Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế và chế tạo tay gắp mềm cho hệ thống đóng gói phân loại rau củ nông sản

Đồ án tốt nghiệp tập trung thiết kế và chế tạo tay gắp mềm cho hệ thống đóng gói, phân loại rau củ nông sản hiệu quả và tiên tiến.

• Tác giả: Hoàng Minh Tuấn
• Người hướng dẫn: TS. Bùi Hà Đức
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Cơ khí chế tạo máy
• Đề tài: Thiết kế và chế tạo tay gắp mềm cho hệ thống đóng gói, phân loại rau củ nông sản
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM KẾT
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
• 1.1. Giới thiệu đề tài
• 1.2. Mục tiêu đề tài
• 1.3. Giới hạn đề tài
• 1.4. Kết cấu đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Các loại tay gắp công nghiệp hiện nay
• 2.2. Các loại tay gắp mềm
• 2.3. Vật liệu và đặc trưng cơ tính của vật liệu
• 2.4. Kỹ thuật chế tạo
• 2.4.1. Kỹ thuật in thạch bản mềm
• 2.5. Phương pháp truyền động
• 2.5.1. Truyền động có cấu trúc thụ động với động cơ bên ngoài
• 2.5.2. Bộ truyền động chất đàn hồi lỏng
• 2.5.3. Polyme hoạt tính
• 2.6. Phương pháp gia công
• 2.6.1. Phương pháp đúc silicone
• 2.6.2. Phương pháp in 3D
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO TAY GẮP MỀM VÀ MÔ PHỎNG PHÂN TÍCH CHUYỂN ĐỘNG
• 3.1. Yêu cầu kỹ thuật
• 3.2. Thiết kế cụm tay gắp mềm
• 3.2.1. Thiết kế ngón tay mềm
• 3.2.2. Thiết kế giá đỡ ngón tay
• 3.2.3. Chế tạo ngón tay mềm
• 4. CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN
• 4.1. Mục đích xây dựng hệ thống điều khiển
• 4.2. Sơ đồ điều khiển cơ cấu tay gắp
• 4.3. Sơ đồ hệ thống điều khiển cụm gắp mềm
• 4.4. Thiết lập giao diện điều khiển
• 5. CHƯƠNG 5: KIỂM NGHIỆM, ĐÁNH GIÁ THỰC TẾ
• 5.1. Mục đích kiểm nghiệm
• 5.2. Xử lý ảnh độ uốn ngón tay mềm
• 5.2.1. Thiết lập vị trí camera
• 5.2.3. Phân tích, xử lý video
• 5.3. Kết quả kiểm nghiệm độ uốn thực tế và so sánh với mô phỏng
• 5.4. Kiểm nghiệm gắp vật thực tế
• KẾT LUẬN - ĐỀ NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu đề tài

Đề tài "Thiết kế và chế tạo tay gắp mềm cho hệ thống đóng gói, phân loại rau củ nông sản" tập trung vào việc phát triển một thiết bị gắp mềm, có khả năng xử lý các sản phẩm nông sản dễ vỡ. Tay gắp mềm được thiết kế từ vật liệu TPU, cho phép gắp và giữ các loại rau củ mà không gây tổn thương. Việc sử dụng công nghệ in 3D trong chế tạo giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất và giảm thiểu chi phí. Đề tài này không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn mang lại ứng dụng thực tiễn cao trong ngành nông nghiệp, nơi mà việc phân loại và đóng gói sản phẩm là rất quan trọng.

1.1 Mục tiêu đề tài

Mục tiêu chính của đề tài là thiết kế và chế tạo một tay gắp mềm có khả năng gắp và phân loại rau củ nông sản một cách hiệu quả. Đề tài hướng đến việc cải thiện quy trình đóng gói nông sản, giảm thiểu tổn thất trong quá trình vận chuyển và bảo quản. Việc áp dụng công nghệ mới trong thiết kế tay gắp sẽ giúp nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm nông sản, đồng thời giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường.

1.2 Giới hạn đề tài

Đề tài này chỉ tập trung vào việc thiết kế và chế tạo tay gắp mềm cho các loại rau củ có kích thước nhỏ và dễ vỡ. Các loại sản phẩm khác như trái cây lớn hơn hoặc các sản phẩm nông sản có hình dạng phức tạp sẽ không được xem xét trong nghiên cứu này. Hơn nữa, việc áp dụng tay gắp mềm trong các quy trình sản xuất công nghiệp lớn hơn cũng không nằm trong phạm vi của đề tài.

II. Cơ sở lý thuyết

Cơ sở lý thuyết của đề tài bao gồm các loại tay gắp công nghiệp hiện nay và các loại tay gắp mềm. Tay gắp mềm có ưu điểm nổi bật là khả năng gắp được nhiều hình dạng khác nhau mà không gây tổn thương cho sản phẩm. Vật liệu chế tạo tay gắp cũng rất quan trọng, với các loại nhựa như TPU và silicone được sử dụng phổ biến. Kỹ thuật chế tạo tay gắp mềm cũng được đề cập, bao gồm phương pháp in 3D và các kỹ thuật gia công khác. Những nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng việc tối ưu hóa thiết kế tay gắp có thể cải thiện đáng kể hiệu suất gắp.

2.1 Các loại tay gắp công nghiệp hiện nay

Hiện nay, có nhiều loại tay gắp công nghiệp được sử dụng trong các dây chuyền sản xuất. Các loại tay gắp này thường được chế tạo từ vật liệu cứng và có khả năng gắp các sản phẩm nặng. Tuy nhiên, chúng không phù hợp cho việc gắp các sản phẩm dễ vỡ như rau củ. Do đó, việc phát triển tay gắp mềm là cần thiết để đáp ứng nhu cầu gắp các sản phẩm nông sản mà không gây hư hại.

2.2 Các loại tay gắp mềm

Tay gắp mềm được thiết kế để có thể gắp các sản phẩm có hình dạng và kích thước khác nhau. Chúng thường được chế tạo từ các vật liệu đàn hồi như silicone hoặc TPU, cho phép chúng uốn cong và tạo ra lực kẹp phù hợp với từng loại sản phẩm. Việc sử dụng tay gắp mềm không chỉ giúp bảo vệ sản phẩm mà còn tăng hiệu quả trong quy trình sản xuất.

III. Thiết kế chế tạo tay gắp mềm và mô phỏng phân tích chuyển động

Quá trình thiết kế tay gắp mềm bao gồm việc xác định yêu cầu kỹ thuật và thiết kế cụm tay gắp. Các ngón tay mềm được thiết kế với các khoang thông nhau, cho phép truyền động bằng khí nén. Việc mô phỏng và phân tích chuyển động được thực hiện bằng phần mềm Ansys, giúp đánh giá khả năng gắp của tay gắp. Kết quả mô phỏng cho thấy tay gắp có thể hoạt động hiệu quả trong việc gắp và giữ các sản phẩm nông sản.

