CC BY
89
УДК 637.116:621.865.8
КОНЦЕПЦИЯ СОЗДАНИЯ ДОИЛЬНОГО РОБОТА, СОВМЕСТИМОГО С ОТЕЧЕСТВЕННЫМ ДОИЛЬНЫМ
ОБОРУДОВАНИЕМ
В.В. Кирсанов, доктор технических наук, зав. лабораторией
Ю.А. Цой, член-корреспондент РАН, зав. отделом
Л.П. Кормановский, академик РАН, главный научный сотрудник
Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства
E-mail: [email protected]
Аннотация. Проведенный анализ промышленных роботов-манипуляторов и доильных роботов, применяемых для доения коров на молочных фермах, ведущих зарубежных фирм показывает их конструктивную схожесть, учитывающую антропоморфный характер используемых манипуляторов. Доильные роботы чаще всего выполняются по упрощенной схеме с меньшим числом степеней свободы, чем промышленные роботы; основную сложность представляет проектирование захватывающего устройства доильных стаканов, которое должно обеспечить жесткую связь с манипулятором при подсоединении доильных стаканов и гибкую связь при доении с целью компенсации возможных перемещений животного, при этом захватывающие устройства выполняются в виде держателей всех четырех доильных стаканов (роботы фирм «Lely», Голландия, «ГЕА ФАРМ Технолоджиз», Германия) и однозахватывающего устройства в одноместном роботе VMS фирмы «De Laval», Швеция. Исходя из вышеизложенного, целесообразно обобщить опыт проектирования промышленных и специализированных роботов для доения коров с целью разработки концепции создания доильного робота отечественного производства, которая должна предусматривать три этапа: 1-й вариант - антропоморфный манипулятор с независимой подвеской доильных стаканов на одном держателе с возможностью его автоматического вывода из-под вымени коровы по окончании доения, датчики-счетчики потока молока с отключателями вакуума по каждой доле, блок управления, подключение доильных стаканов осуществляется человеком; 2-й вариант - роботизированный антропоморфный манипулятор с управляемым движением всех звеньев, оснащенный системой технического зрения; 3-й вариант - гибридный: синтез первого варианта манипулятора + внешний передвижной подключающий манипулятор (рука) с датчиком изображения.
Ключевые слова: робот-манипулятор, степень свободы, доильный робот, захватывающее устройство, доильный стакан, держатель, тандем, елочка, карусель, модуль, элементная база, датчик изображения.
Введение. Роботизированные технологии находят все большее применение в разных сферах человеческой деятельности: медицина, военное дело, промышленность, сельское хозяйство и др. При этом сельскохозяйственные, в частности, доильные, роботы имеют существенную специфику, связанную с необходимостью обслуживания биологических объектов (травмобезопасность, высокая вариабельность параметров живых объектов -разброс координат и размеров сосков вымени, возможные перемещения животного в процессе обслуживания), что существенно усложняет алгоритмы функционирования автоматических систем доения по сравнению с промышленными роботами. Для правильной оценки направлений исследований при
создании доильного робота отечественного производства необходимо проанализировать существующие конструкции промышленных и сельскохозяйственных (доильных) роботов, современную элементную базу построения роботизированных модулей с целью оптимизации ее применения, при этом следует учитывать возможную вариативную область применения - различные конструкции доильных установок. Учитывая достаточно высокую динамику внедрения и использования доильных роботов, выпускаемых зарубежными компаниями «Lely», Голландия, «De Laval», Швеция, «ГЕА ФАРМ Технолоджиз», Германия, на российском рынке для использования как на малых фермах (до 50-250 коров), так и крупных (800-1200 голов), необ-
ходимо разработать соответствующую концепцию и технико-технологические решения создания доильного робота отечественной конструкции, для построения эффективных роботизированных технологий обслуживания животных как в специализированных одноместных и многоместных конструкциях доильных боксов, так и в составе используемых доильных установок со станками типа «Тандем», «Елочка» и «Карусель» с целью их дальнейшей автоматизации и обслуживания большого количества животных на молочных комплексах.
