淺析機器人在豬生產(chǎn)中的應(yīng)用前景

李 偉，董國忠，周 艷，方萬露，李 星，劉作華*

（1.重慶市畜牧科學(xué)院，國家生豬技術(shù)創(chuàng)新中心，重慶 402460；2.西南大學(xué)動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，重慶 400715）

非洲豬瘟是我國近年來豬產(chǎn)業(yè)發(fā)展中遭遇的一次嚴重浩劫，致死率高達100%，但現(xiàn)階段對該病既沒有安全預(yù)防的疫苗，也沒有有效的治療藥物，加強生物安全是目前唯一行之有效的應(yīng)對方法。隨著我國農(nóng)業(yè)科技化進程不斷加快，采用編程軟件與互聯(lián)網(wǎng)或物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，通過操控機械設(shè)備完成豬場管理的人工智能養(yǎng)豬技術(shù)成為發(fā)展趨勢。智能養(yǎng)豬可減少養(yǎng)殖生產(chǎn)工藝中的人員接觸和交互傳染，提高生物安全性。同時，人工智能養(yǎng)豬技術(shù)在解放勞動力、提高生產(chǎn)效率等方面，也具有顯著優(yōu)勢，可有效推進我國實現(xiàn)生豬養(yǎng)殖智能化、精準化、福利化，從而受到業(yè)內(nèi)科研人員的廣泛關(guān)注，并開展了相關(guān)研究。本文主要介紹了機器人在豬場生產(chǎn)中仿生、接生、清潔、巡檢及疾病預(yù)防等方面的功能，為畜牧機器人進一步發(fā)展提供參考。

1 仿生機器人

1.1 仿母豬 隨著養(yǎng)殖業(yè)集約化、規(guī)?；l(fā)展，通過早期斷奶縮短育肥周期，加快出欄速率，提高經(jīng)濟效益成為養(yǎng)殖場追逐的一種利益導(dǎo)向。但早期斷奶會伴隨著哺乳終止、飼糧改變、母幼分離和生活環(huán)境變化等方面的改變，導(dǎo)致幼畜腸道屏障發(fā)育障礙，生長性能下降，并可能增加仔豬對疾病的易感性和發(fā)生消化不良等現(xiàn)象。探尋出既可以實現(xiàn)早期斷奶，又可以減少斷奶應(yīng)激反應(yīng)的技術(shù)，對實現(xiàn)智能化、福利化養(yǎng)殖具有非常重要的意義。徐自升研制了一種仔豬飼養(yǎng)機器人，上部分為液體飼料儲存與回收系統(tǒng)，下部分為仿生人工母豬與智能監(jiān)控系統(tǒng)。仿生人工母豬腹部及其所附屬的人工母豬乳房都是由柔性材料制成，能滿足仔豬按摩乳房的行為學(xué)特性，且可以將測量和記錄的仔豬進食量、體溫等基本信息與實時視頻一起經(jīng)WiFi 傳輸給總控室。后續(xù)研究中，如能拓展哺乳時母豬與仔豬的觸覺互動，將達到更加逼真的仿生效果。這種機器人主要應(yīng)用于母豬乳頭不夠、無母乳或母乳不足、母豬生病缺奶或母豬病死后無母豬哺乳的需代乳寄養(yǎng)的仔豬。

另一方面，仿母豬機器人還可應(yīng)用于種公豬采精。研發(fā)的仿母豬機器人不僅要具有豬的外形結(jié)構(gòu)及類皮膚材質(zhì)的外皮膚，同時機器人建立視覺、聽覺、觸覺三合一的感知系統(tǒng)，具有同公豬進行互動調(diào)情的功能，增強種公豬性欲，提高種公豬爬跨成功率。

1.2 仿公豬 母豬發(fā)情鑒定多采用觀察法、爬跨、壓背以及公豬試情法。傳統(tǒng)的鑒定方法不僅要求養(yǎng)殖工人具備一定的專業(yè)知識和技能，試情公豬的篩選水平和其對母豬的刺激強度，也會影響母豬的發(fā)情表現(xiàn)，進而影響配種率。隨著畜牧業(yè)的發(fā)展，種豬的無接觸式、無應(yīng)激式的生產(chǎn)成為國內(nèi)外學(xué)者重點關(guān)注的研究領(lǐng)域。高俊峰等發(fā)明了一種可模仿公豬發(fā)聲、氣味的仿生機器人，可提高母豬輸精效率和成功率。滕光輝等發(fā)明了一種母豬發(fā)情檢測方法和裝置，可通過氣味釋放裝置、聲音播放裝置、自主移動裝置、圖像采集裝置、中央處理裝置采集母豬與仿生公豬的互動數(shù)據(jù)，達到了較好的仿生查情、試情效果，其快速、智能的發(fā)情檢測實現(xiàn)了對母豬進行查情、試情的自動化、數(shù)字化檢測，適應(yīng)現(xiàn)代畜牧業(yè)的要求。

