全自走牛舍清潔機器人的設計

楊存志，賀 剛，堯李慧，李源源

(1.黑龍江省農業(yè)機械工程科學研究院，哈爾濱 150081;2.中國農業(yè)機械化科學研究院 呼和浩特分院，呼和哈特 010020；3.黑龍江八一農墾大學，黑龍江 大慶 163319)

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全自走牛舍清潔機器人的設計

楊存志1，賀 剛2，堯李慧3，李源源1

(1.黑龍江省農業(yè)機械工程科學研究院，哈爾濱 150081;2.中國農業(yè)機械化科學研究院 呼和浩特分院，呼和哈特 010020；3.黑龍江八一農墾大學，黑龍江 大慶 163319)

為了提高規(guī)?；Ｉ岬那鍧嵐ぷ餍?，減輕工作人員勞動強度，改善飼養(yǎng)動物的福利狀況，研制了遠程控制自走式智能清潔機器人。該機器人適用于各種漏縫地板，主要通過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，控制系統(tǒng)依據(jù)處理結果發(fā)出信號，控制機器人按規(guī)劃路徑實現(xiàn)智能避障等動作。它具有運行平穩(wěn)、靜音安全、牛舍中無人化全天候工作、自動充電充水等功能，是現(xiàn)代化養(yǎng)殖場清理糞污裝備的發(fā)展趨勢。

清潔機器人；自走式；漏縫地板；牛舍

0 引言

養(yǎng)殖業(yè)在推動經(jīng)濟發(fā)展過程中起到了重要的推手作用，而奶牛養(yǎng)殖又是其中重要組成部分。隨著養(yǎng)殖集約化的發(fā)展，牛場糞污的收集處理成為嚴重的問題，其主要表現(xiàn)在以下3個方面：①占用大量場區(qū)土地；②滋生蚊蠅，產(chǎn)生惡臭；③污染空氣、土壤和水源。

奶牛場糞污的主要來源之一是牛舍，糞便的積累是潛在的污染源，奶牛只有不用走在糞便中才能保持干凈，減少奶牛肢蹄病和乳房炎的發(fā)病率。荷蘭Wageningen大學研究結果表明：每5頭牛就有1頭跛足，牛蹄病成為導致奶牛過早淘汰的第三大原因(繼乳房炎、繁殖疾病之后)。牛舍地面應始終保持清潔、干燥和舒適，牛在牛舍中活動散步，牛蹄保持干凈，無論躺臥在牛床還是過道，牛身不會沾染過多的糞污，從而保證乳房干凈，預防了乳房炎和其他疾病的發(fā)生。清潔的牛場減少了藥費的支出，延長了奶牛的使用壽命，降低了奶牛的淘汰率，提高了奶牛產(chǎn)奶性能，從而增加了奶牛場的經(jīng)濟效益。

1 糞便清理方法

目前，糞便清理主要分為人工清理與機械兩種清理方式。人工清理方式優(yōu)點是簡單、靈活，缺點是工人勞動強度大、效率低，人力成本不斷增加，且僅適用于小規(guī)模養(yǎng)殖。

機械作業(yè)形式分為傳統(tǒng)機械清理方式和智能機械清理方式。傳統(tǒng)機械清理方式包括鏟車清理、水沖清理以及電動刮板清理。

1)鏟車清理為半機械化清糞方式，比人工清理方式效率高；但缺點是工作噪音大，易對牛造成傷害和驚嚇，且工作時間有限，很難保證牛舍的清潔，運行成本高。

2)水沖清理需要的人力少、勞動強度小、勞動效率高，能頻繁沖洗，從而保證牛舍的清潔和奶牛的衛(wèi)生。這種工藝需要充足的水量、配套的污水處理系統(tǒng)、水位提升裝置、合適的牛舍坡度，以及輸送污糞用的泵和管路等。該工藝技術簡單，但污水處理部分基建投資及動力消耗很高。

3)電動刮板清理能做到每天24h清糞，時刻保證牛舍的清潔。電動刮板主要由主機、電機、減速機、牽引繩及刮板等組成。在工作過程中，刮板充滿甬道，進行刮糞工作。該種清理機械操作簡便，工作安全可靠，其刮板高度及運行速度適中，基本沒有噪音，運行、維護成本低；但可能會對牛群的行走、飼喂、休息造成一定的影響。電動刮板清理方式是現(xiàn)在大部分規(guī)?；膛鲈诓捎脽o縫地板時最經(jīng)濟有效的手段。

