论文标题：Design and performance evaluation of a rigid-flexible coupling end-effector for tomato picking robots

期刊：Frontiers of Agricultural Science & Engineering

作者：Qizhi YANG, Guangyi QU, Xia ZHONG, Xinyu YANG, Lei LIU, Xu HU, Min M. Addy

发表时间：14 Jul 2025

DOI： 10.15302/J-FASE-2025643

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Apr 2026, Volume 13 Issue 2

· 第1篇 ·

▎论文ID

Design and performance evaluation of a rigid-flexible coupling end-effector for tomato picking robots

用于番茄采摘机器人的刚柔耦合末端执行器的设计与性能评估

文章类型：Research Article

发表年份：2025年

第一作者：杨启志，Min M. Addy

通讯作者：杨启志

Email: qzyrobot@126.com

作者单位：江苏大学农业工程学院

Cite this article :

Qizhi YANG, Guangyi QU, Xia ZHONG, Xinyu YANG, Lei LIU, Xu HU, Min M. Addy. Design and performance evaluation of a rigid-flexible coupling end-effector for tomato picking robots. Front. Agr. Sci. Eng., 2026, 13(2): 25643 DOI:10.15302/J-FASE-2025643

· Graphical abstract ·

· 主 要 内 容 ·

番茄是全球重要的蔬菜作物，但其采摘作业长期依赖人工，面临劳动强度大、成本高、果实易损伤等问题。设施番茄种植中，果实常成簇生长且枝叶密集，传统机械采摘设备易受环境干扰，导致采摘成功率低或损伤率高。如何在复杂种植环境中实现番茄的高效无损采摘呢？

江苏大学农业工程学院杨启志团队联合美国明尼苏达大学Min M. Addy博士等，研发出了一种集成伸缩吸盘与三指抓手的刚柔耦合末端执行器，为这一难题提供了创新解决方案。

本研究创新性地采用“吸附-夹持”协同作业模式。末端执行器先通过真空吸盘伸出并吸附目标番茄，将其从枝叶中拉出以避免干扰，再启动三指抓手完成夹持。这种分步操作流程解决了传统单一夹持或吸附方式的缺陷——前者易因力度不当损伤果实，后者则受表面曲率和湿度影响稳定性不足。

团队通过180组实验确定了最优作业参数：270度旋转角度配合8.36 N复合力。实验数据显示，该参数下采摘时间较传统机械减少了40%，单个果实采摘周期仅需5.4秒。通过建立吸附力 (3.58 N) 与夹持力 (5.94 N) 的复合分析框架，系统实现了88%的采摘成功率，果实损伤率控制在0.5%以下。在模拟温室环境 (22 ℃、60%湿度) 测试中，该设备作业效率比人工采摘高出55%，且可连续工作以降低劳动强度。

针对温室环境下的复杂光照条件，研究采用YOLOv5 + HSV混合识别模型，通过融合深度学习算法与颜色空间分析技术，提升了夜间采摘的识别精度与速度。性能对比显示，与纯吸附式 (成功率84%、损伤率1.4%) 和纯夹持式 (成功率81%、损伤率7.7%) 执行器相比，新系统在成功率、损伤率和作业速度上综合优势显著。

本研究为番茄采摘机器人提供了关键技术支撑，其刚柔耦合设计理念经实验验证，可有效满足设施番茄机械化采摘需求。随着农业劳动力短缺问题加剧，此类智能化装备的应用将有效降低生产成本，推动设施农业向高效、精准方向发展。

· 主 要 图 表 ·

图1 实验方案图。

图2 末端执行器整体结构 (1. 夹爪；2. 扭簧；3. 四孔连接件；4. 连杆；5. 摇杆；6. 丝杠螺母；7. 滚珠丝杠；8. 电机；9. 气缸；10. 立柱固定件；11. 真空吸盘；12. 硅胶垫)。

图3 工作流程图。

表1 不同末端执行器及人工采摘的性能对比