农业机器人文献综述.doc

中国石油大学（华东）农业机器人研究现状及应用文献综述学生姓名：杨旭光学 号：06041524专业班级：机自2006-5班指导教师：齐明侠、沈蓉日 期：2010.4.4随着电子技术和计算机技术的发展，智能机器人已在众多领域得到了日益广泛的应用。在农业生产中，由于易对植被造成损害、易污染环境等原因，传统的机械通常存在着这样或那样的缺点。为了解决这个问题，国内外都在进行农业机器人的研究。智能化和自动化技术的长足进展，为应用于非结构化环境的农业机器人开发打下了坚实的理论基础，如近几年出现的耕耘机器人、嫁接机器人、农药喷洒机器人、瓜果采摘机器人、温室管理机器人等1，都是现代高科技在农业上综合运用与发展的结果。使用农业机器人可以提高劳动生产率,解决劳动力的不足改善农业生产环境，防止农药、化肥等对人体的伤害提高作业质量。农业机器人相对于传统农业机械能够更好地适应生物技术的新发展，农业机器人的问世，有望改变传统的劳动方式，改善农民的生活劳动状态。我国是一个农业大国,虽然农业人口众多，但随着工业化进程的不断加速，可以预计农业劳动力将逐步向社会其它产业转移，实际上进入21世纪后，我国将面临着比世界任何国家都要严重的人口老龄化问题，农业劳动力不足的问题将日益凸现2。在日本、美国等发达国家,农业人口少随着农业生产的规模化、多样化、精确化,劳动力不足的矛盾越来越突出,许多作业项目如蔬菜、水果的挑选与采摘等都是劳动密集型工作,再加上农时季节要求,劳动力短缺的问题越来越突出。因此，世界各国对农业机器人非常重视，投入了大量的资金和人力进行机器人的研究开发。1 农业机器人概述1.1 农业机器人的定义农业机器人是一种集传感技术、监测技术、人工智能技术、通讯技术、图像识别技术、精密及系统集成技术等多种前沿科学技术于一身的机器人3。也是融合检测传感技术、信息处理技术、自动控制技术、伺服驱动技术、精密机械技术和计算机技术等多种技术于一体的交叉学科与综合。旨在提高农业生产力、改变农业生产模式、解决劳动力不足，从而改善农业生产环境，实现农业的规模化、多样化、精准化的工厂化生产。1.2 农业机器人的特点农业机器人是一种以农产品为操作对象、兼有人类部分信息感知和四肢行动功能、可重复编程的柔性自动化或半自动化设备4。它能减轻劳动强度,解决劳动力不足,提高劳动生产率和作业质量，防止农药、化肥等对人体的伤害。因此，机器人必须能在农业生产中模仿人的某些活动，具备特定生产技术功能，代替人的繁重劳动或在人所不能适应的环境下代替人的工作。与工业机器人相比，农业机器人具有以下特点5：（1）作业对象的娇嫩性和不确定性农作物基本上都具有柔软易伤的特性，作业时，必须轻柔地对待和处理。且农作物种类繁多，形状复杂，生长发育程度不一，相互间差异很大。（2）作业环境的非结构性农作物的生长随着时间和空间的变化而变化，农业机器人的作业环境是变化的、未知的和开放的。作物的生长环境除受地形条件的制约外，还直接受季节、天气等自然条件的影响。这就要求农业机器人不仅要具有与生物体柔性相对应的处理功能，还要能够顺应变化无常的自然环境，具有相当高的智能。（3）作业动作的复杂性农业机器人一般是作业、移动同时进行,且其行走路线不是连接起点和终点的最短距离，而是具有狭窄的范围，较长的距离及遍及整个田间表面等特点。（4）操作对象和价格的特殊性农业机器人的操作者农民，并不具备较高的机械电子知识水平，因此农业机器人还必须具备非常高的可靠性和操作简单的特点。另外农业机器人是以个体农民经营为主，如果不具备价格优势，就很难得到普及应用。2 农业机器人的发展状况2.1 国外（1）日本日本是研究农业机器人最早的国家之一，日本的农业机器人技术发展也最为成熟，这与日本自身岛国的自然资源条件是分不开的。早在20世纪70年代后期，随着工业机器人的发展，对农业机器人的研究工作逐渐启动，已研制出多种农业生产机器人，如嫁接机器人、育苗机器人、农药喷洒机器人、扦插机器人、施肥机器人、番茄采摘机器人、移栽机器人、黄瓜采摘机器人和葡萄采摘机器人等理论与应用都居世界前列。2O世纪9O年代以来，“精确农业”技术的研究与应用在发达国家受到了普遍的重视，已被国际农业科技界认为是21世纪实现农业可持续发展的先导性技术之一。（2）美国美国的农业机器人技术发展也非常快。