单位：北京市农林科学院数据科学与农业经济研究所
引言
一种新型的智能农业机械装备，是称作农业机器人的东西，它集合了人工智能监测技术，还有自动控制技术，图像识别技术是其中一部分，环境建模算法也在其中，感应器同样不可或缺，柔性执行等先进技术都被包含。不过近年来农业机器人发展得十分迅速，在提高农业生产力这个方面，它显示出了极大的优越性，它对于改变农业生产模式也有很大作用，还能解决劳动力不足的问题，并且在实现农业的规模化、多样化以及精准化等方面，都展现出了极大的优越性，所以它已逐渐成为农业工程领域里重要方向当中的一个。
当下，我国发展农业机器人的契机已然成熟，政府对于农业装备制造业方面的发展予以了高度重视，并且先后颁布了一系列的政策举措。农业机器人属于智能化的农业机械范畴，其应用范围正变得越来越广泛，进而成为了现代农业的重要装备。
近些年来，针对于农业机器人处于何种发展状况以及呈现怎样的发展趋势的研究存在着数量众多的情况，谌凯等人，也就是谌凯等（2016），为农业机器人谋划绘制了专利地图，从其呈现出的发展趋势、占据重要地位的重点技术领域、在不同地方的地域分布情况、相互之间存在竞争关系的机构以及被大量引用的高引专利等若干方面着手开展了态势方面的研究。邢颖等（2018）借助文献计量分析这样的方法，以基于SCI这个范围内被大量引用的高被引论文作为基础，对国际上农业机械所进行的研究当中处于前沿位置的技术展开了分析。袁建霞等人，于2019年，将与农业机器人研究相关的SCI论文作为对象，并进而综合运用文献计量法，以及内容分析法，还有专家咨询法等方式，针对农业机器人的论文产出趋势作出探究，又对热点研究主题进行剖析，同时对国家竞争态势予以分析，另外对研究前沿展开研究。本文基于专利与论文的综合分析，对重点国家农业机器人发展的战略规划展开调研，采用定量分析与定性调研相结合之法，经由回溯国内外农业机器人的发展历程，剖析并归纳其研究热点、前沿以及未来发展趋势，结合我国未来数年的战略需求与重点发展方向实施分析，为我国未来于农业机器人的基础研究、技术研发以及产业布局等方面的前沿规划给予参考与建议。
1全球农业机器人研究历程
农业机器人发展大体上经历了四个阶段（图1）：
萌芽期是1951年至1980年，在1980年以前，农业机器人领域全球每年专利申请数量少，都在30件以下，这属于技术萌芽期，早期农业机器人技术主要源自美国，且主要涉及机器人机械部分相关研究，相对于技术专利，农业机器人论文出现时间晚，研究论文发表时间能回溯到1968年，年度论文发表量少于年度专利申请量。
（2）缓慢发展期，时间跨度为1981年至1990年，于该时期，农业机器人领域的专利申请数量开始逐步呈现发展态势，然而专利总量依旧较少，处于缓慢发展阶段，年专利申请量是在70件之下。在此时期之中，随着工业技术以及自动定位与导航技术持续不断地发展以及广泛运用，进而催生了不同类型的农业机器人，像是采摘机器人、收获机器人、挤奶机器人等等。在该阶段，农业机器人领域有少量研究论文发表，这些论文主要涉及利用工业机器人技术来研究农业的机器人化，并且对收获作业进行了研究，同时也对嫁接作业进行了研究，还对移植作业进行了研究，另外对摘粒作业进行了研究，更对喷药作业进行了研究。1984年，京都大学近藤直教授首次成功把机器人引入农业工程领域。在该时段的后期，澳大利亚发表了剪羊毛机器人相关论文，英国也发表了挤奶机器人相关论文。
（3）平稳发展期，时间段为1991年至2005年，在此期间，农业机器人技术获得了进一步的拓展，处于这个阶段时，专利以及文献所涵盖的内容，大多与农业作业环境、作物栽培式样、作物物理特性等层面相关联，始终致力于让位于其中的人、作物、机器人三者构建起协调的关系，从而促使机器人能够更加契合于农业作业。
（4）快速发展期（2006年至今）：2006年之后，农业机器人领域步入快速发展阶段，专利申请量迅速节节攀高迅猛上扬提升，论文发表量也以飞快提升之势快速增加。在这个时期，融合高超智能、超快速度、超低损耗成本等优势的农业机器人成为着重攻坚的主攻努力方向。现代机器人把高精尖多种技术整合汇聚为一体，它能够配置装备与人类的眼睛、耳朵、鼻子、双手以及大脑等相似相仿相像的多样多种传感器。机器人拥有具备的所有这些特性特质使得农业机器人在农业生产进程过程中演绎担当塑造起着无可取代无法替代独一无二的关键重要作用。
