農(nóng)業(yè)機器人技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

師樹謙，王亞磊

（洛陽理工學院智能制造學院，河南 洛陽 471023）

0 引言

農(nóng)業(yè)是人類從事一切生產(chǎn)活動的基礎，也是國民經(jīng)濟的重要基礎。二十大報告指出我國要加快建設農(nóng)業(yè)強國，到2035年基本實現(xiàn)新型工業(yè)化、信息化、城鎮(zhèn)化及農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化等基本方針。中國科學院院士喬紅在2022 年12 月16 日舉辦的“智慧農(nóng)業(yè)創(chuàng)新院士論壇”上表示：“我國農(nóng)業(yè)呈現(xiàn)人口多、耕地面積較多、作物種類多，但勞動力少，人均耕地少的特點，打通農(nóng)業(yè)人工智能和機器人的接口有望實現(xiàn)更好的自主、高效、精準和低成本的中國特色農(nóng)業(yè)應用和發(fā)展”[1]。當前國際形勢錯綜復雜，農(nóng)業(yè)是一切社會活動的根本和基礎，而農(nóng)業(yè)機器人作為智慧農(nóng)業(yè)的重要推手其發(fā)展水平不僅影響到農(nóng)業(yè)作業(yè)的效率，也會對國家農(nóng)業(yè)政策的制定產(chǎn)生較大的影響[2]。

1 農(nóng)業(yè)機器人概述

農(nóng)業(yè)機器人是一種以農(nóng)產(chǎn)品作為操作對象、具有人類部分信息感知功能和移動功能、具有一個和多個控制單元[3]，可進行重復編程或可進行簡單的二次開發(fā)，對于不同農(nóng)作物具有感知、控制、決策及執(zhí)行功能，并能進行智能運算的自動化及半自動化設備[4]。

與傳統(tǒng)的工業(yè)機器人相比，農(nóng)業(yè)機器人作業(yè)對象具有嬌嫩性和復雜性的特點，農(nóng)業(yè)機器人在作業(yè)的同時需要進行移動，工作時考慮到作業(yè)對象的不規(guī)則形狀及個體差異，要求其能夠靈活處理，實現(xiàn)合理的避障[5]并且要盡可能地降低損失率[6]。其次，其作業(yè)環(huán)境非結(jié)構(gòu)性較強，作業(yè)對象的生長環(huán)境在不斷變化，這就要求其具備足夠的適應能力，要具有較強的視覺、推理及判斷能力。另外，農(nóng)業(yè)機器人的使用者多為農(nóng)民或者運營商，從客觀條件上來說，要求設計人員必須考慮到其可操作性和穩(wěn)定性，同時其價格屬性也要符合農(nóng)業(yè)市場的需求，否則很難實現(xiàn)推廣和普及[7-9]。

2 農(nóng)業(yè)機器人國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 農(nóng)業(yè)機器人國外研究現(xiàn)狀

國外發(fā)達國家對于工業(yè)機器人的研究起步較早，有些品類的產(chǎn)品已經(jīng)較為成熟且具備了一定的應用規(guī)模。但是由于受到諸多因素的限制，機器人應用于農(nóng)業(yè)方面相對滯后。究其原因，首先，農(nóng)業(yè)作業(yè)環(huán)境較工業(yè)環(huán)境復雜，農(nóng)業(yè)技術(shù)水平不夠成熟，缺乏足夠先進的技術(shù)支持。較工業(yè)機器人來說，農(nóng)業(yè)機器人的研制及作業(yè)成本較高，投資成本較大，投資回報率較低；其次，與工業(yè)機器人較為廣泛的應用范圍和應用基數(shù)相比較，農(nóng)業(yè)機器人的應用場景較少，應用范圍較窄；最后，農(nóng)業(yè)機器人的研發(fā)和應用仍需要政府的大力支持，但目前政府對農(nóng)業(yè)機器人的支持力度不夠[10]。

目前，世界范圍內(nèi)各國農(nóng)業(yè)機器人的發(fā)展主要呈現(xiàn)形式為日本和美國引領，而中國、歐洲及澳大利亞等各國均有所建樹。美國是全球農(nóng)業(yè)機器人發(fā)展的引領者，其擁有最先進的農(nóng)業(yè)機器人，最多的農(nóng)業(yè)機器人企業(yè)以及最多的農(nóng)業(yè)機器人應用場景，日本也是全球農(nóng)業(yè)機器人發(fā)展的重要力量，擁有大量的農(nóng)業(yè)機器人企業(yè)，技術(shù)水平較高，應用場景也較為廣泛，歐洲和澳大利亞等國家也是全球農(nóng)業(yè)機器人發(fā)展的重要力量，也擁有大量的農(nóng)業(yè)機器人企業(yè)并達到了一定的應用水平[11]。

