一、项目内容分析 1.1 选题背景和意义 1.1.1 智慧畜牧业发展现状与趋势 1.1.2 现代化养殖场 1.1.3 机器人 1.2 国内外文献综述 1.2.4 国外研究现状 1.2.5 国内研究现状 1.3 研究目标 1.4 目前主要的养殖场粪便清理方式 二、方案设计 2.1 整体设计思路 2.2 方案设计及原理 2.2.1 方案原理 2.2.2 方案设计 2.3 机械结构设计 2.3.1 清粪机构 2.3.1.1 清粪机构的电机安装板分析 2.3.1.2 对绞龙叶片的分析计算 2.3.1.3 对破碎刀片的分析计算 2.3.2 输粪机构 2.3.2.1 链传动设计计算 2.3.2.2 轴承寿命计算 2.3.2.3 工作机轴上联轴器分析计算 2.3.3 储粪机构 2.3.4 排粪机构 2.3.5 车体 2.3.6 消毒箱和避障雷达 2.4 电气设计 2.4.1 电池和电机的选择 2.4. 1.1 蓄电池的选择 2.4..1.2 电机选型 2.4. 1.2.1 驱动控制电机选型 2.4.1.2.2 减速器选型 2.4.1.2.3 步进电机选型计算 2.4.1.2.4 提升机构电机选型 2.4.2 电气部分选型 2.4.2.1 选型 2.4.2.2 传感器的选择 2.4.2.2.1 传感器 2.4.2.2.2 压力传感器 2.5 电机安装板零件工艺分析 2.5.1 电机安装板工艺过程卡 2.5.2 电机安装板弯折工艺分析 2.5.3 工艺要求 2.5.4 工艺过程 2.5.5 折弯压力和工艺力 三、设计总结 参考文献 一、项目内容分析 1.1 选题背景和意义 随着经济的不断发展, 我国畜牧业生产方式取得了快速的发展,综合生产能力不断加强, 畜牧业生产总值占农林牧渔总产值的36%。但是，由于饲养管理水平较落后,时常爆发较为 严重的动物疫病。我国每年因疫病引起的猪死亡率为8%～12%, 牛死亡率约2%～5%，家 禽死亡率为12%～20% 。 在畜牧业养殖的过程中，我国每年的病死动物数以亿计，同时这也是动物疫病传播和扩 散的重要源头。病死动物主要包括动物疫病传播、动物源性食品安全和生态环境安全三种 危害，一旦处理不当，很可能引发重大动物疫情，危害公共卫生安全，不仅给养殖业造成 重大经济损失，还会严重威胁人类和动物的健康。 经过相关研究表明，养猪场、牛场粪便的不及时处理或者处理的不干净，将会很让粪便 里的细菌和病毒滋生传播，从而可能造成猪、牛的大规模死亡。养猪、牛场的粪污量很 大，如果不能对其进行及时有效的处理，将会污染周围环境，造成生态不平衡。所以，场 址的选择应该考虑远离饮用水源，同时为污水处理留出空间。粪便处理，结合鱼塘养殖， 果蔬种植及其他农作物的生产等进行，变废为宝；还可以将粪便干燥后作为肥料出售。 当前，规模化养牛场的室内多为水泥硬化地面，为使干粪与尿液及分离，需在牛舍内装 备机械清粪设备，进行无害化处理，提高资源利用率，降低劳动力成本。下面，介绍几种 适合规模养牛场的粪污无害化处理技术，主要有人工清粪、半机械清粪、刮粪板清粪、牛 粪堆肥发酵，养殖户可根据实际选择适合自己的处理利用方式。目前，主流的处理方法为 半机械清粪，半机械清粪将铲车、拖拉机改装成清粪铲车，或者购买专用清粪车辆、小型 装载机进行清粪。目前，铲车清粪工艺运用较多，是从全人工清粪到机械清粪的过渡方 式。清粪铲车由小型装载机改装而成，推粪部分利用了废旧轮胎制成一个刮粪斗，更换方 便，小巧灵活。饲养员开车把清粪通道中的粪刮到牛舍一边后集中运走。此种清理方式主 要有两大缺点，首先是此清理方式自动化程度不高，对驾驶员的要求也很高，需要人力的 大量投入来进行粪便的清理;还有就是清理的效果也不好，粪便残留也较多。 而清理机器人在汽车工业、采矿、船舶、航空、水利、生活清洁、道路清理、畜牧等 行业的生产、生活中都有广泛的运用。在畜牧业养殖的过程中，粪便清理机器人技术显得 尤为关键、不可或缺。这种机器人完全代替了人工清理，极大的提高了工作效率，同时在 一定程度上减轻了养猪、牛人员的压力。