农业机器人

农业机器人(Agricultural robot)是用于农业目的的机器人。当今农业机器人的主要应用领域正处于收获阶段。机器人或无人机在农业中的新兴应用包括杂草控制,云播种,种植种子,收获,环境监测和土壤分析。

一般
水果采摘机器人,无人驾驶拖拉机/喷雾器和剪羊毛机器人旨在取代人工。在大多数情况下,在任务开始之前必须考虑许多因素(例如,待采摘的水果的大小和颜色)。机器人可用于其他园艺任务,如修剪,除草,喷洒和监测。机器人还可用于牲畜应用(牲畜机器人),如自动挤奶,洗涤和阉割。像这样的机器人对农业产业有很多好处,包括更高质量的新鲜农产品,更低的生产成本和减少的体力劳动需求。它们还可用于自动执行手动任务,例如杂草或蕨菜喷洒,其中拖拉机和其他有人驾驶车辆的使用对操作员来说太危险。

设计
机械设计包括末端执行器,操纵器和夹具。在机械手的设计中必须考虑几个因素,包括任务,经济效率和所需的运动。末端执行器影响水果的市场价值,抓手的设计基于正在收获的作物。

末端效应器
农业机器人中的末端执行器是在机器人臂的末端处发现的装置,用于各种农业操作。已经开发了几种不同类型的末端执行器。在日本涉及葡萄的农业操作中,末端执行器用于收获,浆果稀释,喷洒和装袋。每个都是根据任务的性质和目标水果的形状和大小设计的。例如,用于收割的末端执行器设计用于抓取,切割和推动葡萄串。

浆果变薄是对葡萄进行​​的另一项操作,用于提高葡萄的市场价值,增加葡萄的大小,并促进聚束过程。对于浆果变薄,末端执行器由上部,中部和下部组成。上部有两个板和一个可以打开和关闭的橡胶。两块板压缩葡萄以切断轴枝并提取一串葡萄。中间部分包含一盘针,一个压缩弹簧和另一个在其表面上有孔的板。当两个板压缩时,针穿过葡萄打孔。接下来,下部具有切割装置,该切割装置可切割束以使其长度标准化。

对于喷涂,末端执行器包括连接到操纵器的喷嘴。在实践中,生产者希望确保化学液体均匀地分布在束中。因此,该设计允许通过使喷嘴以恒定速度移动同时保持与目标的距离来均匀分布化学品。

葡萄生产的最后一步是装袋过程。装袋末端执行器设计有袋式送料器和两个机械指状物。在装袋过程中,袋式送料器由狭缝组成,所述狭缝以上下运动的方式连续地向手指供应袋子。当袋子被送到手指时,位于袋子上端的两个片簧使袋子保持打开。生产的袋子包含葡萄串。一旦装袋过程完成,手指打开并释放袋子。这会关闭片簧,密封袋并防止其再次打开。


镊子是用于收获目标作物的抓取装置。夹具的设计基于简单,低成本和高效率。因此,该设计通常由两个机械手指组成,这些手指在执行任务时能够同步运动。技术特征取决于分配的任务。例如,当程序是为了收割而切割植物部分时,夹持装置配备有切割刀片。

机械臂
操纵臂是一种机械装置,允许夹具和效应器在其环境中导航。它由带有四个杆的平行杆组成,可保持握把的位置和高度。操纵器还可以使用一个,两个或三个气动致动器。致动器轮胎是马达,其产生线性或旋转运动,将压缩空气转换成能量。气动执行器因其高功率重量比而对农业机器人最有效。对于机械手臂而言,在成本方面最有效的设计是单个执行器配置,尽管该选项灵活性最低。


夹具是用于收割目标农作物的抓取装置。夹具的设计基于简单,低成本和有效性。因此,该设计通常由两个机械手指组成,这些手指在执行任务时能够同步移动。设计的细节取决于正在执行的任务。例如,在需要切割植物以进行收割的过程中,夹具配备有锋利的刀片。

机械手
操纵器允许夹具和末端执行器在其环境中导航。操纵器由四杆平行连杆组成,可保持夹具的位置和高度。操纵器还可以使用一个,两个或三个气动致动器。气动执行器是通过将压缩空气转换成能量来产生线性和旋转运动的马达。气动执行器因其高功率重量比而成为农业机器人最有效的执行器。机械手最具成本效益的设计是单一执行器配置,但这是最不灵活的选择。

发展
早在20世纪20年代,农业机器人技术的第一次发展可以追溯到日期,研究将自动车辆引导纳入农业开始形成。这项研究促成了20世纪50年代至60年代自主农用车辆的进步。然而,这个概念并不完美,车辆仍然需要一个电缆系统来指导他们的路径。随着其他部门的技术也开始发展,农业机器人继续发展。直到20世纪80年代,随着计算机的发展,机器视觉指导才成为可能。

