賀 剛，王 馨，翟改霞，楊 莉

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)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(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)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(jī)服務(wù)中心，內(nèi)蒙古 巴彥淖爾015300)

0 引言

我國(guó)畜牧業(yè)正向著規(guī)?；F(xiàn)代化和集約化的方向快速發(fā)展。隨著奶牛規(guī)模化養(yǎng)殖進(jìn)程的不斷加快，規(guī)?；膛?chǎng)的環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)重。繼乳房炎、繁殖疾病之后，牛蹄病成為導(dǎo)致奶牛過(guò)早淘汰的第3大原因[1]。牛舍中積累的糞便是奶牛場(chǎng)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(yù)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(chǎng)規(guī)劃及設(shè)計(jì)中的重要性日益突出。目前，規(guī)模化奶牛場(chǎng)大多采用集中飼養(yǎng)的方式，人工清糞方式已遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足產(chǎn)業(yè)化的需求。

規(guī)?；B(yǎng)殖業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家，通常采用水沖、漏糞、刮板及機(jī)器人清糞等工藝，污糞處理效率高。我國(guó)養(yǎng)殖場(chǎng)多采用人工清糞或人工與機(jī)械清糞相結(jié)合的工藝，效率較低。隨著養(yǎng)殖規(guī)模的擴(kuò)大，為提高奶牛產(chǎn)奶量，保證奶牛健康養(yǎng)殖，本文設(shè)計(jì)了牛舍清潔機(jī)器人，用來(lái)代替人工完成牛舍糞便的清理工作，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、全天候的工作，作業(yè)效率高，并且行走速度適中，沒(méi)有噪聲，對(duì)牛群的行走、飼喂和休息不造成任何影響和傷害。

1 奶牛場(chǎng)清糞工藝技術(shù)概述

1.1國(guó)外清糞工藝技術(shù)

國(guó)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(yùn)輸、儲(chǔ)存和處理等方面一般采用自動(dòng)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(jì)70年代初在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家，特別是美國(guó)得到廣泛推廣。該工藝不僅可以清除糞污，同時(shí)具備為牛場(chǎng)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(dòng)強(qiáng)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(fù)雜，但污水處理部分基建投資及動(dòng)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(chǔ)糞池中，污糞可以?xún)?chǔ)存在糞池中，也可以采用其他方式清除，如用自動(dòng)刮板運(yùn)走、用水沖走或依靠重力流走等[5]。奶?；顒?dòng)時(shí)，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(wèn)題，但牛舍建造投資大，且儲(chǔ)存的污糞易厭氧發(fā)酵，產(chǎn)生硫化氫、甲烷等，導(dǎo)致牛舍有害氣體的集聚，以及牛舍過(guò)于潮濕等問(wèn)題，牛舍的通風(fēng)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(jī)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(guó)等普遍采用。刮糞板可實(shí)現(xiàn)24 h清糞。刮糞板屬于機(jī)械結(jié)構(gòu)，操作簡(jiǎn)便，噪聲小、工作安全可靠。刮板高度及運(yùn)行速度的選取不影響牛的活動(dòng)、休息與采食，該機(jī)構(gòu)運(yùn)行、維護(hù)成本低，對(duì)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(jī)器清糞工藝技術(shù)

機(jī)器人清糞(圖4)工藝能實(shí)現(xiàn)牛舍的全自動(dòng)清糞，運(yùn)行軌跡可通過(guò)程序設(shè)計(jì)預(yù)先設(shè)置，通過(guò)GPS或北斗系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)定位，具有機(jī)械刮糞板所有的優(yōu)點(diǎn)。機(jī)器人清糞可將污糞通道及角落清理得非常干凈，對(duì)動(dòng)物生長(zhǎng)活動(dòng)影響小，大大減少了牛舍清潔所需的勞動(dòng)力；具有易維修，易保養(yǎng)的特點(diǎn)；其充電裝置可安裝在牛舍的任何地方以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)充電[7]。

