農(nóng)業(yè)機器人加快蔬菜產(chǎn)業(yè)智能化步伐

文/朱煥煥 本刊編輯

目前發(fā)達國家在農(nóng)業(yè)機器人研發(fā)上投入較多，投入使用的農(nóng)業(yè)機器人有近200款。近年來，我國在智能化農(nóng)業(yè)裝備研發(fā)上突飛猛進，取得了大量成果，并應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，如智能化的拖拉機、耕耘播種施肥機械、灌溉機械、施藥機械、收獲機械、設施農(nóng)業(yè)裝備、農(nóng)業(yè)機器人等。我國農(nóng)業(yè)機器人起步較晚，20世紀90年代中期才開始進行技術研發(fā)。

我國最早研究農(nóng)業(yè)機器人的單位之一是中國農(nóng)業(yè)大學，隨后許多高校及科研單位也相繼開展了相關的研究。英國哈珀亞當斯大學工程主管、國家精細農(nóng)業(yè)中心主任（NCPF）Simon Blackmore教授預測：“20年內(nèi)，機器人將徹底變革農(nóng)業(yè)生產(chǎn)?！睓C器人將在未來的農(nóng)業(yè)中擔任重要的角色。下文將綜合國內(nèi)外的研究成果，對農(nóng)業(yè)機器人的研究情況進行介紹。

概述

農(nóng)業(yè)機器人是一種以農(nóng)產(chǎn)品為操作對象、兼有人類部分信息感知和四肢行動功能、可重復編程的柔性自動化或半自動化設備。它能減輕勞動強度，解決勞動力不足問題，提高勞動生產(chǎn)率和作業(yè)質(zhì)量，防止農(nóng)藥、化肥等對人體的傷害。目前，農(nóng)業(yè)機器人已有了很大的發(fā)展，機器人可以取代人工進行一定的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動，如田間及溫室噴灑農(nóng)藥，部分作物收獲及分選作業(yè)，以及一些人類完成有困難的工作，如高處采摘等。農(nóng)業(yè)機器人的廣泛使用，將會極大地改變傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的勞作模式[1]。

農(nóng)業(yè)機器人的特點

與工業(yè)機器人相比，農(nóng)業(yè)機器人有以下特點：第一，農(nóng)業(yè)機器人一般要求邊作業(yè)邊移動。第二，農(nóng)業(yè)領域的行走不是連接出發(fā)點和終點的最短距離，它具有范圍狹窄、距離較長及遍及整個田間的特點。第三，作業(yè)條件變化較大，如不同的氣候、不平的行走道路、傾斜的作業(yè)地面等，還需考慮左右搖擺的問題。第四，應用工業(yè)機器人所需的大量投資由工廠或工業(yè)集團支付，而農(nóng)業(yè)機器人以個體經(jīng)營為主，如果價格降不下來，就很難普及。第五，農(nóng)業(yè)機器人的使用者是農(nóng)民，不是具有機械電子知識的工程師；因此，要求農(nóng)業(yè)機器人必須具有高可靠性和操作簡單的特點[2]。

農(nóng)業(yè)機器人的分類

有業(yè)內(nèi)人士將農(nóng)業(yè)機器人分為2類，一類是行走系列，主要用于在大面積農(nóng)田中進行作業(yè)；另一類是機械手系列，主要用于在溫室或植物工廠中進行作業(yè)（表1）[1]。

表1 農(nóng)業(yè)機器人類型

智能機器人在蔬菜產(chǎn)業(yè)中的應用

智能耕耘機器人

據(jù)IDTechEx報告，2016年全球共銷售自動駕駛和導航的拖拉機30多萬臺。歐洲和美國農(nóng)業(yè)機械公司已經(jīng)推出了完全自主的無人駕駛和無牽引車的原型車，配備GPS導航轉(zhuǎn)向和傳感器，包括雷達、激光和光成像、檢測和測距（激光雷達）[1]。無人駕駛技術將使農(nóng)機可以24 h不間斷地進行播種、種植和耕作等。據(jù)英國農(nóng)民聯(lián)盟2017年2月的報告，2020年初英國農(nóng)場將同時使用油電混合動力和電池電動拖拉機，以適應不同的種植空間。開發(fā)的輕型農(nóng)業(yè)機器人可以不分晝夜、不論天氣好壞連續(xù)工作，還可以收集和傳送關于田間和作物的實時狀況，記錄病蟲害和噴灑農(nóng)藥的實時數(shù)據(jù)。日本研發(fā)的機器人拖拉機可以與人工操作的拖拉機同時進行作業(yè)，而效率是后者的1.5倍。利用衛(wèi)星測定位置信息，可以確保拖拉機移動誤差范圍在10 cm之內(nèi)。近期，日本又研制出無人駕駛拖拉機。

