农业机器人的技术发展路线刍议

张 建 ，孙付春 ，甘露萍 ，孙丰云 ，赵 斌

（1.成都农业科技职业学院，成都 611130；2.成都大学机械工程学院，成都 610106；3.成都大学科研处，成都 610106）

农业机器人的技术发展路线刍议

张 建1，2，孙付春3，甘露萍2，孙丰云2，赵 斌2

（1.成都农业科技职业学院，成都 611130；2.成都大学机械工程学院，成都 610106；3.成都大学科研处，成都 610106）

通过对比分析当前国内外农业机器人的发展现状，提出国内农业机器人发展的技术路线，可有效降低产品的设计研发成本、缩短产品的设计研发周期，为解决当前农机普遍存在的问题提供途径。同时，研究结果也可以为农业机器人的研发提供参考依据。

对比分析；农业机器人；技术路线

一、农业机器人及其在国内外的应用概况

舒尔茨指出，仅使用传统生产要素的农业是无法对经济增长做出重大贡献的，但现代化的农业能对经济增长做出重大贡献。我国正处于传统农业向现代化农业过渡的进程中[1]，如何在发展理念的引领下综合应用现代化的科学技术对农业进行改造、装备就成为一个值得探究的问题。以互联网产业化、工业智能化、工业一体化为代表，以人工智能、清洁能源、无人控制技术、量子信息技术、虚拟现实为主的第四次工业革命的到来[2]，为我国实现农业现代化带来了新的思路和技术，农业机器人应运而生。农业机器人是在农业生产中运用的一种可由不同程序软件控制,以适应各种作业,能感觉并适应作物种类或环境变化,有检测（如视觉等）和演算等人工智能的新一代无人自动操作机械，在功能、结构、效率以及可靠性等方面与传统的农机相比优势明显。国内外都寄希望于机器人技术可以带动产业升级，以解决当前面临的激增人口与有限耕地矛盾加剧、人口老龄化加剧、全球气候变暖、极端天气频发等问题发起的挑战。

目前，诸如美、德、英、法等发达国家在农业生产方面不仅已基本全面实现机械化，而且智能农机的应用也有长足的发展。美国研制出一款施肥机器人，可准确计算并根据土壤的实际情况适量施肥；德国研制出可在农场各种地块间极速穿行并准确找到杂草加以清除的除草机器人；法国发明了几乎能代替种植园工人所有工作的葡萄园机器人Wall-Ye；英国研制出能够测量蘑菇位置、大小，并进行修剪的蘑菇采摘机器人[3～6]。国内农业机器人的起步较晚，研究还处于基础阶段。随着国家的不断重视，在政策方面大力扶持，国内对农业机器人的研究已取得了一定的成果，中国农业大学成功研制出黄瓜采摘机器人、嫁接机器人，南京农业大学成功研制出水果采摘机器人、棉花采摘机器人，南京林业大学研制出的智能除草机器人，上海交通大学研制出的草莓收获机器人，寿光科技人员自主研发的会种菜的机器人[3～6]。但所研制出的农业机器人大多存在功能单一、成本偏高、实际应用较少的问题，与发达国家相比在可靠性、精度和效率方面都有一定的差距[7]，特别是在智能化程度和实际应用方面更是差距明显。因此，本文通过对比分析当前国内外农业机器人在研发、智能化程度、市场应用和成本等方面的现状，提出了国内农业机器人发展的技术路线，研究结果为农业机器人的设计、改进和研发提供了参考依据。

二、国内外农业机器人的对比分析

1.研发方面。虽然2016年国内主要农作物耕种收综合机械化水平达到65%，但目前国内对主要农作物农业机器人的研制却较少。在美国农业机器人的研究与应用虽然目前无法做到农业耕作全过程的自动化作业，80%的大农场已普及“农业物联网+机器人”技术，农场主通过高度自动化的大型农业机器人，3个人可完成1万英亩的土地管理和玉米收割。英、法等国在农业机器人的研发方面与本国的国情紧密结合，在以葡萄酒享誉世界的法国和世界上盛产蘑菇的英国，服务于葡萄园的机器人Wall-Ye和蘑菇采摘机器人应运而生。

2.智能化程度方面。当前国内智能系统的发展还不够完善,农业机器人的智能程度还不足以满足农业生产的需要,很多任务无法由农业机器人单独完成，是农业机器人的使用效率低的原因之一。如，国内研制出的2JC-600B型瓜类自动嫁接机，在实际操作中还要依靠“机器+人”的模式才得以实现对瓜类的嫁接。而国外当前研制出的农业机器人智能化程度相当高，大多数任务甚至全部任务都可以由机器人单独完成，如日本研制出的2JC-1000A瓜科全自动嫁接机，在嫁接的全过程中不需要人的参与。

