趙敏+楊斌+楊春俊

摘要：與人類相比，農(nóng)業(yè)機器人也可以感知信息并且可以自主執(zhí)行。而且農(nóng)業(yè)機器人的出現(xiàn)，可以降低人類勞動強度的同時提高工作質(zhì)量和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率，避免農(nóng)藥、工業(yè)肥料對人體造成傷害。在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，農(nóng)業(yè)機器人作為一項自動化程度高的機械，得到廣泛的推廣與認可，成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主力軍。文章對農(nóng)業(yè)機器人的應(yīng)用進行了探討。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)機器人；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)；行走式機器人；機械手持式機器人 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP242 文章編號：1009-2374（2016）35-0073-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.35.035

近些年來，工業(yè)的快速發(fā)展推動了農(nóng)業(yè)的發(fā)展。誕生于美國的智能機器人技術(shù)也越來越受到重視，農(nóng)業(yè)機器人得到了廣泛的運用。各個國家投入大量的資金研究機器人，機器人有效應(yīng)用到農(nóng)業(yè)上會對農(nóng)業(yè)發(fā)展起到巨大的推動作用。中國是一個農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)是國家經(jīng)濟發(fā)展的基礎(chǔ)，農(nóng)業(yè)的發(fā)展對我國的經(jīng)濟發(fā)展起著重要的作用。機器人運用到我國的農(nóng)業(yè)上將會推動我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展，可以大幅度提高生產(chǎn)效率，進而提高農(nóng)業(yè)經(jīng)濟效益。為此，深入研究農(nóng)業(yè)機器人是很有必要的。本文從機器人開發(fā)研究背景出發(fā)，總結(jié)國內(nèi)外農(nóng)業(yè)機器人的研究現(xiàn)狀，探究農(nóng)業(yè)機器人運用的領(lǐng)域，指出農(nóng)業(yè)機器人應(yīng)用存在的一些問題，并對農(nóng)業(yè)機器人的發(fā)展進行了展望。近年來，我國綜合國力一直在增強，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機械化進程也不斷推進，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率顯著提高。但是伴隨著可耕地的減少和人口數(shù)量的增加，社會對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的深度要求也提高了很多，高效率、高智能化、低生產(chǎn)成本的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)機械，改變了我們熟悉的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式，并已經(jīng)成為當代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不可或缺的生產(chǎn)資料。高智能化的機器人與農(nóng)業(yè)機械的結(jié)合，為新型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)開創(chuàng)了嶄新的天地。

1 農(nóng)業(yè)機器人的發(fā)展歷程

從20世紀中期開始，先后有很多國家開始推廣機械化農(nóng)業(yè)，一方面極大程度上促進了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率的提高，同時推動了整個社會的發(fā)展和經(jīng)濟的增長?？墒牵殡S著社會的發(fā)展，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機械開始滿足不了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的要求，一些特殊農(nóng)業(yè)作業(yè)無法使用現(xiàn)有的機械設(shè)備。且現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的深度也不斷加深，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機械的加工質(zhì)量和加工細化程度已經(jīng)不再符合當代農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)要求。以前，人們在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中往往是片面地追求產(chǎn)量和利潤，而現(xiàn)在人們開始注重環(huán)境的保護和資源的循環(huán)利用以及農(nóng)業(yè)的有機可循環(huán)發(fā)展模式?？萍嫉陌l(fā)展也為智能農(nóng)業(yè)機器人的出現(xiàn)提供了技術(shù)支持，比如衛(wèi)星定位系統(tǒng)可以準確定位，圖像分解技術(shù)可以精細地識別，數(shù)控控制技術(shù)可以快速有效地實現(xiàn)各種操作等，各種科技成果的應(yīng)用，成為了農(nóng)業(yè)機器人開發(fā)和應(yīng)用的有力保證。

作為工業(yè)強國，日本較早開始著手研發(fā)農(nóng)用機器人，并取得顯著成果。但是，由于其國內(nèi)地理條件和氣候的特殊性，農(nóng)用機器人并未實現(xiàn)廣泛的使用。盡管如此，農(nóng)業(yè)機器人在播種、施肥、收割、干燥、采摘和分類等生產(chǎn)活動中的能力已經(jīng)讓世人瞠目，顯示出農(nóng)業(yè)機器人的廣闊前景。

