1. Tình hình nền nông nghiệp hiện nay
Ngày nay, năng suất lao động của ngành nông nghiệp giảm sút và mối lo ngại về an ninh lương thực trên toàn thế giới ngày càng gia tăng do nhiều yếu tố khác nhau tác động như biến đổi khí hậu và lực lượng lao động giảm do dân số già đi. Vấn đề này đang thu hút sự đầu tư của nhiều quốc gia và các công ty trên thế giới vào nông nghiệp kết hợp giữa công nghệ thông tin - truyền thông (ICT) với máy móc thiết bị nông nghiệp truyền thống giúp nâng cao khả năng cạnh tranh của ngành nông nghiệp. Hiện có nhiều nghiên cứu khác nhau về thị giác máy tính và trí tuệ nhân tạo được áp dụng để chế tạo ra các máy móc giúp giám sát, quản lý cây trồng trong lĩnh vực nông nghiệp. Tuy nhiên, chỉ có máy móc giám sát và quản lý cây trồng vẫn không bù đắp đủ nguồn nhân lực có tay nghề làm nông nghiệp. Vì ngoài giám sát, quản lý thì còn phải thực hiện các công việc như làm cỏ, kiểm soát sâu bệnh và thu hoạch.
Tình hình nền nông nghiệp hiện nay
Do đó, việc sử dụng trí tuệ nhân tạo và robot để khắc phục vấn đề thiếu lao động bằng cách tự động hóa các công việc trong nông nghiệp phải sử dụng nhiều lao động là một việc hết sức có ý nghĩa và đang được chú trọng phát triển. Thu hoạch nông sản nói chung và thu hoạch trái cây nói riêng là một trong những công việc quan trọng và sử dụng nhiều lao động nhất vì vậy cần được tự động hóa trong thực tế. Chính vì vậy, đã có rất rất nhiều những robot thu hoạch trái cây được nghiên cứu và chế tạo đáp ứng khó khăn trong việc thiếu nguồn lao động.
2. Robot thu hoạch trái cây là gì?
Robot thu hoạch trái cây là một loại máy móc công nghệ kỹ thuật cao được thiết kế, chế tạo để thay thế con người trong công việc thu hoạch các loại trái cây khác nhau. Nó có nhiều loại, hình dạng và kích thước khác nhau, tùy theo loại trái cây và môi trường làm việc. Robot hái trái cây sử dụng các công nghệ hiện đại, tiên tiến như trí tuệ nhân tạo (AI), hệ thống định vị toàn cầu (GPS), camera, cảm biến, cánh tay robot và các dụng cụ làm vườn khác để nhận biết, phân loại và hái trái cây một cách tự động và chính xác. Giúp phát hiện các loại trái cây và nhận biết rằng trái đó đã chín hay chưa. Từ đó, chúng có thể xác định được một cách chính xác quả nào có thể thu hoạch, ngay cả trong vườn cây có nhiều cây tạp khác nhau lộn xộn và phức tạp. Cùng với đó là khả năng kẹp sâu vào dây leo, tán lá um tùm để hái quả chín mà không làm ảnh hưởng đến các quả xanh xung quanh. Ngoài ra, nó có thể giải quyết vấn đề nan giải là thiếu hụt lao động, giúp tăng năng suất và chất lượng thu hoạch, giảm chi phí và rủi ro cho ngành nông nghiệp.
Robot đang thu hoạch trái cây
Không giống như các lĩnh vực khác, việc chế tạo robot thu hái hoa quả đòi hỏi phải nghiên cứu và đầu tư khá nhiều công sức, chất xám và thời gian. Ví dụ như trong một dây chuyền lắp ráp xe hơi tự động, kích thước, vị trí của các chi tiết luôn cố định nên quá trình lắp ráp diễn ra dễ dàng. Một con robot có tác dụng để vặn ốc tại một nhà máy sản xuất của Toyota được lập trình để xác định chính xác chi tiết này ở vị trí nào trên mỗi chiếc xe cùng loại. Còn đối với ngành nông nghiệp thì kích thước, vị trí của cây cối, quả trái, rau củ thay đổi theo điều kiện tự nhiên nên việc thiết lập lệnh điều khiển, nhận dạng sẽ phức tạp hơn rất nhiều. Ngay cả khi cây đó được trồng trong nhà kính, nơi có nhiều điều kiện như nhiệt độ, ánh sáng và độ ẩm được coi là không bị thay đổi, có thể kiểm soát được thì vẫn không thể “lập trình” được vị trí và thời gian cây ra quả để robot tới thu hoạch. Vì vậy, ngoài việc có tay gắp, cắt tốt, robot hái hoa quả phải có sự thông minh vượt trội để phát hiện độ chín của trái cây, và di chuyển được trong không gian ba chiều đến vị trí có trái cần hái. Đây là một trong những bài toán khó, phức tạp và đau đầu đối với các chuyên gia và các nhóm nghiên cứu.
3. Nguyên lý vận hành (hoạt động) của robot thu hoạch trái cây
Robot thu hoạch trái cây sẽ sử dụng các cảm biến, máy ảnh và trí tuệ nhân tạo (AI) để phát hiện và nhận dạng các trái cây trên cây. Nó có thể phân biệt được trái cây chín và chưa chín, kích thước và hình dạng của trái cây, vị trí và khoảng cách của trái cây so với robot rồi sau đó tiến hành thu hoạch quả.
Đầu tiên, chúng sử dụng các cảm biến như cảm biến ánh sáng, cảm biến siêu âm, cảm biến nhiệt độ, cảm biến độ ẩm, cảm biến khí gas, cảm biến áp suất,... để xác định được vị trí của cây và vị trí của các quả có trên cây.
Hình ảnh camera nhận dạng trái cây của một chú robot
Tiếp theo, robot thu hoạch trái cây sẽ sử dụng máy ảnh được tích hợp để chụp lại hình ảnh của trái cây rồi gửi về bộ não kỹ thuật số tự động để phân tích. Máy ảnh được tích hợp trong robot thu hoạch trái cây có thể là máy ảnh RGB, máy ảnh hồng ngoại, máy ảnh siêu âm hoặc máy ảnh laser. Sau đó, Robot sử dụng trí tuệ thông minh (AI) để phân tích hình ảnh mà máy ảnh chụp được của các trái cây và nhận dạng, phân biệt chúng. AI sử dụng các thuật toán nhận thức, tầm nhìn hoặc học máy để phát hiện và phân loại các trái cây dựa theo loại quả, kích thước, hình dạng, màu sắc và độ chín của quả. AI có thể phát hiện và phân loại dựa trên các dữ liệu được thu thập từ các vườn cây khác nhau hoặc được lập trình sẵn với các tiêu chí nhận dạng của từng loại trái cây.
Trí tuệ nhân tạo (AI)
Robot thu hoạch trái cây tính toán đường đi một cách tối ưu nhất để có thể tiếp cận trái cây mà không làm hại đến cây cối hay những trái cây khác xung quanh. Robot được thiết lập để có thể di chuyển theo nhiều hướng khác nhau như: bay, lăn, bò hoặc leo. Bên cạnh đó, AI có thể sử dụng các thuật toán tìm kiếm, tối ưu hoá hoặc quy hoạch để xác định vị trí và khoảng cách của cây, trái cây so với robot. AI có thể điều chỉnh đường đi theo điều kiện thời tiết, môi trường hoặc yêu cầu của người dùng.
