Tractors and Agricultural MachineryTractors and Agricultural MachineryТракторы и сельхозмашины0321-44432782-425XEco-Vector34863010.17816/0321-4443-348630New machines and equipmentНовые машины и оборудованиеResearch ArticleDevelopment and simulation of the Feed Pusher Robot software and hardware system for the maintenance of the feed table at livestock facilitiesРазработка и моделирование программно-аппаратного комплекса «Робот Feed Pusher» для обслуживания кормового стола на животноводческих комплексахhttps://orcid.org/0000-0003-0918-2990NikitinEvgeniy A.НикитинЕвгений Александрович
Russian Federation

Senior Researcher of the Laboratory for Innovative Technologies and Technical Tools of Feeding in Animal Husbandry

канд. техн. наук, старший научный сотрудник лаборатории «Инновационные технологии и технические средства кормления в животноводстве»

evgeniy.nicks@yandex.ruShilinDenis V.ШилинДенис Викторович
Russian Federation

Cand. Sci. (Tech.), Senior Researcher of the Laboratory for Digital Systems and Robotic Technical Tools in Dairy Farming

канд. техн. наук, старший научный сотрудник лаборатории «Цифровых систем и роботизированных технических средств в молочном животноводстве»

deninfo@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4766-9532IvanovYuriy G.ИвановЮрий Григорьевич

Professor, Dr. Sci. (Tech.), Acting Head of the Agricultural Machines Department

профессор, д-р техн. наук, и.о. заведующего кафедрой сельскохозяйственных машин

iy.electro@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-2305-2909mikhailichenkoStanislav M.МихайличенкоСтанислав Михайлович
Russian Federation

Cand. Sci. (Tech.), Associate Professor of the Agricultural Machines Department

канд. техн. наук, доцент кафедры сельскохозяйственных машин

s.m.mikhailichenko@yandex.ruBlagovDmitriy A.БлаговДмитрий Андреевич
Russian Federation

Cand. Sci. (Bio.), Senior Researcher of the Laboratory for Innovative Technologies and Technical Tools of Feeding in Animal Husbandry

канд. биол. наук, старший научный сотрудник лаборатории «Инновационные технологии и технические средства кормления в животноводстве»

aspirantyra2013@gmail.comFederal Agroengineering Center VIMФедеральный научный агроинженерный центр ВИМRussian State Agrarian University – Moscow Timiryazev Agricultural AcademyРоссийский государственный аграрный университет – МСХА имени К.А. Тимирязева25092023071020239043253362504202327072023Copyright ©; 2023, Eco-VectorCopyright ©; 2023, Эко-Вектор2023Eco-VectorЭко-Векторhttps://journals.eco-vector.com/0321-4443/article/view/348630

BACKGROUND: Analysis of trends in the development of industrial technologies in the field of agriculture showed that manufacturers of technological equipment used on farms turn to robotics to exclude human labor when performing labor-intensive cyclical operations that are accompanied by a high degree of tension. To perform operations for the preparation and distribution of feed on a farm, maintenance of the feed table, as well as for manure harvesting, it is necessary to use a wheeled robotic platform with an automatic positioning system.

AIMS: Development and testing of the software and hardware system of the Feed Pusher robot for the autonomous execution of operations for the maintenance of the feed table at livestock facilities.

METHODS: Wheeled robot motion simulation, as well as a mathematical description of the kinematic and dynamic properties of the wheeled robot motion was carried out using the MATLAB software and the Simscape library and the Simulink application. The Figma graphic design software was used to develop layouts of mobile software interfaces for the wheeled robot remote control.

RESULTS: During the wheeled robot motion simulation, direct and inverse kinematics problems were solved, consisting in finding the ω1, ω2, vectors with the input parameters x0, y0, φ0, x, y, φ, as well as the final angle of the path (relative to the horizontal). Layouts of the robot remote control software interfaces have been developed, as well as the frontend and backend development of the program adapted to the use at a smartphone has been carried out. The testing of the wheeled robot was carried out at a livestock facility, during the maintenance of the feed table and the simultaneous execution of operations to push the feed to the fence and dosing of feed additives.

CONCLUSIONS: The practical value of the research lies in the possibility of using the results of the wheeled robot motion simulation to adjust the operation of the automatic positioning system. At the same time, the farmer using the proposed Feed Pusher robot will ensure an increase in the technological efficiency of cattle keeping, in particular dairy cattle, with an increase in milk yields up to 1 liter per day per head, which was determined during the tests on the farm.

Обоснование. Анализ тенденций развития промышленных технологий в области сельского хозяйства показал, что производители технологического оборудования, применяемого в фермерском хозяйстве, используют роботизацию для исключения труда человека при выполнении трудоемких цикличных операций, которые сопровождаются высокой степенью напряженности. Выполнение операций по приготовлению и раздачи корма на ферме, обслуживанию кормового стола, а также навозоуборка требует использования колесной роботизированной платформы с автоматической системой позиционирования.

