养猪喂料机-国内外典型家畜喂料机器人及比较

本文转载自：

杨亮, 熊本海, 王辉, 陈睿鹏, 赵一广. 家畜饲喂机器人研究进展与发展展望[J]. 智慧农业(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.

国内外典型家畜喂料机器人及比较

喂料机器人是一种可以替代畜牧养殖工人、具备一定独立决策能力的智能喂料设备，是实现畜牧业自动化、集约化发展过程中的关键装备，分为轨道式喂料机器人和自走式喂料机器人两种。在奶牛饲养过程中，主要通过提高奶牛的采食量来提高其健康水平，从而提高奶牛的生产能力和产奶量。荷兰、加拿大等国家研制出的比较典型的喂料机器人产品可以创建从饲料车间到养殖区域的运行路线，利用超声波传感器等实现避障功能，通过配置的料斗给牛棚中等待采食的奶牛分发饲料，实现牛群全天候获取新鲜饲料。

1　轨道式喂料机器人

轨道式喂料机器人是指运行在固定轨道上实现对家畜饲喂功能的一类机器人，可细分为悬挂式和地轨式两种。喂料机器人沿着固定轨道自动运行，对目标动物进行识别，对自身进行定位，通过预设程序精确完成饲料的投放，实现对家畜的精准饲喂。

1.1　国外研发的机器人产品

轨道式喂料机器人在国外养殖企业应用比较普遍，其中多数采用的是悬挂式轨道。荷兰Trioliet公司、加拿大Rovibec公司和奥地利Hetwin公司在轨道式饲喂机器人领域技术积累较为成熟，已有多款产品实现产业化应用。

荷兰Trioliet公司研制了两款轨道式喂料机器人，型号分别为Triomatic HP2300和Triomatic WP2300。图1所示的Triomatic HP2300是一款悬挂式饲喂机器人，即采用悬挂系统在畜舍内轨道上运行工作，悬挂系统可以自行调节高度，有效躲避畜舍内障碍物，喂料机器人通过与固定式搅拌站、饲料仓房结合，在不锈钢搅拌罐中可以装载容积为3 m³的饲料，实现无极变速控制左右两侧的双向发料，系统设置有触摸屏和操作终端。同时在机器人的下端设置有推料装置，可以将远离奶牛的饲料推回可采食区，满足奶牛的饲喂需求。

图1 荷兰Trioliet公司研制的Triomatic HP2300悬挂式喂料机器人

Fig. 1 Triomatic HP2300， Trioliet， The Netherlands

图2所示的Triomatic WP2300是一款四轮式饲喂机器人，即通过四个轮子移动，其中两个为驱动轮，可以很容易地驱动机器人在饲喂通道周围移动。在饲喂机器人内部，设置有两个立式搅拌铰龙和一个双向发料带，容积同样为3 m3，最大载料重为900 kg。机器人的电能来源于上方的电源轨道，持续的供电方式保证机器人正常工作。为方便应对养殖场内的特殊路况，Triomatic WP2300饲喂机器人可以应对高达5%的坡度和5 cm的门槛。

图2 荷兰Trioliet公司研制的Triomatic WP2300轮式喂料机器人

Fig. 2 Triomatic WP2300， Trioliet， The Netherlands

加拿大Rovibec公司研制了四款轨道式喂料机器人，型号分别是Rover MVR、ROV、DEC SR和DEC HDR。图3所示Rover MVR的装载饲料容积为3.4 m3，在不需要任何人工的干预下，可以实现自行装入饲料、混合饲料、分配饲料的功能，牛场管理员可以设定投喂的饲料配方、饲喂次数、饲喂时间等基本参数。机器人通过上方的导轨供电，保证运行的稳定性和持久性。四轮转向由液压动力驱动，能够实现可变的前进速度和下料速度。机器人的底部设置有饲料推料铲，可以将远离奶牛采食区间的饲料推回到奶牛可采食区域。应用该机器人可优化牛群健康和生产力，同时减少相关的劳动力。

图3 加拿大Rovibec公司研制的Rover MVR轮式喂料机器人

Fig. 3 Rover MVR， Rovibec， Canada

图4所示ROV轨道喂料机器人为低功率消耗量，可以采用2~12 V的电池驱动，料仓内设置不同大小的8个分区，存储8种谷物或矿物质的补充物，最大存储量为1000 kg，根据每头奶牛的基本状况分发不同的补充物质，从而有效提高牛奶中相应的营养成分。

