農(nóng)業(yè)機(jī)器人移動平臺行進(jìn)方式綜述

樊正強(qiáng)， 張 青， 邱 權(quán)， 楊青豐

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河北保定 071001； 2.北京農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心/北京市農(nóng)林科學(xué)院，北京 100097)

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，關(guān)于移動機(jī)器人的研究最早可以追溯到20世紀(jì)60年代，但是農(nóng)業(yè)機(jī)器人真正得到快速發(fā)展卻是在最近幾十年[1]。隨著社會的進(jìn)步和人們對農(nóng)產(chǎn)品需求的提高，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)已經(jīng)開始由原來的人力勞動逐漸向自動化和智能化方向轉(zhuǎn)變，農(nóng)業(yè)移動機(jī)器人也因此迅速成為研究熱點(diǎn)[2]。目前關(guān)于農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究方向主要集中在4個方面：(1)農(nóng)業(yè)機(jī)器人本體的研制和穩(wěn)定性分析；(2)機(jī)器人自動導(dǎo)航技術(shù)；(3)農(nóng)業(yè)傳感技術(shù)與圖像處理；(4)機(jī)器人硬件、軟件開發(fā)[3-6]。農(nóng)業(yè)機(jī)器人的快速發(fā)展，能夠在提高農(nóng)田作業(yè)精度和工作效率的同時減少對環(huán)境的污染，還能有效避免化肥、農(nóng)藥與人體的直接接觸，是一種新的可持續(xù)發(fā)展模式[7-8]。

農(nóng)業(yè)機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，按照其功能可分為除草機(jī)器人、采摘機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人、土壤/作物信息采集機(jī)器人、收割機(jī)器人等[9-10]。與室內(nèi)或工業(yè)機(jī)器人相比，農(nóng)業(yè)機(jī)器人最大的特點(diǎn)是其主要作業(yè)于非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中并且面對的地形更加復(fù)雜[11]。農(nóng)業(yè)機(jī)器人在本體研制的過程中須要考慮的問題包括機(jī)器人過田壟、行間直線行走、地頭轉(zhuǎn)向以及在松軟泥濘的田間行進(jìn)等問題[12]，而這些問題與機(jī)器人行進(jìn)方式緊密聯(lián)系在一起，因此選擇適當(dāng)?shù)男羞M(jìn)方式可以有效解決機(jī)器人田間作業(yè)穩(wěn)定性問題[13]。常見的移動機(jī)器人行進(jìn)方式包括輪式、履帶式、腿式以及復(fù)合式等[14]。不同的行進(jìn)方式對機(jī)器人在農(nóng)田中工作時的穩(wěn)定性有重要影響[15]。本文對農(nóng)業(yè)機(jī)器人的各種行進(jìn)方式進(jìn)行了分析。

