JP2023054067A

JP2023054067A - 収穫ロボット

Info

Publication number: JP2023054067A
Application number: JP2023019001A
Authority: JP
Inventors: 亮戸島; Akira Toshima; 善夫金田; Yoshio Kaneda; 賢黒田; Masaru Kuroda
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2019-09-03
Filing date: 2023-02-10
Publication date: 2023-04-13
Anticipated expiration: 2039-09-03
Also published as: NL1043772B1; JP7285467B2; JP7462248B2; NL1043772A; JP2021036822A

Abstract

【課題】収穫作業を効率良く行うことが出来る収穫ロボットを提供すること。【解決手段】上下方向に沿って配された２個の収納籠と、２個の収納籠のうち、下層の収納籠を把持する第１把持部材１０８と、２個の収納籠のうち、上層の収納籠を把持する第２把持部材１０９と、第１把持部材１０８又は第２把持部材１０９を上下に移動させるリフト機構１１０，１１１と、対象物を収穫するアームを含む収穫機構１０１と、を備え、リフト機構１１０，１１１は、下層の収納籠と上層の収納籠の間に空間が形成されるように、第１把持部材１０８又は第２把持部材１０９を上下に移動させ、収穫機構１０１は、収穫した対象物を下層の収納籠に収納する、収穫ロボット。【選択図】図１

Description

本発明は、トマトやりんご等の果実を自動的に収穫する収穫ロボットに関するものである。

従来の収穫ロボットとしては、多数個の収納籠を格納しタイムリーに供給する収納籠供給装置を備えたものがある（例えば、特許文献１）。図６は、特許文献１に記載された従来の収穫ロボットを示す図である。図６において、撮像装置６０１は収穫対象である果実との距離を検出する役割があり、アーム６０２により果実を把持摘果し、旋回後に収納籠６０３へ収納される。収納籠６０３は収納籠供給装置６０４により、単独で供給される。これらは車台６０５の上側に配設され、下側には車輪６０６が配設されることで車体を構成している。収穫ロボットを手動操作する場合は、収納籠供給装置６０４の前面に配設された操作パネル６０７および操向レバー６０８を使用する。

特開平７－８７８２９号公報

しかしながら、前記従来の構成では、収穫した果実を収納籠に入れ、該収納籠が満杯になった時点で地上に放出するため、放出しなければ次の収穫動作に移れず、また敏道に放出された収納籠が他の作業者や作業ロボットの邪魔になる上、放出された収納籠を逐一人が回収しなければならず、回収作業に時間を要するという課題を有している。また、空の収穫籠を、定期的にタイムリーに収穫ロボットへ手作業でセットしなければならないため、手間がかかるという課題も有している。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、収穫作業を効率良く行うことが出来る収穫ロボットを提供することを目的とする。

前述した課題を解決する主たる本開示は、
上下方向に沿って配された２個の収納籠と、
前記２個の収納籠のうち、下層の収納籠を把持する第１把持部材と、
前記２個の収納籠のうち、上層の収納籠を把持する第２把持部材と、
前記第１把持部材又は前記第２把持部材を上下に移動させるリフト機構と、
対象物を収穫するアームを含む収穫機構と、
を備え、
前記リフト機構は、前記下層の収納籠と前記上層の収納籠の間に空間が形成されるように、前記第１把持部材又は前記第２把持部材を上下に移動させ、
前記収穫機構は、収穫した前記対象物を前記下層の収納籠に収納する、
収穫ロボットである。

以上のように、本発明の収穫ロボットによれば、効率良く収穫作業を行うことができる。

本開示における収穫ロボットの側面図本実施の形態１における収穫動作を示す工程断面図本実施の形態２における収穫動作を示す工程断面図本実施の形態３における収穫動作を示す工程断面図本実施の形態における第１把持部材の動作フローを示す概略上面図特許文献１に記載された従来の収穫ロボットを示す図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（収穫ロボットの全体構成）
図１は、本開示における収穫ロボットの側面図である。図１において、収穫機構１０１はアーム１０３を含み、収穫対象である果実を収穫し、収納籠１０２へ入れる。