3.1 Yêu cầu kỹ thuật

Yêu cầu kỹ thuật cho tay gắp mềm bao gồm khả năng gắp các sản phẩm nông sản mà không gây tổn thương. Tay gắp cần có độ bền cao và khả năng hoạt động ổn định trong môi trường làm việc. Các thông số thiết kế như kích thước, hình dạng và vật liệu chế tạo cũng cần được xác định rõ ràng để đảm bảo hiệu suất tối ưu.

3.2 Thiết kế cụm tay gắp mềm

Cụm tay gắp mềm được thiết kế với 4 ngón tay, mỗi ngón tay có khả năng uốn cong và tạo ra lực kẹp. Việc sử dụng công nghệ in 3D trong chế tạo giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất và giảm thiểu chi phí. Thiết kế này không chỉ đảm bảo tính linh hoạt mà còn giúp tay gắp hoạt động hiệu quả trong việc gắp các sản phẩm nông sản.

IV. Xây dựng bộ điều khiển

Hệ thống điều khiển tay gắp mềm được thiết kế để đảm bảo hoạt động chính xác và hiệu quả. Sơ đồ điều khiển được xây dựng để điều khiển các ngón tay gắp thông qua hệ thống khí nén. Việc thiết lập giao diện điều khiển cũng rất quan trọng để người dùng có thể dễ dàng thao tác và điều chỉnh tay gắp theo yêu cầu.

4.1 Mục đích xây dựng hệ thống điều khiển

Mục đích của hệ thống điều khiển là đảm bảo tay gắp hoạt động chính xác và hiệu quả trong việc gắp các sản phẩm nông sản. Hệ thống cần phải có khả năng điều chỉnh lực kẹp và tốc độ gắp để phù hợp với từng loại sản phẩm. Việc xây dựng hệ thống điều khiển cũng giúp tăng cường tính linh hoạt và khả năng tự động hóa trong quy trình sản xuất.

4.2 Sơ đồ điều khiển cơ cấu tay gắp

Sơ đồ điều khiển cơ cấu tay gắp được thiết kế để điều khiển các ngón tay gắp thông qua hệ thống khí nén. Các cảm biến cũng được tích hợp để theo dõi và điều chỉnh lực kẹp, đảm bảo tay gắp hoạt động hiệu quả. Việc thiết lập sơ đồ điều khiển giúp tối ưu hóa quy trình gắp và phân loại sản phẩm nông sản.

V. Kiểm nghiệm đánh giá thực tế

Kiểm nghiệm và đánh giá thực tế là bước quan trọng để xác định hiệu suất của tay gắp mềm. Việc xử lý ảnh và phân tích video được thực hiện để kiểm tra độ uốn của ngón tay mềm. Kết quả kiểm nghiệm cho thấy tay gắp có khả năng gắp và giữ các sản phẩm nông sản một cách hiệu quả, tuy nhiên vẫn cần cải thiện một số yếu tố để đạt được hiệu suất tối ưu.

5.1 Mục đích kiểm nghiệm

Mục đích của kiểm nghiệm là đánh giá khả năng gắp và giữ các sản phẩm nông sản của tay gắp mềm. Việc kiểm nghiệm giúp xác định các thông số thiết kế cần điều chỉnh để nâng cao hiệu suất gắp. Kết quả kiểm nghiệm cũng cung cấp thông tin quan trọng để cải thiện thiết kế tay gắp trong tương lai.

5.2 Kết quả kiểm nghiệm độ uốn thực tế và so sánh với mô phỏng

Kết quả kiểm nghiệm cho thấy độ uốn của ngón tay mềm đạt yêu cầu thiết kế. So sánh với kết quả mô phỏng cho thấy sự tương đồng cao, tuy nhiên vẫn có một số khác biệt cần được phân tích. Việc cải thiện thiết kế và quy trình chế tạo sẽ giúp nâng cao độ chính xác và hiệu suất của tay gắp mềm.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế tự động hóa nông nghiệp hiện đại, việc phân loại và đóng gói nông sản đóng vai trò quyết định đến giá trị thương mại và chất lượng sản phẩm xuất khẩu. Tại Việt Nam, một quốc gia có thế mạnh lớn về nông nghiệp nhiệt đới, phần lớn các công đoạn thu hoạch, phân loại và đóng gói hoa quả, rau củ vẫn đang được thực hiện thủ công bằng sức người. Thực trạng này dẫn đến năng suất lao động thấp, chi phí nhân công tăng cao và tiềm ẩn nhiều sai sót chủ quan. Mặc dù các hệ thống cánh tay robot công nghiệp truyền thống đã được ứng dụng rộng rãi, cơ cấu chấp hành cuối (End-Of-Arm Tooling - EOAT) dạng ngón cứng kim loại thường sử dụng các khớp nối cơ khí cứng nhắc. Khi tiếp xúc với các đối tượng nông sản có hình dạng bất định, vỏ mỏng, mềm và dễ dập nát, lực kẹp tập trung của tay gắp cứng dễ gây tổn thương cơ học, làm thâm dập và suy giảm chất lượng nông sản.

Để giải quyết nhược điểm này, công nghệ robot mềm (Soft Robotics) và cụ thể là tay gắp mềm (Soft Gripper) sử dụng cơ cấu truyền động chất đàn hồi bằng khí nén (FEA) nổi lên như một hướng tiếp cận kỹ thuật hiệu quả. Nhờ khả năng phân bố áp lực tiếp xúc đồng đều và tự thích ứng hình học cao, tay gắp mềm giúp thao tác cầm nắm an toàn các sản phẩm mỏng manh. Đồ án tốt nghiệp mã số 22223DT92 thực hiện đề tài "Thiết kế và chế tạo tay gắp mềm cho hệ thống đóng gói, phân loại rau củ nông sản" tại Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Bộ môn Cơ Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh nhằm giải quyết bài toán thiết kế cơ cấu gắp nông sản mềm, tối ưu hóa thông số uốn cong và thử nghiệm thực tế.

