负责机器人设计一个系统的方法来开发设计指南pasture-grazed乳品业的机器人
c·r·伊斯特伍德
菲律宾人质街,- DairyNZ有限公司,林肯,新西兰
机器人与自动化应用pasture-grazed农业正处于紧急阶段。技术开发人员面临着重大的挑战由于复杂和动态特性等方面的生物系统,技术与农业劳动力成本的相对成本,具体的农业市场特点。覆盖这socio-ethical问题在技术开发和方面的负责任的研究和创新。有很多技术被开发的例子,而不是采用pasture-grazed农业,尽管对农民的潜在益处和/或社会,强调创新体系脱节。在这个角度看论文,我们提出一个机器人与自动化设计的“责任”的方法来创新,使用批处理机器人挤奶的发展pasture-grazed乳品业作为一个案例研究。我们开发的框架是用来强调更广泛的考虑时,技术开发人员和决策者需要考虑设想未来创新的机器人轨迹智能农业。对设计工作,这些因素包括影响工人健康和安全,改变农业系统,市场和监管约束的影响。
1介绍
机器人与自动化技术在整个行业的影响,如生产、仓储和物流。这些技术在农业中的应用仍然是新兴的,不过有预期,机器人可以帮助农民解决人员短缺问题(瑞安et al ., 2021),创造更可持续的系统(玫瑰et al ., 2021 a和提高生产力英格拉姆et al ., 2022)。然而,有使用机器人在农业系统面临的主要障碍,在全球农业吸收有限(Lowenberg-DeBoer埃里克森,2019;伊斯特伍德et al ., 2021)。一个问题,特别是对负责研究和创新(RRI)是智能农业技术开发和推广通常是由技术开发人员、市场营销、政策信号,km的描述未来的农业在媒体上,而不是直接回应定义农民/制作人要求(巴雷特和罗斯,2020年;Lajoie-O马利et al ., 2020)。此外,除了与机器人与自动化相关核心技术挑战,农业系统提供一个具有挑战性的工作环境等技术将生物和气候系统的动态特性。全球广泛的农场系统上下文,例如不同的奶牛饲养系统,也可以影响市场规模从而限制新技术研发投资(伊斯特伍德et al ., 2021)。
最近研究的主题机器人、自动化和智能农业已经确定了一些研究和发展的挑战。审查通过英格拉姆et al。(2022)确定优先研究农业问题,包括需要了解数字技术的吸收影响因素,如何在设计数字工具包括农民的视角,并预测潜在的影响这些技术对农业和农业工作。瑞安et al . (2021)注意研究主题的利益分配机器人在农业、潜在影响的想法“好农夫”,机器人如何有助于积极的动物福利,制定可持续农业与机器人的二元性。机器人之间的交互和工作在几项研究中已经探讨了(Legun和伯奇,2021年;Nazareno希夫,2021;玫瑰et al ., 2021 a)。此外,Ditzler和Driessen (2022)状态,尽管机器人是“农业改造开放田地”设想,需要重新考虑扩大机器人未来的想象力,包括更加多样化的农业系统和整合方面的可持续性。最后,研究Legun和伯奇(2021)和Klerkx et al。(2019)确定需要仔细检查转换到一个机器人的未来,更广泛的上下文敏感(社会经济、文化和政治),并承认,机器人只占一个可能的未来农业系统的转型路径。
从这个角度看,我们认为负责任的概念创新,系统思考,和合作设计提出设计指南机器人在pasture-grazed乳品业的发展。本文基于最近的连接这些领域的工作“et al。(2021),伊斯特伍德et al。(2021),柔丝et al。(2021),瑞安et al . (2021),Ditzler和Driessen (2022)。在这里,我们解决两个问题相关的未来使用机器人与自动化系统在pasture-grazed乳制品系统:1)什么是机器人技术发展的关键设计标准pasture-grazed乳制品系统使成功的和负责任的创新?2)机器人为农场工作场所的潜在影响是什么?我们首先开发一个新颖的概念框架为设计标准智能农业机器人,然后这个框架应用于机器人挤奶的案例研究。本文的见解有助于改善农业技术设计和创新实践。
