溫室園藝産業化生(shēng)産在西方發達國家的水平很高、規模很大(dà)。由于受到農業用地狹小(xiǎo)的條件限制，荷蘭、以色列、日本等國家發展溫室園藝産業具有明顯的特征：重視種苗培育、建設現代化大(dà)型溫室、大(dà)量采用智能化計算機控制、生(shēng)産流程高度自動化。這種植物(wù)工(gōng)廠的專業模式和分(fēn)工(gōng)方式能産生(shēng)非常高的生(shēng)産效率，大(dà)幅提高優質蔬菜、花卉的質量和産出率，能取得很好的經濟效益。在信息化時代到來的今天，依托自動控制技術和信息技術的溫室精準農業是備受關注的焦點，世界各國都在該領域開(kāi)展研究，取得一(yī)系列很有特色的成果，極大(dà)地推動了溫室精準農業生(shēng)産技術的進步。其中(zhōng)，溫室園藝生(shēng)産機器人無疑是最具代表性的。
由于設施生(shēng)産是在全封閉的設施内周年生(shēng)産園藝作物(wù)的高度自動化控制的生(shēng)産體(tǐ)系，可以最大(dà)限度地規避外(wài)界不良環境影響，具有技術密集型的特點，而溫室園藝機器人能夠滿足這種精細管理和精準控制的需求，并且能夠解決溫室園藝生(shēng)産的勞動密集和時令性較強的瓶頸問題，大(dà)幅提高勞動生(shēng)産率，改善設施生(shēng)産勞動環境，避免溫室密閉環境施藥施肥對人體(tǐ)的危害，保證作業的一(yī)緻性和均一(yī)性等。王樹(shù)才(2005)指出，目前全世界已經開(kāi)發出了耕耘機器人、移栽機器人、施肥機器人、噴藥機器人、蔬菜嫁接機器人、蔬菜水果采摘機器人、苗盤播種機器人、苗盤覆土消毒機器人等相對比較成熟的可用于設施園藝生(shēng)産的農業機器人。機器人技術尤其以日本最爲代表性，日本作爲最早研究機器人的國家之一(yī)，由于其老齡化提前到來引發勞動力缺乏以及人力成本高等問題，從20世紀70年代開(kāi)始，日本的工(gōng)業機器人開(kāi)始快速發展，在經過對汽車(chē)焊接、汽車(chē)噴漆等工(gōng)業領域的成功應用之後，日本的農業機器人也開(kāi)始不斷取得進展。佟玲(1995)指出，日本在20世紀末已經在技術密集型的設施園藝領域開(kāi)發了多種生(shēng)産機器人，如嫁接機器人、扡插機器人和采摘機器人等。荷蘭花卉生(shēng)産非常發達，溫室園藝産業具有高度工(gōng)業化的特征，每年花卉産業可創造50億歐元的價值。由于溫室園藝産品生(shēng)産擺脫了土地約束和天氣影響，可以實現按工(gōng)業方式進行生(shēng)産和管理，其種植過程可以安排特定的生(shēng)産節拍和生(shēng)産周期，産後包裝、銷售也能夠做到與工(gōng)業生(shēng)産如出一(yī)轍。因此，荷蘭的機器人技術得到快速發展。很多溫室使用機器人實現不分(fēn)白(bái)晝的連續工(gōng)作，極大(dà)地降低了勞動成本。周增産(2001)即介紹了荷蘭農業環境工(gōng)程研究所開(kāi)發的黃瓜采摘機器人，它能夠快速到達初步作業位置，視覺系統能夠探測到黃瓜果實的精确位置及成熟度，末梢執行器可以抓取黃瓜果實并将果實從莖稈上分(fēn)離(lí)。由于溫室園藝産業發展的需要以及對高精尖溫室園藝環境控制機器人的需求，這一(yī)領域得到快速發展。
種植機器人
