自研擠奶機(jī)器人能夠“讀懂中國牛”

本文轉(zhuǎn)自【北京青年報】；

智能擠奶機(jī)器人擁有完整自主知識產(chǎn)權(quán)

高國華教授（中）與科研團(tuán)隊探討改進(jìn)方案

在中國（南昌）國際奶業(yè)大會上展示產(chǎn)品

在7月7日開幕的2026中國（南昌）國際奶業(yè)大會暨全國農(nóng)用機(jī)械展上，一款國產(chǎn)智能擠奶機(jī)器人吸引了眾多國內(nèi)外廠商的高度關(guān)注。因?yàn)檫@是一項攻克了長期存在于我國奶業(yè)和牧場里的“卡脖子”技術(shù)，而且核心零部件國產(chǎn)化率超95%、多項關(guān)鍵技術(shù)性能對標(biāo)并超越國際頭部產(chǎn)品的成果。

長期以來，我國規(guī)模化牧場的高端智能擠奶裝備市場被海外品牌壟斷，不僅產(chǎn)業(yè)鏈安全隱患突出，而且成本高昂。北京工業(yè)大學(xué)高國華教授率領(lǐng)的科研團(tuán)隊與首農(nóng)集團(tuán)等企業(yè)合作，僅用14個月就完成技術(shù)攻關(guān)，研制出擁有完整自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)高端智能擠奶裝備，有望為我國奶業(yè)裝備自主可控、產(chǎn)業(yè)鏈安全筑牢根基。成果的背后，是團(tuán)隊成員住進(jìn)牛棚從“如何趕牛”學(xué)起、三代樣機(jī)在工人建議中反復(fù)打磨的故事。14個月后，他們交出的答卷是一臺能“讀懂中國牛”的智能擠奶機(jī)器人和一個前景廣闊的國產(chǎn)替代市場。

天價進(jìn)口設(shè)備難適配

國產(chǎn)替代迫在眉睫

近年來，我國傳統(tǒng)人工擠奶模式的用工成本逐年攀升，愿意干這種重體力活兒的熟練工人越來越少，而且人工操作容易造成生鮮乳品質(zhì)波動、奶牛易生病。因此，正在北京等地涌現(xiàn)的萬頭級規(guī)模化牧場都有智能化改造的剛需——用智能的、自動化擠奶裝備取代人工。

北京青年報記者了解到，目前國內(nèi)牧場采用的自動擠奶裝備主要是歐洲的一些品牌。這些歐洲成熟產(chǎn)品可以大量節(jié)省人工、提高產(chǎn)奶品質(zhì)，但是一臺單體利拉伐的售價在140萬至200萬元不等，而80個工位的轉(zhuǎn)盤式整體裝備高達(dá)5000萬元，這還不包括高昂的售后服務(wù)成本。而且，進(jìn)口設(shè)備還存在適應(yīng)性不良的問題：一方面他們的配套數(shù)據(jù)系統(tǒng)封閉不兼容，無法對接國內(nèi)牧場數(shù)字化管理平臺，生鮮乳全流程品質(zhì)追溯難以落地；另一方面，進(jìn)口設(shè)備的算法是基于國外奶牛品種和養(yǎng)殖環(huán)境開發(fā)的，面對國內(nèi)奶牛形態(tài)差異、牧場水汽揚(yáng)塵等復(fù)雜工況，套杯識別、擠奶參數(shù)調(diào)節(jié)等故障率居高不下。直白的表述，就是國外的奶牛經(jīng)過選育和迭代一致性較高，而中國各地奶牛個體差異性比較大，進(jìn)口設(shè)備容易“水土不服”。基于這些問題，推進(jìn)高端畜牧裝備國產(chǎn)化替代，已經(jīng)成為行業(yè)迫在眉睫的需求。

奶牛成為系統(tǒng)一部分

讓機(jī)器人“讀懂”牛

擠奶機(jī)器人一直是我國多個“五年計劃”重點(diǎn)支持項目，但未能獲得根本性突破。“十四五”期間，農(nóng)業(yè)部將項目列為“卡脖子”重點(diǎn)機(jī)器人項目。在這樣的時代背景下，北京工業(yè)大學(xué)與首農(nóng)集團(tuán)、京鵬環(huán)宇、中國農(nóng)機(jī)院、中國科學(xué)院空天院等多家單位協(xié)作攻關(guān)，啃下這塊“硬骨頭”。

