晉城市園林局

1 引 言 新的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式和新技術(shù)的應(yīng)用促進了農(nóng)業(yè)機械的更新和發(fā)展，智能農(nóng)業(yè)機械的技術(shù)條件已經(jīng)成熟。進入20世紀90年代，隨著計算機技術(shù)和信息采集與處理技術(shù)的發(fā)展，自走式農(nóng)業(yè)機械的田間自動導(dǎo)航、機器視覺與農(nóng)業(yè)機器人研究得到重視，成為探索在農(nóng)業(yè)機械裝備中應(yīng)用智能控制等高新技術(shù)研究的重要方向。

要實現(xiàn)工作對象是分散的、并且需根據(jù)判斷進行選擇的工作如除草、間苗、蔬菜收獲、水果收獲等作業(yè)的機械化和自動化是極為困難的，這些作業(yè)目前完全依靠人工完成。

對于必須處理這樣復(fù)雜又模糊的信息，還要進行綜合判斷的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)的機械化來講，只有靠具有與人類相同的知識啟發(fā)和學習功能的智能農(nóng)業(yè)機械一農(nóng)業(yè)機器人才可能得以實現(xiàn)�？梢灶A(yù)計，21世紀將是農(nóng)業(yè)機械向智能化方向發(fā)展的重要時期。

2 農(nóng)業(yè)機器人的特點 同工業(yè)機器人相比，農(nóng)業(yè)機器人具有以下特點：

1)作業(yè)對象的嬌嫩性和復(fù)雜性：生物具有軟弱易傷的特性，必須細心輕柔地對待和處理。且其形狀復(fù)雜，生長發(fā)育程度不一，相互差異很大；

2)作業(yè)環(huán)境的非結(jié)構(gòu)性：由于農(nóng)作物隨著時間和空間而變化，工作環(huán)境是變化的、未知的，是開放性的。作物生長環(huán)境除受地形條件的約束外，還直接受季節(jié)、天氣等自然條件的影響。這就要求生物農(nóng)業(yè)機器人不僅要具有與生物體柔性相對應(yīng)的處理功能，而且還要能夠順應(yīng)變化無常的自然環(huán)境，在視覺、知識推理和判斷等方面具有相當?shù)闹悄埽?/p>

3)作業(yè)動作的復(fù)雜性：農(nóng)業(yè)機器人一般是作業(yè)、移動同時進行，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的行走不是連接出發(fā)點和終點的較短距離，而是具有狹窄的范圍，較長的距離及遍及整個田間表面等特點；

4)操作對象和價格的特殊性：農(nóng)業(yè)機器人操作者是農(nóng)民，不是具有機械電子知識的工程師，因此要求農(nóng)業(yè)機器人必須具有高可靠性和操作簡單的特點；另外，農(nóng)業(yè)機器人以個體經(jīng)營為主，如果不是低價格，就很難普及。

3 研究現(xiàn)狀 日本是研究農(nóng)業(yè)機器人較早的國家之一，早在20世紀70年代后期，隨著工業(yè)機器人的發(fā)展，對農(nóng)業(yè)機器人的研究工作逐漸啟動，已研制出多種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機器人，如嫁接機器人、扦插機器人、移栽機器人和采摘機器人等。

20世紀90年代以來，"精確農(nóng)業(yè)"技術(shù)的研究與應(yīng)用在發(fā)達國家受到了普遍的重視，已被國際農(nóng)業(yè)科技界認為是21世紀實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的先導(dǎo)性技術(shù)之一。具有相當智能的農(nóng)業(yè)機器人是精確農(nóng)業(yè)體系中有效裝備之一，得到重視和發(fā)展。

許多國家根據(jù)自己的情況開發(fā)出了各具特色的農(nóng)業(yè)機器人，如澳大利亞的剪羊毛機器人，荷蘭開發(fā)的擠奶機器人，法國的耕地機器人，日本和韓國的插秧機器人等。就目前為止，農(nóng)業(yè)機器人的實現(xiàn)方式有2種，一種利用現(xiàn)有的工業(yè)機器人實現(xiàn)具體的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)，另一種是研制專用機電系統(tǒng)實現(xiàn)具體的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)。

