溫室智能裝備系列之八 國內(nèi)外溫室園藝機器人的研究和應用現(xiàn)狀

馬 偉

溫室園藝產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)在西方發(fā)達國家的水平很高、規(guī)模很大。由于受到農(nóng)業(yè)用地狹小的條件限制，荷蘭、以色列、日本等國家發(fā)展溫室園藝產(chǎn)業(yè)具有明顯的特征重視種苗培育、建設現(xiàn)代化大型溫室、大量采用智能化計算機控制、生產(chǎn)流程高度自動化。這種“植物工廠”的專業(yè)模式和分工方式能產(chǎn)生非常高的生產(chǎn)效率，大幅提高優(yōu)質(zhì)蔬菜、花卉的質(zhì)量和產(chǎn)出率，能取得很好的經(jīng)濟效益。在信息化時代到來的今天，依托自動控制技術和信息技術的溫室精準農(nóng)業(yè)是備受關注的焦點，世界各國都在該領域開展研究，取得一系列很有特色的成果，極大地推動了溫室精準農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術的進步。其中，溫室園藝生產(chǎn)機器人無疑是最具代表性的。

由于設施生產(chǎn)是在全封閉的設施內(nèi)周年生產(chǎn)園藝作物的高度自動化控制的生產(chǎn)體系，可以最大限度地規(guī)避外界不良環(huán)境影響，具有技術密集型的特點，而溫室園藝機器人能夠滿足這種精細管理和精準控制的需求，并且能夠解決溫室園藝生產(chǎn)的勞動密集和時令性較強的瓶頸問題，太幅提高勞動生產(chǎn)率，改善設施生產(chǎn)勞動環(huán)境，避免溫室密閉環(huán)境施藥施肥對人體的危害，保證作業(yè)的一致性和均一性等。王樹才(2005)指出，目前全世界已經(jīng)開發(fā)出了耕耘機器人、移栽機器人、施肥機器人、噴藥機器人、蔬菜嫁接機器人、蔬菜水果采摘機器人、苗盤播種機器人、苗盤覆土消毒機器人等相對比較成熟的可用于設施園藝生產(chǎn)的農(nóng)業(yè)機器人。機器人技術尤其以日本最為代表性，日本作為最早研究機器人的國家之一，由于其老齡化提前到來引發(fā)勞動力缺乏以及人力成本高等問題，從20世紀70年代開始，日本的工業(yè)機器人開始快速發(fā)展，在經(jīng)過對汽車焊接、汽車噴漆等工業(yè)領域的成功應用之后，日本的農(nóng)業(yè)機器人也開始不斷取得進展。佟玲(1995)指出，日本在20世紀末已經(jīng)在技術密集型的設施園藝領域開發(fā)了多種生產(chǎn)機器人，如嫁接機器人、扦插機器人和采摘機器人等。荷蘭花卉生產(chǎn)非常發(fā)達，溫室園藝產(chǎn)業(yè)具有高度工業(yè)化的特征，每年花卉產(chǎn)業(yè)可創(chuàng)造50億歐元的價值。由于溫室園藝產(chǎn)品生產(chǎn)擺脫了土地約束和天氣影響，可以實現(xiàn)按工業(yè)方式進行生產(chǎn)和管理，其種植過程可以安排特定的生產(chǎn)節(jié)拍和生產(chǎn)周期，產(chǎn)后包裝、銷售也能夠做到與工業(yè)生產(chǎn)如出一轍。因此，荷蘭的機器人技術得到快速發(fā)展。很多溫室使用機器人實現(xiàn)不分白晝的連續(xù)工作，極大地降低了勞動成本。周增產(chǎn)(2001)即介紹了荷蘭農(nóng)業(yè)環(huán)境工程研究所開發(fā)的黃瓜采摘機器人，它能夠快速到達初步作業(yè)位置，視覺系統(tǒng)能夠探測到黃瓜果實的精確位置及成熟度，末梢執(zhí)行器可以抓取黃瓜果實并將果實從莖稈上分離。由于溫室園藝產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要以及對高精尖溫室園藝環(huán)境控制機器人的需求，這一領域得到快速發(fā)展。

