各类农业智能机器人的发展研究

各类农业智能机器人的发展研究

袁标  李维钧

上海点甜农业专业合作社  上海市金山区  201505

摘要：随着农业智能机器人在农业领域的广泛应用，根据用途的不同对农业机器人进行了分类，主要有农业信息采集机器人、剪枝机器人、嫁接机器人、移栽机器人、喷药机器人等。本文分别针对这几种常见的农业智能机器人的研究现状进行了阐述，为了解各类农业机器人的作用提供了依据。

关键词：农业机器人；发展研究现状；智能化

目前，世界各国对农业机器人技术高度关注。美国、日本、西班牙及韩国等对农业机器人的研究起步较早，发展较为完善，但其研发的农业机器人通常结构复杂、体积庞大，与我国农艺不相符，因此开发符合我国农情的农业机器人意义重大。我国的相关研究始于20世纪90年代，科研人员对多种农业机械进行了研究，但没有实现产业化。近年来我国自动化技术、计算机控制、图像识别、传感器与信号处理等行业的发展，促进了农业机器人的更新与发展。

一、农业信息采集机器人

东北林业大学王伟等设计的一种地空两用型农业信息采集机器人，其飞行控制机构、地面行走机构及信息采集系统构成了一种简便实用的农业信息物联网。地面行走机构搭载独立悬架和减震系统以增强越障能力和越野性能。空中飞行机构搭载控制系统和信息采集系统，采用无人机技术提高机器人田间作业时的越障能力。该机器人通过图像采集、温湿度检测及图像处理，精准获取农田的温、湿度数据并分析作物的生长状态，在得到可靠数据与图像的同时，为更好地管理农田作业提供了可靠依据。

南京农业大学的刘成龙等，设计的用于农情信息采集的小型四足柔性机器人，克服了大型农业设备产生的土壤机械压实问题。该机器人采用小型柔性四足机器人结构，由三段式两自由度腿部结构、远程绳索驱动式膝关节及弹簧蓄能装置等组成，足端轨迹曲线为斜线式，可提高足式机器人的运动速度并降低运动能耗。

二、剪枝机器人

中国农业大学的孟繁佳等拉41设计的树莓剪枝机器人，其核心是上、下位机进行串口通信的控制系统。该机器人基于机器视觉技术，建立颜色模型并运用多种算法对所采集图像进行实时处理，采用左右机械臂同时工作的方式，实现对细弱枝、破损枝的有效识别与高效剪除。同时，该机对复杂环境的适应能力强，具有较强的可靠性和自适应能力。济南大学的周天文等旧纠设计的一种针对篱架式葡萄夏梢的两翼转刀式剪枝机，主要由切割系统、机架系统、液压系统以及安装系统组成。切割系统位于该机器人左右两侧及顶部，工作时由液压系统驱动，可一次修剪两行葡萄架的侧面和顶部，垄距和高度可调，实现连续、高效和机械化葡萄剪枝作业，降低人工劳动强度和人力成本。

三、嫁接机器人

中国农业大学张凯良等心钊率先对蔬菜嫁接机开展研究，并于1988年研制出2JSZ．600型单臂穴盘嫁接机。该机针对瓜科蔬菜苗，采用单子叶贴接法，作业时砧木可直接带土嫁接，适用于西瓜、甜瓜和黄瓜等多种蔬菜苗，具有广泛的适应性。该机嫁接效率为600株／h，但其成功率仅为95％。此后，在此基础上改进的双臂嫁接机，嫁接效率提高至850株／h。2006年，东北农业大学辜松¨¨设计的2JC．350型蔬菜插接式自动嫁接机，采用双销定位机构以减小接穗外伸长度，保障了砧木与接穗对插接合环节的作业质量，从而有效提高嫁接成功率。经验证该机生产效率为350株/h，但嫁接成功率仅90％。其后于2008年改进的2JC一600型嫁接机，嫁接效率达600株／h。但限于穴盘育苗生产集约化、工厂化程度低，均未能实现量产。

