國內(nèi)外農(nóng)業(yè)機(jī)器人研究進(jìn)展分析

李追風(fēng) ，時(shí)文濤 ，姬志發(fā) ，劉玉龍

（河南工學(xué)院智能工程學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003）

當(dāng)前，工業(yè)自動(dòng)化水平和信息技術(shù)的日益提高，已經(jīng)引起了越來越多的農(nóng)業(yè)領(lǐng)域和科技領(lǐng)域的學(xué)者關(guān)注。姚天曙等（2007）對機(jī)器人在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀以及應(yīng)用前景進(jìn)行了研究[1]，畢昆等（2011）對機(jī)器人技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用方向以及今后機(jī)器人在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢進(jìn)行了研究[2]。但對于國內(nèi)外農(nóng)業(yè)機(jī)器人的對比發(fā)展研究卻較少，發(fā)表的文獻(xiàn)不多。雖然早在1994年，王偉就對日本農(nóng)業(yè)機(jī)器人的發(fā)展情況進(jìn)行了探究[3]，但是在之后很少有學(xué)者對國內(nèi)外農(nóng)業(yè)機(jī)器人對比發(fā)展領(lǐng)域進(jìn)行研究。基于此，研究小組對國內(nèi)外農(nóng)業(yè)機(jī)器人發(fā)展進(jìn)行了對比分析，以期引起更多學(xué)者對農(nóng)業(yè)機(jī)器人發(fā)展研究的關(guān)注。

1 機(jī)器人在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用中的特點(diǎn)

農(nóng)業(yè)機(jī)器人是用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的特種機(jī)器人，是一種新型多功能農(nóng)業(yè)機(jī)械。它是以農(nóng)產(chǎn)品為操作對象、兼有人類部分信息感知和四肢行動(dòng)功能、可重復(fù)編程的柔性自動(dòng)化或半自動(dòng)化設(shè)備[4]。農(nóng)業(yè)機(jī)器人的問世，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展的結(jié)果，是機(jī)器人技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物。農(nóng)業(yè)機(jī)器人的出現(xiàn)和應(yīng)用，改變了傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)勞動(dòng)方式，促進(jìn)了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展。農(nóng)業(yè)機(jī)器人可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，解決勞動(dòng)力不足的問題；改善農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)環(huán)境，防止農(nóng)藥、化肥等對人體的傷害；提高作業(yè)質(zhì)量等。在很大程度上幫助農(nóng)民緩解了勞動(dòng)強(qiáng)度，減輕了勞動(dòng)負(fù)擔(dān)。

