机器人在农业中的应用

本科结课论文

论文题目机器人在农业中的应用学院工学院

专业名称机械设计及其自动化班级机械09-2

学号091014228

姓名汪亚男

机器人在农业中的应用

摘要：近年来,农业机器人中得到了广泛的应用,农业日渐趋于自动化。世界各国对农业机器人极其重视，投入了大量的资金和人力进行机器人的研究开发。这篇论文从机器人开发研究的背景出发,综述了国内外农业机器人的研究现状,探讨了农业机器人的主要应用领域,最后分析了机器人在农业应用中目前还存在的问题,并对我国农业机器人的发展进行了展望。

关键词：机器人、农业、背景、应用领域、存在问题、未来展望

1、农业机器人开发研究的背景

农业是一个国家的基础支柱，虽然世界上的农民很多，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他产业转移，如工业、林业等，这将会严重影响农业的发展水平。实际上进入21世纪后，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严重。在美国、日本等发达国家，农业人口少随着农业生产的多样化、规模化、精确化，劳动力不足的矛盾越来越明显，许多作业项目如耕种、施肥、收割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，随着电子技术和微机的发展，人们发明了机器人，是农业部分工作变得智能化和自动化，减少了人力的投入，提高了生产水平。

2、国内外农业机器人的研究现状

我国是一个发展中的农业大国，农业问题始终是关系到我国经济社会发展的根本问题。我国目前已开发出来的农业机器人有：耕耘机器人、除草机器人、施肥机器人、喷药机器人、蔬菜嫁接机器人、收割机器人、采摘机器人等。我国已研制成功蔬菜嫁接机器人并成功进行了试验性嫁接生产。由中国农业大学研制的蔬菜机器人解决了蔬菜幼苗的柔嫩性、易损性和生长不一致性等难题，可以对蔬菜的砧木和穗木进行自动化嫁接，可广泛用于黄瓜、西瓜、甜瓜等菜苗的嫁接。目前，中国农业大学的科技人员对机器人的机器结构和控制软件进行了改进，提高了机器作业的可靠性及其操作的方便性。蔬菜嫁接机器人的研制成功，为我国发展温室栽培的蔬菜瓜果嫁接的规模化、产业化提供了一种先进的作业设备。我国还成功地研制出了采摘西红柿机器人。它带有彩色摄像头，能够判断果实的生熟。由于位置误差，它采

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摘的成功率约为75%，对于实际需要，这个数字是可以接受的。东北林业大学研制出林木

球果采集机器人。机器人可以在较短的林木球果成熟期大量采摘种子，对森林的生态保护、森林的更新以及森林的可持续发展等方面都具有重要的意义，很好地解决了目前在林区仍主要采用人工上树手持专用工具来采摘林木球果的做法。伐根机器人主要用于收集森林采伐剩余物和培育优质工业用材林。它的应用有望克服我国的森林资源危机，改进我国的森林资源利用。

在国外农业机器人的研制与开发上，日本是研究农业机器人开发和应用最早的国家之一，开发应用机器人技术也最成熟。日本从上世纪70年代后期就开始启动对农业机器人的研究，凭借经济上的优势，目前已开发出大量能用于农业生产的机器人，如嫁接机器人、扦插机器人等。西班牙发明了采摘柑橘机器人，这种机器人通过把柑橘颜色、大小等与体内已设好程序对比，从而判断柑橘是否已经成熟。丹麦科学家研究开发出一种能进行农田除草的机器人，既减轻了劳动者负担，又避免了农药对环境的污染。法国研制开发了分拣机器人，弄够在各种极端环境下工作等等。受工业机器人的高速发展的带动，农业机器人发展也非常迅速，必将引领21世纪精准农业发展方向。

3、农业机器人的主要应用领域

随着机器人技术的进步,将从以定型物、无机物为作业对象的工业机器人向更高层次的

以动、植物之类复杂作业对象为工作目标的农业机器人发展,农业机器人或机器人化的农业

机械的应用领域也将逐步扩大。在21 世纪,它们可能在以下领域得到广泛应用。室内工作的农业机器人,将在温室大棚和生产车间里发挥作用。温室栽培包括育苗、嫁接、采摘、包装

