茶葉采摘技術(shù)及采茶機(jī)械研究進(jìn)展

王小勇，湯丹丹

（江西婺源茶業(yè)職業(yè)學(xué)院，江西 上饒 333200）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷進(jìn)步，國(guó)民對(duì)茶葉的需求不斷加大，據(jù)中國(guó)茶葉流通協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，2021年中國(guó)六大茶類總產(chǎn)量為3063 kt、產(chǎn)值2928.14億元。面對(duì)茶葉生產(chǎn)形勢(shì)穩(wěn)定向上的局面，制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一些突出問題亟待解決。受農(nóng)村空心化、人口老齡化、勞動(dòng)力短缺、人工成本持續(xù)上升和疫情的影響，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2021年我國(guó)老齡化人口已占全國(guó)人口的18.9%，采茶工日薪更是高達(dá)170～240元。依靠手工采茶顯然已經(jīng)不能滿足茶葉生產(chǎn)需求，茶葉采摘機(jī)械的研發(fā)與推廣是解決以上問題的一種方法。為此，研究學(xué)者加大了對(duì)采茶機(jī)械的研究，截至目前已有多種類型采茶機(jī)械投入到實(shí)際生產(chǎn)中。采茶機(jī)械的使用不僅節(jié)約了人工成本，還大幅度提高了采茶效率，在一定程度上取得了較大的經(jīng)濟(jì)效益。

采摘是茶葉加工過程中十分關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，對(duì)茶葉的外形、品質(zhì)等有很大影響。不同種類名優(yōu)茶對(duì)茶葉鮮葉規(guī)格要求不同，相應(yīng)地對(duì)機(jī)械化采摘提出更高要求。與傳統(tǒng)人工采摘相比，機(jī)械采摘具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、采摘效率高、易于操作等優(yōu)點(diǎn)。本文結(jié)合現(xiàn)有茶葉采摘技術(shù)及機(jī)械，分析茶葉采摘機(jī)械結(jié)構(gòu)與原理，指出其存在的問題并展望采茶機(jī)未來發(fā)展趨勢(shì)，為采茶機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供參考。

1 采茶機(jī)械研究現(xiàn)狀

茶葉采摘是茶葉加工生產(chǎn)環(huán)節(jié)中耗時(shí)最多的一項(xiàng)作業(yè)，常用的鮮葉采摘設(shè)備是采茶機(jī)，它是從茶樹頂梢采收新嫩芽葉的作物收獲機(jī)械。采茶機(jī)按工作原理分為折斷式和切割式2種，折斷式采茶機(jī)由于采凈率較低，并且會(huì)對(duì)茶樹造成損傷，現(xiàn)已使用較少；切割式又分為往復(fù)式切割、螺旋滾刀切割、圓盤刀切割，其中往復(fù)式切割機(jī)采鮮葉完整率和作業(yè)效率要優(yōu)于其他二者，現(xiàn)已被廣大推廣。

1.1 國(guó)外茶葉采摘機(jī)械研究現(xiàn)狀

日本在二戰(zhàn)后開始加快采茶機(jī)械的研究，1960年誕生第一臺(tái)采茶機(jī)，1966年之后陸續(xù)研究出雙人采茶機(jī)、自走式、乘坐式采茶機(jī)，并開始在茶園中進(jìn)行運(yùn)用。根據(jù)采摘原理的不同，日本已經(jīng)研制出往復(fù)切割式采茶機(jī)、螺旋滾刀式采茶機(jī)、水平圓盤刀式采茶機(jī)等多種類型的茶葉采摘設(shè)備，目前日本茶葉采摘基本實(shí)現(xiàn)機(jī)械化［1］。

前蘇聯(lián)在1949年之前都采用切割式原理的采茶機(jī)，之后對(duì)采摘原理進(jìn)行創(chuàng)新，采用橡膠折斷式原理對(duì)茶葉進(jìn)行采摘，1965年研制出折斷與切割相結(jié)合的自走式采摘機(jī)械，并在茶葉采摘中使用［2］。

