A Wageningeni Egyetem és Kutatási Központ számos különböző projekteken dolgozik a gyümölcsösökben és üvegházakban végzendő, emberi kezet igénylő, de robotizálható műveletekkel kapcsolatban.
Ennek fontos részét képezi – minden bizonnyal a legnagyobb kihívás – a gyümölcs- és zöldségszedéshez nélkülözhetetlen robotkezek kifejlesztése, hiszen a málnától vagy ribizlitől kezdve a barackon, szilván és almán át, a paradicsommal, paprikával vagy uborkával bezárólag egy-egy robothoz egyféle kéz nem is lesz elég! Bár bizonyos esetekben akár a vákuumos szedés sem lehetetlen, azonban a különféle terményeket sem lehet azonos módon kezelni, rekeszekbe rakni vagy ejteni.
Vákuumos szedőrobot almaültetvényen – fotó: René Korehuis/www.futurefarming.com
Kutatás-fejlesztés számos területen, egy időben
A közelmúltban megrendezett Agro Food Robotics szakmai rendezvényen a Wageningeni Egyetem és Kutatási Központ (WUR) Agro Food Robotics egysége 14 különböző precíziós mezőgazdasági és robotikai projektet mutatott be, amelyeken dolgoznak. A többek között a képfelismerés- és feldolgozás, valamint a robotika területén mintegy 25 éves tapasztalattal rendelkező szakemberek olyan megoldásokat (társ)fejlesztettek ki, mint a Sweeper paprikabetakarító robot, a Plantalyzer termésprognosztikai robot és a Steketee IC-Weeder.
Jelenleg a WUR több köz- és magánprojekt (PPS) keretében robotplatformokat és fogóeszközöket fejleszt gyümölcsök, például alma és körte betakarítására, valamint körtefák és ribizlibokrok metszésére és ritkítására. Ez utóbbi az egyszerűbb feladat.
Jelenleg 10 másodperc alatt képes leszedni egyetlen almát, szemben az egy évvel ezelőtti 20 vagy akár 30 másodperces idővel szemben. A szűk keresztmetszetet nem az érzékelés sebessége jelenti, hanem a robotkar gyorsasága és a kellő szívóerő létrehozása a vákuumos szedőegységen – fotó: René Korehuis/www.futurefarming.com
Ez az első változata annak a multifunkcionális robotplatformnak, amelyet a WUR gyümölcsök betakarítására, valamint fák és bokrok metszésére és ritkítására fejleszt. A végtagi olló még egy kezdetleges prototípus – fotó: René Korehuis/www.futurefarming.com
Multifunkcionális platformfejlesztés
Dr. Jochen Hemming, a Wageningeni Egyetem és Kutatási Központ vezető kutatója, a kertészeti számítógépes látás és robotika vezetője irányította a Sweeper betakarítórobot fejlesztését, és jelenleg a PPS "The Next Fruit 4.0" elnevezésű projekten dolgozik. Ez a WUR, az ABB, a Munckhof, az NFO, a RIWO és a washingtoni fa-gyümölcs kutatási bizottság közös projektje, különböző precíziós mezőgazdasági és robotikai fejlesztéseket vizsgál a gyümölcsösök számára, és ezek egyike egy többfunkciós robotplatform.
Azért multifunkcionális, mert az elmúlt években és évtizedekben sok olyan projektet láttunk mind a kutatóintézetek, mind a startupok részéről, amelyek csak egy-egy adott műveletre vagy munkára összpontosítottak a szabadföldi termelésben, például a robotizált betakarításra, amely nagy kihívásnak bizonyult jellemzően a rövid betakarítási szezon miatt. Hollandiában például az almát általában 6-8 héten belül kell betakarítani.
A másik kihívás a szezonális jelleg volt, mert így évente csak egyszer lehetett helyben, valós körülmények között tesztelni a koncepciót. Egy másik szempont, hogy a befektetők, különösen a kockázati tőkebefektetők nagyon rövid távú sikert és megtérülési időt várnak el.
Ráadásul ezek a fejlesztések olyan pénzösszegekbe kerülnek, amelyre még az Amazon, az Apple, a Facebook, a Google és a Microsoft sem hajlandó áldozni.
Dr. Jochen Hemming – fotó: René Korehuis/www.futurefarming.com
Jelentős kockázatok
Ezek a fejlesztések jelentős kockázatokkal és költségekkel járnak. Ez olyan csődökhöz vezetett, mint az Abundant Robotics (annak ellenére, hogy összesen 12 millió dollár kockázati tőkét gyűjtött a fejlesztésre) és a holland Cerescon esete. Ezért került kifejlesztésre egy többfunkciós és autonóm robotplatform, amely robotkarok és érzékelők segítségével többféle alkalmazáshoz és munkakörülményhez gazdaságosan kivitelezhető.
