茶葉采摘技術及采茶機械研究進展

王小勇，湯丹丹

（江西婺源茶業職業學院，江西 上饒 333200）

隨著我國經濟社會的不斷進步，國民對茶葉的需求不斷加大，據中國茶葉流通協會統計，2021年中國六大茶類總產量為3063 kt、產值2928.14億元。面對茶葉生產形勢穩定向上的局面，制約產業發展的一些突出問題亟待解決。受農村空心化、人口老齡化、勞動力短缺、人工成本持續上升和疫情的影響，據統計，2021年我國老齡化人口已占全國人口的18.9%，采茶工日薪更是高達170～240元。依靠手工采茶顯然已經不能滿足茶葉生產需求，茶葉采摘機械的研發與推廣是解決以上問題的一種方法。為此，研究學者加大了對采茶機械的研究，截至目前已有多種類型采茶機械投入到實際生產中。采茶機械的使用不僅節約了人工成本，還大幅度提高了采茶效率，在一定程度上取得了較大的經濟效益。

采摘是茶葉加工過程中十分關鍵的環節，對茶葉的外形、品質等有很大影響。不同種類名優茶對茶葉鮮葉規格要求不同，相應地對機械化采摘提出更高要求。與傳統人工采摘相比，機械采摘具有結構簡單、采摘效率高、易于操作等優點。本文結合現有茶葉采摘技術及機械，分析茶葉采摘機械結構與原理，指出其存在的問題并展望采茶機未來發展趨勢，為采茶機的創新設計提供參考。

茶葉采摘是茶葉加工生產環節中耗時最多的一項作業，常用的鮮葉采摘設備是采茶機，它是從茶樹頂梢采收新嫩芽葉的作物收獲機械。采茶機按工作原理分為折斷式和切割式2種，折斷式采茶機由于采凈率較低，并且會對茶樹造成損傷，現已使用較少；
切割式又分為往復式切割、螺旋滾刀切割、圓盤刀切割，其中往復式切割機采鮮葉完整率和作業效率要優于其他二者，現已被廣大推廣。

1.1 國外茶葉采摘機械研究現狀

日本在二戰后開始加快采茶機械的研究，1960年誕生第一臺采茶機，1966年之后陸續研究出雙人采茶機、自走式、乘坐式采茶機，并開始在茶園中進行運用。根據采摘原理的不同，日本已經研制出往復切割式采茶機、螺旋滾刀式采茶機、水平圓盤刀式采茶機等多種類型的茶葉采摘設備，目前日本茶葉采摘基本實現機械化［1］。

前蘇聯在1949年之前都采用切割式原理的采茶機，之后對采摘原理進行創新，采用橡膠折斷式原理對茶葉進行采摘，1965年研制出折斷與切割相結合的自走式采摘機械，并在茶葉采摘中使用［2］。

伴隨計算機視覺、人工智能等高新技術的發展，在農業領域，利用機械手進行采摘果實蔬菜等采摘機器人已經投入使用，名優茶智能采摘將是國外未來的發展趨勢。例如，KURENA M等［4］提出了一種根據茶葉、葉柄和枝條狀況生成茶葉采摘運動的方法，主要通過機器人示范學習來再現采茶過程的提拉與轉動。MANESH M等［5］設計一種用于智能采摘茶葉的半自動化系統，通過前期的關鍵幀提取、大米計數、光流與噪聲等預處理，并結合深度學習實現茶葉的智能識別與采摘。ABESINGHE A M S K等［6］結合圖像處理，開發了一種在茶園可以識別茶葉并完成采摘作業的設備，在無人機上安裝機械臂與攝像頭，利用Haar級聯分類器和圖像處理技術對可采收標準芽進行識別，最后由機器人手臂完成采摘。

1.2 國內茶葉采摘機械研究現狀

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

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

單人背負式采茶機由汽油機、背負機構、軟軸、切割機構、風機、導葉板、集葉袋等部分組成，屬于往復式切割采茶機，其工作流程為：工作時汽油機輸出動力，由軟軸將動力傳遞到切割機構上，帶動刀片往復切割，同時帶動風機轉動，吹風管將風吹向刀片切割口處，將切割后的茶葉吹向集葉袋［7］?，F使用較多的機型有浙江川崎茶業機械有限公司生產的NV45型和NV60型單人采茶機，采用風冷汽油發動機，功率0.8 KW，二者區別在于采茶幅寬，NV45型采茶幅寬為450 mm，NV60型則為600 mm；
浙江落和農林機械公司生產的AM45V和AM110V型單人采茶機，前者割幅450 mm，后者525 mm，二者發動機功率都是1 KW。

