TÓM TẮT ĐỒ ÁN Trong khoá luận tốt nghiệp này, nhóm chúng em đã thực hiện đề tài “Thiết kế và chế tạo robot thu hoạch ớt chuông”, với dự án này khi đưa robot vào hoạt động việc thu
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ
GVHD: TS BÙI HÀ ĐỨC SVTH: ĐẶNG QUANG VINH
LẠI ANH NGUYÊN ĐẶNG VĂN LINHTHIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT THU HOẠCH ỚT CHUÔNG
Trang 2BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM
KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Đề Tài:
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT THU HOẠCH ỚT CHUÔNG GVHD: TS Bùi Hà Đức
SVTH:
1 Đặng Quang Vinh MSSV: 20146461
2 Lại Anh Nguyên MSSV: 20146374
3 Đặng Văn Linh MSSV: 20146364
Trang 3BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM
BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Đề Tài:
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT THU HOẠCH ỚT CHUÔNG
Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2024
GVHD: TS Bùi Hà Đức SVTH:
1 Đặng Quang Vinh MSSV: 20146461
2 Lại Anh Nguyên MSSV: 20146374
3 Đặng Văn Linh MSSV: 20146364
Trang 4TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do – Hạnh phúc
KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY
Bộ môn Cơ điện tử
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Học kỳ II / năm học 2023 - 2024
Giảng viên hướng dẫn: TS Bùi Hà Đức
Sinh viên thực hiện:
1 Đặng Quang Vinh MSSV: 20146461 Điện thoại: 0923954328
2 Lại Anh Nguyên MSSV: 20146374 Điện thoại: 0769573824
3 Đặng Văn Linh MSSV: 20146364 Điện thoại: 0976414643
1 Mã số đề tài:
Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo robot thu hoạch ớt chuông
2 Các số liệu, tài liệu ban đầu:
- Khối lượng robot: 50 kg
- Khung của robot: 70 x 50 x 45 cm
3 Nội dung chính của đồ án:
- Thiết kế và chế tạo robot hái và nhận diện được trái ớt chuông chín
- Thiết kế hệ thống điện và bộ điều khiển cho robot
- Nghiên cứu thuật toán điều khiển chuyển động robot và thuật toán xử lý ảnh
7 Ngôn ngữ trình bày: Bản báo cáo: Tiếng Anh Tiếng Việt
Trình bày bảo vệ: Tiếng Anh Tiếng Việt
Trang 5TRƯỞNG BỘ MÔN GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
Được phép bảo vệ ………
Trang 6LỜI CAM KẾT
Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo robot thu hoạch ớt chuông
GVHD: TS Bùi Hà Đức
Họ và tên sinh 1: Đặng Quang Vinh
Ngày nộp khóa luận tốt nghiệp (ĐATN):
Lời cam kết:” Chúng tôi xin cam đoan khóa luận tốt nghiệp (ĐATN) này là công trình do chúng tôi nghiên cứu và thực hiện Chúng tôi không sao chép từ bất kỳ một bài viết nào đã được công bố mà không trích dẫn nguồn gốc Nếu có bất kỳ một sự vi phạm nào, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.”
Trang 7LỜI CẢM ƠN
Nhóm chúng em xin chân thành gửi lời cảm ơn và lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy cô Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã dành sự quan tâm và tận tình dạy dỗ, cũng như tạo điều kiện thuận lợi cho chúng em trong quá trình học tập, nâng cao kiến thức và kỹ năng để hoàn thành đồ án này Đặc biệt, chúng em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất tới thầy Bùi Hà Đức, người đã trực tiếp hướng dẫn và hỗ trợ chúng
em suốt quá trình thực hiện đề tài
Chúng em rất mong nhận được ý kiến đóng góp và nhận xét từ thầy hướng dẫn cũng như các thầy/cô phản biện để chúng em có thể tích lũy thêm kinh nghiệm, từ đó đồ án của chúng
em sẽ ngày càng hoàn thiện hơn Chúng em xin kính chúc thầy/cô luôn mạnh khỏe, hạnh phúc và tiếp tục mang đến nhiều thành tựu cho sự nghiệp giáo dục
Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn!
Trang 8TÓM TẮT ĐỒ ÁN
Trong khoá luận tốt nghiệp này, nhóm chúng em đã thực hiện đề tài “Thiết kế và chế tạo robot thu hoạch ớt chuông”, với dự án này khi đưa robot vào hoạt động việc thu hoạch những trái ớt chuông trong vườn thủy canh hay nhà kính sẽ trở nên hiệu quả hơn và tiết kiệm chi phí lao động Robot thu hoạch ớt chuông có thể giúp tự động hóa quy trình thu hoạch, giảm thiểu sự phụ thuộc vào lao động thủ công và tăng năng suất Sau nhiều tháng miệt mài tìm hiểu nghiên cứu cũng như thiết kế, lắp ráp robot, nhóm chúng em đến hôm nay đã tạo ra thành công mô hình sản phẩm robot, với việc thử nghiệm hoạt động của robot cho thấy robot có thể hoạt động hiệu quả trong việc thu hoạch ớt chuông Quá trình tìm hiểu và nghiên cứu kéo dài trong nhiều tháng đã đem lại kết quả đáng kể, từ việc thiết kế chi tiết các bộ phận của robot đến lắp ráp và lập trình để đảm bảo hoạt động ổn định và khá chính xác trong môi trường thực tế Việc tạo ra mô hình robot thu hoạch ớt chuông này hứa hẹn mang lại nhiều lợi ích quan trọng cho nông nghiệp hiện đại, như giảm chi phí lao động, tăng năng suất và chất lượng sản phẩm, cũng như giảm thiểu tác động đến môi trường Điều này cũng đồng nghĩa với việc cải thiện thu nhập và điều kiện sống cho người nông dân
Trang 9MỤC LỤC
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i
LỜI CAM KẾT iii
LỜI CẢM ƠN iv
TÓM TẮT ĐỒ ÁN v
MỤC LỤC vi
DANH MỤC BẢNG x
DANH MỤC HÌNH xi
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xvi
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI 1
1.1 Lý do chọn đề tài 1
1.2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 2
1.3 Giới hạn của đề tài 3
1.4 Phạm vi nghiên cứu của đề tài 3
