○農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)機(jī)鑒定總站 侯方安 祁亞卓 崔 敏

農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)機(jī)推廣總站

農(nóng)業(yè)機(jī)器人是從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的特種機(jī)器人，是一種由程序軟件控制，能感知并適應(yīng)作物、動(dòng)物種類或環(huán)境變化，具有人工智能特征的自動(dòng)化或半自動(dòng)化農(nóng)業(yè)裝備?，F(xiàn)代的農(nóng)業(yè)機(jī)器人集成了傳感技術(shù)、監(jiān)測(cè)技術(shù)、人工智能技術(shù)、通訊技術(shù)、圖像識(shí)別技術(shù)、精密制造及系統(tǒng)集成技術(shù)等多種前沿科學(xué)技術(shù)，是一個(gè)依靠自動(dòng)控制完成移動(dòng)、作業(yè)功能的完整系統(tǒng)。運(yùn)用農(nóng)業(yè)機(jī)器人可全部或部分替代人或輔助人高效、便捷、安全、可靠地完成特定的、復(fù)雜的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)任務(wù)，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)效率。同工業(yè)機(jī)器人或其他領(lǐng)域機(jī)器人的簡(jiǎn)單、確定的工作環(huán)境和工作對(duì)象相比，農(nóng)業(yè)機(jī)器人面臨非結(jié)構(gòu)、不確定、不宜預(yù)估的復(fù)雜環(huán)境和特殊的作業(yè)對(duì)象，技術(shù)上具有更大挑戰(zhàn)性。因此，一般而言，農(nóng)業(yè)機(jī)器人對(duì)智能化程度的要求要高于其他領(lǐng)域機(jī)器人，應(yīng)用進(jìn)展相對(duì)滯后。隨著傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)視覺、大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)機(jī)器人的硬件設(shè)備成本和軟件控制算法成本逐漸降低，為農(nóng)業(yè)機(jī)器人的發(fā)展提供了新契機(jī)。農(nóng)業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用，使農(nóng)業(yè)裝備有了人一樣的思考和判斷能力，并“代替”人從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，改變了傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)勞動(dòng)方式，成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)發(fā)展的重要領(lǐng)域。

