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从“梯子+篮子”到机器人作业,市值近千亿美元的苹果采摘市场会面临颠覆性的革命吗?

作者:孙丹 2023-03-27 10:04

我国是苹果生产大国,自两千多年前就有苹果栽培的历史,西汉司马相如的《上林赋》记载:“楟柰厚朴,梬枣杨梅”,其中的“柰”被许多学者认为是中国苹果的古称。

 

在过去,苹果的采摘工作主要依靠人力,而今天,由于我国城镇化进程加快,农村青壮年劳动力的转移,苹果种植业开始面临后继乏人的现实窘境。

 

根据国家苹果产业技术体系数据统计,2021年,我国苹果种植面积为3132.12万亩,苹果产量为4597.34万吨。作为苹果种植产业链其中环节之一,苹果采摘可以说是“既费时,又费力”。为了降低苹果种植户的工作强度,减少人力成本,越来越多的苹果采摘机器人被研发出来并实现落地。

 

可以说,苹果采摘机器人的出现,给苹果种植业带来了新的生机。近期,35斗采访了西北农林科技大学机械与电子工程学院的杨福增教授及其科研团队,他给我们细细讲述了国内苹果采摘机器人的现在与未来。

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图:杨福增教授(右三)及其科研团队

图片源:受访者供图

 

从纸上蓝图到苹果落地,团队走了不止四年


2022年11月,杨福增团队研发的苹果双臂采摘机器人完成了果园实地试验,这一试验成功宣告了我国高校第一台苹果双臂采摘机器人的诞生。

 

据杨福增教授介绍,团队对苹果采摘机器人的研发始于2018年。借着农业农村部苹果全程机械化科研基地建设项目和陕西省苹果科技重大专项的契机,杨福增团队开始了苹果采摘机器人的研发,历时四年,这一科研设想终于从“纸上蓝图”变成了真切现实。

 

但要追溯起来,团队所耗费的时间却又不止四年。“2009年,美国正在进行苹果生产机器人的研究,我也产生了研制苹果采摘机器人的想法。”但由于现实条件的限制,前期,团队只能进行大量的准备工作和探索性研究。

 

经过长期的锻炼与积累,杨福增团队在苹果园智能装备领域形成了较为全面的科研优势,包括理论与算法研究、样机创制、成果转让等。目前,团队带头人杨福增教授负责“农业农村部苹果全程机械化科研基地”、“农业农村部北方农业装备科学观测实验站”2个部级科研平台,并带领团队研制出苹果采摘机器人、果园转运机器人等10余种机具。

 

杨教授表示,现在已有众多国内外高校科研团队和实体企业主动联系团队,了解苹果采摘机器人的研制情况,并提出合作、研发和推广意愿。

 

寻找最优算法,提高苹果采摘速度与精度


杨福增团队研发的苹果双臂采摘机器人,整机部分由智能履带底盘、深度相机、信息智能化处理模块、上位机(控制器)、机械臂和采摘手组成,再加上前后两台装载转运机器人一起,共同构成了苹果采摘—转运多机器人系统。

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图:团队研究生调试苹果双臂采摘机器人系统

图片源:受访者供图

 

在操作流程上,首先,机器人的“眼睛”(视觉系统)需要识别并确定成熟果实位置,然后“大脑”(控制系统)合理规划路径,驱动机械“手臂”(执行系统)完成抓握、分离动作后,移动到苹果收集箱缓慢释放苹果,最后机器人复位开始下一轮采收。

 

机器人要想精准摘取果实,首先必须快速识别和准确定位苹果,并完成果实信息的反馈,因此“眼睛”和“大脑”尤为重要,这就需要找到更合适的算法。

 

在复杂的非结构化果园环境下,现有的大部分算法容易将苹果被“树叶遮挡”、“枝干遮挡”、“果实遮挡”或“混合遮挡”等不同情况划分为一类。若未根据实际作业场景对以上情况不加以区分而直接采摘苹果,极易损伤果实,甚至损坏采摘手和机械臂,影响采摘效率和果实品质,造成更大损失。

 

经过多轮筛选和反复试验,团队研究和测试出了更加适宜的苹果采摘方式和实时识别方法,它能够实时识别苹果位置,对不同情况的苹果进行正确分类,并采用不同的采摘策略。


图片3.jpg 图:杨福增教授(右三)与团队研讨机器人手臂抓取苹果的技巧

图片源:受访者供图

 

目前,团队的苹果双臂采摘机器人主要面向现代化的标准矮化密植苹果园进行试验,单臂单果采摘的平均速度可达7.5秒/个,预计未来投入使用后,双臂采摘-转运系统收获效率约为10分钟一棵树。

 

我国苹果种植区域广阔,经纬度跨度大,优势地域如西北黄土高原产区、西南冷凉高地产区等地形地势复杂,且主要以传统乔化老果园为主,树冠高大、枝多株近、果园郁闭。尽管苹果双臂采摘机器人能在矮化密植苹果园大展身手,但面向老式和复杂地形果园仍心有余而力不足,团队为此正在加快研发与完善当中。

 

未来,团队将优化机器履带底盘,增加机器与地面的接触面积,降低其重心、增强稳定性,让机器人可以在沟壑纵横的丘陵地区行走和作业;加快较大体积、较大动力的机器人研发,增强其越障碍、跨沟坎能力。同时,团队将开启苹果多臂采摘机器人的研究,并增加夜间采摘试验,不断拓宽机器人应用场景。

 

加快“政企研”联合,让苹果采摘科研机变商品机

 

“天下难事,必作于易。”

 

苹果采摘机器人是农业机器人领域的难点和热点之一,目前仍处在科研范畴,尚未出现成熟的农机产品。杨福增团队认为,苹果双臂采摘机器人的试验成功,意味着苹果采摘机械化向前迈出了重要一步,但机器人从试验成功到下地应用还有很长的路要走。

 

近些年,国内各大高校科研团队针对果园智能采摘机器人关键技术开展了很多研究。但是大多处于实验室开发阶段或测试阶段。

 

目前,国内市面可见的采摘机器人大多由科技公司推出,例如阿里巴巴达摩院XR实验室等。但即使是已经问市的采摘机器人,由于栽培模式、管理模式和小农户购买力等因素限制,产品的实际推广应用情况并不太理想。

 

“机器人属于技术密集型的高成本产品,小户果农单独购买使用苹果采摘机器人成本太过高昂,机器人与农业的融合也需要一个过程。”因此,杨教授认为,由政府出台灵活有效的农机补贴政策,通过农机专业合作社统一采购,面向小农户提供采摘服务或是当前较为适宜的选择。

 

“把目光放长远,为山区的老百姓做实事,为改善山区生产条件和促进丘陵山区的农业机械化提供技术支撑。”

 

采摘机器人的研制与推广并不是一件简单的事情,而是一项系统化的工作。加快产品优化改进,提高可靠性,降低维护成本,形成可复制的生产模式,才能以点带面,做好采摘机器人的量产与大面积推广应用落地工作。

 

借助获批的“十四五”国家重点研发计划“丘陵山地通用动力机械创制与示范应用”项目,杨福增团队正在联合全国优秀企业,与中国农大、上海交大、北航等知名高校联合开启并推进丘陵山区的农业机械项目,尽快让科研机变为商品机,早日为苹果产业的高效发展服务。

 


注:文中如果涉及35斗记者采访的数据,均由受访者提供并确认。

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