李俊达 罗 强 王海宝 徐光强 秦雪静

(重庆三峡学院机械工程学院，重庆 万州 404100)

0 引言

我国作为一个农业大国，农业产业可持续发展是我国长治久安的根本保障。如今农业生产面临诸多挑战，比如劳动力老龄化、劳动力成本提高以及环境变化对农业生产的影响等。农业机器人作为农业智能装备的重要组成部分，对改变传统农业方式、促进现代农业发展具有不可忽视的作用[1]。目前，农业机器人已经成为了一个世界性的热点话题，在解放劳动力、提高生产率、提高作业质量、降低劳动力成本、减轻农民劳动强度等方面具有显著效果，许多劳动力缺乏的发达国家很早就关注农业机器人并进行了许多相关的研究，其中以美国、日本、西班牙等最早。

随着技术发展，农业机器人将成为农业生产活动的主要力量。为了增加农业机器人的普适性，降低农业生产过程中的投入成本，提高农业机器人的表现能力，增强对自然环境的适应能力，研究性能更加优越的农业机器人移动平台势在必行。

1 农业机器人移动平台的行进方式及研究现状

农业机器人工作中通常是移动和作业同时进行，在农业领域中，农业机器人的移动不再是起点与终点的直线行进，而是根据工作需要在狭窄的范围、较长的距离和整个工作区域进行作业。目前主流的行进方式可分为轨道式、轮式、履带式和复合式4种。

1.1 轨道式移动平台

轨道式移动平台主要分为单轨式和双轨式。单轨式移动平台的主要特点是成本低、转向性能好、搭建简单。双轨式移动平台则是稳定性和安全性更加突出。早在20世纪60年代国外就开始了针对轨道式移动平台的研究，1966年，日本企业日加利研发出了第一台用于陡坡的单轨运输机，当时被称为“划时代运输车”。英国希尔所研究院研制了一款基于轨道式的全自动蘑菇采摘机器人，这种机器人通过铺设轨道能实现高精度移动。金华市农业机械研究所的施新杭等人研究设计了一种电动式单轨运输机，这种运输机以蓄电池为动力，具有无污染、噪音小的特点。黑龙江的朝洛蒙等人研制了一种便于水田取苗的双轨道变轨式运输车，这种运输车成本低，效率高，不受阴雨天气限制，有效地解决了劳动力成本高、雇工难等问题。辽宁的刘伟设计了一种用于大棚的多功能双轨输送器，这种运输器具有过载报警、行程控制、电子遥控和声控停车的优点。目前轨道式移动平台多应用于大棚和山地果园，少部分运用于固定生产作物的水田，应用限制较大。

1.2 轮式移动平台

轮式移动平台是目前最常见的移动平台，也是研究和应用最为广泛的。针对这种移动平台的研究多集中于转向控制和平台调节问题上。Chen等人研制的具有四轮驱动和转向功能的牵引机可以通过液压缸驱动四连杆机构调整牵引车机身离地间隙，同时采用多路阀控制4个车轮支架，调整车轮轮距。瓦赫宁根大学的T.Bakkert和J.Bontsema等人设计的移动平台采用四轮驱动和转向，4个车轮模块中的每一个都包括一个用于推进的固定排量液压马达，该马达提供不带齿轮的直接驱动。另一个安装在车轮模块顶部的固定排量液压马达则通过行星减速器控制车轮。吉林大学的赵伟程设计的农用全方位移动平台采用万向轮作为轮系结构，在万向轮上安装可以自主控制的机械机构进行转向，四轮可独立转向和驱动，同时设计了一种平行四杆机构进行高度调节，以适应不同路面[18]。湖南农业大学胡志勇等人的团队研制了一款自走式植保机械，该植保机的移动平台采用四轮驱动，可以四轮同辙转向，通过液压系统可以对轴距和轮距以及高度进行一定调节[19]。青岛理工大学的韩国旭设计了一种新型变轮距农用车辆底盘，该底盘采用机械传动和四轮驱动，相比较液压传动而言，机械传动效率更高，成本低，控制简单[20]。轮式移动平台的特点是质量轻，载重能力强，占用空间小，驱动和控制方式简单，行进速度快，在农业生产中被广泛运用。但是其克服障碍能力有限，无法适应复杂的农田环境。

