溫室園藝產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)在西方發(fā)達(dá)國(guó)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(guó)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(jì)算機(jī)控制、生產(chǎn)流程高度自動(dòng)化。這種植物工廠的專(zhuān)業(yè)模式和分工方式能產(chǎn)生非常高的生產(chǎn)效率，大幅提高優(yōu)質(zhì)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(shí)代到來(lái)的今天，依托自動(dòng)控制技術(shù)和信息技術(shù)的溫室精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是備受關(guān)注的焦點(diǎn)，世界各國(guó)都在該領(lǐng)域開(kāi)展研究，取得一系列很有特色的成果，極大地推動(dòng)了溫室精準(zhǔn)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(wú)疑是最具代表性的。
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(dòng)化控制的生產(chǎn)體系，可以最大限度地規(guī)避外界不良環(huán)境影響，具有技術(shù)密集型的特點(diǎn)，而溫室園藝機(jī)器人能夠滿足這種精細(xì)管理和精準(zhǔn)控制的需求，并且能夠解決溫室園藝生產(chǎn)的勞動(dòng)密集和時(shí)令性較強(qiáng)的瓶頸問(wèn)題，大幅提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，改善設(shè)施生產(chǎn)勞動(dòng)環(huán)境，避免溫室密閉環(huán)境施藥施肥對(duì)人體的危害，保證作業(yè)的一致性和均一性等。王樹(shù)才(2005)指出，目前全世界已經(jīng)開(kāi)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(pán)播種機(jī)器人、苗盤(pán)覆土消毒機(jī)器人等相對(duì)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)尤其以日本最為代表性，日本作為最早研究機(jī)器人的國(guó)家之一，由于其老齡化提前到來(lái)引發(fā)勞動(dòng)力缺乏以及人力成本高等問(wèn)題，從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，日本的工業(yè)機(jī)器人開(kāi)始快速發(fā)展，在經(jīng)過(guò)對(duì)汽車(chē)焊接、汽車(chē)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(kāi)始不斷取得進(jìn)展。佟玲(1995)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(kāi)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(jià)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(shí)現(xiàn)按工業(yè)方式進(jìn)行生產(chǎn)和管理，其種植過(guò)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(xiāo)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(shí)現(xiàn)不分白晝的連續(xù)工作，極大地降低了勞動(dòng)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(kāi)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(jué)系統(tǒng)能夠探測(cè)到黃瓜果實(shí)的精確位置及成熟度，末梢執(zhí)行器可以抓取黃瓜果實(shí)并將果實(shí)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(duì)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。
一、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(lái)運(yùn)輸?shù)募b箱作為作物生長(zhǎng)環(huán)境，選用營(yíng)養(yǎng)液栽培法來(lái)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(gè)生長(zhǎng)時(shí)刻都得到精心的管理。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，一個(gè)運(yùn)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。
二、工廠化育苗機(jī)器人
