茶鮮葉機械化采收裝備與技術研究進展

黃海濤　毛宇驍　李紅莉　鄭旭霞　趙蕓

摘要：實現高質量茶鮮葉機械化采收是今后茶葉產業轉變生產方式、應對采茶人工老齡化、增強國內外市場競爭力的重要突破口，也是名優茶產業實現全程機械化、規?；蜆藴驶谋赜芍?。文章總結了中國茶鮮葉采收裝備研制現狀，將當前茶鮮葉采收機械化裝備根據機械采收運動方式劃分為剪切式、折斷式和提拉式，對其研究進展進行了綜述；并在此基礎上，結合茶葉機械化采收技術的應用場景，將我國茶鮮葉機械化采收技術歸納為無差別剪切統收技術、選擇性采收技術和精準智能采收技術；并提出茶鮮葉機械化采收裝備和技術發展建議，為促進名優茶產業發展的采收機械裝備研發和機采新技術推廣應用提供參考。

關鍵詞：茶鮮葉；機械化采收；裝備；智能采收

中圖分類號：TS272.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1000－3150（2023）08-18-6

Research Progress on Mechanized Harvesting Equipment and Technology for Fresh Tea Leaves

HUANG Haitao， MAO Yuxiao， LI Hongli， ZHENG Xuxia， ZHAO Yun

Tea Research Institute， Hangzhou Academy of Agricultural Sciences， Hangzhou 310024， China

Abstract： The development and technology of mechanized harvesting equipment for fresh tea leaves is an important problem restricting the development of tea industry in China at present. Realizing mechanized harvesting of high-quality fresh tea leaves is an important breakthrough for tea industry to change its production mode in the future， cope with the aging of tea picking workers and enhance its competitiveness in domestic and foreign markets， and it is also the only way for famous tea industry to realize full mechanization， scale and standardization. This paper summarized the present situation of tea fresh leaf harvesting equipment in China， divided the current tea fresh leaf harvesting mechanized equipment into shearing， breaking and lifting according to the mechanical harvesting movement mode， and summarized their research progresses. On this basis， combined with the application scenarios of tea mechanized harvesting technology， the tea fresh leaf mechanized harvesting technology in China was summarized into undifferentiated shearing， unified harvesting technology， selective harvesting technology and precise intelligent harvesting technology. This paper also put forward some suggestions on the development of tea fresh leaf mechanized harvesting equipment and technology， which provided reference for the research and development of harvesting machinery equipment and the popularization and application of new mechanical harvesting technology to promote the development of famous tea industry.

Keywords： fresh tea leaves， mechanized harvesting， equipment， intelligent harvesting

機械化采茶技術發展歷史悠久，日本在上世紀初已應用采茶剪刀進行采茶和修剪茶樹等活動，前蘇聯沙多夫斯基于19世紀30年代研制了第一臺往復式切割采茶機樣機，1965年出現了折斷式采茶機，至20世紀70年代切割式采茶機發展成熟并逐漸普及應用，且出現圓盤刀、螺旋滾刀、滾折式等形式多樣的機械化采茶機型[1-4]。隨著工業自動化程度的提高，自走式、乘坐式采茶機進一步提高了茶鮮葉機械化采收的科技水平和普及率。目前，大宗茶和優質茶鮮葉的采收裝備和采收技術已經實現高集成度的自動化和機械化，甚至實現無人駕乘自動采收，以一芽一葉細嫩原料為主的名優茶的鮮葉采收裝備和技術也在采收精度、智能化水平、采摘質量和效率等多方面實現突破。本文對我國當前茶鮮葉采收機械化裝備和應用技術的研究進展進行綜述，并結合茶葉機械化采收技術的應用場景，提出茶鮮葉機械化采收裝備和技術發展建議。

