農業機器人移動平臺的研究現狀及建議

李俊達 羅 強 王海寶 徐光強 秦雪靜

(重慶三峽學院機械工程學院，重慶 萬州 404100)

0 引言

我國作為一個農業大國，農業產業可持續發展是我國長治久安的根本保障。如今農業生產面臨諸多挑戰，比如勞動力老齡化、勞動力成本提高以及環境變化對農業生產的影響等。農業機器人作為農業智能裝備的重要組成部分，對改變傳統農業方式、促進現代農業發展具有不可忽視的作用[1]。目前，農業機器人已經成為了一個世界性的熱點話題，在解放勞動力、提高生產率、提高作業質量、降低勞動力成本、減輕農民勞動強度等方面具有顯著效果，許多勞動力缺乏的發達國家很早就關注農業機器人并進行了許多相關的研究，其中以美國、日本、西班牙等最早。

隨著技術發展，農業機器人將成為農業生產活動的主要力量。為了增加農業機器人的普適性，降低農業生產過程中的投入成本，提高農業機器人的表現能力，增強對自然環境的適應能力，研究性能更加優越的農業機器人移動平臺勢在必行。

1 農業機器人移動平臺的行進方式及研究現狀

農業機器人工作中通常是移動和作業同時進行，在農業領域中，農業機器人的移動不再是起點與終點的直線行進，而是根據工作需要在狹窄的范圍、較長的距離和整個工作區域進行作業。目前主流的行進方式可分為軌道式、輪式、履帶式和復合式4種。

1.1 軌道式移動平臺

軌道式移動平臺主要分為單軌式和雙軌式。單軌式移動平臺的主要特點是成本低、轉向性能好、搭建簡單。雙軌式移動平臺則是穩定性和安全性更加突出。早在20世紀60年代國外就開始了針對軌道式移動平臺的研究，1966年，日本企業日加利研發出了第一臺用于陡坡的單軌運輸機，當時被稱為“劃時代運輸車”。英國希爾所研究院研制了一款基于軌道式的全自動蘑菇采摘機器人，這種機器人通過鋪設軌道能實現高精度移動。金華市農業機械研究所的施新杭等人研究設計了一種電動式單軌運輸機，這種運輸機以蓄電池為動力，具有無污染、噪音小的特點。黑龍江的朝洛蒙等人研制了一種便于水田取苗的雙軌道變軌式運輸車，這種運輸車成本低，效率高，不受陰雨天氣限制，有效地解決了勞動力成本高、雇工難等問題。遼寧的劉偉設計了一種用于大棚的多功能雙軌輸送器，這種運輸器具有過載報警、行程控制、電子遙控和聲控停車的優點。目前軌道式移動平臺多應用于大棚和山地果園，少部分運用于固定生產作物的水田，應用限制較大。

1.2 輪式移動平臺

輪式移動平臺是目前最常見的移動平臺，也是研究和應用最為廣泛的。針對這種移動平臺的研究多集中于轉向控制和平臺調節問題上。Chen等人研制的具有四輪驅動和轉向功能的牽引機可以通過液壓缸驅動四連桿機構調整牽引車機身離地間隙，同時采用多路閥控制4個車輪支架，調整車輪輪距。瓦赫寧根大學的T.Bakkert和J.Bontsema等人設計的移動平臺采用四輪驅動和轉向，4個車輪模塊中的每一個都包括一個用于推進的固定排量液壓馬達，該馬達提供不帶齒輪的直接驅動。另一個安裝在車輪模塊頂部的固定排量液壓馬達則通過行星減速器控制車輪。吉林大學的趙偉程設計的農用全方位移動平臺采用萬向輪作為輪系結構，在萬向輪上安裝可以自主控制的機械機構進行轉向，四輪可獨立轉向和驅動，同時設計了一種平行四桿機構進行高度調節，以適應不同路面[18]。湖南農業大學胡志勇等人的團隊研制了一款自走式植保機械，該植保機的移動平臺采用四輪驅動，可以四輪同轍轉向，通過液壓系統可以對軸距和輪距以及高度進行一定調節[19]。青島理工大學的韓國旭設計了一種新型變輪距農用車輛底盤，該底盤采用機械傳動和四輪驅動，相比較液壓傳動而言，機械傳動效率更高，成本低，控制簡單[20]。輪式移動平臺的特點是質量輕，載重能力強，占用空間小，驅動和控制方式簡單，行進速度快，在農業生產中被廣泛運用。但是其克服障礙能力有限，無法適應復雜的農田環境。

