畜禽养殖机器人研究现状与展望*

胡惠玥 ， 杨小玲 ， 刘仁鑫 ， 夏宇雯

（1.江西农业大学工学院，江西 南昌 330045；2.江西省畜牧设施技术开发工程研究中心，江西 南昌 330045）

0 前言

我国是农业生产大国，对畜牧业产品有较大需求，畜牧业也是我国农业产业的基础和支柱。改革开放四十多年来，畜牧业在我国从缓慢到快速发展，其养殖方式、结构、布局都得到了优化，质量安全和生产效率都实现了质的飞跃，给我国农业生产带来了巨大的影响，畜产品人均占有量显著提升[1]。而在规模化、集约化的畜禽养殖生产中，资源、环境、疫病防控等面临严峻挑战，畜牧机器人的研究和应用使畜牧养殖向着专业化、标准化、自动化、智能化、高效化、可持续化方向发展。

畜禽养殖机器人是具有信息感知、信息传递、图像处理、自主导航、可重复编程等功能的自动化或半自动化设备，可以代替大量人工作业，节省人力、物力资源，对养殖场内的气体环境、温度，畜牧的体温、声音、状态进行信息收集、传递、评估，尽早尽快发现环境或者疫病等问题，实现圈舍环境良好、饲料营养充足、疫病防治及时有效，达到畜禽本身健康、畜产品安全和环境友好的目的，为养殖生产提供了很大的便利。

1 畜禽养殖机器人的现状

畜禽养殖机器人按照功能进行分类，主要有巡检、清扫、消毒、饲喂、分拣、挤奶、放牧[2]、剪羊毛、环境控制[3]机器人等。

1.1 巡检机器人

智能化的巡检系统或设备给畜禽养殖带来很大的便利，巡检机器人的充分利用可以提高巡检效率和质量。巡检机器人一般由机器人本体、图像采集模块、参数采集模块、红外热成像模块及后台软件等五大模块组成，其结构组成如图1所示。

图1 巡检机器人构成图

Andersen等[4]通过在猪耳后安装体温传感器，记录猪皮肤温度的日变化，判断耳后体温监测的效果，结果表明，猪耳后温度测定是检测猪体温的有效方式。通过在养殖场中安装红外传感器，Cornou等[5]利用三维加速传感器和蓝牙模块对产仔箱的待产母猪进行行为监测，将分娩母猪和猪仔进行分类，并对母猪进行分娩前后的行为偏差评估。早期国外对猪只监测的研究是通过在猪只身体部位或者养殖场内安装监测传感器，进行猪只或环境状态监测，在集约化养殖中，安装在猪只身体部位的监测设备容易损坏，使监测无效，而监测不及时会造成一定程度上的损失。有关动物分娩和发情行为的检测系统和机器的研究较多，但部分机器功能单一，只能检测到某种特定行为，不能对养殖场整体进行检测。

基于国内外对巡检系统的研究，徐立新等[6]发明了轨道式智能巡检机器人，将其应用于养殖场中，进行周期巡检。吕恩利等[7-8]运用四轮机构的自主移动平台，结合轨迹跟踪算法，实现高精度跟踪控制，为畜禽养殖场环境监测机器人的运动方式提供了参考。吕成军等[8]和刘继芳等[9]发明的养殖场巡检机器人具有行走模块、控制模块、检测模块和机械臂等，搭载激光雷达等多种传感器，对养殖场畜禽的生长状况、健康状况以及养殖场环境状况进行巡检。蔡贇杰等[10]发明的巡检及辅助养殖机器人，专门用于禽类养殖，静音升降对笼中家禽的生理状况和生产效率进行检测，以方便择优选优，选择产量高且质量高的家禽，减少饲料的浪费。

此外，巡检机器人具有检测精度高、重复性大、连续性强等特点。

1.2 清洁机器人

在大型养殖场中，动物的废弃物如粪便、尿液、羽毛和饲料残渣等，会滋生很多细菌，大面积堆积的污垢会产生对人、动物、环境有害的氨气，影响空气质量，也影响动物的生产效率。存留一定时间的粪便会形成一层难以清洁的污垢涂抹层，需要大量且多次的清洗、收集，养殖场中的地板容易被粪便、尿液混合物污染而难以清洗，涂抹层容易导致动物滑倒受伤。

清洁机器人的出现带来了巨大的便利，它由机器人本体、控制系统、传感器系统、清扫系统、收集系统等组成[11]，通过控制系统和软件的路径规划，可以满足不同环境下养殖场的清洁要求，不仅可以清洁难以清洁的废弃物、收集有用的肥料，还具有自动避障、精确识别环境、重复清洗、重复循环等功能。

