Устройство для бесконтактной тепловизионной видеоцифровой диагностики заболеваний животных
DEVICE FOR CONTACTLESS THERMAL IMAGING VIDEO DIGITAL DIAGNOSTICS OF ANIMAL DISEASES

Изобретение относится к области сельского хозяйства, в частности животноводству, а именно для идентификации и диагностики заболеваний коров.
Диагностика заболеваний дойных коров в промышленном животноводстве затруднена вследствие беспривязного содержания, нехватки квалифицированных ветеринарных кадров и представляет серьезную проблему.
Известен манипулятор доильной установки, с управляемым режимом доения по четвертям вымени коровы, содержащий держатель доильных стаканов, установленный на рычаге поддержки, выполненного в виде параллелограммного механизма, имеющего возможность поворота в вертикальной плоскости посредством линейного привода за счет шарнирного соединения с промежуточным рычагом, который шарнирно соединен с рычагом отведения манипулятора (патент РФ № 2715859, МПК A01J 7/00, опубл. 03.03.2020г. Бюл. №7).
Недостатком известного манипулятора является то, что он предназначен для подвода и перемещения доильных стаканов в вертикальной и горизонтальной плоскостях с фиксацией при отключении вакуума по окончании доения и не может работать по командам блока управления с одновременным управлением контроллером селекционных ворот. Узконаправленная специфика известного манипулятора заключается в автоматизированном подводе доильных стаканов к соскам вымени коровы, когда держатель доильных стаканов, установленный на рычаге поддержки, имеет возможность поворота только в вертикальной плоскости посредством линейного привода и шарнирно соединен с рычагом отведения манипулятора с возможностью его поворота в горизонтальной плоскости.
Известен способ и устройство идентификации коров, в котором механической рукой при помощи пневмопривода одновременно отодвигают заднюю ногу коровы в области скакательного сустава для мгновенного снимка тепловизором формы вымени и сосков (патент РФ № 2423825, МПК A01K 11/00, опубл. 20.07.2011, Бюл. № 20).
Недостатком известного устройства является то, что тепловизор позволяет осуществлять съемку области тазовой конечности и вымени коровы только сбоку и с одной стороны, и фиксирует изображение только форм вымени и сосков и, не позволяет осуществлять снимки снизу всего туловища и его отделов, что недостаточно для полной диагностики состояния вымени животного.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является механизированная установка для бесконтактной тепловизионной видеоцифровой диагностики заболеваний животных, содержащая станок для фиксации животных и тепловизионное устройство в виде двух тепловизоров, закрепленных при помощи ползунов наподвижных вертикальных и горизонтальных направляющих, расположенных снаружи и вдоль станка для фиксации животных с возможностью осуществления тепловизионных снимков сбоку, под брюхом или выменем животного, по этим тепловизионным снимкам в блоке управления производится анализ состояния животного для идентификации и диагностики физиологического состояния животного и подается отпирающий сигнал воротам станка (патент РФ № 2668674, МПК A01K 11/00, опубл.02.10.2018, Бюл. № 28).
Недостатком известного устройства является то, что тепловизионное устройство выполнено в виде двух тепловизоров, установленных с двух сторон снаружи станка для фиксации животных, что существенно влияет по затратам времени оператором на загон коровы и затрудняет проведение тепловизионной сьемки органов и участков тела животного для диагностики в условиях молочной товарной фермы при этом, значительно (в 2 раза) увеличивается стоимость устройства.
Задачей предлагаемого изобретения является ускорение и повышение автоматизации осуществления тепловизионных снимков под брюхом и сбоку туловища коровы, снижение стоимости тепловизионной термографии температурно-контрастных изображений различных частей тела коровы, например вымени, для динамической идентификации признаков патологии у дойных коров на основе анализа и распознавания участков поверхности кожи туловища и органов, например, вымени по их инфракрасным изображениям (снимкам).
В результате использования предлагаемого изобретения появляется возможность повышения автоматизации осуществления тепловизионных снимков за счет того, что манипулятор с поворотным механизмом, работающий по принципу обратной связи с блоком управления, обеспечивает одному тепловизору видеосьемку и осуществление тепловизионных снимков как всего животного, так и отдельных выбираемых частей сосков вымени, передней или задней ног, что значительно улучшает и ускоряет идентификацию и диагностику признаков патологии коров, для ускорения лечения и сохранения здоровья животных, удлиняя продуктивное долголетие. Блок управления по результатам видеосьемки тепловизора бесконтактно управляет работой манипулятора по перемещению тепловизора по принципу обратной связи, и управляет работой тепловизора, переключая режим видеосьемки в режим тепловизионного снимка и обратно.
