摘要： 隨著現(xiàn)代畜禽養(yǎng)殖業(yè)面臨的挑戰(zhàn)日益增加，包括提高生產(chǎn)效率、降低成本、確保動(dòng)物福利以及應(yīng)對(duì)環(huán)境變化等，機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用成為推動(dòng)該行業(yè)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵。文章綜述了畜禽養(yǎng)殖機(jī)器人技術(shù)的研究進(jìn)展，涵蓋了飼喂機(jī)器人、清潔機(jī)器人、巡檢機(jī)器人、擠奶機(jī)器人以及其他相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀和技術(shù)特點(diǎn)。機(jī)器人技術(shù)在提升畜禽養(yǎng)殖業(yè)自動(dòng)化和智能化水平中具有重要作用。其中，飼喂機(jī)器人通過(guò)精準(zhǔn)控制飼料投放，提高了飼喂效率和養(yǎng)殖動(dòng)物健康水平；清潔機(jī)器人能有效地管理畜牧環(huán)境，提升養(yǎng)殖場(chǎng)衛(wèi)生條件；巡檢機(jī)器人通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境和動(dòng)物健康狀況，優(yōu)化了養(yǎng)殖管理；擠奶機(jī)器人則實(shí)現(xiàn)了奶牛養(yǎng)殖自動(dòng)化，提高了生產(chǎn)效率。探討了畜禽養(yǎng)殖機(jī)器人技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)與機(jī)遇，并對(duì)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞： 機(jī)器人；畜禽養(yǎng)殖；智能化；發(fā)展前景

中圖分類號(hào)： S817.3；TP24 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1001-411X（2024）05-0624-11

畜禽養(yǎng)殖業(yè)在中國(guó)農(nóng)業(yè)中占據(jù)著重要地位，雖然中國(guó)是全球最大的生豬養(yǎng)殖國(guó)和第2 大肉雞養(yǎng)殖國(guó)，但是中國(guó)畜禽養(yǎng)殖的效益與先進(jìn)國(guó)家之間還存在顯著的差異，這種差異主要源于養(yǎng)殖技術(shù)和養(yǎng)殖成本[1]。其主要矛盾是當(dāng)前我國(guó)主流的傳統(tǒng)畜禽養(yǎng)殖模式在滿足日益增長(zhǎng)的食物需求方面遇到了瓶頸，如何提高生產(chǎn)效率、降低成本、確保動(dòng)物福利以及應(yīng)對(duì)環(huán)境變化已成為行業(yè)亟需解決的問(wèn)題[2-3]。為了縮小中國(guó)和世界養(yǎng)殖水平的差距，提高競(jìng)爭(zhēng)力，中國(guó)政府在《“十四五”推進(jìn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化規(guī)劃》中強(qiáng)調(diào)了發(fā)展現(xiàn)代化畜牧業(yè)的重要性，提出了提高規(guī)模養(yǎng)殖場(chǎng)及設(shè)施農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平的目標(biāo)，并啟動(dòng)了新一輪生豬標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)模養(yǎng)殖提升行動(dòng)。這些措施旨在通過(guò)設(shè)施設(shè)備改造，推動(dòng)養(yǎng)殖場(chǎng)在養(yǎng)殖飼喂、動(dòng)物防疫以及糞污處理等方面的現(xiàn)代化。

養(yǎng)殖機(jī)器人作為重要的養(yǎng)殖裝備，結(jié)合了人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析等現(xiàn)代信息技術(shù)，通過(guò)自動(dòng)化和智能化手段改革傳統(tǒng)養(yǎng)殖方式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)畜禽飼養(yǎng)過(guò)程的優(yōu)化管理。畜禽養(yǎng)殖機(jī)器人技術(shù)對(duì)提高養(yǎng)殖技術(shù)和降低養(yǎng)殖成本起關(guān)鍵作用。在此背景下，畜禽養(yǎng)殖機(jī)器人技術(shù)作為推動(dòng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵力量，不僅能夠提高生產(chǎn)效率，減少人力需求，還能通過(guò)精準(zhǔn)監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析，提升養(yǎng)殖環(huán)境質(zhì)量和動(dòng)物健康水平，最終實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式。為了更充分地促進(jìn)本項(xiàng)技術(shù)的交流與發(fā)展，本文在功能分類上綜述畜禽養(yǎng)殖機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀、技術(shù)特點(diǎn)、應(yīng)用領(lǐng)域以及面臨的挑戰(zhàn)與機(jī)遇，為進(jìn)一步推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步和行業(yè)發(fā)展提供參考。

1 畜禽機(jī)器人技術(shù)研究進(jìn)展

畜禽養(yǎng)殖機(jī)器人按照功能進(jìn)行分類，主要有飼喂、清潔、巡檢、擠奶等機(jī)器人。不同機(jī)器人在畜禽養(yǎng)殖領(lǐng)域的現(xiàn)狀和不足如表1 所示。

