2. prosince Autor: Bc. David Bambušek,

Transkript

1 Rešerže do předmětu ROB Zemědělští roboti 2. prosince 2013 Autor: Bc. David Bambušek, Fakulta Informačních Technologií Vysoké Učení Technické v Brně

2 Obsah 1 Úvod 1 2 Projekty na Podporu Agrobotů Field Robot Event crops Zástupci Zemědělských Robotů SlugBot Rodina AgX AgBo AgTracker AgAnt Automatické Dojící Systémy Roboti pro Stříhání Ovcí Oracle Shear Magic Robot Robot pro Sběr Jahod Harvest Vehicle HV Telegarden BoniRob Vision Robotics Snippy Roboti pro Sběr Ovoce LettuceBot Robot pro Sbírání Hub i

3 1 Úvod Zemědělství patří k lidskému životu již od jeho samého počátku. Aby lidský druh přežil, musel vymyslet udržitelný způsob zásobování se potravinami a tak vzniklo cílené obhospodařování plodin a domestikace zvířat. Se zvyšujícím se počtem obyvatel naší planety bylo třeba postupně nacházet stále efektivnější způsoby a nástroje, které by zvyšovaly výnos z polí a snižovaly množství energie a času nutného k jejich údržbě a obdělávání. Pole na kterých manuálně pracovaly stovky lidí se postupně přeměnila na pozemky obdělávané na základě ideologie intenzivního hospodářství, tedy těžkou technikou, hnojené účinými hnojivy, ošetřováný chemickými prostředky, jako jsou pesticidy proti škůdcům nebo herbicidy proti pleveli a osazovány vyšlechtěnými, popřípadě geneticky modifikovanými, plodinami. Jelikož se ale světová populace stále nezadržitelným tempem zvětšuje, je i v dnešní době nutné nacházet stále účinější prostředky jak zemědělskou produkci navýšit. Těžká a velká technika sice ulehčuje a zrychluje práci, ale dle výzkumů není vůbec efektivní. Jednak plošné hnojení a ostřikování vysoce plýtvá použitými surovinami, jelikož se ostřikuje i zcela zbytečně půda kolem plodin. 90% hnojiv a postřikují takto padne v niveč a navíc se tak do půdy dostává velké množství chemikálí, které následně mají negativní vliv na životní prostředí, kvalitu půdy a konečně pak i na plodiny na ni pěstované. Dále bylo zjištěno, že používáním těžkých traktorů a jiných zemědělských strojů se půda stává hůře oratelnou a až 90% energie, kterou stroje vydají je spotřebována na škody, které samy svou prací způsobí. Řešením by tedy bylo použití menších a přesnějších strojů, které by tak půdu tolik nepoškozovaly, byly při ochraných postřicích a hnojení přesnější a zároveň byly autonomní, aby se ušetřila lidská práce. Dále v textu se seznámíme jednak s několika projekty, které se snaží podpořit vývoj robotů použitelných v agronomii at už z prostředí univerzitního nebo komerčního a dále se seznámíme s již funkčními a v praxi nasazenými roboty, stejně tak jako s těmi, kteří jsou zatím v testovací fázi vývoje, či jen jako nápady na papíře. 1

