20世紀90年代，日本采收機器人的研發(fā)迎來了第一波高峰，強調(diào)采收機器人的工作環(huán)境術(shù)的結(jié)合，收獲機器人的工作環(huán)境更加簡單，減少了不必要的干擾。近年來，研發(fā)重點關(guān)注研究機構(gòu)和企業(yè)之間的合作，但許多收獲機器人的成果并沒有成功商業(yè)化。盡管有農(nóng)業(yè)協(xié)會、政府補貼、銀行低息貸款等輔助措施，但農(nóng)民購買和使用收獲機器人的意愿仍然相對較低。隨著田間無人農(nóng)場的應用，設(shè)施農(nóng)業(yè)無人農(nóng)場已成為一個重要的研發(fā)方向。縱觀日本設(shè)施農(nóng)業(yè)收獲機器人的發(fā)展，對中國相關(guān)科研和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的啟發(fā)如下。

40多年后，日本開發(fā)了各種典型水果和蔬菜的農(nóng)業(yè)收獲機器人。典型收獲機器人在設(shè)計和開發(fā)過程中遇到的科學問題及其解決方案主要集中在以下兩個方面。

(1)水果和蔬菜的識別。由于視覺系統(tǒng)需要判斷收獲點，但莖、葉和非目標水果和蔬菜會干擾收獲目標的收獲和切割點。目前的解決方案是坡架種植模式，即通過農(nóng)業(yè)機械和農(nóng)業(yè)技術(shù)的結(jié)合來簡化收獲機器人的工作環(huán)境。目前，限制收獲成功率的主要因素是水果和蔬菜的重疊。以草莓收獲機器人為例，農(nóng)業(yè)機械和農(nóng)業(yè)藝術(shù)的結(jié)合可以通過疏花和水果，或者通過化學藥物控制莖的長度，使成熟草莓與未成熟草莓在垂直空間中分離。在視覺算法方面，草莓可以通過深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡識別，也可以通過深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡識別RGBD相機提供的點云圖等技術(shù)重建果蔬空間信息，正確判斷采收切割點。

(2)終端執(zhí)行機構(gòu)。在果蔬收獲過程中，終端執(zhí)行機構(gòu)的剛性部件可能會損害果蔬脆弱的表皮。因此，終端執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計需要考慮特定果蔬的形狀和重量參數(shù)，并在考慮通用性的基礎(chǔ)上設(shè)計靈活的終端執(zhí)行機構(gòu)。目前，解決這個問題的方法有很多。除了上述番茄收獲機器人使用的終端執(zhí)行機構(gòu)外，還可以使用軟件機械手、壓力傳感器、仿生技術(shù)設(shè)計仿生機械手等。

日本設(shè)施農(nóng)業(yè)收獲機器人的發(fā)展，對中國智慧農(nóng)業(yè)的啟發(fā)和研究

(1)加強政府支持，建設(shè)標準化溫室和收集機器人運行示范溫室。建立健全收集機器人等設(shè)施農(nóng)業(yè)智能設(shè)備的財政補貼，將收集機器人納入農(nóng)業(yè)機械采購補貼。鼓勵銀行為設(shè)施農(nóng)業(yè)智能設(shè)備提供低息貸款。日本相對標準化的設(shè)施農(nóng)業(yè)面積為50個m×10m，通過在壟間設(shè)置軌道，不同的智能設(shè)備可以在軌道上行走和工作。標準化溫室的建立可以使開發(fā)的收獲機器人在不同的溫室之間工作，標準化溫室有助于降低成本。在標準化溫室的基礎(chǔ)上，建立收集機器人示范項目，通過將研發(fā)機器人引入實際溫室運行條件，提高收集機器人的性能，促進收集機器人的發(fā)展。

(2)對科學問題的關(guān)鍵技術(shù)進行科學研究。根據(jù)我國設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，制定設(shè)施農(nóng)業(yè)采收機器人發(fā)展規(guī)劃，確定主要方向和科研重點，堅持農(nóng)業(yè)機械與農(nóng)業(yè)技術(shù)相結(jié)合，鼓勵企業(yè)與科研機構(gòu)共同申報科技研究，促進產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。促進溫室定位導航系統(tǒng)的發(fā)展“室內(nèi)GPS”作為標準化溫室的基礎(chǔ)設(shè)施之一。科研人員可以將先進的理念和技術(shù)與企業(yè)的產(chǎn)品化技術(shù)相結(jié)合，推出符合農(nóng)民需求的設(shè)施農(nóng)業(yè)采收設(shè)備。在資金支持、科技成果轉(zhuǎn)化和知識產(chǎn)權(quán)保護等方面給予科研人員相應的支持。

(3)加強人才培養(yǎng)。優(yōu)化人才培養(yǎng)機制，促進設(shè)施農(nóng)業(yè)智能設(shè)備研發(fā)等相關(guān)人才的培養(yǎng)和儲備，促進多學科交叉復合人才的發(fā)展和建設(shè)“設(shè)施農(nóng)業(yè)工程”學科小組及相關(guān)綜合實驗室。建立國際交流平臺，促進不同國家智能收集設(shè)備研究人員的交流。通過模擬場景和實際溫室作業(yè)，舉辦收集機器人競賽，促進學生對農(nóng)業(yè)機器人的興趣。

(4)創(chuàng)新銷售模式，鼓勵合作社的發(fā)展。鼓勵企業(yè)租賃采購，根據(jù)果蔬收貨量確定機器人收費，降低機器人一次性投資成本。促進合作社發(fā)展，鼓勵合作社利用設(shè)施農(nóng)業(yè)采收機器人，提高運行效率，節(jié)約勞動力成本。