农业机器人的应用与发展现状
农业机器人的应用与发展现状
摘要：本文总结了农业机器人的产生背景，概括了农业机器人的特点，并针对目前农业农业机器人的应用现状做了全面概述，并从国内外各个国家的农业机器人的研究状况概述了当前机器人的进展现状。
关键词：农业机器人应用现状国内外进展现状
1、农业机器人的开发背景
随着电子技术和运算机技术的进展，产生于美国的智能机器人技术正越来越被世界各国所重视，它已在许多领域得到了广泛的应用。在农业生产中，由于易对植被造成损害、易污染环境等缘故，传统的机械通常存在着如此或那样的缺点。为了解决那个咨询题，国内外都在进行农业机器人的研究。智能化和自动化技术的长足进展，为应用于非结构化环境的农业机器人开发打下了坚实的理论基础，如近几年显现的耕耘机器人、嫁接机器人、农药喷洒机器人、瓜果采摘机器人、温室治理机器人等[，差不多上现代高科技在农业上综合运用与进展的结果。使用农业机器人能够提升劳动生产率,解决劳动力的不足改善农业生产环境，防止农药、化肥等对人体的损害提升作业质量。农业机器人有关于传统农业机械能够更好地习惯生物技术的新进展，农业机器人的咨询世，有望改变传统的劳动方式，改善农民的生活劳动状态。
我国是一个农业大国,尽管农业人口众多，但随着工业化进程的持续加速，能够估量农业劳动力将逐步向社会其它产业转移，实际上进入21世纪后，我国将面临着比世界任何国家都要严峻的人口老龄化咨询题，农业劳动力不足的咨询题将日益凸现[。在日本、美国等发达国家,农业人口少随着农业生产的规模化、多样化、精确化,劳动力不足的矛盾越来越突出,许多作业项目如蔬菜、水果的选择与采摘等差不多上劳动密集型工作,再加上农时季节要求,劳动力短缺的咨询题越来越突出。因此，世界各国对农业机器人专门重视，投入了大量的资金和人力进行机器人的研究开发。
近年来，随着工业机器人的高速进展与广泛应用，在农业领域的机器人也进展专门快，估量21世纪将是农业机器人的时代[。
2、农业机器人的特点
农业机器人是一种以农产品为操作对象、兼有人类部分信息感知和四肢行动功能、可重复编程的柔性自动化或半自动化设备。它能减轻劳动强度, 解决劳动力不足, 提升劳动生产率和作业质量, 防止农药、化肥等对人体的损害[。
2.1作业对象的柔嫩性和复杂性
农作物具有脆弱、易伤的特性, 且其形状复杂, 生长发育程度不一, 相互差异专门大。
2.2作业环境的结构性不统一
随着农作物时刻和空间的变化, 机器人工作环境也是变化的、未知的。作物生长环境除受地势条件的约束外, 还直截了当受季节、天气等自然条件的阻碍。这就要求农业机器人要在视觉、推理和判定等方面具有相当的智能。
2.3作业过程的复杂性
农业领域的行走不是从动身点到终点的直线行走, 而是具有范畴狭窄、距离较长和遍及整个田间表面等特点。通常是农业机器人作业与移动同时进行而且工作时具有特定的位置和范畴。
2.4操作对象和价格的专门性
农业机器人的操作者农民，并不具备较高的机械电子知识水平，因此农业机器人还必须具备专门高的可靠性和操作简单的特点。另外农业机器人是以个体农民经营为主，如果不具备价格优势，就专门难得到普及应用[。
3、农业机器人的应用现状
农业生产大致能够分为两类：一类是在大面积农田中进行作业的土地利用型农业，另一类是在温室或植物工场中进行作业的设施型农业。农业机器人按照解决咨询题的侧重点不同，用于前者的称为行走系列农业机器人，用于后者称为机械手系列机器人。
3.1 行走系列农业机器人
行走系列农业机器人的要紧目标的自主行走，边行走边作业。它的作业条件受地理环境的阻碍。因此要保持机器行走的速度与姿势，从而得到高质量作业，是目前开发此类农业机器人必需解决的咨询题，下面介绍几种活跃在农田中的机器人。
