Сельскохозяйственный робот
Сельскохозя́йственный ро́бот (англ. agricultural robot) — это робот, применяемый для сельскохозяйственных нужд. На сегодняшний день основное применение роботов в сельском хозяйстве связано с этапом сбора урожая. Перспективные направления использования роботов и дронов в отрасли включают борьба с сорняками[1][2][3], высев семян, уборку урожая, экологический мониторинг и агрохимический анализ почвы[4][5]. По данным Verified Market Research, мировой рынок сельскохозяйственных роботов к 2025 году может достичь 11,58 млрд долларов[6].
Общие сведения
Фруктовые роботы, беспилотные тракторы/опрыскиватели и роботы для стрижки овец разрабатываются для замены человеческого труда. В большинстве случаев перед началом выполнения задачи необходимо учитывать множество факторов (например, размер и цвет плода, который нужно собрать). Роботы также могут использоваться для других садовых задач, таких как обрезка, прополка, опрыскивание и прочее. Помимо физических задач, многие роботы оснащаются сенсорами для сбора данных, которые могут использоваться для мониторинга состояния растений, борьбы с вредителями и болезнями и других аспектов.
Роботы применяются и в животноводстве: автоматизированное доение, мытьё и кастрация животных. Такие системы способны повысить качество продукции, снизить производственные затраты и уменьшить потребность в ручном труде[7]. Кроме того, они автоматизируют задачи, которые могут быть опасны для работников — например, распыление гербицидов по крутым склонам с помощью тракторов.
Конструкции
В целом конструкция сельскохозяйственного робота включает исполнительный орган, манипулятор и захват. При проектировании манипулятора учитываются тип задачи, экономическая эффективность и необходимые движения. Однако конструкции аграрных роботов разнообразны в зависимости от их назначения: робот для внесения гербицидов будет во многом отличаться от доильного робота.
Исполнительный орган
Исполнительный орган — это устройство, расположенное на конце руки робота и применяемое для различных сельскохозяйственных операций. В Японии при работе с виноградом созданы эффективные, но пока не коммерциализированные исполнительные органы для сбора, прореживания, опрыскивания и упаковки ягод[8].
Каждый исполнительный орган проектируется под конкретную задачу и форму/размер плода. Для сбора урожая органы рассчитаны на захват, обрезку и перемещение гроздей винограда. Прореживание ягод проводится для повышения коммерческой ценности и улучшения формировки: используется конструкция из трёх частей, где верхняя состоит из двух пластин и резины для сдавливания и отделения грозди, средняя — с иглами для прокалывания, а нижняя — с режущим устройством для стандартизации длины грозди.
При опрыскивании исполнительный орган оснащён распылительной форсункой на манипуляторе для равномерного нанесения вещества. Для упаковки разработан механизм подачи пакетов и два механических «пальца»: пакет держится разжатым листовыми пружинами, затем пальцы отпускают пакет, и пружины его закрывают.
Захват
Захват — устройство для удерживания и сбора урожая, как правило, состоит из двух синхронно движущихся механических пальцев. Он проектируется исходя из простоты, стоимости и эффективности с учётом задачи: при уборке листовых культур захват может быть оснащён лезвием для срезания.
Манипулятор
Манипулятор позволяет исполнительным органам перемещаться в пространстве, содержит параллельные звенья для поддержания позиции захвата, а также один-два-три пневматических привода. Такое решение даёт высокое соотношение мощности к весу; наиболее экономичный вариант — один привод (с наименьшей гибкостью)[9].
Развитие
Разработка сельскохозяйственных роботов началась ещё в 1920-х, с исследований по автоматизации управления транспортом[10]. Это привело к появлению прототипов автономных сельскохозяйственных машин в 1950—1960-х годах[10], хотя им ещё требовалась кабельная система для навигации[10]. Современные подходы стали возможны лишь с 1980-х после внедрения вычислительной техники и машинного зрения[10].
