综述：机器人与扩展现实在农业中的应用：一篇综述

本综述系统回顾了近五年农业机器人（Agribot）与扩展现实（XR）技术的应用研究，重点探讨了其在缓解农业劳动力短缺、推动农业5.0转型中的潜力。文章通过PRISMA方法筛选了210篇文献，分析了作物类型、作业环节、机器人配置（如轮式、操作专用型）、XR类型（以MR为主）及人机交互（HRI）等维度，指出未来需在混合现实（MR）、安全性及数据治理等领域深入研究。

　　

引言

当前，农业正面临因城市化、季节性工作、低工资和恶劣工作条件等因素导致的劳动力短缺问题，这一现象在COVID-19大流行后进一步加剧。此外，农业对环境的影响也日益引起关注，包括气候变化、空气、水和土壤污染等。这些问题对全球食品安全和社会稳定构成威胁。因此，向更具韧性的农业生产系统转型势在必行。智能农业技术，如机器人和扩展现实（XR），在农业5.0的背景下可能成为解决劳动力短缺问题的潜在方案。

材料与方法

本研究遵循PRISMA（系统评价和Meta分析的首选报告项目）方法，从Web of Science和Scopus数据库中识别相关研究文章。搜索查询集中在2020年至2024年间发表的英文文章，最终筛选出210篇符合条件的研究进行深入评估。这些文章根据作物类型、农业操作、机器人技术、XR和HRI等方面进行分类，并采用频率分析和对应分析进行统计评估。

结果与讨论

累积研究数量

相关研究数量从2020年到2024年总体呈上升趋势，仅在2023年略有下降，这表明农业机器人和XR技术在解决农业挑战方面的重要性日益增强。

频率分析

作物类型：蔬菜作物（36%）和果园作物（34%）是研究最多的作物类型，其次是葡萄园（16%）和大田作物（14）。这一趋势表明，机器人应用正转向高价值或劳动密集型作物。

农业操作：导航（27%）、作物侦察（19%）、收获与采摘（16%）和喷洒（15%）是机器人最常执行的操作。这些操作通常劳动强度大或对健康有潜在风险，自动化需求较高。

机器人技术：操作专用型机器人（77篇）和轮式机器人（140篇）最为常见。成像传感器（78篇）和3D扫描传感器（44篇）是主要用于机器人驱动的传感技术。末端执行器类型中，传感器和摄像头（45篇）、喷洒系统（38篇）和夹爪（37篇）应用较多。

XR技术：仅9%的研究涉及XR应用，其中混合现实（MR）占主导（14篇），增强现实（AR）和虚拟现实（VR）较少。监视器是主要的交互和显示设备。

HRI与安全性：大多数研究中的机器人未与人类协作（49篇），碰撞避免（31篇）是最常见的安全功能。协作级别如合作、顺序协作和共存也有一定应用，但高级别协作（如完全协作）仍较少。

对应分析

机器人类型与操作：操作专用型机器人与喷洒、监测机器人与作物侦察、温室机器人与收获和喷洒操作密切相关。多功能机器人则与机械除草、修剪和施肥等操作关联。

机器人的移动方式与操作：轮式、腿式和牵引/携带式机器人与多数操作相关，履带式机器人则与导航、土壤准备、喷洒和机械除草等操作紧密相连。

末端执行器与操作：喷洒末端执行器与喷洒操作、传感器和摄像头与导航和作物侦察、耕作工具与土壤准备等显示出强相关性，表明末端执行器通常针对特定操作设计。

HRI与操作：完全自动化在导航等低复杂性操作中更为普遍，而修剪、收获和采摘等复杂操作仍需要人与机器人之间的协作。

研究局限性

本研究的主要局限性包括仅分析近五年的研究以及仅将搜索查询应用于标题。此外，并非所有研究都涵盖了所有主题，因此对应分析可能无法完全反映当前趋势，结论应视为探索性的。

结论

农业中的机器人和XR技术正受到越来越多的关注，并将成为农业5.0转型的基石。这些技术的结合应用可以显著缓解农业中的现有问题，如劳动力短缺和老龄化。根据结果，操作专用型和轮式机器人最为常见；摄像头类型是主动监测和末端执行器的主要设备；MR是主要的XR类型，监视器是与机器人交互和显示的主要设备。值得注意的是，涉及XR的研究数量较少，表明它是一项新兴技术，需要更多研究。主要的HRI级别是无协作，碰撞避免是主要的安全功能。对应分析表明，高精度、高频率或高劳动需求的作业与为单一操作或特定环境开发的机器人相关，而多功能机器人与作物季节中复杂性和重复性较低的操作相关。大多数操作需要高机动性，因此轮式、腿式或牵引/携带式机器人更受欢迎，而履带式机器人与高频率操作（如喷洒）或需要更好牵引力的操作（如土壤准备、导航、机械除草）相关。末端执行器针对每个操作专门设计，表明通用末端执行器技术并不受青睐。此外，完全自动化在低复杂性操作（如导航）中更为普遍，而更复杂的操作（如修剪、收获和采摘）仍然需要人与机器人之间的协作。未来的研究应专注于开发具有更高自动化水平并可应用于各种操作的农业机器人，以降低成本，并应用于同质和异质机器人舰队。此外，应进一步研究MR的使用以及其他交互控制设备（如语音控制）。最后，还应研究网络安全、连接性和数据治理等安全功能，以进一步提高农业机器人的自动化和HRI水平。