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机器人在农业中的应用 王泽京机器人在农业中的应用王泽京甘肃农业大学工学院 农业电气自动化，甘肃 兰州 730070摘要：本文介绍了农业机器人的研究现状及发展前景。农业机器人是21世纪农业机械的发展趋势之一。为此，综述了发达国家及我国各种农业机器人研究及应用现状，介绍了几种典型的农业机器人的研究成果及其各自特点。 关键词：农业机器人；应用；农业机械1 引言在人类历史发展的长河中，种种困难、矛盾、问题不断涌现，大量新事物也随产生，而新事物的产生正好是克服困难、化解矛盾、解决问题的最好答案，机器人也不例外。随着科学技术的不断发展，人类为了把自己从危险、恶劣、繁重的工作环境中解放出来，人类就想到制造一种机器来代替人们去完成本该由人类自己来完成的工作，机器人就这样诞生了。“机器人”这一概念它本身就意味着它不是一种普通的机器，而是具备人的某些能力，比如：会思考、会产生感情、能进化，但机器人的外形并不一定象人。“机器人”这一概念的来源还得提到一部科幻剧本罗萨姆的万能机器人，这部作品是捷克作家雷尔卡佩克于1920年发表的，基本剧情是这样的：罗萨姆公司把机器人作为人类生产的工业产品推向市场，让它去充当劳动力，以呆板的方式从事繁重的劳动，后来罗萨姆公司使机器人具有了感情，再工厂和家务劳动中机器人成了必不可少的成员，该剧预告了机器人的发展对人类社会的影响。在剧本中，卡佩克把捷克语“Robota”（农奴）写成了“Robot”（机器人），这就是“机器人”这一概念的来源，也是人类社会首次使用“机器人”这一概念1。随着机器人技术的快速发展，机器人已不仅仅局限在某一领域，而是多种学科交叉、多元化方向发展。机器人技术是一个国家高科技水平的重要标志和体现，受到人们的重视和关注。尤其是发达国家对机器人技术的研究和应用最为突出，特别是日本，它是机器人技术的领头军，我国对机器人的正真研究始于20世纪80年代，起步晚，从总体上看，远远落后于发达国家，但在某些技术上已进入世界先进行列。随着电子技术和计算机技术的发展，智能机器人已在众多领域得到了日益广泛的应用。在农业生产中，由于易对植被造成损害、易污染环境等原因，传统的机械通常存在着这样或那样的缺点。为了解决这个问题，国内外都在进行农业机器人的研究，特别是一些发达国家，农业人口较少，劳动力问题突出，对农业机器人的需求更为迫切。同时，农业机器人相对于传统农业机械能够更好地适应生物技术的新发展。就我国而言，由于机械化、自动化程度比较落后，农业机器人的问世，有望改变传统的劳动方式，改善农民的生活劳动状态。因此，世界各国对农业机器人非常重视，投入了大量的资金和人力进行研究开发。2 农业机器人的研究现状当前, 在农业机器人研究方面, 日本居于世界各国前列, 但由于各种因素的制约, 农业机器人也还远远没有普及。虽然日本是一个经济强国，但农业经营规模小，农作物生产成本高，使得农产品的竞争力不够，并且农业就业人口中年轻人比率下降，生产者高龄化和女性化严重，难以承担重体力劳动。为了改变这一情况，早在上世纪70年代末80年代初，日本就已实现了农业机械化。另外，在其它国家也已陆续发展了农业机器人。近年来，随着工业机器人的高速发展与广泛应用，在农业领域的机器人也发展很快，预计21世纪将是农业机器人的时代。现在已开发出来的农林业机器人有耕耘机器人、施肥机器人、除草机器人、喷药机器人、蔬菜嫁接机器人、收割机器人、水果采摘机器人、林木修剪机器人、果实分拣机器人等。2.1 耕作机器人耕耘作业是一项既繁重又单纯的作业，因此它倾向于使用农业机器人，并已达到实用化阶段。耕耘机器人是在原有的拖拉机上加上一些磁方位传感器、电脑等自动调整机构从而能辨别、判断自身位置和前进方向。在1993-1997年，日本生物系特定产业技术研究推进机构的机电技术研究室开发一耕作机器人，该机器人在耕作场内可进行包括能辨别、判断自身位置和前进方向的无人操作，其耕作效率与有人操作时相同。法国研制出用微机控制的拖拉机，工人只要与计算机对话，按动键盘发出指令，就可以完成各种操作。另外在车辆的定位和引导研究上也有一系列的发展：1994年芬兰开发出利用GPS和左右两轮的转速差进行导航的小型履带式车辆；另外，拖拉机的自主行走也有的是用光纤陀螺罗盘和超声波速度计来确定方向和距离。