农业机器人在我国的发展与趋势

○农业农村部农机鉴定总站 侯方安 祁亚卓 崔 敏

农业农村部农机推广总站

农业机器人是从事农业生产活动的特种机器人，是一种由程序软件控制，能感知并适应作物、动物种类或环境变化，具有人工智能特征的自动化或半自动化农业装备。现代的农业机器人集成了传感技术、监测技术、人工智能技术、通讯技术、图像识别技术、精密制造及系统集成技术等多种前沿科学技术，是一个依靠自动控制完成移动、作业功能的完整系统。运用农业机器人可全部或部分替代人或辅助人高效、便捷、安全、可靠地完成特定的、复杂的农业生产任务，降低劳动强度，提高劳动效率。同工业机器人或其他领域机器人的简单、确定的工作环境和工作对象相比，农业机器人面临非结构、不确定、不宜预估的复杂环境和特殊的作业对象，技术上具有更大挑战性。因此，一般而言，农业机器人对智能化程度的要求要高于其他领域机器人，应用进展相对滞后。随着传感器技术、计算机视觉、大数据和人工智能技术的快速发展，农业机器人的硬件设备成本和软件控制算法成本逐渐降低，为农业机器人的发展提供了新契机。农业机器人的应用，使农业装备有了人一样的思考和判断能力，并“代替”人从事农业生产，改变了传统的农业劳动方式，成为现代农业技术发展的重要领域。

一、发达国家起步早、投入大，引领技术发展方向

国外对农业机器人的研究起步较早，日本、美国等发达国家走在世界前列。日本是农业机器人研究最早、市场发育最为成熟的国家之一，先于20世纪70年代末开始了番茄采摘机器人的研究，长期引领采摘机器人的技术方向。1995年，日本参与农业机器人研究的私营制造商达到41家。目前，日本已研制出育苗机器人、扦插机器人、嫁接机器人、番茄采摘机器人、葡萄采摘机器人、黄瓜采摘机器人、农药喷洒机器人、施肥机器人和移栽机器人等多种农业机器人，在理论与应用方面均居世界前列。美国地广人稀，大田作业的行走式农业机器人成为其研究重点，在理论与技术上比较成熟，如多用途自动化联合收割机器人、智能生菜生产机器人、苗圃机器人、智能分拣机器人等。自20世纪80年代开始，设施农业、精准农业等农业高新技术的快速发展，特别是人工成本的不断攀升，为农业机器人的技术创新注入了新动力，这些发达国家根据本国实际，纷纷投入农业机器人的研发。荷兰的设施农业机器人、德国的大田除草机器人、英国的果实分检机器人和蘑菇采摘机器人、澳大利亚牧羊机器人和剪毛机器人、瑞士的田间除草机器人和苹果采摘机器人、法国葡萄园机器人研究等都取得了较好的进展。到2000年商用农业机器人大量进入实际应用，被越来越多的新一代家庭农场主接受。近年来，欧美发达国家不断加大在农业机器人研发上的投入力度，在除草机器人、农作物生长状态监测机器人、自主移动大田管理机器人等方面发展迅速，农业机器人创业公司如雨后春笋般成立，技术进展与实际应用都居国际领先水平，嫁接机器人等近200款产品投入商品化应用。挤奶机器人可以让奶牛自主控制挤奶时间，并随时收集奶牛的数据，帮助农民监视牛群，可以提高奶产量20%～50%，奶牛的发病率也得到了有效降低，已在牧场中开始普及，欧洲国家的应用比例高达30%。牛舍清理机器人、饲草投喂机器人和给小牛喂奶的机器人也已经推广应用。在日本、比利时、荷兰等国家，采摘机器人开始小范围使用，如日本番茄采摘机器人2015年开始测试并于2019年试销，比利时摘草莓机器人2019年投入市场，且蕃茄、辣椒等其他质地较脆弱的农作物，皆可作为摘取对象。受到农业生产环境、作业对象及使用者等多种因素的影响，这些发达国家已研发的大部分农业机器人尚未实现规模化生产和大面积普及。

