CN114833799A - 一种用于养殖场动物唾液样本无人化采集的机器人和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于养殖场动物唾液样本无人化采集的机器人和方法。包括结构支架、动力系统、执行系统、样本收纳系统和控制系统；动力系统安装在结构支架上，用于驱动结构支架沿水平移动；执行系统安装在结构支架上，用于对样本收纳系统中的采集包进行抓取、移动；样本收纳系统一部分安装在结构支架上，另一部分安装在执行系统上，用于动物唾液样本采集入采集包中并收纳；控制系统，分别和动力系统、执行系统电连接控制工作。本发明实现疫病流行期间集中式畜牧养殖场的无人化检疫流程，大大缩短检疫时间，降低检疫流程复杂度、消毒难度、样本污染可能性，并通过无线数据传输远程监控采集过程，便于管理人员及时做出响应。
Description
技术领域
本发明涉及畜牧检疫领域的一种无人化采集机器人，具体涉及一种用于养殖场动物唾液样本无人化采集的机器人和方法。
背景技术
作为世界上最大的猪肉生产和消费国，我国猪肉产量长期占全部肉类产量比重的60％以上，稳居全球第一，全国生猪年出栏量为全球一半以上(2015-2018 年约7亿头)。然后近年来流行性猪病例如猪瘟、蓝耳病、猪圆环病等，对养猪行业造成巨大冲击。以非洲猪瘟(African swine fever，ASF)为例，这是一种由非洲猪瘟病毒感染家猪和各种野猪引起的一种急性、烈性、高度接触性传染病，一旦被感染，死亡率高达100％，是最为严重的流行性疫病之一。
由于目前无有效疫苗和防治药物，可靠、快速的早期诊断是非洲猪瘟防控的基础和关键。非洲猪瘟的实验室检测方法主要包括血清学方法和病原学方法。自然感染条件下，ASF的潜伏期为3-19天，感染后3-4天开始排毒，7-9天血清中产生抗体。相比而言，病原学检测技术更适合于早期诊断，目前应用最为广泛的病原学方法是基于聚合酶链式反应(Polymerase chain reaction，PCR)的核酸检测方法。现有检测方法通过人工采集(通常为静脉血)，若检测人员在采集过程中遇到携带病毒的生猪就起到传播污染的作用，导致病毒扩散。有研究指出，唾液可以早于血液3-19天检测出病原，且对机体无任何损伤，不会对猪造成应激反应，有利于窗口期的排查，把握好防控的黄金时期。
综上，现有流行性疾病检测方法虽然可以达到检测的目的，但是往往通过人工采集血液进行有创检测，对操作人员要求高。因此本领域需要一种可以解决所述问题的方法，实现唾液样本检测无创易采集，设计一套自动采集检测系统，更好地应用于流行性疾病检测领域。
发明内容
为解决背景技术中存在的问题，本发明针对集中式畜禽养殖场检疫领域，提供一种全自动化、高效的动物唾液样本采集、封装一体化机器人，实现畜禽检疫的无人化远程操作，有效降低检疫流程复杂度、消毒难度、样本污染可能性，通过远程监控采集过程，并结合物联网技术便于人员及时做出响应。
为实现所述目的，本发明采用的技术方案主要包含：
一、一种用于养殖场动物唾液样本无人化采集的机器人：
包括结构支架、动力系统、执行系统、样本收纳系统和控制系统；
结构支架，作为机器人的主体；
所述动力系统，安装在结构支架上，用于驱动结构支架沿水平移动；
所述执行系统，安装在结构支架上，用于对样本收纳系统中的采集包进行抓取、移动；
所述样本收纳系统，一部分安装在结构支架上，另一部分安装在执行系统上，用于动物唾液样本采集入采集包中并收纳；
所述控制系统，分别和动力系统、执行系统电连接，控制动力系统、执行系统的工作，实现远程养殖场动物唾液样本无人化采集。
所述动力系统包括电机、齿轮组、轮轴组件和导轨，两根导轨平行间隔布置在结构支架的两侧，结构支架的两侧均设置一个轮轴组件，经轮轴组件滚动连接到两根导轨之间；轮轴组件包括轮轴和轮，轮轴通过轴承穿设安装于结构支架，轮轴的两端均固定套装有轮，轮轴两端的轮分别滚动安装于两根导轨，其中一个轮轴组件中的轮轴经齿轮组和电机输出轴连接。
