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　　農(nóng)業(yè)機(jī)器人e文盡覽現(xiàn)在知道正當(dāng)其時(shí)（上）

隨著機(jī)器人行業(yè)的快速發(fā)展，支撐了我國農(nóng)業(yè)機(jī)器人應(yīng)用迎來發(fā)展的春天。本文就我國農(nóng)業(yè)機(jī)器人發(fā)展獻(xiàn)出一家之言，讀者諸君若感有益，則某愿足矣。

一、廣泛應(yīng)用農(nóng)業(yè)機(jī)器人是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)大趨勢

1、什每是農(nóng)業(yè)機(jī)器人

機(jī)器人指的是在計(jì)算機(jī)編程之下能自動進(jìn)行一系列復(fù)雜動作的機(jī)器。能夠在各種復(fù)雜的環(huán)境代替人工作，現(xiàn)已逐漸應(yīng)用于各大領(lǐng)域。通俗地說，農(nóng)業(yè)機(jī)器人就是“人工智能+農(nóng)業(yè)機(jī)械+衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)”，是一種能自主完成作業(yè)的智能化農(nóng)業(yè)機(jī)械。有人從自動化角度定義，認(rèn)為農(nóng)業(yè)機(jī)器人是一種以農(nóng)產(chǎn)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(fù)編程的柔性自動化或半自動化設(shè)備。也有人從提高勞動生產(chǎn)率角度定義，認(rèn)為農(nóng)業(yè)機(jī)器人能夠逐步代替人力而且不斷幫助農(nóng)業(yè)生產(chǎn)降低勞動強(qiáng)度，同時(shí)，其還可提高勞動效率，幫助解決目前許多國家面對的勞動力稀缺難題。仁智互見，觀者自主采用之。

農(nóng)業(yè)機(jī)器人越來越受到農(nóng)業(yè)人口較少的發(fā)達(dá)國家的重視，也成為國際農(nóng)業(yè)裝備產(chǎn)業(yè)技術(shù)競爭的焦點(diǎn)之一。相對而言，我國與發(fā)達(dá)國家水平差距明顯，如農(nóng)牧業(yè)工藝與機(jī)械設(shè)備結(jié)合的不夠緊密，國內(nèi)穩(wěn)定性、故障率、易用性等指標(biāo)不理想，生產(chǎn)成本較高，生產(chǎn)效率偏低，智能化程度不高，核心算法的差距顯著等。

隨著農(nóng)業(yè)勞動力成本不斷提高，農(nóng)業(yè)要提高競爭力，未來的農(nóng)場一定將是無人農(nóng)場。這將會需要大量的農(nóng)業(yè)機(jī)器人，國內(nèi)很多研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)也在探討無人農(nóng)場，也建設(shè)了無人農(nóng)場的示范，雖然我國對機(jī)器人的研究起步相對較晚，但產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，同時(shí)政策上支持力度大。工業(yè)和信息化部、發(fā)展改革委、財(cái)政部于早前就曾聯(lián)合發(fā)布《機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016—2020年）》，為農(nóng)業(yè)機(jī)器人的進(jìn)一步發(fā)展提供了新機(jī)遇。

2、農(nóng)業(yè)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀

有資料顯示，農(nóng)業(yè)機(jī)器人目前已成為世界熱點(diǎn)，2017-2021年期間，人工智能在農(nóng)業(yè)中應(yīng)用的年復(fù)合增長率為22.68%。2016年為27.6億美元，2020年達(dá)到111億美元，保守估計(jì)2025年將達(dá)308億美元。主要包括農(nóng)業(yè)無人機(jī)，無人拖拉機(jī)、智能收獲機(jī)、智能除草機(jī)、擠奶機(jī)器人、農(nóng)業(yè)自動化與控制系統(tǒng)等。農(nóng)業(yè)機(jī)器人的廣泛應(yīng)用，是人工智能農(nóng)業(yè)領(lǐng)域市場快速發(fā)展的重要因素。而目前我國農(nóng)業(yè)機(jī)器人研究產(chǎn)出規(guī)模雖已超過美國，同時(shí)重點(diǎn)關(guān)注在收獲和采摘機(jī)器人，但差距也是顯而易見的。