Тепловизионные снимки фрагментов областей туловища и вымени помогают выявить признаки патологии коров и позволяют разработать интерактивный алгоритм формирования температурных параметров ИК изображений участков поверхности кожи КРС. Эти изображения при занесении в базу данных (БД) программного комплекса позволяют создать интеллектуальную экспертную систему (ИЭС) для формирования правил работы с ИК изображениями, построения регрессионных трендов состояний дойных коров, давать экспертные рекомендации по необходимым профилактическим мерам охраны здоровья индивидуальных представителей коров, информация о которых хранится в БД.
Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом устройстве для бесконтактной тепловизионной  видеоцифровой диагностики заболеваний животных, содержащем тепловизионное устройство, манипулятор, селекционные ворота, блок управления, согласно изобретению, бесконтактное тепловизионное устройство выполнено в виде тепловизора и основания, закрепленных на платформе поворотного механизма манипулятора, с возможностью поворота в вертикальной плоскости посредством управляемого линейного привода параллелограммного механизма, сохраняющего горизонтальное положение платформы, прикрепленной к параллелограммному механизму и поворота в горизонтальной плоскости посредством управляемого второго линейного привода, шарнирно соединенного с рычагом манипулятора, при этом перемещение тепловизора для осуществления тепловизионных снимков сторон вымени или других частей тела коровы происходит за счет управления работой манипулятора блоком управления по результатам видеосьемки самого тепловизора по принципу обратной связи, селекционные ворота управляются контроллером по командам блока управления сформированных по результатам видеосьемки тепловизором.
Предлагаемое устройство обеспечивает автоматизацию идентификации заболеваний дойных коров, например форм неспецифического мастита, улучшает и ускоряет возможность автоматизировано быстро и точно производить тепловизионные снимки и видеоизображения сбоку и снизу как всего туловища коровы, так и его отделов, например вымени, за счет того, что один тепловизор установлен на основании в виде поворотного механизма в манипуляторе, который может свободно перемещать в вертикальной и горизонтальной плоскостях тепловизор, фиксируя его в момент снимка и видеосьемки, при этом блок управления, обеспечивает и контролируетуправляемый режим тепловизионной сьемки. Тепловизор осуществляет как моментальные тепловизионные снимки, так и обычную видеосъемку.
Тепловизионная сьемка вымени коровы с трех сторон осуществляется в течение 10 секунд. После производства тепловизионных снимков фрагментов туловища или органа с противоположной стороны животного, например вымени снизу, справа и слева (боковых сторон и дна вымени), по этим тепловизионным снимкам в блоке управления в программном комплексе информационной системы производится сравнительный анализ состояния животного на основе заложенной базовой программы предыдущих обмеров и статистической обработки микропроцессором блока управления для идентификации и диагностики физиологического состояния органа коровы, например вымени, после этого в блоке управления формируется и подается отпирающий сигнал контроллеру селекционных ворот, открывая путь животному далее в бокс или в зооветеринарный блок, при этом тепловизор, находящийся на исходной позиции, работает в режиме обычной видеосьемки, контролируя проход коровы, затем блок управления, по результатам видеосьемки тепловизора дает сигнал контроллеру закрыть селекционные ворота.
Предлагаемое устройство предназначено для автоматического осуществления тепловизионных снимков дляидентификации заболеваний коров, выявления ранних стадий распространенных заболеваний в молочном скотоводстве, представляющих хозяйственно-экономическую проблему: воспаление молочной железы-субклинические маститы, которыми на сегодняшний день страдают 20- 30% поголовья хозяйств и заболевания суставов конечностей (до 40% поголовья) сопровождаемых снижением молочной продуктивности на 15-35%, ухудшением качества молока, увеличением бесплодия коров, повышением заболеваемости телят, преждевременной выбраковкой животных.
