農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展綜述

肖 旭，李 明,2，謝景鑫，黃金其，張 良，張洪鐸

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128；2. 湖南省農(nóng)業(yè)裝備研究所， 湖南 長(zhǎng)沙 410125）

隨著智能農(nóng)業(yè)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。農(nóng)業(yè)作業(yè)的智能化和自動(dòng)化系統(tǒng)在應(yīng)對(duì)勞動(dòng)力短缺、提高生產(chǎn)效率、降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中人類所面臨的安全健康風(fēng)險(xiǎn)等方面發(fā)揮了重要作用[1]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和加工環(huán)節(jié)中，有許多功能設(shè)備成功應(yīng)用的案例，例如嫁接機(jī)器人、采摘機(jī)器人、移栽機(jī)器人和大田生產(chǎn)農(nóng)業(yè)機(jī)器人等。

近年來，農(nóng)業(yè)機(jī)器人及自動(dòng)化得到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，技術(shù)上的可行性得到了論證。筆者介紹了農(nóng)業(yè)機(jī)器人的特點(diǎn)及分類，綜述了機(jī)器人技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，總結(jié)了目前農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展面臨的主要問題，并預(yù)測(cè)了農(nóng)業(yè)機(jī)器人未來的主要發(fā)展方向，以期為農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供 參考。

1 農(nóng)業(yè)機(jī)器人的特點(diǎn)及分類

1.1 農(nóng)業(yè)機(jī)器人的特點(diǎn)

農(nóng)業(yè)機(jī)器人興起于工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展，雖然有部分工業(yè)機(jī)器人也勝任農(nóng)業(yè)工作任務(wù)，但工業(yè)機(jī)器人的重量及高功耗、高成本使其不適用于農(nóng)業(yè)用途[2]。農(nóng)業(yè)機(jī)器人與傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人相比具有4 個(gè)特點(diǎn)。（1）作業(yè)的季節(jié)性。農(nóng)業(yè)機(jī)器人大多數(shù)只針對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的某個(gè)環(huán)節(jié)，性能單一且適應(yīng)性不強(qiáng)，因此，每個(gè)環(huán)節(jié)都需要不同的機(jī)器人，大大增加了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本。（2）田間作業(yè)的非結(jié)構(gòu)性。與工業(yè)機(jī)器人作業(yè)環(huán)境不同，實(shí)際田間作業(yè)環(huán)境惡劣，農(nóng)業(yè)機(jī)器人在田間作業(yè)時(shí)需考慮的環(huán)境因素較多，因而農(nóng)業(yè)機(jī)器人需要具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，才能在不同的農(nóng)田生產(chǎn)環(huán)境中完成不同的生產(chǎn)任務(wù)。（3）作物的嬌嫩性。農(nóng)業(yè)機(jī)器人在工作過程中，需要對(duì)作物的嬌嫩程度、形狀、大小等情況做出柔性處理。（4）使用對(duì)象的特殊性。農(nóng)業(yè)機(jī)器人大多數(shù)由農(nóng)民操作。一方面，農(nóng)民不具備高水平的機(jī)械操作能力，因而農(nóng)業(yè)機(jī)器人必須簡(jiǎn)單易操作；另一方面，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)的利潤較低，因此農(nóng)業(yè)機(jī)器人的價(jià)格不能過高，應(yīng)在農(nóng)民的承受能力范圍之內(nèi)[3]。

1.2 農(nóng)業(yè)機(jī)器人分類

根據(jù)作業(yè)環(huán)境的不同可將農(nóng)業(yè)機(jī)器人分為3 大類（表1）：第一類為設(shè)施農(nóng)業(yè)機(jī)器人，主要針對(duì)大棚溫室的采摘、嫁接和移栽等；第二類為大田生產(chǎn)機(jī)器人，主要用于大田作業(yè)；第三類為農(nóng)產(chǎn)品加工機(jī)器人，主要用于畜牧類產(chǎn)品加工[4-8]。該文主要介紹設(shè)施農(nóng)業(yè)機(jī)器人和大田生產(chǎn)機(jī)器人2 類。

