機器“采茶小工”在農田里繡花

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又到一年春茶采摘最忙碌的時節。在浙江杭州西湖區的一家茶園里，一個特殊的“采茶小工”正在擺動機械臂，將采摘的茶葉源源不斷地送入存儲盒中，引發游客的關注。

這個“采茶小工”來自浙江理工大學，是該校農業機器人與裝備創新團隊研發的第五代智能采摘機器人，可以自主識別茶樹芽葉并進行采摘。

近年來，為幫助茶農提升產量、增加收入，浙江理工大學教授、浙江省科協副主席武傳宇帶領農業機器人與裝備創新團隊，經過不斷嘗試、改進，研發出自主識別茶樹芽葉的采茶機器人。

“要在茂密的茶樹枝中識別嫩芽，采茶工人憑借的是豐富的經驗，而智能采摘機器人卻借助了人工智能，通過對大量圖像數據的學習，實現茶樹嫩芽自動識別。”武傳宇告訴《中國科學報》。

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采茶機器人和采茶工一起采茶。 受訪者供圖

好學的“腦袋”，厲害的“眼睛”

今年，浙江理工大學農業機器人與裝備創新團隊的智能采茶機器人已經更新迭代到第五代。從2019年開始，團隊針對人工智能深度學習、深度相機定位、機器人機械臂等在技術上進行不斷的研發與測試，突破了一個個難點。

“識別難”是智能采茶機器人要攻克的難點之一。浙江理工大學副教授賈江鳴介紹：“茶樹芽葉不像水果蔬菜，形狀規則、顏色差別大容易識別，茶樹新長的芽葉和老葉的區別很小，形狀又不規則，很難識別。”

智能采茶機器人是如何識別芽葉和老葉的呢？

“采茶機器人里有一套叫做深度卷積神經網絡的識別模型，機器人通過學習可以自動識別茶樹芽葉。”浙江理工大學副教授桂江生解釋道，“前期我們會向采茶機器人系統輸入大量的茶樹芽葉照片，通過處理和分析，采茶機器人就會記住芽葉的形狀和紋理等，自己歸納出照片中芽葉的特征，輸入的照片越多，機器人的知識庫就越豐富，學起來也越扎實，對芽葉識別的準確率也就越高。”

除了聰明好學的“腦袋”，采茶機器人還有一雙厲害的“眼睛”。桂江生打了個比方：“經過不斷的探索和實驗，智能采摘機器人使用雙目攝像頭掃描茶葉，就和人的兩只眼睛一樣，實現3D定位，從而精準找到芽葉所在位置。”

一剪一吸完成毫米級作業

識別、定位好茶葉芽葉后，接下來就是怎么樣能快速、無損地把它采摘下來。這時就該機器人的機械臂登場顯神通了。

“相比于工業機器人處于一個人造的穩定環境，農業機器人面對的是一個非結構化、千變萬化的環境。這對機械臂提出了很高的要求。”浙江理工大學副教授賀磊盈告訴《中國科學報》，“風速、光照、坡度等因素都會影響機械臂的采摘。”

他介紹，機械臂采茶要分兩步：一剪一吸。“機械臂的末端有一把小剪刀，會根據定位信息找準芽葉的葉柄，一刀下去，芽葉從枝頭分離，同時附在機械臂末端的負壓吸管會把剪下來的芽葉吸進吸進機械手的暫存盒中。”

“早春茶一芽一葉一般在2厘米左右，葉柄只有幾毫米，芽葉一般長在老葉和老梗之間，所以對機械臂的操作精準度要求非常高，剪得歪了，就會破壞茶樹枝梢，造成損傷，或剪下來的芽葉不完整。”賈江鳴感嘆研發不易，“我們就好比在農田里繡花，讓采茶機器人完成毫米級的作業任務。”

相較于之前幾代機器人只有一個機械臂，第五代智能采茶機器人的改變之一就是增加了一個機械臂。

“兩只機械臂配合工作，不僅大大提高了智能機器人采摘的效率，并且實現采一顆芽葉時間在1.5秒左右，1小時可以采摘2千多顆，一天可以采4斤左右的芽葉。”團隊成員、浙江理工大學博士研究生李亞濤表示：“目前，一臺智能采茶機器能夠替代一個工人。”

“把可行變成可用、好用”

“去年我們研發的第四代采茶機器人通過軌道可以在丘陵山地使用，今年這款第五代智能采茶機器人采用履帶的方式前后移動，適應緩坡地面，實現了茶園全地形的覆蓋。”賈江鳴指出，“我們還在機器人上面新加了六塊太陽能板，可以做到自供電。”

統計數據顯示，第五代智能采茶機器人的識別準確率達到86%，采茶成功率在60%以上。“我們機器人采摘的茶葉不僅得到中國農業科學院茶葉研究所專家的認可，還可以做成中高端龍井茶葉。”賈江鳴向記者現場展示了用機器人采摘茶葉泡的茶水。

“第五代智能采茶機器人的問世說明農業智能采茶是可行的，而要把可行變成可用、好用，未來我們還有很長的路要走。”浙江理工大學農業機器人與裝備創新團隊黨支部書記陳建能教授透露，目前這款機器人還處于實驗室階段，接下來團隊將繼續開展研發工作，提高采摘效率、采摘質量。未來預計在多臂操作的情況下，一臺機器能替代3～5個工人。

據了解，采茶機器人也是浙江省農業“雙強”重點突破試點項目和“領雁”研發攻關計劃項目的研究成果，項目在浙江省山區26縣，擁有大面積的茶園，發展茶產業關系著當地農民的增收問題，也能有效助力浙江高質量發展建設共同富裕示范區。