農業機器人

 

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農業機器人是用於農業目的的機器人。如今，機器人在農業中的主要應用領域是收穫階段。機器人或無人機在農業中的新興應用包括雜草控制、[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]雲播種、[ 4 ]播種、收割、環境監測和土壤分析。[ 5 ] [ 6 ]根據 Verified Market Research 的數據，到 2025 年，農業機器人市場預計將達到 115.8億美元。

一般的

水果採摘機器人、無人駕駛拖拉機/噴霧機、剪羊毛機器人等都是為了取代人類勞動力而設計的。在大多數情況下，在開始任務之前必須考慮許多因素（例如，要採摘的水果的大小和顏色）。機器人還可用於其他園藝任務，如修剪、除草、噴灑和監控。機器人還可用於畜牧業應用（畜牧機器人），例如自動擠奶、清洗和閹割。像這樣的機器人對農業有許多好處，包括更高的新鮮農產品品質、更低的生產成本以及減少對體力勞動的需求。[ 8 ]它們還可以用於自動化手動任務，例如除草或蕨菜噴灑，其中使用拖拉機和其他人力車輛對操作員來說太危險了。[需要引用]

設計

機械設計由末端執行器、機械手和夾具組成。在機械手的設計中必須考慮幾個因素，包括任務、經濟效率和所需的運動。末端執行器影響水果的市場價值，夾具的設計是基於正在收穫的作物。 [需要引用]

末端執行器

農業機器人中的末端執行器是位於機械手臂末端的裝置，用於各種農業作業。已經開發了幾種不同類型的末端執行器。在日本涉及葡萄的農業作業中，末端執行器用於收割、疏果、噴灑和裝袋。每個都是根據任務的性質以及目標水果的形狀和大小而設計的。例如，用於收割的末端執行器被設計用於抓取、切割和推動葡萄串。[需要引用]

疏果是對葡萄進行的另一項操作，用於提高葡萄的市場價值、增加葡萄的大小並促進串珠過程。對於漿果疏伐，末端執行器由上、中、下部分組成。上部有兩塊板和一塊可以打開和關閉的橡膠。兩塊板壓緊葡萄，切斷葡萄軸枝，提取葡萄串。中間部分包含一塊針板、一個壓縮彈簧和另一塊表面有孔的板。當兩個板壓縮時，針會在葡萄上打孔。其次，下部有一個切割裝置，可以切割束以使其長度標準化。

對於噴塗，末端執行器由連接到機械手的噴嘴組成。在實踐中，生產商希望確保化學液體均勻分佈在整個堆中。因此，該設計使噴嘴以恆定速度移動，同時與目標保持距離，從而實現化學物質的均勻分佈。

葡萄生產的最後一步是套袋過程。裝袋末端執行器設計有一個送袋器和兩個機械手指。在裝袋過程中，供袋機由狹縫組成，以上下運動的方式將袋子連續供給到手指上。當袋子被送到手指時，位於袋子上端的兩個板簧將袋子保持打開。這些袋子是用來裝成串的葡萄的。裝袋過程完成後，手指打開並釋放袋子。這會關閉板簧，從而密封袋子並防止其再次打開。[ 9 ]

夾爪

夾具是用於收穫目標作物的抓取裝置。夾具的設計是基於簡單、低成本和高效。因此，該設計通常由兩個機械手指組成，它們在執行任務時能夠同步移動。設計的細節取決於正在執行的任務。例如，在需要切割植物進行收穫的過程中，夾具配備了鋒利的刀片。

機械手

操縱器允許夾具和末端執行器在其環境中導航。機械手由四桿平行連桿組成，可保持夾具的位置和高度。操縱器還可以利用一個、兩個或三個氣動致動器。氣動 執行器是透過將壓縮空氣轉化為能量來產生線性和旋轉運動的馬達。氣動執行器因其高功率重量比而成為農業機器人最有效的執行器。機械手最具成本效益的設計是單執行器配置，但這是最不靈活的選擇。[ 10 ]

發展

農業機器人技術的首次發展可以追溯到 1920 年代，將自動車輛引導納入農業的研究已初具規模。[ 11 ]這項研究推動了 1950 年代至 1960 年代自動農用車輛的進步。[ 11 ]然而，這個概念並不完美，車輛仍然需要電纜系統來引導其路徑。[ 11 ]隨著其他領域的技術也開始發展，農業機器人也不斷發展。直到 20 世紀 80 年代，隨著電腦的發展，機器視覺引導才成為可能。[ 11 ]

