述粪便清洁装置通过其行走小车的轨道轮(1)与所述行走小车轨道(13)滚动连接，所述单片机MCU设有与所述计算机PC链接的无线通信模块，用于所述单片机MCU接收所述计算机PC所发出的区域识别信息和所述计算机PC接收所述单片机MCU发出的粪便清理结束的信息；区域识别信息用于识别与粪便所处区域相对应的时序控制指令；所述单片机MCU通过无线通信模块，接收到计算机PC发出的铲除某一区域范围内的粪便时，通过其相应的I/0端口发出开关控制信号控制相应的所述执行机构驱动电路工作，从而使各所述执行机构由初始的最小行程产生相应动作，同时所述单片机MCU通过其相应的I/0端口接收各所述传感器检测的各所述执行机构的动作位置实时信号，当各所述执行机构的位置达到该区域的时序控制设定值后，所述单片机MCU通过其相应的I/0端口发出开关控制信号控制相应的所述执行机构停止动作，从而完成对各所述执行机构的时序控制，所述机械臂产生相应的时序动作，以使所述拾便抓(10)将粪便铲起并装入所述装粪箱(2)内，之后使各所述执行机构恢复到初始的最小行程。
2.根据权利要求1所述的一种猪舍粪便清洁系统用粪便清洁装置，其特征在于：在所述机械臂的所述拾便抓(10)的前端设有超声波传感器(11)，所述单片机MCU通过其相应的I/0端口接收所述超声波传感器(11)的输出信号，当所述单片机MCU检测到牲畜距离范围小于设定的危险距离阈值时，所述单片机MCU通过其相应的I/0端口发出开关控制信号控制相应的所述执行机构停止动作。
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