CN113273499A - 一种养猪舍内智能清粪机器人及其控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种养猪舍内智能清粪机器人，包括机壳，所述机壳上设置有信号传输机构、控制箱、行走机构、清洗机构、刮粪机构、激光雷达传感器以及超声波传感器，信号传输机构设置在机壳顶部上，控制箱、行走机构、清洗机构以及刮粪机构均设置在机壳内，控制箱设置在机壳上部内，行走机构设置在控制箱的下方，清洗机构和刮粪机构均设置在行走机构的前侧，清洗机构位于刮粪机构的上方，刮粪机构用于将猪舍内漏粪板上的粪污通过缝隙刮掉落至集粪槽或推至制定位置，激光雷达传感器设置在信号传输机构上，超声波传感器设置在机壳前端的外表上。本发明能够自动化地将养猪舍内的粪便进行归集处理，改善养猪舍的内部环境，减少细菌的传播，提高猪的生存率。

Description

一种养猪舍内智能清粪机器人及其控制系统

技术领域

本发明涉及智能机器人技术领域，具体涉及一种养猪舍内智能清粪机器人及其控制系统。

背景技术

我国猪舍地板大多为漏粪板方式，该方式易于猪的粪污掉入集粪槽，保持猪栏清洁卫生，减少病菌滋生。但实际中猪粪污不能完全通过漏粪板缝隙掉入集粪槽，同时，由于猪粪具有一定的黏性，未掉落的粪污被猪蹄踩踏后易粘在蹄部，产生猪蹄病，生猪在栏舍内走动，会增加细菌微生物繁衍和传播的机会，使猪的健康水平和抗病力低下。因此，开发具有自主路径规划与导航功能的清粪机器人，实时地将未掉落的粪污推刮至集粪槽内，在清粪过程中不会对生猪造成任何的影响。

发明内容

本发明提供一种养猪舍内智能清粪机器人，能够自动化地将养猪舍内的粪便进行归集处理，改善养猪舍的内部环境，减少细菌的传播，提高猪的生存率；还提供一种控制系统，能够智能化规划地图和行走路线，且还能精准控制机器人。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种养猪舍内智能清粪机器人，包括机壳，所述机壳上设置有信号传输机构、控制箱、行走机构、清洗机构、刮粪机构、激光雷达传感器以及超声波传感器，所述信号传输机构设置在机壳顶部上，用于接收和传达控制指令，所述控制箱、行走机构、清洗机构以及刮粪机构均设置在机壳内，所述控制箱设置在机壳上部内，所述行走机构设置在控制箱的下方，所述清洗机构和刮粪机构均设置在行走机构的前侧，所述清洗机构位于刮粪机构的上方，用于储水和输送水进行喷洗，所述刮粪机构用于将猪舍内漏粪板上的粪污通过缝隙刮掉落至集粪槽或推至制定位置，所述激光雷达传感器设置在信号传输机构上，用于扫描和传输地形环境信息到控制箱，所述超声波传感器设置在机壳前端的外表上，用于探测和传输障碍物的距离信息到控制箱。

进一步地，所述信号传输机构包括支架、安装座、控制开关、信号灯以及天线，所述支架设置在机壳的顶部上，所述安装座设置在支架上，所述控制开关、信号灯以及天线并排设置在安装座上。

进一步地，所述行走机构包括固定架、蓄电池、驱动电机、驱动轴以及行走轮，所述固定架设置在控制箱的下方，所述蓄电池安装在固定架上，所述驱动电机对称设置在机壳底部内且与蓄电池电性连接，所述驱动轴一端与驱动电机的输出端连接，另一端延伸至机壳两侧的外表面并与行走轮连接。

进一步地，所述清洗机构包括水箱、进水管、入水仓、溢流管、水位探头、水泵架、水泵、输水管以及喷头，所述水箱设置在蓄电池的前侧，所述入水仓设置在机壳后侧面上，所述进水管设置在蓄电池的上方且一端连通水箱，另一端连通入水仓，所述溢流管和水位探头均设置在水箱内壁上，所述溢流管一端与进水管高度平齐，另一端穿过水箱延伸至水箱底部外表面，所述水泵架设置在水箱下部侧面，所述水泵设置在水泵架上并通过输水管与水箱连通，所述喷头分别设置在刮粪机构和机壳下部后端表面上并通过输送管与水泵连通，所述入水仓上还设置有防护板，用于遮盖入水仓的开口。

