农业机器人研发趋势预测

全球农业机器人研发：趋势预测

1. 引言

近年来，农业机器人技术发展迅速，在提高农业生产率、改变农业生产模式、解决劳动力短缺 以及实现农业规模化、多样化和精准化方面展现出巨大优势。农业机器人技术已逐渐成为农业 工程的重要发展方向之一。

近年来，关于农业机器人发展与趋势的研究日益增多。陈凯等人（2016）绘制了农业机器 人专利图谱，展示了其发展态势、关键技术领域、地理分布、竞争机构及高被引专利[2]。应星 等人（2018）基于科学引文索引高被引论文，运用文献计量学方法分析了国际农业机械的研究 前沿[ 3 ]。袁建霞等人（2019）以科学引文索引论文为研究对象，综合采用文献计量学、内容分 析和专家咨询等方法，对农业机器人技术论文的产出趋势、热门研究主题、国家竞争趋势和研 究前沿进行了分析[ 4 ]。本文在综合分析专利与论文的基础上，考察重点国家农业机器人发展的战 略规划，结合定量与定性方法，通过追溯国内外农业机器人技术发展历程，回顾备受关注的研 究主题、研究前沿及未来趋势。本研究还结合中国未来几年的战略需求和重点发展方向，为中 国在农业机器人领域的前沿基础研究、技术发展和产业布局方面的未来规划提供参考与建议。

2. 数据来源与分析方法

本研究全面应用了定性分析、定量分析和专家咨询，以开展国际农业机器人研发的趋势预测。

对欧盟、美国、日本、韩国、澳大利亚等国家发布的战略规划和资助项目进行定性分析， 以及对行业媒体和咨询公司（如PrecisionAg、CropLife、农场产业新闻和阿格丰德）提供的 信息与报告进行分析。

对来自Web of Science和EI Compendex等数据库的文献数据，以及来自德温特创新数 据库的专利数据进行定量分析。分析涵盖基础研究和技术研发的重点，以及核心研究成果分析。

专家咨询：本研究就技术类别的梳理、检索查询的制定、查询结果的筛选、分析结果的评 估以及技术前沿的解读等方面咨询领域专家。他们的专业技术知识和专业判断为热门研究主题、 趋势预测及相关策略建议的评审提供了支撑。

3. 全球农业机器人研究进展

3.1. 研究阶段

农业机器人通常经历了四个阶段（图1）：

(1) 早期阶段（1951~1980） ：1980年之前，全球在农业机器人技术领域的专利申请数量 相对较少，每年不足30项，处于农业机器人技术的萌芽阶段。早期的农业机器人技术主要来自 美国，主要关注机器人机械的研究。与技术专利相比，农业机器人技术论文出现较晚，相关研 究的发表可追溯至1968年。年度专利申请数量多于年度论文发表数量。

(2) 缓慢发展阶段（1981‐1990） ：农业机器人技术领域的专利申请数量逐渐增加，但专 利总量仍然较少。该研究领域处于缓慢发展状态，每年的专利申请数量不足70项。在此期间， 工业技术和自动定位与导航技术的持续发展及广泛应用，催生了用于采摘、收获、挤奶等作业 的多种农业机器人。在这一阶段，农业机器人技术领域发表了少量研究论文，这些研究主要涉 及在农业机器人中应用工业机器人技术，涵盖收获、嫁接、移栽、谷物采摘和喷洒等活动。1984年，京都大学的近藤直教授首次成功将机器人技术引入农业工程领域。此后不久，澳大利 亚和英国相继发布了关于机器人剪羊毛和挤奶的研究论文。

(3) 稳定发展阶段（1991‐2005） ：农业机器人技术得到进一步发展。此阶段的专利和文献 主要涉及农业作业条件、栽培技术和作物物理特性。人们致力于改善人‐作物‐机器人关系，并 使机器人适应农业作业。

(4) 快速发展阶段（2006‐2017） ：2006年之后，农业机器人技术进入快速发展阶段， 专利申请和文献发表数量急剧增加。在此期间，智能、快速且经济高效的机器人成为研究的主 要方向。现代机器人技术融合了前沿技术，机器人可配备多种类似于人类眼睛、耳朵、鼻子、 手和大脑的传感器。所有这些特性使农业机器人成为农业生产过程中不可替代的一部分。

