农业机器人采摘棉花的前景展望与技术分析

农业机器人采摘棉花的前景展望与技术分析

李勇

新疆昌吉州纤维检验所新疆831100

摘要：随着科技的发展和农业环境的提升，自动化设备已经逐步代替人力，成为了新的棉花采摘方式。在近几年中，我国机器人的获得了长足的进步，快速可以进行棉花的识别、分类、执行，并通过信息融合技术，实现棉花与铃壳的分离，代替人类进行棉花采摘。

本文通过对棉花农业机器人采摘技术进行的深入研究，并对其前景进行了分析，以望能够促进我国农业机器人采摘棉花的进度，实现机器人代替人类进行棉花采摘的理想。

关键词：农业；机器人；采摘棉花；前景

引言

目前，棉花的主要出口国家主要是中国和美国。在美国，棉花产地的主要生产模式是由农场主进行大规模的集中生产，并进行机械化的采收。棉花品种统一，整体已经较为成熟。而在中国，目前大部分的棉花采集仍然是以人力为主。

由于我国的棉花生产的分散，在种植规模上也呈现出各种不同，因此我国的棉花采集方式主要还是以人工手动采集的方式来减少采集难度和采集成本。然而，该方式虽然棉花采集质量更为稳定，但棉花的收获期更长，工作强度大，棉花采集工人也在逐年减少。因此，大力开展自动化的采摘是我国农业发展的必经之路。

一、农业机器人采摘棉花的生产应用价值

（一）可以适应我国棉花的多样性

机械式采集的特点是要求棉花抗断裂性能好，成熟期集中，没有虫害等。美国的棉花便是该情况，尤其适合机械式采集。而我国的棉花产地众多，气候、品种也很繁杂，导致虫害多，吐絮时间长等，并不适应于美国的机械式采集方式。人工智能机器人可以大大提升人工采集的工作效率，同时又不受品种多样性限制，因此，人工智能机器人实时采集就显得尤为重要了。

（二）改善土壤环境

机械式采集是依靠人工驾驶操作，要求采集时必须一次性收花，大多数情况下，采棉前都需要利用化学催熟来帮助调整种植期，不仅影响土质，如果棉花产生了耐药，不会引发脱叶困难等问题。农业机器人可以像人类一样灵巧采集，并减少化学物和叶屑的污染。

（三）提升棉花品质

机械式采集对于棉花的统一性相当高，因此，在出产的品质上也是存在着极高的相似度。而在我国，本就品种多样的生产环境，如果强行使用机械式采集，出产的棉花必定是极其的杂乱无章，也难以通过检验结果。如果能够利用农业机器人自动分级技术，对每个棉花都进行分级，但可以大大提升总体的质量和产量。

（四）减少人力成本

人工采集的方式为棉花的出产带来的更多的费用问题、收获问题、质量和产量问题。例如吐絮期不稳定，时间长等。因此，农场常常需要聘用大量的农工，每增加一天都会增加大量的开销，有时，光是民工地花费就会占年度总花费3/4。此外，采集工作繁重，年轻人愿意继续做民工的越来越少，也注定了人工采集将会被智能化设备替代。

二、农业机器人的技术特点与研究

（一）棉花的识别与分类

国内地棉花种类繁多，农业机器人首先需要辨认棉花的不同。当前的智能机器人是通过显微镜小波分析进行辨认，通过对棉花的颜色、形态、开合角度等对棉花的品级、病虫害情况等进行判断。而机器人的视觉捕捉则是从周围的环境图像中进行信息提取，并通过关键的节点，对自身所需的观察对象进行判断、分类、识别。因此，想要实现高品质的棉花采摘，农业机器人必须首先实现棉花的辨认和分类。

例如，设计人员可以提前设置好分类器，在目前的标本中设立规则，并对其进行分类，让视觉技术可以在此基础上进行反应更快、分类更加准确可靠的。

随后，可以利用模糊集和粗糙集理论对分类器中的样本进行预处理，减少不必要的信息，加速神经网络的学习速度，提升运行效率。

然后通过人工神经网络，对得到的信息进行计算，并在得出的数据之中寻找一个误差最小的参数作为结果。随后再通过分形几何，对棉花的进行维数的定量，说棉花的品质的特征和不同的特点进行一一对应，根据棉花的物理结构，以及其化学特征，建立精准波形，初步实现棉花的分类。

最后，通过样本中的细节部分，例如颜色、纹理、形态等部分细节的部分进行分类，完成对棉花品质的定义，最终完成棉花的完全分类。

（二）机器人结构

棉花的采集相对而言更为精巧，如果机器人在判断距离、力量方面出现问题，很容易速度过快，冲击棉花，导致棉花没有采集成功或损毁等情况。因此，机器人不仅需要有强大的辨认能力，更需要有触觉功能，根据棉花表面的硬度、柔软度、弹性、粗糙度、导热能力等，对棉花进行智能分析，从而控制采集力度。此外，不同的行走结构、机械手结构也都会对棉花的采集造成影响，需要科学进行设计。

例如，在行走机构上，设计师可以设计成可以更换的结构，根据当前土地情况，灵活判断需要转向更为灵活的轮式结构，还是土地适应能力更为优秀的履带结构。在机械手的选择上，设计师可以选择刚度高，抓力强的结构，但需要考虑到该结构的运动精度问题肯操作问题。

此外，设计师也可以说考虑运动精度高的结构，但也要同时考虑其工作人员盲区的问题。针对机器人的特点和我国本土棉花的特点，需要灵活寻找刚性和运动性中的平衡点，例如选择关节结构。

最后，便是，末端执行器的问题。末端执行器是实现棉花分离的最终结构，由于棉花的特性，自身较软，容易脱落，尺寸肯重量也均比较小，且生物特性，形状等，都与其他蔬果花卉不同，一般3-5个瓣，独立在棉壳之上。因此，末端执行器更需要与传感融合系统进行交互，实现采集分级一体化。末端执行器结构应该根据设置不愁怀的抓取机构，能够根据不同的情况，进行不同的分离操作，例如扭断和切割有等待方法。

结论

随着我国在数字领域的不断精进，我国在人工智能方面也取得了更多的进步。时至21世纪，我国的棉花生产模式也在逐渐发生改变，越来越向智能化转变。

农业机器人不仅提升了棉花的产量，也降低化学制剂导致的生态破坏，降低了棉花的采集成本，将人工和传统机械式采棉的缺点，减少了污染，优化了种植环境，又系统地规范了经济形式。人工智能的长足发展令我国采棉带来了新的希望，相信未来，农业机器人也必然会为帮助我国农业实现真正的集约型经济。

参考文献：

[1]李永华.数字化养猪，机器人摘棉花，无人驾驶收割机……黑科技加持的农业全是风口[J].中国经济周刊，2020.

[2]范雪.浅析人工智能推动下的现代农业机器人的发展与前景[J].河北农机,2021(13):3.

[3]马莉.山西省设施农业采摘机器人发展现状及前景研究[J].当代农机,2020.