作者：赵静娟，郑怀国，董瑜，杨艳萍*

单位：北京市农林科学院数据科学与农业经济研究所

引言

农业机器人是一种新型的智能农业机械装备，是人工智能监测、自动控制、图像识别技术、环境建模算法、感应器、柔性执行等先进技术的集合。农业机器人近年来发展迅速，在提高农业生产力、改变农业生产模式、解决劳动力不足以及实现农业的规模化、多样化和精准化等方面显示出了极大的优越性，已逐渐成为农业工程领域的重要方向之一。

我国发展农业机器人的时机已成熟，政府对农业装备制造业发展也高度重视，先后出台一系列政策举措。农业机器人作为智能化的农业机械，得到越来越广泛的应用，成为现代农业的重要装备。

近年来，针对农业机器人发展现状和趋势的研究有很多，谌凯等（2016）针对农业机器人绘制了专利地图，从发展趋势、重点技术领域、地域分布、竞争机构及高引专利等方面开展了态势研究。邢颖等（2018）通过文献计量分析的方法，基于SCI高被引论文，分析了国际农业机械研究的技术前沿。袁建霞等（2019）以与农业机器人研究相关的 SCI 论文为对象，综合运用文献计量法、内容分析法和专家咨询法等，对农业机器人的论文产出趋势、热点研究主题、国家竞争态势及研究前沿进行了分析。

本文在专利和论文综合分析的基础上，调研了重点国家在农业机器人发展方面的战略规划，运用定量分析和定性调研相结合的方法，通过回溯国内外农业机器人的发展历程，分析归纳其研究热点、前沿，及未来发展趋势，结合我国未来几年的战略需求和重点发展方向进行分析，为我国未来在农业机器人的基础研究、技术研发和产业布局等方面的前沿规划提供参考和建议。

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）：

（1）萌芽期（1951年～1980年）：1980年以前，农业机器人领域全球每年申请的专利数量较少，均在30件以下，属于技术萌芽期。早期的农业机器人技术主要来自美国，并且主要涉及了机器人机械部分相关的研究。相对于技术专利而言，农业机器人论文出现时间较晚，研究论文发表时间可以回溯到1968年，年度论文发表量少于年度专利申请量。

（2）缓慢发展期（1981年～1990年）：农业机器人领域的专利申请数量开始逐步发展，但专利总量仍然较少，处于缓慢发展期，年专利申请量在70件以下。此时期，随着工业技术以及自动定位与导航技术的不断发展及其广泛运用，催生了不同类型的农业机器人，如采摘机器人、收获机器人、挤奶机器人等。该阶段农业机器人领域有少量的研究论文发表，主要涉及利用工业机器人的技术来研究农业的机器人化，对收获、嫁接、移植、摘粒、喷药等作业进行了研究。1984年，京都大学近藤直教授首次成功将机器人引入农业工程领域。该时段的后期，澳大利亚、英国等国家分别发表了剪羊毛机器人和挤奶机器人相关论文。

（3）平稳发展期（1991年～2005年）：农业机器人技术得到进一步发展。此阶段的专利和文献内容多涉及农业作业环境、作物栽培式样、作物物理特性等方面，努力使人-作物-机器人三者关系协调，使机器人更适宜于农业作业。

（4）快速发展期（2006年至今）：2006年后，农业机器人领域进入快速发展阶段，专利申请量和论文发表量均快速攀升。此时期，高智能、高速度、低成本的农业机器人成为主攻方向。现代机器人本身集高、精、尖技术为一体，它可装备与人的眼、耳、鼻、手以及脑等相似的多种传感器。机器人的所有这些特性使得农业机器人将在农业生产过程中扮演着无可替代的重要角色。

2、全球农业机器人研究现状

2.1 战略规划

欧盟：通过FP7或“地平线2020”等框架计划资助了多项机器人研究项目。2010年，欧盟资助了面向作物和林业可持续管理的机器人（CROPS）项目，旨在开发一种高度可配置、模块化、智能化的载体平台，包括模块化并联机器人和智能工具（传感器、算法、喷雾器、夹持器），开发了集中高价值作物（如温室蔬菜、水果、葡萄）机器人样机，同时还在感知以及智能传感器融合与学习算法方面开展了大量的研究工作。2016年，欧盟委员会投入9870万欧元启动第二轮“地平线2020”机器人计划，园艺机器人（TrimBot2020）作为其中的子项目，主要是利用先进机器人和视觉技术，开发首个户外花园修剪机器人原型。同年，欧盟发布《2016版机器人技术路线图》，涉及系统开发集成、人机交互、机电一体化、知觉、导航与认知等6个技术集群。

