黄梓宸博士团队：日本设施农业采收机器人研究应用进展及对中国的启示（《智慧农业（中英文）》2022年第2期）

引文格式：黄梓宸, SUGIYAMA Saki. 日本设施农业采收机器人研究应用进展及对中国的启示[J]. 智慧农业(中英文), 2022, 4(2): 135-149.

HUANG Zichen, SUGIYAMA Saki. Research Progress and Enlightenment of Japanese Harvesting Robot in Facility Agriculture[J]. Smart Agriculture, 2022, 4(2): 135-149.

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日本设施农业采收机器人研究应用进展及对中国的启示

黄梓宸1 * ，SUGIYAMA Saki 2（1. 京都大学 农学研究科，京都 6068502，日本；2. 浙江大学 文学院，浙江杭州 310058）

日本设施农业采收农业机器人的研究已有四十余年，本文首先介绍日本农业机器人发展历程，详细介绍设施农业机器人的研发进展，研发的基本原理与理念，结合日本农业生产现状和当前先进科研技术，提出下一代设施农业机器人的发展趋势，其相关成果及应用可为中国设施农业采收机器人的发展起到一定的启发作用。其农业机器人发展史可以总结为四个阶段，如图1所示。Agri-robot I 阶段始于20世纪80年代，当时主要是引入成熟的工业机器人加以改造后完成设施农业的自动化作业，此阶段的代表为嫁接机器人，经过前期研发，后期企业大量参与并开发出产品。设施农业机器人第二阶段Agri-robot II约从1992年开始，经过前期的研发引入工业机器人进行采收作业，然而工业机器人不能考虑到设施农业生产过程的特殊性，所以需要根据特定作业条件并结合农艺要求进行研发。这个阶段大量采收机器人研制成功并投入试验当中，替代设施农业作业中费事费力的人工采收工作。第三阶段涌现出以Shibuya精工和近江度量衡等企业开发的柑橘分拣分级系统为代表的果蔬分级系统，可根据果蔬的外观和糖度等品质信息将果蔬逐个分级筛选。第四阶段Agri-robot IV始于2013年前后，随着高精度卫星导航系统、人工智能，物联网技术和信息与通信技术的发展，智慧农业开始逐步推广应用。实时动态载波相位差分技术（Real-Time Kinematic，RTK）结合GNSS使定位精度可以达到2 cm，保证了农业机器人在有充足卫星信号的情况下，可以完成高精度的田间作业。以久保田株式会社、洋马控股株式会社、井关农机株式会社为首的农机企业面向大田农业机器人相继开发销售无人或少人系统的农业智能装备。目前为止，日本农业机器人的第一、三、四阶段均有自动化智能化设备投入农业生产中，但第二阶段的采收机器人一直没有得到很好的推广。随着大田农业机器人的成功商业化应用，越来越多的日本科研人员与企业将设施农业采收农业机器人列为研发与商业化重点领域。

图1 日本农业机器人发展历程

Fig.1 The development history of Japanese agricultural robots

本文介绍了设施农业机器人研究现状，列举了茄科蔬菜（番茄、茄子、青椒）、葫芦科（黄瓜、瓜果）、芦笋和草莓采收机器人的研发与商业化现状。详细介绍了京都大学Kondo团队研发的不同工作方式的多种草莓采收机器人及其采摘系统解决方案的商业化尝试。结合企业研发的产品介绍了番茄采收、芦笋采收和青椒采收机器人的功能价格及其商业化进展。

注：照片由松下株式会社提供

图2 松下生产的番茄采收机器人

Fig. 2 Tomato harvesting robot produced by Panasonic

注：照片由Inaho株式会社提供

图3 芦笋采收机器人

Fig. 3 Asparagus harvesting robot

注：照片由AGRIST株式会社提供

图4 青椒采收机器人

Fig. 4 Green pepper harvesting robot

近十年来，随着硬件成本降低及新技术的出现，以及各类创业扶持项目的开展，日本设施采收机器人迎来了新的发展高峰。目前，日本采收机器人的研发理念为：以农机农艺结合为基础简化作业环境，使用广泛商业化的视觉系统降低成本；以深度神经网络为代表的人工智能技术为加速剂，与企业联合研发直面消费者市场。

日本采收机器人的研发在20世纪90年代迎来了第一波高峰，其强调通过农机农艺的结合使采收机器人工作环境更为简单，减少不必要的干扰。近年研发侧重于研究机构与企业的合作，然而众多采收机器人却没有成功的商业化成果。尽管有农协合资、政府补助、银行低息贷款等辅助措施，农民购买使用采收机器人的意愿仍比较低。随着大田无人农场的应用，设施农业无人农场成为重要的研发方向。纵观日本设施农业采收机器人的发展，对中国相关科研与产业发展启发可以总结为：提升政府支持力度，建设标准化温室和采收机器人作业示范温室；针对科学问题的关键技术展开科研攻关；强化人才培养；创新销售模式，鼓励合作社发展。

通信作者简介

黄梓宸 博士

黄梓宸，男，硕博毕业于日本京都大学，先后担任京都大学研究员、客座研究员，日本学术振兴会海外特别研究员。日本农业机械与食品工程师协会，IEEE会员。2021入选日本学术振兴会外国人特别研究员(JSPS International Research Fellow)。长期从事设施农业相关智能农业装备自动化技术的研究，包括温室内基于声学信号的机器人定位导航系统、温室内农业机器人、基于荧光光谱和图像技术的农产品无损检测技术。以第一或通讯作者在Food Chemistry,Computers and Electronics in Agriculture，Biosystems Engineering，IJABE等中科院二区及以上学术刊物上发表论文5篇，EI论文3篇。国际学术会议发表十余次。担任《智慧农业（中英文）》青年编委， 2022年获IJABE杰出审稿人。

来源：《智慧农业（中英文）》2022年第2期

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