UNIVERSITA' DEGLI STUDI DI CAGLIARI
DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA MECCANICA
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Prot. n. 44/2010 Andrea Manuello Bertetto Ordinario di Meccanica Applicata alle Macchine Dipartimento di Ingegneria Meccanica Università degli Studi di Cagliari Piazza d’Armi. 09123 - Cagliari
Liaison Office Università degli Studi di Cagliari Via San Giorgio, 12, ingresso 9 - IV piano
oggetto: trasmissione della relazione finale
progetti pilota che prevedano studi di fattibilità in favore delle piccole-medie imprese presenti sul territorio sardo
Titolo del progetto:
Attività di ricerca per la meccanizzazione della raccolta del fiore dello zafferano.
Cagliari, 01 febbraio 2010. Con la presente, in risposta a vostra richiesta telefonica del 28 gennaio 2010 (dott. G. Diana), in riferimento all’attività relativa all’avviso del 4 febbraio 2008, a firma “Dott. Franco Meloni”, relativo a l’affidamento di progetti pilota che prevedano studi di fattibilità in favore delle piccole-medie imprese presenti sul territorio sardo,
si trasmette in allegato alla presente, relazione finale all’attività in oggetto, dal titolo
Attività di ricerca per la meccanizzazione della raccolta del fiore dello zafferano. Con Osservanza,
Il responsabile del progetto Prof. Ing. Andrea Manuello Bertetto. _______________________________
Dipartimento di Ingegneria Meccanica
Università degli Studi di Cagliari
Attività di ricerca per la meccanizzazione della
raccolta del fiore dello zafferano
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Oro rosso di Sardegna
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Indice
Sommario, premesse, risultati ottenuti ed attesi.
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Introduzione
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Dispositivi agevolatori per la raccolta del fiore
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Bibliografia
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Sommario, premesse, risultati ottenuti ed attesi.
L’attività svolta e che è attualmente in corso, iniziata da diversi anni presso il DiMeCa
dell’Università degli Studi di Cagliari, riguarda dispositivi innovativi per la raccolta dello
zafferano, rivolti alle aziende dedicate a tale colture.
Tale attività ha visto, nell’ultimo anno, l’utilizzo di attrezzature realizzate precedentemente
presso il DiMeCa: in particolare si sono utilizzate mani di presa per il distacco del fiore. Tale
attività ha portato a verifica anche sul campo di funzionalità per mani di presa del fiore
appositamente ideate e progettate.
Gli Obiettivi della ricerca riguardano l’ideazione e la realizzazione di dispositivi per
l’agevolazione della raccolta del fiore dello zafferano di Sardegna. In particolare, obiettivo
fondamentale è la realizzazione di macchine agevolatrici automatiche o semi-automatiche per
la raccolta in un’ottica di una prospettiva di una eventuale automazione dell’intero processo
dalla posa dei bulbi, fino al confezionamento.
I metodi utilizzati sono una approfondita indagine sul campo presso i produttori di S. Gavino
Monreale per la conoscenza delle metodiche applicate sia per quanto riguarda la pratica della
raccolta sia per quella della mondatura; lo studio della meccanica dei movimenti utilizzati
dagli operatori sul campo; la progettazione meccanica dei dispositivi di raccolta; le prove
sperimentali per la validazione delle scelte progettuali.
I risultati ottenuti sono rappresentati dai dati relativi alle prove sul campo.
I risultati attesi del lavoro in corso d’opera ed attualmente in pieno svolgimento sono: la
verifica della piena funzionalità di alcuni dei dispositivi di raccolta realizzati e l’integrazione
funzionale dei dispositivi per il distacco del fiore con il dispositivo per la raccolta del fiore
mediante aspirazione.
L’insieme costituito dal dispositivo di distacco e dal sistema di aspirazione è organizzato in
modo da essere facilmente portabile sul campo ed anche collegabile ad un manipolatore per
serra robotizzata;
Infine è in corso l’ideazione di nuovi dispositivi per la raccolta, in grado, comunque, di
consentire l’integrazione funzionale con i dispositivi di mondatura.
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Introduzione
La piantina dello zafferano, della famiglia delle iridacee, è originaria dell'Oriente, la regione
d’origine si dice sia l'Afganistan ed il Pakistan, essa trae il proprio nome dal persiano 'zaa-
fran'. Dall'Asia la coltivazione si diffuse ben presto nell'Africa settentrionale ed in Europa. Le
prime notizie di questa coltura risalgono al periodo cretese (3500 a.C.).. Notevoli estensioni di
coltivazione e produzioni notevolissime, per qualità innanzitutto, si trovano in Sardegna, in
particolare nella zona di S. Gavino Monreale.
