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中国工程院院士赵春江:深度学习、人机共融、触觉反馈将会成为农业机器人主要技术创新方向

作者:张玉洁 2023-10-02 08:16

近日,2023未来农业产业发展大会成功举办。中国工程院院士赵春江在大会上作了题为“农业机器人展望”的主题分享。本文据其分享内容整理。

 

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(中国工程院院士赵春江分享)

 

个人简介

 

赵春江,农业信息化专家,中国工程院院士,国家农业信息化工程技术研究中心主任、首席专家,国家农业智能装备工程技术研究中心首席专家、北京市科协副主席。

  

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(中国工程院院士赵春江分享)

 

各位领导、专家学者大家上午好,此前的分享中已提到智能装备领域的发展现状、未来突破点等,现在我将围绕农业机器人这一细分品类,从未来农业具体场景、农业机器人发展和未来技术创新展望三方面跟大家浅谈一下我的理解和认识。

 

未来农业是机械在田间工作,少有人工劳动力

 

未来农业究竟是什么样?我认为,未来农业是一群机械在田间作业,但是很少能看到人工劳动力。若要实现上述场景,其中涉及的技术非常复杂,但这也是未来农业亟需面对的痛难点之一。

 

欧、美、日等发达国家在2016年就率先对小麦无人农场进行了早期探索,研制了多种具备自主导航、多机协同等功能的无人化农机,领先于全球。无人化作业技术与装备具有智能、精准、高效等特点,是解决现代农业产业问题的关键生产力要素。

 

农业机器人在田间作业,需要边作业、边感知、边决策、边实施,该过程以数据为基础,通过机器人安装的车载传感器实现。但就目前而言,完全自主感知、自主决策、自主实施的场景并未实现,这主要卡在车载传感器对土壤成分和养分无法实时在线测量。

 

此外,现代农机作业速度一般在8-12公里/小时,播种机的速度更是高达15公里/小时,在高速作业中,对特定的物理参数进行解析,也是现有的难点之一。

 

从更具体的角度来看,农业机器人的主机与从机导航的控制、载荷问题也至关重要,无人驾驶的拖拉机甚至比自动驾驶汽车情况更为复杂。经过调研发现,现阶段我国种植作物的株间距离平均为10厘米,最宽不超过12厘米,这对农业机器人的精密作业要求极高。

 

现代农业机器人的灵活性还需进一步开发

 

目前,全球都围绕、支持着现代农业发展,高度智能化的机器在生产中实现了应用示范,而机器智能化到一定程度,就演化出了机器人。机器人在制造领域被定义为皇冠上的明珠。同样,在农业领域,农业机器人也是农机装备中的顶端探索。

 

我相信,随着农村劳动力人口的减少,农业机器人一定会有巨大的需求潜力。目前,全球高度关注农业机器人发展,也研发出了不同类型的专业化极强的机器人,有大田作物机器人、搬运机器人、授粉机器人等。


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 (中国工程院院士赵春江分享)


从机器人类别划分来看,目前全球规模第一的是工业机器人,第二则是社会服务机器人,比如冬奥会上使用的服务型机器人等。但由于农业场景过于复杂,通用机器人很难实现预期目标,因此农业机器人属于特种机器人的范畴。

 

农业的复杂性决定了农业机器人具有多样性,但农业机器人与其他类别一样,均能够洞察周围的一切信息,人有眼睛能够看,耳朵能够听,鼻子能够闻,相当于机器的传感器,这是农业机器人的首个要素。机器人的第二要素便是机器脑,它能够帮助机器人决策,现在也可以通过网络远程操作机器。机器人的第三要素便是末端执行器,这类似人类的手和脚。但目前,现代机器人的灵活性还需进一步研究和开发。

 

现阶段,我国围绕农业的关键复杂环节——种和收来进行机器人的研发,其中,采摘机器人已初步规模。今年,我们团队研发的国内首台果园多臂采摘机器人已组装完成,并且在北京几个果园进行了试验应用,实验表明,该机器人可以实现采摘、收集和运输的一体化作业。

 

与现有单臂采摘机器人相比,多臂采摘机器人在作业空间覆盖率、采摘成功率、综合效率方面均有明显提升,总体效率可达到人工采摘的5倍,随着技术不断成熟,10倍以上的作业效率应该也可以达到。后续我们将主要开展设备的熟化应用,如跨场景作业、故障诊断和人机交互等方面。

 

深度学习、人机共融、触觉反馈将成为主要创新方向

 

国际机器人联合会主席Marina Bill表示:“机器人和自动化技术的使用正以惊人的速度增长“,此前,《中国机器人产业发展报告(2022)》也指出,我国机器人市场规模在2022年将达到174亿美元,五年年均增长率达22%。

 

但现阶段,我国在农业机器人领域与发达国家水平的差距仍旧明显。首先是农业工艺与机械设备结合的不够紧密;其次,国内稳定性、故障率、易用性等指标不理想;再次,农业机器人生产成本较高,而生产效率却偏低;最后,现有机器人的智能化程度不高,核心算法差距显著。

 

此外,农业环境具有典型的非结构化特征,且存在若干不确定的干扰性因素,对农业机器人的适应能力、定位能力、灵活操作能力和行为规划能力提出了挑战。未来要发展农业机器人,就要解决当前农业机器人作业效率不具备比较优势的关键问题,提升感知算法、规划算法、控制算法和机械臂性能等。

 

目前,农业机器人主要涉及5大关键技术,分别是物境信息智能感知技术(“眼”)、智慧决策与智能控制技术(“脑”)、灵巧臂手精准作业技术(“手”)、自主导航稳定行走技术(“脚”)以及端-边-云协同机器人系统构建技术。但随着农业机器人的兴起,越来越多的新技术将被引入,深度学习、人机共融、触觉反馈将会成为农业机器人主要技术创新方向。

注:文中如果涉及35斗记者采访的数据,均由受访者提供并确认。

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