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Mit Leichtbau-Robotern auf Gurkenernte
Lightweight robots harvest cucumbers


Germany
February 2, 2018

Nicht nur automatisierungsintensive Branchen wie die Automobilindustrie setzen auf Roboter – auch in Teilen der Landwirtschaft ersetzen Automationssysteme immer häufiger die mühevolle Handarbeit: Im EU-Projekt CATCH entwickelt und testet das Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK derzeit einen Dual-Arm-Roboter für die automatisierte Gurkenernte. Die Leichtbaulösung soll den Gurkenanbau in Deutschland rentabel halten.

 

Gurkenflieger werden die landwirtschaftlichen Fahrzeuge genannt, auf denen bis zu 50 ErntehelferGurkenflieger werden die landwirtschaftlichen Fahrzeuge genannt, auf denen bis zu 50 Erntehelfer im Einsatz sind.- © Foto Fraunhofer IPK
Agricultural vehicles known as “cucumber flyers” enable as many as 50 seasonal workers to harvest crops.


Der Prototyp des Dual-Arm-Robotersystems bei ersten
Der Prototyp des Dual-Arm-Robotersystems bei ersten Feldtests. - © Foto Fraunhofer IPK

Einlegegurken werden hierzulande von Hand geerntet, meist mithilfe von Gurkenfliegern, Fahrzeugen mit angebauten Tragflächen. Die Erntehelfer liegen bäuchlings auf den landwirtschaftlichen Maschinen und pflücken die Gurken. Aufgrund der aufwändigen und kräftezehrenden Handarbeit wird diese Form der Ernte zunehmend unwirtschaftlich. Hinzu kommt, dass sich seit der Einführung des Mindestlohns in Deutschland die Kosten pro Frucht erhöht haben. Vielen deutschen Anbauregionen droht deshalb das Aus: Schon jetzt verlagert sich der Gurkenanbau nach Osteuropa und Indien. Verbesserte Erntetechnologien sind daher dringend erforderlich, um den Gurkenanbau in Deutschland rentabel zu halten. Gemeinsam mit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus Spanien und Deutschland untersuchen Experten des Fraunhofer IPK in Berlin im EU-Projekt CATCH – kurz für »Cucumber Gathering – Green Field Experiments« – das Automatisierungspotenzial der Gurkenernte. Partner im Projekt sind das Leibniz-Institut für Agrartechnik und Bioökonomie (ATB) und das spanische CSIC-UPM Centre for Automation and Robotics.

Ziel der Forscher: ein aus Leichtmodulen aufgebautes kostengünstiges Dual-Arm-Robotersystem zu entwickeln und zu testen, das sich für die automatisierte Gurkenernte,aber auch für andere landwirtschaftliche Anwendungen nutzen lässt. Der Ernteroboter soll kostengünstig, leistungsstark und zuverlässig sein und selbst bei widrigen Witterungsbedingungen erntereife Gurken erkennen und diese dann mit seinen beiden Greifarmen schonend pflücken und ablegen. Dabei helfen moderne Steuerungsverfahren, die den Roboter mit taktilem Feingefühl ausstatten und die Anpassungsfähigkeit an Umgebungsbedingungen ermöglichen. Sie erlauben ihm auch, menschliche Bewegungen zu imitieren. So will man unter anderem vermeiden, dass die Pflanzen beschädigt oder gar mitsamt Wurzelwerk aus dem Boden gezogen werden. Eine weitere Voraussetzung: Der automatisierte Erntehelfer muss mindestens so effektiv sein wie die Pflücker. Ein geübter Pflücker schafft bis zu 13 Gurken pro Minute.

Hohe Trefferquote

Optisches und taktiles Erfassen, Beurteilen und Bewerten ist eine große Herausforderung für autonome Systeme. Noch größer wird sie, wenn wie bei der Gurkenernte grüne Objekte in grünem Umfeld geortet werden müssen. Darüber hinaus wachsen die Früchte ungeordnet auf dem Feld und sind mitunter von Blättern verdeckt. Veränderliche Lichtverhältnisse erschweren die Aufgabe zusätzlich. Multispektralkameras und intelligente Bildverarbeitung sollen helfen, die Gurken zu lokalisieren und die Greifarme des Roboters an die richtige Stelle zu dirigieren. Diese Aufgabe obliegt dem spanischen Projektpartner CSIC-UPM. Ein spezielles Kamerasystem gewährleistet, dass die Gurken mit einer hohen Trefferquote von etwa 95 Prozent registriert und lokalisiert werden. Geplant ist jedoch, alle reifen Gurken zu pflücken, um das Wachstum der neuen, nachwachsenden Gurken nicht zu behindern. Das Fraunhofer IPK hat die Roboterarme mit je fünf Freiheitsgraden auf Basis von Hardwaremodulen der in Köln ansässigen igus GmbH entwickelt.