1 常見的不同行進(jìn)方式的農(nóng)業(yè)機(jī)器人

1.1 輪式農(nóng)業(yè)機(jī)器人

輪式農(nóng)業(yè)機(jī)器人因其結(jié)構(gòu)簡單、行走靈活、轉(zhuǎn)向方式多樣化而受到眾多機(jī)器人研究者的青睞，也是目前研究最多的農(nóng)業(yè)機(jī)器人，其優(yōu)點(diǎn)主要包括自身質(zhì)量輕、占用空間小、承載能力大、驅(qū)動和控制方式簡單、行進(jìn)速度快以及工作效率高等[16]；缺點(diǎn)是克服障礙能力有限，例如路面狀況會直接影響其運(yùn)行穩(wěn)定性，尤其在復(fù)雜的農(nóng)田環(huán)境中作業(yè)更須要研究如何精確控制其運(yùn)動軌跡。輪式農(nóng)業(yè)機(jī)器人通常根據(jù)實(shí)際需要確定輪子的數(shù)量，最常見的是輪式農(nóng)業(yè)機(jī)器人。關(guān)于輪式農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究主要集中在轉(zhuǎn)向控制問題上[17]，通常按照機(jī)械結(jié)構(gòu)將其轉(zhuǎn)向方式概括為3種：鉸接式轉(zhuǎn)向、差速轉(zhuǎn)向和車輪轉(zhuǎn)向。車輪轉(zhuǎn)向主要包括二輪轉(zhuǎn)向、四輪轉(zhuǎn)向、蟹形轉(zhuǎn)向和原地旋轉(zhuǎn)4種轉(zhuǎn)向控制方式[18]。圖1顯示了輪式農(nóng)業(yè)機(jī)器人常用轉(zhuǎn)向控制方式。一般情況下，二輪轉(zhuǎn)向和四輪轉(zhuǎn)向符合阿克曼轉(zhuǎn)向定理[19]，它們在轉(zhuǎn)向時會圍繞一個圓心點(diǎn)作純滾動圓周運(yùn)動。當(dāng)二輪轉(zhuǎn)向和四輪轉(zhuǎn)向內(nèi)外側(cè)車輪轉(zhuǎn)過的角度相等時，四輪轉(zhuǎn)向相對于二輪轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)彎半徑減小了1/2。蟹形轉(zhuǎn)向可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的側(cè)向運(yùn)動，甚至橫向運(yùn)動。原地旋轉(zhuǎn)正好和蟹形轉(zhuǎn)向相反，可以在不改變機(jī)器人當(dāng)前位置的情況下實(shí)現(xiàn)零半徑轉(zhuǎn)向。關(guān)于輪式農(nóng)業(yè)機(jī)器人的例子比較多，如美國華盛頓州立大學(xué)張勤團(tuán)隊的bin-dog果園搬運(yùn)機(jī)器人[20]、巴西圣保羅大學(xué)研發(fā)的Agribot農(nóng)業(yè)機(jī)器人平臺[21]以及國內(nèi)由中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研發(fā)的作業(yè)目標(biāo)信息獲取農(nóng)業(yè)機(jī)器人[22]、華南農(nóng)業(yè)大學(xué)研發(fā)的電動輪式機(jī)器人[23]、中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院和中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研發(fā)的農(nóng)用輪式機(jī)器人平臺等[24]。一些典型的輪式農(nóng)業(yè)機(jī)器人如圖2所示。

1.2 履帶式農(nóng)業(yè)機(jī)器人

履帶式農(nóng)業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)種類較多，常見的可分為帶履帶臂和不帶履帶臂2種，帶履帶臂的又被稱為履腿復(fù)合式機(jī)器人[25-26]。通常履帶式機(jī)器人可以根據(jù)其自身結(jié)構(gòu)分為單節(jié)雙履式、雙節(jié)四履式以及多節(jié)多履式[27]。圖3顯示了履帶式農(nóng)業(yè)機(jī)器人的常見結(jié)構(gòu)，其中，圖3-b和圖3-c帶有履帶臂，相比圖3-a有更好的越野性能，在農(nóng)田中工作時，可以根據(jù)地形的需要決定履帶臂的高度，從而順利通過障礙物。履帶式農(nóng)業(yè)機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)包括：結(jié)構(gòu)緊湊，負(fù)重能力強(qiáng)；與地面的接觸面積大，下陷深度低，適合在松軟或者泥濘的農(nóng)田作業(yè)；由于履帶式機(jī)器人通常采用差速方式轉(zhuǎn)向，因此可以實(shí)現(xiàn)零半徑轉(zhuǎn)彎，降低了對空間的要求[28]；履帶式機(jī)器人越野性能強(qiáng)，可以有效解決過田壟和跨越障礙物的問題[29]。履帶式農(nóng)業(yè)機(jī)器人也有一些缺點(diǎn)，主要包括：移動速度慢；消耗能量大；行駛機(jī)構(gòu)容易磨損，對履帶的材質(zhì)和構(gòu)型要求高；其本身的質(zhì)量大，導(dǎo)致與地面摩擦阻力過大，因此在松軟土地上轉(zhuǎn)向時，容易對平整的農(nóng)田造成不必要的損壞，甚至?xí)r(nóng)作物造成傷害。一些關(guān)于履帶式農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究在文獻(xiàn)[30-34]中給出，其中分別介紹了采用履帶式結(jié)構(gòu)的自動可視除草機(jī)器人、農(nóng)用仿形履帶機(jī)器人、開放式農(nóng)業(yè)機(jī)器人移動平臺、集田間除草與信息采集為一體的多功能履帶式農(nóng)業(yè)機(jī)器人Armadillo以及履帶式油菜移栽栽植孔成型機(jī)。一些典型的履帶式農(nóng)業(yè)機(jī)器人如圖4所示。

