農(nóng)業(yè)雙足步行機(jī)器人的未來

馬偉

【摘要】農(nóng)業(yè)雙足步行機(jī)器人將成為設(shè)施農(nóng)業(yè)的亮點(diǎn)，這是由設(shè)施農(nóng)業(yè)的自身特點(diǎn)決定的。該文根據(jù)雙足步行機(jī)器人的特點(diǎn)，闡述雙足機(jī)器人在設(shè)施農(nóng)業(yè)上的發(fā)展方向，結(jié)合國(guó)際上最新的理論和觀點(diǎn)，對(duì)雙足步行機(jī)器人的最新研究與設(shè)施農(nóng)業(yè)結(jié)合發(fā)展趨勢(shì)作了展望。

一個(gè)現(xiàn)代化的超大型溫室，分區(qū)種植多種不同品種的植物，十幾個(gè)工作人員整齊有序的穿行其中，每個(gè)人都進(jìn)行各自崗位的工作，如果相遇都彬彬有禮的繞行，工作場(chǎng)景繁忙而有序。走近一看，這些工作人員居然全都是農(nóng)業(yè)雙足步行機(jī)器人。這種構(gòu)想未來都可能變成現(xiàn)實(shí)。

農(nóng)業(yè)雙足步行機(jī)器人為什么首先在設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境中應(yīng)用呢？主要原因有以下4點(diǎn)：一是農(nóng)業(yè)雙足步行機(jī)器人對(duì)步行環(huán)境的要求非常低，能適應(yīng)各種臺(tái)階、地壟以及窄小坑洼不平的路面，移動(dòng)的盲區(qū)非常小，地面的軌道和水管甚至農(nóng)具都不會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響；二是農(nóng)業(yè)雙足步行機(jī)器人具有很大的活動(dòng)空間，可以認(rèn)為，人能走到的地方，農(nóng)業(yè)雙足步行機(jī)器人也能走到，加上可以多段伸縮、靈活更換的機(jī)械臂，其作業(yè)空間遠(yuǎn)超過人類；三是農(nóng)業(yè)雙足步行機(jī)器人采用的步行方式是迄今為止最為復(fù)雜但是最為優(yōu)越的結(jié)構(gòu)方式，傳統(tǒng)的輪式機(jī)器人在設(shè)施中的行為受到諸多限制，其發(fā)展面臨瓶頸，而農(nóng)業(yè)雙足步行機(jī)器人利用其步行結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)可以輕松解決這些限制；四是設(shè)施環(huán)境的高產(chǎn)出、高勞動(dòng)強(qiáng)度以及周年生產(chǎn)的方式，加上比較方便的自動(dòng)充電器放置，都為農(nóng)業(yè)雙足步行機(jī)器人的使用提供了有利條件。

雙足步行機(jī)器人

雙足步行機(jī)器人的研究始于20世紀(jì)中期，通用公司最先進(jìn)行平衡系統(tǒng)的嘗試之后，南斯拉夫科學(xué)家研究了重要的MF穩(wěn)定判據(jù)理論，Kajita于1990年研制成功五連桿平面型雙足步行機(jī)器人Me1tran-I，采用軌道能量守恒和超聲波視覺傳感器實(shí)時(shí)獲取地面信息的功能，成功地實(shí)現(xiàn)在未知路面上的動(dòng)態(tài)行走。1986年鄭元芳在美國(guó)克萊姆森大學(xué)研制了步行機(jī)器人SD具有8個(gè)自由度。實(shí)現(xiàn)了平地上前進(jìn)、后退以及左右側(cè)行、動(dòng)態(tài)步行。哈爾濱工業(yè)大學(xué)1986年開始研制成功靜態(tài)步行雙足機(jī)器人HTII，高110 cm，重70 kg，有10個(gè)自由度，實(shí)現(xiàn)平地上的運(yùn)動(dòng)以及上下樓梯。

仿人形機(jī)器人是在雙足步行機(jī)器人的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。70年代日本早稻田大學(xué)Kato實(shí)驗(yàn)室研制出世界上第一臺(tái)仿人雙足步行機(jī)器人wap3，最大步幅為15 cm。本田最新型的仿人形機(jī)器人是ASIMO，26個(gè)自由度，高120 cm，重42 kg，通過與互聯(lián)網(wǎng)無線互聯(lián)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音對(duì)話。日本國(guó)家級(jí)研究項(xiàng)目（HRP）開發(fā)的仿人形機(jī)器人，高154 cm，重58 kg，具有30個(gè)自由度，實(shí)現(xiàn)了仿人形機(jī)器人與人協(xié)作抬桌子，開鏟車和進(jìn)行工作間隔板的裝配等操作應(yīng)用。法國(guó)BIP計(jì)劃通過控制和規(guī)劃方法可以使雙足機(jī)器人實(shí)現(xiàn)站立、行走、爬坡和上下樓梯等。北京理工大學(xué)于2002年研制成功的仿人形機(jī)器人BHR，可根據(jù)自身力覺、平衡覺等感知自身的平衡狀態(tài)和地面高度的變化，實(shí)現(xiàn)未知地面的穩(wěn)定行走和太極拳表演。

