Britischer Pflückroboter

Ein von Fieldwork Robotics an der University of Plymouth entwickelter Roboter-Himbeer-Erntemaschinen-Prototyp hat das Potenzial, sich neu zu konfigurieren, um eine Vielzahl von frischem Obst und Gemüse zu pflücken und für andere Feldaufgaben verwendet zu werden sowie wichtige Daten zur Verbesserung des Pflanzenmanagements zu sammeln. PBUK spricht mit einer Reihe von Beteiligten, um herauszufinden, wie die Technologie die britische Gartenbauindustrie unterstützen könnte.

Mit der Herausforderung, Himbeeren zu ernten - die empfindlichste aller Beerenfrüchte - ist Dr. Martin Stoelen, Dozent für Robotik an der University of Plymouth zuversichtlich, dass sein Prototyp-Roboterarm so angepasst werden kann, dass er andere Früchte und Gemüse ernten kann.

„Wir versuchen an den Himbeeren, obwohl sie eine der schwierigeren Früchte ist, weil wir glauben, dass wir die Roboterarmtechnologie haben, um in einer komplexeren Umgebung zu arbeiten“, sagt Dr. Stoelen zu PBUK.

Stoelen und sein Forschungsteam an der University of Plymouth entwickeln bereits Roboterarme für die selektive Ernte von Himbeeren, Blumenkohl und Tomaten; sie arbeiten mit Hall Hunter Partnership in Berkshire, Riviera Produce in Cornwall und der Sunqiao bzw. Shanghai Jiaotong University in China zusammen.

„Wir versuchen zu vermeiden, etwas zu entwickeln, das nur für eine Ernte verwendet werden kann und das durch die Saison dieser Ernte in Großbritannien begrenzt ist“, erklärt Stoelen. „Die drei Kulturen, die wir gerade betrachten, sind ziemlich weit verbreitet. Wenn wir Synergien finden, können wir, je nach Finanzierung, die Technologie für andere Früchte und Gemüse anpassen.“

Der Himbeerroboter von Fieldwork hat das Interesse von David Green, dem Geschäftsführer von Hall Hunter Partnership (HHP) geweckt, der 14.000 Tonnen Himbeeren, Erdbeeren, Brombeeren und Blaubeeren unter anderem für Waitrose, Marks & Spencer und Tesco produziert.

Ab September [2018] wird HHP mit der Feld-Erprobung der Technologie beginnen. Ziel ist es, einen kommerziellen Prototyp zu entwickeln, der den Wunsch von HHP unterstützt, die Produktion zu erweitern.

„Ich bin zuversichtlich, dass, wenn Fieldwork den Himbeerroboter zum Laufen bringen kann, diese Technologie schnell auf andere Früchte übertragen werden kann“, sagt Green zu PBUK. „Der Zustand der Okklusion in einer Himbeerpflanze und die Empfindlichkeit der Beere sind viel anspruchsvoller als in einer Tisch-Erdbeerumgebung. Wenn sie Himbeeren knacken können, werden Erdbeeren zu einer geringeren technischen Herausforderung.“

David Simmons, Geschäftsführer der Kohl-Landwirte Riviera Produce in Cornwall, unterstützt Stoelen auch bei der Entwicklung eines Prototyps einer Blumenkohl-Erntemaschine im Rahmen des Projekts The Automated Brassica harvesting in Cornwall (ABC). Ebenso positiv bewertet er das breite Potenzial der Technologie.

„Es gibt Leistungen von einem Roboter, die hoffentlich zu einem anderen führen“, sagt Simmons. „Wenn sie Blumenkohl knacken können, könnte dieser Roboter Kohlköpfe ernten und sich daran anpassen. Sie sind ziemlich sicher, dass sie etwas für die Zucchini entwickeln können.“

Ein Wettbewerbsumfeld
Natürlich entwickeln viele Unternehmen andere vielversprechende Roboter-Erntemaschinen, mit großem Interesse seitens der Erzeuger.

