袁玉昊，田玉輝，李 澳，王 凱，陳子旭，田富洋

（山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，山東泰安 271018）

0 引言

眾所周知，對(duì)于飼養(yǎng)奶牛來(lái)說，頻繁的進(jìn)食會(huì)增加奶牛飼料攝入量和牛奶產(chǎn)量。此外，均衡的營(yíng)養(yǎng)配比[1]也對(duì)牛的健康產(chǎn)生積極的影響，還可以提供更為優(yōu)質(zhì)的奶源。然而，在牛場(chǎng)中飼喂奶牛時(shí)，通常采用人工方式將牧草放置于圈養(yǎng)奶牛的圍欄附近，這種飼喂方式效率較低，并且在奶牛進(jìn)食的過程中，會(huì)造成草料堆的分散，不利于奶牛的進(jìn)食，需要實(shí)時(shí)進(jìn)行補(bǔ)充等作業(yè)，造成飼料大量浪費(fèi)；而將飼料向牛欄推近的工作，不分晝夜，勞動(dòng)強(qiáng)度較大。在少數(shù)地區(qū)的牛場(chǎng)中會(huì)使用推草設(shè)備[2]，但這些推草設(shè)備僅僅可以實(shí)現(xiàn)推草的功能，對(duì)于其他精飼料[3]的配比還需要單獨(dú)完成；這兩項(xiàng)工作都需要耗費(fèi)大量的勞動(dòng)力，都需要專門的設(shè)備進(jìn)行完成，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

牛場(chǎng)設(shè)備的終極目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)奶牛精準(zhǔn)飼喂并將操作工人從繁重的體力勞動(dòng)中解放出來(lái)，提高工作效率，降低污染，減少奶牛疾病的發(fā)生，提高牛奶產(chǎn)量[4]。所以研發(fā)一種新型牛場(chǎng)精料撒料及推草機(jī)器人是非常有必要的，這不僅可以代替人工進(jìn)行推草工作，而且可以為奶牛提供均衡的飼料配比，使奶牛提供優(yōu)質(zhì)奶源。

1 設(shè)計(jì)思路

該設(shè)備應(yīng)具備精料撒料裝置，將多種精飼料均勻混合；推草裝置實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)高效推草；為保證高效地推草效率，牛場(chǎng)精料撒料及推草機(jī)器人應(yīng)按照規(guī)定路線前進(jìn)，配備磁性尋跡線，進(jìn)行自主尋跡；為避免設(shè)備發(fā)生碰撞，應(yīng)配備相應(yīng)的紅外避障系統(tǒng)和柔性防撞裝置；機(jī)器人應(yīng)配備深度信息檢測(cè)裝置，便于對(duì)草料的體積變化做出精準(zhǔn)判斷；同時(shí)還要相應(yīng)的配備無(wú)線傳輸模塊，可以遠(yuǎn)程操控該機(jī)器人。

2 主要構(gòu)造及工作原理

2.1 主要構(gòu)造

牛場(chǎng)精料撒料及推草機(jī)器人由精料撒料裝置，行走裝置，推草裝置和控制裝置4部分組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 精料撒料及推草機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2.2 工作原理

精料撒料及推草機(jī)器人采用信息化、智能化技術(shù)，在現(xiàn)有TMR飼喂技術(shù)[5-6]基礎(chǔ)上，將單片機(jī)智能控制和機(jī)電一體化結(jié)合，可同時(shí)完成精料混合、自主推草、精準(zhǔn)補(bǔ)料等多項(xiàng)作業(yè)。機(jī)器人工作時(shí)，將奶牛所需營(yíng)養(yǎng)、精飼料放入頂部的精料撒料裝置中，由內(nèi)部攪龍混合均勻，節(jié)省了單獨(dú)混合飼料的時(shí)間，電動(dòng)推桿通過推拉擋板控制出料口的打開與關(guān)閉，機(jī)器人在推草的過程中，飼料便可撒落到草料之中；精料撒料及推草機(jī)器人的最大工作高度為750 mm，可滿足大部分牛場(chǎng)的需要；其基于多傳感器的深度信息檢測(cè)使得機(jī)器人更具智能化，可實(shí)現(xiàn)自主調(diào)整推草轉(zhuǎn)速、精準(zhǔn)撒料、均勻撒料的功能，達(dá)到了更高的推草效率和飼喂效率；精料撒料及推草機(jī)器人由遙控器遠(yuǎn)程控制，其工作狀態(tài)均可在計(jì)算機(jī)終端顯示，可隨時(shí)判斷其運(yùn)行狀況。

3 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

3.1 精料撒料裝置的設(shè)計(jì)

