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中国工程科技论坛——农业机器人工程科技论坛会议主办方首席科学家赵春江院士做“农业机器人展望”主旨演讲

作者:BJ-PAIDE   发布时间:2020-09-11

国家农业信息化工程技术研究中心首席科学家、中国工程院赵春江院士在8月18日南京召开的中国工程科技论坛——农业机器人工程科技论坛发表主旨演讲,他表示:未来有知识、有技术的新农民将成为农业机器人的使用的主力军。


▲图 /赵春江院士做农业机器人主旨报告

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今天的主题叫“产业化号角下的挑战和机遇”,主要是基于现在国内外市场上需求的话很大,已经逐步的形成了一个高端农机装备产业的一个态势。所以在这种背景下,我将从四个方面进行介绍,首先介绍一下国际的情况,机器人的概念是最早1920年有个捷克作家叫卡佩克,他写了一本这个科幻的小说叫《罗萨姆的万能机器人》,这个机器人的捷克语是Robota是奴隶的意思,奴隶得听话、会干活儿、不知道疲倦。到了1967年,日本召开的第一届国际性的机器人的会议,会议上有个叫加藤一郎的,他对机器人进行这个内涵性的定义,认为有三个方面,一个是要具有脑、手、脚三要素,第二的话要具有非接触传感器和接触传感器,第三的话具有平衡觉和固有觉的传感器。那么中国科学家关于机器人就是具备一些与人或生物相似的智能能力的自动化机器。目前,关于农业机器人还真没有一个特别明确的一个定义,但是关于农业机器人维基百科有一个专有词,概念解释很简单,就是用于农业生产活动的机器人,虽然目前没有一个严格的定义,但是我觉得作为一个农业机器人,最起码包括三个方面:

第一,感知,基于视觉,触觉,听觉,味觉技术的空间环境判断情况,靶标位置与形态等多模态信息的感知系统,相当于我们的人的五官。 

第二判断决策,类似于人吧,对事物到有一个分析相当于我们这个大脑一样要的对象识别,情景分析,路径判断,任务规划,科学决策。

第三, 执行,主要是指像人呐,这个手脚,你能干活的的地方,叫做这个末端的执行器。


特别是在决策方面,你的水平的高低决定了这个机器人的智能化的水平,但是这个决策水平高低就取决于我们感知的数据。感知的数据加上决策模型,也就是说分析算法,然后的话体现出我们的智能能力,这个机器的末端执行器是决定我们的执行力。


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农业机器从上个世纪80年代诞生,经历了这个孕育发展快速发展的不同的历史阶段,那么未来的话,我们由于农业的复杂性和多样性,将有更多的农业机械化产品问世,这是由于农业作业过程和作业的对象太复杂,多样化,从而导致了农业机器人的多样性,特别是近几年,国际学术界对农业机器人越发的重视。2007年,《时代周刊》将年度最佳发明奖给了一个这个Hortirobott这个除草的机器人,从此以后的这个国际的组织,开了大量的学术研讨会。2019年在上半年,这个这个疫情还没有发生的时候,新加坡也是这个国际自动化联合会,召开的机器人的会议,反映了欧洲这些国家很关注农业机器人,因为他们人工成本更高,随着全球从研究到这种这种产业的应用的逐步的重视,现在的全球农业机器人像雨后春笋一样不断地涌现,包括苹果采摘的,除草的,减枝的等等各方面的机器人,这种机器人有的是在实验阶段,有的已经进入这个产业化的市场的阶段,但是,目前机器人的产业的态势发展的非常好,这个从各种侧面来看的话,机器人将成为一个未来农机高端装备的这种产业,根据美国商业资讯,它英文单词叫Businesswire 的预测,2020年机器人的市场是74亿美元,2025年是206亿,年复合增长率22.8%。另外桑德勒研究所(Sandler Research),有一个报告就是在疫情影响下的农业机器人市场的分析。 他预测2020年市场规模是46亿,到2025年203亿,年复合增长率达到34.5%。 

▲图 /全球知名机器人公司及产品

所以这个根据实际的现状,包括一些国际性的咨询研究机构的调研表明,农业机器人的确发展很快,目前全球农业机器人的市场,重点集中在三个方面:

一个是无人驾驶拖拉机,喷药无人机,挤奶机器人是目前市场份额最大的三大类. 另外,国际上一些产业公司,创业的公司纷纷的起来了,大家纷纷融资,去做农业机器人,欧美的很多的农业机器人的企业关注于采摘和除草,特别是除草这一块儿的话,因为如果机器除草就避免了农药的使用,从而体现出一个很好的发展的方向。 第二, 国际上主要一些这个国际机构,从美国到荷兰、英国。另外,著名的机器人研究机构本来不是从事农业的,也开始涉足农业机器人领域,比方说美国的卡内基梅隆国家机器人实验室,还有这个波士顿动力,这个也做一些这个除草方面的机器人。 我国机器人呢,发展起步于上个世纪90年代,那么我们国家科研人员的话,结合我们国家自己的实际特点,研制了很多不同类型的机器人,但大部分机器人还是在这个实验室这个范围内还没有真正走出实验室,走向田间,这里面各种各样的类型我就不再详细讲了,那么我们一些大的公司,比方说一拖集团,是大的拖拉机生产制造厂商,他们要开发基于新能源动力的农机,或者是叫农业机器人分成一号,二号,三号,那么三号的话主要是用于验证氢能的能源系统,那么二号的话进行了大马力双质电机的这种设定,一号的话主要是对现有的拖拉机的一个数字化的升级,目前的话已经实现实际的这个产品样机。目前我们国家农业机器人的市场还是很大的,发展也很快,但主要是无人驾驶拖拉机和喷药的无人机,2020年上半年我国农机北斗自动导航驾驶系统销售量累计是7000台,销售额是3.79亿,根据极飞的报告, 2020年1月1日宣布全球植保无人机出货量达到5万台,大疆2020年7月12日宣布全球植保无人机出货量3万台,所以这个植保无人机的话将是一个非常典型的这个农业机器人了。2019年我国植保无人机总量超过5. 5万台,作业面积达到4.5亿亩,另外我们国家机器人的发展从种植业向养殖业,就是比较简易的机器人方向发展,比方说一些精准饲喂,另外的话就是,禽舍健康状况巡检机器人,看有没有病,发生什么状况,这个过去的都是人,那人进去之后的话,由于畜禽产生很多的有毒的气体,人熏得够呛,所以我们派巡检机器人进去的话,就可以解决这些问题。

▲图 /禽舍健康状况巡检机器人系统


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第三,农业机器人发展的瓶颈的问题,目前,农业机器人难点有三个方面,一个是农业的非结构化环境,全世界没有两棵一样的果树,我们看的那小麦和玉米没有两个一样的玉米,所以这种各种样的变化太多,另外的话相互遮挡,颜色,纹理的变化,以及白天、阴雨、黑夜的光环境的变化,还有这种大风,这种这个动力的变化等等。另外的话就是农业对象的生物特性。第一个他本身动物是跑动的,第二的话,这个农产品具有柔性,像一个苹果,如果采摘苹果用的力大,就把这个商品性破坏掉了,用的力小摘不下来,所以我们农产品中还有个商品特点,另外的话,农民需要低成本设备,对价格高昂的仪器接受度不高。 这就是农业机械发展的一些难点,还有作业场景复杂多变,光照,阴雨,还有这个粉尘,泥沙的干扰,另外的话对象的复杂,像右边这个农业对象具有动态的特性,风一吹,挂在枝上的果子也会变化,另外的话大小相互遮挡等等等等,这都是农业的场景的复杂性。

▲图 /农业机器人发展难点

另外的话从技术上也有一些瓶颈问题,像情景感知,深度学习,需要大量的训练库。农业场景非常的繁杂复杂,难以获得强有力的学习模型,还有多重动态影响下的识别定位问题也是很难的,另外包括这个技术瓶颈, 在行为规划方面也存在理论技术上的瓶颈,机器人在感知,观测,动作执行,协同配合等方面均参在一定的不确定性,其行为规划就提出了挑战, 比如传感器还有误差,执行动作的话也有不确定性。还有的话就是伙伴的意图,识别的不确定性,特别是打篮球。这个你比方说猪跟牛,他们之间的相互的协同的动作我们也不可以理解,所以这种对未来我们机器人的行为规划就产生了很大的不确定性。另外就是执行这一块儿,也有技术瓶颈,这个我们的机器手总是笨手笨脚,我们在摘苹果或摘这个西红柿的时候的话,速度很慢,不是手灵活,大家看看右边这个手速度非常灵活,我们能不能造出这种灵活的机器手来,这的的确确需要我们在材料,构型,动力学控制等方面进行深入的研究,进行突破。 还有我国市场上也有瓶颈,成本太高,其实像奥迪,奥迪车是我们第一个国产车能够完全有这个自动驾驶license执照的,他那个大概有七八个激光雷达,360°全扫描,就这一套,统计下来这话的话增加成本的话接近80万所以买一辆奥迪车,自动驾驶车大概140-150万,一般人买不起是吧,那在我们一些机器人用的机械臂,移动平台等等传感器,都是导致这个成本高,另外的话就是作业效率不具备优势。今后发挥机器人的这个优势,我们从农业角度来解决这些问题,适合机器人快速的作业,另外的话使用不方便,一个专业性,维护性也是个问题。


