農業機器人

農業機器人出現後，發展很快，許多國家在農業機器人的研製和發展，出現了多種類型農業機器人。目前日本居於世界各國之首。在進入21世紀以後，新型多功能農業機器人得到日益廣泛地應用，智能化機器人也會在廣闊的田野上越來越多地代替手工完成各種農活，第二次農業革命將深入發展。區別於工業機器人，是一種新型多功能農業機械。農業機器人的廣泛應用，改變了傳統的農業勞動方式,提高了農民的勞動力，促進了現代農業的發展。

2023年9月，法國宣佈，在“法國2030”投資計劃項下撥款2100萬歐元，啓動“農業機器人”項目，加速農業生態轉型。 ^[2] 

美國明尼蘇迭州一家農業機械公司的研究人員推出的機器人別具一格，它會從不同土壤的實際情況出發，適量施肥。它的準確計算合理地減少了施肥的總量，降低了農業成本。由於施肥科學，使地下水質得以改善。

德國農業專家採用計算機、全球定位系統(GPS)和靈巧的多用途拖拉機綜合技術，研製出可準確施用除草劑除草的機器人。首先，由農業工人領着機器人在田間行走。在到達雜草多的地塊時，它身上的GPS接收器便會顯示出確定雜草位置的座標定位圖。農業工人先將這些信息當場按順序輸入便攜式計算機，返回場部後再把上述信息數據資料輸到拖拉機上的一台計算機裏。當他們日後駕駛拖拉機進入田問耕作時，除草機器人便會嚴密監視行程位置。如果來到雜草區，它的機載杆式噴霧器相應部分立即啓動，讓化學除草劑準確地噴撒到所需地點。

英國科技人員開發的菜田除草機器人所使用的是一部攝像機和一台識別野草、蔬菜和土壤圖像的計算機組合裝置，利用攝像機掃描和計算機圖像分析，層層推進除草作業。它可以全天候連續作業，除草時對土壤無侵蝕破壞。科學家還準備在此基礎上，研究與之配套的除草機械來代替除草劑。收割機器人美國新荷蘭農業機械公司投資250萬美元研製一種多用途的自動化聯合收割機器人，著名的機器人專家雷德·惠特克主持設計工作，他曾經成功地製造出能夠用於監測地面扭曲、預報地震和探測火山噴發活動徵兆的航天飛機專用機器人。惠特克開發的全自動聯合收割機器人很適合在美國一些專屬農墾區的大片規劃整齊的農田裏收割莊稼，其中的一些高產田的產量是一般農田的十幾倍。

西班牙科技人員發明的這種機器人由一台裝有計算機的拖拉機、一套光學視覺系統和一個機械手組成，能夠從桔子的大小、形狀和顏色判斷出是否成熟，決定可不可以採摘。它工作的速度極快，每分鐘摘柑桔60個而靠手工只能摘8個左右。另外，採摘柑桔機器人通過裝有視頻器的機械手，能對摘下來的柑桔按大小馬上進行分類。

英國是世界上盛產蘑菇的國家，蘑菇種植業已成為排名第二的園藝作物。據統計，人工每年的蘑菇採摘量為11萬噸，盈利十分可觀。為了提高採摘速度，使人逐步擺脱這一繁重的農活，英國西爾索農機研究所研製出採摘蘑菇機器人。它裝有攝像機和視覺圖像分析軟件，用來鑑別所採摘蘑菇的數量及屬於哪個等級，從而決定運作程序。採摘蘑菇機器人在機上的一架紅外線測距儀測定出田問蘑菇的高度之後，真空吸柄就會自動地伸向採摘部位，根據需要彎曲和扭轉，將採摘的蘑菇及時投入到緊跟其後的運輸機中。它每分鐘可採摘40個蘑菇，速度是人工的兩倍。

在農業生產中，將各種果實分檢歸類是一項必不可少的農活，往往需要投入大量的勞動力。英國西爾索農機研究所的研究人員開發出一種結構堅固耐用、操作簡便的果實分檢機器人，從而使果實的分檢實現了自動化。它採用光電圖像辨別和提升分檢機械組合裝置，可以在潮濕和泥濘的環境裏幹活，它能把大個西紅柿和小粒櫻桃加以區別，然後分檢裝運，也能將不同大小的土豆分類，並且不會擦傷果實的外皮。

