賀 剛，王 馨，翟改霞，楊 莉

(1.中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院呼和浩特分院有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特010010； 2.中國農(nóng)業(yè)大學工學院，北京 100083； 3.內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市烏拉特中旗農(nóng)牧機服務(wù)中心，內(nèi)蒙古 巴彥淖爾015300)

0 引言

我國畜牧業(yè)正向著規(guī)模化、現(xiàn)代化和集約化的方向快速發(fā)展。隨著奶牛規(guī)?；B(yǎng)殖進程的不斷加快，規(guī)?；膛龅沫h(huán)境污染問題日益嚴重。繼乳房炎、繁殖疾病之后，牛蹄病成為導致奶牛過早淘汰的第3大原因[1]。牛舍中積累的糞便是奶牛場主要的潛在污染源之一，奶牛在糞便中行走，增加了奶牛肢蹄病和乳房炎的發(fā)病率[2]。清潔、干燥和舒適的牛舍地面環(huán)境可有效預防乳房炎和其他疾病的發(fā)生[3]。

好奶源自好牛舍，清潔衛(wèi)生的牛舍能保證奶牛的健康，從而提高奶牛的單產(chǎn)水平。因此，良好的糞便收集和處理技術(shù)在牧場規(guī)劃及設(shè)計中的重要性日益突出。目前，規(guī)?；膛龃蠖嗖捎眉酗曫B(yǎng)的方式，人工清糞方式已遠不能滿足產(chǎn)業(yè)化的需求。

規(guī)?；B(yǎng)殖業(yè)發(fā)達的國家，通常采用水沖、漏糞、刮板及機器人清糞等工藝，污糞處理效率高。我國養(yǎng)殖場多采用人工清糞或人工與機械清糞相結(jié)合的工藝，效率較低。隨著養(yǎng)殖規(guī)模的擴大，為提高奶牛產(chǎn)奶量，保證奶牛健康養(yǎng)殖，本文設(shè)計了牛舍清潔機器人，用來代替人工完成牛舍糞便的清理工作，可實現(xiàn)自動化、全天候的工作，作業(yè)效率高，并且行走速度適中，沒有噪聲，對牛群的行走、飼喂和休息不造成任何影響和傷害。

1 奶牛場清糞工藝技術(shù)概述

1.1國外清糞工藝技術(shù)

國外養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展較早，形成了規(guī)?；B(yǎng)殖，在污糞的收集、運輸、儲存和處理等方面一般采用自動化程度較高的清糞工藝。清糞工藝及設(shè)備主要有以下4種。

1.1.1水沖工藝技術(shù)

水沖式清糞工藝技術(shù)應(yīng)用較早，20世紀70年代初在歐美等發(fā)達國家，特別是美國得到廣泛推廣。該工藝不僅可以清除糞污，同時具備為牛場降溫的作用(圖1)。采用該工藝獲得污糞的含固率為3%～6%，適宜用泵、管路輸送。該工藝所需人力少、勞動強度小，效率高，可以頻繁沖洗，從而保證牛舍的清潔和奶牛的衛(wèi)生。該工藝技術(shù)不復雜，但污水處理部分基建投資及動力消耗很高[4]。

圖1 水沖工藝Fig.1 Water punching process

1.1.2漏糞工藝技術(shù)

漏糞工藝采用漏縫地板將污糞漏到下面的儲糞池中，污糞可以儲存在糞池中，也可以采用其他方式清除，如用自動刮板運走、用水沖走或依靠重力流走等[5]。奶?；顒訒r，尿、糞可從漏縫地板漏下去，從而保證牛蹄的干燥和牛舍的清潔(圖2)。該工藝較水沖工藝可節(jié)省水資源，克服污水處理難的問題，但牛舍建造投資大，且儲存的污糞易厭氧發(fā)酵，產(chǎn)生硫化氫、甲烷等，導致牛舍有害氣體的集聚，以及牛舍過于潮濕等問題，牛舍的通風在這種工藝中顯得尤為重要。

圖2 漏糞工藝Fig.2 Fecal leakage process

1.1.3刮板工藝技術(shù)

