摘 要
农业机械化的发展是一个国家农业发展的水平的标志，而农业机器人的技术更体现出了一个国家的科技实力。随着现代科学技术的进步和现代高效农业的不断发展，农业机器人技术在农业现代化过程中不可替代的地位和作用越来越被人们所认识。农业科技化大大提高了劳动生产率和增加了劳动的舒适性，而且随着经济的全球化，现代农业只有通过进一步提高生产率，降低生产成本和提高产品品质才能生存。从这些新的需求出发，农业机器人向着高效率、高精度的机械化、自动化方向发展是必然的选择。
本文从当前国内外农业机器人的开发与应用现状，农业机器人的特点，针对针对我国山地、丘陵地区的地形地貌特征，着重讨论分析了我国山地用农业机器人的发展与应用现状并对山地用农业机器人的开发与应用趋势进行了探讨和预测。
关键词： 农业机器人、 山地用、 特点、 信息化、 机械化、 发展现状、 趋势
1 绪 论
1.1本课题的研究意义
农业机器人是21世纪农业机械的发展趋势之一，农业机械化的发展是一个国家农业发展水平的标志，而农业机器人技术更体现出一个国家的科技实力。我国是一个农业大国，虽然人口众多，但随着工业化进程的不断加速，可以预计农业劳动力将逐步向社会其他产业转移。实际上进入21世纪后，我国将面临着比世界任何国家都要严重的人口老龄化问题，农业劳动力不足的问题将日益凸显。另一方面伴随计算机技术水平和信息采集与处理技术水平的不断提高，新的农业生产模式和新技术的应用促进了农业的更新和发展，智能农业机械的技术条件已经成熟。
自20世纪90年代以来，自走式农业机械的田间自动导航机器视觉与农业机器人的研究得到了重视，成为探索在农业机械装备中应用智能控制的高新技术的研究方向。农业机器人是一种高度智能化、自动化的农用机械，它集传感技术、检测技术、人工智能通信技术、图像识别技术、精密及系统集成技术等多种前沿科技技术于一身，代表了机电一体化技术的最高水平。作为农业生产领域中新一代的生产工具，农业机器人在提高生产力改变农业生产模式，解决劳动力不足问题等方面显示出了极大的优势性。可以说农业机器人的应用将带来农业生产的一次技术革命，推动现代农业的发展。
因此，针对我国西南地区的地形地貌，以及西南地区的山地农业特征。抓住西部大开发的机遇，广泛的应用以山地用农业机器人为代表的新一代农业机械，大力发展山地农业机机器人科技化，全面提高农业信息化、智能化的水平，是实现我国山地农业持续稳定健康发展的必然道路。
1.2 国内外农业机械化研究现状
1.2.1国外研究现状、水平和发展趋势
近些年来，国外农业自动化技术方面飞速发展，农业机械设计向高速化、宽幅大功率、舒适的方向发展。先进的控制技术在农业机械上的应用已经相当的普及，一些著名的厂商把自动控制、信息处理、全球定位系统和激光、遥感等现代尖端技术装备应用于农业机械上，如一种农用激光平地机器人就是利用激光调平传感微机处理技术，经一次地面平整作业即可成
形，且能达到寸水不露泥的精度。美国的约翰·迪尔公司所生产的水稻联合收割机就安装了一套称为精密作业系统，该系统能提供产量或收获信息、湿度、待收获作物总质量等读数，能精确测量粮食升运器顶部的谷物流量及实时的产量数据，能分别对分离装置、滚筒转速、割台升降、割台倾斜和停车制动安全等装置进行快捷实时监测与控制。该机还装备了全球卫星定位系统和示差定位信号，可以快速确定出机器人所处的位置。
随着现代科学技术的飞速发展，机器人技术正越来越被世界各国所重视。2004
年美国机器人的年产量为16.48万台，日本的机器人生产厂家也达到了3000多个，生产的机器人占世界拥有量的70％，农业机器人已被广泛应用到各个领域。对于国土相对狭小的日本来说，他们在中小型农业机器人方面，特别是山地农业机器人方面位居世界前列。
1.2.2 国内研究现状、水平和发展趋势
20世纪60年代初，我国根据当时的国情对农业的发展提出了一个口号—农业的根本出路在于机械化、科技化。多年过去之后，我国许多地区在一些作物的主要生产环节已经基本实现了机械化作业。面对国内外农业生产出现的新形势和新特点，农业机械化发展也必须与之相适应。借鉴国外农业机械发展的经验，我国农业也应该逐步向自动化、智能化方向发展。 机器人技术的日益成熟是国家高新科技的产物，在很大程度上可以体现该国家智能化、自动化技术的水平。我国近些年来通过大力投资，加大了对机器人技术的研究，使得我国机器人技术有了长足的发展。我们不仅研究出可以娱乐的诸如音乐指挥机器人，医疗卫生方面研制了中药抓取、进行人体手术等作业的机器人，细小管道探测疏通的机器人，在农业方面也随着蔬菜嫁接机器人的出现，为我国农业生产的技术发展掀开了新的篇章。然而不足的是对山地用农业机器人这一领域的研究，国内还处于刚刚起步的阶段，与这一方面做的成功的日本相比，还有很长一段距离。
目前，我国丘陵地区的农业机械化综合作业水平不足10％，在部分地区甚至还是一张白纸，随着农业人口向城市转移的加速，发展丘陵山区的农业机械化日益凸显重要。当前丘陵山区使用的农业机械化还不成熟，故障率高、基础薄弱，特别是在一些技术含量高的领域，还存在研发的空白，山地丘陵地区的农业机械化多数处于初级阶段，与平原的区差距较大，区域发展不平衡问题日益凸显。因此，在新时期国家将把发展山地丘陵地区的农业机械化作为重点扶持对象，加大投入研发力度。
随着高新技术在农业机械新产品的广泛应用，农业机械使用的方便性、舒适性、自动化和智能化水平将进一步提高。然而，在新世纪世界各国的农业和农业现代化的发展是不平
衡的，发达国家和发展中国家的差距不会消失。广大发展中国家的农业机械化，高新技术发展趋势是从本国农业与农村经济发展的实际出发，加快发展那些适应本国农业需要的农村经济特点，农民急需的经济实用、先进可靠的农业机械，引进消化发达国家的农业机械新技术和新产品，加速国产化的步伐，与发达国家合资生产本国急需的、技术含量高的农业机械等措施，努力提高本国农业机械化水平，以增加农产品的供应量和题高农业劳动生产率，适应社会发展的需要。
1.3 本课题的研究内容
（1）论述农业机械化的发展现状
（2）农业机器人的相关技术及特点
（3）论述农业机器人的开发与应用现状
（4）论述山地用农业机器人的开发与应用现状
（5）我国山地农业的特点及发展现状
（6）对山地用农业机器人的开发与应用趋势进行探讨和预测
（7）我国山地用农业机器人发展战略思考
2 农业生产的自动化和机器人化
2.1 什么是农业机械化
提起农业机械化许多人会联想到拖拉机、联合收割机、插秧机等稻作业机械。目前主要的水稻种植机械有动力耕作机、拖拉机以及与拖拉机配套的各种作业机械如割捆机、联合收割机、干燥机、碾米机、精米机等。
除了上面列举的机械外，还有一些机械完成了它们的使命，被新开发的机械所代替，像脱粒机、收获机（履带式移动型脱粒机）等。另外，为了提高收获后的作业效率，各地还修建了大型协作粮库、稻米中心等设施。但是，这些公共设施的利用率并不像预想中的那样高，为了保证质量而是用自己的干燥机等设备的农家依然很多，而近来用遥控器控制小型直升机在水田上空盘旋、进行喷施作业的情形也屡见不鲜，因此可以看出，仅与稻田作业有关的机械就是一种多种形式机械并存的局面。尽管如此，大多数的农业机械研究者都认为，农业机械始于动力耕耘机。
2.2 从农业机械化到农业机器人
2.2.1 农业机器人的定义
在现阶段，对多样化发展的机器人，其定义还没有定论，农业机器人也是如此，相关的学会还没有针对农业机器人的定义进行过正式的探讨。另一方面，根据ISO （国际标准化机构）/TC184（产业自动化系统）/SC2（工业用机器人）的技术报告ISO/TR8373：1988，工业操纵机器人被定义为“自动控制的可再编程、多用途、有数个自由度带操纵机能的机械”
在JIS （日本工业标准）中，机器人的定义为“拥有可自动控制的操纵机能或移动机能、可完成各种作业程序、可使用在产业上的机械”，具体可以理解为
“拥有与人类上肢的动作机能类似的多种动作机能，并具有感觉和识别机能，可自主运作的机构”。根据这些描述，将可模仿人类上肢的多种动作进行农业作业的机构、可自主行走的拖拉机类借助于视觉机构、GPS(global positioning system)等高级传感系统及判断机能可自主动作的机构称为农业机器人。
2.2.2 农业机器人的历史与作用
农业机器人的研究于1982年始于日本京都大学，此后约10年间，从收获作业开始，进行了插条、移植、采摘、喷洒、套袋等各种机器人的研究，对象作物也非常广泛，有果实类、叶菜类、花卉类。此间农业机器人研究的主要任务或是将机器人工程学应用在农业上，或是根据植物的物理特性探索利用现有的适用的工业机器人的可能性。这一阶段被称为第一代农业机器人的研究阶段（20世纪80年代）
但是，仅凭已经研制出的机器人难以应对农业环境的多样性，渐渐的开始了园艺学方法与工程方法相融合的研究，这个时期持续了约10年，期间开展了便于机器人操作的栽培方式的探讨，出现了关于可适应作物形态的机器人机构的研究报告。进一步，在提出利用机器人构
筑农业生产自动化系统的同时，开始了与作业者协调作业的机器人研究，构筑了人—作物—机器人之间的关系基础。这同时也构筑了机器人拖拉机的基础，基本上解决了实用化面临的技术问题。这个阶段称为第二代农业机器人研究阶段（20世纪90年代），农业机器人的研究得到了巨大的发展。
进入21世纪，食用肉品、农产品的虚假标示等不断曝光，食品安全意识高涨，时下对食品的“可追溯性”的要求越来越强烈。此时我们可以看到现有农业机器人所起到的作用主要有：缓解劳动力不足，把人们从3K （辛苦、脏乱、危险）劳动中和单调劳动中解放出来，实现产品的高品质化及品质均一化，实现以植物工厂为代表的农业设施内的无菌化，甚至还可以给予农业生产新一代知识的刺激等。
今后，农业机器人的发展中，有必要发挥机器人所具有的感知机能大容量存储机能，为在新形式下实现食品安全以及向多样化需求的消费者提供信息，要求机器人增加正确的作业信息化功能，以及信息化的记录与利用功能。这些可以说是第三代农业机器人研究的开端。
2.2.3 利用机器人的新式农业生产
农作业大体上可以分为田间管理、栽培管理、收获、筛选，从各种作业的机器人上得来的信息整理如下。图（1）中给出了田间管理机器人、栽培管理机器人、收获机器人以及分类机器人记录的生产信息以及流通信息和消费信息。
在田间管理作业中，尤其是土壤光谱仪的利用，可以收集土壤中的水分、有机物、氮、田间地势起伏等信息；在栽培管理管理作业中可以收集农药及肥料的喷洒作业等作业经历、作业的成长状况等信息；从收获作业中可以收集作物的位置、收获时间等信息；从分类作业中可以收集外观及内部品质信息、农药残留信息等。
如上所述，信息按各作业的顺序从一个机器人传送到另一个机器人，到分类机器人时生产信息传递结束。上述作业的共通信息有农田ID 、生产者ID 、作物ID 信息等，也可以积累作业时局部的气象信息。每年积累这些信息，将信息之间联系起来，就可以对下一年的作业的改进提出指导性建议。进一步，这些信息如果再加上食品加工信息后，利用IC 标签、冷藏记录等流通信息，再利用条形码追加上消费信息，就完成了产品的追溯，可以向消费者公布。
