林業(yè)機(jī)器人研究現(xiàn)狀與展望

譚見君， 范潤宇

(湖南科技職業(yè)學(xué)院，湖南 長沙 410004)

1 林業(yè)與林業(yè)機(jī)器人

十八大以來，習(xí)近平總書記提出了以“堅(jiān)持人與自然和諧共生，協(xié)同推進(jìn)人民富裕、國家強(qiáng)盛、中國美麗”為核心內(nèi)容的生態(tài)文明思想[1]，而林業(yè)在生態(tài)文明建設(shè)中處于核心地位。要保護(hù)我們的綠水青山就要加強(qiáng)林業(yè)生態(tài)保護(hù)及修復(fù)，提高國土綠化與森林質(zhì)量。

我國林業(yè)產(chǎn)業(yè)資源豐富，2021年森林面積覆蓋率達(dá)到了23.04%，蓄積量達(dá)到了175.6億m3[2]，林業(yè)總產(chǎn)值超過8萬億元，并形成了三個(gè)產(chǎn)值超萬億元的支柱產(chǎn)業(yè)，分別是森林旅游、經(jīng)濟(jì)林和木材加工。對(duì)外貿(mào)易額達(dá)到1 600億美元，帶動(dòng)了2 000多萬貧困人口脫貧增收，林產(chǎn)品生產(chǎn)、貿(mào)易已位居世界第一。圖1是我國2021年與2020年林木機(jī)械進(jìn)出口對(duì)比[3]，其中營林機(jī)械、園林機(jī)械、人造板機(jī)械和木工機(jī)械主要出口亞洲、歐洲和北美洲。

圖1 我國2021年與2020年林木機(jī)械進(jìn)出口對(duì)比圖

隨著生態(tài)文明建設(shè)的深入和技術(shù)進(jìn)步，林業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)營方式將迎來重大變革，如勞動(dòng)力減少，導(dǎo)致林業(yè)從業(yè)人員減少；在勞動(dòng)強(qiáng)度、工作環(huán)境和生產(chǎn)安全等方面林業(yè)與其他產(chǎn)業(yè)均存在較大的差異，這個(gè)差異嚴(yán)重阻礙了產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在當(dāng)前情況下，要確保林業(yè)的高速發(fā)展，提升林業(yè)裝備技術(shù)就顯得尤為重要。在支撐林業(yè)生態(tài)和產(chǎn)業(yè)體系建設(shè)兩方面，林業(yè)裝備均具有重要作用。林業(yè)裝備不僅對(duì)我國林業(yè)的規(guī)?；?jīng)營水平具有較大的提升作用，而且能夠極大地解放生產(chǎn)力，保障生產(chǎn)安全，提高生產(chǎn)效率，促進(jìn)林業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級(jí)。21世紀(jì)，自動(dòng)化和人工智能技術(shù)快速發(fā)展，林業(yè)裝備的機(jī)器人化逐漸成為現(xiàn)實(shí)。林業(yè)機(jī)器人[4]是自動(dòng)化或半自動(dòng)化設(shè)備，是一種特種作業(yè)機(jī)器人。該機(jī)器人具有柔性、可感知外界信息、能重復(fù)編程的特點(diǎn)，是有機(jī)結(jié)合了電子信息、機(jī)械原理、計(jì)算機(jī)控制、人工智能等前沿學(xué)科的有機(jī)綜合體，以林業(yè)為服務(wù)對(duì)象，能通過程序控制來執(zhí)行林業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)營的各種任務(wù)。我國的林業(yè)機(jī)器人現(xiàn)階段的研發(fā)集中在森林消防、林業(yè)采收、苗木嫁接、防風(fēng)固沙、農(nóng)藥噴灑等方面，聚焦于有效解決人力資源、生產(chǎn)安全、生產(chǎn)效率等方面的問題。林業(yè)機(jī)器人已成為促進(jìn)林業(yè)現(xiàn)代化，加快產(chǎn)業(yè)升級(jí)與大變革的重要驅(qū)動(dòng)力。

2 林業(yè)機(jī)器人研究現(xiàn)狀

目前林業(yè)機(jī)器人的研究已取得初步成果，根據(jù)應(yīng)用場景的不同可將林業(yè)機(jī)器人分為生態(tài)林業(yè)機(jī)器人、林業(yè)產(chǎn)業(yè)機(jī)器人和特種林業(yè)機(jī)器人三類。