Mục tiêu nghiên cứu được xác định cụ thể qua 5 nhiệm vụ:

1. Thiết kế và chế tạo cụm tay gắp mềm.
2. Khảo sát mối quan hệ giữa góc uốn của ngón tay mềm với áp suất khí nén đầu vào.
3. Đánh giá ảnh hưởng của các thông số thiết kế hình học tới góc uốn và khả năng biến dạng.
4. Thiết kế, tính toán phần công suất; lựa chọn thiết bị, linh kiện cơ điện và bộ điều khiển.
5. Xây dựng thuật toán điều khiển phù hợp để vận hành đồng bộ cụm tay gắp mềm.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Cơ cấu tay gắp mềm 4 ngón hoạt động bằng nguyên lý khí nén; vật liệu đàn hồi nhiệt dẻo TPU (Thermoplastic Polyurethane) và nhựa sinh học PLA (Polylactic Acid); đối tượng thao tác là các loại rau củ, trái cây nông sản có kích thước nhỏ.
• Phạm vi kỹ thuật và tải trọng: Khả năng kẹp giữ vật thể có khối lượng tối đa 500 gram; kích thước giới hạn vật thể tối đa trong không gian 120 x 120 x 120 mm.
• Phạm vi thời gian và địa điểm: Nghiên cứu được triển khai thực hiện và bảo vệ trong học kỳ II năm học 2022 – 2023 (tháng 07/2023) tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình đàn hồi phi tuyến

Nghiên cứu dựa trên nền tảng lý thuyết cơ học biến dạng phi tuyến của vật liệu siêu đàn hồi (hyperelastic materials). Để mô tả ứng xử cơ học phi tuyến tính phức tạp của vật liệu đàn hồi khi chịu áp suất khí nén trong buồng kín, tác giả khảo sát các mô hình toán học giải tích thực nghiệm bao gồm: mô hình Yeoh, mô hình Mooney-Rivlin, mô hình Ogden và mô hình Neo-Hookean.

Theo mô hình giải tích Yeoh, hàm mật độ năng lượng biến dạng $W$ được xác định theo công thức: $$W = \sum_{i=1}^{3} C_i (I_1 - 3)^i$$ Trong đó:

• $C_i$ ($C_{10}, C_{20}, C_{30}$) là các hằng số vật liệu đặc trưng, được xác định thông qua thực nghiệm kéo nén mẫu.
• $I_1$ là bất biến biến dạng thứ nhất (the first strain invariant), tính theo hệ số giãn chính: $I_1 = \lambda_1^2 + \lambda_2^2 + \lambda_3^2$.

Dựa trên việc phân tích đường cong quan hệ ứng suất – biến dạng và đánh giá mức độ tương thích bằng hệ số tương quan $R^2$: $$R^2 = 1 - \frac{\text{Tổng các độ lệch bình phương phần dư}}{\text{Tổng các độ lệch bình phương toàn bộ}}$$ Dữ liệu đối sánh từ phần mềm Abaqus cho thấy mô hình Yeoh đạt độ tin cậy cao nhất với hệ số $R^2 = 0.9936$ đối với mẫu vật liệu có độ cứng 20A. Các thông số hằng số vật liệu tương ứng với từng cấp độ cứng được trích xuất từ văn bản:

Độ cứng Shore	$C_{10}$	$C_{20}$	$C_{30}$
20A	0,08546573	1,64E-02	-3,27E-04
25A	0,13918578	1,73E-02	-2,19E-04
30A	0,17939957	2,79E-02	-6,41E-04
35A	0,21812750	1,92E-02	4,68E-04
40A	0,20625423	2,02E-02	1,54E-04
45A	0,26882576	1,38E-02	5,77E-04

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng

Đề tài áp dụng kết hợp các phương pháp kỹ thuật thực nghiệm và tính toán cơ học:

• Phương pháp mô phỏng số (FEM): Ứng dụng phần mềm Ansys Workbench để phân tích cấu trúc phi tuyến (Nonlinear Mechanical). Mô hình hình học 3D ngón tay được xây dựng trên phần mềm Inventor, xuất sang định dạng chuẩn STP để nạp vào môi trường phân tích Ansys. Thiết lập điều kiện biên cố định một đầu ngón tay, áp tải trọng áp suất khí nén phân bố đều lên toàn bộ bề mặt thành trong của 13 buồng khí và bề mặt tiếp xúc biến dạng. Lưới phần tử sử dụng phần tử tam giác bậc hai (Quadratic) với kích thước mắt lưới mịn để khảo sát các trường chuyển vị tổng (Total Deformation) và ứng suất tương đương (Equivalent Stress) theo các bước thời gian phân tích từ 0,05s đến 1s.
• Phương pháp chế tạo tạo mẫu nhanh (FDM 3D Printing): Thay vì sử dụng kỹ thuật đúc silicone truyền thống vốn dễ sinh lỗi bọt khí cục bộ làm giảm độ bền nén khí, nhóm tác giả chọn công nghệ in FDM (Fused Deposition Modelling). Thân ngón tay mềm được in trực tiếp từ sợi nhựa nhiệt dẻo TPU; cụm giá đỡ, đầu nối cứng trên/dưới và đế kẹp được in từ nhựa PLA.
• Phương pháp xử lý ảnh số kiểm nghiệm góc uốn: Thiết lập hệ thống đo lường không tiếp xúc bằng camera thị giác máy tính kết nối phần mềm NI LabVIEW để thu nhận video thực nghiệm. Sau đó, các khung hình được xử lý bằng ngôn ngữ Python với thuật toán chuyển đổi không gian màu RGB sang không gian màu HSV để phân đoạn tách nền đối tượng, trích xuất tọa độ biên dạng cực trị và dùng đa thức nội suy Lagrange nhằm tính toán chính xác góc uốn ngón tay theo các mức áp suất, phục vụ đối chiếu trực tiếp với kết quả mô phỏng.

Thiết kế và triển khai

Thiết kế hình học và kết cấu cụm tay gắp mềm

Cụm tay gắp mềm được thiết kế với cấu hình 4 ngón bố trí đối xứng qua tâm nhằm phân bố lực ôm bao quanh bề mặt vật thể. Mỗi ngón tay mềm có tổng chiều dài thiết kế là 105 mm, bao gồm hai phần chính:

• Thân ngón tay: Thiết kế 13 khoang rỗng chứa khí liên thông dọc theo trục chiều dài; khoảng cách giữa các vách ngăn của mỗi khoang là 2 mm.
• Lớp đáy (đế ngón): Có chiều dày 2 mm đóng vai trò như lớp trung hòa hạn chế độ giãn dài dọc trục và ép ngón uốn cong khi áp suất bên trong các khoang tăng lên.

Nhóm tác giả đã tiến hành thiết kế và mô phỏng so sánh 3 phương án mặt cắt khoang khí khác nhau tại hai mức áp suất tải 100 kPa và 200 kPa:

• Phương án 1: Khả năng uốn cong tốt nhưng biến dạng phình hướng tâm tại mỗi buồng quá lớn, làm tiêu hao năng lượng áp suất và suy giảm lực kẹp hữu ích ở đầu ngón.
• Phương án 2: Độ biến dạng uốn cong thấp nhất trong 3 phương án, không đáp ứng góc kẹp yêu cầu.
• Phương án 3: Đạt độ uốn cong lớn dọc trục, hạn chế tối đa sự phình to hướng tâm, biên dạng hình học phẳng hơn giúp quá trình in 3D FDM không bị sập lớp. Do đó, phương án 3 được chọn làm cấu trúc tối ưu.

