近日，機電學院苑進教授團隊在《Computers and Electronics in Agriculture》，發表題為“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。博士研究生方家明為論文第一作者，機電學院苑進教授和劉雪美教授為共同通訊作者，辛振波副教授、戴念祖博士生參與課題研究，我校為唯一通訊單位。

番茄是全球消費最多的蔬菜之一，近年全球種植面積約為500萬公頃，產量已達1.77億噸。然而，鮮食番茄收獲仍以人工采摘為主，隨著人工成本高企，且季節性工人難以獲得。這直接影響了番茄價格和生產效益，全球范圍內研發番茄采摘機器人變得愈發緊迫。

由于絕大多數番茄果實成熟度不一致，且番茄聚集生長且相互遮擋，開發番茄機器人簇生果實單果采摘技術非常重要。現有采摘末端執行器大多依賴于對果實穩定夾持，然而，簇生番茄使得末端執行器難以穩定地固定果實。而且，在采摘過程中，末端執行器可能會與鄰近番茄發生碰撞，導致采摘失敗或果實損傷。最后，現有的大多數末端執行器只能對番茄及果莖施加單一類型的力（拉力或扭轉力）。這可能會損傷植株，降低采摘效率，并使采摘過程對番茄姿態高度敏感。針對以上技術難題，山東農業大學苑進教授團隊提出了一種彎折-扭轉-拉伸混合的番茄機器人采摘方法，并設計了新型末端執行器，用于簇生番茄果實的單果采摘，以提高采摘效率并減少果實損傷。

圖1. 整體工作流程

圖2. 番茄采摘機器人試驗平臺

論文首先分析了人工采摘的力學特征，提出了仿生人手操作力的番茄機器人采摘模式。然后，設計了一種緊湊型剛柔混合末端執行器，利用順應性變形帶進行包裹夾持，能夠對果梗的分離層施加彎曲-扭轉-拉伸的混合力，以分離果實。然后，建立了包括果梗、番茄和末端執行器的多體動力學模型，以分析采摘過程中的交互動力學。最后，提出了評估末端執行器采摘效率的指標。仿真結果表明，只夾住番茄表面的1/3仍能將目標番茄從番茄簇中卷入末端執行器。通過在分離層施加混合力，成功采摘各種姿態的番茄，彎曲扭矩峰值為71.6-262.68 N·mm，扭轉扭矩峰值為18.46-32.36 N·mm，拉力峰值為25.18-31.64 N。田間試驗表明，番茄的夾持成功率為93.3%，四種不同姿態番茄的采摘成功率分別為93.3%（豎直）、90.0%（正前）、76.7%（左前）和83.3%（右前）。當柔性帶以282.7 mm/s的速度運行時，末端執行器的平均單次采摘時間為1.8 s，果實損傷率為1.9%。該研究表明該末端執行器在應對番茄的聚集生長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單果高效、低損采摘機器人的技術研發進程。

該研究得到了國家自然科學基金、山東省重大科技創新工程項目和山東省現代農業產業技術體系的資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.compag.2025.110011

編      輯：萬    千 

審      核：賈    波