名優(yōu)茶采摘末端執(zhí)行器關(guān)鍵技術(shù)研究進展

張智浩，朱立學，林桂潮，張世昂，官金炫

（仲愷農(nóng)業(yè)工程學院機電工程學院，廣東 廣州 510220）

0 引言

中國是世界上最大的茶葉生產(chǎn)國和消費國[1]，茶葉采摘是茶葉生產(chǎn)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[2]，根據(jù)茶葉的采摘標準，可分為大宗茶和名優(yōu)茶，大宗茶的鮮葉采摘標準是一芽兩葉、一芽三葉或者嫩度相近的對夾葉，名優(yōu)茶對鮮葉的嫩度和完整性要求較高，采摘標準是單芽或者一芽一葉，以及一芽兩葉初展的新梢[3-6]。中國現(xiàn)有的茶葉采摘方法有人工采摘和機械采摘[7]，人工采摘質(zhì)量好，但勞動強度高、采摘效率低，機械采摘效率高，但茶葉質(zhì)量低。國內(nèi)外學者已經(jīng)對大宗茶采摘機械進行了大量的研究工作，20 世紀初，日本最先開始研究大宗茶采茶機械。30 年代，前蘇聯(lián)的農(nóng)學家發(fā)明了第一臺輪式采茶車，其收獲部件以往復式切割機為核心。50 年代，中國才開始大宗茶采摘機械自動化設備的開發(fā)，2012 年農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所肖宏儒等研發(fā)了第一臺履帶乘坐式全自動采茶機[8]，到目前為止，大宗茶葉的采摘已經(jīng)基本脫離人工，大宗茶機械化采摘已逐漸成熟并投入到茶葉生產(chǎn)中。名優(yōu)茶在中國茶產(chǎn)業(yè)中的地位日益突顯，雖然這種采茶機的使用與人工采茶相比提高了采茶效率，但往復切割采茶機采用了“一刀切”的采茶方式切掉茶樹頂部的葉芽，缺乏對幼葉和老葉的選擇性，錯采率、漏采率和破損率都很高，不能滿足高檔名優(yōu)茶鮮葉標準[1,4,5,9-11]。目前，茶葉嫩芽采摘基本是人工完成，茶農(nóng)通過觀察判斷芽葉的大小和成熟度，獲得的茶葉具有較高的勻整度。然而，人工采摘有一定的局限性，茶葉嫩芽采摘的黃金周期較短，采摘工作繁重，需要大量勞動力長時間采摘[9,12-14]。由于農(nóng)業(yè)勞動力短缺和新冠病毒的影響，采茶成本一直在上升[15,16]，占茶葉生產(chǎn)勞動力成本的60%以上[1]，制約了名優(yōu)茶產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。因此，采茶機器人的研究與開發(fā)迫在眉睫，這也是數(shù)字農(nóng)村農(nóng)業(yè)的發(fā)展需求。

名優(yōu)茶的采摘目標是茶葉嫩芽，茶葉嫩芽尺寸較小且個體間存在一定的形狀差異，生長環(huán)境比較復雜，空間分布密集，易被遮擋，莖葉較柔軟，在采摘過程中極易造成損傷，如圖1[17]、圖2 所示。傳統(tǒng)的采茶末端執(zhí)行器已然不適用，末端執(zhí)行器在一定程度上影響采茶效率和茶葉嫩芽破損率，對提高采茶機器人整體執(zhí)行效果起著非常重要的作用。本文對農(nóng)業(yè)采摘末端執(zhí)行器及名優(yōu)茶采摘機器人末端執(zhí)行器的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀、應用情況進行闡述，總結(jié)出名優(yōu)茶采摘機器人末端執(zhí)行器目前存在的問題，提出了名優(yōu)茶采摘機器人末端執(zhí)行器的改進措施及未來發(fā)展前景。

