范雯沁

摘 要：隨著現(xiàn)代機(jī)械和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式在逐步發(fā)生改變，農(nóng)業(yè)機(jī)器人出現(xiàn)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)。農(nóng)業(yè)機(jī)器人是使用機(jī)械來(lái)模擬人工進(jìn)行農(nóng)業(yè)活動(dòng)的機(jī)器人，它是一個(gè)國(guó)家農(nóng)業(yè)發(fā)展程度的標(biāo)志。從20世紀(jì)開(kāi)始世界各國(guó)就開(kāi)展了諸多的關(guān)于農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究，我國(guó)對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究也有很長(zhǎng)一段時(shí)間。本文介紹了農(nóng)業(yè)機(jī)器人的特點(diǎn)和國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并且指出了存在的問(wèn)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

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)越來(lái)越被世界各國(guó)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(guó)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(méi)有達(dá)到實(shí)用化。國(guó)際上一些發(fā)達(dá)國(guó)家，特別是日本和一些歐美國(guó)家，從上世紀(jì)八十年代開(kāi)始研究，取得了一些成果，開(kāi)始進(jìn)入了應(yīng)用階段。我國(guó)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。

1.農(nóng)業(yè)機(jī)器人的開(kāi)發(fā)要點(diǎn)

農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)是一門(mén)交叉學(xué)科，是多領(lǐng)域技術(shù)的綜合，其研究開(kāi)發(fā)需要各學(xué)科相關(guān)知識(shí)的配套與支援。雖然因?yàn)橛猛镜牟煌r(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(kāi)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(guò)40度和濕度超過(guò)100%的環(huán)境中；而露天作業(yè)面對(duì)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(dòng)進(jìn)行調(diào)整。

1. 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(duì)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(dòng)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)。

1. 操作對(duì)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(shí)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(jiǎn)單的特點(diǎn)；另外，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以個(gè)體經(jīng)營(yíng)為主，如果不是低價(jià)格，就很難普及。

2.農(nóng)業(yè)機(jī)器人的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與應(yīng)用舉例

自上世紀(jì)80年代開(kāi)始，以日本為代表的發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛開(kāi)始農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究開(kāi)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(méi)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(kāi)發(fā)出來(lái)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。

2.1嫁接機(jī)器人

嫁接機(jī)器人技術(shù)，是近年在國(guó)際上出現(xiàn)的一種集機(jī)械、自動(dòng)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(chēng)為嫁接育苗的一場(chǎng)革命。日本從1986年開(kāi)始了對(duì)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(kāi)發(fā)，其成果已開(kāi)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(guó)也開(kāi)始對(duì)自動(dòng)化嫁接技術(shù)進(jìn)行研究，但其研究開(kāi)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(dòng)化水平較低，速度慢，而且對(duì)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(guó)家如意大利、法國(guó)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。南于這些國(guó)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)。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)率先在我國(guó)開(kāi)展了自動(dòng)化嫁接技術(shù)的研究工作，先后研制成功了自動(dòng)插接法、自動(dòng)旋切貼合法嫁接技術(shù)，填補(bǔ)了我國(guó)自動(dòng)化嫁接技術(shù)的空白，形成了具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的自動(dòng)化嫁接技術(shù)。如利用傳感器和計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了嫁接苗子葉方向的自動(dòng)識(shí)別、判斷。因此，發(fā)展自動(dòng)化嫁接技術(shù)，有利于推動(dòng)我國(guó)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(kāi)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(méi)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(jiǎn)單介紹。一般的機(jī)器人多數(shù)是采用電氣驅(qū)動(dòng)，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(dòng)力，比以蓄電池為動(dòng)力源的電氣驅(qū)動(dòng)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(guò)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(dòng)時(shí)，利用手指關(guān)節(jié)的動(dòng)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(chǎng)對(duì)西瓜進(jìn)行初步的分級(jí)，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(duì)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)。

3.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(guò)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。

3.1智能化識(shí)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(duì)象的智能化識(shí)別和定位還沒(méi)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(wèn)題。因此，還需要在視覺(jué)傳感器技術(shù)、視覺(jué)與非視覺(jué)傳感器技術(shù)的融合、圖像獲取和圖像處理的算法等方面進(jìn)行更深人的研究。

3.2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(dòng)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(jiǎn)單、緊湊和輕巧，而且還要盡可能保障機(jī)器人運(yùn)動(dòng)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(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，同時(shí)運(yùn)用優(yōu)化理論來(lái)設(shè)計(jì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)。

4.結(jié)束語(yǔ)

總的來(lái)說(shuō)，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(méi)有普及，但隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向規(guī)?；?、多樣化、精確化發(fā)展，以及逐步出現(xiàn)的農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力不足的問(wèn)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(lái)越多地進(jìn)入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中。

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