Cụm giá đỡ ngón tay có chiều dài tổng thể 70 cm (cùng cơ cấu dẫn hướng), bao gồm:

• Đầu nối cứng (trên và dưới): Chế tạo bằng nhựa PLA, định vị và kẹp chặt phần đuôi ngón tay mềm bằng các bu-lông ren M5 nhằm ngăn ngừa tuột ngón hoặc rò rỉ khí khi chịu áp suất làm việc cao. Nửa trên của đầu nối tích hợp lỗ ren để lắp đầu nối nhanh khí nén.
• Đế kẹp trung tâm: Lắp ghép cố định các đầu nối ngón tay thông qua các liên kết bu-lông M6, đã được kiểm nghiệm độ bền ứng suất và chuyển vị trên phần mềm mô phỏng kết cấu.

Thiết kế hệ thống điều khiển và truyền động

Để phục vụ quá trình thử nghiệm lặp lại chu trình gắp đặt, nhóm chế tạo một cơ cấu chấp hành 1 bậc tự do chuyển động tịnh tiến dọc theo trục Z. Hệ thống bao gồm:

• Cơ cấu cơ điện: Sử dụng động cơ bước công nghiệp mã hiệu 57HS56 kết hợp bộ truyền động trục vít - đai ốc hoặc thanh trượt dẫn hướng để điều khiển nâng hạ cụm tay kẹp chính xác theo phương đứng.
• Mạch điều khiển khí nén: Hệ thống van điện từ đóng mở đường khí nén, bộ điều áp khí, mạch điều khiển trung tâm nhận tín hiệu điều khiển kích hoạt các trạng thái: cấp khí nén để uốn cong ngón tay (gắp vật), duy trì áp suất (giữ vật) và xả khí nén về áp suất khí quyển để ngón tay đàn hồi về vị trí thẳng ban đầu (nhả vật).
• Giao diện điều khiển: Xây dựng phần mềm ứng dụng (App) trên điện thoại thông minh, cho phép người vận hành điều khiển các thao tác gắp, thả và di chuyển trục Z từ xa.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu đề tài

Chương này trình bày tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ nhu cầu tự động hóa khâu phân loại nông sản tại Việt Nam, phân tích hạn chế gây dập nát sản phẩm của các cơ cấu tay gắp cứng truyền thống. Tác giả tổng hợp lịch sử phát triển của tay gắp mềm từ các nghiên cứu quốc tế tiêu biểu: công trình điều khiển thời gian thực dựa trên FEM của Christian Duriez tại Pháp; nghiên cứu chế tạo ngón mềm bằng in 3D và mô phỏng Abaqus của Hong Kai Yap (2016); nghiên cứu tối ưu hóa cấu trúc tay kẹp để gắp vật thể có khối lượng lớn với áp suất nhỏ của Zhongkui Wang; các nghiên cứu tối ưu hóa đa tham số hình học ống rỗng chữ nhật và tích hợp CAE/Abaqus với Matlab của Hongying Zhang (2017, 2018). Tại Việt Nam, tác giả điểm qua nghiên cứu của TS. Phùng Văn Bình (Học viện Kỹ thuật Quân sự) về tay gắp mềm 3 ngón bằng vật liệu silicone RTV 225 có thể gắp vật thể đường kính 35 – 100 mm với khối lượng tối đa 137,7 gram. Trên cơ sở đó, chương 1 xác lập 5 mục tiêu nghiên cứu, giới hạn kỹ thuật và bố cục tổng thể 5 chương của đồ án.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 cung cấp bức tranh toàn diện về các giải pháp kỹ thuật tay gắp công nghiệp và robot mềm:

• Phân loại ưu – nhược điểm của 4 nhóm tay kẹp công nghiệp: khí nén, thủy lực, chân không và kẹp điện.
• Đánh giá các sản phẩm tay kẹp mềm thương mại và nghiên cứu điển hình: Cobot Soft Gripper (silicone đạt chuẩn FDA, tuổi thọ trên 10 triệu chu kỳ); The OnRobot Soft Gripper (tải trọng 2,2 kg, dải kẹp 11 đến 118 mm, đạt chuẩn FDA, không cần nguồn cấp khí ngoài); Octopus Gripper của Festo (lấy cảm hứng từ xúc tu bạch tuộc tích hợp cốc hút chân không).
• Cơ tính vật liệu siêu đàn hồi và mô hình Yeoh thông qua hệ số tương quan $R^2 = 0.9936$ trên mẫu thực nghiệm 20A.
• Phân tích 3 phương pháp truyền động mềm: truyền động thụ động với động cơ ngoài (biến dạng do tiếp xúc hoặc kéo cáp/dây gân nhúng); cơ cấu chấp hành chất lỏng đàn hồi (FEA / PneuNets); vật liệu polyme hoạt tính điện (chất đàn hồi điện môi DEA, composite kim loại – polyme ion IPMC).
• So sánh các công nghệ gia công chế tạo: phương pháp đúc khuôn silicone, kỹ thuật in thạch bản mềm (PDMS) và các kỹ thuật in 3D (SLA, DLP, SLS, SLM, FDM). Tác giả phân tích ưu thế cơ tính và độ dẻo dai chống va đập của nhựa TPU so với nhựa PLA, lựa chọn FDM làm phương pháp chế tạo chính.

Chương 3: Thiết kế, chế tạo tay gắp mềm và mô phỏng phân tích chuyển động

Chương này tập trung toàn bộ quá trình tính toán cơ khí và mô phỏng phần tử hữu hạn:

• Đặt ra các yêu cầu kỹ thuật: gắp vật 500g, kích thước 12x12x12 cm, ngón tay uốn cong một chiều dọc trục, không giãn dài trục và không rò khí.
• Tiến hành thiết kế 3 kiểu dáng hình học mặt cắt ngón mềm và thực hiện phân tích phần tử hữu hạn trên Ansys tại các mốc áp suất 100 kPa và 200 kPa. Kết quả khẳng định phương án 3 là tối ưu do kiểm soát được độ phình hướng tâm.
• Thiết lập thông số mô phỏng Ansys: mô hình Hyperelastic Yeoh, khối lượng riêng vật liệu $1000 \text{ kg/m}^3$, phần tử phi tuyến Quadratic, chia lưới tam giác, bước thời gian $0,05\text{s} - 1\text{s}$.
• Khảo sát biến dạng tổng và ứng suất tương đương trong dải áp suất từ 100 kPa đến 500 kPa (các bước áp suất khảo sát: 100, 125, 150, 175, 200, 250, 300, 500 kPa). Kết quả mô phỏng cho thấy góc uốn ngón tay tăng gần như tuyến tính theo áp suất khí nén cấp vào.
• Thiết kế chi tiết cụm giá đỡ gồm đầu nối cứng (2 nửa ghép bu-lông M5) và đế kẹp (bu-lông M6) bằng nhựa PLA, phân tích ứng suất bền và chuyển vị của đế kẹp để đảm bảo kết cấu cứng vững khi làm việc.

