Robot en la Agricultura.pdf

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. 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.

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El Resumen  — El

I. I NTRODUCCIÓN 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

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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]:    

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Robots de exteriores Limpieza profesional Sistemas de inspección Construcción y demolición

 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]) [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]) [email protected])

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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 pequeña introducción 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 d esarrollo 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  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.

 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. 

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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. R OBOTIZACIÓN 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.  P reparación del C ultivo

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].

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.

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. 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. Fig. 5. Robot prototipo para el desmalezamiento en plantaciones de árboles de navidad.

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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.

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. 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:   

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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).

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

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.

 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

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 multiespectrales.

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

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.

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].

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: 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.  Robot de transporte en remolques.

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. 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. 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

Fig. 17. Robot transplantador XT600J.

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. 19. AURORA, Robot para invernaderos (Universidad de Málaga y Universidad de Sevilla). 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,

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.

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. 20. Robot Móvil con un sistema de Visión por computador y otro de micro-pulverización.

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. 3) Robot para el cuidado de plantas, Hortibot:

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.

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: 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). 1) Recolector de naranjas y Recolector de manzanas:

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

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

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. 26. Sistema recolector de uvas.

4) Robot recolector de fresas:  otro

Fig. 24. Robot recolector de manzanas (VRC).

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. 2) Recolector de champiñones:

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. 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.

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.

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.

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. 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].

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.

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. R EFERENCES [1] A. Barrientos, Peñin, Balaguer, Aracil.  Fundamentos de Robótica. Segunda Edición, p. 469. [2]  Agricultura, www.Wikipedia.com. [3] Libro Blanco de la Robótica:  De la investigación al desarrollo tecnológico y aplicaciones futuras. Edita: CEA - GTRob con subvención del MEC. 1ª edición, 2007, p. 37- 41. ISBN: 978-84-6903884-0. [4] Tillett and Hague Technology Ltd. Wrest Park, Silsoe, Beds, UK, MK45 4HR . http://www.thtechnology.co.uk/ [5] Vision guided mechanical weed control. Halmstad University. The Intelligent Systems Laboratory. http://islab.hh.se/islab/islab/projects/mechweed.html [6] Autonomous weeders for Christmas tree plantations - a feasibility study . Simon Blackmore , Henrik Have. The Royal Veterinary and Agricultural University, Section of AgroTechnology. Bent Keller, Spyros Fountas, Henning Nielsen and Frans Theilby. The Danish

[7] [8] [9] [10] [11] [12] [13]

Forest and Landscape Institute, Department of Forestry . http://www2.mst.dk/ Tillett and Hague Technology Ltd. Wrest Park, Silsoe, Beds, UK, MK45 4HR. http://www.thtechnology.co.uk/Current%20projects.html Vision Robotics Corporation (VRC) http://visionrobotics.com/ CATUAV .Camp de vol El Prat 08180 Moià (Spain) Tel. (+34) 93 830 05 30 · http://www.catuav.com , [email protected] CropCam, P.O. Box 720 ,72067 Road 8E, Sturgeon Rd. Stony Mountain, Manitoba, Canada R0C 3A0, http://www.cropcam.com/  NARO National Agriculture and Food Research Organization http://www.naro.affrc.go.jp/index_en.html Laboratory of Agricultural Systems Engineering of japon (LASE). http://mama.agr.okayama-u.ac.jp/lase/index_sys_E.html Universidad de Agricultura y Tecnología de Tokio . http://www.utokyo.ac.jp/index_e.html

[14] Cermosán, S.L. C/ Marqués de Sotelo, 1 46610 Guadassuar (Valencia) Tel.: +34 962 572 067 Fax: +34 962 571 372e-mail: [email protected]://www.cermosan.com [15]  Robot Móvil para invernaderos, AURORA . www.isa.uma.es/.../ActividadesGRUPO.htm [16] Robot Móvil con un sistema de Visión por computador y otro de micro-pulverización: AGROBOT. http://www.agrobot.dk/index.htm [17] Robot para el cuidado de plantas. http://www.hortibot.dk  [18] Sistemas robotizados para cosechar naranjas, manzanas. http://visionrobotics.com [19] http://www2.warwick.ac.uk/newsandevents/pressreleases [20] Ingeniería de Sistemas de Bioproducción, Facultad de Agricultura, de la Universidad de Okasuma, de Japón. http://mama.agr.okayamau.ac.jp [21] Recolector de frutos secos, Vt-2, de la empresa AGROMELCA, http://www.agromelca.com [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