Super Trooper: Autonomer Roboter hilft Gärtnern beim Transport von Topfpflanzen

Damit Pflanzen optimal wachsen, müssen in einer Baumschule oder Gärtnerei regelmäßig bis zu 10 kg schwere Töpfe bewegt und umgestellt werden – Tag für Tag. Eine schweißtreibende und anstrengende Arbeit. Gut, dass es Visionäre gibt wie Pierre Delarboulas und Adrien Jauffret von Instar Robotics aus Frankreich. Ihr autonomer Roboter „Trooper“ erledigt diesen Transport von Topfpflanzen und trägt zur Automatisierung im Gartenbau bei. Für die genaue Navigation und Umgebungserfassung in diesem rauen Umfeld sorgt der 3D-LiDAR-Sensor MRS1000.

Trooper: Der autonome Transportroboter für das Absetzen im Gartenbau

Instar Robotics ist ein junges Start-up-Unternehmen, das 2018 von Pierre Delarboulas und Adrien Jauffret gegründet wurde. Die beiden sind promovierte Wissenschaftler in Künstlicher Intelligenz und Robotik und schon vor Langem auf den Geschmack der Robotik gekommen. Ihr Mission: nutzbare Robotik, die den Menschen im Alltag unterstützt und ihn wieder in den Mittelpunkt seines Berufes stellt.

Baumschulen beim Transport von Topfpflanzen helfen

Schon früh hatten die Gründer den Wunsch, in der Landwirtschaft zu arbeiten. Gerade dieser Bereich stellt die Robotik vor eine Vielzahl technischer Herausforderungen. Die Bedingungen im Außenbereich sind extrem vielfältig und ständig Änderungen unterworfen (Umgebung, Wetter, Boden...). Daher müssen Roboter entwickelt werden, die anpassungsfähig, flexibel und zuverlässig sind.

Nach umfassender Recherche stießen die beiden Wissenschaftler auf den Gartenbausektor und dort auf den Transport von Topfpflanzen – eine vorwiegend manuelle, sich häufig wiederholende und körperlich sehr anstrengende Arbeit. Darüber hinaus werden diese Aufgaben zumeist von Saisonarbeitern ausgeführt, die gerade wegen der schwierigen Bedingungen immer schwerer zu finden sind. Alle Voraussetzungen waren also gegeben, um eine Roboterlösung zu entwickeln, die die Arbeiter entlastet.

Zwei der Aufgaben in einer Baumschule sind besonders entscheidend für die Qualität der Pflanzen: sie enger bzw. weiter voneinander entfernt zu platzieren. Ersteres wird zu Beginn der Pflanzung durchgeführt, um die verfügbare Fläche zu optimieren. In der Vorbereitungsphase und beim Eintopfen werden die Töpfe "in Rechtecken" und "auf dem Hallenboden" nebeneinandergestellt, um eine erste Wachstumsphase zu ermöglichen. Nach einer gewissen Zeit werden die Töpfe dann einzeln an einen anderen Ort im Anbaubetrieb transportiert. Die Pflanzen können dann gut gedeihen und die Ausbreitung von Krankheiten wird unterbunden. Einige Betriebe sind mehrere Hundert Hektar groß und bewegen mehr als 100.000 Töpfe, die bis zu 10kg schwer werden können. Man kann sich also vorstellen, wie sehr diese hochgradig repetitive Aufgabe von einer Automatisierungslösung profitiert.

Entwicklung eines Handhabungsroboters zur Entlastung der Baumschulgärtnereien

Die Entwicklung eines kleinen, autonomen Roboters machte daher Sinn, um den Gärtnern und Baumschulbetrieben zu helfen, die Töpfe innerhalb des Betriebs von A nach B zu transportieren und sie eng zusammen oder weiter auseinander zu platzieren – die Geburtsstunde von Trooper.

Was sich schnell herauskristallisierte, war das Problem der Umgebungserfassung. Der Roboter muss:

sich selbständig bewegen,
seine Umgebung verstehen,
Hindernisse erkennen,
die Töpfe erkennen,
sich richtig positionieren, um sie zu greifen,
sich orientieren,
und all das auf sichere Art und Weise und in Zusammenarbeit mit dem Menschen.

Die Entscheidung für einen 3D-LiDAR-Sensor lag deshalb auf der Hand – und Instar Robotics entschied sich schließlich für den Mehrlagenscanner MRS1000.

