農業機器人的研究與實際應用

范雯沁

摘 要：隨著現代機械和計算機技術的發展，農業生產方式在逐步發生改變，農業機器人出現在農業生產的各個環節。農業機器人是使用機械來模擬人工進行農業活動的機器人，它是一個國家農業發展程度的標志。從20世紀開始世界各國就開展了諸多的關于農業機器人的研究，我國對農業機器人的研究也有很長一段時間。本文介紹了農業機器人的特點和國內外研究現狀，并且指出了存在的問題和發展方向，同時介紹了幾種典型的農業機器人的應用。

關鍵詞：農業機器人；研究現狀；應用

引言

隨著科學技術的發展，機器人技術越來越被世界各國所重視，已經在許多領域得到了廣泛的應用，如工業生產、太空和海洋探索、國防以及人民生活等領域。但在農業領域，由于經濟和技術上的特殊性，還沒有達到實用化。國際上一些發達國家，特別是日本和一些歐美國家，從上世紀八十年代開始研究，取得了一些成果，開始進入了應用階段。我國在該領域中的研究還處于起步階段，必須加快步伐，才能達到世界先進水平。

1.農業機器人的開發要點

農業機器人技術是一門交叉學科，是多領域技術的綜合，其研究開發需要各學科相關知識的配套與支援。雖然因為用途的不同，農業機器人的功能和結構有所差異，但一般農業機器人的結構都包括五官、頭腦、神經、手腳和心臟等部分。為了使能夠適應復雜多變的農作物，研究開發農業機器人時必須注意以下幾點：

1. 良好的適應性

農業機器人通常工作在惡劣的、危險的和變化的環境中，例如：溫室作業經常是在溫度超過40度和濕度超過100%的環境中；而露天作業面對的是風沙和強光的照射。農業機器人必須具有良好的適應性，根據環境和機械本身的情況，自動進行調整。

1. 良好的通用性和可編程性

由于農業機器人的操作對象具有多樣性和可變性，要求具有良好的通用性和可編程性。只要改變部分軟、硬件，就能變更判斷基準，變更動作順序，進行多種作業。例如：溫室作業的機器人，更換不同的末端執行器就能分別完成施肥、噴藥和采摘等作業。

1. 操作對象和價格的特殊性

農業機器人操作者是農民，不是具有機電知識的工程師，因此要求農業機器人必須具有高可靠性和操作簡單的特點；另外，農業生產以個體經營為主，如果不是低價格，就很難普及。

2.農業機器人的國內外研究現狀與應用舉例

自上世紀80年代開始，以日本為代表的發達國家紛紛開始農業機器人的研究開發。雖然由于農業生產所具有的技術和經濟的特殊性，還沒有達到實用化。但是，已經取得了一些可喜的成果。已經開發出來的農業機器人有：耕耘機器人、施肥機器人、除草機器人、噴霧機器人、蔬菜嫁接機器人、移栽機器人、收割機器人、采摘機器人、林木修剪機器人、果實分揀機器人等。

2.1嫁接機器人

嫁接機器人技術，是近年在國際上出現的一種集機械、自動控制與園藝技術于一體的高新技術，它可在極短的時間內，把蔬菜苗莖桿直徑為幾毫米的砧木、穗木切口嫁接成活。因此，嫁接機器人技術被稱為嫁接育苗的一場革命。日本從1986年開始了對嫁接機器人的研究，以日本“生物系特定產業技術研究推進機構”為主。一些大的農業機械制造商參與研究開發，其成果已開始在一些農協的育苗中心使用。上世紀90年代初，韓國也開始對自動化嫁接技術進行研究，但其研究開發的技術，只是完成部分嫁接作業的機械操作，自動化水平較低，速度慢，而且對砧、穗木苗的粗細程度有較嚴格的要求。在歐洲，農業發達國家如意大利、法國等，蔬菜的嫁接育苗相當普遍，大規模的工業化育苗中心全年向用戶提供嫁接苗。南于這些國家尚未有自己的嫁接機器人，嫁接作業仍采用手工為主，一部分采用日本的嫁接機器人作業。中國農業大學率先在我國開展了自動化嫁接技術的研究工作，先后研制成功了自動插接法、自動旋切貼合法嫁接技術，填補了我國自動化嫁接技術的空白，形成了具有我國自主知識產權的自動化嫁接技術。如利用傳感器和計算機圖像處理技術，實現了嫁接苗子葉方向的自動識別、判斷。因此，發展自動化嫁接技術，有利于推動我國農業現代化的跨越式發展。

2. 采摘水果機器人

日本開發了一系列不同用途的農業機器人，除嫁接機器人外還有采摘水果的機器人。這種機器人有他自身的特點：它們一般是在室外工作，作業環境較差，但是在精度上卻沒有工業機器人那樣要求高。以一種西瓜收獲機器人為例作簡單介紹。一般的機器人多數是采用電氣驅動，但是為了降低成本，這種西瓜收獲機器人卻是采用汽油機作為動力，比以蓄電池為動力源的電氣驅動要經濟的多。試驗結果表明，當機械手的中心與西瓜的中心偏離不超過54mm時，機械手都能抓住西瓜。當手指尖端的滑輪沿西瓜表面向下滑動時，利用手指關節的動作可以求H{西瓜的大小，利用手上附加的力傳感器可以求出西瓜的重量.誤差僅僅在2%以內。這樣就可以在現場對西瓜進行初步的分級，另外也可以根據力的變化判斷是否抓住了西瓜。收獲西瓜的作業試驗結果表明，這種采摘西瓜機器人比較理想，機械手抓到的西瓜占西瓜總數的76.5%，對于一般的農業機器人能達到此標準已經很不錯。

3.農業機器人的發展展望

從研究現狀上看，農業機器人正在由試驗研究階段向實用化階段過渡。隨著高科技農業發展的需要和機械電子技術日益緊密的結合，農業機器人將不斷涌現與完善。在今后的發展中，農業機器人必須在以下兩個方面得到突破。

3.1智能化識別和定位

在果蔬收獲采摘機器人系統中，由于作業環境的復雜性，采摘對象的智能化識別和定位還沒有完全解決。其中最大的困難在于光照條件的不確定性和果實的部分或完全遮擋問題。因此，還需要在視覺傳感器技術、視覺與非視覺傳感器技術的融合、圖像獲取和圖像處理的算法等方面進行更深人的研究。

3.2機械本體的優化設計

機械結構直接決定機器人運動的靈活性和控制的復雜性。收獲采摘機器人必須緊湊，行走、轉彎靈活。因此，在滿足機器人性能的前提下，結構應盡可能簡單、緊湊和輕巧，而且還要盡可能保障機器人運動平穩和靈活避障。設計末端執行器要求在準確快速切除果實的同時，不損傷果實。所以，為了設計出合適的收獲采摘機器人，必須進行機構的運動學和動力學分析，同時運用優化理論來設計機器人結構。

4.結束語

總的來說，農業機器人技術遠不如工業機器人技術發展得成熟，由于農業機器人在技術和經濟方面的特殊性，目前還沒有普及，但隨著農業生產向規模化、多樣化、精確化發展，以及逐步出現的農業勞動力不足的問題，隨著信息技術向農業領域的滲透，農業現代化技術的發展，農業工程技術的日趨成熟，農業機器人將越來越多地進入農業生產過程中。

參考文獻

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（作者單位：西華大學美術與設計學院）