Beispiele dafür sind die Erdbeerpflückroboterarme von Octinion in Belgien und die Start-Up-Firma Dogtooth in Großbritannien sowie die traktorähnlichen Erdbeererntemaschinen wie der Agrobot, der von Driscoll's in den USA getestet wird, und eine ähnliche Maschine von Harvest Croo in Florida.

Riviera Produce testet auch einen Brokkoliroboter von KMS Projects.

„Diese Brokkoli-Erntemaschine scheint etwas weiter zu sein“, sagt Simmons. „Es bedarf einiger Feinabstimmungen, um den Job zu erledigen. Aber Brokkoli ist ganz anders als Blumenkohl.“

Stoelen, der seit mehr als einem Jahrzehnt in der Robotik gearbeitet hat, akzeptiert Fieldwork nicht als einzigen Spieler: „Dies ist eine aktive Forschung an mehreren britischen Universitäten und im Ausland“, räumt er ein. „In Großbritannien, Spanien und den USA arbeiten große Akteure an der selektiven Erdbeerernte.“

„Es gibt auch viele Firmen, die an Paprika, Gurken und Salaten arbeiten. Aber in Bezug auf ein System, das auf dem Markt erhältlich ist, gibt es praktisch keins.“

Obwohl das Rennen läuft, wird es nicht einfach sein, meint Dr. Ed Moorhouse, Direktor von Agri-Food Solutions - einem technischen und innovativen Beratungsunternehmen für die Lebensmittel- und Agrarindustrie.

„Dies ist offensichtlich eine hohe Priorität für die britische Industrie mit den bevorstehenden Einschränkungen der Arbeitsverfügbarkeit, und es ist nicht verwunderlich, dass Landwirte wie HHP in diesem Bereich direkte Investitionen tätigen“, kommentiert er. „Es ist eine große Herausforderung, ein kostengünstiges System zu finden, das den Standards des Einzelhandels entspricht und sich in unregelmäßigen Tunnelumgebungen durch die aktuellen Anbaustrukturen bewegen kann. Ich befürchte, dass die Anbaufläche des Vereinigten Königreichs durch Importe erheblich verringert wird, bevor die Roboterkommissionierung für eine vollständige kommerzielle Freigabe bereit ist.“

Green von HHP, der verschiedene Prototyp-Pflückroboter von anderen Entwicklern gesehen hat, stimmt zu, dass die Konkurrenz stark sei. Nichtsdestotrotz ist er von der Technologie, die ihm von Fieldwork präsentiert wird, sehr überzeugt.

„Ich denke, Fieldwork hat das Potenzial, das Spiel zu verändern“, behauptet er. „Ich war überrascht, als mir ein Prototyp für die Himbeerernte vorgestellt wurde. Himbeeren sind eine viel weichere Beere; es ist ein viel technisch anspruchsvollerer Prozess. Aber sehen ist glauben.“

Die Attraktion
Beim Anblick des Laborprototyps überzeugten Green das Fingerspitzengefühl und die Flexibilität des Roboters.

„Viele der Roboter-Erntemaschinen die ich gesehen habe, stammen vom holländischen Modell des Snap-Picking für Erdbeeren - der Roboter von Fieldwork war sehr beeindruckend in der Art und Weise, wie er die Himbeeren aus der Pflanze bewegt“, erinnert er sich.

Dr. Stoelen erklärt, dass dies zum Teil das Besondere an seinem Roboter ist. „Ich glaube, wir haben etwas Einzigartiges“, sagt er. „Während die meisten Roboterarme starr sind, ist die Fähigkeit,'weich' zu sein, in einer variableren Umgebung wichtig, denn wenn der Arm etwas trifft, könnte er dieses Objekt leicht beschädigen. Wir wenden das Konzept der 'variablen Steifigkeit' an. Unser variabler Roboterarm kann weich sein, wenn er schnelle Bewegungen ausführt, und er kann steif, aber sanft sein, wenn er die Frucht bearbeitet.“

Für den Greifer verwendet Stoelen individuelle Fingerpads mit einer Mischung aus weichen Materialien und „sehr präzisen“ Kraftsensoren. Daher behauptet er, dass die Pads in der Lage sind, genau die richtige Menge an Druck auf die Himbeere auszuüben, ohne die Frucht zu beschädigen.

