2021年10月27日，由中國農(nóng)業(yè)機械流通協(xié)會聯(lián)合中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)規(guī)劃科學(xué)研究所共同主辦，北京中農(nóng)富通園藝有限公司承辦的“溫室園藝產(chǎn)業(yè)發(fā)展論壇”成功舉辦。會上，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)機器人研究中心、蘇州博田自動化技術(shù)有限公司張俊雄博士以“補齊設(shè)施農(nóng)業(yè)機械化短板 推進設(shè)施農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展”為題作了主題報告，本文根據(jù)發(fā)言內(nèi)容整理而成。

一、農(nóng)業(yè)機器人之WWW

第一個W—what : 什么是農(nóng)業(yè)機器人？

在漫長的發(fā)展過程中，人類都特別希望將來由機器人或者是其他的一些機械裝備來替代人去從事辛苦的農(nóng)業(yè)勞動。目前機器人長相還并不是我們心目中的機器人的形象，比如黃瓜采摘機器人、蘋果采摘機器人、除草機器人等還都不是人的形象。

那么什么是農(nóng)業(yè)機器人？目前來說還沒有統(tǒng)一的概念，大家的理解上會有一些小的差別。但總的說來，農(nóng)業(yè)機器人是一種農(nóng)業(yè)精準作業(yè)的智能裝備，它利用多層傳感器融合自動控制技術(shù)，使得在自然環(huán)境下的農(nóng)業(yè)裝備實現(xiàn)自動化和智能化的作業(yè)的技術(shù)和裝備。

農(nóng)業(yè)機器人的核心功能，根據(jù)不同的發(fā)展層次，可以理解為：首先是比較簡單的、輔助人工完成比較難操作的事情。第二是人機融合，實現(xiàn)機器替代人，比如說讓機器人完全自主地完成農(nóng)業(yè)操作。因此，在內(nèi)涵上農(nóng)業(yè)機器人不是傳統(tǒng)意義上的農(nóng)業(yè)裝備，而是在農(nóng)業(yè)裝備上加載了更多的信息感知技術(shù)、智能決策技術(shù)和自動控制技術(shù)等，而且以后更多地依賴和融合大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和人工智能等新技術(shù)的發(fā)展而不斷地完善。

北京國際都市農(nóng)業(yè)科技園——多功能移栽機

第二個W—why : 為什么要發(fā)展農(nóng)業(yè)機器人？

首先是目前農(nóng)民群體結(jié)構(gòu)在發(fā)展改變。隨著人口紅利的消失，傳統(tǒng)類型的農(nóng)民正在快速地消減。目前農(nóng)村人口占我國總?cè)丝?0%左右，真正從事農(nóng)業(yè)的人口大概只有25%左右，在從事農(nóng)業(yè)的勞動群體中，中老年人占很大的比重。隨著人口老齡化問題的日益凸顯，誰來種地？如何種地？如何養(yǎng)活14億人？成為不可回避的話題。另一方面，隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，在農(nóng)民群體之中出現(xiàn)新型回鄉(xiāng)的職業(yè)農(nóng)民和城市里的務(wù)農(nóng)人員，并逐漸成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的基本力量。

第二農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)方式發(fā)生革命性的改變。傳統(tǒng)意義上的面朝黃土背朝天的生產(chǎn)方式已經(jīng)逐漸地發(fā)生變化，我國農(nóng)業(yè)的機械化水平在逐漸提高，如田間的平均機械化作業(yè)水平已達到60%多，有的省份高達80%以上。其次在種養(yǎng)殖業(yè)中，龍頭企業(yè)逐漸成為新型經(jīng)營主體，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)從個體化向規(guī)?；陌l(fā)展，農(nóng)業(yè)的增產(chǎn)不再是靠天吃飯，更多地依賴于現(xiàn)代科技。新型的農(nóng)業(yè)經(jīng)營的主體以及農(nóng)業(yè)的新形勢的出現(xiàn)，會更多地需要科技的力量。因此農(nóng)業(yè)機器人在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展中，將會成為像工業(yè)機器人在工業(yè)中一樣不可或缺。

未來的農(nóng)業(yè)不再是粗放型的模式，而是依靠科技、人才的高度集聚的發(fā)展模式，直接體現(xiàn)在種田的智慧化、農(nóng)機的智能化、農(nóng)民的職業(yè)化。未來農(nóng)業(yè)機器人的使用也是大有市場。

第三個W—where : 農(nóng)業(yè)機器人的出路在哪里？

我國農(nóng)業(yè)機器人的水平身處何方，處在什么樣的水平上？其實農(nóng)業(yè)機器人不是一個新名詞，早在上世紀六七十年代已經(jīng)有很多的研究了，在上世紀70年代日本處于領(lǐng)跑的狀態(tài)，上世紀80年代歐盟在跟進，上世紀90年代之后，英國、美國、中國、日本處于并跑的狀態(tài) 。我國農(nóng)業(yè)機器人的發(fā)展比較迅速，目前已與其他農(nóng)業(yè)先進國家處于并跑的狀態(tài)。

