Luận án tiến sĩ kỹ thuật nghiên cứu hệ thống chuyển động và điều khiển tay máy tự động thu hoạch dứa - Bùi Lê Cường Quốc

Việt Nam sở hữu diện tích trồng dứa lớn tại các tỉnh Đồng bằng sông Cửu Long. Mẫu vườn dứa có mật độ trồng dày đặc. Khoảng cách giữa các hàng cây hẹp và mặt đất không bằng phẳng. Quả dứa nằm sát mặt đất và có nhiều gai sắc nhọn. Nông dân thường phải mang vác nặng trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt. Tỷ lệ tổn thương cơ học đối với quả trong quá trình hái thủ công còn cao. Các thiết bị cơ giới hóa hiện có trên thị trường chưa thích ứng tốt với địa hình ngập úng. Máy móc nhập khẩu thường cồng kềnh và có giá thành đắt đỏ. Nghiên cứu thực tế chỉ ra nhu cầu cấp bách về một giải pháp chuyên biệt. Cánh tay robot thu hoạch dứa cần có kích thước nhỏ gọn và độ linh hoạt cao. Hệ thống phải đảm bảo khả năng di chuyển trên nền đất yếu và xử lý cắt cuống quả chính xác.

Nhiều quốc gia phát triển đã ứng dụng robot thu hoạch hoa quả từ sớm. Các hệ thống robot hái táo, cam, cà chua và dâu tây đã đạt nhiều thành tựu vượt bậc. Tuy nhiên, việc áp dụng trực tiếp cho cây dứa gặp nhiều rào cản kỹ thuật. Quả dứa có cuống rất cứng và cuống nằm sâu bên trong tán lá gai. Cấu trúc cây dứa phức tạp hơn phần lớn các loại cây ăn trái khác. Do đó, hệ thống điều khiển cánh tay robot cần kết hợp khả năng định vị 3D và thuật toán điều khiển lực tinh vi. Thế giới đang chuyển dịch mạnh mẽ từ các cơ cấu cơ khí thuần túy sang robot thông minh. Sự kết hợp giữa trí tuệ nhân tạo và cơ điện tử giúp tăng độ tin cậy. Robot thu hoạch dứa tự động là giải pháp trọng tâm nhằm hiện đại hóa chuỗi sản xuất nông sản nhiệt đới.

Việc gắn hệ tọa độ lên từng khâu của tay máy tuân thủ quy tắc D-H chuẩn. Bảng thông số D-H thể hiện chiều dài khâu, độ dịch chuyển khâu, góc xoắn và góc quay khớp. Ma trận chuyển đổi thuần nhất T cho phép biểu diễn vị trí cơ cấu chấp hành cuối (End-effector) đối với hệ quy chiếu gốc. Thuật toán động học thuận tính toán nhanh chóng tọa độ vị trí và hướng của dao cắt. Kết quả giải tích được kiểm chứng thông qua các phần mềm mô phỏng không gian 3D. Sai số vị trí lý thuyết đạt mức tiệm cận không trong môi trường không ma sát. Mô hình động học tay máy robot này là cơ sở để lập trình quỹ đạo chuyển động. Quỹ đạo được tối ưu hóa nhằm rút ngắn thời gian di chuyển từ vị trí chờ đến quả dứa chín.

Bài toán động học ngược đóng vai trò then chốt trong điều khiển vị trí tay máy. Khi camera nhận diện được tọa độ quả dứa, hệ thống phải tính toán các góc khớp tương ứng. Phương pháp giải tích kết hợp phương pháp hình học được sử dụng để tìm nghiệm chính xác. Do tay máy có nhiều bậc tự do, bài toán tồn tại nhiều cấu hình nghiệm khác nhau. Luận án lựa chọn cấu hình chuyển động tối ưu dựa trên tiêu chuẩn tiết kiệm năng lượng và tránh né vật cản. Thuật toán giải động học ngược đảm bảo tính thời gian thực cho bộ xử lý trung tâm. Thời gian tính toán nghiệm diễn ra trong vài mili giây. Kết quả này cho phép cánh tay robot thu hoạch dứa phản hồi tức thì với dữ liệu thị giác. Quá trình tiếp cận cuống quả diễn ra liên tục, mượt mà và chính xác.

Mô hình động lực học lý tưởng giả định kết cấu cơ khí cứng vững hoàn hảo. Luận án thiết lập phương trình Lagrange dạng tường minh cho từng bậc tự do. Các hệ số quán tính và mô-men trọng trường được tính toán chi tiết từ khối lượng từng khâu. Toàn bộ thông số động lực học sau đó được quy đổi trực tiếp về đầu trục động cơ chấp hành qua tỷ số truyền hộp giảm tốc. Phương trình này thiết lập mối quan hệ giữa mô-men điều khiển cấp cho động cơ và gia tốc góc của khớp. Kết quả tính toán phản ánh chính xác động học tương đối giữa các liên kết cơ khí. Đây là cơ sở cốt lõi để xây dựng các bộ điều khiển phi tuyến tựa mô hình. Độ chính xác của mô hình lý tưởng quyết định hiệu quả đáp ứng ban đầu của toàn hệ thống.