2概念框架
2.1负责创新
RRI的概念(Stilgoe et al ., 2013)讨论与各种农业创新环境,比如农业4.0和智能农业(玫瑰和Chilvers, 2018年;范德伯格et al ., 2019;伊斯特伍德et al ., 2021),自主机器人(玫瑰et al ., 2021 a),使用人工智能(史密斯,2020),cyber-physical系统(撰写et al ., 2021)。RRI旨在考虑社会价值包含在技术和创新的发展通过预期的属性、包容、自反性和响应性(伊斯特伍德et al ., 2019 b)。
有有限的工作重点期待农业在农业机器人与自动化(系统级的影响Legun和伯奇,2021年;增加et al ., 2021 b;瑞安et al ., 2021)。我们建议先行过程的一部分是领导创新通过与系统思维镜头设计(Romera et al ., 2020;伊斯特伍德et al ., 2022)。识别“设计指南”,优先功能对于一个成功的机器人/农业系统接口,是一个潜在的方法来负责设计(赫斯et al ., 2021)。设计指南可能旨在拓宽创新环境不仅仅是km的观点,认识到更广泛的上下文涉及socio-ethical农场系统、和创新系统因素。因此,指南提供了一个人工制品RRI的功能如预期和围绕自反性可以解决(伊斯特伍德et al ., 2019 b;Legun和伯奇,2021年)。
2.2评估框架负责设计的机器人在智能农业
进行农业研究和创新建立在“地面行动”的理解提高需求和挑战支撑许多参与式方法。设计思维的概念越来越受欢迎的参与式方法在农业,包括最终用户(农民和利益相关者)首先了解“问题”,成功的创新理解底层的上下文(恭喜,2021;Ditzler Driessen, 2022;伊斯特伍德et al ., 2022)。我们提出一个设计指南,建立在农业机器人与自动化最近的文献(见下文),促进这个语境化阶段。结果10农业机器人与自动化设计注意事项是:农场操作系统,工作场所设计和人,农场业务结构、金融、可持续性,市场因素,社会福利,监管和政策,知识库和网络、技术和工程(表1)。
表1。负责研究和创新提出了设计指南和注意事项在智能机器人与自动化农业。
从一系列的文学见解被用来识别这10个设计指导因素。例如,智能农业框架中概述伊斯特伍德et al。(2019)和荆棘et al。(2020)最初是作为一种技术开发评估工具专门为智能农业创新。框架包括目标市场特征的各个方面,技术设计和创新,和能力要求也是机器人与自动化相关。需要考虑广泛的上下文在评估潜在的农业创新了Renwick et al。(2017),包括:财务业绩、市场因素、社会福利、环境、所需的知识基础,和监管。这些见解帮助形式的设计指导因素农场农场操作系统、业务结构、金融、可持续性,市场因素,和法规和政策。
特定的挑战和机遇与自治系统概述了农业柔丝et al。(2021)。他们的分析包括的主题Renwick et al。(2017)同时也包括数据使用和管理方面,相信技术和结构变化对农业社区通过使用更多的机器人。的研究Lunner-Kolstrup et al。(2018)还研究了田间的技术功能自动化、数据利用率农民,适合与农业系统的自动化。增加使用机器人的潜在影响农民之间的力量和技术提供商,这些影响在设计过程中需要更好的预期(Pigford et al ., 2018;英格拉姆et al ., 2022)。许多这些因素增加创新的不确定性相关的新技术,包括不确定性技术性能,支持网络、监管和政策设置(伊斯特伍德和Renwick, 2020年)。问题的影响数据标准、数据共享,使高速互联网等基础设施,甚至责任相关农业中使用机器人仍不确定上下文(Basu et al ., 2020)。这些见解帮助形式的设计指导因素知识库和网络和技术和工程。