而且猪、牛粪及时清理，避免细菌的滋生和传 播，提供安全的生长环境 。其清理速度可控，设备简单，便于实现机械化和自动化作业。 与传统粪便清理方式相比具有环境污染小、应用灵活、高效、成本低等优点，可以产生良 好的社会效益和一定的经济效益。 猪和牛主要生活在养殖场内，滞留在猪牛舍地面上的污物容易成为的潜在致病源，从 而影响猪和牛的健康，进而影响猪牛场养殖的经济收益。猪牛舍的环境对猪牛的健康状况和 经济效益都有很大的影响。传统的粪便清理方式已经不能满足猪牛舍的环境、布局、规模、 成本等需求，同时有些清理方式工作效率偏低，在工作过程中还会产生很大的噪声，甚至伤 害到猪牛。为了提高猪牛场的经济效益以及保持猪牛健康，需要一种适应能力强、自动化、 经济效益明显的新型清理方式。在清理作业中，由于不同猪牛场的布局也不尽相同，且猪牛 舍也正向规模化发展。同时，如果猪牛身上沾有过多的污粪会导致其患病，都会对其健康与 产奶质量造成不良影响，从而影响住牛场的整体经济效益。因此，对于智能猪牛舍清洁机器 人来说，它将结构与控制有效的结合在一体，在污物清扫工作过程中，能够显示出其强大的 优势，其意义如下: 1.其功能能够适应牛舍的环境、布局等要求，可以按照经营者的要求选 择工作路线，且对于不易进入的角落也能够进行清扫，定制化与适应性好。2.节约成本，不 必进行过大的后期投入。3.在工作过程中，能够保持安静的工作，不影响猪牛的生活;同时能 够进行自我认知周围环境情况，在工作过程中可以与猪牛和平共处，安全可靠，不会对猪牛 造成伤害。 4.其清理效果理想，能够保持猪牛舍地面的清洁程度。 5.能够实现自动化，不 受工作时间的制约，能够定时进行清扫工作。6.产品市场前景好，有利于促进国家奶业、畜 牧业的发展。 故如果设计一种机器人能够清理并存储粪便，然后再集中排放处理，就会极大的改善 猪、牛场的粪便环境状况，并且设想该机器人由传感器、导航系统、处理系统、粪便清扫 系统、洒水系统五大部分组成，由传感器和导航系统来分辨猪、牛粪所在地，并调控转动 方向，同时刮板清理养猪场地面的猪粪，机器人行走的时候不断往地面洒水，以便于二次 清理。以此来实现对猪粪的清除，这会刺激了猪牛的自然行为，有助于猪牛的生长发育， 并且能全方位保持养猪牛场环境清洁。 1.1.1 智慧畜牧业发展现状与趋势 畜牧业现代化是农业现代化的排头兵和风向标。以人工智能为代表的新一代信息技术 正在加速畜牧业向科技型、标准化产业转型升级，智慧畜牧作为智慧农业的典型应用方案 得到了广泛的研究与实践。如今畜牧业发展现状趋势良好，概括了物联网、云计算与大数 据、人工智能等核心技术应用于畜牧业的广阔前景，阐述了畜牧业发展的趋势，针对智慧 畜牧提出了加速智能装备研发、制定产业标准、研发畜牧专用芯片及建设立体智慧畜牧云 平台等对策建议。换言之，应用物联网、云计算、大数据及人工智能等新一代信息技术的 智慧畜牧系统是畜牧业的发展趋势，而基于自主研发的核心芯片将为智慧畜牧系统提供底 层技术和安全保障，智能化的畜牧业养殖也是一种潮流和趋势。 1.1.2 现代化养殖场 不曾想过，一场非洲猪瘟会给我国的养猪产业带来如此深远的影响，也给本该面临变革 的养猪产业加了一把火，对于从事养猪行业的人应该更加注意养猪场的各个方面的建设。 随着畜牧养殖模式和生态环境的改变以及世界经济一体化进程的加快，与畜牧业发展息息 相关的动物疫病流行态势发生了显著变化，从最初影响动物健康、损害畜牧业健康发展， 逐步扩大到畜产品质量安全、公共卫生安全、环境安全以及国际贸易、社会稳定、生物恐 怖等多方面，特别是重大动物疫病已对全球社会经济和公共卫生安全造成严重威胁。 现代化养猪场，需要合理的规划设计与严格管理，以减少疾病的发生与传播，在现代 化养猪场的设计方案中，一是要合理布局各建筑设施，二是规划设计要一步到位，不能中 间迂回修改，三是要依靠猪场规划设计专家，进行科学设计。 为了保持良好的卫生防疫条件，场址应选择在地势较高、地形开阔、通风良好的地 方，同时要远离居民区和医疗机构、屠宰场等场所，最好只设一个进出通道。