2.3 农用机器人的特点
（1）农业机器人作业对象的娇嫩性
生物具有软弱易伤的特性，必须细心轻柔地对待和处理。且其种类繁多，形状复杂，在三维空间里的生长发育程度不一，相互差异很大。
（2）农业机器人的作业环境的非结构性
由于农业作物随着时间和空间的不同而变化，机器人的工作环境是变化的、未知的，是开放性的环境。作物生长环境除受园地、倾斜度等地形条件的约束外，还直接受季节、大气和时间等自然条件的影响。这就要求生物农业机器人不仅要具有与生物体柔性相对应的处理能力，而且还要能够顺应变化无常的自然环境。要求农业机器人在视觉、知识推理和判断力等方面具有相当的智能。
（3）农业机器人作业动作的复杂性
农业机器人一般是作业、移动同时进行，农业领域的行走不是连接出发点和终点的最短距离，而是具有狭窄的范围，较长的距离及遍及整个田间表面等特点。
（4）农业机器人的使用者
农业机器人的使用者是农民，不是具有机械电子知识的工程师，因此要求农业机器人必须具有高可靠性和操作简单的特点。
（5）农业机器人的价格特性
工业机器人所需要大量投资由工厂或工业集团支付，而农业机器人以个体经营为主，如果不是低价格，就很难普及。
在农业生产中使用机器人有很多好处：可以提高劳动生产率；解决劳动力不足的问题；改善农业生产者的安全、卫生环境；提高作业质量等。
2.4 农业机器人的关键技术
2.4.1 机器视觉
机器视觉（machine vision）作为农业机器人的外部传感器是其最大的信息源。在一般的工业机器人中不带机器人视觉的情况很常见。但是，以形状不一的农作物及其各种各样的产品为对象的农业机器人，为了识别同类产品中微妙的颜色、形状和大小等方面的差异，多数情况下需要机器视觉技术。在人类的5种感觉（视觉、触觉、听觉、嗅觉、味觉）中，一般认为九城外界信息都是通过视觉获得，而目前多数农业机器人的外部传感器中，几乎100%的信息都是通过视觉、触觉和接近觉获得的。
如此多种多样的作业对象以及变化的环境，对农业机器人的机器视觉提出了很高的要求，有关的研究并不局限于人类的可见光区，而是以植物的光谱反射特性为基础，扩展到近红外区域、紫外区域、X 射线区域甚至远红外区域。所以，由于农业机器人的机器视觉以复杂多样的生物、土壤、自然界为对象，人们希望它既有很宽的光谱敏感度特性，又有很好的动态适应性。克服这些恶劣的环境影响，也是农业机器人的机器视觉需要解决的课题之一。
2.4.2 末端执行器与机械臂
末端执行器被定义为“机器人具有可直接作用于作业对象的部分（如夹持部、螺母紧固装置、焊枪、喷漆抢）”。末端执行器的功能相当于人的手，一般安装在机械臂的前端执行各种作业。通常对带几个手指的称作机械手，对只包含喷嘴或吸盘等简单构造、安装在机械臂的前端进行作业的称作末端执行器。
在工业领域中工业机器人之所以发挥了如此巨大的作用是因为其处理对象的规格实现了标准化。但是农业机器人处理的对象又是一种什么样的情况呢? 即使同一棵树上生长的果实，其形状、大小、颜色、硬度、成熟度和位置等都完全不同，不存在完全一样的物体。另外，上述这些因素还会随着时间而改变。因此，农业机器人必须首先找到作业对象（如收获作业中首先要找出处于收获期的作物），然后一边回避枝叶等障碍物一边接近对象，进行有目的的作业。换而言之，机器人必须自己从外界收集信息并加以判断，自行决定向对象接近的方法并确认作业是否成功。
在农业机器人中，与采用通用型末端执行器相比，对应各种作业选用专门的末端执行器则对减少成本、简化结构和方便控制等更为有利。也就是说，人是使用剪刀或喷嘴等工具进行作业，而农业机器人则是在末端执行器上安装工具后进行作业，根据作业种类更换末端执行器即可完成不同作业。另外，不仅是作业本身，作业对象种类不同，末端执行器的差异也可能很大。比如，番茄收获用的末端执行器就不能用在黄瓜的收获中。在制作农业机器人的末端执行器时，需要在充分把握对象物体的物理性质的基础上，探讨达成作业母的的作业机理。只要能获得同样的效果，即使使用完全不同的方法也是可以的。
2.4.3 车辆自动化
车辆自动化即是将本来根据人的意愿进行的机械操作如制动器、转向器、油门等控制动作，变换成用电信号控制的驱动器的动作。近些年来，车辆的自动化以及自主化、机器人技术在急速的发展。基本上都是通过自动化，将本来由人工完成的操作改为由机械系统来完成，目
标是实现省力化。特别是驾驶的自动化是以目标路径和移动体当前的绝对位置、行进方位及相对距离等为参考进行引导，从根本上来说都需要获得移动体的位置和行进方位。
车辆自动化必要的技术要术可以归纳为（图2）所示内容，分别是：代替人类五官功能的“传感(sensing)”，起大脑作用的“信息处理(processing)·识别(recognition)·决策(decision-making)”，与人类以及其他机器人之间“信息传递(communication)”，作为手足的“移动机构(mobile mechanism) ”对于车辆自动化的传感，最重要的是自己的位置和方位的检测。在相对坐标系和绝对坐标系中，实时检测自己的位置，是车辆自动化的最重要的基础。线导系统(wire-guided system) 、推测导航(dead-reckoning)、机器视觉(machine vision) 等多种导航技术已经被提出并实用化，但无可否认的是，GPS (global positioning system)的发展和普及使在室外环境下自己的识别技术发生了革命性变化。障碍物检测也是重要的传感功能。也就是说，能够检测车辆周围环境的感觉，在确保安全性方面成为必备要素。
自动化技术的进一步发展，将向着不需要人介入的自主化甚至机器人化的方向发展。当今的技术水平因车辆种类的不同而不同。大脑的“信息处理·识别·决策”，可以根据处理水平进行层次化处理。低层次包括创安数据的信息处理系统和控制系统等。障碍物识别、障碍物回避、全局作业规划等属于高层次，是要求车辆具有高级智能才能完成的作业。“信息传递”是指通信系统，通过近年来远程机器人技术、网络机器人技术的发展，可以想象今后通信系统的作用将会越来越大。
车辆自动化向机器人化发展，使人用不着做到车上去操纵机器，从减轻劳动强度的角度来说是个飞跃性的进步。但是，以农用拖拉机为例，拖拉机的机器人化是人们失去了观察作物生长状况等农田状况的机会，会带来土地生产性下降的危险，为了解决这个问题，只要机器人具备了能够识别、理解农田环境的机器视觉系统，就可以获得诸如作物的生长、营养状态之类的信息。
2.5 目前农业机器人的发展现状
2.5.1 国外状况
20世纪90 年代以来，“精确农业”技术的研究与应用在发达国家受到了普遍的重视，已被国际农业科技界认为是21世纪农业实现可持续发展的先导性技术之一。各个国家先后研制出
各种农业机器人，如日本早在20世纪70年代后期，已研制出嫁接机器人、扦插机器人、移栽机器人和采摘机器人。丹麦科学家研制出一种可以用于农田除草的机器人，这不仅可以减少农民的辛苦，还可以减少除草剂对环境的污染。西班牙发明了采摘柑橘机器人，英国西尔索研究所开发了一种采蘑菇的机器人，美国发明了一种多用途的联合收割机等等。
2.5.2 国内状况
我过目前已开发出来的农业机器人有：耕耘机器人、除草机器人、施肥机器人、喷药机器人、蔬菜嫁接机器人、收割机器人、采摘机器人等。
我国已研制成功的蔬菜嫁接机器人，并成功进行了试验性嫁接生产。由中国农业大学研制的蔬菜机器人解决了蔬菜幼苗的柔嫩性、易损性和生长不一致性等难题，可以广泛的用于黄瓜、西瓜、甜瓜等菜苗的嫁接。我国还成功研制了采摘西红柿机器人，它带有彩色摄像头，能够判断果实的生熟。由于位置误差，采摘成功率为75%，对于实际需要这个数字还是可以接受的。东北林业大学研制出的林木球果采摘机器人，它的应用有望克服我国的森林资源危机，改进我国森林资源利用。
3 山地用农业机器人
3.1 什么是山地用农业机器人
山地用农业机器人主要是为了实现山地农业的科技化、技术化而发展起来的一种特别的农业机器人，与一般的农业机器人相比山地用农业机器人的作业环境更加复杂化，要求机器人的作业性能、环境适应能力更加突出，比如爬坡能力、涉水能力等。
山地用农业机器人也是一门交叉学科，是多领域技术的综合，其研究开发需要各学科相关知识的配套与支援。虽然因为用途的不同，农业机器人的结构和功能有所差异，与一般的农业机器人一样，山地用农业机器人的结构同样是包括五官、头脑、神经、手脚和心脏部分。
3.2 什么是山地农业
山地农业是指地势起伏的高海拔山地、高原地区，农、林、牧业等随自然条件的垂直地带分布不同，按一定规律由低到高相应呈现多层性、多级利用的垂直变化和立体生产布局特点的一种农业。如中国云南、四川西部和青藏高原等地的立体农业均甚突出。这里种植业一般多分布于谷地和谷坡，山地为天然林，间有草地，林线之上为天然草场，具有规律性显著、层次分明的特点。
3.3 山地用农业机器人的特点
山地用农业机器人虽然已有重大的发展，但由于在山地农业的应用还比较比较短。山地用农业机器人的研究，目前日本趋于各国之首，但是由于机器人的所具有技术和经济方面的特殊性，至今还没有普及。山地用农业机器人据具有以下的特点：
（1）山地用农业机器人一般要求边作业边移动；
（2）农业领域的行走不是连接出发点和终点的最短距离，而是具有狭窄范围，较长距离及遍及整个田间的表面特点；
（3）使用条件变化大，如气候影响，道路不平坦和在倾斜的地面上作业，还必须考虑机器左右摇摆晃动的问题；
（4）价格问题 工业机器人所需大量投资由工厂或工业集团支付，而农业机器人以个体经营为主，如果不是低价格就很难普及；
（5）可靠性 山地用农业机器人的作业环境十分复杂多变，其要求具有更高的作业能力；
（6）操作简单些 农业机器人的使用者是面向广大的农民朋友，不是具有机电知识的工程师，所以其操作一定要具有简单性。
3.4 山地用农业机器人的开发要点
3.4.1 良好的适应性
山地用农业机器人通常工作在恶劣、危险和变化的环境中。例如，温室作业通常是在温度超过40℃和湿度超过100%的环境；而露天作业面对的是风沙和强光的照射。山地用农业机器人必须具有良好的适应性，根据环境和机械本身的情况，自动进行调整。
3.4.2良好的通用性和可编程性
由于农业机器人的操作对象具有多样性和可变性，要求具有良好的通用性和可变性。只要改变部分软、硬件，就能变更判断基准，变更动作顺序，进行多种作业。例如，温室作业的机器人，更换不同末端执行器就能分别完成施肥、喷药和采摘等作业。
3.4.3 操作对象和价格的特殊性
山地用农业机器人的使用对象是广大的农民朋友，不是具有机电知识的工程师。因此，要求机器人必须具有高可靠性和操作简单的特点；另外农业生产以个体经营为主，如果价格不合理就很难普及。
3.5 山地用农业机器人的研究现状
自上世纪80年代开始，依日本为代表的发达国家纷纷开始了农业机器人的研发，而山地用农业机器人的研究，目前日本居于世界之首。虽然由于农业生产所具有的技术和经济的特殊性，还没有达到实用化。但是，已经取得了一些可喜的成果。已经开发出来的山地用农业机器人有：耕耘机器人、施肥机器人、除草机器人、喷雾机器人、蔬菜嫁接机器人、移栽机器人、收割机器人、采摘机器人、果实分拣机器人等等。