Suchen nach menschlichem Vorbild

Aufgabe der IPK-Experten im Projekt ist es, drei verschiedene Greifer-Prototypen zu entwickeln: einen Greifer auf Basis von Vakuum-Technik, einen bionischen Greifbacken (FinRay) und eine auf Basis der OpenBionics Robot Hand modifizierte »Gurken-Hand«. Sie setzen dabei auf Arbeiten aus einem anderen europäischen Forschungsprojekt auf, in dem sie bereits eine Dual-Arm-Robotersteuerung mit effizienter aufgabenorientierter Programmierung für den Workerbot I entwickelt hatten, einen humanoiden Roboter für die industrielle Montage. Diese Steuerung wird jetzt für die Planung, Programmierung und Regelung des Roboterverhaltens bei der Gurkenernte erweitert. Die vorprogrammierten Verhaltensmuster ermöglichen dem Roboter das bi-manuelle Suchen der Gurken nach menschlichem Vorbild: »So kann er Blätter beispielsweise durch symmetrische und asymmetrische oder kongruente und inkongruente Bewegungen zur Seite schieben. Auch ein automatisches On-the-Fly-Bewegungswechseln, um sich einer identifizierten Frucht zu nähern und sie dann zu greifen, ist damit gegeben«, sagt Dr.-Ing. Dragoljub Surdilovic, Wissenschaftler am Fraunhofer IPK. Ziel der Forschenden ist eine intelligente Steuerung mit »Urteilsvermögen«, die die Aufgaben zwischen den Greifarmen verteilt, den Pflückprozess überwacht und Ausnahmen behandeln kann.

Ein erster Feldtest des Robotersystems fand im Juli 2017 auf dem Versuchsfeld des Leibniz-Instituts für Agrartechnik und Bioökonomie (ATB) mit verschiedenen Gurkensorten statt. Dabei wurde auch die Ernte neuer Sorten getestet – mit Merkmalen, die eine automatische Erkennung erleichtern. Die ersten Tests haben die grundlegenden Funktionen bestätigt. Seit Herbst 2017 setzen die Projektpartner ihre Experimente in einem ATB Glashaus fort. Der Fokus der Untersuchungen liegt darauf, die Effizienz und Robustheit des Systems gegenüber Störungen zu prüfen. Nach Abschluss der Tests soll der Leichtbauroboter zur Marktreife geführt werden. Das Interesse seitens der Gurkenanbauer, Unternehmen und Landwirtschaftsverbände ist groß. Das Projekt wurde auf der Weltleitmesse für Agrartechnik »Agritechnica« im November 2017 erstmals einer breiteren Öffentlichkeit vorgestellt. Auf dem Stand der Deutschen Landwirtschafts-Gesellschaft DLG e.V. stieß das Exponat auf positives Feedback vonseiten der Fachwelt und verschiedener Unternehmen.


Lightweight robots harvest cucumbers

Automation-intensive sectors such as the automotive industry are not the only ones to rely on robots. In more and more agricultural settings, automation systems are superseding strenuous manual labor. As part of the EU’s CATCH project, the Fraunhofer Institute for Production Systems and Design Technology IPK is developing and testing a dual-arm robot for the automated harvesting of cucumbers. This lightweight solution has the potential to keep crop cultivation commercially viable in Germany.

