李 偉，董國忠，周 艷，方萬露，李 星，劉作華*

（1.重慶市畜牧科學(xué)院，國家生豬技術(shù)創(chuàng)新中心，重慶 402460；2.西南大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，重慶 400715）

非洲豬瘟是我國近年來豬產(chǎn)業(yè)發(fā)展中遭遇的一次嚴(yán)重浩劫，致死率高達(dá)100%，但現(xiàn)階段對該病既沒有安全預(yù)防的疫苗，也沒有有效的治療藥物，加強(qiáng)生物安全是目前唯一行之有效的應(yīng)對方法。隨著我國農(nóng)業(yè)科技化進(jìn)程不斷加快，采用編程軟件與互聯(lián)網(wǎng)或物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，通過操控機(jī)械設(shè)備完成豬場管理的人工智能養(yǎng)豬技術(shù)成為發(fā)展趨勢。智能養(yǎng)豬可減少養(yǎng)殖生產(chǎn)工藝中的人員接觸和交互傳染，提高生物安全性。同時(shí)，人工智能養(yǎng)豬技術(shù)在解放勞動(dòng)力、提高生產(chǎn)效率等方面，也具有顯著優(yōu)勢，可有效推進(jìn)我國實(shí)現(xiàn)生豬養(yǎng)殖智能化、精準(zhǔn)化、福利化，從而受到業(yè)內(nèi)科研人員的廣泛關(guān)注，并開展了相關(guān)研究。本文主要介紹了機(jī)器人在豬場生產(chǎn)中仿生、接生、清潔、巡檢及疾病預(yù)防等方面的功能，為畜牧機(jī)器人進(jìn)一步發(fā)展提供參考。

1 仿生機(jī)器人

1.1 仿母豬 隨著養(yǎng)殖業(yè)集約化、規(guī)?；l(fā)展，通過早期斷奶縮短育肥周期，加快出欄速率，提高經(jīng)濟(jì)效益成為養(yǎng)殖場追逐的一種利益導(dǎo)向。但早期斷奶會伴隨著哺乳終止、飼糧改變、母幼分離和生活環(huán)境變化等方面的改變，導(dǎo)致幼畜腸道屏障發(fā)育障礙，生長性能下降，并可能增加仔豬對疾病的易感性和發(fā)生消化不良等現(xiàn)象。探尋出既可以實(shí)現(xiàn)早期斷奶，又可以減少斷奶應(yīng)激反應(yīng)的技術(shù)，對實(shí)現(xiàn)智能化、福利化養(yǎng)殖具有非常重要的意義。徐自升研制了一種仔豬飼養(yǎng)機(jī)器人，上部分為液體飼料儲存與回收系統(tǒng)，下部分為仿生人工母豬與智能監(jiān)控系統(tǒng)。仿生人工母豬腹部及其所附屬的人工母豬乳房都是由柔性材料制成，能滿足仔豬按摩乳房的行為學(xué)特性，且可以將測量和記錄的仔豬進(jìn)食量、體溫等基本信息與實(shí)時(shí)視頻一起經(jīng)WiFi 傳輸給總控室。后續(xù)研究中，如能拓展哺乳時(shí)母豬與仔豬的觸覺互動(dòng)，將達(dá)到更加逼真的仿生效果。這種機(jī)器人主要應(yīng)用于母豬乳頭不夠、無母乳或母乳不足、母豬生病缺奶或母豬病死后無母豬哺乳的需代乳寄養(yǎng)的仔豬。

另一方面，仿母豬機(jī)器人還可應(yīng)用于種公豬采精。研發(fā)的仿母豬機(jī)器人不僅要具有豬的外形結(jié)構(gòu)及類皮膚材質(zhì)的外皮膚，同時(shí)機(jī)器人建立視覺、聽覺、觸覺三合一的感知系統(tǒng)，具有同公豬進(jìn)行互動(dòng)調(diào)情的功能，增強(qiáng)種公豬性欲，提高種公豬爬跨成功率。