由于美国自身科学技术发达，领土广阔，农业机械化程度很高,其行走式农业机器人理论技术发展得非常成熟。美国新荷兰农业机械公司投资250万美元发明了一种多用途的自动化联合收割机器人，很适合在美国一些专属农垦区的大片规划整齐的农田里收割庄稼6。（3）西班牙西班牙发明的采摘柑橘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，能够从桔子的颜色、大小和开关判断出是否成熟并决定能不能够采摘。它每分钟摘柑桔60个，是人工采摘的7倍7。另外，采摘柑桔机器人能够依靠装有视频箱的机械手对当即采摘下来的柑桔按大小进行分类。（4）英国英国西尔索研究所开发的采蘑菇机器人装有录像机、红外线测距仪和视觉分析软件，能够首先确定哪些蘑菇可以采摘以及属于哪种等级，然后测出其高度以便进行采摘。它每分钟能摘蘑菇40个，比手工快两倍8。（5）法国法国研制的分拣机器人能在潮湿肮脏的环境里工作，把大个番茄和小粒樱桃加以区别，然后分别装运开来。它还可用来分拣不同大小的土豆，并且不会碰坏它们。（6）丹麦丹麦科学家研制出一种可用于农田除草的机器人。这不仅可以减少农民的辛苦，而且能够大幅度减少除草剂的使用。这种机器人有4只轮子，由电池驱动。除草机器人使用1 台照相机来完成地面扫描，它还携带着识别软件，使用15 种不同的参数来描述杂草的大小和对称性等外部特征，最终通过GPS（全球定位系统）来给杂草定位9。使用这种机器人，可以减少除草剂的使用量。虽然除草剂很便宜，对农民来说算不了什么，但减少使用量使环境成了最终的受益者。科学家认为，要把杂草和庄稼没有错误地区分开是个非常难的问题，因此还需要更多的研究。（7）澳大利亚剪羊毛机器人是澳大利亚于20世纪80年代中期制造出来的,是世界上第1个可以在活的动物身上进行作业的机器人。它用一只手按住羊的头部,用两只手按住羊的脚,把羊按在专用的平台上,还有两只手拿着两把剪刀,贴着羊的身子飞快地剪羊毛。不论是大羊、小羊、肥羊和瘦羊,它都能把羊毛剪得干干净净。在剪羊毛时,羊常常会乱动,但是机器人手中的剪子也不会伤着羊的皮肉。随着科技的发展,剪羊毛机器人也不断地发展,出现了一些新型的机器人。2.2 国内我国是一个发展中的农业大国，农业问题始终是关系到我国经济社会发展的根本问题。我国目前已开发出来的农业机器人有：耕耘机器人、除草机器人、施肥机器人、喷药机器人、蔬菜嫁接机器人、收割机器人、采摘机器人等。我国已研制成功蔬菜嫁接机器人并成功进行了试验性嫁接生产10。由中国农业大学研制的蔬菜机器人解决了蔬菜幼苗的柔嫩性、易损性和生长不一致性等难题，可以对蔬菜的砧木和穗木进行自动化嫁接，可广泛用于黄瓜、西瓜、甜瓜等菜苗的嫁接。目前，中国农业大学的科技人员对机器人的机器结构和控制软件进行了改进，提高了机器作业的可靠性及其操作的方便性。蔬菜嫁接机器人的研制成功，为我国发展温室栽培的蔬菜瓜果嫁接的规模化、产业化提供了一种先进的作业设备。我国还成功地研制出了采摘西红柿机器人。它带有彩色摄像头，能够判断果实的生熟。由于位置误差，它采摘的成功率约为75%11，对于实际需要，这个数字是可以接受的。东北林业大学研制出林木球果采集机器人。机器人可以在较短的林木球果成熟期大量采摘种子，对森林的生态保护、森林的更新以及森林的可持续发展等方面都具有重要的意义，很好地解决了目前在林区仍主要采用人工上树手持专用工具来采摘林木球果的做法。伐根机器人主要用于收集森林采伐剩余物和培育优质工业用材林。它的应用有望克服我国的森林资源危机，改进我国的森林资源利用。3 现在已开发出的农业机器人3.1 农产品自动采摘12与收获机器人（1）番茄收获机器日本N.Condo等人研制的番茄收获机器人,用彩色摄像机作为视觉传感器寻找和识别成熟果实。当果实被茎叶挡住要避开茎叶,要求机械手活动范围大,故用7个自由度的工业机器人末端执行器。为不伤果实,机械手是带有软衬垫的吸引器，中间有压力传感器,把果实吸住后，利用腕关节拧下。行走机构有4个车轮，能在田间自动行走。利用机器人上的光传感器和设置在地埂的反射板，可检测是否到达地头，若到达后自动停止, 转动后继续前进。机器人从识别到采摘完成的速度大约15s/个，成功率75%左右。（2）草莓采摘机器人Kondo N等人针对草莓越来越多采用高架栽培模式，研制出了5自由度的采摘机器人。