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全球值得关注的水果采摘机器人盘点,机器胜人指日可待

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作者|袁凯  来源|35斗(ID:vcearth)

据估算,到2050年,全球人口将增长40%,达到97亿,人口增长对水果的需求也大大增加,水果产量需要增加一倍才能满足2050年的消费需求。水果生产面积到2050年预计将增加一倍,达到1.4亿公顷。

虽然水果的产量能够跟上人口的增加,但是问题出现了,到2050年,农业就业人数将缩减一半,这会导致大量水果采摘劳动力的缺口。采摘劳动力的短缺将导致全世界超过10%的水果不能及时收获,这相当于欧盟的年度水果消费量。

采摘水果是一项低薪、季节性、重复性的工作,发展前景不大。而且采摘成本高昂,采摘人工成本最多占农民运营支出的50%。随着现有的采摘工作者逐渐衰老,年轻一代正在向城市地区迁移,所以从事水果采摘的工人越来越少。

在水果采摘中,时间就是一切,延后2周采摘的水果将损失其价值的80%,劳动力短缺使美国果农每年损失30亿美元的销售额,全球的水果种植者每年因无法采摘导致的销售额损失达到了300亿美元。

针对以上问题,50年前美国学者Schertz和Brown就提出了利用机器人来进行水果的采摘。但一直以来,机器人采摘水果都存在三方面的问题:第一大困难是机器对水果成熟度的判断准确率低,第二大困难是机器采摘的效率太低,第三大困难是采摘装置对部分水果的损伤程度高。

直到近些年才出现了类似Tevel这样的高效水果采摘公司。Tevel作为一家领先的农业技术公司,可以按需提供水果采摘解决方案。Tevel的自主采摘机器人可以在合适的时间以较低的成本满足果农对采摘劳动力的需求,从而使果园管理变得更加轻松,利润也更高。而且Tevel的服务具有完全可扩展性,可以满足不断增长的人口的需求,并且可以无缝部署到任何地方。

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目前来看,Tevel的解决方案有望彻底改变水果收获的方式,他们的目标是创造世界上最好的水果采摘机。做到这一点,人工智能必不可少。

Tevel的人工智能感知算法主要包括四方面:1.视觉算法,检测水果、树叶和其他物体,包括水果分类(大小、成熟度等);2.机动算法,最优轨迹规划与执行;3.平衡算法,稳定算法以平衡机器的力;4.收割优化,基于果园数据的车队管理优化算法。

得益于这些人工智能的算法,Tevel的采摘机器人能够检测水果的成熟度、水果类型、水果瑕疵和水果的质量等指标。虽然该采摘机器人目前的版本只能挑选苹果和橙子,但Tevel正在努力扩大其无人机的能力,以检测其他水果,如鳄梨和芒果。

除了采摘无人机系列外,Tevel还计划开发无人机集群管理软件,该软件可收集和跟踪果园中每棵树的果实产量以及水果质量和轨迹规划等数据,用于后续提高水果采摘效率。

Tevel公司表示,该公司每年面向美国和欧洲的水果种植者的销售额达到了30亿美元,估计在世界其他地区还有300亿美元待开发的市场。

智能采摘机器人盘点

猕猴桃采摘

机器采摘水果市场巨大,除Tevel外还有不少团队已经加入竞争市场。例如新西兰Robotics Plus公司开发了一种猕猴桃自动采摘机,通过4只机器采摘臂从果架上将成熟猕猴桃摘下,再通过机器臂下面的管袋传送到的收藏盒中。猕猴桃质地柔软,对采摘的技术要求非常高。此外,新西兰的Newton Research Labs也在研究水果采摘机器人,也包括空中采摘无人机,他们的目标是让水果采摘无人机能够不分昼夜地采摘工作。

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Robotics Plus的采摘机器人,图片来源网络

覆盆子采摘

英国普利茅斯大学的研究机构Fieldwork Robotics,开发了一款采摘覆盆子(类树莓浆果)的机器Robocrop,这款机器人高1.8米,内置传感器和3D摄像头,通过机器学习来识别覆盆子,能够摘下果实并放到托盘中,并根据果实成熟度进行分类。覆盆子的果实比较柔软,采摘的难度也比较大。Robocrop的机器手臂上采用了一种特制的夹垫,将压力传感器和柔软的材料结合,让夹垫在施加压力的同时又不会损坏果实。

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Robocrop覆盆子采摘机器人,图片来源网络

目前覆盆子采摘机器人的价格极其高昂,一套机器高达70万英镑,但它的工作效率效率极高。根据Fieldwork Robotics介绍,每个机器人每天可以采摘超过 25000个覆盆子,这已经远超过8小时轮班制中一个工人平均摘15000个的工作量。

