番茄採摘機

自1983年第一臺西紅柿採摘機器人在美國誕生以來,採摘機器人的研究和開發歷經20多年,日本和歐美等國家相繼立項研究採摘蘋果、柑桔、西紅柿、西瓜和葡萄等智慧機器人。西紅柿每棵可長4～6個果實,而每個果實並不是同時成熟的。成熟的果實為紅色,而不成熟的果實為綠色,因此透過彩色攝像機作為視覺感測器尋找和識別果實,同時利用終端握持器中的吸引器,把果實吸住,再用機械手的腕關節把果實擰下。為了降低西紅柿的收穫成本,目前已研製了用於收穫櫻桃西紅柿的機器人,它採用雙目立體成像技術來確定果實的位置,成功率約為70%。

眼下正值番茄採摘季節,因人力緊張,機械採摘開始被新疆番茄加工企業所青睞。

    8月8日，中糧屯河有關負責人介紹說，中糧屯河集團今年又購進了8臺番茄採摘機,機採面積將達到2萬畝。而去年機採是7000畝，2006年試驗時僅有1000畝，明年機採面積將擴大到10萬畝。

    推廣番茄機械採摘，是由於機械化採收成本比人工採收每畝低150元-300元，相當於節省50%-100%。

    “番茄採摘與採棉時間相沖突，有錢也未必僱得上人”。該負責人說：“機械採摘集中收割進廠，還有利於保證番茄新鮮度”。

    新疆實現加工番茄機械化採摘始於1998年。最早是新疆天業集團從國外購進了8臺番茄採摘機，並對機採番茄種植技術進行了研究。

    新疆天業集團機械化採收公司技術人員介紹，一臺機械可採收4000畝左右番茄，頂300人-400人的勞力。新疆100萬畝加工番茄需250臺採收裝置，整個過程下來，每畝番茄收益要比常規種植高200元左右，整個產業可節省資金20億元，產業發展前景非常好。然而，機採對番茄種植技術要求高，從種植的品種到株距及成熟期都有嚴格的技術指標，全面推廣該技術尚需時日。

時機還不成熟，必竟用的單位還不多，進貨成本大。

水果和蔬菜既是人類生活中必不可少的食物，也是重要的經濟作物。據統計，2017 年全球的水果和蔬菜產量分別達6.8 億t 和12.6 億t，其中全球鮮食果蔬與加工果蔬的比例約為7:3。中國蔬菜、水果的種植面積和產量均穩居世界首位，但其加工果蔬的比例僅佔5％左右。

在中國，近年來農業勞動力特別是青壯年勞動力也迅速向其他行業轉移，農忙季節廣大農村開始出現勞力荒，農村留守老人、婦女的勞動強度大大增加，生產效率明顯降低。

果蔬生產的快速發展和農業勞動力短缺、勞動強度過大的矛盾日益顯現，而替代選擇性收穫這一複雜人力勞動只有透過採摘機器人技術的深入研究才能實現。果蔬採摘機器人的研究開發，對於減輕農業從業者的勞動強度、解放農業勞動力和提高果蔬的集約化生產水平，都具有重要的意義。

番茄，俗稱西紅柿，是華人餐桌上的最愛，也是全球需求量最大的果菜，然其鮮果的非人力收穫為最難實現的作業之一。

番茄採摘機器人

鮮食番茄及其機器人採摘

深受人們喜愛的鮮食蔬果番茄，其機器人採摘研究較早得到全球研究者的重視，多年來得到持續的開展，併產生了一系列的成果。

同時，番茄亦是機器人採摘難度最大的果蔬種類之一。目前面對鮮食需要，通常對普通番茄實施單果採摘，而對櫻桃番茄實施成串採摘。對目前絕大多數普通番茄品種及栽培方式而言，與黃瓜、茄子、蘋果等果蔬相比，番茄果實每穗達3~5 個，密集生長，相互觸碰，且果實生長方位差異更為顯著(圖1)，因而對實施機器人的智慧化採摘提出了更大的挑戰。

圖1　番茄與黃瓜、茄子果實的生長姿態及分佈差異

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目標果實的識別

果實之間的靠攏與重疊遮擋更加嚴重，對採摘機器人的視覺系統而言，儘管對成熟番茄果實可以透過顏色差別而輕鬆辨別，但是由於多個果實影象連成一體而難以分割，甚至被完全遮擋，造成對目標果實識別和定位的困難。

