牛場精料撒料及推草機器人設計

袁玉昊，田玉輝，李 澳，王 凱，陳子旭，田富洋

（山東農業大學機械與電子工程學院，山東泰安 271018）

0 引言

眾所周知，對于飼養奶牛來說，頻繁的進食會增加奶牛飼料攝入量和牛奶產量。此外，均衡的營養配比[1]也對牛的健康產生積極的影響，還可以提供更為優質的奶源。然而，在牛場中飼喂奶牛時，通常采用人工方式將牧草放置于圈養奶牛的圍欄附近，這種飼喂方式效率較低，并且在奶牛進食的過程中，會造成草料堆的分散，不利于奶牛的進食，需要實時進行補充等作業，造成飼料大量浪費；而將飼料向牛欄推近的工作，不分晝夜，勞動強度較大。在少數地區的牛場中會使用推草設備[2]，但這些推草設備僅僅可以實現推草的功能，對于其他精飼料[3]的配比還需要單獨完成；這兩項工作都需要耗費大量的勞動力，都需要專門的設備進行完成，費時費力。

牛場設備的終極目標是實現奶牛精準飼喂并將操作工人從繁重的體力勞動中解放出來，提高工作效率，降低污染，減少奶牛疾病的發生，提高牛奶產量[4]。所以研發一種新型牛場精料撒料及推草機器人是非常有必要的，這不僅可以代替人工進行推草工作，而且可以為奶牛提供均衡的飼料配比，使奶牛提供優質奶源。

1 設計思路

該設備應具備精料撒料裝置，將多種精飼料均勻混合；推草裝置實現精準高效推草；為保證高效地推草效率，牛場精料撒料及推草機器人應按照規定路線前進，配備磁性尋跡線，進行自主尋跡；為避免設備發生碰撞，應配備相應的紅外避障系統和柔性防撞裝置；機器人應配備深度信息檢測裝置，便于對草料的體積變化做出精準判斷；同時還要相應的配備無線傳輸模塊，可以遠程操控該機器人。

2 主要構造及工作原理

2.1 主要構造

牛場精料撒料及推草機器人由精料撒料裝置，行走裝置，推草裝置和控制裝置4部分組成，結構簡圖如圖1所示。

圖1 精料撒料及推草機器人結構簡圖

2.2 工作原理

精料撒料及推草機器人采用信息化、智能化技術，在現有TMR飼喂技術[5-6]基礎上，將單片機智能控制和機電一體化結合，可同時完成精料混合、自主推草、精準補料等多項作業。機器人工作時，將奶牛所需營養、精飼料放入頂部的精料撒料裝置中，由內部攪龍混合均勻，節省了單獨混合飼料的時間，電動推桿通過推拉擋板控制出料口的打開與關閉，機器人在推草的過程中，飼料便可撒落到草料之中；精料撒料及推草機器人的最大工作高度為750 mm，可滿足大部分牛場的需要；其基于多傳感器的深度信息檢測使得機器人更具智能化，可實現自主調整推草轉速、精準撒料、均勻撒料的功能，達到了更高的推草效率和飼喂效率；精料撒料及推草機器人由遙控器遠程控制，其工作狀態均可在計算機終端顯示，可隨時判斷其運行狀況。

3 關鍵部件設計

3.1 精料撒料裝置的設計

精料撒料裝置，包括料箱和出料口，料箱中安裝有立式攪龍，精料撒料裝置安裝在頂部基座上方，料箱頂端開口，精飼料由此放入，料箱中的攪龍把精飼料攪拌均勻，料箱內壁安裝電動推桿，推拉擋板，控制出料口的打開和關閉，料箱底部的動力裝置可使料箱實現0°～90°范圍內的轉動，機器人前進過程中精飼料可經出料口流出，撒落在草料中，為奶牛提供均衡的營養。將攪龍螺旋葉片設置成了錐形的結構，螺旋葉片從下到上能夠承載飼料的面積不斷地減小，飼料在上升的過程中會有一部分的飼料被推送到料箱頂部以后仍然能順利地下落到料箱的底部，而另外的一部分則是在不斷上升的途中就被螺旋葉片轉到產生的離心力拋撒向了四周，然后同樣降落會料箱的底部。伴隨著螺旋葉片的不斷旋轉上升，飼料也會不斷的被推送上升，從而能夠形成強烈的對流混合[7]。料箱尺寸：長900 mm，寬900 mm，高1 200 mm，精料撒料裝置結構簡圖如圖2所示。

圖2 精料撒料裝置結構簡圖

圖3 攪龍旋轉示意圖

螺旋葉片旋轉，飼料會隨之上升，假設在螺旋葉片的某一點A存在1 個質量為m的飼料顆粒，點A處的螺旋半徑為r，螺距為S，螺旋升角為α（圖3），當攪龍以角速度ω旋轉時，一方面，飼料顆粒會跟其所接觸的螺旋葉片產生相對運動，另一方面，飼料也會沿著豎直方向移動，其速度可以通過速度三角解得，飼料的絕對速度vf跟法線之間會產生夾角，這就是摩擦角φs，將飼料的絕對速度vf進行正交分解就會得到飼料的軸向速度vz和切向速度vt，軸向速度可以讓飼料沿著輸送方向運動，切向速度則會使飼料在輸送的過程中發生攪拌混合[7]。根據垂直攪龍的臨界轉速nH計算公式：

