Robot thu hoạch nông sản có chọn lọc: thực trạng nghiên cứu, hạn chế và giải pháp cải thiện cơ bản

1. Tình hình nền nông nghiệp hiện nay

Nông nghiệp hiện nay là ngành kinh tế quan trọng bậc nhất trên thế giới nói chung, cũng như Việt Nam nói riêng. Cả ở quá khứ, hiện tại và tương lai nó cũng sẽ là nhân tố ảnh hưởng một cách trực tiếp và mạnh mẽ đến sự ổn định cũng như phát triển của các nước trên thế giới. Nó mang lại cho đất nước đó một nguồn thu khá lớn, từ đó, có thể đời sống của người dân cũng có thể được cải thiện hơn. Có thể thấy, ngành nông nghiệp là ngành có sức ảnh hưởng đến khá nhiều các lĩnh vực khác của nền kinh tế, ví dụ như nông dân, nhà hàng, siêu thị,... đều phải theo dõi một cách chi tiết sự thay đổi của ngành nông nghiệp để có thể nắm bắt một cách kịp thời để đưa ra những phương án làm tiền đề để phát triển trong những năm tiếp theo. Tuy nhiên, nền nông nghiệp hiện nay đang vướng phải một trở ngại vô cùng to lớn đó là thiếu thốn về nguồn nhân lực. Đây là một thách thức được coi là có thể làm nền nông nghiệp bị biến động một cách mạnh mẽ. Mặc dù dân số đang tăng lên, dự kiến sẽ đạt gần mười tỷ người vào năm 2050, nhưng ngành nông nghiệp đang thiếu lao động ở mức báo động do dân số nông dân già đi và đô thị hóa.

Tình hình nền nông nghiệp hiện nay

Tuy nguồn lao động bị thiếu hụt nặng nề như vậy nhưng nhu cầu về sản phẩm nông nghiệp trên thế giới đang ngày càng tăng lên với một tốc độ chóng mặt. Ước tính cần tăng 50% năng suất nông nghiệp trong 30 năm tới để cung cấp đủ thực phẩm, thức ăn, nhiên liệu và sợi cho dân số thế giới. Nếu nguồn nhân lực không được đảm bảo thì các giai đoạn của nông nghiệp từ gieo trồng, chăm sóc, thu hoạch sẽ bị ngưng trệ, không đảm bảo để đáp ứng đủ cho nhu cầu của người dân. Có thể nói giai đoạn thu hoạch là giai đoạn bị ảnh hưởng nặng nề nhất. Vì với các sản phẩm nông nghiệp, chúng ta có thể thấy, có nhiều sản phẩm phải được thu hoạch một cách đồng loạt, cùng một thời điểm. Nếu không thu hoạch chúng một cách kịp thời, sẽ khiến chúng bị hư hỏng, gây tổn thất nặng nề cho người nông dân. Các loại cây trồng như lúa mì, ngô và khoai tây chín đồng loạt trên cánh đồng, cho phép thu hoạch hàng loạt hiệu quả lúc một thời điểm bằng máy móc lớn. Ngược lại, các loại cây trồng có giá trị cao như táo, cà chua và bông cải xanh chín không đồng đều và yêu cầu thu hoạch chọn lọc chỉ những quả chín. Các loại cây trồng nhiều năm, như táo và nho, hơn nữa, yêu cầu rằng cây không bị hư hại trong quá trình thu hoạch. Việc thu hoạch vốn đã khó khăn nay lại trở nên khó khăn hơn vì phải chọn lọc một cách kỹ lưỡng và trở thành một trong những công việc tốn nhiều lao động và đắt đỏ nhất của ngành nông nghiệp.

2. Tầm quan trọng của robot thu hoạch nông sản có chọn lọc

Ngày nay, với sự phát triển ngày càng mạnh mẽ, hiện đại, tiên tiến của công nghệ, khoa học kỹ thuật, trí tuệ nhân tạo thì việc ứng dụng chúng vào nông nghiệp nói chung cũng như việc thu hoạch nói riêng, cụ thể là những chú robot thu hoạch có chọn lọc là một điều tất yếu đã, đang xảy ra và sẽ được cải tiến và hoàn thiện trong thời gian tới. Việc thu hoạch bằng robot còn có thêm rất nhiều lợi ích. Ví dụ như năng suất thu hoạch của con người có thể biến đổi, lúc nhanh lúc chậm nhưng robot thì hoạt động một cách nhất quán, không có sự thay đổi, thời gian cho mỗi lần thu hoạch là như nhau giúp tăng năng suất thu hoạch. Hơn nữa, song song với công việc thu hoạch, robot có thể kiểm tra cây trồng để phát hiện bệnh tật và theo dõi sự phát triển của cây trồng. Điều này cho phép cải thiện được những thiếu sót trong trồng trọt, đem lại mùa màng bội thu. Tuy nhiên, công việc thu hoạch có chọn lọc không phải là một công việc dễ dàng cho robot, điều này được minh họa bởi việc hiện nay hầu như không có hoặc có rất ít robot thu hoạch chọn lọc trên thị trường. Chính vì vậy, hiện nay có khá nhiều các giáo sư, tiến sĩ, nhà nghiên cứu đã và đang bắt tay vào quá trình nghiên cứu và phát triển các loại robot thu hoạch có chọn lọc và cũng có một vài chú robot đã được đưa vào thử nghiệm.

3. Thách thức đặt ra cho việc nghiên cứu và phát triển robot thu hoạch có chọn lọc

Có ba thách thức chính trong việc phát triển một robot thu hoạch chọn lọc đã được các chuyên gia xác định: robot phải thích nghi được với sự biến đổi của cây trồng, trang bị thông tin đầy đủ cho robot và đảm bảo không ảnh hưởng đến sản phẩm được thu hoạch.

Thứ nhất, phải thích nghi được với sự biến đổi của cây trồng, của điều kiện tự nhiên

Khác với những chú robot hoạt động trong ngành công nghiệp sản xuất, làm việc trong môi trường có nhiều đối tượng nhân tạo (máy móc thiết bị hiện đại) và có thể kiểm soát được bởi con người, những chú robot nông nghiệp thì hoạt động trong môi trường không thể kiểm soát được bởi con người do nhiều yếu tố, yếu tố ảnh hưởng nhiều nhất có thể kể đến là môi trường tự nhiên. Khi môi trường tự nhiên thay đổi dẫn đến nhiều sự biến đổi về cả bên ngoài và bên trong đối với cây trồng. Đầu tiên, có sự biến đổi, khác biệt về hình dạng, tính chất, màu sắc và kích thước. Mỗi một loại cây, một loại quả khác nhau sẽ có hình dạng, tính chất, màu sắc, tính chất khác nhau, nó có thể thay đổi theo thời gian trong mùa. Thứ hai, do sự thay đổi thất thường của thời tiết hoặc kiểm soát khí hậu trong nhà, gây ra sự biến đổi về sự phát triển của từng loại cây trồng, ví dụ, ánh sáng, độ ẩm và nhiệt độ. Thứ ba, có sự biến đổi trong hệ thống trồng trọt. Mỗi một người nông dân họ lại có những sở thích cá nhân về cách mà họ trồng cây trồng của mình, ví dụ, cơ sở hạ tầng, tưới tiêu, loại đất và phương pháp cắt tỉa, dẫn đến các loại cây có tốc độ tăng trưởng khác nhau.

Sự biến đổi thất thường của điều kiện tự nhiên

Đây sẽ là thách thức quan trọng đầu tiên trong quá trình nghiên cứu và phát triển những chú robot, sao cho những chú robot đó có thể làm việc được dưới nhiều điều kiện khác nhau, có thể làm việc ở mọi môi trường, và có trí tuệ thông minh có thể xác định được chính xác loại quả cần thu hoạch, dễ dàng thích nghi được với sự biến đổi của cây trồng. 