图4 加拿大Rovibec公司研制的ROV轨道式喂料机器人

Fig. 4 ROV， Rovibec， Canada

图5所示DEC SR为悬挂式喂料机器人，采用2.2 kw低功率的电动机，后台设置不同的饲喂曲线和饲料配方，可以满足300头奶牛自由采食。

图5 加拿大Rovibec公司研制的DEC SR悬挂式喂料机器人

Fig. 5 DEC SR， Rovibec， Canada

图6所示DEC HDR为一款悬挂式轨道喂料机器人，基本适用于所有路况的养殖场，饲料容量为3.4 m3，可以自行管理、准备、分发全混合日粮（Total Mixed Ration，TMR）饲料，在无需人工干预下自由饲喂300头奶牛，并生成相应的饲喂管理曲线。机器人采用低功率模式，只需一台3.8 kw的发动机即可。

图6 加拿大Rovibec公司研制的DEC HDR悬挂式喂料机器人

Fig. 6 DEC HDR， Rovibec， Canada

奥地利Hetwin公司研制了2款轨道式喂料机器人，分别是ARAMIS II和ATHOS。图7所示ARAMIS II是欧洲首款自动供应精饲料、干草和青贮饲料的喂料机器人，可以执行称重、切割、混合、定量和输送五项工作。系统还具备测定纤维长度的功能，切割系统可以将块状或未压制的青贮切割，提高奶牛采食的适口性和便利性，水平搅拌系统可以一次处理50 kg的饲料。ARAMIS II上使用的硬件包括10寸触摸屏面板C70、带集成I/O的紧凑型X20控制器和变频器，X20控制器通过无线局域网进行相互通信。

图7 奥地利Hetwin公司研制的ARAMIS II喂料机器人

Fig. 7 ARAMIS II， Hetwin， Austria

图8所示ATHOS喂料机器人主要针对小型或中型养殖场而研发，使用了7寸触摸屏面板、带集成I/O的X20控制器和ACOPO Sinverter变频器，使用了Automation Studio软件进行管理。机器人配备了预混合装置及切割系统，可在几分钟内将干草或青贮饲料切割成均匀的新鲜混合饲料，通过预先设定的程序，确保所有动物都获得新鲜的混合饲料，通过提高采食量，增加牛奶产量并改善动物健康。在喂料机器人的底部，设置了饲料推料铲，可以保证奶牛的采食需求，减少饲料的浪费。

图8 奥地利Hetwin公司研制的ATHOS喂料机器人

Fig. 8 ATHOS， Hetwin， Austria

1.2　国内研发的机器人产品

与国外相比，国内研发的轨道式家畜饲喂机器人的种类和应用的数量很少，主要是因为国内养殖企业更依赖人工劳动，特别是在养殖场建设过程中，基础设施和智能装备的资金投入较低，无法实现大规模的智能化、机械化养殖。随着市场散养户的逐渐退出，家畜养殖规模的不断扩大，饲喂机器人等智能化产品的研发和应用水平

会有较大提高。目前国内已在奶牛饲喂机器人、羊饲喂机器人、生猪饲喂机器人等方面开展了研究。

在奶牛饲喂机器人方面，方建军研制了一款利用PIC16F877微处理器控制的饲喂机器人，利用霍尔传感器和无线识别装置分别实现自身的精确定位以及奶牛的识别。杨存志等研制的FR-200型饲喂机器人，采用轨道吊挂式，按设置的程序自动运行、定位，能够智能识别奶牛，投喂精确的饲料量，实现每天多次规律性饲喂，及时更改饲喂曲线，可以有效促进奶牛个体的产量和奶产品的质量双提高，成为奶牛养殖的智能化福利养殖装备。为解决精确控制奶牛精料采食的问题，倪志江等研制了基于单片机和无线射频识别技术的智能化个体奶牛精确饲喂机，实现奶牛个体的精确饲喂，牛奶日产量提高4 kg。

