ERK'2021, Portorož, 155-158 155 Prototip robotskega sistema za avtomatsko pobiranje stebelne zelenjave Erik Pleško 1 , Sebastjan Šlajpah 1 , Marko Munih 1 , Matjaž Mihelj 1 1 Univerza v Ljubljani, Fakulteta za elektrotehniko, Tržaška 25, 1000 Ljubljana E-pošta: ep9060@student.uni-lj.si Developing a system for harvesting stem vegetables This paper presents a development of a system for har- vesting stem vegetables. We designed and assembled a rotational delta robot for this task. Firstly we present the initial problem and justify the delta mechanism as a suit- able solution. We then present an overview of it’s inverse kinematics and workspace. We then put forward the CAD model, parts list and assembly. We overview Beckhoff’s hardware and software. Lastly, we evaluate mechanical operation of the mechanism and propose future work on the problem. 1 Uvod Vse veˇ cja uporaba robotov v kmetijstvu omogoˇ ca razvoj novih tehnologij avtomatike, ki bodo olajšale ali celo pri- hranile mnoga težka dela. S tem se zmanjšujejo stroški in poraba surovin pri kmetijskih opravilih ter ˇ cas proi- zvodnje [1]. Razvoj na tem podroˇ cju lahko vpliva tudi na onesnaževanje. Precizno kmetovanje je koncept upo- rabe novih metod produkcije in upravljanja, ki se poslu- žujejo razliˇ cnih tehnologij velikih podatkov o lokacijah pridelkov in njihovi koliˇ cini. Mnoge robotske rešitve so bile predlagane za uporabo v kmetijstvu: pobiranje in že- tev [2], nadzor travnikov, avtonomna košnja, obrezova- nje, sejanje, škropljenje in pletje, nadzorovanje in pre- gled prsti [3], sortiranje in pakiranje. Študija se osredo- toˇ ca na robotsko pobiranje stebelne zelenjave, specifiˇ cno špargljev. Šparglje se tipiˇ cno pobira v ˇ casu od marca do julija. Zaˇ cetek rasti je odvisen predvsem od zunanjih tempera- tur. Rastlino je potrebno pobrati, ko je prave velikosti, saj steblo kmalu oleseni. Od vsake rastline lahko poberemo najveˇ c 16 poganjkov, ostale poganjke pa rastlina potre- buje za regeneracijo in nabiranje energije za ˇ cez zimo. Pregledovanje polj in nabiranje poteka dnevno. Obdobje takšne rasti pa traja do 8 tednov [4]. Primer rasti špargljev je na sliki 1. Rastline se glede na smer vožnje robota lahko pojavljajo vzporedno ali pa zelo blizu skupaj. Rastejo lahko postrani, polja pa so lahko porašˇ cena s plevelom ali travo. Leu in drugi v [2] predstavljajo prototipno napravo za pobiranje špargljev. Za zaznavo uporabljajo barvno glo- binsko kamero. Na mobilni platformi pa sta namešˇ ceni Slika 1: Primer tipiˇ cne rasti rastlin. Rastline rasejo vzpo- redno ter blizu skupaj, vir slike [4]. dve robotski roki za pobiranje pridelka. Japonsko pod- jetje Inaho ponuja rešitev v obliki relativno majhne mo- bilne platforme z robotsko roko za avtonomno nabiranje zelenjave [5]. 2 Metodologija Za pobiranje špargljev smo predvideli robotsko roko v konfiguraciji rotacijskega delta robota, ki je z dvema do- datnima prostostnima stopnjama zmožna hitrega in na- tanˇ cnega pobiranja špargljev iz razliˇ cnih smeri. 