我國農(nóng)林機器人的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢****

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我國農(nóng)林機器人的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢****

李牧，陸懷民，方紅根，郭秀榮

（東北林業(yè)大學）

摘編自《森林工程》2003年19卷5期：39~41頁，圖、表、參考文獻已省略。

1　我國幾種比較典型的農(nóng)林業(yè)機器人

1.1 全自動播種機器人

應用圖像處理技術(shù)在漏播檢出中的應用并且對機器人補種系統(tǒng)進行控制，圖像處理卡通過CCD攝像機把播種前后的圖像采集到計算機中并進行運算，從而提取出種子特征，判斷種盤是否有漏播發(fā)生。如果發(fā)生漏播，計算機將把漏播的位置信號通過I/O輸入輸出卡傳送給機器人控制器，通過機器人控制器控制機器人完成補種作業(yè)。

1.2 在溫室中具有導航和避障功能的機器人

這種機器人的運動是通過前輪導向，后輪驅(qū)動來完成。采用模糊控制，以單片機作為控制核心。這種機器人的開發(fā)設計彌補了因溫室面積小，一般農(nóng)業(yè)機械不能滿足其使用要求的不足。但對于表面過于復雜的障礙物，避障效果不是很好，這是由于所用傳感器精度不是很高，所檢測到的障礙物表面信息誤差大所致。

1.3 自動噴霧機器人

這種機器人無需人工駕駛，所以能夠改善勞動條件，使人們遠離農(nóng)藥氣霧劑的危害，而且體積小，重量輕，成本低，噴霧質(zhì)量好，作業(yè)效率高，易于在大棚作業(yè)。噴霧機器人與動力噴霧機配套，一起完成噴霧作業(yè)。由動力噴霧機加壓，噴霧機器人攜帶噴頭及管子一起順著田間行道行走，并隨時釋放和卷緊噴管。在動力噴霧機附近和每行作物的始端安有導管器，噴霧機器人從田間入口處進入，沿著主行道前進。遇到首行標志后，轉(zhuǎn)彎（90°）走向主行道兩邊的橫向行道，遇到行為標志機器人反向行駛。在橫向行道行駛過程中，機器人按設定的方式噴霧（往噴或反噴）。完成一行作業(yè)后，沿主行道返回，檢測行頭標制，依次進行以下各行的噴霧作業(yè)，最后噴霧機器人從入口退出。遇到作業(yè)中止標志后停止工作，作業(yè)完成。其執(zhí)行部件為他勵式直流電機，采用單片機控制電機進行傳動。

1.4 具有視覺系統(tǒng)的蔬菜嫁接機器人

蔬菜嫁接機器人可以在零點幾秒的時間內(nèi)使砧木和穗木的切口結(jié)合為一體，避免了切口長時間氧化和苗內(nèi)液體流失，因此不但可以大幅度降低勞動強度，提高嫁接速度，而且可以提高苗的成活率。自動取苗是嫁接中的一個難點，因為苗在苗盤中的位置、方向上是隨機的。視覺系統(tǒng)可以指導機器人從何處取苗，準確找出苗的位置。其硬件系統(tǒng)主要是586/233型計算機，圖像攝入裝置為LG公司的彩色攝像系統(tǒng)；圖像輸入裝置為National Instrument Co. 的PCI-IMAQ-1408圖像采集卡，該卡可以將輸入的彩色信號以R、G、B各色256灰度（8位）分解，按照FIFO存入計算機內(nèi)存，攝像機安裝于苗盤上方。

1.5 林木球果采集機器人

這種機器人將集材—50型拖拉機的后部的集材裝置拆去，安裝一高為14 m，具有6個自由度的機械手。機械手的頂端有一個采集爪，可深入樹冠內(nèi)部采集球果。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)。首先，操縱機械手回轉(zhuǎn)馬達使機械手對準一顆母樹，然后單片機控制機械手大小臂同時起升，到達一定高度后，采集爪張開擺動，對準要采集的樹枝，大小臂同時運動，使采集爪向前趨進1.5～2 m，采集爪的梳齒攏抱住樹枝，大小臂帶動采集爪向后移動，梳齒擼下球果，完成一次采摘，并回到原位。再由單片機控制采集爪向上或向下移動，對準另一個結(jié)果樹枝重復上述動作，連擼數(shù)根樹枝后，單片機控制機械手將球果倒入集果箱中。