Robot sử dụng các thiết bị cơ khí như, bàn chải, dao hoặc kéo được gắn kết với một bộ phận được gọi là cánh tay robot để hái trái cây một cách nhẹ nhàng và nhanh chóng. Cánh tay robot này có thể có nhiều kích thước và hình dạng khác nhau, nhưng đều có điểm chung là có một khớp xoay, một khớp nâng, một khớp gập và một khớp xoay ở đầu. Cánh tay robot cũng được gắn thêm một thiết bị để nắm lấy trái cây.
Cánh tay robot nhận lệnh hái trái cây
Kết nối cánh tay robot với máy tính, điện thoại thông minh hoặc một bộ điều khiển từ xa thành một hệ thống điều khiển. Hệ thống điều khiển sẽ nhận các tín hiệu từ các cảm biến trên cánh tay robot rồi sau đó gửi các lệnh cho các động cơ để các khớp tiến hành di chuyển đến gần các quả. Hệ thống điều khiển được lập trình để tự động hái trái cây theo trình tự nhất định.
Tiến hành định vị cánh tay robot gần vị trí của trái cây cần hái. Điều khiển để di chuyển cánh tay robot để tiếp cận trái cây. Có thể sử dụng điều khiển bằng tay, điều khiển bằng giọng nói hoặc điều khiển bằng hình ảnh để chỉ đạo cánh tay robot một cách linh hoạt. Ngoài cách tự điều khiển, bạn có thể cho cánh tay robot tự động di chuyển, tự động lựa chọn đường đi để tránh va chạm với các vật cản, các cây khác trong vườn.
Khi đã tiếp cận, xác định được vị trí cây, quả cần hái, robot sẽ sử dụng thiết bị hút hoặc móc được gắn vào cánh tay robot để nắm lấy trái cây rồi kẹp để giữ trái cây sao cho không bị trầy da của quả. Sau đó cánh tay robot xoay nhẹ để tách trái cây khỏi cuống. Sau khi quả đã được thu hoạch, cánh tay robot di chuyển để đưa trái cây vào một thùng hoặc một túi chứa được lắp đặt sẵn. Có một số robot được tích hợp cả tính năng phân loại trái cây theo loại, chất lượng và độ chín.
Hình ảnh dao cắt của một chú robot thu hoạch trái cây
Khi thu hoạch xong quả là kết thúc một vòng hoạt động, robot tiếp tục quét và hái các trái cây khác xung quanh trong vùng làm việc của mình. Các robot có thể liên lạc với nhau hoặc có trung tâm điều khiển để đồng bộ hóa các công việc giúp các robot tránh va chạm với nhau khi làm việc.
4. Phân loại robot thu hoạch trái cây
Nền nông nghiệp trên toàn thế giới có đa dạng các loại cây ăn quả được trồng ở nhiều nền khí hậu, nhiều vị trí, địa hình và có nhiều hình dạng kích thước khác nhau. Vì vậy để thuận tiện cho việc thu hoạch trái cây thì các công ty, các nhà nghiên cứu đã kỳ công, tìm tòi, sáng chế ra các loại robot thu hoạch trái cây nhằm phù hợp với các loại trái cây, địa hình và khí hậu. Các loại robot có thể là: Robot bay, robot lăn, robot bò hay robot leo.
Robot bay là loại robot được chế tạo với tính năng bay lượn trên không trung để tiếp cận các trái cây ở các vị trí cao, vị trí mà nếu người lao động hái thì có thể phải leo trèo mới có thể hái được. Robot bay thu hoạch trái cây sử dụng các động cơ quạt, động cơ phản lực hoặc các cánh quạt để tạo lực nâng để bay lên. Chúng có thể sử dụng đầu hút để hút trái cây về gần rồi hái chúng. Có rất nhiều robot thu hoạch trái cây, có thể kể đến là robot FAR của công ty Tevel Aerobotics Technologies. Loại robot bay thu hoạch trái cây này có thể hái được các loại quả: táo, cam, lê,...
Robot bay
Robot lăn là loại robot có khả năng di chuyển trên mặt đất nhờ các bánh xe, bánh răng hoặc các thiết bị tương tự được lắp đặt ở phía dưới. Robot lăn thường sử dụng các cảm biến, máy ảnh và AI để xác định màu sắc giúp phân biệt quả nào xanh, quả nào chín, bên cạnh đó xác định được vị trí và khoảng cách của các trái cây. Chúng thường sử dụng các cánh tay, dao hoặc kéo được gắn ở đầu để hái trái cây.
Robot bò là loại robot có khả năng di chuyển trên mặt đất bằng các chân, rô-bốt. Nó bò trên mặt đất một cách nhanh nhạy để đến vị trí của cây và quả muốn hái. Sử dụng cánh tay hoặc các dụng cụ hái được gắn để hái trái cây và bỏ vào thùng chứa.
Hình ảnh minh họa một chú robot bò để hái trái cây
Robot leo là loại robot có khả năng di chuyển trên thân cây hoặc các cấu trúc khác bằng các móc, nam châm để bám được trên thân cây mà không bị rơi xuống. Cũng giống như các robot khác, robot leo cũng sử dụng các cảm biến và máy ảnh để xác định vị trí và khoảng cách của các trái cây, phân biệt quả nào xanh, quả nào chính để thu hoạch. Robot leo có thể sử dụng các cánh tay, bàn chải, dao hoặc kéo để hái trái cây.
5. Các loại robot thu hoạch trái cây cụ thể
5.1. Robot thu hoạch được nhiều loại trái cây
5.1.1. Robot bay thu hoạch trái cây FAR
Robot bay thu hoạch trái cây FAR là robot được phát minh và chế tạo bởi công ty Tevel Aerobotics Technologies. FAR với thiết kế nhỏ gọn, linh hoạt, sử dụng trí tuệ nhân tạo (AI) để xác định vị trí, khoảng cách và hái trái cây. Nó kết hợp trí tuệ nhân tạo với thị giác máy tính, robot tiên tiến, kỹ thuật hàng không, điều khiển chuyến bay hiện đại, tổng hợp và nhận thức dữ liệu. Công ty Tevel Aerobotics Technologies đã tuyên bố rằng, robot bay FAR thu hoạch trái cây tự động của họ có thể được triển khai, mở rộng ở khắp mọi nơi, để có thể đáp ứng vấn đề thiếu hụt lao động như hiện nay với chi phí thấp hơn và giúp việc giám sát, quản lý vườn cây ăn quả dễ dàng hơn. Loại robot này có thể thu hoạch được các loại quả ở trên cao 5m và đa dạng các loại quả các nhau: táo, lê, đào, mận, bơ, xoài…
Robot thu hoạch trái cây FAR
Thu hoạch trái cây là một việc hết sức quan trọng, vì bạn cần thu hoạch đúng thời điểm nếu bạn thu hoạch chúng trước thời gian thì quả sẽ bị xanh, non, còn khi thu hoạch quá muộn dẫn tới chất lượng quả bị suy giảm, dễ bị hỏng. Ví dụ, khi bạn thu hoạch trái táo, nếu hái sớm quá táo sẽ bị non, ăn vào sẽ chua, nếu hái muộn táo sẽ dễ bị hỏng, thối. Robot thu hoạch trái cây FAR sử dụng thuật toán nhận thức AI để xác định vị trí cây và thuật toán tầm nhìn sâu rộng để phát hiện những quả chín giữa các quả xanh và các tán lá. Chúng chỉ chọn quả chín thông qua cách phân loại kích thước và màu sắc để xác định độ chín của quả. Sau khi xác định được quả đạt chuẩn để thu hoạch, robot FAR sẽ tìm ra đường hướng tốt nhất để tiếp cận và sử dụng cánh tay hái của nó để hút lấy trái cây một cách nhẹ nhàng rồi bay về vị trí thùng chứa để cất trữ quả mà không làm quả bị dập nát, hư hại và tiếp tục công việc của mình.