美国：2014年，农业部国家食品与农业研究所（NIFA）宣布斥资300万美元用于农业机器人的研发，重点资助方向包括目标识别与算法、相关机器人（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3700万美元用于推动协作机器人（co-robots）的开发与使用，该计划关注了14个重点方向，如自治系统、传感和智能感知、建模与分析、规划和控制、认知和学习等方面。2016年，美国发布第三版机器人路线图《从互联网到机器人》，重点关注机械与致动装置、移动性与操控性、感知、形式化方法、学习与适应、控制与规划、人机交互、多智能体机器人等领域。

日本：2016年，日本在其发布的《第五期科技基本计划》中提出，致力于创造领先大变革时代的未来产业和社会变革，加强超智能社会的服务平台基础技术研发，包括：机器人技术、传感器技术等；灵活利用低成本的ICT或机器人技术等加快农业智能化，以保障粮食的稳定性。2017年，日本发布《人工智能产业化路线图》，并预计在2020年前后，实现无人农场和机器人的应用。

我国对农业机器人的研究起步相对较晚，但产业发展迅速，同时政策上支持力度不小，2016年工业和信息化部、国家发展改革委、财政部联合发布《机器人产业发展规划（2016—2020年）》，为农业机器人的进一步发展提供了新机遇。目前我国正在研究制定面向2035年的机器人产业发展规划，总结中国机器人产业发展现状，存在的问题和关键的技术环节，为未来的相关产业发展提供指导。

2.2 研发布局

（1）基础研究布局分析

农业机器人基础研究布局主要通过SCI论文的主题研究予以体现。通过研究论文的关键词共现，农业机器人研究论文共聚成5个簇，分别为机器视觉、定位与导航、采收机器人、渔业机器人和挤奶机器人等相关研究（图2）。其中，挤奶机器人相关研究文献数量最多，内容涉及了牛群管理、动物行为监测、牛奶产量与质量检测、奶牛疾病检测、奶牛福利等。其次，定位与导航、机器视觉相关研究文献量也较多，它们是农业机器人的最基本的支撑技术。

（2）技术研发布局

技术研发布局主要通过专利文献的主题研究予以体现。目前，全球农业机器人专利研发大致包含机器人技术和机器人类别两大主题（图3）。其中，技术主题包括机械手、传感器；机器人类别主题包括割草、播种、采摘、收获、喷雾、灌溉、嫁接、堆垛、挤奶和渔业养殖机器人等。其中，挤奶机器人和割草机器人这两个主题是当前农业机器人专利研发活动中的热点主题。

2.3 研发产出特点分析

（1）亚洲、北美和欧洲等地区是农业机器人研发成果的主要产出区域

从论文和专利数量来看，排名前十的国家主要分布在亚洲、北美和欧洲等地区，这些地区论文数量和专利产出数量占全球总量比例分别达到77%和95%。亚洲进入前十的国家有中国、日本和韩国，中国专利和论文数量均排名全球首位，表现突出。美国也表现优异，美国论文数量和专利数量均排名第二位。此外，欧洲有5个国家进入全球发文量和全球专利数量前十行列（表1）。

（2）欧、美等国的研究产出成果质量和影响力均较高

美国在该领域持有的前10%高被引论文数量最多，占总数的四分之一，论文篇均被引排名第四位，同时美国持有的授权专利最多，高达366件，其PCT（PatentCooperation Treaty）专利数量排名第一，专利篇均被引排名第三位，说明美国十分重视国际市场布局，且论文质量和专利的影响力均较高。荷兰的论文篇均被引排名第五位，持有的授权专利数量排名第二位，PCT专利数量排名第三位，主要在欧洲（37%）、美国（20%）、德国（11%）等欧美国家布局了相关专利。瑞典论文的篇均被引排名第一位，表现十分突出，PCT专利数量和篇均被引频次均排名第二位，说明瑞典的论文和专利质量与影响力均名列前茅。加拿大专利篇均被引排名第一位，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