(1)生態(tài)林業(yè)機(jī)器人[5-7]：主要用于生態(tài)林業(yè)修復(fù)工作，如播種、造林、撫育、防護(hù)、采伐等工作。

(2)林業(yè)產(chǎn)業(yè)機(jī)器人[8-11]：主要用于大型林場的產(chǎn)業(yè)加工作業(yè)，如木材搬運(yùn)、加工及林副產(chǎn)品開發(fā)等。

(3)特種林業(yè)機(jī)器人[12-15]：可滿足林業(yè)工程方面特定功能需求，如林業(yè)裝備制造輔助機(jī)器人、巡檢機(jī)器人、野外作業(yè)機(jī)器人和攀爬機(jī)器人。

2.1 生態(tài)林業(yè)機(jī)器人研究現(xiàn)狀

林業(yè)生態(tài)建設(shè)作為美麗中國的重要工作之一，國內(nèi)一些學(xué)者已經(jīng)對(duì)林業(yè)機(jī)器人展開了系列研究。徐海燕[16]等針對(duì)森林作業(yè)的應(yīng)用領(lǐng)域，分別從培養(yǎng)培育和采摘運(yùn)輸兩方面對(duì)目前應(yīng)用良好的林業(yè)機(jī)器人進(jìn)行了詳細(xì)論述，并將林業(yè)機(jī)器人分為了嫁接機(jī)器人、采運(yùn)機(jī)器人、林用清理機(jī)器人、種苗機(jī)器人、整枝機(jī)器人和消防機(jī)器人六大類，提出目前的林業(yè)機(jī)器人在多機(jī)械手協(xié)調(diào)作業(yè)、新機(jī)器人、多足移動(dòng)機(jī)構(gòu)和多傳感器信息融合等方面研究不足，以及森林作業(yè)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展方向在未來應(yīng)集中在這些方面。

在生態(tài)林業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)與智能控制研究方面，丁云鵬[17]等以IRB140關(guān)節(jié)型機(jī)器人為研究對(duì)象，為該型機(jī)器人搭建了一個(gè)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以滿足生產(chǎn)的實(shí)際需求為目標(biāo)，設(shè)計(jì)出了能夠準(zhǔn)確、穩(wěn)定的控制各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，并能精準(zhǔn)完成不同運(yùn)動(dòng)路徑下夾取搬運(yùn)任務(wù)的關(guān)節(jié)型機(jī)器人?；豇P財(cái)[18]等經(jīng)過研究在2018年將移動(dòng)機(jī)器人的路徑分為了全局規(guī)劃和局部規(guī)劃兩方面，分別對(duì)全局規(guī)劃的快速隨機(jī)搜索樹算法、遺傳算法和和蜂群算法三種算法進(jìn)行了詳細(xì)闡述，并對(duì)局部規(guī)劃的模糊算法、人工勢場法和A*算法三種算法做了詳細(xì)說明，提出移動(dòng)機(jī)器人的路徑規(guī)劃需要考慮當(dāng)前復(fù)雜且多維的環(huán)境，進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化，可考慮混合算法。該研究結(jié)果可大幅度提升林場的苗木種植及修剪機(jī)器人的性能。

在生態(tài)林業(yè)機(jī)器人的精準(zhǔn)識(shí)別研究方面，王成軍[19]等研發(fā)了一種針對(duì)林區(qū)病蟲防治應(yīng)用的機(jī)器人，該機(jī)器人通過超聲感應(yīng)裝置對(duì)樹木進(jìn)行檢測，通過檢測結(jié)果實(shí)現(xiàn)定向施藥，精準(zhǔn)防治病蟲害的功能，該研究大幅度提高了農(nóng)藥的利用效率。

日本九州工業(yè)大學(xué)的Nobuo[20]研發(fā)了一種可以在廣泛穿越森林的同時(shí)清除雜草的機(jī)器人系統(tǒng)，該機(jī)器人由“自主移動(dòng)系統(tǒng)”和“幼苗檢測系統(tǒng)”組成，如圖2所示。該機(jī)器人系統(tǒng)平臺(tái)為一輛全地形車輛，其中制動(dòng)系統(tǒng)、油門和轉(zhuǎn)向由電機(jī)進(jìn)行控制，除草通過安裝在前輪之間的多刀片機(jī)構(gòu)完成。為了使機(jī)器人能夠?qū)﹄s草與樹木進(jìn)行識(shí)別，結(jié)合深度傳感器數(shù)據(jù)和 CCD 相機(jī)(安裝在深度傳感器旁邊)獲取的 RGB 圖像來識(shí)別外部環(huán)境，圖3為CCD相機(jī)識(shí)別結(jié)果與實(shí)際地形對(duì)比。試驗(yàn)結(jié)果表明該機(jī)器人可以通過避開前方障礙物自主行動(dòng)，并且還可以判斷前方物體是否為幼苗植物或雜草，有效避開幼苗。