Đầu hút trái cây của FAR
Những chú robot FAR với bộ não kỹ thuật số tự động duy nhất được kết nối đồng bộ với một trung tâm điều khiển chung trên mặt đất giúp chúng có thể thu hoạch cả một vườn cây ăn quả trong cùng một lúc mà không va chạm, đâm vào nhau. Hơn nữa, robot FAR chuyên dụng này có thể thu hoạch trái cây trong suốt 24 giờ một ngày bất kể điều kiện thời tiết như thế nào mà không sợ bị hết điện. Bên cạnh đó, người nông dân cũng có thể cập nhật trực tiếp và liên tục về tiến độ thu hoạch, thời gian hoàn thành, số lượng quả được hái cũng như ước tính chi phí bỏ ra và lợi nhuận thu lại được cho từng lô quả.
5.1.2. Robot thu hoạch trái cây Virgo 1
Robot thu hoạch trái cây được sáng chế bởi một công ty mới khởi nghiệp chuyên về công nghệ Root AI, đặt trụ sở tại Massachusetts được đặt tên là Virgo 1. Trong tương lai Virgo 1 sẽ giúp giảm bớt sức lao vì nó giúp bạn thu hoạch đa dạng các loại trái cây như quả cà chua, táo, đào,… chín trong vườn của mình. Đây có lẽ là một ưu điểm vô cùng lớn của Virgo 1, vì trong khi các robot thu hoạch khác bị hạn chế khi chỉ thu hoạch được một loại trái cây duy nhất, thì phần mềm của Virgo 1 được lập trình cho phép nó thu hoạch bất kỳ loại trái cây hoặc rau nào mà bạn muốn.
Robot thu hoạch trái cây Virgo 1
Công ty này đã sử dụng trí tuệ nhân tạo (AI) để lập trình giúp Virgo 1 có thể thu hoạch các loại trái cây khi chúng tới thời kỳ thu hoạch. Robot này được trang bị cảm biến giúp chúng có thể xác định được cây nào cần thu hoạch trong không gian 3D, sau đó phân tích độ chín để xác định loại quả đó đã chín chưa, đã sẵn sàng để được thu hoạch hay chưa. Khi Virgo 1 xác định được trái cây đã chín, nó sẽ mở rộng cánh tay, nắm lấy trái cây, xoắn nhanh và nhẹ nhàng tách quả khỏi cành mà không làm hỏng, trầy, dập quả. Cánh tay của Virgo 1 có thể đi sâu vào những dây leo chằng chịt và thu hoạch quả chín mà không để lại bấy kì một dấu vết nào. Nó còn di chuyển xung quanh cây trồng, dùng cánh tay robot của mình với những cảm biến 3D và nhẹ nhàng tiến đến và hái mục tiêu. Root AI cho biết rằng: "Virgo 1 có thể hoạt động trong cả môi trường nhiều tác động, lộn xộn toàn cành và lá cây, thậm chí là cả các loại động vật trong tự nhiên".
Robot thu hoạch trái cây Virgo 1_ảnh 2
Ông Josh Lessing - người đồng sáng lập Root AI giải thích với Boston Globe rằng robot này được trang bị máy ảnh giúp phân tích và điều khiển cánh tay của Virgo 1, đồng thời có gắn chip xử lý video và phần mềm trí tuệ nhân tạo đã được huấn luyện bằng cách cho nhập hàng triệu hình ảnh về màu sắc, kích thước của quả chín và chưa chín giúp nó thu hoạch với độ chính xác cao. Lessing cũng nói với Globe rằng anh hy vọng một ngày nào đó, hệ thống này sẽ được nâng cấp để quét và đánh giá sức khỏe của cây trồng trong suốt quá trình sinh trưởng và phát triển.
5.2. Robot thu hoạch cà chua
5.2.1. Robot thu hoạch cà chua Certhon
Certhon không còn xa lạ với nghề làm vườn công nghệ cao. Certhon thiết kế và sản xuất các giải pháp chìa khóa trao tay và theo yêu cầu riêng cho các dự án làm vườn tiên tiến nhất trên toàn thế giới. Certhon có hơn 125 năm kinh nghiệm trong lĩnh vực làm vườn và có trụ sở tại Hà Lan. Với 150 chuyên gia có tay nghề cao và giàu kinh nghiệm, công ty có tất cả bí quyết và công nghệ dưới một mái nhà để hỗ trợ các doanh nhân phát triển mọi thứ, ở bất cứ đâu. Certhon tập trung vào các dự án nhà kính quy mô lớn, canh tác DayLED và robot. Trong đó, robot thu hoạch cà chua Certhon là một trong những robot được quan tâm dạo gần đây. Certhon lựa chọn phát triển robot này vì theo nghiên cứu cà chua là loại cây trồng phổ biến trên toàn thế giới và có nhiều nông trại trồng trọt loại quả này.
Robot thu hoạch cà chua Certhon_ảnh 1
Robot thu hoạch cà chua Certhon có thể phát hiện trái cây, nhận biết được đâu là quả cà chua và xác định quả nào đã nào sẵn sàng để thu hoạch bằng công nghệ thị giác tiên tiến. Robot Certhon di chuyển được theo nhiều hướng khác nhau để tìm vị trí và lộ trình tối ưu nhất cho việc thu hoạch cà chua. Chúng sử dụng cảm biến, camera và ánh sáng thông minh để có thể thu hoạch cả ngày lẫn đêm. Trong tương lai gần, robot thu hoạch cà chua Certhon này sẽ có thể theo dõi được năng suất và đo lường khí hậu cũng như sức khỏe thực vật, bao gồm cả chức năng phòng trừ sâu bệnh.
