摘 要：農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是季節(jié)性強(qiáng)的勞動密集型工作，機(jī)器人代替人工作業(yè)是發(fā)展方向。由于作業(yè)對象的特殊性，其結(jié)構(gòu)和控制都比一般工業(yè)機(jī)器人要求更高。本文介紹了農(nóng)業(yè)機(jī)器人的特點(diǎn)和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并且指出了存在的問題和發(fā)展方向，同時(shí)介紹了幾種典型的農(nóng)業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)機(jī)器人；研究現(xiàn)狀；應(yīng)用

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)越來越被世界各國所重視，已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，如工業(yè)生產(chǎn)、太空和海洋探索、國防以及人民生活等領(lǐng)域。但在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，由于經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上的特殊性，還沒有達(dá)到實(shí)用化。國際上一些發(fā)達(dá)國家，特別是日本和一些歐美國家，從上世紀(jì)八十年代開始研究，取得了一些成果，開始進(jìn)入了應(yīng)用階段。我國在該領(lǐng)域中的研究還處于起步階段，必須加快步伐，才能達(dá)到世界先進(jìn)水平。

一、農(nóng)業(yè)機(jī)器人的開發(fā)要點(diǎn)

農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)是一門交叉學(xué)科，是多領(lǐng)域技術(shù)的綜合，其研究開發(fā)需要各學(xué)科相關(guān)知識的配套與支援。雖然因?yàn)橛猛镜牟煌?，農(nóng)業(yè)機(jī)器人的功能和結(jié)構(gòu)有所差異，但一般農(nóng)業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)都包括五官、頭腦、神經(jīng)、手腳和心臟等部分。為了使能夠適應(yīng)復(fù)雜多變的農(nóng)作物，研究開發(fā)農(nóng)業(yè)機(jī)器人時(shí)必須注意以下幾點(diǎn)：

（1） 良好的適應(yīng)性。農(nóng)業(yè)機(jī)器人通常工作在惡劣的、危險(xiǎn)的和變化的環(huán)境中，例如：溫室作業(yè)經(jīng)常是在溫度超過40度和濕度超過100%的環(huán)境中；而露天作業(yè)面對的是風(fēng)沙和強(qiáng)光的照射。農(nóng)業(yè)機(jī)器人必須具有良好的適應(yīng)性，根據(jù)環(huán)境和機(jī)械本身的情況，自動進(jìn)行調(diào)整。

（2）良好的通用性和可編程性。由于農(nóng)業(yè)機(jī)器人的操作對象具有多樣性和可變性，要求具有良好的通用性和可編程性。只要改變部分軟、硬件，就能變更判斷基準(zhǔn)，變更動作順序，進(jìn)行多種作業(yè)。例如：溫室作業(yè)的機(jī)器人，更換不同的末端執(zhí)行器就能分別完成施肥、噴藥和采摘等作業(yè)。

（3）操作對象和價(jià)格的特殊性。農(nóng)業(yè)機(jī)器人操作者是農(nóng)民，不是具有機(jī)電知識的工程師，因此要求農(nóng)業(yè)機(jī)器人必須具有高可靠性和操作簡單的特點(diǎn)；另外，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以個(gè)體經(jīng)營為主，如果不是低價(jià)格，就很難普及。

二、農(nóng)業(yè)機(jī)器人的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與應(yīng)用舉例

自上世紀(jì)80年代開始，以日本為代表的發(fā)達(dá)國家紛紛開始農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究開發(fā)。雖然由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所具有的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的特殊性，還沒有達(dá)到實(shí)用化。但是，已經(jīng)取得了一些可喜的成果。已經(jīng)開發(fā)出來的農(nóng)業(yè)機(jī)器人有：耕耘機(jī)器人、施肥機(jī)器人、除草機(jī)器人、噴霧機(jī)器人、蔬菜嫁接機(jī)器人、移栽機(jī)器人、收割機(jī)器人、采摘機(jī)器人、林木修剪機(jī)器人、果實(shí)分揀機(jī)器人等。

（1）嫁接機(jī)器人。嫁接機(jī)器人技術(shù)，是近年在國際上出現(xiàn)的一種集機(jī)械、自動控制與園藝技術(shù)于一體的高新技術(shù)，它可在極短的時(shí)間內(nèi)，把蔬菜苗莖桿直徑為幾毫米的砧木、穗木切口嫁接成活。因此，嫁接機(jī)器人技術(shù)被稱為嫁接育苗的一場革命。日本從1986年開始了對嫁接機(jī)器人的研究，以日本“生物系特定產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究推進(jìn)機(jī)構(gòu)”為主。一些大的農(nóng)業(yè)機(jī)械制造商參與研究開發(fā)，其成果已開始在一些農(nóng)協(xié)的育苗中心使用。上世紀(jì)90年代初，韓國也開始對自動化嫁接技術(shù)進(jìn)行研究，但其研究開發(fā)的技術(shù)，只是完成部分嫁接作業(yè)的機(jī)械操作，自動化水平較低，速度慢，而且對砧、穗木苗的粗細(xì)程度有較嚴(yán)格的要求。在歐洲，農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國家如意大利、法國等，蔬菜的嫁接育苗相當(dāng)普遍，大規(guī)模的工業(yè)化育苗中心全年向用戶提供嫁接苗。難于這些國家尚未有自己的嫁接機(jī)器人，嫁接作業(yè)仍采用手工為主，一部分采用日本的嫁接機(jī)器人作業(yè)。因此，發(fā)展自動化嫁接技術(shù)，有利于推動我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的跨越式發(fā)展。

