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苹果双臂采摘机器人的成功试验意味着，苹果采摘机械化已经向前迈出了重要一步，但是该机器人从成功的试验到下面的应用程序还有很长的路要走，这只是开始。
“机器人必须首先能够用大眼睛看树上的苹果，然后协调手脚以获取苹果。最重要的是大脑，它可以智能地处理眼睛看到的信息，并快速有效地将其传播到拾音器上，以完成家庭作业。”看着苹果园的机器人采摘，西北A＆F大学教授杨·富岑（Yang ）介绍了这一点。
杨富宗提到的机器人是2022年11月在农业和农村事务部的苹果全机械化研究基地（ Apple ）在苹果全机械化研究基础上揭幕的双臂苹果采摘机器人。一对橙色和黄色的机器人臂以有序的方式和协调的方式运作。苹果被机器人准确地识别和采摘，然后像熟练的采摘工人一样稳步地掉入储物盒中。
从图纸和代码线到在地面上工作的机器，如何建造超过1300天的两臂拾取机器人？西北A＆F大学机械与电子工程学院的杨·富宗教授告诉我们答案。
智能有效的两臂合作
2022年11月，由Yang 在西北A＆F大学的团队开发的Apple-Two-Two-arm拾取机器人成功地在该场上的果园上进行了测试。
乍一看，苹果拾取机器人的橙黄色手臂是最引人注目的。同时，工作的两个机器人臂正在连续抬起和下降，并且动作是有序的，可以准确地识别，挑选和运输苹果。他们的熟练动作不亚于人类的工作，但是与人工劳动不同，这种两臂的苹果拾取机器人甚至可以在将来白天和黑夜挑选，实现了无人和聪明的操作。
该机器人主要包括四个系统，包括步行系统，视觉系统，控制系统，执行系统等。它由智能横梁机箱，深度摄像头，智能信息处理模块，上计算机（控制器），机器人手臂和拾取手组成。它与前后两个装载和运输机器人一起，形成了一个苹果拾取 - 传输多机器人系统。
由杨·富再次教授团队开发的一臂苹果摘录机器人。
这四个系统对应于机器人的不同主体“器官”。步行系统是Apple收获机器人的“脚”，该机器人主要由轨道机底盘和导航组成，该机器人负责计划操作路径并避免障碍。视觉系统等同于其“眼睛”，由深度摄像头和智能信息处理模块组成，可以实现识别和定位苹果水果的功能；执行系统是Apple收获机器人的“手”，包括机器人臂和末端效应器，该机器人主要完成苹果抓握和收获等任务；控制系统代表机器人的“大脑”，核心是上计算机，该计算机集成了控制界面和所有软件模块以控制整个多机器人系统。
苹果收获机器人的收获和收获并不复杂。机器人可以根据苹果着色程度和色彩的先验知识和算法来判断水果是否成熟。视觉系统识别并确定成熟水果的位置。控制系统合理地计划了道路，并驱动执行系统达到水果位置。捡起手完成抓握和分离后，它移至苹果收集盒并慢慢释放苹果。最后，机器人重置并开始下一轮收获。
据报道，西北A＆F大学的苹果采摘机器人在许多方面取得了突破。首先，识别时间很快，只能在0.015秒内识别苹果果的位置；其次，采摘方法是聪明的，与以前的拉和分离，摇动和分离不同，采摘手执行仿生旋转和拉动，这消耗了能量较少的能量。第三，有很多手臂可以捡起，可以在挑选两个臂的同时达到协调和一致性，从而大大提高了整个机器的拾取效率。
杨·富宗（Yang ）告诉记者，在 Apple测试示范站进行了调试和测试，并进行了大约一个月的调试，并在 Apple测试示范中进行了测试和测试，而单臂单果的平均采摘速度约为每单位7.5秒。将来使用后，最初可以预期，双臂拾取 - 转机多机器人系统每小时可以选择约800个水果，相当于6至7种果树，一棵树约为10分钟。
成功的机器人测试的消息吸引了外界的很多关注。杨·富宗（Yang ）表示，许多国内和外国大学以及物理企业现在已经积极联系研发团队，以了解苹果拾取机器人的开发，并提出他们愿意合作，发展和促进的意愿。