伴隨計(jì)算機(jī)視覺、人工智能等高新技術(shù)的發(fā)展，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，利用機(jī)械手進(jìn)行采摘果實(shí)蔬菜等采摘機(jī)器人已經(jīng)投入使用，名優(yōu)茶智能采摘將是國(guó)外未來的發(fā)展趨勢(shì)。例如，KURENA M等［4］提出了一種根據(jù)茶葉、葉柄和枝條狀況生成茶葉采摘運(yùn)動(dòng)的方法，主要通過機(jī)器人示范學(xué)習(xí)來再現(xiàn)采茶過程的提拉與轉(zhuǎn)動(dòng)。MANESH M等［5］設(shè)計(jì)一種用于智能采摘茶葉的半自動(dòng)化系統(tǒng)，通過前期的關(guān)鍵幀提取、大米計(jì)數(shù)、光流與噪聲等預(yù)處理，并結(jié)合深度學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)茶葉的智能識(shí)別與采摘。ABESINGHE A M S K等［6］結(jié)合圖像處理，開發(fā)了一種在茶園可以識(shí)別茶葉并完成采摘作業(yè)的設(shè)備，在無人機(jī)上安裝機(jī)械臂與攝像頭，利用Haar級(jí)聯(lián)分類器和圖像處理技術(shù)對(duì)可采收標(biāo)準(zhǔn)芽進(jìn)行識(shí)別，最后由機(jī)器人手臂完成采摘。

1.2 國(guó)內(nèi)茶葉采摘機(jī)械研究現(xiàn)狀

由于我國(guó)采茶機(jī)械的研究起步較晚，直到20世紀(jì)50年代，對(duì)采茶機(jī)的研究才正式開始，目前我國(guó)采茶機(jī)主要以切割式、可搬式為主，山地茶園應(yīng)用單人背負(fù)式采茶機(jī)（圖1-A），平地緩坡地茶園應(yīng)用雙人抬式采茶機(jī)（圖1-B）。

圖1 兩種常用采茶機(jī)Fig. 1 Two commonly used tea plucking machines

單人背負(fù)式采茶機(jī)由汽油機(jī)、背負(fù)機(jī)構(gòu)、軟軸、切割機(jī)構(gòu)、風(fēng)機(jī)、導(dǎo)葉板、集葉袋等部分組成，屬于往復(fù)式切割采茶機(jī)，其工作流程為：工作時(shí)汽油機(jī)輸出動(dòng)力，由軟軸將動(dòng)力傳遞到切割機(jī)構(gòu)上，帶動(dòng)刀片往復(fù)切割，同時(shí)帶動(dòng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，吹風(fēng)管將風(fēng)吹向刀片切割口處，將切割后的茶葉吹向集葉袋［7］?，F(xiàn)使用較多的機(jī)型有浙江川崎茶業(yè)機(jī)械有限公司生產(chǎn)的NV45型和NV60型單人采茶機(jī)，采用風(fēng)冷汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，功率0.8 KW，二者區(qū)別在于采茶幅寬，NV45型采茶幅寬為450 mm，NV60型則為600 mm；浙江落和農(nóng)林機(jī)械公司生產(chǎn)的AM45V和AM110V型單人采茶機(jī)，前者割幅450 mm，后者525 mm，二者發(fā)動(dòng)機(jī)功率都是1 KW。

雙人抬式采茶機(jī)由汽油機(jī)、風(fēng)機(jī)風(fēng)管、減速機(jī)構(gòu)、切割器、機(jī)架等5部分組成。屬于往復(fù)式切割采茶機(jī)，其工作流程為：工作時(shí)主把手操作者運(yùn)行控制開關(guān)，控制開關(guān)上有離合器、油門、停機(jī)手柄，副把手操作者調(diào)整切割角度，汽油機(jī)通過減速機(jī)構(gòu)后將動(dòng)力傳遞到偏心軸，偏心軸驅(qū)動(dòng)刀片往復(fù)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)汽油機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，產(chǎn)生氣流，通過通風(fēng)管將切割器切割下的茶葉送入集葉袋中［7］。現(xiàn)使用較多的機(jī)型有浙江川崎茶業(yè)機(jī)械有限公司生產(chǎn)的SV100弧形雙人采茶機(jī)，采用TC510汽油機(jī)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，功率2.2 KW，采茶幅寬為1000 mm，采茶過程葉芽完整率達(dá)到92.94%；浙江落和農(nóng)林機(jī)械公司生產(chǎn)的V8NewZ2型雙人采茶機(jī)，采茶幅寬為1000 mm，功率3 KW，整機(jī)重量11.9 kg，較浙江川崎茶業(yè)機(jī)械有限公司生產(chǎn)的SV100機(jī)型10.2 kg要重一些。