圖4 機(jī)器人清糞工藝Fig.4 Robot cleaning process

1.2國(guó)內(nèi)清糞工藝技術(shù)

近年來(lái)，我國(guó)新建的規(guī)?；翀?chǎng)一棟牛舍的養(yǎng)殖規(guī)模可達(dá)200～600頭牛。隨著牛養(yǎng)殖規(guī)模越來(lái)越大，以及對(duì)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(shí)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(jì)和智能的清糞方式，以較少的投資來(lái)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(lái)越多的養(yǎng)殖者所重視。國(guó)內(nèi)奶牛場(chǎng)的清糞工藝近年來(lái)有所發(fā)展，主要分人工清糞、人工與機(jī)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(chǎng)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(chē)或運(yùn)走。這種方式簡(jiǎn)單靈活，但工人工作強(qiáng)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(chē)清糞工藝技術(shù)

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

圖5 鏟車(chē)清糞工藝Fig.5 Forklift dung cleaning process

2 牛舍清潔機(jī)器人結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1結(jié)構(gòu)及工作原理

牛舍清潔機(jī)器人主要由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、充電觸板、配重體、水箱、補(bǔ)水開(kāi)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(bǔ)水開(kāi)關(guān)裝置 6.水箱 7.配重體 8.充電觸板 9.驅(qū)動(dòng)輪總成10.刮糞板 11.噴灑裝置圖6 牛舍清潔機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of cowshed cleaning robot

牛舍清潔機(jī)器人動(dòng)力由自帶充電電瓶提供直流電力，包括電機(jī)、水泵、控制系統(tǒng)、傳感器和開(kāi)關(guān)等。前部刮糞板與地面接觸，作為第3點(diǎn)支撐；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為左右2個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)輪總成，可以完成直行、左右轉(zhuǎn)向、后退等動(dòng)作。防撞輪繞軸心旋轉(zhuǎn)，當(dāng)側(cè)面墻體與防撞輪接觸，輪的旋轉(zhuǎn)可以減少摩擦力；當(dāng)防撞輪正面碰到牛腿或硬物，由控制系統(tǒng)判斷是否啟動(dòng)避障程序，起到保護(hù)作用。

當(dāng)?shù)退灰何粋鞲衅靼l(fā)出信號(hào)需要補(bǔ)水時(shí)，清潔機(jī)器人行駛到加水站，補(bǔ)水開(kāi)關(guān)裝置會(huì)打開(kāi)閥門(mén)進(jìn)行加水；當(dāng)高水位液位傳感器發(fā)出信號(hào)水箱已滿(mǎn)，加水站閥門(mén)關(guān)閉后，補(bǔ)水開(kāi)關(guān)裝置會(huì)關(guān)閉閥門(mén)，清潔機(jī)器人駛離加水站繼續(xù)清掃。

牛舍清潔機(jī)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(jì)算

主要參數(shù)包括行走速度、電機(jī)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(jī)器人清掃牛舍一次所用時(shí)間120 min，計(jì)算機(jī)器人行走速度為9.38 m/min[10]。為了滿(mǎn)足實(shí)際需求，結(jié)合國(guó)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(jī)功率

根據(jù)行走速度與牽引力計(jì)算電機(jī)功率。清潔機(jī)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(jì)算電機(jī)功率。由于有刷電機(jī)存在噪聲大、效率低、易產(chǎn)生故障等問(wèn)題，因此本設(shè)計(jì)采用了一款直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)作為機(jī)器人行走的驅(qū)動(dòng)電機(jī)?？紤]到能量損失，選擇伺服電機(jī)2臺(tái)，電機(jī)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(jī)器人行走速度及行走輪直徑(D=250 mm)計(jì)算行走輪轉(zhuǎn)速。

行走速度選擇最大值，計(jì)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(jī)減速器i1=40，鏈輪減速i2=3。

