喻波

摘 要：隨著經(jīng)濟快速發(fā)展，各國城市現(xiàn)代化建設你超我趕，市政綠化與家庭花園綠化程度越來越高，大量的公園草坪、足球場草坪、GOLF球場草坪修剪工作十分繁重，重復性高。隨著人工智能與物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，利用現(xiàn)代電子技術和智能控制技術的全自動智能割草機器人應運而生，在不久的將來勢必會取代傳統(tǒng)割草設備。文章通過對國內(nèi)外市場上在售的割草機器人進行調(diào)查，分析出智能割草機器人的行業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展前景。

關鍵詞：割草機；機器人；人工智能；傳感技術；智能設備

中圖分類號：TP242.3 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）29-0070-02

Abstract： With the rapid economic development， urban modernization in all countries you catch up with me， municipal greening and home garden greening degree is getting higher and higher， a large number of park lawn， football field lawn， GOLF pitch lawn pruning work is very heavy， high repeatability. With the development of artificial intelligence and Internet of things technology， the fully automatic intelligent mowing robot based on modern electronic technology and intelligent control technology emerges as the times require， and is bound to replace the traditional mowing equipment in the near future. In this paper， the industry status and development prospects of intelligent mower robot are analyzed by investigating the mower robot sold in the domestic and international market.

Keywords： mower； robot； artificial intelligence； sensing technology； intelligent equipment

1 智能割草機器人概述

草坪修剪工作的勞動強度之大，所耗成本之高，拉動各國企業(yè)積極進行技術提升和設備改造，并于1997年首次提出智能割草機器人的概念。[1]

智能割草機器人，屬于民用戶外移動機器人領域，憑借一定的人工智能技術，自動在設定區(qū)域內(nèi)完成割草工作，是用以替代人工修剪或半自動割草設備的智能花園管理設備，最大限度節(jié)省人力、物力、財力，具有高效、安全、便捷、使用簡單、環(huán)保污染小等特點。各方面都有點類似智能掃地機器人，以及智能擦窗機、澆水智能機器人、排水溝智能清潔機器人、智能烤架清洗機器人等，外觀方面由20世紀初美國高校研制樣品的四四方方，慢慢演變?yōu)榍€型設計，有的遠看像縮小版的小汽車。

全自動智能割草機器人一般擁有以下功能：自動割草、清理草屑、自動避雨、自動行走功能，自動躲避障礙物，電子虛擬籬笆、自動返回充電，網(wǎng)絡控制等。具備安全檢測和電池電量檢測功能，具備一定爬坡能力，可調(diào)節(jié)修剪高度，可用APP操控，是一種適合家庭庭院、公共綠地等場所進行草坪修剪維護的中小型設備。APP里會顯示工作狀態(tài)、剩余電量、除草日期或者切換至手動遠程操控，也可將后臺數(shù)據(jù)上傳至云端，方便制造商遠程診斷設備故障。它不僅能自主完成修剪草坪的工作，無須人為直接控制和操作，且功率低、噪音60分貝左右、外形精巧美觀。在國外，許多家庭都備有智能割草機，用來為門前的花園除草。

機器人科技如今日趨成熟，故每種品牌都有不同的研發(fā)方向，擁有特殊的設計?；緲?gòu)造如下：

本體：不同廠商的品牌設計外型不同，機身為自動化技術的可移動裝置。

充電電池：大部分采用鋰電池，小部分用鉛酸電池，各廠商的電池充電時間與使用時長也有所差別，工作時長是對電池的考驗，是整機的核心之一。也有加裝太陽能板補充電能的方案。

充電座裝置：供智能割草機器人回充。

傳動輪子：用于滾動行走。

控制面板：可設置參數(shù)，一般會設置強制停止按鈕。

相比早期的半自動智能割草機，全自動的智能割草機器人主要應用技術如下：

傳感技術：通過溫度傳感器、距離傳感器、超聲波傳感器、紅外傳感器、雨滴感應器、角度傳感器、人體熱釋傳感器、攝像頭視覺傳感等，為智能割草機器人提供外部環(huán)境信息，中央處理器通過分析這些數(shù)據(jù)信息，對各驅(qū)動裝置發(fā)布相應的動作指令。