最近几年，农业机器人收受到世界各国特别是发达国家的重视，发展步伐明显加快，包括农业机器人在内的机器人技术被列为国家战略，进行重点规划和部署。美国于2011年宣布启动先进制造伙伴计划、2012年启动制造业创新国家网络计划、2013年美国颁布机器人发展路线图。继美国之后，2014年欧盟也颁布机器人发展路线图，并启动全球最大的民用机器人研发计划，以及“地平线2020”计划。与此同时，日本在2014年发布了《机器人白皮书》，韩国制订了《智能机器人基本计划（2014-2018）》。在这些政府项目的支持下，欧美科学家聚焦突破复杂作业理论和技术难点，持续攻关果蔬采摘、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技术。果蔬的采摘不仅季节性强、劳动量大，而且作业费用高，人工收获的费用通常占全程生产费用的50%左右，研究重点在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。在“地平线2020”计划自主系列农业机器人项目支持下，2015年德国发布了能胜任喷药、除草等任务的多功能农业机器人，2016年在汉诺威工业博览会上展出了欧盟MARS计划，即移动农业机器人集群计划，展示了基于云端的农业机器人应用设想。通过使用许多更简单更小型的机器人，使农业生产解决方案更安全可靠、更高产，并且避免大型机器人穿梭田地时产生的土壤压实问题。通过让小机器人轮流充电或维护，这些农业机器人集群可以连续工作。农业正在成为机器人应用最多的领域。

二、我国起步晚、发展快，已取得重要进展

我国于20世纪90年代中期才开始农业机器人的研发。1998年，作为我国农业机器人技术早期研发单位之一的中国农业大学，研制出了自动嫁接机器人，解决了蔬菜幼苗的柔嫩性、易损性和生长不一致性等难题，适用于黄瓜、西瓜、甜瓜等幼苗的嫁接，可实现取苗、切苗、接合、固定和排苗的自动化操作，形成了具有自主知识产权的农业机器人技术。在此基础上，结合我国农业特点，科研人员在采摘机器人、锄草机器人、施药机器人、采棉机器人、育苗机器人、胡萝卜分拣机器人、养殖巡检机器人、饲喂机器人等方面的研究相继取得进展，一些关键技术不断突破，形成了一些具有自主知识产权的技术成果。林业上应用的林木球果采集机器人、伐根机器人也已完成研发。目前，我国农业机器人在精度、效率和可靠性方面和国外相比还存在一定的差距，相关研究开发多集中在理论研究与技术验证阶段，以图像分析和机械控制为主，研究对象主要以西红柿为主的球形水果，对其他果蔬的研究较少，大部分研究样机没有形成商业化的机器人产品，得到初步应用的有嫁接机器人、育苗机器人和喷药机器人等，自主研发的智能化程度较低的人机交互嫁接机器人基本实现产业化，但还需要人机协同作业。同时，国外成熟的农业机器人已经进入我国市场，如自2004年引进第一台挤奶机器人后，挤奶机器人市场就被国外垄断。

当前，农业机器人已经成为高等院校、科研院所和高科技企业的研究热点，重点包括果蔬采摘机器人、收获机器人、喷药机器人、田间信息采集机器人等，尤其是高通量作物表型信息采集机器人。自2010年开始，我国众多农业机器人公司不断创立，农业信息采集机器人的研发成为其主要领域之一。2019年福建首款巡检机器人在5G环境下的蔬果大棚开始全天候自动巡检，实时采集作物环境的图片、图像信息，并通过实景巡检平台进行云端协同的可视化分析，标志着巡检机器人进入实际应用阶段。2019年首台国产挤奶机器人在生产中试用，拥有自主知识产权的双目立体视觉系统，有望在挤奶机器人国产化和产业化上迈出重要一步，打破国外的市场垄断。

与发达国家相比，我国对农业机器人的研究与开发起步较晚，前期的创新研究积累不够，整体技术水平还有一定差距，涉及作物信息、动植物生理、生态感知的传感器件等关键技术明显落后，已有的产品可靠性低、生产效率不高，生产成本也比较高，尚未实现产业化，得到初步应用的只有育苗机器人和喷药机器人等少数几种，人机交互嫁接机器人初步实现商品化。但是，农业机器人正在成为我国科研机构和高科技企业的研究热点，发展非常迅速。据有关研究，近年来有关农业机器人研究的产出规模不断扩大，自2014年开始SCI论文年度发表数量已超过美国跃居世界第一，研究重点包括收获机器人、采摘机器人、喷药机器人、田间信息采集机器人的作业对象识别和定位算法优化、导航和路径规划算法优化等方面，高通量作物表型信息采集机器人是热点方向之一，已成为我国近几年成立的众多农业机器人公司研发的主要领域，技术上不断取得“点”上的突破，正在赶超世界先进水平，自然环境下机器人的伺服控制等部分技术达到领跑水平。

