2024年農(nóng)業(yè)機(jī)器人現(xiàn)狀與展望報告-中國工程院

主任報告內(nèi)容NERCHA鮑桂，等。 當(dāng)前草莓采摘高度依賴于人工，西方勞動力嚴(yán)重缺乏、不穩(wěn)定且成本高昂。西方勞動力缺乏：·嚴(yán)重依賴季節(jié)性工人·西歐主要來自東歐國家采摘人工成本高昂：·挪威采摘工約：120元/時·英國采摘工約：80元/時季節(jié)性采摘工來源不穩(wěn)定：嚴(yán)重影響生產(chǎn)傳統(tǒng)大田壟式草莓采摘借助運輸車人工采摘i疫情導(dǎo)致季節(jié)工缺乏，挪威農(nóng)場主夜不能寐英國現(xiàn)代化高架草莓溫室大棚疫情導(dǎo)致季節(jié)工缺乏，挪威農(nóng)場主夜不能寐根據(jù)聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織(FAO)的測算，到2050年，世界需要增加60%的食物生產(chǎn)來滿足93億的全球人口需求。這要求農(nóng)民在相同的土地上更精確、高效地生產(chǎn)食物，并減少環(huán)境影響以實現(xiàn)可持續(xù)性。世界人口變化1965-2050世界人均食物消耗量變化世界人口變化1965-205000貌i0貌i屋屋ODevdlopongcountris■DewelopodODevdlopongcountris■Dewelopod來源：聯(lián)合國，2007來源：聯(lián)合國，2007農(nóng)業(yè)機(jī)器人等智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)能在恰當(dāng)?shù)臅r間和恰當(dāng)?shù)牡攸c為每株植物提供恰當(dāng)種類和數(shù)量的輸入物，例如化肥、水和農(nóng)藥，不僅能提高農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，還能改善水和化學(xué)品等資源的使用效率。世界農(nóng)業(yè)勞動力占比已從1991年的44%將至2021年的26%來源：國際勞工組織ILO,2021每年減少約1300萬人單位：%農(nóng)業(yè)就業(yè)人口占比來源：布瑞克農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)，2020不僅如此，中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)還面臨農(nóng)業(yè)勞動力老齡化的問題。2017年中國農(nóng)業(yè)勞動力的平均年齡為53.3歲；55歲及以上農(nóng)業(yè)勞動力的占比從1996年第一次農(nóng)業(yè)普查時的12.7%上升到2016年第三次農(nóng)業(yè)普查時的33.6%,增幅達(dá)165%。未來如果沒有能夠替代人工作業(yè)的高端農(nóng)業(yè)裝備，我們很可能面臨“無人耕種、天價食品”的窘境。主要特征主要特征簡易機(jī)械純機(jī)械式農(nóng)業(yè)裝備電氣自動化，衛(wèi)星導(dǎo)航、監(jiān)測等之前第一次工業(yè)革命19世紀(jì)中葉21世紀(jì)人工智能、機(jī)器人與大數(shù)據(jù)技術(shù)今天自主精準(zhǔn)作業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)8NERCTA2.3定義與基本組成NERCTA果蔬采摘機(jī)器人關(guān)鍵部件攝像頭攝像頭路徑規(guī)劃場景預(yù)測機(jī)械臂機(jī)械手機(jī)械手手計算機(jī)腦6位置感知腦6腳特點：農(nóng)業(yè)非結(jié)構(gòu)化環(huán)境，導(dǎo)致比工業(yè)機(jī)器人更加復(fù)雜。