CN114732975A - 一种基于机器视觉的智能化动物采血装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及兽医医疗器械领域，尤其是一种基于机器视觉的智能化动物采血装置及方法，采血装置包括下箱体及上箱体，上箱体内设置用于承载动物的承托机构、用于对动物进行固定的夹持机构、用于采集动物图像信息的信息采集机构以及基于机器视觉的识别模块，下箱体内设置用于驱动承托机构升降的高度调节机构；夹持机构与信息采集机构分别与识别模块通信连接。本发明采用自动化控制方式将鹿的躯干、四肢、头、颈等部位分别固定，并且有效防止对鹿造成损伤的情况，保护鹿的同时大幅降低采血难度，同时保证采血的质量；基于YOLOv5算法提出了一种轻量化目标检测模型AD‑YOLO，用于鹿的头部和颈部的自动精准识别，提高设备的自动化程度和操作精确度。
Description
技术领域
本发明涉及兽医医疗器械领域，尤其是一种基于机器视觉的智能化动物采血装置及方法。
背景技术
鹿血自古以来都是珍贵的滋补品，具有极高的医用价值、经济价值。但由于鹿的体型大，动作灵敏，所以固定鹿身(特别是四肢)难度较大，这无疑给采血工作带来极大的障碍，现有的采血方式通常是对鹿进行麻醉或者杀鹿来取血，这样不仅会降低采血的质量，而且也会对动物的身体造成不同程度的伤害。
发明内容
本发明旨在解决上述问题，提供了一种基于机器视觉的智能化动物采血装置及方法，其采用的技术方案如下：
一种基于机器视觉的智能化动物采血装置，包括下箱体及上箱体，上箱体上铰接开关门，所述上箱体内设置用于承载动物的承托机构、用于对动物进行固定的夹持机构、用于采集动物图像信息的信息采集机构以及基于机器视觉的识别模块，下箱体内设置高度调节机构；所述承托机构包括移动门、第二围栏及第一围栏，所述第一围栏固定设置在上箱体的相对两侧，第二围栏设置在移动门两侧，且与上箱体固定连接，移动门沿第一围栏延伸的方向移动；所述高度调节机构、夹持机构与信息采集机构分别与识别模块通信连接。
在上述方案的基础上，所述夹持机构包括侧夹板、第一夹具及第二夹具，所述侧夹板的数量为2个，设置在第一围栏上方且与第一围栏平行设置，侧夹板与上箱体侧壁之间设置夹板驱动气缸，用以驱动侧夹板在水平方向上沿垂直于第一围栏延伸的方向移动；所述第一夹具及第二夹具分别通过第一推杆及第二推杆连接在安装杆上，所述安装杆设置在侧夹板上方并与侧夹板平行设置，第一夹具在第一推杆作用下移动并夹持动物颈部，第二夹具在第二推杆作用下移动并夹持动物头部。
在上述方案的基础上，第一夹具及第二夹具靠近动物一侧设置夹具压力传感器，侧夹板的相对内侧设置夹板压力传感器。
优选地，所述夹持机构还包括丝杆电机、十字丝杆及发射器，所述十字丝杆设置在上箱体远离移动门的一侧，发射器可滑移地设置在十字丝杆上，并由丝杆电机驱动，发射器朝向动物头部并向头部发射遮光面罩。
优选地，所述信息采集机构包括第一摄像头及第二摄像头，所述第一摄像头及第二摄像头为双目摄像头，第一摄像头用于观测动物是否完全进入上箱体内部，第二摄像头用于采集动物在上箱体内部的头部图像。
优选地，识别模块内嵌用于识别动物头部和颈部的AD-YOLO算法模型，其识别步骤包括：
1)将待检测动物的同种动物的图片数据集进行数据清理和数据标记；
2)将数据集输入ShuffleNet构成的特征提取网络中，进行卷积操作后，提取图片中的特征信息；
3)将提取到的特征信息传入到由FPN和PAN构成的Neck层进行特征融合；
4)图像特征经过上采样处理后得到不同尺寸的特征图，达到对不同尺寸目标的检测。
优选地，所述上箱体底部设置固定底板，固定底板上方设置连接框架，连接框架上铰接旋转板的一端，旋转板的数量为多个且平行设置，相邻旋转板之间设置固定杆，固定杆沿水平方向固定设置在连接框架上；所述高度调节机构为升降气缸，所述升降气缸的活塞杆贯穿固定底板，并连接在连接框架底部。
