Precisielandbouw en robots, een kijk op de landbouw van de toekomst

Automatisering en precisietoepassingen kennen een opmars binnen de landbouw, zowel om ecologische als economische redenen. Gedreven door deze evolutie wordt er volop onderzoek uitgevoerd naar nieuwe precisielandbouwtechnologieën. Eén van de trends is het gebruik van veldrobots die autonoom een veld kunnen analyseren en bewerken. 

Precisielandbouw

Bij precisielandbouw worden de gewassen op een heel nauwkeurige manier behandeld. In de akkerbouw wordt er bijvoorbeeld gekeken naar de variatie tussen verschillende velden in een bepaalde streek. Verder kan een veld nog opgedeeld worden in een raster, waarbij de variatie tussen de verschillende rasterdelen in rekening wordt gebracht. Bij iedere verhoging van de nauwkeurigheid wordt er een hogere efficiëntie bekomen. Als kanttekening stijgt de complexiteit en kost van de technologie.

Nood aan verandering

Door een sterk stijgende wereldpopulatie is er een prangende voedselproblematiek. Momenteel lijdt ongeveer één op negen honger. Daarbovenop komt het feit dat de stijging in de wereldbevolking zich voornamelijk situeert op de plaatsen waar reeds honger heerst. Er dient ook de vraag gesteld te worden, wat met de volgende generaties? De akkers worden uitgeput door de steeds toenemende vraag.

Het is duidelijk dat de gevestigde landbouwsystemen moeten bijgestuurd worden, zowel op biologisch als agrotechnisch vlak. Het invoeren van verschillende precisielandbouwtechnologieën kunnen de start vormen van deze verandering.

Technologieën

Een eerste luik binnen de precisielandbouw zijn tal van 'guiding technologies' die nu al beschikbaar zijn bij de nieuwste machines. Deze technologieën zorgen ervoor dat de akkerbouwer erg nauwkeurig zijn velden kan bewerken. Een voorbeeld hiervan is een landbouw-GPS die kan fungeren als stuurhulp om een bepaald, berekend traject te kunnen volgen. Aansluitend zijn er de 'recording technologies'. Deze verzamelen allerhande data van het te bewerken veld. Een voorbeeld hiervan is het scannen van de omvang van de gewassen tijdens de groeifase, om zo te zien waar de gewassen een afwijkende groei hebben. De probleemzones kunnen opgeslagen worden in de GPS, waarna het volgende luik van technologieën zich opdringt, de 'reacting technologies'. Deze spelen in op de verzamelde data uit de 'recording technologies'. Als er bijvoorbeeld een zone van de akker een mindere groei vertoond, kan het interessant zijn om die plaats extra te bemesten.

Door de combinatie van deze drie technologieën kunnen akkers efficiënter bewerkt worden, waardoor hogere opbrengsten mogelijk zijn en dit terwijl er minder grondstoffen verbruikt worden.

Hoe komen robots in het verhaal van precisielandbouw?

Robots komen voor in alle vormen en maten, maar eenvoudig gesteld kunnen ze beschouwd worden als machines die, na programmering, autonoom kunnen functioneren. Hierdoor heeft de operator de handen vrij. Binnen de precisielandbouw worden tal van veldrobots ontwikkeld die op zichzelf een veld kunnen analyseren en bewerken. In serretoepassingen wordt er ook geëxperimenteerd met robotarmen op geleidingen om vruchten te oogsten.  Een bijkomend voordeel is dat robots 's nachts kunnen doorwerken en dat ze met meerdere tegelijk kunnen ingezet worden om zo een grote oppervlakte te bewerken.

Bij mijn masterproef, bij het Instituut voor Landbouw-, Visserij- en Voedingsonderzoek (ILVO), kreeg ik de mogelijkheid om mee te helpen ontwikkelen aan een innovatief robotplatform, de AgroBot, waarmee de komende jaren onderzoek gaat uitgevoerd worden naar de toepassingsmogelijkheden van veldrobots binnen de landbouw.

AgroBot A.R.M.

Om de veelzijdigheid van de AgroBot te vergroten, werd de A.R.M. (Articulated Robotic Manipulator) ontwikkeld. Deze robotarm kan gebruikt worden om het oogsten van gewassen toe te laten, maar ook om sensoren in een gewenste positie te brengen of om stalen te nemen van de bodem of het gewas.

Ontwerp

Bij het ontwerp was het erg belangrijk om een zo groot mogelijk toepassingsgebied te bekomen. Daarom werd er snel gekozen om de robotarm te baseren op de menselijke arm, die het perfecte voorbeeld is van flexibiliteit en multifunctionaliteit. Aan de hand van zes roterende bewegingen, ook wel zes vrijheidsgraden, kan de robot een complexe baan beschrijven. De bewegingsmogelijkheden zijn analoog met deze van de schouder, elleboog en pols.

Na de keuze van het type robotarm en het aantal vrijheidsgraden, werd er plaats genomen aan de ontwerptafel. Hierbij was het erg belangrijk dat alles binnenshuis kon vervaardigd worden en dat de totale kostprijs onder de kaap van de 1.500 euro bleef. Andere voorwaarden waren een reikwijdte van één meter en een hefkracht van minimum twee kilogram.

Sturing

Bij het sturen van de robot is het de bedoeling dat de tool (bv. grijper) van één punt naar een ander bewogen wordt. Dit kan best uitgelegd worden aan de hand van een praktisch voorbeeld. Stel dat er een appel moet geplukt worden en deze zijn positie gekend is door de robotarm, dan zal de robotarm naar de appel moeten bewegen om deze te kunnen grijpen. Om deze beweging uit te voeren, moeten alle armdelen simultaan ten opzichte van elkaar roteren. Hoeveel ze elk moeten roteren kan bepaald worden aan de hand van de inverse kinematica. Dit is niet meer dan een set wiskundige vergelijkingen waaruit alle rotatiehoeken kunnen bepaald worden opdat de tool met een bepaalde oriëntatie in het gewenste eindpunt terechtkomt.

Toekomst van robotarmen op veldrobots

Waar robotarmen momenteel enkel als optie bekeken worden binnen de serrebouw, kan dit project dienen als stap naar het gebruik van robotarmen op het veld. Ze kunnen een interessante aanvulling zijn op de functionaliteiten van veldrobots en bovendien tal van nieuwe toepassingen mogelijk maken. Zo kan naast het plukken van vruchten ook gedacht worden aan de 'recording technologies' die eerder besproken werden, door bijvoorbeeld periodieke grondstalen te verzamelen.

Binnen onderzoekscentra is precisielandbouw een hot-topic en zal zeker de komende jaren een toenemende belangstelling kennen. Waar robots nu nog grotendeels in de ontwikkelingsfase zijn, kunnen we misschien binnen een aantal jaren de eerste veldrobots effectief aan het werk zien, waarmee een nieuw tijdperk voor de landbouw aanbreekt.