美國是世界上農(nóng)業(yè)機械化和智能化發(fā)展水平較高的國家之一，美國農(nóng)業(yè)主要采用大規(guī)模、高效率、低成本的生產(chǎn)模式，其主要特點是采用先進的農(nóng)業(yè)技術(shù)提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和農(nóng)作物的品質(zhì)，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)污染和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本。因此，美國農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)模式為農(nóng)業(yè)機器人技術(shù)的發(fā)展提供了便利的條件。美國農(nóng)業(yè)機器人發(fā)展史可以追溯到20 世紀50 年代，當時美國農(nóng)業(yè)機器人的發(fā)展主要集中在農(nóng)業(yè)機械化和自動化方面。隨著科技的發(fā)展，美國農(nóng)業(yè)機器人的發(fā)展取得了長足的進步，受市場推動，農(nóng)業(yè)機器人的應用越來越廣泛，如植保機器人、收割機器人、植物分揀機器人等，這些機器人的應用可以提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，提高農(nóng)業(yè)收入。如今美國農(nóng)業(yè)機器人的發(fā)展已經(jīng)達到了自動化、智能化和機器人化的高度融合，最新的農(nóng)業(yè)機器人技術(shù)包括機器視覺、機器學習、自動駕駛、無人機、機器人操作系統(tǒng)和農(nóng)業(yè)傳感器等[12]。這些技術(shù)可以幫助農(nóng)民更有效地管理農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動。

日本受其自身島國的自然土地資源條件的限制，耕地面積十分有限，人口密度高達2 924 人/km2且老齡化明顯，導致農(nóng)業(yè)勞動力資源嚴重不足，自上世紀70 年代后期起，隨著其國內(nèi)工業(yè)機器人技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟，日本開始著手布局農(nóng)業(yè)機器人項目，其農(nóng)業(yè)機器人的發(fā)展主要集中體現(xiàn)在四個階段：第一階段主要是在成熟的工業(yè)機器人技術(shù)上加以改造后用于完成農(nóng)業(yè)自動化生產(chǎn)作業(yè)；第二階段約從1992 年開始，由于農(nóng)業(yè)機器人作業(yè)環(huán)境的非結(jié)構(gòu)性和作業(yè)對象的嬌嫩性，工業(yè)機器人在進行農(nóng)業(yè)作業(yè)時具有很大的局限性，因此針對農(nóng)業(yè)機器人的作業(yè)環(huán)境和作業(yè)對象的特殊性做了大量的研究和探索，解決了如采摘機器人的作業(yè)問題；第三階段約從2002 年開始，針對農(nóng)業(yè)作業(yè)對象的不穩(wěn)定性，為農(nóng)業(yè)機器人加裝了傳感系統(tǒng)以對作業(yè)對象進行精細化作業(yè)，如柑橘分揀機器人及蔬菜分級機器人等；第四階段開始于2013年左右，隨著導航系統(tǒng)的功能及精度不斷完善以及人工智能和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等技術(shù)的發(fā)展“，智慧農(nóng)業(yè)”的理念開始進入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)中，并將“Society 5.0”和“未來投資戰(zhàn)略”作為其重要的組成部分[13]。目前，日本農(nóng)業(yè)機器人技術(shù)和市場也較為成熟，已研制出嫁接機器人、插秧機器人、育苗機器人、農(nóng)藥無人機、施肥機器人、采摘機器人及移栽機器人等[14]。近年來日本在采摘機器人的通用性及模塊化進程中做了大量的基礎研究工作，取得了一些成效。他們研制的農(nóng)機與農(nóng)藝相結(jié)合的采摘機器人可以實現(xiàn)對10 種左右不同類型果實的采摘。

