Design, Entwicklung und Anwendung einer kompakten Roboter-Pflanzmaschine mit automatischem Sämlingspflückermechanismus für Plug

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 1883 (2023) Diesen Artikel zitieren

1186 Zugriffe

6 Altmetrisch

Details zu den Metriken

Um einen effizienten und zeitnahen Betrieb zu gewährleisten, ist eine Automatisierung landwirtschaftlicher Vorgänge wie der Setzlingsverpflanzung erforderlich. Die Robotik ist der Bereich, auf den sich die Zukunft der automatischen Setzlingspflanzmaschine konzentrieren muss. In diesem Artikel werden Design, Entwicklung und Funktionsweise des Roboterpflanzgeräts (RT) für Stecklingssämlinge vorgestellt. Das entwickelte RT besteht aus drei Systemen: (1) Roboterinitiierung; (2) Mechanismus zum Pflücken von Sämlingen (SPM); und (3) Fahrzeugbewegungssystem (VMS). Das SPM besteht aus einem Hauptrahmen, einem Manipulator, einem Endeffektor und einer Steuereinheit. Das VMS hingegen verfügt über einen fotoelektrischen Sensor, eine Robotersteuerung und einen Gleichstrommotor. Die Schrittmotoren wurden zur Bewegung in XY-Richtung am Hauptrahmen montiert. Der Manipulator befand sich auf der Querstange, die den Endeffektor in der Z-Achse bewegte. Der Aufnahmemechanismus besteht aus einem Endeffektor mit einem Backengreifer, der von einem Servomotor gesteuert wird. Die Steuereinheit besteht aus dem Mikrochip 16F877 und das System wird durch Computerprogrammierung gesteuert. Der Greifer bewegt sich zu jedem Sämling im Pro-Tray, greift den Sämling und nimmt ihn auf, bewegt sich zum Abgabepunkt und gibt den Sämling dann frei. Der Manipulator wurde für die Aufnahme und Freigabe von 96 Sämlingen mit Erdboden aus der Pro-Tray getestet und analysiert. Das erste experimentelle Ergebnis zeigte, dass die Erfolgsrate der Sämlinge, die Leckrate und die erfolgreiche Verpflanzung eines 30 Tage alten Chili-Keimlings jeweils 95,1 %, 7,6 % und 90,3 % betrugen. Robotertechnologie scheint teuer zu sein, aber ihr Ausmaß liegt in der Nichtverfügbarkeit oder hohen Kosten manueller Arbeit und in der Sicherstellung der Pünktlichkeit sich wiederholender Feldeinsätze.

Der Einsatz von Robotik und künstlicher Intelligenz (KI) in der Landwirtschaft nimmt durch den Einsatz von High-Tech-Geräten wie Sensoren, Aktoren, Steuerungen usw. rasant zu. Um das gewünschte Ziel, z. B. das Umpflanzen von Setzlingen mithilfe von Robotik, zu erreichen, muss ein Expertensystem integriert werden Die Technologie, die die Effizienz der Eingaben verbessern kann, indem sie die Aufgabe mit Präzision und Genauigkeit erledigt. Die Hauptfunktion der Robotik besteht darin, Inputs (Samen, Düngemittel, Pestizide, Herbizide, Wasser usw.) gezielt und bedarfsgerecht, am richtigen Ort, zur richtigen Zeit und in der richtigen Menge ortsspezifisch auszubringen.

KI verwendet Techniken, nämlich. Spracherkennung, visuelle Wahrnehmung, Entscheidungsfindung und Sprachübersetzungen, die durch Computersysteme zur Durchführung von Feldeinsätzen ermöglicht werden können, die menschliche Intelligenz erfordern1. Robotik und künstliche Intelligenz gelten als wichtige Aspekte bei der Automatisierung landwirtschaftlicher Aufgaben. Die Hauptarbeiten wurden an verschiedenen landwirtschaftlichen Betrieben durchgeführt, nämlich. Navigation und Objekterkennung in Echtzeit2,3,4; Feldfruchtüberwachung mit UAVs5,6; Bewässerungsplanung mit mobilen oder webbasierten Anwendungen aus der Ferne7; Erkennung von Blattkrankheiten in Nutzpflanzen sowie von Unkräutern mithilfe eines visionsbasierten Algorithmus8,10,11; Viehmanagement in Echtzeit12,13,14,15; computergestütztes intelligentes System16,17,18,19,20,21,22. Einige Anwendungen von KI und Robotik wurden auch beim Umpflanzen von Sämlingen mithilfe von visuellen oder sensorbasierten Systemen gemeldet. Robotergreifer, Greif- sowie sensorbasierte Methoden und deren Anwendungen wurden für landwirtschaftliche Aufgaben berichtet23. Es wurde ein eingebettetes System entwickelt, um das Umpflanzen von Gemüsesämlingen in Setzlingspflanzmaschinen zu automatisieren24,25. Der erweiterte Einsatz von Elektronik und Computeranwendungen hat den Einsatz von Robotersystemen für verschiedene Feldeinsätze ermöglicht, nämlich. Umpflanzen, Ernten und Interkultur usw. für landwirtschaftliche und gärtnerische Nutzpflanzen26.

Die verfügbaren Pflanzmaschinen werden in halbautomatische Gemüsepflanzmaschinen (SVTs) und automatische Gemüsepflanzmaschinen (AVTs)27 eingeteilt. Betrachtet man die Mängel von SVTs, nämlich. Arbeitsaufwand, geringere Effizienz, geringere Genauigkeit usw., der Schwerpunkt wurde auf das Wachstum von AVTs verlagert28. Diese AVTs nutzen ein elektromechanisches System, um ihre gewünschte Funktion zu erreichen. Einige automatische Systeme verwendeten auch High-End-Technologie, nämlich. Sensoren, visionsbasierte Systeme usw. führten zum Aufstieg der Robotik bei Transplantationsvorgängen. Das automatische Umpflanzen von Sämlingen mithilfe von Robotern ist sehr nützlich, wenn wiederholte Vorgänge erforderlich sind, beispielsweise beim Umpflanzen von Setzlingen. Diese Technologien scheinen auf den ersten Blick teuer zu sein, werden aber dadurch kompensiert, dass man in kurzer Zeit und mit hoher Präzision unter Einsatz menschlicher Arbeitskraft ein großes Gebiet abdecken muss24,27. Die Grundfunktion des mit einem automatischen Mechanismus ausgestatteten Roboters besteht darin, den gesunden Sämling zu identifizieren, ihn vom Pro-Tray aufzunehmen, ihn an den gewünschten Ort zu bewegen und ihn dann an der Abgabestelle abzugeben.

