【中国工程院】2024年农业机器人现状与展望报告_49页_24mb

农业机器人现状与展望总结

核心内容概述

农业机器人作为智慧农业的重要组成部分，正在逐步改变传统农业生产方式，以应对劳动力短缺、成本高昂及效率低下的挑战。随着人工智能、物联网和机器人技术的快速发展，农业机器人在提高农业生产效率、实现精准作业、推动可持续发展方面展现出巨大潜力。

主要观点

• 农业机器人是替代人工作业的高端智能农业设备，能够精准感知、自主决策、智能控制、自动执行。
• 当前农业机器人主要应用于大田作物、果园、养殖等场景，涵盖巡检、除草、施药、剪枝、采摘等多个环节。
• 草莓采摘是农业机器人应用的典型例子，西方国家因劳动力短缺和成本高而急需自动化解决方案。
• 中国农业劳动力也在减少，且老龄化严重，亟需农业机器人提升生产效率和可持续性。
• 农业机器人技术发展面临诸多挑战，包括复杂环境下的感知不精准、动态协调困难、末端执行器操作不灵巧、持续作业能力不足、智能程度低、成本高等。

关键信息

一、农业机器人产业需求背景

• 主要人工作业环节：

  • 大田作物：耕地、播种、移栽、施肥、灌溉、除草、收获等。
  • 果园或园艺作物：育苗、灌溉、施肥、病虫草防治等。
  • 养殖：饲喂、挤奶、清粪等。

• 社会原因：

  • 草莓采摘高度依赖人工，西方国家如挪威、英国劳动力严重缺乏、不稳定且成本高昂。
  • 疫情期间，季节性采摘工来源不稳定，严重影响农业生产。

• 农业生产效率需求：

  • 到2050年，全球人口将达93亿，需增加60%的食物产量。
  • 农业机器人可提高资源使用效率，提升产量和质量。

• 农业劳动力趋势：

  • 全球农业劳动力占比从1991年的44%降至2021年的26%。
  • 中国农业劳动力年均减少约1300万，且平均年龄不断上升。

二、典型农业机器人与关键技术

3.1 巡检、作物表型、放牧机器人

• 关键技术：农业机器人移动平台、导航、表型分析、路径规划、智能决策、物联网等。
• 特点：在复杂非结构化农业环境中运行，具备较高的灵活性和适应性。

3.2 对靶施药、施肥机器人

• 关键技术：移动平台、对行导航、作物检测、对靶控制、路径规划、智能决策等。
• 技术应用：目标识别、目标跟踪、大小预测、喷嘴设计、雾化控制、动态补偿等。

3.3 精准除草机器人

• 关键技术：移动平台、导航、作物与杂草识别、执行器设计、视觉伺服、路径规划等。
• 技术应用：机械臂控制、多源传感器融合、动态补偿等。

3.4 剪枝机器人

• 关键技术：点云配准、多传感融合、虚拟现实、数字孪生等。
• 技术应用：视觉伺服、路径规划、技能传递、动态补偿等。

3.5 果蔬采摘机器人

• 关键技术：移动平台、导航、作物识别、路径规划、智能决策、末端执行器设计等。
• 技术应用：机械臂设计、机电一体化、力位混合控制、多自由度设计等。

3.6 团队正在研发的果蔬采摘机器人

• 番茄采摘机器人：

  • 采用混联机械臂、柔性折断式机械手、视觉-激光雷达融合导航等技术。
  • 已实现多代机械手设计，性能持续提升。
  • 样机测试显示，采摘力显著提高，结构优化后性能提升达41%。

• 草莓采摘机器人：

  • 具备完全独立产权、自主研发、多源视觉感知融合、果框轮换机构、换电管理系统等。
  • 机械手方案优化，提高采摘效率与果实保护。

三、农业机器人发展展望

1. 全球农业机器人产业化现状

• 已产业化的农业机器人：

  • 移动平台：Thorvald（挪威）、Ted/Dino/Oz（法国）、BoniRob（德国）等。
  • 对靶施药机器人：Ara-Ecorobotix（瑞士）、Qii-Jet-Bogaerts（比利时）等。
  • 病虫害防控机器人：Thorvald（挪威）。

• 接近产业化的农业机器人：

  • 精准除草机器人：Blue River Technology（美国）、Carbon Robotics（美国）等。
  • 果园运输机器人：Burro（美国）。
  • 棉花打顶机器人：维尔科技（中国）。

• 离产业化较远的农业机器人：

  • 果蔬采摘机器人：Agrobot（西班牙）、Root AI（以色列）、MetroMotion（以色列）等。
  • 剪枝机器人：Priva（荷兰）。

2. 存在的问题

• 感知不精准：复杂环境下难以准确识别和跟踪作物。
• 动态协调困难：手-眼-脚-脑协同机制尚未完善。
• 末端执行器不灵巧：采摘过程中难以实现选择性采摘且不损伤果实。
• 效率问题：受感知、规划、控制算法及机械臂性能限制。
• 持续作业难：缺乏故障检测与自恢复能力。
• 智能程度低：适应性差，多为设定性程序。
• 成本高：高昂的价格限制了农民的使用意愿。

3. 发展趋势

• 短期（未来3-5年）：

  • 专用农业机器人逐步进入农场，如对靶施药、精准除草、果园运输等。
  • 技术突破：复杂环境下精准感知、动态协调、核心部件国产化、大模型技术应用等。

• 长期（未来5-20年）：

  • 通用农业机器人：一机多用，适应多种作业任务。
  • 多机协同：多机器人协同作业，提升整体效率。
  • 边-端-云协同：结合边缘计算、终端执行和云端决策，实现高效智能控制。

四、农业机器人技术创新

• 智能农业机器人系统关键技术：

  • “眼”：智能感知、多源异构数据融合、生物对象与作业环境信息获取。
  • “脑”：决策控制、变量处方决策、知识图谱构建、机器学习模型、Agri-ROS操作系统。
  • “手”：灵巧执行、机械臂设计、运动/动力学规划、力位混合控制。
  • “脚”：自主移动、地图构建、定位导航、路径规划、动态避障。

• 技术趋势：自主、智能、共融、协作，成为农业机器人未来发展的核心方向。

• 技术热点：包括智能感知、决策控制、灵巧执行、自主移动等，成为ICRA和IROS等国际会议的热门研究主题。

结语

农业机器人技术正快速发展，未来将在提升农业效率、解决劳动力短缺问题、推动智慧农业建设等方面发挥重要作用。然而，仍需在感知、控制、执行等方面进行深入研究与技术突破，以实现更广泛、更高效的农业自动化应用。