Das untenstehende Bild ist keine Konzeptgrafik oder ein Laborprototyp. Es zeigt einen funktionsfähigen Endeffektor, der von einem unserer Kunden entwickelt wurde – einen robotischen Schneidkopf, der Pflanzen selbstständig erntet, indem er Pflanzenstängel greift und durchtrennt. Im Zentrum dieses Mechanismus befindet sich die Actuonix P16 Linearantrieb, das die Scherenklinge antreibt, die für das Abschneiden der Pflanzenstängel verantwortlich ist.
Der P16 findet in verschiedenen anderen kreativen Anwendungen Verwendung, doch die Agrarrobotik hat sich zu einem der aktivsten Einsatzgebiete entwickelt. Dieser Artikel untersucht einen von einem Kunden entwickelten Endeffektor und zeigt, wie der P16 beim Stängelschneiden funktioniert, warum er sich dafür so gut eignet und wie Sie ihn für Ihren eigenen Ernteroboter konfigurieren können.
Warum das Abschneiden des Stängels bei der Ernte eine schwer zu automatisierende Aufgabe ist
Das Erkennen reifer Früchte in einer unübersichtlichen, laubbedeckten Umgebung gilt oft als die größte Herausforderung bei der robotergestützten Ernte. Obwohl die kameragesteuerte Fernsteuerung zweifellos komplex ist, zeigen Studien in der Agrarrobotik, dass Ausfälle des Endeffektors häufiger zu erfolglosen Ernten führen als Erkennungsfehler. Der Roboter kann die Früchte oft korrekt identifizieren. echte Herausforderung entwirft einen zuverlässigen Mechanismus, der den Stängel greifen und abschneiden kann, ohne die Ernte zu beschädigen.
Das Schneiden ist schwieriger als es aussieht. Die Stängel sind nicht einheitlich; der Stiel einer Erdbeere kann weniger als 3 mm im Durchmesser messen, während der Stiel einer Paprika 10 mm erreichen kann. Sie wachsen in unvorhersehbaren Winkeln. Unter Druck weichen sie der Klinge aus. Schneidet man zu langsam, quetscht man sie, anstatt sie abzuschneiden; setzt man die Klinge falsch an, verfehlt man die Pflanze komplett. Und all das muss mehrmals täglich in der feuchten Umgebung eines Gewächshauses geschehen.
Der Aktor, der dieses Blatt antreibt, muss die richtige Kraft mit einer wiederholbaren Geschwindigkeit und über mehrere Zyklen hinweg zuverlässig liefern.
Warum ein Mini-Linearantrieb pneumatischen und hydraulischen Alternativen überlegen ist
Ingenieuren stehen bei der Konstruktion eines Stängelschneidmechanismus verschiedene Optionen zur Verfügung, darunter Servomotoren, Pneumatikzylinder oder Linearantriebe. Jede dieser Methoden hat Vor- und Nachteile, die es zu verstehen gilt.
Servomotoren
Servos sind aufgrund ihrer kompakten Bauweise, der weiten Verfügbarkeit und der bereits in den meisten Roboterplattformen integrierten Bauweise eine naheliegende Wahl. Servos erzeugen eine Drehbewegung, während zum Schließen eines Blattes eine lineare Schub-/Zugbewegung erforderlich ist.
Um diese Lücke zu schließen, muss eine Kurbel, ein Nocken oder ein Mehrgelenkgetriebe hinzugefügt werden. Jedes zusätzliche Gelenk und jeder Drehpunkt führt zu mechanischem Spiel, das sich im gesamten System summiert, sodass die Klinge verzögert reagiert. Die an der Klingenspitze wirkende Kraft ändert sich zudem kontinuierlich mit der sich verändernden Geometrie des Gestänges während des Schnitts, was das Schneiden von Stielen erschwert.
Ein linearer Direktantrieb beseitigt beide Probleme. Die Bewegung ist bereits linear, es gibt keinen Umwandlungsmechanismus, und die Kraft bleibt entlang des Hubs konstant und entspricht den Erwartungen.
