隨著我國(guó)茶產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，名優(yōu)茶采摘環(huán)節(jié)關(guān)鍵技術(shù)裝備缺乏、自動(dòng)化程度低等問(wèn)題日益凸顯。
不同于大宗茶采摘大多采用“一刀切”模式，名優(yōu)茶采摘面臨著人工采摘效率低，季節(jié)性勞動(dòng)力短缺，茶樹(shù)品種和管理方式的不同導(dǎo)致機(jī)械化采摘標(biāo)準(zhǔn)難統(tǒng)一等問(wèn)題。
西湖龍井采摘
（圖源：龍冠龍井）
本期綜述了名優(yōu)茶采摘環(huán)節(jié)技術(shù)裝備的研究現(xiàn)狀，系統(tǒng)歸納了近年來(lái)名優(yōu)茶采茶機(jī)在鮮葉識(shí)別、目標(biāo)定位、采摘末端執(zhí)行器及整機(jī)方面的研發(fā)及推廣應(yīng)用情況，分析了不同方法和裝備的技術(shù)特點(diǎn)，總結(jié)了其優(yōu)勢(shì)和不足，并針對(duì)目前名優(yōu)茶采摘技術(shù)裝備短板，指出了名優(yōu)茶采摘機(jī)器人研發(fā)面臨的挑戰(zhàn)和未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。
01名優(yōu)茶機(jī)采裝備研究現(xiàn)狀
名優(yōu)茶采摘目標(biāo)以單芽、一芽一葉、一芽二葉為主。名優(yōu)茶機(jī)械化采摘一般包括目標(biāo)識(shí)別、定位、采摘、集葉等過(guò)程。
名優(yōu)茶葉片（左）名優(yōu)茶采摘點(diǎn)（右）
//茶葉嫩芽識(shí)別方法
作物目標(biāo)識(shí)別一直是國(guó)內(nèi)外研究者關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題，隨著計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)和深度學(xué)習(xí)算法的快速發(fā)展，草莓、蘋果、獼猴桃等作物目標(biāo)檢測(cè)識(shí)別精度在不斷提高，基本實(shí)現(xiàn)了作物目標(biāo)精準(zhǔn)識(shí)別。
但是名優(yōu)茶嫩芽與老葉顏色相近、新老葉生長(zhǎng)密集、形體小、形狀不規(guī)則、生長(zhǎng)高度不一致，對(duì)機(jī)械化采摘提出了巨大挑戰(zhàn)。
《中國(guó)茶葉》編輯部制
茶葉嫩芽的識(shí)別是實(shí)現(xiàn)茶葉自動(dòng)化采摘的前提，分傳統(tǒng)識(shí)別方法和深度學(xué)習(xí)識(shí)別方法：
傳統(tǒng)識(shí)別方法步驟多，精度有限，一般通過(guò)茶葉圖像顏色、紋理參數(shù)等進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別。
深度學(xué)習(xí)模型可以從海量茶葉圖像數(shù)據(jù)庫(kù)中提取有價(jià)值的特征信息，并建立茶葉識(shí)別模型。常用的分步驟（先檢測(cè)后分類）方法有FastR-CNN、FasterR-CNN，與傳統(tǒng)的識(shí)別算法對(duì)比，識(shí)別準(zhǔn)確度有所提高。隨著YOLO系列算法的不斷演進(jìn)，其在作物目標(biāo)識(shí)別領(lǐng)域的精度和效率得到了顯著提升。
區(qū)別于YOLO系列算法，DeepLab模型通常用于語(yǔ)義分割任務(wù)，在茶葉目標(biāo)識(shí)別上也取得了較好的效果。
目前茶葉嫩芽精準(zhǔn)識(shí)別方面依然存在嫩芽檢測(cè)模型識(shí)別環(huán)境單一，對(duì)光照強(qiáng)度變化的敏感性較差，計(jì)算量大、模型尺寸大不利于部署到移動(dòng)端等問(wèn)題。
如何設(shè)置構(gòu)架好的深度學(xué)習(xí)模型，使之在監(jiān)測(cè)茶葉嫩芽長(zhǎng)勢(shì)及計(jì)算芽頭傾角、采摘節(jié)間距時(shí)具有合適的識(shí)別精度和快速的收斂速度，將對(duì)加速機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在名優(yōu)茶智能化采摘上的應(yīng)用具有重要意義。
//茶葉采摘點(diǎn)定位方法研究
名優(yōu)茶采摘過(guò)程中，除了目標(biāo)檢測(cè)以外，芽葉嫩芽采摘點(diǎn)坐標(biāo)位置判斷也十分重要，但面臨和茶葉識(shí)別同樣的問(wèn)題，茶芽與嫩葉、老葉顏色相近，難以準(zhǔn)確識(shí)別，這對(duì)機(jī)器操作來(lái)說(shuō)構(gòu)成了巨大的挑戰(zhàn)。
龍井茶芽和老葉
（圖源：龍冠龍井）
手持式采茶機(jī)基于人工經(jīng)驗(yàn)獲取采茶點(diǎn)。
