農(nóng)業(yè)機(jī)器人簡述

□張穎 蔣立茂/四川省農(nóng)業(yè)機(jī)械鑒定站

1 農(nóng)業(yè)機(jī)器人概念

機(jī)器人是自動(dòng)執(zhí)行工作的機(jī)器裝置，它既可以接受人類指揮，又可以運(yùn)行預(yù)先編排的程序，也可以根據(jù)人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動(dòng)。它的任務(wù)是協(xié)助或取代人類的工作，在工業(yè)、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)甚至軍事等領(lǐng)域中均有重要用途。

農(nóng)業(yè)機(jī)器人即為機(jī)器人在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的運(yùn)用，是一種可由不同程序軟件控制以適應(yīng)各種作業(yè)，能感覺并適應(yīng)作物種類或環(huán)境變化，進(jìn)行檢測（如視覺等）和演算等人工智能的新一代無人自動(dòng)操作機(jī)械。使用農(nóng)業(yè)機(jī)器人替代人工，不但可以大幅提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、降低勞動(dòng)力成本，還能減少農(nóng)藥對(duì)土壤和水資源等自然環(huán)境的破壞，對(duì)我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。由于工作內(nèi)容的多樣性，農(nóng)業(yè)機(jī)器人分為三類。

1） 設(shè)施農(nóng)業(yè)機(jī)器人：蔬菜嫁接機(jī)器人、花卉插枝機(jī)器人、果蔬收獲機(jī)器人、植物工廠機(jī)器人等。

2） 大田生產(chǎn)機(jī)器人：大田播種機(jī)器人、大田植保機(jī)器人、大田收獲機(jī)器人等。

3） 農(nóng)產(chǎn)品加工機(jī)器人：肉類加工機(jī)器人、擠奶機(jī)器人、剪毛機(jī)器人等。

2 特點(diǎn)

農(nóng)業(yè)機(jī)器人的工作對(duì)象是植物或動(dòng)物，是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的非結(jié)構(gòu)環(huán)境，其智能化程度要遠(yuǎn)高于工業(yè)或其他領(lǐng)域機(jī)器人，因此，它在技術(shù)上有以下特點(diǎn)。

2.1 高辨識(shí)水平

生物的種類繁多、形狀復(fù)雜，農(nóng)業(yè)機(jī)器人應(yīng)具有很高的辨識(shí)水平，在視覺分析、判斷能力和知識(shí)推理等方面具備相當(dāng)?shù)乃健?/p>

2.2 靈活性

農(nóng)業(yè)機(jī)器人一般是邊移動(dòng)邊作業(yè)，生物在三維空間的生長發(fā)育程度各不相同且軟弱易傷，機(jī)器人必須具備超強(qiáng)的靈活性才能保護(hù)對(duì)象不受傷害。

2.3 用途多面性

農(nóng)業(yè)智能化設(shè)備的基本特點(diǎn)是能應(yīng)對(duì)多種不同的工作任務(wù)，而不是某種單一的操作，用途覆蓋面廣的機(jī)器人更能適應(yīng)市場的需要。

2.4 適應(yīng)惡劣環(huán)境

農(nóng)業(yè)機(jī)器人的工作環(huán)境是開放、變化和未知的，地域、季節(jié)和大氣等自然條件的影響決定了農(nóng)業(yè)機(jī)器人不僅要具有與生物柔性相對(duì)應(yīng)的靈活處理能力，還要能適應(yīng)變化無常的惡劣環(huán)境。

