家畜飼喂機器人研究進展與發(fā)展展望

摘要：家畜養(yǎng)殖的生產模式已由粗放型向集約型轉變，生產水平不斷提高，但較低的勞動生產率和勞動力短缺等問題嚴重制約中國家畜養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展。利用現(xiàn)代信息和人工智能技術，研發(fā)家畜飼喂機器人，包括喂料、推料等機器人，實現(xiàn)數(shù)字化、智能化的家畜養(yǎng)殖，提高畜牧養(yǎng)殖生產力是解決上述問題的主要途徑。為深入分析機器人技術在家畜養(yǎng)殖中的研究現(xiàn)狀，本文收集了國內外家畜機器人研究實例和文獻資料，從軌道式喂料機器人、自走式喂料機器人和推料機器人3個方面重點介紹家畜飼喂機器人的研究進展，分析了飼喂機器人的技術特點和實際應用情況，從技術和應用兩個方面對國內外飼喂機器人進行了比較，并從戰(zhàn)略規(guī)劃制定、核心技術發(fā)展和產業(yè)發(fā)展趨勢三個方面進行展望并提出發(fā)展建議，為家畜飼喂機器人在中國的進一步發(fā)展和應用提供參考。

關鍵詞：家畜飼喂;喂料機器人;推料機器人;人工智能;數(shù)字化養(yǎng)殖

中圖分類號：TP242.3;S817""""" 文獻標志碼：A"""""""" 文章編號：SA202204001

引用格式：楊亮， 熊本海， 王輝， 陳睿鵬， 趙一廣.家畜飼喂機器人研究進展與發(fā)展展望[J].智慧農業(yè)（中英文）， 2022， 4（2）：86-98.

YANG Liang， XIONG Benhai， WANG Hui， CHEN Ruipeng， ZHAO Yiguang. Research progress and outlook of livestock feeding robot[J]. Smart Agriculture， 2022， 4（2）：86-98.（in Chinese with English abstract）

1引言

畜牧業(yè)是勞動密集、勞動環(huán)境差、勞動強度大的行業(yè)，作為畜牧業(yè)養(yǎng)殖大國，中國傳統(tǒng)養(yǎng)殖模式向裝備化、智能化方向發(fā)展的需求日益強烈。2021年國家發(fā)布的《關于全面推進鄉(xiāng)村振興加快農業(yè)農村現(xiàn)代化的意見》提出，要提高農機裝備自主研制能力，支持高端智能農機裝備研發(fā)制造。農業(yè)農村部《關于落實好黨中央、國務院2021年農業(yè)農村重點工作部署的實施意見》再次強調提升物質技術裝備水平，強化現(xiàn)代農業(yè)基礎支撐，大力推進農業(yè)機械化以及加快發(fā)展智慧農業(yè)等諸多農機農技推廣新舉措，中國畜牧養(yǎng)殖機械產業(yè)特別是畜牧機器人產業(yè)迎來重要機遇期[1]。

區(qū)別于工業(yè)機器人，農業(yè)機器人作為一種新型智能農業(yè)機械裝備，集成了智能監(jiān)測、自動控制、圖像識別、環(huán)境建模算法、感應器、柔性執(zhí)行等先進技術[2]。荷蘭、英國等發(fā)達國家從20世紀初期開始畜牧機器人的研發(fā)工作，一定程度上解決了勞動力短缺的問題，擠奶機器人和消毒機器人發(fā)展比較迅速。飼喂機器人主要應用于家畜的飼養(yǎng)管理過程，目的是提高動物的采食量，有效避免由于夜間攏料不及時導致的奶牛產奶量低等狀況。隨著信息技術、人工智能、傳感技術的發(fā)展，飼喂機器人向著更加智能的方向發(fā)展，能夠更好地滿足動物的福利，減少對環(huán)境的污染，解放勞動力。尤其國外養(yǎng)殖企業(yè)的機械化普及率較高，養(yǎng)殖企業(yè)“機器換人”“無人值守”的現(xiàn)象比較普遍。在養(yǎng)殖場建設過程中，配置了各種現(xiàn)代機械設備，特別是在勞動力需求較大的飼喂過程，通過喂料機器人的應用，可以有效減少勞動力的投入，提高家畜飼喂的效率和精確性，為家畜養(yǎng)殖企業(yè)的高質量發(fā)展提供了技術和裝備支撐。

近年來，中國家畜養(yǎng)殖向規(guī)模化養(yǎng)殖模式發(fā)展，奶牛年存欄100頭以上的比重，從2005年的11.2%提升到了2020年的67.2%[3]。家畜養(yǎng)殖水平不斷提升，機械化、智能化養(yǎng)殖裝備在養(yǎng)殖場得到了一定的應用。然而，從整體上看中國的畜牧機器人研究和應用還處于萌芽狀態(tài)。加快家畜飼喂機器人的研發(fā)與應用，對提高中國家畜養(yǎng)殖效率，減少勞動力，支撐現(xiàn)代畜牧業(yè)發(fā)展有重要意義。為深入分析機器人技術在家畜養(yǎng)殖中的研究現(xiàn)狀，促進中國家畜飼喂機器人發(fā)展，本文主要介紹家畜喂料機器人和推料機器人的研究進展、技術特點與應用情況，從技術和應用兩個方面對國內外飼喂機器人進行比較，從戰(zhàn)略規(guī)劃制定、核心技術發(fā)展、產業(yè)發(fā)展趨勢三個方面進行展望并提出建議，為家畜飼喂機器人在中國進一步發(fā)展和應用提供參考。