1.3 履带式移动平台

履带式移动平台根据其机构可分为单节双履带和多节多履带。单节双履带结构简单，成本低，控制简单，行进效率较高，但不能适应过于复杂的地形，多节多履带则相反。各国专家学者们对履带式移动平台的研究多集中于提升履带移动平台的地形适应能力和操控性上。Spalla等研究的履带式牵引车可以对底盘离地间隙和左右履带间距进行一定量调整，通过调整车架与履带之间的位置使两条驱动履带在两个不同的接地平面，实现农机作业时自动适应地形变化。南京农业大学的顾宝兴和姬长英等人研制的农用履带式智能移动平台采用视觉导航和GPS导航组合的方式，运用VC++6.0编写了自主导航控制程序，能够很好地实现田间自主导航。履带式移动平台结构简单，载重能力强，行进过程中不易打滑和下陷，可以适应斜坡和松软泥泞的农田作业。当然，履带式移动平台也存在一些问题，主要是移速慢，能耗大，行驶机构容易磨损，对履带的材质和构型要求高的问题，同时由于质量大，与地面摩擦阻力过大，在松软土地上转向时，容易对平整的农田和农作物造成不必要的损坏。

1.4 复合式移动平台

复合式移动平台包括轮履复合式、轮腿复合式、履腿复合式以及轮履腿复合式等，用于农业方面的复合式移动平台则主要是轮履复合式和轮腿复合式。西安科技大学的田海波和马宏伟等人结合变胞机构理论提出了一种轮履复合式机器人的结构。该机器人的移动平台可以根据需要在轮式和履带式两种行进方式中进行切换，利用车轮实现高速远距离运动，用履带来适应复杂地形，也可以轮履并用来跨越障碍。李文见和姬江涛根据模糊逻辑理论针对轮履复合式平台的避障控制方法进行研究，建立了模糊控制规则，提升了轮履复合式移动平台的灵活性。北京林业大学的闫浩设计的新型轮腿复合式移动平台采用推杆电机对复合轮腿的四边形结构进行驱动，可以实现多种运动功能。同时还可以根据实际路况改变轮距、轴距和机身高度。北京交通大学的董莹设计了一种具有四杆腿机构的六轮足移动平台，这种设计极大地提升了越障性能和越障速度。复合式移动平台可以针对各种地形做充分地考虑，可以满足较大难度的作业需求，但其缺点也很明显，机械结构更加复杂，面对复杂地形需要考虑更多因素，控制算法较复杂。并且复合式移动平台并非可以继承各类单一行进方式全部优点，综合各行进方式的部分优点的同时往往会削弱单一行进方式的一些优点。

2 存在的问题及建议

2.1 存在问题

目前对农业机器人移动平台的研究已经取得了很大的进展，但其中还存在一些问题。

(1)许多高新技术发展已经较为成熟，但目前应用于农业移动平台的还比较少，这其中一方面是农业经济效益不足，对高新技术吸引力不够；另一方面则是农业作业环境复杂，技术应用较为困难，投入成本高。

(2)由于北方平原地区地形相对简单，丘陵山地则较为复杂，适合北方地区的轮式和履带式移动平台研究难度相对较小，所以目前的研究主要集中在这两方面，对其它方面研究不足。

(3)目前农业生产中移动平台大多采用柴油机和汽油机，这两种动力机械虽然动力强劲，但是会对环境造成污染。

(4)农业机械化的趋势必然导致技术难度提升，但是目前农业生产中占主导地位的农民大多知识水平不够，操作困难，导致农业机械推广难度增大。

2.2 建议

为了推进农业机械化的进程，政府需要出台相关政策来引导，我认为主要可以从以下几个方面着手。

(1)进一步调整价格杠杆，提高农产品的利润，引导高新技术投入到农业生产中。

(2)加大南方丘陵山地宜机化改造和农业机械的研究投入，引导更多的研究人员研制性能更为优秀，适应能力更强的移动平台。

(3)宣传环保意识，引导相关研究人员研制性能更为优异的电动移动平台，逐步更换柴油机和汽油机。

(4)一方面培养新型职业农民，经常开展职业培训，提高农民的专业技能；另一方面需要针对农民这个群体开发出操作简单、工作稳定、智能程度高的农业机器人。

3 结语

本文综述了农业机器人移动平台的4种常见行进方式，结合目前的研究现状分析了各种行进方式的特点，分析了它们各自适应的作业环境。根据目前存在的问题提出了一些建议。随着现代农业的发展，对于农业机器人的需求将持续加大。农业环境和作业对象的复杂性、多变性和非结构性将会极大推进农业机器人移动平台的发展，随着新型材料和人工智能等新一代技术与农业技术的融合，农业机器人移动平台当前面临的难题必将迎刃而解。