Robot thu hoạch cà chua Certhon_ảnh 2
Robot thu hoạch cà chua Certhon với đa chức năng như phát hiện, tiếp cận, cắt, giữ và vận chuyển quả bỏ vào thùng chứa. Điều tuyệt vời nhất là công nghệ deep-learning sẽ giúp robot Certhon thông minh hơn sau mỗi vụ thu hoạch. Với dữ liệu mà nó thu thập được sau mỗi lần thu hoạch được, nó sẽ sử dụng nó làm để xác định những quả cà chua chín vào những lần sau một cách nhanh chóng, chính xác và hiệu quả hơn.
Robot thu hoạch Certhon này đã được tiến hành thử nghiệm trước nhiều lần tại công ty nhà kính AgriD, một trong những nhà kính lớn nhất ở Nhật Bản. Nhà kính này được Certhon hợp tác với Denso và Asai Nursery Inc. xây dựng và được trang bị đặc biệt để thử nghiệm robot thu hoạch trái cây. Hiện nay vẫn chưa rõ được khi nào robot thu hoạch trái cây Certhon được đưa ra thị trường, Mong rằng sắp tới Certhon sẽ hoàn thiện và đưa robot thu hoạch cà chua Certhon ra ứng dụng trong thị trường.
Robot thu hoạch cà chua Certhon_ảnh 3
5.2.2. Robot thu hoạch cà chua GRoW
GRoW được phát triển bởi công ty MetoMotion của Israel. Công ty này giải thích rằng họ mất 30 đến 50% chi phí để chi trả tiền lương cho công nhân vì tìm được lượng công nhân đủ để phục vụ thu hoạch rất khó. Vì vậy học quyết định phát triển robot thu hoạch cà chua GRoW. Khi sử dụng robot thu hoạch cà chua GRoW thì chúng làm việc miễn phí 24 giờ một ngày, 7 ngày một tuần. Chúng là robot tự động với trí tuệ nhân tạo giúp thu hoạch những trái cà chua chín và đóng gói chúng đúng cách, để dành những quả xanh cho sau này. Nó cũng quan sát, đánh giá được sức khỏe cây trồng, giúp thụ phấn, tỉa cành và loại bỏ lá khô. GRoW là một robot tự động được thiết kế để thu hoạch cà chua trong nhà kính. Nó không được thiết kế để ứng dụng trong các trang trại, đồn điền, vì chúng không thể thường xuyên ngoài trời và tôi cũng không thể lý giải được tại sao lại như vậy.
Robot thu hoạch cà chua Grow_ảnh 1
Điểm sáng tạo nhất của GRoW là hai cánh tay của robot có khớp nối chuyển động linh hoạt cho phép bạn thu hoạch hai bên dãy cà chua cùng một lúc. GRoW được trang bị một chiếc camera 3D kết hợp với trí thông minh nhân tạo (AI) nhằm phân tích độ chín của cà chua theo màu sắc của chúng, chỉ thu hoạch những quả đã chín. Tôi ngạc nhiên về độ chính xác của việc cắt bỏ cà chua mà không làm hỏng, ảnh hưởng tới cây đó và những cây, quả xung quanh. Cùng với đó, robot GRoW còn được thiết kế một băng chuyền để cất những trái cà chua đã thu hoạch vào các hộp, sẵn sàng đóng và bán.
Robot thu hoạch cà chua Grow_ảnh 2
Robot thu hoạch cà chua GRoW là một robot có tính ứng dụng và hiệu quả rất cao, nhưng đến thời điểm hiện tại giá của nó vẫn chưa được công bố. Tôi chỉ biết là nó sẽ được bán ra thị trường vào thời gian tới.
Robot thu hoạch cà chua Grow_ảnh 3
5.3. Robot thu hoạch ớt chuông
5.3.1. Robot thu hoạch ớt chuông WP5
Robot WP5 là robot được nghiên cứu và phát triển ở Hà Lan nhằm thu hoạch ớt chuông. Cánh tay robot của WP5 được trang bị một chiếc camera 3D, một camera cho hình ảnh màu, một chiếc kìm cao su và một cây kéo nhằm cắt đứt quả ớt chuông khỏi cuống một cách dễ dàng. Cánh tay của robot này được gắn vào bộ phận có thể di chuyển lên xuống kết hợp cùng với các bộ phận khác: thiết bị điều khiển điện tử, các cảm biến, đèn chiếu sáng và máy tính để điều khiển được các hoạt động của WP5.
Robot thu hoạch ớt chuông WP5
Robot WP5 đã được đưa vào thử nghiệm tại một nhà kính trồng ớt chuông rộng 1,4ha. Tại đây, các nhà nghiên cứu đã điều khiển cho robot thực hiện hái ớt chuông với tốc độ chậm để tập trung vào kiểm tra chức năng xác định vị trí và nhận diện trái chín, khả năng né tránh chướng ngại vật và thu hoạch trái. Kết quả cho thấy rằng WP5 tự động thu hoạch được trái chín với độ chính xác khá cao. Họ ước tính rằng robot WP5 thu hoạch ớt chuông với tốc độ 6 giây/trái. Tuy có những đặc điểm vượt trội như vậy, nhưng robot thu hoạch ớt chuông WP5 vẫn đang được cải tiến cho phù hợp hơn trước khi đưa ra thị trường để nâng cao khả năng hoạt động trong môi trường bên ngoài nhà kính, và tích hợp thu hoạch được kết hợp các nhiệm vụ khác như giám sát sự phát triển của cây trồng.
5.3.2. Robot thu hoạch ớt chuông L
Robot L được nghiên cứu và phát triển bởi công ty AGRIST cùng với sự kết hợp của nông dân địa phương về các phương pháp nông nghiệp mới. Nó có công dụng là thu hoạch ớt chuông với độ chính xác và tốc độ cao, khoảng 28 giây cho một quả. Robot L này thay vì lăn trên bánh xe hoặc đi bằng chân như các con robot khác, thì nó di chuyển dọc theo các hàng cây ớt chuông trên những chiếc dây treo bên trong nhà kính. Có lẽ vậy nên robot L có thể di chuyển một cách dễ dàng vượt qua các chướng ngại vật trên đường đi của nó. Ngoài việc thu hoạch ớt chuông thì L còn tự động cắt bỏ những cành thừa trong lúc thu hoạch.
Robot thu hoạch ớt chuông L_ảnh 1
Robot L thu thập và tích lũy hình ảnh về những quả ớt ở nhiều nơi khác nhau sau đó kết hợp với thị giác máy tính để phát hiện những quả ớt chín giữa các tán lá và những quả ớt xanh. Sau khi xác định được quả ớt chuông cần hái, L dùng cánh tay robot của nó tiếp cận và sử dụng dụng cụ hái chuyên dụng để kẹp quả ớt lại, cắt xuyên qua cuống rồi đưa quả ớt về khoang chứa. Để khoang chứa không bị đầy, L thường xuyên dừng lại ở một vị trí được đặt sẵn giỏ, mở đáy khoang chứa để ớt rơi vào đó, sau đó để con người lấy ra.
Robot thu hoạch ớt chuông L_ảnh 2
Robot thu hoạch ớt chuông L được cung cấp năng lượng hoạt động bởi hai cục pin, có thể đáp ứng khả năng làm việc liên tục tới 12 giờ mỗi ngày, miễn là có đủ ánh sáng để nó có thể nhìn thấy những quả ớt chuông. Và khi nó trở nên yếu dần thì bạn cần thay pin cho nó ngay lập tức.
