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农业机械人技术生长概况

作者:爱游戏官方网站入口 时间:2022-11-07 14:30
本文摘要:随着智能农业和盘算机技术的高速生长,机械人技术在农业生产系统中获得了广泛应用。农业作业的智能化和自动化系统在应对劳动力短缺、提高生产效率、降低农业生产中人类所面临的宁静康健风险等方面发挥了重要作用。在农业生产和加工环节中,有许多功效设备乐成应用的案例,例如嫁接机械人、采摘机械人、移栽机械人和大田生产农业机械人等。近年来,农业机械人及自动化获得了海内外学者的广泛关注,技术上的可行性获得了论证。

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随着智能农业和盘算机技术的高速生长,机械人技术在农业生产系统中获得了广泛应用。农业作业的智能化和自动化系统在应对劳动力短缺、提高生产效率、降低农业生产中人类所面临的宁静康健风险等方面发挥了重要作用。在农业生产和加工环节中,有许多功效设备乐成应用的案例,例如嫁接机械人、采摘机械人、移栽机械人和大田生产农业机械人等。近年来,农业机械人及自动化获得了海内外学者的广泛关注,技术上的可行性获得了论证。

笔者介 绍了农业机械人的特点及分类,综述了机械人技术在 农业领域的应用现状,总结了现在农业机械人技术生长面临的主要问题,并预测了农业机械人未来的主要生长偏向,以期为农业机械人技术的进一步生长提供参考。1 农业机械人的特点及分类1.1 农业机械人的特点农业机械人兴起于工业机械人的生长,虽然有部门工业机械人也胜任农业事情任务,但工业机械人的重量及高功耗、高成本使其不适用于农业用途。农业机械人与传统的工业机械人相比具有 4 个特点。

(1) 作业的季节性。农业机械人大多数只针对农业生产的某个环节,性能单一且适应性不强,因此,每个环节都需要差别的机械人,大大增加了农业生产成本。(2) 田间作业的非结构性。与工业机械人作业情况差别, 实际田间作业情况恶劣,农业机械人在田间作业时需思量的情况因素较多,因而农业机械人需要具有较强的适应性,才气在差别的农田生产情况中完成差别的 生产任务。

(3)作物的娇嫩性。农业机械人在事情历程中,需要对作物的娇嫩水平、形状、巨细等情况做出柔性处置惩罚。(4)使用工具的特殊性。

农业机械人大多数由农民操作。一方面,农民不具备高水平的机械操作能力,因而农业机械人必须简朴易操作 ;另一方 面,农业生产作业的利润较低,因此农业机械人的价钱不能过高,应在农民的蒙受能力规模之内。

1.2 农业机械人分类凭据作业情况的差别可将农业机械人分为 3 大类 (表 1):第一类为设施农业机械人,主要针对大棚温室的采摘、嫁接和移栽等;第二类为大田生产机械人,主要用于大田作业 ;第三类为农产物加工机械人,主要用于畜牧类产物加工。该文主要先容设施农业机械人和大田生产机械人 2 类。

2 设施农业机械人研究现状2.1 嫁接机械人嫁接机械人是使用机械人对蔬菜和水果举行嫁接, 其主要目的是把毫米级直径的砧木和芽坯嫁接为一体, 这样可以有效增强蔬菜的抗逆性和抗病力。日本、荷 兰、西班牙和韩国等设施农业较为蓬勃的国家,嫁接 机械人已经获得了普遍应用,相关研究结果较多。嫁接机械人最早泛起在 20 世纪 80 年月的日本, 现在已研制出多种自动化嫁接机。

