農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究與實際應(yīng)用

摘 要：農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是季節(jié)性強(qiáng)的勞動密集型工作，機(jī)器人代替人工作業(yè)是發(fā)展方向。由于作業(yè)對象的特殊性，其結(jié)構(gòu)和控制都比一般工業(yè)機(jī)器人要求更高。本文介紹了農(nóng)業(yè)機(jī)器人的特點和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并且指出了存在的問題和發(fā)展方向，同時介紹了幾種典型的農(nóng)業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)機(jī)器人；研究現(xiàn)狀；應(yīng)用

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)越來越被世界各國所重視，已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，如工業(yè)生產(chǎn)、太空和海洋探索、國防以及人民生活等領(lǐng)域。但在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，由于經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上的特殊性，還沒有達(dá)到實用化。國際上一些發(fā)達(dá)國家，特別是日本和一些歐美國家，從上世紀(jì)八十年代開始研究，取得了一些成果，開始進(jìn)入了應(yīng)用階段。我國在該領(lǐng)域中的研究還處于起步階段，必須加快步伐，才能達(dá)到世界先進(jìn)水平。

一、農(nóng)業(yè)機(jī)器人的開發(fā)要點

農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)是一門交叉學(xué)科，是多領(lǐng)域技術(shù)的綜合，其研究開發(fā)需要各學(xué)科相關(guān)知識的配套與支援。雖然因為用途的不同，農(nóng)業(yè)機(jī)器人的功能和結(jié)構(gòu)有所差異，但一般農(nóng)業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)都包括五官、頭腦、神經(jīng)、手腳和心臟等部分。為了使能夠適應(yīng)復(fù)雜多變的農(nóng)作物，研究開發(fā)農(nóng)業(yè)機(jī)器人時必須注意以下幾點：

（1） 良好的適應(yīng)性。農(nóng)業(yè)機(jī)器人通常工作在惡劣的、危險的和變化的環(huán)境中，例如：溫室作業(yè)經(jīng)常是在溫度超過40度和濕度超過100%的環(huán)境中；而露天作業(yè)面對的是風(fēng)沙和強(qiáng)光的照射。農(nóng)業(yè)機(jī)器人必須具有良好的適應(yīng)性，根據(jù)環(huán)境和機(jī)械本身的情況，自動進(jìn)行調(diào)整。

（2）良好的通用性和可編程性。由于農(nóng)業(yè)機(jī)器人的操作對象具有多樣性和可變性，要求具有良好的通用性和可編程性。只要改變部分軟、硬件，就能變更判斷基準(zhǔn)，變更動作順序，進(jìn)行多種作業(yè)。例如：溫室作業(yè)的機(jī)器人，更換不同的末端執(zhí)行器就能分別完成施肥、噴藥和采摘等作業(yè)。

（3）操作對象和價格的特殊性。農(nóng)業(yè)機(jī)器人操作者是農(nóng)民，不是具有機(jī)電知識的工程師，因此要求農(nóng)業(yè)機(jī)器人必須具有高可靠性和操作簡單的特點；另外，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以個體經(jīng)營為主，如果不是低價格，就很難普及。

二、農(nóng)業(yè)機(jī)器人的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與應(yīng)用舉例

自上世紀(jì)80年代開始，以日本為代表的發(fā)達(dá)國家紛紛開始農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究開發(fā)。雖然由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所具有的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的特殊性，還沒有達(dá)到實用化。但是，已經(jīng)取得了一些可喜的成果。已經(jīng)開發(fā)出來的農(nóng)業(yè)機(jī)器人有：耕耘機(jī)器人、施肥機(jī)器人、除草機(jī)器人、噴霧機(jī)器人、蔬菜嫁接機(jī)器人、移栽機(jī)器人、收割機(jī)器人、采摘機(jī)器人、林木修剪機(jī)器人、果實分揀機(jī)器人等。

（1）嫁接機(jī)器人。嫁接機(jī)器人技術(shù)，是近年在國際上出現(xiàn)的一種集機(jī)械、自動控制與園藝技術(shù)于一體的高新技術(shù)，它可在極短的時間內(nèi)，把蔬菜苗莖桿直徑為幾毫米的砧木、穗木切口嫁接成活。因此，嫁接機(jī)器人技術(shù)被稱為嫁接育苗的一場革命。日本從1986年開始了對嫁接機(jī)器人的研究，以日本“生物系特定產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究推進(jìn)機(jī)構(gòu)”為主。一些大的農(nóng)業(yè)機(jī)械制造商參與研究開發(fā)，其成果已開始在一些農(nóng)協(xié)的育苗中心使用。上世紀(jì)90年代初，韓國也開始對自動化嫁接技術(shù)進(jìn)行研究，但其研究開發(fā)的技術(shù)，只是完成部分嫁接作業(yè)的機(jī)械操作，自動化水平較低，速度慢，而且對砧、穗木苗的粗細(xì)程度有較嚴(yán)格的要求。在歐洲，農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國家如意大利、法國等，蔬菜的嫁接育苗相當(dāng)普遍，大規(guī)模的工業(yè)化育苗中心全年向用戶提供嫁接苗。難于這些國家尚未有自己的嫁接機(jī)器人，嫁接作業(yè)仍采用手工為主，一部分采用日本的嫁接機(jī)器人作業(yè)。因此，發(fā)展自動化嫁接技術(shù)，有利于推動我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的跨越式發(fā)展。