圖1 目前大宗茶普遍采摘情況

圖2 茶葉嫩芽空間分布情況

1 農(nóng)業(yè)采摘末端執(zhí)行器的現(xiàn)狀

由于名優(yōu)茶的采摘要求相對較高，實現(xiàn)難度較大，對智能采茶機器人末端執(zhí)行器的研究相對較少。末端執(zhí)行器作為采摘機器人的關(guān)鍵部件，在許多農(nóng)業(yè)領域都有較為成熟的農(nóng)業(yè)采摘機器人末端執(zhí)行器執(zhí)行方案，可以為名優(yōu)茶葉末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)設計提供相應的指導[18]。西北農(nóng)林科技大學Y.CUI 設計了一種草莓采摘末端執(zhí)行器，用1 個夾持器夾持草莓，然后通過切割器切斷水果果梗[19]。殷紅梅設計了采花機械手的末端執(zhí)行器，通過控制末端執(zhí)行器的開合，閉合時槽抓固定花卉，然后利用弧形刀片切割花梗，實現(xiàn)花卉的夾持和采摘[20]。昆明理工大學王彥鈞設計了一種仿生食用玫瑰花手指采摘末端執(zhí)行器，采摘過程中，在抓取手指和套筒作用下，抓取并切割玫瑰花莖，完成玫瑰花采摘動作[21]。西北農(nóng)林科技大學傅隆生等研究了獼猴桃無損采摘末端執(zhí)行器，通過手指抓旋轉(zhuǎn)分離相鄰的果實，抓取并扭斷果梗以采摘果實，結(jié)果表明，該方法的成功率達到96.0%，平均單果耗時22 s[22]。華南農(nóng)業(yè)大學葉敏等設計了一種仿真擬人夾指末端執(zhí)行器，模擬了人體2 指夾持小圓柱體的狀態(tài)，食指彎曲成一定角度，母指配合完成夾緊。結(jié)果表明，采摘成功率可達90% 以上，夾持效果良好，對荔枝果實無損傷[23]。江蘇大學尹建軍等設計了一種雙指葡萄采摘裝置，通過雙指上的旋轉(zhuǎn)切割部帶動圓盤刀切割果梗，實現(xiàn)葡萄的采摘，試驗結(jié)果表明，該裝置的采摘成功率為100%，果實破損率為5.2%，不考慮視覺定位耗時，完成1 次采摘動作的平均耗時為29.4 s[24]。比利時ANDREAS DE PRETER 等設計了一款草莓軟體夾持末端執(zhí)行器，在夾持草莓時，接觸面積較大，對草莓的損傷較小，抓取草莓后，它輕輕地拉動草莓并旋轉(zhuǎn)以采收草莓[25]。挪威生命科學大學YA XIONG 和美國明尼蘇達大學CHENG PENG 等設計了一種草莓采摘末端執(zhí)行器，將草莓抓取并包裹在容器里，在容器內(nèi)用刀片切斷水果果梗[26]。

國內(nèi)外學者的現(xiàn)有研究表明，農(nóng)業(yè)采摘末端執(zhí)行器大多通過直接接觸果實，對果實進行夾持再用切割器切割果梗，完成采摘工作，再通過機械臂復位，將果實放進收納箱中。水果種類繁多，生長形態(tài)各異，現(xiàn)有的果實采摘末端執(zhí)行器已基本適應各類水果的采摘，因此具有多種樣式、結(jié)構(gòu)、形態(tài)的采摘末端執(zhí)行器，基本滿足目前農(nóng)業(yè)采摘要求。但仍存在以下不足，一是末端執(zhí)行器通用性不高，末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)較為固定，使用時只能針對一種或形狀相近的水果進行工作，不能實現(xiàn)對多種水果采摘；二是末端執(zhí)行器無法確保果實破損率，目前存在的末端執(zhí)行器仍以剛性為主，在采收過程中存在對果實的破壞，無法保證完整性；三是末端執(zhí)行器在提高采摘效率方面仍有很大發(fā)展空間，需要對采摘末端執(zhí)行器進一步改善，提高采摘速度。

2 名優(yōu)茶采摘末端執(zhí)行器的現(xiàn)狀

雖然智能采茶機器人的研究已經(jīng)進行了多年，但國內(nèi)外關(guān)于名優(yōu)茶采摘末端執(zhí)行器的文獻數(shù)量有限，名優(yōu)茶的智能采摘機器人末端執(zhí)行器仍處于萌芽階段?？傮w看來，根據(jù)采摘—收集方式大致可分為四大類。

2.1 夾持式末端執(zhí)行器

夾持式末端執(zhí)行器，由夾持機構(gòu)來獲取和回收果實。南京林業(yè)大學高鳳等設計了一種名優(yōu)茶采摘末端執(zhí)行器，它利用電機提供動力，絲杠帶動左右夾子做相向運動，從而完成茶葉嫩葉的采摘[12]。張于學發(fā)明了一種名優(yōu)茶采茶末端執(zhí)行器，通過夾持機構(gòu)夾持夾住茶葉嫩芽，然后通過提升機構(gòu)向上拉斷葉柄，實現(xiàn)茶葉嫩芽的采摘動作[27]。四川農(nóng)業(yè)大學許麗佳等設計了一種梯形四桿夾提式末端執(zhí)行器，通過指型擺桿帶動夾持件把嫩芽夾斷。試驗結(jié)果表明，一芽一葉漏采率為2.8%，采摘完整率為91%；一芽兩葉缺失率小于3%，采摘完成率為94%[28]。楊化林設計了一種提采式氣動名優(yōu)茶采摘末端執(zhí)行器，該末端執(zhí)行器通過氣壓缸驅(qū)動，啟動夾持機構(gòu)仿照人工采摘動作，將茶葉嫩芽的莖夾斷，然后將茶葉嫩芽送入收集裝置中完成采茶[29]。青島科技大學范元瑞等設計了一種指型采摘末端執(zhí)行器，簡圖如圖3所示[30]。通過滑塊擺動桿傳動，采摘時，兩側(cè)指型擺桿配合開啟和關(guān)閉柔性指尖，實現(xiàn)茶葉的采摘和釋放[30]。

