Robot hái trái cây tự động – giải pháp mới cho ngành nông nghiệp công nghệ cao

   Sáng ngày 10/1/2023, tại Trường ĐH Công nghệ, ĐHQGHN đã tổ chức nghiệm thu thành công đề tài khoa học công nghệ cấp ĐHQGHN mang tên “Nghiên cứu phát triển Robot thao tác di động tích hợp công nghệ 4.0 ứng dụng trong nông nghiệp” do PGS.TS Phạm Mạnh Thắng, Chủ nhiệm Khoa Cơ học kỹ thuật và Tự động hóa làm chủ nhiệm.

   Đề tài nghiên cứu phát triển Robot thao tác di động tích hợp công nghệ 4.0 ứng dụng trong nông nghiệp đã được các chuyên gia, nhà khoa học trong lĩnh vực nông nghiệp thẩm định, đánh giá cao. Nhóm nghiên cứu hướng tới hoàn thiện sản phẩm và triển khai ứng dụng sản phẩm vào ngành nông nghiệp công nghệ cao trong thời gian tới.

 Các nhà khoa học, chuyên gia thẩm định sản phẩm robot thu hái hoa quả tại buổi nghiệm thu đề tài cấp ĐHQGHN vào sáng 10/1/2023

   Việc nhóm nghiên cứu bước đầu đi sâu vào nghiên cứu chế tạo thành công sản phẩm robot thu hoạch hoa quả trong nhà kính, nhà lưới là một khâu quan trọng trong làm chủ công nghệ cao ứng dụng trong nông nghiệp tại nước ta. Ngoài ra, Nhóm nghiên cứu đã tiên phong trong việc nghiên cứu và chế tạo sản phẩm robot hái hoa quả tại Việt Nam, nhóm đã có cách tiếp cận hết sức quan trọng, đây là cái phôi để tiếp tục bước đầu tiên ứng dụng vào hệ thống thu hái tại các nhà lưới, nhà kính tại Việt Nam – GS.TS Lê Huy Hàm, Chủ nhiệm Khoa Nông nghiệp Công nghệ cao, Trường ĐH Công nghệ, ĐHQGHN cho biết.

   Ứng dụng và phát triển ngành nông nghiệp 4.0

   Trong bối cảnh của cách mạng công nghiệp 4.0, nông nghiệp công nghệ cao đang là một xu hướng phát triển mạnh mẽ ở nhiều quốc gia, trong đó có Việt Nam.

    Nền nông nghiệp công nghệ cao ứng dụng những công nghệ mới, tiên tiến để sản xuất nhằm nâng cao hiệu quả, tạo bước đột phá về năng suất, chất lượng nông sản, thỏa mãn nhu cầu ngày càng cao của xã hội và đảm bảo sự phát triển nông nghiệp xanh, bền vững. Bên cạnh đó, việc ứng dụng công nghệ vào nông nghiệp có thể giúp ứng phó với biến đổi khí hậu, chống lại sự phá hoại của sâu bệnh, giảm công sức lao động, giảm thời gian nuôi trồng và đưa sản xuất nông nghiệp theo hướng tập trung, quy mô lớn.

   Theo PGS.TS Phạm Mạnh Thắng, Chủ nhiệm đề tài, công nghệ robot đang được kỳ vọng sẽ ứng dụng phổ biến trong nông nghiệp công nghệ cao. Cơ hội ứng dụng công nghệ cao và xu thế ứng dụng robot trong nông nghiệp là tất yếu. Tuy nhiên, việc ứng dụng này sẽ tăng nhanh và rộng rãi khi nền nông nghiệp các nước đạt một số chuẩn nhất định về hạ tầng cùng với sự quan tâm của các nhà quản lý nông trại đến việc tự động hóa bằng robot, nhằm nâng cao năng suất, giảm chi phí và giải quyết những mối lo ngại về nguồn nhân lực trong thị trường nông nghiệp.

   Trăn trở trước bài toán ứng dụng nghiên cứu vào thực tiễn và từ những lần được trải nghiệm mô hình nông nghiệp công nghệ cao, nhóm nghiên cứu về Cơ điện tử và Tự động hóa nung nấu ý tưởng nghiên cứu chế tạo robot trong sản xuất nông nghiệp. “Chúng tôi đã tham quan, trao đổi tại nhiều nông trại và nhà kính công nghệ cao được nhập khẩu từ các nước phát triển và áp dụng quy trình trồng cà chua, dưa chuột và các hoa quả khác tại Việt Nam với các công nghệ rất hiện đại.

   Tuy nhiên, khâu thu hoạch vẫn chưa được tự động hóa mà áp dụng thủ công. Trong khi đó, robot hiện nay có thể góp phần không nhỏ trong sự phát triển ngành nông nghiệp”, PGS.TS Phạm Mạnh Thắng cho biết.