精料撒料裝置，包括料箱和出料口，料箱中安裝有立式攪龍，精料撒料裝置安裝在頂部基座上方，料箱頂端開口，精飼料由此放入，料箱中的攪龍把精飼料攪拌均勻，料箱內(nèi)壁安裝電動(dòng)推桿，推拉擋板，控制出料口的打開和關(guān)閉，料箱底部的動(dòng)力裝置可使料箱實(shí)現(xiàn)0°～90°范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)器人前進(jìn)過程中精飼料可經(jīng)出料口流出，撒落在草料中，為奶牛提供均衡的營(yíng)養(yǎng)。將攪龍螺旋葉片設(shè)置成了錐形的結(jié)構(gòu)，螺旋葉片從下到上能夠承載飼料的面積不斷地減小，飼料在上升的過程中會(huì)有一部分的飼料被推送到料箱頂部以后仍然能順利地下落到料箱的底部，而另外的一部分則是在不斷上升的途中就被螺旋葉片轉(zhuǎn)到產(chǎn)生的離心力拋撒向了四周，然后同樣降落會(huì)料箱的底部。伴隨著螺旋葉片的不斷旋轉(zhuǎn)上升，飼料也會(huì)不斷的被推送上升，從而能夠形成強(qiáng)烈的對(duì)流混合[7]。料箱尺寸：長(zhǎng)900 mm，寬900 mm，高1 200 mm，精料撒料裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 精料撒料裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖3 攪龍旋轉(zhuǎn)示意圖

螺旋葉片旋轉(zhuǎn)，飼料會(huì)隨之上升，假設(shè)在螺旋葉片的某一點(diǎn)A存在1 個(gè)質(zhì)量為m的飼料顆粒，點(diǎn)A處的螺旋半徑為r，螺距為S，螺旋升角為α（圖3），當(dāng)攪龍以角速度ω旋轉(zhuǎn)時(shí)，一方面，飼料顆粒會(huì)跟其所接觸的螺旋葉片產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，另一方面，飼料也會(huì)沿著豎直方向移動(dòng)，其速度可以通過速度三角解得，飼料的絕對(duì)速度vf跟法線之間會(huì)產(chǎn)生夾角，這就是摩擦角φs，將飼料的絕對(duì)速度vf進(jìn)行正交分解就會(huì)得到飼料的軸向速度vz和切向速度vt，軸向速度可以讓飼料沿著輸送方向運(yùn)動(dòng)，切向速度則會(huì)使飼料在輸送的過程中發(fā)生攪拌混合[7]。根據(jù)垂直攪龍的臨界轉(zhuǎn)速nH計(jì)算公式：

式中：α為螺旋攪龍任意點(diǎn)上的螺旋升角，(°)；φs為飼料和螺旋葉片之間的摩擦角，(°)；d為對(duì)應(yīng)的螺旋直徑，m；ut為飼料間摩擦系數(shù)；φf為飼料休止角，(°)。

由樣機(jī)的攪龍的相關(guān)參數(shù)：螺距S＝300 mm，飼料和葉片之間的摩擦角φs＝21.8°[7]，飼料休止角φf＝55°，可算出攪龍的臨界轉(zhuǎn)速范圍，過程如下。

計(jì)算螺旋葉片最小直徑（螺旋軸d1＝100 mm）處螺旋升角α1：

計(jì)算螺旋葉片最大直徑d1＝400 mm 處螺旋升角α2：

3.2 行走裝置的設(shè)計(jì)

牛場(chǎng)精料撒料及推草機(jī)器人使用三輪布置的圓形底盤作為行走裝置，其中兩個(gè)前輪為獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)輪，后輪采用萬(wàn)向輪作為從動(dòng)輪，三輪呈三角形狀，驅(qū)動(dòng)輪采用錐齒輪傳動(dòng)方式由伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，可以承受高負(fù)荷承載力，噪聲小，減震效果優(yōu)良，可以使傳動(dòng)更加平穩(wěn)。通過控制兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪之間的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的行走和轉(zhuǎn)向，行走裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖4所示。

圖4 行走裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

牛場(chǎng)精料撒料及推草機(jī)器人總質(zhì)量為m＝200 kg；機(jī)器人設(shè)計(jì)推力F推＝300 N；前進(jìn)速度v＝6 m/min＝0.1 m/s；驅(qū)動(dòng)輪直徑d＝200 mm；機(jī)械綜合傳動(dòng)效率η＝0.75；滾動(dòng)摩擦力為F滾；橡膠輪胎與路面的滾動(dòng)摩擦因數(shù)μ＝0.025[8]。則伺服電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速為：

牛場(chǎng)精料撒料及推草機(jī)器人前進(jìn)阻力為：

考慮到精料撒料精料撒料及推草機(jī)器人在轉(zhuǎn)彎等工作情況下兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪力矩分配不均勻，同時(shí)為保證安全運(yùn)行保留有20%的安全工作余量[9]，選取伺服電機(jī)的輸出力矩T＝30 N·m。則單個(gè)伺服減速電機(jī)的輸出功率為：

3.3 推草裝置的設(shè)計(jì)