进一步地，所述刮粪机构包括安装架、固定板、防撞圈、刮粪板以及万向轮，所述安装架设置在机壳前端下方且与水泵架连接，所述固定板设置在安装架底部后端，所述防撞圈设置在安装架上，所述刮粪板设置在固定板上，所述万向轮设置在安装架中部底端上。刮粪板优选为橡胶材质。

进一步地，还包括补给机构，所述补给机构包括支座、充电盒、充电触头以及补水管，所述充电盒设置在支座的顶部上，所述充电触头设置在机壳后端面上且与充电盒相对应，用于对蓄电池进行充电，所述补水管设置在充电盒下方且与入水仓相对应，用于对水箱进行补水。

进一步地，所述水箱上还设置有过线管和排水口，所述过线管设置在水箱底部且两端延伸至水箱外表面，用于安装蓄电池与水泵电连接的电源线，所述排水口设置在水箱底部侧面上。

一种养猪舍内智能清粪机器人的控制系统，所述控制系统包括控制器、传感器模块、遥控器模块、储水处理模块、充电模块、IMU模块、编码器以及驱动模块，所述控制器包括相互连接的主控制器和从控制器，所述传感器模块分别与主控制器、从控制器连接，所述遥控器模块、储水处理模块、充电模块、IMU模块、编码器、驱动模块均与主控制器连接。

进一步地，所述传感器模块包括激光雷达传感器和超声波传感器，所述激光雷达传感器与从控制器连接，所述超声波传感器与主控制器连接，所述激光雷达传感器具有扫描环境地形功能，所述超声波传感器具有探测障碍物、识别障碍物距离功能。

进一步地，所述储水处理模块包括加水模块和喷水模块，所述加水模块和喷水模块均与主控制器连接。

与现有技术相比较，本发明的有益效果是：

(1)刮粪机构上设有一个万向轮，行走机构上设有两个对称的行走轮，形成三点支撑行走架构，保持机体的平衡；

(2)设置激光雷达传感器和超声波传感器，在工作时激光雷达传感器能够对环境地形进行扫描和勘察，超声波传感器能够探测障碍物，实现高效率清粪和避免与墙体碰撞；

(3)设置清洗机构且在机壳后端和刮粪机构上设有喷头，在刮粪处理的时候，通过水泵增加水压，使其在清粪的同时对地上进行清洗，提高清洁度。

(4)控制系统集成自主定位导航、传感器、PID控制、自主充电与加水等技术，实现机器人实时建图、GUI界面交互、导航定位、路径规划以及精准控制等功能。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为本发明的内部结构示意图；

图3为本发明的信号传输机构结构示意图；

图4为本发明的行走机构结构示意图；

图5为本发明的清洗机构结构示意图；

图6为本发明的刮粪机构结构示意图；

图7为本发明的补给机构结构示意图；

图8为本发明的控制系统结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

需要说明的是，当部件/零件被称为“设置在”另一个部件/零件上，它可以直接设置在另一个部件/零件上或者也可以存在居中的部件/零件。当部件/零件被称为“连接/联接”至另一个部件/零件，它可以是直接连接/联接至另一个部件/零件或者可能同时存在居中部件/零件。本文所使用的术语“连接/联接”可以包括电气和/或机械物理连接/联接。本文所使用的术语“包括/包含”指特征、步骤或部件/零件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、步骤或部件/零件的存在或添加。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关所列项目的任意的和所有的组合。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的术语只是为了描述具体实施例的目的，而并不是旨在限制本申请。

请参阅图1和图2所示，一种养猪舍内智能清粪机器人，包括机壳1，机壳1上设置有信号传输机构2、控制箱3、行走机构4、清洗机构5、刮粪机构6、激光雷达传感器7以及超声波传感器8，信号传输机构2设置在机壳1顶部上，用于接收和传达控制指令，控制箱3、行走机构4、清洗机构5以及刮粪机构6均设置在机壳1内，控制箱3设置在机壳1上部内，行走机构4设置在控制箱3的下方，清洗机构5和刮粪机构6均设置在行走机构4的前侧，清洗机构5位于刮粪机构6的上方，用于储水和输送水进行喷洗，刮粪机构6用于将猪舍内漏粪板上的粪污通过缝隙刮掉落至集粪槽或推至制定位置，激光雷达传感器7设置在信号传输机构2上，用于扫描和传输地形环境信息到控制箱，超声波传感器8设置在机壳1前端的外表上，用于探测和传输障碍物的距离信息到控制箱3。

