智能機(jī)器人在農(nóng)業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用

張華瑾 郭山國(guó) 杜海彬 張長(zhǎng)軍

(河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 邢臺(tái) 054000)

1 農(nóng)業(yè)自動(dòng)化的簡(jiǎn)要分析

1.1 農(nóng)業(yè)自動(dòng)化的分類

1.1.1 現(xiàn)有農(nóng)業(yè)裝置基礎(chǔ)上進(jìn)行自動(dòng)化改造

在現(xiàn)有農(nóng)業(yè)裝置設(shè)備基礎(chǔ)之上進(jìn)行自動(dòng)化改造，是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)自動(dòng)化的第一步，也是基礎(chǔ)步驟。對(duì)正在適用的農(nóng)業(yè)裝置和設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化改造可以在很大程度上提升農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的操作性能和作業(yè)效率，而且也可以在一定程度上有效控制自動(dòng)化的改造成本，節(jié)省人力及物力資源，降低農(nóng)民的勞作負(fù)擔(dān)。

1.1.2 現(xiàn)有農(nóng)業(yè)機(jī)械基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)無(wú)人自動(dòng)操作

無(wú)人自動(dòng)操作是農(nóng)業(yè)自動(dòng)化的重要標(biāo)志之一?，F(xiàn)有農(nóng)業(yè)機(jī)械基礎(chǔ)之上實(shí)現(xiàn)無(wú)人自動(dòng)化操作，可有效克服人工操作的弊端，突破人力的局限，諸如一些危險(xiǎn)性比較高或者長(zhǎng)期重復(fù)操作的作業(yè)便可以交由自動(dòng)化技術(shù)來(lái)完成，其可以借助當(dāng)前先進(jìn)的計(jì)算機(jī)或者無(wú)線遙控等技術(shù)來(lái)遠(yuǎn)程操控各類機(jī)械設(shè)備，同時(shí)還能夠有效提升設(shè)備操作的精準(zhǔn)度。

1.1.3 農(nóng)業(yè)智能機(jī)器人

農(nóng)業(yè)智能機(jī)器人，從本質(zhì)上講，還是借助各種先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)以及程序軟件來(lái)進(jìn)行控制和執(zhí)行操作指令的一種形式。智能機(jī)器人可有效感知周邊環(huán)境的變化，也可及時(shí)采集農(nóng)作物的生長(zhǎng)信息，對(duì)農(nóng)作物的發(fā)展走向及時(shí)做出準(zhǔn)確辨別和判斷等等。農(nóng)業(yè)智能機(jī)器人未來(lái)將會(huì)成為農(nóng)業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中最具影響力的技術(shù)之一，其將慢慢取代傳統(tǒng)人工來(lái)繼續(xù)完成各項(xiàng)農(nóng)業(yè)作業(yè)。

1.2 農(nóng)業(yè)自動(dòng)化的體現(xiàn)

1.2.1 信息自動(dòng)化

農(nóng)業(yè)自動(dòng)化之信息自動(dòng)化是建立在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息平臺(tái)基礎(chǔ)之上的一項(xiàng)自動(dòng)化內(nèi)容，信息自動(dòng)化即實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的共享化，建立起農(nóng)業(yè)信息處理數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)以及農(nóng)產(chǎn)品信息以及數(shù)據(jù)的高效管理，提升具體管理質(zhì)量和水平。

1.2.2 生產(chǎn)自動(dòng)化

生產(chǎn)自動(dòng)化，即從原材料的選擇到加工再到生產(chǎn)都可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，這樣一來(lái)便可在一定程度上有效縮減生產(chǎn)成本，降低對(duì)人力資源的依賴性，與此同時(shí)提升實(shí)際生產(chǎn)效率。

1.2.3 機(jī)械設(shè)備自動(dòng)化

機(jī)械設(shè)備自動(dòng)化，即實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)控制，不再需要人力資源的全程把控。機(jī)械設(shè)備自動(dòng)化不僅僅可以幫助農(nóng)民執(zhí)行生產(chǎn)和操作任務(wù)，而且其伴隨著專業(yè)科技水平的提升，有越來(lái)越多的機(jī)械設(shè)備都實(shí)現(xiàn)了自行檢測(cè)，自己檢測(cè)出問(wèn)題，自行進(jìn)行優(yōu)化和處理。

