第五节劳动之友——农林业机器人
“面朝黄土背朝天，一年四季不得闲”作为一种传统的劳作方式，已经延续了几千年。但近年来各种农业机器人的问世，有望改变这种劳动方式。在农业机器人研发方面，目前日本居于世界各国之首。
在日本、美国等发达国家，农业人口较少，随着农业生产的规模化、多样化、精确化，劳动力不足的现象越来越明显。许多作业项目如蔬菜、水果的挑选与采摘、蔬菜的嫁接等都是劳动力密集型的工作，再加上时令的要求，劳动力问题很难解决。正是基于这种情况，农林业机器人应运而生。
使用机器人有很多好处，比如可以提高劳动生产率，解决劳动力的不足；改善农业的生产环境，防止农药、化肥等对人体的伤害；提高作业质量等。
而随着信息化时代的到来和设施农业、精确农业的出现，一向被视为落后的农业生产方式也必将乘上现代化的快车，而农业的新发展尤其离不开生物工程与信息化，在这方面，机器人具有得天独厚的能力。但是由于农业机器人所具有的技术和经济方面的特殊性，目前还没有得到普及。
农业机器人的特点：
（1）农业机器人一般要求边作业边移动。
（2）农业领域的行走不是连接出发点和终点的最短距离，而是具有狭窄的范围、较长的距离及遍及整个田间表面的特点。
（3）使用条件变化较大，如气候影响、道路的不平坦和在倾斜的地面上作业，还须考虑左右摇摆的问题。
（4）价格问题，工业机器人所需大量投资由工厂或工业集团支付，而农业机器人以个体经营为主，如果不是低价格，就很难推广和普及。
（5）农业机器人的使用者是农民，不是具有机械电子知识的工程师，因此要求农业机器人必须具有高可靠性和操作简单的特点。
进入21世纪以后，新型多功能农林业机械得到了日益广泛地应用，智能化机器人也在广阔的田野上和森林里越来越多地代替手工完成各种农活，第二次农业革命有了深入发展。
现在已开发出来的农林业机器人有：耕耘机器人、施肥机器人、除草机器人、喷药机器人、蔬菜嫁接机器人、收割机器人、蔬菜水果采摘机器人、林木修剪机器人、果实分拣机器人等。
1.分工细致——田间农业机器人
施肥机器人
美国明尼苏达州一家农业机械公司的研究人员推出的机器人别具一格，它会从不同土壤的实际情况出发，适量施肥。它经过准确计算，可以合理减少施肥的总量，降低农业成本。由于施肥科学，使地下水质得以改善。
除草机器人
德国农业专家采用计算机、全球定位系统(GPS)和灵巧的多用途拖拉机综合技术，研制出可准确施用除草剂除草的机器人。首先，由农业工人领着机器人在田间行走。在到达杂草多的地块时，它身上的GPS接收器便会显示出确定杂草位置的坐标定位图。农业工人先将这些信息当场按顺序输入便携式计算机，返回场部后再把上述信息数据资料输到拖拉机上的一台计算机里。当他们日后驾驶拖拉机进入田间耕作时，除草机器人便会严密监视行程位置。如果来到杂草区，它的机载喷雾器相应部分立即启动，让化学除草剂准确地喷洒到所需的地点。
英国科技人员开发的菜田除草机器人所使用的是一部摄像机和一台识别野草、蔬菜和土壤图像的计算机组合装置，利用摄像机扫描和计算机图像分析，层层推进除草作业。它可以全天候连续作业，除草时对土壤无侵蚀破坏。科学家还准备在此基础上，研究与之配套的除草机械来代替除草剂。
收割机器人
美国新荷兰农业机械公司投资250万美元研制一种多用途的自动化联合收割机器人，着名的机器人专家雷德·惠特克主持设计工作，他曾经成功地制造出能够用于监测地面扭曲、预报地震和探测火山喷发活动征兆的航天飞机专用机器人。
惠特克开发的全自动联合收割机器人很适合在美国一些专属农垦区的大片规划整齐的农田里收割庄稼，其中的一些高产田的产量是一般农田的十几倍。
2.事半功倍-采摘机器人
西班牙科技人员发明了一种采摘柑橘机器人，这种机器人由一台装有计算机的拖拉机、一套光学视觉系统和一个机械手组成，能够从桔子的大小、形状和颜色判断出是否成熟，决定可不可以采摘。
它工作的速度极快，每分钟摘柑橘60个而靠手工只能摘8个左右。
另外，采摘柑橘机器人通过装有视频器的机械手，能对摘下来的柑橘按大小马上进行分类。