1.2 仿公豬 母豬發(fā)情鑒定多采用觀察法、爬跨、壓背以及公豬試情法。傳統(tǒng)的鑒定方法不僅要求養(yǎng)殖工人具備一定的專業(yè)知識和技能，試情公豬的篩選水平和其對母豬的刺激強(qiáng)度，也會影響母豬的發(fā)情表現(xiàn)，進(jìn)而影響配種率。隨著畜牧業(yè)的發(fā)展，種豬的無接觸式、無應(yīng)激式的生產(chǎn)成為國內(nèi)外學(xué)者重點(diǎn)關(guān)注的研究領(lǐng)域。高俊峰等發(fā)明了一種可模仿公豬發(fā)聲、氣味的仿生機(jī)器人，可提高母豬輸精效率和成功率。滕光輝等發(fā)明了一種母豬發(fā)情檢測方法和裝置，可通過氣味釋放裝置、聲音播放裝置、自主移動(dòng)裝置、圖像采集裝置、中央處理裝置采集母豬與仿生公豬的互動(dòng)數(shù)據(jù)，達(dá)到了較好的仿生查情、試情效果，其快速、智能的發(fā)情檢測實(shí)現(xiàn)了對母豬進(jìn)行查情、試情的自動(dòng)化、數(shù)字化檢測，適應(yīng)現(xiàn)代畜牧業(yè)的要求。

2 接生機(jī)器人

接生技術(shù)關(guān)乎仔豬成活率和母豬產(chǎn)后愈合效果，需要接產(chǎn)人員具備豐富的經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)的技能應(yīng)對母豬生產(chǎn)時(shí)的復(fù)雜性和突發(fā)性情況。如大多母豬分娩發(fā)生在安靜的深夜，有些母豬產(chǎn)程較長，每窩產(chǎn)完最后 1 頭小豬平均需要 3 h 左右的時(shí)間，最多可達(dá)到5 h；如果出現(xiàn)滯產(chǎn)或難產(chǎn)，所需時(shí)間會更長。而且仔豬分娩后人工護(hù)理程序多，包括清除口鼻中黏液、剪臍帶、剪牙、吃初乳、保暖等，如果出現(xiàn)母豬難產(chǎn)情況，還必須進(jìn)行人工助產(chǎn)。利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)研發(fā)出一種接生機(jī)器人，既具備精準(zhǔn)的識別判斷能力、操作處置能力及多功能（如加熱）于一體的智能系統(tǒng)，能獨(dú)立完成或輔助完成接生工作，還能不斷積累接產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，構(gòu)建多場景模型，科學(xué)化地解決上述問題。目前已有科研人員探究人類接生機(jī)器人研究領(lǐng)域，如徐秀芳發(fā)明了一種婦產(chǎn)科接生機(jī)器人，通過設(shè)置2 對第二半圓環(huán)可將孕婦2 條大腿夾住并予以固定。孫苑等發(fā)明了一種智能控制接生機(jī)器人，可自動(dòng)移動(dòng)接生，操作簡單，安全性高，能有效避免人工接產(chǎn)時(shí)嬰兒滑落現(xiàn)象。另外，嬰兒出生后可直接在機(jī)器人配置的床上進(jìn)行體檢，不用來回更換位置，提高工作效率。盡管現(xiàn)階段接生機(jī)器人的研究僅停留在初步研發(fā)階段，人工智能方法和技術(shù)還沒有完全與產(chǎn)業(yè)需求有機(jī)結(jié)合。隨著科技研發(fā)水平日漸成熟，機(jī)器人終將會把人類從高強(qiáng)度、高耗力的工作中解放出來。

