擠奶機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

楊存志，吳澤全，郭　洋

(黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院，哈爾濱　150081)

0　引言

隨著我國奶牛養(yǎng)殖向標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)模化、集約化、現(xiàn)代化發(fā)展，擠奶機(jī)械化程度高低已成為衡量規(guī)模奶牛場發(fā)展水平的重要考量指標(biāo)。世界各國注重于奶牛健康、食品安全、動(dòng)物福利和舒適度，為將擠奶作業(yè)創(chuàng)造出一個(gè)優(yōu)良工作環(huán)境，普遍將高、精、尖自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用到奶牛擠奶領(lǐng)域。目前，歐、美等發(fā)達(dá)國家紛紛將高智能化擠奶自動(dòng)化裝備引入奶牛擠奶系統(tǒng)中，并取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。目前，全世界范圍內(nèi)全自動(dòng)智能擠奶機(jī)器人研制生產(chǎn)技術(shù)主要被歐、美等發(fā)達(dá)國家所掌握。國內(nèi)自主研發(fā)的同類產(chǎn)品基本還是空白，本項(xiàng)目在充分參考和消化國外最先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，研究并開發(fā)出一套具有自主知識產(chǎn)權(quán)的全自動(dòng)智能擠奶機(jī)器人。

擠奶機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)最接近于奶牛自然狀態(tài)下的無人化擠奶作業(yè)。在養(yǎng)殖福利方面，將使奶牛更加舒適，有效控制牛奶品質(zhì)和保證奶牛健康；在工作效率方面，增加每日擠奶次數(shù)，大多數(shù)奶?？蓴D奶3次，從而提高產(chǎn)奶量，且利于實(shí)現(xiàn)奶牛場的高度自動(dòng)化；在節(jié)本增效方面，每套設(shè)備平均每天能擠50～60頭奶牛，節(jié)省大量勞動(dòng)時(shí)間和生產(chǎn)成本。

1　擠奶機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

機(jī)械結(jié)構(gòu)總體方案中所設(shè)計(jì)的機(jī)械臂集成了大部分?jǐn)D奶組件，將會(huì)產(chǎn)生很大的重力和傾覆力矩，因此機(jī)械臂在橫梁上的安裝方式與整機(jī)的材質(zhì)顯得尤為重要。擠奶機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的三維模型如圖1所示。

1.控制系統(tǒng)　2.擠奶和清洗系統(tǒng)3.三自由度運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)　4.機(jī)械臂及末端執(zhí)行器　5.擠奶箱

1.1擠奶機(jī)器人工作過程

由圖1可知：工作時(shí)，奶牛從右向左進(jìn)入擠奶箱，在擠奶箱上方有檢測奶牛臀部位置的攝像機(jī)，初步確定奶牛乳房位置，控制系統(tǒng)發(fā)出指令，三自由度機(jī)械臂按照控制程序以安全軌跡運(yùn)動(dòng)到奶牛乳房附近；末端執(zhí)行器中的圖像識別測距傳感器精確測定4個(gè)乳頭三維坐標(biāo)，其后由清洗刷和擠奶杯組分別進(jìn)行清洗、按摩、套杯、擠奶、脫杯、藥浴等一系列程序，擠奶結(jié)束機(jī)械臂返回清洗座。

1.2擠奶機(jī)器人控制原理

擠奶機(jī)器人是集成了機(jī)械、氣液、自動(dòng)控制、傳感器、計(jì)算機(jī)視覺、軟件及數(shù)據(jù)庫等的一體化系統(tǒng)，采用模塊化設(shè)計(jì)，以主控計(jì)算機(jī)為核心，分為管理、識別、控制、數(shù)據(jù)采集等功能模塊。各模塊間接口采用網(wǎng)絡(luò)、CAN總線、RS232、USB、RFID和Zigbee等多種連接方式。整體原理框圖如圖2所示。

圖2　整體控制原理圖

1.3擠奶機(jī)器人總體尺寸參數(shù)

奶牛的體貌特性、生物學(xué)特征、管理和飼養(yǎng)方法等因素是擠奶機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù)和前提，決定著擠奶機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式和工作方式。荷斯坦奶牛是我國主要的奶牛品種，分布在黑龍江、新疆、內(nèi)蒙古及甘肅等地域遼闊的北方草原地區(qū)，其體貌特征如表1所示。

