農業(yè)機器人技術發(fā)展綜述

肖 旭，李 明,2，謝景鑫，黃金其，張 良，張洪鐸

（1.湖南農業(yè)大學工學院，湖南 長沙 410128；2. 湖南省農業(yè)裝備研究所， 湖南 長沙 410125）

隨著智能農業(yè)和計算機技術的高速發(fā)展，機器人技術在農業(yè)生產系統(tǒng)中得到了廣泛應用。農業(yè)作業(yè)的智能化和自動化系統(tǒng)在應對勞動力短缺、提高生產效率、降低農業(yè)生產中人類所面臨的安全健康風險等方面發(fā)揮了重要作用[1]。在農業(yè)生產和加工環(huán)節(jié)中，有許多功能設備成功應用的案例，例如嫁接機器人、采摘機器人、移栽機器人和大田生產農業(yè)機器人等。

近年來，農業(yè)機器人及自動化得到了國內外學者的廣泛關注，技術上的可行性得到了論證。筆者介紹了農業(yè)機器人的特點及分類，綜述了機器人技術在農業(yè)領域的應用現狀，總結了目前農業(yè)機器人技術發(fā)展面臨的主要問題，并預測了農業(yè)機器人未來的主要發(fā)展方向，以期為農業(yè)機器人技術的進一步發(fā)展提供 參考。

1 農業(yè)機器人的特點及分類

1.1 農業(yè)機器人的特點

農業(yè)機器人興起于工業(yè)機器人的發(fā)展，雖然有部分工業(yè)機器人也勝任農業(yè)工作任務，但工業(yè)機器人的重量及高功耗、高成本使其不適用于農業(yè)用途[2]。農業(yè)機器人與傳統(tǒng)的工業(yè)機器人相比具有4 個特點。（1）作業(yè)的季節(jié)性。農業(yè)機器人大多數只針對農業(yè)生產的某個環(huán)節(jié)，性能單一且適應性不強，因此，每個環(huán)節(jié)都需要不同的機器人，大大增加了農業(yè)生產成本。（2）田間作業(yè)的非結構性。與工業(yè)機器人作業(yè)環(huán)境不同，實際田間作業(yè)環(huán)境惡劣，農業(yè)機器人在田間作業(yè)時需考慮的環(huán)境因素較多，因而農業(yè)機器人需要具有較強的適應性，才能在不同的農田生產環(huán)境中完成不同的生產任務。（3）作物的嬌嫩性。農業(yè)機器人在工作過程中，需要對作物的嬌嫩程度、形狀、大小等情況做出柔性處理。（4）使用對象的特殊性。農業(yè)機器人大多數由農民操作。一方面，農民不具備高水平的機械操作能力，因而農業(yè)機器人必須簡單易操作；另一方面，農業(yè)生產作業(yè)的利潤較低，因此農業(yè)機器人的價格不能過高，應在農民的承受能力范圍之內[3]。

1.2 農業(yè)機器人分類

根據作業(yè)環(huán)境的不同可將農業(yè)機器人分為3 大類（表1）：第一類為設施農業(yè)機器人，主要針對大棚溫室的采摘、嫁接和移栽等；第二類為大田生產機器人，主要用于大田作業(yè)；第三類為農產品加工機器人，主要用于畜牧類產品加工[4-8]。該文主要介紹設施農業(yè)機器人和大田生產機器人2 類。

表1 農業(yè)機器人分類與功能簡介

2 設施農業(yè)機器人研究現狀

2.1 嫁接機器人

嫁接機器人是利用機器人對蔬菜和水果進行嫁接， 其主要目的是把毫米級直徑的砧木和芽坯嫁接為一體， 這樣可以有效加強蔬菜的抗逆性和抗病力。日本、荷蘭、西班牙和韓國等設施農業(yè)較為發(fā)達的國家，嫁接機器人已經得到了普遍應用，相關研究成果較多[9-13]。

