Trường đại học
Trường Đại học Lâm nghiệpChuyên ngành
Cơ điện và Công trìnhNgười đăng
Ẩn danhThể loại
Luận văn2018
Phí lưu trữ
30.000 VNĐMục lục chi tiết
Tóm tắt
Mô hình tay máy thu hoạch khóm tự động là một giải pháp đột phá trong lĩnh vực nông nghiệp thông minh, ứng dụng các công nghệ tiên tiến của cuộc cách mạng công nghiệp 4.0. Hệ thống này ra đời nhằm giải quyết bài toán cấp thiết về cơ giới hóa thu hoạch, thay thế phương pháp thủ công truyền thống vốn tồn tại nhiều hạn chế. Về cơ bản, đây là một cánh tay robot nông nghiệp được thiết kế chuyên dụng để thực hiện chuỗi hành động thu hoạch trái khóm một cách tự động và chính xác. Mô hình này tích hợp nhiều công nghệ hiện đại như thị giác máy tính (computer vision) để nhận diện trái khóm chín, hệ thống cơ khí chính xác để di chuyển và cắt, cùng với bộ điều khiển PLC để vận hành toàn bộ quy trình. Mục tiêu chính của việc phát triển robot thu hoạch dứa là tăng năng suất lao động, giảm thiểu tổn thất sau thu hoạch và nâng cao chất lượng nông sản, đáp ứng các tiêu chuẩn khắt khe của thị trường xuất khẩu. Thay vì phụ thuộc vào sức người, hệ thống thu hoạch tự động có thể hoạt động liên tục, đồng bộ và hiệu quả hơn. Nghiên cứu và phát triển các mô hình như vậy không chỉ mang lại lợi ích kinh tế cho người nông dân mà còn thúc đẩy quá trình tự động hóa nông nghiệp tại Việt Nam, đặc biệt tại các vùng chuyên canh lớn như Đồng bằng sông Cửu Long. Sự kết hợp giữa cơ khí, điện tử và trí tuệ nhân tạo (AI) trong nông nghiệp mở ra một tương lai mới, nơi sản xuất nông nghiệp trở nên bền vững, hiệu quả và có khả năng cạnh tranh cao trên thị trường toàn cầu. Việc xây dựng một nguyên mẫu robot hoàn chỉnh là bước đi chiến lược, khẳng định tiềm năng áp dụng Agriculture 4.0 vào thực tiễn sản xuất tại Việt Nam.
Robot thu hoạch dứa, hay còn gọi là tay máy thu hoạch khóm, là một thiết bị tự động được thiết kế để thay thế con người trong khâu thu hoạch. Đây là một ứng dụng tiêu biểu của nông nghiệp thông minh (Agriculture 4.0), kết hợp cơ khí chính xác, hệ thống điều khiển tự động và trí tuệ nhân tạo (AI) trong nông nghiệp. Mục tiêu của robot là thực hiện các tác vụ từ xác định vị trí, đánh giá độ chín của trái khóm cho đến việc cắt và vận chuyển trái đến nơi tập kết. Thay vì sử dụng lao động thủ công, hệ thống thu hoạch tự động này giúp tăng năng suất, giảm chi phí nhân công và hạn chế tối đa các tổn thương cơ học cho sản phẩm, từ đó nâng cao chất lượng và giá trị thương phẩm.
Việc thu hoạch khóm thủ công tại các vùng trồng lớn như Tây Nam Bộ đang đối mặt với nhiều thách thức. Tình trạng thiếu hụt lao động thời vụ ngày càng trầm trọng, chi phí nhân công tăng cao, và năng suất không đáp ứng kịp nhu cầu của các nhà máy chế biến và thị trường xuất khẩu. Quan trọng hơn, phương pháp thu hoạch truyền thống (chặt, quăng xuống kênh, vớt lên) gây ra tỷ lệ tổn thất sau thu hoạch lớn do va đập và dập nát. Theo tài liệu nghiên cứu, trái khóm bị tổn thương trong quá trình này nhanh hư hỏng, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng và khả năng xuất khẩu. Do đó, việc nghiên cứu và áp dụng cơ giới hóa thu hoạch thông qua các cánh tay robot nông nghiệp là một yêu cầu cấp bách, giúp giải quyết đồng bộ các vấn đề về năng suất, chất lượng và hiệu quả kinh tế.