等多类作业,其它还有摘叶、防虫除草、搬运等工作需要反复进行,需要的劳动力多、劳动强度大,温室内高温、高湿、劳动环境较差,十分需要实现作业的自动化。

农业机器人也可以被应用于温室大棚的灌溉、施肥和喷洒农药。机器人发挥其信息采集和处理方面的优势,根据光反射和折射的原理,通过准确测定温室内植物的需水量,进行精确

定点的灌溉控制,通过检测土壤状况控制施肥的准确数量,降低成本,并可以改善地下水质防

止环境污染。机器人用于喷洒农药,最大的优点是避免了人体接触农药,有利于工作人员的健康。同时由于喷洒农药的准确性提高可以减少农药用量和降低污染。

机器人还可以应用于苗木株苗、蔬菜、花卉的移栽,利用机器人的信息传感功能和智能

化分析程序,可以准确辨别好苗和坏苗,指挥机械手把好苗准确地移栽到预定的位置上,而抛

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去坏苗,机器人将大大减少人工劳动量,降低人工成本,提高移栽操作质量和工作效率。美国曾开发出用于葡萄枝修剪的机器人,该机器人可以根据树的发育状态,基于根据管理人员经验建立的电脑模型法则,利用摄像机识别树枝,用带剪刀的机械手进行修剪作业。

农业机器人最可能得到广泛应用的领域是农产品的自动采摘。机器人用于农产品采摘,可以充分利用机器人的信息感知功能,对被采摘对象的成熟程度进行识别,从而保证采摘到的果实的质量,机器人采摘的工作效率将大大高于人工。机器人既可以应用于番茄、洋葱、马铃薯等蔬菜的采摘,也可用于樱桃、枣、柑橘和西瓜等水果的采摘,甚至花生和蘑菇等经济作物也可利用机器人进行采摘。英国已开发出蘑菇采摘机器人,用CCD 黑白摄像机识别作业对象,识别率达84 %,使用用直角坐标机械手进行采摘,为了防止损伤蘑菇,执行器部分装有衬垫,吸附后用捻的动作进行收获,收获率达60 %,完整率达57 %。

在水果、蔬菜等农产品加工车间里,机器人将被用于农产品的分级。高档次、洁净化的蔬菜、水果往往需要按大小尺寸及品质等级标准等进行拣选、分类和包装。在分选过程中,被分选的产品的外观形状、内部品质、成熟程度和伤病等特征复杂,人工拣选时对产品等级的判定是根据个人的经验、瞬间得出判断结果,其结果往往因人而异,而且受人的情绪和疲劳程度的影响。将机器人技术引入农产品加工车间,可以大幅度提高分选的均一性,降低产品的破损率、提高生产率、降低生产成本和改善劳动条件。

采用机械挤奶是奶牛饲养业的一大进步,但是挤奶工作仍然要花费奶牛饲养者很多的精力。全自动挤奶机器人将使得挤奶自动化程度得到更进一步的提高。荷兰已经开发出的挤奶机器人可以自动管理奶头位置信息,使用超声波传感器识别奶头位置,用计数型机械手进行挤奶杯的装着、奶头清洗和挤奶等作业。

对于农业机器人,真正的挑战是进入野外农田和山坡进行作业。用于野外作业的农业机器人可以在平整土地、定点灌溉、施肥和喷洒农药方面发挥作用[23 ,24 ] 。用于大田作业的机器人可以运用激光技术平整土地,在地畦边上安装信号机,履带机器人接受激光后便自动调节高低进行土地平整。用激光控制的机器人,可以选择最佳运行路线,喷洒农药和化肥,使生产成本减少。

4、农业机器人目前还存在的问题

农业机器人近年来虽已有重大发展，但由于在农业领域应用的历史还比较短，至今还没有普及。工业机器人开发研究所需大量资金可由工厂或工业集团来支付，而农业机器人使用

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