5.3.3. Robot thu hoạch ớt chuông Sweeper
Robot thu hoạch ớt chuông Sweeper được phát minh bởi nhóm nghiên cứu người Israel, nó có thể tự động đi kiểm tra và nhận dạng được những quả ớt chuông chín để thu hoạch. Để nhận dạng được quả ớt chín, chúng dùng máy ảnh có khả năng phân biệt màu ớt. Công nghệ thị lực máy tính sẽ giúp Sweeper xác định được rằng quả ớt chuông đó đã đủ điều kiện để thu hoạch hay chưa. Sau đó chúng sẽ lựa chọn và hái chúngqua đó lựa chọn và hái chúng với tốc độ 24 giây/quả.
Robot thu hoạch ớt chuông Sweeper_ảnh 1
Chú robot này sẽ dùng một chiếc dao cắt nhỏ đươc trang bị sẵn để cắt cuống quả ớt trước khi cầm quả ớt bỏ vào giỏ. Chuyển động của robot này được xem là chậm, vì các nhà nghiên cứu cố tình làm vậy để có thể đảm bảo được an toàn. Ngoài ra, Sweeper được gắn thêm đèn LED để có thể thu hoạch trái cây suốt ngày đêm, khoảng 20 giờ/ngày với độ chính xác lên tới 61% trong việc chọn hái quả chín.
Robot thu hoạch ớt chuông Sweeper_ảnh 2
5.4. Robot thu hoạch nho Wall-Ye
Wall-Ye là một robot nhà phát minh Christophe Millot có trụ sở tại Burgundy, Pháp, là một trong những robot đang được phát triển trên khắp thế giới để thu hoạch trái nho và có thể tỉa cành, loại bỏ những cành nho thừa và giám sát sức khỏe của cây nho. Robot này có màu trắng với viền màu đỏ, cao 50cm (20inch) và rộng 60, cân nặng lên tới 20kg, được trang bị gồm có bốn bánh xe, hai cánh tay và sáu máy ảnh. Nó hoạt động dựa vào công nghệ định vị toàn cầu (GPS), trí tuệ nhân tạo (AI) và sơ đồ di chuyển trong vườn nho được tích hợp trong đó. Nó có thể nhận biết các đặc điểm của cây sau đó thu thập, ghi nhận và lưu trữ hình ảnh dữ liệu của từng cây để thuận tiện cho việc thu hoạch. Khi đi thu hoạch, chúng sử dụng các camera để truy lùng những chùm nho chín và điều khiển cánh tay robot để cắt những chùm nho ấy xuống. Wall-Ye có thể tự động chạy quanh vườn nho để kiểm tra, cắt bỏ các nhánh non, cành cây dư thừa , giám sát tình hình phát triển của cây và thu hoạch nho với tốc độ nhanh chóng, 600 gốc nho mỗi ngày. Nếu trước đây việc thu hoạch nho mất 18 ngày lao động thủ công thì giờ đây với chú robot này bạn chỉ mất 10 ngày.
Robot thu hoạch nho Wall-Ye-arnh1
Ông Millot nói rằng: “Nó có GPS và nếu nó ở trong một vườn nho không được chỉ định, nó sẽ không khởi động. Nó cũng có con quay hồi chuyển để biết liệu nó có được nhấc lên khỏi mặt đất hay không. Nếu điều đó xảy ra, ổ cứng sẽ tự hủy và robot sẽ gửi tin nhắn đến người chủ vườn nho: “Trợ giúp!''”. Đây là điều mà tôi đặc biệt ấn tượng về chú robot thu hoạch nho Wall-Ye này. Chúng được thiết lập chế độ tự động tắt khi đi lệch hướng nhằm không thu hoạch nhầm vườn nho khác vì được thiết lập hệ thống định vị GPS và sơ đồ di chuyển trong vườn nho. Và khi nó đang hoạt động mà có ai đó nhấc nó lên khỏi mật đất, nó sẽ phát ra tín hiệu “cầu cứu” nhằm ngăn chặn những kẻ có ý định “bắt cóc” nó. Robot thu hoạch nho Wall-Ye có thể làm việc cả ngày lẫn đêm, nó có thể khiến công nhân vườn nho mất việc.
Và giá hiện tại của một con robot Wall-Ye được đặt ở mức 25.000 euro ngang ngửa với một chiếc ô tô cỡ trung bình.
Robot thu hoạch nho Wall-Ye_ảnh 2
5.5. Robot thu hoạch trái dâu tây
5.5.1. Robot thu hoạch dâu tây Rubion
Robot Rubion được nghiên cứu, phát triển bởi chuyên gia robot người Bỉ là Octinion và được hỗ trợ bởi ACTPHAST 4.0, một 'vườn ươm' SME giúp các doanh nghiệp hiện có và non trẻ đổi mới về quang tử học. Rubion là sự kết hợp giữa công nghệ cảm biến quang học thông minh và cơ chế kẹp cải tiến giúp thu hoạch dâu tây. Nó có thể thu hoạch được 360kg ứng với 11.500 quả dâu tây mỗi ngày, cao gấp hơn 7 lần so với việc để con người thu hoạch (50kg mỗi ngày). Ông Octinion mạnh dạn tuyên bố rằng: “Một đội hình gồm 14 chú robot Rubion sẽ mất chưa đầy bảy ngày để hái và đóng gói tất cả những trái dâu tây cần thiết cho Wimbledon”. Lý do mà ông Octinion nói như vậy là vì robot này có thể thu hoạch 24 giờ một ngày, 7 ngày một tuần.
Robot thu hoạch dâu tây Rubion_ảnh 1
Rubion sử dụng cảm biến quang học để phát hiện 'dấu hiệu' ánh sáng phát ra từ một quả dâu tây chín đỏ theo đặc điểm được lập trình sẵn mà camera RGB đã tích hợp vào 'mắt' của robot. Sau đó, nó sử dụng cách tay robot của mình để hái dâu tây từ bên dưới và phân loại trái dâu ấy theo kích thước hoặc trọng lượng rồi đóng gói thành từng túi. Cánh tay robot có dụng cụ kẹp cảm ứng mềm đã được cấp bằng sáng chế, không gây hại cho dâu tây nhiều hơn con người. Nó hái dâu theo đúng nghĩa đen giống như một người không cắt hay đốt cuống mà thực sự hái một quả dâu.
Nhận xét về công nghệ chế tạo ra Rubion, Tiến sĩ Jan Anthonis cho biết: “Giống như bạn thấy được một quả dâu tây đỏ, mọng nước như thế nào, Rubion có thể nhìn thấy y như vậy thông qua các thuật toán để tìm kiếm các dấu hiệu nhiệt quang phổ hồng ngoại phát ra từ một quả dâu tây chín, để có được thu hoạch chúng một cách hoàn hảo”.
