CC BY
39
УДК 636.2:631.3
НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРИ СОЗДАНИИ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ И РОБОТИЗИРОВАННЫХ МОДУЛЕЙ ДОЕНИЯ КОРОВ
Ю.А. Иванов, академик РАН
Л.П. Кормановский, академик РАН
Ю.А. Цой, чл.-кор. РАН
В.В. Кирсанов, доктор технических наук
ФГБНУ ФНАЦ ВИМ
E-mail: [email protected]
Аннотация. В рамках разработанной концепции роботизации отечественных доильных установок [1] на первом этапе был создан автоматизированный манипулятор с почетвертным управлением процессом доения, учетом надоев молока по каждой доле вымени, ручным подключением и автоматическим индивидуальным отключением доильных стаканов по окончании выдаивания соответствующих долей вымени. Данный вариант можно назвать универсальным доильным полуроботом, и его целесообразно использовать в модернизированных доильных залах типа «Тандем», «Елочка», роторного типа «Карусель», а также на установках с параллельно-проходными станками. На последующих этапах предусматривается дальнейшая трансформация данного варианта в роботизированный манипулятор с использованием управляемых электро-пневматических модулей для создания одно-, многоместного доильного робота и роботизации существующих типов доильных залов. В процессе выполнения НИР предполагается разработать: структурную и кинематическую схемы трехподвижного автоматического манипулятора ангу-лярного типа с почетвертным управлением процессом доения; технико-технологические решения про-тотипирования автоматического манипулятора на основе конечно-элементного анализа и универсальных; провести сравнительный анализ и осуществить подбор систем технического зрения для управления манипулятором доения (3й-камера); обосновать конструктивно-режимные параметры управляемого держателя доильных стаканов с индивидуальным приводом. Предлагаемая концепция позволяет, опираясь на лучшие достижения зарубежных фирм (прежде всего ГЕА ФАРМ, Де Лаваль, Лели и др.). а также на собственный опыт автоматизации доильных установок, накопленный в России и СССР создать собственные высокотехнологические роботизированные доильные машины.
Ключевые слова: доильный робот, манипулятор, ангулярный, трехмерная камера, датчик-счетчик молока, электро-пневмоуправляемые модули.
Введение. Целью данной работы являет- ющих долей вымени. Данный вариант можно
ся обоснование параметров автоматического назвать универсальным доильным полуробо-
манипулятора ангулярного типа с системой том и его можно использовать в модернизи-
технического зрения для создания одно- рованных доильных залах типа «Тандем»,
местного доильного робота. Данная работа «Елочка», роторного типа «Карусель», а так-
является продолжением работы, начатой в же на установках с параллельно-проходными
2016-17 гг., в рамках разработанной концеп- станками [7]. На последующих этапах преду-
ции роботизации отечественных доильных сматривается дальнейшая трансформация
установок [1] и является вторым этапом ра- данного варианта в роботизированный ма-
бот. На первом этапе был разработан авто- нипулятор с использованием управляемых
матизированный манипулятор с почетверт- электропневматических модулей для созда-
ным управлением процессом доения, учетом ния одномногоместного доильного робота и
надоев молока по каждой доли вымени, руч- роботизации существующих типов доильных
ным подключением и автоматическим инди- залов. Последнее обстоятельство особенно
видуальным отключением доильных стака- важно, так как концептуально не разделяет
нов по окончании выдаивания соответству- разработку автономных доильных роботов и
роботизацию существующих типов доильных залов, что невозможно при простом копировании существующих конструкций зарубежных доильных роботов.