1.5 Phương pháp nghiên cứu đề tài 4
1.6 Bố cục của đồ án tốt nghiệp 4
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5
2.1 Tự động hóa trong nông nghiệp 5
2.2 Tổng quan về robot thu hoạch trái cây 7
2.3 Các thành phần chính của robot thu hoạch trái cây 10
2.4 Nguyên lý hoạt động của robot thu hoạch trái cây 11
2.5 Phát hiện đối tượng 12
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ 15
3.1 Yêu cầu kỹ thuật 15
3.2 Phương án thiết kế 16
3.2.1 Phương án thiết kế cho hệ thống di chuyển 16
3.2.2 Phương án thiết kế cho cơ cấu chấp hành 17
3.2.3 Phương án thiết kế cho cơ cấu tay kẹp 18
3.2.4 Phương án cho hệ thống xử lý ảnh 20
Trang 103.3 Ý tưởng thiết kế 21
3.4 Cấu tạo tổng quan của robot 21
3.5 Tính toán hệ thống di chuyển 27
3.5.1 Tính toán và lựa chọn động cơ cho xe 28
3.5.2 Tính toán và lựa chọn bộ truyền đai 33
3.5.3 Tính toán thiết kế trục theo điều kiện bền 37
3.5.4 Tính kiểm nghiệm độ bền trục 42
3.5.5 Tính toán và lựa chọn gối đỡ trục 49
3.5.6 Lựa chọn bánh xe 52
3.6 Tính toán cơ cấu chấp hành 54
3.6.1 Tính toán và lựa chọn động cơ cho cánh tay robot 54
3.6.2 Tính toán trục vít me 62
CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN 70
4.1 Yêu cầu kỹ thuật 70
4.2 Sơ đồ khối và tổng quan về hệ thống điện 70
4.2.1 Sơ đồ khối của hệ thống 70
4.2.2 Sơ đồ điện của hệ thống 71
4.3 Khối cấp nguồn 71
4.3.1 Tính toán và lựa chọn nguồn điện 71
4.3.2 Mạch giảm áp DC LM2596 74
4.4 Khối xử lý dữ liệu chính 75
4.4.1 Nhiệm vụ của khối xử lý dữ liệu chính 75
4.4.2 Board Jetson Nano 75
4.5 Khối cảm biến 76
4.5.1 Nhiệm vụ của khối cảm biến 76
4.5.2 Camera Intel RealSense Depth D435 76
4.6 Khối điều khiển 77
4.6.1 Nhiệm vụ của khối điều khiển 77
Trang 114.6.3 Vi điều khiển STM32F103C8T6 78
4.6.4 Mạch cầu H HI216 79
4.6.5 Mạch điều khiển động cơ bước TB6600 79
4.7 Khối thực thi 80
4.7.1 Nhiệm vụ của khối thực thi 80
4.7.2 Động cơ DC servo 80
4.7.3 Động cơ bước Nema 81
4.8 Vị trí tủ điện 81
4.8.1 Hình ảnh thiết kế 3D 81
4.8.2 Hình ảnh thực tế 83
CHƯƠNG 5: THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG ROBOT 85
5.1 Tính toán động học của xe 85
5.1.1 Xác định các quỹ đạo cố định cho trước 85
5.1.2 Xe bám quỹ đạo cho trước 85
5.1.3 Xác định quãng đường bánh xe trái và phải cần đi khi quãng đường được chia nhỏ 89
5.1.4 Động học thuận của xe 90
5.1.5 Động học nghịch của xe 92
5.1.6 Vận tốc bánh xe từ xung encoder 95
5.2 Tính toán động lực học của xe 96
5.3 Tính toán động học của cánh tay robot 99
5.3.1 Động học thuận của cánh tay robot 99
5.3.2 Động học nghịch của cánh tay robot 101
5.4 Tính toán động lực học của cánh tay robot 104
5.4.1 Khi cánh tay đang ở trạng thái tĩnh 104
5.4.2 Khi cánh tay đang ở trạng thái động 105
5.5 Nhiệm vụ của thuật toán 106
5.6 Lưu đồ giải thuật của mô hình 107
5.6.1 Lưu đồ giải thuật của toàn bộ quá trình hoạt động 107
5.6.2 Lưu đồ giải thuật của PID đáp ứng vận tốc mong muốn 108
Trang 125.6.3 Lưu đồ giải thuật của mô hình bám quỹ đạo bất kỳ 109
5.7 Cấu trúc bộ điều khiển PID cho động cơ 110
5.8 Tìm hàm truyền của động cơ từ thực nghiệm 110
5.9 Tìm các thông số của bộ điều khiển PID để điều khiển tốc độ động cơ 116
5.10 Kết quả thực nghiệm của bộ điều khiển PID trên hai động cơ 117
CHƯƠNG 6: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN XỬ LÝ ẢNH 119
6.1 Nhiệm vụ của thuật toán 119
6.2 Lưu đồ nhận dạng ớt chuông 120
6.3 Tạo mô hình nhận diện trái ớt chuông 120
6.4 Xử lý ảnh 3D 126
6.5 Tính toán tọa độ xyz của vật 129
CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 131
7.1 Kết quả đồ án 131
7.2 Kết luận 132
7.3 Hạn chế của đề tài 133
7.4 Hướng phát triển 133
TÀI LIỆU THAM KHẢO 134
Trang 13DANH MỤC BẢNG
Bảng 3.1: Bảng thông số kỹ thuật của hệ thống truyền động 32
Bảng 3.2: Bảng thông số kích thước trục tại các điểm 49
Bảng 3.3: Bảng khối lượng các chi tiết thành phần của cánh tay robot 55
Bảng 3.3: Bảng khối lượng các chi tiết thành phần của cánh tay robot (2) 65
Bảng 4.1: Bảng ước tính công suất tiêu thụ của các linh kiện 72
Bảng 5.1: Bảng D – H của cánh tay robot 99
Trang 14DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Robot thu hoạch táo do nhóm Ripe Robotics chế tạo [6] 2
Hình 1.2: Robot thu hoạch dâu tây trong vườn thủy canh [7] 2
Hình 1.3: Trồng ớt chuông trong vườn thủy canh [8] 3
Hình 2.1: Trạng thái các loại trái cây chuyển trạng thái chín [5] 5
Hình 2.2: Robot thu hoạch táo được phát triển bởi Đại học Monash ở Melbourne [9] 6
Hình 2.3: Robot thu hoạch ớt chuông trong nhà kính [10] 7
Hình 2.4: Robot bay thu hoạch trái cây FAR [11] 8
Hình 2.5: Robot thu hoạch cà chua Certhon [12] 8
Hình 2.6: Robot thu hoạch dâu tây Rubion [13] 9
Hình 2.7: Robot thu hoạch nho Wall-Ye [14] 10
Hình 2.8: Robot thu hoạch dưa chuột Argist [15] 11
Hình 2.9: Dòng thời gian của các phương pháp phát hiện vật thể [16] 12
Hình 2.10: Dữ liệu đầu ra của phát hiện đối tượng [17] 13
Hình 3.1: Hình ảnh vườn ớt chuông thủy canh [18] 15
Hình 3.2: Robot thu hoạch cà chua RedStar [19] 16
Hình 3.3: Robot thu hoạch cà chua Virgo [20] 18
Hình 3.4: Cơ cấu cắt giữ cuống [21] 19
Hình 3.5: Cơ cấu cắt cuống hút chân không [22] 20
Hình 3.6: Hình ảnh 3D cấu tạo tổng quan của robot 21
Hình 3.7: Hình ảnh 3D khung xe 23
Hình 3.8: Hình ảnh 3D cụm bánh xe 23
Hình 3.9: Hình ảnh 3D tổng thể xe 24