4)智能機械清理方式主要利用安裝在全自走裝備上的刮糞板進行清糞，此種機械適用于各種漏縫地板，主要通過各種定位與測距等先進技術與設備進行導航，控制系統(tǒng)依據(jù)處理結果發(fā)出控制信號，控制清糞工作部件進行工作。這種清糞方式具有良好的工作性能，即能高效快速地清除糞便，又不會驚嚇與傷害到奶牛。國外公司已經(jīng)研制出數(shù)種自走式智能化清潔機器人，具有代表性的如瑞典利拉伐、荷蘭JOZ及荷蘭萊利等，其產(chǎn)品已應用在少部分奶牛場、養(yǎng)豬場。

為了填補國內空白，迫切需要開發(fā)一種遠程控制自走式智能化牛舍清潔機器人，它能夠自動化、全天候的工作，并且行走速度適中，沒有噪音，對牛群的行走、飼喂、休息不造成任何影響和傷害，完全替代傳統(tǒng)繁重的人工清潔工作。

2 清潔機器人設計參數(shù)計算

清潔機器人設計為240頭泌乳牛牛舍工作，清掃一次時間為2h。

1)作業(yè)面積。圖1為240頭泌乳牛牛舍示意圖，箭頭圍成部分是清糞區(qū)域，由此可知清潔作業(yè)面積約為900m2。

圖1 240頭泌乳牛牛舍示意圖

2)行走速度。清潔機器人清掃牛舍一次時間設定為120min，清潔刮板寬度設定為0.8m，則機器人行走速度為

V×0.8m×120min=900m2

V=9.375m/min

由此確定行走速度為V=9～18m/min。

3)電機功率。由初步結構設計確定設備總重質約為340kg，摩擦因數(shù)與清潔阻力合計0.05，行走速度按V=18m/min。

P=FV=50W

選擇伺服電機2臺，P=120W,n=3 000r/min,額定電流10A，電壓24V。

4)總減速比。由初步結構設計確定行走輪直徑D=250mm，則行走輪轉速為

n=v/πD=18/0.25π=23r/min

其中，i=3000/23=130。

最終確定總減速比i=120,電機減速器i1=40,鏈輪減速i2=3。

5)電瓶容量。按照2臺電機額定功率計算，總功率為240W，則

I=P/U=240/24=10A

考慮電瓶的耐用性和頻繁充放電的特點，選擇汽車用電瓶,可以一次連續(xù)工作7.5h。選擇電瓶參數(shù)為電壓12V，容量75Ah。

3 清潔機器人結構設計

自走式牛舍清潔機器人主要由機械結構、控制系統(tǒng)、充電裝置及充水裝置等組成，采用嵌入式ARM作為自走式牛舍清潔機器人核心控制器，進行智能避障、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，并具有智能避障功能，避免牛與機器人發(fā)生危險；實現(xiàn)低電量報警自動充電功能，水箱液位檢測及自動充水功能。

基于以上設計要求，牛舍清潔機器人總體結構設計如圖2所示。

1.驅動輪總成 2.充電觸板 3.配重體 4.水箱 5.補水開關裝置 6.控制系統(tǒng) 7.充電電瓶 8.防撞輪 9.超聲波傳感器 10.噴灑裝置 11.刮糞板

1)結構設計說明。由圖2可知，驅動系統(tǒng)設計為左右2個獨立的驅動輪總成，可以完成直行、左右轉向及后退等動作。

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(tǒng)判斷是否啟動避障程序，起到保護作用。電瓶為整個設備提供直流電力，包括電機、水泵、控制系統(tǒng)、傳感器和開關等。

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，補水開關裝置會打開活門進行加水；當高水位液位傳感器發(fā)出信號水箱已滿，加水站閥門關閉后，補水開關裝置關閉活門，清潔機器人駛離加水站繼續(xù)清掃。

2)設備質量配置計算。清潔機器人質量配置圖如圖3所示。

圖3 清潔機器人質量配置圖

由圖2、圖3可知：清潔機器人工作時，設計重心在驅動輪中心線靠前48mm處，經(jīng)計算刮糞板承重38.3kg，起到第3點支撐作用，保證了設備的穩(wěn)定性。設刮糞板處支撐力為N1，驅動輪處支撐力為N2，則