一、發(fā)達(dá)國(guó)家起步早、投入大，引領(lǐng)技術(shù)發(fā)展方向

國(guó)外對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究起步較早，日本、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家走在世界前列。日本是農(nóng)業(yè)機(jī)器人研究最早、市場(chǎng)發(fā)育最為成熟的國(guó)家之一，先于20世紀(jì)70年代末開始了番茄采摘機(jī)器人的研究，長(zhǎng)期引領(lǐng)采摘機(jī)器人的技術(shù)方向。1995年，日本參與農(nóng)業(yè)機(jī)器人研究的私營(yíng)制造商達(dá)到41家。目前，日本已研制出育苗機(jī)器人、扦插機(jī)器人、嫁接機(jī)器人、番茄采摘機(jī)器人、葡萄采摘機(jī)器人、黃瓜采摘機(jī)器人、農(nóng)藥噴灑機(jī)器人、施肥機(jī)器人和移栽機(jī)器人等多種農(nóng)業(yè)機(jī)器人，在理論與應(yīng)用方面均居世界前列。美國(guó)地廣人稀，大田作業(yè)的行走式農(nóng)業(yè)機(jī)器人成為其研究重點(diǎn)，在理論與技術(shù)上比較成熟，如多用途自動(dòng)化聯(lián)合收割機(jī)器人、智能生菜生產(chǎn)機(jī)器人、苗圃機(jī)器人、智能分揀機(jī)器人等。自20世紀(jì)80年代開始，設(shè)施農(nóng)業(yè)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)等農(nóng)業(yè)高新技術(shù)的快速發(fā)展，特別是人工成本的不斷攀升，為農(nóng)業(yè)機(jī)器人的技術(shù)創(chuàng)新注入了新動(dòng)力，這些發(fā)達(dá)國(guó)家根據(jù)本國(guó)實(shí)際，紛紛投入農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研發(fā)。荷蘭的設(shè)施農(nóng)業(yè)機(jī)器人、德國(guó)的大田除草機(jī)器人、英國(guó)的果實(shí)分檢機(jī)器人和蘑菇采摘機(jī)器人、澳大利亞牧羊機(jī)器人和剪毛機(jī)器人、瑞士的田間除草機(jī)器人和蘋果采摘機(jī)器人、法國(guó)葡萄園機(jī)器人研究等都取得了較好的進(jìn)展。到2000年商用農(nóng)業(yè)機(jī)器人大量進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用，被越來越多的新一代家庭農(nóng)場(chǎng)主接受。近年來，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家不斷加大在農(nóng)業(yè)機(jī)器人研發(fā)上的投入力度，在除草機(jī)器人、農(nóng)作物生長(zhǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)機(jī)器人、自主移動(dòng)大田管理機(jī)器人等方面發(fā)展迅速，農(nóng)業(yè)機(jī)器人創(chuàng)業(yè)公司如雨后春筍般成立，技術(shù)進(jìn)展與實(shí)際應(yīng)用都居國(guó)際領(lǐng)先水平，嫁接機(jī)器人等近200款產(chǎn)品投入商品化應(yīng)用。擠奶機(jī)器人可以讓奶牛自主控制擠奶時(shí)間，并隨時(shí)收集奶牛的數(shù)據(jù)，幫助農(nóng)民監(jiān)視牛群，可以提高奶產(chǎn)量20%～50%，奶牛的發(fā)病率也得到了有效降低，已在牧場(chǎng)中開始普及，歐洲國(guó)家的應(yīng)用比例高達(dá)30%。牛舍清理機(jī)器人、飼草投喂機(jī)器人和給小牛喂奶的機(jī)器人也已經(jīng)推廣應(yīng)用。在日本、比利時(shí)、荷蘭等國(guó)家，采摘機(jī)器人開始小范圍使用，如日本番茄采摘機(jī)器人2015年開始測(cè)試并于2019年試銷，比利時(shí)摘草莓機(jī)器人2019年投入市場(chǎng)，且蕃茄、辣椒等其他質(zhì)地較脆弱的農(nóng)作物，皆可作為摘取對(duì)象。受到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境、作業(yè)對(duì)象及使用者等多種因素的影響，這些發(fā)達(dá)國(guó)家已研發(fā)的大部分農(nóng)業(yè)機(jī)器人尚未實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)和大面積普及。

最近幾年，農(nóng)業(yè)機(jī)器人收受到世界各國(guó)特別是發(fā)達(dá)國(guó)家的重視，發(fā)展步伐明顯加快，包括農(nóng)業(yè)機(jī)器人在內(nèi)的機(jī)器人技術(shù)被列為國(guó)家戰(zhàn)略，進(jìn)行重點(diǎn)規(guī)劃和部署。美國(guó)于2011年宣布啟動(dòng)先進(jìn)制造伙伴計(jì)劃、2012年啟動(dòng)制造業(yè)創(chuàng)新國(guó)家網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃、2013年美國(guó)頒布機(jī)器人發(fā)展路線圖。繼美國(guó)之后，2014年歐盟也頒布機(jī)器人發(fā)展路線圖，并啟動(dòng)全球最大的民用機(jī)器人研發(fā)計(jì)劃，以及“地平線2020”計(jì)劃。與此同時(shí)，日本在2014年發(fā)布了《機(jī)器人白皮書》，韓國(guó)制訂了《智能機(jī)器人基本計(jì)劃（2014-2018）》。在這些政府項(xiàng)目的支持下，歐美科學(xué)家聚焦突破復(fù)雜作業(yè)理論和技術(shù)難點(diǎn)，持續(xù)攻關(guān)果蔬采摘、作物授粉及多功能作業(yè)等復(fù)雜性生產(chǎn)作業(yè)中的農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)。果蔬的采摘不僅季節(jié)性強(qiáng)、勞動(dòng)量大，而且作業(yè)費(fèi)用高，人工收獲的費(fèi)用通常占全程生產(chǎn)費(fèi)用的50%左右，研究重點(diǎn)在作業(yè)對(duì)象的快速識(shí)別、多自由度機(jī)械臂動(dòng)作規(guī)劃、作業(yè)點(diǎn)高精度重復(fù)巡邏等相關(guān)理論和算法。在“地平線2020”計(jì)劃自主系列農(nóng)業(yè)機(jī)器人項(xiàng)目支持下，2015年德國(guó)發(fā)布了能勝任噴藥、除草等任務(wù)的多功能農(nóng)業(yè)機(jī)器人，2016年在漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上展出了歐盟MARS計(jì)劃，即移動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)器人集群計(jì)劃，展示了基于云端的農(nóng)業(yè)機(jī)器人應(yīng)用設(shè)想。通過使用許多更簡(jiǎn)單更小型的機(jī)器人，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)解決方案更安全可靠、更高產(chǎn)，并且避免大型機(jī)器人穿梭田地時(shí)產(chǎn)生的土壤壓實(shí)問題。通過讓小機(jī)器人輪流充電或維護(hù)，這些農(nóng)業(yè)機(jī)器人集群可以連續(xù)工作。農(nóng)業(yè)正在成為機(jī)器人應(yīng)用最多的領(lǐng)域。

