Актуальность
Идея представленного проекта возникла в ходе диссертационного исследования, руководителя проекта.
Анализируя европейский опыт в организации производства молока, за последние 10 лет, было выявлено, что ключевой стратегией развития, является роботизация технологических процессов. Во многом это обусловлено тем, что занятость человека в сельском хозяйстве накладывает налоговое бремя на владельца бизнеса, тем самым себестоимость производства молока не позволяет покрывать расходы на его производство.
С точки зрения российских реалий, где молочное животноводство приобретает промышленный характер роботизация, так же имеет свою актуальность, т. к. это основной путь повышения производительности труда, что доказывает внедрение различных решений в других отраслях производства. Это подкрепляет и тот факт, что наиболее привлекательным местом для развития молочного животноводства, является территория центрального федерального округа российской федерации, т. к. в этой зоне произрастает самая высокая доля фуражных зерновых культур, что снижает затраты на их транспортировку, так же в этой зоне проживает большая часть платежеспособного населения страны, запросы которых по типу профессии и уровню заработной платы, существенно выше, чем средний показатель.
Поэтому освобождение человека, от выполнения трудоемких циклических операций в пользу их машинного, роботизированного выполнения, существенно повысит эффективность производства молока и освободит человека от выполнения трудоемких операций.
В рамках реализации описываемого проекта, были исследованы особенности организации производства молока и выявлено, что кормление крупного рогатого скота занимает самую большую долю затрат в структуре, формирования себестоимость производства молока и составляет около 55 %.
Также стоит отметить, что кормление это один из ключевых факторов определяющих молочную продуктивность животного и срок его продуктивного использования.
Согласно, результатам уже проведенных исследований группой ученых под руководством, Миллер-Кушона Е. К. и ДеВрайса Т.Дж., было выявлено, что физиологически крупный рогатый скот, особенно лактирующие высокопродуктивные животные, несмотря на тщательно-смешанный предоставляемый рацион кормления имеют инстинктивную особенность направленную на сортировку компонентов кормовой смеси, в пользу энергетически ценных (привлекательных по вкусовым качествам), при этом пренебрегая потребление грубых компонентов (сено, силос, сенаж, корнаж и др), становясь при этом заложниками собственных инстинктов, тем самым лишая себя достаточного уровня клетчатки в рационе.
Представленные исследования направлены, на создание унифицированного роботизированного технического средства, использование которого в процессе содержания крупного рогатого скота позволит оптимизировать ряд технологических процессов кормления животных:
– обеспечение досягаемости кормовой смеси для каждого животного на кормовом столе;
– многостадийное введение концентрированных кормовых добавок, повышающих вкусовые качества грубых компонентов кормовой смеси;
– смешивание дозируемых добавок с грубыми кормами винтовым толкателем;
– определение количества дозирования кормовых добавок посредствам применение внелабораторного способа экспресс оценки питательности и химического состава потребляемого рациона животными на основе спектрального анализа;
– выполнение всех операций в автономном режиме без участия человека.
Актуальность проведения НИР было подтверждено публикациями в зарубежных и российских научных журналах.
Предполагаемый результат проведения НИР соответствует пункту «Ожидаемые результаты» — Федеральная научно-техническая программа развития сельского хозяйства на 2019–2025 год.
Предполагаемый функционал разрабатываемого робота соответствует утвержденному Министерством науки и высшего образования Российской Федерации, Комплексному плану научных исследований (КПНИ) «Сельскохозяйственная техника и оборудование», пункту 5.2.7 — «Комплекс высокотехнологичных машин и оборудования для механизации, автоматизации и роботизации животноводства и птицеводства», подпункта — «роботизированные средства для приготовления и раздачи кормосмесей с возможностью дозирования высокоэнергетических компонентов различным половозрастным группам, создания комфортных условий для содержания животных». 2017–2025
Научная новизна и инновационность проекта
– способ и устройство для введения (дозирования) концентрированных кормовых добавок (витамины, премиксы, комбикорма и пр.) в основной рацион кормления крупного рогатого скота;
– способ смешивания концентрированных кормовых добавок с основным кормом (силос, зеленая трава, сенаж, сено) крупного рогатого скота;
– применение внелабораторного способа экспресс оценки питательности и химического состава потребляемого рациона животными на основе спектрального анализа;
– дистанционный доступ и контроль с ПК или смартфона, всех элементов системы кормления крупного рогатого скота на животноводческом комплексе.
