JP6738570B2 - 分散協働型処理システム - Google Patents

Description

本発明は、栽培施設で栽培された果実、野菜などの処理対象物を処理するマニピュレータに関する。

従来では、イチゴ、トマト、ナス、キュウリ等の処理対象物を作業がしやすい高さの栽培棚を用い、水耕栽培や土耕等の方法で栽培を行い、処理作業も全て人手により行うのが一般的であった。ところが、近年、農業経営における人手不足や人件費の高騰により処理作業の自動化が望まれるようになってきた。

果実や野菜等の処理対象物の摘み取りなどの各種作業を、ロボットで自動的に実行させるためには、まず処理対象物の存在位置を認識しなければならない。そこで本発明者らは、果実類を茎や葉の中から機械的に認識して自動的に摘み取ることを可能にした作業用ロボットを特許文献１に開示した。この作業用ロボットは外部から電源供給を受けずに、内部に搭載するバッテリによって自律的に走行する自律走行型のロボットである。特許文献１では、上述の位置認識技術とともに処理用ロボットのマニピュレータの機構についても開示した。

特許文献１に開示されているマニピュレータ１０１を図８に示す。マニピュレータ１０１は三次元方向に互いに独立して直線往復運動できる３つのリンク１０１ａ、１０１ｂ、リンク１０１ｃを備え、先端のリンク１０１ｃに取り付けられた作業ハンド１０３によって処理対象物、例えば果実を摘み取ることができる。このマニピュレータ１００は、進行方向に直交する幅方向の一方の側（図中の左側）の栽培棚に対しては処理が可能であるが、他方の側（図中の右側）の栽培棚に対して処理するときは、処理用ロボット１が、一旦、栽培棚の間の通路を抜け出て１８０°だけ方向転換する必要があるので作業効率が悪かった。

また、従来の処理用ロボットは、処理する作業と搬送する作業を１台の処理用ロボットが行う１台完結型システムであったのに対し、近年の先端農業用ロボットシステムは、作業効率の高い分散協働型ロボットによる処理システムが指向されている。分散協働型処理システムは、処理用ロボットが処理した処理対象物を、処理用ロボットとは独立して移動できる搬送用ロボットに渡す。この搬送用ロボットは、作業通路において処理用ロボットの前後に一台ずつ縦列に配置され、処理用ロボットで摘み取った処理対象物を一方（仮に、前方）の搬送用ロボットに予定量だけ受け渡すと、次は、処理対象物を他方（仮に、後方）の搬送用ロボットに予定量だけ受け渡す。はじめに予定量の処理対象物が受け渡された前方の搬送用ロボットは、作業通路から退避するとともに、交代の搬送用ロボットが処理用ロボットの前方に移動してきて待機する。このように、分散協働型システムの搬送用ロボットが備えるマニピュレータは、少なくとも、摘み取り及び受け渡しを行うリンクが、その向きを１８０°に亘り旋回する機能と、処理した果実を渡すのに必要な長さのリンクを備えることが必須の条件である。

特許４９６１５５５号（図９、図１０、図１１）

上述の事情に鑑み、本発明は、分散協働型処理システムにおいて、幅方向の両側の栽培棚に処理作業を行うことができるとともに、前後の搬送用ロボットに、例えば収穫対象物である果実等を無理なく受け渡すことのできるマニピュレータを提供することを目的とする。
また、本発明は、当該マニピュレータを備える処理用ロボットを用いることにより、分散協働型の処理用システム及びその運用方法を提供することを目的とする。
なお、処理用ロボットが実施する処理の具体的な内容としては、収穫対象物である果実類、野菜類等を摘み取って搬送用ロボット等に渡す収穫作業、不定形な果実の実や花を成長前に除去する間引き作業、不要な葉を切り落とす伐採作業等が含まれる。

上記課題を解決する本発明のマニピュレータは、所定方向の移動成分を有して軸Ｊ１に沿って往復運動可能な第一リンクと、第一リンクから上向きに立ち上がる第二リンクと、第二リンクに連なり、第二リンクとともに軸Ｊ１と垂直な軸Ｊ２を中心に旋廻可能であるか、又は、第二リンクに対して旋廻可能であるとともに、第一リンクに対して軸Ｊ１と垂直な軸Ｊ２に沿って昇降可能な第三リンクと、第三リンクに連なり、第三リンクとの接続部分を中心に軸Ｊ２に平行な軸Ｊ３を中心に旋廻可能な第四リンクと、第四リンクの先端に設けられる作業ハンドと、を備えることを特徴とするものである。