二、我國(guó)起步晚、發(fā)展快，已取得重要進(jìn)展

我國(guó)于20世紀(jì)90年代中期才開始農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研發(fā)。1998年，作為我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)早期研發(fā)單位之一的中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)，研制出了自動(dòng)嫁接機(jī)器人，解決了蔬菜幼苗的柔嫩性、易損性和生長(zhǎng)不一致性等難題，適用于黃瓜、西瓜、甜瓜等幼苗的嫁接，可實(shí)現(xiàn)取苗、切苗、接合、固定和排苗的自動(dòng)化操作，形成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)農(nóng)業(yè)特點(diǎn)，科研人員在采摘機(jī)器人、鋤草機(jī)器人、施藥機(jī)器人、采棉機(jī)器人、育苗機(jī)器人、胡蘿卜分揀機(jī)器人、養(yǎng)殖巡檢機(jī)器人、飼喂機(jī)器人等方面的研究相繼取得進(jìn)展，一些關(guān)鍵技術(shù)不斷突破，形成了一些具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)成果。林業(yè)上應(yīng)用的林木球果采集機(jī)器人、伐根機(jī)器人也已完成研發(fā)。目前，我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)器人在精度、效率和可靠性方面和國(guó)外相比還存在一定的差距，相關(guān)研究開發(fā)多集中在理論研究與技術(shù)驗(yàn)證階段，以圖像分析和機(jī)械控制為主，研究對(duì)象主要以西紅柿為主的球形水果，對(duì)其他果蔬的研究較少，大部分研究樣機(jī)沒有形成商業(yè)化的機(jī)器人產(chǎn)品，得到初步應(yīng)用的有嫁接機(jī)器人、育苗機(jī)器人和噴藥機(jī)器人等，自主研發(fā)的智能化程度較低的人機(jī)交互嫁接機(jī)器人基本實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，但還需要人機(jī)協(xié)同作業(yè)。同時(shí)，國(guó)外成熟的農(nóng)業(yè)機(jī)器人已經(jīng)進(jìn)入我國(guó)市場(chǎng)，如自2004年引進(jìn)第一臺(tái)擠奶機(jī)器人后，擠奶機(jī)器人市場(chǎng)就被國(guó)外壟斷。

當(dāng)前，農(nóng)業(yè)機(jī)器人已經(jīng)成為高等院校、科研院所和高科技企業(yè)的研究熱點(diǎn)，重點(diǎn)包括果蔬采摘機(jī)器人、收獲機(jī)器人、噴藥機(jī)器人、田間信息采集機(jī)器人等，尤其是高通量作物表型信息采集機(jī)器人。自2010年開始，我國(guó)眾多農(nóng)業(yè)機(jī)器人公司不斷創(chuàng)立，農(nóng)業(yè)信息采集機(jī)器人的研發(fā)成為其主要領(lǐng)域之一。2019年福建首款巡檢機(jī)器人在5G環(huán)境下的蔬果大棚開始全天候自動(dòng)巡檢，實(shí)時(shí)采集作物環(huán)境的圖片、圖像信息，并通過實(shí)景巡檢平臺(tái)進(jìn)行云端協(xié)同的可視化分析，標(biāo)志著巡檢機(jī)器人進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段。2019年首臺(tái)國(guó)產(chǎn)擠奶機(jī)器人在生產(chǎn)中試用，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的雙目立體視覺系統(tǒng)，有望在擠奶機(jī)器人國(guó)產(chǎn)化和產(chǎn)業(yè)化上邁出重要一步，打破國(guó)外的市場(chǎng)壟斷。

