國內(nèi)外溫室園藝機(jī)器人的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀

　　溫室園藝產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)在西方發(fā)達(dá)國家的水平很高、規(guī)模很大。由于受到農(nóng)業(yè)用地狹小的條件限制，荷蘭、以色列、日本等國家發(fā)展溫室園藝產(chǎn)業(yè)具有明顯的特征：重視種苗培育、建設(shè)現(xiàn)代化大型溫室、大量采用智能化計算機(jī)控制、生產(chǎn)流程高度自動化。這種“植物工廠”的專業(yè)模式和分工方式能產(chǎn)生非常高的生產(chǎn)效率，大幅提高蔬菜、花卉的質(zhì)量和產(chǎn)出率，能取得很好的經(jīng)濟(jì)效益。在信息化時代到來的今天，依托自動控制技術(shù)和信息技術(shù)的溫室農(nóng)業(yè)是備受關(guān)注的焦點，世界各國都在該領(lǐng)域開展研究，取得一系列很有特色的成果，極大地推動了溫室農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步。其中，溫室園藝生產(chǎn)機(jī)器人無疑是代表性的。

　　由于設(shè)施生產(chǎn)是在全封閉的設(shè)施內(nèi)周年生產(chǎn)園藝作物的高度自動化控制的生產(chǎn)體系，可以zui大限度地規(guī)避外界不良環(huán)境影響，具有技術(shù)密集型的特點，而溫室園藝機(jī)器人能夠滿足這種精細(xì)管理和控制的需求，并且能夠解決溫室園藝生產(chǎn)的勞動密集和時令性較強(qiáng)的瓶頸問題，大幅提高勞動生產(chǎn)率，改善設(shè)施生產(chǎn)勞動環(huán)境，避免溫室密閉環(huán)境施藥施肥對人體的危害，保證作業(yè)的一致性和均一性等。王樹才（2005）指出，目前*已經(jīng)開發(fā)出了耕耘機(jī)器人、移栽機(jī)器人、施肥機(jī)器人、噴藥機(jī)器人、蔬菜嫁接機(jī)器人、蔬菜水果采摘機(jī)器人、苗盤播種機(jī)器人、苗盤覆土消毒機(jī)器人等相對比較成熟的可用于設(shè)施園藝生產(chǎn)的農(nóng)業(yè)機(jī)器人。機(jī)器人技術(shù)尤其以日本zui為代表性，日本作為zui早研究機(jī)器人的國家之一，由于其老齡化提前到來引發(fā)勞動力缺乏以及人力成本高等問題，從20世紀(jì)70年代開始，日本的工業(yè)機(jī)器人開始快速發(fā)展，在經(jīng)過對汽車焊接、汽車噴漆等工業(yè)領(lǐng)域的成功應(yīng)用之后，日本的農(nóng)業(yè)機(jī)器人也開始不斷取得進(jìn)展。佟玲（1 995）指出，日本在20世紀(jì)末已經(jīng)在技術(shù)密集型的設(shè)施園藝領(lǐng)域開發(fā)了多種生產(chǎn)機(jī)器人，如嫁接機(jī)器人、扦插機(jī)器人和采摘機(jī)器人等。荷蘭花卉生產(chǎn)非常發(fā)達(dá)，溫室園藝產(chǎn)業(yè)具有高度工業(yè)化的特征，每年花卉產(chǎn)業(yè)可創(chuàng)造50億歐元的價值。由于溫室園藝產(chǎn)品生產(chǎn)擺脫了土地約束和天氣影響，可以實現(xiàn)按工業(yè)方式進(jìn)行生產(chǎn)和管理，其種植過程可以安排特定的生產(chǎn)節(jié)拍和生產(chǎn)周期，產(chǎn)后包裝、銷售也能夠做到與工業(yè)生產(chǎn)如出一轍。因此，荷蘭的機(jī)器人技術(shù)得到快速發(fā)展。很多溫室使用機(jī)器人實現(xiàn)不分白晝的連續(xù)工作，極大地降低了勞動成本。周增產(chǎn)（2001）即介紹了荷蘭農(nóng)業(yè)環(huán)境工程研究所開發(fā)的黃瓜采摘機(jī)器人，它能夠快速到達(dá)初步作業(yè)位置，視覺系統(tǒng)能夠探測到黃瓜果實的位置及成熟度，末梢執(zhí)行器可以抓取黃瓜果實并將果實從莖稈上分離。由于溫室園藝產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要以及對高精尖溫室園藝環(huán)境控制機(jī)器人的需求，這一領(lǐng)域得到快速發(fā)展。