Thứ hai, trang bị thông tin đầy đủ cho robot

Môi trường trồng cây được coi là rất lộn xộn và phức tạp, các loại nông sản cần thu hoạch có thể sẽ bị che khuất một phần hoặc hoàn toàn bởi các bộ phận khác của cây như lá, hoa,... hoặc các cây khác xung quanh,... Tầm nhìn, khả năng quan sát của những chú robot thu hoạch có chọn lọc có thể sẽ bị hạn chế và chúng sẽ hoạt động với trạng thái các thông tin không được đầy đủ và chắc chắn. Bên cạnh đó, hệ thống cảm biến, nhận diện có thể bị nhiễu và không chính xác do sự biến đổi của yếu tố bên ngoài tác động như thời tiết.  Ngoài ra, sự phát triển của cây trồng và sự hiện diện của dịch hại và bệnh tật có thể không được tích hợp đầy đủ và chính xác làm cho robot không thể xác định một cách chính xác. Có thể thấy môi trường làm việc của một chú robot thu hoạch có chọn lọc sẽ rất phức tạp và lộn xộn. Vì vậy đây là thách thức thứ hai mà các chuyên gia đặt ra để có thể nghiên cứu ra chú robot có thể được trang bị thông tin một cách chi tiết và đầy đủ nhất về nông sản cần thu hoạch. 

Thứ ba, đảm bảo không ảnh hưởng đến sản phẩm được thu hoạch

Robot thu hoạch có chọn lọc cũng cần phải đảm bảo sao cho sản phẩm được thu hoạch tránh được những hư hỏng như dập, nát. Hầu hết các loại trái cây và rau củ rất dễ bị hư hỏng, dập nát làm cho giá trị sản phẩm sẽ bị giảm. Trong trường hợp xấu nhất, quá trình thu hoạch làm hư hại đến cây trồng của nông sản đó có thể làm cắt đứt sự phát triển của chúng. Do đó, robot thu hoạch chọn lọc cần phải được thiết kế linh hoạt, thao tác nhẹ nhàng, có khả năng nắm bắt và thao tác thu hoạch một cách cẩn thận.
Hiện nay đã có rất nhiều những chú robot được nghiên cứu, phát triển và chế tạo phục vụ cho việc thu hoạch nông sản một cách có chọn lọc. Chúng được nghiên cứu với mục đích có thể tự động di chuyển, tự động phát hiện ra sản phẩm cần thu hoạch, phân biệt những nông sản đủ điều kiện với nông sản chưa đủ điều kiện để thu hoạch, sau đó sử dụng bộ phận dao, kéo,... được tích hợp để cắt những nông sản đó và đưa về nơi tập kết. Có thể nói, đây là bước tiến lớn của nền nông nghiệp, có thể giải quyết được vấn đề thiếu nguồn lao động cũng như tăng năng suất mà chất lượng nông sản vẫn được đảm bảo.

Ảnh hưởng đến hình dạng, kích thước nông sản

4. Công nghệ tiên tiến, hiện đại trong quá trình nghiên cứu và phát triển robot thu hoạch có chọn lọc trong nhà kính.

Thực trạng hiện nay, các kỹ sư, nhà nghiên cứu đã ứng dụng các công nghệ hiện đại, tiên tiến như trí tuệ nhân tạo (AI), cảm biến,... vào việc nghiên cứu và phát triển những chú robot thu hoạch có chọn lọc. Có rất nhiều mô hình trồng trọt được áp dụng hiện nay, có 3 mô hình chính được các nhà nghiên cứu sử dụng để chế tạo ra những chú robot thu hoạch có chọn lọc trong mô hình ấy. Những mô hình ấy bao gồm: nhà kính, vườn cây ăn trái và đồng ruộng rộng lớn. Hãy cùng theo chân mình để tìm hiểm xem những chú robot thu hoạch có chọn lọc này được phát triển như thế nào trong 3 mô hình trồng trọt trên nhé!

4.1. Nhà kính là gì? Tình hình trồng cây trong nhà kính hiện nay.

Nhà kính là một mô hình trồng trọt hiện đại, mô hình này được thiết kế với tường và mái làm bằng kính hoặc các vật liệu tương tự kính như màng nhà kính PE, tấm nhựa lấy ánh sáng polycarbonate,... Được áp dụng để trồng các loại rau, củ, quả, vì những loại vật liệu xây dựng nên nhà kính có tác dụng giúp chúng có thể tránh khỏi các tác động nhất thời của thời tiết như mưa, gió, bão, ngập lụt và các điều kiện thời tiết khắc nghiệt khác của môi trường. Ngoài ra, nhà kính còn có khả năng bảo vệ cây trồng khỏi các loại sâu bệnh nguy hiểm, phá hoại, đồng thời cung cấp nhiệt độ và độ ẩm thích hợp cho cây trồng phát triển một cách tốt nhất, tăng năng suất. Chính vì vậy, các loại cây trái được trồng bên trong nhà kính luôn được bảo vệ tốt hơn so với những loại cây ở ngoài tự nhiên và mang lại giá trị cao hơn. Tuy nhiên, việc xây dựng nhà kính đòi hỏi khoản chi phí đầu tư ban đầu khá lớn, đồng thời cần sự chăm sóc và quản lý cẩn thận và kỹ lưỡng.

Nhà kính

Hiện nay, mô hình trồng trọt trong nhà kính đang được nhiều nông dân và nhà vườn áp dụng. Vì mô hình này có thể giúp bà con nông dân kiểm soát được các loại sâu bệnh phá hoại cây trồng, đồng thời mang về nguồn nông sản sạch, thu được nhiều nông sản, năng suất cao. Cây trồng sinh trưởng và phát triển bên trong nhà kính sẽ được cung cấp nhiệt độ và độ ẩm thích hợp ngay cả khi nhiệt độ ngoài trời biến động thất thường. Chúng có vai trò cách nhiệt giữa bên trong và bên ngoài nhà kính, nó có thể làm hạ nhiệt khi thời tiết ngoài trời đang nắng nóng và có thể làm tăng nhiệt độ để giữ ấm cho cây trồng trong nhà kính khi ngoài trời lạnh. Độ ẩm bên trong không gian nhà kính luôn được điều chỉnh và duy trì một cách ổn định, giúp cây trồng có điều kiện để phát triển tốt nhất. Mô hình trồng cây trong nhà kính này thường được áp dụng để trồng các loại cây rau, hoa hoặc quả trái mùa vụ giúp cung cấp, phục vụ cho nhu cầu của người tiêu dùng không bị gián đoạn.

4.2. Nên trồng các loại cây nào trong nhà kính? Ưu điểm của việc trồng cây trong nhà kính.

4.2.1. Nên trồng các loại cây nào trong nhà kính

Nhà kính được áp dụng cho nhiều loại phương thức canh tác khác nhau với một mục đích chung là mang lại môi trường sống, sinh trưởng và phát triển tốt nhất cho cây trồng. Từ đó giúp nâng cao năng suất cây trồng và chất lượng của sản phẩm thu hoạch được. Một số phương thức canh tác nông nghiệp, các loại cây, rau, củ thường được áp dụng trồng trong nhà kính:

• Các loại rau được sử dụng ăn uống hàng ngày như xà lách, rau cải, ớt, cà chua, dưa chuột (dưa leo),… Khi trồng trong nhà kính, các loại rau này được bảo vệ tốt nên không cần sử dụng bất kì một loại thuốc trừ sâu nào, đảm bảo an toàn cho người tiêu dùng. Bên cạnh đó nó cũng mang lại giá trị kinh tế cao.

• Các loại hoa có giá trị kinh tế cao như hoa hồng, hoa cúc, hoa phong lan,… Nó có giá trị kinh tế cao vì rất khó chăm sóc, chúng đòi hỏi môi trường chăm sóc với điều kiện phù hợp để có thể mang lại giá trị cao về mặt kinh tế cũng như thẩm mỹ cao. Vì vậy, nhà kính sẽ là mô hình vô cùng lý tưởng để trồng các loại hoa này.

• Các loại cây ăn quả như dâu tây, nho, dưa lưới,... là các loại cây có giá thành khá cao trên thị trường. Vì vậy, để sản phẩm thu hoạch được đạt năng suất và chất lượng cao tương xứng với giá thành thì ngoài việc đảm bảo dinh dưỡng cho cây trồng thì chúng cũng cần phải có môi trường tốt. Tất cả những điều kiện này đều được thiết kế trong nhà kính, vận nên cây trồng sẽ được đảm bảo khi được trồng bên trong nhà kính.

