CN112975962B - 一种奶牛辅助饲喂机器人及辅助饲喂方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种奶牛辅助饲喂机器人及辅助饲喂方法，所述奶牛辅助饲喂机器人包括移动底盘、控制***、安装在底盘一侧的推料匀料装置和图像采集***；所述图像采集***将采集到的数据传输至控制***；所述控制***根据采集到的数据规划移动底盘的行进路径和控制推料匀料装置进行推料；所述推料匀料装置包括丝杠连杆机构以及安装在丝杠连杆机构上的推料机构；所述丝杠连杆机构包括滑块步进电机、丝杠、滑块、直线导轨以及安装在滑块上的六杆机构；所述滑块安装在丝杠上，所述滑块步进电机与丝杠连接直接驱动丝杠，通过控制滑块步进电机转动的圈数和方向，使滑块在直线导轨上来回移动，从而带动六杆机构运动，改变推料机构的位姿。

Description

一种奶牛辅助饲喂机器人及辅助饲喂方法

技术领域

本发明涉及奶牛饲喂领域，具体涉及一种奶牛辅助饲喂机器人及辅助饲喂方法，用于奶牛饲料的推料及转运。

背景技术

奶牛饲喂是奶牛养殖业中的一个重要环节，奶牛的进食状况直接影响到牛奶的产量和质量，现阶段我国的奶牛饲喂方式可分为三种，传统人工饲喂、TMR饲喂及机器人饲喂。三种饲喂方式的共同点是将饲料均匀撒在料槽上，由奶牛自主进食。

奶牛在进食的时候会将一部分饲料推到料槽外，导致这一部分的饲料因距离过远而无法被采食，这时需要定期地用人工或者用机器来将这一部分的饲料推回到料槽上。在一次投料的后期，有的地方的饲料已经被采食完毕，这些地方的奶牛没有饲料可以吃；而有的地方饲料还有富余却没有奶牛吃，这时也需要人工来将富余的饲料转运到有需要的地方。

目前奶牛场的常用的处理方法是人工去推饲料和转运饲料；或者人驾驶改造后的车辆去推料和转运饲料，这两种方法耗费大量的人力物力，且噪声大。现有的奶牛推料机器人大多通过自转等方式只能完成推料这一过程，如焦盼德等人在专利奶牛智能推料机器人的研制中，通过机器人的筒形外壳的旋转来实现推料，推料的速度较低，而且无法对饲料进行转运。

发明内容

针对以上问题，本发明提供一种奶牛辅助饲喂机器人及一种辅助饲喂方法，适用于规模化养殖的奶牛场，该机器人能够快速的将料槽外侧边缘的饲料推回到料槽内侧，对饲料进行搅拌，或者将饲料转运到有需要的地方，提高奶牛饲喂的效率，改善奶牛的进食状况。

本发明至少通过如下技术方案之一实现。

一种奶牛辅助饲喂机器人，包括移动底盘、控制***、安装在移动底盘一侧的推料匀料装置和图像采集***；

所述图像采集***将采集到的数据传输至所述控制***；

所述控制***根据采集到的数据规划所述移动底盘的行进路径和控制所述推料匀料装置进行推料；

所述推料匀料装置包括丝杠连杆机构以及安装在丝杠连杆机构上的推料机构。

优选的，所述丝杠连杆机构安装在所述移动底盘的一侧，所述丝杠连杆机构包括滑块步进电机、丝杠、滑块、直线导轨以及安装在所述滑块上的六杆机构；所述滑块安装在所述丝杠上，所述滑块步进电机与所述丝杠连接；控制所述滑块步进电机转动的圈数和方向，使所述滑块在所述直线导轨上来回移动，从而带动六杆机构运动。

优选的，所述六杆机构包括第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆和固定支架；所述六杆机构只有一个自由度，所述第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆依次连接，所述第一连杆和所述第四连杆的一端均固定在所述滑块上，所述滑块的位置决定整个六杆机构的位姿。