Speciális eszközökkel és fogószerelékekkel alkalmassá tehetők különböző műveletekre, például betakarításra, metszésre, betegségfelismerésre és terméshozam-előrejelzésre.
Kihívást jelentő körülmények
A kültéri gazdálkodás körülményei különösen nagy kihívást jelentenek a kereskedelemben kapható alkatrészek számára. Ez nemcsak a fényre, árnyékra, esőre, porra és szélre vonatkozik, hanem a szabadföldi növények és fák természetes változásaira is.
Egy szántóföldi vagy ültetvényrobot több különböző alkatrészekből áll össze, mint például a platform, a robotkar, az érzékelők/kamerák és a megfogó berendezés. Ezek integrálása megfizethető megoldásokba, amelyek képesek megbirkózni a természet behatásaival, valamint az összetett szoftver- és mesterségesintelligencia-fejlesztésekkel továbbra is kihívást jelent számukra, a WUR számára is. Mégis úgy érzik, hogy más egyetemekhez és intézményekhez képest előnyben vannak a mezőgazdasági és kertészeti know-how-val.
A mezőgazdaságban jelentkező kihívások egy példával szemléltetve: az érzékelők és kamerák piaca az autóipar következtében hihetetlenül gyorsan fejlődik. Az érzékelőknek, például a radarnak, a LiDAR-nak és a vizuális kameráknak azonban 10-30 méteres hatótávolságon belül kell működniük, míg a mezőgazdaság, különösen a robotizált betakarítás 5 cm és 1 méter közötti hatótávolságot igényel.Egy másik kihívás az agrárrobotoknál szükséges információk és észlelések kombinációja, mint például a gyümölcsök elhelyezkedése, színe és érettsége. Vagy a különbség egy egyéves vagy kétéves ág vagy zsinór között, amelyet meg kell metszeni. Azonban ha visszatekintünk, akkor látható, hogy a mai mélytanulási algoritmusok óriási fejlődést és előnyöket jelentenek a klasszikus látástechnológiához képest, különösen érett uborkák képfelismerése és feldolgozása terén a 2000-es év körül.
A metszőrobot a "Szent Grál"
A kutatók még mindig különösen nagy kihívásnak tartják a (robot)kéz-szem koordinációt. Egyik projektben az alma és körte szedésére, valamint a fák és bokrok metszésére alkalmas "kéz" eszköz kifejlesztésére összpontosítanak. Az alma vagy a körte szedése nagyban különbözik. Egy almát meg lehet találni és szedni, húzni, de a körténél meg kell találni a körte közepét és a szárát, majd a gyümölcsöt valamilyen módon felfelé kell hajlítani. Nem lehet csak úgy kihúzni. Egy ember számára ez teljesen egyértelmű, de egy robot számára nagy kihívás!
Hemming úgy látja, hogy az általánosan használt Intel RealSense sztereó mélységi kamerák technikailag és pénzügyileg megvalósíthatóak számos robotikai művelethez, de nem sikeresek a meglehetősen vékony (kis keresztmetszetű) tárgyak észlelésében és lokalizálásában. Nehezen érzékelik például a vékony objektumokat, például a metszendő zsinórokat, ha zavaró vagy háttérzaj van a szomszédos sorban lévő, azonos színű és szerkezetű más fák miatt.
Jelenleg a Nederlandse Fruittelers Organisatie/Holland Gyümölcstermesztők Szövetsége (NFO) és a pirosribiszke-termesztők bevonásával egy végponti eszközt fejlesztenek a pirosribiszke-bokrok metszéséhez, és úgy érzi, hogy ez a jövőben a nagyobb (körte)fák metszésének előfutára lesz.
A négyéves projekt második évében végzett munka során be kell ismerni, hogy alábecsültük a robotizált metszés bonyolultságát. Ebben az alkalmazásban minden összeáll: a kis struktúrák 3D-s érzékelése, a célpont megközelíthetősége robotkarral és nagy teljesítményű eszközzel egy nagyon sűrű környezetben, összetett szabályok arra vonatkozóan, hogy hol és mit kell metszeni. Ezért a metszőrobot kifejlesztését az agrárrobotika Szent Gráljának tartom.
A finanszírozás rendelkezésre állásától és a nagy multinacionális technológiai cégek részvételétől és elkötelezettségétől függően a fejlesztések felgyorsulhatnak, és 5-10 éven belül kereskedelmi forgalomba kerülhetnek. Az olyan vállalatok, mint a japán autóalkatrész-gyártó Denso (amely 2020-ban kisebbségi részesedést szerzett a holland kertészeti vállalatban, a Certhonban), valamint a robotgyártó ABB és a KUKA mindannyian feszülten figyelik a mezőgazdasági és kertészeti fejlesztéseket és trendeket!
