La robotique dans le secteur agricole

Aujourd'hui, les robots sont aussi engagés dans le secteur agricole où ils jouent un rôle dans la production et la surveillance des cultures. Les robots industriels standard peuvent-ils être utilisés à cette fin ou faut-il des concepts plus spécialisés? Et pourquoi ceci semble être encore un secteur non exploité pour l’automatisation par des robots?

Robots dans le secteur agricole

‘Les robots dans le secteur agricole’, cela fait penser aux robots industriels qui exécutent une certaine tâche dans le traitement des cultures après la récolte. Typiquement, les pro­ducteurs de robots classiques considèrent le secteur agricole comme une branche spéciale du secteur alimentaire. Récemment, la récolte et la production ont aussi été approchées comme un secteur à robotiser.

Le coût de la récolte robotisée ne s’élève qu’à une fraction du coût de récolte total. Il répond à la demande de solutions meilleur marché pour la récolte des fruits. Aux USA, on recense e.a. un recul du nombre de cueilleurs de fruits, ce qui accroît la demande d’applications de cueillette à prix bas.

Un nouveau secteur?

Le producteur de robots classique voit le sec­teur agricole comme une branche du secteur alimentaire. Les producteurs de robots réagis­sent sur les valeurs IP du robot (par une fabrication IP67, p.ex.) et l’engagement de robots HE (Humid Environment) spéciaux pour environnements humides. L’engagement de robots industriels off the shelf peut se faire sans heurts d’après les producteurs de robots. Techniquement, c’est réalisable avec des modèles foodgrade. Ceux-ci se prêtent parfaitement à l’intégration dans des applications spécifiques selon des besoins spécifiques, comme ceci est typique dans les autres secteurs. Des développeurs d’applications robotiques intégrées (p.ex. un robot cueilleur) pour l’agro-industrie nuancent le propos. D’un point de vue technique, un robot off the shelf peut être engagé dans toutes sortes d’applications agricoles. En raison des besoins couramment spécifiques, ceci n’est pas toujours une bonne solution du point de vue économique quand il s’agit de produire l’application de robot agricole (p.ex. robot cueilleur) comme produit de série. Le bras du robot doit être intégré dans un sys­tème proposé dans son ensemble pour une certaine application agricole (cf. robot cueil­leur). Le bras du robot est un élément d’un ensemble plus grand, ce qui demande une approche holistique pendant la phase conceptuelle. Les bras de robot off the shelf sont conçus dans la plupart des cas pour une utilisation la plus générique possible, ceci alors que l’application dans l’agro-industrie est régie par des spécifications strictes. Dès lors, il est irréalisable d’un point de vue économique d’intégrer un robot capable de faire plus que le strict nécessaire. La conception d’un bras spécifique, adapté au nombre de degrés de liberté exigé, … ne résulte le plus souvent qu’en une fraction du coût, une fois développé, ce qui le rend bel et bien économiquement rentable et permet quand même de déjà introduire les réalisations sur le marché. D’après des développeurs d’applications robotiques pour l’agro-industrie, l’avenir pour ce secteur réside dans les custom robotics et seules quelques applications réservent une place aux robots industriels dans l’agriculture. Les volumes futurs des robots dans l’agriculture sont aussi estimés plus élevés que les volumes de robots industriels actuels, ce qui fait que le coût de développement d’un bras spécifique pour une application dans l’agri­culture est considéré comme négligeable.

applications

Les applications concevables dans le secteur agricole sont infinies. Des secteurs sur lesquels on mise beaucoup à l’heure actuelle, sont la cueillette des fruits, des légumes et des fleurs.

Fruits et légumes

Dans la cueillette des fruits et légumes, cultivés de façon arbitraire (fraises, pommes, cham­pignons, …), la plus grande étape dans le processus d’automatisation est la cueillette/ culture des fruits et légumes. Comme les applications exigent une grande flexibilité et variation dans le mouvement, l’engagement d’un bras de robot sériel est un choix évident.

Différents aspects sont abordés dans la cueillette et font d’un robot cueilleur un système complexe. Le bras d’un robot cueilleur de fraises doit se déplacer entre les rangées de fraises, ce qui exige une plateforme mobile. Une fois le bras sur place, un système de vision/surveillance doit évaluer quelles fraises sont mûres, et doivent donc être cueillies, et quelles fraises doivent encore mûrir. Etant donné que les fraises mûres sont suspendues au hasard sur le buisson et ne sont pas toujours bien accessibles, on doit déterminer un trajet sans collision pour approcher cette fraise sous l’angle souhaité. Une fois sur place, le préhenseur doit cueillir le fruit sans l’abîmer. Ceci exige le plus souvent des préhenseurs de conception spécifique et une étude préalable de l’objet à récolter. Après la cueillette, on détermine à nouveau un trajet vers un bac de récolte, qui se situe éventuellement sur la plateforme mobile ou est acheminé via un système de convoyeurs à bande.