2全球农业机器人研究现状
2.1 战略规划
欧盟，借助FP7或者“地平线2020”等框架计划，资助了好多机器人研究项目。在2010年的时候，欧盟资助了针对作物和林业可持续管理的机器人（CROPS）项目，其目的在于开发出一种具备高度可配置、模块化、智能化特点的载体平台，这里面涵盖模块化并联机器人以及智能工具（传感器、算法、喷雾器、夹持器），还开发了针对集中高价值作物（像温室蔬菜、水果、葡萄）的机器人样机，与此同时，在感知以及智能传感器融合与学习算法这些方面，也展开了大量的研究工作。在2016年的时候，欧盟委员会投入了9870万欧元来启动第二轮“地平线2020”机器人计划，园艺机器人（TrimBot2020）作为里面之中的子项目，主要是借助利用先进机器人以及视觉技术，去开发首个户外花园修剪机器人原型。在同年期间，欧盟发布了《2016版机器人技术路线方案图》，涉及到系统开发集成、人机交互、机电一体化、知觉、导航与认知等6个技术集群。
2014年，美国农业部国家食品与农业研究所，也就是NIFA，宣布拿出300万美元用于农业机器人的研发，重点资助方向涵盖目标识别与算法，以及相关机器人，像分选机器人、温室机器人、园艺机器人等。2015年，美国“国家机器人计划”投资3700万美元来推动协作机器人，也就是co-robots的开发与使用，该计划聚焦了14个重点方向有关自治系统，如传感和智能感知，再者就是建模与分析，还有规划和操控，包含认知和学习等方面技术。2016年，美国发布了第三版机器人路线图《从互联网到机器人》，其重点关注的领域有机械与之动装置，还有移动性与操控性，以及感知，另外还有形式化方法、学习与适应、控制与规划，再有就是人机交互、多智能体机器人等。
日本，在2016年时，于其发布的《第五期科技基本计划》里提出，要致力于创造领先大变革时代的未来产业以及社会变革，还要加强超智能社会的服务平台基础技术研发，这其中涵盖了机器人技术、传感器技术等，并且要灵活利用低成本的ICT或者机器人技术等去加快农业智能化，以此来保障粮食的稳定性。在2017年，日本发布了《人工智能产业化路线图》，还预计在2020年前后，达成无人农场和机器人的应用。
对农业机器人作研究这件事上，我国起步时刻相对而言是比较晚的，然而产业发展速度却很快，并且在政策方面具备的支持力度并非不大，在2016年的时候，工业和信息化部、国家发展改革委、财政部共同发布了《机器人产业发展规划（2016—2020年）》，这为农业机器人朝更深入方向的发展给予了新的机遇。当下我国正致力于研究并制定针对2035年的机器人产业发展规划，将中国机器人产业发展的当前状况总结出来同时还要梳理其一直存在着的问题以及那些关键的技术层面的环节，以便于为未来与之相关的众多产业的更进一步发展去提供指导性的意见。
2.2 研发布局
（1）基础研究布局分析
农业机器人基础研究的布局，是经由SCI论文的主题研究来展现得出的。通过对于研究论文关键词共现情况的深入分析，可清晰看到这样一个现象，农业机器人研究论文，共同汇聚成为数量为5个之多的众多簇。这5个簇各自所涵盖的研究领域，分别是机器视觉方面的研究，定位与导航方面的研究，采收机器人方向相关的内容，渔业机器人范畴内的以及挤奶机器人所属的一系列相关研究（此处可参考图2）。在这之中，关于挤奶机器人的相关研究文献，其数量在众多研究类别里是最多的。这些文献所涉及的具体内容林林总总，包括牛群管理方面的探讨，动物行为监测的研究，牛奶产量与质量检测的相关工作，面向奶牛疾病检测的各项研究，以及围绕奶牛福利所展开的诸多内容等等。其次，在定位与导航方面，与之有关的研究文献量不少，在机器视觉方面，相关研究文献量同样较多，而这些，乃是农业机器人最为基本的支撑技术。
（2）技术研发布局
展现技术研发布局，主要是借助专利文献的主题研究来体现。现今，全球农业机器人专利研发，大致涵盖机器人技术和机器人类别这两大主题，呈现在图3之中。当中，技术主题有机械手等、传感器；机器人类别的主题则包含割草机器人等、播种机器人还包括采摘机器人以及收获机器人、喷雾机器人和灌溉机器人、嫁接机器人、堆垛机器人、挤奶机器人还有渔业养殖机器人各类等这些。其中，挤奶机器人这一主题是当前农业机器人专利研发活动里的热点主题，割草机器人这一主题同样是也是在当前农业机器人专利研发活动当中的热点主题。