3 常見大田生產(chǎn)機(jī)器人的種類及簡介

3.1 播種機(jī)器人

全自動(dòng)播種機(jī)器人可以用檢測裝置獲取土壤信息，算出最優(yōu)化的播種密度和深度，進(jìn)行高效播種。我國在2018年研制出了一款全自動(dòng)播種機(jī)器人，采用模塊化設(shè)計(jì)，能通過WIFI模塊與智能手機(jī)APP 相連，方便快捷地實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。機(jī)身安裝的攝像頭使用OV7670 模塊，實(shí)時(shí)將聲像信息通過WIFI模塊發(fā)回手機(jī)，以控制播種深度。它同時(shí)可以接收GPS、GLONASS和北斗定位信息，以實(shí)現(xiàn)工作路線的規(guī)劃。陀螺儀測穩(wěn)模塊實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)器人工作平穩(wěn)程度并做出緩沖反應(yīng)，既能靈活行進(jìn)，又具備一定的越野能力。尾部加裝漏播檢測系統(tǒng)和補(bǔ)播裝置。動(dòng)力由充電電源取代傳統(tǒng)柴油機(jī)，有利于環(huán)境保護(hù)。這款機(jī)器人一旦投入市場，將會(huì)高效地完成大范圍的播種工作。

3.2 植保機(jī)器人

植保施肥機(jī)器人會(huì)根據(jù)不同的土壤情況，制定相應(yīng)的施肥方案，它采用GPS定位來確保機(jī)器人始終行駛在農(nóng)作物的邊緣，這種精準(zhǔn)施肥的方式將減少大規(guī)模施肥對(duì)土壤的危害。美國發(fā)明了一款施肥機(jī)器人Posphere，它的外形像一個(gè)倉鼠球（見圖1），通過內(nèi)部的機(jī)械部分不斷移動(dòng)重心讓球形機(jī)器人滾動(dòng)起來，適用于平坦和較崎嶇的地形。Posphere工作時(shí)能測試土壤含水率，精確使用化肥并保護(hù)農(nóng)作物不受損壞，同時(shí)，可以根據(jù)蟲害情況計(jì)算出精準(zhǔn)的殺蟲劑用量；后期機(jī)器人還將增加挖坑、拔草等功能。這款機(jī)器人最大的優(yōu)點(diǎn)是避免了飛機(jī)灑藥式的大規(guī)模施肥，保持土壤的成分。

圖1 施肥機(jī)器人Posphere

除草機(jī)器人的重要指標(biāo)是如何讓機(jī)器人在精準(zhǔn)除草的同時(shí)不損壞農(nóng)作物，各地也研制出各種各樣的除草機(jī)器人。德國EcoRobotix公司發(fā)明了一款機(jī)器人，外形像一個(gè)輪式乒乓球桌面，它的“桌面”實(shí)際上是一塊太陽能電池板。電池板下方懸掛了一個(gè)全方位攝像頭，能通過智能技術(shù)將拍攝到的幼苗和雜草進(jìn)行區(qū)分，只將除草劑噴灑到雜草上，農(nóng)藥使用量只有傳統(tǒng)噴藥除草方式的1/20。導(dǎo)航設(shè)備能將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接脩羰謾C(jī)里，使用戶實(shí)時(shí)掌握田間情況；該機(jī)器人一天能除掉1.33 hm2土地的雜草，是人工除草速度的10倍。這款機(jī)器人最突出的優(yōu)勢在于擁有獨(dú)立電源，并準(zhǔn)確釋放除草劑，避免傷害農(nóng)作物。

傳統(tǒng)除蟲機(jī)器人的標(biāo)準(zhǔn)是精準(zhǔn)使用農(nóng)藥，以減小環(huán)境污染。而有人想到用激光殺蟲來徹底杜絕農(nóng)藥的使用，這更加綠色環(huán)保。這個(gè)設(shè)計(jì)來自于澳大利亞的一個(gè)機(jī)器人團(tuán)隊(duì)，他們?cè)跈C(jī)器人上安裝了溫度感應(yīng)器和高清攝像頭，可以自動(dòng)識(shí)別害蟲及雜草，一旦發(fā)現(xiàn)害蟲，立即用激光精準(zhǔn)除蟲；檢測到雜草，機(jī)器底部的機(jī)械手臂也會(huì)及時(shí)將雜草去除；同時(shí)，還帶有“體檢”功能，如果發(fā)現(xiàn)蔬菜生病，會(huì)立即將數(shù)據(jù)傳送給土地主人。它的工作效率非常高，一天可以巡查2.86 hm2土地。

