JP3564750B2 - キュウリ等の収穫ロボット - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、キュウリ等の収穫ロボットに関し、他の長物果実野菜類に利用できる。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
キュウリ等の収穫ロボットは３次元的に動き得るハンド部にキュウリの胴部を把持する把持部を備える。こうしてこの把持部で把持した状態で茎部から延びる果柄を光学的に捉えて当該果柄部を切断刃体でカットし収穫できる形態としている。
【０００３】
ところが、例えばキュウリでは表面のいぼを掴むとこれが損傷を受け商品価値を低下させる。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
そこで、この発明は、撮像手段を備え上下乃至左右及び伸出方向に移動可能に駆動されるマニピュレータ１３を設け、該マニピュレータ１３の先端側には、育成されたキュウリ等の長物収穫対象物の胴部を把持して果柄部を切断するハンド部１８を設け、該ハンド部１８には、ハンド部本体２５から前側に突出する左右一対の把持部２６，２６と、ハンド部本体２５の上面に上下動自在に設ける果柄検出センサ２７と、該果柄検出センサ２７と一体的に設ける果柄切断刃体２８と、前記把持部２６，２６内の収穫対象物の有無を検出する有無検出センサ３１，３２を設け、前記有無検出センサ３１，３２が前記把持部２６，２６内の適正位置に収穫対象物を捉えたことを検出すると、前記果柄切断刃体２８を一体的に設けた果柄検出センサ２７の支持部３４をハンド部本体２５に対して設定時間ｔ上昇させ、該上昇後において、果柄検出センサ２７が果柄部を検出するときは前記マニピュレータ１３を下降動作させ、果柄検出センサ２７が胴部を検出するときは前記マニピュレータ１３を上昇動作させ、該マニピュレータ１３の下降或は上昇動作中に、前記果柄検出センサ２７が果柄部から胴部に至ったこと或は胴部から果柄部に至ったことを検出するとマニピュレータ１３の昇降動作を停止させて前記把持部２６，２６が収穫対象物の胴部の所定個所を把持し前記果柄切断刃体２８が果柄部を切断するよう制御し、且つ、前記果柄切断刃体２８を一体的に設けた果柄検出センサ２７の上昇時間ｔを変更設定可能とする収穫部コントローラ８を設けたことを特徴とするキュウリ等の収穫ロボットの構成とする。
【０００５】
【発明の作用効果】
マニピュレータ１３の先端のハンド部１８は対象のキュウリ等の長物果実野菜類等の収穫対象物を撮像によって認識されるとこれに接近する。ハンド部１８には果柄検出センサ２７が備えられ、収穫対象物を把持部２６，２６の所定範囲に捉えると、果柄切断刃体２８を一体的に設けた果柄検出センサ２７の支持部３４がハンド部本体２５に対して設定時間ｔ上昇し、そして、果柄検出センサ２７が検出をはじめマニピュレータ１３の昇降制御をもってその果柄と胴部との境部（付け根部）を検出し、これを基準として一定距離下方を把持部２６，２６が把持することとなる。把持した後は果柄位置に対応する切断刃体２８を作用して果柄切断するものである。また、果柄切断刃体２８を一体的に設けた果柄検出センサ２７の支持部３４の上昇時間ｔは変更設定できるので、品種や収穫対象物等によって把持部２６，２６の把持位置を変更できる。
【０００６】
従って、果柄と胴部との境部から設定距離下方個所を把持することができるから、収穫対象物の上部側胴部を把持でき、例えば、収穫対象物がキュウリの場合は、所謂「いぼ」の存在しない位置を把持することができ、商品価値の低下を来さない。また、他の長物類においても把持位置を特定でき切断処理後のバランスの配慮や収穫物のハンドリング等を容易とする掴み位置とすることができ、更に、その掴み位置を品種や収穫対象物等によって変更することもできる。
【０００７】
【実施例】
この発明の一実施例を図面に基づき説明する。
収穫ロボット１はバッテリー駆動の走行部２を有し、該走行部２は前後に左右一対宛に車輪３，３及び４，４を有する。ロボット機体５には走行部２を制御する走行部コントローラ６と、収穫部７を制御する収穫部コントローラ８と、キュウリ認識装置９を制御する認識装置コントローラ１０、及びこれら夫々のコントローラを制御するメインコントローラ１１を備える。
【０００８】
