農(nóng)業(yè)機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)的研究現(xiàn)狀及建議

李俊達(dá) 羅 強(qiáng) 王海寶 徐光強(qiáng) 秦雪靜

(重慶三峽學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，重慶 萬(wàn)州 404100)

0 引言

我國(guó)作為一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展是我國(guó)長(zhǎng)治久安的根本保障。如今農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨諸多挑戰(zhàn)，比如勞動(dòng)力老齡化、勞動(dòng)力成本提高以及環(huán)境變化對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響等。農(nóng)業(yè)機(jī)器人作為農(nóng)業(yè)智能裝備的重要組成部分，對(duì)改變傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)方式、促進(jìn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展具有不可忽視的作用[1]。目前，農(nóng)業(yè)機(jī)器人已經(jīng)成為了一個(gè)世界性的熱點(diǎn)話題，在解放勞動(dòng)力、提高生產(chǎn)率、提高作業(yè)質(zhì)量、降低勞動(dòng)力成本、減輕農(nóng)民勞動(dòng)強(qiáng)度等方面具有顯著效果，許多勞動(dòng)力缺乏的發(fā)達(dá)國(guó)家很早就關(guān)注農(nóng)業(yè)機(jī)器人并進(jìn)行了許多相關(guān)的研究，其中以美國(guó)、日本、西班牙等最早。

隨著技術(shù)發(fā)展，農(nóng)業(yè)機(jī)器人將成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的主要力量。為了增加農(nóng)業(yè)機(jī)器人的普適性，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的投入成本，提高農(nóng)業(yè)機(jī)器人的表現(xiàn)能力，增強(qiáng)對(duì)自然環(huán)境的適應(yīng)能力，研究性能更加優(yōu)越的農(nóng)業(yè)機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)勢(shì)在必行。

1 農(nóng)業(yè)機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)的行進(jìn)方式及研究現(xiàn)狀

農(nóng)業(yè)機(jī)器人工作中通常是移動(dòng)和作業(yè)同時(shí)進(jìn)行，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中，農(nóng)業(yè)機(jī)器人的移動(dòng)不再是起點(diǎn)與終點(diǎn)的直線行進(jìn)，而是根據(jù)工作需要在狹窄的范圍、較長(zhǎng)的距離和整個(gè)工作區(qū)域進(jìn)行作業(yè)。目前主流的行進(jìn)方式可分為軌道式、輪式、履帶式和復(fù)合式4種。

1.1 軌道式移動(dòng)平臺(tái)

軌道式移動(dòng)平臺(tái)主要分為單軌式和雙軌式。單軌式移動(dòng)平臺(tái)的主要特點(diǎn)是成本低、轉(zhuǎn)向性能好、搭建簡(jiǎn)單。雙軌式移動(dòng)平臺(tái)則是穩(wěn)定性和安全性更加突出。早在20世紀(jì)60年代國(guó)外就開始了針對(duì)軌道式移動(dòng)平臺(tái)的研究，1966年，日本企業(yè)日加利研發(fā)出了第一臺(tái)用于陡坡的單軌運(yùn)輸機(jī)，當(dāng)時(shí)被稱為“劃時(shí)代運(yùn)輸車”。英國(guó)希爾所研究院研制了一款基于軌道式的全自動(dòng)蘑菇采摘機(jī)器人，這種機(jī)器人通過(guò)鋪設(shè)軌道能實(shí)現(xiàn)高精度移動(dòng)。金華市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所的施新杭等人研究設(shè)計(jì)了一種電動(dòng)式單軌運(yùn)輸機(jī)，這種運(yùn)輸機(jī)以蓄電池為動(dòng)力，具有無(wú)污染、噪音小的特點(diǎn)。黑龍江的朝洛蒙等人研制了一種便于水田取苗的雙軌道變軌式運(yùn)輸車，這種運(yùn)輸車成本低，效率高，不受陰雨天氣限制，有效地解決了勞動(dòng)力成本高、雇工難等問(wèn)題。遼寧的劉偉設(shè)計(jì)了一種用于大棚的多功能雙軌輸送器，這種運(yùn)輸器具有過(guò)載報(bào)警、行程控制、電子遙控和聲控停車的優(yōu)點(diǎn)。目前軌道式移動(dòng)平臺(tái)多應(yīng)用于大棚和山地果園，少部分運(yùn)用于固定生產(chǎn)作物的水田，應(yīng)用限制較大。

1.2 輪式移動(dòng)平臺(tái)

