農(nóng)業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

張仕鵬，何 勛，張守一

（河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南鄭州 450002）

0 引言

我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)問題一直是影響到中國社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的根本，建國初期的經(jīng)濟(jì)發(fā)展主要靠農(nóng)業(yè)，生產(chǎn)力低下是農(nóng)業(yè)發(fā)展緩慢的原因之一。隨著信息化時(shí)代的到來，出現(xiàn)了各式各樣的機(jī)器人來代替人們進(jìn)行作業(yè)。近些年國內(nèi)外的機(jī)器人在生活生產(chǎn)中的應(yīng)用也愈來愈廣泛[1，2]。

農(nóng)業(yè)機(jī)器人的廣泛應(yīng)用改善了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)方式，主要體現(xiàn)在減少勞動(dòng)力的投入、節(jié)約成本、提高生產(chǎn)效率[3]?？v觀近些年農(nóng)業(yè)機(jī)器人的發(fā)展，我們?nèi)钥梢钥闯鲆恍┎蛔悖貉邪l(fā)機(jī)器人成本高、機(jī)器人生產(chǎn)效率偏低、智能化程度不高、差距顯著等。農(nóng)業(yè)機(jī)器人的發(fā)展還需要改進(jìn)，本文主要對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行歸納，分析其優(yōu)勢(shì)與不足，并給出幾點(diǎn)展望。

1 農(nóng)業(yè)機(jī)器人應(yīng)用

1.1 國外機(jī)器人的應(yīng)用現(xiàn)狀

農(nóng)業(yè)機(jī)器人愈發(fā)受到農(nóng)業(yè)人口較少的發(fā)達(dá)國家的重視，這也是國際農(nóng)業(yè)裝備產(chǎn)業(yè)技術(shù)競爭的焦點(diǎn)之一。作為農(nóng)業(yè)機(jī)器人研究最早、同時(shí)也是市場發(fā)育最為成熟國家之一的日本，目前已研制出育苗機(jī)器人、扦插機(jī)器人、農(nóng)藥噴灑機(jī)器人、施肥機(jī)器人和移栽機(jī)器人等多種農(nóng)業(yè)機(jī)器人，在理論與應(yīng)用方面都居世界前列。然而美國由于國土面積廣闊及自身先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)作支撐，美國在理論與技術(shù)上都比較成熟。最具代表性的是美國新荷蘭農(nóng)業(yè)機(jī)械公司發(fā)明的多用途自動(dòng)化聯(lián)合收割機(jī)器人，很適合在美國一些大片規(guī)劃整齊的農(nóng)田里收割莊稼[4]。

西班牙初創(chuàng)公司已研制出一種全自動(dòng)草莓收割機(jī)，這種收割機(jī)有24條“手臂”，可以獨(dú)立采摘草莓。每個(gè)機(jī)械臂配有攝像頭，內(nèi)置短距離集成色彩和紅外深度傳感器。憑借這種傳感器，機(jī)器人能分析核實(shí)每個(gè)草莓的外觀和顏色，配套軟件根據(jù)草莓的顏色進(jìn)行識(shí)別然后判斷作物是否可以采摘，這種機(jī)器人功能齊全，能夠精確的確定草莓的位置，幾乎能完成所有人工操作環(huán)節(jié)[4]，而且完全不必?fù)?dān)心對(duì)草莓造成損傷。

1.2 國內(nèi)機(jī)器人的應(yīng)用現(xiàn)狀

與發(fā)達(dá)國家相比，我國農(nóng)業(yè)機(jī)器人無論是研發(fā)還是應(yīng)用都還處于起步階段，直到上世紀(jì)90年代中期，我國才開始了農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)的研發(fā)，比一些發(fā)達(dá)國家起步晚了十余年。受市場投資、生產(chǎn)成本、技術(shù)落后等的影響，我國農(nóng)業(yè)機(jī)器人的發(fā)展較為緩慢，我國目前研發(fā)并投入使用的農(nóng)業(yè)機(jī)器人有除草機(jī)器人、采摘機(jī)器人、扦插機(jī)器人、育苗機(jī)器人等，并在生產(chǎn)方面已取得很大的進(jìn)展。

