JP6218905B1

JP6218905B1 - 野菜自動収穫装置

Info

Publication number: JP6218905B1
Application number: JP2016182934A
Authority: JP
Inventors: 暢一畝村; 哲郎片山; 健信中田; 福島　亮; 亮福島; 盛久出羽
Original assignee: マイコム株式会社
Priority date: 2016-09-20
Filing date: 2016-09-20
Publication date: 2017-10-25
Anticipated expiration: 2036-09-20
Also published as: JP2018046752A

Abstract

【課題】簡単な構成でありながら、ブロッコリーを代表例とする外葉を有した野菜を自動的に収穫することが可能な装置を提供する。【解決手段】野菜自動収穫装置Ａは、ブロッコリー２を自動的に収穫する装置であって、収穫畑１上でブロッコリー２の外葉４をめくり、この状態でブロッコリー２の花蕾３を撮影部２０で撮影し、その撮影結果に基づいてブロッコリー２を収穫するか否かを判定し、その判定結果に基づいてブロッコリー２を機械的に収穫する構成にする。【選択図】図１

Description

本発明はブロッコリーを代表例とする外葉を有した野菜を自動的に収穫する野菜自動収穫装置に関する。

ブロッコリーについては、これを自動的に収穫する装置が我が国だけでなく全世界的に見ても未だ開発されていない。それ故、農業従事者はブロッコリーを一株毎にその花蕾のサイズや害虫被害の有無等を目で確認しながら手作業で収穫しているのが現状である。

なお、この種の装置を開発する上でベースとなり得るのは、キャベツ等の自動選別収穫装置であると言える（特許文献１等）。
特開平５−１５２３５号公報

しかしながら、ブロッコリーに関し、これを収穫するには花蕾のサイズ等をチェックする必要があるところ、その花蕾が外葉で覆われてサイズ等が分り難いという点と、外葉の枚数、長さ、位置、硬さ等に成育上のバラツキが大きく外葉がカットし難いという点で、キャベツ等とは異なる特有の事情があり大規模栽培に不向きと言われている。ブロッコリーはポピュラーな野菜であるにも関わらず、その自動収穫装置が現実に開発されていないのは上記事情により低価格のものを開発するのが困難だからである。

本発明は上記した背景の下で想作されたものであって、その目的とするところは、簡単な構成でありながら、ブロッコリーを代表例とする外葉を有した野菜を自動的に収穫することが可能な野菜自動収穫装置を提供することにある。

本発明に係る野菜自動収穫装置は、アブラナ科の野菜その他の外葉を有した野菜を自動的に収穫する装置であって、収穫畑上を一定速度で走行可能な台車と、収穫畑上で前記野菜の外葉をブラシの回転によりめくる外葉めくり機構部と、前記外葉がめくられた露出状態で当該野菜を撮影する撮影部と、当該撮影結果に基づいて当該野菜を収穫するか否かを判定する機能を有した制御部と、当該判定結果に基づいて当該野菜を機械的に収穫する収穫機構部とを備え、前記ブラシは、複数本のブラシ素線が平面状に並べられ且つ軸芯の外面に周方向に沿って複数配列され、前記軸芯が台車走行方向に対して直角の方向に向けられた構造になっており、前記収穫機構部は、略軸状体の外葉切断カッターを前記野菜に被せた状態で回転させて当該野菜の外葉を切断するカット機構部と、一対の茎切断カッターを開状態から閉状態にして当該外葉が切断された状態の前記野菜の茎を切断する茎カット機構部とを有した構成になっている。