Hình 3.10: Thiết lập tải trọng cho khung 25
Hình 3.11: Kết quả mô phỏng ứng suất của khung 25
Hình 3.12: Kết quả mô phỏng chuyển vị của khung 26
Trang 15Hình 3.14: Sơ đồ mô hình cơ khí của xe 27
Hình 3.15: Bánh xe nhôm 145mm trục 8mm 28
Hình 3.16: Các lực tác dụng lên robot 29
Hình 3.17: Bảng Rolling Friction Coefficients 30
Hình 3.18: Động cơ Planet 320rpm 24V 60w encoder 13 xung 32
Hình 3.29: Kích thước của động cơ 33
Hình 3.20: Các thông số kĩ thuật của bánh đai 35
Hình 3.21: Các ngoại lực từ bộ truyền tác dụng lên trục 38
Hình 3.22: Biểu đồ nội lực – Trục II 40
Hình 3.23: Gối đỡ trục ngang FL08 50
Hình 3.24: Bánh xe chủ động 52
Hình 3.25: Bánh xe đa hướng 53
Hình 3.26: Mô phỏng vận tốc trên Matlab 56
Hình 3.27: Mô phỏng gia tốc góc max, gia tốc dài max của góc 𝜽𝟏 trên Matlab 57
Hình 3.28: Mô phỏng gia tốc góc max, gia tốc dài max của góc 𝜽𝟐 trên Matlab 57
Hình 3.29: Mô phỏng gia tốc góc max, gia tốc dài max của góc 𝜽𝟑 trên Matlab 58
Hình 3.30: Động cơ bước Nema 23 57HS56 60
Hình 3.31: Động cơ bước Nema 17 17HD4401S 61
Hình 3.32: Động cơ bước Nema 17 17HS1352 62
Hình 3.33: Kích thước của vít me chì T8 63
Hình 3.34: Động cơ bước Nema 23 57HS112 64
Hình 4.1: Sơ đồ khối của hệ thống 70
Hình 4.2: Sơ đồ điện của hệ thống 71
Hình 4.3: Bình ắc quy pin lithium 12V 19600mah 40A MTM 73
Hình 4.4: Khối pin sạc 12V 5,2Ah 25A 3S MTM 74
Hình 4.5: Mạch giảm áp DC LM2596 75
Hình 4.6: Máy tính nhúng Jetson Nano 76
Trang 16Hình 4.7: Camera Intel RealSense Depth D435 77
Hình 4.8: Vi điều khiển STM32F103RCT6 78
Hình 4.9: Vi điều khiển STM32F103C8T6 78
Hình 4.10: Mạch cầu H HI216 79
Hình 4.11: Mạch điều khiển động cơ bước TB6600 80
Hình 4.12: Mô hình 3D bố cục bảng điện 81
Hình 4.13: Mô hình 3D tủ điện 82
Hình 4.14: Mô hình 3D bố cục tủ điện 82
Hình 4.15: Hình ảnh thực tế góc nhìn phía trước tủ điện 83
Hình 4.16: Hình ảnh thực tế góc nhìn phía sau tủ điện 83
Hình 4.17: Hình ảnh thực tế góc nhìn bên trái tủ điện 84
Hình 5.1: Các quỹ đạo cố định của xe khi chạy trong nhà kính 85
Hình 5.2: Xe bám theo một quỹ đạo bất kỳ 86
Hình 5.3: Phương trình quỹ đạo đường cong 86
Hình 5.4: Quỹ đạo đường cong từ công thức hình 5.3 87
Hình 5.5: Khối xác định độ dài quãng đường của bánh trái, bánh phải và trung tâm của xe 87
Hình 5.6: Xác định độ dài quãng đường cần đi của bánh trái, bánh phải và trung tâm của xe tại thời điểm t = 2s, vi bước là 0.5 và khoảng cách giữa 2 trọng tâm bánh xe là 59 cm 88
Hình 5.7: Xác định độ dài quãng đường cần đi của bánh trái, bánh phải và trung tâm của xe tại thời điểm t = 140s, vi bước là 0.5 và khoảng cách giữa 2 trọng tâm bánh xe là 59 cm 88 Hình 5.8: Mô tả robot khi chạy theo đoạn cong 89
Hình 5.9: Mô hình thể hiện vận tốc của xe khi chuyển động cong 91
Hình 5.10: Mô tả robot khi chạy theo đường thẳng 93
Hình 5.11: Mô tả robot khi xoay tại chỗ 93
Hình 5.15: Sơ đồ phân tích lực và động lực khung và trục bánh xe 96
Hình 5.16: Sơ đồ phân tích lực và động lực khung 96
Trang 17Hình 5.18: Sơ đồ phân tích lực và động lực cho trục bánh xe giữa 98
Hình 5.19: Mô hình động học của cánh tay robot TRRR 99
Hình 5.20: Code mô phỏng không gian làm việc của robot 102
Hình 5.21: Hình mô phỏng 3D không gian làm việc của robot 103
Hình 5.22: Hình mô phỏng 2D không gian làm việc của robot 103
Hình 5.23: Các lực tác động lên cánh tay khi ở trạng thái tĩnh 104
Hình 5.24: Các lực quán tính và lực hướng tâm tác dụng lên cánh tay khi ở trạng thái động 106
Hình 5.25: Lưu đồ giải thuật toàn bộ quá trình hoạt động của mô hình 107
Hình 5.26: Lưu đồ giải thuật PID vận tốc 108
Hình 5.27: Lưu đồ giải thuật bám theo quỹ đạo bất kỳ 109
Hình 5.28: Sơ đồ khối bộ điều khiển PID vận tốc 110
Hình 5.29: Dữ liệu thu thập được về sự biến đổi tốc độ của hai động cơ 112
Hình 5.30: Giao diện của công của System Identification 113
Khai báo các biến đã được lưu trước đó: 113
Hình 5.31: Hiển thị dữ liệu về đầu vào và đầu ra tool System Identification 113
Hình 5.32: Biểu đồ thể hiện sự thay đổi tốc độ với đầu vào là điện áp 24V 114
Hình 5.33: Các thông số của hàm truyền động cơ bên phải 114
Hình 5.34: Đồ thị giữa dữ liệu tốc độ từ thực nghiệm và hàm truyền tương đối của động cơ bên phải 115
Hình 5.35: Các thông số của hàm truyền động cơ bên trái 115
Hình 5.36: Dạng tổng quát của hàm điều khiển PID 116
Hình 5.37: Kết quả mô phỏng đáp ứng vận tốc 100 RPM qua bộ điều khiển PID của động cơ phải 117
Hình 5.38: Kết quả mô phỏng đáp ứng vận tốc 100 RPM qua bộ điều khiển PID của động cơ trái 117 Hình 5.39: Kết quả thực nghiệm các vận tốc góc rpm1 (bánh trái), rpm2 (bánh phải) đáp ứng các vận tốc góc cho trước set1 (bánh trái), set2 (bánh phải) qua bộ điều khiển PID 118
Trang 18Hình 6.1: Sơ đồ khối điều khiển robot thu hoạch ớt chuông 119
Hình 6.2: Lưu đồ nhận dạng ớt chuông 120
Hình 6.3: Hình ảnh trái ớt chuông xanh và đỏ [23] 121
Hình 6.4: Gán nhãn dữ liệu 122
Hình 6.5: Hình ảnh biểu thị hiệu suất của mô hình 123
Hình 6.6: Ma trận về sai số của mô hình 124
Hình 6.7: Hình ảnh nhận diện ớt chuông xanh 125
Hình 6.8: Hình ảnh nhận diện ớt chuông đỏ 125
Hình 6.9: Hình ảnh nhận diện cả hai loại ớt chuông 126
Hình 6.10: Tạo pointcloud và hiển thị trên RVIZ 127
Hình 6.11: Sơ đồ tổng quát về hệ thống xử lý ảnh 127
Hình 6.12: Hình ảnh thực tế 128
Hình 6.13: Lấy tọa độ XYZ từ pointcloud và gửi cho STM32 bằng UART 129