3.1.1自行走耕作机器人
自行走式耕作机器人是在拖拉机的基础上加上方位传感器和嵌入式智能系统等, 可在耕作场内辨别自身位置, 推动执行机构动作, 实现无人驾驶; 配上各种农具, 能进行各种田间作业, 从而保证田间垄作方向正确与耕作精准。随着GPS(全球卫星定位系统)的应用, 卫星导航和精确定位行驶进展成熟, 自行走式耕作机器人的技术也随之成熟, 并已处于有用性时期。
3.1.2施肥机器人
施肥机器人除具备在田间作业自动行驶的功能外, 会按照土壤和作物种类的不同, 自动按不同比例配备营养液, 运算施肥总量, 降低农业成本, 减少施肥过多产生的污染。
3.1.3除草机器人
除草机器人采纳了先进的运算机图像识别系统、GPS 系统。其特点是利用图像处理技术自动识别杂草, 利用GPS 接收器做出杂草位置的坐标定位图。机械杆式喷雾器按照杂草种类数量自动进行除草剂的选择和喷洒。如果引入田间害虫图像的数据库, 还可按照害虫的种类与数量进行农药的喷洒, 起到精确除害、爱护益虫、防止农药过量污染环境的作用。
3.1.4水田治理作业机器人
水田中的作物是有规则的栽种，因此也能够通过测量作物方位进行机器人式作业。日本农林水产省农业研究中心开发的机器人式水田治理作业机能对水稻进行洒药与施肥等作业。该机器人的自主行走系统采纳类似猫的胡须的接触传感器，沿着列行走，到地头时自动停止，并转一个作业宽度至返回方咨询，再由操作者确认是否进入正确稻列进行作业，这是半自动作业方式。
3.1.5收成及治理作业机器人
这种机器人按照预先设置的指令，利用自动操纵机构、陀螺罗盘和接触传感器，从而自动进行田间作业。在该类机器人的研究上，日本开发了利用棒状传感器检测稻株，靠离合器闸的接通与断开实现转向的方向自动操纵的联合收割机。美国新荷兰农业机械公司研制多用途的自动化联合收割机器人，它专门适合在美国的一些专属农垦区大片整齐规划的农田中收割庄稼。
3.2机械手系列机器人
机械手系列机器人的目标是对作业对像的识别，它的作业对象是果实、家畜等离散个体。由于作业对象的差不多生理特点和力学特点等不同，开发该机器人的重点应放在检测数据的采集上，从而开发不同的传感器。传感器的融合技术在近年来已被引入到机器人识别研究中，开发新型传感器以及提出新的融合方法，提升灵敏度和反应速度以完善探测结果，是今后重要的研究方向。目前，属于该系列的机器人要紧有下面几种。
3.2.1嫁接机器人
嫁接技术广泛应用于蔬菜和水果的生产中, 能够改良品种和防止病虫害。嫁接机器人是一种集机械、自动操纵与园艺技术于一体的高新技术,
可在短时刻内把蔬菜苗茎秆直径为几毫米的砧木和芽坯嫁接为一体, 大幅
提升嫁接速度, 同时幸免了切口长时刻氧化与苗内液体的流失, 提升了嫁
接成活率, 大大提升了工作效率。嫁接机器人在日本应用十分广泛, 中国农业大学领先在我国开展了自动化嫁接技术的研究工作, 先后研制成功了自动插接法和自动旋切贴合法嫁接技术, 形成了我国具有自主知识产权的嫁接机器人技术。
3.2.2采摘机器人(果实收成机器人)
近年来, 为提升果品蔬菜的采摘效率, 国外开发了一系列采摘机器人。该类机器人采纳彩色或黑白摄像机作为视觉传感器来查找和识别成熟果实,要紧由机械手、终端握持器、视觉传感器和移动机构等要紧部分组成。一样机械手有冗余自由度, 能躲开障碍物, 有时终端握持器中间有压力传感器, 幸免压伤果实。在专门多国家差不多广泛投入使用的有番茄采摘机器
人、黄瓜采摘机器人、葡萄采摘机器人、西瓜收成机器人和柑橘采摘机器人等。
3.2.3育苗机器人(移植机器人)
