プラグ用自動苗摘み機構を備えた小型ロボット移植機の設計・開発・応用

Scientific Reports volume 13、記事番号: 1883 (2023) この記事を引用

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効率的かつタイムリーな作業を確保するには、苗の移植などの農業作業の自動化が必要です。自動苗移植機の将来に向けて注力すべき分野はロボティクスである。本稿では、プラグ苗用ロボット移植機（RT）の設計、開発および動作について紹介します。開発した RT は 3 つのシステムから構成されます。(1) ロボットの起動。（２）苗摘み機構（ＳＰＭ）。 (3) 車両移動システム (VMS)。 SPM は、メインフレーム、マニピュレータ、エンドエフェクタ、および制御ユニットで構成されます。一方、VMS は光電センサー、ロボットコントローラー、DC モーターを備えています。ステッピングモーターは、XY 方向に移動するためにメインフレームに取り付けられました。マニピュレータは、エンドエフェクタを Z 軸に移動するために使用されるクロスバー上にありました。ピックアップ機構は、サーボモーターによって制御されるジョータイプのグリッパーを備えたエンドエフェクターで構成されます。制御ユニットはマイクロチップ 16F877 で構成され、システムはコンピュータープログラミングで制御されます。グリッパーはプロトレイ内の各苗に移動し、苗を掴んで持ち上げ、受け渡しポイントに移動して苗を解放します。マニピュレーターは、土壌ベースの 96 本の苗をプロトレイからピックアップおよびリリースするためにテストおよび分析されました。最初の実験結果は、生後30日のトウガラシ苗の苗の成功率、漏れ率、移植の成功率がそれぞれ95.1%、7.6%、90.3%であることを示した。ロボット技術は高価であるように見えますが、その範囲は、手作業が利用できないか高コストであること、および反復的な現場作業の適時性を確保することにあります。

センサー、アクチュエーター、コントローラーなどのハイテク機器の使用により、農業におけるロボット工学と人工知能 (AI) の応用が急速に増加しています。ロボット工学を使用した苗の移植という望ましい目標を達成するには、エキスパートシステムを統合する必要があります。タスクを正確かつ正確に実行することで入力の使用効率を向上できるテクノロジー。ロボット工学の主な機能は、投入物（種子、肥料、殺虫剤、除草剤、水など）の現場固有の適用を、必要に応じて、適切な場所、適切なタイミング、適切な量で行うことです。

AI は次のようなテクニックを使用します。音声認識、視覚認識、意思決定、および言語翻訳は、人間の知性を必要とする現場作業をコンピュータシステムを通じて実行できるようになります1。ロボット工学と人工知能は、農業作業の自動化において重要な側面であると考えられています。主な作業は、さまざまな農業作業、つまり農業作業で行われました。リアルタイムでのナビゲーションとオブジェクト検出2、3、4。 UAV を使用した畑作物の監視 5、6。モバイルまたはウェブベースのアプリケーションをリモートから使用して灌漑スケジュールを設定7。視覚ベースのアルゴリズムを使用して、作物の葉の病気と雑草を検出します8、10、11。リアルタイムの家畜管理12、13、14、15。コンピュータベースのインテリジェントシステム16,17,18,19,20,21,22。視覚またはセンサーベースのシステムを使用した苗の移植におけるAIとロボット工学のいくつかの応用も報告されました。ロボットグリッパー、把握、センサーベースの方法、およびそれらの応用が農業作業で報告されています23。苗移植機での野菜苗の移植を自動化する組み込みシステムが開発されています24,25。エレクトロニクスとコンピュータアプリケーションの拡張使用により、さまざまな現場作業、たとえばロボットシステムの動作が可能になりました。農作物および園芸作物の移植、収穫、交雑等26．

利用可能な移植機は、半自動野菜移植機 (SVT) と自動野菜移植機 (AVT) に分類されます27。 SVT の欠点に注目してみましょう。労働力の要求、効率の低下、精度の低下などにより、焦点は AVT の成長に移ってきました28。これらの AVT は、電気機械システムを使用して目的の機能を実現します。自動システムの中には、ハイエンド技術を使用したものもあります。センサー、視覚ベースのシステムなどにより、移植作業にロボット工学が導入されています。ロボットによる自動苗移植は、苗の移植など繰り返し作業が必要な場合に非常に便利です。これらの技術は一見高価に見えますが、人間の労働力を使用して短時間で高精度に広いエリアをカバーする必要がある場合には、その費用を補うことができます24,27。自動機構を備えたロボットの基本機能は、健全な苗を識別し、プロトレイから苗をピックアップし、希望の位置に移動し、受け渡しポイントにリリースすることです。

