CN114533333A - 自动注射机器人及其注射方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自动注射机器人及其注射方法，包括控制装置、三轴桁架、注射机械臂和注射执行机构，其注射机械臂的一端连接在所述三轴桁架上，另一端与所述注射执行机构转动连接，注射执行机构具有移动组件、推拉组件和注射组件，推拉组件和注射组件安装在移动组件上，控制装置控制推拉组件推动注射组件完成注射动作。通过本发明的技术方案和注射方法，施针动作反应迅速、准确，大幅提高规模养殖场注射防疫的效率，实用性高。

Description

自动注射机器人及其注射方法

技术领域

本发明涉及家畜注射设备技术领域，尤其涉及一种自动注射机器人及其注射方法。

背景技术

随着人民生活水平的不断提高，对肉类食品的需求量也不断增加，这极大地促进了畜牧业的发展。进入21世纪，生猪规模化养殖已经成为主流养殖模式，且其占比继续不断增加，牛羊等大型家畜也在大规模的养殖。动物疫病是畜牧业发展的最大障碍，做好动物防疫工作，既是畜牧业安全生产发展的重要保障，也是促进养殖业经济健康发展的需要。目前家畜防疫防病主要是通过人工注射的方式，人工注射劳动强度大，注射质量低，存在漏打、误打、多打、注射剂量控制不均等，并且近年来非洲猪流感疫情和新型冠状病毒疫情的影响，人工注射伴随着的人员流动都给养殖场防疫带来了一定压力。因此，亟待一种无接触自动注射的装置或系统来替代传统的人工注射方式，以实现自动药液注射。

发明内容

本发明是鉴于以上技术问题所提出的，提供一种自动注射机器人及其注射方法，能够避免人工接触和人工接种错误，施针动作反应迅速、准确，大幅提高规模养殖场注射防疫的效率。

根据本发明实施例的第一方面，提供了一种自动注射机器人，其包括控制装置、三轴桁架、注射机械臂和注射执行机构，注射机械臂的一端连接在三轴桁架上，注射机械臂的另一端与注射执行机构转动连接，注射执行机构具有移动组件、推拉组件和注射组件，推拉组件和注射组件安装在移动组件上，控制装置控制推拉组件推动注射组件完成注射动作。

根据本发明实施例的第二方面，提供了一种如第一方面自动注射机器人，该自动注射机器人还具有视觉装置，其视觉装置用于识别家畜注射对象的信息。

根据本发明实施例的第三方面，提供了一种如第一方面自动注射机器人，其注射机械臂与注射执行机构之间具有连接件，连接件具有第一侧板、第二侧板和连接底板，连接底板安装连接移动组件，第一侧板具有第一连接键轴，第二侧板具有第二连接键轴，通过第一连接键轴和第二连接键轴与注射机械臂转动连接。

根据本发明实施例的第四方面，提供了一种如第一方面自动注射机器人，其移动组件包括伺服电机、丝杆传动组和滑块，伺服电机通过传动带带动丝杆传动组转动，通过丝杆的转动带动滑块沿着直线导轨来回移动，滑块上通过连接板安装推拉组件。

根据本发明实施例的第五方面，提供了一种如第一方面自动注射机器人，其推拉组件包括电机、齿轮齿条传动组和推拉杆，电机的输出轴连接具有第一齿轮，齿轮齿条传动组具有第二齿轮、第三齿轮和齿条，其中，第二齿轮和第三齿轮固定连接，第二齿轮与齿条啮合，第三齿轮与第一齿轮啮合，齿条的一端连接推拉杆，通过电机输出轴的转动带动推拉杆往复移动。

根据本发明实施例的第六方面，提供了一种如第四方面自动注射机器人，其齿条的两侧边具有第一轴承座和第二轴承座，齿条的下方具有滑动轴承。

根据本发明实施例的第七方面，提供了一种如第一方面自动注射机器人，其注射组件包括安装座、注射针具和药瓶，注射针具的一端连接推拉杆。

根据本发明实施例的第八方面，提供了一种如第一方面自动注射机器人，该执行机构还具有传感器组合，其传感器组合包括激光位移传感器、往复式位移传感器、限位传感器，其中，激光位移传感器位于移动组件的前端，往复式位移传感器位于移动组件安装注射组件的一侧，限位传感器位于移动组件安装注射组件的另一侧。