2喂料機器人

喂料機器人是一種可以替代畜牧養(yǎng)殖工人、具備一定獨立決策能力的智能喂料設備，是實現(xiàn)畜牧業(yè)自動化、集約化發(fā)展過程中的關鍵裝備，分為軌道式喂料機器人和自走式喂料機器人兩種。在奶牛飼養(yǎng)過程中，主要通過提高奶牛的采食量來提高其健康水平，從而提高奶牛的生產能力和產奶量。荷蘭、加拿大等國家研制出的比較典型的喂料機器人產品可以創(chuàng)建從飼料車間到養(yǎng)殖區(qū)域的運行路線，利用超聲波傳感器等實現(xiàn)避障功能，通過配置的料斗給牛棚中等待采食的奶牛分發(fā)飼料，實現(xiàn)牛群全天候獲取新鮮飼料。

2.1軌道式喂料機器人

軌道式喂料機器人是指運行在固定軌道上實現(xiàn)對家畜飼喂功能的一類機器人，可細分為懸掛式和地軌式兩種。喂料機器人沿著固定軌道自動運行，對目標動物進行識別，對自身進行定位，通過預設程序精確完成飼料的投放，實現(xiàn)對家畜的精準飼喂。

2.1.1國外研究進展

軌道式喂料機器人在國外養(yǎng)殖企業(yè)應用比較普遍，其中多數(shù)采用的是懸掛式軌道。荷蘭 Tri‐oliet 公司、加拿大 Rovibec 公司和奧地利Hetwin公司在軌道式飼喂機器人領域技術積累較為成熟，已有多款產品實現(xiàn)產業(yè)化應用。荷蘭 Trioliet 公司研制了兩款軌道式喂料機器人，型號分別為 Triomatic HP2300[4]和 Triom ‐atic WP2300[5]。圖1所示的 Triomatic HP2300是一款懸掛式飼喂機器人，即采用懸掛系統(tǒng)在畜舍內軌道上運行工作，懸掛系統(tǒng)可以自行調節(jié)高度，有效躲避畜舍內障礙物，喂料機器人通過與固定式攪拌站、飼料倉房結合，在不銹鋼攪拌罐中可以裝載容積為3 m3的飼料，實現(xiàn)無極變速控制左右兩側的雙向發(fā)料，系統(tǒng)設置有觸摸屏和操作終端。同時在機器人的下端設置有推料裝置，可以將遠離奶牛的飼料推回可采食區(qū)，滿足奶牛的飼喂需求。

圖2所示的 Triomatic WP2300是一款四輪式飼喂機器人，即通過四個輪子移動，其中兩個為驅動輪，可以很容易地驅動機器人在飼喂通道周圍移動。在飼喂機器人內部，設置有兩個立式攪拌鉸龍和一個雙向發(fā)料帶，容積同樣為3 m3，最大載料重為900 kg 。機器人的電能來源于上方的電源軌道，持續(xù)的供電方式保證機器人正常工作。為方便應對養(yǎng)殖場內的特殊路況，TriomaticWP2300飼喂機器人可以應對高達5%的坡度和5cm的門檻。

加拿大 Rovibec公司研制了四款軌道式喂料機器人，型號分別是 Rover MVR [6] 、ROV [7] 、 DEC SR [8] 和 DEC HDR [9]。圖3所示 Rover MVR 的裝載飼料容積為3.4 m3，在不需要任何人工的干預下，可以實現(xiàn)自行裝入飼料、混合飼料、分配飼料的功能，牛場管理員可以設定投喂的飼料配方、飼喂次數(shù)、飼喂時間等基本參數(shù)。機器人通過上方的導軌供電，保證運行的穩(wěn)定性和持久性。四輪轉向由液壓動力驅動，能夠實現(xiàn)可變的前進速度和下料速度。機器人的底部設置有飼料推料鏟，可以將遠離奶牛采食區(qū)間的飼料推回到奶牛可采食區(qū)域。應用該機器人可優(yōu)化牛群健康和生產力，同時減少相關的勞動力。

圖4所示 ROV軌道喂料機器人為低功率消耗量，可以采用2～12 V 的電池驅動，料倉內設置不同大小的8個分區(qū)，存儲8種谷物或礦物質的補充物，最大存儲量為1000 kg ，根據(jù)每頭奶牛的基本狀況分發(fā)不同的補充物質，從而有效提高牛奶中相應的營養(yǎng)成分。

圖5所示 DEC SR為懸掛式喂料機器人，采用2.2 kw低功率的電動機，后臺設置不同的飼喂曲線和飼料配方，可以滿足300頭奶牛自由采食。

圖6所示 DEC HDR 為一款懸掛式軌道喂料機器人，基本適用于所有路況的養(yǎng)殖場，飼料容量為3.4 m3，可以自行管理、準備、分發(fā)全混合日糧（ Total Mixed Ration ，TMR ）飼料，在無需人工干預下自由飼喂300頭奶牛，并生成相應的飼喂管理曲線。機器人采用低功率模式，只需一臺3.8 kw的發(fā)動機即可。

奧地利 Hetwin公司研制了2款軌道式喂料機器人，分別是 ARAMIS II [10] 和 ATHOS [11]。圖7所示 ARAMIS II是歐洲首款自動供應精飼料、干草和青貯飼料的喂料機器人，可以執(zhí)行稱重、切割、混合、定量和輸送五項工作。系統(tǒng)還具備測定纖維長度的功能，切割系統(tǒng)可以將塊狀或未壓制的青貯切割，提高奶牛采食的適口性和便利性，水平攪拌系統(tǒng)可以一次處理50 kg 的飼料。 ARAMIS II 上使用的硬件包括10寸觸摸屏面板 C70、帶集成 I/O的緊湊型 X20控制器和變頻器， X20控制器通過無線局域網(wǎng)進行相互通信。