Wenn es darum geht, die Ausbreitung von Krankheiten zu vermeiden, was auch für den menschlichen Pflücker ein Problem darstellt, sucht Stoelen nach einer Möglichkeit, Krankheiten mit Hilfe des Sensorpakets bereits am Roboter zu erkennen. Eine Desinfektion der Pads könnte ebenfalls eine Option sein, aber es ist noch zu früh, um dies sicher zu behaupten.

Diese Liebe zum Detail, verbunden mit der Bereitschaft von Fieldwork, von Anfang an mit der Industrie zusammenzuarbeiten, waren weitere Gründe, warum HHP dem Prozess zustimmte.

„Fieldwork konzentriert sich sehr auf unsere Anforderungen und auf das, was die britischen Supermärkte von einem Qualitätsstandard erwarten“, erklärt Green. „Sie wollen nicht sparen, damit die Supermärkte eine geringere Qualität der Früchte akzeptieren. Ihr Anspruch ist es, dass der Roboter so gut wie, wenn nicht sogar besser als ein Mensch ist.

Green glaubt, dass HHP und Fieldwork „etwas Bedeutendes“ entwickeln könnten. „Vor sechs Monaten hätte ich nicht gesagt, dass die Technik dort ist, wo sie heute ist“, gibt er zu. „Ich bin zuversichtlich, dass ich in sechs bis sieben Monaten erstaunt sein werde, was sie erreicht haben.“

Roboter: die Zukunft?
Sowohl Green als auch Simmons glauben, dass Roboter-Erntemaschinen der richtige Weg für den Gartenbau sind. „Bis Mitte der 2020er Jahre werden wir uns alle mit mechanischer Ernte beschäftigen“, prognostiziert Green und stellt fest, dass die „leichteren Gewinne“ bereits von den meisten der Beerenindustrie erzielt wurden, wie z.B. der Umstieg auf hohe Tischplatten.

„Sicherlich wird es in den westlichen Volkswirtschaften eine Zeit geben, in der es unvermeidlich sein wird. Wir werden nicht in der Lage sein, die Preiserwartungen unserer Kunden mit menschlicher Arbeit aufrechtzuerhalten.“

Mit der Unterstützung von Robotern will Green die Produktivität bei HHP steigern und das Geschäft ausbauen.

„Wahrscheinlich wird die Hälfte unserer Arbeit für die Ernte aufgewendet. Die riesige Chance für mich besteht also darin, die Anzahl der Felder, die wir mit derselben Mitarbeiterzahl ernten können, massiv zu erhöhen“, verrät er.

Im Idealfall möchte Simmons von Riviera Produce, dass die Roboter seine gesamte Ernte einholen. Für ihn sind die Bewältigung von Fachkräftemangel und die Standardisierung der Kosten die zentralen Herausforderungen, die es zu bewältigen gilt.

„Es muss die Zukunft sein“, kommentiert er. „Die Kosten steigen jedes Jahr und die Kunden zahlen nicht mehr für das Produkt. Wir müssen die Kosten irgendwie reduzieren, um auf dem Markt wettbewerbsfähig zu bleiben. Hoffentlich kann die Robotik helfen.“

Genau das sind die Vorteile, die Stoelen und sein Team auf den Markt bringen wollen.

„Wir können den Produzenten mehr Elastizität bei Arbeitskräftemangel, Wechselkursschwankungen usw. geben“, erklärt er. „Die Landwirte sagen uns, dass die Ernte bereits teuer ist und immer teurer wird. Bei Himbeeren kann die manuelle Ernte bis zu 40-60 Prozent der Gesamtkosten ausmachen.“

Schon jetzt behauptet Stoelen, dass sein Himbeer-Pflückroboter unter Berücksichtigung von Ausfallzeiten niedrigere Kosten pro Kilogramm erreichen könnte als die menschliche Arbeit.