設(shè)施生產(chǎn)工廠化育苗精準(zhǔn)作業(yè)育苗機(jī)器人是專(zhuān)門(mén)針對(duì)西甜瓜等需要專(zhuān)門(mén)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(dòng)完成大規(guī)模苗盤(pán)播種時(shí)的自動(dòng)上土、精量播種、對(duì)靶噴藥消毒殺菌等三個(gè)環(huán)節(jié)，一條生產(chǎn)流水線可實(shí)現(xiàn)整個(gè)環(huán)節(jié)全部自動(dòng)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(dòng)化作業(yè)，真空吸種，自動(dòng)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(jì)，綜合集成了氣、液、電、光等技術(shù)成果，采用程序全自動(dòng)控制。可提高播種的精度，消除土壤病蟲(chóng)害，減輕勞動(dòng)者勞動(dòng)強(qiáng)度。噴藥時(shí)采用封閉環(huán)境，減少?lài)娝庍^(guò)程中農(nóng)藥對(duì)人體的危害，提高生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本。該系統(tǒng)能實(shí)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(pán)首先被傳送帶送到送土位置，完成自動(dòng)裝土工序，然后自動(dòng)到達(dá)播種位置，由傳感器檢測(cè)到苗盤(pán)準(zhǔn)確位置后，發(fā)出信號(hào)，自動(dòng)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(gè)播種穴的同時(shí)放種，并且可以精確地自動(dòng)控制每個(gè)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(dòng)農(nóng)藥對(duì)靶噴灑，能有效地節(jié)省農(nóng)藥并精確定位殺死病菌和害蟲(chóng)。例如，西甜瓜基地實(shí)現(xiàn)播種育苗可以有效為周邊農(nóng)戶(hù)和企業(yè)提供育苗作業(yè)，具有良好的示范展示作用，為目前國(guó)際設(shè)施生產(chǎn)地主要發(fā)展方向，對(duì)于推動(dòng)溫室自動(dòng)化精準(zhǔn)育苗流水線作業(yè)具有重要意義。
三、移栽機(jī)器人
一般，移栽作業(yè)需要大量手工勞動(dòng)才能完成，為了解決上述難題，開(kāi)發(fā)了移栽機(jī)器人，它能夠代替人工，高效率地進(jìn)行移苗工作。王樹(shù)才(2005)介紹了臺(tái)灣KC．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(pán)中移植到480穴的苗盤(pán)中，這種自動(dòng)化的作業(yè)方式能極大地減輕工人的勞動(dòng)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(guò)程中，依靠系統(tǒng)的視覺(jué)傳感器和力度傳感器，能夠做到夾持秧苗而不會(huì)對(duì)其造成損傷。在秧苗緊挨作業(yè)時(shí)，每個(gè)苗的時(shí)間約3s。這樣的工作效率是熟練工人的2倍～4倍，而且不會(huì)因?yàn)楣ぷ鲉我豢菰锖烷L(zhǎng)時(shí)間勞動(dòng)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(guò)程中的移栽作業(yè)。另外，該工作過(guò)程可通過(guò)計(jì)算機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的標(biāo)準(zhǔn)苗分選，保證種苗的質(zhì)量，該分選可通過(guò)專(zhuān)門(mén)的標(biāo)準(zhǔn)苗分選機(jī)器人進(jìn)行(見(jiàn)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(wèn)題。
四、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(chóng)害的能力，因此越來(lái)越多地得到應(yīng)用。為了解決嫁接過(guò)程中勞動(dòng)強(qiáng)度大的問(wèn)題，機(jī)器人技術(shù)較早被引入這個(gè)領(lǐng)域。日本對(duì)嫁接機(jī)器人的研究起步較早。嫁接的對(duì)象包括黃瓜、西瓜、番茄等。這種經(jīng)過(guò)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(shí)品質(zhì)。機(jī)器人利用圖像探頭采集視頻信息并利用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)嫁接苗葉的識(shí)別、判斷、糾錯(cuò)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(guò)程的自動(dòng)化作業(yè)。全自動(dòng)的機(jī)器人可以同時(shí)將砧木和接穗的苗盤(pán)通過(guò)傳送帶送入機(jī)器中，機(jī)器人可自動(dòng)完成整個(gè)苗盤(pán)的整排嫁接作業(yè)，工作效率極高。半自動(dòng)的機(jī)器人通過(guò)人工輔助，在嫁接過(guò)程中，工人把砧木和接穗放在相應(yīng)的供苗臺(tái)上，系統(tǒng)就可以自動(dòng)完成其余的勞動(dòng)作業(yè)。
五、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(guó)每年因?yàn)槭┧帣C(jī)械落后導(dǎo)致中毒的事件有8萬(wàn)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(duì)空氣和地下水的危害程度，所以，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家一直在高效施藥技術(shù)領(lǐng)域開(kāi)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(chóng)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(dòng)化控制等技術(shù)在施藥過(guò)程中按照實(shí)際的需要噴灑農(nóng)藥，做到定量、定點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)噴藥作業(yè)的人工智能化，做到對(duì)靶噴藥，計(jì)算機(jī)智能決策，保證噴灑的藥液用量最少和最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(dòng)條件開(kāi)發(fā)了針對(duì)果園的噴藥機(jī)器人，機(jī)器人利用感應(yīng)電纜導(dǎo)航，實(shí)現(xiàn)無(wú)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(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎時(shí)不噴藥。