來源：由提示詞驅(qū)動ChatGPT4o生成，熊亞，2024ROBOTICS2智能裝備特性智能裝備特性IntelliTUrnAutomaticallyCalculasifL現(xiàn)須口農(nóng)業(yè)機(jī)器人，面向農(nóng)業(yè)場景可精準(zhǔn)感知、自主決策、massproductionelectricalewaterpowcrindigenoustoolminualworkpowerpowermonitoringguidanceapplicatianpesticidegreenrevolut:onformedforprcisionagrifirstmechanicalloomfirstasscmblylineNEAC?TA巡檢機(jī)器人，中國國家智能農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心，2021作物表型機(jī)器人，德國波恩大學(xué)，2021作物表型機(jī)器人，美國伊利諾伊大學(xué)香檳分校，2017放牧機(jī)器人，澳大利亞悉尼大學(xué)，2016關(guān)鍵技術(shù)：農(nóng)業(yè)機(jī)器人移動平臺、機(jī)器人導(dǎo)航、作物表型分析、路徑規(guī)劃、智能決策、物聯(lián)網(wǎng)等。來源：挪威生命科學(xué)大學(xué)，2018來源：熊亞等，2022來源：德國波恩大學(xué)，2021主要技術(shù)：主要技術(shù)：主要技術(shù)：噴藥機(jī)器人，中國國家智能農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心，2021對靶施藥機(jī)器人，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，2021對靶施藥機(jī)器人，瑞士ecoRobotix公司，2020精準(zhǔn)定點施藥機(jī)器人，悉尼大學(xué)，2015關(guān)鍵技術(shù)：農(nóng)業(yè)機(jī)器人移動平臺、機(jī)器人對行導(dǎo)航、作物檢測、對靶控制、路徑規(guī)劃、智能決策、物聯(lián)網(wǎng)等。D主要技術(shù)：1.目標(biāo)識別2.目標(biāo)跟蹤3.大小預(yù)測主要技術(shù)：1.噴嘴設(shè)計2.霧化控制3.動態(tài)補償精準(zhǔn)機(jī)械鋤除草機(jī)器人，悉尼大學(xué)&Agrris精準(zhǔn)機(jī)械鋤除草機(jī)器人，悉尼大學(xué)&Agrris公司，2020精準(zhǔn)噴藥除草機(jī)器人，瑞士ecoRobotix精準(zhǔn)噴藥除草機(jī)器人，瑞士ecoRobotix公司，2019精準(zhǔn)機(jī)械抓取除草機(jī)器人，荷蘭Odd.Bot公司，2023精準(zhǔn)激光除草機(jī)器人，美國Carbonrobotics公司，2022關(guān)鍵技術(shù)：農(nóng)業(yè)機(jī)器人移動平臺、機(jī)器人對行導(dǎo)航、大數(shù)據(jù)、雜草與作物檢測、執(zhí)行器設(shè)計、視覺伺服、路徑規(guī)劃、智能決策、物聯(lián)網(wǎng)等。主要技術(shù)：2.路徑規(guī)劃3.動態(tài)補償(機(jī)來源：Zhao等，聊城大學(xué)，2020米源：西澳大利亞大學(xué)，2015主要技術(shù)：主要技術(shù)：NERCITANERCITA葡萄園剪枝機(jī)器人，美國VisionRobotics公司，2009西紅柿剪枝機(jī)器人，荷蘭Priva公司，20213.4剪枝機(jī)器人主要技術(shù)：CC21M5V主要技術(shù)：青椒采摘機(jī)器人，荷蘭瓦赫寧根大學(xué)，2015青椒采摘機(jī)器人，荷蘭瓦赫寧根大學(xué)，2015青椒采摘機(jī)器人，澳洲昆士蘭大學(xué)，2020青椒采摘機(jī)器人，荷蘭瓦赫寧根大學(xué)&以色列本古里安大學(xué)，2020MENCr3.5果蔬采摘機(jī)器人西紅柿串采機(jī)器人，以色列MetoMotion公司，2021西紅柿單采機(jī)器人，以色列RootAI公司，20203.5果蔬采摘機(jī)器人NERCITANERCITA番茄采摘機(jī)器人，李亞軍、馮青春等番茄采摘機(jī)器人，李亞軍、馮青春等(授權(quán)發(fā)明1件)(申請專利1件)利1件)草莓采摘機(jī)器人，熊亞等(申請專利1件、授權(quán)發(fā)明1件)混聯(lián)機(jī)械臂(授權(quán)會1篇)平臺(申請專利1①完全獨立產(chǎn)權(quán)(核心部件均已申請專利)、純自主研發(fā)態(tài)不變傷低、容錯高④視覺-激光雷達(dá)融合導(dǎo)航溫室環(huán)境下精度高⑤換電系統(tǒng)電池?zé)岵灏?