比如國內(nèi)研發(fā)出的嫁接機(jī)器人，在國內(nèi)自動(dòng)化技術(shù)充分發(fā)展的背景下已出現(xiàn)了全自動(dòng)的蔬菜嫁接機(jī)器人。在自動(dòng)化和算法應(yīng)用的作用下不僅大大提高了嫁接后的成活率而且還節(jié)約了人力，使嫁接作業(yè)變的更為簡便。國內(nèi)還有蘋果采摘機(jī)器人、荔枝采摘機(jī)器人和黃瓜采摘機(jī)器人等，這些水果采摘機(jī)器人在高科技水平的支撐下能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)瓜果類農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)行無損采摘作業(yè)，有的機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的自主導(dǎo)航作業(yè)，實(shí)現(xiàn)從搜索、掃描、識(shí)別、定位到末端執(zhí)行器控制與操作，最終實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物的采收，這種技術(shù)打破了傳統(tǒng)機(jī)器人工作在結(jié)構(gòu)化環(huán)境的技術(shù)屏障，是在科研水平上的創(chuàng)新為以后農(nóng)業(yè)機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)入自然環(huán)境進(jìn)行作業(yè)提供了強(qiáng)有力的理論與技術(shù)的支撐[5]。

2 農(nóng)業(yè)機(jī)器人的特點(diǎn)及分類

相比于其他行業(yè)的機(jī)器人而言，農(nóng)業(yè)機(jī)器人的特點(diǎn)可簡要概括為以下幾個(gè)方面：

1）現(xiàn)階段農(nóng)業(yè)機(jī)器人大多是工作在農(nóng)田或溫室大棚里，一方面作物的生長受到光照溫度濕度等的影響，另一方面作物在不斷生長，種種原因使農(nóng)業(yè)機(jī)器人的工作環(huán)境較復(fù)雜這就要求機(jī)器人的智能化程度較高，靈活性強(qiáng)。

2）不同種類的機(jī)器人工作面對(duì)的對(duì)象也有所差異，農(nóng)作物一般比較脆弱，易受到外加的壓力或者溫度等影響而產(chǎn)生變形或者斷裂，除此之外，在農(nóng)作物不同的成長階段，對(duì)應(yīng)的機(jī)器人都需要根據(jù)不同的情況進(jìn)行具體的分析，這就需要機(jī)器人本身具備很高的靈活性和智能化。這也是現(xiàn)階段農(nóng)業(yè)機(jī)器人在發(fā)展中的一個(gè)核心技術(shù)。

3）農(nóng)業(yè)機(jī)器人的操作對(duì)象一般是農(nóng)民，因此操作起來應(yīng)比較簡單，不能過于繁瑣，使用農(nóng)業(yè)機(jī)器人應(yīng)簡單便捷，在保證速度的前提下盡可能的保證其效率，讓人們能更好更快的去學(xué)習(xí)使用功能。減輕人們的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)率和作業(yè)質(zhì)量，減少農(nóng)藥和化肥等化學(xué)產(chǎn)品的使用，節(jié)約成本還能保護(hù)環(huán)境。

4）農(nóng)業(yè)機(jī)器人是一種具備某些與人類或生物相似的智能能力，是一種具有高度靈活性的自動(dòng)化機(jī)器，能夠代替人們做一些單調(diào)和重復(fù)的長時(shí)間作業(yè)，能夠進(jìn)入危險(xiǎn)環(huán)境代替人們進(jìn)行勞動(dòng)，工作質(zhì)量穩(wěn)定，保證產(chǎn)品的一致性。

5）農(nóng)業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用不僅局限于陸地方面，還可以運(yùn)用到空中；提到無人機(jī)相信大家都不陌生，無人機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)衍生到各方面中，在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用：比如用無人機(jī)噴灑農(nóng)藥、運(yùn)送肥料、航拍檢測(cè)農(nóng)作物的生長情況等[6]。這樣可以讓我們更方便管理農(nóng)作物，獲得最高質(zhì)量的產(chǎn)品。

針對(duì)不同的工作對(duì)象、環(huán)境等，現(xiàn)已研發(fā)出了一系列的農(nóng)業(yè)機(jī)器人[7]，根據(jù)不同的生產(chǎn)要求主要有如圖1所示幾類：

