浅析机器人在猪生产中的应用前景

李 伟，董国忠，周 艳，方万露，李 星，刘作华*

（1.重庆市畜牧科学院，国家生猪技术创新中心，重庆 402460；2.西南大学动物科学技术学院，重庆 400715）

非洲猪瘟是我国近年来猪产业发展中遭遇的一次严重浩劫，致死率高达100%，但现阶段对该病既没有安全预防的疫苗，也没有有效的治疗药物，加强生物安全是目前唯一行之有效的应对方法。随着我国农业科技化进程不断加快，采用编程软件与互联网或物联网技术相结合，通过操控机械设备完成猪场管理的人工智能养猪技术成为发展趋势。智能养猪可减少养殖生产工艺中的人员接触和交互传染，提高生物安全性。同时，人工智能养猪技术在解放劳动力、提高生产效率等方面，也具有显著优势，可有效推进我国实现生猪养殖智能化、精准化、福利化，从而受到业内科研人员的广泛关注，并开展了相关研究。本文主要介绍了机器人在猪场生产中仿生、接生、清洁、巡检及疾病预防等方面的功能，为畜牧机器人进一步发展提供参考。

1 仿生机器人

1.1 仿母猪 随着养殖业集约化、规模化发展，通过早期断奶缩短育肥周期，加快出栏速率，提高经济效益成为养殖场追逐的一种利益导向。但早期断奶会伴随着哺乳终止、饲粮改变、母幼分离和生活环境变化等方面的改变，导致幼畜肠道屏障发育障碍，生长性能下降，并可能增加仔猪对疾病的易感性和发生消化不良等现象。探寻出既可以实现早期断奶，又可以减少断奶应激反应的技术，对实现智能化、福利化养殖具有非常重要的意义。徐自升研制了一种仔猪饲养机器人，上部分为液体饲料储存与回收系统，下部分为仿生人工母猪与智能监控系统。仿生人工母猪腹部及其所附属的人工母猪乳房都是由柔性材料制成，能满足仔猪按摩乳房的行为学特性，且可以将测量和记录的仔猪进食量、体温等基本信息与实时视频一起经WiFi 传输给总控室。后续研究中，如能拓展哺乳时母猪与仔猪的触觉互动，将达到更加逼真的仿生效果。这种机器人主要应用于母猪乳头不够、无母乳或母乳不足、母猪生病缺奶或母猪病死后无母猪哺乳的需代乳寄养的仔猪。

另一方面，仿母猪机器人还可应用于种公猪采精。研发的仿母猪机器人不仅要具有猪的外形结构及类皮肤材质的外皮肤，同时机器人建立视觉、听觉、触觉三合一的感知系统，具有同公猪进行互动调情的功能，增强种公猪性欲，提高种公猪爬跨成功率。

1.2 仿公猪 母猪发情鉴定多采用观察法、爬跨、压背以及公猪试情法。传统的鉴定方法不仅要求养殖工人具备一定的专业知识和技能，试情公猪的筛选水平和其对母猪的刺激强度，也会影响母猪的发情表现，进而影响配种率。随着畜牧业的发展，种猪的无接触式、无应激式的生产成为国内外学者重点关注的研究领域。高俊峰等发明了一种可模仿公猪发声、气味的仿生机器人，可提高母猪输精效率和成功率。滕光辉等发明了一种母猪发情检测方法和装置，可通过气味释放装置、声音播放装置、自主移动装置、图像采集装置、中央处理装置采集母猪与仿生公猪的互动数据，达到了较好的仿生查情、试情效果，其快速、智能的发情检测实现了对母猪进行查情、试情的自动化、数字化检测，适应现代畜牧业的要求。