Die Arbeit an der Roboterpflanzmaschine (RT) beginnt in den 1980er Jahren mit der Entwicklung einer auf einem Traktor montierten automatischen Pflanzmaschine für Topfsämlinge29. Einige der RT verwenden Computer- oder Bildverarbeitungssysteme, um den Endeffektor zur Simulation des Transplantationsvorgangs zu integrieren30,31,32,33,34,35. Der RT, der einen Pflückmechanismus verwendet, der auf dem Einführen einer nadel-/stiftartigen Struktur in die Bodenbasis/den Pfropfen des Sämlings basiert, wurde entwickelt und bewertet36,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47.

In der entwickelten RT wurde ein fingerartiger Mechanismus zum Herausziehen der Sämlinge aus einer Anzuchtschale in einen Pflanztopf unter Verwendung von 4 Fingern verwendet. Es wurde berichtet, dass vier geneigte stiftartige Finger zum Entfernen der Sämlinge aus der Anzuchtschale verwendet wurden, wobei die Erfolgsquote beim Umpflanzen über 99 % lag Kapazität von 2800 Töpfen/h40. In einer anderen Studie berichteten Ma et al.41, dass die Transplantationsrate mit dem entwickelten Prototyp bei einer Transplantationshäufigkeit von 60 Sämlingen/Minute zu 90,71 % qualifiziert werden konnte. Für die automatische Umpflanzung im Gewächshaus wurde eine Portalstruktur mit Pinzettenmechanismus entwickelt, die 22 Sämlinge/Minute aus einer Futterschale entnehmen kann, mit einer Erfolgsquote von 90 %42. Han et al.43 gaben eine Erfolgsquote von 90 % und einen Misserfolg von 3 % beim Entladen der Sämlinge mit zwei Greifern an, die bei Tomatensämlingen 80 Sämlinge/Minute entnehmen konnten. Ein von Xin et al.45 entwickeltes intelligentes Transplantationssystem berichtete über eine Erfolgsrate, eine Leckagerate und eine Transplantationshäufigkeit von 88,23 %, 16,46 % bzw. 90 Sämlingen/Minute für das Umpflanzen von Paprika. Es verwendet eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS), um zu erkennen, ob die Zelle leer war oder nicht, und um die Bewegung des Sämlings-Pro-Trays zu automatisieren. Dieser Artikel beschreibt den Entwurf, die Entwicklung und die Bewertung eines RT unter Verwendung eines programmierbaren Pflückmechanismus und eines sensorbasierten VMS zur Handhabung von Gemüsesämlingen vom Plug-Typ, d. h. Chili-Setzlinge in Pro-Trays gezüchtet.

Die entwickelte RT für Plug-Sämlinge besteht hauptsächlich aus zwei Mechanismen, nämlich SPM und VMS (Abb. 1). Das SPM besteht aus einem am Hauptrahmen befestigten Riemen und einer Riemenscheibe, einem Schrittmotor, einem Manipulator, einem Endeffektor und einer Steuerung. Das VMS besteht aus einem fotoelektrischen Sensor, Gleichstrommotoren, Schrittmotoren und einem Controller. Das Steuerungssystem besteht aus Schrittmotoren, Gleichstrommotoren, einem fotoelektrischen Sensor und einem Programmiercontroller. Sobald der Roboter startet, bewegt sich der Manipulator zum Setzlingsort und nimmt den Setzling mit einem servomotorisch betätigten Greifer auf. Der Endeffektor bewegt sich dann zu seinem Abgabepunkt, wo der Sämling in das Abgaberohr fällt. Der am Förderrohr angebrachte fotoelektrische Sensor erkennt den Sämling und veranlasst das VMS, sich nach der Abgabe des Sämlings in die Furche zum nächsten Standort zu bewegen. Hier ist die Sämlingsschale stationär und die Manipulation bewegt sich in der XY-Achse, um den Sämling gemäß einem vordefinierten Pfad aus der Schale zu entnehmen. Ein Paar Schrittmotoren, die am Hauptrahmen befestigt sind, bewegen den Manipulator in XY-Richtung, während sich der Endeffektor in Z-Achse bewegt. Mit einem Furchenöffner wurde eine Furche in den Boden gezogen. Während der Sämling in die Furche fällt, verdichtet das neben dem Förderrohr angebrachte Druckrad den Boden um den Sämling herum. Die Spezifikation des entwickelten RT ist in Tabelle 1 dargestellt.

Roboterpflanzmaschine. (a) Manipulator, (b) Endeffektor. (1-Hauptrahmen; 2-Manipulator; 3-Band; 4-Steuereinheit für die Sämlingsaufnahme; 5-Sämlingsschale; 6-fotoelektrischer Sensor; 7-Förderrohr; 8-Steuereinheit für Roboter; 9-Batterie; 10-Gleichstrommotor; 11-Furchen-Öffner; 12 Räder).

