农业机器人的主要应用领域和关键技术
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（浙江工业大学 机电工程学院， 浙江 杭州 &!""&’）
摘要： 讨论了农业机器人的基本特征， 介绍了农业机器人的主要应用领域， 包括农业机器人在挤 牛奶、 蔬菜嫁接、 苗木株苗移栽、 果蔬的自动采摘、 温室内和野外的灌溉、 施肥及喷洒农药和野外 平整土地等方面的应用， 最后总结了农业机器人所涉及的部分关键技术。 关键词： 农业机器人；温室；采摘；导航 中图分类号： +,’%’ - & 文献标识码： .
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引
言
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 ’! 世纪后， 我们将面临着比世界任何国家都要严重的人口老化 的问题， 农业劳动力不足的问题将逐步变为现实。另外， 随着我国社会的进步、 生活节奏的加快、 饮食结 构的变革和加入世贸组织后参与国际竞争， 必然对进入市场的农产品的质量标准和分级包装等有更高 的要求， 在我国目前尚不显得十分重要农产品拣选， 分级和包装必将成 ’! 世纪我国农产品生产过程， 尤 其是进行工业化生产的重要环节。综上， 可以预计， 在 ’! 世纪提高农业工程的自动化水平将成为我国 农业科技领域的一个重要研究热点， 用于农产品生产方面的各类机器人作为高级自动化设备， 在我国也 将得到推广应用。本文对未来农业机器人的主要应用领域和一些关键技术做简要介绍。
［&%］ 农业机器人还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。
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未来农业机器人的主要应用领域
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收稿日期： 修订日期： ’""! ( ") ( !"； ’""! ( !! ( !’
万方数据 作者简介： 张立彬 （!)** ( ） ， 男， 浙江云和人， 教授， 博士， 博士生导师， 浙江工业大学常务副校长。
［! I F］ 型。室内型一般在工业化生产车间或温室大棚中工作， 而室外型则在野外工作 。图 ! 是具有行走
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图 ! 温室内采摘番茄的机器人 万方数据
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用于温外内采摘西瓜的机器人
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第!期
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［&$， &)］ 上， 可大大促进果蔬生产规模化、 产业化 。 ［&! " &(］ 机器人也可以应用于蔬菜、 花卉和苗木株苗的移栽 ， 利用机器人的信息传感功能和智能化分
来自百度文库
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。英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。由法国开发的水果采摘机器人， 其机械手是 ) 自由度圆柱 坐标型， 可以收获苹果或柑桔， 利用 ../ 摄像机和光电传感器识别果实， 识别苹果时从树冠外部的识别 率可以达到 #%, ， 速度达到 $ 0 ! 秒 + 个。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 ../ 黑白摄像机识别作业对象， 识别率达 #!, ， 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 (*, ， 完整率达 %-, 。
第 )* 卷
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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 $& 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
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农业机器人的主要应用领域和关键技术
张立彬， 计时鸣， 胥 芳， 张 宪， 万跃华， 郑欣荣
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。 以嫁接问题为例。嫁接栽培是克服瓜菜连茬病害和低温障碍的最有效的途径， 抗病、 增产效果显 著， 广泛用于黄瓜、 西瓜、 甜瓜、 茄子、 西红柿栽培， 但人工嫁接速度慢、 效率低、 费工费时。嫁接机器人集 机械、 自动控制与设施园艺技术于一体， 可大幅度提高嫁接速度， 明显降低劳动强度， 并可提高嫁接成活 率。我国在 “国家 #() 计划项目” 的资助下， 已经成功开发蔬菜嫁接机器人， 解决了蔬菜幼苗的柔嫩性、 易损性和生长的不一致性等难题， 实现了蔬菜幼苗嫁接的精确定位、 快速抓取、 良好切削。嫁接机器人 能完成砧木、 穗木的取苗、 切苗、 接合、 固定、 排苗等嫁接过程的自动化作业。操作者只需把砧木和穗木 放到相应的供苗台上， 其余嫁接作业均由机器人自动完成， 嫁接速度达到 (** 棵 + 小时， 成功率为 ’%, 以
摘要： 讨论了农业机器人的基本特征， 介绍了农业机器人的主要应用领域， 包括农业机器人在挤 牛奶、 蔬菜嫁接、 苗木株苗移栽、 果蔬的自动采摘、 温室内和野外的灌溉、 施肥及喷洒农药和野外 平整土地等方面的应用， 最后总结了农业机器人所涉及的部分关键技术。 关键词： 农业机器人；温室；采摘；导航 中图分类号： +,’%’ - & 文献标识码： .