根据本发明实施例的第九方面，提供了一种如第八方面自动注射机器人，其往复式位移传感器包括安装板、尺身、滑杆和按压板，往该复式位移传感器由安装板固定在移动组件上，按压板具有开孔以便注射针具的针头穿过。

根据本发明实施例的第十方面，提供了一种自动注射机器人的注射方法，该方法包括：

控制装置在系统中载入定位栏地图，从地图中获得各个注射对象的注射信息；

控制装置根据获取的注射信息控制三轴桁架XYZ三轴相互移动的距离以便调整注射机械臂到达指定定位栏上方的固定位置；

视觉装置识别注射对象的状态，根据注射对象为安静状态进一步识别注射区域；

控制装置控制注射机械臂移动到注射区域上方指定位置处；

激光发射器发射激光在注射区域形成光斑，视觉装置二次确认注射区域无误后，通过激光位移传感器测量得到注射针头与注射对象之间的精确位移，控制装置控制注射机械臂及注射执行机构执行注射动作。

本发明的有益效果在于：通过采用自动注射机器人的注射方法，控制装置确定注射对象的状态并进一步确定注射区域，控制移动组件的来回移动调整针具与注射对象的距离，然后推拉组件带动注射组件完成注射对象的无接触自动注射，注射精准度高，适用大批量的无接触注射，实用性高。

参照后文的说明和附图，详细公开了本发明的特定实施方式，指明了本发明的原理可以被采用的方式。

应该理解，本发明的实施方式并不因而受到限制。针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，例示了本发明的优选实施方式，并与文字说明一起用来解释本发明的原理，其中对于相同的要素，始终用相同的附图标记来表示。

在附图中：

图1是本发明自动注射机器人的整体结构示意图；

图2是本发明自动注射机器人的注射机械臂与注射执行机构局部示意图；

图3是本发明自动注射机器人的注射执行机构示意图；

图4是本发明自动注射机器人注射执行机构连接件的示意图；

图5是本发明自动注射机器人注射执行机构的移动组件示意图；

图6是本发明自动注射机器人注射执行机构的推拉组件示意图；

图7是本发明自动注射机器人推拉组件的齿轮齿条传动组示意图；

图8是本发明自动注射机器人注射执行机构的注射组件示意图；

图9是本发明自动注射机器人的往复式位移传感器示意图；

图10是本发明自动注射机器人注射方法的流程图。

具体实施方式

参照附图，通过下面的说明书，本发明的前述以及其它特征将变得明显。在说明书和附图中，具体公开了本发明的特定实施方式，其表明了其中可以采用本发明的原则的部分实施方式，应了解的是，本发明不限于所描述的实施方式。

本发明首先提供一种自动注射机器人，图1是本发明自动注射机器人的整体结构示意图，图2是其含注射机械臂与注射执行机构的局部示意图。如图1、2所示，该自动注射机器人包括控制装置1、三轴桁架2、注射机械臂3和注射执行机构4，三轴桁架2具有X、Y、Z三轴，注射机械臂3的一端具有三轴桁架连接件31，通过连接件31将注射机械臂3的一端连接在三轴桁架2的Y轴连接板上，注射机械臂3的另一端与注射执行机构4转动连接。控制装置1可以根据需要调整三轴桁架2的X、Y、Z三轴相互移动距离以便调整注射机械臂3的相对位置，注射机械臂3含有电机可以由控制装置1的控制进行三自由度的动作调整。

图3是本发明自动注射机器人的注射执行机构示意图，参看图3，注射执行机构4包括移动组件41、推拉组件42和注射组件43，推拉组件42和注射组件43安装在移动组件41上，移动组件41可以带动注射组件43来回移动以便调整注射组件43与注射对象的距离，通过控制装置1控制推拉组件42推动注射组件43完成注射动作。