Chương 4: Xây dựng bộ điều khiển

Chương 4 hoàn thiện hệ thống điều khiển tích hợp cho mô hình thử nghiệm:

• Xây dựng sơ đồ nguyên lý điều khiển cơ cấu dịch chuyển 1 bậc tự do dọc trục Z dùng động cơ bước 57HS56 kết hợp vi điều khiển.
• Thiết kế sơ đồ mạch điều khiển cụm khí nén cho 4 ngón tay mềm, bao gồm các van điện từ đóng ngắt và các đường dẫn khí phân phối đồng đều áp suất đến từng ngón.
• Lập trình lưu đồ thuật toán điều khiển phối hợp giữa chuyển động tịnh tiến trục Z và quá trình đóng/mở ngón tay mềm.
• Lập trình giao diện điều khiển (App) trực quan trên điện thoại thông minh, kết nối truyền thông không dây để gửi lệnh vận hành cơ cấu gắp kẹp.

Chương 5: Kiểm nghiệm, đánh giá thực tế

Chương 5 trình bày phương pháp thực nghiệm đo kiểm góc uốn và đánh giá khả năng gắp nông sản:

• Bố trí hệ thống camera ghi hình cố định vuông góc với mặt phẳng uốn của ngón tay mềm, sử dụng phần mềm NI LabVIEW để thu nhận luồng video ở các mức áp suất khí nén khác nhau.
• Xây dựng thuật toán xử lý ảnh trên Python: tách khung hình, chuyển đổi không gian màu RGB sang HSV, áp dụng ngưỡng giá trị Hue – Saturation – Value để tách nền màu cam của ngón tay khỏi môi trường.
• Quy đổi kích thước tọa độ ảnh từ pixel sang milimet; xác định 6 điểm uốn đặc trưng trên thân ngón tay và áp dụng giải thuật đường cong nội suy Lagrange để tính toán chính xác góc uốn thực tế.
• So sánh góc uốn đo được bằng xử lý ảnh với kết quả mô phỏng trên Ansys, đánh giá sai lệch và khảo sát sự thay đổi góc uốn theo thời gian kích hoạt.
• Thực nghiệm kẹp giữ vật thể nông sản thực tế là một quả ớt chuông: xử lý ảnh tách nền nhận dạng biên dạng quả ớt chuông (HSV tách màu vàng), chạy giải thuật tìm điểm cực đại – cực tiểu để xác định kích thước. Hệ thống thực hiện chu trình gắp, nhấc bổng và giữ ổn định quả ớt chuông tại mức áp suất làm việc 150 kPa mà không làm xước hay thâm dập bề mặt vỏ.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật và số liệu thực nghiệm

Nghiên cứu đã hoàn thành việc chế tạo mô hình thực tế và thu thập được các số liệu kỹ thuật có giá trị qua tính toán, mô phỏng và thực nghiệm:

1. Kết quả mô phỏng biến dạng ngón tay mềm trên Ansys:

   • Dữ liệu mô phỏng trong dải áp suất từ 100 kPa đến 500 kPa khẳng định góc uốn ngón tay tăng tỷ lệ thuận gần như tuyến tính với áp suất khí nén đầu vào.
   • Khi tăng áp suất theo từng bước 25 kPa, góc uốn và chuyển vị tổng của ngón tay có sự gia tăng ổn định; cấu trúc ngón tay giữ được tính định hướng dọc trục và không xảy ra biến dạng phá hủy cục bộ.

2. Kết quả đo lường quang học bằng xử lý ảnh:

   • Xác định được bộ thông số ngưỡng không gian màu HSV phục vụ tách nền ngón tay TPU (màu cam) và phân đoạn nông sản quả ớt chuông (màu vàng).
   • Thiết lập thành công bảng chuyển đổi tỷ lệ hình học thực tế từ pixel sang mm.
   • Dựng đường cong uốn thực tế thông qua 6 điểm kiểm soát bằng đa thức nội suy Lagrange, cung cấp số liệu đối chiếu trực tiếp giữa góc uốn thực nghiệm và góc uốn lý thuyết từ mô phỏng phần tử hữu hạn.

3. Kết quả kiểm nghiệm gắp nông sản:

   • Tay gắp 4 ngón vận hành ổn định tại áp suất khí nén 150 kPa.
   • Thực hiện thao tác gắp, nâng hạ theo trục Z và giữ chắc chắn quả ớt chuông có biên dạng hình học phức tạp; bề mặt tiếp xúc mềm mại của vật liệu TPU không để lại bất kỳ vết lún, trầy xước hay tổn thương vật lý nào trên vỏ nông sản.

Đóng góp kỹ thuật của đề tài

So với các công trình nghiên cứu trước đó trong và ngoài nước, đồ án mang lại các đóng góp cụ thể:

• Đổi mới quy trình công nghệ chế tạo: Thay vì sử dụng phương pháp đúc silicone truyền thống (vốn đòi hỏi chế tạo khuôn mẫu phức tạp và thường xuyên xuất hiện khuyết tật bọt khí bên trong thành buồng khí làm nổ ngón tay khi chịu áp lực), đồ án đã làm chủ công nghệ in 3D FDM trực tiếp bằng vật liệu nhựa dẻo TPU. Giải pháp này giúp rút ngắn chu kỳ chế tạo, tối ưu chi phí gia công và đảm bảo độ kín khí tuyệt đối giữa các lớp in.
• Tối ưu hóa hình học ngón kẹp: Thông qua phân tích so sánh 3 biến thể mặt cắt buồng khí trên Ansys, đồ án đã xác định được cấu trúc khoang chữ nhật phẳng (phương án 3) giúp triệt tiêu biến dạng phình hướng tâm không mong muốn, tập trung toàn bộ năng lượng áp suất khí nén vào chuyển động uốn cong dọc trục.
• Tích hợp phương pháp đo kiểm hiện đại: Đề xuất và ứng dụng thành công phương pháp đo góc uốn quang học không tiếp xúc kết hợp giữa xử lý ảnh Python (HSV, nội suy Lagrange) và thu thập video từ NI LabVIEW, loại bỏ sai số do gắn các cảm biến tiếp xúc vật lý lên thân ngón tay mềm.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên các phân tích thực nghiệm và đánh giá của nhóm tác giả trong văn bản, đồ án còn tồn tại một số hạn chế kỹ thuật:

• Áp suất kích hoạt còn tương đối cao: Ngón tay mềm chế tạo từ sợi nhựa TPU có độ cứng vật liệu cao hơn so với cao su silicone siêu mềm. Do đó, để đạt được góc uốn đủ lớn nhằm ôm trọn sản phẩm, hệ thống đòi hỏi phải cung cấp một mức áp suất khí nén đầu vào tương đối lớn (lên tới 150 kPa – 200 kPa), trong khi tốc độ biến dạng uốn ở mỗi nấc tăng áp 25 kPa diễn ra chậm.
• Thiếu hệ thống cảm biến xúc giác tích hợp: Cơ cấu ngón tay mềm chưa được cấy ghép các cảm biến màng mỏng, cảm biến uốn hoặc cảm biến áp lực tiếp xúc trực tiếp trên bề mặt làm việc. Do đó, quá trình kẹp giữ chưa thể thu nhận dữ liệu lực kẹp theo thời gian thực để tạo thành hệ thống điều khiển vòng kín phản hồi lực.
• Hệ thống cơ khí phụ trợ mới dừng ở 1 bậc tự do: Cơ cấu kiểm nghiệm chuyển động mới chỉ trang bị 1 bậc tự do tịnh tiến dọc trục Z bằng động cơ bước, chưa được tích hợp hoàn chỉnh lên một cánh tay robot công nghiệp nhiều bậc tự do để thử nghiệm phân loại nông sản tốc độ cao trên băng chuyền thực tế.

Hướng phát triển tiếp theo được nhóm tác giả đề xuất:

• Tiếp tục nghiên cứu, thử nghiệm các dòng vật liệu mềm tổng hợp mới nhằm cho phép ngón tay uốn cong góc lớn ở mức áp suất khí nén thấp hơn nhưng vẫn tạo ra lực kẹp giữ tải trọng lớn.
• Thiết kế tích hợp các cảm biến uốn cong và cảm biến áp lực tiếp xúc xúc giác siêu nhỏ (flexible tactile sensors) ngay bên trong cấu trúc ngón tay mềm để đo đạc chính xác lực kẹp, hoàn thiện thuật toán điều khiển thích nghi lực kẹp tự động cho từng loại nông sản có độ cứng khác nhau.

Giá trị tham khảo

Báo cáo đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo có giá trị học thuật và ứng dụng kỹ thuật cao đối với:

• Sinh viên và học viên chuyên ngành Cơ điện tử, Robot và Cơ khí Chế tạo máy: Cung cấp tài liệu thực tế về phương pháp luận thiết kế robot mềm, cách thiết lập bài toán mô phỏng vật liệu siêu đàn hồi phi tuyến trên phần mềm Ansys Workbench và quy trình in 3D vật liệu đàn hồi TPU bằng công nghệ FDM.
• Kỹ sư phát triển hệ thống tự động hóa công nghiệp và chế biến thực phẩm: Cung cấp thông số hình học, giải pháp kết cấu cụm đầu nối kẹp chống rò khí nén và phương án điều khiển khí nén ứng dụng cho khâu phân loại nông sản, thực phẩm dễ dập nát.
• Các phần nội dung đáng tham khảo chuyên sâu:
  • Mục 3.2.1 và Bảng 3.1: Quy trình mô phỏng so sánh 3 kiểu biên dạng khoang khí ngón tay mềm trên Ansys, giúp người làm đề tài tương tự biết cách thiết lập điều kiện biên phi tuyến và lựa chọn hình thái tối ưu.
  • Mục 5.2 và Mục 5.3: Phương pháp xử lý ảnh số bằng Python (chuyển đổi hệ màu RGB sang HSV, tách nền đối tượng và thuật toán nội suy Lagrange) để đo lường quang học góc uốn của cơ cấu mềm, có thể tái sử dụng trực tiếp cho các nghiên cứu đo kiểm biến dạng không tiếp xúc.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nhóm tác giả lựa chọn in 3D FDM bằng nhựa TPU thay vì đúc silicone truyền thống?
Trả lời: Phương pháp đúc silicone truyền thống đòi hỏi gia công khuôn mẫu phức tạp, tốn thời gian và quá trình đổ dung dịch silicone rất dễ sinh ra các bọt khí ẩn bên trong cấu trúc ngón tay (Hình 3.14). Khi bơm áp suất khí nén cao, các điểm có bọt khí sẽ chịu ứng suất tập trung và gây nổ, rách ngón tay. Trong khi đó, công nghệ in 3D FDM với nhựa nhiệt dẻo TPU cho phép tạo hình trực tiếp cấu trúc rỗng 3D nhanh chóng, loại bỏ hoàn toàn khuyết tật bọt khí, có độ dẻo dai cao và không bị đứt gãy khi chịu va đập.

2. Tiêu chí nào giúp nhóm tác giả chọn phương án thiết kế ngón tay số 3 trong số 3 kiểu dáng khảo sát?
Trả lời: Dựa trên kết quả mô phỏng phần tử hữu hạn tại 100 kPa và 200 kPa (Bảng 3.1), phương án 1 và phương án 3 đều đạt góc uốn cong tốt hơn phương án 2. Tuy nhiên, phương án 1 có nhược điểm là độ biến dạng phình to theo phương hướng tâm của mỗi buồng khí quá lớn, làm triệt tiêu lực kẹp đầu ra. Ngược lại, phương án 3 có biên dạng khoang phẳng hơn, kiểm soát triệt để độ phình hướng tâm, tập trung chuyển vị uốn dọc trục và dễ dàng gia công in 3D hơn, nên được chọn là phương án tối ưu.

3. Mô hình vật liệu siêu đàn hồi nào được chứng minh là phù hợp nhất với dữ liệu thực nghiệm trong đồ án?
Trả lời: Tác giả đã khảo sát 4 mô hình gồm Yeoh, Mooney-Rivlin, Ogden và Neo-Hookean. Dựa trên tính toán hệ số tương quan $R^2$, mô hình Yeoh đạt giá trị $R^2 = 0.9936$ đối với mẫu vật liệu có độ cứng 20A (giá trị tiến sát mức 1 tuyệt đối). Các hằng số vật liệu tương ứng được trích xuất là $C_{10} = 0,08546573$, $C_{20} = 1,64\text{E}-02$ và $C_{30} = -3,27\text{E}-04$.

4. Quy trình xử lý ảnh để đo góc uốn thực tế của ngón tay mềm được tiến hành như thế nào?
Trả lời: Hệ thống sử dụng phần mềm NI LabVIEW để ghi hình video ngón tay uốn cong từ camera. Video sau đó được xử lý bằng Python: tách thành các khung ảnh, chuyển từ hệ màu RGB sang HSV, áp dụng dải ngưỡng màu để tách nền màu cam của ngón tay TPU ra khỏi ảnh đen trắng. Từ biên dạng thu được, thuật toán quy đổi tọa độ pixel sang mm, định vị 6 điểm uốn đặc trưng trên thân ngón và dựng đường cong biến dạng bằng phương pháp nội suy Lagrange để tính ra góc uốn thực tế đối chiếu với Ansys.