Hình 6.14: Mô tả hình học phép chiếu 3D 129
Hình 7.1: Hình ảnh thực tế góc nhìn phía trước robot 131
Hình 7.2: Hình ảnh thực tế góc nhìn phía sau robot 131
Hình 7.3: Hình ảnh nhận diện trái ớt chuông 132
Trang 19DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
1 AGV : Automated Guided Vehicle
2 AMR : Autonomous Mobile Robot
3 UART : Universal Asynchronous Receiver /Transmitter
4 PID : Proportional Integral Derivative
5 SCARA : Selective Compliance Assembly Robot Arm
6 CNC : Computer Numerical Control
Trang 20CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Lý do chọn đề tài
Ớt chuông là một trong những loại rau củ quả phổ biến tại Việt Nam và các quốc gia phát triển như Trung Quốc, Mỹ, Ấn Độ, Nhật Bản, Hàn Quốc, Tây Ban Nha, Italia, Mexico Hiện nay,
ớt chuông được trồng rộng rãi trên khắp ba miền Việt Nam để đáp ứng nhu cầu tiêu thụ ngày càng tăng cao trong nhà hàng, gia đình và trong ngành chế biến thực phẩm Đồng thời, với sự tiến bộ của khoa học và công nghệ, nhóm đã quyết định thúc đẩy tự động hóa trong quá trình thu hoạch ớt chuông nhằm tiết kiệm thời gian, tăng năng suất và hiệu quả thu hoạch, đồng thời giảm chi phí nhân công cho các nông trại sản xuất ớt chuông
Trước đây, việc sử dụng robot để thu hoạch trái cây chưa phổ biến, hầu hết việc thu hoạch vẫn được thực hiện thủ công, gây ra nhiều ảnh hưởng đến năng suất và tốn nhiều thời gian, đồng thời ảnh hưởng đến sức khỏe của người nông dân Do đó, nhà nước cần đầu tư vào cơ sở hạ tầng và đào tạo nguồn nhân lực chất lượng để xây dựng nền tảng phát triển và áp dụng công nghệ của Cách mạng Công nghiệp 4.0 Điều này sẽ thúc đẩy quá trình tự động hóa trong nông nghiệp, đặc biệt là trong công đoạn thu hoạch sản phẩm Trái lại, việc tích hợp robot thông minh và công nghệ cao vào sản xuất nông nghiệp đã được phát triển mạnh mẽ ở các quốc gia như Mỹ, Châu Âu, Hàn Quốc, Nhật Bản, Trong đó, Hoa Kỳ là một trong những quốc gia tiên phong trong việc áp dụng công nghệ robot thông minh, đóng vai trò quan trọng và dẫn đầu trong nghiên cứu về robot thông minh
Hiện nay, có nhiều loại robot tự động được sử dụng rộng rãi trong nông nghiệp trên toàn cầu như: Robot bay thu hoạch trái cây Virgo 1, robot thu hoạch cà chua GRoW, robot thu hoạch dâu tây Rubion, robot thu hoạch nho Wall-Ye, Với việc nhận thấy rằng ớt chuông là một trong những loại cây trồng phổ biến, chính vì vậy đề tài của nhóm chúng em là thiết kế và chế tạo robot thu hoạch ớt chuông
Trang 21Hình 1.1: Robot thu hoạch táo do nhóm Ripe Robotics chế tạo [6]
Hình 1.2: Robot thu hoạch dâu tây trong vườn thủy canh [7]
1.2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Mục tiêu của đề tài "Thiết kế và chế tạo robot thu hoạch ớt chuông" mà nhóm mong muốn đạt được bao gồm:
- Hoàn thành mô hình robot dựa trên bản vẽ, có khả năng di chuyển và hoạt động như mô phỏng, đảm bảo sai số không vượt quá mức cho phép
Trang 22- Đối với phần thân và cánh tay của robot, có thể điều khiển được vị trí và vận tốc theo yêu cầu
- Tích hợp hệ thống xử lý ảnh để robot có thể thu hoạch trái ớt chuông ở bất kỳ vị trí nào
1.3 Giới hạn của đề tài
Với mong muốn thiết kế ban đầu là robot có khả năng di chuyển trên địa hình bằng phẳng, không gian gọn gàng và sạch sẽ, để robot thu hoạch các quả ớt chuông ở vị trí cao và đảm bảo chúng nhận đủ ánh sáng độ ẩm, chất lượng phát triển quả cao Mô hình này phù hợp với việc trồng ớt chuông trong nhà kính và thủy canh Trồng ớt chuông trong nhà kính và thủy canh mang lại nhiều lợi ích như dễ trồng và chăm sóc, có thể quan sát và điều chỉnh từng giai đoạn phát triển, và có thể trồng quanh năm không phụ thuộc vào điều kiện thời tiết và đất đai Ớt chuông ít bị ảnh hưởng bởi sâu bệnh và dễ chăm sóc Hơn nữa, sản phẩm ớt chuông từ phương pháp này có năng suất cao, chất lượng tốt và an toàn vệ sinh, không cần sử dụng quá nhiều phân bón hóa học và thuốc trừ sâu, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và chi phí
Hình 1.3: Trồng ớt chuông trong vườn thủy canh [8]
1.4 Phạm vi nghiên cứu của đề tài
Sau khi nghiên cứu các nguồn tài liệu và phân tích các yếu tố ảnh hưởng cũng như yêu cầu thực tế, nhóm đã thảo luận và đưa ra các nhiệm vụ cụ thể và giới hạn nghiên cứu như sau:
- Trong dự án tốt nghiệp này, nhóm sẽ thiết kế mô hình mô phỏng robot thu hoạch ớt chuông dưới dạng xe tự hành AGV với bánh xe đa hướng, kết hợp với cánh tay robot Scara
Trang 23- Sử dụng camera và công nghệ xử lý ảnh AI để nhận diện màu sắc, kích thước của ớt chuông và xác định thời điểm thu hoạch tối ưu
- Thực hiện thiết kế và vẽ mô hình hóa cho robot bằng phần mềm thiết kế 2D, 3D như Solidworks và AutoCAD
- Gia công các chi tiết của robot và thực hiện công đoạn lắp ráp
- Thực hiện các thử nghiệm và điều chỉnh để đảm bảo hoạt động hiệu quả
- Đánh giá hoạt động thực tế của robot và dựa vào kết quả này để đưa ra các đề xuất về hướng phát triển cho dự án
1.5 Phương pháp nghiên cứu đề tài
- Sử dụng các phần mềm thiết kế cơ khí như SolidWorks, AutoCAD trong quá trình thiết kế
và chế tạo ra mô hình có thể ứng dụng đưa vào thực tiễn
- Tìm hiểu về công nghệ AI, xử lý ảnh, thuật toán phát hiện đối tượng
- Nghiên cứu các tài liệu liên quan đến robot tự hành, robot Scara, và các phương pháp nhận diện xử lý ảnh từ nhiều nguồn như báo cáo, nghiên cứu khoa học, tài liệu trên Internet, và các thuật toán điều khiển tương ứng