苹果的生产缺乏人和机会
在秋天，花园里的苹果挂在树枝上，水果的颜色是红色的，散发出吸引人的甜味，但是省县的Lu Lele并不高兴。
“卢丘恩县的每个家庭都在种植苹果，因此在收获方面，每个人的家人都很忙。工人通常在下一个家庭完成工作之前进行预约。即使是周围县城的局外人也不容易找到。” Lu Lele的家人种植了20英亩的苹果树。每年，当苹果袋，稀疏的水果和紧急采摘时，卢勒的家人都担心不雇用工人。
苹果是劳动密集型的行业，工人的参与是果实种植，田间管理，采摘和收获中必不可少的。中国也是世界上最大的苹果生产国，生产占全球苹果生产的50％以上，在世界苹果行业的发展中占有重要地位。根据国家苹果工业技术系统的统计数据，2021年国家苹果种植区将为313.12亿MU。全国统计局的数据表明，2021年的全国苹果生产将为459.734亿吨。在主要是苹果成长的地方，在繁忙的耕种季节，通常会有严格的工作。
“全国农产品成本和福利材料2021”的统计数据表明，2020年，苹果的劳动力成本占了生产成本的62.7％。年轻和中年农村人民的劳动力正在流出，劳动力成本的上升也不断地挤压苹果行业的利润率，损害了果实农民成长的热情。
杨·富宗（Yang ）表示关注。大多数农村地区在50年代至60年代甚至70年代的农村地区工作。将来，在因退出农业生产而失去劳动力的农民之后，苹果行业的发展也将面临缺乏继任者的困境。
人力资源是一个方面，也没有适用的农业机械。
Lu Lele说：“市场上几乎没有农业机械可以直接袋装和挑选。他们中的大多数仍然依靠人力，而且招聘人员也很难。”
像该国其他丘陵和山区地区一样，这里分发的许多苹果园也有“牛可以进入，铁牛不能”，“无机可用”和“不充分利用机器”等问题。在中国，对我国苹果采摘机器人的研究开始很晚。近年来，大学的国内研究团队对果园中智能采摘机器人进行了大量研究，但其中大多数都处于实验室发展阶段或测试阶段。目前，在国内市场上可见的大多数采摘机器人都是由阿里巴巴·达莫学院XR实验室，杭州 Co.，Ltd。和深圳Shihe Robot Co.，Ltd.等技术公司创立的，这些机器人技术有限公司，他们开发了不同的苹果挑选机器人并将其应用于果园。
但是，几十年来，我国的苹果园主要是传统的旧果园。高大的树冠，许多树枝靠近，果园被关闭。再加上在丘陵和山区的地形上的限制，这些已成为影响机器人采摘操作的主要因素。甚至在市场上发现的采摘机器人也仅限于耕种模型，管理模型和小型农民的购买力。实际促销和应用仍然相对较长。
在国外看，苹果采摘机器人的开发可以追溯到1980年代。经过数十年的发展，美国，德国，日本和以色列等农业发达国家已经开发了不同形式的智能采摘机器人。美国初创企业采用了计算机系统识别和真空吸收。以色列的无人驾驶果实采摘又柔和，很容易飞向树梢。德国使用AI技术来计算多个维度的Apple成熟度指标，并将结果馈回机器人。选择后，可以完成排序任务。
除手动采摘机器人外，还有两种形式：自动辅助采摘和机械采摘。机械收获主要使用机械外力来摇动树体或树枝，以分离并从分支上掉下来，这更有效，但是在原始和成熟的情况下挑选而没有区别，而掉落会很容易损害果实。通过采摘辅助平台实现了半自动辅助采摘，该辅助平台实现了提升功能和多次手动收获。
根据“第14五年的国家农业机械化发展计划”，自“第13五年计划”以来，国家耕作和收获的国家全面机械化率已达到71.25％，而在丘陵和山区的农作物种植和收获的综合机械化速率则低于50％，大约低于全国平均平均水平。作为丘陵和山区主要经济作物的重要组成部分，苹果工业的机械化速率对于提高丘陵和山区的农作物种植和收获的综合机械化速率至关重要。
