Antriebe für Agrarroboter: DC-Motoren in der Landwirtschaft 4.0

Die landwirtschaftliche Produktion steht am Anfang der Lebensmittelverarbeitungskette. Die konventionelle Landwirtschaft kämpft aber mit Herausforderungen, etwa dem Arbeitskräftemangel. Deshalb wird sich der Sektor zunehmend auf Robotik und Automatisierung verlassen müssen. Diese Verschiebung erhöht die Abhängigkeit von Bewegungssystemen in der Agrartechnik. Martin Leahy, Vertriebsingenieur von maxon in Irland, erläutert die Hintergründe.

Die Landwirtschaft stellt die erste und wichtigste Stufe in der Nahrungsmittelproduktion dar. Der Sektor steht jedoch unter ständigem Druck, seine Produktivität und Effizienz zu steigern und sich den Herausforderungen einer sich wandelnden Politik zu stellen. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, setzt Landwirtschaft 4.0 auf die Integration moderner Technologien. Robotik und automatisierte Methoden, die über Cloud-Computing mit Echtzeitdaten gesteuert und überwacht werden, kommen immer mehr zum Einsatz.

Dreh- und Angelpunkt dieses technischen Fortschritts und der Landwirtschaft 4.0 ist der DC-Motor, der neben kompakten Abmessungen und geringem Wartungsaufwand auch präzise Bewegungen ermöglicht. DC-Motoren eignen sich am besten für die effiziente Umsetzung von Drehbewegungen in batteriebetriebenen Geräten und Maschinen. Vor allem lassen sie sich leicht in IoT-Technologien (Internet of Things) integrieren, die Echtzeitanpassungen und datengestützte Entscheidungen ermöglichen. 

Bewegungssysteme in Anwendungen der Landwirtschaft 4.0

Der autonome mobile Roboter (AMR) oder Agrarroboter ist ein Paradebeispiel für die Vorteile der neuen Technologien der Landwirtschaft 4.0. Der zunehmende Einsatz und die Wirtschaftlichkeit dieser Systeme im Vergleich zu herkömmlichen Methoden wird das Gesicht der Landwirtschaft nachhaltig verändern. Agrarroboter sind auf dem Markt auf dem Vormarsch, was auf Faktoren wie hohe Kosten für Herbizide und Arbeitskräfte, aber auch auf immer strengere Umweltauflagen zurückzuführen ist. Diese Roboter sind für Aufgaben wie mechanisches Unkrautjäten, Obsternte, Präzisionssaat und sogar für das Ausmisten und Füttern in der Viehwirtschaft konzipiert.

Obwohl viele AMR mit hochentwickelten bild- und geodatenbasierten Navigationssystemen ausgestattet sind, müssen sie dennoch sicher und relativ einfach zu bedienen sein. Für den Antrieb ihrer Räder und um Werkzeuge oder Ausrüstung zu bedienen, sind Agrarroboter auf DC-Motoren angewiesen. Diese Motoren und ihre Steuerungen müssen präzise arbeiten und extrem langlebig sein, da sie je nach Jahreszeit den unterschiedlichsten Umgebungsbedingungen ausgesetzt sind. 

Agribots werden von präzisen und zuverlässigen DC-Motoren angetrieben.

Gleichzeitig haben Fortschritte bei unbemannten Luftfahrzeugen (UAVs) dazu geführt, dass landwirtschaftliche Drohnen immer häufiger für das Spritzen, Säen, Kartieren und Inspizieren von Nutzpflanzen und Vieh eingesetzt werden. Unwegsames Gelände stellt für Drohnen keine Herausforderung dar. Überdies können sie dazu beitragen, Kosten sowie den Wasserverbrauch zu senken, indem sie eine gezielte und präzise Ausbringung von Spritz- und Düngemitteln auf der Grundlage von Echtzeitdaten ermöglichen. Drohnen verursachen keine Bodenverdichtung und sind umweltfreundlich, da der Chemikalien- und Wasserverbrauch durch selektive Sprühtechniken minimiert wird.

DC-Motoren treiben die Drohne über die Propeller an und versorgen auch Zusatzausrüstung wie Sprühpumpen oder bewegliche Kameraaufhängungen mit Strom. Sicherheit und Zuverlässigkeit sind daher neben der Energieeffizienz die wichtigsten Faktoren bei der Auswahl des Motors.

