全球農業機器人研發趨勢預測及對我國的啟示*

趙靜娟，鄭懷國，董瑜，楊艷萍

(1. 北京市農林科學院農業信息與經濟研究所，北京市，100097； 2. 中國科學院文獻情報中心，北京市，100190)

通訊作者：楊艷萍，女，1982年生，廣西桂林人，博士，研究員；研究方向為農業科技情報。E-mail: yangyp@mail.las.ac.cn

0 引言

農業機器人是一種新型的智能農業機械裝備，是人工智能監測、自動控制、圖像識別技術、環境建模算法、感應器、柔性執行等先進技術的集合[1]。農業機器人近年來發展迅速，在提高農業生產力、改變農業生產模式、解決勞動力不足以及實現農業的規模化、多樣化和精準化等方面顯示出了極大的優越性，已逐漸成為農業工程領域的重要方向之一。

我國發展農業機器人的時機已成熟，政府對農業裝備制造業發展也高度重視，先后出臺一系列政策舉措。農業機器人作為智能化的農業機械，得到越來越廣泛的應用，成為現代農業的重要裝備。

近年來，針對農業機器人發展現狀和趨勢的研究有很多[2-6]，諶凱等針對農業機器人繪制了專利地圖，從發展趨勢、重點技術領域、地域分布、競爭機構及高被引專利等方面開展了態勢研究。邢穎等通過文獻計量分析的方法，基于SCI高被引論文，分析了國際農業機械研究的技術前沿。袁建霞等以與農業機器人研究相關的SCI論文為對象，綜合運用文獻計量法、內容分析法和專家咨詢法等，對農業機器人的論文產出趨勢、熱點研究主題、國家競爭態勢及研究前沿進行了分析。本文在專利和論文綜合分析的基礎上，調研了重點國家在農業機器人發展方面的戰略規劃，運用定量分析和定性調研相結合的方法，通過回溯國內外農業機器人的發展歷程，分析歸納其研究熱點、前沿，及未來發展趨勢，結合我國未來幾年的戰略需求和重點發展方向進行分析，為我國未來在農業機器人的基礎研究、技術研發和產業布局等方面的前沿規劃提供參考和建議。

1 數據來源與分析方法

本研究綜合應用定性分析、定量分析和專家咨詢方法開展國際農業機器人研發趨勢預測研究。

定性分析：針對歐盟、美國、日本、韓國、澳大利亞等國家發布的戰略規劃和資助項目，針對PrecisionAg、CropLife、Farm Industry News、Agfunder等重要行業媒體和行業咨詢公司的信息以及行業報告等進行了全面分析。

定量分析：文獻數據以Web of Science和EI Compendex數據庫為主要數據源，以主題檢索詞為主編寫檢索式，論文檢索時間限定為入庫年至2017年；專利數據以Derwent Innovation數據庫為數據來源，根據標題和摘要主題詞編寫檢索式，檢索時間限定為入庫年至2017年。開展了基礎研究布局、技術研發布局、核心科研產出分析等研究。

專家咨詢：在研究過程中，組織領域專家，圍繞技術體系梳理、檢索式構建、檢索結果篩選、分析結果判斷、技術前沿解讀等進行全程溝通，依托專家的知識積累和專業判斷進行領域研究熱點、趨勢研判，以及對策建議等研究。

2 全球農業機器人研究進展

2.1 研究歷程

農業機器人發展大體上經歷了四個階段(圖1)。

圖1 農業機器人全球論文數量和專利數量年度分布Fig. 1 Distribution of the number of global articles and patents in agricultural robotics by year

1) 萌芽期(1951—1980年)：1980年以前，農業機器人領域全球每年申請的專利數量較少，均在30件以下，屬于技術萌芽期。早期的農業機器人技術主要來自美國，并且主要涉及了機器人機械部分相關的研究。相對于技術專利而言，農業機器人論文出現時間較晚，研究論文發表時間可以回溯到1968年，年度論文發表量少于年度專利申請量。