上述の第二リンクは、第一リンクの移動方向と直交する軸Ｊ２を中心に水平方向に旋廻可能であり、第三リンクは、軸Ｊ２に沿って昇降可能であることが好ましく、或いはまた、第一リンクの移動方向と直交する軸Ｊ２に沿って昇降可能であり、第三リンクは、軸Ｊ２を中心に旋廻可能であることが好ましい。
なお、軸を表す符号として用いている（Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４）は物理的実体を有する機械部品としての軸ではなく、仮想直線としての言わば仮想軸線を表すものであるが、本明細書の記載においては、説明を簡素化するために一貫して、単に「軸」と表現している。また、用語「リンク」は、マニピュレータを構成する各部分、即ち、機素という意味で用いるものとする。

本発明のマニピュレータでは、第四リンクの中間に、軸Ｊ３と垂直をなす軸Ｊ４を中心に旋廻可能なＨ１リンク及び第四リンクと平行である軸を中心にねじり旋廻可能なＨ２リンクの少なくとも一方、又は、双方が備えられることで、作業ハンドの自由度が増し制御性がよくなるので好ましい。また、第一リンクを、所定方向の移動成分のみを含んで往復直線運動可能とすることで、所定方向に対する可動範囲を移動成分の分だけ拡大するので好ましい。
更にまた、第一リンクを、所定方向の移動成分と所定方向の移動成分を含んで、Ｘ字状の軌跡を往復運動可能とすることで、可動範囲をＸ字状の軌跡に沿って拡大するので更に好ましい。

本発明の処理用ロボットは、本願発明のマニピュレータが、所定方向に走行する走行ユニットに搭載され移動可能としたことを特徴とする、例えばイチゴ等の果実類等の処理対象物、を摘み取る処理をする処理用ロボットである。
本願発明の処理用ロボットでは、進行方向に直交する幅方向の寸法をＷとし、第三リンクの長さをｒ１、第四リンクの長さをｒ２とした場合に、１／２×Ｗ＞ｒ１、ｒ２が成り立つように、各寸法の長さを備えることで、マニピュレータが方向を１８０°転換するときに、第四リンクを旋回運動させて、第三リンクに対して折り畳むことにより、第三リンクと第四リンクが処理用ロボット自らの幅Ｗを超えて、はみ出すことがないので、両側の栽培棚に干渉させることなく処理作業を行うことができるので好ましい。

本願発明の分散協働型処理システムは、本願発明の処理用ロボットと、処理用ロボットの進行方向の前後の所定位置に配置され、処理用ロボットから処理対象物が受け渡される搬送用ロボットを備え、処理用ロボットと搬送用ロボットは、進行方向に直交する幅方向の両側に設けられる栽培棚の間の通路を進行しながら、搬送用ロボットは、受け渡された処理対象物を所定の集荷場所に移動して搬送する、ことを特徴とする分散協働型処理システムである。

本願発明の分散協働型処理システムでは、待機状態の搬送ロボットを備え、先行して処理用ロボットの前又は後に配置されていた搬送用ロボットが、所定の集荷場所に移動すると、待機状態の搬送ロボットが所定位置に移動して、処理用ロボットが処理した処理対象物を継続して切れ目なく受け取るように連携を図りながら処理作業をすることが好ましい。

本願発明の分散協働型処理システムでは、進行方向の前の所定位置に配置されている搬送用ロボットへの処理対象物の受け渡しが定量になると、搬送ロボットのマニピュレータは、向きを反転させて、進行方向の後の所定位置に配置されている搬送用ロボットへの処理対象物の受け渡しを始めることができるので、稼働効率の高い処理作業を実現することができる。また、マニピュレータが向きを反転させる際には、第三リンク及び第四リンクが対象物を栽培する栽培棚と干渉することがないので処理対象物を痛めることが極めて稀で、信頼性の高い分散協働型の処理システムを実現できることになる。