N1=340×48/426=38.3kg

N2=301.7kg

3)噴灑裝置設計計算。噴灑裝置如圖4所示。

1.水箱 2.補水開關裝置 3.過濾器 4.水泵 5.噴頭

噴灑裝置包括噴頭噴量、噴頭數(shù)量、水箱容積等參數(shù)的確定和結構設計。

噴灑裝置設計2個0.25L/min的噴頭，噴霧直徑80cm,按照連續(xù)工作1h計算，需要水箱容積30L(連續(xù)工作2h需補水1次)。水泵選型：電壓12V,電流 1.6～2A。最大壓力：0.6MPa ，最大流量4L/min。

4)自動充電裝置的設計。自動充電裝置一般安裝在墻壁上，其安裝高度與清潔機器人的充電觸板相匹配。如圖5所示，充電裝置主要包括2個正負極觸頭、充電器、變壓器及殼體等結構。

4 清潔機器人的運動學分析

以幾何中心和質心不重合的約束非理想兩輪驅動的清潔機器人為研究對象，其簡化模型如圖6所示。

簡化后的清潔機器人由兩個同軸的驅動后輪和一個刮板組成，三點確定一個平面，刮板就起到萬向從動輪轉向的作用。其中，兩個后輪分別由兩個獨立的伺服電機驅動以提供所需的力矩；前方刮板看作是支撐輪，在后方兩個驅動輪的作用下可以沿目標方向移動。(XM,YM)為清潔機器人質心M在XOY坐標系中的坐標；θ為清潔機器人運動的方向轉角，即其運動方向與世界坐標系X軸的夾角；C為清潔機器人兩個驅動輪的幾何中心，(XC,YC)為清潔機器人的幾何中心C在XOY坐標系中的坐標；r為驅動輪半徑；2b為兩驅動輪之間的距離；M、C之間的距離為d。

圖5 自動充電裝置

圖6 清潔機器人的簡化結構示意圖

設清潔機器人平臺質心M的速度為VM，垂直于平面的輪軸，則兩個坐標軸上的分量為

(1)

(2)

由圖9可知，清潔機器人質心M和幾何中心C有如下位置關系，有

xC=xM-dcosθ

(3)

yC=yM-dsinθ

(4)

對式(3)和式(4)求導可得速度關系為

(5)

(6)

將式(1)、式(2)分別代入式(5)和式(6)，并整理可得幾何中心C的速度關系為

(7)

(8)

(9)

當不考慮驅動輪的滑動時，求得清潔機器人的運動學方程為

(10)

由于該清潔機器人的質心M和幾何中心C不重合，在驅動輪滿足無滑動、純滾動的條件下，清潔機器人所受的非完整約束為

(11)

將式(10)寫成下面的形式，即

V(t)=[v，ω]T

其中，v表示幾何中心C的線速度;ω表示幾何中心C的角速度。則清潔機器人的運動學方程可寫為

(12)

由此運動學方程，可知清潔機器人在坐標系的任意位置坐標，可據(jù)以進行控制軟件的計算，精確控制機器人的行走軌跡。

5 不同地面摩擦因數(shù)的仿真分析

清潔機器人在地面上運動，整個系統(tǒng)與外界作用的部分，分別是車輪與刮板。系統(tǒng)在外界摩擦作用下進行工作，需要考慮外界因素對系統(tǒng)的各項指標的影響，針對一系列影響提出具體的舉措和結構的改進優(yōu)化。

首先針對不同摩擦因數(shù)清潔機器人在直行與轉向兩種情況下的運動情況，主要分析其運動速度與加速度和摩擦因數(shù)的關系。為此，在直線與轉向兩種情況下分別選用摩擦因數(shù)f=0.2、f=0.06與f=0.01進行對比仿真。

1)本仿真是以相同的電機輸出轉矩在輪胎與地面之間分別以3種不同摩擦因數(shù)接觸面驅動系統(tǒng)直行，是在清潔機器人運動速度為350mm/s的情況下進行的。這里取摩擦因數(shù)f=0.2、f=0.06與f=0.01，系統(tǒng)自重340kg,重力參數(shù)g=9.8N/kg。以此為參數(shù)條件進行仿真得到速度對比曲線如圖7所示，加速度對比曲線如圖8所示。