日本的大越崇博 等 于 1994 年研制出 GRF800-U 型葫芦科半自动 嫁接机械人和 GR803-U 型茄科半自动嫁接机械人, 生产效率可以到达 800 株 /h,嫁接乐成率达 90%。2011 年日本井关农业株式会社在现有机型基础上研 制出全自念头型,该机械人主要使用贴接法将嫁接木 夹牢固于贴合面,能一次性完成取苗、上苗、嫁接和排苗全部历程,事情效率为 800 株 /h,嫁接乐成率为 95%。1995 年鈴木正肚等 研制出 MGM600 型半自 动嫁接机,该机械人以开发省力生产瓜科蔬菜类嫁接 树苗的装置为目的,通过套管的嫁接方式,人工将砧 木和接穗以单列形式送入嫁接机,将加在胚轴上的压 缩失真控制在胚轴直径的 30% 以内,以穂木 10°、台 木 30° 的角度切断幼苗,确认了在黏接质料上使用与 手工相同的夹子可以提高嫁接存活率。Iseki 公司自主 研发生产了 Grafting Komachi 嫁接机械人 [17],该机械人由幼苗供应部件、独霸搬运部件等 6 部门组成,事情人员可以通过传感器检察机械人的事情状态,嫁接 速度为 550~700 株 /h,乐成率达 97%。

日本大阪府 立大学的 Honami 开发了另一种嫁接机械人 [18],通过 “plug-in”嫁接法,以频率为 0~40 kHe、振幅为 0.03 mm 的超声波振行动为切削装置,把穗木切削成 14°、 长为10 mm 的锥形头,再将穗木插到砧木上完成嫁接,这种嫁接方法使砧木与穗木的联合较好,获得的嫁接 苗愈合速度快、生长较好,嫁接乐成率达 90%,但工 作效率较低,仅比人工速度快 1.4 倍。我国嫁接机械人的研究起步较晚,从 1993 年开 始自动嫁接技术获得了广泛研究,部门样机已投入了 生产。

中国农业大学张铁中教授是最早对蔬菜自动化 嫁接机举行研究的,1998 年乐成研制出 2JSZ-600 型蔬菜半自动嫁接机,该机接纳盘算机控制实现砧 木和穗木的取苗、切苗、联合、牢固和排苗等历程的 自动化操作,适用于葫芦科秧苗嫁接,性能可靠,嫁 接速度为600 株 /h,嫁接乐成率约为 95%。今后张 铁中团队为提高 2JSZ-600 型单臂蔬菜嫁接机的嫁接 速度和嫁接苗成活率,设计了一种双臂蔬菜嫁接机械 人 ,在之前单臂嫁接机的基础上增加了一组砧木、 穗木搬运机械手,并优化了切削机构的几何参数,发 现当切刀的旋转速度为 210 r/min 时,砧木、穗木的 切削效果均能满足要求,与单臂嫁接机相比,接纳 2 个单片机划分控制砧木处置惩罚机构和穗木处置惩罚机构,并 开发了相应的硬件系统和软件系统,实现了嫁接流程 的并行操作。该机在保持相同的嫁接乐成率和同 等嫁接苗个体差异适应性水平条件下,嫁接速度到达854株 /h,嫁接苗成活率为 93.3%。华南农业大学杨 艳丽等为相识决现在插接式瓜类自动嫁接机砧木 夹持接纳的压苗机构普遍存在的机构庞大、机构行动 耗时影响作业生产率等问题,开发了一种砧木子叶气 吸夹。

以瓜类嫁接生产中常用的黑籽南瓜砧木尺度苗 和黄瓜接穗尺度苗为作业工具,在 2JC-600B 型斜插 嫁接机上举行了带压苗机构砧木夹与砧木子叶气吸夹 的性能对比试验,效果讲明该机械在满足嫁接作业质 量要求的情况下可淘汰砧木上苗作业时间,使嫁接生 产率由 514 株 /h 增至 600 株 /h,效率提高了 16.7%。2012 年,北京农业智能装备研究中心姜凯等基于 瓜、茄苗通用的“贴接法”嫁接技术,接纳双工位上 苗方式设计搬运装置、切削装置、上苗及送夹装置, 使用虚拟样机技术构建瓜、茄类蔬菜嫁接机械人,结 果讲明切刀旋转半径为 68 mm、切刀转速为 120 r/min 时,秧苗切削乐成率达 98%,满足嫁接技术要求 ;同 时,嫁接速度为 884 株 /h,嫁接乐成率为 95.7%,成 活率为 96.8%。对海内外蔬菜嫁接机械人的研究现状综合分析, 可以看出现在嫁接机械人已投入了农业生产且机械化 水平和嫁接效率均较高,但仍存在以下几个方面的问题。

