СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЙ РОБОТ
AGRICULTURAL ROBOT

Изобретение относится к робототехнике и предназначено для использования в производстве сельскохозяйственной продукции, главным образом для обработки посадок и уборки бахчевых овощных культур с наземными плодами.
Известны самоходные аппараты для обработки почвы и посадок и сбора продукции, включающие каретки с приводимыми от двигателя колесными движителями, агрегатным отсеком или отсеками с устройствами для обработки и упаковки продукции, устройством управления агрегатом и навигационным оборудованием, и соединяющую каретки платформу с устройствами для воздействия на почву и на посадки и сбора продукции и с транспортером для перемещения продукции в агрегатные отсеки.
Наиболее близким к заявленному изобретению по конструкции и назначению является шведский мостовой комбайн BIOTRAC [1]. В этом комбайне платформа с рабочими органами расположена между двумя двухколесными каретками, на одной из которых расположен двигатель, а на другой расположены кабина для водителя и устройства управления агрегатами комбайна. Данный прототип позволяет уменьшить площадь уплотняемого колесами грунта, ориентировать комбайн относительно границ обрабатываемого участка с помощью навигационного оборудования и обеспечивать точное позиционирование рабочих органов по отношению к посадкам.
Недостатками комбайна BIOTRAC являются: цельная платформа, не позволяющая менять расстояние между каретками; неспособность к автономному режиму обследования посадок и выполнению сложных действий с ними; неспособность к отделению сочноплодной продукции и перемещению ее в платформу; высокое удельное давление колес на грунт, превышающее порог устойчивости посадок к вытаптыванию.
Техническим результатом является: обеспечение возможности изменения длины платформы аппарата, автономизация выполнения рабочих операций по воздействию на посадки, отделению продукции и перемещению ее в агрегатные отсеки, снижение удельного давления колес аппарата на грунт ниже порога устойчивости посадок к вытаптыванию.
Указанный технический результат достигается тем, что в сельскохозяйственном роботе, состоящем из двух кареток с приводимыми от двигателя колесами, агрегатными отсеками с устройствами для обработки и упаковки продукции, навигационным оборудованием и устройством управления роботом, и соединяющей каретки платформы со связанными проводным или беспроводным способом с устройством управления роботом оптическими, микроволновыми и/или инфракрасными, ультрафиолетовыми, ультразвуковыми сканерами, рабочими органами для воздействия на почву и на посадки и сбора продукции и транспортером для перемещения продукции от рабочих органов к агрегатным отсекам, согласно изобретению платформа выполнена сборной из унифицированных производственных и/или транспортных секций (отсеков), причем производственные секции снабжены рабочим органом или органами, транспортером продукции и встроенными элементами электрической, пневматической и/или гидравлической системы робота, а рабочие органы представляют собой очувствленные посредством сенсоров положения многозвенные манипуляторы с числом степеней подвижности не меньше шести, а транспортные секции снабжены устройствами погрузки-выгрузки и обработки продукции.
Каретки выполнены одноколесными, а центр масс робота расположен ниже оси вращения колес.
Несущая конструкция кареток робота обладает дополнительно внутренней степенью подвижности в виде возможности перемещения центра масс робота относительно оси вращения колес и снабжена устройством, перемещающим центр масс робота относительно оси вращения колес в соответствии с изменениями динамических режимов движения робота и результирующего статического момента манипуляторов, определяемого устройством управления по данным сенсоров положения манипуляторов.
Манипуляторы выполнены по схеме «хобот» и представляют собой трубчатую конструкцию, в стенку которой встроены соединенные через одну и образующие две группы из четных и нечетных номеров кольцевые эластичные камеры, а внутренний слой стенки образован эластичным шлангом с обращенным внутрь шланга щетинообразным ворсом из расположенных наклонно к основанию упругих волокон, а группы кольцевых камер с четными и нечетными номерами присоединены к пневматической системе робота посредством автоматического переключателя, подающего давление поочередно в разные группы.
Излучающие и приемные элементы сканеров расположены на оконечной части манипуляторов.
На оконечной части манипуляторов расположены секаторы, управляемые от устройства управления роботом или от отдельного индикатора положения продукции относительно манипулятора.
Транспортер продукции выполнен в виде приводимого от электромеханического, пьезомеханического, гидравлического или пневматического вибратора лотка с обращенным в его полость щетинообразным ворсом из расположенных наклонно к основанию упругих волокон.
Колеса кареток имеют широкопрофильные пневматические шины с высокоэластичной беговой частью и размером, обеспечивающим нагрузочную способность колеса при 30%-ной деформации шины при избыточном давлении воздуха в шине порядка 7 кПа, а крепление колес на двухколесных каретках обладает дополнительной угловой подвижностью в горизонтальной плоскости для обеспечения полного кинематического соответствия перемещения колес робота во всех режимах движения.
Устройство управления роботом выполнено в виде оснащенного сенсорами компьютеризованного комплекса с установленной на нем самообучающейся программой обработки данных сенсоров и восстановления пространственного динамического образа внешней среды и адаптивной системы управления движением аппарата и индивидуальными и совместными действиями манипуляторов.