牛場(chǎng)精料撒料及推草機(jī)器人采用可旋轉(zhuǎn)的推草裝置配合行走裝置進(jìn)行推草，推草裝置由外殼、推草器、主動(dòng)齒輪，齒條及伺服電機(jī)構(gòu)成。

外殼內(nèi)壁固定有圓形內(nèi)齒條，采用齒輪齒條的嚙合運(yùn)動(dòng)，通過伺服電機(jī)控制轉(zhuǎn)速，推草器固定在外殼上，隨外殼一塊旋轉(zhuǎn)，該裝置可將牛舍中離圍欄較遠(yuǎn)的牧草推送至牛舍圍欄的附近，來(lái)供圈養(yǎng)的奶牛進(jìn)行食用，推草裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖5所示。

圖5 推草裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖6 推草器表面受力分析圖

推草器設(shè)計(jì)為上小下大的圓臺(tái)形狀，高度為400 mm，上部直徑為1 100 mm，下部直徑為1 200 mm，圓臺(tái)母線的角度為α1＝14.5°，通過推草器的旋轉(zhuǎn)作用實(shí)現(xiàn)推草功能，假設(shè)推草器斜表面受到的力為F，垂直母線的分力為F1，平行于母線的分力為F2，如圖6所示，則

推草過程中難免會(huì)受到碰撞，為保證推草器的強(qiáng)度，不會(huì)發(fā)生變形，設(shè)計(jì)推草器的厚度為1 mm。

3.3 控制裝置的設(shè)計(jì)

牛場(chǎng)精料撒料及推草機(jī)器人中的控制裝置以STM32F767單片機(jī)[10]為核心，實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)與紅外傳感器、無(wú)線傳輸模塊、磁導(dǎo)航傳感器、深度攝像頭及伺服電機(jī)等元器件之間的數(shù)據(jù)傳輸。

單片機(jī)特定程序驅(qū)使驅(qū)動(dòng)器工作從而使伺服電機(jī)在不同狀態(tài)下帶動(dòng)車輪實(shí)現(xiàn)牛場(chǎng)精料撒料及推草機(jī)器人前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)及不同速度的變化，與此同時(shí)當(dāng)牛場(chǎng)精料撒料及推草機(jī)器人發(fā)生碰撞時(shí)通過壓力傳感裝置反饋給單片機(jī)，再次通過驅(qū)動(dòng)器操控電機(jī)停止或降低轉(zhuǎn)速，其工作狀態(tài)如圖7所示。

圖7 伺服電機(jī)工作狀態(tài)圖

STM32F767 單片機(jī)中特定的程序、機(jī)器人底部的磁導(dǎo)航傳感器、紅外傳感器等作為實(shí)現(xiàn)循跡與避障的硬件，搭建運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)以及地面鋪設(shè)的磁感線共同作用使得機(jī)器人按照規(guī)定路線前進(jìn)，且具有良好的避障系統(tǒng)[11]完成推草任務(wù)。

圖8 控制流程圖

深度攝像頭[12]使得機(jī)器人具備了先進(jìn)的深度信息檢測(cè)功能，使得機(jī)器人更智能化，當(dāng)機(jī)器人在前進(jìn)過程中，頂端的深度攝像頭可隨時(shí)計(jì)算前方待推草料的體積，將深度信息實(shí)時(shí)反饋給單片機(jī)，其具體體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：（1）單片機(jī)及時(shí)調(diào)整推草裝置的轉(zhuǎn)速，在草料體積大的區(qū)域適當(dāng)加快轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)高效率的推草；（2）在機(jī)器人前進(jìn)過程中，通過深度攝像頭的深度信息檢測(cè)，在單片機(jī)的控制下，動(dòng)力裝置自動(dòng)調(diào)整料箱旋轉(zhuǎn)角度，使出料口在草料區(qū)域均勻擺動(dòng)，使精飼料均勻的落在草料上；（3） 通過深度攝像頭的深度信息檢測(cè)，STM32F767 單片機(jī)特定程序自動(dòng)控制電動(dòng)推桿[13]伸出及收回的長(zhǎng)度，調(diào)節(jié)擋板上下位置，在草料較多的區(qū)域出料口適當(dāng)調(diào)大，撒出更多的精飼料，草料較少的區(qū)域，出料口適當(dāng)調(diào)小，避免飼料的浪費(fèi)。其控制流程圖如圖8所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

牛場(chǎng)精料撒料及推草機(jī)器人的研制，可以很大程度上解決我國(guó)牛場(chǎng)中推草的難題，同時(shí)設(shè)計(jì)有精料撒料裝置，使得精料混合，精料撒料和推草3大功能集于一身，更大程度地解放了勞動(dòng)力，保證了牛場(chǎng)中奶牛飼喂[14]的連續(xù)性，保證奶牛提供源源不斷的奶量，還可以為奶牛提供更為均衡的營(yíng)養(yǎng)配比，生產(chǎn)更為優(yōu)質(zhì)的牛奶。