在本发明的一个实施例中，该自动注射机器人还具有视觉装置5，视觉装置5装配在三轴桁架2的Y轴上，或者根据需要装配在注射机械臂3的适当位置。视觉装置5可以识别家畜注射对象的图像信息以便控制装置1读取相关信息分析识别注射对象的注射位置。

在本发明的一个实施例中，注射机械臂3的另一端通过注射执行机构连接件32与注射执行机构4转动连接，图4是注射执行机构连接件示意图，参看图4，注射执行机构连接件32具有第一侧板321、第二侧板322和连接底板323，连接底板323安装连接移动组件41，第一侧板321具有第一连接键轴3211，第二侧板322具有第二连接键轴3221，通过第一连接键轴3211和第二连接键轴3221与注射机械臂3转动连接，通过注射执行机构连接件32的转动连接可根据需要调整注射执行机构注射组件43的角度。

图5是本发明自动注射机器人的移动组件示意图，如图所示，移动组件41包括伺服电机411、丝杆传动组412和滑块413，伺服电机411通过传动带414带动丝杆传动组412转动，通过丝杆的转动带动滑块413沿着直线导轨415来回移动，滑块413上通过连接板416安装推拉组件42和注射组件43的安装平板。由此，伺服电机411驱动滑块413来回移动进而带动安装平板上的注射组件43的移动，以此调整注射组件43与注射对象的距离。滑块413上的连接板416侧面设置有限位开关挡片417，相应的，在直线导轨415的一侧设置具有限位开关418和限位开关419，通过限位开关挡片417在限位开关418和限位开关419之间来回移动以控制注射组件43的移动距离。

图6是本发明自动注射机器人的推拉组件示意图，图7是其中齿轮齿条传动组示意图，参看图6、图7，推拉组件42位于滑块413之上的安装平板上，具体包括电机421、齿轮齿条传动组422和推拉杆423，电机421的输出轴连接具有第一齿轮424，齿轮齿条传动组422具有第二齿轮4221、第三齿轮4222和齿条4223，其中，第二齿轮4221和第三齿轮4222通过连接轴固定连接，第二齿轮4221与齿条4223啮合，第三齿轮4222与第一齿轮424啮合，齿条4223的一端通过连杆425连接推拉杆423，通过电机421输出轴的转动带动推拉杆423往复移动。在本实施例的具体实施方式中，第一齿轮424与第三齿轮4222均为锥齿轮，二者通过固定支架固定在安装平板上。第二齿轮4221为圆齿轮，与圆齿轮啮合的齿条4223的两侧边具有轴承座426和轴承座427，通过齿条4223双侧设置轴承座426和轴承座427可约束齿条4223的移动路径。轴承座426和轴承座427连接具有滑动轴承428，使得滑动轴承428位于齿条4223的正下方，滑动轴承428可滚动以便齿条4223的往复移动更加顺畅。

图8是本发明自动注射机器人的注射组件示意图，如图所示，注射组件43位于滑块413之上的安装平板上，具体包括安装座431、注射针具432和药瓶433。注射针具432安装于安装座431安装孔内并通过螺栓锁紧，其一端连接推拉杆423，通过推拉杆423的往复移动带动注射针具432完成一次次的注射动作。

参看图6、图8，该执行机构还具有传感器组合，其传感器组合包括激光位移传感器6、往复式位移传感器7、限位传感器8，其中，激光位移传感器6位于移动组件41的前端，往复式位移传感器7位于移动组件41安装注射组件43的一侧，限位传感器8位于移动组件41安装注射组件43的另一侧。具体的，在安装座431上设置激光发射器9，激光发射器9可发射激光光束，激光位移传感器6安装于安装平板上电机421的前端，激光位移传感器6与激光发射器9相互配合，通过激光位移传感器6进行测距定位，可监测注射针具32与前方家畜的距离。限位传感器8通过连杆425与推拉杆423连接，推拉杆423由齿条4223带动往复移动的同时带动限位传感器7来回移动，以便检测齿轮齿条传动组422的传动距离。图9是往复式位移传感器示意图，如图所示，该往复式位移传感器7包括安装板71、尺身72、滑杆73和按压板74，往该复式位移传感器由安装板71固定在移动组件41上，按压板74具有开孔741以便注射针具的针头穿过。具体的，按压板74与滑杆73相连，尺身72安装于安装板71上，并可调节安装位置。按压板74与注射针具432同轴，在注射过程中，按压板74与注射对象生物体接触，随着针头穿过开孔741继续前进，按压板74带动滑杆73向尺身72内缩进，以此监控针头的注射深度。

