一种奶牛自动清洁消毒系统及清洁消毒方法与流程

本发明涉及一种自动清洁消毒系统及清洁消毒方法，特别是关于一种在家畜领域中使用的奶牛自动清洁消毒系统及清洁消毒方法。

背景技术：

目前，我国2000头以上规模的牛场，主要采用转盘式挤奶台。其中，前药浴和后药浴均为人工作业环节，不但人工成本高、作业强度大，而且不易做到标准化，并易带来消毒安全隐患。国外药浴环节的自动化清洁消毒方法主要包括两种：第一种是基于挤奶站的清洁消毒方法，该清洁消毒方法与自动挤奶机器人相结合，即在挤奶站中，利用激光技术进行识别，控制机械臂进行清洁消毒和上奶杯等操作；第二种是基于转盘式挤奶台的清洁消毒方法，该方法针对挤奶转台设计的单独药浴设备，在挤奶台转动过程中，通过TOF(Time of Flight)深度相机获取奶牛乳房位置信息，控制机械臂进行清洁消毒操作。这两种方法还无法解决国内转盘式挤奶台系统中的清洁消毒问题。

基于挤奶站的清洁消毒方法，缺点在于：该方法每次只能对一头奶牛进行清洁、药浴和挤奶操作，所以该方法会影响挤奶效率，适合规模较小、自动化程度高的牧场。如果配备多台自动化挤奶设备，设备间协调问题较为复杂，且安装成本较高。基于转盘式挤奶台的清洁消毒方法，缺点在于：挤奶台在旋转过程中，药浴操作时间短，不仅对系统实时性要求高，而且不能提供足够的时间使药浴液发挥药效。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种奶牛自动清洁消毒系统及清洁消毒方法，其操作简便、有效降低挤奶劳动力成本，提高安全性。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种奶牛自动清洁消毒系统，其特征在于它包括转群通道、待挤区、消毒通道、清洁消毒系统、问题牛处置通道、挤奶区、返回通道和消毒系统；所述转群通道与所述待挤区一端连通，所述待挤区另一端与所述消毒通道的一端连通，所述消毒通道上设置有所述清洁消毒系统，所述清洁消毒系统的一侧与所述问题牛处置通道一端连通，所述消毒通道的另一端与所述挤奶区连通，所述返回通道一端也与所述挤奶区连通，所述返回通道上设置有所述消毒系统，所述返回通道另一端与所述转群通道连通。

优选地，所述清洁消毒系统由前闸门、后闸门、分离门、门禁模块、钢架支撑结构、无线传输模块、读卡模块、机械臂、机械执行控制模块、图像采集与处理模块和清洁消毒单元构成；所述清洁消毒系统中离所述挤奶区较近的一侧设置有所述前闸门，所述清洁消毒系统中离所述待挤区较近的一侧设置有所述后闸门，所述清洁消毒系统中与所述问题牛处置通道连通的一侧设置有所述分离门，所述前闸门、所述后闸门和所述分离门均由所述门禁模块控制其开、关动作；所述清洁消毒系统中与所述返回通道相邻的一侧设置有所述钢架支撑结构，所述钢架支撑结构的前端设置所述无线传输模块，所述无线传输模块紧邻设置有所述读卡模块，在所述钢架支撑结构上设置有所述机械臂，所述机械臂的末端设置有所述机械执行控制模块，所述机械执行控制模块上设置有所述图像采集与处理模块和四个支架，所述机械执行控制模块与设置在四个支架上的所述清洁消毒单元均电连接，所述门禁模块、所述读卡模块、所述机械执行控制模块和所述图像采集与处理模块均与所述无线传输模块电连接，所述无线传输模块收集到的信息传输至外部上位机。

优选地，所述消毒系统与所述清洁消毒系统结构相似，所述消毒系统不设置所述分离门，所述消毒系统中设置的消毒单元替换清洁消毒系统中所述清洁消毒单元。

优选地，所述清洁消毒单元采用喷淋和擦拭方式，所述机械执行控制模块控制四个所述清洁消毒单元的角度和位置；所述机械执行控制模块控制所述机械臂在所述钢架支撑结构上滑动和转向。