所述执行系统包括机械臂、自动密封一体机、末端执行器，机械臂和自动密封一体机均安装在所述结构支架底面上，末端执行器安装在机械臂末端。
所述样本收纳系统包括采集包、联接器、单向插入式样本收纳盘；采集包固定连接联接器一端，联接器另一端用于被执行系统的末端执行器抓取或者固定于单向插入式样本收纳盘；
单向插入式样本收纳盘安装在结构支架上，所述单向插入式样本收纳盘上开设多个阵列排布的导向槽，每个导向槽中均安装一个可旋转开合的两扇挡板，采集包穿过两扇挡板后被装入导向槽中。
所述的单向插入式样本收纳盘设置有两个，分别位于执行系统的机械臂两侧的结构支架上，一个单向插入式样本收纳盘用于作为未采集动物唾液样本的采集包的收纳，另一个单向插入式样本收纳盘用于作为已采集动物唾液样本的采集包的收纳，。
所述的挡板在外力作用下只能单向内翻打开导向槽。
所述的单向插入式样本收纳盘以水平插装入结构支架侧面的水平槽的方式安装在结构支架上。
所述电机控制模块分别与所述动力系统的、所述执行系统的机械臂、自动密封一体机、末端执行器连接，协调控制电机、机械臂、自动密封一体机、末端执行器运行，并实现远程无线通讯；
所述监测控制模块包括安装在机械臂末端的视觉系统，使用视觉系统对所述机械臂进行位置确定与远程监视，并通过无线模块进行远程通讯。
所述电机控制模块包括电源单元、继电器单元、主控单元、通讯单元，所述电源单元和所述继电器单元、所述主控单元进行连接用于供电，所述主控单元经继电器单元和执行系统通信连接。
二、一种用于养殖场动物唾液样本无人化采集的方法：
采用上述机器人，将机器人倒挂安装，机械臂的末端执行器移动至对应采集位置，结构支架上一侧的一个单向插入式样本收纳盘作为未采集收纳盘，未采集收纳盘中放置未采集动物唾液样本的采集包，所述机械臂通过所述末端执行器从未采集收纳盘中抓取未采集动物唾液样本的采集包的联接器另一端，将采集包运送至栅栏内使动物咀嚼采集包吸收唾液到采集包中，通过机械臂上的所述视觉系统监视采集过程并判断采集情况，当采集达到预定标准后，所述机械臂将所述采集包运送至所述自动密封一体机中进行套袋及密封处理，完成后所述机械臂将采集包插入另一块单向插入式样本收纳盘中。
本发明机器人倒挂于导轨上，前后两端安置两块单向插入式样本收纳盘，呈相反插入方向放置；采集包尾部固定一联接器用于夹取和缓冲；机器人安装一机械臂和一自动密封一体机对采集包进行抓取、自动套袋及密封；机器人侧部安装视觉系统进行机械臂定位及实时监控；控制电路板与机械臂、视觉系统连接，并采用无线模块进行数据收发，实现远程监控及操作。
本发明实现疫病流行期间集中式畜牧养殖场的无人化检疫流程，大大缩短检疫时间，降低检疫流程复杂度、消毒难度、样本污染可能性，并通过无线数据传输远程监控采集过程，便于管理人员及时做出响应。
本发明具有的有益效果是：
1、本发明实现在畜禽养殖场进行全自动无人化检疫工作，基于倒挂式导轨行走方式，避免地面空间占用，同时针对疫情期间人员进出困难，采用无人化设备可大大简化检疫流程，降低消毒难度，降低养殖场检疫成本。
2、本发明可实现对象动物的无损检疫，通过采集唾液进行采集，无需破损动物外皮，有效避免交叉感染，同时可以进行采集、封装一体化操作，减小样品污染可能性，有利于后续检疫。
3、本发明采用机械臂与视觉系统结合操控，可结合深度学习针对不同使用场景、不同检疫对象、不同咬饵样本更改操控逻辑从而适配不同工作情况，具有较好的普适性。
4、本发明实现了采集包的模块化收纳，便于人员装卸采集包以及收纳盘，并且单向插入式样本收纳盘采用自锁结构减少机械臂操控步骤，简化机械臂操控逻辑。
5、本发明通过蓝牙或Wi-Fi等通讯模块与养殖场主控系统进行远程无线通讯，实现远程监控与远程操控，降低养殖场管理难度。
附图说明
图1是本发明的三维等轴测示意图。
图2是本发明的机器人动力系统三维示意图。
