Robot hái dâu tây

Công nghệ luôn luôn không ngừng phát triển. Trên thực tế, người ta có thể coi “sự bùng nổ” về tiến bộ công nghệ không hề giảm kể từ sau cuộc Cách mạng Công nghiệp. Trong khi hầu hết những khu nông nghiệp nhỏ vẫn trồng cây dâu tây theo cách mà họ đã làm trong nhiều thế kỉ, thì ngành công nghiệp dâu tây đã từng ngày thúc đẩy tiến bộ công nghệ để phát triển trong nhiều năm qua. Sự tiến bộ đó bao gồm các thiết bị chuyên dụng dùng để tự động hóa các nhiệm vụ chăm sóc dâu tây một cách có hiệu quả. Công nghệ này cho phép tạo ra các luống trồng có độ cao , hệ thống tưới tiêu được thiết lập để tưới nước vào vị trí cụ thể, sử dụng lớp màng nhựa che phủ đất để bảo vệ cây dâu. Một trong những tiến bộ mới nhất trong nghề thu hoạch dâu tây là robot hái dâu. Mặc dù công nghệ này chưa sẵn sàng cho việc sử dụng nhưng cuối cùng nó đã giúp tăng năng suất thu hoạch đồng thời giảm chi phí lao động, bằng cách tự động hóa quá trình hái dâu đã giúp rút ngắn được thời gian thu hoạch đi đáng kể.
Sau đây Công Cụ Tốt sẽ tổng hợp cho bạn những mẫu robot đang được nghiên cứu và sử dụng phổ biến tại các trang trại lớn hiện nay.

Robot hái dâu tây

Robot hái dâu tây cỡ vừa (Dành cho dâu tây trồng dưới đất)

Robot của công ty Robotic Harvesting

Nguồn cảm hứng cho cho loại robot này dường như được tìm thấy trong một cuộc thi không liên quan. Cuộc thi DARPA Grand Challenge (một cuộc thi dùng để phát triển xe không người lái đã thúc đẩy Ủy ban Dâu tây California, Mỹ thành lập công ty trách nghiệm hữu hạn Robotic Harvesting. Ban tổ chức cuộc thi này nghĩ: “Nếu ô tô có thể di chuyển hàng chục ki-lô-mét thì tại sao robot không thể di chuyển vài mét để hái dâu.”

Robot khi so với người thường

Sau khi ý tưởng được hình thành và có nguồn tài trợ, công ty non trẻ này đã nhận được sự giúp đỡ của các nhà nghiên cứu đến từ UCLA, Caltech và Cornell (Các trường đại học có tiếng về khoa học và công nghệ ở Mỹ). Với sự giúp đỡ của những nhà nghiên cứu này, robot hái dâu đã chuyển từ ý tưởng thành nguyên mẫu để sử dụng.

Hình ảnh đầu của robot

Công nghệ trang bị cho loại robot hái dâu này để lại rất nhiều ấn tượng cho người trải nghiệm. Quá trình tự động hóa được thực hiện bằng cách sử dụng thiết bị thu phim 3D (về cơ bản cho phép robot có thể “nhìn” ở chế độ 3D giống như con người) để có thể phân biệt vị trí quả dâu tây. Tiếp theo, phần mềm chuyên dụng cho robot sẽ nhanh chóng phân tích chúng để phân biệt được quả dâu chín hay chưa chín. Sau đó, cánh tay robot sẽ mở rộng đến quả dâu tây vừa được phân tích, 3 ngón tay của robot sẽ kẹp quả dâu tây, nhổ ra khỏi cây và đưa vào băng chuyền để lưu trữ.

