Human-robot interaction strategies in agriculture

Abstract

Currently, the robotics area is capable of solving a wide variety of problems, being able to automate certain processes that usually take place in controlled and well-structured environments, and considering well-established tasks. Agriculture is one of the areas that most urgently require robotic solutions to increase its production. However, the agricultural area is challenging, and the path to fully autonomous solutions is still a long path. This is mainly because agricultural processes demand that robots be able to work in complex and unstructured environments, as well as having the ability to understand human needs in order to support them. In this context, human-robot interaction strategies (HRI) emerge as a technological solution capable of combining the advantages and skills of humans and robots by allowing them to collaborate in a shared workspace. This can help reduce human workload, increase the efficiency of agricultural processes, increase safety, improve decision-making, optimize farm management, among others. In this thesis, a detailed study of the advances made to date in the area of HRI in agriculture is presented, as well as its benefits and future challenges. Additionally, a fruit counting system based on artificial intelligence is introduced, which can improve decision-making and farm management. Finally, three HRI approaches are proposed to improve agricultural processes: artificial vision system to detect human activity in the field, social navigation and non-verbal collaboration strategies, and a vehicle safety system based on the monitoring of human cognitive factors.

En la actualidad, el área de la robótica es capaz de solucionar una gran variedad de problemas, siendo capaz de automatizar ciertos procesos que suelen desarrollarse en entornos controlados y bien estructurados, y considerando tareas bien establecidos. La agricultura es una de las áreas que más urgentemente requiere de soluciones robóticas para incrementar su producción. Sin embargo, el área agrícola es retadora, y el camino hacia soluciones totalmente autónomos es todavía un camino largo. Esto es en principalmente porque los procesos agrícolas demandan que los robots sean capaces de trabajar en medios complejos y poco estructurados, así como de tener la capacidad de entender las necesidades del ser humano para darle soporte. En este contexto, las estrategias de interacción hombre-robot (HRI) surgen como una solución tecnológica capaz de combinar las ventajas y destrezas del humano y de robots al permitirles colaborar en un espacio de trabajo compartido. Esto puede ayudar a reducir la carga de trabajo del humano, a aumentar la eficiencia de procesos agrícolas, incrementar la seguridad, mejorar la toma de decisiones, optimizar el manejo de granjas, entre otros. En esta tesis, un estudio minucioso de los avances realizados hasta la fecha en el área de HRI en agricultura es presentado, así como sus beneficios y futuros retos. Adicionalmente, un sistema de conteo de frutos basado en inteligencia artificial es presentado, el cual puede mejorar la toma de decisiones y el manejo de las granjas. Finalmente, tres enfoques HRI son propuestos para mejorar procesos agrícolas: sistema de visión artificial para detección de la acción que realiza el ser humano en campo, estrategias de navegación social y colaboración no verbal, y un sistema de seguridad para vehículos basado en monitoreo de factores cognitivos del humano.