嫁接機器人最早出現在20 世紀80 年代的日本，目前已研制出多種自動化嫁接機。日本的大越崇博 等[14-15]于1994 年研制出GRF800-U 型葫蘆科半自動嫁接機器人和GR803-U 型茄科半自動嫁接機器人，生產效率可以達到800 株/h，嫁接成功率達90%。2011 年日本井關農業(yè)株式會社在現有機型基礎上研制出全自動機型，該機器人主要利用貼接法將嫁接木夾固定于貼合面，能一次性完成取苗、上苗、嫁接和排苗全部過程，工作效率為800 株/h，嫁接成功率為95%。1995 年鈴木正肚等[16]研制出MGM600 型半自動嫁接機，該機器人以開發(fā)省力生產瓜科蔬菜類嫁接樹苗的裝置為目的，通過套管的嫁接方式，人工將砧木和接穗以單列形式送入嫁接機，將加在胚軸上的壓縮失真控制在胚軸直徑的30%以內，以穂木10°、臺木30°的角度切斷幼苗，確認了在黏接材料上使用與手工相同的夾子可以提高嫁接存活率。Iseki 公司自主研發(fā)生產了Grafting Komachi 嫁接機器人[17]，該機器人由幼苗供給部件、把持搬運部件等6 部分組成，工作人員可以通過傳感器查看機器人的工作狀態(tài)，嫁接速度為550～700 株/h，成功率達97%。日本大阪府立大學的Honami 開發(fā)了另一種嫁接機器人[18]，通過“plug-in”嫁接法，以頻率為0～40 kHe、振幅為0.03 mm 的超聲波振動作為切削裝置，把穗木切削成14°、長為10 mm 的錐形頭，再將穗木插到砧木上完成嫁接，這種嫁接方法使砧木與穗木的結合較好，得到的嫁接苗愈合速度快、生長較好，嫁接成功率達90%，但工作效率較低，僅比人工速度快1.4 倍。

我國嫁接機器人的研究起步較晚，從1993 年開始自動嫁接技術得到了廣泛研究，部分樣機已投入了生產。中國農業(yè)大學張鐵中教授是最早對蔬菜自動化嫁接機進行研究的，1998 年成功研制出2JSZ-600 型蔬菜半自動嫁接機[19]，該機采用計算機控制實現砧木和穗木的取苗、切苗、結合、固定和排苗等過程的自動化操作，適用于葫蘆科秧苗嫁接，性能可靠，嫁接速度為600 株/h，嫁接成功率約為95%。此后張鐵中團隊為提高2JSZ-600 型單臂蔬菜嫁接機的嫁接速度和嫁接苗成活率，設計了一種雙臂蔬菜嫁接機器 人[20-21]，在之前單臂嫁接機的基礎上增加了一組砧木、穗木搬運機械手，并優(yōu)化了切削機構的幾何參數，發(fā)現當切刀的旋轉速度為210 r/min 時，砧木、穗木的切削效果均能滿足要求，與單臂嫁接機相比，采用2個單片機分別控制砧木處理機構和穗木處理機構，并開發(fā)了相應的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，實現了嫁接流程的并行操作[22-23]。該機在保持相同的嫁接成功率和同等嫁接苗個體差異適應性水平條件下，嫁接速度達到854 株/h，嫁接苗成活率為93.3%。華南農業(yè)大學楊艷麗等[24]為了解決目前插接式瓜類自動嫁接機砧木夾持采用的壓苗機構普遍存在的機構復雜、機構動作耗時影響作業(yè)生產率等問題，開發(fā)了一種砧木子葉氣吸夾。以瓜類嫁接生產中常用的黑籽南瓜砧木標準苗和黃瓜接穗標準苗為作業(yè)對象，在2JC-600B 型斜插嫁接機上進行了帶壓苗機構砧木夾與砧木子葉氣吸夾的性能對比試驗，結果表明該機器在滿足嫁接作業(yè)質量要求的情況下可減少砧木上苗作業(yè)時間，使嫁接生產率由514 株/h 增至600 株/h，效率提高了16.7%。2012 年，北京農業(yè)智能裝備研究中心姜凱等[25]基于瓜、茄苗通用的“貼接法”嫁接技術，采用雙工位上苗方式設計搬運裝置、切削裝置、上苗及送夾裝置，利用虛擬樣機技術構建瓜、茄類蔬菜嫁接機器人，結果表明切刀旋轉半徑為68 mm、切刀轉速為120 r/min時，秧苗切削成功率達98%，滿足嫁接技術要求；同時，嫁接速度為884 株/h，嫁接成功率為95.7%，成活率為96.8%。