圖8所示 ATHOS 喂料機器人主要針對小型或中型養(yǎng)殖場而研發(fā)，使用了7寸觸摸屏面板、帶集成 I/O的 X20控制器和 ACOPO Sinverter變頻器，使用了 Automation Studio軟件進行管理。機器人配備了預混合裝置及切割系統(tǒng)，可在幾分鐘內將干草或青貯飼料切割成均勻的新鮮混合飼料，通過預先設定的程序，確保所有動物都獲得新鮮的混合飼料，通過提高采食量，增加牛奶產量并改善動物健康。在喂料機器人的底部，設置了飼料推料鏟，可以保證奶牛的采食需求，減少飼料的浪費。

2.1.2國內研究進展

與國外相比，國內研發(fā)的軌道式家畜飼喂機器人的種類和應用的數(shù)量很少，主要是因為國內養(yǎng)殖企業(yè)更依賴人工勞動，特別是在養(yǎng)殖場建設過程中，基礎設施和智能裝備的資金投入較低，無法實現(xiàn)大規(guī)模的智能化、機械化養(yǎng)殖。隨著市場散養(yǎng)戶的逐漸退出，家畜養(yǎng)殖規(guī)模的不斷擴大，飼喂機器人等智能化產品的研發(fā)和應用水平會有較大提高。目前國內已在奶牛飼喂機器人、羊飼喂機器人、生豬飼喂機器人等方面開展了研究。

在奶牛飼喂機器人方面，方建軍[12]研制了一款利用 PIC16F877微處理器控制的飼喂機器人，利用霍爾傳感器和無線識別裝置分別實現(xiàn)自身的精確定位以及奶牛的識別。楊存志等[13]研制的 FR-200型飼喂機器人，采用軌道吊掛式，按設置的程序自動運行、定位，能夠智能識別奶牛，投喂精確的飼料量，實現(xiàn)每天多次規(guī)律性飼喂，及時更改飼喂曲線，可以有效促進奶牛個體的產量和奶產品的質量雙提高，成為奶牛養(yǎng)殖的智能化福利養(yǎng)殖裝備。為解決精確控制奶牛精料采食的問題，倪志江等[14]研制了基于單片機和無線射頻識別技術的智能化個體奶牛精確飼喂機，實現(xiàn)奶牛個體的精確飼喂，牛奶日產量提高4kg。

在羊飼喂機器人方面，張磊[15]設計出一款磁導引式羊只自動飼喂機器人，根據(jù)實際工作環(huán)境，對導引路徑和工作區(qū)間進行調整;根據(jù)飼喂區(qū)間內羊只的數(shù)量和生長周期，實現(xiàn)定時定量的自動飼喂，有效降低了飼喂勞動強度和飼料浪費，推動了國內畜牧業(yè)智能化的發(fā)展。北京京鵬環(huán)宇畜牧公司研制了全自動空中帶式飼喂系統(tǒng)、全自動地面帶式飼喂系統(tǒng)和智能機器人飼喂系統(tǒng)[16]，具有占地面積小、使用方便靈活等特點，能夠滿足不同養(yǎng)殖規(guī)模用戶的需求。飼喂機器人內部結構精密，配方多元化和精細化，保證每只羊采食到適量且營養(yǎng)均衡的飼料，獲得最高增重和最佳飼料報酬，可以有效提高羊場的利潤。

在生豬飼喂機器人方面，吉林精氣神“吉神黑豬”養(yǎng)殖基地為中國首批豬人工智能養(yǎng)殖基地，基地運用飼喂機器人等先進設備與技術，改變傳統(tǒng)人工粗放式飼喂。該基地研制的飼喂機器人利用“豬臉識別”技術，集傳統(tǒng)定量杯與自動飼喂器為一體，采用大角度楔形構造設計解決了量杯內飼料結拱的問題，保持穩(wěn)定的出料速度實現(xiàn)精準出料[17]。系統(tǒng)設定的飼喂曲線實現(xiàn)對生豬群體和個體的智能、精準飼喂，保證每頭生豬獲得均衡的營養(yǎng)，出欄體重差異縮小到5%以內[18]，減少了飼料浪費，降低了飼喂成本。

2.2自走式喂料機器人

自走式喂料機器人指的是在養(yǎng)殖場內可以自由行走，具有自動導航和定位功能的一種家畜飼喂機器人。機器人系統(tǒng)主要以單片機為控制核心，利用傳感器和通訊模塊實現(xiàn)自動行走，與軌道式飼喂機器人相比，飼喂過程更加靈活、便捷，飼喂工作結束后自行回到充電處進行充電。

自走式飼喂機器人技術含量更高，不需要前期投入資金進行軌道的鋪設，更有利于在家畜養(yǎng)殖場得到推廣應用。

2.2.1國外研究進展

目前，國外已有比較成熟的自走式喂料機器人產品，典型的有荷蘭 Lely公司的 Vector喂料機器人、奧地利 Hetwin公司的 ARANOM喂料機器人以及奧地利 Schauer公司的 TRANSFEED ROV‐ ER 喂料機器人等。自走式機器人具有更好的適應性，能夠滿足不同條件場地的需求，在家畜養(yǎng)殖企業(yè)的應用中取得了較好效果。

荷蘭 Lely 公司研制的 Vector [19] 喂料機器人是一種獨立的電池供電機器人，能夠自動喂養(yǎng)自混合飼料，圖 9為 Vector喂料機器人在奶牛場的應用場景。Vector具有測量圍欄處飼料高度的功能，決策是否需要補充飼料，保持圍欄處始終有足夠的新鮮飼料，同時飼料數(shù)量不會過多或過少。在喂養(yǎng)頻次方面，Lely公司建議通過頻繁地進食刺激奶牛的飼料攝入，保持瘤胃 pH 恒定，利于奶牛的健康和生育，獲得更高的牛奶產量。在配套的管理平臺，可以顯示每頭（組）奶牛的平均飼料攝入量，通過調整飼料配方來降低飼料成本，獲取更好的收益。