3.5.1 蔬菜嫁接机器人
3.5.1.1 嫁接技术简介
在设施栽培条件下，瓜类和茄果类连作障碍问题日益突出。连作会是土壤环境恶化，土壤中病虫害种类和数量逐渐增多，导致蔬菜生长势头减弱、产量减少、品质下降。目前，解决这一问题最为有效的办法是采用嫁接育苗技术，嫁接栽培已是黄瓜、茄子、西红柿等瓜类、茄果类蔬菜类栽培实现高产、稳产、优质的重要措施。
育苗嫁接技术是指人们有目的的将一枝植物上的枝或芽等组织，嫁接到另一株带有根系的植物上，使这个枝芽接受它的营养，发育成一枝独立生长的植物。人工嫁接要求技术精细，费时、费工、费力、工作效率低。据调查一个熟练的工人在平均劳动强度下，采用嫁接法，嫁接效率为120株/小时，以一亩地需苗数3300株为标准，则每亩需要27.5个工时，而且由于时令要求，需要在短期内处理大量的幼苗。因此，用机械嫁接取代人工嫁接就变得十分必要。
3.5.1.2国外嫁接机器人的研究
蔬菜嫁接技术在国外的一些农业发达国家如日本、荷兰已经是相当的普及，但目前只有中国、日本、韩国等为数不多的国家进行有关蔬菜自动嫁接技术的研究。日本是进行蔬菜秧苗机械自动嫁接研究最早的国家。日本机械化研究所联合农机厂家进行共同研究开发，研制出的蔬菜自动嫁接机已经形成商品并开始用于农业生产。该机的作业效率为700~800株/小时，作业精度达到90%，其所用的方法为单枝叶切除法。该嫁接机主要由苗供给部、把持搬运部、切断部、接着部、嫁接苗排出、运动控制等部分构成。
上世纪90年代初韩国也开始了对自动化嫁接技术的研究，但是嫁接技术和自动化水平还不够高，只是完成部分嫁接作业的机械操作，速度慢，还需人工用夹子固定嫁接苗，操作比较复杂。由于在结构设计上是由一把刀同时将穗木和坫木切断，所以它要求穗木和坫木的粗
细均匀程度要一致，而恰恰在嫁接作业时坫木和穗木的粗细是不一致的。因此，韩国机器对坫木、穗木的适应性差，难以适应大规模工厂化嫁接育苗的要求。
3.5.1.3 国内嫁接机器人的研究
1993年中国农业大学在自然科学基金和863计划的支持下，开始蔬菜自动化技术嫁接的研究，先后开发研制了顶端直插式蔬菜自动嫁接装置（采用插接法）和2JSZ —600型蔬菜自动嫁接机（采用贴接法）。其中，2JSZ —600型蔬菜自动嫁接机于1988年研制成功，同年通过了北京市科委组织的专家技术鉴定，填补了国内空白，并获得了国家发明专利。该嫁接机采用计算机控制，实现了穗木和坫木取苗、切苗、结合、固定和排苗等嫁接作业的自动化，他可以完成西瓜、黄瓜和甜瓜等瓜苗的自动嫁接工作，其最高工作效率为600株/小时。该机机械设计新颖、精巧；结构简单、合理；体积小、重量轻；操作方便；对穗木和坫木的适应性强，嫁接性能可靠，各项技术指标居于国内领先水平。其嫁接速度、嫁接性能等方面均达到和超过了世界先进水平。该机型在2001年3月参加了|“国家863计划15周年成就展”引起热烈反响，受到高度评价。
3.5.2 果蔬采摘机器人
在规模化农业生产中，水果蔬菜的采摘量工作量非常大，约占整个作业量的40%，而且为了保证产品的质量，必须做到实时采摘，是整个作业中最为辛苦的工作。近几年，国外已经开发了一大片水果蔬菜采摘机器人，如番茄采摘机器人、葡萄采摘机器人、黄瓜收获机器人、西瓜收获机器人、甘蓝采摘机器人和蘑菇采摘机器人。
3.5.3日本的茄子采摘机器人
日本国立蔬菜和茶叶研究所与崎埠联合研制了茄子采摘将机器人，该机器人由机器视觉系统、机械手、末端执行器以及行走装置组成。作业对象是温室中按照V 型生长方式种植的。该机器人在实验室中进行了试验，采摘成功率为62.5%，工作速度为64.1s/个，影响成功率的主要因素是机器视觉系统对采摘位置的判断不准确；同时，视觉系统也占用了72%的工作时间。
3.5.4 荷兰的黄瓜收获机器人
1996年，荷兰农业环境工程研究所开始研制除了一种黄瓜收获机。该研究在一个温室里进行研究黄瓜按照标准的园艺技术种植，并把它培养为高拉线缠绕方式吊挂生长，该机器人利用近红外系统辨识黄瓜果实，并探测它的位置。机械手只单个收获，收获黄瓜过程中不会伤
害其它未成熟的黄瓜。采摘是通过末端执行器来完成，它由机械手抓和切割器构成。末端执行器和机械手安装在行走车上，行走车为机械手的操作和采摘系统的初步定位服务。机械手有7个自由度，采用三菱RV-E2六自由度机械手，在底座增加了一个线性滑动自由度，收获后黄瓜的运输由一个可装卸的集装箱的自走运输车完成。整个系统无人工干预就能在温室里工作。实验结果为工作速度10s/根，在实验室中效果良好，但还不能满足商用的各种需要。
3.5.5 耕作机器人
耕作机器人即执行旋耕等农田作业的无人驾驶机器人拖拉机。将作业区的大小和作业方向等作为训练数据教给机器人，机器人即能全面完成农田里的作业，且能达到和人工驾驶作业同样的效率和精度。
为了使无人驾驶拖拉机在大致平坦的水田和旱田条件下能达到和人工驾驶作业同样的效率和精度，开发的机器人的构成可分为导航系统、车辆系统、控制器和作业软件四大部分，机器人的无人作业是仿照人工通常的驾驶作业方式而设计的，导航系统和作业软件的一部分根据适用场合的不同分为3种。
3.5.5.1 车辆系统和控制器
①车辆系统 机器人的车辆系统是用市售的拖拉机改造而成，由机库到田间的行程由人工驾驶完成。拖拉机发动机的输出功率为23.5kW ，带有作业幅宽为170cm 的旋耕机。对拖拉机的各部分进行了改造，可实现自动控制。装备了控制器和传感器的车辆系统(ROBOTRA)。ROBOTRA 各部分的控制和测量框图如下。为了简化控制系统，变速机构的挡位在无人作业之前有人工设定，节气门按照预先设定的半开和全开两段切换进行速度控制。各部分之间的状态的检测通过多种方式进行，以提高自我诊断和异常情况处理等无人驾驶作业的可靠性。
②控制器和安全装置 在安全装备方面，ROBOTRA 前部的碰撞开关一触到障碍物，立即对车辆实施非正常停止操作，同时便携式无线信号发射机和左、右挡泥板上的按钮开关也能实施非正常的停止。车辆控制系统可在瞬间发出指令控制“非正常停止机构”，使其按照节气门关闭、发动机燃料停供、制动器动作、穿梭变速手柄（前进、后退/停止切换机构）放回中间位置的顺序连续动作。
3.5.5.2 导航系统和无人驾驶作业方法
机器人采用的导航系统融合了地块的位置信息和车辆行进方位信息，有以下3种导航系统：
·在地块周围铺设电线的离线电磁诱导方式（LNAV ）；
·和惯性测量装置并用的GPS 方式（SANV ）；
·采用自动跟踪测量装置的光学测量方法（XNAV ）
（1）离线电磁诱导方式（LNAV ）
LNAV的电磁诱导方式称作离线方式，在离开铺设电缆的地方也能够进行电磁制导。LNAV 通过检测地块内磁场的强度确定车辆的横向位置；根据后车轮的转数求出行走距离，确定行进方向上的位置。这样，只要数百瓦的小容量家六电源，所产生的磁场分布即能够提供无人驾驶作业所需要的地块内的定位数据。在地块周围也可以通过检测和前进方向垂直的最近的电缆产生的磁场，实现高精度定位。
用LNAV 进行无人驾驶耕地作业时，出去地块周边之外，地块内的其他部分采用往复的直线作业，然后围绕地块的周边部分进行环绕作业。地边的环绕作业（四边方向的直线作业）依靠检出离得最近的电缆所产生的磁场强度进行直线行走，第二圈（内侧）的环绕作业根据第一圈环绕作业时相对侧传感器获得的磁场强度数据列行行走。往复作业是的180°转弯、环绕作业使得90°转弯、转弯后进入下一直线行程之前的对行等控制过程也是用磁场强度检测来确定位置，同时还利用振动式陀螺仪的信号并考虑车辆的朝向，平滑的引导车辆。
（2）和惯性测量装置并用的GPS 方式（SANV ）
SANV为由GPS 、惯性测量装置和地磁方位传感器组合而成的导航系统，可测量、输出作为车辆坐标值的位置信息和行进方位信息。SANV 采用GPS 基准站和GPS 移动站干涉测量定位方式，启动时在停止状态进行静态定位及惯性测量装置的三周光纤陀螺仪和加速度计的偏差值估计，之后进行动态的测试。SNAV 的使用范围根据基准站和移动站间的数据传送的可能距离确定，在视野开阔的场所可以达到500m （直线距离）
（3）采用自动跟踪测量装置的光学测量方式（XNAV ）
XNAV是从设置在地外固定点的测量角装置（基准站）观测安装在车辆上的标志（移动站），根据二者之间的距离及水平角和铅直角计算标志的坐标，将坐标的位置数据以无线传送的方式发到车辆（移动站）上。基准站的测距测角装置采用对移动物体具有自动跟踪机能的全站仪，行进方位采用三维测量，为了提高测量精度，根据车辆倾斜情况进行误差修正（车上装
有倾斜传感器）和车辆系统的消磁。
SANV 和XNAV 进行无人驾驶耕地作业几乎一样，基本上都是先进行直线往复作业，翻耕除地块周边之外的部分，然后围绕地块周边的部分进行环绕（转圈）作业。对于导航系统得到的位置信息的坐标系，为了简化路线规划和车辆引导作业软件的算法，选择坐标轴分别与地块作业区域的长、短边平行。
机器人作业和人工驾驶作业的机械效率相比，从作业效率而言，人工驾驶作业受操作者的能力影响，机器人作业受线路规划等作业软件的影响，这里人工驾驶的操作者是熟练工，所以作业软件的性能可以说堪比熟练工人。从作业精度方面，机器人漏耕面积和直行性能等方面超过了人工驾驶作业。这些指标，诸如导航信息确定车辆位置的精度等，是可以评价机器人控制性能的指标。但是，考查反应车辆在地边转弯或掉头的时候重复碾轧已耕过区域的指标——总踩踏距离，则是机器人作业时较差。这是因为和人工驾驶相比，机器人作业时转弯对行和调头比较缓慢，对行和调头所需距离较大。为了减小踩踏距离，一方面需要提高转弯、对行、及调头的效率，改进车辆导航方式，同时要改进转向控制系统，使其能实现快速转向。
3.5.6 足式机器人
足式机器人近年来非常引人注目，在山地农田这样的场所，对行走性能及攀登台阶、爬坡的能力是有要求的，足式机器人的行走性能就显示除了它的优越性。
移动式机器人一般是采用车轮形状的移动机构，这样的机构在水平面上移动是没有问题的，但是凹凸不平的地方移动就困难了。相比较而言，足式移动型机器人脚的接地点是分散的，能完成跨越障碍物、跨大步、避开洞穴等动作，从而避开不能着地的区域，还能改变高度和姿势，因此，可以在复杂的环境中移动。
在不规则地块和松软地面使用的足式机器人需要解决的问题是要获得被称为走步的周期运动——步容。协调各关节使之稳定动作最终形成最优的行走方式是很重要的，在机器人行走的时候，即使遇到不规则地形或意料之外的障碍时也能够继续行走也是很重要的。例如，有必要考虑机器人会发生预想不到的摔倒或者足部承受过大的负荷等各种意外，是机器人形成自主的、有预见性的行走模式。
为了实现上述功能，装备了显示机器人工作状态的的传感器，以提高得到“状态正常”信号的频度为目标，采用了根据试走错误自动学习步行模式的创造型学习方法。在这里可以采用强化学习法。进一步，通过观察昆虫等的动作将其模型化，形成适用于地表不规则地块