對國內外蔬菜嫁接機器人的研究現狀綜合分析，可以看出目前嫁接機器人已投入了農業(yè)生產且機械化程度和嫁接效率均較高，但仍存在以下幾個方面的問題。（1）自動化程度方面。目前現有嫁接機器人已經基本上實現了嫁接過程自動化，但其他步驟仍需人工進行輔助操作。目前嫁接機器人技術正朝著全過程自動化方向不斷完善，以期在未來農業(yè)生產中實現全自動自主作業(yè)。（2）作業(yè)規(guī)模方面。現有嫁接機器人大都只針對單株幼苗進行自動化作業(yè)，工作效率較低，適應能力較差。因此，研究多株幼苗同步嫁接是今后嫁接機器人的主要研究方向。（3）間接因素方面。由于蔬菜生產缺乏體系標準，導致嫁接的苗木差異較大，限制了嫁接機器人的應用和推廣。農藝與農機的配合是實現農業(yè)機械化的必經之路，因此現階段應盡快建立適應蔬菜嫁接機器人的蔬菜苗生產標準以及研究相應的農藝要求。

2.2 采摘機器人研究現狀

采摘機器人技術最早始于1968 年，主要有機械震搖式和氣動震搖式2 種，但工作效率不高且存在果實破損的情況。從1980 年開始，隨著工業(yè)機器人技術、計算機圖像處理和人工智能技術的不斷發(fā)展，采摘機器人的功能和應用范圍得到了拓展。

京都大學川村登等[26-27]較早對番茄采摘機器人進行了開發(fā)，利用單相機的圖像輸入裝置相對于底盤的位置移動檢測實現番茄果實的定位，通過5 自由度關節(jié)式機械臂和兩指夾持器采摘果實。由于當時技術條件限制，樣機性能不是很理想，但構成了移動式番茄機器人的基本實現原理和框架。日本岡山大學Kondo 等[28]研制的番茄采摘機器人主要由7 自由度機械手、末端執(zhí)行器、行走裝置、視覺系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，工作時根據視覺系統(tǒng)尋找和識別成熟果實，再通過末端執(zhí)行器控制機械手進行采摘。該機采摘速度為15 s/個，采摘成功率在70%左右，由于莖葉的遮擋存在極大的漏采率[10]。Hayashi 等[29]研制的一種履帶式番茄采摘機器人，利用雙目視覺對成熟果實進行判別和定位，通過5 自由度垂直多關節(jié)型機械臂移動至果實附近，其中末端執(zhí)行器兩指夾住果實后將果梗擰斷或掐斷。實踐結果表明，成熟果實正確識別率為92.5%，采摘成功率僅為56.8%，主要是因為末端執(zhí)行器的分離方式導致果實破損率較高。日本農研機構的Yamamoto 等[30]提出了一種懸掛架式栽培床下方進行機器人兩側采摘的作業(yè)模式，并設計出將機械臂和軌道移動平臺相結合的草莓采摘機器人，經過田間試驗得出平均采摘周期為22.2 s，采摘成功率為89.1%。

我國對采摘機器人的研究較晚，目前仍處于起步階段。國家智能裝備工程技術研究中心的馮青春等[31]為了防止果皮損傷和病害侵染，設計了一種用于果實采摘、貯藏和切斷果梗的非破壞性末端效應器，該機器利用6 自由度關節(jié)型工業(yè)機械手攜帶末端執(zhí)行器，規(guī)劃了機械手無碰撞快速運動的關鍵點和時間步驟，試驗結果表明，采收試驗中100 個成熟草莓目標都能自動識別，收獲成功率為86%，平均收獲作業(yè)時間為31.3 s，其中單次收獲作業(yè)最快時間為10 s，果實定位平均誤差小于4.6 mm。江蘇大學的劉繼展團隊[32-35]針對溫室采摘機器人技術開展了多項研究。以番茄為對象，利用激光器搭建果梗切割試驗平臺，開發(fā)了一種配置有果梗激光切割裝置的新型末端執(zhí)行器。