表1 農(nóng)業(yè)機(jī)器人分類與功能簡(jiǎn)介

2 設(shè)施農(nóng)業(yè)機(jī)器人研究現(xiàn)狀

2.1 嫁接機(jī)器人

嫁接機(jī)器人是利用機(jī)器人對(duì)蔬菜和水果進(jìn)行嫁接， 其主要目的是把毫米級(jí)直徑的砧木和芽坯嫁接為一體， 這樣可以有效加強(qiáng)蔬菜的抗逆性和抗病力。日本、荷蘭、西班牙和韓國等設(shè)施農(nóng)業(yè)較為發(fā)達(dá)的國家，嫁接機(jī)器人已經(jīng)得到了普遍應(yīng)用，相關(guān)研究成果較多[9-13]。

嫁接機(jī)器人最早出現(xiàn)在20 世紀(jì)80 年代的日本，目前已研制出多種自動(dòng)化嫁接機(jī)。日本的大越崇博 等[14-15]于1994 年研制出GRF800-U 型葫蘆科半自動(dòng)嫁接機(jī)器人和GR803-U 型茄科半自動(dòng)嫁接機(jī)器人，生產(chǎn)效率可以達(dá)到800 株/h，嫁接成功率達(dá)90%。2011 年日本井關(guān)農(nóng)業(yè)株式會(huì)社在現(xiàn)有機(jī)型基礎(chǔ)上研制出全自動(dòng)機(jī)型，該機(jī)器人主要利用貼接法將嫁接木夾固定于貼合面，能一次性完成取苗、上苗、嫁接和排苗全部過程，工作效率為800 株/h，嫁接成功率為95%。1995 年鈴木正肚等[16]研制出MGM600 型半自動(dòng)嫁接機(jī)，該機(jī)器人以開發(fā)省力生產(chǎn)瓜科蔬菜類嫁接樹苗的裝置為目的，通過套管的嫁接方式，人工將砧木和接穗以單列形式送入嫁接機(jī)，將加在胚軸上的壓縮失真控制在胚軸直徑的30%以內(nèi)，以穂木10°、臺(tái)木30°的角度切斷幼苗，確認(rèn)了在黏接材料上使用與手工相同的夾子可以提高嫁接存活率。Iseki 公司自主研發(fā)生產(chǎn)了Grafting Komachi 嫁接機(jī)器人[17]，該機(jī)器人由幼苗供給部件、把持搬運(yùn)部件等6 部分組成，工作人員可以通過傳感器查看機(jī)器人的工作狀態(tài)，嫁接速度為550～700 株/h，成功率達(dá)97%。日本大阪府立大學(xué)的Honami 開發(fā)了另一種嫁接機(jī)器人[18]，通過“plug-in”嫁接法，以頻率為0～40 kHe、振幅為0.03 mm 的超聲波振動(dòng)作為切削裝置，把穗木切削成14°、長(zhǎng)為10 mm 的錐形頭，再將穗木插到砧木上完成嫁接，這種嫁接方法使砧木與穗木的結(jié)合較好，得到的嫁接苗愈合速度快、生長(zhǎng)較好，嫁接成功率達(dá)90%，但工作效率較低，僅比人工速度快1.4 倍。