优选的，所述推料机构包括下推料板、上推料板、推料步进电机，所述下推料板与所述上推料板滑动连接；所述上推料板固定在所述第三连杆上；所述下推料板在所述推料步进电机的推动下相对所述上推料板上下滑动；所述推料机构与所述移动底盘的夹角能够改变。

优选的，所述下推料板的下边缘与所述上推料板上边缘的高度差范围在25-30cm之间。

优选的，所述图像采集***包括路况识别摄像头、全景摄像头、奶牛检测识别摄像头；所述路况识别摄像头安装在所述移动底盘前部，朝移动底盘的前进方向；所述奶牛检测识别摄像头安装在所述移动底盘前部，朝奶牛一侧；所述全景摄像头通过支架安装在所述移动底盘正上方，朝向地面。

优选的，所述控制***包括安装有独立显卡的计算机、下位机、通讯模块。

一种辅助饲喂机器人的辅助饲喂方法，包括两个饲喂阶段，第一个阶段包括规划机器人的前进路线以及实现推料工作；第二个阶段用于控制推料机构与移动底盘的夹角。

优选的，第一个阶段包括以下步骤：

1)、所述控制***为机器人规划前进的路线，控制机器人运动到料槽起始区域，所述路况识别摄像头获取机器人前方的图像信息，所述推料匀料装置准备开始推料工作；

2)、所述滑块步进电机驱动所述滑块滑动，使所述六杆机构的位姿发生改变，所述滑块步进电机旋转使得所述第三连杆与所述移动底盘形成夹角，进而推料机构与所述移动底盘也呈夹角；

3)、所述推料步进电机驱动所述下推料板相对所述上推料板向下滑动，直到橡胶条与地面紧密接触，机器人沿着机器人行进路线移动；机器人在行进的过程中，推料机构将料槽外侧边缘的饲料推到料槽的内侧；同时在推的过程中，饲料在推料机构上不停堆积，之后饲料沿所述上推料板的上边缘流出，翻滚到推料机构的另一侧，有饲料搅拌的作用；在机器人完成一次推料后，机器人回到待机区域，所述推料步进电机将所述下推料板升起，使下推料板下侧边缘的橡胶条离开地面，推料匀料装置收回，使推料机构呈收回状态；

4)、在机器人行进的过程中，所述奶牛检测识别摄像头识别每个颈夹上方的二维码，每个二维码对应该处的位置信息，通过识别二维码获得机器人所处的位置；所述图像采集***拍摄整个饲喂过程，并通过无线网络通讯将拍摄内容实时传送至控制室；

5)、重复以上过程，直到部分奶牛无法吃到饲料；

在第二个阶段，所述推料机构与车身的初始夹角为N⁰，在机器人行进过程中，饲料不断堆积在推料机构上，实现饲料的收集；

所述奶牛检测识别摄像头获取颈夹处的视频信息，计算机通过深度学习的方法对视频进行处理，检测所述颈夹处是否有奶牛，并以此作为该处是否有奶牛在等待进食的依据；如果该处没有奶牛在等待进食，则推料机构保持N⁰夹角不变，继续收集饲料；如果该处检测到有奶牛，则说明有奶牛在等待进食，则计算机发送指令给下位机，下位机进一步控制所述滑块步进电机运动，推料机构与车身的夹角减小，使得收集的一部分饲料滑落到该处，为该处的奶牛补充饲料；接着机器人继续前进，如果前方没有奶牛在等待进食，则推料机构与车身的夹角增加至N⁰，以继续收集残余、分散的饲料；重复上述过程，直至机器人走到终点，之后机器人回到待机区域。