總的來說，雙足步行機(jī)器人的研究已經(jīng)突破了行走穩(wěn)定的難關(guān)，目前主要關(guān)注點(diǎn)在對(duì)外界復(fù)雜環(huán)境的感知和決策并進(jìn)行動(dòng)態(tài)作業(yè)的行為指導(dǎo)。這些復(fù)雜應(yīng)用系統(tǒng)的研究會(huì)將雙足步行機(jī)器人帶向高智能和高成本的方向，不適合農(nóng)業(yè)的需求。設(shè)施農(nóng)業(yè)中可以另辟新徑，選擇穩(wěn)定的行走系統(tǒng)配套單一功能的方式，實(shí)現(xiàn)雙足步行機(jī)器人在設(shè)施農(nóng)業(yè)上的普及。

農(nóng)業(yè)雙足步行機(jī)器人

結(jié)構(gòu)

按照技術(shù)成熟、功能簡(jiǎn)潔的原則，引入雙足行走穩(wěn)定控制算法，根據(jù)設(shè)施農(nóng)業(yè)作業(yè)環(huán)節(jié)進(jìn)行劃分。結(jié)構(gòu)上盡量簡(jiǎn)化，采用輕型新材料以便解決重量的問題，提高續(xù)航能力。圖1為國(guó)外某設(shè)計(jì)機(jī)器人構(gòu)想。通過采用新型簡(jiǎn)化關(guān)節(jié)，以及重心優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人極佳的穩(wěn)定性能和動(dòng)作性能。電池放置在寬大的腳步，可以增加穩(wěn)定性。

實(shí)際設(shè)計(jì)根據(jù)功能劃分，有些農(nóng)業(yè)雙足步行機(jī)器人保留下肢，上肢更換為周轉(zhuǎn)筐或人工操作臺(tái)，如圖2所示，這種簡(jiǎn)化擴(kuò)大了機(jī)器人的應(yīng)用范圍，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人作為溫室通用標(biāo)準(zhǔn)工具目的。根據(jù)種植功能不同的重組設(shè)計(jì)，使得機(jī)器人在設(shè)施農(nóng)業(yè)中可以適應(yīng)不同崗位，也能顯著降低成本。

算法

采用較為簡(jiǎn)單的控制規(guī)則并對(duì)大量群體的行為的調(diào)節(jié)，在大自然界有很多先例，蜜蜂和螞蟻的自組織形式就很好的發(fā)揮了其作用。哈佛大學(xué)研制的這種機(jī)器人的控制算法采用分布式結(jié)構(gòu)，每個(gè)機(jī)器人只需要簡(jiǎn)單的判定規(guī)則，符合其判定規(guī)則的就進(jìn)行作業(yè)，不符合就放棄作業(yè)，重新尋找機(jī)會(huì)進(jìn)行作業(yè)。圖3是哈佛大學(xué)群體自組織機(jī)器人算法的演示圖。一個(gè)運(yùn)動(dòng)體不是很顯著，但是當(dāng)群體數(shù)量很大時(shí)，就會(huì)發(fā)揮非常顯著的作用，而且其成本非常低廉，適合農(nóng)業(yè)上規(guī)?；褂?。

發(fā)展方向

農(nóng)業(yè)機(jī)器人不能重復(fù)工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展路線，主要是由于各自特點(diǎn)差異較大，農(nóng)業(yè)上的對(duì)象復(fù)雜多變，可負(fù)擔(dān)成本不能過高，使得

工業(yè)機(jī)器人移植到農(nóng)業(yè)領(lǐng)域后成為“雞肋”。對(duì)農(nóng)業(yè)而言必須走出一條完全不同于工業(yè)的創(chuàng)新路子。主要可以從以下幾個(gè)方面入手：

低功耗芯片技術(shù)

將農(nóng)業(yè)雙足步行機(jī)器人的下肢行走程序優(yōu)化為開源的芯片電路，成為通用的標(biāo)準(zhǔn)化可選件，就會(huì)使得農(nóng)業(yè)雙足步行機(jī)器人的門檻很低，通過自己搭配關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)多用途組裝各種機(jī)器人。

可替換的上肢

通用接口、自定義程序擴(kuò)展，可以使得上肢更換為別的裝置，采摘、搬運(yùn)、授粉、植保，都可以公用一個(gè)下肢平臺(tái)。

其他

采用高分子或納米陶瓷材料研發(fā)和改進(jìn)新型機(jī)器人關(guān)節(jié)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕巧和性能優(yōu)越。

結(jié)論

本文通過分析設(shè)施農(nóng)業(yè)中應(yīng)用農(nóng)業(yè)雙足步行機(jī)器人的可能性，根據(jù)國(guó)內(nèi)外前沿研究成果提出了可用的農(nóng)業(yè)雙足步行機(jī)器人構(gòu)想，得出以下結(jié)論：① 農(nóng)業(yè)雙足步行機(jī)器人將首先在設(shè)施農(nóng)業(yè)中得到應(yīng)用。主要將采用單一功能的低成本架構(gòu)，依靠數(shù)量大和自組織來解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)問題。② 發(fā)展方向是低功耗芯片技術(shù)和可替換的上肢。通過大量普及實(shí)現(xiàn)這一領(lǐng)域的快速熟化。③ 重復(fù)和模仿工業(yè)機(jī)器人、娛樂機(jī)器人，不適合農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的要求。設(shè)施農(nóng)業(yè)在推動(dòng)農(nóng)業(yè)雙足步行機(jī)器人的應(yīng)用將發(fā)揮重要作用。

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