日本番茄收穫機器人針對成熟番茄果實表現為紅色這一特點, 用彩色CCD攝像頭作為視覺傳感器, 基於RGB分量區分水果和莖葉。

日本國家農業和食品研究發明了一個能夠採摘草莓的機器人。該機器人裝有一組攝像頭，能夠精確捕捉草莓的位置，還有配套軟件能根據草莓的紅色程度來確保機器人採摘的是成熟的草莓。雖然此機器人目前只能採摘草莓，但可以通過修改程序來使機器人採摘其它水果，如葡萄、番茄等。機器人採一個草莓的時間是9秒，如果大範圍使用並能保持採摘效率，可以節省農民40%的採摘時間。

農業機器人的歷史分為兩個階段，2000年以前農業機器人是機械電器自動化設備，2000年以後是加入人工智能、機器視覺等新技術的自動化設備。

1794年，Eli Whitney發明了軋棉機，軋棉機能夠快速把棉花纖維和棉花種子分離，當年一台機器每天生產45斤乾淨的棉花，相當於上百個勞動力小時，使棉花行業發生了革命性的變化。

1827年，Edwin Budding發明了割草機，代替了鐮刀。

1834年，Cyrus Hall McCormick發明了收割機，並申請了專利，建設工廠生產和銷售收割機，成為那時候美國最富有的人之一。

1917年，Henry Ford引進了Fordson拖拉機，這是第一種大規模生產的拖拉機。

1918年，Carl Gustav創造了第一台商用的擠奶機。

1979年，剪羊毛機誕生，消除了單調的剪羊毛工作。

2007年掃描果實並收集土壤、種子數據的Ag Tracker被髮明出來。

2012年能夠在植物育苗室內移動盆栽樹苗的機器人——收穫運輸車HV-100被研發出來，同年能夠除去生菜土地裏多餘種子的生菜機器人Lettuce bot誕生，2012年還誕生了剪除或者栽培葡萄藤的Wall-Ye機器人，該機器人能夠收集土壤健康狀況和葡萄庫存的數據。

2013年採摘草莓的機器人出生，該機器人使用兩個數碼相機來拍攝草莓的顏色，判斷草莓的成熟程度，並且採摘已熟的草莓。

種植水稻的機器人正在研發中，該機器人能夠分析田地的貧瘠等環境。

書名：農業機器人

作者：近藤直

出版社：中國農業大學出版社

出版時間：2009年05月

ISBN：9787811176896

開本：16開

定價：70元

《農業機器人》為中國農業大學出版社作為國家重大出版工程項目近期推出的重點譯著。這套書的原著為日文版，日本是一個勞動力缺乏的國家，為了緩解這個矛盾，日本十分重視農業機器人的研究開發工作，取得了豐碩的成果，居於世界領先地位。隨着國民經濟和農業的發展，我國也迫切需要通過採用現代農業技術和裝備，提高勞動生產率，提高農產品品質，促進我國農村的城鎮化、市場化、信息化和現代化，促進我國的農產品走向國際市場。在“十一五”期間，我國在“863計劃”中設置了多個農業機器人相關的研究課題，包括水果、蔬菜收穫機器人，農業機械智能導航技術，自主作業農業機器人，農田信息自動獲取技術等。引進本書的目的即在於拓寬我國研究者的視野，推動我國農業機器人研究與開發的發展。

《農業機器人（I）》主要介紹農業機器人的基本原理和基本結構，第1章簡要介紹從農業機械到農業機器人發展的進程；第2章介紹農業機器人的感知技術中最重要的機器視覺，包括農業機器人的機器視覺、農作物的光學特性、機器視覺系統及相應的支持軟件、從機器視覺獲得的信息等；第3章介紹末端執行器和機械臂，包括農作物的機械特性、機器人的驅動器、傳感器、末端執行器和機械臂；第4章系統地介紹了機器人的移動機構的自動化，包括非道路行走、導航傳感器、運動建模、行走控制、作業和行走路線規劃、安全性和障礙物避讓等。

《農業機器人（II）》介紹了大量已開發農業機器人的實例，既有日本開發的機器人，也有美國、荷蘭、英國等其他國家的研究成果。和《農業機器人（I）》相對應，第1章介紹農業機械的機構和發展中的農業機器人；第2章介紹用於黃瓜、番茄、圓白菜、草莓、柑橘、蘋果等的收穫和分級機器人的機器視覺系統的實例；第3章介紹用於作物嫁接、移栽，果園中套袋、剪枝、收穫、分級，擠奶、剪毛等作業的機器人的末端執行器和機械臂的實例；第4章介紹基於GDS、GPS和機器視覺控制的農業機器人行走機構的實例，如自動拖拉機、耕作機器人、移栽機器人、除草機器人、乾草收穫機器人，軌道、履帶式、行走式機器人，自動式直升機等。隨書所贈光盤不僅包括大量彩色照片和圖片，還提供很多機器人工作時的動畫，有助於讀者理解。

