Kẹp robot đã trở thành một phần thiết yếu trong nhiều ngành công nghiệp, bao gồm các công đoạn sản xuất, đóng gói và hậu cần, và chủ yếu được sử dụng cho các nhiệm vụ “nhặt và đặt” trong quy trình. Gần đây, nhu cầu sử dụng kẹp robot cũng đã mở rộng sang nông nghiệp - lĩnh vực cần sử dụng robot cho các nhiệm vụ thu hoạch và đóng gói. Tuy nhiên, kẹp robot thông thường vẫn có rất nhiều hạn chế trong việc tương tác với những hình dạng, đặc tính và bản chất mỏng manh độc đáo của các loại cây trồng khác nhau. Do đó, nhu cầu về các loại robot linh hoạt hơn và có thể thích ứng với các vật thể có nhiều hình dạng, kích thước và kết cấu khác nhau ngày càng tăng.

Thực tế, hiện nay đã có các kẹp robot được làm bằng vật liệu mềm, được cho là có thể trở thành giải pháp tiềm năng cho vấn đề trên. Song, để điều chỉnh các kẹp này theo hình học phức tạp, các phương pháp hiện nay vẫn dựa trên việc kiểm soát và lập kế hoạch chi tiết với các mô hình do dữ liệu tạo ra. Các mô hình này đòi hỏi một lượng lớn dữ liệu, hạn chế khả năng ứng dụng chung của chúng. Bên cạnh đó, việc tích hợp hệ thống cảm biến vào cơ thể mềm của robot cũng đòi hỏi các thiết kế phức tạp và phương pháp chế tạo tinh vi.

Để giải quyết được những thách thức này, các nhà nghiên cứu từ Viện Khoa học và Công nghệ Tiên tiến Nhật Bản (JAIST), do PGS.TS Hồ Anh Văn đứng đầu đã phát triển một kẹp robot mềm sáng tạo có tên là ROtation-based Squeezing grippEr (ROSE).

“ROSE lấy cảm hứng từ trạng thái nở hoa của hoa hồng để tạo ra được khả năng nắm bắt của robot. Kẹp robot này giúp cho việc thu hoạch tại trang trại thực tế trở nên đơn giản hơn, nhờ vào việc nhẹ nhàng nắm bắt các vật thể bằng khả năng “nhăn” độc đáo. Không giống như các kẹp thông thường, ROSE không yêu cầu phải kiểm soát và lập kế hoạch phức tạp để thích ứng với nhiều sản phẩm nông nghiệp có hình dạng, kích thước và kết cấu đa dạng”, PGS.TS Hồ Anh Văn giải thích. Nhóm nghiên cứu cũng sử dụng một mô hình mô phỏng để hiểu đầy đủ và tối ưu hóa cơ chế nắm bắt của ROSE. Kết quả nghiên cứu mới đây đã được công bố trong bài báo “A gentle and versatile robotic gripper for efficient crop harvesting” trên một ấn bản đặc biệt - RSS2023 - của The International Journal of Robotics Research.

ROSE bao gồm một khoang có hình chén biệt lập, được tạo thành bởi hai lớp đàn hồi mỏng, mềm, có sự tách biệt giữa lớp bên trong và lớp bên ngoài. Khi chỉ xoay lớp bên trong bằng động cơ bên ngoài, ROSE sẽ tạo ra sự biến dạng ở các lớp. Cụ thể, chuyển động xoắn này của lớp bên trong sẽ dẫn đến sự không khớp ứng suất giữa lớp bên trong và lớp bên ngoài, nhờ đó tạo ra một loạt các nếp gấp hướng vào giống như nếp nhăn. Cơ chế độc đáo này làm co không gian trung tâm trong ROSE, cho phép nó nhẹ nhàng nắm bắt bất kỳ vật thể nào có trong không gian trung tâm này.

