林業(yè)機器人的發(fā)展現(xiàn)狀§§§

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林業(yè)機器人的發(fā)展現(xiàn)狀§§§

姜樹海

（南京林業(yè)大學(xué)，南京 210037）

摘編自《東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報》2009年37卷2期：95~97頁，圖、表、參考文獻已省略。

機器人是一種自動的、位置可控的、具有編程能力的多功能操作的加工單元，它具有幾個軸（關(guān)節(jié)），能夠通過程序操作來處理各種材料、零件、工具和專用裝置，以便執(zhí)行各種任務(wù)[1-2]。隨著科技的不斷進步，機器人學(xué)的內(nèi)涵也在不斷的外延，與機器人學(xué)最為密切的學(xué)科是人類學(xué)、生物學(xué)、機械學(xué)[3]。從廣義上來說，除了商用機器人外，其余的都可叫做工業(yè)機器人，林業(yè)機器人可以看成是一種特種工業(yè)機器人。林業(yè)的作業(yè)現(xiàn)場受自然環(huán)境（坡度、地面障礙、地表條件等）的影響最大，由于人工改善作業(yè)環(huán)境是根本做不到的，因此林業(yè)機器人的研制難度特別大。本文在分析國內(nèi)外對林業(yè)機器人研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出了未來林業(yè)機器人研究的關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展方向。

1　林業(yè)機器人應(yīng)用領(lǐng)域

經(jīng)過近40 a的研究開發(fā)，林業(yè)機器人得到了飛速的發(fā)展，目前林業(yè)機器人已經(jīng)在種苗、移栽、果實、林產(chǎn)品精深加工和災(zāi)害防治等幾乎所有農(nóng)林業(yè)作業(yè)領(lǐng)域都有研究[2]。縱觀農(nóng)林業(yè)機器人的發(fā)展歷史，主要從根、莖、葉和果實等方面來研究開發(fā)機器人。從工作方式出發(fā)，我們把它歸結(jié)為兩大類，即移動機器人（輪式、履帶式、混合式和步行式）和工業(yè)機器人（林業(yè)加工機器人）。林業(yè)機器人的應(yīng)用領(lǐng)域大致可分為：采種機器人、植栽機器人、撫育機器人、采運機器人、林產(chǎn)品精深加工機器人。

2　國外林業(yè)機器人研究現(xiàn)狀

林業(yè)機器人在國內(nèi)外均有研究，鑒于林業(yè)作業(yè)受作業(yè)條件、作業(yè)環(huán)境的影響，以及勞動強度大和世界上發(fā)達國家勞動力匱乏，因此，林業(yè)機器人在發(fā)達國家發(fā)展較快，特別是日本、美國、德國、加拿大、瑞典和挪威等國家，尤以日本水平最高。

2.1 枝上作業(yè)機器人

作為機器人王國的日本，在林業(yè)機器人的研究與開發(fā)方面也走在世界的前列，處于領(lǐng)先地位。20世紀70年代致力于自動整枝機器人的研究與開發(fā)，經(jīng)過近40 a的努力，目前已開發(fā)形成了大、中、小系列產(chǎn)品（AB170、AB230和AB350系列）[4-8]，并不斷完善。該類機器人采用小型汽油機做動力源，無線遙控，采用輪式螺旋爬行方式升降，有六輪、八輪和十輪移動方式。

自動整枝作業(yè)也有非AB系列的機器人，采用垂直升降方式。但是，該系列機器人存在的問題是下樹困難。前西德最早在1973年也開發(fā)了一種整枝機器人，驅(qū)動和結(jié)構(gòu)與日本的機器人不同。該種類的機器人主要用于活立木整枝作業(yè)[9]。最近，日本早稻田大學(xué)管野研究室開發(fā)了類人爬樹方式自動整枝機器人（WOODY-1）。