(1)自动化水平方面。现在现有嫁接机械人已经 基本上实现了嫁接历程自动化,但其他步骤仍需人工 举行辅助操作。

现在嫁接机械人技术正朝着全历程自动化偏向不停完善,以期在未来农业生产中实现全自 动自主作业。(2)作业规模方面。现有嫁接机械人大 都只针对单株幼苗举行自动化作业,事情效率较低, 适应能力较差。

因此,研究多株幼苗同步嫁接是以后 嫁接机械人的主要研究偏向。(3)间接因素方面。

由 于蔬菜生产缺乏体系尺度,导致嫁接的苗木差异较大, 限制了嫁接机械人的应用和推广。农艺与农机的配合 是实现农业机械化的必经之路,因此现阶段应尽快建设适应蔬菜嫁接机械人的蔬菜苗生产尺度以及研究相 应的农艺要求。2.2 采摘机械人研究现状采摘机械人技术最早始于 1968 年,主要有机械 震摇式和气动震摇式 2 种,但事情效率不高且存在果实破损的情况。

从 1980 年开始,随着工业机械人技术、 盘算机图像处置惩罚和人工智能技术的不停生长,采摘机 器人的功效和应用规模获得了拓展。京都大学川村登等较早对番茄采摘机械人举行了开发,使用单相机的图像输入装置相对于底盘的位置移动检测实现番茄果实的定位,通过 5 自由度 枢纽式机械臂和两指夹持器采摘果实。由于其时技术条件限制,样机性能不是很理想,但组成了移动 式番茄机械人的基本实现原理和框架。日本冈山大 学 Kondo 等 [28] 研制的番茄采摘机械人主要由 7 自由度机械手、末了执行器、行走装置、视觉系统和控 制系统组成,事情时凭据视觉系统寻找和识别成熟果实,再通过末了执行器控制机械手举行采摘。

该机采摘速度为 15 s/ 个,采摘乐成率在 70% 左右,由于茎 叶的遮挡存在极大的漏采率。Hayashi 等 [29] 研制的 一种履带式番茄采摘机械人,使用双目视觉对成熟果实举行判别和定位,通过 5 自由度垂直多枢纽型机械 臂移动至果实四周,其中末了执行器两指夹住果实后 将果梗拧断或掐断。实践效果讲明,成熟果实正确识别率为 92.5%,采摘乐成率仅为 56.8%,主要是因为末了执行器的分散方式导致果实破损率较高。

日本农 研机构的 Yamamoto 等 提出了一种悬挂架式栽培床 下方举行机械人两侧采摘的作业模式,并设计出将机 械臂和轨道移动平台相联合的草莓采摘机械人,经由 田间试验得出平均采摘周期为 22.2 s,采摘乐成率为 89.1%。我国对采摘机械人的研究较晚,现在仍处于起步阶段。国家智能装备工程技术研究中心的冯青春等 为了防止果皮损伤和病害侵染,设计了一种用于果实 采摘、贮藏和切断果梗的非破坏性末了效应器,该机 器使用 6 自由度枢纽型工业机械手携带末了执行器, 计划了机械手无碰撞快速运动的关键点和时间步骤, 试验效果讲明,采收试验中 100 个成熟草莓目的都能自动识别,收获乐成率为 86%,平均收获作业时间为 31.3 s,其中单次收获作业最快时间为 10 s,果实定位 平均误差小于 4.6 mm。

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江苏大学的刘继展团队针对温室采摘机械人技术开展了多项研究。以番茄为 工具,使用激光器搭建果梗切割试验平台,开发了一 种设置有果梗激光切割装置的新型末了执行器。

