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本文导读目录：

1、农业机器人的不确定

2、农业机器人的内容简介

3、农业机器人的春天来了吗？

4、农业机器人集锦

农业机器人的不确定 ♂

农业机器人的不确定

农业机器人看起来很美好，实际上还存在很多问题，目前比较公认的：

一是作业环境不确定；

二是执行任务不确定；

三是机器构造不确定。

不确定意味着难以定型，也就难以进行研究开发和生产。

农业机器人的内容简介 ♂

农业机器人的内容简介

《农业机器人》为中国农业大学出版社作为国家重大出版工程项目近期推出的重点译著。这套书的原著为日文版，日本是一个劳动力缺乏的国家，为了缓解这个矛盾，日本十分重视农业机器人的研究开发工作，取得了丰硕的成果，居于世界领先地位。随着国民经济和农业的发展，我国也迫切需要通过采用现代农业技术和装备，提高劳动生产率，提高农产品品质，促进我国农村的城镇化、市场化、信息化和现代化，促进我国的农产品走向国际市场。在“十一五”期间，我国在“863计划”中设置了多个农业机器人相关的研究课题，包括水果、蔬菜收获机器人，农业机械智能导航技术，自主作业农业机器人，农田信息自动获取技术等。引进本书的目的即在于拓宽我国研究者的视野，推动我国农业机器人研究与开发的发展。
《农业机器人（I）》主要介绍农业机器人的基本原理和基本结构，第1章简要介绍从农业机械到农业机器人发展的进程；第2章介绍农业机器人的感知技术中最重要的机器视觉，包括农业机器人的机器视觉、农作物的光学特性、机器视觉系统及相应的支持软件、从机器视觉获得的信息等；第3章介绍末端执行器和机械臂，包括农作物的机械特性、机器人的驱动器、传感器、末端执行器和机械臂；第4章系统地介绍了机器人的移动机构的自动化，包括非道路行走、导航传感器、运动建模、行走控制、作业和行走路线规划、安全性和障碍物避让等。
《农业机器人（II）》介绍了大量已开发农业机器人的实例，既有日本开发的机器人，也有美国、荷兰、英国等其他国家的研究成果。和《农业机器人（I）》相对应，第1章介绍农业机械的机构和发展中的农业机器人；第2章介绍用于黄瓜、番茄、圆白菜、草莓、柑橘、苹果等的收获和分级机器人的机器视觉系统的实例；第3章介绍用于作物嫁接、移栽，果园中套袋、剪枝、收获、分级，挤奶、剪毛等作业的机器人的末端执行器和机械臂的实例；第4章介绍基于GDS、GPS和机器视觉控制的农业机器人行走机构的实例，如自动拖拉机、耕作机器人、移栽机器人、除草机器人、干草收获机器人，轨道、履带式、行走式机器人，自动式直升机等。随书所赠光盘不仅包括大量彩色照片和图片，还提供很多机器人工作时的动画，有助于读者理解。
本书的三位作者都是农业机器人领域的国际领航科学家，他们的研究课题一直处于国际领先水平。近藤直教授1984年发表了在京都大学研究农业机器人的成果，这也是世界上农业机器人研究的开始，之后他一直致力于农业机器人的开发并积极推进农业机器人的实用化。门田充司副教授一直是近藤教授的合作伙伴，和近藤教授一起取得了令人瞩目的成就。野口伸教授任职于北海道大学，在机器人拖拉机和无人直升机方面造诣颇深；他还是日本国家科学委员会委员，参与引领日本农业机械化发展方向的国家决策。
本书的四位译者李民赞、陈兵旗教授，乔军、孙明副教授均为中国农业大学教师，都曾在日本学习、工作多年并在日本获得相关专业的博士学位，回国后仍旧从事相关专业的教学和科研工作，对语言和专业领域非常熟悉。在本书翻译的过程中，译者和原著作者多次沟通，对原著中的疑点进行探讨，力求准确、正确。
《农业机器人（I）》200页，《农业机器人（II）》242页（附赠光盘一张），合计定价70元。

标签： 农业机械信息

农业机器人的春天来了吗？ ♂

农业机器人的春天来了吗?