优选的，所述控制***通过磁导航的方式为机器人规划前进的路线。

相比现有的技术，本发明具有以下特点：

1.无需人工干预，可以自动地完成饲喂过程。在突发状况时可以人工接管机器人；

2.相比现有的通过旋转等方式完成推料的机器人，本发明通过倾斜的推料机构来推料，较大地提高了推料的效率；

3.饲料转运的功能，可以将某些地方剩余的饲料收集转运到有需要的地方。

附图说明

图1为本实施例奶牛辅助饲喂机器人整体示意图；

图2为本实施例奶牛辅助饲喂机器人的俯视图；

图3为本实施例奶牛辅助饲喂机器人的移动底盘结构示意图；

图4为本实施例丝杠-连杆机构和推料机构示意图；

图5为本实施例推料机构示意图；

图6为本实施例图像采集***示意图；

图7为本实施例奶牛场及机器人行进路线图；

图8为本实施例颈夹结构示意图；

图中：1-移动底盘，2-控制***，3-推料匀料装置，301-滑块步进电机，302-丝杠，303-滑块，304-直线导轨，305-第一连杆，306-第二连杆，307-第三连杆，308-第四连杆，309-下推料板，310-橡胶带，311-上推料板，312-推料步进电机，4-图像采集***，401-路况识别摄像头，402-全景摄像头，403-奶牛检测识别摄像头，5-奶牛，6-颈夹，7-机器人行进路线，8-二维码。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的发明目的作进一步详细地描述，实施例不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。

如图1、图2、图3所示的奶牛辅助饲喂机器人，包括移动底盘1、控制***2、推料匀料装置3和图像采集***4.

所述移动底盘1为四驱动力底盘。移动底盘1作为行走机构，为机器人的行走提供动力。所述推料匀料装置3安装在移动底盘1的右侧，所述推料匀料装置3包括丝杠连杆机构和安装在丝杠连杆机构上的推料机构。丝杆连杆机构是推料匀料装置的动力和传动部分，推料机构实现推料匀料功能。

推料功能是指将料槽外侧边缘的饲料推到料槽内侧；匀料功能包括两部分：

a.在推的过程中，饲料在推料机构上不停堆积，之后饲料沿上推料板的上边缘流出，翻滚到推料机构的另一侧，起到了饲料搅拌的功能；

b.机器人将某些地方分散、多余的饲料转运到另一个地方，起到饲料的再分配功能。

如图4所示，丝杆连杆机构包括滑块步进电机301、丝杠302、滑块303、直线导轨304、六杆机构。

所述六杆机构包括第一连杆305、第二连杆306、第三连杆307、第四连杆308和固定支架；所述六杆机构只有一个自由度，所述第一连杆305、第二连杆306、第三连杆307、第四连杆308依次连接，所述第一连杆305和第四连杆308的一端均固定在所述滑块303上，所述滑块303的位置决定整个六杆机构的位姿。所述滑块303安装在所述丝杠302上，所述滑块步进电机301直接驱动所述丝杠302，使滑块303在所述直线导轨304上来回移动，通过控制所述滑块步进电机301转动的圈数和方向，可以改变滑块303的位置，所述滑块303的位置决定整个六杆机构的位姿。

如图5所示，推料机构包括下推料板309、上推料板311、推料步进电机312。所述上推料板311安装在所述第三连杆307上，相对所述第三连杆307固定不动。所述下推料板309的下侧边缘安装有橡胶条310。所述下推料板309在所述推料步进电机312的推动下可以相对上推料板311上下滑动。所述下推料板309的下边缘与所述上推料板311上边缘的高度差范围在25-30cm之间。

推料机构有三种状态，分别是：

(1)、收回状态：此时推料机构与车身平行，推料机构靠近车身；

(2)、倾斜状态：此时推料机构与车身成一定的夹角(锐角)，在机器人行进过程中，倾斜的推料机构可以将料槽外侧边缘的饲料推回到料槽内侧边缘，方便奶牛进食；

(3)、竖直状态：此时推料机构与车身垂直，在机器人行进过程中，饲料堆积在推料板上，实现饲料的收集功能，并转运到有需要的地方。

在推料机构收起来离开地面时，整个推料机构的高度为25cm；在推料时，整个推料机构的高度为30cm。

所述控制***2包括安装有高性能独立显卡的计算机、STM32下位机、4g通讯模块。计算机用于处理视频信息；所述STM32下位机接受计算机发送的指令，并控制所述移动底盘1和所述推料匀料装置的运动；所述4g通讯模块将机器人的状态信息发送至控制室，管理人员也可以向4g通讯模块发送指令，控制机器人的运行；通过所述STM32下位机收发所述4g通讯模块的信息。

