机器人在进入生物生产系统领域的早期，是从果实收获开始的，但由于果实多种多样、环境复杂等因素，收获机器人至今仍是研究的热点。番茄是人们常见的蔬菜，其果实呈红色，与绿色的背景相差大，用彩色摄像机就可以辨认。
1.栽培方式
设施农业中的番茄通常种植在垄上，番茄呈垂直生长，果实暴露在外侧，有部分叶子的遮挡。传统栽培和高架栽培的番茄果实与果梗的连接方式（见图6-5）不同，可以采用不同的采摘方式。传统栽培中在果梗处有结点，通过折断或强力拉扯都可使果实脱落。
2.龙门式5自由度番茄收获机器人
日本农林水产省农业研究中心根据地块的大小，在田埂上分别铺上铁轨，将龙门车架横跨在田地上方，沿铁轨移动。收获机器人安装在龙门车架上进行收获。
图6-5 果实摘取方式
a）传统栽培方式 b）高架栽培方式
（1）机械手和末端执行器（见图6-6）该机器人属关节型机器人，在手腕的法兰盘处，安装了拥有视觉部和刀具部的末端执行器，采用半圆环状的刀片收获果实。
图6-6 龙门式5自由度收获机器人的机械手和末端执行器
（2）视觉系统 该收获机器人的末端执行器上安装有小型电视摄像机和中心波长为680nm、半值幅为10nm的光波过滤器，与闪光灯组成视觉系统。果实位置的检测方法如下：
①从输入的图像数据中计算出果实图像的重心，沿着重心的方向，机械手向最近的果实移动。
②采用三角测量法，通过机械手移动时，各关节的移动量测定机械手到果实之间的大概距离。
③以这个距离信息为基础，使末端执行器接近所要摘的番茄。
④以番茄的直径为收获条件，判断图像中的番茄直径是否达到或超过某值，若满足条件就将其摘下。
3.7自由度番茄收获机器人
日本根据番茄传统的栽培模式，研究了5自由度的番茄收获机器人，但实际收获效果不是很理想。在此基础上，又研制了7自由度的番茄收获机器人。
（1）机械手 将5自由度关节型机械手安装在上下、前后能够移动的直动关节座上，既可以摘取高处的果实，又可以从下向上接近果实，形成7自由度机械手（见图6-7）。这种机械手适合传统生产方式的番茄收获。
（2）末端执行器 末端执行器（见图6-8）由1个吸盘和2个手指组成，吸盘在手爪的中间。10mm厚的吸盘首先吸住果实，防止果实受伤。手指的长度、宽度和厚度分别为155mm、45mm和10mm，手指的抓取力可以在0～33.3N之间进行调节，吸盘由直流电动机和齿轮驱动，速度可以达到38mm/s。
1）吸盘的运动。吸盘的后面连接一个检测阀，真空泵产生一定的真空压力，使吸盘吸住果实，吸力为0～10N。压力传感器与检测阀相连，通过管路检测空气压力。检测阀位于吸盘和真空泵之间，通过空气的流动检测出气体压力。当吸盘没有吸住果实时，空气从吸盘通过检测阀流向真空泵；当吸盘吸住果实时，气流停止流动，检测阀关闭，此时，吸盘内的气体小于真空泵的气压（见图6-9）。
图6-7 7自由度机械手
图6-8 末端执行器
图6-9 吸盘和检测阀的运动
a）吸盘没有吸住果实时 b）吸盘吸住果实时
2）末端执行器的运动。末端执行器运动的方式如图6-10所示。当机械手带动末端执行器接近目标时，吸盘首先伸出，接近目标并吸住果实，向后运动。此时，手指以与吸盘相同的速度伸出，夹住果实；末端执行器抓住果实后，拧断果梗，摘下果实，将果实放在盘中。
图6-10 末端执行器运动的方式
a）吸盘向前运动，吸住果实 b）吸盘向后移动，直到压力达到极限点 c）手指向前运动，与果实保持一定的垂直距离 d）手指抓住果实
（3）3D视觉传感器3D视觉传感器（见图6-11）用来检测对象的三维形态。该传感器有两个激光二极管，从绿色背景中检测出红色的果实，其中一个用红光（670nm波长），另一个用红外线光（830nm波长），二者有同样的光轴。这些光被以不同频率发射，由一面镜子将其反射。光从对象表面通过聚焦镜反射到位置检测装置，位置检测装置有两个极，反射回来的光点位置不同，两个极的电流比就不同，由这些电流的比就可以计算出对象的距离。对象在垂直方向上可通过两个镜子完成扫描，两个镜子分别由步进电动机驱动，在水平方向上的运动可通过架子的旋转来完成，由此获得对象的三维图像（见图6-12）。
图6-11 3D视觉传感器
图6-12 5自由度直角坐标式机械手
4.高架栽培番茄采摘机械手
（1）机械手 在单串高架番茄生产系统中，果实垂落在垂直面上，果实周围的障碍物少，可采用如图6-12所示5自由度直角坐标式机械手进行采摘，控制简单，定位精度高。