Robot thu hoạch dâu tây Rubion_ảnh 2
Giám đốc điều hành Octinion, Tiến sĩ Tom Coen giải thích: Mặc dù công nghệ cần thiết để thu hoạch các loại trái cây cứng tương đối đơn giản, nhưng việc hái trái cây mềm tự động theo cách truyền thống là một vấn đề khó khăn hơn nhiều. Việc này luôn khó khăn vì chúng rất dễ bị đè bẹp và hạn chế trong việc phân biệt quả chín hay thối, đơn giản là không có robot của chúng tôi ở đó, nó là một phát minh mới lạ để giải quyết vấn đề này. Nó có thể so sánh với con người về nhiều mặt: Rubion chỉ chọn những quả mọng đỏ, tươi ngon nhất và không làm dập hay làm tổn hại đến trái dâu tây dưới bất kỳ hình thức nào.
5.5.2. Robot thu hoạch dâu tây Berry
Robot thu hoạch dâu tây Berry được phát minh bởi công ty Organifarms và được giới thiệu tại GreenTech vào năm 2022. Tại đây, Berry đã giành được Giải thưởng Sáng tạo Công nghệ Xanh ở hạng mục ý tưởng. Kể từ đó, công ty đã liên tục nghiên cứu để cải tiến robot và phát triển chúng một cách khả thi để có thể cho ra mắt ngoài thị trường. Một người trong đội ngũ nghiên cứu cho biết rằng sau một khoảng thời gian, Berry bây giờ đã di chuyển và thu hoạch nhanh hơn nhưng vẫn chưa đạt được tốc độ như mong muốn và điều này sẽ được cải thiện sớm trong mùa đông. Bên cạnh tốc độ, Berry hiện cũng đã cải thiện khả năng lưu trữ và có thể chứa bốn thùng dâu tây ứng với 20 kg dâu tây. Công ty đang tiếp tục phát triển các kỹ năng điều hướng của robot để đảm bảo rằng nó có thể di chuyển hiệu quả trong tán cây để thu hoạch trái cây mà không làm hỏng thân và lá. Robot này đang hướng tới việc thu hoạch 10kg dâu tây mỗi ngày và pin của nó có thể đáp ứng trong 12 giờ đồng hồ.
Robot thu hoạch dâu tây Berry_ảnh 1
Organifarms đã hợp tác với Delphy để thử nghiệm “Berry” tại trung tâm nghiên cứu trong suốt mùa vụ với các giống dâu tây khác nhau. Đây là một phần của dự án lớn với nhiều đối tác khác nhau để tìm cách tối ưu hóa việc sản xuất các giống cây lâu năm thông qua tự động hóa. Công ty vẫn đang tiến hành thử nghiệm ở Đức và hoan nghênh bất kỳ người trồng trọt dâu tây nào muốn tham gia. Mặt khác, Organifarms sẵn sàng giới thiệu “Berry” ra thị trường vào năm 2023 và đã có được những khách hàng đầu tiên.
Robot thu hoạch dâu tây_ảnh 2
5.5.3. Robot thu hoạch dâu tây của Nhật Bản
Chú robot thu hoạch dâu tây được phát minh và chế tạo tại Nhật Bản có chiều cao 2m, sẽ di chuyển trên các rãnh giữa các hàng dâu tây. Nó được trang bị ba chiếc camera để xác định quả dâu tây đã chín và khoảng cách của quả dâu. Mitsutaka Kurita, thành viên của Shibuyra Seiki, nhóm phát triển robot chia sẻ rằng: “Dựa vào hình ảnh được thu từ hai camera, robot này tính toán độ chín của quả dâu tây dựa trên màu sắc của quả. Và hình ảnh từ hai camera này cũng được robot dùng để tính toán khoảng cách của quả dâu tây chín mà nó thu hoạch. Hình ảnh chi tiết về quả dâu tây chín được chụp bởi camera thứ ba sẽ được robot dùng để thực hiện những tính toán cuối cùng trước khi thu hoạch quả dâu tây đó. Sau khi xác định xong, cánh tay robot của nó sẽ vươn tới vặt quả dâu tây đã chín rồi đặt nhẹ nhàng vào khay chứa bên dưới. Theo như quan sát, cứ trung bình 8 giây robot lại vặt được một quả dâu tây. Kurita nói: "Robot này có thể thu hoạch 2/3 số dâu tây chín trong một đêm, khi người dân đang ngủ và ngày hôm sau người nông dân sẽ phải thu hoạch những quả dâu tây còn sót lại mà robot không thể thu hoạch được".
Robot thu hoạch dâu tây ở 
Nhật Bản
Theo Tổ chức Nghiên cứu Thực phẩm và Nông nghiệp Quốc gia của Nhật Bản, đơn vị hỗ trợ phát triển robot, trồng dâu đòi hỏi rất nhiều công sức và thời gian, trồng dâu vất vả hơn trồng lúa đến 70 lần và vất vả gấp đôi so với trồng cà chua và dưa chuột. Chú robot hữu ích này ra đời giúp ích rất nhiều trong công việc trồng và thu hoạch dâu tây. Nó đã được bán ra thị trường vào đầu năm 2014 với giá xấp xỉ 5 triệu Yên (hơn 1 tỷ đồng).
5.6. Robot thu hoạch dừa Amaran
Dừa là một loại trái cây giúp giải khát, giải nhiệt mùa hè, được trồng ở nhiều nước trên thế giới. Tuy nhiên việc thu hoạch dừa được coi là công việc nguy hiểm vì phải trèo lên cây ở độ cao tầm 15–20m, nếu không được trang bị bảo hộ cẩn thận sẽ rất dễ gặp tai nạn không đáng có. Vì vậy, ở Ấn Độ có một nhóm các nhà nghiên cứu đã phát minh ra robot thu hoạch trái dừa, đặt tên là Amaran. Amaran bao gồm các cánh tay robot đặc biệt có máy cắt sắc bén, được gắn vào hệ thống khung hình vòng tròn có các chân giúp bám chặt vào thân cây dừa. Amaran hoạt động thông qua giao diện không dây bởi người vận hành trên mặt đất hoặc thông qua ứng dụng trên điện thoại thông minh. Người vận hành sẽ cho Amaran leo lên đến gần chùm dừa nhờ các chân robot, điều khiển cho cánh tay robot thực hiện cắt cuống của chùm dừa.
Robot thu hoạch dừa Amaran
Robot Amaran đã được tiến hành thử nghiệm trên cây dừa trong phòng thí nghiệm thiết kế. Sau đó, thiết kế của robot Amaran đã được mang đi thử nghiệm thực địa tại một trang trại dừa. Trong các cuộc thử nghiệm thực địa tại một trang trại dừa, Amaran cho thấy khả năng loe trèo và thu hoạch dừa khéo léo của bản thân nhưng có thể bị thử thách bởi chiều cao, chu vi và độ nghiêng. Nó đã trèo thành công những cây có chiều cao lên tới 15,2m, với độ nghiêng của thân cây lên tới 30 độ, chu vi từ 0,66m đến 0,9m. Tiếp theo, các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm Amaran trên đồng ruộng và so sánh khả năng thu hoạch dừa của nó với con người và thấy rằng nó thu hoạch mất nhiều thời gian. Con người mất trung bình 11,8 phút để thu hoạch một cây, trong khi Amaran mất trung bình 21,9 phút cho mỗi cây. Tuy nhiên, trong 21,9 phút đó thì robot này mất 14 phút dành để đặt robot ở gốc cây, trước khi cho nó bắt đầu leo lên. Có thể nói rằng khả năng thu hoạch của nó rất là nhanh nếu không tính khoảng thời gian chuẩn bị kia. Đây là một robot mới lạ giúp ích rất nhiều trong việc thu hoạch dừa, đảm bảo an toàn cho bạn.