多年來的其他發展包括在法國和美國使用機器人收割橘子。[ 11 ] [ 12 ]

雖然機器人已被納入室內工業環境數十年，但用於農業的室外機器人被認為更加複雜且難以開發。[需要引用]這是由於對安全性的擔憂，也是由於採摘作物受不同環境因素和不可預測性影響的複雜性。[ 13 ]

市場需求

人們對農業部門所需的勞動力數量感到擔憂。隨著人口老化，日本無法滿足農業勞動市場的需求。[ 13 ]同樣，美國目前依賴大量移民工人，但由於季節性農場工人的減少和政府加強阻止移民的力度，他們也無法滿足需求。[ 13 ] [ 14 ]由於無法在季節結束前將農作物全部採摘，企業常常被迫讓農作物腐爛。[ 13 ]此外，人們也擔心未來幾年需要養活的人口不斷增長。[ 13 ] [ 15 ]正因為如此，人們迫切希望改進農業機械，使其更具成本效益並且能夠持續使用。[ 13 ]

無人拖拉機“Uralets-224”

目前大部分的研究仍在致力於自動農用車輛。這項研究是基於駕駛員輔助系統和自動駕駛汽車的進步。[ 14 ]

雖然機器人已經被納入農業工作的許多領域，但在各種農作物的收割中仍然很大程度上缺乏它們。隨著公司開始開發能夠在農場完成更具體任務的機器人，這種情況已經開始改變。對機器人收割作物的最大擔憂來自於收割草莓等軟作物，這些作物很容易被損壞或完全錯過。[ 13 ] [ 14 ]儘管有這些擔憂，該領域仍在取得進展。 Harvest Croo Robotics 聯合創始人加里·維什納茨基(Gary Wishnatzki) 表示，他們目前正在佛羅裡達州測試的一款草莓採摘機可以「在短短三天內採摘一塊25 英畝的田地，並取代大約30 名農場工人」。[ 14 ]蘋果、葡萄和其他作物的收穫也取得了類似的進展。[ 12 ] [ 14 ] [ 15 ]就蘋果採摘機器人而言，目前的發展速度太慢，不具備商業可行性。現代機器人能夠以每五到十秒一個的速度收割蘋果，而人類的平均收割速度為每秒一個。[ 16 ]

農業公司設定的另一個目標涉及資料收集。[ 15 ]人們越來越擔心人口的成長和養活人口的勞動力的減少。[ 13 ] [ 15 ]正在開發資料收集作為提高農場生產力的一種方法。[ 15 ] AgriData 目前正在開發新技術來做到這一點，並幫助農民透過掃描果樹更好地確定收穫作物的最佳時間。[ 15 ]

應用領域

機器人在農業上有很多應用領域。機器人的一些例子和原型包括 Merlin 機器人擠奶機、Rosphere、[需要澄清] 收穫自動化、[需要澄清] Orange Harvester、生菜機器人、[需要澄清] [ 17 ]和除草機。

英國皇家農業學會執行長大衛加德納表示，如果機器人能夠完成重複性的複雜任務，並且允許機器人坐在一個地方，那麼機器人就可以完成這項複雜的任務。此外，從事重複性任務（例如擠奶）的機器人按照一致且特定的標準履行其職責。[ 18 ] [需要更好的來源]

  • 在農業中大規模使用機器人的一個案例[需要進一步解釋]是擠奶機器人。由於其效率高且不需要移動，它在英國乳牛場中很普遍。[需要引用]
  • 另一個應用領域是園藝。Harvest Automation Inc.開發的 RV100 是一種園藝應用。 RV100 在處理和整理盆栽植物的功能包括間隔功能、收集和整理。使用 RV100 執行此任務的好處包括高貼裝精度、自主的室外和室內功能以及降低的生產成本。[ 19 ]

許多應用的好處可能包括生態系統/環境效益以及降低勞動力成本[ 20 ]（這可能轉化為降低食品成本），[ 21 ]這對於勞動力短缺地區的糧食生產可能特別重要[ 21] ] （見上文）或勞動力相對昂貴的地方。好處還包括自動化的一般優勢，例如在生產力/可用性方面[ 21 ]以及增加人力資源用於其他任務的可用性或例如使工作更具吸引力。

範例和進一步應用

參見

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耶 穌 對 他 說 ： 你 要 盡 心 、 盡 性 、 盡 意 愛 主 ─ 你 的 神 。

—— Matthew 22:37 —— 馬 太 福 音 22:37

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