在精準施肥機械化方面，美國研制的施肥機器人會從不同土壤的實際情況出發(fā)，進行適量施肥。它的準確計算合理地減少了施肥的總量，降低了農(nóng)業(yè)成本；而且由于施肥科學，使地下水質(zhì)得以改善。國內(nèi)已研制并應用了基于GPS或北斗定位導航的智能化變量播種、施肥、旋耕復式作業(yè)機具，可一次完成耕整地、播種、施肥等多種作業(yè)，操作簡單，通過電腦顯示屏設置和調(diào)控機具作業(yè)參數(shù)，作業(yè)效率、質(zhì)量明顯提高，達到節(jié)種、節(jié)肥、節(jié)藥、節(jié)能降耗之目的[1]。

智能播種、育苗、移栽機器人

目前，我國已開發(fā)出適用于用戶各種需求的自動播種機，如針式播種機、鼓式播種機，全自動和半自動播種機等，其可以實現(xiàn)一條完整的生產(chǎn)線，所有與播種相關的操作都可以實現(xiàn)自動化，如卸垛、填土、壓穴或鉆穴、播種、覆蓋、澆灌和碼垛。另外，移栽系統(tǒng)可實現(xiàn)45 000株/h的移栽能力，并通過高品質(zhì)的機械抓手有效降低對幼苗的傷害程度。在移苗、補苗、分盤上也實現(xiàn)了自動化。

北京工業(yè)大學植物工廠工程技術研究中心研制的GD 253-1全穴盤自動化海綿基質(zhì)播種機屬國內(nèi)首創(chuàng)，可實現(xiàn)300盤/h的播種效率，可為200、128、100、75、50穴等規(guī)格海綿基質(zhì)進行播種作業(yè)。該單位還研制出JXPYZ-2智能穴盤移栽機，可完成從穴盤到定植的自動化移栽作業(yè)生產(chǎn)線，移栽效率為1 600株/h，可實現(xiàn)128穴到72穴、100穴到50穴、穴盤到定植槽等多種規(guī)格穴盤間的移栽作業(yè)。另外，還研發(fā)了電動蔬菜小苗移栽機（適用于基質(zhì)苗、土壤苗移栽；科委重大項目），其采用蓄電池電力驅(qū)動，主要應用于日光溫室設施內(nèi)蔬菜小苗的移栽定植，并重點研發(fā)了送苗裝置、取苗裝置、栽苗裝置等。該移栽機加裝了TBS裝置，即自動保持機體水平裝置，不但可以保證電動蔬菜小苗移栽系統(tǒng)可以正常行走，而且可以在路面不平的情況下自動保持機體水平。

為了減少勞動力和提高效率，美國波士頓研究了由滾動輪胎、抓手和托盤組成的機器人，只需要工作人員在觸屏上設定相應的參數(shù)，機器人就可以將對象移動到相應的位置。臺灣研究人員等開發(fā)的智能機器人可將幼苗從600穴育苗盤良好轉(zhuǎn)移到48穴育苗盤中，并安裝防止在夾持時對幼苗造成損傷的傳感系統(tǒng)。當苗盤相鄰時，每個苗的移栽時間通常在2.5～3.5 s[3]。

智能嫁接機器人

嫁接機器人主要由日本TGR技術嫁接研究院所開發(fā)，在進行嫁接期間主要有切斷、合位以及接苗3個流程。嫁接機器人主要為全自動模式，在嫁接苗以及自根苗存在缺失時可進行自動識別，并跳過存在缺陷的苗。該設備進行嫁接的成功率約為98%，其嫁接速度也相對較高。我國研究人員研制的蔬菜嫁接設備主要是通過計算機進行自動化控制，可較好促進切苗、取苗以及排苗等嫁接工作的實現(xiàn)，其中中國農(nóng)業(yè)大學有相關的研究成果。北京工業(yè)大學植物工廠工程技術研究中心研制出ZGM-7自動化穴盤苗嫁接機，這款斜插式穴盤嫁接機采用機器視覺技術，可實現(xiàn)整排穴苗嫁接。作業(yè)對象包括黃瓜、西瓜等種苗，嫁接效率為1 200株/h。

智能化管理生產(chǎn)

德國科學家研發(fā)出一款名為BoniRob的農(nóng)業(yè)機器人，它配備高精度的衛(wèi)星導航，能將自己的位置精確到2 cm以內(nèi)；其外形像四輪越野車，工作原理是利用光譜成像儀來區(qū)分出綠色作物和褐色的土壤，在行進中記錄每株作物的位置，在生長季中一次次返回原地觀察它們的生長狀況。這樣的機器人可用于田間管理作業(yè)，實時觀測作物的生長狀況，進而及時采取防治措施。