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採摘動作的實施

番茄成穗生長，相互觸碰，造成採摘機器人對目標果實的夾持空間受限，夾持動作失敗或把相鄰果實碰傷；番茄果實的生長方位差異極大，每次採摘的姿態和作用力關係都有所變化；果梗較短且梗長不一，造成機械式刀頭難以順利實施果梗的切割，而扭斷、折斷果梗的力學作用規律變化很大，成功率受限，進一步加大采摘的難度。

因此末端執行器成為番茄機器人收穫的研究關注點，其形式各異、功能相差極大。功能單一的剪斷式末端執行器無法滿足機器人採摘作業的要求，因而相繼衍生出夾剪一體式和夾果斷梗式兩大類末端執行器。

日本的番茄採摘機器人

植株的種植模式對機器人採摘的效能影響很大，對傳統的杯形種植，果實非常分散，機器人需要很大的工作空間，同時枝幹的空間分佈使採摘作業非常困難。而日本的鮮食番茄一般採用單架栽培模式，由支柱和繩索支撐, 在與地面垂直的方向栽培，數個果實成串懸掛生長，由於葉柄很短，果實識別大大簡化，同時採摘作業效能得到保證。

日本早在20 世紀80 年代初就開始了番茄採摘機器人的研究，數十年來京都大學、岡山大學、島根大學、神奈川工科大學、大阪府立大學等高校以及武豐町設施生產部等均推出了番茄採摘機器人樣機，近藤直、門田充司等專家引領了番茄採摘機器人技術的研究熱潮。

各樣機多針對溫室採用電動輪式底盤或軌式底盤，少數對露地栽培而採用履帶式底盤。對通常栽培模式，由於冠層的複雜性和果實分佈的隨機性，其機械臂從早期的3 自由度發展到以6 和7 自由度關節式機械臂為主；而近藤直等針對使番茄果實倒垂生長，從而使採摘難度大大降低的單架式栽培模式，應用直角座標機械臂實施採摘；Chiu 等則將商用關節式機械臂與剪叉式升降機結合，從而擴大豎直方向的工作空間。

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番茄果實的逐個採摘

京都大學的川村登等較早進行番茄採摘機器人的開發(圖2)，採用速度分別為0.52m/s 和0.25m/s 的雙速電動輪式底盤和5 自由度機械臂，利用固定於底盤的單相機的移動兩位置檢測來實現對果實的定位。該機器人從整機結構到目標檢測技術方法仍較為簡單，但已成為初期對機器人採摘技術的重要探索。

圖2　京都大學的番茄採摘機器人(單位: mm)

神奈川工科大學的Yoshihiko Takahashi 等針對老年人或殘疾人的需求，提出了人工操作直角座標型番茄採摘機器人(圖3)，透過螢幕顯示遙控操縱機器人作業。其末端執行器為剪刀式，直接剪斷果梗，果實落地或落入事先放置的果箱，末端執行器本身無法實現果實的回收。該採摘機器人結構功能較簡單，適用於植株冠層內枝葉較稀疏規則、空間較大、果實具有一定抗衝擊能力的果蔬，但對於大多數果蔬，則無法滿足機器人採摘的要求。複雜的冠層空間使果實下落過程中更容易被碰傷，且下落位置不可預知，影響果實的回收。

圖3　神奈川工科大學的人工操作型番茄採摘機器人

國際農業機器人研究領域最為權威的學者、日本Naoshi Kondo 等開發的番茄採摘機器人(圖4) 採用輪式底盤和7 自由度冗餘機械臂，具有5 自由度垂直多關節和能夠上下、前後移動的2 自由度直動關節，使機械臂的工作空間和姿態多樣效能夠有效滿足番茄果實採摘的避障和到達要求；分別研發了兩指和柔性四指末端執行器，均安裝有真空吸持系統，並採用相似的動作原理，即首先由吸盤吸持拉動果實將目標果實從果穗中相鄰果實之間隔離出來，再夾持果實，透過扭斷或折斷果梗的方式實現採摘。

圖4　Naoshi Kondo 等開發的番茄採摘機器人

Naoshi Kondo 和Mitsuji Monta 等針對單架逆生番茄栽培模式提出不同的機器人結構(圖5)。該模式中番茄的根部在上部的水培槽內，而果串下垂生長，枝葉修剪後機器人能夠更容易發現和到達果串。由於水培槽可以移動，採摘機器人無須移動底盤。同時由於果串下垂生長，亦無須複雜的機械臂結構，因而採用直角座標機械臂，並採用與單架番茄栽培模式相同的末端執行器。經試驗驗證末端執行器對果實的採摘效果，總成功率為78％，其中過成熟果實會造成夾持的滑脫而無法施加彎折，並由於果梗開始木質化而難以順利折斷；由於未成熟果實的離層發育不充分，折斷率也受到影響。

