农业机器人的应用与发展现状fhov.docx
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1、农业机器器人的应应用与发发展现状状摘要:本本文总结结了农业业机器人人的产生生背景,概概括了农农业机器器人的特特点,并并针对目目前农业业农业机机器人的的应用现现状做了了全面概概述,并并从国内内外各个个国家的的农业机机器人的的研究状状况概述述了当前前机器人人的发展展现状。关键词:农业机机器人 应应用现状状 国内外外发展现现状1、农业业机器人人的开发发背景随着电子子技术和和计算机机技术的的发展,诞诞生于美美国的智智能机器器人技术术正越来来越被世世界各国国所重视视,它已已在许多多领域得得到了广广泛的应应用。在在农业生生产中,由由于易对对植被造造成损害害、易污污染环境境等原因因,传统统的机械械通常存存在
2、着这这样或那那样的缺缺点。为为了解决决这个问问题,国国内外都都在进行行农业机机器人的的研究。智智能化和和自动化化技术的的长足进进展,为为应用于于非结构构化环境境的农业业机器人人开发打打下了坚坚实的理理论基础础,如近近几年出出现的耕耕耘机器器人、嫁嫁接机器器人、农农药喷洒洒机器人人、瓜果果采摘机机器人、温温室管理理机器人人等1戴乃昌.农业机器人的发展和应用初探J农机化研究,2009(2): 241243.1,都都是现代代高科技技在农业业上综合合运用与与发展的的结果。使使用农业业机器人人可以提提高劳动动生产率率,解决劳劳动力的的不足改改善农业业生产环环境,防防止农药药、化肥肥等对人人体的伤伤害提高
3、高作业质质量。农农业机器器人相对对于传统统农业机机械能够够更好地地适应生生物技术术的新发发展,农农业机器器人的问问世,有有望改变变传统的的劳动方方式,改改善农民民的生活活劳动状状态。我国是一一个农业业大国,虽然农农业人口口众多,但但随着工工业化进进程的不不断加速速,可以以预计农农业劳动动力将逐逐步向社社会其它它产业转转移,实实际上进进入211世纪后后,我国国将面临临着比世世界任何何国家都都要严重重的人口口老龄化化问题,农农业劳动动力不足足的问题题将日益益凸现2闫树兵,姬长英. 农业机器人移动平台的研究现状与发展趋势J.拖拉机与农用运输车,2007,24(5):1315.2。在在日本、美美国等发
4、发达国家家,农业人人口少随随着农业业生产的的规模化化、多样样化、精精确化,劳动力力不足的的矛盾越越来越突突出,许多作作业项目目如蔬菜菜、水果果的挑选选与采摘摘等都是是劳动密密集型工工作,再加上上农时季季节要求求,劳动力力短缺的的问题越越来越突突出。因因此,世世界各国国对农业业机器人人非常重重视,投投入了大大量的资资金和人人力进行行机器人人的研究究开发。近年来,随随着工业业机器人人的高速速发展与与广泛应应用,在在农业领领域的机机器人也也发展很很快,预预计211世纪将将是农业业机器人人的时代代3胡桂仙,于勇,王俊农业机器人的开发与应用J.中国农机化,2002,(05):45-47.3。2、农业业机
5、器人人的特点点农业机器器人是一一种以农农产品为为操作对对象、兼兼有人类类部分信信息感知知和四肢肢行动功功能、可可重复编编程的柔柔性自动动化或半半自动化化设备。它它能减轻轻劳动强强度, 解决劳劳动力不不足, 提高劳劳动生产产率和作作业质量量, 防止止农药、化化肥等对对人体的的伤害4田素博;国内外农业机器人的研究进展J.农业机械化与电气化,2007,(02):3-5.4。2.1作作业对象象的娇嫩嫩性和复复杂性农作物具具有软弱弱、易伤伤的特性性, 且其其形状复复杂, 生长发发育程度度不一, 相互互差异很很大。2.2作作业环境境的结构构性不统统一随着农作作物时间间和空间间的变化化, 机器器人工作作环境