與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究與開發(fā)起步較晚，前期的創(chuàng)新研究積累不夠，整體技術(shù)水平還有一定差距，涉及作物信息、動(dòng)植物生理、生態(tài)感知的傳感器件等關(guān)鍵技術(shù)明顯落后，已有的產(chǎn)品可靠性低、生產(chǎn)效率不高，生產(chǎn)成本也比較高，尚未實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，得到初步應(yīng)用的只有育苗機(jī)器人和噴藥機(jī)器人等少數(shù)幾種，人機(jī)交互嫁接機(jī)器人初步實(shí)現(xiàn)商品化。但是，農(nóng)業(yè)機(jī)器人正在成為我國(guó)科研機(jī)構(gòu)和高科技企業(yè)的研究熱點(diǎn)，發(fā)展非常迅速。據(jù)有關(guān)研究，近年來有關(guān)農(nóng)業(yè)機(jī)器人研究的產(chǎn)出規(guī)模不斷擴(kuò)大，自2014年開始SCI論文年度發(fā)表數(shù)量已超過美國(guó)躍居世界第一，研究重點(diǎn)包括收獲機(jī)器人、采摘機(jī)器人、噴藥機(jī)器人、田間信息采集機(jī)器人的作業(yè)對(duì)象識(shí)別和定位算法優(yōu)化、導(dǎo)航和路徑規(guī)劃算法優(yōu)化等方面，高通量作物表型信息采集機(jī)器人是熱點(diǎn)方向之一，已成為我國(guó)近幾年成立的眾多農(nóng)業(yè)機(jī)器人公司研發(fā)的主要領(lǐng)域，技術(shù)上不斷取得“點(diǎn)”上的突破，正在趕超世界先進(jìn)水平，自然環(huán)境下機(jī)器人的伺服控制等部分技術(shù)達(dá)到領(lǐng)跑水平。

三、我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)

隨著5G、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)和人工智能等新一代信息技術(shù)與農(nóng)業(yè)技術(shù)的深度融合，技術(shù)瓶頸將不斷突破，農(nóng)業(yè)機(jī)器人在我國(guó)具有廣闊的發(fā)展空間。農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力結(jié)構(gòu)性短缺和日趨老齡化對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)構(gòu)成的約束日益趨緊，政策推動(dòng)和勞動(dòng)力成本持續(xù)上升帶來的新生需求驅(qū)動(dòng)，成為我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的重要源動(dòng)力。

1.發(fā)展農(nóng)業(yè)機(jī)器人是必然趨勢(shì)，將在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域拓展出巨大市場(chǎng)空間自本世紀(jì)初以來，我國(guó)主要糧食作物綜合機(jī)械化率已超過80%，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率得到了很大提高，但一些農(nóng)業(yè)作業(yè)環(huán)節(jié)尚無適用的機(jī)械來代替繁雜的體力勞動(dòng)，而且現(xiàn)代農(nóng)業(yè)對(duì)機(jī)械性能的要求持續(xù)升級(jí)，新的技術(shù)瓶頸和新的市場(chǎng)需求不斷出現(xiàn)，將為農(nóng)業(yè)機(jī)器人開辟出越來越大的市場(chǎng)空間。如，雖然主要農(nóng)作物收獲機(jī)械化技術(shù)已經(jīng)普及，但一些種植面積很大的水果和蔬菜收獲機(jī)械化問題尚未解決。出于對(duì)環(huán)境與質(zhì)量安全的擔(dān)心，為大量減少農(nóng)業(yè)化學(xué)品的投入，在施用多年化學(xué)除草劑后將可能采用機(jī)械除草的方法，傳統(tǒng)的 農(nóng)業(yè)機(jī)械尚不能在不翻耕的前提下完成除草這一看似簡(jiǎn)單的作業(yè)，農(nóng)民也不可能再次拿起鋤頭。面對(duì)諸如此類的問題，農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究與應(yīng)用將為此提供解決方案。中國(guó)工程院研究認(rèn)為，農(nóng)業(yè)機(jī)器人在我國(guó)將于2035年進(jìn)入成熟期，并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化和大規(guī)模應(yīng)用，市場(chǎng)規(guī)模可達(dá)到3000～5000億元。