联合海内外采摘机械人的研究现状,现在采摘机 器人仍存在以下问题需要解决。(1)非结构性的事情 情况适应能力。

采摘机械人在庞大和未知的事情情况 中作业仍面临较大挑战,虽然研究人员针对遮挡条件 下的果实识别、果梗巨细变异系数差异、摘取路径搜 寻和导航、路径计划和躲避等开展了广泛的研究,但 机械人在温室生产情况下的采摘效果仍然不够理想。想要实现采摘机械人技术的智能化和全自动化,必须 提高机械人对庞大非结构性情况的感知和作业适应能 力。

(2)各庞大机械人系统之间的协调能力。采摘机械人由多个庞大系统组成,采摘机械人的事情性能要 求不仅仅只局限于每个单元系统的事情性能,更决议 于各个单元系统之间的协调能力。现在机械人手臂协 调、手眼协调研究虽然取得了一定希望,但应用效果 仍待增强。

(3)果实的识别率和采摘乐成率较低。现 有采摘机械人事情效率受图像识别处置惩罚速度和控制系统精度影响较大,凭据海内外研究现状,现在识别率 约为90%,采摘乐成率也只有90%。现在,果蔬识别方法多数接纳颜色特征、灰度阈值和几何形状特性等 为考察指标,容易受到光照等其他情况因素的影响, 导致机械人对成熟果实的识别率较低。

2.3 移栽机械人研究现状20 世纪 80 年月美国就已开始研究移栽机械人技术,前期多数以工业机械人为主体,通过安装差别的 末了执行器完成移栽作业,但随着研究的深入,移栽机械人开始设置有独立的机电系统,包罗控制模块、 传输模块和移栽执行模块。1987 年奥本大学 Kurz 等以 Puma56 工业机械人为主体研制出一种苗圃植物移栽机械人,该机械 人末了执行器包罗有气缸和夹持装置,机械人在事情 时,气缸对夹持装置的钵苗施加压力将钵苗从 392 孔 的育苗盘中取出,履历证移栽机械人在 3.3 min 内可移栽 36 株幼苗,乐成率达 96%。2004 年日本洋马公司研制出一种自动化较高的蔬菜移栽机械人PALA[37], 该机械人可一次性完成取苗、植苗、苗盘输送、栽植 的深度调治和栽植株距的调治等,事情速率为40株 / min。

韩国 Ryu 等 研制出一种全自动移栽机械人, 该机械人由视觉系统、控制系统和机械手等部门组成, 机械人事情时,控制系统凭据视觉系统将定位控制机 械手移动至取苗处,气缸推念头械手插入穴盘中,对 穴盘苗举行夹取、移动和投放等操作,完成取苗整个 历程,室内试验效果讲明,取苗乐成率为 90%。为进 一步提高取苗乐成率,Ryu 等对该机械人的末了执行 器举行了优化,在末了执行器每个夹指上各增加一个 气缸,以驱动夹指举行伸缩运动完成钵苗夹取,优化 后的移栽机械人取苗乐成率到达 98%。

韩国首尔大学 Choi 等 设计了一种新型蔬菜移栽机械人,该机械 人主要由气动双驱动移栽爪和步进电机组成,事情时, 移栽爪随着步进电机旋转并凭据穴盘苗的位置确定夹 取位置,制止移栽抓取时机械爪对穴盘苗叶片的伤害, 使用气缸动员移栽爪插入苗盘基质实现对穴苗盘的夹 取、保持和投放,该机械人提取幼苗的事情效率可达 30 株 /min,乐成率达 97%。我国移栽机械人多数以半自动为主,生长较为缓 慢。