輪式移動(dòng)平臺(tái)是目前最常見的移動(dòng)平臺(tái)，也是研究和應(yīng)用最為廣泛的。針對(duì)這種移動(dòng)平臺(tái)的研究多集中于轉(zhuǎn)向控制和平臺(tái)調(diào)節(jié)問(wèn)題上。Chen等人研制的具有四輪驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向功能的牽引機(jī)可以通過(guò)液壓缸驅(qū)動(dòng)四連桿機(jī)構(gòu)調(diào)整牽引車機(jī)身離地間隙，同時(shí)采用多路閥控制4個(gè)車輪支架，調(diào)整車輪輪距。瓦赫寧根大學(xué)的T.Bakkert和J.Bontsema等人設(shè)計(jì)的移動(dòng)平臺(tái)采用四輪驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向，4個(gè)車輪模塊中的每一個(gè)都包括一個(gè)用于推進(jìn)的固定排量液壓馬達(dá)，該馬達(dá)提供不帶齒輪的直接驅(qū)動(dòng)。另一個(gè)安裝在車輪模塊頂部的固定排量液壓馬達(dá)則通過(guò)行星減速器控制車輪。吉林大學(xué)的趙偉程設(shè)計(jì)的農(nóng)用全方位移動(dòng)平臺(tái)采用萬(wàn)向輪作為輪系結(jié)構(gòu)，在萬(wàn)向輪上安裝可以自主控制的機(jī)械機(jī)構(gòu)進(jìn)行轉(zhuǎn)向，四輪可獨(dú)立轉(zhuǎn)向和驅(qū)動(dòng)，同時(shí)設(shè)計(jì)了一種平行四桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行高度調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同路面[18]。湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)胡志勇等人的團(tuán)隊(duì)研制了一款自走式植保機(jī)械，該植保機(jī)的移動(dòng)平臺(tái)采用四輪驅(qū)動(dòng)，可以四輪同轍轉(zhuǎn)向，通過(guò)液壓系統(tǒng)可以對(duì)軸距和輪距以及高度進(jìn)行一定調(diào)節(jié)[19]。青島理工大學(xué)的韓國(guó)旭設(shè)計(jì)了一種新型變輪距農(nóng)用車輛底盤，該底盤采用機(jī)械傳動(dòng)和四輪驅(qū)動(dòng)，相比較液壓傳動(dòng)而言，機(jī)械傳動(dòng)效率更高，成本低，控制簡(jiǎn)單[20]。輪式移動(dòng)平臺(tái)的特點(diǎn)是質(zhì)量輕，載重能力強(qiáng)，占用空間小，驅(qū)動(dòng)和控制方式簡(jiǎn)單，行進(jìn)速度快，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中被廣泛運(yùn)用。但是其克服障礙能力有限，無(wú)法適應(yīng)復(fù)雜的農(nóng)田環(huán)境。

1.3 履帶式移動(dòng)平臺(tái)

履帶式移動(dòng)平臺(tái)根據(jù)其機(jī)構(gòu)可分為單節(jié)雙履帶和多節(jié)多履帶。單節(jié)雙履帶結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，控制簡(jiǎn)單，行進(jìn)效率較高，但不能適應(yīng)過(guò)于復(fù)雜的地形，多節(jié)多履帶則相反。各國(guó)專家學(xué)者們對(duì)履帶式移動(dòng)平臺(tái)的研究多集中于提升履帶移動(dòng)平臺(tái)的地形適應(yīng)能力和操控性上。Spalla等研究的履帶式牽引車可以對(duì)底盤離地間隙和左右履帶間距進(jìn)行一定量調(diào)整，通過(guò)調(diào)整車架與履帶之間的位置使兩條驅(qū)動(dòng)履帶在兩個(gè)不同的接地平面，實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)作業(yè)時(shí)自動(dòng)適應(yīng)地形變化。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)的顧寶興和姬長(zhǎng)英等人研制的農(nóng)用履帶式智能移動(dòng)平臺(tái)采用視覺導(dǎo)航和GPS導(dǎo)航組合的方式，運(yùn)用VC++6.0編寫了自主導(dǎo)航控制程序，能夠很好地實(shí)現(xiàn)田間自主導(dǎo)航。履帶式移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，載重能力強(qiáng)，行進(jìn)過(guò)程中不易打滑和下陷，可以適應(yīng)斜坡和松軟泥濘的農(nóng)田作業(yè)。當(dāng)然，履帶式移動(dòng)平臺(tái)也存在一些問(wèn)題，主要是移速慢，能耗大，行駛機(jī)構(gòu)容易磨損，對(duì)履帶的材質(zhì)和構(gòu)型要求高的問(wèn)題，同時(shí)由于質(zhì)量大，與地面摩擦阻力過(guò)大，在松軟土地上轉(zhuǎn)向時(shí)，容易對(duì)平整的農(nóng)田和農(nóng)作物造成不必要的損壞。

1.4 復(fù)合式移動(dòng)平臺(tái)

