智能機器人在農業中的應用

胡 科 王瑞雪 田思遠

（荊楚理工學院 湖北荊門 448000）

農業是人民生產和生活的根本，世界大國均是農業大國，農業的發展水平在一定程度上決定了國家的發達程度。然而近年來，隨著新一代信息技術和人工智能技術的不斷發展，農業已經逐步從手工、機械化農業向智能化農業方向發展[1]。以往的傳統農業機械，借助智能化技術成為智能化機械。智能化農業機械在農業領域的應用，實現了先進智能化技術和傳統作業模式的深度融合，降低了人工勞動作業程度，提高了勞動生產率，促進了農業的快速發展。其中，大力發展具備知識學習和創造能力的智能機器人是促進農業發展的主要舉措之一。

1 智能機器人簡介

智能機器人的發展由來已久，最早開始于美國和英國等眾多發達國家。我國20世紀70年代開始著手農業智能機器人研究工作，直至90年代，機器人作業執行的精準性問題得以解決后，機器人的研究才取得了突破性進展[2]。如今智能機器人已經廣泛應用于農業自動化領域，大幅提升了農民的勞動生產率。農業智能機器人，從本質上講是一種應用于農業生產和生活的機器，它和傳統機器人的不同在于，智能機器人是受不同程序控制以完成不同作業任務的執行，具備感知和適應作業環境的能力，同時具有檢測和預測功能的新一代無人自動化機械設備。智能機器人在農業自動化中的應用主要體現在作物采摘、作物嫁接、農作物噴涂等方面，和智能機器人相關的關鍵技術有導航規劃、線路識別技術、數據集成分析技術、多維信息的融合技術等。

2 在農業中的應用

2.1 作物的采摘

針對不同作物，智能機器人的樣式和作業方式也不同，每一類作物的采摘機器人會根據作物的特點、成熟度等表征特點而設計，如西瓜、黃瓜、冬瓜和西紅柿的采摘作業各不相同。文章以西紅柿和蘋果采摘機器人為例介紹智能機器人在作物采摘中的應用。

西紅柿機器人主要由視覺檢測、采摘作業執行裝置組成。其中視覺檢測裝置配置有彩色攝像裝置，主要用于視覺的檢測，用來檢測果實的成熟度，以便更好地選擇果實。為了避免采摘過程中對農作物造成損害，采集作業執行裝置搭載了較長的機器人手臂，具備一定范圍的操作面[3]。為了避免采摘過程中對果實造成損害，還在采摘機器人的底端設置了柔軟的襯里，以及相應的壓力傳感器裝置，保障了機器人可高效地采摘西紅柿。在具體采摘過程中，機器人可根據光傳感器和反射裝置，自動確定西紅柿的采摘時間，每個西紅柿的采摘時間一般會在1.5 s 左右，采摘的成功率接近八成。

蘋果的采摘機器人，設計的采摘空間尺寸大約有5 m2，由1 個移動機構和3 個旋轉機構組成，同時還安裝了果實收集結構，避免果實在收集過程中受到損傷，保證了水果采摘的新鮮度。經過實際應用驗證，本裝置的果實采集成功率接近九成[4]。

采摘類的機器人，其基本作業流程為：視頻采集裝置首先根據傳感器和紅外遙控器反饋的信息確定果實的成熟度，如果果實成熟則進入采摘作業流程，否則轉移到下一個采集點。

采集流程：設備在主控制器的作用下，主控制板輸出控制指令給控制模塊，使得自由度機械臂和履帶底盤結構的機器人，調動機械臂，完成果實的抓取。果實抓取完成后，會自動進入收集裝置，最大限度降低果實的受損程度，保障果實的新鮮度。

2.2 作物的噴涂

日本在農作物噴涂方面的智能化機器人技術較為領先，其靈感來源于汽車行業，采用儀表、壓力裝置，并且含有自動噴霧裝置。其基本原理為：機器人的行走路徑受電纜控制，電纜中通有電流，電流流經電纜會產生電磁場。噴藥機器人控制裝置，在收到電纜發出的電磁信息后，可控制機器人的行走方向，而具體噴灑作業是由自動噴霧控制器負責。

智能噴藥機器人可對各類樹木和農作物進行噴藥操作，在藥物噴灑過程中，還可智能判斷行走方向，如進行轉向或者拐彎操作。此種機器人還包含接觸傳感器和超聲波傳感器控制系統，主要用于檢測周圍的環境。一旦藥物噴灑系統遇到障礙物后，傳感器會自動發出告警信息，對自身執行響應保護措施。機器人具備自動和手動兩種操作模式，在機器人的兩側位置，有手動按鈕可進行手工操作，將機器人切換至手動模式。

