CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1. Lý do chọn đề tài Nông nghiệp đóng vai trò vô cùng quan trọng trong đời sống con người, là nguồn cung cấp lương thực, thực phẩm thiết yếu và góp phần đảm bảo an ninh lương thực quốc gia. Tuy nhiên, trong bối cảnh biến đổi khí hậu, nguồn tài nguyên thiên nhiên khan hiếm và nhu cầu tiêu dùng ngày càng cao, ngành nông nghiệp đang phải đối mặt với nhiều thách thức lớn. Do đó, việc đổi mới và phát triển các mô hình nông nghiệp tự động hóa tiên tiến, hiệu quả và bền vững là vô cùng cấp thiết.
Thủy canh là một phương pháp trồng cây tiên tiến không sử dụng đất mà thay vào đó là dung dịch dinh dưỡng giàu các chất cần thiết cho cây trồng. Cây trồng thủy canh hấp thụ chất dinh dưỡng, oxy và nước trực tiếp từ dung dịch này. Với nhiều ưu điểm như tiết kiệm nước, kiểm soát chất dinh dưỡng dễ dàng, và có thể trồng cây ở những nơi đất đai không phù hợp, thuỷ canh đang ngày càng phổ biến trên toàn thế giới. Một số phương pháp canh tác thuỷ canh phổ biến: Mô hình thuỷ canh dạng bấc, mô hình thuỷ canh tĩnh, mô hình thuỷ canh hồi lưu, mô hình thuỷ canh màng dinh dưỡng, … Hình 1.
Mô hình thuỷ canh theo tầng ở châu Âu 1 Hình 1. Mô hình thuỷ canh dạng trụ ở châu Âu Hiện nay, thuỷ canh đang được phát triển rộng rãi, từ đó xuất hiện khá nhiều mô hình thuỷ canh với mục đích tối ưu hoá nguồn nước và chất dinh dưỡng mà cây trồng hấp thụ, cải thiện năng suất sản xuất. Được kể đến như mô hình thuỷ canh theo tầng, mô hình thuỷ canh dạng trụ, mô hình thuỷ canh dạng trụ đứng, mô hình thuỷ canh dạng tháp, mô hình thuỷ canh theo mặt phẳng dạng thẳng đứng, mô hình thuỷ canh dạng xoắn ốc. Trong đó, mô hình thuỷ canh dạng xoắn ốc sở hữu nhiều ưu điểm vượt trội, mang lại hiệu quả cao và phù hợp với xu hướng phát triển nông nghiệp hiện đại.
Trước hết, mô hình dễ dàng quản lý nhờ việc phân chia cây trồng theo giai đoạn sinh trưởng một cách khoa học, giúp việc chăm sóc, theo dõi và thu hoạch trở nên thuận tiện và hiệu quả hơn. Thiết kế xoắn ốc thông minh giúp tận dụng tối đa diện tích trồng trọt, tăng hiệu quả sử dụng đất. Hệ thống tuần hoàn nước và dinh dưỡng giúp tiết kiệm tài nguyên, tránh lãng phí và góp phần bảo vệ môi trường. Hệ thống cung cấp dinh dưỡng và oxy có thể điều chỉnh chính xác, đảm bảo cây trồng phát triển tối ưu trong mọi giai đoạn, đồng thời hạn chế tối đa tác nhân gây hại, cây trồng ít bị ảnh hưởng bởi sâu bệnh.
Tuy nhiên, mô hình thủy canh xoắn ốc cũng có nhược điểm. Do cấu trúc xoắn ốc, việc chăm sóc cây trồng ở khu vực giữa rất khó khăn, dẫn đến khó khăn trong việc theo dõi tình trạng sinh trưởng, kiểm tra sâu bệnh và chăm sóc cây trồng ở những vị trí này, tiềm ẩn nguy cơ ảnh hưởng đến năng suất và chất lượng sản phẩm. Ngoài ra, mật độ cây trồng cao cũng dẫn đến khó khăn trong việc quản lý và thực hiện các thao tác trên cây trồng. Mô hình thuỷ canh xoắn ốc ở Nhật Bản Một giải pháp để xử lý hoàn toàn vấn đề kể trên, đó chính là sử dụng robot có khả năng di chuyển dọc trục, có phạm vi hoạt động lớn để có thể vận hành được được trên mô hình xoắn ốc.