机器人与自动化有潜在的重要的正面和负面影响农业工作环境(Nazareno希夫,2021;玫瑰et al ., 2021 a)。自动化更多的手册,重复性和平凡的任务可以帮助保持人们在农场(例如,年长的农民),同时也使得新一代农场更有吸引力。一些人认为人类福祉(身体、心理和社会)的核心组件技术开发设计过程(Kafaee et al ., 2021)。这个镜头被高亮显示的值普瑞斯(2021)人发现,一些技术可以监视员工绩效和效率,可能导致效率提高,但增加工作压力和疲劳。我们利用这些见解的设计指导因素工作场所设计和人和社会福利。
3案例研究:高吞吐量机器人挤奶系统
3.1描述的高吞吐量机器人挤奶系统的概念
说明应用程序的设计指导过程中,我们使用一个案例研究机器人与自动化相关pasture-based乳品业,即高吞吐量机器人挤奶系统。我们定义高吞吐量挤奶系统,促进挤奶的奶牛/小时吞吐量与现有批量挤奶系统类似,人字形和旋转(例如,300牛/小时)。在下面的章节中我们将讨论潜在的机遇和挑战中确定相关因素有关表1。
机器人或自动挤奶系统(AMS),用于商业奶牛场已经有近30年(Rodenburg 2017)。最常见的配置是单一的“盒子”单位,一头奶牛挤奶,和这些系统已经广泛采用欧洲乳制品业国家和设施的增加在北美(维克et al ., 2019;伊斯特伍德和Renwick, 2020年;汉森et al ., 2020)。然而,这种风格的AMS的擦伤了乳品有限系统在新西兰和澳大利亚等(伊斯特伍德和Renwick, 2020年)。还有一个对小说挤奶机器人,符合pasture-grazed系统,由困难吸引和留住员工,推动更大的劳动力生产率,减少对工人和磨损的不良性质在农场天“不与人亲近的时间长。
主要因素阻碍了成功的单身摊位“box-style”大型pasture-grazed乳制品系统机器人挤奶。这些包括:大群的大小相对于安置在机器人挤奶系统是最常用的,批挤奶系统基于一天两次挤奶,高吞吐量挤奶(例如,300牛/小时)目前在这些系统中,实现了长距离和地形变量农场奶牛走到挤奶设施,商业模式建立在农场工作费用低(由于变量牧场供应),和较低的劳动力投入在每头牛的基础上。这些因素加在一起,限制box-style机器人挤奶的财务可行性相比传统挤奶系统等大型牧场系统(伊斯特伍德和Renwick, 2020年)。此外,当前商用机器人旋转店“挤奶系统采用有限的(从DeLaval赫亚)在澳大利亚,并在新西兰没有安装日期。适合这种背景下,一批机器人技术适合于高吞吐量挤奶是必需的。
我们提出一个新颖的方法对高吞吐量挤奶机器人在这种情况下需要适合通用系统约束如启用批处理挤奶,符合大群(例如,400 +牛)使用一块裂冰系统,最大24小时之间挤奶,一个人在客厅主要监督作用,时间有限群的围场,和最大工作时间限制在12 h工作(例如,5点。下午5点)。覆盖这些因素是任何新技术需要有一个积极的对农民的价值主张。
3.2设计考虑高吞吐量的牧场放牧系统中机器人挤奶
在本节中,我们概述高吞吐量机器人挤奶系统系统设计考虑在牧场放牧乳品业、基于框架中概述表1。潜在的设计注意事项进行描述图1并进一步解释如下。
图1。设计画布上突出设计考虑相关发展高通量为新西兰牧场放牧乳品业机器人挤奶系统。
3.2.1农场操作系统
所需的农场系统的适应程度将挤奶机器人非常有影响的人物,例如改进机器人通过批挤奶杯牛在现有扶轮店会更美味的农民,相比之下,一个全新的客厅需要更改整个农场系统(例如,自愿挤奶)。移动机器人挤奶系统的使用也试着在放牧系统(Oudshoorn 2008)。链接农场,与其他技术如虚拟栅栏,也可以利用新的机会为生产力gains-such自主运行多个群在一个农场利用机器人挤奶。适应挤奶的时间间隔(例如,一种挤奶)也可以用来增加奶牛/机器人能力。pasture-grazed系统中的一个重要组成部分也需要限制时间群围场挤奶,这减少了潜在的消费和奶牛牧场躺的时间。机器人系统也必须使用长牛行走距离,以及地形多变的天气对奶牛的影响客厅的运动。许多新西兰农场运行杂交牛群导致动物大小和范围,和机器人需要在这种情况下工作。此外,可能会有一个需要管理牛不符合系统(撰写et al ., 2021)。