При этом основными задачами исследований являются:
- сравнительный анализ кинематических схем роботов-манипуляторов с оценкой их подвижности, маневренности и других показателей;
- разработка оптимальной структурной и кинематической схемы антропоморфного манипулятора с оценкой его функциональности по соответствующим показателям для одиночных и групповых станков;
- подбор модульной элементной базы для реализации проекта, предусмотрев разработку интегрированного в доильную установку роботизированного доильного модуля или применение управляющего передвижного робота-манипулятора доильными аппаратами в нескольких отдельных станках;
- сравнительная оценка датчиков изображений (3Б-камера, лазерный сканер, триангуляционные датчики и др.) с целью повышения эффективности управления манипулятором и минимизации общих затрат;
- проверка функциональности системы технического зрения с разработкой алгоритма управления манипулятором;
- разработка системы почетвертного доения с датчиками-счетчиками молока;
- разработка системы управления манипулятором на статичном муляже вымени коровы в лаборатории,
- проведение технико-экономической оценки эффективности применения манипуляторов.
Методология проведения исследований
заключается в новых методах и подходах к
моделированию и оценке взаимодействия основных элементов роботизированной биотехнической системы «Человек-машина-животное» при машинном доении коров.
Для эффективного построения собственной модели робота необходимо проанализировать существующие конструкции, кинематические схемы и патентно-технологические решения как промышленных, так и сельскохозяйственных роботов, проведя сравнительный анализ и дав соответствующую оценку их функциональности по соответствующим показателям, принятым в робототехнике при создании манипуляторов [8,9].
Обсуждение и ход исследований. Анализ конструкций манипуляторов промышленных роботов показал, что в конструкциях манипуляторов роботов отечественного и зарубежного производства используются прямоугольная, цилиндрическая и сферическая системы координат [1-3]. В прямоугольной системе координат (плоская и пространственная) объект манипулирования помещается в определенную точку пространства робота путем прямолинейных перемещений звеньев механической системы промышленного манипулятора по трем (или двум) взаимно перпендикулярным осям. В криволинейной системе координат наиболее распространенные координаты: плоские полярные (перемещение объекта происходит в одной координатной плоскости в направлении радиус-вектора г и угла ф); цилиндрические, характеризующиеся перемещением объекта в основной координатной плоскости в направлениях г и ф, а также по нормали к ней z; сферические (полярные), где перемещение объекта манипулирования в пространстве осуществляется за счет линейного движения руки промышленного робота на величину г и ее угловых перемещений ф и 0 в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Разновидностью криволинейной системы координат является ангулярная (угловая) плоская или пространственная (цилиндрическая и сферическая) система координат, характерная для движений многозвенных шарнирных рук промышленных роботов и манипуляторов. В ангулярной плоской системе коорди-
нат объект манипулирования перемещается в координатной плоскости благодаря относительным поворотам звеньев руки, имеющих постоянную длину.
Ангулярная цилиндрическая система характеризуется дополнительным смещением относительно основной координатной плоскости в направлении перпендикулярной к ней координаты z. В ангулярной сфериче-
ской системе координат перемещение объекта в пространстве происходит только за счет относительных угловых поворотов руки, при этом хотя бы одно звено имеет возможность поворота на углы ф и 0 в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Примеры соответствующих структурных кинематических схем промышленных роботов [1,2] показаны в таблице.
Таблица. Структурные кинематические схемы промышленных роботов
Тип
Изображение
Кинематическая схема
Декартовый
Цилиндрический
Сферический
Ангулярный
Скара
Анализ конструкций доильных роботов зарубежного производства. Приспособление для автоматической дойки молочного скота фирмы «Lely», Голландия [4].
Общий вид устройства для автоматической дойки животного показан на рис. 1. Устройство содержит доильный станок 1 с ограждением 2 на одну корову, который оборудован входной и выходной дверями (на схеме не показаны). В доильном станке расположена рука 3 доильного робота, обслуживающая животное. Конструкция 3 роботизированной руки оборудована рычагами 5 и 6, поворачивающимися в шарнирах 7,8 посредством управления соответствующими пневмоцилиндрами 9 и 12.