在基础研究环节，科研机构和高校是农业机器人研发的主力军。其中中国的大学表现突出，排名前十位的机构中中国占据了6个席位，中国农业大学以122篇论文数量排名第一，江苏大学排名第二，发文112篇，荷兰瓦赫宁根大学研究中心表现较为突出，以78篇论文数量位居第三。

在技术研发环节，企业是农业机器人研发的主体。其中，前3位的机构依次为荷兰的Maasland公司（258件）、美国的Technologies Holdings公司（190件）和瑞典的利拉伐公司（166件）。目前，一些企业已经开发出商业化的产品，如洋马开发的全自动蔬菜嫁接机AG1000，该机嫁接速度为1000株/h；2010年荷兰利利公司（Lely）研制成最新一代的名叫“宇航员”的挤奶机器人；瑞典利拉伐公司（Delaval）研制出全自动挤奶机器人（VMS）。

（4）园艺机器人文献数量较多，养殖机器人专利数量最多

总体而言，农业机器人的专利数量远远多于研究论文数量，主要体现在大田机器人和养殖机器人两方面。从各类农业机器人论文数量来看，园艺类机器人相关研究论文数量最多，为1640篇，占比为43.6%；其次是养殖类机器人，为631篇，占比为17.1%；大田机器人发文数量最少，为527篇，占比为14.2%。从专利数量来看，养殖机器人相关专利数量最多，为2131件，占比38.7%；园艺机器人专利数量次之，占比为29.7%；大田机器人专利数量最少，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

对各国战略规划分析显示，欧美国家研发的机器人主要集中在园艺等高价值作物上，以及感知、控制与规划、人机交互等重要技术领域。例如，欧盟FP7作物智能机器人（Clever Robots of Crops, CROPS）项目研发了温室蔬菜、水果、葡萄等相关的机器人，TrimBot2020开发首个户外花园修剪机器人；美国NIFA资助分选机器人、温室、园艺机器人等相关研究。在技术层面，欧盟CROPS项目在感知以及智能传感器融合与学习算法方面开展了大量的研究工作，欧盟和美国发布的相关路线图均涉及了感知、控制与规划、人机交互等领域。

3.2 高被引研究论文分析

通过对ESI数据库中高被引论文（Highly Cited Paper）和热点论文（Hot Paper）进行聚类和分析，得到基础研究前沿。在农业机器人研究领域，共获得4篇高被引论文和热点论文。其中，最早的文献发表于2008年，研究内容涉及了除草机器人；最新的一篇文献发表于2017年，涉及了全自动作物监测机器人平台（表2）。相关研究内容包括：1）机器视觉在果蔬自动检测中的应用；2）除草机器人中有关导航、检测与识别、精确除草和绘图等4种核心技术；3）蔬菜嫁接技术，其中开发高效砧木和便利的嫁接工具一直是该领域的研究热点；4）全自动作物监测机器人平台，建立了一个专用传感器阵列（dedicated sensor array），可对作物全生命周期的冠层发育进行精确监测。

3.3 核心专利技术分析

根据INNOGRAPHY数据库中的专利强度指标（90%-100%）筛选出115件农业机器人领域核心专利。通过聚类分析获得该技术前沿的主题分布（图5），这些主题涉及机械臂、图像处理等机器人技术，以及养殖、采收、挤奶、割草等机器人类型。这些核心专利主要来自美国、荷兰、瑞典、加拿大、以色列和德国等国家（表3）。其中，美国Technologies Holdings 公司专利申请量最多，达20件；其次是美国约翰迪尔公司和荷兰利利公司，专利申请量均为10项；美国Technologies Holdings 公司专利和荷兰利利公司的专利技术侧重挤奶机器人，美国约翰迪尔公司的专利技术侧重田间操作机器人。中国仅江南大学1件专利进入该研究前沿，专利内容为“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

美国农业众筹平台Agfunder利用Gartner曲线对农业技术成熟度的分析显示，农业机器人技术目前还处于科技诞生的促发期(Technology Trigger)。在此阶段，随着媒体的过度报道，非理性的渲染，产品的知名度无所不在。然而随着这些技术或产品的缺点、问题、局限性的出现，失败的案例多于成功的案例。