2 采茶機(jī)械發(fā)展及研究進(jìn)展

本文重點(diǎn)從采茶機(jī)的行走方式、采茶機(jī)機(jī)架、切割器、集葉裝置、智能控制等部分中分析其對(duì)茶鮮葉采摘的影響。

2.1 行走方式

采茶機(jī)按不同行走方式可分為可搬型、自走型、乘用型；可搬式采茶機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，又分為單人背負(fù)式、雙人抬式，屬于半機(jī)械化機(jī)采作業(yè)。乘用式行走機(jī)構(gòu)多以履帶輪行走，自走式多以茶行鋪管，行走輪沿茶行鋼管行走。

吳先坤［8］研發(fā)了一款履帶自走式茶園采茶機(jī)，傳動(dòng)系統(tǒng)采用橡膠履帶底盤，其結(jié)合了低山丘陵地區(qū)的特點(diǎn)進(jìn)行了田間試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明前進(jìn)速度1.98 km·h-1、割幅長(zhǎng)度1.0 m、刀片往復(fù)頻率1400次·min-1，通過實(shí)驗(yàn)可知，此時(shí)的芽葉完整度為88.4%，功耗為2.776 kw，采摘效果良好。

吳先坤等［9］研制了一款單人背負(fù)式采茶機(jī)，該機(jī)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)軟軸、風(fēng)機(jī)風(fēng)管、往復(fù)式切割器及集葉袋等裝置組成，試驗(yàn)結(jié)果顯示該設(shè)備漏采率在2%左右，可制茶率大于93%，芽葉完整率大于85%，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、體積小等優(yōu)點(diǎn)。

李兵等［10］發(fā)明了一款乘坐式采茶機(jī)，該設(shè)備由機(jī)架、動(dòng)力裝置、切割系統(tǒng)、集葉系統(tǒng)和行走系統(tǒng)以及駕駛座、方向盤、蓄電池組成，傳動(dòng)系統(tǒng)由中央傳動(dòng)總成和左、右傳動(dòng)總成組成。該設(shè)備具有勞動(dòng)強(qiáng)度低、采茶效率高和成本低的特點(diǎn)。

劉芳［11］設(shè)計(jì)了一款液壓自走式采茶機(jī)——3TG-1500型高地隙田園管理機(jī)，其結(jié)合和借鑒當(dāng)前國(guó)際上先進(jìn)成熟的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，是全液壓驅(qū)動(dòng)的乘用式跨行行駛采茶設(shè)備，其行駛靈活，調(diào)節(jié)方便，適合標(biāo)準(zhǔn)化茶園的茶葉采摘，還能滿足長(zhǎng)時(shí)間的茶葉采摘。