四驱轮式巡检机器人

双目巡检机器人卜叶摄

当前，农业生产中，人工成本已经超过整体成本的一半。在这种背景下，如何降低人工成本逐渐成为农业生产关注的热点问题。

“智能化的农业农机装备为提高农业生产效率指出了一条路。从长远看，农业机器装备发展到一定程度就会衍生出农业机器人。农业机器人可全部或部分替代人或辅助人高效、便捷、安全、可靠地完成特定的、复杂的生产任务。”日前，中国工程院院士、国家农业信息化工程技术研究中心主任赵春江在2019世界机器人大会上说。

农业机器人是农业智能化装备的一种，能够利用多传感器融合、自动控制等技术，让自然环境下作业的农业装备实现自动化、智能化生产。农业机器人种类丰富，包括大田作业机器人、温室机器人、林业农业机器人、畜牧农业机器人、水产农业机器人等。

传统农民正在减少

来自农业农村部的数据显示，我国田间平均机械化作业水平达到63%，而江苏、黑龙江等全国粮食主产区已经突破80%。

“虽然农业机械化水平已经比较高，但是农机的作业环境依然比较恶劣，劳动强度也比较大，而且对农机操作人员的驾驶水平要求比较高。”江苏大学教授魏新华说，“由于操作人员技术水平的差别，农业作业质量也差别较大。”

中国农业大学教授李伟表示，现代农业生产对作业人员提出了规模化、标准化、信息化等要求。

农业生产对生产人员提出更高要求，与此同时，传统农民正在减少。据统计，“十三五”期间，我国约有1.2亿人口进入城镇。

越来越多的耕地依靠集体经营、规模化生产。目前，我国40%的耕地由270万个农业新型经营主体耕作，农业生产开始依靠合作社、家庭农场、牧场、种植业和养殖业大户、龙头企业等新型经营主体。

国际上同样面临农业生产人员缺乏的问题。自上世纪80年代起，农业机器人应运而生，如瑞士的田间除草机器人、苹果采摘机器人，美国的苗圃机器人、智能分拣机器人，爱尔兰的大型喷药机器人，法国的葡萄园作业机器人等。

国际学术界对农业机器人非常重视，2008年国际机器人与自动化协会（IEEE RAS）成立农业机器人与自动化学术委员会。2009年美国《时代周刊》将年度最佳发明奖颁发给一款除草机器人。

美国研究公司Tractica的一份报告预测，到2024年底，全球农业机器人的年出货量预计将达到594000台，农业机器人市场的年收入将超过740亿美元。

“农业机器人的发展拥有前所未有的大好局面，农业机器人迎来了春天。”李伟说。

非结构性环境的挑战

春天的到来都要经历寒冬的考验。对于农业机器人来说，这场寒冬就是机器人研发使用过程中的一个个科研难题。

和其它机器人一样，农业机器人由三个重要部分组成：类似人类五官的视觉、触觉、听觉、味觉等，能够感知、获得信息的传感器和系统；能够解析任务，识别、判断环境，制订行动计划的芯片，功能类似大脑；具有超强的执行能力的机构。科研难题就隐藏在这其中。

李伟表示，整体看，我国农业机器人与国际研究水平相当，部分技术处于领跑水平，比如自然环境下机器人的伺服控制等。也有一些技术处于落后状态，比如涉及作物信息、动植物生理、生态感知的传感器件等。

她强调，其中全世界面临的一个共性难题是在非结构环境下如何有效获取信息。“不同于工业环境的流水线生产，农业机器人面临的工作环境非常‘多变’，果实形态多样、农业环境中复杂的光照条件、植株的复杂布局等，都会对农业机器人的判断和执行造成干扰。”

她举例说，黄瓜采收机器人在摘黄瓜的过程中，首先得找到目标。但是每个黄瓜长得都不完全一样，并且还有枝叶的遮挡，机器人找到黄瓜、定位、伸手、采摘的过程不顺畅，这大大影响了机器人采摘过程的速度。

