Способ и устройство для бесконтактной диагностики заболевания конечностей крупного рогатого скота на ранней стадии
METHOD AND DEVICE FOR CONTACTLESS DIAGNOSIS OF LIMB DISEASE IN CATTLE AT AN EARLY STAGE

Устройство относится к сельскому хозяйству, в частности к области животноводство, а именно к устройствам для бесконтактного определения заболеваний конечностей крупного рогатого скота.
Как известно, при возникновении заболевания конечностей у коровы удои снижаются до 800-1000 литров молока в год, а при гнойно-некротических процессах в области копыт животное снижает удой до 70-80%, теряет 40-50% массы тела и в 35-40% случаях рождаются нежизнеспособные телята. Заболеваемость дистальной части конечностей крупного рогатого скота первоначальным признаком, которых является хромота, при беспривязном содержании на крупных животноводческих комплексах по производству молока доходит до 50-55%. В основном заболевают высокопродуктивные коровы и в результате выбраковка животных в отдельных хозяйствах может доходить до 60%. [Методические рекомендации - диагностика, лечение и профилактика болезней конечностей крупного рогатого скота // Министерство сельского хозяйства и продовольствия РТ; https://guv.tatarstan.ru/rus/file/pub/pub_65725.pdf]
Обнаружение заболеваний на поздних сроках требует дорогостоящего лечения.
В патентном документе RU 2668674 С1, опубл. 02.10.2018, МПК A01K 11/00, A01K 29/00 описана механизированная установка для бесконтактной тепловизионной видеоцифровой диагностики заболеваний животных, которая содержит станок для фиксации животного и два тепловизора, один из которых расположен на передвижной штанге с шарнирами, а второй закреплен с помощью ползуна на подвижной вертикальной направляющей, расположенными снаружи и вдоль станка для фиксации животного.
Недостатком известной установки является то, что для диагностики заболевания животного используются две тепловизионные камеры, для перемещения которых требуется две горизонтальные направляющие, вертикальная направляющая, три ползуна, шарнирная штанга, что значительно усложняет конструкцию, увеличивает материалоемкость и стоимость установки. Применение отдельно стоящего станка только для диагностики заболеваний увеличивает трудозатраты, так как требуется дополнительное время для загона животного в станок, чтобы провести диагностику.
Во многих патентах встречается применение акселерометра для обнаружения изменения в поведении животного. Считается, что при заболевании конечностей животное начинает медленнее двигаться. Например, в патентном документе WO 2021/118442 А1, МПК A01K 11/00 опубл. 17.06.2021, описывается метод и система отслеживания домашнего скота с применением акселеометра. Одним из пунктов предлагается использовать акселерометр для определения хромоты домашнего скота, что говорит о заболевании конечности.
Недостаток известного способа определения заболевания конечности заключается в том, что изменения в поведении животного, в частности замедленная ходьба, увеличение времени нахождения в положении лежа, все это косвенные показатели для определения заболевания конечностей животного. Замедленная ходьба может быть вызвана заболеваниями других зон животного, помимо конечности. Известный способ не позволяет определить заболевание конечности на ранней стадии, сложность получения сигналов, указывающих на ненормальную походку и возможную хромоту, является сложным и подверженным ошибкам, что приводит к ненадежным результатам.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству, является устройство, описанное в патентном документе US 9597017 B2, МПК A61B 5/00, A61B 5/11, опубл. 21.03.2017. Способ и устройство для обнаружения хромоты у крупного рогатого скота содержит доильное стойло, роботизированную руку для надевания доильных стаканов, элемент формирования трехмерного изображения, процессор, транспондер, блок идентификации животного. Элемент формирования изображения представляет собой ToF камеру, и как минимум две камеры CDD, расположенные на рычаге. Рычаг может быть подвижным и управляться с помощью процессора или не подвижным, а элемент формирования трехмерного изображения может быть расположен неподвижно на рычаге, на части стойла или на отдельном устройстве на полу или рядом с ним, или на элементе доильного оборудования. С помощью камер происходит сканирование положения конечностей КРС относительно пола и остальных конечностей. Способ определения основан на том, что при заболевании конечности, животное старается не наступать на больную ногу и держит ее приподнятой на некотором расстоянии от пола или слегка приподнятой.
Недостатком известного устройства является то, что для обнаружения хромоты требуется как минимум две камеры CDD и камера ToF. Устройство для формирования изображения должно быть приспособлено для захвата множество изображений с интервалами в течение заранее определенного периода времени, чтобы гарантировать, что нога животного действительно удерживается в приподнятом состоянии и что изображение не было захвачено, когда животное меняло свое положение. Захваченное изображение должно включать по меньшей мере одну конечность и предпочтительно все конечности. Все это усложняет процесс обнаружения заболевания и подвержено ошибкам, что приводит к ненадежным результатам.
Следует отметить, что при заболевании конечности на стадии, когда животное старается не наступать на ногу, можно уже определять визуально, без использования различных устройств.
Камеры снимают ноги с внешними физическими изменениями, что не позволяет диагностировать заболевание на ранних стадиях, когда нет внешних признаков заболевания.