- Tìm kiếm tài liệu, vận dụng những kiến thức đã học cũng như tìm hiểu thêm bên ngoài để ứng dụng vào việc nghiên cứu, thiết kế và mô phỏng chạy thử nghiệm trên phần mềm
1.6 Bố cục của đồ án tốt nghiệp
Đồ án tốt nghiệp về thiết kế và chế tạo robot thu hoạch ớt chuông được nhóm chia làm 7 chương chính:
Chương 1: Giới thiệu về đề tài
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương 3: Tính toán và thiết kế hệ thống cơ khí
Chương 4: Tính toán và thiết kế hệ thống điện
Chương 5: Thuật toán điều khiển chuyển động robot
Chương 6: Xây dựng thuật toán xử lý ảnh
Chương 7: Kết luận và hướng phát triển
Trang 24CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tự động hóa trong nông nghiệp
Việc xác định và đánh giá độ chín của quả trái cây là một yếu tố vô cùng quan trọng để nâng cao chất lượng sản phẩm và tăng giá trị tiêu thụ Sử dụng các thông số độ chín phù hợp cho từng loại trái cây sẽ giúp người tiêu dùng có được những loại quả chất lượng cao Ta có thể xác định được mức độ hay giai đoạn các loại quả theo hai nhóm tiêu chí như:
- Nhóm dựa vào quan sát hay có thể nói là dựa vào kinh nghiệm: Quả chín thường được xác định dựa trên ba tiêu chí sau: sự thay đổi màu sắc của vỏ quả, hàm lượng chất khô trong nước
ép quả, và cảm nhận hương vị khi thử nếm Quả chín có vỏ căng mọng, bóng, màu sắc chuyển
từ màu xanh trắng sang màu đặc trưng của từng giống cây và loại quả Phần gần cuống quả thường hơi phồng lên, giữa đáy quả có thể lõm hoặc có một vòng tròn nhỏ
- Nhóm dựa vào phân tích chất lượng: Sử dụng các tiêu chí cơ bản như đo độ ngọt, xác định hàm lượng chất khô trong nước ép quả, xác định độ axit tổng hợp trong nước ép quả, xác định hàm lượng đường tổng hợp, và đo lường hàm lượng vitamin C trong nước ép quả
Hình 2.1: Trạng thái các loại trái cây chuyển trạng thái chín [5]
Việc xác định độ chín của quả trái cây trước khi thu hoạch có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng của sản phẩm sau khi thu hoạch trong chuỗi giá trị Nhưng với bài toán tự động hóa trong khâu thu hoạch các loại quả là một bài toán khó, đòi hỏi nhiều yếu tố khác nhau Robot thu hoạch phải thật gọn trong bộ phận thu hoạch, nhẹ nhàng với đối tượng thu hoạch đẻ tránh
Trang 25bị bầm, dập và hư hỏng Đặc biệt, việc lựa chọn thời điểm thu hoạch cũng rất quan trọng, nên thu hoạch vào buổi sáng sớm khi thời tiết mát mẻ, sau đó nhanh chóng vận chuyển đến điểm thu mua để bảo vệ chất lượng của quả cây Trong quá trình vận chuyển, cần tránh việc quá tải hoặc chất quá đầy giỏ hàng, đặc biệt là việc đặt vật nặng lên trên quả cây có thể gây tổn thương Các loại quả sau khi thu hoạch cần phải được bảo quản ở nhiệt độ và độ ẩm phù hợp, tránh ánh nắng trực tiếp Đối với những quả được bảo quản trong môi trường lạnh, cần điều chỉnh nhiệt độ trước khi tiêu thụ để tránh hiện tượng "sốc nhiệt" và hạn chế sự ngưng tụ nước trên bề mặt quả gây hư thối Hiện nay, các loại quả như táo, cam, vải, xoài, măng cụt, dâu tây,
ớt chuông đều được áp dụng công nghệ tự động hóa trong quá trình thu hoạch
Hình 2.2: Robot thu hoạch táo được phát triển bởi Đại học Monash ở Melbourne [9]
Trang 26Hình 2.3: Robot thu hoạch ớt chuông trong nhà kính [10]
2.2 Tổng quan về robot thu hoạch trái cây
Nền nông nghiệp trên toàn thế giới đa dạng các loại cây ăn quả được trồng ở nhiều địa hình, nhiều vị trí, nhiều nền khí hậu với nhiều loại hình dạng và kích thước khác nhau Các loại robot thu hoạch trái cây được phát triển để phù hợp với từng loại trái cây cũng như các điều kiện địa hình và khí hậu Các mẫu robot phổ biến bao gồm: Robot bay thu hoạch trái cây FAR, robot thu hoạch cà chua Certhon, robot thu hoạch dâu tây Rubion, robot thu hoạch nho Wall-Ye, [4]
a) Robot bay thu hoạch trái cây FAR
Robot bay thu hoạch trái cây FAR là sản phẩm của công ty Tevel Aerobotics Technologies, với thiết kế nhỏ gọn và linh hoạt, sử dụng trí tuệ nhân tạo (AI) để xác định vị trí, khoảng cách
và thu hoạch trái cây Loại robot này có khả năng thu hoạch các loại quả ở độ cao lên đến 5m
và có thể xử lý nhiều loại trái cây khác nhau như táo, lê, đào, mận, bơ, xoài,
Trang 27Hình 2.4: Robot bay thu hoạch trái cây FAR [11]
b) Robot thu hoạch cà chua Certhon
Robot thu hoạch cà chua Certhon là sản phẩm của công ty Certhon, có trụ sở tại Hà Lan với hơn 125 năm kinh nghiệm trong lĩnh vực làm vườn Trong chiến lược phát triển gần đây, công
ty đã tập trung vào việc phát triển robot thu hoạch cà chua, do cà chua là cây trồng phổ biến trên toàn cầu và có mặt tại nhiều nông trại khắp nơi
Hình 2.5: Robot thu hoạch cà chua Certhon [12]
c) Robot thu hoạch dâu tây Rubion
Trang 28Robot thu hoạch dâu tây Rubion được nghiên cứu và phát triển bởi một chuyên gia robot người
Bỉ Octinion Sử dụng công nghệ cảm biến quang học và cơ chế kẹp được cải tiến, robot này
đã nâng cao hiệu suất thu hoạch quả dâu tây Đặc biệt, Rubion có khả năng thu hoạch lên đến 360kg dâu tây mỗi ngày, tương đương khoảng 11,500 quả, gấp 7 lần năng suất của con người (trung bình con người chỉ thu hoạch được khoảng 50 kg mỗi ngày)
Hình 2.6: Robot thu hoạch dâu tây Rubion [13]
d) Robot thu hoạch nho Wall-Ye