行走模式的研究正在进行之中。一般来说，脚上安装力传感器，身上安装姿态脚传感器，检测地面的支撑力和机器人的姿态等是经常考虑采用的方法。另外，轮式、履带式车辆行走时会破坏地表环境，在林中会伤及林木根部，农田中同样对庄稼幼苗伤害很大，足式机器人的对地面的破坏则会大大的减轻。通过测量各足的接地压力、关节角度、车体姿态角，可按照各足均等支撑车体的原则安排足的位置。足式机器人不仅可以前进、后退，还可以斜向、横向移动及原地转弯，行走性能好。可以相信，足式机器人在今后山地农业中发挥越来越重要。
4 山地用农业机器人的发展趋势
4.1 山地用农业机器人发展展望
从研究现状上看，山地用农业机器人正在由试验研究阶段向实用化阶段过渡。随着高科技农业发展的需要和机械电子技术日益的紧密结合，山地用农业机器人将不断地涌现与完善。在今后的发展中山地用农业机器人必须在以下几个方面得到突破。
4.1.1 智能化识别和定位
在果蔬收获采摘机器人系统中，由于作业环境的复杂性，采摘对象的智能化识别和定位还没有完全解决。其中最大的困难在于光照条件的不确定性和果实的部分或完全遮挡问题。因此，还要在视觉传感技术、视觉与非视觉传感技术的融合、图像获取和图像处理的算法等方面进行更深入的研究。
4.1.2 机械本体的优化设计
机械结构直接决定机器人运动的灵活性和控制的复杂性。收获采摘机器人必须紧凑、行走和转弯灵活。因此，在满足机器人性能的前提下，结构应尽可能的简单、紧凑和轻巧，而且还要尽可能保障机器人运动平稳和灵活避障。设计末端执行器要求在准确快速切除果实的同时，不损伤果实。所以，为了设计出合适的收获采摘机器人，必须进行机构的运动学和动力学分析，同时利用优化理论来设计机器人结果。
4.1.3 开放式的收获采摘机器人
目前的收获采摘机器人一般有两种实现方式：一是采用工业机器人和独立设计的专用机电系统。这种实现方式都是封闭式的结构，使得收获采摘机器人只能具有特定的功能，适应于特定的环境，通用性差，不便于对系统进行扩展和改进。而开放式机器人系统具有良好的扩展性、通用性和柔性作业能力。机器人的核心部分是其控制系统，因此具有开放式结构的
收获采摘机器人系统的根本要求是具有开放式结构的控制系统。收获机器人也只有具有开放式结构的控制系统才能保证控制采摘不同果实的机器人的机械部分、末端执行器和传感器。因此，建立符合开放式定义、特征的农业机器人控制系统，保证控制的可靠性、实时性是关键之所在。
4.2 山地用农业机器人的发展趋势
4.2.1 定位导航
定位导航是山顶用农业机器人的基础关键技术，也一直是农业机器人的研究重点和难点。定位确定机器人机器人在其工作环境中所处的位置的过程。更具体的说是利用环境地图信息、机器人位置的当前估计以及传感器的观测值等输入信息，经过一定的处理和变换，生产更加准确的对机器人目前位置的估计。就目前研究状况来说，农业机器人可以代替人类完成某些农业生产活动，但研究多处于实验室的试验阶段，从目前技术水平来看，在自动导航、视觉辨识定位等方面已经具有成熟的解决方案。但总的来讲，目前还需要将智能系统发展逐渐完善，是农业机器人单独完成更多的任务。
4.2.2 结构的简单化
机器人不能简单的模仿人的动作，而是要用机器人易于实现的动作代替人的动作，从而实现机械化和自动化；另外，通过生物工程使生物形态尽量均一化、规格化，使农机与农艺结合，防止机器人结构过于复杂，使其结构简单、价格合理，便于推广。
4.2.3 通用性
山地用农业机器人的作业对象具有复杂性，因此要求改变机械手的终端执行器和计算机软件，做到一机多用、以提高效率、降低成本。
4.2.4 机器人的“绿色化”
人类社会的发展必将走向人类社会和自然界的和谐。现在全球都在积极倡导生态农业，建立可持续发展的社会，而近年来国外的发达国家也正在努力打造低碳化，可以预计全球的低碳化时代也即将来临。因此，山地用农业机器人的发展也是应该做到“绿色化”。
4.2.5 机器人的“人性化”
对于“食”与“农”来说，农业机器人提供的信息是非常重要，农业机器人成为“精细农业”的核心技术。但是，农业机器人的对象是植物、动物、土壤等，这些对象大多与多样、复杂、不确定、非线性等修饰语相关联，迄今为止仍有许多特性未能揭示。例如，同
品种的作物在同样土质、土性的土壤中，在同样的环境下栽培，现在也不可能生产出同样形状、颜色、大小、特性的产品。因此，在谈到农业机器人时需要注意的是，现阶段的机器人即便在特定的环境和条件下、相对于特定的品种已经实现了作业自动化，当系统所要求的条件不能满足时，可能就无法正常运转，这种情况并不在少数。
另外，农业机器人的作业对象是包括土壤在内的生物（土壤内有微生物存在）。这里的生物有两层意思，即：因为是生物，必须考虑对地球环境的长期影响而进行可持续性作业；因为是生物，品种改良、载种方式变更等可能引起形态、特征的变化。考虑到上述因素，在今后农业生产机器人的使用中，建立“人—生物—机器人”可以协调共存的系统则成为重要的课题。
5 我国山地用农业机器人的发展战略思考
5.1 我国的山地农业
我国的山地农业主要位于秦岭以南，滇南、桂西山地以北，西依青藏高原，东邻长江中游丘陵、平原。土地总面积为100. 7×10000hm ，总人口为20679万人，人口密度为205.4人/km，该地区是中国自然界和农业资源最复杂多样的地区，除四川盆地外，农村经济贫困落后，生态环境恶化。
5.1.1 山地农业资源的特点
山高坡陡，山脉纵横交错，高原、盆地与山丘、平坝间叠分布，地质十分复杂。在土地总面积中，耕地比重较小，现有耕地中，水田占43%，旱地占57%，大部分旱地是坡耕地，加之地质新构造运动强烈，地表物质稳定性差，因而本区水土流失也较严重。
本地区河川众多，水资源丰富，年径流量占全国的22%，但受山区地貌条件限制，开发难度大，特别是广大岩溶地区，地表水漏失严重，更难利用。土地资源中耕地质量普遍较差，不仅旱地大多是土层浅薄的坡耕地，水田中亦有相当一部分是冷浸田、烂泥田等低产田。除四川盆地灌溉条件较好外，大部分地徐的水利条件很差，不仅旱地无法灌溉，水田中亦有30%左右是“望天田”或“冬水田”。本区林草资源丰富，宜林、宜牧地比耕地面积多出5~6倍，但是业、畜牧业产值之和却只有耕地产值的1//10。丰富的山地资源遭到破坏，大片的森林植被被日渐演替为疏林、灌丛及灌草丛
5.2 我国山地用农业机器人研究存在的问题
目前，我国山地用农业机器人要达到实用普及的程度。存在两个关键的问题：一是山地用农业机器人的智能程度不足；二是生产成本过高的问题。
5.2.1 山地用农业机器人的智能问题
山地农业生产的特点要求山地用农业机器人具有相当的智能和柔性生产能力以适应复杂的非结构环境，例如辨识和避障能力等。专家纷纷把研究重心从机械部分转向机器视觉、人工智能方面，力图解决机器人的智能问题。技术上在自动导航、视觉辨识定位等方面已有成熟的解决方案，但总的来讲，智能系统发展还不够完善，山地用农业机器人的智能程度还不能满足山地农业生产的需要，很多任务无法由机器人单独完成。且高智能带来的高成本也制约着机器人的应用发展。
5.2.2 山地用农业机器人成本过高的问题
目前研制出来的山地用农业机器人大都只是针对山地农业生产的某一环节的某一项作业而言，农业生产的特征之一是季节性强，造成了山地用农业机器人的使用效率降低，间接地增加了山地用农业机器人的使用成本。其性价比不能满足市场的需要，成为制约山地用农业机器人商业化和进一步研究应用的瓶颈问题。
5.3 我国山地用农业机器人发展战略
5.3.1 国家重点扶持山地用农业机器人的研发
鉴于我国现阶段的国情，发展山地用农业机器人一定要突出重点。一方面，我们要高起点适度跟踪国际发展前沿，加强与国际间的合作交流，将学习借鉴与发展创新相结合，逐步掌握核心、关键的技术，形成自主开发创新能力。另一方面，我们又要把研究重点放在促进国民经济可持续发展，对结构调整、产业升级有积极带动作用的问题之上。通过研发创新，我们应该形成符合我国山地农业的研发体系，国家应该重点扶持山地用农业机器人的研发，国家自然科学基金和国家科技创新基金要逐步扩大这些重点研究领域的资助范围与额度。
5.3.2 加强国内研究组织间的合作交流
国外发达国家的先进技术具有很强的垄断性，不会轻易对外转让，我国想要在这方面取得长足的发展，必须立足于国内，发展属于我国自主的核心技术。我国政府在加大资金投入力度的同时，必须有效组织科研单位、高等院校和企业各方面力量共同研究开发，加强交流与合作，尤其是要吸引企业界参与农业机器人技术的研究。
5.3.3 组织培养相关行业人才
机器人技术是多学科相互渗透融合而发展的一门学科，对于人才的培养尤为重要。国家应提高相关行业人才队伍的建设，高等院校应该完善人才培养机制，特别是一些农机院校应该设置与学科交叉前沿相应的专业或专业方向和课程体系，以培养既有相关领域知识与能力，又具有创新精神的新型人才。
5.3.4 山地用农业机器人的研发应基于我国山地农业的发展
我国的山地农业呈现出“立体农业”景观很有特色，一般山脚、河谷大多是以水田为主的耕作带，山腰多为旱作或农林交错地带，山顶以林木为主，因自然条件复杂，地域差异大，不同地区其立体农业层次、内容、形态都不同。今后农业的发展应坚持发展经济与治理生态环境相结合，合理开发利用山区资源，发展立体农业，充分发展林、牧业优势。
我国山地用农业农业机器人的发展在基于我国山地农业现状的同时，更应该用科技化带动生产力的发展，研发制造出适合我国农业国情的机器人已经迫在眉睫。
6 结束语
随着山地农业生产模式的变革及新技术的应用，山地用农业机器人将越来越多的应用于农业生产中。由于山地农业生产的季节性、农业作业的复杂性等特点对山地用农业机器人的性价比、智能系统提出了高要求，成为制约山地用农业机器人研究应用的瓶颈问题。开放式结构控制器应用于山地用农业机器人的控制系统，可有效解决目前山地用农业机器人存在的通用性差、成本高、智能达不到要求等问题。将开放式结构控制的设计思想应用于山地用农业机器人的研究，既有实际应用价值，也有助于我国在较高起点跟上并赶超国际先进水平。总的来说农业机器人技术远不如工业机器人发展的成熟，从研究现状看，用于农业机器人的研究已进入实用化阶段，但由于农业机器人在技术和经济方面的特殊性，目前尚未普及。随着农业生产向规模化、多样化、精确化发展，以及逐步出现的劳动力不足的问题，人们将越来越重视农业机器人的研制与开发，并随着农业工程技术的成熟，农业机器人将逐渐走向生产领域，得到广泛应用。
参考文献
[1]近藤直，门田充司，野口伸 共著 旗兵，乔军，李民赞，孙明 译. 农业机器人[M].北京：中国农业大学出版社，2009.5
[2] 汪华. 农业机械化工程技术[M]郑州：河南科学技术出版社，2000.12
[3]许世卫. 农业信息技术与信息管理[C].中国农业科学院科技文献信息中心. 北京：中国农业出版社，2005.7
[4]胡跃高. 农业总论[M]北京：中国农业大学出版社，2000.9
[5]中国机床工具工业协会. 行业发展部.CIMT2001. 巡礼[J].世界制造技术与装备市场，2001.3：18-21.