單人手持名優(yōu)茶采茶機(jī)
二維定位是從茶葉嫩芽二維圖像中尋找嫩芽區(qū)域的特征及采摘點(diǎn)二維坐標(biāo)，再依據(jù)二維坐標(biāo)信息求解其三維空間位置。
最小外接矩形法更能反映嫩芽茶梗所在，但其對(duì)于嫩芽外形輪廓要求相對(duì)理想，在俯視情況下則無(wú)法定位采摘點(diǎn)二維坐標(biāo)，還需后續(xù)輔助工作來(lái)完成采摘任務(wù)。
常規(guī)的名優(yōu)茶采茶機(jī)通過(guò)定位采摘點(diǎn)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)采摘，但茶葉嫩芽生長(zhǎng)在不同高度，僅識(shí)別出采摘點(diǎn)二維信息還不能作為最終的采摘依據(jù)，只有準(zhǔn)確判定出茶葉嫩芽的空間三維坐標(biāo)才能實(shí)現(xiàn)最終的采摘。而目前大多數(shù)研究都集中在特定場(chǎng)景下茶葉目標(biāo)的二維定位，對(duì)三維空間采摘點(diǎn)定位的探索相對(duì)有限。
隨著消費(fèi)級(jí)RGB-D相機(jī)的普及，基于RGB-D相機(jī)的三維定位方法逐漸成為研究熱點(diǎn)。
“最小外接矩形”定位
三維定位中點(diǎn)云預(yù)處理和聚類的有效性取決于深度圖像的采集質(zhì)量，當(dāng)深度圖像質(zhì)量差時(shí)，聚類和濾波的準(zhǔn)確性受到影響。深度相機(jī)采集的圖像感知質(zhì)量在長(zhǎng)距離下相當(dāng)有限，特別是在復(fù)雜的背景下，會(huì)影響采摘點(diǎn)定位的準(zhǔn)確性。
//采摘末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)研究
末端執(zhí)行器是采茶機(jī)與嫩芽目標(biāo)直接作用的關(guān)鍵裝置，主要承擔(dān)剪切、放置等任務(wù)。傳統(tǒng)手工采摘方式是提斷，機(jī)械往復(fù)式剪切茶葉的刀片是通過(guò)交錯(cuò)切割莖桿進(jìn)行采摘。
人工提采
國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)各種果蔬采摘末端執(zhí)行器進(jìn)行了大量研究，這些末端執(zhí)行器大多采用“先夾持、后采摘”的采摘?jiǎng)幼?。由于茶葉作業(yè)環(huán)境復(fù)雜程度遠(yuǎn)高于結(jié)構(gòu)化的工業(yè)場(chǎng)景，茶葉采摘末端執(zhí)行器的采摘難度高，需要開(kāi)發(fā)特殊的末端執(zhí)行器用于采茶，仿生設(shè)計(jì)成了破解這一難題的關(guān)鍵突破口。
部分科研團(tuán)隊(duì)成功開(kāi)發(fā)出了基于仿生設(shè)計(jì)的茶葉采摘末端執(zhí)行器，通過(guò)設(shè)計(jì)仿生拇指與食指，實(shí)現(xiàn)了力量抓握、精確抓握和橫向抓握，揭示了手指結(jié)構(gòu)和大小的差異與手的操作靈活性之間的聯(lián)系。改進(jìn)設(shè)計(jì)了一種“旋轉(zhuǎn)拉起”仿生手指夾扯采摘末端執(zhí)行器。
夾扯采摘末端
手持式名優(yōu)茶采摘器模擬人手指夾住茶葉并通過(guò)提拉進(jìn)行采摘，試驗(yàn)表明采摘成功率為74.3%，3次采摘平均速度為25.2個(gè)/min。上述“仿生”夾采單點(diǎn)采摘方式基本可實(shí)現(xiàn)茶葉采摘，但采摘效率均偏低。
夾斷式采摘末端
針對(duì)名優(yōu)茶機(jī)械化采摘過(guò)程中側(cè)芽無(wú)法采摘的問(wèn)題，設(shè)計(jì)分體刀具式名優(yōu)茶采摘末端執(zhí)行器，能夠有效完成茶葉采摘工作，頂芽、側(cè)芽采摘成功率分別為93%、63%，試驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值的相對(duì)誤差小于5%。
異形切割采摘末端
科學(xué)家們從茶葉嫩梢的力學(xué)模型、力學(xué)特性、采摘刀仿生設(shè)計(jì)等角度嘗試研發(fā)出了各種茶葉嫩梢采摘末端執(zhí)行器，在復(fù)雜茶葉作業(yè)環(huán)境下，其仿生結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與耐用性欠佳，難以長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，制造成本居高不下，限制了從實(shí)驗(yàn)室走向大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用，距離滿足茶園實(shí)際生產(chǎn)需求還有較大的差距。
//采茶機(jī)器人的設(shè)計(jì)研究