Робот выполнен мультиагентным с коллективным выполнением действий автономными мостовыми модулями и с разделением функций по обработке посадок и сбору продукции модулями-комбайнами с платформами из производственных секций и транспортировке продукции за пределы посадок модулями-транспортировщиками с платформами из транспортных секций.
Устройства управления положением манипуляторов типа «хобот» снабжены вибраторами.
На чертеже представлен общий вид комбайна, содержащего манипуляторы 1, отдельные производственные секции платформы 2, каретки с агрегатными отсеками 3, колеса кареток с широкопрофильными шинами низкого давления 4.
Самоходный аппарат для воздействия на почву и посадки и сбора продукции выполняют в виде роботизированного мостового комбайна со сборной платформой из унифицированных транспортных и производительных секций с встроенными в них элементами электрической и/или пневматической и гидравлической систем робота, с расположенными на транспортных секциях устройствами для приемки продукции из агрегатных отсеков комбайна и/или погрузки выгруженной из агрегатных отсеков продукции и расположенными на производительных секциях многозвенными манипуляторами с сенсорами положения и с числом степеней подвижности не менее шести и с расположенными на оконечных частях манипуляторов оптическими, микроволновыми и/или ультразвуковыми, инфракрасными и ультрафиолетовыми сканерами и лучевым или электромеханическим, или гидромеханическим, или пневмомеханическим секатором, управляемым сигналами устройства управления аппарата или специального индикатора положения продукции относительно манипулятора.
Для повышения эффективности манипуляторы могут быть выполнены по схеме «хобот» в виде многослойной трубчатой конструкции, в стенку которой встроены кольцевые эластичные камеры, соединенные через одну и образующие две группы из четных и нечетных камер, а внутренний слой образован эластичным шлангом с обращенным внутрь шланга щетинообразным ворсом из расположенных наклонно к основанию упругих волокон. Группы четных и нечетных кольцевых камер присоединяют к пневматической системе аппарата посредством автоматического переключателя, поочередно подающего давление в четные и нечетные кольцевые камеры. Активация ворсистого покрытия внутренней полости «хобота» может осуществляться также посредством встроенного в устройство управления положением манипулятора или отдельного вибратора с электро- или пневмомеханическим приводом.
На оконечностях манипуляторов на месте сканеров могут быть установлены только излучающие и принимающие элементы сканеров.
Для выполнения совместных действий манипуляторов их рабочие зоны могут перекрываться.
Также на производственных секциях устанавливают транспортеры для перемещения продукции от рабочего органа в соседнюю секцию или в агрегатный отсек комбайна. Транспортеры могут быть выполнены в виде приводимого от электро-, пневмо-, гидро -или пьезомеханических вибраторов лотка с обращенным в его полость щетинообразным ворсом из расположенных наклонно к основанию упругих волокон.
Колеса кареток комбайна выполняют с шинами в виде широкопрофильных катков большого диаметра с высокоэластичной беговой частью, обеспечивающих при давлении не выше 7 кПа и 30%-ной деформации сохранность или минимальное повреждение стеблей, листьев, почек возобновления и плодов посадок. Нагрузочная способность колес обеспечивается за счет больших диаметра и профиля шин. Привод колес кареток может быть выполнен посредством механической, электромеханической, гидравлической или пневматической трансмиссии.
С целью обеспечения полного кинематического соответствия движения колес кареток они могут быть выполнены в одноколесном варианте с расположенным ниже оси колес центром масс комбайна или в двухколесном варианте велосипедной компоновки с дополнительной подвижностью крепления колес в горизонтальной плоскости. С целью обеспечения стабилизации ориентации платформы относительно посадок конструкция комбайна с одноколесными каретками может быть выполнена с дополнительной внутренней степенью подвижности в виде возможности смещения положения центра масс комбайна относительно оси вращения колес, для чего конструкция снабжается устройством перемещения платформы и/или массивных элементов кареток в соответствии с динамическим режимом движения комбайна и результирующим статическим моментом на манипуляторах.
Для достижения высокой степени автономизации и повышения коэффициента технического использования комбайна устройство управления комбайна выполняют в виде компьютеризованного комплекса, оснащенного программами обработки данных сенсоров и сканеров и программами манипулирования потоками сельскохозяйственной продукции, в том числе транспортировкой, упаковкой, погрузкой и выгрузкой продукции, а исполнительные устройства применяют в пыле- и влагозащитном исполнении.
Для обработки посадок большой протяженности сельскохозяйственный робот выполняют мультиагентным с коллективным принятием решений по выполнению производственной задачи и разделением функций по сбору продукции и транспортировке ее за пределы посадок между автономными мостовыми модулями-комбайнами и автономными мостовыми модулями-транспортировщиками продукции, платформы которых состоят из транспортных секций.
