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全球人口增長帶來的糧食需求壓力,以及勞動力短缺問題,正促使農業(yè)向智能化、無人化方向發(fā)展。據聯合國糧食及農業(yè)組織測算,到2050年,世界需要增加60%的食物生產來滿足93億人口的需求。這一目標的實現,離不開農業(yè)機器人的助力。
在中國,農業(yè)勞動力老齡化問題日益突出。2017年中國農業(yè)勞動力的平均年齡為53.3歲,55歲及以上農業(yè)勞動力的占比從1996年的12.7%上升到2016年的33.6%。城鎮(zhèn)化進程加速導致農業(yè)勞動力數量減少。在這樣的背景下,農業(yè)機器人成為解決勞動力短缺問題的關鍵。
農業(yè)機器人種類繁多,涵蓋了從巡檢、作物表型分析到精準除草、果蔬采摘等多個領域。這些機器人通過先進的技術,如作物識別與跟蹤、三維重建、路徑規(guī)劃與循跡導航等,實現了智能化作業(yè)。
巡檢機器人能夠實時監(jiān)測作物生長情況,為精準農業(yè)提供數據支持。一些巡檢機器人機器人通過多源傳感器融合技術,實現了對作物生長環(huán)境的精準感知。而作物表型機器人,則能夠對作物的形態(tài)特征進行三維重建和結構分析,為育種和栽培提供科學依據。
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精準除草機器人通過目標識別和路徑規(guī)劃技術,實現了對雜草的精準清除。除草機器人,利用激光技術高效清除雜草,減少了化學除草劑的使用。精準機械抓取除草機器人,則通過機械臂控制和末端執(zhí)行器設計,實現了對雜草的物理清除。
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果蔬采摘機器人是農業(yè)機器人領域的難點和熱點。一些采摘機器人,通過視覺伺服和路徑規(guī)劃技術,實現了精準采摘。一些采摘機器人則通過混聯機械臂和柔性折斷式機械手,降低了果實損傷率。這些技術突破,為果蔬采摘機器人的商業(yè)化應用奠定了基礎。
盡管農業(yè)機器人技術取得了顯著進展,但仍面臨諸多挑戰(zhàn)。復雜環(huán)境下的精準感知技術有待提升。在光照變化、果實遮擋等復雜條件下,機器人的感知精度會受到嚴重影響。動態(tài)環(huán)境下的手-眼-腳-腦協同問題亟待解決。機器人在采摘過程中需要實時調整姿態(tài)和動作,以應對動態(tài)變化的環(huán)境。末端執(zhí)行器的操作靈巧性也是制約農業(yè)機器人發(fā)展的關鍵因素之一。
在未來3至5年內,專用農業(yè)機器人將逐步進入農場并得到廣泛應用。對靶施藥機器人、精準除草機器人等將在病蟲害防控和雜草清除方面發(fā)揮重要作用。技術突破將集中在復雜環(huán)境下的精準感知技術、手-眼-腳-腦協同技術以及采摘機械手的靈巧操縱技術等方面。
從長期來看,農業(yè)機器人將朝著通用化、多機協同和邊-端-云協同的方向發(fā)展。通用農業(yè)機器人將具備“一機多用”的功能,能夠適應多種農作物和作業(yè)場景。多機協同將實現機器人之間的高效協作,提高作業(yè)效率。邊-端-云協同則將利用云計算和大數據技術,實現機器人與農場管理系統的深度融合。
技術創(chuàng)新是農業(yè)機器人發(fā)展的核心動力。自主、智能、共融、協作將成為未來農業(yè)機器人的發(fā)展方向。大模型技術將在農業(yè)機器人的規(guī)劃與決策領域得到廣泛應用,提升機器人的智能程度和適應性。核心部件的國產化也將成為降低成本、提高市場競爭力的關鍵。
目前,部分農業(yè)機器人已經實現了產業(yè)化。挪威Saga Robotics的Thorvald農業(yè)機器人移動平臺、瑞士Ecorobotix的對靶施藥機器人等已經在市場上得到廣泛應用。但仍有部分機器人距離產業(yè)化還有較大差距,如果蔬采摘機器人和剪枝機器人等。