Automatisierung der Landwirtschaft: Roboter mit Greifarm für Gurkenernte

Screenshot fraunhofer.de

Die >>Fraunhofer-Gesellschaft<< entwickelt einen Ernteroboter für die Gurkenernte. Die Automatisierung schreitet auch in der Landwirtschaft voran und insbesondere die Gurkenernte ist im Vergleich zu anderen Aufgaben auf den Feld sehr Arbeitsintensiv – weil viel Handarbeit gefordert ist.

>>Fraunhofer Gesellschaft<<

„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. 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. 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.“

Was für Menschen eine leichte Aufgabe darstellt: Eine Gurke von den übrigen Feld zu unterscheiden, ist für ein Computerprogramme eine echte Herausforderung.

 

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