4 2 Projekty na Podporu Agrobotů 2.1 Field Robot Event Tato mezinárodní soutěž zemědělských robotů dostála v roce 2013 již svému jedenáctému ročníku. Tento rok byly místem konání prostory České zemědělské univerzity v Praze. Každý rok je pro účastnící se týmy připraveno 4 až 5 různých úloh, které jejich roboti musí zvládnout a jsou dle svých výsledků bodování. Letošního ročníku se účastnilo 21 týmů z celého světa, kteří bojovali v 5 disciplínách. První tři byly založeny na navigačních schopnostech robota. Prvním, nejjednodušším, bylo projet rovné řádky kukuřice, na konci se otočit a takto pokračovat dále. Druhá úloha byla o něco složitější v tom, že v některých řádcích mohly chybět rostliny, popřípadě se v cestě vyskytnout překážky, s čímž si robot musel umět poradit. Třetí situace pak modelovala skutečné podmínky na poli, kdy řádky nejsou rovné a robot musel navíc identifikovat poškozené nebo infikované rostliny, následně také plevel a signalizovat jejich nalezení. Čtvrtou disciplínou pak byl Freestyle, kde týmy měly předvést specifické nebo netradiční fukce svých robotů. Jako konečná dispciplína soutěžě pak byla spolupráce dvou robotů, které náhodně do dvojic přidělila porota a jejich tvůrci měli jen málo času na to, aby tyto dva roboty nějakým způsobem naučili mezi sebou komunikovat, spolupracovat a následně toto demonstrovali. Vítězem se nakonec stal tým z německé Technische Universitat Kaiserslautern se svým robotem Robot TU Kaiserslautern. Robot pořádající české univerzity se umístil na 6. místě. 2.2 crops Projekt Clever Robot for Crops je projektem EU, do kterého je zapojeno 10 evropských zemí. Projekt začal v říjnu 2012 a klade si za cíl vyvinout multifunkční roboty určené pro sběr a ošetřování ovoce a ničení plevele a sestrojit algoritmy pro jejich navigaci na polích. Spoustu dílčích technologií se už v laboratořích dokázalo úspěšně otestovat, ovšem nasazení do praxe bývá většinou složité. U některých odborníků teké panují obavy, že projekt je zbytečně široce zaměřen a místo toho, aby se soustředil na robota s jasnou funkcí pro sběr určitého ovoce se snaží o robota univerzálního, a tak se může stát, že týmy z jiných zemí jako je USA budou ve vývoji rychlejší a úspěšnější. 2

5 3 Zástupci Zemědělských Robotů 3.1 SlugBot Tento robot, jak už jeho název napovídá, je určen pro likvidaci těch nejčastějších škůdců, se kterými se můžeme na polích setkat. Robot byl vytvořen na University of West England a nabízí velmi zajímavý koncept autonomního a energeticky soběstačného robota. Tento robot je schopen pochytat až 100 slimáků za hodinu. Velikostí odpovídá zhruba malé robotické sekačce na trávu, disponuje čtyřmi koly a robotickoým ramenem, které je schopno dosáhnout až do vzdálenosti 2 metrů. Rameno je takto dlouhé, protože pohyb pomocí kol v náročném terénu spotřebuje spoustu energie, tudíž čím větší dosah ramene, tím menší nutnost pohybu a tím více uspořené energie. Rameno je zakončeno chňapkou, která je schopna uchytit slimáka a umístit ho do kontejneru o objemu 2 litrů. Jedním z prvotních problémů robota bylo, že pochytaní slimáci vylézali z nádoby ven, proto jej tvůrce opatřili nízkonapětovým zařízením, které dává slimákům elektrické šoky a ti tak zůstanou v krabičce. K rozpoznání slimáků používá robot speciální červenou lampu, díky které se slimáci i v noci stávají pro jeho optický senzor viditelní. Robot se naviguje jednak podle zabudovaného GPS modulu a dále pak pomocí infračervených a nárazových senzorů. Největší zajímavostí tohoto robota je, že elektřinu na svůj provoz získává tím, že pochytané slimáky uloží do speciální nádoby, ve které slimáci fermentují. Při tomto procesu vzniká bio-plyn, kterým se následně plní články pro výrobu energie určeného robotovi. Vzhledem k tomu, že slimáci nedisponují velkou rychlostí pohybu a v průměru se za vlkého počasí na jeden metr čtvereční na poli vyskytuje až 100 slimáků, není problém nasbírat dost slimáků, aby si robot energeticky vystačil bez dalšího externího dobíjení. Obrázek 1: SlugBot 3

