農(nóng)業(yè)機器人在我國的發(fā)展與趨勢

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

農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)機推廣總站

農(nóng)業(yè)機器人是從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動的特種機器人，是一種由程序軟件控制，能感知并適應(yīng)作物、動物種類或環(huán)境變化，具有人工智能特征的自動化或半自動化農(nóng)業(yè)裝備?，F(xiàn)代的農(nóng)業(yè)機器人集成了傳感技術(shù)、監(jiān)測技術(shù)、人工智能技術(shù)、通訊技術(shù)、圖像識別技術(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)，是一個依靠自動控制完成移動、作業(yè)功能的完整系統(tǒng)。運用農(nóng)業(yè)機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)，降低勞動強度，提高勞動效率。同工業(yè)機器人或其他領(lǐng)域機器人的簡單、確定的工作環(huán)境和工作對象相比，農(nóng)業(yè)機器人面臨非結(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)對象，技術(shù)上具有更大挑戰(zhàn)性。因此，一般而言，農(nóng)業(yè)機器人對智能化程度的要求要高于其他領(lǐng)域機器人，應(yīng)用進展相對滯后。隨著傳感器技術(shù)、計算機視覺、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)機器人的發(fā)展提供了新契機。農(nóng)業(yè)機器人的應(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)達國家起步早、投入大，引領(lǐng)技術(shù)發(fā)展方向

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

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

二、我國起步晚、發(fā)展快，已取得重要進展

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

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

與發(fā)達國家相比，我國對農(nóng)業(yè)機器人的研究與開發(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，尚未實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，得到初步應(yīng)用的只有育苗機器人和噴藥機器人等少數(shù)幾種，人機交互嫁接機器人初步實現(xiàn)商品化。但是，農(nóng)業(yè)機器人正在成為我國科研機構(gòu)和高科技企業(yè)的研究熱點，發(fā)展非常迅速。據(jù)有關(guān)研究，近年來有關(guān)農(nóng)業(yè)機器人研究的產(chǎn)出規(guī)模不斷擴大，自2014年開始SCI論文年度發(fā)表數(shù)量已超過美國躍居世界第一，研究重點包括收獲機器人、采摘機器人、噴藥機器人、田間信息采集機器人的作業(yè)對象識別和定位算法優(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器人是熱點方向之一，已成為我國近幾年成立的眾多農(nóng)業(yè)機器人公司研發(fā)的主要領(lǐng)域，技術(shù)上不斷取得“點”上的突破，正在趕超世界先進水平，自然環(huán)境下機器人的伺服控制等部分技術(shù)達到領(lǐng)跑水平。

三、我國農(nóng)業(yè)機器人發(fā)展趨勢

隨著5G、云計算、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)機器人在我國具有廣闊的發(fā)展空間。農(nóng)業(yè)勞動力結(jié)構(gòu)性短缺和日趨老齡化對我國農(nóng)業(yè)構(gòu)成的約束日益趨緊，政策推動和勞動力成本持續(xù)上升帶來的新生需求驅(qū)動，成為我國機器人產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的重要源動力。

1.發(fā)展農(nóng)業(yè)機器人是必然趨勢，將在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域拓展出巨大市場空間自本世紀初以來，我國主要糧食作物綜合機械化率已超過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)尚無適用的機械來代替繁雜的體力勞動，而且現(xiàn)代農(nóng)業(yè)對機械性能的要求持續(xù)升級，新的技術(shù)瓶頸和新的市場需求不斷出現(xiàn)，將為農(nóng)業(yè)機器人開辟出越來越大的市場空間。如，雖然主要農(nóng)作物收獲機械化技術(shù)已經(jīng)普及，但一些種植面積很大的水果和蔬菜收獲機械化問題尚未解決。出于對環(huán)境與質(zhì)量安全的擔心，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械除草的方法，傳統(tǒng)的 農(nóng)業(yè)機械尚不能在不翻耕的前提下完成除草這一看似簡單的作業(yè)，農(nóng)民也不可能再次拿起鋤頭。面對諸如此類的問題，農(nóng)業(yè)機器人的研究與應(yīng)用將為此提供解決方案。中國工程院研究認為，農(nóng)業(yè)機器人在我國將于2035年進入成熟期，并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化和大規(guī)模應(yīng)用，市場規(guī)?？蛇_到3000～5000億元。

2.農(nóng)業(yè)機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，我國已經(jīng)初步建立起了從機器人應(yīng)用基礎(chǔ)研究到產(chǎn)業(yè)化的研發(fā)體系，從事機器人研發(fā)的單位200多家，專業(yè)從事機器人開發(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)用以及機器人前沿技術(shù)儲備等多個層面，取得了長足發(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)進步，機器人將從以定型物、無機物為作業(yè)對象的工業(yè)機器人向更高層次的以動物、植物之類復(fù)雜作業(yè)對象為目標的農(nóng)業(yè)機器人發(fā)展。近年來，在農(nóng)業(yè)機器人方面，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，培育了一批具有較好發(fā)展前景的機器人主機和系統(tǒng)集成企業(yè)，包括大量投入智能裝備研發(fā)的農(nóng)業(yè)機械制造企業(yè)，為我國農(nóng)業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)化累積了技術(shù)基礎(chǔ)。隨著深度學(xué)習(xí)、人機協(xié)作等核心技術(shù)的應(yīng)用以及機器人元器件性價比的進一步提升，相信更多農(nóng)業(yè)機器人產(chǎn)品將在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中投入實際應(yīng)用。可以預(yù)見，未來農(nóng)業(yè)將是一個農(nóng)業(yè)機器人深度參與的演進過程。

3.與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)交叉融合，農(nóng)業(yè)機器人將在不同方向次序發(fā)展我國農(nóng)業(yè)裝備制造業(yè)正處于轉(zhuǎn)型升級的加速期，越來越多的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機械開始采用自動化、信息化等高新技術(shù)，向智能化、精準化的方向發(fā)展，操作更簡單，控制更精準，效率也更高，有的還引入人工智能元素，推出了無人拖拉機、無人插秧機、無人聯(lián)合收割機等無人農(nóng)業(yè)裝備，植保無人飛機已經(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)機器人范疇，其功能特征更加聚焦在標準化、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?？梢?，人工智能與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備容易實現(xiàn)技術(shù)上的嫁接與融合，利用傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)裝備作為主機平臺進行智能化升級改造將是未來農(nóng)業(yè)機器人發(fā)展的重要途徑，這些農(nóng)業(yè)機器人將成為未來農(nóng)業(yè)的“主力軍”。在狹義上，農(nóng)業(yè)機器人更加關(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、精準定位和穩(wěn)定控制，自主行走和自動作業(yè)，執(zhí)行一些非標準化和非常規(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)濟上的特殊性，未來的農(nóng)業(yè)機器人將優(yōu)先在強度大、環(huán)境惡劣、勞動密集和控制程度高的環(huán)節(jié)上實現(xiàn)對人的替代或協(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)殖場景中漸次突破，形成在不同領(lǐng)域的差異化發(fā)展格局。