摘要：新的林業生產方式和快速發展的新技術促進了林業裝備的發展，催生了智能裝備和林業機器人。林業機器人在提高林業生產力、改變林業生產模式、解決勞動力不足以及實現林業生產和經營規模化、多樣化、精準化等方面具有極大的優越性，發展林業機器人對促進我國林業技術革命和實現林業現代化具有重要作用。文中提出林業機器人的定義和分類，闡明林業機器人的應用領域，綜述國內外林業機器人發展現狀，分析林業機器人發展中遇到的問題，提出林業機器人發展的未來趨勢，以為機器人在林業領域中的研究和應用提供參考。
關鍵詞：林業機器人，林業現代化，發展現狀，未來趨勢，宜機化改造
作者：劉延鶴 傅萬四 張 彬 常飛虎 周建波
我國是林業大國，林業生產和經營關係我國生態安全和林業發展，林業生產和經營方式及裝備是林業現代化水平的重要體現。隨著技術進步和勞動力減少，從事林業方面的工作者越來越少；同時林地工作環境惡劣、勞動強度大、林業勞動者安全得不到有效保障，現行林業機械無法很好地適應現代林業生產和經營需要。機器人可有效解決上述林業生產和經營中存在的問題，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，對促進林業現代化具有重要意義。
1 林業機器人的定義和分類
林業機器人是一種柔性、可感知外界信息、重複編程的自動化或半自動化設備，以林業為服務對象，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行林業生產和經營的各種任務，是種特種工作機器人。
根據機器人在林業行業的不同應用領域，可以把林業機器人分為林業生態建設機器人、林業產業機器人和林業多功能集成機器人3類。
1）林業生態建設機器人。主要有林木種苗機器人、困難立地整地機器人、生態恢復機器人、造林與撫育機器人、生物資源及多樣性監測與管護機器人、森林火情智能監測與滅火機器人、森林病蟲害高效防治機器人、森林環境監測機器人等。
2）林業產業機器人。主要有木材加工機器人、人造板加工機器人、林業資源經濟開發機器人、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）林業多功能集成機器人。主要有經濟林果機械化採收及輸送機器人、林竹場全程機械化經營機器人等。
2 林業機器人的應用領域
2.1 林業生態建設機器人的應用領域
林業生態建設是林業發展的主體，由於地形等因素限制，現行生態建設多為人工作業，機械化和自動化水平較低。林業生態建設離不開林業機器人和先進技術的支撐，機器人可以促進林業生態建設生產和經營方式的轉變，使林業生態建設機械化、智能化，同時加快推動林業生態建設，更好地保護修復林業生態系統。
林業生態建設機器人可廣泛應用在栽植、撫育、採運、園林綠化、林業檢測、森林保護等領域中。林木種苗機器人可用於松樹、杉樹等主要林木種子資源採收、乾燥、脫粒、精選、分級、儲存，林木工廠化育苗，林業苗圃節水噴灌，種子園機動噴藥等方面；困難立地整地機器人可用於困難立地清林整地，挖坑、林木（苗）移植，自行式除灌清林聯合撫育等方面；生態恢復機器人可用於自動化固沙，汙水處理，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於森林聯合伐木，集材聯合作業，航空護林，人工嫁接，修枝打枝等方面；生物資源及多樣性監測與管護機器人可用於基於全球衛星導航系統的森林、溼地、沙漠資源氣候及災後監測反饋，野生動植物監測和管護等方面；森林火情智能監測與滅火機器人可用於智能化、信息化森林火情監測、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於複雜山地大型高效、環保、智能化的森林病蟲害噴藥等方面；森林環境監測機器人可用於汙水、廢氣、固廢、輻射、噪聲、氣象等6類50多項環境指標的監測分析。
2.2 林業產業機器人的應用領域
林業產業對於發展林業生產力和服務社會經濟具有重要意義，在我國國民生產總值中所佔比例逐年上升。現林業產業多采用工廠化生產線式生產，機械化和自動化水平較高，機器人可促進林業產業生產和經營方式的轉變，使林業產業生產智能化、無人化，進一步提高資源利用率和生產效率，獲得更大經濟效益，進而推動林業產業快速發展。
