1 引言

近几年农业机器人发展很快，得到世界各国重视，特别是发达国家。我国也不例外，但与发达国家相比仍然有不少差距。与国外相比，我国农业机器人研究与开发起步较晚，虽然起步较晚，但发展速度还是非常迅速和惊人的。

2 农业机器人概念

机器人用于农业方面的可以说是农业机器人。农业机器人是用于农业生产的特种机器人，是一种新型多功能农业机械。农业机器人是一种机器，是机器人在农业生产中的运用，是一种可由不同程序软件控制，以适应各种作业能感觉并适应作物种类或环境变化，有检测（如视觉等）和演算等人工智能的新一代无人自动操作机械。农业机器人的出现和应用，改变了传统的农业劳动方式，促进了现代农业的发展。 

3 农业机器人两个发展历史阶段

农业机器人的发展历史分为两个阶段，2000年以前农业机器人是机械电器自动化设备，2000年以后是加入人工智能、机器视觉等新技术的自动化设备。农业机器人必须能够应对这种多样性和变化性，还要能够柔和地处置桃子这样娇嫩的果实，同时还要能在不断掉落的桃毛、梨粉和尘埃中工作。

3.1 第一阶段为起始阶段

1793年美国发明家、机械工程师和企业家伊莱•惠特尼（Eli Whitney）发明了轧棉机（又称：轧花机），它能够快速把棉花纤维和棉花种子分离，一人操作机器每天可轧棉50多磅（相当于45多斤），抵上上百个劳动力小时，使棉花行业发生了革命性的变化。1794年获轧棉机美国专利，与人合伙开办轧棉机制造厂，后因侵权事件及长期诉讼，亏损倒闭。

1827年第一台草坪割草机是由英国工程师Edwin Budding发明。Budding的割草机起初设计是作为长柄镰刀的一种高级替代，用来割运动场和昂贵花园的草坪，并在1830年给予专利。经过不断改良和创新，割草机于1860年代开始大规模生产。

1834年，塞卢斯•霍尔•麦考密克（Cyrus H McCormick）近代收割机的发明者之一。他创制的一台收割机获得专利，1837 年开始小量制造。1847年在伊利诺伊州芝加哥市建立工厂，开始大规模生产收割机，成立麦考密克收获机公司。1902年与其他公司合并成为国际收获机公司，成为那时候美国最富有的人之一。

1917年10月8日亨利•福特的福特森( Fordson )拖拉机从大量生产流水线下线，到1920年8月福特森拖拉机就已销20万台。1917年，Henry Ford引进了Fordson拖拉机，这是第一种大规模生产的拖拉机。

1830年出现第一台导管式挤奶机，1905年，双室奶杯的发明，这才具备了现代挤奶机器的雏形。1918年，Carl Gustav创造了第一台商用的挤奶机。

1979年，剪羊毛机诞生，消除了单调的剪羊毛工作。

3.2 第二阶段为爆发阶段

2007年扫描果实并收集土壤、种子数据的Ag Tracker被发明出来。

2012年能够在植物育苗室内移动盆栽树苗的机器人——收获运输车HV-100被研发出来，同年能够除去生菜土地里多余种子的生菜机器人Lettuce bot诞生，2012年还诞生了剪除或者栽培葡萄藤的Wall-Ye机器人，该机器人能够收集土壤健康状况和葡萄库存的数据。

2013年日本采摘草莓的机器人问世，该机器人使用两个数码相机来拍摄草莓的颜色，判断草莓的成熟程度，并且采摘已熟的草莓。

4 世界各国的典型农业机器人及其发展状况

4.1 美国施肥机器人、蜜蜂机器人、育苗机器人

美国明尼苏迭州一家农业机械公司的研究人员推出的机器人别具一格，它会从不同土壤的实际情况出发，适量施肥。它的准确计算合理地减少了施肥的总量，降低了农业成本。由于施肥科学，使地下水质得以改善。

蜜蜂机器人能够取代蜜蜂完成植物的授粉工作。另外，这种机器人可以应用到灾后的调查、搜救工作中，其续航能力强、体积小的优势使它可以在灾后发挥出惊人的价值。

育苗的大部分内容是把盆栽作物搬来搬去，工作单调而枯燥，浪费人力且效率不高。美国波士顿的育苗机器人很好地解决了这个问题。这种育苗机器人由滚动轮胎、抓手和托盘组成。工作人员只要实现在触摸屏上设定地点参数，机器人就能感应盆栽，并自动把它们移动到目的地。

4.2 德国大田除草机器人

德国农业专家采用计算机、全球定位系统（GPS）和灵巧的多用途拖拉机综合技术，研制出可准确施用除草剂除草的机器人。首先，由农业工人领着机器人在田间行走。在到达杂草多的地块时，它身上的GPS接收器便会显示出确定杂草位置的坐标定位图。农业工人先将这些信息当场按顺序输入便携式计算机，返回场部后再把上述信息数据资料输到拖拉机上的一台计算机里。当他们日后驾驶拖拉机进入田问耕作时，除草机器人便会严密监视行程位置。如果来到杂草区，它的机载杆式喷雾器相应部分立即启动，让化学除草剂准确地喷撒到所需地点。

