溫室番茄單果采收機器人探討

泰山智能制造產業研究院 趙文峰 高飛 魏富奎 吳乃剛 孫燕敏 胡修慧

1 概述

20世紀初，番茄從歐洲或東南亞傳入中國，開始在我國城市郊區種植。50年代初，番茄成為主要果菜之一，種植規模迅猛發展。90年代初，我國番茄產量已居世界首位。最近10年間（2010~2019），我國番茄產量仍在增長，年產規模已超6千萬噸。因為番茄病蟲害較多，對水肥、溫度要求較高，所以溫室栽培方式更易取得高品、高產效果。

溫室內環境舒適度較差，人工收獲作業勞動強度大，農業勞動力逐漸向其他產業轉移，再加上人口老齡化的問題，勞動力不足越來越嚴重。溫室番茄人工采收形勢雪上加霜。溫室番茄機器人采收勢在必行。

溫室番茄機器人采收分串收和單果兩種方式。串收方式效率更高，但是需要在農藝上保證同串果成熟度一致，目前不是溫室番茄收獲的主要方式。單果機器人采收是時下我國溫室番茄最具潛力的收獲方式。

2 現狀

目前，我國溫室番茄單果采收機器人還沒有成熟產品進入市場。

國家農業智能裝備工程技術研究中心馮青春、河北工業大學王曉楠等開發了一款采用套筒、氣囊執行器的番茄采摘機器人，如圖1所示。它的末端執行器采用吸持拉入套筒、氣囊夾緊進而旋擰分離的結構；機械臂采用4自由度關節式結構加上升降平臺輔助；視覺系統分別由CCD相機和激光豎直掃描實現果實的識別和定位；行走裝置使用軌道式移動。它完成一次番茄單果采摘作業耗時約24s，在強光和弱光下的收獲成功率分別達83.9%和79.4%，收獲后的果實沒有花萼。

上海交通大學趙源深等開發了一款提高了作業效率的番茄采摘機器人（圖2）。它的末端執行器采用帶傳動滾刀式和吸盤筒式結構；機械臂采用2只3自由度PRR式結構；視覺系統利用雙目立體視覺系統實現果實的識別與定位；行走裝置利用溫室內的加熱管作為底盤行進軌道。

圖2 上海交通大學的番茄采摘機器人

現在，國外只有幾款相對成熟的產品將要走向市場。

島根大學和大阪府立大學的藤浦建史等開發了一款4驅電動輪式底盤行走的番茄采摘機器人（圖3）。它的末端執行器通過吸持擺動剪斷并由開口布袋回收的結構；機械臂采用4自由度直角坐標型結構；視覺系統安裝近紅外立體視覺傳感器；行走裝置采用4驅電動輪式底盤。它完成一次番茄單果采摘作業耗時約11s，收獲成功率為85%，其中花萼未受損率為92%。

圖3 藤浦建史等開發的櫻桃番茄采摘機器人

圖4 美國Root AI公司開發的Virgo番茄采摘機器人

美國Root AI公司開發了一款極高效率的番茄單果選擇性采摘機器人Virgo。它的末端執行器采用食品級材料的小型三爪旋擰分離結構；機械臂采用3自由度直角坐標型結構加上升降平臺輔助；視覺系統安裝有傳感器和3D照相機；行走裝置使用軌道式移動。它完成一次番茄單果采摘作業耗時約3.5s，在強光和弱光下的收獲成功率分別達91.7%和88.9%，收獲后的果實沒有花萼。

日本松下公司研發了一款收獲后的果實花萼未受損的溫室小番茄單果采摘機器人（圖5）。它的末端執行器采用通過擺動剪斷并由籃子回收的結構；機械臂采用5自由度直角坐標型結構加上升降平臺輔助；視覺系統使用相機和距離圖像傳感器；行走裝置使用軌道式移動。它完成一次番茄單果采摘作業耗時約6s，收獲成功率很高，收獲后的果實花萼幾乎未受損。

圖5 日本松下公司溫室小番茄單果采摘機器人

以上五款溫室番茄的采摘機器人各有特長，我們迫切需要一款糅合優點、摒棄劣勢、適宜我國溫室番茄單果采收的機器人。

3 設想

我國溫室番茄主要以鮮番茄形式進入市場。花萼未受損的鮮番茄可以防止污染，易于儲存，從而更受市場歡迎。花萼未受損便成為我國溫室番茄單果采摘機器人的要求之一。一次番茄單果采摘作業耗時趕上或超過人工的1~2s也是溫室番茄單果采摘機器人的目標之一。方便轉棚作業是降低溫室番茄單果采摘機器人整體成本的重要手段。

針對這幾點，本文提出了集成多執行器采收機器人的設想。它的末端執行器采用通過擺動剪斷并由籃子回收的結構；機械臂采用3自由度直角坐標型結構加上升降平臺輔助；視覺系統安裝有傳感器和3D照相機；行走裝置采用4驅電動輪式底盤。它的末端執行器、機械臂、視覺系統可以根據需要安裝4、8、12套及以上，它們集成在一套輪式行走裝置上，采用一套控制系統。它計劃完成一顆番茄單果采摘作業耗時約1s、0.5s、0.3s以及更少，收獲成功率和收獲后的果實花萼未受損率將達到98%。

4 結語

集成多執行器采收機器人將會滿足果實花萼未受損、采摘作業耗時最少、便于轉棚作業、收獲成功率高等要求，實現降低整機成本、適宜我國溫室番茄、易于商業推廣的目標。