圖3 指型采摘末端執(zhí)行器簡圖

2.2 剪切式末端執(zhí)行器

剪切式末端執(zhí)行器，利用切割器如剪刀、刀片、鋸子等切斷果梗。原艷芳設計了一種采茶機械手，用于采摘名優(yōu)茶，通過氣缸驅(qū)動刀片開合切斷茶葉嫩芽，然后通過負壓氣吸的方式將采集的茶葉嫩芽輸送到收集箱里[31]。申友航發(fā)明了一種茶葉單芽采茶機，通過紅外線感應控制切割推塊驅(qū)動切割指運動，用切割刀把茶葉嫩芽切掉，用壓力塊夾持茶葉嫩芽，然后通過復位把茶葉嫩芽落入收集箱[32]。南通大學汪旭亮等設計一種茶葉單芽采茶機，先通過吹風裝置將單芽邊上的嫩葉吹折，只留下茶芽，板上設有多個只允許茶葉單芽能通過的底孔，電磁鐵運動帶動刀片切割，完成采摘工作[33]。沈浩宇設計了一種旋折式茶葉單芽采摘末端執(zhí)行器，通過氣缸驅(qū)動、光信號傳感器控制末端執(zhí)行器夾爪的閉合，完成茶葉嫩芽采摘動作，然后通過電機驅(qū)動夾爪轉(zhuǎn)動，將茶葉嫩芽放入采收盒里[34]。中國農(nóng)業(yè)大學HENG LI 等設計了一種茶葉采摘夾指，在四桿機構(gòu)的連續(xù)運動下，兩側(cè)的手指可以打開和閉合，閉合時，茶葉被最前端的刀片切斷[7]。四川職業(yè)技術(shù)學院牟順海設計了一種茶葉采摘末端執(zhí)行器，該采摘末端執(zhí)行器帶有1 個集葉槽，通過連桿驅(qū)動左右刀片作相向運動，切割茶梗，再將茶葉放入集葉槽，實現(xiàn)采集茶葉的功能[35]。長春理工大學尚凱歌設計一種輕型收納裝置的末端執(zhí)行器，能夠收納已完成剪斷茶葉，末端采摘執(zhí)行器簡圖如圖4 所示。當末端手爪剪斷所定位茶葉新梢，收納裝置便會隨著手爪閉合而收攏，將茶葉捕獲，然后將采摘茶葉放置到收集臺上，并將其滑到傳送帶，最后將其運輸?shù)较鄳牟枞~收集箱中[36]。

圖4 機器人末端采摘執(zhí)行器開合示意簡圖

2.3 氣吸式末端執(zhí)行器

氣吸式末端執(zhí)行器，由吸入器靠吸力獲取和回收果實。莫鵬等設計了一種手提電動采茶機，手持釆茶機將梳式導葉板插入茶叢中，使刀片對準茶葉嫩芽進行切割，使茶葉連續(xù)流入網(wǎng)袋中，茶農(nóng)可根據(jù)茶葉大小自行選擇采摘的芽葉，但釆下的茶葉嫩芽仍存在一定混雜[37]。浙江理工大學研究團隊設計了一種在切割刀片上面安裝氣吸套筒的末端執(zhí)行器。在切割茶葉嫩芽后，通過負壓把茶葉嫩芽通過套筒吸入收集箱中，試驗表明，采摘成功率為86.92%，采摘準確率為83.18%，每棵茶葉嫩芽的采摘時間范圍在2～5 s[38]。