収穫機構１０１による収穫方法は従来、果実の種類に応じ様々な収穫方法が提案されているので詳細の説明は省略する。対象とする果実の種類に応じ、適切な収穫方法が選択される。

収納籠１０２は、第２把持部材１０９と第１把持部材１０８によりそれぞれ把持される。

アーム１０３は先端に収穫した対象物を保持する機能を有する。具体的には、アーム１０３は、例えば収穫機構１０１によって収穫した果実を吸着保持する真空吸着機構や、収穫した果実を投入され一時的に保持するケースなど、を先端に有する。なお、当該機構はアーム１０３の先端付近に配設されても良く、後述するように収穫した対象物を収納籠に収納していくことのできる位置に配設されていれば良い。

撮像装置１０４は、収穫のため収穫対象物を撮像するとともに、地面に載置された収納籠１０２を撮像する。

制御装置１０５は、撮像装置１０４によって撮影された画像データから収納籠の位置を特定し、特定した収納籠の位置へ自走台車１０６を誘導するよう制御する。

自走台車１０６は、制御装置１０５によって制御され、前後部に配設されている車輪１０７により走行する。自走台車１０６は一般にＡＧＶ（Automated guided vehicle）と呼ばれているもので、詳細の説明は割愛する。

第１把持部材１０８は、積層された収納籠１０２の最下層の収納籠１０２を把持する。

第２把持部材１０９は、第１把持部材１０８によって把持される収納籠１０２以外の任意の収納籠１０２を把持する。

第２把持部材１０９および第１把持部材１０８によって把持されている収納籠１０２は、地面に対して鉛直方向同軸上に配置されている。

第１リフト機構１１０は、制御装置１０５によって制御され、第１把持部材１０８を上下駆動させる。

第２リフト機構１１１は、制御装置１０５によって制御され、第２把持部材１０９を上下駆動させる。

第２把持部材１０９及び第１把持部材１０８は、収納籠１０２を挟み込むことによって把持し、挟み込みを緩めることによって解放する。第２把持部材１０９及び第１把持部材１０８は、制御装置１０５によって把持および解放の動きを制御されても良く、その他の手法を用いて制御されても良い。例えば、センサー等を用いて把持対象物を検知した場合に、その情報を直接フィードバックされることで駆動しても良い。

第１把持部材１０８は、収納籠１０２の最下面より上方に位置し、第１把持部材１０８の最下面と収納籠１０２最下面との間の距離が距離Ｌの位置で収納籠１０２を把持する。第１リフト機構１１０は、第１把持部材１０８の最下面と地面との間の距離が距離Ｌ以下になるまで、第１把持部材１０８を移動可能に構成されている。

なお、図１には図示されていないが、第１把持部材１０８にはストッパー５０１が備えられる。ストッパー５０１の詳細については後述する。

以上のように構成された収穫ロボットの動作について、図２～図５を用いて説明する。

（実施の形態１）
図２は、本実施の形態１における収穫動作を示す工程断面図である。実施の形態１は、第２リフト機構１１１のメイン動作による収穫動作を想定している。なお、図２は収納籠が４個の場合を例示しているが、何個であってもよい。

以下に説明する第２リフト機構１１１の動きは、制御装置１０５によって制御される。

まず、図２（ａ）に示すように、第１把持部材１０８が、積層された収納籠１０２の最下層の収納籠１０２を把持する。

次に、第２把持部材１０９が第２リフト機構１１１により下降し、下から２段目の収納籠１０２を把持し上昇する（図２（ｂ））。この状態で、図１に示す収穫機構１０１により収穫動作が行われる。

