摘要：非洲豬瘟在國內(nèi)的快速傳播給養(yǎng)豬業(yè)造成了極大的沖擊，促使養(yǎng)豬業(yè)向全封閉、集約化、規(guī)模化的發(fā)展模式轉(zhuǎn)變?，F(xiàn)階段養(yǎng)豬舍地板、欄架、天花板等的清洗工作基本由人工完成，操作人員頻繁進(jìn)出豬舍，會給養(yǎng)豬場帶來極高的生物安全風(fēng)險。為了減少養(yǎng)豬舍內(nèi)清洗工作人員的進(jìn)出頻率，解決清洗人員工作量大、工作強(qiáng)度高、工作時間長等問題，設(shè)計(jì)了一款A(yù)GV底盤與五自由度機(jī)械臂相結(jié)合的智能化清洗機(jī)器人，該機(jī)器人具備自主移動，自主清洗豬舍內(nèi)的欄架和地板等設(shè)施的功能。
關(guān)鍵詞：養(yǎng)豬業(yè)；AGV；智能化；清洗機(jī)器人
引言
隨著畜牧業(yè)在國內(nèi)的發(fā)展日益產(chǎn)業(yè)化和規(guī)模化，養(yǎng)殖場生物安全風(fēng)險也相應(yīng)提高。目前制約國內(nèi)畜牧業(yè)發(fā)展的瓶頸是養(yǎng)殖場生物的疫病流行，規(guī)?；B(yǎng)殖導(dǎo)致疫病流行的風(fēng)險進(jìn)一步提升，如何有效防范生物安全成為畜牧業(yè)發(fā)展的重中之重。及時、高效地清除家畜糞便，保持對養(yǎng)殖場的定期清洗可以有效破壞疫病細(xì)菌的生物膜，達(dá)到良好的清潔效果，保證欄舍清潔衛(wèi)生是養(yǎng)殖場生物安全的基礎(chǔ)。
當(dāng)前人工高壓清洗人員工作量大，工作強(qiáng)度高，工作時間長。清洗人員長時間處在高濕度、含氨氣的惡劣清洗環(huán)境中，造成其工作積極性降低。另一方面飼養(yǎng)人員直接操作高壓清洗設(shè)備，對其人身安全具有一定的安全隱患。同時，人工清洗存在隨意性較強(qiáng)、清洗不充分等問題，對生物安全構(gòu)成一定威脅。
隨著機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展，清潔機(jī)器人開始逐漸用于養(yǎng)殖舍清潔，但目前國內(nèi)還無相應(yīng)自主清洗機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用。因此，為了填補(bǔ)國內(nèi)行業(yè)空白，推進(jìn)智能養(yǎng)殖的發(fā)展，迫切需要研究開發(fā)一款具有巡線導(dǎo)航、智能避障、防濕防腐、輕量化等特點(diǎn)的高效率、高性價比的養(yǎng)殖場清洗機(jī)器人，能夠自動化、全天候工作，從而替代傳統(tǒng)繁重的人工清潔工作。
1 機(jī)器人應(yīng)用場景
本項(xiàng)目研發(fā)的養(yǎng)殖清洗機(jī)器人主要在配懷舍與分娩舍對其金屬欄架、保溫?zé)簟⒙┛p板、自動下料的定量杯，天花板、照明燈等表面上糞污及其他污漬進(jìn)行清洗與消毒。在配懷舍與分娩舍的兩側(cè)豬欄之間均配有較寬且直的過道，以便豬出欄行走或者人在過道中行走，因此清洗機(jī)器人底盤的寬度應(yīng)小于過道寬度的尺寸。清洗機(jī)器人在過道行走，機(jī)械臂伸展至欄位內(nèi)，對欄架、保溫?zé)?、漏縫板等的污漬進(jìn)行近距離清洗。配懷舍和分娩舍分別如圖1、圖2所示。
圖1 配懷舍 圖2 分娩舍
2 機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1 清洗機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
清洗機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)如圖3所示，整體結(jié)構(gòu)主要包括自主移動小車部分和機(jī)械臂部分，主要包括防撞條、激光雷達(dá)、車體側(cè)板、電池蓋板、車體后板、前擋板、推桿電缸、旋轉(zhuǎn)臂、大臂、高壓軟管、伸縮臂、步進(jìn)減速電機(jī)、小臂、高壓噴嘴、卷線器、高壓軟管、充電頭、高壓電磁閥、電池、支撐架、電纜拖鏈、拖鏈安裝板、伸縮臂支撐架。
清洗機(jī)器人使用基于磁導(dǎo)航的自主行走系統(tǒng)，即通過小車控制器控制底盤的電機(jī)轉(zhuǎn)動，使得機(jī)器人能沿著配懷舍與分娩舍過道上預(yù)先鋪設(shè)的磁條自主行走，結(jié)合RFID地標(biāo)，到達(dá)指定待清洗的欄位，通過機(jī)械臂控制器的控制，能實(shí)現(xiàn)在目標(biāo)欄位的自主清洗功能。清洗機(jī)器人設(shè)置高壓清洗系統(tǒng)，即通過小車控制器控制卷線器的高壓軟管的收放卷速度與小車行徑速度保持一致，從而避免排線凌亂或者拉扯高壓軟管，由機(jī)械臂控制器控制高壓電磁閥的通斷，通過機(jī)械臂中的相應(yīng)供水線路，將高壓水送至末端高壓噴嘴，對欄架、漏縫板進(jìn)行清洗。