Phương pháp thu hoạch khóm thủ công tại Việt Nam, đặc biệt là ở vùng Tây Nam Bộ, bộc lộ nhiều nhược điểm nghiêm trọng, tạo ra rào cản lớn cho sự phát triển bền vững của ngành. Thách thức lớn nhất đến từ sự phụ thuộc hoàn toàn vào lao động chân tay. Nguồn nhân lực cho công việc này ngày càng khan hiếm và đắt đỏ, đặc biệt vào mùa thu hoạch rộ, dẫn đến tình trạng không đáp ứng được tiến độ, gây thất thoát sản lượng ngay tại vườn. Bên cạnh đó, chất lượng nông sản bị ảnh hưởng nặng nề. Quy trình chặt khóm bằng dao, quăng xuống kênh nước, sau đó vớt lên và xếp thành đống lớn trên thuyền hoặc xe tải gây ra va đập liên tục. Các tác động cơ học này làm trái khóm bị tổn thương, dập nát vi mô mà mắt thường khó phát hiện. Những tổn thương này là nguyên nhân chính dẫn đến việc trái nhanh hỏng, giảm thời gian bảo quản và không đạt tiêu chuẩn xuất khẩu. Thực tế cho thấy, nhiều lô hàng khóm xuất khẩu đã bị trả về do chất lượng không đảm bảo. Vấn đề này không chỉ gây thiệt hại kinh tế trực tiếp cho người nông dân và doanh nghiệp mà còn ảnh hưởng đến uy tín của nông sản Việt trên thị trường quốc tế. Rõ ràng, việc duy trì phương pháp thu hoạch lạc hậu đang kìm hãm tiềm năng phát triển, làm giảm sức cạnh tranh và cản trở việc áp dụng các tiêu chuẩn sản xuất hiện đại. Do đó, việc tìm kiếm một giải pháp thay thế như hệ thống thu hoạch tự động là vô cùng cần thiết.
Theo khảo sát tại huyện Tân Phước (Tiền Giang), nguồn lao động thủ công cho việc thu hoạch khóm ngày càng ít đi do thế hệ trẻ có xu hướng làm việc tại các nhà máy, công trường. Sự thiếu hụt này đẩy chi phí nhân công lên cao, chiếm một phần đáng kể trong tổng chi phí sản xuất. Khi vào vụ thu hoạch chính, việc huy động đủ số lượng lao động để thu hoạch kịp thời một diện tích lớn là bài toán nan giải, dẫn đến tình trạng khóm chín quá lứa, gây thiệt hại về sản lượng và chất lượng.
Quy trình thu hoạch thủ công hiện tại là nguyên nhân chính gây ra tổn thất sau thu hoạch. Các thao tác như quăng trái khóm xuống kênh nước, vớt lên thuyền, và bốc xếp thành đống lớn tạo ra lực va đập và chèn ép mạnh. Trọng lượng của lớp khóm phía trên đè nặng lên lớp dưới, gây ra các vết dập và tổn thương bên trong. Mặc dù không nhìn thấy ngay, những tổn thương này khiến trái khóm nhanh chóng bị hư hỏng, thối rữa trong quá trình vận chuyển và bảo quản. Đây là lý do cốt lõi khiến chất lượng khóm không đáp ứng được yêu cầu xuất khẩu, ảnh hưởng trực tiếp đến đầu ra của người trồng.
