Roboter sind Maschinen, die so konstruiert sind, dass sie gezielt Arbeiten erledigen können. Roboter sind heutzutage in allen technisierten Bereichen, in verschiedensten Formen und Anwendungen vorzufinden. In der Landwirtschaft sind vor allem Feldroboter vertreten, die im Pflanzenbau zum Einsatz kommen und dort zur Beikrautregulierung eingesetzt werden. Die folgenden Teilabschnitte sollen Roboter beschreiben, ihre Anforderungen festlegen und zeigen, wie sie im Agrarbereich eingesetzt werden können und welche Vorteile sie bieten.
Allgemein wird der Begriff Roboter mit verschiedenen Technologien verknüpft. Einerseits vom Anfang, die aus dem Science-Fiction Bereich kommenden Androiden (Menschmaschinen), über die Industrie- und Serviceroboter, die in den 60ern in Fabriken Einzug erhielten zu Programmen die komplexe Aufgaben erledigen [1]. Offizielle Definitionen gehen teils weit auseinander bzw. beschreiben mehr oder weniger detailliert die verschiedenen Arten, oder auch nur ganz allgemein [2]. Dies erkennt man an denen der Japanese Indutrial Robot Association (JIRA), dem Robotics Institute of America (RIA) oder der VDI Richtlinie 2860 [2].
Einzuteilen sind Roboter in folgende Kategorien (Tab. 1):
Tab. 1: Roboterarten [3]
Roboterart | Beschreibung |
Industrieroboter | In Fertigungsprozessen schweißen, kleben oder lackieren sie Werkstücke mit Werkzeugen. |
Serviceroboter | “Dienstleistungsroboter”, die dem Menschen Arbeit abnehmen. Oft Roboter in der Landwirtschaft (auch andere Bereiche). |
Mobile Roboter | Ähnlich den Servicerobotern, jedoch in gefährlicheren Bereichen. |
Mikro-, Nanoroboter | Robote, die bspw. in der Medizin, zur Bewegung kleiner Körper im Menschen verwendet werden. |
Humanoide Roboter | Noch ferne menschenähnliche Roboter, die auch zu ähnlichen Tätigkeiten fähig sind. |
Neben dem Begriff Roboter hat sich die „Robotik“ etabliert. Sie wird beschrieben als Wissenschaft, die sich mit der Entwicklung und Anwendung von Robotern befasst. Robotik korreliert mit der Informatik, da dies die Weiterführung der PC Arbeit in die Praxis ist. [3]
Roboter haben mindestens die in Abbildung 1 dargestellten Bestandteile.
Sensoren sind notwendig zur Erfassung physikalischer Signale und dem Entsenden elektrischer Signale. Sensoren können einmal in interne und externe eingeteilt werden. Interne messen Eigenschaften des Roboters. Es sind bspw. Radenkoder (Position), Spannungssensoren für den Ladezustand oder Temperatursensoren. Externe erfassen Informationen außerhalb. Es können unter anderem Ultraschallsensoren, Bumper oder Kameras sein. Eine zweite Einteilung ist aktiv oder passiv. Erstere stellen eine Spannungsquelle dar, zur Veränderung des elektrischen Signals bei Messgrößenänderung. Passive Sensoren ändern Widerstand oder Kapazität. Die „Erregungsenergie“ wird in elektrische Signale gewandelt. [4]
Zweites Bauteil von Robotern ist die Steuerungseinheit. Sie realisiert die Abläufe des Programms, wertes Daten aus und steuert die Bewegung, die letztlich vom Aktor ausgeführt wird. Diese Positionsänderung wird von Rädern oder Ketten ausgeführt und von Motoren angetrieben und einem Getriebe an die Räder umgesetzt. Zur Regulierung der Geschwindigkeit kommt eine Pulsweitenmodulation (PWM) zum Einsatz. Sie variiert Ein-und Ausschaltzeiten bei konstanter Frequenz. [4]
Für Roboter gelten verschiedenste Anforderungen. Dazu zählen Datenschutzrechtliche Belange, als auch Sicherheitsanforderungen an die Werkzeuge.
