Realizzazione di un prototipo di cable robot a scala di laboratorio per applicazioni di monitoraggio e gestione colturale a elevata precisione

 Marco Davide Michel Torrente 

Università degli Studi di Milano – Facoltà di Scienze Agrarie e Alimentari

Sintesi della tesi di laurea vincitrice dell’AgroInnovation Award 2019 categoria ingegneria agraria e meccatronica

Il contesto generale di innovazione tecnologica proprio del periodo attuale, fortemente caratterizzato dalla disponibilità di enormi quantità di dati acquisiti da diverse sorgenti, sta portando in maniera sempre più importante a una generale adozione delle metodologie e tecnologie proprie dell’informatica e dell’automazione in tutti i settori.
L’agricoltura nella sua evoluzione non fa eccezione e con l’attuale sviluppo dell’agricoltura di precisione, basata sulla modulazione dell’apporto di input secondo le potenzialità produttive sito-specifiche, si stanno adottando strumenti tecnici a contenuto tecnologico sempre più elevato. Si tratta di sistemi in grado di garantire un risparmio o un’ottimizzazione di risorse e tempo, portando al contempo a una riduzione del potenziale impatto ambientale delle operazioni di campo.
In futuro sono probabili ulteriori salti tecnologici, dato che per far fronte alle sfide che attendono l’agricoltura nei prossimi decenni sarà indispensabile un livello di efficienza di impiego dei fattori produttivi possibile solo grazie ad approcci di altissima precisione.
Per questi motivi è ragionevole attendersi applicazioni di robotica in agricoltura che consentano di fare evolvere l’attuale risoluzione spazio-temporale degli approcci di agricoltura di precisione verso soglie che si potrebbero definire proprie di un’agricoltura di ultra-precisione.In questo contesto, diversi sensori non solo potranno acquisire grandi volumi di dati ad elevata risoluzione spaziale e temporale ma saranno in grado anche di collegarsi in tempo reale a reti multi-nodo così da scambiare e confrontare dati con altre unità remote, in modo da permettere decisioni istantanee basate su più livelli informativi e di effettuare direttamente operazioni colturali con l’esecuzione di interventi mirati dotati di grande precisione spaziale.
Considerando la scala di lavoro dell’attività agricola, tra le possibili applicazioni robotiche diventa interessante considerare l’impiego dei cable driven parallel robot o più semplicemente, cable robot, ovvero macchine capaci di movimentare carichi, anche di entità notevole e su ampie distanze, per mezzo di cavi flessibili manovrando lo spostamento tridimensionale di un terminale (end effector) nello spazio. Sull’end effector è ovviamente possibile montare piattaforme multi-sensore per compiere azioni di monitoraggio ad elevata precisione oppure attuatori dedicati allo svolgimento di operazioni colturali mirate, quali ad esempio trattamenti selettivi sulla coltura, anche in caso di inaccessibilità del campo a causa della taglia delle piante o per le condizioni del fondo.

Nel lavoro di tesi, dopo un’analisi della letteratura scientifica focalizzata sulle principali applicazioni dei cable robot e delle problematiche progettuali di tali sistemi, si è proceduto alla progettazione e alla realizzazione di un prototipo di cable robot a quattro cavi di trazione con dimensioni di massima pari a 2,2 m x 0,8 m per la base e 1,5 m per l’altezza, costruito a scala di laboratorio ma, comunque, sufficiente a svolgere alcune sperimentazioni applicative preliminari su lotti di piante coltivate in vaso.
L’architettura generale su cui si basa il funzionamento del sistema è basata su un controllo di tipo distribuito ovvero gestito localmente da microcontrollori low-cost del tipo Arduino Uno. Questi microcontrollori, programmabili mediante l’ambiente di sviluppo dedicato e scaricabile gratuitamente, sono stati impiegati con lo scopo di realizzare una rete in grado di gestire il funzionamento del cable robot in maniera efficace ed economica. Ogni microcontrollore è in grado di gestire una singola unità, corrispondente a un singolo cavo di trazione, pilotando un motore in corrente continua e monitorandone la posizione angolare in tempo reale per mezzo di encoder che forniscono un segnale di feedback necessario al corretto funzionamento del sistema.
Ogni nodo (microcontrollori + motore + encoder) è inserito in una rete di comunicazione dati che rende possibile la veloce interconnessione tra le diverse unità o nodi mediante l’utilizzo del protocollo CAN BUS, standard universalmente adottato nelle macchine e impianti agricoli per la sua modularità e versatilità di funzionamento.
Oltre ai microcontrollori che gestiscono le rispettive unità motrici, fa parte della rete anche l’end effector, anch’esso dotato di un microcontrollore dedicato a gestire il funzionamento dei sensori o attuatori a bordo, oltre che a un modulo di gestione manuale del robot e di interfaccia con l’unita master costituita da un PC preposto al calcolo in tempo reale della cinematica del robot oltre che all’acquisizione, registrazione e rielaborazione dei dati ottenuti durante il funzionamento.
Il prototipo è stato sottoposto successivamente ad alcune prove sperimentali, finalizzate a validarne l’effettiva funzionalità. Tali prove hanno riguardato: l’affidabilità di posizionamento dell’end effector all’interno del volume di lavoro; la funzionalità di alcuni sensori a ultrasuoni per ricostruire la mappa tridimensionale di occupazione dell’area di lavoro, individuando la posizione di bersagli (piante in vaso) o di ostacoli presenti al suo interno e infine il grado di precisione ottenuto durante una missione di lunga durata simulando un intervento di fertirrigazione di precisione su piante di cetriolo in serra.
Dalle prove sperimentali è emerso che l’errore medio di posizionamento assoluto misurato è stato pari a 0,9 cm, mentre durante le prove che riguardavano il rilievo delle superfici dello spazio di lavoro e la stima della posizione delle piante mediante l’utilizzo di un sensore ad ultrasuoni, l’errore medio inerente a questa stima è stato di 2,5 cm. Tale errore più elevato e da inputare alla tipologia di sensore utilizzato e questo può essere ridotto sostituendo il sensore con un altro dotato di un livello di complessità più elevato.