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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 ’! 世纪后， 我们将面临着比世界任何国家都要严重的人口老化 的问题， 农业劳动力不足的问题将逐步变为现实。另外， 随着我国社会的进步、 生活节奏的加快、 饮食结 构的变革和加入世贸组织后参与国际竞争， 必然对进入市场的农产品的质量标准和分级包装等有更高 的要求， 在我国目前尚不显得十分重要农产品拣选， 分级和包装必将成 ’! 世纪我国农产品生产过程， 尤 其是进行工业化生产的重要环节。综上， 可以预计， 在 ’! 世纪提高农业工程的自动化水平将成为我国 农业科技领域的一个重要研究热点， 用于农产品生产方面的各类机器人作为高级自动化设备， 在我国也 将得到推广应用。本文对未来农业机器人的主要应用领域和一些关键技术做简要介绍。
［&%］ 农业机器人还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。
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未来农业机器人的主要应用领域
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万方数据 作者简介： 张立彬 （!)** ( ） ， 男， 浙江云和人， 教授， 博士， 博士生导师， 浙江工业大学常务副校长。
［! I F］ 型。室内型一般在工业化生产车间或温室大棚中工作， 而室外型则在野外工作 。图 ! 是具有行走
功能的用于温室内采摘番茄的机器人， 图 # 是具有行走功能的用于室外采摘西瓜的机器人。
图 ! 温室内采摘番茄的机器人 万方数据
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用于温外内采摘西瓜的机器人
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浙 江 工 业 大 学 学 报
第!期
张立彬， 等： 农业机器人的主要应用领域和关键技术
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人公司》 剧本中的主人公的名字， 该剧本 !"#! 年 ! 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。!"$! 年美国 %&’ 公司 （美国机械铸造公司） 和 ()*+,-*.) 公司分别推出 /012,-1.) （多功能搬运） 和 ()*+,-0 （ 万能伙伴） 两种程序控制的自动传送装置， 以称谓 “工业机器人” （ 3)452-1*,6 投入市场， 使机器人开始走向实用阶段。 7.8.-） 尽管从机器人诞生至今， 应用已经十分广泛， 但对机器人的定义尚没有十分确切的表达。英国机器 人协会 （ 97%） 的定义是： “% 10:1.;1,++,860 40<*=0 402*;)04 -. 8.-> +,)*:56,-0 ,)4 -1,)2:.1- :,1-2，-..62 .1 2:0? =*,6*@04 +,)5A,=-51*); *+:60+0)-2 ->1.5;> <,1*,860 :1.;1,++04 +.-*.)2 A.1 ->0 :01A.1+,)=0 .A 2:0=*A*= +,)5A,=-51? 。美国机器人协会 （73%） 的定义是： “% :1.;1,++,860 +56-*A5)=-*.) +,)*:56,-.1 402*;)04 -. +.<0 +,? *); -,2B2” -01*,62，:,1-2，-..62 .1 2:0=*,6*@04 40<*=02 ->1.5;> <,1*,860 :1.;1,++04 +.-*.)2 A.1 ->0 :01A.1+,)=0 .A , <,1*0-C .A 。日本工业标准采用定义： “% 1.8.- *2 , +,=>*)0 E>*=> =,) 80 :1.;1,++04 -. :01A.1+ 2.+0 -,2B2 E>*=> -,2B2 D ” 。联合国标准化组织基本采用了美国机器 *)<.6<0 +,)*:56,-*<0 .1 6.=.+.-*<0 ,=-*.)2 5)401 ,5-.+,-*= =.)