Методика исследований и основные этапы НИР. В процессе выполнения НИР предполагается разработать:
- структурную и кинематическую схемы трехподвижного автоматического манипулятора ангулярного типа с почетвертным управлением процессом доения;
- технико-технологические решения про-тотипирования автоматического манипулятора на основе конечно-элементного анализа и универсальных электропневматических модулей [6];
- провести сравнительный анализ и осуществить подбор систем технического зрения для управления манипулятором доения (ЭБ-камера);
- обосновать конструктивно-режимные параметры управляемого держателя доильных стаканов с индивидуальным приводом;
- разработать алгоритм функционирования автоматического манипулятора с управляемым приводом;
- разработать и изготовить усовершенствованный почетвертной датчик-счетчик потока молока с применением 3Б-принтера;
- разработать и изготовить контроллер управления процессом почетвертного доения;
- провести лабораторные испытания элементов роботизированного манипулятора.
Обсуждение и ход исследований. В процессе проведения НИР необходимо количественно оценить следующие показатели:
- рабочую зону обслуживания манипулятора, соответствующую зоне расположения сосков вымени коровы в доильных станках типа «Тандем» и «Елочка»;
- оценить показатели подвижности и маневренности манипулятора доения ангуляр-ного типа в пределах обслуживаемой зоны;
- кинематические и силовые характеристики электропневмоуправляемых модулей (диапазоны углов поворота управляемых звеньев манипулятора, усилие, крутящий момент, рабочий ход, точность позициони-
рования линейных и поворотных модулей);
- точность позиционирования захватывающих устройств доильных стаканов (±5 мм);
- продолжительность подключения доильных стаканов (не более 30-40 с);
- погрешность измерения скорости моло-коотдачи и удоя от каждой четверти (не более 5%);
- интенсивность молокоотдачи в момент индивидуального отключения доильных стаканов с каждой четверти вымени (не более 50 мл/мин.);
- основные параметры работы доильного аппарата: уровень вакуума, частота пульсация (основная, стимулирующая), соотношение тактов (передние, задние доли вымени);
- параметры системы технического зрения (3Б-камера): разрешение, апертурный угол, диапазон работы (дальность действия);
Зона обслуживания манипулятора определяется как часть пространства, соответствующая множеству возможных положений центра схвата манипулятора (доильных стаканов) и соответствует форме и расположению сосков вымени коровы при допущении возможных перемещений самого животного в пределах 10-15 см, зависит от конструктивных особенностей фиксирующих ограждений и размеров самих животных. А.И. Зеленцов предлагает определять зону обслуживания вымени коровы как прямоугольный параллелепипед [2]. С другой стороны эта зона определяется структурой и системой координат руки манипулятора, а также конструктивными ограничениями, наложенными на относительные перемещения его звеньев.
Подвижность манипулятора W - число независимых обобщенных координат, однозначно определяющих положение схвата в пространстве [3].
5
Ш = 6п-^( 6 -1) рI
1=1
Маневренность манипулятора М - подвижность манипулятора при зафиксированном (неподвижном) схвате. М = Ж-6
Возможность изменения ориентации схвата при размещении его центра в заданной точке зоны обслуживания характеризуется углом сервиса - телесным углом ^ , который может описать последнее звено манипулятора (звено, на котором закреплен схват) при фиксации центра схвата в заданной точке зоны обслуживания:
о
ф = $с/\, см3 .
Для экспериментальной проверки планируется модернизировать разработанный ранее опытный образец почетвертной доильной установки (рис. 1). Модернизация манипулятора предполагает замену существующих пневмоцилиндров, управляемых от ва-куумметрического давления, на пневмоци-линдры со встроенными датчиками перемещения (точный привод от сжатого воздуха 6 бар) и соответствующей системой автоматики [4]. В качестве системы технического зрения предполагается использовать датчик изображения, имеющий матрицу с разрешением 64x48 пикселей. Каждый пиксель чипа измеряет расстояние до самой близкой поверхности объекта. Таким образом, получается 3072 значений расстояния до объекта.
Рис. 1. Лабораторный образец почетвертной доильной установки
Изображение на чипе матрицы и соответствующие значения расстояния соответствуют трехмерному изображению. На основе данных можно выполнить детальную оценку характеристик и положения объекта (например, сосков вымени животного).
