Compliant motion for a mobile manipulator

Abstract

Weed infestation is a significant problem to crop health and pasture yields, requiring targeted and efficient solutions. Current weeding practices mean spraying large amounts of herbicides. With mechanical weeding, the usage of toxic chemicals can be avoided.

In this thesis an automatic mechanical weeding robot is developed by creating the kinematic model and control solution for a robot arm with forward, inverse, and differential kinematics as well as compliant motion control for maintaining contact forces. In addition to the arm control, a navigation system for a mobile platform is created that includes extended Kalman filter with sensor integration for position estimation and coordinate navigation with path planning.

This weeding robot is tested in real-world outdoor setting, where it demonstrates autonomous navigation to weeds, weed detection, and removing them from the soil. By offering a viable alternative to conventional herbicide- based approach, this solution shows promise for a sustainable agricultural practice.

Rikkaruohot ovat merkittävä ongelma viljelyskasvien ja laidunmaan terveydelle ja tuotolle. Ne vaativat kohdistettuja ja tehokkaita ratkaisuja. Nykyisillä kitkentätavoilla levitetään suuria määriä kasvimyrkkyjä, joiden käyttöä voidaan välttää käyttämällä myrkkyjen sijaan mekaanista kitkentää.

Tässä työssä kehitetään automaattinen mekaaninen kitkentärobotti luomalla kinemaattinen malli ja ohjausjärjestelmä robottikädelle, jossa on suora-, käänteinen- ja differentiaalikinematiikka sekä joustava liikeohjaus kosketusvoimien ylläpitämiseksi. Robottikäden lisäksi, liikkuvalle alustalle kehitetään navigaatiojärjestelmä, joka sisältää laajennetun Kalman-suotimen anturi-integraatiolla paikan estimointiin sekä koordinaattinavigoinnin reitinsuunnittelulla.

Kitkentärobotti testataan aidossa ulkoilmatilanteessa, jossa se osoittaa autonomisen navigoinnin rikkaruohoille, rikkaruohojen tunnistuksen sekä rikkaruohojen kitkennän maasta. Tämä ratkaisu on lupaava vaihtoehto kestävälle maataloudelle tavanomaisen kasvimyrkkypohjaisen menettelyn sijaan.