Ein Landwirtschaftsroboter ist ein Roboter, der für landwirtschaftliche Zwecke eingesetzt wird. Der Haupteinsatzbereich von Robotern in der Landwirtschaft liegt heute in der Erntephase. Neue Anwendungen von Robotern oder Drohnen in der Landwirtschaft umfassen Unkrautbekämpfung, Wolkensaat, Saatpflanzung, Ernte, Umweltüberwachung und Bodenanalyse.

Allgemeines
Fruchtpflückroboter, fahrerlose Traktoren / Sprüher und Schafscherroboter sollen die menschliche Arbeit ersetzen. In den meisten Fällen müssen viele Faktoren berücksichtigt werden (z. B. die Größe und die Farbe der zu pflückenden Frucht) vor dem Beginn einer Aufgabe. Roboter können für andere Gartenbauaufgaben wie Beschneiden, Jäten, Sprühen und Überwachen verwendet werden. Roboter können auch in Nutztieranwendungen (Tierroboter) wie automatischem Melken, Waschen und Kastrieren verwendet werden. Roboter wie diese haben viele Vorteile für die Landwirtschaft, einschließlich einer höheren Qualität von Frischprodukten, niedrigeren Produktionskosten und einem verringerten Bedarf an Handarbeit. Sie können auch verwendet werden, um manuelle Tätigkeiten zu automatisieren, wie z. B. Gras- oder Farnkrautspritzen, bei denen der Einsatz von Traktoren und anderen bemannten Fahrzeugen für die Bediener zu gefährlich ist.

Designs
Die mechanische Konstruktion besteht aus einem Endeffektor, einem Manipulator und einem Greifer. Bei der Konstruktion des Manipulators müssen mehrere Faktoren berücksichtigt werden, einschließlich der Aufgabe, der Wirtschaftlichkeit und der erforderlichen Bewegungen. Der Endeffektor beeinflusst den Marktwert der Frucht und das Design des Greifers basiert auf der Ernte, die gerade geerntet wird.

Endeffektoren
Ein Endeffektor in einem landwirtschaftlichen Roboter ist das Gerät, das sich am Ende des Roboterarms befindet und für verschiedene landwirtschaftliche Operationen verwendet wird. Mehrere verschiedene Arten von Endeffektoren wurden entwickelt. In einem landwirtschaftlichen Betrieb mit Trauben in Japan werden die Endeffektoren für die Ernte, Beerenausdünnung, Sprühen und Absacken verwendet. Jeder wurde nach der Art der Aufgabe und der Form und Größe der Zielfrucht gestaltet. Zum Beispiel wurden die Endeffektoren, die für die Ernte verwendet wurden, dazu bestimmt, die Trauben zu greifen, zu schneiden und zu drücken.

Die Beerenausdünnung ist eine weitere Operation, die an den Trauben durchgeführt wird, und wird verwendet, um den Marktwert der Trauben zu erhöhen, die Traubengröße zu erhöhen und den Bündelprozess zu erleichtern. Bei der Beerenausdünnung besteht ein Endeffektor aus einem oberen, mittleren und unteren Teil. Der obere Teil hat zwei Platten und einen Gummi, der sich öffnen und schließen kann. Die zwei Platten drücken die Trauben zusammen, um die Rachisäste abzuschneiden und die Trauben zu extrahieren. Der mittlere Teil enthält eine Nadelplatte, eine Druckfeder und eine weitere Platte mit Löchern, die über die Oberfläche verteilt sind. Wenn sich die beiden Platten zusammendrücken, schlagen die Nadeln Löcher in die Trauben. Als nächstes hat der untere Teil eine Schneidevorrichtung, die das Bündel schneiden kann, um seine Länge zu standardisieren.

Zum Spritzen besteht der Endeffektor aus einer Sprühdüse, die an einem Manipulator angebracht ist. In der Praxis möchten die Produzenten sicherstellen, dass die chemische Flüssigkeit gleichmäßig über das Bündel verteilt wird. Somit ermöglicht das Design eine gleichmäßige Verteilung der Chemikalie, indem die Düse mit einer konstanten Geschwindigkeit bewegt wird, während die Entfernung vom Target gehalten wird.