标準模塊化機器人的理念在設施園藝生(shēng)産領域的應用能夠給農業注入巨大(dà)的活力。以色列海法市一(yī)所大(dà)學的研究人員(yuán)研制的種植機器人選擇可用來運輸的集裝箱作爲作物(wù)生(shēng)長環境，選用營養液栽培法來種植蔬菜及其他農作物(wù)。這種方法的主要原理是：以水取代土壤作爲植物(wù)的苗床。每隻集裝箱内從播種、澆水直至收獲均由機器人系統操作，箱内的溫度、濕度、光線等，均由機器人細心控制，使農作物(wù)一(yī)年每一(yī)個生(shēng)長時刻都得到精心的管理。經過試驗，一(yī)個運輸集裝箱平均每天可生(shēng)産的蔬菜比同樣面積的普通農田的産量要高出數百倍。這種基于标準模塊組裝的機器人具備大(dà)規模應用的廣闊前景，規模化潛力巨大(dà)。
工(gōng)廠化育苗機器人
設施生(shēng)産工(gōng)廠化育苗精準作業育苗機器人是專門針對西甜瓜等需要專門育苗的作物(wù)播種、噴藥的生(shēng)産需求的。該系統能流水線式作業，自動完成大(dà)規模苗盤播種時的自動上土、精量播種、對靶噴藥消毒殺菌等三個環節，一(yī)條生(shēng)産流水線可實現整個環節全部自動化，封閉式作業、流水線工(gōng)序，是設施生(shēng)産瓜果、蔬菜、花卉等工(gōng)廠化育苗的關鍵設備之一(yī)。該系統全部采用自動化作業，真空吸種，自動輸送，不鏽鋼機架結構造型美觀，不同的精；隹作業模塊采用組合設計，綜合集成了氣、液、電(diàn)、光等技術成果，采用程序全自動控制。可提高播種的精度，消除土壤病蟲害，減輕勞動者勞動強度。噴藥時采用封閉環境，減少噴藥過程中(zhōng)農藥對人體(tǐ)的危害，提高生(shēng)産率，降低生(shēng)産成本。該系統能實現快速流水線作業，是現代設施生(shēng)産的關鍵設備。該設備非常适合現代農業園區使用，有很好的示範效果。
工(gōng)作流程爲：苗盤首先被傳送帶送到送土位置，完成自動裝土工(gōng)序，然後自動到達播種位置，由傳感器檢測到苗盤準确位置後，發出信号，自動精量播種機采用真空氣吸技術，将種子吸附在播種器上放(fàng)種。播種器可完成并排多個播種穴的同時放(fàng)種，并且可以精确地自動控制每個穴中(zhōng)播種的數量。播種完後，到達噴藥位置，系統可自行完成自動農藥對靶噴灑，能有效地節省農藥并精确定位殺死病菌和害蟲。例如，西甜瓜基地實現播種育苗可以有效爲周邊農戶和企業提供育苗作業，具有良好的示範展示作用，爲目前國際設施生(shēng)産地主要發展方向，對于推動溫室自動化精準育苗流水線作業具有重要意義。
移栽機器人
一(yī)般，移栽作業需要大(dà)量手工(gōng)勞動才能完成，爲了解決上述難題，開(kāi)發了移栽機器人，它能夠代替人工(gōng)，高效率地進行移苗工(gōng)作。王樹(shù)才(2005)介紹了台灣KC．Yang等研制的移栽機器人，該設備能把幼苗從600穴的育苗盤中(zhōng)移植到480穴的苗盤中(zhōng)，這種自動化的作業方式能極大(dà)地減輕工(gōng)人的勞動強度。該機器人本體(tǐ)由四自由度工(gōng)業機器人和SNS夾持器組成，在工(gōng)作的過程中(zhōng)，依靠系統的視覺傳感器和力度傳感器，能夠做到夾持秧苗而不會對其造成損傷。在秧苗緊挨作業時，每個苗的時間約3s。這樣的工(gōng)作效率是熟練工(gōng)人的2倍～4倍，而且不會因爲工(gōng)作單一(yī)枯燥和長時間勞動而降低工(gōng)作質量。因此，該設備非常合适現代溫室園藝的生(shēng)産過程中(zhōng)的移栽作業。另外(wài)，該工(gōng)作過程可通過計算機控制，實現自動化的标準苗分(fēn)選，保證種苗的質量，該分(fēn)選可通過專門的标準苗分(fēn)選機器人進行(見圖1)。這種機器人作業的模式可以有效解決人爲因素導緻的種苗分(fēn)選質量不穩定的問題。