傳統(tǒng)的采茶機(jī)通過(guò)一刀切的方式快速剪切茶葉，但是這種采茶機(jī)普遍存在對(duì)茶葉沒(méi)有選擇性的缺點(diǎn)，不適用于名優(yōu)茶的采摘。
單人采茶機(jī)（左）雙人采茶機(jī)（右）
隨著工業(yè)機(jī)器人技術(shù)和計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的快速發(fā)展，近年來(lái)我國(guó)開(kāi)始了對(duì)名優(yōu)茶采摘的研究。
跨壟式名優(yōu)茶采茶機(jī)（左）背負(fù)折斷式采茶機(jī)（右）
已有名優(yōu)茶采摘機(jī)均處于中試階段，從最早的并聯(lián)采摘機(jī)器人，單手爪采摘機(jī)器人，到目前龍門架結(jié)構(gòu)和機(jī)械臂結(jié)構(gòu)（單臂、雙臂）采摘機(jī)器人。采摘原理是通過(guò)圖像對(duì)嫩芽識(shí)別、定位，通過(guò)末端執(zhí)行器采摘。
如浙江理工大學(xué)研制了龍門架結(jié)構(gòu)的名優(yōu)茶采摘機(jī)，有效解決目前機(jī)采茶葉老嫩一刀切的弊端，為實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化茶葉采摘奠定了基礎(chǔ)。但龍門架結(jié)構(gòu)的采茶機(jī)是采用導(dǎo)軌引導(dǎo)的方式實(shí)現(xiàn)機(jī)器人沿壟運(yùn)動(dòng)，對(duì)于茶園道路建設(shè)要求較高。
江西農(nóng)業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)了一種自走式名優(yōu)茶采摘機(jī)器人，通過(guò)Delta并聯(lián)機(jī)械臂結(jié)合柔性指尖結(jié)構(gòu)無(wú)損傷地采摘名優(yōu)茶嫩芽，但僅止步于圖紙階段。
Delta并聯(lián)機(jī)械臂采茶機(jī)
江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院研發(fā)了自走式雙臂采摘機(jī)器人，將雙目相機(jī)安裝在雙臂采摘機(jī)器人的采摘末端上方，實(shí)現(xiàn)了茶葉嫩芽的精準(zhǔn)識(shí)別，準(zhǔn)確率在99%以上，通過(guò)識(shí)別定位控制機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)采摘，平均單個(gè)芽頭采摘時(shí)間小于5s。但該裝備仍然存在效率偏低的問(wèn)題，整機(jī)作業(yè)適應(yīng)性有待優(yōu)化，距離產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用有較大差距。
名優(yōu)茶雙臂采茶機(jī)
已有名優(yōu)茶采茶機(jī)面向不同茶園采摘精準(zhǔn)度參差不齊，使用場(chǎng)景受限，難以推廣到大面積茶園采摘中。
按行走方式的不同可將名優(yōu)茶采茶機(jī)的動(dòng)力底盤分為輪式底盤、履帶式底盤、輪履結(jié)合式底盤和仿生式底盤。
與輪式相比，履帶式底盤在狹窄、高低起伏不平等復(fù)雜路面有較好的通過(guò)性，行駛穩(wěn)定性、爬坡和越障能力都有所增強(qiáng)。緩坡茶園坡道較多，要求采茶機(jī)底盤具備爬坡能力、通過(guò)能力強(qiáng)的特點(diǎn)，因此履帶式動(dòng)力底盤是丘陵緩坡茶園采茶機(jī)的最佳選擇。
02名優(yōu)茶機(jī)采裝備研究存在的問(wèn)題
目前，我國(guó)名優(yōu)茶采收環(huán)節(jié)存在機(jī)械化程度不夠高，機(jī)械化技術(shù)與裝備不能很好地滿足當(dāng)前和未來(lái)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要的問(wèn)題，具體體現(xiàn)為機(jī)械化、智能化水平低，裝備缺乏。
第一，對(duì)名優(yōu)茶采摘裝備深入、系統(tǒng)的研究不夠，目標(biāo)定位、末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)研發(fā)等關(guān)鍵技術(shù)難以突破，裝備可靠性較差，推廣應(yīng)用困難。
第二，我國(guó)茶園種植還存在農(nóng)藝粗放、不規(guī)范，修剪模式和種植行間距差異較大等問(wèn)題，名優(yōu)茶采摘機(jī)械化難以適應(yīng)多種栽培方式。