（a）清洗機(jī)器人外部結(jié)構(gòu) （b）清洗機(jī)器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)
1.防撞條；2.激光雷達(dá)；3.車體側(cè)板；4.電池蓋板；5.車體后板；6.前擋板；7.伺服電機(jī)；8.旋轉(zhuǎn)臂；9.大臂；10高壓軟管；11.伸縮臂；12.步進(jìn)減速電機(jī)；13.小臂；14.高壓噴嘴；15.卷線器；16.高壓軟管；17.充電頭；18.高壓電磁閥；19.電池；20.支撐架；21.電纜拖鏈；22.拖鏈安裝板；23.伸縮臂支撐架
圖 3 清洗機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)
2.2 行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
清洗機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)主要采用AGV小車的形式，如圖4所示。小車底盤主要由磁導(dǎo)航傳感器（后端）、RFID傳感器、輪轂電機(jī)、車輪安裝模組、磁導(dǎo)航傳感器（前端）組成。小車在起始點(diǎn)和運(yùn)行過程中，通過磁導(dǎo)航傳感器識別磁條位置，按照預(yù)先規(guī)定的軌跡行進(jìn)，在清洗任務(wù)開始之前，已經(jīng)進(jìn)行相關(guān)的路徑規(guī)劃，使得小車能在預(yù)定的RFID地標(biāo)處?？俊?/div>
1.磁導(dǎo)航傳感器（后端）；2.RFID傳感器；3.輪轂電機(jī)； 4.車輪安裝模組；5.磁導(dǎo)航傳感器（后端）
1.卷線器減速電機(jī)；2.排線器排線器；3.排線器入機(jī)構(gòu)；4.螺桿；5.卷線盤入口；6.高壓電磁閥；7.高壓軟管；8.高壓電磁閥；9.卷線盤出口；10.鏈輪；11.卷線筒
1.J1旋轉(zhuǎn)臂；2.J2電動缸；3.J3伸縮臂；4.J4小臂； 5.J5末端高壓噴嘴
圖7 清洗機(jī)器人控制系統(tǒng)架構(gòu)
圖8 清機(jī)器人控制程序設(shè)計(jì)
圖9 機(jī)器人障礙物處理程序
（a） （b） （c）
（a） （b） （c）
1.磁導(dǎo)航傳感器（后端）；2.RFID傳感器；3.輪轂電機(jī)； 4.車輪安裝模組；5.磁導(dǎo)航傳感器（后端）
圖4 清洗機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)
2.3 卷線器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析
卷線器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要由蝸桿減速機(jī)、排線器、排線器絲桿、高壓電磁閥、卷線盤組成，如圖5所示。卷線器蝸桿減速機(jī)卷線軸以一定速度帶動卷線器轉(zhuǎn)動，卷線器每轉(zhuǎn)動360°，排線器在水平方向上恰好移動一個水管線徑的距離，保證卷線器上已收卷的水管之間無間隙，當(dāng)水管在卷線過程中到達(dá)卷線器邊緣時，排線器實(shí)現(xiàn)自動換向的功能，沿雙向絲桿反方向移動，實(shí)現(xiàn)水管分層收卷的功能，使得小車在行走的時候高壓水管能實(shí)現(xiàn)自動收放并且能在卷線器上整齊排布。
1.卷線器減速電機(jī)；2.排線器排線器；3.排線器入機(jī)構(gòu)；4.螺桿；5.卷線盤入口；6.高壓電磁閥；7.高壓軟管；8.高壓電磁閥；9.卷線盤出口；10.鏈輪；11.卷線筒
圖5 卷線器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.4 機(jī)械臂設(shè)計(jì)分析
機(jī)械臂放置于以AGV小車為基礎(chǔ)的行走機(jī)構(gòu)上，機(jī)械臂由五自由度的機(jī)械臂組成，如圖6所示。機(jī)械臂5個關(guān)節(jié)分別為：關(guān)節(jié)J1旋轉(zhuǎn)臂，控制整個機(jī)械臂在水平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)；關(guān)節(jié)J2電動缸，控制機(jī)械臂在豎直平面內(nèi)的俯仰角度；關(guān)節(jié)J3伸縮臂，控制關(guān)節(jié)J3的伸縮量；關(guān)節(jié)J4小臂，控制小臂在豎直平面內(nèi)的擺動 ；關(guān)節(jié)J5末端高壓噴嘴，控制高壓噴嘴的自旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。