Hình ảnh cánh tay robot (1)

Hình ảnh cánh tay robot (2)

Robot đang hái dâu

Dâu tây trên băng truyền

Dâu tây trên băng truyền

Dâu tây được phân loại

Sự kết hợp giữa thiết bị thu phim 3D và phần mềm tiên tiến đã cải thiện đáng kể các robot phục vụ cho ngành nông nghiệp của nhiều thập kỷ trước. Robot thu hoạch tự động là giải pháp được săn đón từ những năm 1980 ở Mỹ. Tuy nhiên vào thời điểm đó, phần mềm và khả năng tính toán của máy tính quá chậm để có thể tồn tại được. Hiện tại tốc độ tính toán của các quy trình khiến robot hái dâu tây trở nên chính xác và giống thực tế hơn. Trên thực tế, trong môi trường được kiểm soát, robot hái dâu tây có thể hái dâu tây nhanh chóng và chính xác chỉ trong vòng hai giây.

Cánh tay robot trong môi trường được kiểm soát - 1

Cánh tay robot trong môi trường được kiểm soát - 2

Công nghệ của robot hái dâu tây có ba thành phần chính. Đầu tiên, bộ thu thập dữ liệu thu thập thông tin của dâu tây bằng cách quét cả trên và dưới tán lá dâu tây. Thứ hai, nền tảng di động di động được lập trình để đóng vai trò hỗ trợ cho cánh tay hái và thu hoạch dâu tây. Và cuối cùng, thiết bị thu phim 3D cung cấp dữ liệu “hình ảnh” cần thiết cho cánh tay để robot có thể hái đúng quả dâu tây.

Robot hái dâu tây tự động cỡ lớn (Dành cho dâu tây trồng dưới đất)

Robot của công ty Harvest CROO Robotics

Ở tại Mỹ có một khoảng thời gian mà dâu tây là một mặt hàng xa xỉ. Gary Wishnatzki, chủ sở hữu của Wish Farms, cho biết: “Trong những tháng mùa đông như tháng một và tháng hai không có quá nhiều nhà bán lẻ nhập dâu tây vì chúng quá đắt. Chí phí lao động ngày càng tăng với lực lượng lao động ngày cảng giảm. Nếu chúng ta không giải quyết vấn đề này bằng tự động hóa, tôi tin rằng dâu tây sẽ trở nên đắt đỏ và nguồn cung sẽ càng ngày càng ít đi”

Hình ảnh đằng sau của robot

Trong khi nhu cầu tiêu dùng vẫn đang cao thì lực lượng lao động lại yếu. Theo bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ, nhiều công nhân nông trại ở Mỹ đều là dân nhập cư đến từ Mexico và ít số họ muốn làm về nông nghiệp.
Để khắc phục tình trạng thiếu lao động, Wishnatzki đã cùng dối tác Bob Pitzer đồng sáng lập công ty Harvest CROO Robotics để phát triển robot hái dâu tự động. Công ty đặt mục tiêu của mình vào thị trường dâu tây toàn cầu có trị giá 24 tỷ USD, tạo ra một phương tiện robot mô-đun tự động hóa quá trình thu hoạch, sắp xếp và đóng gói dâu tây. Dịch vụ công ty hướng đến là thay thế hoàn lao động thủ công bằng một người duy nhất điều hành.

Phiên bản khác của robot

Robot thực hiện công việc hái dâu tương đương với sáu người thu hoạch cùng lúc. Nó được thiết kế để hái 8 luống trồng cùng một lúc trong vòng 20 giờ mỗi ngày mà không làm dập quả và có thể phát hiện những trái dâu hỏng.

8 luống trồng

Mỗi máy thu hoạch có 16 cánh tay robot độc lập làm việc được trang bị hệ thống thị giác và trí tuệ nhân tạo. Với hệ thống thị giác, robot thu thập hình ảnh 360 độ của từng cây và mỗi quả dâu, sau khi được quét robot có thể xác định được quả dâu tây nào chín, khỏe mạnh và sẵn sàng thu hoạch. Thông tin được thu thập sau đó có thể được sử dụng bởi người trồng để đánh giá tình trạng cây, phát hiện bệnh tật và dự đoán sản lượng.