結合國內外采摘機器人的研究現狀，目前采摘機器人仍存在以下問題需要解決。（1）非結構性的工作環(huán)境適應能力。采摘機器人在復雜和未知的工作環(huán)境中作業(yè)仍面臨較大挑戰(zhàn)，雖然研究人員針對遮擋條件下的果實識別、果梗大小變異系數差異、摘取路徑搜尋和導航、路徑規(guī)劃和躲避等開展了廣泛的研究，但機器人在溫室生產環(huán)境下的采摘效果仍然不夠理想。想要實現采摘機器人技術的智能化和全自動化，必須提高機器人對復雜非結構性環(huán)境的感知和作業(yè)適應能力。（2）各復雜機器人系統(tǒng)之間的協調能力。采摘機器人由多個復雜系統(tǒng)組成，采摘機器人的工作性能要求不僅僅只局限于每個單位系統(tǒng)的工作性能，更決定于各個單位系統(tǒng)之間的協調能力。目前機器人手臂協調、手眼協調研究雖然取得了一定進展，但應用效果仍待加強。（3）果實的識別率和采摘成功率較低。現有采摘機器人工作效率受圖像識別處理速度和控制系統(tǒng)精度影響較大，根據國內外研究現狀，目前識別率約為90%，采摘成功率也只有90%。目前，果蔬識別方法大都采用顏色特征、灰度閾值和幾何形狀特性等為考察指標，容易受到光照等其他環(huán)境因素的影響，導致機器人對成熟果實的識別率較低。

2.3 移栽機器人研究現狀

20 世紀80 年代美國就已開始研究移栽機器人技術，前期大都以工業(yè)機器人為主體，通過安裝不同的末端執(zhí)行器完成移栽作業(yè)，但隨著研究的深入，移栽機器人開始配置有獨立的機電系統(tǒng)，包括控制模塊、傳輸模塊和移栽執(zhí)行模塊。

1987 年奧本大學Kurz 等[36]以Puma56 工業(yè)機器人為主體研制出一種苗圃植物移栽機器人，該機器人末端執(zhí)行器包括有氣缸和夾持裝置，機器人在工作時，氣缸對夾持裝置的缽苗施加壓力將缽苗從392 孔的育苗盤中取出，經驗證移栽機器人在3.3 min 內可移栽36 株幼苗，成功率達96%。2004 年日本洋馬公司研制出一種自動化較高的蔬菜移栽機器人PALA[37]，該機器人可一次性完成取苗、植苗、苗盤輸送、栽植的深度調節(jié)和栽植株距的調節(jié)等，工作速率為40 株/min。韓國Ryu 等[38]研制出一種全自動移栽機器人，該機器人由視覺系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和機械手等部分組成，機器人工作時，控制系統(tǒng)根據視覺系統(tǒng)將定位控制機械手移動至取苗處，氣缸推動機械手插入穴盤中，對穴盤苗進行夾取、移動和投放等操作，完成取苗整個過程，室內試驗結果表明，取苗成功率為90%。為進一步提高取苗成功率，Ryu 等對該機器人的末端執(zhí)行器進行了優(yōu)化，在末端執(zhí)行器每個夾指上各增加一個氣缸，以驅動夾指進行伸縮運動完成缽苗夾取，優(yōu)化后的移栽機器人取苗成功率達到98%。韓國首爾大學Choi 等[39]設計了一種新型蔬菜移栽機器人，該機器人主要由氣動雙驅動移栽爪和步進電機組成，工作時，移栽爪隨著步進電機旋轉并根據穴盤苗的位置確定夾取位置，避免移栽抓取時機械爪對穴盤苗葉片的傷害，利用氣缸帶動移栽爪插入苗盤基質實現對穴苗盤的夾取、保持和投放，該機器人提取幼苗的工作效率可達30 株/min，成功率達97%。

我國移栽機器人大都以半自動為主，發(fā)展較為緩慢。吉林大學的范云翔等[40]研制了一種溫室全自動移栽機器人，該機器人可以將整塊秧盤育出的秧苗自動移栽到生長用的塑料大盤或花盆中，移栽過程中穴盤苗與運動部件沒有直接接觸，保證運動部件不會損傷秧苗；但該機器人只適用于移栽蔬菜和花卉等幼苗，適應性較差。南京農業(yè)大學的楊宛章等[41]針對移栽機器人手工喂入效率低的問題設計了一種穴盤苗移栽自動取喂系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用穴盤步進移位機構提供穴盤的橫向和縱向移位，由翻轉擺位式取苗機械手進行取苗和穴盤苗的轉移，利用柔性鏈輸送喂入機構對穴盤苗逐個投放，試驗結果表明總可靠率達98.92%，平均基質損失質量為9.26%，工作速度達70 株/min，未出現傷苗的現象。

