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【摘要：新的林業(yè)生產方式和快速發(fā)展的新技術促進了林業(yè)裝備的發(fā)展，催生了智能裝備和林業(yè)機器人。林業(yè)機器人在提高林業(yè)生產力、改變林業(yè)生產模式、解決勞動力不足以及實現(xiàn)林業(yè)生產和經(jīng)營規(guī)?；?、多樣化、精準化等方面具有極大的優(yōu)越性，發(fā)展林業(yè)機器人對促進我國林業(yè)技術革命和實現(xiàn)林業(yè)現(xiàn)代化具有重要作用。文中提出林業(yè)機器人的定義和分類，闡明林業(yè)機器人的應用領域，綜述國內外林業(yè)機器人發(fā)展現(xiàn)狀，分析林業(yè)機器人發(fā)展中遇到的問題，提出林業(yè)機器人發(fā)展的未來趨勢，以為機器人在林業(yè)領域中的研究和應用提供參考。
關鍵詞：林業(yè)機器人，林業(yè)現(xiàn)代化，發(fā)展現(xiàn)狀，未來趨勢，宜機化改造】
我國是林業(yè)大國，林業(yè)生產和經(jīng)營關系我國生態(tài)安全和林業(yè)發(fā)展，林業(yè)生產和經(jīng)營方式及裝備是林業(yè)現(xiàn)代化水平的重要體現(xiàn)。隨著技術進步和勞動力減少，從事林業(yè)方面的工作者越來越少；同時林地工作環(huán)境惡劣、勞動強度大、林業(yè)勞動者安全得不到有效保障，現(xiàn)行林業(yè)機械無法很好地適應現(xiàn)代林業(yè)生產和經(jīng)營需要。機器人可有效解決上述林業(yè)生產和經(jīng)營中存在的問題，使用機器人代替人力勞動，可減少勞動力成本和林業(yè)工作安全隱患，同時提高機械化、自動化和智能化水平，對促進林業(yè)現(xiàn)代化具有重要意義。
1 林業(yè)機器人的定義和分類
林業(yè)機器人是一種柔性、可感知外界信息、重復編程的自動化或半自動化設備，以林業(yè)為服務對象，有機結合了機械、電子、計算機控制、人工智能等前沿學科而形成的有機綜合體，能通過程序控制來執(zhí)行林業(yè)生產和經(jīng)營的各種任務，是種特種工作機器人。
根據(jù)機器人在林業(yè)行業(yè)的不同應用領域，可以把林業(yè)機器人分為林業(yè)生態(tài)建設機器人、林業(yè)產業(yè)機器人和林業(yè)多功能集成機器人3類。
1）林業(yè)生態(tài)建設機器人。主要有林木種苗機器人、困難立地整地機器人、生態(tài)恢復機器人、造林與撫育機器人、生物資源及多樣性監(jiān)測與管護機器人、森林火情智能監(jiān)測與滅火機器人、森林病蟲害高效防治機器人、森林環(huán)境監(jiān)測機器人等。
2）林業(yè)產業(yè)機器人。主要有木材加工機器人、人造板加工機器人、林業(yè)資源經(jīng)濟開發(fā)機器人、木本油料加工機器人、林副產品生產機器人、竹材加工機器人等。
3）林業(yè)多功能集成機器人。主要有經(jīng)濟林果機械化采收及輸送機器人、林竹場全程機械化經(jīng)營機器人等。
2 林業(yè)機器人的應用領域
2.1 林業(yè)生態(tài)建設機器人的應用領域
林業(yè)生態(tài)建設是林業(yè)發(fā)展的主體，由于地形等因素限制，現(xiàn)行生態(tài)建設多為人工作業(yè)，機械化和自動化水平較低。林業(yè)生態(tài)建設離不開林業(yè)機器人和先進技術的支撐，機器人可以促進林業(yè)生態(tài)建設生產和經(jīng)營方式的轉變，使林業(yè)生態(tài)建設機械化、智能化，同時加快推動林業(yè)生態(tài)建設，更好地保護修復林業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。