• Ngoài các loại cây trồng trồng trên đất thì có thể ứng dụng mô hình trồng thủy sinh trong nhà kính. Đây là phương thức canh tác nông nghiệp hiện đại, sử dụng chất lỏng có chứa các chất dinh dưỡng nạp thông qua các đường ống để cây trồng có thể hấp thụ và phát triển một cách dễ dàng.

4.2.2. Ưu điểm của việc trồng cây trong nhà kính

Vấn đề vệ sinh an toàn thực phẩm từ trước đến nay vẫn luôn là một vấn đề hết sức nhức nhối của xã hội. Nhiều những loại nông sản, thực phẩm bẩn không đảm bảo an toàn tràn lan trên thị trường dẫn đến sức khỏe của người dân bị giảm sút. Nhiều năm trở lại đây, mô hình trồng cây trong nhà kính được áp dụng rất phổ biến nhờ những ưu điểm tuyệt vời mà nó mang lại giúp cho người tiêu dung có một phần nông sản sạch để sử dụng mà không lo sức khỏe bị ảnh hưởng.

Ưu điểm của việc trồng cây trong nhà kính

Một số ưu điểm của việc trồng cây trong nhà kính cần phải kể đến như:

• Cây trồng được chăm sóc và bảo vệ tốt nhất: Chúng sẽ không bị chịu tác động ảnh hưởng bởi các yếu tố bên ngoài môi trường như thời tiết, khí hậu, Và vẫn được chăm sóc, cung cấp đầy đủ chất dinh dưỡng, độ ẩm cần thiết để sinh trưởng và phát triển.

• Tạo môi trường sống ổn định cho cây trồng: Nhiệt độ trong nhà kính luôn ở mức ổn định, ấm áp vào mùa đông, mát mẻ vào mùa hè mang đến môi trường sống tốt cho cây trồng. Ngoài ra nhà kính được thiết kế với khả năng lấy sáng tốt, đảm bảo lấy đủ ánh sáng để cung cấp cho cây trồng.

• Tránh được nhiều tác nhân gây hại cho cây trồng: Nhà kính sẽ che chắn các loại cây trồng khỏi các tác nhân gây hại như côn trùng, giúp bà con không cần lo lắng về vấn đề sâu bệnh của cây trồng, chăm sóc cây trồng nhàn hạ hơn mà không cần lạm dụng các loại thuốc trừ sâu hay thuốc bảo vệ thực vật. Các loại nông sản sau khi thu hoạch cũng được đảm bảo sạch sẽ và an toàn cho người sử dụng.

• Nâng cao chất lượng nông sản, tăng năng suất cây trồng: Cây trồng trong nhà kính sẽ được bảo vệ một cách tốt nhất vậy nên sinh trưởng và phát triển tốt, tăng năng suất cây trồng. Bên cạnh đó các loại nông sản sau khi thu hoạch sẽ đảm bảo được độ sạch và an toàn thực phẩm hơn khi không sử dụng các loại thuốc trừ sâu, thuốc bảo vệ thực vật.

• Chất lượng nông sản đạt chuẩn: Các loại nông sản sẽ có chất lượng đồng đều, hạn chế bị hư hỏng, dập nát, đảm bảo chất lượng, đạt tiêu chuẩn trên thị trường.

4.3. Công nghệ tiên tiến, hiện đại trong robot thu hoạch có chọn lọc trong nhà kính

Ngày nay có rất nhiều các nhà kính “mọc” lên với mục đích trồng được nhiều loại cây trồng trái mùa vụ nhưng thu được năng suất cao. Vì vậy, việc thu hoạch cũng trở nên khó khăn hơn khi gặp phải nỗi lo làm sao thu hoạch được hết các sản phẩm ấy và đảm bảo chúng không bị hư hỏng khi thu hoạch, đảm bảo được tiêu chuẩn nông sản của thị trường. Nếu không thu hoạch chúng một cách kịp thời, các sản phẩm sẽ bị quá “lứa”, làm giảm giá trị và chất lượng của nông sản. Từ vấn đề trên, những chú robot thu hoạch có chọn lọc trong nhà kính đã được nghiên cứu và phát triển với công nghệ hiện đại và tiên tiến nhất. Hãy cùng theo dõi xem chúng tiên tiến, hiện đại như thế nào nhé!
Trong gần 3 thập kỷ qua đã có hơn 50 chú robot được nghiên cứu và chế tạo. Kết quả cho thấy rằng, trung bình những chú robot thu hoạch có chọn lọc này có tỷ lệ thu hoạch thành công là 66% với thời gian cho một lần thu hoạch là 33 giây. Tỷ lệ thành công cho việc định vị, phát hiện đối tượng thu hoạch và tách quả lấy ra lần lượt là 85% và 75%.
Chúng ta có những ví dụ minh họa cho việc áp dụng các công nghệ tiên tiến và hiện đại trong việc thu hoạch có chọn lọc của những chú robot sau:

4.3.1. Tiên tiến, hiện đại trong việc nghiên cứu và phát triển robot thu hoạch ớt chuông có chọn lọc

Robot thu hoạch ớt chuông có chọn lọc

Đầu tiên chúng ta có thể kể đến chú robot thu hoạch ớt chuông có chọn lọc được phát triển là sự kết hợp giữa Crops và SWEEPER cùng với những tiên tiến, hiện đại nhất trong công nghệ. Chúng được cấu tạo bao gồm một bộ điều khiển công nghiệp 6 DOF với một bộ kết thúc (bộ phận dùng để cắt, hái ớt chuông) được thiết kế đặc biệt, máy ảnh RGB-D với máy tính GPU, và một thùng chứa nhỏ để lưu trữ quả trái thu hoạch.
“Bộ điều khiển công nghiệp 6-DOF” là một thiết bị được sử dụng trong ngành công nghiệp để điều khiển các cánh tay robot có khả năng di chuyển theo 6 độ tự do (6-DoF). Thuật ngữ “DoF” là viết tắt của cụm từ “Độ tự do”, hoặc bậc tự do tương tự, và chúng được tích hợp vào chú robot để xác định loại chuyển động nào có thể được thực hiện trên một trục hoặc dọc theo một trục. Bộ điều khiển này giúp cho các cánh tay của robot có thể thực hiện các chuyển động phức tạp và đa chiều trong không gian 3 chiều. Bộ điều khiển DoF này được trang bị thêm một bộ phận kết thúc, đây được hiểu là bộ phận dùng để cắt, hái ớt chuông một cách dễ dàng và nhanh chóng mà không làm hư hỏng đến nông sản.
Máy ảnh RGB-D là một loại máy ảnh có thể cung cấp những tấm ảnh có cả dữ liệu về độ sâu, màu sắc của vật thể được chụp ngay trong thời gian đó. Nó giúp robot có thể phát hiện và xác định chính xác đối tượng (cụ thể là ớt chuông). Khi xác định được chính xác đối tượng, máy ảnh RGB-D này sẽ chụp lại và gửi về hệ thống được tích hợp sẵn. Tại đây, trung tâm máy tính GPU sẽ có nhiệm vụ là xử lý, phân tích các hình ảnh ấy để đưa kết quả xem bức ảnh đó có chứa sản phẩm đủ điều kiện thu hoạch hay không rồi báo lại cho hệ thống trung tâm để điều khiển cánh tay robot thực hiện công việc thu hoạch ớt chuông.

