Роботизирование сельского хозяйства

 

В данной статье рассматривается проблема введения новейших технологий в сельскохозяйственную отрасль.

Ключевые слова: робот, сельское хозяйство, посадка растений.

 

This article considers the problem of the introduction of new technologies in the agricultural sector.

Keywords: robot, agriculture, planting.

 

Сельское хозяйство — одно из наиболее распространенных хозяйств в мире. Это то, что обеспечивает нас продуктами, одеждой. Однако без внедрения современных технологий оно не имеет достойного будущего. Наиболее рациональным нововведением является внедрение роботов в сельскохозяйственные работы.

Большая часть продукции сельского хозяйства производится из растений, многие из которых необходимо посадить с помощью семян. Для этого необходимо либо большое количество рабочих для ускорения рабочего процесса. Задача сводиться к выполнению данной работы с минимальными затратами.

Рис.1. Общая схема робота

 

Разработанная модель робота для посадки семян состоит из платформы на гусеничном ходу, приводимое в движение с помощью электродвигателя 2. Корпус 3 представляет из себя бункер для загрузки семян или корнеплодов. Все системы робота управляются дистанционно при помощи пульта управления и принимающей антенны 4. Башня 5 одновременно является и загрузочным отверстием, и башней для управления системой вскапывания 6, необходимая для создания углублений нужной формы, глубины и ширины. В созданную лунку через систему подачи 7 доставляются семена (Рис.1).

Традиционно используемые методы обладают предельной жесткостью, позволяющей избежать указанных отклонений. В случае использования роботов такой путь компенсации возмущений неприемлем. Роботы должны обладать мобильностью и способностью оперировать в широкой рабочей зоне при наличии сравнительно небольшого числа степеней подвижности. Эти требования несовместимы с высокой жесткостью конструкции.

Как альтернатива высокой жесткости конструкции в литературе предлагаются различные методы активного управления роботом, позволяющие уменьшать динамические отклонения. В настоящей работе предложен простой и эффективный способ организации роботизированного процесса без привлечения активного управления. Содержащиеся в статье выводы являются результатом подробного анализа динамического процесса.

Модель инструмента, взаимодействующего с поверхностью, представлена на рис. 2.

Рис. 2. Модель инструмента

 

Основной составляющей математической модели является схват робота. Ось х направлена по касательной к ожидаемой поверхности детали, а ось у — по нормали к этой поверхности. Начало координат 0 характеризует ожидаемое положение центра схвата. Точка О перемешается вместе с системой координат Оху с заданной скоростью V0. Отклонения центра схвата от начала координат описываются функциями x(t), y(t).

Инструмент для обработки земли удерживается охватом манипулятора. Для многомерных механических систем обычно можно выделить два главных направления, в которых проявляется жесткость системы, причем проявления по этим направлениям независимо друг от друга и могут быть представлены наличием двух пружин. Подобный факт имеет место и для демпфрования. Для простоты далее предполагается, что главные направления жесткости и демпфирования совпадают друг с другом. Таким образом, предполагается, что модель содержит две пружины с коэффициентами жесткости kp и kq и два демпфера с коэффициентами демпфирования bp, bq, расположенные вдоль ортогональных осей p и q. Угол α, изображенный на рис. 2, определяет поворот системы координат Opq относительно системы координат Оxy и является углом ориентации структуры модели. Поскольку параметры kp, kq и α характеризуют, главным образом, устройство охвата, то, исследуй влияние этих параметров на качество процесса шлифования, можно проводить их оптимизацию.

Для анализа динамики охвата, удерживающего инструмент, рассматриваются его уравнения движения:

(1)

где m — масса инструмента, fp, fq- силы, действующие на инструмент вдоль осей р, q.

Для процесса работы характерна сильная зависимость между движениями по касательному и нормальному направлениям. Для того, чтобы проанализировать эту зависимость, рассматривается сила реакции F, которая действует на инструмент, как показано на рис 2. Сила F может быть разложена на компоненты Ft, Fn, причем нормальная составляющая Fn образует с F постоянный уголƟ. Отсюда следует, что силы Fn, Ft связаны соотношением

Ft =µFn, µ=tanƟ

Разложение сипы F по главным осям р и q выражается равенствами

fp = Fsin(α + Ɵ), (3)

fq = Fcos(α + Ɵ).

