农业机器人的发展现状及趋势

农业机器人的发展现状及趋势

111112

姬江涛,郑治华,杜蒙蒙,贺智涛,杜新武,崔丽慧,刘

31庆,何亚凯

(1.河南科技大学车辆与动力工程学院,河南洛阳401329;3.河南省煤田地质局三队,河南新乡摘

要:

471003;2.重庆卓格豪斯机械有限公司,重庆

453003)

农业机器人是农业机械的高等类型,在降低农民劳动强度、改善农民劳动环境和提高作业效率等方面

对农业机器人的发展历程做了简要概括,并对农业机器人的定义及其工作能力进行了解具有重要意义。为此,

对农业机器人进行了分类,讨论了其在国内外的研究现状与应用情况,并分析了农业机释说明。根据应用领域,

器人在现实应用中存在的问题。在此基础上,对农业机器人的发展趋势做出了预测,旨在为以后的研究提供理论参考。

关键词:农业机器人;发展现状;趋势;智能化中图分类号:TP242.3

文献标识码:A

文章编号:1003-188X(2014)02-0001-04

DOI:10.13427/j.cnki.njyi.2014.02.001

0引言

机器人的概念于1921年由捷克科学家KarelCa-

械技术等多种前沿科学技术于一身。1984年,由京都大学近藤直教授首次成功将机器人引入农业工程领规模化和精准化,域。随着农业生产的日趋工业化、

农业机器人研发已经成为农业工程领域的科研重点之一,其在育苗、移苗、嫁接和农产品收获等方面均得改变到了初步应用。农业机器人在提高农业生产力、解决劳动力不足以及实现农业的规模农业生产模式、

化、多样化和精准化等方面显示出了极大的优越性

[1]

pek首次提出;之后,1953年美国麻省理工学院成功并在此基础上完成了数控技研制出第1台数控机床,

术(NCT)与机械手组合作业,标志着第1台工业机器人的诞生;1959年,德沃尔与美国发明家约瑟夫·英格伯格联合成立世界上第1家工业机器人制造公司;1978年,美国Unimation公司推出通用工业机器人PUMA,工业机器人制造技术趋于成熟。此后,经30余年的理论发展,随着工业机器人理论研究及技术应机器人逐渐被应用于其他领域,并形用的日益深入,

成普遍接受的机器人定义:可编程的多功能操作装置,通过可变的、预先编程的运动完成各项指定任务。目前,机器人分为两大类,即工业机器人和特种机器人。所谓工业机器人,就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人;而特种机器人则指除工业机用于非制造业并服务于人类的各种先进器人之外的、机器人。

农业机器人以完成农业生产任务为目的,隶属于特种机器人范畴,是一种兼有四肢行动、信息感知能力及可重复编程功能的柔性自动化或半自动化智能集传感技术、监测技术、通讯技术及精密机农业装备,

收稿日期:2013-02-26

基金项目:河南省教育厅自然科学研究项目(2010A210004);河南省

科技攻关项目([1**********]1)

作者简介:姬江涛(1965-),男,河南偃师人,教授,硕士生导师。(E通讯作者:贺智涛(1979-),男,河南新乡人,讲师,博士研究生,

-mail)hezt79@163.com。

。受技术水平、从农劳动力市场以及经济现状等

多方面因素的制约,农业机器人在各国均未得到广泛应用。

1

1.1

农业机器人的发展现状

农业机器人的特点

1)农业机器人作业季节性较强。农产品生产的

季节性较强,并且农业机器人的针对性较强、功能单一。因此,农业机器人的使用也具有较强的季节性,从而造成农业机器人的利用率低,增加了农业机器人的使用成本。

2)农业机器人作业环境复杂多变。工业机器人作业环境比较固定,而农业机器人的作业环境一般难以预知。因此,农田作业的机器人需要有较强的环境识别能力,且还要对不同环境有不同的动作反应。

3)作业对象的娇嫩和复杂性[2]。农业机器人的作业对象是农作物,而农作物的娇嫩性对农业机器人的动作提出了更高的要求:农业机器人的执行末端与作业对象接触时需要进行柔性处理;农业机器人的作农作物的生长发育受周围环境的影业对象形状复杂,

因此农作物的空间形态具有很大的不确定响较大,

性,从而要求农业机器人对不同的空间形态进行判断,以实现不同的动作。

4)农业机器人使用对象的特殊性[2]。农业机器人的使用对象是农民。随着人口老龄化程度的提高,从事农业生产的人口也将步入老龄化时代。因此,需要农业机器人必须具有高可靠性和操作简单等特点。