Robot thu hoạch ớt chuông có chọn lọc

Nhờ đâu mà trung tâm máy tính GPU có thể phân tích được những bức ảnh mà máy ảnh RGB-D chụp được? Để có thể xử lý và phân tích được những bức ảnh đó, các nhà nghiên cứu đã phải thu thập rất nhiều những hình ảnh về trái ớt chuông. Từ những trái còn non, chưa chín; những trái đã chín đủ điều kiện thu hoạch, những trái bị hư hỏng, những vật thể không phải là ớt chuông,... đều được thu thập và tích hợp vào một bộ nhớ. Khi phân tích, hệ thống GPU chỉ cần lấy ra, đối chiếu, phân tích và đưa ra kết luận cuối cùng rằng đó có phải là ớt chuông không, có đủ điều kiện thu hoạch hay không rồi báo lại với cơ quan đầu não.
Chú robot thu hoạch có chọn lọc ớt chuông này còn được trang bị thêm một thùng chứa nhỏ để ớt chuông được thu hoạch và đưa về nơi tập kết.
Với sự kết hợp giữa trí tuệ và công nghệ hiện đại, sau một khoảng thời gian nghiên cứu và phát triển, chú robot này đã được đưa vào thử nghiệm khoảng 4 tuần. Kết quả là chúng đã nhận diện được 262 trái ớt chuông và có tỷ lệ thu hoạch chính xác các trái ớt chuông đủ điều kiện thu hoạch là 61%. Thời gian cho một lần thu hoạch trung bình là 24 giây bao gồm việc xả quả vào thùng và di chuyển.
Trong một dự án tương tự, robot thu hoạch ớt chuông có chọn lọc Harvey đã được phát triển và có khả năng nhận diện trên 68 quả ớt chuông. Chú robot này đã đạt được tỷ lệ thu hoạch thành công lên tới 76,5% với thời gian cho một lần thu hoạch là 36,9 giây.

4.3.2. Tiên tiến, hiện đại trong việc nghiên cứu và phát triển robot thu hoạch dâu tây.

Robot thu hoạch dâu tây có chọn lọc

Một chú robot thu hoạch dâu có chọn lọc bằng 2 tay được nghiên cứu, phát triển và được thử nghiệm tại một nhà kính trồng dâu tây tại Anh. Giống với robot thu hoạch ớt chuông có chọn lọc thì chú robot thu hoạch dâu tây cũng sử dụng bộ điều khiển công nghiệp 6 DOF. Ngoài ra, chú robot thu hoạch dâu tây có chọn lọc này sử dụng máy ảnh độ sâu Intel R200 RGB-D, bộ điều khiển 2 tay mới được phát triển cùng hai chiếc kẹp dâu tây được cải tiến và được cấp bằng sáng chế. Khi xác định chính xác trái dâu tây cần thu hoạch, bộ phận kẹp dâu tây này mở ra, nắm trọn lấy trái dâu tây. Sau đó bộ phận dao cắt được kết hợp bên trong bộ phận cầm nắm sẽ thực hiện cắt cuống dâu tây.

Robot thu hoạch dâu tây có chọn lọc

Một bộ phận cảm biến Hokuyo LIDAR được gắn trên mặt trước của robot để giúp robot có thể cảm nhận và định hình hướng đi một cách chính xác. Máy ảnh RGB-D tĩnh hướng về cùng một phía để phát hiện và định vị dâu tây một cách dễ dàng. Tất cả các bộ phận của chú robot này đều được kết nối với một máy tính xách tay (CPU Intel i5-6700 và RAM 16 GB) giúp điều khiển robot một cách dễ dàng và đơn giản và toàn bộ hệ thống được tích hợp hoàn toàn vào hệ thống điều khiển robot (ROS). Hệ thống robot này rất thông minh khi có phản ứng linh hoạt với sự thay đổi ánh sáng nhờ cảm biến hồng ngoại, giúp chúng có thể dễ dàng nhận biết được chính xác màu sắc của dâu tây mà không gặp trở ngại. Chú robot này còn được tích hợp thêm một bộ phận để đẩy các chướng ngại vật xung quanh sang một bên để có thể dễ dàng tìm thấy dâu tây. Tỷ lệ thu hoạch thành công trong điều kiện môi trường phức tạp với nhiều vật thể không phải dâu tây dao động từ 20%. Và thời gian trung bình cho một lần thu hoạch của chú robot này là 4,6 giây.

5. Công nghệ tiên tiến, hiện đại trong robot thu hoạch có chọn lọc trong vườn cây ăn trái

5.1. Vườn cây ăn trái là gì?

Vườn cây ăn trái hay còn được gọi là vườn cây ăn quả hoặc gọi vắn tắt với cái tên vườn trái cây là một vườn cây được cải tạo, khai khẩn để trồng các loại cây ăn trái, cây quả mọng, các loại cây bụi,... nhằm sản xuất và cung cấp lương thực cho chính hộ gia đình hoặc cung cấp các sản phẩm trái cây ra ngoài thị trường. Vườn cây ăn trái có nhiều ưu điểm nổi trội như dễ trồng, ít tốn diện tích, không kén đất trồng, thích nghi tốt với nhiều điều kiện thời tiết khác nhau, ít sâu bệnh hại, cho bóng mát hoặc cây chiếm ít diện tích, không cần tưới nước. Các loại cây ăn quả dễ trồng và ít tốn công sức chăm sóc như cây lựu, cây cam, cây cóc thái, cây táo.

Vườn cây ăn trái

Mỗi một vườn cây ăn trái lại có các cách bố trí và phương pháp trồng khác nhau theo nhu cầu và mong muốn của chủ sở hữu khu vườn đó. Hiện nay, có nhiều phương pháp trồng và cách bố trí cây được những người nông dân áp dụng một cách linh hoạt. Có thể kể đến một số loại hình như: trồng cây và bố trí theo hình chữ nhật, hình lục giác, đường thẳng đồng mức, hình tam giác, hoặc kiểu ruộng bậc thang,... Các cách bố trí này được những người nông dân lựa chọn sao cho việc chăm sóc, thu hoạch cây trồng một cách tiện lợi nhất và mang lại năng suất, chất lượng nông sản tốt nhất.

5.2. Lợi ích của việc có một vườn cây ăn quả

Có cho mình một vườn cây ăn quả là ước mơ của khá nhiều người. Vì trồng một vườn cây ăn quả sẽ mang lại nhiều lợi ích đáng kể đối với chủ nhân khu vườn, với mọi người xung quanh và với môi trường sống. Dưới đây là một số lợi ích của việc có một vườn cây ăn quả:

• Cung cấp nguồn nông sản, trái cây tươi sạch: Vườn cây ăn quả cung cấp cho gia đình của chủ khu vườn nguồn thực phẩm, trái cây tươi ngon và giàu dinh dưỡng. Họ có thể thu hoạch trái cây tươi ngon và an toàn, không chất độc hại để sử dụng trong khẩu phần ăn hàng ngày của mình và gia đình.

• Tiết kiệm tiền bạc, tăng nguồn thu nhập: Có một vườn cây ăn quả có thể giúp tiết kiệm được kha khá tiền bạc. Thay vì phải mua trái cây trên thị trường từ cửa hàng hoặc siêu thị, bạn có thể tự trồng và thu hoạch trái cây tại nhà. Nó sẽ giúp bạn giảm chi phí mua hàng và tiết kiệm được chi phí vận chuyển và bảo quản. Bên cạnh đó, nếu bạn trồng cây ăn trong trong một vườn cây lớn, bạn có thể mang chúng bán ra ngoài thị trường, mang lại nguồn thu nhập đáng kể cho bản thân và gia đình.

  
  Lợi ích của việc có cho mình một vườn cây ăn quả

• Giảm chất độc hại, bảo vệ môi trường: Bạn có thể kiểm soát việc sử dụng chất phụ gia, thuốc trừ sâu, thuốc bảo vệ thực vật và an toàn hơn về chất lượng thực phẩm mà bạn, gia đình bạn sử dụng hoặc người tiêu dùng ngoài thị trường nếu bạn bán các loại trái cây ấy ra ngoài.

• Tạo môi trường sống lành mạnh: Vườn cây ăn quả không chỉ mang lại lợi ích cho chủ sở hữu khu vườn mà nó còn tạo ra một môi trường sống lành mạnh. Những loại cây trồng giúp làm tươi tự nhiên, làm sạch không khí xung quanh bằng việc hấp thụ khí CO2 do con người thải ra và giải phóng Oxy cho con người hấp thụ. Bên cạnh đó, vườn cây ăn quả còn cung cấp bóng mát, giúp làm hạ nhiệt độ, sẽ là nơi nghỉ ngơi của những người nông dân khi đang làm việc trong khu vườn mà cảm thấy mệt và là nơi ẩn náu cho các loài động vật và côn trùng,...

