棚室機器人通用作業(yè)平臺發(fā)展現(xiàn)狀

[摘 要] 本文概述國內(nèi)外棚室機器人通用作業(yè)平臺的研究現(xiàn)狀，總結(jié)目前棚室機器人通用作業(yè)平臺在研發(fā)和應(yīng)用過程中存在的主要問題，同時對棚室機器人通用作業(yè)平臺的研究趨勢做出預(yù)測。

[關(guān)鍵詞] 棚室機器人;作業(yè)平臺;研究趨勢

[中圖分類號] TP242 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 1674-7909（2019）34-125-2

隨著農(nóng)業(yè)科技化的不斷發(fā)展，近年來我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機械化應(yīng)用水平不斷提升，以智能農(nóng)機裝備為代表的農(nóng)業(yè)科技化體系正在不斷構(gòu)建當(dāng)中，其中棚室種植已成為當(dāng)前我國農(nóng)業(yè)種植的重要模式。

與大田種植環(huán)境不同，棚室種植模式受制于環(huán)境的限制，空間環(huán)境相對較為狹小和封閉，這也就使得傳統(tǒng)應(yīng)用于大田環(huán)境的機械化設(shè)備因存在轉(zhuǎn)向困難、易漏耕漏播問題而無法在棚室環(huán)境中得到廣泛的應(yīng)用[1-3]。為了解決這一問題，針對棚室環(huán)境的小型農(nóng)機裝備應(yīng)運而生，為提高棚室生產(chǎn)機械化水平起到了重要的作用。但由于該類型設(shè)備在使用中往往采用內(nèi)燃機驅(qū)動方式，從而造成了大量的污染，對于操作者的健康和棚室農(nóng)作物的生產(chǎn)均存在較大的安全隱患。基于以上應(yīng)用現(xiàn)狀，性能更為穩(wěn)定、功能更為多樣、操作更為簡單的棚室機器人通用作業(yè)平臺應(yīng)運而生[4]。

1 國內(nèi)外棚室機器人通用作業(yè)平臺發(fā)展?fàn)顩r

1.1 國外棚室機器人通用作業(yè)平臺發(fā)展?fàn)顩r

1.1.1 日本。在棚室機器人作業(yè)平臺方面，目前日本已經(jīng)研制出嫁接機器人、采摘機器人作業(yè)平臺等，同時在理論和實踐應(yīng)用方面均位于世界前列。以采摘機器人作業(yè)平臺來說，在整個作業(yè)過程當(dāng)中，能準(zhǔn)確地捕捉到需要采摘的草莓的位置[5]。另外，作業(yè)平臺配置的軟件也能根據(jù)草莓的成熟程度來保證機器人在作業(yè)過程當(dāng)中采摘的是已經(jīng)完全成熟的草莓[6]。

1.1.2 美國。相比較日本的精細(xì)化機器人作業(yè)平臺，美國在棚室機器人研究方面更加偏向于行走式。在這一方面具有代表性的棚室機器人主要是美國多用途自動化收割機器人。另外，比較具有代表性的還有斯坦福公司研制出來的智能耕作機器人平臺，可以有效實現(xiàn)精細(xì)化作業(yè)以及施肥除草等作業(yè)[7]。

1.1.3 其他國家。其他國家在棚室機器人研制方面也大多具有自己的特色。例如，德國在棚室機器人作業(yè)平臺研究方面，極大地利用了全球定位系統(tǒng)等，借助計算機的遠(yuǎn)程操縱能力，能準(zhǔn)確地進行多用途作業(yè);西班牙研制出來的采摘機器人，可以有效地借助機器人作業(yè)平臺的視覺技術(shù)，判斷出需要采摘的農(nóng)作物是否達(dá)到了成熟時期，并且利用計算機控制機械手來進行準(zhǔn)確的采摘[8-10]。

1.2 中國

相比較國外，我國在棚室機器人作業(yè)平臺研究方面還處于起步階段，尤其是在應(yīng)用實踐方面，還沒有進行大范圍的推廣。目前，我國已經(jīng)研發(fā)出來的棚室機器人有除草機器人、噴藥機器人等。例如，目前中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研制出來的一款采摘機器人，可以利用傳感器來進行判別并加以采摘。另外，該研究院研制出來的另外一款嫁接機器人，可以在整個作業(yè)過程中有效實現(xiàn)供苗嫁接等一系列自動化作業(yè)。

中國一直是一個農(nóng)業(yè)大國，因此涉及農(nóng)業(yè)的相關(guān)問題一直是政府與人民關(guān)注的熱點。借助棚式機器人技術(shù)，將會在未來更加有效地替代傳統(tǒng)作業(yè)方式，提高整體資源利用率以及農(nóng)作物的產(chǎn)出效率。