3.2.2工作场所设计和人
劳动力成本和功能源人,将是一个持续的特征像新西兰这样的国家的农业劳动力市场。员工的高流动率,因此机器人技术必须给新员工容易学习。一般来说新西兰农场集中在农场工作的成本低,这影响技术投资决策。主要考虑与机器人是否会全自动(例如,像当前AMS)或只关注拔火罐牛,因此需要一个人在客厅来完成其他任务。这将影响(即所需的技术投资。,the latter option would need to be lower cost), but also will limit farmer’s ability to save on labor to offset investment costs. Having a robot that just attaches cups to cows would still have benefits such as: reduced injuries and physical demands on milking staff, increased job flexibility, ability for a wider range of people (e.g., age, height, strength) to be involved in milking, and creating an innovative image of dairy farming. There may be negative workplace impacts, such as changes to the self-identity of farmers if robotics replaces the role of milking completely.
3.2.3农场业务结构
由于投资成本,机器人可能会影响不同的小型和大型农场获得资本和技术投资。此外,采用智能技术,如高吞吐量挤奶机器人可能增加农业集约化和扩张(Klerkx et al ., 2019)。在新西兰系统中,我们确定了考虑相关决定谁支付服务,支持和维护新西兰部门涉及农场主和他们不同的获得资金的能力。挤奶技术投资给他们带来挑战那些不进行固定资本投资和移动农场每2、3年平均因此需要具有高度的可移植性的资产。
机器人需要适用于早期的职业生涯和职业生涯末期农民不同的ICT技能水平和动机(Christiaensen et al ., 2021)。例如,职业生涯早期农民可能有高技术的兴趣但有限的融资渠道,而在职业生涯末期的农民可能融资动机更少的长期投资。Multi-farm所有权结构的采用程度可能会影响整个奶制品行业。一个额外的考虑是一个评估和技术providers-e.g浓度影响的权力。,“修复”合同,访问数据和可互操作的系统(2020年,卡罗兰)。
3.2.4金融
金融方面的一个主要限制采用现有技术在新西兰AMS。新型机器人,将是一个巨大的障碍相关的不确定性,银行提供融资。这将不仅与整体投资成本,折旧和投资回报,而且评估和转售价值。农民和银行寻找短(2 - 4年)的投资回报,特别是在技术不确定性很高(Rutten et al ., 2018),这样的时间似乎无法实现与当前机器人投资的初始成本较高。一些技术提供商提供订阅模式,减少进入成本,沉没成本,为农民。投资回报率也将与类型(成本)的劳动技术取代。高吞吐量的机器人可能使用高成本技术低成本工作,好处:这需要考虑成本的影响。意想不到的金融后果也必须考虑,如减少农场业务灵活性的需要利用机器人投资锁农场继续与他们当前的企业组合。
3.2.5可持续发展