2.2 采茶機(jī)機(jī)架

采茶機(jī)機(jī)架是采茶機(jī)械的搭載平臺(tái)，其茶葉采摘過程中的穩(wěn)定性間接影響采摘質(zhì)量。

韓余等［12,13］設(shè)計(jì)了一種跨行履帶自走式采茶機(jī)，行駛系統(tǒng)與采摘系統(tǒng)均采用液壓傳遞動(dòng)力，結(jié)合高地隙底盤，使采茶機(jī)可跨茶蓬行駛，通過ANSYS對(duì)設(shè)計(jì)“門型”機(jī)架（圖2-A）進(jìn)行了靜力學(xué)強(qiáng)度振動(dòng)特性分析，將采茶機(jī)外部激振源的頻率相互錯(cuò)開，使機(jī)架在采茶機(jī)正常作業(yè)時(shí)不會(huì)發(fā)生共振，該機(jī)型其最大調(diào)速范圍為0.151～5.072 km·h-1，滿足動(dòng)力傳遞、換向及速度控制要求，具有質(zhì)量輕、地隙高、重心穩(wěn)定等特點(diǎn)。黃升等［14］為了解決傳統(tǒng)采茶機(jī)在工作過程中油耗噪音大、易受地勢(shì)限制不易操作等問題，設(shè)計(jì)了一款自走平衡式采茶機(jī)（圖2-B）。采茶機(jī)的自走系統(tǒng)采用后驅(qū)動(dòng)，并在自走系統(tǒng)上搭載自走和轉(zhuǎn)向的作用平衡系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自調(diào)平衡和自行走，通過單動(dòng)式剪切茶葉，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)收茶。宋揚(yáng)揚(yáng)等［15］針對(duì)傳統(tǒng)采茶機(jī)受地形限制嚴(yán)重，茶梢和嫩芽采摘過程容易損傷等問題，設(shè)計(jì)了一種單軌懸臂式采茶機(jī)（圖2-C）。行走機(jī)構(gòu)是由履帶、底盤、汽油發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)裝置及操作裝置等組成，當(dāng)采茶機(jī)前進(jìn)速度為3.78 km·h-1、切割器往復(fù)頻率為25 Hz時(shí)，采摘性能良好。履帶行走通過性強(qiáng)，穩(wěn)固性好，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了茶葉產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益。

圖2 3種不同采茶機(jī)搭載暯?jīng)‵ig. 2 Three patterns of tea plucking machines

2.3 切割器

切割器是茶葉采摘設(shè)備的重要組成部分之一，切割器的結(jié)構(gòu)材料性能對(duì)茶葉采摘效率、茶葉切割區(qū)域的分配、茶梢破碎率的降低具有重要的影響。切割器按照采摘原理分為折斷式與切割式，前者是選擇性采摘，后者是非選擇性采摘。折斷式通過彎曲力折斷茶葉幼嫩部位，能夠保證芽葉完整、嫩度一致，但因易使茶芽折而未斷而造成茶樹損傷，需要進(jìn)一步提升采茶機(jī)的茶芽識(shí)別技術(shù)；切割式通過刀片對(duì)茶樹進(jìn)行平面切割，切割面平整，但無法區(qū)分芽葉老嫩，切割式又分為往復(fù)切割式、螺旋滾刀式、水平圓盤刀式三種。