圖7 清潔機器人的速度對比曲線

圖8 清潔機器人的加速度對比曲線

由圖7可知：系統(tǒng)在相同驅動條件下，在1.5s前，摩擦因數(shù)為f=0.2與f=0.06的條件下系統(tǒng)能夠達到規(guī)定要求的350mm/s的速度，而摩擦因數(shù)為f=0.01的條件下需要5.5s能達到規(guī)定要求速度。由圖8可知：在0～0.2s時，摩擦因數(shù)為f=0.2情況下加速度的幅值最大，f=0.06與f=0.01的幅值依次遞減。在1～10s時，摩擦因數(shù)為f=0.2與f=0.06情況下的系統(tǒng)加速度保持平穩(wěn)，而摩擦因數(shù)為f=0.01情況下仍然有不同程度的加速度波動。經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)在驅動力一定的情況下，隨著摩擦因數(shù)的增大，系統(tǒng)的速度增加的更快，達到平穩(wěn)運動的時間越短。由此可得出，摩擦因數(shù)對系統(tǒng)直行有一定的運動性能影響。

2)本仿真是以電機輸出轉矩在輪胎與地面之間分別以3種不同摩擦因數(shù)接觸面驅動系統(tǒng)轉向，這是在左右輪以相同幅值輪速但轉速相反的情況下進行的。這里取摩擦因數(shù)f=0.2、f=0.06與f=0.01，系統(tǒng)自重340kg,重力參數(shù)g=9.8N/kg。以此為參數(shù)條件進行仿真得到角速度對比曲線如圖10所示，角加速度對比曲線如圖10所示。

圖9 清潔機器人的角速度對比曲線

圖10 清潔機器人的角加速度對比曲線

由圖9可知：系統(tǒng)在開始轉向時，摩擦因數(shù)為f=0.2情況下角速度的變化程度最大，f=0.06與f=0.01的變化程度依次遞減。由圖10可知，摩擦因數(shù)為f=0.2與f=0.01的條件下系統(tǒng)的角加速度有不同程度的波動，而摩擦因數(shù)f=0.06時，系統(tǒng)角加速度穩(wěn)定。由此可得出， 摩擦因數(shù)對系統(tǒng)轉向有一定的運動性能影響。綜上所述，摩擦因數(shù)對系統(tǒng)的直行與轉向運動性能有一定的影響。所以，在選擇地面時，應該選取摩擦因數(shù)恰當?shù)牡孛妗?/p>

6 結論

全自走牛舍清潔機器人的設計成功，滿足了其運行平穩(wěn)、牛舍中無人化全天候工作、自動充電充水等功能，并通過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，將牛舍通道中的糞污清掃進漏縫中；通過控制系統(tǒng)和軟件的路徑規(guī)劃，能夠滿足不同環(huán)境下奶牛場、養(yǎng)豬場的清潔要求。

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[2] 石為人，周學益.室內清潔機器人避障路徑規(guī)劃研究[J].計算機應用,2007(6)：378-379.

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Design of Self-propelled Barn Cleaning Robot

Yang Cunzhi1, He Gang2, Yao Lihui3, Li Yuanyuan1

(1.Scientific Research Institute of Agricultural Mechanical Engineering in Heilongjiang, Harbin 150081,China; 2.Hohhot Branch of Chinese Acacdency of Agricultural Mechanical Science, Hohhot 010020,China; 3.Heilongjiang Bayi Agricultural University, Daqing 163319，China)

In order to improve the cleaning work efficiency of the scale of cow and pig house, reduce the labor intensity of workers, improving the breeding of animal welfare, we developed the remote control and intelligent cleaning robot.The robots are suitable for various slatted floor, mainly through the accurate detection of ultrasonic ranging and gyroscope locating method to promote the distance and direction, controlling system based on processing the signals, control the robot to work of path planning and intelligent obstacle avoidance action. It has a smooth operation, safe and silent, barn without humanized working around the clock, automatic charging water filled function, is modern farms cleaning sewage equipment development trend.

cleaning robot; self-propelled; slatted floor;cowshed

2016-07-20

“十二五”國家科技支撐計劃項目(2014BAD08B10)

楊存志(1969-)，男，浙江寧波人，高級工程師，(E-mail)yangcunzhi1969@163.com.cn。

S815.4;TP242

A

1003-188X(2017)05-0090-05