Für vollautomatisierte Prozesse nach Art. 22 Abs. 2 a) und b) gelten nach Art 22 Abs. 22 DSGVO erhöhte Anforderungen an die Transparenz. Dies sind Informationspflichten des Unternehmens gegenüber dem Landwirt, der diese beansprucht [15]. Landwirte müssen dementsprechend über die „Funktion“ in Kenntnis gesetzt werden. Nach dem Positionspapier des DSK (Datenschutzkonferenz) sind datenschutzverarbeitende Unternehmen zur Datenschutzfolgeabschätzung nach Art 35 DSGVO verpflichtet. Technische und organisatorische Maßnahmen (TOM) werden in einzelnen Entwicklungsphasen für KI-Systeme (KI = künstliche Intelligenz) verfasst [15]. Genannt werden beispielsweise unabhängig vom Prozessfortschritt:
Je nach Aufgabentyp können Roboter unterschiedliche Gefahren für Personen darstellen. Das setzt zum einen Verlässlichkeit, Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit und Instandhaltbarkeit voraus [16]. Abbildung 2 zeigt, wie sich Anforderungen an Roboter ändern können.
„Für autonome Agrarroboter existieren noch keine speziellen Normen“, daher wurde versucht Sicherheitsanforderungen und Schutzmaßnahmen mit relevanten Objekten zu erarbeiten [5]. Grundsätzlich hat ein Roboter in einen „sicheren Zustand“ zu wechseln, der als Stillstand definiert ist. Validiert werden soll dies mit einem ROS-Konzept (Robot Operating System) [5]. Betriebsraumgrenzen (Abb. 3) können für eine Gefahrenminderung potenziell notwendig sein [5].
Von außen nach innen sind die Räume folgendermaßen definiert [5]:
Durch weitere Sicherheitsgrenzen eingeschränkt:
Das ROS-basierte Validierungskonzept wurde im Fazit als Ansatzmöglichkeit für einen automatischen Prüfstand angesehen, wobei eine Realisierung wünschenswert ist [5].
Der Technikfortschritt in der Landwirtschaft steigt, so auch der Forschungsbedarf an hoch-automatisierten Maschinen und Agrarrobotern [5]. Im Umkehrschluss heißt dies aber auch gleichzeitig, dass autonome Maschinen häufig noch in der Entwicklung sind, oder von Menschen gesteuert werden müssen. Von Schattenberg et al. (2019) werden die Entwicklungspfade wie folgt dargestellt (Abb. 4) [8].
Die Automationsstufen (Abb. 5) vier und fünf sind auf dem Markt noch nicht verfügbar [9].
Im Precision Farming können technische Innovationen für eine bessere Nutzung wichtiger Ressourcen sorgen [6]. Eine davon ist Boden. Informationen zu Bodeneigenschaften sind häufig händisch aufzunehmen mit einem Penetrometer und decken nur einen Bruchteil der Fläche ab [6]. Aufgrund dessen besteht Bedarf bei der Einführung eines Feldroboters. Für die Problematik wurde dafür am Feldroboter „BoniRob“ gearbeitet. Der Durchführungsprozess (Abb. 6) beginnt mit dem manuellen Transport zum Einsatzort. Vom Start- bis zum Endpunkt misst der Roboter autonom an n+1 Messpunkten Parameter wie Bodenart, Verdichtungen, pH oder Nmin [6]. Nur Zwecks Sicherheitsüberwachung muss der Anwender die Situation beobachten.