我國嫁接機(jī)器人的研究起步較晚，從1993 年開始自動(dòng)嫁接技術(shù)得到了廣泛研究，部分樣機(jī)已投入了生產(chǎn)。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)張鐵中教授是最早對(duì)蔬菜自動(dòng)化嫁接機(jī)進(jìn)行研究的，1998 年成功研制出2JSZ-600 型蔬菜半自動(dòng)嫁接機(jī)[19]，該機(jī)采用計(jì)算機(jī)控制實(shí)現(xiàn)砧木和穗木的取苗、切苗、結(jié)合、固定和排苗等過程的自動(dòng)化操作，適用于葫蘆科秧苗嫁接，性能可靠，嫁接速度為600 株/h，嫁接成功率約為95%。此后張鐵中團(tuán)隊(duì)為提高2JSZ-600 型單臂蔬菜嫁接機(jī)的嫁接速度和嫁接苗成活率，設(shè)計(jì)了一種雙臂蔬菜嫁接機(jī)器 人[20-21]，在之前單臂嫁接機(jī)的基礎(chǔ)上增加了一組砧木、穗木搬運(yùn)機(jī)械手，并優(yōu)化了切削機(jī)構(gòu)的幾何參數(shù)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)切刀的旋轉(zhuǎn)速度為210 r/min 時(shí)，砧木、穗木的切削效果均能滿足要求，與單臂嫁接機(jī)相比，采用2個(gè)單片機(jī)分別控制砧木處理機(jī)構(gòu)和穗木處理機(jī)構(gòu)，并開發(fā)了相應(yīng)的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了嫁接流程的并行操作[22-23]。該機(jī)在保持相同的嫁接成功率和同等嫁接苗個(gè)體差異適應(yīng)性水平條件下，嫁接速度達(dá)到854 株/h，嫁接苗成活率為93.3%。華南農(nóng)業(yè)大學(xué)楊艷麗等[24]為了解決目前插接式瓜類自動(dòng)嫁接機(jī)砧木夾持采用的壓苗機(jī)構(gòu)普遍存在的機(jī)構(gòu)復(fù)雜、機(jī)構(gòu)動(dòng)作耗時(shí)影響作業(yè)生產(chǎn)率等問題，開發(fā)了一種砧木子葉氣吸夾。以瓜類嫁接生產(chǎn)中常用的黑籽南瓜砧木標(biāo)準(zhǔn)苗和黃瓜接穗標(biāo)準(zhǔn)苗為作業(yè)對(duì)象，在2JC-600B 型斜插嫁接機(jī)上進(jìn)行了帶壓苗機(jī)構(gòu)砧木夾與砧木子葉氣吸夾的性能對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明該機(jī)器在滿足嫁接作業(yè)質(zhì)量要求的情況下可減少砧木上苗作業(yè)時(shí)間，使嫁接生產(chǎn)率由514 株/h 增至600 株/h，效率提高了16.7%。2012 年，北京農(nóng)業(yè)智能裝備研究中心姜?jiǎng)P等[25]基于瓜、茄苗通用的“貼接法”嫁接技術(shù)，采用雙工位上苗方式設(shè)計(jì)搬運(yùn)裝置、切削裝置、上苗及送夾裝置，利用虛擬樣機(jī)技術(shù)構(gòu)建瓜、茄類蔬菜嫁接機(jī)器人，結(jié)果表明切刀旋轉(zhuǎn)半徑為68 mm、切刀轉(zhuǎn)速為120 r/min時(shí)，秧苗切削成功率達(dá)98%，滿足嫁接技術(shù)要求；同時(shí)，嫁接速度為884 株/h，嫁接成功率為95.7%，成活率為96.8%。

對(duì)國內(nèi)外蔬菜嫁接機(jī)器人的研究現(xiàn)狀綜合分析，可以看出目前嫁接機(jī)器人已投入了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)且機(jī)械化程度和嫁接效率均較高，但仍存在以下幾個(gè)方面的問題。（1）自動(dòng)化程度方面。目前現(xiàn)有嫁接機(jī)器人已經(jīng)基本上實(shí)現(xiàn)了嫁接過程自動(dòng)化，但其他步驟仍需人工進(jìn)行輔助操作。目前嫁接機(jī)器人技術(shù)正朝著全過程自動(dòng)化方向不斷完善，以期在未來農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)自主作業(yè)。（2）作業(yè)規(guī)模方面。現(xiàn)有嫁接機(jī)器人大都只針對(duì)單株幼苗進(jìn)行自動(dòng)化作業(yè)，工作效率較低，適應(yīng)能力較差。因此，研究多株幼苗同步嫁接是今后嫁接機(jī)器人的主要研究方向。（3）間接因素方面。由于蔬菜生產(chǎn)缺乏體系標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致嫁接的苗木差異較大，限制了嫁接機(jī)器人的應(yīng)用和推廣。農(nóng)藝與農(nóng)機(jī)的配合是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化的必經(jīng)之路，因此現(xiàn)階段應(yīng)盡快建立適應(yīng)蔬菜嫁接機(jī)器人的蔬菜苗生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)以及研究相應(yīng)的農(nóng)藝要求。

2.2 采摘機(jī)器人研究現(xiàn)狀

采摘機(jī)器人技術(shù)最早始于1968 年，主要有機(jī)械震搖式和氣動(dòng)震搖式2 種，但工作效率不高且存在果實(shí)破損的情況。從1980 年開始，隨著工業(yè)機(jī)器人技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖像處理和人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，采摘機(jī)器人的功能和應(yīng)用范圍得到了拓展。

