MODERN MANURE REMOVAL ROBOTS (a review)

Удаление навоза из животноводческих помещений является одной из наиболее трудоемких и малопривлекательных операций на ферме, регулярность и полнота выполнения которой создают условия для получения высококачественной продукции животноводства, обеспечения требуемого микроклимата и санитарного состояния ферм, сохранения здоровья животных и обслуживающего персонала. На большинстве ферм в нашей стране и за рубежом применяются стационарные механические средства удаления навоза, оснащенные автоматизированными системами управления. Опыт их использования выявил ряд существенных недостатков данного оборудования: высокая удельная материало- и энергоемкость; низкая наработка на отказ; нарушение технологического процесса при уборке подстилочного навоза; малый срок службы; большие эксплуатационные затраты; сложность автоматизации процесса уборки навоза и т.д.

Для исключения применения ручного труда (очень дорог за рубежом) в настоящее время предлагается для удаления навоза из животноводческих помещений использовать роботизированные установки. В России развитие данного направления обусловлено малопривлекательностью выполнения данной операции и дефицитом кадров в животноводстве.

Цель исследований — на основе экспертного анализа источников научно-технической информации провести анализ технических особенностей существующих роботов для удаления навоза, предлагаемых зарубежными компаниями, на основе которого определить направления создания отечественного робота-навозоуборщика.

Отбор и систематизацию источников научно-технической информации (НТИ) (научной литературы, интернет-источников и др.) проводили в научных электронных библиотеках (eLIBRARY.RU, Google Scholar, Web of Science, Scopus) по ключевым словам: навоз, робот, скрепер, ротор, скребок, форсунка, система навигации. Работа выполнялась в два этапа. На первом этапе анализа НТИ просматривали заголовки и аннотации статей, на втором — проводили анализ полнотекстовых версий источников и их реферирование. В результате аналитического поиска было отобрано 13 отечественных и зарубежных источников, которые были включены в библиографический список.

Первые модели роботизированных систем навозоудаления были разработаны и произведены за рубежом. В настоящее время роботизированное оборудование для удаления навоза из животноводческих помещений производится рядом ведущих производителей (табл. 1 и 2).

В настоящее время животные содержатся на сплошных (с подстилкой или без) и щелевых полах, что определяет конструктивное исполнение роботов-навозоуборщиков. При очистке навозных проходов со сплошными полами применяются скреперные роботизированные установки, которые могут как очищать от навоза поверхность сплошного пола, транспортируя его к поперечному сборному навозному каналу, так и собирать навоз в емкость, с последующей выгрузкой в навозосборник за пределами животноводческого помещения. При уборке навоза из навозных проходов, оборудованных щелевыми полами, наряду со сбором навоза, происходит проталкивание навозной массы через щели в подпольное пространство, где она накапливается или удаляется с помощью механических или гидравлических систем.

Для удаления навоза с подстилкой из соломы или опилок роботы оснащаются скреперными рабочими органами, а непосредственно сбор навоза во внутренний контейнер осуществляется различными способами. Так, роботы RC550 и RC 700 компании DeLaval оснащаются роторной системой, которая позволяет собирать навоз с подстилкой, перемещая его в бункер с помощью вращающихся лопастей, расположенных в корпусе робота

В роботах компании Lely (Discovery 120 Collector и Discovery Collector C2) очистка полов производится с помощью скребков, которые направляют навоз к всасывающему отверстию в корпусе робота. Собранная масса перекачивается в резервуар с помощью вакуумного насоса. Для повышения эффективности процесса очистки и сбора навоза предусмотрены две форсунки: вода, распыляемая через переднюю форсунку, разжижает навоз, что упрощает его сбор, а вода, распыляемая с помощью задней форсунки, предотвращает образование скользкой плёнки на полу

Также увлажнение пола при удалении навоза предусмотрено в роботах компании JOZ B.V. (модель Nano имеет емкость резервуара для воды 110 литров). Для этого на корпусе робота установлено по пять форсунок спереди и сзади.

Навигационные системы навозоуборочных роботов разных производителей отличаются технологиями и возможностями адаптации к условиям помещений.

В навозоуборочном роботе SRone компании GEA используется боковая направляющая для движения вдоль кромок проходов. Система контроля положения постоянно отслеживает маршрут, что обеспечивает точное следование по заданному пути

Навигационная система Lely Discovery 120 основана на комбинации нескольких технологий: для локального обнаружения препятствий на малых расстояниях установлены ультразвуковые датчики, для поддержания ориентации в пространстве — гироскоп, для обработки данных и управления движением — программное обеспечение.

Робот, автоматически ориентируясь в пространстве, движется по запрограммированному маршруту. Возможна настройка зон и сроков очистки в соответствии с заданными параметрами. Система позволяет роботу проходить за коровами у кормового стола, не мешая им есть.

Компания JOZ B.V. в роботах Barn-E PRO, Nano и JOZ-Tech использует навигационную системы на основе транспондеров. Она позволяет роботу ориентироваться в пространстве и двигаться по заданному маршруту без направляющих. Система адаптирована для работы в коровниках с щелевыми полами, а также может очищать участки сплошных полов. Доступны версии с разной шириной скрепера. Данная система обеспечивает повышенную манёвренность и способность разворачиваться на месте, что позволяет эффективно убирать навоз даже из труднодоступных мест (для сравнения: у роботов компании GEA радиус поворота — от 4 метров с направляющим профилем, а разворота — от 2 метров).