6 3.2 Rodina AgX AgBo AgBo je největším, nejdražším a nejlépe vybaveným robotem ze skupiny robotů Ag, která vznikla na Uviversity of Illinois v týmu pánů Tony Grift, Yoshisada Nagasaka a Matthias Kasten. Celková částka, která byla potřeba k pokrytí nákladů na všechny součástky se pohybovala okolo 7000$. Robot vzinkl jako účastník pro soutěž Field Robot Event2 a jeho hlavní funkcí je tedy navigovat se mezi řádky kukuřice, k čemuž používá laserový senzor. Robot disponuje možností otáčení všech čtyř kol, takže je při pohybu velice flexibilní a lehce zvládá otáčení, couvání i zabočování. Velikost kol byla zvolena tak, aby se robot mohl pohybovat i v bahnitých podmínkách. Celkově váží bezmála 80 Kg a je možno jej i vzdáleně ovládat, což se hodí v případech, kdy je nutné ho manuálně navést na nějakou pozici, či dostat ze situace, ze které by se sám dostal jen těžko. Obrázek 2: AgX AgTracker AgTracker je menším a levnějším sourozencem AgBo. Při jeho vývoji se autoři zaměřili na to, aby hlavně jeho pořizovací náklady byly menší než u předchůdce. Tento robot používá jen dva motory. K orientaci mu slouží elektronický kompas, osm infračervených senzorů a dva sonary. Pořizovací cena se pohybuje okolo 500$. Jeho úkol je opět stejný, projet mezi řádky kukuřice. K tomuto používá postup opilého námořníka, což je jednoduchý algoritmus, který na základě vzdáleností levého a pravého řádku od robota nasměruje kola na jednu a nebo druhou stranu. Pokud robot přestane detekovat rostliny na svém boku, pokračuje ještě 5 sekund dále v jízdě a následně provede otočku. Pokračuje pak rovně, dokud senzory na některém z boků opět nezaregistrují rostliny, otočí se směrem do řádku a pokračuje v činnosti. 4

7 Obrázek 3: AgTracker AgAnt Posledním zástupcem z této rodiny robotů je AgAnt. Hlavní inspirací při výrobě a designu tohoto robota byla sama příroda a rojové uspořádání jedinců některých živočišných druhů, například včel. V těchto rojích je každý jedinec velice malý a nedisponuje velkou efektivitou, ale skupina jako velký roj je schopna přežít či vykonat nějakou složitější práci. Například sběr potravy u včel probíhá tak, že pokud jedna najde nějaký zdroj, dá vědět ostatním a společně pak potravu sesbírají a odnesou zpět do úlu. S touto myšlenkou v hlavě vyrobil tým z této univerzity malého robota, opatřeného čtyřmi nohami, díky kterým se může pohybovat i v náročnějším terénu. K orientaci mu slouží sonar, infračervené senzory a elektronický kompas. Hlavní myšlenkou u tohoto projektu bylo mít spoustu takovýchto robotů, kteří by byli schopni mezi sebou komunikovat. Při průchodu polem by vytvářeli sdílenou mapu a pokud by se na ní vyskytl nějaký plevel, celá skupina by se shlukla a plevelu se zbavila. 5

8 3.3 Automatické Dojící Systémy Obrázek 4: AgAnt V posledních dvaceti letech se roboti at už automatičtí nebo polo-automatičtí velice uplatňují v oblasti dojení, zejména pak dobytka. Od devadesátých let minulého století vzniklo mnoho systémů, které usnad nují dojení a snižují tak potřebuju lidské práce v tomto odvětví zemědělství. Prvními systémy byly poloautomatické odsávačky mléka, které musel člověk kravám přidělat na vemena a ony už pak samy krávu podojily. Tyto systémy s sebou však nesly spoustu nevýhod. Hlavním problémem bylo, že tyto odsávačky, pracující na principu podtlaku, který nebylo možné řídit, někdy krávy na vemenech zraňovaly, dojení nebylo ze všech vemen stejné a tak docházelo k úbytku v objemu vydojeného mléka. S pokrokem v robotice přišly i do této oblasti inovace a byly sestrojeny kompletně automatické dojící systémy, anglicky značené jako AMS (Automatic milking system) nebo VMS (Voluntary milking system). Dojení krávy probíha tak, že bud za pomoci otevírání a zavírání bran je kráva dovedena automaticky do obslužného zařízení, nebo v případě VMS se kráva sama rozhoduje, kdy potřebuje podojit a ve chvíli kdy cítí potřebu sama zavítá do obslužné linky. Tato zařízení disponují robotickým ramenem, na jehož konci je krom odsávačky také optická kamera a dva lasery, které dohromady přesně měří pozici a naklonění vemene. Díky znalosti přesné pozice vemena, je pak možné odsávačku přesně nasměrovat tak, aby krávě žádným způsobem neublížila. Odsávačky jsou schopné rozpoznat množství protékajícího mléka a dle toho upravovat rychlost odsávání, aby bylo rovnoměrné s ostatními vemeny krávy a dosáhlo se tak maximálního výnosu mléka. Po ukončení dojení ještě robot vemena krávě ošetří postřikem, aby se zabránilo infekcím a nemocem. Jedinou nevýhodou u těchto robotů je nemožnost jejich nasazení v případě, že se krávy pasou na pastvě a nejsou umístěné v kravíně, jelikož je pak těžké je rozumným způsobem všechny zkoordinovat a podojit. VMS systémy jsou již ve světě bežnou praxí. Největšími výrobci těchto systémů jsou firmy DeLaval a Lely, které mají své zastoupení jak ve světě, tak i u nás v České republice. 6

