农业机器人的与实际应用

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【摘　要】农业生产是季节性强的劳动密集型工作,机器人代替人工作业是发展方向.由于作业对象的特殊性,其结构和控制都比一般工业机器人要求更高.本文介绍了农业机器人的特点和国内外研究现状,并且指出了存在的问题和发展方向,同时介绍了几种典型的农业机器人的应用.

【关 键 词】农业机器人；研究现状；应用

0.引言

随着科学技术的发展,机器人技术越来越被世界各国所重视,已经在许多领域得到了广泛的应用,如工业生产、太空和海洋探索、国防以及人民生活等领域.但在农业领域,由于经济和技术上的特殊性,还没有达到实用化.国际上一些发达国家,特别是日本和一些欧美国家,从上世纪八十年始研究,取得了一些成果,开始进入了应用阶段.我国在该领域中的研究还处于起步阶段,必须加快步伐,才能达到世界先进水平.

1.农业机器人的开发要点

农业机器人技术是一门交叉学科,是多领域技术的综合,其研究开发需要各学科相关知识的配套与支援.虽然因为用途的不同,农业机器人的功能和结构有所差异,但一般农业机器人的结构都包括五官、头脑、神经、手脚和心脏等部分.为了使能够适应复杂多变的农作物,研究开发农业机器人时必须注意以下几点：

1.1良好的适应性

农业机器人通常工作在恶劣的、危险的和变化的环境中,例如：温室作业经常是在温度超过40度和湿度超过100％的环境中；而露天作业面对的是风沙和强光的照射.农业机器人必须具有良好的适应性,根据环境和机械本身的情况,自动进行调整.

1.2良好的通用性和可编程性

由于农业机器人的操作对象具有多样性和可变性,要求具有良好的通用性和可编程性.只要改变部分软、硬件,就能变更判断基准,变更动作顺序,进行多种作业.例如：温室作业的机器人,更换不同的末端执行器就能分别完成施肥、喷药和采摘等作业.

1.3操作对象和价格的特殊性

农业机器人操作者是农民,不是具有机电知识的工程师,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；另外,农业生产以个体经营为主,如果不是低价格,就很难普及.

2.农业机器人的国内外研究现状与应用举例

自上世纪80年始,以日本为代表的发达国家纷纷开始农业机器人的研究开发.虽然由于农业生产所具有的技术和经济的特殊性,还没有达到实用化.但是,已经取得了一些可喜的成果.已经开发出来的农业机器人有：耕耘机器人、施肥机器人、除草机器人、喷雾机器人、蔬菜嫁接机器人、移栽机器人、收割机器人、采摘机器人、林木修剪机器人、果实分拣机器人等.

2.1嫁接机器人

嫁接机器人技术,是近年在国际上出现的一种集机械、自动控制与园艺技术于一体的高新技术,它可在极短的时间内,把蔬菜苗茎杆直径为几毫米的砧木、穗木切口嫁接成活.因此,嫁接机器人技术被称为嫁接育苗的一场革命.日本从1986年开始了对嫁接机器人的研究,以日本“生物系特定产业技术研究推进机构”为主.一些大的农业机械制造商参与研究开发,其成果已开始在一些农协的育苗中心使用.上世纪90年代初,韩国也开始对自动化嫁接技术进行研究,但其研究开发的技术,只是完成部分嫁接作业的机械操作,自动化水平较低,速度慢,而且对砧、穗木苗的粗细程度有较严格的要求.在欧洲,农业发达国家如意大利、法国等,蔬菜的嫁接育苗相当普遍,大规模的工业化育苗中心全年向用户提供嫁接苗.南于这些国家尚未有自己的嫁接机器人,嫁接作业仍采用手工为主,一部分采用日本的嫁接机器人作业.中国农业大学率先在我国开展了自动化嫁接技术的研究工作,先后研制成功了自动插接法、自动旋切贴合法嫁接技术,填补了我国自动化嫁接技术的空白,形成了具有我国自主知识产权的自动化嫁接技术.如利用传感器和计算机图像处理技术,实现了嫁接苗子叶方向的自动识别、判断.因此,发展自动化嫁接技术,有利于推动我国农业现代化的跨越式发展.

2.2采摘水果机器人

日本开发了一系列不同用途的农业机器人,除嫁接机器人外还有采摘水果的机器人.这种机器人有他自身的特点：它们一般是在室外工作,作业环境较差,但是在精度上却没有工业机器人那样要求高.以一种西瓜收获机器人为例作简单介绍.一般的机器人多数是采用电气驱动,但是为了降低成本,这种西瓜收获机器人却是采用汽油机作为动力,比以蓄电池为动力源的电气驱动要经济的多.试验结果表明,当机械手的中心与西瓜的中心偏离不超过54mm时,机械手都能抓住西瓜.当手指尖端的滑轮沿西瓜表面向下滑动时,利用手指关节的动作可以求H{西瓜的大小,利用手上附加的力传感器可以求出西瓜的重量．误差仅仅在2％以内.这样就可以在现场对西瓜进行初步的分级,另外也可以根据力的变化判断是否抓住了西瓜.收获西瓜的作业试验结果表明,这种采摘西瓜机器人比较理想,机械手抓到的西瓜占西瓜总数的76．5％,对于一般的农业机器人能达到此标准已经很不错.

３.农业机器人的发展展望

从研究现状上看,农业机器人正在由试验研究阶段向实用化阶段过渡.随着高科技农业发展的需要和机械电子技术日益紧密的结合,农业机器人将不断涌现与完善.在今后的发展中,农业机器人必须在以下两个方面得到突破.

3.1智能化识别和定位

在果蔬收获采摘机器人系统中,由于作业环境的复杂性,采摘对象的智能化识别和定位还没有完全解决.其中最大的困难在于光照条件的不确定性和果实的部分或完全遮挡问题.因此,还需要在视觉传感器技术、视觉与非视觉传感器技术的融合、图像获取和图像处理的算法等方面进行更深人的研究.

3.2机械本体的优化设计

机械结构直接决定机器人运动的灵活性和控制的复杂性.收获采摘机器人必须紧凑,行走、转弯灵活.因此,在满足机器人性能的前提下,结构应尽可能简单、紧凑和轻巧,而且还要尽可能保障机器人运动平稳和灵活避障.设计末端执行器要求在准确快速切除果实的同时,不损伤果实.所以,为了设计出合适的收获采摘机器人,必须进行机构的运动学和动力学分析,同时运用优化理论来设计机器人结构.

4.结束语

总的来说,农业机器人技术远不如工业机器人技术发展得成熟,由于农业机器人在技术和经济方面的特殊性,目前还没有普及,但随着农业生产向规模化、多样化、精确化发展,以及逐步出现的农业劳动力不足的问题,随着信息技术向农业领域的渗透,农业现代化技术的发展,农业工程技术的日趋成熟,农业机器人将越来越多地进入农业生产过程中.

【参考文献】

［１］沈明霞,姬长英．农业机器人开发背景及技术动向．农机化研究,2000,(2)：31-35．

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