Der letzte Schritt in der Traubenproduktion ist der Einsackprozess. Der Absackendeffektor ist mit einem Beutelzuführer und zwei mechanischen Fingern ausgestattet. Beim Beutelfüllvorgang besteht der Beutelzuführer aus Schlitzen, die den Fingern kontinuierlich Beutel in einer Auf- und Abbewegung zuführen. Während der Beutel den Fingern zugeführt wird, halten zwei Blattfedern, die sich am oberen Ende des Beutels befinden, den Beutel offen. Die Taschen werden produziert, um die Trauben in Trauben zu halten. Sobald der Absackvorgang abgeschlossen ist, öffnen sich die Finger und geben den Beutel frei. Dies schließt die Blattfedern, die den Beutel verschließen und verhindern, dass er sich wieder öffnet.

Klemme
Die Zange ist eine Greifvorrichtung, die zum Ernten der Zielpflanze verwendet wird. Das Design der Klemme basiert auf Einfachheit, niedrigen Kosten und Effizienz. Die Konstruktion besteht daher in der Regel aus zwei mechanischen Fingern, die in der Lage sind, bei der Ausführung ihrer Aufgabe synchronisierte Bewegungen auszuführen. Die technischen Merkmale hängen von der zugewiesenen Aufgabe ab. Wenn zum Beispiel Anlagenteile zum Ernten geschnitten werden sollen, ist die Greifvorrichtung mit einer Schneidklinge ausgestattet.

Manipulatorarm
Der Manipulatorarm ist eine mechanische Vorrichtung, die es dem Greifer und dem Effektor ermöglicht, in ihrer Umgebung zu navigieren. Es besteht aus parallelen Stangen mit vier Stangen, die die Position und Höhe des Griffs beibehalten. Der Manipulator kann auch einen, zwei oder drei pneumatische Aktuatoren verwenden. Die Aktuatorreifen sind Motoren, die eine lineare oder rotierende Bewegung erzeugen, die die komprimierte Luft in Energie umwandelt. Der pneumatische Antrieb ist aufgrund seines hohen Leistungsgewichts am effizientesten für landwirtschaftliche Roboter. Für den Manipulatorarm ist die Konfiguration mit einem einzigen Aktuator das kosteneffizienteste Design, obwohl diese Option am wenigsten flexibel ist.

Greifer
Der Greifer ist eine Greifvorrichtung, die zum Ernten der Zielpflanze verwendet wird. Die Konstruktion des Greifers basiert auf Einfachheit, niedrigen Kosten und Effektivität. So besteht das Design normalerweise aus zwei mechanischen Fingern, die sich bei der Ausführung ihrer Aufgabe synchron bewegen können. Die Besonderheiten des Designs hängen von der Aufgabe ab, die ausgeführt wird. Zum Beispiel wurde in einem Verfahren, das erforderte, dass Pflanzen zum Ernten geschnitten wurden, der Greifer mit einer scharfen Klinge ausgestattet.

Manipulator
Der Manipulator ermöglicht dem Greifer und dem Endeffektor, durch ihre Umgebung zu navigieren. Der Manipulator besteht aus vier parallelen Stangen, die die Position und Höhe des Greifers beibehalten. Der Manipulator kann auch einen, zwei oder drei pneumatische Aktuatoren verwenden. Pneumatische Aktoren sind Motoren, die durch Umwandlung von Druckluft in Energie lineare und rotatorische Bewegungen erzeugen. Der pneumatische Aktuator ist aufgrund seines hohen Leistungsgewichts der effektivste Aktuator für landwirtschaftliche Roboter. Das kosteneffizienteste Design für den Manipulator ist die Konfiguration mit einem einzigen Aktuator, doch ist dies die am wenigsten flexible Option.