美國(guó)開(kāi)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(guò)計(jì)算機(jī)圖像處理判斷作物位置實(shí)現(xiàn)對(duì)靶噴藥。周恩浩(2008)對(duì)溫室噴藥機(jī)器人的導(dǎo)航問(wèn)題提出了一套視覺(jué)方案，并對(duì)此進(jìn)行了理論探討，導(dǎo)航和定位涉及到人工智能的運(yùn)算算法，是一個(gè)比較復(fù)雜的問(wèn)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(dòng)識(shí)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(shí)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(shí)別(見(jiàn)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(huì)偏離作業(yè)路徑，可實(shí)現(xiàn)持續(xù)噴霧作業(yè)。
六、采摘機(jī)器人
目前國(guó)內(nèi)外研究和投入應(yīng)用的采摘機(jī)器人作業(yè)對(duì)象基本集中在黃瓜、番茄等蔬菜，西瓜、甜瓜等瓜類(lèi)，以及溫室內(nèi)種植的蘑菇等勞動(dòng)密集的作物。以色列YaelEdan(1995)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(guó)西爾索研究所研制了蘑菇采摘機(jī)器人，它可自動(dòng)測(cè)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(gè)氣動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組成，采用頂置攝像頭來(lái)確定位置和大小，采蘑菇速度為6個(gè)／s～7個(gè)／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(lái)區(qū)分黃瓜，采摘速度約為4個(gè)／mln。日本Kyoto大學(xué)研制的西瓜采摘機(jī)器人為五個(gè)自由度，配有視覺(jué)攝像頭和行走裝置，活動(dòng)空間大。美國(guó)研制的甜瓜采摘機(jī)器人使用三個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)三自由度運(yùn)動(dòng)。韓國(guó)Kyungpook大學(xué)研制的蘋(píng)果采摘機(jī)器人具有最高達(dá)3m的機(jī)械手，可進(jìn)行四自由度運(yùn)動(dòng)，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(píng)果，識(shí)別率達(dá)到85％，采摘速度為7個(gè)／s。應(yīng)用于溫室蔬菜和水果生產(chǎn)的機(jī)器人采用視覺(jué)識(shí)別模式來(lái)確定果實(shí)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。
七、鮮花機(jī)器人
利用仿形技術(shù)開(kāi)發(fā)的機(jī)器人除了具備完美的外觀之外，其智能控制技術(shù)的集成應(yīng)用可以代替人來(lái)控制室內(nèi)環(huán)境，并且能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)境的精確控制。韓國(guó)國(guó)立全南大學(xué)研制的鮮花機(jī)器人外形模仿普通開(kāi)花植物，機(jī)器人高度為130cm，最大直徑40cm，而且能夠自動(dòng)分析室內(nèi)空氣的質(zhì)量根據(jù)程序設(shè)定對(duì)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(zhǎng)和開(kāi)花。該鮮花機(jī)器人可以將花朵朝向說(shuō)話的人的方向，也可以根據(jù)音樂(lè)的節(jié)奏開(kāi)合花瓣。
休閑和科普功能也是設(shè)施農(nóng)業(yè)的一個(gè)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(guò)程中將會(huì)扮演重要的角色。
溫室園藝生產(chǎn)依托的高效率、高投入、高產(chǎn)出的管理模式要求應(yīng)用大量的高新技術(shù)，機(jī)器人技術(shù)在該領(lǐng)域的應(yīng)用是國(guó)內(nèi)外研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)。真正意義上的機(jī)器人、半自動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械在界限上沒(méi)有嚴(yán)格的區(qū)分，但是完全代替人或者大部分代替人從事繁重體力勞動(dòng)，通過(guò)自動(dòng)識(shí)別農(nóng)作物和自動(dòng)調(diào)整姿態(tài)實(shí)現(xiàn)無(wú)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(diǎn)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(guò)大量實(shí)際環(huán)境測(cè)試和研究的圖像識(shí)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(diǎn)。由于農(nóng)田環(huán)境的多變性和對(duì)象復(fù)雜性，生產(chǎn)對(duì)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(duì)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(lái)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。
