Modular, mobile robots for applications in the agricultural domain

Abstract

The population of the world is projected to reach almost 10 billion by 2050. To be able to feed everyone, we must increase food production by at least 50%. This must be achieved by a sector already responsible for a quarter of the global greenhouse gas emissions, in a world where farming practices have degraded much of the soil, and the availability of labor is decreasing.

Modern agriculture is faced with many challenges, and there is a need for new and better technologies to help minimize inputs and maximize yields. Many believe that robots will play a major role in the future of farming, as it is expected that robots will be able to solve many of the problems that farmers currently are faced with. However, there are many challenges to overcome before robots can become useful tools for farmers on a large scale. One challenge is the great diversity found in the agricultural domain.

No two farms are alike, and the variation found in infrastructure, production systems and crops means that it is difficult to create one-size-fits-all robotic solutions. This thesis deals with modular, mobile robots and their applications in agriculture. Modular, mobile robots, when done right, introduce a great deal of flexibility, as it allows for site-specific robots to be created. This is especially advantageous for researchers who need to move research from the lab to the farm.

The thesis is divided into two part. Part I is concerned with modular, mobile robots for agricultural environments. More specifically it deals with the development of the Thorvald II modular system, including mechanics, electronics and software. Thorvald II robots can be configured for a wide range of agricultural environments, such as open farm fields, polytunnels and greenhouses, and allow for in-field modifications.

Part II of the thesis deals with applications. Here, modular robots are configured according to site-specific and task-specific requirements, and run autonomously in open fields and greenhouses. This part of the thesis also covers implements for mobile robots, including the development of a parallel manipulator.

Det blir stadig flere mennesker på jorden. I år 2050 er det nesten 10 milliarder munner å mette! Om det skal være mat nok til alle, må vi øke matproduksjonen med minst 50%. Dette byr på utfordringer. Landbrukssektoren står allerede for en fjerdedel av verdens klimagassutslipp, og gjeldene jordbrukspraksis er direkte skadelige for matjorden vår. Samtidig blir det stadig vanskeligere å få tak i nok arbeidskraft, noe som medfører store konsekvenser for bønder som driver arbeidsintensiv produksjon.

Om vi skal klare å redusere forbruk av innsatsfaktorer, og samtidig øke størrelsen på avlingene våre, er vi avhengige av ny og bedre teknologi. Mange har stor tro på roboter, og spår at fremtidens roboter vil kunne løse mange av de problemene man i dag står ovenfor. Det har de gjerne rett i, men før bønder kan ta i bruk roboter, er det imidlertid mange utfordringer å bryne seg på. Flere av disse utfordringene har sin rot i den store variasjonen man finner på gårdsbruk.

Det skal godt gjøres å finne to gårdsbruk som er like. Variasjonen i infrastruktur og produksjonssystemer, og blant det som vokser og gror, kan være enorm. Å lage en robotløsning som kan brukes av alle, er derfor svært utfordrende. Denne avhandlingen tar for seg modulære, mobile roboter, samt anvendelsen av slike roboter i jordbruket. Denne typen roboter kan tilpasses lokale forhold, og til og med bygges om i felt. Dette er nyttige egenskaper, særlig for forskere som ønsker å ta med seg forskningen sin ut på jordet.

Avhandlingen er delt inn i to deler. Del I tar for seg modulære, mobile roboter. Den beskriver utviklingen av Thorvald II, et system for å konstruere roboter etter lokale forhold, og dekker både mekanikk og elektronikk, samt programvare. Thorvald II-roboter kan tilpasses mange ulike miljøer, og opererer på jorder, i tunneler og drivhus.

Del II tar for seg ulike anvendelser av mobile roboter i jordbruket. Roboter konfigureres for ulike miljøer og settes i autonom drift både på jorder og i drivhus. Denne delen dekker også ulike typer redskap som roboten kan bære. Blant annet beskrives en ny parallellkinematisk robotarm i detalj.