Entwicklung
Die erste Entwicklung der Robotik in der Landwirtschaft kann bereits in den 1920er Jahren datiert werden, wobei die Forschung zur Einführung der automatischen Fahrzeugführung in der Landwirtschaft allmählich Gestalt annimmt. Diese Forschung führte zu den Fortschritten der autonomen landwirtschaftlichen Fahrzeuge zwischen den fünfziger und sechziger Jahren. Das Konzept war jedoch nicht perfekt, da die Fahrzeuge noch ein Kabelsystem benötigen, um ihren Weg zu führen. Roboter in der Landwirtschaft entwickelten sich weiter, da sich auch Technologien in anderen Sektoren zu entwickeln begannen. Erst in den 1980er Jahren, nach der Entwicklung des Computers, wurde die maschinelle Bildverarbeitung möglich.

Andere Entwicklungen im Laufe der Jahre umfassten die Ernte von Orangen mit einem Roboter in Frankreich und den USA.

Während Roboter seit Jahrzehnten im industriellen Innenbereich eingesetzt werden, gelten Außenroboter für den Einsatz in der Landwirtschaft als komplexer und schwieriger zu entwickeln. Dies ist auf Bedenken in Bezug auf die Sicherheit zurückzuführen, aber auch auf die Komplexität der Ernte, die verschiedenen Umweltfaktoren und Unvorhersehbarkeiten unterliegt.

Nachfrage auf dem Markt
Es gibt Bedenken hinsichtlich des Arbeitskräftebedarfs in der Landwirtschaft. Mit einer alternden Bevölkerung ist Japan nicht in der Lage, die Anforderungen des landwirtschaftlichen Arbeitsmarktes zu erfüllen. In ähnlicher Weise sind die Vereinigten Staaten derzeit auf eine große Zahl von Arbeitsmigranten angewiesen, aber zwischen dem Rückgang der Saisonarbeiter und verstärkten Bemühungen, die Einwanderung der Regierung zu stoppen, sind auch sie nicht in der Lage, die Nachfrage zu decken. Unternehmen sind oft gezwungen, die Ernte zu verderben, da sie bis zum Ende der Saison nicht alle pflücken können. Darüber hinaus gibt es Bedenken hinsichtlich der wachsenden Bevölkerung, die in den nächsten Jahren ernährt werden muss. Aus diesem Grund besteht ein großer Wunsch, landwirtschaftliche Maschinen zu verbessern, um sie kosteneffizienter und für die weitere Verwendung nutzbar zu machen.

Aktuelle Anwendungen und Trends
Ein großer Teil der aktuellen Forschung arbeitet weiterhin auf autonome landwirtschaftliche Fahrzeuge. Diese Forschung basiert auf den Fortschritten bei Fahrerassistenzsystemen und selbstfahrenden Autos.

Während Roboter in vielen Bereichen landwirtschaftlicher Arbeiten bereits integriert sind, fehlen sie bei der Ernte verschiedener Nutzpflanzen noch weitgehend. Dies hat sich geändert, als Unternehmen damit beginnen, Roboter zu entwickeln, die spezifischere Aufgaben in der Farm erfüllen. Das größte Problem bei der Ernte von Erntemaschinen für Roboter ist die Ernte von weichen Feldfrüchten wie Erdbeeren, die leicht beschädigt oder ganz verfehlt werden können. Trotz dieser Bedenken werden Fortschritte in diesem Bereich erzielt. Laut Gary Wishnatzki, dem Mitgründer von Harvest Croo Robotics, kann einer seiner Erdbeerpflücker, der derzeit in Florida getestet wird, „innerhalb von nur drei Tagen ein 25 Hektar großes Feld aussuchen und eine Besatzung von etwa 30 Landarbeitern ersetzen“. Ähnliche Fortschritte werden bei der Ernte von Äpfeln, Trauben und anderen Ernten gemacht.

Ein weiteres Ziel der landwirtschaftlichen Betriebe ist die Sammlung von Daten. Es gibt zunehmende Besorgnis über die wachsende Bevölkerung und den Rückgang der verfügbaren Arbeitskräfte. Die Datensammlung wird zur Steigerung der Produktivität in landwirtschaftlichen Betrieben entwickelt. AgriData entwickelt derzeit eine neue Technologie, um genau dies zu tun und den Landwirten zu helfen, den optimalen Zeitpunkt für die Ernte ihrer Früchte durch Scannen von Obstbäumen zu bestimmen.