ロボット移植機 (RT) の研究は、1980 年代にトラクター搭載型自動ポット苗移植機の開発から始まりました29。 RT の一部は、コンピューターまたはマシンビジョンシステムを使用して、移植操作をシミュレートするためのエンドエフェクターを統合します 30、31、32、33、34、35。苗の土壌基盤/プラグに針/ピン型構造を挿入することに基づく摘み取り機構を使用する RT が開発され、評価されました 36,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47。

開発したRTでは、4本の指を用いて苗を苗皿から苗をポットに取り出すフィンガータイプの機構が使用されており、4本の傾斜したピン型フィンガを使用して苗を苗皿から取り除き、99％以上の成功率で移植したことが報告されている2800ポット/h40の能力。別の研究では、Ma ら 41 は、開発されたプロトタイプを用いた移植は、60 苗/分の移植頻度で 90.71% の適格率を達成できる可能性があると報告しました。温室内で自動移植するためのピンセット型機構を使用したガントリー構造を開発し、給餌トレイから 22 本/分の苗を 90% の成功率で取り出すことができました42。 Han ら 43 は、トマト苗の場合、毎分 80 本の苗を取り出すことができる 2 つのグリッパーを使用した苗の排出では、90% の成功率と 3% の失敗率を示しました。 Xin らによって開発されたインテリジェント移植システム 45 は、コショウ移植の成功率、漏洩率、および移植頻度がそれぞれ 88.23%、16.46%、および 90 苗/分であると報告しました。プログラマブルロジックコントローラー (PLC) を使用してセルが空かどうかを検出し、苗プロトレイの移動を自動化します。本稿では、プログラム可能なピッキング機構とセンサーベースのVMSを使用して、プラグタイプの野菜苗を扱うためのRTの設計、開発、評価について説明します。プロトレイで育てられた唐辛子の苗。

開発したプラグ苗用RTは主にSPMとVMSの2つの機構から構成されています（図1）。 SPMは、メインフレームに取り付けられたベルトとプーリー、ステッピングモーター、マニピュレーター、エンドエフェクター、コントローラーで構成されています。 VMSは光電センサー、DCモーター、ステッピングモーター、コントローラーで構成されています。コントローラシステムはステッピングモータ、DCモータ、光電センサ、プログラミングコントローラで構成されます。ロボットが始動するとすぐに、マニピュレーターが苗の位置に移動し、サーボモーターで作動するグリッパーで苗をピックアップします。次に、エンドエフェクターはその配送ポイントに移動し、そこで苗木が配送チューブに落とされます。送り出しチューブに設置された光電センサーが苗を検出し、苗を畝に送り込んだ後、VMS を作動させて次の場所に移動します。ここでは、苗トレイは固定されており、事前に定義されたパスに従って苗をトレイから抽出するために操作が XY 軸に移動します。メインフレームに取り付けられた一対のステッピングモーターはマニピュレーターを XY 方向に移動させ、エンドエフェクターは Z 軸に移動します。溝オープナーを使って土に溝を作りました。苗が畝に落ちると、送出パイプの隣に取り付けられたプレスホイールが苗の周りの土を圧縮します。開発したRTの仕様を表1に示します。

ロボット移植機。 (a) マニピュレーター、(b) エンドエフェクター。（1-メインフレーム、2-マニピュレーター、3-ベルト、4-苗ピックアップ用制御装置、5-苗トレイ、6-光電センサー、7-搬送チューブ、8-ロボット用制御装置、9-バッテリー、9-バッテリー10 DC モーター、11 畝オープナー、12 ホイール)。

RT の動作原理を図 2 に示します。RT は 12 V バッテリ電源で動作します。プログラムが開始されるとすぐに、システムの最初の部分、つまり SPM が動作を開始します。マニピュレータは XY (0,0) の初期点、つまり配送点に移動します。次に、コントローラー内のプログラムを要件に従って設定する必要があります。速度、パルス、いいえ。プログラムはコントローラに設定されており、スタートボタンからプログラムを開始する必要があります。次に、マニピュレータが 1 番目の苗に移動し、グリッパが苗を掴み、プロトレイの上、つまり 45 mm 上に来るまで Z 軸上に移動します。マニピュレータは送出ポイント XY (0,0) に移動し、そこでグリッパーが開き、送出パイプを通じて苗を溝に放します。苗をリリースした後、マニピュレータは 2 番目の苗に移動し、最後の苗が配信されるまでプロセスが続きます。グリッパーは、取り付けられたサーボモーターの助けを借りて開閉します。苗が配送パイプに落ちるとすぐに、第 2 の部分、つまり VMS が動作を開始します。搬送パイプ内に設置された光電センサーが苗を検知し、ロボットを次の場所へ前進させ、最後の苗が採取されて搬送されるまでこのプロセスが続きます。ロボットの動きはコントローラーで速度を変えることで制御できます。このようにして、苗の採取と植え付けの全プロセスが続きます。