此外，多家行业机构认为农业机器人技术离成熟应用尚需时日。加拿大前瞻研究机构2014年发表的报告认为，农业机器人到2018年在科研中实现，2020年成为主流技术，2021年普遍推广。全球管理咨询公司波士顿和英国IDTechEx等分别对农业机器人研发现状和市场进行分析预测，并认为未来几年机器人将在农场得到广泛使用。

4.2 更多种类的农业机器人将实现商业化

当前，很多国家和地区对于农业机器人的使用大多局限于特定某一些品种，如收割机器人、挤奶机器人等已经被广泛接受与使用，技术也相对成熟。但是，对于蔬菜、水果、畜牧业所需要的农业机器人，当前发展程度仍然不够。未来，随着市场的需要及技术的进步，科学家们必将研究出更多方面适用于更多需求的农业机器人，如收菜机器人、摘果机器人等，并且使其精细度更高、生产效率更高，使农业机器人能被农业生产的各行各业所应用，以全面提高农业生产效率。据英国IDTechEx分析报告显示，到2023年前后，除草机器人、蔬果采收机器人、草莓采摘机器人、苹果采摘机器人等将逐渐开始上市，未来会有更多种类的农业机器人实现商业化。

4.3 农业机器人的发展将更具智能化

智能化已经成为未来农业机器人发展的必然趋势。智能化机器人的决策分析能力更强、适应性更强，且操作更简单，农民可在田间地头用智能手机或其它智能无线终端设备就可以操纵农业机器人进行田间作业。而智能机器人也可以实现精密性操作，如果园智能机器人可以在果园里配合导航系统、红外系统等实现自动寻果、收果、自动分级等。在新的农业生产模式和新技术的应用中，农业机器人作为新一代智能化的农业机械，必然会要求对视觉和非视觉传感器技术、图像采集和处理的算法等进行更深入的研究，从而提高其辨识和避障能力，降低损伤率，真正代替人类实现智能化、高效化、精准化作业。此外，在各国的战略规划中，智能化的机器人也是其关注的重点，如欧盟CROPS项目，旨在开发一种高度可配置、模块化、智能化的载体平台；多智能体机器人（Multi-Agent Robotics）则是美国第三版机器人路线图的关注重点之一。

4.4 农业机器人未来有较大的市场潜力

多家行业机构均对农业机器人开展了市场预测研究。2015年，国际知名调研机构Technavio发布了一份关于农业机器人市场预期报告显示，2015年至2019年期间，全球农业机器人市场年复合增长率将达11%以上。根据Tractica机构预测，2024年农业机器人出货量将从2016年的3.2万部增长至59.4万部，2024年农业机器人收入将达到741亿美元。在中国，随着农业集约化程度的提高和制造业智能化升级，将需要越来越多的农业机器人应用到大规模农业生产中。

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

目前，欧美发达国家在农业机器人领域的前瞻布局主要关注感知、智能传感器融合与学习算法、控制与规划、人机交互等领域。我国机器人研制起步较晚，与发达国家的差距仍然较大。因此，我国要及时追踪相关领域前沿方向，加强前沿技术的布局，缩小与发达国家的差距。同时，我国仍需提高农业装备制造能力，加强关键零部件和仪器的研发，只有这样才能实现农业机器人整体水平的提升。

5.2 提高基础研究质量，重视相关专利布局

我国农业机器人领域的论文数量和专利数量已位居全球首位，但是在研究的质量和影响力上还有待进一步提高。我国科学家应当加强与国际同行之间的交流合作，重视专利的海外布局，提高科研成果的质量和影响力。尽管目前我国在农业机器人研究方面已取得了一些进展，但在自动导航、机器视觉、图像处理与自动识别、机器人协同作业等核心技术和关键点上仍需要集中力量和加强攻关，以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

欧美等发达国家公益机构和企业分工明确，分别在农业机器人的基础研究和技术开发等创新链环节发挥着重要作用。目前，我国农业机器人的基础研究和技术开发等环节的创新主体均为高校和科研机构，企业尚未在其中发挥相应的作用，这将严重影响我国农业机器人创新成果的应用和产业化发展。因此，国家应加大政策和资金扶持力度，引导优势企业进入相关领域，参与核心技术研发，促进农业机器人领域的公私合作，加快产业化发展。

 发表于《中国农机化学报》2021.42