Ein stärkerer Fokus liegt auf den Feldrobotern im Pflanzenbau, zur automatisierten Beikrautregulierung. Sie ist notwendig, weil weniger Pflanzenschutzmittel (PSM) eine Zulassung bekommen und Beikräuter (u.a. Ackerfuchsschwanz) eine Resistenz bilden und damit nicht mehr bekämpfbar sind [19]. Grundsätzlich bestehen zwei Möglichkeiten der Unkrautregulierung [20]:
Die automatisierte mechanische Unkrautregulierung teilt sich in Geräten die zwischen Reihen Arbeiten (automatische Reihenführung), in der Reihe (autom. Hackgeräte und selbst arbeitende Technik, die Feldroboter (Abb. 7)). Ein stärkerer Fokus liegt auf den Feldrobotern im Pflanzenbau, zur automatisierten Beikrautregulierung. Sie ist notwendig, weil weniger Pflanzenschutzmittel (PSM) eine Zulassung bekommen und Beikräuter (u.a. Ackerfuchsschwanz) eine Resistenz bilden und damit nicht mehr bekämpfbar sind [19]. Grundsätzlich bestehen zwei Möglichkeiten der Unkrautregulierung [20]:
Wird ganzflächig Beikraut entfernt, werden Kulturpflanzen und Beikraut nicht unterschieden. Daher ist die korrekte Einstellung, abgestimmt auf die Entwicklungsstadien, bedeutsam [20]. Ein Zinkenstriegel ist häufig erste Wahl. In mehreren Arbeitsbreiten erhältlich, sind es mehrgelenkige Rahmen, an denen die Zinken befestigt sind [20]. Der regulierbare Zinkendruck entfernt die Beikräuter. Voraussetzungen sind, dass die Nutzpflanzen fest im Boden sitzen und dieser wenig Ton enthält [20].Reihenkulturen wie Zuckerrüben oder Mais benötigen eine Regulierung des Beikrautes. Geräte mit angetriebenen und gezogenen Werkzeugen werden genutzt. Dabei sollen Nutzpflanzenverluste gering sein und möglichst viel Unkrautmasse entfernt werden. Es wird angestrebt, dass möglichst nur noch zwischen den Einzelpflanzen einer Reihe eine Restverunkrautung vorliegt. Scharr-, Roll-, Bügel- und Trennhacke werden genutzt [20]. Als weitere Möglichkeit der Unkrautentfernung wird gezielt in den Räumen gearbeitet, in denen die Restverunkrautung besteht. Eine Fingerhacke mit Rollstriegel ermöglichen dies [20]. Das Risiko, die Nutzpflanze zu verletzen ist hoch, weil nah an ihnen gearbeitet wird. Daher wird ein gewisses Wachstumsstadium vorausgesetzt.
Modernste Technologien sind Roboter, die mobil oder stationär arbeiten und dem Menschen damit Arbeit abnehmen [21]. Eine gewisse Arbeitsleistung, die sich aus Geschwindigkeit, Kraft und Genauigkeit zusammensetzt ist gefordert. Zusätzlich muss die Werkzeugfunktionalität möglichst vielfältig sein und der Roboter muss sich autonom bewegen können [22]. Die Voraussetzung dafür ist, dass dieser sich zurecht findet. Dazu benötigt er Informationen zur Umgebung, Navigation, Sicherheit und denen zum eigenen Zustand [23]. Die Standortbestimmung wird mittels GPS realisiert. Satelliten im All senden, in einem Zeitintervall ihre Position. Mindestens drei sind notwendig um die Position des Roboters und sein Bewegungsrichtung festzustellen. Dies funktioniert über den Vergleich des Zeitintervalls des ausgesandten Signals, mit dem wieder empfangenen [20]. Mit einem RTK wird dies noch weiter präzisiert, weil Korrektursignale die Positionsbestimmung weiter verbessern. Das können einzelne Stationen sein oder gleich ganze Netzwerke [20]. Zur Realisierung der Prozesse ist ein Steuerungssystem notwendig. Sensoren, ein Rechner und Aktoren sind dazu notwendig. Die Sensoren nehmen Signale auf und leiten sie an den Rechner, der diese wiederum den Aktoren übermittelt (Abb. 8)[24]. Dort greift der Aktor in den Prozess ein. Voraussetzung ist, dass dies in Echtzeit abläuft.
Die eben beschriebenen Abläufe regelt das Prozesssteuerungssystem, welches im Prozessrechner des Bordcomputer integriert ist. Ihm werden die Positionsdaten übermittelt und tauscht sich mit den Sensoren zur Unkrauterfassung aus. Der Jobrechner (hier der Aktor), greift diese Infos ab und steuert das Werkzeug (Abb. 9)[24].
