温室番茄单果采收机器人探讨

泰山智能制造产业研究院 赵文峰 高飞 魏富奎 吴乃刚 孙燕敏 胡修慧

1 概述

20世纪初，番茄从欧洲或东南亚传入中国，开始在我国城市郊区种植。50年代初，番茄成为主要果菜之一，种植规模迅猛发展。90年代初，我国番茄产量已居世界首位。最近10年间（2010~2019），我国番茄产量仍在增长，年产规模已超6千万吨。因为番茄病虫害较多，对水肥、温度要求较高，所以温室栽培方式更易取得高品、高产效果。

温室内环境舒适度较差，人工收获作业劳动强度大，农业劳动力逐渐向其他产业转移，再加上人口老龄化的问题，劳动力不足越来越严重。温室番茄人工采收形势雪上加霜。温室番茄机器人采收势在必行。

温室番茄机器人采收分串收和单果两种方式。串收方式效率更高，但是需要在农艺上保证同串果成熟度一致，目前不是温室番茄收获的主要方式。单果机器人采收是时下我国温室番茄最具潜力的收获方式。

2 现状

目前，我国温室番茄单果采收机器人还没有成熟产品进入市场。

国家农业智能装备工程技术研究中心冯青春、河北工业大学王晓楠等开发了一款采用套筒、气囊执行器的番茄采摘机器人，如图1所示。它的末端执行器采用吸持拉入套筒、气囊夹紧进而旋拧分离的结构；机械臂采用4自由度关节式结构加上升降平台辅助；视觉系统分别由CCD相机和激光竖直扫描实现果实的识别和定位；行走装置使用轨道式移动。它完成一次番茄单果采摘作业耗时约24s，在强光和弱光下的收获成功率分别达83.9%和79.4%，收获后的果实没有花萼。

上海交通大学赵源深等开发了一款提高了作业效率的番茄采摘机器人（图2）。它的末端执行器采用带传动滚刀式和吸盘筒式结构；机械臂采用2只3自由度PRR式结构；视觉系统利用双目立体视觉系统实现果实的识别与定位；行走装置利用温室内的加热管作为底盘行进轨道。

图2 上海交通大学的番茄采摘机器人

现在，国外只有几款相对成熟的产品将要走向市场。

岛根大学和大阪府立大学的藤浦建史等开发了一款4驱电动轮式底盘行走的番茄采摘机器人（图3）。它的末端执行器通过吸持摆动剪断并由开口布袋回收的结构；机械臂采用4自由度直角坐标型结构；视觉系统安装近红外立体视觉传感器；行走装置采用4驱电动轮式底盘。它完成一次番茄单果采摘作业耗时约11s，收获成功率为85%，其中花萼未受损率为92%。

图3 藤浦建史等开发的樱桃番茄采摘机器人

图4 美国Root AI公司开发的Virgo番茄采摘机器人

美国Root AI公司开发了一款极高效率的番茄单果选择性采摘机器人Virgo。它的末端执行器采用食品级材料的小型三爪旋拧分离结构；机械臂采用3自由度直角坐标型结构加上升降平台辅助；视觉系统安装有传感器和3D照相机；行走装置使用轨道式移动。它完成一次番茄单果采摘作业耗时约3.5s，在强光和弱光下的收获成功率分别达91.7%和88.9%，收获后的果实没有花萼。

日本松下公司研发了一款收获后的果实花萼未受损的温室小番茄单果采摘机器人（图5）。它的末端执行器采用通过摆动剪断并由篮子回收的结构；机械臂采用5自由度直角坐标型结构加上升降平台辅助；视觉系统使用相机和距离图像传感器；行走装置使用轨道式移动。它完成一次番茄单果采摘作业耗时约6s，收获成功率很高，收获后的果实花萼几乎未受损。

图5 日本松下公司温室小番茄单果采摘机器人

以上五款温室番茄的采摘机器人各有特长，我们迫切需要一款糅合优点、摒弃劣势、适宜我国温室番茄单果采收的机器人。

3 设想

我国温室番茄主要以鲜番茄形式进入市场。花萼未受损的鲜番茄可以防止污染，易于储存，从而更受市场欢迎。花萼未受损便成为我国温室番茄单果采摘机器人的要求之一。一次番茄单果采摘作业耗时赶上或超过人工的1~2s也是温室番茄单果采摘机器人的目标之一。方便转棚作业是降低温室番茄单果采摘机器人整体成本的重要手段。

针对这几点，本文提出了集成多执行器采收机器人的设想。它的末端执行器采用通过摆动剪断并由篮子回收的结构；机械臂采用3自由度直角坐标型结构加上升降平台辅助；视觉系统安装有传感器和3D照相机；行走装置采用4驱电动轮式底盘。它的末端执行器、机械臂、视觉系统可以根据需要安装4、8、12套及以上，它们集成在一套轮式行走装置上，采用一套控制系统。它计划完成一颗番茄单果采摘作业耗时约1s、0.5s、0.3s以及更少，收获成功率和收获后的果实花萼未受损率将达到98%。

4 结语

集成多执行器采收机器人将会满足果实花萼未受损、采摘作业耗时最少、便于转棚作业、收获成功率高等要求，实现降低整机成本、适宜我国温室番茄、易于商业推广的目标。