智能路勁識別與規(guī)劃技術：要求處理器自動規(guī)劃出合理的無障礙行駛路徑，逐步細致深入分析工作環(huán)境。

特殊邊界物識別技術：為智能割草機器人設置電子虛擬籬笆，可利用GPS定位系統(tǒng)進行定位操作。

智能躲避技術：主要是利用超聲波感應器實時傳輸障礙物距離信息，也可利用視覺傳感技術，通過攝像頭識別與傳輸分析模擬信號，選擇最佳躲避路徑。[2]

智能割草機器人目前面臨六大技術難題：a.工作環(huán)境復雜，傳感系統(tǒng)采集信息的準確度還不夠；b.工作范圍難以全部覆蓋，反復工作造成能源浪費與降低效率；c.機器人與外界的通訊功能不強，人機交互能力需提升；d.定位系統(tǒng)不夠精確，容易導致工作范圍偏差；e.能源體系不夠優(yōu)良，持續(xù)工作能力弱；f.學習能力不夠強大，難以避免重復犯錯。

傳感技術、GPS定位技術、物聯(lián)網(wǎng)技術、智能規(guī)劃與躲避技術等都已被廣泛應用于各行各業(yè)的智能產(chǎn)品上，相比20年前智能割草機器人剛剛萌芽時成熟很多，卻仍然沒有達到最佳狀態(tài)，難以實現(xiàn)技術突破。目前企業(yè)進行研究制造，最多能在細節(jié)優(yōu)化方面做出差異化設計。相關核心元器件產(chǎn)品較多，容易獲得，成本可控；從其他智能設備的制造情況來看，智能割草機器人的整機可具備量產(chǎn)條件。

2 行業(yè)現(xiàn)狀研究

通過對網(wǎng)絡上正在銷售的智能割草機進行調(diào)查，目前智能割草機價格從3000元至50000元不等，所有國內(nèi)電商平臺銷量幾乎為零。引起價格差異的主要原因有：外觀設計、電池耐用度、割草面積、割草高度，以及一些差異化的人性化功能設計等。主體結(jié)構(gòu)一般在70cm×50cm×40cm以內(nèi)，重量一般在22kg以內(nèi)，割草刀片2pcs-4pcs左右，修剪高度2-6cm可調(diào)不等，續(xù)航工作時長2-7H不等。而美國專業(yè)除草工人的工資，約1000美金每家每年，一些歐美的智能割草機器人售價約1200-1800美金。Lawnbott或者 Husqvarna品牌的自動割草機會賣3000美金。

以色列Friendiy Machines公司的 Robomower 是目前較典型的智能割草機器人之一，重約22kg，與智能掃地機器人相似，采用三輪小車的結(jié)構(gòu)，前輪為萬向輪，最大特點是能將切割下來的草莖粉碎成3mm 以下的碎草末，形成天然肥料；意大利的Zucchetti公司設計的Oscar和蘇州威克士全自動智能機器人為產(chǎn)品配備雨水傳感器，下雨時自動回充躲避；瑞典的Eleetrofux公司制造的Auotmower為產(chǎn)品加裝太陽能板供電；比利時Berlbooties公司的BigMow具備優(yōu)良的路徑算法，刀片覆蓋面積大，工作覆蓋面積較高；南京理工大學提出了一種廉價實用的總體方案MORO，根據(jù)機器人動力學方程推導出驅(qū)動力矩的計算公式，為核心元器件參數(shù)選擇提供依據(jù)，將機器人領域的前沿技術引用到這一領域，MORO系列樣機重約50kg，刀片轉(zhuǎn)速高達5000r/min，適用于大面積草坪的修剪。

3 行業(yè)上游產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)及企業(yè)情況

草坪業(yè)在發(fā)達國家是一個重要產(chǎn)業(yè)，在我國還屬于新興產(chǎn)業(yè)。我國草坪業(yè)起步雖晚，但在近10年中，無論是數(shù)量還是質(zhì)量，都取得了長足進步。

中國草坪業(yè)市場占有率僅相當于美國的1%，歐盟國家的1.5%，專家認為，中國每年可有15萬-30萬噸的草種市場潛力，但我國目前只有8000噸的用量。20世紀80年代，許多發(fā)達國家人均綠地面積都超過了20m2，那時候的美國草坪業(yè)每年以18%的不變產(chǎn)值高速遞增，人均綠地面積近10000m2，年產(chǎn)值超過100億美元。美國20世紀90年代初草坪總面積為166萬-200萬公頃，建設養(yǎng)護費用超過250億美元。[3]

