2022-03-07 16:00:47
山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院研制的果蔬采摘機(jī)器人。
2月12日，山東省齊河縣，一款能自主行走、自主感知、自動(dòng)采摘果實(shí)的新型機(jī)器人，在此間召開的全國(guó)春季農(nóng)業(yè)生產(chǎn)會(huì)議上亮相，引起與會(huì)代表的濃厚興趣。
近年來(lái)，多種多樣的機(jī)器人紛紛亮相，大顯身手，并不算什么大新聞。不過(guò)，能夠精準(zhǔn)高效采摘果蔬的農(nóng)業(yè)機(jī)器人尚不多見。
古人的探索
人類對(duì)機(jī)器人的幻想和探索，古已有之。
三國(guó)時(shí)期，蜀國(guó)丞相諸葛亮潛心研究，發(fā)明了木牛流馬，往來(lái)搬運(yùn)糧草，供給蜀兵之用。這些木牛流馬，“宛然如活者一般，上山下嶺，各盡其便。”這是小說(shuō)《三國(guó)演義》中的敘述。
查閱古籍，追溯歷史，早在大約3000年前的西周時(shí)期，一位名叫偃師的能工巧匠，就成功研制出能歌善舞的伶人，獻(xiàn)給周穆王。此事記載于《列子》。這名伶人，可謂我國(guó)記載最早的機(jī)器人。進(jìn)入春秋后期，大名鼎鼎的木匠魯班，造了一只木鳥。據(jù)《墨子·魯問(wèn)》記載，這只木鳥“成而飛之，三日不下”。
不止中國(guó)，公元前2世紀(jì)，古希臘處于亞歷山大時(shí)代，人們發(fā)明了最原始的機(jī)器人——一臺(tái)可以憑借蒸汽唱歌的自動(dòng)機(jī)。1662年，一款自動(dòng)玩偶在日本大阪登臺(tái)演出，觀者如云，風(fēng)靡一時(shí)。這是竹田近江采用鐘表技術(shù)，發(fā)明的一款機(jī)器人。1738年，一只機(jī)器鴨在法國(guó)問(wèn)世。它平時(shí)會(huì)喝水、進(jìn)食，能排泄，進(jìn)入池塘?xí)斡?，還能仰起脖子嘎嘎大叫。
在當(dāng)時(shí)的歐洲，若論制作自動(dòng)玩偶技術(shù)，最出色的要數(shù)瑞士鐘表匠杰克·道羅斯及其兒子利·路易·道羅斯。1773年，父子倆發(fā)明了多款自動(dòng)書寫玩偶，有的能手執(zhí)畫筆，表演繪畫；有的能手拿鵝毛，可以蘸著墨水寫字……
現(xiàn)代的研究
真正的機(jī)器人是科技發(fā)展到一定階段的產(chǎn)物。
1959年，世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人方才研制成功。研制這臺(tái)工業(yè)機(jī)器人的，一位名叫約瑟·英格伯格，另一位名叫喬治·德沃爾，都是美國(guó)人。
約瑟·英格伯格讀大學(xué)期間，認(rèn)真研讀了伺服理論，這是一種研究運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)如何才能更好地跟蹤控制信號(hào)的新理論。
再說(shuō)喬治·德沃爾。1946年，他發(fā)明了一個(gè)系統(tǒng)，可以“重演”所記錄機(jī)器的運(yùn)動(dòng)。1954年，他獲得可編程機(jī)械手臂專利，這種機(jī)械手臂按照既定的程序工作。
兩人攜手合作，發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，于1959年設(shè)計(jì)開發(fā)了世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人“尤尼梅特”（Unimate）。當(dāng)年，他們還成立了世界上第一家工業(yè)機(jī)器人制造公司，繼續(xù)研發(fā)并批量生產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人。
當(dāng)然，那時(shí)候，工業(yè)機(jī)器人承擔(dān)的工作十分簡(jiǎn)單，不過(guò)是俯身從地上撿拾汽車零件，放到傳送帶上。雖然“尤尼梅特”局限于按照預(yù)定程序，一遍遍地重復(fù)簡(jiǎn)單的動(dòng)作，但畢竟這是工業(yè)機(jī)器人研發(fā)史上邁出的關(guān)鍵一步。后來(lái)，伴隨工業(yè)機(jī)器人理論研究及技術(shù)應(yīng)用的日益深入，工業(yè)機(jī)器人逐漸被應(yīng)用于其他領(lǐng)域。