1.1 飼喂機(jī)器人

傳統(tǒng)畜禽養(yǎng)殖模式中，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)供應(yīng)主要依賴于人工操作方式進(jìn)行有機(jī)物的直接投放，該方法在營(yíng)養(yǎng)管理的精細(xì)化調(diào)控方面存在較大的局限性，導(dǎo)致難以實(shí)現(xiàn)飼料攝入量的精確控制。隨著現(xiàn)代化畜牧業(yè)生產(chǎn)體系的發(fā)展，自動(dòng)化飼喂機(jī)器人在規(guī)?；B(yǎng)殖實(shí)踐中被廣泛應(yīng)用，對(duì)提升生產(chǎn)效能及動(dòng)物生活品質(zhì)起到了積極的推動(dòng)作用。自動(dòng)化飼喂技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的創(chuàng)新突破為畜牧業(yè)領(lǐng)域帶來(lái)了根本性改變。朱軍等[4] 研發(fā)的種豬專用自動(dòng)精準(zhǔn)飼喂系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了投喂誤差率控制在2% 以內(nèi)；牧原食品股份有限公司采納的高效自動(dòng)化飼喂裝置實(shí)現(xiàn)了0.9 t/h的飼料投送效能；荷蘭Lely 公司推出的LelyJuno自動(dòng)推料機(jī)結(jié)合了超聲波測(cè)距與藍(lán)牙通訊技術(shù)，顯著優(yōu)化了飼料推送的作業(yè)效率，圖1 展示了該機(jī)器的作業(yè)場(chǎng)景。飼喂機(jī)器人的發(fā)展不僅提升了飼喂作業(yè)精度與效率，也彰顯了自動(dòng)化飼喂技術(shù)在現(xiàn)代畜牧業(yè)中的巨大發(fā)展?jié)摿?。然而，這些先進(jìn)技術(shù)的廣泛應(yīng)用受制于其高昂的投資成本和復(fù)雜的操作，尤其對(duì)于規(guī)模較小的農(nóng)戶而言，初期高昂的資金投入可能構(gòu)成采納這類先進(jìn)技術(shù)的障礙。

在現(xiàn)代化技術(shù)的驅(qū)動(dòng)下，飼喂機(jī)器人的創(chuàng)新性融合為行業(yè)帶來(lái)了向高端技術(shù)邁進(jìn)的新動(dòng)力，孕育出針對(duì)特定市場(chǎng)細(xì)分的一系列創(chuàng)新成果。例如，Nedap 公司推出的針對(duì)特定豬種的自動(dòng)飼喂設(shè)備，利用精確的進(jìn)食數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)了對(duì)豬只飼喂的精細(xì)管理[5]。法國(guó)ACEMO 公司開(kāi)發(fā)的種豬測(cè)定系統(tǒng)，其算法能夠在群養(yǎng)環(huán)境中控制每個(gè)個(gè)體的采食行為[6]。如圖2 所示，愛(ài)爾蘭Dairymaster 公司研發(fā)的站位式飼喂系統(tǒng)，通過(guò)獨(dú)立的飼喂單元運(yùn)作，不僅可以準(zhǔn)確測(cè)量每頭奶牛的進(jìn)食量，還能詳細(xì)記錄飼喂信息，顯著提高了飼料的利用率。郭偉豪等[7]設(shè)計(jì)的羊只專用飼喂機(jī)器人控制系統(tǒng)，依托先進(jìn)的傳感器數(shù)據(jù)采集技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了觸摸屏的本地操作和移動(dòng)終端的遠(yuǎn)程監(jiān)控，進(jìn)一步優(yōu)化了羊只飼喂機(jī)器人的運(yùn)行和出料狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)管。倪志江等[8] 設(shè)計(jì)的基于RFID 技術(shù)和單片機(jī)控制的奶牛個(gè)體精確飼喂裝置，為奶牛提供了個(gè)性化的精準(zhǔn)飼料配給方案。然而，這些系統(tǒng)的廣泛部署面臨著對(duì)動(dòng)物健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的高度依賴和復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理流程的挑戰(zhàn)，隨著精度要求的提升，系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本也相應(yīng)增加。

在智能識(shí)別與自動(dòng)化飼喂技術(shù)領(lǐng)域，趙清來(lái)等[9] 通過(guò)巧妙運(yùn)用單片機(jī)技術(shù)，開(kāi)發(fā)了雙側(cè)雙螺旋投料裝置，該設(shè)計(jì)顯著提升了奶牛個(gè)體飼喂的效率與精度。楊存志等[10] 研究的FR-200 型奶牛精準(zhǔn)飼喂機(jī)器人融合了自動(dòng)定位與生物識(shí)別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)奶牛的精確識(shí)別及定向飼喂，進(jìn)一步推動(dòng)了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。耿麗微等[11] 構(gòu)建的基于RFID 技術(shù)的奶牛身份識(shí)別系統(tǒng)，通過(guò)電子標(biāo)簽為奶牛的遠(yuǎn)程識(shí)別與管理提供了一個(gè)高效的解決方案。這些技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，雖然還面臨著提升識(shí)別準(zhǔn)確性、增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)多變農(nóng)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)力以及擴(kuò)大技術(shù)普及率與用戶接受度等挑戰(zhàn)，但無(wú)疑為農(nóng)業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域帶來(lái)了巨大的潛力。

