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Resumen—El uso de robots fuera de las aplicaciones
industriales desde hace varios años ha comenzando a mostrar
un gran avance en el aporte de soluciones para muchas
necesidades que el hombre tiene y que van creciendo día tras
día en busca de una mejor forma de vida, mejorando el
desarrollo de la sociedad en todos los campos en que exista la
posibilidad de robotización. Y de esa necesidad nace una nueva
era para el sector agrícola, la era de los robots agricultores, o
porque no decirlo, la era de los androides granjeros. Suena un
poco fuerte el hablar de androides, pero con ello desde nuestro
punto de vista queremos destacar que los robots no son un
reemplazo de los humanos, sino herramientas, máquinas y
sistemas que nos pueden servir para mejorar en muchos
aspectos de nuestra vida. Hace décadas parecía un sueño, pero
hoy es posible que un robot pueda realizar tareas propias del
hombre. Su empleo en el caso de la agricultura, específicamente
en los invernaderos, abre amplias posibilidades productivas,
sobre todo en países donde la escasez de mano de obra es un
problema. Así podemos observar robots que cosechan, cortan o
aplican riegos con una precisión que, incluso, supera la mano
del hombre.
I. INTRODUCCIÓN
A aplicación de la robótica en ámbitos diferentes del
industrial se remonta a 20 años atrás, el concepto de
robóts de servicio no apareció hasta 1989 en el que
Joseph Engelberger publicó el libro “Robotics in Service”.
Un robot de servicio es un robot que opera de manera semi o
totalmente autónoma para realizar servicios útiles a los
humanos y equipos, excluidas las operaciones de
manufactura (según la Federación Internacional de Robótica,
el IFR). Las aplicaciones de los robots de servicio se podrían
clasificar en [1]:
Robots de exteriores
Limpieza profesional
Sistemas de inspección
Construcción y demolición
1 Este artículo ha sido desarrollado como parte de la asignatura Robots
de Servicio, dirigida por el Dr. Antonio Barrientos, del Máster en Automática y Robótica de la Universidad Politécnica de Madrid.
J. A. García V., Ingeniero electrónico, estudiante del Máster en
Automática y Robótica de la Universidad de Politécnica de Madrid, en la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales, Madrid, ESPAÑA.
(móvil: 665-322-704, e-mail: [email protected] )
L. A. Vásquez A., Ingeniero eléctrico, estudiante del Máster en Automática y Robótica de la Universidad de Politécnica de Madrid, en la
Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales, Madrid, ESPAÑA.
(móvil: 665-322-704, e-mail: [email protected] )
Sistemas logísticos
Medicina
Defensa, rescate y seguridad
Submarinos
Plataformas móviles de uso general
Robots de laboratorio
Relaciones públicas
Este artículo presenta un estudio de las aplicaciones actuales
de los Robóts en el Sector Agrícola. En el capítulo 1, se hará
una pequeña introducción en aspectos importantes de la
agricultura. En el segundo capítulo se justifica el porqué el
interés de muchos investigadores y empresas de la
importancia del uso de los robos en el sector agrícola. En el
capítulo 3, se clasifican y se describen las tareas básicas que
podrían ser robotizadas en las cuatro principales fases del
ciclo agrícola: preparación de cultivos, siembra, producción
y recolección. En el capítulo 4 se realiza un análisis de los
futuros desarrollos e investigaciones de la robótica en la
agricultura, y finalmente se describen algunas conclusiones
que se obtuvieron con el desarrollo de esta investigación.
II. EL SECTOR AGRÍCOLA
La agricultura es el arte de cultivar la tierra y comprende
todas las actividades humanas de acondicionamiento del
medio ambiente natural y del suelo haciéndolo más apto para
el posterior cultivo de cereales, frutas, hortalizas, pasto y
forrajes con fines alimenticios o para producir flores, plantas
ornamentales, madera, fertilizantes, productos químicos,
productos biofarmacéuticos, entre otros. Todas las
actividades económicas que abarca el sector agrícola se
fundamentan en la explotación del suelo o de los recursos
asociados a este en forma natural o por la acción del hombre.
La actividad agrícola actual se ha potenciado gracias a la
aparición de la tecnología del tractor, ya que con su uso las
actividades de siembra, cosecha y trillado se pueden hacer
más rápido y con menos personal pero el costo de esta
productividad es un gran consumo energético, combustibles
de origen petrolero. A través de la manipulación genética, La
química agrícola, la aplicación de fertilizantes, insecticidas y
fungicidas, la reparación de suelos, el análisis de productos
agrícolas y la mejora en el control de las semillas se ha
aumentado enormemente las cosechas por unidad de
superficie. Los tipos de agricultura pueden dividirse según
diversos criterios de clasificación [2]:
Según su dependencia del agua:
De secano: es la agricultura producida sin aporte de agua
por parte del mismo agricultor, nutriéndose el suelo de la
lluvia y/o aguas subterráneas.
Los Robots en el Sector Agrícola
J. A. García V, L. A. Vásquez A. Universidad Politécnica de Madrid, Departamento de Automática,
Ingenieria Electrónica e Informática Industrial1.
L
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De regadío: se produce con el aporte de agua por parte del
agricultor, mediante el suministro que se capta de cauces
superficiales naturales o artificiales, o mediante la
extracción de aguas subterráneas de los pozos.
Según la magnitud de la producción y su relación con el
mercado:
Agricultura de subsistencia: Consiste en la producción
de la cantidad mínima de comida necesaria para cubrir las
necesidades del agricultor y su familia, sin apenas
excedentes que comercializar. El nivel técnico es
primitivo.
Agricultura industrial: Se producen grandes cantidades,
utilizando costosos medios de producción, para obtener
excedentes y comercializarlos. Típica de países
industrializados, de los países en vías de desarrollo y del
sector internacionalizado de los países más pobres. El
nivel técnico es de orden tecnológico. También puede
definirse como Agricultura de mercado.
Según se pretenda obtener el máximo rendimiento o la
mínima utilización de otros medios de producción, lo que
determinará una mayor o menor huella ecológica:
Agricultura intensiva: busca una producción grande en
poco espacio. Conlleva un mayor desgaste del sitio.