图3是本发明的单向插入式样本收纳盘三维示意图。
图4是本发明采集时采集包和联接器的布置示意图。
图5是本发明的采集包捆扎联接器和末端执行器抓取三维等轴测示意图。
图6是本发明的采集包内部内容物示意图。
图7是本发明的电机控制系统的结构连接示意图。
图中：结构支架0、电机1、齿轮组2、轮轴3、导轨4、机械臂5、采集包 6、自动密封一体机7、单向插入式样本收纳盘8、视觉系统9、轮10、轴承11、末端执行器12、联接器13、导向槽14、挡板15、圆柄16、饵料17、传感模块 18。
具体实施方式
下面结合说明书附图，对本发明做进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。
如图1所示，机器人包括结构支架0、动力系统、执行系统、样本收纳系统和控制系统；
结构支架0，作为机器人的主体；
动力系统，安装在结构支架0上，用于驱动结构支架0沿水平移动；
执行系统，安装在结构支架0上，用于对样本收纳系统中的采集包6进行抓取、移动；
样本收纳系统，一部分安装在结构支架0上，另一部分安装在执行系统上，用于动物唾液样本采集入采集包6中并收纳；
控制系统，分别和动力系统、执行系统电连接，控制动力系统、执行系统的工作，实现远程养殖场动物唾液样本无人化采集。
如图2所示，动力系统包括电机1、齿轮组2、轮轴组件和导轨4，动力系统采用电机1为动力源，通过齿轮组2、轮轴3进行动力传输，实现机器人在导轨4上的行进。
两根导轨4平行间隔布置在结构支架0的两侧，结构支架0的两侧均设置一个轮轴组件，经轮轴组件滚动连接到两根导轨4之间；轮轴组件包括轮轴3 和轮10，轮轴3通过轴承11穿设安装于结构支架0，轮轴3的两端均固定套装有轮10，轮轴3两端的轮10分别滚动安装于两根导轨4，其中一个轮轴组件中的轮轴3经齿轮组2和电机1输出轴连接，电机1和齿轮组2均安装在结构支架0内部。
电机1通过齿轮组2输出动力至轮轴3和轮10，轮10在导轨4滚动进而驱动机器人前进。
电机1可以使用但不限于步进电机、直流电机和伺服电机；
轮10的轮踏面可有特定倾角，吻合导轨4进行滚动。
如图1和图5所示，执行系统包括机械臂5、自动密封一体机7、末端执行器12，机械臂5和自动密封一体机7均安装在结构支架0底面上，机械臂5朝下作业，末端执行器12安装在机械臂5末端。采用机械臂5实现对采集包6的拿取、递送工作，并使用自动密封一体机7实现对样本的自动一体化封装工作。
末端执行器12用于实现对采集包6上端的联接器13的抓取、固定，自动密封一体机7用于通过吸盘吸取密封袋包合采集包6并将其密封，防止样本污染。
样本收纳系统包括采集包6、联接器13、单向插入式样本收纳盘8；样本收纳系统实现对采集包6在单方向上的限位，便于机械臂5抽取全新采集包6和封装后的采集包6。
如图4所示，采集包6固定连接联接器13一端，联接器13竖直布置，联接器13另一端用于被执行系统的末端执行器12抓取或者固定于单向插入式样本收纳盘8；采集包6与联接器13在尾部捆扎固定，可被末端执行器12方便地抓取、固定。
如图3所示，单向插入式样本收纳盘8安装在结构支架0上，单向插入式样本收纳盘8上开设多个阵列排布的导向槽14，每个导向槽14中均安装一个可旋转开合的两扇挡板15，采集包6穿过两扇挡板15后被装入导向槽14中。
单向插入式样本收纳盘8设置有两个，分别位于执行系统的机械臂5两侧的结构支架0上，一个单向插入式样本收纳盘8用于作为未采集动物唾液样本的采集包6的收纳，另一个单向插入式样本收纳盘8用于作为已采集动物唾液样本的采集包6的收纳，。
挡板15在外力作用下只能单向内翻打开导向槽14，这样采集包6封装后在两扇挡板15打开后进入单向插入式样本收纳盘8的导向槽14中，两扇挡板15 再关上。由此通过两扇挡板15的单向内翻确保采集包6不因自重掉落，在采集包6封装后可使机械臂5将其插入单向插入式样本收纳盘8后无法掉出。