2.2 樹干作業(yè)機器人

北美的美國、加拿大，歐洲的瑞典、挪威等國，都對這類機器人進行過研究，集中在集采伐、打枝和造材一體化的機器人化機器的研究與開發(fā)。這類機器人大都采用計算機固定程序控制。它們的高性能林業(yè)機械享有盛譽，就連日本都在有選擇地引進它們的產(chǎn)品。瑞典和挪威均開發(fā)了六足步行機器人，用于山場采伐作業(yè)[2，10]。日本在貯木場和山場原木作業(yè)方面，開發(fā)了多種機器人車輛，主要有：四輪獨立驅(qū)動式機器人車輛；鉸接式履帶機器人車輛；混合式機器人車輛（適應(yīng)陡坡地帶的步行機構(gòu)和平坦地帶的履帶機構(gòu)）；木材堆積用機器人車輛；林木搬運機器人；堆積短小木材用機器人[2，11]。

2.3 苗木作業(yè)機器人

加拿大、日本和瑞典都進行過此類機器人的研究。加拿大在20世紀70年代開始致力于林業(yè)機器人研究。1974年前后，加拿大開始研制自動植苗機，但到20世紀90年代中期，植苗機的自動化水平離機器人還相差太遠。目前努力的目標(biāo)，是利用傳感器自動調(diào)整植苗機前端與地面障礙物的位置關(guān)系。如果做到這一點，那么，除了需要人工駕駛車輛之外，其它操作的自動化都易于實現(xiàn)[12]。進入21世紀，日本森林綜合研究所研制了一種自動植栽機用于造林作業(yè)。

嫁接機器人，我們將其歸類為苗木作業(yè)機器人行列，日本將其劃為生物生產(chǎn)機器人領(lǐng)域，這一類機器人在農(nóng)林業(yè)嫁接作業(yè)中均有。日本開發(fā)出了多種該類機器人[13]。

2.4 草上作業(yè)機器人

草上作業(yè)機器人，這里指以草為作業(yè)對象的機器人，主要有兩種：一種是草坪修剪機器人，該類機器人主要作業(yè)對象是各種草坪，比如，高爾夫球場、足球場以及城市大面積的草坪廣場等；另一種是除草機器人，主要用于需要除草作業(yè)的場合，比如，農(nóng)田的雜草清除、高速公路沿線的雜草清除等。加拿大一家私人機器人公司——自主機器人公司研制了一種六足步行機器人，試驗樣機重約272 kg（600磅）。采用氣動足，可以跨越約1.8 m（6英尺）高的障礙物，它繼承了瑪麗埃塔公司為火星探測設(shè)計的遙控行走機器人技術(shù)，用于加拿大2萬多公里長的公路沿線雜草的剪除[14]。

2.5 林產(chǎn)工業(yè)機器人

林業(yè)加工業(yè)機器人主要用于林產(chǎn)品精深加工作業(yè)，特別是木材加工工業(yè)和家具制造業(yè)。德國、意大利等木工機械制造技術(shù)先進的國家，已經(jīng)開發(fā)出多種機器人用于木材加工業(yè)和家具制造業(yè)。這些機器人的應(yīng)用主要是提高生產(chǎn)過程的柔性自動化水平。Augsurg的KUKA機器人制造廠為Mark木結(jié)構(gòu)廠生產(chǎn)了具有6軸的工業(yè)機器人，它具有125 kg負載能力和較大的伸距，能在膠合板整個幅面上進行加工；機器人能攜帶不同的工具系統(tǒng)連同機組按加工程序進行鋸切、輪廓切割、表面銑削、鑿孔和刻槽等作業(yè)，準確度為0.3 mm。Neuenrada的IBG Automat公司首次推出了一種通用性好的帶機器人的加工中心，適用于生產(chǎn)箱式家具。Delbruck-Boke的Roker公司是一家生產(chǎn)門、家具和家具組件的公司，該公司采用瑞士Vobhag公司生產(chǎn)的機器人及其配套設(shè)備進行工件的砂光。Vobhag公司提供的設(shè)備由下列部分組成：被加工件的輸入和分級裝置，6軸線機器人，給機器人供料的全自動定位裝置，一套Rotex修圓設(shè)備和一套Roflex工件表面砂光設(shè)備組成的加工中心。采用此設(shè)備與手工業(yè)相比，縮短加工時間80%以上，改善了工作場所的條件，清除笨重的體力勞動和灰塵的生產(chǎn)[2]。