さらに、第２把持部材１０９によって把持される収納籠１０２と、その一つ下層の収納籠１０２との間隔に形成された空間に、図１に示すアーム１０３が挿入され、収穫された対象物を最下層の収納籠１０２に収納していく。具体的には、アーム１０３は、例えば収穫機構１０１によって収穫した果実を吸着保持する真空吸着機構の吸着を解除したり、回転または振動することによりケースから収穫した果実を収納籠１０２へ移動させたりする。

ここで、アーム１０３は、第２把持部材１０９によって把持される収納籠１０２と、その一つ下層の収納籠１０２との間隔に挿入される必要がある。そこで、制御装置１０５は、アーム１０３の挿入高さを決定する。例えば、制御装置１０５は、撮像素子を有するカメラ等を用いて計測された上述の間隔の位置に基づき、アーム１０３の挿入高さを決定する。また例えば、制御装置１０５は、センサー等を用いて計測された第２把持部材１０９の位置に基づき、アーム１０３の挿入高さを決定する。より具体的には、制御装置１０５は、第２把持部材１０９によって把持される収納籠１０２とアーム１０３とが干渉しないと推定される位置に、アーム１０３を挿入する。

最下層の収納籠１０２が満杯になると、第２把持部材１０９が下降し、いったんすべての収納籠１０２を積層する。そして、第２把持部材１０９が下から２段目の収納籠１０２を解放し、収納籠１０２一個分の高さ上昇して下から３段目の収納籠１０２を把持し、上昇する（図２（ｃ））。

ここで、制御装置１０５が、収納籠１０２が満杯になったことを判定する。制御装置１０５は、例えば、アーム１０３の往復回数が予め設定された回数を超えた場合に、収納籠１０２が満杯になったことを判定する。また例えば、収納籠１０２に収納された対象物の数を、撮像素子を有するカメラ等を用いて計測し、制御装置１０５は、予め設定された個数を超えた場合に、収納籠１０２が満杯になったことを判定する。また例えば、重量計等を用いて収納籠１０２の重量を計測し、制御装置１０５は、予め設定された重量を超えた場合に、収納籠１０２が満杯になったことを判定する。

この状態で中断していた収穫動作が再開され、下から２段目の収納籠１０２の上方に形成された空間にアーム１０３が挿入され、収穫された対象物を下から２段目の収納籠１０２に収納していく。

以下、同様に繰り返し、図２（ｄ）、図２（ｅ）と推移する。最終的には、第２把持部材１０９は、図２（ｅ）に示すとおり、収納籠１０２を把持しない状態となる。積載された収納籠１０２のうち、最上層の収納籠１０２が満杯になれば、収穫作業が終了する。

その後、第１把持部材１０８は下降し、収納籠１０２を地上に降ろす。なお、収納籠１０２を地上に降ろす際には、適切な場所まで移動しても良い。

このように、第２把持部材１０９と、第１把持部材１０８と、第２把持部材１０９を上下駆動させる第２リフト機構１１１により、複数の収納籠１０２を保持したまま、それぞれの収納籠１０２に順次対象物を収納できる。したがって、収穫を連続的に行うことができ、収穫効率が向上する。さらに、一度の収穫動作における収穫量を増大させることができる。さらに、満杯になった収納籠１０２を畝道に点々と放出することがないため、放出された収納籠１０２によって他の作業者や作業ロボットによる作業の邪魔となることを、低減することができる。また、満杯になった収納籠１０２を一度に複数放出することで、収納済の収穫籠１０２の回収効率が向上する。また、収穫作業のスタート時には、空の収納籠を積載しておくのみで良く、省スペースと効率化が見込める。