為了克服現(xiàn)有飼喂機(jī)器人在成本、復(fù)雜性和適應(yīng)性方面的局限性，學(xué)者們引入了新的研究成果和設(shè)計(jì)理念。謝艷等[12] 基于TRIZ 理論對(duì)奶牛飼喂機(jī)器人進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)；孫芊芊等[13] 研究了一種低噪聲操作的智能飼喂機(jī)器人，這些創(chuàng)新不僅提高了操作效率，還改善了工作環(huán)境。賀剛等[14] 設(shè)計(jì)的犢牛飼喂信息系統(tǒng)，通過(guò)可視化管理全過(guò)程數(shù)據(jù)，結(jié)合改進(jìn)的Logistic 回歸算法預(yù)測(cè)犢牛的給奶量，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化精確飼喂，確保了犢牛的健康成長(zhǎng)（圖3）。朱立學(xué)等[15] 利用深度學(xué)習(xí)和視覺(jué)技術(shù)，開(kāi)發(fā)了適合籠養(yǎng)環(huán)境的肉鴿精準(zhǔn)飼喂機(jī)器人，優(yōu)化了鴿舍內(nèi)的自動(dòng)飼喂流程。張帆等[16] 的設(shè)計(jì)則使羊只飼喂機(jī)器人能夠根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整飼喂路徑，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)或遙控飼喂。這些研究不僅展示了科技在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，也為未來(lái)的農(nóng)業(yè)自動(dòng)化和智能化奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[17]。盡管這些技術(shù)取得了顯著的改進(jìn)，但仍面臨著平衡新技術(shù)的成本效益、減少對(duì)現(xiàn)有飼喂系統(tǒng)改造的時(shí)間和資源需求以及實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新與農(nóng)場(chǎng)現(xiàn)行操作間的無(wú)縫對(duì)接等挑戰(zhàn)。

1.2 清潔機(jī)器人

隨著全球?qū)沙掷m(xù)發(fā)展理念和生態(tài)保護(hù)意識(shí)的深入理解，糞便處理作為畜牧業(yè)環(huán)境管理體系中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其技術(shù)創(chuàng)新和解決策略的發(fā)展軌跡日益成為該領(lǐng)域科研和技術(shù)創(chuàng)新的焦點(diǎn)。1994 年，Vinyard[18] 提出的機(jī)械化糞便處理設(shè)計(jì)方案標(biāo)志著該領(lǐng)域的初步嘗試，這也是早期糞便處理技術(shù)的探索。圖4 展示了其中一種早期糞便處理設(shè)備的結(jié)構(gòu)。盡管這些方案在提高處理效率方面取得了一定的進(jìn)步，但仍然面臨清理力度有限，以及無(wú)法有效區(qū)分糞便和其他非目標(biāo)物質(zhì)（如沙粒和碎石等） 的技術(shù)難題。這類初級(jí)機(jī)械設(shè)備主要依賴于人工操作，在操作效率和人工成本控制方面存在根本性缺陷，催生了對(duì)更高度自動(dòng)化解決方案的迫切需求。

隨著科技的不斷進(jìn)步，李許杰等[19] 研制了一種可以在平養(yǎng)雞舍內(nèi)實(shí)現(xiàn)糞污表層破碎、收集裝袋和地面清掃等功能的自走式清糞裝袋一體機(jī)，如圖5 所示。Cubero 等[ 2 0 ] 的研究成果以及和丹麥Washpower 公司開(kāi)發(fā)的自主導(dǎo)航式豬舍清理機(jī)器人，充分展示了自動(dòng)化和無(wú)人操作清潔技術(shù)在實(shí)際場(chǎng)景中的巨大發(fā)展空間。劉磊[21] 針對(duì)當(dāng)前豬舍環(huán)境中缺乏智能型糞便清理設(shè)備的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種豬舍專用清潔機(jī)器人，采用了具有一定彈性的鏟形頭部，設(shè)計(jì)靈感來(lái)自除雪車的鏟形結(jié)構(gòu)和機(jī)車減震系統(tǒng)。這些技術(shù)的進(jìn)步降低了人力成本，提高了清潔作業(yè)的效率，同時(shí)，擴(kuò)大了其在更廣泛環(huán)境下的應(yīng)用潛力，例如在沙漠地區(qū)進(jìn)行糞便回收作業(yè)。盡管這一技術(shù)發(fā)展階段在自動(dòng)化水平和操作效能上實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，但仍面臨許多挑戰(zhàn)，包括系統(tǒng)實(shí)施的高昂成本、維護(hù)操作的復(fù)雜性以及對(duì)多變環(huán)境適應(yīng)能力的需求等[22]。

隨著人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展，集成單片機(jī)、激光雷達(dá)和SLAM（同步定位與地圖構(gòu)建） 算法的先進(jìn)智能化清潔機(jī)器人技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)。羅土玉等[ 2 3 ] 設(shè)計(jì)的豬舍清糞機(jī)器人以工控機(jī)為上位機(jī)，STM32 為底層控制器，結(jié)合激光雷達(dá)傳感器、超聲波傳感器和紅外傳感器，通過(guò)ROS 系統(tǒng)對(duì)算法進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人自動(dòng)建圖、路徑規(guī)劃和回充，并以機(jī)器人帶動(dòng)刮糞板進(jìn)行刮糞（圖6）。王士濤等[24] 開(kāi)發(fā)的高壓吹氣式清潔機(jī)器人可以在光伏組件表面行走且清潔。堯李慧等[25] 針對(duì)清潔機(jī)器人在執(zhí)行清掃任務(wù)時(shí)可能遇到的障礙物和路徑全覆蓋問(wèn)題，對(duì)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)和外觀構(gòu)造進(jìn)行了深入研究和設(shè)計(jì)，實(shí)施了牛舍內(nèi)的全面清潔作業(yè)。楊存志等[26] 研發(fā)了一款可遠(yuǎn)程操控的自主行走智能清潔機(jī)器人，該機(jī)器人利用超聲波測(cè)距技術(shù)和陀螺儀進(jìn)行定位，可以高精度測(cè)定前進(jìn)的距離和方向，其控制系統(tǒng)能夠根據(jù)分析結(jié)果指令機(jī)器人按照預(yù)設(shè)路徑進(jìn)行智能避障等操作。侯云濤等[27] 提出了一種適用于動(dòng)態(tài)環(huán)境中機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的、基于行為策略的路徑規(guī)劃方法。這些機(jī)器人能夠自主避障、自動(dòng)充電和加水，并實(shí)時(shí)完成糞污清理的任務(wù)，展現(xiàn)了智能化技術(shù)在糞便清理領(lǐng)域廣闊的應(yīng)用潛力。技術(shù)的突破不僅對(duì)初期的自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)行了有效補(bǔ)充與完善，也代表了糞便處理技術(shù)朝著更高效率、更環(huán)保的方向發(fā)展[28]。