目前對于溫室蔬菜，可實現(xiàn)無人全自動化管理，工作人員只需通過電腦或手機APP就可實時監(jiān)控作物生長狀況；另外，可通過移動端對不同的作物設置不同的參數(shù)，實現(xiàn)自動化灌溉、施肥、病蟲害防治等管理。水肥一體化設備的開發(fā)加快了智能化管理全自動的步伐。

溫室系統(tǒng)環(huán)境控制實現(xiàn)智能化。溫室管家是一款專用于溫室控制的高質(zhì)量人機界面產(chǎn)品，屬于中國首創(chuàng)。其性能穩(wěn)定，操作方便，功能先進，可以廣泛用于智能溫室的控制系統(tǒng)，且可實現(xiàn)觸摸式操作。其中，一體化過程計算機這一頂尖設計，使全面地對氣候、灌溉和能源進行管理控制得以實現(xiàn)。在預控制、自適應控制等先進控制及當?shù)靥鞖忸A報的幫助下，一體化過程計算機能夠預測溫室內(nèi)不斷變化的環(huán)境，這樣就節(jié)約了時間成本，并實現(xiàn)了資源的最大化利用。氣候和灌溉計算機被開發(fā)用于溫室及露天的灌溉控制，并用來管理溫室的氣候；可根據(jù)作物需要選擇適當?shù)膯訒r刻、灌溉循環(huán)的頻率和持續(xù)時間；也可根據(jù)作物需求自動調(diào)整用水量（可能的話可再循環(huán)）。

溫室是一個密閉的空間，可實現(xiàn)作物生長條件的最優(yōu)化配置。據(jù)了解，小型的迷你溫室系統(tǒng)（圖1）已問世，其可提供一個包含蔬菜生長所需要的所有水肥環(huán)境。通過一張“單張呼吸膜”，植物的呼吸作用并不會受到影響，但是外界的有害病菌會被這張膜阻隔，有利于蔬菜的健康生長。同時，內(nèi)部儲存的營養(yǎng)物質(zhì)能夠保證蔬菜到顧客端還有15 d的保質(zhì)期。由于完全可控的環(huán)境和無菌條件，這種小型溫室系統(tǒng)是可用的最干凈的栽培方式之一。這些容器的設計方式可以將植物受到病菌污染或其他有害因素影響的風險降到最低。一旦包裝就進行密封，也不需要額外澆水。

圖1 小型溫室系統(tǒng)

智能噴藥、噴灌機器人

日本研制的噴藥機器人與汽車較為相似，同樣其也是由噴藥自動控制設備、傳感設備以及壓力設備等共同組合而成。該噴藥機器人可有效對各種樹木與農(nóng)作物進行噴藥處理，同時還可結合方向傳感器等明確是否直行以及轉(zhuǎn)彎。其中機器人前端還具有超聲波傳感器與接觸傳感器，可實現(xiàn)對前方1 m范圍內(nèi)情況的檢測，在遇到障礙物時，傳感器會發(fā)出相應的警告信息并運行各種保護措施，如自主停止運行與噴藥；在機器人兩側還具有手動按鈕，可手動停止其運行[3-4]。目前，在我國山東德州，出現(xiàn)了共享噴藥機器人。按照掃碼、交押金、開鎖這幾個步驟，農(nóng)民可以輕松使用共享機器人進行噴藥作業(yè)。2012年北京工業(yè)大學植物工廠工程技術研究中心啟動了帶自動轉(zhuǎn)移裝置的智能噴灌機開發(fā)項目，可實現(xiàn)無人化操作，1臺噴灌機可以實現(xiàn)對多跨溫室的灌溉，降低了投入。2018年在貴州等地共推廣智能噴灌機15臺。

另外，北京工業(yè)大學研制出智能噴藥機（科委重大課題），其能夠?qū)崿F(xiàn)設施內(nèi)精良施藥的無人化操作，可借助超聲波傳感器，自動探測目標噴灑區(qū)域范圍，實現(xiàn)精準噴藥，節(jié)省成本，提高施藥精度；能自動適應番茄、辣椒等高稈作物，最大限度地利用農(nóng)藥資源，節(jié)省藥液。

智能除草機器人

除草機器人是由電子計算機操作并用雷達控制的無人駕駛機械[5]。英國的菜田除草機器人利用攝像機掃描和計算機圖像分析來進行除草，它可以全天候連續(xù)作業(yè)，除草時不會破壞土壤。美國研究人員開發(fā)的除草機器人所使用的是一部攝像機和一臺識別野草、蔬菜和土壤圖像的計算機組合裝置，利用攝像機掃描和計算機圖像分析，層層推進除草作業(yè)。德國農(nóng)業(yè)專家采用計算機、GPS定位系統(tǒng)和多用途拖拉機綜合技術，研制出可準確施用除草劑的機器人。其特點是：當機器人到達雜草多的地塊時，GPS接收器便會做出雜草位置的坐標定位圖，機械桿式噴霧器相應部分立即啟動進行除草劑的噴灑。陳勇等[6]研究了控制農(nóng)田雜草的直接施藥方法，并研制了基于該方法的除草機器人，該研究減少了除草劑用量并消除霧滴飄移現(xiàn)象，保護了生態(tài)環(huán)境。