1981年，Hansson[12]发明了粪便清除机，使用螺旋刮桨对地面粪便进行清理和转移，但由于螺旋刮桨和地面有一定距离，和地面的接触面积有限，清洁力度受限，清洁和收集效率较低。1994年，Vinyard[13]发明的粪便清除收集机使用叠加旋转叶片将粪便刮离地面并吸入后置的高架槽，提升了清洁和收集效率，但其强有力的旋转叶片会将沙子碎石等其他污垢也一并收集。Hansson和Vinyard设计的清洁装置都是需要人工驾驶的。2020年，Cubero等[14]在一辆无人驾驶车的基础上进行改进，振动过滤沙子、碎石，将动物粪便收集至真空式收集器，设计了一辆高效且无人驾驶的粪便收集车，该粪便收集车不仅可以在养殖场收集牛羊等动物的粪便，也可以在沙漠等地收集马和骆驼的粪便。

丹麦Washpower公司生产的自走式猪舍清洁机器人，如图2所示。该机器人由PLC控制，工作人员可以通过触屏功能轻松启动机器人，可进行无人操作且高效可靠的清洁，减少人力、物力成本，提升清洁效率，提高猪舍卫生水平，降低交叉感染的风险，其已经在欧美和日韩等20多个国家和地区使用，中国也有多家养殖场进口使用。

图2 Washpower的自走式猪舍清洁机器人

基于单片机的清洁机器人具有处理信息快速、清洁效率高、成本低、抗干扰能力强等优点。刘娜等[15]和尧李慧等[16]设计的清洁机器人分别是基于AT89S52和STM32单片机，搭载红外遥控器模块和多种传感器等，可以进行自主避障、ISP在线编程。杨存志等[17]通过对机器人进行参数设计、运动学分析并对地面摩擦因素进行仿真分析，设计出一款以嵌入式ARM作为核心控制器的自走式牛舍清洁机器人。

国外已经有大部分奶牛场和猪场使用清洁机器人，但由于目前现有的清洁机器人制作成本较高，功能较单一，在小型养殖场有少部分应用，大型养殖场需要规模更大、功能更齐全、性价比更高的智能清洁机器人。国内清洁机器人还在深入研究中，在养殖场中应用较少。

1.3 消毒机器人

随着畜禽养殖逐渐规模化发展，环境污染、病毒传播等问题层出不穷，养殖场环境的恶化越来越成为传染病传播的重要因素。不创造一个没有病毒和致病微生物的养殖环境，在恶劣环境中病毒性疾病和呼吸道疾病交叉混合感染下，即使给动物接种疫苗、对其进行药物干预，也会引发多种疾病[18]。

消毒机器人一般由驱动模块、控制模块、消毒液喷洒模块、雾化疫苗喷洒模块和监控模块组成，可以远程操作或编程消毒，适应养殖场内恶劣环境。消毒机器人在疫情之下的近几年，研究力度加大且使用更加广泛，在医院、商场、高铁站、地铁站、食堂等人流聚集的公共场所都得到广泛应用。

Feng等[19]设计了一种以磁式RFID-INS组合导航的履带式消毒机器人，远程操控机器人喷洒消毒药剂的时间、剂量以及区域的同时，通过磁性传感器感知机器人与预定轨迹的偏差，进行轨迹矫正。丁伟等[20]设计的集监测、消毒于一体的机器人，通过Wi-Fi连接手机App或PC客户端，实现对养殖场的消杀和对环境的实时监测。王吉武等[21]设计的具有防撞保护功能的圈舍消毒机器人，可以对机器人受到的过大压力进行报警提醒，既能对养殖场进行杀菌消毒，也可以保护动物不受机器伤害。唐雷等[22]设计的猪舍环境巡检消毒机器人，可对普通机器人难以喷洒到的区域进行特定喷洒消毒，采用了动物体位配合限位机构，全方位喷洒消毒防疫药物，使动物和药物进行充分接触。

1.4 饲喂机器人

精准饲喂对畜禽养殖具有重要意义，饲料的营养物质配比、精准投喂都对畜禽养殖起到了很重要的作用，提高饲喂效率可以提升畜禽生产效率。提高畜禽生产力水平不仅对养殖场的经济效益有影响，甚至对整个国家的经济发展都会产生影响。我国大型畜禽养殖场基本是人工对饲料进行配比和来回运送，大量工作可能导致错配或错运，饲喂机器人可以对饲料进行精准配比和投送，减少人工成本和工作量。美国等国家对母猪和奶牛精准饲喂系统都有研究和实地应用考察，对于生产率的提升有明显的效果，我国也有研究和应用，但是饲喂机器人的精准度要求高、成本高，目前在大型畜禽养殖场并没有大量投资和应用。