1.3 腿式農(nóng)業(yè)機(jī)器人

與輪式或者履帶式農(nóng)業(yè)機(jī)器人相比，腿式農(nóng)業(yè)機(jī)器人最大的特點(diǎn)是其運(yùn)動軌跡由一系列離散的點(diǎn)組成[35]，這也造就了其能夠適應(yīng)更復(fù)雜的地形環(huán)境，不用太多考慮地面的平整度，因此跨溝壑、過田壟和梯田作業(yè)成為其強(qiáng)項。又因?yàn)橥仁睫r(nóng)業(yè)機(jī)器人與地面形成點(diǎn)與點(diǎn)的接觸，因此不會對農(nóng)田造成較大的破壞。腿式農(nóng)業(yè)機(jī)器人的自身缺點(diǎn)也非常明顯，首先腿式機(jī)器人能量消耗高，工作效率低；其次由于其本體腿關(guān)節(jié)處的自由度過高，導(dǎo)致其腿部的協(xié)調(diào)性難以控制，因此控制算法對其工作時的穩(wěn)定性有重要影響[36]；另外腿式農(nóng)業(yè)機(jī)器人有相對較小的負(fù)重能力，不宜搭載過重的傳感器或操作裝置[37]。正是由于腿式農(nóng)業(yè)機(jī)器人的這些缺點(diǎn)，因此研究者對純腿式的農(nóng)業(yè)機(jī)器人研究比較少，而更傾向于研究輪腿、履腿等復(fù)合式機(jī)器人，這樣既能發(fā)揮腿式農(nóng)業(yè)機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)，又可以避免純腿式農(nóng)業(yè)機(jī)器人在控制方面的難度，增強(qiáng)了其運(yùn)行穩(wěn)定性，同時也可以適應(yīng)更多的地形。從現(xiàn)有文獻(xiàn)看，目前對于腿式機(jī)器人的研究主要集中在雙腿、四腿、六腿結(jié)構(gòu)上[38]。文獻(xiàn)[39-40]中介紹了四腿式和六腿式農(nóng)業(yè)機(jī)器人，其中分別介紹了四足鋤草機(jī)器人和多機(jī)器人協(xié)調(diào)合作的六足種植機(jī)器人(http：//dorhoutrd.com)，這2種機(jī)器人如圖5所示。