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Pneumatikzylinder
Pneumatikzylinder ermöglichen schnelle, präzise Linearbewegungen und bewältigen hohe Schnittkräfte. Allerdings ist meist eine umfangreiche Infrastruktur erforderlich, beispielsweise ein Kompressor, ein Druckregler, Magnetventile und Druckluftleitungen. Bei mobilen Feldrobotern oder Gewächshauserntern ist die Druckluftversorgung eines beweglichen Arms schwierig.
Kleine Linearantriebe
Ein kleiner Linearantrieb gibt Ihnen Direkte lineare Schub-/Zugbewegung ohne erforderlichen Umwandlungsmechanismus. Es wird mit 12 V Gleichstrom aus derselben Stromversorgung betrieben wie der Rest des Roboters. Motor, Getriebe und Gewindespindel sind in einer kompakten Einheit untergebracht, sodass keine externe Verkabelung, Montage oder Wartung erforderlich ist. Bei dem passenden Modell mit integrierter Positionsrückmeldung weiß die Steuerung während des gesamten Schnittvorgangs genau, wo sich das Sägeblatt befindet.
Für landwirtschaftliche Endgeräte, bei denen Gewicht, Platzbedarf und Einfachheit gleichermaßen wichtig sind, ist es tatsächlich eine der saubersten verfügbaren Lösungen.
Einblick in die Kundenkonfiguration: Wie der P16 diesen Endeffektor antreibt
Der Rahmen
Das Gehäuse scheint aus grauem Polymer im 3D-Druckverfahren hergestellt zu sein. Die flache Grundplatte an der Unterseite dient als Montagefläche für den Roboterarmflansch.
Der P16-Aktor
Der kleine Linearantrieb P16 ist die schwarze, rechteckige Einheit, die mittig auf dem Rahmen montiert ist. Durch die nebeneinanderliegende Anordnung von Motor und Getriebe ist der P16 kürzer als der Aktuator der Actuonix L-Serie, der bei gleichem Hub eine Inline-Konfiguration verwendet, und liefert gleichzeitig mehr Geschwindigkeit und Kraft. Die Stange verläuft nach vorne und ist über eine Edelstahl-Halterung und Schwenkschrauben direkt mit dem Scherenarm verbunden, wodurch eine saubere und direkte mechanische Verbindung gewährleistet wird.
Für diese Anwendung wählte der Kunde die (P16-50-256-12-P), Die 256:1 Getriebevariante mit 50 mm Hub, betrieben mit 12 V. P-Serie liefert ein Positionsrückmeldesignal, das mit dem (Actuonix LAC-Platine), wodurch die Steuerung die Position des Messers während des gesamten Schnittvorgangs überwachen kann. 256:1 Die Getriebeübersetzung wurde so gewählt, dass sie Schwankungen im Stammdurchmesser zwischen verschiedenen Pflanzen und Wachstumsstadien ausgleichen kann, ohne dass Änderungen an der Konstruktion erforderlich sind. Der Hub von 50 mm passte zur kompakten Scherengelenkgeometrie, die auf den Bildern zu sehen ist, ohne die Baugruppe unnötig zu verlängern.
Die Scherenklinge
Zwei Edelstahlklingen befinden sich an der Vorderseite der Baugruppe. Beim Ausfahren der P16-Stange dreht sich der bewegliche Klingenarm um seinen Drehpunkt und die Klingen schließen sich. Durch Umkehrung der Polarität fährt die Stange ein und die Klingen öffnen sich für den nächsten Schnitt. Dank des kurzen Hebelarms zwischen Drehpunkt und Klingenspitze konzentriert die Gestängegeometrie die Kraft auf den Schneidpunkt, was insbesondere bei dickeren oder zäheren Stängeln von Vorteil ist.
Die richtige P16-Getriebeübersetzung auswählen
Dies ist die wichtigste Entscheidung. Die P16 ist in drei Übersetzungsverhältnissen erhältlich, die jeweils für unterschiedliche Schnittanforderungen geeignet sind. 256:1 Das Getriebe liefert eine Kraft von bis zu 300 N und eignet sich daher ideal für Kulturen mit dickeren oder zäheren Stängeln wie Tomaten, Gurken und Paprika. Diese Variante wurde in der Kundenanlage verwendet, die in diesem Artikel vorgestellt wird.
Die 64:1 Sie liegt im mittleren Bereich des Sortiments und eignet sich gut für leichtere Schneidarbeiten an Kulturen wie Erdbeeren, Kräutern, Blattgemüse und Schnittblumen, bei denen der Stieldurchmesser geringer ist.
