Unser Roboter erntet Baumwolle, indem er sie ausstreckt und pflückt, wie die Zunge einer Eidechse Fliegen schnappt

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Baumwolle ist eine der wertvollsten in den USA angebauten Nutzpflanzen mit einem Erntewert von etwa 7 Milliarden US-Dollar pro Jahr. Es wird über einen Halbmond von 17 Bundesstaaten angebaut von Virginia bis Kalifornien und wird verwendet in praktisch jede Art von Kleidungsowie in medizinischen Bedarfsartikeln und Haushaltswaren wie Polstermöbeln.

Baumwolle wächst in einer harten, faserigen Hülle, die als Samenkapsel bezeichnet wird. Ungefähr 100 Tage nach dem Pflanzen reifen die Samenkapseln heran und platzen auf, wodurch im Inneren Tausende von flauschigen weißen Fasern zum Vorschein kommen. Jede Kapsel enthält 20 bis 40 Samen mit daran befestigten Fasern, weshalb die Frucht der Baumwollpflanze Samenbaumwolle genannt wird.

Baumwolle manuell pflücken, wie es in manchen Ländern immer noch geschieht wichtigsten Produktionsländer, ist eine akribische Aufgabe. Die Arbeiter müssen sich bücken, um an die Samenkapseln zu gelangen, und können sich dabei die Hände verletzen harte, trockene Pflanzenteile. Um die Baumwollsamen zu ernten, müssen sie sie greifen und drehen, um sie von der Samenkapsel zu trennen, ohne dass Fasern zurückbleiben.

Ab den 1930er Jahren stellten Baumwollbauern in den USA von Handarbeit auf die Arbeit um große, schwere Erntemaschinen. Jetzt tritt die Branche in eine neue Phase ein, die effizienter und präziser zu werden verspricht.

Ich bin Ingenieur und habe fast 20 Jahre Forschungserfahrung Arbeiten an landwirtschaftlichen Maschinen. Mein aktueller Schwerpunkt liegt auf Agrarrobotik und Automatisierung. Während meines Ph.D. Programm an der Mississippi State University, mit dem ich zusammengearbeitet habe Alex Thomassonder das leitet Abteilung für Agrar- und Biotechnik und das Institut für Agrarautonomieum eine zu entwickeln Roboter-Baumwollerntemaschine die Baumwolle pflückt, ohne das Produkt und den Boden, auf dem sie wächst, zu beschädigen.

Hussein Gharakhani, Ingenieurprofessor an der Mississippi State University, mit einem Prototyp einer Roboter-Baumwollerntemaschine.
Hussein Gharakhani, CC BY-ND

Warum Robotik nutzen?

Baumwollbauern wünschen sich aus wirtschaftlichen, ökologischen und landwirtschaftlichen Gründen eine bessere Ernteoption. Herkömmliche mechanische Erntemaschinen können bis zu 14 Fuß lang sein und mehr als 30 Tonnen wiegen. Sie entfernen Baumwolle effektiv, ohne die Pflanzen zu beschädigen, können aber auch Probleme verursachen.

Ein Problem ist die längere Exposition gegenüber Ballaststoffen. Baumwollkapseln reifen nicht alle gleichzeitig; Die ersten offenen Samenkapseln auf einem Feld können bis zu 50 Tage auf die Ernte warten, bis weitere Samenkapseln um sie herum reifen.

Eine weitere Herausforderung besteht darin, dass Erntemaschinen den Boden beim Überrollen verdichten. Dadurch wird es für Wasser und Dünger schwieriger, bis zu den Pflanzenwurzeln vorzudringen. Und die Maschinen kosten etwa 1 Million US-Dollar pro Stück, werden aber jedes Jahr nur zwei bis drei Monate lang genutzt.

Robotik ist eine mögliche Lösung, die Landwirte bereits für andere Kulturpflanzen nutzen, z Früchte und Gemüse. Ernteroboter erkennen mithilfe von Kameras und Sensoren, wann Pflanzen zum Pflücken bereit sind, und können sie entfernen, ohne die Pflanze zu beschädigen.

Bei Baumwolle ermöglicht die Robotik ein gezielteres Pflücken der erntereifen Samenkapseln. Es produziert Baumwollfasern von besserer Qualität, indem Samenbaumwolle gepflückt wird, sobald sich die Samenkapseln öffnen, ohne dass sie der Witterung ausgesetzt wird. Der Roboter zielt gezielt auf die Samenbaumwolle und vermeidet es, andere Teile der Pflanze zu berühren.

Mit Roboterpflückung, Baumwollbauern Sie müssen keine Entlaubungsmittel verwenden Vor der Ernte Blätter von den Pflanzen zu entfernen, was mittlerweile gängige Praxis ist. Und kleine, flinke Roboter verdichten den Boden nicht, wenn sie sich darüber bewegen, und tragen so zur Erhaltung der Bodengesundheit bei.

Eine große grüne Maschine fährt durch ein Baumwollfeld, während ein Mann auf einer Aussichtsplattform fährt.  Der Mähdrescher ist mehr als doppelt so groß wie der Mann.

