農(nóng)業(yè)機器人的技術(shù)發(fā)展路線芻議

張 建 ，孫付春 ，甘露萍 ，孫豐云 ，趙 斌

（1.成都農(nóng)業(yè)科技職業(yè)學院，成都 611130；2.成都大學機械工程學院，成都 610106；3.成都大學科研處，成都 610106）

農(nóng)業(yè)機器人的技術(shù)發(fā)展路線芻議

張 建1，2，孫付春3，甘露萍2，孫豐云2，趙 斌2

（1.成都農(nóng)業(yè)科技職業(yè)學院，成都 611130；2.成都大學機械工程學院，成都 610106；3.成都大學科研處，成都 610106）

通過對比分析當前國內(nèi)外農(nóng)業(yè)機器人的發(fā)展現(xiàn)狀，提出國內(nèi)農(nóng)業(yè)機器人發(fā)展的技術(shù)路線，可有效降低產(chǎn)品的設(shè)計研發(fā)成本、縮短產(chǎn)品的設(shè)計研發(fā)周期，為解決當前農(nóng)機普遍存在的問題提供途徑。同時，研究結(jié)果也可以為農(nóng)業(yè)機器人的研發(fā)提供參考依據(jù)。

對比分析；農(nóng)業(yè)機器人；技術(shù)路線

一、農(nóng)業(yè)機器人及其在國內(nèi)外的應(yīng)用概況

舒爾茨指出，僅使用傳統(tǒng)生產(chǎn)要素的農(nóng)業(yè)是無法對經(jīng)濟增長做出重大貢獻的，但現(xiàn)代化的農(nóng)業(yè)能對經(jīng)濟增長做出重大貢獻。我國正處于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)過渡的進程中[1]，如何在發(fā)展理念的引領(lǐng)下綜合應(yīng)用現(xiàn)代化的科學技術(shù)對農(nóng)業(yè)進行改造、裝備就成為一個值得探究的問題。以互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)化、工業(yè)智能化、工業(yè)一體化為代表，以人工智能、清潔能源、無人控制技術(shù)、量子信息技術(shù)、虛擬現(xiàn)實為主的第四次工業(yè)革命的到來[2]，為我國實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化帶來了新的思路和技術(shù)，農(nóng)業(yè)機器人應(yīng)運而生。農(nóng)業(yè)機器人是在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中運用的一種可由不同程序軟件控制,以適應(yīng)各種作業(yè),能感覺并適應(yīng)作物種類或環(huán)境變化,有檢測（如視覺等）和演算等人工智能的新一代無人自動操作機械，在功能、結(jié)構(gòu)、效率以及可靠性等方面與傳統(tǒng)的農(nóng)機相比優(yōu)勢明顯。國內(nèi)外都寄希望于機器人技術(shù)可以帶動產(chǎn)業(yè)升級，以解決當前面臨的激增人口與有限耕地矛盾加劇、人口老齡化加劇、全球氣候變暖、極端天氣頻發(fā)等問題發(fā)起的挑戰(zhàn)。