林業產業機器人可應用於傢俱加工、人造板加工、竹業加工、林副產品加工等領域。木材加工機器人可用於木結構桁架、牆體自動化製造，大規格膠合木柔性製造，雙端鋸切、鑽削深孔、砂光、組裝等關鍵工藝的集成、自動化、智能化柔性製造，傢俱及製品加工等方面；人造板加工機器人可用於木材人造板連續熱壓成型，重組竹連續熱壓成型等方面；林下經濟資源開發機器人可用於藍莓、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於油茶、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於加工油茶等油料作物的烘乾、脫殼、破碎、軋坯和擠壓膨化，林藥加工的清洗、粉碎、煮提、濃縮、乾燥和滅菌，其他林副產品如板栗、印楝、核桃等的剝殼機、清洗設備、殺菌、乾燥等方面；竹材加工機器人可用於竹篼處理、竹林整地、竹林撫育、竹材採伐及運輸、竹材備料工段連續生產、竹材人造板連續化加工等方面。
2.3 林業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營的基本單元，還是優質生態產品的主要提供者，但環境惡劣、勞動力不足、勞動強度大等問題導致無法用現有半機械化水平手段來滿足管護和經營的需要，運用林業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，催生了林業多功能集成機器人的產生及發展，林業多功能集成機器人可用於經濟林果自動化採收、運輸、初加工，現代化林場經營等領域。
山區經濟林果機械化採收及輸送機器人可以應用於包括山區棗、栗子、核桃等經濟林果機械化採收、索道運輸、存儲等林業一體化作業，實現經濟林果不同類型協助機器人的有效集成。
林竹場全程機械化經營機器人可以應用於林場種子採集、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、自動化灌溉和生態監測、林區道路修築、維護、保養和巡護全程機械化研發與示範等，實現多種類、多群體機器人的融合集成。
3 國內外林業機器人發展現狀
3.1 國外林業機器人發展現狀
國外很早就開始對林業機器人進行研究，由於林業生產作業環境惡劣、作業強度大，同時國外勞動力匱乏，且成本高，所以發達國家大多通過發展林業機器人來緩解，其中日本發展水平最高，日本的林業生產已基本實現機械化，自動化程度較高。
Yasuhiko Ishigure等研發的撫育機器人，使用節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定。日本ISEKI公司研發的用於嫁接的撫育機器人，每小時可嫁接900株左右，成功率超過95%，效率很高。Humayun Rashid等研發的滅火機器人，融合藍牙、GSM、DTMF、GPS等多種技術，採用傳感器感應火焰、溫度和煙霧來正確定位火源，實現自動或遙控滅火。日本研發的FRIGO滅火機器人，採用履帶式移動機構，搭載可燃氣體、伽馬射線、神經麻醉氣體探測器，可以迅速發現火源並引導消防員迅速滅火，同時可協助搬運設備器材，也可以引導消防員迷路時順利脫險。早稻田大學研發的一款環境監測機器人，可以通過傳感器獲得溫度、溼度、PM2.5、輻射等環境數據，可使用手機操控機器人移動並設定數據獲取週期。
美國SPRAYING SYSTEM公司和丹麥HARDI公司都研發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，實現智能、精準、高效的病蟲害防治。美國約翰迪爾公司研製的伐木聯合機，集伐木、打枝、造材等功能於一體，可在陡坡和林地連續運動，計算機程序根據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公司研製的聯合採伐機，搭配測試系統可測出原木的體積，並通過採伐機上最先進的整機程控系統完成採伐動作，同時記錄故障反饋駕駛員。
歐美髮達國家林地地形較好，林業裝備多開展大規模作業，林業機器人具有大型化、多功能化的特點，其中日本林地總體數量少，林業裝備多開展複雜地形精細化作業，林業機器人具有精細化、小型化的特點。
3.2 國內林業機器人發展現狀
我國很多林業領域尤其是生態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，隨著技術發展，某些領域的林業裝備已進入機器人時代，林業機器人理念孕育而生。
舒慶等研發的生態恢復機器人，通過鋪設草方格來防風固沙，依據沙地地貌通過PLC控制鋪設草方格機構的高度和插入壓力，作業後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。
