复合式多功能割胶机器人研发及产业化

20231130

制造业

1）核心技术成果来源 企业横向课题及产学研一体化合作 2）自主知识产权 （1）一种割胶机器人:CN201910970991.9.（授权发明专利）. （2）一种割胶机器人控制系统及方法:CN201910970989.1.（授权发明专利）. （3）一种复合式多功能割胶机器人及其控制方法:CN202110908504.3.（发明专利，公开）. （4）一种复合式多功能割胶机器人:CN202121887954.0.（授权实用新型专利）. 3）已实现的主要技术突破和创新点 （1）首次发明“固定架+移动工作台”方式全自动智能采胶机器人，，加工精度高，效率高，成本低，一机多树。 （2）首次采用“先扫后割”方式，采胶深度与厚度控制精度10微米级。切割轨迹满足实际需求而不伤害黄皮层，适用不同直径橡胶树。 （3）具有路径修正功能，如遇突发情况能及时避开树结等障碍物防止刀尖断裂，降低工作过程中发生危险事故的几率。 （4）集成自动采胶、喷药、除草等功能于一身。 4）项目所处阶段 本项目已研发4代固定式割胶机器人及实验平台，在海南省儋州等地进行了试验并经过广东省农用机械试验测试站测试，证明该设备完全达到各项设计指标。正在进行的复合式多功能割胶机器人目前已经完成方案论证与接口设计，并于2022年年中与中国一拖共同完成初步联调。 该项目曾获得2020数字中国创新大赛机器人赛道智能机器人组一等奖。第八届中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛铜奖，第十三届“挑战杯”中国大学生创业计划竞赛铜奖，首届“京彩大创”北京大学生创新创业大赛北京市金种子奖。

1）主要研发内容 以复合式多功能割胶机器人为研究对象，集成固定式和移动式割胶机器人优点，实现最优割胶机器人解决方案。 （1）复合式多功能割胶机器人结构设计。首次采用“固定架+移动工作台”方式，实现固定架与移动工作台接口处理，以及割胶空间曲线合成技术。 （2）机器人移动工作台林间轨迹规划设计，自主判断每棵橡胶树的工作位置以及全地形移动底盘的停放姿态。 （3）机械手工作轨迹规划设计。多自由度机械臂和割胶机械手自主调节空间位姿状态以及规划运动路径，确保机械手能够与固定架对接完成割胶。 （4）高精度割胶控制设计。自主判断橡胶树割胶状况，并制定科学标准的自主割胶作业流程，保证高割胶精度。采用多传感器信息融合、智能监测与反馈控制等技术确保精度稳定性与可靠性。 （5）应急情况设计。对突发事件自主判断与解决，例如，规避林间出现的动植物、突发天气变化、突然停电等问题。 2）主要技术指标 适用树径/mm 500700 割深范围/mm 0-7 切割精度/mm 1 耗皮量/mm 小于等于14 割线长度/S（S：全螺旋割线） S/4或S/8 割线斜度/° 25°30°，且割线平顺 切片数/片 1~10 切片均匀度 近长方皮，有效皮占90%以上 割面均匀度 割面90%以上均匀 割胶速度/s 25 6小时工作量/棵 150 3）产业化目标 本项目已与中国一拖集团有限公司达成合作协议，后续合作将发挥各自优势，在技术提升、流水线建设、市场投入等方面加快复合式割胶机器人产品化、产业化进程。 4）经济产出目标 1公顷橡胶园林495棵橡胶树，种植与管理费用为850元。 人工割胶产天然橡胶（干胶）产量仅为3.5公斤/棵年。目前天然橡胶干胶价格为13.407元/公斤，每年工人成本约为1.3937万元。干胶加工与运输费用约为2598.75元。故人工割胶1公顷橡胶园林年内产生5842.3元利润。 割胶机器人割胶相比人工割胶，在割胶精度、稳定性、可控性等方面都有较大优势，产胶量可达7.5公斤/棵年。机器人割胶的产胶收益为4.97734875万元。由于天然橡胶的产量上涨，因此对天然橡胶加工与运输的费用也有所上涨，其费用为5568.75元。综上所述，在割胶机器人割胶且不计入割胶设备和维护成本情况下，1公顷橡胶园林1年内可产生4.33547375万元的收益。 复合式固定割胶机器人具有一机多树的特点，1公顷橡胶园林需2台。以13万元/台、折旧年限8年、每年设备维护800元/台计算，1年内割胶机器人投入成本为3.49万元，可产生8454.7375元的利润，相比人工割胶利润增幅144%。因此复合式固定割胶机器人更适应当前割胶行业形势。