このような構成の野菜自動収穫装置による場合、野菜の外葉をめくり、この状態の撮影画像により収穫するか否かを判定し、その判定結果に基づいて当該野菜の収穫が行われることから、外葉を有した野菜の収穫作業を容易且つ効率的に行うことが可能になる。特にアブラナ科の野菜の中でも生育上のバラツキが大きいブロッコリーについては大きな効果が見込まれ、大規模栽培を十分に行うことも可能になる。しかも収穫に適したもののみカットする一方、収穫するには早いと判定されたものについてはカットせず元の状態に戻され、引き続き生育可能であることから、結果として栽培効率が高まる。また、外葉のめくり等の工程が野菜をカットすることなく収穫畑上で行われることから、野菜の位置決め保持機構が不要となる。しかも野菜の外葉をブラシの回転によりめくる構成になっている点を含めて、装置の機械的構成が簡単になるというメリットもある。

本発明の実施形態の一例を示す野菜自動収穫装置の概略的外観斜視図である。同装置の外葉めくり機構部の概略的斜視図であって、（ａ）はブロッコリーの外葉がめくられる前の状態を示す図、（ｂ）は同外葉がめくられる途中の状態を示す図である。同装置の外葉めくり機構部の平面ブラシの平面図である。同装置の外葉カット機構部の概略的斜視図であって、（ａ）はブロッコリーの外葉がカットされる前の状態を示す図、（ｂ）は同外葉がカットされる途中の状態を示す図である。同装置の茎カット機構部の概略的斜視図であって、（ａ）はブロッコリーの茎がカットされる前の状態を示す図、（ｂ）は同茎がカットされる途中の状態を示す図である。同装置の電気的構成を示す概略構成図である。同装置のコントローラで処理されるプログラムのフローチャートである。同装置の外葉カット機構部のカッターの変更例を示す概略的斜視図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。ここに例として挙げる野菜自動収穫装置Ａは、図1に示されているように、外葉を有した野菜の代表例であるブロッコリー２を自動的に収穫する装置であって、収穫畑１上を一定速度で走行可能な野菜作業車の台車Ｂに備えられており、収穫畑１上でブロッコリー２の外葉４をめくり、この状態でブロッコリー２を撮影し、その撮影結果に基づいてブロッコリー２を収穫するか否かを判定し、その判定結果に基づいてブロッコリー２を機械的に収穫する基本構成になっている。なお、図面中ブロッコリー２及び収穫畑１等については模式的に示されている。

同装置Ａは、具体的には、台車Ｂの走行に伴って入り込んだ収穫畑１上のブロッコリー２の外葉４をブラシの接触移動方式によりめくる外葉めくり機構部１０と、外葉４がめくられて露出状態になったブロッコリー２の花蕾３を真上から撮影する撮影部２０と、撮影部２０から出力された撮影画像に基づいてブロッコリー２を収穫するか否かを判定する等の機能を有しており装置全体を制御する制御部５０と、当該判定結果に基づいてブロッコリー２の外葉４及び茎５を別々にカットする収穫機構部４０と、同装置Ａとブロッコリー２との間の位置関係を保つためにブロッコリー２の茎５を両側から挟み込んで案内する一対のガイド部７０とを備えている。

外葉めくり機構部１０については、図２に示されているように、本案例では台車Ｂの本体フレーム６０の前方に固定された吊り下げフレーム６１に取り付けられた機構であって、互いに対向配置された一対の平面ブラシ１１，１１と、平面ブラシ１１，１１を互いに逆方向に回転させるブラシ回転機構１２とを備えている。

平面ブラシ１１については、本案例では図３に示されているように、柔軟性を有した素材のブラシ素線１１１の複数本が平面状に並べられたブラシであって、ブラシ素線１１１の基端部が軸芯１１２に１８０度ピッチ間隔で固着された構成になっている。なお、ブラシ素線１１１の長さ及び素線自体の硬さについては、収穫すべき野菜の外葉のサイズや硬さ等に応じて適宜選定すると良い。

ブラシ回転機構１２については、図２に示されているように、ＤＣブラシレスモータ等である除去ブラシモータ１２１を有しており、同モータ１２１，１２１の各出力軸がギアボックスを介して平面ブラシ１１の軸芯１１２に各々連結されている。