La produzione di stimmi freschi per ettaro varia da alcuni chilogrammi a poco più di dieci, ma
per ricavare un kg di stimmi freschi occorrono circa mezzo quintale di fiori che corrisponde a
trecentomila fiori. Gli stimmi, dopo il processo di essiccamento, si riducono al 20% in massa
rispetto alla massa di prodotto fresco. Un chilogrammo di stimmi freschi si riduce a circa due
ettogrammi di stimmi essiccati, ricavati da duecentomila fiori, e conta circa mezzo milione
filamenti [1].
Gli stimmi (o pistilli), che si presentano come sottili fili rossi e si trovano nel fiore, a
differenza della polvere di zafferano, permettono di vedere chiaramente la purezza del
prodotto [2]. Lo zafferano in stimmi è evidentemente non mescolato ad altri prodotti ed è
garanzia di purezza.
La raccolta, la successiva mondatura e l’essiccazione sono attualmente effettuate
manualmente, con grande dispendio di energia [2]. A dispetto del grande numero di
realizzazioni meccaniche e robotiche in campo agricolo, la raccolta di fiori non è così
largamente automatizzata e tanto meno esistono dispositivi industriali per la raccolta delle
delicatissime iridacee, famiglia a cui appartiene lo zafferano [3-7].
Questo tema di ricerca ha già avuto precedenti sviluppi presso l’Università di Cagliari [8-17].
In questo lavoro ci si orienta, in particolare, allo studio della meccanizzazione della fase di
raccolta del fiore dello zafferano.
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Dispositivi agevolatori per la raccolta del fiore
Il problema della raccolta è stato analizzato sul campo in collaborazione con i coltivatori del
settore. Il prototipo è stato ideato e realizzato in base a considerazioni strutturali riguardo a
stelo e foglie. Nell’arco di tempo relativo allo sviluppo della ricerca per la meccanizzazione
della raccolta del fiore dello zafferano si sono progettati e realizzati diversi prototipi che si
basano su diversi principi di funzionamento. Tutti comunque sono tali da evitare di
danneggiare la piantina recidendo le foglie, all’atto del distacco del fiore. In figura 1 si vede
un prototipo per il distacco del fiore dove un movente ed un cedente, dotati di superfici
trattate con ricoprimenti speciali, sono in grado di recidere il solo gambo e preservare le foglie
nel loro moto relativo di strisciamento.
Figura 1 – Particolare dell’end effector dell’utensile per il distacco del fiore.
Il prototipo, rappresentato in figura 1, è stato realizzato in lega leggera. Esso ha un supporto
montato su una struttura indossabile, sul quale sono fissati la camma, il cedente ed il
servomotore. Il profilo coniugato è in parte coinvolto nella fase di accostamento ed imbocco
del fiore, questo tratto di curva è una spirale di Archimede che ben si adatta a svolgere la
funzione di accostamento; un’altra parte del profilo coniugato, invece, è sede di strisciamento
provocando una macerazione dello stelo nello sfregamento, questa parte di profilo coniugato
ha la geometria di archi di circonferenza.
Movente e cedente sono mantenuti a contatto con il fiore da una forza elastica controllata.
DIMECA Dipartimento di Ingegneria Meccanica Università degli Studi Cagliari
DIMECA Dipartimento di Ingegneria Meccanica Università degli Studi Cagliari
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In un successivo prototipo, sempre nel rispetto dell’integrità delle foglie che circondano il
fiore, si è realizzato un dispositivo spalleggiabile dotato di un dispositivo di distacco integrato
in una macchina agevolatrice spalleggiabile predisposta per una integrazione con sistemi di
aspirazione e stoccaggio del prodotto raccolto,
Nel prototipo realizzato si hanno due dita con una cinematica che stringe e sollecita stelo e
foglie realizzata con boccole cilindriche affiancate, una per ciascun dito, sulla cui superficie
sono ricavate delle guide elicoidali. Il sistema è attuato ad aria compressa e non presnta organi
elettrici od elettronici sensibili e vulnerabili in funzione dell’ambiante in cui si opera.
Questo dispositivo ben si adatta all’ambiente di lavoro del campo o in serra, dove vi è terra,
fango, umidità.
Figura 2 – L’attrezzatura ed il prototipo durante le prove sul campo.
DIMECA Dipartimento di Ingegneria Meccanica Università degli Studi Cagliari
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Durante l’operazione di distacco del fiore, la prima fase è quella di imbocco; la seconda fase è
quella di recisione dello stelo.
Al fine di confrontare il distacco manuale con il distacco realizzato dal dispositivo meccanico,
si riporta, in figura 3, una serie di fiori: alcuni fiori sono distaccati manualmente, con metodo
tradizionale, altri con la macchina agevolatrice.
Figura 2 – Fiori recisi con dispositivo meccanico (fila superiore) ed a mano (fila inferiore).