在羊饲喂机器人方面，张磊设计出一款磁导引式羊只自动饲喂机器人，根据实际工作环境，对导引路径和工作区间进行调整；根据饲喂区间内羊只的数量和生长周期，实现定时定量的自动饲喂，有效降低了饲喂劳动强度和饲料浪费，推动了国内畜牧业智能化的发展。北京京鹏环宇畜牧公司研制了全自动空中带式饲喂系统、全自动地面带式饲喂系统和智能机器人饲喂系统，具有占地面积小、使用方便灵活等特点，能够满足不同养殖规模用户的需求。饲喂机器人内部结构精密，配方多元化和精细化，保证每只羊采食到适量且营养均衡的饲料，获得最高增重和最佳饲料报酬，可以有效提高羊场的利润。

在生猪饲喂机器人方面，吉林精气神“吉神黑猪”养殖基地为中国首批猪人工智能养殖基地，基地运用饲喂机器人等先进设备与技术，改变传统人工粗放式饲喂。该基地研制的饲喂机器人利用“猪脸识别”技术，集传统定量杯与自动饲喂器为一体，采用大角度楔形构造设计解决了量杯内饲料结拱的问题，保持稳定的出料速度实现精准出料。系统设定的饲喂曲线实现对生猪群体和个体的智能、精准饲喂，保证每头生猪获得均衡的营养，出栏体重差异缩小到5%以内，减少了饲料浪费，降低了饲喂成本。

2　自走式喂料机器人

自走式喂料机器人指的是在养殖场内可以自由行走，具有自动导航和定位功能的一种家畜饲喂机器人。机器人系统主要以单片机为控制核心，利用传感器和通讯模块实现自动行走，与轨道式饲喂机器人相比，饲喂过程更加灵活、便捷，饲喂工作结束后自行回到充电处进行充电。自走式饲喂机器人技术含量更高，不需要前期投入资金进行轨道的铺设，更有利于在家畜养殖场得到推广应用。

2.1　国外研发的机器人产品

目前，国外已有比较成熟的自走式喂料机器人产品，典型的有荷兰Lely公司的Vector喂料机器人、奥地利Hetwin公司的ARANOM喂料机器人以及奥地利Schauer公司的TRANSFEED ROVER喂料机器人等。自走式机器人具有更好的适应性，能够满足不同条件场地的需求，在家畜养殖企业的应用中取得了较好效果。

荷兰Lely公司研制的Vector喂料机器人是一种独立的电池供电机器人，能够自动喂养自混合饲料，图9为Vector喂料机器人在奶牛场的应用场景。Vector具有测量围栏处饲料高度的功能，决策是否需要补充饲料，保持围栏处始终有足够的新鲜饲料，同时饲料数量不会过多或过少。在喂养频次方面，Lely公司建议通过频繁地进食刺激奶牛的饲料摄入，保持瘤胃pH恒定，利于奶牛的健康和生育，获得更高的牛奶产量。在配套的管理平台，可以显示每头（组）奶牛的平均饲料摄入量，通过调整饲料配方来降低饲料成本，获取更好的收益。

图9 荷兰Lely公司研制的Vector喂料机器人

Fig. 9 Vector， Lely， The Netherlands

奥地利Hetwin公司研制了一款ARANOM自走式机器人，也是Hetwin公司在2018年汉诺威举办的EuroTier农展会上推出的创新产品。如图10所示，ARANOM以底盘作为基础，使用地面磁感应传感器作为参考点自动移动。ARANOM喂料机器人有ARANOM MIX和ARANOM CUT & MIX两个版本。ARANOM MIX可以进行称重、混合、进料和推料4种操作，配备有4 mm不锈钢双混合器托盘的垂直混合系统，适用于较短的饲料；ARANOM CUT & MIX可以进行称重、切割、混合、进料和推料5种操作，切割能力强，拥有卧式切割混合系统，配有两个可更换8 mm不锈钢混合罐，适用于较长的饲料，如装载机青贮饲料，圆捆青贮饲料和干草。两个版本的机器人均采用电池供电模式，无需轨道供电系统即可实现机器人系统驱动。ARANOM设置有两个轴，通过可充电电池可进行无电运行，其所使用的在高电压下运行的电池技术目前在市场上比较独特。此外，在机器人底部还设置有底盘驱动器，通过放置在地板表面下的小型参考磁铁，控制机器人遵循编程的路线行走。采取无导轨的模式可以节省较多的成本，特别是在大型牧场中安装更加简单便利。

