農業雙足步行機器人的未來

馬偉

【摘要】農業雙足步行機器人將成為設施農業的亮點，這是由設施農業的自身特點決定的。該文根據雙足步行機器人的特點，闡述雙足機器人在設施農業上的發展方向，結合國際上最新的理論和觀點，對雙足步行機器人的最新研究與設施農業結合發展趨勢作了展望。

一個現代化的超大型溫室，分區種植多種不同品種的植物，十幾個工作人員整齊有序的穿行其中，每個人都進行各自崗位的工作，如果相遇都彬彬有禮的繞行，工作場景繁忙而有序。走近一看，這些工作人員居然全都是農業雙足步行機器人。這種構想未來都可能變成現實。

農業雙足步行機器人為什么首先在設施農業環境中應用呢？主要原因有以下4點：一是農業雙足步行機器人對步行環境的要求非常低，能適應各種臺階、地壟以及窄小坑洼不平的路面，移動的盲區非常小，地面的軌道和水管甚至農具都不會對其產生影響；二是農業雙足步行機器人具有很大的活動空間，可以認為，人能走到的地方，農業雙足步行機器人也能走到，加上可以多段伸縮、靈活更換的機械臂，其作業空間遠超過人類；三是農業雙足步行機器人采用的步行方式是迄今為止最為復雜但是最為優越的結構方式，傳統的輪式機器人在設施中的行為受到諸多限制，其發展面臨瓶頸，而農業雙足步行機器人利用其步行結構的優勢可以輕松解決這些限制；四是設施環境的高產出、高勞動強度以及周年生產的方式，加上比較方便的自動充電器放置，都為農業雙足步行機器人的使用提供了有利條件。

雙足步行機器人

雙足步行機器人的研究始于20世紀中期，通用公司最先進行平衡系統的嘗試之后，南斯拉夫科學家研究了重要的MF穩定判據理論，Kajita于1990年研制成功五連桿平面型雙足步行機器人Me1tran-I，采用軌道能量守恒和超聲波視覺傳感器實時獲取地面信息的功能，成功地實現在未知路面上的動態行走。1986年鄭元芳在美國克萊姆森大學研制了步行機器人SD具有8個自由度。實現了平地上前進、后退以及左右側行、動態步行。哈爾濱工業大學1986年開始研制成功靜態步行雙足機器人HTII，高110 cm，重70 kg，有10個自由度，實現平地上的運動以及上下樓梯。

仿人形機器人是在雙足步行機器人的基礎上發展起來的。70年代日本早稻田大學Kato實驗室研制出世界上第一臺仿人雙足步行機器人wap3，最大步幅為15 cm。本田最新型的仿人形機器人是ASIMO，26個自由度，高120 cm，重42 kg，通過與互聯網無線互聯實現語音對話。日本國家級研究項目（HRP）開發的仿人形機器人，高154 cm，重58 kg，具有30個自由度，實現了仿人形機器人與人協作抬桌子，開鏟車和進行工作間隔板的裝配等操作應用。法國BIP計劃通過控制和規劃方法可以使雙足機器人實現站立、行走、爬坡和上下樓梯等。北京理工大學于2002年研制成功的仿人形機器人BHR，可根據自身力覺、平衡覺等感知自身的平衡狀態和地面高度的變化，實現未知地面的穩定行走和太極拳表演。

總的來說，雙足步行機器人的研究已經突破了行走穩定的難關，目前主要關注點在對外界復雜環境的感知和決策并進行動態作業的行為指導。這些復雜應用系統的研究會將雙足步行機器人帶向高智能和高成本的方向，不適合農業的需求。設施農業中可以另辟新徑，選擇穩定的行走系統配套單一功能的方式，實現雙足步行機器人在設施農業上的普及。

農業雙足步行機器人

結構

按照技術成熟、功能簡潔的原則，引入雙足行走穩定控制算法，根據設施農業作業環節進行劃分。結構上盡量簡化，采用輕型新材料以便解決重量的問題，提高續航能力。圖1為國外某設計機器人構想。通過采用新型簡化關節，以及重心優化的結構設計，可實現機器人極佳的穩定性能和動作性能。電池放置在寬大的腳步，可以增加穩定性。

實際設計根據功能劃分，有些農業雙足步行機器人保留下肢，上肢更換為周轉筐或人工操作臺，如圖2所示，這種簡化擴大了機器人的應用范圍，實現機器人作為溫室通用標準工具目的。根據種植功能不同的重組設計，使得機器人在設施農業中可以適應不同崗位，也能顯著降低成本。

算法

采用較為簡單的控制規則并對大量群體的行為的調節，在大自然界有很多先例，蜜蜂和螞蟻的自組織形式就很好的發揮了其作用。哈佛大學研制的這種機器人的控制算法采用分布式結構，每個機器人只需要簡單的判定規則，符合其判定規則的就進行作業，不符合就放棄作業，重新尋找機會進行作業。圖3是哈佛大學群體自組織機器人算法的演示圖。一個運動體不是很顯著，但是當群體數量很大時，就會發揮非常顯著的作用，而且其成本非常低廉，適合農業上規模化使用。

發展方向

農業機器人不能重復工業機器人的發展路線，主要是由于各自特點差異較大，農業上的對象復雜多變，可負擔成本不能過高，使得

工業機器人移植到農業領域后成為“雞肋”。對農業而言必須走出一條完全不同于工業的創新路子。主要可以從以下幾個方面入手：

低功耗芯片技術

將農業雙足步行機器人的下肢行走程序優化為開源的芯片電路，成為通用的標準化可選件，就會使得農業雙足步行機器人的門檻很低，通過自己搭配關節實現多用途組裝各種機器人。

可替換的上肢

通用接口、自定義程序擴展，可以使得上肢更換為別的裝置，采摘、搬運、授粉、植保，都可以公用一個下肢平臺。

其他

采用高分子或納米陶瓷材料研發和改進新型機器人關節，實現結構輕巧和性能優越。

結論

本文通過分析設施農業中應用農業雙足步行機器人的可能性，根據國內外前沿研究成果提出了可用的農業雙足步行機器人構想，得出以下結論：① 農業雙足步行機器人將首先在設施農業中得到應用。主要將采用單一功能的低成本架構，依靠數量大和自組織來解決農業生產問題。② 發展方向是低功耗芯片技術和可替換的上肢。通過大量普及實現這一領域的快速熟化。③ 重復和模仿工業機器人、娛樂機器人，不適合農業領域的要求。設施農業在推動農業雙足步行機器人的應用將發揮重要作用。

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