記者 白瑤

　　金秋時(shí)節(jié)，三秦大地一派豐收景象。而在這片傳統(tǒng)的北方農(nóng)業(yè)沃土上，一幅“南果北種”的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)圖景正悄然展開：火龍果嫩莖舒展、百香果藤蔓纏繞，曾經(jīng)只在南方生長(zhǎng)的熱帶水果，如今也在陜西開花結(jié)果。豐收的喜悅背后，“高空摘果險(xiǎn)、人工成本高、果實(shí)損耗大”的難題始終縈繞——這不僅是陜西熱帶水果種植戶的困擾，更是全國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)產(chǎn)區(qū)的共性痛點(diǎn)。

　　日前，從中國(guó)大學(xué)生機(jī)械工程創(chuàng)新創(chuàng)意大賽全國(guó)總決賽傳來捷報(bào)：西安理工大學(xué)國(guó)際工學(xué)院學(xué)子研發(fā)的“熱帶水果車載——無人機(jī)協(xié)同智能采摘系統(tǒng)”，從全國(guó)2571件參賽作品中脫穎而出，斬獲全國(guó)一等獎(jiǎng)。這套采摘“黑科技”，不僅為破解熱帶水果采摘難題提供了可落地的智能化方案，更為科技賦能產(chǎn)業(yè)發(fā)展寫下生動(dòng)注腳。

　　“獲獎(jiǎng)的那一刻，除了驚喜與激動(dòng)外，更多的是為所有人的付出終有回報(bào)而欣慰。”團(tuán)隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)楊凱文回憶起獲獎(jiǎng)瞬間，仍滿懷感慨。

　　從去年8月到今年3月共歷時(shí)7個(gè)月，團(tuán)隊(duì)多次熬夜修改方案——從果園里記錄果農(nóng)攀爬的身影，到實(shí)驗(yàn)室里反復(fù)調(diào)試機(jī)械臂的精度，再到田間測(cè)試時(shí)應(yīng)對(duì)突發(fā)的地形難題，每一個(gè)細(xì)節(jié)都飽含心血。

　　這份堅(jiān)持的起點(diǎn)，源于去年夏天的一次南方之行。當(dāng)時(shí)，楊凱文和團(tuán)隊(duì)成員正在廣東、福建開展農(nóng)業(yè)暑期實(shí)踐，走進(jìn)當(dāng)?shù)毓麍@，眼前的景象讓他們心頭一緊：烈日下，果農(nóng)正背著竹筐攀爬在10多米高的果樹上采摘水果，稍有不慎便有墜落的風(fēng)險(xiǎn)。

　　“查閱資料后，我們發(fā)現(xiàn)熱帶水果采摘的機(jī)械化、智能化設(shè)備研發(fā)相對(duì)滯后，人工成本高、效率低、易損傷成了制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展的‘卡脖子’問題。”楊凱文說。

　　與指導(dǎo)老師楊振朝、張燕飛商討后，團(tuán)隊(duì)確定以“熱帶水果智能采摘”為研發(fā)方向。

　　確定研發(fā)方向后，團(tuán)隊(duì)面臨的第一個(gè)核心問題是：選擇何種技術(shù)路徑?

　　“不能閉門造車，得回到果園找答案。”楊振朝的一句話點(diǎn)醒了團(tuán)隊(duì)。為進(jìn)一步摸清行業(yè)痛點(diǎn)，團(tuán)隊(duì)成員先后實(shí)地走訪多個(gè)熱帶水果主產(chǎn)區(qū)，與果農(nóng)、農(nóng)業(yè)合作社及水果收購商深入交流。

　　“最令人印象深刻的是，不少果農(nóng)都提到采摘季雇人難、成本高，果實(shí)因錯(cuò)過最佳采摘期或損傷降價(jià);一些農(nóng)業(yè)合作社負(fù)責(zé)人也表示，因采摘難題，年輕人不愿留在農(nóng)村從事熱帶水果種植，部分產(chǎn)區(qū)面臨勞動(dòng)力短缺困境。這讓我們更堅(jiān)定了‘用科技為果農(nóng)減負(fù)’的決心。”楊凱文說。

　　研發(fā)前，團(tuán)隊(duì)還系統(tǒng)調(diào)研了市面現(xiàn)有設(shè)備，發(fā)現(xiàn)純地面設(shè)備難以觸及高處果實(shí)，在山地、泥濘地形易打滑，惡劣天氣下穩(wěn)定性差;純空中設(shè)備續(xù)航短、負(fù)載低，且多數(shù)無法精準(zhǔn)完成果梗分離。

　　“既然純地面、純空中都不行，不如讓它們‘搭伙干活’。”基于這些痛點(diǎn)，楊凱文提出的“地面移動(dòng)基地+空中精準(zhǔn)作業(yè)”協(xié)同思路，很快得到團(tuán)隊(duì)認(rèn)可。

