中国工程院院士，国家农业信息化工程技术研究中心主任 赵春江：《农业机器人现状与展望》
近日，中国工程院院士，国家农业信息化工程技术研究中心主任赵春江以《农业机器人现状与展望》为主题发表演讲。在报告中，赵春江院士将从三个方面为大家介绍农业机器人发展的背景、现状以及未来展望。随着全球人口的不断增长和对食物需求的持续扩大，农业机器人作为智慧农业的重要组成部分，正逐步成为解决农业生产中人力不足和效率提升的关键。一、农业机器人产业需求背景
中国拥有14亿人口，而全球人口预计在本世纪末将达到100亿。如此庞大的人口基数对食物的需求是巨大的。然而，从事农业生产的人员却在不断减少，同时农业生产环境复杂，工作条件艰苦，又脏又累，这使得农业劳动力的短缺问题日益突出。为了应对这一挑战，农业机器人应运而生，成为未来农业生产的重要力量。从布瑞克发布的农业数据来看，中国农业从业人员的比例从1991年的61%下降到现在的20%几，下降了40%。全球范围内也呈现出同样的趋势。因此，依靠机器进行农业生产成为大势所趋。二、农业机器人的现状
随着科技的进步，特别是人工智能和机器人技术的发展，农业机器人已经取得了显著的进展。目前，全球已经研发出了各种农业机器人，包括在大田中除草、种植、施肥、施药的机器人，以及无人驾驶的大型农机等。这些机器人大体上可以分为感知、决策和执行三大部分。虽然说起来简单，但做起来却非常困难。以施药机器人为例，它需要进行目标识别、跟踪和控制，以及路径规划和具体操作机构的设计。而除草机器人则需要在复杂的环境中准确区分苗和草，这对机器视觉和感知技术提出了很高的要求。在采摘方面，由于农产品的结构复杂，空间位置、颜色纹理和光照条件都各不相同，这使得采摘机器人的研发尤为困难。然而，采摘机器人却是最具实用价值的农业机器人之一。我们团队研发的番茄和草莓采摘机器人已经取得了初步的成果，并在实际生产中得到了应用。三、农业机器人的未来展望
尽管农业机器人已经取得了显著的进展，但目前仍存在许多问题，如复杂环境下的感知不精准、动态环境下的协调困难、末端执行器操作不灵巧以及效率问题等。这些问题都需要在未来的研究中得到解决。赵春江院士表示，未来三五年，我们相信专用农业机器人将实现大面积商业化的应用。这包括在复杂环境下的精准感知技术、手眼脚脑协调问题的解决以及采摘机械臂的设计等方面的技术突破。赵春江院士推测，在未来5至20年，农业机器人将呈现出以下发展趋势：一是通用农业机器人的一机多用，能够适应多种农业生产场景；三是云边端整个作业系统的形成，实现远程智能控制和优化。为了实现这些目标，研究人员需要加强农业机器人的创新研究，引入新的技术，特别是材料科学等方面的技术。同时，研究人员还需要构建一个包括智能感知、决策控制、灵巧执行和自主移动在内的技术矩阵图，最终集成一个完整的机器人作业系统。总之，农业机器人作为未来农业发展的重要方向，具有广阔的应用前景和巨大的发展潜力。展望未来，农业机器人将成为农业生产中不可或缺的一部分，为人类的粮食安全和可持续发展做出重要贡献。————
演讲报告部分展示
下载方式：在地信界公众号聊天栏回复关键词“地信界29”可获取赵春江院士报告《农业机器人现状与展望》PPT文档。
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以下是演讲内容实录
赵春江（中国工程院院士，国家农业信息化工程技术研究中心主任）