 

Surveillance

La surveillance du fruit exige un logiciel de vision informatique spécialisé qui détermine quand le fruit est mûr. Ceci peut éventuellement se baser sur la couleur. La surveillance proprement dite comprend deux phases: la surveillance des fruits/légumes à un stade avancé de la récolte, quand le fruit doit donc être suivi, mais pas encore cueilli, pour déterminer quand la cueillette peut débuter, et la surveillance pendant la cueillette. Pour cette première phase, on peut par exemple faire appel au robot cueilleur, la cueillette n’étant pas active et seule la surveillance du fruit étant active.

Par ailleurs, on mise de plus en plus sur l’utilisation d’UAV (engins volants sans pilote) comme les quadcopters omniprésents. Ceux-ci seraient engagés pour voler par exemple entre le verger et suivre la récolte à l’aide d’un système de vision similaire. Ceci permet de surveiller nettement plus vite des zones plus grandes.

Préhenseurs

Le préhenseur est crucial sur les robots cueilleurs. Les préhenseurs commerciaux ne satisfont pas le plus souvent aux exigences posées et il est impossible le plus souvent de les engager sans abîmer le fruit. Pour cueillir les fraises, on a conçu un préhenseur spécial par exemple, parce qu’aucun préhenseur sur le marché n’est en mesure de cueillir une fraise sans dommages. Il semble y avoir une différence gigantesque entre les préhenseurs, sur le marché, qui peuvent manipuler des fruits tendres (et les déposer sur des convoyeurs à bande, …), et un préhenseur capable de cueillir des fruits tendres sans dommages.

Des préhenseurs spécialement conçus sont donc indispensables, tout comme un concept mécatronique complet qui ne considère pas le préhenseur comme un article off the shelf, mais comme une partie de l’ensemble plus grand à concevoir en même temps. Dans la cueillette de champignons, on utilise des préhenseurs munis de longs doigts étroits pour saisir doucement le champignon dans le bas.

Planning du trajet

Comme le fruit à cueillir est suspendu à des positions arbitraires, il faut un calcul en ligne du trajet du robot. Le préhenseur ne doit pas seulement être bien positionné, il doit aussi approcher le fruit sous le bon angle, l’orientation nécessaire doit donc être déterminée en premier lieu. On doit aussi tenir compte des collisions éventuelles du bras de robot avec d’autres fruits ou le buisson/arbre. Le calcul d’un trajet sans collisions est donc crucial. Pour cela, on doit tenir compte de la géométrie du bras de robot en fonction du buisson/arbre. Pour chacun de ces calculs, les données nécessaires sont extraites du système de caméras et du logiciel de traitement d’images avancé. Dès que le préhenseur saisit le fruit, il faut une certaine manipulation pour le détacher sans dom­mages. Ceci peut se faire par exemple par une rotation prudente du fruit autour de l’axe parallèle à la tige. Ceci exige également un calcul en ligne du trajet.

Plateforme mobile

Pour positionner le bras de robot dans le cas de récoltes sur de grandes superficies, il faut une plateforme mobile adaptée au sol. Dans les serres, une conception qui roule sur un sol dur, suffit souvent, tandis que dans les vergers, une conception tracteur peut être nécessaire.

Secteur des fleurs

Dans la cueillette des fleurs, des robots sont aussi engagés, p.ex. pour couper des orchidées. Des systèmes de vision informatiques (2D ou 3D) déterminent où il faut couper, et calculent le trajet du robot.

l’avenir

Où réside l’avenir des robots dans l’agriculture? D’après les intégrateurs de robots et les développeurs d’applications agricoles, tous les sous-secteurs entrent en ligne de compte pour la robotisation. Ce n’est pas encore aussi pointu que dans les autres secteurs, principalement à cause de la complexité de la vision informatique et du traitement des images, et du calcul de chemins sans collision. Les récents développements sur ces deux aspects ouvrent la voie. Le robot a un avenir dans le secteur agricole. Le temps et la créativité semblent être les seuls ingrédients à ajouter.