图10 奥地利Hetwin公司研制的ARANOM喂料机器人

Fig. 10 ARANOM， Hetwin， Austria

图11为奥地利Schauer公司研制的TRANSFEED ROVER喂料机器人，是一款基于垂直搅拌机的自走式喂料机器人，配备的料仓可以储存3.4 m3的饲料，能满足饲喂300头奶牛的需求。机器人运行时最大需要7.7 kw的能效，保证设备的节能运行；转弯半径为1.5 m，运行时比较敏捷，占用较小的区域行走；集成了可变速立式搅拌机和切割机，能够较好地混合和粉碎青贮饲料，满足奶牛的采食需求。

图11 奥地利Schauer公司研制的TRANSFEED ROVER喂料机器人

Fig. 11 TRANSFEED ROVER， Schauer Austria

瑞典Delaval公司研制的CF1000型饲喂机器人，可以根据肉牛所处的不同生长周期进行科学分配饲料，有效地降低了人工成本。

从以上介绍的研究进展可以发现，国外的喂料机器人的研发主体是设备制造企业，由企业主导机器人的研发与推广，而学术界对于家畜饲喂机器人的研究较少，Rodenburg对挤奶机器人进行了相关研究，本文不再具体介绍。

2.2　国内研发的机器人产品

与国外相比，国内自走式喂料机器人的研发还处于初级阶段，查阅到的自走式喂料机器人文献较少，能在养殖场实际应用的则更少。分析这种现象的原因，发现与国外设备制造企业主导机器人的研发与推广不同。国内起主导作用的是政府和科研工作者，但研究的产品很难完全进行产业化生产和推广应用；此外，基于家畜智能设备市场需求较小的现状，设备制造企业无法大规模投入研发，再加上国外进口的设备价格居高不下，造成喂料机器人在养殖场的应用率较低。

在技术研究方面，张帆等以STC89C52RC型单片机为控制核心，开发了羊只饲喂机器人的行走控制系统，利用AGV（Automated Guided Vehicle）磁导航传感器和GT-2.4G无线通讯模块，实现了自动行走和手动行走两种控制模式，提高了羊只饲喂机器人的适用性；为避免机器人运行引起羊只的应激反应，孙芊芊等对羊只智能饲喂机器人进行了功能与造型设计，功能方面实现智能饲喂、监控反馈和自动行走，造型方面实现材料、形态和颜色的适应性和创新性，有效避免羊只的有害应激反应；王浩鹏为优化羊只饲喂机器人的螺旋输送轴结构，使用有限元软件Workbench对螺旋输送轴进行静力学分析，通过动力学分析得到固有频率和振型，应用优化空间填充算法对螺旋输送轴相关参数进行采样分析，建立响应面模型，通过优化得出螺旋输送轴最优参数组合，有效增大了出料系统输送空间，提高了羊只饲喂机器人的单位输送效率。

3　国内外喂料机器人比较

技术上看，喂料机器人从轨道式机器人向自走式机器人方向发展。轨道式机器人对养殖场的基础设施建设有一定的要求，需要搭建从饲料车间到养殖场的饲喂机器人行走的轨道，从而实现饲喂机器人按固定路径行走的功能。与轨道式机器人相比，自走式机器人需要具备自主导航和定位功能，提高了机器人控制系统的技术水准和复杂程度。国外的喂料机器人主要是基于计算机操作系统，在机器人上配置了触摸屏面板，实现参数的设置和数据的分析与管理。喂料机器人具备称重、切割、混合、进料和推料5种功能，提高了家畜养殖效率，降低了对劳动力的需求。在国内，喂料机器人的研发和设计引入了一些先进技术，如手机APP的开发使工作人员更及时方便了解相关数据，在动物应激反应方面，通过对机器人造型的材料、颜色、形态等创新尽量避免家畜有害应激反应。此外，先进传感器技术和模型分析技术不断应用到机器人的研发中，对机器人的智能化发展提供了技术上的支撑。

从应用上看，国外养殖场的装备化发展较早，大部分都配备了轨道式的喂料机器人，自走式机器人的研发已经成熟，应用比例在不断提高，这对于提高企业的生产效率，降低人力成本发挥了一定的作用。国内养殖场的装备化水平整体较低，主要是科研单位和设备企业对饲喂机器人进行研究，在应用方面还处于初级阶段，尚未达到国外农业发达国家的应用水平。为此，2021年，中国工业和信息化部等15部门联合印发了《“十四五”机器人产业发展规划》等相关政策，鼓励科研单位与设备研发企业提高农机装备研制水平，促进国内家畜养殖企业的农机应用。