雙人抬式采茶機由汽油機、風機風管、減速機構、切割器、機架等5部分組成。屬于往復式切割采茶機，其工作流程為：工作時主把手操作者運行控制開關，控制開關上有離合器、油門、停機手柄，副把手操作者調整切割角度，汽油機通過減速機構后將動力傳遞到偏心軸，偏心軸驅動刀片往復運動，同時汽油機驅動風機運轉，產生氣流，通過通風管將切割器切割下的茶葉送入集葉袋中［7］?，F使用較多的機型有浙江川崎茶業機械有限公司生產的SV100弧形雙人采茶機，采用TC510汽油機汽油發動機，功率2.2 KW，采茶幅寬為1000 mm，采茶過程葉芽完整率達到92.94%；
浙江落和農林機械公司生產的V8NewZ2型雙人采茶機，采茶幅寬為1000 mm，功率3 KW，整機重量11.9 kg，較浙江川崎茶業機械有限公司生產的SV100機型10.2 kg要重一些。

本文重點從采茶機的行走方式、采茶機機架、切割器、集葉裝置、智能控制等部分中分析其對茶鮮葉采摘的影響。

2.1 行走方式

采茶機按不同行走方式可分為可搬型、自走型、乘用型；
可搬式采茶機結構簡單，價格便宜，又分為單人背負式、雙人抬式，屬于半機械化機采作業。乘用式行走機構多以履帶輪行走，自走式多以茶行鋪管，行走輪沿茶行鋼管行走。

吳先坤［8］研發了一款履帶自走式茶園采茶機，傳動系統采用橡膠履帶底盤，其結合了低山丘陵地區的特點進行了田間試驗，試驗結果表明前進速度1.98 km·h-1、割幅長度1.0 m、刀片往復頻率1400次·min-1，通過實驗可知，此時的芽葉完整度為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式采茶機，該機主要由發動機、傳動軟軸、風機風管、往復式切割器及集葉袋等裝置組成，試驗結果顯示該設備漏采率在2%左右，可制茶率大于93%，芽葉完整率大于85%，具有結構簡單、操作方便、體積小等優點。

李兵等［10］發明了一款乘坐式采茶機，該設備由機架、動力裝置、切割系統、集葉系統和行走系統以及駕駛座、方向盤、蓄電池組成，傳動系統由中央傳動總成和左、右傳動總成組成。該設備具有勞動強度低、采茶效率高和成本低的特點。

劉芳［11］設計了一款液壓自走式采茶機——3TG-1500型高地隙田園管理機，其結合和借鑒當前國際上先進成熟的液壓系統設計經驗，是全液壓驅動的乘用式跨行行駛采茶設備，其行駛靈活，調節方便，適合標準化茶園的茶葉采摘，還能滿足長時間的茶葉采摘。

2.2 采茶機機架

采茶機機架是采茶機械的搭載平臺，其茶葉采摘過程中的穩定性間接影響采摘質量。

韓余等［12,13］設計了一種跨行履帶自走式采茶機，行駛系統與采摘系統均采用液壓傳遞動力，結合高地隙底盤，使采茶機可跨茶蓬行駛，通過ANSYS對設計“門型”機架（圖2-A）進行了靜力學強度振動特性分析，將采茶機外部激振源的頻率相互錯開，使機架在采茶機正常作業時不會發生共振，該機型其最大調速范圍為0.151～5.072 km·h-1，滿足動力傳遞、換向及速度控制要求，具有質量輕、地隙高、重心穩定等特點。黃升等［14］為了解決傳統采茶機在工作過程中油耗噪音大、易受地勢限制不易操作等問題，設計了一款自走平衡式采茶機（圖2-B）。采茶機的自走系統采用后驅動，并在自走系統上搭載自走和轉向的作用平衡系統，實現自調平衡和自行走，通過單動式剪切茶葉，實現自動收茶。宋揚揚等［15］針對傳統采茶機受地形限制嚴重，茶梢和嫩芽采摘過程容易損傷等問題，設計了一種單軌懸臂式采茶機（圖2-C）。行走機構是由履帶、底盤、汽油發動機、傳動裝置及操作裝置等組成，當采茶機前進速度為3.78 km·h-1、切割器往復頻率為25 Hz時，采摘性能良好。履帶行走通過性強，穩固性好，降低了勞動強度，提高了茶葉產量和經濟效益。