2.1 Delta robot Zasnovali smo robotski mehanizem, ki je sposoben se- lektivnega nabiranja. Rastline mora pobirati s poljubne smeri po celem delovnem obmoˇ cju. Da ohranimo mo- žnost pobiranja med vožnjo, potrebujemo 4 prostostne stopnje vrha robota - 3 pozicije ter orientacijo okoli nav- piˇ cne osi. Mehanizem mora biti sposoben hitre manipu- lacije rastlin na relativno kratki razdalji. Pobrano lahko odlaga na bližnji tekoˇ ci trak, ki pridelek prenaša v glavni zabojnik na premiˇ cni platformi. Gleda na podane zah- teve, smo se odloˇ cili za 3R delta robota z dodatno rotacij- sko prostostno stopnjo na vrhu. Peta prostostna stopnja je odpiranje ter zapiranje prijemala z rezilom. 156 2.2 Inverzna kinematika in delovni prostor Prednost paralelnih mehanizmov je enostaven izraˇ cun in- verzne kinematike. Ker gre za paralelni mehanizem lahko obravnavamo vsako roko loˇ ceno. Zaradi rotacijske si- metrije je dovolj izraˇ cunati splošno rešitev za eno roko. Rešitev za ostali roki pa dobimo s primernim rotiranjem vhodnih podatkov okoli osi z. 2.2.1 Rešitev za eno roko Prvi segment se nahaja v ravnini x-z. Oznaˇ cimo dolžini segmentov z l 1 in l 2 . Z vektorjem p i oznaˇ cimo konec i-tega segmenta. Štetje zaˇ cnemo z i = 0, kar ustreza koncu baze in hkrati prvemu sklepu. Omenjene veliˇ cine so oznaˇ cene na sliki 2. Slika 2: Stranski ris (zgoraj) ter tloris (spodaj). Osi ba- znega koordinatnega sistem so oznaˇ cene z modro barvo. Tri dimenzionalni vektorji so oznaˇ ceni z bledo rumeno barvo. Skalarne koliˇ cine so oznaˇ cene s ˇ crno barvo. Dimenzijad 2 je projekcija dimenzijel 2 v ravnino x-z. Vektor p 0 poznamo iz geometrije baze. Vektor p 3 predstavlja konec platforme oziroma vrh robota. Vektor p 2 ustreza koncu drugega segmenta. Zapišemo lahko p 2 = p 3 +s 3 : (1) Vektors 3 predstavlja premik od vrha robota do konca drugega sklepa, ki ga doloˇ cimo iz konstrukcije robota. Izpeljemo sledeˇ ce geometrijske relacije (pri tem je D = [D x ;D y ;D z ] T ): D =p 2 p 0 (2) d 2 = q l 2 2 D 2 y (3) a = q l 2 2 D 2 y (4) cos = d 2 1 +a 2 d 2 2 2d 1 s (5) V primeru, da vsaj eden izmed izrazov (3) in (4) nima realne vrednosti, rešitev ne obstaja. ˇ Ce je vrednost izraza (5) po absolutni vrednosti veˇ cja od1, rešitev prav tako ne obstaja. Z izraˇ cunom nadaljujemo: = arctan D z D x (6) = (7) V izrazu (6) pri izraˇ cunu uporabimo funkcijo za predzna- ˇ ceni tangens. Izraz (7) je konˇ cni rezultat inverzne kine- matike, je kot v prvem sklepu. Pri tem vrednost0 pred- stavlja segment, ki je poravnan z osjo x, pozitivne vre- dnosti kota pa dobimo ob premiku segmenta navzdol. 2.2.2 Celotna rešitev Rešitev za preostali roki dobimo z rotiranjem želene lege vrha okoli osi z. Kot rotacije za vsako naslednjo roko poveˇ camo za 120 = 2 3 in ponovimo izraˇ cun iz po- glavja 2.2.1 Na sliki 3 je prikaz vizualizacije inverzne kinematike. (a) (b) (c) (d) Slika 3: Nekaj primerov rešitev inverzne kinematike za razliˇ cne lege. 2.2.3 Delovni prostor Pomemben del teoretiˇ cne analize je tudi velikost in oblika delovnega prostora. Na sliki 4 je prikazana ˇ cetrtina de- lovnega prostora robota, le-ta ima skledasto obliko, ki je tipiˇ cna za delta robote z rotacijskimi sklepi. Velikost ustreza zahtevam projekta: delovno obmoˇ cje širine enega metra ter višine pol metra. 