[6]刘铁军. 机电一体化现状和发展趋势[J].2008..12
[7]李建勇. 机电一体化技术[M]北京：科学出版社，2004
[8]李运华. 机电控制[M].北京：北京航空航天大学出版社，2003
[9]田素梅. 国内外农业机器人的研究进展[D].沈阳：沈阳农业大学，2007.1
[10]宋健，张铁中，张红霞. 农业机器人的研究现状与发展展望[D].北京：中国农业大学，2005
[11]崔勇. 农业机器人的研究与应用浅探[R].南昌：江西省农业机械研究所，2006
[12]王耀南. 机器人智能控制工程[M].北京：科学出版社，2004
[13]赵匀，胡旭东. 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)：22—24
[14]王辉，程雪，李玉霞. 农业机器人进展初探[R].保定：河北农业大学现代教育中心，2009
摘 要
农业机械化的发展是一个国家农业发展的水平的标志，而农业机器人的技术更体现出了一个国家的科技实力。随着现代科学技术的进步和现代高效农业的不断发展，农业机器人技术在农业现代化过程中不可替代的地位和作用越来越被人们所认识。农业科技化大大提高了劳动生产率和增加了劳动的舒适性，而且随着经济的全球化，现代农业只有通过进一步提高生产率，降低生产成本和提高产品品质才能生存。从这些新的需求出发，农业机器人向着高效率、高精度的机械化、自动化方向发展是必然的选择。
本文从当前国内外农业机器人的开发与应用现状，农业机器人的特点，针对针对我国山地、丘陵地区的地形地貌特征，着重讨论分析了我国山地用农业机器人的发展与应用现状并对山地用农业机器人的开发与应用趋势进行了探讨和预测。
关键词： 农业机器人、 山地用、 特点、 信息化、 机械化、 发展现状、 趋势
1 绪 论
1.1本课题的研究意义
农业机器人是21世纪农业机械的发展趋势之一，农业机械化的发展是一个国家农业发展水平的标志，而农业机器人技术更体现出一个国家的科技实力。我国是一个农业大国，虽然人口众多，但随着工业化进程的不断加速，可以预计农业劳动力将逐步向社会其他产业转移。实际上进入21世纪后，我国将面临着比世界任何国家都要严重的人口老龄化问题，农业劳动力不足的问题将日益凸显。另一方面伴随计算机技术水平和信息采集与处理技术水平的不断提高，新的农业生产模式和新技术的应用促进了农业的更新和发展，智能农业机械的技术条件已经成熟。
自20世纪90年代以来，自走式农业机械的田间自动导航机器视觉与农业机器人的研究得到了重视，成为探索在农业机械装备中应用智能控制的高新技术的研究方向。农业机器人是一种高度智能化、自动化的农用机械，它集传感技术、检测技术、人工智能通信技术、图像识别技术、精密及系统集成技术等多种前沿科技技术于一身，代表了机电一体化技术的最高水平。作为农业生产领域中新一代的生产工具，农业机器人在提高生产力改变农业生产模式，解决劳动力不足问题等方面显示出了极大的优势性。可以说农业机器人的应用将带来农业生产的一次技术革命，推动现代农业的发展。
因此，针对我国西南地区的地形地貌，以及西南地区的山地农业特征。抓住西部大开发的机遇，广泛的应用以山地用农业机器人为代表的新一代农业机械，大力发展山地农业机机器人科技化，全面提高农业信息化、智能化的水平，是实现我国山地农业持续稳定健康发展的必然道路。
1.2 国内外农业机械化研究现状
1.2.1国外研究现状、水平和发展趋势
近些年来，国外农业自动化技术方面飞速发展，农业机械设计向高速化、宽幅大功率、舒适的方向发展。先进的控制技术在农业机械上的应用已经相当的普及，一些著名的厂商把自动控制、信息处理、全球定位系统和激光、遥感等现代尖端技术装备应用于农业机械上，如一种农用激光平地机器人就是利用激光调平传感微机处理技术，经一次地面平整作业即可成
形，且能达到寸水不露泥的精度。美国的约翰·迪尔公司所生产的水稻联合收割机就安装了一套称为精密作业系统，该系统能提供产量或收获信息、湿度、待收获作物总质量等读数，能精确测量粮食升运器顶部的谷物流量及实时的产量数据，能分别对分离装置、滚筒转速、割台升降、割台倾斜和停车制动安全等装置进行快捷实时监测与控制。该机还装备了全球卫星定位系统和示差定位信号，可以快速确定出机器人所处的位置。
随着现代科学技术的飞速发展，机器人技术正越来越被世界各国所重视。2004
年美国机器人的年产量为16.48万台，日本的机器人生产厂家也达到了3000多个，生产的机器人占世界拥有量的70％，农业机器人已被广泛应用到各个领域。对于国土相对狭小的日本来说，他们在中小型农业机器人方面，特别是山地农业机器人方面位居世界前列。
1.2.2 国内研究现状、水平和发展趋势
20世纪60年代初，我国根据当时的国情对农业的发展提出了一个口号—农业的根本出路在于机械化、科技化。多年过去之后，我国许多地区在一些作物的主要生产环节已经基本实现了机械化作业。面对国内外农业生产出现的新形势和新特点，农业机械化发展也必须与之相适应。借鉴国外农业机械发展的经验，我国农业也应该逐步向自动化、智能化方向发展。 机器人技术的日益成熟是国家高新科技的产物，在很大程度上可以体现该国家智能化、自动化技术的水平。我国近些年来通过大力投资，加大了对机器人技术的研究，使得我国机器人技术有了长足的发展。我们不仅研究出可以娱乐的诸如音乐指挥机器人，医疗卫生方面研制了中药抓取、进行人体手术等作业的机器人，细小管道探测疏通的机器人，在农业方面也随着蔬菜嫁接机器人的出现，为我国农业生产的技术发展掀开了新的篇章。然而不足的是对山地用农业机器人这一领域的研究，国内还处于刚刚起步的阶段，与这一方面做的成功的日本相比，还有很长一段距离。
目前，我国丘陵地区的农业机械化综合作业水平不足10％，在部分地区甚至还是一张白纸，随着农业人口向城市转移的加速，发展丘陵山区的农业机械化日益凸显重要。当前丘陵山区使用的农业机械化还不成熟，故障率高、基础薄弱，特别是在一些技术含量高的领域，还存在研发的空白，山地丘陵地区的农业机械化多数处于初级阶段，与平原的区差距较大，区域发展不平衡问题日益凸显。因此，在新时期国家将把发展山地丘陵地区的农业机械化作为重点扶持对象，加大投入研发力度。
随着高新技术在农业机械新产品的广泛应用，农业机械使用的方便性、舒适性、自动化和智能化水平将进一步提高。然而，在新世纪世界各国的农业和农业现代化的发展是不平
衡的，发达国家和发展中国家的差距不会消失。广大发展中国家的农业机械化，高新技术发展趋势是从本国农业与农村经济发展的实际出发，加快发展那些适应本国农业需要的农村经济特点，农民急需的经济实用、先进可靠的农业机械，引进消化发达国家的农业机械新技术和新产品，加速国产化的步伐，与发达国家合资生产本国急需的、技术含量高的农业机械等措施，努力提高本国农业机械化水平，以增加农产品的供应量和题高农业劳动生产率，适应社会发展的需要。
1.3 本课题的研究内容
（1）论述农业机械化的发展现状
（2）农业机器人的相关技术及特点
（3）论述农业机器人的开发与应用现状
（4）论述山地用农业机器人的开发与应用现状
（5）我国山地农业的特点及发展现状
（6）对山地用农业机器人的开发与应用趋势进行探讨和预测
（7）我国山地用农业机器人发展战略思考
2 农业生产的自动化和机器人化
2.1 什么是农业机械化
提起农业机械化许多人会联想到拖拉机、联合收割机、插秧机等稻作业机械。目前主要的水稻种植机械有动力耕作机、拖拉机以及与拖拉机配套的各种作业机械如割捆机、联合收割机、干燥机、碾米机、精米机等。
除了上面列举的机械外，还有一些机械完成了它们的使命，被新开发的机械所代替，像脱粒机、收获机（履带式移动型脱粒机）等。另外，为了提高收获后的作业效率，各地还修建了大型协作粮库、稻米中心等设施。但是，这些公共设施的利用率并不像预想中的那样高，为了保证质量而是用自己的干燥机等设备的农家依然很多，而近来用遥控器控制小型直升机在水田上空盘旋、进行喷施作业的情形也屡见不鲜，因此可以看出，仅与稻田作业有关的机械就是一种多种形式机械并存的局面。尽管如此，大多数的农业机械研究者都认为，农业机械始于动力耕耘机。
2.2 从农业机械化到农业机器人
2.2.1 农业机器人的定义
在现阶段，对多样化发展的机器人，其定义还没有定论，农业机器人也是如此，相关的学会还没有针对农业机器人的定义进行过正式的探讨。另一方面，根据ISO （国际标准化机构）/TC184（产业自动化系统）/SC2（工业用机器人）的技术报告ISO/TR8373：1988，工业操纵机器人被定义为“自动控制的可再编程、多用途、有数个自由度带操纵机能的机械”
在JIS （日本工业标准）中，机器人的定义为“拥有可自动控制的操纵机能或移动机能、可完成各种作业程序、可使用在产业上的机械”，具体可以理解为
“拥有与人类上肢的动作机能类似的多种动作机能，并具有感觉和识别机能，可自主运作的机构”。根据这些描述，将可模仿人类上肢的多种动作进行农业作业的机构、可自主行走的拖拉机类借助于视觉机构、GPS(global positioning system)等高级传感系统及判断机能可自主动作的机构称为农业机器人。
2.2.2 农业机器人的历史与作用
农业机器人的研究于1982年始于日本京都大学，此后约10年间，从收获作业开始，进行了插条、移植、采摘、喷洒、套袋等各种机器人的研究，对象作物也非常广泛，有果实类、叶菜类、花卉类。此间农业机器人研究的主要任务或是将机器人工程学应用在农业上，或是根据植物的物理特性探索利用现有的适用的工业机器人的可能性。这一阶段被称为第一代农业机器人的研究阶段（20世纪80年代）
但是，仅凭已经研制出的机器人难以应对农业环境的多样性，渐渐的开始了园艺学方法与工程方法相融合的研究，这个时期持续了约10年，期间开展了便于机器人操作的栽培方式的探讨，出现了关于可适应作物形态的机器人机构的研究报告。进一步，在提出利用机器人构
筑农业生产自动化系统的同时，开始了与作业者协调作业的机器人研究，构筑了人—作物—机器人之间的关系基础。这同时也构筑了机器人拖拉机的基础，基本上解决了实用化面临的技术问题。这个阶段称为第二代农业机器人研究阶段（20世纪90年代），农业机器人的研究得到了巨大的发展。
进入21世纪，食用肉品、农产品的虚假标示等不断曝光，食品安全意识高涨，时下对食品的“可追溯性”的要求越来越强烈。此时我们可以看到现有农业机器人所起到的作用主要有：缓解劳动力不足，把人们从3K （辛苦、脏乱、危险）劳动中和单调劳动中解放出来，实现产品的高品质化及品质均一化，实现以植物工厂为代表的农业设施内的无菌化，甚至还可以给予农业生产新一代知识的刺激等。
今后，农业机器人的发展中，有必要发挥机器人所具有的感知机能大容量存储机能，为在新形式下实现食品安全以及向多样化需求的消费者提供信息，要求机器人增加正确的作业信息化功能，以及信息化的记录与利用功能。这些可以说是第三代农业机器人研究的开端。
2.2.3 利用机器人的新式农业生产
农作业大体上可以分为田间管理、栽培管理、收获、筛选，从各种作业的机器人上得来的信息整理如下。图（1）中给出了田间管理机器人、栽培管理机器人、收获机器人以及分类机器人记录的生产信息以及流通信息和消费信息。
在田间管理作业中，尤其是土壤光谱仪的利用，可以收集土壤中的水分、有机物、氮、田间地势起伏等信息；在栽培管理管理作业中可以收集农药及肥料的喷洒作业等作业经历、作业的成长状况等信息；从收获作业中可以收集作物的位置、收获时间等信息；从分类作业中可以收集外观及内部品质信息、农药残留信息等。
