農業機器人的應用現狀及發展趨勢

張仕鵬，何 勛，張守一

（河南農業大學機電工程學院，河南鄭州 450002）

0 引言

我國是一個農業大國，農業問題一直是影響到中國社會經濟發展的根本，建國初期的經濟發展主要靠農業，生產力低下是農業發展緩慢的原因之一。隨著信息化時代的到來，出現了各式各樣的機器人來代替人們進行作業。近些年國內外的機器人在生活生產中的應用也愈來愈廣泛[1，2]。

農業機器人的廣泛應用改善了傳統農業的生產方式，主要體現在減少勞動力的投入、節約成本、提高生產效率[3]。縱觀近些年農業機器人的發展，我們仍可以看出一些不足：研發機器人成本高、機器人生產效率偏低、智能化程度不高、差距顯著等。農業機器人的發展還需要改進，本文主要對農業機器人的應用現狀進行歸納，分析其優勢與不足，并給出幾點展望。

1 農業機器人應用

1.1 國外機器人的應用現狀

農業機器人愈發受到農業人口較少的發達國家的重視，這也是國際農業裝備產業技術競爭的焦點之一。作為農業機器人研究最早、同時也是市場發育最為成熟國家之一的日本，目前已研制出育苗機器人、扦插機器人、農藥噴灑機器人、施肥機器人和移栽機器人等多種農業機器人，在理論與應用方面都居世界前列。然而美國由于國土面積廣闊及自身先進的科學技術作支撐，美國在理論與技術上都比較成熟。最具代表性的是美國新荷蘭農業機械公司發明的多用途自動化聯合收割機器人，很適合在美國一些大片規劃整齊的農田里收割莊稼[4]。

西班牙初創公司已研制出一種全自動草莓收割機，這種收割機有24條“手臂”，可以獨立采摘草莓。每個機械臂配有攝像頭，內置短距離集成色彩和紅外深度傳感器。憑借這種傳感器，機器人能分析核實每個草莓的外觀和顏色，配套軟件根據草莓的顏色進行識別然后判斷作物是否可以采摘，這種機器人功能齊全，能夠精確的確定草莓的位置，幾乎能完成所有人工操作環節[4]，而且完全不必擔心對草莓造成損傷。

1.2 國內機器人的應用現狀

與發達國家相比，我國農業機器人無論是研發還是應用都還處于起步階段，直到上世紀90年代中期，我國才開始了農業機器人技術的研發，比一些發達國家起步晚了十余年。受市場投資、生產成本、技術落后等的影響，我國農業機器人的發展較為緩慢，我國目前研發并投入使用的農業機器人有除草機器人、采摘機器人、扦插機器人、育苗機器人等，并在生產方面已取得很大的進展。

比如國內研發出的嫁接機器人，在國內自動化技術充分發展的背景下已出現了全自動的蔬菜嫁接機器人。在自動化和算法應用的作用下不僅大大提高了嫁接后的成活率而且還節約了人力，使嫁接作業變的更為簡便。國內還有蘋果采摘機器人、荔枝采摘機器人和黃瓜采摘機器人等，這些水果采摘機器人在高科技水平的支撐下能夠實現對瓜果類農產品進行無損采摘作業，有的機器人能夠實現在非結構環境下的自主導航作業，實現從搜索、掃描、識別、定位到末端執行器控制與操作，最終實現農作物的采收，這種技術打破了傳統機器人工作在結構化環境的技術屏障，是在科研水平上的創新為以后農業機器人走出實驗室，進入自然環境進行作業提供了強有力的理論與技術的支撐[5]。

2 農業機器人的特點及分類

相比于其他行業的機器人而言，農業機器人的特點可簡要概括為以下幾個方面：

1）現階段農業機器人大多是工作在農田或溫室大棚里，一方面作物的生長受到光照溫度濕度等的影響，另一方面作物在不斷生長，種種原因使農業機器人的工作環境較復雜這就要求機器人的智能化程度較高，靈活性強。