英国是世界上盛产蘑菇的国家，蘑菇种植业已成为排名第二的园艺作物。据统计，人工每年的蘑菇采摘量为11万吨，盈利十分可观。
为了提高采摘速度，使人逐步摆脱这一繁重的农活，英国西尔索农机研究所研制出采摘蘑菇机器人。它装有摄像机和视觉图像分析软件，用来鉴别所采摘蘑菇的数量及属于哪个等级，从而决定运作程序。采摘蘑菇机器人在机上的一架红外线测距仪测定出田间蘑菇的高度之后，真空吸柄就会自动地伸向采摘部位，根据需要弯曲和扭转，将采摘的蘑菇及时投入到紧跟其后的运输机中。它每分钟可采摘40个蘑菇，速度是人工的两倍。
日本人则开发了西瓜收获机器人，这种西瓜收获机器人采用油压驱动，比以蓄电池为动力源的电气驱动要经济得多。这种机器人采用了油缸控制，这样做也降低了机器人的成本。作为动力源的内燃发动机驱动2台油压泵，其中的一台是用于驱动机械手，另一台是为操纵行走车辆的方向盘以及驱动制动器的控制油缸，它比前一台的压力要大得多。
机械手是由4个由4节连杆构成的手指组成的系统，在手指的尖端装有滑轮。当机械手抓拿西瓜时，机械手从西瓜上面降下，手指的滑轮沿西瓜表面边滑动边下降，当到达最下端时就停止；上升时，利用西瓜自身的重量，使机械手自锁，利用这种方式来抓取西瓜。
3.好坏分明-分拣机器人
在农业生产中，将各种果实分拣归类是一项必不可少的农活，往往需要投入大量的劳动力。英国西尔索农机研究所的研究人员开发出一种结构坚固耐用、操作简便的果实分拣机器人，从而使果实的分拣实现了自动化。
它采用光电图像辨别和提升分拣机械组合装置，可以在潮湿和泥泞的环境里干活，它能把大个西红柿和小粒樱桃加以区别，然后分拣装运，并且不会擦伤果实的外皮。
20世纪70年代，人们就利用超声波检查挑拣变质的蔬菜和水果，但对外表不易觉察的烂土豆则无能为力。英国人曾研究了遥控机械系统，通过电视屏幕上看土豆，只需用指示棒碰一下烂土豆图像，专门的装置便可以把烂土豆挑拣出来扔掉。但这种机器离开人就不能工作。后来专家发现，土豆良好部分和腐烂部分对红外线反射是不同的，于是发明用光学方法挑拣土豆。土豆是椭圆体，为了能够观察到土豆的各个部位，机器人具备了传感器、物镜和电子——光学系统。一个小时它就可以挑拣3吨土豆，可以代替6名挑拣工人的劳动，工作质量大大超过人工作业。
现在自动分拣机器人已得了广泛的应用。日本研制的西红柿分选机每小时可分选出成百上千个西红柿。日本研制的苹果自动分送机，每分钟可选540个苹果，根据颜色、光泽、大小分类，并送入不同容器内。日本研制的自动选蛋机，每小时可处理6000个蛋。
4.园艺高超——嫁接机器人
嫁接机器人技术，是近年在国际上出现的一种集机械、自动控制与园艺技术于一体的高新技术，它可在极短的时间内，把蔬菜苗茎杆直径为几毫米的砧木、穗木的切口嫁接为一体，使嫁接速度大幅度提高并能大大提高嫁接成活率。
日本西瓜的100%，黄瓜的90%，茄子的96%都靠嫁接栽培，每年大约嫁接十多亿棵。从1986年起日本开始了对嫁接机器人的研究，其成果已开始在一些农协的育苗中心使用。总体来讲，日本研制开发的嫁接机器人有较高的自动化水平，但是机器体积庞大，结构复杂，价格昂贵。
20世纪90年代初，韩国也开始了对自动化嫁接技术进行研究，但其研究开发的技术，只是完成部分嫁接作业的机械操作，自动化水平较低、速度慢，而且对砧、穗木苗的粗细程度有较严格的要求。
我国在20世纪80年代初期，出现了把黄瓜、西瓜嫁接到云南黑籽南瓜的栽培方法，提高了抗病和耐低温能力。中国农业大学率先在开展了自动化嫁接技术的研究工作，先后研制成功了自动插接法、自动旋切贴合法嫁接技术，填补了我国自动化嫁接技术的空白，形成了具有我国自主知识产权的自动化嫁接技术。如利用传感器和计算机图像处理技术，实现了嫁接苗子叶方向的自动识别、判断。嫁接机器人能完成砧木、穗木的取苗、切苗、接合、固定、排苗等嫁接过程的自动化作业。操作者只需把砧木和穗木放到相应的供苗台上，其余嫁接作业均由机器自动完成，从而大大提高了作业效率和质量，减轻了劳动强度。嫁接机器人可以进行黄瓜、西瓜、甜瓜苗的自动嫁接，为蔬菜、瓜果自动嫁接技术的产业化提供了可靠条件。
