Automatización de injertos agrícolas con un sistema robótico de manipulación dual

Resumen

El presente trabajo se centra en el estudio y desarrollo de la automatización de las tareas de injerto en plantas solanáceas a través de un sistema robótico de manipulación dual. El objetivo principal del mismo es explorar las posibilidades de la robótica aplicada a la agricultura, específicamente en el contexto de los injertos, con el fin de mejorar la precisión y eficiencia de estas técnicas en el ámbito agrícola. Además, se pretende establecer unas bases iniciales para la realización de esta tarea de forma autónoma, ya que no había trabajos previos en ella.

La metodología empleada en este trabajo se basa en la utilización del robot YuMi de ABB, que es uno de los principales fabricantes de robots colaborativos e industriales. YuMI es un dispositivo versátil, capaz de realizar movimientos precisos y colaborativos gracias a sus dos brazos articulados, cada uno de los cuales consta de siete grados de libertad y una garra como efector final. Además, en este Trabajo Fin de Máster se explora el uso de herramientas como ROS (Robot Operating System) y MoveIt para la programación y control de los movimientos del sistema robótico de manipulación dual, lo que posibilita la simulación y planificación de sus trayectorias en un entorno virtual. La primera parte de este trabajo abarca una revisión exhaustiva del estado del arte en robótica agrícola, explorando las tecnologías y avances recientes en esta área. Además,más adelante en la memoria, se investigan aspectos éticos y legales asociados con la implementación de robots en entornos agrícolas, considerando tanto el impacto en los trabajadores como en el medio ambiente. De esta manera se pretende destacar que se ha llevado a cabo un análisis teórico previo y posterior a la realización del proyecto, además de la propia implementación del sistema de automatización robótico.

A continuación, el proyecto se ha centrado en la descripción detallada de los elementos utilizados para la consecución de los objetivos, desde el robot YuMi, sus elementos y los objetos que tiene que manipular, hasta las herramientas de programación y simulación como ROS y MoveIt. También se han abordado conceptos teóricos de cinemática directa e inversa y planificación de trayectorias, previos al desarrollo práctico, para dar un mayor contexto. Además, estos conceptos han sido fundamentales para lograr movimientos precisos y coordinados en el entorno propuesto.

La parte de implementación de este proyecto se ha basado en la programación y simulación de la secuencia de movimientos requeridos para la consecución de los injertos con el robot propuesto, y su visualización se ha llevado a cabo en el programa RViz. Este programa ha permitido simular de manera precisa los movimientos de los brazos robóticos en un entorno virtual, similar a como sería en la realidad, por lo que contribuirá a reducir el tiempo de implementación en el robot real. Además, este entorno permite analizar los puntos de mejora en las trayectorias y en las interacciones con los objetos a manipular.

El robot YuMi, con sus dos brazos articulados y capacidad de colaboración segura con humanos, ha sido la pieza clave en la ejecución de este proyecto. El estudio de la cinemática directa e inversa, en conjunto con el algoritmo RRT-Connect también han sido fundamentales para la planificación de trayectorias eficientes y sin colisión y para lograr movimientos coordinados de los brazos. La capacidad de adaptación y optimización del algoritmo RRT-Connect ha demostrado ser adecuado para nuestro objetivo, permitiendo posicionar las garras del robot en puntos específicos dentro de un entorno agrícola simulado.

Por todo lo anterior, se puede afirmar que el proyecto realizado otorga una visión más realista de cómo funcionaría el sistema robótico de manipulación dual en un entorno real para la automatización de las tareas de injerto. Además, se ha buscado resolver los desafíos asociados a la configuración inicial del robot, para que se pueda utilizar en proyectos futuros de forma más fácil y directa. Es decir, a pesar de la naturaleza simulada del entorno, este trabajo sienta las bases para futuras investigaciones y aplicaciones en el campo de la robótica en la agricultura con el sistema robótico de manipulación dual.

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This work focuses on the study and development of the automation of grafting movements in plants through collaborative robots. The main objective is to explore the possibilities of robotics applied to agriculture, specifically in the context of grafting, in order to improve the precision and efficiency of these techniques in the agricultural field. In addition, the aim is to establish an initial basis for carrying out this task, as there was no previous work in this area.

The methodology employed in this work is based on the use of the YuMi robot from ABB, one of the leading manufacturers. This is a versatile device featuring two articulated arms with seven joints each and two claws at the end, capable of precise and collaborative movements. The use of tools such as ROS (Robot Operating System) and MoveIt for programming and controlling the robot's movements is explored, allowing the simulation and planning of trajectories in a virtual environment.

The first part of this work covers a comprehensive review of the state of the art in agricultural robotics, exploring recent technologies and advances in this area. In addition, ethical and legal aspects associated with the implementation of robots in agricultural environments are further investigated, considering both the impact on workers and the environment. Because of that, it is meant to express that a theoretical analysis is made before and after the realisation of the project, in addition to the implementation of the robot itself.

The project then focuses on the detailed description of the elements used to achieve the objectives, from the YuMi robot, its elements and the objects it has to manipulate, as well as to the programming and simulation tools such as ROS and MoveIt. Theoretical concepts of direct and inverse kinematics and trajectory planning are also addressed, before the practical development, to give a greater context. Furthermore, these concepts will be fundamental to achieve precise and coordinated movements in an agricultural environment.

The execution of this project has been based on the programming and simulation of grafting movements in the proposed robot, the visualisation of which has been carried out in the RViz programme. This programme has made it possible to accurately simulate the movements of the robotic arms in a virtual environment, similar to how it would be in reality, thus reducing the implementation time on the real robot. In addition, this makes it possible to analyse the points of improvement in the trajectories and in the
interactions with the objects to be manipulated.

The YuMi robot, with its two articulated arms and its ability to safely collaborate with humans, has been the key player in the execution of this project. Direct and inverse kinematics have been explored to achieve coordinated movements with its arms and claws, using the RRT-Connect algorithm for efficient and collision-free path planning. The adaptive and optimising capability of this algorithm has proven to be suitable for our objective, allowing us to bring the robot grippers to precise points in a simulated agricultural environment.

For all of the above, it can be stated that the project carried out provides a more realistic vision of how the robot would work in a real environment, as well as trying to solve the initial configuration problems of the robot, so that it can be used in future projects. In other words, despite the simulated nature of the environment, this work lays the foundations for future research and applications in the field of robotics in agriculture.