   Được sự hỗ trợ của Ban Giám hiệu Trường ĐH Công nghệ và ĐHQGHN, nhóm nghiên cứu đã triển khai ý tưởng thiết kế chế tạo robot thu hái hoa quả hỗ trợ cho việc thu hoạch nông sản. Để tạo nên những sản phẩm ứng dụng thiết thực với đời sống, nhóm nghiên cứu đã trải qua nhiều khó khăn và thách thức. Việc nghiên cứu chế tạo thành công một sản phẩm ưu việt, ứng dụng được rộng rãi trong đời sống đòi hỏi phải dày công nghiên cứu và đầu tư khá nhiều công sức cũng như thời gian.

   Để chế tạo ra một Robot nông nghiệp sẽ phức tạp hơn sản phẩm thông thường

   Nhiều chuyên gia đánh giá, để nghiên cứu và chế tạo ra một robot nông nghiệp sẽ phức tạp hơn nhiều và đòi hỏi nhóm nghiên cứu phải thực sự hiểu và ứng dụng tiên tiến về công nghệ cũng như hiểu rõ mô hình sản phẩm loại quả trong nông nghiệp.

  Nhóm nghiên cứu về Cơ điện tử và Tự động hóa tại Trường Đại học Công nghệ – ĐHQGHN được thành lập từ năm 2019 do PGS.TS Phạm Mạnh Thắng, Chủ nhiệm Khoa Cơ học kỹ thuật và Tự động hóa làm Trưởng nhóm.

   Qua quá trình thành lập và phát triển, nhóm đã thiết kế, chế tạo hơn 30 sản phẩm ứng dụng trên nền tảng các hệ thống điều khiển nhúng, ứng dụng công nghệ Tự động hóa, thiết kế, chế tạo các máy công cụ chính xác, các hệ thống SCADA phục vụ đo lường điều khiển các dây chuyền sản xuất công nghiệp và nông nghiệp.

   PGS.TS Phạm Mạnh Thắng cho biết, khác với bài toán truyền thống, ví dụ như trong một dây chuyền tự động hóa lắp ráp xe hơi, các kích thước, chiều dài, vị trí và các bộ phận luôn giữ nguyên cho một kiểu máy nhất định nên quá trình điều khiển diễn ra dễ dàng hơn. Một robot vặn ốc tại một nhà máy của Toyota được lập trình để dùng chính xác dụng cụ ở cùng một vị trí trên mỗi chiếc xe cùng loại. Nhưng đối với ngành nông nghiệp thì bài toán kích thước vị trí sản phẩm thay đổi theo điều kiện tự nhiên nên việc điều khiển sẽ phức tạp hơn rất nhiều. Ngay cả khi sản phẩm được trồng trong nhà kính, nơi có nhiều điều kiện như nhiệt độ, ánh sáng và độ ẩm được kiểm soát vẫn không thể biết được chính xác khi nào cây sẽ ra quả, sẽ không thể “lập trình” vị trí và thời gian ra quả để robot tới thu hoạch.

    Chỉ sau 9 tháng từ đầu năm 2021, nhóm đã phân tích bài toán và thiết kế, bước đầu chế tạo sản phẩm với 1 robot có kích thước nhỏ gọn, có thể luồn qua các khe trống giữa 2 luống canh tác. Robot có khả năng phát hiện các loại trái cây, nhận biết các quả chín. Từ đó, chúng có thể xác định được quả nào có thể thu hoạch, ngay cả trong vườn cây lộn xộn và phức tạp. Đồng thời, robot cần phải có khả năng kẹp sâu vào dây leo để hái quả chín mà không làm ảnh hưởng đến các quả xanh xung quanh. Ngoài hệ thống tay gắp hoạt động tốt, robot phải có đủ độ thông minh để phát hiện độ chín của trái cây, di chuyển trong không gian ba chiều đến vị trí trái cây, đây là một tổ hợp những phân tích không gian, bài toán điều khiển, công nghệ phức tạp.