繁多的種類
機(jī)器人種類繁多。在我國(guó)，專家們一般按照應(yīng)用領(lǐng)域分類，將機(jī)器人分為工業(yè)機(jī)器人和特種機(jī)器人。
農(nóng)業(yè)機(jī)器人屬于特種機(jī)器人范疇。它是一種兼有四肢行動(dòng)、信息感知能力及可重復(fù)編程功能的柔性自動(dòng)化或者半自動(dòng)化智能農(nóng)業(yè)裝備，集傳感、監(jiān)測(cè)、通訊及精密機(jī)械技術(shù)等多種前沿科學(xué)技術(shù)于一身。
1984年，京都大學(xué)近藤教授首次將機(jī)器人成功引入農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域。之后，科技人員陸續(xù)在耕作、播種、植保、育苗、移栽、嫁接、分揀、采摘等方面應(yīng)用機(jī)器人取得初步成功。
面臨的困難
現(xiàn)在，重點(diǎn)說(shuō)說(shuō)果蔬采摘機(jī)器人。由于作業(yè)的復(fù)雜性，果蔬采摘自動(dòng)化程度一直處于很低水平。至今，國(guó)內(nèi)外果蔬采摘作業(yè)基本上是依靠人工來(lái)完成的，其費(fèi)用約占成本的三分之一到二分之一。
日本在世界上首先將農(nóng)業(yè)機(jī)器人應(yīng)用于果蔬采摘環(huán)節(jié)。2009年，日本宇都宮大學(xué)工學(xué)院教授尾崎功一氏，設(shè)計(jì)開發(fā)出一款草莓采摘機(jī)器人，在不同光照條件下均可順利進(jìn)行作業(yè)。此后，在這一領(lǐng)域，日本多年居于領(lǐng)先地位。1995年，日本岡山大學(xué)農(nóng)學(xué)院設(shè)計(jì)出一款葡萄收獲機(jī)器人，可用于棚架栽培模式的果園。2008年，日本岡山大學(xué)教授門田充司研制出一款番茄采摘機(jī)器人。它從發(fā)現(xiàn)目標(biāo)到采摘完成，用時(shí)不超過(guò)15秒，且對(duì)成熟番茄的采摘率保持在50%-70%之間。
設(shè)計(jì)開發(fā)果蔬采摘機(jī)器人，是一項(xiàng)艱難的工作。
顯然，研制果蔬采摘機(jī)器人，不能走研制玉米收獲機(jī)的路子。因?yàn)榉N植戶需要的是完整無(wú)損的草莓、蘋果、番茄等果實(shí)，要求機(jī)器人伸出手臂準(zhǔn)確摘取果實(shí)。
這樣一來(lái)，與研制工業(yè)機(jī)器人相比，研制果蔬采摘機(jī)器人面臨的困難大大增加，首先是果實(shí)形狀、大小、顏色以及所處空間位置不一，變化多端，還時(shí)常受到枝葉遮擋、光線變化的影響，機(jī)器人識(shí)別、定位十分困難。
還存在一個(gè)問(wèn)題，如草莓、蘋果、番茄等果實(shí)，需要機(jī)器人摘取與放置時(shí)動(dòng)作輕柔，否則極易破損，降低品相，影響銷售。輕柔的動(dòng)作又限制了作業(yè)效率的提升，這給科研人員研制機(jī)器人增加了難度。
步入果園、菜園或者溫室大棚等復(fù)雜多變的農(nóng)業(yè)工作環(huán)境，果蔬采摘機(jī)器人必須充分調(diào)動(dòng)身體的三個(gè)組成部分——感知系統(tǒng)獲取作業(yè)對(duì)象與環(huán)境信息，決策系統(tǒng)進(jìn)行識(shí)別判斷與作業(yè)規(guī)劃，執(zhí)行系統(tǒng)負(fù)責(zé)貫徹執(zhí)行完成動(dòng)作。三個(gè)部分巧妙配合，是多么不容易。
由此看來(lái)，設(shè)計(jì)制造一款采摘蘋果、草莓、番茄等果實(shí)的機(jī)器人，何其難也！
（本文學(xué)術(shù)顧問(wèn)：山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院高級(jí)工程師 李青龍）
返回頂部