現代農業

趙敏+楊斌+楊春俊

摘要：與人類相比，農業機器人也可以感知信息并且可以自主執行。而且農業機器人的出現，可以降低人類勞動強度的同時提高工作質量和農業生產率，避免農藥、工業肥料對人體造成傷害。在現代農業生產中，農業機器人作為一項自動化程度高的機械，得到廣泛的推廣與認可，成為農業生產的主力軍。文章對農業機器人的應用進行了探討。

關鍵詞：農業機器人；現代農業；農業生產；行走式機器人；機械手持式機器人 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP242 文章編號：1009-2374（2016）35-0073-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.35.035

近些年來，工業的快速發展推動了農業的發展。誕生于美國的智能機器人技術也越來越受到重視，農業機器人得到了廣泛的運用。各個國家投入大量的資金研究機器人，機器人有效應用到農業上會對農業發展起到巨大的推動作用。中國是一個農業大國，農業是國家經濟發展的基礎，農業的發展對我國的經濟發展起著重要的作用。機器人運用到我國的農業上將會推動我國農業的發展，可以大幅度提高生產效率，進而提高農業經濟效益。為此，深入研究農業機器人是很有必要的。本文從機器人開發研究背景出發，總結國內外農業機器人的研究現狀，探究農業機器人運用的領域，指出農業機器人應用存在的一些問題，并對農業機器人的發展進行了展望。近年來，我國綜合國力一直在增強，農業生產機械化進程也不斷推進，農業生產效率顯著提高。但是伴隨著可耕地的減少和人口數量的增加，社會對農業生產的深度要求也提高了很多，高效率、高智能化、低生產成本的現代化農業機械，改變了我們熟悉的農業生產模式，并已經成為當代農業生產不可或缺的生產資料。高智能化的機器人與農業機械的結合，為新型農業生產開創了嶄新的天地。

1 農業機器人的發展歷程

從20世紀中期開始，先后有很多國家開始推廣機械化農業，一方面極大程度上促進了農業生產效率的提高，同時推動了整個社會的發展和經濟的增長。可是，伴隨著社會的發展，傳統農業機械開始滿足不了現代農業的要求，一些特殊農業作業無法使用現有的機械設備。且現代農業生產的深度也不斷加深，傳統農業機械的加工質量和加工細化程度已經不再符合當代農業的生產要求。以前，人們在農業生產中往往是片面地追求產量和利潤，而現在人們開始注重環境的保護和資源的循環利用以及農業的有機可循環發展模式。科技的發展也為智能農業機器人的出現提供了技術支持，比如衛星定位系統可以準確定位，圖像分解技術可以精細地識別，數控控制技術可以快速有效地實現各種操作等，各種科技成果的應用，成為了農業機器人開發和應用的有力保證。

作為工業強國，日本較早開始著手研發農用機器人，并取得顯著成果。但是，由于其國內地理條件和氣候的特殊性，農用機器人并未實現廣泛的使用。盡管如此，農業機器人在播種、施肥、收割、干燥、采摘和分類等生產活動中的能力已經讓世人瞠目，顯示出農業機器人的廣闊前景。

放眼發達國家，農業機器人的種類越來越多，智能化程度越來越高。各種高尖端科技的植入讓農業機器人在農業中的應用越來越廣泛，降低農業生產的成本的同時提高了生產質量和生產效率。例如，英國研發出的除草機器人，利用視頻技術錄入野草和農作物，再通過計算機技術進行數據處理和圖像分析技術發出指令，操作執行機構進行除去雜草。西班牙創造了一種可以采摘橘子的機器人，能夠通過色差識別技術及形狀算法分辨橘子的尺寸和橘子是否成熟，從而自主判斷是否進行采摘。采摘時還可以將橘子按照大小和顏色分類，實現采摘的智能化。相比較國外，我國開始研發農業機器人的時間較晚，但在一些大學實驗室老師堅持不懈的努力下還是取得了一定的成果。比如中國農業大學發明了一種用于嫁接蔬菜的機器人，可以在蔬菜還是幼苗的時候就進行嫁接生產，解決了蔬菜嫁接領域的很多難題。還有東北林業大學研發了一種可以采摘林木球果的機器人，在林木球果成熟期里可以快速地進行采摘，起到了保護森林和生態系統的作用。

在農業領域里，農用機器人代替人類進行了很多的勞動，甚至在某些環境惡劣的條件下，機器人的能力超出了人類，避免了人類從事大量重復性、重體力的勞動。而且農業機器人的勞作持續時間可以很長，效

率高。

2 農業機器人的應用特點與發展

農業機器人需具備“感覺”“判斷”等功能，這些功能與農業機器人的組成決定農業機器人有程序性、適應性、通用性等特征。

（1）程序性：通過改變程序軟件能變更判斷基準、動作順序；（2）適應性：結合周圍環境以及機械自身的具體情況，可以自動實施作業；（3）通用性：通過改變一部分軟硬件就可以實現其他用途。

總之，農業機器人具備這些特征，可以自動實施農田作業、室內作業實現自動控制。

針對農業機器人作業對象是動植物，在研發時需注意到一些客觀的因素。如：作業對象的基本特征、力學特征、光學特征；機器人工作的環境情況（溫度、照度）；操作者的安全問題等。