表1　中國荷斯坦奶牛體貌特征

通過中國荷斯坦奶牛的體長、體高、體寬、乳房的位置和乳頭的分布等體貌特征，確定以下參數(shù)：

擠奶箱長×寬×高為2.9m×0.93m×1.9m；機(jī)械臂橫向移動(dòng)行程為0～1.35m；機(jī)械臂縱向移動(dòng)行程為0～0.4m；機(jī)械臂垂直旋轉(zhuǎn)角度為0°～60°；擠奶杯組至旋轉(zhuǎn)軸距離約1.15m。

2　三自由度運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

擠奶機(jī)械臂由三自由度運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)作為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，包括X軸直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、Z軸直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、繞Z軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)等3個(gè)部分組成，實(shí)現(xiàn)橫向、縱向、旋轉(zhuǎn)3個(gè)方向的同步或異步運(yùn)動(dòng)，從而完成以奶牛乳房乳頭為目標(biāo)的空間連續(xù)運(yùn)動(dòng)，如圖3所示。擠奶機(jī)械臂以最小的機(jī)械結(jié)構(gòu)和活動(dòng)范圍實(shí)現(xiàn)了擠奶運(yùn)動(dòng)軌跡。

1.X軸直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)　2.Z軸直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)　3.繞Z軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

2.1X軸直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

X軸直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)由伺服電機(jī)、機(jī)架、同步齒形帶、導(dǎo)軌及橫移結(jié)構(gòu)組成。其工作原理如下：由橫移伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒形帶水平運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)橫移機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)Z軸直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的縱移機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的的水平動(dòng)作。該機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的距離受控制系統(tǒng)的限制，在位置傳感器或閉環(huán)信號等檢測下可以自動(dòng)調(diào)節(jié)，行走合適的距離。

由1.3節(jié)可知：機(jī)械臂橫向移動(dòng)行程為0～1.35m。由于皮帶太長，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中皮帶張緊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)成為了關(guān)鍵，直接影響到直線運(yùn)動(dòng)的精度。

同步帶張緊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示。將圓弧齒形壓塊壓在同步帶的一端，以頂絲固定，在同步帶的另一端同樣安裝；擰緊張緊螺釘，使張緊塊受力向張緊座移動(dòng)，另一端也同樣操作，可以使皮帶越拉越緊，最終達(dá)到有效張緊的效果。

1.圓弧齒同步帶　2.齒形壓塊　3.頂絲4.張緊塊　5.張緊座　6.張緊螺釘　7.固定板

2.2Z軸直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

Z軸直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的縱向運(yùn)動(dòng)。該機(jī)構(gòu)固定于X軸直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的橫移架構(gòu)上，由伺服電機(jī)、機(jī)架、同步齒形帶、導(dǎo)軌及縱移結(jié)構(gòu)組成，如圖5所示。

圖5　Z軸直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

為保證受力穩(wěn)定，采用兩根同步齒形帶。其工作原理如下：由縱移伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒形帶垂直運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)縱移機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)繞Z軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的的垂直動(dòng)作。該機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的距離受控制系統(tǒng)的限制，在位置傳感器或閉環(huán)信號等檢測下可以自動(dòng)調(diào)節(jié)，行走合適的距離。

2.3繞Z軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

繞Z軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如圖6所示。該機(jī)構(gòu)固定于Z軸直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的縱移機(jī)架上，由伺服電機(jī)、軸承及旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)組成。擠奶機(jī)械臂固定安裝在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)底端，工作原理為伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸，使旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)擠奶機(jī)械臂在水平面上形成扇形運(yùn)動(dòng)。

圖6　繞Z軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

以上3個(gè)橫向、縱向、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了以奶牛乳房乳頭為目標(biāo)的空間連續(xù)運(yùn)動(dòng)路徑。伺服電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是精確度高、調(diào)速方便、閉環(huán)反饋信號及時(shí)準(zhǔn)確、結(jié)構(gòu)小巧緊湊、低噪音，且過載時(shí)能及時(shí)斷電，在外力作用下反方向運(yùn)動(dòng)，避免對奶牛進(jìn)行傷害。

3　擠奶機(jī)械臂的設(shè)計(jì)

擠奶機(jī)械臂作為機(jī)器人的末端執(zhí)行器，要完成最終的擠奶工作，如圖7所示。因此，它集成了圖像識別測距系統(tǒng)、擠奶杯組、擠奶清洗管路、脫杯裝置、乳頭清洗刷等部件。