Propia de los países industrializados.
Agricultura extensiva: depende de una mayor
superficie, es decir, provoca menor presión sobre el lugar
y sus relaciones ecológicas, aunque sus beneficios
comerciales suelen ser menores.
Según el método y objetivos:
Agricultura tradicional: utiliza los sistemas típicos de
un lugar, que han configurado la cultura del mismo, en
periodos más o menos prolongados.
Agricultura industrial: basada sobre todo en sistemas
intensivos, está enfocada a producir grandes cantidades de
alimentos en menos tiempo y espacio -pero con mayor
desgaste ecológico-, dirigida a mover grandes beneficios
comerciales.
Agricultura ecológica, biológica u orgánica (son
sinónimos): crean diversos sistemas de producción que
respeten las características ecológicas de los lugares y
geobiológicas de los suelos, procurando respetar las
estaciones y las distribuciones naturales de las especies
vegetales. Fomentando la fertilidad del suelo.
III. ROBOTIZACIÓN DE LA AGRICULTURA
Actualmente, el sector agroalimentario es objeto de
especial atención en cuanto a la incorporación de tecnologías
avanzadas, dadas las exigencias cada vez mayores de
producción, diversidad y calidad de los productos, así como
de la presentación de los mismos. Todo ello con el problema
creciente de la falta de mano de obra. Cabe por ello hacer un
análisis del estado actual, ventajas y posibilidades de
robotización de las tareas agrícolas [3]. Los objetivos que se
plantean son:
Permitir la sustitución de operarios en tareas peligrosas
para la salud, como la pulverización de productos
fitosanitarios.
Abordar la realización de tareas repetitivas y tediosas,
como la recolección de frutos.
Realizar tareas en horas nocturnas, lo cual permite el
ahorro de tiempo, por ejemplo, en la recolección.
Mejorar la precisión en algunas de las tareas agrícolas,
como las relacionadas con la biotecnología, y en concreto la
multiplicación de plantas a partir de tejido vegetal.
Optimizar la eficiencia y calidad de algunas de las tareas
como la uniformidad en la realización de huecos para el
trasplante.
Lograr la disminución de riesgos ambientales como la
reducción de la cantidad de producto fitosanitario que se
emite al aire.
Reducir costes, ya que se disminuye la cantidad de
combustible y de productos utilizados en algunas tareas.
Elevar la calidad de los productos como por ejemplo, la
utilización de menos pesticidas.
A continuación, se enumeran las tareas básicas que se
realizan en este sector agrupadas en las cuatro principales
fases del ciclo agrícola (preparación de cultivos/suelos,
siembra, producción y recolección), indicando las ventajas
particulares de la robotización en cada una de ellas, cuáles se
encuentran robotizadas y las que son potencialmente
robotizables. Adicionalmente se considera una reciente
actividad: la manipulación de plantas macetas, por su
potencial robotización.
Hay que indicar los procesos de pos recolección, aun
siendo una de las principales fases del ciclo agrícola, no se
ha incluido, ya que se ha considerado, al igual que todo el
sector de la industria auxiliar de la agricultura, como
industria agroalimentaria, existiendo en la actualidad
soluciones robotizadas comerciales.
IV. APLICACIONES
A. Preparación del Cultivo
La preparación de cultivo agrupa los procesos de:
eliminación de cultivo anterior, labranza, nivelado,
desinfección y pre-abonado del suelo, y realización de
huecos para trasplante. Existe en la actualidad maquinaria
robotizada para el caso de los cultivos extensivos
desarrollada por las grandes empresas de tractores.
Básicamente, se trata de agrícolas con capacidad de
teleoperación y en algunos escasos sistemas con posibilidad
de conducción automática.
Por su parte, en cultivos intensivos la preparación del
cultivo se realiza de forma manual o con maquinaria muy
rudimentaria por los problemas de espació en invernaderos y
viveros, no existiendo ningún desarrollo robotizado al
respecto. Cabría aquí considerar el desarrollo de robots
móviles polivalentes capaces de desplazarse en el interior de
invernaderos a los que se puedan acoplar los aperos y
accesorios diseñados para este tipo de cultivo [3].
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A continuación se describen algunos de las aplicaciones
que se han desarrollado y se están desarrollando, tanto como
proyectos de investigación y productos comercializados en
todo el mundo:
1) Tractor robotizado detección de plantas y malas
hierbas y para la selección de productos químicos: La
robótica está resultando ser una muy buena solución para la
producción de cultivos orgánicos y medioambientales.
Ejemplo de ello la limpieza de terrenos en los cultivos, en
especial de las malas hierbas ó de la optimizando del uso de
pesticidas en problemas de polución y contaminación del
suelo que esta produce. Tillett and Hague Technology Ltd.,
de UK [4], es una empresa de desarrollo e investigación de
tecnología de automatización para el sector agrícola y otros
sectores relacionados, la cual desarrolló un sistema para
reducir el uso de productos agroquímicos por medio de la
aplicación selectiva de los productos químicos a través un
tractor robotizado que navega por un mapa que representa el
cultivo del campo, ver Fig. 1. Esto se utiliza para decidir
cómo aplicar selectivamente el producto por zonas
típicamente de 5x5 metros de resolución con un tractor
robotizado equipado con GPS. Este sistema en tiempo real
calcula y detecta objetivos diferenciándolos por medio de
una cámara de visión, ya sean cultivos o malas hierbas, ver
Fig. 2. Esto permite una resolución mucho más fina, ya que
realiza un reconocimiento de las plantas individuales. Se
requiere poco conocimiento previo del campo, salvo una
estimación del mapa de la plantación. Este robot tractor
aplica selectivamente los productos químicos a un cultivo
de coliflor.
Fig. 1. Tractor robotizado aplicado en la selección de los productos químicos para un cultivo de coliflor, de la empresa Tillett and Hague
Technology Ltd.
Fig. 2. Sistema de detección del cultivo y de la maleza por medio de un sistema robotizado de visón por ordenador embebido en el tractor de la
empresa Tillett and Hague Technology Ltd., en un cultivo de coliflor.