请参阅图3所示，在一些实施例中，信号传输机构2包括支架21、安装座25、控制开关22、信号灯23以及天线24，支架21设置在机壳1的顶部上，安装座25设置在支架21上，控制开关22、信号灯23以及天线24并排设置在安装座25上。在工作时有两种控制模式，分别是自动控制模式和手动遥控模式，但不管是哪种模式，都需要通过信号传输机构2进行信号的接收和发送，以达到精准的控制。

请参阅图4所示，在一些实施例中，行走机构4包括固定架41、蓄电池42、驱动电机43、驱动轴44以及行走轮45，固定架41设置在控制箱3的下方，蓄电池42安装在固定架41上，驱动电机43对称设置在机壳1底部内且与蓄电池42电性连接，驱动轴44一端与驱动电机43的输出端连接，另一端延伸至机壳1两侧的外表面并与行走轮45连接。在工作的时候，行走轮45采用独立的驱动电机43，通过驱动电机43输出不同的速度形成速度差来实现直线运动、转向、后退等方向的运动。

请参阅图5所示，在一些实施例中，清洗机构5包括水箱51、进水管52、入水仓53、溢流管54、水位探头59、水泵架58、水泵55、输水管56以及喷头57，水箱51设置在蓄电池42的前侧，入水仓53设置在机壳1后侧面上，进水管52设置在蓄电池42的上方且一端连通水箱51，另一端连通入水仓53，溢流管54和水位探头59均设置在水箱51内壁上，溢流管54一端与进水管52高度平齐，另一端穿过水箱51延伸至水箱51底部外表面，水泵架58设置在水箱51下部侧面，水泵55设置在水泵架58上并通过输水管56与水箱51连通，喷头57分别设置在刮粪机构6和机壳1下部后端表面上并通过输水管56与水泵55连通。入水仓53上还设置有防护板10，用于遮盖入水仓53的开口。

在进行补水的时候，补水管94顶开防护板10延伸至入水仓内53进行补水，水从入水仓53通过进水管52流至水箱51内，当水箱51内的水位达到一定高度，多余的水会从溢流管54排出，而在清洗工作的时候，水泵55通过输水管56抽取水箱51内的水进行增压，最后通过输水管56将增压后的水输送至喷头57进行清洗作业。

请参阅图6所示，在一些实施例中，刮粪机构6包括安装架61、固定板62、防撞圈63、刮粪板64以及万向轮65，安装架61设置在机壳1前端下方且与水泵架58连接，固定板62设置在安装架61底部后端，防撞圈63设置在安装架61上，刮粪板64设置在固定板62上，万向轮65设置在安装架61中部底端上。防撞圈63可以避免在于障碍物或搬运的时候直接碰撞到内部零部件，起到很好的防护作用；而万向轮65和行走机构4构成三点支撑的架构，在启动或转向时产生的加速度和速度过大可能引起较大的颠簸，万向轮65可防止其产生过大的颠簸，保持机体的平衡。刮粪板64优选为橡胶材质。

请参阅图2和图7所示，在一些实施例中，还包括补给机构9，补给机构9包括支座91、充电盒92、充电触头93以及补水管94，充电盒92设置在支座91的顶部上，充电触头93设置在机壳1后端面上且与充电盒92相对应，用于对蓄电池42进行充电，补水管94设置在充电盒92下方且与入水仓53相对应，用于对水箱51进行补水。

在一些实施例中，超声波传感器8有2个，分别设置在机壳1的前端侧面和顶部侧面上，用于多方位探测行走路线前方的障碍物。

请参阅图5所示，在一些实施例中，水箱51上还设置有过线管11和排水口12，过线管11设置在水箱51底部且两端延伸至水箱51外表面，用于安装蓄电池42与水泵55电连接的电源线，排水口12设置在水箱51底部侧面上。

