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1、农业机器人的应用与发展现状摘要：本文总结了农业机器人的产生背景，概括了农业机器人的特点，并针对目前农业农业机器人的应用现状做了全面概述，并从国内外各个国家的农业机器人的研究状况概述了当前机器人的发展现状。关键词：农业机器人 应用现状 国内外发展现状 1、农业机器人的开发背景 随着电子技术和计算机技术的发展，诞生于美国的智能机器人技术正越来越被世界各国所重视，它已在许多领域得到了广泛的应用。在农业生产中，由于易对植被造成损害、易污染环境等原因，传统的机械通常存在着这样或那样的缺点。为了解决这个问题，国内外都在进行农业机器人的研究。智能化和自动化技术的长足进展，为应用于非结构化环境的农业机器人开发
2、打下了坚实的理论基础，如近几年出现的耕耘机器人、嫁接机器人、农药喷洒机器人、瓜果采摘机器人、温室管理机器人等1戴乃昌.农业机器人的发展和应用初探J农机化研究,2009（2）: 241243.1，都是现代高科技在农业上综合运用与发展的结果。使用农业机器人可以提高劳动生产率,解决劳动力的不足改善农业生产环境，防止农药、化肥等对人体的伤害提高作业质量。农业机器人相对于传统农业机械能够更好地适应生物技术的新发展，农业机器人的问世，有望改变传统的劳动方式，改善农民的生活劳动状态。我国是一个农业大国,虽然农业人口众多，但随着工业化进程的不断加速，可以预计农业劳动力将逐步向社会其它产业转移，实际上进入21世
3、纪后，我国将面临着比世界任何国家都要严重的人口老龄化问题，农业劳动力不足的问题将日益凸现2闫树兵,姬长英. 农业机器人移动平台的研究现状与发展趋势J.拖拉机与农用运输车,2007,24（5）:1315.2。在日本、美国等发达国家,农业人口少随着农业生产的规模化、多样化、精确化,劳动力不足的矛盾越来越突出,许多作业项目如蔬菜、水果的挑选与采摘等都是劳动密集型工作,再加上农时季节要求,劳动力短缺的问题越来越突出。因此，世界各国对农业机器人非常重视，投入了大量的资金和人力进行机器人的研究开发。近年来，随着工业机器人的高速发展与广泛应用，在农业领域的机器人也发展很快，预计21世纪将是农业机器人的时代3
4、胡桂仙,于勇,王俊农业机器人的开发与应用J.中国农机化,2002,(05):45-47.3。2、农业机器人的特点农业机器人是一种以农产品为操作对象、兼有人类部分信息感知和四肢行动功能、可重复编程的柔性自动化或半自动化设备。它能减轻劳动强度, 解决劳动力不足, 提高劳动生产率和作业质量, 防止农药、化肥等对人体的伤害4田素博;国内外农业机器人的研究进展J.农业机械化与电气化,2007,(02):3-5.4。2.1作业对象的娇嫩性和复杂性农作物具有软弱、易伤的特性, 且其形状复杂, 生长发育程度不一, 相互差异很大。2.2作业环境的结构性不统一随着农作物时间和空间的变化, 机器人工作环境也是变化的
5、、未知的。作物生长环境除受地形条件的约束外, 还直接受季节、天气等自然条件的影响。这就要求农业机器人要在视觉、推理和判断等方面具有相当的智能。2.3作业过程的复杂性农业领域的行走不是从出发点到终点的直线行走, 而是具有范围狭窄、距离较长和遍及整个田间表面等特点。通常是农业机器人作业与移动同时进行而且工作时具有特定的位置和范围。2.4操作对象和价格的特殊性农业机器人的操作者农民，并不具备较高的机械电子知识水平，因此农业机器人还必须具备非常高的可靠性和操作简单的特点。另外农业机器人是以个体农民经营为主，如果不具备价格优势，就很难得到普及应用5赵匀,武传宇,胡旭东等.农业机器人的研究进展及存在的问题
6、 J.农业工程学报, 2003,19(1):20-24.5。3、农业机器人的应用现状农业生产大致可以分为两类：一类是在大面积农田中进行作业的土地利用型农业，另一类是在温室或植物工场中进行作业的设施型农业。农业机器人根据解决问题的侧重点不同，用于前者的称为行走系列农业机器人，用于后者称为机械手系列机器人3。3.1 行走系列农业机器人行走系列农业机器人的主要目标的自主行走，边行走边作业。它的作业条件受地理环境的影响。因此要保持机器行走的速度与姿势，从而得到高质量作业，是目前开发此类农业机器人必需解决的问题，下面介绍几种活跃在农田中的机器人。3.1.1自行走耕作机器人自行走式耕作机器人是在拖拉机的基