杜哲等［16］為了降低茶葉采摘的漏割率和重切率，研究了一款便攜式雙動(dòng)割刀往復(fù)式切割器，切割器的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為曲柄連桿機(jī)構(gòu)，并結(jié)合ADAMS對(duì)切割器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真和田間試驗(yàn)，當(dāng)切割器齒距20 mm、齒高19 mm和刀機(jī)速比1.05時(shí)，茶葉采摘過程中一次切割率、重割率和漏割率達(dá)到最優(yōu)水平。李長(zhǎng)虹等［17］為了提高茶葉采摘后的完芽率，研究了一款便攜式雙滾切刀采茶機(jī)，對(duì)雙切滾刀進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)軌跡分析，提出影響茶青破碎率的參數(shù)為底刀高度h、工作半徑R和人機(jī)速度之比，將人機(jī)速度之比取值控制在0.275～0.4范圍時(shí)，采茶機(jī)所采茶青可達(dá)到優(yōu)質(zhì)茶青采摘標(biāo)準(zhǔn)。張曉偉等［18］針對(duì)采茶的勞動(dòng)強(qiáng)度大，采茶效率低等問題，設(shè)計(jì)了一款滾切刀式采茶機(jī)，運(yùn)用soliderworks軟件雙滾刀建模并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，當(dāng)滾切刀工作半徑為50 mm，刀片寬度為60 mm，厚度為1.5 mm時(shí)能夠有效降低采茶強(qiáng)度，縮短采摘工期，同時(shí)減少茶葉破碎率。于鵬等［20］針對(duì)往復(fù)式茶葉切割器采摘質(zhì)量難以保障的缺點(diǎn)，根據(jù)茶葉生產(chǎn)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)，利用計(jì)算機(jī)輔助分析軟件（CAE）設(shè)計(jì)了一種打葉桿式茶葉收割裝置，打葉桿的直徑為10 mm，長(zhǎng)度600 mm，所選材料為45號(hào)鋼，安裝在圓盤上，工作時(shí)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)圓盤上的打葉桿轉(zhuǎn)動(dòng)，將茶葉打至叉子上，使茶葉被折斷，再由負(fù)壓原理將茶葉吸入儲(chǔ)料箱，采用滾切式的切割原理進(jìn)行采摘，并通過有限元分析和試驗(yàn)得出，當(dāng)打葉桿的回轉(zhuǎn)半徑為60 mm、切割高度為34.2 mm，打葉桿轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)計(jì)最佳線速度為1.6 m·s-1，打葉桿直徑為10 mm時(shí)能夠有效降低了重切區(qū)和漏采區(qū)，提高了茶葉采摘的質(zhì)量。劉俊鋒等［19］針對(duì)名優(yōu)綠茶在采摘過程中對(duì)茶葉缺乏識(shí)別的問題，設(shè)計(jì)一款茶葉仿生采摘指，采茶機(jī)器人進(jìn)入采摘區(qū)域，利用機(jī)器視覺對(duì)茶梢進(jìn)行識(shí)別，然后將采摘手指送至采摘位置，當(dāng)上夾爪和下夾爪完成茶葉的夾持后，通過氣缸帶動(dòng)里層套向上運(yùn)動(dòng)，完成茶葉采摘，仿生采摘試驗(yàn)成功率達(dá)90%。

對(duì)上述不同切割器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)，如表1所示。研究與實(shí)踐表明，目前生產(chǎn)上應(yīng)用最為廣泛仍是往復(fù)式切割式采茶機(jī)。

表1 不同類型切割器比較分析Table 1 Comparison and analysis on different types of cutters

2.4 集葉裝置

集葉裝置的作用是及時(shí)將采摘后的茶葉通過風(fēng)力或真空負(fù)壓吹（吸）入集葉袋中。風(fēng)速、壓力的大小以及均勻度對(duì)茶葉的收集具有重要作用。

歐陽愛國(guó)［21］為了解決茶葉采摘過程中堆積在收集板上的問題，設(shè)計(jì)了一款單軌懸掛式采茶機(jī)結(jié)構(gòu)（圖3），并根據(jù)動(dòng)力學(xué)原理對(duì)其風(fēng)管流場(chǎng)進(jìn)行了仿真分析，得出結(jié)果為：通風(fēng)管進(jìn)風(fēng)口的最佳送風(fēng)方式為兩側(cè)送風(fēng)，出風(fēng)口的最佳彎管直徑為16.8 mm時(shí)，能夠提高茶葉在采摘后進(jìn)入到收集袋中的輸送能力。邵福［22］則針對(duì)目前采茶機(jī)通風(fēng)管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理、各支管出口速度分布不均勻等問題，對(duì)現(xiàn)有通風(fēng)管結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，利用SolidWorks和FLUENT軟件對(duì)通風(fēng)管道內(nèi)部流場(chǎng)的三維數(shù)值進(jìn)行模擬，當(dāng)主管入口風(fēng)速為22 m·s-1、主管錐度為1∶80、支管個(gè)數(shù)為10、支管直徑為15 mm時(shí)，通風(fēng)管道速度不均勻系數(shù)相對(duì)于原通風(fēng)管道降低了9.77%。劉浩等［23］采用真空負(fù)壓吸附的方法來解決茶葉收集難的問題，利用吸風(fēng)裝置使茶葉通過管道進(jìn)入茶葉收集箱（圖4）。運(yùn)用GAMBIT和FLUENT對(duì)真空吸附裝置進(jìn)行網(wǎng)格化分與茶葉流動(dòng)仿真模擬，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證得出：真空度隨茶葉流量增加而降低，吸入功率隨茶葉流量增加先增后趨于平緩。