ロボット移植機の動作原理 (a) ピッキングユニット。 (b) 検出ユニット。 (c) 方向制御ユニット。

開発したSPMの構造を図1aに示します。プラグ苗を移植するために、SPM は、人間の手に従ってプロトレイから苗を掴み、引き渡し点、つまり XY (0,0) で苗を解放する動作をシミュレートする方法で開発されました。 SPM の機能を調査し、プロトレイから苗をうまくピックアップするには、次の設計要件を満たしている必要があります。

マニピュレータは直線経路をたどって苗の位置に到達し、苗を拾い上げて最初の点に戻る必要があります。

苗を損傷することなくしっかりと保持するには、エンドエフェクター (図 1b) が完全に開閉する必要があります。

苗をピックアップする経路の長さは、突起が邪魔にならないようにする必要があります。

苗は供給チューブの真上で、できるだけ真っ直ぐに供給パイプ内にリリースされる必要があります。

VMSは、苗を畝に落とした後、ロボットを次の場所に移動させるために使用されます。苗が配送パイプに落ちるとすぐにロボットが作動し、次の落下ポイントに移動します。ロボットを前進させるには、VMS の設計が次の要件を満たす必要があります。

光電センサーは、供給パイプ内に落下した苗を識別する必要があります。

コントローラーは光電センサーに即座に応答し、プログラムで定義されているように完成したロボットを次の場所に移動する必要があります。

図3に示すように、SPMとプラグ苗を自動抽出するためのマニピュレータを実現するために採用された設計。SPMは主に、メインフレーム、スクリューシャフト付きステッピングモーター、ベルトプーリー配置、グリッパー、サーボモーター、および電子部品で構成されています。スイッチ。

(a) 苗ピックアップ機構、(b) マニピュレータ。 (1-メインフレーム; 2-マニピュレーター; 3-クロスバー; 4-電子スイッチ; 5-ステッピングモーター; 6-水平シャフト; 7-エンドエフェクター; 8-ベルトプーリー配置; 9-サポートプレート; 10-スクリューシャフト、11-スライディングプレート、12-エンドエフェクターサポートプレート、13-グリッパー、14-クッションパッド、15-サーボモーター）。

「RT の動作原理」セクションで述べたように、マニピュレータはメインフレーム上の XY 平面内で移動を開始し (図 3)、エンドエフェクタはステッピングモータのネジシャフト上の Z 軸内で移動します。サーボモーターの角度を制御することで苗を掴み、保持し、デリバリパイプ内にリリースするグリッパーです。 XY 平面内で移動する操作により、事前に定義されたパスに従ってプロトレイから苗が抽出されます。ロボット移植機の苗摘み機構のフロー図を図4に示します。

ロボット移植機の苗取り機構のフロー図。

VMS の主な機能は、完全なユニット、つまりロボットを次の植栽場所に前進させることです。光電センサーが苗を検出するとすぐに、コントローラーがロボットを作動させ、事前に定義されたプログラムに従って前進します。このようにして、植え付けの全プロセスが何度も繰り返されます。

RT、つまり SPM の回路を設計するには、プロトレイに配置された各苗の位置と、配送ポイント、つまり XY (0,0) を検出することが不可欠です。この機構は表2に示すように12Vバッテリからの電源で動作します。このうちステッピングモータ、マニピュレータ、サーボモータ、PLCは図5に示すように12Vバッテリで駆動します。 PLC は電子スイッチ、マニピュレーター、エンドエフェクターと接続されています。