外葉めくり機構部１０は、図１に示されているように、除去ブラシモータ１２１の駆動により平面ブラシ１１、１１が回転すると、平面ブラシ１１，１１の先端部がブロッコリー２の外葉４に接触しながら上から下にかけて移動し、これに伴ってブロッコリー２の外葉４をめくるようになっている。

なお、平面ブラシ１１，１１が図２（ａ）に示されているような角度（０又は１８０度）であるとき、各ブラシ素線１１１の先端部同士が僅かに離れて対向しており、この状態ではブロッコリー２の頭部が覆い隠される。一方、平面ブラシ１１，１１が図２（ｂ）に示されているような角度（９０又は２７０度）であるとき、平面ブラシ１１，１１はいずれも垂直状態になる。この状態では、ブロッコリー２の頭部が露出される。

撮影部２０については、図２に示されているように、外葉めくり機構部１０の上方位置で吊り下げフレーム６１に固着された撮影用カメラ２１、距離センサ及び撮影用照明灯２３を有した光学ユニットであり、撮影用照明灯２３によりめくり位置α付近を照明するとともに、撮影用カメラ２１によりブロッコリー２の花蕾３の表面を真上から撮影する構成になっている。なお、上記距離センサは、ブロッコリー２の高さに比例する花蕾３との距離を検知するために設けられている。

収穫機構部４０については、図１に示されているように、台車Ｂの本体フレーム６０に取り付けられた機構であって、本案例では、ガイド部７０により案内されて第１カット位置β１に来たブロッコリー２の外葉４をカットする外葉カット機構部４１と、外葉４がカットされた後に第２カット位置β２に来たブロッコリー２の茎５をカットする茎カット機構部４２とを有した構成になっている。

外葉カット機構部４１については、図４に示されているように、ブロッコリー２の直径に比べてやや大径のコ字状をなした外葉切断カッター４１１及び同カッター４１１を回転させる除去カッター回転モータ４１２１を有した回転機構４１２と、回転機構４１２を一体的に移動させる移動機構４１３とを備え、外葉切断カッター４１１を回転させながら、移動機構４１３を動作させて外葉切断カッター４１１をブロッコリー２に上から被せ、ブロッコリー２の外葉４をカットする構成になっている。

外葉切断カッター４１１については、傾斜辺の先端縁が刃にされた板状のカッター４１１１，４１１１と、略コ字状のカッター取り付け金具４１１２とを有している。本案例では、ブロッコリー２の外葉４をその根元を残してカットしている（ここでは茎５から１０〜２０ｃｍの長さ）。カッター４１１１，４１１１の間隔及び長さ等については、残される外葉４の根元の部分の長さに応じて適宜設定すれば良い。なお、外葉４の根元を残してカットするのは、我が国市場において商品価値が全く異なるブロッコリーの国産と輸入品とを区別するためである

カッター４１１１の刃先部分の傾斜角度θ（図４(ａ)中拡大図参照）については、本案例では５〜１５°に設定されている。これは、カッター４１１１の回転速度との関係において、カットした外葉４が近くのブロッコリー２に被らないように真下に落下させるためである。

移動機構４１３については、外葉切断カッター４１１及び回転機構４１２を上下方向（Ｚ方向）に移動させるＺ軸用移動機構４１３１と、Ｚ軸用移動機構４１３１を装置の巾方向（Ｘ方向）に移動させるＸ軸用移動機構４１３２と、Ｘ軸用移動機構４１３２を装置の前後方向（Ｙ方向）に移動させるＹ軸用移動機構４１３３とを有した構成になっている。Ｚ軸用移動機構４１３１はエアシリンダを用いた機構、Ｘ軸用及びＹ軸用移動機構４１３２，４１３３はアクチュエータを用いた機構である。

