农业机器人的特点是什么(农业机器人的特点有哪些)

作者:赵景娟，郑，董宇，*

单位:北京市农林科学院数据科学与农业经济研究所。

介绍

农业机器人是一种新型的智能农业机械设备，它集合了人工智能监控、自动控制、图像识别技术、环境建模算法、传感器和柔性执行等先进技术。农业机器人近年来发展迅速，在提高农业生产率、改变农业生产方式、解决劳动力短缺、实现农业规模化、多样化和精准化等方面显示出巨大的优越性，逐渐成为农业工程领域的重要方向之一。

我国发展农业机器人的时机已经成熟，政府高度重视农业装备制造业的发展，相继出台了一系列政策措施。农业机器人作为一种智能农业机械，已经得到了广泛的应用，成为现代农业的重要装备。

近年来，关于农业机器人的发展现状和趋势的研究很多。陈开等(2016)绘制了农业机器人专利地图，从发展趋势、关键技术领域、地域分布、竞赛机构、专利高引用等方面进行了态势研究。应星等(2018)采用文献计量分析的方法，基于SCI高被引论文，分析了国际农机研究的技术前沿。袁建霞等(2019)以农业机器人研究相关的SCI论文为对象，综合运用文献计量法、内容分析法和专家咨询法，对农业机器人的产出趋势、研究热点、国家竞争态势和研究前沿进行分析。在综合分析专利和论文的基础上，考察了重点国家的农业机器人战略规划。采用定量分析和定性调查的方法，回顾了国内外农业机器人的发展历史，分析总结了其研究热点、前沿和未来发展趋势，分析了我国未来几年的战略需求和重点发展方向，为我国农业机器人未来前沿规划提供参考和建议。

1全球农业机器人研究历史

一般来说，农业机器人的发展经历了四个阶段(图1):

(1)萌芽期(1951-1980):1980年以前，全球每年农业机器人领域的专利申请量不到30件，为技术萌芽期。早期的农业机器人技术主要来自美国，主要涉及机器人机械的一些相关研究。相比技术专利，农业机器人论文出现的更晚，研究论文的发表时间可以追溯到1968年。每年发表的论文少于每年申请的专利。

(2)缓慢发展期(1981 ~ 1990年):农业机器人领域专利申请量开始逐步发展，但专利总量仍然较少，处于缓慢发展期，年专利申请量在70件以下。在此期间，随着工业技术、自动定位和导航技术的不断发展和广泛应用，不同类型的农业机器人，如采摘机器人、收获机器人、挤奶机器人等。，都出生了。这一阶段在农业机器人领域发表了少量的研究论文，主要涉及利用工业机器人技术研究农业的机器人化，对收割、嫁接、移栽、摘粮、喷药等作业进行了研究。1984年，京都大学的近藤教授首次将机器人成功引入农业工程领域。这一时期末期，澳大利亚、英国等国分别发表了剪毛机器人和挤奶机器人的论文。

(3)稳定发展期(1991 ~ 2005年):农业机器人技术得到进一步发展。这一阶段的专利和文件多涉及农业作业环境、作物栽培模式、作物物理特性等。，努力协调人、作物、机器人之间的关系，让机器人更适合农业作业。

(4)快速发展期(2006年至今):从2006年开始，农业机器人领域进入快速发展阶段，专利申请量和论文发表量快速上升。这一时期，高智能、高速度、低成本的农业机器人成为主要方向。现代机器人集成了高、精、尖的技术，可以配备各种类似于人眼、耳、鼻、手、脑的传感器。机器人的这些特点使得农业机器人在农业生产中发挥着不可替代的作用。

2全球农业机器人的研究现状

2.1战略规划

欧盟:一些机器人研究项目已经通过框架计划得到资助，如FP7或地平线2020。2010年，欧盟资助了作物和林业可持续管理的作物项目，旨在开发一个高度可配置的模块化智能载体平台，包括模块化并联机器人和智能工具(传感器、算法、喷雾器、夹持器)，并开发了一个专注于高价值作物(如温室蔬菜、水果、葡萄)的机器人原型。同时，在传感和智能传感器融合及学习算法方面开展了大量的研究。2016年，欧盟委员会投资9870万欧元启动第二轮“地平线2020”机器人计划。TrimBot2020作为子项目，主要利用先进的机器人和视觉技术，开发出第一台户外园林修剪机器人样机。同年，欧盟发布了2016年机器人技术路线图，涉及系统开发集成、人机交互、机电一体化、感知、导航、认知等六大技术集群。

