農業機器人的技術發展路線芻議

張 建 ，孫付春 ，甘露萍 ，孫豐云 ，趙 斌

（1.成都農業科技職業學院，成都 611130；2.成都大學機械工程學院，成都 610106；3.成都大學科研處，成都 610106）

農業機器人的技術發展路線芻議

張 建1，2，孫付春3，甘露萍2，孫豐云2，趙 斌2

（1.成都農業科技職業學院，成都 611130；2.成都大學機械工程學院，成都 610106；3.成都大學科研處，成都 610106）

通過對比分析當前國內外農業機器人的發展現狀，提出國內農業機器人發展的技術路線，可有效降低產品的設計研發成本、縮短產品的設計研發周期，為解決當前農機普遍存在的問題提供途徑。同時，研究結果也可以為農業機器人的研發提供參考依據。

對比分析；農業機器人；技術路線

一、農業機器人及其在國內外的應用概況

舒爾茨指出，僅使用傳統生產要素的農業是無法對經濟增長做出重大貢獻的，但現代化的農業能對經濟增長做出重大貢獻。我國正處于傳統農業向現代化農業過渡的進程中[1]，如何在發展理念的引領下綜合應用現代化的科學技術對農業進行改造、裝備就成為一個值得探究的問題。以互聯網產業化、工業智能化、工業一體化為代表，以人工智能、清潔能源、無人控制技術、量子信息技術、虛擬現實為主的第四次工業革命的到來[2]，為我國實現農業現代化帶來了新的思路和技術，農業機器人應運而生。農業機器人是在農業生產中運用的一種可由不同程序軟件控制,以適應各種作業,能感覺并適應作物種類或環境變化,有檢測（如視覺等）和演算等人工智能的新一代無人自動操作機械，在功能、結構、效率以及可靠性等方面與傳統的農機相比優勢明顯。國內外都寄希望于機器人技術可以帶動產業升級，以解決當前面臨的激增人口與有限耕地矛盾加劇、人口老齡化加劇、全球氣候變暖、極端天氣頻發等問題發起的挑戰。

目前，諸如美、德、英、法等發達國家在農業生產方面不僅已基本全面實現機械化，而且智能農機的應用也有長足的發展。美國研制出一款施肥機器人，可準確計算并根據土壤的實際情況適量施肥；德國研制出可在農場各種地塊間極速穿行并準確找到雜草加以清除的除草機器人；法國發明了幾乎能代替種植園工人所有工作的葡萄園機器人Wall-Ye；英國研制出能夠測量蘑菇位置、大小，并進行修剪的蘑菇采摘機器人[3～6]。國內農業機器人的起步較晚，研究還處于基礎階段。隨著國家的不斷重視，在政策方面大力扶持，國內對農業機器人的研究已取得了一定的成果，中國農業大學成功研制出黃瓜采摘機器人、嫁接機器人，南京農業大學成功研制出水果采摘機器人、棉花采摘機器人，南京林業大學研制出的智能除草機器人，上海交通大學研制出的草莓收獲機器人，壽光科技人員自主研發的會種菜的機器人[3～6]。但所研制出的農業機器人大多存在功能單一、成本偏高、實際應用較少的問題，與發達國家相比在可靠性、精度和效率方面都有一定的差距[7]，特別是在智能化程度和實際應用方面更是差距明顯。因此，本文通過對比分析當前國內外農業機器人在研發、智能化程度、市場應用和成本等方面的現狀，提出了國內農業機器人發展的技術路線，研究結果為農業機器人的設計、改進和研發提供了參考依據。

二、國內外農業機器人的對比分析

1.研發方面。雖然2016年國內主要農作物耕種收綜合機械化水平達到65%，但目前國內對主要農作物農業機器人的研制卻較少。在美國農業機器人的研究與應用雖然目前無法做到農業耕作全過程的自動化作業，80%的大農場已普及“農業物聯網+機器人”技術，農場主通過高度自動化的大型農業機器人，3個人可完成1萬英畝的土地管理和玉米收割。英、法等國在農業機器人的研發方面與本國的國情緊密結合，在以葡萄酒享譽世界的法國和世界上盛產蘑菇的英國，服務于葡萄園的機器人Wall-Ye和蘑菇采摘機器人應運而生。

2.智能化程度方面。當前國內智能系統的發展還不夠完善,農業機器人的智能程度還不足以滿足農業生產的需要,很多任務無法由農業機器人單獨完成，是農業機器人的使用效率低的原因之一。如，國內研制出的2JC-600B型瓜類自動嫁接機，在實際操作中還要依靠“機器+人”的模式才得以實現對瓜類的嫁接。而國外當前研制出的農業機器人智能化程度相當高，大多數任務甚至全部任務都可以由機器人單獨完成，如日本研制出的2JC-1000A瓜科全自動嫁接機，在嫁接的全過程中不需要人的參與。

