智能机器人在农业中的应用

胡 科 王瑞雪 田思远

（荆楚理工学院 湖北荆门 448000）

农业是人民生产和生活的根本，世界大国均是农业大国，农业的发展水平在一定程度上决定了国家的发达程度。然而近年来，随着新一代信息技术和人工智能技术的不断发展，农业已经逐步从手工、机械化农业向智能化农业方向发展[1]。以往的传统农业机械，借助智能化技术成为智能化机械。智能化农业机械在农业领域的应用，实现了先进智能化技术和传统作业模式的深度融合，降低了人工劳动作业程度，提高了劳动生产率，促进了农业的快速发展。其中，大力发展具备知识学习和创造能力的智能机器人是促进农业发展的主要举措之一。

1 智能机器人简介

智能机器人的发展由来已久，最早开始于美国和英国等众多发达国家。我国20世纪70年代开始着手农业智能机器人研究工作，直至90年代，机器人作业执行的精准性问题得以解决后，机器人的研究才取得了突破性进展[2]。如今智能机器人已经广泛应用于农业自动化领域，大幅提升了农民的劳动生产率。农业智能机器人，从本质上讲是一种应用于农业生产和生活的机器，它和传统机器人的不同在于，智能机器人是受不同程序控制以完成不同作业任务的执行，具备感知和适应作业环境的能力，同时具有检测和预测功能的新一代无人自动化机械设备。智能机器人在农业自动化中的应用主要体现在作物采摘、作物嫁接、农作物喷涂等方面，和智能机器人相关的关键技术有导航规划、线路识别技术、数据集成分析技术、多维信息的融合技术等。

2 在农业中的应用

2.1 作物的采摘

针对不同作物，智能机器人的样式和作业方式也不同，每一类作物的采摘机器人会根据作物的特点、成熟度等表征特点而设计，如西瓜、黄瓜、冬瓜和西红柿的采摘作业各不相同。文章以西红柿和苹果采摘机器人为例介绍智能机器人在作物采摘中的应用。

西红柿机器人主要由视觉检测、采摘作业执行装置组成。其中视觉检测装置配置有彩色摄像装置，主要用于视觉的检测，用来检测果实的成熟度，以便更好地选择果实。为了避免采摘过程中对农作物造成损害，采集作业执行装置搭载了较长的机器人手臂，具备一定范围的操作面[3]。为了避免采摘过程中对果实造成损害，还在采摘机器人的底端设置了柔软的衬里，以及相应的压力传感器装置，保障了机器人可高效地采摘西红柿。在具体采摘过程中，机器人可根据光传感器和反射装置，自动确定西红柿的采摘时间，每个西红柿的采摘时间一般会在1.5 s 左右，采摘的成功率接近八成。

苹果的采摘机器人，设计的采摘空间尺寸大约有5 m2，由1 个移动机构和3 个旋转机构组成，同时还安装了果实收集结构，避免果实在收集过程中受到损伤，保证了水果采摘的新鲜度。经过实际应用验证，本装置的果实采集成功率接近九成[4]。

采摘类的机器人，其基本作业流程为：视频采集装置首先根据传感器和红外遥控器反馈的信息确定果实的成熟度，如果果实成熟则进入采摘作业流程，否则转移到下一个采集点。

采集流程：设备在主控制器的作用下，主控制板输出控制指令给控制模块，使得自由度机械臂和履带底盘结构的机器人，调动机械臂，完成果实的抓取。果实抓取完成后，会自动进入收集装置，最大限度降低果实的受损程度，保障果实的新鲜度。

2.2 作物的喷涂

日本在农作物喷涂方面的智能化机器人技术较为领先，其灵感来源于汽车行业，采用仪表、压力装置，并且含有自动喷雾装置。其基本原理为：机器人的行走路径受电缆控制，电缆中通有电流，电流流经电缆会产生电磁场。喷药机器人控制装置，在收到电缆发出的电磁信息后，可控制机器人的行走方向，而具体喷洒作业是由自动喷雾控制器负责。

智能喷药机器人可对各类树木和农作物进行喷药操作，在药物喷洒过程中，还可智能判断行走方向，如进行转向或者拐弯操作。此种机器人还包含接触传感器和超声波传感器控制系统，主要用于检测周围的环境。一旦药物喷洒系统遇到障碍物后，传感器会自动发出告警信息，对自身执行响应保护措施。机器人具备自动和手动两种操作模式，在机器人的两侧位置，有手动按钮可进行手工操作，将机器人切换至手动模式。