京都大學(xué)川村登等[26-27]較早對(duì)番茄采摘機(jī)器人進(jìn)行了開發(fā)，利用單相機(jī)的圖像輸入裝置相對(duì)于底盤的位置移動(dòng)檢測(cè)實(shí)現(xiàn)番茄果實(shí)的定位，通過5 自由度關(guān)節(jié)式機(jī)械臂和兩指夾持器采摘果實(shí)。由于當(dāng)時(shí)技術(shù)條件限制，樣機(jī)性能不是很理想，但構(gòu)成了移動(dòng)式番茄機(jī)器人的基本實(shí)現(xiàn)原理和框架。日本岡山大學(xué)Kondo 等[28]研制的番茄采摘機(jī)器人主要由7 自由度機(jī)械手、末端執(zhí)行器、行走裝置、視覺系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，工作時(shí)根據(jù)視覺系統(tǒng)尋找和識(shí)別成熟果實(shí)，再通過末端執(zhí)行器控制機(jī)械手進(jìn)行采摘。該機(jī)采摘速度為15 s/個(gè)，采摘成功率在70%左右，由于莖葉的遮擋存在極大的漏采率[10]。Hayashi 等[29]研制的一種履帶式番茄采摘機(jī)器人，利用雙目視覺對(duì)成熟果實(shí)進(jìn)行判別和定位，通過5 自由度垂直多關(guān)節(jié)型機(jī)械臂移動(dòng)至果實(shí)附近，其中末端執(zhí)行器兩指夾住果實(shí)后將果梗擰斷或掐斷。實(shí)踐結(jié)果表明，成熟果實(shí)正確識(shí)別率為92.5%，采摘成功率僅為56.8%，主要是因?yàn)槟┒藞?zhí)行器的分離方式導(dǎo)致果實(shí)破損率較高。日本農(nóng)研機(jī)構(gòu)的Yamamoto 等[30]提出了一種懸掛架式栽培床下方進(jìn)行機(jī)器人兩側(cè)采摘的作業(yè)模式，并設(shè)計(jì)出將機(jī)械臂和軌道移動(dòng)平臺(tái)相結(jié)合的草莓采摘機(jī)器人，經(jīng)過田間試驗(yàn)得出平均采摘周期為22.2 s，采摘成功率為89.1%。

我國對(duì)采摘機(jī)器人的研究較晚，目前仍處于起步階段。國家智能裝備工程技術(shù)研究中心的馮青春等[31]為了防止果皮損傷和病害侵染，設(shè)計(jì)了一種用于果實(shí)采摘、貯藏和切斷果梗的非破壞性末端效應(yīng)器，該機(jī)器利用6 自由度關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)械手?jǐn)y帶末端執(zhí)行器，規(guī)劃了機(jī)械手無碰撞快速運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵點(diǎn)和時(shí)間步驟，試驗(yàn)結(jié)果表明，采收試驗(yàn)中100 個(gè)成熟草莓目標(biāo)都能自動(dòng)識(shí)別，收獲成功率為86%，平均收獲作業(yè)時(shí)間為31.3 s，其中單次收獲作業(yè)最快時(shí)間為10 s，果實(shí)定位平均誤差小于4.6 mm。江蘇大學(xué)的劉繼展團(tuán)隊(duì)[32-35]針對(duì)溫室采摘機(jī)器人技術(shù)開展了多項(xiàng)研究。以番茄為對(duì)象，利用激光器搭建果梗切割試驗(yàn)平臺(tái)，開發(fā)了一種配置有果梗激光切割裝置的新型末端執(zhí)行器。