三、我国农业机器人发展趋势

随着5G、云计算、大数据和人工智能等新一代信息技术与农业技术的深度融合，技术瓶颈将不断突破，农业机器人在我国具有广阔的发展空间。农业劳动力结构性短缺和日趋老龄化对我国农业构成的约束日益趋紧，政策推动和劳动力成本持续上升带来的新生需求驱动，成为我国机器人产业快速发展的重要源动力。

1.发展农业机器人是必然趋势，将在农业领域拓展出巨大市场空间自本世纪初以来，我国主要粮食作物综合机械化率已超过80%，农业生产效率得到了很大提高，但一些农业作业环节尚无适用的机械来代替繁杂的体力劳动，而且现代农业对机械性能的要求持续升级，新的技术瓶颈和新的市场需求不断出现，将为农业机器人开辟出越来越大的市场空间。如，虽然主要农作物收获机械化技术已经普及，但一些种植面积很大的水果和蔬菜收获机械化问题尚未解决。出于对环境与质量安全的担心，为大量减少农业化学品的投入，在施用多年化学除草剂后将可能采用机械除草的方法，传统的 农业机械尚不能在不翻耕的前提下完成除草这一看似简单的作业，农民也不可能再次拿起锄头。面对诸如此类的问题，农业机器人的研究与应用将为此提供解决方案。中国工程院研究认为，农业机器人在我国将于2035年进入成熟期，并实现产业化和大规模应用，市场规模可达到3000～5000亿元。

2.农业机器人成本趋于快速下降，将在更多作业环节上投入应用经过近30年的发展，我国已经初步建立起了从机器人应用基础研究到产业化的研发体系，从事机器人研发的单位200多家，专业从事机器人开发的企业超过50家，在关键技术攻关与系统应用以及机器人前沿技术储备等多个层面，取得了长足发展， 突破了一批核心共性单元技术与应用集成关键技术。随着技术进步，机器人将从以定型物、无机物为作业对象的工业机器人向更高层次的以动物、植物之类复杂作业对象为目标的农业机器人发展。近年来，在农业机器人方面，面向不同的农业领域研制了一批工程化和产品化样机，培育了一批具有较好发展前景的机器人主机和系统集成企业，包括大量投入智能装备研发的农业机械制造企业，为我国农业机器人产业化累积了技术基础。随着深度学习、人机协作等核心技术的应用以及机器人元器件性价比的进一步提升，相信更多农业机器人产品将在农业生产中投入实际应用。可以预见，未来农业将是一个农业机器人深度参与的演进过程。

3.与现代农业装备技术交叉融合，农业机器人将在不同方向次序发展我国农业装备制造业正处于转型升级的加速期，越来越多的传统农业机械开始采用自动化、信息化等高新技术，向智能化、精准化的方向发展，操作更简单，控制更精准，效率也更高，有的还引入人工智能元素，推出了无人拖拉机、无人插秧机、无人联合收割机等无人农业装备，植保无人飞机已经大规模应用。从广义上，这些具有人工智能特征的农业装备属于农业机器人范畴，其功能特征更加聚焦在标准化、常规化和规模化的重复性大田农业生产过程，致力于减少人的投入程度和提高作业质量与效率。可见，人工智能与现代农业装备容易实现技术上的嫁接与融合，利用传统农业装备作为主机平台进行智能化升级改造将是未来农业机器人发展的重要途径，这些农业机器人将成为未来农业的“主力军”。在狭义上，农业机器人更加关注人工智能这一功能特征，能够实现路径规划、智能避障、精准定位和稳定控制，自主行走和自动作业，执行一些非标准化和非常规性的更加繁琐的农业任务。由于其技术上和经济上的特殊性，未来的农业机器人将优先在强度大、环境恶劣、劳动密集和控制程度高的环节上实现对人的替代或协助，并在高附加值的果蔬生产、设施园艺、畜禽水产养殖场景中渐次突破，形成在不同领域的差异化发展格局。