如图6所示，所述图像采集***4通过支架安装在所述移动底盘1上，图像采集***4包括路况识别摄像头401、全景摄像头402、奶牛检测识别摄像头403，所述图像采集***4采集到的数据通过4g通讯模块传输至所述控制***2。所述路况识别摄像头401安装在机器人的正前方，并朝向机器人的前进方向，可以收集机器人前进方向的视频信息，所述控制***2的计算机根据采集的视频信息为机器人规划行进路径。所述全景摄像头402安装在所述移动底盘1中间位置，并朝向移动底盘，可以收集机器人所处的周围环境信息，方便实时观察机器人所处的位置和环境。所述奶牛检测识别摄像头403安装在所述移动底盘1的前半部分，并朝向颈夹一侧，用于采集奶牛饲喂区的视频信息，计算机根据采集到的视频信息，通过YOLOV5深度学习方法，检测是否有奶牛在等待进食，并根据检测结果控制所述推料匀料装置3的滑块步进电机301运动，进而实现推料和匀料的功能。

如图7所示，为本实施例中奶牛场和机器人行进路线示意图。奶牛场分为左、中、右三个区域，左边和右边区域都是奶牛生活区域，中间区域是TMR饲料搅拌车送料和机器人行走区域(走道)，机器人的行进路线在中间区域，中间区域和左右两个奶牛生活区域通过颈夹6隔开。

一种奶牛辅助饲喂方法，包括两个饲喂阶段，第一个阶段包括规划机器人的前进路线以及实现推料工作；第二个阶段用于控制推料机构与移动底盘的夹角。

第一个阶段包括以下步骤：

1).TMR车首先进行投料，使得中间区域的左右两侧、靠近颈夹的位置，即料槽位置布满充足的饲料，奶牛开始进食。在进食一段时间后，由于奶牛挑食等行为，一部分饲料被奶牛推至料槽远离奶牛一侧的边缘，使得奶牛无法吃到这一部分饲料。这时奶牛辅助饲喂机器人开始运作。

2).奶牛辅助饲喂机器人首先运动到起始区域，路况识别摄像头401获取机器人前方的图像信息，计算机为机器人规划前进的路线，或者通过磁导航的方式(地上贴有磁条)，机器人准备开始推料工作。

3).所述滑块步进电机301驱动所述滑块303滑动，使得六杆机构的位姿发生改变，通过所述滑块步进电机301旋转特定的角度，使得第三连杆307与车身呈30⁰夹角(锐角，可根据实际情况微调)。进而推料机构与车身也呈30⁰夹角。

4).推料机构的推料步进电机312驱动所述下推料板309，使得下推料板309相对所述上推料板311向下滑动，直到橡胶条310与地面紧密接触。然后机器人沿着规划好的机器人行进路线7运动，此时机器人的状态如图2所示。

机器人在行进的过程中，便可将料槽外侧边缘的饲料推到料槽的内侧，方便奶牛进食。在推的过程中，饲料在推料机构上不停堆积，之后饲料沿推料机构的上边缘流出，翻滚到推料机构的另一侧，起到了匀料的作用(把饲料搅拌均匀)。在机器人完成一次推料后，机器人回到待机区域，所述推料步进电机312将下推料板309升起，使得橡胶条310离开地面，推料匀料装置收回，使推料机构呈收回状态。