Ein weiteres Wachstumsfeld, das sich aus den Vorteilen der Landwirtschaft 4.0 ergibt, ist die vertikale Landwirtschaft. Obwohl dieser Ansatz derzeit noch auf hochwertige Agrarprodukte wie Blattgemüse, Kräuter, Erdbeeren und Tomaten beschränkt ist, ermöglicht er eine ganzjährige, wetterunabhängige Produktion und kann im urbanen Raum umgesetzt werden, wodurch der Weg vom Bauernhof bis auf den Tisch verkürzt wird. Hier sind anpassungsfähige Beleuchtungs- und Belüftungssysteme erforderlich, die für optimale Licht- und Klimabedingungen sorgen. In diesen Anwendungen werden DC-Motoren in der Regel für den Antrieb von Lüftungs- und Klimaanlagen sowie von intelligenten Bewässerungs-, Dreieckspflanz- und Ernterobotern benötigt.

Anforderungen an Bewegungssysteme 

Die Anforderungen dieser Anwendungen stellen neue Ansprüche an die für Antrieb und Steuerung verantwortlichen Bewegungssysteme. Um die Bewegungen eines Robotergreifers so zu koordinieren, dass er eine Erdbeere pflücken kann, ohne sie zu beschädigen, ist eine hochpräzise Steuerung des Bewegungssystems erforderlich. Motorisch gesehen weisen Obstpflückroboter trotz ihrer offensichtlichen Unterschiede oft interessante Ähnlichkeiten mit Prothesen auf. Beide Systeme erfordern ein hohes Mass an Geschicklichkeit und Präzision. Dies wird durch den Einsatz von Sensoren und Feedbacksystemen erreicht. Anstelle von konventionellen Motorkonstruktionen mit Eisenläufern wird zunehmend auf die Technologie des kompakten, kernlosen DC-Motors gesetzt. Die kernlose Konstruktion zeichnet sich durch ein niedriges Rastmoment und eine ruckfreie Steuerung aus, wodurch eine präzise und vorsichtige Handhabung ermöglicht wird.

Statt weniger, sehr grosser Maschinen werden Roboter zunehmend in Schwärmen, die sich aus kompakteren und leichteren Maschinen zusammensetzen, eingesetzt. Diese Strategie steigert die Effizienz und sorgt durch Redundanz für eine höhere Ausfallsicherheit. So werden beispielsweise bei Drohnen zunehmend Bewegungssysteme mit einem hohen Drehmoment-Masse-Verhältnis benötigt. Dadurch kann der Roboter eine grössere Nutzlast tragen und die Batterie wird weniger beansprucht. Kompakte DC-Motoren mit hoher Leistungsdichte und hohem Wirkungsgrad, die kleiner und leichter sind als ihre AC-Pendants, werden daher auch weiterhin eine wichtige Rolle spielen. Ebenso wie kernlose Bauformen, die mit einer zusätzlichen Gewichtsreduzierung einhergehen. 

Drohnen können in der Landwirtschaft für Aufgaben von der Inspektion bis hin zum Sprühen eingesetzt werden.

Aus den gleichen Gründen ist auch die Energieeffizienz entscheidend, weshalb bürstenlose DC-Motoren (BLDC) mit elektronischer Kommutierung von Bedeutung sind. Diese Motorkonstruktion, wie beispielsweise die EC-Motorenreihe von maxon, verwendet eine elektronische Kommutierung, welche die Energieverluste im Vergleich zur Bürstenkommutierung minimiert. 

Wichtig ist, dass die Roboter zu jeder Jahreszeit, bei unterschiedlichen Witterungsbedingungen und an verschiedenen Orten weltweit eingesetzt werden können. Bewegungssysteme müssen dafür wiederholbare Leistung, eine lange Lebensdauer und minimale Ausfallzeiten gewährleisten.

Automatisierung in der landwirtschaftlichen Praxis

In der Praxis ist der Einsatz von Robotern in der Landwirtschaft noch relativ begrenzt. Eine Kombination aus hohen Investitionskosten und Unerfahrenheit hat dazu geführt, dass Landwirte sich für das Geschäftsmodell «Robotics-as-a-Service» interessieren. Anstatt die gesamte Anlage zu kaufen, wird ein Betriebs- und Servicevertrag mit dem Maschinenhersteller abgeschlossen. Da die Arbeit saisonabhängig ist und oft nur ein kurzes Zeitfenster zur Verfügung steht, minimiert Robotics-as-a-Service auch die Herausforderungen und Kosten von Ausfallzeiten mitten in der Ernte, da der Hersteller für die meisten Ausfälle Ersatz oder schnellen Service anbieten kann.

Der Einsatz von Robotern in der landwirtschaftlichen Lebensmittelproduktion ist zwar in vielen Betrieben noch unüblich. Aber die Vorteile, die Roboter in Bezug auf Produktivität und Effizienz bieten können, lassen erwarten, dass sie in den nächsten zwei bis fünf Jahren an Beliebtheit gewinnen. Dies gilt insbesondere vor dem Hintergrund des Arbeitskräftemangels in der Landwirtschaft. In diesem Zusammenhang wird auch der Einsatz von DC-Motoren an Bedeutung zunehmen.