綜上所述，我國移栽機器人技術的研究主要問題在于成功率較低、存在傷苗傷缽的現象、通用性差。與國外移栽機器人相比，工作效率低，目前只停留在研究樣機階段。其主要原因為缺乏對取苗機構和末端執(zhí)行器設計的理論分析，機構設計與育苗工藝不相符，制約了自動移栽機器人的發(fā)展。

3 大田生產機器人研究現狀

隨著精細農業(yè)和智能農業(yè)的推廣，大田生產機器人目前主要用于耕作、播種、施肥、噴藥、信息采集等。由于大田作業(yè)環(huán)境十分復雜，非結構性明顯，大田機器人研究歸根到底是導航方式的研究。

大田生產機器人技術研究始于20 世紀70 年代，隨著計算機技術的發(fā)展，各國將移動機器人投入田間信息采集工作，各種用于大田行走機械的圖像識別算法層出不窮[42]。日本Iida 等[43]研制出一種用于采集土壤養(yǎng)分和植物生長信息的六足機器人。該機器人主要利用追蹤氣體傳感器檢測大田環(huán)境中的二氧化碳濃度，利用關節(jié)腿式機器人來適應復雜地形。美國伊利諾伊大學研制出“watch-dog robot”，通過柔性的聯動懸架適應復雜的大田環(huán)境。20 世紀90 年代以后，日本和美國等基于GPS 導航技術相繼研發(fā)了耕地、插秧、大田收獲和農田信息采集等機器人。

我國對大田機器人的研究始于20 世紀末。由于起步較晚，對大田機器人的研究沒有經歷標桿導航、預埋電纜導航、地磁導航等復雜的研究過程，直接進入了視覺導航和GPS 導航的研究階段。

胡建平等[44]采用遺傳算法優(yōu)化選擇分割面，引入Bayes 理論建立了分割誤差的評價方法，將分割中使用的顏色特征和閾值轉換為RGB 顏色空間中的一個分割面，優(yōu)化得到的分割面為-149R+218G-73B=127。試驗結果表明，與超綠特征相比，該方法分割后的噪聲小，平均分割誤差概率從3.90%降低到2.33%，更利于提取用于識別的形態(tài)特征。毛文華等[45]利用傅里葉變換紅外（FTIR）光譜法測量并分析雜草波長范圍內的反射率，再運用SPSS 統(tǒng)計軟件進行判別和分析。鄧向武等[46]采用1.1G-R 顏色因子將雜草RGB 圖像進行灰度化，選擇自動閾值分割得到雜草前景二值圖像，通過腐蝕膨脹形態(tài)學操作進行葉片內部孔洞填充，應用面積濾波去除其他干擾目標，最后將雜草二值圖像與RGB 圖像進行掩膜運算得到去除背景的雜草圖像；提取雜草圖像的顏色特征、形狀特征和紋理特征共101 維特征，并對其進行歸一化處理，為雜草識別與藥劑選擇性噴撒提供參考。

近年來，大田作業(yè)機器人圖像識別得到了廣泛的研究，取得了許多研究成果。但由于大田作業(yè)環(huán)境的非結構性特點，視覺算法對于不同對象和不同作業(yè)環(huán)境的適應性還需加強，而且機器人作業(yè)需多個環(huán)節(jié)的相互配合才能實現，目前技術難點主要存在以下幾個方面。（1）作業(yè)對象多樣，作業(yè)環(huán)境多異。大田作業(yè)環(huán)境中，農業(yè)機器人作業(yè)目標往往都是隨機分布的，加上自然環(huán)境下光線、背景多變等因素均會干擾視覺系統(tǒng)對圖像的獲取。因此，在研究過程中需要分析作業(yè)對象的特點，將農業(yè)作業(yè)裝備與農藝管理相結合，針對作物和作業(yè)環(huán)境的特點，設計相應的措施，進而滿足大田機器人作業(yè)的可靠性和穩(wěn)定性。（2）圖像信息及識別精度。在機器人識別作業(yè)過程中，工作速度與圖像識別精度往往不能同時滿足，因此在研究過程中找出算法速度和識別精度的平衡點也非常關鍵。（3）作物遮擋、重疊等視覺影響。在大田生產過程中，由于環(huán)境的非結構性，往往會出現作物被遮擋和作物重疊的現象，這都會對機器人視覺圖像檢測造成較大的誤差，因此應著力研究更完善的圖像采集系統(tǒng)、更合理的取景策略和有效的作物檢測算法，以提高視覺系統(tǒng)的可見能力，降低誤差。