杨·富宗（Yang ）介绍，根据相关的数据统计数据，我所在国家的丘陵和山区占该国土地面积的近70％，生产约50％的水果和约30％的谷物。当地需要高级且适用的农业机械，以提高生产水平并确保粮食安全。
研发是一个积累和发展的过程
似乎只花了四年的时间从零到成功的双臂采摘机器人的成功实验，但是对于杨富宗来说，这是过去十二年来整个团队未知的积累。
2009年，杨·富宗（Yang ）了解到，美国正在对苹果生产机器人进行研究，他也有开发苹果采摘机器人的想法。但是，由于实际条件的局限性，他无法直接开始发展。他只能改变自己的想法，并专注于初步准备。
“苹果采摘机器人绝对是未来的热门话题。在2010年左右，我们开始安排为机器人团体运营（例如采摘，喷涂和运输）申请发明专利。”杨·富宗（Yang ）介绍，该团队将每两年分配一到两个学生，以尝试首先探索与苹果机器人有关的研究，为未来的实际开发工作奠定基础。
杨·富宗（Yang ）教授（左第二）与团队的学生讨论了机器人手臂抓苹果的技能。
2018年，杨·富宗（Yang ）知道，这个机会是在农业和农村事务部的帮助下启发的，苹果完全机械化研究基础建设项目和 Apple and 的主要特别项目。
时间已经成熟，但困难并没有减少。在农业机器人研究领域，苹果收获机器人是一个热门话题和困难，涉及许多技术，例如新的工程数学基础，人工智能算法和模型，传感和智能信息处理，自动化，机械设计，机械设计，以及复杂和不断变化的农业风景。在搜索有关苹果采摘机器人有关中国国家知识基础设施的研究论文，涉及数十种算法和模型。不同的学者有不同的研究，不同的模型具有不同的算法。该模型非常复杂，哪一个更有效？有很多算法，哪种更可行？这些已经成为杨富岑及其团队面临的困难。
回到开发拾取机器人的起点，苹果采摘和运输追求效率和无损，这是从苹果生产的角度提出的现实要求。但是，在机器人采摘中获得这两个点并不容易。
如果机器人想快速选择苹果，则必须首先能够快速识别并准确找到苹果并完成反馈。目前，机器人的“眼睛”和“大脑”尤其重要，这需要找到合适的算法。但是，在复杂的非结构化果园环境中，大多数现有算法将苹果分为不同的情况，例如叶子，树枝，水果或混合遮挡。如果机器人直接挑选被阻塞的苹果，则很容易损坏果实，甚至损坏捡拾手和机器人手臂，从而影响拾取效率和水果质量，或造成更大的损失。
杨·富再次说：“灵感的出现是偶然的，成功也需要许多探索和苦难。这是一个积累力量的过程。”经过筛选和测试，团队研究并测试了苹果采摘方法和拾取机器人的实时识别方法。它具有以下优点：快速提取目标，高识别准确性和较低的获取率。这意味着使用该算法的机器人可以实时识别苹果的位置，在不同情况下对苹果进行分类，并采用不同的采摘策略来降低错误的选择率，从而提高选择速度和准确性。
例如，机器人可以挑选未直接覆盖的苹果，并且可以以回旋的方式挑选有覆盖的苹果，而种植远处的苹果则采用了非选择策略。
此外，苹果拾取机器人的摘录也非常重要。作为与苹果水果直接接触的一部分，接送手的不当计划也会影响运行效率并对苹果造成损害。我在哪里可以选择摘手和苹果之间的接触点？您应该用什么姿势来掌握更稳定的？什么是最合适的力量？
根据先前的研究，杨富再次团队对握手握住苹果的姿势，力量和力量的姿势，力量和力量进行了多次测试。从理论到仿真到现场实验，团队确定了两种类型的握持位置：一种与摘录手的轴平行，苹果茎和苹果茎的花萼的花萼和苹果茎的花萼。最后，确定最佳的三指握姿势与苹果茎的轴和苹果茎的轴和花萼的轴平行，苹果茎和花萼的苹果茎和花萼的最佳三指握把的姿势。基于这种三指握姿势，该团队设计了四种拾取模式，包括垂直拉力，水平拉力，垂直旋转和旋转 - 旋转 - 旋转拉力拉力。
经过分层测试后，旋转 - 摩托马尔拉力拉力模式不仅可以实现苹果采摘，而且可以消耗机器的功能最小，并且所需的平均三指抓地力最小，这可以实现“稳定抓住并捡起它”的最佳目标。