5).在机器人行进的过程中，如图8所示，奶牛检测识别摄像头403可以识别每个颈夹6上方的二维码8，每个二维码8对应该处的位置信息，通过识别二维码可获得机器人所处的位置。

整个饲喂过程，通过4g通讯模块，将摄像头组的拍摄内容实时传送至控制室，养殖员可以获悉机器人的运行状况，并且在突发状况时可以人工接管机器人，通过4g远程遥控机器人完成饲喂过程。

6).重复以上过程，直到剩余饲料较少，有一部分奶牛无法吃到饲料。

第二个阶段与第一个阶段的步骤总体相似，区别在于推料机构与移动底盘1的夹角会发生变化。

如步骤3)～步骤5)所述，机器人重复上述动作，不同的是，推料机构与车身的初始夹角为90⁰，机器人沿着机器人行进路线7前进，推料机构将残余、分散的饲料收集起来，奶牛检测识别摄像头403获取颈夹6处的视频信息，通过深度学习的方法对视频进行处理，检测颈夹6处是否有奶牛，并以此作为该处是否有奶牛在等待进食的依据。

如果该处没有奶牛在等待进食，那么推料机构的夹角保持90⁰状态不变，继续完成收集饲料动作；如果该处检测到有奶牛，则说明有奶牛在等待进食，则计算机发送指令给所述STM32下位机，STM32下位机进一步控制滑块步进电机301运动，改变推料机构的状态，推料机构与车身的夹角减小至30⁰，使得收集的一部分饲料可以滑落到该处，为该处的奶牛补充饲料。

接着机器人继续前进；如果前方没有奶牛在等待进食，则推料机构与车身的夹角增加至90⁰，以继续收集残余的饲料。重复上述过程，直至机器人走到终点，之后机器人回到待机区域。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包括在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种奶牛辅助饲喂机器人，其特征在于：包括移动底盘（1）、控制***（2）、安装在移动底盘（1）一侧的推料匀料装置（3）和图像采集***（4）；

所述图像采集***（4）将采集到的数据传输至所述控制***（2）；

所述控制***（2）根据采集到的数据规划所述移动底盘（1）的行进路径和控制所述推料匀料装置（3）进行推料；

所述推料匀料装置（3）包括丝杠连杆机构以及安装在丝杠连杆机构上的推料机构；所述丝杠连杆机构安装在所述移动底盘（1）的一侧，所述丝杠连杆机构包括滑块步进电机（301）、丝杠（302）、滑块（303）、直线导轨（304）以及安装在所述滑块（303）上的六杆机构；

所述六杆机构包括第一连杆(305)、第二连杆(306)、第三连杆（307）、第四连杆（308）和固定支架；所述六杆机构只有一个自由度，所述第一连杆(305)、第二连杆(306)、第三连杆（307）、第四连杆（308）依次连接，所述第一连杆(305)和所述第四连杆（308）的一端均固定在所述滑块（303）上，所述滑块（303）的位置决定整个六杆机构的位姿。

2.根据权利要求1所述的一种奶牛辅助饲喂机器人，其特征在于：所述滑块（303）安装在所述丝杠（302）上，所述滑块步进电机（301）与所述丝杠(302)连接；控制所述滑块步进电机（301）转动的圈数和方向，使所述滑块（303）在所述直线导轨（304）上来回移动，从而带动六杆机构运动。

3.根据权利要求1所述的一种奶牛辅助饲喂机器人，其特征在于：所述推料机构包括下推料板（309）、上推料板（311）、推料步进电机（312），所述下推料板（309）与所述上推料板（311）滑动连接；所述上推料板（311）固定在所述第三连杆（307）上；所述下推料板（309）在所述推料步进电机（312）的推动下相对所述上推料板（311）上下滑动；所述推料机构与所述移动底盘（1）的夹角能够改变。