2.3 研发产出特点分析
在亚洲地区，北美地区以及欧洲等地区，这些是农业机器人研发成果的主要产出区域。
如果从论文以及专利数量来看，排名处于前十这样位置的国家，主要较为集中地分布在亚洲、北美还有欧洲等式范畴广阔的地区，在这些地区之中，论文数量占全球总量比例达到77%，专利产出数量占全球总量比例达到95%。在亚洲区域，进入前十这种排名的国家存在中国、日本以及韩国，其中中国的专利数量以及论文数量，均处于全球首位这样的排名，整体表现极其突出显著。美国同样展现出优异的表现状况，美国的论文数量以及专利数量，均在全球排名之中处于第二位。除此之外，欧洲有5个国家进入到全球发文量以及全球专利数量的前十列次排列之中，具体情况可见（表1）。
（2）欧、美等国的研究产出成果质量和影响力均较高
美国在该领域所拥有的前百分之十高被引论文数量是最多的，占据了总数的四分之一，其论文在篇均被引方面排第四位，与此同时，美国拥有的授权专利数目最多，多达三百六十六件，它的PCT也就是专利合作条约的专利数量排首位，其专利篇均被引排名居第三位，这表明美国对国际市场布局极为重视，并且其论文质量和专利的影响力都是比较高的。荷兰的论文篇均被引处于第五位的排名，其持有的授权专利数量处在第二位的排名，PCT专利数量排名是第三位，主要于欧洲、美国、德国等欧美国家布局了相关专利，其中欧洲占37%，美国占20%，德国占11%。瑞典论文的篇均被引位列第一位，表现极其突出，PCT专利数量排名第二位，篇均被引频次也排名第二位，这表明瑞典的论文质量以及专利质量与影响力都名列前茅。加拿大专利篇均被引位于第一位的排名，相关专利影响力较高。
（3）大学、科研机构和企业在创新链中的角色分工明确
处于基础研究环节时，科研机构以及高校是农业机器人开展研发工作的主要力量。当中中国的大学展现得颇为出色，在排名位居前十的机构里，中国占据了6个位置，中国农业大学借助122篇论文的数量排名处于首位，江苏大学以112篇发文量排名第二，荷兰瓦赫宁根大学研究中心呈现得较为显著，凭借78篇论文数量占有第三的名次。
于技术研发这一环节之中，企业确实是农业机器人开展研发工作的主体所在。当中，处于前3位名次的机构，其依次排列的顺序是，来自荷兰的Maasland公司，该公司拥有258件相关成果，还有来自美国的Technologies Holdings公司，其拥有190件相关成果，以及来自瑞典的利拉伐公司，该公司有166件相关成果。当下，存在一些企业创制出了商业化的产品，像是洋马所开发的全自动蔬菜嫁接机AG1000，此机具备1000株/h的嫁接速度。在2010年的时候，荷兰的利利公司，也就是Lely，成功研出最新一代名为“宇航员”的挤奶机器人。还有瑞典的利拉伐公司，即Delaval，开发出了全自动挤奶机器人VMS。
（4）园艺机器人文献数量较多，养殖机器人专利数量最多
从总体上来说，与数量相较而言是占据远远多数的农业机器人专利，其数量是要远远多于研究论文数量的，而这主要是集中体现在大田机器人以及养殖机器人这两个方面的。就各类农业机器人论文数量这一方面而言的话，有着最多数量相关研究论文的是园艺类机器人，其数量为1640篇，在总体占比中是为43.6%；处于第二位置的是养殖类机器人，其数量为631篇，占比数值是为17.1%；发文数量最少的是大田机器人，其数量为527篇，占比为14.2%。从专利数量方面来看，养殖机器人所涉及的专利数量是最多的，其数量为2131件，占比达到了38.7%，园艺机器人的专利数量处于其次的位置 ，占比为29.7%，大田机器人的专利数量是最少的，占比为17.8%（图4）。
3全球农业机器人研究前沿
3.1 国外战略前沿部署分析