2) Robocrop: Es un tractor robotizado con visión por
computador basado en sistema de orientación para de control
de químicos en malezas, desarrollado por la empresa Tillett
and Hague Technology Ltd., de UK [4]. Este robot usa
navegación por guiado a través de las líneas de cultivo y al
detectar una mala hierba por medio de visión artificial este
la elimina a través de un corte realizado en forma mecánica.
Este es robot se comercializa como Robocrop, ver Fig. 3.
Fig. 3. Robocrop, tractor robotizado de la empresa Tillett and Hague
Technology Ltd., para eliminar la maleza de forma mecánica sin dañar el cultivo útil.
3) Control mecánico de malezas guiado por visión: Este
proyecto fue desarrollado por la Universidad de Halmstaden
y la empresa Danisco Sugar AB de Suecia, entre 1997 a
2000 [5]. Esta empresa que produce azúcar de la remolacha,
reconoce la importancia de la consideración del medio su
objetivo para este proyecto fue la reducción del uso de
productos químicos para el control de la maleza de 3,5 a 2
kg por hectárea en el año 2000. El proyecto se divide en dos
partes:
Parte I: Control de maleza entre las filas del cultivo. El
objetivo de la parte I del proyecto es desarrollar un
cultivador guiado por visión, capaz de llevar a cabo el
control mecánico de las malas hierbas entre las filas de las
plantas de remolacha azucareras. El objetivo es reducir la
banda izquierda sin tratamiento químico para la fumigación
de 16-24cm, que es lo que se logra hoy en día en los
sistemas de control mecánico, a 5-12cm. Para ser rentable la
velocidad debe ser aproximadamente la misma que con los
sistemas actuales, es decir, 8Km/h.
Parte II: Control de malezas dentro de las filas del cultivo.
El objetivo de la parte II del proyecto es desarrollar un
cultivador guiado por visión, capaz de llevar a cabo el
control mecánico de las malas hierbas dentro de la fila de
plantas de remolacha azucarera, por lo tanto, eliminar
totalmente la necesidad de control químico de malezas, ver
Fig. 4.
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Fig. 4. Esquema del diseño, para el control mecánico de maleza guiado por visión. Discriminación entre cultivos y malas hierbas.
4) Robot autónomo para la eliminación de malezas en el
cultivo de árboles de navidad: En Dinamarca se estima una
producción de árboles de Navidad sobre 31.000 hectáreas y
genera un volumen de negocios anuales de 500-600 millón
de dólares [6]. Para obtener un buen crecimiento y calidad
en los árboles el control de malezas es fundamental. En
muchos casos esto se realiza mediante la aplicación de
productos químicos, sin importar el problema ambiental que
conlleva. Por eso, la Universidad de Agricultura y
Veterinaria Royal y el Instituto Forestal y de Paisaje Danés
desarrolló un robot autónomo capaz de realizar este trabajo
de forma mecánica y sin contaminar los suelos.
La estrategia de control es que el robot conoce la posición
exacta de cada árbol y toma mediciones con respecto a este.
Se calcula un plan de navegación para que el robot siga la
ruta, mientras toma medición de la distancia entre el
cortador y el árbol. Al pasar cerca de un árbol el cortador se
retrae y cuando no este se extiendo para poder tener mayor
alcance, ver Fig. 5.
Esta acción permite sólo los cortes de las malas hierbas
que están en competencia con los árboles (cercanías de este)
y permite el crecimiento a las plantas que no compiten con
estos para mejorar la diversidad biológica en el campo y
ayudar a reducir la erosión, ver Fig. 6.
Fig. 5. Robot prototipo para el desmalezamiento en plantaciones de árboles
de navidad.
Fig. 6. Esquema del Robot autónomo para la eliminación de maleza en
cultivos de árboles de navidad.
5) Control voluntario de patatas en una serie de cultivos
de hortalizas: Este proyecto es desarrollado por la empresa
Tillett and Hague Technology Ltd., de UK, en un programa
para el enlace de la Horticultura dirigido a la seguridad del
uso de pesticidas por el Horticultural Development Council
y el British Potato Council con la participación de otras
empresas del sector industrial. En 2006 la empresa
desarrolló un sistema robótico basado en visión por
computador, para la detección de malezas, especificando la
aplicación de cantidades mínimas de herbicidas (como
glifosato) para el control voluntario de las patatas en una
amplia gama de cultivos de hortalizas, especialmente de
cebollas y zanahorias, ver Fig. 7.
Fig. 7. Análisis del cultivo gracias la implementación de visión por ordenador para el control voluntario de patatas en un cultivo de vegetales.
6) Control integrado mecánico para la eliminación de
maleza y la producción orgánica del repollo: El crecimiento
de las malas hierbas dentro de las filas de cultivos de
repollo es el principal problema para la producción orgánica
de estos, debido a su alto coste y a la imposibilidad de
utilizar herbicidas. En este proyecto se desarrolló un robot
con un sistema de visión por computador, el cual procesa la
información que va captando ubicando las plantas mientras
los cortadores se van moviendo, ver Fig. 8. En las pruebas
realizadas se han obtenido resultados sorprendentes como la
eliminación de más del 80% de maleza en el cultivo,
posibilitando la producción orgánica. Este proyecto es
desarrollado por la empresa Tillett and Hague Technology
Ltd. [7], de UK.
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Fig. 8. Secuencia de las imágenes del control mecánico para la eliminación
de maleza en funcionamiento experimental, sobre el suelo en un cultivo
artificial para demostrar el principio de funcionamiento producción
orgánica.
7) Robot Inteligente para la reducción de cultivos de
verduras utilizando visión artificial: Debido a la variabilidad
del campo en el proceso de perforación y germinación de
semillas, algunos cultivos se siembran en una mayor
densidad que la requerida (por lo general, x3), para luego
una vez germinada las semillas se produce a realizar un corte
mecánico para dejar el cultivo en la forma requerida. El
proceso de reducción tiene como objetivo que las plantas
salgan más saludables, ver Fig. 9. La innovación de Robot
en la reducción del cultivo se encuentra principalmente en la
detección de las plantas más pequeñas del semillero y el
espacio con otras más cercanas. Además, se desarrollaron
algoritmos para decidir cuales plantas automáticamente
eliminar y cuales conservar. Este proyecto es desarrollado
por la empresa Tillett and Hague Technology Ltd. [7], de
UK.
