耕作机器人系统背后的动力

高科技视觉系统、机器学习技术和正确的电机：三者的成功结合造就这款适合商业蔬菜种植、先进的除草机器人系统。

Vision Robotics Corporation (VRC) 及其分公司利用基于视觉的人工智能，采用最新技术为各种应用研发机器人系统。其中包括用于地图绘制、定位和导航系统，以及可与现实世界对象交互的机器。人工智能涉及各种机器学习技术，包括深度学习和动态手臂控制等运动部件的现代化控制技术。这家公司的解决方案稳健且具有成本效益，制造的机器人甚至可以自主地为所关注的未知区域创建三维地图，可以是绘制建筑物地图，或者为葡萄藤建模。这些地图和模型可帮助机器人智能、准确地执行各种各样的任务，比如为地板吸尘以及修剪葡萄藤。 

Vision Robotics团队具有极其丰富的经验和巨大的创造力，因此能够成为客户们在机器人系统开发方面的优秀合作伙伴。下一代机器人需要机动性以及与不断变化的世界交互的能力。VRC公司的软件和支持技术让机器人能在复杂的环境中自主、可靠地探索、理解并执行工作。VRC的技术与最新一代高性能、低成本微处理器、固态摄像机、高科技电机和其他基本部件相结合，成为价格合理、高性能、基于视觉的实用型移动机器人。

耕作机的设计挑战

在传统意义上，耕作机包括拖拉机及其后方牵引的犁刀刀片或其他工具，用于翻转和疏松田地中的土壤。在不久之前，耕作机和其他除草机中安装了辅助侧移装置，以提高准确度并降低驾驶人员操作方式或作物种植情况的影响——即使驾驶人员稍微偏离路线，除草犁也能相对准确地对准杂草。尽管如此，犁刀与作物之间仍然必须保持最小间隙，这样就不会因为这类大型系统无法避免的公差而导致农作物叶片受损。此外，传统耕作机并不会耕耘各垄作物之间的土壤。

直连式耕作机上市已有几年时间。竞品系统采用的是对称运行的液压控制系统。这类系统要求犁刀刀片在打开和闭合时的工作宽度和速度达到预先定义的设定值。由于耕作机两侧的刀片在田垄间会对称地打开和闭合，如果农作物或田间条件与典型情况相差太远，那么就会导致刀片很容易损伤农作物（见图1A和1B）。

图1：目前使用的耕作机配备的是标准液压控制系统，这种系统以预定的速度以及打开/闭合宽度运行，这意味着可能会损伤农作物。

VRC耕作机

VRC的最新设计利用了使用独立电机进行耕作的优势。换句话说：位于作物两侧的刀片可以沿完全自定义的路线运行，从而提高作物周围的耕作精度（见图2）。采用这种应用策略的前提是VRC团队必须找到可达到所需转矩和加速度的电机，才能在任何可能的环境中长时间承受如此恶劣的运行条件。此外，公司还需要能够为系统赋能的人工智能和神经网络。在本例中，公司将作物检测也投放到深度学习数据桶中，以简化作物和杂草图像训练集的创建。

图2：使用电机驱动系统而不是液压系统的附加价值在于：独立的机械臂能够更好地在作物周围灵活移动。

VRC耕作机是一款直连式耕作机，用于疏松各垄作物之间的土壤并除去作物（生菜、西兰花、花椰菜或其他任何植物）之间的杂草。这套系统经过成百上千张混杂着健康作物、枯萎作物及常见杂草的照片的训练，从而为运行创建完美的算法。另外，系统中还集成有一套视觉系统，用于拍摄作物的图像。摄像机系统可在各种照明条件下自动“识别”不同作物的植株大小、类型和土壤覆盖情况等。人工智能深度学习电路可实时处理拍摄到的大量图像。系统使用深度学习代替其他机器学习技术，因为深度学习具有极高的灵活性，并且未来可根据实际情况进行灵活调整。系统不仅能识别各种植株，而且可以区分作物与杂草的精确大小和位置。通过深度学习得到的算法可以将输入的图像内容转换为实时数据，用于精确操作刀片执行器的动态机械臂控制（见图3）。

软件可计算每一组植株所需的刀片打开和闭合轨迹。操作人员可以确定在植株四周需要为刀片预留的间隙，包括伸展到植株冠部下方所需的间隙。这套系统的最高工作速度可达到3 mph，但一般在1 mph左右。操作人员可根据环境和作物状况来确定速度。速度越快，丢弃的废弃物就越多，这有可能造成作物损坏或污染。举例来说，生菜的叶片极多并且贴近地面生长。耕作机速度过快就会导致泥土不必要地堆积在生菜植株上，因此，在生菜田内除草的机器人工作速度必须足够慢，以免扬起大量尘土。通常情况下，生菜除草机在以每小时不超过一英里的速度运行时，就可以提供清洁健康的产品。

图3：通过整合先进的视觉系统、深度学习和独立运行的电机，耕作机能在不损坏植株的情况下清除植株周围的杂草和土块。

maxon的无刷EC-i电机配备铁绕组，可提供极高的转矩密度和较低的齿槽转矩。内部多极转子具有极高的动态性能。其坚固的钢制法兰和外壳设计，使得这款电机的应用范围十分广泛。

运动系统部件

如上所述，除草操作采用独立运行的电机，因此可以使位于作物两侧的刀片在作物周围沿个性化设置的路线运行，从而在操作过程中实现更高的精度。刀片可以更靠近植株，并更有效、彻底地清除杂草，与其他系统相比具有显著的性能优势。团队的应用策略代表着他们需要可以处理这种高动态运动所需转矩和加速度的电机。

VRC团队选择的电机包括两台由maxon设计和制造的EC-i 52电机。EC-i 52电机是一款420 W电子换向无刷DC电机，并配有集成的霍尔传感器用于反馈。这款电机反应迅速，能准确引导刀片靠近每一棵植株，而不会对植株造成伤害。maxon电子换向EC电机的主要特点包括：卓越的转矩性能、高功率、极宽的转速范围和无与伦比的使用寿命。电机具有卓越的可控性，因此可构建高精度定位驱动系统。

图4：注意VRC耕作机外壳内两台maxon高转矩EC-I 52电机和GP52齿轮箱的位置。

除了电机之外，VRC耕作机的运动系统还包含两台GP52齿轮箱，这两台齿轮箱同样也是由maxon设计和制造的（见图4）。在作物四周进行除草的过程中，需要使用高转矩齿轮箱来疏松土壤。根据所使用的型号，这些陶瓷部件可提供最高30 Nm的转矩。设计的计算需要考虑机械臂的长度、运行速度以及正常工作期间在地面运行所需的转矩规格。

结论

Vision Robotics Corporation 公司凭借创造力和丰富经验为每一种应用提供合适的解决方案。在需要提高商业农场中所使用的最新耕作机的性能时，他们求助于maxon公司。maxon部件能满足极高的转矩和转矩标准，能使耕作机在运行时保持高精度和准确性，并能承受商业化农业中恶劣的工作环境。