Fogó(kéz) a puha gyümölcsök szedéséhez
Míg Jochen Hemming egy multifunkcionális robotplatformon dolgozik, kollégája, dr. Ali Leylavi Shoushtari, a Wageningen University & Research, Farm Technology Group kutatója a holland Soft Robotics program részeként egy lágy fogóeszközön dolgozik. A puha agrár-élelmiszeripari robotikai projekt célja, hogy sokoldalú robotokhoz puha anyagokból készült fogóeszközöket tervezzenek, igazodva az élelmiszeripari termékek természetes változatosságához, mint például az alak, a méret és a puhaság.
A WUR Agro-élelmiszeripari robotikai rendezvényen Leylavi Shoushtari bemutatta egy olyan puha fogóeszköz első tervét, amely képes a nagy változatosságú termények, például alma, narancs, mandarin, dinnye, uborka, paradicsom, paprika, brokkoli és saláta szedésére.
Az ipari fogótagok nem alkalmasak a gyümölcs- és zöldségszedéshez, mivel fix és kiszámítható termékre tervezték őket. A termények véletlenszerű elhelyezkedésével és jelentős különbségeivel kell foglalkozni. Ehhez olyan tagokra vannak szükség, amelyek nemcsak a különböző formákhoz és méretekhez alkalmazkodnak, hanem elég erősek a különböző súlyú termékekhez, és képesek ellensúlyozni a dinamikus terhelést az alma vagy a körte leválasztása során, miközben minimalizálják a termés károsodásának kockázatát.
Ez azt jelenti, hogy kevésbé robusztus és kisebb méretű eszközöket kell kifejleszteni, amelyek a sok ággal rendelkező növényeknél is működőképesek. Az "Univerzális puha robotikus betakarítógép a vetésközi rendszerhez (USOROH)" projektben ezeket a tipikus változatossági és biztonsági kihívásokat próbálják megoldani.
Dr. Ali Leylavi Shoushtari – fotó: René Korehuis/www.futurefarming.com
Amennyiben tapadó felületet adnánk e puha markolók külső felületéhez ott, ahol az a tárgyakkal érintkezik, az növelné a megfogás biztonságát. Képzeljük el, ha az ujjainkat és a tenyerünket ragacsossá tehetnénk, akkor szinte szorítás nélkül vehetnénk fel tárgyakat. Ellenben a tárgy elengedéséhez nem ragadósnak kell lennie kezünknek, ami gyakorlatilag azt jelenti, hogy szabályozottan tapadó felületre van szükségünk.
A tapadókorongok az iparban a szabályozott tapadás biztosításának egyik gyakorlati módja. Ellenben nem mindegy, hogy például egyetlen vagy egy sor tapadókorong van. Utóbbi kevésbé előnyös, mert elég nagy erőt tudnak kifejteni, ami nagy mechanikai sérüléshez vezethet a gyümölcsön. Célunk egy programozható és szabályozható tapadással rendelkező fogóeszköz kifejlesztése, amelyhez egy polipszerű megoldást is megvizsgálhatunk: kis tapadókorongok egy puha felületen.
A fogóeszköz érzékenysége és a működés vezérlése
A következő lépés a megragadás automatizálása, amihez érzékelőkkel kell ellátni az eszközt, és vezérelnünk kell a működtetést. Az érzékelők jelzik a robotnak, hogy mekkora erőt fejt ki a termésre, a vákuum szabályozása pedig lehetővé teszi, hogy a robot szabályozza ezt az erőt a tárgy súlyának megfelelően. Úgy vélem, hogy a fejlesztések kiemelkedők, mert sokoldalú és mechanikailag megbízható, több terményt érintő megoldásokat célzunk meg, megfizethető áron.
A projekt ez év végéig tart. Amennyiben sikerül találni egy olyan céget, amely érdeklődik a megoldás kereskedelmi forgalomba hozatala iránt, akkor egy éven belül kereskedelmi forgalomba is kerülhetne.
Jochen Hemming végül megjegyzi, hogy a puha fogóeszközök kihívást jelentenek a megfelelő működési sebesség, valamint a terményhigiénia és egészségügy szempontjából. A lágy eszközök sok lehetőséget kínálnak, ellenben kissé nehezebb őket tisztán tartani és megakadályozni, hogy betegségeket vigyünk át egyik növényről vagy fáról a másikra.
A puha agrár-élelmiszeripari robotika projekt célja, hogy sokoldalú robotokhoz puha anyagokból készült fogóeszközöket tervezzen, amelyek képesek kezelni az élelmiszerek, termények természetes változékonyságát, alakját, méretét és puhaságát – fotó: René Korehuis/www.futurefarming.com
Forrás: www.futurefarming.com