智能采摘機器人

蔬菜采摘是其生產(chǎn)中比較耗時、耗力的一項工作，需要大量的人工投入，而人工采摘對蔬菜的損耗較大，影響蔬菜的貯藏、加工和銷售。采用機械作業(yè)，可通過先進的科學技術的應用實現(xiàn)蔬菜采摘的自動化、智能化，從而提高勞動生產(chǎn)效率、降低勞動成本，并最大程度保證蔬菜的品質(zhì)。

首次應用機器人技術進行果蔬收獲的是美國學者于1968年實現(xiàn)的，但當時開發(fā)的采收機器人樣機只能算是半自動化的收獲機械[7-8]。隨著計算機圖像處理技術、工業(yè)機器人技術以及人工智能控制技術等的發(fā)展和日趨成熟，日本、美國、荷蘭、法國、英國、意大利、以色列、西班牙等國家在采摘機器人上做了大量研究工作，并且試驗成功了多種具有人工智能的采摘機器人[9]。

近幾年，在我國也掀起了采摘機器人研究的熱潮。在蔬菜產(chǎn)業(yè)中，采摘智能機器人已在番茄、西瓜、黃瓜、甜瓜、茄子、甘藍、蘑菇、草莓、萵苣上得到了應用，但是由于采摘對象的復雜性和采摘環(huán)境的特殊性，目前市場上仍沒有商品化的采摘機器人。

▲茄果類蔬菜▲

茄子采摘機器人

茄子的機器人采摘技術研究主要在日本、中國等國家得到開展。愛知縣野菜茶葉研究所開發(fā)了針對V型架栽培茄子的采摘機器人，采用履帶式底盤和5個自由度的工業(yè)機械臂，并集成了配備掌心相機、真空吸盤、尺寸判斷機構的復雜四柔性指夾持—果梗切斷式末端執(zhí)行器，在實驗室內(nèi)，在去除枝葉遮擋后進行的非移動采摘試驗成功率為62.5%，平均采摘消耗時長達64.1 s。Hayashi在此基礎上進行了改進，主要將末端執(zhí)行器改為果梗夾剪一體式結構，并在保留掌心相機的同時增加超聲波距離傳感器，同時將機械臂自由度增加到7個。但溫室試驗表明：其采摘成功率僅為29.1%，單果采摘耗時43.2 s。此外濰坊學院和中國農(nóng)業(yè)大學等也開展了開放式茄子采摘機械手臂系統(tǒng)的設計。

番茄采摘機器人

1993年，日本近藤等人研制出一臺具有7個自由度的番茄采摘機器人。該機器人能夠通過圖像識別、視覺系統(tǒng)等判斷番茄是否達到收獲標準，若符合，則控制吸盤把果實吸住，再由機械手指抓住果實，然后通過機械手的腕關節(jié)擰下果實。該采摘機器人的采摘速度約為15 s/個，成功率約為70%。該機器人存在的問題是有些被葉莖遮擋的成熟番茄沒有被成功采摘。2004年，美國加利福尼亞西紅柿機械公司在當?shù)剞r(nóng)業(yè)博覽會上展出2臺全自動番茄采摘機器人。首先將番茄連枝帶葉割倒后卷入分選倉，分選設備挑選出紅色的番茄，并將其通過輸送帶送入隨行卡車的貨艙內(nèi)，然后將未成熟的番茄連同枝葉一道粉碎，噴撒在田里作肥料[10]。2010年，日本Knodo等[11]在單個果實采摘機器人的基礎上研制出一款新的番茄采摘機器人。該機器人適合在高密度種植的溫室大棚中使用，且只能進行成串番茄的采摘，最大的承載質(zhì)量為6 kg，采用光電傳感器對果梗進行定位，利用機械手的末端執(zhí)行器，把一整串果實剪下來，單串采摘番茄需要15 s，而且成功率只有50%，采摘成功率較低。其存在的主要問題：一是末端執(zhí)行器對花梗的加緊力度不夠；二是末端執(zhí)行器偏大，無法在密集的環(huán)境中準確地夾持。該機處于研究階段，還無法進行商業(yè)化推廣。

