中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用及發(fā)展現(xiàn)狀

李玉林+崔振德+張園+李明福+羅文楊+葛暢

摘 要 農(nóng)業(yè)機(jī)器人是21世紀(jì)農(nóng)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展趨勢(shì)之一。本文總結(jié)了農(nóng)業(yè)機(jī)器人發(fā)展的歷史背景，概括了農(nóng)業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)，敘述了農(nóng)業(yè)機(jī)器人的主要應(yīng)用領(lǐng)域，以及發(fā)達(dá)國(guó)家和中國(guó)的農(nóng)業(yè)機(jī)器人研究、應(yīng)用現(xiàn)狀，分析了機(jī)器人技術(shù)在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中存在的問(wèn)題，并對(duì)中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)器人的發(fā)展進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞 農(nóng)業(yè)機(jī)器人 ；農(nóng)業(yè)機(jī)械 ；應(yīng)用現(xiàn)狀

中圖分類(lèi)號(hào) 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(jī)械化是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的基石，是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。隨著中國(guó)人口結(jié)構(gòu)老齡化問(wèn)題的日益嚴(yán)重，直接從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的勞動(dòng)力，尤其是從事繁重的田間勞作的勞動(dòng)力，年齡普遍偏高，人力資源嚴(yán)重不足，產(chǎn)業(yè)成本逐年增高。同時(shí)，中國(guó)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(yán)重制約農(nóng)業(yè)健康發(fā)展的問(wèn)題。在生產(chǎn)實(shí)踐中，大量采用農(nóng)業(yè)機(jī)器人進(jìn)行作業(yè)，從而降低人工勞動(dòng)強(qiáng)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(dòng)力資源不足，生產(chǎn)力低下的根本出路[1]。

農(nóng)業(yè)機(jī)器人是一種新型的智能農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備，它是人工智能監(jiān)測(cè)、自動(dòng)控制、圖像識(shí)別技術(shù)、環(huán)境建模算法、感應(yīng)器、柔性執(zhí)行等先進(jìn)技術(shù)的集合[2]。目前，農(nóng)業(yè)機(jī)器人已經(jīng)有了很大的發(fā)展，一些機(jī)器人已經(jīng)可以取代人工進(jìn)行一定的農(nóng)業(yè)活動(dòng)，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(lèi)完成有困難的工作，如高處采摘等現(xiàn)在就可以通過(guò)農(nóng)業(yè)機(jī)器人完成。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用農(nóng)業(yè)機(jī)器人，將會(huì)極大地改變傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的勞作模式，降低了對(duì)大量勞動(dòng)力的依賴(lài)，實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)變貢獻(xiàn)力量[3-4]。

1 農(nóng)業(yè)機(jī)器人特征、結(jié)構(gòu)及分類(lèi)

1.1 農(nóng)業(yè)機(jī)器人特征

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

①作業(yè)對(duì)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(diǎn)，而且其種類(lèi)多種多樣，形狀又各有不同，在三維空間里生長(zhǎng)發(fā)育的程度不盡相同，甚至個(gè)體之間具有很大的差異性，農(nóng)業(yè)機(jī)器人需要具有很強(qiáng)的識(shí)別能力，并以此為依據(jù)做出不同的動(dòng)作，且力度恰當(dāng)。

②作業(yè)環(huán)境復(fù)雜：隨著時(shí)間和空間的不同，農(nóng)作物不斷的生長(zhǎng)變化，這就要求機(jī)器人要適應(yīng)其不斷變化的開(kāi)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(jī)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(jī)器人在具備柔性處理作物能力的同時(shí)，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(jī)器人在視覺(jué)、判斷力和知識(shí)推理等方面具有很高的智能。

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

1.2 農(nóng)業(yè)機(jī)器人基本機(jī)構(gòu)

農(nóng)業(yè)機(jī)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(lèi)肢體動(dòng)作的半自動(dòng)或柔性自動(dòng)化設(shè)備。農(nóng)業(yè)機(jī)器人集成了人工智能技術(shù)、圖像識(shí)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(jī)器人主要由末端執(zhí)行器（end-effecter），傳感器和機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)（sensor and machine vision），移動(dòng)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(chēng)為機(jī)器手，以工作原理不同，可分為夾持式手爪、磁力吸盤(pán)式手爪、空氣負(fù)壓式吸盤(pán)、多關(guān)節(jié)多手指手爪及順應(yīng)手爪；以機(jī)械手的位移控制方式不同，可分為圓柱坐標(biāo)機(jī)械手、直角坐標(biāo)機(jī)械手和極坐標(biāo)機(jī)械手三種。機(jī)械手的動(dòng)力源有3類(lèi)：電動(dòng)執(zhí)行器，包括步進(jìn)伺服電機(jī)、直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)；液壓執(zhí)行器，包括軸向活塞式油缸、雙桿油缸、液壓馬達(dá)；氣壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括氣缸、氣動(dòng)電機(jī)、擺動(dòng)電機(jī)。

傳感器和機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)（sensor and machine vision）包括：測(cè)量距離、力等因素的傳感器，測(cè)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(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)[8]。

移動(dòng)裝置（traveling devices）的主要形式有：腿式移動(dòng)、履帶式移動(dòng)、龍門(mén)式移動(dòng)、導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)和輪式移動(dòng)。

控制裝置（control devices）通常采用單片機(jī)，DSP芯片，計(jì)算機(jī)等。

1.3 農(nóng)業(yè)機(jī)器人分類(lèi)