1? 茶鮮葉機械化采收裝備

根據茶鮮葉采收運動方式的不同可以將茶鮮葉機械化采收裝備分為3種類型，分別是剪切式、折斷式和提拉式。

1.1? 剪切式

剪切式采收裝備以刀片剪切茶莖的方式進行茶鮮葉采收，根據刀片類型和運動方式主要可分為夾剪式、往復切割式、滾刀式、水平圓盤刀式等幾種類型，其中夾剪式通過刀片對向運動剪切茶莖進行茶鮮葉采收，可以應用于小型夾切裝備或智能采茶裝備的精準定位剪切[5-6]；往復切割式通過活動刀片往復運動切割茶莖進行茶鮮葉采收，主要用于大宗茶鮮葉的雙人或單人采茶機；滾刀式通過刀片螺旋或者弧形運動方式進行茶鮮葉采收；而水平圓盤刀式通過刀片水平圓周運動方式進行茶鮮葉采收。剪切式采茶機中以往復切割式應用最為廣泛，陳根生等[7]研究了其作業參數，工作效率可以達到100 kg/h，采凈率高達90%，茶葉破損率一般為27.02%～36.27%。

1.2? 折斷式

折斷式采收裝備以一定角度對茶莖進行彎折，使嫩度較高的茶莖受力斷開的方式進行茶鮮葉采收，根據彎折的方式不同主要有滾卷折式和擠壓折式，其中滾卷折式的彎折角度較大，茶莖斷面以折斷和撕拉斷開為主；而擠壓折式的折斷角度一般≤90°，茶莖斷面以擠壓斷開為主。據殷鴻范[1]報道，前蘇聯折斷式采茶機通過活動指水平擊打呈一定夾角固定指的方式采茶，工作效率可以達到5.0～5.6 kg/h，采凈率可以達到60%～75%，茶葉破損（損傷）率可以降至20%。賈江鳴等[8]設計了手持式名優茶嫩梢采摘機械手，模仿手工采茶的卷折拉斷動作，其磁鋼距離40.04 mm、主動手指轉角153.0°、角速度3.38 r/s、平均采摘速度25.2 個/min、平均采摘成功率74.3%。

1.3? 提拉式

提拉式采收裝備主要通過對鮮葉莖段夾持固定并向上提拉的方式收獲茶鮮葉，與手工采茶相仿，可用于智能采茶機器人的仿生機械手采摘。曹興偉等[9]提出了采茶機械手的采茶技術參數參考目標，其中茶葉采摘效率5～10 kg/h、采凈率＞98%（茶葉漏采率和老梗率均≤2%）、茶葉破損率＜10%（茶葉完整率≥90%）、采摘位置精度≤1 mm、采摘頻次80～150 次/min、采摘后的收集率≥99%。

3種類型茶鮮葉采收裝備各有優劣（表1），其中剪切式茶鮮葉采收裝備的工作效率最高，單位時間收獲茶鮮葉量是折斷式和提拉式采茶裝備的5倍以上；提拉式茶鮮葉采收裝備的茶葉采凈率最高，可達95%以上，破損率最低，能控制在10%以下，但工作效率較低；折斷式茶鮮葉采收裝備工作效率與提拉式相當，但采凈率較低。

2? 茶鮮葉機械化采收技術

根據茶鮮葉采收質量的不同可以將茶鮮葉機械化采收技術分為3種，分別是無差別剪切統收技術、選擇性采收技術和精準智能采摘技術。

2.1? 無差別剪切統收技術

茶鮮葉無差別剪切統收技術需要配置新梢萌發整齊度、密度、嫩度、節間和葉片夾角適宜的機采茶樹品種，并培養良好的機采茶樹冠面，以獲得具有更高芽葉完整率的茶鮮葉原料。無差別剪切統收技術包括單人采茶機采收技術、雙人采茶機采收技術和自走式采茶機采收技術[10]。

2.1.1? 單人采茶機（微型采茶機）采收技術

單人采茶機或微型采茶機外形小巧輕便，適用于山坡地面積小的茶園，單人操作，其動力類型和采收作業方式也具有多樣性，動力類型包括電動機、分體式汽油機和集成式汽油機等，采收作業方式類型包括往復切割式、剪切式、折斷式、滾折式、圓盤刀式等[11]。單人采茶機（微型采茶機）的采收技術特別注重機藝融合，可以通過縮短刀片長度，安裝扶葉、導葉輔助裝置等提高采摘質量。李維等[12]研究了單人電動采茶機的采摘適期，結果表明單人電動采茶機在茶樹冠面以上一芽一葉、一芽二葉標準芽葉比例接近70%時進行機采的效果較好，完整芽葉比例最高可達到37.49%。杜哲等[13]開展了微型電動采茶機的雙動割刀往復式切割運動仿真與田間試驗，一次切割率為70.55%～79.90%。

