農(nóng)業(yè)機(jī)器人展望

文/趙春江 國(guó)家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心

農(nóng)業(yè)機(jī)器人與工業(yè)機(jī)器人一樣，其工作過程包括信息感知、路徑規(guī)劃和自主作業(yè)。過去，農(nóng)業(yè)機(jī)器人在機(jī)器人家族中基本沒有什么地位，傳統(tǒng)機(jī)器人分類包括工業(yè)機(jī)器人和特種機(jī)器人，而農(nóng)業(yè)機(jī)器人被分類到特種機(jī)器人。實(shí)際上，農(nóng)業(yè)機(jī)器人家族龐大，按應(yīng)用領(lǐng)域分類，包括大田作業(yè)的無人拖拉機(jī)、鋤草機(jī)器人以及設(shè)施溫室里使用的嫁接、移栽機(jī)器人，動(dòng)物養(yǎng)殖中自動(dòng)飼喂機(jī)器人、自動(dòng)巡檢機(jī)器人等。由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)類型多樣，過程復(fù)雜， 導(dǎo)致農(nóng)業(yè)機(jī)器人具有多樣性特點(diǎn)。

現(xiàn)在人工智能發(fā)展迅速，主要分成五大板塊，大數(shù)據(jù)智能、跨媒體智能、人機(jī)混合智能、群體智能、自主無人系統(tǒng)。機(jī)器人現(xiàn)在作為人工智能的重要內(nèi)容，如果對(duì)其技術(shù)進(jìn)行分解，有三個(gè)板塊：第一個(gè)是感知，有視覺、觸覺、聽覺、味覺感覺。然后面對(duì)人，農(nóng)用機(jī)器人通過控制軟件、安全控制來進(jìn)行分析、規(guī)劃。第三是執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

國(guó)際上對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)器人高度關(guān)注， 鋤草機(jī)器人曾刊登于 2007 年《時(shí)代周刊》的封面。美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)國(guó)家機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室研究了一款田間移動(dòng)巡查農(nóng)業(yè)機(jī)器人，可以在田間不間斷自動(dòng)收集高粱作物的表型信息，為作物表型組學(xué)研究提供了有效的技術(shù)手段。

農(nóng)業(yè)機(jī)器人瓶頸問題分析

機(jī)器人的自動(dòng)化技術(shù)現(xiàn)在有一個(gè)爭(zhēng)論，自動(dòng)化算不算智能技術(shù)？事實(shí)上我們的焊接機(jī)器人其實(shí)沒什么智能，就是到某個(gè)點(diǎn)，用多長(zhǎng)時(shí)間，一些焊接材料按上去就行了，這種機(jī)器都稱它為機(jī)器人，所以我們現(xiàn)在加了智能機(jī)器人。我們有外部環(huán)境，在作物方面，空間層疊分布、枝葉果實(shí)遮擋、個(gè)體差異較大、部分柔嫩易損，環(huán)境方面有光照情況多變、氣象條件多變、粉塵泥土干擾、非結(jié)構(gòu)化特征。在理論與技術(shù)方面也有挑戰(zhàn)，有場(chǎng)景感知、行為規(guī)劃、執(zhí)行系統(tǒng)等。

目前，機(jī)器人研究熱點(diǎn)方向有哪些呢？首先，研發(fā)一批讓機(jī)器人做擅長(zhǎng)的事—信息監(jiān)測(cè)、物料搬運(yùn)、除草、噴藥的技術(shù)，農(nóng)業(yè)機(jī)器人不知疲倦、不懼高溫高濕條件，這是代替人力進(jìn)行農(nóng)田作物信息采集、物料搬運(yùn)的上佳選擇。農(nóng)業(yè)機(jī)器人搭載簡(jiǎn)單作業(yè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，能夠代替人工進(jìn)行除草、噴藥等重復(fù)性或有害性作業(yè)。這種除草機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人，功能比較專一，解決一個(gè)特定功能，但是做得很好。

聚焦突破復(fù)雜作業(yè)理論和技術(shù)難點(diǎn)。歐美科學(xué)家持續(xù)關(guān)注果蔬采摘、作物授粉及多功能作業(yè)等復(fù)雜性生產(chǎn)作業(yè)中的農(nóng)業(yè)機(jī)器人。重點(diǎn)研究作業(yè)對(duì)象的快速識(shí)別、多自由度機(jī)械臂動(dòng)作規(guī)劃、作業(yè)點(diǎn)高精度重復(fù)巡邏等相關(guān)理論和算法。2015年，Deepfield Robotics發(fā)布了能勝任噴藥、除草等任務(wù)的多功能農(nóng)業(yè)機(jī)器人。