2.3 作物的嫁接

在嫁接機器人方面，日本也處于領先水平。近年來日本TGR 研究院開發了嫁接機器人，主要實現各類作物的嫁接執行工作。嫁接主要包含三個過程：切割、連接和揀選。首先是要選擇嫁接幼苗，嫁接機器人可實現自動篩選含有缺陷幼苗，對適合嫁接的幼苗進行嫁接，并自動跳過不適合嫁接的幼苗。經實際應用驗證，機器人對嫁接的移植成功率接近百分之百。和日本的全自動作業機器人不同，國內開發的機器人主要是使用計算機控制系統控制，這樣可更好地對扦插苗、幼苗及秧苗進行嫁接工作。

除此以外，農業機器人還可用于土壤的光譜檢測，作物的扦插，產品的分揀、耕作、播種和施肥，田間除草等。農業機器人的應用場景非常廣泛，但機器人并不是萬能的，經過實際考察發現，機器人對地形特點和作業面積也有一定要求，只有滿足一定條件的地形特點以及作業環境，才能保證機器人順利完成各類作業。因此，現如今我國農業作業執行中，大部分還是采用自動化機械和手工作業相結合的方式，距離實現完全自動化和智能化機器人作業還有很長的路要走，這一切都取決于智能機器人的關鍵技術。

3 農業智能機器人的關鍵技術

全球人口數量的劇增，對食品的質量和安全提出了很大的挑戰。為滿足世界人民對糧食產量、價格和品質的要求，農業技術的創新和改善變得尤為迫切，在此背景下，智能機器人便是解決這一問題的最好方式之一。從對土壤的狀態監控、產品性狀的分析、產品的收割到機械除草，均是智能機器人在為產出更加安全的產品做努力。采用小型專業農業機器人代替現有收割機，可降低土地的緊實程度，從而達到能源節約的目的。以上舉措不僅可以降低農業成本，而且還能更加高效產出安全的產品。因此智能機器人的使用范圍變得更加廣泛。阻礙農業智能機器人發展的關鍵技術如下。

3.1 線路規劃和導航技術

如果把機器人比作“正常人”，首要任務是為其設計大腦和眼睛，因為沒有大腦，機器人便無法思考，如果沒有眼睛，機器人便會誤入歧途。因此線路規劃和導航便是機器人的核心技術。在實際應用中，機器人在運動過程中需要自行確定工作路線，對自己的路線和目標自行進行規劃和導航。現如今機器人采用GPS 技術就可以實現基于厘米精度的定位。同時，還可用信號檢測和移動環境定位技術實現機器人的智能定位和方位感知。此種技術雖然迭代次數較多，對控制系統的計算能力要求比較高，但其信息感知量較豐富，從而可以更好地促進和改善自身的工作環境。

3.2 數據集成和分析技術

機器人暴露在農業作業環境中，其接收到的數據多種多樣，在實際作業執行過程中，智能機器人的導航和定位系統、目標識別系統都具備優秀的智能屬性，所以需要對補貼渠道來源的數據進行集成和分析，然后分析數據以及未來的行走路徑和行走環境，把分析結果傳遞給執行系統，執行系統進行具體的作業執行。通過信息集成和融合，可以提升系統的穩定和健壯性，提升了機器人的測量空間和移動空間，保障了系統具備在困難條件下的超強適應能力。

3.3 多維信息融合技術

通過信息的融合，可實現系統對于外界系統的多維信息綜合分析。如可提高系統對物體識別的分辨率，從而提升系統的可靠程度，加強系統在運行期間的穩定程度，使智能機器人在工作期間不會出現故障問題。同時機器人內部還應有信息融合技術和信息增強技術，對外界獲取的信息采用一定規則予以加強，以此提高機器人的運動精度和工作效率。

盡管機器人技術在農業范圍內已經得到廣泛應用，但其局限性仍然存在，這也阻礙了機器人的大范圍全面應用。首先其研發成本是首要問題，在智能機器人的研發過程中，不論國外還是國內均投入了大量的研究資金，但這遠遠不夠，還需要更多的資金在將來的研究中逐步投入，因此資金不足也成為機器人技術發展緩慢的關鍵因素之一。另外，在外界環境識別和技術判斷上仍存在很大缺陷，這使機器人因外界環境的變化而受到很大影響。各類分析算法和路徑規劃算法的執行效率還需要得到不同程度的提升。機器人的智能化水平仍有待提升。

4 結論

隨著我國農業水平越來越高，農業自動化水平已經經過跨越式發展，各類智能機器人逐步進入農業生產和生活中。盡管智能機器人的智能化水平在現階段還存在不足，其應用面也未達到全面應用的程度，但隨著信息技術和計算機算法的不斷發展，智能機器人必將是未來的方向之一。加上兩化融合的持續推進，不論從經濟還是政策上的投入正在不斷加大，因此未來智能機器人的前景比較廣闊，將來不僅在農業而且在其他行業也會經常出現智能機器人的身影。