奧地利 Hetwin公司研制了一款 ARANOM [20]自走式機器人，也是 Hetwin 公司在2018年漢諾威舉辦的 EuroTier農展會上推出的創(chuàng)新產品。如圖10所示，ARANOM以底盤作為基礎，使用地面磁感應傳感器作為參考點自動移動。ARANOM 喂料機器人有 ARANOM" MIX 和ARANOM" CUT amp; MIX 兩個版本。 ARANOMMIX 可以進行稱重、混合、進料和推料4種操作，配備有4 mm 不銹鋼雙混合器托盤的垂直混合系統(tǒng)，適用于較短的飼料;ARANOM CUT amp;MIX可以進行稱重、切割、混合、進料和推料5種操作，切割能力強，擁有臥式切割混合系統(tǒng)，配有兩個可更換8 mm 不銹鋼混合罐，適用于較長的飼料，如裝載機青貯飼料，圓捆青貯飼料和干草。兩個版本的機器人均采用電池供電模式，無需軌道供電系統(tǒng)即可實現(xiàn)機器人系統(tǒng)驅動。ARANOM 設置有兩個軸，通過可充電電池可進行無電運行，其所使用的在高電壓下運行的電池技術目前在市場上比較獨特[21]。此外，在機器人底部還設置有底盤驅動器，通過放置在地板表面下的小型參考磁鐵，控制機器人遵循編程的路線行走。采取無導軌的模式可以節(jié)省較多的成本，特別是在大型牧場中安裝更加簡單便利。

圖11為奧地利 Schauer 公司研制的 TRANS ‐FEED ROVER [22] 喂料機器人，是一款基于垂直攪拌機的自走式喂料機器人，配備的料倉可以儲存3.4 m3的飼料，能滿足飼喂300頭奶牛的需求。機器人運行時最大需要7.7 kw的能效，保證設備的節(jié)能運行;轉彎半徑為1.5 m ，運行時比較敏捷，占用較小的區(qū)域行走;集成了可變速立式攪拌機和切割機，能夠較好地混合和粉碎青貯飼料，滿足奶牛的采食需求。

瑞典 Delaval 公司研制的 CF1000[23] 型飼喂機器人，可以根據(jù)肉牛所處的不同生長周期進行科學分配飼料，有效地降低了人工成本[24]。

從以上介紹的研究進展可以發(fā)現(xiàn)，國外的喂料機器人的研發(fā)主體是設備制造企業(yè)，由企業(yè)主導機器人的研發(fā)與推廣，而學術界對于家畜飼喂機器人的研究較少，Rodenburg [25]對擠奶機器人進行了相關研究，本文不再具體介紹。

2.2.2國內研究進展

與國外相比，國內自走式喂料機器人的研發(fā)還處于初級階段，查閱到的自走式喂料機器人文獻較少，能在養(yǎng)殖場實際應用的則更少。分析這種現(xiàn)象的原因，發(fā)現(xiàn)與國外設備制造企業(yè)主導機器人的研發(fā)與推廣不同。國內起主導作用的是政府和科研工作者，但研究的產品很難完全進行產業(yè)化生產和推廣應用;此外，基于家畜智能設備市場需求較小的現(xiàn)狀，設備制造企業(yè)無法大規(guī)模投入研發(fā)，再加上國外進口的設備價格居高不下，造成喂料機器人在養(yǎng)殖場的應用率較低。

在技術研究方面，張帆等[26] 以 STC89C52 RC 型單片機為控制核心，開發(fā)了羊只飼喂機器人的行走控制系統(tǒng)，利用 AGV （ Automated Guided Vehicle ）磁導航傳感器和 GT-2.4G無線通訊模塊，實現(xiàn)了自動行走和手動行走兩種控制模式，提高了羊只飼喂機器人的適用性;為避免機器人運行引起羊只的應激反應，孫芊芊等[27]對羊只智能飼喂機器人進行了功能與造型設計，功能方面實現(xiàn)智能飼喂、監(jiān)控反饋和自動行走，造型方面實現(xiàn)材料、形態(tài)和顏色的適應性和創(chuàng)新性，有效避免羊只的有害應激反應;王浩鵬[28]為優(yōu)化羊只飼喂機器人的螺旋輸送軸結構，使用有限元軟件 Workbench對螺旋輸送軸進行靜力學分析，通過動力學分析得到固有頻率和振型，應用優(yōu)化空間填充算法對螺旋輸送軸相關參數(shù)進行采樣分析，建立響應面模型，通過優(yōu)化得出螺旋輸送軸最優(yōu)參數(shù)組合，有效增大了出料系統(tǒng)輸送空間，提高了羊只飼喂機器人的單位輸送效率。

2.3國內外喂料機器人比較

技術上看，喂料機器人從軌道式機器人向自走式機器人方向發(fā)展。軌道式機器人對養(yǎng)殖場的基礎設施建設有一定的要求，需要搭建從飼料車間到養(yǎng)殖場的飼喂機器人行走的軌道，從而實現(xiàn)飼喂機器人按固定路徑行走的功能。與軌道式機器人相比，自走式機器人需要具備自主導航和定位功能，提高了機器人控制系統(tǒng)的技術水準和復雜程度。國外的喂料機器人主要是基于計算機操作系統(tǒng)，在機器人上配置了觸摸屏面板，實現(xiàn)參數(shù)的設置和數(shù)據(jù)的分析與管理。喂料機器人具備稱重、切割、混合、進料和推料5種功能，提高了家畜養(yǎng)殖效率，降低了對勞動力的需求。在國內，喂料機器人的研發(fā)和設計引入了一些先進技術，如手機 APP的開發(fā)使工作人員更及時方便了解相關數(shù)據(jù)，在動物應激反應方面，通過對機器人造型的材料、顏色、形態(tài)等創(chuàng)新盡量避免家畜有害應激反應。此外，先進傳感器技術和模型分析技術不斷應用到機器人的研發(fā)中，對機器人的智能化發(fā)展提供了技術上的支撐。