5)农业机器人价格的特殊性[2]。农业机器人的前期研发投入较大,结构复杂,制造成本较高,导致价格昂贵,超出了一般农民的承受能力。1.21.2.1

农业机器人的分类大田生产农业机器人

大田收获大田用农业机器人有大田播种机器人、机器人、大田植保机器人、大田耕作机器人以及大田移栽机器人等。

大田果蔬采摘作业是生产链中最耗时和费力的生产环节之一。另外,采摘作业季节性强,劳动强度大,费用高,因此保证果实适时采收、降低收获作业强度及用工费用是保证农业增收的重要途径。然而,由于采摘作业的复杂性,采摘自动化程度仍然很低。目前,国内外水果采摘作业基本上都是人工进行,其费用约占成本的30%~50%,并且时间较为集中,劳动量大,工时紧张。大田果蔬采摘机器人作为农业机器人的重要类型,在降低工人劳动强度和生产费用、提高劳动生产率和产品质量、保证果实适时采收等方面具有巨大的发展潜力。1.2.2

设施农业机器人

设施农业用机器人有嫁接机器人、花卉插枝机器蔬菜收获机器人、植物工厂机器人和分拣机器人人、

等。其中,嫁接机器人包括蔬菜嫁接机器人和油茶嫁接机器人等。目前,嫁接繁殖技术较为成熟,而人工嫁接效率较低,因此加大嫁接机器人的研究投入,推进高速和高质的嫁接机器人的推广与应用,可取得可观的直接经济利益及生态环境价值。

嫁接机器人工作时只需操作者将砧木盘及接穗盘各自放入指定位置,便可自主完成抓穗、切苗、接合、固定和排苗等作业项目,省时高效,成活率高。通用嫁接机器人工作流程图如图1所示。1.2.3

农产品加工与鉴定机器人

目前,农产品加工机器人有肉类加工机器人、挤奶机器人、剪羊毛机器人和食品安全鉴定机器人等。1.3

国内外农业机器人发展概况

自从20世纪80年代日本将机器人技术引进农业工程领域以来,农业机器人技术得到了飞速发展。在农业机器人研究领域,日本、美国和荷兰处于领先地

位。我国在农业机器人领域起步较晚,技术水平和发达国家存在一定的差距。

图1Fig.1

果蔬嫁接机器人工作流程图Workflowchartofgraftingrobot

1.3.1主要发达国家农业机器人的发展概况

日本的从农劳动力匮乏,为缓解劳动力压力,日本较早地开始了农业机器人的研究,并且始终处于世界领先地位。

日本首先将农业机器人应用于果蔬采摘。目前在日本得到应用的农业机器人有果蔬采摘机器人、耕作机器人、植保机器人、移栽机器人和嫁接机器人等。2009年,日本宇都宫大学工学院尾崎功一氏教授研制出一种可以在不同光照条件下均可进行作业的草莓采摘机器人(如图2所示)。其视觉部由3台彩色摄像机、偏振滤光片以及5盏照明灯组成。两侧摄像机并用立体图像法对果实的位置对红色果实进行识别,

进行识别;中央摄像机对果实位置进行误差修正,从而可以精确确定果实的位置。

日本的Kanae等研制了一台樱桃采摘机器人。该樱桃采摘机器人主要由一个4自由度的机械手、三维视觉传感器、末端执行机构、一台电脑和移动装置构成。通过处理三维视觉传感器来识别果实和障碍物的位置,由此决定末端执行机构的运动轨迹。果实被末端执行机构拾起,同时避免与障碍物碰撞

[3]

1995年,日本冈山大学农学院设计开发了一种用于果园棚架栽培模式的葡萄收获机器人。这种农业机器1个人属于一种多用途农业机器人,由1个操纵机构、视觉传感器、一个数据传输装置和末端执行装置组成。通过变换末端执行装置,可以完成浆果采集、喷药和套袋等工作

[4-5]

。2008年,日本冈山大学的门田

充司教授开发出了一种新型番茄收获机器人(如图3所示)。该番茄采摘机器人主要由视觉部、机械手、控

制部分和转臂4部分组成。工作时,该机器人需要在钢轨上行走。当视觉部分发现成熟的番茄时,控制部使四指式机械手张开采摘番分就会对手臂发出指令,

茄。该机器人从发现目标到采摘完成花费时间在15s以内,对成熟番茄的采摘率在50%~70%之间。

位。在荷兰技术比较成熟的农业机器人有黄瓜采摘机器人、花卉移栽机器人和果枝修剪机器人等。荷兰它由农业与环境工程研究所研发出黄瓜收获机器人,行走车、机械手、视觉系统和末梢执行器4部分组成。试验表明,该机器人的行走车能够快速到达初步作业位置,视觉系统能够探测到黄瓜果实的精确位置及成熟度,末梢执行器可以抓取黄瓜果实并将果实从茎秆上分离

[6]