2 接生機器人

接生技術(shù)關(guān)乎仔豬成活率和母豬產(chǎn)后愈合效果，需要接產(chǎn)人員具備豐富的經(jīng)驗和專業(yè)的技能應(yīng)對母豬生產(chǎn)時的復(fù)雜性和突發(fā)性情況。如大多母豬分娩發(fā)生在安靜的深夜，有些母豬產(chǎn)程較長，每窩產(chǎn)完最后 1 頭小豬平均需要 3 h 左右的時間，最多可達到5 h；如果出現(xiàn)滯產(chǎn)或難產(chǎn)，所需時間會更長。而且仔豬分娩后人工護理程序多，包括清除口鼻中黏液、剪臍帶、剪牙、吃初乳、保暖等，如果出現(xiàn)母豬難產(chǎn)情況，還必須進行人工助產(chǎn)。利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)研發(fā)出一種接生機器人，既具備精準的識別判斷能力、操作處置能力及多功能（如加熱）于一體的智能系統(tǒng)，能獨立完成或輔助完成接生工作，還能不斷積累接產(chǎn)經(jīng)驗，構(gòu)建多場景模型，科學(xué)化地解決上述問題。目前已有科研人員探究人類接生機器人研究領(lǐng)域，如徐秀芳發(fā)明了一種婦產(chǎn)科接生機器人，通過設(shè)置2 對第二半圓環(huán)可將孕婦2 條大腿夾住并予以固定。孫苑等發(fā)明了一種智能控制接生機器人，可自動移動接生，操作簡單，安全性高，能有效避免人工接產(chǎn)時嬰兒滑落現(xiàn)象。另外，嬰兒出生后可直接在機器人配置的床上進行體檢，不用來回更換位置，提高工作效率。盡管現(xiàn)階段接生機器人的研究僅停留在初步研發(fā)階段，人工智能方法和技術(shù)還沒有完全與產(chǎn)業(yè)需求有機結(jié)合。隨著科技研發(fā)水平日漸成熟，機器人終將會把人類從高強度、高耗力的工作中解放出來。

3 清潔機器人

養(yǎng)殖場多采用人工法清洗圈舍、欄位、糞污等，存在工作效率低、勞動強度大、工作環(huán)境惡劣等弊端，而且清洗過程中吸入的灰塵、微生物和臟水等會對養(yǎng)殖人員的身體健康、工作積極性等存在一定的負面影響。隨著人們對改善工作環(huán)境條件要求的不斷提高以及社會對食品安全和畜禽福利化的關(guān)注，清潔機器人的研發(fā)邁向成熟階段。呂曉能等設(shè)計了一款A(yù)GV（Automated Guided Vehicle）底盤與五自由度機械臂相結(jié)合，具備自主移動、自主清洗豬舍內(nèi)的欄架和地板等設(shè)施功能的智能化清洗機器人；路衛(wèi)國等發(fā)明了一種豬舍內(nèi)自動定位地面清洗機器人；邱飛綜述了刮糞機清糞系統(tǒng)原理，即根據(jù)外部信息搜集系統(tǒng)調(diào)整行進方向，利用可變形推板將糞污集中，再通過自動駕駛技術(shù)將糞污清理，可在源頭上實現(xiàn)養(yǎng)豬場糞、尿分離；于海等發(fā)明了一種無需工作人員進入糞道，便可實現(xiàn)高壓水向糞道側(cè)壁、地面及頂棚的全方位噴射清洗的種豬場糞道清洗機器人；此外，還有優(yōu)化版的舍內(nèi)漏縫地板清洗機器人，多場景豬舍清洗機器人和玩具型自動清糞機器人等。雖然計算機視覺在自動化和監(jiān)控中得到了廣泛的應(yīng)用，但由于豬圈表面的不均勻性、老化、磨損以及由此導(dǎo)致的誤分類風(fēng)險，很難將豬圈表面分類為干凈。Andersen等設(shè)計了一款將經(jīng)驗圖學(xué)習(xí)與操作指令相結(jié)合的智能自主清潔機器人，可代替管理人員清潔臟污嚴重的區(qū)域，并首次實現(xiàn)了基于潔凈度檢測的豬舍自主清掃。Hiel 等研究表明，與普通人工清洗法相比，用機器人預(yù)清洗豬舍減少了環(huán)境中灰塵和內(nèi)毒素的產(chǎn)生，降低了豬只支氣管炎和呼吸道炎癥反應(yīng)。以上研究為清潔機器人在豬場的進一步推廣和普及提供了更多試驗支撐。