林業(yè)生態(tài)建設機器人可廣泛應用在栽植、撫育、采運、園林綠化、林業(yè)檢測、森林保護等領域中。林木種苗機器人可用于松樹、杉樹等主要林木種子資源采收、干燥、脫粒、精選、分級、儲存，林木工廠化育苗，林業(yè)苗圃節(jié)水噴灌，種子園機動噴藥等方面；困難立地整地機器人可用于困難立地清林整地，挖坑、林木（苗）移植，自行式除灌清林聯(lián)合撫育等方面；生態(tài)恢復機器人可用于自動化固沙，污水處理，森林物種保護，植被生物多樣性保護，外來物種檢驗檢疫等方面；造林與撫育機器人可用于森林聯(lián)合伐木，集材聯(lián)合作業(yè)，航空護林，人工嫁接，修枝打枝等方面；生物資源及多樣性監(jiān)測與管護機器人可用于基于全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)的森林、濕地、沙漠資源氣候及災后監(jiān)測反饋，野生動植物監(jiān)測和管護等方面；森林火情智能監(jiān)測與滅火機器人可用于智能化、信息化森林火情監(jiān)測、預警，大型森林火災滅火等方面；森林病蟲害高效防治機器人可用于復雜山地大型高效、環(huán)保、智能化的森林病蟲害噴藥等方面；森林環(huán)境監(jiān)測機器人可用于污水、廢氣、固廢、輻射、噪聲、氣象等6類50多項環(huán)境指標的監(jiān)測分析。
2.2 林業(yè)產業(yè)機器人的應用領域
林業(yè)產業(yè)對于發(fā)展林業(yè)生產力和服務社會經(jīng)濟具有重要意義，在我國國民生產總值中所占比例逐年上升?，F(xiàn)林業(yè)產業(yè)多采用工廠化生產線式生產，機械化和自動化水平較高，機器人可促進林業(yè)產業(yè)生產和經(jīng)營方式的轉變，使林業(yè)產業(yè)生產智能化、無人化，進一步提高資源利用率和生產效率，獲得更大經(jīng)濟效益，進而推動林業(yè)產業(yè)快速發(fā)展。
林業(yè)產業(yè)機器人可應用于家具加工、人造板加工、竹業(yè)加工、林副產品加工等領域。木材加工機器人可用于木結構桁架、墻體自動化制造，大規(guī)格膠合木柔性制造，雙端鋸切、鉆削深孔、砂光、組裝等關鍵工藝的集成、自動化、智能化柔性制造，家具及制品加工等方面；人造板加工機器人可用于木材人造板連續(xù)熱壓成型，重組竹連續(xù)熱壓成型等方面；林下經(jīng)濟資源開發(fā)機器人可用于藍莓、木耳、蘑菇等林下資源預處理、分選、存儲等方面；木本油料加工機器人可用于油茶、核桃鮮果殼籽分離分選，油脂低溫壓榨等方面；林副產品生產機器人可用于加工油茶等油料作物的烘干、脫殼、破碎、軋坯和擠壓膨化，林藥加工的清洗、粉碎、煮提、濃縮、干燥和滅菌，其他林副產品如板栗、印楝、核桃等的剝殼機、清洗設備、殺菌、干燥等方面；竹材加工機器人可用于竹篼處理、竹林整地、竹林撫育、竹材采伐及運輸、竹材備料工段連續(xù)生產、竹材人造板連續(xù)化加工等方面。
2.3 林業(yè)多功能集成機器人的應用領域
林場不僅是森林資源管護經(jīng)營的基本單元，還是優(yōu)質生態(tài)產品的主要提供者，但環(huán)境惡劣、勞動力不足、勞動強度大等問題導致無法用現(xiàn)有半機械化水平手段來滿足管護和經(jīng)營的需要，運用林業(yè)機器人不僅可降低勞動力成本，提高生產效率，還可提高林場工作的機械化、自動化和智能化水平，最重要的是減少了林場不安全因素，催生了林業(yè)多功能集成機器人的產生及發(fā)展，林業(yè)多功能集成機器人可用于經(jīng)濟林果自動化采收、運輸、初加工，現(xiàn)代化林場經(jīng)營等領域。
