赵春江
农业机器人与工业机器人不同的是，农业机器人属于特种机器人，工业机器人、服务机器人和特种机器人是三种不同的机器人类别。当前，农业机器人的发展速度十分迅猛，主要由于全球农业劳动力人口大幅度减少，而人口老龄化是导致劳动力减少的重要因素。目前日本是全球范围内老龄化问题比较严重的国家，2018年以后中国的老龄化问题也开始凸显，具体表现为绝大多数农村青壮年进城务工，导致了农村耕地闲置等现象。在国家高度关注粮食安全的大背景下，如何让机器人代替人工是个战略性问题，未来，农业机器人将在农业生产领域发挥重要作用。
农业机器人符合机器人的一般概念和定义，但又有其特殊性。近年来，农业机器人从一般性的自动化设备向具有高度智能的机器人方向转变，经历了技术的创新和不断发展。目前，农业机器人在智能感知、即时通讯、控制、末端执行器、操作、移动等各个方面均完成了技术迭代，已经转型升级为新型农业机器人。
为了推动农业机器人产业的发展，全球多个国家和地区都出台了相应的激励措施。例如，欧盟为了解决欧洲劳动力成本过高的问题，在“地平线欧洲”计划中投入大量资金，其中包括资助农业机器人战略伙伴计划。该计划由优傲机器人公司（UR）牵头，38个合作伙伴共同开展设施农业，还推动了机器人在畜牧业领域的应用。随着全球农业机器人市场不断拓展，大概已有70万农业机器人投入使用，市场规模预计可达到870亿美元，农业机器人市场整体稳定增长。
总之，农业机器人产业实现高速发展，近几年我国农业机器人需求量保持在38.6%的增长水平，2025年预计达到10.44亿元人民币的规模。当前，农业机器人重点集中在无人机领域，像植保无人机、大疆无人机、极飞制造等，智能采收、农业导航和生产巡检也是农业机器人产业拓展的重要领域。实际上，在农业领域真正实现大面积应用的机器人，重点集中在植保无人机和农业拖拉机自动驾驶这两个方面，虽然现在有一些特种类型的小型农业机器人也在投入使用，但仍未实现普及。
农业机器人在作业过程中要考虑很多特殊性问题。第一是农业的非结构化环境，如种植果树、养殖牲畜都是在一个不固定的结构环境中进行的生产活动，这种非结构化的环境和工业机器人工作环境有很大差异。例如，利用机器人摘苹果，树上的苹果虽然看似距离差不多，但每个苹果的具体位置以及它在枝条里的生长情况都不一样，因为没有结构完全相同的苹果树，这就是农业机器人工作环境的复杂性。第二是农业环境的变化。一日有昼夜之别，夜间是没有光的。在白天，即使有主动光源照射提供目标识别定位，但光有强弱之分，气候有阴晴之差，再加上非结构化的复杂环境，使我们在识别和定位目标对象时面临很大挑战。另外，农业机器人操作对象的生物特性也极为特殊，特别是采收机器人。像摘苹果这类作业，机器人拿捏苹果的力道一旦不准，不仅影响商品的品质，还可能造成经济损失。除了原有的技术以外，农业机器人的复杂性还源于它的特殊性，这些都是我们面临的重大挑战。
未来，在信息感知、自主决策、末端执行机构等方面，研发可能变得更加复杂。相较于工业的经济效益，农业具有社会性和公益性。因此，从长期的战略角度看，从事农业机器人研发的企业的经济效益回报也面临突出问题，开展机器人创新和探索具有很大的不确定性和挑战性。
目前，我国正积极探索农田作业机器人，主要涉及收获、采摘、播种、施肥、打药、放牧等方面。与此同时，全球农业机器人的初创公司也在迅速发展。在这种背景下，如何根据我国自身的情况和特点，根据机器人“卡脖子”技术问题来研究适合农业场景的机器人，是我们未来所承担的重大科技任务。
农田作业机器人在作业过程中，地形、土壤松软度、农作物是否相互遮挡等应用场景都是需要考虑的实际情况。多机协同是提高作业效率的重要方式，一万亩地需要多台机器人作业，一旦有机器人在作业过程中出现故障，就立马需要进行动态分配，重新规划整个任务。另一种情况是机器人在完成设定工作任务后，把它调拨到新的作业面上，这就涉及对任务和路径的重新分配与规划。除了上述情况外，还有其他更为复杂的作业场景。因此，农业机器人研发领域最核心的部分是高精度的感知技术，过去我们感知目标对象，未来我们需要能够感知情景。情景感知包括预测对象之间的关系以及下一个动作的倾向性，这样能提高农业机器人的作业效率和安全性。
除了感知以外，机器人的掉头拐弯又是另一个核心问题。中国农田地块比较小，拖拉机还没走多长时间就有可能要掉头了，在众多的掉头方式中，如U型、灯泡型、鱼尾型等，哪种方式效率最高，在什么情景下用拐弯的模式都是关于机器人控制的重要问题。目前，在农业领域基于北斗卫星导航、视觉导航、惯性导航构建的大田作业机器人，这个技术相对来说比较成熟，在生产实践中已经实现了像无人农场的应用场景。
农业生产中除了机器人的行走问题以外，控制精度的问题也是亟须解决的。机器人后面通常要挂一个用于打药、施肥、播种的机具，这些机具要和主机达到高度的协同，比如像机械和播种机械可能是一体化的，但是施肥打药的机械只是靠连接杆和液压装置进行连接，所以需要控制精度。在农业的应用场景中，果园是很突出的场景，在实践中，农机和农艺的融合非常重要，我们不能简单地只要求机器人做到什么，而且要对农艺的要求做出调整，这样才能实现高效率作业。
人工智能的发展为机器人发展带来了新机遇，未来，农业机器人的发展首先要考虑的是在新材料、新工艺和机械装备方面的创新与突破。与此同时，路径规划与自动感知等技术仍需进一步创新和发展，尤其是在一些新型传感器和算法上要有突破和创新。其次是作业性能的提升，机械臂的柔性、多臂协同等方面也是我们需要考虑的问题。第三要考虑作业的效率问题，现在机器人完成任务需要的时间比较久，只有通过提升人工智能技术的算法和算力，才能提升机器人工作速度，最终推动机器人产业的发展。
未来，在农业机器人应用的新场景条件下，我们用工业技术理念来完成某一项特定动作，实现工业化生产。同时，在农业领域须进行农艺改革，规范农艺操作，不仅要简化机器人本身，还要从农作物结构等多方面进行简化，使之更加符合机器人的特性，这样才能打造适合机器人作业的场景。当前，我国农业机器人产业发展具有巨大潜力，但农业机器人技术的发展也面临重大挑战，希望机器人相关领域人士群策群力，共同助推中国农业机器人产业的高质量发展。
（作者系中国工程院院士。本文根据作者在2023世界机器人大会主论坛第五单元：协同共赢——“机器人+”产业创新论坛上所做的演讲整理。）