Dalla figura si vede come i fiori trattati con la macchina agevolatrice non hanno subito danni
od alterazioni rilevabili anche da un esame accurato, rispetto ai fiori raccolti manualmente in
modo tradizionale. Lo stelo, infatti, risulta reciso in modo netto, la corolla non è coinvolta nel
processo di distacco e gli stimmi non sono in nessun modo raggiunti dagli organi della
macchina, che agiscono unicamente sullo stelo al di sotto del calice, nella stessa zona dove
agiscono le dita del personale addetto alla raccolta.
Conclusioni
Il progetto ha dimostrato la fattibilità dello sviluppo di macchine a basso costo agevolatrici
per la raccolta del fiore dello zafferano, con una immediata ricaduta sulla produttività di
piccole aziende che si dedicano alla produzione di questa spezia, valorizzando questa attività
in Sardegna prima e, anche, fuori dall’isola.
Fiori distaccati manualmente
Fiori distaccati con la macchina agevolatrice
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Bibliografia
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[1] E.R.S.A.T. – Le piante aromatiche, officinali e l'erboristeria" (2001).
[2] Libro Bianco Lo Zafferano in Europa, Problemi e strategia per valorizzare la qualità e migliorare la competitività, (http://www.sardegnaagricoltura.it/index.php?xsl=443&s=48348&v=2&c=3535).
[3] Kondo N., Monta M., 1999. Chrysanthemum Cutting Sticking Robot System. Journal of Robotics and Mechatronics 11(3):220-224.
[4] Williames G.A., 1986. Flower Harvesters. U.S. Patent No. 4761942.
[5] Savoia G., 1985. Camomile flower picking or harvesting machine. G.B. Patent No. 2153197.
[6] Valk J., Vos Marinus D., 2003. Flower harvesting, transport and singling method, by transporting flowers in rake shaped holders and transferring them to fork shaped holders in singling device. N.L., Patent No. 1020432C.
[7] Melidis P., Vatterott K. H., 1986. Method and apparatus for harvesting bloom parts of crocus flowers. D.E. Patent No. 3407517.
[8] M. Ruggiu, A. Manuello Bertetto, 2006, A mechanical device for harvesting crocus sativus (Saffron) flowers. Applied Engineering in Agriculture, vol. 22 ISSN: 0883-8542.
[9] A. Manuello Bertetto, M. Ruggiu, Dispositivi di posa, presa, e raccolta dello zafferano, Oleodinamica Pneumatica – settembre 2006, pp. 140-147.
[10] N. Erriu, A. Manuello Bertetto, M. Ruggiu, A Two Fingers Device for Saffron Flowers Harvesting, Acta Tecnica Napocensis, series Applied Mathematics and Mechanics, 49 vol. II, 2006, pp. 45-50.
[11] A. Manuello Bertetto, N. Erriu, Mechanization of Agriculture: Pneumatic Applications, Sesto Congresso sulle Trasmissioni di Potenza, 31 maggio 2007, Assago (MI).
[12] A. Manuello Bertetto, L’automazione della raccolta dello zafferano: inventiva e tecnologia al servizio della tradizione, Convegno Creatività, Innovazione e Trasferimento tecnologico, Cagliari, 15 dicembre 2008.
[13] A. Manuello Bertetto, La Meccanizzazione della raccolta dello zafferano, Convegno su Sistemi Meccatronici e Pneumatici per una Automazione Sicura, Ecocompatibile e Competitiva nel Florovivaismo - WORKSHOP 23 gennaio 2009 CeRSAA Albenga (SV).
[14] A. Manuello Bertetto, La Meccanizzazione della raccolta dello zafferano, Convegno: Lo zafferano di Sardegna - Tradizione ed Innovazione - S. Gavino Monreale 15 novembre 2008.
[15] G. Belforte, A. Manuello Bertetto, L. Mazza - “Analysis of Vortex Valves for Minimizing Control Flow” - Proceedings of FLUCOME, august 29- september 01 1994, Toulouse, France, pp.757-762.
[16] A. Manuello Bertetto, M. Ruggiu, F. Gambella and F. Paschino - A Mechanical System to Harvest the Crocus Sativus Flowers and to Separate Stigmas, XXXIII CIOSTA - CIGR V Conference 2009, Reggio Calabria (Italy), “Technology and management to ensure sustainable agriculture, agro-systems, forestry and safety”.
[17] A. Manuello Bertetto, R. Pinna Dispositivi agevolatori meccanizzati leggeri per la raccolta e la mondatura dello zafferano di Sardegna, WORSAR2009, Primo Workshop Regionale Sardo degli Assegnisti di Ricerca, 24 – 25 settembre 2009 Cagliari, Italy.
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