二、國內(nèi)外農(nóng)業(yè)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀

1、農(nóng)業(yè)機(jī)器人領(lǐng)先國家

目前世界農(nóng)業(yè)機(jī)器人研制和應(yīng)用前10國家有：中國、美國、西班牙、德國、澳大利亞、荷蘭、以色列、意大利、英國和日本。其中，美國、以色列、日本處第一梯隊(duì)；我國處在第二梯隊(duì)靠前的位置。各國的熱點(diǎn)研究主題主要集中在作業(yè)場景與關(guān)鍵技術(shù)，分布較為不平均。其中我國比較關(guān)注的是收獲和采摘機(jī)器人的研究，而美國、澳大利亞、荷蘭和英國等更關(guān)注擠奶機(jī)器人，以色列和日本較為關(guān)注收獲機(jī)器人，德國與意大利關(guān)注噴灌機(jī)器人。

日本是農(nóng)業(yè)機(jī)器人研究最早、同時(shí)也是市場發(fā)育最為成熟的國家之一。目前，日本已研制出育苗機(jī)器人、扦插機(jī)器人、嫁接機(jī)器人、番茄采摘機(jī)器人、葡萄采摘機(jī)器人、黃瓜采摘機(jī)器人、農(nóng)藥噴灑機(jī)器人、施肥機(jī)器人和移栽機(jī)器人等多種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)器人，在理論與應(yīng)用方面都居世界前列。日本國家農(nóng)業(yè)和食品研究所發(fā)明的能夠采摘草莓的機(jī)器人，裝有一組攝像頭,能夠精確捕捉草莓的位置,還有配套軟件能根據(jù)草莓的紅色程度來確保機(jī)器人采摘的是成熟的草莓。

美國研究的重點(diǎn)在于行走式農(nóng)業(yè)機(jī)器人，在理論與技術(shù)上都比較成熟。典型代表是美國新荷蘭農(nóng)業(yè)機(jī)械公司發(fā)明的多用途自動化聯(lián)合收割機(jī)器人，很適合在美國一些專屬農(nóng)墾區(qū)的大片規(guī)劃整齊的農(nóng)田里收割莊稼。另外比較典型的還有斯坦福一個(gè)公司開發(fā)的智能生菜生產(chǎn)機(jī)器人，可以實(shí)現(xiàn)生菜的精耕細(xì)作、施肥除草等。

其他國家農(nóng)業(yè)機(jī)器人研究與應(yīng)用方面，比較有代表性的有：

澳大利亞發(fā)明的牧羊犬機(jī)器人，它能在農(nóng)場上代替?zhèn)鹘y(tǒng)的放牧勞力；

德國農(nóng)業(yè)專家采用計(jì)算機(jī)、全球定位系統(tǒng)(GPS)和靈巧的多用途拖拉機(jī)綜合技術(shù)，研制出可準(zhǔn)確施用除草劑的除草機(jī)器人； 法國發(fā)明的專門服務(wù)于葡萄園的機(jī)器人，幾乎能代替種植園工人的所有工作，包括修剪藤蔓、剪除嫩芽、監(jiān)控土壤和藤蔓的健康狀況等；

西班牙發(fā)明的采摘柑橘機(jī)器人，能夠依托機(jī)器視覺技術(shù)從桔子的顏色、大小判斷出是否成熟并控制機(jī)械手進(jìn)行采摘；

英國西爾索研究所開發(fā)的采蘑菇機(jī)器人可以確定哪些蘑菇可以采摘以及屬于哪種等級，然后測出其高度以便進(jìn)行采摘；

法國研制的分揀機(jī)器人能在潮濕骯臟的環(huán)境里工作，把大個(gè)番茄和小粒櫻桃加以區(qū)別，然后進(jìn)行分裝。

2、各國研究主題目前聚集在3個(gè)前沿方向

即作業(yè)對象識別和定位算法優(yōu)化，導(dǎo)航和路徑規(guī)劃算法優(yōu)化，以及對作業(yè)（農(nóng)業(yè)生產(chǎn)）對象的分選與監(jiān)測研究。

在作業(yè)對象識別和定位算法優(yōu)化方面，各國的主要研究對番茄、甜椒、蘋果、柑橘和荔枝等蔬果及雜草和作物病害等的識別，而中國在這一方向上的研究成果相對較多，產(chǎn)品有多種，應(yīng)用效果尚可。

導(dǎo)航和路徑規(guī)劃算法優(yōu)化方面，日本和西班牙的相關(guān)研究則更加超前。

美國在作業(yè)對象的分選與監(jiān)測研究上產(chǎn)出相對較多，研究重點(diǎn)包括果實(shí)分選及水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)測和牛奶產(chǎn)量與風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測等。

