農業用ロボット

ロボットのエンドエフェクタとは、ロボットアームの先端に取り付けられた装置で、様々な農業作業に使用されます。これまで、様々な種類のエンドエフェクタが開発されてきました。日本のブドウ栽培においては、収穫、摘果、散布、袋詰めなどの作業を行うためのエンドエフェクタが開発されました。以下の設計は、実験室および現場での実験において有効性が実証されていますが、まだ商業的に実用化されていません。

各エンドエフェクタは、作業内容と対象となる果実の形状およびサイズに合わせて設計されました。例えば、収穫に使用されるエンドエフェクタは、ブドウの房をつかみ、切断し、押し出すように設計されています。

ブドウの摘果は、ブドウに対して行われるもう一つの作業であり、ブドウの市場価値を高め、ブドウのサイズを大きくし、房の分離を容易にするために行われます。摘果を行うエンドエフェクタは、上部、中部、下部から構成されます。上部には、開閉可能な2枚のプレートとゴムがあります。2枚のプレートがブドウを圧縮して果軸の枝を切り落とし、ブドウの房を取り出します。中部には、針状のプレート、圧縮バネ、および表面に穴が開いた別のプレートがあります。2枚のプレートが圧縮されると、針がブドウに穴を開けます。次に、下部には、房の長さを均一にするために切断する装置があります。

噴霧作業においては、エンドエフェクタはマニピュレータに取り付けられた噴霧ノズルで構成されています。実際には、生産者は化学液体が作物全体に均一に散布されることを望みます。そのため、この設計では、ノズルを一定速度で移動させながら対象物との距離を保つことで、化学液体の均一な散布を可能にしています。

ブドウ生産の最終段階は袋詰め工程です。袋詰めエンドエフェクタは、袋供給装置と2本の機械式フィン​​ガーで構成されています。袋詰め工程では、袋供給装置にスリットがあり、袋をフィンガーに上下に連続的に供給します。袋がフィンガーに供給される間、袋の上端にある2つの板バネが袋を開いた状態に保持します。袋はブドウの房を収容するために作られています。袋詰め工程が完了すると、フィンガーが開いて袋を解放します。これにより板バネが閉じ、袋が密封されて再び開かなくなります。^{[ 8 ]}

グリッパーは、対象作物を収穫するために使用される把持装置です。グリッパーの設計は、シンプルさ、低コスト、そして効率性を重視しています。そのため、通常は2本の機械式フィン​​ガーで構成され、これらのフィンガーは作業時に同期して動作します。設計の詳細は、実行される作業によって異なります。例えば、収穫のために植物を切断する作業では、グリッパーに鋭利な刃が取り付けられます。

マニピュレータは、グリッパーとエンドエフェクタが周囲環境内を移動できるようにするものです。マニピュレータは、グリッパーの位置と高さを維持する4本の平行リンクで構成されています。マニピュレータは、1つ、2つ、または3つの空気圧アクチュエータを使用することもできます。空気圧アクチュエータは、圧縮空気をエネルギーに変換して直線運動と回転運動を生成するモーターです。空気圧アクチュエータは、出力重量比が高いため、農業用ロボットにとって最も効果的なアクチュエータです。マニピュレータの最もコスト効率の良い設計は、単一アクチュエータ構成ですが、これは最も柔軟性の低いオプションです。^{[ 9 ]}

農業部門が必要とする労働力の量について懸念がある。高齢化が進む日本は、農業労働市場の需要を満たすことができない。^{[ 12 ]}同様に、米国は現在、多数の移民労働者に依存しているが、季節労働者の減少と政府による移民阻止の取り組みの強化により、米国も需要を満たすことができていない。^{[ 12 ] [ 13 ]}企業は、シーズン終了までにすべての作物を収穫できないため、作物を腐らせざるを得ないことが多い。^{[ 12 ]}さらに、今後数年間で養わなければならない人口の増加についても懸念がある。^{[ 12 ] [ 14 ]}このため、農業機械を改良して、より費用対効果が高く、継続使用に適したものにしたいという強い要望がある。^{[ 12 ]}