収穫部７には、機体５上の旋回基盤１２に搭載されるマニピュレータ１３を備える。このマニピュレータ１３の腕は第１関節１４、第２関節１５及び第３関節１６を有する。第１関節１４、第２関節１５及び第３関節１６のそれぞれに各関節を回転させるパルスモータを備え、これらパルスモータを上記収穫部コントローラ８によって正逆回転制御する構成である。
【０００９】
上記第１関節１４の上部にはカラーＣＣＤカメラ１７を斜め上方に向け、傾斜棚Ａの実生面に対し真正面に配置して、このカメラ１７の撮像面を実生面に一致させてある。１８は第３関節１６の端部に設けるハンド部である。
上記マニピュレータ１３は、旋回モータ１９によって機体に対して縦軸中心に旋回可能に構成される前記旋回基盤１２上にあって円錐形に形成される旋回台２０に、スライダ２１を介して接続され、旋回モータ１９の正逆転により旋回し、併せてスライドモータ２２によってスライダ２１に対し円錐形旋回台２０の傾斜方向に沿って上下移動できる構成であり、上記収穫部７はこれらマニピュレータ１３、旋回台２０等からなる。なお２３はキャリア供給装置であり、収穫したキュウリを収容すべき複数のキャリアを格納している。
【００１０】
２４は収穫ロボット１を操作制御する操作装置である。
前記ハンド部１８は、ハンド部本体２５から前側に突出する左右一対の把持部２６，２６と、本体２５の上面に上下動自在に設ける果柄検出センサ２７と、このセンサ２７と一体的に設ける果柄切断刃体２８等からなる。左右の把持部２６，２６はその内側にラバー等の滑り止めを張設し、両者の間隔が制御モータ２９の正転によってばね（図示せず）に抗して一定距離に拡大され、逆転すると狭くして更にばねでキュウリを挟むことができる構成である。
【００１１】
この左右一対の把持部２６，２６には先端側と基端部とに夫々発光、受光素子からなる果実有無検出センサ３１ａ，３１ｂ及び３２ａ，３２ｂを配設して、ハンド部１８のキュウリへの接近後当該センサ圏内にキュウリが入ったことを確認すると収穫部コントローラ８に果実有り信号を出力する構成である。
上記果柄検出センサ２７は左右に受光素子を並べて構成する光電センサ部３３，３３…で構成され、その支持部３４とハンド部本体２５とは螺子軸３５によって接続されていて、当該螺子軸３５端の制御モータ３６の回転時間の設定により任意の高さに昇降できる構成である。上記光電センサ３３，３３…はそのうちのいずれが遮断されているかをもってその高さ位置にあるキュウリＣの胴部Ｃ1であるか果柄Ｃ2であるかを判定できる構成である。なお、複数の光電センサを並設する構成に替えて単一のセンサを走査させて検出取り込み幅が所定以下であるか以上であるかによって胴部Ｃ1乃至果柄Ｃ2を判定できる形態とするもよい（図９）。
【００１２】
果柄検出センサ２７の支持部３４下面にははさみ状の切断刃体２８を備え適宜構成により果柄部を切断しうる構成である。
３７は上記果柄検出センサ２７の支持部３４上面に設ける圧力検知センサで、防護カバー３８内に設けられ、果柄検出センサ２７の支持部３４が上昇等の際に他物に接触すると障害有りとして収穫部コントローラ８に対象キュウリの収穫作業中止信号を出力できる構成である（図１０）。
【００１３】
次いでキュウリ認識装置９についての処理を説明すると、認識装置コントローラ１０は、前記カラーＣＣＤカメラ１７の撮像による画像信号を２値化手段により２値化処理し、２値化処理画像の濃淡の輪郭をキュウリ判定手段により判定する。このとき、キュウリの一部が葉に隠れていてもカメラ１７で捉えた範囲の画像で縦・横比率等によりキュウリであると判定できる構成とする。認識装置コントローラ１０はキュウリであると判定すると、次いで図外距離センサによってハンド部１８から対象のキュウリまでの水平距離Ｌと仰角θが算出される。認識装置コントローラ１０におけるこれら距離データと仰角データとを受けて、収穫部コントローラ８は第１〜第３関節の夫々のパルスモータに駆動信号を出力してハンド部１８を対象のキュウリＣに接近させる構成である。
【００１４】
上例の作用について説明する。