結(jié)合國內(nèi)外采摘機(jī)器人的研究現(xiàn)狀，目前采摘機(jī)器人仍存在以下問題需要解決。（1）非結(jié)構(gòu)性的工作環(huán)境適應(yīng)能力。采摘機(jī)器人在復(fù)雜和未知的工作環(huán)境中作業(yè)仍面臨較大挑戰(zhàn)，雖然研究人員針對(duì)遮擋條件下的果實(shí)識(shí)別、果梗大小變異系數(shù)差異、摘取路徑搜尋和導(dǎo)航、路徑規(guī)劃和躲避等開展了廣泛的研究，但機(jī)器人在溫室生產(chǎn)環(huán)境下的采摘效果仍然不夠理想。想要實(shí)現(xiàn)采摘機(jī)器人技術(shù)的智能化和全自動(dòng)化，必須提高機(jī)器人對(duì)復(fù)雜非結(jié)構(gòu)性環(huán)境的感知和作業(yè)適應(yīng)能力。（2）各復(fù)雜機(jī)器人系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)能力。采摘機(jī)器人由多個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)組成，采摘機(jī)器人的工作性能要求不僅僅只局限于每個(gè)單位系統(tǒng)的工作性能，更決定于各個(gè)單位系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)能力。目前機(jī)器人手臂協(xié)調(diào)、手眼協(xié)調(diào)研究雖然取得了一定進(jìn)展，但應(yīng)用效果仍待加強(qiáng)。（3）果實(shí)的識(shí)別率和采摘成功率較低。現(xiàn)有采摘機(jī)器人工作效率受圖像識(shí)別處理速度和控制系統(tǒng)精度影響較大，根據(jù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，目前識(shí)別率約為90%，采摘成功率也只有90%。目前，果蔬識(shí)別方法大都采用顏色特征、灰度閾值和幾何形狀特性等為考察指標(biāo)，容易受到光照等其他環(huán)境因素的影響，導(dǎo)致機(jī)器人對(duì)成熟果實(shí)的識(shí)別率較低。

2.3 移栽機(jī)器人研究現(xiàn)狀

20 世紀(jì)80 年代美國就已開始研究移栽機(jī)器人技術(shù)，前期大都以工業(yè)機(jī)器人為主體，通過安裝不同的末端執(zhí)行器完成移栽作業(yè)，但隨著研究的深入，移栽機(jī)器人開始配置有獨(dú)立的機(jī)電系統(tǒng)，包括控制模塊、傳輸模塊和移栽執(zhí)行模塊。

1987 年奧本大學(xué)Kurz 等[36]以Puma56 工業(yè)機(jī)器人為主體研制出一種苗圃植物移栽機(jī)器人，該機(jī)器人末端執(zhí)行器包括有氣缸和夾持裝置，機(jī)器人在工作時(shí)，氣缸對(duì)夾持裝置的缽苗施加壓力將缽苗從392 孔的育苗盤中取出，經(jīng)驗(yàn)證移栽機(jī)器人在3.3 min 內(nèi)可移栽36 株幼苗，成功率達(dá)96%。2004 年日本洋馬公司研制出一種自動(dòng)化較高的蔬菜移栽機(jī)器人PALA[37]，該機(jī)器人可一次性完成取苗、植苗、苗盤輸送、栽植的深度調(diào)節(jié)和栽植株距的調(diào)節(jié)等，工作速率為40 株/min。韓國Ryu 等[38]研制出一種全自動(dòng)移栽機(jī)器人，該機(jī)器人由視覺系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和機(jī)械手等部分組成，機(jī)器人工作時(shí)，控制系統(tǒng)根據(jù)視覺系統(tǒng)將定位控制機(jī)械手移動(dòng)至取苗處，氣缸推動(dòng)機(jī)械手插入穴盤中，對(duì)穴盤苗進(jìn)行夾取、移動(dòng)和投放等操作，完成取苗整個(gè)過程，室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明，取苗成功率為90%。為進(jìn)一步提高取苗成功率，Ryu 等對(duì)該機(jī)器人的末端執(zhí)行器進(jìn)行了優(yōu)化，在末端執(zhí)行器每個(gè)夾指上各增加一個(gè)氣缸，以驅(qū)動(dòng)夾指進(jìn)行伸縮運(yùn)動(dòng)完成缽苗夾取，優(yōu)化后的移栽機(jī)器人取苗成功率達(dá)到98%。韓國首爾大學(xué)Choi 等[39]設(shè)計(jì)了一種新型蔬菜移栽機(jī)器人，該機(jī)器人主要由氣動(dòng)雙驅(qū)動(dòng)移栽爪和步進(jìn)電機(jī)組成，工作時(shí)，移栽爪隨著步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)并根據(jù)穴盤苗的位置確定夾取位置，避免移栽抓取時(shí)機(jī)械爪對(duì)穴盤苗葉片的傷害，利用氣缸帶動(dòng)移栽爪插入苗盤基質(zhì)實(shí)現(xiàn)對(duì)穴苗盤的夾取、保持和投放，該機(jī)器人提取幼苗的工作效率可達(dá)30 株/min，成功率達(dá)97%。