2.2 喷农药机器人这种机器人外形像一部小汽车, 机器人上装有感应传感器、自动喷药控制装置以及压力传感器。在果园内, 机器人沿喷药作业路径铺设的感应电缆产生的电磁信号行走。机器人控制系统能根据传感器接受的树木信号自动控制喷药,并可识别方向而自动转弯。机器人前还有两个障碍物感应器, 可以检测到左右距离内的情况, 遇有障碍就停止行走和喷药。使用机器人喷药, 不仅工作人员避免了农药对人的伤害, 还可以人管理多台机器人, 从而大大提高了作业效率。2.3 除草机器人除草机器人是由电子计算机操作并用雷达控制的无人驾驶机械。德国农业专家采用计算机、全球定位系统（GPS）和灵巧的多用途拖拉机综合技术，研制出可准确施用除草剂除草的机器人。它的特点是机器人在到达杂草多的地块时，GPS接收器便会做出杂草位置的坐标定位图，机械杆式喷雾器相应部分立即启动进行除草剂的喷洒。英国科技人员开发的菜田除草机器人使用的是一台摄像机与一台识别野草、蔬菜和土壤图像的计算机组合装置，利用计算机扫描和图像分析，层层推进除草作业。另外，美国密歇根大学开发了草坪修整机器人，利用已修和未修草坪的分界线进行无人驾驶操作割草作业。日本“久保田铁工”在割草机前端装有摄像机，利用图像处理判断分割区域，实现自动驾驶作业。2.4 水果采摘机器人这种机器人一般是在室外工作, 作业环境差。机器使用者是普通农民, 所以价格不能太高, 技术不能太复杂。以西瓜收获机器人为例, 它采用油压驱动, 油缸控制, 这比电气驱动降低了不少成本。作为动力源的内燃发动机驱动台油压泵, 其中一台用于驱动机械手, 另一台是为操纵行走车辆的方向盘以及驱动器的控制油缸。机械手是由个用节连杆构成的手指组成的系统, 手指的尖端装有滑轮, 当机械手抓拿西瓜时, 手指滑轮沿西瓜表面边滑动边下降, 当达到最下端时就停止。上升时利用西瓜自身重量使机械手自锁, 从而抓取西瓜。利用手上附加的力传感器可以感知西瓜的重量, 误差在以内, 实现了对西瓜的初步分级。为识别西瓜是否成熟, 根据其挂果的日期, 树立直径左右不同颜色的标识球, 这样就可以根据标识球颜色判断西瓜成熟情况而采摘。还有西红柿收摘机器人、黄瓜采摘机器人、葡萄采摘机器人、蘑菇收获机器人等等。3 农业机器人的发展前景农业机器人虽已有重大发展，但是由于在农业领域应用的历史还比较短，从20 世纪90 年代开始，机器人才开始在一些发达国家的农业生产中应用，所以仍有不少瓶颈问题等待突破。农业机器人的工作特点是作业、移动同时进行，其行走不是连接出发点和终点的最短距离，而是具有狭窄的范围、较长的距离且遍及整个田间表面。农业机器人需要知道自身相对于外部世界的位置和周围环境。因此，定位导航是农业机器人基础的关键技术，也一直是农业机器人的研究重点和难点。定位是确定机器人在其作业环境中所处位置的过程。更具体地说是利用先验环境地图信息、机器人位姿的当前估计以及传感器的观测值等输入信息，经过一定的处理和变换，产生更加准确的对机器人目前位姿的估计。就目前的研究状况来说，农业机器人可以代替人类完成某些农业生产活动，但研究多处于实验室的试验阶段，无法达到实用普及的程度。其有两个原因：一是农业机器人的智能程度没有达到农业生产的需要。农业生产的特点要求农业机器人具有相当的智能和柔性生产的能力以适应复杂的非结构环境。从目前的技术水平来看，在自动导航、视觉辨识定位等方面已经具有成熟的解决方案。但总的来讲，目前智能系统的发展还不够完善，很多任务无法由农业机器人单独完成。二是农业机器人的成本过高。机器人智能水平的提高一般都要增加计算机控制系统软硬件的复杂度，这就必然使其成本提高。所以，即使是农业机器人具备了相当的智能，能够完成某种任务，但是由于其开发难度极大，制造成本过高，仍然难以实际应用。农业机器人的成本问题成为制约其进一步研究应用的瓶颈问题。从研究现状上看，农业机器人的研究已进入了实用化阶段，随着高科技农业发展的需要和机械电子业的日益紧密，农业机器人将不断涌现与完善。在接下去的发展中，农业机器人将从以下几个方面发展：第一，经过长时间的摸索，找出最佳的作业方法，以提高农产品的质量与数量。第二，机器人不能简单地模仿人的动作，而要用机器人易于实现的动作代替人的动作，从而在目前难以实现机械化的领域也实现机械化与自动化；另外，通过生物工程使生物