3 農(nóng)業(yè)機(jī)器人的問題及不足

機(jī)器人的出現(xiàn)給各個(gè)產(chǎn)業(yè)帶來了生機(jī)，人們的生產(chǎn)生活方式發(fā)生了巨大的變化，但與一些發(fā)達(dá)國家相比我國農(nóng)業(yè)機(jī)器人的發(fā)展在某些方面還是比較落后，今后需要進(jìn)一步向更智能化、更自動(dòng)化、更先進(jìn)發(fā)展。現(xiàn)階段的機(jī)器人仍有許多不足，總結(jié)主要有如下幾點(diǎn)：

1）比如農(nóng)業(yè)機(jī)器人的智能化程度較低、處理問題的方式單一；

2）制造成本高研發(fā)難度大，使得農(nóng)業(yè)機(jī)器人的推廣面臨巨大的挑戰(zhàn)；

3）普遍存在的問題是農(nóng)村勞動(dòng)力短缺，機(jī)械化規(guī)模小，普及率低，很難實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)一；

4）發(fā)展不夠成熟，大批量研發(fā)使用還會(huì)有一定的風(fēng)險(xiǎn)；

5）創(chuàng)新型人才短缺，先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)難以得到普及運(yùn)用；

6）農(nóng)業(yè)機(jī)器人作業(yè)是季節(jié)性的大多都針對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的某一環(huán)節(jié)，功能單一，利用效率低。

4 農(nóng)業(yè)機(jī)器人的發(fā)展前景及趨勢(shì)

科技水平飛速發(fā)展不僅改變了傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式而且緩解了勞動(dòng)力人口短缺的現(xiàn)狀，代替人們自主完成枯燥且長時(shí)間重復(fù)的工作?，F(xiàn)階段，農(nóng)業(yè)機(jī)器人也正發(fā)生著向小型、低耗、智能化和自動(dòng)化轉(zhuǎn)型，農(nóng)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是當(dāng)前普遍流行的農(nóng)業(yè)種植管理方式，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)化，通過大數(shù)據(jù)匯聚信息。農(nóng)業(yè)機(jī)器人的興起正逐漸成為國內(nèi)外科研的重點(diǎn)，疫情期間糧需求量增加，解決發(fā)展問題必須還要依靠科技的進(jìn)步，發(fā)揮農(nóng)業(yè)科技的力量愈發(fā)顯示出高度的重要性。

首先，農(nóng)業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用為國家的農(nóng)業(yè)自動(dòng)化、精準(zhǔn)化、智能化發(fā)展帶來了強(qiáng)勁動(dòng)力，在國家經(jīng)濟(jì)、科技都取得快速發(fā)展的情況下，加大了對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展的扶持力度，通過農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研發(fā)與應(yīng)用，期望能提升土地生產(chǎn)力以維護(hù)糧食安全和社會(huì)的穩(wěn)定。

其次，農(nóng)業(yè)機(jī)器人的發(fā)展已從早期的平坦陸地衍生到復(fù)雜地形、水中和空中領(lǐng)域，由最笨拙復(fù)雜的結(jié)構(gòu)發(fā)展到輕盈先進(jìn)的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)機(jī)器人，5G網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)再加上物聯(lián)網(wǎng)和人工智能、GPS等的普及應(yīng)用使得機(jī)器人的智能化程度得以飛速提升，從而才能更好的為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)服務(wù)，農(nóng)業(yè)機(jī)器人的市場正在迎來快速增長階段。

現(xiàn)已經(jīng)出現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)器人替代人們完成繁重的體力勞動(dòng)、提高生產(chǎn)效率的實(shí)例，大大提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。用科技代替資源，不斷提高資源的利用率，從而提高經(jīng)濟(jì)效益。隨著經(jīng)濟(jì)水平的持續(xù)高速發(fā)展，我國農(nóng)業(yè)機(jī)器人的發(fā)展在新的生產(chǎn)模式中會(huì)出現(xiàn)良好的機(jī)遇，在全球科技的不斷變革下，勢(shì)必會(huì)有一些新型高端技術(shù)的出現(xiàn)，將會(huì)不斷改變和影響現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，所以農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研發(fā)對(duì)我國未來農(nóng)業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展意義非凡。