Автоматизация преобразила многие сегменты аграрного сектора. Однако в садоводстве до сих пор используется большой объем ручного труда. Например, обрезка яблонь составляет около 20% от общих производственных затрат перед уборкой урожая. Для проведения этой процедуры на один акр требуется от 30 до 35 рабочих часов квалифицированной рабочей силы.
«Необходимо найти потенциальное решение этой проблемы», - говорит Азлан Захид, аспирант Пенсильванского государственного университета.
Исследователь Азлан Захид и его коллеги из Пенсильванского университета разработали первый роботизированный механизм для полностью автоматизированной, компьютеризированной системы обрезки в яблоневых садах.
На сегодняшний день концепция интеграции такой роботизированной системы на основе декартовых и вращательных шарниров показала многообещающие результаты при преодолении сложных условий обрезки.
«Ветви растут в разных направлениях, что создает большие трудности при обрезке для робота», - говорит Азлан Захид.
Вторая проблема связана с пространственными требованиями системы маневрирования. Из-за сложной древовидной архитектуры в кроне дерева очень мало свободного места, в котором робот действительно может свободно двигаться и выполнять нужное действие.
Захид и его команда (доктор медицинских наук Султан Махмуд, Лонг Хе, Дана Чой, Пол Хайнеманн и Джеймс Шупп) задались целью разработать манипулятор для обрезки, который бы «различал» препятствия.
Механизм состоит из двух частей: концевого эффектора на запястье - резака, который может двигаться в нескольких направлениях; и трехнаправленного линейного манипулятора, предназначенного для размещения концевого эффектора и перемещения его к ветвям.
Ученые измерили силу среза ветвей с помощью датчика, прикрепленного к ручным секаторам. Затем деталь была разработана с использованием трех роторных двигателей и пары секаторов с режущими лезвиями, приводимых в действие электрическим двигателем с зубчатым приводом (постоянного тока).
Для управления маневрированием конечного секатора и управления манипулятором они разработали встроенную микроконтроллерную систему с пользовательским интерфейсом, использующую интерактивную математическую программу, которая позволяет визуализировать вычисления.
Также была разработана математическая модель для моделирования использования рабочего пространства, кинематической ловкости и достижимых точек для конечного эффектора.
При разработке робота ученым пришлось реконструировать яблоню с использованием трехмерных (3D) данных путем сегментации ствола дерева и основных ветвей. Несколько компьютерных алгоритмов просчитывают варианты передвижения механизма и находят оптимальный.
Исследователи оценили производительность прототипа во время полевых исследований в исследовательском Центре в Пенсильвании. Роботу доверили провести обрезку ветвей на 10 деревьях. На обрезку одной ветви в среднем уходило от 12 до 13 секунд. Роботизированный секатор успешно срезал ветви диаметром примерно до 25 миллиметров. Тестирование показало, что ученые рассчитали верные алгоритмы, согласно которым робот передвигался.
Однако на этом ученые не собирают останавливаться и добавят еще несколько алгоритмов, чтобы робот –секатор двигался еще точнее.