Việc xây dựng mô hình 3D cánh tay robot cho việc thu hoạch khóm đòi hỏi sự phân tích và lựa chọn phương án thiết kế tối ưu, phù hợp với đặc điểm nông học của cây khóm và điều kiện địa hình tại Việt Nam. Hai phương án cắt chính được xem xét là sử dụng cưa đĩa và dao cắt. Phương án cưa đĩa, theo nghiên cứu của Trương Nhật Hồng [1], có ưu điểm là lực cắt mạnh nhưng lại không phù hợp với cuống khóm có tính dẻo và địa hình mềm ở Tây Nam Bộ. Lực tác động của cưa có thể làm cây siêu vẹo, dẫn đến việc cắt không chính xác. Do đó, phương án sử dụng dao cắt kết hợp với đe đỡ được đánh giá là hiệu quả hơn. Lưỡi dao sắc bén cùng với đe đỡ tạo ra một lực đối kháng, giúp giữ ổn định cuống khóm và thực hiện nhát cắt dứt khoát, sạch sẽ. Dựa trên lựa chọn này, cơ cấu chấp hành cuối cùng (bàn tay cắt) được thiết kế với một xi lanh khí nén để tạo lực. Hệ thống trang bị khí nén cung cấp lực cắt đủ mạnh, lên tới 81,665 N tại đầu dao, đảm bảo cắt đứt các cuống khóm có đường kính từ 15mm đến 25mm. Toàn bộ cánh tay robot nông nghiệp được thiết kế để có thể chuyển động trên ba trục tọa độ (X, Y, Z), cho phép nó tiếp cận chính xác vị trí của từng trái khóm. Cấu trúc cơ khí này là nền tảng vật lý quan trọng, đảm bảo robot thu hoạch dứa có thể thực hiện thao tác cắt một cách ổn định và hiệu quả.
Quá trình lựa chọn cơ cấu chấp hành để cắt cuống khóm dựa trên việc so sánh hai phương án chính. Phương án dùng cưa đĩa, được đề cập trong nghiên cứu của tác giả Trương Nhật Hồng [1], có khả năng cắt tốt nhưng không phù hợp với đặc tính dẻo của cuống khóm và điều kiện đất mềm ở Tây Nam Bộ. Ngược lại, phương án sử dụng dao cắt có bàn đỡ, tương tự ý tưởng của Ngô Bái Thạch [2], tỏ ra ưu việt hơn. Bàn đỡ giúp cố định cuống trái, trong khi lưỡi dao thực hiện một nhát cắt dứt khoát. Phương pháp này giảm thiểu rung động, tránh làm nghiêng cây và đảm bảo độ chính xác cao, do đó được chọn để phát triển cho nguyên mẫu robot.
Tay máy được thiết kế để có thể di chuyển linh hoạt trong không gian ba chiều (X, Y, Z) nhằm tiếp cận mọi trái khóm trong phạm vi hoạt động. Trục X và Y cho phép tay máy di chuyển song song với mặt đất để định vị theo chiều ngang, trong khi trục Z điều khiển chuyển động lên xuống để điều chỉnh độ cao của bàn tay cắt. Mô hình 3D cánh tay robot được xây dựng chi tiết, tính toán các thông số về tầm với, tải trọng và tốc độ di chuyển để phù hợp với khoảng cách trồng khóm (40x40 cm) và chiều cao của cây. Cấu trúc này đảm bảo robot có thể vươn tới, cắt và thu hồi trái khóm một cách hiệu quả.
Để cánh tay robot nông nghiệp có thể hoạt động tự động và thông minh, việc tích hợp công nghệ điều khiển và hệ thống nhận diện là yếu tố cốt lõi. Trái tim của hệ thống điều khiển là bộ điều khiển PLC (Programmable Logic Controller), chịu trách nhiệm nhận tín hiệu đầu vào và xuất lệnh điều khiển các cơ cấu chấp hành. Việc lập trình robot trên nền tảng PLC đảm bảo hoạt động ổn định, chính xác và dễ dàng tùy chỉnh theo các thuật toán điều khiển khác nhau. Để robot có thể 'nhìn' và xác định mục tiêu, công nghệ thị giác máy tính (computer vision) được ứng dụng. Một camera độ phân giải cao được lắp đặt để thu thập hình ảnh vườn khóm theo thời gian thực. Những hình ảnh này sau đó được đưa qua các bước xử lý ảnh kỹ thuật số để phân tích. Thuật toán nhận diện đối tượng được xây dựng dựa trên các đặc trưng về màu sắc và hình dạng để phân biệt trái khóm chín với lá cây và các vật thể khác. Các cảm biến màu sắc đóng vai trò quan trọng trong việc xác định độ chín của trái. Khi một trái khóm đạt chuẩn được nhận diện, hệ thống sẽ tính toán tọa độ chính xác của nó và gửi thông tin này đến bộ điều khiển PLC. Dựa trên tọa độ nhận được, PLC sẽ điều khiển các động cơ để di chuyển tay máy đến đúng vị trí, thực hiện thao tác cắt và đưa trái khóm về băng tải. Sự kết hợp nhuần nhuyễn giữa phần cứng và phần mềm này chính là chìa khóa tạo nên một hệ thống thu hoạch tự động hiệu quả.