種植機器人

標準模塊化機器人的理念在設施園藝生產(chǎn)領域的應用能夠給農(nóng)業(yè)注入巨大的活力。以色列海法市一所大學的研究人員研制的種植機器人選擇可用來運輸?shù)募b箱作為作物生長環(huán)境，選用營養(yǎng)液栽培法來種植蔬菜及其他農(nóng)作物。這種方法的主要原理是以水取代土壤作為植物的苗床。每只集裝箱內(nèi)從播種、澆水直至收獲均由機器人系統(tǒng)操作，箱內(nèi)的溫度、濕度、光線等，均由機器人細心控制，使農(nóng)作物一年每一個生長時刻都得到精心的管理。經(jīng)過試驗，一個運輸集裝箱平均每天可生產(chǎn)的蔬菜比同樣面積的普通農(nóng)田的產(chǎn)量要高出數(shù)百倍。這種基于標準模塊組裝的機器人具備大規(guī)模應用的廣闊前景，規(guī)?；瘽摿薮?。

工廠化育苗機器人

設施生產(chǎn)工廠化育苗精準作業(yè)育苗機器人是專門針對西甜瓜等需要專門育苗的作物播種、噴藥的生產(chǎn)需求的。該系統(tǒng)能流水線式作業(yè)，自動完成大規(guī)模苗盤播種時的自動上土、精量播種、對靶噴藥消毒殺菌等三個環(huán)節(jié)，一條生產(chǎn)流水線可實現(xiàn)整個環(huán)節(jié)全部自動化，封閉式作業(yè)、流水線工序，是設施生產(chǎn)瓜果、蔬菜、花卉等工廠化育苗的關鍵設備之一。該系統(tǒng)全部采用自動化作業(yè)，真空吸種，自動輸送，不銹鋼機架結(jié)構(gòu)造型美觀，不同的精準作業(yè)模塊采用組合設計，綜合集成了氣、液、電、光等技術成果，采用程序全自動控制?？商岣卟シN的精度，消除土壤病蟲害，減輕勞動者勞動強度。噴藥時采用封閉環(huán)境，減少噴藥過程中農(nóng)藥對人體的危害，提高生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本。該系統(tǒng)能實現(xiàn)快速流水線作業(yè)，是現(xiàn)代設施生產(chǎn)的關鍵設備。該設備非常適合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)使用，有很好的示范效果。

工作流程為：苗盤首先被傳送帶送到送土位置，完成自動裝土工序，然后自動到達播種位置，由傳感器檢測到苗盤準確位置后，發(fā)出信號，自動精量播種機采用真空氣吸技術，將種子吸附在播種器上放種。播種器可完成并排多個播種穴的同時放種，并且可以精確地自動控制每個穴中播種的數(shù)量。播種完后，到達噴藥位置，系統(tǒng)可自行完成自動農(nóng)藥對靶噴灑，能有效地節(jié)省農(nóng)藥并精確定位殺死病菌和害蟲。例如，西甜瓜基地實現(xiàn)播種育苗可以有效為周邊農(nóng)戶和企業(yè)提供育苗作業(yè)，具有良好的示范展示作用，為目前國際設施生產(chǎn)地主要發(fā)展方向，對于推動溫室自動化精準育苗流水線作業(yè)具有重要意義。

移栽機器人

一般，移栽作業(yè)需要大量手工勞動才能完成，為了解決上述難題，開發(fā)了移栽機器人，它能夠代替人工，高效率地進行移苗工作。王樹才(2005)介紹了臺灣K.C.Yang等研制的移栽機器人，該設備能把幼苗從600穴的育苗盤中移植到480穴的苗盤中，這種自動化的作業(yè)方式能極大地減輕工人的勞動強度。該機器人本體由四自由度工業(yè)機器人和SNS夾持器組成，在工作的過程中，依靠系統(tǒng)的視覺傳感器和力度傳感器，能夠做到夾持秧苗而不會對其造成損傷。在秧苗緊挨作業(yè)時，每個苗的時間約3s。這樣的工作效率是熟練工人的2倍～4倍，而且不會因為工作單一枯燥和長時間勞動而降低工作質(zhì)量。因此，該設備非常合適現(xiàn)代溫室園藝的生產(chǎn)過程中的移栽作業(yè)。另外，該工作過程可通過計算機控制，實現(xiàn)自動化的標準苗分選，保證種苗的質(zhì)量，該分選可通過專門的標準苗分選機器人進行(見圖1)。這種機器人作業(yè)的模式可以有效解決人為因素導致的種苗分選質(zhì)量不穩(wěn)定的問題。

