Сельскохозяйственный робот — это робот , используемый для сельскохозяйственных целей. Основная область применения роботов в сельском хозяйстве сегодня — это сбор урожая . Новые области применения роботов или дронов в сельском хозяйстве включают борьбу с сорняками , [1] [2] [3] засев облаков , [4] посадку семян, сбор урожая, мониторинг окружающей среды и анализ почвы. [5] [6] Согласно Verified Market Research, ожидается, что рынок сельскохозяйственных роботов достигнет 11,58 млрд долларов к 2025 году. [7]
Общий
Роботы для сбора фруктов , беспилотные тракторы /опрыскиватели и роботы для стрижки овец предназначены для замены человеческого труда . В большинстве случаев необходимо учитывать множество факторов (например, размер и цвет собираемых фруктов) перед началом выполнения задачи. Роботов можно использовать для других садоводческих задач, таких как обрезка , прополка , опрыскивание и мониторинг. Роботов также можно использовать в животноводческих приложениях (роботизация животноводства), таких как автоматическое доение , мойка и кастрация. Такие роботы имеют много преимуществ для сельскохозяйственной отрасли, включая более высокое качество свежих продуктов, более низкие производственные затраты и снижение потребности в ручном труде. [8] Их также можно использовать для автоматизации ручных задач, таких как опрыскивание сорняков или папоротника, где использование тракторов и других управляемых человеком транспортных средств слишком опасно для операторов. [ требуется цитата ]
Дизайны
Механическая конструкция состоит из конечного эффектора, манипулятора и захвата. При проектировании манипулятора необходимо учитывать несколько факторов , включая задачу, экономическую эффективность и требуемые движения. Конечный эффектор влияет на рыночную стоимость фруктов, а конструкция захвата основана на урожае , который собирается. [ необходима цитата ]
Конечный эффектор
Конечный эффектор в сельскохозяйственном роботе — это устройство, находящееся на конце роботизированной руки , используемое для различных сельскохозяйственных операций. Было разработано несколько различных видов конечных эффекторов. В сельскохозяйственной операции, связанной с виноградом в Японии , конечные эффекторы используются для сбора урожая, прореживания ягод, опрыскивания и упаковки в мешки. Каждый из них был разработан в соответствии с характером задачи, а также формой и размером целевого плода. Например, конечные эффекторы, используемые для сбора урожая, были разработаны для захвата, разрезания и толкания гроздей винограда. [ необходима цитата ]
Прореживание ягод — это еще одна операция, выполняемая на винограде, и используется для повышения рыночной стоимости винограда, увеличения размера винограда и облегчения процесса группировки. Для прореживания ягод рабочий орган состоит из верхней, средней и нижней частей. Верхняя часть имеет две пластины и резину, которая может открываться и закрываться. Две пластины сжимают виноград, чтобы отрезать ветви рахиса и извлечь гроздь винограда. Средняя часть содержит пластину игл, пружину сжатия и еще одну пластину, которая имеет отверстия, распределенные по ее поверхности. Когда две пластины сжимаются, иглы прокалывают отверстия в винограде. Затем нижняя часть имеет режущее устройство, которое может разрезать гроздь, чтобы стандартизировать ее длину.
Для распыления конечный эффектор состоит из распылительной насадки, которая прикреплена к манипулятору. На практике производители хотят обеспечить равномерное распределение химической жидкости по пучку. Таким образом, конструкция позволяет равномерно распределять химикат, заставляя насадку двигаться с постоянной скоростью, сохраняя при этом расстояние от цели.