3．1 利用工業(yè)機器人的實現(xiàn)方式 利用工業(yè)機器人的機械本體和控制器，安裝具體農(nóng)業(yè)作業(yè)的專用末端執(zhí)行器、視覺傳感器等組成一個農(nóng)業(yè)機器人系統(tǒng)。這種農(nóng)業(yè)機器人的實現(xiàn)是較方便，也是較常用的，比較典型的有下列幾種。

3．1．1 番茄采摘機器人 日本的N．Kondo等人研制的番茄收獲機器人，由機械手、末端執(zhí)行器、視覺傳感器、移動機構(gòu)和控制部分組成。用彩色攝像機作為視覺傳感器尋找和識別成熟果實，另外果實有時被葉莖檔住，收獲時要避開葉莖，這要求機械手活動范圍大，能避開障礙物，所以用7自由度的SCORBOT-ER工業(yè)機器人。

為了不損傷果實，機械手的末端執(zhí)行器是帶有軟襯墊的吸引器，中間有壓力傳感器，把果實吸住后，利用機械手的腕關(guān)節(jié)把果實擰下。行走機構(gòu)有4個車輪，能在田間自動行走，利用機器人上的光傳感器和設(shè)置在地頭土埂的反射板，可檢測是否到達土埂，到達后自動停止，轉(zhuǎn)動后再繼續(xù)前進。

該番茄采摘機器人從識別到采摘完成的速度大約需要15s／個，成功率在70％左右，成熟番茄未采摘的主要原因是其位置處于葉莖相對茂密的地方，機器手無法避開葉莖障礙物。因此需要在機器手的結(jié)構(gòu)、采摘工作方式和避障規(guī)劃方面加以改進，以提高采摘速度和采摘成功率，降低機器人自動化收獲的成本，才可能達到實用化。

3．1．2 黃瓜采摘機器人 日本的隊Kondo等人研制的黃瓜采摘機器人，采用三菱MITSUBISHI RV-E2六自由度工業(yè)機器人，利用CCD攝像機，根據(jù)黃瓜比其葉莖對紅外光的反射率高的原理來識別黃瓜和葉莖。

黃瓜和柄的連接與番茄不同，采用擰摘方法較難，而是用剪斷方法，先把黃瓜抓住，用接觸傳感器找出柄，然后剪斷，采摘速度為16個／s，由于黃瓜是長條形，受到葉莖的影響更大，所以采摘的成功率較低，大約在60％左右。

同樣，此機器人需要改進其機器手的結(jié)構(gòu)、采摘工作方式和避障規(guī)劃功能，以提高采摘成功率，提高采摘速度。

3．1．3 移栽機器人 蔬菜苗的培育一般是在溫室中進行，室內(nèi)溫度高，濕度大，勞動條件差。為改善作業(yè)者的勞動條件。同時也為解決勞動力的不足，開發(fā)了移栽機器人。圖3所示是臺灣K．C．Ting和Y．Yang等人研制的移栽機器人，把幼苗從600穴的育苗盤中移植到48穴的苗盤中。

機器人本體部分由工業(yè)機器人ADEPT-SCARA四自由度工業(yè)機器人和SNS夾持器組成，位于頂部的視覺傳感器確定苗盤的尺寸和苗的位置，力覺傳感器保證SNS夾持器夾住而不損傷蔬菜苗。在苗盤相鄰的情況下，單個苗移栽的時間在2．6～3．25s之內(nèi)

。試驗證明了移栽機器人的可行性，但是受到SCARA機器人自由度和工作空間的影響，通用性差，限制了工作對象和工作空間，離自動化作業(yè)流水線作業(yè)尚有一段距離。