Технической задачей предлагаемого устройства является бесконтактная диагностика заболевания конечностей крупного рогатого скота на ранней стадии, когда нет внешних признаков заболевания, снижение трудозатрат, снижение затрат на лечение, снижение выбраковки животных и, как следствие, повышение надоев.
Технический результат достигается тем, что устройство для бесконтактной диагностики заболевания конечностей крупного рогатого скота, включающее доильный станок, роботизированную руку для надевания доильных стаканов, трехмерную камеру, блок управления, транспондер, блок идентификации животного, согласно изобретению, снабжено тепловизионной камерой, при этом обе камеры трехмерная и тепловизионная установлены на роботизированной руке и посредством блока управления соединены с системой управления стадом.
Технический результат достигается тем, что в способе для бесконтактной диагностики заболевания конечностей крупного рогатого скота, заключающимся в идентификации животного через транспондер блоком идентификации животного, обнаружении конечности животного и получении изображения конечности животного от камеры формирования трехмерного изображения посредством блока управления, согласно изобретению, при поступлении сигнала в блок управления об обнаружении конечности, одновременно с камерой трехмерного изображения включают тепловизионную камеру и тепловизионное изображение конечности поступает в блок управления, где его обрабатывают и результаты о состоянии всех конечностей передают в систему управления стадом.
Устройство для бесконтактной диагностики заболевания конечностей крупного рогатого скота на ранней стадии поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлено устройство для бесконтактной диагностики заболевания конечностей крупного рогатого скота в доильном станке, вид сверху; на фиг. 2 - то же, вид сбоку; на фиг. 3 - алгоритм работы устройства; на фиг.4 - тепловизионные изображения конечности животного а) - здоровая конечность; б) - при воспалении.
Устройство для диагностики заболевания конечностей крупного рогатого скота на ранней стадии содержит доильный станок 1, роботизированную руку 2 для надевания доильных стаканов 3, тепловизионную камеру 4 для получения тепловизионных изображений конечностей 5, трехмерную камеру 6 для формирования трехмерного изображения при нахождении сосков вымени и конечностей 5 животного 7, блок управления 8, транспондер 9, блок идентификации животного 10.
Тепловизионная камера 4 расположена на роботизированной руке 2 для надевания доильных стаканов 3 рядом с трехмерной камерой 6. Роботизированная рука 2 установлена в середине доильного станка 1 рядом с дойным животным 7, например, коровой. Блок управления 8 для обработки трехмерных и тепловизионных изображений связан с тепловизионной камерой 4 и трехмерной камерой 6 с помощью проводной или беспроводной связи.
Устройство для диагностики заболевания конечностей крупного рогатого скота на ранней стадии работает следующим образом.
Животное 7 заходит в доильный станок 1. Трехмерная камера 6 определяет координаты сосков вымени, а затем роботизированная рука 2 надевает доильные стаканы 3. Когда все доильные стаканы 3 надеты, начинается процесс доения. Трехмерная камера 6 передает сигнал на блок управления 8, что все доильные стаканы 3 надеты, а с блока управления 8 поступает сигнал на трехмерную камеру 6 для обнаружения одной из конечностей 5. При обнаружении одной из четырех конечностей 5, трехмерная камера 6 передает сигнал на блок управления 8, после чего блок управления 8 передает сигналы на тепловизионную камеру 4 на получение тепловизионных изображений и трехмерную камеру 6 на получение трехмерного изображения найденной конечности 5. После передачи с камер 4 и 6 изображений конечности 5 на блок управления 8, блок управления 8 подает сигнал трехмерной камере 6 на обнаружение следующей из четырех конечностей 5. Цикл повторяется. При получении блоком управления 8 тепловизионных и трехмерных изображений всех четырех конечностей 5, блок управления 8 подает сигнал роботизированной руке 2 возвращение в исходное положение. В блоке управления 8 производится обработка изображений конечностей 5 животного 7, а результат о состоянии всех конечностей передается в систему управления стадом (на фиг. не показано). Корова выходит из стойла, а ее место занимает следующая. После процессов доения и даагностики всех животных 7, работа устройства завершена. Система управления стадом получает полную информацию о состоянии всего стада.
Способ бесконтактной диагностики заболевания конечностей крупного рогатого скота на ранней стадии, включает получение тепловизионного изображения конечности крупного рогатого скота, передачу изображения в блок управления, обработку тепловизионных изображений, передачу результатов данных в систему управления стадом.
Наличие тепловизионной камеры позволяет проводить раннюю диагностику конечностей животного, когда нет внешних признаков заболевания.
Способ работы устройства для бесконтактной диагностики заболевания конечностей крупного рогатого скота на ранней стадии осуществляется следующим образом.
Алгоритм работы устройства включает следующие шаги.
Процесс бесконтактной диагностики заболевания конечностей крупного рогатого скота начинается после того как надеты все доильные стаканы во время доения животного, которые снимаются автоматически после окончания доения. Роботизированная рука не задействована в снятии доильных стаканов. Животное выходит из станка только после окончания процессов доения и бесконтактной диагностики заболевания конечностей.
