科创中国

行业领域

高新技术改造传统产业,农、林、牧、渔业,农业

需求背景

项目客户为中等规模的猕猴桃产业示范园，园区内部采摘人员流动频繁，用工成本高，猕猴桃采摘损坏及效率低下等情况有待提升，生产成本及管理成本高。因此需要研究复杂环境下猕猴桃果实识别和分离方法，目标果实关键点空间坐标的获取方法，无损采摘方法等，以提高生产效率，降低管理成本，达到降本增效的效果。

需解决的主要技术难题

本项目以大棚架栽培模式猕猴桃为研究对象,研究内容包括复杂环境下猕猴桃果实识别和分离方法,目标果实关键点空间坐标的获取方法,无损采摘方法。具体研究方法为①复杂环境下猕猴桃果实识别和分离方法:利用照明技术、机器视觉以及数学模型,解决复杂环境下相邻、重叠果实的识别和分离问题,提出猕猴桃果实信息感知方法；②目标果实关键点空间坐标的获取方法: 利用三角测量原理、传感技术以及数学模型,解决空间坐标的检测问题,提出自动获取高精度采摘位置的方法;③无损采摘方法:利用传感技术和控制技术,解决保证品质的采摘机理问题,研究试制末端执行器。

猕猴桃采摘机器人由摄像头、控制器、机械臂、末端执行器、电池等部分组成。机器人开始工作后，摄像头会精准识别并定位到果实，之后仿生机械手能够快速夹持无损采摘，结合猕猴桃采收时偏硬特性，实现猕猴桃高效收集。具体情况如下：

1.基于垂直多关节型的多自由度采摘机械臂执行机构

（1）研究多关节型的机械臂零部件结构设计，在低成本、高稳定性的约束下，实现空间多自由度的非干涉运动行为。

（2）研究机械臂的数学建模与仿真分析方法，进行机械臂末端空间作业的运动轨迹模拟分析与参数反馈。

（3）研究机械臂采摘顺序的最优路径规划算法，实现单视场下的最短路程和采摘，进而提高采摘效率。

2.基于柔性仿生结构的末端执行器自适应无损采放技术

（1）研究多品种多规格猕猴桃的几何形状-果实物理特性，为设计多类型最优柔性仿生结构提供数据依据。

（2）研究果实与夹持机构间的力学变化规律，确定最佳的夹持机构驱动方式。

（3）研究多种采放动作（如拧、转、翻）行为对果实/果梗的应力分布规律，实现自适应的采放作业行为。

3.基于 3D 相机与深度学习的果实智能跟踪识别与空间定位算法

（1）研究广域复杂环境下猕猴桃果实图像数据集构建方法，为基于深度学习的猕猴桃果实精准识别提供多样化与可靠的训练、测试和验证数据集。

（2）研究融合视觉注意力机制的深度卷积神经网络建构方法，实现田间复杂环境下的猕猴桃果实的高效、精准跟踪识别。

（3）研究基于 3D 相机的猕猴桃空间定位算法和资源受限条件下的网络模型轻量化部署技术，为采摘机器人提供便携化的边缘视觉智能分析技术支撑。

4.智能采摘机器人多部件协同控制与精准响应技术

（1）基于多参数多变量逻辑耦合的协同控制机理，实现末端执行器高效、精准的采放作业效果。

（2）研究基于误差矫正的多部件精准响应方法，解决因土壤不平整、光照不均匀、树枝树叶遮挡等果园自然因素导致的无法精准采摘的问题。

【业务需求与技术需求】

业务需求：保证采摘质量，采用智能机器人技术，全天候作业，保证采摘猕猴桃的质量，并且能够高效地完成采摘任务。有效解决猕猴桃采摘费时费力、人工成本高等问题。

关键技术：是利用全视场信息感知的猕猴桃多目标识别及遮挡果实，图像识别方法，其识别速度快、识别精度高。运用连贯采摘机理与采摘方法，“机器手”能够实现“抓取-采摘-卸果”等一体化连贯动作同，不仅效率高，破损率还特别低。

关键技术突破：从传统的图像处理算法到最新的深度学习等 AI 技术、高成本的工业机械臂到低成本农用机械臂、步进电机末端执行器到联动仿生机械手等核心技术。

期望实现的主要技术目标

设施大田（高 *** 米、宽 3 米、株距 2 米、枝距 30-35 厘米）用猕猴桃采摘机器人，行走车辆为：宗申电动三轮车 150 系列。考核性能技术指标如下：

1.猕猴桃采摘机器人由视觉系统、机械臂、控制单元、末端执行器和移动平台等五部分组成,并在平台上安装果实筐、波纹管、补光灯等。能在人工引导下在大田环境下移动和定位，摄像头会精准识别并定位到果实，之后仿生机械手能够快速夹持无损采摘，卸果后果实自动落筐，达到指定量后提醒换筐，结合猕猴桃采收时偏硬特性，实现猕猴桃高效收集。前端装有照明灯光，便于夜间采收，达到全天候作业的目标。

2.猕猴桃采摘机器人试验样机应能实现全视场果实信息感知和连贯采摘方法。采摘机器人视觉识别系统的识别精度：光照强烈：90%-95%，光照适中：93%-98%，光照暗：91%-96%，识别率≥90%。对猕猴桃的果实目标定位准确率为 ***%,图像识别平均时间≤***幅。

3.基于全视场猕猴桃果实簇的识别结果,采用多机械手协同作业的采摘任务分区及顺序规划方法，确定果实的采摘顺序。按照采摘机械手协同作业特点和视觉重叠区域判定进行采摘任务规划,完成独立、成簇等非遮挡猕猴桃果实的智能化采摘。

4.采摘机械臂（含末端执行器）自由度 4~5 个；机械臂定位精度：3-6mm;正反向背隙，2-4mm；单采摘机械臂平均完成采摘时间 3-7s/pcs。

5.猕猴桃果实采取连贯采摘方法,用机械臂+末端执行器进行连贯采摘运动轨迹。实现“抓取-采摘-卸果-复位”一体化的连贯采摘动作,使单果采摘成功率≥80%。

需求解析

解析单位：“科创中国”人工智能专业科技服务团（西咸新区人工智能行业协会） 解析时间：2023-11-24

张历南

陕西科友青信息技术有限公司

执行董事

综合评价

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