2) 緩慢發展期(1981—1990年)：農業機器人領域的專利申請數量開始逐步發展，但專利總量仍然較少，處于緩慢發展期，年專利申請量在70件以下。此時期，隨著工業技術以及自動定位與導航技術的不斷發展及其廣泛運用，催生了不同類型的農業機器人，如采摘機器人、收獲機器人、擠奶機器人等。該階段農業機器人領域有少量的研究論文發表，主要涉及利用工業機器人的技術來研究農業的機器人化，對收獲、嫁接、移植、摘粒、噴藥等作業進行了研究。1984年，京都大學近藤直教授首次成功將機器人引入農業工程領域。該時段的后期，澳大利亞、英國等國家分別發表了剪羊毛機器人和擠奶機器人相關論文。

3) 平穩發展期(1991—2005年)：農業機器人技術得到進一步發展。此階段的專利和文獻內容多涉及農業作業環境、作物栽培式樣、作物物理特性等方面，努力使人—作物—機器人三者關系協調，使機器人更適宜于農業作業。

4) 快速發展期(2006年至今)：2006年后，農業機器人領域進入快速發展階段，專利申請量和論文發表量均快速攀升。此時期，高智能、高速度、低成本的農業機器人成為主攻方向。現代機器人本身集高、精、尖技術為一體，它可裝備與人的眼、耳、鼻、手以及腦等相似的多種傳感器。機器人的所有這些特性使得農業機器人將在農業生產過程中扮演著無可替代的重要角色。

2.2 研究現狀

2.2.1 戰略規劃

歐盟：通過FP7或“地平線2020”等框架計劃資助了多項機器人研究項目。2010年，歐盟資助了面向作物和林業可持續管理的機器人(CROPS)項目，旨在開發一種高度可配置、模塊化、智能化的載體平臺，包括模塊化并聯機器人和智能工具(傳感器、算法、噴霧器、夾持器)，開發了集中高價值作物(如溫室蔬菜、水果、葡萄)機器人樣機，同時還在感知以及智能傳感器融合與學習算法方面開展了大量的研究工作。2016年，歐盟委員會投入9 870萬歐元啟動第二輪“地平線2020”機器人計劃，園藝機器人(TrimBot2020)作為其中的子項目，主要是利用先進機器人和視覺技術，開發首個戶外花園修剪機器人原型。同年，歐盟發布《2016版機器人技術路線圖》，涉及系統開發集成、人機交互、機電一體化、知覺、導航與認知等6個技術集群。

美國：2014年，農業部國家食品與農業研究所(NIFA)宣布斥資300萬美元用于農業機器人的研發，重點資助方向包括目標識別與算法、相關機器人(分選機器人、溫室機器人、園藝機器人)等。2015年，美國“國家機器人計劃”投資3 700萬美元用于推動協作機器人(co-robots)的開發與使用，該計劃關注了14個重點方向，如自治系統、傳感和智能感知、建模與分析、規劃和控制、認知和學習等方面。2016年，美國發布第三版機器人路線圖《從互聯網到機器人》，重點關注機械與致動裝置、移動性與操控性、感知、形式化方法、學習與適應、控制與規劃、人機交互、多智能體機器人等領域。

日本：2016年，日本在其發布的《第五期科技基本計劃》中提出，致力于創造領先大變革時代的未來產業和社會變革，加強超智能社會的服務平臺基礎技術研發，包括：機器人技術、傳感器技術等；靈活利用低成本的ICT或機器人技術等加快農業智能化，以保障糧食的穩定性。2017年，日本發布《人工智能產業化路線圖》，并預計在2020年前后，實現無人農場和機器人的應用。

我國對農業機器人的研究起步相對較晚，但產業發展迅速，同時政策上支持力度不小，2016年工業和信息化部、國家發展改革委、財政部聯合發布《機器人產業發展規劃(2016—2020年)》，為農業機器人的進一步發展提供了新機遇。目前我國正在研究制定面向2035年的機器人產業發展規劃，總結中國機器人產業發展現狀，存在的問題和關鍵的技術環節，為未來的相關產業發展提供指導。