Während menschliche Pflücker dazu neigen, 40-Stunden-Wochen zu arbeiten, könnte seine derzeitige Technologie es ermöglichen, mehrere Roboterarme auf mehreren Plattformen zu montieren, wobei jeder Arm gleichzeitig Himbeeren pflückt und jede Plattform Tag und Nacht 120-130 Stunden pro Woche arbeitet.

Verbesserung des Pflanzenmanagements

Dr. Stoelen sieht auch ein breiteres Spektrum an Vorteilen. „Es gibt Potenzial, die Qualität der Ernte zu verbessern“, betont er. „Roboterlösungen haben das Potenzial, konsistenter zu sein, Risiken durch Hygiene zu reduzieren, etc.“

Ein weiterer Vorteil für Green bei HHP sind die 3D-Kameras und Sensoren in den Robotern, die den Zustand einer Ernte regelmäßig und in großem Maßstab visuell erfassen können.

„Prozesse wie die Ertragsvorhersage und die Schädlings- und Krankheitsbekämpfung können viel gezielter durchgeführt werden, da wir ein sehr leistungsfähiges Computersystem haben werden, das die geringsten Abweichungen von Tag zu Tag und von Woche zu Woche aufzeigt, während es ein Feld durchläuft“, betont er.

Kommerziell werden
Um die Technologie weiter voranzutreiben, sucht der Vermarktungspartner der University of Plymouth, Frontier IP, aktiv nach weiteren Versuchsstandorten für Weichobst und Gemüse.

„Wir sehen ein starkes Interesse von anderen führenden Anbauern an beiden Anwendungen“, sagt Rui Andres, Portfoliomanager bei Frontier IP, das einen Anteil von 27,5 Prozent an Fieldwork Robotics hält.

„Wir suchen nach anderen Firmen, um die Technologie zu testen, und sind in Gesprächen mit einem multinationalen Agrarunternehmen über mögliche Anwendungen für die Ernte von Gemüse, einschließlich Blumenkohl.“

Im Erfolgsfall plant Fieldwork, den Produzenten bei Bedarf ein dienstleistungsorientiertes Modell anzubieten.

„Die Tatsache, dass wir die Technologie nach einem servicebasierten Modell entwickeln, ist ziemlich einzigartig“, sagt Stoelen. „Vielleicht fehlen einem Landwirt 50 Erntemaschinen und er braucht einen Roboter, um dies zu decken, oder er braucht einen langfristigen Plan. Der springende Punkt ist, dass ein Großteil der Wartung und des täglichen Bedarfs für den Landwirt weniger Sorgen bereitet.“

Im nächsten Jahr hofft Stoelen, einen Alpha-Prototyp der Roboter Himbeer-Ernteplattform zu entwickeln. Ein kommerzieller Prototyp könnte je nach Finanzierung in zwei bis fünf Jahren folgen.

„Wir suchen nach privaten Investitionen, um diese in Richtung Massenproduktion und Markteinführung voranzutreiben“, so Stoelen. „Das geht nicht mit Forschungs- und Innovationsförderung.“

Green bei HHP stimmt der Finanzierung zu. „Wenn wir in Großbritannien weiterhin eine lebendige und bedeutende Gartenbaubranche haben wollen, müssen wir sicherstellen, dass wir diese Technologien investieren und entwickeln."

Simmons an der Riviera hofft, dass die Regierung helfen wird. „Es ist eine kleine Branche, und die Margen sind knapp - wir haben nicht viel Geld, um in die Zukunft zu investieren. Die Finanzierung ist entscheidend.“

Insgesamt ist Stoelen von den Möglichkeiten der Robotik überzeugt. „Die Robotertechnologie, die von uns und anderen entwickelt wurde, könnte einen bedeutenden Einfluss auf den Agrarsektor haben ... Ich denke, dass eine Menge passieren kann“, schlussfolgert er.