從應用上看，國外養(yǎng)殖場的裝備化發(fā)展較早，大部分都配備了軌道式的喂料機器人，自走式機器人的研發(fā)已經(jīng)成熟，應用比例在不斷提高，這對于提高企業(yè)的生產效率，降低人力成本發(fā)揮了一定的作用。國內養(yǎng)殖場的裝備化水平整體較低，主要是科研單位和設備企業(yè)對飼喂機器人進行研究，在應用方面還處于初級階段，尚未達到國外農業(yè)發(fā)達國家的應用水平。為此，2021年，中國工業(yè)和信息化部等15部門聯(lián)合印發(fā)了《“十四五”機器人產業(yè)發(fā)展規(guī)劃》等相關政策，鼓勵科研單位與設備研發(fā)企業(yè)提高農機裝備研制水平，促進國內家畜養(yǎng)殖企業(yè)的農機應用。

3推料機器人

在傳統(tǒng)畜牧養(yǎng)殖過程中，牛只等采食時會將草料拱到遠離采食區(qū)的位置，造成采食量下降以及飼料的浪費，解決辦法是人工將飼料推送至采食圍欄附近，需要工人長時間、多頻次反復勞動，導致飼喂效率偏低，人工成本偏高。為此，國外大型牧場引進了推料機器人。推料機器人是一種在動物采食過程中，將遠離飼喂帶的飼料自動推送回飼喂帶的智能設備。推料機器人的應用可以有效減少牧場勞動力，提高推料及時性，有利于促進動物采食量的增加，顯著提高養(yǎng)殖企業(yè)的經(jīng)濟效益。

3.1國外研究進展

目前，國外已經(jīng)研制出比較成熟的推料機器人產品，其產品功能是將遠離家畜采食欄桿的草料推向欄桿，方便家畜采食，同時其攜帶的料斗會根據(jù)飼料的剩余情況進行添加，最大可能滿足家畜的采食需求。

奶牛推料機器人一般需要具備自主行走、自主導航和自動推料等功能，主要采用自轉式和螺旋式的結構部件，其中，荷蘭 Lely 公司的 Juno推料機器人、瑞典 Delaval公司的 OptiDuoTM推料機器人為螺旋式結構[29-31]。

在機器人的導航定位方面，自轉式和螺旋式相比于傳統(tǒng)的刮板式具有明顯的優(yōu)勢，兩種模式的移動更加靈活，機器人本身都可以實現(xiàn)急停和避障功能，具備自動回到充電位的功能。其中，自轉式推料機器人的自重直接影響著推料的效果，目前市場上的主流推料機器人的自重在400～700 kg 之間;螺旋式推料機器人可以在推料過程中將飼料進行二次攪拌，從而提高飼料的均勻度。

圖12為加拿大 Valmetal 公司研制的 PRO-FEED 2020[32]推料機器人，重量為700 kg ，采用螺旋鉆將青貯飼料或干草進行攪拌，以蓬松飼料的方式來飼喂動物，增加飼料的氣味和適口性，可以有效增加動物個體干物質的消耗，從而增加牛奶的產量。機器人設置有10寸的具有防水功能的觸摸屏，用戶可以在屏幕上操作，也可以通過電腦、手機等進行遠程控制。在工作過程中如果出現(xiàn)問題，機器人會發(fā)送短信及時通知到工作人員，以進行遠程檢查設置或系統(tǒng)升級等操作。

圖13為加拿大 Rovibec 公司研制的 RANG ‐ER [33]推料機器人，重量為515 kg ，采用地插式磁條設計和電動螺旋裙板，最大推力為180 kg，最小轉彎半徑為30 cm ，每天可以按設定執(zhí)行最多40次操作，完成工作后，自動回到充電站，直到下一次工作。推料機器人可保證動物整天都能吃到新鮮的食物，提高動物的生產性能，降低飼料的消耗。

圖14為奧地利 Hetwin 公司研制的 STALL ‐BOY [34]推料機器人，主要適用于干草、青貯和綠色飼料，采用創(chuàng)新解決方案配置新鮮飼料軟件，設定機器人每2 h向飼料箱靠近5 cm，保證采食動物隨時有新鮮的飼料可以采食，最多可以供給500頭奶牛。在機器人的上方設置有料倉，存儲有少量誘餌飼料，如精料、礦物質或其他類型飼料，在推料過程中投放誘餌飼料促進奶牛的采食。STALLBOY 已銷往全球16個國家，是該領域內的兩家市場領導者之一。

圖15為荷蘭 Lely公司研制的 Juno [35]推料機器人，根據(jù)預定義的路線沿進料道自行移動，通過移動設備控制 Lely Plus應用程序。為了提高靈活性，機器人配置有多種功能，如智能升降機可最大限度減少磨損，LED燈可增強夜間視野，電動保險杠可提高保護性，這些功能選項主要組合在 Flex軟件包中。

圖16所示奧地利 Schauer 公司研制的 FARO [36]推料機器人可提供兩種濃縮飼料，保證動物24h獲得新鮮的飼料，通過增加飼料采食量提高產量，為養(yǎng)殖場節(jié)省時間和經(jīng)濟成本。及時將當前狀態(tài)和日志數(shù)據(jù)上傳到 Cloud FarosMart應用程序，用戶可舒適方便地操作機器人。