3、我國機(jī)器人研制與應(yīng)用進(jìn)展

與國外相比，我國農(nóng)業(yè)機(jī)器人研究與開發(fā)目前尚處于起步階段。目前我們已開發(fā)出的農(nóng)業(yè)機(jī)器人有：

耕耘機(jī)器人、除草機(jī)器人、施肥機(jī)器人、噴藥機(jī)器人、蔬菜嫁接機(jī)器人、收割機(jī)器人、采摘機(jī)器人等。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的摘黃瓜機(jī)器人利用多傳感器融合技術(shù)，對采摘對象的成熟度進(jìn)行判別，并確定收貨目標(biāo)，引導(dǎo)機(jī)械手來抓取黃瓜，再用刀片切割瓜藤；

已應(yīng)用的嫁接機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了營養(yǎng)缽苗的供苗、切苗、嫁接和排苗的自動化作業(yè)，廣泛用于黃瓜、西瓜、甜瓜等菜苗的嫁接；

北京農(nóng)林科學(xué)院研發(fā)的草莓采摘機(jī)器人可以自主搜索、識別和采摘成熟草莓果實(shí)，不僅可為草莓采摘降低人工成本，還可減輕工作強(qiáng)度；

東北林業(yè)大學(xué)研制出林木球果采集機(jī)器人，可以在較短的林木球果成熟期大量采摘種子，很好地解決了目前在林區(qū)仍主要采用人工上樹手持專用工具來采摘林木球果的做法；

對森林的生態(tài)保護(hù)、森林的更新以及森林的可持續(xù)發(fā)展等方面都具有重要的意義，伐根機(jī)器人主要用于收集森林采伐剩余物和培育優(yōu)質(zhì)工業(yè)用材林。它的應(yīng)用有望克服我國的森林資源危機(jī)，改進(jìn)我國的森林資源利用。

4、農(nóng)業(yè)機(jī)器人應(yīng)用不可逆轉(zhuǎn)

全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的集約化和規(guī)?；M(jìn)程不斷加快，但無疑隨著人口的穩(wěn)定和下降趨勢，世界農(nóng)業(yè)勞動力一定會不斷減少。這一減少使農(nóng)業(yè)機(jī)器人的需求持續(xù)加大，形成了巨大的市場需求蛋糕。實(shí)力農(nóng)機(jī)企業(yè)應(yīng)及時(shí)介入，爭得自己的一席之地。

由于農(nóng)業(yè)環(huán)境和作業(yè)對象的復(fù)雜性、多變性和非結(jié)構(gòu)性，目前可以看到，農(nóng)業(yè)機(jī)器人研發(fā)難度大，相關(guān)作業(yè)效果有待提高。

因此在作業(yè)對象識別和定位、導(dǎo)航和路徑規(guī)劃、作業(yè)對象的分選與監(jiān)測等前沿方向上，要以開放創(chuàng)新的理念開發(fā)和應(yīng)用新技術(shù)，促進(jìn)具有多環(huán)境適應(yīng)性的智能農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研發(fā)，盡快形成產(chǎn)（商）品市場能力。

在技術(shù)上，隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)和人工智能等新一代信息技術(shù)與農(nóng)業(yè)技術(shù)的深度融合，農(nóng)業(yè)機(jī)器人作為新一代智能化農(nóng)業(yè)機(jī)械將突破瓶頸并得到廣泛應(yīng)用。

5、我國農(nóng)業(yè)機(jī)器人發(fā)展趨勢

未來農(nóng)牧機(jī)器人新技術(shù)研究包括深度學(xué)習(xí)、新材料、人機(jī)共融、觸覺反饋等技術(shù)，都值得全世界人類進(jìn)行探索。深度學(xué)習(xí)提高農(nóng)業(yè)機(jī)器人感知和決策能力，如感知包括表型特征識別、場景識別定位、作物病害識別。決策包括運(yùn)動路徑優(yōu)化、作業(yè)姿態(tài)優(yōu)化、作業(yè)次序優(yōu)化。觸覺反饋控制要增強(qiáng)農(nóng)業(yè)機(jī)器人感知和執(zhí)行能力，如能力反饋的感知與執(zhí)行能力。

新材料可以改善農(nóng)業(yè)機(jī)器人執(zhí)行能力，人機(jī)共融是未來農(nóng)業(yè)發(fā)展重要的一環(huán)，可提高作業(yè)效率，人機(jī)共融技術(shù)減少了研發(fā)成本，由機(jī)器人預(yù)測人的意圖配合完成工作。建立更加龐大的、宏觀的、虛擬的、戰(zhàn)略性的農(nóng)業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無人農(nóng)場，這才是農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)的本質(zhì)內(nèi)涵。