張 琛

（中北大學(xué)機械工程學(xué)院，山西太原 030051）

0 引言

農(nóng)業(yè)技術(shù)是國民經(jīng)濟發(fā)展的基礎(chǔ)，農(nóng)業(yè)發(fā)展水平直接影響到國民經(jīng)濟的發(fā)展和社會運行的穩(wěn)定。我國作為世界農(nóng)業(yè)大國之一，農(nóng)業(yè)技術(shù)問題是影響社會經(jīng)濟發(fā)展的根本因素。自古以來，我國將傳統(tǒng)種植業(yè)作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)并進行重點發(fā)展，但受到我國土壤質(zhì)量、氣候等環(huán)境因素影響，我國可耕作土地面積相對較小，同時由于生產(chǎn)力水平較低、相關(guān)技術(shù)短缺等問題，致使我國農(nóng)業(yè)發(fā)展速度較緩。但隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展、生產(chǎn)力水平的持續(xù)提高，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域出現(xiàn)了一大批智能化機器人。

1 農(nóng)業(yè)機器人概述

農(nóng)業(yè)機器人是指進行特定農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動的特種機器人。是一種由一個或多個程序軟件控制，能對不同種類作物和環(huán)境進行智能感知，配備有機器視覺、傳感模組等檢測組件并能進行智能運算的自動化或半自動化設(shè)備[1]。與傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域機器人相比，農(nóng)業(yè)機器人面臨工作結(jié)構(gòu)不確定、作業(yè)環(huán)境復(fù)雜和特殊的作業(yè)對象，在技術(shù)上具有更大挑戰(zhàn)性。

2 國內(nèi)外相關(guān)課題研究概述

2.1 國外農(nóng)業(yè)機器人研究現(xiàn)狀

國外發(fā)達國家對農(nóng)業(yè)機器人相關(guān)技術(shù)的研究起步早、成果多。作為涉足農(nóng)業(yè)機器人領(lǐng)域最早、市場發(fā)展最成熟的日本，早已于20世紀(jì)60年代實現(xiàn)了以小型機械替代手工進行農(nóng)業(yè)勞動，并在70年代后期開始了對農(nóng)業(yè)機械領(lǐng)域的探索，在70年代末針對西紅柿采摘機器人展開了研究[2]。目前，日本已研究并開發(fā)出西紅柿采摘機器人、黃瓜采摘機器人、馬鈴薯收獲機器人、草莓采摘機器人、水稻育苗機器人、插秧機器人、嫁接機器人、施肥機器人、農(nóng)藥噴灑機器人等涉及多個不同農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的農(nóng)業(yè)機器人。同時，得益于其豐富的理論研究和實踐經(jīng)驗以及政策支持，日本已基本實現(xiàn)全國農(nóng)業(yè)機械化、自動化生產(chǎn)，并且2017年Spread公司在京都府龜岡市建立了世界上第一個智能化機器人農(nóng)場[3]。日本研究開發(fā)出的西紅柿采摘機器人，該機器人裝配的鏡頭能夠拍攝7萬像素以上的彩色圖像，準(zhǔn)確捕捉西紅柿的位置，并且其內(nèi)部集成的傳感器能檢測出成熟的西紅柿。

美國作為世界上農(nóng)業(yè)最為發(fā)達、技術(shù)最為先進的國家之一，在20世紀(jì)70年代初期就已完成了棉花、甜菜等經(jīng)濟作物從播種到收獲各個環(huán)節(jié)的全面機械化生產(chǎn)[4]。同時，由于美國高度發(fā)達的工業(yè)化生產(chǎn)體系以及成熟的生產(chǎn)加工技術(shù)，提出了如蘋果收割機器人、智能生菜生產(chǎn)機器人、苗圃機器人、多用途自動化聯(lián)合收割機器人等多種高度智能化的農(nóng)業(yè)機器人，并正向著精準(zhǔn)化農(nóng)業(yè)的方向發(fā)展。

其他具有代表性的從事農(nóng)業(yè)機器人研究與開發(fā)的國家有：西班牙科技人員發(fā)明的柑橘采摘機器人（圖1），通過機器視覺技術(shù)對柑橘的大小、形狀和顏色進行判斷，并決定是否采摘；英國普利茅斯大學(xué)的Fieldwork Robotics研究所研制出了用于采摘覆盆子的智能機器人，該機器人通過機器學(xué)習(xí)和機器視覺技術(shù)對覆盆子進行智能采摘；新西蘭Robotics Plus公司開發(fā)出的獼猴桃自動采摘機器人，利用4只采摘機械臂將成熟獼猴桃從果架上摘下；比利時企業(yè)Octinion研發(fā)出的草莓機器人通過配備在機體上的具有機器視覺功能的攝像頭，可以自動對果實進行定位和成熟度識別，然后用柔性采摘頭進行采摘；法國發(fā)明的葡萄園服務(wù)機器人，可進行修除嫩芽、修剪藤蔓和監(jiān)控土壤環(huán)境等工作，幾乎能完全取代傳統(tǒng)種植園工人；德國研發(fā)的作物生長觀察機器人，通過搭載的光譜成像儀可以對土壤和作物進行區(qū)分，并利用高精度衛(wèi)星導(dǎo)航進行運行和作物位置定位，通過內(nèi)置儲存芯片對工作區(qū)域中的植物進行位置記錄，并在生長季中往返觀察其生長狀況。