如上所述，信息按各作业的顺序从一个机器人传送到另一个机器人，到分类机器人时生产信息传递结束。上述作业的共通信息有农田ID 、生产者ID 、作物ID 信息等，也可以积累作业时局部的气象信息。每年积累这些信息，将信息之间联系起来，就可以对下一年的作业的改进提出指导性建议。进一步，这些信息如果再加上食品加工信息后，利用IC 标签、冷藏记录等流通信息，再利用条形码追加上消费信息，就完成了产品的追溯，可以向消费者公布。
2.3 农用机器人的特点
（1）农业机器人作业对象的娇嫩性
生物具有软弱易伤的特性，必须细心轻柔地对待和处理。且其种类繁多，形状复杂，在三维空间里的生长发育程度不一，相互差异很大。
（2）农业机器人的作业环境的非结构性
由于农业作物随着时间和空间的不同而变化，机器人的工作环境是变化的、未知的，是开放性的环境。作物生长环境除受园地、倾斜度等地形条件的约束外，还直接受季节、大气和时间等自然条件的影响。这就要求生物农业机器人不仅要具有与生物体柔性相对应的处理能力，而且还要能够顺应变化无常的自然环境。要求农业机器人在视觉、知识推理和判断力等方面具有相当的智能。
（3）农业机器人作业动作的复杂性
农业机器人一般是作业、移动同时进行，农业领域的行走不是连接出发点和终点的最短距离，而是具有狭窄的范围，较长的距离及遍及整个田间表面等特点。
（4）农业机器人的使用者
农业机器人的使用者是农民，不是具有机械电子知识的工程师，因此要求农业机器人必须具有高可靠性和操作简单的特点。
（5）农业机器人的价格特性
工业机器人所需要大量投资由工厂或工业集团支付，而农业机器人以个体经营为主，如果不是低价格，就很难普及。
在农业生产中使用机器人有很多好处：可以提高劳动生产率；解决劳动力不足的问题；改善农业生产者的安全、卫生环境；提高作业质量等。
2.4 农业机器人的关键技术
2.4.1 机器视觉
机器视觉（machine vision）作为农业机器人的外部传感器是其最大的信息源。在一般的工业机器人中不带机器人视觉的情况很常见。但是，以形状不一的农作物及其各种各样的产品为对象的农业机器人，为了识别同类产品中微妙的颜色、形状和大小等方面的差异，多数情况下需要机器视觉技术。在人类的5种感觉（视觉、触觉、听觉、嗅觉、味觉）中，一般认为九城外界信息都是通过视觉获得，而目前多数农业机器人的外部传感器中，几乎100%的信息都是通过视觉、触觉和接近觉获得的。
如此多种多样的作业对象以及变化的环境，对农业机器人的机器视觉提出了很高的要求，有关的研究并不局限于人类的可见光区，而是以植物的光谱反射特性为基础，扩展到近红外区域、紫外区域、X 射线区域甚至远红外区域。所以，由于农业机器人的机器视觉以复杂多样的生物、土壤、自然界为对象，人们希望它既有很宽的光谱敏感度特性，又有很好的动态适应性。克服这些恶劣的环境影响，也是农业机器人的机器视觉需要解决的课题之一。
2.4.2 末端执行器与机械臂
末端执行器被定义为“机器人具有可直接作用于作业对象的部分（如夹持部、螺母紧固装置、焊枪、喷漆抢）”。末端执行器的功能相当于人的手，一般安装在机械臂的前端执行各种作业。通常对带几个手指的称作机械手，对只包含喷嘴或吸盘等简单构造、安装在机械臂的前端进行作业的称作末端执行器。
在工业领域中工业机器人之所以发挥了如此巨大的作用是因为其处理对象的规格实现了标准化。但是农业机器人处理的对象又是一种什么样的情况呢? 即使同一棵树上生长的果实，其形状、大小、颜色、硬度、成熟度和位置等都完全不同，不存在完全一样的物体。另外，上述这些因素还会随着时间而改变。因此，农业机器人必须首先找到作业对象（如收获作业中首先要找出处于收获期的作物），然后一边回避枝叶等障碍物一边接近对象，进行有目的的作业。换而言之，机器人必须自己从外界收集信息并加以判断，自行决定向对象接近的方法并确认作业是否成功。
在农业机器人中，与采用通用型末端执行器相比，对应各种作业选用专门的末端执行器则对减少成本、简化结构和方便控制等更为有利。也就是说，人是使用剪刀或喷嘴等工具进行作业，而农业机器人则是在末端执行器上安装工具后进行作业，根据作业种类更换末端执行器即可完成不同作业。另外，不仅是作业本身，作业对象种类不同，末端执行器的差异也可能很大。比如，番茄收获用的末端执行器就不能用在黄瓜的收获中。在制作农业机器人的末端执行器时，需要在充分把握对象物体的物理性质的基础上，探讨达成作业母的的作业机理。只要能获得同样的效果，即使使用完全不同的方法也是可以的。
2.4.3 车辆自动化
车辆自动化即是将本来根据人的意愿进行的机械操作如制动器、转向器、油门等控制动作，变换成用电信号控制的驱动器的动作。近些年来，车辆的自动化以及自主化、机器人技术在急速的发展。基本上都是通过自动化，将本来由人工完成的操作改为由机械系统来完成，目
标是实现省力化。特别是驾驶的自动化是以目标路径和移动体当前的绝对位置、行进方位及相对距离等为参考进行引导，从根本上来说都需要获得移动体的位置和行进方位。
车辆自动化必要的技术要术可以归纳为（图2）所示内容，分别是：代替人类五官功能的“传感(sensing)”，起大脑作用的“信息处理(processing)·识别(recognition)·决策(decision-making)”，与人类以及其他机器人之间“信息传递(communication)”，作为手足的“移动机构(mobile mechanism) ”对于车辆自动化的传感，最重要的是自己的位置和方位的检测。在相对坐标系和绝对坐标系中，实时检测自己的位置，是车辆自动化的最重要的基础。线导系统(wire-guided system) 、推测导航(dead-reckoning)、机器视觉(machine vision) 等多种导航技术已经被提出并实用化，但无可否认的是，GPS (global positioning system)的发展和普及使在室外环境下自己的识别技术发生了革命性变化。障碍物检测也是重要的传感功能。也就是说，能够检测车辆周围环境的感觉，在确保安全性方面成为必备要素。
自动化技术的进一步发展，将向着不需要人介入的自主化甚至机器人化的方向发展。当今的技术水平因车辆种类的不同而不同。大脑的“信息处理·识别·决策”，可以根据处理水平进行层次化处理。低层次包括创安数据的信息处理系统和控制系统等。障碍物识别、障碍物回避、全局作业规划等属于高层次，是要求车辆具有高级智能才能完成的作业。“信息传递”是指通信系统，通过近年来远程机器人技术、网络机器人技术的发展，可以想象今后通信系统的作用将会越来越大。
车辆自动化向机器人化发展，使人用不着做到车上去操纵机器，从减轻劳动强度的角度来说是个飞跃性的进步。但是，以农用拖拉机为例，拖拉机的机器人化是人们失去了观察作物生长状况等农田状况的机会，会带来土地生产性下降的危险，为了解决这个问题，只要机器人具备了能够识别、理解农田环境的机器视觉系统，就可以获得诸如作物的生长、营养状态之类的信息。
2.5 目前农业机器人的发展现状
2.5.1 国外状况
20世纪90 年代以来，“精确农业”技术的研究与应用在发达国家受到了普遍的重视，已被国际农业科技界认为是21世纪农业实现可持续发展的先导性技术之一。各个国家先后研制出
各种农业机器人，如日本早在20世纪70年代后期，已研制出嫁接机器人、扦插机器人、移栽机器人和采摘机器人。丹麦科学家研制出一种可以用于农田除草的机器人，这不仅可以减少农民的辛苦，还可以减少除草剂对环境的污染。西班牙发明了采摘柑橘机器人，英国西尔索研究所开发了一种采蘑菇的机器人，美国发明了一种多用途的联合收割机等等。
2.5.2 国内状况
我过目前已开发出来的农业机器人有：耕耘机器人、除草机器人、施肥机器人、喷药机器人、蔬菜嫁接机器人、收割机器人、采摘机器人等。
我国已研制成功的蔬菜嫁接机器人，并成功进行了试验性嫁接生产。由中国农业大学研制的蔬菜机器人解决了蔬菜幼苗的柔嫩性、易损性和生长不一致性等难题，可以广泛的用于黄瓜、西瓜、甜瓜等菜苗的嫁接。我国还成功研制了采摘西红柿机器人，它带有彩色摄像头，能够判断果实的生熟。由于位置误差，采摘成功率为75%，对于实际需要这个数字还是可以接受的。东北林业大学研制出的林木球果采摘机器人，它的应用有望克服我国的森林资源危机，改进我国森林资源利用。
3 山地用农业机器人
3.1 什么是山地用农业机器人
山地用农业机器人主要是为了实现山地农业的科技化、技术化而发展起来的一种特别的农业机器人，与一般的农业机器人相比山地用农业机器人的作业环境更加复杂化，要求机器人的作业性能、环境适应能力更加突出，比如爬坡能力、涉水能力等。
山地用农业机器人也是一门交叉学科，是多领域技术的综合，其研究开发需要各学科相关知识的配套与支援。虽然因为用途的不同，农业机器人的结构和功能有所差异，与一般的农业机器人一样，山地用农业机器人的结构同样是包括五官、头脑、神经、手脚和心脏部分。
3.2 什么是山地农业
山地农业是指地势起伏的高海拔山地、高原地区，农、林、牧业等随自然条件的垂直地带分布不同，按一定规律由低到高相应呈现多层性、多级利用的垂直变化和立体生产布局特点的一种农业。如中国云南、四川西部和青藏高原等地的立体农业均甚突出。这里种植业一般多分布于谷地和谷坡，山地为天然林，间有草地，林线之上为天然草场，具有规律性显著、层次分明的特点。
3.3 山地用农业机器人的特点
山地用农业机器人虽然已有重大的发展，但由于在山地农业的应用还比较比较短。山地用农业机器人的研究，目前日本趋于各国之首，但是由于机器人的所具有技术和经济方面的特殊性，至今还没有普及。山地用农业机器人据具有以下的特点：
（1）山地用农业机器人一般要求边作业边移动；
（2）农业领域的行走不是连接出发点和终点的最短距离，而是具有狭窄范围，较长距离及遍及整个田间的表面特点；
（3）使用条件变化大，如气候影响，道路不平坦和在倾斜的地面上作业，还必须考虑机器左右摇摆晃动的问题；
（4）价格问题 工业机器人所需大量投资由工厂或工业集团支付，而农业机器人以个体经营为主，如果不是低价格就很难普及；
（5）可靠性 山地用农业机器人的作业环境十分复杂多变，其要求具有更高的作业能力；
（6）操作简单些 农业机器人的使用者是面向广大的农民朋友，不是具有机电知识的工程师，所以其操作一定要具有简单性。
3.4 山地用农业机器人的开发要点
3.4.1 良好的适应性
山地用农业机器人通常工作在恶劣、危险和变化的环境中。例如，温室作业通常是在温度超过40℃和湿度超过100%的环境；而露天作业面对的是风沙和强光的照射。山地用农业机器人必须具有良好的适应性，根据环境和机械本身的情况，自动进行调整。
3.4.2良好的通用性和可编程性
由于农业机器人的操作对象具有多样性和可变性，要求具有良好的通用性和可变性。只要改变部分软、硬件，就能变更判断基准，变更动作顺序，进行多种作业。例如，温室作业的机器人，更换不同末端执行器就能分别完成施肥、喷药和采摘等作业。
3.4.3 操作对象和价格的特殊性
山地用农业机器人的使用对象是广大的农民朋友，不是具有机电知识的工程师。因此，要求机器人必须具有高可靠性和操作简单的特点；另外农业生产以个体经营为主，如果价格不合理就很难普及。
3.5 山地用农业机器人的研究现状
自上世纪80年代开始，依日本为代表的发达国家纷纷开始了农业机器人的研发，而山地用农业机器人的研究，目前日本居于世界之首。虽然由于农业生产所具有的技术和经济的特殊性，还没有达到实用化。但是，已经取得了一些可喜的成果。已经开发出来的山地用农业机器人有：耕耘机器人、施肥机器人、除草机器人、喷雾机器人、蔬菜嫁接机器人、移栽机器人、收割机器人、采摘机器人、果实分拣机器人等等。