1.2.4 物流自動(dòng)化

在自動(dòng)化物流環(huán)節(jié)，借助運(yùn)輸?shù)淖詣?dòng)化性能，為機(jī)械制造提供便捷，同時(shí)降低整體的生產(chǎn)成本。

2 智能機(jī)器人的概述

在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中，智能機(jī)器人的設(shè)計(jì)主要包括信息的自主采集、信息的高效處理和科學(xué)自主的邏輯判斷等功能內(nèi)容，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域用智能機(jī)器人，需要科學(xué)地對(duì)智能機(jī)器人的識(shí)別能力、避障能力等進(jìn)行深入研究，并且要對(duì)技術(shù)成本做出更高規(guī)格和標(biāo)準(zhǔn)的控制。

目前來(lái)說(shuō)，農(nóng)業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域所使用的智能機(jī)器人，研究和關(guān)注的技術(shù)重點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)目標(biāo)探測(cè)和定位。目標(biāo)的探測(cè)和定位，指的便是智能機(jī)器人的視覺(jué)技術(shù)，即依靠視覺(jué)技術(shù)來(lái)高效識(shí)別需要作業(yè)的目標(biāo)，然后按照既定的標(biāo)準(zhǔn)和要求來(lái)精準(zhǔn)完成好作業(yè)任務(wù)，保證作業(yè)質(zhì)量。

(2)自動(dòng)導(dǎo)航和避障。在農(nóng)業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域當(dāng)中，一般智能機(jī)器人是需要持續(xù)作業(yè)和靈活作業(yè)的，所以智能機(jī)器人必須要具備高水平的自動(dòng)導(dǎo)航和避障功能。要保證對(duì)地圖匹配技術(shù)、GPS定位技術(shù)進(jìn)行科學(xué)合理地應(yīng)用，確保智能機(jī)器人在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中能夠合理躲避各種各樣的障礙物，實(shí)現(xiàn)連續(xù)作業(yè)和靈活作業(yè)的效果，提升運(yùn)行質(zhì)量。

(3)手臂抓取和形態(tài)控制。智能機(jī)器人在參與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)的過(guò)程中必然會(huì)涉及到一些農(nóng)作物的抓取和控制動(dòng)作，如果智能機(jī)器人在手臂抓取和形態(tài)控制方面的技術(shù)研究并不是很精準(zhǔn)，那么其很容易造成農(nóng)作物的損傷，進(jìn)而影響到農(nóng)作物的產(chǎn)量。

(4)信息融合。智能機(jī)器人在具體應(yīng)用過(guò)程中必然要對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的基本情況作出全面的分析，要整合各種傳感器所采集到的數(shù)據(jù)信息資源，以此為基礎(chǔ)來(lái)進(jìn)行邏輯層面的判斷。智能機(jī)器人需要針對(duì)不同的環(huán)境來(lái)隨時(shí)進(jìn)行信息的收集、融合、分析以及處理，以此來(lái)確保智能機(jī)器人的應(yīng)用效果。

3 當(dāng)前智能機(jī)器人在農(nóng)業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中的具體應(yīng)用分析

