Vortrag Serviceroboter für die Agrarwirtschaft. Rolf Peters. IWL-Logistiktage in Ulm 19. bis 20. Mai 2011 Stadthaus Ulm, Münsterplatz 38, Ulm

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1 Vortrag Serviceroboter für die Agrarwirtschaft Rolf Peters IWL-Logistiktage in Ulm 19. bis 20. Mai 2011 Stadthaus Ulm, Münsterplatz 38, Ulm

2 Inhalt Agrarwirtschaft und Umwelt Gemüse und seine Ansprüche Technologische Herausforderung: Roboter Spargelernte Entwicklung AutoSpar - Ist-Zustand - Konzept für die automatische Ernte - Design - Konsortium AutoSpar (EU-gefördertes Projekt) - Video: Ernteeinsatz Weitere Beispiele Serviceroboter für die Agrarwirtschaft Tomatenernte Gurkenernte Video: Salat-Verpackung mit Roboter 2

3 Agrarwirtschaft und Umwelt Heute versorgt ein deutscher Landwirt statistisch gesehen 119 Menschen mit Nahrungsmitteln, 1950 waren es nur 10. Dies ist eine Leistungssteigerung, wie es in kaum einem anderen Wirtschaftssektor in dem gleichen Zeitraum gegeben hat. Gleichzeitig ging die Zahl der Arbeitskräfte in der Landwirtschaft zurück. Nicht mehr rund 2,3 Millionen Menschen arbeiten wie im Jahre 1970 ganz oder teilweise in der Landwirtschaft, sondern nur noch gut Menschen. Trotzdem gilt nach wie vor das Motto: Die Landwirtschaft wir brauchen sie zum Leben. Um auch weiterhin preislich konkurrenzfähige Produkte anbieten zu können, geht man im Agrarbereich den Weg, den die Industrie vor Jahren schon einschlug. Einfache und monotone Arbeiten werden soweit möglich mechanisiert oder automatisiert, um so Personal und Kosten zu Reduzieren. Reis, Weizen und Kartoffeln bilden die Basis der Welternährung. Sie werden in den Industrieländern auf riesigen Feldern angebaut: gerade hier herrscht bereits ein hoher und ständig wachsender Grad an Automatisierung. Beim großflächigen Ackerbau ist es einfach, den harten Arbeitsalltag durch leistungsstarke Maschinen Kosten sparend zu erleichtern. 3

4 Gemüse und seine Ansprüche Ganz andere Anforderungen stellen die eher kleinen Flächen im Gemüseanbau. Hier gibt es viele Handgriffe, bei denen vorsichtig gepflanzt, gezielt geerntet oder sorgfältig sortiert werden muss. Die Umweltbedingungen in den Gewächshäusern sind schon seit vielen Jahren weitgehend computergesteuert und auf optimales Pflanzenwachstum ausgelegt. Spargel, Gurken, Tomaten und Paprika werden bis heute manuell mit Messern oder Scheren geerntet. Die Arbeitshaltung der Erntearbeiter muss sich weitestgehend nach den Wuchseigenschaften der Pflanzen richten. Roboter im Gemüseanbau müssen die hohe Variabilität und eine angepasste Handhabung der immer wieder anders gewachsenen Objekte bewältigen. Die unterschiedlichen Gemüsegeometrien erfordern bei der notwendigen Präzision eine wesentlich intelligentere Steuerung als die bekannten Erntemaschinen im Ackerbau. Gemüseerntemaschinen müssen speziell dafür ausgelegt sein, lange in der relativ warmen und feuchten Umwelt der Gewächshäuser betrieben zu werden. Eine Kühlung der Elektronik ist problematisch und die hohe Luftfeuchtigkeit kann den Betrieb der Rechner stören und senkt die Lebensdauer der Lager und Aktoren in der Mechanik. Neben Temperatur und Luftfeuchtigkeit spielt die Umgebungsbeleuchtung eine große Rolle. Eine automatische Bildverarbeitung ist nicht so einfach, wenn sich die Lichteinflüsse durch spezielle Wuchsbestrahlung und die Simulation von Tag und Nacht ändern. 4

5 Technologische Herausforderung: Roboter Spargelernte Der Alarm der deutschen Spargelbauern im vergangenen Jahr war unüberhörbar. Zuwenig Saisonarbeitskräfte fanden ihren Weg auf die Felder. Zum einen locken die angrenzenden Staaten inzwischen mit deutlich höheren Löhnen, zum anderen konnten zur außergewöhnlich frühen Erntezeit nicht rechtzeitig ausreichend Visa für Einreisen nach Deutschland ausgestellt werden. Abhilfe soll nun ein automatischer Spargelernter schaffen. Ein mechatronisches Spezialfahrzeug, bestehend aus elektronischen Antriebssystemen, mechanischen Werkzeugmaschinen und intelligenten Bild- und Sensordatenverarbeitung wird derzeit am Bremer Centrum für Mechatronik (BCM) in Kooperation mit Partnern aus der Metropolregion Bremen-Oldenburg in einem europäischen Verbund entwickelt. Ein erster Prototyp ist inzwischen fertig gestellt und im Erprobungseinsatz. 5

6 Entwicklung: AutoSpar Roboter Steuerung Bildverarbeitung Greifersystem 6

7 Anbaubedingungen Ist-Zustand Anbau in Erdwällen mit Folie abgedeckt wächst bis zu 7cm am Tag Erntezeit: 1. April bis 24. Juni 7

8 Handlese Ist-Zustand Ernteschritte: - abdecken der Folie - ausgraben der Stengel - schneiden mit einem Spezialmesser - restliche Löcher schließen Ernte bis zu 2 mal am Tag Erntekosten sind bis zu 50% Herstellungskosten www. spargelhof-hengel.de 8

9 Umgebungsbedingungen Ist-Zustand Temperaturen: -5 bis 40 C Luftfeuchtigkeit: 0 bis 100% - Regen und Tau Wind mit Sand und Erde schlammigen und unebenen Untergrund steiniger Boden 9

10 Konzept für die automatische Ernte elektrisch betriebenes Fahrzeug Optisches Detektionssystem bewegliches Werkzeug in x u. y vertikale Durchdringung des Damms schneiden von Stengel unter der Oberfläche aufheben der Spargelstengel sammeln von geernteten Spargelstengeln y x 10

11 Design Basisrahmen mit Robotersystem Zwillingsbereifung Verstärkung der Vorderrad-Struktur Beleuchtung durch Lichtkasten Mechanismus zum Kippen des Robotersystems mit Neigungssensor Erntewerkzeug (Schneidmesser + Greifer) 11

12 Start des Erntevorgangs Vorwärtsbewegung Spargelerkennung Scan eines Dammabschnitts und Spargelerkennung AutoSpar - Erntevorgang Selektive Spargelernte 12

13 AutoSpar - Prototyp 13

14 Gesamtkonstruktion, Mechatronik, Software Bildverarbeitung Montage des Prototypen Kurze Wege, innovative Ideen, gute Zusammenarbeit AutoSpar - Partner Forschung, Detailkonstruktion, Koordination Koordinator Vertrieb End-User 14

15 Mitwirkung bei diesem Vortrag: Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, Stuttgart mit Beiträgen aus dem Buch Service Roboter Visionen von: - Rolf Dieter Schraft - Martin Hägele - Kai Wegener Bremer Centrum für Mechatronik Bremen (BCM), Herrn Dr.Holger Raffel 15