Das Funktionsprinzip für RT wurde in Abb. 2 dargestellt. Der RT arbeitet mit der 12-V-Batterieversorgung. Sobald das Programm startet, beginnt der erste Teil des Systems, also SPM, zu arbeiten. Der Manipulator bewegt sich zum XY-Anfangspunkt (0,0), dh zum Lieferpunkt. Das Programm in der Steuerung muss dann entsprechend den Anforderungen eingestellt werden, nämlich. Geschwindigkeit, Puls, nein. von Reihen- und Spaltensämlingen usw. Da das Programm in der Steuerung eingestellt ist, muss das Programm dann über die Starttaste gestartet werden. Nun bewegt sich der Manipulator zum ersten Sämling, der Greifer ergreift den Sämling und bewegt sich in der Z-Achse nach oben, bis er über dem Pro-Tray liegt, also 45 mm darüber. Der Manipulator bewegt sich nun zum Abgabepunkt XY (0,0), wo sich der Greifer öffnet und den Sämling durch das Förderrohr in die Furche freigibt. Nach der Freigabe des Sämlings bewegt sich der Manipulator zum zweiten Sämling und der Vorgang wird fortgesetzt, bis der letzte Sämling abgegeben wurde. Der Greifer öffnet und schließt mithilfe eines daran angebrachten Servomotors. Sobald der Sämling in das Förderrohr fällt, beginnt der zweite Teil, dh VMS, zu arbeiten. Der im Förderrohr angebrachte fotoelektrische Sensor erkennt den Sämling und bewegt den Roboter zum nächsten Standort. Der Vorgang wird fortgesetzt, bis der letzte Sämling gepflückt und geliefert wurde. Die Bewegung des Roboters kann durch Variation der Geschwindigkeit am Controller gesteuert werden. Auf diese Weise wird der gesamte Prozess des Pflückens und Pflanzens der Sämlinge fortgesetzt.

Funktionsprinzip des Pflanzroboters (a) Pflückeinheit; (b) Detektionseinheit; (c) Richtungssteuereinheit.

Die Struktur des entwickelten SPM ist in Abb. 1a dargestellt. Zum Umpflanzen von Stecksämlingen wurde das SPM so entwickelt, dass es das Greifen des Sämlings gemäß der menschlichen Hand aus der Pro-Schale und das anschließende Loslassen am Abgabepunkt, d. h. XY (0,0), simuliert. Durch die Untersuchung der Merkmale des SPM, um den Sämling erfolgreich aus dem Pro-Tray aufzunehmen, sollte dieser die folgenden Designanforderungen erfüllen:

Der Manipulator sollte dem geraden Weg folgen, um zum Standort des Sämlings und zum aufzunehmenden Sämling zu gelangen und zum Ausgangspunkt zurückzukehren.

Der Endeffektor (Abb. 1b) sollte sich vollständig öffnen und schließen lassen, um den Sämling festzuhalten, ohne ihn zu beschädigen.

Der Weg zum Aufsammeln der Sämlinge muss so lang sein, dass sie nicht durch die Ablage behindert werden.

Der Sämling sollte genau über dem Förderrohr und möglichst gerade in das Förderrohr abgegeben werden.

Das VMS wird verwendet, um den Roboter zum nächsten Standort zu bewegen, nachdem er den Sämling in die Furche geworfen hat. Sobald der Sämling in das Förderrohr gefallen ist, sollte der Roboter aktiviert werden und sich zum nächsten Abwurfpunkt bewegen. Um den Roboter voranzubringen, sollte das Design des VMS folgende Anforderungen erfüllen:

Der fotoelektrische Sensor sollte den in das Förderrohr gefallenen Sämling erkennen.

Die Steuerung sollte sofort auf den fotoelektrischen Sensor reagieren und den gesamten Roboter wie im Programm definiert zum nächsten Standort bewegen.

Das zur Realisierung des SPM und des Manipulators zur automatischen Entnahme von Plug-Sämlingen verwendete Design wurde in Abb. 3 dargestellt. Das SPM besteht im Wesentlichen aus einem Hauptrahmen, einem Schrittmotor mit Schraubenwelle, einer Riemenscheibenanordnung, einem Greifer, einem Servomotor und einer Elektronik schalten.

(a) Sämlingsaufnahmemechanismus, (b) Manipulator. (1-Hauptrahmen; 2-Manipulator; 3-Querstange; 4-elektronischer Schalter; 5-Schrittmotoren; 6-horizontale Welle; 7-Endeffektor; 8-Riemenscheibenanordnung; 9-Stützplatte; 10- Schraubenwelle; 11-Gleitplatte; 12-Endeffektor-Stützplatte; 13-Greifer; 14-Kissenauflage; 15-Servomotor).

Wie im Abschnitt „Funktionsprinzipien von RT“ erwähnt, beginnt der Manipulator, sich in der XY-Ebene am Hauptrahmen zu bewegen (Abb. 3), und der Endeffektor bewegt sich in der Z-Achse auf der Schrittmotor-Schraubenwelle. Der Greifer dient zum Greifen, Halten und Freigeben des Sämlings in das Förderrohr durch Steuerung der Winkel des Servomotors. Durch die Manipulation in der XY-Ebene wird der Sämling gemäß dem vordefinierten Pfad aus dem Pro-Tray entnommen. Das Flussdiagramm des Mechanismus zum Pflücken von Sämlingen, der in der Roboterpflanzmaschine verwendet wird, ist in Abb. 4 dargestellt.

Flussdiagramm des Mechanismus zum Pflücken von Sämlingen, der in der Roboterpflanzmaschine verwendet wird.

Die Hauptfunktion des VMS besteht darin, die komplette Einheit, also den Roboter, zum nächsten Pflanzort zu bewegen. Sobald der fotoelektrische Sensor den Sämling erkennt, veranlasst die Steuerung den Roboter, sich gemäß dem vordefinierten Programm vorwärts zu bewegen. Auf diese Weise wird der gesamte Pflanzvorgang immer wieder fortgesetzt.

Um den Schaltkreis des RT bzw. SPM zu entwerfen, ist es wichtig, die Position jedes im Pro-Tray platzierten Sämlings sowie den Abgabepunkt, also XY (0,0), zu ermitteln. Der Mechanismus arbeitet mit der Stromversorgung über eine 12-V-Batterie, wie in Tabelle 2 dargestellt. Darunter werden die Schrittmotoren, der Manipulator, der Servomotor und die SPS von einer 12-V-Batterie angetrieben, wie in Abb. 5 dargestellt. Die Eingangsklemmen von Die SPS ist mit dem elektronischen Schalter, dem Manipulator und dem Endeffektor gekoppelt.