Yasukawa等以單架栽培番茄為對象，開發(fā)了簡易的軌道式番茄采摘機器人樣機，但該樣機尚需進行溫室內(nèi)與田間的試驗驗證。東京大學研究的番茄采摘機器人可實現(xiàn)自然光下溫室淺通道內(nèi)的采摘作業(yè)，經(jīng)過優(yōu)化使每果的識別采摘周期從85 s下降為23 s，但作業(yè)中會出現(xiàn)夾持失敗、花萼受損和夾持多果而采摘失敗的現(xiàn)象；另外，該研究組還開發(fā)了仿人型雙臂式番茄采摘機器人，該機器人完成了室內(nèi)懸掛番茄的采摘試驗，目前僅能由人發(fā)送命令來完成采摘，證實了仿人作業(yè)的可行性，但識別定位和采摘作業(yè)的精度與成功率均有待完善和改進[12-13]。日本Fujiura等針對45°傾斜水培櫻桃番茄進行了采摘機器人的開發(fā)，并在此基礎上將該果實識別定位技術應用于移動型櫻桃番茄栽培模式，因而機器人可以不用移動底盤而以臺式裝置完成工作。田間試驗證實其單果采摘周期約為12 s，采摘成功率達到了81%，其中98%的果實的花萼保持了完整。Fujiura等開發(fā)了櫻桃番茄逐個采摘機器人，采摘成功率為70%，對于較短和較粗果梗的果實，吸入環(huán)節(jié)出現(xiàn)困難。該機器人對單架栽培櫻桃番茄具有較好的采摘效果，而對于有2個以上長梗的多架栽培，由于會出現(xiàn)果串定位錯誤，初期試驗成功率僅23%[14-16]。另外，美國俄亥俄州立大學Ling等[17]研究的番茄采摘機器人通過真空吸盤吸持將目標果實拉離果束，進而由四指包絡和拉斷果梗完成采摘。

中國開展番茄采摘機器人研究的時間較晚，但目前科研力量的投入和成果數(shù)量已進入世界前列。中國農(nóng)業(yè)大學李偉團隊開發(fā)的機型[18-19]在試驗結果中表現(xiàn)為：每一果實采摘平均耗時為28 s，采摘成功率為86%。不足之處主要休現(xiàn)在：陰影、亮斑、遮擋均對識別效果造成影響，且在茂盛冠層間機械臂會刮蹭到莖葉并造成果實偏移，同時末端執(zhí)行器可能會無法實施夾持，較粗果梗無法剪斷或拉拽過程中果實掉落。國家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術研究中心針對吊線栽培番茄開發(fā)的采摘機器人在試驗中表現(xiàn)為：番茄單果的采摘作業(yè)耗時約24 s，在強光和弱光下的采摘成功率分別達83.9%和79.4%[20-21]。上海交通大學Zhao等[22]為提高作業(yè)效率，開發(fā)了雙臂式番茄采摘機器人。江蘇大學劉繼展等圍繞番茄采摘機器人技術開展了持續(xù)研究，實現(xiàn)了番茄采摘、現(xiàn)場分級、收集、運輸和卸果的全程自動化作業(yè)。臺灣國立宜蘭大學開發(fā)的番茄采摘機器人采摘成功率為73.3%，采摘中未出現(xiàn)損傷，主要失敗原因是吸盤不能對其果實完成吸持，以及果梗無法扭斷。采摘的平均耗時達74.6 s。浙江大學提出了基于彩色信息和紅外熱成像技術的樹上水果識別方法，并且對7個自由度番茄收獲機械手進行了機構分析與優(yōu)化。近日，北京工業(yè)大學植物工廠工程技術研究中心研制出全柔性采摘機器人和基于工業(yè)機器臂的采摘機器人，不傷果實，采摘效率每分鐘6～7個。

甜椒采摘機器人

目前全球干、鮮辣椒總產(chǎn)量已超過6 000萬t，成為世界上僅次于豆類、番茄的第3大蔬菜作物。其中甜椒作為重要的鮮食蔬菜，在歐美、亞洲、大洋洲等均受到廣泛的歡迎。甜椒的機器人收獲研究在日本及歐盟得到了更多的推動。日本高知技術大學針對甜椒的機器人收獲開展了持續(xù)的研究，首先開發(fā)了3直角坐標機械臂和剪刀式末端執(zhí)行器的移動采摘機器人；隨后，又針對V型架式栽培甜椒開發(fā)了關節(jié)臂式采摘機器人。歐盟2010—2014年間啟動了大型CROPS項目，其中瓦格寧根大學研究中心的溫室園藝研究所主持了甜椒采摘機器人的開發(fā)工作，采用軌道式移動平臺和復雜的9關節(jié)機械臂、ToF相機與彩色CCD組合視覺系統(tǒng)，并配置了兩類不同結構的末端執(zhí)行器。澳大利亞昆士蘭科技大學[23]和以色列本古里安大學[24]等也進行了新型甜椒采摘機器人的開發(fā)，并應用小型體感攝像頭實現(xiàn)果實的識別和定位。在甜椒摘取中雙電極熱切割技術的可行性也得到了證實。