Robot cần được trang bị các chức năng chuyên dụng để thực hiện các thao tác gieo 2 hạt, theo dõi, chăm sóc và thu hoạch cây trồng một cách hiệu quả, an toàn và chính xác, khắc phục hoàn toàn hạn chế về mặt thao tác. Sau quá trình nghiên cứu kỹ lưỡng và đánh giá khả năng đáp ứng các yêu cầu của mô hình nông nghiệp thủy canh xoắn ốc, chúng tôi quyết định chọn robot Tripteron với cơ cấu ba trục song song. Lý do đầu tiên, nhờ vào sự linh hoat nên robot có thể tiếp cận hầu hết không gian của vòng xoắn ốc và tích hợp nhiều tác vụ như camera, đầu phun và tay gắp. Điều này tối ưu hóa nguồn nhân lực bằng cách tự động hóa các quá trình trồng trọt và chăm sóc cây trồng, giảm thiểu sự cần thiết của lao động thủ công.
Ngoài ra, robot Tripteron giúp nâng cao hiệu suất trồng trọt và tăng giá trị nông sản nhờ khả năng thao tác chính xác tại mọi vị trí trong mô hình thủy canh, từ gieo hạt, theo dõi sinh trưởng, chăm sóc cây trồng đến thu hoạch. Cụ thể, ứng dụng của robot Tripteron trong mô hình thủy canh xoắn ốc bao gồm việc gieo hạt tự động, di chuyển chính xác đến vị trí gieo hạt, và theo dõi sinh trưởng bằng cách thu thập dữ liệu về tình trạng sinh trưởng của cây trồng, giúp nhà nông theo dõi và điều chỉnh điều kiện chăm sóc phù hợp. Robot còn có thể điều chỉnh được không gian hoạt động bằng cách tăng độ dài các khớp tịnh tiến. Từ đó, robot có thể ứng dụng linh hoạt hơn trong nhiều trường hợp.
Robot Tripteron với ba khối tịnh tiến song song kết hợp với trục xoay Chính vì những lý do trên, nhóm chúng tôi quyết định chọn đề tài "Thiết kế, chế tạo Robot Tripteron cho ứng dụng thu hoạch nông sản trên mô hình thuỷ canh " để nghiên cứu và phát triển. Robot Tripteron 3 trục song song hiện tại khá mới mẻ và chưa được ứng dụng thực tế nhiều mà chỉ nằm trên các nghiên cứu lý thuyết, chính vì vậy nên đề tài của chúng tôi không chỉ mang tính ứng dụng cao của robot Tripteron ba trục song song vào trong nông nghiệp mà còn mở ra hướng đi mới trong việc kết hợp giữa robot và các mô hình canh tác tiên tiến, góp phần vào sự phát triển bền vững của ngành nông nghiệp. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 3 Áp dụng robot vào trong nông nghiệp thuỷ canh thúc đẩy công nghệ canh tác hiện đại, mở rộng kiến thức về robot trong nông nghiệp cũng như việc nghiên cứu và phát triển Tripteron Robot giúp cung cấp dữ liệu và hiểu biết về khả năng tự động hoá quá trình trồng trọt và điều khiển robot trong không gian ba chiều. Tripteron robot trong mô hình thuỷ canh xoắn ốc giúp tăng cường hiệu quả sản xuất, nâng cao năng suất cây trồng và tiết kiệm thời gian, công sức của con người.
Với mô hình thuỷ canh hình xoắn ốc, chúng ta có thể tối ưu hoá việc sử dụng không gian trồng trọt và dễ kiểm soát chất lượng cây trồng. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài − Tính toán, thiết kế cơ khí và xây dựng mô hình robot Tripteron. − Tính toán, thiết kế và thi công hệ thống tủ điện mô hình robot Tripteron. − Giải bài toán phương trình động học và mô phỏng chuyển động cho cơ cấu robot đã được thiết kế.
− Lập trình giao diện giám sát và điều khiển. − Điều khiển thực tế robot Tripteron. Phạm vi nghiên cứu − Nghiên cứu mô hình robot Tripteron. − Mô hình thuỷ canh hình xoắn ốc.