日前，李伟研究团队取得突破性进展，研发出非结构环境智能双目视觉系统。该系统能够在农田、果园等自然环境下，识别光照、时空，动态采集，高速实时传输数据。该系统已经在采摘机器人、除草机器人、割胶机器人等农业机器人方面展开实验与验证。

以大田作业为切入口

事实上，农业机器人的应用已经展开。魏新华介绍，目前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。大田无人农机已经能够替代人工，实现自动驾驶、工作环境监测、农业决策以及其它具体操作。

除了解放人力，无人农机还有何优势？魏新华表示，无人农机采用按需精准变量作业，提高化肥农药的利用率。另外，无人农机搭载的作业环境现场感知技术，可以根据土壤、环境和作业对象的实时情况，以及机器的作业状态，让机器始终处于接近满负荷的最佳作业状态，提高作业效率，保证作业质量。最重要的是，无人农机作业过程中还实现了信息收集和远程存储。

“未来的农场很可能是无人农场，农业机器人编组后，互相联系，协同作业。”魏新华预言。

但在赵春江看来，我国对机器人的研究整体比较弱，前期的创新研究积累不够，将导致后期产业化“底气”不足，无人农场终究是纸上谈兵。

魏新华说：“农业机器人的研制是不断发现问题、解决问题的过程。”他举例，此前，无人农机作业过程中农田边界的识别是困扰研究人员的难题。无人农机无法识别农田边界，作业之前需要人工驾驶无人农机获取田块的四个顶点，非常耗时。

虽然能够自动识别边界和固定障碍物的系统尝试解决这一难题，但是实际作业过程中又发现了新问题。该系统的田头作业不尽如人意，尤其是在不规则田块中作业存在比较大的难度。调试好的无人农机在移到另一区域作业时，也暴露出土壤及地表状况适应性差的问题。

此外，面对播种或插秧直线度差的田块，如果农业机器人在田间管理时仍按照北斗导航规定的直线路作业，就会增加轧苗率。魏新华建议，进行多导航信息融合，即把北斗导航和视觉导航信息融合。“未来，我国的植保将是以地面机械为主导、农业航空为体系的立体的植保防控体系，要对农业机器人的未来有信心。”

赵春江表示，机器人学是一门交叉学科，涉及到人工智能、材料、机械等多个学科。目前机器人的研究队伍偏小，不利于快速推进农业机器人发展。做好农业机器人，必须鼓励和支持多学科交叉研究。

农业机器人集锦 ♂

农业机器人集锦

农业机器人是用于农业生产的特种机器人，是一种新型多功能智能化农业机械，是“互联网＋”在农业机械上应用的结果。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互融发展的产物。农业机器人的出现和应用，使农业装备有了人一样的思考和判断能力，会“代替”人从事农业生产，会彻底改变传统的农业劳动方式，大大提高劳动生产率，使农业劳动真正变成田园牧歌，农民则成为受尊敬的职业，促进现代农业的发展。这里介绍典型的农业机器人，共智能农装研发生产和农业生产者参考。

1、施肥机器人

美国一家农业机械公司的科技人员推出的机器人，会从不同土壤的实际情况出发，适量施肥。它的准确计算合理地减少了施肥的总量，降低了农业成本。由于施肥科学，还能使地下水质得到改善。

国内已研制并应用基于北斗定位导航的智能化变量播种、施肥、旋耕复式作业机具。使用表明，这种智能化机具可一次完成耕整地、播种、施肥等多种功能。适用于小麦、大豆、油菜等多种作物，操作简单，通过电脑显示屏设置和调控机具作业参数。作业效率、质量明显提高，达到节约种、肥、药和节能降耗之目的。山东省农机院、福田雷沃重工等研制的2BYFZ-4智能型玉米精量播种施肥机，采用自主研发的种、肥专用传感器，具有种子和肥料检测与自动补种、补肥、自动疏通装置，以及基于CAN总线专用控制器与触控软件系统。前者完成已播种数、重播数、漏播数的计量，以及缺种、堵塞故障报警、自动化补种；后者能实现株距与施肥量的电动无级调节。
2、 除草机器人

