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Donnerstag, 10. August 2017, Ausgabe Nr. 32

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Landtechnik

Eifrige Roboter beackern neue Anwendungsfelder

Von Hans-Arthur Marsiske | 16. Januar 2015 | Ausgabe 03

Aus der Industrieproduktion sind Roboter nicht mehr wegzudenken. Auch die Unterhaltungselektronik entdeckt die Automaten für sich, wie die Messe CES in Las Vegas gerade wieder zeigte. Vor besonderen Herausforderungen stehen Feldroboter, die Funktionen des autonomen Fahrens mit Fähigkeiten aus der Industrieproduktion vereinen.

Roboter-Agrar-BU
Foto: Amazone

Raue Arbeitsbedingungen: Roboter, wie der BoniRob, stellen sich den besonderen Herausforderungen der Arbeit im Freien.

„Die dümmsten Bauern ernten die größten Kartoffeln“, das behauptet zumindest eine alte Redensart. Dabei geht es heute gar nicht mehr darum, möglichst große Früchte zu produzieren oder insgesamt die Erntemenge zu erhöhen. Ziel sei es vielmehr, „den Anteil der vermarktungsfähigen Ware zu erhöhen“, sagt Johannes Sonnen von der Grimme Landmaschinenfabrik aus Damme. Den Markt wiederum bestimmen Großabnehmer wie McCain Foods oder Agrarfrost, die für die Weiterverarbeitung zu Pommes Frites Kartoffeln mit einem Durchmesser zwischen 40 mm und 65 mm bevorzugen.

Roboter in der Landwirtschaft

Um diese Wünsche zu erfüllen, greifen Landwirte mehr und mehr auf Automatisierungstechnik und Robotik zurück. Intelligente Landmaschinen können etwa das unterschiedliche Nährstoffangebot im Acker berücksichtigen, so Sonnen. Neben Fahrgassen, wo sich durch den Druck der Räder Nährstoffe konzentrieren, würden die Früchte dann entsprechend enger gepflanzt und an nährstoffarmen Stellen werde stärker gedüngt.

Ein weiteres Ziel ist es, das Potenzial der landwirtschaftlichen Geräte auszuschöpfen. Da sich die Arbeit mit den immer aufwendigeren Landmaschinen im Wesentlichen auf die Monate Juni bis November beschränkt, geht den Fahrern in der Zwischenzeit die Routine verloren. Zu Beginn der Saison müssen sie sich wieder einarbeiten, während zum Ende der Saison die Konzentration nachlässt. Assistenzsysteme sollen daher verstärkt Routineaufgaben übernehmen, sodass die Fahrer sich auf die Überwachung des Gesamtprozesses konzentrieren können.

Der Kartoffelanbau ist nur ein Beispiel für die wachsende Bedeutung von Robotern auf dem Acker und im Stall. So identifiziert die aktuelle Marktübersicht „World Robotics“ der International Federation of Robotics (IFR), Frankfurt, die Landwirtschaft als das zweitwichtigste Marktsegment der Servicerobotik nach Sicherheit/Militär.

Eine vom US-Journalisten Frank Tobe kürzlich erstellte globale Übersicht von Firmen, die sich in diesem Bereich engagieren, zeigt, dass viele Hersteller gerade neue Produkte anbieten oder es für die nahe Zukunft vorhaben. Und auch der mit mehr als 50 Teilnehmern rege Zuspruch, den ein entsprechendes Technologieseminar des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) in Stuttgart Ende 2014 erfahren hat, unterstreicht die gegenwärtige Dynamik der technischen Entwicklung.

Üblicherweise würden solche branchenspezifischen Seminare alle zwei bis drei Jahre veranstaltet, sagt IPA-Mitarbeiter Winfried Baum. Eine Folgeveranstaltung zur „Robotik in der Landwirtschaft“ könnte es dagegen bereits nächstes Jahr geben. Baum: „Die Technik entwickelt sich so schnell, dass dann schon wieder genug Neues zu berichten sein dürfte.“

Der Technologietransfer aus der Fabrik auf den Bauernhof stellt vor allem die Sensorik vor Herausforderungen. Im Wechsel der Tages- und Jahreszeiten verändern sich Lichtverhältnisse und Temperaturen, die Sensoren müssen zudem vor Regen und Staub geschützt werden. Das wird vor allem bei 3-D-Kameras zum Problem. „Eine Schutzscheibe würde störend wahrgenommen werden“, sagt Baum.

Generell sind Stereokameras auf texturierte Oberflächen angewiesen, um räumliche Informationen zu extrahieren, und versagen bei glatten Flächen. 3-D-Kameras die nach dem Laufzeitverfahren (Time-of-Flight) arbeiten, reagieren dagegen empfindlich auf Sonne und helles Licht. Weil das ausgesandte Infrarotsignal, aus dessen Laufzeit die Entfernung abgeleitet wird, überstrahlt werden kann, lassen sich auf dem Feld Störungen schwerer vermeiden als in Fabrikhallen.

Bei der Feldarbeit profitiert die Automatisierung der Landwirtschaft daher eher von den Entwicklungen im Fahrzeugbereich. Das liegt nahe, denn die meisten Landmaschinen sind auch Fahrzeuge. „Sensoren allein für Landfahrzeuge zu entwickeln, würde sich nicht lohnen“, so Baum.

Für die Erfassung des Zustandes von Pflanzen setzt Joachim Hertzberg vom Deutschen Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) in Osnabrück auf Multispektralkameras, die Laserlicht unterschiedlicher Wellenlängen ausstrahlen. Die Reflexionen enthalten Informationen über die Beschaffenheit, etwa einer Zuckerrübe, und zeigen mögliche Verletzungen. Je nach Frucht sind unterschiedliche Kombinationen von Wellenlängen erforderlich. Ein Universalsensor ist nach Experteneinschätzung ebenso wenig in Sicht wie der Universalmanipulator. Stattdessen wird Wert auf eine modulare Bauweise gelegt, die den raschen Austausch von Sensoren, Greifern und anderen Komponenten erlaubt.

Die von den Amazone-Werken aus Hasbergen zusammen mit der Robert Bosch GmbH und der Hochschule Osnabrück entwickelte Plattform BoniRob weise in die richtige Richtung, so Hertzberg. Der vierrädrige Feldroboter soll mit einer mechanischen und elektrischen Schnittstelle für die Aufnahme unterschiedlicher Geräte ausgestattet werden, sodass er wie ein Smartphone für verschiedene Apps genutzt werden kann: Je nachdem ob Gurken geerntet, Unkraut entfernt oder Nährstoffe gezielt verteilt werden sollen, werden entsprechende Sensoren und Manipulatoren montiert.

Es geht bei der Agrar-Robotik aber nicht nur um Pflanzen. Den größten Anteil stellen derzeit immer noch die Melkroboter. Hier will das EU-Projekt RotaBot die Effizienz erhöhen durch Entwicklung eines Manipulators, der statt einer gleich vier Zitzen am Euter der Kuh erfasst. „Das erfordert sehr genaue 3-D-Wahrnehmung, aber auch präzise Positionierung der einzelnen Melkbecher im Millimeterbereich“, sagt Winfried Baum. Ein sehr komplexes Manipulationsproblem, dessen Lösung beim Einsatz auf einem Melkkarussell mit 100 und mehr Tieren aber eine deutliche Erhöhung der Taktzeiten verspricht. Als Ziel hat sich das Projekt 15 s pro Kuh gesetzt. Noch sei allerdings nicht absehbar, wie realistisch das ist, räumt Baum ein.

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