2 接生机器人

接生技术关乎仔猪成活率和母猪产后愈合效果，需要接产人员具备丰富的经验和专业的技能应对母猪生产时的复杂性和突发性情况。如大多母猪分娩发生在安静的深夜，有些母猪产程较长，每窝产完最后 1 头小猪平均需要 3 h 左右的时间，最多可达到5 h；如果出现滞产或难产，所需时间会更长。而且仔猪分娩后人工护理程序多，包括清除口鼻中黏液、剪脐带、剪牙、吃初乳、保暖等，如果出现母猪难产情况，还必须进行人工助产。利用现代科学技术研发出一种接生机器人，既具备精准的识别判断能力、操作处置能力及多功能（如加热）于一体的智能系统，能独立完成或辅助完成接生工作，还能不断积累接产经验，构建多场景模型，科学化地解决上述问题。目前已有科研人员探究人类接生机器人研究领域，如徐秀芳发明了一种妇产科接生机器人，通过设置2 对第二半圆环可将孕妇2 条大腿夹住并予以固定。孙苑等发明了一种智能控制接生机器人，可自动移动接生，操作简单，安全性高，能有效避免人工接产时婴儿滑落现象。另外，婴儿出生后可直接在机器人配置的床上进行体检，不用来回更换位置，提高工作效率。尽管现阶段接生机器人的研究仅停留在初步研发阶段，人工智能方法和技术还没有完全与产业需求有机结合。随着科技研发水平日渐成熟，机器人终将会把人类从高强度、高耗力的工作中解放出来。

3 清洁机器人

养殖场多采用人工法清洗圈舍、栏位、粪污等，存在工作效率低、劳动强度大、工作环境恶劣等弊端，而且清洗过程中吸入的灰尘、微生物和脏水等会对养殖人员的身体健康、工作积极性等存在一定的负面影响。随着人们对改善工作环境条件要求的不断提高以及社会对食品安全和畜禽福利化的关注，清洁机器人的研发迈向成熟阶段。吕晓能等设计了一款AGV（Automated Guided Vehicle）底盘与五自由度机械臂相结合，具备自主移动、自主清洗猪舍内的栏架和地板等设施功能的智能化清洗机器人；路卫国等发明了一种猪舍内自动定位地面清洗机器人；邱飞综述了刮粪机清粪系统原理，即根据外部信息搜集系统调整行进方向，利用可变形推板将粪污集中，再通过自动驾驶技术将粪污清理，可在源头上实现养猪场粪、尿分离；于海等发明了一种无需工作人员进入粪道，便可实现高压水向粪道侧壁、地面及顶棚的全方位喷射清洗的种猪场粪道清洗机器人；此外，还有优化版的舍内漏缝地板清洗机器人，多场景猪舍清洗机器人和玩具型自动清粪机器人等。虽然计算机视觉在自动化和监控中得到了广泛的应用，但由于猪圈表面的不均匀性、老化、磨损以及由此导致的误分类风险，很难将猪圈表面分类为干净。Andersen等设计了一款将经验图学习与操作指令相结合的智能自主清洁机器人，可代替管理人员清洁脏污严重的区域，并首次实现了基于洁净度检测的猪舍自主清扫。Hiel 等研究表明，与普通人工清洗法相比，用机器人预清洗猪舍减少了环境中灰尘和内毒素的产生，降低了猪只支气管炎和呼吸道炎症反应。以上研究为清洁机器人在猪场的进一步推广和普及提供了更多试验支撑。

4 巡检机器人

新一代智能移动机器人多采用激光雷达为主、深度摄像机为辅的导航结构，并结合同步定位与建图（Simultaneous Localization and Mapping，SLAM）技术，实现机器人自主导航、自动定位及主动避障。这种技术能够多角度、环绕式地对猪场养殖环境和猪只生长情况进行24 h 全天候无人化、自主化巡检，实现了猪只全生长周期点数、体重、体长、体高等基础信息的连续记录，通过对猪舍环境的自动化调控，保障生猪健康生长，提高养猪场的经济效益。曾志雄等设计了一款可在过道狭窄、道路纵横的规模猪舍环境内进行自主机器巡检作业的底盘结构，该底盘结构方案为行走式畜禽养殖环境巡检机器设计提供了参考，并在近期发明了一种基于UWB 定位的猪场巡检机器人，较现有装置显著提升了行走准确度和巡检过程的安全系数，可实现安全快速智能巡检。吕成军等发明了一种能够实现多自由度调整位置，实时监测周围环境中的各种气体浓度、温度以及湿度，自动规划路线和避障的猪场用巡检机器人，巡检效果极佳。陈红亮发明了一种基于物联网的猪舍环境监测系统，可通过传感器实时获取猪舍的温度、湿度、颗粒物、气体浓度等信息。信号强度对智能机器人的运行起到支撑作用，刘奎等利用惯性测量单元（IMU）使猪场巡检机器人在北斗卫星信号消失时可按照A 算法规划的路径行走，解决了在北斗卫星信号消失时的实时定位问题。

