Sensorik & Robotik Kein Bücken mehr: Erdbeerernte mit dem Roboter

Redakteur: Ines Stotz

Mit der Erntemaschine Agrobot SW 6010 kann ein einzelner Landarbeiter bequem sitzend ein ganzes Erdbeerfeld abernten. Moderne Sensoren sorgen dafür, dass die Roboterarme ihre Pflückarbeit zielsicher verrichten, das Fahrzeug in der Spur bleibt und am Ende der Reihen selbständig wendet. Dank zunehmender sensorischer Differenzierung und robuster Lösungen schreitet die Automatisierung der Landwirtschaft zügig voran.

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Damit die beliebten kleinen Früchte so herrlich erfrischend saftig beim Endverbraucher ankommen, leisten die Produzenten Schwerstarbeit. Ein Erdbeerroboter verspricht jetzt Erleichterung bei der Ernte.
Damit die beliebten kleinen Früchte so herrlich erfrischend saftig beim Endverbraucher ankommen, leisten die Produzenten Schwerstarbeit. Ein Erdbeerroboter verspricht jetzt Erleichterung bei der Ernte.
(Bild: strawberry, flickr.com (CC BY 2.0))

Erdbeeren sind gesund, schmackhaft und äußerst beliebt: Jährlich werden weltweit etwa 5 Mio.t geerntet, Tendenz steigend. Die kleine rote Frucht ist allerdings sehr empfindlich, denn im Gegensatz zu Äpfeln oder Bananen reift sie nicht nach. Man muss sie also ernten, wenn sie schon rot, weich und damit leicht verderblich ist. Ein wenig Druck genügt dann bereits, um eine rasant fortschreitende Fäulnis auszulösen. Feinfühlige Pflückerhände unerlässlich, Automatisierung unmöglich – das schien noch vor kurzem eine unumstößliche Regel zu sein.

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Die Ingenieure von Agrobot S.L. mit Hauptsitz im andalusischen Huelva haben die südspanischen Erdbeerfelder täglich vor Augen. Nach gründlicher Analyse der Abläufe und der möglichen Stolpersteine entwickelten sie den Agrobot SW 6010 für die automatische Ernte der Feldfrucht. Das Fahrwerk des Roboters ähnelt einem gewöhnlichen Traktor, auf und unter dem Chassis ist er mit hochkarätiger Automatisierungstechnik ausgestattet. Dabei spielen die Sensoren, welche die Beete, die Pflanzen und die maschinellen Bewegungen erfassen, eine entscheidende Rolle. Vor allem Ultraschall- und induktive Sensoren haben sich mit ihrer bauartbedingten Robustheit in der Landwirtschaft bereits bewährt.

Robuste Sensorik für die Landwirtschaft

Ultraschallsensoren funktionieren nach dem Pulslaufzeit-Verfahren: Sie geben in kurzen Abständen hochfrequente Schallimpulse ab und berechnen aus der Laufzeit des Echos den Abstand zum Objekt millimetergenau. Dabei spielt dessen Farbe und Oberflächenbeschaffenheit keine Rolle. Nebel, Staub und Schmutz haben ebenfalls keinen Einfluss auf die Messgenauigkeit, unter anderem weil die Oberfläche des Wandlers mit hoher Frequenz vibriert und Anhaftungen einfach abschüttelt.

Induktive Sensoren nutzen die magnetische Induktion, um Objekte zu erkennen. Wie auch die Ultraschallsensoren arbeiten sie berührungslos und verschleißfrei. Sie sind ebenfalls unempfindlich gegen äußere Einflüsse, können sehr nah an die zu erkennenden Objekte heranrücken und in kleinen Bauformen auch bei beengten Verhältnissen einen Montageplatz finden. Sehr häufig werden sie zur Kontrolle und Steuerung von bewegten Maschinenteilen eingesetzt.

Erdbeer-Roboter bahnen sich ihren Weg durchs Beet

Der Ernte-Roboter findet seinen Weg durch die Beetreihen mit Hilfe der Ultraschallsensoren, die an jeder Radaufhängung montiert sind. Sie erfassen den Abstand zwischen den Rädern und dem Erdbeerfeld und halten das Fahrzeug in der Spur. Aus ihren Signalen errechnet das automatische Steuerungssystem die Position und korrigiert bei Bedarf die Radlenkung. Das induktive Positionsmesssystem PMI360DV-F130 von Pepperl+Fuchs erkennt und regelt den Lenkeinschlag der Räder kontinuierlich. Auch Wendemanöver am Ende der Beetreihen werden so automatisch ausgeführt, selbst auf sehr holprigem Untergrund bleibt das Fahrzeug auf seinem Kurs.