1.3 巡檢機(jī)器人

在現(xiàn)代畜牧業(yè)和家禽產(chǎn)業(yè)中，智能巡檢機(jī)器人展示了其在提升生產(chǎn)效率、監(jiān)控健康狀況和環(huán)境質(zhì)量方面的巨大潛力。這些機(jī)器人的引入標(biāo)志著行業(yè)正在向自動(dòng)化和智能化管理的轉(zhuǎn)變。環(huán)境監(jiān)測(cè)與管理是巡檢機(jī)器人應(yīng)用的基礎(chǔ)。Qi 等[29] 探討了畜禽舍內(nèi)的環(huán)境監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)技術(shù)，基于檢測(cè)設(shè)備和無(wú)線傳感器技術(shù)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控畜舍的溫濕度、氣體濃度等關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)，為提升動(dòng)物福利和生產(chǎn)效率提供了數(shù)據(jù)支持。趙文文等[30] 設(shè)計(jì)了豬舍消殺巡檢機(jī)器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以完成地圖構(gòu)建、自動(dòng)導(dǎo)航和豬只體溫的檢測(cè)，記錄異常豬只的熱紅外圖像及圈舍所在位置，在疫情期間為豬舍巡檢消殺的少人化（無(wú)人化） 作業(yè)提供了技術(shù)裝備（圖7）。刁亞萍[31]開(kāi)發(fā)了一套無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)代替人工測(cè)量，結(jié)合計(jì)算流體力學(xué)模擬豬舍內(nèi)部環(huán)境分布，對(duì)有效獲取豬舍內(nèi)部環(huán)境參數(shù)和掌握豬舍內(nèi)部環(huán)境分布規(guī)律具有重要意義。龍長(zhǎng)江等[32] 搭建了移動(dòng)式智能監(jiān)測(cè)平臺(tái)，通過(guò)無(wú)線定位系統(tǒng)超寬帶 （Ultra wideband，UWB） 和集成傳感器對(duì)畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，利用帶圖像傳輸功能的攝像頭和紅外測(cè)溫裝置實(shí)時(shí)監(jiān)控畜禽狀態(tài)。這一過(guò)程的主要挑戰(zhàn)在于如何有效處理和分析大量的環(huán)境數(shù)據(jù)，以做出快速準(zhǔn)確的調(diào)整。

隨著環(huán)境條件的持續(xù)優(yōu)化，自動(dòng)化收集和計(jì)數(shù)技術(shù)的應(yīng)用成為提高農(nóng)場(chǎng)生產(chǎn)效率的關(guān)鍵。Chang等[33] 提出了一種智能移動(dòng)機(jī)器人（撿蛋機(jī)器人），用于自由放養(yǎng)的家禽農(nóng)場(chǎng)收集雞蛋，如圖8 所示。趙春江等[34] 關(guān)注籠養(yǎng)模式下雞只與雞蛋的自動(dòng)識(shí)別與計(jì)數(shù)，通過(guò)輕量級(jí)網(wǎng)絡(luò)YOLO v7-tiny-DO 實(shí)現(xiàn)了高精度目標(biāo)識(shí)別和數(shù)量統(tǒng)計(jì)。Geffen 等[ 3 5 ] 利用Faster R-CNN 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)籠養(yǎng)模式下母雞的識(shí)別和計(jì)數(shù)。Jiang 等[36] 通過(guò)改進(jìn)YOLO v7 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)控麻鴨數(shù)量。這些技術(shù)直接關(guān)聯(lián)到農(nóng)場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)效益，其面臨的挑戰(zhàn)在于提高算法的魯棒性，以適應(yīng)多變的光照和遮擋條件。

健康管理和維護(hù)構(gòu)成了智能巡檢機(jī)器人應(yīng)用的高級(jí)階段，直接關(guān)系到動(dòng)物福利和農(nóng)場(chǎng)的可持續(xù)發(fā)展。連京華等[37] 開(kāi)發(fā)的智能巡檢機(jī)器人集成多種傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)家禽健康狀況的綜合監(jiān)測(cè)。白云港等[38] 設(shè)計(jì)的無(wú)線充電模塊為機(jī)器人提供了長(zhǎng)時(shí)間的工作能力，確保了健康監(jiān)控的連續(xù)性。肖德琴等[39-40] 針對(duì)規(guī)模化生豬養(yǎng)殖過(guò)程中難以及時(shí)獲取豬只體溫的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于紅外技術(shù)的生豬體溫巡檢系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)施豬場(chǎng)生豬體溫的快速監(jiān)測(cè)（圖9）。楊柳等[41] 開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)的山豬體溫測(cè)量系統(tǒng)，可以及時(shí)掌握山豬體溫信息，通過(guò)采取隔離措施避免群體性感染。這些應(yīng)用面臨的主要挑戰(zhàn)在于如何整合來(lái)自不同傳感器的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)分析和問(wèn)題預(yù)警。