各位专家，大家好！世界机器人大会已经连续开了多年，目前机器人发展从技术和产业方面都很快，但是机器人按类分，工业机器人是一个很大的板块，另外是服务机器人。农业机器人属于特种机器人，农业机器人跟我们工业机器人还有很大的区别。今天我从三个方面给大家介绍一下情况，为什么要搞农业机器人，中国是14亿人口，本世纪末全球大概有100亿人口，对于食物的需求是很大的，但是从事农业生产的人员却在减少，再加上农业这个场景非常复杂，又脏又累，所以可能未来要靠机器来从事农业生产。大家看看这张片子，为什么要搞机器，摘草莓无论是欧洲还是亚洲，都是用人比较多，但是成本比较高，特别是有些场景不适合人，比方打药，还有在农产品冷链物流冷库工作的环境下也不太适合靠人来工作。全球对食物的需求量不断增加，农业从事的人员数量在逐渐减少。大家看右边这个图，布瑞克发布的农业数据，农业比例逐渐在减少，1991年的时候中国农业存在的比例是占61%，到现在才百分之二十几，下降了40%，全球也是这种大的趋势。没人干活，靠机器，过去我们传统说是农机，当然农机的发展有个过程，从1.0到4.0，到4.0之后主要是实现机器自主作业，实际是发展智慧农业。科技进步对社会经济发展的影响是非常大的，特别是智能社会时代，人工智能技术的发展，机器人技术的发展，也给我们农业带来了新的希望，发展农业机器人已经成为大家很关注的话题。右边这个图是我们用ChatGPT生成的机器人的组成，大体上分为三大部分。说起来简单，做起来是很难的，目前全球各种各样的农业机器人已经研发出来了，比方说在大田里面种菜，除草也好，现在有火焰除草，机械手除草，机械手除草不需要再用化学农药了，非常好的，另外高效率的大型农机，无人驾驶的这些机器，它也是属于一类机器人。未来机器人的发展逐渐从单一机器到构建系统，形成一个自主的智能系统。目前我们中国搞无人农场，在小麦、玉米、水稻、洋白菜、大萝卜、胡萝卜、辣椒，现在都有相应的示范，从而推动了农业的发展。介绍一下典型的机器人核心关键技术，第一代是巡检，这是走、察，当然军事里面察打一体化，我们先看基本情况，其实巡检在农业里面需求量是比较大的，巡检机器人主要的技术，一个是导航，一个是定位，目标识别，还有多数据的融合技术。施药施肥这类机器人，这是目前一些场景上的农业机器人，施药的，它用的技术就比较多了，大类包括目标识别、跟踪、控制，还有具体操作机构的一些设计、路径的规划，还有除草，刚才我们说现在逐渐由机器除草替代化学农药的除草，这对环境是非常重要的。国际上目前机械臂除草机器人发展速度很快，特别是在欧洲强调环境，强调农产品的质量安全。这类机器人主要的技术就是目标识别，哪是苗，哪是草，当然现在行间除草是比较容易的。柱间除草，草地的苗离得很近的情况下，怎么把它区分，我们有光口来进行感知识别，但是有的时候草跟苗的光口比较接近的时候，我们就很难把它识别出来。当然我们用机器视觉，机器视觉有的时候长的也基本一样，最具典型意义的极端的就是水稻跟败草长的一模一样，基本上你从形态上看不出来。剪枝机器人，果树需要修剪，一些没用的枝条也要去掉，减少养分的吸收，像点云配准、多传感器、虚拟现实、数字孪生这些技术，路径的规划、技能的传递这些机器人技术也是要用得到。果树采摘机器人，上面那个是荷兰瓦赫宁根大学牵头欧洲农业机器人大项目，大概3800万欧元，WUR牵头的，主要是采摘，因为我们所有的农产品都需要收获，都有一个采收的过程，这是最复杂的，主要因为结构，摘苹果、西红柿等等。原因是结构特别复杂，非结构化，谁跟谁长的都不一样，空间位置都不一样，颜色纹理不一样，光照条件在特定的时间内也会发生很多的变化，像这个是摘草莓的，这些导致了采收机器人非常困难，但实际上采收机器人是最有用的，农业里面是最需要的。