林業(yè)機器人是一種柔性、可感知外界信息、重復(fù)編程的自動化或半自動化設(shè)備,以林業(yè)為服務(wù)對象,有機結(jié)合了機械、電子、計算機控制、人工智能等前沿學(xué)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(chǎn)和經(jīng)營的各種任務(wù),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(yīng)用領(lǐng)域,可以把林業(yè)機器人分為林業(yè)生態(tài)建設(shè)機器人、林業(yè)產(chǎn)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(shè)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(fù)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(chǎn)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(chǎn)品生產(chǎn)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。

　　林業(yè)生態(tài)建設(shè)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(shè)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(shè)離不開林業(yè)機器人和先進技術(shù)的支撐,機器人可以促進林業(yè)生態(tài)建設(shè)生產(chǎn)和經(jīng)營方式的轉(zhuǎn)變,使林業(yè)生態(tài)建設(shè)機械化、智能化,同時加快推動林業(yè)生態(tài)建設(shè),更好地保護修復(fù)林業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。

　　林業(yè)生態(tài)建設(shè)機器人可廣泛應(yīng)用在栽植、撫育、采運、園林綠化、林業(yè)檢測、森林保護等領(lǐng)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(fù)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(dǎo)航系統(tǒng)的森林、濕地、沙漠資源氣候及災(zāi)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(yù)警,大型森林火災(zāi)滅火等方面;森林病蟲害高效防治機器人可用于復(fù)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(biāo)的監(jiān)測分析。

　　林業(yè)產(chǎn)業(yè)對于發(fā)展林業(yè)生產(chǎn)力和服務(wù)社會經(jīng)濟具有重要意義,在我國國民生產(chǎn)總值中所占比例逐年上升?，F(xiàn)林業(yè)產(chǎn)業(yè)多采用工廠化生產(chǎn)線式生產(chǎn),機械化和自動化水平較高,機器人可促進林業(yè)產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)營方式的轉(zhuǎn)變,使林業(yè)產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)智能化、無人化,進一步提高資源利用率和生產(chǎn)效率,獲得更大經(jīng)濟效益,進而推動林業(yè)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。

　　林業(yè)產(chǎn)業(yè)機器人可應(yīng)用于家具加工、人造板加工、竹業(yè)加工、林副產(chǎn)品加工等領(lǐng)域。木材加工機器人可用于木結(jié)構(gòu)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(guān)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(yù)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(chǎn)品生產(chǎn)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(chǎn)品如板栗、印楝、核桃等的剝殼機、清洗設(shè)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(chǎn)、竹材人造板連續(xù)化加工等方面。

　　林場不僅是森林資源管護經(jīng)營的基本單元,還是優(yōu)質(zhì)生態(tài)產(chǎn)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(dǎo)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(chǎn)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(chǎn)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(lǐng)域。

　　山區(qū)經(jīng)濟林果機械化采收及輸送機器人可以應(yīng)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(yīng)用于林場種子采集、苗圃設(shè)施、種苗培育、造林、撫育、病蟲害防治、林火檢測撲救、資源調(diào)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。

　　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(chǎn)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(chǎn)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(qū)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(shù),采用傳感器感應(yīng)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(gòu),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(dǎo)消防員迅速滅火,同時可協(xié)助搬運設(shè)備器材,也可以引導(dǎo)消防員迷路時順利脫險。早稻田大學(xué)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(shè)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(shù)、計算機控制技術(shù)和“3S”技術(shù),遵循靶標(biāo)適應(yīng)性原則,實現(xiàn)智能、精準(zhǔn)、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(chǎn)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(fù)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。

　　我國很多林業(yè)領(lǐng)域尤其是生態(tài)建設(shè)領(lǐng)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(shù)發(fā)展,某些領(lǐng)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(fù)機器人,通過鋪設(shè)草方格來防風(fēng)固沙,依據(jù)沙地地貌通過PLC控制鋪設(shè)草方格機構(gòu)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(shè)效率161倍,降低鋪設(shè)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(yīng)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(zāi)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(fù)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(yīng)裝置進行檢測,定向施藥,精準(zhǔn)防治病蟲害,大幅提高了農(nóng)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(shù),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(luò)感知并避障,結(jié)構(gòu)簡單、測量準(zhǔn)確且智能化程度高。

　　魏占國等設(shè)計的輪式林木采伐聯(lián)合機器人CFJ-30,采用全液壓驅(qū)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(chǎn)效率,減少了勞動成本,對我國竹業(yè)產(chǎn)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(lǐng)先技術(shù)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(chǎn)學(xué)研體系。