美国研究人员开发的除草机器人所使用的是一部摄像机和一台识别野草、蔬菜和土壤图像的计算机组织装置，利用摄像机扫描和计算机图像分析，层层推进除草作业。它可以全天候连续作业，除草时对土壤无侵蚀破坏作用。

我国对自动对靶喷雾技术等识别性变量喷药进行了长时间的深入研究，并已开发出相应机具应用于农业生产。如将红外探测技术、自动控制技术应用于喷雾机上，研制出果园自动对靶喷雾机，较好地解决了现行果园病虫害防治问题，大大提高了农药利用率，减轻甚至消除了药害，解决了环境污染问题。约翰迪尔4630自走式喷雾机在中国本土生产，已广泛应用于国内玉米、棉花、高粱、甘蔗等高秆作物的精准植保作业，表现非凡。
3、采摘柑桔机器人

西班牙科技人员发明的这种机器人由一台装有计算机的拖拉机、一套光学视觉系统和一个机械手组成，能够从桔子的大小、形状和颜色判断出是否成熟，以决定可不可以采摘。它作业速度极快，每分钟可摘柑桔60个，而靠手工只能摘8个。另外，通过装有视频器的机器手，能对摘下来的柑桔按大小马上分类。

我国已研制成功果蔬智能采摘机器人。研制者为了实现对樱桃番茄果串的识别定位，提出一种基于视觉伺服技术的激光主动测量方法，通过实时获取果串内果粒的图像坐标，控制执行部件动态调整摄像机的空间姿态，对不同果粒进行对靶测距，并据此测算果串外形参数，为采摘机器人自动采收提供依据。适用范围：樱桃、番茄的采摘。

4、 采摘蘑菇机器人

美国西尔索农机研究所发明的这种机器人装有摄像机和视觉图像分析软件，用来鉴别所采摘蘑菇的数量及属于哪个等级，从而决定运作程度。机上的红外线测距仪测定出的田间蘑菇的高度之后，真空吸柄就会自动地伸向采摘部位，根据需要弯曲和扭转，将采摘的蘑菇及时投入到紧跟其后的运输机中。每分钟可采摘蘑菇40个，是人工的两倍。

5、挤奶机器人

英国剑桥大学的奶牛场，机器人安装在奶牛圈舍旁边，奶牛一旦需要挤奶，会自动排队等待机器人服务。这时，机器人会先对奶牛的乳房进行扫描定位并进行清洁消毒，通过自动感知把吸奶嘴固定好，然后挤奶。挤奶机器人挤奶过程中对奶质进行检测，检测内容包括蛋白质、脂肪、含糖量、温度、颜色、电解质等，对不符合质量要求的牛奶，自动传输到废奶存储器；对合格的牛奶，机器人也要把每次最初挤出的一小部分奶弃掉，以确保品质和卫生。挤奶机器人还能自动收集、记录、处理奶牛体质状况、泌乳数量、每天挤奶频率等，并将其传输到电脑网络上。一旦出现异常，会自动报警，大大提高了劳动生产率和牛奶品质，有效降低了奶牛发病机率，节约了管理成本，提高了经济效益。据调查，挤奶机器人的使用，可以提高奶产量20%～50%。

6、放牧机器人

澳大利亚的发明家创造出一种像牧羊犬的机器人，它能在农场上代替传统的放牧劳力（人或牧羊犬）。它使用2D和3D感应器，且内置了全球定位系统，能够根据牛群的运动速度来赶着它们移动。牛群被机器人赶着不断绕圈走，有意思吧。目前，这款机器人已通过应用测试阶段，使用效果理想。

7、葡萄园机器人

法国的发明家发明了专门服务于葡萄园的机器人，并把它命名为Wall-Ye。它几乎能代替种植园工人的所有工作，包括修剪藤蔓、剪除嫩芽、监控土壤和藤蔓的健康状况等。除此之外，Wall-Ye比现有的种植园机器人多出一种功能——安全系统。Wall-Ye只能在由程序设定好的种植园工作，危险情况下还能启动自我毁灭程序。危险情况下宁愿启动自我毁灭程序也不“反叛”，够炫吧。