Hình ảnh 360 của quả dâu

Hình ảnh cánh tay robot đang làm việc - 1

Hình ảnh cánh tay robot đang làm việc - 2

Hình ảnh cánh tay robot đang làm việc - 3

Hình ảnh cánh tay robot đang làm việc - 4

Hình ảnh cánh tay robot đang làm việc - 5

Hình ảnh cánh tay robot đang làm việc - 6

Hình ảnh chi tiết cánh tay robot

Qua con mắt của camera kép trong hệ thống thị giác của robot và video thu lại được phát với tốc độ một nửa đã giúp minh họa lượng thông tin khổng lồ được được xử lý trong thời gian thực. Tại đây, hệ thống nhắm mục tiêu xác định các quả chín và tọa độ của chúng để đảm bảo hái chính xác. Cây được quét, quả được nhắm mục tiêu và được hái chỉ trong vòng vài giây.

Robot đang xử lý hình ảnh quả dâu tây

Hệ thống phụ của máy tạo ra một hình ảnh 360 độ của từng của quả dâu, cho phép mạng lưới thần kinh có thể phần tích hình ảnh và xếp hạng loại dâu trong vòng 15 mili giây dùng cho việc đóng gói mang bán hoặc đóng gói để chế biến. Với hệ thống LiDAR(là một công nghệ viễn thám chủ động dựa trên cảm biến laser. Nguyên lý hoạt động của LiDAR có thể hiểu đơn giản là: Phát một chùm tia laser tới một bề mặt và đo khoảng thời gian phản xạ lại của laser được gắn trên máy thu hoạch) được gắn trên máy thu hoạch giúp thu lại dữ liệu của cánh đồng, cây trồng và tất cả các đối tượng dưới và xung quanh máy thu hoạch. Điều này cho phép định vị chính xác hơn khi đi qua hàng dâu tây và tránh va trạm với những cây mới mọc, con người hoặc các chướng ngại vật trên đường.

Cảm biến LiDAR phát hiện người đằng trước

Robot này đi kèm với hệ thống phần mềm cung cấp thông tin có giá trị cho người trồng, với thông tin về toán bộ cánh đồng, chi tiết cây trồng và báo cáo dự đoán thời gian thực về năng suất của dâu tây, người trồng có thể đưa ra quyết định thu hoạch một cách tốt hơn.

Hệ thống phần mềm của robot -1 

Hệ thống phần mềm của robot -2

Robot này còn có khả năng thu hoạch vào ban đêm, giúp người trồng có thể tối ưu hóa lịch trình, cải thiện năng suất và tăng lợi nhuận.

Robot hái dâu tây cỡ nhỏ (dành cho dâu tây được trồng trên giàn cao)

Robot của công ty Octinion

Được phát triển bởi chuyên gia người Bỉ tên là Octinion, robot này được gọi là “Rubion” sử dụng sự kết hợp giữa công nghệ photonics(hay còn gọi là công nghệ quang học là một lĩnh vực công nghệ chuyên về sử dụng ánh sáng để thực hiện các ứng dụng khác nhau, Rubion sử dụng công nghệ này để tạo hình ảnh và quét các vật thể phía trước) thông minh và cơ chế kẹp cải tiến để có thể thu hoạch 360kg dâu tây mỗi ngày. Theo công ty, con số này tương đương với 50kg của một người khi tự thu hoạch.

Hình ảnh robot

Rubion sử dụng cảm biến quang học để phát hiện các bước sóng ánh sáng hoặc “dấu vết” được phát ra từ quả dâu chín màu đỏ dựa trên một tập hợp các đặc điểm đã được lập trình cho máy, điều này là do camera RGB đã được tích hợp vào “mắt” của robot để có thể thu nhận lại các hình ảnh phía trước.