■15
Рис. 1. Общие виды одноместного доильного робота фирмы «Lely», Голландия
При этом вся конструкция может перемещаться вдоль станка 1 посредством опорного блока 15, который имеет возможность перемещения вдоль рельсов 16 и 17. Роботизированная рука 4 оборудована датчиком, в данном случае трехмерной камерой 10, которая может вращаться вокруг вертикальной и горизонтальной осей посредством шарового шарнира при помощи непоказанных элементов привода, например, сервомоторов. Трехмерная камера 10 может получать множество изображений сосков животного и части вымени, альтернативно могут использоваться другие датчики изображений. На основании пространственных положений сосков и трехмерного изображения положений ног центральный процессор затем определяет маршрут, по которому пойдет роботизированная рука 4 к соскам коровы. Трехмерная камера может наблюдать не только за соском, но также за другими частями коровы, с ее помощью можно регулировать очистку пола доильного станка от экскрементов и др.
Фирма «De Laval» запатентовала [6] доильный робот (рис. 2) с новым многозахватным устройством, обеспечивающим одновременный захват всех доильных стаканов из специального накопителя (магазина). Асимметричное расположение доильных стаканов обеспечивает возможность выполнения захватного устройства относительно узким, что обеспечивает установку доильных стаканов между задними ногами животного при доении на вращающейся доильной платформе типа «Карусель». На рис. 2а изображен параллельный доильный зал, имеющий роторную платформу 1, которая содержит доильные места 2, каждое из которых имеет доильный аппарат, имеющий четыре доильных стакана 3,3а, подлежащих установке между задними ногами животного. Доильные стаканы содержатся в накопителе 4 в период между доениями в перевернутом вверх дном положении. Рассматриваемое доильное оборудование содержит два доильных робота 5 (рис. 2а), каждый из которых имеет основание 6 (рис. 2б) с расположенным на нем манипулятором, способным вращаться вокруг вертикальной оси х1.
Рис. 2. Общий вид кольцевой доильной платформы с двумя обслуживающими роботами De Laval (а), манипулятор (б) и захватное устройство доильных стаканов (в)
Основание 6 может быть установлено на полу, на еще одном соединительном звене или на балке, обеспечивающей движение основания 6 относительно роторного зала 1. В рассматриваемом варианте механизм манипулятора содержит первое Li, второе L2 и третье L3 - соединительные звенья, которые могут поворачиваться относительно своих осей. Доильный робот 5 также содержит датчик 15, расположенный на захватном устройстве 10. Датчик 15 имеет ограниченную дальность видимости R (рис. 2в), параметры которой подбирают таким образом, чтобы видеть верхнюю часть всех доильных стаканов 3, захватываемых приспособлениями с электромагнитами 11-14. Датчик 15 может быть выполнен в виде видеокамеры, лазер-
ного датчика, камеры времени пролета и т.д. Доильный робот 5 осуществляет одновременно захват четырех доильных стаканов 3, находящихся перевернутыми вверх дном в накопителе 4 (рис. 2). На электромагниты 1114 подается напряжение. Затем доильный робот 5 извлекает захватное устройство 10 и доильные стаканы 3 из накопителя 4 (рис. 1а) и поворачивает его на 180° доильными стаканами 3 вверх. Захватное устройство 10 и доильные стаканы 3 перемещаются вдоль траектории между задними ногами животного в направлении вымени и сосков животного. Затем доильные стаканы 3 последовательно прикрепляются к соскам животного.