圖3 單軌懸掛式采茶機(jī)集葉裝置結(jié)構(gòu)Fig. 3 Basic structure of rail-suspended tea plucking machine

圖4 便攜式真空吸附采茶機(jī)Fig. 4 Portable vacuum absorption tea plucking machine

2.5 采茶機(jī)智能控制技術(shù)

隨著時(shí)代的發(fā)展，名優(yōu)茶的需求越來越高，但名優(yōu)茶對(duì)茶葉采摘要求十分嚴(yán)格，傳統(tǒng)的機(jī)械采茶會(huì)對(duì)茶葉嫩梢有傷害，并且無法保證采摘規(guī)格的一致性，因此，能夠智能識(shí)別茶葉嫩芽并且對(duì)茶葉嫩芽進(jìn)行三維定位采摘的智能型采茶機(jī)器人便提上研究日程，目前采茶機(jī)智能技術(shù)重點(diǎn)在于采茶機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)和茶葉采摘智能識(shí)別技術(shù)兩方面。

秦廣明等［24］設(shè)計(jì)了一款自走式智能田間采茶機(jī)器人，通過圖像處理系統(tǒng)獲取嫩芽采摘點(diǎn)，使用三維驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)精確定位，帶動(dòng)機(jī)器手實(shí)現(xiàn)茶葉采摘，負(fù)壓茶葉收集管實(shí)時(shí)收集嫩茶，采用自適應(yīng)調(diào)節(jié)液壓行走系統(tǒng)，具有定位時(shí)間短、精度高、采摘效率高等特點(diǎn)，田間試驗(yàn)結(jié)果表明,其平均誤識(shí)別率為28.7%,單手采摘次數(shù)為1.29次·s-1、整機(jī)生產(chǎn)效率(鮮葉)為5.254 kg·h-1、漏采率為2.66%、摘后收集率為99.6%、老梗葉率為0.8%、茶芽完整率為76.6%，各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。王焜等［25］研究了一款采茶機(jī)器人，采用三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)和末端采摘器，通過MATLAB軟件，得到了采茶機(jī)器人工作空間的三維圖，并建立機(jī)器人仿真模型以及機(jī)器人軌跡仿真，滿足工作空間可視化的特性，提高機(jī)械采茶效率穩(wěn)定性。王先偉等［26］為了實(shí)現(xiàn)其在室外環(huán)境下導(dǎo)航避障及路徑規(guī)劃，使用改進(jìn)的ORB-SLAM2算法進(jìn)行機(jī)器人自身定位與三維點(diǎn)云地圖的構(gòu)建，并將三維點(diǎn)云地圖轉(zhuǎn)換為八叉樹地圖，在八叉樹地圖上實(shí)現(xiàn)采茶機(jī)器人的碰撞檢測(cè)算法與路徑規(guī)劃算法，并進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示可以滿足采茶機(jī)器人導(dǎo)航避障及路徑規(guī)劃要求。湯一平［27,28］提出一種基于機(jī)器視覺的機(jī)采茶隴識(shí)別與采茶機(jī)導(dǎo)航的方法，配置攝像頭以獲取待采摘茶隴的視頻圖像，并對(duì)其視頻圖像進(jìn)行算法處理，提取出茶隴的左右邊緣線并計(jì)算出茶隴中心線，并顯示其采摘狀態(tài)。試驗(yàn)結(jié)果表明此法能有效解決目前機(jī)采茶葉老嫩茶葉一刀切的弊端。王偉羊［29］研究了一種基于計(jì)算機(jī)視覺的采茶機(jī)導(dǎo)航技術(shù)，采用java語言、圖像處理、茶隴分割等方式找準(zhǔn)方向，并提示駕駛員，提高切割的完整性，減少茶葉的損傷。周俊［30］研究了一款采茶機(jī)器人，將視覺與IMU融合，進(jìn)行采茶機(jī)器人位姿的估計(jì)研究，采用OKVIS算法，可實(shí)時(shí)測(cè)量機(jī)器人的位姿和速度，并且繪制出機(jī)器人的移動(dòng)路徑，在試驗(yàn)中運(yùn)行良好。汪琳等［31,32］將SCARA采摘機(jī)械手應(yīng)用于茶葉采摘，充分發(fā)揮每個(gè)自由度的作用，添加葉芽梳理機(jī)構(gòu)，在作業(yè)過程中將葉芽與老葉分離并初步固定，通過視覺圖像處理系統(tǒng)識(shí)別和定位浮于梳理機(jī)構(gòu)上方的葉芽，實(shí)現(xiàn)智能采摘。韓旺明［33］研究了一款智能化自動(dòng)切割式采茶機(jī)，使用一系列圖像預(yù)處理算法并利用OTSU對(duì)整幅圖像進(jìn)行處理，得到嫩葉區(qū)域，后對(duì)割刀進(jìn)行調(diào)節(jié)；同時(shí)針對(duì)南方地區(qū)不同季節(jié)茶葉的生長(zhǎng)特征以及采摘方式，還設(shè)計(jì)了固定采摘模式和智能調(diào)節(jié)模式。該設(shè)備不僅降低了茶葉采摘時(shí)的勞動(dòng)強(qiáng)度，還節(jié)約了勞動(dòng)成本，在對(duì)茶樹不造成機(jī)械性損傷的情況下可提高茶葉整體品質(zhì)。張修［34］研發(fā)了一款基于機(jī)器視覺的智能采茶機(jī)器人，通過圖靈智造四軸工業(yè)機(jī)械手加上“一目多位”式的三維立體視覺系統(tǒng)，以及圖像的三維重構(gòu)，提高采茶機(jī)器人識(shí)別芽葉的能力，圖像的匹配度可達(dá)90%以上。