褚佳等研發的用於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，每小時可嫁接455株，只需1人操作，嫁接成功率高達95%。李文彬等研發用於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於打枝處，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。劉松等研發用於園林綠籬修剪的撫育機器人，通過圖像採集系統獲得實時信息，並依據綠籬的高度和生長分佈，使用Atmega168單片機控制機器人進行修剪，實現自動化修剪，適應性強。
姜樹海等研發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，適合林地複雜環境工作。林凡強等在傳統避障機器人上研發的滅火機器人，通過紅外火焰傳感器配合軟件分析確定火焰的位置，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。
湯晶宇等研發的森林病蟲害防治機器人，採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。
董勇志等研發的環境檢測直立交互型機器人，採用多種傳感器融合、UART觸屏交互、雙向PWM控制等多種技術，可實現環境監測、遠程操控、報警等功能，監測數據全且智能化水平高。張慧穎研發的現場環境智能巡檢機器人，配合使用多種傳感器可以得到溫度、CO濃度、溫度等環境數據並通過NRF905與控制檯進行無線傳輸，通過傳感器融合模糊神經網絡感知並避障，結構簡單、測量準確且智能化程度高。
魏佔國等設計的輪式林木採伐聯合機器人CFJ-30，採用全液壓驅動，集伐木、打枝、造材於一體，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。週中華等研發的毛竹聯合採伐機，集伐竹、打枝、截梢、集材等功能於一體，成功改變了現行伐竹的工作方式，大幅提高了生產效率，減少了勞動成本，對我國竹業產業發展有著重要作用。
傅萬四等研發的自動破竹機器人，實現了原竹段自動分級、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，處於國際領先技術水平。
我國林業機器人處於起步階段，尚未系統形成適合我國林業情況的機器人產學研體系。
4 林業機器人研究中存在的問題及發展趨勢
4.1 存在的問題
目前我國林業機器人的研發大多處於試驗階段，由於各種原因尚無法普及，當前存在的主要問題如下。
1）林業工作環境複雜。我國林業生產經營多在偏遠山區，工作環境複雜惡劣，林業機器人在工作時要面臨林地坡度不一、溝壑複雜、障礙多等挑戰，大型機器裝備無法進入作業區，同時林地環境信號差，信號覆蓋率低，對於林業機器人工作信息傳輸和處理有著一定的挑戰，林地未經過宜機化改造，對機器人的適應性要求高，所以在推廣中存在較大難度。
2）林業喬灌木栽種不規則。現階段我國自然生長的林業喬灌木在林地呈散亂不規則分佈，人工種植的喬灌木類型複雜，導致喬灌木等植被佈局和生長不規則，對於林業機器人工作時的對象識別和處理易受外界因素的影響。林木生長不規則影響機器人在林地間連續行走，在一定程度上降低了連續化水平，同時不規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。
3）開發難度大，生產成本高。相對於工業和農業來說，林業總體而言屬於生態公益行業，林業產業產生的經濟效益遠小於工業和農業產業，致使更多的研發人員熱衷於加入工業和農業機器人的研發行列，而且林業機器人售價高，導致推廣困難。林業機器人雖有很大的市場潛力，但由於開發難度大、生產成本高，一定程度上抑制了其發展推廣。
4）研發人才和平臺缺乏。我國從事林業機器人方面的研發技術人員較少，行業科技領軍人才和優秀拔尖人才稀缺，林業高校和科研院所未系統開設林業機器人課程，未建立林業機器人學科，導致對口人才較少，制約了林業機器人的發展。現階段的林業企業大都是為了生產需要，把一些通用機械技術人員經過簡單培訓後即上崗，缺乏對林業行業工作對象的認知和基礎知識學習，無法滿足林業機器人的發展需求。科技創新平臺是技術轉移、技術研發、資源共享、孵化企業的重要基礎設施，林業機器人的科技創新平臺稀缺也是林業機器人發展緩慢的原因之一。
4.2 未來發展趨勢
