李玉林+崔振德+張園+李明福+羅文楊+葛暢

摘 要 農(nóng)業(yè)機器人是21世紀農(nóng)業(yè)機械化的發(fā)展趨勢之一。本文總結(jié)了農(nóng)業(yè)機器人發(fā)展的歷史背景，概括了農(nóng)業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)和功能特點，敘述了農(nóng)業(yè)機器人的主要應(yīng)用領(lǐng)域，以及發(fā)達國家和中國的農(nóng)業(yè)機器人研究、應(yīng)用現(xiàn)狀，分析了機器人技術(shù)在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中存在的問題，并對中國農(nóng)業(yè)機器人的發(fā)展進行了展望。

關(guān)鍵詞 農(nóng)業(yè)機器人 ；農(nóng)業(yè)機械 ；應(yīng)用現(xiàn)狀

中圖分類號 S183

Application and Development Status of China's Agricultural Robot

LI Yulin1） CUI Zhende1） ZHANG Yuan1） LI Mingfu1） LUO Wenyang2） GE Chang1）

（1 Institute of Agricultural Machinery， Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences，

Zhanjiang，Guangdong 524091；

2 South Subtropical Crops Research Institute， Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences，

Zhanjiang，Guangdong 524091）

Abstract Agriculture is one of the 21st century robotics trends of agricultural machinery. Summarizes the historical background of agricultural robots， summarizes the characteristics of the structure and function of agricultural robot， developed agriculture and our various research and application of robots to explore the main application areas of agricultural robots， the final analysis summarizes the application of robotics in agriculture currently there are still problems， and the development of China's agricultural robots were discussed.

Key words agricultural robot ； agricultural machinery ； application status

農(nóng)業(yè)機械化是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的基石，是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要標志。隨著中國人口結(jié)構(gòu)老齡化問題的日益嚴重，直接從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的勞動力，尤其是從事繁重的田間勞作的勞動力，年齡普遍偏高，人力資源嚴重不足，產(chǎn)業(yè)成本逐年增高。同時，中國還面臨著：土壤肥力逐漸下降、耕地資源不斷縮減、水資源短缺、農(nóng)村地區(qū)環(huán)境污染不斷加重和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本快速增高等嚴重制約農(nóng)業(yè)健康發(fā)展的問題。在生產(chǎn)實踐中，大量采用農(nóng)業(yè)機器人進行作業(yè)，從而降低人工勞動強度和生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)業(yè)循環(huán)率，這是解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)勞動力資源不足，生產(chǎn)力低下的根本出路[1]。

農(nóng)業(yè)機器人是一種新型的智能農(nóng)業(yè)機械裝備，它是人工智能監(jiān)測、自動控制、圖像識別技術(shù)、環(huán)境建模算法、感應(yīng)器、柔性執(zhí)行等先進技術(shù)的集合[2]。目前，農(nóng)業(yè)機器人已經(jīng)有了很大的發(fā)展，一些機器人已經(jīng)可以取代人工進行一定的農(nóng)業(yè)活動，如田間及溫室噴灑農(nóng)藥，部分作物收獲及分選作業(yè)，以及一些人類完成有困難的工作，如高處采摘等現(xiàn)在就可以通過農(nóng)業(yè)機器人完成。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用農(nóng)業(yè)機器人，將會極大地改變傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的勞作模式，降低了對大量勞動力的依賴，實現(xiàn)從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)變貢獻力量[3-4]。

1 農(nóng)業(yè)機器人特征、結(jié)構(gòu)及分類

1.1 農(nóng)業(yè)機器人特征

與應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的機器人相比，農(nóng)業(yè)機器人具有以下幾個突出的特點[5-6]：

①作業(yè)對象復(fù)雜：不同于工業(yè)材料，農(nóng)作物一般都具有容易受到損傷的特點，而且其種類多種多樣，形狀又各有不同，在三維空間里生長發(fā)育的程度不盡相同，甚至個體之間具有很大的差異性，農(nóng)業(yè)機器人需要具有很強的識別能力，并以此為依據(jù)做出不同的動作，且力度恰當(dāng)。

②作業(yè)環(huán)境復(fù)雜：隨著時間和空間的不同，農(nóng)作物不斷的生長變化，這就要求機器人要適應(yīng)其不斷變化的開放性作業(yè)環(huán)境。除了受園地傾斜度等地形條件的約束外，農(nóng)業(yè)機器人的作業(yè)環(huán)境還受到季節(jié)、光照、大氣等自然條件的影響。因此，農(nóng)業(yè)機器人在具備柔性處理作物能力的同時，還要能適應(yīng)不斷變化的自然條件。這種苛刻的作業(yè)環(huán)境要求農(nóng)業(yè)機器人在視覺、判斷力和知識推理等方面具有很高的智能。