我國移栽機(jī)器人大都以半自動(dòng)為主，發(fā)展較為緩慢。吉林大學(xué)的范云翔等[40]研制了一種溫室全自動(dòng)移栽機(jī)器人，該機(jī)器人可以將整塊秧盤育出的秧苗自動(dòng)移栽到生長(zhǎng)用的塑料大盤或花盆中，移栽過程中穴盤苗與運(yùn)動(dòng)部件沒有直接接觸，保證運(yùn)動(dòng)部件不會(huì)損傷秧苗；但該機(jī)器人只適用于移栽蔬菜和花卉等幼苗，適應(yīng)性較差。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)的楊宛章等[41]針對(duì)移栽機(jī)器人手工喂入效率低的問題設(shè)計(jì)了一種穴盤苗移栽自動(dòng)取喂系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用穴盤步進(jìn)移位機(jī)構(gòu)提供穴盤的橫向和縱向移位，由翻轉(zhuǎn)擺位式取苗機(jī)械手進(jìn)行取苗和穴盤苗的轉(zhuǎn)移，利用柔性鏈輸送喂入機(jī)構(gòu)對(duì)穴盤苗逐個(gè)投放，試驗(yàn)結(jié)果表明總可靠率達(dá)98.92%，平均基質(zhì)損失質(zhì)量為9.26%，工作速度達(dá)70 株/min，未出現(xiàn)傷苗的現(xiàn)象。

綜上所述，我國移栽機(jī)器人技術(shù)的研究主要問題在于成功率較低、存在傷苗傷缽的現(xiàn)象、通用性差。與國外移栽機(jī)器人相比，工作效率低，目前只停留在研究樣機(jī)階段。其主要原因?yàn)槿狈?duì)取苗機(jī)構(gòu)和末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)的理論分析，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與育苗工藝不相符，制約了自動(dòng)移栽機(jī)器人的發(fā)展。

3 大田生產(chǎn)機(jī)器人研究現(xiàn)狀

隨著精細(xì)農(nóng)業(yè)和智能農(nóng)業(yè)的推廣，大田生產(chǎn)機(jī)器人目前主要用于耕作、播種、施肥、噴藥、信息采集等。由于大田作業(yè)環(huán)境十分復(fù)雜，非結(jié)構(gòu)性明顯，大田機(jī)器人研究歸根到底是導(dǎo)航方式的研究。

大田生產(chǎn)機(jī)器人技術(shù)研究始于20 世紀(jì)70 年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，各國將移動(dòng)機(jī)器人投入田間信息采集工作，各種用于大田行走機(jī)械的圖像識(shí)別算法層出不窮[42]。日本Iida 等[43]研制出一種用于采集土壤養(yǎng)分和植物生長(zhǎng)信息的六足機(jī)器人。該機(jī)器人主要利用追蹤氣體傳感器檢測(cè)大田環(huán)境中的二氧化碳濃度，利用關(guān)節(jié)腿式機(jī)器人來適應(yīng)復(fù)雜地形。美國伊利諾伊大學(xué)研制出“watch-dog robot”，通過柔性的聯(lián)動(dòng)懸架適應(yīng)復(fù)雜的大田環(huán)境。20 世紀(jì)90 年代以后，日本和美國等基于GPS 導(dǎo)航技術(shù)相繼研發(fā)了耕地、插秧、大田收獲和農(nóng)田信息采集等機(jī)器人。

我國對(duì)大田機(jī)器人的研究始于20 世紀(jì)末。由于起步較晚，對(duì)大田機(jī)器人的研究沒有經(jīng)歷標(biāo)桿導(dǎo)航、預(yù)埋電纜導(dǎo)航、地磁導(dǎo)航等復(fù)雜的研究過程，直接進(jìn)入了視覺導(dǎo)航和GPS 導(dǎo)航的研究階段。