工作原理，通过搭载的激光雷达传感器7扫描猪舍内环境并自动生成地图，将环境信息发送给控制箱3，控制箱3根据接收的信息制定路径规划；随后控制行走机构4向前行驶，在行驶过程中，清洗机构5和刮粪机构6进行粪污清理，当对猪舍全面清理完成后，一轮清理工作结束，返回补给机构9进行自动充电与加水，进行下一轮清理。

在作业中，猪舍内墙体及养殖设备等为静态障碍物，猪、工作人员为动态障碍物，采用超声波传感器8对障碍物进行距离检测，由于在生成地图时静态障碍物已扫描，当检测到此类障碍物时，行走机构4行驶速度不变且不发生碰撞；在检测到动态障碍物时，速度有所减慢且会直接碰撞，但碰撞程度不会对其造成任何伤害，舍内没有障碍物的区域，可根据粪污量设置行驶速度，有效提高作业效率。

请参阅图8所示，一种养猪舍内智能清粪机器人的控制系统，控制系统包括控制器、传感器模块、遥控器模块、储水处理模块、充电模块、IMU模块、编码器以及驱动模块，控制器包括相互连接的主控制器和从控制器，所述传感器模块分别与主控制器、从控制器连接，遥控器模块、储水处理模块、充电模块、IMU模块、编码器、驱动模块均与主控制器连接。遥控器模块通过无线通信与主控制器连接，充电模块通过CAN通信与主控制器连接。

机器人的行走轮分别由驱动模块驱动，再配合编码器，将编码器得到的里程计与IMU模块数据的里程计进行融合，使用PID控制算法对清粪机器人进行控制，实现其直线行走和精准转弯。

在一些实施例中，传感器模块包括激光雷达传感器和超声波传感器，激光雷达传感器通过以太网通信与从控制器连接，超声波传感器通过串口通信与主控制器连接，激光雷达传感器具有扫描环境地形功能，超声波传感器具有探测障碍物、识别障碍物距离功能。

清粪机器人采用激光雷达传感器，高速旋转获取猪舍内障碍物的点云数据，以具有良好开源性并采用分布式架构的机器人操作系统(ROS)为研发平台，利用Karto算法对舍内环境进行建图，对于猪舍内围栏等不能被激光雷达扫描的物体则在算法中设置虚拟墙，依据AMCL定位算法，融合A*和D*两种方法，实现路径规划。

在一些实施例中，储水处理模块包括加水模块和喷水模块，加水模块和喷水模块均与主控制器连接。

在工作的时候，传感器模块负责将地形环境扫描和探测，并将数据传输给控制器，驱动模块的驱动由控制器将编码器得到的里程计与IMU模块数据的里程计进行融合，使用PID控制算法对清粪机器人进行控制，驱动模块实现其直线行走和精准转弯，储水处理模块的加水模块负责自动地给机器人的水箱进行加水，喷水模块负责控制水箱内的水配合喷头进行喷洗，充电模块负责给机器人进行补充电能。

尤其地，本控制系统在自动控制模式下作业时，如果出现机器人处于原地打转或发生其他故障时，可将遥控器调整到手动遥控模式，人工遥控清粪机器人，使其处于正常状态后再切换至自动控制模式。

本发明的刮粪机构6上设有一个万向轮65，行走机构4上设有两个对称的行走轮45，形成三点支撑行走架构，保持机体的平衡；设置激光雷达传感器7和超声波传感器8，在工作时激光雷达传感器7能够对环境地形进行扫描和勘察，超声波传感器8能够探测障碍物，实现高效率清粪和避免与墙体碰撞；设置清洗机构5且在机壳1后端和刮粪机构6上设有喷头，在刮粪处理的时候，通过水泵55增加水压，使其在清粪的同时对地上进行清洗，提高清洁度；控制系统集成自主定位导航、传感器、PID控制、自主充电与加水等技术，实现机器人实时建图、GUI界面交互、导航定位、路径规划以及精准控制等功能。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种养猪舍内智能清粪机器人，其特征在于，包括机壳，所述机壳上设置有信号传输机构、控制箱、行走机构、清洗机构、刮粪机构、激光雷达传感器以及超声波传感器，所述信号传输机构设置在机壳顶部上，用于接收和传达控制指令，所述控制箱、行走机构、清洗机构以及刮粪机构均设置在机壳内，所述控制箱设置在机壳上部内，所述行走机构设置在控制箱的下方，所述清洗机构和刮粪机构均设置在行走机构的前侧，所述清洗机构位于刮粪机构的上方，用于储水和输送水进行喷洗，所述刮粪机构用于将猪舍内漏粪板上的粪污通过缝隙刮掉落至集粪槽或推至制定位置，所述激光雷达传感器设置在信号传输机构上，用于扫描和传输地形环境信息到控制箱，所述超声波传感器设置在机壳前端的外表上，用于探测和传输障碍物的距离信息到控制箱。