Schaltplan des entwickelten Sämlingpflückmechanismus (SPM).

Das elektronische Design von SPM besteht aus einem Mikrocontroller (PIC16F877A), Schrittmotor und Treiber, Netzteil, Grenzwertsensorsatz, Greifer und LCD-Bildschirm. Für die Einstellung der Aufnahme- und Platzierungsposition des Greifers waren fünf Schalter vorgesehen. einstellen, hoch, runter, speichern und zurücksetzen. Wenn alle Schalter gedrückt werden, werden die entsprechenden Vorpositionierungsdaten des Sämlings an die Steuerung gesendet und mit demselben Schalter werden diese Daten im EEPROM-Speicher der Steuerung gespeichert. Nach Abschluss der Sequenz liefert die Steuerung geeignete Signale an den Schrittmotortreiber, um die Schrittmotoren entsprechend zu bewegen, sodass das Pflücken des Sämlings durchgeführt werden kann. Immer wenn der Sämling jedoch in das Förderrohr gefallen ist, sendet der IR-Sensor ein Signal an die Steuerung, sodass der Der Greifer kann die nächste Position der Sämlinge auf dem Bild anfahren. Und die gleiche Reihenfolge wird fortgesetzt, bis der letzte Keimling des Bildes fertig ist.

Mittels drahtloser Signalübertragung kann die Bewegung des Fahrzeugs auch ferngesteuert werden. In diesem System werden eine drahtlose Fernbedienung und ein einzelner Computerchip verwendet, der Signale von der Steuerung empfängt und die Drehrichtung des antreibenden Gleichstrommotors steuert, wodurch die Bewegung des Fahrzeugs entweder in Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung ermöglicht wird. Der Schaltungsaufbau des VMS ist in Abb. 6 dargestellt. Die Sensoren werden entsprechend den funktionalen Anforderungen an den Eingang der SPS angeschlossen.

Schaltplan des Fahrzeugbewegungssystems.

Gemäß den Anforderungen besteht die Hauptfunktion des RT darin, den Sämling vom Pro-Tray aufzunehmen und ihn während des Betriebs in die Furche abzugeben. Der vollständige Ablaufplan des Systems ist in Abb. 7 dargestellt. Gemäß dem Funktionsprinzip des RT ist jede Aktion in einige Abschnitte unterteilt: Der erste ist die Extraktion und Freisetzung der Sämlinge; und der zweite Teil ist VMS mit Furchenbildung und anschließender Bodenbedeckung. Bei der Transplantation sollte jeder Mechanismus unabhängig voneinander und auch nacheinander synchron und ohne Unterbrechung arbeiten. Die Synchronisierung der einzelnen Einheiten wird im Folgenden beschrieben:

Betriebskoordination zwischen dem Sämlingpflückteil: Der Manipulator bewegt sich in die erste Sämlingsposition, der Greifer erfasst den Sämling, hebt ihn an und bewegt sich zurück in die (0,0)-Position und gibt dann den Sämling frei. Während der Aufnahme der Sämlinge bleibt das Pro-Tray stationär und der Manipulator bewegt sich, bis der Vorgang abgeschlossen ist. Nach der Entnahme des ersten Sämlings aus dem Pro-Tray bis zur Freigabe in das Förderrohr steht der Roboter still.

Arbeitskoordination zwischen den Sämlingsfreigabeteilen und dem VMS-Teil des RT. Die Vorwärtsgeschwindigkeit des Fahrzeugs sollte nicht höher sein als die Geschwindigkeit, mit der die Sämlinge gepflückt und geliefert werden, um den Anforderungen an den Pflanzenabstand gerecht zu werden.

Flussdiagramm der kompletten Roboterpflanzmaschine.

Bei dieser RT handelt es sich um eine einreihige Einheit, die jeweils einen Setzling verpflanzen kann. Das SPM dieser Maschine verfügt über einen Greifer.

Der gesamte Steuerungsprozess der Umpflanzmaschine wurde gemäß den funktionalen Anforderungen jedes Mechanismus entwickelt, um die synchronisierte Bewegung zwischen ihnen zu erreichen, wie in Abb. 8 dargestellt. Sobald der Startknopf gedrückt wurde, bewegt sich der Manipulator zum ersten Sämling Der am Endeffektor montierte Greifer nimmt den Sämling auf und gibt ihn durch das Förderrohr in die Furche ab. Nachdem der Sämlingsextraktionsteil abgeschlossen ist, beginnt der VMS-Teil mit der Arbeit. Der fotoelektrische Sensor erkennt den Sämling und der Roboter bewegt sich gemäß den im Programm eingegebenen Anforderungen zum nächsten Standort.

Flussdiagramm des gesamten Steuerungsprozesses der Roboterpflanzmaschine.

Bei der Gestaltung des Roboters wurden einige physikalische Parameter der Sämlinge sowie die physikalischen Abmessungen der Sämlinge, dh Höhe, Gewicht und Stammdurchmesser des Sämlings, berücksichtigt. Die durchschnittliche Höhe, das Gewicht und der Stammdurchmesser des Sämlings betrugen 116 mm, 13,1 g bzw. 0,1 mm. Außerdem wurden der Bruchdruck, die Druckkraft und die Bruchkraft gemessen. Der Bruchdruck war sehr vernachlässigbar und kann daher nicht gemessen werden, da die Schäfte beim Zusammendrücken anfälliger für Versagen sind. Die mit der Universal Testing Machine (UTM) gemessene Kompressionskraft betrug also 144,98 (± 29,3) N. Die erforderliche Bruchkraft für 30 Tage alte Chilisämlinge betrug jedoch 12,7 N. Die Bruchkraft der Sämlinge wurde mit dem Texture Analyzer (Fa : Stable Micro System, UK).