5. Kết quả thử nghiệm gắp nông sản thực tế đạt được mức áp suất và đối tượng nào?
Trả lời: Cụm tay gắp mềm 4 ngón đã thử nghiệm gắp thành công đối tượng thực tế là một quả ớt chuông tại mức áp suất khí nén 150 kPa. Cơ cấu 1 bậc tự do trục Z đã nâng hạ và giữ chặt quả ớt chuông ổn định mà không gây biến dạng dập nát hay trầy xước bề mặt sản phẩm.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp đã nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành công cụm tay gắp mềm khí nén 4 ngón bằng công nghệ in 3D nhựa nhiệt dẻo TPU kết hợp cơ cấu giá đỡ PLA, giải quyết hiệu quả vấn đề kẹp giữ an toàn cho nông sản mỏng manh, dễ dập nát. Nhóm tác giả đã làm chủ quy trình mô phỏng phi tuyến trên phần mềm Ansys dựa trên mô hình siêu đàn hồi Yeoh và thiết lập phương pháp kiểm nghiệm góc uốn chính xác thông qua xử lý ảnh số Python. Kết quả thử nghiệm gắp giữ thành công quả ớt chuông tại áp suất 150 kPa khẳng định tính khả thi của giải pháp, đồng thời mở ra định hướng phát triển tích hợp cảm biến xúc giác và tối ưu hóa vật liệu đàn hồi cho các dây chuyền phân loại nông sản công nghiệp trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 trình bày về t ổng quan giới thiệu đề tài; Chương 2 trình bày về cơ sở lí thuyết; Chương 3 đề cập đến thiết kế, chế tạo tay gắp mềm và mô phỏng phân tích chuyển động; Chương 4 nói tới xây dựng bộ điều khiển và Chương 5 đề cập tới kiểm nghiệm, đánh giá thực tế. 5 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Các loại tay gắp công nghiệp hiện nay Tay gắp là thiết b ị cho phép thao tác giữ m ột v ật thể, hay nói một cách đơn giản hơn, tay gắp là thiết bị giúp cho robot có thể cầm, nắm vật thể. Tay gắp robot công nghiệp có vai trò then chốt trong tự động hóa hiện đại vì chúng cấu thành bộ phận cu ối cùng của cánh tay robot, do đó chúng tiếp xúc trực tiếp v ới sản phẩm để kẹp. Tay gắp đóng vai trò quan trọng trong việc chế tạo, lắp ráp và sản xuất, được sử dụng trong các nhà xưở ng, xí nghiệp, nhà máy hiện đại trên toàn thế giới.

Công việc chủ yếu của tay gắp là gắp, nâng lên, hạ xuống, di chuyển s ản phẩn, thiết b ị từ chổ này qua chổ khác. Với việc sử dụng tay gắp trong sản xu ất sẽ giúp tiết kiệm th ời gian hơn so với con người; giúp tăng năng suấ t, sản lượng trong sản xuất công nghiệp; hoạt động thực hiện chính xác và có tính nhất quán, hạn chế được những bất cẩn; hạn chế không gian làm việc bởi chúng được thiết kế nhỏ gọn, nhẹ. Tùy vào tính chất công việc mà tay gắp sẽ được thiết kế để phù hợp với công việc đó. Tay gắp robot cứng là tay gắp được chế tạo từ vật liệu cứng, sử dụng dây cót không dãn để nối với động cơ, giúp cho việc điều khiển co lại của các ngón tay và sử dụng lực đàn hồi của lò xo xoắn để giúp các ngón tay duỗi ra.

Hiện nay đã có rất nhiều bàn tay robot đượ c nghiên cứu, chế tạo và ứng dụng vào thực tiễn như: Kanguera hay Shadow Hand.1: Kanguera và Shadow H and Trên thị trường hiện nay có rất nhiều các loại kẹp khác nhau được thiết kế với đa hình dạng. Ví dụ như một số tay gắp được thiết kế giống như bàn tay còn người, gồm 5 ngón hoặc cũng có những thiết kế có hình dạng cần móc, hay những loại tay gắp cơ khí, tay gắp gồm các giác hút chân không, … Một vài loại tay gắp trên thị trường hiện nay: 6  Tay gắp khí nén H ình 2.2: Tay gắp khí nén Tay gắp khí nén thường có cấu hình 2 hoặc 3 ngón, sử dụng áp suất khí nén và pittong để kích hoạt các ngón tay, có th ể thực hiện các thao tác một cách linh hoạt và được ứng dụng rất nhiều. Ưu điểm: lực gắp lớn, giá rẻ, phản ứng nhanh và có thể hoạt động trong không gian hẹp. Nhược điểm: mặc dù có thể xử lý được từng khâu đơn lẻ tuy nhiên không thích hợp với những doanh nghiệp có nhiều sản phẩm khác nhau và với sản lượng nhỏ.

Điều khiển vị trí và lực có hạn chế do chỉ có máy nén mới vận hành được.  Tay gắp thủy lực H ình 2.3: Tay gắp thủy lực Tay gắp thủy lực thường thiết kế với các xilanh vừa và nhỏ do áp suất thủy lực lớn hơn nhiều so với áp suất khí nén. 7 Nguyên lý làm việc bao gồm xilanh tác độ ng trực tiếp vào một cơ cấu nêm, cơ cấ u này sẽ truyền lực tới các ngón tay và hàm k ẹp. Sử dụng cơ cấu nêm làm tăng lự c kẹp và tinh gọn.

Ưu điểm: công suất gắp vượt trội Nhược điể m: liên quan tới v ấn đè xử lí dầu, máy bơm và bể chứa nước, vì vậy rất t ốn kém chi phí bảo trì.  Tay gắp chân không H ình 2.4: Tay gắp chân không Tay kẹp chân không dùng sự chênh lệch của áp lực khí và chân không nhằm nhấc, cầm và vận chuyển vật, được sản xuất ra bởi máy bơm chân không mini hoặc máy bơm hoạt độ ng bởi khí nén. Ưu điểm: giá thành rẻ, có khả năng xử lí nhiều vật phẩm khác nhau. Nhược điểm: phí điện năng đắt hơn để chạy máy bơm hơi nén hoặc máy bơm chân không cao và không thích hợp để sử dụng trong điều kiện bụi bặm.

