隨著我國茶產(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、自動化程度低等問題日益凸顯。

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)性勞動力短缺，茶樹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)歸納了近年來名優(yōu)茶采茶機(jī)在鮮葉識別、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)勢和不足，并針對目前名優(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)和未來的發(fā)展趨勢。

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)識別、定位、采摘、集葉等過程。

名優(yōu)茶葉片（左）名優(yōu)茶采摘點(diǎn)（右）

//茶葉嫩芽識別方法

作物目標(biāo)識別一直是國內(nèi)外研究者關(guān)注的重點(diǎn)問題，隨著計(jì)算機(jī)視覺技術(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)檢測識別精度在不斷提高，基本實(shí)現(xiàn)了作物目標(biāo)精準(zhǔn)識別。

但是名優(yōu)茶嫩芽與老葉顏色相近、新老葉生長密集、形體小、形狀不規(guī)則、生長高度不一致，對機(jī)械化采摘提出了巨大挑戰(zhàn)。

《中國茶葉》編輯部制

茶葉嫩芽的識別是實(shí)現(xiàn)茶葉自動化采摘的前提，分傳統(tǒng)識別方法和深度學(xué)習(xí)識別方法：

傳統(tǒng)識別方法步驟多，精度有限，一般通過茶葉圖像顏色、紋理參數(shù)等進(jìn)行目標(biāo)識別。

深度學(xué)習(xí)模型可以從海量茶葉圖像數(shù)據(jù)庫中提取有價(jià)值的特征信息，并建立茶葉識別模型。常用的分步驟（先檢測后分類）方法有FastR-CNN、FasterR-CNN，與傳統(tǒng)的識別算法對比，識別準(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模型通常用于語義分割任務(wù)，在茶葉目標(biāo)識別上也取得了較好的效果。

目前茶葉嫩芽精準(zhǔn)識別方面依然存在嫩芽檢測模型識別環(huán)境單一，對光照強(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端等問題。

如何設(shè)置構(gòu)架好的深度學(xué)習(xí)模型，使之在監(jiān)測茶葉嫩芽長勢及計(jì)算芽頭傾角、采摘節(jié)間距時(shí)具有合適的識別精度和快速的收斂速度，將對加速機(jī)器視覺技術(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)茶采摘過程中，除了目標(biāo)檢測以外，芽葉嫩芽采摘點(diǎn)坐標(biāo)位置判斷也十分重要，但面臨和茶葉識別同樣的問題，茶芽與嫩葉、老葉顏色相近，難以準(zhǔn)確識別，這對機(jī)器操作來說構(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，但其對于嫩芽外形輪廓要求相對理想，在俯視情況下則無法定位采摘點(diǎn)二維坐標(biāo)，還需后續(xù)輔助工作來完成采摘任務(wù)。

常規(guī)的名優(yōu)茶采茶機(jī)通過定位采摘點(diǎn)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)采摘，但茶葉嫩芽生長在不同高度，僅識別出采摘點(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景下茶葉目標(biāo)的二維定位，對三維空間采摘點(diǎn)定位的探索相對有限。

隨著消費(fèi)級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)量在長距離下相當(dāng)有限，特別是在復(fù)雜的背景下，會影響采摘點(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交錯切割莖桿進(jìn)行采摘。

人工提采

國內(nèi)外學(xué)者對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”的采摘動作。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)場景，茶葉采摘末端執(zhí)行器的采摘難度高，需要開發(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

針對名優(yōu)茶機(jī)械化采摘過程中側(cè)芽無法采摘的問題，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)測值的相對誤差小于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)普遍存在對茶葉沒有選擇性的缺點(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)視覺技術(shù)的快速發(fā)展，近年來我國開始了對名優(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。采摘原理是通過圖像對嫩芽識別、定位，通過末端執(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，對于茶園道路建設(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Delta并聯(lián)機(jī)械臂結(jié)合柔性指尖結(jié)構(gòu)無損傷地采摘名優(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)識別，準(zhǔn)確率在99%以上，通過識別定位控制機(jī)械臂運(yùn)動實(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、通過能力強(qiáng)的特點(diǎn)，因此履帶式動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題

目前，我國名優(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)前和未來現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要的問題，具體體現(xiàn)為機(jī)械化、智能化水平低，裝備缺乏。

第一，對名優(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)識別性能，但仍然存在許多不可控的影響因素，需要考慮視覺識別系統(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題。因此，非結(jié)構(gòu)化的茶園環(huán)境增加了精準(zhǔn)識別定位的難度。

第四，裝備智能化系統(tǒng)的開發(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

//名優(yōu)茶精準(zhǔn)識別定位技術(shù)研究

隨著圖像數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)增多，識別準(zhǔn)確率也在不斷提升，但不同的光照條件、重疊和遮擋仍然會影響采摘機(jī)器人的精準(zhǔn)識別定位性能。因此，提高復(fù)雜環(huán)境下采摘機(jī)器人視覺識別系統(tǒng)的魯棒性和通用性具有重要意義。

此外，由于茶葉長勢、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題，如何快速、高效地設(shè)計(jì)采摘路徑將會是未來研究的重點(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上安裝使用，采摘機(jī)器人在作業(yè)過程中，因自然風(fēng)和采摘動作會使茶蓬面產(chǎn)生動態(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)雜動態(tài)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)毫米級的采茶作業(yè)目標(biāo)，降低對茶葉嫩芽的損傷，保證采摘的芽葉完整度。

//輕簡化、高效節(jié)能采茶分級機(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)將是未來發(fā)展的方向。配套嵌入可用的輕量級目標(biāo)檢測模型，采用高性能電池或燃油發(fā)動機(jī)等動力源，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)茶原料采摘問題的另一條有效途徑。

本文節(jié)選自《中國茶葉》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》。作者：葉春，趙爽，徐光浩，劉和來，陳道根，吳羅發(fā)*，舒時(shí)富，文中圖片由作者提供。

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