4 巡檢機器人

新一代智能移動機器人多采用激光雷達為主、深度攝像機為輔的導(dǎo)航結(jié)構(gòu)，并結(jié)合同步定位與建圖（Simultaneous Localization and Mapping，SLAM）技術(shù)，實現(xiàn)機器人自主導(dǎo)航、自動定位及主動避障。這種技術(shù)能夠多角度、環(huán)繞式地對豬場養(yǎng)殖環(huán)境和豬只生長情況進行24 h 全天候無人化、自主化巡檢，實現(xiàn)了豬只全生長周期點數(shù)、體重、體長、體高等基礎(chǔ)信息的連續(xù)記錄，通過對豬舍環(huán)境的自動化調(diào)控，保障生豬健康生長，提高養(yǎng)豬場的經(jīng)濟效益。曾志雄等設(shè)計了一款可在過道狹窄、道路縱橫的規(guī)模豬舍環(huán)境內(nèi)進行自主機器巡檢作業(yè)的底盤結(jié)構(gòu)，該底盤結(jié)構(gòu)方案為行走式畜禽養(yǎng)殖環(huán)境巡檢機器設(shè)計提供了參考，并在近期發(fā)明了一種基于UWB 定位的豬場巡檢機器人，較現(xiàn)有裝置顯著提升了行走準確度和巡檢過程的安全系數(shù)，可實現(xiàn)安全快速智能巡檢。呂成軍等發(fā)明了一種能夠?qū)崿F(xiàn)多自由度調(diào)整位置，實時監(jiān)測周圍環(huán)境中的各種氣體濃度、溫度以及濕度，自動規(guī)劃路線和避障的豬場用巡檢機器人，巡檢效果極佳。陳紅亮發(fā)明了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的豬舍環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，可通過傳感器實時獲取豬舍的溫度、濕度、顆粒物、氣體濃度等信息。信號強度對智能機器人的運行起到支撐作用，劉奎等利用慣性測量單元（IMU）使豬場巡檢機器人在北斗衛(wèi)星信號消失時可按照A 算法規(guī)劃的路徑行走，解決了在北斗衛(wèi)星信號消失時的實時定位問題。

生豬計數(shù)是大規(guī)模生豬生產(chǎn)的關(guān)鍵任務(wù)，常用的人工計數(shù)耗時長且易出錯。Chen 等設(shè)計了一款實時自動化豬計數(shù)系統(tǒng)，其中的深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）可對個體豬身體部位關(guān)鍵點進行檢測和關(guān)聯(lián)，新的空間感知時間響應(yīng)濾波（STRF）方法可減少豬或攝像機移動造成的誤報或跟蹤失敗。

5 疫病防護機器人

目前，疫病防護機器人用于人類前列腺癌等疾病的治療已相對成熟，較傳統(tǒng)人工術(shù)可明顯降低手術(shù)難度，具有手術(shù)時間短、愈后快、住院短、愈后良好等優(yōu)勢。隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化技術(shù)的不斷提高，研發(fā)出一款側(cè)重于對活體動物疫病行為的檢測和手術(shù)治療的疫病防護機器人，如基于機器視覺的人臉識別技術(shù)能識別豬只及異常行為，采用熱紅外圖像與可見光圖像相結(jié)合的方法，進行無接觸體溫和體表顏色檢測，通過活豬發(fā)病癥狀與存儲的疾病表征掃描匹配，自動發(fā)出防疫預(yù)警；在病死豬轉(zhuǎn)運時應(yīng)用自動消殺系統(tǒng)，可降低豬場工作人員與病死豬的接觸，減少病毒的傳播，這對于豬群疫病的早發(fā)現(xiàn)、早隔離，控制豬群疫病爆發(fā)，避免養(yǎng)殖場經(jīng)濟損失具有重要意義。