2.3 Mehanska zasnova robota Na sliki 5 je prikazan CAD model ene roke robota. Roko poganja motor Beckoff AM8113 z reduktorjem WPLE040 s prestavnim razmerjem 10. Proizvajalec za navor mo- torja v mirovanju navaja0:52Nm. Rumeno sta obarvana kosa reskana iz aluminija. Sivo so obarvani aluminijasti profili. Oranžno so obarvani Igusovi krogliˇ cni sklepi tipa 157 Slika 4: Delovni prostor robota. Prikazan je ves delovni prostor, ki ga dopušˇ ca geometrija sklepov takšnega me- hanizma. Praktiˇ cne omejitve kotov v sklepih niso upošte- vane – to sta hod sklepov in trk segmentov mehanizma. GELMKE-8. Modro sta obarvani Igusovi osi AWMP-8. Belo so obarvani 3D natisnjeni deli. Slika 5: CAD model ene roke robota. Na sliki 6 je prikazan izdelan robotski sistem. Za za- znavo rastlin smo sistemu dodali laserski skener SICK NanoScan3. Prijemalo za rezanje in prijemanje špargljev je pri- kazano na sliki 7. Cev, ki nosi prijemalo, se vrti okoli navpiˇ cne osi. V njej je še os, ki je povezana s premiˇ cnim delom prijemala - to sta rezilo in gumijasti prst za prije- manje. Prostostni stopnji sta vodeni z DC motorjema na platformi mehanizma. Plastiˇ cne dele bele barve smo 3D natisnili s tiskalnikom Prusa i3 Mk2s, material PLA. 2.4 Programska oprema V odenje sistema smo izvedli v dveh nivojih, ki sta komu- nicirala preko UDP povezave. 2.4.1 PLK Beckhoff Za razvoj programske opreme na programirljivem logiˇ c- nem krmilniku (v nadaljevanju PLK) smo uporabili Be- choff TwinCAT 3. V konfiguracijo so dodani trije servo Slika 6: Fotografija sestavljenega mehanizma. Pod me- hanizmom je pladenj z zemljo. V kotu levo spodaj je laserski skener SICK NanoScan3, uporabljen za zaznavo rastlin. Slika 7: Fotografiji odprtega ter zaprtega prijemala ob po- biranju šparglja. Med prijemanjem rezilo špargelj odreže. Mehki del prijemala (3D natisnjen z materialom TPU primerno stisne špargelj ne glede na njegovo debelino. 158 motorji ter dva DC motorja. Nastavljeni so parametri di- namike, zaˇ cetne lege motorjev, ter programske konˇ cne omejitve sklepov. Krmilnik izvaja hitrostno vodenje mo- torjev ter komunicira z ROS vozlišˇ ci preko UDP pove- zave. 2.4.2 ROS Višji nivo smo naredili v programskem paketu ROS z vo- zlišˇ ci napisanimi v jeziku Python. Na tem nivoju je pote- kala zaznava špargljev, naˇ crtovanje premikanja, interpo- lacija ter vodenje robota. Za preprosto zaznavo špargljev smo uporabili laser- ski skener SICK NanoScan3. Od izmerjenih toˇ ck upo- rabimo le toˇ cke, ki ležijo v bližnji okolici pobiralne po- vršine. Dovolj toˇ ck, ki so si paroma bližje od tipiˇ cnega premera šparglja, ustreza šparglju. Njihovo povpreˇ cje do- loˇ ca središˇ ce šparglja. Iz zaznanih središˇ c špargljev program ustvari vmesne toˇ cke. Za vsako rastlino doloˇ cimo smer približevanja ob pobiranju. Med toˇ ckami se vrh robota premika premo. Uporabili smo interpolacijo minimalnega odvoda pospe- ška (ang. minimum jerk interpolation). Robota vodimo zaprtozanˇ cno v notranjih koordina- tah. Iz želene pozicije robota v zunanjih karteziˇ cnih ko- ordinatah