除了日本和美國以外，英國、德國、西班牙、法國、澳大利亞、韓國以及丹麥等國也開展了關于農(nóng)業(yè)機器人的相關研究工作，各地政府均推出了一系列政策以支持農(nóng)業(yè)機器人的發(fā)展，如政府投資、稅收優(yōu)惠、技術(shù)支持等。農(nóng)業(yè)機器人的發(fā)展也受到了自動駕駛技術(shù)、機器視覺技術(shù)、機器學習技術(shù)等技術(shù)的推動。農(nóng)業(yè)機器人的應用也越來越廣泛，如植保機器人、收割機器人、植物分揀機器人等。其中比較有代表性的成果主要有英國的放牧機器人、西班牙的柑橘采摘機器人、丹麥的除草機器人以及澳大利亞的剪羊毛機器人等[15]。英國研制的放牧機器人配備有雷達導航系統(tǒng)、視覺傳感裝置、攝像機及錄像儀等，能夠幫助其完成羊群查數(shù)、飼料分發(fā)、管理羊群等智能性要求較高的工作，除了放牧工作外，此款機器人還能實現(xiàn)巡邏作業(yè)，為主人看家護院；西班牙科學家研制的柑橘采摘機器人由配備有控制器的拖拉機、光學視覺系統(tǒng)以及末端執(zhí)行裝置等組成，其不僅可以完成基礎的柑橘采摘任務，還能夠根據(jù)橘子的尺寸、形態(tài)和顏色來判斷柑橘的成熟度，這款農(nóng)業(yè)機器人的優(yōu)點在于它極高的工作效率，相較于人工每分鐘8 個左右的采摘效率，該機器人每分鐘采摘柑橘數(shù)量可以達到60 個，是人工采摘效率的7.5 倍，此款采摘機器人除了能夠?qū)崿F(xiàn)高效的采摘作業(yè)外，還能夠根據(jù)柑橘的尺寸和形態(tài)對采摘對象進行分類分級處理，不僅能夠提高采摘作業(yè)效率，也大大提升了采摘質(zhì)量[16]。丹麥研制的除草機器人配備有視覺傳感裝置、雷達導航系統(tǒng)以及末端執(zhí)行機構(gòu)等，可以完成在農(nóng)田內(nèi)的自主導航移動以及對雜草和莊稼幼苗的分辨，從而自主完成農(nóng)田除草作業(yè)，大大降低農(nóng)民除草作業(yè)勞動強度。此外，通過物理方式進行除草作業(yè)還能夠減少化學藥劑的使用，從而降低對環(huán)境的污染。澳大利亞科學家研制的剪羊毛機器人也是上世紀較為突出的一項農(nóng)業(yè)機器人研發(fā)成果，是世界上最早可以在活體動物身上進行作業(yè)的機器人[17]。當前，世界各國農(nóng)業(yè)機器人的發(fā)展前景比較樂觀，隨著機器人相關技術(shù)的不斷發(fā)展，農(nóng)業(yè)機器人的應用范圍將越來越廣泛。

2.2 農(nóng)業(yè)機器人國內(nèi)研究現(xiàn)狀

雖然我國一直以來都是世界上的農(nóng)業(yè)大國，但受長期以來農(nóng)業(yè)作業(yè)習慣影響，我國農(nóng)業(yè)機器人的起步較晚，在技術(shù)實力和市場化運作方面均與發(fā)達國家有著較大的差距。隨著我國國情的變化，尤其是城鎮(zhèn)化建設的不斷發(fā)展，農(nóng)業(yè)人口逐年減少，人工成本不斷攀升，導致農(nóng)產(chǎn)品價格成分中的人力成本不斷增加[18]。因此，從本世紀初起我國開始重視農(nóng)業(yè)機器人的發(fā)展，針對性地出臺了相應的扶持政策，這使我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)開始從以人力為主到農(nóng)業(yè)機械化再向智能農(nóng)業(yè)過渡。目前我國已研制出的農(nóng)業(yè)機器人主要包括除草機器人、播種機器人、插秧機器人、施肥機器人、嫁接機器人、采摘機器人以及植保無人機等，很多研究所以及高校都在開展與農(nóng)業(yè)機器人相關的智能農(nóng)業(yè)作業(yè)設備的相關研究[19]。在國內(nèi)眾多農(nóng)業(yè)機器人品類中，植保無人機的技術(shù)發(fā)展與應用最為成熟，近年來，在大疆等無人機企業(yè)的帶動下，我國植保無人機技術(shù)的發(fā)展取得了長足的進步，植保無人機的穩(wěn)定性已經(jīng)達到世界先進水平，隨著其技術(shù)水平不斷提高，應用范圍也越來越廣。目前我國植保無人機技術(shù)已經(jīng)在農(nóng)業(yè)精準灌溉、農(nóng)田病蟲害防治、農(nóng)田農(nóng)藥噴灑等方面取得了顯著成效，此外，我國植保無人機還可用于農(nóng)田土壤肥力監(jiān)測、農(nóng)田水分監(jiān)測、農(nóng)田作物健康監(jiān)測等，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供更多的智能化服務。

