智能机器人在农业自动化领域的主要应用
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智能机器人在农业自动化领域的主要应用
摘 要：通过对智能机器人在农业自动化领域的主要应用进行研究，包括采摘机器人、嫁接机器人、耕耘
机器人、除草机器人、喷农药机器人、插秧机器人、林木清洁机器人、饲喂机器人、禽蛋检测与分级机器
人。发现应用于农业智能机器人的主要技术有感知与避障技术、机器视觉技术、信息融合技术及农业专
家系统。农业机器人的智能问题、成本过高问题和易受环境变化的影响问题，需要进一步研究解决。
关键词：智能机器人；农业自动化；主要技术；存在问题
The Main Application of Intelligent Robot in the Field of Agriculture Automation
Abstract:The main application of intelligent robot in the field of agriculture automation is discussed. Thepicking robot, grafting robot, cultivating robot, weeding robot, spraying pesticides robot, planting robots, timber cleaning robot, feeding robots, egg inspection and grading robot are presented. The Perception and obstacle avoidance techniques, machine vision technology, information fusion technology and agricultural expert system are the main
applications in agriculture intelligent robot technology. The intelligent problem of agricultural robots, high cost and the impact of environmental diversification shall be studied and solved in the future. Key words:
intelligent robot; agricultural automation; main technology; existing problems 引言
新的农业生产模式和新技术的应用促进了农业机械的更新和发展，智能农业机械的技术条件已经成熟。机械化的发展大大解放了劳动力，促进了社会化大生产，创造了无穷的社会财富，其影响重大而深远，农业也因此发生了革命性的改变。对于必须处理复杂又模糊的信息，还要进行综合判断的农业生产机械化来讲，只有靠具有与人类相同的知识启发和学习功能的智能机器人才可能得以实现。可以预计，21世纪将是农业机械向智能
化方向发展的重要时期。此文就智能机器人的研究进展、应用于农业智能机器人的主要技术、存在问题等方面进行论述。 1 农业智能机器人的研究进展
随着工业机器人的发展，许多国家如日本、美国等对农业机器人的研究工作逐渐启动，已研制出多种农用机器人。中国从20世纪70年代末开始对机器人进行研究。20世纪90年代以来，“精准农业”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技术之一。具有相当智能的农业机器人是精准农业体系中有效的装备之一，从而得到重视和发展。 采摘机器人
对农业采摘机器人的研究已有40年的历史，美国学者Schertz和Brown于1968年首次提出应用机器人技术进行果蔬的收获。美国、加拿大、荷兰、日本、英国等国均已开展了研究。
番茄采摘机器人 日本的 Kondo 等研制的番茄收获机器人，由机械手、末端执行器、视觉传感器、移动机构和控制部分组成[1-2]，用彩色摄像机作为视觉传感器寻找和识别成熟果实，用7自由度的SCORBOT-ER工业机器人，机械手活动范围大，能避开障碍物。为了不损伤果实，机械手的末端执行器是带有软衬垫的吸引器，中间有压力传感器，把果实吸住后，利用机械手的腕关节把果实拧下。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头土埂的反射板，可检测是否到达土埂，到达后自动停止，转动后再继续前进。该番茄采摘机器人从识别到采摘完1个番茄只需要15 s，成功率在75%左右。
黄瓜采摘机器人 日本的 Kondo 等研制的黄瓜采摘机器人，采用三菱MITSUBISHI RV-E2型6自由度机械手，利用CCD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[3]。黄瓜和柄的连接与番茄不同，因此采用拧摘方法较难，所以用剪断方法，先把黄瓜抓住，用接触传感器找出柄，然后剪断，采摘速度为16 s/个，由于黄瓜是长条形，受到叶茎的影响更大，所以采摘的成功率较低，大约在60%左右。 蘑菇采摘机器人 蘑菇的生产集约化程度很高，但人工采摘蘑菇的效率低，且分类的质量不易保证，从而制约了生产效率与经济效益的提高[4]。英国Silsoe研究院研制的蘑菇采摘机器人[5]，可以自动测量蘑菇的位置、大小，并选择性的采摘和修剪。他的机械手包括2个气动移动关节和一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。采摘成功率在75%左右，采摘速度为 s/个。
苹果采摘机器人 韩国 Kyungpook 大学所研制的苹果采摘机器人[3]，其机械手工作空间可以达到3 m，具有4自由度，包括3个旋转关节和1个移动关节。采用三指夹持器作为末端执行器，内有压力传感器避免损伤苹果。利用CCD摄像机和光电传感器识别果实，从树冠外部识别苹果时的识别率达 85%，速度达5 s/个。该机器人末端执行器下方安装有果实收集袋，缩短了从摘取到放置的时间，提高了采摘速度。
西瓜采摘机器人 日本 Kyoto 大学研制出一个 5自由度液压驱动的机器人用于收获西瓜，包括机械手、末端执行器、视觉传感器和行走装置[6]。因为西瓜在地面上，机器手由5个旋转关节组成，使机械手能在地面工作。
茄子采摘机器人 刘长林等设计了一种实现田间茄子收获机器人视觉系统的图像识别方法[7]。通过判断茄子图像每点像素值差值实现分割；通过模板操作及形态学上的闭运算操作去除残留物，最终找到茄子图像的外接矩形完成提取。经试验测定，对样本茄子图像提取成功率为97%，平均速度为 s/个。
樱桃采摘机器人 日本的 Kanae 等研制了 1 台樱桃采摘机器人[8]。该樱桃采摘机器人主要由1个4自由度的机械手、三维视觉传感器、末端执行机构、1台电脑和移动装置构成。三维视觉传感器配备了红外和红外激光二极管，这2个激光束对对象的扫描同时进行。通过处理三维视觉传感器来识别果实和障碍物的位置，由此决定末端执行机构的运动轨迹。果实被末端执行机构拾起，同时避免与障碍物碰撞。 嫁接机器人
日本农产省 1989 年成立了 TGR 技术嫁接研究所[9]。该研究所研制出了一种嫁接机器人，其嫁接过程分切断、合位和接苗3个环节，该机器人为全自动式，若本苗或嫁苗有缺苗时能自动判别，并跳过缺苗盆。该机器人的嫁接成功率为97%，同时也大大提高了作业速度。中国农业大学研制的2JSZ-600Ⅱ型蔬菜自动嫁接机采用计算机自动控制，实现了蔬菜苗砧木和穗木的取苗、切苗、接合、塑料固定、排苗等嫁接作业的自动化操作。
移栽（育苗）机器人
台湾Ting和Yang等研制的移栽机器人，把幼苗从600 穴的育苗盘中移植到 48 穴的苗盘中[3]。机器人本体部分由 ADEPT-SCARA 型 4 自由度工业机器人和SNS 夹持器组成，位于顶部的视觉传感器确定苗盘的尺寸和苗的位置，力觉传感器保证SNS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~ s之内。 耕耘机器人
日本机电技术研究室开发出的耕作机器人[9]，在耕作场内可进行辨别、判断自身位置和前进方向的无人操作，其耕作效率与有人相同。1994年芬兰开发出利用GPS和左右两轮的转速差进行导航的小型履带式车辆，Hate等开展了用彩色线条传感器为传感元件对车辆走向的研究，Yong等研制了以微型计算机为基础的车辆导向控制器，Choi设
智能机器人在农业自动化领域的主要应用