依據(jù)作業(yè)領(lǐng)域的不同，農(nóng)業(yè)機(jī)器人可分為：設(shè)施農(nóng)業(yè)機(jī)器人、田間生產(chǎn)機(jī)器人和農(nóng)產(chǎn)品加工機(jī)器人3個(gè)大類(lèi)，每類(lèi)農(nóng)業(yè)機(jī)器人，又可根據(jù)作業(yè)目標(biāo)的差異進(jìn)一步細(xì)分，如圖1所示[4，8-11]。

2 中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)器人發(fā)展概況

在農(nóng)業(yè)機(jī)器人的開(kāi)發(fā)方面，發(fā)達(dá)國(guó)家起步較早，發(fā)展迅速。歐洲國(guó)家以及日本、韓國(guó)等已開(kāi)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(jī)器人，且其作業(yè)效率高、質(zhì)量穩(wěn)定，打開(kāi)了農(nóng)業(yè)機(jī)器人開(kāi)發(fā)應(yīng)用的局面[9，12]。這些發(fā)達(dá)國(guó)家已實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的規(guī)?；?、精準(zhǔn)化，其設(shè)施農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展也促進(jìn)了其農(nóng)業(yè)機(jī)器人開(kāi)發(fā)應(yīng)用的不斷進(jìn)步。

中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)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(shí)期，距離實(shí)際應(yīng)用還有許多難題需要解決，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，差距很大。不過(guò)經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)相關(guān)研究單位的不懈努力，目前我國(guó)也已取得了一定的成果[8，13]。

作為中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)最早的研發(fā)單位之一，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)通過(guò)多年的技術(shù)攻關(guān)，開(kāi)發(fā)出了自動(dòng)嫁接機(jī)器人，已經(jīng)成功地進(jìn)行了生產(chǎn)試驗(yàn)，解決了脆弱易損傷的蔬菜幼苗機(jī)械化嫁接難題，為中國(guó)溫室栽培的蔬菜瓜果嫁接的規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化提供了一種先進(jìn)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的自動(dòng)化嫁接技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。東北林業(yè)大學(xué)開(kāi)發(fā)了一種應(yīng)用于林木球果采摘的農(nóng)業(yè)機(jī)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(lái)的作業(yè)危險(xiǎn)系數(shù)高、效率低下、成本高等問(wèn)題，對(duì)于森林資源的保護(hù)、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(jìn)行了農(nóng)業(yè)機(jī)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(jī)器人和用于除草的農(nóng)業(yè)機(jī)器人。據(jù)調(diào)查，中國(guó)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(jī)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(dá)國(guó)家相比，國(guó)內(nèi)的農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)相對(duì)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(guó)內(nèi)科研人員的研究目標(biāo)主要集中在圖像分析和機(jī)械控制等領(lǐng)域，研究對(duì)象也以西紅柿等球形果蔬為主，對(duì)其他異形果蔬研究較少，且大部分樣機(jī)尚未市場(chǎng)化。

3 農(nóng)業(yè)機(jī)器人現(xiàn)存問(wèn)題

盡管一些農(nóng)業(yè)機(jī)器人已可取代人工完成部分農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)，但在應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中存在3個(gè)方面的主要問(wèn)題[15]：

①為適應(yīng)復(fù)雜多變的作業(yè)環(huán)境農(nóng)業(yè)機(jī)器人必須具備較高的智能和柔性，如基本的識(shí)別和避障能力。近年來(lái)，研究人員已經(jīng)逐步將研究的重點(diǎn)從機(jī)械構(gòu)造方面專(zhuān)享機(jī)器人視覺(jué)、人工智能等領(lǐng)域，在視覺(jué)識(shí)別、自動(dòng)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(jī)器人的智能水平比較低，無(wú)法取代人工。

②農(nóng)業(yè)機(jī)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(duì)象、苛刻的作業(yè)質(zhì)量需求，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)機(jī)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(huì)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成無(wú)法估量的后果；

③農(nóng)業(yè)機(jī)器人的成本高，市場(chǎng)無(wú)法承擔(dān)其高昂的價(jià)格。目前，農(nóng)業(yè)機(jī)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(jī)器人整機(jī)價(jià)格高，操作及養(yǎng)護(hù)費(fèi)用高。同時(shí)，目前的農(nóng)業(yè)機(jī)器人只適用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的某一個(gè)環(huán)節(jié)或某一項(xiàng)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(guò)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(jī)器人的利用率低，又間接提高了農(nóng)業(yè)機(jī)器人的成本。

4 中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)器人發(fā)展展望

隨著中國(guó)科技和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國(guó)家對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)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(guó)農(nóng)機(jī)化事業(yè)進(jìn)入了前所未有的良好發(fā)展時(shí)期。作為國(guó)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(jì)發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定。遵循國(guó)際先進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，發(fā)展農(nóng)業(yè)機(jī)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(dòng)生產(chǎn)率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)從一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)到農(nóng)業(yè)強(qiáng)國(guó)的轉(zhuǎn)變。

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

①改變農(nóng)業(yè)機(jī)器人的高度模仿人類(lèi)動(dòng)作的思路，以作物的物理特性為目標(biāo)，以穩(wěn)定可靠的技術(shù)為依據(jù)，開(kāi)發(fā)出機(jī)器人易于實(shí)現(xiàn)的動(dòng)作來(lái)替代仿人類(lèi)的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)智能化；

②通過(guò)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(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)器人各方面技術(shù)水平的要求；

③開(kāi)發(fā)集成終端執(zhí)行器和計(jì)算機(jī)軟件，來(lái)擴(kuò)展農(nóng)業(yè)機(jī)器人功能，做到一機(jī)多用，以提高農(nóng)業(yè)機(jī)器人使用效率，降低農(nóng)業(yè)機(jī)器人整體成本。

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