2.2.2 研發布局

1) 基礎研究布局分析。農業機器人基礎研究布局主要通過SCI論文的主題研究予以體現。通過研究論文的關鍵詞共現，農業機器人研究論文共聚成5個簇，分別為機器視覺、定位與導航、采收機器人、漁業機器人和擠奶機器人等相關研究(圖2)。其中，擠奶機器人相關研究文獻數量最多，內容涉及了牛群管理、動物行為監測、牛奶產量與質量檢測、奶牛疾病檢測、奶牛福利等。其次，定位與導航、機器視覺相關研究文獻量也較多，它們是農業機器人的最基本的支撐技術。

圖2 農業機器人基礎研究布局Fig. 2 Basic researches by cluster in agricultural robotics

2) 技術研發布局。技術研發布局主要通過專利文獻的主題研究予以體現。目前，全球農業機器人專利研發大致包含機器人技術和機器人類別兩大主題(圖3)。其中，技術主題包括機械手、傳感器；機器人類別主題包括割草、播種、采摘、收獲、噴霧、灌溉、嫁接、堆垛、擠奶和漁業養殖機器人等。其中，擠奶機器人和割草機器人這兩個主題是當前農業機器人專利研發活動中的熱點主題。

圖3 農業機器人專利技術景觀圖Fig. 3 Patent and R & D landscape in agricultural robotics

2.2.3 研發產出特點分析

1) 亞洲、北美和歐洲等地區是農業機器人研發成果的主要產出區域。從論文和專利數量來看，排名前十的國家主要分布在亞洲、北美和歐洲等地區，這些地區論文數量和專利產出數量占全球總量比例分別達到77%和95%。亞洲進入前十的國家有中國、日本和韓國，中國專利和論文數量均排名全球首位，表現突出。美國也表現優異，美國論文數量和專利數量均排名第二位。此外，歐洲有5個國家進入全球發文量和全球專利數量前十行列(表1)。

表1 主要國家論文發表和專利申請情況Tab. 1 Top countries by volume of research papers and patents

2) 歐、美等國的研究產出成果質量和影響力均較高。美國在該領域持有的前10%高被引論文數量最多，占總數的四分之一，論文篇均被引排名第四位，同時美國持有的授權專利最多，高達366件，其PCT(Patent Cooperation Treaty)專利數量排名第一，專利篇均被引排名第三位，說明美國十分重視國際市場布局，且論文質量和專利的影響力均較高。荷蘭的論文篇均被引排名第五位，持有的授權專利數量排名第二位，PCT專利數量排名第三位，主要在歐洲(37%)、美國(20%)、德國(11%)等歐美國家布局了相關專利。瑞典論文的篇均被引排名第一位，表現十分突出，PCT專利數量和篇均被引頻次均排名第二位，說明瑞典的論文和專利質量與影響力均名列前茅。加拿大專利篇均被引排名第一位，相關專利影響力較高。

3) 大學、科研機構和企業在創新鏈中的角色分工明確。在基礎研究環節，科研機構和高校是農業機器人研發的主力軍。其中中國的大學表現突出，排名前十位的機構中中國占據了6個席位，中國農業大學以122篇論文數量排名第一，江蘇大學排名第二，發文112篇，荷蘭瓦赫寧根大學研究中心表現較為突出，以78篇論文數量位居第三。

在技術研發環節，企業是農業機器人研發的主體。其中，前3位的機構依次為荷蘭的Maasland公司(258件)、美國的Technologies Holdings公司(190件)和瑞典的利拉伐公司(166件)。目前，一些企業已經開發出商業化的產品，如洋馬開發的全自動蔬菜嫁接機AG1000，該機嫁接速度為1 000株/h；2010年荷蘭利利公司(Lely)研制成最新一代的名叫“宇航員”的擠奶機器人；瑞典利拉伐公司(Delaval)研制出全自動擠奶機器人(VMS)。

4) 園藝機器人文獻數量較多，養殖機器人專利數量最多。總體而言，農業機器人的專利數量遠遠多于研究論文數量，主要體現在大田機器人和養殖機器人兩方面。從各類農業機器人論文數量來看，園藝類機器人相關研究論文數量最多，為 1 640 篇，占比為43.6%；其次是養殖類機器人，為631篇，占比為17.1%；大田機器人發文數量最少，為527篇，占比為14.2%。從專利數量來看，養殖機器人相關專利數量最多，為2 131件，占比38.7%；園藝機器人專利數量次之，占比為29.7%；大田機器人專利數量最少，占比為17.8%(圖4)。

