视觉引导机器人检测/清洁系统，可在挤奶前对奶牛进行检测并清洁，从而将人工从枯燥恶劣的工作环境中解脱出来。

图1：Fisher Smith开发了一套机器人系统，可在奶牛随挤奶旋转木马转动时，自动对每头奶牛进行检查和清洁。（图片来源：LUCID Vision Labs）

近期，英国一家奶牛场部署了由机器视觉集成商Fisher Smith研发的视觉引导的机器人系统。该系统旨在挤奶前自动检查并清洁奶牛的乳房和乳头。

这是商业奶牛养殖中的重要一环 —— 这不仅关乎商业化销售牛奶的健康与安全，也关系到奶牛的健康与福祉。根据英国食品标准局（负责监管商业农业活动的政府机构）的规定，由于污染风险极高，销售来自“重度污染”奶牛的牛奶是违法的。事实上，食品标准局的法规要求：在商业化挤奶前，必须按照特定卫生标准清洁奶牛的乳房和乳头。

奶牛的检查与清洁流程

长期以来，奶牛挤奶前的检查和清洁工作主要由人工完成。Fisher Smith公司的项目工程师Reece Donneky主导了该项视觉引导式检测/清洁系统的设计。

Donneky表示，这项工作既费力又单调，且工作环境颇具挑战性。他介绍了该奶牛场的自动化系统工作流程：奶牛被单排列赶入滑槽，滑槽通往挤奶棚内的旋转木马。旋转木马被划分为 50 个隔间，每个隔间足以容纳一头奶牛。装料完成后，旋转木马缓慢转动，使每头奶牛依次经过清洁工位。

在自动化系统安装前，工作人员需要人工目视检查每头奶牛，随后用擦洗刷、消毒液和水清洁奶牛的乳房和乳头。工作人员必须站在奶牛身后，将刷子伸到奶牛的后躯下方、两腿之间进行清洁。

Donneky说，奶牛虽然性情温顺，但也在生理排泄方面毫无顾忌，这无疑让工作环境更加棘手。“有个工人一直站在那儿干这活，毫不夸张地说，每次可能要干四个小时，身上难免会被牛粪溅到。可想而知，一千头奶牛的气味会一直缠着你，挥之不去。所以，他们一直在研究如何实现自动化。”

Donneky表示，机器人系统以同样的方式执行相同任务。旋转木马上的每头奶牛会缓慢经过清洁工位。但此时，并非由农场工人手持刷子站在一旁，而是借助安装在机械臂末端的飞行时间（ToF）相机识别并定位奶牛，拍摄四张奶牛的乳头和乳房的图像，在相机端完成图像预处理，然后将图像传输至挤奶棚另一间屋内的工控机，该工控机通过线缆连接机器人和相机。软件分析图像并确定精确的 3D 坐标，引导机械臂行动。机械臂末端（相机正后方）装有清洁刷（可自动装载消毒液），机器人操作机械臂伸到奶牛臀部下方、两腿之间，刷洗并冲洗乳房和乳头，然后返回初始位置，此时有水流喷射清洁相机镜头。整个过程每头奶牛约需 20 s。

Donneky说，农场主可以通过电脑监控数据，但图像通常会被删除，除非出现异常情况需要保存以训练 AI 算法。

整个自动化流程很简单：清洗、冲洗、重复。

视觉引导的检测/清洁系统的组件

该视觉引导机器人系统包含以下组件：

LUCID Vision Labs Helios 2+ 单色ToF相机：防护等级 IP67，配备 GigE 接口，高动态范围，工作距离 8.3 m，分辨率 0.3 MP，帧率最高可达 103 fps。

现成的基于 Windows 的工业计算机：本案例中使用的是英伟达Jetson Orin，搭载英伟达 A1000 图形处理器（GPU）。

库卡机械臂：相机和清洁刷均安装在机械臂末端。Fisher Smith的 Robovis AI 机器视觉软件：该软件集成于康耐视的Deep Vision Pro工具平台中。

图2：检测系统自动识别奶牛乳头的界面截图。（图片来源：LUCID Vision Labs）

自动化检测/清洁系统开发中的技术挑战

Donneky表示，系统开发需解决多项技术挑战。首先，系统设计必须确保不会伤害或给奶牛造成压力。他指出，奶牛性情温顺且已习惯该流程——它们渴望被挤奶以缓解乳房充盈的不适。实际上，由于奶牛背对清洁工位，它们不仅从未见过发生的事情，也根本不知道是谁（或什么）在进行清洁。

然而，精准度是个问题。机械臂需要精确的位置引导，这要求对相机与机器人进行标定和基准对齐，以确保定位的准确性和重复性。

另一项挑战是，需要足够快速地处理复杂的 3D 数据，包括 X、Y、Z 坐标及强度图像，以跟上旋转木马和机械臂的节奏。Donneky说，他必须构建一套深度学习流程，确保系统能可靠区分乳头与尾巴等其他身体部位。

最后，由于该任务在恶劣环境下执行，组件尤其是相机，必须具备足够的耐用性。

“我们设计的一部分目标，就是要选一款能适配这个外壳和环境的 ToF 相机，保证数据不被过多干扰，同时能承受住伸到奶牛臀部下方的刷子撞击。”Donneky说，“它就位于机器人工具的最前端，刷子在它后面。而且每清洁完一头奶牛，它都会被水流喷射冲洗。”

自动化检测/清洁系统的未来发展

Donneky希望让该系统具备可扩展性且成本亲民。他表示，通过使用现成组件构建系统，他们实现了这一目标。

目前该系统已投入使用，并正在英国和欧洲的诸多农场推广。Donneky表示，该系统能够始终如一、可靠地以统一标准完成这项重要却繁琐的任务，将工作人员解放出来去处理其他重要工作，同时还能提高生产效率、降低人工成本。