草莓采摘机器人的视觉系统与番茄采摘机器人相似，末端执行器采用真空系统加螺旋加速切割器。收获时，3对光电开关检测草莓的位置，视觉系统计算空间位置，控制机械手移动到预定位置，末端执行器将草莓吸入；当草莓位于合适的位置时，腕关节移动，果梗进入指定位置，螺旋加速驱动切割器旋转切断果梗，完成采摘。（3）葡萄采摘机器人日本冈山大学研制出了一种用于果园棚架栽培模式的葡萄采摘机器人，如图5所示。葡萄采摘机器人的机械部分是一只具有5个自由度的极坐标机械手，末端的臂可以在葡萄架下水平匀速运动，能够有效地工作。视觉传感器一般采用彩色摄像机，若采用PSD三维视觉传感器效果会更佳，可以检测成熟果实及其距离信息的三维信息。由于葡萄采摘季节很短，单一的采摘功能会使机器人的使用效率降低，为提高其使用率，可更换不同的末端执行器，以完成葡萄枝修剪、套袋和药物喷洒等作业。（4）林木球果采摘机器人中国东北林业大学的陆怀民研制了林木球果采摘机器人，其主要由5自由度机械手、行走机构、液压驱动系统和单片机控制系统组成。采摘时，机器人停在距离母树处，操纵机械手回转马达对准母树；然后，单片机控制系统控制机械手大、小臂同时柔性升起达到一定高度，采摘爪张开并摆动，对准要采集的树枝，大小臂同时运动，使采摘爪沿着树枝生长方向趋近。1.52m，然后采摘爪的梳齿夹拢果枝，大小臂带动采集爪按原路向后返回，梳下枝上球果，完成一次采摘。这种机器人采摘效率是500kg天，是人的3050倍。而且采摘时对母树的破坏较小，采净率高。（5）蘑菇采摘机器人英国Silsoe研究所研制的蘑菇采摘机器人，可自动测量蘑菇的位置、大小, 并选择性地采摘和修剪。它的机械手由2个气动移动关节和1个步进电机驱动的旋转关节组成，末端执行器是带有软衬垫的吸引器,视觉传感器采用TV摄像头,安装在顶部用来确定蘑菇的位置和大小。采摘成功率75%左右,采摘速度67个/s。另一种机器人用CCD黑白摄像机识别作业对象，识别率达84%，使用直角坐标机械手进行采摘。为防止损伤蘑菇,执行器部分装有衬垫，吸附后用捻的动作收获，收获率达60%，完整率达57%。（6）黄瓜采摘机器人。日本N.Condo等人研制的6个自由度工业机器人，利用摄像机，根据黄瓜比叶茎对红外光的反射率高的原理来识别黄瓜和叶茎。用剪断方法,先把黄瓜抓住，用接触传感器找出柄后剪断，采摘速度16s/个。由于黄瓜是长条形,受叶茎影响大，故采摘成功率较低，在60%左右。（7）瓜果收获机器人日本Kyoto研制的5个自由度液压驱动机器人用于收获西瓜。它包括机器手、末端执行器、视觉传感器和行走装置。因为西瓜在地面上,机器手由5个旋转关节组成，保证了较大工作空间。美国Pudue大学研制出3个自由度的伺服电机控制操作手，用来收获甜瓜。这类机器人行走装置的倾斜引起的位置误差较大，导致收获成功率仅达65%。（8）茄子采摘机器人日本国立蔬菜和茶叶研究所与岐阜大学联合研制了茄子采摘机器人。该机器人系统由机器视觉系统、机械手、末端执行器以及行走装置组成，作业对象是温室中按照V形生长方式种植的senryo-2号茄子。该机器人在实验室中进行了试验，采摘成功率为62.5，工作速度为64.1s/个。影响成功率的主要原因是机器视觉系统对采摘位置的判断不正确；同时，视觉系统也占用了72的工作时间。3.2 嫁接机器人嫁接栽培是克服瓜菜连茬病害和低温障碍的有效途径，抗病、增产效果显著，被广泛用于黄瓜、西瓜、甜瓜、茄子、西红柿栽培。嫁接机器人可大幅提高嫁接速度，明显降低劳动强度,并提高嫁接成活率。中国农业大学率先研制成功自动插接法、自动旋切贴合法嫁接技术，实现了蔬菜幼苗嫁接的精确定位、快速抓取、良好切削。操作者只需把砧木和穗木放到相应供苗台上,机器人能完成砧木、穗木的取苗、切苗、接合等嫁接过程的自动化作业,嫁接速度600棵/h，成功率95%以上,促进了果蔬生产规模化、产业化13。3.3 移栽机器人机器人可提高移栽操作质量和工作效率。台湾K.C.Ting和Y.Yang等人研制的移栽机器人，把幼苗从600穴的育苗盘中移植到48穴的苗盘中。机器人本体部分由4个自由度执行结构和夹持器组成，位于顶部的视觉传感器确定苗盘尺寸和苗的位置,力觉传感器保证夹持器夹住而不损伤蔬菜苗。在苗盘相邻的情况下，单个苗移栽的时间在2.63.25s之内。3.4 施肥机器人日本开发的能在水田中自动行走，进行深层作业的水稻施肥机器人。