機(jī)器人也能采茶了?難度堪比“農(nóng)田里繡花”
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(gè)“采茶小工”移動(dòng)機(jī)械臂,將采摘的茶葉源源不斷地送入存儲(chǔ)盒中。這個(gè)“采茶小工”的研發(fā)團(tuán)隊(duì),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(duì)。
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(jí)的龍井茶,一斤茶葉需要約4萬個(gè)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(guó)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(duì)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(shí)別嫩芽,采茶工人憑借的是眼力和豐富的經(jīng)驗(yàn),這臺(tái)機(jī)器卻是借助人工智能,通過對(duì)大量圖像數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí),實(shí)現(xiàn)對(duì)茶樹嫩芽的自動(dòng)識(shí)別。
在浙江省麗水市的一個(gè)示范茶園里,中青報(bào)·中青網(wǎng)記者見到該團(tuán)隊(duì)的陳建能教授。隨著機(jī)械臂的移動(dòng),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(gè)難點(diǎn)就是“識(shí)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(shí)別,茶樹新長(zhǎng)的芽葉和老葉的區(qū)別很小,形狀又不規(guī)則,這給識(shí)別增加了很多難度。
從2019年開始,該團(tuán)隊(duì)針對(duì)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(cè)試。
智能采茶機(jī)器人是怎樣識(shí)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(shí)別模型,通過對(duì)大量茶樹芽葉圖像數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí),可以自動(dòng)識(shí)別茶樹芽葉。
團(tuán)隊(duì)成員、識(shí)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(huì)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(shí)庫就越豐富,學(xué)起來也越扎實(shí),對(duì)芽葉識(shí)別的準(zhǔn)確率也就越高?!?/p>
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(shí)現(xiàn)3D定位,從而精準(zhǔn)找到芽葉所在位置。
識(shí)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(shí)就需要用到機(jī)器人的另一個(gè)法寶——機(jī)械臂。工業(yè)機(jī)器人處于一個(gè)人造的穩(wěn)定環(huán)境,而農(nóng)業(yè)機(jī)器人面對(duì)的是非結(jié)構(gòu)化、千變?nèi)f化的環(huán)境,這就對(duì)機(jī)械臂提出了很高的要求。風(fēng)速、光照、坡度等因素都會(huì)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(shí)附在機(jī)械臂末端的負(fù)壓吸管,會(huì)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(duì)機(jī)械臂的操作精準(zhǔn)度要求非常高,剪歪了會(huì)破壞茶樹枝梢,或剪下不完整的芽葉。一位團(tuán)隊(duì)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(jí)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(gè)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(shí)間在1.5秒左右,1小時(shí)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(tái)機(jī)器可以實(shí)現(xiàn)3-5個(gè)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(shí)驗(yàn)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(dòng),適應(yīng)于緩坡地面。
團(tuán)隊(duì)成員介紹,目前,第五代智能采茶機(jī)器人的識(shí)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(zhǎng)的路要走。”目前,這款機(jī)器人還處于實(shí)驗(yàn)室階段,接下來團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)研發(fā),提高采摘效率和采摘質(zhì)量。(記者蔣雨彤)
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