9 3.4 Roboti pro Stříhání Ovcí Oracle Obrázek 5: Automatické Dojící Systémy Oracle je jedním z nejstarších zemědělských robotů vůbec. Byl sestrojen v roce 1979 na University of Western Australia a slouží k automatickému stříhání ovcí. Robot se skládá ze dvou hlavních částí. Prvním je tz. manipulátor pojmenovaný anglicky ARAMP (Automated Restraint And Manipulator Platform), který slouží k uchopení ovce. Ovce je při střižení uchycena ve fixní pozici za hlavu a nohy. ARAMP prošel mnohými testy a byl upraven tak, aby ovce byla v co nejkomfortnější pozici, necukala se a stříhání tak mohlo proběhnout v pořádku a bez zranění ovce. Druhou částí zařízení je pak hydraulické rameno s nůžkami na jeho samotném konci. Rameno obsahuje spoustu senzorů nejrůznějšího druhu, které počítají vzdálenost od kůže a nastavují tak pozici nůžek. U ovcí je veliký problém, že vlna produkuje statickou elektřinu, jejíž velikost se navíc vlivem vlhkosti mění a způsobuje tak chyby v měření na senzorech. Pro přesnější výpočet pozice nůžek se tak mimo dat ze senzorů používají i data z databáze ovcí, která obsahují typické obrysy ovčích těl, podle kterých se pak naměřená data korelují. Každá nově ostříhaná ovce je pak zanesena do databáze a průměrováním s ostatními daty pak vytváří 7

10 novější vzory. Obrázek 6: Oracle Shear Magic Robot Shear Magic Robot je vylepšením předchozího robota Oracle. Vzhledem k tomu, že přišel o několik let později, bylo možné do něj implementovat výkonější výpočetní techniku a lepší senzory, které zrychlily a ještě více zabezpečily hladký a pro ovci bezbolestný průběh stříhání vlny. Tento robot používá upravenou verzi manipulátoru SLAMP (Simplified Loading And Manipulation Platform). Ovce je v tomto případě uchycena stejně jako u předchozího modelu, ale stojí nohama na zemi a stříhací stroj pracuje nad ní. U modelu Oracle ležela ovce jakoby zády dolů. Tato verze byla také vyvinuta tak, aby teoreticky na jedné ovci mohlo pracovat více ramen najednou. Ramena byla umístěna na pojízdné kolejnici a řízena cetrální jednotkou, takže bylo možné obsluhovat více ovcí najednou. Youtube 8

11 3.5 Robot pro Sběr Jahod Obrázek 7: Shear Magic Robot Pěstování jahod je zemědělskou činností, která na rozdíl od pěstování jiných druhů ovoce a zeleniny vyžaduje velké množství investované práce. V porovnání s pěstováním rýže je to až 70% více, pokud bychom pak porovnávali jahody s pěstováním okurek, potřebují jahody dvakrát tolik práce. Proto byl japonskou firmou Shibuya Seiki vyvinut robot, který je schopen automaticky sbírat jahody a to jak ve dne, tak i v noci. Robot se pohybuje po kolejnicích, které jsou umístěny mezi řádky s jahodami. Robot disponuje ramenem, které na sobě nese tři kamery, dvě umístěné jako oči, podle kterých se počítá vzdálenost jahody od ramene a pak třetí, kterou se snímá barva ovoce a určuje se tak, zda je jahoda již zralá a má tak být utrhnuta. Robot je schopen utrhnout každých 8 sekund jednu jahodu. Sběr není ovšem dokonalý a tak je pořád třeba, aby jahody, které byly chybně rozpoznány sesbíral člověk, takovýchto jahod je ovšem minimum. Tento robot bude na jaře roku 2014 uveden na trh a jeho pořizovací cena bude 50,000$, což je částka vysoká, ovšem dle výrobců se náklady do několika měsíců úsporou na lidské práci vrátí. Youtube 9