圖2 3種不同采茶機搭載暯洦Fig. 2 Three patterns of tea plucking machines

2.3 切割器

切割器是茶葉采摘設備的重要組成部分之一，切割器的結構材料性能對茶葉采摘效率、茶葉切割區域的分配、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，需要進一步提升采茶機的茶芽識別技術；
切割式通過刀片對茶樹進行平面切割，切割面平整，但無法區分芽葉老嫩，切割式又分為往復切割式、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割刀往復式切割器，切割器的傳動機構為曲柄連桿機構，并結合ADAMS對切割器進行運動仿真和田間試驗，當切割器齒距20 mm、齒高19 mm和刀機速比1.05時，茶葉采摘過程中一次切割率、重割率和漏割率達到最優水平。李長虹等［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，對雙切滾刀進行了運動軌跡分析，提出影響茶青破碎率的參數為底刀高度h、工作半徑R和人機速度之比，將人機速度之比取值控制在0.275～0.4范圍時，采茶機所采茶青可達到優質茶青采摘標準。張曉偉等［18］針對采茶的勞動強度大，采茶效率低等問題，設計了一款滾切刀式采茶機，運用soliderworks軟件雙滾刀建模并進行實驗分析，當滾切刀工作半徑為50 mm，刀片寬度為60 mm，厚度為1.5 mm時能夠有效降低采茶強度，縮短采摘工期，同時減少茶葉破碎率。于鵬等［20］針對往復式茶葉切割器采摘質量難以保障的缺點，根據茶葉生產參數的統計，利用計算機輔助分析軟件（CAE）設計了一種打葉桿式茶葉收割裝置，打葉桿的直徑為10 mm，長度600 mm，所選材料為45號鋼，安裝在圓盤上，工作時電動機帶動圓盤上的打葉桿轉動，將茶葉打至叉子上，使茶葉被折斷，再由負壓原理將茶葉吸入儲料箱，采用滾切式的切割原理進行采摘，并通過有限元分析和試驗得出，當打葉桿的回轉半徑為60 mm、切割高度為34.2 mm，打葉桿轉動設計最佳線速度為1.6 m·s-1，打葉桿直徑為10 mm時能夠有效降低了重切區和漏采區，提高了茶葉采摘的質量。劉俊鋒等［19］針對名優綠茶在采摘過程中對茶葉缺乏識別的問題，設計一款茶葉仿生采摘指，采茶機器人進入采摘區域，利用機器視覺對茶梢進行識別，然后將采摘手指送至采摘位置，當上夾爪和下夾爪完成茶葉的夾持后，通過氣缸帶動里層套向上運動，完成茶葉采摘，仿生采摘試驗成功率達90%。

對上述不同切割器的結構特點進行總結，如表1所示。研究與實踐表明，目前生產上應用最為廣泛仍是往復式切割式采茶機。

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將采摘后的茶葉通過風力或真空負壓吹（吸）入集葉袋中。風速、壓力的大小以及均勻度對茶葉的收集具有重要作用。