Трехмерные камеры технического зрения имеют встроенную инфракрасную подсветку. Для отображения результатов измерения доступны аналоговый выход 4.. .20 mA / 0... 10 V или два коммутационных выхода [5]. 3D-датчики позволяют обнаруживать в трехмерном пространстве объем, уровень, а также оценивать различные прикладные задачи. Посредством интерфейса Ethernet, 10 Base-T/100Base-TX, промышленные камеры подключаются к ПК. Для полной параметризации и отображения результатов на мониторе необходимо программное обеспечение, с помощью которого можно измерить и оценить объем, уровень или расстояние.
С помощью трехмерной камеры можно отслеживать положение вымени и ног животного, взаимное расположение сосков и доильных стаканов и сделать предположение о надежности их подсоединения, можно отслеживать возможные перемещения самой коровы и ее намерения (сбить аппарат ногой и др.), что позволит руке манипулятора предпринять упредительные меры. При сравнении множества изображений объекта, используя соответствующие алгоритмы, можно сделать заключение о степени загрязненности вымени и сосков коровы и продолжительности их очистки, наступлении рефлекса молокоотдачи (по характерному припуску и появлению капелек молока из сосков) и полноте опорожнения вымени. Возможна идентификация самой коровы при сравнении множества изображений вымени и других частей тела, хранящихся в центральном процессоре. Возможно отслеживание хромоты конечностей, заболеваний суставов и заболеваний вымени. Наличие трехмерных камер, установленных сверху в характерных точках доильного станка, позволит отслеживать другие физиологические признаки (например, половую охоту, руминацию и др). Применение дополнительной инфракрасной ка-
меры (тепловизора) позволит осуществлять оценку состояния вымени и конечностей по изменению температуры. Робот сможет сам подбирать пригодных к роботизированному доению животных или выбраковывать их, осуществляя функцию бонитировки животных, а при точном почетвертном контроле продуктивности определять и отслеживать изменение индекса вымени по соотношению удоев передних и задних долей вымени, что в сочетании с измерением электропроводности и температуры молока позволит осуществлять эффективный контроль физиологического состояния и лечения животных от мастита и других заболеваний.
Рис. 2. Принципиальная схема системы технического зрения (3D-камера): 1 - 3Б-камера, 2 - объект измерения, 3 - поле зрения (зона обслуживания манипулятора)
Выводы. Таким образом, доильный робот превращается в некую многофункциональную машиноцентрическую кибернетическую систему, способную получать и об-
рабатывать в цифровом виде интересующую человека информацию о животных и передавать ее по каналам связи в соответствующие компьютерные системы обработки и хранения информации. Освобождает человека от рутины доения, позволяет проводить полноценную преддоильную подготовку вымени животных, истинное почетвертное доение. Особенно это актуально для автоматизации доильных залов, где человек при высокой загрузке вынужден нарушать правила машинного доения и тратить на подготовку вымени всего лишь 5-10 с против рекомендуемых 3040 с, что приводит к холостому доению и заболеваниям коров маститом (до 30% животных), а это в свою очередь снижает продуктивное долголетие до 2-2,5 лактаций против рекомендуемых 4-6. К тому же затраты на лечение мастита огромны и наносят непоправимый ущерб молочному животноводству. Поэтому почетвертное доение - это путь к продуктивному долголетию животных и получению высококачественного молока, а сама роботизация - важная ступень к построению современных цифровых предприятий (умных ферм).
Расчеты показывают - используя современные комплектующие, можно создать российский робот значительно дешевле зарубежных аналогов. Предлагаемая концепция позволяет, опираясь на лучшие достижения зарубежных фирм (прежде всего ГЕА ФАРМ, Де Лаваль, Лели и др.), а также на собственный весьма значительный опыт автоматизации доильных установок, накопленный в России и СССР, создать собственные высокотехнологичные роботизированные доильные машины.