▲瓜類蔬菜▲

西瓜采摘機器人

Yoto大學研制的一個名叫“STORK”的西瓜采摘機器人，包括機器手、視覺傳感器和行走裝置。該機器人采用立體圖像方法識別水果的相對位置，同時采用3重水果形狀的真空吸盤來提起西瓜。在試驗過程中由于真空吸盤的位置偏差，以及提供的吸力不足，導致采摘成功率為僅為66.7%。

黃瓜采摘機器人

荷蘭農(nóng)業(yè)環(huán)境工程研究所研制出一種多功能黃瓜采摘機器人，其包括自制車輛、機械手、末端執(zhí)行器、2個計算機視覺系統(tǒng)。采用三菱公司RV-E2的6自由度機械手，另外在底座增加了1個線性滑輪變成7個自由度的機器人。同時采用近紅外視覺系統(tǒng)辨識黃瓜果實，探測它的位置，然后通過機械手末端執(zhí)行器只收獲成熟的黃瓜，而不損傷其他未成熟的黃瓜。試驗時無人干擾，機器人自行采摘，成功率80%，平均45 s采摘1根黃瓜[25]。中國農(nóng)業(yè)大學和浙江工業(yè)大學等也開發(fā)了黃瓜采摘機器人[26-29]。由于黃瓜的顏色與葉片相近，雙波長視覺傳感器、雙波長CCD濾波、近紅外圖像等方法分別被應用于黃瓜果實的識別，同時在機械式切割之外還成功實現(xiàn)了果梗的熱切割[30]。湯修映等[31]研制了6個自由度黃瓜采摘機器人，該機器人基于RGB三基色模型的G分量來進行圖像分割，在特征提取后確定黃瓜的采摘點。同時提出了新的適合自動化采摘的斜柵網(wǎng)架式黃瓜栽培模式。

甜瓜采摘機器人

以色列和美國聯(lián)合研制了1臺甜瓜采摘機器人。該機器人主體架設在以拖拉機牽引為動力的移動平臺上，采用黑白圖像處理的方法進行甜瓜的識別和定位，并根據(jù)甜瓜的特殊性來增加識別的成功率。試驗表明，該機器人可以完成85%以上的田間甜瓜的識別和采摘工作。

▲葉菜類蔬菜▲

甘藍采摘機器人

日本國立農(nóng)業(yè)研究中心研制了甘藍采摘機器人。該機器人由極坐標機械、手指的末端執(zhí)行器、履帶式行走裝置和機器視覺系統(tǒng)組成。整個系統(tǒng)采用液壓驅(qū)動，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡算法提取果實的二維圖像，采用模板匹配的方法識別合格的甘藍。采摘速度為55 s/個，成功率為43%。影響成功率的主要原因是光照條件的不穩(wěn)定、超聲波測距傳感器的誤差、葉子的遮擋以及機械故障等[32]。

萵苣采摘機器人

韓國Cho等[33]研發(fā)出3個自由度的機器人用于收獲萵苣。該機器人的收獲成功率為94.12%，平均收獲周期為5 s /個。

水培生菜自動采收設備

生菜作為3大設施水培蔬菜之一，隨著設施蔬菜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，其種植面積和產(chǎn)值迅猛增加；同時，也代表著工人勞動強度的增加、生產(chǎn)成本的提高，機械化采收變成了迫切的需求。西北農(nóng)林科技大學通過一系列的關于適宜保鮮的生菜采收根長、采收方式及定植板的輸送方式（采收裝置設計的關鍵）、水培生菜自動采收裝置關鍵部件和控制系統(tǒng)設計等試驗，最終制得水培生菜自動采收裝置樣機，采收驗證試驗結果表明：切根成功率為82%，拔取搬運成功率為85%，作業(yè)效率平均為7.7 s/棵，該試制樣機可達到設計預期[34]。

▲食用菌▲

蘑菇采摘機器人

英國Silsoe研究院研制了蘑菇采摘機器人，它可以自動檢測蘑菇的位置、大小，并選擇性地采摘和修剪。它的末端執(zhí)行器是帶有軟襯墊的吸引器。采摘速度為6.7個/s，成功率約為75%。英國希爾索農(nóng)機研究所研制出了一款可以高速采摘蘑菇的機器人，它的采摘效率是人工采摘的2倍，這款機器人通過視覺圖像分析軟件來識別蘑菇的數(shù)量和等級，然后用紅外線測距儀測定蘑菇的高度，再由真空吸柄根據(jù)計算得出的具體情況確定需要彎曲和扭轉(zhuǎn)的力度，從而自動完成蘑菇采摘[35-36]。

▲其他▲

草莓采摘機器人

日本是草莓生產(chǎn)和銷售大國，近幾十年來其年產(chǎn)量一直居于世界前列，其草莓采摘機器人研究水平也遙遙領先，先后推出了多種樣機。根據(jù)草莓種植的地面栽培、高壟栽培、架式栽培等不同模式，其識別與采摘機構的原理與結構差異極大，不同研究者提出了形式各異的機器人裝備。