本願発明の分散協働型処理システムでは、進行方向に直行する栽培棚と栽培棚に挟まれる通路の幅の寸法をＷ’とし、処理用ロボットが備えるマニピュレータの第三リンクの長さをｒ１、第四リンクの長さをｒ２とすると、１／２×Ｗ’ ＞ｒ１、ｒ２が成り立つように各寸法の長さを備えることが好ましい。
このように備えれば、リンクが処理用ロボットの自らの幅Ｗからはみ出すことはあっても、少なくとも栽培棚には干渉させることなく処理作業を行うことができるので好ましい。

本発明の処理用ロボットによれば、栽培棚６０で挟まれた狭い通路を移動しながら通路の両側の果実を処理することができ、栽培棚６０等に接触することなく前後の搬送用ロボットに処理した果実を引き渡すことができる。

本発明のマニピュレータによれば、広い可動範囲を得ることが容易であり、また、既存の腕型マニピュレータ（６軸-６関節）に比べれば、より少ない関節で構成できるので低コストであり、重量物の扱いも容易で、かつ、省エネである。
本発明の処理用ロボットシステムによれば、処理した果実類を搬送するために処理作業を中断する必要がない、稼働効率の高い分散協働型処理システムを実現することができる。

本発明の実施形態に係る処理用ロボットの構成を示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は正面図である。 本実施形態に係るマニピュレータの構成を示す模式的な斜視図と可動範囲を示し、（ａ）は本発明のマニピュレータの模式的な斜視図、（ｂ）は比較のために示した旋廻軸で構成されるマニピュレータの模式的な斜視図、（ｃ）は本発明のマニピュレータの可動範囲を示す図、（ｄ）は比較のために示したマニピュレータの可動範囲を示す図である。 本実施形態の分散協働型処理システムの基本構成を示す配置図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は平面図の寸法を示した図である。 本実施形態の分散協働型処理システムの運用方法を示す図である。 本実施形態のマニピュレータの異なる構成を示す模式的な斜視図である。 本実施形態のマニピュレータの更に異なる構成の可動範囲を示す図である。 本実施形態のマニピュレータの更に異なる構成の模式的な斜視図であり、（ａ）はＨ１リンクを備えた場合の図であり、（ｂ）はＨ２リンクを備えた場合の図であり、（ｃ）はＨ１リンクとＨ２リンクの両方を備えた場合の図である。 特許文献１のマニピュレータの構成を示す模式的な斜視図である。 旋廻軸で構成されるマニピュレータの構成を示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は正面図である。 （ａ）は比較のために示した分散協働型処理システムの構成を示す配置図であり、（ｂ）は比較のために示した他の分散協働型処理システムの構成を示す配置図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
〔第１実施形態〕
第１実施形態に係る処理用ロボット１は、図１及び図２に示すように、処理対象物であるイチゴ６２を摘み取るマニピュレータユニット１０と、マニピュレータユニット１０を搭載して自律走行する走行ユニット３０と、を備える。処理用ロボット１は、図３に示すように、隣接する栽培棚６０の間の通路Ｓ１を走行しながら、栽培棚６０からイチゴ６２を摘み取り、前後に待機する搬送用ロボット４０に受け渡す。処理用ロボット１は、搬送用ロボット４０とともに、分散協働型処理システム７０を構成する。
以下、処理用ロボット１の構成を説明し、次いで、処理用ロボット１を用いた分散協働型処理システム７０に言及する。

［マニピュレータユニット１０］
マニピュレータユニット１０は、走行ユニット３０に載せられると水平方向に沿うベース１１と、ベース１１に設けられ、前後方向（所定方向）に移動成分を有して延びる軸Ｊ１に沿って直線往復運動可能な第一リンク１２と、第一リンク１２から鉛直方向の上向きに立ち上がり、軸Ｊ２を中心にして水平方向に旋廻可能な第二リンク１４と、を備える。軸Ｊ１と軸Ｊ２は互いに垂直をなしている（「軸」とは、直線運動や旋廻運動の運動軸を表す架空の直線を意味するものであるが、以後の説明では、簡便化のため単に「軸」と表記することにする）。

