科学者たちはアーカンソー州でブラックベリーを摘むためのロボットハンドをどのように開発したか

10 本のアームを備えた自律型二足歩行ロボットが、それぞれの先端に 3 本指のシリコン グリッパーを備え、ブラックベリーの列をかき分けて進むところを想像してみてください。労働力不足に直面しているブラックベリー農園に将来何が起こるかがわかるでしょう。

アーカンソー州とジョージア州の研究者らは、通常、品質を維持するために人の手で摘み取られる繊細な生鮮市場のブラックベリーが、現在ではロボットでも摘み取れることを示した。

「ブラックベリー農場を歩くロボットを想像してみてください。しかし、このロボットには 10 本の腕があります」と、大学システム農学部の研究部門であるアーカンソー農業試験場の食品科学研究者レニー・スレルフォール氏は言う。

Threlfall 氏と他の 3 人の著者は、ロボットによる摘み取りを研究しており、最近その研究により米国園芸科学協会から傑出した果物出版賞を受賞しました。 この賞は、自律型ブラックベリー摘みロボットを開発するためのソフトロボットハンドの開発の基礎を築いた研究に関する論文を表彰しました。

ブラックベリーを摘み取るための力パラメータを確立する研究は、以前はア大学機械工学部の助教授だったユエ・チェン氏との、ア大学学長イノベーション・コラボレーション基金助成金の一部によって資金提供されました。 チェンは現在、ジョージア工科大学とエモリー大学の生体医工学部の助教授を務めています。 アーカンソー州農務省の特殊作物ブロック助成金も初期の研究を支援しました。

アンドレア・L・マイヤーズは、A大学の食品科学大学院生としてこの出版物の筆頭著者であった。彼女は、チェンと、ジョージア工科大学ロボット工学・インテリジェントマシン研究所のロボット工学の博士課程学生であるアンソニー・ガンダーマンとともに、スレルフォールと協力した。 ガンダーマンは以前、ア大学で機械工学の博士課程の学生でした。

2022年の論文「ロボット収穫用のソフトロボットグリッパーを開発するための生鮮市場ブラックベリーの手収穫パラメータと収穫後の市場性への影響の決定」が、雑誌HortScienceに掲載されました。

マイヤーズ氏は、このプロジェクトのプロセスの最初のステップは、果実へのダメージを最小限に抑えながらブラックベリーを手で摘むのに必要な力の量を確立することであったと述べた。 ブラックベリーを収穫するには、力の単位である1ニュートンの約半分が必要であることがわかりました。 簡単に言えば、1ニュートンはリンゴやキャンディーバーのような小さな物体を持ち上げるのに必要な力と考えることができる、とマイヤーズ氏は言いました。

ブラックベリーを摘み取るのに必要な力の大きさを把握し、ベリーへのダメージを最小限に抑えるために、プロジェクトチームは、ブラックベリーを掴んで収穫する際に人間の手でかかる力を測定する生体センサーを備えたシリコン製の指スリーブを考案しました。

マイヤーズ氏は、人間が装着する力感知装置を使用して、2020年にアーカンソー州の商業生産者であるスタンステップ・ファームとニール・ファミリー・ファームから2,000個以上のブラックベリーを摘み取った。データによると、親指に最も大きな力が加わり、次に親指が続いた。人差し指と薬指。 生鮮市場でアーカンソー州が開発した 4 つの品種、ナチェズ、オーセージ、そして商標登録されているプラ​​イムアーク トラベラーとスイートアーク カドーが選ばれました。 ブラックベリーは華氏 35 度で 21 日間冷蔵保存した後に評価されました。

研究者らは、力感知装置を使用した場合と使用しない場合のブラックベリーの品質を比較し、その結果、フィンガースリーブはベリーの品質に影響を及ぼさないことが示されました。 この研究では、ブラックベリーを収穫するのに必要な付属器官は 4 つではなく、3 つだけであることもわかりました。

研究の第 2 フェーズは、2021 年に共同研究者のチェンとガンダーマンがア大学在学中に実施しました。そこでは、太いギターの弦を腱として使用し、腱駆動の 3 本枝の柔らかいロボット グリッパーが開発されました。 グリッパーでブラックベリーを掴み、安定させ、収穫するために加えられた力は、21 日間冷蔵保存した後でも過度の損傷を引き起こすことはありませんでした。

しかし、2021年にグリッパーで収穫した果実は、手で収穫した果実に比べて、液漏れが11％多く、赤核果戻り（ブラックベリーの個々の丸い部分が黒から赤に戻るとき）が7％多かった。 プロジェクト チームは、2022 年に IEEE Robotics and Automation Letters に「Blackberry Harvesting 用の腱駆動ソフト ロボット グリッパー」というタイトルのグリッパー実装について説明した別の論文を発表しました。

「ブラックベリーが植物上で熟すと、赤から黒に変わります。しかし、収穫中または収穫後に、特に収穫中にベリーが損傷した場合、ベリー上の小粒が赤くなる可能性があります」とスレルフォール氏は述べた。 「収穫後の赤い色は熟度とは関係ありませんが、細胞構造への損傷とより関係があります。農務省はこの赤い核果の復帰についての基準と等級を設けているため、これは重要です。コンテナに赤い核果の復帰がある場合、それらは拒否されます。」

詳細情報:Andrea Myers et al、Determining Hand-harvest Parameters and Postharvest Marketability Impacts of Fresh-market Blackberries to Develop a Soft-robotic Griper for Robotic Harvesting、HortScience (2022)。 DOI: 10.21273/HORTSCI16487-22

Anthony Gunderman et al、Tendon-Driven Soft Robotic Griper for Blackberry Harvesting、IEEE Robotics and Automation Letters (2022)。 DOI: 10.1109/LRA.2022.3143891

アーカンソー大学提供