Syam等[23]使用SolidWorks软件设计带有进给、升降、输送三个机械系统的自动控制机器人，从笼子顶部进行饲料运输工作，大量节省人力、物力成本，人畜无接触，保障动物健康。Pavkin等[24]在MATLAB环境中使用Simulink对推料机器人进行仿真建模，设计出能重复循环使用高能量复合饲料和矿物质添加剂、为奶牛提供单独喂养的机器人，可以在提供饲料的同时补充缺失的矿物质，保障奶牛营养均衡，促进奶牛摄食，提高生产品质和效率。

杨存志等[25]和谭春林等[26]等设计以PLC为控制核心，基于RFID无线射频识别技术，沿吊轨运行的奶牛精准饲喂机器人，通过射频技术精准识别不同产量的奶牛，为每头奶牛分别精确配比并混合分送饲料。谢艳等[27]针对现有饲喂机器人的车轮会被饲料缠绕、饲养场道路不平整导致机器人运行困难等问题进行改进研究，设计出基于TRIZ理论的奶牛饲喂机器人。

在畜禽养殖中，机器的运行可能会引发动物的应激反应，产生很多负面影响。例如，使动物极度狂躁、进食量减少、免疫力下降，从而导致生产率大幅降低。而羊只是所有动物中，反应最灵敏的动物，基于对羊只应激反应的研究，孙芊芊等[28]设计的饲喂机器人，可以多次少量地进行饲料投送，将运行声音控制到最低甚至可以静音运行，保障羊只生命安全，安静且高效地进行饲喂。

荷兰Lely公司生产的Lely Juno自动推料机是目前最新款的饲喂机器人，如图3所示。该机器人可以通过蓝牙连接手机进行远程操控，使用了超声波测距，使得机器人可以自主地将饲料推送到牛可以触及的地方，且携带减振保护装置，可以进行高效饲喂和推料。此外，畜牧机器人还有Lely Luna牛体刷、Lely Calm犊牛饲喂机器人和Lely Astronaut A5自动挤奶机器人，如图4所示。

图3 Lely Juno自动推料机

图4 Lely Astronaut A5自动挤奶机器人

1.5 分拣机器人

我国中小型畜禽养殖场中，对禽蛋的收集和包装基本是依赖人工处理的，费时费力、成本高且破损率较高。现有机械化装备大多是通过机械杆或机械臂搬运，柔韧性和灵活度不够，分拣精度低，执行机构定位不准，会导致禽蛋破损，造成一定的损失。分拣机器人大多数采用机器视觉或图像识别技术，在物流分拣、水果分拣、零件分拣和垃圾分拣中应用较多，在畜牧业、畜禽生产中应用不是很广泛，在畜禽养殖中应用于对禽蛋进行破损识别、搬运分拣、分拣分级、消毒包装等生产加工流程。分拣机器人的设计以提高分拣效率，降低破损率，减少人工作业量，避免禽类传染病传播为目标。

Vroegindeweij等[29]通过设定不同的参数，使用粒子滤波器对家禽饲养室的定位概率进行评估，检测定位的准确性和可靠性，设计了一款只适用于中小型禽类养殖场的基于粒子滤波定位的用于畜禽舍禽蛋分拣的机器人。Morales等[30]通过对早年和目前的畜牧业的实时监测的研究，提出计算机辅助检测，以实现提早预警、优质分级分拣、提高禽蛋质量等目标。美国等西方国家已经设计出具有蛋胚的优质分拣、自动装卸等功能的一体化设备，剔除病死蛋胚，在疫苗制造行业中不可或缺[31]。

王树才等[32-33]设计的禽蛋检测与分级智能机器人系统（SIRDGE），是基于C++平台对软件进行设计，由AT89S52单片机和DSP硬件实现机器人对禽蛋的定位、搬运、破损程度识别以及内部质量检测等功能。张磊等[34]设计的基于机器视觉的Delta并联机器人，适用于禽蛋运输包装生产线中，智能、精准、快速地对大规模禽蛋进行分拣。

1.6 其他功能机器人

英国的Mike Street等最早在1986年提出自动挤奶系统[35]，而后由Silsoe研究所在1989年研发制造出第一台自动挤奶机器人，推出融合气动功能的挤奶机器人。2014年，德国GEA公司推出首个全自动挤奶机器人转盘[36]。2016年，剑桥大学养殖场内的挤奶工作已经全部由集清洁消毒、自动挤奶等功能于一体的挤奶机器人替代。