Ricadute applicative

In termini generali è parso molto interessante che i componenti hardware impiegati, nonostante il loro costo molto contenuto, abbiano consentito di realizzare il prototipo e di raggiungere gli obiettivi di controllo della navigazione e precisione di posizionamento attesi.
Un elemento di innovatività è rappresentato dal fatto che sia stato utilizzato il protocollo CAN BUS per la gestione della rete di comunicazione dei dati che garantiscono sia il corretto posizionamento angolare dei motori, dunque la cinematica dell’effettore, che la ricezione dei dati provenienti dai sensori a bordo dell’end effector.
Tale protocollo potenzialmente è in grado di garantire, oltre alla possibilità di implementare in maniera semplice altri componenti compatibili con questo protocollo, elevata modularità e riconfigurabilità alla macchina consentendo l’aggiunta di nodi e quindi componenti, siano essi sensori o attuatori, senza rendere necessarie grosse modifiche sia a livello hardware che software.
Dai risultati ottenuti nei test di laboratorio e di serra è emerso in primo luogo come l’accuratezza e la precisione di posizionamento raggiunte dall’end effector siano compatibili con le esigenze del settore agricolo e di un’ipotetica applicazione di questa tipologia di manipolatori per compiere azioni di monitoraggio ed intervento ad elevata precisione sulla coltura.
Risulta interessante, anche in vista di un impiego di campo, la possibilità di ampliare in maniera relativamente semplice la scala dimensionale del prototipo sostituendo gli attuatori con altrettanti dotati di maggiore potenza e adeguando opportunamente la dimensione dei cavi di trazione, ma mantenendo invariato il software che gestisce la cinematica dell’effettore finale.
Aumentando le dimensioni del volume di lavoro, una macchina di questo genere potrebbe essere impiegata in applicazioni di serra, o pieno campo, in vigneto o frutteto, anche su piante di alto fusto. In campo, per esempio, potrebbe risultare utile a garantire l’accessibilità al campo anche a stadi avanzati di crescita della coltura o permettere l’esecuzione di alcune operazioni senza avere un compattamento del suolo, rapidità di revisiting di punti specifici ed elevatissima accuratezza di posizionamento.
Come possibili sviluppi futuri e per testare eventuali applicazioni pratiche è necessario come primo punto fondamentale ampliare il raggio d’azione della macchina e ottimizzarne la geometria e il funzionamento a seconda dei tasks che dovrà svolgere. Per ottimizzare ulteriormente l’azione del cable robot sarebbe necessario dunque sperimentare anche diversi tipi di arrangiamento dei cavi, argomento trattato nella letteratura inerente, per verificarne la funzionalità rispetto a diverse tipologie di tasks.
Come esempio di una possibile linea di sviluppo e cambio di concezione, potrebbe essere interessante realizzare un manipolatore che sfrutta gli stessi principi di funzionamento del prototipo in questione ma pensato per essere un end effector stand alone, ovvero che ossiede a bordo gli attuatori, i microcontrollori necessari, i motori e i cavi di trazione in modo da avere un sistema indipendente che non necessita di un frame specifico, trasportabile e ancorabile a diverse tipologie di sostegni anche naturali presenti in loco. Un sistema di questo tipo potrebbe essere utilizzato per esempio all’occorrenza o in applicazioni fisse in serra utilizzando come ancoraggi gli elementi strutturali della serra stessa, in vigneto sfruttando l’infrastruttura dei filari o a livello di singole parcelle sperimentali utilizzando appositi sostegni.
Un altro esempio interessante di applicazione ad elevato raggio d’azione, con dimensioni più vicine a quelle tipiche del pieno campo, potrebbe essere una variante dotata di due sostegni semoventi in grado di traslare lungo un appezzamento o un settore con una struttura che potrebbe ricordare una sorta di cable rainger che potrebbe essere utilizzata in operazioni di monitoraggio e/o intervento di tipo leggero come un irrigazione una semina o una concimazione caratterizzati dall’elevatissima precisione.
Il prototipo risulta inoltre interessante anche per le notevoli potenzialità di ottimizzazione e di sviluppo di ulteriori funzionalità per mezzo dell’aumento del livello qualitativo dei sensori a bordo dell’end effector.
Tali sensori permetterebbero di garantire una più elevata qualità dei dati ottenuti durante le azioni di monitoraggio e intervento attivo, aumentando di conseguenza la qualità e la quantità delle funzioni implementabili e delle informazioni ottenibili. Ad esempio, dotando l’end effector di una videocamera in grado di catturare immagini e filmati con sensori multispettrali sarebbe possibile l’implementazione di reti neurali, utili ad integrare sistemi di intelligenza artificiale per esempio con il sistema di navigazione, conferendo potenzialmente al sistema la possibilità di rilevare e riconoscere in maniera autonoma eventuali target da raggiungere per compiere particolari interventi o per rilevare eventuali ostacoli presenti nel campo d’azione dell’end effector e operare correzioni di traiettoria con lo scopo di evitarli.