3.2. 近期发展

3.2.1 战略规划

欧盟 ：欧盟已通过第七框架计划（FP7）或“地平线2020”等框架计划资助了多个机器人研究项目。2010年，欧盟资助了CROPS项目，旨在实现作物与林业的可持续管理，开发一个高度可配置、模块化且智能的载体平台，该平台包括模块化并联操作器和“智能工具”（传感器、算法、喷雾器、夹持器）。该项目已为高价值作物（如温室蔬菜、果园水果和优质葡萄酒用葡萄）开发了多个技术验证平台。在感知方面也投入了大量努力，集成传感器和学习算法[5]。2016年，欧洲委员会投资9870万欧元启动第二阶段“地平线2020”工作计划。由该计划资助的TrimBot2020项目将研究机器人与视觉技术，以研制首台室外园林修剪机器人[6]。同年，欧盟发布了《2020机器人技术多年期路线图ICT 2016》，其中涉及6个技术集群，即系统开发、人机交互、机电一体化、感知、导航和认知[7]。

美国 ：2014年，美国农业部（USDA）下属机构国家食品与农业研究所（NIFA）宣布将 投入300万美元用于农业机器人技术的研发。这些资助主要集中在目标识别、算法以及温室中 植物和花卉的分拣与处理相关机器人技术的研究 [ 8 ]。2015年，国家机器人倡议（NRI）拨款 3700万美元，以推动协作机器人的发展与应用。该倡议聚焦于自主系统、感知与感知、建模与 分析、规划与控制、认知与学习等14个关键领域 [ 9 ]。2016年，美国发布了第三版国家机器人路 线图：从互联网到机器人，涵盖了机构与执行器、移动性与操作、感知、形式化方法、学习与 适应、控制与规划、人机交互以及多智能体机器人技术等领域 [ 10 ]。

日本 ：2016年，日本在《第五次科学技术基本计划》中提出，为了使日本能够在这一“剧 变时代”引发重大变革并保持世界领先地位，该国家致力于加强超智能社会中服务平台的基础 技术（如机器人与传感器）的研究与开发，并将灵活利用成本‐有效的信息与通信技术或机器人技术，以加快农业智能化进程，确保稳定的食物供应。2017年，日本制定了 《人工智能技术战略》，其中包括“产业化路线图”，预计在2020[11]年左右在无人农场中使用机器人。

3.2.2 研发格局

(1) 基础研究 重点

农业机器人技术的研究主要体现在SCI文献的聚类主题上。研究中的关键词共现显示了农 业机器人技术领域的五个研究集群，分别涉及机器视觉、定位与导航、收获机器人、捕鱼机器 人和挤奶机器人（图2）。其中，挤奶机器人相关的研究数量最多，涵盖畜群管理、动物行为 监测、产奶量和质量检测、奶牛疾病检测、奶牛福利等方面。其次，关于定位与导航以及机器 视觉的研究数量也较多，这是农业机器人技术中最基础的支撑技术。

(2) 技术研发 焦点

农业机器人技术的研发主要通过专利文献的主题分类来体现。目前，全球农业机器人领域的专 利大致可分为两大主题：机器人技术和机器人类别（图3）。其中，机器人技术包括机械臂和传感 器；机器人类别包括割草、播种、采摘、收获、喷洒、灌溉、嫁接、堆叠、挤奶和水产养殖。在这 些主题中，挤奶机器人和割草机器人是近期农业机器人专利和研发中备受关注的热点。

3.2.3 研发绩效分析

(1) 亚洲, 北美洲 and Europe

在农业机器人技术的研发成果方面，从文献和专利数量来看，排名前十的国家主要分布在 亚洲、北美洲和欧洲。这些地区的论文和专利分别占全球总量的77%和95%。在排名前十的国 家中，亚洲有三个国家：中国、日本和韩国，其中中国的突出表现使其在专利和论文数量上均 位居世界首位。美国也表现优异，论文和专利数量均排名第二。此外，欧洲有五个国家在发表 的研究论文和专利数量上进入前十（表1）。

国家/地区	论文/篇数
中国	870
美国	624
日本	311
西班牙	157
德国	141
英国	137
荷兰	125
澳大利亚	124
意大利	92
ROK	87

国家/地区	专利/件数
中国	1282
美国	693
荷兰	544
日本	348
瑞典	228
德国	184
ROK	145
加拿大	73
英国	64
法国	46