③操作要求特殊：農(nóng)業(yè)機器人的操作者一般是沒有機械電子相關(guān)知識的普通農(nóng)民，因此要求農(nóng)業(yè)機器人的設(shè)計必須滿足較高的可靠性、易用性和易于維護的特性，以提高農(nóng)業(yè)機器人的普遍適應(yīng)性，真正將農(nóng)業(yè)機器人廣泛用于實際生產(chǎn)。

1.2 農(nóng)業(yè)機器人基本機構(gòu)

農(nóng)業(yè)機器人以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為目的，具有信息感知和可重編程功能，具有仿人類肢體動作的半自動或柔性自動化設(shè)備。農(nóng)業(yè)機器人集成了人工智能技術(shù)、圖像識別技術(shù)、通信技術(shù)、傳感器技術(shù)和系統(tǒng)集成技術(shù)等尖端科學(xué)技術(shù)。農(nóng)業(yè)機器人主要由末端執(zhí)行器（end-effecter），傳感器和機器視覺系統(tǒng)（sensor and machine vision），移動裝置（traveling devices），控制裝置（control devices）等組成[7]。

末端執(zhí)行器（end-effecter），也被稱為機器手，以工作原理不同，可分為夾持式手爪、磁力吸盤式手爪、空氣負壓式吸盤、多關(guān)節(jié)多手指手爪及順應(yīng)手爪；以機械手的位移控制方式不同，可分為圓柱坐標機械手、直角坐標機械手和極坐標機械手三種。機械手的動力源有3類：電動執(zhí)行器，包括步進伺服電機、直流伺服電機、交流伺服電機；液壓執(zhí)行器，包括軸向活塞式油缸、雙桿油缸、液壓馬達；氣壓執(zhí)行機構(gòu)，包括氣缸、氣動電機、擺動電機。

傳感器和機器視覺系統(tǒng)（sensor and machine vision）包括：測量距離、力等因素的傳感器，測量其自身位置、速度、加速度、角度等因素的傳感器，獲取圖像及位置信息的機器視覺系統(tǒng)[8]。

移動裝置（traveling devices）的主要形式有：腿式移動、履帶式移動、龍門式移動、導(dǎo)軌運動和輪式移動。

控制裝置（control devices）通常采用單片機，DSP芯片，計算機等。

1.3 農(nóng)業(yè)機器人分類

依據(jù)作業(yè)領(lǐng)域的不同，農(nóng)業(yè)機器人可分為：設(shè)施農(nóng)業(yè)機器人、田間生產(chǎn)機器人和農(nóng)產(chǎn)品加工機器人3個大類，每類農(nóng)業(yè)機器人，又可根據(jù)作業(yè)目標的差異進一步細分，如圖1所示[4，8-11]。

2 中國農(nóng)業(yè)機器人發(fā)展概況

在農(nóng)業(yè)機器人的開發(fā)方面，發(fā)達國家起步較早，發(fā)展迅速。歐洲國家以及日本、韓國等已開發(fā)出用于收獲草莓、葡萄、柑橘、西紅柿、黃瓜等水果蔬菜的多種農(nóng)業(yè)機器人，且其作業(yè)效率高、質(zhì)量穩(wěn)定，打開了農(nóng)業(yè)機器人開發(fā)應(yīng)用的局面[9，12]。這些發(fā)達國家已實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的規(guī)?；?、精準化，其設(shè)施農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展也促進了其農(nóng)業(yè)機器人開發(fā)應(yīng)用的不斷進步。

中國農(nóng)業(yè)機器人起步晚、底子薄、投資規(guī)模小、發(fā)展速度緩慢，目前仍處于理論研究時期，距離實際應(yīng)用還有許多難題需要解決，與發(fā)達國家相比，差距很大。不過經(jīng)過國內(nèi)相關(guān)研究單位的不懈努力，目前我國也已取得了一定的成果[8，13]。

作為中國農(nóng)業(yè)機器人技術(shù)最早的研發(fā)單位之一，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)通過多年的技術(shù)攻關(guān)，開發(fā)出了自動嫁接機器人，已經(jīng)成功地進行了生產(chǎn)試驗，解決了脆弱易損傷的蔬菜幼苗機械化嫁接難題，為中國溫室栽培的蔬菜瓜果嫁接的規(guī)?；a(chǎn)業(yè)化提供了一種先進的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的自動化嫁接技術(shù)和經(jīng)驗。東北林業(yè)大學(xué)開發(fā)了一種應(yīng)用于林木球果采摘的農(nóng)業(yè)機器人，具有很高的作業(yè)效率，可以在短暫的林木球果成熟期內(nèi)大量采摘林木種子，解決了人工采摘所帶來的作業(yè)危險系數(shù)高、效率低下、成本高等問題，對于森林資源的保護、更新、可持續(xù)發(fā)展都具有重要意義。其他高校和科研院所，如南京農(nóng)業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)、西北農(nóng)林科技大學(xué)、陜西科技大學(xué)也進行了農(nóng)業(yè)機器人的相關(guān)研究，目前已成功研制出采摘草莓、黃瓜、茄子、番茄等水果蔬菜的農(nóng)業(yè)機器人和用于除草的農(nóng)業(yè)機器人。據(jù)調(diào)查，中國在應(yīng)用于耕作、施肥、噴藥、部分農(nóng)作物收割等領(lǐng)域的農(nóng)業(yè)機器人均積累了一定的研究基礎(chǔ)，形成了一定數(shù)量的研究成果[14]。

