國內外農業機器人研究進展分析

李追風 ，時文濤 ，姬志發 ，劉玉龍

（河南工學院智能工程學院，河南 新鄉 453003）

當前，工業自動化水平和信息技術的日益提高，已經引起了越來越多的農業領域和科技領域的學者關注。姚天曙等（2007）對機器人在農業領域的發展現狀以及應用前景進行了研究[1]，畢昆等（2011）對機器人技術在農業領域的應用方向以及今后機器人在農業領域的發展趨勢進行了研究[2]。但對于國內外農業機器人的對比發展研究卻較少，發表的文獻不多。雖然早在1994年，王偉就對日本農業機器人的發展情況進行了探究[3]，但是在之后很少有學者對國內外農業機器人對比發展領域進行研究。基于此，研究小組對國內外農業機器人發展進行了對比分析，以期引起更多學者對農業機器人發展研究的關注。

1 機器人在農業領域應用中的特點

農業機器人是用于農業生產的特種機器人，是一種新型多功能農業機械。它是以農產品為操作對象、兼有人類部分信息感知和四肢行動功能、可重復編程的柔性自動化或半自動化設備[4]。農業機器人的問世，是現代農業機械發展的結果，是機器人技術和自動化技術發展的產物。農業機器人的出現和應用，改變了傳統的農業勞動方式，促進了現代農業的發展。農業機器人可以提高勞動生產率，解決勞動力不足的問題；改善農業的生產環境，防止農藥、化肥等對人體的傷害；提高作業質量等。在很大程度上幫助農民緩解了勞動強度，減輕了勞動負擔。

機器人在農業領域的應用中有以下三大特點：1）機器人服務對象的復雜性與脆弱性。通常農業機器人的服務對象為農產品，而大多數農產品存在著其他工業產品所不具有的易壞性，更為脆弱，在農業機器人的使用過程中，需要考慮其脆弱性，注重對農產品的保護性[5]。同時因為農產品種類的豐富性多樣，需要農業機器人針對不同種類的農產品提出不同的勞動作業規劃，在必要時也要為不同的農產品研制適合其農產品特點的機器人，以適應農產品種類眾多而造成的復雜性。2）機器人工作環境的復雜性以及不具有完整結構性。農業機器人在進行工作時，一般要在進行范圍內的移動的前提下進行勞作，這就要求機器人要注意不能損傷農產品，在移動過程中增加了機器人的勞作難度，農產品生產環境的復雜程度對農業機器人的應用有一定的限制性。同時，由于農產品生長環境的不同，導致機器人的勞作環境并不具有一個完整的結構體系，農業機器人無法根據一個完整的編程體系來適應不同農產品的勞作環境，這就對農業機器人提出了更高的智能化要求，而機器視覺作為智能農業機器人的外部傳感器，是機器人作業裝備的眼睛，是最大的信息源，具有感知信息豐富、采集信息完整等優勢，因此需要提高機器人在視覺、合理推理及農產品生產環境判斷等方面的智能水平。3）機器人在農業領域使用對象以及價格特征的局限性[6]。農業機器人的使用者是農民，不是具有機械電子知識的工程師，因此要求農業機器人必須具有高可靠性和操作簡單的特點。雖然當今是信息化與技術化較為發達的21世紀，但是對于大多數農民來說，其能接受的農業機器人類型也是操作較為簡單且工作效率較高的機器人，而對于過于智能以及操作步驟過于復雜的農業機器人并不能適應，這也限制了高水平、智能化農業機器人的應用與普及。而且農業機器人的生產也需要考慮價格因素，農業機器人出現的主要目的就是降低農業的生產成本，提高農業生產效益，過高的定價會加大農業機器人的普及難度，反而不利于農業機器人的應用與普及[7]。

2 國內外農業機器人發展現狀

2.1 國外農業機器人研究現狀

國外發達國家由于較早進行第一次工業革命以及第二次工業革命，因此，其工業發展水平較高，機械化、自動化技術研究起步早，農業機器人的研究起步也比較早[8]。早在20世紀80年代，發達國家就開始意識到農業機器人對農業生產的作用，紛紛開始投入資金與科研力量并根據自身實際發展情況，進行農業機器人研發。之后，發達國家研究出了用于嫁接不同植物、能夠提高農產品產量的嫁接機器人，用于提高農產品采摘效率、減輕農民采摘負擔的采摘機器人等多種不同類型符合本國農業發展特色的農業機器人[9]。澳大利亞主要是發展畜牧業，當地農民每年為修剪羊毛要花費大量時間，影響其他生產勞作的進度，根據這一農業生產發展實際，澳大利亞政府投入技術與資金研究了剪羊毛機器人，不僅減輕了當地農民剪羊毛的負擔，也為其農業發展節約了勞動成本，提高了經濟效益；荷蘭發展養殖業，盛產牛奶，這是其農業發展的一大經濟來源，但人工擠牛奶不僅費時，也占用了大量的勞動力資源，于是荷蘭發明了擠奶機器人，為其農業發展提供了技術支撐；英國的蘑菇產量高、品質好，但是采摘蘑菇同樣也是一項費時又費力的工作，影響其農民的經濟收入，占用過多的勞動力資源，因此英國發明了采蘑菇機器人；日本為提高土地的使用效率，發明了插秧機器人，通過整齊有序的插秧順序來最大程度減少對土地資源的浪費，提高農業資源的利用效率[10]。這些國家結合本國的農業發展實際都研究出了不同類型的農業機器人，但是由于價格高昂以及具體農業生產環境復雜性等一系列問題的制約，發達國家的農業機器人在實際的應用與普及方面仍然存在不足，僅有部分發達地區實現了農業機器人的普及，這也就意味著發達國家當前農業機器人的研究尚未進入成熟階段，需要進一步努力來解決農業機器人普及較為困難的問題。

