随着国家智能农业的大力发展,定制化、精细化饲养成为农业的迫切现实需求。牛舍清洁机器人的研制以提高清理奶牛污物的工作效率与清洁率为出发点,致力于提高奶牛生活环境的质量。本论文对牛舍清洁机器人进行了系统建模和总体设计、运动性能、路径规划、样机实验等多方面开展研究与分析,在总体系统性能研究和实验研究基础上的总体测试结果表明:清洁机器人在速度性能、转弯半径、智能避障与路径规划、清洁率各项性能能够满足课题设计要求,牛舍清洁机器人的研制保证了牛场的经济效益。首先,本文对牛舍清污方式进行梳理,根据国外智能规划和避障的特点,结合国内现有的清污设备进行分析,提出清洁机器人如何实现运动灵活性的主要问题。根据牛舍清洁机器人的清扫面积与清扫效率,提出了“前刮板、双轮差速型”的轮式机器人结构布局,同时,提出采用ARM作为控制核心,结合超声波传感器、惯性测量传感器、电流检测传感器与红外传感器相结合的系统控制方法和策略,完成对智能牛舍清洁机器人系统的总体方案设计,并对清洁机器人系统本体结构进行了全局的多目标优化。其次,利用非完整系统建模方法,完成了牛舍清洁机器人的数学模型,并进行机器人差速行走的运动控制建模,对其基本运动轨迹进行仿真分析。同时,对机器人系统进行三维建模,并以动力学模型为基础进行工作系统的动力学仿真研究,利用系统运动控制性能的影响曲线图,分析了在不同车轮花纹、不同摩擦接触等多因素影响下的系统的机械性能,以及紧急制动下条件下的系统工作性能,为工程设计方面提供必要的依据。再次,针对不同工作方式、布局型式的牛舍环境置,对清洁机器人进行路径规划的分析研究,提出了基于粒子群的机器人智能避障与路径规划算法。为了验证机器人能否实现不同工作行为的路径规划设计要求以及程序代码设计的正确性,进行了牛舍清洁机器人GUI界面的设计,并在界面环境下对系统进行路径规划仿真,实验结果表明:采用粒子群算法,清洁机器人完成预定目标下路径规划的可行性,也表明清洁机器人可以实现避障条件下的清扫工作,并实现机器人的路径规划功能。最后,对试验样机进行组装并进行总体的实验研究,通过特定环境下的验证表明:机器人可以实现轨迹规划和自主避障功能,在转角半径、工作速度、清洁率等各项功能指标上满足技术要求。特别是,利用多种规划的智能算法,清洁机器人能够满足多种工作行为下的速度要求、避障与路径规划的性能指标。因此,将智能机器人技术应用在牛场清洁过程中,从牛场环境条件出发,实现了牛场智能化清洁,对多种清洁工作行为展开的机理分析,对农业工程的智能化有着重要实践意义与研究价值。