2.2.4電瓶容量

按照2臺(tái)電機(jī)額定功率計(jì)算，總功率為120 W。

清潔機(jī)器人清掃牛舍一次所用時(shí)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(diǎn)，選擇汽車(chē)用電瓶，為滿(mǎn)足一次連續(xù)工作可達(dá)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(jì)算

為保證設(shè)備的穩(wěn)定性，基于3點(diǎn)支撐的原理，清潔機(jī)器人工作時(shí)，設(shè)計(jì)重心在驅(qū)動(dòng)輪中心線(xiàn)靠前48 mm處，經(jīng)計(jì)算刮糞板承載質(zhì)量38.3 kg，如圖7所示[11]。

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

2.3關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.3.1噴灑裝置

噴灑裝置(圖8)包括噴頭、水箱、水泵、補(bǔ)水開(kāi)關(guān)裝置和過(guò)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(jì)2個(gè)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(bǔ)水開(kāi)關(guān)裝置 3.過(guò)濾器 4.水泵 5.噴頭圖8 噴灑裝置Fig.8 Spraying device

2.3.2自動(dòng)充電裝置

充電裝置(圖9)主要包括2個(gè)正負(fù)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(jì)

3.1總體設(shè)計(jì)

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(dòng)、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(jī)器人核心控制器，實(shí)現(xiàn)智能避障、按照規(guī)劃的路徑行駛，實(shí)現(xiàn)全天候智能清糞。采用超聲波測(cè)距和陀螺儀定位方法精確檢測(cè)推進(jìn)的距離和方向，智能避障，避免牛與機(jī)器人發(fā)生危險(xiǎn)；具有低電量報(bào)警自動(dòng)充電和水箱液位檢測(cè)及自動(dòng)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(jī)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(dòng)力由供電模塊提供。核心控制模塊控制移動(dòng)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(cè)量部件、超聲波傳感器和電流檢測(cè)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(cè)量部件、超聲波傳感器用來(lái)獲取機(jī)器人姿態(tài)、速度和加速度等數(shù)值；電流檢測(cè)傳感器用于障礙物檢測(cè)、充電檢測(cè)，以及判斷機(jī)器人是否回到行駛軌跡的原點(diǎn)。

3.2控制系統(tǒng)功能模塊

根據(jù)硬件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)可實(shí)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(duì)各中斷定位、安防等信息進(jìn)行收集，通過(guò)連續(xù)的中斷處理程序，確保系統(tǒng)各動(dòng)作的實(shí)時(shí)性。智能決策對(duì)收集到的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)現(xiàn)清潔機(jī)器人的智能控制。

3.3路徑規(guī)劃

采用基于機(jī)器人行為的方法，實(shí)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(fù)雜，為其設(shè)計(jì)了follow_wall、change_direction和move_to_alone共3種行為。通過(guò)follow_wall、change_direction和move_to_alone的3種行為，實(shí)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(jí)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(shí)刻只有一種行為對(duì)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(jī)器人性能檢測(cè)

4.1避障功能檢測(cè)

按照預(yù)先規(guī)劃好的路徑行走，啟動(dòng)清潔機(jī)器人，當(dāng)遇到障礙物時(shí)，可繞開(kāi)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(yàn)驗(yàn)證

對(duì)表2所示主要參數(shù)進(jìn)行了測(cè)定與計(jì)算，均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

表2 主要技術(shù)參數(shù)測(cè)定值

5 結(jié)論

牛舍清潔機(jī)器人是一款便于安裝的獨(dú)立機(jī)器，采用超聲波測(cè)距傳感器和慣性測(cè)量部件定位方法可精確檢測(cè)機(jī)器人行進(jìn)的路程和方向，并實(shí)現(xiàn)智能避障?？砂凑疹A(yù)先規(guī)劃好的路徑行走，實(shí)現(xiàn)最接近于奶牛自然狀態(tài)的清糞作業(yè)，達(dá)到自動(dòng)化、全天候的工作，并且行走速度適中，沒(méi)有噪聲，對(duì)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(gè)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(dòng)強(qiáng)度。