Hệ thống thị giác máy tính (computer vision) đóng vai trò là 'đôi mắt' của robot. Camera thu nhận hình ảnh liên tục và truyền về bộ xử lý trung tâm. Tại đây, các thuật toán xử lý ảnh kỹ thuật số được áp dụng để tăng cường độ tương phản, lọc nhiễu và phân đoạn hình ảnh. Tiếp theo, một thuật toán nhận diện đối tượng, có thể dựa trên các mô hình học máy (machine learning), sẽ phân tích các đặc trưng như màu sắc (vàng, cam) và hình dạng (oval, trụ) để xác định chính xác vị trí và độ chín của trái khóm. Hệ thống này giúp robot chỉ thu hoạch những trái đã đạt tiêu chuẩn, tối ưu hóa chất lượng sản phẩm đầu ra.
Toàn bộ hoạt động của tay máy được điều khiển bởi một chương trình nạp trong bộ điều khiển PLC. Một lưu đồ giải thuật chi tiết được xây dựng để mô tả logic hoạt động của hệ thống. Lưu đồ này bao gồm các bước: bắt đầu quét, nhận tín hiệu tọa độ từ hệ thống thị giác, điều khiển động cơ các trục X, Y, Z di chuyển đến vị trí mục tiêu, kích hoạt xi lanh khí nén để cắt, và cuối cùng là di chuyển tay máy đến vị trí băng tải để nhả trái. Việc lập trình robot dựa trên lưu đồ này đảm bảo chu trình hoạt động diễn ra một cách tuần tự, chính xác và an toàn, đồng thời cho phép khóa chéo các chuyển động ngược chiều để tránh xung đột cơ khí.
Nghiên cứu thực nghiệm đóng vai trò quyết định trong việc xác nhận tính khả thi và hiệu quả của mô hình tay máy thu hoạch khóm tự động. Mục đích chính của giai đoạn này là để kiểm tra khả năng hoạt động của nguyên mẫu robot trong điều kiện mô phỏng gần với thực tế và thu thập các dữ liệu định lượng. Thí nghiệm được tổ chức bằng cách sử dụng các cây khóm thật có cuống với đường kính khác nhau (16.5mm, 18mm, 18.5mm) để đánh giá khả năng cắt của cơ cấu chấp hành. Các thông số quan trọng được đo lường bao gồm thời gian hoàn thành một chu trình cắt (từ lúc nhận diện đến khi cắt xong) và tỷ lệ thành công của các lần cắt. Kết quả thí nghiệm, được tổng hợp trong Bảng 4.1 của tài liệu gốc, cung cấp những bằng chứng cụ thể về hiệu suất của tay máy. Dữ liệu này không chỉ chứng minh rằng thiết kế cơ khí và hệ thống điều khiển hoạt động đúng như mong đợi mà còn là cơ sở để tính toán năng suất lý thuyết của hệ thống thu hoạch tự động khi triển khai trên quy mô lớn. Việc phân tích kết quả thực nghiệm giúp xác định các điểm cần cải tiến, chẳng hạn như tối ưu hóa tốc độ di chuyển của tay máy hay cải thiện độ chính xác của thuật toán nhận diện đối tượng. Giai đoạn này là một bước kiểm chứng quan trọng trước khi đưa robot hái trái cây vào ứng dụng thực tiễn, đảm bảo giải pháp công nghệ mang lại hiệu quả thực sự.
Thí nghiệm được tiến hành trong môi trường phòng thí nghiệm với một nguyên mẫu robot hoàn chỉnh. Đối tượng thí nghiệm là các trái khóm thật, được trồng trong điều kiện mô phỏng về khoảng cách và vị trí. Các thiết bị đo lường như đồng hồ bấm giờ được sử dụng để ghi lại thời gian thực hiện từng thao tác. Thí nghiệm được lặp lại nhiều lần với các cuống khóm có đường kính khác nhau để kiểm tra độ tin cậy và sự ổn định của hệ thống cắt, đảm bảo kết quả thu được mang tính khách quan và khoa học.