Шаг S1 - начало работы. Животное 7 заходит в доильный станок 1, блок идентификации животного 10 считывает идентификационный номер животного 7 с транспондера 9, затем роботизированная рука 2 надевает доильные стаканы 3.
Шаг S2 - передача сигнала от трехмерной камеры 6 на блок управления 8, что все доильные стаканы 3 надеты на вымя животного 7. Процесс доения начался.  Роботизированная рука 2 свободна.
Шаг S3 - подается сигнал от блока управления 8 на трехмерную камеру 6 о поиске координат одной из конечностей 5. Трехмерная камера 6 с помощью роботизированной руки 2 начинает поиск одной из конечностей 5.
Шаг S4 - передача сигнала от трехмерной камеры 6 на блок 8, что одна из четырех конечностей 5 животного 7 обнаружена.
Шаг S5 - подача сигналов с блока управления 8 одновременно на тепловизионную 4 и трехмерную 6 камеры на получение тепловизионного и трехмерного изображений этой конечности 5.
Шаг S6 - сигналы о передаче тепловизионных и трехмерных изображений этой конечности 5 с камер 4 и 6 на блок управления 8.
После шага S6 происходит возвращение к шагу S3. Операции с шага S3 до шага S6 выполняется до не будет получено изображений всех четырех конечностей 5.
Шаг 7 - условие об обнаружении и получении тепловизионных и трехмерных изображений всех четырех конечностей 5 животного 7 выполнено.
На шаге S8 данные передаются на блок управления 8 и с блока управления 8 поступает сигнал роботизированной руке 2 о возвращении в исходное положение.
На шаге S9 в блоке управления 8 производится обработка тепловизионных и трехмерных изображений и последующая передача результатов данных в систему управления стадом - шаг S10.
Корова может покинуть доильный станок только после окончания процессов доения и диагностики конечностей.
Работа завершена шаг S11.
На ранней стадии, когда внешних проявлений еще не видно, тепловизионное изображение позволяет обнаружить повышение температуры тела животного в очаге заболевания и начало воспалительного процесса. Это позволяет вовремя начать лечение и снизить затраты на дорогостоящие лекарства и ускорить процесс восстановления конечности, и, как следствие, уменьшить число выбракованных животных и повысить надои.
Пример. В ФГУП Григорьевское Ярославской области на молочной ферме было смонтировано устройство для бесконтактной диагностики заболевания конечностей крупного рогатого скота на ранней стадии. На автоматизированной доильной установке непосредственно на роботизированной руке 2 для надевания доильных стаканов 3 рядом с трехмерной камерой 6 установили тепловизионную камеру 4. У всех животных 7 в стаде были на шее транспондеры 9 для идентификации каждого животного 7. Работа с животными 7 в данном хозяйстве регулировалась с помощью системы управления стадом. Каждый день животное 7 заходило в доильный станок 1, блок идентификации животного 10 считывал идентификационный номер животного с транспондера 9, затем роботизированная рука 2 надевала доильные стаканы 3. Начинался процесс доения. Блок управления 8 получал сигнал от трехмерной камеры 6, что все доильные стаканы 3 надеты на вымя животного 7, начинался процесс доения и роботизированная рука 2 освобождалась. Затем блок управления 8 подавал сигнал на трехмерную камеру 6 о поиске координат одной из конечностей 5. Потом происходила передача сигнала на блок управления 8 от трехмерной камеры 6, что одна из четырех конечностей 5 животного 7 обнаружена. Затем происходила подача сигналов с блока управления 8 одновременно на тепловизионную 4 и трехмерную 6 камеры на получение тепловизионного и трехмерного изображений и передача изображений на блок управления 8. Затем цикл продолжался до тех пор, пока не было выполнено условие об обнаружении и получении тепловизионных и трехмерных изображений всех четырех конечностей животного. После этого данные передавались на блок управления 8 и с него поступал сигнал о возвращении роботизированной руки 2 в исходное положение. В блоке управления 8 производилась обработка тепловизионных и трехмерных изображений и последующая передача результатов данных в систему управления стадом. При обработке блоком управления 8 на тепловизионном изображении был обнаружен фрагмент конечности с повышенной температурой более 3-4°С, при передаче результатов в систему управления стадом было указано, что у коровы №124 начинается воспалительный процесс в венчике копыта левой конечности и необходим осмотр ветеринарным врача. С помощью данного устройства для бесконтактной диагностики заболевания конечностей крупного рогатого скота на ранней стадии было выявлено у трех коров заболевание ламинит без внешних признаков, и у двух коров заболевание межпальцевой флегмон без внешних признаков, что позволило начать лечение на ранней стадии, и как следствие позволило сократить сроки на выздоровление, уменьшить затраты на лекарство, увеличить надои.
Использование способа и устройства для диагностики животных на ранней стадии, когда внешних проявлений еще не видно, позволит вовремя начать лечение и снизить затраты на дорогостоящие лекарства и ускорить процесс восстановления конечности, и, как следствие, уменьшить число выбракованных животных и повысить надои.