5.3. Công nghệ tiên tiến, hiện đại trong robot thu hoạch có chọn lọc trong vườn cây ăn trái

Ngày nay có rất rất nhiều những vườn cây ăn quả được những người nông dân trồng, ngoài mục đích tạo nguồn nông sản, trái cây tươi sạch cho chính họ và gia đình của họ, thì họ còn trồng vườn cây ăn trái với mục đích cung cấp trái cây ra bên ngoài thị trường, mang lại nguồn thu nhập. Cũng chính vì lý do trên mà những khu vườn trái cây ngày càng nhiều và rộng lớn, việc thu hoạch cũng trở thành một vấn đề nan giải. Với một khu vườn trái cây lớn như vậy, một mình người chủ khu vườn không thể nào có thể thu hoạch được hết lượng trái cây khổng lồ như vậy, bắt buộc họ phải thuê thêm nhân công để thu hoạch, tránh để trái cây bị quá lứa, hư hỏng ảnh hưởng đến chất lượng trái cây. Tuy nhiên, nguồn nhân lực lao động nói chung, cũng như nguồn nhân lực cho nông nghiệp nói riêng đang thiếu một cách đáng báo động. Vậy nên, buộc chúng ta phải có những giải pháp ứng phó kịp thời. Một trong số những giải pháp đã được các nhà nghiên cứu vạch định ra là chế tạo ra những chú robot thu hoạch trái cây có chọn lọc trong vườn cây ăn quả. Những chú robot này được nghiên cứu và chế tạo dựa trên công nghệ tiên tiến, hiện đại nhất, giúp ích cho những người nông dân trong quá trình thu hoạch.
Khác với các loại cây trồng trong nhà kính, môi trường xung quanh cây trồng  trong vườn trái cây rất phức tạp và chịu nhiều tác động bởi các điều kiện tự nhiên như khí hậu, nhiệt độ, thời tiết làm cho các loại trái quả mặc dù cùng một cây nhưng có những hình dạng và kích thước khác nhau. Đây cũng là một vấn đề được nghiên cứu để phát triển robot sao cho toàn diện nhất. Có một ưu điểm của cây trồng trong vườn cây ăn quả là các loại cây trong vườn cây ăn quả thường được trồng trong nhiều năm, tương đối cứng cáp, chắc chắn sẽ làm giảm hư hỏng trái cây do robot gây ra.
Chúng ta hãy cùng theo dõi và tìm hiểu một số ví dụ về những chú robot thu hoạch trái cây có chọn lọc trong vườn trái cây được phát triển dựa trên công nghệ tiên tiến, hiện đại nhé!

5.3.1. Tiên tiến, hiện đại trong việc nghiên cứu và phát triển robot thu hoạch táo có chọn lọc

Táo là một trong những loại quả vô cùng thơm ngon và bổ dưỡng đối với sức khỏe của con người. Vì vậy ngày càng nhiều nhà vườn đổ xô đi trồng táo để có thể mang lại nguồn thực phẩm cho gia đình và thị trường. Từ đó, vấn đề thu hoạch táo cũng trở nên khó khăn hơn. Nắm bắt được tình hình ấy, Silwal và các thành viên trong nhóm nghiên cứu của mình đã nghiên cứu, phát triển và trình bày một thiết kế mới là chú robot thu hoạch táo hoàn toàn mới trên thị trường.

Robot thu hoạch táo có chọn lọc

Chú robot này được tích hợp cấu hình máy ảnh toàn cầu, bộ điều khiển công nghiệp 7 DOF, và bộ phận cánh tay robot dùng để thực hiện việc hái trái cây với những chiếc dao, kéo được tích hợp. Điều đặc biệt và hiện đại hơn so với những chú robot thu hoạch khác, chú robot thu hoạch toán này sử dụng bộ điều khiển chuyển động 7 DOF có thể thực hiện tất cả các chuyển động của hệ thống 6 DOF (3 trục xoay và 3 trục dịch chuyển) và thêm một trục xoay nữa. Điều này giúp cho chú robot có thể thực hiện các chuyển động phức tạp hơn. Tỉ lệ thu hoạch thành công tổng thể của chú robot này là 84%, với thời gian hái trung bình là 6,0 giây cho mỗi trái.
Ngoài ra, còn có chú robot thu hoạch táo do Zhao và nhóm nghiên cứu của mình phát triển với cấu trúc DOF có 5 nút tùy chỉnh để có thể đơn giản hóa việc điều khiển, di chuyển và tránh chướng ngại vật một cách dễ dàng. Cánh tay của robot thu hoạch này được thiết kế hình dạng chiếc thìa bao gồm cảm biến áp suất để điều khiển lực nắm, thả táo và dao cắt sắc bén để thu hoạch táo. Trong một thử nghiệm với 39 quả táo, tỷ lệ thu hoạch thành công của robot này là 77% với thời gian thu hoạch trung bình khoảng 15 giây cho một trái. 

Robot thu hoạch táo có chọn lọc

5.3.2. Tiên tiến, hiện đại trong việc nghiên cứu và phát triển robot thu hoạch cam có chọn lọc

Đối với chú robot thu hoạch cam, một bộ điều khiển dịch chuyển và xoay tách rời được nghiên cứu, phát triển và áp dụng vào chú robot này. Cùng với đó là camera cố định có thể quan sát toàn bộ tán cây và chọn quả cần thu hoạch một cách dễ dàng. Tuy nhiên, vì đây là camera cố định, không thể linh hoạt để thấy được những quả ở ngoài tầm nhìn; do đó, để có thể thấy được những trái cam cần thu hoạch cần bộ phận điều khiển cần định hướng dọc theo quả cam cần thu hoạch. Chú robot thu hoạch cam được thiết kế có một hệ thống chiếu sáng hiệu quả và mạnh mẽ, giúp robot có thể thấy được những quả cam vào buổi tố. Đến hiện tại, vẫn chưa thấy một báo cáo tỷ lệ thành công thu hoạch và thời gian cho một lần thu hoạch cam nào cụ thể được công bố. 

Robot thu hoạch cam có chọn lọc

Ngoài hai chú robot thu hoạch táo và cam trên, còn một số robot thu hoạch có chọn lọc trong vườn trái cây đang được nghiên cứu và phát triển như: robot thu hoạch nho, robot thu hoạch vải, robot thu hoạch đào, và nhiều loại quả khác như dừa, lê, kiwi, anh đào,...

6. Công nghệ tiên tiến, hiện đại trong robot thu hoạch có chọn lọc trên cánh đồng nông sản

6.1. Cánh đồng nông sản là gì?

Cánh đồng trồng nông sản là một khu vực đất đai rộng lớn ở vùng đồng quê hoặc ở khu vực ngoại ô được sử dụng trong lĩnh vực nông nghiệp để trồng trọt hoặc chăn nuôi. Các loại cây trồng và rau được trồng tại cánh đồng trồng nông sản rất phong phú và đa dạng, bao gồm các loại ngũ cốc như lúa mì, lúa mạch, khoai lang, các loại rau ăn lá như rau muống, bắp cải, các loại rau ăn quả như cà chua, cà tím, dưa leo, dưa hấu, các loại rau ăn bông như bông cải, và các loại gia vị như hành, ngò, thì là,...

Cánh đồng nông sản

6.2. Lợi ích của việc trồng nông sản trên cánh đồng

Khi trồng nông sản trên một cánh đồng rộng lớn có nghĩa là số lượng cây trồng rất lớn, cũng có nghĩa là lượng nông sản thu hoạch được khá là lớn. Nó sẽ mang lại rất nhiều những lợi ích không chỉ đối với con người, mà còn đối với môi trường.

