El movimiento tras los sistemas robóticos de cultivo

Para producir este sistema robótico de deshierbe para el cultivo comercial de verduras se necesita un sistema de visión de alta tecnología, aprendizaje automático y los motores adecuados.

Vision Robotics Corporation (VRC) y sus empresas filiales desarrollan sistemas robóticos para una amplia gama de aplicaciones utilizando las últimas tecnologías de inteligencia artificial basada en visión. Esto incluye sistemas de cartografía, localización y navegación, así como máquinas que interactúan con objetos del mundo real. La inteligencia artificial incluye varias técnicas de aprendizaje automático, como el aprendizaje profundo y controles modernos para componentes de movimiento, como el control dinámico del brazo. El planteamiento sólido y rentable de las soluciones de la empresa permite a sus robots crear de manera autónoma mapas tridimensionales de zonas de interés desconocidas, ya sea creando un mapa de un edificio o modelando una parra. Los mapas y modelos permiten a los robots realizar un sinfín de tareas de manera inteligente y precisa, como aspirar un suelo o podar una vid. 

La experiencia y la creatividad que el equipo de Vision Robotics aporta a sus clientes lo convierte en un excelente socio para desarrollar sistemas robóticos. La próxima generación de robots requerirá movilidad y capacidad para interactuar con un mundo cambiante. El software y la tecnología de apoyo de VRC permiten a los robots explorar, comprender y trabajar de manera autónoma y fiable en entornos complejos. La tecnología de VRC combinada con la actual generación de microprocesadores de alto rendimiento y bajo coste, cámaras de estado sólido, motores de alta tecnología y otros componentes produce robots móviles basados en visión, asequibles, prácticos y de alto rendimiento.

Desafíos de diseño para cultivadores

Tradicionalmente, los cultivadores consistían en cuchillas y otros utensilios remolcados por un tractor para abrir el suelo del campo. En el pasado reciente, los cultivadores y otras máquinas desbrozadoras incorporaron un mecanismo secundario de desplazamiento lateral para que su precisión no dependiera de la del conductor o de las plantas: el arado desbrozador se mantenía relativamente alineado con la planta, incluso si el conductor se desviaba ligeramente. Aun así, se requería una distancia mínima entre el arado y el cultivo para no causar daños a las hojas debido a la tolerancia de estos grandes sistemas. Además, estos cultivadores tradicionales no trabajaban el suelo entre las plantas a lo largo de la hilera.

Los cultivadores en línea existen desde hace algunos años. Sus competidores utilizan un sistema de control hidráulico que funciona simétricamente. Estos sistemas requerían que la anchura operativa y la velocidad de apertura y cierre de las cuchillas de cultivo tuvieran un punto de ajuste específico que se determinaba de antemano. Dado que las cuchillas en ambos lados de la hilera se abrían y cerraban simétricamente, las plantas podían resultar fácilmente dañadas si estas o las condiciones del campo no fueran las normales (véanse las figuras 1A y 1B).

Figura 1: Los sistemas de control hidráulico estándar de los cultivadores que se utilizan actualmente funcionan a partir de una velocidad y una anchura de apertura/cierre predeterminadas, lo que implica que las plantas pueden resultar dañadas.

El cultivador de VRC

El último diseño de VRC aprovechó el uso de motores eléctricos independientes para la operación de cultivo. Esto supuso que las cuchillas en cada lado de la planta podían hacer un contorno completamente a medida, lo que permitía una mayor precisión alrededor de las plantas (véase la figura 2). Esta estrategia de aplicación significó que el equipo de VRC necesitaba encontrar motores que tuvieran el par y la aceleración necesarios para soportar condiciones de funcionamiento duras durante largos períodos de tiempo y en cualquier entorno imaginable. Además, la empresa necesita la inteligencia artificial y redes neuronales capaces de habilitar el sistema. En este caso, la empresa integró la detección de plantas en el aprendizaje profundo, lo que simplificó la creación de un conjunto de imágenes de entrenamiento tanto del cultivo como de las malas hierbas.

Figura 2: El valor añadido de utilizar un sistema accionado por un motor eléctrico en vez de uno hidráulico puede apreciarse en la forma en la que los brazos independientes pueden maniobrar mejor alrededor de la planta.