所定に旋回台２０を旋回動作させてマニピュレータ１３やカラーＣＣＤカメラ１７をキュウリの実生面に向ける。カラーＣＣＤカメラ１７の視野に入って来るキュウリＣを認識装置コントローラ１０が所定に認識して収穫部コントローラ８にキュウリ認識信号を出力すると、収穫部コントローラ８はマニピュレータ１３の各関節部を制御するパルスモータに駆動出力し、先端のハンド部１８がキュウリＣを捉えるべく接近する。左右間隔部を広くした把持部２６，２６はキュウリＣに接近して該キュウリＣをその間隔部に捉えると、キュウリ有無検出センサのうち、先端部側に配設された発光・受光各センサ３２ａ，３２ｂをキュウリＣが遮ってキュウリ有り信号を出力することとなる。なお、この先端側センサ３２ａ，３２ｂはキュウリ有り信号出力後基端部側センサ３１ａ，３１ｂと相俟って把持部間隔内に捉えたキュウリＣがその略中央に位置して、つまりいずれのセンサも感知しない状態の位置に存在すべく、把持部２６，２６位置を制御させるものである。
【００１５】
キュウリの有無検出センサ３１，３２からの信号で把持部２６，２６内適正位置にキュウリＣを捉えると（Ｓ１０）、果柄検出センサ２７の支持部３４を上昇させるために予め決められた時間ｔ分制御モータ３６が正転し、当該支持部３４はハンド部１８本体から当該時間ｔに見合う距離ｌ上昇する（Ｓ２０）。
ここから果柄検出、キュウリ把持、果柄切断の動作に移るが、まず果柄検出センサ２７の出力をみて（Ｓ３０）、果柄であるか否かを判定する（Ｓ４０）。即ち、左右に複数並設された果柄検出センサ２７の光電センサ部３３，３３…部のうちのいずれが対象物を検出したかにより、所定複数以上のセンサが検出するときはキュウリの胴部Ｃ1であり、所定以下であるときはこれが果柄Ｃ2であると判定する。ステップ４０で果柄Ｃ2であると判定されたときは、マニピュレータ１３の各関節部を駆動するパルスモータに下降指令信号を出力して略直下方に徐々に移動させる。このときキュウリ有無センサ３１，３２出力を取り入れながら対象キュウリＣが把持部２６，２６間隔内適所に存在すべく降下させる。降下させながらも果柄検出センサ２７の検出出力を常時取り込み、そのセンサ部３３，３３出力が極端に変化すると（Ｓ５０）、果柄部Ｃ2からキュウリ胴部Ｃ1に至ったものと判定し、マニピュレータ１３の降下側動きを停止する（Ｓ６０）。次いで、ハンド部１８をキュウリＣ側に接近指令信号を出し、果柄検出センサ２７の支持部３４が果柄を捉えられる位置にまで接近させる。ここで、左右把持部２６，２６にキュウリ掴み信号を出力する（Ｓ７０）。把持部２６，２６はその間隔部が狭くなり、ついには図外ばねの作用でキュウリの上部側胴部Ｃ1に接触して掴み取る（Ｓ８０）。更に切断刃体２８に動作指令信号を出力して果柄Ｃ2を切断することができる。
【００１６】
上記ステップ４０で果柄でないと判定されたときは、未だ果柄検出センサ２７は果柄を検出しておらず、果柄は更に上方にあると予測されるから、マニピュレータ１３を除々に上昇させる（Ｓ９０）。継続的にセンサ部３３，３３…出力は取り込まれ変化すると上記ステップ５０以下８０まで同様の過程でキュウリ胴部Ｃ1把持、果柄Ｃ2切断が実行される。
【００１７】
ところでキュウリＣ表面の「いぼ」はこれを脱落させるとその新鮮度を低下させるとして市場における商品価値を低下させるものとされ取扱が慎重である。この「いぼ」を把持部２６，２６で把持すると容易に脱落するため、その取扱は注意を要するが、発明者はキュウリＣの胴端部において、果柄側に近い一定範囲はこの「いぼ」が存在しないかあるいは少ないことを知見し、上記の構成によって果柄Ｃ2から一定距離ｌ下方を把持するものとし、果柄検出センサ２７の支持部上昇時間、ひいては当該距離ｌを所定に決定することにより、上記「いぼ」を脱落させないで収穫作業を行うことができるものである。品種や対象物等によってこの上昇時間を変更設定できるものとしている。
【００１８】
なお、ハンド部１８本体２５の上昇移動、あるいは果柄検出センサ２７の支持部３４単独の上昇移動に伴って、障害物に衝突すると、防護カバー３８を変形し内部の圧力検知センサ３７が動作し予め設定した所定圧力を検出すると障害物への衝突と判定しそれ以上の上昇を停止制御する一方、当該対象キュウリＣの収穫を中止するものである。なお、所定圧力以下であるときは、葉柄等への接触が予測されるが、このときは収穫作業を継続するものとし、検出圧力の大小によって収穫作業の継続の適否を判定しようとするものである。
【００１９】
ハンド部１８の本体２５と果柄検出センサ２７とを一定距離隔てて設定し、果柄を検出しながら、ハンド部１８を昇降制御するものであるから、ＣＣＤカメラ１７で果柄を確認できなくともキュウリ胴部Ｃ1が一部確認できればそれにアプローチしてキュウリＣを所定範囲内に捉えてから果柄検出動作を実行するもので、葉の裏側に隠れた果柄Ｃ2であっても検出が可能である。