Sản phẩm được thử nghiệm thành công tại Công ty Ha Chi, Đông Anh

   Trong một dây chuyền tự động hóa dây chuyền lắp ráp iPhone hay xe hơi, các kích thước, chiều dài, vị trí và các bộ phận luôn giữ nguyên cho một kiểu máy nhất định nên quá trình điều khiển diễn ra dễ dàng hơn. Một robot vặn ốc tại một nhà máy của Toyota được lập trình để dùng chính xác dụng cụ ở cùng một vị trí trên mỗi chiếc xe cùng loại. Và mỗi khi nó nâng tua vít lên, ốc vít đã ở đó sẵn. Nhưng đối với ngành nông nghiệp thì bài toán kích thước vị trí sản phẩm thay đổi theo điều kiện thiên nhiên nên việc điều khiển sẽ phức tạp hơn. Ngay cả khi sản phẩm được trồng trong nhà kính nơi có nhiều điều kiện như nhiệt độ, ánh sáng và độ ẩm được kiểm soát vẫn không thể biết được chính xác khi nào cây sẽ ra quả, sẽ không thể “lập trình” vị trí và thời gian ra quả để robot tới thu hoạch.

   Với những lý do trên, các máy móc, robot chế tạo và ứng dụng trong nông nghiệp phải đủ thông minh. Ví dụ như để nhận ra ớt hoặc dưa chuột bằng vẻ bề ngoài, tùy thuộc vào sự đa dạng về kích cỡ, hình dạng và màu sắc. Các robot cũng cần học cách “đối xử” với cây trồng một cách nhẹ nhàng để tránh tình trạng vô tình nhổ cả một cây lên. Các robot phải có khả năng phát hiện các loại trái cây, nhận biết liệu chúng đã chín hay chưa. Từ đó chúng có thể xác định được quả nào có thể thu hoạch, ngay cả trong vườn cây lộn xộn và phức tạp. Đồng thời, robot cần phải có khả năng kẹp sâu vào dây leo để hái quả chín mà không làm ảnh hưởng đến các quả xanh xung quanh. Nó di chuyển xung quanh bên trong nhà kính một cách nhẹ nhàng. Các cảm biến của robot nhìn thế giới ở chế độ 3D đầy đủ. Chúng có thể sử dụng thông tin này để lên kế hoạch đúng đường đến mục tiêu. Đây cũng chính là những ưu điểm mà robot thu hái hoa quả có thể mang lại những tiềm năng ứng dụng rộng rãi và rất tốt trong nông nghiệp công nghệ cao như hệ thống nông nghiệp nhà kính, nhà lưới ở nước ta hiện nay”, PGS.TS Phạm Mạnh Thắng cho biết.

    Vì được thiết kế, chế tạo toàn bộ các thành phần trong nước nên giá thành chỉ khoảng 30% so với chủng loại robot tương tự phải nhập khẩu. Các phần mềm điều khiển robot các kỹ sư Việt Nam hoàn toàn có thể lập trình và làm chủ được, không phụ thuộc vào công nghệ của nước ngoài.

   Trong thời gian tới, nhóm nghiên cứu sẽ tiếp tục hoàn thiện sản phẩm, kết hợp với các đối tác doanh nghiệp có nền nông nghiệp công nghệ cao phát triển như Hàn Quốc, … để mở rộng khả năng và không gian hoạt động của robot để nhân rộng mô hình hoạt động cũng như hiệu quả của sản phẩm này.

   Ngoài ra nhóm nghiên cứu tiếp tục triển khai các nội dung khoa học mà nhóm đặt ra với mục tiêu ứng dụng nhiều nhất các kỹ thuật, công nghệ lĩnh vực Cơ điện tử và Tự động hóa phục vụ phát triển kinh tế – xã hội của đất nước.

Hội đồng nghiệm thu đề tài “nghiên cứu phát triển Robot thao tác di động tích hợp công nghệ 4.0 ứng dụng trong nông nghiệp” chụp ảnh lưu niệm

   Đề tài “Nghiên cứu phát triển Robot thao tác di động tích hợp công nghệ 4.0 ứng dụng trong nông nghiệp” được các chuyên gia đánh giá cao và nghiệm thu thành công, đề tài đã đăng ký bằng sáng chế và được Cục Sở hữu Trí tuệ chấp nhận đơn hợp lệ theo quyết định số 7417w/QĐ-SHTT ngày 10/5/2022 của Cục Sở hữu trí tuệ. Đề tài đã đào tạo 02 ThS ngành Cơ điện tử liên quan đến lập trình cho Robot; Hỗ trợ 02 tiến sĩ tham gia nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển, thử nghiệm robot ứng dụng trong nông nghiệp; Hỗ trợ cho nhiều nhóm sinh viên (trên 30 sinh viên chuyên ngành Cơ điện tử) đã trực tiếp tham gia nghiên cứu, thực tập kỹ thuật kỹ thuật, thực hiện khóa luận, đồ án trong khuôn khổ đề tài. Đề tài được Quỹ Phát triển Khoa học và Công nghệ ĐHQGHN tài trợ kinh phí để thực hiện. 

Bài viết liên quan: 

Làm chủ công nghệ cao ứng dụng trong nông nghiệp

Theo Thùy Dương (VNU Media)