中国农业机器人的应用及发展现状

李玉林+崔振德+张园+李明福+罗文杨+葛畅

摘 要 农业机器人是21世纪农业机械化的发展趋势之一。本文总结了农业机器人发展的历史背景，概括了农业机器人的结构和功能特点，叙述了农业机器人的主要应用领域，以及发达国家和中国的农业机器人研究、应用现状，分析了机器人技术在农业应用中存在的问题，并对中国农业机器人的发展进行了展望。

关键词 农业机器人 ；农业机械 ；应用现状

中图分类号 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

农业机械化是现代农业的基石，是实现农业现代化的重要标志。随着中国人口结构老龄化问题的日益严重，直接从事农业生产的劳动力，尤其是从事繁重的田间劳作的劳动力，年龄普遍偏高，人力资源严重不足，产业成本逐年增高。同时，中国还面临着：土壤肥力逐渐下降、耕地资源不断缩减、水资源短缺、农村地区环境污染不断加重和农业生产成本快速增高等严重制约农业健康发展的问题。在生产实践中，大量采用农业机器人进行作业，从而降低人工劳动强度和生产成本，提高产业循环率，这是解决农业生产劳动力资源不足，生产力低下的根本出路[1]。

农业机器人是一种新型的智能农业机械装备，它是人工智能监测、自动控制、图像识别技术、环境建模算法、感应器、柔性执行等先进技术的集合[2]。目前，农业机器人已经有了很大的发展，一些机器人已经可以取代人工进行一定的农业活动，如田间及温室喷洒农药，部分作物收获及分选作业，以及一些人类完成有困难的工作，如高处采摘等现在就可以通过农业机器人完成。在农业生产中广泛使用农业机器人，将会极大地改变传统农业的劳作模式，降低了对大量劳动力的依赖，实现从传统农业向现代农业的转变贡献力量[3-4]。

1 农业机器人特征、结构及分类

1.1 农业机器人特征

与应用于工业领域的机器人相比，农业机器人具有以下几个突出的特点[5-6]：

①作业对象复杂：不同于工业材料，农作物一般都具有容易受到损伤的特点，而且其种类多种多样，形状又各有不同，在三维空间里生长发育的程度不尽相同，甚至个体之间具有很大的差异性，农业机器人需要具有很强的识别能力，并以此为依据做出不同的动作，且力度恰当。

②作业环境复杂：随着时间和空间的不同，农作物不断的生长变化，这就要求机器人要适应其不断变化的开放性作业环境。除了受园地倾斜度等地形条件的约束外，农业机器人的作业环境还受到季节、光照、大气等自然条件的影响。因此，农业机器人在具备柔性处理作物能力的同时，还要能适应不断变化的自然条件。这种苛刻的作业环境要求农业机器人在视觉、判断力和知识推理等方面具有很高的智能。

③操作要求特殊：农业机器人的操作者一般是没有机械电子相关知识的普通农民，因此要求农业机器人的设计必须满足较高的可靠性、易用性和易于维护的特性，以提高农业机器人的普遍适应性，真正将农业机器人广泛用于实际生产。

1.2 农业机器人基本机构

农业机器人以农业生产为目的，具有信息感知和可重编程功能，具有仿人类肢体动作的半自动或柔性自动化设备。农业机器人集成了人工智能技术、图像识别技术、通信技术、传感器技术和系统集成技术等尖端科学技术。农业机器人主要由末端执行器（end-effecter），传感器和机器视觉系统（sensor and machine vision），移动装置（traveling devices），控制装置（control devices）等组成[7]。

末端执行器（end-effecter），也被称为机器手，以工作原理不同，可分为夹持式手爪、磁力吸盘式手爪、空气负压式吸盘、多关节多手指手爪及顺应手爪；以机械手的位移控制方式不同，可分为圆柱坐标机械手、直角坐标机械手和极坐标机械手三种。机械手的动力源有3类：电动执行器，包括步进伺服电机、直流伺服电机、交流伺服电机；液压执行器，包括轴向活塞式油缸、双杆油缸、液压马达；气压执行机构，包括气缸、气动电机、摆动电机。

传感器和机器视觉系统（sensor and machine vision）包括：测量距离、力等因素的传感器，测量其自身位置、速度、加速度、角度等因素的传感器，获取图像及位置信息的机器视觉系统[8]。

移动装置（traveling devices）的主要形式有：腿式移动、履带式移动、龙门式移动、导轨运动和轮式移动。

控制装置（control devices）通常采用单片机，DSP芯片，计算机等。

1.3 农业机器人分类

依据作业领域的不同，农业机器人可分为：设施农业机器人、田间生产机器人和农产品加工机器人3个大类，每类农业机器人，又可根据作业目标的差异进一步细分，如图1所示[4，8-11]。