Fig. 9. Eliminación selectiva de plantas en un cultivo.
8) Robot para la preparación del cultivo de viñeros: Este
robot podador desarrollado por la empresa Vision Robotics
Corporation (VRC), se especializa en el corte preciso y
limpio de los viñeros [8]. Sus principales características son:
Cortes con precisión y calidad.
Operación de Día y noche.
Opciones para ser remolcado por un tractor, o vehículo
móvil robotizado.
Poda de dos cabezas por fila, con una por encima de la
línea de diseño para podar dos filas a la vez.
Poda a una velocidad de 8 metros por minuto.
Podar 1 acre en 4.4 horas (dependiendo de la densidad de
la vid).
Ahorro de un 40 a 50% en mano de obra, con
amortización en 2,4 años.
Costo $ 125/acre (17,3 céntimos de vid), en comparación
con mano de obra en $ 257/acre (35,3 céntimos de vid).
La clave de la robótica aplicada a estos viñedos es el uso
en el robot de cámaras estereoscópicas de exploración que
realiza 15 fotogramas por segundo. El análisis de toda la vid
y del trabajo a realizar se procesa antes de que las tijeras del
robot comiencen a podar la vid.
A bordo del robot, un equipo procesa y utiliza la
superposición de múltiples fotos para crear un modelo 3D de
la vid y, a continuación, se aplican "normas de poda", que
fueron programadas en el software guiados por un experto.
Estas normas son procesadas, para luego indicarle a los
brazos robóticos hidráulicos con tijeras la forma en que
deben podar, y donde hacer los cortes, ver Fig. 10.
Fig. 10. Brazos robóticos del Robot podador en viñeros.
Cabe resaltar que esta tecnología puede ser adaptada a
otras prácticas, como, deshoje, poda y corte en otros árboles
frutales. La cámara y el ordenador a bordo del robot podrían
utilizarse para la estimación de cosechas, para la recogida y
gestión de para incorporar en los sistemas de cartografía
SIG.
9) Vehículos Aéreos No Tripulados (UAV) usado en la
preparación de cultivos:. La utilización de vehículos aéreos
no tripulados para la llamada agricultura de precisión es un
campo que cada vez va creciendo con mayor fuerza. Sus
principales ventajas son:
Tomar imágenes que permite tanto a los productores
agrícolas como a empresas que los asesoren a tomar
decisiones más informadas que pueden repercutir en un
ahorro importante de insumos y por lo tanto de dinero. Las
imágenes se pueden adquirir y ver casi instantáneamente.
Sobrevolar todo un campo y a la vez tomar fotografías de
los cultivos en el rango de frecuencias infrarrojas y luz
visible. Las imágenes se combinan en un gráfico a color que
muestra cómo los cultivos están creciendo en todo ámbito e
identifica las áreas de deterioro. Sobre la base de esa
representación gráfica el análisis de los datos obtenidos por
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los UAV crea una serie de instrucciones para aplicarlas en
una variable de interés.
También pueden ser utilizados para medir los niveles de
humedad en el suelo, la cantidad de vida vegetal, o los
problemas causados por: la sobre fertilización, los animales
de pastoreo o las plagas. En casos de problemas con el
cultivo se dispone de un registro permanente de la magnitud
de daños en esta.
Con el procesamiento de las imágenes del crecimiento de
cultivos, se hace un uso más eficiente de los fertilizantes, ya
que los agricultores pueden cambiar las tasas de crecimiento
de sus cultivos modificándolo. Además, se obtienen análisis
de datos que permiten decidir dónde se precisa o no la
fumigación.
Fig. 11. Imagen obtenida por un UAV para la descripción de gestión de
cultivos, viveros y plantaciones. En donde se lleva un control y monitorización del estado de los cultivos mediante imágenes multi-
espectrales.
Fig. 12. Imagen multi-espectral obtenida por un UAV para la derivación de
parámetros biofísicos.
La eficiencia del riego se manifiesta en correlación
positiva con el índice normalizado de vegetación definido
con imágenes multiespectrales desde UAVs. Las
observaciones pueden programarse en función de les
políticas de riego implementadas, ver Fig. 12.
En el mercado existes varias empresas que desarrollan
UAVs, como por ejemplo: CATUAV es una empresa
privada española dedicada al desarrollo y a la operación de
aeronaves no tripuladas (UAV) [7], con aplicaciones en la
agricultura, ver Fig. 11 y 12. Otra empresa que ofrece este
mismo tipo de aplicaciones es CropCam, de Canadá. Puede
proporcionar imágenes para la agricultura, la silvicultura y
entre otras más aplicaciones [8], ver Fig. 13.
Fig. 12. Imagen de un UAV de la empresa CropCam.
B. Siembra
Dentro de esta fase se consideran las etapas de plantación
de semillas, producción de esquejes y realización de injertos,
multiplicación vegetativa de plantas, fertirrigación de las
plántulas, control ambiental de las plántulas y trasplante. En
cultivos extensivos existen tractores robotizados y
maquinaria agrícola modificada para realizar esta labor.
En el caso de los cultivos intensivos, lo más habitual en el
proceso de plantación es la siembra en semillero y posterior
trasplante. Para realizar este proceso existen máquinas
automatizadas que facilitan esta labor [3].
La manipulación de plantas en macetas, se ha considerado
parte de fase en este trabajo, siendo una tarea adicional
propia de los invernaderos de plantas con macetas donde ha
surgido el nuevo concepto de estación central de trabajo.
Ésta consiste en un lugar diseñado para que la mano de obra
realice las operaciones de cultivo con el máximo
rendimiento sin necesidad de desplazarse a la zona de
cultivo. Esta tarea es potencialmente robotizable,
utilizándose un sistema robotizado de transporte, mediante el
cual las plantas son trasladadas a la estación central de
trabajo de donde vuelven al invernadero una vez realizada la
operación, o bien, se envasan para su venta.