圖4 不同類型機器人發文與專利數量比例Fig. 4 Articles and patents by robots of different purposes

2.3 研究前沿

2.3.1 國外戰略前沿部署分析

對各國戰略規劃分析顯示，歐美國家研發的機器人主要集中在園藝等高價值作物上，以及感知、控制與規劃、人機交互等重要技術領域。例如，歐盟FP7作物智能機器人(Clever Robots of Crops, CROPS)項目研發了溫室蔬菜、水果、葡萄等相關的機器人，TrimBot2020開發首個戶外花園修剪機器人；美國NIFA資助分選機器人、溫室、園藝機器人等相關研究。在技術層面，歐盟CROPS項目在感知以及智能傳感器融合與學習算法方面開展了大量的研究工作，歐盟和美國發布的相關路線圖均涉及了感知、控制與規劃、人機交互等領域。

2.3.2 高被引研究論文分析

通過對ESI數據庫中高被引論文(Highly Cited Paper)和熱點論文(Hot Paper)進行聚類和分析，得到基礎研究前沿。在農業機器人研究領域，共獲得4篇高被引論文和熱點論文。其中，最早的文獻發表于2008年，研究內容涉及了除草機器人；最新的一篇文獻發表于2017年，涉及了全自動作物監測機器人平臺(表2)。

表2 ESI數據庫中農業機器人的高被引和熱點文獻列表Tab. 2 List of highly cited paper and hot paper in agricultural robotics in the ESI database

相關研究內容包括：(1)機器視覺在果蔬自動檢測中的應用；(2)除草機器人中有關導航、檢測與識別、精確除草和繪圖等4種核心技術；(3)蔬菜嫁接技術，其中開發高效砧木和便利的嫁接工具一直是該領域的研究熱點；(4)全自動作物監測機器人平臺，建立了一個專用傳感器陣列(dedicated sensor array)，可對作物全生命周期的冠層發育進行精確監測。

2.3.3 核心專利技術分析

根據INNOGRAPHY數據庫中的專利強度指標(90%～100%)篩選出115件農業機器人領域核心專利。通過聚類分析獲得該技術前沿的主題分布(圖5)，這些主題涉及機械臂、圖像處理等機器人技術，以及養殖、采收、擠奶、割草等機器人類型。這些核心專利主要來自美國、荷蘭、瑞典、加拿大、以色列和德國等國家(表3)。

圖5 核心技術主題分布Fig. 5 Topics of core technologies

表3 國家與機構分布Tab. 3 Countries and patentees 件

其中，美國Technologies Holdings 公司專利申請量最多，達20件；其次是美國約翰迪爾公司和荷蘭利利公司，專利申請量均為10項；美國Technologies Holdings 公司專利和荷蘭利利公司的專利技術側重擠奶機器人，美國約翰迪爾公司的專利技術側重田間操作機器人。中國僅江南大學1件專利進入該研究前沿，專利內容為“一種多關節柔性機械手”。

2.4 趨勢預判

2.4.1 機器人技術預計未來十年實現成熟應用

美國農業眾籌平臺Agfunder利用Gartner曲線對農業技術成熟度的分析顯示，農業機器人技術目前還處于科技誕生的促發期(Technology Trigger)。在此階段，隨著媒體的過度報道，非理性的渲染，產品的知名度無所不在。然而隨著這些技術或產品的缺點、問題、局限性的出現，失敗的案例多于成功的案例。

此外，多家行業機構認為農業機器人技術離成熟應用尚需時日。加拿大前瞻研究機構2014年發表的報告認為，農業機器人到2018年在科研中實現，2020年成為主流技術，2021年普遍推廣。全球管理咨詢公司波士頓和英國IDTechEx等分別對農業機器人研發現狀和市場進行分析預測，并認為未來幾年機器人將在農場得到廣泛使用。

