本文轉自35斗微信公眾號，作者孫丹。
我國是蘋果生產大國，自兩千多年前就有蘋果栽培的歷史，西漢司馬相如的《上林賦》記載：「楟柰厚朴，梬棗楊梅」，其中的「柰」被許多學者認為是中國蘋果的古稱。
在過去，蘋果的採摘工作主要依靠人力，而今天，由於我國城鎮化進程加快，農村青壯年勞動力的轉移，蘋果種植業開始面臨後繼乏人的現實窘境。
根據國家蘋果產業技術體係數據統計，2021年，我國蘋果種植面積為3132.12萬畝，蘋果產量為4597.34萬噸。作為蘋果種植產業鏈其中環節之一，蘋果採摘可以說是「既費時，又費力」。為了降低蘋果種植戶的工作強度，減少人力成本，越來越多的蘋果採摘機器人被研發出來並實現落地。
可以說，蘋果採摘機器人的出現，給蘋果種植業帶來了新的生機。近期，35斗採訪了西北農林科技大學機械與電子工程學院的楊福增教授及其科研團隊，他給我們細細講述了國內蘋果採摘機器人的現在與未來。
圖：楊福增教授（右三）及其科研團隊 圖片源：受訪者供圖
一、從紙上藍圖到蘋果落地，團隊走了不止四年
2022年11月，楊福增團隊研發的蘋果雙臂採摘機器人完成了果園實地試驗，這一試驗成功宣告了我國高校第一台蘋果雙臂採摘機器人的誕生。
據楊福增教授介紹，團隊對蘋果採摘機器人的研發始於2018年。借著農業農村部蘋果全程機械化科研基地建設項目和陝西省蘋果科技重大專項的契機，楊福增團隊開始了蘋果採摘機器人的研發，歷時四年，這一科研設想終於從「紙上藍圖」變成了真切現實。
但要追溯起來，團隊所耗費的時間卻又不止四年。「2009年，美國正在進行蘋果生產機器人的研究，我也產生了研製蘋果採摘機器人的想法。」但由於現實條件的限制，前期，團隊只能進行大量的準備工作和探索性研究。
經過長期的鍛鍊與積累，楊福增團隊在蘋果園智能裝備領域形成了較為全面的科研優勢，包括理論與算法研究、樣機創製、成果轉讓等。目前，團隊帶頭人楊福增教授負責「農業農村部蘋果全程機械化科研基地」、「農業農村部北方農業裝備科學觀測實驗站」2個部級科研平台，並帶領團隊研製出蘋果採摘機器人、果園轉運機器人等10餘種機具。
楊教授表示，現在已有眾多國內外高校科研團隊和實體企業主動聯繫團隊，了解蘋果採摘機器人的研製情況，並提出合作、研發和推廣意願。
二、尋找最優算法，提高蘋果採摘速度與精度
楊福增團隊研發的蘋果雙臂採摘機器人，整機部分由智能履帶底盤、深度相機、信息智能化處理模塊、上位機（控制器）、機械臂和採摘手組成，再加上前後兩台裝載轉運機器人一起，共同構成了蘋果採摘—轉運多機器人系統。
圖：團隊研究生調試蘋果雙臂採摘機器人系統 圖片源：受訪者供圖
在操作流程上，首先，機器人的「眼睛」（視覺系統）需要識別並確定成熟果實位置，然後「大腦」（控制系統）合理規劃路徑，驅動機械「手臂」（執行系統）完成抓握、分離動作後，移動到蘋果收集箱緩慢釋放蘋果，最後機器人復位開始下一輪採收。
機器人要想精準摘取果實，首先必須快速識別和準確定位蘋果，並完成果實信息的反饋，因此「眼睛」和「大腦」尤為重要，這就需要找到更合適的算法。
在複雜的非結構化果園環境下，現有的大部分算法容易將蘋果被「樹葉遮擋」、「枝幹遮擋」、「果實遮擋」或「混合遮擋」等不同情況劃分為一類。若未根據實際作業場景對以上情況不加以區分而直接採摘蘋果，極易損傷果實，甚至損壞採摘手和機械臂，影響採摘效率和果實品質，造成更大損失。
經過多輪篩選和反覆試驗，團隊研究和測試出了更加適宜的蘋果採摘方式和實時識別方法，它能夠實時識別蘋果位置，對不同情況的蘋果進行正確分類，並採用不同的採摘策略。
圖：楊福增教授（右三）與團隊研討機器人手臂抓取蘋果的技巧 圖片源：受訪者供圖
目前，團隊的蘋果雙臂採摘機器人主要面向現代化的標準矮化密植蘋果園進行試驗，單臂單果採摘的平均速度可達7.5秒/個，預計未來投入使用後，雙臂採摘-轉運系統收穫效率約為10分鐘一棵樹。
我國蘋果種植區域廣闊，經緯度跨度大，優勢地域如西北黃土高原產區、西南冷涼高地產區等地形地勢複雜，且主要以傳統喬化老果園為主，樹冠高大、枝多株近、果園鬱閉。儘管蘋果雙臂採摘機器人能在矮化密植蘋果園大展身手，但面向老式和複雜地形果園仍心有餘而力不足，團隊為此正在加快研發與完善當中。
未來，團隊將優化機器履帶底盤，增加機器與地面的接觸面積，降低其重心、增強穩定性，讓機器人可以在溝壑縱橫的丘陵地區行走和作業；加快較大體積、較大動力的機器人研發，增強其越障礙、跨溝坎能力。同時，團隊將開啟蘋果多臂採摘機器人的研究，並增加夜間採摘試驗，不斷拓寬機器人應用場景。
三、加快「政企研」聯合，讓蘋果採摘科研機變商品機
「天下難事，必作於易。」
蘋果採摘機器人是農業機器人領域的難點和熱點之一，目前仍處在科研範疇，尚未出現成熟的農機產品。楊福增團隊認為，蘋果雙臂採摘機器人的試驗成功，意味著蘋果採摘機械化向前邁出了重要一步，但機器人從試驗成功到下地應用還有很長的路要走。
近些年，國內各大高校科研團隊針對果園智能採摘機器人關鍵技術開展了很多研究。但是大多處於實驗室開發階段或測試階段。
目前，國內市面可見的採摘機器人大多由科技公司推出，例如阿里巴巴達摩院XR實驗室等。但即使是已經問市的採摘機器人，由於栽培模式、管理模式和小農戶購買力等因素限制，產品的實際推廣應用情況並不太理想。
「機器人屬於技術密集型的高成本產品，小戶果農單獨購買使用蘋果採摘機器人成本太過高昂，機器人與農業的融合也需要一個過程。」因此，楊教授認為，由政府出台靈活有效的農機補貼政策，通過農機專業合作社統一採購，面向小農戶提供採摘服務或是當前較為適宜的選擇。
「把目光放長遠，為山區的老百姓做實事，為改善山區生產條件和促進丘陵山區的農業機械化提供技術支撐。」
採摘機器人的研製與推廣並不是一件簡單的事情，而是一項系統化的工作。加快產品優化改進，提高可靠性，降低維護成本，形成可複製的生產模式，才能以點帶面，做好採摘機器人的量產與大面積推廣應用落地工作。
藉助獲批的「十四五」國家重點研發計劃「丘陵山地通用動力機械創製與示範應用」項目，楊福增團隊正在聯合全國優秀企業，與中國農大、上海交大、北航等知名高校聯合開啟並推進丘陵山區的農業機械項目，儘快讓科研機變為商品機，早日為蘋果產業的高效發展服務。