刮板工藝技術(shù)即水泥地板與機械刮糞板組合的清糞方式(圖3)，該工藝在西歐、北歐、加拿大和美國等普遍采用。刮糞板可實現(xiàn)24 h清糞。刮糞板屬于機械結(jié)構(gòu)，操作簡便，噪聲小、工作安全可靠。刮板高度及運行速度的選取不影響牛的活動、休息與采食，該機構(gòu)運行、維護成本低，對提高奶牛的舒適度，減輕牛蹄疾病和增加產(chǎn)奶量都有決定性影響[6]。

圖3 刮板工藝Fig.3 Scraper process

1.1.4機器清糞工藝技術(shù)

機器人清糞(圖4)工藝能實現(xiàn)牛舍的全自動清糞，運行軌跡可通過程序設(shè)計預先設(shè)置，通過GPS或北斗系統(tǒng)實現(xiàn)定位，具有機械刮糞板所有的優(yōu)點。機器人清糞可將污糞通道及角落清理得非常干凈，對動物生長活動影響小，大大減少了牛舍清潔所需的勞動力；具有易維修，易保養(yǎng)的特點；其充電裝置可安裝在牛舍的任何地方以實現(xiàn)自動充電[7]。

圖4 機器人清糞工藝Fig.4 Robot cleaning process

1.2國內(nèi)清糞工藝技術(shù)

近年來，我國新建的規(guī)模化牧場一棟牛舍的養(yǎng)殖規(guī)?？蛇_200～600頭牛。隨著牛養(yǎng)殖規(guī)模越來越大，以及對奶牛福利養(yǎng)殖要求的日漸提高，智能化養(yǎng)殖成為目前及今后一段時間內(nèi)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的重要方向。尋找一種清潔、有效、經(jīng)濟和智能的清糞方式，以較少的投資來維持牛舍的清潔衛(wèi)生，保證奶牛健康，提高產(chǎn)奶量，正為越來越多的養(yǎng)殖者所重視。國內(nèi)奶牛場的清糞工藝近年來有所發(fā)展，主要分人工清糞、人工與機械清糞相結(jié)合兩種。

1.2.1人工清糞工藝技術(shù)

人工清糞是在存欄2 000頭以下的牧場中普遍采用的清糞方式。人工利用鐵锨、鏟板和笤帚等先將糞收集成堆，然后人力裝車或運走。這種方式簡單靈活，但工人工作強度大，環(huán)境差，工作效率低，人力成本也不斷增加[8]。

1.2.2鏟車清糞工藝技術(shù)

國內(nèi)專業(yè)清糞設(shè)備，多是針對養(yǎng)雞廠和養(yǎng)豬廠，如刮板式或鏈條式設(shè)備，而奶牛場專用清糞機械尚在研發(fā)和示范階段。目前，多利用改裝的清糞鏟車(圖5)完成奶牛場清糞。清糞鏟車由小型裝載機改裝而成，推糞部分利用廢舊輪胎制成一個刮糞斗，更換方便，小巧靈活[9]。采用這種機械清糞，不能充分發(fā)揮原裝載車的功能，浪費工具，且只能在牛群去擠奶的時候清糞，工作次數(shù)有限，不能實時保證牛舍的清潔。此車體積大，工作噪聲大，易對奶牛造成傷害和驚嚇，不經(jīng)濟、也不靈活。

圖5 鏟車清糞工藝Fig.5 Forklift dung cleaning process

2 牛舍清潔機器人結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計

2.1結(jié)構(gòu)及工作原理

牛舍清潔機器人主要由驅(qū)動系統(tǒng)、充電觸板、配重體、水箱、補水開關(guān)裝置、控制系統(tǒng)、電瓶、防撞輪、超聲波傳感器、噴灑裝置、刮糞板和控制系統(tǒng)等組成。其總體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

1.超聲波傳感器 2.防撞輪 3.電瓶 4.控制系統(tǒng) 5.補水開關(guān)裝置 6.水箱 7.配重體 8.充電觸板 9.驅(qū)動輪總成10.刮糞板 11.噴灑裝置圖6 牛舍清潔機器人總體結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of cowshed cleaning robot