　　這套方案主要包含三大組件：一是車載平臺(tái)，搭載履帶底盤適配復(fù)雜地形，內(nèi)設(shè)負(fù)壓緩沖收集裝置減少果實(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)損傷。二是無人機(jī)模塊，搭配機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)靈活采摘，同時(shí)配置感知與通信設(shè)備，保障果實(shí)識(shí)別、定位及數(shù)據(jù)傳輸。三是協(xié)同控制模塊，通過分層架構(gòu)確保車載平臺(tái)與無人機(jī)的高效協(xié)同運(yùn)轉(zhuǎn)。

　　但研發(fā)之路并非一帆風(fēng)順。項(xiàng)目啟動(dòng)不久，采摘執(zhí)行機(jī)構(gòu)的三角板支架設(shè)計(jì)就給了團(tuán)隊(duì)“當(dāng)頭一棒”。作為連接機(jī)械臂與無人機(jī)的關(guān)鍵部件，三角板既要承受機(jī)械臂作業(yè)時(shí)的沖擊力，又要保證氣吸式采摘的氣密性。

　　“我們最初采用的直連式三角板結(jié)構(gòu)，在仿真測(cè)試中因中心壓力過高易斷裂，完全無法使用。”團(tuán)隊(duì)成員張馨予說。

　　那天下午，實(shí)驗(yàn)室里一片沉默，桌上攤開的專業(yè)書籍翻了又合，卻沒人能找到突破口。直到晚上，大家找到指導(dǎo)老師。兩位老師帶著學(xué)生翻閱機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)，用畫圖板的方式一步步拆解“應(yīng)力集中”的原理。

　　“凌晨?jī)牲c(diǎn)多，我們發(fā)現(xiàn)‘倒金字塔形’結(jié)構(gòu)可分散應(yīng)力，立刻重新建模、設(shè)置參數(shù)，直到新仿真測(cè)試成功。”團(tuán)隊(duì)成員朱仕鴻說，“那個(gè)夜晚，實(shí)驗(yàn)室里的燈光、寫滿公式的草稿紙，成為技術(shù)突破最具體的寫照。”

　　更關(guān)鍵的挑戰(zhàn)在于“摘果手法”。最初，團(tuán)隊(duì)采用五自由度機(jī)械臂直接抓取方案，卻因剛性夾爪易壓傷果皮，導(dǎo)致?lián)p傷率高、效率低。

　　“摘果不是‘生拉硬拽’，得像果農(nóng)那樣‘輕捏慢剪’。不如再去果園，把果農(nóng)的動(dòng)作拆解開看。”在楊振朝的建議下，團(tuán)隊(duì)重新回到田間。這次，他們不再是“旁觀者”，而是跟著果農(nóng)一步步學(xué)習(xí)采摘水果的手法，最終改進(jìn)摘果方法。

　　光有“好手藝”還不夠，機(jī)械臂還得“知道該摘哪顆”——像果農(nóng)一樣，一眼分清“熟果”和“生果”，避開枝葉遮擋，找到最優(yōu)采摘角度。

　　“我們?yōu)闊o人機(jī)搭載了機(jī)前相機(jī)+YOLOv5視覺識(shí)別系統(tǒng)，經(jīng)手眼標(biāo)定算法轉(zhuǎn)換坐標(biāo)確定采摘點(diǎn)，依靠多智能體算法智能規(guī)劃最優(yōu)采摘路徑;機(jī)前相機(jī)記錄樹冠層高度和果實(shí)分布，濕度傳感器輔助判斷成熟度。”楊凱文說，針對(duì)枝葉遮擋，團(tuán)隊(duì)還引入負(fù)壓吸附組件，在機(jī)械臂末端加裝微型氣泵，以輕微負(fù)壓吸開細(xì)枝，露出果柄，如遇粗枝則通過算法規(guī)劃繞開路徑，確保精準(zhǔn)采摘。

　　為適配山地、泥濘地形，團(tuán)隊(duì)沒有選擇常規(guī)的輪式底盤，而是設(shè)計(jì)了專屬的履帶式底盤——可在30度的斜坡、泥濘地面等場(chǎng)景穩(wěn)定行駛，完美適配丘陵地帶。

　　“盡管系統(tǒng)針對(duì)熱帶水果設(shè)計(jì)，但隨著陜西‘南果北種’的普及，其技術(shù)原理可遷移至獼猴桃等本土水果采摘。”張燕飛表示，系統(tǒng)大規(guī)模應(yīng)用后，將對(duì)熱帶水果種植業(yè)產(chǎn)生顯著影響。

　　項(xiàng)目的成功離不開學(xué)校與老師的支持：學(xué)校構(gòu)建“理論學(xué)習(xí)—項(xiàng)目實(shí)踐—競(jìng)賽歷練—成果轉(zhuǎn)化”的育人模式，指導(dǎo)老師則以“引路人”“技術(shù)教練”“保障后盾”三重角色全程助力。楊振朝說：“此次獲獎(jiǎng)既讓學(xué)生實(shí)現(xiàn)了能力與信心的雙重突破，也填補(bǔ)了學(xué)院在高端機(jī)械創(chuàng)新賽事上的榮譽(yù)空白。”

　　“這份榮譽(yù)不是終點(diǎn)，而是‘用科技為果農(nóng)減負(fù)’的新起點(diǎn)。”楊凱文的話，道出了團(tuán)隊(duì)對(duì)農(nóng)業(yè)科技的初心與期許。