우리 로봇은 마치 도마뱀의 혀가 파리를 낚아채듯이 손을 뻗어 목화를 뽑아 목화를 수확합니다.

목화는 미국에서 재배되는 가장 가치 있는 작물 중 하나이며, 수확량은 연간 약 70억 달러.17개 주에 걸쳐 펼쳐진 초승달 모양의 지역에서 재배됩니다. 버지니아에서 캘리포니아까지 그리고 다음에서 사용됩니다. 거의 모든 종류의 의류, 의료 용품 및 실내 장식품과 같은 가정 용품에도 사용됩니다.

목화는 뼈라고 불리는 단단하고 섬유질의 케이스 안에서 자랍니다.심은 지 약 100일이 지나면 나무껍질이 성숙하여 갈라지면서 내부에 수천 개의 푹신한 흰색 섬유가 드러납니다.각 껍질에는 섬유질이 부착된 씨앗 20~40개가 들어 있습니다. 이것이 목화 식물의 열매를 종자 면화라고 부르는 이유입니다.

일부 지역에서는 아직도 목화를 수동으로 따고 있습니다. 주요 생산국, 세심한 작업입니다.작업자는 볼을 잡으려면 몸을 구부려야 하며, 볼에 손이 다칠 수 있습니다. 식물의 단단하고 건조한 부분.종자 목화를 수확하려면 섬유질을 남기지 않고 목화를 잡고 비틀어 뭉치에서 분리해야 합니다.

1930년대부터 미국의 목화 농부들은육체노동에서 노동으로 바뀌었다 크고 무거운 수확기.이제 업계는 더욱 효율적이고 정밀해질 수 있는 새로운 단계로 진입하고 있습니다.

나는 엔지니어이고 약 20년의 연구 경험 농업 기계에서 일하고 있습니다.현재 제가 집중하고 있는 분야는 농업 로봇공학과 자동화입니다.박사 과정 중.미시시피 주립대학교 프로그램에서 저는 알렉스 토마슨, 누가 이끈다 농업생물공학과 그리고 농업자치연구소, 개발하기 위해 로봇식 목화 수확기 제품과 그것이 자라는 토양에 손상이 적은 목화를 따는 것입니다.

왜 로봇공학을 사용하는가?

목화 농부들은 더 나은 수확 옵션을 원하는 경제적, 환경적, 농업적 이유를 가지고 있습니다.전통적인 기계식 수확기는 길이가 최대 14피트이고 무게가 30톤 이상입니다.식물을 손상시키지 않고 목화를 효과적으로 제거하지만 문제를 일으킬 수도 있습니다.

한 가지 문제는 장기간의 섬유 노출입니다.솜뭉치는 모두 동시에 성숙되지 않습니다.들판에 있는 첫 번째 열린 나무껍질은 주위에 있는 더 많은 나무껍질이 익을 때까지 수확되기까지 최대 50일을 기다릴 수 있습니다.

또 다른 과제는 수확 기계가 흙을 굴릴 때 흙을 압축한다는 것입니다.이로 인해 물과 비료가 식물 뿌리까지 침투하는 것이 더 어려워집니다.그리고 기계의 가격은 대당 약 100만 달러에 달하지만 매년 2~3개월만 사용됩니다.

로봇 공학은 농부들이 이미 다음과 같은 다른 작물에 사용하고 있는 잠재적인 솔루션입니다. 과일과 야채.수확 로봇은 카메라와 센서를 사용하여 작물을 수확할 준비가 되었는지 감지하고 식물을 손상시키지 않고 수확할 수 있습니다.

면화의 경우, 로봇 공학은 수확 준비가 된 목화목을 보다 정확하게 선별할 수 있는 기능을 제공합니다.날씨에 노출되지 않고 목화솜이 열리자마자 종자면을 따서 더 좋은 품질의 목화섬유를 생산합니다.로봇은 면화 종자를 목표로 삼고 식물의 다른 부분을 만지지 않습니다.

로봇 수확을 통해 목화 재배 농민 고엽제를 사용할 필요가 없습니다 수확하기 전에 식물에서 잎을 제거하는 것은 현재 일반적인 관행입니다.그리고 작고 민첩한 로봇은 토양 위를 이동할 때 토양을 압축하지 않으므로 토양 건강을 유지하는 데 도움이 됩니다.