開発した苗摘み機構（SPM）の回路図。

SPM の電子設計は、マイクロコントローラー (PIC16F877A)、ステッピングモーターとドライバー、電源、リミットセンサーセット、グリッパー、LCD スクリーンで構成されています。グリッパーのピッキングおよびプレース位置を調整するために 5 つのスイッチが用意されています。設定、アップ、ダウン、保存、リセット。すべてのスイッチを押すと、苗の事前位置データがコントローラに送信され、同じスイッチを押すと、このデータがコントローラの EEPROM メモリに保存されます。シーケンスが完了すると、コントローラーはステッピングモータードライバーに適切な信号を送信し、それに応じてステッピングモーターを動かし、苗の摘み取りを完了しますが、苗が供給チューブに落とされるたびに、IR センサーがコントローラーに信号を送信します。グリッパーは、描写上の苗の次の位置に移動できます。そして、同じシーケンスが、描写の最後の苗が完成するまで続けられます。

車両の動きは、無線信号伝送を使用して遠隔制御することもできます。このシステムでは、1 つのワイヤレスリモートコントローラーと単一のコンピューターチップが使用され、コントローラーからの信号を受信して推進 DC モーターの回転方向を制御し、車両の前進または後進の移動を可能にします。 VMS の回路設計を図 6 に示します。センサーは機能要件に従って PLC の入力に接続されます。

車両運動システムの回路図。

要件に従って、RT の主な機能は、操作中にプロトレイから苗をピックアップし、それらを畝の中にリリースすることです。システムの完全なフローチャットを図 7 に示します。RT の動作原理によれば、各アクションはいくつかのセクションに分散されます。最初のセクションは苗の抽出とリリースです。 2番目の部分は、溝を作って植栽し、その後覆土するVMSです。移植作業では、各機構が独立して動作するだけでなく、互いに同期して中断することなく次々と動作する必要があります。各ユニットの同期については以下に説明します。

苗採取部間の動作連携により、マニピュレータが苗の1番目の位置に移動し、グリッパが苗を掴んで持ち上げ、(0,0)の位置に戻り、苗を放します。苗のピックアップ中、プロセスが完了するまで、プロトレイは静止し、マニピュレータは移動します。最初の苗をプロトレイから取り出した後、それが送出パイプ内に放出されるまで、ロボットは静止しています。

RT の苗リリース部分と VMS 部分の間の連携作業。植物の間隔の要件を満たすために、車両の前進速度は苗の摘み取りから配送までの速度を超えないようにする必要があります。

完成したロボット移植機のフローチャート。

プラグ苗を1本ずつ移植できる単条ユニットのRTです。本機のSPMにはグリッパが1つあります。

移植機の全体的な制御プロセスは、図 8 に示すように、各機構の機能要件に従って、各機構が同期して動作するように設計されています。スタートボタンを押すとすぐにマニピュレータが 1 番目の苗に移動します。、エンドエフェクターに取り付けられたグリッパーが苗を拾い上げ、送出パイプを通して畝の中に放します。苗抽出パートが完了すると、VMS パートが動作を開始します。光電センサーが苗を検出し、プログラムに入力された要件に従ってロボットが次の場所に移動します。

ロボット移植機の全体制御処理のフローチャート。

苗のいくつかの物理的パラメータ、苗の物理的寸法、すなわち苗の高さ、重量および茎の直径が、ロボットの設計のために考慮された。苗の平均高さは116 mm、重量は13.1 g、茎の直径は0.1 mmでした。また、破断圧力、圧縮力、破断力も測定した。ステムは圧縮中に破損しやすいため、破断圧力は非常にわずかであり、測定できませんでした。したがって、万能試験機 (UTM) を使用して測定した圧縮力は 144.98 (± 29.3) N でした。しかし、生後 30 日の唐辛子の苗に必要な破断力は 12.7 N でした。苗の破断力は Texture Analyzer (Make ：Stable Micro System、英国）。

苗の摘み取り率の主な要因は、根培地の水分含有量と、苗を描写から引き抜くのに必要な力です。移植時の苗の根培地含水率は５５〜７５％（ｗｂ）であった。苗の摘み取り/描写からの引き抜きに必要な平均力 (粘着力) は 0.95 (± 0.22) N でした。苗を持ち上げるのに必要な力は非常に小さいため、このマニピュレータは苗を摘み取るために数回テストされ、次のことが観察されました。根茎に直接接触していないため、根茎へのダメージは無視できます。

開発したプラグ苗移植用RTの作業性能を周囲条件下で評価した。使用した唐辛子の苗品種はPusa Jwalaでした。唐辛子の苗は96セル苗プロトレイで栽培し、充填組成物はココピート、バーミキュライト、パーライトを3:1:1の比率で構成しました。種子を播種した後、充填組成物をバーミキュライトおよびペリライトで覆った。苗の水分含有量は45〜60％に保たれました。生後約 30 日で葉が 4 ～ 5 枚ある苗木を試験に使用しました。苗木の平均高さは約 96 mm です。性能を比較するために、同様の形状およびサイズのダミー苗を使用しました。苗の特性は、プラグ苗用の RT を設計する際に非常に重要です 48。

