農(nóng)業(yè)機器人的發(fā)展現(xiàn)狀及展望

　　【摘要】文章通過對國內(nèi)外農(nóng)業(yè)機器人發(fā)展情況調(diào)研，分析了目前農(nóng)業(yè)機器人具有的作業(yè)季節(jié)性、作業(yè)環(huán)境復雜性、作業(yè)對象嬌嫩性和復雜性、使用對象特殊性等幾大特點，根據(jù)農(nóng)業(yè)機器人解決問題的側(cè)重點差異將農(nóng)業(yè)機器人大致分為行走系列農(nóng)業(yè)機器人和機械手系列機器兩大類，并介紹和總結(jié)了各類機器人的功能，同時介紹了我國各類農(nóng)業(yè)機器人、以及日本、美國和其他具有代表性的農(nóng)業(yè)機器人，指出目前農(nóng)業(yè)機器人推廣與普及的瓶頸主要是農(nóng)業(yè)機器人制造成本問題和農(nóng)業(yè)機器人智能化程度問題。最后對農(nóng)業(yè)機器人發(fā)展趨勢進行討論，提出今后農(nóng)業(yè)機器人應側(cè)重于開放式的結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)標準化研究與機器人技術(shù)研究緊密結(jié)合的研究。

　　【關鍵詞】農(nóng)業(yè)機器人，智能裝備，研究現(xiàn)狀

　　農(nóng)業(yè)是國民經(jīng)濟的基礎，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要支撐。近年來，隨著設施農(nóng)業(yè)、精準農(nóng)業(yè)和高新技術(shù)的發(fā)展，特別是土地流轉(zhuǎn)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)?；⒓s化的加劇，以及人工作業(yè)成本的不斷攀升，農(nóng)業(yè)機器人成為替代繁重體力勞動、改善生產(chǎn)條件、提高收獲生產(chǎn)效率、轉(zhuǎn)變發(fā)展方式、降低生產(chǎn)成本和損耗、增強綜合生產(chǎn)能力的關鍵裝備，也是國際農(nóng)業(yè)裝備產(chǎn)業(yè)技術(shù)競爭焦點之一。

　　1農(nóng)業(yè)機器人的特點與分類

　　1.1農(nóng)業(yè)機器人的特點同工業(yè)機器人相比，農(nóng)業(yè)機器人具有4個特點[2-4]。（1）作業(yè)的季節(jié)性。由于農(nóng)業(yè)機器人大都針對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)某一環(huán)節(jié)，功能單一，因此農(nóng)業(yè)機器人的使用具有較強的季節(jié)性，利用率較低，從而增加了農(nóng)業(yè)機器人的使用成本。（2）作業(yè)環(huán)境復雜性。由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境多變且無法預知，農(nóng)業(yè)機器人無法同工業(yè)機器人一樣具有比較固定的作業(yè)環(huán)境。因此，農(nóng)業(yè)機器人需具有適應不同環(huán)境的能力，并且能夠在不同環(huán)境中智能化完成任務。（3）作業(yè)對象的嬌嫩性和復雜性。由于農(nóng)作物的嬌嫩性與復雜性，農(nóng)業(yè)機器人在完成任務時，必須能適應形狀復雜、大小迥異的農(nóng)作物變化情況，并且需進行柔性處理。（4）使用對象的特殊性。農(nóng)業(yè)機器人的使用對象是農(nóng)民。一方面，農(nóng)民并不具備較高的機械電子知識水平，農(nóng)業(yè)機器人必須操作簡單、可靠；另一方面，由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總體利潤不高，農(nóng)業(yè)機器人的價格不能超出一般農(nóng)民的承受能力。1.2農(nóng)業(yè)機器人的分類隨著近年來國內(nèi)外對農(nóng)業(yè)機器人研究與開發(fā)的重視，目前已研發(fā)出多種農(nóng)業(yè)機器人。根據(jù)解決問題的側(cè)重點不同，農(nóng)業(yè)機器人大致可以分為兩類：一類是行走系列農(nóng)業(yè)機器人，主要用于在大面積農(nóng)田中進行作業(yè)；另一類機械手系列機器，主要用于在溫室或植物工場中進行作業(yè)。農(nóng)業(yè)機器人的分類具體如表1[5-8]。除上述兩大類別農(nóng)業(yè)機器人外，還有一些特殊用途的機器人，包括剪羊毛機器人、擠奶機器人、放牧機器人等，也都得到很好的應用[9]。