为了确保广泛的可持续发展成果与挤奶机器人,一个重要的考虑因素是动物福利的影响通过使用机器人。这将涉及到等方面积极或消极的牛:机器人交互(Holloway et al ., 2014)。使用机器人和相关的传感器设备可以使机会改善检测动物的健康问题。例如,大多数新西兰农民确定乳腺炎问题最初通过散装罐体细胞数,其次是奶头剥离(Kamphuis et al ., 2016)。使用内联乳腺炎传感器在新西兰农场目前低(菲律宾人质街et al ., 2020)和更广泛地使用自动机传感器系统可以降低所需的时间和技术水平来确定这样的疾病。
3.2.6市场因素
主要市场考虑与有限的市场规模在pasture-grazed挤奶机器人系统。这个市场规模进一步降低了因为一个挤奶厅的置换周期为20 - 30年基础设施将限制农民的数量安装新的机器人技术。这将对成本效益有很大影响,农民可能只看机器人时需要更换老化的基础设施。此外,广泛的挤奶机器人专利可能禁止挤奶机器人技术领域的创新。当前供应链设置(农场全脂牛奶直接卖给处理器)可能限制农民创造价值通过机器人技术添加功能。
3.2.7社会福利
机器人的主要目的是代替劳动力,因此挤奶机器人能够有积极的和消极的对社会福利的影响。自动挤奶在大型农场可以使农民有更多的时间与他们的社区和家庭,减少物理工作负载使年长的农民仍然与挤奶的任务。低身体,通过机器人挤奶技能需求也可能使人们来自社区的一部分时间在农场工作。在农场劳动的减少可能导致更大的农民隔离,和农场可能支持更少的工作在更广泛的社区。相反,采用机器人技术在农场可能导致新的就业机会在当地社区对高技能的技术服务和支持。
3.2.8监管和政策
新西兰是一个宽松监管经济一些补贴,但采用挤奶机器人可能需要某种形式的投资激励。潜在的监管障碍还需要在机器人开发评估;诸如食品安全法规相关的牛奶收集和冷却(伊斯特伍德和Renwick, 2020年动物保护条例(下),和影响曼宁et al ., 2021;Tzachor et al ., 2022)。更广泛的考虑是自动化的农业的长期认知在消费者和公众(Romera et al ., 2020;普费弗et al ., 2021)。
3.2.9知识库和网络
机器人技术的支持是至关重要的。挤奶时间是至关重要的,因此服务和支持网络必须能够在短时间内做出反应。故障对农民和奶牛挤奶设备有很大的影响。应提供初步支持远程农村旅行时间可以很大。本地服务代理需要专业技能,和备件,维护机器人和ICT系统(2020年,卡罗兰)。新西兰乳品技术支持网络在这方面需要upskilling。更一般的会有变化需要关于农民咨询网络的技能(例如,农场系统咨询师、营养师、兽医)(英格拉姆和多,2020)。这将涉及发展中技能帮助农民解释,和做出决策,数据收集的机器人系统(伊斯特伍德et al ., 2019 a)。
3.2.10技术和工程
有一些具体的工程考虑高吞吐量挤奶机器人的设计。挤奶杯附件速度是很重要的,因为农民会手动匹配他们可以实现,但是这是一个权衡成本与技术。现代成像系统应该被用来改善杯附件。农民可能接受拔火罐速度慢的挤奶时间延长机器人旋转店如果他们能完成其他任务,监督挤奶过程。机器人必须健壮的处理又湿又脏的操作环境。持续的维护成本可以为机器人是一个问题,一个成功的系统必须减少这些成本。维护成本结构也必须在购买之前对农民是透明的。网络连接是一个问题在许多新西兰农场,机器人必须能够工作在这个约束。组件技术解决方案变得烦人的农民经营多种设备,软件系统和应用程序(例如,动物和饲料管理、合规和时间表)没有共同的登录或与数据重复。机器人系统必须从其他平台根据需要方便地交换数据,如群管理系统或动物卫生传感器。
3.2.11总结设计指导方面的考虑
框架中本文提出了一系列的设计考虑需要一个创新满足市场需要充分认识到socio-ethical和金融因素。例如,尽管生产率提高农业技术将变得越来越重要(Christiaensen et al ., 2021),在系统视图可以鼓励开发人员、行业组织和政策制定者不应忽视的潜在影响员工的满意度和幸福感从长远来看。在技术发展的重点是经常替换当前的手动任务通过改造机器人到现有系统(2021年完工,),在一个更广泛的方法来理解痛点可以引领我们重新设计系统未来机器人的机会。