1) Plantadora de arroz automática: Este proyecto es un
robot móvil capaz de trasplantar arroz además de fertilizar y
aplicar productos químicos con precisión para su adecuado
manejo, con esto el robot es capaz de mejorar la calidad y
producción del arroz [11], ver Fig. 13.
Fig. 13. Robot para plantación en arrozales.
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2) Robot trasplantador de hortalizas, Kikump: Muchos
productos agrícolas primero se siembran en invernaderos
para luego ser trasplantados al campo, siendo este el caso de
las hortalizas. El Instituto Brian, de Japón, ha desarrollado
un robot trasplantador, ver Fig. 14. Este brazo manipulador
pertenece a la clase de robots manipuladores con aplicación
en la agricultura [12].
Fig. 14. Robot manipulador para el trasplantado de hortalizas.
3) Traje-Robot para ayuda a los agricultores, FarmBot:
Científicos de la Universidad de Atricultura y tecnología en
Tokio, Japón, han inventado un traje-robot diseñado para
ayudar a los agricultores en la plantación y el cultivo de la
tierra [13].
El traje que se observa en la Fig. 15, tiene un peso de
alrededor de 25 kilos. Tiene ocho motores y 16 sensores.
Según los inventores, “el traje lleva su propio peso y coloca
una carga mínima sobre el operador". La compañía que va a
producir estos trajes-robots estima un costo de venta de entre
4000 a 8000 euros, y se espera que salga al mercado dentro
de tres años.
Fig. 15. Este traje según el investigador es muy adecuado para los
agricultores de mayor edad que necesitan apoyo para los músculos de las
piernas y de sus articulaciones.
4) Sistemas comerciales de trasplante: Existen varias
aplicaciones industriales donde se utilizan la automatización
y robotización para el trasplante y manejo de plantas, un
muy buen ejemplo de ello es la empresa Cermosán, S.L [14].
Esta es una empresa especializada en la mecanización
integral de vivero. Cermosán tiene sus oficinas centrales y
talleres ubicados en la localidad valenciana de Guadassuar
(España). Actualmente, Cermosán posee una de las ofertas
más completas en la mecanización y robotización de viveros
ornamentales, especializada en climas de inviernos suaves.
Entre sus productos se encuentran: Enmacetadoras,
Alimentadoras de substratos, Mezcladoras de substratos
Máquinas para Big-Bale, Sistemas de robotización, Robots
trasplantadores TEA Project, Transporte interno, Cintas
transportadoras, Nebulizadores eléctricos, Dosificadores de
abonos sólidos, Sembradoras, Llenadoras de macetas,
Lavadoras de bandejas, Pinzas portamacetas, Otros
complementos. A continuación se presentan algunos de sus
productos:
Robot de transporte en remolques. El Sistema de Javo de
Robot para transporte en remolques, ofrece una gran
economía de trabajo en los productores de planta donde el
transporte interno con remolques es la solución. El Robot
posiciona las plantas y mueve los remolques para su llenado
automático y si se requiere, puede ser integrado con un
sistema de transporte totalmente automático, ver Fig. 16.
Fig. 16. Robot de transporte en remolques.
Robot transplantador XT600J. El Robot transplantador
XT600J es una máquina que trabaja capturando las plántulas
de sus bandejas alveolares y plantándolas directamente sobre
la maquina enmacetadora con gran precisión. Este modelo es
capaz de plantar hasta 7 plántulas por maceta, ver Fig 17.
Fig. 17. Robot transplantador XT600J.
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Este modelo está diseñado particularmente para trabajos
en grandes volúmenes. Es configurable desde 4 pinzas a 12.
Y su rendimiento alcanza las 14.000 plantas a la hora con las
12 pinzas. Posibilidad al memorizar hasta 99 programa de
extracción de planta y 99 en destino de plantación, ver Fig.
18.
Fig. 18. Robot transplantador XT600J.
C. Producción
La producción se encuentra integrada por las etapas de
fertirrigación del cultivo, pulverización de productos
fitosanitarios, eliminación de malas hierbas, podas de las
plantas, limpieza de cubiertas en invernaderos y sombreado
de las mismas [3].
La fertirrigación y aplicación de productos sanitarios en
cultivos intensivos y en árboles está resulta mediante los
sistemas de riego automático. En cultivos extensivos se
utilizan robots a modo de dispositivos móviles que se
desplazan a lo largo de barras horizontales por las que se
riega el cultivo. Estos sistemas se programan para que se
muevan y rieguen toda la superficie cultivada. El proceso de
eliminación de malas hierbas en cultivos extensivos, cuenta
con tractores robotizados y maquinaria agrícola modificada
que facilita la realización de esta labor.
Una de las tareas más tediosas y peligrosas del cultivo en
invernadero es la limpieza de sus cubiertas o la deposición
de un producto blanqueante para que disminuya la
transmisión de radiación solar al interior en épocas
calurosas. Esta tarea se realiza actualmente de forma
manual, pudiendo ser robotizada de manera similar a como
se ha robotizado la limpieza de otras superficies.
1) Robot Móvil para invernaderos, AURORA:
desarrollado por el departamento de Ingeniería de Sistemas y
Automática, de la Universidad de Málaga y del Grupo de
Robótica Visión y Control, de la Universidad de Sevilla,
particularmente para tareas de fumigación, ver Fig. 19.
Incorpora una motorización basada en motores de alterna,
alimentados por un generador de alterna a 220V con 2.5KW
de potencia. Su sistema de control está basado en PC
industrial. Su sistema sensorial está basado en sensores de
ultrasonidos de tipo analógico y digital utilizables en control
reactivo. Incorpora cámara CCD para teleoperación [15].
Fig. 19. AURORA, Robot para invernaderos (Universidad de Málaga y
Universidad de Sevilla).