2.4.2 更多種類的農業機器人將實現商業化

當前，很多國家和地區對于農業機器人的使用大多局限于特定某一些品種，如收割機器人、擠奶機器人等已經被廣泛接受與使用，技術也相對成熟。但是，對于蔬菜、水果、畜牧業所需要的農業機器人，當前發展程度仍然不夠。未來，隨著市場的需要及技術的進步，科學家們必將研究出更多方面適用于更多需求的農業機器人，如收菜機器人、摘果機器人等，并且使其精細度更高、生產效率更高，使農業機器人能被農業生產的各行各業所應用，以全面提高農業生產效率。據英國IDTechEx分析報告顯示，到2023年前后，除草機器人、蔬果采收機器人、草莓采摘機器人、蘋果采摘機器人等將逐漸開始上市，未來會有更多種類的農業機器人實現商業化。

2.4.3 農業機器人的發展將更具智能化

智能化已經成為未來農業機器人發展的必然趨勢。智能化機器人的決策分析能力更強、適應性更強，且操作更簡單，農民可在田間地頭用智能手機或其它智能無線終端設備就可以操縱農業機器人進行田間作業。而智能機器人也可以實現精密性操作，如果園智能機器人可以在果園里配合導航系統、紅外系統等實現自動尋果、收果、自動分級等。在新的農業生產模式和新技術的應用中，農業機器人作為新一代智能化的農業機械，必然會要求對視覺和非視覺傳感器技術、圖像采集和處理的算法等進行更深入的研究，從而提高其辨識和避障能力，降低損傷率，真正代替人類實現智能化、高效化、精準化作業。此外，在各國的戰略規劃中，智能化的機器人也是其關注的重點，如歐盟CROPS項目，旨在開發一種高度可配置、模塊化、智能化的載體平臺；多智能體機器人(Multi-Agent Robotics)則是美國第三版機器人路線圖的關注重點之一。

2.4.4 農業機器人未來有較大的市場潛力

多家行業機構均對農業機器人開展了市場預測研究。2015年，國際知名調研機構Technavio發布了一份關于農業機器人市場預期報告顯示，2015年至2019年期間，全球農業機器人市場年復合增長率將達11%以上。根據Tractica機構預測，2024年農業機器人出貨量將從2016年的3.2萬部增長至59.4萬部，2024年農業機器人收入將達到741億美元。在中國，隨著農業集約化程度的提高和制造業智能化升級，將需要越來越多的農業機器人應用到大規模農業生產中。

3 發展建議

1) 加強前沿布局，提高農業裝備制造水平。目前，歐美發達國家在農業機器人領域的前瞻布局主要關注感知、智能傳感器融合與學習算法、控制與規劃、人機交互等領域。我國機器人研制起步較晚，與發達國家的差距仍然較大。因此，我國要及時追蹤相關領域前沿方向，加強前沿技術的布局，縮小與發達國家的差距。同時，我國仍需提高農業裝備制造能力，加強關鍵零部件和儀器的研發，只有這樣才能實現農業機器人整體水平的提升。

2) 提高基礎研究質量，重視相關專利布局。我國農業機器人領域的論文數量和專利數量已位居全球首位，但是在研究的質量和影響力上還有待進一步提高。我國科學家應當加強與國際同行之間的交流合作，重視專利的海外布局，提高科研成果的質量和影響力。盡管目前我國在農業機器人研究方面已取得了一些進展，但在自動導航、機器視覺、圖像處理與自動識別、機器人協同作業等核心技術和關鍵點上仍需要集中力量加強攻關，在短期內取得顯著進展。

3) 引導和加強企業在農業機器人產業創新中的作用。歐美等發達國家公益機構和企業分工明確，分別在農業機器人的基礎研究和技術開發等創新鏈環節發揮著重要作用。目前，我國農業機器人的基礎研究和技術開發等環節的創新主體均為高校和科研機構，企業尚未在其中發揮相應的作用，這將嚴重影響我國農業機器人創新成果的應用和產業化發展。因此，國家應加大政策和資金扶持力度，引導優勢企業進入相關領域，參與核心技術研發，促進農業機器人領域的公私合作，加快產業化發展。