双机械臂苹果采摘机器人的创新设计与田间性能评估：提升采摘效率与可靠性的关键技术突破

针对传统人工采摘效率低、成本高的问题，研究人员开发了一种基于真空吸附的双机械臂苹果采摘机器人系统。该系统整合ToF（Time-of-Flight）相机感知、动态真空分配和DBSCAN（Density-Based Spatial Clustering）聚类定位算法，在密歇根州商业果园测试中实现80.7%采摘成功率，平均周期5.97秒，较单臂基线效率提升28%，为农业自动化提供了创新解决方案。

　　

在苹果产业面临劳动力短缺和成本攀升的背景下，传统人工采摘已难以满足需求。尽管已有多种采摘机器人问世，但普遍存在感知鲁棒性差、采摘效率低（平均周期>10秒）和复杂环境适应性不足三大瓶颈。尤其当遇到枝叶遮挡、光照变化或果实簇生时，现有系统的成功率会显著下降。更关键的是，多机械臂系统的协同控制与能源分配问题长期制约着商业化进程。

这项发表于《Smart Agricultural Technology》的研究提出了一种革命性的双机械臂苹果采摘系统。通过创新性地整合中央真空系统与时空逻辑（Temporal Logic）协调策略，研究人员在保证80%以上成功率的同时，将单果采摘周期压缩至5.97秒，已接近人工采摘效率。该系统在密歇根州两种典型果园结构（垂直结果墙和UFO树形）中完成1500余次采摘测试，验证了其商业可行性。

关键技术包含：（1）基于Grounding-DINO和Mask-RCNN的级联感知算法，结合DBSCAN点云聚类实现遮挡条件下的果实定位；（2）4自由度（4-DOF）管状机械臂设计，集成动态真空阀门控制模块；（3）压力反馈驱动的双臂协调策略，通过实时监测2500mmH₂O级真空压力实现故障自响应；（4）模块化果实收集系统，采用缓冲输送带和"象耳"式（elephant ears）软着陆装置降低损伤率。

硬件系统创新

采用双4-DOF机械臂共享Delfin 202 DS真空源的设计，每个臂端配备40 Shore A硬度的硅胶吸盘。相比传统夹爪，该设计将定位容错率提升至1.5cm，并通过平台升降机构（行程0.6m）适应不同树形。压力传感器数据显示，吸盘可产生47N吸附力，满足大多数苹果采摘需求。

感知算法突破

提出的两阶段检测-分割流程在mIoU（mean Intersection-over-Union）0.798的情况下达到7FPS处理速度。特别开发的抗过曝光算法使系统在直射光条件下仍保持稳定检测，而DBSCAN聚类将深度估计误差控制在±4mm+0.25%测量值范围内。

协调策略优势

基于时序逻辑的形式化策略将真空资源利用率提升45%。当检测到压力骤降（<70psi）时，系统能在1秒内切换阀门状态，使双臂在5.97秒周期内实现近乎并行操作，较2023版设计缩短28%耗时。

讨论与展望

该研究首次验证了共享真空系统的多臂协同可行性，其80.7%的田间成功率已接近商业化阈值。值得注意的是，85.4%的成功采摘在首次尝试即完成，证明感知-执行闭环的可靠性。但研究也揭示，密封失效（44例）和枝干干扰（14例）仍是主要故障来源。未来通过集成电动移动平台和变形感知（deformation-aware）运动规划，有望实现全自主连续采摘。这项技术不仅适用于苹果产业，其模块化设计还可拓展至柑橘、梨等大宗水果的自动化收获领域，为应对全球农业劳动力危机提供关键技术支撑。