　　2國內(nèi)外農(nóng)業(yè)機器人的發(fā)展狀況

　　2.1國外農(nóng)業(yè)機器人的發(fā)展狀況

　　2.1.1日本

　　日本是農(nóng)業(yè)機器人研究最早、同時也是市場發(fā)育最為成熟的之一。目前，日本已研制出育苗機器人、扦插機器人、嫁接機器人、番茄采摘機器人、葡萄采摘機器人、黃瓜采摘機器人、農(nóng)藥噴灑機器人、施肥機器人和移栽機器人等多種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機器人，在理論與應用方面都居世界前列。圖1為日本國家農(nóng)業(yè)和食品研究所發(fā)明的能夠采摘草莓的機器人。該機器人裝有一組攝像頭，能夠精確捕捉草莓的位置，還有配套軟件能根據(jù)草莓的紅色程度來確保機器人采摘的是成熟的草莓。

　　2.1.2美國

　　同日本比，由于領土廣闊及自身先進的工業(yè)技術(shù)，美國研究的重點在于行走式農(nóng)業(yè)機器人，在理論與技術(shù)上都比較成熟。典型代表是美國新荷蘭農(nóng)業(yè)機械公司發(fā)明的多用途自動化聯(lián)合收割機器人，很適合在美國一些專屬農(nóng)墾區(qū)的大片規(guī)劃整齊的農(nóng)田里收割莊稼。另外比較典型的還有斯坦福一個公司開發(fā)的智能生菜生產(chǎn)機器人（圖2），可以實現(xiàn)生菜的精耕細作、施肥除草等。

　　2.2

　　與國外相比，我國農(nóng)業(yè)機器人研究與開發(fā)方面尚處于起步階段。目前我們已開發(fā)出的農(nóng)業(yè)機器人有：耕耘機器人、除草機器人、施肥機器人、噴藥機器人、蔬菜嫁接機器人、收割機器人、采摘機器人等。農(nóng)業(yè)大學研制的摘黃瓜機器人利用多傳感器融合技術(shù)，對采摘對象的成熟度進行判別，并確定收貨目標，引導機械手來抓取黃瓜，再用刀片切割瓜藤（圖6）；嫁接機器人實現(xiàn)了營養(yǎng)缽苗的供苗、切苗、嫁接和排苗的自動化作業(yè)，可廣泛用于黃瓜、西瓜、甜瓜等菜苗的嫁接（圖7）；北京農(nóng)林科學院研發(fā)的草莓采摘機器人可以自主搜索、識別和采摘成熟草莓果實，不僅可為草莓采摘降低人工成本，還可減輕工作強度（圖8）；東北林業(yè)大學研制出林木球果采集機器人，可以在較短的林木球果成熟期大量采摘種子，對森林的生態(tài)保護、森林的更新以及森林的可持續(xù)發(fā)展等方面都具有重要的意義，很好地解決了目前在林區(qū)仍主要采用人工上樹手持專用工具來采摘林木球果的做法；伐根機器人主要用于收集森林采伐剩余物和培育優(yōu)質(zhì)工業(yè)用材林。它的應用有望克服我國的森林資源危機，改進我國的森林資源利用。

　　3存在的問題及展望

　　雖然農(nóng)業(yè)機器人研究已取得很大進展，但目前農(nóng)業(yè)機器人距實用普及還有很長一段距離。推廣與普及的主要瓶頸有兩點：一是農(nóng)業(yè)機器人制造成本問題，二是農(nóng)業(yè)機器人智能化程度問題。

　　3.1農(nóng)業(yè)機器人制造成本問題

　　目前研制出來的農(nóng)業(yè)機器人大都只針對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)某一環(huán)節(jié)的某一項作業(yè)而言,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的特征之一是季節(jié)性強,造成了農(nóng)業(yè)機器人的使用效率低,間接地增加了農(nóng)業(yè)機器人的成本。其性價比不能滿足市場的需要,成為制約農(nóng)業(yè)機器人商業(yè)化和進一步研究應用的瓶頸問題。比如采摘機器人，由于草莓、黃瓜等經(jīng)濟作物生產(chǎn)的季節(jié)性，如果采摘機器人只能用于一種農(nóng)作物的采摘，那么該機器人一年工作的時間有限。由于只有當農(nóng)業(yè)機器人的生產(chǎn)成本低于人工收獲成本時,農(nóng)業(yè)機器人才能得到推廣，這無疑對農(nóng)業(yè)機器人的成本控制提出了較高的要求。