，保證不間斷作業(yè)草莓采摘機(jī)器人初步測試機(jī)械手方案2:多自由柔性手EBCA混聯(lián)多自由度機(jī)械臂NERCTANERCTA問題：為什么機(jī)器人已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工廠流水線卻沒有從事于果蔬采摘?1.農(nóng)業(yè)機(jī)器人移動平臺：1.農(nóng)業(yè)機(jī)器人移動平臺：2.對靶施藥機(jī)器人：loteasiertom3.UV3.UV-C病蟲害防控機(jī)器人：1.精準(zhǔn)除草機(jī)器人：·草莓—Agrobot(西班牙)、DogTooth1.精準(zhǔn)除草機(jī)器人：力(中國)2.果園運輸機(jī)器人：2.果園運輸機(jī)器人：3.棉花打頂機(jī)器人：青椒—Agrist(日本)2.剪枝機(jī)器人：2.1.復(fù)雜環(huán)境下感知不精準(zhǔn)果實耐擠壓特性動態(tài)的果實、動態(tài)的機(jī)器人，系統(tǒng)延遲，如何使手-眼-腳-腦協(xié)同?來源：由提示詞驅(qū)動ChatGPT40生成，熊亞，2024NERCTANERCTA在成簇聚集生長、果梗相互纏繞的草莓中，如何靈巧地選擇性采摘成熟果實且保證不損傷果實?靈巧機(jī)械手抓取草莓果萼恒壓氣囊夾持果萼分離式采摘手爪單氣缸驅(qū)動果柄切割夾持式采摘手爪采摘力學(xué)特性測量分析測量夾具測量夾具果萼離層斷裂特性果實(柄)摩擦特性果柄切割斷裂特性>果實耐擠壓特性抓取力測試三指設(shè)計；方案初步驗證；四指設(shè)計；優(yōu)化走線；外觀與結(jié)構(gòu)重新設(shè)計；性能提升；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；機(jī)械與電氣接口適配；垂直蘋果中軸提升樣機(jī)代別軸樣機(jī)代別軸與中軸初代二代三代初代24.6Nmm二代41.36N在蘋果采摘平臺上的集成及初步測試2、存在的問題2.5.持續(xù)作業(yè)難2.6.智能程度低適應(yīng)性差2.7.成本高當(dāng)前農(nóng)業(yè)機(jī)器人難以實現(xiàn)持續(xù)作業(yè)，特別是果蔬采摘機(jī)器人，如何保證機(jī)器人長時間持續(xù)作業(yè)?當(dāng)前機(jī)器人存在大量設(shè)定性程序，大多只能用于特定場景，難以適應(yīng)各種農(nóng)場或農(nóng)作物品種如何將動輒幾十萬的農(nóng)業(yè)機(jī)器人降到3-5萬，農(nóng)民能承擔(dān)起的價格?故障檢測與自恢復(fù)大模型與通用人工智能核心部件國產(chǎn)化云計算規(guī)?；a(chǎn)專用農(nóng)業(yè)機(jī)器人逐步進(jìn)入農(nóng)場應(yīng)用：·對靶施藥、病蟲害防控機(jī)器人得到大量使用·精準(zhǔn)除草機(jī)器人、果園運輸機(jī)器人等逐步得到推廣使用·果蔬采摘機(jī)器人得到初步應(yīng)用(解決部分勞動力)技術(shù)突破：·復(fù)雜環(huán)境下精準(zhǔn)感知技術(shù)大幅提升·采摘機(jī)械手、專用機(jī)械臂等核心部件實現(xiàn)國產(chǎn)化·靈巧操縱技術(shù)進(jìn)一步提升·大模型技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)器人規(guī)劃與決策領(lǐng)域得到大量應(yīng)用3、發(fā)展趨勢(長期：未來5-20年)“一機(jī)多用”示意圖3、發(fā)展趨勢(長期：未來5-20年)來源：由提示詞驅(qū)動ChatGPT4o生成，20243、發(fā)展趨勢(長期：未來5-20年)天人收99天人收99元農(nóng)業(yè)自主作業(yè)系統(tǒng)數(shù)庫證*平理a*業(yè)暫重農(nóng)場管家業(yè)窗慧農(nóng)場管家具體動作"端到端"Tbo農(nóng)MZ12MotionandPathPla34Nevwpetion25LearningandAdapti67Optimizationand8