农业机器人现状与展望

中国工程院国家农业信息化工程技术研究中心中国人工智能学会国家新一代人工智能战略咨询委员会zhaocj@nercita.org.cn农业机器人现状与展望院士主任副理事长委员赵春江一、农业机器人产业需求背景二、典型农业机器人与关键技术三、农业机器人发展展望报告内容一、农业机器人产业需求背景社会原因-以草莓采摘为例当前草莓采摘高度依赖于人工，西方劳动力严重缺乏、不稳定且成本高昂.· 挪威采摘工约：120元/时· 英国采摘工约：80元/时季节性采摘工来源不稳定：· Covid 19 期间非常不稳定，严重影响生产西方劳动力缺乏：· 严重依赖季节性工人· 西欧主要来自东欧国家采摘人工成本高昂：传统大田垄式草莓采摘 借助运输车人工采摘英国现代化高架草莓温室大棚疫情导致季节工缺乏，挪威农场主夜不能寐高架草莓采摘工与运输车农业机器人等智慧农业技术能在恰当的时间和恰当的地点为每株植物提供恰当种类和数量的输入物，例如化肥、水和农药，不仅能提高农产品的产量和质量，还能改善水和化学品等资源的使用效率。 根据联合国粮食及农业组织(FAO)的测算，到2050年，世界需要增加60%的食物生产来满足93亿的全球人口需求。这要求农民在相同的土地上更精确、高效地生产食物，并减少环境影响以实现可持续性。1.2 农业生产效率急需提高不仅如此，中国农业生产还面临农业劳动力老龄化的问题。2017年中国农业劳动力的平均年龄为53.3岁；55岁及以上农业劳动力的占比从1996年第一次农业普查时的12.7%上升到2016年第三次农业普查时的33.6%,增幅达165%。未来如果没有能够替代人工作业的高端农业装备，我们很可能面临“无人耕种、天价食品”的窘境。中国农业劳动力也在城镇化进程下加速减少，“十三五”时期平均每年减少约1300万人世界农业劳动力占比已从1991年的44%将至2021年的26%1.3 农业劳动力短缺日趋严重2.1 农业机械的发展历程与机器人诞生■ 技术变革推动社会生产力发展● 从原始社会到智能社会，伴随着人类对美好生活的需求，在技术的变革推动下，社会生产力得到了飞速发展■技术能够丰富生产资料的来源和利用方式，创造和改良生产工具■生产力从以人为核心向以技术为核心演进■ 在智能时代，AI将成为社会发展的新质生产力2.1 农业机械的发展历程与机器人诞生信整理载更多文基于AI的大型农业机器人智能 精准 高效智能装备特性p 农业机器人，面向农业场景可精准感知、自主决策、智能控制、自动执行p 与传统农机相比，可自主从事复杂劳作任务，服务无人智慧农场农业机器人发展理二、典型农业机器人与关键技术巡检机器人，中国国家智能农业装备 工程技术研究中心，2021作物表型机器人，美国伊利诺伊大学香槟分校，2017放牧机器人，澳大利亚悉尼大学，2016作物表型机器人，德国波恩大学，20213.1 巡检、作物表型、放牧机器人主要技术：1.作物识别与跟踪2.三维重建3.结构分析主要技术：1.大田卫星导航2.基于激光雷达或视觉的即时 定位与地图构建(SLAM)3.多源传感器融合4.路径规划与循迹导航主要技术：1. 模块化轻量化设计2. 高机动性设计：原地转弯3. 高抗震性设计4. 姿态控制关键技术：农业机器人移动平台、机器人导航、作物表型分析、路径规划、智能决策、物联网等。来源：挪威生命科学大学，2018 来源：熊亚等，2022 来源：德国波恩大学，20213.1 巡检、作物表型、放牧机器人信界多文档精准定点施药机器人，悉尼大学，2015喷药机器人，中国国家智能农业装备工程技术研究中心，2021对靶施药机器人，瑞士ecoRobotix公司，2020对靶施药机器人，中国农业大学，20213.2 对靶施药、施肥机器人来源：Hu 等，中国农业大学，2022主要技术：1.