解决这些问题意味着苹果收获过程中的识别，定位和分离技术已经找到了最佳解决方案。 2021年3月，杨·富宗（Yang ）团队的第一个单臂拾取机器人成功地开发并成功进入了 Apple测试示范。在2022年，根据单臂采摘机器人，该团队增加了另一个拾音器，以进一步提高苹果采摘效率，并形成了Apple -Arm拾取机器人。
该团队的研究生正在 Apple测试示范站调试Apple -Arm拾取机器人系统。
成功的背后是杨富宗团队的无数失败。 Yang 说：“从一个想法到实验的成功并不容易，但是失败是常态。在科学领域中有666种实验方法，只有在665失败之后，您才能成功666次。成功只是最后一次。”
地形和果园带来双重挑战
“世界上必须更轻松地做到的事情。苹果采摘机器人是农业机器人领域的困难和热点之一。世界上仍然没有成熟的产品，而且它仍然处于科学研究领域。”杨富宗说。
苹果双臂采摘机器人的成功试验意味着，苹果采摘机械化已经向前迈出了重要一步，但是该机器人从成功的试验到下面的应用程序还有很长的路要走，这只是开始。
我国家的苹果主要包括四个主要生产区域：波海湾，黄土高原，黄河小径和西南凉爽的高地。这些地方大多数都具有陡峭的斜坡，狭窄的道路，纵横交错的沟渠和各种土壤条件的特征，这些特征对机器人的功率底盘安全性，传球，稳定性和轮廓线的操作提出了更高的要求。例如，甘西省和山西省的苹果种植区位于Loess 的山丘和沟渠中，土地又小而坚固，这给采摘机器人的进入和操作带来了巨大的挑战。
为此，杨富宗团队根据对丘陵和山区的农业机械和设备的长期探索，特别选择了轨道底盘，以增加与地面的接触区域。同时，它尽可能地减少机器人的重心并增强稳定性，以便机器人可以在带有山沟的丘陵地区行走和操作。目前，苹果武器的拾取机器人可以在现代矮人的茂密种植苹果园中展示他们的技能，但是面对老式的果园和果园的复杂地块，这远远不足以做这两件事。
杨·富宗（Yang ）的团队最近正在研究更大的采摘机器人。 “具有较大体积和较大功率的机器人将具有更强的跨障碍物和跨沟的能力，并且可以更好地解决复杂地块的操作问题。”杨·富宗（Yang ）认为，需要进一步的技术创新和迭代，并将逐步采取逐步实现老式果园和复杂地块的机械化采摘。
The No. 1 of 2022 to sort out the and , the and and of and , the and and of large-horse , hilly and areas and small , and high-end and them in the key R&D plan for long-term and .具体而言，农业与农村事务部以及省农业和农村事务部的农业机械化管理部正在为丘陵和山区的农业机械化引入相关政策，以加速农业机械设备中的缺点。毫无疑问，这进一步增强了对科学研究人员杨·富岑（Yang ）的信心，他继续研究丘陵和山区农业机械领域的关键问题。
如果农业机械的开发是将苹果挑选为“有机”，那么老式果园的机械化转换就是为了“使功能有用”，并为将来将农业机械应用于更广泛的范围铺平了道路。过去，由于果园的种植密度较大，树枝的大冠太密集，通风和光线的传播不足。一方面，很容易形成闭合，影响水果的质量。另一方面，植物间距很小，机器人无法进入操作，牙冠也会影响机器人的信号系统。
以Lu Lele的苹果园为例。她的果园的种植历史超过30年。传统的老式果园超过20英亩的苹果占该地区一半以上，而现代果园仅占一小部分。谈到农业机械在他的果园中的应用时，卢莱尔说：“在过去两年中，新建的果园可以考虑使用农业机械采摘，但是在可以将它们用于苹果农业机械操作之前，仍需要对传统的旧果园进行翻新。”