圖1 柑橘采摘機器人

2.2 國內(nèi)農(nóng)業(yè)機器人研究現(xiàn)狀

與發(fā)達國家相對比，我國農(nóng)業(yè)機器人相關(guān)研究還處于初期階段，與農(nóng)業(yè)機器人技術(shù)成熟的國家之間還有一定的差距。并且，受到技術(shù)水平、研發(fā)成本等問題的制約，我國現(xiàn)階段農(nóng)業(yè)機器人的發(fā)展速度較緩。同時，由于現(xiàn)階段農(nóng)業(yè)機器人生產(chǎn)制造成本較高、智能化水平較低，我國絕大多數(shù)農(nóng)業(yè)機器人領(lǐng)域的研究還處于實驗室階段。目前，我國已研制開發(fā)出自動嫁接機器人、授粉機器人、施肥機器人、伐根機器人、打藥機器人等農(nóng)業(yè)機器人[5]。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)作為開展農(nóng)業(yè)機器人技術(shù)研發(fā)的早期單位之一，研制出了智能化自動蔬菜嫁接機器人（如圖2所示），解決了蔬菜幼苗柔嫩性、易斷性和生長方向不定性等問題[6]；華南農(nóng)業(yè)大學(xué)研發(fā)團隊研制出的荔枝采摘機器人，通過搭建的雙目立體視覺系統(tǒng)，對荔枝進行定位并自主規(guī)劃采摘作業(yè)路徑，最后利用機械臂末端的擬人夾指對果枝進行剪斷處理、摘取果實；北京農(nóng)林科學(xué)院開發(fā)的草莓采摘機器人可以通過自身裝備的智能化組件進行搜索、識別和采摘，不僅降低了人工采摘成本，還減輕了工作強度；蘇州博田自動化技術(shù)有限公司開發(fā)出的自走式智能割草機（如圖3所示），利用輔助導(dǎo)航和視覺伺服控制技術(shù)實現(xiàn)了對雜草的精準(zhǔn)識別、定位。

圖2 蔬菜嫁接機器人

圖3 自走式智能割草機

3 存在的問題與不足

雖然我國在農(nóng)業(yè)機器人研究領(lǐng)域已經(jīng)取得了一定的成果，但與具備成熟技術(shù)的國家相比，因我國起步較晚、基礎(chǔ)較弱，農(nóng)業(yè)機器人領(lǐng)域研發(fā)應(yīng)用水平整體呈落后態(tài)勢，與國際先進技術(shù)還有一定的差距?？傮w上，我國農(nóng)業(yè)機器人的研發(fā)受工業(yè)制造水平、研究制造成本和智能化組件與系統(tǒng)應(yīng)用三個方面制約。

3.1 工業(yè)制造水平問題

毋庸置疑的是，我國工業(yè)產(chǎn)值位列世界第一。作為工業(yè)制造發(fā)展增速最快的國家之一，我國充分發(fā)揮勞動力豐富、平均工資水平低等優(yōu)勢，快速融入全球分工格局，并以此為基礎(chǔ)，迅速發(fā)展為世界主要的加工制造基地。但由于我國總體上科學(xué)研發(fā)水平較弱、綜合工業(yè)水平較低，使得我國工業(yè)制造領(lǐng)域?qū)訃H先進技術(shù)的能力較差，自主知識產(chǎn)權(quán)轉(zhuǎn)化能力較弱。反映在農(nóng)業(yè)機器人制造領(lǐng)域就是缺乏制造農(nóng)業(yè)機器人核心部件的關(guān)鍵技術(shù)，同時缺少具有自主知識產(chǎn)權(quán)的大規(guī)模生產(chǎn)流水線。

3.2 研究制造成本問題

現(xiàn)階段推廣應(yīng)用的主流農(nóng)業(yè)機器人，集成了例如機器視覺系統(tǒng)、智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)和衛(wèi)星定位組件等眾多的系統(tǒng)和組件。同時，由于目前主要采取設(shè)施大棚或露天農(nóng)田（場）種植農(nóng)作物，使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有很高的季節(jié)性要求。并且目前研制出的絕大多數(shù)農(nóng)業(yè)機器人都只能針對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的某一環(huán)節(jié)或某環(huán)節(jié)中的某一項工作進行作業(yè)，這使得農(nóng)業(yè)機器人的總體利用效率比較低，并間接增加了農(nóng)業(yè)機器人的生產(chǎn)成本[5]。從市場需求來看其性價比較低，而且由于工作時間的限制，使得只有當(dāng)農(nóng)業(yè)機器人的生產(chǎn)成本低于人力作業(yè)成本時，才有推廣的必要。