优选地，所述第一夹具与第二夹具靠近动物一侧设置夹具缓冲海绵，侧夹板靠近动物一侧设置夹板缓冲海绵。
一种基于机器视觉的智能化动物采血装置的采血方法，包括以下步骤：
S1.将移动门拉至上箱体外侧，将待采血的动物放置在移动门及第二围栏围合成的空间内；
S2.将移动门向上箱体的方向推移，驱使动物移动至上箱体内；
S3.第一摄像头检测到动物四肢进入上箱体后，升降气缸带动连接框架上移，旋转板一端向下翻转，将动物四肢卡入固定杆之间的空隙；
S4.夹板驱动气缸推动两侧夹板相互靠近，夹持并固定动物躯体；
S5.第二摄像头采集动物图像传至识别模块，识别模块识别动物头部及颈部位置，并将位置信息传递至夹持装置；
S6.第一推杆驱动第一夹具至动物颈部，第一夹具完成夹持动作固定动物颈部，第二推杆驱动第二夹具至动物头部，第二夹具完成夹持动作固定动物头部；
S7.丝杆电机驱动发射器移动至动物头部处，并向其头部发射遮光面罩；
S8.打开开关门，对动物进行人工取血。
在上述方案的基础上，所述采血装置上设置工控屏幕，工控屏幕与夹持机构、信息采集机构及识别模块通信连接，操作人员通过工控屏幕获取传感器数据及动物头部和颈部位置信息，并能够在工控屏幕上控制夹持机构的各装置进行动作。
本发明的有益效果为：
1.采用自动化控制方式将鹿的躯干、四肢、头、颈等部位分别固定，并且有效防止对鹿造成损伤的情况，保护鹿的同时大幅降低采血难度，同时保证采血的质量；
2.基于YOLOv5算法做出改进，提出了一种轻量化目标检测模型(AD-YOLO)，用于鹿的头部和颈部的自动精准识别，并根据识别结果自动对鹿的不同部位进行夹持固定，提高设备的自动化程度和操作精确度，并且有效提高采血效率；
3.AD-YOLO摘除了Focus层，避免多次采用slice操作；Backbone层采用ShuffleNet结构，避免多次使用C3层，同等通道大小可以将内存访问量最小化，Flops更小，内存占用更低，参数更少，更快，更易部署。
附图说明
图1：本发明采血装置外形图；
图2：本发明采血装置内部结构示意图；
图3：本发明采血装置内部结构另一视角示意图；
图4：本发明采血装置信息采集机构示意图；
图5：本发明AD-YOLO模型训练过程图；
图6：本发明采血流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“长度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
如图1至图4所示，一种基于机器视觉的智能化动物采血装置，包括下箱体11及上箱体21，上箱体21上铰接开关门22，所述上箱体21内设置用于承载动物的承托机构、用于对动物进行固定的夹持机构、用于采集动物图像信息的信息采集机构以及基于机器视觉的识别模块，下箱体11内设置高度调节机构，以及用于驱动各机构及部件动作的动力箱14，包括液压箱、电气元件箱等，所述高度调节机构、夹持机构与信息采集机构分别与识别模块通信连接。上箱体21或下箱体11上设置急停按钮16，用于控制各机构的动作部件停止动作，在紧急情况下保证动物和装置的安全。下箱体11下方还设置万向轮12。所述承托机构包括移动门32、第二围栏33及第一围栏31，所述第一围栏31固定设置在上箱体21的相对两侧，第二围栏33连接在移动门32两侧，且与上箱体21固定连接，第二围栏33在移动门32两侧起到限位作用，可全部或部分设置在上箱体21外部。移动门32沿第一围栏31延伸的方向移动。优选地，上箱体21内设置直线导轨、电动推杆等其他能够驱动进行直线运动的驱动装置，该驱动装置驱动移动门32在水平面内沿往复移动。优选方案中，移动门32向上箱体21内滑移的极限位置与上箱体21持平。
