摘要：随着城市化进程的不断加速进行，大量农村的劳动力外出去务工，导致许多农村出现留守人口老龄化现象越来越严重。这使得传统的人力农业生产方式面临了严峻的挑战，急需通过农业机械化来提高落后且低效农业生产效率。为了解决当前劳动力紧缺和农业机械化效率低的问题，基于Solid Works设计了一款具有多个模块的智能农业机器人。在农业机器人的行走单元以及功能单元进行创新，实现播种、喷洒农药和水、采摘等多功能为一体的智能农业机器人，而且可根据地形地貌的情况以及农作物种类的不同，选择合适的行走单元以及功能单元进行组合，用于农林作业，大大降低了人工成本，提高了生产的效率，提高了农业机械产品的利用率。

　　关键词：农业机械化；多模块；智慧农业；助农；机器人

　　前言

　　长期以来，我国的农业生产都是以小农经济模式为主，农业生产方式相对落后，生产效率较为低下。随着农业现代化的推进，传统的农业生产方式已经无法满足现代农业生产的需求，农业机械化成为提高农业生产力的必要手段之一。现存的农业机械存在智能化水平较低、地区适应性差、功能比较单一的问题，其设备有待提高，[1]。随着农村经济的不断发展和农民收入的增加，农民对农业机械的需求持续增长，市场需求量的增加，国家在农业机械化、智能化方面给予了大力支持和推动，这为农业机械化提供了非常广阔的发展空间。在当前互联网+的时代，农业智能化将是未来的发展趋势。因此，通过设计一款智能化的可变式农业机器人，来解决目前农业机械面临的问题，同时推动农业机械化向更高的水平发展。

　　1产品总体结构设计方案

　　可变式农业机器人主要是由行走单元、控制单元、工作单元、动力单元等单元构成，总体结构设计如图1所示。

　　可变式农业机器人产品的样机选用机械臂配合车轮机构，机身外表面大部分的外壳由太阳板组成，用于收集太阳能并转化成电能，为农业机器人提供动力，内部机身框架为铝合金材料。除此之外，还可进行多种搭配组合适用于不同的地形地貌，满足农业生产多样化需求。

　　2产品机械结构设计

　　2.1行走单元

　　可变式农业机器人的行走移动单元，主要用来支撑机器人和机器人的移动，根据农业机器人产品的适用地形不同，进行模块替换，进行不同地形作业。目前产品主要有3种模块，分别是：步行式，是一种仿生物行走步态的机构，共4个具有关节的腿组成，4个电机单独控制4个腿，通过控制单元发出指令，控制4个电机的运动，带动4个腿协调运动，适用于较高的农作物或者梯田等不规则地形作业，也可适用于未知地形的探索；推荐南方的山岭地区使用，例如广西、云南等地区。轮胎式，其机构比较简单，机构类似农用拖拉机，主要是由两个电机和四个轮胎组成，两个电机受控制单元的控制，带动轮胎的转动，结构比较简单，移动敏捷，稳定性能突出，适用范围广泛，尤其是平原、公路、草地等地形地貌；在华北平原地区比较推荐使用，例如河南、河北等地区。履带式，主要是由与地面接触的履带板以及链接履带板子之间的履带销子组成，控制系统通过电机控制履带向前滚动，该模块比较灵活，而且有很高的摩擦力，主要适用于深水、沼泽、丘陵、山路、松软草地以及沙漠等复杂恶劣的地况[2-3]。

　　2.2工作单元

　　可变式农业机器人的功能区域，可实现于采摘、修剪、播种、施肥、喷洒农药和水等多种农林作业的需求。使用者可根据农作物种类、生长期、地形等不同需求，进行模块的更换。目前产品主要有3种模块，分别是：可变式农业机器人的双机械臂模块（图2），该模块主要用于农作物的采摘以及修剪，包括两对连杆、两个关节、两个升降支座以及两个夹持器，每个夹持器的侧面有两个可用于剪切的高强度折叠刀头，可根据工作需求收起或放下，内侧具有缓冲作用的硅胶条，可以避免抓伤脆嫩的水果（例如苹果、葡萄等），特殊的对称双机械臂的结构设计，工作效率更高。使用者通过控制单元发出工作命令信号后进行工作，例如“采摘命令”，机器人接受命令后对农作物拍照上传前端，前端通过视觉处理系统进行综合处理，判断农作物生长情况和种类，识别成熟果实，在工作区域进行机械臂高度、夹持器角度调节并打开高强度刀头，精准采摘成熟果实[4-5]，同时可将采摘的果实放到指定位置。

　　可变式农业机器人的喷洒施肥模块（图3），该模块主要用于将农药、水、肥料等液体喷洒到目标物上，主要有泵体管道、喷洒部分、伸缩支撑调节杆、存储箱体组成。泵体管道用于传输，喷洒部分整体结构成扇形，可以最大限度接触农作物，伸缩支撑杆主要用于支撑和调节高度，存储箱体内部设有液体动态检测装置，可以检测内部液体总量情况，其主要用于储存喷洒物品。当产品进入工作区域后，对于当前的农作物产品和种植情况进行拍照识别，将信息传递给前端中枢系统，通过数据处理，判断农作物生长、病虫害等情况，精准调节喷洒剂量并且进行喷洒，该模块满足不同场景下对于喷洒的需求使用[6-7]，例如喷洒农药、喷洒水、喷洒液态化肥等。

