Robotica in de landbouwsector

Tegenwoordig worden robots ook ingezet in de landbouwsector waar ze een rol opnemen in de productie en monitoring van gewassen. Kunnen daarvoor standaard industriële robots gebruikt worden of zijn er meer gespecialiseerde ontwerpen nodig? En waarom lijkt dit een nog niet aangeboorde sector voor automatisering met robots?

Robots in de landbouwsector

‘Robots in de landbouwsector’ doet denken aan industriële robots die een bepaalde taak vervullen in de gewasverwerking na de oogst. Typisch beschouwen de producenten van klassieke robots de landbouwsector als een speciale tak van de voedingssector. Recent werd het oogsten en produceren zelf ook aangeboord als een te robotiseren sector.

De kost van het gerobotiseerd plukken is slechts een fractie van de totale plukkost. Daarnaast beantwoordt het ook aan de vraag naar goedkopere oplossingen voor de fruitpluk. In de VS rapporteert men onder andere een terugvallend aantal fruitplukkers, waardoor de vraag naar lowcostpluktoepassingen stijgt.

Een nieuwe sector?

De klassieke robotproducent ziet de landbouwsector als een branche van de voedingssector. Hiervoor spelen robotproducenten in op de IP-waarden van de robot (door die bijvoorbeeld IP67 te maken) en het inzetten van speciale HE (Humid Environment)-robots voor vochtige omgevingen. Het inzetten van off-the-shelf industriële robots kan volgens de robotproducenten dus naadloos. Dat is technisch gezien perfect haalbaar met foodgrade modellen. Die lenen zich perfect tot het integreren in specifieke applicaties volgens specifieke behoeften, zoals typisch gebeurt in de andere sectoren. Ontwikkelaars van geïntegreerde robot­applicaties (bv. een plukrobot) voor de agro-industrie nuanceren dat echter. Een off-the-shelfrobot is dan wel technisch gezien perfect inzetbaar in allerhande landbouw­toepassingen. Door de meestal specifieke noden is dit echter niet altijd economisch een goede oplossing wanneer het gaat over het produceren van de agrorobotapplicatie (bv. plukrobot) als serieproduct. De robotarm dient geïntegreerd te worden in een systeem dat in zijn geheel aangeboden wordt voor een bepaalde agrotoepassing (cfr. plukrobot). De robotarm is dus een onderdeel van een groter geheel, wat tijdens de ontwerpfase om een holistische benadering vraagt. De off-the-shelfrobotarmen zijn in de meeste gevallen ontworpen om zo generiek mogelijk inzetbaar te zijn, dit terwijl er voor de toepassing in de agro-industrie over het algemeen heel strikte specificaties gelden. Het is bijgevolg economisch niet haalbaar een robot te integreren die meer kan dan strikt noodzakelijk. Het ontwerp van een specifieke arm, aangepast aan het aantal vereiste vrijheidsgraden … resulteert meestal in slechts een fractie van de kost, eens ontwikkeld, waardoor dit wel economisch rendabel wordt en de realisaties toch al op de markt gezet kunnen worden. Volgens ontwikkelaars van robotapplicaties voor de agro-industrie ligt de toekomst voor deze sector hierdoor in de custom robotics en is er in slechts enkele toepassingen een plaats voor industriële robots in de landbouw. Verder worden de toekomstige volumes van robots in de landbouw hoger ingeschat dan de huidige industriële robotvolumes, hierdoor kan de ont­wikkelingskost voor een specifieke arm voor toepassingen in de landbouw als verwaarloosbaar beschouwd worden.

Toepassingen

De denkbare toepassingen in de landbouwsector zijn eindeloos. Sectoren waar vandaag sterk op ingezet wordt, zijn het telen van fruit, groeten en bloemen.

Fruit en groenten

Bij het telen van fruit en groenten, waarbij het fruit/de groente in een willekeurig patroon gekweekt wordt (aardbeien, appels, cham­pignons …), ligt de grootste stap in het proces van automatiseren in het plukken/oogsten van fruit en groenten. Aangezien de toepassingen een grote flexibiliteit en variatie in de beweging vereisen, is het inzetten van een seriële robotarm een voor de hand liggende keuze.

Bij het plukken komen verschillende aspecten aan bod die van een plukrobot een complex systeem maken. Bij een plukrobot voor aardbeien moet de robotarm tussen de rijen aardbeien bewegen, wat een mobiel platform vereist. Zodra de arm ter plaatse is, moet een visiesysteem/monitoringssysteem oordelen welke aardbeien rijp zijn, en dus geplukt mogen worden, en welke nog verder moeten rijpen. Aangezien de rijpe aardbeien in een willekeurig patroon aan de struik hangen en niet altijd even goed bereikbaar hangen, moet er een botsingsvrij traject bepaald worden voor de arm die de aardbei onder de ge­wenste hoek benadert. Zodra de grijper ter plaatse is, moet het fruit geplukt worden zonder het te beschadigen. Dit vereist meestal specifiek ontworpen grijpers en een voorgaande studie van het te oogsten object. Na het plukken wordt er opnieuw een traject bepaald naar een oogstbak, die zich eventueel op het mobiele platform bevindt of via een systeem van transportbanden aangeleverd wordt.