Lợi ích của việc trồng nông sản trên cánh đồng

Một số lợi ích có thể được kể đến như:

• Cung cấp thực phẩm cho thị trường: Trồng nông sản trên cánh đồng rộng lớn mang lại nguồn nông sản lớn, giúp cung cấp được lượng lớn thực phẩm cho người tiêu dùng cho thị trường, đáp ứng nhu cầu về thực phẩm của xã hội.

• Tăng thu nhập cho người nông dân: Trồng nông sản trên cánh đồng rộng lớn giúp tăng thu nhập cho người nông dân, giúp họ có cuộc sống tốt hơn và đóng góp vào phát triển kinh tế địa phương cũng như đất nước.

• Giảm chi phí sản xuất: Trồng nông sản trên cánh đồng rộng lớn giúp giảm chi phí sản xuất, tăng hiệu quả sản xuất và giảm giá thành sản phẩm.

• Tạo ra sản phẩm sạch: Trồng nông sản trên cánh đồng rộng lớn giúp tạo ra sản phẩm sạch, an toàn cho sức khỏe của người tiêu dùng, có thể hạn chế được lượng thuốc trừ sâu và thuốc bảo vệ thực vật. .

• Bảo vệ môi trường: Trồng nông sản trên cánh đồng rộng lớn giúp bảo vệ môi trường, giảm ô nhiễm môi trường do chúng hấp thụ CO2 do con người thải ra, nhả ra O2 cho con người và bảo vệ tài nguyên thiên nhiên.

6.3. Công nghệ tiên tiến, hiện đại trong robot thu hoạch nông sản có chọn lọc trên cánh đồng

Trong nông nghiệp, khi trồng cây trên một cánh đồng rộng lớn, các loại cây trồng được trồng trên các dải đất được chỉ định (cánh đồng) ngoài trời, nơi các cây có thể được mọc theo hàng. Nhiều loại cây trồng trên cánh đồng như lúa mì, ngô và khoai tây, đều phải được thu hoạch hàng loạt vào một thời điểm nhất định để tránh bị hư hỏng bởi các yếu tố môi trường xung quanh như điều kiện tự nhiên, sâu bệnh, côn trùng,... Đối với những loại cây trồng này, việc thu hoạch đã có các máy thu hoạch cơ khí hiệu quả như máy gặt, máy liên hợp,... đảm nhận. Việc thu hoạch chọn lọc là cần thiết cho các loại cây trồng mọc ít đồng đều hơn hoặc nhiều năm như măng tây, bông cải xanh, rau diếp và dưa hấu. Vì vậy, đã có những nghiên cứu và phát triển về những chú robot thu hoạch có chọn lọc những loại nông sản này. Và để nghiên cứu được những chú robot này thì các nhà nghiên cứu đã phải đặt ra nhiều thách thức hơn so với nghiên cứu những chú robot thu hoạch nông sản trong nhà kính hay vườn trái cây, chủ yếu do sự biến đổi môi trường (ánh sáng, gió, mưa) và sự phát triển cây không có sự đồng đều nhất định.
Khác với các robot thu hoạch trong nhà kính và vườn cây ăn trái, chúng thường quan sát cây trồng từ bên hông, còn robot thu hoạch trên cánh đồng rộng lớn thường nhìn từ trên xuống. Và để ứng phó và hoạt động được dưới các điều kiện môi trường khắc nghiệt, hầu hết các chú robot đều được thiết kế sử dụng vỏ bọc để chắn ánh sáng mặt trời trực tiếp và bảo vệ khỏi mưa, gió.
Chúng ta hãy cùng tìm hiểu những chú robot thu hoạch nông sản có chọn lọc trên cánh đồng rộng lớn này được nghiên cứu và phát triển dựa trên công nghệ tiên tiến, hiện đại như thế nào nhé!

6.3.1. Tiên tiến, hiện đại trong việc nghiên cứu và phát triển robot thu hoạch măng tây có chọn lọc

Đã có nhiều nỗ lực được thực hiện để phát triển ra chú robot thu hoạch chọn lọc cây măng tây trên cánh đồng bởi Chatzimichali và các cộng sự của mình. Sau quá trình nghiên cứu và phát triển, họ đã trình bày thiết kế robot thu hoạch chọn lọc măng tây trắng. Măng tây trắng là loại măng mọc dưới bề mặt đất, vậy nên để thu hoạch được chúng thì cần đào lớp đất lên trước mới thu hoạch được chúng. Chính vì thế thiết kế của họ bao gồm một hệ thống robot dạng bọ hung và có “chân” với tác dụng dùng để đào lớp đất lên, làm lộ cây măng tây trắng giúp cho quá trình thu hoạch trở nên dễ dàng hơn. Cùng với đó là hai camera với độ phân giải cao giúp chúng xác định đầu của măng tây một cách dễ dàng và chính xác. 

Robot thu hoạch măng tây trắng

Hay Leu và các nhà nghiên cứu trong nhóm nghiên cứu của mình đã nghiên cứu và phát triển một robot thu hoạch có chọn lọc măng tây xanh (loại măng tây mọc lồi lên trên mặt đất. Hệ thống robot của họ bao gồm một nền tảng gồm bốn bánh để di chuyển linh hoạt trên cánh đồng măng tay, một camera RGB-D và hai công cụ thu hoạch robot. Măng tây xanh được phát hiện và theo dõi bằng thuật toán điểm 3D được tích hợp trong chiếc camera RGB-D. Cánh tay robot thu hoạch măng tây xanh có bộ phận thu hoạch gồm hai “móng vuốt” cao su và hai lưỡi dao có thể cắt một cây măng tây một cách nhanh gọn trong khoảng 2 giây. Với hai dụng cụ thu hoạch được tích hợp, trung bình chú robot này có thể thu hoạch được năm cây măng tây trên mỗi mét. Sau quá trình thử nghiệm, Leu và các cộng sự đã công bố tỷ lệ thu hoạch thành công của chú robot này đạt 90%.

Robot thu hoạch măng tây xanh

6.3.2. Tiên tiến, hiện đại trong việc nghiên cứu và phát triển robot thu hoạch bông cải xanh có chọn lọc

Dựa vào công nghệ tiên tiến, hiện đại ngày nay, đã có các dự án nghiên cứu nhằm phát triển robot thu hoạch có chọn lọc bông cải xanh hay còn gọi là súp lơ.
Đầu tiên, Kusumam và các cộng sự đã nghiên cứu và phát triển một thuật toán thị giác 3D sử dụng học máy để phát hiện đầu bông cải xanh được tích hợp trong RGB-D. Tuy nhiên, việc nghiên cứu này cũng gặp phải một số thách thức, quan trọng nhất phải kể đến là môi trường xung quanh bông cải xanh vô cùng phức tạp. Lá cây bông cải xanh có màu xanh, bông cải cũng có màu xanh. Chúng sẽ làm cho robot khó có thể xác định được đâu bông cải cần thu hoạch. Chú robot này được thiết kế một lồng chụp màu đen, nó có tác dụng để những chiếc camera bên trong có thể phát hiện những bông cải xanh một cách chính xác và dễ dàng hơn.

Robot thu hoạch bông cải xanh có chọn lọc

Kế đến là Klein và cộng sự. Họ đã trình bày một nghiên cứu khá khả thi cho việc phát triển robot thu hoạch có chọn lọc bông cải xanh. Robot nguyên mẫu của họ bao gồm một khung nhôm với đèn LED giúp robot có thể làm việc được trong điều kiện ánh sáng yếu cũng như nhận dạng bông cải xanh được dễ dàng hơn. Robot này được tích hợp ba camera RGB-D để phát hiện bông cải xanh và đánh giá độ chín của nó đã đủ điều kiện thu hoạch hay chưa một cách chính xác nhất. Cùng với đó là hai cánh tay robot linh hoạt được trang bị thêm dao để cắt và hái bông cải xanh một cách mượt mà và nhanh gọn.