Kondo等首先針對高壟內(nèi)培草莓開發(fā)了第1代采摘機器人樣機。試驗結果顯示：其吸持方式對較小果實有較好的效果，但34%的果實不能被吸持或不能切斷果梗。隨后，針對第1代樣機的末端執(zhí)行器結構，又開發(fā)了第2代采摘機器人樣機。Hayashi等在此第2代樣機基礎上，通過改進推出了第3代和第4代樣機。試驗表明：第3代樣機的采摘成功率和平均耗時分別為60.0%～65.6%和8.8 s；第4代樣機通過去除等待時間而使采摘平均耗時下降為6.3 s，但采摘成功率僅有52.6%，其中存在多次作業(yè)完成采摘的情況，失敗絕大多數(shù)來自于被部分遮擋的果實的無法成功檢測，少量來自于果梗檢測誤差造成的切斷失敗，并存在未成熟果實被誤采的情況。

Yamamoto和Hayashi還針對沿軌道的移動栽培床系統(tǒng)，開發(fā)了基座固定的草莓采摘機器人。試驗發(fā)現(xiàn)：采摘成功率達67.1%，相鄰果實會造成影響，存在果實損傷、相鄰果實被采下和未成熟果實被采下的情況，每果的采摘平均耗時為31.5 s。日本宮崎大學也研制出了的采摘機器人。試驗表明：該機器人識別與采摘的平均耗時分別為1 s和6 s，果梗檢測成功率達93%，部分由于遮擋而檢測失??；在黑色膜上的采摘成功率達96%，不存在誤采但出現(xiàn)少量漏采；在白色膜上由于出現(xiàn)反射亮斑而影響檢測，成熟度較低的果實無法采到，但成功率也超過了90%。

愛媛大學針對懸掛式栽培床開發(fā)了草莓采摘機器人。試驗表明：機器人能夠無損采下所有果實，但部分未成熟果實也被采下。單果采摘的平均耗時為14～20 s；同時，研究認為因為高架栽培大大方便了機器人采摘，因而機器人的結構和控制算法可以大大簡化。Yamamoto和Hayashi還將3個自由度關節(jié)式機械臂與軌道移動平臺相結合, 構成從懸掛架式栽培床下方進行兩側機器人采摘的作業(yè)模式。田間試驗結果發(fā)現(xiàn)采摘成功率達89.1%，平均采摘周期為22.2 s。當果實較密集時機器人可能誤選擇果梗, 同時手指容易和相鄰果梗相碰并出現(xiàn)夾持失敗。

日本前川制作所和農(nóng)研機構還針對懸掛架式栽培合作開發(fā)了M-3型草莓采摘機器人。試驗表明：紅頰草莓的識別和采摘成功率分別為68.7%和50.6%，而天乙女草莓識別和采摘成功率則分別達到75.0%和63.0%，平均采摘耗時超過37 s。韓國農(nóng)科院也構建了針對高架栽培的機器人采摘系統(tǒng)，其平均采摘周期約為7 s。

中國的草莓機器人收獲研究也起步較早，并在多家機構得到持續(xù)開展。中國農(nóng)業(yè)大學張鐵中團隊最早開展了草莓采摘機器人的研究，分別對壟作和高架草莓栽培推出了不同樣機。針對壟作草莓推出了機器人采摘系統(tǒng)，針對高架草莓推出了采摘機器人“采摘童1號”樣機，試驗結果發(fā)現(xiàn)采摘成功率達88%，單果采摘平均耗時為18.54 s。該“采摘童1號”樣機在第七屆世界草莓大會進行了展示。該團隊還提出了壟作栽培的沿行空中軌道與并聯(lián)機構組合的采摘機器人方案。

國家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術研究中心馮青春等針對高架栽培草莓開發(fā)了采摘機器人。試驗表明：所有果實都被成功檢測出，但通過121次作業(yè)僅成功采下86粒果實，每次采摘平均耗時為22.3 s，而每次成功采摘的耗時為31.3 s。其中采摘失敗主要源于吸持失敗和采后掉落。

智能分級機器人

柴帆[37]為探索代替人工勞動和提高胡蘿卜的分揀速度，建立團隊，并根據(jù)胡蘿卜的外觀特征，開發(fā)了一套集計算機、人工智能、模式識別、微電子技術等高新技術為一體的胡蘿卜品質(zhì)檢測系統(tǒng)及設備。該機器人可對生產(chǎn)線上的胡蘿卜進行360°鏡面掃描，掃描處理胡蘿卜圖像只需10 ms，實現(xiàn)分揀精準快速，1 s可以處理100張圖像，分揀6根胡蘿卜。另外，上海交通大學的曹其新等[38]運用彩色圖像處理技術和神經(jīng)網(wǎng)絡理論，開發(fā)了草莓揀選機器人。

