第5章 番茄智能采摘机器人

在农村，机器人能够种植树木、灌溉田地、采摘水果、收割庄稼、挤牛奶、剪羊毛、喂牲畜等，它们披星戴月，耕云播雨，成为了第一代“铁农民”。

日本番茄采摘机器人

日本的果蔬采摘机器人研究始于1980年，那时川村等研究人员便开展了番茄采摘机器人的研究。他们利用红色番茄与绿色番茄的差别，采用机器视觉对果实进行判别，研制了番茄采摘机器人。

该机器人有5个自由度，对果实进行三维定位。由于不是全自由度的机械手，操作空间受到了限制，而且坚硬的机械手容易造成果实的损伤。

日本冈山大学的一名教授研制的番茄采摘机器人，由机械手、末端执行器、行走装置、视觉系统和控制部分组成。用彩色摄像头和图像处理卡组成的视觉系统寻找和识别成熟果实。由于番茄的果实经常被叶茎遮挡，为了能够灵活避开障碍物，就采用了具有冗余度的7自由度机械手。

为了不损伤果实，其末端执行器设计有2个带有橡胶的手指和1个气动吸嘴，把果实吸住抓紧后，利用机械手的腕关节把果实拧下。行走机构有4个车轮，能够在田间自动行走，利用机器人上的光传感器和设置在地头土埂的反射板，可以检测是否到达土埂，到达后自动停止，转向后再继续前进。

该番茄采摘机器人从识别到采摘完成的速度大约是1个15秒，成功率在70%左右，成熟番茄未采摘的主要原因是其位置处于叶茎相对茂密的地方，机器手无法避开叶茎障碍物等。因此，需要在机器手的结构、采摘工作方式和避障规划方面加以改进，以提高采摘速度和采摘成功率，降低机器人自动化收获的成本，才能够达到实用化。

在2015年，日本松下公司开发了一款番茄采摘机器人，搭载其自产的图像传感器，能够实现番茄的无人采摘。此机器人在日本农户进行了试用，松下希望进一步提高其传感器性能，最终实现商品化，并在其公司的植物工厂内使用这款机器人。

该番茄采摘机器人使用的小型镜头能够拍摄7万像素以上的彩色图像。首先通过图像传感器检测出红色的成熟番茄，之后对形状和位置进行精准定位。机器人只会拉拽菜蒂部分，而不会损伤果实。在夜间等无人时间段也可以进行作业。

采摘篮装满后，就会通过无线通信技术通知机器人自动更换空篮。能够对番茄的收获量和品质进行数据管理，更易于制定采摘计划。后来研发的新型号机器人采摘1颗番茄需要花费20秒左右，松下进一步提高了传感器性能，采摘速度提高到了3秒一颗。

随着人口老龄化和人手不足，日本农户对农业机器人的需求进一步增加，松下公司运用掌握的传感器等技术进入了植物工厂等农业领域，希望将农业领域培育成新的收益来源。

采摘机器人的感知技术

果蔬采摘机器人最大的难点之一，是全程自主信息获取。基于多视觉传感器融合的果实信息获取系统，利用可见光远景图像识别技术解决了机器人自主导航问题。利用近红外双目立体视觉系统实现了果实三维信息获取。利用可见光近景图像实现了果实精确抓取、切割。

果实的正确识别率和采摘成功率均达95%以上，平均采摘速度1个14.8秒。该技术作为原创成果应用到黄瓜、番茄、草莓等采摘机器人中，得到了可靠的应用，达到了国际先进水平。

果蔬采摘机器人最大的难点之二，是果实与茎叶颜色相近、枝叶遮挡等。基于近红外图像的近色系生物信息图像识别技术，实现了温室环境下果实信息的有效感知与获取。

这一核心问题的解决使自然光照条件下果实信息获取成为了可能，该技术作为原创成果应用到黄瓜、番茄、草莓等采摘机器人中，也得到了可靠的应用，达到了国际先进水平。

果实的提取和匹配是番茄采摘机器人进行番茄定位和采摘的基础。为了解决获取图像中多个成熟番茄粘连或被遮挡的情况下果实的提取和匹配问题，使用了局部极大值法和随机圆环变换检测圆算法结合进行目标提取，再使用SURF算法进行了目标匹配的算法。

该方法首先基于颜色对番茄进行分割提取，再使用局部极大值法对番茄个数进行估计，结合番茄区域面积进行半径估计，之后通过随机圆环变换算法检测番茄中心和半径进行目标定位，再使用SURF算法进行双目目标匹配的算法。

这在一定程度上解决了复杂自然环境下，多个番茄的提取和图像特征匹配的问题，并通过试验验证了其有效性和准确性。

果蔬采摘机器人难点之三，是采摘机械臂的灵巧视觉伺服与机械手的柔度控制。具有自主知识产权的轻型智能关节机械臂、柔性采摘机械手，实现了快速、准确、无损伤果实的抓持和分割动作。该技术作为原创成果应用到黄瓜、番茄等采摘机器人中，得到了可靠的应用，达到了国际先进水平。

其硬件主要包括执行系统、感知系统、控制系统和供电系统，执行系统中真空吸盘装置使果实从果束中分离，手指夹持机构对番茄可靠抓持，果梗切断装置利用激光对果梗进行切断。该末端执行器设计质量为1.2千克，完成一次采摘动作只需3秒。只需更换联接板，即可与其他机械手顺利联接。

果蔬采摘机器人难点之四，是全天候自主导航运动。当基于机器视觉采摘机器人自主导航控制技术，建立了温室环境下导航系统光照分析模型，有效地解决了导航系统受光线干扰问题，就提高了不同光照条件下适应性和稳定性，实现了机器人全天候自主导航运动。

为了实现番茄采摘机器人作业时，能够将目标果实从果束中分离，设计了以微型静音空气压缩机和集成式真空发生器为主体的真空吸盘装置，并依据供气压力、负压关系、吸盘拉脱力和真空吸着响应时间测定结果，确定了其控制策略。

真空吸盘装置平均单次作业的时间和空气消耗量分别为1.5秒和0.6升，拉动果实实现35毫米水平位移的成功率达92%，空气压缩机功率可以满足每小时采摘360个的需要。

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