Цель работы ― разработка и апробация программно-аппаратного комплекса робот Feed Pusher для автономного выполнения операций по обслуживанию кормового стола на животноводческих комплексах.

Материалы и методы. Моделирование движения колесного робота, а также математическое описание кинематических и динамических характеристик движения колесного робота осуществлялось с использованием программного комплекса Matlab, библиотеки Simscape, в приложении Simulink. Для разработки макетов интерфейсов мобильного программного обеспечения по дистанционному управлению колесным роботом осуществлялось с использованием программы для графического дизайна Figma.

Результаты. В ходе программного моделирования движения колесного робота решены прямая и обратная задачи кинематики, заключающиеся в нахождении векторов ω1, ω2, при входных параметрах x0, y0, φ0, x, y, φ, а также конечный угол курса (относительно горизонтали). Разработаны макеты интерфейсов программного обеспечения дистанционного управления роботом, а также проведена Front и Back разработка программы, адаптированная для использования посредствам смартфона. Проведена апробация колесного робота на животноводческом комплексе, в ходе обслуживания кормового стола и одномоментного выполнения операций по подталкиванию корма к ограждению и дозированию кормовых добавок.

Заключение. Практическая ценность исследования заключается в возможности использования результатов математического моделирования движения колесного робота для настройки работы автоматической системы позиционирования. При этом фермер используя предлагаемый робот Feed Pusher обеспечит повышение технологической эффективности содержание купного рогатого скота, в частности молочного направления с прибавкой в надоях до 1-го литра в сутки на голову, что было определено в ходе испытаний на ферме.