Der Hauptfaktor für die Sämlingspflückrate ist der Feuchtigkeitsgehalt des Wurzelmediums und die Kraft, die erforderlich ist, um den Sämling aus dem Pflanzgefäß zu extrahieren. Der Feuchtigkeitsgehalt des Wurzelmediums des Sämlings lag zum Zeitpunkt des Umpflanzens zwischen 55 und 75 % (wb). Die durchschnittliche Kraft (Adhäsion), die für das Pflücken/Extrahieren von Sämlingen aus dem Träger erforderlich war, betrug 0,95 (± 0,22) N. Da die zum Anheben des Sämlings erforderliche Kraft sehr gering war, wurde dieser Manipulator mehrmals zum Pflücken von Sämlingen getestet und es wurde beobachtet, dass Schäden an den Rhizomen waren vernachlässigbar, da sie nicht direkt mit den Rhizomen in Kontakt kamen.

Die Arbeitsleistung des entwickelten RT zum Umpflanzen von Stecklingssämlingen wurde unter Umgebungsbedingungen bewertet. Die verwendete Chilisorte war Pusa Jwala. Die Chilisämlinge wurden in Pro-Trays mit 96 Zellen gezüchtet, und die Füllzusammensetzung bestand aus Kokostorf, Vermiculit und Perlit im Verhältnis 3:1:1. Die Füllmasse wurde nach der Aussaat der Samen mit Vermiculit und Perilit abgedeckt. Der Feuchtigkeitsgehalt der Sämlinge wurde zwischen 45 und 60 % gehalten. Für den Test wurden etwa 30 Tage alte Setzlinge mit 4–5 Blättern verwendet, die durchschnittliche Setzlingshöhe beträgt etwa 96 mm. Zum Vergleich der Leistung wurden Blindsämlinge ähnlicher Form und Größe verwendet. Die Sämlingseigenschaften sind bei der Gestaltung der RT für Plug-Sämlinge sehr wichtig48.

Die Erfolgsrate von SPM, die Leckagerate und die erfolgreiche Transplantation sind die wesentlichen Indikatoren zur Bewertung der Transplantationsleistung des entwickelten RT und werden von den Forschern geschätzt45,49:

wobei S = Gesamterfolgsquote; L = Leckrate; T = erfolgreiche Transplantation; N0 = die Gesamtzahl der Sämlinge; N = die Anzahl der aufgenommenen Sämlinge; N1 = die Gesamtzahl der freigesetzten Sämlinge; F = die Anzahl der erfolgreich in die Furche verpflanzten Sämlinge mit ordnungsgemäßer Bodenverdichtung und einer Sämlingsneigung von weniger als 30°.

Das Sämlings-Protray wurde auf der Pflanzplattform platziert. Das System wurde auf das eingestellte Programm auf der SPS kalibriert und die Steuerung gestartet. Der Testaufbau ist in Abb. 9 dargestellt. Sobald das System startet, bewegt sich der Manipulator zum ersten Setzling der ersten Reihe, der Servomotor am Greifer nimmt den Setzling auf und befördert ihn in das Förderrohr. Schließlich stoppt die Bewegung des Manipulators am Abwurfpunkt durch Drücken des elektronischen Schalters und der Sämling wird in die Furche entlassen. Der fotoelektrische Sensor erkennt die Sämlinge im Förderrohr und bewegt das Fahrzeug gemäß dem entwickelten Programm vorwärts. Die Testdaten zur Erfolgsrate, Leckagerate und erfolgreichen Transplantation wurden berechnet und ausgewertet.

Testaufbau der Roboterverpflanzung mit Stecklingssämlingen.

Die während des Tests erzielten Ergebnisse sind in Tabelle 3 aufgeführt. Unter „erfolgreich gepflückten Sämlingen“ versteht man die Sämlinge, die ohne physische Schäden an Wurzel und Pflanze gepflückt wurden. Die erfolgreich freigesetzten Sämlinge bedeuten, dass die Sämlinge ohne nennenswerte Schäden in das Förderrohr fallen gelassen werden. Aus Tabelle 3 geht hervor, dass die Sämlingspflückrate und die Leckagerate bei Scheinsämlingen 98,6 % bzw. 1,7 % betrugen. Dagegen betrug die Sämlingspflückrate und die Verlustrate für 30 Tage alte Chilisämlinge 95,1 % bzw. 7,6 %. Auch die erfolgreiche Verpflanzung mit Blind- und Chilisämlingen betrug 97,2 % bzw. 90,3 %. Da die Scheinsämlinge gerader und robuster waren, waren die Sämlingspflückrate und die erfolgreiche Verpflanzung höher als bei Chilisämlingen.

Basierend auf den Testergebnissen gibt es einige Vorschläge zur Verbesserung der Leistung des Roboter-Umpflanzgeräts für Stecksämlinge: Vergrößerung der Greiferöffnung, Verkürzung der Länge der Sämlingspflückung und Verkürzung der Fahrzeit vom Aufnahmepunkt zum Lieferpunkt.

Eine kompakte Roboter-Pflanzmaschine mit automatischem Sämlingsaufnahmemechanismus und Fahrzeugbewegungssystem wurde entworfen und entwickelt, um den Bedürfnissen kleiner und marginaler Gemüseanbauer gerecht zu werden. Im Folgenden sind die wichtigsten Ergebnisse der Studie aufgeführt:

Die entwickelte RT kann Sämlinge erfolgreich extrahieren und in die Furche verpflanzen, und der Umpflanzungszyklus zum Umpflanzen des Sämlings beträgt 20 Sekunden.

Die RT wurde mit 96 im Garten gezüchteten Sämlingen getestet und die Erfolgsrate beim Pflücken der Sämlinge, die Auslaufrate und die erfolgreiche Verpflanzung von 30 Tage alten Chilisämlingen betrugen 95,1 %, 7,6 % bzw. 90,3 %.