圖2 NOBUO除草機(jī)器人樣機(jī)

圖3 除草機(jī)器人CCD識(shí)別結(jié)果

2.2 林業(yè)產(chǎn)業(yè)機(jī)器人研究現(xiàn)狀

隨著智能控制技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人在林業(yè)產(chǎn)業(yè)的開發(fā)上逐步得到應(yīng)用推廣。1996年東北林業(yè)大學(xué)研制出第一臺(tái)采摘針葉樹果實(shí)的采摘機(jī)器人[21]，如圖4所示。圓錐采摘機(jī)器人由行走機(jī)構(gòu)、機(jī)械手、液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。其中6自由度機(jī)械手由轉(zhuǎn)盤、立柱、下臂、上臂、采摘爪和錐殼等組成。在采摘時(shí)，機(jī)器人停駐在離樹3～5 m處并掛起液壓泵，將采摘爪圍繞樹枝閉合并向后移動(dòng)，這樣針葉樹果實(shí)可以被順利梳理下來。在控制系統(tǒng)的控制下，采摘爪向上或向下移動(dòng)以瞄準(zhǔn)另一個(gè)分支，并重復(fù)上述拾取動(dòng)作。該機(jī)器人主要性能參數(shù)為：采摘高度3～14 m，最大采摘半徑6.8 m，采摘爪最大采摘力2 500 N，最大爬坡坡度17°。實(shí)際測試結(jié)果表明，該采摘機(jī)器人每天可以采摘約700～1 000 kg的落葉松球果，效率是工人爬樹采摘的30～35倍左右。此外，通過機(jī)器人采摘球果，母樹幾乎沒有損壞，不影響來年球果的產(chǎn)量。

圖4 針葉樹錐采摘機(jī)器人

2002年東北林業(yè)大學(xué)研制出一款新型的樹樁挖掘機(jī)器人，如圖5所示。該機(jī)器人在SWDY60液壓挖掘機(jī)的基礎(chǔ)上增加視覺功能改裝而成，采用全液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，并通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。圓柱形旋轉(zhuǎn)切割裝置取代了挖掘機(jī)的鏟斗，通過兩個(gè)旋轉(zhuǎn)切割液壓馬達(dá)經(jīng)齒輪機(jī)構(gòu)傳動(dòng)，對(duì)樹樁的側(cè)根進(jìn)行切割。工作過程中機(jī)械手可以選擇自動(dòng)或手動(dòng)模式。選擇手動(dòng)模式時(shí)，只需操作控制手柄使機(jī)械手移動(dòng)，使旋切單元垂直對(duì)準(zhǔn)樹樁。然后啟動(dòng)旋切液壓馬達(dá)，使機(jī)械臂下降旋轉(zhuǎn)切割樹樁。將樹樁側(cè)根全部切斷后，關(guān)閉旋切液壓馬達(dá)，驅(qū)動(dòng)四個(gè)爪夾住樹樁，以便由升降機(jī)械手將其拉出。最后，啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)將樹樁送到目的地或運(yùn)輸樹樁的車輛，松開四個(gè)夾爪以釋放樹樁。該機(jī)器人的主要性能參數(shù)為：作業(yè)半徑范圍為4～8 m，最大爬坡坡度15°，最大鏟除樹樁直徑550 mm，地面留洞直徑僅700 mm。

圖5 樹樁挖掘機(jī)器人

2.3 特種林業(yè)機(jī)器人研究現(xiàn)狀

對(duì)于特種功能需求的林業(yè)機(jī)器人研究，主要集中在運(yùn)動(dòng)與智能識(shí)別方面，目前大多數(shù)林業(yè)機(jī)械都使用輪式運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。通過主動(dòng)控制，如果斜坡不太陡，機(jī)器人可以在森林地形中進(jìn)行移動(dòng)。為了在不平坦的地形中平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，國內(nèi)外學(xué)者在該領(lǐng)域進(jìn)行了大量的研究和開發(fā)。