-1.6 D ” 人协会的定义： “% :1.;1,++,860 +56-*A5)=-*.),6 +,)*:56,-.1，402*;)04 A.1 -1,)2:.1- .A +,-01*,62，:,1-2，-..62 .1 。在我国曾出 2:0=*,6*@04 2C2-0+2，E*-> <,1*04 ,)4 :1.;1,++04 +.<0+0)-2 E*-> ,*+ .A =,11C*); .5- <,1*04 -,2B2 D ” 现 “机械手” 和 “机器人” 两类称谓， 一般将附属与主机设备， 动作简单， 操作程序固定、 定位点不能任意改 变、 用来重复抓放物料和夹住工具的操作装置称为 “机械手” ， 而把具有独立机构和控制系统、 工作自由 度较多、 动作复杂、 程序流程可变、 能任意定位、 自动化程度高的自动机械装置称为 “机器人” 。 就农业机器人而言， 目前也很难给出十分确切的定义， 但我们还是可以从农业机器人这一类自动化 装备所应具备的基本特征， 对其做一个基本描述。 （!）农业机器人的工作对象是农产品 （这里广义地包括粮食、 蔬菜、 水果、 经济类作物、 畜牧和水产品） 。 （#）农业机器人应具有对所操作农产品及其所处环境特征信息的感知功能， 以保证其在工作空间 行为和操作的正确性。 （F）农业机器人应具有对所操作农产品的抓取 （或采摘、 搬运、 移位及其它操作） 功能。 （G）农业机器人应是一个可编程的柔性系统， 可根据自主或人机协同的控制程序， 实现对其行为的 控制， 并可根据不同的工作目标修改程序。 （H）部分农业机器人具有自行在特定空间中行走或移动的功能。 根据以上分析， 我们给农业机器人一个简单的定义： 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。能够部分模拟人类智能的农业机器 人则成为智能型农业机器人。 农业机器人可分为移动型和定位型。移动型具有行走装置， 机器人可以在规定空间中行走或移动， 定位型不具备行走装置， 只能在固定的位置进行工作。另外， 还可以将农业机器人分为室内型和室外
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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。英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。由法国开发的水果采摘机器人， 其机械手是 ) 自由度圆柱 坐标型， 可以收获苹果或柑桔， 利用 ../ 摄像机和光电传感器识别果实， 识别苹果时从树冠外部的识别 率可以达到 #%, ， 速度达到 $ 0 ! 秒 + 个。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 ../ 黑白摄像机识别作业对象， 识别率达 #!, ， 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 (*, ， 完整率达 %-, 。
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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 $& 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
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农业机器人的主要应用领域和关键技术
张立彬， 计时鸣， 胥 芳， 张 宪， 万跃华， 郑欣荣
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。 以嫁接问题为例。嫁接栽培是克服瓜菜连茬病害和低温障碍的最有效的途径， 抗病、 增产效果显 著， 广泛用于黄瓜、 西瓜、 甜瓜、 茄子、 西红柿栽培， 但人工嫁接速度慢、 效率低、 费工费时。嫁接机器人集 机械、 自动控制与设施园艺技术于一体， 可大幅度提高嫁接速度， 明显降低劳动强度， 并可提高嫁接成活 率。我国在 “国家 #() 计划项目” 的资助下， 已经成功开发蔬菜嫁接机器人， 解决了蔬菜幼苗的柔嫩性、 易损性和生长的不一致性等难题， 实现了蔬菜幼苗嫁接的精确定位、 快速抓取、 良好切削。嫁接机器人 能完成砧木、 穗木的取苗、 切苗、 接合、 固定、 排苗等嫁接过程的自动化作业。操作者只需把砧木和穗木 放到相应的供苗台上， 其余嫁接作业均由机器人自动完成， 嫁接速度达到 (** 棵 + 小时， 成功率为 ’%, 以