Anwendungen
Roboter haben viele Anwendungsbereiche in der Landwirtschaft. Einige Beispiele und Prototypen von Robotern sind der Merlin Robot Milker, der Rosphere, der Harvest Automation, der Orange Harvester, der Salatbot und der Weeder. Ein Fall eines groß angelegten Einsatzes von Robotern in der Landwirtschaft ist der Milchbot. Es ist unter britischen Milchviehbetrieben wegen seiner Effizienz und Nichtzuständigkeit, um sich zu bewegen, weit verbreitet. Laut David Gardner (Geschäftsführer der Royal Agricultural Society of England) kann ein Roboter eine komplizierte Aufgabe erfüllen, wenn er sich wiederholt und der Roboter an einem einzigen Ort sitzen darf. Außerdem erfüllen Roboter, die an sich wiederholenden Aufgaben arbeiten (z. B. beim Melken), ihre Rolle einem konsistenten und besonderen Standard.

Ein Fall von groß angelegten landwirtschaftlichen Robotern ist der von Melkrobotern. Diese sind in britischen Milchviehbetrieben aufgrund ihrer Wirksamkeit und des Fehlens von Reiseanforderungen sehr häufig. Laut David Gardner (Geschäftsführer der Royal Agricultural Society of England) kann ein Roboter eine komplizierte Aufgabe erfüllen, wenn er sich wiederholt und der Roboter bewegungslos bleibt. Darüber hinaus erfüllen Roboter, die an sich wiederholenden Aufgaben (wie Melken) arbeiten, ihre Aufgabe mit großer Regelmäßigkeit und aufgabenspezifischer Anpassung.

Ein weiteres Anwendungsgebiet ist der Gartenbau. Eine Gartenbauanwendung ist der RV 100, der von Harvest Automation Inc. entwickelt wurde. Dieser Roboter wurde entwickelt, um Topfpflanzen in einem Gewächshaus oder Gartenbaubetrieb im Freien zu transportieren. Die Funktionen des RV 100 bei der Handhabung und Organisation von Topfpflanzen umfassen auch Platzierungs-, Sammel- und Konsolidierungsmöglichkeiten. Zu den Vorteilen des RV 100 für diese Aufgabe gehören die Genauigkeit der Platzierung der Töpfe, die Autonomie des Betriebs außen und innen und die Reduzierung der Produktionskosten.

Ein anderes Anwendungsgebiet ist der Gartenbau. Eine Gartenbauanwendung ist die Entwicklung von RV100 von Harvest Automation Inc. RV 100 wurde entwickelt, um Topfpflanzen in einem Gewächshaus oder im Freien zu transportieren. Zu den Funktionen von RV100 bei der Handhabung und Organisation von Topfpflanzen gehören Abstandsfunktionen, Sammlung und Konsolidierung. Zu den Vorteilen der Verwendung von RV100 für diese Aufgabe gehören hohe Platzierungsgenauigkeit, autonome Funktionen für Außen- und Innenbereiche sowie reduzierte Produktionskosten.

Beispiele
Vinobot und Vinoculer
AgBot der LSU
Harvest Automation wurde von ehemaligen iRobot-Mitarbeitern gegründet, um Roboter für Gewächshäuser zu entwickeln
Erdbeersammelroboter von Robotic Harvesting und Agrobot.
Casmobot nächste Generation Haubemäher
Fieldrobot Event ist ein Wettbewerb in der mobilen Agrarrobotik
HortiBot – Ein Pflanzenpflegebetrieb,
Salatbot – organische Unkrautbeseitigung und Verdünnung des Kopfsalates
Reispflanzenroboter, entwickelt vom Japanischen Nationalen Agrarforschungszentrum
Der IBEX autonome Grasspritzroboter für extremes Gelände, in Entwicklung
FarmBot, Open Source CNC Landwirtschaft
VAE, das von einem argentinischen ag-tech-Startup entwickelt wird, zielt darauf ab, eine universelle Plattform für zahlreiche landwirtschaftliche Anwendungen zu werden, vom Präzisionsspritzen bis hin zur Handhabung von Nutztieren.
ACFR RIPPA: zum Punktsprühen
ACFR SwagBot; für die Viehüberwachung
ACFR Digital Farmhand: zum Spritzen, Jäten und Säen