Cánh tay robot đang làm việc

Các nhà phát triển cho biết, robot sẽ hái từng quả dâu tây được trồng trên luống cao cách mặt sàn vài trăm centimet và có thể phân loại dâu tây theo kích cỡ hoặc trọng lượng rồi có thể đóng gói thành từng túi trong khi quá trình thu hoạch đang diễn ra

Robot đang thu hoạch và phân loại - 1

Robot đang thu hoạch và phân loại - 2

Robot đang thu hoạch và phân loại -3

Cánh tay robot

Robot Rubion có thể thu thập 11.500 quả dâu (tương đương 180kg đến 360kg) trong 16 tiếng mỗi ngày mà không có quả dâu nào bị dập. Hơn nữa với cơ thế cánh tay đã được cấp bằng sáng chế, robot hái dâu có thể hái dâu tây chín bằng cách dùng tia laser xác định quả dâu chính sau đó thu hoạch quả dâu đó bằng cách “nắm” quả dâu từ phía dưới và bẻ ngang. Điều này giúp đảm bảo quả dâu không bị dập trong quá trình thu hoạch.

Robot đang hái dâu tây -1

Robot đang hái dâu tây -2

Robot hái dâu tây cỡ nhỏ - đang trong quá trình phát triển (dành cho dâu tây được trồng trên giàn cao)

Robot của công ty IAV

IAV là một trong những công ty khởi nghiệp đầu tiên ở Đức. Được đăng ký là một công ty con của Đại học Kỹ thuật Berlin đang nghiên cứu và phát triển robot hỗ trợ thu hoạch dâu tây cùng với các doanh nghiệp nông nghiệp lớn ở Đức. Nông dân ở Đức hiện đang phải đối mặt với nhiều thách thức to lớn, việc bón phân cần phải giảm đi đồng thời thiếu hụt đi lực lượng lao động đáng kể. Để đảm bảo rằng những trang trại này có thể tiếp tục sản xuất ra nông sản trong tương lai, IAV đã và đang phát triển các hệ thống robot để có thể phù hợp với nhu cầu của thị trường hiện nay.

Hình ảnh robot IAV

Đặc điểm nổi bật về công nghệ

• Tay kẹp hình cái kéo được cấp bằng sáng chế

Dâu tây là một loại quả dễ bị dập nếu tác động mạnh. Việc hái chúng đòi hỏi rất nhiều sự khéo léo để tránh làm hỏng quả và đặt chúng vào rổ mà không làm dập quả. Do đó, tay kẹp hình cái kéo được cấp bằng sáng chế đã gắp dâu tây bằng cách cắt quả dâu ở cuống, đồng thời nắm chặt để ngăn quả bị rơi xuống và cẩn thận đặt chúng vào rổ. Ngoài ra, công cụ này còn có khả năng chống nước bắn vào và có thể chịu được nhiều mức độ ẩm khác nhau.

Tay kẹp hình kéo - 1

Tay kẹp hình kéo - 2

• Công nghệ tầm nhìn

Việc sử dụng công nghệ thị giác máy tính, tức là sự tương tác giữa máy ảnh, điện toán đám mây và trí tuệ nhận tạo làm tăng đáng kể tỷ lệ phát hiện ra trái cây mục tiêu. Để làm được điều này, công ty đã sử dụng hàng nghìn hình ảnh về các loại dâu tây vào các nhiều thời điểm trong ngày khác nhau để có thể tối ưu hóa thuật toán, xác định chính xác vị trí của từng quả dâu tây và xác định độ chín của quả.

• Phát hiện quả ngay cả hàng dâu tây đằng sau

Robot thu hoạch có thể phát hiện ra những quả dâu chính được bao phủ bởi những lá và quả còn xanh. Trí tuệ nhân tạo của máy có thể định vị chính xác cả quả xanh và quả đỏ để chiếc tay kẹp có thể di chuyển một cách an toàn xung quanh những quả chưa chín và thu hoạch một cách chính xác ở hàng dâu đằng sau.