嫁接機器人
溫室生(shēng)産中(zhōng)廣泛應用的嫁接技術能有效提高産量、增加作物(wù)抗病蟲害的能力，因此越來越多地得到應用。爲了解決嫁接過程中(zhōng)勞動強度大(dà)的問題，機器人技術較早被引入這個領域。日本對嫁接機器人的研究起步較早。嫁接的對象包括黃瓜、西瓜、番茄等。這種經過嫁接的蔬菜水果更能适應溫室環境并明顯地提高産量和果實品質。機器人利用圖像探頭采集視頻(pín)信息并利用計算機圖像處理技術，實現嫁接苗葉的識别、判斷、糾錯等。然後，機器人完成砧木、接穗的取苗、切苗、接合、固定、排苗等嫁接全過程的自動化作業。全自動的機器人可以同時将砧木和接穗的苗盤通過傳送帶送入機器中(zhōng)，機器人可自動完成整個苗盤的整排嫁接作業，工(gōng)作效率極高。半自動的機器人通過人工(gōng)輔助，在嫁接過程中(zhōng)，工(gōng)人把砧木和接穗放(fàng)在相應的供苗台上，系統就可以自動完成其餘的勞動作業。
農藥噴灑機器人
不合理的使用農藥極容易導緻人員(yuán)中(zhōng)毒，全國每年因爲施藥機械落後導緻中(zhōng)毒的事件有8萬人之多。由于施藥技術直接關系工(gōng)人的身體(tǐ)安全健康，并關系到對空氣和地下(xià)水的危害程度，所以，國外(wài)發達國家一(yī)直在高效施藥技術領域開(kāi)展着大(dà)量研究工(gōng)作。機器人技術是根據設施生(shēng)産中(zhōng)殺菌和病蟲害防治的要求，結合現有的高精尖科技成果，應用光機電(diàn)一(yī)體(tǐ)化技術、自動化控制等技術在施藥過程中(zhōng)按照實際的需要噴灑農藥，做到定量、定點，實現噴藥作業的人工(gōng)智能化，做到對靶噴藥，計算機智能決策，保證噴灑的藥液用量最少和最大(dà)程度附着在作物(wù)葉面，減少地面殘留和空氣中(zhōng)懸浮漂移的霧滴顆粒。日本爲了改善噴藥工(gōng)人的勞動條件開(kāi)發了針對果園的噴藥機器人，機器人利用感應電(diàn)纜導航，實現無人駕駛，利用速度傳感器和方向傳感器判斷轉彎或直行，實現轉彎時不噴藥。美國開(kāi)發的一(yī)款溫室黃瓜噴藥機器人利用雙管狀軌道行走，通過計算機圖像處理判斷作物(wù)位置實現對靶噴藥。周恩浩(2008)對溫室噴藥機器人的導航問題提出了一(yī)套視覺方案，并對此進行了理論探讨，導航和定位涉及到人工(gōng)智能的運算算法，是一(yī)個比較複雜(zá)的問題。溫室噴藥機器人Ehu采用輪式方式行走，可利用輔助标志(zhì)自動識别道路，噴藥機器人采用循迹方式自走作業，采用超聲波技術和光電(diàn)技術定位作物(wù)，可以實現姿态的靈活調整，非常适合在溫室的光線下(xià)進行圖像識别(見圖3)。姿态校正速度明顯高于攝像頭導航的機器人，基本不會偏離(lí)作業路徑，可實現持續噴霧作業。
采摘機器人