相应的，本发明还提供一种利用自动注射机器人的注射方法，参看图10，图10是本发明自动注射机器人注射方法的流程图，如图所示：

初始状态：控制装置1驱动三轴桁架2的XYZ轴的移动以调整注射机械臂3在三轴桁架2上的位置，以便使得注射机械臂3处于三轴桁架2的最左端，此状态为注射机械臂3的初始位置。

步骤一：控制装置1在系统中载入定位栏地图，从地图中获得各个猪只的注射信息；举例来说，假设共有20个定位栏，地图中包括定位栏个数、已完成注射的定位栏编号及注射详细信息(时间、剂量等)、未完成注射定位栏编号。控制装置1通过检索未完成注射的定位栏编号，计算获得距离初始位置最近的定位栏编号并将移动指令发送给控制系统。

步骤二：控制装置1根据步骤一中的结果调整三轴桁架2的XYZ三轴相互移动距离以便调整注射机械臂3到达指定定位栏上方的固定位置，固定位置可以是事先指定的固定坐标，也可以是通过计算得到定位栏中心点坐标。

步骤三：当注射机械臂3移动到指定目标定位栏上方后，通过视觉装置5对猪只进行拍照，首先判断定位栏中的猪只的状态是否处于安静状态；若猪只处于活动状态时，则此刻放弃对该猪只进行注射；若猪只处于安静状态，则视觉装置5进一步识别注射区域，控制装置1判断该注射区域是否适合注射机械臂3运动以排除注射机械臂3与定位栏干涉的情况，为下一步的注射动作做好准备。其中，视觉装置5判断猪只状态和注射区域识别，分别通过学习猪只不同状态下的特征和多个猪只注射区域的多种特征，基于深度学习算法判断得到的结果。

步骤三中视觉装置判断猪只状态和注射区域识别的方法，具体包括：

视觉装置5持续通过识别猪只的骨骼关键点得到猪只的姿态信息，当猪只的姿态在一定时间阈值内没有移动，则判断猪只处于安静状态；若猪只在一定时间阈值内发生移动，则判断猪只处于活动状态。

视觉装置5通过识别猪只的骨骼关键点，得到猪只的耳朵位置信息；经过前期对不同猪只的耳朵颈部测量统计分析得到的猪只耳朵颈部几何位置信息，结合识别到的耳朵位置，推算出猪只的颈部注射区域位置信息，作为后续注射动作的执行依据。

步骤三中控制装置1判断该注射区域是否适合注射机械臂3运行的方法，具体包括：

1.通过深度神经网络识别定位栏的分布情况，并通过视觉装置5获取定位栏的空间信息。

2.控制装置1将注射机械臂3运动过程中的关键姿态投影至空间坐标中，与定位栏空间信息进行对比，确定注射机械臂3运动过程中与定位栏的最小间隙，判断注射机械臂3与定位栏的干涉情况。

步骤四：控制装置1控制注射机械臂3移动到注射区域上方指定位置，在本实例中，设置注射机械臂3运动到注射区域上方50mm处。

步骤五：激光发射器8发射激光在注射区域形成光斑，视觉装置5通过拍照二次确认光斑与注射区域重叠即注射区域无误后，通过激光位移传感器测量得到注射针头与注射猪只之间的精确位移，控制装置控制注射机械臂及注射组件执行注射动作。

在整个过程中，视觉装置循环拍照检测猪只的状态是否处于安静状态，在任一步骤中若视觉装置监测到猪只的状态由安静转为活动状态，则立即停止注射并收回注射机械臂到定位栏上方。控制系统根据定位栏地图继续寻找下一个未完成注射的定位栏，重复步骤二到步骤五。

