清明前夕，正是茶葉采摘旺季。在浙江省杭州市西湖區(qū)一處茶園里，一個“采茶小工”移動機(jī)械臂，將采摘的茶葉源源不斷地送入存儲盒中。這個“采茶小工”的研發(fā)團(tuán)隊，正是浙江理工大學(xué)農(nóng)業(yè)機(jī)器人與裝備創(chuàng)新團(tuán)隊。
茶葉采摘基本靠人工完成，尤其是名優(yōu)茶、明前茶，采摘期短且密集，比如高等級的龍井茶，一斤茶葉需要約4萬個芽頭。但隨著采茶工群體年齡增大，人工缺、人工貴的問題越來越突出。
在浙江省山區(qū)26縣，擁有大面積的茶園，發(fā)展茶產(chǎn)業(yè)關(guān)系著當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的增收問題，也能有效助力浙江高質(zhì)量發(fā)展建設(shè)共同富裕示范區(qū)。為了幫助茶農(nóng)提升產(chǎn)量、增加收入，國家茶葉產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系崗位科學(xué)家、浙江理工大學(xué)教授武傳宇帶領(lǐng)團(tuán)隊研發(fā)出智能采茶機(jī)器人，今年已研發(fā)到了第五代。
要在茂密的茶樹枝中識別嫩芽，采茶工人憑借的是眼力和豐富的經(jīng)驗，這臺機(jī)器卻是借助人工智能，通過對大量圖像數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)，實現(xiàn)對茶樹嫩芽的自動識別。
在浙江省麗水市的一個示范茶園里，中青報·中青網(wǎng)記者見到該團(tuán)隊的陳建能教授。隨著機(jī)械臂的移動，一顆顆茶芽被摘下來。陳建能介紹，智能采茶機(jī)器人的一個難點(diǎn)就是“識別難”。茶樹芽葉不像水果蔬菜，形狀規(guī)則、顏色差別大容易識別，茶樹新長的芽葉和老葉的區(qū)別很小，形狀又不規(guī)則，這給識別增加了很多難度。
從2019年開始，該團(tuán)隊針對人工智能深度學(xué)習(xí)、深度相機(jī)定位、機(jī)器人機(jī)械臂等在技術(shù)上進(jìn)行不斷的研發(fā)與測試。
智能采茶機(jī)器人是怎樣識別芽葉和老葉的？采茶機(jī)器人里有一套叫作深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的識別模型，通過對大量茶樹芽葉圖像數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)，可以自動識別茶樹芽葉。
團(tuán)隊成員、識別組桂江生副教授介紹，“前期我們向采茶機(jī)器人系統(tǒng)輸入大量的茶樹芽葉照片，通過處理和分析，采茶機(jī)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(jī)器人的知識庫就越豐富，學(xué)起來也越扎實，對芽葉識別的準(zhǔn)確率也就越高。”
除了聰明好學(xué)的腦袋，智能采茶機(jī)器人還有一雙厲害的“眼睛”，使用雙目攝像頭掃描茶葉，就和人的兩只眼睛一樣，實現(xiàn)3D定位，從而精準(zhǔn)找到芽葉所在位置。
識別、定位好茶葉芽葉后，接下來就是怎么樣快速、無損地把它采摘下來。這時就需要用到機(jī)器人的另一個法寶——機(jī)械臂。工業(yè)機(jī)器人處于一個人造的穩(wěn)定環(huán)境，而農(nóng)業(yè)機(jī)器人面對的是非結(jié)構(gòu)化、千變?nèi)f化的環(huán)境，這就對機(jī)械臂提出了很高的要求。風(fēng)速、光照、坡度等因素都會影響機(jī)械臂的采摘。
據(jù)了解，機(jī)械臂采茶分兩步，一剪一吸。機(jī)械臂的末端有一把小剪刀，根據(jù)定位信息找準(zhǔn)芽葉的葉柄，一刀下去，芽葉從枝頭分離，同時附在機(jī)械臂末端的負(fù)壓吸管，會把剪下來的芽葉吸進(jìn)機(jī)械手的暫存盒中。
一般來說，早春茶一芽一葉在兩厘米左右，葉柄只有幾毫米，所以對機(jī)械臂的操作精準(zhǔn)度要求非常高，剪歪了會破壞茶樹枝梢，或剪下不完整的芽葉。一位團(tuán)隊成員感嘆研發(fā)不易，“我們就好比在農(nóng)田里繡花，讓采茶機(jī)器人完成毫米級的作業(yè)任務(wù)。”
相較于之前幾代，第五代智能采茶機(jī)器人增加了一個機(jī)械臂，大大提高了智能機(jī)器人采摘的效率。目前采一顆芽葉時間在1.5秒左右，1小時可以采摘2000多顆，一天可以采4斤左右，目前還沒有趕上人工的速度。陳建能表示，未來通過改進(jìn)，一臺機(jī)器可以實現(xiàn)3-5個人的工作效率。
過去的采茶機(jī)器人采用軌道方式，可以適應(yīng)丘陵山地。今年在西湖龍井產(chǎn)區(qū)實驗的第五代智能采茶機(jī)器人，已經(jīng)采用履帶的方式，可以前后移動，適應(yīng)于緩坡地面。
團(tuán)隊成員介紹，目前，第五代智能采茶機(jī)器人的識別準(zhǔn)確率達(dá)到86%，采茶成功率在60%以上，采茶精確度相較于前幾代機(jī)器人大大提高。
陳建能表示，“第五代智能采茶機(jī)器人的進(jìn)步，證明智能采茶是可行的，而要把可行變成可用、好用，未來還有很長的路要走。”目前，這款機(jī)器人還處于實驗室階段，接下來團(tuán)隊將繼續(xù)研發(fā)，提高采摘效率和采摘質(zhì)量。