Die „Augen“ des Trooper für die Umgebungserfassung

Der MRS1000 ist ein Mehrlagenscanner und gewissermaßen "die Augen des Trooper", sagt Pierre Delarboulas. Er erzeugt eine Punktwolke, die die Entfernung zum Objekt liefert, mit der dann die Fahrstrecke berechnet wird und die Formen für die Rekonstruktion der Objekte modelliert werden können. Ein von Instar Robotics entwickelter Algorithmus erkennt die Objekte, indem er nach Kreisen (also Töpfen) sucht, die durch die Punktwolke und die vier Schichten des LiDAR-Sensors rekonstruiert wurden.

Der Reflexionsgrad des Objekts wird ebenfalls direkt vom Sensor erfasst, um eine bessere Unterscheidung der Objekte nach ihrer Farbe zu ermöglichen. Dies steigert die Reaktivität des Roboters: Er trifft bessere Entscheidungen und interagiert sinnvoll mit der Umgebung.

Großer Erfolg dank der Leistungsfähigkeit 3D-LiDAR-Sensors

Die Leistung des MRS1000 war einer der Schlüsselfaktoren für den Erfolg dieses Projekts. Er detektiert und misst Objekte in einem Sichtfeld von 275°. Durch die gleichzeitige Messung auf vier verschiedenen Ebenen ermöglicht der MRS1000 eine detaillierte Erkennung von Objekten und die Nachverfolgung der Bewegungsrichtung. Das robuste Gehäuse ist staub-, hitze- und feuchtigkeitsbeständig und dank der HDDM+-Technologie auch bei Nebel oder starkem Licht besonders zuverlässig und leistungsstark – und erfüllt damit alle Anforderungen von Instar Robotics.

LiDAR-Sensoren

Löst Detektionsaufgaben indoor und outdoor – 3D-LiDAR-Sensor mit Mehrlagentechnologie

MRS1000

Einsparungen für Gartenbaubetriebe von 15 Prozent

Die Gartenbauer sind sich einig: "Es gibt ein vor dem Trooper und ein nach dem Trooper", sagt Pierre Delarboulas. Der Mangel an Arbeitskräften in diesem Sektor, vor allem wegen der anstrengenden Arbeit des enger zueinander und weiter entfernten Platzierens der Töpfe war eklatant. Mit dem Roboter werden die Mitarbeiter nun entlastet und können sich mit mehr Zeit und Ruhe anderen, anspruchsvolleren und motivierenderen Aufgaben widmen.

Auch in Bezug auf die Produktivität hat sich das Projekt bewährt. Der Roboter ist nie müde, er arbeitet bei jedem Wetter und platziert die Töpfe am optimalen Platz. Dadurch werden bis zu 15% an Betriebsfläche in den Gärtnereien eingespart.

Es dauert etwa vier bis fünf Jahre, bis sich die Investition in einen Trooper amortisiert hat, je nach Auslastung der Maschine. Das ist für eine Investition im landwirtschaftlichen Bereich eine relativ kurze Zeit.

"Es ist immer jemand da, der uns beisteht"

Dies sind die Worte von Pierre Delarboulas über die verschiedenen Teams von SICK in Frankreich. Der Trooper wurde gemeinsam mit SICK schrittweise konstruiert und kontinuierlich verbessert. Zum Beispiel war der Sensor aufgrund seiner Position auf dem Roboter anfangs sehr stark den äußeren Bedingungen (Regen, Erde) ausgesetzt. Er musste mit einer maßgeschneiderten Kappe abgeschirmt werden. Nach einer Überprüfung durch das SICK-Team wurde der kompakteste Schutz entworfen, um eine noch bessere Leistung zu erzielen. Die Zusammenarbeit war für beide Seiten sehr zufriedenstellend.

Und wie sieht die Zukunft aus?

An Perspektiven für neue Produkte mangelt es nicht. Drei neue Werkzeuge werden derzeit entwickelt, um die Fähigkeiten des Trooper zu erweitern und das Problem des Arbeitskräftemangels im Gartenbau anzugehen:

Das Schneiden und Beschneiden von Pflanzen
Schädlingsbekämpfung durch Umwickeln der Pflanze mit Klebestreifen
Bodenbehandlung, d.h. zum Beispiel gleichmäßige Verteilung von Düngemitteln in den Töpfen rund um die Pflanze