Feasibility study of mechanization of agricultural robots in the harvesting of artichokes

Robotics is nowadays a fundamental discipline in the industrial field, allowing the development of the mechanization of agriculture. The research activity carried out in recent years has focused on the study for the introduction, in the agricultural field, of automatic systems and prototypes of robots to reduce production costs; it was operated mainly in highly productive contexts, ready to receive automated systems both from the technological and the economic point of view. The automation of a set of extremely repetitive and tedious cultural operations, as well as physically and mentally wearing for humans, can have a favourable social impact. The study conducted in the present thesis work, aims at the presentation and description of robots capable of harvesting a crop that gives Italy, especially in the South, the primacy of world production: the artichoke. The artichoke harvesting methods are mostly manual. It has been verified that the manual harvesting operation represents a significant part of the crop costs, since it accounts for more than 50% of the crop labour requirement, estimated at about 600-700 ha-1 year-1 working hour. The use of robots that can work uninterruptedly for hours, guaranteeing minimum costs and high production, is the optimal solution to the problem of harvesting. The thesis therefore aims to describe the operation of two robots, with different design features and operating differently in the collection operation. In the field, certain cultivars and specific plants were chosen to optimize the harvest. Types of artichoke have been cultivated, such as to have a higher yield per hectare and not for a single plant. So, we have been concerned to maximize the number of flower heads per hectare, to increase the quantity to the detriment of quality. The robots were consequently designed considering the artichoke harvest for industrial use. Both robots were made using the graphic development environment Lightwave 3D version, while the tables and graphs related to experimental measurements in the field were made using Microsoft Excel. The thesis is organized in 4 chapters. Chapter 1 gives a brief description of preliminary analysis and their project alternatives as well as gives a brief description of the artichoke plant and a somewhat more detailed description of the structure of the plants. Describes the general knowledge framework and the objectives of the intervention, analysis of supply and demand, the management model of the work and project alternatives. Chapter 2 describes the technical feasibility. Describes the which functions to be installed, the technical-functional characteristics, dimensions of the works to be carried out and the operation of robots, showing the graphic creation of the artichoke field, roughly respecting the actual size of the plant and detail the physical characteristics, operation and collection method of the two robots. Deals with an application - experimental part to validate the two types of collection and to evaluate the yields in terms of time and quality. It is dedicated to the analysis of the experimental results on the operation of both machines with the same working conditions. Chapter 3 describes the assessment of "financial sustainability plan" for our robots. Envisage an adequate project financing plan and their elements. Brief explanation of four pillars of financial sustainability, requirements to procure financial sustainability and their criterion. Last but not the least, briefly describes the financial study of artichoke harvesting robots. Chapter 4 gives the short explanation of the "risk and sensitivity analyses" of artichoke harvesting robots (ARHA robot). The thesis is enriched by numerous images and illustrations, which facilitate the understanding of the design of the two robots. Moreover, mostly focusing on ARHA robots and their future characteristics and implementation.

La robotica è al giorno d'oggi una disciplina fondamentale nel campo industriale, che consente lo sviluppo della meccanizzazione dell'agricoltura. L'attività di ricerca svolta negli ultimi anni si è concentrata sullo studio per l'introduzione, in campo agricolo, di sistemi automatici e prototipi di robot per ridurre i costi di produzione; è stato gestito principalmente in contesti altamente produttivi, pronti a ricevere sistemi automatizzati sia dal punto di vista tecnologico che economico. L'automazione di un insieme di operazioni culturali estremamente ripetitive e noiose, nonché di abbigliamento fisico e mentale per l'uomo, può avere un impatto sociale favorevole. Lo studio condotto nel presente lavoro di tesi, mira alla presentazione e alla descrizione di robot capaci di raccogliere un raccolto che regala all'Italia, soprattutto nel Sud, il primato della produzione mondiale: il carciofo. I metodi di raccolta del carciofo sono per lo più manuali. È stato verificato che l'operazione di raccolta manuale rappresenta una parte significativa dei costi delle colture, poiché rappresenta oltre il 50% del fabbisogno di manodopera coltivata, stimato a circa 600-700 ha-1 anno-1 ora lavorativa. L'utilizzo di robot in grado di lavorare ininterrottamente per ore, garantendo costi minimi e produzione elevata, è la soluzione ottimale al problema della raccolta. La tesi mira quindi a descrivere il funzionamento di due robot, con caratteristiche progettuali diverse e operanti in modo diverso nell'operazione di raccolta. Sul campo, alcune cultivar e piante specifiche sono state scelte per ottimizzare il raccolto. Sono stati coltivati ​​tipi di carciofo, tali da avere una resa maggiore per ettaro e non per una singola pianta. Quindi, ci siamo preoccupati di massimizzare il numero di teste di fiori per ettaro, per aumentare la quantità a discapito della qualità. I robot sono stati progettati di conseguenza considerando la raccolta di carciofi per uso industriale. Entrambi i robot sono stati realizzati utilizzando l'ambiente di sviluppo grafico Lightwave versione 3D, mentre le tabelle e i grafici relativi alle misurazioni sperimentali nel campo sono stati realizzati utilizzando Microsoft Excel. La tesi è organizzata in 4 capitoli. Il capitolo 1 fornisce una breve descrizione delle analisi preliminari e delle loro alternative di progetto, oltre a fornire una breve descrizione della pianta di carciofo e una descrizione un po 'più dettagliata della struttura delle piante. Descrive il quadro generale delle conoscenze e gli obiettivi dell'intervento, l'analisi dell'offerta e della domanda, il modello di gestione del lavoro e le alternative di progetto. Il capitolo 2 descrive la fattibilità tecnica. Descrive le funzioni da installare, le caratteristiche tecnico-funzionali, le dimensioni delle opere da eseguire e il funzionamento dei robot, mostrando la creazione grafica del campo di carciofo, rispettando grosso modo le dimensioni effettive dell'impianto e dettagliare le caratteristiche fisiche , funzionamento e metodo di raccolta dei due robot. Si occupa di un'applicazione - parte sperimentale per convalidare i due tipi di raccolta e valutare i rendimenti in termini di tempo e qualità. È dedicato all'analisi dei risultati sperimentali sul funzionamento di entrambe le macchine con le stesse condizioni di lavoro. Il capitolo 3 descrive la valutazione del "piano di sostenibilità finanziaria" per i nostri robot. Prevedere un piano di finanziamento del progetto adeguato e i loro elementi. Breve spiegazione di quattro pilastri della sostenibilità finanziaria, requisiti per ottenere la sostenibilità finanziaria e il loro criterio. Ultimo ma non meno importante, descrive brevemente lo studio finanziario dei robot per la raccolta di carciofo. Il capitolo 4 fornisce la breve spiegazione delle "analisi del rischio e della sensibilità" dei robot di raccolta di carciofo (robot ARHA). La tesi è arricchita da numerose immagini e illustrazioni, che facilitano la comprensione del design dei due robot. Inoltre, concentrandosi principalmente sui robot ARHA e sulle loro caratteristiche e implementazione future.