3.市场应用方面。本文主要从农业机器人市场和应用两方面对市场应用加以论述。目前国内研制出来的农业机器人大都只针对农业生产某一项作业的某一环节而言，导致其性价比不能满足市场的需要,成为制约农业机器人商业化和进一步研究的瓶颈。同时，国内对农业机器人的研究还多处于试验阶段,商业化的生产也比较缺乏，实际应用较少。国外研制出来的机器人则可以单独完成某一项作业的多个甚至全部环节，应用广泛。在以葡萄酒生享誉世界的法国，专门服务于葡萄园的机器人Wall-Ye，几乎能代替种植园工人的所有工作，包括修剪藤蔓、剪除嫩芽、监控土壤和藤蔓的健康状况等，一研制出来就接到诸多订单，应用前景一片光明。在美国，农业机器人不仅实现了商业化的生产，而且在商业化的运作方面也取得了令人瞩目的成就，出现了诸多专业的农业服务公司。在市场方面，国内农业机器人的研发大都缺乏市场的承载，比如说国内由于技术方面还不成熟的原因，研制出来的采摘机器人还无法适应实际生活中的采摘环境，所以研制出的苹果采摘机器人几乎没有在实际生产中得到应用。即使技术成熟了，由于苹果的采摘具有季节性，但机器人只适用于苹果采摘工作、功能单一，对中国大多数种植户而言，即使能够得到政府补贴的情况下也不经济，推广起来也有一定的难度。假使，苹果采摘机器人不仅能够采摘而且还可以实现对苹果述枝叶的修剪、喷洒农药等功能的话，应用前景将非常值得期待。从这一点上来讲，国外多数国家就做得不错，如法国研制出的葡萄采摘机器人，从功能上讲几乎能代替种植园工人的所有工作，结合葡萄采摘机器人所面对市场对象葡萄酒庄园的经济实力来看和当地昂贵的人工市场条件分析，葡萄采摘机器人肯定会有一个光明的市场前景，所以Wall-Ye一研制出来就接到诸多订单。

4.成本方面。主要从当前农业机器人的功能、智能化程度和应用方面对成本加以论述。首先，由于国内农业机器人的功能大多比较单一，而国外的农业机器人的功能复合化较强，就实现单一功能所耗费的成本而言，国内农业机器人的成本较高。其次，智能化程度越高自身的成本也越高，但所耗费的人工成本就越少，随着人工成本日益高涨，人口老龄化加剧，综合成本反而越低。最后，在应用方面，目前国内农业机器人的实际应用较少，国外应用比较广泛。没有使用就没有产出，尽管国外农业机器人的自身成本可能高一些，但就实现的价值而言，成本反而越低。

三、国内农业机器人发展的技术路线

我国作为一个农业大国，经济体制的改革从一定意义上说，最困难的是农业，而最有希望对社会经济意义最大的也是农业[8]。为此，如何在当前农业机器蓬勃发展和市场空间想象力十足的大好形势下，综合应用第四次工业革命所带来的新思路和新技术对农业机器人进行改造、装备就成了一个值得探究的问题。为此，本文通过对比分析当前国内外农业机器人在研发、智能化程度、市场应用和成本等方面现状，着重于研发的角度去研究国内农业机器人发展的技术路线。

1.在研发方向上要以解决实际需求为内容，真正应用为目的。结合国情，找准方向，才能抓住市场，为实际应用奠定基础，不能为了研发而研发。

2.在研发理念上利用最流行、最科学、最节省人力和效率最高的平台化产品开发战略的基础上融入模块化的思想，即平台式模块化的研发理念。该理念以搭建公共平台为基础，搭载模块为思想，实现多功能需求为向导。模块化的思想是在平台的基础上，将农业机器人分为几大模块，如动力总成模块、悬架模块、执行模块等。采用模块化设计的思想不仅可以充分利用各方资源，在全世界范围内进行模块的匹配设计、优化方案，有利于提高自动化水平和降低研发成本，而且通过模块的分类组合还能实现用最短时间生产出新产品。为适应农业的季节性特征，降低成本增加实用性，利于推广，农业机器人应充分利用资源，尽量共用平台，搭载不同模块实现不同功能，以能够完成某项作业的多个环节甚至全部环节为目标，最终实现多项作业为目的。以收割机器人为例，在不同的时期搭载不同的执行模块，以实现农作物的耕种收为目标，最终实现多种农作物的耕种收为目的。

3.在研发上实施平台式模块化的研发理念，融入开放性思想，让用户可以根据需求编制或下载不同程序实现不同功能。

四、结论

通过对比分析当前国内外农业机器人在研发、智能化程度、市场应用和成本等方面的现状，为解决当前国内机器人多处于试验阶段、实际应用较少、成本偏高等问题提供了平台式模块化的技术路线，可有效降低产品的设计、研发及使用成本，缩短产品的研发周期，为农业机器人的研发提供参考依据。本文着重从研发的角度加以论述，未必能获得农业机器人发展的最佳技术发展路线，有待对各因素综合作用影响情况下的技术路线做进一步研究。

[1]傅玮倩，何静.浅论物联网在现代农业中的应用[J].现代农业，2015，(5).

[2][德]克劳斯·施瓦布.第四次工业革命：转型的力量[M].北京：中信出版集团，2016.

[3]陈康.智能农机的自动导航研究[D].上海：上海工程技术大学，2015.

[4]焦伟，李维华.中国制造2025之农业机械发展分析和思考[J].农业装备与车辆工程，2016，(3).

[5]林欢，许林云.中国农业机器人发展及应用现状[J].浙江农业学报，2015，(5).

[6]闫萍.浅议农业大数据背景下的“互联网+智慧农机”[J].安徽农业科学，2016，(21).

[7]郑文忠.国外智能化农业机械设备发展现状[J].现代农机，2015，(6).

[8]吴新博.中国农业现代化的思考[J].发展研究，2013，(2).

F323

A

1673-291X（2017）34-0029-02

2017-04-21

张建（1989-），男，四川大邑人，硕士研究生，从事机械设计制造与理论领域研究；通讯作者：孙付春（1981-），男，江苏台东人，副处长，副教授，博士，从事机械设计与理论领域研究。

[责任编辑 吴高君]