12 3.6 Harvest Vehicle HV-100 Obrázek 8: Robot pro Sběr Jahod Tento robot, známý také pod názvem Harvey, je úspěšným komerčním produktem firmy Harvest Automation z amerického Massachusetts. Robot je určen pro přesun květináčů s rostlinami ve velkých rostlinných školkách. Takovéto školky obsahují až tisíce květináčů, které se musí nejméně pětkrát během svého vývoje přesunout, než jsou připraveny k prodeji. V zimě se dávají květináče k sobě, na jaře zase od sebe a čím jsou starší, tím kolem sebe potřebují více místa a tak je nutná opět jejich relokace. Tuto práci většinou v USA vykonávali za minimální mzdu imigranti, ale díky změně zákonů o imigraci a jiných nařízeních se tato lidská síla zdražila. Jeden přesun květináče vychází na 2 americké centy. Robot je poháněn bateriemi, váží 40Kg a je schopen uzvednou květináče váhy až 10Kg. Robot je velice jednoduše nastavitelný, k jeho provozu mu stačí nastavit pět proměnných parametrů a na zem nalepit žlutou pásku, podle které se pak orientuje. Roboti jsou schopni pracovat i mezi lidmi, jelikož nejsou ničím nebezpeční. Pokud je robotů více, mohou spolupracovat. Pořizovací cena robota je 30,000$ a doba návratu investice u jednoho by měla být měsíců. V plánu jsou i mnohá vylepšení pro tohoto robota, kde by v budoucnu mohl umět zastříhávat stromky nebo je ošetřovat postřiky. Youtube 10

13 3.7 Telegarden Obrázek 9: Harvest Vehicle HV-100 Telegarden je zajímavým projektem, který v sobě spojuje robotiku a umění. Telegarden bylo vytvořeno v roce 1995 na University of Southern California a je to vlastně malá kruhovitá zahrádka, s asi 30 centimetry hlíny, která má uprostřed otočné robotické rameno s kamerou, které je schopné zalévat a sadit semínka. Projekt fungoval jako online aplikace, do které se mohl kdokoliv registrovat, dostal pak přidělenu možnost s ramenem pohybovat a po 50 pohybech si pak mohl zasadit své semínko a následně ho pak zalévat. Do projektu se za první rok zaregistrovalo asi 9000 uživatelů a vznikla kolem něho vlastní sociální sít, na které si lidé povídali o svých semínkách, žádali ostatní o zalévání, když jeli na dovolenou nebo prostě klábosili o zahrádkaření. Projekt fungoval několik let až do roku Youtube Obrázek 10: Telegarden 11

14 3.8 BoniRob BoniRob je prototyp robota, na jehož projektu pracuje firma Amazon (pozn. jiná než prodejní portál Amazon.com) a spolupracují s nimi firma Bosch a univerzity Osnabrück University a Wageningen University. Tento robot by měl v budoucnu nahradit traktor a všechny přívěsy, které se k němu pro různé účely připojují. Robot by prováděl různé úkony dle nainstalovaných Apps, které by odpovídaly připojení určitého návěsu na traktor, s tím rozdílem, že BoniRob už by automaticky věděl co s daným náčiním má provádět a dělal to automaticky. Robot je ovšem stále ve fázi vývoje. Obrázek 11: BoniRob 12