2) Robot Móvil con un sistema de Visión por computador
y otro de micro-pulverización: Esta aplicación robótica
pertenece al proyecto AGROBOTIC desarrollado por el
Instituto Danés de Ciencias Agrícolas, la Universidad de
Aalborg, la Universidad de Agricultura y Veterinaria Royal,
y 4 empresas industriales [16]. Su objetivo en esta aplicación
es la reducción de la emisión de herbicidas al pulverizar las
plantas de un cultivo. Este micro sistema de pulverización
mejora la precisión, con resoluciones de hasta 5mm. La
reducción de los herbicidas (glifosato) es de 540g/ha a
menos de 10g/ha, ver Fig. 20.
Fig. 20. Robot Móvil con un sistema de Visión por computador y otro
de micro-pulverización.
3) Robot para el cuidado de plantas, Hortibot: Es un
robot de cuidado de plantas autónomo coordinado por la
Universidad de Aarhus, Instituto de Ingeniería Agrícola,
Centro de la Investigación Bygholm [17]. HortiBot
proporciona precisión desyerbando un huerto, realizando
siembra robótica puede reconocer 25 tipos diferentes de
malezas que elimina usando sus herramientas láser, por
micro rociada y por dispositivos mecánicos, ver Fig. 21.
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Fig. 21. Robot Móvil con un sistema de Visión por computador y otro de micro-pulverización.
4) Robots pequeños para sembrar, fumigar, recolectar y
arar la tierra. Ingenieros agrónomos de la Universidad de
Illinois (USA) han desarrollado una gama de pequeños
robots baratos (de entre 150 y 500 dólares cada uno)
especialmente concebidos para realizar tareas agrícolas y
sustituir a las pesadas y costosas maquinarias que se
emplean actualmente para sembrar, fumigar, recolectar y
arar la tierra, ver Fig 22. Uno de estos robots parece salido
de la película "la guerra de las galaxias", como el R2D2,
mientras que otros son como pequeñas hormigas de 30
centímetros de largo que tienen la habilidad de funcionar
como un ecosistema, es decir, se comunican entre sí y, al
igual que hacen las abejas, se ayudan mutuamente en caso de
necesidad.
Fig. 22. Robots pequeños para sembrar, fumigar, recolectar y arar la
tierra.
D. Recolección
La recolección puede ser realizada de manera continua,
por vibración o por unidades. También se incluyen en esta
fase la clasificación de los frutos y el envasado en campo.
La recolección continua aparece en los cultivos masivos
de cereales, maíz y otros en los que las plantas, secas o
verdes, son cortadas en su parte inferior mediante
dispositivos tipo cuchilla. Si bien existe maquinaría en parte
automatizada para estos procesos, puede ser aumentada su
autonomía en base al empleo de sensores (altura del corte,
por ejemplo). Asimismo la robotización de esta tarea puede
ser aumentada mediante el empleo de la tele operación y la
conducción automática de las cosechadoras comerciales.
El uso de la vibración está indicado para frutos y semillas
duras como almendras y nueces y para otros productos que
deben ser procesados posteriormente. Se emplean para ello
brazos mecánicos que se engarzan a los troncos y que son
accionados desde vehículos tractores [3].
La recolección por piezas en árboles o en plantas es un
tema que está siendo tratado con especial interés en muchos
centros de investigación y desarrollo en robótica, existiendo
prototipos para cítricos (limones, naranjas y mandarinas),
manzanas y racimos de uvas, e incluso para plantas al aire
libre como sandias, melones o coles. En el caso de cultivos
bajo invernadero, también existen algunos desarrollos de
prototipos para diferentes variedades de tomates, pepinos, o
fresas, así como para la recolección de champiñones. Uno de
los principales problemas a resolver en esta tarea es la
localización de los frutos, siendo preciso el uso de sistemas
sensoriales capaces de detectarlos considerando el efecto de
la superposición de los distintos elementos en una planta o
árbol.
A continuación se muestran algunos de las aplicaciones
que se han desarrollado, tanto como proyectos de
investigación y productos comercializados:
1) Recolector de naranjas y Recolector de manzanas: La
empresa Vision Robotics Corporation (VRC), de San diego
(USA), el recolector de naranjas está compuesto por un
sistema de visión usado para escanear e identificar naranjas
por medio un sistema escáner colocado en varios brazos
multi-ejes usando varias cámaras estereoscópicas para crear
una imagen virtual 3D de todo el árbol de naranjas [18]. La
posición y el tamaño de las naranjas son almacenados y
suministrados a ocho grandes brazos que cogen cada naranja
de una forma fácil, eficaz y económica (Fig. 23).
Fig. 23. Robot recolector de naranjas.
El recolector de manzanas tiene también un sistema de
visión usado para escanear e identificar las manzanas dentro
de una huerta. Las cámaras son colocadas al final de los
booms de escaneo, usando cadenas de cámaras
estereoscópicas para crear una imagen virtual 3D de todo el
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árbol manzanas. La posición y el tamaño de las manzanas
son almacenados y suministrados a los brazos recolectores.
Inmediatamente siguiendo el proceso de escaneo, una serie
de brazos largos rectangulares cogen cada manzana (Fig.
24).
Fig. 24. Robot recolector de manzanas (VRC).
2) Recolector de champiñones: La Universidad de
Warwick, UK, desarrolló un brazo robót que permite
detectar el tamaño adecuado de los champiñones y además
cuales son más saludables, para poder recolectarlos [19]. Su
principal desventaja es que es más lento que la recolección
con mano de obra, ver Fig. 25.
Fig. 25. Brazo robótico recolector de champiñones.
3) Recolecotr de uvas: La Universidad de Okasuma de
Japón, en su facultad de Agricultura desarrolló un robot
multi-usos para trabajar en un viñero [20]. Este robot tiene
un manipulador de coordenadas polares con 5 GDL. La
longitud del brazo es de 1.6m y su peso es de 200kg. Sus
investigaciones se basaron la prueba de varios efectores
especializados para sujetar las uvas, empacarlas y
recolectarlas, ver Fig. 26.
Fig. 26. Sistema recolector de uvas.