　　可变式农业机器人的播种模块（图4），该模块主要用于种子类农作物播种，主要是由播种盒子、传动链条、存储箱体、可升降控制杆组成。播种盒子包括开沟铲和覆土轮组成，开沟铲用来铲种子土坑，覆土轮在播种完成后，覆盖土坑并轻度压实，确保种子与土壤紧密接触，传动链条可将箱子中的种子运到播种盒子，储存箱体内部有一个动态监控器可检测内部剩余量，主要是用来储存种子，可升降控制杆是整体高度的调节装置。当机器人收到播种命令后，前端中枢可对种子、种植区域进行识别，然后进行计算，调整合适的播种数量、播种间距以及深度，精准的将存储箱体中的种子通过传动链条进入播种盒子中进行播种，该模块适用范围较广，可播种不同农作物种类的种子。

　　2.3动力单元

　　可变式农业机器人的动力装置以电能为主，主要的电能来源他自身的外壳铺设的太阳能板，其能将太阳能转化电能，搭配储存能力较强的铅酸蓄电池以及可以监控电池状态的智能监控系统，保证机器人用电充足。由于农业机器人的工作大部分在室外，该设计可实现边充电边工作，效率较高。

　　3产品控制单元

　　可变式农业机器人的控制单元基于4G、5G智能网络[8]，主要是由前端和后端两部分组成。

　　前端安装在机器人上，是机器人的中枢系统，由导航与定位系统、视觉处理系统、人机交互页面、执行决策控制系统、传感器系统、物理急停按钮、自身监控系统组成。导航与定位系统由北斗导航系统、GPS系统组成，对农业机器人在工作区域的精准定位，识别全部工作区域，规划机器人工作的行走路线。视觉处理系统利用摄像头和图像处理算法，可以捕捉农田图像信息、识别成熟的农作物以及其生长情况。人机交互页面，包括机器人身上的显示屏和网络系统，方便了使用者对农业机器人的管理与监控，可以实时监控机器人的状态、作业完成进度、故障报警等动态信息，网络系统可以发射信号将数据传至控制平台。执行决策控制装置，基于PLC来视觉处理系统的信息和预设的任务要求，利用机器学习、人工智能等技术，实现机器人自主决策和行动规划，通过处理各系统数据，生成指令（如采摘、播种等），管理控制多种任务。传感器系统包括红外传感器和激光传感器，可以进行距离、方位、障碍物检测，智能避障，使得机器人运行更加平稳安全。物理急停按钮是冗余设计，一般情况下不使用，属于控制最高级别，如果发生意外情况可用于急速暂停机器人。自身监控系统包括喷洒模块箱体监控系统、播种模块箱体监控系统、能源监控系统以及警告系统，喷洒模块监控箱体系统监控其模块的存储箱体内液体剩余量，保证喷洒任务进行情况；播种模块箱体监控系统监控其模块的储存箱体内种子剩余情况，确保播种工作完成；能源管理系统监控和管理机器人的电池情况，确保作业的可行性；警告系统主要起到一个故障预警和告知的作用，预警可避免故障或者降低损失；警告故障可以早日解决问题，避免更大的损失。后端包括人工控制手柄以及中控平台（App）组成，手柄可以控制农业机器人的工作状态，由于机器人本身前端具有决策和执行控制系统，所以手柄属于第2控制，使用者可以根据需求选择使用。中控平台是机器人的第3控制部分，前端的各种数据通过网络信号上传到App，可以通过App实时监控机器人工作状态以及完成情况，也可以将App作为机器智人的控制中心，操作机器人，操作者无须到达工作地点，用手机上的中控平台发射信号来控制机器人即可，三重控制系统，操作者可根据使用条件进行选择，来保障农业机器人工作的有序进行。

　　4结语

　　可变式农业机器人可根据不同农作物、不同地形，多个模块进行自由组合，满足生产活动的需求，使用范围广，结构新颖，可大大提升农业机械利用率。通过成本核算，发现成本较高,不太适合目前的小农经济模式，建议能够使用集体共有或者租赁等方式进行产品推广，可大大提升机器人的利用率并且减低其使用成本。农业机器人作为现代农业发展的重要工具之一，在提高农业生产效率、降低劳动成本和保护环境等方面具有巨大的潜力。本研究通过对农业机器人的发展现状、面临挑战、结构产品设计、未来发展等进行深度分析，为可变式农业机器人的进一步研究和应用提供了参考。尽管目前农业机器人在设计和应用过程中还面临一些挑战，但随着技术的不断进步和创新，可变式农业机器人将在农业生产中发挥更加重要的作用，在不久的将来，无人农业作业将成为可能。

　参考文献：

　　[1]王得志,王延鑫,汪小旵,等.农业机器人中的管理与采摘技术：现状、挑战与未来发展[J/OL].智能化农业装备学报(中英文),1-23[2025-05-09].

　　[2]张浩华,柴欣,程骞阁,等.基于ESP32的智能履带式移动机器人的设计[J].沈阳师范大学学报(自然科学版),2024,42(03):209-214.

　　[3]孙海燕,宗成国.履带式移动机器人技术研究[J].电子质量,2023,(04):10-12.

　　[4]尹帅,韦梅娇,周佩荣,等.基于NX UG的苹果采摘机器人结构设计研究[J].南方农机,2025,56(05):8-12.

　　[5]梁云,刘云帆,林毅申,等.级联混合模型引导的实时柑橘采摘点定位方法[J].中国图象图形学报,2024,29(10):3130-3143.

　　[6]朱光强.智能喷洒机器人系统设计[D].佳木斯大学,2017.

　　[7]胡宁峪,莫名韶,黄宇婧,等.化肥农药智能喷洒机器人系统的研究[J].装备制造技术,2023,(08):41-44+74.

　　[8]丰中广.电子信息技术在农业机械上的应用研究[J].农业开发与装备,2025,(03):107-109.