3.市場應用方面。本文主要從農業機器人市場和應用兩方面對市場應用加以論述。目前國內研制出來的農業機器人大都只針對農業生產某一項作業的某一環節而言，導致其性價比不能滿足市場的需要,成為制約農業機器人商業化和進一步研究的瓶頸。同時，國內對農業機器人的研究還多處于試驗階段,商業化的生產也比較缺乏，實際應用較少。國外研制出來的機器人則可以單獨完成某一項作業的多個甚至全部環節，應用廣泛。在以葡萄酒生享譽世界的法國，專門服務于葡萄園的機器人Wall-Ye，幾乎能代替種植園工人的所有工作，包括修剪藤蔓、剪除嫩芽、監控土壤和藤蔓的健康狀況等，一研制出來就接到諸多訂單，應用前景一片光明。在美國，農業機器人不僅實現了商業化的生產，而且在商業化的運作方面也取得了令人矚目的成就，出現了諸多專業的農業服務公司。在市場方面，國內農業機器人的研發大都缺乏市場的承載，比如說國內由于技術方面還不成熟的原因，研制出來的采摘機器人還無法適應實際生活中的采摘環境，所以研制出的蘋果采摘機器人幾乎沒有在實際生產中得到應用。即使技術成熟了，由于蘋果的采摘具有季節性，但機器人只適用于蘋果采摘工作、功能單一，對中國大多數種植戶而言，即使能夠得到政府補貼的情況下也不經濟，推廣起來也有一定的難度。假使，蘋果采摘機器人不僅能夠采摘而且還可以實現對蘋果述枝葉的修剪、噴灑農藥等功能的話，應用前景將非常值得期待。從這一點上來講，國外多數國家就做得不錯，如法國研制出的葡萄采摘機器人，從功能上講幾乎能代替種植園工人的所有工作，結合葡萄采摘機器人所面對市場對象葡萄酒莊園的經濟實力來看和當地昂貴的人工市場條件分析，葡萄采摘機器人肯定會有一個光明的市場前景，所以Wall-Ye一研制出來就接到諸多訂單。

4.成本方面。主要從當前農業機器人的功能、智能化程度和應用方面對成本加以論述。首先，由于國內農業機器人的功能大多比較單一，而國外的農業機器人的功能復合化較強，就實現單一功能所耗費的成本而言，國內農業機器人的成本較高。其次，智能化程度越高自身的成本也越高，但所耗費的人工成本就越少，隨著人工成本日益高漲，人口老齡化加劇，綜合成本反而越低。最后，在應用方面，目前國內農業機器人的實際應用較少，國外應用比較廣泛。沒有使用就沒有產出，盡管國外農業機器人的自身成本可能高一些，但就實現的價值而言，成本反而越低。

三、國內農業機器人發展的技術路線

我國作為一個農業大國，經濟體制的改革從一定意義上說，最困難的是農業，而最有希望對社會經濟意義最大的也是農業[8]。為此，如何在當前農業機器蓬勃發展和市場空間想象力十足的大好形勢下，綜合應用第四次工業革命所帶來的新思路和新技術對農業機器人進行改造、裝備就成了一個值得探究的問題。為此，本文通過對比分析當前國內外農業機器人在研發、智能化程度、市場應用和成本等方面現狀，著重于研發的角度去研究國內農業機器人發展的技術路線。

1.在研發方向上要以解決實際需求為內容，真正應用為目的。結合國情，找準方向，才能抓住市場，為實際應用奠定基礎，不能為了研發而研發。

2.在研發理念上利用最流行、最科學、最節省人力和效率最高的平臺化產品開發戰略的基礎上融入模塊化的思想，即平臺式模塊化的研發理念。該理念以搭建公共平臺為基礎，搭載模塊為思想，實現多功能需求為向導。模塊化的思想是在平臺的基礎上，將農業機器人分為幾大模塊，如動力總成模塊、懸架模塊、執行模塊等。采用模塊化設計的思想不僅可以充分利用各方資源，在全世界范圍內進行模塊的匹配設計、優化方案，有利于提高自動化水平和降低研發成本，而且通過模塊的分類組合還能實現用最短時間生產出新產品。為適應農業的季節性特征，降低成本增加實用性，利于推廣，農業機器人應充分利用資源，盡量共用平臺，搭載不同模塊實現不同功能，以能夠完成某項作業的多個環節甚至全部環節為目標，最終實現多項作業為目的。以收割機器人為例，在不同的時期搭載不同的執行模塊，以實現農作物的耕種收為目標，最終實現多種農作物的耕種收為目的。

3.在研發上實施平臺式模塊化的研發理念，融入開放性思想，讓用戶可以根據需求編制或下載不同程序實現不同功能。

四、結論

通過對比分析當前國內外農業機器人在研發、智能化程度、市場應用和成本等方面的現狀，為解決當前國內機器人多處于試驗階段、實際應用較少、成本偏高等問題提供了平臺式模塊化的技術路線，可有效降低產品的設計、研發及使用成本，縮短產品的研發周期，為農業機器人的研發提供參考依據。本文著重從研發的角度加以論述，未必能獲得農業機器人發展的最佳技術發展路線，有待對各因素綜合作用影響情況下的技術路線做進一步研究。

[1]傅瑋倩，何靜.淺論物聯網在現代農業中的應用[J].現代農業，2015，(5).

[2][德]克勞斯·施瓦布.第四次工業革命：轉型的力量[M].北京：中信出版集團，2016.

[3]陳康.智能農機的自動導航研究[D].上海：上海工程技術大學，2015.

[4]焦偉，李維華.中國制造2025之農業機械發展分析和思考[J].農業裝備與車輛工程，2016，(3).

[5]林歡，許林云.中國農業機器人發展及應用現狀[J].浙江農業學報，2015，(5).

[6]閆萍.淺議農業大數據背景下的“互聯網+智慧農機”[J].安徽農業科學，2016，(21).

[7]鄭文忠.國外智能化農業機械設備發展現狀[J].現代農機，2015，(6).

[8]吳新博.中國農業現代化的思考[J].發展研究，2013，(2).

F323

A

1673-291X（2017）34-0029-02

2017-04-21

張建（1989-），男，四川大邑人，碩士研究生，從事機械設計制造與理論領域研究；通訊作者：孫付春（1981-），男，江蘇臺東人，副處長，副教授，博士，從事機械設計與理論領域研究。

[責任編輯 吳高君]