Trong quá trình vận hành, cánh tay robot thu hoạch dứa phải chịu nhiều dạng nhiễu ngẫu nhiên. Trọng lượng quả dứa thay đổi đa dạng từ một đến ba kilôgam. Khi cơ cấu kẹp giữ nâng quả, quán tính của khâu cuối thay đổi tức thời. Lực ma sát tại các khớp quay cũng mang tính phi tuyến cao và thay đổi theo nhiệt độ làm việc. Ngoài ra, độ rung lắc từ khung gầm di động và gió ngoài đồng ruộng tạo ra ngoại lực bất định. Mô hình động lực học robot thu hoạch khi xét tới nhiễu đã tích hợp véc-tơ sai số bất định vào phương trình trạng thái. Việc lượng hóa chính xác miền biên độ nhiễu giúp thuật toán điều khiển thiết lập các ngưỡng bù trừ phù hợp. Điều này ngăn ngừa hiện tượng mất ổn định và rung lắc cơ khí.

Bộ điều khiển trượt (Sliding Mode Control) nổi bật nhờ khả năng kháng nhiễu và độ bền vững cao. Thuật toán thiết kế mặt trượt phi tuyến chứa sai số vị trí và sai số vận tốc góc khớp. Luật điều khiển kéo các trạng thái của hệ thống về mặt trượt trong thời gian hữu hạn. Khi hệ thống đã nằm trên mặt trượt, chuyển động của tay máy trở nên bất biến trước các bất định mô hình. Để khắc phục hiện tượng rung giật (chattering) đặc trưng của bộ điều khiển trượt truyền thống, luận án áp dụng hàm bão hòa trơn thay cho hàm dấu. Kết quả mô phỏng cho thấy thuật toán điều khiển phi tuyến này giúp tay máy di chuyển ổn định. Sai số góc quay khớp giảm đáng kể ngay cả khi có tải trọng dứa đột ngột tác động.

Hệ thống điều khiển thích nghi mờ (Adaptive Fuzzy Control) đóng vai trò xấp xỉ các thành phần phi tuyến chưa biết trước. Tập luật mờ được xây dựng thông minh dựa trên tri thức chuyên gia và dữ liệu thực nghiệm. Các hàm liên thuộc tự động co giãn nhờ thuật toán thích nghi trực tuyến dựa trên tiêu chuẩn ổn định Lyapunov. Bộ điều khiển mờ ước lượng chính xác mô-men cản do ma sát khớp và lực cắt cuống dứa gây ra. Tín hiệu bù mờ được đưa trực tiếp vào vòng lặp điều khiển phản hồi. Sự kết hợp này nâng cao rõ rệt độ mượt của chuyển động và loại bỏ hiện tượng quá điều chỉnh. Robot thu hoạch dứa tự động nhờ đó duy trì được quỹ đạo chuyển động mượt mà trong mọi điều kiện thu hoạch.

Hệ thống thị giác máy tính sử dụng mô hình học sâu YOLO để xử lý hình ảnh từ camera gắn trên robot. Tập dữ liệu huấn luyện bao gồm hàng nghìn bức ảnh chụp quả dứa trong các điều kiện ánh sáng và góc độ khác nhau. Quá trình huấn luyện trải qua ba giai đoạn để nâng cao độ chính xác nhận diện. Mô hình phân loại hiệu quả giữa quả dứa đủ tiêu chuẩn thu hoạch và quả còn non dựa trên tỷ lệ mắt quả ngả vàng. Thuật toán cũng trích xuất thành công tâm điểm của thân trái và góc nghiêng của cuống dứa. Tốc độ xử lý khung hình đạt trên 30 khung hình mỗi giây. Dữ liệu đầu ra cung cấp tọa độ mục tiêu tức thời cho cánh tay robot thu hoạch dứa tiếp cận nhanh chóng.

Cơ cấu chấp hành cuối (End-effector) là bộ phận tiếp xúc trực tiếp với nông sản. Thiết bị gồm hai cụm chức năng chính: cụm kẹp định vị thân quả và cụm dao cắt cuống. Cụm kẹp sử dụng cơ cấu đòn bẩy điều khiển bằng xi lanh khí nén hoặc động cơ servo. Lực kẹp được kiểm soát chính xác để không làm nứt vỡ các mắt dứa mềm. Cụm cắt sử dụng lưỡi thép sắc bén với tốc độ cắt cao, giúp vết cắt phẳng và sạch sẽ. Thiết kế nhỏ gọn giúp cơ cấu dễ dàng luồn lách qua các tán lá dứa rậm rạp mà không làm hư hại cây mẹ. Thử nghiệm thực nghiệm chứng minh cơ cấu chấp hành cuối vận hành an toàn và đạt tỷ lệ thu hoạch thành công trên 90%.