(2) 欧洲和美国产生高质量高影响力的研究

美国在该领域高被引论文的前10%中所占数量最多，占总数的四分之一，每篇文章的平均 引用次数排名第四。同时，美国授予的专利数量最多，达到366项，在PCT途径申请的专利数 量上排名第一，在每项专利的平均引用次数上排名第三，这表明美国对此领域的高度重视 国际市场，并揭示了其文章和专利的高质量与影响力。荷兰在每篇文章的平均引用次数方面排 名第五，在授予的专利数量方面排名第二，在PCT途径申请的专利数量方面排名第三。其相关 专利主要在欧美国家获得授权，具体为欧洲（37%）、美国（20%）、德国（11%）。瑞典在 每篇文章的平均引用次数方面位居第一，在授予的专利数量和每项专利的平均引用次数方面均 排名第二。其卓越表现表明瑞典的文章和专利具有顶尖的质量和影响力。加拿大的每项专利的 平均引用次数最多，显示出其专利的重大影响力。

(3) 大学、研究机构和企业在创新价值链中具有明确的角色

在基础研究领域，研究机构和大学是农业机器人研究的主要推动力。其中，中国高校表现 突出，排名前十的机构中有六所来自中国。中国农业大学以122篇文章位居第一，江苏大学以 112篇文章排名第二。荷兰的瓦赫宁根大学与研究中心也占据显著位置，以78篇论文排名第三。

在技术研发领域，企业是农业机器人技术研发的主要推动力量。其中，排名前三的企业分 别为荷兰的Maasland N.V.（258项）、美国的技术控股公司（190项）和瑞典的DeLaval （166项）。目前，一些企业已开发出商业产品，例如洋马（Yanmar）研制的AG1000自动嫁 接机器人，作业能力达1000株/小时；2010年，荷兰公司利莱（Lely）推出了最新一代挤奶机 器人“宇航员”（Astronaut）；瑞典公司DeLaval开发了VMS全自动挤奶系统。

(4) 园艺机器人领域的文章数量最多，农业机器人领域的专利数量最多

总体而言，在农业机器人技术领域，专利数量远超研究论文。这一趋势主要体现在田间机器人 和农业机器人方面。按不同用途的农业机器人相关文章数量来看，园艺机器人相关的文章数量最多， 达1,640篇，占43.6%；其次是农业机器人，有631篇，占17.1%；以田间机器人为主题的文章最少， 为527篇，占14.2%。从专利数量来看，农业机器人相关的专利数量最多，达2,131项，占38.7%； 园艺机器人专利数量位居第二，占29.7%；第三位是田间机器人，占17.8%（图4）。

4. 农业机器人全球研究前沿

4.1. 国外和地区研究前沿的战略规划

对各国战略规划的分析表明，欧洲和美国开发的机器人主要用于高价值作物的园艺，其研究重点集中在感知、控制与规划以及人机交互等重要领域。例如，欧盟第七框架计划作物智能机器人（CROPS）项目已开发出用于温室蔬菜、水果、葡萄等作物的机器人，TrimBot2020开发了首台室外园林修剪机器人；美国农业部（USDA）下属联邦机构国家粮食和农业研究所（NIFA）资助了分拣机器人、温室和园艺机器人等相关研究。在技术方面，欧盟CROPS项目在感知、智能传感器融合和学习算法方面开展了大量研究。欧盟和美国发布的路线图均涉及感知、控制与规划以及人机交互等领域。

4.2. 高被引研究论文分析

通过聚类分析ESI数据库中的高被引论文和热点论文，本研究揭示了基础研究前沿。在农业机器人技术领域，共揭示了4篇高被引论文和热点论文。其中，最早发表的文献为2008年，涉及除草机器人；最新发表的文献为2017年，讨论自动化作物监测机器人平台（表2）。研究主题如下：
1）机器视觉在水果和蔬菜的自动检测中的应用；
2）除草机器人技术中的四项核心技术，包括导航、检测与识别、精准除草和建图；
3）蔬菜嫁接技术，特别是开发高效的砧木和便捷的嫁接工具，一直是该领域有趣且热门的研究课题；
4）全自动作物监测机器人平台。该研究已建立专用的传感器阵列，以精确监测作物整个生命周期中冠层的发展。

No.	标题	主题	对应作者或组织	引用公共	出版物
1	机器视觉的进展 自动检测的应用 和水果的质量评价以及 蔬菜	应用 机器视觉在 自动 水果的自动检测 和蔬菜	西班牙 瓦伦西亚研究所 农业研究	165	2011
2	自主机器人除草 系统：综述	除草机器人	美国 加州大学戴维斯分校	199	2008
3	蔬菜嫁接的现状： 扩散，嫁接技术， 自动化	蔬菜嫁接 技术和 自动化	RoK Kyung Hee Univ	162	2010
4	Field Scanalyzer：一种自动化的田间表型机器人平台，用于详细作物监测	作物监测 机器人平台	英国 洛桑实验站	11	2017