植保無人機在作業(yè)效率、安全性、防治效果及環(huán)保等方面較人工植保方式都有較大的提升[20]。國內(nèi)植保無人機產(chǎn)業(yè)起步于2008年，最初無人機以油動直升機為主，作業(yè)成本較高且穩(wěn)定性不足，市場反饋較差。2016年被稱為植保無人機行業(yè)的“元年”，隨著我國農(nóng)業(yè)作業(yè)模式發(fā)生變化，國家開始重視惠農(nóng)政策的支持，此外，大疆等企業(yè)在無人機技術(shù)上的不斷突破使植保無人機行業(yè)迎來了快速發(fā)展，在此階段，無人機價格下降，穩(wěn)定性不斷提升。2020年以后，植保無人機的市場化應用得到了長足的發(fā)展，在無人機制造商和農(nóng)資經(jīng)銷商的共同推動下，植保無人機的作業(yè)標準、行業(yè)標準以及上下游的相關產(chǎn)業(yè)也日趨成熟，較傳統(tǒng)的植保方式可以達到省錢、省心和省力的目標，除此之外，植保無人機的市場化運行模式也值得推廣應用[21]。

3 農(nóng)業(yè)機器人的發(fā)展遇到的瓶頸

隨著機器人相關技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，機器人在農(nóng)業(yè)領域的應用也逐漸變得更加廣泛。21世紀以來，隨著智慧農(nóng)業(yè)時代的到來，農(nóng)業(yè)機器人的發(fā)展前景廣闊，但其應用與發(fā)展的過程中仍然存在諸多問題，農(nóng)業(yè)機器人的普及道路上依然存在一些待突破的瓶頸。

3.1 農(nóng)業(yè)機器人系統(tǒng)還不夠智能

農(nóng)業(yè)機器人在農(nóng)業(yè)生中的應用具有非結(jié)構(gòu)性較強及作業(yè)對象不規(guī)則的特點，這就要求農(nóng)業(yè)機器人具有較強的適應柔性生產(chǎn)的能力以及一定的智能性。當前農(nóng)業(yè)機器人的研發(fā)重心已經(jīng)不再是機械結(jié)構(gòu)的改良，而是更多地關注機器視覺及人工智能等相關技術(shù)的應用，試圖解決農(nóng)業(yè)機器人的“智能化”問題。但是農(nóng)業(yè)機器人的應用也受到傳感器精度、智能算法的成熟度以及較強的價格屬性等方面的制約，其智能程度目前還不能滿足柔性農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求，在很多農(nóng)業(yè)作業(yè)場景中農(nóng)業(yè)機器人還只是起到輔助作用。

3.2 農(nóng)業(yè)機器人研制及使用成本較高

農(nóng)業(yè)機器人的使用者多為農(nóng)民以及農(nóng)資供應商，他們對農(nóng)業(yè)機器人的購買及使用成本較為敏感，當前市面上廣泛應用的農(nóng)業(yè)機器人往往都只能針對某一種或某一類作業(yè)場景進行工作，但農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動季節(jié)性較強，這在一定程度上降低了農(nóng)業(yè)機器人的使用效率，也在無形中增加了農(nóng)業(yè)機器人的使用成本，當農(nóng)業(yè)機器人的使用成本較高，相較于人工成本沒有較大的優(yōu)勢時就會制約農(nóng)業(yè)機器人市場化發(fā)展。

3.3 農(nóng)業(yè)機器人通用性及擴展性較差

目前的農(nóng)業(yè)機器人通常都是為了某種特定的農(nóng)業(yè)作業(yè)場景而研發(fā)，但面對多場景作業(yè)時農(nóng)業(yè)機器人就有很大的局限性。獨立設計的驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、關節(jié)形式以及末端執(zhí)行機構(gòu)等對農(nóng)業(yè)機器人的通用性及擴展性都有較大的限制。

4 農(nóng)業(yè)機器人發(fā)展方向及前景

從當前農(nóng)業(yè)機器人的研制與應用情況來看，農(nóng)業(yè)機器人可以把人類從繁重的農(nóng)業(yè)勞動中解放出來，且較人工作業(yè)，其工作效率也比較高。我國農(nóng)業(yè)正朝著規(guī)?；⒓谢姆较虬l(fā)展，為農(nóng)業(yè)機器人的市場應用創(chuàng)造了條件。同時，隨著機器人相關技術(shù)的不斷發(fā)展，也給農(nóng)業(yè)機器人小型化、標準化、模塊化以及智能化等指明了方向。