4.3 英国菜田除草机器人、采摘蘑菇机器人、分检果实机器人

英国科技人员开发的菜田除草机器人所使用的是一部摄像机和一台识别野草、蔬菜和土壤图像的计算机组合装置，利用摄像机扫描和计算机图像分析，层层推进除草作业。它可以全天候连续作业，除草时对土壤无侵蚀破坏。科学家还准备在此基础上，研究与之配套的除草机械来代替除草剂。

英国是世界上盛产蘑菇的国家，蘑菇种植业已成为排名第二的园艺作物。据统计，人工每年的蘑菇采摘量为11万吨，盈利十分可观。为了提高采摘速度，使人逐步摆脱这一繁重的农活，英国西尔索农机研究所研制出采摘蘑菇机器人。它装有摄像机和视觉图像分析软件，用来鉴别所采摘蘑菇的数量及属于哪个等级，从而决定运作程序。采摘蘑菇机器人在机上的一架红外线测距仪测定出田问蘑菇的高度之后，真空吸柄就会自动地伸向采摘部位，根据需要弯曲和扭转，将采摘的蘑菇及时投入到紧跟其后的运输机中。它每分钟可采摘40个蘑菇，速度是人工的两倍。

在农业生产中，将各种果实分检归类是一项必不可少的农活，往往需要投入大量的劳动力。英国西尔索农机研究所的研究人员开发出一种结构坚固耐用、操作简便的果实分检机器人，从而使果实的分检实现了自动化。它采用光电图像辨别和提升分检机械组合装置，可以在潮湿和泥泞的环境里干活，它能把大个西红柿和小粒樱桃加以区别，然后分检装运，也能将不同大小的土豆分类，并且不会擦伤果实的外皮。

4.4 西班牙采摘柑桔机器人

科技人员发明的这种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，能够从桔子的大小、形状和颜色判断出是否成熟，决定可不可以采摘。它工作的速度极快，每分钟摘柑桔60个而靠手工只能摘8个左右。另外，采摘柑桔机器人通过装有视频器的机械手，能对摘下来的柑桔按大小马上进行分类。

4.5 法国葡萄园机器人

在法国，由于葡萄酒业十分繁荣带动葡萄种植业的发达，因而农业机器人最先应用于葡萄园。Wal-Ye是专为葡萄园所研发的一款农业机器人，从植株修剪、监控土壤情况到打理藤蔓的健康状况，所有种植园工人能做的工作，Wal-Ye都能一手包办。

4.6 澳大利亚放牧机器人、挤奶机器人

这种机器人能在农场上替代传统的放牧劳动力。它拥有先进的感应系统及全球定位系统，能自动检测牛群的运动速度并驱赶它们移动。

挤奶机器人除负责挤奶外，机器人还能对牛奶的质量进行检测，质量不合格的牛奶，会自动装入专门用于存储废奶的容器中；即使是合格的牛奶，为了保障牛奶的品质，机器人也会将最初挤出的一小部分牛奶作为废奶处理掉。另外，机器人还可以自动统计并分析奶牛的健康状况、产奶量、挤奶频率等，并将其存储到存储系统中，一旦发现存在数据异常，机器人可以自动发出警告。机器人的应用使牛奶的产量及质量得到了大幅度提升，据业内公布的数据来看，使用机器人后，牛奶的产量可以提升20%-50%，奶牛的发病率也得到了有效降低。

4.7 日本番茄采摘机器人

在日本，其农业机器人研究、实施开发计划，目前居于世界各国之首。早在1995年，日报参与研究的私营农机制造商就达41家。研究的对象不单是农业机械，还包括与机械化作业效率有关的肥料、农药等生产资料的开发。研究课题的设置涉及蔬菜、旱作水田、畜产和果树等方面。2015年12月，松下开始测试用机器人采摘西红柿，这个机器人配备了摄像头和图像传感器，能够在不伤害西红柿的前提下，以每20秒一个的速度在西红柿采摘前探测其是否成熟。

当下，日本人口老龄化问题日益严重，农业劳动力也严重短缺，松下透露拟研发西红柿采摘机器人，并计划在2019年左右开始试销。该番茄采摘机器人使用的小型镜头能够拍摄7万像素以上的彩色图像。首先通过图像传感器检测出红色的成熟番茄，之后对形状和位置进行精准定位。机器人只会拉拽菜蒂部分，而不会损伤果实，平均摘一个西红柿耗时约6秒钟。在夜间等无人时间带也可进行作业。