圖17所示法國 ALB 公司研制的 COW-BOY [37]推料機器人是一種由植入地面的導線引導的機器人，具有可靠的制導系統(tǒng)。可以設置手動啟動和自動啟動模式。其中，手動模式主要應用于采取必要行動時，自動模式的周期可以設置為7 d ，機器人在7 d中根據(jù)設置的不同時間表執(zhí)行不同的通道。離開充電站后，機器人在工作區(qū)上執(zhí)行前進、推送和抓取等操作。通過設置電動執(zhí)行期，能夠有效地展開刀片，避免刮擦。

3.2國內研究進展

在國內，推料機器人的應用還處在起步階段，奶牛和肉羊等養(yǎng)殖企業(yè)實際應用的推料機器人數(shù)量還很少，大多數(shù)設備制造企業(yè)研發(fā)的產品還處于樣機和試驗階段，投入到市場中的家畜推料機器人也不能完全滿足生產需求。

沈治[38] 以可編程邏輯控制器（Programma‐ble Logic Controller ，PLC ）為控制核心，研制了一款能夠自動行走的推料機器人，機器人高度為60 cm，自重200 kg，配置有多款傳感器，采用磁引導的導航方式確定推料機器人的運行軌跡，采用自適應 PID （Proportional Integral Derivative）控制策略實現(xiàn)行進中的糾偏，最大偏移距離為15.8 mm 。推料機器人的有效直徑為85 cm，在行進過程中實現(xiàn)了邊行走邊旋轉攏料的功能。通過人機接口（ Human Machine Interface ， HMI ）設置推料路線、運料類型和推送頻次，實現(xiàn)了實時監(jiān)測輸出推力和推料阻力的功能，很好地解決了畜牧養(yǎng)殖中用工多和勞動強度大的缺陷，實現(xiàn)了推料的自動化和智能化操作。

焦盼德等[39]研制的道槽合一式的推料機器人，主要由主動行走機構（主動輪、從動輪、伺服電機）、旋轉推料機構（主動齒輪、回轉支撐、直流電機）、傳感器、控制系統(tǒng)及電源等組成，具有自主定位、主動運行、推料飼喂、故障報警及自動充電等功能，可在最小作業(yè)寬度為2.5 m 的牛舍中央道槽上每天多次智能為牛只補充飼料，最大推料高度為65 cm，最大推料寬度為30 cm，實現(xiàn)每天多次有規(guī)律地為奶牛補充飼料。行走機構采用三輪布置的底盤，驅動輪通過驅動軸和聯(lián)軸器由伺服減速電機進行驅動，通過控制兩個驅動輪之間的轉速差實現(xiàn)機器人的行走和轉向。旋轉推料機構中的直流電動機通過聯(lián)軸器和齒輪軸驅動主動齒輪做旋轉運動，帶動與主動齒輪相嚙合的回轉支撐內圈及回轉殼做回轉運動。機器人采用蓄電池供電模式，可以有效避免廢氣和噪聲污染，代替人工作業(yè)，能有效地降低飼喂人員的勞動強度以及原料奶的生產成本。

謝艷等[40]針對奶牛飼喂機器人在運行過程中普遍存在的車輪易卡草問題，應用 TRIZ 理論分析反應飼喂機器人各組件之間的功能關系，找出飼喂機器人車輪卡草的根本原因。通過增加撥草板可以將草料提前梳理均勻，避免阻力集中;通過隔離圈上下可調節(jié)，可解決卡草和行走受阻問題;通過采用螺旋輥推料，增加推料效率和精準性。以上方案主要應用于產品短期功能改進和產品長期規(guī)劃。

董創(chuàng)[41]使用 SolidWorks 建立推料機器人各部分三維模型，使用 ANSYS2020對螺旋推料機構進行動力學和運動學分析，測試機器人的推料效果及影響因素，通過仿真試驗和驗證試驗，發(fā)現(xiàn)在飼料含水量為50%，行進速度為0.3 m/s ，螺旋輸送器轉速為72 r/min 時，飼料推送率達98.8%，基本實現(xiàn)了推料工作的無人化、高效化作業(yè)，為國內牧場的智能化升級提供了數(shù)據(jù)支撐。

3.3國內外推料機器人比較

技術上看，推料機器人從傳統(tǒng)的刮板式向自轉式和螺旋式方向發(fā)展，這兩種模式的移動更加靈活。其中，自轉式推料機器人的推料效果主要取決于機器人的自重，而螺旋式推料機器人在推料過程中將飼料二次攪拌，提高飼料的均勻度，更有利于家畜的采食。國外研發(fā)的推料機器人可以根據(jù)實際路況，啟用智能升降機從而最大限度減少機器人的磨損，配置的電動保險杠也可以提高保護性。此外，推料機器人本身都具備了急停和避障功能， LED 燈增強了機器人夜間工作視野，具備了自動回到充電位進行充電的功能。國內研發(fā)的推料機器人，采用磁引導方式確定推料機器人的運行軌跡，采用自適應 PID控制策略實現(xiàn)行進中的糾偏，實現(xiàn)了推料的自動化和智能化。通過 TRIZ 理論分析機器人各組件之間的功能關系，解決了推料機器人車輪卡草導致的行走受阻問題。采用蓄電池供電模式，有效避免了廢氣和噪聲污染。

應用上看，國外養(yǎng)殖場應用的喂料機器人大部分配置了推料功能，即一個機器人實現(xiàn)了喂料、推料兩種功能，應用性更高。國內研制的推料機器人，相對功能比較單一，不具備喂料功能，且多數(shù)產品還處于研制階段，在家畜養(yǎng)殖場內應用的比例較低，主要與國內勞動力人口相對較多有一定關系，相信隨著國內勞動力紅利的逐漸消失，推料機器人等智能設備的應用普及率會逐漸提高。