优选地，所述上箱体21底部设置固定底板34，固定底板34上方设置连接框架，连接框架上铰接旋转板35的一端，旋转板35的数量为多个且平行设置，相邻旋转板35之间设置固定杆36，固定杆36沿水平方向固定设置在连接框架上；所述高度调节机构为升降气缸15，所述升降气缸15的活塞杆贯穿固定底板34，并连接在连接框架底部，且升降气缸15的活塞杆不与旋转板35发生干涉。连接框架处于最低点时，旋转板35与固定底板34抵接，呈水平方向。升降气缸15驱动连接框架上移时，旋转板35一端在重力作用下脱离连接框架向下旋转。
所述夹持机构包括侧夹板41、第一夹具53及第二夹具55，所述侧夹板41的数量为2个，设置在第一围栏31上方且与第一围栏31平行设置，侧夹板41与上箱体21侧壁之间设置夹板驱动气缸43，用以驱动侧夹板41在水平方向上沿垂直于第一围栏31延伸的方向移动；所述第一夹具53及第二夹具55分别通过第一推杆52及第二推杆54连接在安装杆51上，所述安装杆51设置在侧夹板41上方并与侧夹板41平行设置，第一夹具53在第一推杆52作用下移动并夹持动物颈部，第二夹具55在第二推杆54作用下移动并夹持动物头部。优选地，第一夹具53及第二夹具55可选用能够开合的V型夹具，通过改变夹具的开口大小完成夹持动作。为避免动物受到损伤，第一夹具53及第二夹具55靠近动物一侧设置夹具压力传感器56，侧夹板41的相对内侧设置夹板压力传感器44，第一夹具53与第二夹具55靠近动物一侧设置夹具缓冲海绵，侧夹板41靠近动物一侧设置夹板缓冲海绵。通过缓冲海绵对动物的接触部位进行阻隔和缓冲，同时通过压力传感器检测并控制夹持力度。
夹持机构还包括丝杆电机61、十字丝杆63及发射器64，所述十字丝杆63设置在上箱体21远离移动门32的一侧，发射器64可滑移地设置在十字丝杆63上，并由丝杆电机61驱动，发射器64朝向动物头部并向头部发射遮光面罩，遮光面罩用以隔绝动物视线，对动物起到安抚作用，使动物保持相对安静，降低采血难度。
信息采集机构包括第一摄像头71及第二摄像头72，所述第一摄像头71及第二摄像头72为双目摄像头，第一摄像头71通过检测动物四肢是否完全进入上箱体21，判断动物是否完全进入上箱体21内部，第二摄像头72用于采集动物在上箱体21内部的头部图像。第一摄像头71及第二摄像头72采集到的信息均传递至识别模块。
识别模块内嵌用于识别动物头部和颈部的深度学习算法AD-YOLO，其识别步骤如图5所示，包括：
1)将待检测动物的同种动物的图片数据集进行数据清理和数据标记；
2)将数据集进行Mosaic增强后，输入ShuffleNet构成的特征提取网络中，进行卷积操作后，提取图片中的特征信息；卷积次数可以为多次，以提高特征信息提取的准确性；
3)将提取到的特征信息传入到由FPN和PAN构成的Neck层进行特征融合；
4)图像特征经过上采样处理后得到不同尺寸的特征图，达到对不同尺寸目标的检测，优选地，上采样处理的次数为三次，得到三种不同尺寸的特征图。
AD-YOLO摘除了Focus层，避免多次采用Slice操作；避免多次使用C3层以及高通道的C3层；对YOLOv5 Head进行通道剪枝；摘除Shufflenetv2 Backbone的1024Conv和5×5Pooling。改进后的模型达到轻量化的目的，Flops更小，内存占用更低，更少，更容易在设备中部署和应用。将包含鹿的头部、颈部、四肢图像的数据集输入到AD-YOLO模型中进行训练，测试结果表明，该模型取得了良好的识别效果，能够准确、快速地识别鹿的身体部位。以输入图像数据的数量为1000为例，识别结果对比分析如表1所示，AD-YOLO的mAP值比YOLOv5提高了近三个百分点。AD-YOLO模型不仅可以很好的满足移动端或者嵌入式设备进行目标检测的轻量化和准确性需求，而且能够达到实时检测的目的。