“（擠奶機(jī)器人研制）難就難在，這是用在牛身上的機(jī)器，每頭牛的體型、脾氣、數(shù)據(jù)都不一樣，而且牛會動！”北工大機(jī)械與能源工程學(xué)院院長高國華教授告訴北青報記者。作為一名擁有100余項發(fā)明專利的自動化和機(jī)械設(shè)計專家，高國華領(lǐng)銜的智能農(nóng)機(jī)裝備系統(tǒng)創(chuàng)新方法實(shí)驗(yàn)室獲批北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。這個實(shí)驗(yàn)室的一大特點(diǎn)，是將系統(tǒng)工程MBSE等方法融入到研發(fā)過程中，構(gòu)建“裝備-動植物-環(huán)境”復(fù)雜系統(tǒng)的一體化設(shè)計流程和平臺。在研制擠奶機(jī)器人的過程中，他的團(tuán)隊的第一步，是把奶牛作為系統(tǒng)的一部分。

“經(jīng)過學(xué)習(xí)我們才知道，奶牛不僅個體形態(tài)差異大，而且是特別膽小、敏感、脾氣大的動物——環(huán)境的變化會直接影響它們的健康和產(chǎn)奶量，擠奶的手法觸感稍有不對就會發(fā)脾氣‘踢杯’（指擠奶過程中奶牛后肢踢擊導(dǎo)致奶杯脫落或滑移，易引發(fā)乳房炎及效率下降）。”高國華說，所以擠奶機(jī)器人要做到定位精準(zhǔn)、剛?cè)峄旌希翱梢哉f是農(nóng)業(yè)方向上最難的機(jī)器人了。”

團(tuán)隊的第一項工作，是把擠奶機(jī)器人與牧場為每頭奶牛安裝的數(shù)據(jù)采集項圈關(guān)聯(lián)起來，可以實(shí)時了解奶牛的體型形態(tài)和近幾天的進(jìn)食量、反芻時間、產(chǎn)奶量等數(shù)據(jù)，擠奶機(jī)器人才能“智能”起來，根據(jù)每頭牛的實(shí)時數(shù)據(jù)做出個性化的擠奶動作。

在團(tuán)隊的校內(nèi)實(shí)驗(yàn)室，北青報記者看到了擺在一頭奶牛模型下面的智能擠奶機(jī)器人“擠奶”的全過程。如果說人工擠奶靠的是工人的手，那么這臺機(jī)器人就是一只巨大的機(jī)械手：機(jī)械臂相當(dāng)于人的胳膊，機(jī)械臂與套杯之間用柔性繩索連接，相當(dāng)于靈活的手指，而套杯就是手指末端的執(zhí)行器，適配國內(nèi)不同奶牛的差異化生理條件與乳房位置尺寸。與國外同類產(chǎn)品普遍采用剛性的聯(lián)動繩索不同，這套設(shè)備依靠多氣缸聯(lián)動伸縮模組實(shí)現(xiàn)大范圍靈活作業(yè)，柔和地完成了定位、套杯、擠奶全過程，能明顯降低機(jī)械剮蹭損傷奶牛的風(fēng)險，讓牛放松，也就避免了“踢杯”。

從趕牛學(xué)起

三代擠奶機(jī)器人慢慢“磨”出來

14個月的研制過程看似短暫，實(shí)則充滿“從零學(xué)起”的艱辛。團(tuán)隊里的數(shù)名青年教師以及十幾名博士、碩士研究生開始時充滿“科技攻關(guān)”的熱情，卻驚訝地發(fā)現(xiàn)，他們要跟養(yǎng)牛工人從“如何趕牛它才會走路”學(xué)起。

一年前的7月盛夏，團(tuán)隊成員之一、高國華教授帶的博士二年級學(xué)生馮巖進(jìn)駐位于大興區(qū)龐各莊鎮(zhèn)保安莊村的首農(nóng)金銀島牧場，開始為智能擠奶機(jī)器人搭建“上真牛”的實(shí)驗(yàn)棚。牧場目前使用的是歐洲的擠奶設(shè)備，為了便于實(shí)驗(yàn)，特意選了3頭“沒上過機(jī)器”的奶牛借給團(tuán)隊。“但是我們4個學(xué)生那時候什么都不懂，既不知道奶牛的體型個體差異有多大，也不知道怎么照顧牛，結(jié)果剛搭建的實(shí)驗(yàn)棚里溫度高達(dá)48℃，3頭牛很快發(fā)生了熱應(yīng)激。當(dāng)時既挫敗又傷心。”他告訴北青報記者。