農(nóng)業(yè)機器人的發(fā)展空間在哪里？從農(nóng)業(yè)機器人作業(yè)的分類來看，農(nóng)業(yè)機器人用于大田上作業(yè)，包括除草、施肥、移栽、播種等；用于畜牧業(yè)養(yǎng)殖上，包括擠奶機器人，飼喂機器人、巡檢機器人，宰殺機器人等；用于林果作業(yè)上，包括林果的修剪、采收施肥、施藥、采摘葡萄等；用于設(shè)施農(nóng)業(yè)上，包括育苗的機器人、移栽機器人、分選、采收、施藥、巡檢等。這些是目前農(nóng)業(yè)機器人應(yīng)用的主要方向。有數(shù)據(jù)表明，在未來，比如到2030年，將有數(shù)以百萬臺的農(nóng)業(yè)機器人工作在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)場作業(yè)，全球的農(nóng)業(yè)機器人的市場價值可能達到近2000億左右。

二、農(nóng)業(yè)機器人的關(guān)鍵核心技術(shù)

農(nóng)業(yè)機器人的核心技術(shù)體現(xiàn)在哪呢？經(jīng)過多年的研究和總結(jié)，我們認為目前機器人是很好的東西，但是發(fā)展中確實面臨著很多困難。最典型的困難是在非結(jié)構(gòu)性環(huán)境下的信息獲取。

在農(nóng)業(yè)作業(yè)非結(jié)構(gòu)性的環(huán)境下如何獲得作物的信息？這是世界性的難題。作物信息、動植物生理、生態(tài)等感知傳感器件的研究是一個世界性的難題。還有機電液伺服控制軟硬件技術(shù)，這項技術(shù)更多地依賴工業(yè)技術(shù)的發(fā)展；農(nóng)業(yè)機器人與農(nóng)藝適應(yīng)性的技術(shù)問題，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的種植模式，不一定適合智能農(nóng)業(yè)裝備農(nóng)業(yè)機器人作業(yè)需求，需要在兩者之間進行調(diào)整和修改，做到相互適應(yīng)。

在非結(jié)構(gòu)環(huán)境中讓機器人去作業(yè)目前面臨著很多的問題。以設(shè)施農(nóng)業(yè)采收為例，在設(shè)施農(nóng)業(yè)里，主要依靠機器視覺來獲取目標的信息，在獲取的過程中面臨哪些問題？一是果實的形態(tài)是多樣性的，即便是番茄，也存有大小、顏色、形狀不一的現(xiàn)象，影響了機器人的作業(yè)。二是復(fù)雜的光照環(huán)境，機器人處于一整天的作業(yè)環(huán)境中，一整天的光照條件會不斷的變化，在作物冠層中，每個果實接受的光線差別很大，復(fù)雜的光照條件影響了機器人的作業(yè)。三是農(nóng)作物復(fù)雜的布局，比如像果實在樹上生長，機器人從外往里看的時候，很多果實不一定是完全裸露在外面，可能會有一些遮擋，或者是果實之間的遮擋，或者是果實與葉片藤蔓之間的遮擋。這些遮擋不單影響到機器人信息的采集，同時也會影響到作業(yè)，機械手如何去繞過障礙物抓取到目標，這些都是機器人作業(yè)的困難。

另外，在農(nóng)業(yè)作業(yè)環(huán)境中，有很多都是近色系的作物，在機械化鋤草作業(yè)中，草和作物的顏色都是綠色的，如何快速、準確地識別出來哪些是草需要去掉，哪些是苗需要保留。再比如說黃瓜采摘，黃瓜和葉子都是綠色的，讓機器人如何準確的識別還是具有較大的難度。

針對以上的難點，我們團隊做了以下系列的研究工作和解決方案。

三、非結(jié)構(gòu)環(huán)境下機器視覺解決方案

我們團隊主要分兩部分，一部分在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)機器人研究中心負責(zé)技術(shù)的研發(fā)；另一部分在蘇州博田自動化有限公司主要負責(zé)技術(shù)轉(zhuǎn)化、產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)銷售。團隊的主要目標是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機器人從0~1，實現(xiàn)從無到有的跨越。目前，團隊的主要研究是針對在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下，如何通過機器視覺以及其他的傳感器來提供解決方案。