El cultivador de VRC es un sistema de cultivo en línea que airea el suelo mientras escarda entre hileras de plantas, ya sean lechugas, brócoli, coliflor o cualquier otra. El sistema se entrena con entre cientos y miles de fotografías de plantas sanas, plantas muertas y malas hierbas comunes para crear el algoritmo perfecto para el funcionamiento. Incorpora un sistema de visión para captar imágenes de las plantas. El sistema de cámaras «reconoce» automáticamente diferentes tamaños de plantas, tipos y cobertura del suelo en una amplia gama de condiciones de iluminación. Las imágenes son procesadas en tiempo real por los circuitos de aprendizaje profundo de la inteligencia artificial. El aprendizaje profundo se utiliza en lugar de otras técnicas de aprendizaje automático por su flexibilidad y facilidad de adaptación a condiciones futuras. El sistema identifica cada planta con su tamaño y ubicación exactos, tanto para el cultivo como para las malas hierbas. Los algoritmos resultantes convierten estas entradas en datos de temporización utilizados para el control dinámico del brazo de los actuadores de precisión de las cuchillas (véase la figura 3).

El software se utiliza para calcular las trayectorias de apertura y cierre requeridas para cada grupo de plantas. El sistema determina cuánto espacio libre deben dejar las cuchillas alrededor de las plantas, lo que incluye la cubierta vegetal. El sistema puede funcionar a hasta 3 mph, pero normalmente se desplaza a 1 mph. El operador determina en función de las condiciones ambientales y del cultivo. Cuanto mayor es la velocidad, más lejos se arroja tierra, lo que puede dañar o contaminar el cultivo. La lechuga, por ejemplo, tiene hojas grandes y crece cerca del suelo. Una velocidad excesiva puede hacer que se acumule innecesariamente tierra en la planta, por lo que un robot desbrozador de lechugas debe funcionar lo suficientemente despacio como para no levantar mucho polvo. Por lo general, un desbrozador de lechuga puede funcionar a aproximadamente una milla por hora y, aun así, mantener el producto limpio y sano a su paso.

Figura 3: Incorporando visión avanzada, aprendizaje profundo y motores de funcionamiento individual, este cultivador es capaz de eliminar malas hierbas y terrones de tierra cerca de las plantas sin dañarlas.

Los motores maxon EC-i brushless con bobinados de hierro ofrecen una densidad de par muy alta y un bajo par de arranque. El rotor interno multipolar es extremadamente dinámico. Su sólido diseño con brida y carcasa de acero hace que sea el motor adecuado para una amplia gama de aplicaciones.

Componentes del sistema de movimiento

Como ya se ha indicado, se incorporaron motores eléctricos de funcionamiento independiente para la operación de desbroce, de modo que la cuchilla a cada lado de la planta pudiera hacer un contorno completamente a medida, lo que permitía una mayor precisión durante esta operación. Las cuchillas podían acercarse más a la planta y eliminar la malas hierbas de forma más limpia, lo que suponía una importante ventaja de rendimiento frente a otros sistemas. La estrategia de aplicación del equipo requería motores con el par y la aceleración necesarios para gestionar un movimiento tan dinámico.

Los motores seleccionados por el equipo de VRC incluyeron dos motores EC-i 52 diseñados y fabricados por maxon. El EC-i 52 es un motor DC brushless de 420 W con conmutación electrónica y un sensor Hall integrado para la retroalimentación. Los motores reaccionan rápidamente y son capaces de guiar las cuchillas cerca de cada planta sin dañarla. Las principales características que distinguen a los motores EC de conmutación electrónica de maxon son su excelente rendimiento de par, su elevada potencia, su amplísimo rango de velocidad y su inigualable vida útil. La extraordinaria capacidad de control de los motores permite crear unidades de posicionamiento de alta precisión.

Figura 4: Ubicación de los dos motores maxon EC-I 52 de alto par y los reductores GP52 dentro de la carcasa del cultivador de VRC.

Además de los motores, el sistema de movimiento del cultivador de VRC incorpora dos reductores GP52, diseñados y fabricados también por maxon (véase la figura 4). Se necesitan reductores para los altos pares de torsión que se requieren para romper los terrones de tierra durante el proceso de desbroce alrededor de las plantas. Estos componentes de cerámica ofrecen hasta 30 Nm de par en función del modelo que se utilice. Los cálculos de diseño debían tener en cuenta la longitud del brazo robótico, la velocidad de funcionamiento y la especificación del par necesario para atravesar el suelo durante su funcionamiento normal.

Conclusión

Vision Robotics Corporation aborda cada aplicación con creatividad y experiencia. Cuando necesitaron mejorar las capacidades de los últimos cultivadores para granjas comerciales, recurrieron a maxon. Los componentes de maxon cumplieron con los altos estándares de par y velocidad que permitieron al cultivador de la empresa mantener su precisión de funcionamiento, así como resistir los entornos hostiles que se pueden encontrar en el negocio de la agricultura comercial.