3．2 專用機電系統(tǒng)的實現(xiàn)方式 由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的復(fù)雜性和特殊性，有些農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)是傳統(tǒng)的工業(yè)機器人無法勝任的，許多專家針對不同的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)研制出了獨特的農(nóng)業(yè)機器人系統(tǒng)，即設(shè)計出農(nóng)業(yè)機器人的機械部分、控制部分和軟件部分。比較典型的有以下幾種：

3．2．1 蘑菇采摘機器人 英國Silsoe研究院研制的蘑菇采摘機器人如圖4所示，它可以自動測量蘑菇的位置、大小，并選擇性的采摘和修剪。它的機械手包括2個氣動移動關(guān)節(jié)和一個步進電機驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組成；末端執(zhí)行器是帶有軟襯墊的吸引器；視覺傳感器采用TV攝像頭，安裝在頂部用來確定蘑菇的位置和大小。

采摘成功率在75％左右，采摘速度為6．7個／s，傾斜生長的蘑菇是采摘失敗的主要原因。如何根據(jù)圖像信息調(diào)整機器手姿態(tài)動作提高成功率和采用多個末端執(zhí)行器提高生產(chǎn)率是亟待解決的主要問題。

3．2．2 蘋果采摘機器人 韓國Kyungpook大學所研制的蘋果采摘機器人，其機械手工作空間可以達到3m，具有4自由度，包括3個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和1個移動關(guān)節(jié)。采用三指夾持器作為末端執(zhí)行器，內(nèi)有壓力傳感器避免損傷蘋果。利用CCD攝像機和光電傳感器識別果實，從樹冠外部識別蘋果時的識別率達85％．速度達5個／s。

該機器人末端執(zhí)行器下方安裝有果實收集袋，縮短了從摘取到放置的時間，提高了采摘速度。但是，該機器人只有4個自由度，無法繞過障礙物摘取蘋果；對于葉莖完全遮蓋的蘋果，也沒有給出識別和采摘的解決方法。

3．2．3 西瓜(瓜類)收獲機器人 日本Kyoto大學研制出一個5自由度液壓驅(qū)動的機器人用于收獲西瓜，它包括機器手、末端執(zhí)行器、視覺傳感器和行走裝置，如圖6示。因為西瓜在地面上，機器手由5個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組成，它保證了工作空間包含地面。

美國Purdue大學Y．Edan和G．Miles研制了3自由度的伺服電機控制的操作手，用來收獲甜瓜。這類機器人行走裝置的傾斜引起的位置誤差較大，導(dǎo)致收獲成功率僅達到65％。另外，該機器人沒有解決有葉、莖障礙物影響末端執(zhí)行器抓取的問題。

4 存在的問題 從以上所述的農(nóng)業(yè)機器人研究可以看出，農(nóng)業(yè)機器人可以代替人類完成的某些農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動。但要達到實用普及的程度，仍存在2個關(guān)鍵的問題：

1)農(nóng)業(yè)機器人的智能程度沒有達到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的特點要求農(nóng)業(yè)機器人具有相當?shù)闹悄芎腿嵝陨a(chǎn)的能力以適應(yīng)復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)環(huán)境。例如增強水果采摘機器人的辨識水果和避障能力，提高其采摘的成功率；

2)農(nóng)業(yè)機器人的成本高，其性價比不能滿足市場的需要。一方面，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的特征之一是季節(jié)性強，造成了農(nóng)業(yè)機器人的使用效率低，間接地增加了農(nóng)業(yè)機器人的成本。例如移栽機器人。

如果僅適用于一種農(nóng)作物的移栽作業(yè)，那么該機器人一年工作的時間很可能不超過1個月。另一方面，提高農(nóng)業(yè)機器人的生產(chǎn)效率，只有當農(nóng)業(yè)機器人的生產(chǎn)成本低于人工收獲成本時，農(nóng)業(yè)機器人才能達到實用化。例如人工采摘黃瓜和蘑菇的速度分別是6個／s和3．3個人，而上文提及的農(nóng)業(yè)機器人速度分別是16個／s和6．7個/s。