第三，非結(jié)構(gòu)化的茶園環(huán)境增加了茶葉精準(zhǔn)定位識(shí)別和采摘的難度。雖然深度學(xué)習(xí)技術(shù)可以提高采摘機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境下的目標(biāo)識(shí)別性能，但仍然存在許多不可控的影響因素，需要考慮視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為了獲得更加準(zhǔn)確的定位三維信息，基于視覺(jué)的三維重建技術(shù)可以作為一種有效的途徑，但是現(xiàn)有的三維重建技術(shù)仍然面臨著各種挑戰(zhàn)。例如，基于RGB-D視覺(jué)傳感器的3D重建技術(shù)在采集茶葉嫩芽時(shí)存在填充率不足的問(wèn)題。因此，非結(jié)構(gòu)化的茶園環(huán)境增加了精準(zhǔn)識(shí)別定位的難度。
第四，裝備智能化系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)仍停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段，距離實(shí)際量產(chǎn)應(yīng)用有較大差距。
03名優(yōu)茶機(jī)采裝備發(fā)展趨勢(shì)
//名優(yōu)茶精準(zhǔn)識(shí)別定位技術(shù)研究
隨著圖像數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)增多，識(shí)別準(zhǔn)確率也在不斷提升，但不同的光照條件、重疊和遮擋仍然會(huì)影響采摘機(jī)器人的精準(zhǔn)識(shí)別定位性能。因此，提高復(fù)雜環(huán)境下采摘機(jī)器人視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)的魯棒性和通用性具有重要意義。
此外，由于茶葉長(zhǎng)勢(shì)、分布隨機(jī)，導(dǎo)致機(jī)械化采樣路徑隨機(jī)，已有的采摘路徑存在效率低和復(fù)雜環(huán)境下探索能力不足等問(wèn)題，如何快速、高效地設(shè)計(jì)采摘路徑將會(huì)是未來(lái)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。
//名優(yōu)茶采摘末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)研發(fā)
目前市面上的名優(yōu)茶采摘末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)多是用往復(fù)切割、捏切或拉旋切割，切割方式不同，茶葉莖口氧化程度也不一致，對(duì)后期名優(yōu)茶的加工影響程度也不一致，目前認(rèn)為拉旋捏切方式更接近于人工采摘。
末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)大多配套在自走式平臺(tái)上安裝使用，采摘機(jī)器人在作業(yè)過(guò)程中，因自然風(fēng)和采摘?jiǎng)幼鲿?huì)使茶蓬面產(chǎn)生動(dòng)態(tài)振蕩，雖然采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)可以容納一定的位置偏差，但茶葉嫩芽擺動(dòng)的隨機(jī)性和復(fù)雜性仍然可能導(dǎo)致末端執(zhí)行器采摘失敗，從而損壞芽葉。
因此，未來(lái)研究重點(diǎn)是研發(fā)設(shè)計(jì)適宜的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在復(fù)雜動(dòng)態(tài)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)的采茶作業(yè)目標(biāo)，降低對(duì)茶葉嫩芽的損傷，保證采摘的芽葉完整度。
//輕簡(jiǎn)化、高效節(jié)能采茶分級(jí)機(jī)設(shè)計(jì)
為了便于茶農(nóng)操作，輕巧便攜、采用輕量化材料與緊湊結(jié)構(gòu)的采摘機(jī)將是未來(lái)發(fā)展的方向。配套嵌入可用的輕量級(jí)目標(biāo)檢測(cè)模型，采用高性能電池或燃油發(fā)動(dòng)機(jī)等動(dòng)力源，提高能源轉(zhuǎn)化效率，降低能耗與成本。同時(shí)，因?yàn)椴刹铏C(jī)采摘鮮葉會(huì)有一定的含雜率，鮮葉分選可作為解決名優(yōu)茶原料采摘問(wèn)題的另一條有效途徑。
本文節(jié)選自《中國(guó)茶葉》2025年第5期《名優(yōu)茶機(jī)采關(guān)鍵技術(shù)及其裝備研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)》。作者：葉春，趙爽，徐光浩，劉和來(lái)，陳道根，吳羅發(fā)*，舒時(shí)富，文中圖片由作者提供。
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