4) Robot recolector de fresas: otro proyecto desarrollado
por la universidad de Okasuma son dos sistemas robóticos
recolectores de fresas [20]. Uno es desarrollado para un
sistema de sembrado hidropónico, usando soluciones
minerales en vez de la tierra para los cultivos, y el otro para
sistemas de cultivo en tierra. Como los sistemas de
crecimiento son diferentes, se crearon dos tipos diferentes de
robots. Estos robots tienen componentes similares. El primer
robot esta desarrollado en cooperación con una empresa de
maquinaria agrícola ver Fig. 27.
Fig. 27. Robots recolectores de fresas.
5) Robot recolector de pepinos: desarrollado por la
universidad de Okasuma [20]. Este robot es un manipulador
de 6 GDL diseñado para trabajar en sistemas de
entrenamiento con rejillas inclinadas, las cuales fueron
desarrolladas para el sistema de recolección robotizado. El
sistema de entrenamiento hace que las frutas queden
colgando en las rejillas para que se puedan detectar
fácilmente. Su sensor visual es capaz de discriminar fruta
verde de hojas verdes y tallos, los frutos no maduros por lo
general son recolectados. En este robot, además cuenta con
una cámara monocromática de TV con un filtro de
interferencia óptica de 850nm de longitud de onda, usada
para detectar la fruta por medio de su reflactancia espectral.
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En su efector final fueron instalados un detector del tallo, un
cortador y los dedos manipuladores, debido a la dificultad
que se tiene al detectar la posición del tallo por el sensor
visual y poder cortarlo, ver Fig. 28.
Fig. 28. Robots recolector de pepinos.
6) Robot recolector de tomates y cerezas: otro proyecto
desarrollado por la universidad de Okasuma que está
formado por 4 componentes: un manipulador, un efector
final, un sensor visual, y un dispositivo de navegación [20].
El manipulador tiene 7 grados de libertad con un alto grado
de manipulación. Tiene dos articulaciones prismáticas y 5
rotacionales. Se desarrollaron dos tipos de efectores finales,
uno para los tomates y otro para los tomates de cereza. Para
cortar las frutas, estas primero son succionadas
neumáticamente y luego si están en una posición adecuada
se procede a cortar el tallo, y si no, se mueve un poco el
efector final para tomar una posición adecuada. La fruta
recolectada es transportada por medio de un tubo entre el
efector final y un contenedor, ver Fig. 29. Una cámara CCD
fue usada para diferenciar las frutas de sus tallos y hojas. La
posición de las frutas se detecta por visión estéreo binocular.
Se usó además un sistema de navegación para que el robot se
pueda mover con cuatro ruedas, el cual fue comercializado
como un vehículo para transportarse en invernaderos. Una
segunda fase del proyecto se va a realizar con una
Universidad de USA, una empresa eléctrica y un instituto de
maquinaria agrícola para poder ser comercializada.
Fig. 29. Robots recolector de tomates y cerezas.
7) Recolector VT-2: La empresa española AGROMELCA,
S.L., es una empresa creada en el año 2003 y que está
compuesta por la segunda generación de una empresa
familiar ubicada en el Bajo Aragón que desde hace 30 años
está ligado a la distribución y fabricación de equipos
recolectores para frutos secos y aceitunas, desarrolló un
equipo recolector llamado: VT-2, que va montado en la parte
trasera de un tractor. Incorpora la pinza de alta potencia con
vibración circular continua, con posibilidad de variarla. Este
equipo ofrece innumerables ventajas como es su desmontaje,
su agilidad de maniobra o su visibilidad a la hora de efectuar
enganches al tronco [21]. El sistema VT-2 va equipado con
elevación independiente, desplazamiento lateral, telescópico
y giro en la pinza. El sistema TRV incorpora los siguientes
elementos: Turbo en la vibración, Dos vibraciones en cada
sentido, Regulación del frenado de la pinza, Regulación del
apriete de los brazos al tronco y Auto apriet, ver Fig. 30.
Fig. 30. Brazo robótico recolector de frutos secos.
8) Recolector AutoPick: La empresa ARCUSIN, con sede
en varios países entre ellos España, desarrolla maquinaria
agrícola y entre uno de sus productos se encuentra un
recolector por vibración llamado: AutoPick [22]. Este
recolector es un brazo telescópico vibrador para la
recolección de todo tipo de frutos secos y aceitunas. Gracias
a su avanzada tecnología, posee una extraordinaria
movilidad y capacidad de adaptación a las necesidades de
cada árbol consiguiendo un elevado porcentaje de
recolección con un menor tiempo de vibración. Para
conseguir una perfecta cobertura de vibración del árbol,
diseñaron dos versiones: el MT especializada en atacar las
ramas y el GT que ataca directamente el tronco. Con
AutoPick, solo una persona con un tractor, son suficientes
para poder recolectar frutos secos con grandes rendimientos,
ver Fig. 31.
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Fig. 31. Brazo robótico recolector de frutos secos.
V. FUTURAS APLICACIONES
En el futuro se esperara el uso masivo de sistemas
robotizados tanto a descampado como en invernaderos.
En invernaderos se esperaría un sistema totalmente
autónomo con robot macetas y cultivos conectados a través
de redes de comunicación inalámbricos. Las plantas de los
cultivos estarán equipadas con sensores en el suelo, y
transductores que comunicaran al sistema robótico la
necesidad de agua y nutrientes, al igual que cosechar los
frutos e incluso polinizar las plantas. Este tipo de
especialización permitirá una gran reducción de los recursos
consumidos en el proceso de crecimiento.
Todo indica que en grandes extensiones habrá una
supervisión de los cultivos a través de cómo se está
comenzando a realizar hoy de UAVs específicos, que
entregaran información precisa del estado de salud de los
cultivos, apoyado de robot móviles que se distribuirán a
través del campo, haciendo acciones como eliminación de
maleza y control de plagas; eliminando la necesidad de
elementos nocivos y contaminantes para los suelos y el
medio ambiente.
La granja del futuro a grande escala será gestionada en su
integridad por un sistema informático que regula la actividad
de los robots que se ocupan del campo con la ayuda de
satélites, que al mismo tiempo conocerá la situación de los
mercados a los que van dirigidos los productos de cultivo y
dirigirá el ordeño de las vacas, que se realiza mediante
robots (estos robots ya funcionan en algunos países con
comprobada eficacia).