Литература:
1. Кирсанов В.В., Цой Ю.А., Кормановский Л.П. Концепция создания доильного робота, совместимого с отечественным доильным оборудованием // Вестник ВНИИМЖ. 2016. №3(23). С.13-21.
2. Зеленцов А.И. Исследование и разработка исполнительных механизмов подвесного типа для доильных установок крупных молочно-животноводческих колхозов и совхозов: автореф. дис. к.т.н. М., 1974.
3. Белянин П.Н. Промышленные роботы. М., 1975.
4. www.festo.com/catalogue/...
5. http://www.sensoren.ru/catalogue/...
6. Кирсанов В.В. Метод создания многофункциональной элементной базы доильного оборудования // Техника и оборудование для села. 2012. №9. С. 16-18.
7. Кирсанов В., Филонов Р., Тареева О. Алгоритм управления доильными установками типа «Карусель» // Техника и оборудование для села. 2012. №10. С. 20.
Literatura:
1. Kirsanov V.V., Coj YU.A., Kormanovskij L.P. Kon-cepciya sozdaniya doil'nogo robota, sovmestimogo s ote-
chestvennym doil'nym oborudovaniem // Vestnik VNI-IMZH. 2016. №3(23). S.13-21.
2. Zelencov A.I. Issledovanie i razrabotka ispolnitel'nyh mekhanizmov podvesnogo tipa dlya doil'nyh ustanovok krupnyh molochno-zhivotnovodcheskih kolhozov i sov-hozov: avtoref. dis. k.t.n. M., 1974.
3. Belyanin P.N. Promyshlennye roboty. M., 1975.
4. www.festo.com/catalogue/...
5. http://www.sensoren.ru/catalogue/...
6. Kirsanov V.V. Metod sozdaniya mnogofunkcional'noj ehlementnoj bazy doil'nogo oborudovaniya // Tekhnika i oborudovanie dlya sela. 2012. №9. S. 16-18.
7. Kirsanov V., Filonov R., Tareeva O. Algoritm upravle-niya doil'nymi ustanovkami tipa «Karusel'» // Tekhnika i oborudovanie dlya sela. 2012. №10. S. 20.
THE DIRECTIONS OF RESEARCH AT COWS MILKING AUTOMATIC AND ROBOTIC MODULES CREATING Y.A. Ivanov, RAS academician L.P. Kormanovsky, RAS academician Y.A. Tcoi, RAS member.-corr. V.V. Kirsanov, doctor of technical sciences FGBNY FNAC VIM
Abstract. In the framework of the domestic milking units robotization developed concept [1], at the first stage was created an automated manipulator with a udder quarter control the milking process, with taking into account milk yields for each share of the udder, manual connection and automatic individual disconnection of the milking glasses at the corresponding udder share milking termination. This option can be called an universal milking semi-robot, and it is advisable to use it in such modernized milking parlors as "Tandem", "Elochka", rotary type "Carousel", as well as in installations with parallel-passing boxes. During further stages it will be provided transformation of this option into a robotic manipulator with the controlled electro-pneumatic modules using for a single -, multi-places milking robot creating and milking parlors' existing types robotization. In the research process it is assumed to develop: structural and kinematical scheme of trimovable angular type auto manipulator with udder quarter control at milking process; technical-and-technological solutions of automatic manipulator's prototyping on finite-element analysis and universals based; a comparative analysis to conduct and technical vision system to control the manipulator milking (3D camera) to carry out; constructive-regime parameters of teat cups holder with individual drive to prove. The proposed concept allows based on the foreign companies (primarily GEA PHARM, De Laval, Leli, etc.) best achievements and also on own experience of milking installations automation saved up in Russia and the USSR own hi-tech robotic milking machines to create.
Keywords: milking robot, manipulator, angular, three-dimensional camera, milk sensor- gauge, electro-pneumo control modules.