7、础上加上方位传感器和嵌入式智能系统等, 可在耕作场内辨别自身位置, 推动执行机构动作, 实现无人驾驶; 配上各种农具, 能进行各种田间作业, 从而保证田间垄作方向正确与耕作精准。随着GPS(全球卫星定位系统)的应用, 卫星导航和精确定位行驶发展成熟, 自行走式耕作机器人的技术也随之成熟, 并已处于实用性阶段。3.1.2施肥机器人施肥机器人除具备在田间作业自动行驶的功能外, 会根据土壤和作物种类的不同, 自动按不同比例配备营养液, 计算施肥总量, 降低农业成本, 减少施肥过多产生的污染。3.1.3除草机器人除草机器人采用了先进的计算机图像识别系统、GPS 系统。其特点是利用图像处理技术自动识别杂
8、草, 利用GPS 接收器做出杂草位置的坐标定位图。机械杆式喷雾器根据杂草种类数量自动进行除草剂的选择和喷洒。如果引入田间害虫图像的数据库, 还可根据害虫的种类与数量进行农药的喷洒, 起到精确除害、保护益虫、防止农药过量污染环境的作用。3.1.4水田管理作业机器人水田中的作物是有规则的栽种，因此也可以通过测量作物方位进行机器人式作业。日本农林水产省农业研究中心开发的机器人式水田管理作业机能对水稻进行洒药与施肥等作业。该机器人的自主行走系统采用类似猫的胡须的接触传感器，沿着列行走，到地头时自动停止，并转一个作业宽度至返回方问，再由操作者确认是否进入正确稻列进行作业，这是半自动作业方式。3.1.5收
9、获及管理作业机器人这种机器人根据预先设置的指令，利用自动控制机构、陀螺罗盘和接触传感器，从而自动进行田间作业。在该类机器人的研究上，日本开发了利用棒状传感器检测稻株，靠离合器闸的接通与断开实现转向的方向自动控制的联合收割机。美国新荷兰农业机械公司研制多用途的自动化联合收割机器人，它很适合在美国的一些专属农垦区大片整齐规划的农田中收割庄稼。3.2机械手系列机器人机械手系列机器人的目标是对作业对像的识别，它的作业对象是果实、家畜等离散个体。由于作业对象的基本生理特征和力学特征等不同，开发该机器人的重点应放在检测数据的采集上，从而开发不同的传感器。传感器的融合技术在近年来已被引入到机器人识别研究中，
10、开发新型传感器以及提出新的融合方法，提高灵敏度和反应速度以完善探测结果，是今后重要的研究方向。目前，属于该系列的机器人主要有下面几种。3.2.1嫁接机器人嫁接技术广泛应用于蔬菜和水果的生产中, 可以改良品种和防止病虫害。嫁接机器人是一种集机械、自动控制与园艺技术于一体的高新技术, 可在短时间内把蔬菜苗茎秆直径为几毫米的砧木和芽坯嫁接为一体, 大幅提高嫁接速度, 同时避免了切口长时间氧化与苗内液体的流失, 提高了嫁接成活率, 大大提高了工作效率。嫁接机器人在日本应用十分广泛, 中国农业大学率先在我国开展了自动化嫁接技术的研究工作, 先后研制成功了自动插接法和自动旋切贴合法嫁接技术, 形成了我国具
11、有自主知识产权的嫁接机器人技术。3.2.2采摘机器人(果实收获机器人)近年来, 为提高果品蔬菜的采摘效率, 国外开发了一系列采摘机器人。该类机器人采用彩色或黑白摄像机作为视觉传感器来寻找和识别成熟果实, 主要由机械手、终端握持器、视觉传感器和移动机构等主要部分组成。一般机械手有冗余自由度, 能避开障碍物, 有时终端握持器中间有压力传感器, 避免压伤果实。在很多国家已经广泛投入使用的有番茄采摘机器人、黄瓜采摘机器人、葡萄采摘机器人、西瓜收获机器人和柑橘采摘机器人等。3.2.3育苗机器人(移植机器人)育苗机器人主要是用于蔬菜、花卉和苗木等种苗的移栽。它把种苗从插盘移栽到盆状容器中, 以保证适当的空
12、间, 促进植物的扎根和生长, 便于装卸和转运。现在研制出来的育苗机器人有两条传送带: 一条用于传送插盘, 另一条用于传送盆状容器。其他的主要部件是插入式拔苗器、杯状容器传送带、插漏分选器和插入式栽培器。在许多情况下, 种子发芽率只有70% 左右, 而且发芽的苗也存在坏苗, 所以育苗机器人引入图像识别技术进行判断。经过探测之后, 准确判别好苗、坏苗和缺苗, 指挥机械手把好苗准确移栽到预定位置上。育苗机器人大大减少了人工劳动, 提高了移栽操作质量和工作效率。3.3其他机器人其他一些特殊的农业机器人(如澳大利亚生产的剪羊毛机器人和荷兰开发的挤奶机器人等)已经投入生产中, 其技术已经非常成熟。3.3.