2.3 作物的嫁接

在嫁接机器人方面，日本也处于领先水平。近年来日本TGR 研究院开发了嫁接机器人，主要实现各类作物的嫁接执行工作。嫁接主要包含三个过程：切割、连接和拣选。首先是要选择嫁接幼苗，嫁接机器人可实现自动筛选含有缺陷幼苗，对适合嫁接的幼苗进行嫁接，并自动跳过不适合嫁接的幼苗。经实际应用验证，机器人对嫁接的移植成功率接近百分之百。和日本的全自动作业机器人不同，国内开发的机器人主要是使用计算机控制系统控制，这样可更好地对扦插苗、幼苗及秧苗进行嫁接工作。

除此以外，农业机器人还可用于土壤的光谱检测，作物的扦插，产品的分拣、耕作、播种和施肥，田间除草等。农业机器人的应用场景非常广泛，但机器人并不是万能的，经过实际考察发现，机器人对地形特点和作业面积也有一定要求，只有满足一定条件的地形特点以及作业环境，才能保证机器人顺利完成各类作业。因此，现如今我国农业作业执行中，大部分还是采用自动化机械和手工作业相结合的方式，距离实现完全自动化和智能化机器人作业还有很长的路要走，这一切都取决于智能机器人的关键技术。

3 农业智能机器人的关键技术

全球人口数量的剧增，对食品的质量和安全提出了很大的挑战。为满足世界人民对粮食产量、价格和品质的要求，农业技术的创新和改善变得尤为迫切，在此背景下，智能机器人便是解决这一问题的最好方式之一。从对土壤的状态监控、产品性状的分析、产品的收割到机械除草，均是智能机器人在为产出更加安全的产品做努力。采用小型专业农业机器人代替现有收割机，可降低土地的紧实程度，从而达到能源节约的目的。以上举措不仅可以降低农业成本，而且还能更加高效产出安全的产品。因此智能机器人的使用范围变得更加广泛。阻碍农业智能机器人发展的关键技术如下。

3.1 线路规划和导航技术

如果把机器人比作“正常人”，首要任务是为其设计大脑和眼睛，因为没有大脑，机器人便无法思考，如果没有眼睛，机器人便会误入歧途。因此线路规划和导航便是机器人的核心技术。在实际应用中，机器人在运动过程中需要自行确定工作路线，对自己的路线和目标自行进行规划和导航。现如今机器人采用GPS 技术就可以实现基于厘米精度的定位。同时，还可用信号检测和移动环境定位技术实现机器人的智能定位和方位感知。此种技术虽然迭代次数较多，对控制系统的计算能力要求比较高，但其信息感知量较丰富，从而可以更好地促进和改善自身的工作环境。

3.2 数据集成和分析技术

机器人暴露在农业作业环境中，其接收到的数据多种多样，在实际作业执行过程中，智能机器人的导航和定位系统、目标识别系统都具备优秀的智能属性，所以需要对补贴渠道来源的数据进行集成和分析，然后分析数据以及未来的行走路径和行走环境，把分析结果传递给执行系统，执行系统进行具体的作业执行。通过信息集成和融合，可以提升系统的稳定和健壮性，提升了机器人的测量空间和移动空间，保障了系统具备在困难条件下的超强适应能力。

3.3 多维信息融合技术

通过信息的融合，可实现系统对于外界系统的多维信息综合分析。如可提高系统对物体识别的分辨率，从而提升系统的可靠程度，加强系统在运行期间的稳定程度，使智能机器人在工作期间不会出现故障问题。同时机器人内部还应有信息融合技术和信息增强技术，对外界获取的信息采用一定规则予以加强，以此提高机器人的运动精度和工作效率。

尽管机器人技术在农业范围内已经得到广泛应用，但其局限性仍然存在，这也阻碍了机器人的大范围全面应用。首先其研发成本是首要问题，在智能机器人的研发过程中，不论国外还是国内均投入了大量的研究资金，但这远远不够，还需要更多的资金在将来的研究中逐步投入，因此资金不足也成为机器人技术发展缓慢的关键因素之一。另外，在外界环境识别和技术判断上仍存在很大缺陷，这使机器人因外界环境的变化而受到很大影响。各类分析算法和路径规划算法的执行效率还需要得到不同程度的提升。机器人的智能化水平仍有待提升。

4 结论

随着我国农业水平越来越高，农业自动化水平已经经过跨越式发展，各类智能机器人逐步进入农业生产和生活中。尽管智能机器人的智能化水平在现阶段还存在不足，其应用面也未达到全面应用的程度，但随着信息技术和计算机算法的不断发展，智能机器人必将是未来的方向之一。加上两化融合的持续推进，不论从经济还是政策上的投入正在不断加大，因此未来智能机器人的前景比较广阔，将来不仅在农业而且在其他行业也会经常出现智能机器人的身影。