Новый режущий механизм для автоматизированной роботизированной системы обрезки яблонь
Исследователи из Университета Пенсильвании разработали первый роботизированный режущий механизм (эндо-эффектор) для полностью автоматизированной компьютерной системы обрезки современных яблоневых садов. Это ранний шаг в создании технологии, призванной облегчить проблемы производителей плодовых культур.
Важность исследования
Обрезка яблонь составляет около 20% общих предуборочных затрат. Индустрия сталкивается с ростом стоимости труда и нехваткой рабочей силы. Автоматизация могла бы решить эти проблемы, отмечает исследователь Лонг Хи, доцент кафедры сельскохозяйственной и биологической инженерии.
В США на плодовые культуры приходится четверть ($18 млрд) производства специальных культур, и яблоки — одна из самых ценных культур. Обрезка — необходимый агротехнический приём, влияющий на качество, количество плодов и эффективность борьбы с вредителями. Она по-прежнему сильно зависит от ручного труда: требуется от 30 до 50 рабочих часов квалифицированного труда на акр.
Разработка системы
Исследование проводилось на Фруктовой исследовательской и демонстрационной станции в Адамс Каунти, Пенсильвания.
- Сначала с помощью датчика на ручных секаторах измерили усилие, необходимое для срезания ветвей, для проектирования эндо-эффектора.
- Эндо-эффектор создан с использованием двух роторных двигателей, пневмоцилиндра и пары режущих лезвий-секаторов.
- Трёхнаправленный линейный манипулятор был построен для размещения эндо-эффектора и его перемещения к целевым точкам обрезки.
- Для управления манипулятором разработана встраиваемая микроконтроллерная система с пользовательским интерфейсом на основе интерактивной математической программы.
- Создана математическая модель для симуляции рабочего пространства и достижимых точек для эндо-эффектора.
Результаты и вызовы
Полевые испытания прототипа показали, что эндо-эффектор успешно срезает ветви диаметром до ½ дюйма (1,27 см) и может работать в широком диапазоне ориентаций в заданном пространстве.
Ведущий исследователь, аспирант Азлан Захид, выделил две основные проблемы:
- Работа в сложной среде: Роботизированная рука и
режущий блок должны работать в тесном пространстве среди случайно
ориентированных ветвей, достигая целевых, но избегая столкновений с
другими.
- Решение: Интегрированная конструкция робота с двумя вращательными и тремя линейными/призматическими сочленениями для повышения манёвренности и ориентации резака перпендикулярно ветвям.
- Планирование траектории: Разработка компактного механизма, способного ориентироваться практически под всеми возможными углами в рабочем пространстве и достигать любой ветви, несмотря на высокий риск столкновений.
Планы на будущее
Разработанный эндо-эффектор — ключевой компонент полностью автоматизированной системы обрезки, которую видит Лонг Хи. Следующим этапом может стать разработка компонента машинного зрения, возможно, уже в следующем году, самостоятельно или в сотрудничестве с другими институтами при условии получения финансирования.