Nhóm nghiên cứu đang thử nghiệm robot thu hoạch dừa Amaran
5.7. Robot thu hoạch dưa chuột
Để có thể thay con người trong việc hái dưa chuột bằng tay, các kỹ sư tại Viện Fraunhofer đang nghiên cứu, phát minh một chú robot có hai tay được làm từ các mô-đun nhẹ, chi phí thấp nhằm mục đích thu hoạch dưa chuột tự động và giúp tiết kiệm sức lực cho những người nông dân. Đây là một phần trong dự án EU có tiêu đề CATCH, viết tắt của một cụm từ bằng tiếng anh và được dịch là “Thu hoạch dưa chuột – Thí nghiệm trên cánh đồng xanh”.
Một trong những nhà nghiên cứu của dự án này, tiến sĩ Dragoljub Surdilovic nói với Digital Trends rằng: “Việc thu hoạch dưa chuột được robot tự động hóa là một trong những nhiệm vụ khó khăn. Khó ở đây là phải nhận biết và định vị được những quả dưa chuột xanh trong môi trường toàn màu xanh, sau đó tách chúng ra khỏi cuống mà không hư hại đến cây và những quả xung quanh. Những chướng ngại vật, độ ẩm trong môi trường luôn luôn thay đổi làm cho nhiệm vụ trở nên khó khăn hơn nữa”.
Robot thu hoạch dưa chuột
Giải pháp của họ là đã sử dụng kết hợp hai loại camera 2D và 3D cùng với tầm nhìn đa quang phổ, cảm biếm quang học để phát hiện dưa chuột. Được biết là những chiếc camera này được phát triển giúp tỷ lệ nhận dạng được dưa chuột lên tới 95%. Hai cánh tay robot sẽ hỗ trợ hệ thống thị giác bằng cách tìm kiếm những quả dưa ẩn náu dưới những lớp lá. Mục đích là để robot hoạt động hiệu quả như một người hái dưa chuột có kinh nghiệm, người mà có thể hái tới 13 quả dưa chuột mỗi phút. Tuy nhiên, nó sẽ có những ưu điểm vượt trội khác so với con người cụ thể là có thể hoạt động 24/7 mà không có ngày nghỉ ốm hay ngày nghỉ lễ. Điều này có thể được thực hiện với tỷ lệ thành công lên tới 94%.
Theo Fraunhofer, chú robot thu hoạch dưa chuột này đã được thử nghiệm sơ bộ vào tháng 7 năm 2017 tại Viện Kỹ thuật Nông nghiệp và Sinh học thuộc Viện Leibniz, ở đó chúng được thử thu hoạch các loại dưa chuột khác nhau về giống và kích thước.
6. Tình hình nghiên cứu và phát triển robot thu hoạch trái cây ở Việt Nam hiện nay
6.1. Nghiên cứu robot thu hoạch trái cây tại trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội
Trong bối cảnh của cách mạng công nghiệp hóa- hiện đại hóa, nông nghiệp áp dụng công nghệ cao đang là một trong những vấn đề được quan tâm ở nhiều quốc gia, trong đó có Việt Nam. Nền nông nghiệp áp dụng công nghệ cao sử dụng những công nghệ mới, hiện đại và tân tiến để tham gia vào quá trình sản xuất nhằm nâng cao chất lượng, năng suất nông sản và đáp ứng được nhu cầu ngày càng cao của xã hội và phát triển nền nông nghiệp bền vững. Bên cạnh đó, nền nông nghiệp công nghệ cao giúp người dân chống lại sự phá hoại của sâu bệnh, bớt sức lao động, ứng phó với biến đổi của khí hậu, giảm thời gian nuôi trồng và thu hoạch.
Nhằm đáp ứng những cơ hội để phát triển ngành nông nghiệp Việt Nam, nhóm nghiên cứ thuộc Khoa Cơ học kỹ thuật và tự động hóa tại Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội do PGS.TS Phạm Minh Thắng làm trưởng nhóm đã nghiên cứu, chế tạo ra robot thu hoạch hoa quả. PGS.TS Phạm Mạnh Thắng cho biết: “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”. Đó là nguyên nhân mà thầy Thắng kỳ vọng rằng con robot này sẽ được ứng dụng rộng rãi trong nông nghiệp công nghệ cao ở trong cũng như là ngoài nước.
PGS.TS Phạm Minh Thắng và nhóm nghiên cứu robot thu hoạch trái cây
Tuy nhiên, khi thực hiện những nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu có rất nhiều những khó khăn, trăn trở. Muốn ứng dụng robot này một cách rộng rãi thì nền nông nghiệp các nước phải đạt được một số tiêu chuẩn nhất định về cơ sở hạ tầng cũng như sự quan tâm của các nhà quản lý, những người nông dân đến việc sử dụng robot trong thu hoạch. Bên cạnh đó, họ còn trăn trở trước bài toán làm sao để ứng dụng những nghiên cứu ấy vào thực tiễn. Nhưng nhờ sự hỗ trợ của BGH Trường Đại học Công nghệ và Đại học Quốc gia Hà Nội, họ đã cùng nhau lên ý tưởng, triển khai thiết kế, chế tạo robot thu hoạch trái cây hỗ trợ nền nông nghiệp.
Thử nghiệm robot thu hoạch trái cây
Để tạo nên chú robot có ứng dụng thực tiến đối với đời sống, nhóm nghiên cứu đã phải trải qua rất nhiều khó khăn và thách thức. Chia sẻ vấn đề này, thầy Phạm Mạnh Thắng cho biết, khác với bài toán để chế tạo ra các sản phẩm cùng kích thước, vị trí và các bộ phận được sắp xếp cố định theo một kiểu máy nhất định như dây chuyền lắp ráp xe hơi tự động, thì quá trình điều khiển diễn ra dễ dàng hơn. Nhưng riêng với ngành nông nghiệp thì bài toán này lại khó khăn vì các sản phẩm của nông nghiệp rất đa dạng về mặt chủng loại, màu sắc, kích thước, do điều kiện thiên nhiên khiến chúng như vậy nên việc điều khiển sẽ phức tạp hơn rất nhiều. Ngay cả khi cây đó được trồng trong nhà kính, nơi có nhiều điều kiện như nhiệt độ, ánh sáng và độ ẩm được coi là không bị thay đổi, có thể kiểm soát được thì vẫn không thể “lập trình” được vị trí và thời gian cây ra quả để robot tới thu hoạch. Đây chính là thách thức mà nhóm nghiên cứu cần phải giải quyết.