1.4 復(fù)合式農(nóng)業(yè)機(jī)器人

復(fù)合式機(jī)器人包括輪履復(fù)合式、輪腿復(fù)合式、履腿復(fù)合式以及輪履腿復(fù)合式等[41]。用于農(nóng)業(yè)方面的復(fù)合式機(jī)器人通常由能夠適應(yīng)非結(jié)構(gòu)化環(huán)境的多用途機(jī)器人改裝而成，相關(guān)研究在文獻(xiàn)[42-44]中給出，其中分別介紹了輪履式農(nóng)業(yè)機(jī)器人越障控制方法、適應(yīng)于非結(jié)構(gòu)環(huán)境的多功能輪腿復(fù)合式機(jī)器人和由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研發(fā)的新型六輪腿機(jī)器人。圖6是多功能輪腿復(fù)合式機(jī)器人和新型六輪腿機(jī)器人。復(fù)合式農(nóng)業(yè)機(jī)器人可以避免單一行走結(jié)構(gòu)機(jī)器人的一些弊端，人們可以根據(jù)農(nóng)田環(huán)境的要求選擇適合地形的復(fù)合式結(jié)構(gòu)[45]。當(dāng)在復(fù)雜農(nóng)田環(huán)境中行走同時又對速度和效率要求不高的情況下可以選擇履腿復(fù)合式結(jié)構(gòu)； 當(dāng)農(nóng)田土地比較松軟又對速度和效率要求比較高時，可以采用輪履復(fù)合式結(jié)構(gòu)；當(dāng)?shù)孛鏈羡?、田壟過多或者在梯田作業(yè)同時又對效率要求高時，可以考慮輪腿復(fù)合式結(jié)構(gòu)；當(dāng)?shù)孛娣浅Ｌ厥猓髾C(jī)器人可以適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境時，可以考慮輪履腿復(fù)合式結(jié)構(gòu)，但是這種結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，目前對這方面研究較少。復(fù)合式農(nóng)業(yè)機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)是對各種地形都做了充分的考慮，可以滿足較大難度的作業(yè)需求，但其缺點(diǎn)也很明顯，其機(jī)械結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，控制機(jī)器人行走時考慮的因素較多，面對復(fù)雜地形選擇適當(dāng)行進(jìn)方式的控制算法較復(fù)雜?；旌鲜睫r(nóng)業(yè)機(jī)器人并非可以繼承各類單一行進(jìn)方式機(jī)器人的全部優(yōu)點(diǎn)，正如文獻(xiàn)[15]中提到的，由于混合式行進(jìn)方式相比其他行進(jìn)方式的機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，往往導(dǎo)致混合式結(jié)構(gòu)在行走時會削弱單一行進(jìn)方式的一些優(yōu)點(diǎn)，但同時又會綜合各行進(jìn)方式的部分優(yōu)點(diǎn)。因此，復(fù)合式機(jī)器人一般用于特定場合的農(nóng)田環(huán)境中作業(yè)。

1.5 農(nóng)業(yè)機(jī)器人各種行進(jìn)方式比較

根據(jù)前述內(nèi)容將農(nóng)業(yè)機(jī)器人各種行進(jìn)方式的一些主要特性做成表格進(jìn)行比較，如表1所示。從表1中可以看出，在能源利用率方面，輪式消耗能源最少，腿式最多，履帶式居中；作業(yè)效率方面，輪式作業(yè)效率最高，腿式最低，履帶式居中；跨越障礙方面，輪式越障能力最弱，腿式最強(qiáng)，履帶式居中；控制復(fù)雜度方面，履帶式最容易，腿式最難，輪式居中[46]。而復(fù)合式結(jié)構(gòu)的機(jī)器人結(jié)合了各種行進(jìn)方式的優(yōu)缺點(diǎn)。圖7是根據(jù)表1作出的農(nóng)業(yè)機(jī)器人各種行進(jìn)方式綜合比較坐標(biāo)圖，圖7-a、圖7-b分別以農(nóng)田環(huán)境復(fù)雜度和工作效率以及農(nóng)田環(huán)境復(fù)雜度和機(jī)器人控制復(fù)雜度為坐標(biāo)軸對各種行進(jìn)方式進(jìn)行了對比。綜合各方面因素可知，無論在能源利用率、作業(yè)效率還是控制方面，輪式和履帶式技術(shù)都比較成熟，實(shí)用能力更強(qiáng)；而腿式和復(fù)合式結(jié)構(gòu)雖然越障能力極強(qiáng)，但是在技術(shù)方面遠(yuǎn)低于輪式和履帶式行進(jìn)方式，同時由于它們工作效率較低，因此更適合通過多機(jī)器人協(xié)調(diào)控制來完成作業(yè)任務(wù)。