3 農業機器人的應用

農業生產分為土地利用型農業和設施型農業。土地利用型農業是實施大面積農田作業。設施型農業是在溫室、植物工場中實施作業。

在大面積農田中實施作業的農業機器人主要是行走系列農業機器人，如拖拉機、聯合收割機等農業機，這些農業機收割效率已經很高，對農業機器人的研究主要集中在無人駕駛、自主行走，信息采集、處理、傳達等方面。針對采摘蔬菜、水果的機器人需把重點放在研究目標的識別、定位，機器的核心工作部件（機械手）方面。

3.1 行走式機器人

自主行走，邊走邊工作是行走系列農業機器人工作的特點，為了有效確保其工作的效率、質量。研究人員在開發行走系列農業機器人時需重點考慮機器人行走的姿勢及速度。重點推薦農業中應用最廣泛的三種行走式機器人：（1）耕作機器人：田間耕作很辛苦，使用農業機器人能很大程度上減輕人力，提升工作效率。耕作式機器人是在原來的推拉機上安裝方位傳感器、電腦等一些自動調整機構，耕作機器人工作結構很簡單；（2）田間管理機器人：除了耕作式機器人之外，還需對田間作物進行管理的機器人。田間作物管理具有一定的規律，研究人員可以先測量作物的方位再設定機器人的程序，使其按照規律重復作業；（3）收獲機器人：該種機器人按照預先設置的指令，采用自動控制機構、陀螺羅盤及接觸傳感器實施田間作業。日本、美國等科學家在收獲機器人的基礎上研發出自動聯合收割機。

3.2 機械手式機器人

針對植物果實、家畜等分布不均勻的個體，研發出機械手式機器人，機械手式機器人在精準識別方面要求很高。主要介紹以下三種系列的機器人：（1）嫁接機器人：當前，該類機器人有效地應用于蔬菜、水果生產中。經過嫁接可以實現品種改良、病蟲防治的目的；（2）采摘機器人：此類機器人可應用于黃瓜、西紅柿等采收；（3）育苗機器人：該機器人主要由行走部件、控制部件及其他裝置組成。該機器人經各部件相互配合工作來實施育苗。

3.3 其他農業機器人

農業方面廣泛使用機器人，在其他領域也有效使用機器人，如剪羊毛機器人、擠奶機器人、葡萄樹修剪機器人等。

（1）剪羊毛機器人：剪羊毛機器人由澳大利亞科學家研發出來。具體操作方法如下：首先把羊固定在特制的平臺上，然后將羊的相關數據輸入計算機，按照羊的相關數據，機器人能計算出修剪羊毛的力度。使用機器人修剪羊毛，在速度及質量方面都優于人工修剪；（2）擠奶機器人：擠奶機器人由荷蘭科學家研發出來，荷蘭科學家使用超聲波檢測器找出奶牛乳頭的位置，再使用計數型機械手進行擠奶的擠奶機器人擠奶；（3）葡萄樹修剪機器人：葡萄樹修剪機器人由英國科學家研發出來，科學家通過攝像機檢測樹枝，用帶剪刀的機械手修剪樹枝。

4 存在的問題和展望

農業機器人在理論技術上相對較為成熟，但是在實際生產中的應用時間相對較短，還有許多問題需要解決。基于我國耕地的環境復雜性和多變性，我國的農業生產需要農業機器人具有較強的智能化和柔性。在農業生產中，需要機器人可以進行自我導航、圖形辨識和執行操作等，但是目前的農業機器人的智能化程度還達不到生產的要求，在工作中需要人來配合進行生產。我國的季節更替較為明顯，不同季節的作物有很大差異，而現有農業機器人無法匹配所有作物的生產特點。機器人本身的成本就較高，如果造成閑置則又會增加間接成本。以至于農業機器人的價值不能得以體現。如果提高農業機器人對多種作物生產特點的匹配性，同時改變我國以戶為單位的分散式農業生產模式，對于農業機器人的推廣來說則是有利的。

將來，農業機器人在農業生產中廣泛應用是大勢所趨，是時代的需要，也是科技成果應用于現實的具體體現。那么我們心目中的農業機器人究竟是什么樣的呢？首先，它得可以自主識別作物的生長特點，自動做出正確的動作行為，即是我們需要它“聰明”；其次，實際當中，希望現有的一臺農業機器人可以針對多種作物都可以使用，并且還可以根據自己的需要對其進行升級，這就需要它有一定的開放性；最后，農業機器人的使用者多是農民，所以需要它成本盡量低，而且操作要簡單。只有滿足以上的要求，才能更有利于農業機器人的普及。

未來，通過宣傳和現有農業機器人的升級和改進等，農業機器人將日益普及，它將為我國農業生產和經濟發展做出應有的貢獻。

參考文獻

[1] 周俊，姬長英.基于知識的視覺導航農業機器人行走路徑識別[J].農業工程學報，2003，（6）.

[2] 張立彬，計時鳴.農業機器人的主要應用領域和關鍵技術[J].浙江工業大學學報，2002，（1）.

[3] 陳進.機器人技術在農業中的應用——水果采摘機器人[J].四川農機，2009，（6）.

作者簡介：趙敏（1981-），女，云南人，云南省電子工業研究所助理工程師，研究方向：電子信息技術；楊春俊（1987-），男，云南人，云南省電子工業研究所助理工程師，研究方向：電子信息技術。

（責任編輯：蔣建華）