2.1.2? 雙人采茶機采收技術

雙人采茶機較適用于茶園面積大的企業生產，需要4人操作，其中主機手和副機手各1人，協助人員2人，其以汽油機作為動力，采收作業方式一般為往復切割式，作業效率較單人采茶機高。石元值等[14]研究表明，雙人采茶機的采摘適期一般以茶樹冠面以上一芽二葉、一芽三葉標準芽葉比例接近80%時進行機采較好，完整芽葉比例在60.30%～64.91%，機采作業時采茶機刀片應與茶芽生長方向垂直，采摘高度1.5～2.0 cm，行進速度0.5 m/s較為適宜。郝國雙等[15]研究了雙人采茶機的采摘適宜高度，結果表明雙人采茶機在上次茶蓬面修剪高度上提高3 cm采摘時，獲得的優質茶鮮葉、完整芽葉率可達55.5%，同時母葉和雜質等占比較少。

2.1.3? 自走式采茶機采收技術

自走式采茶機為采茶機械增加了一個移動平臺，提高了機械采茶的平穩性，且為輔助功能集成提供了重要的結構支撐，包括適應不同坡度的液壓裝置、采茶機高度調節裝置等，采摘效率、采摘凈度和完整芽葉率均大幅提升。韓余等[16]報道了4CJ-1200型跨行自走式采茶機，最優作業參數為：機速0.41 m/s、刀機速比1.06、完整芽葉率為77.41%、漏采率為0.87%、割茬不平度為1.23 mm，各項指標均超過機采茶的標準要求。該自走式采茶機可適應縱向坡度小于18°，橫向坡度小于20°，茶樹高度在50～120 cm之間的茶園作業，具有較高的采摘質量，為優質茶機械采摘提供了有力支撐。

3種無差別剪切統收采茶裝備的技術參數差異較大（表2），其中自走式采茶機的工作效率高達80～100 kg/h，茶葉采凈率達95%以上，完整芽葉率高達70%～80%，整體采收效果最好；雙人采茶機的工作效率最高，但采凈率和完整芽葉率均低于自走式采茶機；單人采茶機的工作效率、采凈率和完整芽葉率均為最低，但其單人操作、小巧方便，在山坡地小規模茶園具有較好的應用前景。

2.2? 選擇性采收技術

選擇性采收技術主要根據芽葉生長高度、嫩度、長度等性狀指標對芽葉進行差別化選擇，以獲取相對一致茶鮮葉的采收技術，可較無差別剪切統收技術提高茶芽葉采收質量。

2.2.1? 茶芽葉冠層高度感應選擇采收

對茶芽葉冠層的感應選擇主要通過利用超聲波、紅外、計算機視覺檢測等現代技術來識別茶蓬面芽葉冠層的高度，并據此控制切割刀片始終保持在茶蓬面上方的合理位置來提高茶芽葉的采摘質量，有效消除地形和樹冠層高低不平帶來的不利影響。農業部南京農業機械化研究所[17]設計了一種跨行手扶自走式智能采茶機，通過超聲波傳感器可以自動識別茶蓬面高度，并通過電動升降架實時調整往復切割器位置，實現自適應采摘。宋揚揚等[18]報道的履帶式智能采茶機提供了一種自動感應切割深度的茶葉篩選感應板來調節采摘總成的高度，提高采摘質量。浙江工業大學發明了一種基于視覺檢測的采茶機割刀控制方法，通過采茶機正前方的攝像頭采集進葉口茶芽葉采摘情況的圖像，在采茶機割刀上預先標定與茶樹顏色顯著不同的且各自顏色也不同的兩個區域，通過檢測采集圖像中這兩個區域的像素點個數，來判定割刀與茶樹樹冠之間的相對位置，并輸出控制信號來自動調節割刀位置與角度[19-21]。吳敏等[22]報道了融合2D激光雷達和航向姿態參考系統的采茶機割刀仿形距離估計方法，提升了測距精度與實時性。田間試驗表明，鮮葉采收效率達到180～210 kg/h、割刀覆蓋蓬面上鮮葉的平均采收率為92.38%、平均芽葉完整率為85.34%、平均雜質率為4.93%、一芽三葉及以下嫩梢占90.72%，與傳統超聲波感知的采茶機相比，提升了大宗茶鮮葉采收效果。

