泰山智能制造產(chǎn)業(yè)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(jì)初，番茄從歐洲或東南亞傳入中國(guó)，開始在我國(guó)城市郊區(qū)種植。50年代初，番茄成為主要果菜之一，種植規(guī)模迅猛發(fā)展。90年代初，我國(guó)番茄產(chǎn)量已居世界首位。最近10年間（2010~2019），我國(guó)番茄產(chǎn)量仍在增長(zhǎng)，年產(chǎn)規(guī)模已超6千萬噸。因?yàn)榉巡∠x害較多，對(duì)水肥、溫度要求較高，所以溫室栽培方式更易取得高品、高產(chǎn)效果。

溫室內(nèi)環(huán)境舒適度較差，人工收獲作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度大，農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力逐漸向其他產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移，再加上人口老齡化的問題，勞動(dòng)力不足越來越嚴(yán)重。溫室番茄人工采收形勢(shì)雪上加霜。溫室番茄機(jī)器人采收勢(shì)在必行。

溫室番茄機(jī)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(nóng)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(jī)器人采收是時(shí)下我國(guó)溫室番茄最具潛力的收獲方式。

2 現(xiàn)狀

目前，我國(guó)溫室番茄單果采收機(jī)器人還沒有成熟產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)。

國(guó)家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心馮青春、河北工業(yè)大學(xué)王曉楠等開發(fā)了一款采用套筒、氣囊執(zhí)行器的番茄采摘機(jī)器人，如圖1所示。它的末端執(zhí)行器采用吸持拉入套筒、氣囊夾緊進(jìn)而旋擰分離的結(jié)構(gòu)；機(jī)械臂采用4自由度關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)加上升降平臺(tái)輔助；視覺系統(tǒng)分別由CCD相機(jī)和激光豎直掃描實(shí)現(xiàn)果實(shí)的識(shí)別和定位；行走裝置使用軌道式移動(dòng)。它完成一次番茄單果采摘作業(yè)耗時(shí)約24s，在強(qiáng)光和弱光下的收獲成功率分別達(dá)83.9%和79.4%，收獲后的果實(shí)沒有花萼。

上海交通大學(xué)趙源深等開發(fā)了一款提高了作業(yè)效率的番茄采摘機(jī)器人（圖2）。它的末端執(zhí)行器采用帶傳動(dòng)滾刀式和吸盤筒式結(jié)構(gòu)；機(jī)械臂采用2只3自由度PRR式結(jié)構(gòu)；視覺系統(tǒng)利用雙目立體視覺系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)果實(shí)的識(shí)別與定位；行走裝置利用溫室內(nèi)的加熱管作為底盤行進(jìn)軌道。

圖2 上海交通大學(xué)的番茄采摘機(jī)器人

現(xiàn)在，國(guó)外只有幾款相對(duì)成熟的產(chǎn)品將要走向市場(chǎng)。

島根大學(xué)和大阪府立大學(xué)的藤浦建史等開發(fā)了一款4驅(qū)電動(dòng)輪式底盤行走的番茄采摘機(jī)器人（圖3）。它的末端執(zhí)行器通過吸持?jǐn)[動(dòng)剪斷并由開口布袋回收的結(jié)構(gòu)；機(jī)械臂采用4自由度直角坐標(biāo)型結(jié)構(gòu)；視覺系統(tǒng)安裝近紅外立體視覺傳感器；行走裝置采用4驅(qū)電動(dòng)輪式底盤。它完成一次番茄單果采摘作業(yè)耗時(shí)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(fā)的櫻桃番茄采摘機(jī)器人

圖4 美國(guó)Root AI公司開發(fā)的Virgo番茄采摘機(jī)器人

美國(guó)Root AI公司開發(fā)了一款極高效率的番茄單果選擇性采摘機(jī)器人Virgo。它的末端執(zhí)行器采用食品級(jí)材料的小型三爪旋擰分離結(jié)構(gòu)；機(jī)械臂采用3自由度直角坐標(biāo)型結(jié)構(gòu)加上升降平臺(tái)輔助；視覺系統(tǒng)安裝有傳感器和3D照相機(jī)；行走裝置使用軌道式移動(dòng)。它完成一次番茄單果采摘作業(yè)耗時(shí)約3.5s，在強(qiáng)光和弱光下的收獲成功率分別達(dá)91.7%和88.9%，收獲后的果實(shí)沒有花萼。

日本松下公司研發(fā)了一款收獲后的果實(shí)花萼未受損的溫室小番茄單果采摘機(jī)器人（圖5）。它的末端執(zhí)行器采用通過擺動(dòng)剪斷并由籃子回收的結(jié)構(gòu)；機(jī)械臂采用5自由度直角坐標(biāo)型結(jié)構(gòu)加上升降平臺(tái)輔助；視覺系統(tǒng)使用相機(jī)和距離圖像傳感器；行走裝置使用軌道式移動(dòng)。它完成一次番茄單果采摘作業(yè)耗時(shí)約6s，收獲成功率很高，收獲后的果實(shí)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(jī)器人

以上五款溫室番茄的采摘機(jī)器人各有特長(zhǎng)，我們迫切需要一款糅合優(yōu)點(diǎn)、摒棄劣勢(shì)、適宜我國(guó)溫室番茄單果采收的機(jī)器人。

3 設(shè)想

我國(guó)溫室番茄主要以鮮番茄形式進(jìn)入市場(chǎng)?；ㄝ辔词軗p的鮮番茄可以防止污染，易于儲(chǔ)存，從而更受市場(chǎng)歡迎。花萼未受損便成為我國(guó)溫室番茄單果采摘機(jī)器人的要求之一。一次番茄單果采摘作業(yè)耗時(shí)趕上或超過人工的1~2s也是溫室番茄單果采摘機(jī)器人的目標(biāo)之一。方便轉(zhuǎn)棚作業(yè)是降低溫室番茄單果采摘機(jī)器人整體成本的重要手段。

針對(duì)這幾點(diǎn)，本文提出了集成多執(zhí)行器采收機(jī)器人的設(shè)想。它的末端執(zhí)行器采用通過擺動(dòng)剪斷并由籃子回收的結(jié)構(gòu)；機(jī)械臂采用3自由度直角坐標(biāo)型結(jié)構(gòu)加上升降平臺(tái)輔助；視覺系統(tǒng)安裝有傳感器和3D照相機(jī)；行走裝置采用4驅(qū)電動(dòng)輪式底盤。它的末端執(zhí)行器、機(jī)械臂、視覺系統(tǒng)可以根據(jù)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(tǒng)。它計(jì)劃完成一顆番茄單果采摘作業(yè)耗時(shí)約1s、0.5s、0.3s以及更少，收獲成功率和收獲后的果實(shí)花萼未受損率將達(dá)到98%。

4 結(jié)語

集成多執(zhí)行器采收機(jī)器人將會(huì)滿足果實(shí)花萼未受損、采摘作業(yè)耗時(shí)最少、便于轉(zhuǎn)棚作業(yè)、收獲成功率高等要求，實(shí)現(xiàn)降低整機(jī)成本、適宜我國(guó)溫室番茄、易于商業(yè)推廣的目標(biāo)。