生猪计数是大规模生猪生产的关键任务，常用的人工计数耗时长且易出错。Chen 等设计了一款实时自动化猪计数系统，其中的深度卷积神经网络（CNN）可对个体猪身体部位关键点进行检测和关联，新的空间感知时间响应滤波（STRF）方法可减少猪或摄像机移动造成的误报或跟踪失败。

5 疫病防护机器人

目前，疫病防护机器人用于人类前列腺癌等疾病的治疗已相对成熟，较传统人工术可明显降低手术难度，具有手术时间短、愈后快、住院短、愈后良好等优势。随着农业现代化技术的不断提高，研发出一款侧重于对活体动物疫病行为的检测和手术治疗的疫病防护机器人，如基于机器视觉的人脸识别技术能识别猪只及异常行为，采用热红外图像与可见光图像相结合的方法，进行无接触体温和体表颜色检测，通过活猪发病症状与存储的疾病表征扫描匹配，自动发出防疫预警；在病死猪转运时应用自动消杀系统，可降低猪场工作人员与病死猪的接触，减少病毒的传播，这对于猪群疫病的早发现、早隔离，控制猪群疫病爆发，避免养殖场经济损失具有重要意义。

6 饲喂机器人

在规模化猪场中，育肥猪的自动供料系统及母猪的精准饲喂系统逐渐在普及，虽能在一定程度上节约劳动力，但距饲喂机器人仍有一定的技术差距。目前饲喂机器人多应用在奶牛、山羊等反刍动物养殖中。吕凤玉等采用激光雷达SLAM 自然轮廓定位导航技术，在不对牧场环境进行任何改造的前提下，可轻松实现奶牛智能饲喂，提高了饲料利用率、产奶率以及牛场投入产出比。张帆等以STC89C52RC 型单片机为控制核心，采用模块化设计思想，利用AGV 磁导航传感器和GT-2.4G 无线通讯模块设计开发了羊只饲喂机器人的行走控制系统，试验表明，自动控制与手动控制相结合的方式增强了羊只饲喂机器人的适应性，使饲喂过程更加灵活、便捷。在未来研究中，如能借鉴反刍动物饲喂机器人的设计优势，根据猪只生理与生产信息为精准饲料定量依据，应用人工神经网络ANN，研制一款饲喂机器人，对需要单独管理的猪（如试验用猪、弱猪），甚至规模化养殖猪群实现不同生产需求下的个体化精准饲喂，并能进行智能分析、推理、决策，形成无人干预下的智能管控，在提升畜牧业智能化技术水平的同时，还能为企业带来显著效益，具有极大的市场潜力。

7 智能分群机器人

现阶段，我国畜牧企业对育肥猪分栏大多采取人工分栏法，即由饲养员定期对猪群进行人工调整与分栏，保证出栏时猪只体重整体均匀度。然而，人工分栏法需要定期称重，不仅效率低、劳动强度大，对猪只也会造成一定的应激影响。利用RFID 技术、大数据分析、物联网技术实现猪的整个生产周期内各个生产节点智能分群、转群，如自动根据猪只体重分群并转至相应栏位，自动筛选达到出栏标准的育肥猪，能在很大程度上降低人工分群法的误差，节约劳动力。段栋梁等、强志锐开发了利用地磅获取猪只体重的分群设备，但缺乏对猪群整齐度影响的研究。张建龙等在前人研究的基础上，开发了一套基于机器视觉技术的育肥猪分群系统，该系统通过机器视觉技术和卷积神经网络模型对猪只体质量进行估测，可有效避免粪污对设备精度的影响及腐蚀。试验结果表明采用该系统对猪只进行分群饲喂控制猪只体质量差异效果优良，该研究也可为母猪饲喂站、种猪测定站等智能化养猪设备的研发提供参考。下一步研究中，如果将智能分群系统和精准饲喂系统相结合，将更加有力地提高该系统的推广。

8 小结

虽然我国移动通信技术已经迈入5G 时代，但我国畜牧机器人研发起步较晚，尚未形成可规模化推广的成熟技术，目前研发出的猪场机器人仍以基础的清洁、巡检、环境监测等单一功能为主，尚未深入开展仿生型、多功能型机器人的研发。另外，如何克服畜牧机器人三低一高（性价比低、智能化程度低、竞争力低、制造成本高）的现状，把先进性、实用性和经济性紧密结合，研制出具备高鲁棒性、容错性和抗干扰能力，符合我国畜牧业生产实际的畜牧机器人，是科研人员应着重思考的方向。