3.5.1 蔬菜嫁接机器人
3.5.1.1 嫁接技术简介
在设施栽培条件下，瓜类和茄果类连作障碍问题日益突出。连作会是土壤环境恶化，土壤中病虫害种类和数量逐渐增多，导致蔬菜生长势头减弱、产量减少、品质下降。目前，解决这一问题最为有效的办法是采用嫁接育苗技术，嫁接栽培已是黄瓜、茄子、西红柿等瓜类、茄果类蔬菜类栽培实现高产、稳产、优质的重要措施。
育苗嫁接技术是指人们有目的的将一枝植物上的枝或芽等组织，嫁接到另一株带有根系的植物上，使这个枝芽接受它的营养，发育成一枝独立生长的植物。人工嫁接要求技术精细，费时、费工、费力、工作效率低。据调查一个熟练的工人在平均劳动强度下，采用嫁接法，嫁接效率为120株/小时，以一亩地需苗数3300株为标准，则每亩需要27.5个工时，而且由于时令要求，需要在短期内处理大量的幼苗。因此，用机械嫁接取代人工嫁接就变得十分必要。
3.5.1.2国外嫁接机器人的研究
蔬菜嫁接技术在国外的一些农业发达国家如日本、荷兰已经是相当的普及，但目前只有中国、日本、韩国等为数不多的国家进行有关蔬菜自动嫁接技术的研究。日本是进行蔬菜秧苗机械自动嫁接研究最早的国家。日本机械化研究所联合农机厂家进行共同研究开发，研制出的蔬菜自动嫁接机已经形成商品并开始用于农业生产。该机的作业效率为700~800株/小时，作业精度达到90%，其所用的方法为单枝叶切除法。该嫁接机主要由苗供给部、把持搬运部、切断部、接着部、嫁接苗排出、运动控制等部分构成。
上世纪90年代初韩国也开始了对自动化嫁接技术的研究，但是嫁接技术和自动化水平还不够高，只是完成部分嫁接作业的机械操作，速度慢，还需人工用夹子固定嫁接苗，操作比较复杂。由于在结构设计上是由一把刀同时将穗木和坫木切断，所以它要求穗木和坫木的粗
细均匀程度要一致，而恰恰在嫁接作业时坫木和穗木的粗细是不一致的。因此，韩国机器对坫木、穗木的适应性差，难以适应大规模工厂化嫁接育苗的要求。
3.5.1.3 国内嫁接机器人的研究
1993年中国农业大学在自然科学基金和863计划的支持下，开始蔬菜自动化技术嫁接的研究，先后开发研制了顶端直插式蔬菜自动嫁接装置（采用插接法）和2JSZ —600型蔬菜自动嫁接机（采用贴接法）。其中，2JSZ —600型蔬菜自动嫁接机于1988年研制成功，同年通过了北京市科委组织的专家技术鉴定，填补了国内空白，并获得了国家发明专利。该嫁接机采用计算机控制，实现了穗木和坫木取苗、切苗、结合、固定和排苗等嫁接作业的自动化，他可以完成西瓜、黄瓜和甜瓜等瓜苗的自动嫁接工作，其最高工作效率为600株/小时。该机机械设计新颖、精巧；结构简单、合理；体积小、重量轻；操作方便；对穗木和坫木的适应性强，嫁接性能可靠，各项技术指标居于国内领先水平。其嫁接速度、嫁接性能等方面均达到和超过了世界先进水平。该机型在2001年3月参加了|“国家863计划15周年成就展”引起热烈反响，受到高度评价。
3.5.2 果蔬采摘机器人
在规模化农业生产中，水果蔬菜的采摘量工作量非常大，约占整个作业量的40%，而且为了保证产品的质量，必须做到实时采摘，是整个作业中最为辛苦的工作。近几年，国外已经开发了一大片水果蔬菜采摘机器人，如番茄采摘机器人、葡萄采摘机器人、黄瓜收获机器人、西瓜收获机器人、甘蓝采摘机器人和蘑菇采摘机器人。
3.5.3日本的茄子采摘机器人
日本国立蔬菜和茶叶研究所与崎埠联合研制了茄子采摘将机器人，该机器人由机器视觉系统、机械手、末端执行器以及行走装置组成。作业对象是温室中按照V 型生长方式种植的。该机器人在实验室中进行了试验，采摘成功率为62.5%，工作速度为64.1s/个，影响成功率的主要因素是机器视觉系统对采摘位置的判断不准确；同时，视觉系统也占用了72%的工作时间。
3.5.4 荷兰的黄瓜收获机器人
1996年，荷兰农业环境工程研究所开始研制除了一种黄瓜收获机。该研究在一个温室里进行研究黄瓜按照标准的园艺技术种植，并把它培养为高拉线缠绕方式吊挂生长，该机器人利用近红外系统辨识黄瓜果实，并探测它的位置。机械手只单个收获，收获黄瓜过程中不会伤
害其它未成熟的黄瓜。采摘是通过末端执行器来完成，它由机械手抓和切割器构成。末端执行器和机械手安装在行走车上，行走车为机械手的操作和采摘系统的初步定位服务。机械手有7个自由度，采用三菱RV-E2六自由度机械手，在底座增加了一个线性滑动自由度，收获后黄瓜的运输由一个可装卸的集装箱的自走运输车完成。整个系统无人工干预就能在温室里工作。实验结果为工作速度10s/根，在实验室中效果良好，但还不能满足商用的各种需要。
3.5.5 耕作机器人
耕作机器人即执行旋耕等农田作业的无人驾驶机器人拖拉机。将作业区的大小和作业方向等作为训练数据教给机器人，机器人即能全面完成农田里的作业，且能达到和人工驾驶作业同样的效率和精度。
为了使无人驾驶拖拉机在大致平坦的水田和旱田条件下能达到和人工驾驶作业同样的效率和精度，开发的机器人的构成可分为导航系统、车辆系统、控制器和作业软件四大部分，机器人的无人作业是仿照人工通常的驾驶作业方式而设计的，导航系统和作业软件的一部分根据适用场合的不同分为3种。
3.5.5.1 车辆系统和控制器
①车辆系统 机器人的车辆系统是用市售的拖拉机改造而成，由机库到田间的行程由人工驾驶完成。拖拉机发动机的输出功率为23.5kW ，带有作业幅宽为170cm 的旋耕机。对拖拉机的各部分进行了改造，可实现自动控制。装备了控制器和传感器的车辆系统(ROBOTRA)。ROBOTRA 各部分的控制和测量框图如下。为了简化控制系统，变速机构的挡位在无人作业之前有人工设定，节气门按照预先设定的半开和全开两段切换进行速度控制。各部分之间的状态的检测通过多种方式进行，以提高自我诊断和异常情况处理等无人驾驶作业的可靠性。
②控制器和安全装置 在安全装备方面，ROBOTRA 前部的碰撞开关一触到障碍物，立即对车辆实施非正常停止操作，同时便携式无线信号发射机和左、右挡泥板上的按钮开关也能实施非正常的停止。车辆控制系统可在瞬间发出指令控制“非正常停止机构”，使其按照节气门关闭、发动机燃料停供、制动器动作、穿梭变速手柄（前进、后退/停止切换机构）放回中间位置的顺序连续动作。
3.5.5.2 导航系统和无人驾驶作业方法
机器人采用的导航系统融合了地块的位置信息和车辆行进方位信息，有以下3种导航系统：
·在地块周围铺设电线的离线电磁诱导方式（LNAV ）；
·和惯性测量装置并用的GPS 方式（SANV ）；
·采用自动跟踪测量装置的光学测量方法（XNAV ）
（1）离线电磁诱导方式（LNAV ）
LNAV的电磁诱导方式称作离线方式，在离开铺设电缆的地方也能够进行电磁制导。LNAV 通过检测地块内磁场的强度确定车辆的横向位置；根据后车轮的转数求出行走距离，确定行进方向上的位置。这样，只要数百瓦的小容量家六电源，所产生的磁场分布即能够提供无人驾驶作业所需要的地块内的定位数据。在地块周围也可以通过检测和前进方向垂直的最近的电缆产生的磁场，实现高精度定位。
用LNAV 进行无人驾驶耕地作业时，出去地块周边之外，地块内的其他部分采用往复的直线作业，然后围绕地块的周边部分进行环绕作业。地边的环绕作业（四边方向的直线作业）依靠检出离得最近的电缆所产生的磁场强度进行直线行走，第二圈（内侧）的环绕作业根据第一圈环绕作业时相对侧传感器获得的磁场强度数据列行行走。往复作业是的180°转弯、环绕作业使得90°转弯、转弯后进入下一直线行程之前的对行等控制过程也是用磁场强度检测来确定位置，同时还利用振动式陀螺仪的信号并考虑车辆的朝向，平滑的引导车辆。
（2）和惯性测量装置并用的GPS 方式（SANV ）
SANV为由GPS 、惯性测量装置和地磁方位传感器组合而成的导航系统，可测量、输出作为车辆坐标值的位置信息和行进方位信息。SANV 采用GPS 基准站和GPS 移动站干涉测量定位方式，启动时在停止状态进行静态定位及惯性测量装置的三周光纤陀螺仪和加速度计的偏差值估计，之后进行动态的测试。SNAV 的使用范围根据基准站和移动站间的数据传送的可能距离确定，在视野开阔的场所可以达到500m （直线距离）
（3）采用自动跟踪测量装置的光学测量方式（XNAV ）
XNAV是从设置在地外固定点的测量角装置（基准站）观测安装在车辆上的标志（移动站），根据二者之间的距离及水平角和铅直角计算标志的坐标，将坐标的位置数据以无线传送的方式发到车辆（移动站）上。基准站的测距测角装置采用对移动物体具有自动跟踪机能的全站仪，行进方位采用三维测量，为了提高测量精度，根据车辆倾斜情况进行误差修正（车上装
有倾斜传感器）和车辆系统的消磁。
SANV 和XNAV 进行无人驾驶耕地作业几乎一样，基本上都是先进行直线往复作业，翻耕除地块周边之外的部分，然后围绕地块周边的部分进行环绕（转圈）作业。对于导航系统得到的位置信息的坐标系，为了简化路线规划和车辆引导作业软件的算法，选择坐标轴分别与地块作业区域的长、短边平行。
机器人作业和人工驾驶作业的机械效率相比，从作业效率而言，人工驾驶作业受操作者的能力影响，机器人作业受线路规划等作业软件的影响，这里人工驾驶的操作者是熟练工，所以作业软件的性能可以说堪比熟练工人。从作业精度方面，机器人漏耕面积和直行性能等方面超过了人工驾驶作业。这些指标，诸如导航信息确定车辆位置的精度等，是可以评价机器人控制性能的指标。但是，考查反应车辆在地边转弯或掉头的时候重复碾轧已耕过区域的指标——总踩踏距离，则是机器人作业时较差。这是因为和人工驾驶相比，机器人作业时转弯对行和调头比较缓慢，对行和调头所需距离较大。为了减小踩踏距离，一方面需要提高转弯、对行、及调头的效率，改进车辆导航方式，同时要改进转向控制系统，使其能实现快速转向。
3.5.6 足式机器人
足式机器人近年来非常引人注目，在山地农田这样的场所，对行走性能及攀登台阶、爬坡的能力是有要求的，足式机器人的行走性能就显示除了它的优越性。
移动式机器人一般是采用车轮形状的移动机构，这样的机构在水平面上移动是没有问题的，但是凹凸不平的地方移动就困难了。相比较而言，足式移动型机器人脚的接地点是分散的，能完成跨越障碍物、跨大步、避开洞穴等动作，从而避开不能着地的区域，还能改变高度和姿势，因此，可以在复杂的环境中移动。
在不规则地块和松软地面使用的足式机器人需要解决的问题是要获得被称为走步的周期运动——步容。协调各关节使之稳定动作最终形成最优的行走方式是很重要的，在机器人行走的时候，即使遇到不规则地形或意料之外的障碍时也能够继续行走也是很重要的。例如，有必要考虑机器人会发生预想不到的摔倒或者足部承受过大的负荷等各种意外，是机器人形成自主的、有预见性的行走模式。
为了实现上述功能，装备了显示机器人工作状态的的传感器，以提高得到“状态正常”信号的频度为目标，采用了根据试走错误自动学习步行模式的创造型学习方法。在这里可以采用强化学习法。进一步，通过观察昆虫等的动作将其模型化，形成适用于地表不规则地块
行走模式的研究正在进行之中。一般来说，脚上安装力传感器，身上安装姿态脚传感器，检测地面的支撑力和机器人的姿态等是经常考虑采用的方法。另外，轮式、履带式车辆行走时会破坏地表环境，在林中会伤及林木根部，农田中同样对庄稼幼苗伤害很大，足式机器人的对地面的破坏则会大大的减轻。通过测量各足的接地压力、关节角度、车体姿态角，可按照各足均等支撑车体的原则安排足的位置。足式机器人不仅可以前进、后退，还可以斜向、横向移动及原地转弯，行走性能好。可以相信，足式机器人在今后山地农业中发挥越来越重要。