3 國內(nèi)林業(yè)機器人研究與分析

我國的林業(yè)機器人研究開發(fā)起步較晚，但是，國家“863”計劃智能機器人主題（現(xiàn)為機器人技術(shù)主題）專家們對林業(yè)機器人的研究開發(fā)給予了高度重視。東北林業(yè)大學(xué)的陸懷民教授、馬巖教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊，從1994年開始得到了“863”計劃的連續(xù)資助，目前已開發(fā)成功的有：“林木球果采集機器人”、“新型智能伐根清理機器人”、“旋切智能定心上木機器人”、“彎曲木加工機器人”和“防風(fēng)固沙草方格栽植機器人”等[15-19]。

南京林業(yè)大學(xué)智能控制與機器人技術(shù)研究所姜樹海領(lǐng)導(dǎo)的課題組，開展了關(guān)于綠化作業(yè)的“多功能移動智能機器人系統(tǒng)實現(xiàn)的研究”課題研究工作，在該領(lǐng)域?qū)σ活愐苿芋w搭載多自由度機器人的運動原理、智能控制等方面進行了研究[20-21]。

北京林業(yè)大學(xué)李文彬教授帶領(lǐng)的團隊，在立木整枝技術(shù)與設(shè)備方面的引進、開發(fā)和研究方面做了許多的工作[22]。

3.1 林木球果采集機器人

1994年，在國家“863”計劃智能機器人技術(shù)主題的支持下，開展了林木球果采集機器人的開發(fā)研究。該機器人是我國最早開發(fā)的林用機器人。機器人的原動力由林用車輛提供，機器人手臂采用液壓控制，可以自由折疊到車輛上，末端執(zhí)行器是類似人的一對手掌手心相對合在一起的采集爪。該機器人的開發(fā)大大地提高了作業(yè)效率，減輕了工人的勞動強度，降低了作業(yè)的危險性。機器人由單片機固化在EPROM內(nèi)的程序控制機械手進行采集作業(yè)[15]。

3.2 新型智能伐根清理機器人

機器人主要由行走機構(gòu)、機械手、液壓驅(qū)動系統(tǒng)和單片計算機控制系統(tǒng)等組成，其中機械手由回轉(zhuǎn)裝置、大小臂和旋切提拔裝置組成。單片機控制系統(tǒng)控制的動作，可實現(xiàn)點控和自動控制，且具有搜索伐根的視覺系統(tǒng)。利用該機器人在一個?？课恢?，即可清理8 m范圍內(nèi)最大徑級55 cm的伐根，每臺班可清理近100個伐根，是人工挖掘樹根的40～50倍[16]。

3.3 旋切智能定心上木機器人

旋切智能定心上木機器人是機器人技術(shù)、智能傳感技術(shù)、多媒體技術(shù)相融合形成的林產(chǎn)工業(yè)行業(yè)的第一個高技術(shù)產(chǎn)品。研究成果包括大、小型旋切智能定心上木機器人。小型旋切智能定心上木機器人為我國膠合板企業(yè)提供了一種新機型作出了實驗準備工作。該機器人采用四截面、六點感應(yīng)定心理論，多媒體計算機控制，機器人系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單、合理，控制準確，定心運動實現(xiàn)方便，定心精確度高，速度快，定心出材率提高5%～7%。大型旋切智能定心上木機器人機械手的結(jié)構(gòu)采用平行四邊形結(jié)構(gòu)，液壓油缸控制手爪開合；手爪部安裝有傳感器，工作時，原木放入定心上木機器人剪式起升機構(gòu)上，機械手抓住原木，傳感器和旋切原木兩端面位置的工業(yè)攝像機采集原木點的數(shù)據(jù)和圖像信息，X-Y機構(gòu)調(diào)整原木的位置，使之達到最優(yōu)定心，原木定心之后，由機器人上木機構(gòu)將其送往旋切機進行原木旋切[2,17]。

3.4 彎曲木加工機器人

彎曲木加工機器人用于木材加工和家具制造業(yè)。機器人采用模塊化設(shè)計和開放式體系，主要由五大部分組成：IPC主控計算機、智能運動控制卡、電器柜、步進電機和機械系統(tǒng)、彎曲木加工機器人模擬實驗臺[18]。

