牛舍清潔機器人研究進展與設計

賀 剛，王 馨，翟改霞，楊 莉

(1.中國農業機械化科學研究院呼和浩特分院有限公司，內蒙古 呼和浩特010010； 2.中國農業大學工學院，北京 100083； 3.內蒙古自治區巴彥淖爾市烏拉特中旗農牧機服務中心，內蒙古 巴彥淖爾015300)

0 引言

我國畜牧業正向著規模化、現代化和集約化的方向快速發展。隨著奶牛規模化養殖進程的不斷加快，規模化奶牛場的環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病率[2]。清潔、干燥和舒適的牛舍地面環境可有效預防乳房炎和其他疾病的發生[3]。

好奶源自好牛舍，清潔衛生的牛舍能保證奶牛的健康，從而提高奶牛的單產水平。因此，良好的糞便收集和處理技術在牧場規劃及設計中的重要性日益突出。目前，規模化奶牛場大多采用集中飼養的方式，人工清糞方式已遠不能滿足產業化的需求。

規模化養殖業發達的國家，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。我國養殖場多采用人工清糞或人工與機械清糞相結合的工藝，效率較低。隨著養殖規模的擴大，為提高奶牛產奶量，保證奶牛健康養殖，本文設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，可實現自動化、全天候的工作，作業效率高，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概述

1.1國外清糞工藝技術

國外養殖業發展較早，形成了規模化養殖，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。清糞工藝及設備主要有以下4種。

1.1.1水沖工藝技術

水沖式清糞工藝技術應用較早，20世紀70年代初在歐美等發達國家，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生。該工藝技術不復雜，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

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]。奶牛活動時，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酵，產生硫化氫、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

刮板工藝技術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24 h清糞。刮糞板屬于機械結構，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

機器人清糞(圖4)工藝能實現牛舍的全自動清糞，運行軌跡可通過程序設計預先設置，通過GPS或北斗系統實現定位，具有機械刮糞板所有的優點。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，易保養的特點；其充電裝置可安裝在牛舍的任何地方以實現自動充電[7]。

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

1.2國內清糞工藝技術

近年來，我國新建的規模化牧場一棟牛舍的養殖規模可達200～600頭牛。隨著牛養殖規模越來越大，以及對奶牛福利養殖要求的日漸提高，智能化養殖成為目前及今后一段時間內養殖業發展的重要方向。尋找一種清潔、有效、經濟和智能的清糞方式，以較少的投資來維持牛舍的清潔衛生，保證奶牛健康，提高產奶量，正為越來越多的養殖者所重視。國內奶牛場的清糞工藝近年來有所發展，主要分人工清糞、人工與機械清糞相結合兩種。

1.2.1人工清糞工藝技術

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

國內專業清糞設備，多是針對養雞廠和養豬廠，如刮板式或鏈條式設備，而奶牛場專用清糞機械尚在研發和示范階段。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 牛舍清潔機器人結構及參數設計

2.1結構及工作原理

牛舍清潔機器人主要由驅動系統、充電觸板、配重體、水箱、補水開關裝置、控制系統、電瓶、防撞輪、超聲波傳感器、噴灑裝置、刮糞板和控制系統等組成。其總體結構如圖6所示。

1.超聲波傳感器 2.防撞輪 3.電瓶 4.控制系統 5.補水開關裝置 6.水箱 7.配重體 8.充電觸板 9.驅動輪總成10.刮糞板 11.噴灑裝置圖6 牛舍清潔機器人總體結構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、傳感器和開關等。前部刮糞板與地面接觸，作為第3點支撐；驅動系統為左右2個獨立驅動輪總成，可以完成直行、左右轉向、后退等動作。防撞輪繞軸心旋轉，當側面墻體與防撞輪接觸，輪的旋轉可以減少摩擦力；當防撞輪正面碰到牛腿或硬物，由控制系統判斷是否啟動避障程序，起到保護作用。

當低水位液位傳感器發出信號需要補水時，清潔機器人行駛到加水站，補水開關裝置會打開閥門進行加水；當高水位液位傳感器發出信號水箱已滿，加水站閥門關閉后，補水開關裝置會關閉閥門，清潔機器人駛離加水站繼續清掃。

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主要參數計算

主要參數包括行走速度、電機功率、總減速比、電瓶容量及設備配置質量。

2.2.1行走速度

設定牛舍清潔作業面積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，結合國內外考察結果，確定行走速度為v=9～18 m/min。

2.2.2電機功率

根據行走速度與牽引力計算電機功率。清潔機器人總質量約為340 kg，輪子與地面之間的摩擦系數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、易產生故障等問題，因此本設計采用了一款直流無刷電動機作為機器人行走的驅動電機。考慮到能量損失，選擇伺服電機2臺，電機功率120 W，轉速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)計算行走輪轉速。

行走速度選擇最大值，計算得行走輪轉速n1=23 r/min，則總減速比i=3 000/23=130。參考相關產品參數，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，為滿足一次連續工作可達7.5 h，選取電瓶參數為電壓12 V，容量75 A·h即可。

2.2.5設備配置質量計算

為保證設備的穩定性，基于3點支撐的原理，清潔機器人工作時，設計重心在驅動輪中心線靠前48 mm處，經計算刮糞板承載質量38.3 kg，如圖7所示[11]。

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

2.3關鍵部件設計

2.3.1噴灑裝置

噴灑裝置(圖8)包括噴頭、水箱、水泵、補水開關裝置和過濾器等。

噴頭噴量、噴頭數量、水箱容積等參數是影響噴灑裝置性能的重要參數。

本研究中，噴灑裝置設計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、變壓器和殼體等結構。

3 控制系統設計

3.1總體設計

根據設備作業條件及要求，控制系統需要具備供電、移動、數據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，實現智能避障、按照規劃的路徑行駛，實現全天候智能清糞。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。其總體架構如圖10所示。

圖9 充電站結構Fig.9 Structure of charging station

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

從圖10可看出，設備動力由供電模塊提供。核心控制模塊控制移動模塊，完成設備的啟停、行走方向控制和轉速調節，設備行走速度和位置數據的采集。數據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出的數據信息，并將信息反饋到控制系統，控制系統根據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、速度和加速度等數值；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控制系統功能模塊

根據硬件系統總體設計，控制系統可實現任務管理、中斷管理與智能決策。任務管理主要完成系統任務的劃分和調度。中斷管理主要對各中斷定位、安防等信息進行收集，通過連續的中斷處理程序，確保系統各動作的實時性。智能決策對收集到的傳感器數據進行分析和處理，從而生成設備姿態控制、避障處理等策略，實現清潔機器人的智能控制。

3.3路徑規劃

采用基于機器人行為的方法，實現設備的局部最優路徑規劃。由于設備作業環境復雜，為其設計了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，實現設備由沿墻或牛欄行走、直行和轉彎。3種基本行為中位于高層的行為抑制下層的行為，優先級如圖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，可繞開障礙物繼續清掃，直到完成清掃任務。

4.2主要技術參數試驗驗證

對表2所示主要參數進行了測定與計算，均達到設計要求。

表2 主要技術參數測定值

5 結論

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，并實現智能避障。可按照預先規劃好的路徑行走，實現最接近于奶牛自然狀態的清糞作業，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，給奶牛創造一個舒適、干凈、干燥的環境，提高奶牛福利，并減輕清潔人員的勞動強度。