于是他們住進(jìn)牧場養(yǎng)牛工、擠奶工的宿舍，沒事就跟工人、場長聊天，一切從頭學(xué)起。比如，他們發(fā)現(xiàn)自己趕牛時，牛不肯往前走。向工人請教后才知道，牛的瞳孔與人不一樣，如果人站在身后，在它視野里就顯得特別大，牛會害怕，所以趕牛人要Z字形行走。再比如，牛沒有汗孔，因此非常怕熱，要靠噴淋裝置使棚內(nèi)溫度控制在25℃左右。牛熱不熱不能看溫度，要看牛肚子喘不喘，以及咀嚼時是否分泌很多唾液……

就這樣，團(tuán)隊完善實(shí)驗(yàn)棚，加裝風(fēng)機(jī)和噴淋裝置，不斷調(diào)整機(jī)械臂、套杯等技術(shù)細(xì)節(jié)。他們制造出來的第一代智能擠奶機(jī)器人還比較粗糙，牧場場長給他們提出建議，一旦牛“踢杯”很容易傷到牛，而奶牛一受傷就要被淘汰。團(tuán)隊據(jù)此改造出來的第二代產(chǎn)品，金屬件都包上了膠，還對機(jī)械臂的“筷子”部分做了無聲處理，以免驚擾到牛。團(tuán)隊成員都在牧場的工人宿舍先后住了半年到一年不等。“機(jī)器人從第一代到第三代，是在跟工人們聊天、學(xué)習(xí)中‘磨’出來的。”馮巖告訴北青報記者。

1200次真牛實(shí)驗(yàn)

國產(chǎn)裝備走向落地

截至目前，高國華團(tuán)隊已經(jīng)在全國多處規(guī)模化牧場開展長期實(shí)地驗(yàn)證，包括在大興的牧場完成了1200余次真牛操作實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示，這套智能擠奶機(jī)器人全天候穩(wěn)定運(yùn)行，各項工況指標(biāo)表現(xiàn)優(yōu)異：設(shè)備乳頭識別準(zhǔn)確率達(dá)99.2%，復(fù)雜環(huán)境下自動套杯成功率超98%，從根源上解決了海外設(shè)備識別不穩(wěn)、適配性差的行業(yè)通病。而且，這套國產(chǎn)裝備搭載了全開放智慧牧場數(shù)字平臺，可無縫對接國內(nèi)各類牧場管理系統(tǒng)。平臺內(nèi)置奶牛常見病早期智能診斷模型，可以采集、存儲擠奶全流程數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)生鮮乳從奶牛養(yǎng)殖到出廠加工全鏈條溯源，補(bǔ)齊國內(nèi)奶業(yè)數(shù)字化管控短板。

來自牧場負(fù)責(zé)人的反饋是：該設(shè)備適配國內(nèi)養(yǎng)殖環(huán)境，識別穩(wěn)定、故障率低；售后配件供應(yīng)、技術(shù)響應(yīng)速度遠(yuǎn)優(yōu)于進(jìn)口設(shè)備；動態(tài)擠奶調(diào)控模式大幅減少了奶牛患病情況，生鮮乳產(chǎn)量與品質(zhì)同步提升，綜合運(yùn)營成本顯著降低。

團(tuán)隊下一步計劃是推進(jìn)裝備迭代升級，推進(jìn)規(guī)模化量產(chǎn)，面向全國大中小各類牧場推出分層適配產(chǎn)品，助力國內(nèi)奶業(yè)擺脫海外設(shè)備依賴。按照全國有存欄奶牛600萬頭、規(guī)模化牧場2000個計算，單體+轉(zhuǎn)盤式智能擠奶裝備的市場前景大約有500億至2000億元。目前團(tuán)隊已注冊成立企業(yè)“悟空智形”，由團(tuán)隊成員樊澄逸同學(xué)擔(dān)任企業(yè)負(fù)責(zé)人，負(fù)責(zé)推進(jìn)成果落地，“公司的名字寓意是像孫悟空那樣形變?nèi)f物，用科技的力量推動這一產(chǎn)業(yè)發(fā)展。”高國華教授說。

文/本報記者 雷嘉（圖片由北京工業(yè)大學(xué)提供）