農(nóng)業(yè)機(jī)器人現(xiàn)狀與展望報告-中國工程院

農(nóng)業(yè)機(jī)器人現(xiàn)狀與展望國家新一代人工智能戰(zhàn)略咨詢委員會一、農(nóng)業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)需求背景社會原因-以草莓采摘為例當(dāng)前草莓采摘高度依賴于人工，西方勞動力嚴(yán)重缺乏、不穩(wěn)定且成本高昂.借助運輸車人工采摘傳統(tǒng)大田壟式草莓采摘借助運輸車人工采摘高架草莓采摘工與運輸車英國現(xiàn)代化高架草莓溫室大棚高架草莓采摘工與運輸車·嚴(yán)重依賴季節(jié)性工人·西歐主要來自東歐國家·挪威采摘工約：120元/時·英國采摘工約：80元/時季節(jié)性采摘工來源不穩(wěn)定：疫情導(dǎo)致季節(jié)工缺乏，挪威農(nóng)場主夜不能寐1.2農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率急需提高根據(jù)聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織(FAO)的測算，到2050年，世界需要增加60%的食物生產(chǎn)來滿足93億的全球人口需求。這要求農(nóng)民在相同的土地上更精確、高效地生產(chǎn)食物，并減少環(huán)境影響以實現(xiàn)可持續(xù)性。農(nóng)業(yè)機(jī)器人等智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)能在恰當(dāng)?shù)臅r間和恰當(dāng)?shù)牡攸c為每株植物提供恰當(dāng)種類和數(shù)量的輸入物，例如化肥、水和農(nóng)藥，不僅能提高農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，還能改善水和化學(xué)品等資源的使用效率。1.3農(nóng)業(yè)勞動力短缺日趨嚴(yán)重世界農(nóng)業(yè)勞動力占比已從1991年的44%將至2021年的26%中國農(nóng)業(yè)勞動力也在城鎮(zhèn)化進(jìn)程下加速減少，“十三五”時期平均每年減少約1300萬人不僅如此，中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)還面臨農(nóng)業(yè)勞動力老齡化的問題。2017年中國農(nóng)業(yè)勞動力的平均年齡為53.3歲；55歲及以上農(nóng)業(yè)勞動力的占比從1996年第一次農(nóng)業(yè)普查時的12.7%上升到2016年第三次農(nóng)業(yè)普查時的33.6%,增幅達(dá)165%。未來如果沒有能夠替代人工作業(yè)的高端農(nóng)業(yè)裝備，我們很可能面臨“無人耕種、天價食品”的窘境。2.1農(nóng)業(yè)機(jī)械的發(fā)展歷程與機(jī)器人誕生2.1農(nóng)業(yè)機(jī)械的發(fā)展歷程與機(jī)器人誕生載更多文●從原始社會到智能社會，伴隨著人類對美好生活的需求，在技術(shù)的變革推動下，社會生產(chǎn)力得到了飛速發(fā)展載更多文■技術(shù)能夠豐富生產(chǎn)資料的來源和利用方式，創(chuàng)造和改良生產(chǎn)工具■生產(chǎn)力從以人為核心向以技術(shù)為核心演進(jìn)■在智能時代，AI將成為社會發(fā)展的新質(zhì)生產(chǎn)力2.3定義與基本組成基于AI的大型農(nóng)業(yè)機(jī)器人智能裝備特性智能精準(zhǔn)高效農(nóng)業(yè)機(jī)器人發(fā)展農(nóng)業(yè)機(jī)器人，面向農(nóng)業(yè)場景可精準(zhǔn)感知、自主決策、智能控制、自動執(zhí)行理與傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)相比，可自主從事復(fù)雜勞作任務(wù)，服務(wù)無人智慧農(nóng)場理二、典型農(nóng)業(yè)機(jī)器人與關(guān)鍵技術(shù)3.1巡檢、作物表型、放牧機(jī)器人巡檢機(jī)器人，中國國家智能農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心，2021作物表型機(jī)器人，德國波恩大學(xué)，2021作物表型機(jī)器人，美國伊利諾伊大學(xué)香檳分校，2017放牧機(jī)器人，澳大利亞悉尼大學(xué)，20163.1巡檢、作物表型、放牧機(jī)器人多文檔關(guān)鍵技術(shù)：農(nóng)業(yè)機(jī)器人移動平臺、機(jī)器人導(dǎo)航、作物表型分析、路徑規(guī)劃、智能決策、物聯(lián)網(wǎng)等。