（2）采摘水果機(jī)器人。日本開發(fā)了一系列不同用途的農(nóng)業(yè)機(jī)器人，除嫁接機(jī)器人外還有采摘水果的機(jī)器人。這種機(jī)器人有他自身的特點：它們一般是在室外工作，作業(yè)環(huán)境較差，但是在精度上卻沒有工業(yè)機(jī)器人那樣要求高。以一種西瓜收獲機(jī)器人為例作簡單介紹。一般的機(jī)器人多數(shù)是采用電氣驅(qū)動，但是為了降低成本，這種西瓜收獲機(jī)器人卻是采用汽油機(jī)作為動力，比以蓄電池為動力源的電氣驅(qū)動要經(jīng)濟(jì)的多。試驗結(jié)果表明，當(dāng)機(jī)械手的中心與西瓜的中心偏離不超過54mm時，機(jī)械手都能抓住西瓜。當(dāng)手指尖端的滑輪沿西瓜表面向下滑動時，利用手指關(guān)節(jié)的動作可以求H{西瓜的大小，利用手上附加的力傳感器可以求出西瓜的重量.誤差僅僅在2%以內(nèi)。這樣就可以在現(xiàn)場對西瓜進(jìn)行初步的分級，另外也可以根據(jù)力的變化判斷是否抓住了西瓜。收獲西瓜的作業(yè)試驗結(jié)果表明，這種采摘西瓜機(jī)器人比較理想，機(jī)械手抓到的西瓜占西瓜總數(shù)的76.5%，對于一般的農(nóng)業(yè)機(jī)器人能達(dá)到此標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)很不錯。

三、農(nóng)業(yè)機(jī)器人的發(fā)展展望

從研究現(xiàn)狀上看，農(nóng)業(yè)機(jī)器人正在由試驗研究階段向?qū)嵱没A段過渡。隨著高科技農(nóng)業(yè)發(fā)展的需要和機(jī)械電子技術(shù)日益緊密的結(jié)合，農(nóng)業(yè)機(jī)器人將不斷涌現(xiàn)與完善。在今后的發(fā)展中，農(nóng)業(yè)機(jī)器人必須在以下兩個方面得到突破。

（1）智能化識別和定位。在果蔬收獲采摘機(jī)器人系統(tǒng)中，由于作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜性，采摘對象的智能化識別和定位還沒有完全解決。其中最大的困難在于光照條件的不確定性和果實的部分或完全遮擋問題。

（2）機(jī)械本體的優(yōu)化設(shè)計。機(jī)械結(jié)構(gòu)直接決定機(jī)器人運動的靈活性和控制的復(fù)雜性。收獲采摘機(jī)器人必須緊湊，行走、轉(zhuǎn)彎靈活。因此，在滿足機(jī)器人性能的前提下，結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能簡單、緊湊和輕巧，而且還要盡可能保障機(jī)器人運動平穩(wěn)和靈活避障。設(shè)計末端執(zhí)行器要求在準(zhǔn)確快速切除果實的同時，不損傷果實。所以，為了設(shè)計出合適的收獲采摘機(jī)器人，必須進(jìn)行機(jī)構(gòu)的運動學(xué)和動力學(xué)分析，同時運用優(yōu)化理論來設(shè)計機(jī)器人結(jié)構(gòu)。

總的來說，農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)遠(yuǎn)不如工業(yè)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展得成熟，由于農(nóng)業(yè)機(jī)器人在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面的特殊性，目前還沒有普及，但隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向規(guī)模化、多樣化、精確化發(fā)展，以及逐步出現(xiàn)的農(nóng)業(yè)勞動力不足的問題，隨著信息技術(shù)向農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的滲透，農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化技術(shù)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)工程技術(shù)的日趨成熟，農(nóng)業(yè)機(jī)器人將越來越多地進(jìn)入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中。

參考文獻(xiàn)

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（作者單位：西華大學(xué)美術(shù)與設(shè)計學(xué)院）