嫁接機器人

溫室生產(chǎn)中廣泛應用的嫁接技術能有效提高產(chǎn)量、增加作物抗病蟲害的能力，因此越來越多地得到應用。為了解決嫁接過程中勞動強度大的問題，機器人技術較早被引入這個領域。日本對嫁接機器人的研究起步較早。嫁接的對象包括黃瓜、西瓜、番茄等。這種經(jīng)過嫁接的蔬菜水果更能適應溫室環(huán)境并明顯地提高產(chǎn)量和果實品質(zhì)。機器人利用圖像探頭采集視頻信息并利用計算機圖像處理技術，實現(xiàn)嫁接苗葉的識別、判斷、糾錯等。然后，機器人完成砧木、接穗的取苗、切苗、接合、固定、排苗等嫁接全過程的自動化作業(yè)。全自動的機器人可以同時將砧木和接穗的苗盤通過傳送帶送入機器中，機器人可自動完成整個苗盤的整排嫁接作業(yè)，工作效率極高。半自動的機器人通過人工輔助，在嫁接過程中，工人把砧木和接穗放在相應的供苗臺上，系統(tǒng)就可以自動

完成其余的勞動作業(yè)(見圖2)。

農(nóng)藥噴灑機器人

不合理的使用農(nóng)藥極容易導致人員中毒，全國每年因為施藥機械落后導致中毒的事件有8萬人之多。由于施藥技術直接關系工人的身體安全健康，并關系到對空氣和地下水的危害程度，所以，國外發(fā)達國家一直在高效施藥技術領域開展著大量研究工作。機器人技術是根據(jù)設施生產(chǎn)中殺菌和病蟲害防治的要求，結(jié)合現(xiàn)有的高精尖科技成果，應用光機電一體化技術、自動化控制等技術在施藥過程中按照實際的需要噴灑農(nóng)藥，做到“定量、定點”，實現(xiàn)噴藥作業(yè)的人工智能化，做到對靶噴藥，計算機智能決策，保證噴灑的藥液用量最少和最大程度附著在作物葉面，減少地面殘留和空氣中懸浮漂移的霧滴顆粒。日本為了改善噴藥工人的勞動條件開發(fā)了針對果園的噴藥機器人，機器人利用感應電纜導航，實現(xiàn)無人駕駛，利用速度傳感器和方向傳感器判斷轉(zhuǎn)彎或直行，實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎時不噴藥。美國開發(fā)的一款溫室黃瓜噴藥機器人利用雙管狀軌道行走，通過計算機圖像處理判斷作物位置實現(xiàn)對靶噴藥。周恩浩(2008)對溫室噴藥機器人的導航問題提出了一套視覺方案，并對此進行了理論探討，導航和定位涉及到人工智能的運算算法，是一個比較復雜的問題。溫室噴藥機器人“Ehu”采用輪式方式行走，可利用輔助標志自動識別道路，噴藥機器人采用循跡方式自走作業(yè)，采用超聲波技術和光電技術定位作物，可以實現(xiàn)姿態(tài)的靈活調(diào)整，非常適合在溫室的光線下進行圖像識別(見圖3)。姿態(tài)校正速度明顯高于攝像頭導航的機器人，基本不會偏離作業(yè)路徑，可實現(xiàn)持續(xù)噴霧作業(yè)。