Robot thu hoạch nho Wall-Ye được sáng chế bởi nhà phát minh người Pháp Christophe Millot Thiết kế của robot bao gồm bốn bánh xe, hai cánh tay và 6 camera Nó hoạt động dựa trên công nghệ định vị toàn cầu (GPS), trí tuệ nhân tạo và mô hình di chuyển trong vườn nho Điều này cho phép robot nhận diện các đặc điểm của cây, thu thập và lưu trữ dữ liệu từng cây, điều khiển các camera và cánh tay robot để sử dụng các dụng cụ làm vườn cần thiết Ngoài ra, robot Wall-Ye có thể thực hiện nhiều nhiệm vụ như tự động kiểm tra vườn nho, cắt bỏ các nhánh non và cành cây dư thừa, giám sát sự phát triển của cây và thu hoạch nho với tốc độ nhanh chóng Robot có thể thu hoạch với công suất lớn, khoảng 600 gốc nho mỗi ngày
Trang 29Hình 2.7: Robot thu hoạch nho Wall-Ye [14]
2.3 Các thành phần chính của robot thu hoạch trái cây
Robot thu hoạch trái cây là một loại thiết bị công nghệ cao được thiết kế và chế tạo nhằm mục đích thay thế vai trò của con người trong quá trình thu hoạch các loại trái cây khác nhau Robot này sử dụng các công nghệ tiên tiến như xử lý ảnh, hệ thống định vị toàn cầu (GPS), camera, cảm biến và cánh tay robot Hệ thống xử lý ảnh giúp nhận diện các loại trái cây và xác định trái đã chín hay chưa Robot thu hoạch trái cây thường bao gồm ba thành phần chính: phần thân (như xe tự hành AGV, AMR, ), cánh tay robot (như cánh tay Scara, cánh tay robot 5 trục, ), và tay kẹp (bao gồm cơ cấu cắt giữ cuống hoặc cơ cấu kéo và nắm trái)
Dưới đây là hình ảnh robot thu hoạch dưa chuột Argist sử dụng cơ cấu cánh tay robot Scara Robot này được phát triển bởi công ty khởi nghiệp Agrist, sử dụng camera và trí tuệ nhân tạo
để nhận diện kích thước của dưa chuột và xác định thời điểm thu hoạch lý tưởng nhất Robot
có khả năng thu hoạch từ 1 đến 3 quả dưa chuột trong khoảng 2 phút và đặt chúng vào thùng Khả năng định vị chính xác giúp robot cắt dưa chuột mà không gây tổn thương cho thân cây
Trang 30Hình 2.8: Robot thu hoạch dưa chuột Argist [15]
2.4 Nguyên lý hoạt động của robot thu hoạch trái cây
Robot thu hoạch trái cây 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 khả năng phân biệt giữa trái cây chín và chưa chín, nhận diện kích thước và hình dạng của trái cây, xác định vị trí và khoảng cách của trái cây so với robot, sau đó tiến hành thu hoạch quả
Ban đầu, robot sử dụng các cảm biến như cảm biến ánh sáng, cảm biến siêu âm, cảm biến nhiệt độ, cảm biến độ ẩm, để xác định vị trí của cây và vị trí của các trái cây trên cây Tiếp theo, robot thu hoạch trái cây sử dụng máy ảnh tích hợp để chụp hình ảnh của trái cây, sau đó gửi về bộ xử lý trung tâm để phân tích Máy ảnh có thể là máy ảnh RGB, hồng ngoại, siêu âm hoặc laser tích hợp trong robot thu hoạch trái cây Sau đó, robot áp dụng các thuật toán để phát hiện và phân loại các trái cây dựa trên loại quả, kích thước, hình dạng, màu sắc và độ chín của quả
Robot sử dụng các thiết bị cơ khí như bàn chải, dao hoặc kéo được gắn kết với một cánh tay robot để hái trái cây một cách nhẹ nhàng và nhanh chóng Cánh tay robot có thể có nhiều kích thước và hình dạng khác nhau, nhưng đều có các khớp xoay, khớp nâng, khớp gập và khớp xoay ở đầu Ngoài ra, cánh tay robot được trang bị thêm thiết bị để nắm lấy trái cây
Trang 31Khi đã tiếp cận và xác định được vị trí của cây và trái cần hái, robot sẽ sử dụng thiết bị hút, móc hoặc tay kẹp được gắn vào cánh tay robot để nắm lấy trái cây, sau đó kẹp chặt để giữ trái cây Cánh tay robot sau đó sẽ tách trái cây khỏi cuống và đặt vào thùng hoặc rổ có sẵn Sau khi hoàn thành việc thu hoạch một quả, robot sẽ tiếp tục quét và hái các quả khác trong vùng làm việc của nó
2.5 Phát hiện đối tượng
Phát hiện đối tượng là một nhiệm vụ quan trọng trong lĩnh vực thị giác máy tính, nhằm nhận dạng và xác định vị trí của các đối tượng quan tâm trong hình ảnh hoặc video Nó không chỉ giới hạn việc phân loại đơn giản mà còn cung cấp các tọa độ chính xác của các đối tượng được nhận dạng Phát hiện đối tượng có vai trò then chốt trong nhiều ứng dụng như lái xe tự động, giám sát, robot và thực tế tăng cường, cho phép máy móc hiểu và tương tác với môi trường xung quanh thông qua việc phát hiện và định vị đối tượng trong thời gian thực Các phương pháp hiện đại thường áp dụng các kỹ thuật học sâu như Mạng Nơ-ron Tích chập (CNN) và sử dụng các thuật toán như Faster R-CNN, YOLO (You Only Look Once) và SSD (Single Shot MultiBox Detector) để đạt được độ chính xác và hiệu quả cao trong việc phát hiện đối tượng trong các cảnh thị giác phức tạp
Hình 2.9: Dòng thời gian của các phương pháp phát hiện vật thể [16]
Trang 32Hình 2.10: Dữ liệu đầu ra của phát hiện đối tượng [17]
Một trong những mô hình học sâu phổ biến nhất được áp dụng trong các tác vụ phát hiện đối tượng là:
Faster R-CNN, hay Faster Region-CNN (Mạng Nơ-ron Tích chập nhanh hơn dựa trên Vùng),
là một thuật toán phát hiện đối tượng phổ biến kết hợp giữa độ chính xác và hiệu suất Nó giới thiệu Mạng Đề xuất Vùng (RPN) để tạo ra các đề xuất vùng và một mạng tích chập chia sẻ để trích xuất đặc trưng từ toàn bộ hình ảnh RPN dự đoán điểm số đối tượng và độ lệch hộp giới hạn, từ đó đề xuất các vùng đối tượng tiềm năng Faster R-CNN đạt được độ chính xác phát hiện ấn tượng trong khi tăng tốc so với các mô hình tiền nhiệm Tuy nhiên, vì mô hình này sử dụng kiến trúc hai giai đoạn, tốc độ suy luận của nó dao động khoảng 0,2 giây mỗi hình ảnh, chậm hơn so với các mô hình sử dụng kiến trúc một giai đoạn khác