3 清潔機(jī)器人

養(yǎng)殖場多采用人工法清洗圈舍、欄位、糞污等，存在工作效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作環(huán)境惡劣等弊端，而且清洗過程中吸入的灰塵、微生物和臟水等會對養(yǎng)殖人員的身體健康、工作積極性等存在一定的負(fù)面影響。隨著人們對改善工作環(huán)境條件要求的不斷提高以及社會對食品安全和畜禽福利化的關(guān)注，清潔機(jī)器人的研發(fā)邁向成熟階段。呂曉能等設(shè)計(jì)了一款A(yù)GV（Automated Guided Vehicle）底盤與五自由度機(jī)械臂相結(jié)合，具備自主移動(dòng)、自主清洗豬舍內(nèi)的欄架和地板等設(shè)施功能的智能化清洗機(jī)器人；路衛(wèi)國等發(fā)明了一種豬舍內(nèi)自動(dòng)定位地面清洗機(jī)器人；邱飛綜述了刮糞機(jī)清糞系統(tǒng)原理，即根據(jù)外部信息搜集系統(tǒng)調(diào)整行進(jìn)方向，利用可變形推板將糞污集中，再通過自動(dòng)駕駛技術(shù)將糞污清理，可在源頭上實(shí)現(xiàn)養(yǎng)豬場糞、尿分離；于海等發(fā)明了一種無需工作人員進(jìn)入糞道，便可實(shí)現(xiàn)高壓水向糞道側(cè)壁、地面及頂棚的全方位噴射清洗的種豬場糞道清洗機(jī)器人；此外，還有優(yōu)化版的舍內(nèi)漏縫地板清洗機(jī)器人，多場景豬舍清洗機(jī)器人和玩具型自動(dòng)清糞機(jī)器人等。雖然計(jì)算機(jī)視覺在自動(dòng)化和監(jiān)控中得到了廣泛的應(yīng)用，但由于豬圈表面的不均勻性、老化、磨損以及由此導(dǎo)致的誤分類風(fēng)險(xiǎn)，很難將豬圈表面分類為干凈。Andersen等設(shè)計(jì)了一款將經(jīng)驗(yàn)圖學(xué)習(xí)與操作指令相結(jié)合的智能自主清潔機(jī)器人，可代替管理人員清潔臟污嚴(yán)重的區(qū)域，并首次實(shí)現(xiàn)了基于潔凈度檢測的豬舍自主清掃。Hiel 等研究表明，與普通人工清洗法相比，用機(jī)器人預(yù)清洗豬舍減少了環(huán)境中灰塵和內(nèi)毒素的產(chǎn)生，降低了豬只支氣管炎和呼吸道炎癥反應(yīng)。以上研究為清潔機(jī)器人在豬場的進(jìn)一步推廣和普及提供了更多試驗(yàn)支撐。

4 巡檢機(jī)器人

新一代智能移動(dòng)機(jī)器人多采用激光雷達(dá)為主、深度攝像機(jī)為輔的導(dǎo)航結(jié)構(gòu)，并結(jié)合同步定位與建圖（Simultaneous Localization and Mapping，SLAM）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自主導(dǎo)航、自動(dòng)定位及主動(dòng)避障。這種技術(shù)能夠多角度、環(huán)繞式地對豬場養(yǎng)殖環(huán)境和豬只生長情況進(jìn)行24 h 全天候無人化、自主化巡檢，實(shí)現(xiàn)了豬只全生長周期點(diǎn)數(shù)、體重、體長、體高等基礎(chǔ)信息的連續(xù)記錄，通過對豬舍環(huán)境的自動(dòng)化調(diào)控，保障生豬健康生長，提高養(yǎng)豬場的經(jīng)濟(jì)效益。曾志雄等設(shè)計(jì)了一款可在過道狹窄、道路縱橫的規(guī)模豬舍環(huán)境內(nèi)進(jìn)行自主機(jī)器巡檢作業(yè)的底盤結(jié)構(gòu)，該底盤結(jié)構(gòu)方案為行走式畜禽養(yǎng)殖環(huán)境巡檢機(jī)器設(shè)計(jì)提供了參考，并在近期發(fā)明了一種基于UWB 定位的豬場巡檢機(jī)器人，較現(xiàn)有裝置顯著提升了行走準(zhǔn)確度和巡檢過程的安全系數(shù)，可實(shí)現(xiàn)安全快速智能巡檢。呂成軍等發(fā)明了一種能夠?qū)崿F(xiàn)多自由度調(diào)整位置，實(shí)時(shí)監(jiān)測周圍環(huán)境中的各種氣體濃度、溫度以及濕度，自動(dòng)規(guī)劃路線和避障的豬場用巡檢機(jī)器人，巡檢效果極佳。陳紅亮發(fā)明了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的豬舍環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，可通過傳感器實(shí)時(shí)獲取豬舍的溫度、濕度、顆粒物、氣體濃度等信息。信號強(qiáng)度對智能機(jī)器人的運(yùn)行起到支撐作用，劉奎等利用慣性測量單元（IMU）使豬場巡檢機(jī)器人在北斗衛(wèi)星信號消失時(shí)可按照A 算法規(guī)劃的路徑行走，解決了在北斗衛(wèi)星信號消失時(shí)的實(shí)時(shí)定位問題。