Программный комплекс информационной системы, включающий ввод информации в виде ИК изображений и ее предварительную обработку; информационную базу данных (БД) для хранения ИК изображений органов или участков тела дойных коров и сопутствующей информации, интеллектуальную экспертную система (ИЭС) для формирования правил работы с ИК изображениями, построения регрессионных трендов состояний представителей коров, формирования экспертных рекомендаций по необходимым профилактическим мерам охраны здоровья индивидуальных представителей коров, информация о которых хранится в БД и применение управляемого по принципу обратной связи манипулятора повышает автоматизацию производства тепловизионных снимков, что значительно ускоряет идентификацию и диагностику признаков патологии коров, обеспечивая незамедлительное лечение и сохранение здоровья животных.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена общая схема устройства, на фиг. 2 - вид сверху.
Устройство для бесконтактной тепловизионной видеоцифровой диагностики заболеваний животных, содержит тепловизионное устройство, выполненное в виде тепловизора 1 и основания 2, установленное на платформе 3, закрепленной на рычаге поддержки 4, поворотного механизма 5, связанного с параллелограммным механизмом 6 и имеющего возможность поворота в вертикальной плоскости посредством линейного привода 8 через промежуточный рычаг 7 манипулятора 16,  второй линейный привод 10 шарнирно соединен со вторым промежуточным рычагом 9 манипулятора 16, который одним концом соединен с неподвижной стойкой 11, блок управления 12, блок питания 13, контроллер управления селекционными воротами 14, селекционные ворота 15.
Рычаг поддержки 4, поворотный механизм 5, параллелограммный механизм 6, промежуточный рычаг 7, линейный привод 8, второй промежуточный рычаг 9, второй линейный привод 10 образуют манипулятор16, управляемый блоком управления 12 для осуществления тепловизионных снимков тепловизора 1. Контроллер 14 по командам блока управления 12, сформированных по результатам видеосьемки тепловизором 1 управляет селекционными воротами 15.
Работает устройство для бесконтактной тепловизионной видеоцифровой диагностики заболеваний животных следующим образом.
На молочной товарной ферме (МТФ) после доения коровы выходят из доильной установки, например, типа «Тандем», «Елочка» и, идущую первой корову останавливают закрытые селекционные ворота 15. Тепловизор 1, находится на исходной позиции рядом с селекционными воротами 15 и фиксирует изображение остановившейся коровы и посылает сигнал в блок управления 12. Блок управления 12 после идентификации коровы посылает манипулятору 16 электронную команду подвода тепловизора 1, например, к вымени коровы на заданное расстояние и включает режим видеосьемки тепловизора 1 для регулировки подвода платформы 3 с тепловизором 1 манипулятором 16 к заданной стороне органа коровы, например вымени слева, затем делается тепловизионный снимок и, тепловизор 1 посылает сигнал блоку управления 12, где происходит обработка  тепловизионного снимка, контроль и ввод информации в виде обработанных данных инфракрасных изображений (ИК), создание информационной базы данных (БД) для хранения ИК изображений КРС и сопутствующей информации в экспериментальном программном комплексе информационной системы. В блоке управления 12 формируется и подается команда тепловизору 1 перейти в режим видеосьемки и включается линейный привод 8 и второй линейный привод 10 манипулятора 16, которые подводят тепловизор 1 по видеосьемке тепловизора 1 по принципу обратной связи с блоком управления 12 к заданной стороне органа, например вымени, с другой стороны – справа и по результатам видеосьемки блок управления 12 формирует команду переключения режима видеосьемки на режим тепловизионный снимок, тепловизор 1 выполняет снимок, и автоматически переходит в режим видеосьемки и по принципу обратной связи блок управления 12 формирует команду манипулятору 16 отвести тепловизор 1 на исходную позицию сбоку от закрытых селекционных ворот 15.
После перемещения манипулятором 16 на исходную позицию тепловизор 1 дает блоку управления 12 контрольный сигнал и автоматически включает режим видеосьемки, блок управления 12 формирует отпирающий сигнал контроллеру управления 14 селекционных ворот 15 для прохода коровы, тепловизор 1 передает видеосьемку прохода коровы в блок управления 12, где формируется сигнал контроллеру 14 для закрытия селекционных ворот 15.