牛舍清潔機器人動力由自帶充電電瓶提供直流電力，包括電機、水泵、控制系統(tǒng)、傳感器和開關(guān)等。前部刮糞板與地面接觸，作為第3點支撐；驅(qū)動系統(tǒng)為左右2個獨立驅(qū)動輪總成，可以完成直行、左右轉(zhuǎn)向、后退等動作。防撞輪繞軸心旋轉(zhuǎn)，當側(cè)面墻體與防撞輪接觸，輪的旋轉(zhuǎn)可以減少摩擦力；當防撞輪正面碰到牛腿或硬物，由控制系統(tǒng)判斷是否啟動避障程序，起到保護作用。

當?shù)退灰何粋鞲衅靼l(fā)出信號需要補水時，清潔機器人行駛到加水站，補水開關(guān)裝置會打開閥門進行加水；當高水位液位傳感器發(fā)出信號水箱已滿，加水站閥門關(guān)閉后，補水開關(guān)裝置會關(guān)閉閥門，清潔機器人駛離加水站繼續(xù)清掃。

牛舍清潔機器人清潔寬度800 mm、行走速度9～18 m/min、最大清潔能力240頭牛。

2.2主要參數(shù)計算

主要參數(shù)包括行走速度、電機功率、總減速比、電瓶容量及設(shè)備配置質(zhì)量。

2.2.1行走速度

設(shè)定牛舍清潔作業(yè)面積900 m2，清潔刮板寬度0.8 m，清潔機器人清掃牛舍一次所用時間120 min，計算機器人行走速度為9.38 m/min[10]。為了滿足實際需求，結(jié)合國內(nèi)外考察結(jié)果，確定行走速度為v=9～18 m/min。

2.2.2電機功率

根據(jù)行走速度與牽引力計算電機功率。清潔機器人總質(zhì)量約為340 kg，輪子與地面之間的摩擦系數(shù)與清潔阻力綜合考慮為0.05，行走速度按v=18 m/min，計算電機功率。由于有刷電機存在噪聲大、效率低、易產(chǎn)生故障等問題，因此本設(shè)計采用了一款直流無刷電動機作為機器人行走的驅(qū)動電機?？紤]到能量損失，選擇伺服電機2臺，電機功率120 W，轉(zhuǎn)速n=3 000 r/min，額定電流10 A，電壓24 V。

2.2.3總減速比

根據(jù)牛舍清潔機器人行走速度及行走輪直徑(D=250 mm)計算行走輪轉(zhuǎn)速。

行走速度選擇最大值，計算得行走輪轉(zhuǎn)速n1=23 r/min，則總減速比i=3 000/23=130。參考相關(guān)產(chǎn)品參數(shù)，最終確定總減速比i=120，電機減速器i1=40，鏈輪減速i2=3。

2.2.4電瓶容量

按照2臺電機額定功率計算，總功率為120 W。

清潔機器人清掃牛舍一次所用時間為120 min，則10 A×2 h=20 A·h。

考慮電瓶的耐用性和頻繁充放電的特點，選擇汽車用電瓶，為滿足一次連續(xù)工作可達7.5 h，選取電瓶參數(shù)為電壓12 V，容量75 A·h即可。

2.2.5設(shè)備配置質(zhì)量計算

為保證設(shè)備的穩(wěn)定性，基于3點支撐的原理，清潔機器人工作時，設(shè)計重心在驅(qū)動輪中心線靠前48 mm處，經(jīng)計算刮糞板承載質(zhì)量38.3 kg，如圖7所示[11]。

圖7 清潔機器人質(zhì)量配置Fig.7 Weight configuration of cleaning robot

2.3關(guān)鍵部件設(shè)計

2.3.1噴灑裝置

噴灑裝置(圖8)包括噴頭、水箱、水泵、補水開關(guān)裝置和過濾器等。

噴頭噴量、噴頭數(shù)量、水箱容積等參數(shù)是影響噴灑裝置性能的重要參數(shù)。

本研究中，噴灑裝置設(shè)計2個0.25 L/min的噴頭，噴霧直徑80 cm，水箱容積30 L[12]。

1.水箱 2.補水開關(guān)裝置 3.過濾器 4.水泵 5.噴頭圖8 噴灑裝置Fig.8 Spraying device

2.3.2自動充電裝置

充電裝置(圖9)主要包括2個正負極觸頭、充電器、變壓器和殼體等結(jié)構(gòu)。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1總體設(shè)計