目前，諸如美、德、英、法等發(fā)達國家在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面不僅已基本全面實現(xiàn)機械化，而且智能農(nóng)機的應(yīng)用也有長足的發(fā)展。美國研制出一款施肥機器人，可準確計算并根據(jù)土壤的實際情況適量施肥；德國研制出可在農(nóng)場各種地塊間極速穿行并準確找到雜草加以清除的除草機器人；法國發(fā)明了幾乎能代替種植園工人所有工作的葡萄園機器人Wall-Ye；英國研制出能夠測量蘑菇位置、大小，并進行修剪的蘑菇采摘機器人[3～6]。國內(nèi)農(nóng)業(yè)機器人的起步較晚，研究還處于基礎(chǔ)階段。隨著國家的不斷重視，在政策方面大力扶持，國內(nèi)對農(nóng)業(yè)機器人的研究已取得了一定的成果，中國農(nóng)業(yè)大學成功研制出黃瓜采摘機器人、嫁接機器人，南京農(nóng)業(yè)大學成功研制出水果采摘機器人、棉花采摘機器人，南京林業(yè)大學研制出的智能除草機器人，上海交通大學研制出的草莓收獲機器人，壽光科技人員自主研發(fā)的會種菜的機器人[3～6]。但所研制出的農(nóng)業(yè)機器人大多存在功能單一、成本偏高、實際應(yīng)用較少的問題，與發(fā)達國家相比在可靠性、精度和效率方面都有一定的差距[7]，特別是在智能化程度和實際應(yīng)用方面更是差距明顯。因此，本文通過對比分析當前國內(nèi)外農(nóng)業(yè)機器人在研發(fā)、智能化程度、市場應(yīng)用和成本等方面的現(xiàn)狀，提出了國內(nèi)農(nóng)業(yè)機器人發(fā)展的技術(shù)路線，研究結(jié)果為農(nóng)業(yè)機器人的設(shè)計、改進和研發(fā)提供了參考依據(jù)。

二、國內(nèi)外農(nóng)業(yè)機器人的對比分析

1.研發(fā)方面。雖然2016年國內(nèi)主要農(nóng)作物耕種收綜合機械化水平達到65%，但目前國內(nèi)對主要農(nóng)作物農(nóng)業(yè)機器人的研制卻較少。在美國農(nóng)業(yè)機器人的研究與應(yīng)用雖然目前無法做到農(nóng)業(yè)耕作全過程的自動化作業(yè)，80%的大農(nóng)場已普及“農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)+機器人”技術(shù)，農(nóng)場主通過高度自動化的大型農(nóng)業(yè)機器人，3個人可完成1萬英畝的土地管理和玉米收割。英、法等國在農(nóng)業(yè)機器人的研發(fā)方面與本國的國情緊密結(jié)合，在以葡萄酒享譽世界的法國和世界上盛產(chǎn)蘑菇的英國，服務(wù)于葡萄園的機器人Wall-Ye和蘑菇采摘機器人應(yīng)運而生。

2.智能化程度方面。當前國內(nèi)智能系統(tǒng)的發(fā)展還不夠完善,農(nóng)業(yè)機器人的智能程度還不足以滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要,很多任務(wù)無法由農(nóng)業(yè)機器人單獨完成，是農(nóng)業(yè)機器人的使用效率低的原因之一。如，國內(nèi)研制出的2JC-600B型瓜類自動嫁接機，在實際操作中還要依靠“機器+人”的模式才得以實現(xiàn)對瓜類的嫁接。而國外當前研制出的農(nóng)業(yè)機器人智能化程度相當高，大多數(shù)任務(wù)甚至全部任務(wù)都可以由機器人單獨完成，如日本研制出的2JC-1000A瓜科全自動嫁接機，在嫁接的全過程中不需要人的參與。