圖5　針對單架逆生栽培模式的番茄採摘機器人

愛知縣知多郡武豐町設施生產部的Shigehiko Hayashi 等開發的番茄採摘機器人(圖6)，由雙目視覺進行果實的識別與定位，採用了2900mm×1400mm 的履帶式底盤和三菱5 自由度垂直多關節型機械臂，其末端執行器透過一真空吸盤吸持果實並向後拉動一定距離，直流電機驅動兩指夾持住果實後末端執行器翻轉一定角度，使盤形刀具切斷果梗。該末端執行器完成一次採摘和放入果籃的週期為22s。末端執行器作業時，由壓力開關檢測真空負壓，以確定成功吸持與否，真空吸盤吸持並拉動果實後移30mm。試驗發現，當果梗過短時，吸盤吸持拉動過程中拉力可能會超過真空吸力，從而造成脫落。試驗結果表明，單果的採摘週期為41s，其中成熟果實的識別耗時和正確識別率分別為7s 和92.5％，其中83.8％能採下，但其中約1/3 受到損傷。因此，總的成功採摘率僅為52.5％。

圖6　武豐町設施生產部的番茄採摘機器人

九州工業大學Shinsuke Yasukawa 等開發了簡易的軌道式番茄採摘機器人樣機(圖7)，包括商用6 自由度串聯式機械臂和末端執行器，並由KinectV2 體感攝像頭的彩色與紅外資訊融合實現果實的識別。該樣機尚需進行室內與田間的試驗驗證。

圖7　九州工業大學的番茄採摘機器人

圖8　東京大學的番茄採摘機器人

東京大學Hiroaki Yaguchi 等利用電動輪式全方位底盤、UR5 通用6 關節機械臂、Sony 的PS4 雙目立體相機，並配備夾持扭轉式2 自由度末端執行器組成的番茄採摘機器人(圖8(a))，可實現自然光下溫室淺通道內的採摘作業，經過最佳化使每果的識別採摘週期從85s 下降為23s，但作業中會出現夾持失敗、花萼受損和夾持多果而採摘失敗的現象。

該研究組還開發了仿人型雙臂式番茄採摘機器人(圖8(b))，該機器人裝備了全方位底盤，並在頭部和腕部分別安裝Xtion 和Carmine 體感攝像頭，每臂有7 個自由度，並安裝夾剪一體式末端執行器。該機器人完成了室內懸掛番茄的採摘試驗，目前僅能由人傳送命令來完成採摘，證實了仿人作業的可行性，但識別定位和作業中均有待完善和改進。

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櫻桃番茄果實的逐個採摘

Naoshi Kondo 等開發的櫻桃番茄採摘機器人，採用了電動4 輪底盤和與普通番茄單果採摘相同的7 自由度冗餘度機械臂，但開發了針對櫻桃番茄的吸入|切斷|軟管回收式末端執行器，透過真空將櫻桃番茄吸入軟管，並由電磁閥透過彈簧驅動鉗子合攏夾斷果梗，番茄經軟管輸送到果箱中(圖9)。由於果實由採摘位置透過軟管輸送跌落入果箱，通常這類末端執行器只適用於櫻桃番茄、草莓等小果實的採摘，且軟管必須經過精心設計，以避免果實的損傷。安裝於底盤的單相機，透過其水平與豎直移動獲得兩幅影象，從而實現目標果實定位。試驗發現採摘成功率為70％，對於較短和較粗果梗的果實，吸入環節出現困難。同時，該機器人對單架栽培櫻桃番茄具有較好的採摘效果，而對於有兩個以上長梗的多架栽培，由於會出現果串定位錯誤，初期試驗成功率僅23％。

圖9　Naoshi Kondo 開發的櫻桃番茄採摘機器人

大阪府立大學的Kanae Tanigaki 等認為，植株的種植模式對機器人採摘的效能影響很大，對傳統的杯形種植，果實非常分散，機器人需要很大的工作空間，同時枝幹的空間分佈使採摘作業非常困難；為此提出了面向單枝栽培模式的櫻桃番茄採摘機器人(圖10)，由於葉柄很短，果實識別大大簡化。