山區(qū)經(jīng)濟林果機械化采收及輸送機器人可以應用于包括山區(qū)棗、栗子、核桃等經(jīng)濟林果機械化采收、索道運輸、存儲等林業(yè)一體化作業(yè)，實現(xiàn)經(jīng)濟林果不同類型協(xié)助機器人的有效集成。
林竹場全程機械化經(jīng)營機器人可以應用于林場種子采集、苗圃設施、種苗培育、造林、撫育、病蟲害防治、林火檢測撲救、資源調查、自動化灌溉和生態(tài)監(jiān)測、林區(qū)道路修筑、維護、保養(yǎng)和巡護全程機械化研發(fā)與示范等，實現(xiàn)多種類、多群體機器人的融合集成。
3 國內外林業(yè)機器人發(fā)展現(xiàn)狀
3.1 國外林業(yè)機器人發(fā)展現(xiàn)狀
國外很早就開始對林業(yè)機器人進行研究，由于林業(yè)生產作業(yè)環(huán)境惡劣、作業(yè)強度大，同時國外勞動力匱乏，且成本高，所以發(fā)達國家大多通過發(fā)展林業(yè)機器人來緩解，其中日本發(fā)展水平最高，日本的林業(yè)生產已基本實現(xiàn)機械化，自動化程度較高。
Yasuhiko Ishigure等研發(fā)的撫育機器人，使用節(jié)電鏈鋸驅動進行修枝，4個主動輪帶動機器人螺旋上下移動，依靠鏈鋸進行全方位剪枝，機器人可以依靠自身的重量在樹木上維持穩(wěn)定。日本ISEKI公司研發(fā)的用于嫁接的撫育機器人，每小時可嫁接900株左右，成功率超過95%，效率很高。Humayun Rashid等研發(fā)的滅火機器人，融合藍牙、GSM、DTMF、GPS等多種技術，采用傳感器感應火焰、溫度和煙霧來正確定位火源，實現(xiàn)自動或遙控滅火。日本研發(fā)的FRIGO滅火機器人，采用履帶式移動機構，搭載可燃氣體、伽馬射線、神經(jīng)麻醉氣體探測器，可以迅速發(fā)現(xiàn)火源并引導消防員迅速滅火，同時可協(xié)助搬運設備器材，也可以引導消防員迷路時順利脫險。早稻田大學研發(fā)的一款環(huán)境監(jiān)測機器人，可以通過傳感器獲得溫度、濕度、PM2.5、輻射等環(huán)境數(shù)據(jù)，可使用手機操控機器人移動并設定數(shù)據(jù)獲取周期。
美國SPRAYING SYSTEM公司和丹麥HARDI公司都研發(fā)了多種森林病蟲害防治機器人，融合光機電一體化技術、計算機控制技術和“3S”技術，遵循靶標適應性原則，實現(xiàn)智能、精準、高效的病蟲害防治。美國約翰迪爾公司研制的伐木聯(lián)合機，集伐木、打枝、造材等功能于一體，可在陡坡和林地連續(xù)運動，計算機程序根據(jù)傳感器反饋的路況信息控制步伐，生產效率高、安全、智能且對地表生物資源的破壞小。芬蘭Ponsse公司研制的聯(lián)合采伐機，搭配測試系統(tǒng)可測出原木的體積，并通過采伐機上最先進的整機程控系統(tǒng)完成采伐動作，同時記錄故障反饋駕駛員。
歐美發(fā)達國家林地地形較好，林業(yè)裝備多開展大規(guī)模作業(yè)，林業(yè)機器人具有大型化、多功能化的特點，其中日本林地總體數(shù)量少，林業(yè)裝備多開展復雜地形精細化作業(yè)，林業(yè)機器人具有精細化、小型化的特點。
3.2 國內林業(yè)機器人發(fā)展現(xiàn)狀
我國很多林業(yè)領域尤其是生態(tài)建設領域還停留在半機械化水平，還未完全達到機械化水平，隨著技術發(fā)展，某些領域的林業(yè)裝備已進入機器人時代，林業(yè)機器人理念孕育而生。