2011年，华南农业大学马稚昱等提出一种新式嫁接方法——断根顶芽斜插式自动嫁接方法，并研制出斜插法嫁接试验台。该装置由砧木夹持机构、砧木插口机构、接穗夹持运输机构以及接穗切削机构等组成。工作时，由砧木夹持机构夹持砧木进行插扦打孔，保持一段时间，待接穗切削完成后拔出插扦，并迅速将接穗插入到砧木插扦内，完成嫁接。该方法和装置工序简单、稳定性好且易于推广，嫁接苗适合工厂化集约生产，但插穗成功率达92％，接苗成活率达90％。针对瓜、茄类蔬菜，北京农业智能装备技术研究中心姜凯等于2011年基于“贴接法”嫁接技术设计的嫁接机器人，采用气动输出与PLC控制系统，主要由搬运装置、切削装置、上苗及送夹装置等组成。该机采用双工位上苗方式设计，当切刀旋转半径为68 mm，切刀转速为120 r／min时，秧苗切削成功率为98％，嫁接效率为884株，h，嫁接成功率为95．7％，已接近工厂化嫁接育苗生产标准

四、移栽机器人

2009年，南京农业大学周婷设计的一种适用于穴盘苗移栽的移栽机，主要由机械手和穴盘输送系统等组成，其末端执行器为斜楔杠杆式夹持机构，移栽成功率为76．11％，机械手采用轨迹规划方式运行，运行时间较传统方式缩短0．362 S，效率提高15．33％，采用PLC控制系统，手指间末端垂直距离为20 mm，在夹紧力为3．877 N左右时，移栽效果最佳。针对高密度穴盘苗移栽作业，2016年江苏大学韩绿化等。321研制了一种轻简型自动移栽机，主要由自动移栽机械臂和电气控制系统组成。该机采用双排链传动，机械臂包括直线模组和无杆气缸，机械手为气动两指四针钳夹式，可完成取苗、移苗和栽苗全过程；移栽成功率为90．70％，作业破碎率低于5％。经验证，对128、72孔穴盘苗的移栽效率分别为1 221株／h和1 025株／h。崔志超等于2018年设计的基质块苗蔬菜移栽机，主要由动力源、开沟覆土装置、输送分苗装置、栽植装置及机架等部分组成，可一次性进行畦面整平、开沟、移栽和覆土作业。作业时平底滚筒将土壤压实，开沟器开出栽植沟，人工取苗并放置于输送带上，栽植器夹持块苗进行移栽，覆土器进行覆土掩埋完成移栽。该移栽机栽植合格率可达95．3％，栽植频率为57株／min。

五、喷药机器人

2010年现代农装科技股份有限公司、中国农业机械化科学研究院共同研发了针对棉花、大豆和油菜等作物的3WZG一3000A型高地隙自走式喷杆喷雾机，。该机采用全液压四轮驱动，地隙1350lllm，利用风幕式气流辅助装置防止喷雾飘移，并配有自动变量喷雾控制系统；其工作幅宽21nl，药箱容量达3 000 L，施药量150～600 L／hm2；工作压力0．3～1．0 MPa，作业速度6～10 km／h，生产效率可达8 hm2／h以上，轮距可在一定范围调节。

为降低农药喷洒量并减少土壤农药残留，2015年青岛农业大学的郭亭亭等研发了机器视觉喷药机器人，主要由移动平台、图像采集及处理模块、主控模块和喷药模块等组成。该机具有Zigbee无线通讯及视频传输功能，可实现喷药作业无人化、智能化。作业时，通过图像处理分析，对作业区域内特定作物与杂草的位置、面积进行识别，之后控制器控制末端喷药装置进行对靶变种类喷药，即对杂草和作物分别喷洒除草剂、除虫剂。

参考文献：

［1］余双雄，王璐思，徐素蓉. 互联网+气象为农服务研究［J］.农业灾害研究，2017（z4）：48-50.

［2］朱叶，马志强，马士钦. 交互式农业气象服务系统平台的建设研究［J］.山西科技，2019（5）：105-106，111.