Eine mechanische Erntemaschine pflückt Baumwolle in Alabama im Jahr 2017.
Katie Nichols/Alabama Extension/Flickr

Eine bioinspirierte „Pflückhand“

Der Schwerpunkt unserer Arbeit liegt auf der Gestaltung ein Endeffektor für die robotergestützte Baumwollernte. Ein Endeffektor ist eine Roboterhand, die es dem Roboter ermöglicht, mit anderen Objekten zu interagieren. Bei uns handelt es sich um eine Drei-Finger-Version, die für eine schonende und effiziente Baumwollernte konzipiert ist. Es ist von der Natur inspiriert und ahmt die Jagdfähigkeiten einer Eidechse nach.

Jeder Finger ist eine 3D-gedruckte Struktur, die einen beweglichen Riemen mit daran befestigten Stiften enthält. Die Stifte helfen der Hand, die Samenbaumwolle zu greifen und einzuziehen. Wie eine Eidechse mit seiner klebrigen Zunge Beute schnappen, die drei Finger unseres Endeffektors nähern sich vorsichtig der Samenbaumwolle. Bei Kontakt bleiben die Baumwollfasern an den Fingern der Maschine kleben, ähnlich wie ein Insekt an der Zunge einer Eidechse.

Als nächstes zieht sich die Hand schnell zurück, wie die Zunge der Eidechse. Der Endeffektor arbeitet weiter daran, die Samenbaumwolle zu „schlucken“ und sie aus der Pflanze zu transportieren. Während die Erntemaschine die Samenbaumwolle pflückt und aus der Pflanze befördert, berührt der Endeffektor mehrmals Teile der Baumwollkapsel mit der verbleibenden Samenbaumwolle, um so viel wie möglich zu pflücken.

Ein Ernteroboter pflückt bei einem Feldversuch Baumwolle.

Um Baumwolle effizient zu pflücken, muss unser Roboter drei Dinge tun: erntereife Samenkapseln erkennen, genau bestimmen, wo sie sich im dreidimensionalen Raum befinden, und die Baumwolle pflücken.

Der Roboter nutzt einen von uns trainierten Deep-Learning-Algorithmus, um offene Samenkapseln an Baumwollpflanzen zu erkennen. Mithilfe einer Stereovisionskamera berechnet es deren 3D-Raumkoordinaten und überträgt diese an den Roboterarm. Ein Steueralgorithmus überwacht jede Baumwollkapsel, um sicherzustellen, dass der Roboter so viele Baumwollsamen wie möglich pflückt.

Tests und Ergebnisse

Bisher haben wir den Baumwollernteroboter in getestet Das Labor und in Baumwollfelder. Das Erkennungssystem fand 78 % der reifen Baumwollkapseln; Das Lokalisierungssystem berechnete 3D-Koordinaten für 70 % der erkannten Samenkapseln. und das Pflücksystem hat 83 % dieser Kapseln erfolgreich geerntet. Insgesamt pflückte der Roboter etwa 50 % der Wattestäbchen, die in seiner Reichweite waren.

Unsere Erntemaschine pflückte Baumwolle mit einer Geschwindigkeit von 8,8 Sekunden pro Samenkapsel. Wenn wir diese erforderliche Zeit auf 0,3 Sekunden verkürzen und die Effizienz des Roboters steigern können, um mindestens 90 % der Baumwollkapseln zu pflücken, die er erreichen kann, könnte eine Flotte von 50 Robotern durch Optimierung des Systems und den Einbau weiterer Arme an einem Roboter Baumwolle ernten So schnell wie eine mechanische Erntemaschine das Feld bearbeiten, bei vergleichbarem Ertrag.

Um die Gesamtleistung des Roboters zu verbessern, planen wir, bessere Algorithmen der künstlichen Intelligenz einzuführen, die Kamera unseres Systems zu verbessern und dem Roboterarm einen weiteren Grad an Bewegung zu verleihen – zum Beispiel, um dem Endeffektor eine Drehung zu ermöglichen –, um seine Geschicklichkeit zu erhöhen.

Eine Frau mit Sonnenblende und einem Stoffbeutel um die Taille beugt sich über Pflanzen auf einem Baumwollfeld.

Eine Frau pflückt Baumwolle auf einer Plantage in Birlik, Usbekistan.
Vyacheslav Oseledko/AFP über Getty Images

Wir sehen großes Potenzial für unseren Roboter in großen Baumwolle produzierenden Ländern wie China, Indien, Pakistan und Usbekistan, wo Baumwolle derzeit häufig von Hand gepflückt wird von Frauen und Kindern und manchmal unter missbräuchlichen Bedingungen. Eine Möglichkeit, diese Technologie Kleinbauern in Ländern mit niedrigem Einkommen zugänglich zu machen, wäre die Herstellung kleinerer, halbautonomer Roboter, die weniger Sensoren benötigen würden. Der Anbau hochwertigerer Baumwolle mit weniger Schäden an Pflanzen und Böden könnte das Leben von Millionen von Menschen verbessern, die ihren Lebensunterhalt mit dem Anbau dieser weltweiten Kulturpflanze verdienen.



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