2022-03-07 16:00:47
山東省農(nóng)業(yè)機械科學(xué)研究院研制的果蔬采摘機器人?！ ?/span>
2月12日，山東省齊河縣，一款能自主行走、自主感知、自動采摘果實的新型機器人，在此間召開的全國春季農(nóng)業(yè)生產(chǎn)會議上亮相，引起與會代表的濃厚興趣。
近年來，多種多樣的機器人紛紛亮相，大顯身手，并不算什么大新聞。不過，能夠精準高效采摘果蔬的農(nóng)業(yè)機器人尚不多見。
古人的探索
人類對機器人的幻想和探索，古已有之。
三國時期，蜀國丞相諸葛亮潛心研究，發(fā)明了木牛流馬，往來搬運糧草，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《三國演義》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，獻給周穆王。此事記載于《列子》。這名伶人，可謂我國記載最早的機器人。進入春秋后期，大名鼎鼎的木匠魯班，造了一只木鳥。據(jù)《墨子·魯問》記載，這只木鳥“成而飛之，三日不下”。
不止中國，公元前2世紀，古希臘處于亞歷山大時代，人們發(fā)明了最原始的機器人——一臺可以憑借蒸汽唱歌的自動機。1662年，一款自動玩偶在日本大阪登臺演出，觀者如云，風(fēng)靡一時。這是竹田近江采用鐘表技術(shù)，發(fā)明的一款機器人。1738年，一只機器鴨在法國問世。它平時會喝水、進食，能排泄，進入池塘?xí)斡?，還能仰起脖子嘎嘎大叫。
在當時的歐洲，若論制作自動玩偶技術(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，世界上第一臺工業(yè)機器人方才研制成功。研制這臺工業(yè)機器人的，一位名叫約瑟·英格伯格，另一位名叫喬治·德沃爾，都是美國人。
約瑟·英格伯格讀大學(xué)期間，認真研讀了伺服理論，這是一種研究運動機構(gòu)如何才能更好地跟蹤控制信號的新理論。
再說喬治·德沃爾。1946年，他發(fā)明了一個系統(tǒng)，可以“重演”所記錄機器的運動。1954年，他獲得可編程機械手臂專利，這種機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，于1959年設(shè)計開發(fā)了世界上第一臺工業(yè)機器人“尤尼梅特”（Unimate）。當年，他們還成立了世界上第一家工業(yè)機器人制造公司，繼續(xù)研發(fā)并批量生產(chǎn)工業(yè)機器人。
當然，那時候，工業(yè)機器人承擔(dān)的工作十分簡單，不過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)簡單的動作，但畢竟這是工業(yè)機器人研發(fā)史上邁出的關(guān)鍵一步。后來，伴隨工業(yè)機器人理論研究及技術(shù)應(yīng)用的日益深入，工業(yè)機器人逐漸被應(yīng)用于其他領(lǐng)域。
繁多的種類
機器人種類繁多。在我國，專家們一般按照應(yīng)用領(lǐng)域分類，將機器人分為工業(yè)機器人和特種機器人。
農(nóng)業(yè)機器人屬于特種機器人范疇。它是一種兼有四肢行動、信息感知能力及可重復(fù)編程功能的柔性自動化或者半自動化智能農(nóng)業(yè)裝備，集傳感、監(jiān)測、通訊及精密機械技術(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)用機器人取得初步成功。
面臨的困難
現(xiàn)在，重點說說果蔬采摘機器人。由于作業(yè)的復(fù)雜性，果蔬采摘自動化程度一直處于很低水平。至今，國內(nèi)外果蔬采摘作業(yè)基本上是依靠人工來完成的，其費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)計開發(fā)出一款草莓采摘機器人，在不同光照條件下均可順利進行作業(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)計出一款葡萄收獲機器人，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器人。它從發(fā)現(xiàn)目標到采摘完成，用時不超過15秒，且對成熟番茄的采摘率保持在50%-70%之間。
設(shè)計開發(fā)果蔬采摘機器人，是一項艱難的工作。
顯然，研制果蔬采摘機器人，不能走研制玉米收獲機的路子。因為種植戶需要的是完整無損的草莓、蘋果、番茄等果實，要求機器人伸出手臂準確摘取果實。
這樣一來，與研制工業(yè)機器人相比，研制果蔬采摘機器人面臨的困難大大增加，首先是果實形狀、大小、顏色以及所處空間位置不一，變化多端，還時常受到枝葉遮擋、光線變化的影響，機器人識別、定位十分困難。
還存在一個問題，如草莓、蘋果、番茄等果實，需要機器人摘取與放置時動作輕柔，否則極易破損，降低品相，影響銷售。輕柔的動作又限制了作業(yè)效率的提升，這給科研人員研制機器人增加了難度。
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，果蔬采摘機器人必須充分調(diào)動身體的三個組成部分——感知系統(tǒng)獲取作業(yè)對象與環(huán)境信息，決策系統(tǒng)進行識別判斷與作業(yè)規(guī)劃，執(zhí)行系統(tǒng)負責(zé)貫徹執(zhí)行完成動作。三個部分巧妙配合，是多么不容易。
由此看來，設(shè)計制造一款采摘蘋果、草莓、番茄等果實的機器人，何其難也！
（本文學(xué)術(shù)顧問：山東省農(nóng)業(yè)機械科學(xué)研究院高級工程師 李青龍）
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