6、也也是变化化的、未未知的。作作物生长长环境除除受地形形条件的的约束外外, 还直直接受季季节、天天气等自自然条件件的影响响。这就就要求农农业机器器人要在在视觉、推推理和判判断等方方面具有有相当的的智能。2.3作作业过程程的复杂杂性农业领域域的行走走不是从从出发点点到终点点的直线线行走, 而是是具有范范围狭窄窄、距离离较长和和遍及整整个田间间表面等等特点。通通常是农农业机器器人作业业与移动动同时进进行而且且工作时时具有特特定的位位置和范范围。2.4操操作对象象和价格格的特殊殊性农业机器器人的操操作者农农民,并并不具备备较高的的机械电电子知识识水平,因因此农业业机器人人还必须须具备非非常高的的可靠性
7、性和操作作简单的的特点。另另外农业业机器人人是以个个体农民民经营为为主,如如果不具具备价格格优势,就就很难得得到普及及应用5赵匀,武传宇,胡旭东等.农业机器人的研究进展及存在的问题 J.农业工程学报, 2003,19(1):20-24.5。3、农业业机器人人的应用用现状农业生产产大致可可以分为为两类:一类是是在大面面积农田田中进行行作业的的土地利利用型农农业,另另一类是是在温室室或植物物工场中中进行作作业的设设施型农农业。农农业机器器人根据据解决问问题的侧侧重点不不同,用用于前者者的称为为行走系系列农业业机器人人,用于于后者称称为机械械手系列列机器人人。3.1行行走系列列农业机机器人行走系列列
8、农业机机器人的的主要目目标的自自主行走走,边行行走边作作业。它它的作业业条件受受地理环环境的影影响。因因此要保保持机器器行走的的速度与与姿势,从从而得到到高质量量作业,是是目前开开发此类类农业机机器人必必需解决决的问题题,下面面介绍几几种活跃跃在农田田中的机机器人。3.1.1自行行走耕作作机器人人自行走式式耕作机机器人是是在拖拉拉机的基基础上加加上方位位传感器器和嵌入入式智能能系统等等, 可在在耕作场场内辨别别自身位位置, 推动执执行机构构动作, 实现现无人驾驾驶; 配上各各种农具具, 能进进行各种种田间作作业, 从而保保证田间间垄作方方向正确确与耕作作精准。随随着GPPS(全全球卫星星定位系
9、系统)的应用用, 卫星星导航和和精确定定位行驶驶发展成成熟,自行走走式耕作作机器人人的技术术也随之之成熟, 并已已处于实实用性阶阶段。3.1.2施肥肥机器人人施肥机器器人除具具备在田田间作业业自动行行驶的功功能外, 会根根据土壤壤和作物物种类的的不同, 自动动按不同同比例配配备营养养液, 计算施施肥总量量, 降低低农业成成本, 减少施施肥过多多产生的的污染。3.1.3除草草机器人人除草机器器人采用用了先进进的计算算机图像像识别系系统、GGPS 系统。其其特点是是利用图图像处理理技术自自动识别别杂草, 利用用GPSS 接收收器做出出杂草位位置的坐坐标定位位图。机机械杆式式喷雾器器根据杂杂草种类类
10、数量自自动进行行除草剂剂的选择择和喷洒洒。如果果引入田田间害虫虫图像的的数据库库, 还可可根据害害虫的种种类与数数量进行行农药的的喷洒, 起到到精确除除害、保保护益虫虫、防止止农药过过量污染染环境的的作用。3.1.4水田田管理作作业机器器人水田中的的作物是是有规则则的栽种种,因此此也可以以通过测测量作物物方位进进行机器器人式作作业。日日本农林林水产省省农业研研究中心心开发的的机器人人式水田田管理作作业机能能对水稻稻进行洒洒药与施施肥等作作业。该该机器人人的自主主行走系系统采用用类似猫猫的胡须须的接触触传感器器,沿着着列行走走,到地地头时自自动停止止,并转转一个作作业宽度度至返回回方问,再再由操
11、作作者确认认是否进进入正确确稻列进进行作业业,这是是半自动动作业方方式。3.1.5收获获及管理理作业机机器人这种机器器人根据据预先设设置的指指令,利利用自动动控制机机构、陀陀螺罗盘盘和接触触传感器器,从而而自动进进行田间间作业。在在该类机机器人的的研究上上,日本本开发了了利用棒棒状传感感器检测测稻株,靠靠离合器器闸的接接通与断断开实现现转向的的方向自自动控制制的联合合收割机机。美国国新荷兰兰农业机机械公司司研制多多用途的的自动化化联合收收割机器器人,它它很适合合在美国国的一些些专属农农垦区大大片整齐齐规划的的农田中中收割庄庄稼。3.2机机械手系系列机器器人机械手系系列机器器人的目目标是对对作业