 Tay gắp điện 8 H ình 2.5: Tay gắp điện Tay gắp điện thông thường sẽ có dạng hai hàm và ba hàm gắp và cả 3 hàm gắp đều được sử dụng nhằm xử lý những vật thể tròn hoặc trụ. Điểm nổi trội của tay gắp điện đối với công nghiệp ch ế t ạo chính là khả năng điều khiển. Phần l ớn nh ững tay gắp điện đều g ắn li ền v ới những vi xử lý giúp bạn điều khiển tốc độ và công suất gắp. Ưu điểm: có thể linh hoạt xử lý nhiều bộ ph ận khác nhau nên thích hợp đối với những công việc yêu cầu tốc độ cao và công suất gắp lớn hoặc vừa.

Nhược điểm: tay gắp điện thường có công suất gắp thấp hơn tay gắp khí nén mà giá cũng cao hơn. Mặc dù các loại tay gắp cứng (truyền thống) có thể đạt được chuyển động phức tạp và chính xác, nhưng nó thường cần m ột s ố lượng lớn các khớp liên kết c ứng nhắc để đạt được điều khiển chuyển động. Tay gắp cần có sự linh hoạt nhất định để tránh làm hư hại các vật dễ vỡ, các vật dễ bị tổn thương trong quá trình thực hiện nhiệm vụ. Để giải quyết vấn đề này, tay gắp mềm được nghiên cứu và cho ra đờ i.2 Các loại tay gắp mềm Trong vài năm trở lại đây thì trái cây đã trở thành một trong các mặt hàng nông sản được tin tưởng bởi người dân trồng trên khắp thế giới.

Đặc biệt tại Việt Nam hiện nay với thời tiết thuận tiện cho việc canh tác trồng trọt thì nghành chế biến trái cây nông sản đã và đang được chú trọng đẩy mạnh. Để nông sản không phải ảnh hưởng tới chất lượng thì việc phân loại có ý nghĩa rất lớn. Tuy nhiên, hầu h ết những trang trại và doanh nghiệp t ại Việt Nam thì việc phân loại và đóng gói trái cây nông sả n vẫn đang phải làm thủ công bằng tay dẫn đến sản lượng trái cây ngày càng giảm sút và hao tốn thêm công sức và tiền bạc đồng thời gây rất 9 nhiều sai sót trong khâu phân loại. Chính vì thế, nhằm khắc phục được tình trạng trên thì việc ứng dụng kỹ thuật hiện đại trong quá trình phân loại là vô cùng quan trọng.

Hiện nay, trên thị trường đã xuất hiện rất nhiều các loại hình công nghệ phục vụ cho khâu phân loại nông sản, trong đó được sử dụng phổ biến là các loại tay gắp m ềm. Tay gắp mềm là loại tay gắp có thể gắp các loại sản phẩm có hình dạng lạ và các sản phẩm mỏng manh, dễ vỡ. Tay gắp bao gồm các ngón tay mềm được làm từ các chất liệu đàn hồi mềm và chạy bằng khí nén vì vậy việc gắp trái cây sẽ không gây ra tổn thương vật lý. Tay gắp có cấu tạo nhỏ gọn, hoạt động linh hoạt, nhanh.

Một số loại tay gắp mềm trên thị trường như:  Cobot Soft Gripper H ình 2.6: Cobot soft gr ipper Các ngón tay mềm của Cobot soft griper được điều khiển b ằng khí nén, làm bằng cao su silicon được FDA chấp thuận với tuổi thọ hơn 10 triệu chu kỳ. Chúng nhanh chóng và dễ dàng gắn vào đế bằng cách sử dụng khóa lưỡi lê độc đáo củ a chúng. Những ngón tay không có cạnh sắc và các ngón tay linh hoạt không gây nguy hiểm khi làm việc. Cobot Soft Gripper phù hợp trên mọi loại Cobot và cả trên mọi loại rô bốt công nghiệp khác.

Cobot Soft Gripper có khả năng chọn và giữ đồ v ật của bạn một cách chắc chắn, nhưng đồng thời ch ất liệu c ủa nó cũng mềm mại và nhẹ nhàng cho sản phẩm.  The OnRobot Soft Gripper 10 H ình 2.7: The OnRobot Soft Gr ipper OnRobot Soft Gripper sử dụng ba cốc đúc silicon có thể hoán đổi cho nhau để gắp chính xác hầu hết mọi vật thể nhỏ dưới 2,2kg bằng một cú chạm chính xác. Dụng cụ cuối cánh tay linh hoạt (EOAT) có các cấu hình hình sao và bốn ngón. Không giống như các bộ kẹp chân không truyền thống, bộ tạo hiệu ứng cuối mới không yêu cầu cung cấp không khí bên ngoài, vì vậy nó có thể giảm cả chi phí và độ phức tạp.

Theo OnRobot bao gồm các tính năng sau:  Tải trọng lên đến 2,2kg (4,8 lb.) dựa trên hình dạng, độ mềm và độ ma sát của vật được xử lý  Kích thước tay cầm từ 11 đến 118mm (0,43 đến 4,64 in.) tùy thuộc vào cốc được s ử dụng  Chứng nhận từ Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ (FDA)  Cốc silicon linh hoạt, có thể thay thế cho nhau  Không cần cung cấp không khí  Triển khai nhanh chóng, linh hoạt v ới tích hợp li ền mạch trên tất c ả các thương hiệu robot lớn Trong khi tay gắp robot thông thường được thiết kế gắp và đặt cho thực phẩm và đồ uống chọn tại chỗ, cũng như mỹ phẩm và dược phẩm, OnRobot cũng cung cấ p khả năng cầm nắm linh hoạt cho sản xuất và đóng gói.  Octopus Gripper 11 H ình 2.8: Octopus Gr ipper Thay vì được phát triển với một chức năng kẹp cụ thể, OctopusGripper có thể đa nhiệm – có nghĩa là nếu dây chuyền sản xuất thay đổi, thiết bị linh hoạt có thể được điều chỉnh thay vì thay thế, có khả năng tiết kiệm chi phí. Cấu trúc silicone mềm của nó có một khoang chạy dọc theo chiều dài của nó khiến cho xúc tu uốn cong vào trong khi áp dụng khí nén, tự quấn quanh các vật thể có hình dạng khác nhau. Được thiết kế để cầm chắc chắn nhưng nhẹ nhàng, để không làm nát hoặc làm hỏng bất cứ thứ gì nó đang cầm, các giác hút nhỏ ở đầu mỏng của xúc tu gắn vào bề mặt của một vật thể m ột cách thụ động, nhưng tám trong số các cốc l ớn hơn ở đầu kia thì được kết nối với một đường chân không có thể được tham gia tích cực trong quá trình kẹp chặt.

Từ những ưu nhược điểm của các loại tay gắp trên thì “Tay gắp mềm” là lựa chọn phù hợp nhất dùng cho khâu phân loại nông sản. V ới cấu t ạo bao gồm 2 phần chính là ngón tay mềm và đế k ẹp thì tính toán chế tạo, gia công ngón tay mềm rất quan trọng vì nó phụ thuộc vào áp suất khí đầu vào.