采摘機器人

目前國內(nèi)外研究和投入應用的采摘機器人作業(yè)對象基本集中在黃瓜、番茄等蔬菜，西瓜、甜瓜等瓜類，以及溫室內(nèi)種植的蘑菇等勞動密集的作物。以色列Y88l Ed8n(1 995)介紹了用于水果采摘的準確率可達85％的可自行定位和收獲的機器人。英國西爾索研究所研制了蘑菇采摘機器人，它可自動測量蘑菇的位置、大小，并且根據(jù)設定值選擇成熟的蘑菇進行采摘，機械手由兩個氣動關節(jié)和一個旋轉(zhuǎn)關節(jié)組成，采用頂置攝像頭來確定位置和大小，采蘑菇速度為6個／s～7個／s。日本N Condo等人研制的黃瓜采摘機器人為六自由度，利用黃瓜和莖葉的反射率差異來區(qū)分黃瓜，采摘速度約為4個／min。日本Kyoto大學研制的西瓜采摘機器人為五個自由度，配有視覺攝像頭和行走裝置?；顒涌臻g大。美國研制的甜瓜采摘機器人使用三個伺服電機驅(qū)動機械手，實現(xiàn)三自由度運動。韓國Kyungpook大學研制的蘋果采摘機器人具有最高達3m的機械手，可進行四自由度運動，末端執(zhí)行器采用三指夾持的方式，輔助壓力傳感器避免損傷蘋果，識別率達到85％，采摘速度為7個／s。應用于溫室蔬菜和水果生產(chǎn)的機器人采用視覺識別模式來確定果實的位置并調(diào)整機械手的位置，由于光線和葉面的遮擋，準確率受到很大影響，因此，相關的算法還需要不斷優(yōu)化，以滿足設施生產(chǎn)的環(huán)境要求和生產(chǎn)準確度。

鮮花機器人

利用仿形技術開發(fā)的機器人除了具備完美的外觀之外，其智能控制技術的集成應用可以代替人來控制室內(nèi)環(huán)境，并且能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)境的精確控制。韓國國立全南大學研制的鮮花機器人外形模仿普通開花植物，機器人高度為130cm，最大直徑40cm，而且能夠自動分析室內(nèi)空氣的質(zhì)量根據(jù)程序設定對空氣進行加濕處理、釋放氧氣，還能釋放空氣清新劑的香味。該機器人充分的仿生功能使其還能夠生長和開花。該鮮花機器人可以將花朵朝向說話的人的方向，也可以根據(jù)音樂的節(jié)奏開合花瓣。

休閑和科普功能也是設施農(nóng)業(yè)的一個重要組成方面，仿形機器人的外形具有很好的親和力，因此，在設施農(nóng)業(yè)發(fā)展過程中將會扮演重要的角色。

溫室園藝生產(chǎn)依托的高效率、高投入、高產(chǎn)出的管理模式要求應用大量的高新技術，機器人技術在該領域的應用是國內(nèi)外研究和應用的熱點。真正意義上的機器人、半自動農(nóng)業(yè)機械在界限上沒有嚴格的區(qū)分，但是完全代替人或者大部分代替人從事繁重體力勞動，通過自動識別農(nóng)作物和自動調(diào)整姿態(tài)實現(xiàn)無人操作的智能農(nóng)業(yè)機械都可以歸入農(nóng)業(yè)機器人的范疇。溫室園藝生產(chǎn)的高投入高產(chǎn)出的特點決定農(nóng)業(yè)機器人技術的發(fā)展前沿將集中在該領域。因此，在溫室園藝環(huán)境下，在生產(chǎn)和應用思想指導下，通過大量實際環(huán)境測試和研究的圖像識別算法、姿態(tài)控制算法、機械末端執(zhí)行器，將是溫室園藝機器人發(fā)展的重點。由于農(nóng)田環(huán)境的多變性和對象復雜性，生產(chǎn)對象不如工業(yè)品那樣單一和標準，因此農(nóng)業(yè)機器人相比工業(yè)機器人面臨更多的技術障礙。溫室園藝的生產(chǎn)環(huán)境相比大田環(huán)境在光線、風速、溫度等氣象條件方面相對較穩(wěn)定，而且產(chǎn)品附加值較高，反季節(jié)也可生產(chǎn)，因此未來的機器人技術在溫室園藝生產(chǎn)上的應用有廣闊的發(fā)展空間。