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第四的话呢就是未来感. 我们国家对农业机器人的需求应该是刚性的,因为劳动力的快速减少,九一年我们国家农业劳动力占全社会的劳动力是占60%。到了2018年,我们农业劳动力占26.1%,一下降的速度非常非常快,由于劳动力的减少,劳动力成本的性质增加,现在很多的农业生产人工成本超过50%,另外的话,就我们现在发展新型职业农民的名字,对这个工作要有个体面的追求,农业部声明农民是变成一个体面的职业,所以有机器人之后的话,可以使他的工作能够更加体面. 另外有毒有害的工作环境需要机器换人,农药中的毒气会对人身体造成伤害,另外智慧农场农业的发展,特别是无人农场和智能化的作业, 这样的农场悄然升起,也对机器人提出了很大的需求。当前我们国家农业机器人与国外相比,基础研究缺乏,特别是在算法,材料,工艺方面,这个的话程度不高另外易用性,稳定性,故障率这个方面不理想。另外小地块和复杂的种养模式导致效率低,这是我们这个存在的一些问题,是要面对的。


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那么基于这种情况,未来我们就是以这个机器人为代表的农机高端传统产业一定会有大发展,比方说无人农场在的话,国外也有无人农场,例如2017年9月哈伯亚当斯收购的无人农场,这个无人农场的工作以种小麦为例产率不高,但是实现了全程作业,左上角是久保田发布的无人农场的解决方案,这个作业的机器就是有机器人来完成的。另外的话,特别是在这新冠疫情阴影下,农业机器人这需求的话有望进一步的增加,未来的话如果这个加工的话是靠机器,我们人和农产品不接触,就会大大降低交叉感染的问题,所以未来这个呀,这个对机器的需求,对机器人的需求在这种新冠疫情这种常态下的话,将来的话一定还会有大的需求。 未来我们将从哪些方面进行突破,特别是随着新材料,新技术的引进,有望推动这个农业机器人的快速发展,那么新材料,我们纳米材料,柔性材料,多智能体的这个发展,这个极端化的作业,组织,另外的话,人机共融,人机混合智能还有触觉反馈,这些技术突破之后,将一定推动农业机器人的快速发展,我们国家新一代人工智能的快速发展,推动了深度学习的发展,那么这种基于案例的这种大量数据的这种积极学习,将有助于提高我们机器人的智能化的水平,比方说,通过机器学习我们可以更加准确的判断靶标的最佳位置,另外新材料、新的执行机构有望提升农业的进行的作业能力,例如密西根大学的电热微折纸晶片,另外北航他们研究的这种在海水里面抓这个海参,还有美国加州大学厄圣迭戈分校的折纸“起重机”等等都是新材料,这个新的执行机构变化之后,使机器人的性能大幅提升。另外人机共融,有望提高农民和机器人各自的特点,例如加拿大谢里布鲁克大学,他们研发的第三只手摘苹果,这是一个模拟这个过程,但是真实的已经实现的过程,体现了人和机器如果相互的协同的话,能够大幅度提高作业的效率,这完全是有可能的,另外触觉反馈有望突破柔性与速度不可兼顾的这个困难的问题,很多事情的话,就要这个触觉,这个反馈是非常非常重要的,感知加上执行。那就看看右边这个是MIT,美国麻省理工灵敏的这个触觉手,可以赋予农业机器人快速而又柔软的灵活的操作的性能。 那么另外多智能体理论有望提升农业机制协同作业效率,那么将来的话,很多集群式的作业,这个就是一个多智能体的概念. 通过这种技术的创新的话,一定会给我们带来机器人快速的发展,那么另外的话呢就是大家看一看,就是未来为了提高效率,可以采用多臂并行,通过多臂并行作业,大大提高了效率,但是多臂并行的问题是,手臂的业务任务的分配和规划,就必须要有高速的计算方法来解决这些问题,否则打架了。都抢同一个草莓,就会出现这种问题,另外的话呢,低成本的解决方案,一个是我们所用的传感器,另外的话呢,就是有些平台的话,逐渐的简化,例如美国这个Hello Robot的平台下的低成本家用这个机器人解决方案就是洗衣机开门,然后把衣服都弄出去,是一个简单的机器人,但是通过这种途径, 有望降低农业机器人的成本,然后让农民接受。另外的话呢就是可重构的设计将成为机器人设计的重要思路。可重构性简单来说就是,机器人改一改,就可以干别的用,比方说动力底盘,我们加上别的东西,也可以播种,可以施肥,可以打药,就可以降低成本,未来的话,会有很多都是有知识,有技术的新兴的职业农民,那么他们对机器人的使用的话,从技能角度的话也会发生很大的变化,那么新型农民像技术农民和农业工程师转变,这也是我们农业未来一个新的发展的方向,相信通过大家的努力, 一定会推进我们国家农业机器人的创新发展。


文章转自:农芯科技公众号

本文章内容仅用于网站宣传



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