农业机器人技术现状与发展趋势

师树谦，王亚磊

（洛阳理工学院智能制造学院，河南 洛阳 471023）

0 引言

农业是人类从事一切生产活动的基础，也是国民经济的重要基础。二十大报告指出我国要加快建设农业强国，到2035年基本实现新型工业化、信息化、城镇化及农业现代化等基本方针。中国科学院院士乔红在2022 年12 月16 日举办的“智慧农业创新院士论坛”上表示：“我国农业呈现人口多、耕地面积较多、作物种类多，但劳动力少，人均耕地少的特点，打通农业人工智能和机器人的接口有望实现更好的自主、高效、精准和低成本的中国特色农业应用和发展”[1]。当前国际形势错综复杂，农业是一切社会活动的根本和基础，而农业机器人作为智慧农业的重要推手其发展水平不仅影响到农业作业的效率，也会对国家农业政策的制定产生较大的影响[2]。

1 农业机器人概述

农业机器人是一种以农产品作为操作对象、具有人类部分信息感知功能和移动功能、具有一个和多个控制单元[3]，可进行重复编程或可进行简单的二次开发，对于不同农作物具有感知、控制、决策及执行功能，并能进行智能运算的自动化及半自动化设备[4]。

与传统的工业机器人相比，农业机器人作业对象具有娇嫩性和复杂性的特点，农业机器人在作业的同时需要进行移动，工作时考虑到作业对象的不规则形状及个体差异，要求其能够灵活处理，实现合理的避障[5]并且要尽可能地降低损失率[6]。其次，其作业环境非结构性较强，作业对象的生长环境在不断变化，这就要求其具备足够的适应能力，要具有较强的视觉、推理及判断能力。另外，农业机器人的使用者多为农民或者运营商，从客观条件上来说，要求设计人员必须考虑到其可操作性和稳定性，同时其价格属性也要符合农业市场的需求，否则很难实现推广和普及[7-9]。

2 农业机器人国内外研究现状

2.1 农业机器人国外研究现状

国外发达国家对于工业机器人的研究起步较早，有些品类的产品已经较为成熟且具备了一定的应用规模。但是由于受到诸多因素的限制，机器人应用于农业方面相对滞后。究其原因，首先，农业作业环境较工业环境复杂，农业技术水平不够成熟，缺乏足够先进的技术支持。较工业机器人来说，农业机器人的研制及作业成本较高，投资成本较大，投资回报率较低；其次，与工业机器人较为广泛的应用范围和应用基数相比较，农业机器人的应用场景较少，应用范围较窄；最后，农业机器人的研发和应用仍需要政府的大力支持，但目前政府对农业机器人的支持力度不够[10]。

目前，世界范围内各国农业机器人的发展主要呈现形式为日本和美国引领，而中国、欧洲及澳大利亚等各国均有所建树。美国是全球农业机器人发展的引领者，其拥有最先进的农业机器人，最多的农业机器人企业以及最多的农业机器人应用场景，日本也是全球农业机器人发展的重要力量，拥有大量的农业机器人企业，技术水平较高，应用场景也较为广泛，欧洲和澳大利亚等国家也是全球农业机器人发展的重要力量，也拥有大量的农业机器人企业并达到了一定的应用水平[11]。

美国是世界上农业机械化和智能化发展水平较高的国家之一，美国农业主要采用大规模、高效率、低成本的生产模式，其主要特点是采用先进的农业技术提高农业生产效率和农作物的品质，降低农业生产污染和农业生产成本。因此，美国农业的生产模式为农业机器人技术的发展提供了便利的条件。美国农业机器人发展史可以追溯到20 世纪50 年代，当时美国农业机器人的发展主要集中在农业机械化和自动化方面。随着科技的发展，美国农业机器人的发展取得了长足的进步，受市场推动，农业机器人的应用越来越广泛，如植保机器人、收割机器人、植物分拣机器人等，这些机器人的应用可以提高农业生产效率，提高农业生产质量，降低农业生产成本，提高农业收入。如今美国农业机器人的发展已经达到了自动化、智能化和机器人化的高度融合，最新的农业机器人技术包括机器视觉、机器学习、自动驾驶、无人机、机器人操作系统和农业传感器等[12]。这些技术可以帮助农民更有效地管理农业生产活动。

日本受其自身岛国的自然土地资源条件的限制，耕地面积十分有限，人口密度高达2 924 人/km2且老龄化明显，导致农业劳动力资源严重不足，自上世纪70 年代后期起，随着其国内工业机器人技术的不断发展与成熟，日本开始着手布局农业机器人项目，其农业机器人的发展主要集中体现在四个阶段：第一阶段主要是在成熟的工业机器人技术上加以改造后用于完成农业自动化生产作业；第二阶段约从1992 年开始，由于农业机器人作业环境的非结构性和作业对象的娇嫩性，工业机器人在进行农业作业时具有很大的局限性，因此针对农业机器人的作业环境和作业对象的特殊性做了大量的研究和探索，解决了如采摘机器人的作业问题；第三阶段约从2002 年开始，针对农业作业对象的不稳定性，为农业机器人加装了传感系统以对作业对象进行精细化作业，如柑橘分拣机器人及蔬菜分级机器人等；第四阶段开始于2013年左右，随着导航系统的功能及精度不断完善以及人工智能和物联网技术等技术的发展“，智慧农业”的理念开始进入农业生产作业中，并将“Society 5.0”和“未来投资战略”作为其重要的组成部分[13]。目前，日本农业机器人技术和市场也较为成熟，已研制出嫁接机器人、插秧机器人、育苗机器人、农药无人机、施肥机器人、采摘机器人及移栽机器人等[14]。近年来日本在采摘机器人的通用性及模块化进程中做了大量的基础研究工作，取得了一些成效。他们研制的农机与农艺相结合的采摘机器人可以实现对10 种左右不同类型果实的采摘。