1.J1旋轉(zhuǎn)臂；2.J2電動缸；3.J3伸縮臂；4.J4小臂； 5.J5末端高壓噴嘴
圖6 機(jī)械臂
3 機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1 系統(tǒng)架構(gòu)
清洗機(jī)器人控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖7所示，清洗機(jī)器人主要由兩個 PLC控制單元完成相應(yīng)動作指令，其中機(jī)械臂控制器為主控制器，主要控制機(jī)械臂各關(guān)節(jié)完成相應(yīng)清洗動作，實(shí)現(xiàn)高壓電磁閥的通斷、小車的啟停等功能。小車控制器為輔助控制器，負(fù)責(zé)控制磁導(dǎo)航傳感器的循跡、RFID傳感器的路標(biāo)識別、激光雷達(dá)和防撞條的避障、卷線器的卷線速度等功能。小車控制器與機(jī)械臂控制器之間通過RS485通訊，當(dāng)小車達(dá)到指定工位之后，發(fā)送相應(yīng)消息，機(jī)械臂開始按照示教軌跡或者人工遙控運(yùn)動到指定地點(diǎn)，高壓電磁閥開啟，開始相關(guān)清洗任務(wù)。
小車控制器通過CANopen通訊協(xié)議與輪轂電機(jī)驅(qū)動器、卷線器電機(jī)驅(qū)動器、RFID傳感器、磁導(dǎo)航傳感器建立通訊。輪轂電機(jī)給小車提供必要的驅(qū)動力，通過小車控制器對各輪轂電機(jī)速度進(jìn)行控制。支持小車實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向等動作；通過磁導(dǎo)航傳感器和RFID傳感器的反饋信息，使得小車能循跡行駛，定點(diǎn)停靠；通過編碼器的反饋，調(diào)整小車行進(jìn)速度和卷線速度保持一致。
對于機(jī)械臂的控制，可以通過兩種模式操作：①示教模式。機(jī)器人在進(jìn)行調(diào)試的時候，將機(jī)器人放置于預(yù)定工位處，通過示教器，輸入相關(guān)示教點(diǎn)位的位姿參數(shù)（末端高壓噴嘴相對于世界坐標(biāo)系的線性距離x、y、z；末端坐標(biāo)系相對于世界坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角度a、b、c），機(jī)械臂控制器自動調(diào)用插補(bǔ)算法，在示教的兩兩點(diǎn)位之間插補(bǔ)一定數(shù)量的點(diǎn)位，并將插補(bǔ)完成的點(diǎn)位數(shù)據(jù)記錄在相應(yīng)的文件中，寫入控制器中，機(jī)械臂工作時，按照記錄下來的末端執(zhí)行器點(diǎn)位，通過調(diào)用之前寫入的正逆解庫計(jì)算相應(yīng)的關(guān)節(jié)參數(shù)，發(fā)往驅(qū)動器，驅(qū)動電機(jī)按照預(yù)定軌跡運(yùn)動；②手動控制模式，分別輸入各個驅(qū)動部件的關(guān)節(jié)值，對各個驅(qū)動部件進(jìn)行手動操作。
圖7 清洗機(jī)器人控制系統(tǒng)架構(gòu)
3.2 清洗機(jī)器人控制程序設(shè)計(jì)
機(jī)械臂部分能夠在固定工位按照固定動作進(jìn)行清洗，因此，在運(yùn)動執(zhí)行時，電池通電和通斷開關(guān)打開之后，按下啟動按鈕，小車啟動，借助于小車底盤的磁導(dǎo)航傳感器和RFID傳感器，循著預(yù)先鋪設(shè)好的磁條行走，并在預(yù)先設(shè)定好的RFID地標(biāo)處?？浚辞逑垂の稽c(diǎn)）。此外，在小車行走之前，預(yù)先完成軌跡規(guī)劃，根據(jù)磁條線路和RFID地標(biāo)點(diǎn)，設(shè)定小車沿著磁條運(yùn)行的軌跡路線，在機(jī)器人到達(dá)預(yù)定工位之后，小車控制器發(fā)送相應(yīng)信號，機(jī)械臂控制器接收，機(jī)械臂所有關(guān)節(jié)使能，按照預(yù)先規(guī)劃好的軌跡進(jìn)行運(yùn)動。當(dāng)機(jī)械臂末端噴嘴原點(diǎn)坐標(biāo)到達(dá)預(yù)定的第一個示教點(diǎn)時，按照示教軌跡進(jìn)行清洗，當(dāng)機(jī)械臂末端噴嘴原點(diǎn)坐標(biāo)到達(dá)最后一個示教點(diǎn)時，機(jī)械臂清洗結(jié)束，所有關(guān)節(jié)復(fù)位至原點(diǎn)；機(jī)械臂發(fā)送相應(yīng)信號給小車，小車?yán)^續(xù)按照預(yù)定循跡路線前進(jìn)，直至完成整個養(yǎng)殖場清洗。清洗機(jī)器人控制程序設(shè)計(jì)如圖8所示。