綜上所述，環(huán)境監(jiān)測(cè)、自動(dòng)化收集與計(jì)數(shù)、健康管理與維護(hù)三大類別的應(yīng)用不僅彰顯了巡檢機(jī)器人在畜牧業(yè)和家禽產(chǎn)業(yè)中的重要作用，也揭示了在技術(shù)適應(yīng)性、成本效益、數(shù)據(jù)處理能力和用戶接受度等方面共同面臨的挑戰(zhàn)[42]。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和成本的降低，智能巡檢機(jī)器人將在畜牧業(yè)和家禽產(chǎn)業(yè)中發(fā)揮更大的作用，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)向著更高效的方向前進(jìn)[43]。

1.4 擠奶機(jī)器人

自動(dòng)擠奶機(jī)器人的發(fā)展標(biāo)志著農(nóng)業(yè)機(jī)械化的一個(gè)新階段。從Mike 等在1986 年提出的自動(dòng)擠奶系統(tǒng)概念[ 4 4 ]，到后續(xù)幾十年技術(shù)的不斷進(jìn)步和完善，自動(dòng)擠奶機(jī)器人的出現(xiàn)顯著提升了擠奶的效率和衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。2021 年瑞典利拉伐公司開(kāi)發(fā)的世界首臺(tái)轉(zhuǎn)臺(tái)式機(jī)器自動(dòng)擠奶機(jī)器人（ A u t o m a t i cmilking robot，AMR） 由5 個(gè)機(jī)械臂共同完成擠奶作業(yè)，有效降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度[45]。John 等[46] 對(duì)新型轉(zhuǎn)盤式擠奶系統(tǒng)的研究表明，增加乳頭清洗步驟可以有效提高擠奶效率。洛陽(yáng)拓博爾鐵路設(shè)備有限公司研發(fā)的擠奶機(jī)器人配備了雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)，能夠自動(dòng)完成清洗、套杯、脫杯等擠奶流程，并對(duì)奶牛身體狀況進(jìn)行分析[47]。劉俊杰等[48] 設(shè)計(jì)的擠奶機(jī)器人適應(yīng)了中國(guó)奶牛的體態(tài)特征，實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)擠奶，提高了擠奶效率。楊存志等[49] 針對(duì)單體式擠奶機(jī)器人機(jī)械臂的重力和傾覆力矩問(wèn)題，設(shè)計(jì)了單體式全自動(dòng)智能擠奶機(jī)器人，增加了每日擠奶次數(shù)，提升了產(chǎn)奶量（圖10）。

上述轉(zhuǎn)盤式擠奶機(jī)雖然提高了擠奶效率，但仍存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、成本高等問(wèn)題。為解決這一問(wèn)題，王成軍等[50] 基于TRIZ 理論設(shè)計(jì)了一種適用于大、中型牧場(chǎng)的高效智能化擠奶設(shè)備（圖11）。李碩等[51] 針對(duì)現(xiàn)有擠奶機(jī)器人適應(yīng)性不足、擠奶效率低等問(wèn)題，設(shè)計(jì)出一種七自由度擠奶機(jī)器人，該機(jī)器人具有操作靈活、取杯時(shí)間短、套杯成功率高等優(yōu)點(diǎn)，有效地改善了擠奶設(shè)備的自動(dòng)化程度。

高成本、維護(hù)需求以及對(duì)動(dòng)物福利的潛在影響等問(wèn)題使這一領(lǐng)域的發(fā)展依然面臨巨大挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，郭洋等[52] 提出一種擠奶機(jī)器人機(jī)械臂控制方法，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人化、自動(dòng)化擠奶，有效地提高了擠奶工作效率和牛奶產(chǎn)量。劉俊杰等[48] 為了保證擠奶機(jī)器人的機(jī)械臂能夠滿足使用精度并快速可靠地工作，采用D?H 法對(duì)機(jī)械臂的位姿和坐標(biāo)變換進(jìn)行建模，通過(guò)設(shè)置機(jī)械臂各桿件坐標(biāo)系，確定各桿件的齊次坐標(biāo)變換矩陣，并建立了擠奶機(jī)器人機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。