单向插入式样本收纳盘8以水平插装入结构支架0侧面的水平槽的方式安装在结构支架0上。具体实施中，单向插入式样本收纳盘8两侧设计有圆柄16，圆柄16伸出于结构支架0，圆柄16方便上下架和固定。
如图7所示，控制系统包括电机控制模块、监测控制模块；
电机控制模块分别与动力系统的、执行系统的机械臂5、自动密封一体机7、末端执行器12连接，协调控制电机1、机械臂5、自动密封一体机7、末端执行器12运行，并实现远程无线通讯；
监测控制模块包括安装在机械臂5末端的视觉系统9，使用视觉系统9对机械臂5进行位置确定与远程监视，并通过无线模块进行远程通讯。
如图7所示，电机控制模块包括电源单元、继电器单元、主控单元、通讯单元，电源单元和继电器单元、主控单元进行连接用于供电，主控单元经继电器单元和执行系统通信连接，主控单元通过继电器单元对执行系统进行控制。通讯单元使用无线设备，包括但不限于蓝牙和Wi-Fi设备，进行通讯。
监测控制模块使用视觉系统9对机械臂5进行位置确定与远程监视，并判断采集情况进行自主决策，包括但不局限于深度学习决策方法，同时使用无线通讯设备，包括但不限于蓝牙和Wi-Fi设备，连接进行采集过程的远程监视与决策。
如图6所示，采集包6根据检测对象的特性进行特殊设计，包括外层、中间层和里层，外层布置饵料17且用纱布和脱脂棉包裹，中间层设置韧性材料，里层布置无线信号传输功能传感模块18；采集包6的外层的饵料可以为动物诱食剂、唾液保护剂等试剂，用于诱导畜禽进行咀嚼并收集和保护唾液；里层增设无线信号传输功能传感模块18，包括但不限于压力传感器、电导率传感器、弯曲传感器等，用于判断检测对象是否发生咀嚼行为，用于解决畜禽不易控制的咀嚼情况。
在外层和里层之间增加采用韧性材料制备的中间层，包括但不限于橡胶、硅胶、聚二甲基硅氧烷PDMS等材料，保护无线信号传输功能传感模块18。
本发明的具体实施工作过程如下：
采用机器人，将机器人倒挂安装，机械臂5的末端执行器12移动至对应采集位置，结构支架0上一侧的一个单向插入式样本收纳盘8作为未采集收纳盘，未采集收纳盘中放置未采集动物唾液样本的采集包6，机械臂5通过末端执行器12从未采集收纳盘中抓取未采集动物唾液样本的采集包6的联接器13另一端，机械臂5将采集包6和联接器13上下颠倒后，如图5所示，将采集包6运送至栅栏内使动物咀嚼采集包6吸收唾液到采集包6中，通过机械臂5上的视觉系统9监视采集过程并判断采集情况，当采集达到预定标准后，机械臂5将采集包6和联接器13上下颠倒后，机械臂5将采集包6运送至自动密封一体机7中进行套袋及密封处理以避免样本污染，密封完成后机械臂5将采集包6插入另一块单向插入式样本收纳盘8中，由此实现单头动物唾液样本采集工作。
上述具体实施方式是用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改版，都落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种用于养殖场动物唾液样本无人化采集的机器人，其特征在于：包括结构支架(0)、动力系统、执行系统、样本收纳系统和控制系统；
结构支架(0)，作为机器人的主体；
所述动力系统，安装在结构支架(0)上，用于驱动结构支架(0)沿水平移动；
所述执行系统，安装在结构支架(0)上，用于对样本收纳系统中的采集包(6)进行抓取、移动；
所述样本收纳系统，一部分安装在结构支架(0)上，另一部分安装在执行系统上，用于动物唾液样本采集入采集包(6)中并收纳；
所述控制系统，分别和动力系统、执行系统电连接，控制动力系统、执行系统的工作，实现远程养殖场动物唾液样本无人化采集。