1995 年，Plustech Oy[22]發(fā)布了步行式森林機(jī)器人的原型，如圖6所示。后來Plustech公司獨(dú)立開發(fā)了步行林業(yè)機(jī)器人，如圖7所示，該機(jī)器人采用一個(gè)六足液壓遙控步行平臺(tái)，大幅提升了運(yùn)動(dòng)能力。研究結(jié)果為實(shí)現(xiàn)林業(yè)機(jī)器人的某些特殊功能，如攀爬作業(yè)等提供了平臺(tái)基礎(chǔ)。

圖6 PLUSTECH步行機(jī)器人原型

圖7 六足液壓遙控平臺(tái)

在智能識(shí)別方面，來自瑞典于默奧大學(xué)的Simon[23]等進(jìn)行了虛擬環(huán)境輔助遠(yuǎn)程操作機(jī)器人系統(tǒng)的人機(jī)交互研究，并在試驗(yàn)室進(jìn)行了樣機(jī)開發(fā)，構(gòu)建了相關(guān)的概念場景，如圖8所示。該研究結(jié)果為林業(yè)機(jī)器人的后續(xù)發(fā)展提供了廣泛參考。

圖8 林業(yè)機(jī)器人在虛擬環(huán)境中實(shí)時(shí)可視化

特種林業(yè)機(jī)器人隨著探測技術(shù)的發(fā)展，可以進(jìn)一步利用裝配的外部傳感器來感知周邊環(huán)境，創(chuàng)建工作地圖，進(jìn)行路徑規(guī)劃，選擇行進(jìn)方式，依靠激光雷達(dá)、超聲波雷達(dá)、紅外攝像頭、光學(xué)變焦攝像頭，用于聲音識(shí)別的常規(guī)麥克風(fēng)，溫濕度傳感器等模塊，通過采集和處理圖像、聲音、風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、濕度、顏色、氣味、長度等信息，融合信息協(xié)同實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集，從而使功能不斷擴(kuò)展和完善。

3 林業(yè)機(jī)器人研究展望

當(dāng)前林業(yè)機(jī)器人在林業(yè)產(chǎn)業(yè)以及生態(tài)建設(shè)方面取得了一定的進(jìn)展，但相對(duì)機(jī)器人技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的普及使用還存在一定差距，筆者認(rèn)為配合天然林保護(hù)工程，振興我國林業(yè)，保護(hù)環(huán)境，建設(shè)美麗中國，可從以下三個(gè)方面對(duì)林業(yè)機(jī)器人開展進(jìn)一步研究。

3.1 輕型步行林業(yè)機(jī)器人的研究發(fā)展

由于中大型輪式林業(yè)機(jī)器人在作業(yè)過程中都不可避免地會(huì)對(duì)大型林區(qū)造成次生傷害，如工作過程中對(duì)幼苗及一些珍稀物種的碾軋。因此，開發(fā)滿足特定需求的特種輕型步行式林業(yè)機(jī)器人能有效彌補(bǔ)當(dāng)前大型輪式林業(yè)機(jī)器人的不足，這將成為林業(yè)機(jī)器人研究發(fā)展的重要領(lǐng)域之一。

3.2 模塊化經(jīng)濟(jì)型林業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)發(fā)展

由于林業(yè)產(chǎn)業(yè)具有公益性，林業(yè)機(jī)器人的經(jīng)濟(jì)成本是一個(gè)不可忽略的問題。設(shè)計(jì)通用的林業(yè)機(jī)器人本體，在此基礎(chǔ)上根據(jù)作業(yè)需要增加不同功能模塊，采用1+X的林業(yè)機(jī)器人方案能有效降低成本，實(shí)現(xiàn)林業(yè)機(jī)器人的多功能化應(yīng)用，這將成為林業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用與推廣增長極。

3.3 構(gòu)建遠(yuǎn)程操作的林業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)

有效利用先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，結(jié)合無人機(jī)、高速攝像及圖像識(shí)別技術(shù)，建立“地、空一體化”的三維林區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)林業(yè)機(jī)器人遠(yuǎn)程精準(zhǔn)控制。這樣不僅可以提升工作效率，而且可以改善林區(qū)工作人員工作環(huán)境，避免安全事故。無人化遠(yuǎn)程作業(yè)機(jī)器人將成為林業(yè)機(jī)器人技術(shù)未來的發(fā)展方向。