復(fù)合式移動(dòng)平臺(tái)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，用于農(nóng)業(yè)方面的復(fù)合式移動(dòng)平臺(tái)則主要是輪履復(fù)合式和輪腿復(fù)合式。西安科技大學(xué)的田海波和馬宏偉等人結(jié)合變胞機(jī)構(gòu)理論提出了一種輪履復(fù)合式機(jī)器人的結(jié)構(gòu)。該機(jī)器人的移動(dòng)平臺(tái)可以根據(jù)需要在輪式和履帶式兩種行進(jìn)方式中進(jìn)行切換，利用車輪實(shí)現(xiàn)高速遠(yuǎn)距離運(yùn)動(dòng)，用履帶來(lái)適應(yīng)復(fù)雜地形，也可以輪履并用來(lái)跨越障礙。李文見和姬江濤根據(jù)模糊邏輯理論針對(duì)輪履復(fù)合式平臺(tái)的避障控制方法進(jìn)行研究，建立了模糊控制規(guī)則，提升了輪履復(fù)合式移動(dòng)平臺(tái)的靈活性。北京林業(yè)大學(xué)的閆浩設(shè)計(jì)的新型輪腿復(fù)合式移動(dòng)平臺(tái)采用推桿電機(jī)對(duì)復(fù)合輪腿的四邊形結(jié)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動(dòng)功能。同時(shí)還可以根據(jù)實(shí)際路況改變輪距、軸距和機(jī)身高度。北京交通大學(xué)的董瑩設(shè)計(jì)了一種具有四桿腿機(jī)構(gòu)的六輪足移動(dòng)平臺(tái)，這種設(shè)計(jì)極大地提升了越障性能和越障速度。復(fù)合式移動(dòng)平臺(tái)可以針對(duì)各種地形做充分地考慮，可以滿足較大難度的作業(yè)需求，但其缺點(diǎn)也很明顯，機(jī)械結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，面對(duì)復(fù)雜地形需要考慮更多因素，控制算法較復(fù)雜。并且復(fù)合式移動(dòng)平臺(tái)并非可以繼承各類單一行進(jìn)方式全部?jī)?yōu)點(diǎn)，綜合各行進(jìn)方式的部分優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)往往會(huì)削弱單一行進(jìn)方式的一些優(yōu)點(diǎn)。

2 存在的問(wèn)題及建議

2.1 存在問(wèn)題

目前對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)的研究已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，但其中還存在一些問(wèn)題。

(1)許多高新技術(shù)發(fā)展已經(jīng)較為成熟，但目前應(yīng)用于農(nóng)業(yè)移動(dòng)平臺(tái)的還比較少，這其中一方面是農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益不足，對(duì)高新技術(shù)吸引力不夠；另一方面則是農(nóng)業(yè)作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，技術(shù)應(yīng)用較為困難，投入成本高。

(2)由于北方平原地區(qū)地形相對(duì)簡(jiǎn)單，丘陵山地則較為復(fù)雜，適合北方地區(qū)的輪式和履帶式移動(dòng)平臺(tái)研究難度相對(duì)較小，所以目前的研究主要集中在這兩方面，對(duì)其它方面研究不足。

(3)目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中移動(dòng)平臺(tái)大多采用柴油機(jī)和汽油機(jī)，這兩種動(dòng)力機(jī)械雖然動(dòng)力強(qiáng)勁，但是會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。

(4)農(nóng)業(yè)機(jī)械化的趨勢(shì)必然導(dǎo)致技術(shù)難度提升，但是目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占主導(dǎo)地位的農(nóng)民大多知識(shí)水平不夠，操作困難，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)機(jī)械推廣難度增大。

2.2 建議

為了推進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化的進(jìn)程，政府需要出臺(tái)相關(guān)政策來(lái)引導(dǎo)，我認(rèn)為主要可以從以下幾個(gè)方面著手。

(1)進(jìn)一步調(diào)整價(jià)格杠桿，提高農(nóng)產(chǎn)品的利潤(rùn)，引導(dǎo)高新技術(shù)投入到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。

(2)加大南方丘陵山地宜機(jī)化改造和農(nóng)業(yè)機(jī)械的研究投入，引導(dǎo)更多的研究人員研制性能更為優(yōu)秀，適應(yīng)能力更強(qiáng)的移動(dòng)平臺(tái)。

(3)宣傳環(huán)保意識(shí)，引導(dǎo)相關(guān)研究人員研制性能更為優(yōu)異的電動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)，逐步更換柴油機(jī)和汽油機(jī)。

(4)一方面培養(yǎng)新型職業(yè)農(nóng)民，經(jīng)常開展職業(yè)培訓(xùn)，提高農(nóng)民的專業(yè)技能；另一方面需要針對(duì)農(nóng)民這個(gè)群體開發(fā)出操作簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定、智能程度高的農(nóng)業(yè)機(jī)器人。

3 結(jié)語(yǔ)

本文綜述了農(nóng)業(yè)機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)的4種常見行進(jìn)方式，結(jié)合目前的研究現(xiàn)狀分析了各種行進(jìn)方式的特點(diǎn)，分析了它們各自適應(yīng)的作業(yè)環(huán)境。根據(jù)目前存在的問(wèn)題提出了一些建議。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，對(duì)于農(nóng)業(yè)機(jī)器人的需求將持續(xù)加大。農(nóng)業(yè)環(huán)境和作業(yè)對(duì)象的復(fù)雜性、多變性和非結(jié)構(gòu)性將會(huì)極大推進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)的發(fā)展，隨著新型材料和人工智能等新一代技術(shù)與農(nóng)業(yè)技術(shù)的融合，農(nóng)業(yè)機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)當(dāng)前面臨的難題必將迎刃而解。