放眼發(fā)達國家，農(nóng)業(yè)機器人的種類越來越多，智能化程度越來越高。各種高尖端科技的植入讓農(nóng)業(yè)機器人在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的成本的同時提高了生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率。例如，英國研發(fā)出的除草機器人，利用視頻技術(shù)錄入野草和農(nóng)作物，再通過計算機技術(shù)進行數(shù)據(jù)處理和圖像分析技術(shù)發(fā)出指令，操作執(zhí)行機構(gòu)進行除去雜草。西班牙創(chuàng)造了一種可以采摘橘子的機器人，能夠通過色差識別技術(shù)及形狀算法分辨橘子的尺寸和橘子是否成熟，從而自主判斷是否進行采摘。采摘時還可以將橘子按照大小和顏色分類，實現(xiàn)采摘的智能化。相比較國外，我國開始研發(fā)農(nóng)業(yè)機器人的時間較晚，但在一些大學實驗室老師堅持不懈的努力下還是取得了一定的成果。比如中國農(nóng)業(yè)大學發(fā)明了一種用于嫁接蔬菜的機器人，可以在蔬菜還是幼苗的時候就進行嫁接生產(chǎn)，解決了蔬菜嫁接領(lǐng)域的很多難題。還有東北林業(yè)大學研發(fā)了一種可以采摘林木球果的機器人，在林木球果成熟期里可以快速地進行采摘，起到了保護森林和生態(tài)系統(tǒng)的作用。

在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域里，農(nóng)用機器人代替人類進行了很多的勞動，甚至在某些環(huán)境惡劣的條件下，機器人的能力超出了人類，避免了人類從事大量重復性、重體力的勞動。而且農(nóng)業(yè)機器人的勞作持續(xù)時間可以很長，效

率高。

2 農(nóng)業(yè)機器人的應(yīng)用特點與發(fā)展

農(nóng)業(yè)機器人需具備“感覺”“判斷”等功能，這些功能與農(nóng)業(yè)機器人的組成決定農(nóng)業(yè)機器人有程序性、適應(yīng)性、通用性等特征。

（1）程序性：通過改變程序軟件能變更判斷基準、動作順序；（2）適應(yīng)性：結(jié)合周圍環(huán)境以及機械自身的具體情況，可以自動實施作業(yè)；（3）通用性：通過改變一部分軟硬件就可以實現(xiàn)其他用途。

總之，農(nóng)業(yè)機器人具備這些特征，可以自動實施農(nóng)田作業(yè)、室內(nèi)作業(yè)實現(xiàn)自動控制。

針對農(nóng)業(yè)機器人作業(yè)對象是動植物，在研發(fā)時需注意到一些客觀的因素。如：作業(yè)對象的基本特征、力學特征、光學特征；機器人工作的環(huán)境情況（溫度、照度）；操作者的安全問題等。

3 農(nóng)業(yè)機器人的應(yīng)用

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)分為土地利用型農(nóng)業(yè)和設(shè)施型農(nóng)業(yè)。土地利用型農(nóng)業(yè)是實施大面積農(nóng)田作業(yè)。設(shè)施型農(nóng)業(yè)是在溫室、植物工場中實施作業(yè)。

在大面積農(nóng)田中實施作業(yè)的農(nóng)業(yè)機器人主要是行走系列農(nóng)業(yè)機器人，如拖拉機、聯(lián)合收割機等農(nóng)業(yè)機，這些農(nóng)業(yè)機收割效率已經(jīng)很高，對農(nóng)業(yè)機器人的研究主要集中在無人駕駛、自主行走，信息采集、處理、傳達等方面。針對采摘蔬菜、水果的機器人需把重點放在研究目標的識別、定位，機器的核心工作部件（機械手）方面。

3.1 行走式機器人

自主行走，邊走邊工作是行走系列農(nóng)業(yè)機器人工作的特點，為了有效確保其工作的效率、質(zhì)量。研究人員在開發(fā)行走系列農(nóng)業(yè)機器人時需重點考慮機器人行走的姿勢及速度。重點推薦農(nóng)業(yè)中應(yīng)用最廣泛的三種行走式機器人：（1）耕作機器人：田間耕作很辛苦，使用農(nóng)業(yè)機器人能很大程度上減輕人力，提升工作效率。耕作式機器人是在原來的推拉機上安裝方位傳感器、電腦等一些自動調(diào)整機構(gòu)，耕作機器人工作結(jié)構(gòu)很簡單；（2）田間管理機器人：除了耕作式機器人之外，還需對田間作物進行管理的機器人。田間作物管理具有一定的規(guī)律，研究人員可以先測量作物的方位再設(shè)定機器人的程序，使其按照規(guī)律重復作業(yè)；（3）收獲機器人：該種機器人按照預先設(shè)置的指令，采用自動控制機構(gòu)、陀螺羅盤及接觸傳感器實施田間作業(yè)。日本、美國等科學家在收獲機器人的基礎(chǔ)上研發(fā)出自動聯(lián)合收割機。