12、对对像的识识别,它它的作业业对象是是果实、家家畜等离离散个体体。由于于作业对对象的基基本生理理特征和和力学特特征等不不同,开开发该机机器人的的重点应应放在检检测数据据的采集集上,从从而开发发不同的的传感器器。传感感器的融融合技术术在近年年来已被被引入到到机器人人识别研研究中,开开发新型型传感器器以及提提出新的的融合方方法,提提高灵敏敏度和反反应速度度以完善善探测结结果,是是今后重重要的研研究方向向。目前前,属于于该系列列的机器器人主要要有下面面几种。3.2.1嫁接接机器人人嫁接技术术广泛应应用于蔬蔬菜和水水果的生生产中, 可以以改良品品种和防防止病虫虫害。嫁嫁接机器器人是一一种集机机械、自自动
13、控制制与园艺艺技术于于一体的的高新技技术, 可在短短时间内内把蔬菜菜苗茎秆秆直径为为几毫米米的砧木木和芽坯坯嫁接为为一体, 大幅幅提高嫁嫁接速度度, 同时时避免了了切口长长时间氧氧化与苗苗内液体体的流失失, 提高高了嫁接接成活率率, 大大大提高了了工作效效率。嫁嫁接机器器人在日日本应用用十分广广泛, 中国农农业大学学率先在在我国开开展了自自动化嫁嫁接技术术的研究究工作, 先后后研制成成功了自自动插接接法和自自动旋切切贴合法法嫁接技技术, 形成了了我国具具有自主主知识产产权的嫁嫁接机器器人技术术。3.2.2采摘摘机器人人(果实收收获机器器人)近年来, 为提提高果品品蔬菜的的采摘效效率, 国外开开
14、发了一一系列采采摘机器器人。该该类机器器人采用用彩色或或黑白摄摄像机作作为视觉觉传感器器来寻找找和识别别成熟果果实, 主要由由机械手手、终端端握持器器、视觉觉传感器器和移动动机构等等主要部部分组成成。一般般机械手手有冗余余自由度度, 能避避开障碍碍物, 有时终终端握持持器中间间有压力力传感器器, 避免免压伤果果实。在在很多国国家已经经广泛投投入使用用的有番番茄采摘摘机器人人、黄瓜瓜采摘机机器人、葡葡萄采摘摘机器人人、西瓜瓜收获机机器人和和柑橘采采摘机器器人等。3.2.3育苗苗机器人人(移植机机器人)育苗机器器人主要要是用于于蔬菜、花花卉和苗苗木等种种苗的移移栽。它它把种苗苗从插盘盘移栽到到盆状
15、容容器中, 以保保证适当当的空间间, 促进进植物的的扎根和和生长, 便于于装卸和和转运。现现在研制制出来的的育苗机机器人有有两条传传送带: 一条条用于传传送插盘盘, 另一一条用于于传送盆盆状容器器。其他他的主要要部件是是插入式式拔苗器器、杯状状容器传传送带、插插漏分选选器和插插入式栽栽培器。在在许多情情况下, 种子子发芽率率只有770% 左右, 而且发发芽的苗苗也存在在坏苗, 所以以育苗机机器人引引入图像像识别技技术进行行判断。经经过探测测之后, 准确确判别好好苗、坏坏苗和缺缺苗, 指挥机机械手把把好苗准准确移栽栽到预定定位置上上。育苗苗机器人人大大减减少了人人工劳动动, 提高高了移栽栽操作质
16、质量和工工作效率率。3.3其其他机器器人其他一些些特殊的的农业机机器人(如澳大大利亚生生产的剪剪羊毛机机器人和和荷兰开开发的挤挤奶机器器人等)已经投投入生产产中, 其技术术已经非非常成熟熟。3.3.1剪羊羊毛机器器人澳大利亚亚成功研研制了剪剪羊毛机机器人。首首先将羊羊固定在在可作三三个轴心心转动的的平台上上,然后后将有关关羊的参参数输入入计算机机,据此此算出剪剪刀在剪剪羊毛时时的最佳佳运动轨轨迹,然然后用液液压传动动式剪刀刀剪下羊羊毛。由由试验结结果表明明,机器器人要比比熟练的的剪毛工工剪得快快。3.3.2挤奶奶机器人人19922年荷兰兰科学家家开发了了挤奶机机器人,根根据计算算机管理理的乳头
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