圖10　大阪府立大學的櫻桃番茄採摘機器人

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番茄果實的成穗採摘

Naoshi Kondo 認為，採摘機器人技術未能得到商業化應用的原因之一，是其單果逐個採摘的作業效率低於人工作業。現有的番茄採摘機器人末端執行器均面向鮮食番茄的單果收穫。Naoshi Kondo 針對越來越多成串採摘的需要，設計了由標準SCARA 機械臂配置成串採摘末端執行器的採摘系統(圖11)。作業時，上下兩指同時合攏，當兩指接觸到番茄穗所在主枝幹後，限位開關發出訊號，氣缸驅動的上下兩指併攏夾住並切斷果穗，而後推板接觸果穗，以防止果穗在運輸過程中的抖動。試驗表明末端執行器的採摘成功率僅為50％，原因是末端執行器難以穩定進入枝葉間夾住主穗軸、氣壓不足以產生足夠夾持力和果實掉落。成穗採摘方式無法適應同一果穗上番茄成熟期的差異，其適用性依賴於番茄新品種和新栽培技術的進展以及特定的市場需求。

圖11　Naoshi Kondo 等開發的番茄成串採摘機器人

島根大學和大阪府立大學的藤浦建史等提出並開發了櫻桃番茄採摘機器人(圖12)，也採用4 驅電動輪式底盤，配置4 自由度直角座標機械臂，在末端執行器前部安裝近紅外立體視覺感測器，初期採用軟管吸入折斷和回收方式，後改為透過吸持{擺動剪斷並由開口布袋回收入果箱。在大阪南區農家溫室的試驗表明，135 粒果實的收穫成功率為85％，其中花萼未受損率為92％，完成22粒果實收穫的總時間為252s。而在校內栽培設施內進行的試驗中，129 粒果實的收穫成功率為81％，其中花萼未受損率達到了98％。

圖12　藤浦建史等開發的櫻桃番茄成穗採摘機器人

其他國家和地區的番茄採摘機器人

美國俄亥俄州立大學Peter P. Ling 等開發的番茄採摘機器人，採用了液壓底盤和商用的安川 6 自由度機械臂，開發了配置掌心相機的柔性四指末端執行器(圖13)，透過真空吸盤吸持將目標果實拉離果束，進而由四指包絡和拉斷果梗完成採摘。但未見進一步整機開發和試驗的報道。

圖13　俄亥俄州立大學的番茄採摘機器人

中國臺灣宜蘭大學Chiu 等開發的番茄採摘機器人(圖14)，將三菱5 自由度關節式機械臂和剪叉式升降移動底盤相結合，並加裝了電磁鐵驅動的四指欠驅動末端執行器，透過單CCD 相機的位置移動對目標果實進行識別和定位，樣機的總體尺寸為1650mm×700mm×1350mm。試驗結果採摘成功率為73.3％，採摘中未出現損傷，主要失敗原因是吸盤不能對番茄果實完成吸持，以及果梗無法扭斷。採摘的平均耗時達74.6s。

圖14　中國臺灣宜蘭大學的番茄採摘機器人

中國大陸開展番茄採摘機器人研究的時間較晚，但目前科研力量的投入和成果數量已走在世界的前列。中國農業大學紀超、李偉等開發的機型(圖15)，以商用履帶式平底盤為基礎，開發了4 自由度關節型機械臂和夾剪一體式兩指氣動式末端執行器，並配置了固定於底盤的雙目視覺系統。試驗結果表明，每一果實採摘平均耗時為28s，採摘成功率為86％，其中陰影、亮斑、遮擋對識別效果造成影響，且在茂盛冠層間機械臂會剮蹭到莖葉並造成果實偏移，同時可能會出現末端執行器無法實施夾持、較粗果梗無法剪斷或拉拽過程中果實掉落。

圖15　中國農業大學的番茄採摘機器人

國家農業智慧裝備工程技術研究中心馮青春、河北工業大學王曉楠等針對吊線栽培番茄開發的採摘機器人(圖16)，採用軌道式移動升降平臺，配置4自由度關節式機械臂，並設計了吸持拉入套筒、氣囊夾緊進而旋擰分離的末端執行器結構，對單果番茄的一次採摘作業耗時約24s，並配置了線鐳射視覺系統，分別由CCD 相機和鐳射豎直掃描實現果實的識別和定位。試驗結果表明，在強光和弱光下的成功率分別達83.9％和79.4％。

圖16　國家農業智慧裝備工程技術研究中心的番茄採摘機器人

上海交通大學趙源深等為提高作業效率，開發了雙臂式番茄採摘機器人(圖17)，利用溫室內的加熱管作為底盤行進軌道，安裝了2 只3 自由度PRR 式機械臂，並分別開發了帶傳動滾刀式末端執行器和吸盤筒式末端執行器，利用雙目立體視覺系統實現果實的識別與定位。

