海口经济学院 中芯依智网络学院，海南海口  571127 王亚飞

摘要：农业机械化、自动化、智能化是智能割胶机器人发展和应用的主要方向。对智能割胶机器人关键核心技术的研究和应用，对于推动天然橡胶产业效益提升、降低人工割胶成本有着深远意义。笔者主要从智能割胶机器人关键核心技术
———机器人本体设计技术、智能导航技术、路径规划技术、割胶技术及控制技术等的介绍和关键核心技术的应用方式、功能需求、改进措施等方面进行了探讨；通过割胶试验进一步分析了智能割胶机器人在多种地形中的适用性和切胶效果；针对不同应用场合及需求分析了智能割胶机器人的发展潜力。笔者认为，智能割胶机器人可以提升割胶作业的准确性和稳定性，为橡胶产业实现机械化智能化和提高割胶效率及效益方面作出了积极的贡献。

关键词：智能割胶机器人；智能制造；技术；研究应用

引言：

橡胶树胶乳是重要的工业原料，采收天然橡胶以人工割胶为主，人工割胶存在用工数量不足、采收技术水平要求高、劳动力需求量大、人力成本高等问题。人工智能技术和机器人技术的逐渐普及与深入为实现橡胶智能化采收提供了现实可行的技术方案——智能割胶机器人。因此，本文通过对智能割胶机器人系统割胶所需的关键技术分析，即高精度定位导航技术、适配橡胶树自适应割胶机构技术、多传感器融合控制技术进行归纳总结，并结合实际分析智能割胶机器人的应用前景，梳理与归总存在的技术问题与研究进展，为今后的智能割胶机器人的推广与应用提供一些有益的思想和行动的支撑。

一、智能割胶机器人关键技术概述  

1.机器人本体设计  

机器人本体设计是智能割胶机器人的底层设计，关系到机器人的稳定性、适应性及作业性能。橡胶园生产环境复杂且地面往往不平整，加之橡胶树自身形态各异，因此机器人本体应该具有较强的环境适应性。

执行机构是割胶机器人中的关键，主要由割刀机构、深度调节机构以及树皮识别机构组成。对橡胶树而言，割刀对割胶的深度以及角度等都要求精度比较高，从而避免伤树和割胶浅的问题。此外，机器人本体除了视觉传感器、力传感器等传感器外，还必须完成对橡胶树的精准识别及自适应等问题。  

2.智能导航与路径规划  

由于橡胶园条件比较复杂，智能割胶机器人应该拥有自主导航与路径规划，快速、有效地进行割胶作业。导航系统一般采用多种传感器的结合，例如激光雷达、视觉SLAM、GPS/RTK及惯性测量单元等实现定位精度的提升和环境的感知。

规划路径：机器人要利用橡胶树的分布信息对割胶路径进行规划，尽量避免路径重复，从而提升机器人割胶效率。常用的路径规划算法有A算法、Dijkstra算法、RRT等，再结合机器学习等方法对路径进行实时动态规划，适应不同橡胶园的布局。此外机器人还应有避障功能，能及时感知并避让橡胶园内存在的矮小灌木、石头等障碍物或其它割胶机器人。  

3.割胶技术  

割胶方式直接关系到橡胶产量和品质，智能割胶机器人的模拟割胶过程需要高精操作，同时也要求割胶过程中具有高度一致性和可执行性。胶割法的核心就是控制割刀的切入角、深度、速度，以此减少割刀对橡胶树形成层的损伤，使胶乳能有效流出。

智能割胶机器人主要运用视觉导航的方法对橡胶树树皮的纹理与割胶线进行定位，以保证机器人割胶路线准确。力传感器将实时监控割刀对橡胶树树皮的施力情况，以保证割胶的深度。某些先进的割胶机器人还具备通过机器学习算法使智能割胶机器人能依据橡胶树的长势等来改变割胶路线、割胶深度、割胶频率等来获得更多的胶乳、延长橡胶树的经济寿命。    

4.机器人控制系统  

智能割胶机器人的控制系统是整个机器人的“中枢神经”，统筹各分系统的运行，实现智能割胶的稳定性和可控性。机器人控制系统的结构通常由决策、控制和执行层3个层次构成。

决策层：基于人工智能算法（如深度学习、强化学习）进行任务规划和环境分析，决定割胶顺序、路径调整等策略。

运动控制层：负责机器人的移动和机械臂的运动控制，确保割刀精准定位，并实现动态避障。

执行层：直接驱动电机、液压系统或气动装置，完成割胶动作，并实时反馈数据以优化控制策略。

另外，还要具备远端监控以及故障诊断功能，让操控人员通过云端系统实时监控机器人的状态，必要的话也可以随时进行干预。在未来基于5G以及互联网技术的发展，智能割胶机器人也可以实现实时群智协作，在保证割胶质量的同时可以提高整体的割胶效率。  