4未來發(fā)展展望

本文系統(tǒng)地分析了國內外家畜飼喂機器人的研究進展。智能化家畜喂料、推料機器作業(yè)已成為智慧農業(yè)領域的前沿技術，必將引起新一輪農業(yè)生產技術變革，促進中國畜牧產業(yè)的轉型升級，解決勞動力短缺問題，增強家畜產業(yè)的國際競爭力。

（1） 在戰(zhàn)略規(guī)劃制定方面，需要緊跟國際形勢和技術發(fā)展潮流，制定符合中國國情的畜牧機器人發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃。美國、日本和歐盟等國家和組織相繼制定了相應地發(fā)展規(guī)劃和資助計劃，促進了農業(yè)機器人的快速發(fā)展。2016年，美國發(fā)布了第四版《機器人路線圖：從互聯(lián)網(wǎng)到機器人》，重點關注機械與制動裝置、控制與規(guī)劃、學習與適應、多智能體機器人等領域，美國的“國家機器人計劃”（National" Robotics" Initiative ， NRI ）目的是支持基礎機器人研發(fā)，鼓勵學術、行業(yè)、非盈利組織之間的合作，在基礎科學、工程、技術開發(fā)和使用方面建立良好的聯(lián)系。日本于2017年發(fā)布了《人工智能產業(yè)化路線圖》，目標是實現(xiàn)無人農場和機器人的應用。歐盟于2014年啟動了《歐盟機器人研發(fā)計劃》（SPARC ），目標是在農業(yè)、健康等領域應用中提供機器人，2015年發(fā)布了機器人技術多年路線圖，旨在為發(fā)展歐洲的機器人技術提供一份通用框架，并為市場相關的技術開發(fā)設定一套目標，具體涉及系統(tǒng)開發(fā)集成、人機交互、導航與認知等6個技術集群。

與傳統(tǒng)畜牧機械相比，畜牧機器人具有更高的智能化、信息化水平，具有較高的數(shù)據(jù)價值和自主決策能力，可以推動畜牧領域技術變革，提高農業(yè)生產效率，降低人力運營成本。畜牧機器人作為農業(yè)機器人中的一類，在中國推動“智慧農業(yè)”發(fā)展的背景下，其戰(zhàn)略規(guī)劃和發(fā)展態(tài)勢持續(xù)向好。2017年，國務院發(fā)布《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，中國開始研制農業(yè)智能傳感與控制、智能化農業(yè)裝備，建設智能牧場。2018年，國務院發(fā)布《關于加快推進農業(yè)機械化和農機裝備產業(yè)轉型升級的指導意見》，提出到2025年畜牧養(yǎng)殖機械化率達到50%的指標，推動了畜牧設備制造企業(yè)投入到畜牧機器人的研發(fā)。2020年，中國農業(yè)農村部發(fā)布了《數(shù)字農業(yè)農村發(fā)展規(guī)劃》，加快農業(yè)人工智能研發(fā)，推進畜牧業(yè)智能化，實施農業(yè)機器人發(fā)展戰(zhàn)略，開展核心關鍵技術和產品攻關，重點攻克運動控制、位置感知、機械手控制等關鍵技術，研發(fā)適應性強、性價比高和智能決策強的新一代農業(yè)機器人。《“十四五”機器人產業(yè)發(fā)展規(guī)劃》提出重點研制畜禽喂料等農業(yè)機器人。畜牧機器人作為新興技術的重要載體和現(xiàn)代產業(yè)的關鍵裝備，引領畜牧產業(yè)數(shù)字化發(fā)展和智能化升級，作為人類生產生活的重要工具和應對人口老齡化的得力助手，將持續(xù)推動畜牧生產水平提高，促進經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展。上述戰(zhàn)略規(guī)劃的制定，為中國畜牧機器人的發(fā)展起到了政策保障作用。

（2）在核心技術發(fā)展方面，需要更多關注信息感知、智能傳感器與深度學習算法的融合，真正實現(xiàn)人機交互。歐盟將協(xié)作機器人產業(yè)鏈分為上、中、下游三個環(huán)節(jié)，上游聚焦機械、感測與控制等組件，提升安全精度和操作靈活，實現(xiàn)有效的生產服務;中游聚焦機器人本體的生產制造;下游加強應用模塊的集成，形成綜合解決方案，發(fā)揮機器人自由度高、功能多的優(yōu)勢，推動智能制造革命。在畜牧機器人發(fā)展的核心技術方面，傳感技術、自動化技術和信息技術主要圍繞實現(xiàn)非結構環(huán)境下的信息獲取及應用，提升從業(yè)者對畜牧生產系統(tǒng)的智慧管控能力。目前，中國研發(fā)的畜牧機器人還存在畜牧工藝與機械設備結合不夠緊密，生產成本較高，穩(wěn)定性較差，故障率較高，智能化程度較低，核心算法缺失等問題，亟需在核心技術上取得突破。要加強核心技術攻關，突破畜牧機器人系統(tǒng)開發(fā)等共性技術，建立健全創(chuàng)新體系，加快畜牧機器人成果轉化。