后设计指导因素使我们能够识别特定的特点考虑小说挤奶机器人。他们的整体自然也可以打破传统思维的技术手段。一个考虑是,在pasture-grazed系统中,挤奶机器人可能不会完全取代劳动与挤奶,找到支持普瑞斯(2021)。例如,客厅可以由一个挤奶的经理,谁不积极把杯子和挤奶期间可以进行其他工作,例如数据分析。这对农民投资回报率计算的动态变化,为更少的劳动力会得救,但也在改变机器人本身的设计规范,100%精度可能不是必要的,因为存在挤奶经理参加机器人拔火罐尝试失败或其他一些小问题。使用设计指南相关的另一个结果可能重新想像pasture-grazed农场系统通过集成挤奶机器人“mission-led”的方法,例如提高了员工的工作效率25%。这可能包括不仅使用新颖的机器人,而且系统变化如大个挤奶,和虚拟栅栏,“堆栈”不同的方法,使农场用更少的人来操作。向导提示我们问后续问题这样的系统性变化的影响在其他socio-ethical农民身份等问题,员工的满意度、农村社区影响消费者的认知和农业(Holloway et al ., 2014;Romera et al ., 2020;普费弗et al ., 2021)。
4结论
案例研究分析强调了潜在的使用设计指导机器人与自动化创新开发的方法。在实践中,有效开发的整体设计指南必须支撑合作设计过程涉及到最终用户以及其他顾问和消费者等利益相关方。作者等工作Ditzler和Driessen (2022)和Romera et al。(2020)凸显了这些过程在接近系统设计和技术与复杂农业系统的集成。设计指南我们提出了可以与用户讨论的基础(农民和雇员)和技术设计师和制造商的目的和自定义拟合迭代的设计特点。合作设计的好处也会启动对话集中在识别技术和农业系统创新,可以使机器人在未来的成功实现奶牛场。
最后,设计指南可以作为一种工具来制定RRI原理在农业机器人的发展。我们建议的指南是基于整体范围的因素确定通过发表的一系列研究。这个整体的指导与概念引入的(撰写et al ., 2021)“socio-cyber-physical系统”的社会之间的互动,网络和物理组件的智能农业可以评估。因此这个过程可以使更大包容参与者和利益相关者的视角与机器人系统和相关的工具期待积极和消极的影响机器人开发和使用农场。
数据可用性声明
最初的贡献提出了研究中都包含在本文/辅料,可以针对相应的作者进一步询问。
作者的贡献
写作和范本,由CE、在BD的支持下,JPE, JJ。进行了分析和修订手稿同样通过CE, BD, JPE, JJ。
资金
论文的写作是由新西兰的奶农DairyNZ Inc .(汉密尔顿,新西兰),合同温家宝1802年。
的利益冲突
所有的作者都受雇于DairyNZ有限公司一个利维资助industry-good组织代表所有新西兰奶农。
出版商的注意
本文表达的所有索赔仅代表作者,不一定代表的附属组织,或出版商、编辑和审稿人。任何产品,可以评估在这篇文章中,或声称,可能是由其制造商,不保证或认可的出版商。
确认
作者想要感谢他们的同事输入本文的概念化。
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关键词:乳制品、负责创新、合作设计、转换,socio-cyber-physical系统
引用:伊斯特伍德CR,菲律宾人质街B,爱德华兹摩根大通和家用亚麻平布J(2022)负责机器人设计一个系统的方法来开发设计指南pasture-grazed乳品业的机器人。前面。机器人。人工智能9:914850。doi: 10.3389 / frobt.2022.914850
收到:07年4月2022;接受:2022年6月28日;
发表:2022年7月15日。
编辑:
何塞·米格尔·格雷罗州Rey Juan Carlos大学,西班牙审核:
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