Материалы и методы
Актуальность реализации проекта и проведения НИР, было определено исходя из результатов мониторинга тенденций развития отрасли, путем посещения крупнейших профильных выставок, Euro Tire (Ганновер, Германия), АгроFARM, Золотая осень (Москва, РФ). Так же ключевым элементом в определении вектора проведения НИР, стало регулярное поддержание партнерских отношений с передовыми компаниями по производству молока в Московской области (АО «Зеленоградское», АО «РусМолоко» и др.) и Центром развития животноводства в РГАУ-МСХА имени К. А. Тимирязева, Москва.
Реализация проекта осуществляется с применением инструментов искусственного моделирования систем Matlab/Simulink, проектирование оригинальных деталей и элементов робота осуществляется посредствам компьютерного 3-D проектирования с использованием программного обеспечения Компас 3-D. Все экспериментальные детали и элементы создаваемого лабораторного образца изготавливаются (на сколько это возможно исходя из технологических особенностей применения) с применением технологии 3-D печати полимеров.
Результаты и обсуждения
Разработана принципиальная схема роботизированного устройства по оптимизации процесса кормления крупного рогатого скота на животноводческих комплексах, представленная на рисунке 1.
Рис. 1. Принципиальная схема экспериментального образца роботизированного устройства по оптимизации процесса кормления крупного рогатого скота на животноводческих комплексах: 1 — Корпус, 2 — Накопительный бункер, 3 — шнек дозатора, 4 — шаговый электродвигатель шнека, с контролем угла поворота, 5 — засыпная горловина в накопительном бункере, 6 — весовые датчики накопительных бункеров, 7 — центральная плата управления, 8 — электро-моторизированный колесный привод, 9 — пульт ввода параметров и ручного управления роботом в аварином режиме, 10 — ременная передача шнека (винтового толкателя), 11 — вал шнека (винтового толкателя), 12 — планетарный редуктор; 13 — лопастной смеситель; 14 — шнек (винтовой толкатель); 15 защитный кожух; 16 — опорное колесо, 17 — аккумуляторная система питания (АКБ), 18 — датчик химического анализа кормовой смеси.
Также одним из условий эффективного создания колесного робот, является моделирование системы управления электроприводом колес робота, модель которого представлена на рис. 2.
Рис. 2. Simulink модель электропривода колесного робота
Согласно разработанной принципиальной схеме, был схематично смоделирован технологический процесс оптимизации процесса кормления на ферме с использованием разрабатываемого роботизированного устройства и представлен на рисунке 3.
Рис. 3. Технологическая схема разрабатываемого устройства: 1 — разрабатываемое устройство, 2 — ограждение кормового стола, 3 — основной рацион кормления, 4 — персональный датчик животного, 5 — группа обслуживаемых животных, 6 — миксер-раздатчик основного рациона, 7 — погрузчик основного рациона с системой взвешивания, 8 — центральный d компьютер фермы с системой управления стадом, 9 — смартфон управляющего персонала
Разработана 3-D модель в масштабе 1/1 со всеми элементами, на основе которой разработана конструкторская документация (далее КД), состоящая из комплекта чертежей для изготовления оригинальных деталей, спецификаций на их изготовление, 3D-моделей предназначенных для проведения полимерной 3D-печати.
Рис. 4. 3D-модель роботизированного устройства по оптимизации процесса кормления крупного рогатого скота на животноводческих комплексах
Выводы
Реализация и внедрение концептуального решения по окончании проведения НИР обеспечит
– автономное введение (дозирования) концентрированных кормовых добавок (витамины, премиксы, комбикорма и пр.) в основной рацион кормления крупного рогатого скота посредствам внелабораторной экспресс оценки питательности и химического состава потребляемого рациона животными на основе спектрального анализа;
– функции разработанного роботизированного устройства обеспечат дистанционный доступ и контроль с ПК или смартфона, с предоставлением подробного отчета о проделанной работе.