2）不同種類的機器人工作面對的對象也有所差異，農作物一般比較脆弱，易受到外加的壓力或者溫度等影響而產生變形或者斷裂，除此之外，在農作物不同的成長階段，對應的機器人都需要根據不同的情況進行具體的分析，這就需要機器人本身具備很高的靈活性和智能化。這也是現階段農業機器人在發展中的一個核心技術。

3）農業機器人的操作對象一般是農民，因此操作起來應比較簡單，不能過于繁瑣，使用農業機器人應簡單便捷，在保證速度的前提下盡可能的保證其效率，讓人們能更好更快的去學習使用功能。減輕人們的勞動強度，提高生產率和作業質量，減少農藥和化肥等化學產品的使用，節約成本還能保護環境。

4）農業機器人是一種具備某些與人類或生物相似的智能能力，是一種具有高度靈活性的自動化機器，能夠代替人們做一些單調和重復的長時間作業，能夠進入危險環境代替人們進行勞動，工作質量穩定，保證產品的一致性。

5）農業機器人的應用不僅局限于陸地方面，還可以運用到空中；提到無人機相信大家都不陌生，無人機的應用已經衍生到各方面中，在農業方面的應用：比如用無人機噴灑農藥、運送肥料、航拍檢測農作物的生長情況等[6]。這樣可以讓我們更方便管理農作物，獲得最高質量的產品。

針對不同的工作對象、環境等，現已研發出了一系列的農業機器人[7]，根據不同的生產要求主要有如圖1所示幾類：

3 農業機器人的問題及不足

機器人的出現給各個產業帶來了生機，人們的生產生活方式發生了巨大的變化，但與一些發達國家相比我國農業機器人的發展在某些方面還是比較落后，今后需要進一步向更智能化、更自動化、更先進發展。現階段的機器人仍有許多不足，總結主要有如下幾點：

1）比如農業機器人的智能化程度較低、處理問題的方式單一；

2）制造成本高研發難度大，使得農業機器人的推廣面臨巨大的挑戰；

3）普遍存在的問題是農村勞動力短缺，機械化規模小，普及率低，很難實現標準化統一；

4）發展不夠成熟，大批量研發使用還會有一定的風險；

5）創新型人才短缺，先進的生產技術難以得到普及運用；

6）農業機器人作業是季節性的大多都針對農業生產中的某一環節，功能單一，利用效率低。

4 農業機器人的發展前景及趨勢

科技水平飛速發展不僅改變了傳統的農業生產方式而且緩解了勞動力人口短缺的現狀，代替人們自主完成枯燥且長時間重復的工作。現階段，農業機器人也正發生著向小型、低耗、智能化和自動化轉型，農業互聯網技術是當前普遍流行的農業種植管理方式，實現系統化，通過大數據匯聚信息。農業機器人的興起正逐漸成為國內外科研的重點，疫情期間糧需求量增加，解決發展問題必須還要依靠科技的進步，發揮農業科技的力量愈發顯示出高度的重要性。

首先，農業機器人的應用為國家的農業自動化、精準化、智能化發展帶來了強勁動力，在國家經濟、科技都取得快速發展的情況下，加大了對農業機械化發展的扶持力度，通過農業機器人的研發與應用，期望能提升土地生產力以維護糧食安全和社會的穩定。

其次，農業機器人的發展已從早期的平坦陸地衍生到復雜地形、水中和空中領域，由最笨拙復雜的結構發展到輕盈先進的現代化農業機器人，5G網絡的出現再加上物聯網和人工智能、GPS等的普及應用使得機器人的智能化程度得以飛速提升，從而才能更好的為農業生產服務，農業機器人的市場正在迎來快速增長階段。

現已經出現農業機器人替代人們完成繁重的體力勞動、提高生產效率的實例，大大提高了農業生產效率。用科技代替資源，不斷提高資源的利用率，從而提高經濟效益。隨著經濟水平的持續高速發展，我國農業機器人的發展在新的生產模式中會出現良好的機遇，在全球科技的不斷變革下，勢必會有一些新型高端技術的出現，將會不斷改變和影響現代農業的發展，所以農業機器人的研發對我國未來農業的長遠發展意義非凡。