农业机器人的研究与实际应用

农业机器人的研究与实际应用

摘要：随着现代机械和计算机技术的发展，农业生产方式在逐步发生改变，农业机器人出现在农业生产的各个环节。农业机器人是使用机械来模拟人工进行农业活动的机器人，它是一个国家农业发展程度的标志。从20世纪开始世界各国就开展了诸多的关于农业机器人的研究，我国对农业机器人的研究也有很长一段时间。本文介绍了农业机器人的特点和国内外研究现状，并且指出了存在的问题和发展方向，同时介绍了几种典型的农业机器人的应用。

关键词：农业机器人；研究现状；应用

引言

随着科学技术的发展，机器人技术越来越被世界各国所重视，已经在许多领域得到了广泛的应用，如工业生产、太空和海洋探索、国防以及人民生活等领域。但在农业领域，由于经济和技术上的特殊性，还没有达到实用化。国际上一些发达国家，特别是日本和一些欧美国家，从上世纪八十年代开始研究，取得了一些成果，开始进入了应用阶段。我国在该领域中的研究还处于起步阶段，必须加快步伐，才能达到世界先进水平。

1.农业机器人的开发要点

农业机器人技术是一门交叉学科，是多领域技术的综合，其研究开发需要各学科相关知识的配套与支援。虽然因为用途的不同，农业机器人的功能和结构有所差异，但一般农业机器人的结构都包括五官、头脑、神经、手脚和心脏等部分。为了使能够适应复杂多变的农作物，研究开发农业机器人时必须注意以下几点：

1. 良好的适应性

农业机器人通常工作在恶劣的、危险的和变化的环境中，例如：温室作业经常是在温度超过40度和湿度超过100%的环境中；而露天作业面对的是风沙和强光的照射。农业机器人必须具有良好的适应性，根据环境和机械本身的情况，自动进行调整。

1. 良好的通用性和可编程性

由于农业机器人的操作对象具有多样性和可变性，要求具有良好的通用性和可编程性。只要改变部分软、硬件，就能变更判断基准，变更动作顺序，进行多种作业。例如：温室作业的机器人，更换不同的末端执行器就能分别完成施肥、喷药和采摘等作业。

1. 操作对象和价格的特殊性

农业机器人操作者是农民，不是具有机电知识的工程师，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；另外，农业生产以个体经营为主，如果不是低价格，就

很难普及。

2.农业机器人的国内外研究现状与应用举例

自上世纪80年代开始，以日本为代表的发达国家纷纷开始农业机器人的研究开发。虽然由于农业生产所具有的技术和经济的特殊性，还没有达到实用化。但是，已经取得了一些可喜的成果。已经开发出来的农业机器人有：耕耘机器人、施肥机器人、除草机器人、喷雾机器人、蔬菜嫁接机器人、移栽机器人、收割机器人、采摘机器人、林木修剪机器人、果实分拣机器人等。

2.1嫁接机器人

嫁接机器人技术，是近年在国际上出现的一种集机械、自动控制与园艺技术于一体的高新技术，它可在极短的时间内，把蔬菜苗茎杆直径为几毫米的砧木、穗木切口嫁接成活。因此，嫁接机器人技术被称为嫁接育苗的一场革命。日本从1986年开始了对嫁接机器人的研究，以日本“生物系特定产业技术研究推进机构”为主。一些大的农业机械制造商参与研究开发，其成果已开始在一些农协的育苗中心使用。上世纪90年代初，韩国也开始对自动化嫁接技术进行研究，但其研究开发的技术，只是完成部分嫁接作业的机械操作，自动化水平较低，速度慢，而且对砧、穗木苗的粗细程度有较严格的要求。在欧洲，农业发达国家如意大利、法国等，蔬菜的嫁接育苗相当普遍，大规模的工业化育苗中心全年向用

户提供嫁接苗。南于这些国家尚未有自己的嫁接机器人，嫁接作业仍采用手工为主，一部分采用日本的嫁接机器人作业。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、自动旋切贴合法嫁接技术，填补了我国自动化嫁接技术的空白，形成了具有我国自主知识产权的自动化嫁接技术。如利用传感器和计算机图像处理技术，实?F了嫁接苗子叶方向的自动识别、判断。因此，发展自动化嫁接技术，有利于推动我国农业现代化的跨越式发展。

2. 采摘水果机器人

日本开发了一系列不同用途的农业机器人，除嫁接机器人外还有采摘水果的机器人。这种机器人有他自身的特点：它们一般是在室外工作，作业环境较差，但是在精度上却没有工业机器人那样要求高。以一种西瓜收获机器人为例作简单介绍。一般的机器人多数是采用电气驱动，但是为了降低成本，这种西瓜收获机器人却是采用汽油机作为动力，比以蓄电池为动力源的电气驱动要经济的多。试验结果表明，当机械手的中心与西瓜的中心偏离不超过54mm时，机械手都能抓住西瓜。当手指尖端的滑轮沿西瓜表面向下滑动时，利用手指关节的动作可以求H{西瓜的大小，利用手上附加的力传感器可以求出西瓜的重量.误差仅仅在2%以内。这样就可以在现场对西瓜进行初步的分级，另外也可以根据力的变化

判断是否抓住了西瓜。收获西瓜的作业试验结果表明，这种采摘西瓜机器人比较理想，机械手抓到的西瓜占西瓜总数的76.5%，对于一般的农业机器人能达到此标准已经很不错。

3.农业机器人的发展展望

从研究现状上看，农业机器人正在由试验研究阶段向实用化阶段过渡。随着高科技农业发展的需要和机械电子技术日益紧密的结合，农业机器人将不断涌现与完善。在今后的发展中，农业机器人必须在以下两个方面得到突破。

3.1智能化识别和定位

在果蔬收获采摘机器人系统中，由于作业环境的复杂性，采摘对象的智能化识别和定位还没有完全解决。其中最大的困难在于光照条件的不确定性和果实的部分或完全遮

挡问题。因此，还需要在视觉传感器技术、视觉与非视觉传感器技术的融合、图像获取和图像处理的算法等方面进行更深人的研究。

3.2机械本体的优化设计

机械结构直接决定机器人运动的灵活性和控制的复杂性。收获采摘机器人必须紧凑，行走、转弯灵活。因此，在满足机器人性能的前提下，结构应尽可能简单、紧凑和轻巧，而且还要尽可能保障机器人运动平稳和灵活避障。设计末端执行器要求在准确快速切除果实的同时，不损伤果实。所以，为了设计出合适的收获采摘机器人，必须进行机构的运动学