在我國(guó)，農(nóng)業(yè)機(jī)器人研究起步于上個(gè)世紀(jì)九十年代，結(jié)合我國(guó)農(nóng)業(yè)特點(diǎn)，科研人員在自動(dòng)駕駛拖拉機(jī)、小型農(nóng)業(yè)移動(dòng)平臺(tái)、嫁接機(jī)器人、移栽機(jī)器人都做了，但是沒有產(chǎn)業(yè)化。黃瓜采摘機(jī)器人，十秒鐘才摘一個(gè)，如果人工用手摘，十秒鐘已經(jīng)可以摘下來吃掉了。番茄的采摘，需要柔性的設(shè)計(jì)，這些機(jī)械手怎么設(shè)計(jì)，怎么樣防止破裂，我們的機(jī)器人速度比較慢，生物學(xué)的柔性設(shè)計(jì)比較困難，沒有完全達(dá)到實(shí)用化。我們國(guó)家在積極推動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用，2017年7月8日，我國(guó)首個(gè)無人系統(tǒng)應(yīng)用示范基地在江蘇興化起動(dòng)。

西紅柿采摘機(jī)器人

在農(nóng)業(yè)機(jī)器人研究應(yīng)用實(shí)踐方面。 自主研發(fā)的人機(jī)交互嫁接機(jī)器人目前已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化了，人跟機(jī)器混合作業(yè)，降低成本，提高效率。農(nóng)機(jī)導(dǎo)航技術(shù)方面，無人駕駛拖拉機(jī)就像汽車一樣，汽車在馬路上走，我們?cè)谵r(nóng)田走。導(dǎo)航這一塊，原來強(qiáng)調(diào)液壓控制，現(xiàn)在強(qiáng)調(diào)方向盤控制，北斗衛(wèi)星還有很多問題，單純靠北斗衛(wèi)星，信號(hào)精度還是不夠的，目前有500至1000臺(tái)的規(guī)模在新疆應(yīng)用。農(nóng)技智能問答機(jī)器人是一種語音服務(wù)，目前我們做了一個(gè)全國(guó)農(nóng)業(yè)科教云平臺(tái)，依據(jù)問答數(shù)據(jù)和專家經(jīng)驗(yàn)，入庫精準(zhǔn)問答記錄2000萬對(duì)，并自實(shí)時(shí)更新。這些數(shù)據(jù)慢慢形成知識(shí)了，我們把它變成語音，實(shí)現(xiàn)智能化的語音服務(wù)，目前工作已經(jīng)做完了，我想將來一個(gè)村、一企業(yè)，也可以放這個(gè)機(jī)器人。目前已經(jīng)在全國(guó)廣泛的布局和推廣應(yīng)用。

農(nóng)業(yè)機(jī)器人 未來大有作為

目前，面向國(guó)家重大需求，大力發(fā)展農(nóng)業(yè)機(jī)器人。其發(fā)展路徑是按自主水平和執(zhí)行機(jī)構(gòu)性能劃分：從簡(jiǎn)單的任務(wù)開始，基本無作業(yè)、非精細(xì)作業(yè)應(yīng)用、可用于精細(xì)作業(yè)、勝任各類作業(yè)。引用新技術(shù)，比如，應(yīng)用深度學(xué)習(xí)提高機(jī)器人感知與決策能力。有了感知，有了信息，才能做決策。另外，可以采用觸覺反饋控制，增強(qiáng)農(nóng)業(yè)機(jī)器人感知與執(zhí)行能力。通過力矩信號(hào)、壓電信號(hào)、肌電信號(hào)反饋，調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 引入新材料。比如，納米材料、復(fù)合材料、3D打印等，改善農(nóng)業(yè)機(jī)器人執(zhí)行能力，包括新材料、新型執(zhí)行器、新型傳感器。人機(jī)共融，由人適當(dāng)參與并指導(dǎo)機(jī)器人，提高作業(yè)效率。

隨著農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力成本的大幅度提高，人工智能和新材料技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)器人關(guān)鍵部件性價(jià)比大幅度提升，我們有理由相信農(nóng)業(yè)機(jī)器人在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中將大有作為，預(yù)計(jì)到2024 年全球?qū)⒂?70～100 萬臺(tái)農(nóng)業(yè)機(jī)器人在田間工作。