4.3. 核心专利技术

根据INNOGRAPHY数据库的专利强度规模（90–100），本研究选取了农业机器人技术领域的115项核心专利。采用聚类分析方法揭示技术前沿的主题（图5）。这些主题涉及机械臂和图像处理等机器人技术，以及用于育种、收获、挤奶和割草等用途的机器人类型。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（表3）。其中，美国公司技术控股公司拥有的专利申请数量最多，达20项；其次是美国的约翰迪尔和荷兰的利莱，各拥有10项专利申请；技术控股公司和利莱的专利技术主要集中于机器人挤奶，而约翰迪尔的专利技术则侧重于田地操作机器人。仅有一项来自中国江南大学的专利涉及该研究前沿，主题为“多关节柔性机械手”。

国家	各国专利数	专利权人	各公司专利数
美国	43	技术控股公司	20
		约翰迪尔	10
		iRobot	9
荷兰	30	Lely	10
		CNH工业	4
瑞典	15	德乐公司	8
		富世华	7
加拿大	7	大湖知识产权有限责任公司	4
以色列	7	F. 机器人收购公司	7
德国	6	博世	2
		克拉斯	2

5. 结论

5.1. 机器人技术将在未来十年内实现成熟应用

Agfunder，这个线上农业科技风险投资平台，采用了高德纳技术成熟度曲线来展示农业技术的成熟度。该报告认为，农业机器人技术仍处于技术触发阶段 [12]。在此阶段，媒体炒作和非理性解读会使产品家喻户晓。然而，随着这些技术或产品的缺陷、问题和局限性显现，失败案例将超过成功案例。

此外，研究机构和咨询公司认为，农业机器人技术仍需等待成熟的应用。根据加拿大先进研究所（CIFAR）的一份报告，农业机器人技术将在2020年成为主流技术，并于2021年得到广泛传播和应用。英国的研究与咨询公司波士顿咨询集团和IDTechEx分别分析了农业机器人研发的近期发展，并预测了未来市场趋势，他们认为机器人将在未来几年内被广泛应用于农场。

5.2. 更多种类的农业机器人将进入市场

目前，农业机器人在许多国家的应用主要局限于收获和挤奶等特定用途。由于相关技术相对成熟，这类机器人已得到广泛接受和使用。然而，面向蔬菜、水果和畜牧业的农业机器人技术仍处于欠发达状态。未来，随着市场需求的增长和技术的进步，研究人员将有望开发出用于更多用途的农业机器人，例如更高精度和更高生产率的蔬菜收获与水果采摘。这些努力反过来将使农业机器人技术得以应用于农业生产的各个环节，从而全面提升农业生产效率。

根据IDTechEx的报告，到2023年，除草机器人、蔬菜和水果收获机器人、草莓采摘机器人以及苹果采摘机器人将逐步推出，未来市场上将出现更多类型的农业机器人 [13]。

5.3. 农业机器人将变得更加智能

智能化已成为农业机器人不可避免的发展趋势。未来的智能机器人将具备更强的决策与分析能力，更具适应性，并且更易于操作。农民可以在田地里通过智能手机操作他们的机器人。这些机器人还能实现精准作业。例如，一个智能果园机器人可以利用导航系统和红外系统自动寻找、采摘并现场分级水果。在新的农业生产模式和新技术应用中，农业机器人作为新一代智能农业装备，必然需要对视觉与非视觉传感器技术以及图像采集与处理算法进行更深入的研究，以使其具备更强的障碍物识别与规避能力，降低损伤率，真正实现智能化、高效化和精准化作业。此外，各国的战略规划也高度重视智能机器人技术。欧盟CROPS项目旨在开发一个高度可配置、模块化和智能化的载体平台；多智能体机器人技术是美国《国家机器人路线图：从互联网到机器人》第三版的重点方向之一。

5.4. 未来巨大的市场潜力

咨询公司和研究机构对农业机器人技术的市场前景普遍看好。根据Tractica的数据，农业机器人出货量将从2016年的32,000台增长到2024年的594,000台，收入将在2024年达到741亿美元。在中国，随着农业日益集约化和制造业智能化程度提高，大规模农业生产将需要更多的农业机器人。