育苗机器人要紧是用于蔬菜、花卉和苗木等种苗的移栽。它把种苗从插盘移栽到盆状容器中, 以保证适当的空间, 促进植物的扎根和生长, 便于装卸和转运。现在研制出来的育苗机器人有两条传送带: 一条用于传送插盘, 另一条用于传送盆状容器。其他的要紧部件是插入式拔苗器、杯状容器传送带、插漏分选器和插入式栽培器。在许多情形下, 种子发芽率只有70%左右, 而且发芽的苗也存在坏苗, 因此育苗机器人引入图像识别技术进行判定。通过探测之后, 准确判别好苗、坏苗和缺苗, 指挥机械手把好苗准确移栽到预定位置上。育苗机器人大大减少了人工劳动, 提升了移栽操作质量和工作效率。
3.3其他机器人
其他一些专门的农业机器人(如澳大利亚生产的剪羊毛机器人和荷兰开发的挤奶机器人等)差不多投入生产中, 其技术差不多专门成熟。
3.3.1剪羊毛机器人
澳大利亚成功研制了剪羊毛机器人。第一将羊固定在可作三个轴心转动的平台上，然后将有关羊的参数输入运算机，据此算出剪刀在剪羊毛时的最佳运动轨迹，然后用液压传动式剪刀剪下羊毛。由试验结果表明，机器人要比熟练的剪毛工剪得快。
3.3.2挤奶机器人
1992年荷兰科学家开发了挤奶机器人，按照运算机治理的乳头位置信息，用超声波检测器自动找到牛的乳头位置，用计数型机械手进行挤奶杯的装置、奶头清洗和挤奶等作业。
3.3.3葡萄树修剪机器人
1994年英国科学家研制了葡萄树修剪机器人，按照以体会为基础的电脑模型法则，利用摄像机检测树枝，用带剪刀的机械手修剪。
农业机器人的使用还没有完全覆盖整个农业生产领域, 一些蔬菜类收成机械(如白菜收成、油菜收成等)尽管差不多进入研究中, 然而并没有完全
实现自动化。同时, 并不是整个农业生产领域都习惯机器人工作。总之, 进展农业机械化与自动化, 改进现有的生产设备, 来促进农业生产的进展, 以提升我国国民经济水平, 是目前农业机械进展的要紧方向和途径。
4、国内外农业机器人的进展状况
4.1国外农业机器人的进展状况
4.1.1日本
日本是研究农业机器人最早的国家之一，日本的农业机器人技术进展也最为成熟，这与日本自身岛国的自然资源条件是分不开的。早在20世纪70年代后期，随着工业机器人的进展，对农业机器人的研究工作逐步启动，已研制出多种农业生产机器人，如嫁接机器人、育苗机器人、农药喷洒机器人、扦插机器人、施肥机器人、番茄采摘机器人、移栽机器人、黄瓜采摘机器人和葡萄采摘机器人等理论与应用都居世界前列。2O世纪9O年代以来，“精确农业”技术的研究与应用在发达国家受到了普遍的重视，已被国际农业科技界认为是21世纪实现农业可连续进展的先导性技术之一。
4.1.2美国
美国的农业机器人技术进展也专门快。由于美国自身科学技术发达，领土宽敞，农业机械化程度专门高,其行走式农业机器人理论技术进展得专门成熟。美国新荷兰农业机械公司投资250万美元发明了一种多用途的自动化联合收割机器人，专门适合在美国一些专属农垦区的大片规划整齐的农田里收割庄稼[6]。
4.1.3西班牙
西班牙发明的采摘柑橘机器人由一台装有运算机的拖拉机、一套光学视觉系统和一个机械手组成，能够从桔子的颜色、大小和开关判定出是否成熟并决定能不能够采摘。它每分钟摘柑桔60个，是人工采摘的7倍[7]。另外，采摘柑桔机器人能够依靠装有视频箱的机械手对当即采摘下来的柑桔按大小进行分类。
4.1.4英国
英国西尔索研究所开发的采蘑菇机器人装有录像机、红外线测距仪和视觉分析软件，能够第一确定哪些蘑菇能够采摘以及属于哪种等级，然后测出其高度以便进行采摘。它每分钟能摘蘑菇40个，比手工快两倍[8]。
4.1.5法国