Последний этап в производстве винограда — процесс упаковки в мешки. Конечный исполнительный механизм для упаковки в мешки разработан с устройством подачи мешков и двумя механическими пальцами. В процессе упаковки в мешки устройство подачи мешков состоит из щелей, которые непрерывно подают мешки к пальцам в движении вверх и вниз. Пока мешок подается к пальцам, две пластинчатые пружины, которые расположены на верхнем конце мешка, удерживают мешок открытым. Мешки производятся для того, чтобы содержать виноград в гроздьях. После завершения процесса упаковки в мешки пальцы открываются и освобождают мешок. Это закрывает пластинчатые пружины, которые запечатывают мешок и не дают ему снова открыться. [9]
Захват
Захват — это захватывающее устройство, которое используется для сбора целевого урожая. Конструкция захвата основана на простоте, низкой стоимости и эффективности. Таким образом, конструкция обычно состоит из двух механических пальцев, которые способны двигаться синхронно при выполнении своей задачи. Особенности конструкции зависят от выполняемой задачи. Например, в процедуре, которая требовала срезания растений для сбора урожая, захват был оснащен острым лезвием.
Манипулятор
Манипулятор позволяет захвату и конечному эффектору перемещаться по окружающей среде. Манипулятор состоит из четырех параллельных звеньев, которые поддерживают положение и высоту захвата. Манипулятор также может использовать один, два или три пневматических привода . Пневматические приводы — это двигатели , которые производят линейное и вращательное движение, преобразуя сжатый воздух в энергию . Пневматический привод является наиболее эффективным приводом для сельскохозяйственных роботов из-за его высокого соотношения мощности и веса. Наиболее экономически эффективной конструкцией для манипулятора является конфигурация с одним приводом, однако это наименее гибкий вариант. [10]
Разработка
Первое развитие робототехники в сельском хозяйстве можно датировать еще 1920-ми годами, когда начали формироваться исследования по внедрению автоматического управления транспортными средствами в сельское хозяйство. [11] Это исследование привело к достижениям между 1950-ми и 60-ми годами в области автономных сельскохозяйственных транспортных средств. [11] Однако концепция была неидеальной, поскольку транспортным средствам по-прежнему требовалась кабельная система для управления своим путем. [11] Роботы в сельском хозяйстве продолжали развиваться по мере того, как начали развиваться технологии в других секторах. Только в 1980-х годах, после разработки компьютера, стало возможным управление с помощью машинного зрения . [11]
Другие разработки за эти годы включали сбор апельсинов с использованием робота как во Франции, так и в США. [11] [12]
В то время как роботы уже десятилетиями используются в промышленных помещениях, наружные роботы для использования в сельском хозяйстве считаются более сложными и трудными в разработке. [ необходима ссылка ] Это связано с проблемами безопасности, а также со сложностью сбора урожая, подверженного различным факторам окружающей среды и непредсказуемости. [13]
Спрос на рынке
Существуют опасения по поводу количества рабочей силы, необходимой сельскохозяйственному сектору. В связи со старением населения Япония не в состоянии удовлетворить спрос на сельскохозяйственном рынке труда. [13] Аналогичным образом, Соединенные Штаты в настоящее время зависят от большого количества рабочих-иммигрантов, но из-за сокращения числа сезонных сельскохозяйственных рабочих и усиления усилий правительства по прекращению иммиграции они также не в состоянии удовлетворить спрос. [13] [14] Предприятия часто вынуждены оставлять урожай гнить из-за невозможности собрать его весь к концу сезона. [13] Кроме того, существуют опасения по поводу растущего населения, которое нужно будет кормить в течение следующих лет. [13] [15] Из-за этого существует большое желание улучшить сельскохозяйственную технику, чтобы сделать ее более экономически эффективной и жизнеспособной для дальнейшего использования. [13]
Текущие приложения и тенденции
Большая часть текущих исследований продолжает работать над созданием автономных сельскохозяйственных транспортных средств. Это исследование основано на достижениях в области систем помощи водителю и беспилотных автомобилей . [14]
Хотя роботы уже были включены во многие области сельскохозяйственных работ на ферме, они все еще в значительной степени отсутствуют при сборе урожая различных культур. Это начало меняться, поскольку компании начали разрабатывать роботов, которые выполняют более конкретные задачи на ферме. Наибольшее беспокойство по поводу роботов, собирающих урожай, возникает при сборе мягких культур, таких как клубника, которые можно легко повредить или полностью пропустить. [13] [14] Несмотря на эти опасения, прогресс в этой области достигается. По словам Гэри Вишнацки, соучредителя Harvest Croo Robotics, один из их сборщиков клубники, который в настоящее время проходит испытания во Флориде, может «собрать поле площадью 25 акров всего за три дня и заменить команду из примерно 30 сельскохозяйственных рабочих». [14] Похожий прогресс достигается в сборе урожая яблок, винограда и других культур. [12] [14] [15] В случае роботов для сбора яблок текущие разработки были слишком медленными, чтобы быть коммерчески жизнеспособными. Современные роботы способны собирать урожай яблок со скоростью одно яблоко каждые пять-десять секунд, в то время как среднестатистический человек собирает урожай со скоростью одно яблоко в секунду. [16]