展示对各国战略规划进行分析的情况，欧美国家所研发的机器人，主要聚焦于园艺等高价值作物，以及感知这一关键技术领域，还有控制与规划这一重要技术范畴，以及人机交互这一关键技术方面。举例来说，欧盟的FP7作物智能机器人项目，也就是Clever Robots of Crops, CROPS，研发出了与温室蔬菜相关的机器人，还有与水果相关的机器人，以及与葡萄相关的机器人，TrimBot2020制造出了首个户外花园修剪机器人；于美国，NIFA资助关于分选机器人的相关研究，资助针对温室机器人的相关研究，资助有关园艺机器人的相关研究。在技术这一层面，欧盟的CROPS项目，于感知这个方面，以及于智能传感器融合和学习算法这些方面，开展了数量众多的研究工作，欧盟发布的相关路线图涉及了感知、控制与规划、人机交互等领域，美国发布的相关路线图也涉及了感知、控制与规划、人机交互等领域。
3.2 高被引研究论文分析
经由对ESI数据库里的高被引论文、也就是Highly Cited Paper，以及热点论文、即Hot Paper，展开聚类以及分析，从而得到基础研究前沿，农业机器人研究领域当中，总共获取到4篇高被引论文以及热点论文，其中，最早予以发表的文献是在2008年，其研究涵盖了除草机器人，最新的一篇文献处在2017年发表，涉及到全自动作物监测机器人平台，也就是表2。相关研究内容涵盖这些：其一，是机器视觉于果蔬自动检测里的应用；其二，为除草机器人中涉及的像导航、检测与识别、精确除草以及绘图这般的4种核心技术；其三，是蔬菜嫁接技术，在此当中开发高效砧木以及便利的嫁接工具向来属于该领域的研究热点；其四，是全自动作物监测机器人平台，它构建起了一个专用传感器阵列，能够针对作物全生命周期的冠层发育开展精确监测。
3.3 核心专利技术分析
将115件农业机器人领域核心专利依照INNOGRAPHY数据库里的专利强度指标（90%-100%）给筛选出来，通过聚类分析得到该技术前沿的主题分布（所呈现的是图5），这儿的这些主题涵盖了机械臂、图像处理等机器人技术，还有既存栏喂养、收获采摘、挤奶作业、割草行动等机器人类型，这些核心专利主要源自美国、荷兰、瑞典、加拿大、以色列以及德国等国家（所对应的表格是表3）。其中，专利申请量最多的是美国Technologies Holdings公司，多达20件；其次是美国约翰迪尔公司以及荷兰利利公司，它们的专利申请量都是10项；美国Technologies Holdings公司的专利与荷兰利利公司的专利技术侧重于挤奶机器人，而美国约翰迪尔公司的专利技术侧重于田间操作机器人。中国只有江南大学的1件专利进入了该研究前沿，其专利内容是“一种多关节柔性机械手”。
4全球农业机器人趋势预判
4.1 机器人技术预计未来十年实现成熟应用
由于来自美国的农业众筹平台Agfunder，借助Gartner曲线来对农业技术成熟度予以分析，其结果显示，农业机器人技术当下正处在科技初现促发期(也就是Technology Trigger)。在这个阶段，伴随媒体过度的报道跟不经理性思考的渲染，从而致使产品的知名度在各处都能见到。然而随着这些技术或者产品的缺点、问题以及局限性开始出现，所以失败的案例要比成功的案例更多。
此外，有多家行业相关机构持有一种观点，即农业机器人技术距离能够成熟应用还有一段需要时间的历程。加拿大有一家名为前瞻研究的机构呢于2014年发布报告，该报告持有这样的看法，就是农业机器人到2018年的时候能在科研方面得以实现，到2020年成为主流技术，截止到2021年能够普遍推广。全球有一家名叫波士顿的管理咨询公司以及英国的IDTechEx公司等，它们分别针对农业机器人的研发现状以及市场展开了分析预测，并且都持有这样的观点便是未来几年机器人会在农场被广泛使用，可以这样理解成为农场里边会大量地去运用机器人，会出现机器人被大量运用在农场这个场景里的情况。
4.2 更多种类的农业机器人将实现商业化
此时，好多国家以及地区针对农业机器人的运用大多限定于特定的某些品种，像收割机器人、挤奶机器人等已然被广泛接纳并使用，技术也比较成熟。然而，对于蔬菜、水果、畜牧业所需的农业机器人，当下发展程度依旧不足。未来，因应市场需求以及技术进步，科学家们肯定会钻研出更多方面适用于多元的需索的农业机器人，像收菜机器人、摘果机器人之类，且使之精细度更上一层楼、生产效率更为提升，让农业机器人能够被农业生产的各行各业内化成推动力量的一份子，进而全面提升到一个新进度效率；按照英国IDTechEx分报告所示，到2023年左右，除草机器人、蔬果采收、草莓采摘、苹果采摘机器人等会慢慢开启上市进程，未来还会有更多品类的农业机器人达成商用转变。