2.2.2? 茶芽葉嫩度選擇采收

曹望成等[23]根據茶芽葉不同節間的彎曲力學特性，研究發現第二節間和第三節間表現出良好的脆性，折斷率在90%以上，茶樹新梢的這種力學特性為嫩度選擇性采茶機的設計提供了依據。早期出現的彈性橡皮采摘指擊打成一定角度固定指的方式獲得茶鮮葉是嫩度選擇采收的一種方式，此后出現了一種折斷式采茶機[24]，通過撥桿與刀軸配合將茶鮮葉夾持固定，刀軸繼續轉動，直至刀片與茶葉莖部相抵，形成支點，而撥桿緩沖釋放后，即可將茶葉莖部折斷。通過折斷的方式采收新梢嫩度相對一致的茶鮮葉，并能獲得較高的完整芽葉率。浙江新昌縣澄潭茶廠[25]設計的一種軟輥式仿手工無破損茶葉嫩芽采摘機，將采摘軟輥靠近茶葉嫩芽，通過軟輥的作用，可以把一定嫩度的茶芽摘下，并輸送到收集袋中。

2.2.3? 茶芽葉長度選擇采收

倪律[2]報道了一種拉割式采茶機，通過梳導輪壓板將茶芽葉壓倒在梳導板間隔內，壓至底刀板上部的鋼芯六角橡皮輪時，使茶芽葉在底刀刀刃處被拉拔斷裂。該采茶機可以通過六角橡皮輪與底刀刀刃的距離選擇超過該間距長度的茶芽葉進行采收，起到“采大留小”的效果。紹興春茗科技有限公司[26]研究的一種拉切式采茶方法，在采摘時先對符合長度要求的茶芽葉夾持，然后將茶芽葉拉至裁剪點進行裁剪，不符合長度要求的茶葉被擋葉機構阻擋，使其不被裁剪，實現選擇茶芽葉長度的采收功能。杭州市農業科學研究院[27]設計了一種滾筒式采茶機，通過二次剪切的方式獲得長度較一致的茶芽葉。

2.3? 精準智能采摘技術

精準智能采摘技術通過計算機對圖像進行處理、特征提取分析以識別茶芽葉，并對采收位點進行精準定位，然后驅動機械臂上的采摘器實現對茶芽葉的精準采摘[28-29]。精準智能采摘實現的關鍵步驟包括芽葉識別、定位、驅動、采摘和收集，其中采摘點的精準定位和采摘器的設計是影響智能采摘技術發展的關鍵。根據末端采摘器的結構不同大致可以分為智能仿生采摘和智能切割采摘[30]。

2.3.1? 智能仿生采摘

智能仿生采摘主要是采用仿生學原理，模仿人手采茶動作，通過提拉、折斷、扭斷、旋轉等方式進行茶葉嫩芽的采摘。劉俊鋒等[31]提取新梢R-G-B分量，采用像素分布法和因子迭代法進行新梢和背景區分，利用連通域標記的面積濾波法過濾提取，設計了以STM32為主控芯片的氣動控制系統實現采摘指的閉合和提拉動作。郝淼等[32]設計了一種仿生采摘指末端執行器，結構緊湊、小巧，采用氣力驅動，通過定位、固定、提拉等動作將新梢嫩芽的莖拉斷，室內試驗采摘成功率接近70%。南京林業大學[33]設計了一種茶葉仿生手抓末端執行器，通過芯軸在上夾爪開合驅動機構的帶動下相對于里層套軸向移動，實現夾爪的開合，夾持茶葉嫩莖并將其拉斷，完成對茶葉嫩芽的采摘。許麗佳等[34]設計了基于茶樹嫩梢物理學特性的夾持式末端執行器，通過階梯式四桿機構控制夾持提拉力度可選擇不同嫩度芽葉進行采摘，田間試驗表明，一芽一葉平均漏采率小于2.8%，平均采摘完整率約91%；一芽二葉平均漏采率小于3%，平均采摘完整率約94%。