3.1 在農(nóng)作物采摘方面的應(yīng)用

根據(jù)采摘的農(nóng)作物的不同種類，我們一般會(huì)安排不同的采摘機(jī)器人來(lái)進(jìn)行采摘。

以采摘西紅柿這一農(nóng)產(chǎn)品為例，采摘西紅柿的智能機(jī)器人主要有執(zhí)行裝置、視覺(jué)檢測(cè)裝置以及操作臂3個(gè)部分組合而成。在這些構(gòu)成元件當(dāng)中，視覺(jué)檢測(cè)裝置上會(huì)安裝彩色攝像裝置，進(jìn)而對(duì)成熟和未成熟的西紅柿進(jìn)行區(qū)分，而且采摘西紅柿的智能機(jī)器人手臂設(shè)計(jì)會(huì)比較長(zhǎng)，因此，它的操作范圍會(huì)更加廣泛一些，此外通過(guò)視覺(jué)檢測(cè)裝置也可對(duì)障礙物進(jìn)行有效偵查并及時(shí)避開障礙物。還有，目前所使用的用于采摘西紅柿的智能機(jī)器人都會(huì)在端部執(zhí)行裝置當(dāng)中設(shè)置柔軟襯里，里面也會(huì)安裝壓力傳感裝置，這樣便可以有效避免損壞西紅柿情況的發(fā)生。

再以采摘蘋果為例，一般采摘蘋果的智能機(jī)器人都會(huì)設(shè)定一個(gè)較為固定的尺寸，比如將采摘的空間設(shè)置在5 m2左右。采摘蘋果的智能機(jī)器人是由3個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)組合而成的，執(zhí)行機(jī)構(gòu)是帶有壓力設(shè)備的三針引腳。采摘蘋果的智能機(jī)器人判斷蘋果是否成熟主要是依靠電光傳感設(shè)備來(lái)完成的，現(xiàn)階段采摘蘋果的智能機(jī)器人在辨別蘋果成熟度方面的準(zhǔn)確性可達(dá)90%以上。

下面是關(guān)于采摘類機(jī)器人的操作流程示意圖，其流程是：(1)將傳感器和紅外遙控器采集到的信號(hào)都輸入到主控制板當(dāng)中；(2)主控制板對(duì)所接受的信息進(jìn)行妥善處理之后輸出控制三自由度機(jī)械臂和履帶底盤結(jié)構(gòu)的機(jī)器人，用紅外遙控機(jī)械臂來(lái)抓取果實(shí)。

采摘機(jī)器人操作流程圖

3.2 在農(nóng)作物嫁接中的應(yīng)用

嫁接是農(nóng)作物生長(zhǎng)過(guò)程中需要使用到的一項(xiàng)核心技術(shù)，近些年伴隨著嫁接技術(shù)的發(fā)展，有越來(lái)越多建立在嫁接技術(shù)基礎(chǔ)之上的新品種在市場(chǎng)上面出現(xiàn)開來(lái)，為農(nóng)作物發(fā)展開辟了全新的思路和空間。關(guān)于農(nóng)作物嫁接方面的智能機(jī)器人，目前使用范圍最廣、使用頻率最高的智能機(jī)器人之一是日本的TGR嫁接技術(shù)研究院研發(fā)的一款專門用于各類作物執(zhí)行嫁接工作的智能機(jī)器人。對(duì)于農(nóng)作物而言，嫁接一般會(huì)經(jīng)歷切割、連接以及揀選3個(gè)主要過(guò)程。嫁接類的智能機(jī)器人采用的是全自動(dòng)模式，也就是說(shuō)從幼苗的挑選開始便已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，其可以自主對(duì)適合嫁接的幼苗進(jìn)行檢測(cè)，如果發(fā)現(xiàn)有缺陷或者其它不合適的幼苗，智能機(jī)器人會(huì)直接將其排除在外，因此，由智能機(jī)器人完成嫁接工作的成功率是非常高的。