因此，目前對農(nóng)業(yè)機器人的研究多處于實驗室的試驗階段。沒有得到實際應(yīng)用。這成為制約農(nóng)業(yè)機器人進一步研究應(yīng)用的瓶頸問題。

針對農(nóng)業(yè)機器人的智能化程度問題，現(xiàn)階段農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域的：專家紛紛把研究重心從機械部分轉(zhuǎn)向機器視覺、人工智能方面，力圖解決農(nóng)業(yè)機器人的智能問題。從目前的技術(shù)水平來看，在自動導(dǎo)航、視覺辨識定位等方面已有成熟的解決方案，但總的來講，目前智能系統(tǒng)的發(fā)展還不夠完善。很多任務(wù)無法由農(nóng)業(yè)機器人單獨完成；另一方面，即使是農(nóng)業(yè)機器人具備了相當?shù)闹悄�，能夠完成某種任務(wù)，然而由于其制造成本過高。開發(fā)難度極大而難以實際應(yīng)用。

目前對于農(nóng)業(yè)機器人的研究一般是采用上文提及的兩種實現(xiàn)方式：采用工業(yè)機器人和獨立設(shè)計專用機電系統(tǒng)。由于當前工業(yè)機器人局限于"專用計算機、專用機器人語言、專用微處理器"的封閉式結(jié)構(gòu)。封閉的控制器結(jié)構(gòu)使工業(yè)機器人具有特定的功能、適應(yīng)于特定的環(huán)境，不便于對系統(tǒng)進行擴展和改進，如增加傳感器控制等功能模塊。

工業(yè)機器人的封閉式結(jié)構(gòu)限制了農(nóng)業(yè)機器人柔性生產(chǎn)能力和智能的擴展。獨立設(shè)計專用機電系統(tǒng)的實現(xiàn)方式同樣存在著擴展性、通用性差的問題，如果用采摘蘋果的機器人采摘西瓜，從末端執(zhí)行器、機械部分、控制部分到傳感部分都要更換，相當于重新設(shè)計一個新的機器人系統(tǒng)。

5 具有開放式結(jié)構(gòu)的農(nóng)業(yè)機器人

5．1 開放式結(jié)構(gòu) 開放式結(jié)構(gòu)的思想源于現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)對機電設(shè)備的要求，計算機集成制造、柔性制造和敏捷制造等新的生產(chǎn)模式要求機電設(shè)備具有更大的柔性和更強大的編程環(huán)境，適應(yīng)不同的應(yīng)用場合和多品種小批量的生產(chǎn)。為了提高機電系統(tǒng)的性能和智能水平，要求控制器具有開放結(jié)構(gòu)和集成各種外部傳感器的能力。

開放結(jié)構(gòu)控制器大大提高了系統(tǒng)的柔性、可配置性、可擴展性、交互性、可交換性、可移植性、可伸縮性、可靠性和復(fù)用性。與傳統(tǒng)的專用系統(tǒng)相比，開放式機器人控制器的優(yōu)點主要有：

1)開放式機器人控制器的設(shè)計可以由用戶或第三方開發(fā)人員更換或修改，用戶可以根據(jù)需要進行機器人控制器改型。開放式機器人系統(tǒng)的應(yīng)用范圍更廣；

2)硬件和軟件結(jié)構(gòu)很容易集成傳感器、操作接口，新的伺服控制規(guī)律等；

3)開放式機器人控制器采用模塊化技術(shù)，功能模塊的復(fù)用可以降低開發(fā)成本，使得重復(fù)性的開發(fā)工作大大減少，從而減少了整個系統(tǒng)開發(fā)的時間和成本；