また、マニピュレータユニット１０は、第二リンク１４に連なり、軸Ｊ２に沿って昇降可能な第三リンク１６と、第三リンク１６に連なり、軸Ｊ３を中心に水平方向に旋回可能な第四リンク１８と、を備える。第三リンク１６と第四リンク１８は、関節２０（接続部分）により連結されており、第四リンク１８はこの関節２０に設けられる軸Ｊ３を中心にして旋回運動を行うことができる。第四リンク１８の先端には、作業ハンド２２が取り付けられている。
なお、第一リンク１２を直線往復運動させる駆動機構、第二リンク１４を旋廻運動させる駆動機構、第三リンク１６を昇降運動させる駆動機構及び第四リンク１８を旋回運動させる駆動機構は、任意であり、公知の種々の駆動機構を用いることができる。

［走行ユニット３０］
走行ユニット３０は、それぞれ２つの車輪からなる径の大きい大輪３２と、径の小さい小輪３４とを備え、栽培棚６０と栽培棚６０の間の通路Ｓ１を前後（所定方向）に走行する。下部収納部３６には、駆動用モータ、バッテリ、制御部、等のシステム統合モジュールが組み込まれる。取り付けベース３８の下部には、画像処理のためのＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、メモリ、カラー画像入力装置、位置を特定するコンピュータシステム、駆動を制御するコンピュータシステム、等が収納される。なお、システム統合モジュールやコンピュータシステム等の図示は省略されている。

［マニピュレータユニット１０の可動範囲］
マニピュレータユニット１０の可動範囲について図２を参照しながら説明する。また、図２では、軸Ｊ２は、第二リンク１４の旋廻軸と第三リンク１６の直線往復運動軸を兼ねる。
はじめに、図２（ａ）に示すように、マニピュレータユニット１０は、第一リンク１２が直線往復運動できるので、第二リンク１４の旋廻軸Ｊ２の位置が、前端Ｃ１から後端Ｃ２までの距離Ｓを移動することができる。なお、この例では、旋廻軸Ｊ２と旋廻軸Ｊ３の距離及び旋廻軸Ｊ３から作業ハンド２２の先端までの距離は、等しくｒとなるように構成されている。
図２（ｃ）は、第三リンク１６が旋回運動することを加味したマニピュレータユニット１０の可動範囲を示している。図２（ｃ）に示すように、マニピュレータユニット１０は、第一リンク１２が前端Ｃ１から後端Ｃ２までの距離Ｓを移動できるので、破線で示すように、円弧部分が半径２ｒのトラック形状の軌跡に沿って移動することができる。
例えば、図２（ｂ）に示すように、第二リンク１４が中央に固定されているとすれば、その可動範囲は半径２ｒの単純な円形の領域に過ぎない。これに対し、マニピュレータユニット１０の可動範囲は、水平移動体１２がＣ１からＣ２の位置まで距離Ｓを移動することができるので、その分だけ拡張され水平方向に延伸した形状になっている。
このように、マニピュレータユニット１０は、第一リンク１２が直線往復運動できるので、可動範囲が広い。

［処理用ロボット１の動作］
処理用ロボット１は、マニピュレータユニット１０と走行ユニット４０を備える。処理用ロボット１は、マニピュレータユニット１０が第一リンク１２を旋廻させることにより、作業の方向に向けてハンド２４の向きを自在に換えながら、左右両方の栽培棚６０に対して処理作業を行う。特許文献１に記載されているマニピュレータユニットＡのように、他方の栽培棚６０に対する作業のためにいちいち通路を抜け出て１８０°方向転換する必要がない。また、マニピュレータユニット１０が備える第一リンク１２が処理用ロボット１の進行の前後方向に自在に移動できるので可動範囲が広くなり、前後に配置される搬送用ロボットに対して摘み取った果実を容易に渡すことができる。したがって、分散協働型の処理システムを構築するのに好適である。

処理用ロボット１が処理の作業を行う際には、栽培棚６０にあるイチゴ６２の位置や熟度を判断したり、作業ハンド２２の位置やストッカー４２の中のイチゴ６２の収納位置を判断したりして行う。その判断を可能とするには、図１に示すように、第四リンク１８の上部にデジタルカメラ２４を取り付け、デジタルカメラ２４によって撮影された情報に基づいて上記判断を行うことができる。デジタルカメラ２４で撮影されたデジタル画像データは、取り付けベース３８の下部に収納された画像入力装置に送られてコンピュータシステムによって対象物の位置の特定や成熟度が判断される。判断や制御の具体的な手法は、例えば、特許文献１に記載されているので、ここでの説明は省略する。