3.5 防風(fēng)固沙草方格鋪設(shè)機器人

防風(fēng)固沙草方格鋪設(shè)機器人是為解決環(huán)境惡化中的沙漠化問題而開發(fā)的沙障鋪設(shè)機器人。該機器人由輪式越野牽引車和輪式草方格鋪設(shè)機兩大部分組成[19]，在計算機（中央控制器）控制協(xié)調(diào)下，草方格鋪設(shè)機上的縱向和橫向鋪草機構(gòu)連續(xù)完成沙地上的總寬為3 m、每格為1 m×1 m的草方格沙障鋪設(shè)作業(yè)，從而達到防風(fēng)固沙的目的。

國內(nèi)開發(fā)的機器人大多采用了視覺檢測技術(shù)和計算機控制技術(shù)。最初開發(fā)的兩種機器人的作業(yè)控制采用遙控和自動兩種方式。林木球果采集機器人和新型智能伐根清理機器人分別屬于果實采摘和根（樹干）作業(yè)機器人。旋切智能定心上木機器人和彎曲木加工機器人屬于林產(chǎn)品精深加工機器人，防風(fēng)固沙草方格鋪設(shè)機器人我們把它歸為草上作業(yè)機器人類。

4　討論與展望

無論是產(chǎn)業(yè)機器人、特種機器人，還是農(nóng)林業(yè)移動操作機器人，研究主要集中在實際作業(yè)時，根據(jù)特定對象的作業(yè)控制、目標(biāo)識別與圖象處理方法，以及目標(biāo)物的跟蹤和定位、機器人的導(dǎo)航方法等等。比如：苗木植栽機器人、木材歸堆機器人、自動整枝機器人等，關(guān)心的是目標(biāo)物的識別、定位與作業(yè)的精準性；國內(nèi)的球果采摘機器人、新型智能伐根清理機器人等，關(guān)心的是作業(yè)對象的識別與定位等。從機器人技術(shù)近50a的發(fā)展和農(nóng)林業(yè)機器人40多年的研究歷史來看，未來研究的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展方向應(yīng)主要集中在以下幾個方面：

機器人機構(gòu)學(xué)：在移動操作機器人機構(gòu)學(xué)方面，以往的研究關(guān)注的是對于特定對象的操作需要幾個自由度、什么樣的關(guān)節(jié)構(gòu)型來完成任務(wù)等，而很少有人詳細考慮關(guān)節(jié)組合的不同帶來的功能或性能的差異。在這方面，可借鑒通用機器人機構(gòu)學(xué)研究成果，并結(jié)合實際作業(yè)的環(huán)境和作業(yè)要求，進行相關(guān)研究。

智能控制：林業(yè)機器人中，一類移動操作機器人是機器人化機器，操作機構(gòu)是原來就有的，人們考慮的是怎樣將機器人控制得更好，操作更加準確。比如：加拿大的打枝、伐木、造材一體化機器人化機器、我國徐工集團的裝載機等，關(guān)心的是怎么樣使計算機很好地控制機器實現(xiàn)良好的作業(yè)等。在這方面，盡管已有的林業(yè)機器人研究成果采用模糊、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能控制方法，但在實際應(yīng)用中卻很少。今后應(yīng)在智能控制方法的實用化和新的控制理論與方法開展研究。

新機器人：未來的研究應(yīng)著重解決目前林業(yè)生產(chǎn)與林產(chǎn)品精深加工中的關(guān)鍵問題，比如，在自然災(zāi)害頻發(fā)的今天，特別是森林災(zāi)害的問題，開發(fā)森林災(zāi)害防控機器人是當(dāng)務(wù)之急；另外，鑒于歐美、日本等國家對我國竹制品手工作業(yè)的不信任，而減少大批訂單，開發(fā)這一類機器人也是未來的研究方向之一。

食品安全：食品安全問題在全球范圍內(nèi)頻發(fā)，林產(chǎn)食品的安全問題也應(yīng)提到議事日程，未來在食品異物和有害成分檢測、食品包裝等領(lǐng)域開展機器人技術(shù)的研究也具有不錯的發(fā)展前景。

小型機器人：森林地形條件和作業(yè)環(huán)境要求林業(yè)機器人在野外作業(yè)應(yīng)具有良好的越障性能和通過性。從保護環(huán)境出發(fā)，在該領(lǐng)域未來應(yīng)注重研究開發(fā)高性能的、小型、機動靈活的林業(yè)機器人。