［効果］
以上のように、本実施形態に係る収穫ロボットは、
上下方向に沿って配されたｎ（ｎは３以上の整数）個の収納籠１０２と、
ｎ個の収納籠１０２のうち、最下層の収納籠１０２を把持する第１把持部材１０８と、
ｎ個の収納籠１０２のうち、最下層からｋ（ｋは２以上で且つｎ以下の整数）層目の収納籠１０２を把持する第２把持部材１０９と、
第１把持部材１０８又は第２把持部材１０９を上下に移動させるリフト機構（１１０又は１１１）と、
対象物を収穫するアーム１０３を含む収穫機構１０１と、
を備え、
第２把持部材１０９は、ｎ個の収納籠１０２のうちから把持対象の収納籠１０２を可変に構成され、
第１把持部材１０８が、ｎ個の収納籠１０２のうち、積載された最下層の収納籠１０２からｋ－１層目の収納籠１０２までを支持し、
第２把持部材１０９が、ｎ個の収納籠１０２のうち、積載されたｋ層目の収納籠１０２からｎ層目の収納籠１０２までを支持する。

従って、本実施形態に係る収穫ロボットによれば、複数の収納籠１０２を保持したまま、対象物を収納籠１０２に収納することができるため、満杯となった収納籠１０２を順次地上に放出することなく、収穫作業を続行することが可能である。これによって、収穫作業を効率的に実行することができる。

特に、本実施形態に係る収穫ロボットにおいては、リフト機構（１１０又は１１１）が、ｋ層目の収納籠１０２とｋ－１層目の収納籠１０２の間に空間が形成されるように、第１把持部材１０８又は第２把持部材１０９を上下に移動させ、収穫機構１０１が、収穫した対象物をｋ－１層目の収納籠１０２に収納する。

これによって、収穫作業を効率的に実行することができる。

（実施の形態２）
図３は、本実施の形態２における収穫動作を示す工程断面図である。実施の形態２は、第１リフト機構１１０のメイン動作による収穫動作を想定している。なお、図３は収納籠１０２が３個の場合を例示しているが、何個であってもよい。また、実施の形態１と共通する部分については説明を省略することもある。

以下に説明する第１リフト機構１１０の動きは、制御装置１０５によって制御される。

まず、図３に示すように、第１把持部材１０８が、積層された収納籠の最下層の収納籠１０２を把持する。

次に、第１把持部材１０８が第１リフト機構１１０により上昇し、下から２段目の収納籠を第２把持部材１０９が把持できる位置で停止する。そして、第２把持部材１０９が、下から２段目の収納籠を把持する（図３（ｂ））。

次に、第１把持部材１０８が第１リフト機構１１０により下降し、最下層の収納籠の上方に空間を形成する（図３（ｃ））。この状態で、図１に示す収穫機構１０１により収穫動作が行われる。さらに、第２把持部材１０９によって把持される収納籠１０２と、その一つ下層の収納籠１０２との間隔に形成された空間に、図１に示すアーム１０３が挿入され、収穫された対象物を最下層の収納籠１０２に収納していく。

最下層の収納籠１０２が満杯になると、再度図３（ｂ）の状態となるよう第１把持部材１０８が上昇する。すなわち、第２把持部材１０９によって把持される収納籠１０２と、その一つ下層の収納籠１０２との間隔がなくなるよう、第１把持部材１０８が上昇する。この状態で、第２把持部材１０９が把持していた収納籠１０２を解放し、収納籠１個分上昇し、下から３段目の収納籠１０２を把持する。そして、第２把持機構１０９が下降し、下から２段目の収納籠１０２の上方に空間を形成する（図３（ｄ））。

以下、同様に繰り返し、最上層の収納籠１０２が満杯になると収穫作業が完了する（図３（ｅ））。

その後、第１把持部材１０８は下降し、収納籠１０２を地上に降ろす（図３（ｆ））。

このように、第２把持部材１０９と、第１把持部材１０８と、第１把持部材１０８を上下駆動させる第１リフト機構１１０により、複数の収納籠１０２を保持したまま、それぞれの収納籠１０２に順次対象物を収納できる。したがって、収穫を連続的に行うことができ、収穫効率が向上する。さらに、一度の収穫動作における収穫量を増大させることができる。さらに、満杯になった収納籠を畝道に点々と放出することがないため、放出された収納籠によって他の作業者や作業ロボットによる作業の邪魔となることを、低減することができる。また、満杯になった収納籠を一度に複数放出することで、収納済の収穫籠の回収効率が向上する。また、収穫作業のスタート時には、空の収納籠を積載しておくのみで良く、省スペースと効率化が見込める。