另外,德国和英国在农业机器人研究方面也处于世界领先地位。1.3.2

我国农业机器人的发展概况

投资少、发展我国的农业机器人的研发起步晚、

慢,与发达国家相比差距还很大,目前还处于起步阶段

[1]

。我国对农业机器人的研究起源于20世纪90

年代,中国农业大学首先对农业机器人进行了研究。

图2Fig.2

日本的草莓采摘机器人

目前,在我国得到初步应用的农业机器人有嫁接机器人、黄瓜采摘机器人、草莓采摘机器人和喷药机器人等。1998年,中国农业大学完成了2JSZ一600型蔬菜自动嫁接机器人的研发,该机器人采用计算机控制,实现了砧木和穗木的取苗、切苗、接合、塑料夹固定和排苗等嫁接作业的自动化操作

[7]

Japanesestrawberryharvesting

robot

;2005年,中国

农业大学针对套管式嫁接的作业特点,在原有蔬菜自动嫁接技术的基础上研制出了套管式蔬菜嫁接机器人

[8]

;2009年,东北农业大学对果实采摘机械手及其

[9]

控制系统进行了研究

图3Fig.3

日本的番茄采摘机器人

;2009年,华南农业大学虚拟

实验研究所进行了荔枝采摘机械手的研究;2011年,中国农业大学农业机器人实验室完成了黄瓜采摘机器人的研究,该黄瓜采摘机器人可以根据黄瓜的外形识别黄瓜的成熟度,一次采摘动作可以在15s内完成。

我国农业机器人的研究开发以高等院校为主,虽然在某些技术方面取得很大的突破,但是整体发展速度仍然不及发达国家。

Japanesetomatoharvestingrobot

美国是机器人的发源地,也是对农业机器人开发比较早的国家之一,自走式农业机器人理论技术发展得比较成熟

[2]

。美国伊利诺伊大学TonyGrift博士和

他的学生NathanaelGringrich开发出了一种太阳能除全球定位系草机器人。该机器人装有超声波探测器、

统、小型摄像机和一台微型计算机,可以精确判断出杂草,并用刀切断杂草,然后在杂草切口处喷上除草剂。2009年,在美国的加利福尼亚州由几个葡萄园投资,由视觉机器人公司完成了葡萄修剪机器人的开发。美国明尼苏达州一家农业机械公司的研究人员推出了一种施肥机器人,它可以从不同土壤的实际情况出发,适量施肥。在美国得到应用的还有采摘机器人以及大田作业的耕作机器人等。

荷兰国土狭小,资源贫乏,是典型的人多地少国家。但是荷兰经济发达,是在世界上占有重要地位的在世界农产品市场上占有十分重要的地农业强国,

2当前农业机器人存在的主要问题

农业机器人已有30年的发展历史,虽然大量的

问题得到了解决,从而推动了农业机器人技术的发展,使农业机器人在一些国家率先得到了应用;但是农业机器人在各个国家均未得到广泛应由于原因,

用。阻碍农业机器人推广与应用具体问题如下。2.1

安全性与工作可靠性差

农业生产的特殊性要求农业机器人具有相当智能和柔性生产能力,以适应复杂的非结构环境。但现有农业机器人的智能化程度还未能完全达到农业生产需要。例如,日本的番茄采摘机器人对成熟番茄的

2014年2月农机化研究

它具有较为人性化的人机对话界面。3.3

具有智能化的识别系统

第2期

采摘率在50%~70%之间,其他采摘机器人的采摘率也不足90%。2.2

农业机器人功能单一,智能化程度偏低

目前的农业机器人开发时作业对象针对性强,一般只能完成一种作业,又由于农业生产季节性较强,造成使用率偏低,从而增加了农业机器人的使用和维护成本。

智能系统的发展还不够完善,农业机器人的智能程度还不能满足农业生产的需要,很多任务无法由农业机器人单独完成2.3

[10]

采摘机器人在采摘果实时,光照条件的不确定性及果实部分或完全被遮挡,导致采摘率较低。因此,应提高机器人的智能性,增强采摘机器人辨识果实和避障能力,进而提高其采摘的成功率。这需要研究人员对视觉传感器技术、视觉与非视觉传感器技术融合、图像获取和图像处理的算法等方面进行更深入的研究3.4

[13]

。另外,在果木修剪、除草和喷药等作业过程

。中也需要有智能化的识别系统。

具有智能化的航迹规划系统

目前现有的导航方式有惯性导航、视觉导航、卫星导航、埋线感应导航和路标导航等

[14]

生产成本高,生产效率偏低

农业机器人作业环境复杂,需要有不同的设备与

相应的环境适应。因此,农业机器人相对于工业机器人来说,结构和控制系统较为复杂,相应地提高了生产成本。

农业机器人是用机器去模仿人类劳动,思维和动作与人类相似,但是机器人动作的灵活度与系统的反应能力永远无法与人类相媲美。如日本冈山大学研发的番茄采摘机器人,采摘1个番茄需要15s,日本的茄子采摘机器人完成一次采摘需要30s,而人工采摘一个番茄或者茄子一般会在3s钟以内完成。2.4