2.4 仿生式末端執(zhí)行器

仿生式末端執(zhí)行器是模仿動植物生態(tài)結(jié)構(gòu)和功能特性來實現(xiàn)目標采摘動作。日本慶應大學KURENA MOTOKURA 等設計了一種仿真末端執(zhí)行器，通過模仿人工采茶動作，用2 個機械手指實現(xiàn)茶葉嫩芽葉莖的采摘[39]，如圖5 所示。姜兆亮設計了一種腱驅(qū)動的仿生茶葉采摘末端執(zhí)行器，通過電機驅(qū)動纖維繩模擬人的肌腱帶動機械手指捏合刀片完成切割動作同時捏住茶葉，再通過電機反轉(zhuǎn)將茶葉放入茶葉收集盒里[40]。石元值設計了一種名優(yōu)茶智能雙臂采茶機，采用高速運轉(zhuǎn)的鋼絲繩代替原有的刀片往返切割，然后利用風吸的方式將茶葉嫩芽輸送到集葉箱[41]。南京林業(yè)大學郝淼等設計了一種仿生采摘手抓末端執(zhí)行器，可以模仿人工“提手采”的動作，初步室內(nèi)試驗結(jié)果表明：采摘成功率接近70%[18]。陳勇設計了一種茶葉仿生手抓采摘末端執(zhí)行器，模仿人工的“提手采”方法，通過控制夾爪的閉合，將茶葉嫩芽的莖拉斷，完成茶葉嫩芽的采摘[42]。青島科技大學馬智斌等設計一種鷹嘴式名優(yōu)茶采摘末端執(zhí)行器，通過刀片對名優(yōu)茶進行鮮葉采摘并包裹在容器里，然后將鮮葉經(jīng)過出茶口進入茶葉收集裝置中[43]。張錚設計了一種軟輥式仿手工無破損茶葉嫩芽采摘末端執(zhí)行器，將末端執(zhí)行器靠近茶葉嫩芽，在采摘軟輥作用下，把茶葉嫩芽摘下，并輸送到收集箱中[44]。

圖5 仿生雙指末端執(zhí)行器工作示意圖

2.5 小結(jié)

名優(yōu)茶采摘末端執(zhí)行器的采摘方式包括氣吸式末端執(zhí)行器、夾持式末端執(zhí)行器、仿生式末端執(zhí)行器和剪切式末端執(zhí)行器。以上幾種采摘方式的比較如表 1 所示。

表1 采摘方式的比較

3 存在主要技術(shù)問題

現(xiàn)有研究工作在茶葉嫩芽視覺識別、檢測定位環(huán)節(jié)已有較多成果，對名優(yōu)茶采摘末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)設計、采收方式探究有較大參考價值。名優(yōu)茶采摘機器人目前尚缺乏商業(yè)化的成熟產(chǎn)品，大部分仍處于研究和樣機階段，距離實際應用還有很長的路。現(xiàn)有工作主要存在以下不足：首先，工作效率較低。人工采收茶葉嫩芽的平均時間在3～4 s，但是采用茶葉嫩芽采摘機器人，需要經(jīng)過目標的視覺檢測、機械臂運動定位，邊緣設備計算再到達采摘點進行采摘，然后通過復位將茶葉嫩芽放入收集箱中，整個流程用時遠大于人工采摘時間，采摘效率較為低下。其次，無法確保茶葉嫩芽完整性。大部分名優(yōu)茶采摘機器人末端執(zhí)行器依然采用傳統(tǒng)的剛性末端執(zhí)行器，在采摘過程中，不能有效地實現(xiàn)對多種茶葉嫩芽的無損采摘。

4 結(jié)語

名優(yōu)茶采摘末端執(zhí)行器在我國有著巨大的應用空間，名優(yōu)茶產(chǎn)業(yè)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的實際應用具有重要的意義，需要大力開展采摘技術(shù)的研究，提高采摘精度。本文通過對幾類常見末端執(zhí)行器的采摘方式特點對比分析，結(jié)合茶葉嫩芽的生長、形狀特點和人工采摘的經(jīng)驗，考慮末端執(zhí)行器的采摘效率和采摘成功率，采收一體式的末端執(zhí)行器在克服茶葉嫩芽采摘的難題方面可能存在優(yōu)勢。在末端執(zhí)行器尾部可以設置收納箱，在末端執(zhí)行器完成采摘工作后，將茶葉嫩芽包裹在臨時存儲箱中，通過簡單的電機控制末端執(zhí)行器的轉(zhuǎn)動，使茶葉嫩芽更好的落入收納箱中，再繼續(xù)下一個采摘作業(yè)。這種方法符合理想名優(yōu)茶采摘末端執(zhí)行器的要求，以實現(xiàn)對茶葉嫩芽的高效率回收，并在較短的工作時間內(nèi)完成茶葉嫩芽的采摘工作。同時，考慮使用簡單、輕巧的低自由度機械臂，減少機械臂運動路徑冗余，縮短作業(yè)時間，提高作業(yè)效率。在茶葉嫩芽采摘過程中，如何降低茶葉嫩芽破損率是采摘末端執(zhí)行器研究與開發(fā)中的一個重點和難點問題，可結(jié)合柔性末端執(zhí)行器對茶葉嫩芽進行采摘，盡量減少對茶葉嫩芽的損害。