생체 영감을 받은 '손 따기'

우리의 업무는 디자인에 중점을 두고 있습니다. 로봇 면화 수확을 위한 엔드 이펙터.엔드 이펙터는 로봇이 다른 물체와 상호 작용할 수 있게 해주는 로봇 손입니다.우리 제품은 섬세하고 효율적인 목화 따기를 위해 설계된 세 손가락 버전입니다.자연에서 영감을 받아 도마뱀의 사냥 능력을 본뜬 제품입니다.

각 손가락은 핀이 부착된 움직이는 벨트를 포함하는 3D 프린팅 구조입니다.핀은 손으로 종자면을 잡고 잡아당기는 데 도움이 됩니다.도마뱀처럼 끈적끈적한 혀로 먹이를 잡아먹는다, 우리 엔드 이펙터의 세 손가락이 종자면에 섬세하게 접근합니다.곤충이 도마뱀의 혀에 달라붙는 것처럼 면 섬유는 접촉 시 기계의 손가락에 달라붙습니다.

다음으로, 도마뱀의 혀처럼 손이 빠르게 수축됩니다.엔드 이펙터는 종자 면화를 "삼켜서" 식물 밖으로 옮기는 작업을 계속합니다.수확기가 종자 면화를 골라 식물 밖으로 옮길 때 엔드 이펙터는 남은 종자 면이 있는 면화 덩어리의 일부를 여러 번 접촉하여 최대한 많이 수확합니다.

목화를 효율적으로 수확하기 위해 로봇은 세 가지 작업을 수행해야 합니다.수확할 준비가 된 목화를 감지하고, 3차원 공간에서 목화의 위치를 ​​정확히 파악하고 목화를 수확합니다.

로봇은 목화 식물의 열려진 열매를 인식하도록 훈련한 딥러닝 알고리즘을 사용합니다.스테레오비전 카메라를 사용하여 3D 공간 좌표를 계산하고 이를 로봇 팔로 전송합니다.제어 알고리즘은 각 면화를 모니터링하여 로봇이 가능한 한 많은 면화를 수확하도록 합니다.

테스트 및 결과

지금까지 우리는 로봇식 목화 수확기를 테스트했습니다. 실험실 그리고 목화밭.탐지 시스템은 잘 익은 솜뭉치의 78%를 발견했습니다.위치 파악 시스템은 감지된 볼의 70%에 대해 3D 좌표를 계산했습니다.피킹 시스템은 이러한 나무껍질의 83%를 성공적으로 수확했습니다.전체적으로 로봇은 손이 닿는 곳에 있는 솜뭉치 중 약 50%를 집었습니다.

우리 수확기는 목화 한 송이당 8.8초의 속도로 목화를 수확했습니다.이 필요한 시간을 0.3초로 줄이고 로봇의 효율성을 높여 도달할 수 있는 솜의 90% 이상을 수확할 수 있다면 시스템을 최적화하고 로봇에 더 많은 팔을 추가함으로써 50대의 로봇이 목화를 수확할 수 있습니다. 기계 수확기만큼 빠르게 농사를 짓고 비슷한 수확량을 얻을 수 있습니다.

로봇의 전반적인 성능을 향상시키기 위해 우리는 더 나은 인공 지능 알고리즘을 채택하고 시스템의 카메라를 개선하며 로봇 팔에 다른 수준의 움직임을 추가할 계획입니다. 예를 들어 엔드 이펙터가 회전할 수 있게 하여 민첩성을 높일 수 있습니다.

우리는 현재 목화를 손으로 수확하는 중국, 인도, 파키스탄, 우즈베키스탄 등 주요 목화 생산 국가에서 우리 로봇의 큰 잠재력을 보고 있습니다. 여성과 어린이에 의해 그리고 때로는 학대적인 조건에서.저소득 국가의 소규모 농부들이 이 기술을 사용할 수 있도록 하는 한 가지 방법은 더 적은 수의 센서가 필요한 더 작은 반자동 로봇을 만드는 것입니다.식물과 토양에 대한 피해를 줄이면서 고부가가치 면화를 생산하면 이 세계 작물을 재배하여 생계를 유지하는 수백만 명의 삶을 개선할 수 있습니다.