圖17　上海交通大學的番茄採摘機器人

此外，江蘇大學、浙江大學、東北農業大學、中國計量學院等單位也在番茄果實的識別定位、機械臂設計和分析甚至與識別系統配套的夜間照明系統設計等方面開展了諸多研究。

本文摘編自劉繼展，李智國，李萍萍著《番茄採摘機器人快速無損作業研究》第1章，內容略有刪減改動。

《番茄採摘機器人快速無損作業研究》

北京：科學出版社，2018.2

ISBN：978-7-03-056435-1

在中國農業快速步入全面機械化的背景下，果蔬生產作業的機械化仍存在大量空白，而鮮食果蔬的採收更佔用高達 40％的勞動力，採摘機器人技術研究具有重要的科學價值和現實意義。《番茄採摘機器人快速無損作業研究》闡述全球採摘機器人研究的進展與程序，並針對困擾機器人採摘作業中果實損傷與作業效率的關鍵矛盾，提出機器人快速採摘中的夾持碰撞與快速無損收穫問題，進而透過力學特性與互作規律、建模模擬、設計方法、樣機開發、控制最佳化的有機結合，系統開展番茄果實宏微本構特徵、無損採摘機器人系統開發、黏彈物件的夾持碰撞規律、快速柔順夾持建模模擬、真空吸持拉動的植株-果實響應、植物體鐳射切割、快速無損採摘控制最佳化等研究，有力地推動機器人採摘技術的進步。

番茄採摘機的行情怎麼樣？首先，我們要看您在什麼地區?或者是您買了採摘機後想到哪裡去發展?採摘機肯定是要在大片種植番茄的地方才好發展。下面我們看一下例項：

巨型的採摘機從紅綠相間的番茄地駛過，一個個新鮮紅潤的番茄就從採摘機中跳躍著出來，被採摘機的長臂丟進旁邊的卡車車斗中，不一會，一大片番茄地就被這個“大傢伙”收完了。這是8月29日在新疆昌吉國家農業科技園區中…

　　　巨型的採摘機從紅綠相間的番茄地駛過，一個個新鮮紅潤的番茄就從採摘機中跳躍著出來，被採摘機的長臂丟進旁邊的卡車車斗中，不一會，一大片番茄地就被這個“大傢伙”收完了。這是8月29日在新疆昌吉國家農業科技園區中糧屯河高新農業示範基地舉行的“新疆加工番茄機械化採收現場觀摩會”吸引人的一幕。　

　　來自自治區農業廳、科技廳、農機局、農產品加工局等相關廳局委辦及昌吉州、巴州、伊犁州、塔城地區、阿克蘇地區級有關各縣市和兵團師局的領匯出席了觀摩會，寧夏回族自治區司法廳、寧夏石嘴山市、內蒙古巴彥淖爾市、甘肅省張掖市也派出代表團出席此次觀摩會。　

　　中糧集團鄭宏波介紹說：番茄機械化採收相對於人工採收具有全方位的優勢：

一是成本優勢：機械化採收成本較人工採收每畝低45%-60%；

二是效率優勢，一臺採收機相當200個人工的採收量；

三是管理優勢，可以大大緩解工廠原料供應不均衡問題；

四是品質優勢，機械化採收損失遠遠小於人工採收，可減少因人工多次採摘引起的番茄病害，保證原料品質。　

　　據中糧屯河總經理覃業龍介紹：作為中國番茄產業發展的領先者和全球最大的番茄製品加工企業之一的中糧屯河，近年來致力於推廣加工番茄機械化採收和規模化種植，以解決中國番茄產業進一步發展所遇到的瓶頸，進一步提高中國番茄製品的國際競爭力，全面提升中國番茄產業從發展水平。2007年中糧屯河開始嘗試番茄的機械化採摘，從美國購進了番茄採摘機械，經過實踐，從品種選擇、栽培模式、產品品質、企業效益等方面均有大幅提高，中糧屯河將在2011年，全部實現機械化採摘。　

　　正在烏魯木齊參加“2008年亨氏全球工作會議”的亨氏全球番茄供應鏈董事魯本。彼得遜對中糧屯河積極推動番茄機械化採收表示讚賞，並表示：中糧屯河的這種模式將對進一步擴大與亨氏的合作起到重要的推動作用。　

　　自治區副主席錢智在會上做了重要講話，他充分肯定了作為農業產業化重點龍頭企業在調整和最佳化農業農村經濟結構、推動各地產業升級、促進各地經濟發展 、農戶增收等方面所發會的輻射帶動作用，指出機械化採收符合國家產業發展政策，自治區黨委、人民政府將給與大力支援。

從這些方面看來採摘機的前景還是很好的，值得去從事開採摘機摘番茄這項工作。

以上是我的回答，希望對您有幫助，祝您生活愉快！