3 存在問題

當(dāng)前，采茶機(jī)械發(fā)展提升到一個(gè)較高水平，一些新技術(shù)新機(jī)具在茶葉采摘中得到逐步推廣，但仍然存在一些問題。

一是茶葉采摘機(jī)械在切割器和整機(jī)結(jié)構(gòu)上創(chuàng)新不足。雖然有很多研究者對(duì)茶葉采摘設(shè)備的切割器進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，但是效率較往復(fù)式切割器還是有一定差距，而往復(fù)式切割器的刀片在往復(fù)式運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)存在慣性力以及振動(dòng)噪音等問題，不僅影響采摘質(zhì)量，還對(duì)茶葉造成二次傷害，當(dāng)前采茶機(jī)切割器研究重點(diǎn)已轉(zhuǎn)向智能化識(shí)別鮮葉老嫩和選擇性采摘機(jī)構(gòu)，然而芯片的造價(jià)成本過高、算法的級(jí)別過低等問題制約切割器的發(fā)展；并且采摘后鮮葉的收集過程存在堵塞以及雜質(zhì)過多等問題也影響采摘效率。

二是茶葉采摘機(jī)械功能單一、智能化程度低。目前市場(chǎng)上無論是背負(fù)式還是乘坐式或者手抬式采茶機(jī)，基本只具備采茶這一單一作業(yè)功能，而整個(gè)采茶季節(jié)時(shí)間較短，長(zhǎng)期存放易損壞，不利于循環(huán)利用；其次，各地茶園種植規(guī)格不統(tǒng)一、茶區(qū)地形復(fù)雜，適用于丘陵山區(qū)茶園的機(jī)械設(shè)備依然較少，大部分茶園機(jī)械設(shè)備無法在山區(qū)進(jìn)行正常工作，導(dǎo)致山區(qū)茶園采摘效率低。另外，在茶葉采摘環(huán)節(jié)中，采摘的過程、茶葉的長(zhǎng)短與大小等的選擇仍是通過人工操作，智能化水平低。