2.3.2? 智能切割采摘

秦廣明等[35]完成了4CZ-12型智能采茶機器人的設計，采用R-G-B算法進行圖像處理，獲取R-B灰度圖像，進行閾值分割，最短處理時間僅為0.228 s，其末端執行器為采摘手爪，其中1個手爪安裝刀片，通過四桿連桿機構實現采摘手爪的開合，通過手爪上的刀片剪切茶芽葉進行采摘，田間試驗結果表明，平均誤識別率為28.7%、單手采摘次數為1.29次/s、整機生產效率（鮮葉）為5.254 kg/h、漏采率2.66%、摘后收集率99.6%、老梗葉率0.8%、茶芽完整率76.6%。羅坤等[36]設計了茶鮮葉嫩梢捏切組合采摘器，單次作業最大時間小于0.6 s，采摘成功率可達100%。周宇杰等[37]報道的采茶機器人采用結構光深度相機獲取茶壟的RGB-D圖像，應用YOLOv3模型實現茶芽識別，通過3P-Delta機械臂和套筒結構采摘器進行茶芽采摘，田間試驗評估機器人平均采摘速率為0.451次/s、采摘率75.53%、茶芽完整率為54.68%。中國農業科學院茶葉研究所[38]設計的一種名優茶智能雙臂采茶機，采用高速運轉的鋼絲繩代替傳統往復切割刀片，然后利用吸附的方式將茶葉嫩芽傳送到集葉箱。

綜上，精準智能采摘技術在芽葉識別、定位和機械驅動等方面有較多共性，智能仿生采摘和智能切割采摘的區別主要體現在茶芽葉的采摘成功率和完整芽葉率（表3）。采用仿生采摘方式的智能采摘技術，其茶芽葉采摘成功率低于70%，但完整芽葉率可以高達90%以上；采用切割方式的智能采摘技術，其采摘成功率較仿生式采摘略高，但完整芽葉率僅為54%～77%，遠低于仿生采摘技術。

3? 存在問題與發展建議

茶鮮葉機械化采收裝備研發和采收技術是我國茶葉生產從勞動密集型生產方式向農業現代化生產方式轉變的重要發展方向之一，是我國茶葉產業實現高質量發展的重要途徑之一，也是我國茶葉產品增強市場競爭力的重要發展方向之一。目前我國的無差別剪切統收裝備和采收技術已經具有較好的發展基礎，并在部分顆粒形優質茶的生產上已有規模應用[39]，但整體采收機械化程度仍然很低，主要是當前的機采茶鮮葉不能滿足優質茶和名優茶生產對高質量茶鮮葉的要求。在選擇性采收裝備和智能精準采收裝備方面的研究尚有不足，特別是在選擇性采收裝備和技術方面需要加大研發力度，在兼顧效率的同時進一步提高茶鮮葉采收質量，也為名優茶產業提供更多高質量的選擇性鮮葉原料。茶鮮葉精準智能化采摘裝備和技術也將隨著基于深度學習的計算機圖像識別方法、高精準度傳感器的感知技術、高靈敏度的驅動技術，以及新型采收器的材料、結構及控制方法的改進而不斷完善，最終推動我國茶鮮葉機械化采收裝備和技術向智能化、現代化方向不斷發展，為我國茶葉產業實現高質量發展提供重要支撐[40-46]。

茶鮮葉機械化采收的最終目標是實現高度的無人化、自動化和智能化，解放勞動力，降低生產成本，并提高茶葉質量和市場競爭力。加強茶鮮葉機械化采收裝備和技術的基礎理論研究，提高裝備自主創新能力，強化機械化農藝技術是茶葉產業機械化現代化發展的保障[47]。加快推進茶鮮葉無差別剪切統收裝備采收的品種、栽培、管理技術深度融合，實現大宗優質茶類的機械化生產[48-49]；加強研發茶鮮葉選擇性采收裝備和配套生產技術，實現部分名優茶類的機械化生產；不斷探索和豐富智能精準采茶各環節的關鍵理論和技術，形成適用于不同茶葉生產模式和產品需求的科學合理的茶鮮葉機械化采收裝備和技術體系，對促進我國茶葉產業的現代化具有重要意義[50-52]。

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基金項目：國家茶葉產業技術體系（CARS-19）、浙江省農業重大技術協同推廣項目（2022XTTGCY03-06）、杭州市農業與社會發展重點項目（202203A06）、杭州市農科院創新項目（2022HNCT-04）

作者簡介：黃海濤，男，高級農藝師，主要從事茶樹育種與栽培技術研究，E-mail：hthuang309@hotmaill.com