現在の研究の多くは、自律型農業車両の開発に向けて継続されています。この研究は、運転支援システムや自動運転車の進歩に基づいています。^{[ 13 ]}

ロボットはすでに農業の多くの分野に導入されていますが、さまざまな作物の収穫にはまだほとんど使われていません。企業が農場でより特定の作業を完了するロボットの開発を開始したことで、この状況は変わり始めています。ロボットによる作物の収穫に関する最大の懸念は、イチゴのような柔らかい作物の収穫です。これは簡単に傷ついたり、完全に収穫されなかったりする可能性があります。^{[ 12 ] [ 13 ]}これらの懸念にもかかわらず、この分野では進歩が見られます。Harvest Croo Robotics の共同創設者である Gary Wishnatzki 氏によると、フロリダで現在テスト中の同社のイチゴ収穫機の 1 つは、「わずか 3 日で 25 エーカーの畑を収穫し、約 30 人の農場労働者のチームを置き換えることができる」とのことです。^{[ 13 ]}リンゴ、ブドウ、その他の作物の収穫でも同様の進歩が見られます。^{[ 11 ] [ 13 ] [ 14 ]}リンゴ収穫ロボットの場合、現在の開発は商業的に実現可能なレベルに達するには遅すぎます。現代のロボットは5～10秒に1個のペースでリンゴを収穫できるのに対し、平均的な人間は1秒に1個のペースで収穫する。^{[ 15 ]}

農業企業が設定しているもう 1 つの目標は、データの収集です。^{[ 14 ]}人口増加と、彼らを養うための労働力の減少に対する懸念が高まっています。^{[ 12 ] [ 14 ]}データ収集は、農場の生産性を向上させる方法として開発されています。^{[ 14 ]} AgriData は現在、まさにこれを実現し、果樹をスキャンすることで農家が作物の収穫の最適な時期をより適切に判断できるようにするための新しい技術を開発しています。^{[ 14 ]}

• レーザーを使用した雑草防除（例：Carbon Robotics社のLaserWeeder）^{[ 16 ] [ 17 ]}
• TRIC Robotics社のLunaロボットは紫外線C光を使用して害虫のDNAを損傷し、昆虫を吸引します^{[ 18 ]。}
• 精密農業ロボットは、植物の位置をマッピングしながら、少量の除草剤や肥料を正確に散布します^{[ 17 ] [ 19 ]。}
• Blue River Technology社は、除草剤の使用量を90%削減する、必要な植物にのみ散布するトラクター用農具を開発しました^{[ 20 ] [ 21 ]。}
• レタスボット - レタスの有機的な雑草除去と間引き^{[ 22 ]}
• 極限地形向け自律型除草剤散布ロボットIBEXが開発中^{[ 23 ]}
• ecoRobotixは太陽光発電式の除草・散布ロボットを開発した^{[ 24 ]。}

• ピッキングロボットは開発中である^{[ 25 ]}
• VinobotとVinoculer ^{[ 26 ] [ 27 ] [ 28 ]}
• Burroは、運搬と経路追従を行うロボットであり、収穫や植物病理学への応用が期待されている^{[ 29 ]。}
• Harvest Automationは、元iRobotの従業員によって設立された会社で、温室用のロボットを開発しています^{[ 30 ]。}
• スモールロボットカンパニーは、それぞれが特定の作業（除草、散布、穴あけなど）に特化し、AIシステムによって制御される小型農業ロボットのシリーズを開発しました^{[ 31 ]。}

• グリーンカルチャー^{[ 32 ]}
• Polly+は、 Arugga AI Farming社が開発した、温室でトマトの花を受粉させる ためのロボットです^{[ 33 ]。}
• 日本の農業研究センターが開発した稲作ロボット^{[ 34 ]}

• ROS Agricultureは、Robot Operating System ^{[ 35 ]を使用した農業用ロボット向けのオープンソースソフトウェアです。}

• FarmBot [ ^{36 ]}はオープンソースのコンピュータ数値制御（CNC）農業プロジェクト^{です[ 37 ]}

• アルゼンチンの農業技術スタートアップが開発中のVAEは、精密散布から家畜管理まで、複数の農業用途に対応する汎用プラットフォームとなることを目指している^{[ 38 ]。}
• オーストラリアフィールドロボティクスセンター（ ACFR ） RIPPA、スポット噴霧用^{[ 3 ]}
• 家畜監視用ACFR SwagBot
• ACFRデジタルファームハンド、散布、除草、種まき用^{[ 39 ]}
• Thorvaldは、Saga Roboticsが開発した自律型モジュール式多目的農業ロボットである。^{[ 40 ]}
• フィールドロボットイベントは、移動式農業ロボットの競技会です^{[ 41 ]}
• 人工降雨^{[ 42 ]}