朱今舜

（承德市畜牧工作站，河北承德 067000）

奶牛飼喂機(jī)器人的設(shè)計(jì)及應(yīng)用初探

朱今舜

（承德市畜牧工作站，河北承德 067000）

飼喂機(jī)器人在農(nóng)場(chǎng)奶牛的飼喂中起著越來(lái)越重要的作用，利用新技術(shù)與新設(shè)計(jì)對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)有利于提供飼喂效率。文章通過(guò)對(duì)我國(guó)奶牛飼喂現(xiàn)狀以及飼喂機(jī)器人設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，并對(duì)其應(yīng)用進(jìn)行了探究，力求為飼喂機(jī)器人的普及與發(fā)展提供創(chuàng)新的思路。

飼喂機(jī)器人 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 關(guān)鍵技術(shù) 應(yīng)用

1 我國(guó)奶牛飼喂現(xiàn)狀

近年來(lái)，我國(guó)奶牛數(shù)量和牛奶總產(chǎn)量有大幅度提高，但生產(chǎn)效率與單產(chǎn)水平仍較低。目前我國(guó)成年乳牛的平均單產(chǎn)僅有3 500 kg/頭，與世界平均水平5 500 kg/頭的差距較大。其原因在于我國(guó)奶牛養(yǎng)殖還處于初級(jí)階段，與發(fā)達(dá)國(guó)家差距較大。進(jìn)入飼養(yǎng)場(chǎng)之前，牛大部分時(shí)間在牧場(chǎng)或未成熟的谷物田地上放牧，如綠色小麥牧場(chǎng)。一旦牛達(dá)到入門(mén)級(jí)重量，約290～320 kg，通常在1歲時(shí)，便被轉(zhuǎn)移到飼養(yǎng)場(chǎng)增加未來(lái)6～8個(gè)月供給以增加重量。用于飼喂奶牛的特定動(dòng)物飼料由玉米、玉米副產(chǎn)物（其中一些衍生自乙醇和高果糖玉米糖漿生產(chǎn)）、大麥和其他谷物等組成。

2 飼喂機(jī)器人的設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)

用于機(jī)器人飼喂系統(tǒng)的食物存儲(chǔ)和進(jìn)給系統(tǒng)，安裝在機(jī)器人臂的延伸端可移動(dòng)機(jī)器臂上。食物存儲(chǔ)和進(jìn)給系統(tǒng)包括可移動(dòng)的安裝在機(jī)器人臂上的食物存儲(chǔ)卷軸和進(jìn)給驅(qū)動(dòng)器。恒力彈簧附接到食物存儲(chǔ)和進(jìn)給系統(tǒng)的可動(dòng)部分，以在飼喂機(jī)器臂上保持恒定的張力，配重連接到可移動(dòng)部分，配重與食物存儲(chǔ)和進(jìn)給的可動(dòng)部分相對(duì)地移動(dòng)，系統(tǒng)可以進(jìn)行食物飼喂的精確定位，而不考慮機(jī)器人臂的運(yùn)動(dòng)和位置。對(duì)于輕型飼喂機(jī)器人，需要研究接頭和鏈節(jié)的彈性影響。食物操縱器被建模為具有分布參數(shù)的多體系統(tǒng)，標(biāo)準(zhǔn)控制策略在跟隨給定軌跡或接近目標(biāo)點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生效果。因此，通過(guò)考慮標(biāo)稱速度來(lái)修改在假定剛性飼喂接頭和連桿下計(jì)算的期望關(guān)節(jié)角度。通過(guò)補(bǔ)償彈性變形的前饋控制策略，可以顯著地減小機(jī)器臂的端點(diǎn)振蕩。使用簡(jiǎn)單的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（FFNN）的飼喂機(jī)器人的靜態(tài)穩(wěn)定飼喂合成技術(shù)。基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的飼喂綜合的常見(jiàn)方法是使用具有任意復(fù)雜架構(gòu)的連續(xù)時(shí)間反復(fù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CTRNN）的實(shí)現(xiàn)作為節(jié)奏肢體運(yùn)動(dòng)的模式生成器。優(yōu)選的訓(xùn)練方法使用遺傳算法（GA）來(lái)實(shí)現(xiàn)，但實(shí)現(xiàn)期望的軌跡在飼喂過(guò)程中成為障礙。需要通過(guò)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)將靜態(tài)穩(wěn)定的飼喂轉(zhuǎn)換為執(zhí)行器空間。通過(guò)這樣做，訓(xùn)練問(wèn)題變成時(shí)空機(jī)器學(xué)習(xí)問(wèn)題。其描述了用于將簡(jiǎn)單振蕩器模型與多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（MFNN）組合以生成期望軌跡的軌跡生成的解決方案。

關(guān)鍵技術(shù)在于PID控制。PID控制器是工業(yè)控制系統(tǒng)中廣泛使用的控制回路反饋機(jī)構(gòu)。PID控制器連續(xù)計(jì)算誤差值作為期望設(shè)定點(diǎn)和測(cè)量的過(guò)程變量之間的差，并分別應(yīng)用基于比例、積分和微分項(xiàng)的校正，它們給控制器類(lèi)型命名。在幾乎所有模擬控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，最初在機(jī)械控制器中，然后使用分立電子器件和工業(yè)過(guò)程計(jì)算機(jī)中。由于PID控制器僅依賴于測(cè)量的過(guò)程變量，而不依賴于基礎(chǔ)過(guò)程的知識(shí)，因此它是廣泛適用的。通過(guò)調(diào)整模型的3個(gè)參數(shù)，PID控制器可以處理具體的過(guò)程要求?？刂破骺梢愿鶕?jù)其進(jìn)行響應(yīng)系統(tǒng)超過(guò)設(shè)定點(diǎn)的程度以及任何系統(tǒng)振蕩的程度。PID算法的使用不能保證系統(tǒng)的最佳控制或甚至其穩(wěn)定性。PID控制器是相當(dāng)普遍的，因?yàn)閷?dǎo)數(shù)作用對(duì)測(cè)量噪聲敏感，而不存在積分項(xiàng)可以防止系統(tǒng)達(dá)到其目標(biāo)值。

3 總結(jié)與展望

飼喂機(jī)器人在農(nóng)場(chǎng)中的應(yīng)用越來(lái)越多，需要結(jié)合新技術(shù)、新算法對(duì)其操作與設(shè)計(jì)進(jìn)行改良與優(yōu)化，才能更加精確、更加高效地完成飼喂任務(wù)，這也為我國(guó)奶牛農(nóng)場(chǎng)的飼喂以及其他農(nóng)業(yè)機(jī)械化、自動(dòng)化設(shè)備的發(fā)展指明了方向。相比于國(guó)外，我國(guó)的農(nóng)業(yè)自動(dòng)化還存在很多的問(wèn)題，需要積累經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新。

[1] 桂仲成，吳建東．全球機(jī)器人產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀趨勢(shì)研究及中國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展預(yù)測(cè)．東方電氣評(píng)論，2014，（4）：4～10

[2] 王喜文．日本機(jī)器人新戰(zhàn)略．中國(guó)工業(yè)評(píng)論，2015，（6）：70～75

[3] 李睿．機(jī)器人在飼料行業(yè)應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)探討．飼料廣角，2014，（8）：38～39

[4] 2013年機(jī)器人十大新聞．機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2014，（1）：8～13