歐陽愛國［21］為了解決茶葉采摘過程中堆積在收集板上的問題，設計了一款單軌懸掛式采茶機結構（圖3），并根據動力學原理對其風管流場進行了仿真分析，得出結果為：通風管進風口的最佳送風方式為兩側送風，出風口的最佳彎管直徑為16.8 mm時，能夠提高茶葉在采摘后進入到收集袋中的輸送能力。邵福［22］則針對目前采茶機通風管道結構設計不合理、各支管出口速度分布不均勻等問題，對現有通風管結構進行結構優化，利用SolidWorks和FLUENT軟件對通風管道內部流場的三維數值進行模擬，當主管入口風速為22 m·s-1、主管錐度為1∶80、支管個數為10、支管直徑為15 mm時，通風管道速度不均勻系數相對于原通風管道降低了9.77%。劉浩等［23］采用真空負壓吸附的方法來解決茶葉收集難的問題，利用吸風裝置使茶葉通過管道進入茶葉收集箱（圖4）。運用GAMBIT和FLUENT對真空吸附裝置進行網格化分與茶葉流動仿真模擬，經試驗驗證得出：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 單軌懸掛式采茶機集葉裝置結構Fig. 3 Basic structure of rail-suspended tea plucking machine

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

2.5 采茶機智能控制技術

隨著時代的發展，名優茶的需求越來越高，但名優茶對茶葉采摘要求十分嚴格，傳統的機械采茶會對茶葉嫩梢有傷害，并且無法保證采摘規格的一致性，因此，能夠智能識別茶葉嫩芽并且對茶葉嫩芽進行三維定位采摘的智能型采茶機器人便提上研究日程，目前采茶機智能技術重點在于采茶機自動導航技術和茶葉采摘智能識別技術兩方面。

秦廣明等［24］設計了一款自走式智能田間采茶機器人，通過圖像處理系統獲取嫩芽采摘點，使用三維驅動機構精確定位，帶動機器手實現茶葉采摘，負壓茶葉收集管實時收集嫩茶，采用自適應調節液壓行走系統，具有定位時間短、精度高、采摘效率高等特點，田間試驗結果表明,其平均誤識別率為28.7%,單手采摘次數為1.29次·s-1、整機生產效率(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%，各項性能指標均滿足設計要求。王焜等［25］研究了一款采茶機器人，采用三自由度并聯機構和末端采摘器，通過MATLAB軟件，得到了采茶機器人工作空間的三維圖，并建立機器人仿真模型以及機器人軌跡仿真，滿足工作空間可視化的特性，提高機械采茶效率穩定性。王先偉等［26］為了實現其在室外環境下導航避障及路徑規劃，使用改進的ORB-SLAM2算法進行機器人自身定位與三維點云地圖的構建，并將三維點云地圖轉換為八叉樹地圖，在八叉樹地圖上實現采茶機器人的碰撞檢測算法與路徑規劃算法，并進行了試驗，試驗結果顯示可以滿足采茶機器人導航避障及路徑規劃要求。湯一平［27,28］提出一種基于機器視覺的機采茶隴識別與采茶機導航的方法，配置攝像頭以獲取待采摘茶隴的視頻圖像，并對其視頻圖像進行算法處理，提取出茶隴的左右邊緣線并計算出茶隴中心線，并顯示其采摘狀態。試驗結果表明此法能有效解決目前機采茶葉老嫩茶葉一刀切的弊端。王偉羊［29］研究了一種基于計算機視覺的采茶機導航技術，采用java語言、圖像處理、茶隴分割等方式找準方向，并提示駕駛員，提高切割的完整性，減少茶葉的損傷。周?。?0］研究了一款采茶機器人，將視覺與IMU融合，進行采茶機器人位姿的估計研究，采用OKVIS算法，可實時測量機器人的位姿和速度，并且繪制出機器人的移動路徑，在試驗中運行良好。汪琳等［31,32］將SCARA采摘機械手應用于茶葉采摘，充分發揮每個自由度的作用，添加葉芽梳理機構，在作業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識別和定位浮于梳理機構上方的葉芽，實現智能采摘。韓旺明［33］研究了一款智能化自動切割式采茶機，使用一系列圖像預處理算法并利用OTSU對整幅圖像進行處理，得到嫩葉區域，后對割刀進行調節；
同時針對南方地區不同季節茶葉的生長特征以及采摘方式，還設計了固定采摘模式和智能調節模式。該設備不僅降低了茶葉采摘時的勞動強度，還節約了勞動成本，在對茶樹不造成機械性損傷的情況下可提高茶葉整體品質。張修［34］研發了一款基于機器視覺的智能采茶機器人，通過圖靈智造四軸工業機械手加上“一目多位”式的三維立體視覺系統，以及圖像的三維重構，提高采茶機器人識別芽葉的能力，圖像的匹配度可達90%以上。