这是我们团队研发的番茄，番茄分成串上番茄，一串一串的，还有单个的大番茄，串上番茄一次采摘采一串，应该说这种机器人目前在我们国内需求量还是比较大的，这是生产基地， 需要这种采收的机器人，这是我们团队做的这个机器人。还有草莓，刚才看了一下，这是种在地上的，现在为了适应机器人的采收，把它嫁枝栽培，这便于机器人来采收。这是我们团队熊亚研究员做的采收机器结构，目前感觉我们适用了之后效果还是非常好的，因为它采收还要有柔性，不能破坏果的外观形态品质，这样便于储存和商品化的销售，目前这个结构已经做完了。农业机器人发展的展望，美国一个机器人创始公司说芯片设计比开发草莓采摘机器人要容易得多，感觉到农业机器人研发还是非常困难。目前全球移动机器人平台采摘的各方面机器人都有相应的初创公司、成熟的公司还有相应的成熟产品已经在市场上应用了，但是总体上来说比工业机器人少，现在全球工业机器人大概360万台左右，农业机器人超不过50万台。第一，复杂环境下感知不精准。光照条件、遮挡、纹理、颜色的变化，非结构化的特点。第二，动态环境下，手、眼、脚、脑的协调比较难。我们要摘一个东西，要遮挡的话，人可以用手铺开，机器可能就没有这些动作，当然首先是判断。第三，末端执行器操作不灵巧。所以现在设计这种灵活的机械手是一个农业机器人发展的核心问题。这是我们团队，比如摘苹果，如果你嫁枝这个苹果的话，嫁枝小了之后，脱落掉了，劲头太大的话就伤苹果的表皮，所以我们在开发一种机械手，这种机械手我们将努力做到多间仿形柔性，来满足苹果物理布料的特性，苹果一般是圆的，当然它这个圆有大有小，特别小的话，机械手用力可能夹持不住，太大的话可能显得这个力比较大，会破坏苹果表面的商品品质。所以我们一定要引入处理反馈，把手分成若干个关节，确保能够逐渐的把机械臂做出来，虽然这个机械臂很小，但涉及的技术还是比较复杂的，我们通过实验基本初步完成了机械手的设计，现在我们机器人的运动平台各方面采摘已经都有了，表现还是非常好的，这是实际操作现场的情况。第四，效率问题。因为场景太复杂，机器从识别定位，一般大概需要10来秒，怎么提高效率？一般策略是采用多臂的方式，多个手，一个手10秒钟，10个手相当于1秒钟，但是10个手之间怎么去协调，就存在很大的问题，所以未来要在感知算法上尽量要快，另外多臂的协同作业，作业的空间要进行优化和协同。苹果长的都是随机的，你给机器分了层之后，有的时候苹果不在你这个层里面，所以这还是比较复杂的。另外像直系作业的问题，还有远程智能程度的问题、成本高的问题等等，这都是我们未来需要解决的问题。未来的发展趋势，我们分成短期、未来三五年，相信一定有专用农业机器人会实现大面积商业化的应用。技术突破包括复杂环境下的精准感知，手、眼、脚、脑协调问题的解决，还有采摘、机械臂的设计等等。趋势二，多机协同。这张图也是由ChatGPT生成的，多个机器人协同的工作场景。未来我们加强农业机器人的创新，根据国际上机器人的发展趋势，自主、智能、共融、协作，这是未来机器人发展的趋势，这是一些热的研究词，我们可能要引入一些新的技术，特别是材料科学这些技术。农业机器人涉及到的技术很多，跟我们工业机器人一样，基本上机器人的通用技术还有个性化的技术都能涉及到，从智能感知、决策控制、灵巧执行和自主移动这4个方面，这是一个技术的矩阵图，我们按这个来做，最后集成一个机器人的作业系统。温馨提示：除特别注明原创授权转载文章外，其他文章均为转载，转载文章只为学术信息传播需要，不代表我公众号所持观点，版权归原作者或平台所有。如涉及版权问题，请联系后台，我们将及时处理。欢迎点击页面下方“写留言”发表评论，期待您的参与！欢迎转发！