3.3 在噴涂農(nóng)作物方面的應(yīng)用

在噴涂農(nóng)作物方面應(yīng)用到的智能機(jī)器人，其成功融合了自動(dòng)噴霧控制器、先進(jìn)的儀表以及壓力設(shè)備等多種先進(jìn)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。一般情況下，在噴涂農(nóng)作物方面使用到的智能機(jī)器人是依靠傳感器接收的電磁信息來(lái)開展作業(yè)的，其在噴藥的過(guò)程中，電流經(jīng)過(guò)按照特定規(guī)則布好的電纜，并在其附近形成特定的電磁場(chǎng)。這樣一來(lái)，噴涂農(nóng)作物的智能機(jī)器人便可以實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物的全范圍噴灑，確保操作范圍內(nèi)的所有農(nóng)作物都可以接收到藥物的幫助。除此之外，噴涂農(nóng)作物的智能機(jī)器人都會(huì)安裝一個(gè)超聲波傳感器和一個(gè)接觸感染系統(tǒng)，其不僅可以智能地判斷方向，判斷噴灑作業(yè)是否要進(jìn)行拐彎或轉(zhuǎn)向，而且可以有效檢測(cè)周圍一定范圍內(nèi)的情況，一旦發(fā)現(xiàn)周圍存在障礙物，便可以進(jìn)行獨(dú)立停機(jī)噴灑。在與障礙物的接觸時(shí)，傳感器會(huì)自動(dòng)發(fā)出警告信號(hào)并執(zhí)行相應(yīng)的保護(hù)措施，同時(shí)也可以人工手動(dòng)按下位于機(jī)器人兩側(cè)的手動(dòng)按鈕實(shí)現(xiàn)人工手動(dòng)操作停止。

4 如何進(jìn)一步推動(dòng)智能機(jī)器人在農(nóng)業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用

4.1 強(qiáng)化農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺(tái)建設(shè)

(1)結(jié)合各村實(shí)際情況來(lái)加強(qiáng)農(nóng)村信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，確保寬帶和網(wǎng)絡(luò)的全覆蓋，為農(nóng)業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域順利應(yīng)用智能機(jī)器人奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。(2)秉承一切從實(shí)際出發(fā)的原則來(lái)進(jìn)一步健全和完善農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺(tái)，借助網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺(tái)的影響力來(lái)為智能機(jī)器人在農(nóng)業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中的應(yīng)用尋求更多的資源支持。

4.2 持續(xù)加大對(duì)智能機(jī)器人的研究力度

智能機(jī)器人雖然被廣泛應(yīng)用在了農(nóng)業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，并呈現(xiàn)出了較為理想的應(yīng)用效果，但是，這并不意味著智能機(jī)器人技術(shù)就是足夠完美的，其的確還存在著非常大的上升空間。因此，相關(guān)部門要進(jìn)一步加大對(duì)智能機(jī)器人的研發(fā)力度，在加大對(duì)農(nóng)業(yè)專用芯片、傳感器等基礎(chǔ)元器件以及農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)、農(nóng)業(yè)機(jī)器人等智能化設(shè)備研發(fā)應(yīng)用的支持力度的同時(shí)，著力培養(yǎng)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域融合解決方案的相關(guān)科研人員，催生農(nóng)業(yè)領(lǐng)域與人工智能交叉融合的優(yōu)秀解決方法。

4.3 更新現(xiàn)代農(nóng)民的思想觀念，培養(yǎng)新型農(nóng)民

我國(guó)農(nóng)業(yè)要想獲得更多的發(fā)展成果，實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的創(chuàng)新和升級(jí)，其在依靠先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的同時(shí)還需要高度關(guān)注起廣大農(nóng)民的實(shí)際情況，要意識(shí)到只有廣大農(nóng)民接受和應(yīng)用了新的技術(shù)才能夠從根本上推動(dòng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，農(nóng)業(yè)自動(dòng)化才算真正擁有了廣闊的市場(chǎng)。所以，相關(guān)部門在推廣和普及智能機(jī)器人的過(guò)程中也要逐步滲透和傳遞先進(jìn)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)理念和管理方式，要從根源上去轉(zhuǎn)變農(nóng)民的思想意識(shí)，讓他們從內(nèi)心深處去真正接受新知識(shí)、新技術(shù)和新理念。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，智能機(jī)器人只是眾多智能技術(shù)中的核心代表，以智能機(jī)器人為代表的自動(dòng)化技術(shù)才是推動(dòng)我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要力量。在農(nóng)業(yè)自動(dòng)化發(fā)展過(guò)程中，一定要給予這些先進(jìn)技術(shù)足夠的重視和支持，要將先進(jìn)技術(shù)的價(jià)值落到實(shí)處。