Der RT kann effizient angepasst werden, indem er von Kleinbauern für den Gemüseanbau in Spielhäusern oder Schuppennetzen verwendet wird.

Die Robotertechnologie mag zwar teuer erscheinen, ihre Tragweite liegt jedoch in der Nichtverfügbarkeit oder hohen Kosten manueller Arbeit und in der Sicherstellung der Pünktlichkeit sich wiederholender Feldeinsätze.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

Roboterpflanzer

Gleichstrom

Halbautomatische Gemüsepflanzmaschinen

Automatische Gemüsepflanzmaschinen

Mechanismus zum Pflücken von Sämlingen

Fahrzeugbewegungssystem

Schaltnetzteil

Programmierbare Steuerung

Yang, LB Anwendung künstlicher Intelligenz in der elektrischen Automatisierungssteuerung. Procedia Comput. Sci., Proceedings of the 3rd International Conference on Mechatronics and Intelligent Robotics (ICMIR-2019), 166, 292–295 (2020). https://doi.org/10.1016/j.procs.2020.02.097.

Guijarroa, M. et al. Automatische Segmentierung relevanter Texturen in Agrarbildern. Berechnen. Elektron. Landwirtschaft. 75, 75–83. https://doi.org/10.1016/j.compag.2010.09.013 (2011).

Artikel Google Scholar

Civele, C. Entwicklung eines IOT-basierten Traktorverfolgungsgeräts, das als Präzisionslandwirtschaftswerkzeug für die landwirtschaftlichen Traktoren der Türkei verwendet werden soll. Sch. J. Agrar. Tierarzt. Wissenschaft. 6, 199–203. https://doi.org/10.36347/SJAVS.2019.v06i09.001 (2019).

Artikel Google Scholar

Inoue, K., Kaizu, Y., Igarashi, S. & Imou, K. Die Entwicklung der autonomen Navigation und Hindernisvermeidung für einen Robotermäher mithilfe von Bildverarbeitungstechnik. In IFAC-Paper, 6 IFAC Conference on Sensing, Control and Automation Technologies for Agriculture AGRICONTROL 173–177 (2019). https://doi.org/10.1016/j.ifacol.2019.12.517.

Mogili, UR & Deepak, BBVL Review zur Anwendung von Drohnensystemen in der Präzisionslandwirtschaft. Procedia Comput. Sci., International Conference on Robotics and Smart Manufacturing (RoSMa2018) 133, 502–509 (2018). https://doi.org/10.1016/j.procs.2018.07.063.

El Hoummaidi, L., Larabi, A. & Alam, K. Einsatz unbemannter Flugsysteme und Deep Learning für die Kartierung der Landwirtschaft in Dubai. Heliyon 7, e08154. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2021.e08154 (2021).

Artikel Google Scholar

Al-Ali, AR et al. Intelligentes landwirtschaftliches Bewässerungssystem mit IoT-Solarenergie. J. Electron. Wissenschaft. Technol. 17, 100017. https://doi.org/10.1016/j.jnlest.2020.100017 (2019).

Artikel Google Scholar

Akbarzadeh, S., Paap, A., Ahderom, S., Apopei, B. & Alameh, K. Pflanzenunterscheidung durch Support-Vector-Machine-Klassifikator basierend auf dem spektralen Reflexionsvermögen. Berechnen. Elektron. Landwirtschaft. 148, 250–258. https://doi.org/10.1016/j.compag.2018.03.026 (2018).

Artikel Google Scholar

Wang, A., Zhang, W. & Wei, X. Ein Überblick über die Unkrauterkennung mithilfe bodengestützter Bildverarbeitungs- und Bildverarbeitungstechniken. Berechnen. Elektron. Landwirtschaft. 158, 226–240. https://doi.org/10.1016/j.compag.2019.02.005 (2019).

Artikel Google Scholar

Cai, J., Xiao, D., Lv, L. & Ye, Y. Ein Frühwarnmodell für Gemüseschädlinge basierend auf mehrdimensionalen Daten. Berechnen. Elektron. Landwirtschaft. 156, 217–226. https://doi.org/10.1016/j.compag.2018.11.019 (2019).

Artikel Google Scholar

Karar, ME, Alsunaydi, F., Albusaymi, S. & Alotaibi, S. Eine neue mobile Anwendung zur Erkennung landwirtschaftlicher Schädlinge mithilfe von Deep Learning im Cloud-Computing-System. Alex. Ing. J. 60, 4423–4432. https://doi.org/10.1016/j.aej.2021.03.009 (2021).

Artikel Google Scholar

Zuidhof, MJ, Fedorak, MV, Ouellette, CA & Wenger, II Präzisionsfütterung: Innovatives Management der Futteraufnahme von Broiler-Elterntieren und der Gleichmäßigkeit der Herde. Geflügel. Wissenschaft. 96, 2254–2263. https://doi.org/10.3382/ps/pex013 (2017).

Artikel CAS Google Scholar

Ren, G., Lin, T., Ying, Y., Chowdhary, G. & Ting, KC Agrarrobotikforschung anwendbar auf die Geflügelproduktion: Ein Überblick. Berechnen. Elektron. Landwirtschaft. 169, 105216. https://doi.org/10.1016/j.compag.2020.105216 (2020).

Artikel Google Scholar

Williams, LR, Moore, ST, Bishop-Hurley, GJ & Swain, DL Eine sensorbasierte Lösung zur Überwachung des Trinkverhaltens und der Wasseraufnahme von Weidevieh. Berechnen. Elektron. Landwirtschaft. 168, 105–141. https://doi.org/10.1016/j.compag.2019.105141 (2020).

Artikel Google Scholar

Astill, J., Dara, RA, Fraser, EDG, Roberts, B. & Sharif, S. Intelligentes Geflügelmanagement: Intelligente Sensoren, Big Data und das Internet der Dinge. Berechnen. Elektron. Landwirtschaft. 170, 105291. https://doi.org/10.1016/j.compag.2020.105291 (2020).