На рис. 3 показан доильный робот фирмы «ГЕА ФАРМ Технолоджиз», Германия [5,6], содержащий доильный аппарат 2, расположенный на держателе 3 опорного устройства (подробно не показано), которое приводится в действие автоматически или посредством робота (не показан). Несколько таких доильных установок 1 могут быть расположены в ряд для обслуживания одним единственным роботом. Доильный аппарат 2 может также быть закреплен на руке робота. Функцией опорного устройства является удерживание доильного аппарата 2 и обеспечение необходимой подвижности таким образом, что держатель 3 следует за движениями животного. Для автоматического присоединения доильных стаканов к опорному устройству пристыковывается рука робота, перемещающая устройство с держателем 3 доильного аппарата 2 к соскам коровы, и подключает доильные стаканы 5 один за другим на соответствующие соски. После того, как корова подоена и все доильные стаканы отсоединены, держатель 3 поворачивается вместе с доильным аппаратом 2 из положения под животным в положение рядом с животным так, чтобы животное могло покинуть место доения. На рис. 3б показана схема размещения доильного аппарата 2 с держателем 3, имеющим возможность поворота с помощью закрепляющей руки (подробно не показано). Устройство может автоматически или рукой робота перемещать доильный аппарат 2 из показанного положения в положение под
животным для подключения доильных стаканов 5, которые в положении между дойками закрываются специальными поворачивающимися крышками 4, а также доильные стаканы могут быть все вместе перемещены, например, под моющий модуль (не показан).
Рис. 3. Доильный робот фирмы «ГЕА ФАРМ Технолоджиз», Германия: а) общий вид доильного станка; б) вид на манипулятор с держателем доильных стаканов
Проведенный анализ промышленных роботов-манипуляторов и доильных роботов, применяемых для доения коров на молочных фермах, ведущих зарубежных фирм показывает их конструктивную схожесть, учитывающую антропоморфный характер используемых манипуляторов. Доильные роботы чаще всего выполняются по упрощенной схеме с меньшим числом степеней свободы, чем промышленные роботы; основную сложность представляет проектирование захватывающего устройства доильных стаканов, которое должно обеспечить жесткую связь с манипулятором при подсоединении доильных стаканов и гибкую связь при доении с целью компенсации возможных перемеще-
ний животного, при этом захватывающие устройства выполняются в виде держателей всех четырех доильных стаканов (роботы фирм «Lely», Голландия, «ГЕА ФАРМ Технолоджиз», Германия) и однозахватывающе-го устройства в одноместном роботе VMS фирмы «De Laval», Швеция. Однако в представленном патенте «De Laval» [2] уже рассматривается многозахватное устройство для повышения маневренности и подвижности манипулятора. Надо также отметить, что в роботе фирмы «Lely» манипулятор совершает достаточно большие региональные движения, при этом локальное управление кистью манипулятора (захватывающим устройством доильных стаканов) происходит за счет тех же региональных движений руки манипулятора, что не совсем рационально, поскольку рука представляет достаточно массивную конструкцию и для реализации локальных движений манипулятора при подключении доильных стаканов требуется прикладывать достаточно большие усилия. Важно также отметить универсальность манипулятора, то есть возможность его использования в составе не только отдельных боксов, но и многоместных доильных установок. Заслуживает внимания концепция, предложенная «ГЕА ФАРМ Технолоджиз», Германия, которая сначала разработала многоместный доильный робот с одной подвижной механической рукой, управляемой отдельными доильными манипуляторами, а затем создала автономный интегрированный роботизированный доильный модуль для каждого стойла в составе доильной установки «Карусель». Представленные образцы роботов имеют определенные недостатки: конструктивную сложность, высокую стоимость (более 100 тыс. евро или около 8 млн руб. на один бокс без учета технологического оснащения боксов, селекционные ворота и др.), длительный поиск координат сосков, что вызвано конструктивным несовершенством используемых манипуляторов, систем технического зрения и другими факторами.