幾年前的資料顯示，我國首都北京，目前人均公用綠地面積6.14m2，上海1.15m2，絕大多數(shù)城市距離政府提出的人均公用面積相差甚遠。

草坪草的最佳觀賞期是幼苗期，采用修剪的方法能夠控制和防止草坪草枯黃與老化。草坪養(yǎng)護修剪次數(shù)，常因季節(jié)、地區(qū)、草種用途不同而不同。一般處于生長旺盛期的修剪次數(shù)多，一般草坪一年最少要修剪4-5次，高度養(yǎng)護管理的草坪（如高爾夫球場草坪），一年的修剪次數(shù)可高達百余次。一般草坪草適宜的留茬高度為3-4cm，具體情況因草種不同而略有差異。

國內(nèi)外研制智能割草機器人的企業(yè)，大多是園藝工具研制行業(yè)的廠商，原理技術實現(xiàn)等文獻均來自各大高校與研究所，所以幾乎還在技術研究層面，應用層還有待提高，價位較高，實現(xiàn)家用產(chǎn)品化還有很長的路要走。

國外已有一批產(chǎn)品較為成熟的企業(yè)，并發(fā)展了至少4款系列改進型產(chǎn)品，市場成長性較好；國內(nèi)市場，智能割草機器人相比智能掃地機器人，制造商參與者并不多，研發(fā)與制造的企業(yè)幾乎屈指可數(shù)，競爭不激烈。國內(nèi)目前還是以人工半自動化的割草機為主，出售和購買全自動智能割草機器人的都十分少，不過也正是因為這樣，市場才有很廣闊的發(fā)展空間。對國內(nèi)，各大綠化園地需要對割草工作更精細化管理的割草機器人；對國外，眾多的私家花園也需要更多產(chǎn)品來沖擊市場，帶給消費者更多選擇。

可增加的功能建議：增加攝像頭拍照與存儲、分享功能，方便管理者進行對比分析和分享給草坪管理愛好者交流；可考慮融合花園燈光管理系統(tǒng)、自動澆水管理系統(tǒng)，以及別的花園管理方面的功能；可考慮增加小拖斗，便于花園管理時暫時存放小工具。

4 行業(yè)發(fā)展趨勢研究

智能割草機器人以其全自動化工作的特性，把人們從枯燥的體力勞動中解放出來，為現(xiàn)代社會生產(chǎn)生活節(jié)約人力資源，符合互聯(lián)網(wǎng)時代社會發(fā)展的趨勢與需要，順應了人工智能時代的發(fā)展，適用市場還是很廣泛的。難點在于攻破技術限制壁壘，將割草工作進行地更漂亮更徹底更快速。

國外情況，根據(jù)可閱讀到的文獻資料看來，較中國的行業(yè)發(fā)展情況起碼領先15年。目前，國內(nèi)價格低廉、功能多樣，卻不成熟的產(chǎn)品比比皆是，效率低、耗能高、不安全、不耐用等缺點也暴露無遺。不過隨著城市信息化現(xiàn)代化發(fā)展進程逐漸加快，人們對居住環(huán)境的要求增高，相信隨著綠化率的提高，人們對智能割草機器人的需求也會增加，因而，高效率，高品質(zhì)的優(yōu)質(zhì)智能割草機將逐步得到青睞。

從智能掃地機器人的缺點來看，這類機器人容易出現(xiàn)的問題有：電池不耐用、工作不干凈、路徑規(guī)劃凌亂、噪音大、容易被纏繞干擾，使得每次工作完畢，都還得人力返工。所以我們需要面臨和必須克服的難題，在于從技術方面提高性能，使產(chǎn)品的割草工作更精準化；充分利用物聯(lián)網(wǎng)技術，增強人機互動，使產(chǎn)品更智能化、人性化；降低生產(chǎn)成本，使產(chǎn)品更大眾化。

智能割草機器人是一個很有意義也很有前景的項目，它能為人們生活帶來便利與舒適。但從2005年以來智能割草機器人還停留在最初設定的一些結(jié)構(gòu)與功能上，并不能完全擺脫人為返工的結(jié)果，所以它也是一個很難取得突破性進展的項目。

參考文獻：

[1]叢明，金立剛，房波.智能割草機器人的研究綜述[J].機器人，2007（07）.

[2]洪偉榮，楊遠安，王建.淺析有關智能割草機的主要技術[J].科技創(chuàng)新與應用，2015（31）.

[3]李碩.中國草坪發(fā)展前景研究[D].黑龍江八一農(nóng)墾大學，2015.