當前，采茶機械發展提升到一個較高水平，一些新技術新機具在茶葉采摘中得到逐步推廣，但仍然存在一些問題。

一是茶葉采摘機械在切割器和整機結構上創新不足。雖然有很多研究者對茶葉采摘設備的切割器進行設計改進，但是效率較往復式切割器還是有一定差距，而往復式切割器的刀片在往復式運動過程中會存在慣性力以及振動噪音等問題，不僅影響采摘質量，還對茶葉造成二次傷害，當前采茶機切割器研究重點已轉向智能化識別鮮葉老嫩和選擇性采摘機構，然而芯片的造價成本過高、算法的級別過低等問題制約切割器的發展；
并且采摘后鮮葉的收集過程存在堵塞以及雜質過多等問題也影響采摘效率。

二是茶葉采摘機械功能單一、智能化程度低。目前市場上無論是背負式還是乘坐式或者手抬式采茶機，基本只具備采茶這一單一作業功能，而整個采茶季節時間較短，長期存放易損壞，不利于循環利用；
其次，各地茶園種植規格不統一、茶區地形復雜，適用于丘陵山區茶園的機械設備依然較少，大部分茶園機械設備無法在山區進行正常工作，導致山區茶園采摘效率低。另外，在茶葉采摘環節中，采摘的過程、茶葉的長短與大小等的選擇仍是通過人工操作，智能化水平低。

三是茶葉采摘標準、種植標準以及茶葉機械標準滯后。目前茶葉采摘過程以及茶葉采摘機械缺乏統一的標準，各個茶機制造企業沒有注重茶葉種植、采摘、加工等環節之間的銜接，農機農藝之間結合度較為落后，間接增加采茶機械的研發難度；
各個茶機制造企業之間、企業與研究機構之間缺乏溝通，造成茶葉采摘機械所使用的零配件在通用性和標準上缺乏統一。

采茶機械在整個茶產業中扮演著至關重要的角色，智能型采茶機器人的研發與推廣推動了茶葉加工領域高速發展的進程，針對茶葉采摘技術及機械，未來發展呈現以下幾個發展趨勢。

1）加強智能化采茶機的研發，運用大數據、深度學習等高新技術，融合互聯網、物聯網等平臺，加強智能傳感技術的運用，研發更高級別的智能算法，提高芯片等級，降低切割器的造價成本，實現對芽葉有選擇性的采摘并能自主完成采摘作業，實現智能化識別鮮葉老嫩，并通過選擇性采茶機械手完成芽葉“準、快、穩”采摘作業要求，降低芽葉破碎率，從而實現名優茶機械化采摘，提高名優茶機械采摘質量。

2）加強特色機型與多動能機型平臺的研發，針對坡度大的山區及丘陵，在農機農藝結合的基礎上，因地制宜，研發適用于山區及丘陵的采摘機械，并使采摘機械外型適應采摘環境，提高茶園機械化水平；
研發實現其耕作、施肥、采摘等作業多位一體的多功能茶葉機械，不僅能使茶園機械使用次數增加、提高作業效率，更能節約成本。

3）充分利用大數據平臺，加快茶葉采摘技術、采摘機械標準的相關制訂工作。由于茶葉采摘技術、采摘機械標準滯后的問題嚴重影響茶葉采摘質量，因此，茶葉采摘機械未來發展趨勢中要解決采摘標準、種植標準以及茶葉機械標準的適應性問題，加強各個茶機制造企業之間、企業與研究機構之間的溝通，實現數據共享，建立統一的茶葉采摘機械，甚至是茶葉機械的數據平臺。

總而言之，我國茶葉采摘機械研究進步較為顯著，基本能實現大宗茶機械化采摘，促進茶葉機械領域發展。但是名優茶機械化采摘在實際應用中仍面臨諸多挑戰，茶葉采摘機構的創新仍然存在瓶頸，采摘過程中機械設備振動噪音污染問題仍然存在，相關科研機構應該加大茶葉智能化采摘研發投入，加強茶葉機械領域人才培養以及茶葉采摘理論創新，實現茶葉采摘機械的智能化發展。