團隊主要的核心技術(shù)體現(xiàn)在以下兩個方面：

第一個核心技術(shù)是非結(jié)構(gòu)環(huán)境下機器視覺的信息獲取。為了獲取目標，我們嘗試過不同的視覺方案，最早期我們采用兩個單體相機構(gòu)建雙目立體視覺，最近我們自主研發(fā)了智能雙目視覺系統(tǒng)，雖然市面上有很多相似的、小型化的雙目視覺系統(tǒng)，但很少針對農(nóng)業(yè)來做的，因為雙目視覺系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域里不是通用的。，因為采收機器人的目標距離比較小，我們的雙目類視覺系統(tǒng)可以獲取比較大視野和高精度的視覺三維信息，同時把多年來積累的核心算法集成到雙目視覺系統(tǒng)里面。

第二個核心技術(shù)是多傳感器的融合和伺服控制技術(shù)上。農(nóng)業(yè)機器人不單單只是包括一個視覺系統(tǒng)和一個操作臂，還包括各類傳感器，包括作物生理傳感器和定位導(dǎo)航的傳感器等，最終通過伺服控制的集成形成一個機器人系統(tǒng)。所以在機器人系統(tǒng)里除了視覺系統(tǒng)外，還有多光譜、伺服控制，農(nóng)業(yè)作業(yè)的末端執(zhí)行器等。農(nóng)業(yè)產(chǎn)品和工業(yè)產(chǎn)品有巨大的差別，農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的柔性、嬌嫩性比較凸顯，很難直接借助工業(yè)的執(zhí)行器去執(zhí)行，所以我們研究了很多仿型的末端軟體機械手。

團隊做過的典型機器人案例：

1.采摘機器人

從“十一五”開始，我們就在從事果蔬采摘機器人的研究，早期我們做黃瓜的采收。黃瓜的果實和葉片顏色非常相似的，在可見光范圍內(nèi)很難檢測，我們采用近紅外光譜圖像的方式進行提取，實現(xiàn)檢測。像草莓的話，果實和葉片的顏色對比很明顯，就比較容易實現(xiàn)檢測。近幾年基于新技術(shù)的發(fā)展，我們進行了番茄及其他果實的信息獲取。針對溫室中種植的番茄，在不同的天氣氣候，不同光照情況下，對果實不同的生長姿態(tài)——是正面、背面還是側(cè)面？是遮擋還是不遮擋？對各種工況下的果實目標進行了識別研究，識別的成功率能夠在90%以上，采收的成功率也達到了90%以上。

采收機器人從“十一五”到“十三五”，產(chǎn)品不停地進行迭代，目前已經(jīng)有多種不同形式的，可以在設(shè)施農(nóng)業(yè)不同的地面條件、不同的種植環(huán)境下進行采收。近期我們完成了針對串番茄整串的采收機器人研究，可以根據(jù)地理環(huán)境的不同設(shè)置不同的采集方案。該機器人除了可以對西紅柿進行采收外，還可以實現(xiàn)對其他的果實，如田瓜、小西瓜的采收。

2.噴施機器人

我們研究了設(shè)施農(nóng)業(yè)中的噴施機器人，包括：1）基于物聯(lián)網(wǎng)的空中導(dǎo)軌式噴施機器人，適合于苗床的種植管理；2）地面型的噴施機器人，可以自主地移動或者是通過人工的遙控進行操作。

3.非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的巡檢機器人

目前在設(shè)施農(nóng)業(yè)中，巡檢機器人主要針對以下數(shù)據(jù)進行巡檢：包括環(huán)境參數(shù)，如溫濕度；作物生長信息參數(shù)，包括果實的大小，植株長勢等；以及病蟲害狀況等。

4.運輸機器人

在運輸機器人方面，我們有導(dǎo)軌式的移動機器人，這種導(dǎo)軌式的移動機器人首先在導(dǎo)軌上可以運行得比較平穩(wěn)，同時在導(dǎo)軌與導(dǎo)軌之間實現(xiàn)自主的換壟、換行。此外，我們研究了一種靈活性更高的自主導(dǎo)航的無人駕駛機器人，通過 GPS的衛(wèi)星信號可以在室外自主的導(dǎo)航，同時通過視覺和雷達的導(dǎo)航，可以在溫室內(nèi)部的環(huán)境中進行導(dǎo)航，它的靈活性自主性比較高。

5.其他機器人

無人駕駛的割草機器人。用于道路旁雜草的維護，高爾夫球場草坪的維護等，它可以通過遙控作業(yè)或者通過衛(wèi)星信號設(shè)置它的作業(yè)地圖，然后由它自主地完成割草作業(yè)。

智能的鋤草機器人。智能鋤草機器人也是通過視覺的方式，控制多個機械手去完成株間雜草的去除，實現(xiàn)苗與苗之間雜草的去除。

天然橡膠的割膠機器人。天然橡膠主要是分布在海南、廣西、亞熱帶地區(qū)。割膠的特點是夜間作業(yè)，勞動強度非常高，作業(yè)精度要求非常高，樹皮切割的厚度和深度都是控制在0.1-0.2毫米之間，針對這個技術(shù)難題，我們研發(fā)出了國際上第一臺能夠真正進行作業(yè)的割膠機器人。