In Germany, cucumbers destined for pickle jars are harvested by hand with the aid of “cucumber flyers” – farm vehicles with wing-like attachments. Seasonal workers lie on their stomachs on the vehicle’s wings and pluck the ripe cucumbers. This labor-intensive and energy-sapping type of manual harvesting is increasingly becoming uneconomical. In addition, the per-unit costs of harvesting have risen since Germany introduced a minimum wage. Many of the country’s agricultural regions consequently face an uncertain future; cucumber farming has already begun relocating to Eastern Europe and India. There is thus an urgent need for improved harvesting technologies to maintain the economic viability of cucumber farming in Germany. Experts from Fraunhofer IPK in Berlin, along with other German and Spanish researchers, are studying the potential for automating cucumber harvests in the scope of the EU project CATCH, which stands for “Cucumber Gathering – Green Field Experiments.” Project partners are the Leibniz Institute for Agricultural Engineering and Bioeconomy in Germany and the CSIC-UPM Centre for Automation and Robotics (CAR) in Spain.

CATCH researchers want to develop and test a dual-arm robot system consisting of inexpensive lightweight modules. The ultimate aim: this system could be used for automated cucumber farming and other agricultural applications. The robotic picker would have to be cost-effective, high-performance and dependable. Even in adverse weather, it would need to be capable of first identifying ripe cucumbers and then using its two gripper arms to gently pick and store them. To this end, cutting-edge control methods equip the robot with tactile perception and enable it to adapt to ambient conditions. These methods also make it possible for the dual-arm robot system to imitate human movements. Researchers namely want to make sure that the robot does not damage crops – or pull them and their roots out of the soil. But that is not all. The automated harvester must be at least as efficient as its experienced human counterpart, who can pick as many as 13 cucumbers per minute.

High success rate

It is a considerable challenge to design autonomous systems capable of optical and tactile sensing, assessing and evaluating. The challenge is only compounded by cucumber harvesting: a robot must identify green objects camouflaged by green surroundings. In addition, cucumbers are randomly distributed throughout a field, and some are concealed by vegetation. Varying light conditions make the mission all the more difficult. It should be possible to use multispectral cameras and intelligent image processing to help locate cucumbers and guide the robot’s gripper arms to pluck them. This part of the CATCH project is overseen by CSIC-UPM, the Spanish project partner. A special camera system helps ensure that the robot detects and locates approximately 95 percent of cucumbers, an impressive success rate. The goal, of course, is to advance the technology so that the robot picks all the ripe cucumbers to foster growth of new ones. Fraunhofer IPK has developed robot arms with five degrees of freedom on the basis of hardware modules developed by igus GmbH in Cologne.

In search of human inspiration

The IPK project experts are tasked with developing three gripper prototypes: a gripper based on vacuum technology, a set of bionic gripper jaws (Fin Ray®) and a customized “cucumber hand” based on OpenBionics robot hands. They are relying on insights acquired during a previous European research project, in which they developed a dual-arm robot control system with efficient task-oriented programming for Workerbot I – a humanoid robot capable of industrial assembly. Project experts from IPK are enhancing this system so that it can plan, program and control the behavior of robots harvesting cucumbers. These preprogrammed behavioral patterns make bimanual searching possible, meaning the robot can look for cucumbers as a human would. Dr. Dragoljub Surdilovic, a scientist at Fraunhofer IPK, explains: “The robot can, for example, push leaves to the side using symmetrical or asymmetrical movements, or congruent and incongruent movements. As a result, it can automatically change directions on the fly to approach and then grasp a cucumber.” The researchers’ goal is to create an intelligent control system capable of making judgment calls: assigning a certain task to a certain gripper arm, monitoring cucumber picking and dealing with exceptions.

In July 2017, the Leibniz Institute for Agricultural Engineering and Bioeconomy used various types of cucumbers to conduct initial field testing of the robot system at its test site. The institute also tested harvesting new types of cucumbers with distinguishing features that make them easier to pick. In short, the first round of testing validated basic functionality. Since fall 2017, project partners have been conducting additional tests in a Leibniz Institute greenhouse. Researchers are especially eager to scrutinize the extent to which interference or malfunctions affect the efficiency and robustness of the system. Once testing of the lightweight robot has been completed, project partners will strive to make it commercially viable. Companies, cucumber farmers and agricultural associations have expressed considerable interest in the dual-arm robot. In November 2017, the CATCH project was unveiled to the general public at Agritechnica, the world’s leading trade fair for agricultural technology. The German Agricultural Society (DLG e.V.) exhibited the robot at its Agritechnica booth, eliciting enthusiastic feedback from agricultural specialists and numerous companies.



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Website: http://www.fraunhofer.de

Published: February 2, 2018

 

 

 

 

 

 

 

 


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