番茄采摘及分级一体机器人设计与试验

摘要

针对传统番茄采摘过程中存在劳动力短缺、劳动强度大和采摘效率低下的问题，设计了一款全自动番茄采收机器人以代替人工作业，该系统配备了6-DOF机械臂、RGB-D摄像机、移动底盘和柔性末端执行器.首先，针对果实遮挡导致检测精度低的问题，建立了具有果实检测和实例分割双重功能的番茄检测模型，增加了小目标检测层和分割分支以提高果实定位的精度；其次，提出了机械臂的两阶段路径规划方法，以提高机械臂路径规划的成功率并最大限度地减少采摘过程中对番茄的损伤.最后，实现了末端执行器的控制策略，使其可以根据果实的大小从全开到半开、半开到全闭两种状态进行抓取切换，从而完成采摘后番茄的在线分级.通过在果园中的现场试验，验证了机器人在感知、执行、抓取和分级的有效性.结果表明，机器人对视场中可见果实的平均识别准确率达到96.34%,平均采摘成功率为86.79%,单果采摘平均耗时为8.159秒，此外，计算果实果径的平均准确率达到92.58%,分级正确率为92.75%.

关键词

番茄采收机器人 / 实例分割 / 果实遮挡 / 路径规划 / 在线分级

基金资助

山西省重点研发计划项目（2022ZDYF128）资助; 山西省中央引导地方科技发展项目（YDZJSX2021C005）资助; 山西省基础研究计划项目（202303021212066）资助