Работает аппарат следующим образом: робот в виде комплекта из кареток и производственных и, при надобности, транспортных секций доставляют на отдельном транспортном средстве или робот своим ходом в виде мостового комбайна с шириной, соответствующей пропускной способности дорог, и с нагруженными на платформу комбайна или на дополнительный прицеп дополнительными секциями прибывает под управлением оператора на границу обрабатываемого участка посадок, в устройство управления загружают план расположения посадок и задание, из кареток и дополнительных секций собирают соответствующую заданию и характеру посадок конфигурацию робота и приводят робот в рабочее состояние. Далее мостовой комбайн робота в автономном режиме с помощью навигационного устройства ориентируется относительно расположения участка посадок и перемещается по участку, осуществляя указанное в задании воздействие на посадки. Сенсоры и сканеры на манипуляторах комбайна передают в устройство управления комбайна сведения о положении манипуляторов и о состоянии посадок в зоне сканирования. Устройство управления воссоздает пространственный образ структуры посадок в зоне досягаемости манипуляторов и в соответствии с заданием вырабатывает управляющие сигналы на устройство управления манипуляторами и на устройство управления движением комбайна.
При выполнении уборки продукции устройство управления комбайна ориентирует оконечные части манипуляторов в гуще посадок относительно плодоовощей и индивидуальными и/или совместными действиями манипуляторов приводит в контакт с плодоовощами. Под воздействием периодических повышений давления в кольцевых камерах наклонные упругие волокна щетинообразного ворса на внутренней оболочке «хобота» создают периодические однонаправленные толчки на плодоовощ, вследствие чего он перемещается в полость «хобота». При занятии плодом конструктивно определенного положения в полости манипулятора секатор отсекает плодоножку и плод продолжает перемещение внутри «хобота» и подается на транспортер в секции платформы, который перемещает плод на транспортер соседней секции, и далее до агрегатного отсека комбайна.
В агрегатном отсеке продукция обрабатывается, при необходимости, или сразу подается в дозатор упаковочного устройства и затем в бункер-накопитель. При достижении комбайном границы участка агрегатный отсек комбайна выгружает упаковки с продукцией, комбайн разворачивается поворотом относительно центра опоры одной из кареток и продолжает выполнение задания.
Для сбора продукции на участках большой протяженности из кареток и транспортных секций собирают дополнительно мостовые транспортные модули и устанавливают в устройство управления робота программу работы в мультиагентном режиме. В процессе выполнения задачи транспортные модули совместно с модулями-комбайнами робота принимают решения о перемещении к модулю-комбайну с заполненным бункером-накопителем или перемещении к месту выгрузки продукции, загружают продукцию в транспортную секцию или секции и переправляют ее за пределы посадок.
Вследствие того, что удельное давление эластичных беговых частей шин колес ниже порога устойчивости посадок к вытаптыванию, а заявленные конструкции кареток обеспечивают движение в полном кинематическом соответствии, перемещение модулей робота по посадкам не приводит к образованию колеи и не сопровождается необратимым повреждением посадок и продукции.
Критерии выбора продукции определенного вида или качества задают различными наборами типов сканеров на манипуляторах и адаптивным режимом работы устройства управления с функцией распознавания продукции.
Применение мостовых роботизированных комбайнов в качестве замены или дополнения к существующим тракторным и комбайновым системам приведет к повышению урожайности посадок вследствие того, что уменьшится площадь следов машин на участках посадок, уменьшится повреждаемость посадок, повысится производительность труда в производстве сельскохозяйственной продукции вследствие автоматизации рутинных и алгоритмизируемых операций в интеллектуальной и производственной деятельности человека.
Применение мостовых комбайнов с одноколесными каретками и широкопрофильными шинами сверхнизкого давления предпочтительней, так как, в отличие от движителей существующих типов машин для обработки посадок, они перемещаются в режиме полного кинематического соответствия, вследствие чего не создают сдвиговых деформаций почвы, не уплотняют верхний слой почвы, не меняют его водно-воздушных режимов и, соответственно, не ухудшают условий развития аэробных бактерий и не уменьшают численность и активность дождевых червей и т.п. благоприятных факторов плодородия почв.
Следует отметить такие важные последствия применения роботизированного комбайна, как высвобождение людей с полевых работ за счет автоматизации сбора продукции и переработки собранного урожая в готовую для реализации конечную продукцию по безлюдным технологиям и повышение престижа крестьянского труда.
Исходя из того, что в структуре овощных посевов общая площадь посадок томатов составляет около 24%, огурцов и перца по 10-11%, а в структуре овощной продукции, соответственно, томаты занимают до 27%, огурцы и перец - до 12%, можно рассчитывать на существенный социо-экономический эффект от повышения производительности и интенсификации труда в производстве плодоовощной продукции за счет автоматизации ухода за посадками и сбора продукции.
Источники информации
1. Chamen W.C.T., Dowler D., Leede P.R., Longstaff D.J. Design, operation and performance of a gantry system: experience in arable cropping. Journal of Agricultural Engineering Research 1994, 59: 45-60.