表1 農(nóng)業(yè)機(jī)器人各種行進(jìn)方式綜合比較

注：L(low)表示低，M(medium)表示中，H(high)表示高。

2 存在的問題

就目前來看，農(nóng)業(yè)機(jī)器人移動平臺研究雖然已經(jīng)取得了很大進(jìn)展，但是根據(jù)研究現(xiàn)狀可以發(fā)現(xiàn)，目前對農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究主要集中在輪式和履帶式相關(guān)結(jié)構(gòu)上，而對腿式和復(fù)合式結(jié)構(gòu)研究較少[47]，其主要包括兩方面原因：首先從硬件角度看，雖然很多高精度傳感器技術(shù)已經(jīng)成熟，但是這些傳感器大部分都是通用型的，對于應(yīng)用在農(nóng)業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域的專用傳感器研究較少；其次是算法方面，在腿式結(jié)構(gòu)機(jī)器人研究中涉及自由度過高、控制復(fù)雜等問題，如何找到一種合適的算法實(shí)現(xiàn)對腿式或者混合式機(jī)器人的精確控制仍然有待研究[48]。即使較簡單的輪式或履帶式機(jī)器人目前也沒有大面積用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，還主要集中在研發(fā)和試驗(yàn)階段。關(guān)于農(nóng)業(yè)機(jī)器人的推廣要解決3個問題：(1)電池的續(xù)航問題，保證機(jī)器人持續(xù)作業(yè)；(2)成本問題，只有控制好成本才有市場可言；(3)智能問題，面對普通農(nóng)民必須開發(fā)出操作簡單、工作穩(wěn)定的農(nóng)業(yè)機(jī)器人[49]。

3 結(jié)論與展望

本文綜述了農(nóng)業(yè)機(jī)器人移動平臺常見的行進(jìn)方式。農(nóng)業(yè)機(jī)器人常見行進(jìn)方式包括輪式、腿式、履帶式和復(fù)合式，復(fù)合式機(jī)器人又包含了輪腿、履腿、輪履和輪履腿4種結(jié)構(gòu)，總共3種單一行進(jìn)方式、4種復(fù)合式行進(jìn)方式。根據(jù)各種行進(jìn)方式的特點(diǎn)，對它們所能適應(yīng)的農(nóng)田環(huán)境進(jìn)行了分析：輪式和履帶式雖然相對于帶腿式結(jié)構(gòu)的機(jī)器人對復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)能力較弱，但是由于它們工作效率相對較高、控制簡單，可以完成大部分農(nóng)田環(huán)境作業(yè)，是目前研究最多的農(nóng)業(yè)機(jī)器人；腿式和混合式結(jié)構(gòu)機(jī)器人，盡管可以適應(yīng)更復(fù)雜的環(huán)境，但是它們工作效率比較低并且控制復(fù)雜，因此研究相對較少，目前它們主要用于特定場合的農(nóng)田環(huán)境。

農(nóng)業(yè)機(jī)器人在社會上發(fā)揮越來越重要的作用，并逐漸成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)智能化水平的標(biāo)志之一[50]。為了更好地適應(yīng)農(nóng)田環(huán)境作業(yè)，未來應(yīng)該更加關(guān)注腿式和混合式農(nóng)業(yè)機(jī)器人的發(fā)展，尤其是腿式機(jī)器人作為仿生機(jī)器人的一種，始終是一道難題，在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用更是少之又少，須要加大對其研究力度促進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)器人行業(yè)的迅速發(fā)展；同時也要推廣輪式和履帶式農(nóng)業(yè)機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用能力，早日實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)器人的規(guī)?；褪袌龌瑸槲覈腔坜r(nóng)業(yè)的發(fā)展開辟新的道路。