生豬計(jì)數(shù)是大規(guī)模生豬生產(chǎn)的關(guān)鍵任務(wù)，常用的人工計(jì)數(shù)耗時(shí)長且易出錯(cuò)。Chen 等設(shè)計(jì)了一款實(shí)時(shí)自動(dòng)化豬計(jì)數(shù)系統(tǒng)，其中的深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）可對個(gè)體豬身體部位關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行檢測和關(guān)聯(lián)，新的空間感知時(shí)間響應(yīng)濾波（STRF）方法可減少豬或攝像機(jī)移動(dòng)造成的誤報(bào)或跟蹤失敗。

5 疫病防護(hù)機(jī)器人

目前，疫病防護(hù)機(jī)器人用于人類前列腺癌等疾病的治療已相對成熟，較傳統(tǒng)人工術(shù)可明顯降低手術(shù)難度，具有手術(shù)時(shí)間短、愈后快、住院短、愈后良好等優(yōu)勢。隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化技術(shù)的不斷提高，研發(fā)出一款側(cè)重于對活體動(dòng)物疫病行為的檢測和手術(shù)治療的疫病防護(hù)機(jī)器人，如基于機(jī)器視覺的人臉識別技術(shù)能識別豬只及異常行為，采用熱紅外圖像與可見光圖像相結(jié)合的方法，進(jìn)行無接觸體溫和體表顏色檢測，通過活豬發(fā)病癥狀與存儲的疾病表征掃描匹配，自動(dòng)發(fā)出防疫預(yù)警；在病死豬轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)應(yīng)用自動(dòng)消殺系統(tǒng)，可降低豬場工作人員與病死豬的接觸，減少病毒的傳播，這對于豬群疫病的早發(fā)現(xiàn)、早隔離，控制豬群疫病爆發(fā)，避免養(yǎng)殖場經(jīng)濟(jì)損失具有重要意義。