　　◇種植機(jī)器人

　　標(biāo)準(zhǔn)模塊化機(jī)器人的理念在設(shè)施園藝生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用能夠給農(nóng)業(yè)注入巨大的活力。以色列海法市一所大學(xué)的研究人員研制的種植機(jī)器人選擇可用來運輸?shù)募b箱作為作物生長環(huán)境，選用營養(yǎng)液栽培法來種植蔬菜及其他農(nóng)作物。這種方法的主要原理是：以水取代土壤作為植物的苗床。每只集裝箱內(nèi)從播種、澆水直至收獲均由機(jī)器人系統(tǒng)操作，箱內(nèi)的溫度、濕度、光線等，均由機(jī)器人細(xì)心控制，使農(nóng)作物一年每一個生長時刻都得到精心的管理。經(jīng)過試驗，一個運輸集裝箱平均每天可生產(chǎn)的蔬菜比同樣面積的普通農(nóng)田的產(chǎn)量要高出數(shù)百倍。這種基于標(biāo)準(zhǔn)模塊組裝的機(jī)器人具備大規(guī)模應(yīng)用的廣闊前景，規(guī)模化潛力巨大。

　　◇工廠化育苗機(jī)器人

　　設(shè)施生產(chǎn)工廠化育苗作業(yè)育苗機(jī)器人是專門針對西甜瓜等需要專門育苗的作物播種、噴藥的生產(chǎn)需求的。該系統(tǒng)能流水線式作業(yè)，自動完成大規(guī)模苗盤播種時的自動上土、精量播種、對靶噴藥消毒殺菌等三個環(huán)節(jié)，一條生產(chǎn)流水線可實現(xiàn)整個環(huán)節(jié)全部自動化，封閉式作業(yè)、流水線工序，是設(shè)施生產(chǎn)瓜果、蔬菜、花卉等工廠化育苗的關(guān)鍵設(shè)備之一。該系統(tǒng)全部采用自動化作業(yè)，真空吸種，自動輸送，不銹鋼機(jī)架結(jié)構(gòu)造型美觀，不同的精；隹作業(yè)模塊采用組合設(shè)計，綜合集成了氣、液、電、光等技術(shù)成果，采用程序全自動控制?？商岣卟シN的精度，消除土壤病蟲害，減輕勞動者勞動強(qiáng)度。噴藥時采用封閉環(huán)境，減少噴藥過程中農(nóng)藥對人體的危害，提高生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本。該系統(tǒng)能實現(xiàn)快速流水線作業(yè)，是現(xiàn)代設(shè)施生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備。該設(shè)備非常適合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)使用，有很好的示范效果。

　　工作流程為：苗盤首先被傳送帶送到送土位置，完成自動裝土工序，然后自動到達(dá)播種位置，由傳感器檢測到苗盤準(zhǔn)確位置后，發(fā)出信號，自動精量播種機(jī)采用真空氣吸技術(shù)，將種子吸附在播種器上放種。播種器可完成并排多個播種穴的同時放種，并且可以地自動控制每個穴中播種的數(shù)量。播種完后，到達(dá)噴藥位置，系統(tǒng)可自行完成自動農(nóng)藥對靶噴灑，能有效地節(jié)省農(nóng)藥并定位殺死病菌和害蟲。例如，西甜瓜基地實現(xiàn)播種育苗可以有效為周邊農(nóng)戶和企業(yè)提供育苗作業(yè)，具有良好的示范展示作用，為目前設(shè)施生產(chǎn)地主要發(fā)展方向，對于推動溫室自動化育苗流水線作業(yè)具有重要意義。

　　◇移栽機(jī)器人

　　一般，移栽作業(yè)需要大量手工勞動才能完成，為了解決上述難題，開發(fā)了移栽機(jī)器人，它能夠代替人工，率地進(jìn)行移苗工作。王樹才（2005）介紹了中國臺灣K C．Yang等研制的移栽機(jī)器人，該設(shè)備能把幼苗從600穴的育苗盤中移植到480穴的苗盤中，這種自動化的作業(yè)方式能極大地減輕工人的勞動強(qiáng)度。該機(jī)器人本體由四自由度工業(yè)機(jī)器人和SNS夾持器組成，在工作的過程中，依靠系統(tǒng)的視覺傳感器和力度傳感器，能夠做到夾持秧苗而不會對其造成損傷。在秧苗緊挨作業(yè)時，每個苗的時間約3 s。這樣的工作效率是熟練工人的2倍～4倍，而且不會因為工作單一枯燥和長時間勞動而降低工作質(zhì)量。因此，該設(shè)備非常合適現(xiàn)代溫室園藝的生產(chǎn)過程中的移栽作業(yè)。另外，該工作過程可通過計算機(jī)控制，實現(xiàn)自動化的標(biāo)準(zhǔn)苗分選，保證種苗的質(zhì)量，該分選可通過專門的標(biāo)準(zhǔn)苗分選機(jī)器人進(jìn)行（見圖1）。這種機(jī)器人作業(yè)的模式可以有效解決人為因素導(dǎo)致的種苗分選質(zhì)量不穩(wěn)定的問題。◇嫁接機(jī)器人