Kết quả từ các lần thí nghiệm được ghi lại và tổng hợp trong Bảng 4.1. Dữ liệu này cho phép tính toán các chỉ số hiệu suất quan trọng như thời gian trung bình cho một chu trình thu hoạch và tỷ lệ cắt thành công. Việc phân tích các số liệu này là cơ sở để đánh giá hiệu quả của robot thu hoạch dứa. Kết quả tích cực sẽ khẳng định tính đúng đắn của phương án thiết kế và chương trình điều khiển, đồng thời cung cấp dữ liệu đầu vào để ước tính năng suất thực tế khi máy hoạt động trên đồng ruộng, từ đó chứng minh tiềm năng kinh tế của giải pháp.
Nghiên cứu và xây dựng thành công mô hình tay máy thu hoạch khóm tự động mở ra một chương mới cho ngành tự động hóa nông nghiệp tại Việt Nam. Đây không chỉ là một giải pháp cho cây khóm mà còn là nền tảng công nghệ có thể được điều chỉnh và áp dụng cho việc thu hoạch nhiều loại nông sản khác. Tương lai của cánh tay robot nông nghiệp là rất hứa hẹn, với tiềm năng phát triển theo hướng thông minh hơn và linh hoạt hơn. Các cải tiến trong tương lai có thể tập trung vào việc tích hợp các mô hình học máy (machine learning) phức tạp hơn, cho phép robot tự học và thích nghi với các điều kiện môi trường thay đổi, chẳng hạn như mật độ cây trồng, ánh sáng và các chướng ngại vật. Việc sử dụng các cảm biến tiệm cận và cảm biến lực có thể giúp robot thao tác nhẹ nhàng hơn, giảm thiểu tối đa tổn thương cho trái cây. Hơn nữa, việc kết nối nhiều robot vào một hệ thống mạng chung (IoT) sẽ tạo ra các 'nông trại thông minh' thực thụ, nơi toàn bộ quá trình từ trồng trọt, chăm sóc đến thu hoạch đều được quản lý và tối ưu hóa bằng dữ liệu. Sự phát triển của các robot hái trái cây như thế này sẽ góp phần giải quyết bài toán lao động, nâng cao chất lượng sản phẩm và tăng cường sức cạnh tranh cho nông sản Việt Nam. Đây là một bước tiến quan trọng hướng tới một nền nông nghiệp thông minh, bền vững và hiệu quả cao, phù hợp với xu hướng Agriculture 4.0 trên toàn thế giới.
Nghiên cứu đã thành công trong việc xây dựng một mô hình mô phỏng hoàn chỉnh cho tay máy thu hoạch khóm. Đóng góp chính của đề tài là đã đề xuất được một phương án thiết kế cơ khí khả thi, lựa chọn và tích hợp thành công hệ thống điều khiển PLC với hệ thống khí nén, đồng thời xây dựng được giải thuật điều khiển logic cho toàn bộ chu trình. Kết quả thực nghiệm đã chứng minh tính hiệu quả của mô hình, tạo ra một tiền đề khoa học và công nghệ vững chắc cho việc chế tạo các liên hợp máy thu hoạch trong tương lai.
Để đưa công nghệ này vào thực tiễn, các nghiên cứu trong tương lai cần tập trung vào việc tối ưu hóa tốc độ và độ chính xác của hệ thống thị giác máy tính. Việc tích hợp các thuật toán học máy (machine learning) tiên tiến sẽ giúp robot nhận diện tốt hơn trong các điều kiện ánh sáng phức tạp. Ngoài ra, cần nghiên cứu cải tiến thiết kế cơ khí để giảm trọng lượng, tăng độ bền và giảm chi phí sản xuất. Mục tiêu cuối cùng là phát triển một phiên bản thương mại của robot thu hoạch dứa, có khả năng hoạt động ổn định và hiệu quả trên quy mô lớn, góp phần thúc đẩy mạnh mẽ quá trình tự động hóa nông nghiệp tại Việt Nam.
Bạn đang xem trước tài liệu:
Nghiên cứu xây dựng mô hình mô phỏng tay máy cho liên hợp máy thu hoạch khóm tự động