2.根据权利要求1所述的一种用于养殖场动物唾液样本无人化采集的机器人，其特征在于：所述动力系统包括电机(1)、齿轮组(2)、轮轴组件和导轨(4)，两根导轨(4)平行间隔布置在结构支架(0)的两侧，结构支架(0)的两侧均设置一个轮轴组件，经轮轴组件滚动连接到两根导轨(4)之间；轮轴组件包括轮轴(3)和轮(10)，轮轴(3)通过轴承(11)穿设安装于结构支架(0)，轮轴(3)的两端均固定套装有轮(10)，轮轴(3)两端的轮(10)分别滚动安装于两根导轨(4)，其中一个轮轴组件中的轮轴(3)经齿轮组(2)和电机(1)输出轴连接。
3.根据权利要求1所述的一种用于养殖场动物唾液样本无人化采集的机器人，其特征在于：所述执行系统包括机械臂(5)、自动密封一体机(7)、末端执行器(12)，机械臂(5)和自动密封一体机(7)均安装在所述结构支架(0)底面上，末端执行器(12)安装在机械臂(5)末端。
4.根据权利要求1所述的一种用于养殖场动物唾液样本无人化采集的机器人，其特征在于：所述样本收纳系统包括采集包(6)、联接器(13)、单向插入式样本收纳盘(8)；采集包(6)固定连接联接器(13)一端，联接器(13)另一端用于被执行系统的末端执行器(12)抓取或者固定于单向插入式样本收纳盘(8)；
单向插入式样本收纳盘(8)安装在结构支架(0)上，所述单向插入式样本收纳盘(8)上开设多个阵列排布的导向槽(14)，每个导向槽(14)中均安装一个可旋转开合的两扇挡板(15)，采集包(6)穿过两扇挡板(15)后被装入导向槽(14)中。
5.根据权利要求4所述的一种用于养殖场动物唾液样本无人化采集的机器人，其特征在于：所述的单向插入式样本收纳盘(8)设置有两个，分别位于执行系统的机械臂(5)两侧的结构支架(0)上，一个单向插入式样本收纳盘(8)用于作为未采集动物唾液样本的采集包(6)的收纳，另一个单向插入式样本收纳盘(8)用于作为已采集动物唾液样本的采集包(6)的收纳，。
6.根据权利要求4所述的一种用于养殖场动物唾液样本无人化采集的机器人，其特征在于：所述的挡板(15)在外力作用下只能单向内翻打开导向槽(14)。
7.根据权利要求4所述的一种用于养殖场动物唾液样本无人化采集的机器人，其特征在于：所述的单向插入式样本收纳盘(8)以水平插装入结构支架(0)侧面的水平槽的方式安装在结构支架(0)上。
8.根据权利要求1所述的一种用于养殖场动物唾液样本无人化采集的机器人，其特征在于：所述电机控制模块分别与所述动力系统的、所述执行系统的机械臂(5)、自动密封一体机(7)、末端执行器(12)连接，协调控制电机(1)、机械臂(5)、自动密封一体机(7)、末端执行器(12)运行，并实现远程无线通讯；
所述监测控制模块包括安装在机械臂(5)末端的视觉系统(9)，使用视觉系统(9)对所述机械臂(5)进行位置确定与远程监视，并通过无线模块进行远程通讯。
9.根据权利要求8所述的一种用于养殖场动物唾液样本无人化采集的机器人，其特征在于：所述电机控制模块包括电源单元、继电器单元、主控单元、通讯单元，所述电源单元和所述继电器单元、所述主控单元进行连接用于供电，所述主控单元经继电器单元和执行系统通信连接。
10.应用于权利要求1-9任一所述机器人的一种用于养殖场动物唾液样本无人化采集的方法，其特征在于：采用权利要求1-9任一所述机器人，将机器人倒挂安装，机械臂(5)的末端执行器(12)移动至对应采集位置，结构支架(0)上一侧的一个单向插入式样本收纳盘(8)作为未采集收纳盘，未采集收纳盘中放置未采集动物唾液样本的采集包(6)，所述机械臂(5)通过所述末端执行器(12)从未采集收纳盘中抓取未采集动物唾液样本的采集包(6)的联接器(13)另一端，将采集包(6)运送至栅栏内使动物咀嚼采集包(6)吸收唾液到采集包(6)中，通过机械臂(5)上的所述视觉系统(9)监视采集过程并判断采集情况，当采集达到预定标准后，所述机械臂(5)将所述采集包(6)运送至所述自动密封一体机(7)中进行套袋及密封处理，完成后所述机械臂(5)将采集包(6)插入另一块单向插入式样本收纳盘(8)中。
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