出品：科普中國(guó)

作者：孔德義、吳銀亭（中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院智能機(jī)械研究所）

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

智能秋收小助手名片

小助手：番茄采摘機(jī)器人

大腦：ROS系統(tǒng)

四大核心技術(shù)：深度學(xué)習(xí)算法提高果實(shí)識(shí)別率；微小型攝像機(jī)判斷果實(shí)成熟度；機(jī)械手臂實(shí)現(xiàn)采摘；無(wú)軌式移動(dòng)底盤保證靈活行駛

能量值：5顆星

證件照：

番茄采摘機(jī)器人

（圖片來(lái)源：作者）

智能秋收小助手自我介紹

番茄大家都吃過(guò)，但番茄是由誰(shuí)采摘的呢？我！

我是番茄采摘機(jī)器人，主要的工作就是采摘番茄。我出生于2021年，是由中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院的科研人員制造而成的。大家可別看我只有2歲，但我已經(jīng)能夠熟練地在植物工廠等室內(nèi)環(huán)境中完成櫻桃番茄的自動(dòng)化采摘啦。

我之所以能夠靈活高效地完成采摘工作，是因?yàn)槲业拇竽X中植入了ROS系統(tǒng)。ROS是“機(jī)器人操作系統(tǒng)”的英文縮寫，它是一種高度靈活的開(kāi)源軟件架構(gòu)，可以利用大量的共享資源，極大提高研發(fā)效率，因而正在被越來(lái)越多的機(jī)器人研發(fā)人員采用。

和人類的手臂有所不同，我主要使用我的機(jī)械臂和機(jī)械手對(duì)成熟番茄進(jìn)行逐個(gè)采摘。

我的手臂上安裝了一臺(tái)微小型攝像機(jī)，相當(dāng)于我的“眼睛”，它能幫助我通過(guò)果實(shí)顏色來(lái)判斷果實(shí)的成熟度。對(duì)于判定為成熟的果實(shí)，我還能快速計(jì)算出其所在位置，隨后ROS系統(tǒng)（也就是我的大腦）會(huì)控制機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)到果實(shí)附近，進(jìn)而利用安裝在機(jī)械臂末端的機(jī)械手完成對(duì)果實(shí)的采摘。

不同成熟度的番茄

（圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)）

熟沒(méi)熟？怎么摘？這些我都知道！

利用深度學(xué)習(xí)算法，我會(huì)事先對(duì)大量的小番茄果實(shí)進(jìn)行識(shí)別訓(xùn)練，從而大大提高我對(duì)目標(biāo)的識(shí)別準(zhǔn)確率；通過(guò)對(duì)采摘機(jī)械手的精心設(shè)計(jì)以及對(duì)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)過(guò)程的精準(zhǔn)控制，我還可以提高對(duì)小番茄果實(shí)的采摘成功率。

通常來(lái)說(shuō)，在植物工廠環(huán)境下培育的小番茄，同一品種果實(shí)的大小差異不大，所以我的機(jī)械臂能精準(zhǔn)摘下每一顆小番茄，而無(wú)需擔(dān)心掉落。倘若碰到不同品種間尺寸差異較大的番茄，科研團(tuán)隊(duì)也會(huì)為我設(shè)計(jì)專用的采摘機(jī)械手。

番茄的果實(shí)較軟，果皮較薄，為了保證在采摘過(guò)程中不損傷果實(shí)，我的機(jī)械手指指面是一層特殊的軟膠材料，因此在夾取果實(shí)的過(guò)程中不會(huì)損傷果實(shí)。另外，該軟膠材料表面粗糙，摩擦力較大，這樣可防止果實(shí)在“手”中滑動(dòng)脫落。

我的采摘對(duì)象是矮株小番茄，小番茄的掛果位置比較分散，因此我的采摘方式是一次只采摘一個(gè)小番茄果實(shí)，單個(gè)果實(shí)的采摘時(shí)間大概是10秒左右。

對(duì)于掛果較為集中的串式高株番茄，通過(guò)更換機(jī)械手，我可以一次采摘一串小番茄果實(shí)。

成串小番茄

（圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)）

有些采摘機(jī)器人采用的是有軌式移動(dòng)底盤，機(jī)器人只能沿著固定的導(dǎo)軌移動(dòng)，這就要求番茄植株的位置與機(jī)器人導(dǎo)軌的位置都必須保持固定，不能隨意變動(dòng)，對(duì)作業(yè)場(chǎng)地環(huán)境的適應(yīng)性不強(qiáng)，不太適合像植物工廠這樣的半結(jié)構(gòu)化環(huán)境。

而我則不同，我采用的是無(wú)軌式移動(dòng)底盤，可全向、大范圍自主移動(dòng)，可原地定點(diǎn)360度轉(zhuǎn)向，靈活機(jī)動(dòng)，尤其適合在植物工廠培育架之間的狹窄空間內(nèi)作業(yè)，而且無(wú)需在地面鋪設(shè)導(dǎo)軌或引導(dǎo)地標(biāo)，對(duì)植物工廠而言更加“友好”。

精準(zhǔn)投喂：采摘完畢后的放置工作

已經(jīng)給大家介紹了很多我在采摘時(shí)的各項(xiàng)功能，但你是否會(huì)好奇，在采摘完畢后，我又是如何將采摘完的番茄果實(shí)準(zhǔn)確地放進(jìn)諸如果盤、籃子等指定位置中呢？

其實(shí)很容易！我只需要事先通過(guò)手臂上安裝的攝像機(jī)檢測(cè)到果盤目標(biāo)信號(hào)，然后對(duì)果盤中心進(jìn)行定位，再將該位置坐標(biāo)發(fā)送給我的大腦（ROS系統(tǒng)），隨后ROS系統(tǒng)會(huì)發(fā)出指令——控制機(jī)械臂和機(jī)械手運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)位置上方，松開(kāi)手指，將果實(shí)準(zhǔn)確放入果盤中。

在手掌與機(jī)械臂之間是我的“小臂”，它一方面延長(zhǎng)了機(jī)械手的作業(yè)空間范圍，使機(jī)械手能夠摘取到更遠(yuǎn)處的番茄果實(shí)。另一方面，在“小臂”中安裝有控制機(jī)械手開(kāi)合的電機(jī)，當(dāng)電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，機(jī)械手收緊夾住果實(shí)并將其摘下，然后移動(dòng)到指定位置，電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)械手松開(kāi)將果實(shí)放下。

小助手寄語(yǔ)

當(dāng)然啦，我的功能并不僅僅是協(xié)助番茄的采摘。當(dāng)科研人員對(duì)我進(jìn)行二次技術(shù)開(kāi)發(fā)后，我還能采摘其他的果蔬品種，或進(jìn)行授粉以及其他作業(yè)。

雖然我是一個(gè)機(jī)器人，無(wú)法像大家一樣親口嘗到番茄的味道，但通過(guò)我的幫助讓每個(gè)人都品嘗到可口的番茄對(duì)我自己來(lái)說(shuō)也是一件很幸福的事情。以后我也會(huì)有更多新的功能亮相，請(qǐng)期待我以后的表現(xiàn)吧！