舒慶等研發(fā)的生態(tài)恢復機器人，通過鋪設草方格來防風固沙，依據(jù)沙地地貌通過PLC控制鋪設草方格機構的高度和插入壓力，作業(yè)后將在沙地上形成草方格立體沙障，固沙能力很強，可提高鋪設效率161倍，降低鋪設成本80%左右。
褚佳等研發(fā)的用于葫蘆科穴盤苗嫁接的撫育機器人，通過控制機械手完成取苗搬運、切苗、嫁接、輸送等作業(yè)，每小時可嫁接455株，只需1人操作，嫁接成功率高達95%。李文彬等研發(fā)用于樹木立木整枝的撫育機器人，通過人工遙控機器人移動至易于打枝處，控制懸臂式鏈鋸對樹木進行整枝，使樹木達到良好的撫育效果。劉松等研發(fā)用于園林綠籬修剪的撫育機器人，通過圖像采集系統(tǒng)獲得實時信息，并依據(jù)綠籬的高度和生長分布，使用Atmega168單片機控制機器人進行修剪，實現(xiàn)自動化修剪，適應性強。
姜樹海等研發(fā)的六足仿生森林消防機器人，可完成火災巡檢、清理、撲救等工作，滅火裝置最大可伸展2.3 m，足部最大可伸展1.25 m，適合林地復雜環(huán)境工作。林凡強等在傳統(tǒng)避障機器人上研發(fā)的滅火機器人，通過紅外火焰?zhèn)鞲衅髋浜宪浖治龃_定火焰的位置，避障機器人快速移動到著火點附近，控制滅火裝置進行精確滅火。
湯晶宇等研發(fā)的森林病蟲害防治機器人，采用超聲感應裝置進行檢測，定向施藥，精準防治病蟲害，大幅提高了農藥的利用率。
董勇志等研發(fā)的環(huán)境檢測直立交互型機器人，采用多種傳感器融合、UART觸屏交互、雙向PWM控制等多種技術，可實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測、遠程操控、報警等功能，監(jiān)測數(shù)據(jù)全且智能化水平高。張慧穎研發(fā)的現(xiàn)場環(huán)境智能巡檢機器人，配合使用多種傳感器可以得到溫度、CO濃度、溫度等環(huán)境數(shù)據(jù)并通過NRF905與控制臺進行無線傳輸，通過傳感器融合模糊神經(jīng)網(wǎng)絡感知并避障，結構簡單、測量準確且智能化程度高。
魏占國等設計的輪式林木采伐聯(lián)合機器人CFJ-30，采用全液壓驅動，集伐木、打枝、造材于一體，最大行駛速度可達25 km/h，最大工作距離可達10 m，工作效率很高。周中華等研發(fā)的毛竹聯(lián)合采伐機，集伐竹、打枝、截梢、集材等功能于一體，成功改變了現(xiàn)行伐竹的工作方式，大幅提高了生產效率，減少了勞動成本，對我國竹業(yè)產業(yè)發(fā)展有著重要作用。
傅萬四等研發(fā)的自動破竹機器人，實現(xiàn)了原竹段自動分級、自動對心、自動換刀、自動破竹和原竹中心矯正，通過測量竹筒外徑，使用PLC系統(tǒng)控制選擇合適的刀具進行破竹，破竹速度可達11.2 m/min，大大提高了工作效率，處于國際領先技術水平。
我國林業(yè)機器人處于起步階段，尚未系統(tǒng)形成適合我國林業(yè)情況的機器人產學研體系。
4 林業(yè)機器人研究中存在的問題及發(fā)展趨勢
4.1 存在的問題
目前我國林業(yè)機器人的研發(fā)大多處于試驗階段，由于各種原因尚無法普及，當前存在的主要問題如下。
1）林業(yè)工作環(huán)境復雜。我國林業(yè)生產經(jīng)營多在偏遠山區(qū)，工作環(huán)境復雜惡劣，林業(yè)機器人在工作時要面臨林地坡度不一、溝壑復雜、障礙多等挑戰(zhàn)，大型機器裝備無法進入作業(yè)區(qū)，同時林地環(huán)境信號差，信號覆蓋率低，對于林業(yè)機器人工作信息傳輸和處理有著一定的挑戰(zhàn)，林地未經(jīng)過宜機化改造，對機器人的適應性要求高，所以在推廣中存在較大難度。