8、育苗和移栽机器人

育苗工作大部分内容都是把盆栽作物搬来搬去，单调而枯燥，浪费人力而且效率不高。美国波士顿的育苗机器人很好地解决了这个问题。这种育苗机器人由滚动轮胎、抓手和托盘组成。工作人员只要实现在触摸屏上设定地点参数，机器人就能感应盆栽，并自动把它们移动到目的地。德国科学家研发出一款名叫BoniRo 的农业机器人，它配备高精度的卫星导航，能将自己的位置精确到2cm以内。其外形像四轮越野车，工作原理是利用光谱成像仪来区分出绿色作物和褐色的土壤，在行进中记录每株作物的位置，在生长季中一次次返回原地观察它们的生长状况。

近年来，国内农业机器人研发取得重大突破。如国家农业信息化工程技术研究中心环境控制部门与华南农业大学联合研发的气力旋转自动嫁接机，该机主要以西瓜、黄瓜、甜瓜为嫁接对象，嫁接生产率达450株/h以上：嫁接成功率90％以上；由东北农业大学研制的2JC-350型插接式自动嫁接机，结构简单、成本低，操作方便，生产率为350株/h。经改进后生产率已达500株/h。由于采用插接法进行机械嫁接，不需嫁接夹等夹持物。适用黄瓜、甜瓜和西瓜的嫁接作业，嫁接成功率达93％。上海帅耀诺机械科技公司SOP-TJ800 型蔬菜嫁接机。适合于西瓜、黄瓜、甜瓜、茄子、辣椒、西红柿等作物的嫁接作业。秧苗旋切方式作业，切削质量好。需2人上苗操作，生产效率：800株/h，嫁接成功率：98% 。由天津市农机研究所和天津市静海县兴盛机械有限公司共同研制的便携式蔬菜自动嫁接机，采用的负压吸附固定系统、电磁铁为动力的旋转切削系统、嫁接苗垫板系统和砧木压叶等结构设计独特，实现了固定苗却不伤苗、不脱落，快速切苗、伤口污染少，将生长点完全切下且不切伤子叶，属国内首创。机具能满足黄瓜嫁接的农艺要求，可减轻农民劳动强度，为蔬菜生产机械化提供了一种先进实用的生产机具。

在“寿光蔬菜博览会”上，由寿光科技人员自主研发的智能机器人穿梭于菜架中，采摘、管理动作精准流畅，让游客在零距离接触中感受智能化种植带来的便捷和高效。

据了解，这几种机器人的能源系统是利用太阳能电池板将太阳能转换为电能，通过变压变频用蓄电池将电能存储起来。当机器人电量不足时，自动搜索充电地点，自动完成充电对接。当机器人充电完毕后，再继续执行上次未完成的任务。

9、分检果实机器人

在农业生产中，将各种果实分检归类是一项必不可少的农活，往往需要投入大量的劳动力。英国西尔索农机研究所的研究人员开发出一种结构坚固耐用、操作简便的果实分检机器人，从而使果实的分检实现了自动化。它采用光电图像辨别和提升分检机械组合装置，可以在潮湿和泥泞的环境里干活，它能把大个西红柿和小粒樱桃加以区别，然后分检装运，也能将不同大小的土豆分类，并且不会擦伤果实的外皮。

10、蜜蜂机器人

据《科学》杂志报道，这种机器人的设计灵感来自苍蝇仿生学。蜜蜂机器人拥有极薄的翅膀和由压电致动器制成的“飞行肌肉”。这些压电致动器是在应用电场时可以扩张和收缩的陶瓷条。每个翅膀都被固定在线腿上方一个细长碳纤维躯干的顶部。和真正的苍蝇一样，这些翅膀可独立活动、旋转和拍打。拍打翅膀产生向下气流，使蜜蜂机器人升到空中。它的向前和向后飞行是靠倾斜身体完成的。

