農業機器人展望

文/趙春江 國家農業信息化工程技術研究中心

農業機器人與工業機器人一樣，其工作過程包括信息感知、路徑規劃和自主作業。過去，農業機器人在機器人家族中基本沒有什么地位，傳統機器人分類包括工業機器人和特種機器人，而農業機器人被分類到特種機器人。實際上，農業機器人家族龐大，按應用領域分類，包括大田作業的無人拖拉機、鋤草機器人以及設施溫室里使用的嫁接、移栽機器人，動物養殖中自動飼喂機器人、自動巡檢機器人等。由于農業生產類型多樣，過程復雜， 導致農業機器人具有多樣性特點。

現在人工智能發展迅速，主要分成五大板塊，大數據智能、跨媒體智能、人機混合智能、群體智能、自主無人系統。機器人現在作為人工智能的重要內容，如果對其技術進行分解，有三個板塊：第一個是感知，有視覺、觸覺、聽覺、味覺感覺。然后面對人，農用機器人通過控制軟件、安全控制來進行分析、規劃。第三是執行機構。

國際上對農業機器人高度關注， 鋤草機器人曾刊登于 2007 年《時代周刊》的封面。美國卡內基梅隆大學國家機器人實驗室研究了一款田間移動巡查農業機器人，可以在田間不間斷自動收集高粱作物的表型信息，為作物表型組學研究提供了有效的技術手段。

農業機器人瓶頸問題分析

機器人的自動化技術現在有一個爭論，自動化算不算智能技術？事實上我們的焊接機器人其實沒什么智能，就是到某個點，用多長時間，一些焊接材料按上去就行了，這種機器都稱它為機器人，所以我們現在加了智能機器人。我們有外部環境，在作物方面，空間層疊分布、枝葉果實遮擋、個體差異較大、部分柔嫩易損，環境方面有光照情況多變、氣象條件多變、粉塵泥土干擾、非結構化特征。在理論與技術方面也有挑戰，有場景感知、行為規劃、執行系統等。

目前，機器人研究熱點方向有哪些呢？首先，研發一批讓機器人做擅長的事—信息監測、物料搬運、除草、噴藥的技術，農業機器人不知疲倦、不懼高溫高濕條件，這是代替人力進行農田作物信息采集、物料搬運的上佳選擇。農業機器人搭載簡單作業執行機構，能夠代替人工進行除草、噴藥等重復性或有害性作業。這種除草機器人、搬運機器人，功能比較專一，解決一個特定功能，但是做得很好。

聚焦突破復雜作業理論和技術難點。歐美科學家持續關注果蔬采摘、作物授粉及多功能作業等復雜性生產作業中的農業機器人。重點研究作業對象的快速識別、多自由度機械臂動作規劃、作業點高精度重復巡邏等相關理論和算法。2015年，Deepfield Robotics發布了能勝任噴藥、除草等任務的多功能農業機器人。

在我國，農業機器人研究起步于上個世紀九十年代，結合我國農業特點，科研人員在自動駕駛拖拉機、小型農業移動平臺、嫁接機器人、移栽機器人都做了，但是沒有產業化。黃瓜采摘機器人，十秒鐘才摘一個，如果人工用手摘，十秒鐘已經可以摘下來吃掉了。番茄的采摘，需要柔性的設計，這些機械手怎么設計，怎么樣防止破裂，我們的機器人速度比較慢，生物學的柔性設計比較困難，沒有完全達到實用化。我們國家在積極推動農業機器人的應用，2017年7月8日，我國首個無人系統應用示范基地在江蘇興化起動。

西紅柿采摘機器人

在農業機器人研究應用實踐方面。 自主研發的人機交互嫁接機器人目前已經產業化了，人跟機器混合作業，降低成本，提高效率。農機導航技術方面，無人駕駛拖拉機就像汽車一樣，汽車在馬路上走，我們在農田走。導航這一塊，原來強調液壓控制，現在強調方向盤控制，北斗衛星還有很多問題，單純靠北斗衛星，信號精度還是不夠的，目前有500至1000臺的規模在新疆應用。農技智能問答機器人是一種語音服務，目前我們做了一個全國農業科教云平臺，依據問答數據和專家經驗，入庫精準問答記錄2000萬對，并自實時更新。這些數據慢慢形成知識了，我們把它變成語音，實現智能化的語音服務，目前工作已經做完了，我想將來一個村、一企業，也可以放這個機器人。目前已經在全國廣泛的布局和推廣應用。

農業機器人 未來大有作為

目前，面向國家重大需求，大力發展農業機器人。其發展路徑是按自主水平和執行機構性能劃分：從簡單的任務開始，基本無作業、非精細作業應用、可用于精細作業、勝任各類作業。引用新技術，比如，應用深度學習提高機器人感知與決策能力。有了感知，有了信息，才能做決策。另外，可以采用觸覺反饋控制，增強農業機器人感知與執行能力。通過力矩信號、壓電信號、肌電信號反饋，調節執行機構。 引入新材料。比如，納米材料、復合材料、3D打印等，改善農業機器人執行能力，包括新材料、新型執行器、新型傳感器。人機共融，由人適當參與并指導機器人，提高作業效率。

隨著農業勞動力成本的大幅度提高，人工智能和新材料技術的快速發展，機器人關鍵部件性價比大幅度提升，我們有理由相信農業機器人在農業生產中將大有作為，預計到2024 年全球將有 70～100 萬臺農業機器人在田間工作。