茎カット機構部４２については、図５に示されているように、一対の茎切断カッター４２１，４２１と、茎切断カッター４２１，４２１の先端部を対向しつつ接離させて図中矢印方向に開閉する開閉機構４２２とを備え、開閉機構４２２を動作させて、切断カッター４２１，４２１を開状態から閉状態にし、これに伴って茎切断カッター４２１，４２１によりブロッコリー２の茎５をカットする構成になっている。

開閉機構４２２はエアシリンダを用いた機構である。図中４２３は茎切断カッター４２１の取り付けプレートの水平の傾きを微調整にするための高さ調整機構である。

制御部５０については、コントローラ５１及びインターフェイス５２，５３，５４を中心とした構成になっており、図７に示されたプログラムを逐次処理することにより各種機能を発揮するようになっている。

インターフェイス５２は、撮像部２０とコントローラ５１との間に設けられた画像認識装置を中心とした構成になっている。撮影用カメラ２１の撮影画像にブロッコリー２の花蕾３が入ったことを認識してブロッコリー２がめくり位置αに来たことを検出するとともに、その花蕾３に該当する領域の面積、色等を認識し、所定の収穫基準データと比較し、ブロッコリー２をそのサイズ等の点で収穫するか否かを判定し、その判定結果を収穫判定信号としてコントローラ５１に出力するようになっている。なお、上記距離センサの検出値が所定以上を示すときには、上記の通りに認識されたブロッコリー２のサイズを補正するようになっている。

インターフェイス５３は、コントローラ５１にて生成されたモータ駆動指令を除去ブラシモータ１２１／除去カッター回転モータ４１２１／Ｘ軸用及びＹ軸用移動機構４１３２，４１３３の各モータ駆動信号に変換するモータ系ＩＦ回路である。インターフェイス５４は、コントローラ５１にて生成されたＺ軸用移動機構４１３１／開閉機構４２２を駆動させるための各指令をエアー電磁弁９２／９３の各駆動信号に変換するエアー系ＩＦ回路である。

なお、図中９１は運転／停止スイッチ、各種設定スイッチ等が含められた操作パネルである。

野菜自動収穫装置Ａのハードウエアは上記の通りである。以下、コントローラ５１のソフトウエアについて説明する。操作パネル９１に含まれた運転スイッチがオンにされると、コントローラ５１のメモリに記録された図７に示されたプログラムが読み出され、ＣＰＵにより逐次処理される。

まず、茎カット機構部４２の前準備として切断カッター４２１，４２１を開状態にした上で外葉めくり処理を行う。

外葉めくり処理においては、除去ブラシモータ１２１を駆動し、平面ブラシ１１，１１を回転させる（Ｓ１）。引き続いて、インターフェイス５２から出力された収穫判定信号を入力し（Ｓ２）、同信号に基づいてブロッコリー２がめくり位置αに位置し且つこれを収穫するか否かを判定する。その結果、ブロッコリー２がめくり位置αに来たことを検出したものの非収穫と判定したときは、ステップ１に戻り、次のブロッコリー２について上記と同様の処理が繰り返し行われる。一方、収穫と判定したときは、外葉カット処理に移行する。なお、ブロッコリー２が連続して入り込んだ際の誤判定を回避するために、収穫と判定した後はブロッコリー２がめくり位置αから離れるまでの間は次のブロッコリー２の花蕾３が検出されても収穫と判定されないようにしている（Ｓ３）。

外葉カット処理においては、回転機構４１２を動作させ、この状態で移動機構４１３を動作させて外葉切断カッター４１１を降下させ、ブロッコリー２の外葉４をカットする（Ｓ４）。なお、外葉カット機構部４１の作動は、外葉めくり機構部１０の動作終了から所定時間経過後に開始され、ブロッコリー２が第１カット位置β１に来た状態で行われるようになっている。このような外葉カット処理が終了すると、引き続いて、茎カット処理に移行する。