　　溫室生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的嫁接技術(shù)能有效提高產(chǎn)量、增加作物抗病蟲害的能力，因此越來越多地得到應(yīng)用。為了解決嫁接過程中勞動強(qiáng)度大的問題，機(jī)器人技術(shù)較早被引入這個領(lǐng)域。日本對嫁接機(jī)器人的研究起步較早。嫁接的對象包括黃瓜、西瓜、番茄等。這種經(jīng)過嫁接的蔬菜水果更能適應(yīng)溫室環(huán)境并明顯地提高產(chǎn)量和果實品質(zhì)。機(jī)器人利用圖像探頭采集視頻信息并利用計算機(jī)圖像處理技術(shù)，實現(xiàn)嫁接苗葉的識別、判斷、糾錯等。然后，機(jī)器人完成砧木、接穗的取苗、切苗、接合、固定、排苗等嫁接全過程的自動化作業(yè)。全自動的機(jī)器人可以同時將砧木和接穗的苗盤通過傳送帶送入機(jī)器中，機(jī)器人可自動完成整個苗盤的整排嫁接作業(yè)，工作效率*。半自動的機(jī)器人通過人工輔助，在嫁接過程中，工人把砧木和接穗放在相應(yīng)的供苗臺上，系統(tǒng)就可以自動完成其余的勞動作業(yè)（見圖2）。

　　◇農(nóng)藥噴灑機(jī)器人

　　不合理的使用農(nóng)藥極容易導(dǎo)致人員中毒，全國每年因為施藥機(jī)械落后導(dǎo)致中毒的事件有8萬人之多。由于施藥技術(shù)直接關(guān)系工人的身體安全健康，并關(guān)系到對空氣和地下水的危害程度，所以，國外發(fā)達(dá)國家一直在施藥技術(shù)領(lǐng)域開展著大量研究工作。機(jī)器人技術(shù)是根據(jù)設(shè)施生產(chǎn)中殺菌和病蟲害防治的要求，結(jié)合現(xiàn)有的高精尖科技成果，應(yīng)用光機(jī)電一體化技術(shù)、自動化控制等技術(shù)在施藥過程中按照實際的需要噴灑農(nóng)藥，做到“定量、定點”，實現(xiàn)噴藥作業(yè)的人工智能化，做到對靶噴藥，計算機(jī)智能決策，保證噴灑的藥液用量zui少和zui大程度附著在作物葉面，減少地面殘留和空氣中懸浮漂移的霧滴顆粒。日本為了改善噴藥工人的勞動條件開發(fā)了針對果園的噴藥機(jī)器人，機(jī)器人利用感應(yīng)電纜導(dǎo)航，實現(xiàn)無人駕駛，利用速度傳感器和方向傳感器判斷轉(zhuǎn)彎或直行，實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎時不噴藥。美國開發(fā)的一款溫室黃瓜噴藥機(jī)器人利用雙管狀軌道行走，通過計算機(jī)圖像處理判斷作物位置實現(xiàn)對靶噴藥。周恩浩（2008）對溫室噴藥機(jī)器人的導(dǎo)航問題提出了一套視覺方案，并對此進(jìn)行了理論探討，導(dǎo)航和定位涉及到人工智能的運算算法，是一個比較復(fù)雜的問題。溫室噴藥機(jī)器人“Ehu”采用輪式方式行走，可利用輔助標(biāo)志自動識別道路，噴藥機(jī)器人采用循跡方式自走作業(yè)，采用超聲波技術(shù)和光電技術(shù)定位作物，可以實現(xiàn)姿態(tài)的靈活調(diào)整，非常適合在溫室的光線下進(jìn)行圖像識別（見圖3）。姿態(tài)校正速度明顯高于攝像頭導(dǎo)航的機(jī)器人，基本不會偏離作業(yè)路徑，可實現(xiàn)持續(xù)噴霧作業(yè)。