优选地，所述前闸门和所述后闸门上均设置有感应装置。

优选地，所述读卡模块采取射频识别技术。

优选地，所述图像采集与处理模块采用双目视觉与单目视觉相结合的方式，其中，单目视觉采用红外热成像技术。

一种奶牛清洁消毒方法，其特征在于它具体步骤如下：1)奶牛进入消毒通道后，通过感应装置，门禁模块控制开启后闸门，使奶牛进入清洁消毒系统；2)通过前闸门的感应装置，判断奶牛是否进入清洁消毒系统，如果奶牛进入清洁消毒系统，则关闭后闸门，否则，返回步骤1)；3)读卡模块对奶牛耳朵上的电子标签进行识别，并获取该奶牛的个体信息，通过无线传输模块将信息传输至外部上位机；4)上位机提取奶厅数据库中该奶牛的信息，如果符合挤奶要求，上位机向机械执行控制模块发送信息；否则，上位机向门禁模块发送控制信息，门禁模块控制打开分离门，使奶牛进入问题牛处置通道后，关闭分离门，并返回步骤1)；5)机械执行控制模块控制机械臂移动至奶牛腹部位置，图像采集与处理模块对奶牛乳头进行图像信息采集，获取奶牛乳头三维空间信息并传输至上位机；6)上位机向机械执行控制模块发送信息，机械执行控制模块控制机械臂，把四个清洁消毒单元均移动至奶牛乳头位置处；7)机械控制执行模块控制四个清洁消毒单元对奶牛乳头进行清洁和药浴操作；8)如果完成清洁和药浴操作，则上位机向机械执行控制模块和门禁模块发送信息，否则，返回步骤7)；9)机械执行控制模块控制机械臂移动到初始状态，门禁模块控制打开前闸门，使奶牛进入挤奶区后，关闭前闸门。

优选地，所述步骤5)中，上位机得到奶牛乳头的三维坐标信息的具体步骤如下：1)图像采集与处理模块获取奶牛乳头的图像信息；2)对获得的图像信息进行判断，如果成功获取图像信息则进入下一步，否则返回步骤1)；3)根据奶牛乳区的温度和形状特征，使用阈值分割或边缘分割方法，在图像中分割出乳区信息；4)根据奶牛乳头的轮廓特征和纹理特征，使用支持向量机、神经网络或聚类算法方法，在图像中识别奶牛乳头的外形轮廓、位姿信息；5)计算出奶牛各个乳头的三维坐标，并将三维坐标信息传输至上位机。

优选地，所述机械臂和所述清洁消毒单元运动的具体步骤如下：1)机械控制执行模块初始化机械臂；2)判断CAN总线接收中断标志是否为1，如果CAN总线接收中断标志为1，则进行下一步；否则，则返回步骤1)；3)判断四个清洁消毒单元是否接收完，如果四个清洁消毒单元接受完，则进行下一步；否则，则返回步骤1)；4)上位机通过CAN总线发送所规划的运动参数，规划机械臂从非工作状态初始位姿转换至工作状态初始位姿的轨迹；5)上位机通过CAN总线发送所规划的运动参数，规划四个清洁消毒单元由非工作状态初始位姿到工作状态初始位姿的轨迹；6)上位机通过图像采集与处理模块获取目标奶牛乳头的三维坐标；7)上位机向机械控制执行模块发送信息，机械控制执行模块控制机械臂和四个清洁消毒单元运动至目标点；8)机械控制执行模块控制四个清洁消毒单元对奶牛乳头进行清洁操作和药浴操作；9)通过CAN总线发送所规划的运动参数，上位机规划机械臂和四个清洁消毒单元从目标点到非工作状态初始位姿的轨迹；10)机械控制执行模块控制机械臂和四个清洁消毒单元恢复到初始位姿，等待下一次奶牛清洗消毒操作。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明采用奶牛自动清洁消毒系统，可在现有的旋转式挤奶设备基础上，进行配套使用，替代挤奶转台中的前药浴和后药浴的人工作业环节，有效降低挤奶劳动力成本，便于清洁消毒环节的标准化操作，提高安全性，克服了挤奶转台因消毒环节停留时间造成的间断性运行问题。2、本发明采用奶牛自动清洁消毒系统，整体空间布局紧凑、结构合理，易于功能扩展、方便移植。3、本发明采用奶牛自动清洁消毒系统，可以和体重监测、体况评估、体温监测等技术相结合，采集奶牛个体综合信息，便于牧场管理。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图；