　　3.2農(nóng)業(yè)機器人智能化程度問題

　　同工業(yè)機器人或者其他領域機器人相比，農(nóng)業(yè)機器人工作環(huán)境多變，以非結(jié)構(gòu)環(huán)境為主，工作任務具有極大的挑戰(zhàn)性。因此，一般而言，農(nóng)業(yè)機器人對智能化程度的要求要遠高于其他領域機器人?，F(xiàn)階段農(nóng)業(yè)工程領域的專家紛紛把研究重心從機械部分轉(zhuǎn)向機器視覺、人工智能方面,力圖解決農(nóng)業(yè)機器人的智能問題。從目前的技術(shù)水平來看,在自動導航、視覺辨識定位等方面已有成熟的解決方案,但總的來講,目前智能系統(tǒng)的發(fā)展還不夠完善,很多任務無法由農(nóng)業(yè)機器人單獨完成;另一方面,即使是農(nóng)業(yè)機器人具備了相當?shù)闹悄?能夠完成某種任務,然而由于其制造成本過高,開發(fā)難度極大而難以實際應用。隨著農(nóng)業(yè)及機器人技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)機器人技術(shù)也在不斷的完善，從而能夠更好地為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)服務。在今后的發(fā)展中農(nóng)業(yè)機器人應側(cè)重以下兩點。

　?。?）開放式的結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)。目前對于農(nóng)業(yè)機器人根據(jù)實現(xiàn)的功能要求，大都采用專用執(zhí)行機構(gòu)及專用的控制系統(tǒng)，構(gòu)成一個封閉式結(jié)構(gòu)。這樣的農(nóng)業(yè)機器人具有特定的功能、適應于特定的環(huán)境，無法通過更換執(zhí)行機構(gòu)、增加傳感器等功能模塊進行功能擴充。比如把草莓采摘機器人功能擴充到蘋果采摘機器人，在目前封閉式結(jié)構(gòu)下工作量基本等同于重新設計與開發(fā)。因此，通過研究與設計開放式的結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)，農(nóng)業(yè)機器人不僅具有良好的擴展性、通用性，還具有柔性作業(yè)的能力，這樣無疑可以縮短農(nóng)業(yè)機器人的開發(fā)周期，降低生產(chǎn)成本，提高利用率及性價比，從而達到促進推廣使用的目的。

　?。?）農(nóng)業(yè)生產(chǎn)標準化研究與機器人技術(shù)研究緊密結(jié)合。我國地域遼闊，地理條件千差萬別，不同區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境變化較大，對開發(fā)農(nóng)業(yè)機器人的技術(shù)要求不統(tǒng)一，給農(nóng)業(yè)機器人的研發(fā)帶來巨大挑戰(zhàn)。因此，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的標準化可以有效地推動農(nóng)業(yè)機器人的發(fā)展與應用。另一方面，農(nóng)業(yè)機器人技術(shù)研究不僅包括自動化控制、人工智能、機械制造等多個學科，更應包括農(nóng)學，這樣農(nóng)學與機器人學科才能相互促進、共同發(fā)展，農(nóng)業(yè)機器人在功能上才能更符合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求。

　　4結(jié)束語

　　從目前研究現(xiàn)狀上看，農(nóng)業(yè)機器人能夠代替人的部分勞動，且工作效率非常高。對于環(huán)境比較艱苦、重體力勞動、單調(diào)重復的工作，如噴灑農(nóng)藥、收割及分選作物等有望由農(nóng)業(yè)機器人系統(tǒng)完成，以解放出大量的人力資源。隨著我國國民經(jīng)濟的持續(xù)高速發(fā)展，農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的集約化以及我國工業(yè)機器人技術(shù)的快速發(fā)展，我國農(nóng)業(yè)機器人的發(fā)展將出現(xiàn)良好的機遇。在新的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式和新技術(shù)的應用中，農(nóng)業(yè)機器人作為新一代智能化的農(nóng)業(yè)機械必將得到越來越廣泛的應用。

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　　/王儒敬孫丙宇**

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