Другая цель, которую ставят перед собой сельскохозяйственные компании, включает сбор данных . [15] Растет обеспокоенность по поводу роста населения и сокращения рабочей силы, необходимой для его пропитания. [13] [15] Сбор данных разрабатывается как способ повышения производительности на фермах. [15] В настоящее время AgriData разрабатывает новую технологию, которая поможет фермерам лучше определять лучшее время для сбора урожая путем сканирования фруктовых деревьев. [15]
По словам Дэвида Гарднера, исполнительного директора Королевского сельскохозяйственного общества Англии, робот может выполнить сложную задачу, если она повторяющаяся и роботу разрешено сидеть на одном месте. Более того, роботы, которые выполняют повторяющиеся задачи (например, доение), выполняют свою роль в соответствии с постоянным и определенным стандартом. [18] [ требуется лучший источник ]
Одним из случаев [ необходимо дополнительное объяснение ] масштабного использования роботов в сельском хозяйстве является молочный бот. Он широко распространен среди британских молочных ферм из-за своей эффективности и отсутствия необходимости в перемещении. [ необходима цитата ]
Другая область применения — садоводство . Одним из направлений садоводства является разработка RV100 компанией Harvest Automation Inc. RV 100 предназначен для транспортировки горшечных растений в теплице или на открытом воздухе. Функции RV100 при обработке и организации горшечных растений включают возможности расстановки, сбора и консолидации. Преимущества использования RV100 для этой задачи включают высокую точность размещения, автономную функцию на открытом воздухе и в помещении, а также снижение производственных затрат . [19]
Преимущества многих приложений могут включать экосистемные/экологические преимущества и снижение затрат на рабочую силу [20] (что может привести к снижению затрат на продукты питания), [21] что может иметь особое значение для производства продуктов питания в регионах , где наблюдается нехватка рабочей силы [21] (см. выше) или где рабочая сила относительно дорогая. Преимущества также включают общие преимущества автоматизации , такие как производительность/доступность [21] и повышение доступности человеческих ресурсов для других задач или, например, делая работу более увлекательной.
Роботы-сборщики находятся в стадии разработки [21]
Винобот и Винокулер [24] [25] [26]
AgBot LSU [27] [28]
Ослик, робот-носитель и робот, следующий по пути, с потенциалом расширения для сбора урожая и фитопатологии [29]
Harvest Automation — компания, основанная бывшими сотрудниками iRobot для разработки роботов для теплиц [30]
Root AI создал робота для сбора помидоров для использования в теплицах [31] [32]
Робот для сбора клубники от Robotic Harvesting [33] и Agrobot [34]
Компания Small Robot Company разработала ряд небольших сельскохозяйственных роботов, каждый из которых был сосредоточен на определенной задаче (прополка, опрыскивание, сверление лунок и т. д.) и управлялся системой искусственного интеллекта [35]
Азеленая культура [36]
ecoRobotix создал робота для прополки и опрыскивания, работающего на солнечной энергии [37]
Компания Blue River Technology разработала сельскохозяйственное орудие для трактора, которое опрыскивает только те растения, которые требуют опрыскивания, что позволяет сократить использование гербицидов на 90% [38] [39]
Casmobot следующее поколение косилка для склонов [40]
Fieldrobot Event — соревнование по мобильной сельскохозяйственной робототехнике [41]
HortiBot — робот для ухода за растениями [42]
Lettuce Bot - органическое уничтожение сорняков и прореживание салата [43]
Робот для посадки риса, разработанный Японским национальным сельскохозяйственным исследовательским центром [44]
ROS Agriculture — программное обеспечение с открытым исходным кодом для сельскохозяйственных роботов, использующее операционную систему робота [45]
Автономный робот-опрыскиватель IBEX для экстремальных условий местности, в стадии разработки [46]
FarmBot , [47] Открытый исходный код CNC Farming [48]
VAE, разрабатываемый аргентинским стартапом в сфере агротехнологий, стремится стать универсальной платформой для различных сельскохозяйственных применений: от точного опрыскивания до содержания скота. [49]
ACFR RIPPA: для точечного распыления [3]
ACFR SwagBot; для мониторинга скота
ACFR Digital Farmhand: для опрыскивания, прополки и посева [50]
^ Казинс, Дэвид (24 февраля 2016 г.). «Самоходный робот-распылитель Ibex помогает фермерам безопасно преодолевать холмы». Farmers Weekly . Получено 22.03.2016 .
