Наш робот собирает хлопок, протягивая руку и срывая его, как язык ящерицы хватает мух.

Хлопок — одна из самых ценных культур, выращиваемых в США, урожайность которого составляет около 7 миллиардов долларов США в год.Его выращивают на территории полумесяца из 17 штатов, простирающихся от Вирджинии до Калифорнии и используется в практически любой вид одежды, а также в медицинских товарах и товарах для дома, таких как обивка.

Хлопок растет внутри твердой волокнистой оболочки, называемой коробочкой.Примерно через 100 дней после посадки коробочки созревают и раскрываются, обнажая внутри тысячи пушистых белых волокон.Каждая коробочка содержит от 20 до 40 семян с прикрепленными к ним волокнами, поэтому плоды хлопчатника называют семенным хлопком.

Сбор хлопка вручную, как это до сих пор делается в некоторых основные страны-производители, это кропотливая работа.Рабочим приходится наклоняться, чтобы достать коробочки, и они могут поранить руки. твердые, сухие части растений.Чтобы собрать семенной хлопок, им приходится схватить и скрутить его, чтобы отделить от коробочки, не оставляя после себя волокон.

Начиная с 1930-х годов, фермеры, выращивающие хлопок в США.перешел от ручного труда к большие, тяжелые комбайны.Сейчас отрасль выходит на новый этап, который обещает быть более эффективным и точным.

Я инженер и имею около 20 лет исследовательского опыта работаю на сельскохозяйственной технике.Сейчас я занимаюсь сельскохозяйственной робототехникой и автоматизацией.Во время моей докторской степени.программе в Университете штата Миссисипи, я работал с Алекс Томассон, который возглавляет кафедра сельскохозяйственной и биологической инженерии и Институт сельскохозяйственной автономии, разработать роботизированный хлопкоуборочный комбайн который собирает хлопок с меньшим ущербом для продукта и почвы, на которой он растет.

Зачем использовать робототехнику?

У фермеров, выращивающих хлопок, есть экономические, экологические и сельскохозяйственные причины желать иметь лучший вариант для сбора урожая.Традиционные механические комбайны могут иметь длину до 14 футов и весить более 30 тонн.Они эффективно удаляют хлопок, не повреждая растения, но также могут вызвать проблемы.

Одной из проблем является длительное воздействие волокон.Не все коробочки хлопка созревают одновременно;первые открытые коробочки в поле могут ждать сбора до 50 дней, пока вокруг них не созреют новые коробочки.

Еще одна проблема заключается в том, что уборочные машины уплотняют почву, когда перекатываются по ней.Это затрудняет проникновение воды и удобрений к корням растений.И машины стоят примерно 1 миллион долларов США за штуку, но используются только два-три месяца в году.

Робототехника — потенциальное решение, которое фермеры уже используют для выращивания других культур, таких как фрукты и овощи.Роботы-уборщики используют камеры и датчики, чтобы определить, когда урожай готов к сбору, и могут удалить его, не повреждая растение.

Что касается хлопка, то робототехника предлагает более целенаправленный сбор коробочек, готовых к сбору.Он производит хлопковое волокно более высокого качества, собирая семенной хлопок, как только коробочки раскроются, не оставляя его подверженным воздействию погоды.Робот нацелен на семена хлопка и избегает прикосновения к другим частям растения.

Благодаря роботизированному сбору хлопка фермеры не нужно использовать дефолианты удалять листья с растений перед сбором урожая, что сейчас является обычной практикой.А маленькие, маневренные роботы не сжимают почву при движении по ней, поэтому они помогают поддерживать здоровье почвы.

Биологическая «рука для сбора»

Наша работа направлена ​​на проектирование рабочий орган для роботизированной уборки хлопка.Конечный эффектор — это роботизированная рука, которая позволяет роботу взаимодействовать с другими объектами.Наша версия с тремя пальцами предназначена для деликатного и эффективного сбора хлопка.Он черпает вдохновение из природы, имитируя охотничье мастерство ящерицы.

Каждый палец представляет собой напечатанную на 3D-принтере конструкцию, содержащую движущийся ремень с прикрепленными к нему штифтами.Булавки помогают руке захватывать и втягивать семена хлопка.Как ящерица хватая добычу липким языком, три пальца нашего исполнительного органа деликатно приближаются к семенному хлопку.При контакте хлопковые волокна прилипают к пальцам машины, как насекомое прилипает к языку ящерицы.

Затем рука быстро втягивается, как язык ящерицы.Конечный эффектор продолжает работать, «проглатывая» семенной хлопок, вынося его из растения.Когда комбайн собирает и выгружает семенной хлопок из растения, рабочий орган несколько раз касается частей коробочки хлопка с оставшимся семенным хлопком, чтобы собрать как можно больше хлопка.

Чтобы эффективно собирать хлопок, наш робот должен сделать три вещи:обнаруживайте коробочки, готовые к сбору, определяйте, где именно они расположены в трехмерном пространстве, и собирайте хлопок.

Робот использует алгоритм глубокого обучения, который мы обучили распознавать открытые коробочки на растениях хлопка.Он использует камеру стереовидения для расчета трехмерных пространственных координат, которые передает в роботизированную руку.Алгоритм управления контролирует каждую коробочку хлопка, чтобы гарантировать, что робот собирает как можно больше семенного хлопка.

Тестирование и результаты

На данный момент мы протестировали роботизированный хлопкоуборочный комбайн в лаборатория и в хлопковые поля.Система обнаружения обнаружила 78% спелых коробочек хлопка;система локализации рассчитала 3D-координаты для 70% обнаруженных коробочек;и система сбора успешно собрала 83% этих коробочек.В целом робот собрал около 50% коробочек хлопка, которые были в пределах его досягаемости.

Наш комбайн собирал хлопок со скоростью 8,8 секунды на коробочку.Если мы сможем сократить это необходимое время до 0,3 секунды и повысить эффективность робота, чтобы собирать по крайней мере 90% коробочек хлопка, которые он может достать, за счет оптимизации системы и добавления большего количества рук к роботу, парк из 50 роботов сможет собирать хлопок. поле так же быстро, как механический комбайн, с сопоставимой урожайностью.

Чтобы улучшить общую производительность робота, мы планируем внедрить более совершенные алгоритмы искусственного интеллекта, улучшить камеру нашей системы и добавить роботизированной руке еще один уровень движения – например, позволив вращаться конечному исполнительному устройству – чтобы повысить его ловкость.

Мы видим большой потенциал для нашего робота в основных странах-производителях хлопка, таких как Китай, Индия, Пакистан и Узбекистан, где хлопок в настоящее время собирают вручную, часто женщинами и детьми и иногда в жестоких условиях.Одним из способов сделать эту технологию доступной для мелких фермеров в странах с низкими доходами является создание меньших по размеру полуавтономных роботов, которым потребуется меньше датчиков.Производство более ценного хлопка с меньшим ущербом для растений и почвы могло бы улучшить жизнь миллионов людей, которые зарабатывают себе на жизнь выращиванием этой глобальной культуры.