表1AD-YOLO与YOLOv5模型计算结果对比
上述基于机器视觉的智能化动物采血装置的采血方法，包括以下步骤：
S1.将移动门32拉至上箱体21外侧，将待采血的动物放置在移动门32及第二围栏33围合成的空间内；
S2.将移动门32向上箱体21的方向推移，驱使动物移动至上箱体21内；
S3.第一摄像头71检测到动物四肢进入上箱体21后，升降气缸15带动连接框架及动物上移，旋转板35一端向下翻转，将动物四肢卡入固定杆36之间的空隙；
S4.夹板驱动气缸43推动两侧夹板41相互靠近，夹持并固定动物躯体；
S5.第二摄像头72采集动物图像传至识别模块，识别模块识别动物头部及颈部位置，并将位置信息传递至夹持装置；
S6.第一推杆52驱动第一夹具53至动物颈部，第一夹具53完成夹持动作固定动物颈部，第二推杆54驱动第二夹具55至动物头部，第二夹具54完成夹持动作固定动物头部；
S7.丝杆电机61驱动发射器64移动至动物头部处，并向其头部发射遮光面罩；
S8.打开开关门22，对动物进行人工取血。
优选地，本方案包括人工干预方式，所述采血装置上设置工控屏幕13，工控屏幕13与夹持机构、信息采集机构及识别模块通信连接，操作人员通过工控屏幕13获取传感器数据及动物头部和颈部位置信息，并能够在工控屏幕13上控制夹持机构的各装置进行动作。
上面以举例方式对本发明进行了说明，但本发明不限于上述具体实施例，凡基于本发明所做的任何改动或变型均属于本发明要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种基于机器视觉的智能化动物采血装置，其特征在于，包括下箱体(11)及上箱体(21)，上箱体(21)上铰接开关门(22)，所述上箱体(21)内设置用于承载动物的承托机构、用于对动物进行固定的夹持机构、用于采集动物图像信息的信息采集机构以及基于机器视觉的识别模块，下箱体(11)内设置高度调节机构；所述承托机构包括移动门(32)、第二围栏(33)及第一围栏(31)，所述第一围栏(31)固定设置在上箱体(21)的相对两侧，第二围栏(33)设置在移动门(32)两侧，且与上箱体(21)固定连接，移动门(32)沿第一围栏(31)延伸的方向移动；所述高度调节机构、夹持机构与信息采集机构分别与识别模块通信连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的智能化动物采血装置，其特征在于，所述夹持机构包括侧夹板(41)、第一夹具(53)及第二夹具(55)，所述侧夹板(41)的数量为2个，设置在第一围栏(31)上方且与第一围栏(31)平行设置，侧夹板(41)与上箱体(21)侧壁之间设置夹板驱动气缸(43)，用以驱动侧夹板(41)在水平方向上沿垂直于第一围栏(31)延伸的方向移动；所述第一夹具(53)及第二夹具(55)分别通过第一推杆(52)及第二推杆(54)连接在安装杆(51)上，所述安装杆(51)设置在侧夹板(41)上方并与侧夹板(41)平行设置，第一夹具(53)在第一推杆(52)作用下移动并夹持动物颈部，第二夹具(55)在第二推杆(54)作用下移动并夹持动物头部。
3.根据权利要求2所述的一种基于机器视觉的智能化动物采血装置，其特征在于，第一夹具(53)及第二夹具(55)靠近动物一侧设置夹具压力传感器(56)，侧夹板(41)的相对内侧设置夹板压力传感器(44)。
4.根据权利要求2所述的一种基于机器视觉的智能化动物采血装置，其特征在于，所述夹持机构还包括丝杆电机(61)、十字丝杆(63)及发射器(64)，所述十字丝杆(63)设置在上箱体(21)远离移动门(32)的一侧，发射器(64)可滑移地设置在十字丝杆(63)上，并由丝杆电机(61)驱动，发射器(64)朝向动物头部并向头部发射遮光面罩。