Trevelyan[37]从1977年开始研发自动剪羊毛技术，在计算机控制基础上融合机械设计、搭载传感器，设计出轨迹自适应且定位准确，紧贴羊皮肤的自动剪羊毛机器人，对一只羊的羊毛剪切最快在12 min，目前研究提高剪切循环速度，降速到6 min甚至4 min。

Sukkarieh等设计的Swag Bot“机器人牛仔”可以在地形复杂的牧场运行，拥有的2D、3D传感器和内置的定位系统，可以及时发现畜牧并跟踪定位，取代了牧羊犬[38]。

2 畜禽养殖机器人的特点及问题

2.1 特点

畜禽养殖机器人具有可自主规划路径、自动定位、智能避障，24 h不间断工作、实现无人值守养殖，客观性强、准确率高，减少人力、物力成本，充分利用资源，降低畜禽养殖中的损失等特点。

畜禽养殖中使用的机器人有自走式和机械臂式，机器人工作的准确性与精准识别、精准定位紧密相连。常用的室内定位技术[39]如Wi-Fi、蓝牙、RFID红外线、超声波、北斗导航和UWB定位，定位精度最高的是北斗导航和UWB定位，可以达到分米级，有很强的方向感知能力。但北斗导航造价极高，其他定位技术都需要耗费大量电量，而在畜禽养殖中机器需要高强度工作，UWB室内定位高精度定位的同时功耗低，利用了超宽带技术，无需载波的无线通信技术，在方向性定位上有其独特的优势。精准的识别定位，可以使机器人按照规划的路径行驶，到定点位置进行工作，节省了大量劳动力。

2.2 问题

畜禽养殖机器人存在的问题：

1）作业对象的娇柔性。猪、牛、羊、鹿、鸡、鸭、鹅、兔等动物都是畜禽产业中饲养的对象，动物具有的应激性和趋化性都会对动物的生存、生活造成影响，会造成动物免疫力降低、生产率下降。

2）作业环境的复杂性。规模化养殖具有聚集性，动物是运动着的，无法预估其行动轨迹，机器人在运行中难免会和动物相撞，造成动物受伤。养殖场不平整的地面，也会加大机器人的运行难度。

3）现有机器人功能单一。畜禽养殖需要对动物进行饲喂、检测、清理、消毒，对环境进行实时监测，对生产产品进行筛选、分级、分拣、包装等，现有的很多机器人只能实现其中一个功能。

4）室内定位技术是近几年的研究热点，是机器人的特点，也是研究难点。机器人的精准定位是实现畜禽优质养殖的关键，各种定位算法的设计和实现需要进一步深入研究和实地考察。

5）机器人成本高昂。机器人作业对象是动物，也是养殖者。机器人的设计需要融合机器视觉、图像处理、自主导航、自动充电等技术，功能越齐全，制造成本就越高昂，养殖场的机器人采购和维修费用等也就越高昂。

3 畜禽养殖机器人的发展趋势

目前，机器人在畜禽养殖中已有大量研究及应用，如环境监测、畜禽饲喂、禽舍清扫和消毒等。机器人的应用，不仅可以降低劳动强度、节约资源、提高效率，还可以减少疫病传播和动物应激反应，实现畜禽养殖智能化，机器人在畜禽养殖领域具有广阔的应用前景。

相较于国外畜禽机器人的研发，我国畜禽机器人自主研发起步时间比较晚，20世纪70年代开始引进和学习国外先进技术，20世纪90年代中期才开始自主研发制造。智慧农业最早于2014年在各发达国家相继推出[40]。我国很多公司结合AI、机器人、非接触式个体识别、图像处理、机器视觉、SLAM激光、RFID无线射频、TMR、雷达等尖端技术，自主研发出应用于养殖场内的具有智能巡检、精准饲喂、环境管控、疫情监测等功能的机器人。

未来畜禽养殖机器人主要发展趋势如下：

1）多功能化。充分应用图像处理技术或者机器视觉技术，搭载多种传感器，例如红外传感器、声音传感器、激光雷达传感器、超声波传感器、温湿度传感器等，实现巡检清扫或巡检消毒或巡检分拣一体化机器人。

2）福利化。机器人周围装上保护设备，对动物和机器具有双向保护作用，使机器生命周期拉长，动物不受到机械化设备的伤害，机器运行时尽可能保持低音量、少噪声，减少动物的应激反应。

3）智能化。机器人取代人工劳动力，节省劳动力资源和成本，减少人畜接触，对大型畜禽养殖场进行智能巡检、消毒杀菌、精准饲喂、疫情监控。

4）简约化。用机器代替人工，进行多次且大量的工作，保障了人畜安全，也简化了养殖工作，使得管理人员可远程操控设备，及时有效地对养殖场中动物进行管理。