機(jī)器人在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用中有以下三大特點(diǎn)：1）機(jī)器人服務(wù)對象的復(fù)雜性與脆弱性。通常農(nóng)業(yè)機(jī)器人的服務(wù)對象為農(nóng)產(chǎn)品，而大多數(shù)農(nóng)產(chǎn)品存在著其他工業(yè)產(chǎn)品所不具有的易壞性，更為脆弱，在農(nóng)業(yè)機(jī)器人的使用過程中，需要考慮其脆弱性，注重對農(nóng)產(chǎn)品的保護(hù)性[5]。同時(shí)因?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品種類的豐富性多樣，需要農(nóng)業(yè)機(jī)器人針對不同種類的農(nóng)產(chǎn)品提出不同的勞動(dòng)作業(yè)規(guī)劃，在必要時(shí)也要為不同的農(nóng)產(chǎn)品研制適合其農(nóng)產(chǎn)品特點(diǎn)的機(jī)器人，以適應(yīng)農(nóng)產(chǎn)品種類眾多而造成的復(fù)雜性。2）機(jī)器人工作環(huán)境的復(fù)雜性以及不具有完整結(jié)構(gòu)性。農(nóng)業(yè)機(jī)器人在進(jìn)行工作時(shí)，一般要在進(jìn)行范圍內(nèi)的移動(dòng)的前提下進(jìn)行勞作，這就要求機(jī)器人要注意不能損傷農(nóng)產(chǎn)品，在移動(dòng)過程中增加了機(jī)器人的勞作難度，農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)環(huán)境的復(fù)雜程度對農(nóng)業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用有一定的限制性。同時(shí)，由于農(nóng)產(chǎn)品生長環(huán)境的不同，導(dǎo)致機(jī)器人的勞作環(huán)境并不具有一個(gè)完整的結(jié)構(gòu)體系，農(nóng)業(yè)機(jī)器人無法根據(jù)一個(gè)完整的編程體系來適應(yīng)不同農(nóng)產(chǎn)品的勞作環(huán)境，這就對農(nóng)業(yè)機(jī)器人提出了更高的智能化要求，而機(jī)器視覺作為智能農(nóng)業(yè)機(jī)器人的外部傳感器，是機(jī)器人作業(yè)裝備的眼睛，是最大的信息源，具有感知信息豐富、采集信息完整等優(yōu)勢，因此需要提高機(jī)器人在視覺、合理推理及農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)環(huán)境判斷等方面的智能水平。3）機(jī)器人在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域使用對象以及價(jià)格特征的局限性[6]。農(nóng)業(yè)機(jī)器人的使用者是農(nóng)民，不是具有機(jī)械電子知識(shí)的工程師，因此要求農(nóng)業(yè)機(jī)器人必須具有高可靠性和操作簡單的特點(diǎn)。雖然當(dāng)今是信息化與技術(shù)化較為發(fā)達(dá)的21世紀(jì)，但是對于大多數(shù)農(nóng)民來說，其能接受的農(nóng)業(yè)機(jī)器人類型也是操作較為簡單且工作效率較高的機(jī)器人，而對于過于智能以及操作步驟過于復(fù)雜的農(nóng)業(yè)機(jī)器人并不能適應(yīng)，這也限制了高水平、智能化農(nóng)業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用與普及。而且農(nóng)業(yè)機(jī)器人的生產(chǎn)也需要考慮價(jià)格因素，農(nóng)業(yè)機(jī)器人出現(xiàn)的主要目的就是降低農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)成本，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益，過高的定價(jià)會(huì)加大農(nóng)業(yè)機(jī)器人的普及難度，反而不利于農(nóng)業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用與普及[7]。

2 國內(nèi)外農(nóng)業(yè)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國外農(nóng)業(yè)機(jī)器人研究現(xiàn)狀

國外發(fā)達(dá)國家由于較早進(jìn)行第一次工業(yè)革命以及第二次工業(yè)革命，因此，其工業(yè)發(fā)展水平較高，機(jī)械化、自動(dòng)化技術(shù)研究起步早，農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究起步也比較早[8]。早在20世紀(jì)80年代，發(fā)達(dá)國家就開始意識(shí)到農(nóng)業(yè)機(jī)器人對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的作用，紛紛開始投入資金與科研力量并根據(jù)自身實(shí)際發(fā)展情況，進(jìn)行農(nóng)業(yè)機(jī)器人研發(fā)。之后，發(fā)達(dá)國家研究出了用于嫁接不同植物、能夠提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量的嫁接機(jī)器人，用于提高農(nóng)產(chǎn)品采摘效率、減輕農(nóng)民采摘負(fù)擔(dān)的采摘機(jī)器人等多種不同類型符合本國農(nóng)業(yè)發(fā)展特色的農(nóng)業(yè)機(jī)器人[9]。澳大利亞主要是發(fā)展畜牧業(yè)，當(dāng)?shù)剞r(nóng)民每年為修剪羊毛要花費(fèi)大量時(shí)間，影響其他生產(chǎn)勞作的進(jìn)度，根據(jù)這一農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展實(shí)際，澳大利亞政府投入技術(shù)與資金研究了剪羊毛機(jī)器人，不僅減輕了當(dāng)?shù)剞r(nóng)民剪羊毛的負(fù)擔(dān)，也為其農(nóng)業(yè)發(fā)展節(jié)約了勞動(dòng)成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益；荷蘭發(fā)展養(yǎng)殖業(yè)，盛產(chǎn)牛奶，這是其農(nóng)業(yè)發(fā)展的一大經(jīng)濟(jì)來源，但人工擠牛奶不僅費(fèi)時(shí)，也占用了大量的勞動(dòng)力資源，于是荷蘭發(fā)明了擠奶機(jī)器人，為其農(nóng)業(yè)發(fā)展提供了技術(shù)支撐；英國的蘑菇產(chǎn)量高、品質(zhì)好，但是采摘蘑菇同樣也是一項(xiàng)費(fèi)時(shí)又費(fèi)力的工作，影響其農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)收入，占用過多的勞動(dòng)力資源，因此英國發(fā)明了采蘑菇機(jī)器人；日本為提高土地的使用效率，發(fā)明了插秧機(jī)器人，通過整齊有序的插秧順序來最大程度減少對土地資源的浪費(fèi)，提高農(nóng)業(yè)資源的利用效率[10]。這些國家結(jié)合本國的農(nóng)業(yè)發(fā)展實(shí)際都研究出了不同類型的農(nóng)業(yè)機(jī)器人，但是由于價(jià)格高昂以及具體農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜性等一系列問題的制約，發(fā)達(dá)國家的農(nóng)業(yè)機(jī)器人在實(shí)際的應(yīng)用與普及方面仍然存在不足，僅有部分發(fā)達(dá)地區(qū)實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)機(jī)器人的普及，這也就意味著發(fā)達(dá)國家當(dāng)前農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究尚未進(jìn)入成熟階段，需要進(jìn)一步努力來解決農(nóng)業(yè)機(jī)器人普及較為困難的問題。