本文來(lái)源：農(nóng)業(yè)種植網(wǎng)
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(dòng)化控制的生產(chǎn)體系，可以最大限度地規(guī)避外界不良環(huán)境影響，具有技術(shù)密集型的特點(diǎn)，而溫室園藝機(jī)器人能夠滿足這種精細(xì)管理和精準(zhǔn)控制的需求，并且能夠解決溫室園藝生產(chǎn)的勞動(dòng)密集和時(shí)令性較強(qiáng)的瓶頸問(wèn)題，大幅提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，改善設(shè)施生產(chǎn)勞動(dòng)環(huán)境，避免溫室密閉環(huán)境施藥施肥對(duì)人體的危害，保證作業(yè)的一致性和均一性等。王樹(shù)才(2005)指出，目前全世界已經(jīng)開(kāi)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(pán)播種機(jī)器人、苗盤(pán)覆土消毒機(jī)器人等相對(duì)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)尤其以日本最為代表性，日本作為最早研究機(jī)器人的國(guó)家之一，由于其老齡化提前到來(lái)引發(fā)勞動(dòng)力缺乏以及人力成本高等問(wèn)題，從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，日本的工業(yè)機(jī)器人開(kāi)始快速發(fā)展，在經(jīng)過(guò)對(duì)汽車(chē)焊接、汽車(chē)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(kāi)始不斷取得進(jìn)展。佟玲(1995)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(kāi)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(jià)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(shí)現(xiàn)按工業(yè)方式進(jìn)行生產(chǎn)和管理，其種植過(guò)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(xiāo)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(shí)現(xiàn)不分白晝的連續(xù)工作，極大地降低了勞動(dòng)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(kāi)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(jué)系統(tǒng)能夠探測(cè)到黃瓜果實(shí)的精確位置及成熟度，末梢執(zhí)行器可以抓取黃瓜果實(shí)并將果實(shí)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(duì)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。
一、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(lái)運(yùn)輸?shù)募b箱作為作物生長(zhǎng)環(huán)境，選用營(yíng)養(yǎng)液栽培法來(lái)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(gè)生長(zhǎng)時(shí)刻都得到精心的管理。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，一個(gè)運(yùn)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。
二、工廠化育苗機(jī)器人
設(shè)施生產(chǎn)工廠化育苗精準(zhǔn)作業(yè)育苗機(jī)器人是專(zhuān)門(mén)針對(duì)西甜瓜等需要專(zhuān)門(mén)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(dòng)完成大規(guī)模苗盤(pán)播種時(shí)的自動(dòng)上土、精量播種、對(duì)靶噴藥消毒殺菌等三個(gè)環(huán)節(jié)，一條生產(chǎn)流水線可實(shí)現(xiàn)整個(gè)環(huán)節(jié)全部自動(dòng)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(dòng)化作業(yè)，真空吸種，自動(dòng)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(jì)，綜合集成了氣、液、電、光等技術(shù)成果，采用程序全自動(dòng)控制。可提高播種的精度，消除土壤病蟲(chóng)害，減輕勞動(dòng)者勞動(dòng)強(qiáng)度。噴藥時(shí)采用封閉環(huán)境，減少?lài)娝庍^(guò)程中農(nóng)藥對(duì)人體的危害，提高生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本。