农业双足步行机器人的未来

马伟

【摘要】农业双足步行机器人将成为设施农业的亮点，这是由设施农业的自身特点决定的。该文根据双足步行机器人的特点，阐述双足机器人在设施农业上的发展方向，结合国际上最新的理论和观点，对双足步行机器人的最新研究与设施农业结合发展趋势作了展望。

一个现代化的超大型温室，分区种植多种不同品种的植物，十几个工作人员整齐有序的穿行其中，每个人都进行各自岗位的工作，如果相遇都彬彬有礼的绕行，工作场景繁忙而有序。走近一看，这些工作人员居然全都是农业双足步行机器人。这种构想未来都可能变成现实。

农业双足步行机器人为什么首先在设施农业环境中应用呢？主要原因有以下4点：一是农业双足步行机器人对步行环境的要求非常低，能适应各种台阶、地垄以及窄小坑洼不平的路面，移动的盲区非常小，地面的轨道和水管甚至农具都不会对其产生影响；二是农业双足步行机器人具有很大的活动空间，可以认为，人能走到的地方，农业双足步行机器人也能走到，加上可以多段伸缩、灵活更换的机械臂，其作业空间远超过人类；三是农业双足步行机器人采用的步行方式是迄今为止最为复杂但是最为优越的结构方式，传统的轮式机器人在设施中的行为受到诸多限制，其发展面临瓶颈，而农业双足步行机器人利用其步行结构的优势可以轻松解决这些限制；四是设施环境的高产出、高劳动强度以及周年生产的方式，加上比较方便的自动充电器放置，都为农业双足步行机器人的使用提供了有利条件。

双足步行机器人

双足步行机器人的研究始于20世纪中期，通用公司最先进行平衡系统的尝试之后，南斯拉夫科学家研究了重要的MF稳定判据理论，Kajita于1990年研制成功五连杆平面型双足步行机器人Me1tran-I，采用轨道能量守恒和超声波视觉传感器实时获取地面信息的功能，成功地实现在未知路面上的动态行走。1986年郑元芳在美国克莱姆森大学研制了步行机器人SD具有8个自由度。实现了平地上前进、后退以及左右侧行、动态步行。哈尔滨工业大学1986年开始研制成功静态步行双足机器人HTII，高110 cm，重70 kg，有10个自由度，实现平地上的运动以及上下楼梯。

仿人形机器人是在双足步行机器人的基础上发展起来的。70年代日本早稻田大学Kato实验室研制出世界上第一台仿人双足步行机器人wap3，最大步幅为15 cm。本田最新型的仿人形机器人是ASIMO，26个自由度，高120 cm，重42 kg，通过与互联网无线互联实现语音对话。日本国家级研究项目（HRP）开发的仿人形机器人，高154 cm，重58 kg，具有30个自由度，实现了仿人形机器人与人协作抬桌子，开铲车和进行工作间隔板的装配等操作应用。法国BIP计划通过控制和规划方法可以使双足机器人实现站立、行走、爬坡和上下楼梯等。北京理工大学于2002年研制成功的仿人形机器人BHR，可根据自身力觉、平衡觉等感知自身的平衡状态和地面高度的变化，实现未知地面的稳定行走和太极拳表演。

总的来说，双足步行机器人的研究已经突破了行走稳定的难关，目前主要关注点在对外界复杂环境的感知和决策并进行动态作业的行为指导。这些复杂应用系统的研究会将双足步行机器人带向高智能和高成本的方向，不适合农业的需求。设施农业中可以另辟新径，选择稳定的行走系统配套单一功能的方式，实现双足步行机器人在设施农业上的普及。

农业双足步行机器人

结构

按照技术成熟、功能简洁的原则，引入双足行走稳定控制算法，根据设施农业作业环节进行划分。结构上尽量简化，采用轻型新材料以便解决重量的问题，提高续航能力。图1为国外某设计机器人构想。通过采用新型简化关节，以及重心优化的结构设计，可实现机器人极佳的稳定性能和动作性能。电池放置在宽大的脚步，可以增加稳定性。

实际设计根据功能划分，有些农业双足步行机器人保留下肢，上肢更换为周转筐或人工操作台，如图2所示，这种简化扩大了机器人的应用范围，实现机器人作为温室通用标准工具目的。根据种植功能不同的重组设计，使得机器人在设施农业中可以适应不同岗位，也能显著降低成本。

算法

采用较为简单的控制规则并对大量群体的行为的调节，在大自然界有很多先例，蜜蜂和蚂蚁的自组织形式就很好的发挥了其作用。哈佛大学研制的这种机器人的控制算法采用分布式结构，每个机器人只需要简单的判定规则，符合其判定规则的就进行作业，不符合就放弃作业，重新寻找机会进行作业。图3是哈佛大学群体自组织机器人算法的演示图。一个运动体不是很显著，但是当群体数量很大时，就会发挥非常显著的作用，而且其成本非常低廉，适合农业上规模化使用。

发展方向

农业机器人不能重复工业机器人的发展路线，主要是由于各自特点差异较大，农业上的对象复杂多变，可负担成本不能过高，使得

工业机器人移植到农业领域后成为“鸡肋”。对农业而言必须走出一条完全不同于工业的创新路子。主要可以从以下几个方面入手：

低功耗芯片技术

将农业双足步行机器人的下肢行走程序优化为开源的芯片电路，成为通用的标准化可选件，就会使得农业双足步行机器人的门槛很低，通过自己搭配关节实现多用途组装各种机器人。

可替换的上肢

通用接口、自定义程序扩展，可以使得上肢更换为别的装置，采摘、搬运、授粉、植保，都可以公用一个下肢平台。

其他

采用高分子或纳米陶瓷材料研发和改进新型机器人关节，实现结构轻巧和性能优越。

结论

本文通过分析设施农业中应用农业双足步行机器人的可能性，根据国内外前沿研究成果提出了可用的农业双足步行机器人构想，得出以下结论：① 农业双足步行机器人将首先在设施农业中得到应用。主要将采用单一功能的低成本架构，依靠数量大和自组织来解决农业生产问题。② 发展方向是低功耗芯片技术和可替换的上肢。通过大量普及实现这一领域的快速熟化。③ 重复和模仿工业机器人、娱乐机器人，不适合农业领域的要求。设施农业在推动农业双足步行机器人的应用将发挥重要作用。

参考文献

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