2）林業(yè)喬灌木栽種不規(guī)則?，F(xiàn)階段我國自然生長的林業(yè)喬灌木在林地呈散亂不規(guī)則分布，人工種植的喬灌木類型復雜，導致喬灌木等植被布局和生長不規(guī)則，對于林業(yè)機器人工作時的對象識別和處理易受外界因素的影響。林木生長不規(guī)則影響機器人在林地間連續(xù)行走，在一定程度上降低了連續(xù)化水平，同時不規(guī)則生長還會導致機器人在林間工作時破壞植被，影響生物多樣性進而破壞生態(tài)。
3）開發(fā)難度大，生產成本高。相對于工業(yè)和農業(yè)來說，林業(yè)總體而言屬于生態(tài)公益行業(yè)，林業(yè)產業(yè)產生的經(jīng)濟效益遠小于工業(yè)和農業(yè)產業(yè)，致使更多的研發(fā)人員熱衷于加入工業(yè)和農業(yè)機器人的研發(fā)行列，而且林業(yè)機器人售價高，導致推廣困難。林業(yè)機器人雖有很大的市場潛力，但由于開發(fā)難度大、生產成本高，一定程度上抑制了其發(fā)展推廣。
4）研發(fā)人才和平臺缺乏。我國從事林業(yè)機器人方面的研發(fā)技術人員較少，行業(yè)科技領軍人才和優(yōu)秀拔尖人才稀缺，林業(yè)高校和科研院所未系統(tǒng)開設林業(yè)機器人課程，未建立林業(yè)機器人學科，導致對口人才較少，制約了林業(yè)機器人的發(fā)展?，F(xiàn)階段的林業(yè)企業(yè)大都是為了生產需要，把一些通用機械技術人員經(jīng)過簡單培訓后即上崗，缺乏對林業(yè)行業(yè)工作對象的認知和基礎知識學習，無法滿足林業(yè)機器人的發(fā)展需求?？萍紕?chuàng)新平臺是技術轉移、技術研發(fā)、資源共享、孵化企業(yè)的重要基礎設施，林業(yè)機器人的科技創(chuàng)新平臺稀缺也是林業(yè)機器人發(fā)展緩慢的原因之一。
4.2 未來發(fā)展趨勢
林業(yè)機械化是林業(yè)現(xiàn)代化的重要標志，林業(yè)機器人是代表林業(yè)機械化發(fā)展水平的重要標志。隨著科技發(fā)展、勞動力減少、人口勞動結構的調整，發(fā)展林業(yè)機器人勢在必行，將對我國林業(yè)技術革命和林業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展起到積極重大的促進作用。
1）政府積極引導，加大科研投入。在國際農林機器人生產巨頭公司看好中國市場、紛紛搶灘中國的背景下，我國對林業(yè)機器人制造業(yè)的扶持力度不足，尤其是針對適合我國林情的林業(yè)機器人的研發(fā)，政府和行業(yè)協(xié)會缺乏權威性的指導和協(xié)調，嚴重制約了我國林業(yè)機器人的發(fā)展和推廣。相關部門應加大科技層面的投入，加強政策支持和市場引導，充分利用實施重點建設工程和調整振興重點產業(yè)形成的市場需求，加快推進林業(yè)機器人生產研發(fā)自主化，同時重點扶持林業(yè)機器人龍頭企業(yè)，優(yōu)化創(chuàng)新人才成長環(huán)境，保障林業(yè)生產需要，帶動林業(yè)機器人產業(yè)發(fā)展。政府可對購買林業(yè)機器人的用戶發(fā)放購置補貼，進一步刺激內需，促進林業(yè)機器人的發(fā)展。
2）攻克共性關鍵技術。發(fā)展林業(yè)機器人需要優(yōu)先發(fā)展相對應的關鍵技術，對引導國家重大項目支持和企業(yè)科技創(chuàng)新選擇具有重要的指導作用和現(xiàn)實意義，更好地發(fā)展林業(yè)機器人還需突破以下關鍵技術：機器人在復雜林業(yè)環(huán)境中的連續(xù)運動控制技術；自動避障技術；對目標隨機位置的準確感知和信息處理，機械手的準確定位，機械手抓取力度和姿態(tài)控制技術；對復雜目標的分類技術；對林業(yè)惡劣環(huán)境條件的適應技術；基于樹木生理結構的自適應技術；山地林地自適應技術；人機交互技術；林業(yè)無人機信息獲取及反饋技術等。