圖8 清機(jī)器人控制程序設(shè)計(jì)
3.3 障礙物檢測程序
為了防止機(jī)器人在豬舍運(yùn)動過程中與障礙物發(fā)生碰撞，設(shè)計(jì)了機(jī)器人障礙物檢測程序，如圖9所示。為了防止小車頻繁的啟停和系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，激光測距分為3個檢測區(qū)域，當(dāng)激光雷達(dá)識別小車距離障礙d大于等于50cm且小于等于80cm時，小車開始1m/s2減速度減速；當(dāng)激光雷達(dá)識別小車距離障礙 d大于等于30cm且小于等于50cm時，小車開始以2m/s2 減速度減速；當(dāng)激光雷達(dá)識別小車距離障礙小于等于30cm時，向小車控制器發(fā)送急停指令。
圖9 機(jī)器人障礙物處理程序
4 清洗機(jī)器人樣機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)
為了驗(yàn)證本清洗機(jī)器人設(shè)計(jì)方案的可靠性，制作了實(shí)物樣機(jī)，設(shè)計(jì)了功能程序，對機(jī)器機(jī)械臂的靈活性與機(jī)器人底盤行走穩(wěn)定性是否滿足設(shè)計(jì)要求進(jìn)行了試驗(yàn)。
2021年4月，在深圳市某單位的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行清洗豬舍欄架、天花板、糞溝等運(yùn)動控制的模擬試驗(yàn)，清洗機(jī)器人試驗(yàn)如圖10、11所示。圖10是清洗機(jī)器人機(jī)械臂動作試驗(yàn)，如圖10（a）、10（b）、10（c）所示機(jī)器人的機(jī)械臂運(yùn)動連貫性是模擬機(jī)器人在豬場配懷舍定點(diǎn)清洗豬舍欄架污垢的動作，如圖所示機(jī)器人機(jī)械臂的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)安裝著高壓沖洗碰頭，在機(jī)械臂的上下擺動，前后擺動以及左右轉(zhuǎn)動組合狀況下，可將末端執(zhí)行器移動到任意指定的空間位置。由于豬舍的行走過道比較狹窄，為減少機(jī)器人對障礙物的碰撞，須在規(guī)定的路徑上行走，因此需要對機(jī)器人進(jìn)行行走穩(wěn)定性試驗(yàn)。清洗機(jī)器人行走試驗(yàn)如圖11所示，在地面上鋪設(shè)黑色磁條，測試機(jī)器人的行走底盤是否能夠在指定的軌跡上移動，在實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果表明，該機(jī)器人在行走的方面滿足使用需求。
綜上所述，該機(jī)器人設(shè)計(jì)合理，各項(xiàng)設(shè)計(jì)均符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，安全可靠且功能豐富，具有較高的實(shí)用性，在畜牧養(yǎng)殖設(shè)備日趨自動化、智能化、高效化的今天，本機(jī)器人具有廣闊的市場推廣前景。
（a） （b） （c）
圖10 清洗機(jī)器人機(jī)械臂動作試驗(yàn)
（a） （b） （c）
圖11 清洗機(jī)器人行走試驗(yàn)
5 結(jié)語
本文針對非洲豬瘟防疫的需求，自主設(shè)計(jì)研發(fā)豬舍欄架清洗機(jī)器人，包括機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并制作出實(shí)物樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)室測試階段，主要進(jìn)行了機(jī)器人機(jī)械手臂沖洗豬舍欄架的模擬試驗(yàn)和機(jī)器人運(yùn)動底盤行走的穩(wěn)定性測試。試驗(yàn)結(jié)果表明該機(jī)器人機(jī)械臂靈活性良好，末端執(zhí)行器可以到達(dá)空間的任意位置；機(jī)器人運(yùn)動底盤行走穩(wěn)定良好，在磁條的輔助下，可沿指定的軌跡平穩(wěn)運(yùn)動，有效避免機(jī)器人與障礙物的碰撞。此外，基于安全考慮，設(shè)計(jì)了避障和急停系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。
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