De robotische struikenkapper

Over de hele wereld vergrijst de samenleving. Dit veroorzaakt een tekort aan mensen die willen werken of in staat zijn om te werken in de land- of tuinbouw en zelfs in hun eigen tuin. Door de snelle ontwikkeling van technologie is het onderzoek naar landbouwrobotica de afgelopen decennia in een stroomversnelling geraakt. Het Europese Trimbot2020-project ontwikkelt een intelligente tuinrobot voor consumenten. Het is een samenwerking tussen de universiteiten van Amsterdam, Edinburgh, Freiburg, Groningen, Wageningen en Zürich. De Trimbot-robot is bedoeld om struiken te trimmen en rozen te snoeien in buitencondities. Hij moet zelfstandig kunnen navigeren in variërend tuingebied en de hagen, struiken en planten benaderen om ze weer tot hun ideale vorm terug te snoeien.

Om de struiken- en heggentrimmers en rozensnijgereedschappen te positioneren en te oriënteren, gebruiken we een manipulator die boven op een mobiele basis is gemonteerd. De vereisten van de manipulator zoals gewicht, afmetingen, kracht en softwarecompatibiliteit zijn gevonden door gebruik te maken van een gestructureerde ontwerpmethode. Een marktonderzoek bracht aan het licht dat de meeste industriële robotarmen niet geschikt zijn vanwege hun eigen gewicht, maar vooral vanwege het gewicht en de afmetingen van de bijbehorende controllerkast.

Op de shortlist manipulator-kandidaten die voldoen aan de vereisten, stonden de Jaco² van Kinova Robotics, de UR5 van Universal Robotics en de Powerball LWA4P en Dextrous LWA4D van Schunk. Na een uitgebreide evaluatie hebben we uiteindelijk gekozen voor de Jaco²-arm met zes vrijheidsgraden van het Canadese Kinova. Deze robotarm is primair ontwikkeld ter ondersteuning van personen met lichamelijke handicaps en wordt vaak gemonteerd op rolstoelen.

De schakels zijn gemaakt van koolstofvezel waardoor het totale gewicht is beperkt tot 4,4 kg. Alle besturingselektronica is geïntegreerd in de basis van de manipulator. Het systeem heeft een horizontale reikwijdte van 760 mm en een payload van 2,2 kg. Met een maximale snelheid van 36 deg/s is de Jaco² relatief langzaam, maar toch snel genoeg voor snijbewerkingen. Ook de herhaalnauwkeurigheid van de positionering houdt niet over: slechts 3 mm. Dat kunnen we echter compenseren met visuele servocontrole. Hiermee wordt de manipulator via een camera op de end-effectors bijgestuurd door het doel in het midden van het beeld te houden. In samenwerking met de leverancier zijn aanpassingen aan de manipulator gemaakt door betere afdichtingen toe te voegen zodat de mechanische en elektrische componenten beter tegen stof en water worden beschermd. De manipulator wordt bestuurd met behulp van het Robot Operating System (Ros).

Cnc-besturing

Op basis van een grondige systeemanalyse is een lijst met uitdagingen, eisen, wensen en hoofdfuncties opgesteld. Uit deze analyse bleek dat twee verschillende soorten end-effectors nodig zijn: een voor het snoeien van oppervlaktes (voor individuele struiken en heggen) en een voor het snijden van plantstelen (enkele roosstengels).

Verschillende snijprocessen in de industrie en in consumentproducten zijn beoordeeld. Mede met deze informatie hebben we voor het trimmen van struiken en heggen gekozen voor een omnidirectioneel snijdende end-effector. Met zo’n tool is het mogelijk om via computer-numerieke besturing – cnc zoals gebruikt in freesmachines – het gereedschap over het oppervlak van de struik te sturen. Vervolgens hebben we een snijmechanisme ontworpen met twee contraroterende bladen. De sterachtige snijbladen, speciaal voor dit project gemaakt en geleverd door Tebra uit Hoogeveen, eindigen in een pijlpunt zodat dikkere takken bij het trimmen niet uit de messen wegglippen. Dit concept zorgt ook voor een hoog slagingspercentage om takken in één keer te knippen. De snijbladen worden aangedreven met behulp van een EC-motor van Maxon Motor die kan worden aangestuurd via Ros.

De rozensnoeitool is opgebouwd uit een commercieel verkrijgbare elektrische snoeischaar van Bosch die op de manipulator kan worden gemonteerd. De originele aandrijving is vervangen door een DCX32-motor van Maxon, die ook met Ros en een Epos 2-motorcontroller is aan te sturen. De belangrijkste kenmerken van deze end-effector is dat hij door 14 mm zacht hout kan snijden en dat hij sensoren bevat die detecteren of het mes volledig open of gesloten is. Om de kop van het snijgereedschap te beschermen tegen vervuiling is een kunststof behuizing ontworpen en via 3d-printtechniek vervaardigd.

Handelsreizigersprobleem

Een gebruiker definieert vooraf een gewenste vorm van de struik, heg of rozenplant. Hij kan via een interface kiezen uit enkele geometrische vormen zoals een bol, kubus of een eenvoudig recht vlak. Dit wordt de doelvorm waarnaar de robot met zijn gereedschappen moet toewerken. Een sensorsysteem op basis van meerdere stereocamera’s is dicht bij de end-effector gemonteerd en wordt gebruikt om het initiële uiterlijk van het object te observeren. Het doeloppervlak van het object wordt via het camerasysteem berekend als een veelhoekig meshmodel dat bestaat uit kleine driehoekjes of polygonen.

Het algoritme voor de bewegingsplanning is onderverdeeld in drie modules: de planningset-up, de dekkingplanning en de trajectplanning. De eerste module verwerkt het netwerk van polygonen om de zoekruimte voor de eigenlijke planningstaak te genereren. De dekkingsmodule produceert vervolgens een lijst met tussenliggende manipulatorstanden waarmee het snijvlak van de end-effectors het hele oppervlak van de struik of heg kan bedekken en berekent of het overal met het gereedschap kan komen. De trajectmodule interpoleert de tussenliggende gewrichtsconfiguraties van de manipulator in een vloeiend traject.

De routeplanning van de manipulator met de end-effector is gemodelleerd als een handelsreizigersprobleem om de padlengtes te minimaliseren. Het doel is om een reeks armconfiguraties te berekenen zodat het verschil tussen de ingestelde vorm en de uiteindelijke gesnoeide struik binnen een bepaalde foutmarge blijft. In de eerste fase van het project wordt de trimcontrole uitgevoerd zonder feedback van het sensorsysteem.

Closed loop

Vanwege de grootte van de objecten en de bereikbaarheid van de robotarm kunnen struiken of heggen vaak niet vanuit één robotplatformpositie worden gesnoeid. Daarom is een positioneringsalgoritme voor de Trimrobot ontwikkeld die de taakruimte vanuit één positie maximaliseert en het aantal benodigde posities minimaliseert. De onderzoekers bekijken momenteel een genetisch algoritme dat een optimale set botsingsvrije voertuigposities voor een bepaald doelwit berekent.

In de volgende fase van het project zal een actief mechanisme voor visuele feedback worden ontworpen en geïmplementeerd dat closed-loop motioncontrol mogelijk maakt. Voor het knippen van individuele takken (rozen) zullen we visuele servoing gebruiken om de oriëntatie en de positie van het gereedschap aan te passen in overeenstemming met de waargenomen fout bij het naderen van het snijpunt.

Bekijk hoe de robot een trimactie uitvoert op een bolvormige buxusstruik op het Trimbot2020-Youtube-kanaal.