2 中国农业机器人发展概况

在农业机器人的开发方面，发达国家起步较早，发展迅速。欧洲国家以及日本、韩国等已开发出用于收获草莓、葡萄、柑橘、西红柿、黄瓜等水果蔬菜的多种农业机器人，且其作业效率高、质量稳定，打开了农业机器人开发应用的局面[9，12]。这些发达国家已实现农业生产的规模化、精准化，其设施农业的快速发展也促进了其农业机器人开发应用的不断进步。

中国农业机器人起步晚、底子薄、投资规模小、发展速度缓慢，目前仍处于理论研究时期，距离实际应用还有许多难题需要解决，与发达国家相比，差距很大。不过经过国内相关研究单位的不懈努力，目前我国也已取得了一定的成果[8，13]。

作为中国农业机器人技术最早的研发单位之一，中国农业大学通过多年的技术攻关，开发出了自动嫁接机器人，已经成功地进行了生产试验，解决了脆弱易损伤的蔬菜幼苗机械化嫁接难题，为中国温室栽培的蔬菜瓜果嫁接的规模化、产业化提供了一种先进的具有自主知识产权的自动化嫁接技术和经验。东北林业大学开发了一种应用于林木球果采摘的农业机器人，具有很高的作业效率，可以在短暂的林木球果成熟期内大量采摘林木种子，解决了人工采摘所带来的作业危险系数高、效率低下、成本高等问题，对于森林资源的保护、更新、可持续发展都具有重要意义。其他高校和科研院所，如南京农业大学、上海交通大学、西北农林科技大学、陕西科技大学也进行了农业机器人的相关研究，目前已成功研制出采摘草莓、黄瓜、茄子、番茄等水果蔬菜的农业机器人和用于除草的农业机器人。据调查，中国在应用于耕作、施肥、喷药、部分农作物收割等领域的农业机器人均积累了一定的研究基础，形成了一定数量的研究成果[14]。

和发达国家相比，国内的农业机器人技术相对薄弱，可靠性、精度和效率等方面还存在相当大的差距。目前，国内科研人员的研究目标主要集中在图像分析和机械控制等领域，研究对象也以西红柿等球形果蔬为主，对其他异形果蔬研究较少，且大部分样机尚未市场化。

3 农业机器人现存问题

尽管一些农业机器人已可取代人工完成部分农业生产活动，但在应用于实际生产中存在3个方面的主要问题[15]：

①为适应复杂多变的作业环境农业机器人必须具备较高的智能和柔性，如基本的识别和避障能力。近年来，研究人员已经逐步将研究的重点从机械构造方面专享机器人视觉、人工智能等领域，在视觉识别、自动导航、定位等技术上已有较为成熟的解决方案。但在一般情况下，农业机器人的智能水平比较低，无法取代人工。

②农业机器人的可靠性和稳定性不能满足农业生产的需要。复杂多变的生产环境、性状多样的作业对象、苛刻的作业质量需求，导致农业机器人必须具有很高的可靠性和稳定性。系统故障、智能不足都会对农业生产造成无法估量的后果；

③农业机器人的成本高，市场无法承担其高昂的价格。目前，农业机器人尚处于起步期，各组成部分及系统尚未完善，未能规范化、模块化、批量化生产，因此，农业机器人整机价格高，操作及养护费用高。同时，目前的农业机器人只适用于农业生产过程中的某一个环节或某一项特定作业，如播种、采摘等环节，不能用于从种植到收获的全过程，再加上农业生产季节性显著，导致农业机器人的利用率低，又间接提高了农业机器人的成本。

4 中国农业机器人发展展望

随着中国科技和经济的快速发展，国家对农业机械化发展的扶持力度不断加大，农业产业结构调整和农业生产的集约化逐步提高，中国农机化事业进入了前所未有的良好发展时期。作为国家的基础产业，农业生产的发展直接影响到了经济发展和社会稳定。遵循国际先进农业发展趋势，发展农业机器人技术，并广泛应用于农业生产，以提高资源利用率和农业劳动生产率，进而实现从一个农业大国到农业强国的转变。

农业机器人技术的先进性和先导性决定了其必将成为未来中国农业技术装备研发的重要内容之一。借鉴国际农业机器人发展经验，中国农业机器人研究可以从以下几个方面进行创新研究[16]：

①改变农业机器人的高度模仿人类动作的思路，以作物的物理特性为目标，以稳定可靠的技术为依据，开发出机器人易于实现的动作来替代仿人类的动作，实现智能化；

②通过生物工程、设施农业等方法使作物尽可能均质，以降低对农业机器人各方面技术水平的要求；

③开发集成终端执行器和计算机软件，来扩展农业机器人功能，做到一机多用，以提高农业机器人使用效率，降低农业机器人整体成本。

参考文献

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