像许多机械 化养猪场（图1），机械化的程度其实也并不高，对粪便的清理几乎都是用的人工清粪。如 图2 、图3、图4 为现代化养猪场的详细设计图以及设计方案。 图1 机械化养猪场 图2 农村小型养猪场设计方案 图3 现代化猪场保育舍平面图 图4 现代化养猪场设计图 现代化牛场建设，应符合牛自身的行为特征，为牛提供舒适的生活和休息环境，除了 满足肉牛或奶牛的饲草料营养需求，尽可能改善适口性，增加采食量外，还应当从温湿度 调控，远离有害物质（有害气体、有害农药残留），远离噪音。尤其改善冬季饮水温度，皮 肤，慢节奏舒缓音乐播放，让牛有充分的休息空间和嬉戏玩耍的时间，保证良好的情 绪等方面考虑。从生态角度来看，及时做好粪便清理，集中无害化处理和资源化利用。从 污水处理方面来看，增加雨污分流设施，有效减少污水排放总量，采取最新技术发展成果 （如高密度黑膜处理技术），并从处理中创造一定经济价值，形成良好的社会效益和经济效 益。下面这些公司的养牛场情况也都是国内的佼佼者。新疆南达乳业有限公司的现代化养 牛场（图5 ）和德国卡施泰特合作社的养牛场（图6 ）就都应用了很多大型机械化清粪设 备，像饲料机组大型饲料加工设备（图7 ）和自动化饲料机（图8），以及大型饲料集中装 置（图9 ），还有像山阴现代化养牛场-旋转挤奶室（图10 ），这种新型的挤牛奶的方式，极 大的提高了牛奶收集效率，并且节省了大量的饲养空间。这些自动化设备，均致使养牛场 的自动化程度有了极大的提高，生产经济效益随之蒸蒸日上。 图5 新疆南达乳业有限公司的现代化养牛场 图6 德国卡施泰特合作社的养牛场 图7 饲料机组大型饲料加工设备 图8 自动化饲料机 图9 大型饲料集中装置 图10 山阴现代化养牛场-旋转挤奶室 1.1.3 机器人 国际标准化组织(International Organization for Standardization，ISO)对机器人的定义为 机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手，这种机械手具有几个轴， 能够借助于可编程序操作处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行种种任务。按照ISO 定义，工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器人，是自动执行工作的 机器装置，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器；它接受人类的指令后，将 按照设定的程序执行运动路径和作业。 目前全球市场中，有包括ABB 、KUKA 、FANUC 、YASKAWA 等知名的机器人公司， 在国产的机器人中，有包括新松、广州数控和南京熊猫等机器人公司。结合实际使用情况以 及设备使用和维修的需求，基于电动猪、牛粪清理机器人采用的是荷兰 Lely 公司自动清理 猪牛粪机器人（图11-12）。其可用于猪、牛粪的清理，可用于精确清洗边角。并有洒水功能， 这水在每条路线的起点是自动灌满的 ，水储存在粪池的两个水袋里 ，前喷雾器确保最佳的 清洗效果，后面的喷雾器防止地板打滑，可进行二次清洁；伺服轴响应速度快；机械强度高， 运行速度快；可在各种恶劣环境下工作，可靠性高，可8 小时连续工作。通过这种机器人设 备，完全代替了人工清理，极大的提高了工作效率，同时在一定程度上减轻了养猪、牛人员 的压力。而且猪、牛粪及时清理，避免细菌的滋生和传播，提供安全的生长环境。同时，机 器人清理的猪粪，通过排放口存储起来，以便于集中处理和二次使用。 图11 荷兰Lely 自动清理猪、牛粪机器人 图12 清理机器人渲染图 1.2 国内外文献综述 1.2.1 国外研究现状 规模化饲养清理方式从人工作业清理方式发展到如今的智能化清洁机器人，技术也逐渐口 趋成熟。目前，国外所设计、研发并已规模生产的智能化清洁装备具有良好的清除污物的效 。