杨·富宗（Yang ）认为，将来，更老式的果园将更适合通过密度变化，品种变化，技术介绍等完成机械化后，在完成机械化后，更适合使用Apple拾取 - 传输多机器人系统。
原型仍有一个距离
至于促销和应用，杨富宗的团队也表达了他的看法。从德国的汉诺威国际农业机械展览中，不难看出，在丘陵和山区的农业机械设备中，可供参考的原型较少，因此创新和研究和开发更加困难。许多国内农业机械企业仍然有很大改善的创新力量空间，并且对知识产权的保护显然不足，而且行业，教育，研究和晋升之间的联系需要更加紧密。
许多农业机械人认为，一些国内农业机械公司不愿意将必要的科学研究基金和时间成本用于农业机械研究和开发，而是直接复制了高级和实用的农业机械设备，并在稍作正式更改后将其出售。随着时间的流逝，这种方法将对国内农业机械“瓶颈”技术研究，关键核心成分创建以及农业机械促进和应用有害。
2019年2月，“促进小型农民与现代农业发展之间有机联系的意见”清楚地指出，我的国家人口众多，土地面积很大，而在各个地方的农业资源条件也差异很大。许多丘陵和山区的地块都可以分散。大规模的操作可以在短时间内完全实施，并且可以在所有地方实现集中式和连续的大规模操作。目前和将来很长一段时间，小型农民家庭管理将成为我国农业的主要方式。
甘努省的吉宁县有30多年的苹果种植历史。苹果种植的整个区域都超过100万MU。除了现代化大型果园外，还有许多小水果农民。张·胡安克（Zhang ）的家种植了4英亩的苹果，她的家人也是吉宁县（ ）的众多小水果农民之一。 “当苹果喷涂，水果洒水，装袋，采摘等时，工人相对紧张，并且机器的使用不多，因此亲戚和熟人互相帮助。”张·胡安克（Zhang ）的父亲说，他家中的果园的种植程度较低，将来要考虑的第一件事是农业机械操作的成本和效率。
根据该团队的初步计算，未来批量生产后苹果采摘机器人的总成本约为每单位约500,000至60万元。该机器人是一种技术密集型和高成本的产品。 Yang 不鼓励小型水果农民分别购买和使用苹果采摘机器人。机器人和农业的整合需要一个过程。例如，政府引入了灵活而有效的农业机械补贴政策，并通过农业机械专业合作社的统一采购，为小农民提供采摘服务是一个更好的选择。
采摘机器人的开发和促进不是一个简单的事情，而是系统的任务。 Yang 's team will also use the "14th Five-Year Plan" Key R&D Plan " and of Power in Hilly and " , and in hilly and areas with well-known such as China , , and to turn into as soon as and serve the 尽快发展苹果行业。
“我们需要长期期待，为山区的人们做一些真实的事情，并为改善山区生产条件的技术支持提供技术支持，并促进丘陵和山区的农业机械化。”在谈论农业机械项目的共同发展时，杨富宗感到非常高兴。
将来，如果可能的话，杨·富宗（Yang ）的团队计划专注于小批次试验生产和小区域演示应用的优势，加速产品优化和提高，提高可靠性，降低维护成本，形成可复制的生产模型，并最终以领导整体，并在大规模生产和大规模促进促进和大型促销和应用程序方面发挥出色的作用。
同时，团队还将开始研究四臂拾取机器人并增加夜间采摘测试，以不断改善机器人的应用程序场景。
“四臂拾取机器人的可行性计划已得到证明和通过，但是三维空间的动态计划和协调的稳定性是一个问题。如果四个武器同时同时移动，它将产生一定的影响力。机器的动态稳定性需要特别注意。”杨·富宗（Yang ）对未来四臂采摘机器人的发展充满信心。
（此版本中的图片由受访者提供）
作者：农民日报 |
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