4.根据权利要求3所述的一种奶牛辅助饲喂机器人，其特征在于：所述下推料板（309）的下边缘与所述上推料板（311）上边缘的高度差范围在25-30cm之间。

5.根据权利要求4所述的一种奶牛辅助饲喂机器人，其特征在于：所述图像采集***（4）包括路况识别摄像头（401）、全景摄像头（402）、奶牛检测识别摄像头（403）；所述路况识别摄像头（401）安装在所述移动底盘（1）前部，朝移动底盘（1）的前进方向；所述奶牛检测识别摄像头（403）安装在所述移动底盘（1）前部，朝奶牛一侧；所述全景摄像头（402）通过支架安装在所述移动底盘（1）正上方，朝向地面。

6.根据权利要求5所述的一种奶牛辅助饲喂机器人，其特征在于：所述控制***（2）包括安装有独立显卡的计算机、下位机、通讯模块。

7.一种用于权利要求6所述的辅助饲喂机器人的辅助饲喂方法，其特征在于，包括两个饲喂阶段，第一个阶段包括规划机器人的前进路线以及实现推料工作；第二个阶段用于控制推料机构与移动底盘（1）的夹角。

8.根据权利要求7所述辅助饲喂方法，其特征在于，第一个阶段包括以下步骤：

1)、所述控制***（2）为机器人规划前进的路线，控制机器人运动到料槽起始区域，所述路况识别摄像头（401）获取机器人前方的图像信息，所述推料匀料装置（3）准备开始推料工作；

2)、所述滑块步进电机（301）驱动所述滑块（303）滑动，使所述六杆机构的位姿发生改变，所述滑块步进电机（301）旋转使得所述第三连杆（307）与所述移动底盘（1）形成夹角，进而推料机构与所述移动底盘（1）也呈夹角；

3)、所述推料步进电机（312）驱动所述下推料板（309）相对所述上推料板（311）向下滑动，直到橡胶条（310）与地面紧密接触，机器人沿着机器人行进路线（7）移动；机器人在行进的过程中，推料机构将料槽外侧边缘的饲料推到料槽的内侧；同时在推的过程中，饲料在推料机构上不停堆积，之后饲料沿所述上推料板（311）的上边缘流出，翻滚到推料机构的另一侧，有饲料搅拌的作用；在机器人完成一次推料后，机器人回到待机区域，所述推料步进电机（312）将所述下推料板（309）升起，使下推料板（309）下侧边缘的橡胶条（310）离开地面，推料匀料装置收回，使推料机构呈收回状态；

4)、在机器人行进的过程中，所述奶牛检测识别摄像头（403）识别每个颈夹（6）上方的二维码（8），每个二维码（8）对应该处的位置信息，通过识别二维码（8）获得机器人所处的位置；所述图像采集***（4）拍摄整个饲喂过程，并通过无线网络通讯将拍摄内容实时传送至控制室；

5)、重复以上过程，直到部分奶牛（5）无法吃到饲料；

在第二个阶段，所述推料机构与车身的初始夹角为N⁰，在机器人行进过程中，饲料不断堆积在推料机构上，实现饲料的收集；

所述奶牛检测识别摄像头（403）获取颈夹（6）处的视频信息，计算机通过深度学习的方法对视频进行处理，检测所述颈夹（6）处是否有奶牛，并以此作为该处是否有奶牛在等待进食的依据；如果该处没有奶牛在等待进食，则推料机构保持N⁰夹角不变，继续收集饲料；如果该处检测到有奶牛，则说明有奶牛在等待进食，则计算机发送指令给下位机，下位机进一步控制所述滑块步进电机（301）运动，推料机构与车身的夹角减小，使得收集的一部分饲料滑落到该处，为该处的奶牛补充饲料；接着机器人继续前进，如果前方没有奶牛在等待进食，则推料机构与车身的夹角增加至N⁰，以继续收集残余、分散的饲料；重复上述过程，直至机器人走到终点，之后机器人回到待机区域。

9.根据权利要求7~8任一项所述的辅助饲喂方法，其特征在于，所述控制***（2）通过磁导航的方式为机器人规划前进的路线。

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