Все модели роботов оснащены датчиками препятствий и аварийной остановки.

Информации об эффективности применения данных роботов нет, поэтому представляют интерес результаты исследований, проведенных учеными Технического университета (г. Мюнхен, Германия) для оценки их преимуществ

Опыт эксплуатации данного вида оборудования требуется проведения операций программирования и перепрограммирования новых маршрутов его движения, очистки его оборудования и технического ухода за ним, а также устранения неисправностей. Еженедельная очистка оборудования робота занимает 2–5 минут (или 1,73–4,33 чел.-ч на один робот в год). Периодичность работы по техническому уходу за роботом составляет один-два месяца и составляет 20 минут (или 2,0–4,0 чел.-ч на один робот в год). На программирование и перепрограммирование новых маршрутов затрачивается от одного до нескольких часов.

Доля затрат труда при ручном или механизированном способе очистки боксов, внесении подстилки и удалении навоза составляет 4–7% от годовых затрат. Использование робота для удаления навоза сокращает временные затраты, которые требуются для очистки навозных проходов вручную или с помощью устройства, управляемого оператором. При этом продолжительность работы робота зависит от длины прохода, количества криволинейных участков, ширины скрепера. Как правило, робот чаще (от трех до десяти раз) очищает проходы, чем оператор. Ученые Технического университета (г. Мюнхен, Германия) на основе своих исследований отметили, что применение роботов для удаления навоза обеспечивает не только экономию рабочего времени операторов на очистку навозных проходов, но и то, что ее регулярность положительно сказывается на здоровье копыт животных за счет поддержания проходов в сухом и чистом состоянии. Следствием этого также является и чистота боксов для отдыха коров, что, в свою очередь, позволяет экономить рабочее время, затрачиваемое в других отделениях коровника, например, в доильных залах. В итоге выявлено, что с улучшением гигиенического состояния навозных проходов снижается число заболеваний копыт животных, существенно влияющих на рентабельность производства. Таким образом, был сделан вывод о том, что, несмотря на дополнительные затраты времени на подготовку роботов к работе (перепрограммирование, очистка и т. п.), их применение обеспечивает снижение затрат труда и создание гигиенических условий, которые сохраняют высокий статус здоровья животных

В России отсутствует производство роботов для удаления навоза из животноводческих помещений. На существующих фермах удаление навоза выполняется с помощью механических средств таких, как скреперные установки, скребковые или штанговые транспортеры. Отечественная модель робота «Скарабей 1» не является самостоятельной российской разработкой, а представляет собой попытку локализации и адаптации нидерландской системы JOZ.

Анализ информационных материалов показывает, что для организации производства роботов для удаления навоза на фермах крупного рогатого скота необходимо преодолеть ряд проблем. Главная из них — высокие инвестиции в разработку, приобретение и обслуживание систем, что в сочетании с ограниченностью финансовых ресурсов сельхозпредприятий не гарантирует высокий спрос и быструю окупаемость затрат

Различие ферм по размеру, способу содержания животных, виду навоза (с подстилкой и без), конфигурации помещений и другим особенностям требуют создания универсальных моделей, адаптированных к данным условиям. Эксплуатация роботов в агрессивной среде повышает требования к материалам и защите электроники, так как это напрямую влияет на надежность данного оборудования. Эффективность уборки навоза зависит и от точности определения загрязненных участков, обнаружения препятствий и работы в ограниченном пространстве (зона ответственности системы навигации), а для этого необходимы высокочувствительные сенсоры и алгоритмы машинного обучения, создание которых представляют собой долгий и дорогой процесс

Осложняет ситуацию и конкуренция с зарубежными производителями (например, Lely, DeLaval), которые заняли российский рынок, предлагая проверенные решения. Конкуренция с ними требует не только технологического паритета, но и способности предложить более выгодные условия (цена, сервис, адаптация под местные условия). Достижение технологического суверенитета также невозможно без устранения зависимости от импортных комплектующих и создания производственных мощностей для серийного производства роботов с необходимым уровнем качества и в требуемых объёмах, преодоления санкционных ограничений и логистических сложностей, повышения квалификации персонала.

Анализ информационных источников показал, что для создания роботов для уборки навоза из животноводческих помещений необходимо:

– сосредоточить усилия на разработке стандартизированных модульных систем, которые можно адаптировать под разные условия эксплуатации;

– в конструкции роботов использовать более износостойкие материалы и технологии для увеличения срока их службы;

– совершенствовать алгоритмы навигации и сенсорные системы для повышения точности работы роботов;

– интегрировать роботы в комплексные технологические линии, включающие системы переработки и утилизации навоза.

Для ускорения развития робототехники необходимы совместные усилия государства, бизнеса и научного сообщества: увеличение финансирования НИОКР, создание индустриальных парков для робототехники, подготовка кадров и стимулирование спроса через субсидии и льготные кредиты.