3.3 收獲機(jī)器人

由于收獲對(duì)象的多樣性，收獲機(jī)器人的種類也不少，比較有代表性的是草莓收獲機(jī)器人。它利用機(jī)器視覺尋找成熟完好的草莓，用3D打印機(jī)制作的爪子把每一顆果實(shí)輕輕摘下，放在籃子里準(zhǔn)備出售。如果草莓還未成熟，機(jī)器人會(huì)通過顏色計(jì)算成熟時(shí)間，預(yù)約下一次的采摘。

英國生產(chǎn)了一款蘑菇采摘機(jī)器人，能鑒別蘑菇屬于哪個(gè)等級(jí)，以此來確定相應(yīng)的運(yùn)作程序。工作時(shí)先用一架紅外線測距儀測定出蘑菇高度，再用真空吸柄自動(dòng)伸向采摘部位進(jìn)行操作，最后將蘑菇投入到運(yùn)輸機(jī)中。該機(jī)器人一分鐘可以采摘40個(gè)蘑菇，大大降低了時(shí)間成本。

另外，收獲后的果實(shí)分類也可利用智能機(jī)器人。像西紅柿、櫻桃等一些表皮脆弱的果實(shí)，在智能機(jī)器人的操作下進(jìn)行高效分揀裝運(yùn)，能夠保持果實(shí)的完好無損。

圖2 全機(jī)器人農(nóng)場

4 發(fā)展趨勢

4.1 技術(shù)發(fā)展

全機(jī)器人農(nóng)場（見圖2）是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)器人的整合，是信息化農(nóng)業(yè)的集中體現(xiàn)。農(nóng)場不用工人，全部種植、管理和收獲環(huán)節(jié)都由機(jī)器人控制，不易受到天氣或其他環(huán)境因素影響，農(nóng)作物也不會(huì)受到殺蟲劑或食品污染，可以更密切地監(jiān)測疾病與其他問題。2018年，美國的Iron Ox公司公布了自己的全機(jī)器人農(nóng)場，主要致力于水培植物的生產(chǎn)，農(nóng)場內(nèi)一切操作都受到計(jì)算機(jī)程序（綽號(hào)“大腦”）的監(jiān)督，監(jiān)控每個(gè)托盤的生長條件并調(diào)整其氣體和養(yǎng)分的平衡以獲得最佳生長條件。這個(gè)農(nóng)場每公頃的場地可以產(chǎn)出戶外30 hm2土地等量的植物，價(jià)格卻和傳統(tǒng)產(chǎn)品一樣便宜。Iron Ox公司的設(shè)計(jì)理念是在城市進(jìn)行可持續(xù)農(nóng)作物生產(chǎn)，如果在人口密集地區(qū)創(chuàng)建這樣的農(nóng)場，就能避免蔬菜的長途運(yùn)輸，保證蔬菜的真正新鮮。世界農(nóng)業(yè)機(jī)器人的最終趨勢也必然朝著高智能化、高集中化的方向發(fā)展。

4.2 我國的發(fā)展環(huán)境

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是國家的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，隨著我國科學(xué)技術(shù)與經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，以及農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力結(jié)構(gòu)性短缺日趨嚴(yán)重，加快推進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化和農(nóng)機(jī)裝備產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)已經(jīng)成為當(dāng)前和今后相當(dāng)長時(shí)間內(nèi)的戰(zhàn)略任務(wù)，國家在不斷加大對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械化的扶持力度，同時(shí)，逐步調(diào)高農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)的集中化程度和調(diào)整農(nóng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。我們要緊密圍繞農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際，以生產(chǎn)收益高的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)作為切入點(diǎn)，把先進(jìn)性、實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性緊密結(jié)合，順應(yīng)市場規(guī)律，研制出適合我國國情的農(nóng)業(yè)機(jī)器人，最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化并逐漸推廣應(yīng)用。未來，我國農(nóng)業(yè)將是智能機(jī)器取代人工繁重體力勞動(dòng)的時(shí)代。