4.3 农业机器人的发展将更具智能化
未来农业机器人发展的必然趋势是智能化，智能化赋予机器人更强的决策分析能力，更强的适应性，操作还更简单，农民在田间地头，借助智能手机或是其它智能无线终端设备便能操纵农业机器人去做田间作业，智能机器人还能够达成精密性操作，像果园智能机器人于果园里借助导航系统和红外系统等达成自动寻果、收果以及自动分级等。新的农业生产模式里，新技术被应用着，农业机器人作为新一代智能化农业机械，必然会要求对视觉传感器技术深入研究，必然会要求对非视觉传感器技术深入研究，必然会要求对图像采集算法深入研究，必然会要求对图像处算法深入研究，以此提高其辨识能力，以此提高其避障能力，降低损伤率，真正代替人类实现智能化作业，真正代替人类实现高效化作业，真正代替人类实现精准化作业。除此之外，于各个国家的战略规划里面，智能化的机器人同样是其予以关注的重点之处，要是像欧盟的CROPS项目，其目的致力于去开发一种具备高度可配置、且模块化、以及智能化特质的载体平台；而多智能体机器人也就是Multi-Agent Robotics，它是美国第三版机器人路线图所关注的重点内容之一。
4.4 农业机器人未来有较大的市场潜力
有多家行业机构就农业机器人展开了市场预测研究，2015年，国际知名调研机构Technavio发布了一份有关农业机器人市场预期的报告，透露在2015年至2019年这个阶段，全球农业机器人市场的年复合增长率会达到11%以上。依据Tractica机构的预测，2024年农业机器人出货量会从2016年的3.2万部增长到59.4万部，2024年农业机器人的收入将达到741亿美元。在我国，伴随着农业朝着集约化方向发展的程度不断加深，以及制造业朝着智能化方向进行升级，将会需要数量越来越多的农业机器人，应用到大规模的农业生产当中。
5对我国的启示
5.1 加强前沿布局，提高农业装备制造水平
当下，欧美那些发达的国家，在针对农业机器人的范畴之内，其前瞻的布局，着重关注的方面包括感知、智能传感器那融合与学习算法这一方面，还有控制与规划这一块，以及人机交互等区域领域。而我国，针对机器人进行研制之时开始的步骤很晚，跟那发达的国与家相较而言，其间显现出来的差距仍然是比较大的。所以，我国需要及时地去追踪相关领域跟前边那些前沿的方向，强化前沿这些技术的整体布局，以此来缩小跟发达的国家之间的差距。而且在同一时间，我国仍然必须得以更快的速度提高农业上装备制造的能力，加大对关键零部件以及仪器的研发力度，唯有如此这般才能够达成，让农业机器人整体水准得到提升这样的一个结果了。
5.2 提高基础研究质量，重视相关专利布局
我国在农业机器人领域，论文数量以及专利数量，已然位居全球首位，然而在研究的质量方面，还有影响力方面，有待进一步提升。我国科学家应该加强与国际同行之间的交流合作，还要重视专利的海外布局，以此提高科研成果的质量以及 influence。尽管当下我国在农业机器人研究方面已经取得了一些进展，可是在自动导航方面，机器视觉方面，图像处理与自动识别方面，机器人协同作业等核心技术以及关键点上，仍然需集中力量，并加强攻关，以便在短期内取得显著进展。
5.3 引导和加强企业在农业机器人产业创新中的作用
在欧美等发达国家那里，公益机构以及企业，它们的分工呈现出明确的状态，在农业机器人的基础研究这个环节，还有技术开发等属于创新链的环节之中，各自发挥着具有重要意义的作用。当下，我国农业机器人在基础研究以及技术开发等这些环节里面，创新主体全部都是高校和科研机构，企业到现在都还没有在其中发挥出对应的效能，而这般情况极容易大大地对我国农业机器人创新成果的应用以及产业化的发展造成影响。所以呀，国家应该大力地加大政策方面以及资金扶持的力度，引导具有优势的 businesses 去到相关的领域当中去，参与核心技术的研发工作，以此来促进农业机器人这一领域的公私合作，从而加速产业化的发展。
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