胡建平等[44]采用遺傳算法優(yōu)化選擇分割面，引入Bayes 理論建立了分割誤差的評(píng)價(jià)方法，將分割中使用的顏色特征和閾值轉(zhuǎn)換為RGB 顏色空間中的一個(gè)分割面，優(yōu)化得到的分割面為-149R+218G-73B=127。試驗(yàn)結(jié)果表明，與超綠特征相比，該方法分割后的噪聲小，平均分割誤差概率從3.90%降低到2.33%，更利于提取用于識(shí)別的形態(tài)特征。毛文華等[45]利用傅里葉變換紅外（FTIR）光譜法測(cè)量并分析雜草波長(zhǎng)范圍內(nèi)的反射率，再運(yùn)用SPSS 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行判別和分析。鄧向武等[46]采用1.1G-R 顏色因子將雜草RGB 圖像進(jìn)行灰度化，選擇自動(dòng)閾值分割得到雜草前景二值圖像，通過腐蝕膨脹形態(tài)學(xué)操作進(jìn)行葉片內(nèi)部孔洞填充，應(yīng)用面積濾波去除其他干擾目標(biāo)，最后將雜草二值圖像與RGB 圖像進(jìn)行掩膜運(yùn)算得到去除背景的雜草圖像；提取雜草圖像的顏色特征、形狀特征和紋理特征共101 維特征，并對(duì)其進(jìn)行歸一化處理，為雜草識(shí)別與藥劑選擇性噴撒提供參考。

近年來，大田作業(yè)機(jī)器人圖像識(shí)別得到了廣泛的研究，取得了許多研究成果。但由于大田作業(yè)環(huán)境的非結(jié)構(gòu)性特點(diǎn)，視覺算法對(duì)于不同對(duì)象和不同作業(yè)環(huán)境的適應(yīng)性還需加強(qiáng)，而且機(jī)器人作業(yè)需多個(gè)環(huán)節(jié)的相互配合才能實(shí)現(xiàn)，目前技術(shù)難點(diǎn)主要存在以下幾個(gè)方面。（1）作業(yè)對(duì)象多樣，作業(yè)環(huán)境多異。大田作業(yè)環(huán)境中，農(nóng)業(yè)機(jī)器人作業(yè)目標(biāo)往往都是隨機(jī)分布的，加上自然環(huán)境下光線、背景多變等因素均會(huì)干擾視覺系統(tǒng)對(duì)圖像的獲取。因此，在研究過程中需要分析作業(yè)對(duì)象的特點(diǎn)，將農(nóng)業(yè)作業(yè)裝備與農(nóng)藝管理相結(jié)合，針對(duì)作物和作業(yè)環(huán)境的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的措施，進(jìn)而滿足大田機(jī)器人作業(yè)的可靠性和穩(wěn)定性。（2）圖像信息及識(shí)別精度。在機(jī)器人識(shí)別作業(yè)過程中，工作速度與圖像識(shí)別精度往往不能同時(shí)滿足，因此在研究過程中找出算法速度和識(shí)別精度的平衡點(diǎn)也非常關(guān)鍵。（3）作物遮擋、重疊等視覺影響。在大田生產(chǎn)過程中，由于環(huán)境的非結(jié)構(gòu)性，往往會(huì)出現(xiàn)作物被遮擋和作物重疊的現(xiàn)象，這都會(huì)對(duì)機(jī)器人視覺圖像檢測(cè)造成較大的誤差，因此應(yīng)著力研究更完善的圖像采集系統(tǒng)、更合理的取景策略和有效的作物檢測(cè)算法，以提高視覺系統(tǒng)的可見能力，降低誤差。

4 存在問題及展望

4.1 存在問題

4.1.1 機(jī)器人作業(yè)可靠性問題 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境多變且無法預(yù)知，面對(duì)不斷變化的天氣、環(huán)境（機(jī)器振動(dòng)、極端的溫度和濕度）和作物，農(nóng)業(yè)機(jī)器人必須有良好的智能化系統(tǒng)才能安全、可靠地工作。

4.1.2 機(jī)器人成本制造問題 隨著電子技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人的元件成本大大降低，但農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總體利潤不高，且農(nóng)業(yè)機(jī)器人大都針對(duì)單一的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，使用率較低，其性價(jià)比不能滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要，成為制約農(nóng)業(yè)機(jī)器人普及和進(jìn)一步研究的瓶頸。

