农业机器人发展及其应用
摘 要 农业机械化的发展是一个国家农业发展水平的标志,而农业机器人技术更体现出一个国家的科技实力。农业机器人是21 世纪农业机械的发展趋势之一，为此,论述了农业机器人的概念和特点,分析了国内外机器人的发展状况,对现有农业机器人进行了简要阐述。通过对各国农业机器人发展现状的分析,指出了我国农业机器人技术的发展方向。
关键字 机器人 农业机器人 现状 发展
前言
随着电子技术和计算机技术的发展，智能机器人已在众多领域得到了日益广泛的应用。农业机器人技术作为现代高效低耗智能化自动化的农业技术装备广泛地应用于农业生产是21世纪农业发展的必然趋势。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，特别是一些发达国家，农业人口较少，劳动力问题突出，对农业机器人的需求更为迫切。就我国而言，由于机械化、自动化程度比较落后，“面朝黄土背朝天，一年四季不得闲”曾是我国农民的象征。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。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研究开发。
1、农业机器人产生的历史背景
农业机械是农业生产中不可缺少的工具, 直接影响农业生产的质量、数量、生产效率经济效益。因此, 从目前正在蓬勃发展的农业新技术革命的角度来讲, 没有农业机械的新技术革命是不完整的农业新技术革命。人们之所以对农业机器人感兴趣一是现代农业的发展提出了应用新一代农业机械—农业机器人的要求二是现代科学技术的发展使得开发应用具有一定智能水平的农业机器人成为了可能。
1.1机器人的来源
“机器人” -词出自于捷克作家卡雷尔．查培克1920年编写的(罗莎姆万能机器人公司)剧本中的主人公的名字，该剧本1921年1月在布拉格首次上演，轰动全捷克，并由此使机器人这一概念流传全世界。
1.2机器人技术的发展
1954年美国的G．C．Devol发表了“通用机器人”专利；1960年美国AMF公司生产了柱坐标型Versatran机器人，这是世界上第一种用于工业生产上的机器人。目前对机器人技术的发展有最重要影响的国家是美国和日本。美国在机器人技术的综合水平上仍处于领先地地位。日本在1967年由川崎重工业公司从美国Unimation公司引进机器人技术，建立起生产车间，并于1968年试制出第一台川崎的“尤尼曼特”机器人。到80年代中期，日本已经一跃而为“机器人王国”，其机器人的产量和安装的台数在世界跃居首位。其他工业发达国家如英国、法国、德国和前苏联等国家也都在本国政府的倡导和扶持下开展机器。
1.3机器人的分类
关于机器人分类，国际上没有制定的统一标准。我国专家从应用环境出发，将机器人分为两大类：即工业机器人和特种机器人。工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。而特种机器人则是除工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人，包括：服务机器人、水下机器人、娱乐机器人、军用机器人、农业机器人、机器人化机器等。
2、农业机器人简介
2.1农业机器人的概念
农业机器人是一种集传感技术、监测技术、人工智能技术、通讯技术、图像识别技术、精密及系统集成技术等多种前沿科学技术于一身，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。
2.2农业用机器人的特点
2.2.1 作业对象具有娇嫩性和复杂性
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。
2.2.2 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、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。
2.2.3 作业动作具有复杂性
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。
2.2.4 操作对象和价格具有特殊性
农业机器人的操作者是农民,因此要求农业机器人必须具有高可靠性和操作简单的特点。同时,农业机器人以个体经营为主,如果不是低价格,就很难普及,这也是农业机器人发展的一个特点。
3、农业机器人的种类及应用
3.1 行走式农业机器人
3.1.1.自行走式耕作机器人
自行走式耕作机器人是在拖拉机的基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。
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草,利用GPS接收器做出杂草位置的坐标定位图。
3.2机械手式农业机器人
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，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