2.根据权利要求1所述的养猪舍内智能清粪机器人，其特征在于，所述信号传输机构包括支架、安装座、控制开关、信号灯以及天线，所述支架设置在机壳的顶部上，所述安装座设置在支架上，所述控制开关、信号灯以及天线并排设置在安装座上。

3.根据权利要求1所述的养猪舍内智能清粪机器人，其特征在于，所述行走机构包括固定架、蓄电池、驱动电机、驱动轴以及行走轮，所述固定架设置在控制箱的下方，所述蓄电池安装在固定架上，所述驱动电机对称设置在机壳底部内且与蓄电池电性连接，所述驱动轴一端与驱动电机的输出端连接，另一端延伸至机壳两侧的外表面并与行走轮连接。

4.根据权利要求3所述的养猪舍内智能清粪机器人，其特征在于，所述清洗机构包括水箱、进水管、入水仓、溢流管、水位探头、水泵架、水泵、输水管以及喷头，所述水箱设置在蓄电池的前侧，所述入水仓设置在机壳后侧面上，所述进水管设置在蓄电池的上方且一端连通水箱，另一端连通入水仓，所述溢流管和水位探头均设置在水箱内壁上，所述溢流管一端与进水管高度平齐，另一端穿过水箱延伸至水箱底部外表面，所述水泵架设置在水箱下部侧面，所述水泵设置在水泵架上并通过输水管与水箱连通，所述喷头分别设置在刮粪机构和机壳下部后端表面上并通过输水管与水泵连通，所述入水仓上还设置有防护板，用于遮盖入水仓的开口。

5.根据权利要求4所述的养猪舍内智能清粪机器人，其特征在于，所述刮粪机构包括安装架、固定板、防撞圈、刮粪板以及万向轮，所述安装架设置在机壳前端下方且与水泵架连接，所述固定板设置在安装架底部后端，所述防撞圈设置在安装架上，所述刮粪板设置在固定板上，所述万向轮设置在安装架中部底端上。

6.根据权利要求1-6所述的养猪舍内智能清粪机器人，其特征在于，还包括补给机构，所述补给机构包括支座、充电盒、充电触头以及补水管，所述充电盒设置在支座的顶部上，所述充电触头设置在机壳后端面上且与充电盒相对应，用于对蓄电池进行充电，所述补水管设置在充电盒下方且与入水仓相对应，用于对水箱进行补水。

7.根据权利要求4所述的养猪舍内智能清粪机器人，其特征在于，所述水箱上还设置有过线管和排水口，所述过线管设置在水箱底部且两端延伸至水箱外表面，用于安装蓄电池与水泵电连接的电源线，所述排水口设置在水箱底部侧面上。

8.一种养猪舍内智能清粪机器人的控制系统，其特征在于，所述控制系统包括控制器、传感器模块、遥控器模块、储水处理模块、充电模块、IMU模块、编码器以及驱动模块，所述控制器包括相互连接的主控制器和从控制器，所述传感器模块分别与主控制器、从控制器连接，所述遥控器模块、储水处理模块、充电模块、IMU模块、编码器、驱动模块均与主控制器连接。

9.根据权利要求8所述的养猪舍内智能清粪机器人的控制系统，其特征在于，所述传感器模块包括激光雷达传感器和超声波传感器，所述激光雷达传感器与从控制器连接，所述超声波传感器与主控制器连接，所述激光雷达传感器具有扫描环境地形功能，所述超声波传感器具有探测障碍物、识别障碍物距离功能。

10.根据权利要求8所述的养猪舍内智能清粪机器人的控制系统，其特征在于，所述储水处理模块包括加水模块和喷水模块，所述加水模块和喷水模块均与主控制器连接。

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