該系統(tǒng)能實(shí)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(pán)首先被傳送帶送到送土位置，完成自動(dòng)裝土工序，然后自動(dòng)到達(dá)播種位置，由傳感器檢測(cè)到苗盤(pán)準(zhǔn)確位置后，發(fā)出信號(hào)，自動(dòng)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(gè)播種穴的同時(shí)放種，并且可以精確地自動(dòng)控制每個(gè)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(dòng)農(nóng)藥對(duì)靶噴灑，能有效地節(jié)省農(nóng)藥并精確定位殺死病菌和害蟲(chóng)。例如，西甜瓜基地實(shí)現(xiàn)播種育苗可以有效為周邊農(nóng)戶(hù)和企業(yè)提供育苗作業(yè)，具有良好的示范展示作用，為目前國(guó)際設(shè)施生產(chǎn)地主要發(fā)展方向，對(duì)于推動(dòng)溫室自動(dòng)化精準(zhǔn)育苗流水線作業(yè)具有重要意義。
三、移栽機(jī)器人
一般，移栽作業(yè)需要大量手工勞動(dòng)才能完成，為了解決上述難題，開(kāi)發(fā)了移栽機(jī)器人，它能夠代替人工，高效率地進(jìn)行移苗工作。王樹(shù)才(2005)介紹了臺(tái)灣KC．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(pán)中移植到480穴的苗盤(pán)中，這種自動(dòng)化的作業(yè)方式能極大地減輕工人的勞動(dòng)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(guò)程中，依靠系統(tǒng)的視覺(jué)傳感器和力度傳感器，能夠做到夾持秧苗而不會(huì)對(duì)其造成損傷。在秧苗緊挨作業(yè)時(shí)，每個(gè)苗的時(shí)間約3s。這樣的工作效率是熟練工人的2倍～4倍，而且不會(huì)因?yàn)楣ぷ鲉我豢菰锖烷L(zhǎng)時(shí)間勞動(dòng)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(guò)程中的移栽作業(yè)。另外，該工作過(guò)程可通過(guò)計(jì)算機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的標(biāo)準(zhǔn)苗分選，保證種苗的質(zhì)量，該分選可通過(guò)專(zhuān)門(mén)的標(biāo)準(zhǔn)苗分選機(jī)器人進(jìn)行(見(jiàn)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(wèn)題。
四、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(chóng)害的能力，因此越來(lái)越多地得到應(yīng)用。為了解決嫁接過(guò)程中勞動(dòng)強(qiáng)度大的問(wèn)題，機(jī)器人技術(shù)較早被引入這個(gè)領(lǐng)域。日本對(duì)嫁接機(jī)器人的研究起步較早。嫁接的對(duì)象包括黃瓜、西瓜、番茄等。這種經(jīng)過(guò)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(shí)品質(zhì)。機(jī)器人利用圖像探頭采集視頻信息并利用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)嫁接苗葉的識(shí)別、判斷、糾錯(cuò)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(guò)程的自動(dòng)化作業(yè)。全自動(dòng)的機(jī)器人可以同時(shí)將砧木和接穗的苗盤(pán)通過(guò)傳送帶送入機(jī)器中，機(jī)器人可自動(dòng)完成整個(gè)苗盤(pán)的整排嫁接作業(yè)，工作效率極高。半自動(dòng)的機(jī)器人通過(guò)人工輔助，在嫁接過(guò)程中，工人把砧木和接穗放在相應(yīng)的供苗臺(tái)上，系統(tǒng)就可以自動(dòng)完成其余的勞動(dòng)作業(yè)。
五、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(guó)每年因?yàn)槭┧帣C(jī)械落后導(dǎo)致中毒的事件有8萬(wàn)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(duì)空氣和地下水的危害程度，所以，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家一直在高效施藥技術(shù)領(lǐng)域開(kāi)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(chóng)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(dòng)化控制等技術(shù)在施藥過(guò)程中按照實(shí)際的需要噴灑農(nóng)藥，做到定量、定點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)噴藥作業(yè)的人工智能化，做到對(duì)靶噴藥，計(jì)算機(jī)智能決策，保證噴灑的藥液用量最少和最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(dòng)條件開(kāi)發(fā)了針對(duì)果園的噴藥機(jī)器人，機(jī)器人利用感應(yīng)電纜導(dǎo)航，實(shí)現(xiàn)無(wú)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(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎時(shí)不噴藥。美國(guó)開(kāi)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(guò)計(jì)算機(jī)圖像處理判斷作物位置實(shí)現(xiàn)對(duì)靶噴藥。