目前英国最大的浆果种植商之一Hall Hunter从2019年9月就开始在自家农场测试这种采摘机器人。据了解,他们预计将在明年投产的新版采摘机器人身上安装4个机械臂,而且可以同时工作,这意味着采摘效率能再翻两番。不过这些机器人还不能日夜不间断的工作,目前Robocrop面临最大的挑战是如何适应不同的光线环境工作。

草莓采摘

比利时企业Octinion的草莓采摘机器人5秒就可以识别一个草莓,在包装环节还会优先把红色放到上面以吸引顾客。Octinion的草莓采摘机器人的最大优势在于它配备了大量的摄像头,具有机器视觉,可以自动生成3D图像并进行定位,它可以像人类一样自行判断草莓是否成熟、成熟度如何,然后再采取行动。

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Octinion的草莓采摘机器人,图片来源网络

挪威环境与生命科学大学也推出了一款Noronn草莓采摘机器人,它可以分辨出种植在水果架上草莓的成熟程度,然后自动采摘,并根据草莓的大小分类。

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Noronn草莓采摘机器人,图片来源网络

辣椒采摘

以色列开发过一款辣椒自动采摘机器人Sweeper,Sweeper的亮点在于能够识别辣椒的成熟度。这款机器人可以在甜椒种植的温室内自主来回巡视,观察甜椒是否成熟,并将成熟的甜椒摘下放入篮子中。此外,Sweeper自带光源,所以即使是夜晚也能正常工作。不过目前Sweeper识别是否成熟的平均时长为24秒,准确率仅为61%,还有待提高。

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辣椒自动采摘机器人Sweeper,图片来源网络

苹果采摘

美国Abundant Robotics公司,是近年来比较受关注的农业机器人初创科技公司。其研发的苹果采摘机器人在2017年完成了1000万美元的A轮融资,2019年上半年,他们的苹果机器人正式在新西兰投入商用。该款机器人借助先进的计算机视觉技术,分别苹果的成熟度,采取真空抽吸的方式采摘苹果,避免了机械设备对水果表面的伤害,这同时也意味着这款机器人的运用范围将更加广泛,不仅局限于苹果的采摘,农场的工作人员只需在远处进行操控。

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Abundant Robotics 团队,图片来源官网

日本有一种带有自动行车的收割机器人的原型,该机器人可以采摘9种水果,例如苹果和梨。该机器人通过四个摄像头的深度学习来识别和区分水果。用RGB-D摄像机测量距离,以获取机器人到目标的距离。收获的水果被送到水果储存容器系统。当容器装满水果时,可以继续自动收获,同时自动更换空容器。它的收获速度与人工差不多,每分钟可以采摘5个,每小时约300个。

芒果采摘

昆士兰大学研发过一款芒果采摘机器人,据称能够实现了75%的采收效率。该机器人是通过LED灯、传感器和摄像头来识别水果的重量、位置和成熟程度。采摘过程中不会损伤芒果外皮,还能根据成熟度、大小进行分批采摘,为他们下一步分级苹果品质和包装提供不少便利。除了昆士兰大学之外,像谷歌、新西兰等地也在今年推出了芒果采摘机器人。

柑橘采摘

2017年,一家西班牙的公司研发了一款柑橘采摘机器人,该机器人能按照柑橘的成熟度和大小,即时分类采摘。此外,总部位于美国剑桥市的恩纳基科技公司也研发出一款柑橘采摘机器人,采摘速度为2-3秒/个,采摘完成度为80%。

荔枝采摘

我国华南农业大学研发团队早在数年前就研发出荔枝采摘机器人,该机器人采摘效率为每小时40斤荔枝,约是人工的两倍。这款机器人采用的是双目立体视觉系统,可以对荔枝进行定位,获得视野内的多个目标,然后自主规划采摘作业路径,最后利用机械臂末端的拟人夹指来剪断果枝,摘取果实。

据了解,西红柿、西兰花和黄瓜等经济作物的自动采摘机器人也正在陆续被开发出来。但目前还没有哪类采摘机器人已经大规模投入到实际应用中。

行业未来展望

智能机器人在现代农业中的广泛应用帮助农户解决了许多繁重、乏味的工作,水果采摘机器人就是其中的代表。每到果园收获时期,果农就需要聘请大量的工人进行采摘的工作。2019年我国城市化率为60.60%,“十三五”期间有1亿农村人口完成了城镇转移落户,农民的数量持续下降,中国务农一线的劳动力平均年龄也达到了53岁,其中60岁以上的务农劳动力占比为25%。面对农村人口老龄化趋势和劳动力短缺的困境,以技术创新为驱动力的智慧农业被认为是中国农业的未来发展形态。

水果采摘机器人作为智慧农业的代表之一,就能够节省大量的时间和人力成本。因此,对于水果采摘来说,自动采摘机器人将是不久将来的一个必要选择。

目前各种智能水果采摘机器人的研发和推广都在加快进程,相信未来的农业生产过程中,它们会为我们大幅降低成本、大幅提高效率。

编者按:本文转载自微信公众号:35斗(ID:vcearth),作者:袁凯


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