智能秋收｜番茄種植大棚內(nèi)的“新員工”前來報道

出品：科普中國

作者：孔德義、吳銀亭（中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院智能機械研究所）

監(jiān)制：中國科普博覽

智能秋收小助手名片

小助手：番茄采摘機器人

大腦：ROS系統(tǒng)

四大核心技術：深度學習算法提高果實識別率；微小型攝像機判斷果實成熟度；機械手臂實現(xiàn)采摘；無軌式移動底盤保證靈活行駛

能量值：5顆星

證件照：

番茄采摘機器人

（圖片來源：作者）

智能秋收小助手自我介紹

番茄大家都吃過，但番茄是由誰采摘的呢？我！

我是番茄采摘機器人，主要的工作就是采摘番茄。我出生于2021年，是由中國科學院合肥物質(zhì)科學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化采摘啦。

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

和人類的手臂有所不同，我主要使用我的機械臂和機械手對成熟番茄進行逐個采摘。

我的手臂上安裝了一臺微小型攝像機，相當于我的“眼睛”，它能幫助我通過果實顏色來判斷果實的成熟度。對于判定為成熟的果實，我還能快速計算出其所在位置，隨后ROS系統(tǒng)（也就是我的大腦）會控制機械臂運動到果實附近，進而利用安裝在機械臂末端的機械手完成對果實的采摘。

不同成熟度的番茄

（圖片來源：veer圖庫）

熟沒熟？怎么摘？這些我都知道！

利用深度學習算法，我會事先對大量的小番茄果實進行識別訓練，從而大大提高我對目標的識別準確率；通過對采摘機械手的精心設計以及對機械臂運動過程的精準控制，我還可以提高對小番茄果實的采摘成功率。

通常來說，在植物工廠環(huán)境下培育的小番茄，同一品種果實的大小差異不大，所以我的機械臂能精準摘下每一顆小番茄，而無需擔心掉落。倘若碰到不同品種間尺寸差異較大的番茄，科研團隊也會為我設計專用的采摘機械手。

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

我的采摘對象是矮株小番茄，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小番茄果實，單個果實的采摘時間大概是10秒左右。

對于掛果較為集中的串式高株番茄，通過更換機械手，我可以一次采摘一串小番茄果實。

成串小番茄

（圖片來源：veer圖庫）

有些采摘機器人采用的是有軌式移動底盤，機器人只能沿著固定的導軌移動，這就要求番茄植株的位置與機器人導軌的位置都必須保持固定，不能隨意變動，對作業(yè)場地環(huán)境的適應性不強，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，我采用的是無軌式移動底盤，可全向、大范圍自主移動，可原地定點360度轉(zhuǎn)向，靈活機動，尤其適合在植物工廠培育架之間的狹窄空間內(nèi)作業(yè)，而且無需在地面鋪設導軌或引導地標，對植物工廠而言更加“友好”。

精準投喂：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的各項功能，但你是否會好奇，在采摘完畢后，我又是如何將采摘完的番茄果實準確地放進諸如果盤、籃子等指定位置中呢？

其實很容易！我只需要事先通過手臂上安裝的攝像機檢測到果盤目標信號，然后對果盤中心進行定位，再將該位置坐標發(fā)送給我的大腦（ROS系統(tǒng)），隨后ROS系統(tǒng)會發(fā)出指令——控制機械臂和機械手運動到目標位置上方，松開手指，將果實準確放入果盤中。

在手掌與機械臂之間是我的“小臂”，它一方面延長了機械手的作業(yè)空間范圍，使機械手能夠摘取到更遠處的番茄果實。另一方面，在“小臂”中安裝有控制機械手開合的電機，當電機正向轉(zhuǎn)動時，機械手收緊夾住果實并將其摘下，然后移動到指定位置，電機反向轉(zhuǎn)動，機械手松開將果實放下。

小助手寄語

當然啦，我的功能并不僅僅是協(xié)助番茄的采摘。當科研人員對我進行二次技術開發(fā)后，我還能采摘其他的果蔬品種，或進行授粉以及其他作業(yè)。

雖然我是一個機器人，無法像大家一樣親口嘗到番茄的味道，但通過我的幫助讓每個人都品嘗到可口的番茄對我自己來說也是一件很幸福的事情。以后我也會有更多新的功能亮相，請期待我以后的表現(xiàn)吧！