Robot đang thu hoạch quả dâu tây đằng sau

• Thời gian thu hoạch của máy có thể lên đến 20 tiếng

Hệ thống chiếu sáng ban đêm được tích hợp để robot có thể tiếp tục thu hoạch sau khi mặt trời lặn, liên tục với chất lượng như nhau tại mọi thời điểm. Pin thay thế được tích hợp trong hệ thống ngăn kéo đảm bảo robot không bị hết điện, không cần sạc lâu.

Đèn giúp thu hoạch vào ban đêm

• Tự động di chuyển độc lập để thu hoạch

Hệ thống robot di chuyển độc lập trên một bộ đơn vị điều khiển. Hệ thống robot này được sử dụng trong các khu vực trồng thành giàn dài, trong đó các hộp trồng được gắn lên các chân đỡ ở độ cao khoảng một mét để có thể thu hoạch. Đặc biệt là không cần cơ sở hạ tầng phức tạp như đường ray để có thể thu hoạch.

Robot đang di chuyển trên đường

• Kiểm tra độ bền chuyên sâu

Robot này đã trải qua các bài kiểm tra đồ bền tại cơ sở của các đối tác dự án của công ty và các thiết bị kiểm tra được phát triển và xây dựng đặc biệt cho mục đích này. Trong suốt các cuộc thử nghiệm này, robot đã thực hiện an toàn 3.5 triệu lần cắt và làm việc trong khoảng 2.500 giờ. Do đó, cả về số lượng và chất lượng cũng như tính bền bỉ của phần cứng và phần mềm đều có thể được đảm bảo trong công việc thu hoạch dâu tây.

Kiểm tra độ bền chuyên sâu

• Các công nghệ đã được kiểm chứng từ ngành công nghiệp ô tô

Các kỹ sư của công ty đã thường xuyên đưa những con robot hoàn chỉnh xuống đường để có thể thử nghiệm di chuyển hàng chục ki-lô-mét trong vòng nhiều năm. Nhóm kỹ sư đã phát triển hệ thống của robot dựa trên hệ thống của xe hơi do các cơ quan có thẩm quyền quy định. Họ đảm bảo rằng robot thu hoạch của họ có thể đáp ứng được các tiêu chuẩn an toàn tương tự. Sản phẩm này là sự tích hợp của nhiều năm kinh nghiệm trong nhiều lĩnh vực khác nhau như quy trình tự động hóa, nhận diện đối tượng, công nghệ điều khiển, trí tuệ nhân tạo và thiết kế tối ưu hóa sản xuất.

Robot này sẽ di chuyển tự động qua các lối trồng cây bằng giàn trồng trên cao. Lúc này, cánh tay robot được trang bị camera và hệ thống kẹp được cấp bằng sáng chế, sử dụng điện toán đám mây và trí tuệ nhân tạo để xác định vị trí dâu tây, xác định độ chín của quả và xếp chúng vào giỏ một cách an toàn sau khi tách dâu tây ra khỏi cuống.

Robot đang di chuyển giữa các lối trồng cây

Cánh tay kẹp vào cuống để hái dâu - 1

Cánh tay kẹp vào cuống để hái dâu - 3

Cánh tay kẹp vào cuống để hái dâu - 4

Thử thách của robot hái dâu tây

Những lợi ích mà loại robot này mang lại cho nông dân rất nhiều. Trang trại của họ có thể hoạt động hiệu quả hơn, linh hoạt hơn và có thể dự đoán được sản lượng, từ đó tăng năng suất. Hệ thống robot này không chỉ dừng lại ở việc hái dâu tây mà còn được mở rộng quy mô để thích ứng với các loại mục tiêu khác, chẳng hạn như cà chua hoặc ớt. Nhưng robot hái dâu tây vẫn chưa sẵn sàng để sử dụng phổ biến. Thật vậy, bất chấp những tiến bộ công nghệ to lớn và ứng dụng của robot hái dâu, vẫn có những nhiệm vụ mà robot dâu tây cần được hỗ trợ để hoàn thành. Hiện nay vẫn còn một số thách thức mà robot hái dâu tây cần phải đối phó và giải quyết.