2.2 我國農(nóng)業(yè)機(jī)器人研究現(xiàn)狀

相對于國外發(fā)達(dá)國家，我國對農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究相對較晚，在20世紀(jì)90年代開始起步。因?yàn)槭艿谝淮喂I(yè)革命與第二次工業(yè)革命的影響比國外發(fā)達(dá)國家少，除了農(nóng)業(yè)機(jī)器人研究起步較晚外，還存在著技術(shù)化、機(jī)械化觀念薄弱以及技術(shù)發(fā)展不成熟的問題。但在改革開放之后，國家開始意識(shí)到我國科技信息化技術(shù)發(fā)展薄弱的問題，開始加大對技術(shù)化信息化發(fā)展的扶持力度，農(nóng)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展也在逐漸走向正軌。同時(shí)，國家通過制定相關(guān)農(nóng)業(yè)機(jī)械化政策鼓勵(lì)農(nóng)民進(jìn)行農(nóng)業(yè)機(jī)械化建設(shè)，雖然我國對機(jī)器人的研究起步相對較晚，但產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，同時(shí)政策上支持力度較大，工業(yè)和信息化部、發(fā)展改革委、財(cái)政部于2016年就曾聯(lián)合發(fā)布《機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016—2020年）》，為農(nóng)業(yè)機(jī)器人的進(jìn)一步發(fā)展提供了新機(jī)遇；社會(huì)也積極向農(nóng)民宣傳農(nóng)業(yè)機(jī)械化所帶來的益處，從而引導(dǎo)農(nóng)民樹立農(nóng)業(yè)機(jī)械化、技術(shù)化的觀念，為農(nóng)業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用與普及提供了技術(shù)與觀念基礎(chǔ)[11]。國家對于農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研發(fā)在多方面投入，同時(shí)借鑒西方發(fā)達(dá)國家機(jī)器人研制成功的經(jīng)驗(yàn)，研發(fā)了適用于我國國土面積大、平原土地資源較為豐富特點(diǎn)的農(nóng)業(yè)機(jī)器人，如噴藥專用無人機(jī)以及噴藥機(jī)器人。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)副教授張春龍指出：“我們經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在規(guī)模農(nóng)業(yè)較發(fā)達(dá)地區(qū)，智能農(nóng)機(jī)有著可觀的潛在需求，不但可以降低高昂的人工費(fèi)用，還可以進(jìn)行精準(zhǔn)作業(yè)，減少農(nóng)藥、化肥等施用量，為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支撐。隨著我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化規(guī)?；l(fā)展，中國農(nóng)業(yè)向智能化升級(jí)已經(jīng)成為可能。”越來越多的耕地需要依靠集體經(jīng)營、規(guī)模化生產(chǎn)，我國農(nóng)業(yè)機(jī)器人的推廣，主要集中在大田作業(yè)中自動(dòng)駕駛農(nóng)機(jī)、農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)等的應(yīng)用。大田無人農(nóng)機(jī)已能夠替代人工，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛、工作環(huán)境監(jiān)測、農(nóng)業(yè)決策以及其他具體操作。