Robot thu hoạch bông cải xanh có chọn lọc

6.3.3. Tiên tiến, hiện đại trong việc nghiên cứu và phát triển robot thu hoạch rau xà lách có chọn lọc

Birrell và các cộng sự của mình đã bỏ tâm huyết để nghiên cứu và phát triển một chú robot với mục đích để thu hoạch cây rau xà lách một cách có chọn lọc.  Chú robot này có tên là Vegebot. Chúng có cấu tạo bao gồm một máy tính xách tay dùng để chạy phần mềm điều khiển; một cánh tay robot UR10 với sáu bậc tự do chuyển động một cách linh hoạt, có thể di chuyển đến rau xà lách cần thu hoạch; bộ phận dùng để cắt rau và hai máy ảnh.
Vegebot được tích hợp với 2 máy ảnh, một camera ở trên đầu được đặt cách mặt đất khoảng 2m và một camera thông minh được gắn vào cuối cánh tay robot (bên trong bộ kết thúc) để giúp robot thực hiện các nhiệm vụ nhận diện rau xà lách và kiểm tra, phân loại xem chúng có đủ điều kiện thu hoạch hay không. Cả hai đều sử dụng webcam USB thông thường.

Cánh tay robot được tích hợp các cảm biến bổ sung là cảm biến phản hồi lực ghi lại lực và các bộ mã hóa khớp tiêu chuẩn và mô-men xoắn được áp dụng vào bộ kết thúc giúp cho cánh tay chuyển động một cách nhẹ nhàng, linh hoạt. Cánh tay UR10 cung cấp một loạt các chuyển động và cung cấp thông tin về lực và mô-men xoắn cho phép phản hồi lực được thực hiện.
Hệ thống máy tính điều khiển bộ kết thúc (bộ phận thu hoạch rau xà lách) bằng hai dòng I/O kỹ thuật số được định tuyến qua cánh tay robot UR10. Chúng sẽ kích hoạt lưỡi dao để lưỡi dao cắt qua thân rau xà lách và rút lại khi đã cắt xong, Bên cạnh đó là bộ kích hoạt kẹp mềm cũng được kích hoạt để giúp kẹp mềm nắm và thả rau xà lách đạt tiêu chuẩn đã được thu hoạch, đưa về bộ phận tập kết. Trong các thử nghiệm trên cánh đồng rau xà lách rộng lớn, tỷ lệ thu hoạch rau xà lách thành công là 88% và thời gian thu hoạch trung bình một cây xà lách là 31,7 giây.
Bạn có thể theo dõi chi tiết hơn về chú robot thu hoạch rau xà lách Vegebot này đã được chúng tôi trình bày tại:
https://congcutot.vn/dung-cu-thu-hoach-nong-san-c649/robot-912/robot-vegebot-1206.html

6.3.4. Tiên tiến, hiện đại trong việc nghiên cứu và phát triển robot thu hoạch dưa lưới có chọn lọc

Edan và các thành viên trong nhóm nghiên cứu của mình đã nghiên cứu, phát triển và trình bày một chú robot thu hoạch dưa lưới chọn lọc. Robot này được thiết kế giống như một bộ phận được kéo bởi một chiếc máy kéo. Robot được trang bị hai camera đen trắng giúp nhận dạng, định vị và phân loại dưa lưới, những quả nào đủ điều kiện thu hoạch, những quả nào chưa đủ điều kiện thu hoạch, quả nào bị hư hỏng. Một “cần cẩu” Cartesian được trang bị để có thể di chuyển đến các vị trí của quả dưa lưới. Một móc cầm khí nén hay được hiểu là bộ phận dùng để nắm, nhả quả dưa lưới khi thu hoạch. Các quả dưa lưới được phát hiện bằng một thuật toán hình ảnh dựa trên kết cấu, hình dạng, kích thước và màu sắc của quả dưa. Khi xác định chính xác, móc cầm khí nén sẽ sử dụng cảm biến tiệm cận phát hiện xem đã đến đúng vị trí quả dưa cần thu hoạch hay chưa. Sau đó, móc cầm nắm bắt và nâng quả dưa lưới lên để làm lộ phần cuống dài và sử dụng hai con dao được tích hợp để cắt chúng. Edan và các cộng sự đã tiến hành thử nghiệm chú robot này trong hai mùa vụ trồng dưa lưới. Và báo cáo cho thấy rằng tỷ lệ phát hiện chính xác quả dưa lưới là 93% và tỷ lệ thu hoạch thành công là 86%. Thời gian trung bình cho một lần thu hoạch là 15 giây.

Hình ảnh minh họa cho chú robot thu hoạch dưa gang

Theo như tôi tìm hiểu thì hiện nay mới chỉ robot thu hoạch măng tây Sparter từ Cerescon là robot thu hoạch trên cánh đồng duy nhất hiện có trên thị trường. Robot được trang bị các cảm biến dưới lòng đất để phát hiện măng tây và hai công cụ thu hoạch cho mỗi hàng. Tốc độ hoạt động là khoảng 0,3 ha/giờ. Ngoiaf ra còn có một robot khác gần như đã có sự xuất hiện “lấp ló” trên thị trường là RoboVeg, một robot thu hoạch bông cải xanh có chọn lọc.
Tất cả các robot thu hoạch có chọn lọc trên cánh đồng được trình bày đã được phát triển kể từ những năm 1990 và được xây dựng cụ thể cho việc thu hoạch chọn lọc các loại rau (măng tây, bông cải xanh, súp lơ, xà lách, radicchio và dưa lưới). Ngoại trừ robot Sparter, tất cả các robot đều sử dụng camera để phát hiện và xác định vị trí các loại cây trồng. Các robot được phát triển gần đây nhất đều sử dụng học sâu để phân tích hình ảnh của nông sản. Hai trong số sáu bộ phận cầm, nắm nông sản, cánh tay robot được tự nghiên cứu và phát triển, và bốn bộ phận khác được mua từ các công ty chế tạo khác. Và điểm chung của những con robot này là đều thực hiện cắt, hái nông sản bằng một loại dao được tích hợp. Thành công và tốc độ thu hoạch của những robot thu hoạch có chọn lọc ở cánh đồng rộng lớn cao so với robot trong nhà kính và vườn trồng do cấu trúc ít phức tạp hơn của các loại cây trồng trên cánh đồng rộng lớn.

7. Thực trạng, hạn chế của robot thu hoạch nông sản có chọn lọc. Giải pháp cải thiện cơ bản.

7.1. Thực trạng, hạn chế của robot thu hoạch có chọn lọc

Mặc dù đã có vài thập kỷ nghiên cứu và phát triển nhưng hiện tại robot thu hoạch chọn lọc vẫn chưa đáp ứng được những yêu cầu của thị trường, cũng như còn tồn đọng một số hạn chế về thu hoạch và tốc độ thu hoạch. Để thu hoạch được nông sản thành công thì việc cảm nhận (phát hiện nông sản, các bộ phận khác của cây và các vật thể không phải nông sản cần thu hoạch); công cụ và quá trình thu hoạch, tốc độ thu hoạch,... là một vấn đề hết sức quan trọng. Qua việc thử nghiệm, các kỹ sư, nhà nghiên cứu đã chỉ ra thực trạng, hạn chế của những chú robot thu hoạch nông sản có chọn lọc hiện nay: 

7.1.1. Cảm nhận (phát hiện nông sản, các bộ phận khác của cây và các vật thể không phải nông sản cần thu hoạch)

Những tiến bộ gần đây trong lĩnh vực khoa học, công nghệ như cảm biến, camera, hệ thống phân tích hình ảnh,... đã giúp việc cảm nhận của robot được cải thiện đáng kể. Chúng có thể dễ dàng cảm nhận, nhận biết được loại nông sản mà chúng cần thu hoạch trong môi trường nhiều tác động như các bộ phận khác của cây hoặc các vật không phải mục tiêu thu hoạch của chúng. Và nó có khả năng nhận biết được với các cường độ ánh sáng khác nhau. Những tiến bộ trên giúp robot trở nên “mạnh mẽ” hơn, sẵn sàng đối mặt với thách thức của sự biến đổi của cây trồng, của điều kiện tự nhiên,... Tuy nhiên, việc nhận dạng được các loại nông sản bị che khuất vẫn còn hạn chế.

