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机器人智能农业中的无刷电机

量子计算机、太空旅游或氢技术——最新的技术宣传集中在不断变化的话题上。奇怪的是,农业这个最重要的产业经常被忽视。尽管它养活了呈指数增长的人口。18世纪开始的农业革命,让产量大幅增加。这是建立在增加使用高产品种、矿物肥料和化学农药、机械化和大规模人工灌溉。然而,这些对生态的干预并非没有不良副作用。所有有充分根据的人口预测都预计,到本世纪末,人类人口将增长到90亿至100亿。地球有能力为这么多人提供足够的食物。然而,农业面临着巨大的挑战。作物栽培业和畜牧业必须提高产量,同时不危及维持生命的资源。肥沃的土壤、干净的地下水和完好的自然界是我们最宝贵的“资源”。我们必须不惜一切代价保护它们。

机器人智能农业中的无刷电机

将重点放在植物而非田地上

到目前为止, 栽植、施肥和植保措施等重要的作物种植工序都是建立在土地面积上。播撒种子或打农药时,要计算每英亩或每公顷的数量;机器以适当的流速分配材料。然而,一部分氮肥并未起到促进植物茁壮生长的作用,而是去往明显不适合的地方——地下水中。修剪果树或收割质地优良的水果和蔬菜品种等工作需要大量高成本的劳动力,而越来越多的企业面临人员短缺。

智能农业利用现代技术提高农业效率,使用的资源更少,将人们从单调的工作中解放出来,并提高产量。在这种背景下,人们还会谈到精准农业、数字农业或电子农业。计算机支持的网络化程序的使用,加上机器学习和定制机器人功能的辅助,使人们可以将重点放在单个植物上,而不是整个田地。

针对植物的措施越直接, 这些措施就越经济有效。例如,以更有针对性的方式在单个植物上施用除草剂,则可以显著减少除草剂的使用。机器人能够在水果和蔬菜达到最佳成熟度时连续收割。

自动化轻型田野机器人也有助于保护土地。今天的大型农业机械重达10吨。在这样的重量下,每个步骤都会导致土壤过度压实。这大大限制了土壤受影响层吸收水分和空气的能力,严重影响土壤寿命;行进路线附近区域作物的生长和健康也受到影响。智能农业能够让土壤保持更健康的状态,增加生物多样性。

机器人智能农业中的无刷电机
有针对性的使用化肥和除草剂可以减少土壤污染
机器人智能农业中的无刷电机
现代化机器自动完成农作物的分拣和处理

农业和园艺自动化

现在,许多应用只存在于研究中,或只有原型。但智能农业已经投入到实际应用中,比如精准种植。精准种植最初是为研究和育种而开发。这些机器能以精确界定的时间间隔播种单个种子。每种植物都有足够的生长空间,种植面积得到了最佳利用。同时,宝贵的种子得到了非常有效的利用。

最新机器使用一个分离模块,每行一个电驱动。电机驱动开槽盘或带齿盘,将单个种子输送到出口。使用智能控制器, 可以精确设置每类种子的最佳间距;绕过拐角时,可以适应各行的不同半径。用于控制种子喂入圆盘的闭合装置也由电机驱动。

随着温室培育蔬菜和花卉技术的使用,许多植物先在小盆中发芽,然后再移植到大盆或苗圃中。现代园艺企业采用机器对植物和花盆进行分类和处理。

他们的机械与工业生产和物流中使用的机械非常相似。传送带和辊式输送机上面可以运输、分类和移植装有不同阶段产品的托盘。这里使用的夹具与其他行业类似设备中使用的夹具区别仅在于其“手指”的形状。在微电机的驱动下,它们自动处理单个花盆和根球。

用于水果和蔬菜的自动驾驶收割机还没有达到普遍使用的系列成熟度, 但技术发展的方向已经很明显: 摄像头辅助传感器根据颜色和形状检测草莓或辣椒的成熟度, 并记录它们的确切位置。车载计算机利用这些数据控制一个配备了一种剪切机和一个收集装置的机械臂。这项技术的原型配有许多电机,从单轮驱动和机械臂到切割设备和收割农产品的收集系统。

关键技术:电气系统和电子设备

“机械传动和气动驱动是很常见的传统农业机械技术,” FAULHABER负责该领域应用的业务开发经理Kevin Moser解释道。“对于智能农业中的小规模系统来说,这些系统往往体积太大、太笨重、太复杂且能效太低。因此,我们看到这里用来为特定工序供能的电动微电机越来越多。然而,农业环境中使用的驱动通常必须满足非常高的要求。”

与传统的大型设备不同, 智能农业中使用的机器和组件通常更紧凑、更轻。这意味着电机的可用空间通常很小。然而,电机通常用来驱动播种盘、活板、夹具、机械臂或剪切机,因此它们必须提供足够的动力,以在无数次循环中可靠地执行各自的任务。与此同时,它们需要高效运行,因为自动化装置通常会消耗储电有限的电池中的电源。它们还必须能够将驱动电子设备集成到网络化结构中,实现智能控制。

“这些是对最高级驱动系统的典型要求;正确的答案永远是FAULHABER的标准问题,”Kevin Moser说。“此外,农业环境中使用的驱动还必须非常坚固,只有这样,它们才能在最苛刻的条件下长期可靠地运行。大温度波动和强机械负载是农业和园艺的常态。尽管如此,成本必须保持合理。FAULHABER可以提供多个系列的设备来管理这种平衡行为。”

Mo s e r指的是BXT系列的免维护无刷紧凑扁平型DC微电机,以及CXR系列耐用经济的铜石墨电机。全新GPT系列的减速机非常适合恶劣条件下的高负载传动。它的效率极高,非常坚固,因此很适合农业应用。现有增量编码器能够实现高度精确的定位。各种控制器, 例如带有CANopen 接口的控制器, 可用于驱动系统的联网。“FAULHABER的驱动已用于智能农业,”Kevin Moser表示。“它们将继续在这一领域高要求的应用中发挥重要作用。”

机器人智能农业中的无刷电机
机器人智能农业中的无刷电机
用于农业领域的驱动装置必须在极端环境下保持运行可靠性

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