En laboratorios de Diseño de sistemas Agrícolas y
Biológicos, los nuevos desafíos son resolver los problemas
anteriores en sistemas agrícolas y también diseñar robots
para interpretar sistemas biológicos capaces de medir y
hacer as y químicas de la planta bajo su cuidado. Las
personas podrán hacerse cargo de granjas enteras aun
cuando no tengan la experiencia ya que el robot se encargara
de los detalles técnicos de la siembra, rociado y recolecta o
requiriendo cada vez menos mano de obra calificada
dedicada a estas labores. En un futuro los robots deben ser
capaces de no requerir nuevos programas sino aprender y
ajustar sus parámetros mediante la observación y
posteriormente repetirla con precisión, ese es el objetivo a
futuro [23].
Cabe destacar el potente desarrollo de proyectos de
investigación en muchas universidades, en donde podemos
destacar algunos de los concursos que se realizan enfocados
a la robotización de la agricultura, entre los que se
encuentran: el evento Field Robot Event, fundado por la
Universidad de Wageningen, en Píses Bajos [24]. En el año
2008 se desarrollo el concurso en Alemania, ver Fig. 32.
Fig. 32. Field Robot Event 2008, University of Applied Sciences Osnabrück.
Otro concurso que se llevará a cabo este año se realizará
en la Escuela Técnica Superior de Agrónomos de la
Universidad Politécnica de Madrid en donde estudiantes de
ingeniería de todo es mundo competirán en el “I Concurso
Internacional de Robótica en Agricultura Agrotech
2009” [25]. El reto es resolver pruebas y problemas de
interés actual en el sector mediante la construcción de un
equipo robotizado y su programación informática.
Nuevas generaciones de estos robots podrán sembrar,
fumigar, cosechar y realizar muchas de las difíciles tareas
del mundo agrícola. Todas estas tecnologías desembocarán
en la granja del futuro, equiparable a las casas dotadas con
todas las modernas tecnologías, integradas en un único
sistema que lo regula todo. Después de redimir al sector
servicios y al industrial, parece que la robótica, por fin, se
decide a impulsar la actividad primaria, fundamental para los
países en desarrollo.
VI. CONCLUSIÓN
En cuanto al uso de robots en la preparación de cultivos se
han encontrado investigaciones que apuntan al uso
combinado, que en agricultura se denomina: agricultura de
precisión, ya que dan un soporte tecnológico y preciso a las
faenas como la eliminación de malezas en los cultivos, con
sus tratamientos tanto de agroquímicos como mecánicos,
optimizando tanto insumos químicos, como realizando una
producción totalmente orgánica en el caso de desmalezado
por medios robóticos mecánicos. El uso de podadores
robóticos como en caso del trabajo de los viñeros es un gran
avance que comercialmente estará disponible en tres años
más, al igual que la aplicación a la poda de otros árboles. Se
ha observado también la gran ventaja que radica el uso de
UAVs en la agricultura ya que se pueden realizar muchos
análisis de las fotografías aéreas para la preparación de
cultivos en particular (donde usar fungicidas y qué cantidad
se debe suministrar, calidad de la humedad del suelo, etc.).
Además, el agricultor puede ver en tiempo real el estado de
su campo.
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El uso de robots en la siembra deja de manifiesta el gran
potencial de esta tecnología y el impacto que tendría en los
campos, ya que haría una siembra más precisa al igual que
daría solución a la creciente baja en la mano de obra de esta
actividad. También el manejo de trasplantes de cultivos que
se realizan en un invernadero para llevarlos al campo ya son
soluciones comerciales robotizadas existentes.
El mayor problema que se enfrenta la robotización
agrícola, es el alto coste inicial que se requiere, al igual que
la poca preparación especializada por parte del agricultor.
La Ingeniería agrícola se ha convertido en un campo de
alta tecnología con mayor relevancia en todo el mundo con
respecto a la alimentación, la energía (biocombustibles), así
como para mejorar la conservación del medio ambiente. Hay
una gran necesidad de innovaciones y nuevas ideas para
crear soluciones. Las aplicaciones futuras de robots
autónomos y cooperativos en la agricultura será una
revolución en este campo.
El uso de técnicas de precisión junto con sistemas
robotizados mejora el manejo de suelos y cultivos. Además,
estos sistemas hacen uso del procesamiento de grandes
volúmenes de información para la toma de decisiones, con lo
cual se puede minimizar el uso de productos agroquímicos
mientras se asegura un control efectivo de plagas, malas
hiervas y enfermedades, a la vez de suministran una cantidad
adecuada de nutrientes a los cultivos.
En el marco de sistemas robóticos de navegación
autónoma en procesos de siembra se puede realizar con gran
precisión, incrementando el rendimiento del los cultivos.
Los robots ahora son reconocidos como dispositivos que
ofrecen las soluciones a los problemas de envejecimiento de
los agricultores o la disminución del número de granjeros
que ocurre en la mayoría de países en el mundo ya que no
hay generación humana de relevo para cultivar, porque la
agricultura no es fascinante para la generación de los más
jóvenes.
La tendencia sin duda es hacer robots cada vez mas
cooperativos con el humano ya que comparten el mismo
ambiente activo y que al no estar controlado es necesario
que el robot este en la capacidad de detectar al humano,
interpretar esta situaciones y actuar en consecuencia, sin
duda alguna la interacción social humano robot ya es un
hecho, solo hay que mejorarla.
REFERENCES
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[22] Recolector de frutos secos, AutoPick, de la empresa arcusin. http://www.arcusin.com
[23] E. Pico, Robots de servicio: aplicaciones en agricultura y
Ganaderia.Trabajo desarrolla para la signatura de Robots de Servicio del Máster de Automática y Robótica de la UPM, 2008.
[24] Field Robot Event. http://www.fieldrobotevent.de
[25] I Concurso Internacional de Robótica en Agricultura Agrotech 2009.
http://www2.upm.es