Trái cây bị che khuất bởi các bộ phận khác của cây

7.1.2. Dụng cụ thu hoạch

Hiện không có mô hình rõ ràng nào được thấy trong thiết kế của phần cuối cùng của cánh tay robot - dụng cụ thu hoạch (bộ phận dùng để thu hoạch nông sản). Mỗi nghiên cứu đều chỉ phát triển dụng cụ thu hoạch của riêng mình. Và hầu hết các dụng cụ thu hoạch đều khá cứng, nặng và cồng kềnh. Việc tách rời nông sản ra khỏi cuống, rễ thường được thực hiện bằng một con dao cắt tự động và trong một số trường hợp sử dụng cử động xoắn hoặc hút. Trong môi trường trồng cây đầy phức tạp, lộn xộn, năng suất thu hoạch và tỷ lệ thu hoạch giảm sút thường do cánh tay robot không thể tiếp cận được đúng vị trí nông sản cần thu hoạch, hoặc do không thể xác định được đúng vị trí do hạn chế về khả năng nhận biết. Ngoài ra, cây trồng và trái cây thường xuyên bị hư hại do quá trình cắt, hái của dụng cụ thu hoạch trên cánh tay robot.

7.1.3. Tốc độ thu hoạch

Tốc độ thu hoạch của robot thu hoạch có chọn lọc hiện nay cũng đang là một hạn chế được vạch ra. Theo như các kết quả của quá trình thử nghiệm, thời gian trung bình cho một lần của các robot thu hoạch nông sản trong nhà kính và vườn cây ăn trái thường dao động trong khoảng nửa phút, chậm hơn rất nhiều so với hoạt động của con người, dẫn đến năng suất thu hoạch bị giảm sút. Nguyên nhân phần lớn được vạch ra là do cánh tay robot được thiết kế còn khá là nặng, chuyển động chưa được linh hoạt. Những chú robot thu hoạch nông sản có chọn lọc ở những cánh đồng thì có phần tốt hơn, chúng có thể thực hiện công việc thu hoạch nhanh hơn nhiều so với trong nhà kính hay vườn cây ăn trái.

7.1.4. Độ phức tạp, lộn xộn của môi trường

Trong một số nghiên cứu cho thấy rằng môi trường cây trồng hết sức phức tạp và lộn xộn, các bộ phận của cây thì chồng chéo lên nhau, có thể che khuất nhau, che khuất quả trái, hay có những loại khác như cỏ,... Hiện tượng phức tạp này khiến cho việc nhận diện của robot bị hạn chế, phát hiện và định vị sai nông sản cần thu hoạch. Và một số chú robot thu hoạch nông sản có chọn lọc vẫn còn tồn đọng hạn chế này. 

Môi trường cây trồng lộn xộn, phức tạp

7.1.5. An toàn

An toàn ở đây là an toàn cho nông sản cũng như cây trồng. Hiện nay vẫn còn những nông sản bị hư hỏng do bộ phận dùng để thu hoạch gây ra. Không những gây hỏng nông sản cần thu hoạch, mà chúng còn gây hư hỏng các loại cây trồng xung quanh làm giảm giá trị nông sản và có thể cắt đứt sự sống của cây trồng đó. Đây là một trong những hạn chế cần được cải thiện một cách tích cực nhất để đảm bảo chất lượng nông sản và cây trồng.

7.2. Giải pháp cải thiện những hạn chế gặp phải trong quá trình nghiên cứu và phát triển robot thu hoạch nông sản có chọn lọc.

Các kỹ sư, nhà nghiên cứu qua quá trình nghiên cứu và xem xét kỹ lưỡng cũng đưa ra được 3 hướng giải pháp cơ bản mang lại cơ hội trong việc xử lý các hạn chế của robot thu hoạch nông sản có chọn lọc.

7.2.1. Cải thiện sự biến đổi

Mặc dù đã có những tiến bộ trong lĩnh vực công nghệ, kỹ thuật, tuy nhiên các hệ thống thị giác máy tính, các cảm biến của robot vẫn nhạy cảm với sự biến đổi của cường độ ánh sáng. Việc thu hoạch trong điều kiện ánh sáng biến đổi liên tục khiến cho quá trình nhận dạng của robot không được chính xác, làm giảm tỷ lệ thu hoạch nông sản thành công của robot. Để khắc phục tình trạng này, có thể nghiên cứu và phát triển giúp robot có thể thích ứng với sự thay đổi của ánh sáng. Hoặc cho robot hoạt động vào ban đêm là một lựa chọn khác, mặc dù thời gian thu hoạch của robot chỉ gói gọn vào ban đêm nhưng ánh sáng ổn định giúp quá trình nhận dạng và thu hoạch được hiệu quả hơn.

Hình ảnh minh họa chú robot thu hoạch nông sản vào ban đêm

7.2.2. Cải tiến công nghệ robot

Có nhiều cách để giải quyết các hạn chế của robot thu hoạch có chọn lọc. Một trong những cách đó là cải tiến robot bằng những công nghệ, kỹ thuật tiến tiến, hiện đại hơn. Thứ nhất, cải tiến cánh tay robot sao cho quá gọn nhẹ, chuyển động linh hoạt hơn bằng cách chế tạo chúng từ những chất liệu nhẹ hơn nhưng vẫn đảm bảo chất lượng. Nó sẽ giúp cho cánh tay robot nhẹ hơn, chuyển động mượt hơn, uyển chuyển hơn, quá trình thu hoạch diễn ra nhanh hơn. Thứ hai, mở rộng khả năng cảm biến nhận diện của robot. Cảm biến xúc giác là một lựa chọn thay thế được coi là phù hợp. Ngoài ra, nên kết hợp với nhiều chế độ cảm biến khác nhau trong một hệ thống cảm biến của robot để chúng có thể dễ dàng nhận diện đối tượng cần thu hoạch và có thể tự động chuyển hướng tầm nhìn để bắt trọn những góc nhìn bị khuất của camera. Thứ ba, cần cải tiến bộ phận nắm, bắt nông sản. Hiện nay bộ phận này vẫn còn đang quá to và khá cứng nhắc, khi thực hiện nhiệm vụ nắm bắt còn chậm chạp, không thể nắm chắc những loại nông sản có kích thước nhỏ và có thể làm hư hỏng những loại nông sản mềm, những bộ phận khác của cây và các cây khác xung quanh. Vậy nên, cần thiết kế bộ phận cầm nắm có thể linh hoạt nắm giữ các loại nông sản ở bất kỳ kích thước nào và cầm nắm nhẹ nhàng mà không làm hư hại đến nông sản.

7.2.3. Cải tạo môi trường cây trồng

Môi trường xung quanh cây trồng cũng là một vấn đề cần được giải quyết kịp thời. Nó quá là lộn xộn, khiến cho quá trình nhận dạng, thu hoạch bị hạn chế. Bạn cần giảm thiểu sự phức tạp và lộn xộn của môi trường cây trồng và xung quanh chúng bằng cách loại bỏ một số lá và trái cây không cần thiết. Khi đó tỷ lệ thu hoạch thành công sẽ tăng đáng kể vì quá trình nhận dạng và di chuyển dễ dàng hơn. Robot sẽ không bị giới hạn vì nông sản bị che khuất.

Cải tạo môi trường xung quanh cây trồng

Trên đây là một số tìm hiểu của tôi về “Robot thu hoạch nông sản có chọn lọc: thực trạng nghiên cứu, hạn chế và giải pháp cải thiện cơ bản”. Ngoài ra, hiện nay còn rất rất nhiều những chú robot thu hoạch nông sản có chọn lọc dựa trên công nghệ tiên tiến và hiện đại đã và đang được nghiên cứu, phát triển nhằm mục đích phục vụ cho ngành nông nghiệp nói chung cũng như việc thu hoạch nói riêng. Chúng ta hãy cùng chờ đợi để có thể chiêm ngưỡng thêm nhiều chú robot thu hoạch nông sản có chọn lọc tuyệt vời ấy nhé!

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. Se-lective Harvesting Robotics: Current Research, Trends, and Future Directions , nguồn Springer Link

Tác giả bài viết
Cao Thu Phượng