目标识别2.目标跟踪3.大小预测1.2.3.喷嘴设计动态补偿雾化控制来源：Zhao 等，聊城大学，2020主要技术：3.2 对靶施药、施肥机器人关键技术：农业机器人移动平台、机器人对行导航、作物检测、对靶控制、路径规划、智能决策、物联网等。精准激光除草机器人，美国Carbon robotics公司，2022精准机械锄除草机器人，悉尼大学&Agrris公司，2020精准机械抓取除草机器人，荷兰Odd.Bot公司，2023精准喷药除草机器人，璃士ecoRobotix公司，20193.3 精准除草机器人主要技术：1.机械臂控制2.路径规划3.动态补偿(机器人移动、目标动)主要技术：1.末端执行器设计 2.机械臂设计3.机电一体化主要技术：1. 目标识别2. 目标跟踪3. 形状补偿来源：Zhoo等，聊城大学，2020来源：西澳大利亚大学，20153.3 精准除草机器人关键技术：农业机器人移动平台、机器人对行导航、大数据、杂草与作物检测、执行器设计、视觉伺服、路径规划、智能决策、物联网等。葡萄园剪枝机器人，美国Vision Robotics公司，2009 西红柿剪枝机器人，荷兰Priva 公司，20213.4 剪枝机器人信界主要技术：1.视觉伺服2.路径规划3.技能传递4.动态补偿(机器大移动、目标动)主要技术：1.点云配准2.多传感融合3.虚拟现实4.数字孪生=3.4 剪枝机器人来源：美国Vision Robotics公司，2009来源：Molaci等，2022青椒采摘机器人，荷兰瓦赫宁根大学&以色列本古里安大学，2020青椒采摘机器人，荷兰瓦赫宁根大学，2015青椒采摘机器人，澳洲昆士兰大学，2020青椒采摘3.5 果蔬采摘机器人青椒采摘机器人，日本Agrist大学，2023西红柿串采机器人，以色列MetoMotion公司，2021西红柿单采机器人，以色列Root Al公司，20203.5 果蔬采摘机器人西红柿采摘苹果采摘机器人，中国国家智能农业装备工程技术研究中心，2022苹果采摘机器人，美国Abundant robotics公司，2017苹果采摘机器人，以色列FFR Robotics公司，2021苹果采摘机器人，以色列Tevel Tech公司，20213.5 果蔬采摘机器人苹果采摘扫草莓采摘机器人，挪威生命科学大学，2022草莓采摘机器人，美国Advanced Farm公司，2021草莓采摘机器人，西班牙Agrobot公司，2019草莓采摘机器人，比利时Octinion公司，2019草莓采摘3.5 果蔬采摘机器人来源：澳洲昆士兰大学，2020来源：Root Al,20203.5 果蔬采摘机器人1.采收一体式番茄串采机器人番茄采摘机器人，李亚军、冯青春等3.6 团队正在研发的果蔬采摘机器人软硬一体机械手 (申请专利1件、授权发明1件)视觉-激光雷达融合导航混联机械臂(授权发明2件，发表顶会1篇)四轮独驱独转移动 平台(申请专利1件)2.采收一体式草莓采摘机器人果框轮换机构（申请专利1件）换电管理系统(组合申请专利1件)3.6 团队正在研发的果蔬采摘机器人多源视觉感知融合(授权发明1件)草莓采摘机器人，熊亚等特点 ：① 完全独立产权(核心部件均已申请专利)、纯自主研发② 混联机械臂操作空间大、能折叠越障、能在移动时保持末端姿态不变③ 柔性折断式机械手损伤低、容错高④ 视觉-激光雷达