美国:2014年，农业部国家食品与农业研究所(NIFA)宣布将花费300万美元用于农业机器人的研发，重点资助方向包括目标识别与算法、相关机器人(分拣机器人、温室机器人、园艺机器人)等。2015年，美国国家机器人计划投入3700万美元，推动合作机器人(co-robots)的开发和使用。该计划侧重于14个重点方向，如自治系统、传感和智能感知、建模和分析、规划和控制、认知和学习等。2016年，美国发布了第三版机器人路线图《从互联网到机器人》，重点关注机械与执行器、移动与搬运、感知、形式化方法、学习与适应、控制与规划、人机交互、多智能体机器人等领域。

日本:2016年，日本在第五个科技基本计划中提出，致力于创造引领大变革时代的未来产业和社会变革，加强超智能社会服务平台基础技术的研发，包括:机器人技术、传感器技术等。；利用灵活、低成本的ICT或机器人技术，加快农业智能化，以保证粮食的稳定。2017年，日本发布了人工智能产业化路线图，预计2020年左右实现无人农场和机器人的应用。

我国农业机器人研究起步较晚，但产业发展迅速，政策支持力度不小。2016年，工信部、发改委、财政部联合发布了《机器人产业发展规划(2016-2020年)》，为农业机器人的进一步发展提供了新的机遇。目前，我国正在研究制定2035年机器人产业发展规划，总结我国机器人产业发展现状、存在问题和关键技术环节，为相关产业未来发展提供指导。

2.2研发布局

(1)基础研究布局分析

农业基础研究的布局主要通过SCI论文的主题研究来体现。通过研究论文中关键词的共现，将农业机器人的研究论文归纳为五大类，分别是机器视觉、定位导航、收获机器人、渔业机器人和挤奶机器人(图2)。其中挤奶机器人的相关研究文献数量最多，涵盖了畜群管理、动物行为监测、牛奶产量和质量检测、奶牛疾病检测、奶牛福利等。其次，定位、导航和机器视觉是农业机器人最基础的支撑技术，有大量的文献。

(2)技术研发布局

R&D科技的布局主要体现在专利文献的主题研究上。目前，全球农业机器人专利研发一般包括两大主题:机器人技术和机器人类别(图3)。其中，技术课题包括机械手和传感器；类别主题包括割草、播种、采摘、收获、喷洒、灌溉、嫁接、堆垛、挤奶和渔业养殖机器人等。其中，挤奶机器人和割草机器人是当前农业机器人专利研发活动中的两大热点。

2.3产出特征分析

(1)亚洲、北美和欧洲是农业机器人研发成果的主要输出地区。

从论文和专利数量来看，排名前十的国家主要分布在亚洲、北美和欧洲，这些地区的论文和专利数量分别占全球总量的77%和95%。亚洲排名前十的国家是中国、日本和韩国，中国的专利和论文数量均居世界第一，表现突出。美国也表现不俗，论文和专利数量排名第二。此外，欧洲有五个国家进入了全球出版物和全球专利的前十名行列(表1)。

(2)欧美等国家研究产出的质量和影响力高。

美国拥有该领域前10%高被引论文的数量最多，占总数的四分之一，所有论文的被引次数排在第四位。与此同时，美国拥有最多的授权专利，高达366项。其PCT(PatentCooperation Treaty)专利排名第一，所有专利被引用量第三，可见美国非常重视国际市场的布局，论文质量和专利影响力较高。荷兰的论文被引用量居第五位，授权专利持有量居第二位，PCT专利数量居第三位，主要分布在欧洲(37%)、美国(20%)、德国(11%)等欧美国家。瑞典的论文都是先引用，表现突出。PCT专利数量和论文被引频次均排名第二，可见瑞典论文和专利的质量和影响力都是名列前茅的。加拿大专利被引为第一，相关专利影响力较高。