1.5 其他機(jī)器人

在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)成為提高效率和精確度的關(guān)鍵。這些技術(shù)不僅覆蓋了傳統(tǒng)的農(nóng)場(chǎng)工作，如擠奶和剪羊毛，還擴(kuò)展到了牧場(chǎng)管理以及禽蛋的分揀和檢測(cè)。每個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步都體現(xiàn)了機(jī)器人技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的深入和多樣化應(yīng)用，盡管這些進(jìn)步伴隨著自身的挑戰(zhàn)和缺點(diǎn)。在自動(dòng)剪羊毛技術(shù)上，Trevelyan[53] 的研究成果展示了機(jī)器人技術(shù)在提高動(dòng)物產(chǎn)品處理效率方面的潛力，通過(guò)設(shè)計(jì)軌跡自適應(yīng)且定位準(zhǔn)確的機(jī)器人，不僅提高了作業(yè)效率，還努力確保了動(dòng)物福利。然而，這項(xiàng)技術(shù)同樣面臨著高精度傳感器需求、對(duì)不同羊毛類型的適應(yīng)以及高昂的設(shè)備成本等問(wèn)題。這些問(wèn)題也同樣出現(xiàn)在牧場(chǎng)管理機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用中，比如“機(jī)器人牛仔”Swag Bot （圖12），SwagBot 的開(kāi)發(fā)代表了牧場(chǎng)管理自動(dòng)化的進(jìn)步，它通過(guò)先進(jìn)的傳感器和定位系統(tǒng)，能夠在復(fù)雜地形中有效地進(jìn)行畜牧跟蹤和管理[54]。荷蘭家庭奶牛場(chǎng)配套使用奶牛流向控制系統(tǒng)、自動(dòng)飼喂系統(tǒng)以及牛群導(dǎo)航系統(tǒng)等，利用“帝波羅”牧場(chǎng)管理軟件，實(shí)現(xiàn)了奶牛場(chǎng)全方位的智能化管理模式[55]。然而，這些技術(shù)也面臨著在戶外復(fù)雜環(huán)境中保持穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性的挑戰(zhàn)以及能源管理等問(wèn)題。

在禽蛋分揀與檢測(cè)領(lǐng)域，從Vroegindeweij 等[56]的基于粒子濾波定位技術(shù)，到王樹(shù)才等[57-58] 設(shè)計(jì)的SIRDGE 系統(tǒng)和雞蛋智能撿拾機(jī)器人（圖13），技術(shù)的不斷創(chuàng)新提高了分揀和檢測(cè)的準(zhǔn)確性和效率。張世慶等[59] 開(kāi)發(fā)了一套基于動(dòng)態(tài)稱量和圖像處理的雞蛋在線檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)應(yīng)變片式傳感器動(dòng)態(tài)檢測(cè)雞蛋質(zhì)量，采用圖像處理檢測(cè)雞蛋長(zhǎng)短軸。郭建軍等[60]基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)對(duì)分揀系統(tǒng)硬件選型及布局、雞蛋圖像信息采集、雞蛋圖像預(yù)處理與特征提取等各個(gè)階段所需要的技術(shù)進(jìn)行選用，設(shè)計(jì)了裂紋雞蛋視覺(jué)模塊，結(jié)合分揀設(shè)備形成了裂紋雞蛋分揀系統(tǒng)。徐彥偉等[61] 采用多信息融合方法研究疫苗制備中雞蛋胚體狀態(tài)的識(shí)別與分揀技術(shù)。趙祚喜等[62] 針對(duì)破殼雞蛋（破口蛋和裂紋蛋） 缺陷差異性大、在線檢測(cè)要求實(shí)時(shí)以及人工檢測(cè)依靠主觀經(jīng)驗(yàn)且檢測(cè)速度慢、檢測(cè)精度低等問(wèn)題，提出一種基于改進(jìn)的YOLO v7 模型的破殼雞蛋在線實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)。這些技術(shù)的應(yīng)用提升了食品安全水平和生產(chǎn)效率，但面臨著高成本、對(duì)技術(shù)精度的極高要求以及設(shè)備維護(hù)的挑戰(zhàn)。

在機(jī)器人智能化領(lǐng)域，智能檢測(cè)算法不僅是機(jī)器人的“大腦”，更是推動(dòng)該領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。肖德琴等[63] 開(kāi)發(fā)了一種針對(duì)籠養(yǎng)蛋鴨的個(gè)體產(chǎn)蛋性能巡檢測(cè)定裝置，能夠精確監(jiān)測(cè)蛋鴨的產(chǎn)蛋數(shù)量及品質(zhì)，極大地提高了對(duì)蛋鴨生產(chǎn)的監(jiān)管效率，如圖14 所示的鴨蛋檢測(cè)系統(tǒng)是智能化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的一個(gè)重要進(jìn)步。肖德琴等[64]還針對(duì)黃羽雞表皮層黑色素的智能分級(jí)問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種新型方法，該方法能有效地減少自然光和偏振光對(duì)樣本分級(jí)的影響，從而提高分級(jí)的準(zhǔn)確性和可靠性。在復(fù)雜環(huán)境下的動(dòng)物盤點(diǎn)也是智能檢測(cè)技術(shù)的一大挑戰(zhàn)。楊秋妹等[65] 等設(shè)計(jì)的豬只盤點(diǎn)算法，通過(guò)在YOLO v5n 主干網(wǎng)絡(luò)中融入SE-Net 通道注意力模塊，顯著提升了算法在復(fù)雜環(huán)境中的識(shí)別和計(jì)數(shù)能力。殷建軍等[66] 對(duì)YOLO v5l 算法進(jìn)行改進(jìn)，研發(fā)了一種裂紋禽蛋品質(zhì)分揀技術(shù)（圖15），該算法檢測(cè)準(zhǔn)確率高達(dá)93.8%，為智能檢測(cè)技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了有力的技術(shù)支持。這些研究表明，智能檢測(cè)技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有廣泛的應(yīng)用前景，不僅提高了生產(chǎn)效率，還提升了產(chǎn)品質(zhì)量，展現(xiàn)了科技創(chuàng)新在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的重要作用。這些技術(shù)的發(fā)展，將進(jìn)一步推動(dòng)智能機(jī)器人在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)革命性的變化。