多文檔來源：挪威生命科學(xué)大學(xué)，20184.姿態(tài)控制來源：熊亞等，2022來源：德國波恩大學(xué)，20213.2對靶施藥、施肥機(jī)器人噴藥機(jī)器人，中國國家智能農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心，2021對靶施藥機(jī)器人，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，2021對靶施藥機(jī)器人，瑞士ecoRobotix公司，2020精準(zhǔn)定點施藥機(jī)器人，悉尼大學(xué)，2015關(guān)鍵技術(shù)：農(nóng)業(yè)機(jī)器人移動平臺、機(jī)器人對行導(dǎo)航、關(guān)鍵技術(shù)：農(nóng)業(yè)機(jī)器人移動平臺、機(jī)器人對行導(dǎo)航、作物檢測、對靶控制、路徑規(guī)劃、智能決策、\來源：Hu等，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，20221.目標(biāo)識別2.目標(biāo)跟蹤3.大小預(yù)測來源：Zhao等，聊城大學(xué)，20201.噴嘴設(shè)計2.霧化控制3.動態(tài)補償3.3精準(zhǔn)除草機(jī)器人精準(zhǔn)機(jī)械鋤除草機(jī)器人，悉尼大學(xué)&Agrris公司，2020精準(zhǔn)噴藥除草機(jī)器人，璃士ecoRobotix公司，2019精準(zhǔn)機(jī)械抓取除草機(jī)器人，荷蘭Odd.Bot公司，2023精準(zhǔn)激光除草機(jī)器人，美國Carbonrobotics公司，2022關(guān)鍵技術(shù)：農(nóng)業(yè)機(jī)器人移動平臺、機(jī)器人對行導(dǎo)航、關(guān)鍵技術(shù)：農(nóng)業(yè)機(jī)器人移動平臺、機(jī)器人對行導(dǎo)航、大數(shù)據(jù)、雜草與作物檢測、執(zhí)行器設(shè)計、視覺來源：Zhoo等，聊城大學(xué)，2020主要技術(shù)：2.路徑規(guī)劃3.動態(tài)補償(機(jī)器人移動、目標(biāo)動)來源：西澳大利亞大學(xué)，2015主要技術(shù)：主要技術(shù)：3.機(jī)電一體化3.4剪枝機(jī)器人葡萄園剪枝機(jī)器人，美國VisionRobotics公司，2009西紅柿剪枝機(jī)器人，荷蘭Priva公司，20213.4剪枝機(jī)器人來源：美國VisionRobotics公司，2009來源：Molaci等，20222.路徑規(guī)劃3.技能傳遞4.動態(tài)補償(機(jī)器大移動、目標(biāo)動)3.5果蔬采摘機(jī)器人青椒采摘機(jī)器人，荷蘭瓦赫寧根大學(xué)，2015青椒采摘機(jī)器人，澳洲昆士蘭大學(xué)，2020青椒采摘青椒采摘機(jī)器人，荷蘭瓦赫寧根大學(xué)&以色列本古里安大學(xué)，2020青椒采摘機(jī)器人，日本Agrist大學(xué)，20233.5果蔬采摘機(jī)器人西紅柿采摘西紅柿串采機(jī)器人，以色列MetoMotion公司，2021西紅柿單采機(jī)器人，以色列RootAl公司，20203.5果蔬采摘機(jī)器人蘋果采摘機(jī)器人，美國Abundantrobotics公司，2017掃蘋果采摘機(jī)器人，以色列TevelTech公司，2021掃蘋果采摘蘋果采摘機(jī)器人，以色列FFRRobotics公司，2021蘋果采摘機(jī)器人，中國國家智能農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心，20223.5果蔬采摘機(jī)器人草莓采摘機(jī)器人，西班牙Agrobot公司，2019草莓采摘機(jī)器人，美國AdvancedFarm公司，2021草莓采摘草莓采摘機(jī)器人，比利時Octinion公司，2019草莓采摘機(jī)器人，挪威生命科學(xué)大學(xué)，20223.5果蔬采摘機(jī)器人來源：RootAl,2020來源：澳洲昆士蘭大學(xué)，20203.6團(tuán)隊正在研發(fā)的果蔬采摘機(jī)器人番茄采摘機(jī)器人，李亞軍、馮青春等3.6團(tuán)隊正在研發(fā)的果蔬采摘機(jī)器人2.