农业机器人概况与发展

易中懿,胡志超.农业机器人概况与发展[J ].江苏农业科学,2010(2):390-393.

农业机器人概况与发展

易中懿,胡志超

(农业部南京农业机械化研究所,江苏南京210014)

摘要:农业机械化水平是一个国家农业现代化水平的重要标志,而农业机器人技术则更能反映一个国家的农业机械化科技创新水平。随着国家不断加大我国农业机械化发展扶持力度,农业机器人也必将成为中国未来农业技术装备研发的重要内容。本研究在解析农业机器人类型、特点以及关键技术的基础上,论述了目前国内外农业机器人的研发概况及存在问题,并就农业机器人研发重点与要点提出了建议。 关键词:农业机器人;智能化;研发概况;关键技术;研发要点 中图分类号:S232.7 文献标志码:A 文章编号:1002-1302(2010)02-0390-04收稿日期:2009-07-30

基金项目:江苏省高技术研究计划(编号:BG2007340)。

作者简介:易中懿(1964—),男,安徽金寨人,博士,研究员,博士生导师,研究方向:农业机械化技术与宏观发展政策。

通信作者:胡志超,博士,研究员。E -mail:nfzhongzi@ 。

农业机器人是一种以完成农业生产任务为主要目的、兼有人类四肢行动、部分信息感知和可重复编程功能的柔性自动化或半自动化设备,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,在提高农业生产力,改变农业生产模式,解决劳动力不足,实现农业的规模化、多样化、精准化等方面显示出极大的优越性。它可以改善农业生产环境,防止农药、化肥对人体造成危害,实现农业的工厂化生产。因此,如果说农业机械化水平是一个国家农业现代化水平的重要标志,那么农业机器人技术则更能反映一个国家的农业机械化科技创新水平。农业机器人的研发,早已成为发达国家科研的重要组成部分。农业机器人因其作业对象和作业环境的复杂多变性,决定了其较工业等领域机器人有着诸多不同和更高要求。随着中国农业劳动力结构性短缺问题日趋严重和国家不断加大对农业机械化发展的扶持力度,农业机器人技术必将成为中国未来农业技术装备研发的重要内容。笔者对农业机器人类型、关键技术、存在问题及中国农业机器人未来研发重点内容等作简要探析,以期为我国农业机器人技术发展提供借鉴。

1　农业机器人简介1.1　农业机器人的类型

农业机器人种类繁多,按作业对象不同通常可分为以下4类:(1)可完成各种繁重体力劳动的农田机器人,如插秧、除草及施肥、施药机器人等;(2)可实现蔬菜水果自动收获、分选、分级等工作的果蔬机器人,如采摘苹果、采蘑菇、蔬菜嫁接机器人等;(3)可替代人养牲畜、挤牛奶、剪羊毛等工作的畜牧机器人,如牧羊、喂奶及挤奶机器人等;(4)可代替人实现伐木、整枝、造林等工作的林木机器人,如林木球果采集、伐根清理机器人等。1.2　农业机器人的特点

农业机器人与工业等领域的机器人有很多共同之处,主

要结构均包括五官、头脑、神经、手脚和心脏等部分;但农业机器人与工业机器人相比又有如下明显不同。

(1)作业对象的娇嫩和复杂性。农业机器人一般须同时实现作业和移动,工作时具有特定位置和范围,作业对象形状复杂,相互之间生长发育差异很大,要求其必须灵活处理,实现合理避障,降低损失率。

(2)作业环境的易变性和难预测性。时间和空间的变化导致作业对象生长环境的变化,要求农业机器人要有足够的适应能力,在视觉、推理和判断等方面具有非常高的智能。

(3)使用对象和价格的特殊性。使用者是农民,需要农业机器人必须具有高可靠性和操作简单等特点。同时由于农业的弱质性和农民的弱势性,因此农业机器人的制造成本一定要尽可能的低,否则很难普及。1.3　主要结构与工作过程

现以温室收获机器人为例,介绍农业机器人的主要结构

和工作过程。Kanae [1]

等研制出樱桃收获机器人,结构如图1所示,主要部件包括4自由度机械手、三维视觉传感器、末端执行器、计算机以及导轨装置。机械手设计成4轴关节式,其中1轴可上下移动,另外3轴可左右移动,具有4个自由度,该机械手可以在樱桃树干四周运动,确保末端执行器能够到达树干四周进行采摘。三维视觉传感器安装在机械臂b 上,可以随着机械手一起移动,从而可以从不同位置和方向对树干进行扫描,减小视觉死角。视觉传感器上装有红外和近红外激光二极管,实时扫描目标,获得图像并经过计算机处理后,识别果实所在方位和障碍物,并确定末端执行器的合理运动轨迹进行摘果动作,有效避免碰撞障碍物。

末端执行器运

动至果实所在位置后,真空吸尘器通过管道向末端执行器提供一定的负压,将果实固定吸附在末端执行器的真空管口,末端执行器机械指夹住果梗,将果实连同果梗一起从树上摘下,送至集果箱,完成单次收获过程。

2　国内外农业机器人研发概况

进入后工业化的发达国家,随着农业生产的日趋工业化、规模化及精准化的不断发展,农业机器人研发早已成为其科研的重点内容之一,在育苗、移苗、嫁接、农产品收获等方面得到诸多试验与应用。同时,机器人技术的发展也有效促进了发达国家农业生产过程的自动化、智能化和精准化发展[2]。但目前农业机器人在中国无论是研发还是应用还处于起步阶段[3]。