針對家畜飼喂機器人研發(fā)及運行過程中出現(xiàn)的問題，可以應用 TRIZ理論進行分析。TRIZ理論是阿奇舒勒（ Altshuller ）于1946年創(chuàng)建的一種發(fā)明問題的解決理論，是一種基于知識的、面向人的發(fā)明問題解決系統(tǒng)化方法學，其目標是完全解決矛盾，獲得最終的理想解，被很多研究者應用。在機器人控制器調整行走姿態(tài)方面，經(jīng)典 PID控制器的時變、非線性系統(tǒng)中的誤差普遍存在，解決方法是采用自適應的 PID控制策略，這是一種將自適應控制思想與常規(guī) PID控制器相結合形成的自校正 PID 控制技術[42]，通過輸出反饋，調整參數(shù)適應控制器的變化，是一種比較理想的控制方法[43]。在機器人軌跡規(guī)劃方面，強化學習模型具有較高的智能水平，無需人為調整參數(shù)，能夠提高系統(tǒng)的跟蹤性能，增強機器人靈活性和動力學模型的變化魯棒性;神經(jīng)網(wǎng)絡預測模型具有較高的補償精度，通過在空間中對機器人進行采樣，獲取目標點的位姿信息對誤差的影響，建立定位誤差預測模型，實現(xiàn)對誤差的預測和補償[44]。在動態(tài)避障方面，基于隨機采樣的動態(tài)避障算法，無需將障礙物映射到構型空間，搜索速度更快，更適合動態(tài)避障路徑規(guī)劃，是一種概率完備且具有良好擴張性動態(tài)規(guī)劃方法[45]。

（3）在產業(yè)發(fā)展趨勢方面，中國國內畜牧機器人的需求量將保持較高的增長率，亟需加強創(chuàng)新，發(fā)揮科研機構和設備研發(fā)企業(yè)的創(chuàng)新主體作用。研發(fā)智能化機器人將是畜牧業(yè)發(fā)展的必然方向，其所具有的決策分析能力將顯著提高，特別是較好地適應養(yǎng)殖場的復雜環(huán)境，具有較高的自行走能力和避障能力，操作更加簡單便捷，實現(xiàn)智能化、精準化作業(yè)。加強畜牧機器人的技術創(chuàng)新和材料創(chuàng)新，加強深度學習、人機共融和視覺反饋等技術的應用。當前，中國畜牧企業(yè)規(guī)模分化嚴重，在市場競爭降本增效的需求下，促進畜牧業(yè)結構化程度提高，推動畜牧龍頭企業(yè)的裝備升級。牧原等生豬養(yǎng)殖企業(yè)，已啟動畜牧機器人的規(guī)模化、自動化智慧升級，構建智能豬場及物聯(lián)網(wǎng)養(yǎng)豬管理一體化系統(tǒng)，依托養(yǎng)豬機器人等智能設備，為豬場提供科學的養(yǎng)豬服務。

畜牧機器人的性能取決于每個部件的工作性能，更取決于多個系統(tǒng)之間的融合，雖然已經(jīng)開展了大量研究，但是還有很大的發(fā)展空間。為此，實現(xiàn)畜牧機器人系統(tǒng)間的協(xié)調合作仍將是未來研究的熱點。目前，機器人的結構以剛性結構為主，存在較大的機械安全隱患，還需加強機器人驅動柔性以及機器人新材料的研發(fā)和應用，實現(xiàn)畜牧機器人剛性與柔性之間的轉換，消除存在的安全隱患。此外，在畜牧機器人的人機交互方面，通過引進先進的科學技術，提高機器人的友好性和智能程度，提高機器人的自身學習能力，也將是未來發(fā)展的必然趨勢。

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Research Progress and Outlook of Livestock Feeding Robot YANG Liang， XIONG Benhai* ， WANG Hui， CHEN Ruipeng， ZHAO Yiguang

（State Key Laboratory of Animal Nutrition， Institute of Animal Science， Chinese Academy of Agricultural Sciences，Beijing 100193， China ）

Abstract： The production mode of livestock breeding has changed from extensive to intensive， and the production level is im ‐ proved. However， low labor productivity and labor shortage have seriously restricted the rapid development of China's livestock breeding industry. As a new intelligent agricultural machinery equipment， agricultural robot integrates advanced technologies， such as intelligent monitoring， automatic control， image recognition technology， environmental modeling algorithm， sensors， flexible execution， etc. Using modern information and artificial intelligence technology， developing livestock feeding and push‐ ing robots， realizing digital and intelligent livestock breeding， improving livestock breeding productivity are the main ways to solve the above contradiction. In order to deeply analyze the research status of robot technology in livestock breeding， products and literature were collected worldwide. This paper mainly introduced the research progress of livestock feeding robot from three aspects： Rail feeding robot， self-propelled feeding robot and pushing robot， and analyzed the technical characteristics and practical application of feeding robot.The rail feeding robot runs automatically along the fixed track， identifies the target animal， positions itself， and accurately completes feed delivery through preset programs to achieve accurate feeding of livestock. The self-propelled feeding robot can walk freely in the farm and has automatic navigation and positioning functions. The system takes single chip microcomputer as the control core and realizes automatic walking by sensor and communication module. Com ‐ pared with the rail feeding robot， the feeding process is more flexible， convenient and technical， which is more conducive to the promotion and application of livestock farms. The pushing robot will automatically push the feed to the feeding area， promote the increase of feed intake of livestock， and effectively reduce the labor demand of the farm. By comparing the feeding robots of developed countries and China from two aspects of technology and application， it is found that China has achieved some innova‐ tion in technology， while developted countries do better in product application. The development of livestock robot was pros‐ pected. In terms of strategic planning， it is necessary to keep up with the international situation and the trend of technological de‐ velopment， and formulate the agricultural robot development" strategic planning in line with China's national conditions. In terms of the development of core technologies， more attention should be paid to the integration of information perception， intel‐ ligent sensors and deep learning algorithms to realize human-computer interaction. In terms of future development trends， it is urgent to strengthen innovation， improve the friendliness and intelligence of the robot， and improve the learning ability of the ro‐ bot. To sum up， intelligent livestock feeding and pushing machine operation has become a cutting-edge technology in the field of intelligent agriculture， which will surely lead to a new round of agricultural production technology reform， promote the trans‐ formation and upgrading of China's livestock industry..

Key words： livestock feeding; feeding robot; pushing robot; artificial intellignce; digital breeding