Тепловизор 1 с основанием 2, закрепленными на платформе 3 рычага поддержки 4, поворотного механизма 5, связанных с параллелограммным механизмом 6, промежуточным рычагом 7, линейного привода 8 находится на исходной позиции сбоку от закрытых селекционных ворот 15 и включается при приближении коровы к селекционным воротам 15, посылая сигнал в блок управления 12. По сигналу блока управления 12 в тепловизоре 1 включается режим видеосьемки, по которой блок управления 12 включает линейный привод 8 и второй линейный привод 10 и по сигналам видеосьемки тепловизора 1 манипулятор16 подводит платформу 3 с тепловизором 1, например, к вымени на заданное расстояние, и тепловизор 1 осуществляет снимок сбоку, например вымени, затем блок управления 12 включает в тепловизоре 1 режим видеосьемки, по которой блок управления 12 обеспечивает работу манипулятора 16 по подводу тепловизора 1 под брюхо коровы и под вымя. Наличие параллелограммного механизма 6 позволяет платформе 3 всегда сохранять горизонтальное положение тепловизора 1 для удобного подвода сбоку или снизу, например, сосков вымени коровы и, последующего, по окончании тепловизионного снимка, перемещения тепловизора 1, осуществляя поворот через промежуточный рычаг 7 линейным приводом 8 и, второго линейного привода 10 через рычаг 9 поворота тепловизора 1 для осуществления снимка, например вымени, сбоку. По окончании тепловизионного снимка включается режим видеосьемки и блок управления12 дает команду манипулятору 16 на выведение тепловизора 1 на исходную позицию. Вначале срабатывает рычаг 9, которым управляет второй линейный привод 10, а затем поднимается рычаг поддержки 4 с платформой 3 с тепловизором 1, происходит поворот и перемещение платформы 3 с тепловизором 1 на исходную позицию, откуда тепловизор 1 посылает подтверждающий сигнал блоку управления 12. После чего, блок управления 12 формирует команду контроллеру 14 на открытие селекционных ворот 15, освобождая пространство для прохода коровы, после прохода коровы селекционные ворота 15 закрываются.
По полученным тепловизионным снимкам в блоке управления 12 в программном комплексе информационной системы производится обработка и анализ полученных видеоизображений и тепловизионных снимков и оценка состояния животного на основе заложенной базовой программы обмеров и статистическая обработка микропроцессором для идентификации и диагностики физиологического состояния животного, и далее подается команда произвести следующий снимок, например, снизу вымени, для чего включает в тепловизоре 1 режим видеосьемки и команду манипулятору16 для подвода тепловизора 1 под вымя коровы или отпирающий сигнал контроллеру 14 селекционных ворот 15, направляя животное далее в бокс или в зооветеринарный блок для последующего лечения.
Тепловизор 1 за счет манипулятора 16 свободно передвигается под брюхо или вымя животного. Манипулятор 16 обеспечивает возможность тепловизору 1 осуществлять снимки под брюхом или выменем коровы, с правой и левой стороны животного. По видеосьемке тепловизора 1 в блоке управления 12 по принципу обратной связи идет управление работой манипулятора 16 по подводу тепловизора 1 к вымени коровы, а по сделанным тепловизионным снимкам в программном комплексе информационной системы в блоке управления 12 производится сравнительный анализ состояния животного на основе заложенной базовой программы обмеров и последующей статистической обработки микропроцессором для идентификации и диагностики физиологического состояния животного, и формируется и подается отпирающий сигнал контроллеру 14 для открытия селекционных ворот 15. Тепловизор 1 осуществляет как моментальные тепловизионные снимки, так и обычную видеосьемку.
Термографические характеристики тепловизионных изображений конечностей и вымени коровы показали, что температурное разрешение на уровне 0,1-0,2К достаточно для идентификации воспаления, например венчика копыта, или очагов мастита в молочной железе коров. Между соотношением геометрических размеров животных, контуров тела с болезнями суставов конечностей установлена оценка использования видеоизображений животного для компьютерной обработки и получения бонитировочных данных. Дистанционный  мониторинг заболеваний коров может быть основой системного статучета поголовья коров по электронным паспортам и анализу здоровья дойного стада. Видеосъемка исследуемой части туловища животного, путем автоматизации и ускорения тепловизионной сьемки применением манипулятора тепловизионного устройства, содержащего тепловизор, значительно удешевляет и улучшает диагностику заболеваний коров на МТФ.