(3)大学、科研机构和企业在创新链中的角色分工明确。

在基础研究中，科研机构和高校是农业机器人研发的主力军。其中，中国的大学尤为突出。在排名前十的机构中，中国占据6席，中国农业大学以122篇论文排名第一，江苏大学以112篇论文排名第二，荷兰瓦赫宁大学研究中心表现突出，以78篇论文排名第三。

在技术研发上，企业是农业机器人研发的主体。其中，排名前三的机构分别是荷兰马斯兰德公司(258起)、美国科技控股公司(190起)、瑞典利拉瓦公司(166起)。目前已有企业开发出商品化产品，如马洋研发的AG1000自动蔬菜嫁接机，嫁接速度为1000株/h；2010年，荷兰Lely公司研发出最新一代挤奶机器人，命名为“宇航员”；瑞典的Delaval公司开发了一种全自动挤奶机器人(VMS)。

(4)园艺机器人的文献很多，育种机器人的专利最多。

一般来说，农业机器人的专利数量远远多于研究论文数量，主要体现在田间机器人和育种机器人上。从各类农业机器人的论文数量来看，园艺机器人相关的研究论文数量最多，为1640篇，占43.6%；其次是养殖机器人631台，占比17.1%；大田的机器人岗位最少，有527个岗位，占14.2%。从专利数量来看，养殖机器人相关专利数量最多，为2131件，占比38.7%；机器人专利数量第二，占比29.7%；大田的机器人专利数量最少，占17.8%(图4)。

全球农业机器人研究的3个前沿

3.1对外战略前沿部署分析

对各国战略规划的分析表明，欧美国家研发的机器人主要集中在园艺等高价值作物，以及感知、控制与规划、人机交互等重要技术领域。例如，欧盟的FP7作物智能机器人(Crops)项目开发了与温室蔬菜、水果和葡萄相关的机器人，TrimBot2020开发了第一个室外花园修剪机器人；美国NIFA资助了分拣机器人、温室和园艺机器人等相关研究。在技术层面，欧盟的CROPS项目在感知和智能传感器融合以及学习算法方面开展了大量的研究工作。欧盟和美国发布的相关路线图都涉及感知、控制与规划、人机交互等领域。

3.2高被引研究论文分析

通过对ESI数据库中的高被引论文和热点论文进行聚类分析，获得基础研究的前沿。在农业机器人研究领域，获得4篇高被引论文和热点论文。其中，最早的文献发表于2008年，研究内容涉及除草机器人；2017年发布的最新文档涉及一个用于作物监测的全自动机器人平台(表2)。相关研究内容包括:1)机器视觉在果蔬自动检测中的应用；2)除草机器人导航、检测识别、精准除草、绘图四大核心技术；3)蔬菜嫁接技术，其中开发高效砧木和便捷嫁接工具一直是该领域的研究热点；4)自动作物监测机器人平台，设置专用的传感器阵列，可以精确监测作物整个生命周期的冠层发育情况。

3.3核心专利技术分析

根据INNOGRAPHY数据库中的专利实力指数(90%-100%)，筛选出115项农业机器人领域的核心专利。通过聚类分析，得出该技术前沿的主题分布(图5)。这些主题涉及机械手和图像处理等机器人技术，以及育种、收割、挤奶和割草等机器人类型。这些核心专利主要来自美国、荷兰、瑞典、加拿大、以色列和德国(表3)。其中，美国技术控股公司的专利申请数量最多，达到20项；其次是美国约翰迪尔公司和荷兰礼来公司，专利申请10件；美国技术控股公司和荷兰礼来公司的专利侧重于挤奶机器人，美国约翰迪尔公司的专利侧重于田间作业机器人。国内只有江南大学的一项专利进入这项研究的前列，专利内容是“一种多关节柔性机械手”。

4全球农业机器人趋势预测

4.1机器人技术有望在未来十年实现成熟应用。

美国农业众筹平台Agfunder利用Gartner曲线对农业技术成熟度的分析显示，农业机器人技术仍处于技术触发期。现阶段，随着媒体的过度报道和非理性渲染，产品的火爆无处不在。然而，随着这些技术或产品的缺点、问题和局限性的出现，失败的案例比成功的案例更多。