目前國内外(wài)研究和投入應用的采摘機器人作業對象基本集中(zhōng)在黃瓜、番茄等蔬菜，西瓜、甜瓜等瓜類，以及溫室内種植的蘑菇等勞動密集的作物(wù)。以色列YaelEdan(1995)介紹了用于水果采摘的準确率可達85％的可自行定位和收獲的機器人。英國西爾索研究所研制了蘑菇采摘機器人，它可自動測量蘑菇的位置、大(dà)小(xiǎo)，并且根據設定值選擇成熟的蘑菇進行采摘，機械手由兩個氣動關節和一(yī)個旋轉關節組成，采用頂置攝像頭來确定位置和大(dà)小(xiǎo)，采蘑菇速度爲6個／s～7個／s。日本N．Cond0等人研制的黃瓜采摘機器人爲六自由度，利用黃瓜和莖葉的反射率差異來區分(fēn)黃瓜，采摘速度約爲4個／mln。日本Kyoto大(dà)學研制的西瓜采摘機器人爲五個自由度，配有視覺攝像頭和行走裝置，活動空間大(dà)。美國研制的甜瓜采摘機器人使用三個伺服電(diàn)機驅動機械手，實現三自由度運動。韓國Kyungpook大(dà)學研制的蘋果采摘機器人具有最高達3m的機械手，可進行四自由度運動，末端執行器采用三指夾持的方式，輔助壓力傳感器避免損傷蘋果，識别率達到85％，采摘速度爲7個／s。應用于溫室蔬菜和水果生(shēng)産的機器人采用視覺識别模式來确定果實的位置并調整機械手的位置，由于光線和葉面的遮擋，準确率受到很大(dà)影響，因此，相關的算法還需要不斷優化，以滿足設施生(shēng)産的環境要求和生(shēng)産準确度。
鮮花機器人
利用仿形技術開(kāi)發的機器人除了具備完美的外(wài)觀之外(wài)，其智能控制技術的集成應用可以代替人來控制室内環境，并且能夠實現環境的精确控制。韓國國立全南(nán)大(dà)學研制的鮮花機器人外(wài)形模仿普通開(kāi)花植物(wù)，機器人高度爲130cm，最大(dà)直徑40cm，而且能夠自動分(fēn)析室内空氣的質量根據程序設定對空氣進行加濕處理、釋放(fàng)氧氣，還能釋放(fàng)空氣清新劑的香味。該機器人充分(fēn)的仿生(shēng)功能使其還能夠生(shēng)長和開(kāi)花。該鮮花機器人可以将花朵朝向說話(huà)的人的方向，也可以根據音樂的節奏開(kāi)合花瓣。
休閑和科普功能也是設施農業的一(yī)個重要組成方面，仿形機器人的外(wài)形具有很好的親和力，因此，在設施農業發展過程中(zhōng)将會扮演重要的角色。
溫室園藝生(shēng)産依托的高效率、高投入、高産出的管理模式要求應用大(dà)量的高新技術，機器人技術在該領域的應用是國内外(wài)研究和應用的熱點。真正意義上的機器人、半自動農業機械在界限上沒有嚴格的區分(fēn)，但是完全代替人或者大(dà)部分(fēn)代替人從事繁重體(tǐ)力勞動，通過自動識别農作物(wù)和自動調整姿态實現無人操作的智能農業機械都可以歸入農業機器人的範疇。溫室園藝生(shēng)産的高投入高産出的特點決定農業機器人技術的發展前沿将集中(zhōng)在該領域。因此，在溫室園藝環境下(xià)，在生(shēng)産和應用思想指導下(xià)，通過大(dà)量實際環境測試和研究的圖像識别算法、姿态控制算法、機械末端執行器，将是溫室園藝機器人發展的重點。由于農田環境的多變性和對象複雜(zá)性，生(shēng)産對象不如工(gōng)業品那樣單一(yī)和标準，因此農業機器人相比工(gōng)業機器人面臨更多的技術障礙。溫室園藝的生(shēng)産環境相比大(dà)田環境在光線、風速、溫度等氣象條件方面相對較穩定，而且産品附加值較高，反季節也可生(shēng)産，因此未來的機器人技術在溫室園藝生(shēng)産上的應用有廣闊的發展空間。
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