　　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(dāng)前存在的主要問題如下。

　　1)林業(yè)工作環(huán)境復(fù)雜。我國林業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營多在偏遠山區(qū),工作環(huán)境復(fù)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(fù)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(yīng)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(fù)雜,導(dǎo)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(dǎo)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(chǎn)成本高。相對于工業(yè)和農(nóng)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(chǎn)業(yè)產(chǎn)生的經(jīng)濟效益遠小于工業(yè)和農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè),致使更多的研發(fā)人員熱衷于加入工業(yè)和農(nóng)業(yè)機器人的研發(fā)行列,而且林業(yè)機器人售價高,導(dǎo)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(chǎn)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(shù)人員較少,行業(yè)科技領(lǐng)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(shè)林業(yè)機器人課程,未建立林業(yè)機器人學(xué)科,導(dǎo)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(chǎn)需要,把一些通用機械技術(shù)人員經(jīng)過簡單培訓(xùn)后即上崗,缺乏對林業(yè)行業(yè)工作對象的認(rèn)知和基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí),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(shù)轉(zhuǎn)移、技術(shù)研發(fā)、資源共享、孵化企業(yè)的重要基礎(chǔ)設(shè)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。

　　林業(yè)機械化是林業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)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(biāo)志。隨著科技發(fā)展、勞動力減少、人口勞動結(jié)構(gòu)的調(diào)整,發(fā)展林業(yè)機器人勢在必行,將對我國林業(yè)技術(shù)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(dǎo),加大科研投入。在國際農(nóng)林機器人生產(chǎn)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(quán)威性的指導(dǎo)和協(xié)調(diào),嚴(yán)重制約了我國林業(yè)機器人的發(fā)展和推廣。相關(guān)部門應(yīng)加大科技層面的投入,加強政策支持和市場引導(dǎo),充分利用實施重點建設(shè)工程和調(diào)整振興重點產(chǎn)業(yè)形成的市場需求,加快推進林業(yè)機器人生產(chǎn)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(chǎn)需要,帶動林業(yè)機器人產(chǎn)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(nèi)需,促進林業(yè)機器人的發(fā)展。

　　2)攻克共性關(guān)鍵技術(shù)。發(fā)展林業(yè)機器人需要優(yōu)先發(fā)展相對應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù),對引導(dǎo)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(dǎo)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(guān)鍵技術(shù):機器人在復(fù)雜林業(yè)環(huán)境中的連續(xù)運動控制技術(shù);自動避障技術(shù);對目標(biāo)隨機位置的準(zhǔn)確感知和信息處理,機械手的準(zhǔn)確定位,機械手抓取力度和姿態(tài)控制技術(shù);對復(fù)雜目標(biāo)的分類技術(shù);對林業(yè)惡劣環(huán)境條件的適應(yīng)技術(shù);基于樹木生理結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)技術(shù);山地林地自適應(yīng)技術(shù);人機交互技術(shù);林業(yè)無人機信息獲取及反饋技術(shù)等。

　　3)加強林地宜機化改造。“宜機化改造”是近年來針對農(nóng)業(yè)提出的新概念,從最初的“梯田改造”到現(xiàn)在的“高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)”,對農(nóng)業(yè)發(fā)展和機器人應(yīng)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(yīng)所有的農(nóng)林地形有著很大難度,林業(yè)比農(nóng)業(yè)環(huán)境更加惡劣、工作對象更加復(fù)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)學(xué)研技術(shù)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(xué)技術(shù)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(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)人才,還要有技術(shù)推廣、維修、管理和使用人才,可在相關(guān)職業(yè)技術(shù)學(xué)院開設(shè)林業(yè)機器人制造管理維修職業(yè)教育;在農(nóng)林高校開設(shè)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(guān)農(nóng)林高校、科研院所培養(yǎng)林業(yè)機器人學(xué)科領(lǐng)域的碩士、博士研究生,形成完整的人才培養(yǎng)體系,以適應(yīng)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(shè),以國家級科研單位牽頭構(gòu)建國家林業(yè)機器人重點實驗室和工程技術(shù)中心,加速科技成果轉(zhuǎn)化,建設(shè)完備的產(chǎn)學(xué)研用科研平臺體系。

　　5)引進相關(guān)行業(yè)高端技術(shù)吸收、改造、創(chuàng)新。林業(yè)機器人產(chǎn)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(nóng)業(yè)機器人,可以借鑒工業(yè)和農(nóng)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(nóng)業(yè)機器人引入林業(yè)生產(chǎn)中,并結(jié)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(jié)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(nóng)業(yè)機器人的研發(fā)和技術(shù)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(nóng)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(nóng)林業(yè)機器人研發(fā)人員長期或短期到國內(nèi)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(xué)生赴國外機構(gòu)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(shù),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。