私たちのロボットは、トカゲの舌がハエを捕まえるように、手を伸ばして綿を摘み取ることで綿を収穫します。

綿花は米国で栽培される最も価値のある作物の 1 つであり、収穫額は 年間約70億米ドル. 。17 州にまたがる三日月形の地域で栽培されています。 バージニアからカリフォルニアへ で使用されています ほぼすべての種類の衣類, 、医療用品や室内装飾品などの家庭用品にも使用されています。

綿花は、ボールと呼ばれる硬い繊維状のケースの中で成長します。植えてから約 100 日後、球が成熟して裂け、中に何千ものふわふわした白い繊維が現れます。それぞれの鉢には繊維が付着した種子が 20 ～ 40 個含まれているため、綿の植物の果実はシードコットンと呼ばれます。

一部の地域では今も行われているように、手作業で綿花を摘み取る 主要生産国, 、細かい作業です。作業者はボールに到達するためにかがむ必要があり、手を傷つける可能性があります。 植物の硬くて乾燥した部分. 。種綿を収穫するには、綿花を掴んでねじり、繊維を残さず種綿から分離する必要があります。

1930 年代から、米国の綿花農家は肉体労働から 大きくて重い収穫機. 。現在、業界はより効率的かつ正確になることが期待される新たな段階に入りつつあります。

私はエンジニアであり、 約20年の研究経験 農業機械の作業をしています。私の現在の焦点は農業ロボット工学とオートメーションです。博士課程の頃ミシシッピ州立大学のプログラムで一緒に働きました アレックス・トマソン, を率いるのは、 農業生物工学科 そして 農業自治研究所, 、を開発する ロボット綿収穫機 製品とそれが育つ土壌へのダメージが少ない綿花を摘み取ります。

なぜロボット工学を使用するのでしょうか?

綿花農家には、経済的、環境的、農業的理由から、より良い収穫方法が求められています。従来の機械式収穫機は、長さが最大 ​​14 フィート、重量が 30 トンを超える場合があります。植物にダメージを与えることなく綿花を効果的に除去しますが、問題を引き起こす可能性もあります。

問題の 1 つは、繊維に長時間さらされることです。綿球はすべて同時に成熟するわけではありません。畑で最初に開いた球が収穫されるまで、周囲のさらに多くの球が熟すまで最長 50 日間待つことがあります。

もう 1 つの課題は、収穫機械が土の上を転がりながら土を圧縮することです。そのため、植物の根まで水や肥料が浸透しにくくなります。また、機械の価格は 1 台あたり約 100 万ドルですが、使用されるのは年間わずか 2 ～ 3 か月です。

ロボット工学は、農家がすでに他の作物に使用している潜在的なソリューションです。 果物と野菜. 。収穫ロボットはカメラとセンサーを使用して作物が収穫できる時期を検出し、植物にダメージを与えることなく収穫を取り除くことができます。

綿の場合、ロボット工学により、収穫の準備ができた穂をよりターゲットを絞って摘み取ることができます。種綿を風雨にさらさず、玉が開いたらすぐに摘み取ることで、より高品質の綿花繊維を生産します。ロボットは綿の種をターゲットにし、植物の他の部分に触れることを避けます。

ロボットによる摘み取りで綿花農家は 枯葉剤を使用する必要はありません 収穫前に植物から葉を取り除くことですが、これは現在では一般的な方法です。また、小型で機敏なロボットは、土壌の上を移動するときに土壌を圧縮しないため、土壌の健康維持に役立ちます。

生物からインスピレーションを得た「ピッキングハンド」

私たちの仕事はデザインに重点を置いています ロボット綿収穫用のエンドエフェクター. 。エンドエフェクターは、ロボットが他のオブジェクトと対話できるようにするロボット ハンドです。私たちのものは、繊細で効率的な綿摘みのために設計された 3 本指バージョンです。自然からインスピレーションを得て、トカゲの狩猟能力を模倣しています。

各指は 3D プリントされた構造で、ピンが取り付けられた可動ベルトが含まれています。ピンは手で種綿を掴んで引き込むのに役立ちます。トカゲのように ねっとりとした舌で獲物を捕まえる, エンドエフェクターの3本の指が種綿に繊細にアプローチします。接触すると、昆虫がトカゲの舌にくっつくのと同じように、綿の繊維が機械の指にくっつきます。

次に、トカゲの舌のように、手が素早く引っ込みます。エンドエフェクターは種子綿を「飲み込み」、植物の外に移送するために働き続けます。収穫機が種綿を摘んで植物の外に移すとき、エンドエフェクターは綿棒の残りの種綿のある部分に何度も触れて、できるだけ多く摘み取ります。

効率的に綿を摘むために、ロボットは次の 3 つのことを実行する必要があります。収穫の準備ができた穂を検出し、それらが 3 次元空間内のどこに位置するかを正確に判断して、綿を摘み取ります。

このロボットは、綿花の開いた穂を認識するように訓練された深層学習アルゴリズムを使用しています。ステレオビジョン カメラを使用して 3D 空間座標を計算し、ロボット アームに転送します。制御アルゴリズムが各綿花を監視し、ロボットができるだけ多くの種綿を摘み取れるようにします。

テストと結果

これまでのところ、私たちはロボット綿収穫機を次の場所でテストしてきました。 研究室 そしてで 綿花畑. 。検出システムは熟した綿球の 78% を検出しました。位置特定システムは、検出されたボールの 70% の 3D 座標を計算しました。そして、摘み取りシステムはこれらの球根の 83% を収穫することに成功しました。全体として、ロボットは手の届く範囲にあった綿球の約 50% を摘み取りました。

当社の収穫機は 1 ボールあたり 8.8 秒の速度で綿花を摘み取りました。システムを最適化し、ロボットにアームを追加することで、この所要時間を 0.3 秒に短縮し、到達可能な綿花の少なくとも 90% を摘み取れるようにロボットの効率を高めることができれば、50 台のロボットのフリートで綿花を収穫できるようになります。機械収穫機と同じくらい迅速に収穫でき、同等の収量が得られます。

ロボットの全体的なパフォーマンスを向上させるために、より優れた人工知能アルゴリズムを採用し、システムのカメラを改良し、ロボット アームに別の動きを追加して (たとえば、エンドエフェクターを回転できるようにして)、器用さを向上させることを計画しています。

中国、インド、パキスタン、ウズベキスタンなどの主要な綿花生産国では、現在綿花が手で摘み取られることが多いため、当社のロボットには大きな可能性があると考えています。 女性と子供たちによって そして時々 虐待的な状況下で. 。低所得国の小規模農家がこの技術を利用できるようにする 1 つの方法は、必要なセンサーの数が少ない小型の半自律ロボットを作成することです。植物や土壌へのダメージを少なくしながら、より価値の高い綿花を生産できれば、この世界的な作物の栽培で生計を立てている何百万人もの人々の生活が改善される可能性があります。