陳春全

農(nóng)業(yè)采摘智慧化

番茄也叫西紅柿，是茄科、茄屬的一年生草本植物。它原產(chǎn)于南美洲安第斯山脈，大約在明朝萬歷年間被引種到我國兩廣地區(qū)。最開始的時(shí)候，番茄被當(dāng)作觀賞或藥用植物而小范圍栽種，直到上個(gè)世紀(jì)50年代，我國才將番茄作為食用果蔬而大面積種植。

番茄味道鮮美，酸甜適口，不過采摘起來有點(diǎn)麻煩。因?yàn)榉训墓麑?shí)每穗上一般能結(jié)3—5個(gè)果實(shí)，彼此挨得很緊，但是同一穗上的果實(shí)成熟時(shí)間大不相同。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)械研究所研發(fā)的番茄采摘機(jī)器人橫空出世。經(jīng)過兩年多時(shí)間不斷改造和完善，這款機(jī)器人已經(jīng)能夠熟練地完成番茄的室內(nèi)自動(dòng)化采摘。

機(jī)器人操作系統(tǒng)

俗話說得好，“火車跑得快，全靠車頭帶”。番茄采摘機(jī)器人首先要擁有強(qiáng)大的“大腦”，這就是ROS系統(tǒng)。

所謂ROS系統(tǒng)，其實(shí)是“機(jī)器人操作系統(tǒng)”的英文縮寫。簡單地說，機(jī)器人操作系統(tǒng)的作用就是幫助程序進(jìn)程之間更方便地通信。

機(jī)器人一般由傳感器、驅(qū)動(dòng)程序、多機(jī)通信，以及機(jī)械結(jié)構(gòu)等構(gòu)成，而選擇一個(gè)通用的開發(fā)框架是事半功倍的好事情?？茖W(xué)家將番茄采摘機(jī)器人的軟件功能分化成一個(gè)個(gè)節(jié)點(diǎn)，比如識(shí)別成熟果實(shí)、機(jī)械臂運(yùn)作等，這些節(jié)點(diǎn)之間在操作系統(tǒng)的統(tǒng)一指揮下展開溝通。

采摘機(jī)器人識(shí)別果實(shí)成熟情況番茄相似，也是通過機(jī)械臂、機(jī)械手逐個(gè)采摘果實(shí)，不同的是，人類憑肉眼就可以分辨番茄是否成熟，番茄采摘機(jī)器人則依靠安裝在機(jī)械臂上的攝像機(jī)，按照預(yù)設(shè)程序，通過果實(shí)顏色來判斷成熟與否。隨后，操作系統(tǒng)會(huì)控制機(jī)械臂移動(dòng)到成熟的番茄附近，使用機(jī)械手采摘下來。

仿生式機(jī)械手

采摘過程看起來很簡單，但實(shí)際遇到的問題遠(yuǎn)超想象。

原來人工集中栽培的番茄，同一批次的果實(shí)大小、成熟度相差都不大。如果是自然條件下或者種植的品種不同，番茄采摘機(jī)器人面臨的挑戰(zhàn)就是成倍增加。

機(jī)械手在工業(yè)方面的使用已經(jīng)非常成熟，但是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜，對(duì)機(jī)械手的要求就提高了不少。

首先，果蔬存在質(zhì)地脆弱、容易碰傷及擦傷等問題，因此科學(xué)家專門設(shè)計(jì)了特殊的軟膠材料，均勻覆蓋在機(jī)械手的表面。這種材料表面粗糙，摩擦力較大，既不會(huì)弄傷番茄，又最大限度地防止滑落。

其次，番茄品種繁多，其植物個(gè)體差異也很大，比如常見的番茄植株高度都在1米左右，最高可達(dá)2米，矮的則僅60厘米。品種間的巨大差異給番茄采摘機(jī)器人帶來了挑戰(zhàn)。

不用擔(dān)心，科學(xué)家有辦法解決。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)；對(duì)于植株較高、掛果又集中的番茄，則通過更換機(jī)械手的方式，一次采摘一串番茄。不論哪一種方式，番茄采摘機(jī)器人采摘一個(gè)番茄平均需要10秒。

無軌式移動(dòng)底盤

采摘僅是第一步，接下來番茄采摘機(jī)器人要將這些番茄完好地放到果籃、果筐中。這就需要它們能夠自主移動(dòng)。

國外采摘機(jī)器人很多都采用有軌式移動(dòng)底盤，也就是說它們要在預(yù)先鋪設(shè)好的軌道上移動(dòng)。我國科學(xué)家則選擇了無軌式移動(dòng)底盤。

無軌式移動(dòng)底盤可以讓番茄采摘機(jī)器人全方向、大范圍自主移動(dòng)，并且能夠360度原地旋轉(zhuǎn)。這種設(shè)計(jì)不但能夠更好地適應(yīng)在植物工廠或蔬菜大棚里移動(dòng)，同時(shí)省去了先期鋪設(shè)軌道所需要的成本。

采摘完成后，番茄采摘機(jī)器人通過機(jī)械臂上的攝像機(jī)捕捉并鎖定果籃位置，再將坐標(biāo)發(fā)送到操作系統(tǒng)，然后在系統(tǒng)引導(dǎo)下，驅(qū)動(dòng)無軌式移動(dòng)底盤到達(dá)果籃附近，最后指揮機(jī)械手松開，將番茄放入果籃。

只需對(duì)程序稍加改動(dòng)，番茄采摘機(jī)器人就能勝任采摘草莓、黃瓜、甜椒等果蔬，甚至完成給植物授粉等工作。

目前，番茄采摘機(jī)器人已經(jīng)在江西、甘肅、內(nèi)蒙古，以及山東等地投入使用。

吃著酸甜的番茄，可別忘了是誰把它們送到你的面前啊。