1.6 林木伐根清理機器人

這種機器人行走機構(gòu)由SDWY——60型履帶挖掘機底盤構(gòu)成，將其挖斗去掉，安裝伐根清理旋切頭，其作業(yè)半徑最大可達8 m。機械手有6個自由度，具備旋切夾緊和提拔功能，采用全液壓驅(qū)動，由計算機進行伺服控制。旋切液壓馬達和夾緊油缸的速度由節(jié)流閥調(diào)節(jié)后在伐根清理作業(yè)過程中不再進行自動調(diào)節(jié)控制，其余液壓執(zhí)行元件由兩個閉環(huán)控制系統(tǒng)進行控制，控制過程由單片機來完成。司機可操縱控制手柄，使機械手回轉(zhuǎn)伸縮，對準某一伐根，將旋切頭罩在伐根上，開動旋切機構(gòu)，將伐根側(cè)根切斷，四爪夾緊機構(gòu)夾緊切下的伐根并同時抖動，將伐根上的土留在原地，便于以后植樹，接著大小臂聯(lián)動提拔，將伐根拔出地面，隨后轉(zhuǎn)移到指定位置或運輸伐根的車輛上方，松開夾爪，伐根自動脫落，完成一次伐根清理過程。

2　農(nóng)林業(yè)機器人所采用的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及存在的問題

2.1 常用的控制系統(tǒng)及其局限性

隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，大多數(shù)的農(nóng)林機器人采用了傳感器與控制部件的融合技術(shù)。有的機器人控制技術(shù)融入了模糊控制、智能控制和人工神經(jīng)網(wǎng)絡。有的融入了自主導航系統(tǒng)，基于攝像機獲取到的反映周邊環(huán)境信息的圖像，做出行動路徑規(guī)劃，并指揮機器人在無人干涉的情況下，自主移動到預定目標。

針對機器人的智能化程度問題，現(xiàn)階段農(nóng)業(yè)和林業(yè)工程領(lǐng)域的研究人員紛紛把研究重點從機械部分轉(zhuǎn)向人工智能方面，力圖解決智能問題。從目前的技術(shù)水平來看，智能系統(tǒng)的發(fā)展還不夠完善。目前，農(nóng)林機器人一般采用如下兩種方式：1）采用工業(yè)機器人；2）獨立設計專用的機電系統(tǒng)。但當前的工業(yè)機器人還局限于“專用計算機、專用機器人語言、專用微處理器”的封閉式結(jié)構(gòu)。封閉的控制器結(jié)構(gòu)使工業(yè)機器人具有特定的功能，但只能適應于特定的環(huán)境，不便于對系統(tǒng)進行擴展和改進（如增加傳感器控制等功能模塊），工業(yè)機器人的封閉式結(jié)構(gòu)限制了農(nóng)業(yè)機器人的柔性生產(chǎn)能力和智能的擴展。獨立設計專用機電系統(tǒng)的實現(xiàn)方式同樣存在著擴展性、通用性差的問題。

2.2 開放式結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)

開放式結(jié)構(gòu)思想源于現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)對機電設備的要求，計算機的集成制造、柔性制造、敏捷制造等新的生產(chǎn)模式要求機電設備具有更大的柔性和更強的編程環(huán)境，不但能適應不同的場合，也能適應多品種小批量的生產(chǎn)。為提高機電系統(tǒng)的性能和智能水平，要求控制器具備開放結(jié)構(gòu)和集成各外部傳感器的能力。

開放結(jié)構(gòu)控制器能夠大大提高系統(tǒng)的柔性、交互性、可靠性、復用性、可擴展性、可交換性、可一致性和可伸縮性。這種開放式結(jié)構(gòu)控制器的優(yōu)點是：1）控制器的設計可由用戶或第三方開發(fā)人員更換或修改，用戶可根據(jù)需要對機器人控制器改型，所以開放式機器人系統(tǒng)的應用會更廣泛。2）硬件和軟件結(jié)構(gòu)很容易集成傳感器、操作接口、新的伺服控制規(guī)律。3）采用模塊化技術(shù)，功能模塊的復用可以降低開發(fā)成本，這樣重復性的開發(fā)工作大大減少，從而減少了整個系統(tǒng)開發(fā)的時間和成本。4）便于實現(xiàn)平臺、操作系統(tǒng)和用戶接口的標準化。5）硬件和軟件的開放式使得任何符合接口標準的第三方硬件和軟件都可以添加到系統(tǒng)中或替換功能相同的部件。