（実施の形態３）
図４は、本実施の形態３における収穫動作を示す工程断面図である。実施の形態３は、第２リフト機構１１１ならびに第１リフト機構１１０の複合的動作による収穫動作を想定している。なお、図４は収納籠１０２が５個の場合を例示しているが、何個であってもよい。また、実施の形態１または実施の形態２と共通する部分については、説明を省略することもある。

以下に説明する第２リフト機構１１１及び第１リフト機構１１０の動きは、制御装置１０５によって制御される。

まず、図４（ａ）に示すように、第１把持部材１０８が、積層された収納籠１０２のうち最下層の収納籠１０２を把持する。

次に、第１把持部材１０８が第１リフト機構１１０により上昇し、最下層の収納籠１０２を所定の高さに持ち上げる。そして、第２把持部材１０９が第２リフト機構１１１により下降し、下から２段目の収穫籠１０２を把持する（図４（ｂ））。ここで、所定の高さとは、アーム１０３のストローク範囲内で最も低い位置で、最下層の収穫籠１０２に対象物を収納できる位置をいう。このことで、第１リフト機構１１０の駆動を最小限に抑えることができる。また、積層された収納籠１０２を必要以上に持ち上げなくて済み、重心位置を低く抑えることができる。なお、所定の高さは、上記の位置より高ければ駆動可能である。例えば図４においては、第１リフト機構１１０は、上記の位置より高くまで上昇している。

次に、第２把持部材１０９が第２リフト機構１１１により上昇し、最下層の収納籠１０２の上方に空間を形成する（図４（ｃ））。この状態で、図１に示す収穫機構１０１により収穫動作が行われる。さらに、第２把持部材１０９によって把持される収納籠１０２と、その一つ下層の収納籠１０２との間隔に形成された空間に、図１に示すアーム１０３が挿入され、収穫された対象物を最下層の収納籠１０２に収納していく。

最下層の収納籠１０２が満杯になると、第２把持部材１０９によって把持される収納籠１０２と、その一つ下層の収納籠１０２との間隔がなくなるよう、第２把持部材１０９が下降する。この状態で、第２把持部材１０９が把持していた収納籠１０２を解放し、第２把持部材１０９が収納籠１個分上昇もしくは第１把持部材１０８が収納籠１個分下降し、第２把持部材１０９が下から３段目の収納籠１０２を把持する。そして、第２把持部材１０９が上昇し、下から２段目の収納籠１０２の上方に空間を形成する（図４（ｄ））。

下から２段目の収納籠１０２が満杯になると、第２把持部材１０９によって把持される収納籠１０２と、その一つ下層の収納籠１０２との間隔がなくなるよう、再び第２把持部材が下降する。この状態で、第２把持部材１０９が把持していた収納籠１０２を解放し、第２把持部材１０９が収納籠１個分上昇もしくは第１把持部材１０８が収納籠１個分下降し、第２把持部材１０９が下から４段目の収納籠１０２を把持する。そして、第２把持部材１０９が上昇し、下から３段目の収納籠１０２の上方に空間を形成する（図４（ｅ））。