此外，许多行业组织认为，农业机器人技术的成熟和应用尚需时日。根据加拿大前瞻研究所2014年发表的报告，农业机器人将于2018年在科研中实现，2020年成为主流技术，2021年普及。全球管理咨询公司波士顿和英国公司IDTechEx分别对农业机器人的研发现状和市场进行了分析和预测，认为未来几年机器人将广泛应用于农场。

4.2更多种类的农业机器人将被商业化。

目前很多国家和地区对农业机器人的使用大多局限于某几个品种，如收割机器人、挤奶机器人等已经被广泛接受和使用，技术也比较成熟。但对于蔬菜、水果、畜牧业所需的农业机器人，目前的发展水平还不够。未来，随着市场的需求和技术的进步，科学家们一定会开发出更多适合更多需求的农业机器人，如蔬菜收获机器人和水果采摘机器人，并使其更加精确和高产，从而使农业机器人应用于农业生产的各行各业，全面提高农业生产效率。据英国IDTechEx分析报告，到2023年，除草机器人、果蔬采摘机器人、草莓采摘机器人、苹果采摘机器人等。会逐渐上市，将来会有更多种类的农业机器人商业化。

4.3农业机器人的发展将更加智能化。

智能化已经成为未来农业机器人发展的必然趋势。智能机器人的决策和分析能力更强，适应能力更强，操作更简单。农民可以通过智能手机或其他智能无线终端设备在田间操作农业机器人。智能机器人还可以实现精准作业，如果园林智能机器人可以配合导航系统和红外系统在果园中实现自动寻果、果实采收、自动分级等。在新的农业生产模式和新技术的应用中，农业机器人作为新一代智能农业机械，必然要求对视觉和非视觉传感器技术、图像采集和处理算法进行更深入的研究，以提高其识别和躲避障碍物的能力，降低损伤率，真正取代人类实现智能、高效、精确的作业。此外，在各国的战略规划中，智能机器人也是其关注的重点，如欧盟的CROPS项目，旨在开发高度可配置、模块化、智能化的载体平台；多智能体机器人是美国第三版机器人路线图的重点之一。

4.4农业机器人未来市场潜力巨大。

许多行业组织对农业机器人进行了市场预测研究。2015年，国际知名研究机构Technavio发布农业机器人市场预期报告显示，2015年至2019年全球农业机器人市场年复合增长率将超过11%。根据Tractica的预测，农业机器人的出货量将从2016年的3.2万台增长到2024年的59.4万台，2024年农业机器人的营收将达到741亿美元。在我国，随着农业集约化程度的提高和制造业的智能化升级，大规模农业生产将需要越来越多的农业机器人。

5对中国的启示

5.1加强前沿布局，提升农业装备制造水平。

目前，欧美发达国家农业机器人的前瞻布局主要集中在感知、智能传感器融合与学习算法、控制与规划、人机交互等领域。我国机器人发展起步较晚，与发达国家差距仍然较大。因此，我国应及时跟踪相关领域的前沿方向，加强前沿技术的布局，缩小与发达国家的差距。与此同时，中国仍需提高农业装备的制造能力，加强关键零部件和仪器的研发。这样才能提高农业机器人的整体水平。

5.2提高基础研究质量，重视相关专利布局。

我国农业机器人领域的论文和专利数量已居世界第一，但研究质量和影响力有待进一步提高。中国科学家应加强与国际同行的交流与合作，重视专利的海外分布，提高科研成果的质量和影响力。虽然目前我国农业机器人的研究取得了一些进展，但要想在短时间内取得重大进展，仍需集中力量研究自动导航、机器视觉、图像处理与自动识别、机器人协同操作等关键技术和关键点。

5.3引导和强化企业在农业机器人产业创新中的作用

欧美等发达国家的公益组织和企业分工明确，在创新链中农业机器人的基础研究和技术开发中发挥重要作用。目前，我国农业机器人基础研究和技术开发中的创新主体都是高校和科研机构，企业尚未在其中发挥相应的作用，这将严重影响我国农业机器人的应用和产业化发展。因此，国家应加大政策和资金支持力度，引导优势企业进入相关领域，参与核心技术研发，促进农业机器人领域公私合作，加快产业化发展。

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