− Áp dụng robot Tripteron vào mô hình thuỷ canh hình xoắn ốc. − Kiểm tra tính khả thi của robot Tripteron trong mô hình thuỷ canh hình xoắn ốc. Phương pháp nghiên cứu − Tính toán thiết kế mô hình robot Tripteron dựa trên những mô hình robot song song 3 bậc tự do đã được phát triển trên thế giới. − Xây dựng mô hình Tripteron robot bằng phần mềm vẽ 3D Solidworks.
− Sử dụng phương pháp hình học để tính toán động học cho robot. − Mô phỏng động học robot bằng phần mềm MATLAB. − Quy hoạch quỹ đạo robot bằng giải thuật đò thị hình thang. − Điều khiển động cơ.
− Xây dựng phần mềm giao diện giao tiếp bằng phần mềm Visual Studio điều khiển robot. Kết cấu của đồ án tốt nghiệp Cấu trúc báo cáo đồ án nhóm được chia làm 6 chương, với nội dung như sau: CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU: Nêu lý do chọn đề tài, làm rõ mục tiêu, phạm vi và phương pháp nghiên cứu của đề tài, trình bày kết cấu đồ án và phân định nội dung của vấn đề nghiên cứu. 4 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT: Giới thiệu về đề tài và các vấn đề, nghiên cứu liên quan đến đề tài, trình bày cơ sở lý thuyết được sử dụng trong đề tài nghiên cứu. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ GIA CÔNG CƠ KHÍ CHO MÔ HÌNH ROBOT TRIPTERON: Nghiên cứu và phân tích không gian hoạt động để chọn cấu trúc robot phù hợp với mô hình thủy canh xoắn ốc.
Lựa chọn cơ cấu truyền động hiệu quả dựa trên phân tích động lực học và tính toán. Tối ưu hóa các thiết bị cơ khí để xây dựng hệ thống robot Tripteron, từ gia công đến lắp ráp. CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO ROBOT TRIPTERON: Phân tích và tính toán hệ thống điện cho robot, lựa chọn linh kiện và thiết bị cần thiết cho việc gia công. Nghiên cứu, áp dụng phương pháp điều khiển và thuật toán để đảm bảo sự hiệu quả, chính xác trong khâu vận hành hệ thống.
CHƯƠNG 5: CẤU TRÚC VÀ GIAO DIỆN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN: Nghiên cứu và thiết kế hệ thống điều khiển. Thiết lập cơ sở dữ liệu để lưu trữ thông tin cây trồng. Phát triển giao diện giám sát và điều khiển toàn hệ thống. CHƯƠNG 6: KIỂM NGHIỆM HỆ THỐNG MÔ HÌNH ROBOT TRIPTERON: Sau khi đưa vào vận hành, chúng tôi tiến hành kiểm nghiệm toàn bộ hệ thống, bao gồm cơ khí, điện, điều khiển robot và mô hình động học đã tính toán.
5 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Mô hình thuỷ canh hình xoắn ốc 2. Thuỷ canh là gì Thủy canh là phương pháp trồng cây tiên tiến, thay thế hoàn toàn cho việc sử dụng đất truyền thống. Thay vì gieo hạt và trồng cây trực tiếp xuống đất, kỹ thuật này sử dụng dung dịch dinh dưỡng hoặc giá thể để nuôi dưỡng cây phát triển.
Bí quyết của kỹ thuật này là cung cấp đủ và đúng lúc cho cây trồng các nguyên tố khoáng cần thiết. Cung cấp đầy đủ cái ăn, bảo đảm đủ ánh sáng, CO2 cho quá trình quang hợp, O2 cho quá trình hô hấp, cây trồng có thể phát triển khỏe mạnh theo ý muốn của người trồng. Với những ưu điểm vượt trội, thủy canh ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất nông nghiệp, mang lại nhiều lợi ích như: − Tiết kiệm nước: So với phương pháp trồng cây truyền thống, thủy canh giúp tiết kiệm nước đáng kể, lên đến 90%. − Tăng năng suất: Cây trồng trong hệ thống thủy canh hấp thu dinh dưỡng hiệu quả, ít sâu bệnh, do đó cho năng suất cao hơn so với trồng cây truyền thống.