1.3 履帶式移動平臺

履帶式移動平臺根據其機構可分為單節雙履帶和多節多履帶。單節雙履帶結構簡單，成本低，控制簡單，行進效率較高，但不能適應過于復雜的地形，多節多履帶則相反。各國專家學者們對履帶式移動平臺的研究多集中于提升履帶移動平臺的地形適應能力和操控性上。Spalla等研究的履帶式牽引車可以對底盤離地間隙和左右履帶間距進行一定量調整，通過調整車架與履帶之間的位置使兩條驅動履帶在兩個不同的接地平面，實現農機作業時自動適應地形變化。南京農業大學的顧寶興和姬長英等人研制的農用履帶式智能移動平臺采用視覺導航和GPS導航組合的方式，運用VC++6.0編寫了自主導航控制程序，能夠很好地實現田間自主導航。履帶式移動平臺結構簡單，載重能力強，行進過程中不易打滑和下陷，可以適應斜坡和松軟泥濘的農田作業。當然，履帶式移動平臺也存在一些問題，主要是移速慢，能耗大，行駛機構容易磨損，對履帶的材質和構型要求高的問題，同時由于質量大，與地面摩擦阻力過大，在松軟土地上轉向時，容易對平整的農田和農作物造成不必要的損壞。

1.4 復合式移動平臺

復合式移動平臺包括輪履復合式、輪腿復合式、履腿復合式以及輪履腿復合式等，用于農業方面的復合式移動平臺則主要是輪履復合式和輪腿復合式。西安科技大學的田海波和馬宏偉等人結合變胞機構理論提出了一種輪履復合式機器人的結構。該機器人的移動平臺可以根據需要在輪式和履帶式兩種行進方式中進行切換，利用車輪實現高速遠距離運動，用履帶來適應復雜地形，也可以輪履并用來跨越障礙。李文見和姬江濤根據模糊邏輯理論針對輪履復合式平臺的避障控制方法進行研究，建立了模糊控制規則，提升了輪履復合式移動平臺的靈活性。北京林業大學的閆浩設計的新型輪腿復合式移動平臺采用推桿電機對復合輪腿的四邊形結構進行驅動，可以實現多種運動功能。同時還可以根據實際路況改變輪距、軸距和機身高度。北京交通大學的董瑩設計了一種具有四桿腿機構的六輪足移動平臺，這種設計極大地提升了越障性能和越障速度。復合式移動平臺可以針對各種地形做充分地考慮，可以滿足較大難度的作業需求，但其缺點也很明顯，機械結構更加復雜，面對復雜地形需要考慮更多因素，控制算法較復雜。并且復合式移動平臺并非可以繼承各類單一行進方式全部優點，綜合各行進方式的部分優點的同時往往會削弱單一行進方式的一些優點。

2 存在的問題及建議

2.1 存在問題

目前對農業機器人移動平臺的研究已經取得了很大的進展，但其中還存在一些問題。

(1)許多高新技術發展已經較為成熟，但目前應用于農業移動平臺的還比較少，這其中一方面是農業經濟效益不足，對高新技術吸引力不夠；另一方面則是農業作業環境復雜，技術應用較為困難，投入成本高。

(2)由于北方平原地區地形相對簡單，丘陵山地則較為復雜，適合北方地區的輪式和履帶式移動平臺研究難度相對較小，所以目前的研究主要集中在這兩方面，對其它方面研究不足。

(3)目前農業生產中移動平臺大多采用柴油機和汽油機，這兩種動力機械雖然動力強勁，但是會對環境造成污染。

(4)農業機械化的趨勢必然導致技術難度提升，但是目前農業生產中占主導地位的農民大多知識水平不夠，操作困難，導致農業機械推廣難度增大。

2.2 建議

為了推進農業機械化的進程，政府需要出臺相關政策來引導，我認為主要可以從以下幾個方面著手。

(1)進一步調整價格杠桿，提高農產品的利潤，引導高新技術投入到農業生產中。

(2)加大南方丘陵山地宜機化改造和農業機械的研究投入，引導更多的研究人員研制性能更為優秀，適應能力更強的移動平臺。

(3)宣傳環保意識，引導相關研究人員研制性能更為優異的電動移動平臺，逐步更換柴油機和汽油機。

(4)一方面培養新型職業農民，經常開展職業培訓，提高農民的專業技能；另一方面需要針對農民這個群體開發出操作簡單、工作穩定、智能程度高的農業機器人。

3 結語

本文綜述了農業機器人移動平臺的4種常見行進方式，結合目前的研究現狀分析了各種行進方式的特點，分析了它們各自適應的作業環境。根據目前存在的問題提出了一些建議。隨著現代農業的發展，對于農業機器人的需求將持續加大。農業環境和作業對象的復雜性、多變性和非結構性將會極大推進農業機器人移動平臺的發展，隨著新型材料和人工智能等新一代技術與農業技術的融合，農業機器人移動平臺當前面臨的難題必將迎刃而解。