并联式智能采茶机器人，在实际应用中，怎样保障采摘的效率和品质

中国是世界上茶叶生产、消费和出口的大国之一。根据统计2022年我国茶业产值到达到3000多亿元，尤其名优茶需求量逐年攀升，已成为国内消费和对外出口的优势品类。

随着我国经济社会的不断进步，国民对茶叶的需求不断加大，据中国茶叶流通协会统计，2021年中国六大茶类总产量为3063kt、产值2928.14亿元。

依靠手工采茶显然已经不能满足茶叶生产需求，茶叶采摘机械的研发与推广是解决以上问题的一种方法。

而当前采茶工人老龄化严重、人工成本高，缺口严重。就江苏省为例，专业采茶工人缺口已经达到了10多万人，严重影响了春茶的上市。招工难用工贵问题已经成为茶产业发展的瓶颈。

目前茶叶市场的采摘机械主要采用往复切割的粗放型采摘方式，对芽头没有识别性，含杂率高。

早春名优绿茶（尤其是特级、一级高档次名优绿茶）对芽叶形态要求较高（完整单芽（芽苞）、一芽一叶、一芽二叶等），目前的采茶机还无法按照要求选择性地采摘新叶，更无法对茶叶的形状进行控制。

且中国的茶园主要分布在丘陵地区，地形复杂难以进行机械化采摘作业。当前的采摘产能远远无法满足市场需求，严重制约了名优茶的发展。

目前国内外对名优茶的智能化采摘做了初探性研究，深度学习、模式识别等人工智能技术逐步在名优茶叶智能化采摘技术研究中开始得到应用。但仍存在问题与挑战。

由于茶叶品种多样，嫩芽的形态、形状等物理特征差异性大，研究难度也较大，现有茶叶嫩芽的识别与定位算法的识别定位精度低，达不到应用要求。

农业机器人技术起步较晚，复杂非结构化的农业环境使得机器人应用相对较难，目前还没有成熟可用的产品。

为此，开展早春名优茶智能采摘机器人研究，对于提升我国名优绿茶机械化采摘水平，促进我国茶叶产业健康可持续发展意义重大。

我国某研究机构研发了一种适用于高端名优茶叶采摘的智能采茶机器人：基于三维激光扫描技术，实现毫米级嫩芽空间定位。结合并联臂与旋合式采摘器，完成嫩芽的高效定位和无损采摘。

设计自适应式底盘，可根据坡度调整机身姿态，适应复杂茶厂地貌。并结合GPS-RTK技术和惯性导航系统，实现茶园路径规划、自主巡航、自主避障等多种功能，实现全天候自动化作业。为今后开展全自动茶叶采摘技术设备的研发提供理论和实践参考。

«——【·采茶机器人总体结构设计·】——»

该研究所开发的智能采茶机器人，包括车架，所述车架的下方设置若干对行进装置，车架设置控制单元、收集桶、采摘机和三维扫描仪，所述控制单元分别与采摘机及三维扫描仪相连接，所述三维扫描仪包括固定内置的结构光发生器、两个相机和运算单元。

所述结构光发生器用于投射数幅特定编码的投射光，所述相机用于同步采集投射光反射后形成的相应图象，所述运算单元对相机搜集到的图象进行解码和相位计算，并利用匹配技术、三角形测量原理，解算出两个相机公共视区内像素点的三维坐标。

车架内某点作为相对原点，相对原点的数据储存在控制单元内，茶叶经过三维扫描仪扫描后被解算成三维坐标点的集合，运算单元将运算结果传输至控制单元。

以此可以得到茶叶根部与相对原点的之间的位置关系，控制单元控制通过并联臂式的采摘机构移动至采摘位置进行采摘，并将采摘好的茶叶放入收集桶中。

采茶机器人总体结构见图1。

与现有技术相比，本问的智能采茶机器人具有如下显著优点：

采用的三维扫描仪，是将茶叶扫描成由若干个三维坐标点组成的图案，这些三维坐标点合称点云，点云与相对原点、采摘机处于同一坐标系内，因此能够得到精确的茶叶与采摘机的位置关系，能够做到微米级以上的精确定位，防止误伤茶叶或者误采不符合采摘标准的茶叶；