15 3.9 Vision Robotics Snippy Tento robot od firmy Vision Robotics ze San Diega je sice teprve ve fázi testování, kde momentálně existuje jeho druhý prototyp, ovšem už tak dosahuje vynikajících výsledků. Funkce robota je prostřihování a zastřihování větví na vinicích. Robot má dvě ramena s nůžkami na konci, přičmež ramena jsou po jednom na každé straně přidělané na velkém rámu, který z obou stran obklopuje keřík vína. Ramena jsou vybavena kamerami, ze kterých se poté tvoří 3D model stromku, u kterého zrovna robot je. Po získání modelu se zapojí prostřihávací algoritmus, který určí, které větvičky se zastřihnou a v jaké části. Momentálně je robot asi o polovinu pomalejší než zkušený lidský prostřihávač, ale na zrychlení se prý pracuje. Zajimavé taky je, že tento projekt je financován čistě z příspěvků pěstitelů vína a nadšenců do robotiky. Youtube Obrázek 12: Snippy 13

16 3.9.2 Roboti pro Sběr Ovoce Za zmínku stojí i fakt, že firma Vision Robotics pracuje na konceptu robotů, kteří by byli schopni sbírat pomeranče nebo jablka. Tento koncept je však stále na papíře a pro svou technologickou náročnost nebyl sestrojen žádný prototyp. Tito roboti by měli takéž disponovat kamerami, ze kterých by se následně vytvořil 3D model stromu, dle kterého by se určovaly vzdálenosti k pomerančům. Výhodou by pak bylo, že tito roboti by mohli rozpoznat velikosti a zralost pomerančů a tak sbírat jen například pomeranče určité velikosti. Tuto vlastnost by uvítali zejména prodejci pomerančů jako supermarkety, protože by pak mohly nabízet jednotný produkt. Největším problémem při sběru ovoce je fakt, že kamery ne vždy mohou vidět všechno ovoce, které je na stromě, jelikož může být schované za listy, proto se přemýšlí o různých vzduchových ofukovačích, které by hýbaly s lity, aby pak kamery mohly zahlédnout i schované pomeranče. Obrázek 13: Roboti pro Sběr Ovoce 14

17 3.10 LettuceBot Vzhledem k tomu, že salát je nejvíce pěstovanou zeleninou v Kaliforni, ze které ročně plynou tržby 1.6 miliardy dolarů, není divu, že i v tomto odvětví se investuje do robotizace. Pracovníci na salátových farmách jsou většinou placeni od odpracovaného akru a tak se často stává, že docházíkplýtvání,kdyžpřiplenípracantiotrhajíisaláty,protožejetonijaknetíží.protosidva pánové ze Stanfordu Jorge Heraud a Lee Redden, řekli, že by nebylo špatné vytvořit robota, který by plení zajišt oval místo lidí. Sestrojili stroj, který se zapřáhne za traktor, pohybující se maximálně rychlostí 2Km/h a ten snímá saláty, které míjí. Robot má obrovskou databází snímků salátu, podle kterých rozhoduje, zda to co vyfotil je salát nebo plevel. Pokud narazí na plevel nebo zjistí, že dva saláty rostou příliš blízko sebe. Stříkne z trysky na nechtěnou rostlinu vysoce bohaté hnojivo, které na rostlinu zasaženou přímo působí jako herbicid, ale zároveň dodá živiny rostlinám ve větší vzdálenosti poté, co se rozpustí v zemině. Stroj při dané rychlosti 2 Km/h pracuje s 98% přesností. Mechanické trhání plevele je velice náročné, proto se zde používá tento koncept s hnojivem. Mezi ostatní nápady jak hubit plevel taky patřil horký rostlinný olej nebo laser, který je ovšem mnohem dražší a tak vyhrálo multifunkční hnojivo. Obrázek 14: LettuceBot 15

18 3.11 Robot pro Sbírání Hub Robot pro sbírání hub pochází z dílny Univerzity of Warvick ze Spojeného království. Tento robot sice dle měření pracuje asi o polovinu pomaleji než člověk, ale narozdíl od nás nemusí spát a tak může pracovat 24 hodin denně 7 dní v týdnu. Jelikož se houby pěstují v temných a vlkých prostorech, je přítomnost člověka, vzhledem k tomu, že ke sbírání potřebuje světlo, nežádoucí a tak je robot ideálním řešením pro houbové farmy. Robot sbírá houby pomocí přísavného zařízení, které je na konci jeho robotického ramene. K rozpoznávání hub, které jsou již dostatečně velké a tak připravené pro sběr slouží dvojice kamer. Obrázek 15: Robot pro Sbírání Hub 16