法国研制的分拣机器人能在潮湿肮脏的环境里工作，把大个番茄和小粒樱桃加以区别，然后分别装运开来。它还可用来分拣不同大小的土豆，同时可不能碰坏它们。
4.1.6丹麦
丹麦科学家研制出一种可用于农田除草的机器人。这不仅能够减少农民的辛劳，而且能够大幅度减少除草剂的使用。这种机器人有4只轮子，由电池驱动。除草机器人使用1 台照相机来完成地面扫描，它还携带着识别软件，使用15 种不同的参数来描述杂草的大小和对称性等外部特点，最终通过GPS（全球定位系统）来给杂草定位[9]。使用这种机器人，能够减少除草剂的使用量。尽管除草剂专门廉价，对农民来讲算不了什么，但减少使用量使环境成了最终的受益者。科学家认为，要把杂草和庄稼没有错误地区分开是个专门难的咨询题，因此还需要更多的研究。
4.1.7澳大利亚
剪羊毛机器人是澳大利亚于20世纪80年代中期制造出来的,是世界上第1个能够在活的动物身上进行作业的机器人。它用一只手按住羊的头部,用两只手按住羊的脚,把羊按在专用的平台上,还有两只手拿着两把剪刀,贴着羊的身子飞速地剪羊毛。不论是大羊、小羊、肥羊和瘦羊,它都能把羊毛剪得干洁净净。在剪羊毛时,羊常常会乱动,然而机器人手中的剪子也可不能伤着羊的皮肉。随着科技的进展,剪羊毛机器人也持续地进展,显现了一些新型的机器人。
4.2国内
我国是一个进展中的农业大国，农业咨询题始终是关系到我国经济社会进展的全然咨询题。我国目前已开发出来的农业机器人有：耕耘机器人、除草机器人、施肥机器人、喷药机器人、蔬菜嫁接机器人、收割机器人、采摘机器人等。我国已研制成功蔬菜嫁接机器人并成功进行了试验性嫁接
生产[10]。由中国农业大学研制的蔬菜机器人解决了蔬菜幼苗的柔嫩性、易损性和生长不一致性等难题，能够对蔬菜的砧木和穗木进行自动化嫁接，可广泛用于黄瓜、西瓜、甜瓜等菜苗的嫁接。目前，中国农业大学的科技人员对机器人的机器结构和操纵软件进行了改进，提升了机器作业的可靠性及其操作的方便性。蔬菜嫁接机器人的研制成功，为我国进展温室栽培的蔬菜瓜果嫁接的规模化、产业化提供了一种先进的作业设备。我国还成功地研制出了采摘西红柿机器人。它带有彩色摄像头，能够判定果实的生熟。由于位置误差，它采摘的成功率约为75%[11]，关于实际需要，那个数字是能够同意的。东北林业大学研制出林木球果采集机器人。机器人能够在较短的林木球果成熟期大量采摘种子，对森林的生态爱护、森林的更新以及森林的可连续进展等方面都具有重要的意义，专门好地解决了目前在林区仍要紧采纳人工上树手持专用工具来采摘林木球果的做法。伐根机器人要紧用于收集森林采伐剩余物和培养优质工业用材林。它的应用有望克服我国的森林资源危机，改进我国的森林资源利用。
在中国，作为进展中的农业大国，农业咨询题一直是关系到中国社会经济进展的全然咨询题。目前在我国的农业增长中，农业科技技术已成为要紧的推动力，使得我国以仅占世界AB的耕地养活了世界""B的人口。然而由于经济的不平稳进展、资源的不平稳分配、人口的持续增长以及环境的日益恶化，中国的农业面临着严肃的考查。在接下去的农业进展中，实施精确农业，广泛应用农业机器人，以技术替代资源，提升资源利用率和农业产出率，从而提升经济效益，将是21世纪农业进展的必定趋势。因此，及时研究开发以农业机器人为代表的新概念的农业机械，对我国农业的长远进展有着重要意义。
5、存在的咨询题
目前, 农业机器人要达到有用普及的程度, 存在2 个关键的咨询题:
一是农业机器人智能程度不足的咨询题; 二是生产成本过高的咨询题。
4.1 农业机器人的智能咨询题
农业生产的特点要求农业机器人具有相当的智能和柔性生产能力以习惯复杂的非结构环境,例如辨识和避障能力等。专家纷纷把研究重心从机械