茎カット処理においては、開閉機構４２２を動作させて茎切断カッター４２１,４２１を開状態から閉状態にする。これによりブロッコリー２の茎５をカットした直後には茎切断カッター４２１,４２１を元の開状態に戻す（Ｓ５）。なお、茎カット機構部４２の作動は、上記前準備を除いて、外葉めくり機構部１０の動作終了から所定時間経過後に開始され、ブロッコリー２が第２カット位置β２に来た状態で行われるようになっているこのような茎カット処理が終了すると、ステップ１に戻り、次のブロッコリー２について上記の処理が同様に繰り返し行われる。

以下、野菜自動収穫装置Ａの使用方法について説明する。

まず、野菜自動収穫装置Ａが装備された野菜作業車の台車Ｂを収穫畑１上に一定速度で走行させる。その際、ブロッコリー２がガイド部７０の間に入り込み、ガイド部７０に沿うように真っすぐに走行させる。

装置Ａを作動させると、外葉めくり機構部１０等が動作し、この状態でブロッコリー２がめくり位置αの近く来ると、その外葉４がめくられる。すると、花蕾３の表面が露出状態になり、撮影部２０により撮影される。その撮影画像等のデータが制御部５０に転送され、制御部５０によりブロッコリー２がめくり位置αに来たことを検出し且つその収穫の有無が判定される。

ブロッコリー２の花蕾３のサイズ等が設定値未満であるときは、非収穫と判定される。この場合、ブロッコリー２は外葉カット機構部４１及び茎カット機構部４２を素通りとなり、ブロッコリー２が収穫されることはない。

一方、ブロッコリー２の花蕾３のサイズが設定値以上であるときは、収穫と判定される。この場合、ブロッコリー２が第1カット位置β１に来ると外葉カット機構部４１が動作して外葉４が根元を残してカットされる。引き続いて第２カット位置β２に来ると茎カット機構部４２が動作して茎５がカットされ、ブロッコリー２が収穫される。なお、本案例においては、ブロッコリー２の花蕾３を収穫畑１上の畝間付近に落下させている。カットされた外葉４についても同様である。畝間付近に落下させたブロッコリー２をベルトコンベア上に載せてコンテナに収納する機構を組み合わせても良い。

上記のように構成された野菜自動収穫装置Ａによる場合、野菜作業車を走行させるだけで、所望サイズのブロッコリー２が自動的に収穫可能である。しかも外葉４がその根元を残してカットされていることから、従来に比べてブロッコリー２の収穫作業効率が格段に高まることになる。また、サイズ的に収穫に適したもののみカットする一方、収穫するには早いと判定されたものについてはカットせず元の状態に戻され、引き続いて収穫畑１上で生育可能であることから、結果としてブロッコリー２の栽培効率が高まり、ひいては大規模栽培を十分に行うことが可能になる。しかも同装置Ａがシンプルな構成になっていることから、装置自体の低コスト化を図ることが可能になる。

外葉めくり機構部１０により平面ブラシ１１を用いてブロッコリー２の外葉４をめくる構成になっていることから、外葉４の長さ、本数、硬さ等にバラツキがあっても確実にめくることが可能になるだけでなく、平面ブラシ１１，１１の隙間からブロッコリー２の花蕾３を撮影することが可能になり、撮影部２０及び外葉めくり機構部１０の構成が非常にシンプルとなる。しかも茎５を最後にカットする構成になっていることから、外葉４をめくるに際し、ブロッコリー２の支持機構が不要になり、その分構成自体が簡単化される。これらの点で、装置全体の低コスト化を図ることが可能になる。

外葉カット機構部４１により、ブロッコリー２の外葉４がカット後に真下に落下し、周辺のブロッコリー２に被らないような構成になっているので、日照不足等の影響を受けて発育が妨げられる虞れが少なくなる。また、外葉４をカットするに際し、ブロッコリー２の支持機構が不要になり、その分構成自体が簡単化される。なお、同機構部４１の外葉切断カッターについては、例えば、図８に示されるような種類があり、ブロッコリー２の外葉４の固さ等に応じて適宜選択すれば良い。