Mittels Kamera: Schneiden statt zupfen

Die Beeren werden vom Roboter beim Pflücken nicht beschädigt. Ein Kamerasystem erkennt anhand von Form und Farbe den Reifegrad und löst einen präzisen Schnitt aus. Rasiermesserscharfe Klingen durchtrennen den Stiel, die Frucht fällt in einen kleinen, mit Gummirollen gepolsterten Korb. Auf einem Förderband gelangt sie in den Verpackungsbereich. Dort werden die Beeren an zwei Arbeitsstationen direkt in die Schalen sortiert – die einzige Arbeit, die noch von Hand erledigt werden muss. Die Maschine bietet Platz für zwei Arbeiter, sie kann aber auch von einem allein bedient werden.

Klingen und Körbe sind an Roboterarmen befestigt. An beiden Endschaltpunkten des Bewegungsbereichs dieser Arme sitzt ein induktiver Sensor. Ein zusätzlicher Ultraschallsensor der Reihe UB400-12GM verhindert, dass der Roboterarm den Boden berührt. „Zuvor wurden mechanische Endschalter getestet. Diese waren aufgrund der vielen Schaltspiele und des damit verbundenen hohen Verschleißes aber nicht geeignet“, erklärt Agrobot-Geschäftsführer Juan Bravo. „Die ideale Lösung waren berührungslose induktive Sensoren, da hierbei kein mechanischer Verschleiß entsteht.“

Teilautomatisierte Anwendung auf Obstplantagen

Der Einsatz von moderner Automatisierungstechnik ist in der Landwirtschaft auch unterhalb der Schwelle zur Robotik weit verbreitet, etwa im Pflanzenschutz auf Obstplantagen. Die Spritzmittel sollen dort aus finanziellen wie ökologischen Gründen so effizient wie möglich eingesetzt werden. Beim herkömmlichen Ausbringen wird kontinuierlich gespritzt, also auch zwischen den Bäumen, wo es gar nicht nötig wäre. Mit einer präzisen und schnellen automatischen Steuerung der Spritze lässt sich das ändern. Entscheidend ist dabei die genaue Erfassung der Abfolge von Bäumen und Zwischenräumen.

Dafür werden unter anderen zylindrische M30-Ultraschallsensoren der Serie 30GM70 von Pepperl+Fuchs eingesetzt. Ihr Detektionsbereich wird so ausgerichtet, dass er sich unmittelbar vor der Sprühfahne befindet. Das kann per Hand geschehen, indem die Schaltgrenzen mit Potentiometern direkt am Sensor eingestellt werden. Mit dem USB-Programmieradapter UC-18/30GM-IR und dem Programm Ultra-Prog-IR für die Inbetriebnahme und zur Parametrierung können Objektentfernung und Echosignalstärke aber auch im Detail visualisiert werden.

Teilautomatisierte Anwendung im Gewächshaus

Ein weiteres Beispiel findet sich beim biologischen Pflanzenschutz in Gewächshäusern. Schädlinge werden mit Hilfe ihrer natürlichen Feinde bekämpft – wie Schlupfwespen, Raubmilben oder Nematoden. Ein automatisches Verteilsystem bringt die Eier der Nützlinge in der richtigen Menge und zur richtigen Zeit gleichmäßig in den Kulturen aus. Das Verteilgerät stoppt automatisch vor der Glasfassade des Treibhauses, oder es schaltet in den Rückwärtsgang, wenn es eine dafür montierte metallische Reflektorplatte erreicht.

Auch hier sorgen Ultraschallsensoren an beiden Seiten der Apparatur für eine sichere Signalgebung. Ihre Leistung wird von der – je nach Pflanzensorte und Vegetationsphase – mal staubigen, mal schmutzig-feuchten Atmosphäre nicht beeinträchtigt. Sie erkennen sowohl die transparente Glasfassade des Gewächshauses als auch das Metall der Reflektorplatte zuverlässig und mit durchgehend reproduzierbaren Schaltpunkten. Im Gegensatz zu mechanischen Schaltern arbeiten sie völlig verschleißfrei.

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