4.1.3 機(jī)器人作業(yè)性能問題 根據(jù)農(nóng)作物的嬌嫩性和復(fù)雜性，農(nóng)業(yè)機(jī)器人必須有良好的柔性處理。現(xiàn)有機(jī)器人存在采摘效率低、破損率較高的特點(diǎn)，必須提高農(nóng)業(yè)機(jī)器人智能化，農(nóng)業(yè)機(jī)器人只有在保證作業(yè)性能精度的情況下，作業(yè)效率才能提高，才能進(jìn)一步推廣。

4.2 展 望

4.2.1 復(fù)雜田間環(huán)境下機(jī)器人的適應(yīng)能力 隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展和圖像處理技術(shù)的不斷完善，機(jī)器人自動(dòng)進(jìn)行農(nóng)業(yè)工作已不再局限于理想的農(nóng)田環(huán)境，復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)性農(nóng)田工作的研究已經(jīng)成為當(dāng)前農(nóng)業(yè)機(jī)器人研究的熱點(diǎn)。這些復(fù)雜環(huán)境包括不斷變化的天氣、機(jī)器本身振動(dòng)和極端的溫度和濕度等，這對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)提出了挑戰(zhàn)和要求。

4.2.2 農(nóng)業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的融合能力 農(nóng)業(yè)機(jī)器人是由機(jī)器人移動(dòng)底盤、機(jī)械臂、末端執(zhí)行器以及圖像識(shí)別系統(tǒng)組成，農(nóng)業(yè)機(jī)器人的工作性能不僅僅取決于每個(gè)組成部分的工作性能，更決定于每個(gè)系統(tǒng)之間的合作協(xié)調(diào)能力。目前各國學(xué)者針對(duì)機(jī)器人手臂協(xié)調(diào)、手眼協(xié)調(diào)、身眼協(xié)調(diào)等開展了大量研究，但仍沒有達(dá)到理想的效果，農(nóng)業(yè)機(jī)器人各個(gè)系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)合作仍然是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。

4.2.3 機(jī)器人柔性要求 目前農(nóng)業(yè)機(jī)器人已經(jīng)可以替代人類進(jìn)行簡(jiǎn)單的農(nóng)業(yè)作業(yè)，但面對(duì)高農(nóng)藝要求的復(fù)雜操作時(shí)還不能滿足要求。為有效提高機(jī)器人的工作精度，機(jī)器人驅(qū)動(dòng)的柔性以及本體材料成為當(dāng)前的研究重點(diǎn)。

4.2.4 機(jī)器人工作安全性 隨著機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用的不斷拓展，農(nóng)業(yè)機(jī)器人與人之間的交互工作也日益頻繁，但機(jī)器人的結(jié)構(gòu)為剛性結(jié)構(gòu)，且機(jī)器人的控制者為農(nóng)民，存在較大的機(jī)械安全隱患而無法高效率使用。這也使得農(nóng)業(yè)機(jī)器人剛性與柔性之間的轉(zhuǎn)換成為未來研究的一個(gè)重點(diǎn)。

4.2.5 農(nóng)業(yè)機(jī)器人人機(jī)交互 現(xiàn)有機(jī)器人主要通過觸控板或遙控的方式實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。如何通過手勢(shì)、語音等交互方式解決目前友好性低以及智能程度低的交互問題也是未來研究的一個(gè)主要方向。

從農(nóng)業(yè)機(jī)器人研究?jī)?nèi)容來看，為了滿足農(nóng)業(yè)機(jī)器人在復(fù)雜工作環(huán)境下作業(yè)的適應(yīng)性、可靠性，提高農(nóng)業(yè)機(jī)器人的工作性能，農(nóng)業(yè)機(jī)器人將朝著智能化、自動(dòng)化方向發(fā)展。為了進(jìn)一步降低農(nóng)業(yè)機(jī)器人的成本，提高農(nóng)業(yè)機(jī)器人的適用性將是主要的解決途徑。同時(shí)，隨著我國進(jìn)入人口老齡化階段，農(nóng)業(yè)機(jī)器人的需求也在不斷增加，這將為農(nóng)業(yè)機(jī)器人發(fā)展提供更廣闊的 空間。