近年來，我國采后裝備也取得了革命性的進展。我國有關全自動化分級設備的先進成果包括：針對馬鈴薯、洋蔥、柑桔等水果蔬菜研發(fā)的自動稱重機，其可以獨立使用或組成生產(chǎn)線；適合馬鈴薯、洋蔥等類似產(chǎn)品包裝的全自動打扣式包裝機，可實現(xiàn)不停機更換網(wǎng)袋，并使用金屬封口絲，選配絲帶標簽等，包裝質(zhì)量為0.5～2.5 kg；針對馬鈴薯、茄子、西葫蘆、蘋果等易損傷水果蔬菜研發(fā)出的全自動臥式打扣包裝機等。

我國也掀起了分選機技術的革命，通過三維視覺成像技術、內(nèi)部品質(zhì)傳感技術、精確的分選系統(tǒng)、輕柔無創(chuàng)傷的傳送系統(tǒng)、獨特的DPS視覺云計算等，保證了果蔬分選精準無誤，即使沒有計算機使用經(jīng)驗，電腦也能夠為用戶提供最佳的果蔬組合方式，且質(zhì)量、顏色、大小、瑕疵、糖酸度等內(nèi)部品質(zhì)，級別可以實現(xiàn)自動化設置。其適用的蔬菜主要包括辣椒、洋蔥、大蒜、番茄等。

存在問題

在這個科技飛躍式發(fā)展的時代，農(nóng)業(yè)必將插上騰飛的翅膀，擺脫人工的辛苦勞作。在國內(nèi)外，農(nóng)業(yè)機器人成為了炙手可熱的研究對象，同時也涌現(xiàn)出各種類型的機器人，在工作精度、效率等方面發(fā)揮了重要作用。但是，農(nóng)業(yè)領域有其特殊性，人工智能的應用顯得尤為復雜，同時也顯現(xiàn)出一些不足，尚面臨諸多挑戰(zhàn)。

總體看來，農(nóng)業(yè)機器人的發(fā)展面臨的問題主要有：第一，成本問題。目前研制出來的農(nóng)業(yè)機器人大都只針對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)某一環(huán)節(jié)的某一項作業(yè)而言，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的特征之一是季節(jié)性強，造成了農(nóng)業(yè)機器人的使用效率低，這也間接地增加了農(nóng)業(yè)機器人的成本。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)化和進一步研究應用的瓶頸問題。只有當農(nóng)業(yè)機器人的生產(chǎn)成本低于人工收獲成本時, 農(nóng)業(yè)機器人才能得到推廣，這無疑對農(nóng)業(yè)機器人的成本控制提出了較高的要求。第二，農(nóng)業(yè)機器人智能化程度問題。農(nóng)業(yè)機器人工作環(huán)境多變，以非結構環(huán)境為主，工作任務具有極大的挑戰(zhàn)性，因此，農(nóng)業(yè)機器人對智能化程度的要求比較高。從目前的技術水平來看，在自動導航、視覺辨識定位等方面已有成熟的解決方案，但總的來講，目前智能系統(tǒng)的發(fā)展還不夠完善，很多任務無法由農(nóng)業(yè)機器人單獨完成；另一方面，即使具備了一定的智能，開發(fā)難度和應用推廣還是一個難關[1]。第三，農(nóng)業(yè)機器人易受環(huán)境變化的影響。在農(nóng)業(yè)機器人視覺導航應用中，受自然光照等外界環(huán)境干擾較大，如作物品種差異、作物缺失、背景多變等復雜因素，單一的視覺傳感器越來越難以滿足精確定位的要求，因受環(huán)境變化的影響，檢測導航信息的穩(wěn)定性也大受影響[39]。第四，準確率問題。在諸多農(nóng)業(yè)機器人的研究中，很多處于初始研究階段，田間試驗的結果也不具有可復制性，其功能發(fā)揮不穩(wěn)定。第五，效果問題。目前處于試驗階段或推廣階段的農(nóng)業(yè)機器人或多或少都存在機械損傷、采摘周期長等問題。

發(fā)展前景

正所謂機會與挑戰(zhàn)并存，農(nóng)業(yè)機器人在發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的路途中努力前行，是因為它給農(nóng)業(yè)機械化、智能化帶來了福音。人工智能前景誘人，但對其研究的路途還很長，所以，應該緊隨時代發(fā)展的腳步，對人工智能系統(tǒng)進行改造與優(yōu)化，從而確保機器人能夠在復雜多變的環(huán)境中協(xié)助人類完成高難度的工作任務，為社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，高質(zhì)量農(nóng)產(chǎn)品的保值、增值貢獻力量。隨著人工智能的發(fā)展，相信農(nóng)業(yè)自動化、智能化必將迎來更大的發(fā)展！