3.市場應(yīng)用方面。本文主要從農(nóng)業(yè)機器人市場和應(yīng)用兩方面對市場應(yīng)用加以論述。目前國內(nèi)研制出來的農(nóng)業(yè)機器人大都只針對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)某一項作業(yè)的某一環(huán)節(jié)而言，導致其性價比不能滿足市場的需要,成為制約農(nóng)業(yè)機器人商業(yè)化和進一步研究的瓶頸。同時，國內(nèi)對農(nóng)業(yè)機器人的研究還多處于試驗階段,商業(yè)化的生產(chǎn)也比較缺乏，實際應(yīng)用較少。國外研制出來的機器人則可以單獨完成某一項作業(yè)的多個甚至全部環(huán)節(jié)，應(yīng)用廣泛。在以葡萄酒生享譽世界的法國，專門服務(wù)于葡萄園的機器人Wall-Ye，幾乎能代替種植園工人的所有工作，包括修剪藤蔓、剪除嫩芽、監(jiān)控土壤和藤蔓的健康狀況等，一研制出來就接到諸多訂單，應(yīng)用前景一片光明。在美國，農(nóng)業(yè)機器人不僅實現(xiàn)了商業(yè)化的生產(chǎn)，而且在商業(yè)化的運作方面也取得了令人矚目的成就，出現(xiàn)了諸多專業(yè)的農(nóng)業(yè)服務(wù)公司。在市場方面，國內(nèi)農(nóng)業(yè)機器人的研發(fā)大都缺乏市場的承載，比如說國內(nèi)由于技術(shù)方面還不成熟的原因，研制出來的采摘機器人還無法適應(yīng)實際生活中的采摘環(huán)境，所以研制出的蘋果采摘機器人幾乎沒有在實際生產(chǎn)中得到應(yīng)用。即使技術(shù)成熟了，由于蘋果的采摘具有季節(jié)性，但機器人只適用于蘋果采摘工作、功能單一，對中國大多數(shù)種植戶而言，即使能夠得到政府補貼的情況下也不經(jīng)濟，推廣起來也有一定的難度。假使，蘋果采摘機器人不僅能夠采摘而且還可以實現(xiàn)對蘋果述枝葉的修剪、噴灑農(nóng)藥等功能的話，應(yīng)用前景將非常值得期待。從這一點上來講，國外多數(shù)國家就做得不錯，如法國研制出的葡萄采摘機器人，從功能上講幾乎能代替種植園工人的所有工作，結(jié)合葡萄采摘機器人所面對市場對象葡萄酒莊園的經(jīng)濟實力來看和當?shù)匕嘿F的人工市場條件分析，葡萄采摘機器人肯定會有一個光明的市場前景，所以Wall-Ye一研制出來就接到諸多訂單。

4.成本方面。主要從當前農(nóng)業(yè)機器人的功能、智能化程度和應(yīng)用方面對成本加以論述。首先，由于國內(nèi)農(nóng)業(yè)機器人的功能大多比較單一，而國外的農(nóng)業(yè)機器人的功能復(fù)合化較強，就實現(xiàn)單一功能所耗費的成本而言，國內(nèi)農(nóng)業(yè)機器人的成本較高。其次，智能化程度越高自身的成本也越高，但所耗費的人工成本就越少，隨著人工成本日益高漲，人口老齡化加劇，綜合成本反而越低。最后，在應(yīng)用方面，目前國內(nèi)農(nóng)業(yè)機器人的實際應(yīng)用較少，國外應(yīng)用比較廣泛。沒有使用就沒有產(chǎn)出，盡管國外農(nóng)業(yè)機器人的自身成本可能高一些，但就實現(xiàn)的價值而言，成本反而越低。

三、國內(nèi)農(nóng)業(yè)機器人發(fā)展的技術(shù)路線

我國作為一個農(nóng)業(yè)大國，經(jīng)濟體制的改革從一定意義上說，最困難的是農(nóng)業(yè)，而最有希望對社會經(jīng)濟意義最大的也是農(nóng)業(yè)[8]。為此，如何在當前農(nóng)業(yè)機器蓬勃發(fā)展和市場空間想象力十足的大好形勢下，綜合應(yīng)用第四次工業(yè)革命所帶來的新思路和新技術(shù)對農(nóng)業(yè)機器人進行改造、裝備就成了一個值得探究的問題。為此，本文通過對比分析當前國內(nèi)外農(nóng)業(yè)機器人在研發(fā)、智能化程度、市場應(yīng)用和成本等方面現(xiàn)狀，著重于研發(fā)的角度去研究國內(nèi)農(nóng)業(yè)機器人發(fā)展的技術(shù)路線。

1.在研發(fā)方向上要以解決實際需求為內(nèi)容，真正應(yīng)用為目的。結(jié)合國情，找準方向，才能抓住市場，為實際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，不能為了研發(fā)而研發(fā)。