この状態で中断していた収穫動作が再開される。以下、同様に繰り返し（図４（ｆ））、最上層の収納籠１０２が満杯になると収穫作業が完了する（図４（ｇ））。

その後、第１把持部材１０８は下降し、収納籠１０２を地上に降ろす（図４（ｈ））。

このように、第２把持部材１０９と、第１把持部材１０８と、第２把持部材１０９を上下駆動させる第２リフト機構１１１と、第１把持部材１０８を上下駆動させる第１リフト機構１１０とにより、複数の収納籠１０２を保持したまま、それぞれの収納籠１０２に順次対象物を収納できる。したがって、収穫を連続的に行うことができ、収穫効率が向上する。また、実施の形態１または実施の形態２と同様の効果を得ることができる。さらに、実施の形態３ではアーム１０３のストローク範囲が小さくて済む、もしくは同じストローク範囲で動かすことができ、機構の効率化が図れる。さらに、収納籠を多く積層した場合に、重心位置を低く抑えた状態で把持することができ、安全性が向上し、積層できる収納籠の個数も増やすことができる。

図５は、本実施の形態における第１把持部材１０８の動作フローを示す概略上面図である。なお、図５において各構成は簡易的に図示されている。

第１把持部材１０８は、収穫作業の最初の段階または前段階において、地上に置かれた収納籠１０２を挟む。

まず、撮像装置１０４が、地面に載置された収納籠１０２を撮像する（図５（ａ））。撮像装置１０４によって撮影された画像データを基に、制御装置１０５が収納籠１０２の位置を特定する。

次に、制御装置１０５は、特定した収納籠１０２の位置に基づき、収納籠１０２と第１把持部材１０８の中心軸を合わせるよう、自走台車１０６を駆動させる（図５（ｂ））。

次に、制御装置１０５は、自走台車１０６を前進させ、ストッパー５０１に収穫籠１０２が接触した時点で停止させる（図５（ｃ））。停止させるトリガーは、撮像装置１０４からの画像データを基にしてもよいし、ストッパー５０１に接触センサーを仕込んでもよい。

その後、第１把持部材１０８は、収穫穫１０２を挟み込む動作を行う（図５（ｄ））。

このように、第１把持部材１０８と、撮像装置１０４と、制御装置１０５と、自走台車１０６とにより、地面の任意の位置に置かれた収納籠を自動的に検出し、把持することができる。これによりさらに作業の効率化が図れる。

なお、本実施の形態においてアーム１０３は１本としたが、収穫機構１０１は２本のアームを有していてもよい。アーム１０３の本数が多いほど、より効率的に収穫作業を行うことができる。

また、撮像装置１０４は収穫対象物の位置特定と収納籠の位置特定を行うとしたが、それぞれ別個に専用の撮像装置を有していてもよい。

また、制御装置１０５は単数のみならず、複数のコンピュータによってその機能を果たしても良い。

また、第２把持部材１０９と第１把持部材１０８はそれぞれ収納籠１０２を把持するとしたが、つばのある収納籠１０２の場合は、チャックせず、そのつばを引っ掛けて持ち上げる構造としてもよく、要は収納籠１０２を保持できればよい。

本開示の収穫ロボットは、複数の収納籠を保持したまま、順次複数の収納籠に対象物を収納でき、また積層された収納籠を地上に降ろし、またすくい上げる機能を有し、農学分野の収穫作業以外の、工業製品の組立工程におけるピッキングや部品の配膳作業の自動化の用途にも適用できる。

１０１収穫機構
１０２収納籠
１０３アーム
１０４撮像装置
１０５制御装置
１０８第１把持部材
１０９第２把持部材
１１０第１リフト機構
１１１第２リフト機構

Claims

上下方向に沿って配された２個の収納籠と、
前記２個の収納籠のうち、下層の収納籠を把持する第１把持部材と、
前記２個の収納籠のうち、上層の収納籠を把持する第２把持部材と、
前記第１把持部材又は前記第２把持部材を上下に移動させるリフト機構と、
対象物を収穫するアームを含む収穫機構と、
を備え、
前記リフト機構は、前記下層の収納籠と前記上層の収納籠の間に空間が形成されるように、前記第１把持部材又は前記第２把持部材を上下に移動させ、
前記収穫機構は、収穫した前記対象物を前記下層の収納籠に収納する、
収穫ロボット。