以上参照附图描述了本发明的优选实施方式，这些实施方式的许多特征和优点根据该详细的说明书是清楚的。此外，由于本领域的技术人员容易想到很多修改和改变，因此不是要将本发明的实施方式限于所例示和描述的精确结构和操作，而是可以涵盖所有合适的修改和等同物。

Claims (10)

1.一种自动注射机器人，其特征在于，包括控制装置、三轴桁架、注射机械臂和注射执行机构，所述注射机械臂的一端连接在所述三轴桁架上，所述注射机械臂的另一端与所述注射执行机构转动连接，所述注射执行机构具有移动组件、推拉组件和注射组件，所述推拉组件和所述注射组件安装在所述移动组件上，控制装置控制所述推拉组件推动所述注射组件完成注射动作。

2.根据权利要求1所述的自动注射机器人，其特征在于，所述自动注射机器人还具有视觉装置，所述视觉装置用于识别家畜注射对象的信息。

3.根据权利要求1所述的自动注射机器人，其特征在于，所述注射机械臂与注射执行机构之间具有连接件，所述连接件具有第一侧板、第二侧板和连接底板，所述连接底板安装连接所述移动组件，所述第一侧板具有第一连接键轴，所述第二侧板具有第二连接键轴，通过所述第一连接键轴和所述第二连接键轴与注射机械臂转动连接。

4.根据权利要求1所述的自动注射机器人，其特征在于，所述移动组件包括伺服电机、丝杆传动组和滑块，所述伺服电机通过传动带带动所述丝杆传动组转动，通过丝杆的转动带动所述滑块沿着直线导轨来回移动，所述滑块上通过连接板安装所述推拉组件。

5.根据权利要求1所述的自动注射机器人，其特征在于，所述推拉组件包括电机、齿轮齿条传动组和推拉杆，所述电机的输出轴连接具有第一齿轮，所述齿轮齿条传动组具有第二齿轮、第三齿轮和齿条，其中，所述第二齿轮和所述第三齿轮固定连接，所述第二齿轮与所述齿条啮合，所述第三齿轮与所述第一齿轮啮合，所述齿条的一端连接所述推拉杆，通过所述电机输出轴的转动带动所述推拉杆往复移动。

6.根据权利要求5所述的自动注射机器人，其特征在于，所述齿条的两侧边具有第一轴承座和第二轴承座，所述齿条的下方具有滑动轴承。

7.根据权利要求1所述的自动注射机器人，其特征在于，所述注射组件包括安装座、注射针具和药瓶，所述注射针具的一端连接推拉杆。

8.根据权利要求1所述的自动注射机器人，其特征在于，所述执行机构还具有传感器组合，所述传感器组合包括激光位移传感器、往复式位移传感器、限位传感器，其中，所述激光位移传感器位于所述移动组件的前端，所述往复式位移传感器位于所述移动组件安装注射组件的一侧，所述限位传感器位于所述移动组件安装注射组件的另一侧。

9.根据权利要求8所述的自动注射机器人，其特征在于，所述往复式位移传感器包括安装板、尺身、滑杆和按压板，所述往复式位移传感器由所述安装板固定在所述移动组件上，所述按压板具有开孔以便注射针具的针头穿过。

10.一种自动注射机器人的注射方法，其特征在于，所述方法包括：

控制装置在系统中载入定位栏地图，从地图中获得各个注射对象的注射信息；

控制装置根据获取的注射信息控制三轴桁架XYZ三轴相互移动的距离以便调整注射机械臂到达指定定位栏上方的固定位置；

视觉装置识别注射对象的状态，根据注射对象为安静状态进一步识别注射区域；

控制装置控制注射机械臂移动到注射区域上方指定位置处；

激光发射器发射激光在注射区域形成光斑，视觉装置二次确认注射区域无误后，通过激光位移传感器测量得到注射针头与注射对象之间的精确位移，控制装置控制注射机械臂及注射执行机构执行注射动作。

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