SSD (Single Shot MultiBox Detector) là một thuật toán phát hiện đối tượng ấn tượng, nổi
bật với tốc độ và độ chính xác của nó Đặc điểm nổi bật của SSD là sử dụng một loạt các lớp tích chập với các kích thước khác nhau để đồng thời phát hiện các đối tượng ở nhiều tỷ lệ và
tỷ lệ khung hình khác nhau Phương pháp tiếp cận đa tỷ lệ này cho phép SSD hiệu quả trong việc nhận diện các đối tượng có kích thước khác nhau trong một hình ảnh Thuật toán này dự đoán một tập hợp các hộp giới hạn và xác suất cho các lớp tương ứng tại mỗi lớp tích chập,
sử dụng các hộp neo mặc định làm tham chiếu Tuy nhiên, do sử dụng nhiều lớp tích chập với nhiều độ phân giải nhỏ hơn so với các mô hình khác, SSD có thể gặp một số nhược điểm trong việc phát hiện các đối tượng nhỏ
Trang 33YOLO (You Only Look Once) là một thuật toán phát hiện đối tượng tiên tiến, đưa ra một
cách tiếp cận cách mạng hóa cho việc phát hiện đối tượng theo thời gian thực Khác với các phương pháp truyền thống dựa trên các đề xuất vùng, YOLO sử dụng một phương pháp hồi quy để giải quyết vấn đề phát hiện đối tượng Thuật toán chia hình ảnh đầu vào thành một lưới
và dự đoán trực tiếp các hộp giới hạn và xác suất cho các lớp từng đối tượng từ mỗi ô lưới Phương pháp tiếp cận hiệu quả này cho phép YOLO xử lý hình ảnh theo thời gian thực, bởi
vì nó chỉ cần một lần truyền qua mạng nơ-ron để dự đoán các đối tượng Mặc dù YOLO có thể hy sinh một chút độ chính xác trong việc định vị, nhưng nó vượt trội về tốc độ, làm cho
nó rất phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu phát hiện đối tượng nhanh chóng như phân tích video, robot và xe tự lái Điều này làm cho YOLO trở thành một trong những lựa chọn hàng đầu cho các ứng dụng yêu cầu phản ứng nhanh và độ tin cậy cao trong việc phát hiện đối tượng theo thời gian thực
Trang 34CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ
3.1 Yêu cầu kỹ thuật
Việc chọn mô hình trồng ớt chuông trong vườn thủy canh nhằm mục đích bảo đảm an toàn vệ sinh thực phẩm, phòng trừ sâu bệnh và động vật gây hại, đồng thời tối ưu hoá quá trình trồng trọt và thu hoạch để tăng hiệu suất sản xuất Cây ớt chuông thường được trồng mỗi luống với
2 hàng, mỗi hàng cách nhau khoảng 60 cm Khoảng cách giữa các luống là 0,8 đến 1 m, và giữa các cây trong hàng là 45 đến 50 cm Mật độ trồng không nên quá cao vì sẽ ảnh hưởng đến năng suất và phát triển của cây, dễ gây ngộp thụ, kém phát triển hoặc chết Đa số vườn thủy canh thường sử dụng nền bằng xi măng Quả ớt chuông có hình dạng tròn, dài từ đầu cuống xuống khoảng từ 5 đến 15 cm và rộng từ 5 đến 10 cm Thông thường thì cây ớt chuông
có chiều cao từ 0,3 đến 1,5 m
Hình 3.1: Hình ảnh vườn ớt chuông thủy canh [18]
Do đó, dựa trên các điều kiện trên, nhóm đã triển khai công nghệ robot có khả năng di chuyển giữa các luống và thu hoạch cả hai bên của vườn ớt chuông Vì các quả ớt chuông thường nằm gần nhau, bộ phận di chuyển của robot được điều chỉnh tốc độ để quét và xử lý hình ảnh một cách hiệu quả nhất Ngoài ra, do ớt chuông mọc ở nhiều vị trí và độ cao khác nhau, nhóm đã
áp dụng robot Scara để dễ dàng tiếp cận các quả ớt chuông Để cơ cấu này đáp ứng được yêu cầu trong quá trình thu hoạch, nhóm đã phải tính toán kỹ về độ bền, độ rung lắc và độ chính xác của cánh tay robot cũng như độ trượt của xe trong quá trình di chuyển để đảm bảo không
bỏ sót bất kỳ quả ớt chuông chín nào
Trang 353.2 Phương án thiết kế
3.2.1 Phương án thiết kế cho hệ thống di chuyển
Dựa vào các yêu cầu kỹ thuật trên, nhóm đã lựa chọn thiết kế robot có hai bậc tự do bao gồm chuyển động thẳng và chuyển động quay Cấu hình truyền động của robot bao gồm hai bánh chính ở giữa được gắn động cơ bước thông qua bộ truyền đai, cùng với bốn bánh đa hướng giúp robot có khả năng cân bằng và chịu tải lớn Kích thước của khung robot là 0,7m x 0,5m
x 0,45m
Ưu điểm:
- Di chuyển linh hoạt và có thể điều khiển vị trí chính xác
- Cơ cấu dễ tính toán, lắp ráp và chế tạo
- Độ chính xác cao, có thể điều chỉnh tốc độ linh hoạt theo yêu cầu
- Độ êm ái cao, ít gây rung lắc
Nhược điểm:
- Di chuyển khó khăn trên địa hình gồ ghề, không bằng phẳng, dễ bị dính đất
- Khi gặp nền trơn, có thể xảy ra hiện tượng trượt bánh
Hình 3.2: Robot thu hoạch cà chua RedStar [19]
Trang 36Dựa trên nhu cầu thiết yếu đặt ra ban đầu cho đề tài được sử dụng trong môi trường trồng ớt chuông thủy canh, nhóm đã thống nhất rằng phương án robot di chuyển bằng bánh xe là phù hợp nhất Lựa chọn này đáp ứng các yêu cầu sau đây:
- Khả năng di chuyển giữa các luống: Robot bánh xe có thể di chuyển một cách linh hoạt và
dễ dàng qua các luống trong vườn ớt chuông
- Chi phí vừa phải: Việc sử dụng bánh xe giúp giảm chi phí so với các phương án khác như robot chân chống hoặc robot hệ thống tay cầm
- Dễ chế tạo và tính toán điều khiển: Cấu trúc đơn giản của robot bánh xe làm cho việc chế tạo và tính toán điều khiển trở nên dễ dàng hơn Hệ thống điều khiển chủ yếu tập trung vào việc điều khiển chuyển động và hướng đi của bánh xe
- Dễ bưng bê di chuyển thực nghiệm: Robot bánh xe thường nhẹ và có thể dễ dàng bưng bê và di chuyển đến các điểm thực nghiệm khác nhau trong vườn ớt chuông
3.2.2 Phương án thiết kế cho cơ cấu chấp hành
