1 引 言 新的農業生產模式和新技術的應用促進了農業機械的更新和發展，智能農業機械的技術條件已經成熟。進入20世紀90年代，隨著計算機技術和信息采集與處理技術的發展，自走式農業機械的田間自動導航、機器視覺與農業機器人研究得到重視，成為探索在農業機械裝備中應用智能控制等高新技術研究的重要方向。

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        要實現工作對象是分散的、并且需根據判斷進行選擇的工作如除草、間苗、蔬菜收獲、水果收獲等作業的機械化和自動化是極為困難的，這些作業目前完全依靠人工完成。 苗木網,999miaomu.com

        對于必須處理這樣復雜又模糊的信息，還要進行綜合判斷的農業生產作業的機械化來講，只有靠具有與人類相同的知識啟發和學習功能的智能農業機械一農業機器人才可能得以實現。可以預計，21世紀將是農業機械向智能化方向發展的重要時期。

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        2 農業機器人的特點 同工業機器人相比，農業機器人具有以下特點： 苗木網,999miaomu.com

        1)作業對象的嬌嫩性和復雜性：生物具有軟弱易傷的特性，必須細心輕柔地對待和處理。且其形狀復雜，生長發育程度不一，相互差異很大； 苗木網,999miaomu.com

        2)作業環境的非結構性：由于農作物隨著時間和空間而變化，工作環境是變化的、未知的，是開放性的。作物生長環境除受地形條件的約束外，還直接受季節、天氣等自然條件的影響。這就要求生物農業機器人不僅要具有與生物體柔性相對應的處理功能，而且還要能夠順應變化無常的自然環境，在視覺、知識推理和判斷等方面具有相當的智能； 苗木網,999miaomu.com

        3)作業動作的復雜性：農業機器人一般是作業、移動同時進行，農業領域的行走不是連接出發點和終點的最短距離，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； 999苗木網,www.cqhuayin.com

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

        3 研究現狀 日本是研究農業機器人最早的國家之一，早在20世紀70年代后期，隨著工業機器人的發展，對農業機器人的研究工作逐漸啟動，已研制出多種農業生產機器人，如嫁接機器人、扦插機器人、移栽機器人和采摘機器人等。

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        20世紀90年代以來，"精確農業"技術的研究與應用在發達國家受到了普遍的重視，已被國際農業科技界認為是21世紀實現農業可持續發展的先導性技術之一。具有相當智能的農業機器人是精確農業體系中有效裝備之一，得到重視和發展。

        許多國家根據自己的情況開發出了各具特色的農業機器人，如澳大利亞的剪羊毛機器人，荷蘭開發的擠奶機器人，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，農業機器人的實現方式有2種，一種利用現有的工業機器人實現具體的農業生產作業，另一種是研制專用機電系統實現具體的農業生產作業。 苗木網,www.cqhuayin.com

        3．1 利用工業機器人的實現方式 利用工業機器人的機械本體和控制器，安裝具體農業作業的專用末端執行器、視覺傳感器等組成一個農業機器人系統。這種農業機器人的實現是最方便，也是最常用的，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、末端執行器、視覺傳感器、移動機構和控制部分組成。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工業機器人。

        為了不損傷果實，機械手的末端執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，利用機械手的腕關節把果實擰下。行走機構有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，轉動后再繼續前進。

        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構、采摘工作方式和避障規劃方面加以改進，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-E2六自由度工業機器人，利用CCD攝像機，根據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。 999中國苗木網,999miaomu.com

        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。 苗木網,999miaomu.com

        同樣，此機器人需要改進其機器手的結構、采摘工作方式和避障規劃功能，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，室內溫度高，濕度大，勞動條件差。為改善作業者的勞動條件。同時也為解決勞動力的不足，開發了移栽機器人。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機器人ADEPT-SCARA四自由度工業機器人和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

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        。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，離自動化作業流水線作業尚有一段距離。 中國苗木網,www.cqhuayin.com

        3．2 專用機電系統的實現方式 由于農業生產的復雜性和特殊性，有些農業生產作業是傳統的工業機器人無法勝任的，許多專家針對不同的農業生產研制出了獨特的農業機器人系統，即設計出農業機器人的機械部分、控制部分和軟件部分。比較典型的有以下幾種： 苗木網,999miaomu.com

        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個氣動移動關節和一個步進電機驅動的旋轉關節組成；末端執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。

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        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。如何根據圖像信息調整機器手姿態動作提高成功率和采用多個末端執行器提高生產率是亟待解決的主要問題。 苗木網,999miaomu.com

        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個旋轉關節和1個移動關節。采用三指夾持器作為末端執行器，內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。 苗木網,www.cqhuayin.com

        該機器人末端執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自由度液壓驅動的機器人用于收獲西瓜，它包括機器手、末端執行器、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個旋轉關節組成，它保證了工作空間包含地面。

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        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行器抓取的問題。 中國苗木網,www.cqhuayin.com

        4 存在的問題 從以上所述的農業機器人研究可以看出，農業機器人可以代替人類完成的某些農業生產活動。但要達到實用普及的程度，仍存在2個關鍵的問題： 中國苗木網,www.cqhuayin.com