3）加強林地宜機化改造?！耙藱C化改造”是近年來針對農業(yè)提出的新概念，從最初的“梯田改造”到現(xiàn)在的“高標準農田建設”，對農業(yè)發(fā)展和機器人應用都是一大助力，就現(xiàn)階段科技水平而言，讓機器人去適應所有的農林地形有著很大難度，林業(yè)比農業(yè)環(huán)境更加惡劣、工作對象更加復雜、實現(xiàn)全機械化作業(yè)難度更大，“宜機化改造”更適合林業(yè)行業(yè)。林地實現(xiàn)宜機化是我國林業(yè)實現(xiàn)機械化和現(xiàn)代化的重要環(huán)節(jié)，推動宜機化改造對提高林業(yè)生產力、提高林業(yè)機器人的使用率和工作效率、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展尤為重要，也是快速實現(xiàn)林業(yè)生產和經(jīng)營機械化、智能化的另一途徑。
4）重視人才培養(yǎng)，建立產學研技術體系。重視林業(yè)機器人行業(yè)人才培養(yǎng)是推動林業(yè)機器人發(fā)展非常重要的環(huán)節(jié)，人才是科學技術的載體，因此要重視培養(yǎng)林業(yè)機器人行業(yè)的人才，林業(yè)機器人所需的人才是多方面的，不僅要有產品開發(fā)和生產人才，還要有技術推廣、維修、管理和使用人才，可在相關職業(yè)技術學院開設林業(yè)機器人制造管理維修職業(yè)教育；在農林高校開設林業(yè)機器人專業(yè)，進行林業(yè)機器人本科教育培養(yǎng)；在相關農林高校、科研院所培養(yǎng)林業(yè)機器人學科領域的碩士、博士研究生，形成完整的人才培養(yǎng)體系，以適應林業(yè)機器人的快速發(fā)展。同時加快林業(yè)機器人科技創(chuàng)新平臺建設，以國家級科研單位牽頭構建國家林業(yè)機器人重點實驗室和工程技術中心，加速科技成果轉化，建設完備的產學研用科研平臺體系。
5）引進相關行業(yè)高端技術吸收、改造、創(chuàng)新。林業(yè)機器人產業(yè)屬于高端制造業(yè)，其發(fā)展在一定程度上落后于工業(yè)和農業(yè)機器人，可以借鑒工業(yè)和農業(yè)機器人的發(fā)展歷程，將已經(jīng)發(fā)展頗好的工業(yè)和農業(yè)機器人引入林業(yè)生產中，并結合林業(yè)行業(yè)的特殊情況進行二次開發(fā)和改造，加速研發(fā)進程，依據(jù)改進后機器人的實地工作情況再結合我國林情研制出特屬林業(yè)行業(yè)的機器人。同時吸引更多從事于工、農業(yè)機器人的研發(fā)和技術人員加入林業(yè)行業(yè)，引進、消化吸收、再創(chuàng)新，給林業(yè)機器人發(fā)展注入強大活力，助林業(yè)機器人更快追上時代發(fā)展。
6）加強國際合作。國外農林業(yè)機器人發(fā)展水平普遍高于我國，要堅持實施“請進來、走出去”戰(zhàn)略，引進國外農林業(yè)機器人研發(fā)人員長期或短期到國內開展科研合作交流并形成長效機制，同時派遣科研人員或留學生赴國外機構合作研究，共建林業(yè)機器人國際創(chuàng)新團隊，搭建林業(yè)機器人國際研究平臺，積極吸收國外先進技術，促進我國林業(yè)機器人創(chuàng)新，扶持有國際競爭力的林業(yè)機器人企業(yè)努力開拓國際市場，與國際接軌。