其行走部分是能在狭窄的稻秧间行走的窄型橡皮车轮，四个轮子均可横向转动90度。施肥装置是把糊状肥料经过肥料泵加压、由喷嘴向土中施肥，喷嘴两个一组共有四组，利用喷嘴柄把喷嘴插入土中15cm，进行点注深层施肥。机器人能沿着水稻垄自动行走，能自动保持作业部分的深度，自动控制施肥量，机器人工作时无人操纵。通过前方传感器自动检测地头的土埂，在设定的土坯处自动停止，转动90度，再横向移动8条稻垄，再转动90度，继续向相反方向进行作业。美国明尼苏达州一家农业机械公司的研究人员推出的施肥机器人别具一格，它会从不同土壤的实际情况出发，适量施肥，它的准确计算合理的减少了施肥的总量，降低了农业成本。由于施肥科学，使地下水质得到改善。3.5 农产品分级机器人机器人可完成农产品的分级,大幅提高分选的均一性,降低产品破损率，提高生产率,降低生产成本,改善劳动条件。日本在果蔬分拣系统及果蔬拣选机器人的研究开发和使用方面居世界领先地位。英国研制的分拣机器人,采用光电图像识别和提升分拣机械组合装置,把大的西红柿和小的樱桃加以区别, 然后分拣装运。也能把土豆进行分类,且不擦伤外皮。意大利UNITEC公司开发出一系列用于水果及蔬菜采摘后进行体积、尺寸和颜色识别的专用分拣机,能使径向尺寸小于40mm的水果分拣速度达到18个/s,大于40mm的水果达12个/s。1995年美国研制成功的Merling高速主频计算机视觉水果分级系统,生产率约为40t/h,已广泛用于苹果、桔子、桃和西红柿等水果的分级。美国每年有50%以上的苹果经过该设备处理。3.6 挤奶机器人1992年荷兰开发了挤奶机器人。根据计算机管理的乳头位置信息,用超声波检测器自动找到牛的乳头位置,用计数型机械手进行奶头清洗和挤奶等作业。英国Silsoe研究所开发的挤奶机器人，装有用激光和摄像机视觉导向的气动“软”机器人臂,用它放置吸奶杯并清洁和干燥挤奶部位,也可对奶牛乳房的1/4部位进行挤奶。它可每天24h对40头奶牛进行监控和挤扔,并自动对奶牛状态进行监控和数据收集，使奶牛以更接近自然状态的生活周期进食、休息和产奶,最大限度地减少人为干扰,从而提高挤奶效率并改善奶牛健康状况14。2004年12月2日,中国第1个挤奶机器人被安置在蒙牛澳亚示范牧场。牧场挤奶示范区展示着机器人式、转盘式等现代化挤奶平台,其中转盘式平台1次可同时为60头奶牛挤奶,是目前我国最大的挤奶机。3.7 除草机器人除草机器人采用了先进的计算机图像识别技术，GPS系统，它的特点是利用图像处理技术自动识别杂草，GPS接收器作出杂草位置的坐标定位图，机械杆式喷雾器根据杂草种类及数量自动进行除草剂的喷洒。如果引入田间害虫图像的数据库，还可根据害虫的种类、数量进行农药的喷洒，可起到精确除害、保护益虫、防止农药过量污染环境的作用。3.8 育苗机器人育苗机器人主要是用于蔬菜、花卉和苗木等种苗的移栽，把种子长出的籽苗从插盘移栽到盆状容器中，以保证适当的空间，促进植物的扎根和生长，便于装卸和转运。现在研制出来的育苗机器人有两条传送带，一条用于传送插盘，另一条用于传送盆状容器，其他的主要部件是插入式拔苗器、杯状容器传送带、插漏分选器和插入式栽培器。由于在许多情况下，种子发芽率只有70%左右，而且发芽的苗也存在坏苗，因此育苗机器人引入图像识别技术进行判断。经过探测之后准确判别好苗、坏苗、缺苗，指挥机械手把好苗准确移栽到预定位置上。育苗机器人大大减少了人工劳动量，提高移栽操作质量和工作效率。3.9 其它作业机器人(1) 剪羊毛机器人澳大利亚研制了剪羊毛机器人。首先将羊固定在可作3个轴心转动的平台上,然后将有关羊的参数输入计算机，据此算出剪刀在剪羊毛时的最佳运动轨迹，然后用液压传动式剪刀剪下羊毛。机器人要比熟练的剪毛工剪得快。(2) 葡萄树修剪机器人1991年英国研制了葡萄树修剪机器人。根据电脑模型法则，利用摄像机检测树枝，用带剪刀机械手修剪。(3) 变量喷洒机器人农业机器人发挥信息采集和处理方面的优势，通过准确测定温室内植物的需水量，进行精确定点的灌溉控制，通过检测土壤状况控制施肥的数量，降低成本。机器人用于喷洒农药，可避免人体接触农药,提高喷洒农药的准确性，减少农药用量和降低污染。(4) 田间作业机器人用于野外作业的农业机器人可在平整土地等方面发挥作用。如机器人运用激光技术平整土地，在地畦边上安装信号机，履带机器人接受激光后便自动调节高低平整土地。