^ Акерман, Эван (12 ноября 2015 г.). «Гигантский робот Bosch может уничтожать сорняки». IEEE .
^ ab "Our Robots". ACFR Confluence . Архивировано из оригинала 2020-05-09 . Получено 2016-08-09 .
↑ Крафт, Эндрю (1 марта 2017 г.). «Вызвать дождь: дроны могут стать будущим засева облаков». Fox News . Получено 24 мая 2017 г.
^ Андерсон, Крис. «Как дроны пришли на вашу местную ферму». MIT Technology Review. Архивировано из оригинала 7 марта 2017 г. Получено 24 мая 2017 г.
^ Мазур, Михал (20 июля 2016 г.). «Шесть способов, которыми дроны революционизируют сельское хозяйство». MIT Technology Review . Получено 24 мая 2017 г.
^ Размер мирового рынка сельскохозяйственных роботов по типу (беспилотные тракторы, автоматизированные уборочные машины и другие), по применению (полевое земледелие, управление молочным хозяйством, фермерство в закрытых помещениях и другие), по географическому охвату и прогнозу (отчет). Проверенное исследование рынка. Сентябрь 2018 г. 3426.
^ Белтон, Падрейг (25.11.2016). «Будет ли в будущем сельское хозяйство полностью автоматизировано?». BBC News . Получено 28.11.2016 .
^ Монта, М.; Кондо, Н.; Шибано, И. (21–27 мая 1995 г.). «Сельскохозяйственный робот в системе производства винограда». Труды Международной конференции IEEE по робототехнике и автоматизации 1995 г. IEEE Международная конференция по робототехнике и автоматизации. Том 3. Нагоя: Институт инженеров по электротехнике и электронике. стр. 2504–2509. doi :10.1109/ROBOT.1995.525635. ISBN0-7803-1965-6.
^ Фолья, ММ; Рейна, Г. (2006). «Сельскохозяйственный робот для сбора радиккио» (PDF) . Журнал полевой робототехники . 23 (6–7): 363–377. дои : 10.1002/роб.20131. S2CID 31369744.
^ abcde Ягуби, С.; Акбарзаде, Н.А.; Базаргани, С.С.; Базаргани, С.С.; Бамизан, М.; Асл, М.И. (2013). «Автономные роботы для сельскохозяйственных задач и фермерских заданий и будущие тенденции в области агророботов». Международный журнал по машиностроению и мехатронике . 13 (3): 1–6. CiteSeerX 10.1.1.418.3615 .
^ ab Harrell, Roy (1987). «Экономический анализ роботизированной уборки цитрусовых во Флориде». Transactions of the ASAE . 30 (2): 298–304. doi :10.13031/2013.31943.
^ abcdefgh Дорфман, Джейсон (12 декабря 2009 г.). "Области автоматизации". The Economist . Получено 29.05.2018 .
^ abcde Дэниелс, Джефф (2018-03-08). «От клубники до яблок: волна сельскохозяйственной робототехники может облегчить нехватку рабочей силы на ферме». CNBC . Получено 29-05-2018 .