4.1 人力成本升高導致農(nóng)業(yè)機器人市場擴大

隨著我國國內(nèi)城鎮(zhèn)化建設的不斷推進，農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)人口逐年減少，青年一代對從事農(nóng)業(yè)勞動的意愿不強，農(nóng)村人口將繼續(xù)呈現(xiàn)下降的趨勢，這些因素都導致從事農(nóng)業(yè)作業(yè)的人力成本逐年上升，并且人力成本在農(nóng)作物成本體系中所占的比重也越來越高，這就使得農(nóng)業(yè)機器人的應用與市場化發(fā)展提供了有利的外部環(huán)境。

4.2 農(nóng)業(yè)機器人的應用更注重提高作業(yè)質(zhì)量

研發(fā)農(nóng)業(yè)機器人的最初目的就是要用機器人代替人工進行農(nóng)業(yè)作業(yè)，從而降低農(nóng)民作業(yè)的強度，在對農(nóng)業(yè)機器人的后期應用中發(fā)現(xiàn)，其不僅能夠降低勞動強度，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，并且隨著傳感器精度、機器視覺及機器人驅(qū)控系統(tǒng)等相關技術(shù)的不斷完善，在一些特定的作業(yè)環(huán)境下還能提升農(nóng)業(yè)作業(yè)質(zhì)量，比如在采摘作業(yè)時能不僅能夠完成基礎采摘作業(yè)，還能夠根據(jù)采摘對象的顏色、形態(tài)及大小進行分級處理，農(nóng)藥無人機在進行農(nóng)藥噴灑時，由于向下的穿透力較強，能夠在農(nóng)藥使用量較少的前提下實現(xiàn)更好的防治效果，這就使得農(nóng)業(yè)機器人的市場應用場景得到進一步擴展，可有力推動農(nóng)業(yè)機器人的發(fā)展。

4.3 農(nóng)業(yè)機器人的應用應綜合價格因素

農(nóng)業(yè)機器人主要是為了在提升農(nóng)業(yè)效率的同時降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本。當前農(nóng)業(yè)機器人仍處于早期發(fā)展階段，其價格雖然不斷下降，但仍較昂貴，因此除了采用新技術(shù)降低制造成本和提高性價比外，也必須考慮采用高效的系統(tǒng)集成方案、擴大應用范圍和改善售后服務來彌補價格優(yōu)勢。

4.4 農(nóng)業(yè)機器人應具備較強的通用性

農(nóng)業(yè)機器人應具備較強的通用性，以更好地適應多變的環(huán)境。農(nóng)業(yè)機器人的作業(yè)環(huán)境較為復雜，良好的集成性、安全性和可維護性的特點能夠幫助農(nóng)業(yè)機器人更好地適應多變的作業(yè)環(huán)境，以便根據(jù)不同的環(huán)境和作業(yè)要求來調(diào)整工作模式，從而高效地完成農(nóng)業(yè)任務。同時，針對農(nóng)業(yè)作業(yè)季節(jié)性較強的特征，模塊化的設計有助于農(nóng)業(yè)機器人從事不同場景的農(nóng)業(yè)作業(yè)工作，從而降低其使用成本。其次，農(nóng)業(yè)機器人研制中的相關國家標準的制定有助于農(nóng)業(yè)機器人上下游的研發(fā)、制造與維護等。

5 結(jié)語

本文通過對農(nóng)業(yè)機器人國內(nèi)外相關研究現(xiàn)狀的分析，可知當前農(nóng)業(yè)機器人正在快速發(fā)展，其發(fā)展總體上受到其作業(yè)對象特征、作業(yè)特點、標準化及模塊化功能欠缺等客觀條件的限制，大部分農(nóng)業(yè)機器人能夠滿足技術(shù)生產(chǎn)需求，但是市場化應用還存在一定難度。目前，農(nóng)業(yè)機器人相關技術(shù)也在不斷突破，農(nóng)業(yè)機器人市場環(huán)境的不斷變化以及各國針對農(nóng)業(yè)機器人推出的各項鼓勵政策將使農(nóng)業(yè)機器人擁有更好的發(fā)展前景。