Nhóm lựa chọn phương án điều khiển bằng robot Scara, viết tắt của Selective Compliance Assembly Robot Arm, là một loại robot có hai khớp trục và một khớp tịnh tiến Các khớp này được sắp xếp song song và thường tay gắp hoặc cơ cấu thực hiện cuối cùng di chuyển theo hướng vuông góc với mặt đất Điều này có nghĩa là hai khớp đầu tiên không bị ảnh hưởng bởi trọng lực và tải trọng Nhờ vào cấu trúc đơn giản, tay máy kiểu này có độ cứng vững cao, đảm bảo độ chính xác đồng đều trong toàn bộ vùng làm việc và dễ dàng xác định tọa độ các đối tượng đơn lẻ, ít bị nhiễu
- Ưu điểm: Khả năng di chuyển nhanh, độ chính xác cao, dễ lắp ráp, lập trình và điều khiển
- Nhược điểm: Bị giới hạn về không gian hoạt động, không gian hoạt động của tay kẹp không
linh hoạt, việc đi sâu vào bên trong giàn ớt chuông không phù hợp
Trang 37Hình 3.3: Robot thu hoạch cà chua Virgo [20]
Việc điều khiển bằng robot Scara vẫn đủ khả năng đáp ứng mọi yêu cầu của đề tài và được xem là giải pháp phù hợp nhất cho việc dừng lại ở khâu thu hoạch những quả ớt chuông chín
3.2.3 Phương án thiết kế cho cơ cấu tay kẹp
Chiều dài và đường kính của cuống ớt chuông có thể thay đổi đáng kể tùy thuộc vào loại cây và điều kiện môi trường Thông thường, chiều dài của cuống ớt chuông khi trồng trong điều kiện bình thường dao động từ khoảng 5 đến 10 cm Đối với đường kính của cuống, thường dao động từ khoảng 1 đến 2 cm Lực cắt đứt cuống của ớt chuông phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ tuổi của cây, độ cứng của cuống, và đặc tính vật liệu cắt Tuy nhiên, thường thì cuống của ớt chuông không quá cứng và khó cắt, vì vậy nó có thể được cắt bằng dao hoặc kéo dễ dàng Dựa trên các khảo sát thực tế, lực cắt đứt cuống ớt chuông có thể ước tính ở mức rất thấp, chỉ khoảng vài đến vài chục newton (N)
Để thiết kế cơ cấu tay kẹp cho robot thu hoạch ớt chuông, nhóm cần phải xem xét các tiêu chí sau đây:
- Khả năng nắm và giữ ớt chuông: Cơ cấu tay kẹp cần có đủ lực để nắm chặt và giữ ớt chuông
mà không làm hỏng sản phẩm
- Độ nhẹ và di động: Robot cần có cơ cấu tay kẹp nhẹ để di chuyển linh hoạt giữa các cây ớt
chuông mà không gây hư hại hoặc gãy gọn cây trồng
Trang 38- Độ chính xác trong vị trí và điều khiển: Cơ cấu tay kẹp phải được thiết kế để có thể đặt ớt
chuông vào vị trí chính xác để cắt hoặc thu hoạch một cách hiệu quả Điều khiển cơ cấu này cũng cần phải đáp ứng đủ để có thể thực hiện các thao tác cần thiết, đảm bảo không làm hỏng mục tiêu và các quả xung quanh
- Dễ bảo trì: Thiết kế cần đơn giản và dễ tháo lắp để có thể bảo trì và sửa chữa khi cần thiết
mà không cần phải tháo rời toàn bộ cơ cấu tay kẹp
- Hiệu suất và năng suất: Thiết kế cần được tối ưu hóa để tăng hiệu suất thu hoạch và năng
suất làm việc của robot, đạt được khả năng chịu sai số vị trí cao
Có hai phương pháp phổ biến được sử dụng để thiết kế bàn tay của robot thu hoạch ớt chuông,
đó là cơ cấu cắt giữ cuống và cơ cấu hút chân không
Hình 3.4: Cơ cấu cắt giữ cuống [21]
Ưu điểm cơ cấu cắt giữ cuống:
- Cơ cấu đơn giản
- Vì hướng cắt là chính diện với trái ớt chuông nên có thể thu hoạch được ớt chuông ở hầu hết các vị trí
Nhược điểm cơ cấu cắt giữ cuống:
Trang 39- Sai số vị trí cao
- Không thể điều chỉnh linh hoạt để phù hợp với các kích thước và hình dạng khác nhau của cuống cần cắt
Hình 3.5: Cơ cấu cắt cuống hút chân không [22]
Ưu điểm cơ cấu cắt cuống hút chân không:
- Sai số vị trí thấp
- Năng suất hoạt động cao
Nhược điểm cơ cấu cắt cuống hút chân không:
- Thiết kế khá phức tạp
- Chi phí đầu tư khá cao, cần trang bị thêm nguồn điện và máy nén khí
Để đơn giản hóa quá trình thiết kế, tính toán và tối ưu hóa việc thu hoạch ớt chuông một cách hiệu quả nhất, nhóm đã thống nhất chọn phương án cắt giữ cuống ớt chuông cho đề tài tốt nghiệp này
3.2.4 Phương án cho hệ thống xử lý ảnh
Trong đời sống, xử lý ảnh được áp dụng rộng rãi như trong photoshop, nén ảnh, nén video, nhận dạng biển số xe, nhận dạng khuôn mặt, nhận dạng chữ viết, xử lý ảnh thiên văn, và y tế Trong đề tài tốt nghiệp này, nhóm đã áp dụng công nghệ xử lý ảnh để nhận diện đối tượng quả ớt chuông đã chín để lập trình điều khiển thu hoạch Quá trình này bao gồm từ việc thu
Trang 40nhận ảnh ban đầu cho đến xử lý và xác định vị trí thu hoạch Robot mở camera để quét khung ảnh tại vị trí có thể nhận diện và theo dõi quả ớt chuông chín, sau đó gửi tín hiệu điều khiển tới khối vi điều khiển thông qua giao tiếp UART với Jetson Nano Khối vi điều khiển sẽ gửi tín hiệu đến các động cơ để thực hiện thu hoạch ớt chuông Sau khi hoàn thành các lệnh điều khiển động cơ, vi điều khiển phản hồi về bộ xử lý để robot tiếp tục thu thập tín hiệu từ camera
3.3 Ý tưởng thiết kế
Dựa trên các yêu cầu kỹ thuật đã được đề cập, nhóm nghiên cứu xác định phần xe robot sẽ có hai bậc tự do: chuyển động thẳng và chuyển động quay với cấu hình truyền động vi sai, bao gồm hai động cơ truyền động chính điều khiển hai bánh chính và bốn bánh đa hướng có chức năng duy trì thăng bằng và hỗ trợ tải trọng lớn Còn cánh tay robot được sử dụng sẽ là cánh tay robot Scara bốn bậc tự do, với cơ cấu lên xuống là bàn trượt vít me
3.4 Cấu tạo tổng quan của robot
Sau khi lên ý tưởng và hoàn thiện phương án thiết kế, nhóm tiến hành thiết kế cấu trúc robot như sau:
Hình 3.6: Hình ảnh 3D cấu tạo tổng quan của robot