機器人耕耘系統背後的動力

這樣一套用於商業蔬菜栽種的除草機器人系統，需要高科技視覺系統、機器學習技術和合適的馬達。

視覺機器人公司（Vision Robotics Corporation，VRC）和其子公司共同開發了一套應用廣泛的機器人系統，其中採用具有視覺輔助人工智慧的最新科技。這包括了繪圖、定位和導航系統，以及能夠與真實世界物體互動的機器。人工智慧牽涉到各種不同的機器學習技術，包括深度學習和先進的運動元件控制，例如動態機械臂控制。這家公司透過穩健且具成本效益的解決方案，讓他們的機器人能夠自主建立未知關注區域的 3D 地圖——可以是繪製建築物地圖，或是葡萄園模型。機器人會聰明地利用製成的地圖和模型來準確執行各式各樣的任務，例如吸地板或是修剪葡萄藤。 

Vision Robotics 團隊為他們的客戶帶來的經驗和創意，讓他們成為機器人開發領域中完美的合作夥伴。下一代的機器人需要機動性和能與不斷變化的世界互動的能力。VRC 的軟體和輔助技術讓機器人能夠去探索和理解複雜的環境，並且在其中自主可靠地工作。VRC 的技術與最新一代的高性能、低成本微處理器、固態攝影機、高科技馬達和其他必要元件的組合，實現了大多數人能負擔得起的高性能視覺行動機器人。

作物耕耘機的設計挑戰

一般傳統耕耘機通常是牽引機後面拖著刀片或其他農具，用來翻動和粉碎田裡的土壤。在不久之前，耕耘機和其他除草機又加裝了輔助側向變速裝置，使其精確性不會受限於駕駛人技術或是種植物——即使駕駛人輕微偏離既定軌道，除草犁仍會盡可能保持在目標植株上。即使如此，犁和作物之間仍需保持最小間隙，以免這些大型系統的公差導致作物葉片受損。再者，這些傳統耕耘機不會沿列處理各排植物之間的土壤。

直列耕耘機已存在數年。多家競爭者使用對稱操作的液壓控制器統。這些系統要求的耕作刀片的工作寬度和速度在打開和閉合時必須具有預設的設定點，因為每行兩側的刀片對稱地打開和閉合，如果植物或田地條件與典型條件差異太大，植物便很容易受損（參見圖 1A 和 1B）。

圖 1：目前使用的耕耘機標準液壓系統，以預定速度和打開/閉合寬度運行，可能會損壞植物。

VRC 作物耕耘機

VRC 的最新設計在耕耘作業中充分利用獨立電動馬達的優勢。這表示，植物每一側的刀片能夠完全依照輪廓調整，因此能更精準地包覆植物（見圖 2）。這種應用策略也代表 VRC 團隊必須找到具有所需轉矩和加速能力的馬達，才能夠長時間應付如此困難的運行條件，而且是在任何想像得到的環境中。此外，公司也需要能夠實現這套系統的人工智慧和神經網絡。在這種情況下，他們將植物檢測功能歸併到深度學習部分，這樣便較容易創造作物和雜草的訓練影像組。

圖 2：以電動馬達驅動系統來取代液壓系統的附加價值，可以從獨立機械臂能較完好處理植物這一點看出。

VRC 耕耘機屬於直列式耕耘機，能夠在作物各列之間除草過程中為土壤透氣，無論是萵苣、青花菜、花椰菜或是任何其他作物。這套系統經過數百到上千張健康植物、死亡植物和普通雜草的照片訓練，為耕耘作業建立起完美的演算法。系統也整合了一套視覺系統，可以拍攝植物畫面。這套攝影機系統會自動「認出」不同的植物尺寸、類型，以及在不同的光線條件下辨認土壤覆蓋情形。拍攝到的影像會由人工智慧深度學習電路系統即時處理。在此採用深度學習技術取代其他的機器學習技巧，因為其更靈活且具有可快速適應未來條件的能力。無論是作物或是雜草，系統能夠辨別每一株植物和其準確大小和位置。所生成的演算法會將這些輸入資料轉換為計時資料，用來精確操作刀片執行器的動態機械臂控制（見圖 3）。

軟體則用於計算每組植物所需的開閉軌跡。操作員決定刀片與植物之間應用的間隙大小，包括直到植冠之下。這套系統運行速度最高可達 3 mph，但通常約為 1 mph。操作員可依據環境和作物條件來決定速度。速度愈快，土壤會被拋扔愈多愈遠，這樣可能會傷害和污染作物。例如，萵苣會長出很多葉子且靠近地面。若速度過快，會導致作物上堆積不必要的泥土，因此萵苣除草機器人必須以適當慢速運行，才不會踢起太多塵土。一般情況下，萵苣除草機能以大約 1 mph 的速度運行，且之後仍有乾淨健康的產品。

圖 3：這架耕耘機整合了先進視覺系統、深度學習技術和獨立運行的馬達，能夠移除作物附近的雜草和土塊，且不會傷害作物。

maxon 無刷 EC-i 馬達採用鐵繞組，可提供極高的轉矩密度且齒槽轉矩低。多極內部轉子動態性能極佳。馬達採用不鏽鋼法蘭和外殼，擁有堅固耐用的設計，應用範圍廣泛。

運動系統元件

如上所述，針對除草功能加入了獨立運行的電動馬達，使植物每一側的刀片都能夠完全依照輪廓進行調整，因此在運行中可獲得更高的精確度。刀片可以更靠近作物，將雜草清除得更乾淨，比其他系統具有更顯著的性能優勢。該團隊的應用策略代表他們需要具有足夠轉矩和加速性能的馬達來處理如此高動態的運動。

VRC 團隊所選用的馬達包括兩顆由 maxon 設計和製造的 EC-i 52 馬達。EC-i 52 是一顆 420 W 電子換向無刷 DC 馬達，內建用於提供反饋的霍爾感應器。這些馬達反應迅速，且能夠引導刀片靠近植物，但卻不會造成傷害。maxon 的電子換向 EC 馬達的有多項獨特之處，包括其完美的轉矩表現、高功率、極為寬廣的轉速範圍，以及無可比擬的使用壽命。馬達卓越的控制能力能使定位驅動模組更加精確。

圖 4：注意 VRC 耕耘機機殼中兩顆高轉矩 EC-I 52 maxon 馬達和 GP52 減速機的位置。

除了馬達之外，VRC 耕耘機的運動系統中所整合的兩組 GP52 減速機也是由 maxon 設計和製作（見圖 4）。減速機負責提供在除草過程中翻動土塊時所需的高轉矩。視實際使用的機型而定，這些陶瓷元件可提供最高達 30 Nm 的轉矩。在考量設計時，必須考慮到在地面上正常運作的情形下，所需要的機械手臂長度、運行速度和轉矩特性。

結論

Vision Robotics Corporation 以創造力和經驗來處理每一種應用。當他們需要改良最新商業耕耘機的性能時，他們求助於 maxon。maxon 的元件能夠符合轉矩和轉速方面的高標準，使該公司的耕耘機在運行期間能夠保有精準性能，並且禁得起商業性農業中的惡劣環境。