本書的三位作者都是農業機器人領域的國際領航科學家，他們的研究課題一直處於國際領先水平。近藤直教授1984年發表了在京都大學研究農業機器人的成果，這也是世界上農業機器人研究的開始，之後他一直致力於農業機器人的開發並積極推進農業機器人的實用化。門田充司副教授一直是近藤教授的合作伙伴，和近藤教授一起取得了令人矚目的成就。野口伸教授任職於北海道大學，在機器人拖拉機和無人直升機方面造詣頗深；他還是日本國家科學委員會委員，參與引領日本農業機械化發展方向的國家決策。

本書的四位譯者李民贊、陳兵旗教授，喬軍、孫明副教授均為中國農業大學教師，都曾在日本學習、工作多年並在日本獲得相關專業的博士學位，回國後仍舊從事相關專業的教學和科研工作，對語言和專業領域非常熟悉。在本書翻譯的過程中，譯者和原著作者多次溝通，對原著中的疑點進行探討，力求準確、正確。

《農業機器人（I）》200頁，《農業機器人（II）》242頁（附贈光盤一張），合計定價70元。

近藤直，京都大學農學博士，現為愛媛大學教授；門田充司，京都大學農學博士，現為岡山大學副教授；野口伸，北海道大學農學博士，現為北海道大學教授，日本國家科學委員會委員。

