农业机器人展望

文/赵春江 国家农业信息化工程技术研究中心

农业机器人与工业机器人一样，其工作过程包括信息感知、路径规划和自主作业。过去，农业机器人在机器人家族中基本没有什么地位，传统机器人分类包括工业机器人和特种机器人，而农业机器人被分类到特种机器人。实际上，农业机器人家族庞大，按应用领域分类，包括大田作业的无人拖拉机、锄草机器人以及设施温室里使用的嫁接、移栽机器人，动物养殖中自动饲喂机器人、自动巡检机器人等。由于农业生产类型多样，过程复杂， 导致农业机器人具有多样性特点。

现在人工智能发展迅速，主要分成五大板块，大数据智能、跨媒体智能、人机混合智能、群体智能、自主无人系统。机器人现在作为人工智能的重要内容，如果对其技术进行分解，有三个板块：第一个是感知，有视觉、触觉、听觉、味觉感觉。然后面对人，农用机器人通过控制软件、安全控制来进行分析、规划。第三是执行机构。

国际上对农业机器人高度关注， 锄草机器人曾刊登于 2007 年《时代周刊》的封面。美国卡内基梅隆大学国家机器人实验室研究了一款田间移动巡查农业机器人，可以在田间不间断自动收集高粱作物的表型信息，为作物表型组学研究提供了有效的技术手段。

农业机器人瓶颈问题分析

机器人的自动化技术现在有一个争论，自动化算不算智能技术？事实上我们的焊接机器人其实没什么智能，就是到某个点，用多长时间，一些焊接材料按上去就行了，这种机器都称它为机器人，所以我们现在加了智能机器人。我们有外部环境，在作物方面，空间层叠分布、枝叶果实遮挡、个体差异较大、部分柔嫩易损，环境方面有光照情况多变、气象条件多变、粉尘泥土干扰、非结构化特征。在理论与技术方面也有挑战，有场景感知、行为规划、执行系统等。

目前，机器人研究热点方向有哪些呢？首先，研发一批让机器人做擅长的事—信息监测、物料搬运、除草、喷药的技术，农业机器人不知疲倦、不惧高温高湿条件，这是代替人力进行农田作物信息采集、物料搬运的上佳选择。农业机器人搭载简单作业执行机构，能够代替人工进行除草、喷药等重复性或有害性作业。这种除草机器人、搬运机器人，功能比较专一，解决一个特定功能，但是做得很好。

聚焦突破复杂作业理论和技术难点。欧美科学家持续关注果蔬采摘、作物授粉及多功能作业等复杂性生产作业中的农业机器人。重点研究作业对象的快速识别、多自由度机械臂动作规划、作业点高精度重复巡逻等相关理论和算法。2015年，Deepfield Robotics发布了能胜任喷药、除草等任务的多功能农业机器人。

在我国，农业机器人研究起步于上个世纪九十年代，结合我国农业特点，科研人员在自动驾驶拖拉机、小型农业移动平台、嫁接机器人、移栽机器人都做了，但是没有产业化。黄瓜采摘机器人，十秒钟才摘一个，如果人工用手摘，十秒钟已经可以摘下来吃掉了。番茄的采摘，需要柔性的设计，这些机械手怎么设计，怎么样防止破裂，我们的机器人速度比较慢，生物学的柔性设计比较困难，没有完全达到实用化。我们国家在积极推动农业机器人的应用，2017年7月8日，我国首个无人系统应用示范基地在江苏兴化起动。

西红柿采摘机器人

在农业机器人研究应用实践方面。 自主研发的人机交互嫁接机器人目前已经产业化了，人跟机器混合作业，降低成本，提高效率。农机导航技术方面，无人驾驶拖拉机就像汽车一样，汽车在马路上走，我们在农田走。导航这一块，原来强调液压控制，现在强调方向盘控制，北斗卫星还有很多问题，单纯靠北斗卫星，信号精度还是不够的，目前有500至1000台的规模在新疆应用。农技智能问答机器人是一种语音服务，目前我们做了一个全国农业科教云平台，依据问答数据和专家经验，入库精准问答记录2000万对，并自实时更新。这些数据慢慢形成知识了，我们把它变成语音，实现智能化的语音服务，目前工作已经做完了，我想将来一个村、一企业，也可以放这个机器人。目前已经在全国广泛的布局和推广应用。

农业机器人 未来大有作为

目前，面向国家重大需求，大力发展农业机器人。其发展路径是按自主水平和执行机构性能划分：从简单的任务开始，基本无作业、非精细作业应用、可用于精细作业、胜任各类作业。引用新技术，比如，应用深度学习提高机器人感知与决策能力。有了感知，有了信息，才能做决策。另外，可以采用触觉反馈控制，增强农业机器人感知与执行能力。通过力矩信号、压电信号、肌电信号反馈，调节执行机构。 引入新材料。比如，纳米材料、复合材料、3D打印等，改善农业机器人执行能力，包括新材料、新型执行器、新型传感器。人机共融，由人适当参与并指导机器人，提高作业效率。

随着农业劳动力成本的大幅度提高，人工智能和新材料技术的快速发展，机器人关键部件性价比大幅度提升，我们有理由相信农业机器人在农业生产中将大有作为，预计到2024 年全球将有 70～100 万台农业机器人在田间工作。