农艺和农业机器人结合的不够紧密

农艺不够统一规范造成农业机器人的作业环境复杂多变。对开发农业机器人的技术要求不统一,给农业机器人的研究开发带来巨大挑战。因此,农业生产的标准化可以有效地推动农业机器人的发展与应用。

。智能化的航

迹规划系统是将以上导航方式的几个结合起来,在机器人工作过程中可以进行智能化切换。其中,最为主要的是视觉导航和卫星导航。

4结语

农业机器人在发达国家的应用较早,其在推动社

会城市化进程、解放人类劳动方面发挥了巨大的作用。我国对农业机器人的研究起步晚,与发达国家的技术水平差距还相当大。中央决策机构应加大对农业机械开发的扶持力度,增加农机开发的投入。同时,推进农机高新技术补贴政策的实施,引导农业机械朝着精准化、自动化及柔性化的发展方向,那么我国的农业机器人技术将迎来蓬勃发展期。参考文献:

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1998,3(2):91-93.国农业大学学报,

3

3.1

农业机器人的发展趋势

具有开放式结构

具有开放式结构的农业机器人系统可以使农业

机器人具有良好的扩展性、通用性和柔性作业的能力。机器人由机械、传感和控制等3大部分组成。通过更换不同自由度的机械部分,适应不同类型的农作物;更换不同的末端执行器,适应不同的作物。针对不同作物,传感器部分适当地增加或减少。控制部分保留足够接口,可以控制足够自由度的机械部分和接收传感器的信号降低使用成本。3.2

具有人性化的人机对话界面

农业机器人的使用者和操作者主要是农民,因此要求必须具有高可靠性和操作简单的特点,才能实现普及

[12]

[11]

。通过开发具有开放式系统的农

业机器人,可以解决农业机械使用率低的问题,从而

(下转第9页)

。因此,农业机器人的另外一个发展趋势就是

2014年2月农机化研究第2期

StatusandProblemsofChina'sAgriculturalProductsTraceabilitySystem

2

JiaNa1,,DongMei1,LiJin2,WeiTao1

(1.Schoolofeconomicsandmanagement,NingxiaUniversity,Yinchuan750002,China;2.NationalEngineeringRe-searchCenterforInformationTechnologyinAgriculture,Beijing100097,China)

Abstract:Inrecentyears,becauseofthemadcowdisease,footandmouthdisease,melaminescandalandthe"HorseMeatCrisis"whichhasnotyetsubsidedinEuropean,foodsafetyproblemhasarousedmoreandmoreattentionofthepeople.However,theretrospectiveofthequalityofagriculturalproductsisaneffectivewaytosolvetheproblemoffoodsecurity.Basedontheanalysisofthecurrentsituationoftheagriculturalproductstraceabilitysystem,thispaperprovidesexistingproblemsofChineseagriculturalproductstraceabilitysysteminthestandards,technology,laws,regulationsandthecost.,andthenputsforwardsomesuggestions.Keywords:agriculturalproduct;traceability;foodsafety(上接第4页)

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AbstractID:1003-188X(2014)02-0001-EA

CurrentSituationandDevelopmentTendencyofAgricultureRobot

JiJiangtao1,ZhengZhihua1,DuMengmeng1,HeZhitao1,DuXinwu1,CuiLihui2,

LiuQing3,HeYakai1

(1.HenanUniversityofScienceandTechnologyVehicel&MotivePowerEngineeringCollege,Luoyang471003,China;2.ChongqingDragonHorseMachineryCo.,Ltd.,Chongqing401329,China;3.TheThirdTeam,CoalGeologyExplo-rationBureauofHenanProvince,Xinxiang453003,China)

Abstract:Agriculturalrobotisahighertypeofagriculturalmachinery,ithasimportantsignificanceinreducefarmers'la-borintensity,amelioratingfarmers'laborenvironment,improvingworkefficiencyandotheraspect.Firstly,thispaperbrieflysummarizedthedevelopmentcourseofrobot.Thenthedefinitionandworkingcapacityofagriculturalrobotwasde-scribed.Agriculturalrobotswereclassifiedaccordingtotheapplicationfields.Currentapplicationandresearchstateofagriculturalrobotwasdiscussedbothindomesticandabroad.Andanalyzedtheproblemofagriculturalrobotintherealapplication.Onthatbasisthepredictionofdevelopmenttrendwasmade.Soastoprovideatheoreticalreferenceforfu-tureresearch.

Keywords:agriculturalrobot;currentsituation;tendency;intelligentize


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