z inverzno kinematiko izraˇ cunamo želene no- tranje koordinate. Razlika med želenimi ter dejanskimi koordinatami sklepov je vhod v proporcionalno diferen- cialni regulator katerega izhod so želene hitrosti sklepov robota. Te se pošljejo na PLK. 3 Testna aplikacija pobiranja Na sliki 8 je prikazana sekvenca pobiranja ene rastline. Delovanje smo preizkusili po celotnem delovnem obmo- ˇ cju robota ter na špargljih debeline od 5mm do 15mm. Preizkusili smo pobiranje rastlin dolgih od5cm do30cm. Najprej smo preizkusili pobiranje ene rastline na enkrat. Sistem je rastlino vedno zaznal in jo uspešno pobral. Preizkušali smo tudi postavitve z veˇ c rastlinami. Do- kler se v vidnem polju laserskega skenerja rastline ne pre- krivajo, zaznava poteka nemoteno. Šum in obˇ casne arte- fakte na robovih rastlin povpreˇ cenje uspešno izloˇ ci. Ob ustrezni zaznavi je bilo pobiranje rastlin popol- noma uspešno dokler si sosednji rastlini nista bili bližje od 5cm. Uspešno pa je sistemu uspelo pobrati veˇ cino rastlin do medsebojne razdalje 3cm. Dodaten pogoj za uspešno pobiranje je vsaj 10cm prostora brez rastlin iz smeri pobiranja. Posnetek delovanja je dostopen na [6]. 4 Diskusija V delu smo predstavili robotski mehanizem delta kon- figuracije za pobiranje stebelne zelenjave. Robota smo opremili z dvema dodatnima prostostnima stopnjama, ki omogoˇ cata razliˇ cne smeri pristopa k rezanju. Naslednji korak v razvoju sistema je integracija me- hanizma z mobilno platformo. Ob tem pa je potrebno raz- viti še robusten sistem za zaznavo in prepoznavo rastlin na polju. Slika 8: Fotografija pobiranja šparglja. Predstavljena zasnova mehanizma se je izkazala za ustrezno, integracija z mobilno platformo pa bo predsta- vljala resniˇ cen potencial za avtomatsko in avtonomno po- biranje ne samo špargljev, ampak celotnega spektra ste- belne zelenjave. Literatura [1] Moysiadis V , Tsolakis N, Katikaridis D, Sørensen CG, Pearson S, Bochtis D. Mobile Robotics in Agri- cultural Operations: A Narrative Review on Planning Aspects. Applied Sciences. 2020; 10(10):3453. ht- tps://doi.org/10.3390/app10103453 [2] Leu A, Razavi M, Langstädtler L, Risti´ c-Durrant D, Raffel H, Schenck C, Gräser A. Kuhfuss B. Robotic Green Asparagus Selective Harvesting. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 2017;22(6): 2401- 2410, doi: 10.1109/TMECH.2017.2735861. [3] Łukowska A, Tomaszuk P, Dzier˙ zek K, Ma- gnuszewski Ł. Soil sampling mobile platform for Agriculture 4.0, 2019 20th International Carpathian Control Conference (ICCC), Krakow- Wieliczka, Poland, 2019:1-4, doi: 10.1109/Carpathi- anCC.2019.8765937. [4] Boeckmann C, “Growing asparagus,” The old Farmer’s Almanac., 8-Apr-2010. [Online]. Avai- lable: https://www.almanac.com/plant/ asparagus. [Accessed: 16-Feb-2021]. [5] Hishiki Y , Ohyama S, Tobayama S, and Shimizu T, “To make farming more sustainable,” Inaho Inc., 22-Okt-2020. [Online]. Available: https://en. inaho.co/. [Accessed: 25-Jul-2021]. [6] Pleško E, “Robotski sistem za pobiranje stebelne ze- lenjave”, 27-Jul-2021. [Online]. Available: https: //shorturl.at/enoOZ. [Accessed: 27-Jul- 2021].