用激光控制的机器人，可选择最佳运行路线，减少生产成本。(5) 在温室中具有导航和避障功能的机器人15这种机器人的运动是通过前轮导向，后轮驱动来完成。采用模糊控制，以单片机作为控制核心。这种机器人的开发设计弥补了因温室面积小，一般农业机械不能满足其使用要求的不足。但对于表面过于复杂的障碍物，避障效果不是很好，这是由于所用传感器精度不是很高，所检测到的障碍物表面信息误差大所致。(6) 自行走耕作机器人16自行走耕作机器人是在拖拉机的基础上加上一些方位传感器、嵌入式智能系统等，可在耕作场内辨别自身位置推动执行机构动作，实现无人驾驶，配上各种农具，能进行各种田间作业。随着GPS（全球卫星定位系统）的应用，卫星导航，精确定位行驶成为可能。自行走耕作机器人是农业机器人中技术比较成熟的一种，已达到实用性阶段。4 农业机器人移动平台的研究现状4.1 定位和导航17移动机器人定位是其导航控制中的一个重要问题。目前，定位方法主要有：1)利用内传感器进行定位；2)信标定位；3)基于环境模型的方法；4)基于多传感器融合信息的定位。基于内传感器的移动机器人导航方式主要是惯性导航，这种方法是通过测量机器人自身参数来进行导航的，它所使用的传感器是陀螺仪。根据陀螺仪的偏差进行惯性导航的主要优点是技术先进，准确性高，灵活性强，便于组合和兼容，适用领域广，缺点是成本较高，维护保养等后续问题较难解决，地面也需要磁性块作辅助定位。信标定位比较普遍，移动机器人首先凭自身的概略位姿确定信标的位置。当移动机器人识别信标后，利用传感器测量其与信标的相对距离和方向，通过三角法等几何运算获得移动机器人的位姿。这种方法由于能够产生与环境状态变化无关的可检测标记，所以能保证位姿识别的高可靠性。基于环境模型的定位方法不需要人为放置信标，而是利用环境中自然存在的特征来实现移动机器人的定位。（1）电磁导航该方法是让低频电流流过埋设在路径下的电缆，然后用安装在机器人上的线圈检测电缆周围产生的磁场，并根据该信息控制方向，以实现沿规定路径的导航控制。电磁导航方法的主要优点是导引线隐蔽，不易污染和破损，导引原理简单，便于控制和通信，对声光无干扰，缺点是灵活性差，改变或扩充路径较麻烦，对导引线路附近的铁磁物质有干扰，电缆铺设工作量大，维护困难。（2）超声波导航如KleemanL使用主动超声作为信标，移动机器人车身上装有超声接收器，测得移动机器人和信标的距离和方位从而估计移动机器人的位姿。另外也可将超声发射和接收做为一体。超声波导航方法的优点是硬件结构简单，价格低廉，容易操作，缺点是速度慢，传感器存在较大的波束角(角度分辨率低)，且对光滑表面存在镜面反射，单一传感器的稳定性不理想等。在实际应用中，往往采用其它传感器来补偿，或采用多传感器融合技术提高检测精度等。（3）激光导航一种方案是用一个指向标发出旋转扫描激光光束，再利用机器人上的若干个传感器来检测，从而求出指向标的方向和到指向标的距离；另外，还有和导向电缆方式类似的采用激光导引机器人的方法。激光导航的优点是传感器发散小或没有发散，并对大多数物体无镜面反射现象，缺点是存在潜在的安全问题(首先是人眼安全问题)，且不适用于透明物质。（4）视觉导航通常采用CCD 敏感元件，如Rajagopalan 采用摄像机来感知地面上的有色路径；Kanayama、Nelsin、Lee.S.S 采用CCD记忆示教的软体路径，而后再现的方法来获取路径信息。随着视频设备、计算机硬件设备性能的不断改善以及图象处理方法的不断改进，视觉导航的实时性会有很大提高。因此，移动机器人利用视觉传感器获取的信息进行定位，从而实现智能行驶是一种大有潜力的技术，是移动机器人导航技术的发展趋势。4.2 农业机器人移动机构一个完整的农业移动机器人是由许多子系统组成的，如图1所示。可以看出，移动机构是农业机器人运动的基础，农田作业特点决定了农业机器人结构与工业机器人结构的不同，具体地说，农业机器人一般是作业、移动同时进行，农业领域的行走不是连接起点与终点的最短距离，而是具有狭窄的范围，较长的距离及遍及整个田间表面的特点。当前，农业移动机器人大体分为两类:一是在大面积农田作业的室外型，一类是在大棚温室或设施内作业的室内型。不论哪一类,绝大多数都需要移动作业。移动机器人按照行走机构可分为车轮式、履带式、轮-履带式和人形结构4种18。