吉林大学的范云翔等 研制了一种温室全自动 移栽机械人,该机械人可以将整块秧盘育出的秧苗自 动移栽到生长用的塑料大盘或花盆中,移栽历程中穴 盘苗与运动部件没有直接接触,保证运动部件不会损 伤秧苗;但该机械人只适用于移栽蔬菜和花卉等幼苗, 适应性较差。南京农业大学的杨宛章等针对移栽 机械人手工喂入效率低的问题设计了一种穴盘苗移栽自动取喂系统,该系统接纳穴盘步进移位机构提供穴 盘的横向和纵向移位,由翻转摆位式取苗机械手举行 取苗和穴盘苗的转移,使用柔性链输送喂入机构对 穴盘苗逐个投放,试验效果讲明总可靠率达 98.92%, 平均基质损失质量为 9.26%,事情速度达 70 株 /min, 未泛起伤苗的现象。综上所述,我国移栽机械人技术的研究主要问题 在于乐成率较低、存在伤苗伤钵的现象、通用性差。与外洋移栽机械人相比,事情效率低,现在只停留在 研究样机阶段。

其主要原因为缺乏对取苗机构和末了 执行器设计的理论分析,机构设计与育苗工艺不相符, 制约了自动移栽机械人的生长。3 大田生产机械人研究现状随着精致农业和智能农业的推广,大田生产机械 人现在主要用于耕作、播种、施肥、喷药、信息收罗等。由于大田作业情况十分庞大,非结构性显着,大田机 器人研究归根到底是导航方式的研究。

大田生产机械人技术研究始于 20 世纪 70 年月, 随着盘算机技术的生长,各国将移念头器人投入田间 信息收罗事情,种种用于大田行走机械的图像识别算 法层出不穷。日本 Iida 等研制出一种用于收罗 土壤养分和植物生长信息的六足机械人。

该机械人主 要使用追踪气体传感器检测大田情况中的二氧化碳浓 度,使用枢纽腿式机械人来适应庞大地形。美国伊利 诺伊大学研制出“watch-dog robot”,通过柔性的联动 悬架适应庞大的大田情况。

20 世纪 90 年月以后,日 本和美国等基于 GPS 导航技术相继研发了耕地、插秧、 大田收获和农田信息收罗等机械人。我国对大田机械人的研究始于 20 世纪末。由于 起步较晚,对大田机械人的研究没有履历标杆导航、 预埋电缆导航、地磁导航等庞大的研究历程,直接进 入了视觉导航和 GPS 导航的研究阶段。

胡建平等 [44] 接纳遗传算法优化选择支解面,引 入 Bayes 理论建设了支解误差的评价方法,将支解 中使用的颜色特征和阈值转换为 RGB 颜色空间中 的一个支解面,优化获得的支解面为 -149R+218G73B=127。试验效果讲明,与超绿特征相比,该方法 支解后的噪声小,平均支解误差概率从 3.90% 降低到 2.33%,更利于提取用于识此外形态特征。毛文华等 [45] 使用傅里叶变换红外(FTIR)光谱法丈量并分析杂草 波长规模内的反射率,再运用 SPSS 统计软件举行判 别和分析。

邓向武等接纳 1.1G-R 颜色因子将杂草 RGB 图像举行灰度化,选择自动阈值支解获得杂草 前景二值图像,通过腐蚀膨胀形态学操作举行叶片内 部孔洞填充,应用面积滤波去除其他滋扰目的,最后 将杂草二值图像与 RGB 图像举行掩膜运算获得去除 配景的杂草图像 ;提取杂草图像的颜色特征、形状特 征和纹理特征共101维特征,并对其举行归一化处置惩罚, 为杂草识别与药剂选择性喷撒提供参考。近年来,大田作业机械人图像识别获得了广泛的研究,取得了许多研究结果。但由于大田作业情况的 非结构性特点,视觉算法对于差别工具和差别作业环 境的适应性还需增强,而且机械人作业需多个环节的 相互配合才气实现,现在技术难点主要存在以下几个 方面。(1)作业工具多样,作业情况多异。

大田作业 情况中,农业机械人作业目的往往都是随机漫衍的, 加上自然情况下光线、配景多变等因素均会滋扰视觉 系统对图像的获取。因此,在研究历程中需要分析作 业工具的特点,将农业作业装备与农艺治理相联合, 针对作物和作业情况的特点,设计相应的措施,进而满足大田机械人作业的可靠性和稳定性。