4 山地用农业机器人的发展趋势
4.1 山地用农业机器人发展展望
从研究现状上看，山地用农业机器人正在由试验研究阶段向实用化阶段过渡。随着高科技农业发展的需要和机械电子技术日益的紧密结合，山地用农业机器人将不断地涌现与完善。在今后的发展中山地用农业机器人必须在以下几个方面得到突破。
4.1.1 智能化识别和定位
在果蔬收获采摘机器人系统中，由于作业环境的复杂性，采摘对象的智能化识别和定位还没有完全解决。其中最大的困难在于光照条件的不确定性和果实的部分或完全遮挡问题。因此，还要在视觉传感技术、视觉与非视觉传感技术的融合、图像获取和图像处理的算法等方面进行更深入的研究。
4.1.2 机械本体的优化设计
机械结构直接决定机器人运动的灵活性和控制的复杂性。收获采摘机器人必须紧凑、行走和转弯灵活。因此，在满足机器人性能的前提下，结构应尽可能的简单、紧凑和轻巧，而且还要尽可能保障机器人运动平稳和灵活避障。设计末端执行器要求在准确快速切除果实的同时，不损伤果实。所以，为了设计出合适的收获采摘机器人，必须进行机构的运动学和动力学分析，同时利用优化理论来设计机器人结果。
4.1.3 开放式的收获采摘机器人
目前的收获采摘机器人一般有两种实现方式：一是采用工业机器人和独立设计的专用机电系统。这种实现方式都是封闭式的结构，使得收获采摘机器人只能具有特定的功能，适应于特定的环境，通用性差，不便于对系统进行扩展和改进。而开放式机器人系统具有良好的扩展性、通用性和柔性作业能力。机器人的核心部分是其控制系统，因此具有开放式结构的
收获采摘机器人系统的根本要求是具有开放式结构的控制系统。收获机器人也只有具有开放式结构的控制系统才能保证控制采摘不同果实的机器人的机械部分、末端执行器和传感器。因此，建立符合开放式定义、特征的农业机器人控制系统，保证控制的可靠性、实时性是关键之所在。
4.2 山地用农业机器人的发展趋势
4.2.1 定位导航
定位导航是山顶用农业机器人的基础关键技术，也一直是农业机器人的研究重点和难点。定位确定机器人机器人在其工作环境中所处的位置的过程。更具体的说是利用环境地图信息、机器人位置的当前估计以及传感器的观测值等输入信息，经过一定的处理和变换，生产更加准确的对机器人目前位置的估计。就目前研究状况来说，农业机器人可以代替人类完成某些农业生产活动，但研究多处于实验室的试验阶段，从目前技术水平来看，在自动导航、视觉辨识定位等方面已经具有成熟的解决方案。但总的来讲，目前还需要将智能系统发展逐渐完善，是农业机器人单独完成更多的任务。
4.2.2 结构的简单化
机器人不能简单的模仿人的动作，而是要用机器人易于实现的动作代替人的动作，从而实现机械化和自动化；另外，通过生物工程使生物形态尽量均一化、规格化，使农机与农艺结合，防止机器人结构过于复杂，使其结构简单、价格合理，便于推广。
4.2.3 通用性
山地用农业机器人的作业对象具有复杂性，因此要求改变机械手的终端执行器和计算机软件，做到一机多用、以提高效率、降低成本。
4.2.4 机器人的“绿色化”
人类社会的发展必将走向人类社会和自然界的和谐。现在全球都在积极倡导生态农业，建立可持续发展的社会，而近年来国外的发达国家也正在努力打造低碳化，可以预计全球的低碳化时代也即将来临。因此，山地用农业机器人的发展也是应该做到“绿色化”。
4.2.5 机器人的“人性化”
对于“食”与“农”来说，农业机器人提供的信息是非常重要，农业机器人成为“精细农业”的核心技术。但是，农业机器人的对象是植物、动物、土壤等，这些对象大多与多样、复杂、不确定、非线性等修饰语相关联，迄今为止仍有许多特性未能揭示。例如，同
品种的作物在同样土质、土性的土壤中，在同样的环境下栽培，现在也不可能生产出同样形状、颜色、大小、特性的产品。因此，在谈到农业机器人时需要注意的是，现阶段的机器人即便在特定的环境和条件下、相对于特定的品种已经实现了作业自动化，当系统所要求的条件不能满足时，可能就无法正常运转，这种情况并不在少数。
另外，农业机器人的作业对象是包括土壤在内的生物（土壤内有微生物存在）。这里的生物有两层意思，即：因为是生物，必须考虑对地球环境的长期影响而进行可持续性作业；因为是生物，品种改良、载种方式变更等可能引起形态、特征的变化。考虑到上述因素，在今后农业生产机器人的使用中，建立“人—生物—机器人”可以协调共存的系统则成为重要的课题。
5 我国山地用农业机器人的发展战略思考
5.1 我国的山地农业
我国的山地农业主要位于秦岭以南，滇南、桂西山地以北，西依青藏高原，东邻长江中游丘陵、平原。土地总面积为100. 7×10000hm ，总人口为20679万人，人口密度为205.4人/km，该地区是中国自然界和农业资源最复杂多样的地区，除四川盆地外，农村经济贫困落后，生态环境恶化。
5.1.1 山地农业资源的特点
山高坡陡，山脉纵横交错，高原、盆地与山丘、平坝间叠分布，地质十分复杂。在土地总面积中，耕地比重较小，现有耕地中，水田占43%，旱地占57%，大部分旱地是坡耕地，加之地质新构造运动强烈，地表物质稳定性差，因而本区水土流失也较严重。
本地区河川众多，水资源丰富，年径流量占全国的22%，但受山区地貌条件限制，开发难度大，特别是广大岩溶地区，地表水漏失严重，更难利用。土地资源中耕地质量普遍较差，不仅旱地大多是土层浅薄的坡耕地，水田中亦有相当一部分是冷浸田、烂泥田等低产田。除四川盆地灌溉条件较好外，大部分地徐的水利条件很差，不仅旱地无法灌溉，水田中亦有30%左右是“望天田”或“冬水田”。本区林草资源丰富，宜林、宜牧地比耕地面积多出5~6倍，但是业、畜牧业产值之和却只有耕地产值的1//10。丰富的山地资源遭到破坏，大片的森林植被被日渐演替为疏林、灌丛及灌草丛
5.2 我国山地用农业机器人研究存在的问题
目前，我国山地用农业机器人要达到实用普及的程度。存在两个关键的问题：一是山地用农业机器人的智能程度不足；二是生产成本过高的问题。
5.2.1 山地用农业机器人的智能问题
山地农业生产的特点要求山地用农业机器人具有相当的智能和柔性生产能力以适应复杂的非结构环境，例如辨识和避障能力等。专家纷纷把研究重心从机械部分转向机器视觉、人工智能方面，力图解决机器人的智能问题。技术上在自动导航、视觉辨识定位等方面已有成熟的解决方案，但总的来讲，智能系统发展还不够完善，山地用农业机器人的智能程度还不能满足山地农业生产的需要，很多任务无法由机器人单独完成。且高智能带来的高成本也制约着机器人的应用发展。
5.2.2 山地用农业机器人成本过高的问题
目前研制出来的山地用农业机器人大都只是针对山地农业生产的某一环节的某一项作业而言，农业生产的特征之一是季节性强，造成了山地用农业机器人的使用效率降低，间接地增加了山地用农业机器人的使用成本。其性价比不能满足市场的需要，成为制约山地用农业机器人商业化和进一步研究应用的瓶颈问题。
5.3 我国山地用农业机器人发展战略
5.3.1 国家重点扶持山地用农业机器人的研发
鉴于我国现阶段的国情，发展山地用农业机器人一定要突出重点。一方面，我们要高起点适度跟踪国际发展前沿，加强与国际间的合作交流，将学习借鉴与发展创新相结合，逐步掌握核心、关键的技术，形成自主开发创新能力。另一方面，我们又要把研究重点放在促进国民经济可持续发展，对结构调整、产业升级有积极带动作用的问题之上。通过研发创新，我们应该形成符合我国山地农业的研发体系，国家应该重点扶持山地用农业机器人的研发，国家自然科学基金和国家科技创新基金要逐步扩大这些重点研究领域的资助范围与额度。
5.3.2 加强国内研究组织间的合作交流
国外发达国家的先进技术具有很强的垄断性，不会轻易对外转让，我国想要在这方面取得长足的发展，必须立足于国内，发展属于我国自主的核心技术。我国政府在加大资金投入力度的同时，必须有效组织科研单位、高等院校和企业各方面力量共同研究开发，加强交流与合作，尤其是要吸引企业界参与农业机器人技术的研究。
5.3.3 组织培养相关行业人才
机器人技术是多学科相互渗透融合而发展的一门学科，对于人才的培养尤为重要。国家应提高相关行业人才队伍的建设，高等院校应该完善人才培养机制，特别是一些农机院校应该设置与学科交叉前沿相应的专业或专业方向和课程体系，以培养既有相关领域知识与能力，又具有创新精神的新型人才。
5.3.4 山地用农业机器人的研发应基于我国山地农业的发展
我国的山地农业呈现出“立体农业”景观很有特色，一般山脚、河谷大多是以水田为主的耕作带，山腰多为旱作或农林交错地带，山顶以林木为主，因自然条件复杂，地域差异大，不同地区其立体农业层次、内容、形态都不同。今后农业的发展应坚持发展经济与治理生态环境相结合，合理开发利用山区资源，发展立体农业，充分发展林、牧业优势。
我国山地用农业农业机器人的发展在基于我国山地农业现状的同时，更应该用科技化带动生产力的发展，研发制造出适合我国农业国情的机器人已经迫在眉睫。
6 结束语
随着山地农业生产模式的变革及新技术的应用，山地用农业机器人将越来越多的应用于农业生产中。由于山地农业生产的季节性、农业作业的复杂性等特点对山地用农业机器人的性价比、智能系统提出了高要求，成为制约山地用农业机器人研究应用的瓶颈问题。开放式结构控制器应用于山地用农业机器人的控制系统，可有效解决目前山地用农业机器人存在的通用性差、成本高、智能达不到要求等问题。将开放式结构控制的设计思想应用于山地用农业机器人的研究，既有实际应用价值，也有助于我国在较高起点跟上并赶超国际先进水平。总的来说农业机器人技术远不如工业机器人发展的成熟，从研究现状看，用于农业机器人的研究已进入实用化阶段，但由于农业机器人在技术和经济方面的特殊性，目前尚未普及。随着农业生产向规模化、多样化、精确化发展，以及逐步出现的劳动力不足的问题，人们将越来越重视农业机器人的研制与开发，并随着农业工程技术的成熟，农业机器人将逐渐走向生产领域，得到广泛应用。
参考文献
[1]近藤直，门田充司，野口伸 共著 旗兵，乔军，李民赞，孙明 译. 农业机器人[M].北京：中国农业大学出版社，2009.5
[2] 汪华. 农业机械化工程技术[M]郑州：河南科学技术出版社，2000.12
[3]许世卫. 农业信息技术与信息管理[C].中国农业科学院科技文献信息中心. 北京：中国农业出版社，2005.7
[4]胡跃高. 农业总论[M]北京：中国农业大学出版社，2000.9
[5]中国机床工具工业协会. 行业发展部.CIMT2001. 巡礼[J].世界制造技术与装备市场，2001.3：18-21.
[6]刘铁军. 机电一体化现状和发展趋势[J].2008..12
[7]李建勇. 机电一体化技术[M]北京：科学出版社，2004
[8]李运华. 机电控制[M].北京：北京航空航天大学出版社，2003
[9]田素梅. 国内外农业机器人的研究进展[D].沈阳：沈阳农业大学，2007.1
[10]宋健，张铁中，张红霞. 农业机器人的研究现状与发展展望[D].北京：中国农业大学，2005
[11]崔勇. 农业机器人的研究与应用浅探[R].南昌：江西省农业机械研究所，2006
[12]王耀南. 机器人智能控制工程[M].北京：科学出版社，2004
[13]赵匀，胡旭东. 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)：22—24
[14]王辉，程雪，李玉霞. 农业机器人进展初探[R].保定：河北农业大学现代教育中心，2009