11、黄瓜采摘机器人

日本和荷兰等国较早研制黄瓜采摘机器人。以荷兰为例，其Henten等研制的黄瓜采摘机器人，适合对斜拉线模式种植、没有叶片遮当干扰的0.8~1.5m高度范围内黄瓜进行采摘。该机器人以温室供热管道为轨道，行驶速度0.8m/s。机器人通过单目相机在不同位置采集850和970nm黄瓜近红外图像形成立体视觉，实现对黄瓜的目标识别和果梗采摘点定位。采摘机械臂采用三菱6自由度工业机械臂，用夹持方式夹紧果实后，用高压电极烧断果梗，有利于防止细菌感染。采摘成功率约80%，单根黄瓜采摘平均耗时45s。

中国农业大学的袁挺等2009年研制了国内第一台黄瓜采摘机器人。机器人采用履带式移动底盘和机器视觉导航。目标识别则采用双目立体视觉，为了更好地区分同为绿色的叶片和果实，加设了830mm的近红外带通滤波。目标识别定位后，由4自由度轻型机械臂带动双指式机械手抓持目标，然后由摆动气缸带动刀片实现对瓜柄的切割。采摘成功率达85%，单根黄瓜采摘耗时28.6s。

12、收棉花的机器人

南京农业大学工学院副教授王玲所在的团队研发出一种机器人，不仅可以采摘棉花，还能迅速、准确地判断出籽棉的品级。

对农民来说，收棉花是一件苦差事。而且人工采棉耗费的成本相当大，所投入的劳动力约占整个生产过程的50%。例如，在新疆维吾尔自治区生产建设兵团，种植700万亩棉花，每年付出拾花采摘费近4亿元。  王玲和团队研制的这种机器人在采摘前就知道，哪片地里的棉花质量好，哪片地里的棉花质量差，从而避免重复或无谓劳动。而在种植时，只需让棉花植株的种植间距满足机器人的宽度，棉田留予一定的条宽来满足采摘机械手的工作幅宽。

13、喷雾打药的机器人

这是一台三四人高的庞然大物，其绿色外壳造型特异酷似科幻影视作品中的“外星人”，它其实是北京一家植保公司与意大利、西班牙合作生产的喷雾机。

据了解，发生玉米粘虫灾害时，农民大概以每人150元/天的价格雇人打药，仍雇不到足够的人手。而玉米成熟时秸秆高度一般都接近两米，普通的悬挂式喷杆喷雾机根本下不去地，农民只能看着干着急。而这种“外星机器人”可自由调节行距和高度，其独特的设计可轻松进入各种高度作物的田地，不会对作物造成损伤。

目前发达国家在农业机器人研发上投入较多，进入实用的农业机器人有近200款。我国在农业机器人（智能化农业装备）研发上近年来突飞猛进，取得了大量成果，并应用于农业生产。如智能化的拖拉机、智能化耕耘播种施肥机械、智能化灌溉机械、智能化施药机械、智能化收获机械、智能化设施农业装备、农业机器人等，皆有国产装备供给。但总的看，起步晚，进展快，后来居上却需时日。根据国内外农业机器人研发应用看，未来我国农业机器人研制应从以下方面求突破：

一是智能化的农作物识别定位系统。包括硬件和软件的图像、信息处理。目前，识别定位方法除了机器视觉外，还应用到激光及超声等技术手段。双目立体视觉、主动移动式视觉应该受到关注。

二是柔性采摘灵巧手取代机械臂，以减少对作业对象的损伤，提高其实用性。

三是应研发专用型机器人。农业生产品目繁多，我们不能指望研发通用型农业机器人。农业生产中品种、高矮、大小、形状、软硬、作业要求等各不相同，因此几乎每种生产都要有相应的机器人。

这一方面说明了工作的难度大，但另一方面也展示了其广阔的前景，以及其潜在的巨大市场需求。因此，我国要后来居上，赶超先进技术，研制工作应走引进吸收、借智创新、超越提高的路子，以尽快形成我国农业机器人（智能化农业装备）体系，满足农业发展对农业装备转型升级的要求，提高农业智能化水平，推动农业现代化发展。