cattle feedingautomationrobotic machines for livestockmobile softwareкормление КРСавтоматизацияроботизированные машины для животноводствамобильное программное обеспечениеOstretsov VN, Zhiltsov VV. Efficiency of livestock mechanization. Ekonomicheskie i sotsialnye peremeny: fakty, tendentsii, prognoz. 2012;2(20):115–119. (in Russ).Острецов В.Н., Жильцов В.В. Эффективность механизации животноводства // Экономические и социальные перемены: факты, тенденции, прогноз. 2012. № 2(20). С. 115–119.Grothmann A, Nydegger F, Häußermann A, et al. Automatic feeding system (AFS) – potential for optimisation in dairy farming. Landtechnik. 2010;65(2):129–131.Grothmann A., Nydegger F., Häußermann A., et al. Automatic feeding system (AFS) – potential for optimisation in dairy farming // Landtechnik. 2010. Vol. 65, N 2. P. 129–131.Scriabin I. Rebooting consciousness – the path to renewal. Zhivotnovodstvo Rossii. 2018;S2:2–5. (in Russ).Скрябин И. Перезагрузка сознания - путь к обновлению // Животноводство России. 2018. № S2. С. 2–5.Zakharchuk FO, Semin EV, Pavliy VS, et al. Increasing milk yield by increasing the palatability of cattle feed. In: Current issues of modern science and practice. Collection of scientific articles based on materials of the X International Scientific and Practical Conference. Ufa; 2023:96–100. (in Russ).Захарчук Ф.О., Сёмин Е.В., Павлий В.С., и др. Повышение надоев молока за счет увеличения поедаемости кормов КРС // Актуальные вопросы современной науки и практики. Сборник научных статей по материалам X Международной научно-практической конференции. Уфа, 2023. С. 96–100.Bykov SN. Robotic feeding systems for automated livestock complexes. In: Modern trends in agricultural production in the world economy. Materials of the XVIII International Scientific and Practical Conference. Kemerovo; 2019:164–172. (in Russ).Быков С.Н. Роботизированные системы кормления для автоматизированных животноводческих комплексов // Современные тенденции сельскохозяйственного производства в мировой экономике. Материалы XVIII Международной научно-практической конференции. Кемерово, 2019. С. 164–172.Chekhunov OA, Voronin VV. Multifunctional unit for servicing cattle stalls. Innovatsii v APK: problemy i perspektivy. 2022;1(33):100–109. (in Russ).Чехунов О.А., Воронин В.В. Многофункциональный агрегат для обслуживания стойловых помещений КРС // Инновации в АПК: проблемы и перспективы. 2022. № 1 (33). С. 100–109.Mikhailov FM, Kerimov MA. System of automatic pushing of feed on cattle farms. In: Intellectual potential of young scientists as a driver of development of the agro-industrial complex. Materials of the international scientific and practical conference of young scientists and students. Saint Petersburg; 2021:317–319. (in Russ).Михайлов Ф.М., Керимов М.А. Система автоматического подталкивания корма на фермах КРС // Интеллектуальный потенциал молодых ученых как драйвер развития АПК. Материалы международной научно-практической конференции молодых ученых и обучающихся. Санкт-Петербург, 2021. С. 317–319.Minina NN. Application of innovations in livestock farming by Belarusian agricultural organizations as a direction to increase their sustainability. Vestnik Belorusskoy gosudarstvennoy selskokhozyaystvennoy akademii. 2022;3:28–32. (in Russ).Минина Н.Н. Применение инноваций в животноводстве белорусскими аграрными организациями как направление повышения их устойчивости // Вестник Белорусской государственной сельскохозяйственной академии. 2022. № 3. С. 28–32.Borisov VI, Tarasov VV, Tuvin ON. Current trends in the development of automatic cow feeding systems. JARITS. 2020;18:55–60. (in Russ). doi: 10.26160/2474-5901-2020-18-55-60Борисов В.И., Тарасов В.В., Тувин О.Н. Современные тенденции в области развития автоматических систем кормления коров // JARITS. 2020. № 18. С. 55–60. doi: 10.26160/2474-5901-2020-18-55-60Katkov AA, Kalimullin AM, Sedykh TA, et al. The use of robotic technology in a feeding complex. Izvestiya Orenburgskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2019;3(77):157–160. (in Russ).Катков А.А., Калимуллин А.М., Седых Т.А., и др. Использование роботизированной техники в условиях откормочного комплекса // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2019. № 3 (77). С. 157–160.Surovtsev VN. Increasing the competitiveness of milk production based on the synergy of digitalization and biotechnology. Molochnoe i myasnoe skotovodstvo. 2019;4:7–11. (in Russ).Суровцев В.Н. Повышение конкурентоспособности производства молока на основе синергии цифровизации и биотехнологии // Молочное и мясное скотоводство. 2019. № 4. С. 7–11.Lyutykh OA. Modern innovative dairy farm. Effektivnoe zhivotnovodstvo. 2020;1(158):28–32. (in Russ).Лютых О.А. Современная инновационная молочная ферма // Эффективное животноводство. 2020. № 1 (158). С. 28–32.Zhukova EA. Innovative development of the agro-industrial complex using digital technologies. In: Actual issues of the development of modern society. Collection of scientific articles of the 10th All-Russian Scientific and Practical Conference. Kursk; 2020:183–189. (in Russ).Жукова Е.А. Инновационное развитие АПК с использованием цифровых технологий // Актуальные вопросы развития современного общества. Сборник научных статей 10-й Всероссийской научно-практической конференции. Курск, 2020. С. 183–189.Krylova NP, Aleshina DA. Digital trends in the development of modern agro-industrial complex in Russia. Ostrovskie chteniya. 2021;1:30–34. (in Russ).Крылова Н.П., Алешина Д.А. Цифровые тенденции в развитии современного АПК в России // Островские чтения. 2021. № 1. С. 30–34.Pezzuolo A, Chiumenti A, Sartori L, et al. Automatic feeding systems: evaluation of energy consumption and labour requirement in north-east Italy dairy farm. Engineering for Rural Development. 2016;15:882–887.Pezzuolo A., Chiumenti A., Sartori L., et al. Automatic feeding systems: evaluation of energy consumption and labour requirement in north-east Italy dairy farm // Engineering for Rural Development. 2016. Vol. 15. P. 882–887.Belyakov MV, Pavkin DYu, Nikitin EA, et al. Justification for the choice of spectral ranges for photoluminescent control of the composition and nutritional value of feed. Tekhnika i oborudovanie dlya sela. 2023;2(308):31–36. (in Russ). doi: 10.33267/2072-9642-2023-2-31-36Беляков М.В., Павкин Д.Ю., Никитин Е.А., и др. Обоснование выбора спектральных диапазонов фотолюминесцентного контроля состава и питательной ценности кормов // Техника и оборудование для села. 2023. № 2 (308). С. 31–36. doi: 10.33267/2072-9642-2023-2-31-36Kirsanov VV, Pavkin DYu, Nikitin EA, et al. Experimental study of a laboratory model for dosing feed additives. Vestnik NGIEI. 2023;1(140):23–33. (in Russ). doi: 10.24412/2227-9407-2023-1-23-33Кирсанов В.В., Павкин Д.Ю., Никитин Е.А., и др. Экспериментальное исследование лабораторного макета для дозирования кормовых добавок // Вестник НГИЭИ. 2023. № 1 (140). С. 23–33. doi: 10.24412/2227-9407-2023-1-23-33Nikitin EA. Laboratory study of a dosing device for feed additives. Agroinzheneriya. 2023;25(1):40–44. (in Russ). doi: 10.26897/2687-1149-2023-1-40-44Никитин Е.А. Лабораторное исследование дозирующего устройства для кормовых добавок // Агроинженерия. 2023. Т. 25. № 1. С. 40–44. doi: 10.26897/2687-1149-2023-1-40-44