嫁接技术在蔬菜、水果生产中得到广泛的应用，它一方面可以改良品种，另一方面可以防止病虫害。但是由于气候等因素的影响，要求在短时间内完成，因此这给作业者带来了体力上与精神上的疲劳。为了提高作业效率， 开发了嫁接机器人。日本农产省1989年成立了TGR技术嫁接研究所。该研究所研制出了一种嫁接机器人，其嫁接过程分切断、合位和接苗三个环节。它为全自动式，若本苗或嫁苗有缺苗时能自动判别，并跳过缺苗盆。该机器人的嫁接成功率达97%， 同时也大大提高了作业速度。
3.2.2收摘机器人
到1997年底，国外开发的一系列果品蔬菜收摘机器人，如西红柿、黄瓜、结球菜、柑桔等收获机器人均研制出了样机，有些已应用于实际生产。这类机器人采用彩色摄像机作为视觉传感器寻找和识别成熟果实，它主要由机械手、终端握持器、视觉传感器及移动机构等几部分组成。其中机械手有7个自由度，能避开障碍物；终端握持器的中间有压力传感器，能避免损伤果实。
3.2.2.1西红柿收摘机器人
西红柿每棵可长4-6个果实，而每个果实并不是同时成熟的。成熟的果实为红色，而不成熟的果实为绿色，因此通过彩色摄像机作为视觉传感器寻找和识别果实，同时利用终端握持器中的吸引器，把果实吸住，再用机械手的腕关节把果实拧下。为了降低西红柿的收获成本，目前已研制了用于收获樱桃西红柿的机器人，它采用双目立体成像技术来确定果实的位置，成功率约为70%。
3.2.2.2黄瓜采摘机器人
它的主要部分与西红柿采摘机器人相同，不同的是用一般的摄像机难以区别果实与叶茎，因此采用CCD摄像机，它的感光范围是从可视光到红外光，利用黄瓜与叶茎对红外光的反射率不同进行识别；为便于黄瓜的采摘，黄瓜架做成倾斜的；采用6个自由度的机械手便可以采摘， 由于采用拧摘方法较难，故采用接触方法先抓住黄瓜， 再用接触传感器找到柄，然后剪断。
3.2.2.3葡萄采摘机器人
对于水平葡萄架的葡萄采摘机器人，视觉传感器一般为彩色摄像机，而用PSD Position Sensitive De Vice 三维视觉传感器效果更好，该传感器侧装有激光光源，传感器接收目标物的反射光，从而检测出成熟果实及其距离的三维信息。它的机械手为5自由度极坐标型，终端执行器中的手指与剪刀采摘果实。
3.2.2.4柑桔采摘机器人
西班牙科技人员发明的这种机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。能从果实的大小、形状和颜色判断是否成熟。它的工作效率很高。另外，该机器人通过装有视频器的机械手，能对采摘下来的果实按大小同时进行分类。
3.2.2.5结球菜收获机器人
结球菜收获机器人主要是为选择、收获已成熟的菜球而研制的智能机器人。它收获部的机械手主要由V型下指、中指和上指，以及薄型切割刀等组成。V型下指用来分离菜球与菜的外叶，当视觉部确定目标后，下指自动插到菜球与外叶之间，使菜球的根部完全暴露，再由切割刀切下菜球，菜球随下指上升到一定高度，由中指和上指把菜球从下指部取走，送到传送箱。该机器人大大节省了劳动力，减轻了劳动强度，提高了效率，当然它的不足之处是视觉系统的搜索时间较长，对菜球本身的紧度也有一定的要求，另外，它目前的成本也比较高。
3.2.2.6 蘑菇收获机器人
在许多国家，蘑菇的生产集约化程度很高，但人工采摘蘑菇的效率低，且分类的质量不易保证，从而制约了生产效率与经济效益的提高。因此研制了具有计算机视觉系统的蘑菇采摘机器人。在1994年，由英国开发，用CCD黑白摄像机识别作业对象，再用直角坐标机械手进行收获。为了防止损伤蘑菇，机械手的执行部有衬垫，吸附后用捻的动作完成。该机的识别率达84%，收获率达80%，完整率达57%。
3.2.2.7西瓜收获机器人
日本京都大学开发了一西瓜收获机器人。大多数的机器人采用电气驱动，但这种机器人是采用油压驱动。机械手有五个自由，除一个关节外都采用油缸控制。虽然精度较差，但省掉了减速机，降低了成本，这对于农业使用是有利的。另外它的果实检测是根据西瓜挂果的日期（开花日期）的不同，树立直径为40mm的不同颜色的标识球，这样就可以根据标识球的颜色和位置正确判断西瓜的位置和成熟度。为了便于判断，标识球的颜色有一定的限制。
3.3育苗机器人
育苗机器人由自由行走的行走部、程序控制器控制的控制部及各种作业装置（播种装置、浇水装置、补苗装置、苗接触刺激装置及削苗装置）等组成。该机器人在轨道上自由行走，通过微处理器的程序控制行走部与各种作业装置，从而完成育苗工作。
3.4其它机器人
3.4.1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。
3.4.2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。
3.4.3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。
3.4.4分检果实机器人
英国西尔索农机研究所的研究人员开发出一种结构坚固耐用、操作简便的果实分检机器人，从而使果实的分检实现自动化。它采用光电图像识别和提升分检机械组合装置，把大个西红柿和小的樱桃加以区别，然后分检装运。也能把土豆进行分类，且不擦伤外皮。
4、国内外农业机器人发展现状
4.1国外农业机器人发展现状
4.1.1日本
