引文格式：黃梓宸, SUGIYAMA Saki. 日本設施農業采收機器人研究應用進展及對中國的啟示[J]. 智慧農業(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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日本設施農業采收機器人研究應用進展及對中國的啟示
黃梓宸1 * ，SUGIYAMA Saki 2（1. 京都大學 農學研究科，京都 6068502，日本；2. 浙江大學 文學院，浙江杭州 310058）
日本設施農業采收農業機器人的研究已有四十餘年，本文首先介紹日本農業機器人發展曆程，詳細介紹設施農業機器人的研發進展，研發的基本原理與理念，結合日本農業生産現狀和目前先進科研技術，提出下一代設施農業機器人的發展趨勢，其相關成果及應用可為中國設施農業采收機器人的發展起到一定的啟發作用。其農業機器人發展史可以總結為四個階段，如圖1所示。Agri-robot I 階段始于20世紀80年代，當時主要是引入成熟的工業機器人加以改造後完成設施農業的自動化作業，此階段的代表為嫁接機器人，經過前期研發，後期企業大量參與并開發出産品。設施農業機器人第二階段Agri-robot II約從1992年開始，經過前期的研發引入工業機器人進行采收作業，然而工業機器人不能考慮到設施農業生産過程的特殊性，是以需要根據特定作業條件并結合農藝要求進行研發。這個階段大量采收機器人研制成功并投入試驗當中，替代設施農業作業中費事費力的人工采收工作。第三階段湧現出以Shibuya精工和近江度量衡等企業開發的柑橘分揀分級系統為代表的果蔬分級系統，可根據果蔬的外觀和糖度等品質資訊将果蔬逐個分級篩選。第四階段Agri-robot IV始于2013年前後，随着高精度衛星導航系統、人工智能，物聯網技術和資訊與通信技術的發展，智慧農業開始逐漸推廣應用。實時動态載波相位差分技術（Real-Time Kinematic，RTK）結合GNSS使定位精度可以達到2 cm，保證了農業機器人在有充足衛星信号的情況下，可以完成高精度的田間作業。以久保田株式會社、洋馬控股株式會社、井關農機株式會社為首的農機企業面向大田農業機器人相繼開發銷售無人或少人系統的農業智能裝備。目前為止，日本農業機器人的第一、三、四階段均有自動化智能化裝置投入農業生産中，但第二階段的采收機器人一直沒有得到很好的推廣。随着大田農業機器人的成功商業化應用，越來越多的日大學研人員與企業将設施農業采收農業機器人列為研發與商業化重點領域。
圖1 日本農業機器人發展曆程
Fig.1 The development history of Japanese agricultural robots
本文介紹了設施農業機器人研究現狀，列舉了茄科蔬菜（番茄、茄子、青椒）、葫蘆科（黃瓜、瓜果）、蘆筍和草莓采收機器人的研發與商業化現狀。詳細介紹了京都大學Kondo團隊研發的不同工作方式的多種草莓采收機器人及其采摘系統解決方案的商業化嘗試。結合企業研發的産品介紹了番茄采收、蘆筍采收和青椒采收機器人的功能價格及其商業化進展。
注：照片由松下株式會社提供
圖2 松下生産的番茄采收機器人
Fig. 2 Tomato harvesting robot produced by Panasonic
注：照片由Inaho株式會社提供
圖3 蘆筍采收機器人
Fig. 3 Asparagus harvesting robot
注：照片由AGRIST株式會社提供
圖4 青椒采收機器人
Fig. 4 Green pepper harvesting robot
近十年來，随着硬體成本降低及新技術的出現，以及各類創業扶持項目的開展，日本設施采收機器人迎來了新的發展高峰。目前，日本采收機器人的研發理念為：以農機農藝結合為基礎簡化作業環境，使用廣泛商業化的視覺系統降低成本；以深度神經網絡為代表的人工智能技術為加速劑，與企業聯合研發直面消費者市場。
日本采收機器人的研發在20世紀90年代迎來了第一波高峰，其強調通過農機農藝的結合使采收機器人工作環境更為簡單，減少不必要的幹擾。近年研發側重于研究機構與企業的合作，然而衆多采收機器人卻沒有成功的商業化成果。盡管有農協合資、政府補助、銀行低息貸款等輔助措施，農民購買使用采收機器人的意願仍比較低。随着大田無人農場的應用，設施農業無人農場成為重要的研發方向。縱觀日本設施農業采收機器人的發展，對中國相關科研與産業發展啟發可以總結為：提升政府支援力度，建設标準化溫室和采收機器人作業示範溫室；針對科學問題的關鍵技術展開科研攻關；強化人才培養；創新銷售模式，鼓勵合作社發展。
通信作者簡介
黃梓宸 博士
黃梓宸，男，碩博畢業于日本京都大學，先後擔任京都大學研究員、客座研究員，日本學術振興會海外特别研究員。日本農業機械與食品工程師協會，IEEE會員。2021入選日本學術振興會外國人特别研究員(JSPS International Research Fellow)。長期從事設施農業相關智能農業裝備自動化技術的研究，包括溫室内基于聲學信号的機器人定位導航系統、溫室内農業機器人、基于熒光光譜和圖像技術的農産品無損檢測技術。以第一或通訊作者在Food Chemistry,Computers and Electronics in Agriculture，Biosystems Engineering，IJABE等中科院二區及以上學術刊物上發表論文5篇，EI論文3篇。國際學術會議發表十餘次。擔任《智慧農業（中英文）》青年編委， 2022年獲IJABE傑出審稿人。
來源：《智慧農業（中英文）》2022年第2期
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