3.3 智能化組件與系統(tǒng)應(yīng)用問題

隨著智能化技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備中的應(yīng)用，使得集成各種現(xiàn)代化技術(shù)的智能農(nóng)業(yè)設(shè)備推動農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式逐步從機械化向智能化轉(zhuǎn)變。同時，智能化技術(shù)的運用也使得農(nóng)業(yè)機器人能夠根據(jù)使用者需求或外部環(huán)境變量的變化進行智能實時調(diào)整。但由于種種原因，國外先進智能化技術(shù)對中國始終處于封鎖狀態(tài)。技術(shù)的缺失對我國農(nóng)業(yè)機器人發(fā)展是致命的，雖然目前我國農(nóng)業(yè)機器人理論研究已趨于完善，但想要在未來進行大規(guī)模生產(chǎn)、推廣和應(yīng)用，還需要具備完善的技術(shù)體系和完整的生產(chǎn)、列裝流水線，而這些都需要多學(xué)科、多領(lǐng)域共同進行研究和開發(fā)。

4 農(nóng)業(yè)機器人未來發(fā)展方向展望

從目前我國農(nóng)業(yè)機器人研究現(xiàn)狀來看，農(nóng)業(yè)機器人具有較高的工作效率，能夠代替人力完成絕大多數(shù)的任務(wù)，但由于技術(shù)水平限制等原因，使得應(yīng)用率并不是很高[5]。同時，傳統(tǒng)意義上的農(nóng)業(yè)機器人，集成了眾多的系統(tǒng)和組件，體積較大，在實踐過程中或多或少會對農(nóng)作物造成破壞。隨著我國社會經(jīng)濟不斷發(fā)展、科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，未來農(nóng)業(yè)機器人將會向著輕便化、模塊化和自主化的方向發(fā)展。

第一，輕便化是指未來農(nóng)業(yè)機器人將朝著體型更小、結(jié)構(gòu)更簡單、移動性更強的方向發(fā)展。對于現(xiàn)階段的農(nóng)業(yè)機器人，體型較大、質(zhì)量較重，在大田和大棚種植場地工作時易使農(nóng)作物發(fā)生形變和斷裂，造成損失。同時，體型較大的農(nóng)業(yè)機器人在田間作業(yè)時也易受工作通道寬度等環(huán)境因素的影響。所以，農(nóng)業(yè)機器人向輕便化發(fā)展勢在必行，只有降低農(nóng)業(yè)機器人組件負荷、縮小農(nóng)業(yè)機器人尺寸，使其能靈活、迅速地在田間穿梭、作業(yè)，才能從根本上降低成本，提高工作效率。

第二，目前農(nóng)業(yè)機器人都是針對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的某一環(huán)節(jié)或某環(huán)節(jié)中的某一項工作進行設(shè)計開發(fā)的，這樣做的好處是能迅速地設(shè)計出解決方案，但是只能進行特定工作的農(nóng)業(yè)機器人不僅工作效率較低，而且對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全過程的貢獻不大，生產(chǎn)成本與預(yù)期利益不成正比。未來農(nóng)業(yè)機器人的研究方向?qū)⒅鸩较蜷_發(fā)模塊化機器人轉(zhuǎn)變。所謂模塊化機器人，就是將機器人主要工作部件模塊化，在進行特定工作時將對應(yīng)部件安裝至機器人上（例如進行除草作業(yè)時安裝雜草拔除部件和除草劑噴灑部件，在進行收獲作業(yè)時安裝收獲部件等）。這樣做的好處在于只需研發(fā)一款農(nóng)業(yè)機器人及其幾個部件就能利用該機器人進行多數(shù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)，在一定程度上提高了農(nóng)業(yè)機器人的作業(yè)效率，同時間接地降低了研究開發(fā)農(nóng)業(yè)機器人的技術(shù)成本和經(jīng)濟成本。

第三，研發(fā)農(nóng)業(yè)機器人的目的之一是減輕人力勞動強度，但目前農(nóng)業(yè)機器人主要通過運行預(yù)先寫入微處理器的程序?qū)崿F(xiàn)自動化，自主運行能力不強，并且效率不高。未來農(nóng)業(yè)機器人將逐步從自動化向自主化轉(zhuǎn)變，通過大數(shù)據(jù)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相串聯(lián)，機器學(xué)習(xí)領(lǐng)域、人工智能領(lǐng)域相結(jié)合，實現(xiàn)機器自動編程、自動運行，從根本上將人力勞動與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相分離，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率最大化。

5 結(jié)語

通過分析目前國內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀可知，將機器人技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能極大地提高生產(chǎn)效率，并降低生產(chǎn)過程中的人工成本。但受目前科學(xué)技術(shù)水平和社會經(jīng)濟水平等因素的制約，農(nóng)業(yè)機器人領(lǐng)域也面臨著重點技術(shù)難攻關(guān)、工作模式單一、生產(chǎn)成本過高等問題，而這也表明我國在農(nóng)業(yè)機器人領(lǐng)域的研究依然任重道遠。但相信，隨著我國社會經(jīng)濟水平的不斷提高，農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)趨于完善和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的集約化、系統(tǒng)化以及我國農(nóng)業(yè)機器人技術(shù)領(lǐng)域的快速發(fā)展，我國農(nóng)業(yè)機器人的發(fā)展必將實現(xiàn)重大突破。