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第五代智能采茶機器人的進(jìn)步證明了智能采茶是可行的
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清明節(jié)前夕是采茶旺季。在浙江省杭州市西湖區(qū)的一個茶園里，一個“采茶小工”移動機械臂不斷將采摘的茶葉送入儲物盒。這個“采茶小工”的R&D團隊是浙江理工大學(xué)的農(nóng)業(yè)機器人和設(shè)備創(chuàng)新團隊。
茶葉采摘基本上是手工完成的，尤其是名茶和明代以前的茶。采摘期短且密集，如高檔龍井茶，一斤茶大約需要4萬芽。然而，隨著采茶人員年齡的增長，勞動力短缺和勞動力昂貴的問題越來越突出。
在浙江省山區(qū)26縣，茶園面積大，茶產(chǎn)業(yè)的發(fā)展關(guān)系到當(dāng)?shù)剞r(nóng)民收入的增加，也能有效幫助浙江省高質(zhì)量發(fā)展建設(shè)共同富裕示范區(qū)。為幫助茶農(nóng)增加產(chǎn)量和收入，國家茶葉產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系科學(xué)家、浙江理工大學(xué)教授武傳宇帶領(lǐng)團隊開發(fā)了智能采茶機器人，今年已發(fā)展到第五代。
為了識別茂密的茶枝中的嫩芽，采茶人員依靠眼力和豐富的經(jīng)驗。然而，在人工智能的幫助下，這臺機器可以通過學(xué)習(xí)大量的圖像數(shù)據(jù)來自動識別茶樹的嫩芽。
在浙江省麗水市的一個示范茶園里，中國青年報中國青年網(wǎng)記者看到了團隊的陳建能教授。隨著機械臂的移動，茶芽被摘下來。陳建能介紹，智能采茶機器人的一個難點是“識別難度”。與水果和蔬菜不同，茶樹的芽葉形狀規(guī)則和顏色差異很大，容易識別。茶樹新長的芽葉和老葉差別很小，形狀不規(guī)則，給識別增加了很多困難。
從2019年開始，該團隊在技術(shù)上不斷開發(fā)和測試人工智能深度學(xué)習(xí)、深度攝像頭定位、機器人機械臂等。
智能采茶機器人如何識別芽葉和老葉？采茶機器人中有一個識別模型叫做深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。通過學(xué)習(xí)大量的茶葉芽葉圖像數(shù)據(jù)，可以自動識別茶葉芽葉。
團隊成員和識別組副教授桂江生表示，“在早期階段，我們向采茶機器人系統(tǒng)輸入了大量的茶樹芽葉照片。通過處理和分析，采茶機器人會記住芽葉的形狀和紋理，并總結(jié)出照片中芽葉的特點。輸入的照片越多，機器人的知識庫就越豐富，學(xué)習(xí)也越扎實，芽葉識別的準(zhǔn)確性就越高?！?/p>
除了聰明好學(xué)的頭腦，智能采茶機器人還有一雙強大的“眼睛”。用雙目攝像頭掃描茶葉，可以實現(xiàn)3D定位，就像人的兩只眼睛一樣，從而準(zhǔn)確找到芽葉的位置。
茶葉芽葉識別定位后，下一步就是如何快速無損地采摘。這時，機器人的另一個法寶——機械臂需要使用。工業(yè)機器人處于人工穩(wěn)定的環(huán)境中，而農(nóng)業(yè)機器人面臨著非結(jié)構(gòu)化、千變?nèi)f化的環(huán)境，這對機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械臂的采摘。
據(jù)了解，機械臂采茶分為兩個步驟，一個接一個。機械臂末端有一把小剪刀。根據(jù)定位信息，找出芽葉的葉柄。一刀下去，芽葉從枝頭分開，附著在機械臂末端的負(fù)壓吸管會將剪下的芽葉吸入機械手的臨時存儲盒中。
一般來說，早春茶一芽一葉兩厘米左右，葉柄只有幾毫米，所以對機械臂的操作精度要求很高。如果切歪了，會破壞茶樹的枝條，或者切掉不完整的芽葉。一位團隊成員感嘆研發(fā)不容易。“我們就像在農(nóng)田里繡花一樣，讓采茶機器人完成毫米級的任務(wù)?！?/p>
與前幾代相比，第五代智能采茶機器人增加了一個機械臂，大大提高了智能機器人的采摘效率。目前采摘一個芽葉的時間在1.5秒左右，一個小時可以采摘2000多個芽葉，一天可以采摘4公斤左右。目前還沒有趕上人工速度。陳建能表示，未來一臺機器可以通過改進(jìn)實現(xiàn)3-5個人的工作效率。
過去，茶葉采集機器人可以通過軌道適應(yīng)丘陵和山脈。今年西湖龍井產(chǎn)區(qū)實驗的第五代智能茶葉采集機器人已經(jīng)采用履帶式的方式，可以前后移動，適應(yīng)緩坡地面。
據(jù)團隊成員介紹，目前第五代智能采茶機器人識別準(zhǔn)確率達(dá)到86%，采茶成功率達(dá)到60%以上。與前幾代機器人相比，采茶精度有了很大的提高。
陳建能說:“第五代智能采茶機器人的進(jìn)步證明了智能采茶是可行的，未來還有很長的路要走，才能把可行性變成可用性和易用性。”目前，該機器人仍處于實驗室階段，團隊將繼續(xù)開發(fā)，以提高采摘效率和質(zhì)量。
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