Исходя из вышеизложенного, целесообразно обобщить опыт проектирования промышленных и специализированных роботов
для доения коров с целью разработки концепции создания доильного робота отечественного производства. Проведенный анализ различных конструкций роботов для доения показывает, что наиболее предпочтительным вариантом роботизации отечественных доильных установок является концепция, которая учитывает требования к надежности доения - механическая рука остается всегда под коровой и в случае сбивания коровой доильные стаканы не падают на пол в грязь (так же, как в одноместном роботе фирмы «Ье1у», Голландия и многоместном роботе «ГЕА ФАРМ Технолод-жиз»), но при этом роботизированная рука может перемещаться вдоль отдельных доильных станков и подключать соответствующие доильные аппараты, как это делает человек в доильном зале. Таким образом, создается вариативность использования и построения роботизированных систем доения. Это важное конкурентное преимущество данной системы, а в случае применения интегрированных автоматических (роботизированных) модулей последние могут использоваться во всех станках доильных установок, например, конвейерного типа, что обеспечит обслуживание большого поголовья на крупных фермах. Следует отметить, что еще в начале 80-х годов в СССР (за десять лет до появления первого доильного робота в Голландии в 1992 году) была создана автоматизированная доильная установка УДА-16А, оснащенная автоматическими манипуляторами для механического доения коров МД-Ф-1, которые по структуре напоминают схемы применяемых антропоморфных (рукопо-добных) манипуляторов в промышленности и доильных роботов (например, конструкция манипулятора ГЕА ФАРМ). При этом подключались доильные стаканы человеком, а манипулятор обеспечивал поддержку доильных стаканов, машинное додаивание, оттягивание подвесной части, отключение и последующий вывод подвесной части из-под вымени животного. Этот манипулятор был разработан ВИЭСХ совместно с Рижским ГСКБ (Латвия). Подобных зарубежных аналогов нет до сих пор, в большинстве кон-
струкций доильных установок используются шнурковые автоматические съемники с кронштейнами поддержки шлангов, а доильные стаканы подключаются на весу рукой человека. Используя современную элементную базу и предшествующий опыт разработки манипуляторов доения в СССР, целесообразно создать отечественный роботизированный манипулятор [7,10].
Концепция создания доильного робота должна предусматривать три этапа:
1-й этап (вариант - предшественник робота): создание антропоморфного манипулятора с почетвертным управлением процессом доения - манипулятор с независимой подвеской доильных стаканов на одном держателе с возможностью его автоматического вывода из-под вымени коровы по окончании доения (аналог МД-Ф-1), датчики-счетчики потока молока с отключателями вакуума по каждой доле, блок управления; подключение доильных стаканов осуществляется человеком.
Область применения: все типы доильных залов и системы добровольного доения с оператором.
2-й этап (вариант): роботизированный антропоморфный манипулятор с управляемым движением всех звеньев, оснащенный системой технического зрения (3D-камера).
Область применения: системы добровольного доения различной вместимости и доильные залы без оператора.
3-й этап (вариант): гибридный вариант -синтез первого варианта манипулятора + внешний передвижной подключающий манипулятор (рука) с датчиком изображения (ЭБ-камера)
Область применения: системы добровольного доения и доильные залы с возможностью ручного управления (с оператором).
Выводы: Учитывая возрастающий спрос на автоматические системы доения, высокую стоимость и отдельные конструктивные недостатки доильных роботов зарубежного производства, а также используя накопленный в СССР опыт автоматизации доильных установок с использованием манипулятора МД-Ф-1, целесообразно разработать отече-
ственный вариант робота согласно приведенным выше вариантам для их использования в составе отечественных доильных установок.
Литература:
1. Белянин П.Н. Промышленные роботы. М., 1975.
2. Пол Р. Моделирование, планирование траекторий и управление движением робота-манипулятора. М., 1976.
3. Медведев В.С., Лесков А.Г., Ющенко А.С. Системы управления манипуляционных роботов. М.,1978.
4. Пат. РФ 2473211. Приспособление для автоматической дойки молочного скота / Ванн Ден Берг К. Опубл. 27.01.13, Бюл. №3.
5. Пат. РФ 2567893. Захватное устройство, доильный робот и доильное оборудование / Аксельсон Т. Опубл. 10.11.15, Бюл. №31.
6. Пат. РФ №2555910. Доильный аппарат и доильная установка, имеющая данный доильный аппарат и способ размещения доильного аппарата / Кроне О. и др. Опубл. 10.07.15, Бюл. №19.
7. Кормановский Л.П., Иванов Ю.А., Текучее И.К. Тенденции применения доильных роботов // Техника и оборудование для села. 2008. №8(134). С. 36-38.