2.在研發(fā)理念上利用最流行、最科學、最節(jié)省人力和效率最高的平臺化產(chǎn)品開發(fā)戰(zhàn)略的基礎(chǔ)上融入模塊化的思想，即平臺式模塊化的研發(fā)理念。該理念以搭建公共平臺為基礎(chǔ)，搭載模塊為思想，實現(xiàn)多功能需求為向?qū)?。模塊化的思想是在平臺的基礎(chǔ)上，將農(nóng)業(yè)機器人分為幾大模塊，如動力總成模塊、懸架模塊、執(zhí)行模塊等。采用模塊化設(shè)計的思想不僅可以充分利用各方資源，在全世界范圍內(nèi)進行模塊的匹配設(shè)計、優(yōu)化方案，有利于提高自動化水平和降低研發(fā)成本，而且通過模塊的分類組合還能實現(xiàn)用最短時間生產(chǎn)出新產(chǎn)品。為適應(yīng)農(nóng)業(yè)的季節(jié)性特征，降低成本增加實用性，利于推廣，農(nóng)業(yè)機器人應(yīng)充分利用資源，盡量共用平臺，搭載不同模塊實現(xiàn)不同功能，以能夠完成某項作業(yè)的多個環(huán)節(jié)甚至全部環(huán)節(jié)為目標，最終實現(xiàn)多項作業(yè)為目的。以收割機器人為例，在不同的時期搭載不同的執(zhí)行模塊，以實現(xiàn)農(nóng)作物的耕種收為目標，最終實現(xiàn)多種農(nóng)作物的耕種收為目的。

3.在研發(fā)上實施平臺式模塊化的研發(fā)理念，融入開放性思想，讓用戶可以根據(jù)需求編制或下載不同程序?qū)崿F(xiàn)不同功能。

四、結(jié)論

通過對比分析當前國內(nèi)外農(nóng)業(yè)機器人在研發(fā)、智能化程度、市場應(yīng)用和成本等方面的現(xiàn)狀，為解決當前國內(nèi)機器人多處于試驗階段、實際應(yīng)用較少、成本偏高等問題提供了平臺式模塊化的技術(shù)路線，可有效降低產(chǎn)品的設(shè)計、研發(fā)及使用成本，縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，為農(nóng)業(yè)機器人的研發(fā)提供參考依據(jù)。本文著重從研發(fā)的角度加以論述，未必能獲得農(nóng)業(yè)機器人發(fā)展的最佳技術(shù)發(fā)展路線，有待對各因素綜合作用影響情況下的技術(shù)路線做進一步研究。

[1]傅瑋倩，何靜.淺論物聯(lián)網(wǎng)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，2015，(5).

[2][德]克勞斯·施瓦布.第四次工業(yè)革命：轉(zhuǎn)型的力量[M].北京：中信出版集團，2016.

[3]陳康.智能農(nóng)機的自動導航研究[D].上海：上海工程技術(shù)大學，2015.

[4]焦偉，李維華.中國制造2025之農(nóng)業(yè)機械發(fā)展分析和思考[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2016，(3).

[5]林歡，許林云.中國農(nóng)業(yè)機器人發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀[J].浙江農(nóng)業(yè)學報，2015，(5).

[6]閆萍.淺議農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)背景下的“互聯(lián)網(wǎng)+智慧農(nóng)機”[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2016，(21).

[7]鄭文忠.國外智能化農(nóng)業(yè)機械設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀[J].現(xiàn)代農(nóng)機，2015，(6).

[8]吳新博.中國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的思考[J].發(fā)展研究，2013，(2).

F323

A

1673-291X（2017）34-0029-02

2017-04-21

張建（1989-），男，四川大邑人，碩士研究生，從事機械設(shè)計制造與理論領(lǐng)域研究；通訊作者：孫付春（1981-），男，江蘇臺東人，副處長，副教授，博士，從事機械設(shè)計與理論領(lǐng)域研究。

[責任編輯 吳高君]