在進(jìn)行奶牛擠奶套杯前，對奶牛乳房的按摩和清洗是擠奶過程必不可少的重要環(huán)節(jié)。當(dāng)末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)到奶牛乳房的前端時(shí)，安裝在機(jī)械臂下的氣缸推動(dòng)清洗刷由圖7狀態(tài)1旋轉(zhuǎn)到狀態(tài)2的位置，此時(shí)圖像識別測距系統(tǒng)準(zhǔn)確定位奶牛乳頭，清洗刷在三自由度運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下對奶牛的4個(gè)乳頭分別進(jìn)行按摩清洗；清洗過程結(jié)束后，清洗刷又回到狀態(tài)1位置。

1.旋轉(zhuǎn)軸　2.清洗刷　3.檔污板4.機(jī)械臂構(gòu)件　5.圖像識別測距系統(tǒng) 　6.擠奶杯組圖7　擠奶機(jī)械臂

3.1乳頭清洗刷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖8為清洗刷結(jié)構(gòu)圖。由電機(jī)齒輪嚙合主動(dòng)小齒輪，主動(dòng)大齒輪嚙合從動(dòng)大齒輪，使兩個(gè)毛刷實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速相等、方向相反的運(yùn)動(dòng)，傳動(dòng)箱傳動(dòng)比為1：1，兩個(gè)毛刷的重合部分約4mm。由于清洗刷在有水環(huán)境下工作，直流減速電機(jī)需要設(shè)計(jì)防水套9來進(jìn)行保護(hù)。清洗刷主要零件采用尼龍材質(zhì)，優(yōu)點(diǎn)是防銹、質(zhì)輕、成本低，如果發(fā)生故障可以整體更換。

直流減速電機(jī)參數(shù)如下：功率P=25W,額定轉(zhuǎn)速n=120r/min，額定轉(zhuǎn)矩T=3N·m，電壓24V。

3.2擠奶杯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

擠奶機(jī)器人可以對奶牛4個(gè)乳房的產(chǎn)奶量、奶品質(zhì)、病變等進(jìn)行分別監(jiān)測，每個(gè)擠奶杯都是獨(dú)立單元，因此擠奶杯的結(jié)構(gòu)與通常的奶杯有所不同。擠奶杯結(jié)構(gòu)如圖9所示。圖9中，固定座與固定套的接觸面為球形，固定座上系繩索與脫杯氣缸連接，擠奶時(shí)脫杯氣缸放松，整個(gè)擠奶杯吸附在奶牛乳房上與固定套脫離；脫杯時(shí)，擠奶杯在氣缸拉力下豎直立于固定套上。真空與大氣交替變化的氣管道，氣壓作用在奶襯上，產(chǎn)生一吸一松的擠奶動(dòng)作。真空奶管道吸出的牛奶與真空混合輸送到下一單元。此擠奶杯整體結(jié)構(gòu)緊湊，布局合理，功能完善，可以小批量生產(chǎn)，適合擠奶機(jī)器人使用。

1.毛刷　2.傳動(dòng)箱體　3.主動(dòng)大齒輪　4.主動(dòng)小齒輪 5.傳動(dòng)箱蓋　6.從動(dòng)大齒輪　7.電機(jī)齒輪　8.電機(jī)　9.防水套

1.奶襯　2.擠奶杯體　3.杯托1　4.杯托2 5.固定座　6.固定套　7.真空奶管道　8.氣管道

4　擠奶箱的設(shè)計(jì)

擠奶箱是對奶牛進(jìn)行擠奶、補(bǔ)飼精飼料的場所，由正進(jìn)門欄、側(cè)進(jìn)門欄、正出門欄、側(cè)出門欄和飼槽組成。進(jìn)出門欄分別安裝在左右框架上，通過安裝在框架上方氣壓缸的伸縮進(jìn)行開合。擠奶箱結(jié)構(gòu)如圖10所示。

1.正進(jìn)門欄　2.側(cè)進(jìn)門欄　3.擠奶箱框架 4.側(cè)出門欄　5.正出門欄　6.飼槽　7.氣缸

為了方便奶牛的進(jìn)出自由，營造友好自然的擠奶空間，綜合國外先進(jìn)擠奶自動(dòng)化裝備工作模式與設(shè)計(jì)理念，擠奶箱采用“步入步出式”設(shè)計(jì)，便于奶牛的自然、無障礙快速進(jìn)出，擯棄人為驅(qū)趕對奶牛所造成的不良影響。