二、智能割胶机器人关键技术研究

1.机器人本体关键技术

智能割胶机器人的载体是机器人本体，本体技术主要围绕机器人机构方案优化、机构材料应用及机构动力方案展开。在机器人机构优化中主要围绕对环境适应性强、灵活性高的机器人结构机构进行研究，通过对机器人运动机构的模块化设计与改造实现不同的作业部分进行方便快捷、简单的替换。在针对橡胶园环境中存在多种高低起伏地形的特点，应用复合式移动机构将轮式结构高速运动与履带式结构超强的行驶性能相结合，以提高机器人在野外复杂环境中的适用性和抗干扰性。在机器人运动机构上主要围绕精确控制进行机器人的运动执行机构的研究，如采用高控制精度的伺服电机配合谐波减速机构控制，使割胶机构的割刀可以在亚毫米精度的范围内灵活移动、控制。轻量化也是机器人本体机构的研究热点，通过构建机器人轻量机构优化模型，借助拓扑优化方法在对机器人结构强度进行优化计算后有效降低机器人总重量从而达到延长时间与提升机器人运行效率的目的。

2.智能导航与路径规划关键技术

机器人智能导航方法的研究主要集中在激光雷达、相机与IMU相结合的多源数据融合定位技术的研究上。运用卡尔曼等滤波算法对激光雷达、相机以及IMU等数据进行集成融合，从而大大增强橡胶园光照条件下橡胶树定位的稳定性；对同步定位与地图创建方法的研究集中在基于图优化SLAM技术对于橡胶树环境下稀疏点位的定位漂移问题上；对于路径规划方法研究则集成了传统A与深度学习的策略，实时动态路径规划策略实现了对历史割胶轨迹的学习过程，能够在保证覆盖率割胶的同时使无效行走距离减少30%以上；对于突发性障碍物避障策略，通过对快速随机树策略及实时三维环境感知策略的研究，机器人能够在较短时间内完成避障路径规划。

3.割胶技术关键技术研究

割刀研究的重点在提高割刀割胶的精准性和高效性，着重研究内容包含割刀材料、割刀运动轨迹、刀具切削参数等。新型复合刀具涂层，使得刀具的刀刃更加耐磨，具有更长的使用寿命。另外利用压力控制自适应系统，能够自适应调整刀具的压力，防止树皮厚度变化对割刀的压力带来的不稳定性。而视觉引导技术，是目前研究的方向性突破领域，通过基于深度学习的三维视觉系统来精确识别橡胶树的树皮纹理、乳胶管的分布以及最优切割线的确定。研究人员提出根据树木生长状态所设计的动态调整算法，根据割胶树的状态情况智能调整割胶角度以及深度，从而提高合格率，使合格率提高到95%以上。收集的割乳系统是收集和计数胶乳的系统，其研发也是目前的研究重点，负压吸附技术与微流计量相结合，使得割胶回收更加方便和精准，同时防止传统的割胶收集过程中污染的问题。

4.机器人控制系统关键技术

在控制系统研究方向，主要涵盖了对控制系统的设计研究、控制系统实时性和自主决策等方面。基于分布式控制体系的研究使得控制系统的规划、视觉、决策等功能可以分散于多计算机中，增加了系统的可靠性和灵活性，同时也提高了响应速度；采用实时操作系统的控制软件确保了控制指令运行时的精准性，并结合时触发以太网通信协议保障控制指令的响应时间小于ms级；针对控制系统自主决策，研究构建了基于深度强化学习的自主决策，结合环境变化，自主决策机器人自主作业策略，在作业过程中的行为自主学习，循环优化割胶作业参数、移动路径，提升自主决策能力和智能作业效率；利用数字孪生技术通过虚拟仿真系统提供控制算法的快速仿真和优化验证，使割胶机器人研究开发阶段大幅缩短控制算法的验证过程；通过分析振动状况或电流等方式对系统进行预测性诊断维护研究，提升系统在作业中的故障预警功能，延长其寿命。

三、智能割胶机器人应用案例

1.应用场景分析

智能割胶机器人主要运行于大型胶园（即胶园中的规模化经营的橡胶种植户）、中小规模农户胶园以及不规则地形胶园，这三类典型场景分别对应三种具体类型。大型标准化种植的商业化胶园，即大面积规模化的经营型橡胶种植户需要机器人高效率地进行连续割胶，这类场景土地范围广、单棵橡胶树的排列整齐、地形起伏不明显，更需要大量同类的割胶机器人配合协同作业，要求其具备长时间不间断工作特性及群组机器人间协同特性，以完成大量的割胶任务。