6 飼喂機(jī)器人

在規(guī)?；i場中，育肥豬的自動(dòng)供料系統(tǒng)及母豬的精準(zhǔn)飼喂系統(tǒng)逐漸在普及，雖能在一定程度上節(jié)約勞動(dòng)力，但距飼喂機(jī)器人仍有一定的技術(shù)差距。目前飼喂機(jī)器人多應(yīng)用在奶牛、山羊等反芻動(dòng)物養(yǎng)殖中。呂鳳玉等采用激光雷達(dá)SLAM 自然輪廓定位導(dǎo)航技術(shù)，在不對牧場環(huán)境進(jìn)行任何改造的前提下，可輕松實(shí)現(xiàn)奶牛智能飼喂，提高了飼料利用率、產(chǎn)奶率以及牛場投入產(chǎn)出比。張帆等以STC89C52RC 型單片機(jī)為控制核心，采用模塊化設(shè)計(jì)思想，利用AGV 磁導(dǎo)航傳感器和GT-2.4G 無線通訊模塊設(shè)計(jì)開發(fā)了羊只飼喂機(jī)器人的行走控制系統(tǒng)，試驗(yàn)表明，自動(dòng)控制與手動(dòng)控制相結(jié)合的方式增強(qiáng)了羊只飼喂機(jī)器人的適應(yīng)性，使飼喂過程更加靈活、便捷。在未來研究中，如能借鑒反芻動(dòng)物飼喂機(jī)器人的設(shè)計(jì)優(yōu)勢，根據(jù)豬只生理與生產(chǎn)信息為精準(zhǔn)飼料定量依據(jù)，應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)ANN，研制一款飼喂機(jī)器人，對需要單獨(dú)管理的豬（如試驗(yàn)用豬、弱豬），甚至規(guī)?；B(yǎng)殖豬群實(shí)現(xiàn)不同生產(chǎn)需求下的個(gè)體化精準(zhǔn)飼喂，并能進(jìn)行智能分析、推理、決策，形成無人干預(yù)下的智能管控，在提升畜牧業(yè)智能化技術(shù)水平的同時(shí)，還能為企業(yè)帶來顯著效益，具有極大的市場潛力。

7 智能分群機(jī)器人

現(xiàn)階段，我國畜牧企業(yè)對育肥豬分欄大多采取人工分欄法，即由飼養(yǎng)員定期對豬群進(jìn)行人工調(diào)整與分欄，保證出欄時(shí)豬只體重整體均勻度。然而，人工分欄法需要定期稱重，不僅效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大，對豬只也會造成一定的應(yīng)激影響。利用RFID 技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)豬的整個(gè)生產(chǎn)周期內(nèi)各個(gè)生產(chǎn)節(jié)點(diǎn)智能分群、轉(zhuǎn)群，如自動(dòng)根據(jù)豬只體重分群并轉(zhuǎn)至相應(yīng)欄位，自動(dòng)篩選達(dá)到出欄標(biāo)準(zhǔn)的育肥豬，能在很大程度上降低人工分群法的誤差，節(jié)約勞動(dòng)力。段棟梁等、強(qiáng)志銳開發(fā)了利用地磅獲取豬只體重的分群設(shè)備，但缺乏對豬群整齊度影響的研究。張建龍等在前人研究的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一套基于機(jī)器視覺技術(shù)的育肥豬分群系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過機(jī)器視覺技術(shù)和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對豬只體質(zhì)量進(jìn)行估測，可有效避免糞污對設(shè)備精度的影響及腐蝕。試驗(yàn)結(jié)果表明采用該系統(tǒng)對豬只進(jìn)行分群飼喂控制豬只體質(zhì)量差異效果優(yōu)良，該研究也可為母豬飼喂站、種豬測定站等智能化養(yǎng)豬設(shè)備的研發(fā)提供參考。下一步研究中，如果將智能分群系統(tǒng)和精準(zhǔn)飼喂系統(tǒng)相結(jié)合，將更加有力地提高該系統(tǒng)的推廣。

8 小結(jié)

雖然我國移動(dòng)通信技術(shù)已經(jīng)邁入5G 時(shí)代，但我國畜牧機(jī)器人研發(fā)起步較晚，尚未形成可規(guī)模化推廣的成熟技術(shù)，目前研發(fā)出的豬場機(jī)器人仍以基礎(chǔ)的清潔、巡檢、環(huán)境監(jiān)測等單一功能為主，尚未深入開展仿生型、多功能型機(jī)器人的研發(fā)。另外，如何克服畜牧機(jī)器人三低一高（性價(jià)比低、智能化程度低、競爭力低、制造成本高）的現(xiàn)狀，把先進(jìn)性、實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性緊密結(jié)合，研制出具備高魯棒性、容錯(cuò)性和抗干擾能力，符合我國畜牧業(yè)生產(chǎn)實(shí)際的畜牧機(jī)器人，是科研人員應(yīng)著重思考的方向。