广东
近日，山东农业大学苑进教授团队在《Computers and Electronics in Agriculture》，发表题为“Design and interaction dynamics analysis of a novel hybrid bending-twisting-pulling end-effector for robotic tomato picking”的最新研究成果。博士研究生方家明为论文第一作者，机电学院苑进教授和刘雪美教授为共同通讯作者，辛振波副教授、戴念祖博士生参与课题研究，山东农业大学为唯一通讯单位。
番茄是全球消费最多的蔬菜之一，近年全球种植面积约为500万公顷，产量已达1.77亿吨。然而，鲜食番茄收获仍以人工采摘为主，随着人工成本高企，且季节性工人难以获得。这直接影响了番茄价格和生产效益，全球范围内研发番茄采摘机器人变得愈发紧迫。
由于绝大多数番茄果实成熟度不一致，且番茄聚集生长且相互遮挡，开发番茄机器人簇生果实单果采摘技术非常重要。现有采摘末端执行器大多依赖于对果实稳定夹持，然而，簇生番茄使得末端执行器难以稳定地固定果实。而且，在采摘过程中，末端执行器可能会与邻近番茄发生碰撞，导致采摘失败或果实损伤。最后，现有的大多数末端执行器只能对番茄及果茎施加单一类型的力（拉力或扭转力）。这可能会损伤植株，降低采摘效率，并使采摘过程对番茄姿态高度敏感。针对以上技术难题，山东农业大学苑进教授团队提出了一种弯折-扭转-拉伸混合的番茄机器人采摘方法，并设计了新型末端执行器，用于簇生番茄果实的单果采摘，以提高采摘效率并减少果实损伤。
图1. 整体工作流程
图2. 番茄采摘机器人试验平台
论文首先分析了人工采摘的力学特征，提出了仿生人手操作力的番茄机器人采摘模式。然后，设计了一种紧凑型刚柔混合末端执行器，利用顺应性变形带进行包裹夹持，能够对果梗的分离层施加弯曲-扭转-拉伸的混合力，以分离果实。然后，建立了包括果梗、番茄和末端执行器的多体动力学模型，以分析采摘过程中的交互动力学。最后，提出了评估末端执行器采摘效率的指标。仿真结果表明，只夹住番茄表面的1/3仍能将目标番茄从番茄簇中卷入末端执行器。通过在分离层施加混合力，成功采摘各种姿态的番茄，弯曲扭矩峰值为71.6-262.68 N·mm，扭转扭矩峰值为18.46-32.36 N·mm，拉力峰值为25.18-31.64 N。田间试验表明，番茄的夹持成功率为93.3%，四种不同姿态番茄的采摘成功率分别为93.3%（竖直）、90.0%（正前）、76.7%（左前）和83.3%（右前）。当柔性带以282.7 mm/s的速度运行时，末端执行器的平均单次采摘时间为1.8 s，果实损伤率为1.9%。该研究表明该末端执行器在应对番茄的聚集生长特性和采摘要求方面的有效性和可行性，有望加快簇生番茄的单果高效、低损采摘机器人的技术研发进程。
该研究得到了国家自然科学基金、山东省重大科技创新工程项目和山东省现代农业产业技术体系的资助。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.compag.2025.110011
来源：山东农业大学
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