13、1剪羊毛机器人澳大利亚成功研制了剪羊毛机器人。首先将羊固定在可作三个轴心转动的平台上，然后将有关羊的参数输入计算机，据此算出剪刀在剪羊毛时的最佳运动轨迹，然后用液压传动式剪刀剪下羊毛。由试验结果表明，机器人要比熟练的剪毛工剪得快。3.3.2挤奶机器人1992年荷兰科学家开发了挤奶机器人，根据计算机管理的乳头位置信息，用超声波检测器自动找到牛的乳头位置，用计数型机械手进行挤奶杯的装置、奶头清洗和挤奶等作业。3.3.3葡萄树修剪机器人1994年英国科学家研制了葡萄树修剪机器人，根据以经验为基础的电脑模型法则，利用摄像机检测树枝，用带剪刀的机械手修剪。农业机器人的使用还没有完全覆盖整个农业生产领域,
14、 一些蔬菜类收获机械(如白菜收获、油菜收获等)虽然已经进入研究中, 但是并没有完全实现自动化。同时, 并不是整个农业生产领域都适应机器人工作。总之, 发展农业机械化与自动化, 改进现有的生产设备, 来促进农业生产的发展, 以提高我国国民经济水平, 是目前农业机械发展的主要方向和途径。4、国内外农业机器人的发展状况4.1国外农业机器人的发展状况14.1.1日本日本是研究农业机器人最早的国家之一，日本的农业机器人技术发展也最为成熟，这与日本自身岛国的自然资源条件是分不开的。早在20世纪70年代后期，随着工业机器人的发展，对农业机器人的研究工作逐渐启动，已研制出多种农业生产机器人，如嫁接机器人、育苗
15、机器人、农药喷洒机器人、扦插机器人、施肥机器人、番茄采摘机器人、移栽机器人、黄瓜采摘机器人和葡萄采摘机器人等理论与应用都居世界前列。2O世纪9O年代以来，“精确农业”技术的研究与应用在发达国家受到了普遍的重视，已被国际农业科技界认为是21世纪实现农业可持续发展的先导性技术之一。4.1.2美国美国的农业机器人技术发展也非常快。由于美国自身科学技术发达，领土广阔，农业机械化程度很高,其行走式农业机器人理论技术发展得非常成熟。美国新荷兰农业机械公司投资250万美元发明了一种多用途的自动化联合收割机器人，很适合在美国一些专属农垦区的大片规划整齐的农田里收割庄稼6。4.1.3西班牙西班牙发明的采摘柑橘机
16、器人由一台装有计算机的拖拉机、一套光学视觉系统和一个机械手组成，能够从桔子的颜色、大小和开关判断出是否成熟并决定能不能够采摘。它每分钟摘柑桔60个，是人工采摘的7倍7。另外，采摘柑桔机器人能够依靠装有视频箱的机械手对当即采摘下来的柑桔按大小进行分类。4.1.4英国英国西尔索研究所开发的采蘑菇机器人装有录像机、红外线测距仪和视觉分析软件，能够首先确定哪些蘑菇可以采摘以及属于哪种等级，然后测出其高度以便进行采摘。它每分钟能摘蘑菇40个，比手工快两倍8。4.1.5法国法国研制的分拣机器人能在潮湿肮脏的环境里工作，把大个番茄和小粒樱桃加以区别，然后分别装运开来。它还可用来分拣不同大小的土豆，并且不会碰坏它们。4.1.6丹麦丹