4.8 比利时摘草莓机器人

比利时一家科技公司Octinion开发出摘草莓机器人“Strawberry Picker”，且3秒就能摘下1颗，效率一点不比人类差。能自主移动的3D视觉感测器，并透过这项设备检测出草莓成熟度。机器人可辨别出成熟草莓，再判断自己是否有办法以不致碰伤的力道摘取，接着才会进行作业。而摘取草莓的“手掌”也是利用3D打印进行制造。在不损伤草莓的前提下，Strawberry Picker在收获时节大约能采摘田里7成的草莓，以“手掌”轻轻裹住草莓，并从茎上取下，放入装草莓的容器中；平均算下来，机器人3秒便能摘取1颗草莓，与人工效率相仿。Octinion公司计划2018年内开发完Strawberry Picker的所有功能，2019年正式投入市场，且使用范围不局限于草莓，蕃茄、辣椒等质地较脆弱的农作物，皆可作为Strawberry Picker的摘取对象。

4.9 中国农业机器人

与国外相比，我国农业机器人研究与开发方面尚处于起步阶段。我国农业机器人起步较晚，20世纪90年代中期，国内才开始了农业机器人技术的研发。目前我国已开发出的农业机器人有：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。中国农业大学为中国大陆农业机器人技术早期研发单位之一，其研制的摘黄瓜机器人利用多传感器融合技术已成功进行了试验性嫁接生产，解决了蔬菜幼苗的柔嫩性、易损性和生长不一致性等难题，可用于黄瓜、西瓜、甜瓜等幼苗的嫁接，形成了具有自主知识产权的自动化嫁接技术。随后北京农林科学院、南京农业大学、东北林业大学等其他高校和科研院所也相继开展了相关研究，并且随着中国工业化、城镇化和现代化的快速发展，我国农业机器人的研发范围亦在逐步扩大。

4.9.1 我国的农业现代化

四个现代化即为“工业现代化、农业现代化、国防现代化、科学技术现代化”，是中国共产党及中华人民共和国1950年代至1960年代提出的国家战略目标。1964年12月第三届全国人民代表大会第一次会议上提出的。2012年11月，在中国共产党第十八次全国代表大会上，提出的工业化、信息化、城镇化、农业现代化新“新四化”。可见，我国政府对农业现代化历来都十分重视。

4.9.2 中国大学生参与的农业机器人比赛及设计

2011年6月湖北省第八届“挑战杯”大学生课外学术科技作品二等奖《新型单（多）排精密玉米播种机》由武汉理工大学物流学院本科生孙科等设计制作。

2014年青岛农业大学大四学生郭亭亭发明了一种草莓采摘机，不仅能代替果农工作，采摘时还很有“手感”，保证摘下的草莓不被挤压。

2017年10月26-27日，首届中国农业机器人大赛在湖北武汉国际博览中心成功举办。16所高校的31支队伍200余人报名参赛。最终12所高校的26支队伍的120名名师生参加了激烈的现场实战比赛。最终中国农业大学工学院的“车行天下”团队夺得大赛特等奖，并荣获参加2018年美国ASABE农业机器人大赛的资助。

4.9.3 我国农业机器人生产的知名企业

农业机器人企业有：我国大疆无人机产业应用农业植保领域；还有河北农哈哈机械集团有限公司产品耕整地机械、播种机械、植保机械、喷灌机械、收获机械、青贮机械等，其中农哈哈牌播种机连续17年全国产销量第一名；还有中国一拖集团有限公司生产的免耕施肥播种机、联合收割机等；还有日本“久保田”在中国投资的公司等等。

5 未来农业机器人技术发展趋势

将来农业机器人会广泛采用现代设计、绿色制造、人机工程、智能技术，产品越来越多的应用了信息化、智能化和自动化等高新技术，在实现了精准化、智能化和高效率；性能方面，也由单一的机具技术发展到机电液一体化、专业化程度高的复式机械，并且操作更简单，控制更准确。未来的农业机器人，将不再是拖拉机那样又笨又重的外形，而应该是成队作业的轻型自动机器人。“无人农场”概念也会大量兴起，无人机也会大量跟进。在“智慧农业”的发展当中，农业机器人的应用正愈发广泛，发挥其关键角色作用，以完成执行自动化、智能化的艰巨任务。农业机器人能完成播种、种植、耕作、采摘、收割、除草、分选以及包装等工作，应用于无人驾驶拖拉机、无人机、物料管理、播种和森林管理、土壤管理、牧业管理和动物管理等。万能机器人会出现在农田里。它不但能播种、除草、中耕，而且能施肥和收获。万能机器人还可以采用整体收割法，沿耕作地来回走一次就可把庄稼收割完，装到集装箱内运走。脱粒可以借助超声波来完成，也可以用微波进行干燥。万能机器人能根据土壤的温度、气温、风力来完成种地、锄草、浇灌、施肥、收割、脱粒、吹干、运走等工作。几乎所有的农业工作都能由万能机器人自动进行。它不但能减轻人的劳动强度，而且能提高产量，便于收获。未来农业机器人向多功能、高效率、复式联合作业、控制智能化、操作自动化发展、注重节约资源、保护环境等方向发展。

参考文献

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作者简介

郑卫刚 （1967-） 男 技师 研究方向：机电技术