3.2 機械手式機器人

針對植物果實、家畜等分布不均勻的個體，研發(fā)出機械手式機器人，機械手式機器人在精準識別方面要求很高。主要介紹以下三種系列的機器人：（1）嫁接機器人：當前，該類機器人有效地應(yīng)用于蔬菜、水果生產(chǎn)中。經(jīng)過嫁接可以實現(xiàn)品種改良、病蟲防治的目的；（2）采摘機器人：此類機器人可應(yīng)用于黃瓜、西紅柿等采收；（3）育苗機器人：該機器人主要由行走部件、控制部件及其他裝置組成。該機器人經(jīng)各部件相互配合工作來實施育苗。

3.3 其他農(nóng)業(yè)機器人

農(nóng)業(yè)方面廣泛使用機器人，在其他領(lǐng)域也有效使用機器人，如剪羊毛機器人、擠奶機器人、葡萄樹修剪機器人等。

（1）剪羊毛機器人：剪羊毛機器人由澳大利亞科學家研發(fā)出來。具體操作方法如下：首先把羊固定在特制的平臺上，然后將羊的相關(guān)數(shù)據(jù)輸入計算機，按照羊的相關(guān)數(shù)據(jù)，機器人能計算出修剪羊毛的力度。使用機器人修剪羊毛，在速度及質(zhì)量方面都優(yōu)于人工修剪；（2）擠奶機器人：擠奶機器人由荷蘭科學家研發(fā)出來，荷蘭科學家使用超聲波檢測器找出奶牛乳頭的位置，再使用計數(shù)型機械手進行擠奶的擠奶機器人擠奶；（3）葡萄樹修剪機器人：葡萄樹修剪機器人由英國科學家研發(fā)出來，科學家通過攝像機檢測樹枝，用帶剪刀的機械手修剪樹枝。

4 存在的問題和展望

農(nóng)業(yè)機器人在理論技術(shù)上相對較為成熟，但是在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用時間相對較短，還有許多問題需要解決。基于我國耕地的環(huán)境復雜性和多變性，我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要農(nóng)業(yè)機器人具有較強的智能化和柔性。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，需要機器人可以進行自我導航、圖形辨識和執(zhí)行操作等，但是目前的農(nóng)業(yè)機器人的智能化程度還達不到生產(chǎn)的要求，在工作中需要人來配合進行生產(chǎn)。我國的季節(jié)更替較為明顯，不同季節(jié)的作物有很大差異，而現(xiàn)有農(nóng)業(yè)機器人無法匹配所有作物的生產(chǎn)特點。機器人本身的成本就較高，如果造成閑置則又會增加間接成本。以至于農(nóng)業(yè)機器人的價值不能得以體現(xiàn)。如果提高農(nóng)業(yè)機器人對多種作物生產(chǎn)特點的匹配性，同時改變我國以戶為單位的分散式農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式，對于農(nóng)業(yè)機器人的推廣來說則是有利的。

將來，農(nóng)業(yè)機器人在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用是大勢所趨，是時代的需要，也是科技成果應(yīng)用于現(xiàn)實的具體體現(xiàn)。那么我們心目中的農(nóng)業(yè)機器人究竟是什么樣的呢？首先，它得可以自主識別作物的生長特點，自動做出正確的動作行為，即是我們需要它“聰明”；其次，實際當中，希望現(xiàn)有的一臺農(nóng)業(yè)機器人可以針對多種作物都可以使用，并且還可以根據(jù)自己的需要對其進行升級，這就需要它有一定的開放性；最后，農(nóng)業(yè)機器人的使用者多是農(nóng)民，所以需要它成本盡量低，而且操作要簡單。只有滿足以上的要求，才能更有利于農(nóng)業(yè)機器人的普及。

未來，通過宣傳和現(xiàn)有農(nóng)業(yè)機器人的升級和改進等，農(nóng)業(yè)機器人將日益普及，它將為我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟發(fā)展做出應(yīng)有的貢獻。

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作者簡介：趙敏（1981-），女，云南人，云南省電子工業(yè)研究所助理工程師，研究方向：電子信息技術(shù)；楊春俊（1987-），男，云南人，云南省電子工業(yè)研究所助理工程師，研究方向：電子信息技術(shù)。

（責任編輯：蔣建華）