Sau 9 tháng, nhóm đã phân tích, tính toán và bước đầu chế tạo chú robot với kích thước nhỏ, có thể di chuyển dễ dàng giữa hai luống trồng cây. Nó có khả năng phát hiện các loại trái cây sau những tán lá, phân biệt xem chúng đã chín hay chưa. Sau đó, chúng xác định xem quả nào đã đủ khả năng để thu hoạch, ngay cả trong vườn có nhiều tác động, lộn xộn. Và chúng có khả năng kẹp sâu vào cuống để hái được quả chín mà không làm ảnh hưởng đến các cây, quả xanh bên cạnh. PGS.TS Phạm Mạnh Thắng cho biết: “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. 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 nước ta hiện nay”.
Robot thu hoạch trái cây của nhóm PGS.TS Thắng
Bước đầu nhóm tập trung vào nghiên cứu robot thu hoạch trong nhà kính, đây cũng là một khâu quan trọng để làm chủ nền nông nghiệp áp dụng công nghệ cao. Được thiết kế, chế tạo hoàn toàn bằng các chi tiết, linh kiện trong nước nên giá thành chỉ bằng khoảng 30% so với những chú robot tương tự phải nhập khẩu có cùng chủng loại. Các phần mềm điều khiển robot được các kỹ sư Việt Nam tự lập trình và làm chủ, không bị phụ thuộc vào công nghệ của nước ngoài. Sau đó nhóm nghiên cứu tiếp tục chế tạo hoàn thiện chú robot, thiết kế để đặt robot này lên một chiếc xe để tự động di chuyển được mọi nơi một cách dễ dàng và thuận tiện nhất.
Sau quá trình nghiên cứu và chế tạo đầy tâm huyết, robot thu hoạch trái cây này đã được Trường Đại học Công nghệ nghiệm thu vào hôm 10/1. GS.TS Lê Huy Hàm - chủ nhiệm Khoa Nông nghiệp công nghệ cao, Trường Đại học Công nghệ cho rằng chú robot này đã được áp dụng một cách tiên phong và là tiền đề để bắt đầu ứng dụng vào hệ thống thu hoạch trái cây trong các nhà kính, trang trại tại Việt Nam. Bên cạnh đó, nhóm nghiên cứu cho biết chú robot này đang trong quá trình đăng ký bằng sáng chế và sẽ tiếp tục được hoàn thiện một cách tốt nhất. Và họ cũng sẽ hợp tác với các đối tác doanh nghiệp có nền nông nghiệp áp dụng công nghệ cao để có thể đưa robot ra ngoài thị trường thế giới phát triển một cách mạnh mẽ nhất.
6.2. Nghiên cứu robot thu hoạch dứa tại Việt Nam
Theo thống kê, Việt Nam là một trong số 10 quốc gia có sản lượng dứa nhiều nhất trên thế giới. Dứa mang lại cho người nông dân giá trị kinh tế cao, được trồng nhiều ở các tỉnh thành vùng Tây Nam Bộ. Tuy nhiên, hiện nay việc thu hoạch vẫn đang sử dụng phương pháp thủ công là người lao động thu hoạch. Đây là việc tưởng chừng đơn giản nhưng thực chất khá là nguy hiểm vì dứa có rất gai sắc và nhọn. Cùng với đó thời tiết khắc nghiệt, khiến việc thu hoạch trở nên càng khó khăn hơn khi người lao động mất sức nhiều hơn. Với khối lượng dứa khổng lồ như vậy, việc huy động lực lượng thu hoạch dứa cũng không hề dễ dàng gì.
Nghiên cứu robot thu hoạch dứa tại Việt Nam
Chính vì vậy chú robot thu hoạch dứa tự động được chế tạo nhằm giúp những người nông dân thu hoạch dứa một cách nhanh chóng và đảm bảo được năng suất. Và chú robot này được nhóm nghiên cứu tiến hành nghiên cứu và chế tạo dựa trên cơ sở ứng dụng machine learning, deep-learning và công nghệ xử lý ảnh. Cấu tạo cơ khí của robot này có cấu hình Gantry Robot 3 bậc tự do theo các phương vuông góc của hệ trục tọa độ. Cánh tay robot được gắn với một lồng kẹp dùng để cố định quả dứa, một dao cắt sắc bén được gắn với lồng kẹp để có thể cắt dứa một cách dễ dàng. Các bộ phận của robot được nối với nhau bởi các thanh nối, thanh nối này được truyền động bởi các động cơ bước trong và chuyển động theo mặt phẳng nằm ngang, thanh nối gắn với cánh tay robot và dao cắt sẽ được hoạt động dựa vào động cơ khí nén để có thể tiếp cận quả dứa và cắt chúng một cách dễ dàng.
Sơ đồ quá trình vận hành của robot thu hoạch dứa
Một vấn đề khi mà nghiên cứu robot tất cả các nhà nghiên cứu đều đau đầu là làm sao để cho robot phát hiện và nhận dạng ra được trái dứa. Vì thế, nhóm nghiên cứu đã tích hợp hơn 500 hình ảnh quả và cánh đồng dứa đưa vào quá trình học máy. Khi đ, chúng sẽ phân tích, nhận dạng và phát hiện những quả dứa chín thông qua công cụ trích lọc Haar-like. Phương pháp cascade hay phương pháp phân tầng được áp dụng để loại bỏ các cây không chứa các quả dứa cần thu hoạch. Kỹ thuật xác định thời gian tiêu chuẩn SMV được áp dụng để phân biệt những trái dứa chín đủ điều kiện để thu hoạch và trái dứa xanh chưa đủ điều kiện để lại cho lần thu hoạch tiếp theo. Tỷ lệ nhận dạng đúng của robot này lên đến 85%.
Khả năng nhận dạng dứa chín của robot
Khi xác định được vị trí quả dứa trong hệ trục tọa độ của camera, các tín hiệu sẽ được chuyển tới bộ điều khiển robot. Robot sẽ chuyển động để đưa lồng kẹp và dao cắt tới vị trí của quả dứa, cắt cuống dứa rồi vận chuyển quả dứa nơi tập kết.
7. Kết luận
Nông nghiệp gắn liền với cách mạng 4.0 hứa hẹn sẽ là một con đường có thể giúp đỡ rất nhiều trong việc thiếu nguồn nhân lực cũng như giảm thiểu ô nhiễm mối trường. Trong số đó robot phục vụ cho nông nghiệp, cụ thể là robot thu hoạch trái cây, nó là một công nghệ mới và tiên tiến, có thể giúp những người nông dân có thể tiết kiệm được thời gian, chi phí và lao động trong việc thu hoạch các loại trái cây khác nhau, đem lại những kết quả tuyệt vời, tăng năng suất, góp phần giải quyết những khó khăn trong quá trình sản xuất cũng như thu hoạch trái cây. Robot thu hoạch trái cây là một bước tiến quan trọng trong lĩnh vực nông nghiệp, mang lại nhiều lợi ích cho người nông dân và người tiêu dùng.