图2是本发明的清洁消毒系统结构示意图；

图3是本发明的清洁消毒系统流程结构图；

图4是本发明的图像处理流程示意图；

图5是本发明的机械臂和清洁消毒单元运动流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明提供一种奶牛自动清洁消毒系统，其包括转群通道1、待挤区2、消毒通道3、清洁消毒系统4、问题牛处置通道5、挤奶区6、返回通道7和消毒系统8。转群通道1与待挤区2一端连通，待挤区2另一端与消毒通道3的一端连通，消毒通道3上设置有清洁消毒系统4，用于挤奶前对奶牛进行清洁和药浴，清洁消毒系统4的一侧与问题牛处置通道5一端连通，用于将不符合挤奶要求的奶牛通过问题牛处置通道5离开，消毒通道3的另一端与挤奶区6连通，返回通道7一端也与挤奶区6连通，返回通道7上设置有消毒系统8，用于将挤完奶的奶牛进行药浴，返回通道7另一端与转群通道1连通，通过转群通道1将奶牛送回牛舍。奶牛从牛舍中通过转群通道1进入待挤区2，然后进入消毒通道3的清洁消毒系统4处，其中，不符合挤奶要求的奶牛通过问题牛处置通道5离开；符合挤奶要求的奶牛经过清洁和药浴处理之后，奶牛进入挤奶区6进行挤奶操作，挤奶完成后，奶牛进入返回通道7中的消毒系统8进行药浴处理，最后从转群通道1回牛舍。

上述实施例中，如图2所示，清洁消毒系统4由前闸门9、后闸门10、分离门11、门禁模块、钢架支撑结构12、无线传输模块13、读卡模块14、机械臂15、机械执行控制模块16、图像采集与处理模块17和清洁消毒单元18构成。清洁消毒系统4中离挤奶区6较近的一侧设置有前闸门9，清洁消毒系统4中离待挤区2较近的一侧设置有后闸门10，清洁消毒系统4中与问题牛处置通道5连通的一侧设置有分离门11，用于将不符合挤奶条件的奶牛送入问题牛处置通道5，前闸门9、后闸门10、分离门11均由门禁模块控制其开、关动作。清洁消毒系统4中与返回通道7相邻的一侧设置有钢架支撑结构12，钢架支撑结构12的前端设置无线传输模块13，无线传输模块13紧邻设置有读卡模块14，用于读取奶牛的个体信息，在钢架支撑结构12上设置有机械臂15，机械臂15可以在钢架支撑结构12上滑动和转向，机械臂15的末端设置有机械执行控制模块16，机械执行控制模块16上设置有图像采集与处理模块17和四个支架，机械执行控制模块16与设置在四个支架上的清洁消毒单元18均电连接，用于控制四个清洁消毒单元18进行清洁和药浴，门禁模块、读卡模块14、机械执行控制模块16和图像采集与处理模块17均与无线传输模块13电连接，无线传输模块13收集到的信息传输至外部上位机。

上述各实施例中，消毒系统8与清洁消毒系统4结构相似，消毒系统8中不需要对奶牛进行是否符合挤奶要求判断，消毒系统8不用设置分离门11，消毒系统8中设置消毒单元替换清洁消毒系统4中的清洁消毒单元18，消毒单元只对奶牛进行药浴操作。

上述各实施例中，清洁消毒单元18采用喷淋、擦拭等方式，对奶牛乳头进行清洁和药浴，机械执行控制模块16控制四个清洁消毒单元18的角度和位置。

上述各实施例中，机械执行控制模块16控制机械臂15在钢架支撑结构12上滑动和转向。

上述各实施例中，前闸门9和后闸门10上均设置有感应装置，用于判断前闸门9和后闸门10的前面是否有奶牛。

上述各实施例中，读卡模块14采用射频识别技术，获取奶牛耳朵上的电子标签19内的奶牛信息。

上述各实施例中，图像采集与处理模块17采用双目视觉与单目视觉相结合的方式，实现对奶牛乳头的动态定位与跟踪，获得奶牛乳头轮廓和深度信息，有效克服清洁消毒过程中因奶牛晃动带来的定位不准、操作失败的问题。其中，单目视觉采用红外热成像技术，可以获得奶牛乳区温度数据，方便进行温度特征分析，有助于帮助奶牛乳房炎诊断。