譯者：上冊：喬軍，日本東京農工大學博士，現為中國農業大學副教授；陳兵旗，日本東京農工大學博士，現為中國農業大學教授。

下冊：孫明，日本巖手大學博士，現為中國農業大學副教授；李民贊，日本東京農工大學博士，現為中國農業大學教授。

1 農業生產的自動化和機器人化

1.1 什麼是農業機械

1.2 從農業機械到農業機器人

1.2.1 農業機器人的定義

1.2.2 農業機器人的歷史與作用

1.2.3 利用機器人的新式農業生產

2 機器視覺

2.1 農業機器人的機器視覺

2.2 對象的光學特性

2.3 機器視覺系統

2.3.1 能量的流動

2.3.2 照明

2.3.3 攝像元件和攝像機

2.3.4 從攝像機到PC的圖像數據傳送

2.4 機器視覺軟件

2.4.1 顏色變換

2.4.2 前處理

2.4.3 二值圖像的特徵量測量

2.4.4 紋理特徵量

2.4.5 位置檢測

2.4.6 識別算法

2.5 來自機器視覺的信息

2.5.1 X射線圖像

2.5.2 紫外圖像

2.5.3 彩色圖像

2.5.4 灰度圖像

2.5.5 近紅外圖像

2.5.6 太赫茲波圖像

2.5.7 高光譜圖像

2.5.8 遙感圖像

2.5.9 三維圖像

2.5.1 0其他斷層圖像 3 末端執行器與機械臂

3.1 農業機器人的末端執行器與機械臂

3.2 對象物體的特性

3.2.1 物理特性

3.2.2 栽培方式

3.3 驅動器（傳動裝置）

3.3.1 電氣式

3.3.2 液壓式

3.3.3 氣動式

3.3.4 SMA驅動器

3.4 傳感器

3.4.1 微動開關

3.4.2 光電傳感器

3.4.3 電位計

3.4.4 編碼器

3.4.5 超聲波傳感器

3.4.6 PSD

3.4.7 激光測距儀

3.4.8 應變片

3.4.9 壓力傳感器

3.4.10 紅外傳感器

3.5 末端執行器

3.5.1 末端執行器的機構

3.5.2 末端執行器的功能

3.5.3 末端執行器的檢測功能

3.6 機械臂

3.6.1 機械臂的基本機構

3.6.2 機械臂的種類及所適合的栽培方式

3.6.3 可操作性

3.6.4 冗餘自由度機械臂

3.6.5 機械臂的安全性4 車輛自動化

4.1 野外車輛自動化

4.1.1 車輛自動化的構成要素

4.1.2 車輛自動化必需的機電知識

4.1.3 下一代機器人化技術

4.1.4 地面力學和非線性運動系統

4.2 導航傳感器

4.2.1 GPS

4.2.2 超聲波傳感器

4.2.3 激光

4.2.4 地磁方位傳感器

4.2.5 視覺傳感器

4.2.6 陀螺儀

4.2.7 埋設電線

4.3 車輛運動建模

4.3.1 輪式車輛的建模

4.3.2 履帶車輛的建模

4.3.3 步行車輛的建模

4.3.4 直升機的建模

4.3.5 基於卡爾曼濾波器的狀態估計

4.4 車輛控制方法

4.4.1 古典控制

4.4.2 現代控制

4.4.3 自適應控制·學習控制

4.5 作業規劃·路徑規劃

4.5.1 傳統作業法和機器人作業法

4.5.2 路徑生成法

4.5.3 作業規劃的最優化

4.6 安全性與避障

4.6.1 車輛自動駕駛的安全性

4.6.2 自診斷機能

4.6.3 障礙物檢出方法與迴避動作

4.7 多智能體系統

4.7.1 綜合系統與自主分散系統

4.7.2 網絡機器人

4.7.3 基於協調動作的農作業高效化

參考文獻

習題答案

索引

1.1 起步中的農業機器人

1.2 耕作機械

1.3 施肥機（堆肥、粉狀肥料、粒狀肥料、液體肥料）

1.4 播種機（撒播、條播、點播）

1.5 插秧機

1.6 蔬菜移植機

1.7 中耕除草機

1.8 植保機械

1.9 穀物收穫機

1.10 旱田作物/蔬菜/果實收穫機

1.11 分選/初加工機械

1.12 牧草收穫機械

1.13 擠奶機械

1.14 搬運機械（動力搬運車、單軌式搬運車）

2.1 土壤中的光譜檢測

2.2 菊花的扦插

2.3 康乃馨和天竺葵的扦插

2.4 株間除草

2.5 作物行的識別

2.6 基於激光測距儀的外部環境識別

2.7 番茄/櫻桃番茄的收穫

2.8 櫻桃番茄/草莓的收穫

2.9 茄子的收穫

2.10 黃瓜的收穫

2.11 甘藍的收穫

2.12 柑橘的分選

2.13 香橙/酸橘的分選

2.14 桃子的分選

2.15 梨的分選

2.16 蘋果的分選

2.17 柿子的分選

2.18 蓮霧/獼猴桃的分選

2.19 葡萄的分選

2.20 番茄的分選

2.21 茄子的分選

2.22 黃瓜/苦瓜的分選

2.23 青椒的分選

2.24 馬鈴薯/洋葱的分選

2.25 蘆筍的分選

2.26 大葱的初加工和分選

2.27 甘藍的初加工和大型果實的分選

2.28 菊花切花的分選

2.29 木材的檢測

2.30 畜/林/海產品的檢測與處理

2.31 牛的監測

2.32 太赫茲波圖像的應用

2.33 高光譜圖像（AOTF）的應用

2.34 遙感圖像的應用

3 農業機器人的末端執行器與機械臂的實例3.1 幼苗的移栽

3.2 菊花的扦插

3.3 嫁接

3.4 剪枝

3.5 葡萄套袋

3.6 葡萄疏粒、整形

3.7 葡萄的收穫

3.8 柑橘/蘋果的收穫

3.9 草莓的收穫（土培）

3.10 草莓的收穫（高架栽培）

3.11 番茄的收穫

3.12 櫻桃番茄的收穫

3.13 茄子的收穫

3.14 黃瓜的收穫和摘葉

3.15 生菜的收穫

3.16 甘藍的收穫

3.17 西瓜的收穫

3.18 重量型作物收穫、作業輔助裝置

3.19 蘑菇的收穫

3.20 果實的分選

3.21 農產品的包裝

3.22 剪羊毛

3.23 擠奶

3.24 植物工廠

3.25 加工食品的包裝處理

4 車輛自動化的實例4.1 線控操縱

4.2 駕駛輔助系統

4.3 自動行走系統-1（GDS）

4.4 自動行走系統-2（GPS）

4.5 自動行走系統-3（視覺）

4.6 自動跟隨控制

4.7 聯合收穫機機羣管理系統

4.8 機器人拖拉機

4.9 耕作機器人

4.10 插秧機器人

4.11 水田除草機器人

4.12 温室內作業機器人的移動機構

4.13 温室內植保機器人

4.14 果園機器人

4.15 以視覺為基礎的自主牧草收穫機

4.16 草坪修剪機器人

4.17 陡坡地施肥機器人

4.18 單軌車

4.19 龍門作業車

4.20 履帶式機器人

4.21 足式機器人

4.22 機器人直升機

4.23 主從式系統

4.24 遙控操作

參考文獻

結束語

索引 ^[1]