Artikel Google Scholar

Lakhiar, IA, Gao, J., Syed, TN, Chandio, FA & Buttar, NA Moderne Pflanzenanbautechnologien in der Landwirtschaft unter kontrollierten Bedingungen: Ein Überblick über Aeroponik. J. Plant Interactions 131, 338–352 (2018).

Artikel Google Scholar

Shamshiri, RR et al. Forschung und Entwicklung in der Agrarrobotik: Eine Perspektive der digitalen Landwirtschaft. Int. J. Agrar. Biol. Ing. 11, 1–14 (2018).

Google Scholar

Shamshiri, RR et al. Simulationssoftware und virtuelle Umgebungen zur Beschleunigung der Agrarrobotik: Funktionshighlights und Leistungsvergleich. Int. J. Agrar. Biol. Ing. 11(4), 15–31 (2018).

Google Scholar

Shamshiri, RR et al. Fortschritte in der Gewächshausautomatisierung und der Landwirtschaft in kontrollierten Umgebungen: Ein Übergang zu Pflanzenfabriken und städtischer Landwirtschaft. Int. J. Agrar. Biol. Ing. 11(1), 1–22 (2018).

Google Scholar

Xia, Y., Artif. Intel. Landwirtschaft. 1, 35–47 (2019).

Google Scholar

Liu, W. et al. Entwicklung und experimentelle Analyse eines intelligenten Sensors zur Überwachung der Saatflussrate auf Basis einer Saatflussrekonstruktionstechnik. Berechnen. Elektron. Landwirtschaft. 164, 104899 (2019).

Artikel Google Scholar

Jiang, B. et al. Fusion von Bildverarbeitungstechnologie und AlexNet-CNNs Deep-Learning-Netzwerk zur Erkennung von Apfelpestizidrückständen nach der Ernte. Artif. Intel. Landwirtschaft. 1, 1–8 (2019).

CAS Google Scholar

Zhang, B., Xie, Y., Zhou, J., Wang, K. & Zhang, Z. Hochmoderne Robotergreifer, Greif- und Steuerungsstrategien sowie ihre Anwendungen in landwirtschaftlichen Robotern: Ein Rückblick . Berechnen. Elektron. Landwirtschaft. 177, 105694 (2020).

Artikel Google Scholar

Khadatkar, A., Mathur, SM, Dubey, K. & BhushanaBabu, V. Entwicklung eines eingebetteten automatischen Pflanzsystems in Sämlingspflanzmaschinen für die Präzisionslandwirtschaft. Artif. Intel. Landwirtschaft. 5, 175–184. https://doi.org/10.1016/j.aiia.2021.08.001 (2021).

Artikel Google Scholar

Khadatkar, A., Mathur, SM, Dubey, K. & Magar, AP Automatischer Auswurf von Stecklingssämlingen mithilfe eines eingebetteten Systems zur Verwendung in automatischen Gemüsepflanzmaschinen. J. Sci. Ind. Res. 80(12), 1042–1048 (2021).

Google Scholar

Khadatkar, A., Mehta, CR & Sawant, CP Anwendung von Robotik zur Veränderung der Zukunft der Landwirtschaft. J. Umweltfreundliche Landwirtschaft. 17(1), 48–51. https://doi.org/10.5958/2582-2683.2022.00010.7 (2022).

Artikel Google Scholar

Khadatkar, A., Mathur, SM & Gaikwad, BB Automatisierung beim Umpflanzen: Eine intelligente Art des Gemüseanbaus. Curr. Wissenschaft. 115(10), 1884–1892. https://doi.org/10.18520/cs/v115/i10/1884-1892 (2018).

Artikel Google Scholar

Khadatkar, A. & Mathur, SM Design und Entwicklung einer automatischen Gemüsepflanzmaschine unter Verwendung einer neuartigen rotierenden Fingervorrichtung mit Push-Mechanismus für Plug-Sämlinge. Int. J. Veg. Wissenschaft. https://doi.org/10.1080/19315260.2020.1848962 (2020).

Artikel Google Scholar

Boa, W. Das Design und die Leistung einer automatischen Pflanzmaschine für Feldgemüse. J. Agrar. Ing. Res. 30(2), 123–130 (1984).

Artikel Google Scholar

Ting, KC, Giacomelli, GA & Shen, SJ Roboter-Arbeitszelle zum Umpflanzen von Setzlingen, Teil I-Layout und Materialfluss. Trans. ASAE 33(3), 1005–1010 (1990).

Artikel Google Scholar

Simonton, W. Roboter-Endeffektor für die Handhabung von Gewächshauspflanzenmaterial. Trans. ASAE 34(6), 2615–2621 (1991).

Artikel Google Scholar

Ting, KC, Giacomelli, A. & Ling, PP Bearbeitbarkeit und Produktivität der Roboter-Plug-Transplantations-Arbeitszelle. In-vitro-Zellentwicklung. Biol. 28, 5–10 (1992).

Artikel Google Scholar

Tai, YW, Ling, PP & Ting, KC Maschinelles Sehen unterstützte das Umpflanzen von Sämlingen durch Roboter. Trans. ASAE 37(2), 661–667 (1994).

Artikel Google Scholar

Brewer, HL Konzeptionelle Modellierung des automatisierten Sämlingstransfers von Anzuchtschalen zu Versandmodulen. Trans. ASAE 37(4), 1043–1051 (1994).

Artikel Google Scholar

Ryu, KH, Kim, G. & Han, JS Entwicklung eines Roboter-Pflanzgeräts für Beetpflanzen. J. Agrar. Ing. Res. 78(2), 141–146 (2001).

Artikel Google Scholar

Yang, Y., Ting, KC & Giacomelli, GA Faktoren, die die Leistung des Gleitnadelgreifers während der Robotertransplantation von Sämlingen beeinflussen. Appl. Ing. Landwirtschaft. 7(4), 493–498 (1991).