多年来的其他发展包括在法国和美国使用机器人收获橙子。

虽然机器人已经被纳入室内工业环境数十年,但是用于农业的户外机器人被认为更复杂且难以开发。这是由于对安全性的担忧,也是由于受到不同环境因素和不可预测性的挑选作物的复杂性。

市场需求
人们担心农业部门需要的劳动力数量。随着人口老龄化,日本无法满足农业劳动力市场的需求。同样,美国目前依赖大量移民工人,但在季节性农场工人减少和政府停止移民的努力增加之间,他们也无法满足需求。由于无法在季节结束前全部收拾作物,企业往往被迫让作物腐烂。此外,人们担心未来几年需要饲养的人口不断增长。因此,人们非常希望改进农业机械,使其更具成本效益和可持续使用。

目前的应用和趋势
目前的许多研究仍在继续致力于自动农用车辆。该研究基于驾驶辅助系统和自动驾驶汽车的进步。

虽然机器人已经被纳入农业农场的许多领域,但在各种作物的收获中,它们仍然很大程度上缺失。随着公司开始开发在农场完成更具体任务的机器人,这种情况开始发生变化。机器人收割庄稼的最大担忧来自收获草莓等软质作物,这些作物很容易被损坏或完全遗漏。尽管存在这些问题,但正在取得这方面的进展。根据Harvest Croo Robotics的联合创始人Gary Wishnatzki的说法,目前在佛罗里达州进行测试的其中一个草莓采摘者可以“在短短三天内选择一个25英亩的土地并替换大约30名农场工人”。在收获苹果,葡萄和其他作物方面也取得了类似的进展。

农业公司设定的另一个目标是收集数据。人们越来越关注人口的增长以及养活人口的劳动力减少。正在开发数据收集,以提高农场的生产力。 AgriData目前正在开发新技术来帮助农民更好地确定通过扫描果树来收获作物的最佳时间。

应用
机器人在农业中有许多应用领域。机器人的一些示例和原型包括Merlin Robot Milker,Rosphere,Harvest Automation,Orange Harvester,莴苣机器人和除草机。一个在农业中大规模使用机器人的案例是牛奶机器人。它在英国奶牛场中很普遍,因为它的效率和不需要移动。根据David Gardner(英国皇家农业协会的首席执行官)的说法,机器人可以完成一项复杂的任务,如果它重复并允许机器人坐在一个地方。此外,处理重复性任务(例如挤奶)的机器人履行其一致和特定标准的角色。

大规模使用农业机器人的情况是挤奶机器人。这些在英国奶牛场非常普遍,因为它们的有效性和缺乏旅行要求。根据David Gardner(英国皇家农业协会常务董事)的说法,机器人可以完成一项复杂的任务,如果它是重复的,机器人可以保持不动。此外,处理重复性任务(如挤奶)的机器人可以很好的规律性和任务特定的适应性发挥作用。

另一个应用领域是园艺。园艺应用是由Harvest Automation Inc.开发的RV 100。该机器人设计用于在温室或室外园艺操作中运输盆栽植物。 RV 100在处理和组织盆栽设备中的功能还包括间隔,收集和整合能力。使用RV 100完成此任务的优点包括罐的放置精度,内外操作的自主性以及降低生产成本。

另一个应用领域是园艺。一个园艺应用是Harvest Automation公司开发的RV100.RV 100设计用于在温室或室外环境中运输盆栽植物。 RV100在处理和组织盆栽工厂中的功能包括间隔能力,收集和整合。使用RV100完成此任务的好处包括高放置精度,自主室外和室内功能,以及降低的生产成本。

例子
Vinobot和Vinoculer
LSU的AgBot
Harvest Automation是一家由前iRobot员工创建的公司,致力于开发温室机器人
从机器人收获和Agrobot的草莓采摘机器人。
Casmobot下一代坡道割草机
Fieldrobot Event是一项移动农业机器人竞赛
HortiBot – 植物护理机器人,
生菜机器人 – 有机杂草消除和生菜稀释
水稻种植机器人由日本国家农业研究中心开发
IBEX自主喷雾机器人适用于极端地形,正在开发中
FarmBot,开源CNC农业
由阿根廷农业科技创业公司开发的VAE旨在成为多种农业应用的通用平台,从精确喷洒到牲畜处理。
ACFR RIPPA:用于点喷涂
ACFR SwagBot;用于牲畜监测
ACFR数字农场:用于喷洒,除草和播种