4 存在問題及展望

4.1 存在問題

4.1.1 機器人作業(yè)可靠性問題 農業(yè)生產環(huán)境多變且無法預知，面對不斷變化的天氣、環(huán)境（機器振動、極端的溫度和濕度）和作物，農業(yè)機器人必須有良好的智能化系統(tǒng)才能安全、可靠地工作。

4.1.2 機器人成本制造問題 隨著電子技術的發(fā)展，機器人的元件成本大大降低，但農業(yè)生產總體利潤不高，且農業(yè)機器人大都針對單一的農業(yè)生產環(huán)節(jié)，使用率較低，其性價比不能滿足農業(yè)生產的需要，成為制約農業(yè)機器人普及和進一步研究的瓶頸。

4.1.3 機器人作業(yè)性能問題 根據農作物的嬌嫩性和復雜性，農業(yè)機器人必須有良好的柔性處理?，F有機器人存在采摘效率低、破損率較高的特點，必須提高農業(yè)機器人智能化，農業(yè)機器人只有在保證作業(yè)性能精度的情況下，作業(yè)效率才能提高，才能進一步推廣。

4.2 展 望

4.2.1 復雜田間環(huán)境下機器人的適應能力 隨著機器人技術的發(fā)展和圖像處理技術的不斷完善，機器人自動進行農業(yè)工作已不再局限于理想的農田環(huán)境，復雜的非結構性農田工作的研究已經成為當前農業(yè)機器人研究的熱點。這些復雜環(huán)境包括不斷變化的天氣、機器本身振動和極端的溫度和濕度等，這對農業(yè)機器人的設計提出了挑戰(zhàn)和要求。

4.2.2 農業(yè)機器人系統(tǒng)的融合能力 農業(yè)機器人是由機器人移動底盤、機械臂、末端執(zhí)行器以及圖像識別系統(tǒng)組成，農業(yè)機器人的工作性能不僅僅取決于每個組成部分的工作性能，更決定于每個系統(tǒng)之間的合作協調能力。目前各國學者針對機器人手臂協調、手眼協調、身眼協調等開展了大量研究，但仍沒有達到理想的效果，農業(yè)機器人各個系統(tǒng)之間的協調合作仍然是當前的研究熱點。

4.2.3 機器人柔性要求 目前農業(yè)機器人已經可以替代人類進行簡單的農業(yè)作業(yè)，但面對高農藝要求的復雜操作時還不能滿足要求。為有效提高機器人的工作精度，機器人驅動的柔性以及本體材料成為當前的研究重點。

4.2.4 機器人工作安全性 隨著機器人技術應用的不斷拓展，農業(yè)機器人與人之間的交互工作也日益頻繁，但機器人的結構為剛性結構，且機器人的控制者為農民，存在較大的機械安全隱患而無法高效率使用。這也使得農業(yè)機器人剛性與柔性之間的轉換成為未來研究的一個重點。

4.2.5 農業(yè)機器人人機交互 現有機器人主要通過觸控板或遙控的方式實現人機交互。如何通過手勢、語音等交互方式解決目前友好性低以及智能程度低的交互問題也是未來研究的一個主要方向。

從農業(yè)機器人研究內容來看，為了滿足農業(yè)機器人在復雜工作環(huán)境下作業(yè)的適應性、可靠性，提高農業(yè)機器人的工作性能，農業(yè)機器人將朝著智能化、自動化方向發(fā)展。為了進一步降低農業(yè)機器人的成本，提高農業(yè)機器人的適用性將是主要的解決途徑。同時，隨著我國進入人口老齡化階段，農業(yè)機器人的需求也在不斷增加，這將為農業(yè)機器人發(fā)展提供更廣闊的 空間。