式中：α為螺旋攪龍任意點上的螺旋升角，(°)；φs為飼料和螺旋葉片之間的摩擦角，(°)；d為對應的螺旋直徑，m；ut為飼料間摩擦系數；φf為飼料休止角，(°)。

由樣機的攪龍的相關參數：螺距S＝300 mm，飼料和葉片之間的摩擦角φs＝21.8°[7]，飼料休止角φf＝55°，可算出攪龍的臨界轉速范圍，過程如下。

計算螺旋葉片最小直徑（螺旋軸d1＝100 mm）處螺旋升角α1：

計算螺旋葉片最大直徑d1＝400 mm 處螺旋升角α2：

3.2 行走裝置的設計

牛場精料撒料及推草機器人使用三輪布置的圓形底盤作為行走裝置，其中兩個前輪為獨立驅動的驅動輪，后輪采用萬向輪作為從動輪，三輪呈三角形狀，驅動輪采用錐齒輪傳動方式由伺服電機進行驅動，可以承受高負荷承載力，噪聲小，減震效果優良，可以使傳動更加平穩。通過控制兩個驅動輪之間的轉速來實現設備的行走和轉向，行走裝置結構簡圖如圖4所示。

圖4 行走裝置結構簡圖

牛場精料撒料及推草機器人總質量為m＝200 kg；機器人設計推力F推＝300 N；前進速度v＝6 m/min＝0.1 m/s；驅動輪直徑d＝200 mm；機械綜合傳動效率η＝0.75；滾動摩擦力為F滾；橡膠輪胎與路面的滾動摩擦因數μ＝0.025[8]。則伺服電機的輸出轉速為：

牛場精料撒料及推草機器人前進阻力為：

考慮到精料撒料精料撒料及推草機器人在轉彎等工作情況下兩個驅動輪力矩分配不均勻，同時為保證安全運行保留有20%的安全工作余量[9]，選取伺服電機的輸出力矩T＝30 N·m。則單個伺服減速電機的輸出功率為：

3.3 推草裝置的設計

牛場精料撒料及推草機器人采用可旋轉的推草裝置配合行走裝置進行推草，推草裝置由外殼、推草器、主動齒輪，齒條及伺服電機構成。

外殼內壁固定有圓形內齒條，采用齒輪齒條的嚙合運動，通過伺服電機控制轉速，推草器固定在外殼上，隨外殼一塊旋轉，該裝置可將牛舍中離圍欄較遠的牧草推送至牛舍圍欄的附近，來供圈養的奶牛進行食用，推草裝置結構簡圖如圖5所示。

圖5 推草裝置結構簡圖

圖6 推草器表面受力分析圖

推草器設計為上小下大的圓臺形狀，高度為400 mm，上部直徑為1 100 mm，下部直徑為1 200 mm，圓臺母線的角度為α1＝14.5°，通過推草器的旋轉作用實現推草功能，假設推草器斜表面受到的力為F，垂直母線的分力為F1，平行于母線的分力為F2，如圖6所示，則

推草過程中難免會受到碰撞，為保證推草器的強度，不會發生變形，設計推草器的厚度為1 mm。

3.3 控制裝置的設計

牛場精料撒料及推草機器人中的控制裝置以STM32F767單片機[10]為核心，實現了單片機與紅外傳感器、無線傳輸模塊、磁導航傳感器、深度攝像頭及伺服電機等元器件之間的數據傳輸。

單片機特定程序驅使驅動器工作從而使伺服電機在不同狀態下帶動車輪實現牛場精料撒料及推草機器人前進、后退、左轉、右轉及不同速度的變化，與此同時當牛場精料撒料及推草機器人發生碰撞時通過壓力傳感裝置反饋給單片機，再次通過驅動器操控電機停止或降低轉速，其工作狀態如圖7所示。

圖7 伺服電機工作狀態圖

STM32F767 單片機中特定的程序、機器人底部的磁導航傳感器、紅外傳感器等作為實現循跡與避障的硬件，搭建運動控制系統以及地面鋪設的磁感線共同作用使得機器人按照規定路線前進，且具有良好的避障系統[11]完成推草任務。

圖8 控制流程圖

深度攝像頭[12]使得機器人具備了先進的深度信息檢測功能，使得機器人更智能化，當機器人在前進過程中，頂端的深度攝像頭可隨時計算前方待推草料的體積，將深度信息實時反饋給單片機，其具體體現在以下3個方面：（1）單片機及時調整推草裝置的轉速，在草料體積大的區域適當加快轉速，實現高效率的推草；（2）在機器人前進過程中，通過深度攝像頭的深度信息檢測，在單片機的控制下，動力裝置自動調整料箱旋轉角度，使出料口在草料區域均勻擺動，使精飼料均勻的落在草料上；（3） 通過深度攝像頭的深度信息檢測，STM32F767 單片機特定程序自動控制電動推桿[13]伸出及收回的長度，調節擋板上下位置，在草料較多的區域出料口適當調大，撒出更多的精飼料，草料較少的區域，出料口適當調小，避免飼料的浪費。其控制流程圖如圖8所示。

4 結束語

牛場精料撒料及推草機器人的研制，可以很大程度上解決我國牛場中推草的難題，同時設計有精料撒料裝置，使得精料混合，精料撒料和推草3大功能集于一身，更大程度地解放了勞動力，保證了牛場中奶牛飼喂[14]的連續性，保證奶牛提供源源不斷的奶量，還可以為奶牛提供更為均衡的營養配比，生產更為優質的牛奶。