Tomaten sind weltweit eine wichtige Gemüsepflanze, doch ihre Ernte erfolgte lange Zeit in Handarbeit und war mit Problemen wie hohem Arbeitsaufwand, hohen Kosten und der Gefahr von Fruchtschäden verbunden. Im geschützten Anbau wachsen die Tomaten oft in Büscheln mit dichtem Geäst und Blättern. Herkömmliche maschinelle Erntemaschinen sind anfällig für Umwelteinflüsse, was zu geringen Ernteerfolgsraten oder hohen Beschädigungsraten führt. Wie lässt sich eine effiziente und schonende Tomatenernte in komplexen Anbauumgebungen erreichen?
Das Team um Qizhi Yang von der Fakultät für Agrartechnik der Jiangsu-Universität hat in Zusammenarbeit mit Dr. Min M. Addy et al. von der Universität Minnesota (USA) einen starr-flexiblen Endeffektor entwickelt, der einen teleskopischen Saugnapf und einen Dreifingergreifer integriert und damit eine innovative Lösung für dieses Problem bietet. Die zugehörige Publikation erschien in Frontiers of Agricultural Science and Engineering ( DOI: 10.15302/J-FASE-2025643 ).
Diese Studie nutzt einen innovativen, kollaborativen „Adhäsions-Klemm“-Betriebsmodus. Der Endeffektor fährt zunächst den Vakuumsauger aus, um die Zieltomate anzusaugen, zieht sie dann von Ästen und Blättern weg, um ein Verrutschen zu vermeiden, und aktiviert anschließend den Dreifingergreifer, um die Klemmung abzuschließen. Dieses schrittweise Verfahren behebt die Nachteile herkömmlicher Klemm- oder Adhäsionsmethoden: Erstere können die Früchte durch ungeeignete Krafteinwirkung beschädigen, während letztere aufgrund von Oberflächenkrümmung und Feuchtigkeit eine unzureichende Stabilität aufweisen.
Das Team ermittelte die optimalen Betriebsparameter in 180 Versuchsreihen: einen Drehwinkel von 270° in Kombination mit einer Kraft von 8,36 N. Die experimentellen Daten zeigen, dass sich die Pflückzeit unter diesen Parametern im Vergleich zu herkömmlichen Maschinen um 40 % reduziert und der Pflückzyklus für eine einzelne Frucht nur 5,4 Sekunden dauert. Durch die Entwicklung eines kombinierten Analysemodells für Adhäsionskraft (3,58 N) und Klemmkraft (5,94 N) erreicht das System eine Erfolgsquote von 88 % bei einer Beschädigungsrate der Früchte von unter 0,5 %. Im Test unter simulierten Gewächshausbedingungen (22 °C, 60 % relative Luftfeuchtigkeit) ist die Betriebseffizienz dieser Anlage 55 % höher als die der manuellen Pflückung. Zudem kann sie kontinuierlich arbeiten und so die Arbeitsbelastung reduzieren.
Angesichts der komplexen Lichtverhältnisse im Gewächshausumfeld verwendet die Studie das hybride Erkennungsmodell YOLOv5 + HSV. Durch die Integration von Deep-Learning-Algorithmen und Farbraumanalyse werden die Erkennungsgenauigkeit und die Geschwindigkeit der nächtlichen Ernte verbessert. Ein Leistungsvergleich zeigt, dass das neue System im Vergleich zu rein haftenden (Erfolgsrate 84 %, Schadensrate 1,4 %) und rein klemmenden (Erfolgsrate 81 %, Schadensrate 7,7 %) Endeffektoren deutliche Vorteile hinsichtlich Erfolgsrate, Schadensrate und Arbeitsgeschwindigkeit bietet.
Diese Studie liefert wichtige technische Grundlagen für Tomatenpflückroboter. Ihr starr-flexibles Kupplungskonzept wurde experimentell validiert und erfüllt effektiv die Anforderungen der maschinellen Ernte von geschützten Tomaten. Angesichts des zunehmenden Arbeitskräftemangels in der Landwirtschaft wird der Einsatz solcher intelligenter Geräte die Produktionskosten wirksam senken und die Entwicklung des geschützten Anbaus hin zu höherer Effizienz und Präzision fördern.
DOI:10.15302/J-FASE-2025643