根據(jù)設(shè)備作業(yè)條件及要求，控制系統(tǒng)需要具備供電、移動、數(shù)據(jù)采集和遙控編程等功能。采用嵌入式ARM作為自走式牛舍清潔機器人核心控制器，實現(xiàn)智能避障、按照規(guī)劃的路徑行駛，實現(xiàn)全天候智能清糞。采用超聲波測距和陀螺儀定位方法精確檢測推進的距離和方向，智能避障，避免牛與機器人發(fā)生危險；具有低電量報警自動充電和水箱液位檢測及自動充水的功能。其總體架構(gòu)如圖10所示。

圖9 充電站結(jié)構(gòu)Fig.9 Structure of charging station

圖10 牛舍清潔機器人控制系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.10 Overall structure of control system for cowshed cleaning robot

從圖10可看出，設(shè)備動力由供電模塊提供。核心控制模塊控制移動模塊，完成設(shè)備的啟停、行走方向控制和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，設(shè)備行走速度和位置數(shù)據(jù)的采集。數(shù)據(jù)采集模塊采集慣性測量部件、超聲波傳感器和電流檢測傳感器發(fā)出的數(shù)據(jù)信息，并將信息反饋到控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)得到的信息做出決策。慣性測量部件、超聲波傳感器用來獲取機器人姿態(tài)、速度和加速度等數(shù)值；電流檢測傳感器用于障礙物檢測、充電檢測，以及判斷機器人是否回到行駛軌跡的原點。

3.2控制系統(tǒng)功能模塊

根據(jù)硬件系統(tǒng)總體設(shè)計，控制系統(tǒng)可實現(xiàn)任務(wù)管理、中斷管理與智能決策。任務(wù)管理主要完成系統(tǒng)任務(wù)的劃分和調(diào)度。中斷管理主要對各中斷定位、安防等信息進行收集，通過連續(xù)的中斷處理程序，確保系統(tǒng)各動作的實時性。智能決策對收集到的傳感器數(shù)據(jù)進行分析和處理，從而生成設(shè)備姿態(tài)控制、避障處理等策略，實現(xiàn)清潔機器人的智能控制。

3.3路徑規(guī)劃

采用基于機器人行為的方法，實現(xiàn)設(shè)備的局部最優(yōu)路徑規(guī)劃。由于設(shè)備作業(yè)環(huán)境復雜，為其設(shè)計了follow_wall、change_direction和move_to_alone共3種行為。通過follow_wall、change_direction和move_to_alone的3種行為，實現(xiàn)設(shè)備由沿墻或牛欄行走、直行和轉(zhuǎn)彎。3種基本行為中位于高層的行為抑制下層的行為，優(yōu)先級如圖11所示，S表示抑制，即change_direction行為抑制follow_wall行為，follow_wall行為抑制move_to_alone行為。在某一時刻只有一種行為對設(shè)備起作用。

圖11 基于行為控制的接口Fig.11 Interface based on behavior control

4 牛舍清潔機器人性能檢測

4.1避障功能檢測

按照預先規(guī)劃好的路徑行走，啟動清潔機器人，當遇到障礙物時，可繞開障礙物繼續(xù)清掃，直到完成清掃任務(wù)。

4.2主要技術(shù)參數(shù)試驗驗證

對表2所示主要參數(shù)進行了測定與計算，均達到設(shè)計要求。

表2 主要技術(shù)參數(shù)測定值

5 結(jié)論

牛舍清潔機器人是一款便于安裝的獨立機器，采用超聲波測距傳感器和慣性測量部件定位方法可精確檢測機器人行進的路程和方向，并實現(xiàn)智能避障。可按照預先規(guī)劃好的路徑行走，實現(xiàn)最接近于奶牛自然狀態(tài)的清糞作業(yè)，達到自動化、全天候的工作，并且行走速度適中，沒有噪聲，對牛群的行走、飼喂、休息不造成任何影響和傷害，給奶牛創(chuàng)造一個舒適、干凈、干燥的環(huán)境，提高奶牛福利，并減輕清潔人員的勞動強度。