Khả năng lựa chọn dâu tây

Robot thu hoạch dâu tây có thể thực hiện công việc một cách hoàn hảo trong phòng thí nghiệm. Nhưng thế giới thực không hoàn toàn như vậy. Dù có khả năng nhìn dưới lá nhưng những ai làm nghề hái dâu đều biết rằng có một số quả dâu rất khó tìm. Chúng làm tổ phía sau và dưới lá, thân cây. Cánh tay dâu có thể gặp khó khăn khi chọn những quả dâu tây khó tiếp cận do chúng có những cánh tay cơ khí cỡ lớn. Ngoài ra, vẫn có khả năng quả dâu tây bị thối hoặc bị bệnh vô tình được đặt cùng với những quả còn lại (mặc dù phần mềm được cho là sẽ giảm hoặc loại bỏ những lỗi này)

Lực tác động

Dâu tây là một loại quả dễ bị tổn thương. Cách những cánh tay robot năm chặt quả dâu có thể làm quả dâu bị dập. Mặc dù lực có thể được lập trình vào chuyển động, tuy nhiên một số quả dâu không thể dễ dàng tách khỏi cây như những quả khác. Độ bám và độ chắc của việc thu hoạch có thể làm hỏng quả hoặc cây nếu robot giữ quá chắc hoặc dâu tây có thể trượt khỏi tay cầm nếu tay cầm không được chắc chắn

Chi phí lắp đặt

Chi phí lắp đặt liên quan đến robot hái dâu hoặc bất kì thiết bị nông nghiệp hiện đại đều khá đắt đỏ, những công nghệ mới như thế này hiếm khi rẻ sau khi ra mắt.

Tương lai của robot hái dâu tây

Tương lai có thể mang lại những sự điều chỉnh tinh vi hơn cho loại robot này (và thậm chí là sự phát triển của các robot thu hoạch dâu tây khác). Các thử thách nêu trên cũng có khả năng được giải quyết thông qua những đổi mới hoặc cải tiến công nghệ bổ sung. Có thể vì một lý do nào đó robot hái dâu tây khiến bạn không an tâm giao phó để thu hoạch, bạn sẽ luôn có thể tự thu hoạch quả tại nhà. Tuy nhiên, khả năng cao mà một robot thu hoạch dâu tây sẽ thu hoạch hoàn hảo những quả dâu tây mà bạn mua trong tương lai sẽ là không quá xa.

Nguồn tham khảo

Trong quá trình tìm hiểu thông tin để hoàn thiện bài viết này, chúng tôi có tham khảo một số dữ tiệu theo đường link dưới đây. Chúng tôi xin chân thành cám ơn các tác giả (tên được in đậm ngay sau tên tư liệu). Chúng tôi cũng không chịu bất cứ trách nhiệm gì nếu nội dung tham khảo bị thay đổi bởi bên thứ ba sau khi chúng tôi đăng bài viết này.

• 1. Strawberry Picking Robot , nguồn Strawberry Picking Robot
• 2. Technology , nguồn Harvest CROO Robotics
• 3. Robotic strawberry picker cre-ated in Tampa Bay to deal with shrinking labor force , nguồn ABC Action news
• 4. Autonomous Robotic Strawberry Harvesting - Harvest CROO, Tampa Florida - video f-rom TV Wissen , nguồn Harvest CROO
• 5. Strawberry-picking robots to gather fruit for Wimbledon fans , nguồn Engineering and technology
• 6. Prototype Octinion Strawberry picking robot , nguồn Octinion
• 7. Ripe for the future – with our harvesting robot , nguồn IAV

Tác giả bài viết
Trần Đức Anh