周恩浩(2008)對(duì)溫室噴藥機(jī)器人的導(dǎo)航問(wèn)題提出了一套視覺(jué)方案，并對(duì)此進(jìn)行了理論探討，導(dǎo)航和定位涉及到人工智能的運(yùn)算算法，是一個(gè)比較復(fù)雜的問(wèn)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(dòng)識(shí)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(shí)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(shí)別(見(jiàn)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(huì)偏離作業(yè)路徑，可實(shí)現(xiàn)持續(xù)噴霧作業(yè)。
六、采摘機(jī)器人
目前國(guó)內(nèi)外研究和投入應(yīng)用的采摘機(jī)器人作業(yè)對(duì)象基本集中在黃瓜、番茄等蔬菜，西瓜、甜瓜等瓜類(lèi)，以及溫室內(nèi)種植的蘑菇等勞動(dòng)密集的作物。以色列YaelEdan(1995)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(guó)西爾索研究所研制了蘑菇采摘機(jī)器人，它可自動(dòng)測(cè)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(gè)氣動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組成，采用頂置攝像頭來(lái)確定位置和大小，采蘑菇速度為6個(gè)／s～7個(gè)／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(lái)區(qū)分黃瓜，采摘速度約為4個(gè)／mln。日本Kyoto大學(xué)研制的西瓜采摘機(jī)器人為五個(gè)自由度，配有視覺(jué)攝像頭和行走裝置，活動(dòng)空間大。美國(guó)研制的甜瓜采摘機(jī)器人使用三個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)三自由度運(yùn)動(dòng)。韓國(guó)Kyungpook大學(xué)研制的蘋(píng)果采摘機(jī)器人具有最高達(dá)3m的機(jī)械手，可進(jìn)行四自由度運(yùn)動(dòng)，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(píng)果，識(shí)別率達(dá)到85％，采摘速度為7個(gè)／s。應(yīng)用于溫室蔬菜和水果生產(chǎn)的機(jī)器人采用視覺(jué)識(shí)別模式來(lái)確定果實(shí)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。
七、鮮花機(jī)器人
利用仿形技術(shù)開(kāi)發(fā)的機(jī)器人除了具備完美的外觀之外，其智能控制技術(shù)的集成應(yīng)用可以代替人來(lái)控制室內(nèi)環(huán)境，并且能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)境的精確控制。韓國(guó)國(guó)立全南大學(xué)研制的鮮花機(jī)器人外形模仿普通開(kāi)花植物，機(jī)器人高度為130cm，最大直徑40cm，而且能夠自動(dòng)分析室內(nèi)空氣的質(zhì)量根據(jù)程序設(shè)定對(duì)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(zhǎng)和開(kāi)花。該鮮花機(jī)器人可以將花朵朝向說(shuō)話的人的方向，也可以根據(jù)音樂(lè)的節(jié)奏開(kāi)合花瓣。
休閑和科普功能也是設(shè)施農(nóng)業(yè)的一個(gè)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(guò)程中將會(huì)扮演重要的角色。
溫室園藝生產(chǎn)依托的高效率、高投入、高產(chǎn)出的管理模式要求應(yīng)用大量的高新技術(shù)，機(jī)器人技術(shù)在該領(lǐng)域的應(yīng)用是國(guó)內(nèi)外研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)。真正意義上的機(jī)器人、半自動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械在界限上沒(méi)有嚴(yán)格的區(qū)分，但是完全代替人或者大部分代替人從事繁重體力勞動(dòng)，通過(guò)自動(dòng)識(shí)別農(nóng)作物和自動(dòng)調(diào)整姿態(tài)實(shí)現(xiàn)無(wú)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(diǎn)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(guò)大量實(shí)際環(huán)境測(cè)試和研究的圖像識(shí)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(diǎn)。由于農(nóng)田環(huán)境的多變性和對(duì)象復(fù)雜性，生產(chǎn)對(duì)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(duì)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(lái)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。
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