Die 22:1 Je nach Kulturpflanze und Schnittanforderungen eignen sie sich möglicherweise auch für Anwendungen mit sehr feinem Stiel.
Bei der Auswahl der passenden P16-Variante sollten Hublänge und Kompatibilität der Steuereingaben sorgfältig geprüft werden. Die P16 ist erhältlich in 50 mm, 100 mm, 150 mm und 200 mm Hübe abhängig von der Geometrie der Anlenkung des Endeffektors. Die Kompatibilität der Steuereingabe mit dem bestehenden System, sei es ein einfaches Relais, eine LAC-Platine oder ein RC-Empfänger, sollte ebenfalls in die Entscheidung einfließen.
Verwenden Sie die Auswahltool für Stellantriebe um die exakte P16-Konfiguration zu finden, die den Anwendungsanforderungen entspricht.
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Bereit, Ihren landwirtschaftlichen Endeffektor zu bauen?
Die in diesen Bildern dargestellte Konstruktion zeigt, was möglich ist, wenn man einen gut gewählten Aktor mit einem durchdachten Endeffektor kombiniert. Der Linearaktuator Actuonix P16 führt den Schneidvorgang zuverlässig aus, ist kompakt genug für den Einbau in einen Multifunktions-Endeffektor und bietet Ihnen die nötigen Steuerungsmöglichkeiten zur Integration in jede beliebige Konstruktion.
Beginne mit dem P16 Produktseite um Hublängen und Übersetzungsverhältnisse zu vergleichen, oder verwenden Sie die Aktuator-Auswahltool um die Auswahl anhand Ihrer Anforderungen an Kraft, Geschwindigkeit und Steuerung einzugrenzen. Wenn Sie eine bestimmte Erntevorrichtung oder einen Endeffektor haben, den Sie besprechen möchten, Kontaktieren Sie unser TeamWir helfen Ihnen jederzeit gerne dabei, das Richtige zu finden.
Demonstration des robotergestützten Stängelschneidens
FAQ
Welche Aktuatorkraft ist erforderlich, um Pflanzenstängel bei der robotergestützten Ernte zu durchtrennen?
Die benötigte Kraft hängt von der Pflanzenart und dem Stieldurchmesser ab. Weiche Stiele wie bei Erdbeeren oder Kräutern erfordern relativ wenig Schneidkraft, während Pflanzen wie Tomaten, Gurken oder Paprika aufgrund ihrer dickeren Stiele deutlich mehr Kraft benötigen. Die in Erntemaschinen eingesetzten Aktuatoren müssen daher eine wiederholbare Kraft und eine kontrollierte Bewegung gewährleisten, um die Stiele sauber und ohne Beschädigung der Pflanzen abzuschneiden.
Wie wählt man den richtigen Linearantrieb für ein robotergestütztes Erntegerät aus?
Die Auswahl des richtigen Aktuators hängt von der Stärke Zum Abschneiden des Stiels ist Folgendes erforderlich: Strichlänge benötigt für den Schneidmechanismus und die Erforderliche Geschwindigkeit Für den Erntezyklus ist es außerdem wichtig, die Kompatibilität mit dem Steuerungssystem des Roboters und der Betriebsumgebung sicherzustellen. Kompakte Lösungen wie die P16-Serie integrieren Motor, Getriebe und Gewindespindel in einer Einheit und lassen sich dadurch leichter in Roboter-Endeffektoren einbauen.
Welche Nutzpflanzen können mit robotergestützten Stängel-Schneide-Endeffektoren effektiv geerntet werden?
Robotergestützte Stängelschneide-Endeffektoren werden häufig bei Nutzpflanzen eingesetzt, bei denen Früchte oder Blüten an einem separaten Stängel wachsen, wie zum Beispiel Tomaten, Gurken, Paprika, Erdbeerenund Schnittblumen wie Rosen. Der Schneidmechanismus muss Schwankungen in Stielstärke, -winkel und -steifigkeit ausgleichen, um saubere Schnitte zu gewährleisten. Diese Endeffektoren sind nicht auf diese Kulturen beschränkt und können für viele weitere Anwendungen zur Stielernte angepasst werden.
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