国内外农业机器人研究进展分析

李追风 ，时文涛 ，姬志发 ，刘玉龙

（河南工学院智能工程学院，河南 新乡 453003）

当前，工业自动化水平和信息技术的日益提高，已经引起了越来越多的农业领域和科技领域的学者关注。姚天曙等（2007）对机器人在农业领域的发展现状以及应用前景进行了研究[1]，毕昆等（2011）对机器人技术在农业领域的应用方向以及今后机器人在农业领域的发展趋势进行了研究[2]。但对于国内外农业机器人的对比发展研究却较少，发表的文献不多。虽然早在1994年，王伟就对日本农业机器人的发展情况进行了探究[3]，但是在之后很少有学者对国内外农业机器人对比发展领域进行研究。基于此，研究小组对国内外农业机器人发展进行了对比分析，以期引起更多学者对农业机器人发展研究的关注。

1 机器人在农业领域应用中的特点

农业机器人是用于农业生产的特种机器人，是一种新型多功能农业机械。它是以农产品为操作对象、兼有人类部分信息感知和四肢行动功能、可重复编程的柔性自动化或半自动化设备[4]。农业机器人的问世，是现代农业机械发展的结果，是机器人技术和自动化技术发展的产物。农业机器人的出现和应用，改变了传统的农业劳动方式，促进了现代农业的发展。农业机器人可以提高劳动生产率，解决劳动力不足的问题；改善农业的生产环境，防止农药、化肥等对人体的伤害；提高作业质量等。在很大程度上帮助农民缓解了劳动强度，减轻了劳动负担。

机器人在农业领域的应用中有以下三大特点：1）机器人服务对象的复杂性与脆弱性。通常农业机器人的服务对象为农产品，而大多数农产品存在着其他工业产品所不具有的易坏性，更为脆弱，在农业机器人的使用过程中，需要考虑其脆弱性，注重对农产品的保护性[5]。同时因为农产品种类的丰富性多样，需要农业机器人针对不同种类的农产品提出不同的劳动作业规划，在必要时也要为不同的农产品研制适合其农产品特点的机器人，以适应农产品种类众多而造成的复杂性。2）机器人工作环境的复杂性以及不具有完整结构性。农业机器人在进行工作时，一般要在进行范围内的移动的前提下进行劳作，这就要求机器人要注意不能损伤农产品，在移动过程中增加了机器人的劳作难度，农产品生产环境的复杂程度对农业机器人的应用有一定的限制性。同时，由于农产品生长环境的不同，导致机器人的劳作环境并不具有一个完整的结构体系，农业机器人无法根据一个完整的编程体系来适应不同农产品的劳作环境，这就对农业机器人提出了更高的智能化要求，而机器视觉作为智能农业机器人的外部传感器，是机器人作业装备的眼睛，是最大的信息源，具有感知信息丰富、采集信息完整等优势，因此需要提高机器人在视觉、合理推理及农产品生产环境判断等方面的智能水平。3）机器人在农业领域使用对象以及价格特征的局限性[6]。农业机器人的使用者是农民，不是具有机械电子知识的工程师，因此要求农业机器人必须具有高可靠性和操作简单的特点。虽然当今是信息化与技术化较为发达的21世纪，但是对于大多数农民来说，其能接受的农业机器人类型也是操作较为简单且工作效率较高的机器人，而对于过于智能以及操作步骤过于复杂的农业机器人并不能适应，这也限制了高水平、智能化农业机器人的应用与普及。而且农业机器人的生产也需要考虑价格因素，农业机器人出现的主要目的就是降低农业的生产成本，提高农业生产效益，过高的定价会加大农业机器人的普及难度，反而不利于农业机器人的应用与普及[7]。

2 国内外农业机器人发展现状

2.1 国外农业机器人研究现状

国外发达国家由于较早进行第一次工业革命以及第二次工业革命，因此，其工业发展水平较高，机械化、自动化技术研究起步早，农业机器人的研究起步也比较早[8]。早在20世纪80年代，发达国家就开始意识到农业机器人对农业生产的作用，纷纷开始投入资金与科研力量并根据自身实际发展情况，进行农业机器人研发。之后，发达国家研究出了用于嫁接不同植物、能够提高农产品产量的嫁接机器人，用于提高农产品采摘效率、减轻农民采摘负担的采摘机器人等多种不同类型符合本国农业发展特色的农业机器人[9]。澳大利亚主要是发展畜牧业，当地农民每年为修剪羊毛要花费大量时间，影响其他生产劳作的进度，根据这一农业生产发展实际，澳大利亚政府投入技术与资金研究了剪羊毛机器人，不仅减轻了当地农民剪羊毛的负担，也为其农业发展节约了劳动成本，提高了经济效益；荷兰发展养殖业，盛产牛奶，这是其农业发展的一大经济来源，但人工挤牛奶不仅费时，也占用了大量的劳动力资源，于是荷兰发明了挤奶机器人，为其农业发展提供了技术支撑；英国的蘑菇产量高、品质好，但是采摘蘑菇同样也是一项费时又费力的工作，影响其农民的经济收入，占用过多的劳动力资源，因此英国发明了采蘑菇机器人；日本为提高土地的使用效率，发明了插秧机器人，通过整齐有序的插秧顺序来最大程度减少对土地资源的浪费，提高农业资源的利用效率[10]。这些国家结合本国的农业发展实际都研究出了不同类型的农业机器人，但是由于价格高昂以及具体农业生产环境复杂性等一系列问题的制约，发达国家的农业机器人在实际的应用与普及方面仍然存在不足，仅有部分发达地区实现了农业机器人的普及，这也就意味着发达国家当前农业机器人的研究尚未进入成熟阶段，需要进一步努力来解决农业机器人普及较为困难的问题。

