伴随着人口老龄化和传统人工农作成本攀升等现状,中国作为农业大国,未来农业全面智能化自动化将成大势所趋。但相比西方一些农业机器人技术先进的国家,中国农业机器人无论是研发还是应用都处于起步阶段,产业化薄弱。南京熙岳智能科技有限公司创始人张熙岳表示,该领域蕴含了较大的商机,目前市场和产业的空间是巨大的。

    目前番茄是很多国家储备量较大的蔬果,国际上植物工厂种植面积最大的蔬果品种也是番茄,但国内乃至全世界研发采摘机器人并使之商业化的企业数量稀少。在此考虑下,专门采摘番茄的机器人得以研发并诞生。

我们公司研发的番茄采摘机器人为六自由度,是融合人工智能和多传感器技术,采用基于深度学习的视觉算法,引导机械手臂完成识别、定位、抓取、切割、放置任务的高度协同自动化系统,采摘成功率可达90%以上,可解决自然条件下的果蔬选择性收获难题,是智慧农业的标志性产品。果蔬采摘机器人由行走系统、视觉系统和采摘执行系统组成。行走系统结合路面情况,选取履带式、轮式或轨道式等行走机构满足多种应用场景,采用视觉、激光、磁导航和SLAM算法,集合超声、红外和激光等多种传感器,使其更能适应田间多种环境。视觉系统采用单目立体视觉定位技术,实现对果蔬大小、颜色、形状、成熟度和采摘位置的信息获取及处理;采摘执行系统采用多自由度机械手臂,通过合理的路径规划,完成抓取、采摘和放篮等多种任务。应用于温室蔬菜和水果生产的机器人采用视觉识别模式来确定果实的位置并调整机械手的位置,由于光线和叶面的遮挡,准确率受到很大影响,因此,相关的算法还需要不断优化,以满足设施生产的环境要求和生产准确度。

果蔬采摘机器人研究始于20世纪60年代的美国,采用的收获方式主要有机械震摇式和气动震摇式,其缺点是果实易损,效率不高。此后,随着电子技术和科学技术的发展,特别是工业机器人技术、计算机图像处理技术和人工智能技术的成熟,采摘机器人的研究和开发技术得到了快速发展。国内对采摘机器人的研究有一定的成果,但大多还停留在研究阶段,而这些采摘机器人体积比较大,制作成本比较高,智能化程度不是很高,距离完全应用在实际农业中还有一定的差距。目前,国内番茄采摘作业基本上依靠手工完成,增加了工人的体力消耗,影响工作效率,且工人休息时得不到很好的休息条件,特别是在天气炎热时,不能充分放松,影响后续的工作。因此,研发自动化的采摘机器人非常有必要。提供一种番茄采摘机器人,替代人工操作,完成番茄的智能采摘动作,自动化程度高,省时省力,节省人力成本。

为解决上述技术问题,熙岳智能目前采用的一个技术方案是:提供一种番茄采摘机器人,包括:

1. 小车为整套机器人系统提供动力系统;前端安装2台200w像素工业相机,在前进时对前方的道路进行观察,躲避障碍物,运动速度5km/h; 

  2. 小车配置视觉识别功能,对小车前进指引方向并定位;

  3. 小车后端安装有采摘框支架,可以实现采摘框的快速切换;

  4. 机械手在系统的控制下,z轴电机转动,带动手臂上下移动。关节处的电机带动手臂的打开和收回;

  5. 机械手可以采摘距离地面0.4m~1.6m的小番茄,展开之后最大臂展400mm,重复定位精度可达1mm;

  6.小车上安装一个10寸的工业一体机,做整个系统的处理;

6.1:图像处理系统:对工业相机传入的图片进行处理分析,定位小番茄的位置;

6.2:控制小车的移动;

6.3:控制机器人的电机转动,带动夹爪到小番茄的位置,摘取小番茄,然后放入采摘篮里。

  7.采摘相机,使用200w像素的工业相机对小番茄拍照,将拍完的照片通过计算机图像处理技术,智能识别小番茄果实、识别小番茄果实成熟度、识别小番茄果实的好坏果情况,并将小番茄的坐标传递给控制系统;

  8.采摘夹爪使用柔性夹爪,可以根据不同大小的小番茄来调整自身的大小。同时又具备韧性。通过电机的带动可以完整的夹取;

  9.夹爪抓取小番茄后,步进电机带动夹爪进行旋转,然后将小番茄摘下;

  10.机械手运动到采摘篮上方后,夹爪打开,将小番茄放入采摘篮;

  11.每次放入小番茄后判断采摘篮是否已满,若未满可以继续采摘并放入,若采摘篮都已满,小车自动行驶到下料区;

  12.具备简单的语音识别功能,可进行简单的人机交互,可通过语音控制开始或者结束采摘工作,并可实现简单的互动递送果实功能;

它的主要功能:

1)基于视觉算法,为小车提供前进方向的牵引和定位;

2)基于视觉算法,通过前置摄像头对前进方向道路判断是否有障碍物,保证车辆前进方向的安全性;

3)基于算法智能识别小番茄果实、小番茄成熟度(以全红色为成熟,以绿色为不成熟,有绿色则为半成熟)以及坏果监测(以相机拍到为准),并通过夹爪摄像机对小番茄识别及位置定位,并将位置信息传递给机械手,机械手上升到指定位置后实施夹爪动作,取下果实放入篮子中,采摘过程中自动跳过坏果。

4)设备持续不间断工作达2小时以上,可拆卸电池组,为确保演示效果,每台机器人多配置一组电源。

5)通过语音智能启动机器人;作业过程中,通过语音实现机器人采摘分享及寻求拍照功能。 

不过,现在国内农业的人工成本还是比机器人的成本要低,尤其对于采摘机器人来说,采摘通常一年一次大部分时间都是闲置状态,这种现实情况依然会制约行业的发展。

采摘机器人的普及可能需要两个条件:

1、国内农业人工工资继续上涨到接近发达国家或者农业劳动力完全匮乏甚至连老年劳动力都不再有的时候

2、避免一年使用一次的单功能机器人,将末端设计成可更换的、能适应多种场景,提高机器人的使用率。

我们单位的研究和投入也在往这方面发展,把机器人的夹爪换成可以更换的,根据不同的客户需求,来满足采摘效果,争取在智慧农业方面做出贡献。

实物图如下:

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