3 農(nóng)業(yè)機(jī)器人發(fā)展存在的問題及對策

3.1 農(nóng)業(yè)機(jī)器人智能化薄弱

1）不足之處：無論是西方發(fā)達(dá)國家還是我國，在農(nóng)業(yè)機(jī)器人的投入方面都不如工業(yè)機(jī)器人受重視，因此在農(nóng)業(yè)機(jī)器人的智能化方面，國內(nèi)與國外發(fā)展都比較薄弱，大多數(shù)國家都止步于能夠基本滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求，而對于智能化農(nóng)業(yè)機(jī)器人研究并沒有給予更多的關(guān)注[12]。例如，當(dāng)前生產(chǎn)的國內(nèi)外農(nóng)業(yè)機(jī)器人雖然對于視覺定位以及人工智能方面已有研究成果，但是現(xiàn)代的農(nóng)業(yè)機(jī)器人依舊沒有達(dá)到能夠獨(dú)立完成一整條農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)的水平，仍然需要依靠人的力量來指示其完成生產(chǎn)勞作任務(wù)，并沒有實(shí)現(xiàn)真正意義上的智能化。

2）可行性策略：提高對農(nóng)業(yè)機(jī)器人研究的重視程度，從政策方面加大對農(nóng)業(yè)機(jī)器人的扶持力度[13]。由于智能化農(nóng)業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)制造結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，如受自然光照多變、待作業(yè)空間復(fù)雜多變、作業(yè)對象千姿百態(tài)、枝葉果實(shí)相互遮擋等影響，這都是農(nóng)業(yè)機(jī)器人作業(yè)中信息視覺感知的技術(shù)難題，因此研發(fā)的難度比較大，并且智能化農(nóng)業(yè)機(jī)器人需要的資金投入與科研投入較大，只依靠學(xué)術(shù)界先進(jìn)學(xué)者以及技術(shù)人士的努力還不夠，需要國家政策的扶持[14]。例如，政府加大資金以及科研技術(shù)的投入，建立獎(jiǎng)勵(lì)制度，為科研人員提供更為優(yōu)厚的待遇，提高他們研發(fā)智能化機(jī)器人的積極性。

3.2 智能化機(jī)器人研發(fā)成本過高

1）不足之處：智能化機(jī)器人研發(fā)成本過高的問題也是世界各國對此投入較少的一大原因。根據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)器人的發(fā)展特點(diǎn)來看，大多數(shù)農(nóng)業(yè)機(jī)器人只適用于一種或者幾種農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)，很多農(nóng)業(yè)機(jī)器人因使用的頻率較少而被閑置，進(jìn)一步增加了智能化機(jī)器人生產(chǎn)以及維護(hù)的成本，可能造成并不能提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益的問題。

2）可行性策略：根據(jù)農(nóng)業(yè)發(fā)展特點(diǎn)有選擇性地研發(fā)智能化機(jī)器人，如俄羅斯由于緯度較高、氣候寒冷，并不適合玉米等糧食作物的生長，那么就不需要在這一方面的農(nóng)業(yè)機(jī)器人上多費(fèi)精力進(jìn)行研究，即使研究成功，其智能化機(jī)器人的研究成本也超過了其最后收獲農(nóng)產(chǎn)品的價(jià)值[15-16]。但其畜牧業(yè)發(fā)達(dá)，如果在畜牧業(yè)上研發(fā)智能化機(jī)器人，使其幫助農(nóng)戶完成整個(gè)養(yǎng)殖生產(chǎn)鏈，可提升畜牧業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)束語

農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研制是不斷發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的過程。農(nóng)業(yè)機(jī)器人想要實(shí)現(xiàn)普及，還是需要“因地制宜”。另外，想要找到農(nóng)業(yè)機(jī)器人最佳的作業(yè)方法，只有攻克了技術(shù)難關(guān)才行。不過，未來發(fā)展機(jī)械化、智能化農(nóng)業(yè)，是一個(gè)大的發(fā)展趨勢，目前還沒普及，只是時(shí)間的問題。因此，國內(nèi)外農(nóng)業(yè)機(jī)器人的發(fā)展都需要各國政府的政策支持以及資金支持，需要各國根據(jù)本國農(nóng)業(yè)發(fā)展特點(diǎn)有選擇性地發(fā)展智能化機(jī)器人，農(nóng)業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用與發(fā)展才能進(jìn)一步取得突出成果，提高農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。