2.2 我国农业机器人研究现状

相对于国外发达国家，我国对农业机器人的研究相对较晚，在20世纪90年代开始起步。因为受第一次工业革命与第二次工业革命的影响比国外发达国家少，除了农业机器人研究起步较晚外，还存在着技术化、机械化观念薄弱以及技术发展不成熟的问题。但在改革开放之后，国家开始意识到我国科技信息化技术发展薄弱的问题，开始加大对技术化信息化发展的扶持力度，农业机械化的发展也在逐渐走向正轨。同时，国家通过制定相关农业机械化政策鼓励农民进行农业机械化建设，虽然我国对机器人的研究起步相对较晚，但产业发展迅速，同时政策上支持力度较大，工业和信息化部、发展改革委、财政部于2016年就曾联合发布《机器人产业发展规划（2016—2020年）》，为农业机器人的进一步发展提供了新机遇；社会也积极向农民宣传农业机械化所带来的益处，从而引导农民树立农业机械化、技术化的观念，为农业机器人的应用与普及提供了技术与观念基础[11]。国家对于农业机器人的研发在多方面投入，同时借鉴西方发达国家机器人研制成功的经验，研发了适用于我国国土面积大、平原土地资源较为丰富特点的农业机器人，如喷药专用无人机以及喷药机器人。中国农业大学副教授张春龙指出：“我们经过调研发现，在规模农业较发达地区，智能农机有着可观的潜在需求，不但可以降低高昂的人工费用，还可以进行精准作业，减少农药、化肥等施用量，为农业可持续发展提供技术支撑。随着我国农业机械化规模化发展，中国农业向智能化升级已经成为可能。”越来越多的耕地需要依靠集体经营、规模化生产，我国农业机器人的推广，主要集中在大田作业中自动驾驶农机、农业植保无人机等的应用。大田无人农机已能够替代人工，实现自动驾驶、工作环境监测、农业决策以及其他具体操作。

3 农业机器人发展存在的问题及对策

3.1 农业机器人智能化薄弱

1）不足之处：无论是西方发达国家还是我国，在农业机器人的投入方面都不如工业机器人受重视，因此在农业机器人的智能化方面，国内与国外发展都比较薄弱，大多数国家都止步于能够基本满足农业生产需求，而对于智能化农业机器人研究并没有给予更多的关注[12]。例如，当前生产的国内外农业机器人虽然对于视觉定位以及人工智能方面已有研究成果，但是现代的农业机器人依旧没有达到能够独立完成一整条农业生产作业的水平，仍然需要依靠人的力量来指示其完成生产劳作任务，并没有实现真正意义上的智能化。

2）可行性策略：提高对农业机器人研究的重视程度，从政策方面加大对农业机器人的扶持力度[13]。由于智能化农业机器人的设计制造结构更加复杂，如受自然光照多变、待作业空间复杂多变、作业对象千姿百态、枝叶果实相互遮挡等影响，这都是农业机器人作业中信息视觉感知的技术难题，因此研发的难度比较大，并且智能化农业机器人需要的资金投入与科研投入较大，只依靠学术界先进学者以及技术人士的努力还不够，需要国家政策的扶持[14]。例如，政府加大资金以及科研技术的投入，建立奖励制度，为科研人员提供更为优厚的待遇，提高他们研发智能化机器人的积极性。

3.2 智能化机器人研发成本过高

1）不足之处：智能化机器人研发成本过高的问题也是世界各国对此投入较少的一大原因。根据农业机器人的发展特点来看，大多数农业机器人只适用于一种或者几种农产品的生产，很多农业机器人因使用的频率较少而被闲置，进一步增加了智能化机器人生产以及维护的成本，可能造成并不能提高农业生产效益的问题。

2）可行性策略：根据农业发展特点有选择性地研发智能化机器人，如俄罗斯由于纬度较高、气候寒冷，并不适合玉米等粮食作物的生长，那么就不需要在这一方面的农业机器人上多费精力进行研究，即使研究成功，其智能化机器人的研究成本也超过了其最后收获农产品的价值[15-16]。但其畜牧业发达，如果在畜牧业上研发智能化机器人，使其帮助农户完成整个养殖生产链，可提升畜牧业经济效益。

4 结束语

农业机器人的研制是不断发现问题、解决问题的过程。农业机器人想要实现普及，还是需要“因地制宜”。另外，想要找到农业机器人最佳的作业方法，只有攻克了技术难关才行。不过，未来发展机械化、智能化农业，是一个大的发展趋势，目前还没普及，只是时间的问题。因此，国内外农业机器人的发展都需要各国政府的政策支持以及资金支持，需要各国根据本国农业发展特点有选择性地发展智能化机器人，农业机器人的应用与发展才能进一步取得突出成果，提高农业经济效益。