（2）手爪 采用一种带有吸盘的手爪（见图6-13），手爪有4个具有弹性的手指和1个吸盘，没有切刀。4个手指均匀分布在吸盘的周围（见图6-14），相对两个手指的距离为60mm。每个手指有4个关节（见图6-15），关节是由橡胶制造的，橡胶关节固定在一个支架上。一条缆绳固定在关节的内侧，可以拉动关节。每个手指的外径、厚度和长度分别为10mm、2mm和60mm。当缆绳不用力时，手指张开；当缆绳受力拉紧后，带动关节弯曲，形成不同的弯曲角度，从而使手爪形成不同的内部容积，适合收获不同形状的果实。(www.xing528.com)
图6-13 手爪
a）俯视图 b）主视图
图6-14 手指的分布
图6-15 单个手指的结构
a）运动前 b）运动后
5.日本京都大学研制的番茄收获机器人
日本京都大学针对番茄的垄作栽培研制了番茄收获机器人（见图6-16），主要包括电瓶车、5自由度关节型机械手、末端执行器、摄像机和微型计算机。电瓶车靠微型计算机控制行走和停止，摄像机检测出果实的位置后，机械手和末端执行器进行收获。
（1）末端执行器 末端执行器采用左右安装的、内侧贴有一层橡胶皮的弯曲手指，手指的张开和闭合采用小型直流电动机驱动，通过控制电流的强度控制手指的力度，并通过拉扯摘下果实。但手指的力度不易控制，因此设计了柔性手爪（见图6-17a）。
如图6-17a所示为有3个橡胶手指的柔性手爪，采用了气压驱动橡胶人工肌肉作为执行机构，能柔性地抓住果实且不易脱落。
图6-16 京都大学研制的番茄收获机器人
a）结构示意图 b）实物图
旋转式手爪（见图6-17b）的旋转部可随果梗导轨转动包围果实周围，采用直流电动机控制旋转部，使果实大体能滑进旋转部的中间位置，来收获果实。该手爪能够有效地修正机械手的误差，利用果梗导轨将果实滑落手爪的内侧，通过旋转，果梗沿导轨滑到A处，靠旋转转矩折断果梗的结点摘取果实。若这个旋转转矩不能摘取果实，则同一电动机驱动切枝刀片切断果梗，使果实脱落。
图6-17 手爪结构
a）柔性手爪 b）旋转式手爪
（2）收获作业 番茄收获机器人的收获流程如图6-18所示。电瓶车移动时，机械手处于易移动、不碰到周围作物的状态。电瓶车停止后，摄像机输入图像，利用两眼立体视觉器检测红色果实的位置，将此位置变换成机械手坐标系的位置，判断是否在收获范围内。若可以收获，判断是否在此位置收获第1个果实。若是，此位置为第1个点，则转C处计算摘果实要通过的第2点坐标，然后机械手通过第2点靠近并拧断果梗。计算第2点到第1点的坐标距离，手腕向下倾斜，手指张开，将果实放入收集筐中。
6.樱桃番茄收获机器人
樱桃番茄是最近几年新开发的一种新产品，一个果柄上可以结多个果实，并且有的果实已经成熟，而有的未成熟，因此，收获时需要进行选择。此外，收获时必须带有果梗，才能拥有较高的商品价值。
图6-18 番茄收获流程图
（1）极坐标收获机器人 极坐标樱桃番茄收获机器人（见图6-19）可以进行选择性收获，机器人主要包括小电瓶车、一个机械手、末端执行器、3D视觉传感器和控制系统。
图6-19 樱桃番茄收获机器人
a）结构示意图 b）实物图
机械手具有5个自由度，可以上下转、左右转、上下前进、里外前进和弯曲，使末端执行器能够到达任何想要到达的位置。所有的运动由4个100W的伺服电动机驱动，机械手可以在左右方向进行弯曲运动。
该机器人采用3D传感器检测番茄的位置。末端执行器采用吸管式，可以吸住果实。末端执行器后面连接一个长管，当吸住果实并切断果梗后，果实直接通过吸管内部输送到收集箱。
（2）多功能机器人 日本研制的多功能机器人类似于番茄收获机器人，只要更换其末端执行器、传感系统和软件，就可以进行多种作业。收获樱桃番茄的末端执行器（见图6-20）包括吸管、夹子、弹簧、线圈和3对光电传感器等。当吸管吸住果实后，通过3对光电传感器检测果实的位置（见图6-21）。如果果实位置合适，夹子就将果梗剪断，将果实通过气管进入收集箱中。
图6-20 收获樱桃番茄的末端执行器
图6-21 光电传感器检测果实的位置
该机器人采用彩色摄像机，分辨率510（H）×490（V），摄像机在水平和垂直方向上移动，可得到果实的两个图像。将彩色图像转换为灰度图像，从而获得果实。
机器人在收获时（见图6-22），首先获得果实的立体图像，经过与R、G、B信号相比，进行筛选、降低噪声、二值化处理等，得到果实的数量，同样也得到果梗的位置。果实的三维位置可以通过X和Z的二维坐标以及Y坐标来确定，Y坐标代表摄像机与果实的距离或深度。判定果实的可接近程度后，末端执行器首先移向果串中左上方的果实，其位置是用X和Z来确定，Y值是果串的中心位置距离。如果接触不到果实，末端执行器沿Y方向向前移动50mm再收获。
图6-22 樱桃番茄收获机器人的作业流程图
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