Artikel Google Scholar

Kim, HJ, Park, SH & Kwak, TY Entwicklung einer automatischen Pflanzmaschine für den Kohlanbau. In: Korea Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems Conference, Seoul, Korea, 8.–9. November (2001).

Choi, WC, Kim, DC, Ryu, IH & Kim, KU Entwicklung einer Sämlingsaufnahmevorrichtung für Gemüsepflanzmaschinen. Trans. ASAE 45(1), 13–19 (2002).

Google Scholar

Park, SH et al. Entwicklung einer Chinakohl-Pflanzmaschine vom Gehtyp. J. Korea Soc. Landwirtschaft. Mach. 30(2), 80–81 (2005).

Google Scholar

Kang, DH et al. Entwicklung eines Gemüsepflanzroboters. J. Biosyst. Ing. 37(3), 201–208 (2012).

Artikel Google Scholar

Ma, J., Hu, J., Yan, Adv. Mater. Res. 694–697, 1747–1752 (2013).

Artikel Google Scholar

Mao, H., Han, L., Hu, J. & Kumi, F. Entwicklung eines pinzettenartigen Aufnahmegeräts zum automatischen Umpflanzen von Gewächshaussämlingen. Appl. Ing. Landwirtschaft. 30(4), 547–556 (2014).

Google Scholar

Hua, L., Weibin, C., Shufeng, L., Wei, F. & Kaiqiang, L. Kinematische Analyse und Test des automatischen Aufnahmemechanismus für Chili-Plug-Sämlinge. Trans. Kinn. Soc. Landwirtschaft. Mach. 31(23), 20–27 (2015).

Google Scholar

Han, L., Mao, H., Hu, J. & Tian, ​​K. Entwicklung einer türrahmenartigen, schwingenden Sämlingsaufnahmevorrichtung für die automatische Feldtransplantation. Spanne. J. Agrar. Res. 13(2), 1–14. https://doi.org/10.5424/sjar/2015132-6992 (2015).

Artikel Google Scholar

Xin, J. et al. Entwurf und Implementierung eines intelligenten Transplantationssystems basierend auf einem fotoelektrischen Sensor und einer SPS. Zukünftiger Gen. Comput. Syst. 88, 127–139 (2018).

Artikel Google Scholar

Han, LH, Mao, HP, Hu, J. & Kumi, F. Entwicklung einer vollautomatischen Pflanzmaschine für Gemüsesämlinge vom Reittyp. Spanne. J. Agrar. Res. 17(3), 1–14 (2019).

Artikel Google Scholar

Yu, Y. et al. Design und experimentelle Forschung zum Sämlingsaufnahmemechanismus eines Planetengetriebes mit kombinierter unrunder Zahnradübertragung. Kinn. J. Mech. Ing. 32, 49 (2019).

Artikel Google Scholar

Khadatkar, A., Mathur, SM, Gaikwad, BB, Pandirwar, A. & Shrinivas, DJ Biometrische Eigenschaften von Steckgemüsesämlingen, die für die Gestaltung von Gemüsepflanzmaschinen relevant sind. J. Agrar. Ing. 57(1), 16–24 (2020).

Google Scholar

Khadatkar, A. Entwicklung einer traktorbetriebenen Gemüsepflanzmaschine für Plug-Type-Sämlinge. Unveröffentlichte Doktorarbeit Diplomarbeit, CTAE, MPUAT, Udaipur, Indien (2019).

Referenzen herunterladen

Die Autoren danken dem ICAR in Neu-Delhi und dem Direktor des ICAR-Central Institute of Agricultural Engineering (CIAE) in Bhopal für ihre immense Unterstützung und Möglichkeiten zur Durchführung dieser Studie.

ICAR-Zentralinstitut für Agrartechnik, Bhopal, Madhya Pradesh, 462038, Indien

Abhijit Khadatkar & AP Pandirwar

ICAR-Mahatma Gandhi Integrated Farming Research Institute, Motihari, Bihar, 845429, Indien

V. Paradkar

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

AK: Schreiben – Originalentwurf, Methodik, Untersuchung, formale Analyse. APP: Schreiben – Originalentwurf, Methodik. Vizepräsident: Software, Schreiben und Bearbeiten.

Korrespondenz mit Abhijit Khadatkar.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Springer Nature bleibt neutral hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten.

Open Access Dieser Artikel ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert, die die Nutzung, Weitergabe, Anpassung, Verbreitung und Reproduktion in jedem Medium oder Format erlaubt, sofern Sie den/die Originalautor(en) und die Quelle angemessen angeben. Geben Sie einen Link zur Creative Commons-Lizenz an und geben Sie an, ob Änderungen vorgenommen wurden. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe für das Material nichts anderes angegeben ist. Wenn Material nicht in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten ist und Ihre beabsichtigte Nutzung nicht gesetzlich zulässig ist oder über die zulässige Nutzung hinausgeht, müssen Sie die Genehmigung direkt vom Urheberrechtsinhaber einholen. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Nachdrucke und Genehmigungen

Khadatkar, A., Pandirwar, AP & Paradkar, V. Design, Entwicklung und Anwendung einer kompakten Roboter-Pflanzmaschine mit automatischem Setzlingspflückermechanismus für Plug-Setzlinge. Sci Rep 13, 1883 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-28760-4

Zitat herunterladen

Eingegangen: 17. Juni 2022

Angenommen: 24. Januar 2023

Veröffentlicht: 02. Februar 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-28760-4

Jeder, mit dem Sie den folgenden Link teilen, kann diesen Inhalt lesen:

Leider ist für diesen Artikel derzeit kein gemeinsam nutzbarer Link verfügbar.

Bereitgestellt von der Content-Sharing-Initiative Springer Nature SharedIt

Durch das Absenden eines Kommentars erklären Sie sich damit einverstanden, unsere Nutzungsbedingungen und Community-Richtlinien einzuhalten. Wenn Sie etwas als missbräuchlich empfinden oder etwas nicht unseren Bedingungen oder Richtlinien entspricht, kennzeichnen Sie es bitte als unangemessen.