2 棚室機器人通用作業(yè)平臺存在的問題

雖然國內(nèi)外針對棚室機器人通用作業(yè)平臺的研究已取得較大的成果和進展，但是棚室機器人通用作業(yè)平臺的推廣和普及存在一些問題：一是棚室機器人通用作業(yè)平臺的制造成本較為高昂，二是技術(shù)研發(fā)上依然存在進一步的發(fā)展空間。

2.1 棚室機器人通用作業(yè)平臺制造成本問題

目前，在棚室機器人通用作業(yè)平臺的研發(fā)上，所研發(fā)的機器人往往是針對農(nóng)業(yè)種植過程中的某一項具體作業(yè)，這也就使得相對于傳統(tǒng)機械設(shè)備而言，棚室機器人通用作業(yè)平臺依然需要面臨季節(jié)性變化的限制，從而導(dǎo)致作業(yè)平臺的使用率往往較低，這也間接增加了農(nóng)戶的支出成本[11]。例如，采摘機器人在進行功能設(shè)置時，往往是針對某一類農(nóng)作物進行采摘，當(dāng)該類型農(nóng)作物不再種植時，該機器人便無法得以應(yīng)用。

2.2 棚室機器人通用作業(yè)平臺智能化問題

相較于工業(yè)機器人作業(yè)平臺和其他領(lǐng)域機器人作業(yè)平臺，棚室機器人通用作業(yè)平臺面臨的工作環(huán)境更為多變和復(fù)雜，因此針對棚室環(huán)境研發(fā)的機器人通用作業(yè)平臺的智能化要求遠(yuǎn)高于其他領(lǐng)域。就現(xiàn)階段的技術(shù)研發(fā)水平而言，雖然自動導(dǎo)航、視覺辨識定位等對于棚室環(huán)境操作具有重要影響的技術(shù)已經(jīng)取得了較大的應(yīng)用成就，并形成了較為成熟的解決方案，但是仍存在需要進一步優(yōu)化的空間。

3 棚室機器人通用作業(yè)平臺研究趨勢

3.1 可靠性進一步提升

棚室機器人作業(yè)平臺的可靠性，直接取決于整個機器人機械結(jié)構(gòu)的形式。因此，在未來很長一段時間除了滿足基本功能之外，棚室機器人在設(shè)計方面還需要利用仿真及優(yōu)化設(shè)計等多個現(xiàn)代化技術(shù)手段，從而使得整個機器人的構(gòu)建更加輕便、優(yōu)質(zhì)[12]。另外，棚室機器人的研制主要是為了將人力從復(fù)雜惡劣的作業(yè)環(huán)境當(dāng)中解脫出來，因此對于棚室機器人的要求更高。為了保證在高溫潮濕的作業(yè)環(huán)境下能順利工作，棚室機器人必須具備更加良好的可靠性能，從而適應(yīng)惡劣的環(huán)境[13]。

3.2 操作難度及生產(chǎn)成本進一步降低

對于農(nóng)作物的生產(chǎn)來說，未來的機器人操作者大部分都是一些沒有受過高等教育的普通勞作者，因此棚室機器人的操作一定要簡單，易于上手。另外，由于普通農(nóng)民經(jīng)費有限，因此，在研發(fā)棚室機器人作業(yè)平臺時必須考慮成本問題，應(yīng)盡可能保證研制出來的機器人物美價廉，滿足農(nóng)民的需求[14]。

3.3 結(jié)構(gòu)形式更為開放

未來棚室機器人應(yīng)采用更加開放式的結(jié)構(gòu)形式，通過開放的控制系統(tǒng)來進一步提高整個棚室機器人作業(yè)平臺的通用性。一旦機器人作業(yè)平臺發(fā)生問題或者機器本身出現(xiàn)故障，或者當(dāng)機器人的用途發(fā)生改變的時候，只需要簡單地對末端執(zhí)行器或基礎(chǔ)軟件進行更換即可。這種方式也可以降低機器人作業(yè)平臺的使用成本。例如，目前大部分棚室機器人采用的都是較為單一的作業(yè)方式，即便是多用途的棚室機器人，其作業(yè)模式也是較為類似的。未來棚室機器人的發(fā)展趨勢應(yīng)是借助更換不同的執(zhí)行器及軟件，就可以有效改變其作業(yè)模式[15]。

4 結(jié)語

目前，棚室機器人可以適應(yīng)一些較為艱苦復(fù)雜的環(huán)境，替代人力勞作，具有較高的工作效率。隨著近年來我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，更加需要現(xiàn)代化的操作平臺，棚室機器人作業(yè)平臺的發(fā)展將會迎來一個嶄新的春天。

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