Utvikling og design av mekanisk utstyr tilpasset landbruksroboten Thorvald

Abstract

Som del av den pågående utviklingen innen autonome landbruksroboter ved Norges Miljø og Biovitenskapelige Universitet, har denne masteroppgaven tatt for seg utviklingen av to mekaniske innretninger tilpasset Thorvald Ⅱ plattformen. Robotprosjektet ble opprettet i 2014, basert på et ønske om å innføre robotiserte kjøretøy som kan drive et effektivt presisjonsjordbruk uten ulempene tilknyttet jordpakking.

Hovedmålene for masterprosjektet har vært å utrede, utvikle og designe et mekanisk verktøyinnfestingssystem, og et multifunksjonelt verktøy som benytter ultrafiolette (UV) lyskvaliteter for bekjempelse av soppsykdommen meldugg i jordbær- og agurkkulturer dyrket i plasttunnel og veksthus. Gjennom store deler av utrednings- og utviklingsprosessen har det blitt benyttet relevant produktutviklingsmetodikk for å komme frem til de presenterte løsningene. Utarbeidelsen av konsepter ble i høy grad systematisert ved bruk av Osbournes huskeliste (SCAMPERR). For seleksjon av ulike konsepter har løsningsalternativene blitt betraktet gjennom positive og negative egenskaper, og seleksjonen har blitt systematisert ved bruk av Pughs metode. Det ble fra oppstartsfasen lagt fokus på en integrert produktutviklingsprosess (IPD) gjennom involvering av fagpersoner for eksterne innspill, kostnadsestimering og ivaretakelse av produksjonsvennlighet. Digitale verktøy ble benyttet for 3D-modellering og styrkesimuleringer av konstruksjonene.

I prosjektets oppstartsfase ble det gjennomført et litteraturstudie som omfattet UV-bestrålingens effekt på planter, tidligere arbeid utført på Thorvald plattformen, studie av eksisterende innfestingssystemer og metoder for dimensjonering. Videre ble prosjektplanleggingen utført for å kartlegge nødvendige arbeidsoppgaver og for å konkretisere prosjektmålene. Gjennom møter med oppdragsgiver og fagpersoner ble viktige produktegenskaper identifisert, vurdert og systematisert i en produktspesifikasjon. Basert på denne ble konsepter utarbeidet og videre valgt, før forsøk ble utført for kartlegging av innstrålt effektfordeling fra UV-lyskilden. De utvalgte konseptene ble deretter videreutviklet, og valg av løsningsalternativer og komponenter ble gjort i henhold til produktspesifikasjonen og ønskede egenskaper som lav vekt, modularitet, enkelhet, robusthet og tilrettelegging for fremtidige autonome funksjoner. Dimensjonering ble gjennomført for kvalitetssikring av utvalgte komponenter, før den endelige produktarkitekturen ble fastsatt og designet. Avslutningsvis ble kostnader estimert, etterfulgt av en endelig vurdering av arbeidsprosess, måloppnåelse og resultat.

Prosjektet har resultert i design av et mekanisk innfestingssystem tilpasset Thorvald Ⅱ plattformen som baserer seg på fire innfestingspunkter som kan justeres i høyde. Det har også blitt utviklet et justerbart og rørbasert UV-verktøy med lav vekt som kan tilpasses bestråling av jordbær- og agurkplanter i henholdsvis plasttunneler og veksthus.

Produktene antas å løse de tiltenkte oppgavene og hovedmålene ble i så måte ansett som løst. Videre arbeid for å ferdigstille produktene omhandler dimensjonering av det elektriske systemet og styringen av dette. I tillegg vil det være nødvendig å lage prototyper og gjennomføre testing i reelle forhold for å studere den dynamiske oppførselen til systemene. Det anbefales også å gjennomføre ytterligere forsøk for å optimere den innstrålte effektfordelingen fra UV-lyskilden.

As part of the ongoing development of autonomous agricultural robots at the Norwegian University of Life Sciences, this thesis has investigated practical solutions for the design of two mechanical devices adapted to the Thorvald Ⅱ platform. The project was initially started in 2014, originating from the desire to introduce robotic vehicles that can execute efficient precision farming without the disadvantages associated with soil compaction. The main objectives of the thesis have been to investigate, develop and design a mechanical device for tool attachment, as well as a multifunctional tool that uses ultraviolet (UV) light qualities for the treatment of fungal diseases such as powdery mildew, which occurs on strawberry and cucumber plant cultures. Throughout the development process the use of product development methods have been useful in achieving the presented solutions. Osbourne’s to-do list (SCAMPERR) was useful in systemizing the drafting of different concepts. The different concepts were evaluated by reviewing pros and cons, and the selections were systemized using Pugh’s method. Throughout the project, focus was placed on conducting an integrated product development process (IPD) through professional involvement for external input, cost estimation and for guidance regarding production considerations. Software was used for computer aided design and finite element analysis. A literature review was carried out in the initial phase of the project, covering the effects of UV radiation on plants, previous work performed on the Thorvald platform, a technological study of existing quick couplers and a review of relevant calculation methods. After a thorough assessment, the main objectives were defined, and the project planning was carried out for identification of the main tasks. Based on meetings with Saga Robotics and other professionals, key product characteristics were identified, evaluated, and systemized, resulting in a product specification. Based on this, different concepts were drafted and rated. Next, trials were conducted for mapping of irradiances from the UV source. Furthermore, the selected concepts were refined according to the product specification and highly rated properties such as weight, modularity, simplicity, durability, and facilitation for future autonomous functions. Calculations were carried out for quality assurance purposes, before the final design of the products were determined and modelled in 3D. Finally, costs were estimated, followed by a final review of the working process, the results, and the achievement of objectives. The project has resulted in the design of a mechanical device for tool attachment adapted to the Thorvald Ⅱ platform, with four attachment points that can be adjusted in height. Furthermore, an adjustable and lightweight UV tool has been designed for the purpose of radiation of strawberries and cucumbers in plastic tunnels and greenhouses respectively. The products are expected to solve the intended tasks and the main goals were thus considered to be resolved. In order to finalize the products, future work remains, including dimensioning of the electrical system and the associated control system. Moreover, the prototypes must be constructed in order to study the dynamic behavior of the systems in real-life settings. Finally, it is recommended to conduct further trials for optimization of the radiated power distribution from the UV light sources.