以上這些優(yōu)點，證明了開放式結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)能夠解決當前農(nóng)林機器人發(fā)展中所遇到的問題。

3　農(nóng)業(yè)、林業(yè)機器人的發(fā)展趨勢

應用農(nóng)業(yè)機器人，提高資源利用率和農(nóng)業(yè)產(chǎn)出率，提高經(jīng)濟效益是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

將一些農(nóng)業(yè)機器人作業(yè)于田間，將會極大提高勞動生產(chǎn)率，能夠合理的利用勞動力資源。目前研究人員主要研究的是：1）行走系列農(nóng)業(yè)機器人，其導航系統(tǒng)能知道機器人進行路徑規(guī)劃和避障、探測定位和控制系統(tǒng)穩(wěn)定性。2）機械手系列機器人。由于生長環(huán)境不同，形狀也不同，所以開發(fā)機器人不僅要考慮作業(yè)對象的基本特性和力學特性，甚至連化學特性、生理特性也該考慮。為盡量多采集監(jiān)測數(shù)據(jù)，需要開發(fā)新型傳感器或按照一定融合策略構(gòu)造傳感器陣列，以彌補單個傳感器的缺陷以及提出新的融合方法來提高傳感器的靈敏度和反應速度以完善探測結(jié)果，這些都是重要的研究方向。

在一個時期內(nèi)，農(nóng)業(yè)機器人大致向以下幾個方向發(fā)展：1）實現(xiàn)最佳作業(yè)方法。為合理利用農(nóng)業(yè)資源，給作物創(chuàng)造最佳生長環(huán)境，必須尋求和應用最合適的作業(yè)，包括作業(yè)的種類和作業(yè)的程度。理想的農(nóng)業(yè)機器人應能根據(jù)作物的生長環(huán)境和生長狀況，自動選擇最佳作業(yè)內(nèi)容。2）結(jié)構(gòu)簡單，價格合理。不僅需要機器人能模仿人的動作，還要用機器人易于實現(xiàn)的動作代替人的動作，而且要求機器人能與農(nóng)藝相配合。要防止機器人機構(gòu)過于復雜，使價格合情合理，便于推廣。3）用途廣泛。農(nóng)業(yè)機械的特點是使用時間短，間隔周期長。農(nóng)業(yè)機器人就應該做到更換機械手的終端執(zhí)行器和軟件就可以作他用，做到一機多用，以提高使用效率，降低使用成本。

我國林業(yè)機器人的發(fā)展水平還很低，在育苗、造林、森林撫育、病蟲害防治、森林采伐與運輸、剩余物綜合利用、木材精深加工等幾乎所有林業(yè)生產(chǎn)方面，機器人都會有很好的應用前景。今后林業(yè)機器人的發(fā)展方向?qū)⑹牵?）具備保護環(huán)境功能，研究高性能的、輕型機器人。2）應用人工智能，使機器人能夠自主作業(yè)。3）從事林業(yè)產(chǎn)品精深加工的機器人。

當今，林業(yè)機械的智能化、自動化已初見端倪，無人操作、通過傳感器便能自行判斷、作業(yè)的機器人將會成為現(xiàn)實。與工業(yè)機器人在固定位置上單純反復的定位控制相比，還必須具備獨立的機能，如：力的控制、移動性、搬動性等等。被稱為第五代計算機“神經(jīng)計算機”和能控制模糊度的“模糊計算機”一旦投入使用，林業(yè)機器人將會得到突飛猛進的發(fā)展。

未來的林業(yè)機器人的行走機構(gòu)為昆蟲型和足部有履帶的復合型的，四足能自動行走。通過三維視覺傳感器掌握對象物的形態(tài)，邊預測、邊掃描進行栽植、割灌等作業(yè)。同時，要了解機器人群的位置和海拔高度，可利用衛(wèi)星導航從遠離作業(yè)現(xiàn)場的指令地通過計算機集中控制，同時還能根據(jù)這些資料掌握作業(yè)情況。隨著科技和經(jīng)濟的發(fā)展，農(nóng)業(yè)機器人和林業(yè)機器人將作為新一代智能化機械必將得到越來越廣泛的應用，在我國未來的經(jīng)濟建設中起到重要的作用。