2021年10月27日，由中國農(nóng)業(yè)機(jī)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(jī)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(bǔ)齊設(shè)施農(nóng)業(yè)機(jī)械化短板 推進(jìn)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(jī)器人之WWW

第一個W—what : 什么是農(nóng)業(yè)機(jī)器人？

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

那么什么是農(nóng)業(yè)機(jī)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(jī)器人是一種農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)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(jī)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(jī)融合，實現(xiàn)機(jī)器替代人，比如說讓機(jī)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(jī)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(jī)

第二個W—why : 為什么要發(fā)展農(nóng)業(yè)機(jī)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(jī)械化水平在逐漸提高，如田間的平均機(jī)械化作業(yè)水平已達(dá)到60%多，有的省份高達(dá)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(jī)器人在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展中，將會成為像工業(yè)機(jī)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(jī)的智能化、農(nóng)民的職業(yè)化。未來農(nóng)業(yè)機(jī)器人的使用也是大有市場。

第三個W—where : 農(nóng)業(yè)機(jī)器人的出路在哪里？

我國農(nóng)業(yè)機(jī)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(jī)器人不是一個新名詞，早在上世紀(jì)六七十年代已經(jīng)有很多的研究了，在上世紀(jì)70年代日本處于領(lǐng)跑的狀態(tài)，上世紀(jì)80年代歐盟在跟進(jìn)，上世紀(jì)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(jī)器人的發(fā)展比較迅速，目前已與其他農(nóng)業(yè)先進(jìn)國家處于并跑的狀態(tài)。

農(nóng)業(yè)機(jī)器人的發(fā)展空間在哪里？從農(nóng)業(yè)機(jī)器人作業(yè)的分類來看，農(nóng)業(yè)機(jī)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(jī)器人，飼喂機(jī)器人、巡檢機(jī)器人，宰殺機(jī)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(jī)器人、移栽機(jī)器人、分選、采收、施藥、巡檢等。這些是目前農(nóng)業(yè)機(jī)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(jī)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(jī)器人的市場價值可能達(dá)到近2000億左右。

二、農(nóng)業(yè)機(jī)器人的關(guān)鍵核心技術(shù)

農(nóng)業(yè)機(jī)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(rèn)為目前機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)器人作業(yè)需求，需要在兩者之間進(jìn)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(jī)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(jī)器視覺來獲取目標(biāo)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(jī)器人的作業(yè)。二是復(fù)雜的光照環(huán)境，機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)器人信息的采集，同時也會影響到作業(yè)，機(jī)械手如何去繞過障礙物抓取到目標(biāo)，這些都是機(jī)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(jī)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(zhǔn)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(jī)器人如何準(zhǔn)確的識別還是具有較大的難度。

針對以上的難點，我們團(tuán)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(jī)器視覺解決方案

我們團(tuán)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(jī)器人研究中心負(fù)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(fù)責(zé)技術(shù)轉(zhuǎn)化、產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)銷售。團(tuán)隊的主要目標(biāo)是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)器人從0~1，實現(xiàn)從無到有的跨越。目前，團(tuán)隊的主要研究是針對在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下，如何通過機(jī)器視覺以及其他的傳感器來提供解決方案。

團(tuán)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(jī)器視覺的信息獲取。為了獲取目標(biāo)，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(jī)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(jī)器人的目標(biāo)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(jī)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(jī)器人系統(tǒng)。所以在機(jī)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(jī)械手。

團(tuán)隊做過的典型機(jī)器人案例：

1.采摘機(jī)器人

從“十一五”開始，我們就在從事果蔬采摘機(jī)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(jìn)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(jìn)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(biāo)進(jìn)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(dá)到了90%以上。

采收機(jī)器人從“十一五”到“十三五”，產(chǎn)品不停地進(jìn)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(jìn)行采收。近期我們完成了針對串番茄整串的采收機(jī)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(jī)器人除了可以對西紅柿進(jìn)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(jī)器人

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

3.非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的巡檢機(jī)器人

目前在設(shè)施農(nóng)業(yè)中，巡檢機(jī)器人主要針對以下數(shù)據(jù)進(jìn)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(jī)器人

在運輸機(jī)器人方面，我們有導(dǎo)軌式的移動機(jī)器人，這種導(dǎo)軌式的移動機(jī)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(jī)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(dá)的導(dǎo)航，可以在溫室內(nèi)部的環(huán)境中進(jìn)行導(dǎo)航，它的靈活性自主性比較高。

5.其他機(jī)器人

無人駕駛的割草機(jī)器人。用于道路旁雜草的維護(hù)，高爾夫球場草坪的維護(hù)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(jī)器人。智能鋤草機(jī)器人也是通過視覺的方式，控制多個機(jī)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(jī)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(qiáng)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(jìn)行作業(yè)的割膠機(jī)器人。