5.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的智能化动物采血装置，其特征在于，所述信息采集机构包括第一摄像头(71)及第二摄像头(72)，所述第一摄像头(71)及第二摄像头(72)为双目摄像头，第一摄像头(71)用于观测动物是否完全进入上箱体(21)内部，第二摄像头(72)用于采集动物在上箱体(21)内部的头部图像。
6.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的智能化动物采血装置，其特征在于，识别模块内嵌用于识别动物头部和颈部的AD-YOLO算法模型，其识别步骤包括：
1)将待检测动物的同种动物的图片数据集进行数据清理和数据标记；
2)将数据集输入ShuffleNet构成的特征提取网络中，进行卷积操作后，提取图片中的特征信息；
3)将提取到的特征信息传入到由FPN和PAN构成的Neck层进行特征融合；
4)图像特征经过上采样处理后得到不同尺寸的特征图，达到对不同尺寸目标的检测。
7.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的智能化动物采血装置，其特征在于，所述上箱体(21)底部设置固定底板(34)，固定底板(34)上方设置连接框架，连接框架上铰接旋转板(35)的一端，旋转板(35)的数量为多个且平行设置，相邻旋转板(35)之间设置固定杆(36)，固定杆(36)沿水平方向固定设置在连接框架上；所述高度调节机构为升降气缸(15)，所述升降气缸(15)的活塞杆贯穿固定底板(34)，并连接在连接框架底部。
8.根据权利要求2所述的一种基于机器视觉的智能化动物采血装置，其特征在于，所述第一夹具(53)与第二夹具(55)靠近动物一侧设置夹具缓冲海绵，侧夹板(41)靠近动物一侧设置夹板缓冲海绵。
9.一种基于机器视觉的智能化动物采血装置的采血方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.将移动门(32)拉至上箱体(21)外侧，将待采血的动物放置在移动门(32)及第二围栏(33)围合成的空间内；
S2.将移动门(32)向上箱体(21)的方向推移，驱使动物移动至上箱体(21)内；
S3.第一摄像头(71)检测到动物四肢进入上箱体(21)后，升降气缸(15)带动连接框架上移，旋转板(35)一端向下翻转，将动物四肢卡入固定杆(36)之间的空隙；
S4.夹板驱动气缸(43)推动两侧夹板(41)相互靠近，夹持并固定动物躯体；
S5.第二摄像头(72)采集动物图像传至识别模块，识别模块识别动物头部及颈部位置，并将位置信息传递至夹持装置；
S6.第一推杆(52)驱动第一夹具(53)至动物颈部，第一夹具(53)完成夹持动作固定动物颈部，第二推杆(54)驱动第二夹具(55)至动物头部，第二夹具(54)完成夹持动作固定动物头部；
S7.丝杆电机(61)驱动发射器(64)移动至动物头部处，并向其头部发射遮光面罩；
S8.打开开关门(22)，对动物进行人工取血。
10.根据权利要求9所述的一种基于机器视觉的智能化动物采血装置的采血方法，其特征在于，所述采血装置上设置工控屏幕(13)，工控屏幕(13)与夹持机构、信息采集机构及识别模块通信连接，操作人员通过工控屏幕(13)获取传感器数据及动物头部和颈部位置信息，并能够在工控屏幕(13)上控制夹持机构的各装置进行动作。
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