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机器“采茶小工”在农田里绣花
原文地址：http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2023/4/497776.shtm
又到一年春茶采摘最忙碌的时节。在浙江杭州西湖区的一家茶园里，一个特殊的“采茶小工”正在摆动机械臂，将采摘的茶叶源源不断地送入存储盒中，引发游客的关注。
这个“采茶小工”来自浙江理工大学，是该校农业机器人与装备创新团队研发的第五代智能采摘机器人，可以自主识别茶树芽叶并进行采摘。
近年来，为帮助茶农提升产量、增加收入，浙江理工大学教授、浙江省科协副主席武传宇带领农业机器人与装备创新团队，经过不断尝试、改进，研发出自主识别茶树芽叶的采茶机器人。
“要在茂密的茶树枝中识别嫩芽，采茶工人凭借的是丰富的经验，而智能采摘机器人却借助了人工智能，通过对大量图像数据的学习，实现茶树嫩芽自动识别。”武传宇告诉《中国科学报》。
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采茶机器人和采茶工一起采茶。 受访者供图
好学的“脑袋”，厉害的“眼睛”
今年，浙江理工大学农业机器人与装备创新团队的智能采茶机器人已经更新迭代到第五代。从2019年开始，团队针对人工智能深度学习、深度相机定位、机器人机械臂等在技术上进行不断的研发与测试，突破了一个个难点。
“识别难”是智能采茶机器人要攻克的难点之一。浙江理工大学副教授贾江鸣介绍：“茶树芽叶不像水果蔬菜，形状规则、颜色差别大容易识别，茶树新长的芽叶和老叶的区别很小，形状又不规则，很难识别。”
智能采茶机器人是如何识别芽叶和老叶的呢？
“采茶机器人里有一套叫做深度卷积神经网络的识别模型，机器人通过学习可以自动识别茶树芽叶。”浙江理工大学副教授桂江生解释道，“前期我们会向采茶机器人系统输入大量的茶树芽叶照片，通过处理和分析，采茶机器人就会记住芽叶的形状和纹理等，自己归纳出照片中芽叶的特征，输入的照片越多，机器人的知识库就越丰富，学起来也越扎实，对芽叶识别的准确率也就越高。”
除了聪明好学的“脑袋”，采茶机器人还有一双厉害的“眼睛”。桂江生打了个比方：“经过不断的探索和实验，智能采摘机器人使用双目摄像头扫描茶叶，就和人的两只眼睛一样，实现3D定位，从而精准找到芽叶所在位置。”
一剪一吸完成毫米级作业
识别、定位好茶叶芽叶后，接下来就是怎么样能快速、无损地把它采摘下来。这时就该机器人的机械臂登场显神通了。
“相比于工业机器人处于一个人造的稳定环境，农业机器人面对的是一个非结构化、千变万化的环境。这对机械臂提出了很高的要求。”浙江理工大学副教授贺磊盈告诉《中国科学报》，“风速、光照、坡度等因素都会影响机械臂的采摘。”
他介绍，机械臂采茶要分两步：一剪一吸。“机械臂的末端有一把小剪刀，会根据定位信息找准芽叶的叶柄，一刀下去，芽叶从枝头分离，同时附在机械臂末端的负压吸管会把剪下来的芽叶吸进吸进机械手的暂存盒中。”
“早春茶一芽一叶一般在2厘米左右，叶柄只有几毫米，芽叶一般长在老叶和老梗之间，所以对机械臂的操作精准度要求非常高，剪得歪了，就会破坏茶树枝梢，造成损伤，或剪下来的芽叶不完整。”贾江鸣感叹研发不易，“我们就好比在农田里绣花，让采茶机器人完成毫米级的作业任务。”
相较于之前几代机器人只有一个机械臂，第五代智能采茶机器人的改变之一就是增加了一个机械臂。
“两只机械臂配合工作，不仅大大提高了智能机器人采摘的效率，并且实现采一颗芽叶时间在1.5秒左右，1小时可以采摘2千多颗，一天可以采4斤左右的芽叶。”团队成员、浙江理工大学博士研究生李亚涛表示：“目前，一台智能采茶机器能够替代一个工人。”
“把可行变成可用、好用”
“去年我们研发的第四代采茶机器人通过轨道可以在丘陵山地使用，今年这款第五代智能采茶机器人采用履带的方式前后移动，适应缓坡地面，实现了茶园全地形的覆盖。”贾江鸣指出，“我们还在机器人上面新加了六块太阳能板，可以做到自供电。”
统计数据显示，第五代智能采茶机器人的识别准确率达到86%，采茶成功率在60%以上。“我们机器人采摘的茶叶不仅得到中国农业科学院茶叶研究所专家的认可，还可以做成中高端龙井茶叶。”贾江鸣向记者现场展示了用机器人采摘茶叶泡的茶水。
“第五代智能采茶机器人的问世说明农业智能采茶是可行的，而要把可行变成可用、好用，未来我们还有很长的路要走。”浙江理工大学农业机器人与装备创新团队党支部书记陈建能教授透露，目前这款机器人还处于实验室阶段，接下来团队将继续开展研发工作，提高采摘效率、采摘质量。未来预计在多臂操作的情况下，一台机器能替代3～5个工人。
据了解，采茶机器人也是浙江省农业“双强”重点突破试点项目和“领雁”研发攻关计划项目的研究成果，项目在浙江省山区26县，拥有大面积的茶园，发展茶产业关系着当地农民的增收问题，也能有效助力浙江高质量发展建设共同富裕示范区。
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