^ abcdef Саймон, Мэтт (31 мая 2017 г.). «Роботы с водяными ножами — будущее сельского хозяйства». Wired . Получено 29.05.2018 .
^ Bogue, Robert (01.01.2016). «Роботы готовы произвести революцию в сельском хозяйстве». Industrial Robot . 43 (5): 450–456. doi :10.1108/IR-05-2016-0142. ISSN 0143-991X.
^ Харви, Фиона (9 января 2014 г.). «Роботы-фермеры — будущее сельского хозяйства, заявляет правительство». The Guardian . Получено 30 октября 2014 г.
^ Дженкинс, Дэвид (23 сентября 2013 г.). «Сельскохозяйственный шок: как роботы-фермеры захватят наши поля». Metro . Получено 30 октября 2014 г.
^ ab Papadopoulos, Loukia (21 октября 2022 г.). «Этот новый сельскохозяйственный робот использует лазеры для уничтожения 200 000 сорняков в час». interestingengineering.com . Получено 17 ноября 2022 г. .
^ abcd Пакетт, Даниэль. «Фермеры против роботов: будут ли завтра сборщики фруктов сделаны из стали и технологий?». Washington Post . Получено 5 декабря 2022 г.
^ ab "Verdant Robotics запускает многофункционального сельскохозяйственного робота для "сверхчеловеческого фермерства"". Новости робототехники и автоматизации . 23 февраля 2022 г. Получено 17 ноября 2022 г.
^ "Small Robot Company Tom, Dick, and Harry farm robots: The 200 Best Inventions of 2022". Time . Получено 17 ноября 2022 г. .
^ Шафиекхани, Али; Кадам, Сухас; Фричи, Феликс Б.; ДеСоуза, Гильерме Н. (2017-01-23). "Vinobot и Vinoculer: две роботизированные платформы для высокопроизводительного полевого фенотипирования". Датчики . 17 (1): 214. Bibcode : 2017Senso..17..214S . doi : 10.3390/s17010214 . PMC 5298785. PMID 28124976.
^ Ледфорд, Хайди (2017-01-26). «Биологи растений приветствуют своих повелителей-роботов». Nature . 541 (7638): 445–446. Bibcode :2017Natur.541..445L. doi : 10.1038/541445a . PMID 28128274.
^ Университет Миссури-Колумбия (28 марта 2017 г.). «Борьба с голодом в мире: робототехника помогает в изучении кукурузы и устойчивости к засухе». Phys.org . Получено 26.11.2017 .
^ "AgBot Multi-Function Robot Is Powered by the Sun". pcmag.com . Архивировано из оригинала 31 марта 2012 года . Получено 2 апреля 2018 года .
^ Пикепай, Роланд (25 ноября 2008 г.). «Полностью настраиваемый домашний робот». ZDNet . Архивировано из оригинала 27 сентября 2010 г. Получено 2 апреля 2018 г.
^ "ROS Agriculture". Экосистема для расширения возможностей фермеров с помощью роботизированных инструментов .
^ "Сельскохозяйственный робот начинает испытания в Великобритании". The Engineer . 22 февраля 2016 г. Получено 22 марта 2016 г.
^ "FarmBot - Open-Source CNC Farming". farmbot.io . Получено 2 апреля 2018 г. .
^ Олевиц, Хлоя (28 июля 2016 г.). «Сельскохозяйственный робот FarmBot DIY обещает возвестить о будущем сельского хозяйства». Digital Trends . Получено 2 апреля 2018 г.
^ "Презентация сельскохозяйственного транспортного средства, которое роботизирует агроприменение" . Ла Насьон (на испанском языке). 2017. Архивировано из оригинала 12 июня 2018 года . Проверено 7 июня 2018 г.
^ «Сельскохозяйственные роботы в Сиднейском университете». Sydney.edu.au . 2016.
^ «Где биология растений встречается с передовыми технологиями — Торвальд — Saga Robotics». sagarobotics.com . Получено 6 сентября 2019 г. .
Внешние ссылки
Медиа, связанные с сельскохозяйственными роботами на Wikimedia Commons
Найдите значение слова «агримация» в Викисловаре, бесплатном словаре.