Если (3) подставить в (1), из полученных равенств исключить силу F и затем применить преобразование Лапласа, то с учетом выражения для координат х, у через координаты р, q окончательно будут получены соотношения

y(s) = G(s)x(s)

G(s) = cotƟ(4)

Здесь Bn, Kn, Bt,Kt — функции параметров α, kp, bp,kq, bq.Они характеризуют демпфирование и жесткость охвата в направлениях нормали и касательной. Уравнения С4) описывают зависимость поведения модели в направлении у от ее поведения в направлении х. Известно, что возникновение вибрации в направлении касательной вероятнее, чем в направлении нормали, так как жесткость в этом направлении меньше. При этом вибрация в касательном направлении является причиной возникновения пульсирующей нормальной силы Fn. Поэтому желательно по возможности уменьшить влияние отклонений по оси х на поведение модели в направлении оси у.

В том случае, когда возмущенное движение колеса имеет высокую частоту, член ms2 в передаточной функции G(s) является доминирующим и функция G(s) становится равной cotθ. При возмущении низкой частоты функция G(s) определяется равенством

G(0) = k =

(5)

Поскольку k характеризует связь между поведением системы в нормальном и касательном направлениях, то при вибрации низкой частоты большое значение приобретают величины параметров α, kq, kp. Действующие при обработки почвы силы характеризуются двумя группами эмпирическими соотношениями,

Zw=λwFn

Fn=CZ, C=1/λw(7)

Которые характеризуют объем почвы, λw —«коэффициент удаления металла». Поскольку в данном случае рассматривается только одна деталь, индекс w у характеристики Zw можно опустить. При этом возникает второе уравнение в (7) и жесткость конструкции традиционных робота. Роботы обладают податливостью, поэтому величина Z определяется по формуле

(8)

Если колеса может двигаться в направлении отрицательных значений y, то силы Ft, Fn определяются по формулам

(9)

При движении нормальные силы содержат составляющие компоненты высокой частоты, которые не оказывают существенного влияния на динамические процессы, возникающие при обработки почвы.

С другой стороны, из анализа уравнений движения следует, что отклонение по оси у при достижении системой устойчивого состояния обратно пропорционально величине Кn. Поэтому предпочтительнее является соотношение коэффициентов жесткости kp«kq. Моделирование доказало, что если положитьθ=30° и менять α от -90°до 90°, то наибольшие отклонения центра инструмента наблюдаются при α= ± 45°, а наименьшие — при α = 0° и α=±90°. Наихудшее поведение системы наблюдается при α=45°, а при α=0° процесс обработки почвы протекает практически без вибрации системы передвижения.

Преимуществами данного робота являются:

          Быстродействие;

          Способность выполнения большого объема работы;

          Высокая проходимость;

          Способность дозировать расходные материалы, что положительно повлияет на затраты;

          Почти полная независимость от человека, задействованного в данной операции, кроме управления роботом.

Данный робот значительно облегчит и ускорит работы по засеевыванию полей огромной площади, позволив избежать лишних затрат на рабочую силу и расходные материалы.

Выполнение операций требует от рабочего значительного напряжения. Даже при современном уровне производства такой труд низкопродуктивен и небезопасен. Заменить человека мог бы робот при условии решения некоторых технических проблем. Одна из них связана с воздействием на инструмент, который закрепляется в охвате робота, вибрационных сил, возникающих в процессе работы. Эти силы способны вызывать значительные отклонения инструмента от заданного положения» Наличие неравномерных нагрузок может также привести к разрушению механической конструкции робота.

 

Литература:

 

1.                http://timerobots.ru/robots/388-robot-sazhajuwij-derevja.html
2.                С. В. Емельянов, Е. Б. Дудин, А. А. Петров. Робототехника № 25; ВИНИТИ, Москва, 1988.