8. Механизация и технология животноводства / Кирсанов В.В. и др. М., 2013. 585 с.
9. Морозов Н.М. Организационно-экономические и технологические основы механизации и автоматизации животноводства. М., 2011.
10. Кирсанов В.В. Оптимальный режим регулирования вакуума в доильном аппарате // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2002. №8. С.16. Literatura:
1. Belyanin P.N. Promyshlennye roboty. M., 1975.
2. Pol R. Modelirovanie, planirovanie traektorij i uprav-lenie dvizheniem robota-manipulyatora. M., 1976.
3. Medvedev V.S., Leskov A.G., YUshchenko A.S. Sistemy upravleniya manipulyacionnyh robotov. M.,1978.
4. Pat. RF 2473211. Prisposoblenie dlya avtomaticheskoj dojki molochnogo skota / Vann Den Berg K. Opubl. 27.01.13, Byul. №3.
5. Pat. RF 2567893. Zahvatnoe ustrojstvo, doil'nyj robot i doil'noe oborudovanie / Aksel'son T. Opubl. 10.11.15, Byul. №31.
6. Pat. RF №2555910. Doil'nyj apparat i doil'naya ustanovka, imeyushchaya dannyj doil'nyj apparat i sposob razmeshcheniya doil'nogo apparata / Krone O. I dr. Opubl. 10.07.15, Byul. №19.
7. Kormanovskij L.P., Ivanov YU.A., Tekuchev I.K. Ten-dencii primeneniya doil'nyh robotov // Tekhnika i oborudovanie dlya sela. 2008. №8(134). S. 36-38.
8. Mekhanizaciya i tekhnologiya zhivotnovodstva / Kirsanov V.V. i dr. M., 2013. 585 s.
9. Morozov N.M. Organizacionno-ehkonomicheskie i tek-hnologicheskie osnovy mekhanizacii i avtomatizacii zhi-votnovodstva. M., 2011.
10. Kirsanov V.V. Optimal'nyj rezhim regulirovaniya va-kuuma v doil'nom apparate // Mekhanizaciya i ehlektrifi-kaciya sel'skogo hozyajstva. 2002. №8. S.16.
THE CONCEPT OF CREATING A MILKING ROBOT, COMPATIBLE WITH DOMESTIC MILKING EQUIPMENT V.V. Kirsanov, doctor of technical Sciences, head. laboratory Y.A. Choi, corresponding member of RAS, head. Department L.P. Kormanovskii, academician of RAS, chief researcher GNU VIESH
Abstract. The analysis of industrial robots, manipulators and robots, the prima taken for milking cows on dairy farms, leading foreign firms shows their structural similarity, taking into account the anthropomorphic character used by manipulators. Milking robots are most often performed according to the simplified scheme with fewer degrees of freedom than industrial robots; the main difficulty is designing spectacular device the milking cups, which should provide a rigid connection with the handle when connecting the milking cups and a flexible connection during milking to compensate for possible movements of the animal, while the exciting device made in the form of holders of all four teat cups (robots of the firms "Lely", Holland, "GEA FARM technologies", Germany) and odessakatusha devices in a single robot VMS of the company "De Laval" (Sweden). Based on the foregoing, it is appropriate to summarize the experience of industrial design and specialized robots for milking cows with the purpose of the design concept of the milking robot of domestic production, which should include three stages: 1st option - anthropomorphic manipulator with independent suspension milking cups on a single holder with the option of automatic withdrawal from the udder of the cow after milking, sensors, meters the flow of milk with the vacuum switches for each fraction, a control unit, the connection of teat cups is performed by the person; 2nd option - a robotic anthropomorphic manipulator with controlled movement of all parts, equipped with a vision system; the 3rd option is a hybrid: the synthesis of the first embodiment positioner + external-facing mobile manipulator (arm) image sensor. Keywords: robot manipulator, degree of freedom, the milking robot, gripping device, the teat Cup, holder, tandem, herringbone, carousel, module, circuitry, image sensor.