（1）轮式行走机构车轮式行走机构最简单,应用也最为广泛。常见的机构有四轮或三轮式机器人。根据移动特性可以分为非全方位和全方位移动机器人两种。在平面上移动的物体可以实现前后、左右和自转3个自由度的运动。若所具有的自由度少于3个，则为非全方位移动机器人，典型产品如汽车等，可以前进后退和转向而不能横向移动。若具有完全的3个自由度,则称为全方位移动机器人,它非常适合工作在空间狭窄有限、对机器人的机动性要求高的场合中。国际上一些发达国家，从上世纪80年代起，纷纷重视农业机器人的研究开发，特别是日本，由于其老龄化社会现实和农业劳动力的不足,促使其开发出一系列农田作业机器人。这些机器人大都以移动车体作为行走平台，并且以两轮驱动最为常见。在我国,对农业机器人的研究长期以来主要侧重于机器人末端执行机构即机械手的机构与控制以及机器人本体在三维空间中的连续运动控制技术，一个重要的课题是确定机器人本体位置和行走方向的导航系统的建立，在这方面，近来全球卫星定位系统(GPS)、地理信息系统(GIS)和遥感系统(RS)正发挥越来越大的作用。而对移动平台的研究并不是很多，有些研究是在拖拉机等农业机械装备上开发导航控制系统和变量输入控制系统，这种方式的优点是不需要专门设计移动平台，但驾驶的操作控制较为复杂。有些研究对商业用机器人进行二次开发,用于各种农业目的。这种方式虽然避免了很多导航控制的开发工作，但是商业用机器人在农业环境下的适应性较差，用途有限。目前仅限于田间信息的采集。这两种方式都是依托现有的农业装备进行改造或二次开发完成的,在经济性和适应性方面存在一定的局限。因此,开发一种结构简单，价格适中，符合农村实际要求的专用农田移动平台，以促进农业现代化智能化信息化的发展就显得颇为重要。在这方面，华南农业大学工程学院率先作了尝试,他们开发的一种平台,其机械子系统采用的是两个前轮独立驱动方式,靠驱动电机转速的不同实现转向。实际测试证明直线行走精度较高,但弯道行走精度较低19。这一方面与控制方法和精度有关,另一方面也与转向机构有关。哈尔滨工业大学机器人研究所的付宜利、李寒等研究了两轮转向和四轮转向的差别,并以其实验室研制的全方位轮式移动机器人为本体,对轮式全方位移动机器人的转向方式和运动特性进行了试验分析。结论表明,四轮转向方式与其他转向方式相比具有转向半径小，转向稳定，峰值电流较小等优势。所以,虽然轮式移动机构的类型很多,但对于一般的轮式移动机构,都不可能进行任意的定位和定向,而全方位移动机构则可以利用车轮所具有的定位和定向功能，实现平面上的自由运动。由于全方位轮移动机构具有一般的轮式移动机构无法取代的独特特性,因而成为农业机器人移动机构的发展趋势。（2）履带式行走机构除轮式结构以外,履带式行走机构近来也多有研究，特别是在军用方面，由于小型履带式移动机器人在军事侦察、作战、反恐、扫雷排险、防范核化污染等危险、恶劣环境下以及物料搬运中具有广阔的应用前景,因而受到世界各国的高度重视。德国莱茵金属公司的分公司Telerob公司研制的MV4爆炸物处理遥控机器人20。同轮式移动机构相比,履带式行走机构由于其接地面积大，附着能力强，可以减少对土壤的碾压，对地面的适应性好，具有更好的通过性，配上各种农具可在湿烂田进行大部分农田作业，但由于转弯半径大，因此转向不灵活。在行走空间受到限制的场合,就不能选择这种移动机构。目前只有葡萄采摘机器人使用履带式行走机构。和轮式行走机构一样，履带行走机构的结构简单、驱动较容易。（3）轮-履带式行走机构 鉴于轮式和履带式移动机构的优缺点，机器人移动方式还有一种轮-履带式行走机构，这种机构在兼顾了前两者的优点的同时，还开发出了摆臂的新功能,已逐渐成为现代地面移动机器人的发展趋向21。机器人的车体由车身、车轮、摆臂、履带、小轮、压紧轮构成，也有的车体采用四履带形式的。在平地或小坡度的坡地上行驶时，车辆采用轮式行走机构，可以充分发挥其快速性和灵活性的优点。遇到障碍物或壕沟时,利用摆臂和履带,以提高其通过性能。爬楼梯时,可将车轮、履带、摆臂结合起来使用。我国中国科学院沈阳自动化研究所自行研制的“灵蜥-B”型反恐防暴机器人,四履带轮结构,可由四轮变成四脚行走，在运动和抓取重物时增加了灵活性22。但是,这种机器人体形较小，负载能力不高，因此目前也是主要用在军事侦察排爆方面,在农业领域的应用则鲜有报道。