能够精确识别茶叶等级，实现茶叶的分级采摘，节省后续筛选茶叶的人力和时间；

采摘机采用可伸缩的刀片，既能够均匀有效的切割茶叶，不伤嫩芽，还能够防止茶叶从相邻两片刀片的孔隙中掉落；

车架能够自动识别并调整宽度和高度，适应各种茶陇。

具体的研发技术路线见图2。

«——【·识别算法及关键部件研制·】——»

机器视觉和图像增强技术的识别与定位算法：运用机器视觉光学摄像头及颜色对比增强技术，区分嫩芽与老叶叶芽颜色，分辨出嫩芽单体的形心数据。提高识别的准确性和识别速度。

通过每个样本点像素在RGB颜色空间中的分布，将嫩叶颜色样本与老叶、环境颜色样本分隔开来。区分嫩芽与老叶叶芽颜色，分辨出嫩芽单体的形心数据，见图3。

同时运用光学三维扫描设备及模糊轮廓算法，AI学习积累嫩芽数据，并建立数据库，提高识别的准确性和识别速度。

并联臂式茶叶采摘末端执行器：针对采茶机器人机械臂存在的体积大、质量重、干扰强造成的实际运动性能无法满足茶叶嫩芽精准采摘问题，课题以六自由度并联机械臂为设计研制对象，采用轻量化复合材料，降低机械臂自重并显著提高机器人的整体稳定性。

结合PLC等机电设备精确控制定位，设计研制采用可伸缩的刀片，既能够均匀有效的切割茶叶，不伤嫩芽。当通过机器视觉摄像头和定位算法获取芽头单体数据信息后。

设备驱动并联杆机械手臂，利用末端旋合切割装置。实现无损精准仿形采摘。并联机械臂及旋合式采茶执行机构见图4。

自适应液压调整轮系及底盘：我国大部分茶园都分布在丘陵山区，茶园地形复杂多变，传统机械难以实现规模化管理采摘。

拟开发针对丘陵起伏地貌的自适应液压调整轮系及底盘，通过机器上的陀螺仪和水平传感器，能够判断出机身水平位置，从而驱动液压油缸，自适应的调节设备底盘的高度和宽度，适应不同的采摘环境。

通过安装在机器上的陀螺仪和水平位置传感器来驱动液压油缸调整平台的高度和宽度，轮距横向调节范围1.5m，底座抬升范围30cm，可以适应大多数宽垄的茶园。自适应液压调整轮系及底盘结构见图5。

全自主巡航无人化作业导航系统：针对统防统治的规模化种植茶园，采用GPS-RTK技术和惯性导航系统，实现在茶叶路径规划、自适应调节高度,软件规划茶园地块，采茶装备自主巡迹作业及避障，实时无人精准作业和全自动自主巡航作业。

设备能够在地面测控系统的航线规划指令控制下自动地完成运动和采摘作业功能。无需人工干涉，可以实现全天候连续自动化作业，显著地节省人力成本。自动导航系统设置原理图见图6。

«——【·茶园试验·】——»

句容作为江苏省的产茶地之一，拥有众多茶园及茶厂，为样机的试运行提供了良好的实验场所。

第一代采茶机器人出世后，便选择中石化句容边城茶厂进行推广试用，通过为期20天的现场作业，与传统人工采摘进行比对，采茶机器人可连续不间断作业达10h，综合效率提高45%。

结合推广试用过程中出现的问题，及时调整调试，联系句容当地的下蜀镇容北茶厂、佳茗茶叶合作社以及我们学校自有的实训基地江苏茶博园进行第二代采茶机器人的合作推广。

试验表明，采茶机样机对于一芽一叶采摘识别率82%，对于一芽两叶采摘识别率79%。综合采摘效率相对于传统人工提高40%采摘人工成本节约>60%。

茶园试验现场见图7，样机试验技术参数见表1。

«——【·结语·】——»

中国拥有世界上最大的茶叶种植园，也拥有着得天独厚的产业优势和消费市场。茶叶采摘方式直接影响了茶叶产业的生产模式和成本，在市场竞争中有着举足轻重的影响。

智能化无人采茶机器人可以管理50亩及以上大面积的茶园，提高茶叶采摘效率和品质、减少环境污染和降低劳动强度，使茶叶采摘管理装备向着自动化、信息化、规模化、精确化方向发展，大幅降低人工成本，应用前景良好。