（2）采摘水果機(jī)器人。日本開發(fā)了一系列不同用途的農(nóng)業(yè)機(jī)器人，除嫁接機(jī)器人外還有采摘水果的機(jī)器人。這種機(jī)器人有他自身的特點(diǎn)：它們一般是在室外工作，作業(yè)環(huán)境較差，但是在精度上卻沒有工業(yè)機(jī)器人那樣要求高。以一種西瓜收獲機(jī)器人為例作簡單介紹。一般的機(jī)器人多數(shù)是采用電氣驅(qū)動，但是為了降低成本，這種西瓜收獲機(jī)器人卻是采用汽油機(jī)作為動力，比以蓄電池為動力源的電氣驅(qū)動要經(jīng)濟(jì)的多。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)機(jī)械手的中心與西瓜的中心偏離不超過54mm時(shí)，機(jī)械手都能抓住西瓜。當(dāng)手指尖端的滑輪沿西瓜表面向下滑動時(shí)，利用手指關(guān)節(jié)的動作可以求H{西瓜的大小，利用手上附加的力傳感器可以求出西瓜的重量.誤差僅僅在2%以內(nèi)。這樣就可以在現(xiàn)場對西瓜進(jìn)行初步的分級，另外也可以根據(jù)力的變化判斷是否抓住了西瓜。收獲西瓜的作業(yè)試驗(yàn)結(jié)果表明，這種采摘西瓜機(jī)器人比較理想，機(jī)械手抓到的西瓜占西瓜總數(shù)的76.5%，對于一般的農(nóng)業(yè)機(jī)器人能達(dá)到此標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)很不錯(cuò)。

三、農(nóng)業(yè)機(jī)器人的發(fā)展展望

從研究現(xiàn)狀上看，農(nóng)業(yè)機(jī)器人正在由試驗(yàn)研究階段向?qū)嵱没A段過渡。隨著高科技農(nóng)業(yè)發(fā)展的需要和機(jī)械電子技術(shù)日益緊密的結(jié)合，農(nóng)業(yè)機(jī)器人將不斷涌現(xiàn)與完善。在今后的發(fā)展中，農(nóng)業(yè)機(jī)器人必須在以下兩個(gè)方面得到突破。

（1）智能化識別和定位。在果蔬收獲采摘機(jī)器人系統(tǒng)中，由于作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜性，采摘對象的智能化識別和定位還沒有完全解決。其中最大的困難在于光照條件的不確定性和果實(shí)的部分或完全遮擋問題。

（2）機(jī)械本體的優(yōu)化設(shè)計(jì)。機(jī)械結(jié)構(gòu)直接決定機(jī)器人運(yùn)動的靈活性和控制的復(fù)雜性。收獲采摘機(jī)器人必須緊湊，行走、轉(zhuǎn)彎靈活。因此，在滿足機(jī)器人性能的前提下，結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能簡單、緊湊和輕巧，而且還要盡可能保障機(jī)器人運(yùn)動平穩(wěn)和靈活避障。設(shè)計(jì)末端執(zhí)行器要求在準(zhǔn)確快速切除果實(shí)的同時(shí)，不損傷果實(shí)。所以，為了設(shè)計(jì)出合適的收獲采摘機(jī)器人，必須進(jìn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析，同時(shí)運(yùn)用優(yōu)化理論來設(shè)計(jì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)。

總的來說，農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)遠(yuǎn)不如工業(yè)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展得成熟，由于農(nóng)業(yè)機(jī)器人在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面的特殊性，目前還沒有普及，但隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向規(guī)?；⒍鄻踊?、精確化發(fā)展，以及逐步出現(xiàn)的農(nóng)業(yè)勞動力不足的問題，隨著信息技術(shù)向農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的滲透，農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化技術(shù)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)工程技術(shù)的日趨成熟，農(nóng)業(yè)機(jī)器人將越來越多地進(jìn)入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中。

參考文獻(xiàn)

[1]沈明霞，姬長英.農(nóng)業(yè)機(jī)器人開發(fā)背景及技術(shù)動向.農(nóng)機(jī)化研究，2000，（2）：31-35.

[2]鈴木正肚，小林研，等.科野菜用接木裝置開發(fā)（第2報(bào)）.一機(jī)械接木可能性檢討農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)會志，1995，57（3）：103-110.

（作者單位：西華大學(xué)美術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院）