茎カット機構部４２については、開閉機構４２２が上方位置に備えられ、その下方に茎切断カッター４２１が配置された構成になっていることから、機構自体がシンプルになっており、故障し難いというメリットがある。

なお、本発明に係る野菜自動収穫装置は上記実施形態に限定されず、大規模農場向けにトラクター等に装備しても良いのは勿論のこと、以下のように設計変更してもかまわない。

対象になる野菜については、ブロッコリーだけに限定されず、外葉を有する野菜であれば如何なるものにも適用可能である。例えば、害虫被害等が多いアブラナ科、ウリ科、ナス科又はマメ科等の各種野菜がある。

野菜の外葉をめくる手段については、ブラシの接触移動による方式に限定されず、高圧エアー吹き付け方式、回転ローラー方式等を採用してもかまわない。

野菜を撮影する手段については、ブロッコリーの花蕾を撮影する形態に限定されず、外葉をめくることにより害虫被害等が明らかになる野菜の芯、内葉又は外葉等の部位を撮影する形態でもかまわない。特に外葉については表面だけでなくその裏面も撮影可能になる。また、収穫畑上の野菜の全てを撮影するのではなくその一部をサンプルとして撮影し、その撮影画像から連続的に収穫するか否かを上記と同様に判定する形態であっても良い。

野菜を収穫するか否かを判定する手段については、外葉がめくられた状態の野菜をモニターに画像出力し、農業従事者自身がその画面を見ながら収穫するか否かを判定し、その判定結果をスイッチ等を通じて入力可能にする構成にしても良い。この場合、全自動とは言えず半自動となるが、装置の構成がシンプルとなることから大幅な低コスト化を図ることが可能になる。また、ＧＰＳ（Global Positioning System）を搭載し、当該野菜のサイズ、形、色、害虫被害等の情報を上記と同様により取得しＧＰＳの野菜位置情報とともにメモリに記録し、これらの栽培情報を活用すれば、野菜の成育状況をきめ細かく管理することが可能になり、ひいては野菜栽培の収穫効率を高めることが可能になる。

野菜を機械的に収穫する手段については、収穫畑上の野菜の少なくとも一部（例えば茎）をカットする構成であれば良く、収穫後の野菜をコンテナに収容する形態にして構わない。この際、当該野菜の判定結果を参照してランク分けし、その結果に応じて野菜を分別して収容する形態であっても良い。

Ａ野菜自動収穫装置
２ブロッコリー（野菜）
３花蕾
４外葉
５茎
１０外葉めくり機構部
２０撮影部
４０収穫機構部
４１外葉カット機構部
４２茎カット機構部
５０制御部

Claims

アブラナ科の野菜その他の外葉を有した野菜を自動的に収穫する装置であって、収穫畑上を一定速度で走行可能な台車と、収穫畑上で前記野菜の外葉をブラシの回転によりめくる外葉めくり機構部と、前記外葉がめくられた露出状態で当該野菜を撮影する撮影部と、当該撮影結果に基づいて当該野菜を収穫するか否かを判定する機能を有した制御部と、当該判定結果に基づいて当該野菜を機械的に収穫する収穫機構部とを備え、
前記ブラシは、複数本のブラシ素線が平面状に並べられ且つ軸芯の外面に周方向に沿って複数配列され、前記軸芯が台車走行方向に対して直角の方向に向けられた構造になっており、
前記収穫機構部は、略軸状体の外葉切断カッターを前記野菜に被せた状態で回転させて当該野菜の外葉を切断するカット機構部と、一対の茎切断カッターを開状態から閉状態にして当該外葉が切断された状態の前記野菜の茎を切断する茎カット機構部とを有した構成になっていることを特徴とする野菜自動収穫装置。