农业机器人简述

□张颖 蒋立茂/四川省农业机械鉴定站

1 农业机器人概念

机器人是自动执行工作的机器装置，它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类的工作，在工业、医学、农业、建筑业甚至军事等领域中均有重要用途。

农业机器人即为机器人在农业生产中的运用，是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，进行检测（如视觉等）和演算等人工智能的新一代无人自动操作机械。使用农业机器人替代人工，不但可以大幅提高劳动生产率、降低劳动力成本，还能减少农药对土壤和水资源等自然环境的破坏，对我国现代农业可持续发展具有重要意义。由于工作内容的多样性，农业机器人分为三类。

1） 设施农业机器人：蔬菜嫁接机器人、花卉插枝机器人、果蔬收获机器人、植物工厂机器人等。

2） 大田生产机器人：大田播种机器人、大田植保机器人、大田收获机器人等。

3） 农产品加工机器人：肉类加工机器人、挤奶机器人、剪毛机器人等。

2 特点

农业机器人的工作对象是植物或动物，是一个动态变化的非结构环境，其智能化程度要远高于工业或其他领域机器人，因此，它在技术上有以下特点。

2.1 高辨识水平

生物的种类繁多、形状复杂，农业机器人应具有很高的辨识水平，在视觉分析、判断能力和知识推理等方面具备相当的水平。

2.2 灵活性

农业机器人一般是边移动边作业，生物在三维空间的生长发育程度各不相同且软弱易伤，机器人必须具备超强的灵活性才能保护对象不受伤害。

2.3 用途多面性

农业智能化设备的基本特点是能应对多种不同的工作任务，而不是某种单一的操作，用途覆盖面广的机器人更能适应市场的需要。

2.4 适应恶劣环境

农业机器人的工作环境是开放、变化和未知的，地域、季节和大气等自然条件的影响决定了农业机器人不仅要具有与生物柔性相对应的灵活处理能力，还要能适应变化无常的恶劣环境。

3 常见大田生产机器人的种类及简介

3.1 播种机器人

全自动播种机器人可以用检测装置获取土壤信息，算出最优化的播种密度和深度，进行高效播种。我国在2018年研制出了一款全自动播种机器人，采用模块化设计，能通过WIFI模块与智能手机APP 相连，方便快捷地实现人机交互。机身安装的摄像头使用OV7670 模块，实时将声像信息通过WIFI模块发回手机，以控制播种深度。它同时可以接收GPS、GLONASS和北斗定位信息，以实现工作路线的规划。陀螺仪测稳模块实时监控机器人工作平稳程度并做出缓冲反应，既能灵活行进，又具备一定的越野能力。尾部加装漏播检测系统和补播装置。动力由充电电源取代传统柴油机，有利于环境保护。这款机器人一旦投入市场，将会高效地完成大范围的播种工作。

3.2 植保机器人

植保施肥机器人会根据不同的土壤情况，制定相应的施肥方案，它采用GPS定位来确保机器人始终行驶在农作物的边缘，这种精准施肥的方式将减少大规模施肥对土壤的危害。美国发明了一款施肥机器人Posphere，它的外形像一个仓鼠球（见图1），通过内部的机械部分不断移动重心让球形机器人滚动起来，适用于平坦和较崎岖的地形。Posphere工作时能测试土壤含水率，精确使用化肥并保护农作物不受损坏，同时，可以根据虫害情况计算出精准的杀虫剂用量；后期机器人还将增加挖坑、拔草等功能。这款机器人最大的优点是避免了飞机洒药式的大规模施肥，保持土壤的成分。

图1 施肥机器人Posphere

除草机器人的重要指标是如何让机器人在精准除草的同时不损坏农作物，各地也研制出各种各样的除草机器人。德国EcoRobotix公司发明了一款机器人，外形像一个轮式乒乓球桌面，它的“桌面”实际上是一块太阳能电池板。电池板下方悬挂了一个全方位摄像头，能通过智能技术将拍摄到的幼苗和杂草进行区分，只将除草剂喷洒到杂草上，农药使用量只有传统喷药除草方式的1/20。导航设备能将数据传输到用户手机里，使用户实时掌握田间情况；该机器人一天能除掉1.33 hm2土地的杂草，是人工除草速度的10倍。这款机器人最突出的优势在于拥有独立电源，并准确释放除草剂，避免伤害农作物。

传统除虫机器人的标准是精准使用农药，以减小环境污染。而有人想到用激光杀虫来彻底杜绝农药的使用，这更加绿色环保。这个设计来自于澳大利亚的一个机器人团队，他们在机器人上安装了温度感应器和高清摄像头，可以自动识别害虫及杂草，一旦发现害虫，立即用激光精准除虫；检测到杂草，机器底部的机械手臂也会及时将杂草去除；同时，还带有“体检”功能，如果发现蔬菜生病，会立即将数据传送给土地主人。它的工作效率非常高，一天可以巡查2.86 hm2土地。

3.3 收获机器人

由于收获对象的多样性，收获机器人的种类也不少，比较有代表性的是草莓收获机器人。它利用机器视觉寻找成熟完好的草莓，用3D打印机制作的爪子把每一颗果实轻轻摘下，放在篮子里准备出售。如果草莓还未成熟，机器人会通过颜色计算成熟时间，预约下一次的采摘。

英国生产了一款蘑菇采摘机器人，能鉴别蘑菇属于哪个等级，以此来确定相应的运作程序。工作时先用一架红外线测距仪测定出蘑菇高度，再用真空吸柄自动伸向采摘部位进行操作，最后将蘑菇投入到运输机中。该机器人一分钟可以采摘40个蘑菇，大大降低了时间成本。

另外，收获后的果实分类也可利用智能机器人。像西红柿、樱桃等一些表皮脆弱的果实，在智能机器人的操作下进行高效分拣装运，能够保持果实的完好无损。

图2 全机器人农场

4 发展趋势

4.1 技术发展

全机器人农场（见图2）是现代农业机器人的整合，是信息化农业的集中体现。农场不用工人，全部种植、管理和收获环节都由机器人控制，不易受到天气或其他环境因素影响，农作物也不会受到杀虫剂或食品污染，可以更密切地监测疾病与其他问题。2018年，美国的Iron Ox公司公布了自己的全机器人农场，主要致力于水培植物的生产，农场内一切操作都受到计算机程序（绰号“大脑”）的监督，监控每个托盘的生长条件并调整其气体和养分的平衡以获得最佳生长条件。这个农场每公顷的场地可以产出户外30 hm2土地等量的植物，价格却和传统产品一样便宜。Iron Ox公司的设计理念是在城市进行可持续农作物生产，如果在人口密集地区创建这样的农场，就能避免蔬菜的长途运输，保证蔬菜的真正新鲜。世界农业机器人的最终趋势也必然朝着高智能化、高集中化的方向发展。

4.2 我国的发展环境

农业生产是国家的产业基础，随着我国科学技术与经济的高速发展，以及农业劳动力结构性短缺日趋严重，加快推进农业机械化和农机装备产业转型升级已经成为当前和今后相当长时间内的战略任务，国家在不断加大对农业机械化的扶持力度，同时，逐步调高农产品生产的集中化程度和调整农产品结构。我们要紧密围绕农业生产实际，以生产收益高的农业产业作为切入点，把先进性、实用性、经济性紧密结合，顺应市场规律，研制出适合我国国情的农业机器人，最终实现产业化并逐渐推广应用。未来，我国农业将是智能机器取代人工繁重体力劳动的时代。