三是茶葉采摘標(biāo)準(zhǔn)、種植標(biāo)準(zhǔn)以及茶葉機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)滯后。目前茶葉采摘過程以及茶葉采摘機(jī)械缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，各個(gè)茶機(jī)制造企業(yè)沒有注重茶葉種植、采摘、加工等環(huán)節(jié)之間的銜接，農(nóng)機(jī)農(nóng)藝之間結(jié)合度較為落后，間接增加采茶機(jī)械的研發(fā)難度；各個(gè)茶機(jī)制造企業(yè)之間、企業(yè)與研究機(jī)構(gòu)之間缺乏溝通，造成茶葉采摘機(jī)械所使用的零配件在通用性和標(biāo)準(zhǔn)上缺乏統(tǒng)一。

4 發(fā)展趨勢(shì)

采茶機(jī)械在整個(gè)茶產(chǎn)業(yè)中扮演著至關(guān)重要的角色，智能型采茶機(jī)器人的研發(fā)與推廣推動(dòng)了茶葉加工領(lǐng)域高速發(fā)展的進(jìn)程，針對(duì)茶葉采摘技術(shù)及機(jī)械，未來發(fā)展呈現(xiàn)以下幾個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。

1）加強(qiáng)智能化采茶機(jī)的研發(fā)，運(yùn)用大數(shù)據(jù)、深度學(xué)習(xí)等高新技術(shù)，融合互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等平臺(tái)，加強(qiáng)智能傳感技術(shù)的運(yùn)用，研發(fā)更高級(jí)別的智能算法，提高芯片等級(jí)，降低切割器的造價(jià)成本，實(shí)現(xiàn)對(duì)芽葉有選擇性的采摘并能自主完成采摘作業(yè)，實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別鮮葉老嫩，并通過選擇性采茶機(jī)械手完成芽葉“準(zhǔn)、快、穩(wěn)”采摘作業(yè)要求，降低芽葉破碎率，從而實(shí)現(xiàn)名優(yōu)茶機(jī)械化采摘，提高名優(yōu)茶機(jī)械采摘質(zhì)量。

2）加強(qiáng)特色機(jī)型與多動(dòng)能機(jī)型平臺(tái)的研發(fā)，針對(duì)坡度大的山區(qū)及丘陵，在農(nóng)機(jī)農(nóng)藝結(jié)合的基礎(chǔ)上，因地制宜，研發(fā)適用于山區(qū)及丘陵的采摘機(jī)械，并使采摘機(jī)械外型適應(yīng)采摘環(huán)境，提高茶園機(jī)械化水平；研發(fā)實(shí)現(xiàn)其耕作、施肥、采摘等作業(yè)多位一體的多功能茶葉機(jī)械，不僅能使茶園機(jī)械使用次數(shù)增加、提高作業(yè)效率，更能節(jié)約成本。

3）充分利用大數(shù)據(jù)平臺(tái)，加快茶葉采摘技術(shù)、采摘機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)制訂工作。由于茶葉采摘技術(shù)、采摘機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)滯后的問題嚴(yán)重影響茶葉采摘質(zhì)量，因此，茶葉采摘機(jī)械未來發(fā)展趨勢(shì)中要解決采摘標(biāo)準(zhǔn)、種植標(biāo)準(zhǔn)以及茶葉機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)的適應(yīng)性問題，加強(qiáng)各個(gè)茶機(jī)制造企業(yè)之間、企業(yè)與研究機(jī)構(gòu)之間的溝通，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，建立統(tǒng)一的茶葉采摘機(jī)械，甚至是茶葉機(jī)械的數(shù)據(jù)平臺(tái)。

5 結(jié)論

總而言之，我國(guó)茶葉采摘機(jī)械研究進(jìn)步較為顯著，基本能實(shí)現(xiàn)大宗茶機(jī)械化采摘，促進(jìn)茶葉機(jī)械領(lǐng)域發(fā)展。但是名優(yōu)茶機(jī)械化采摘在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨諸多挑戰(zhàn)，茶葉采摘機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新仍然存在瓶頸，采摘過程中機(jī)械設(shè)備振動(dòng)噪音污染問題仍然存在，相關(guān)科研機(jī)構(gòu)應(yīng)該加大茶葉智能化采摘研發(fā)投入，加強(qiáng)茶葉機(jī)械領(lǐng)域人才培養(yǎng)以及茶葉采摘理論創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)茶葉采摘機(jī)械的智能化發(fā)展。