林業機械化是林業現代化的重要標誌，林業機器人是代表林業機械化發展水平的重要標誌。隨著科技發展、勞動力減少、人口勞動結構的調整，發展林業機器人勢在必行，將對我國林業技術革命和林業現代化發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，我國對林業機器人制造業的扶持力度不足，尤其是針對適合我國林情的林業機器人的研發，政府和行業協會缺乏權威性的指導和協調，嚴重製約了我國林業機器人的發展和推廣。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形成的市場需求，加快推進林業機器人生產研發自主化，同時重點扶持林業機器人龍頭企業，優化創新人才成長環境，保障林業生產需要，帶動林業機器人產業發展。政府可對購買林業機器人的用戶發放購置補貼，進一步刺激內需，促進林業機器人的發展。
2）攻克共性關鍵技術。發展林業機器人需要優先發展相對應的關鍵技術，對引導國家重大項目支持和企業科技創新選擇具有重要的指導作用和現實意義，更好地發展林業機器人還需突破以下關鍵技術：機器人在複雜林業環境中的連續運動控制技術；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控制技術；對複雜目標的分類技術；對林業惡劣環境條件的適應技術；基於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；林業無人機信息獲取及反饋技術等。
3）加強林地宜機化改造。“宜機化改造”是近年來針對農業提出的新概念，從最初的“梯田改造”到現在的“高標準農田建設”，對農業發展和機器人應用都是一大助力，就現階段科技水平而言，讓機器人去適應所有的農林地形有著很大難度，林業比農業環境更加惡劣、工作對象更加複雜、實現全機械化作業難度更大，“宜機化改造”更適合林業行業。林地實現宜機化是我國林業實現機械化和現代化的重要環節，推動宜機化改造對提高林業生產力、提高林業機器人的使用率和工作效率、實現可持續發展尤為重要，也是快速實現林業生產和經營機械化、智能化的另一途徑。
4）重視人才培養，建立產學研技術體系。重視林業機器人行業人才培養是推動林業機器人發展非常重要的環節，人才是科學技術的載體，因此要重視培養林業機器人行業的人才，林業機器人所需的人才是多方面的，不僅要有產品開發和生產人才，還要有技術推廣、維修、管理和使用人才，可在相關職業技術學院開設林業機器人制造管理維修職業教育；在農林高校開設林業機器人專業，進行林業機器人本科教育培養；在相關農林高校、科研院所培養林業機器人學科領域的碩士、博士研究生，形成完整的人才培養體系，以適應林業機器人的快速發展。同時加快林業機器人科技創新平臺建設，以國家級科研單位牽頭構建國家林業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）引進相關行業高端技術吸收、改造、創新。林業機器人產業屬於高端製造業，其發展在一定程度上落後於工業和農業機器人，可以借鑑工業和農業機器人的發展歷程，將已經發展頗好的工業和農業機器人引入林業生產中，並結合林業行業的特殊情況進行二次開發和改造，加速研發進程，依據改進後機器人的實地工作情況再結合我國林情研製出特屬林業行業的機器人。同時吸引更多從事於工、農業機器人的研發和技術人員加入林業行業，引進、消化吸收、再創新，給林業機器人發展注入強大活力，助林業機器人更快追上時代發展。
6）加強國際合作。國外農林業機器人發展水平普遍高於我國，要堅持實施“請進來、走出去”戰略，引進國外農林業機器人研發人員長期或短期到國內開展科研合作交流並形成長效機制，同時派遣科研人員或留學生赴國外機構合作研究，共建林業機器人國際創新團隊，搭建林業機器人國際研究平臺，積極吸收國外先進技術，促進我國林業機器人創新，扶持有國際競爭力的林業機器人企業努力開拓國際市場，與國際接軌。
第一作者：劉延鶴，碩士研究生，主要研究方向：林業機器人、林業裝備與信息化。聯繫地址：100029北京市朝陽區安苑路20號世紀興源大廈；電話：13142219309；E-mail：[email protected]。
責任作者：周建波，博士，副研究員，碩士生導師，主要研究方向：林業機器人、林業裝備與信息化。聯繫地址：100029北京市朝陽區安苑路20號世紀興源大廈；電話：13810282756；E-mail：[email protected]。
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