Die Aufgaben des Feldroboters sind gestaffelt (Abb. 10). Die Konsequenz ist das Entfernen des Unkrautes. Je nach Menge muss die Intensität angepasst werden, indem die Geschwindigkeit gedrosselt wird. Eine Abschließende Dokumentation der Ergebnisse hilft dem Roboter & dem Landwirt zu wissen, an welcher Stelle viel Unkraut war [24].
Autonome Roboter zeichnen sich dadurch aus, dass sie eigenständig arbeiten ohne große Hilfe durch Menschen. In Zeiten des Arbeitskräftemangels ist das besonders hilfreich, wenn es um die Qualität des Personals geht. Infolge dessen können Arbeiter gezielter & effizienter in anderen Bereichen eingesetzt werden und die Produktivität gesteigert werden ohne Qualitätseinbußen zu fürchten [18; 19]. Abzüglich der Ladezeit, kann der Roboter pausenlos auf dem Schlag agieren [25]. Kombiniert mit den häufig verwendeten Solarzellen ist das eine umweltfreundlichere Alternative als Dieseltraktoren [25]. Der Einsatz ist besonders in Bio- oder Ökobetrieben gefordert, aufgrund der Regelungen zur chemischen Unkrautbekämpfung durch PSM. Das kommt auch konventionellen Betrieben zugute und kann den Einsatz von Düngern reduzieren [18].
Im Gegensatz zum Menschen muss der Roboter nicht eingearbeitet werden. Die eingebaute künstliche Intelligenz (KI) liest die aufgespielten Daten und weiß genau was zu tun ist. Gleichzeitig sammelt sie die Daten, aus denen sich neue Erkenntnisse ergeben können [27]. Mit einem Gewicht bis 1000 kg wird zusätzlich die Bodenschadverdichtung auf ein geringeres Maß begrenzt als vergleichbare Schlepper plus Anbaugerät [28]. Im Zuge der landwirtschaftlichen Revolution sind Geräte immer Größer dimensioniert, was oft Sonderzulassungen erfordert (StVZO) [29]. Deutlich kleinere Feldroboter erreichen solche Maße nicht, auch wenn sie am Dreipunkt befestigt sind. Hinsichtlich der Ernte, wird eine bessere Qualität erwartet, weil die Geräte präzise und schnell Arbeiten um unter anderem Beikraut zu entfernen und die Nutzpflanze zu schützen [26]. Technischer Fortschritt hat das Potenzial “ökologische, ökonomische und soziale Herausforderungen” für die Zukunft zu bewältigen [17].
Ein Beispiel eines bereits nutzbaren Feldroboters, ist der “BoniRob”, der aus der Kooperation der FH Osnabrück, Amazone und Bosch entstand. Mit den Maßen 1,8-2,4 m x 1,3-2,4 m x 2,2 m und knapp 1100 kg wird er jedoch nur zu Forschungszwecken genutzt [20; 30]. Der u-förmige Aufbau erleichtert das Wechseln der Werkzeuge, während die vier Räder je ein eigens Bein haben und in der Spur verstellbar sind, anpassbar an die Breite. Jedes der Räder hat eine eigene Achse, die das Wenden erleichtert [27]. Die Hauptbearbeitungsfrüchte sind Reihenkulturen (Mais, Karotten) unter 80 cm. Der BoniRob arbeitet mit einem Metallbolzen, der das Unkraut in die Erde drückt. Der BoniRob kann nicht nur Unkraut entfernen, sondern auch die BBCH-Stadien ermitteln und Koordinaten einspeichern, Bodenwertmessungen durchführen (wie bereits beschrieben), sowie Gesundheit der Pflanzen und notwendige Düngung ermitteln [30].
Die Technik im BoniRob sind überwiegend optische Kameras, Sensoren oder Laser [27]. Das Hydrauliksystem führt die Bewegungen aus, benötigt aber hohe Leistung. Die Lösung ist eine duale Stromversorgung (Abb. 11). Der Wechselstromgenerator versorgt ein Netzteil & ein Ladegerät. Ersteres versorgt zwei weitere Netzteile niedriger Spannung, die Sensoren und Navigationskomponenten betreiben. Das Ladegerät ist an eine Batterie angeschlossen, die die Hydraulik betreibt [27].
