Development of an autonomous robotic system for apple harvesting

The use of robotics in harvesting has been rapidly increasing in recent years, driven by advances in automation, artificial intelligence, and sensor technologies. Agricultural robots, also known as “agri-bots,” are being deployed to perform tasks such as picking fruits and vegetables, pruning, and monitoring crop health with greater speed and precision than human labor can achieve. The goal of this thesis is to develop a fully autonomous system capable of executing harvesting operations by creating robust algorithms for perception and manipulation, as well as seamlessly integrating diverse hardware and software components. The system integrates a 6-DOF robotic arm equipped with two cameras, which provide environmental perception and task validation, and a soft gripper for delicate fruit manipulation. Rigorous testing in both simulated and real-world scenarios, replicating agricultural conditions, ensures the system’s practicality and effectiveness. The main contributions of this thesis are the design of a modular software architecture, which enables future extensions, and the validation of complex manipulation tasks. The work responds to the initial research questions by showing the feasibility of multiple grasping strategies and by building a robust manipulation system that combines cost-effective hardware with open-source software frameworks. The resulting system effectively performs intricate tasks, executing diverse picking strategies across a range of realistic scenarios, offering a cost-effective approach to agricultural automation. This research highlights the growing potential of robotics in agricultural harvesting. Evaluating multiple types of grasping approaches for fruit picking shows that robots can perform delicate harvesting tasks. While current implementations face limitations in terms of speed and efficiency, the findings demonstrate the promise of robotics in enhancing reliability, adaptability, and future automation in agriculture.

L’impiego della robotica nella raccolta della frutta è cresciuto rapidamente negli ultimi anni, grazie ai progressi nell’automazione, nell’intelligenza artificiale e nelle tecnologie sensoristiche. I robot agricoli, noti anche come “agri-bot”, vengono utilizzati per attività come la raccolta di frutta e verdura, la potatura e il monitoraggio dello stato di salute delle colture, garantendo una velocità e una precisione superiori a quelle ottenibili dall'uomo. L’obiettivo di questa tesi è sviluppare un sistema completamente autonomo, in grado di eseguire operazioni di raccolta attraverso l’implementazione di algoritmi robusti per la percezione e la manipolazione, integrando diversi componenti hardware e software. Il sistema utilizza un braccio robotico a 6 gradi di libertà equipaggiato con due telecamere, impiegate sia per la percezione dell’ambiente sia per la verifica delle operazioni di presa, e un gripper morbido utilizzato per la manipolazione dei frutti. L’efficacia e l’affidabilità del sistema sono state valutate mediante test condotti sia in ambienti simulati sia in contesti reali che riproducono scenari agricoli. I principali contributi di questa tesi consistono nella progettazione di un’architettura software modulare, che consente future estensioni, e nella validazione di compiti di manipolazione complessi. Questo lavoro dimostra la fattibilità di diverse strategie di presa del frutto e sviluppa un sistema robusto che integra hardware a basso costo con framework open-source. Il sistema risultante esegue efficacemente compiti complessi, adottando strategie di raccolta diversificate in scenari realistici e offrendo un approccio economicamente vantaggioso all’automazione agricola. Questa ricerca mette in evidenza il crescente potenziale della robotica nella raccolta agricola. La valutazione di diversi approcci alternativi per la raccolta della frutta mostra che i robot sono in grado di svolgere compiti di raccolta delicati. Sebbene le implementazioni attuali presentino limiti in termini di velocità ed efficienza, i risultati dimostrano come la robotica rappresenti una prospettiva promettente per migliorare l’affidabilità, l’adattabilità e il livello di automazione futura in contesti agricoli.