6 飼喂機器人

在規(guī)?；i場中，育肥豬的自動供料系統(tǒng)及母豬的精準飼喂系統(tǒng)逐漸在普及，雖能在一定程度上節(jié)約勞動力，但距飼喂機器人仍有一定的技術(shù)差距。目前飼喂機器人多應(yīng)用在奶牛、山羊等反芻動物養(yǎng)殖中。呂鳳玉等采用激光雷達SLAM 自然輪廓定位導(dǎo)航技術(shù)，在不對牧場環(huán)境進行任何改造的前提下，可輕松實現(xiàn)奶牛智能飼喂，提高了飼料利用率、產(chǎn)奶率以及牛場投入產(chǎn)出比。張帆等以STC89C52RC 型單片機為控制核心，采用模塊化設(shè)計思想，利用AGV 磁導(dǎo)航傳感器和GT-2.4G 無線通訊模塊設(shè)計開發(fā)了羊只飼喂機器人的行走控制系統(tǒng)，試驗表明，自動控制與手動控制相結(jié)合的方式增強了羊只飼喂機器人的適應(yīng)性，使飼喂過程更加靈活、便捷。在未來研究中，如能借鑒反芻動物飼喂機器人的設(shè)計優(yōu)勢，根據(jù)豬只生理與生產(chǎn)信息為精準飼料定量依據(jù)，應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)ANN，研制一款飼喂機器人，對需要單獨管理的豬（如試驗用豬、弱豬），甚至規(guī)模化養(yǎng)殖豬群實現(xiàn)不同生產(chǎn)需求下的個體化精準飼喂，并能進行智能分析、推理、決策，形成無人干預(yù)下的智能管控，在提升畜牧業(yè)智能化技術(shù)水平的同時，還能為企業(yè)帶來顯著效益，具有極大的市場潛力。

7 智能分群機器人

現(xiàn)階段，我國畜牧企業(yè)對育肥豬分欄大多采取人工分欄法，即由飼養(yǎng)員定期對豬群進行人工調(diào)整與分欄，保證出欄時豬只體重整體均勻度。然而，人工分欄法需要定期稱重，不僅效率低、勞動強度大，對豬只也會造成一定的應(yīng)激影響。利用RFID 技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)豬的整個生產(chǎn)周期內(nèi)各個生產(chǎn)節(jié)點智能分群、轉(zhuǎn)群，如自動根據(jù)豬只體重分群并轉(zhuǎn)至相應(yīng)欄位，自動篩選達到出欄標準的育肥豬，能在很大程度上降低人工分群法的誤差，節(jié)約勞動力。段棟梁等、強志銳開發(fā)了利用地磅獲取豬只體重的分群設(shè)備，但缺乏對豬群整齊度影響的研究。張建龍等在前人研究的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一套基于機器視覺技術(shù)的育肥豬分群系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過機器視覺技術(shù)和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對豬只體質(zhì)量進行估測，可有效避免糞污對設(shè)備精度的影響及腐蝕。試驗結(jié)果表明采用該系統(tǒng)對豬只進行分群飼喂控制豬只體質(zhì)量差異效果優(yōu)良，該研究也可為母豬飼喂站、種豬測定站等智能化養(yǎng)豬設(shè)備的研發(fā)提供參考。下一步研究中，如果將智能分群系統(tǒng)和精準飼喂系統(tǒng)相結(jié)合，將更加有力地提高該系統(tǒng)的推廣。

8 小結(jié)

雖然我國移動通信技術(shù)已經(jīng)邁入5G 時代，但我國畜牧機器人研發(fā)起步較晚，尚未形成可規(guī)模化推廣的成熟技術(shù)，目前研發(fā)出的豬場機器人仍以基礎(chǔ)的清潔、巡檢、環(huán)境監(jiān)測等單一功能為主，尚未深入開展仿生型、多功能型機器人的研發(fā)。另外，如何克服畜牧機器人三低一高（性價比低、智能化程度低、競爭力低、制造成本高）的現(xiàn)狀，把先進性、實用性和經(jīng)濟性緊密結(jié)合，研制出具備高魯棒性、容錯性和抗干擾能力，符合我國畜牧業(yè)生產(chǎn)實際的畜牧機器人，是科研人員應(yīng)著重思考的方向。