基于深度学习与多模态感知的
自适应靶向番茄采摘机器人
一、开发背景
番茄作为重要经济作物，中国种植面积约占世界 45%，年产量达 7000 万吨，但传统人工采摘存在三大核心痛点：一是成本高，每亩人工采摘成本约 1000 元，且需 10-20 人 / 亩投入劳动力；二是效率低，受人工经验、体力限制，时效性差，易因错过最佳采收期造成损失；三是质量不稳定，人工分拣受主观因素影响，果实成熟度筛选与大小分级一致性不足。
随着全球科技推动农业现代化，温室大棚、无人农场等现代化种植场景对自动化采摘需求迫切，同时农业劳动力短缺问题日益凸显。在此背景下，“基于深度学习与多模态感知的自适应靶向番茄采摘机器人” 项目应运而生，旨在通过智能化、机械化技术突破传统采摘局限，为番茄种植产业提供高效、精准、低成本的采摘解决方案。
二、设计方案
（一）总体与结构设计
- 设计依据：参考山东寿光温室番茄农艺参数（集中生长高度 1300-1500mm、行距 1600±20.5mm），确定机器人尺寸与作业范围，确保适配现代化温室种植场景。
- 整体结构：由四大核心模块组成，通过螺栓连接成紧凑整体，适配温室狭窄空间，各模块功能如下：
- 移动平台：采用履带式结构，搭配链轮链条传动与弹簧钢板负重轮，可适应大棚复杂地形及 15° 坡度，解决传统轮式机器人适应性差的问题。
- 升降装置：剪式结构设计，通过液压油缸驱动，可在 20-1700mm 高度范围内任意锁定（核心适配番茄 1000-1700mm 生长高度），油缸自锁功能确保升降后稳定承重，避免晃动。
- 采摘机构：包含 4 个六轴关节坐标型机械臂，支持多臂同步作业，覆盖左右两行番茄；机械臂配备双目摄像头与旋切刀，末端执行器采用四指柔软材质，兼顾精准识别与低损采摘。
- 收纳装置：由上下双层滑道与收纳篮组成，上滑道用于缓冲果实下落速度（防损伤），下滑道通过分级孔分离 3cm 不同大小果实，实现采摘后同步分级收纳。
（二）作业流程
机器人作业遵循 “全流程自动化” 逻辑，具体步骤为：
- 导航系统探测温室路况（植株间距、地面障碍），自主规划采摘路线；
- 升降装置根据番茄生长高度调至目标位置并自锁；
- 4 组机械臂同步启动，双目摄像头识别成熟果实，旋切刀切断花蒂完成采摘；
- 果实经上滑道缓冲、下滑道分级后，落入对应收纳篮；
- 完成当前区域采摘后，移动平台自动前往下一区域，重复上述流程。
三、核心功能
- 自主路径规划与移动：搭载导航摄像头和红外传感器，实时探测温室环境障碍，自动规划最优采摘路线；履带式底盘适配复杂地形，无需人工牵引，实现全自主移动。
- 多臂同步高效采摘：4 组机械臂同时作业，覆盖左右两行番茄，单臂通过六轴联动灵活调整姿态，避障能力强；双目摄像头在高光照下对成熟果实的识别成功率≥83.9%，旋切刀快速切断花蒂，采摘效率远超人工。
- 自适应升降调节：剪式升降装置通过液压油缸驱动，高度调节范围 20-1700mm，可适配番茄从底部到顶部的全株采摘需求，油缸自锁功能保障作业稳定性。
- 分级收纳一体化：采摘后番茄经上滑道缓冲、下滑道分级，直接落入对应收纳篮，无需后续人工分拣，收纳效率较传统方式提升 30% 以上。
- 数据存储与学习：智能学习系统记录未成熟番茄的位置及成熟度信息，存入数据库，支持后续二次返回采摘，完美适配温室番茄分批成熟的特性。
四、使用说明
- 作业前准备：检查机器人电量与各部件状态（如机械臂灵活性、滑道通畅性），在控制系统中输入种植参数（行距、株距等），确保设备适配当前温室环境。
- 作业中操作：启动设备后，机器人自动执行路径规划、升降调节、多臂采摘、分级收纳等流程，无需人工干预；若出现异常（如果实识别失败、机械臂卡滞），系统会自动报警提示。
- 作业后维护：清理设备表面残留的枝叶、果实残渣，检查机械臂切刀、履带等易磨损部件的损耗情况；导出未成熟番茄数据，为下次采摘提供参考。
五、产品特色
（一）创新性
- 多臂协同 + 升降适配：四臂同步作业减少机器人移动频次，搭配剪式升降装置（覆盖 1000-1700mm 生长高度），大幅提升采摘效率，解决传统单机臂 “覆盖范围窄、效率低” 的问题。
- 分级收纳 + 低损采摘：“上滑道缓冲 + 下滑道分级” 设计实现采摘 - 分拣一体化，避免人工二次操作；四指柔软材质末端执行器与精准旋切刀结合，既降低果实损伤率，又保证花蒂完整，提升果实商品价值。
- 履带 + 弹簧缓冲：履带式底盘适配大棚复杂地形，弹簧钢板负重轮可应对 15° 坡度，突破传统轮式机器人 “地形适应性差” 的局限。
（二）可行性
- 技术验证：核心部件强度经 ANSYS 分析验证，链轮最大应力 38.46MPa、弹簧钢板最大应力 186.33MPa，均小于 45 号钢屈服强度，满足长期作业的结构强度需求。
- 应用落地：设备完美适配寿光温室水培模式，24 小时连续作业可替代 10-20 人 / 亩的人工投入，每亩可减少 1000 元人工成本，按此效益测算，1-2 年即可收回设备投入成本。
（三）完整性
机器人集成移动平台、升降装置、采摘机构、收纳机构四大核心模块，覆盖 “采摘 - 收纳 - 行驶” 全流程，无需搭配其他设备即可独立完成番茄采摘作业，系统完整性强。