根據(jù)高產(chǎn)荷斯坦奶牛體型，擠奶箱內(nèi)部空間足夠?qū)挸ǎo予奶牛完全自由的空間。同時(shí)，在前端設(shè)計(jì)了收放式飼槽(見圖11)，安裝在正出門欄上。當(dāng)奶牛進(jìn)入后可以飼喂時(shí)，飼槽內(nèi)氣缸動(dòng)作，由狀態(tài)1變成狀態(tài)2，系統(tǒng)識別奶牛編號(ID)，讀取上位機(jī)飼喂量數(shù)據(jù)和曲線，驅(qū)動(dòng)內(nèi)部管道中的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，流出一定量的精飼料到飼槽，使奶牛安靜的進(jìn)食與擠奶；擠奶結(jié)束后，飼槽由狀態(tài)2變成狀態(tài)1，緩慢收入擠奶箱內(nèi)部，出門欄打開，奶牛將被動(dòng)或主動(dòng)離開擠奶箱。一頭奶牛盡快地離開就能讓下一頭奶牛更快地進(jìn)入，以實(shí)現(xiàn)每次擠奶節(jié)省10s或更多時(shí)間(奶牛從進(jìn)入、擠奶到離開，一般花費(fèi)7～10min)，一天就能節(jié)省45min或者說可以多擠3頭奶牛，從而最大程度地提高生產(chǎn)效率。

在擠奶過程中的精飼料補(bǔ)飼主要有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

1)通過培訓(xùn)奶牛后，有利于促進(jìn)奶牛進(jìn)入擠奶箱，并利于奶牛在擠奶箱中的安靜擠奶；

2)在奶牛各泌乳階段，泌乳高峰發(fā)生的時(shí)期一般在產(chǎn)犢后4～6周，而食欲完全恢復(fù)則在產(chǎn)犢后8～10周，表明食欲的恢復(fù)要遠(yuǎn)滯后于泌乳高峰，進(jìn)而影響產(chǎn)奶性能。奶牛產(chǎn)犢后，可通過精飼料飼槽加喂適當(dāng)?shù)木暳?，從而為泌乳初期提供充足、豐富的能量來源，有利于促使產(chǎn)后奶牛泌乳高峰的盡早出現(xiàn)，保持全泌乳期有較高的產(chǎn)奶量。

圖11　精飼料飼槽

5　樣機(jī)控制及試驗(yàn)

擠奶機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)由上位機(jī)發(fā)命令給PLC，再由PLC驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)帶動(dòng)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)，伺服電機(jī)選用FESTO的CMMP-AS系列電機(jī)，定位精度可達(dá)0.1mm。在調(diào)試過程中需要對電機(jī)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，可定義參數(shù)包括定位精度、尋零方式、運(yùn)行速度、行程范圍、數(shù)據(jù)采集通道和通信方式等。試驗(yàn)中，當(dāng)上位機(jī)通過圖像采集系統(tǒng)采集到奶牛乳頭定位位置后，將位置信息發(fā)送給PLC，PLC通過CAN總線通訊將命令發(fā)送給伺服電機(jī)并驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂和末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)到奶牛乳頭位置，進(jìn)行套杯等擠奶程序，如圖12所示。試驗(yàn)樣機(jī)通過實(shí)際測量，定位誤差在1mm以內(nèi)。

圖12　試驗(yàn)樣機(jī)套杯擠奶圖

6　結(jié)論

本課題研究的擠奶機(jī)器人在參考國外各類先進(jìn)設(shè)備的基礎(chǔ)上，針對我國主產(chǎn)區(qū)奶牛特征，對擠奶機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、三自由度運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、擠奶機(jī)械臂、擠奶箱、清潔機(jī)構(gòu)及擠奶杯等機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并完成了第2輪樣機(jī)的制造。試驗(yàn)驗(yàn)證表明：各部件及整機(jī)的功能完全達(dá)到課題設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]宋秋梅,馮欣,陶繼哲,等.擠奶機(jī)的組成及關(guān)鍵部件的性能分析與評價(jià)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2005(3):112-113.

[2]陳偉旭,金鹍鵬,馬君，等.擠奶機(jī)真空系統(tǒng)測試裝置的研究與設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2012,34(1):123-125,130.

[3]劉俊杰,楊圣虎,蔡曉華，等.基于D-H法的擠奶機(jī)器人機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)分析[J].農(nóng)業(yè)科技與裝備,2015(10):25-28.

[4]劉俊杰,楊圣虎,程睿，等.基于有限元法的擠奶機(jī)械臂ANSYS仿真[J].農(nóng)業(yè)科技與裝備,2015(6):25-28.

[5]張博,陳雷.基于AT89C51的自動(dòng)擠奶計(jì)量機(jī)檢測裝置的研制[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用,2013,32(2):72-75.