（4）步行机构机器人采用两腿行走,一直是人类的梦想。两腿行走,无论是对地面环境的适应性还是躲避障碍物的能力,都是轮式、履带或轮-履带结构所无法比拟的。在某些采摘作业场合,如采摘西瓜,作物的藤茎匍匐在地面上,行走空间狭小,使用轮式和履带式行走机构显然不合适23。双足步行机器人研究是一个很诱人的研究课题,而且难度很大。因为人形行走机构在静态时是平衡的,但在步行时,整个质心会发生偏移而产生动不平衡。如果不能维持动态不平衡,机器人会倾倒。人形行走机构的步态规划和维持动不平衡是十分复杂的,在日本开展双足步行机器人研究已有30多年的历史,研制出了许多可以静态、动态稳定行走的双足步行机器人。我国在仿人形机器人方面也做了大量研究,并取得了很多成果。比如长沙国防科技大学研制成了双足步行机器人“先行者”,实现了机器人技术的重大突破。“先行者”有人一样的身躯、头颅、眼睛、双臂和双足，有一定的语言功能，可以动态步行。哈尔滨工业大学、北京科技大学也在这方面做了大量深入的工作。但目前仍处在试验研究阶段。特是开发适合松软的农田地面的步行机构，还有许多困难。可以相信，随着智能控制技术的进步,人形机器人将会得到广泛的应用。5 当前存在的问题5.1 农业机器人的发展局限农业机器人虽已有重大发展，但是由于在农业领域应用的历史还比较短，从20世纪90年代开始，机器人才开始在一些发达国家的农业生产中应用，所以仍有不少瓶颈问题等待突破。农业机器人的工作特点是作业、移动同时进行，其行走不是连接出发点和终点的最短距离，而是具有狭窄的范围、较长的距离且遍及整个田间表面。农业机器人需要知道自身相对于外部世界的位置和周围环境。因此，定位导航是农业机器人基础的关键技术，也一直是农业机器人的研究重点和难点。定位是确定机器人在其作业环境中所处位置的过程。更具体地说是利用先验环境地图信息、机器人位姿的当前估计以及传感器的观测值等输入信息，经过一定的处理和变换，产生更加准确的对机器人目前位姿的估计。就目前的研究状况来说，农业机器人可以代替人类完成某些农业生产活动，但研究多处于实验室的试验阶段，无法达到实用普及的程度。其有两个原因：一是农业机器人的智能程度没有达到农业生产的需要。农业生产的特点要求农业机器人具有相当的智能和柔性生产的能力以适应复杂的非结构环境。从目前的技术水平来看，在自动导航、视觉辨识定位等方面已经具有成熟的解决方案。但总的来讲，目前智能系统的发展还不够完善，很多任务无法由农业机器人单独完成。二是农业机器人的成本过高。机器人智能水平的提高一般都要增加计算机控制系统软硬件的复杂度，这就必然使其成本提高。所以，即使是农业机器人具备了相当的智能，能够完成某种任务，但是由于其开发难度极大，制造成本过高，仍然难以实际应用。农业机器人的成本问题成为制约其进一步研究应用的瓶颈问题。5.2 理想农业机器人尚待解决的关键问题24（1）适应性问题由于农业生产具有种类的多样性，作业条件的多变性，迫切要求农业机器人具有开放性的智能和柔性生产的能力，以适应复杂的环境，现在开发的农业机器人很多是用于特定生产环境的，具有很大的局限性，适应性问题还有待进一步提高。（2）高可靠性和易操作性农业机器人的使用者是农民，不是具有农业机械知识的工程师，因此要求农业机器人具有高可靠性和良好的操作性，这就需要在农业机器人中广泛地引入人工智能技术，提高其生产自动化程度和稳定性，减少人工的操作。（3）价格问题由于农业机器人运用很多高新技术，开发和生产成本较高。因此价格较高，而且我国农业以个体经营为主，农民购买力有限，普及困难。需要在降低农业机器人成本的同时实现农业的规模化。（4）兼容性问题不同厂家生产的机器人系统互不兼容，与计算机的接口方式也不尽相同，难以进行升级和维修。因此需要制定相关行业标准，技术规范，提高农业机器人的兼容性。我国目前还处于农业机械化的初级阶段，发展农业机器人要从我国实际情况出发，目前要紧跟国际农业机器人发展的步伐进行一些基础性研究，设计制造一些适应我国国情的农业机器人，并初步应用于一些形成规模的经济价值较高的作物种植中。虽然现阶段在我国大力发展农业机器人是不现实的，但是，随着科技水平的不断提高，农业规模化的不断发展，农业机器人这一现代农业的先进生产工具，将逐渐在我国农业生产中发挥巨大作用。6 农业机器人的发展趋势与前景6.1 农业机器人的发展趋势应用农业机器人，提高资源利用率和农业产出率，提高经济效益是现代农业发展的必然趋势。