　　◇采摘機(jī)器人

　　目前國內(nèi)外研究和投入應(yīng)用的采摘機(jī)器人作業(yè)對象基本集中在黃瓜、番茄等蔬菜，西瓜、甜瓜等瓜類，以及溫室內(nèi)種植的蘑菇等勞動密集的作物。以色列Yael Edan（1 995）介紹了用于水果采摘的準(zhǔn)確率可達(dá)85％的可自行定位和收獲的機(jī)器人。英國西爾索研究所研制了蘑菇采摘機(jī)器人，它可自動測量蘑菇的位置、大小，并且根據(jù)設(shè)定值選擇成熟的蘑菇進(jìn)行采摘，機(jī)械手由兩個氣動關(guān)節(jié)和一個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組成，采用頂置攝像頭來確定位置和大小，采蘑菇速度為6個／s～7個／s。日本N．Cond0等人研制的黃瓜采摘機(jī)器人為六自由度，利用黃瓜和莖葉的反射率差異來區(qū)分黃瓜，采摘速度約為4個／mln。日本Kyoto大學(xué)研制的西瓜采摘機(jī)器人為五個自由度，配有視覺攝像頭和行走裝置，活動空間大。美國研制的甜瓜采摘機(jī)器人使用三個伺服電機(jī)驅(qū)動機(jī)械手，實現(xiàn)三自由度運動。韓國Kyungpook大學(xué)研制的蘋果采摘機(jī)器人具有zui高達(dá)3 m的機(jī)械手，可進(jìn)行四自由度運動，末端執(zhí)行器采用三指夾持的方式，輔助壓力傳感器避免損傷蘋果，識別率達(dá)到85％，采摘速度為7個／s。應(yīng)用于溫室蔬菜和水果生產(chǎn)的機(jī)器人采用視覺識別模式來確定果實的位置并調(diào)整機(jī)械手的位置，由于光線和葉面的遮擋，準(zhǔn)確率受到很大影響，因此，相關(guān)的算法還需要不斷優(yōu)化，以滿足設(shè)施生產(chǎn)的環(huán)境要求和生產(chǎn)準(zhǔn)確度。

　　◇鮮花機(jī)器人

　　利用仿形技術(shù)開發(fā)的機(jī)器人除了具備的外觀之外，其智能控制技術(shù)的集成應(yīng)用可以代替人來控制室內(nèi)環(huán)境，并且能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)境的控制。韓國國立全南大學(xué)研制的鮮花機(jī)器人外形模仿普通開花植物，機(jī)器人高度為130 cm，zui大直徑40 cm，而且能夠自動分析室內(nèi)空氣的質(zhì)量根據(jù)程序設(shè)定對空氣進(jìn)行加濕處理、釋放氧氣，還能釋放空氣清新劑的香味。該機(jī)器人充分的仿生功能使其還能夠生長和開花。該鮮花機(jī)器人可以將花朵朝向說話的人的方向，也可以根據(jù)音樂的節(jié)奏開合花瓣。

　　休閑和科普功能也是設(shè)施農(nóng)業(yè)的一個重要組成方面，仿形機(jī)器人的外形具有很好的親和力，因此，在設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展過程中將會扮演重要的角色。

　　溫室園藝生產(chǎn)依托的率、高投入、高產(chǎn)出的管理模式要求應(yīng)用大量的*，機(jī)器人技術(shù)在該領(lǐng)域的應(yīng)用是國內(nèi)外研究和應(yīng)用的熱點。真正意義上的機(jī)器人、半自動農(nóng)業(yè)機(jī)械在界限上沒有嚴(yán)格的區(qū)分，但是*代替人或者大部分代替人從事繁重體力勞動，通過自動識別農(nóng)作物和自動調(diào)整姿態(tài)實現(xiàn)無人操作的智能農(nóng)業(yè)機(jī)械都可以歸入農(nóng)業(yè)機(jī)器人的范疇。溫室園藝生產(chǎn)的高投入高產(chǎn)出的特點決定農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展前沿將集中在該領(lǐng)域。因此，在溫室園藝環(huán)境下，在生產(chǎn)和應(yīng)用思想指導(dǎo)下，通過大量實際環(huán)境測試和研究的圖像識別算法、姿態(tài)控制算法、機(jī)械末端執(zhí)行器，將是溫室園藝機(jī)器人發(fā)展的重點。由于農(nóng)田環(huán)境的多變性和對象復(fù)雜性，生產(chǎn)對象不如工業(yè)品那樣單一和標(biāo)準(zhǔn)，因此農(nóng)業(yè)機(jī)器人相比工業(yè)機(jī)器人面臨更多的技術(shù)障礙。溫室園藝的生產(chǎn)環(huán)境相比大田環(huán)境在光線、風(fēng)速、溫度等氣象條件方面相對較穩(wěn)定，而且產(chǎn)品附加值較高，反季節(jié)也可生產(chǎn)，因此未來的機(jī)器人技術(shù)在溫室園藝生產(chǎn)上的應(yīng)用有廣闊的發(fā)展空間。