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(2)图像信 息及识别精度。在机械人识别作业历程中,事情速度 与图像识别精度往往不能同时满足,因此在研究历程 中找出算法速度和识别精度的平衡点也很是关键。(3) 作物遮挡、重叠等视觉影响。在大田生产历程中,由 于情况的非结构性,往往会泛起作物被遮挡和作物重 叠的现象,这都市对机械人视觉图像检测造成较大的误差,因此应着力研究更完善的图像收罗系统、更合 理的取景计谋和有效的作物检测算法,以提高视觉系 统的可见能力,降低误差。

4 存在问题及展望4.1 存在问题 4.1.1 机械人作业可靠性问题 农业生产情况多变且 无法预知,面临不停变化的天气、情况(机械振动、 极端的温度和湿度)和作物,农业机械人必须有良好 的智能化系统才气宁静、可靠地事情。4.1.2 机械人成本制造问题 随着电子技术的生长, 机械人的元件成本大大降低,但农业生产总体利润不 高,且农业机械人多数针对单一的农业生产环节,使 用率较低,其性价比不能满足农业生产的需要,成为 制约农业机械人普及和进一步研究的瓶颈。4.1.3 机械人作业性能问题 凭据农作物的娇嫩性和 庞大性,农业机械人必须有良好的柔性处置惩罚。现有机械人存在采摘效率低、破损率较高的特点,必须提高 农业机械人智能化,农业机械人只有在保证作业性能 精度的情况下,作业效率才气提高,才气进一步推广。

4.2 展 望 4.2.1 庞大田间情况下机械人的适应能力 随着机械人技术的生长和图像处置惩罚技术的不停完善,机械人自动举行农业事情已不再局限于理想的农田情况,庞大 的非结构性农田事情的研究已经成为当前农业机械人 研究的热点。这些庞大情况包罗不停变化的天气、机械自己振动和极端的温度和湿度等,这对农业机械人的设计提出了挑战和要求。

4.2.2 农业机械人系统的融合能力 农业机械人是由 机械人移动底盘、机械臂、末了执行器以及图像识别 系统组成,农业机械人的事情性能不仅仅取决于每个 组成部门的事情性能,更决议于每个系统之间的互助 协调能力。现在各国学者针对机械人手臂协调、手眼 协调、身眼协调等开展了大量研究,但仍没有到达理想的效果,农业机械人各个系统之间的协调互助仍然 是当前的研究热点。4.2.3 机械人柔性要求 现在农业机械人已经可以替代人类举行简朴的农业作业,但面临高农艺要求的复 杂操作时还不能满足要求。

为有效提高机械人的事情精度,机械人驱动的柔性以及本体质料成为当前的研究重点。4.2.4 机械人事情宁静性 随着机械人技术应用的不 断拓展,农业机械人与人之间的交互事情也日益频繁, 但机械人的结构为刚性结构,且机械人的控制者为农 民,存在较大的机械宁静隐患而无法高效率使用。这 也使得农业机械人刚性与柔性之间的转换成为未来研 究的一个重点。4.2.5 农业机械人人机交互 现有机械人主要通过触 控板或遥控的方式实现人机交互。

如何通过手势、语 音等交互方式解决现在友好性低以及智能水平低的交互问题也是未来研究的一个主要偏向。从农业机械人研究内容来看,为了满足农业机械人在庞大事情情况下作业的适应性、可靠性,提高农 业机械人的事情性能,农业机械人将朝着智能化、自 动化偏向生长。

为了进一步降低农业机械人的成本, 提高农业机械人的适用性将是主要的解决途径。同时, 随着我国进入人口老龄化阶段,农业机械人的需求也 在不停增加,这将为农业机械人生长提供更辽阔的空间。

作者:肖旭、李明 、谢景鑫、黄金其 、张良、张洪铎泉源:湖南农业科学接待大家在评论区交流分享更多精彩资讯,请连续关注数字农业分会官方账号。


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