将一些农业机器人作业于田间，将会极大提高劳动生产率，能够合理的利用劳动力资源。目前研究人员主要研究的是：行走系列农业机器人，其导航系统能知道机器人进行路径规划和避障、探测定位和控制系统稳定性。机械手系列机器人。由于生长环境不同，形状也不同，所以开发机器人不仅要考虑作业对象的基本特性和力学特性，甚至连化学特性、生理特性也该考虑。为尽量多采集监测数据，需要开发新型传感器或按照一定融合策略构造传感器阵列，以弥补单个传感器的缺陷以及提出新的融合方法来提高传感器的灵敏度和反应速度以完善探测结果，这些都是重要的研究方向。在一个时期内，农业机器人大致向以下几个方向发展：实现最佳作业方法。为合理利用农业资源，给作物创造最佳生长环境，必须寻求和应用最合适的作业，包括作业的种类和作业的程度。理想的农业机器人应能根据作物的生长环境和生长状况，自动选择最佳作业内容。结构简单，价格合理。不仅需要机器人能模仿人的动作，还要用机器人易于实现的动作代替人的动作，而且要求机器人能与农艺相配合。要防止机器人机构过于复杂，使价格合情合理，便于推广。用途广泛。农业机械的特点是使用时间短， 间隔周期长。农业机器人就应该做到更换机械手的终端执行器和软件就可以作他用，做到一机多用，以提高使用效率，降低使用成本。我国林业机器人的发展水平还很低，在育苗、造林、森林抚育、病虫害防治、森林采伐与运输、剩余物综合利用、木材精深加工等几乎所有林业生产方面，机器人都会有很好的应用前景。今后林业机器人的发展方向将是：具备保护环境功能研究高性能的、轻型机器人。应用人工智能，使机器人能够自主作业。从事林业产品精深加工的机器人。当今，林业机械的智能化、自动化已初见端倪，无人操作、通过传感器便能自行判断、作业的机器人将会成为现实。与工业机器人在固定位置上单纯反复的定位控制相比，还必须具备独立的机能，如：力的控制、移动性、搬动性等等。被称为第五代计算机“神经计算机”和能控制模糊度的“模糊计算机”一旦投入使用，林业机器人将会得到突飞猛进的发展。未来的林业机器人的行走机构为昆虫型和足部有履带的复合型的，四足能自动行走。通过三维视觉传感器掌握对象物的形态，边预测、边扫描进行栽植、割灌等作业。同时，要了解机器人群的位置和海拔高度，可利用卫星导航从远离作业现场的指令地通过计算机集中控制，同时还能根据这些资料掌握作业情况。随着科技和经济的发展，农业机器人和林业机器人将作为新一代智能化机械必将得到越来越广泛的应用，在我国未来的经济建设中起到重要的作用。6.2 农业机器人前景农业机器人在农业领域得到很大进展，其功能已经非常完备。它们能够代替人的部分劳动，有些人类做不到的事情机器人可以做到，而且工作效率非常高。它们可以从事在艰苦条件下的重体力劳动、单调重复的工作，如喷洒农药、收割及分选作物等有望由多农业机器人系统完成，以解放出大量的人力资源。机器人正在或已经替代人的繁重体力劳动，可以连续不间断地工作，极大地提高了劳动生产率，是农业智能化不可缺少的重要环节。随着我国国民经济的持续高速发展,农业产业结构调整和农业生产的集约化以及我国工业机器人技术的快速发展,我国农业机器人的发展将出现良好的机遇。在新的农业生产模式和新技术的应用中,农业机器人作为新一代智能化的农业机械必将得到越来越广泛的应用。参考文献1 戴乃昌.农业机器人的发展和应用初探J农机化研究,2009（2）: 241243.2 闫树兵,姬长英. 农业机器人移动平台的研究现状与发展趋势J.拖拉机与农用运输车,2007,24（5）:1315.3 崔勇.农业机器人的研究与应用浅探J.南方农机,2008(1):35-37.4 张铁中,魏剑涛.蔬菜嫁接机器人视觉系统的研究(I)J.中国农业大学学报,1999,4（4）:4547.5 田素博.国内外农业机器人的研究进展J.农业机械化与电气化，2007（2）:35.6 胡桂仙,于勇,王俊.农业机器人的开发与应用J.中国农机化,2002(5):4547.7 汤修映,张铁中.果蔬收获机器人研究综述J.机器人, 2005，27(1):9094.8 方建军.移动式采摘机器人研究现状与进展J.农业工程学报, 2004,20(2):2.9 林宝龙.基于三维视觉的水果采摘机器人技术研究D.北京:中国农业大学,2004:6872