和發(fā)達國家相比，國內(nèi)的農(nóng)業(yè)機器人技術(shù)相對薄弱，可靠性、精度和效率等方面還存在相當(dāng)大的差距。目前，國內(nèi)科研人員的研究目標主要集中在圖像分析和機械控制等領(lǐng)域，研究對象也以西紅柿等球形果蔬為主，對其他異形果蔬研究較少，且大部分樣機尚未市場化。

3 農(nóng)業(yè)機器人現(xiàn)存問題

盡管一些農(nóng)業(yè)機器人已可取代人工完成部分農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動，但在應(yīng)用于實際生產(chǎn)中存在3個方面的主要問題[15]：

①為適應(yīng)復(fù)雜多變的作業(yè)環(huán)境農(nóng)業(yè)機器人必須具備較高的智能和柔性，如基本的識別和避障能力。近年來，研究人員已經(jīng)逐步將研究的重點從機械構(gòu)造方面專享機器人視覺、人工智能等領(lǐng)域，在視覺識別、自動導(dǎo)航、定位等技術(shù)上已有較為成熟的解決方案。但在一般情況下，農(nóng)業(yè)機器人的智能水平比較低，無法取代人工。

②農(nóng)業(yè)機器人的可靠性和穩(wěn)定性不能滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要。復(fù)雜多變的生產(chǎn)環(huán)境、性狀多樣的作業(yè)對象、苛刻的作業(yè)質(zhì)量需求，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)機器人必須具有很高的可靠性和穩(wěn)定性。系統(tǒng)故障、智能不足都會對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成無法估量的后果；

③農(nóng)業(yè)機器人的成本高，市場無法承擔(dān)其高昂的價格。目前，農(nóng)業(yè)機器人尚處于起步期，各組成部分及系統(tǒng)尚未完善，未能規(guī)范化、模塊化、批量化生產(chǎn)，因此，農(nóng)業(yè)機器人整機價格高，操作及養(yǎng)護費用高。同時，目前的農(nóng)業(yè)機器人只適用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的某一個環(huán)節(jié)或某一項特定作業(yè)，如播種、采摘等環(huán)節(jié)，不能用于從種植到收獲的全過程，再加上農(nóng)業(yè)生產(chǎn)季節(jié)性顯著，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)機器人的利用率低，又間接提高了農(nóng)業(yè)機器人的成本。

4 中國農(nóng)業(yè)機器人發(fā)展展望

隨著中國科技和經(jīng)濟的快速發(fā)展，國家對農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展的扶持力度不斷加大，農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的集約化逐步提高，中國農(nóng)機化事業(yè)進入了前所未有的良好發(fā)展時期。作為國家的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展直接影響到了經(jīng)濟發(fā)展和社會穩(wěn)定。遵循國際先進農(nóng)業(yè)發(fā)展趨勢，發(fā)展農(nóng)業(yè)機器人技術(shù)，并廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，以提高資源利用率和農(nóng)業(yè)勞動生產(chǎn)率，進而實現(xiàn)從一個農(nóng)業(yè)大國到農(nóng)業(yè)強國的轉(zhuǎn)變。

農(nóng)業(yè)機器人技術(shù)的先進性和先導(dǎo)性決定了其必將成為未來中國農(nóng)業(yè)技術(shù)裝備研發(fā)的重要內(nèi)容之一。借鑒國際農(nóng)業(yè)機器人發(fā)展經(jīng)驗，中國農(nóng)業(yè)機器人研究可以從以下幾個方面進行創(chuàng)新研究[16]：

①改變農(nóng)業(yè)機器人的高度模仿人類動作的思路，以作物的物理特性為目標，以穩(wěn)定可靠的技術(shù)為依據(jù)，開發(fā)出機器人易于實現(xiàn)的動作來替代仿人類的動作，實現(xiàn)智能化；

②通過生物工程、設(shè)施農(nóng)業(yè)等方法使作物盡可能均質(zhì)，以降低對農(nóng)業(yè)機器人各方面技術(shù)水平的要求；

③開發(fā)集成終端執(zhí)行器和計算機軟件，來擴展農(nóng)業(yè)機器人功能，做到一機多用，以提高農(nóng)業(yè)機器人使用效率，降低農(nóng)業(yè)機器人整體成本。

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