科技赋能春耕！浙江理工大学智能采茶机器人让采茶工当“甩手掌柜”
2023-04-04
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科技赋能春耕！浙江理工大学智能采茶机器人让采茶工当“甩手掌柜”
最后更新：2023-04-04 浏览：509次
科技赋能春耕！浙江理工大学智能采茶机器人让采茶工当“甩手掌柜”
又到一年春茶采摘最忙碌的时节。在浙江杭州西湖区西湖龙井原产地一级保护区的茶园里，一个引人注目的“采茶小工”正在摆动机械臂，将采摘上来的茶叶源源不断地送入存储盒中，吸引游客纷纷拍照。这个“采茶小工”的研发团队，正是浙江理工大学农业机器人与装备创新团队，由他们研发的第五代智能采摘机器人能自主识别茶树芽叶进行采摘。
为了帮助茶农提升产量、增加收入，国家茶叶产业技术体系岗位科学家、浙江省科协副主席武传宇教授带领团队，经过不断尝试、改进，研发出了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，而这台机器却是借助了人工智能，通过对大量图像数据的学习，可以实现茶树嫩芽自动识别。
攻破难点提高识别率精准度
今年，智能采茶机器人已经更新迭代到第五代。“第五代智能采茶机器人比前几代在各方面有了极大提升。”团队党支部书记陈建能教授表示。
从2019年开始，浙江理工大学农业机器人与装备创新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。
智能采茶机器人要攻克的难点之一就是“识别难”。“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，这是非常难的。”团队成员贾江鸣副教授介绍。
智能采茶机器人是怎样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，通过对大量茶树芽叶图像数据的学习，可以自动识别茶树芽叶。
通俗来讲就是利用人工智能的深度学习功能，让采茶机器人学会识别茶树芽叶。“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。”团队成员、识别组桂江生副教授解释。
除了聪明好学的脑袋，采茶机器人还有一双厉害的眼睛。经过不断探索和实验，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。
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。这时就需要用到机器人的另一个法宝——机械臂。“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。这就对机械臂提出了很高的要求。”团队成员、定位组贺磊盈副教授说。“风速、光照、坡度等因素都会影响机械臂的采摘。”
据了解，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机械手的暂存盒中。
一般来说的早春茶一芽一叶在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。”
不断更新迭代采茶机器人未来可期
值得一提的是，相较于之前几代，第五代智能采茶机器人改变之一就是增加了一个机械臂。“两只机械臂大大提高了智能机器人采摘的效率。”团队成员、机械组李亚涛博士说。第五代智能采茶机器人已经实现采一颗芽叶时间在1.5秒左右，1小时可以采摘2000多颗，一天可以采4斤左右的芽叶，目前可以说一台机器能够替代一个工人。
“去年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。”贾江鸣说。“同时，机器人上面新加了六块太阳能板，可以做到自供电。”
目前，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。采茶精确度相较于前几代机器人大大提高。“我们机器人采摘的茶叶已经得到中国农业科学院茶叶研究所专家的认可，采摘的茶叶已经可以做中高端龙井茶叶了。”贾江鸣端着手中的茶杯，向记者展示着用机器采摘的茶叶泡的茶水。
“今年第五代智能采茶机器人告诉我们，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。”陈建能表示，目前这款机器人还处于实验室阶段，接下来浙江理工大学农业机器人与装备创新团队将继续实验、研发，从而提高采摘效率、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，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。随着人工成本的提高，未来谁种田的矛盾越来越突出。“农业的根本出路在于机械化，实际上对我们茶叶也一样，因为劳动力越来越短缺，今后还是要依靠机械，从而解决目前茶农遇到的用工缺、用工贵问题。帮助农民持续增收，做大做强茶产业，是我们科技工作者应该努力的一个方向。”陈建能说。