可国（境）内外转让

经济产出目标 1公顷橡胶园林495棵橡胶树，种植与管理费用为850元。 人工割胶存在割深控制不恰当的情况，产胶量无法保证，因此其天然橡胶（干胶）产量仅为3.5公斤/棵年。目前天然橡胶干胶价格为13.407元/公斤，每年工人成本约为1.3937万元。干胶加工与运输费用约为2598.75元。故人工割胶1公顷橡胶园林年内产生5842.3元利润。 复合式固定割胶机器人具有一机多树的特点，天然橡胶（干胶）产量可达7.5公斤/棵年。1公顷橡胶园林仅需2台，若13万元/台，折旧年限为8年，按照每年设备维护800元/台，1年内割胶机器人投入成本为3.49万元，可产生8454.7375元的利润，相比人工割胶利润增幅144%。 中国橡胶树种植区域较为集中主要分布在云南、海南以及广东局部地区。橡胶树的收割与经营主要以橡胶园林为单位，目前橡胶园林主要分为民营橡胶园林和国营橡胶园林，民营橡胶园林占31%，国营橡胶园林占69%。据统计，国营天然橡胶园林承担着中国70%~80%的天然橡胶产量，同时在天然橡胶的利润上产期处于亏本的状态。而民营天然橡胶园林相比于国营橡胶园林，天然橡胶种植面积参差不齐。同时，天然橡胶的产量随着天然橡胶的市场价格起伏不定，时刻有弃林或改种的风险。 因此本产品首要面向的对象就是国营橡胶园林，这样既减轻国营橡胶园林的经营压力，又可以起到很好的推广作用，之后再向民营橡胶园林逐步渗透。 目前本项目已与中国一拖集团有限公司达成合作意向，后续合作将于以下几个方面展开 （1）技术提升：进一步将移动式割胶机器人与固定式割胶机器人进行技术融合。 （2）建设生产线：将复合式多功能割胶机器人实现批量化流水线生产。 （3）投入市场：将复合式多功能割胶机器人投入世界各地胶场进行实地割胶工作，中国一拖集团有限公司提供相关动力、通讯等成熟技术以及市场开拓任务。

复合式多功能割胶机器人研发及产业化

北京市昌平区人民政府

天然橡胶是与钢铁、石油、煤炭并列的四大工业原料，在国防军工、航天航空、轨道交通、海洋装备等方面起着举足轻重的作用。目前我国橡胶园林生产管理方式以劳动密集型为主，割胶工人仍使用传统手工割胶方式作业，劳动效率极低，人工成本过高导致采胶成本高，50岁以下工人基本断层。故2020年橡胶行业“十四五”发展规划中提到深入实施数字化智能化转型发展战略，推动我国由橡胶大国向橡胶强国迈进。 目前代替人工割胶设备分为固定式和移动式两种。固定式割胶设备具有较好的稳定性和可靠性，但“一机一树”安装方式带来高额维护和安装费用。移动式割胶设备灵活度高，“一机多树”，但由于割胶作业环境以林间为主，割胶作业时间在凌晨2点至9点，可视范围较差，在割胶过程中无法对切割深度、耗皮量以及割面顺滑度精确把控。同时一台设备工作于多棵橡胶树之间，需要具有高精度的识别和控制能力应对复杂工作环境，无法满足大批量快速割胶目的。故两种方式均未得到普及。 为了解决割胶机器人面对的作业信息获取、割胶精度保障、高效率等关键问题，本团队设计了一种世界首创复合式多功能割胶机器人，吸收了固定式割胶设备精度高和效率高的优点以及移动式割胶设备“一机多树”和成本低的优点。该机器人采用多传感器信息融合、机器学习、深度相机等技术，具有自主信息探测、采集自动化、控制精准化、操作智能化等特点，且可以进行喷洒农药及割除杂草等辅助功能。 该机器人目前已经进行第5代样机生产、改进及测试，团队授权发明专利2项，实用新型专利1项，公开发明专利1项。于2021年与中国一拖集团有限公司达成项目合作框架协议，双方密切配合，在2022年中进行了初步联调，2023年上半年完成联调。 该机器人可大大降低天然橡胶割胶成本，实现产业跨越式发展，对于我国保护战略性物资橡胶的安全具有重要意义。