Auch der Datenaustausch funktioniert dual. Ein Netzwerk sichert Daten, während das zweite zwischen Navigationsrechner und Robotersteuerung vermittelt (Abb. 12). Im Navigationsrechner findet die Verarbeitung der Sensordaten zur Navigation statt, um die relative Position zu den Pflanzen zu ermitteln, um sie bei der Befahrung nicht zu beschädigen. Damit dies so durchgeführt wird, werden die Daten an das SPS (speicherprogrammierbare Steuerung) übermittelt [27].
Ein weitere Roboter zur mechanischen Beikrautregulierung ist der “Naio Dino”. Der seit 2017 erhältliche Feldroboter wurde von “Naio Technologies” entworfen [31]. Er misst 2,5 m x 2,0 m x 1,3 m und wiegt 800 kg ohne Werkzeuge. Abhängig von den angebrachten Werkzeugen sind zwischen Gemüsereihen wie Karotten, Salat und Zwiebeln Unkraut entfernbar. Der Radabstand ist variablen zwischen 1,4 & 1,8 m [31]. Die Arbeitsgeschwindigkeit von 4 km/h ermöglichen es, eine Fläche von 5 ha pro Tag zu bearbeiten. Die Arbeitsbreite ist je 20cm kleiner als die Radbreite. Zwischen den Reihen beträgt sie zwischen 15 bis 50 cm [31]. Durch die Variabilität der Werkzeuge kann sowohl in, als auch zwischen Reihen gearbeitet werden. Zu den angebotenen Werkzeugen gehören [31]:
Hat der “Naio Dino” eine Reihe abgearbeitet, legt er die Werkzeuge ab, fährt zur nächsten Reihe und setzt sie wieder auf [20]. Betrieben wird er mit Litihumbatterien die je 8 Stunden halten und dauern aufzuladen [31; 32]. Die Grundstückskartenregistrierung, RTK und Kamera ermöglichen eine 2cm genaue Positionierung [31]. Dazu werden während des Aussaat Spurlinien erfasst und vom Hersteller aufbereitet und dem Feldroboter übermittelt. Das Kamerasystem erkennt die Reihen und der angebrachte Verschieberahmen passt die Werkzeuge an [19]. Sogenannte LIDAR-Sensoren sorgen für die menschliche Sicherheit im Umfeld des Roboters durch Laser. Gegenstände die keine Pflanzen sind sorgen dafür, dass der Roboter stehen bleibt. Zusätzliche Tastsensoren führen dazu, dass falls doch eine Berührung im Betrieb mit dem Roboter erfolgt, dieser stehen bleibt. Der Dino fährt auch nur weiter, wenn er ein ausreichend starkes GPS-Signal empfängt. So bleib t er stets auf der Spur [19]. Der Naio Dino ist sogar Diebstahlsicher, da wenn er seine Position verlässt, oder Beenden der Arbeit, sendet er eine SMS an das Smartphone des Besitzers [31].
Ebenfalls von “Naio Technologies” entwickelt, wurde der “Oz”, welcher im Gemüse-, Wein- und Obstbau genutzt wird. Mit angebrachtem Werkzeug wir der 130 cm lang. Das Komplettgewicht beträgt ca. 150 kg. 1 ha/Tag kann er bearbeiten [33]. Preislich liegt er bei 70.000 € [34].
Landwirte wissen um die Schäden, die von Schnecken verursacht werden. Sie gelten als Schlüsselschädlinge [7]. Die Einführung kleiner Maschinen in die teilflächenspezifische Bewirtschaftung kann Prozesse optimieren. Daher wird versucht im Zeitraum nach der Ernte einen Roboter agieren zu lassen. Dies mindert signifikant die nachfolgende Generation [7]. Die dazu entworfene Plattform (Abb. 13) fährt autonom und kann gezielt Punkte ansteuern. Angetrieben wird sie durch einen Elektromotor [7].