 

Monitoring

Het monitoren van het fruit vereist gespecialiseerde computervisiesoftware die bepaalt wanneer het fruit rijp is. Dit kan eventueel op basis van de kleur. Het monitoren zelf bestaat uit twee fases: het monitoren van het fruit/de groenten in een ver stadium voor de oogst, wanneer het fruit dus opgevolgd, maar nog niet geplukt moet worden, om zo te bepalen wanneer er met het plukken gestart kan worden, en het monitoren tijdens het plukken. Voor deze eerste fase kan men bijvoorbeeld een beroep doen op de plukrobot waarbij het plukken niet actief is en enkel het monitoren van het fruit actief is.

Daarnaast wordt er ook meer en meer ingezet op het gebruikt van UAV’s (onbemande luchtvaarttuigen) zoals de alomtegenwoordige quadcopters. Deze zouden dan ingezet worden om bijvoorbeeld tussen de fruitgaard te vliegen en met behulp van een soortgelijk visiesysteem de oogst op te volgen. Dit laat toe dat grotere gebieden veel sneller gemonitord kunnen worden.

Grijpers

Bij plukrobots is de grijper van cruciaal belang. Commerciële grijpers voldoen meestal niet aan de gestelde eisen en zijn meestal onmogelijk in te zetten zonder tot beschadiging van het fruit te leiden. Voor het plukken van aardbeien werd er bijvoorbeeld een speciale grijper ontworpen omdat geen enkele grijper op de markt in staat is een aardbei zonder schade te plukken. Er schijnt een gigantisch verschil te zijn tussen grijpers op de markt, die zacht fruit kunnen manipuleren (en verhandelen op transportbanden …) en een grijper die zacht fruit kan plukken zonder schade.

Speciaal ontworpen grijpers zijn dus nood­zakelijk en een volledig mecha­tronisch ontwerp is noodzakelijk, waarbij de grijper niet gezien wordt als een off-the-shelf­item, maar als een mee te ontwerpen deel van het groter geheel. Bij het plukken van champignons worden er grijpers gebruikt met lange smalle vingers om de champignon onderaan zacht te kunnen grijpen.

Trajectplanning

Omdat het te plukken fruit op willekeurige posities hangt, is een onlineberekening van het robottraject nodig. De grijper dient niet enkel op de juiste positie geplaatst te worden, maar moet het fruit ook onder de juiste hoek benaderen, dus moet in eerste instantie de nodige oriëntatie bepaald worden. Ook moet er rekening gehouden worden met het mogelijke botsen van de robotarm met ander fruit of de struik/boom. Hierdoor is het berekenen van een botsingsvrij traject cruciaal. Daarvoor moet er rekening gehouden worden met de geometrie van de robotarm van de struik/ boom. Voor elk van die berekeningen worden de nodige data gehaald uit het camera­systeem en de geavanceerde beeldverwerkingssoftware. Als de grijper het fruit vastheeft, is een bepaalde handeling nodig om het los te maken zonder beschadiging. Dat kan bijvoorbeeld via het voorzichtig draaien van het fruit rond de as parallel aan de steel. Ook dat vereist een onlineberekening van het traject.

Mobiel platform

Om de robotarm ter plaatse te krijgen, is er voor teelten op grote oppervlaktes een mobiel platform nodig, afgestemd op de ondergrond. In serres volstaat vaak een ontwerp dat op een vaste ondergrond rijdt, terwijl er in fruitgaarden een tractorontwerp nodig kan zijn.

Bloemensector

Ook in de bloementeelt worden er robots ingezet, bv. voor het snoeien van orchideeën. Computervisiesystemen (2D of 3D) bepalen waar er gesnoeid moet worden, en berekenen het robottraject.

Toekomst

Waar ligt de toekomst voor robots in de landbouw? Volgens de integratoren van robots en ontwikkelaars van landbouwtoepassingen komen alle subsectoren in aanmerking voor de robotisering. Die is nog niet zo doorgedreven als in de andere sectoren, voornamelijk vanwege de complexiteit van de geavanceerde computervisie en beeldverwerking, en de berekening van botsingsvrije paden. Door de recente ontwikkelingen op beide vlakken ligt de weg nu open. Er is dus zeker een toekomst weggelegd voor de robot in de landbouwsector. Tijd en creativiteit blijken de enige nog toe te voegen ingrediënten.