番茄采摘機(jī)器人：讓番茄采摘更便捷

程醉

番茄的漿果呈鮮紅或橘紅色，肉厚多汁，現(xiàn)在已經(jīng)成為餐桌上常見的一種果菜。不過，由于番茄的果實(shí)每穗上一般能結(jié)3～5 個(gè)，又都密集生長(zhǎng)，彼此挨得很緊，并且同一穗上的果實(shí)成熟時(shí)間也大不相同。因此，如何實(shí)現(xiàn)番茄的非人力采摘，一直是困擾科學(xué)家的難題。

2021 年，由中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院智能機(jī)械研究所的科學(xué)家研發(fā)的番茄采摘機(jī)器人橫空出世。經(jīng)過兩年多的不斷改造和完善，目前番茄采摘機(jī)器人已經(jīng)能夠非常熟練地在植物工廠等室內(nèi)環(huán)境中完成各種番茄的自動(dòng)化采摘。

那么，番茄采摘機(jī)器人又擁有哪些高大上的核心技術(shù)呢？

機(jī)器人操作系統(tǒng)

俗話說：“火車跑得快，全靠車頭帶?！币粋€(gè)技術(shù)成熟的番茄采摘機(jī)器人必然有強(qiáng)大的“大腦”，番茄采摘機(jī)器人的大腦就是科學(xué)家在它身上植入的ROS 系統(tǒng)。

所謂ROS 系統(tǒng)，其實(shí)就是“機(jī)器人操作系統(tǒng)”的英文縮寫。機(jī)器人操作系統(tǒng)是專為機(jī)器人軟件開發(fā)所設(shè)計(jì)出來的一套電腦操作系統(tǒng)架構(gòu)，也就是機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)開源操作系統(tǒng)?？茖W(xué)家將番茄采摘機(jī)器人的軟件功能做成一個(gè)個(gè)節(jié)點(diǎn)，比如說識(shí)別成熟果實(shí)、運(yùn)作機(jī)械臂等，這些節(jié)點(diǎn)在機(jī)器人操作系統(tǒng)的統(tǒng)一指揮下，通過互相發(fā)送消息來進(jìn)行溝通。

機(jī)器人采摘番茄大致和我們采摘番茄相似，也是通過機(jī)械臂、機(jī)械手逐個(gè)對(duì)番茄進(jìn)行采摘。但不同的是，我們是通過肉眼來辨識(shí)番茄是否已經(jīng)成熟，而番茄采摘機(jī)器人則主要是通過安裝在它機(jī)械臂上的攝像機(jī)，根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)好的程序，依據(jù)番茄的顏色來判斷它是否已經(jīng)成熟。

當(dāng)番茄采摘機(jī)器人識(shí)別到番茄成熟時(shí)，機(jī)器人操作系統(tǒng)就會(huì)控制機(jī)械臂移動(dòng)到成熟番茄的附近，機(jī)械手再將番茄采摘下來。

仿生式機(jī)械手

機(jī)器人采摘番茄的過程看起來很簡(jiǎn)單，但實(shí)際上遇到的問題遠(yuǎn)遠(yuǎn)超乎我們的想象。

在植物工廠或蔬菜大棚里種植的番茄，一般來說，同一批次的果實(shí)大小、成熟度相差都不會(huì)太大。但是，如果是在自然條件下種植或者種植的番茄品種不同，番茄采摘機(jī)器人面臨的挑戰(zhàn)就會(huì)成倍地增加。

由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的復(fù)雜性，對(duì)于農(nóng)業(yè)機(jī)械手的要求自然也會(huì)提高不少。首先，人們不得不面對(duì)一般果蔬都存在的質(zhì)地脆弱、容易受損等問題。因此，科學(xué)家專門為番茄采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)了一種特殊軟膠材料，讓其均勻地覆蓋在機(jī)械手的手指表面，在采摘過程中既不會(huì)對(duì)番茄造成損傷，又可以最大限度地防止它們從機(jī)械手上滑落。

番茄的品種繁多，其植物個(gè)體差異也很大。比如說，常見的番茄植株高度一般在1 米左右，最高可達(dá)2 米，矮的僅60 厘米。番茄品種間的巨大差異，又給番茄采摘機(jī)器人帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

不過，不用擔(dān)心，科學(xué)家有應(yīng)對(duì)之法。對(duì)于掛果比較分散的番茄，番茄采摘機(jī)器人一次只采摘一個(gè)果實(shí)；而對(duì)于植株較高、掛果又比較集中的番茄，可以通過更換機(jī)械手的方式，一次便可采摘一串番茄。但不論哪一種方式，番茄采摘機(jī)器人采摘一個(gè)番茄平均僅需要10 秒。

無軌式移動(dòng)底盤

將番茄采摘下來，并不意味著番茄采摘機(jī)器人的工作結(jié)束了。它們還需要將采摘下來的番茄安全、平穩(wěn)地放置到籃子或者果筐之中。

因此，讓番茄采摘機(jī)器人能夠自主移動(dòng)也是科學(xué)家必須考慮的問題?？紤]到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的復(fù)雜性，我國科學(xué)家將番茄采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)為無軌式移動(dòng)底盤。

它可以讓番茄采摘機(jī)器人全方向、大范圍自主移動(dòng)，并且還能夠360°原地旋轉(zhuǎn)。這種設(shè)計(jì)不但能讓機(jī)器人更好地在植物工廠或蔬菜大棚這類比較狹窄的空間里移動(dòng)，同時(shí)也減少了先期鋪設(shè)軌道所投入的成本。

當(dāng)番茄采摘機(jī)器人順利采摘到成熟的番茄之后，它機(jī)械臂上的攝像機(jī)會(huì)很快捕捉并鎖定要放置的果籃位置，然后將其坐標(biāo)發(fā)送到機(jī)器人操作系統(tǒng)。在該系統(tǒng)的指引下，番茄采摘機(jī)器人就會(huì)利用無軌式移動(dòng)底盤迅速到達(dá)果籃附近。最后，同樣在機(jī)器人操作系統(tǒng)的指揮下，機(jī)械臂移動(dòng)到果籃上方，同時(shí)松開機(jī)械手。一顆成熟的番茄便在番茄采摘機(jī)器人的操作下，從枝頭來到了果籃中。最后，這些番茄便會(huì)出現(xiàn)在我們的餐桌上。

實(shí)際上，番茄采摘機(jī)器人只需要對(duì)程序稍加改動(dòng)，還能采摘草莓、黃瓜、甜椒等果蔬，甚至還能完成給植物授粉等工作。目前，番茄采摘機(jī)器人已經(jīng)在我國江西、甘肅、內(nèi)蒙古、山東等地投入使用。

（責(zé)任編輯：陸艷）