Schnecken werden durch eine Kamera erkannt. Dabei hilft eine digitale Bildverarbeitung, die gleichzeitig die Individuen relativ zur Position erfasst. Schnecken werden durch Filter deutlich heller angezeigt. Bekämpft werden Schnecken dann auf mechanische Weise. Testphasen zeigten, dass stechende oder schneidende Werkzeuge gute Alternativen sind [7].
Ein weiteres System, dem mehrere Möglichkeiten zur Bodenbearbeitung zur Verfügung stehen, ist der „Contadino“ von Continental [11]. Dies wird durch den modularen Aufbau ermöglicht. Der Contadino soll Säen, Beikrautregulierung, Schädlingsbekämpfung, Düngung und Bonitur leisten [11]. Der Roboter ist mit LiDAR, Radar, RTK, GPS, Kamera und Ultraschall ausgestattet um eine möglichst große Variabilität zu gewährleisten [12]. Weil verschiedene Geräte angebaut werden sollen, ist eine offene Schnittstelle eingeplant. Sie versorgt die Anbaugeräte gleichzeitig mit Strom [12].
Die Technologie m Agrarbereich und die Anzahl der Neuerungen steigt weiter. Daher werden anbei noch kurz einige Systeme genannt:
Die bereits auf dem Markt verfügbaren Roboter zeigen, dass autonom und intelligent arbeitende Maschinen sehr real sind. Gleichzeitig zeigen aber auch die bisher nur geringe Variabilität in den Fähigkeiten, dass noch viel Potenzial herrscht. Der bisherige Einsatz beschränkt sich auf Gewächshäuser oder Reihenkulturen [31]. Durch den Einsatz dieser Technologie, können Arbeitskräfte eingespart werden bzw. sinnvoller eingesetzt werden an anderer Stelle. Das ist nicht zwingend mit einem Verlust an Arbeitsplätzen gleichzusetzen. Der, verglichen mit Schlepper und Anhänger, deutlich leichtere Feldroboter ermöglicht präzisere Arbeit und deutlich weniger Bodenschadverdichtung [28; 29]. Die zwar bessere Arbeitsqualität beim Feldroboter [19] ist jedoch noch nicht so stark ausgereift, dass alle Unkräuter entfernt werden können [28]. Dieser Vorteil bleibt dem Menschen. Die KI nimmt hingegen aber sehr viel Pflanzen- und Umweltspezifische Parameter auf, dass der Landwirt daraus nützliche Informationen gewinnen kann und seine Fläche bedarfsgerecht bewirtschaften kann [28; 30]. Neben den zahlreichen Vorteilen, die Feldroboter leisten, gibt es aber auch noch Bereiche die als Nachteile gesehen werden können. Zum einen die moderne Technik, die vom Nutzer eine gewisse Kenntnis und Umgang benötigen. Dieser könnte potenzielle Anwender abschrecken. Gleichzeitig soll der Roboter autonom arbeiten können, als Sicherheitsanforderung werden aber Menschen zur Überwachung vorausgesetzt. Gegenargumentiert wird, das Apps den Roboter steuern und überwachen [37]. Zusätzlich kommen erstmal hohe Anschaffungskosten auf den Landwirt zu, die sich erst nach mehreren Jahren Nutzung rechnen. Auch die Ladezeit der Geräte spricht noch gegen eine Anwendung. 8h Ladezeit für denselben Aufwand an Arbeit brauchen nun mal Zeit, die es in der Landwirtschaft, in der es oft schnelle Reaktionen braucht nicht gibt [32]. In ihrer Funktionsweise, das heißt Erledigung der Arbeit, sind die Feldroboter definitiv nutzbar. Abschließendes Fazit hingegen ist, dass es noch mehr Forschung und Investitionsbedarf benötigt, damit die Geräte im großen Stil marktfähig werden.
Hier folgen passende Praxisbeispiele auf FARMPRAXIS.
Michael Wagner, Technische Zentralstelle Dienstleistungszentrum Ländlicher Raum Rheinhessen-Nahe-Hunsrück (TZ DLR-RNH)