日本的农业机器人技术发展最为成熟,这与日本自身岛国的自然资源条件是分不开的。日本国内劳动力不足,土地资源贫乏,多山地,人口密度大,因此需要大力发展温室作业。但是温室内的温度高、湿度大,不适于长时间工作,这也就决定了它为弥补劳动力与土地资源不足、改善劳动环境而走向机械化和自动化相结合的农业发展方向。其嫁接机器人、育苗机器人、农药喷洒机器人、施肥机器人、番茄采摘机器人、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。
4.1.2美国
世界农业生产大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。但是,美国使用大型农业机械会带来对表层土壤的碾压问题。一般的耕地方式仅对表层土壤起作用,碾压使得深层土壤变得坚实,失去透水性,干燥时会使土壤沙漠化,大雨时又会导致水土流失。另外,从环境保护角度考虑,提倡精细农业,即根据作物生长情况进行精细的施肥和预防病虫害等农业作业。这样一方面可以降低成本,同时也防止残留物对环境的污染,而大型农业机械则难以胜任。开发小型农业机器人既可提高生产率,又可解决大型农业机械对土壤的碾压和难以完成精细农业作业等问题。因此,美国包括一些西欧国家的行走式农业机器人技术很成熟,同时农业精细耕作技术也非常成功。
4.1.3澳大利亚
剪羊毛机器人是澳大利亚于20世纪80年代中期制造出来的,是世界上第1个可以在活的动物身上进行作业的机器人。它用一只手按住羊的头部,用两只手按住羊的脚,把羊按在专用的平台上,还有两只手拿着两把剪刀,贴着羊的身子飞快地剪羊毛。不论是大羊、小羊、肥羊和瘦羊,它都能把羊毛剪得干干净净。在剪羊毛时,羊常常会乱动,但是机器人手中的剪子也不会伤着羊的皮肉。随着科技的发展,剪羊毛机器人也不断地发展,出现了一些新型的机器人。
4.2 国内农业机器人发展现状
中国的土地具有多样性,主要表现为:多山地,多丘陵,同时又有相对较大的平原地带。这就使得开展农业生产具有多样性。除了一些地区开展大型机械化外,在很多地区、很多农作物生产方面也应开展相应的农业机器人技术研究和开发,以促进现代农业的生产。但是,我国自身的现代机械化基础薄弱,在“七五”计划时才把机器人列入国家重点科研规划内容,全面展开了机器人基础理论与基础元器件研究。应该说,相对于发达国家我国的机器人技术落后很多。随着近20 多年的发展,我国也相应建立了机器人基础体系,农业机器人的研究业在很多高等院校和科研院所开展起来,并培养了一大批人才,同时发明创造了一批具有自身特点的农业机器人。例如,已研制出的林木球果采集机器人,可以在较短的林木球果成熟期大量采摘种子,在森林的生态保护、可持续发展等方面都具有重要的意义。
同时,也应看到农业机器人的发展具有不同程度的局限性。其一是农业机器人价格昂贵、难以普及。尽管提高农业生产水平是我国的基本国策之一,我国已经开始农业机械化进程多年,完成大量农业生产设备机械化,但是我国对机械技术的投资比重相对于发达国家还是很低,技术研发阶段成本很高,随着技术的成熟其价格才会下降。研发资金的高投入是非常重要的,是奠定农业机器人技术形成发展的基础。其二是我国的农业生产单位不同,普遍还是以家庭为单位,生产主体本身的劳动素质不高,不能很快地接受具有高技术含量的农业机器人。以家庭为单位的劳动单元也决定了生产作业量的局限。毕竟只有大规模的劳动生产,才能充分发挥农业机器人的价值。其三是我国土地结构的多样性,要求农业机器人的种类繁多,以适应不同的劳动环境。
5.农业机器人发展展望
在农业中运用机器人是从质的方面提高劳动生产率的新方法, 也是农业机械产品技术发展的一个标志。为了实现农业生产的自动化和智能化, 未来的农业机器人应从以下几个方面发展。
5.1实现最佳的作业方法
为了最合理地利用农业生产资源, 应该为作物创造一个最佳的生长环境, 为此必须寻求和应用最合适的作业, 包括作业的种类和作业的程度。理想的农业机器人应能够根据作物生长环境和生长状况, 自动选择最佳的作业内容。当然, 在此过程中所用的知识要靠人们逐渐去积累。
5.2结构简单、价格合理
为了使农业生产中目前尚难以使用机械的领域也实现机械化、自动化, 机器人不能简单的模仿人的动作, 而要用机器人易于实现的动作代替人的动作。为了配合机器人的工作,也应通过生物工程等方法, 改变生物的形态或开发新品种, 使之尽量均一化、规格化。农机农艺结合要求同样也适用于农业机器人和农艺的配合。这样可防止农业机器人机构过于复杂, 使其价格合情合理, 便于推广。
5.3用途广泛
农业机械的特点是使用时间短, 间隔周期长。农业机器人作为机器人就应该做到更换机械手的终端执行器和软件就可移做它用, 做到一机多用, 以提高使用效率, 降低使用成本。
6 结论
通过对国外农业机器人技术的发展和应用的介绍,以及对我国农业机器人技术的发展状况的阐述,可以清楚看出: 农业机械化进程较快的欧美一些国家已经证明了现代农业能够产生巨大的经济效益,农业机器人技术发展水平较高的日本也充分证明了农业机器人技术能够大大解放生产力,提高农业经济效益、社会经济效益。
我国机器人的拥有量还很少,农业机器人更是非常少见,但是随着我国国民经济的持续高速发展,农业产业结构调整和农业生产的集约化以及我国工业机器人技术的快速发展, 我国农业机器人的发展将出现良好的机遇。在新的农业生产模式和新技术的应用中,农业机器人作为新一代智能化的农业机械必将得到越来越广泛的应用