5.不同凡响——采集机器人
在林业生产中，林木球果的采集一直是个难题，国内外虽已研制出了多种球果采集机，如升降机、树干振动机等，但由于这些机械本身都存在着这样或那样的缺点，所以没有被广泛使用。
目前在林区仍主要采用人工上树手持专用工具来采摘林木球果，这样不仅工人劳动强度大、作业安全性差、生产率低，而且对母树损坏也较多。为了解决这个问题，东北林业大学研制出了林木球果采集机器人。该机器人可以在较短的林木球果成熟期大量采摘种子，对森林的生态保护、森林的更新以及森林的可持续发展等方面都有重要的意义。
林木球果采集机器人由机械手、行走机构、液压驱动系统和单片机控制系统组成。其中机械手由回转盘、立柱、大臂、小臂和采集爪组成，整个机械手共有5个自由度。在采集林木球果时，将机器人停放在距母树3～5米处，操纵机械手回转马达使机械手对准其中一棵母树。然后单片机系统控制机械手大、小臂同时柔性升起达到一定高度，采集爪张开并摆动，对准要采集的树枝，大小臂同时运动，使采集爪沿着树枝生长方向趋近1.5～2米，然后采集爪的梳齿夹拢果枝，大小臂带动采集抓爪按原路向后捋回，梳下枝上的球果，完成一次采摘，然后再重复上述动作。连捋数枝后，将球果倒入拖拉机后部的集果箱中。采集完一棵树，再转动机械手对准下一棵。
试验表明，这种球果采集机器人每台能采集落叶松果500千克，是人工上树采摘的30～35倍。另外，更换不同齿距的梳齿则可用于各种林木球果的采集。这种机器人采摘林木球果时，对母树破坏较小，采净率高，对森林生态环境的保护及林业的可持续发展有益。
6.挖掘能手——伐根机器人
我国森林面积19545.22万公顷，活立木总蓄积149.13亿立方米，森林蓄积137.21亿立方米，森林覆盖率20.36%，比1949年的8.6%净增11.76个百分点。我国森林面积居俄罗斯、巴西、加拿大、美国之后，列世界第五位；森林蓄积量居巴西、俄罗斯、美国、加拿大、刚果民主共和国之后，列世界第六位。我国人工林保存面积6168.84万公顷，蓄积19.61亿立方米，人工林面积列世界第一位。
为改进森林资源利用和发挥林地效益，就必然要充分利用森林采伐剩余物，培育优质工业用材林。
在采伐剩余物中，伐根占有相当大的比重。伐区的伐根蓄积量很大，用途广（伐根可用于硫酸盐纸浆生产，微生物工业和制造木塑料等）。将伐根取出利用，经济效益极为可观。伐根清除后的林地易于人工更新造林，并可以清除繁殖在伐根上损害树木的病虫害和真菌。
在我国原始林区和人工林中，伐根清理很少，一般留在采伐迹地任其腐朽，所以伐根清理是高效地利用伐区剩余物和伐区迹地更新造林的关键。
目前，在我国伐根清理中应用的各种方式、方法都存在着劳动强度大，作业安全性差，作业效率、经济效益低，环境生态效益差等问题。国外的伐根清理机械共同特点是功率大但价格昂贵，国内无法引进推广。
为了解决这个问题，针对国内外伐根清理机械的情况，结合我国的国情和林情，东北林业大学研制了一种先进、经济适用、效率高、对地表破坏程度小、伐根收集率高、清除伐根程度符合森林更新要求、对环境没有污染的智能型伐根清理机器人。使用智能伐根清理机器人，在一个停靠位置，即清理周围半径8米范围内的伐根，是人工挖根的50多倍。同时地表坑径小，利于造林，减少了采伐地水土流失，减轻了劳动程度，保证了安全作业。
智能型伐根清理机器人主要由行走机构、机械手、液压驱动系统和控制系统等组成。其中机械手安装在具有行走功能的回转平台上，由回转盘、大臂、小臂和旋切提拔装置组成。为能实现在各种不同坡度、地型进行清理伐根，机械手具有6个自由度。旋切提拔装置由万能切刀、提拔筒、四爪抓取机构等组成，在液压系统的驱动下可以实现各种俯仰、旋转、抓取。该机器人的驾驶室内利用摄像镜头和显示器组成实时监控系统对作业目标进行搜索，操作人员可以在机器人驾驶室内即可进行伐根清理作业。
