Исследования в FREC (Научно-исследовательском центре по фруктам)
Исследователи из Университета штата Пенсильвания, Лихуа Цзэн, приглашенный ученый, и Аслан Захид, кандидат на докторскую степень, сначала измерили силу среза ветвей с помощью датчика, прикрепленного к ручным секаторам, чтобы получить информацию для разработки исполнительного механизма. Источник: Исследовательская группа Long He, Университет штата Пенсильвания. Все права защищены.
Исследование важно, потому что обрезка яблонь составляет около 20% от общих затрат на производство до сбора урожая, и индустрия плодовых деревьев борется с растущими затратами на рабочую силу и ограниченным пулом рабочей силы. Автоматизированная или механическая обрезка могла бы в значительной степени решить эти проблемы, по словам исследователя Лонг Хе, доцента кафедры сельскохозяйственной и биологической инженерии Колледжа сельскохозяйственных наук.
В Соединенных Штатах индустрия плодовых деревьев вносит четверть, или 18 миллиардов долларов, от общего объема производства специализированных культур, и яблоки являются одними из самых ценных. Обрезка является необходимой агротехникой, которая влияет на качество плодов, количество и эффективность борьбы с вредителями, и она по-прежнему в значительной степени зависит от ручного труда, отметил Хе. Для ручной обрезки яблонь требуется от 30 до 50 рабочих часов квалифицированного труда на акр (12-20 часов на 0,4 га).
«Робототехника и технологии автоматизации в настоящее время широко используются в сельском хозяйстве, в то время как производственные операции по выращиванию плодовых культур по-прежнему зависят от ручного труда», — сказал Хе. «Одной из главных причин является то, что роботизированная обрезка связана с несколькими проблемами из-за неструктурированной рабочей среды».
Действующий прототип
В исследовании, проведенном в Научно-исследовательском и расширенческом центре по фруктам Университета штата Пенсильвания в округе Адамс, штат Пенсильвания, исследователи сначала измерили силу среза ветвей с помощью датчика, прикрепленного к ручным секаторам, чтобы получить информацию для разработки исполнительного механизма. Он был разработан с использованием двух роторных двигателей, пневматического цилиндра и пары ножниц-секаторов. Был построен трехнаправленный линейный манипулятор для размещения исполнительного механизма и перемещения его в целевые места обрезки.
Чтобы направлять маневрирование исполнительного механизма и управление манипулятором, они разработали встроенную систему микроконтроллера с пользовательским интерфейсом, используя интерактивную математическую программу, которая позволяет визуализировать вычисления. Была разработана математическая модель для моделирования использования рабочего пространства и достижимых точек для исполнительного механизма.
Исследователи провели полевые испытания для оценки производительности прототип
а. В результатах, недавно опубликованных в Transactions of the ASABE, они сообщили, что исполнительный механизм успешно срезал ветви диаметром до 1,27 см. Результаты полевых испытаний также показали, что предложенный исполнительный механизм для обрезки может срезать ветви в широком диапазоне возможных ориентаций в заданном пространстве.
По словам ведущего исследователя, докторанта Азлана Захида, было две основные проблемы при создании механической системы, которая преуспела бы в сложной сельскохозяйственной среде. Во-первых, роботизированная рука и режущая установка должны были быть способны работать в стесненных условиях, потому что у яблонь много ветвей и их ориентация случайна. Режущий механизм должен достигать целевых ветвей для обрезки, избегая при этом переплетения других ветвей.
В рамках инновационного шага исследователи включили интегрированную конструкцию робота для обрезки с двумя вращательными шарнирами и тремя линейными/призматическими шарнирами, чтобы достичь этой механической ловкости. Цель состояла в том, чтобы уменьшить пространственные требования для маневрирования в нужное положение и выровнять резак перпендикулярно ветвям.
Механизм исполнительного механизма
Вторая проблема заключалась в «планировании траектории», пояснил Захид. «Нам нужно было разработать компактную руку и режущий механизм, которые могли бы ориентироваться почти под всеми возможными углами в рабочем пространстве», — сказал он. «И мы должны добраться до любой ветки, несмотря на очень высокую вероятность столкновения с другими ветками».
Роботизированный исполнительный механизм, разработанный в рамках этого исследования, является основным компонентом полностью автоматизированной системы обрезки плодовых деревьев, задуманной Хе.
«Мы хотели бы сотрудничать с некоторыми другими учреждениями в отношении компонента машинного зрения, но на данный момент план состоит в том, чтобы разработать нашу собственную систему здесь, в Университете штата Пенсильвания — возможно, начиная со следующего года с компонента машинного зрения», — сказал он. «Я хотел бы посмотреть, сможем ли мы разработать его самостоятельно».
Хе добавил, что возможности для сотрудничества могут зависеть от того, смогут ли исследователи получить финансирование от федерального правительства или заинтересованных групп.
В исследованиях в Университете штата Пенсильвания также участвовали Даэун Чой, доцент кафедры сельскохозяйственной и биологической инженерии; Джеймс Шупп, профессор растениеводства; Пол Хайнеманн, профессор и заведующий кафедрой сельскохозяйственной и биологической инженерии; и Лихуа Цзэн, приглашенный ученый кафедры сельскохозяйственной и биологической инженерии из Хэбэйского сельскохозяйственного университета, Китай.
Это исследование было поддержано Национальным институтом продовольствия и сельского хозяйства Министерства сельского хозяйства США, Северо-Восточным устойчивым сельскохозяйственным исследованием и образованием и программой Stoy G. и Della E. Sunday Колледжа сельскохозяйственных наук Университета штата Пенсильвания.
По теме: Интенсивный яблоневый сад — руководство.