在中小型的家庭农场中，主要应用特点为种植区域树木间距不均，而且有较大的地形不平和障碍物，这就要求机器人的移动灵活性较好，作业模式机动性强。针对这类应用场景，学者们研究了一种适应性较强的轻型化、模块式的割胶机器人，通过人机交互选择机器人的作业模式，使得机器人能够适应不同的地形地貌以及树龄特征橡胶树最佳割胶模式的选择过程。

2.系统集成与部署

机器人整体技术涉及硬件集成、软件集成、以及网络通信等。应用中针对各个功能，实现了模块化系统设计，不同的硬件模块，可以方便地连接添加。并针对关键控制模块采用分散式计算模式，部分计算功能和算法分配到各个模块上执行，实现特定的功能、功能分散；在实时性控制上有一定的影响。又能在网络系统中增加冗余性，提升系统可靠性。

上述举例中的大型种植园场景，其典型应用场景为“1+N”，即1个管控中心+多个作业机器人。其中管控中心承担全局的任务分派、数据获取、异常监测，并实时与各作业机器人通过5G专网保持联系；每个作业机器人配置整套的感知和决策单元，可以同时支持从管控中心调度和通信失效后的自主作业。

小型场的建设更侧重系统便于上手、快速构建，系统针对小型场的部署特性，开发团队设置了“傻瓜启动”简单易用的使用模式，只需简要标定环境，机器人便可完成地图构建、作业路径规划，在作业中能进一步进行割胶路径自适应学习，根据场内特点动态学习调整路径。

在地质特殊环境的布防中，除了对机器人的结构进一步优化外，还加大了对定位精度的要求，在实际中使用了“GPS+图像+激光”的冗余定位方案。布防时加装了必要的保护装置，设置了N重故障停止功能及远程监控。

3.应用效果评估

在使用性能方面，以实际的使用效果看，智能割胶机器人工作效率高，由于目前智能化割胶机器人普遍采取标准种植园作业模式，一台割胶机器人作业效率相当于3—5个工人。更重要的是，智能化机器人割胶的一致性高于人工割胶，在实际作业时，深度和角度波动系数低于5%，因此，有利于橡胶的增产提质。

从割胶质量来看，基于机器人的橡胶园测得树皮损伤率减少60%以上，胶乳的产量增加15%～20%。这归功于机器人灵活的力度掌握与最优割胶路径规划，更值得期待的是机器人能够严格遵循“树皮休息”的原则作业，给橡胶树适当的休养时间，这对橡胶树延长其经济寿命有长久的好处。

根据上述经济效益计算分析，智能割胶系统的成本一次性投入较多，而与人工割胶的人力费用以及增产增收、延长橡胶树的生命周期等相比较，回收周期在2-3年内，该经济模型在人力费用不断上涨的趋势下将更加具有吸引力；机器人采集作业数据还能够为种植园管理提供良好的参考数据，实现种植决策更加科学化。

社会效益方面分析，智能割胶机器人的使用很好地解决了割胶人工劳动强度大和橡胶行业“用工荒”的难题，另外智能化、标准化作业有利于提高整个橡胶行业的技术水平，为橡胶行业产业升级提供了条件。

结论：

机器人割胶机器人的智能化关键技术研究及运用是农业机器人的重要一步，本文从机器人本体的设计、导航路径规划、机器人割胶技术与控制系统的分析，证明了机器人割胶的优势，从应用的角度阐明机器人割胶能够在各种复杂、未知的环境中进行稳定精确割胶。应用实践验证表明，割胶机器人能够实时掌握胶园内橡胶木相关信息，可以根据具体情况制定不同的割胶策略，智能化管理能够达到降低成本的目的；未来机器割胶的进一步发展方向是实现智能化控制、集群管理，使机器人割胶在人工智能和物联网的趋势下逐步走向更高的智能化和复杂化，带动和引领世界橡胶产业的进步。本文认为以后研究的方向在于合理降低智能机器人割胶的开发成本、大规模应用，推动应用进程。

参考文献：
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【3】贺庆. 智能割草机器人路径跟踪控制方法研究[D].西南大学,2024.
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本文系海口经济学院2024年度校级科学研究重点项目”基于深度控制算法的智能割胶机器人研究” （编号：HJKY(ZD)24-13）的科研成果。

王亚飞（1991年2月-）女，汉族，海南海口人，硕士研究生，讲师，研究方向：计算机应用，信息化教育及人工智能。