2.1　发达国家农业机器人的研发概况

发达国家对农业机器人的研制起步早、投资大、发展快,这些国家农业规模化、多样化、精确化和设施农业的快速发展,有效地促进了农业机器人与其他智能化农业机械的发展。

自20世纪80年代开始,发达国家根据本国实际,纷纷开始农业机器人的研发,并相继研制出了嫁接机器人、扦插机器人、移栽机器人和采摘机器人等多种农业生产机器人。如澳大利亚的剪羊毛机器人,荷兰的挤奶机器人,法国的耕地和分拣机器人,日本和韩国的插秧机器人,丹麦的农田除草机器人,西班牙的采摘柑橘机器人,英国的采蘑菇机器人等[4-7]。Belf orte等研发出一种多用途、低成本的温室机器人样机,无需人工帮助,可以在温室环境下进行精准施药和精准施肥作业,样机生产率达到400～500株/h[8]。近年来,东南亚一些国家对农业机器人的研发也表示出较大兴趣[9-10]。总体看来,在农业机器人的研发方面,日本居世界领先地位,现已研制出番茄、黄瓜、葡萄、柑橘等水果和蔬菜收获的多种可用于农业生产的机器人[11]。但是由于农业生产环境、作业对象及使用者等与工业生产领域截然不同,发达国家已研发成功的农业机器人目前尚未实现商品化生产和大面积普及。

进入21世纪,农业劳动力不断向其他产业转移,农业劳动力结构性短缺和日趋老龄化渐已成为全球性问题。设施农业、精确农业和高新技术的快速发展,特别是人工作业成本的不断攀升,为农业机器人的进一步发展提供了新的动力和可能。如果蔬的采摘不仅季节性强、劳动量大,而且作业费用高,人工收获的费用通常占全程生产费用的50%左右,因此采摘机器人在日本、美国、荷兰等国家已有初步使用。

Cho等研发出3-自由度机器人用于收获莴苣,该机器人基于机器视觉和模糊逻辑控制原理,包括3-自由度机械手、末端执行器、莴苣传送带、吹送风机、机器视觉装置、6个光电传感器以及模糊逻辑控制器等部分。该机器人的收获成功率为94.12%,平均收获周期为5s/个[12]。

荷兰农业与环境工程研究所研发出黄瓜收获机器人,该机器人的最大优势是可以从不同方位对某一特定黄瓜进行几次收获作业尝试,可提高收获成功率。van Henten等利用该机器人对温室黄瓜进行田间采摘试验,平均收获成功率为74.4%,多数作业失败归因于末端执行器对果茎的定位不准确[13]。

Q iao等开发出移动式水果分级机器人,利用电子计量系统和机器视觉系统来获得田间果实的重量、尺寸、颜色、外形、缺陷等果实品质指标,并记录产地、收获时间等相关信息,以此信息源为基础建立作物的产量和品质地图,为田间生产作业提供科学决策[14]。

2.2　中国农业机器人的研发概况

中国的农业机器人研发起步晚、投资少、发展慢,与发达国家相比差距还很大,目前还处于起步阶段。20世纪90年代中期,国内才开始了农业机器人技术的研发。中国农业大学为中国大陆农业机器人技术早期研发单位之一,研制出的自动嫁接机器人已成功进行了试验性嫁接生产,解决了蔬菜幼苗的柔嫩性、易损性和生长不一致性等难题,可用于黄瓜、西瓜、甜瓜等幼苗的嫁接,形成了具有自主知识产权的自动化嫁接技术。随后南京农业大学、东北林业大学等其他高校和科研院所也相继开展了相关研究,并且随着中国工业化、城镇化和现代化的快速发展,中国农业机器人的研发范围亦在逐步扩大,目前在耕耘机器人、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、采摘机器人等方面均有研发。此外,东北林业大学研制出林木球果采摘机器人,它的应用有望缓解我国的森林资源危机,改进我国的森林资源利用方式[15]。

中国机器人技术与发达国家相比差距明显,农业机器人差距更大。但随着中国科技和经济的快速发展,尤其是国家不断加大农业机械化发展扶持力度,中国农机化事业进入了前所未有的良好发展时期,也为农业机器人提供了良好发展机遇,农业机器人技术的先进性和先导性决定了其必将成为未来中国农业技术装备研发的重要内容之一。

3　农业机器人的关键技术

农业机器人是复杂的高智能化农业技术设备,集机、电、光等多学科高新技术于一体,面临的是非结构、不确定、难以预估的复杂工作环境和作业对象,关键技术主要包括以下几个方面。

3.1　机器人智能化连续运动控制技术

田间作业时,农业机器人置身于复杂的三维空间内,由于存在地面凹凸不平、意外障碍、大面积范围定位精度、机器人平稳和振动以及恶劣的自然环境等问题,使其移动和精确定位技术变得相当复杂。近年来,采用陀螺罗盘、雷达、激光束以及卫星定位系统(GPS)等导航设备,进行路径规划与避障、探测定位和控制系统稳定性,以确定农业机器人本体位置和行走方向,从而保证其能够自主行走。针对路面不平坦和倾斜等问题,目前正在研究使用人工神经网络、模糊控制等人工智能控制方法加以解决。

Chen等[16]开发出一套机器视觉系统,用于确定稻田微型除草机器人的行走路线。Mehta等[17]开展了温室轮式机器人的视觉定位方案研究,采用菊花链式方法建立几何模型,用来确定目标物的位置坐标以及机器人本体位置,试验表明该方案可行。

3.2　目标随机位置准确感知和机械手准确定位技术

农业机器人多数在室外工作,工作环境如温度、光线、颜色及风力等时刻在变,要求机器人有较高适应性。它的作业对象是果实、苗、家畜等离散个体,形状和生长位置具有随机