2 國(guó)內(nèi)養(yǎng)殖機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況

我國(guó)對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域的研究一直保持著高度的關(guān)注和重視。在20 世紀(jì)70 年代左右，我國(guó)開(kāi)始大規(guī)模引進(jìn)和吸收國(guó)外先進(jìn)的養(yǎng)殖設(shè)備和技術(shù)。隨著時(shí)間的推移，我國(guó)對(duì)這些技術(shù)進(jìn)行了自主研發(fā)和改進(jìn)，以適應(yīng)國(guó)內(nèi)養(yǎng)殖場(chǎng)的實(shí)際情況。盡管在1980 年之前，我國(guó)關(guān)于農(nóng)業(yè)機(jī)器人的專利和論文數(shù)量較少，年均在30 件（篇） 以下，但經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，目前中國(guó)在農(nóng)業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域的專利和論文數(shù)量已經(jīng)位居全球首位[67]。這表明我國(guó)在農(nóng)業(yè)技術(shù)研究方面取得了顯著的進(jìn)展。此外，我國(guó)也孵化了許多與養(yǎng)殖相關(guān)的企業(yè)，表2 列出了一些國(guó)內(nèi)外的養(yǎng)殖機(jī)器人企業(yè)。雖然這些企業(yè)目前還未擁有完全智能化的養(yǎng)殖機(jī)器人，但半智能化的機(jī)器人或設(shè)備在功能上已經(jīng)與國(guó)外企業(yè)相當(dāng)，不僅在市場(chǎng)上占有一定份額，還研制了特定的功能。例如，由華南農(nóng)業(yè)大學(xué)聯(lián)合華農(nóng)大智慧農(nóng)業(yè)有限公司研發(fā)的巡檢機(jī)器人已經(jīng)具備了自動(dòng)巡航、自動(dòng)充電、自動(dòng)檢測(cè)障礙物[68]、動(dòng)物體溫監(jiān)測(cè)[69]、行為監(jiān)測(cè)[70]、體尺測(cè)量[71] 和動(dòng)物盤點(diǎn)[72] 等功能和算法（圖16）。盡管我國(guó)的設(shè)備在整體先進(jìn)性、魯棒性、持久度和成本方面仍存在一定差距，但我國(guó)的養(yǎng)殖機(jī)器人具備達(dá)到世界領(lǐng)先水平的基礎(chǔ)[73]。這是我國(guó)農(nóng)業(yè)科技發(fā)展的一大亮點(diǎn)，也是我們未來(lái)農(nóng)業(yè)發(fā)展的一大優(yōu)勢(shì)。期待在不久的將來(lái)，我國(guó)的農(nóng)業(yè)機(jī)器人能夠在全球范圍內(nèi)發(fā)揮更大的作用，推動(dòng)農(nóng)業(yè)科技的進(jìn)步。

3 面臨的挑戰(zhàn)與未來(lái)展望

3.1 我國(guó)養(yǎng)殖機(jī)器人研究的挑戰(zhàn)

盡管養(yǎng)殖機(jī)器人在漫長(zhǎng)的發(fā)展歷程中已經(jīng)取得了顯著的進(jìn)步，但要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，仍需跨越一些難關(guān)[74]。主要的挑戰(zhàn)包括：

1） 導(dǎo)航技術(shù)的局限。雖然現(xiàn)有的先進(jìn)室內(nèi)定位技術(shù)，如WiFi、藍(lán)牙、RFID 紅外線、超聲波、激光雷達(dá)、北斗導(dǎo)航以及UWB 定位系統(tǒng)等，能夠?qū)崿F(xiàn)較為精確的定位，但養(yǎng)殖場(chǎng)的環(huán)境復(fù)雜多變，如道路上寬窄差異，以及可能會(huì)有動(dòng)物糞便、飼料和動(dòng)物等障礙物，這使得機(jī)器人難以按照預(yù)定的時(shí)間和路線準(zhǔn)確地到達(dá)作業(yè)地點(diǎn)。

2） 成本高。養(yǎng)殖機(jī)器人的前期研發(fā)需要投入大量的時(shí)間和資金。為了確保機(jī)器人作業(yè)的準(zhǔn)確性，機(jī)器人往往需要裝備大量的傳感器和設(shè)備，這無(wú)疑增加了機(jī)器人的成本；此外，養(yǎng)殖場(chǎng)的高溫高濕環(huán)境也可能導(dǎo)致機(jī)器人需要頻繁維修和更換部件[75]。

3） 機(jī)器人算法離應(yīng)用還有距離，工作效率不高。為了確保作業(yè)的準(zhǔn)確性和安全性，目前養(yǎng)殖機(jī)器人的工作效率和靈活性相比人工操作機(jī)械還有待提高。例如，擠奶機(jī)器人在尋找奶牛乳頭的過(guò)程中需要花費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間進(jìn)行定位，巡檢機(jī)器人在觀察動(dòng)物狀態(tài)的過(guò)程中也需要更多的時(shí)間，清潔機(jī)器人在尋找需要清潔的地方時(shí)也需要花費(fèi)更多的時(shí)間。因此，許多大型養(yǎng)殖場(chǎng)仍然選擇通過(guò)人工操作機(jī)械進(jìn)行生產(chǎn)。

4） 動(dòng)物的應(yīng)激反應(yīng)。養(yǎng)殖機(jī)器人可能會(huì)發(fā)出較大的噪聲，影響動(dòng)物的休息；同時(shí)，規(guī)?；B(yǎng)殖環(huán)境的復(fù)雜性和不可預(yù)測(cè)性增加了機(jī)器人與動(dòng)物相撞的風(fēng)險(xiǎn)，這可能會(huì)影響動(dòng)物的免疫力和生產(chǎn)率，因此還需要進(jìn)行更多的測(cè)試。