【００２０】
この際、実施例におけるように、ハンド部１８をキュウリＣに接近させるときは、果柄検出装置２７の支持部３４がハンド部１８本体２５に重なっていて、一定距離ｌを確保するのはキュウリＣを把持部２６，２６内に捉えてからとすると、果柄検出センサ２７とキュウリＣとの間を葉等で遮断され難く、つまり一定距離ｌ上昇の間に同時に葉を持ち上げられ得て検出の邪魔になり難い。
【００２１】
図７は果柄検出センサの別実施例を示し、発光素子４０の両側に受光素子４１，４１を設ける形態の光学的検出センサ４２とし、検出回路（図８）内には発光・受光素子のばらつきや対象物の色を調整するためのボリューム４３とセンサ出力調整のためのボリューム４４を設けてある。なお、この回路において、４５は発光部、４６は受光部であり、４７は発光部に接続する発振部、４８は加算部、４９はバンドパスフィルター部、５０は平滑部である。
【００２２】
また、前記のように、果柄検出センサ２７やキュウリ有無検出センサ３１，３２を接近して配置する構成では、それぞれ異なった周波数で偏重された光で検出を行うべく構成するとよい。外乱光の影響を受けないだけでなく、センサ相互間の干渉を防止して検出精度を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】要部の拡大側面図である。
【図２】要部の拡大正面図である。
【図３】装置全体の正面図である。
【図４】その平面図である。
【図５】コントローラ関係図である。
【図６】フローチャートである。
【図７】別実施例を示す図である。
【図８】別実施例における電気回路図である。
【図９】果柄検出センサ検出一例である。
【図１０】圧力検出センサ検出一例である。
【符号の説明】
１…収穫ロボット、２…走行部、３…車輪、４…車輪、５…機体、６…走行部コントローラ、７…収穫部、８…収穫部コントローラ、９…キュウリ認識装置、１０…認識装置コントローラ、１１…メインコントローラ、１２…旋回基盤、１３…マニピュレータ、１４…第１関節、１５…第２関節、１６…第３関節、１７…カラーＣＣＤカメラ、１８…ハンド部、１９…旋回モータ、２０…旋回台、２１…スライダ、２２…スライドモータ、２３…キャリア供給装置、２４…操作装置、２５…ハンド部本体、２６，２６…把持部、２７…果柄検出センサ、２８…果柄切断刃体、２９…制御モータ、３１，３２…キュウリ有無検出センサ、３３，３３…光電センサ、３４…センサ支持部、３５…螺子軸、３６…制御モータ、３７…圧力検知センサ、３８…防護カバー

Claims (1)

1. 撮像手段を備え上下乃至左右及び伸出方向に移動可能に駆動されるマニピュレータ１３を設け、該マニピュレータ１３の先端側には、育成されたキュウリ等の長物収穫対象物の胴部を把持して果柄部を切断するハンド部１８を設け、該ハンド部１８には、ハンド部本体２５から前側に突出する左右一対の把持部２６，２６と、ハンド部本体２５の上面に上下動自在に設ける果柄検出センサ２７と、該果柄検出センサ２７と一体的に設ける果柄切断刃体２８と、前記把持部２６，２６内の収穫対象物の有無を検出する有無検出センサ３１，３２を設け、前記有無検出センサ３１，３２が前記把持部２６，２６内の適正位置に収穫対象物を捉えたことを検出すると、前記果柄切断刃体２８を一体的に設けた果柄検出センサ２７の支持部３４をハンド部本体２５に対して設定時間ｔ上昇させ、該上昇後において、果柄検出センサ２７が果柄部を検出するときは前記マニピュレータ１３を下降動作させ、果柄検出センサ２７が胴部を検出するときは前記マニピュレータ１３を上昇動作させ、該マニピュレータ１３の下降或は上昇動作中に、前記果柄検出センサ２７が果柄部から胴部に至ったこと或は胴部から果柄部に至ったことを検出するとマニピュレータ１３の昇降動作を停止させて前記把持部２６，２６が収穫対象物の胴部の所定個所を把持し前記果柄切断刃体２８が果柄部を切断するよう制御し、且つ、前記果柄切断刃体２８を一体的に設けた果柄検出センサ２７の上昇時間ｔを変更設定可能とする収穫部コントローラ８を設けたことを特徴とするキュウリ等の収穫ロボット。

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