SPM の成功率、漏れ率、移植の成功率は、開発された RT の移植性能を評価するための重要な指標であり、研究者らの推定に従って次のように推定されます。

ここで、S = 全体的な成功率。 L = 漏れ率; T = 移植に成功。 N0 = 苗の総数。 N = 拾った苗の数。 N1 = 放出された苗の総数。 F = 土壌が適切に圧縮され、苗の傾斜が 30° 未満で溝に正常に移植された苗の数。

苗プロトレイを移植機の載置台に設置した。システムは PLC 上で設定されたプログラムに合わせて校正され、制御システムが開始されました。テストのセットアップを図 9 に示します。システムが起動するとすぐに、マニピュレーターが最初の列の 1 番目の苗に移動し、グリッパーのサーボモーターが苗を拾い上げ、供給チューブに送り出します。最後に電子スイッチを押すとマニピュレータの動作が落下点で停止し、苗が畝内に放たれます。光電センサーが配送チューブ内の苗を検出し、開発されたプログラムに従って車両を前進させます。成功率、漏れ率、移植の成功率に関する試験データを計算し、評価しました。

ロボットによるプラグ苗移植のテストセットアップ。

テスト中に得られた結果を表 3 に示します。成功した苗とは、根や植物に物理的な損傷を与えることなく採取された苗を意味します。正常にリリースされた苗とは、目立った損傷がなく、デリバリパイプ内に苗が落とされたことを意味します。表３から、ダミー苗の場合、苗の摘み取り率は９８．６％、漏れ率は１．７％であることが観察された。一方、生後 30 日のトウガラシ苗の苗摘み率と漏洩率は、それぞれ 95.1% と 7.6% でした。また、ダミー苗とトウガラシ苗の移植成功率は、それぞれ97.2％と90.3％でした。ダミー苗はトウガラシの苗に比べてまっすぐで丈夫なため、苗の摘み取り率や移植の成功率が高かった。

テスト結果に基づいて、プラグ苗のロボット移植装置の性能を向上させるためのいくつかの提案が示されています。つまり、グリッパーの開口部を大きくする、苗を収穫する時間を短縮する、ピックアップポイントから配送ポイントまでの移動時間を短縮するなどです。

自動苗ピックアップ機構と車両移動システムを備えたコンパクトなロボット移植機は、小規模で限界的な野菜生産者のニーズを満たすために設計および開発されました。研究の主な結果は次のとおりです。

開発した RT は、苗を溝に抽出して移植することができ、苗を移植する移植サイクルは 20 秒です。

RTは、描写で栽培された96本の苗木でテストされ、生後30日の唐辛子の苗木の摘み取り成功率、漏洩率、および移植の成功率は、それぞれ95.1%、7.6%、および90.3%でした。

RT は、限界農家が劇場や小屋の網で野菜を栽培するために使用することで効率的に適応できます。

ロボット技術は高価に見えるかもしれませんが、その範囲は、手作業が利用できないか高コストであること、および反復的な現場作業の適時性を確保することにあります。

現在の研究中に使用および/または分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

ロボット移植機

直流

半自動野菜移植機

自動野菜移植機

苗取り機構

車両移動システム

スイッチモード電源

プログラマブルロジックコントローラー

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著者らは、この研究を実施するために多大な支援と設備を提供してくれたニューデリーの ICAR およびボパールの ICAR 農業工学中央研究所 (CIAE) 所長に感謝しています。

ICAR-中央農業工学研究所、ボパール、マディヤプラデーシュ州、462038、インド

アビジット・カダトカール & AP パンディルワール

ICAR-マハトマ・ガンジー統合農業研究所、モティハリ、ビハール、845429、インド

V. パラカール

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AK: 執筆—原案、方法論、調査、形式分析。 APP: 執筆—原案、方法論。 VP: ソフトウェア、執筆、編集。

アビジット・カダトカル氏への通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

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転載と許可

Khadatkar, A.、Pandirwar, AP および Paradkar, V. プラグ型苗用の自動苗摘み機構を備えたコンパクトなロボット移植機の設計、開発、および応用。 Sci Rep 13、1883 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-28760-4

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受信日: 2022 年 6 月 17 日

受理日: 2023 年 1 月 24 日

公開日: 2023 年 2 月 2 日

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

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