5） 功能較單一。當(dāng)前階段的養(yǎng)殖機(jī)器人功能往往較為單一，只能實(shí)現(xiàn)某一項(xiàng)功能，這限制了其在畜禽養(yǎng)殖領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用。

3.2 未來(lái)展望

針對(duì)上述困難與挑戰(zhàn)，結(jié)合過(guò)去多年的實(shí)踐，我們認(rèn)為未來(lái)養(yǎng)殖機(jī)器人的研發(fā)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下幾個(gè)方面：

1） 適應(yīng)不同環(huán)境的機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)。鑒于中國(guó)不同地區(qū)和不同養(yǎng)殖模式下的環(huán)境差異，養(yǎng)殖機(jī)器人將被設(shè)計(jì)成能夠適應(yīng)多種工作環(huán)境，可以在更廣泛的市場(chǎng)中得到應(yīng)用，而不是局限于特定的養(yǎng)殖場(chǎng)。

2） 進(jìn)一步降低機(jī)器人制造成本。當(dāng)前機(jī)器人進(jìn)口組件較多導(dǎo)致成本較高，為了降低成本并提高自給自足的能力，養(yǎng)殖機(jī)器人的部件和技術(shù)將趨向于國(guó)內(nèi)自主研發(fā)和生產(chǎn)，這不僅可以減少對(duì)進(jìn)口部件的依賴，也有助于降低養(yǎng)殖機(jī)器人的整體成本，同時(shí)提高其性能和可靠性。

3） 通過(guò)更大量的應(yīng)用實(shí)踐提高算法精度和實(shí)用性。目前，養(yǎng)殖機(jī)器人還普遍存在算法在實(shí)踐應(yīng)用中精度偏低，通過(guò)大量的數(shù)據(jù)和試驗(yàn)可以提高養(yǎng)殖機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)時(shí)的精度，如更準(zhǔn)確的體溫監(jiān)測(cè)、體質(zhì)量估測(cè)和異常行為識(shí)別算法等。

4） 符合動(dòng)物生物學(xué)特性的機(jī)器人研發(fā)。養(yǎng)殖機(jī)器人將更加注重動(dòng)物福利，通過(guò)優(yōu)化生物學(xué)特征來(lái)確保動(dòng)物的健康和生產(chǎn)效率，包括減少對(duì)動(dòng)物造成不適的噪聲以及模仿動(dòng)物的聲音、氣味和外型等，讓機(jī)器人工作時(shí)不會(huì)導(dǎo)致動(dòng)物產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)。

5） 復(fù)合功能的機(jī)器人設(shè)計(jì)。未來(lái)的養(yǎng)殖機(jī)器人將不再局限于單一功能，而是集成多種功能，如環(huán)境監(jiān)測(cè)、體溫監(jiān)測(cè)、體質(zhì)量估算、動(dòng)物盤點(diǎn)、禽舍清掃和消毒等，以滿足養(yǎng)殖場(chǎng)的多元化需求。

總之，養(yǎng)殖機(jī)器人的發(fā)展將推動(dòng)畜禽養(yǎng)殖業(yè)向更高水平的自動(dòng)化和智能化轉(zhuǎn)型，為行業(yè)帶來(lái)更高的經(jīng)濟(jì)效益和可持續(xù)性。隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新，我們有理由相信，未來(lái)的養(yǎng)殖業(yè)將變得更加高效、環(huán)保，且更加關(guān)注動(dòng)物福利。

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肖德琴，博士，教授，博士生導(dǎo)師?，F(xiàn)任農(nóng)業(yè)農(nóng)村部華南熱帶智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，國(guó)家水禽產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系智能化崗位科學(xué)家，C C F 數(shù)字農(nóng)業(yè)分會(huì)常務(wù)委員，中國(guó)物聯(lián)網(wǎng)專委會(huì)委員，廣東省農(nóng)業(yè)人工智能專委會(huì)副主任委員，“科創(chuàng)中國(guó)”數(shù)字農(nóng)業(yè)農(nóng)村產(chǎn)業(yè)服務(wù)團(tuán)團(tuán)長(zhǎng)，廣東省農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)工程技術(shù)研究中心主任，廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)技術(shù)研發(fā)中心主任，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)學(xué)科帶頭人。長(zhǎng)期從事計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和人工智能方面的教學(xué)、科研和實(shí)踐工作，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)先進(jìn)傳感器與智能信息處理，致力于動(dòng)植物生產(chǎn)監(jiān)測(cè)與管控、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與產(chǎn)業(yè)大數(shù)據(jù)等科學(xué)研究與應(yīng)用推廣工作。主持國(guó)家星火計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)子課題、廣東省重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)等科研課題50 余項(xiàng)，獲得軟件著作權(quán)登記30 余項(xiàng)，擁有國(guó)家專利10 余項(xiàng)，發(fā)表論文100 余篇，其中，SCI、EI 收錄50 余篇，主編著作5 部，參編著作3 部，獲科技獎(jiǎng)項(xiàng)5 項(xiàng)。研發(fā)了多種農(nóng)業(yè)智能傳感器、傳輸設(shè)備、智能裝備和計(jì)算智能模型。

【責(zé)任編輯 周志紅】

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2021YFD200802）；廣東省科技計(jì)劃（2022B0202160010）；江蘇省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃（BE2022379）