2.2 我國農業機器人研究現狀

相對于國外發達國家，我國對農業機器人的研究相對較晚，在20世紀90年代開始起步。因為受第一次工業革命與第二次工業革命的影響比國外發達國家少，除了農業機器人研究起步較晚外，還存在著技術化、機械化觀念薄弱以及技術發展不成熟的問題。但在改革開放之后，國家開始意識到我國科技信息化技術發展薄弱的問題，開始加大對技術化信息化發展的扶持力度，農業機械化的發展也在逐漸走向正軌。同時，國家通過制定相關農業機械化政策鼓勵農民進行農業機械化建設，雖然我國對機器人的研究起步相對較晚，但產業發展迅速，同時政策上支持力度較大，工業和信息化部、發展改革委、財政部于2016年就曾聯合發布《機器人產業發展規劃（2016—2020年）》，為農業機器人的進一步發展提供了新機遇；社會也積極向農民宣傳農業機械化所帶來的益處，從而引導農民樹立農業機械化、技術化的觀念，為農業機器人的應用與普及提供了技術與觀念基礎[11]。國家對于農業機器人的研發在多方面投入，同時借鑒西方發達國家機器人研制成功的經驗，研發了適用于我國國土面積大、平原土地資源較為豐富特點的農業機器人，如噴藥專用無人機以及噴藥機器人。中國農業大學副教授張春龍指出：“我們經過調研發現，在規模農業較發達地區，智能農機有著可觀的潛在需求，不但可以降低高昂的人工費用，還可以進行精準作業，減少農藥、化肥等施用量，為農業可持續發展提供技術支撐。隨著我國農業機械化規模化發展，中國農業向智能化升級已經成為可能。”越來越多的耕地需要依靠集體經營、規模化生產，我國農業機器人的推廣，主要集中在大田作業中自動駕駛農機、農業植保無人機等的應用。大田無人農機已能夠替代人工，實現自動駕駛、工作環境監測、農業決策以及其他具體操作。

3 農業機器人發展存在的問題及對策

3.1 農業機器人智能化薄弱

1）不足之處：無論是西方發達國家還是我國，在農業機器人的投入方面都不如工業機器人受重視，因此在農業機器人的智能化方面，國內與國外發展都比較薄弱，大多數國家都止步于能夠基本滿足農業生產需求，而對于智能化農業機器人研究并沒有給予更多的關注[12]。例如，當前生產的國內外農業機器人雖然對于視覺定位以及人工智能方面已有研究成果，但是現代的農業機器人依舊沒有達到能夠獨立完成一整條農業生產作業的水平，仍然需要依靠人的力量來指示其完成生產勞作任務，并沒有實現真正意義上的智能化。

2）可行性策略：提高對農業機器人研究的重視程度，從政策方面加大對農業機器人的扶持力度[13]。由于智能化農業機器人的設計制造結構更加復雜，如受自然光照多變、待作業空間復雜多變、作業對象千姿百態、枝葉果實相互遮擋等影響，這都是農業機器人作業中信息視覺感知的技術難題，因此研發的難度比較大，并且智能化農業機器人需要的資金投入與科研投入較大，只依靠學術界先進學者以及技術人士的努力還不夠，需要國家政策的扶持[14]。例如，政府加大資金以及科研技術的投入，建立獎勵制度，為科研人員提供更為優厚的待遇，提高他們研發智能化機器人的積極性。

3.2 智能化機器人研發成本過高

1）不足之處：智能化機器人研發成本過高的問題也是世界各國對此投入較少的一大原因。根據農業機器人的發展特點來看，大多數農業機器人只適用于一種或者幾種農產品的生產，很多農業機器人因使用的頻率較少而被閑置，進一步增加了智能化機器人生產以及維護的成本，可能造成并不能提高農業生產效益的問題。

2）可行性策略：根據農業發展特點有選擇性地研發智能化機器人，如俄羅斯由于緯度較高、氣候寒冷，并不適合玉米等糧食作物的生長，那么就不需要在這一方面的農業機器人上多費精力進行研究，即使研究成功，其智能化機器人的研究成本也超過了其最后收獲農產品的價值[15-16]。但其畜牧業發達，如果在畜牧業上研發智能化機器人，使其幫助農戶完成整個養殖生產鏈，可提升畜牧業經濟效益。

4 結束語

農業機器人的研制是不斷發現問題、解決問題的過程。農業機器人想要實現普及，還是需要“因地制宜”。另外，想要找到農業機器人最佳的作業方法，只有攻克了技術難關才行。不過，未來發展機械化、智能化農業，是一個大的發展趨勢，目前還沒普及，只是時間的問題。因此，國內外農業機器人的發展都需要各國政府的政策支持以及資金支持，需要各國根據本國農業發展特點有選擇性地發展智能化機器人，農業機器人的應用與發展才能進一步取得突出成果，提高農業經濟效益。