        1)農業機器人的智能程度沒有達到農業生產的需要。農業生產的特點要求農業機器人具有相當的智能和柔性生產的能力以適應復雜的非結構環境。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)農業機器人的成本高，其性價比不能滿足市場的需要。一方面，農業生產的特征之一是季節性強，造成了農業機器人的使用效率低，間接地增加了農業機器人的成本。例如移栽機器人。 苗木網,www.cqhuayin.com

        如果僅適用于一種農作物的移栽作業，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，提高農業機器人的生產效率，只有當農業機器人的生產成本低于人工收獲成本時，農業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，而上文提及的農業機器人速度分別是16個／s和6．7個/s。

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

        針對農業機器人的智能化程度問題，現階段農業工程領域的：專家紛紛把研究重心從機械部分轉向機器視覺、人工智能方面，力圖解決農業機器人的智能問題。從目前的技術水平來看，在自動導航、視覺辨識定位等方面已有成熟的解決方案，但總的來講，目前智能系統的發展還不夠完善。很多任務無法由農業機器人單獨完成；另一方面，即使是農業機器人具備了相當的智能，能夠完成某種任務，然而由于其制造成本過高。開發難度極大而難以實際應用。

        目前對于農業機器人的研究一般是采用上文提及的兩種實現方式：采用工業機器人和獨立設計專用機電系統。由于當前工業機器人局限于"專用計算機、專用機器人語言、專用微處理器"的封閉式結構。封閉的控制器結構使工業機器人具有特定的功能、適應于特定的環境，不便于對系統進行擴展和改進，如增加傳感器控制等功能模塊。 999苗木網,www.cqhuayin.com

        工業機器人的封閉式結構限制了農業機器人柔性生產能力和智能的擴展。獨立設計專用機電系統的實現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，相當于重新設計一個新的機器人系統。

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        5 具有開放式結構的農業機器人

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

        開放結構控制器大大提高了系統的柔性、可配置性、可擴展性、交互性、可交換性、可移植性、可伸縮性、可靠性和復用性。與傳統的專用系統相比，開放式機器人控制器的優點主要有：

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

       2 )硬件和軟件結構很容易集成傳感器、操作接口，新的伺服控制規律等；

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

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        4)開放式控制器便于實現平臺、操作系統和用戶接口的標準化； 999中國苗木網,www.cqhuayin.com

        5)硬件和軟件實現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中或替換功能相同的部件，從而刺激系統供應商之間的競爭。通過競爭，一方面用戶可以獲得更豐富的硬件和軟件資源，降低實現成本。另一方面也加速了從研究系統向可操作系統的轉化，這樣縮短了從研究到商品化產品的周期。 中國苗木網,www.cqhuayin.com

        5．2 開放式結構農業機器人系統的優點 研究具有開放式結構的農業機器人系統，可以解決當前農業機器人發展存在的問題。開放式結構的農業機器人系統，具有良好的擴展性、通用性和柔性作業的能力。 中國苗木網,999miaomu.com

        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不同類型的農作物(如水果類、蘋果、桔子等，蔬菜類西紅柿、黃瓜等)，更換不同的末端執行器適應不同的作物(例如西紅柿和黃瓜需要的末端執行器不同)。針對不同作物，傳感器部分適當地增加和減少。控制部分保留足夠接口，可以控制足夠自由度的機械部分和接收傳感器的信號。

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        因此，具有開放式結構的農業機器人開發周期短，降低了成本，增加了利用率，提高了農業機器人的性價比，有利于推廣使用。 999中國苗木網,999miaomu.com

        開放式結構的軟件體系為實現人機協同、機機協作等新理論提供了理想平臺，也便于智能性的擴展。人機協同控制技術是解決農業機器人智能發展水平與復雜任務要求之間矛盾的一條有效途徑。

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        人的參與，可以充分考慮和發揮人的經驗、能動性以及對意外事件的反應能力，增強機器人處理突發事件以及不精確事件的能力，增強系統的魯棒性。機機協作即機器人之間的協同作業，多機器人的協同作業可以顯著地提高農業機器人的智能和工作效率。因此，具有開放式結構的農業機器人系統為解決農業機器人的智能問題提供了有效的途徑。 中國苗木網,999miaomu.com

        5．3 開放式結構農業機器人系統的關鍵技術 機器人的核心部分是其控制系統，因此具有開放式結構的農業機器人系統的根本要求是具有開放式結構的控制系統。 苗木網,999miaomu.com

        事實上，農業機器人也只有具有開放式結構的控制系統才能保證控制不同農業生產所需的不同機器人機械部分、末端執行器和傳感器。因此，建立符合開放式定義、特征的農業機器人控制系統，保證控制的可靠性、實時性，是關鍵所在。

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        6 結 語 隨著新的農業生產模式和新技術的應用，機器人將越來越多地應用到農業生產中。由于農業生產的季節性、農產品的價格、農業作業的復雜性等特點對農業機器人的性價比、智能提出較高的要求，成為制約農業機器人研究應用的瓶頸問題。 999苗木網,999miaomu.com

        開放式結構的農業機器人系統是解決這個問題的有效途徑。將開放式結構的思想應用于農業機器人的研究具有實際應用價值，也有助于我國在較高起點上跟蹤趕超國際前沿。

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