采收一體式草莓采摘機(jī)器人多源視覺感知融合(授權(quán)發(fā)明1件)果框輪換機(jī)構(gòu)換電管理系統(tǒng)(組合申請專利1件)軟硬一體機(jī)械手授權(quán)發(fā)明1件)視覺-激光雷達(dá)融混聯(lián)機(jī)械臂發(fā)表頂會1篇)①②四輪獨驅(qū)獨轉(zhuǎn)移動平臺(申請專利1件)⑤完全獨立產(chǎn)權(quán)(核心部件均已申請專利)、純自主研發(fā)混聯(lián)機(jī)械臂操作空姿態(tài)不變?nèi)嵝哉蹟嗍綑C(jī)械手損傷低、容錯高視覺-激光雷達(dá)融合高保證不間斷作業(yè)草莓采摘機(jī)器人，熊亞等3.6團(tuán)隊正在研發(fā)的果蔬采摘機(jī)器人2.采收一體式草莓采摘機(jī)器人會"劈叉"的混聯(lián)多自由度機(jī)械臂①操作空間是同等大小的串聯(lián)機(jī)械臂UR3的3倍、草莓采摘機(jī)器人初步測試草莓采摘機(jī)器人初步測試機(jī)械手方案2:多自由柔性手草莓采摘機(jī)器人初步測試混聯(lián)多自由度機(jī)械臂三、農(nóng)業(yè)機(jī)器人發(fā)展展望1、全球農(nóng)業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀問題：為什么機(jī)器人已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工廠流水線卻沒有從事于果蔬采摘?1.農(nóng)業(yè)機(jī)器人移動平臺：?Thorvald—SagaRobot?Ted,Dino,Oz—NaioTechnologies(法國)?Amiga—Farm-NG(美國)2.對靶施藥機(jī)器人：?Ara—Ecorobotix(瑞士)?Qii-Jet—Bogaerts(比利時)?Solix—Solinftec(美國)3.UV-C病蟲害防控機(jī)器人：?Thorvald—SagaRobotics(挪威)1.精準(zhǔn)除草機(jī)器人：?BlueRiverTechnology(美國)?CarbonRobotics(美國)?Ecorobotix(瑞士)?Nexus(加拿大)2.果園運輸機(jī)器人：?Buro(美國)3.棉花打頂機(jī)器人：?維爾科技(中國)芯片設(shè)計比開發(fā)草莓采摘機(jī)器人容易得多!“Iusedtoworkinthesemiconductorindustry.IwasadevelopmentengineerforIntel,anditwasaloteasiertomakesemiconductorchips."BobPitzer,美國HarvestCROO機(jī)器人公司創(chuàng)始人1.果疏采摘機(jī)器人：AdvancedFams(美園)、TortugaAgTech?西紅柿—RootAI(以色列)、MetoMotion(以色列)、中科原動力(中國)?獼猴桃—RoboticsPlus(新西蘭)?青椒一Agrist(日本)2.剪枝機(jī)器人：2、存在的問題整文檔整文檔果實耐擠壓特性變化光照強度相互遮擋的作業(yè)環(huán)境變化光照強度前景曝光不足背景過度曝光2、存在的問題動態(tài)的果實、動態(tài)的機(jī)器人，系統(tǒng)延遲，如何使手-眼-腳-腦協(xié)同?來源：由提示詞驅(qū)動ChatGPT4o生成，熊亞，20242、存在的問題在成簇聚集生長、果梗相互纏繞的草莓中，如何靈巧地選擇性采摘成然果實且保證不損傷果實?靈巧機(jī)械手抓取草莓來源：由提示詞驅(qū)動CharGPT4o生成，熊亞.2024l番茄采摘機(jī)器人掃碼下載更多文檔掃碼下載更多文檔單氣缸驅(qū)動果柄切割夾持式采摘手爪恒壓氣囊夾持果萼分離式采摘手爪單氣缸驅(qū)動果柄切割夾持式采摘手爪采摘力學(xué)特性測量分析36.33N41.76N35.04N34.99N31.80N平均抓取力35.98N摘取成功2X2X 摘取失敗整體受困2023.11.14-2024.6.10反復(fù)修改迭代初代抓取器二代抓取器三代抓取器機(jī)械與電氣接口適配；掃碼下載更多文檔掃碼下載更多文檔初步集成與調(diào)試掃碼下載更多文檔2、存在的問題2、存在的問題2.5.持續(xù)作業(yè)難適應(yīng)性差當(dāng)前農(nóng)業(yè)機(jī)器人難以實現(xiàn)持續(xù)作業(yè)，特別是果蔬采摘機(jī)器人，如何保證機(jī)器人長時間持續(xù)作業(yè)?當(dāng)前機(jī)器人存在大量設(shè)定性程序，大多只能用于特定場景，難以適應(yīng)各種農(nóng)場或農(nóng)作物品種更文檔如何將動輒幾十萬的農(nóng)業(yè)機(jī)器人降到3-5萬，農(nóng)民能承更文檔故障檢測與自恢復(fù)大模型與通用人工智能核心部件國產(chǎn)化云計算規(guī)?；a(chǎn)3、發(fā)展趨勢（短期：未來3-5年）應(yīng)用：文檔·對靶施藥、病蟲害防控機(jī)器人得到大量使用文檔碼下載·精準(zhǔn)除草機(jī)器人、果園運輸機(jī)器人等逐