除了日本和美国以外，英国、德国、西班牙、法国、澳大利亚、韩国以及丹麦等国也开展了关于农业机器人的相关研究工作，各地政府均推出了一系列政策以支持农业机器人的发展，如政府投资、税收优惠、技术支持等。农业机器人的发展也受到了自动驾驶技术、机器视觉技术、机器学习技术等技术的推动。农业机器人的应用也越来越广泛，如植保机器人、收割机器人、植物分拣机器人等。其中比较有代表性的成果主要有英国的放牧机器人、西班牙的柑橘采摘机器人、丹麦的除草机器人以及澳大利亚的剪羊毛机器人等[15]。英国研制的放牧机器人配备有雷达导航系统、视觉传感装置、摄像机及录像仪等，能够帮助其完成羊群查数、饲料分发、管理羊群等智能性要求较高的工作，除了放牧工作外，此款机器人还能实现巡逻作业，为主人看家护院；西班牙科学家研制的柑橘采摘机器人由配备有控制器的拖拉机、光学视觉系统以及末端执行装置等组成，其不仅可以完成基础的柑橘采摘任务，还能够根据橘子的尺寸、形态和颜色来判断柑橘的成熟度，这款农业机器人的优点在于它极高的工作效率，相较于人工每分钟8 个左右的采摘效率，该机器人每分钟采摘柑橘数量可以达到60 个，是人工采摘效率的7.5 倍，此款采摘机器人除了能够实现高效的采摘作业外，还能够根据柑橘的尺寸和形态对采摘对象进行分类分级处理，不仅能够提高采摘作业效率，也大大提升了采摘质量[16]。丹麦研制的除草机器人配备有视觉传感装置、雷达导航系统以及末端执行机构等，可以完成在农田内的自主导航移动以及对杂草和庄稼幼苗的分辨，从而自主完成农田除草作业，大大降低农民除草作业劳动强度。此外，通过物理方式进行除草作业还能够减少化学药剂的使用，从而降低对环境的污染。澳大利亚科学家研制的剪羊毛机器人也是上世纪较为突出的一项农业机器人研发成果，是世界上最早可以在活体动物身上进行作业的机器人[17]。当前，世界各国农业机器人的发展前景比较乐观，随着机器人相关技术的不断发展，农业机器人的应用范围将越来越广泛。

2.2 农业机器人国内研究现状

虽然我国一直以来都是世界上的农业大国，但受长期以来农业作业习惯影响，我国农业机器人的起步较晚，在技术实力和市场化运作方面均与发达国家有着较大的差距。随着我国国情的变化，尤其是城镇化建设的不断发展，农业人口逐年减少，人工成本不断攀升，导致农产品价格成分中的人力成本不断增加[18]。因此，从本世纪初起我国开始重视农业机器人的发展，针对性地出台了相应的扶持政策，这使我国的农业生产开始从以人力为主到农业机械化再向智能农业过渡。目前我国已研制出的农业机器人主要包括除草机器人、播种机器人、插秧机器人、施肥机器人、嫁接机器人、采摘机器人以及植保无人机等，很多研究所以及高校都在开展与农业机器人相关的智能农业作业设备的相关研究[19]。在国内众多农业机器人品类中，植保无人机的技术发展与应用最为成熟，近年来，在大疆等无人机企业的带动下，我国植保无人机技术的发展取得了长足的进步，植保无人机的稳定性已经达到世界先进水平，随着其技术水平不断提高，应用范围也越来越广。目前我国植保无人机技术已经在农业精准灌溉、农田病虫害防治、农田农药喷洒等方面取得了显著成效，此外，我国植保无人机还可用于农田土壤肥力监测、农田水分监测、农田作物健康监测等，为农业生产提供更多的智能化服务。

植保无人机在作业效率、安全性、防治效果及环保等方面较人工植保方式都有较大的提升[20]。国内植保无人机产业起步于2008年，最初无人机以油动直升机为主，作业成本较高且稳定性不足，市场反馈较差。2016年被称为植保无人机行业的“元年”，随着我国农业作业模式发生变化，国家开始重视惠农政策的支持，此外，大疆等企业在无人机技术上的不断突破使植保无人机行业迎来了快速发展，在此阶段，无人机价格下降，稳定性不断提升。2020年以后，植保无人机的市场化应用得到了长足的发展，在无人机制造商和农资经销商的共同推动下，植保无人机的作业标准、行业标准以及上下游的相关产业也日趋成熟，较传统的植保方式可以达到省钱、省心和省力的目标，除此之外，植保无人机的市场化运行模式也值得推广应用[21]。