2.農(nóng)業(yè)機(jī)器人成本趨于快速下降，將在更多作業(yè)環(huán)節(jié)上投入應(yīng)用經(jīng)過近30年的發(fā)展，我國(guó)已經(jīng)初步建立起了從機(jī)器人應(yīng)用基礎(chǔ)研究到產(chǎn)業(yè)化的研發(fā)體系，從事機(jī)器人研發(fā)的單位200多家，專業(yè)從事機(jī)器人開發(fā)的企業(yè)超過50家，在關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)與系統(tǒng)應(yīng)用以及機(jī)器人前沿技術(shù)儲(chǔ)備等多個(gè)層面，取得了長(zhǎng)足發(fā)展， 突破了一批核心共性單元技術(shù)與應(yīng)用集成關(guān)鍵技術(shù)。隨著技術(shù)進(jìn)步，機(jī)器人將從以定型物、無機(jī)物為作業(yè)對(duì)象的工業(yè)機(jī)器人向更高層次的以動(dòng)物、植物之類復(fù)雜作業(yè)對(duì)象為目標(biāo)的農(nóng)業(yè)機(jī)器人發(fā)展。近年來，在農(nóng)業(yè)機(jī)器人方面，面向不同的農(nóng)業(yè)領(lǐng)域研制了一批工程化和產(chǎn)品化樣機(jī)，培育了一批具有較好發(fā)展前景的機(jī)器人主機(jī)和系統(tǒng)集成企業(yè)，包括大量投入智能裝備研發(fā)的農(nóng)業(yè)機(jī)械制造企業(yè)，為我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化累積了技術(shù)基礎(chǔ)。隨著深度學(xué)習(xí)、人機(jī)協(xié)作等核心技術(shù)的應(yīng)用以及機(jī)器人元器件性價(jià)比的進(jìn)一步提升，相信更多農(nóng)業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品將在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中投入實(shí)際應(yīng)用?？梢灶A(yù)見，未來農(nóng)業(yè)將是一個(gè)農(nóng)業(yè)機(jī)器人深度參與的演進(jìn)過程。

3.與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)交叉融合，農(nóng)業(yè)機(jī)器人將在不同方向次序發(fā)展我國(guó)農(nóng)業(yè)裝備制造業(yè)正處于轉(zhuǎn)型升級(jí)的加速期，越來越多的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機(jī)械開始采用自動(dòng)化、信息化等高新技術(shù)，向智能化、精準(zhǔn)化的方向發(fā)展，操作更簡(jiǎn)單，控制更精準(zhǔn)，效率也更高，有的還引入人工智能元素，推出了無人拖拉機(jī)、無人插秧機(jī)、無人聯(lián)合收割機(jī)等無人農(nóng)業(yè)裝備，植保無人飛機(jī)已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用。從廣義上，這些具有人工智能特征的農(nóng)業(yè)裝備屬于農(nóng)業(yè)機(jī)器人范疇，其功能特征更加聚焦在標(biāo)準(zhǔn)化、常規(guī)化和規(guī)?；闹貜?fù)性大田農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程，致力于減少人的投入程度和提高作業(yè)質(zhì)量與效率。可見，人工智能與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備容易實(shí)現(xiàn)技術(shù)上的嫁接與融合，利用傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)裝備作為主機(jī)平臺(tái)進(jìn)行智能化升級(jí)改造將是未來農(nóng)業(yè)機(jī)器人發(fā)展的重要途徑，這些農(nóng)業(yè)機(jī)器人將成為未來農(nóng)業(yè)的“主力軍”。在狹義上，農(nóng)業(yè)機(jī)器人更加關(guān)注人工智能這一功能特征，能夠?qū)崿F(xiàn)路徑規(guī)劃、智能避障、精準(zhǔn)定位和穩(wěn)定控制，自主行走和自動(dòng)作業(yè)，執(zhí)行一些非標(biāo)準(zhǔn)化和非常規(guī)性的更加繁瑣的農(nóng)業(yè)任務(wù)。由于其技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上的特殊性，未來的農(nóng)業(yè)機(jī)器人將優(yōu)先在強(qiáng)度大、環(huán)境惡劣、勞動(dòng)密集和控制程度高的環(huán)節(jié)上實(shí)現(xiàn)對(duì)人的替代或協(xié)助，并在高附加值的果蔬生產(chǎn)、設(shè)施園藝、畜禽水產(chǎn)養(yǎng)殖場(chǎng)景中漸次突破，形成在不同領(lǐng)域的差異化發(fā)展格局。