部分转向机器视觉、人工智能方面, 力图解决农业机器人的智能咨询题。技术上在自动导航、视觉辨识定位等方面已有成熟的解决方案, 但总的来讲, 智能系统的进展还不够完善, 农业机器人的智能程度还不能满足农业生产的需要, 专门多任务无法由农业机器人单独完成。且高智能带来的高成本也制约着农业机器人的进展应用。
4.2 农业机器人的成本过高咨询题
目前研制出来的农业机器人大都只针对农业生产某一环节的某一项作业而言, 农业生产的特点之一是季节性强, 造成了农业机器人的使用效率低, 间接地增加了农业机器人的成本。其性价比不能满足市场的需要, 成为制约农业机器人商业化和进一步研究应用的瓶颈咨询题。
因此, 目前对农业机器人的研究多处于实验室的试验时期, 没有得到实际应用。针对农业机器人的智能化程度咨询题, 现时期农业工程领域的专家纷纷把研究重心从机械部分转向机器视觉、人工智能方面, 力图解决农业机器人的智能咨询题。从目前的技术水平来看, 在自动导航、视觉辨识定位等方面已有成熟的解决方案, 但总的来讲, 目前智能系统的进展还不够完善, 专门多任务无法由农业机器人单独完成; 另一方面, 即使是农业机器人具备了相当的智能, 能够完成某种任务, 然而由于其制造成本过高, 开发难度极大而难以实际应用。目前关于农业机器人的研究一样是采纳上文提及的两种实现方式: 采纳工业机器人和独立设计专用机电系统。由于当前工业机器人局限于“专用运算机、专用机器人语言、专用微处理器”的封闭式结构。封闭的操纵器结构使工业机器人具有特定的功能、习惯于特定的环境, 不便于对系统进行扩展和改进, 如增加传感器操纵等功能模块。工业机器人的封闭式结构限制了农业机器人柔性生产能力和智能的扩展。独立设计专用机电系统的实现方式同样存在着扩展性、通用性差的咨询题, 如果用采摘苹果的机器人采摘西瓜, 从末端执行器、机械部分、操纵部分到传感部分都要更换, 相当于重新设计一个新的机器人系统。
6、终止语
从研究现状上看，农业机器人的研究已进入了有用化时期，随着高科技农业进展的需要和机械电子业的日益紧密，农业机器人将持续涌现与完
善。在接下去的进展中，农业机器人将从以下几个方面进展：第一，通过长时刻的摸索，找出最佳的作业方法，以提升农产品的质量与数量。第二，机器人不能简单地仿照人的动作，而要用机器人易于实现的动作代替人的动作，从而在目前难以实现机械化的领域也实现机械化与自动化；另外，通过生物工程使生物形状尽量均一化、规格化，使农机农艺结合，防止机器人结构过于复杂，使其价格合理，便于推广。第三，改变机械手的终端执行器和运算机软件，做到一机多用，以提升效率，降低成本。随着科技和经济的进展，农业机器人作为新一代智能化的农业机械必将得到越来越广泛的应用，能够推测，21世纪将是农业机器人的时代。
农业机器人在农业领域得到专门大进展，其功能差不多专门完备。它们能够代替人的部分劳动，有些人类做不到的情况机器人能够做到，而且工作效率专门高。它们能够从事在困难条件下的重体力劳动、单调重复的工作，如喷洒农药、收割及分选作物等有望由多农业机器人系统完成，以解放出大量的人力资源。机器人正在或差不多替代人的繁重体力劳动，能够连续不间断地工作，极大地提升了劳动生产率，是农业智能化不可缺少的重要环节。随着我国国民经济的连续高速进展,农业产业结构调整和农业生产的集约化以及我国工业机器人技术的快速进展,我国农业机器人的进展将显现良好的机遇。在新的农业生产模式和新技术的应用中,农业机器人作为新一代智能化的农业机械必将得到越来越广泛的应用。
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