如图3所示，基于上述系统，本发明还提供一种奶牛清洁消毒方法，其具体步骤如下：

1)奶牛进入消毒通道后，通过感应装置，门禁模块控制开启后闸门，使奶牛进入清洁消毒系统；

2)通过前闸门的感应装置，判断奶牛是否进入清洁消毒系统，如果奶牛进入清洁消毒系统，则关闭后闸门，否则，返回步骤1)；

3)读卡模块对奶牛耳朵上的电子标签进行识别，并获取该奶牛的个体信息，通过无线传输模块将信息传输至外部上位机；

4)上位机提取奶厅数据库中该奶牛的信息，如果符合挤奶要求，上位机向机械执行控制模块发送信息；否则，上位机向门禁模块发送控制信息，门禁模块控制打开分离门，使奶牛进入问题牛处置通道后，关闭分离门，并返回步骤1)；

5)机械执行控制模块控制机械臂移动至奶牛腹部位置，图像采集与处理模块对奶牛乳头进行图像信息采集，获取奶牛乳头三维空间信息并传输至上位机；

6)上位机向机械执行控制模块发送信息，机械执行控制模块控制机械臂，把四个清洁消毒单元均移动至奶牛乳头位置处；

7)机械控制执行模块控制四个清洁消毒单元对奶牛乳头进行清洁和药浴操作；

8)如果完成清洁和药浴操作，则上位机向机械执行控制模块和门禁模块发送信息，否则，返回步骤7)；

9)机械执行控制模块控制机械臂移动到初始状态，门禁模块控制打开前闸门，使奶牛进入挤奶区后，关闭前闸门。

如图4所示，上述步骤5)中，上位机得到奶牛乳头的三维坐标信息的具体步骤如下：

1)图像采集与处理模块获取奶牛乳头的图像信息；

2)对获得的图像信息进行判断，如果成功获取图像信息则进入下一步，否则返回步骤1)；

3)根据奶牛乳区的温度和形状特征，使用阈值分割或边缘分割方法，在图像中分割出乳区信息；

4)根据奶牛乳头的轮廓特征和纹理特征，使用支持向量机、神经网络或聚类算法等方法，在图像中识别奶牛乳头的外形轮廓、位姿等信息；

5)计算出奶牛各个乳头的三维坐标，并将三维坐标信息传输至上位机。

如图5所示，机械臂和清洁消毒单元运动的具体步骤如下：

1)机械控制执行模块初始化机械臂；

2)判断CAN总线接收中断标志是否为1，如果CAN总线接收中断标志为1，则进行下一步；否则，则返回步骤1)；

3)判断四个清洁消毒单元是否接收完，如果四个清洁消毒单元接受完，则进行下一步；否则，则返回步骤1)；

4)上位机通过CAN总线发送所规划的运动参数，规划机械臂从非工作状态初始位姿转换至工作状态初始位姿的轨迹；

5)上位机通过CAN总线发送所规划的运动参数，规划四个清洁消毒单元由非工作状态初始位姿到工作状态初始位姿的轨迹；

6)上位机通过图像采集与处理模块获取目标奶牛乳头的三维坐标；

7)上位机向机械控制执行模块发送信息，机械控制执行模块控制机械臂和四个清洁消毒单元运动至目标点；

8)机械控制执行模块控制四个清洁消毒单元对奶牛乳头进行清洁操作和药浴操作；

9)通过CAN总线发送所规划的运动参数，上位机规划机械臂和四个清洁消毒单元从目标点到非工作状态初始位姿的轨迹；

10)机械控制执行模块控制机械臂和四个清洁消毒单元恢复到初始位姿，等待下一次奶牛清洗消毒操作。

上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。