3 农业机器人的发展遇到的瓶颈

随着机器人相关技术的不断发展和完善，机器人在农业领域的应用也逐渐变得更加广泛。21世纪以来，随着智慧农业时代的到来，农业机器人的发展前景广阔，但其应用与发展的过程中仍然存在诸多问题，农业机器人的普及道路上依然存在一些待突破的瓶颈。

3.1 农业机器人系统还不够智能

农业机器人在农业生中的应用具有非结构性较强及作业对象不规则的特点，这就要求农业机器人具有较强的适应柔性生产的能力以及一定的智能性。当前农业机器人的研发重心已经不再是机械结构的改良，而是更多地关注机器视觉及人工智能等相关技术的应用，试图解决农业机器人的“智能化”问题。但是农业机器人的应用也受到传感器精度、智能算法的成熟度以及较强的价格属性等方面的制约，其智能程度目前还不能满足柔性农业生产的需求，在很多农业作业场景中农业机器人还只是起到辅助作用。

3.2 农业机器人研制及使用成本较高

农业机器人的使用者多为农民以及农资供应商，他们对农业机器人的购买及使用成本较为敏感，当前市面上广泛应用的农业机器人往往都只能针对某一种或某一类作业场景进行工作，但农业生产活动季节性较强，这在一定程度上降低了农业机器人的使用效率，也在无形中增加了农业机器人的使用成本，当农业机器人的使用成本较高，相较于人工成本没有较大的优势时就会制约农业机器人市场化发展。

3.3 农业机器人通用性及扩展性较差

目前的农业机器人通常都是为了某种特定的农业作业场景而研发，但面对多场景作业时农业机器人就有很大的局限性。独立设计的驱动系统、控制系统、关节形式以及末端执行机构等对农业机器人的通用性及扩展性都有较大的限制。

4 农业机器人发展方向及前景

从当前农业机器人的研制与应用情况来看，农业机器人可以把人类从繁重的农业劳动中解放出来，且较人工作业，其工作效率也比较高。我国农业正朝着规模化、集中化的方向发展，为农业机器人的市场应用创造了条件。同时，随着机器人相关技术的不断发展，也给农业机器人小型化、标准化、模块化以及智能化等指明了方向。

4.1 人力成本升高导致农业机器人市场扩大

随着我国国内城镇化建设的不断推进，农业产业人口逐年减少，青年一代对从事农业劳动的意愿不强，农村人口将继续呈现下降的趋势，这些因素都导致从事农业作业的人力成本逐年上升，并且人力成本在农作物成本体系中所占的比重也越来越高，这就使得农业机器人的应用与市场化发展提供了有利的外部环境。

4.2 农业机器人的应用更注重提高作业质量

研发农业机器人的最初目的就是要用机器人代替人工进行农业作业，从而降低农民作业的强度，在对农业机器人的后期应用中发现，其不仅能够降低劳动强度，提高农业生产效率，并且随着传感器精度、机器视觉及机器人驱控系统等相关技术的不断完善，在一些特定的作业环境下还能提升农业作业质量，比如在采摘作业时能不仅能够完成基础采摘作业，还能够根据采摘对象的颜色、形态及大小进行分级处理，农药无人机在进行农药喷洒时，由于向下的穿透力较强，能够在农药使用量较少的前提下实现更好的防治效果，这就使得农业机器人的市场应用场景得到进一步扩展，可有力推动农业机器人的发展。

4.3 农业机器人的应用应综合价格因素

农业机器人主要是为了在提升农业效率的同时降低农业生产成本。当前农业机器人仍处于早期发展阶段，其价格虽然不断下降，但仍较昂贵，因此除了采用新技术降低制造成本和提高性价比外，也必须考虑采用高效的系统集成方案、扩大应用范围和改善售后服务来弥补价格优势。

4.4 农业机器人应具备较强的通用性

农业机器人应具备较强的通用性，以更好地适应多变的环境。农业机器人的作业环境较为复杂，良好的集成性、安全性和可维护性的特点能够帮助农业机器人更好地适应多变的作业环境，以便根据不同的环境和作业要求来调整工作模式，从而高效地完成农业任务。同时，针对农业作业季节性较强的特征，模块化的设计有助于农业机器人从事不同场景的农业作业工作，从而降低其使用成本。其次，农业机器人研制中的相关国家标准的制定有助于农业机器人上下游的研发、制造与维护等。

5 结语

本文通过对农业机器人国内外相关研究现状的分析，可知当前农业机器人正在快速发展，其发展总体上受到其作业对象特征、作业特点、标准化及模块化功能欠缺等客观条件的限制，大部分农业机器人能够满足技术生产需求，但是市场化应用还存在一定难度。目前，农业机器人相关技术也在不断突破，农业机器人市场环境的不断变化以及各国针对农业机器人推出的各项鼓励政策将使农业机器人拥有更好的发展前景。