В числе значимых разработок — роботы для сбора апельсинов во Франции и США.[10][11]
В то время как промышленные роботы давно используются в помещениях, полевые решения считаются более сложными из-за множества факторов окружающей среды и переменчивости условий[12]. Так, для робота-сборщика требуется защищённость оператора и высокая точность работы в непредсказуемой среде.
Спрос на рынке
Растёт обеспокоенность трудовыми ресурсами в сельском хозяйстве. Япония из-за старения населения не может покрыть спрос на работников[12], а США зависят от сезонных мигрантов — сокращение числа приезжих приводит к убыточному «загниванию» урожая, который не успевают собрать[12][13]. Дополнительной проблемой становится рост мирового населения[12][14]. Всё это стимулирует внедрение автоматизированной техники для повышения эффективности[12].
Современные применения и тенденции
.jpg)
Современные исследования фокусируются на создании автономных сельскохозяйственных машин на базе разработок систем помощи водителю и беспилотных автомобилей.[13]
Роботы уже применяются на фермах, однако до недавнего времени они были в основном ограничены отдельными операциями, особенно при сборе деликатных культур (например, земляники), где высока вероятность повреждения плодов[12][13]. Несмотря на это, прогресс идёт — например, один из разработанных компанией Harvest Croo Robotics роботов для сбора клубники способен полностью убрать поле площадью 25 акров за три дня, заменяя порядка 30 рабочих[13]. Аналогичные достижения отмечаются и для сбора яблок, винограда и других культур.[11][13][14] Существующие уже роботы пока уступают человеку по скорости: текущий рекорд сбора яблок — 1 плод за 5-10 секунд (у работника — 1 за секунду)[15].
Другая задача — сбор и анализ больших объёмов данных на фермах[14]. С помощью систем агроданных (например, AgriData) можно повысить урожайность и точнее определять сроки сбора урожая[14].
Применение
Борьба с сорняками / внесение гербицидов
- Лазерная прополка (например, LaserWeeder от Carbon Robotics)[16][17]
- Роботы точного земледелия, которые вносят минимальные дозы гербицидов и удобрений с одновременным картированием растений[17][18]
- Оснастка Blue River Technology для трекоров позволяет обрабатывать только необходимые растения, экономя до 90 % гербицидов[19][20]
- Lettuce Bot — робот для органической прополки и прореживания салата[21]
- IBEX — автономный робот-опрыскиватель для работы на сложном рельефе[22]
- ecoRobotix создала солнечный робот для прополки и точечного опрыскивания[23]
Сбор урожая
- Ведётся разработка роботов для уборки урожая[24]
- Vinobot и Vinoculer для высокопроизводительной фенотипизации растений[25][26][27]
- Burro — платформенный робот-носильщик и для слежения по маршруту, перспективно — для сбора урожая и фитопатологии[28]
- Harvest Automation — компания, основанная бывшими сотрудниками iRobot для роботизации теплиц[29]
- Small Robot Company — набор «малых» сельскохозяйственных роботов, каждый из которых специализируется на своей задаче и управляется ИИ-системой[30]
Посев / посадка
Универсальные и прочие
- ROS Agriculture — открытое программное обеспечение для сельскохозяйственных роботов на основе Robot Operating System[34]
- FarmBot — открытая система для ЧПУ-земледелия[35][36]
- VAE, разрабатываемая аргентинским стартапом ag-tech, универсальная платформа — от прецизионного опрыскивания до обработки скота[37]
- ACFR RIPPA — для точечного опрыскивания[3]
- ACFR SwagBot — для мониторинга скота
- ACFR Digital Farmhand — для опрыскивания, прополки и посева[38]
- Thorvald — автономный многоцелевой робот от Saga Robotics[39]
- Fieldrobot Event — конкурс мобильных сельскохозяйственных роботов[40]
- Засев облаков с помощью дронов[41]