4)開放式控制器便于實現(xiàn)平臺、操作系統(tǒng)和用戶接口的標準化；

5)硬件和軟件實現(xiàn)的開放式使得任何符合接口標準的第三方硬件和軟件包都可以添加到系統(tǒng)中或替換功能相同的部件，從而刺激系統(tǒng)供應(yīng)商之間的競爭。通過競爭，一方面用戶可以獲得更豐富的硬件和軟件資源，降低實現(xiàn)成本。另一方面也加速了從研究系統(tǒng)向可操作系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化，這樣縮短了從研究到商品化產(chǎn)品的周期。

5．2 開放式結(jié)構(gòu)農(nóng)業(yè)機器人系統(tǒng)的優(yōu)點 研究具有開放式結(jié)構(gòu)的農(nóng)業(yè)機器人系統(tǒng)，可以解決當前農(nóng)業(yè)機器人發(fā)展存在的問題。開放式結(jié)構(gòu)的農(nóng)業(yè)機器人系統(tǒng)，具有良好的擴展性、通用性和柔性作業(yè)的能力。

機器人由機械、傳感、控制三大部分組成，通過更換不同自由度的機械部分適應(yīng)不同類型的農(nóng)作物(如水果類、蘋果、桔子等，蔬菜類西紅柿、黃瓜等)，更換不同的末端執(zhí)行器適應(yīng)不同的作物(例如西紅柿和黃瓜需要的末端執(zhí)行器不同)。針對不同作物，傳感器部分適當?shù)卦黾雍蜏p少�？刂撇糠直Ａ糇銐蚪涌�，可以控制足夠自由度的機械部分和接收傳感器的信號。

因此，具有開放式結(jié)構(gòu)的農(nóng)業(yè)機器人開發(fā)周期短，降低了成本，增加了利用率，提高了農(nóng)業(yè)機器人的性價比，有利于推廣使用。

開放式結(jié)構(gòu)的軟件體系為實現(xiàn)人機協(xié)同、機機協(xié)作等新理論提供了理想平臺，也便于智能性的擴展。人機協(xié)同控制技術(shù)是解決農(nóng)業(yè)機器人智能發(fā)展水平與復(fù)雜任務(wù)要求之間矛盾的一條有效途徑。

人的參與，可以充分考慮和發(fā)揮人的經(jīng)驗、能動性以及對意外事件的反應(yīng)能力，增強機器人處理突發(fā)事件以及不精確事件的能力，增強系統(tǒng)的魯棒性。機機協(xié)作即機器人之間的協(xié)同作業(yè)，多機器人的協(xié)同作業(yè)可以顯著地提高農(nóng)業(yè)機器人的智能和工作效率。因此，具有開放式結(jié)構(gòu)的農(nóng)業(yè)機器人系統(tǒng)為解決農(nóng)業(yè)機器人的智能問題提供了有效的途徑。

5．3 開放式結(jié)構(gòu)農(nóng)業(yè)機器人系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù) 機器人的核心部分是其控制系統(tǒng)，因此具有開放式結(jié)構(gòu)的農(nóng)業(yè)機器人系統(tǒng)的根本要求是具有開放式結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)。

事實上，農(nóng)業(yè)機器人也只有具有開放式結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)才能保證控制不同農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所需的不同機器人機械部分、末端執(zhí)行器和傳感器。因此，建立符合開放式定義、特征的農(nóng)業(yè)機器人控制系統(tǒng)，保證控制的可靠性、實時性，是關(guān)鍵所在。

6 結(jié) 語 隨著新的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式和新技術(shù)的應(yīng)用，機器人將越來越多地應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的季節(jié)性、農(nóng)產(chǎn)品的價格、農(nóng)業(yè)作業(yè)的復(fù)雜性等特點對農(nóng)業(yè)機器人的性價比、智能提出較高的要求，成為制約農(nóng)業(yè)機器人研究應(yīng)用的瓶頸問題。

開放式結(jié)構(gòu)的農(nóng)業(yè)機器人系統(tǒng)是解決這個問題的有效途徑。將開放式結(jié)構(gòu)的思想應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機器人的研究具有實際應(yīng)用價值，也有助于我國在較高起點上跟蹤趕超國際前沿。