Để tinh chỉnh cơ chế trên, PGS.TS Hồ Anh Văn và các đồng nghiệp đã nghiên cứu quá trình ‘nhăn’ thông qua mô hình mô phỏng dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn. Các mô phỏng đã tiết lộ mối tương quan giữa các đặc điểm hình học khác nhau, bao gồm độ dày, đường kính và chiều cao. Đáng chú ý, họ phát hiện ra rằng sự phân bố thích hợp của độ dày da ROSE, tức là sự tách biệt giữa các lớp, có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất nắm bắt của nó. Do đó, các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm hai chiến lược phân bố độ dày khác nhau, cụ thể là phân phối tuyến tính và phi tuyến tính, giúp cải thiện đáng kể hiệu suất nắm bắt của ROSE với độ dày không đổi. Bên cạnh đó, các mô phỏng cũng làm nổi bật tầm quan trọng của tỷ lệ giữa đường kính và chiều cao của kẹp robot. Kết quả mô phỏng đã được xác thực thông qua nhiều thí nghiệm khác nhau, từ đó xác minh khả năng của ROSE trong việc thực hiện các nhiệm vụ vốn là thách thức lớn đối với các kẹp truyền thống.

Không chỉ vậy các nhà nghiên cứu cũng đã chứng minh được ứng dụng thực tế của ROSE trong nông nghiệp bằng cách sử dụng nó để thu hoạch dâu tây và nấm. Kết quả cho thấy, ROSE đạt được tỷ lệ thành công cao trong việc thu hoạch những loại cây trồng này trong nhiều lần thử nghiệm, bất kể các cây trồng này cứng hay mềm. Kẹp robot mới cũng thành công trong việc thu hoạch một cụm nấm mà không làm vỡ bất kỳ phần nào trong cụm, miễn là kích thước cụm nấm vừa với không gian thu hoạch của robot.

“ROSE là một trong những dụng cụ kẹp đầu tiên sử dụng biến dạng cong vênh để làm phương pháp kẹp - một điều thách thức quan niệm thông thường rằng hiện tượng cong vênh chỉ là một yếu tố không mong muốn. Hơn nữa, ứng dụng thực tế của ROSE trong lĩnh vực nông nghiệp là một bước ngoặt đối với việc thu hoạch tại trang trại. Khả năng thích ứng với nhiều kết cấu và hình dạng khác nhau của ROSE giúp cho chiếc kẹp trở nên cực kỳ hiệu quả trong các nhiệm vụ mới. Điều này không chỉ cải thiện hiệu quả mà còn có thể giải quyết tình trạng thiếu hụt lao động ngày càng tăng trong lĩnh vực nông nghiệp, đặc biệt là ở những khu vực có dân số già hóa”, PGS.TS Hồ Anh Văn nhấn mạnh tiềm năng của ROSE.

Nghiên cứu này đã đánh dấu bước tiến đáng kể đối với việc nghiên cứu và phát triển các kẹp robot. Với các vị trí kẹp nhẹ nhàng nhưng có thể thích ứng dễ dàng với những hình dạng khác nhau, ROSE có thể mở ra kỷ nguyên mới của nông nghiệp tự động.

PGS.TS Hồ Anh Văn nhận bằng cử nhân vào năm 2009 và bằng tiến sỹ vào năm 2012 tại Đại học Ritsumeikan (Nhật Bản). Sau khi trải qua nhiều vị trí công việc, năm 2017, anh gia nhập Viện Khoa học và Công nghệ Tiên tiến Nhật Bản (JAIST) và giúp thành lập Phòng thí nghiệm về Robot mềm. Lĩnh vực nghiên cứu của anh bao gồm robot mềm, tương tác xúc giác mềm, cảm biến xúc giác, nắm bắt và thao tác, và robot lấy cảm hứng từ sinh học. Anh có hơn 60 công bố khoa học và đã nhận được Giải thưởng Nhà nghiên cứu trẻ của IEEE Nagoya Chapter năm 2019, là người lọt vào vòng chung kết Bài báo xuất sắc nhất tại IEEE SII năm 2016 và IEEE RoboSoft năm 2020.

Nguồn: jaist.ac.jp

 

Bài đăng KH&PT số 1318 (số 46/2024)