［処理用ロボット１の処理作業］
次に、図３を参照して、処理用ロボット１の幅方向の両側に設けられる栽培棚６０から、マニピュレータユニット１０により、例えばイチゴ６２を摘み取る作業を説明する。
この作業は、図３（ａ）に示すように、通路Ｓ１の幅方向の両側に設けられる一対の栽培棚６０からイチゴ６２を摘み取る。通路Ｓ１に配置される処理用ロボット１は、通路Ｓ１を走行する過程で停止して、イチゴ６２を摘み取る。処理用ロボット１の前後には、処理用ロボット１が摘み取ったイチゴ６２を受け取る搬送用ロボット４０が、各１台ずつ縦列に配置されている。分散協働型処理システム７０は、１台の処理用ロボット１と前後の所定位置に配置される計２台の搬送用ロボット４０で構成される。搬送用ロボット４０は、受け取ったイチゴ６２を、栽培区域Ｓ０内の所定の集荷場所１００に搬送する。栽培棚６０で育成されているイチゴ６２は、栽培棚６０の範囲内に収まることもあれば、通路Ｓ１の側にはみ出すこともある。

ここで、図３（ｂ）に示すように、通路Ｓ１の幅はＷ’とし、処理用ロボット１及び搬送用ロボット４０の幅をともにＷとする。なお、幅Ｗ’、幅Ｗは、処理用ロボット１の移動する方向Ｆに直交する向きで定義される。なお、通路Ｓ１の幅Ｗ’は処理用ロボット１の幅Ｗより大きく設定されることは言うまでもない。
また、処理用ロボット１及び搬送用ロボット４０（分散協働型処理システム７０）が通路Ｓ１を通過するときに、栽培棚６０からはみ出したイチゴ６２に干渉して傷つけることのないように、幅Ｗ’は幅Ｗよりも余裕をもって大きく設定されている。つまり、処理用ロボット１及び搬送用ロボット４０が通路Ｓ１の幅方向の中央に配置されているものとすると、分散協働型処理システム７０の幅方向の両側に距離ｇずつ、つまり左右合わせて２ｇに等しい距離の空きスペースが確保される。
また、処理用ロボット１の全長（進行方向の長さ）はＬであり、摘み取ったイチゴ６２を搬送用ロボット４０に渡すために必要とされる最大リーチはＲである。最大リーチＲは、第三リンク１６と第四リンク１８が一直線状に伸びた状態で得られる。

［分散協働型処理システム７０］
以下に、処理用ロボット１及び搬送用ロボット４０を用いた分散協働型処理システム７０の例を、具体的な数値を用いて説明する。なお、リーチＲは、搬送用ロボット４０の荷台の進行方向の奥行きＬ’と、処理用ロボット１と搬送用ロボット４０が運行中に接触することのないように必要な車間距離Ｇが設けられている。
［数値例］
通路Ｓ１の幅Ｗ’ ＝ ８０ｃｍ
搬送ロボット４０の幅Ｗ ＝ ６０ｃｍ
フリースペースＦの幅ｇ ＝ １０ｃｍ
Ｗ’，Ｗ，ｇの関係式 Ｗ’＝ Ｗ ＋２ｇ
処理用ロボット１の幅Ｗ ＝ ６０ｃｍ
処理用ロボット１の全長Ｌ ＝ ９０ｃｍ
必要なリーチＲ ＝ ８５ｃｍ
第一リンク１２の可動範囲Ｓ＝６０ｃｍ（第一リンクの長さの中央から±３０ｃｍ）

分散協働型処理システム７０においては、例えば、前方の搬送用ロボット４０にイチゴ６２を定量まで受け渡すと、次は、後方の搬送用ロボット４０にイチゴ６２を受け渡すことになる。この受け渡しの対象を変更する際に、マニピュレータユニット１０は、第三リンク１６及び第四リンク１８の向きを前方から後方へ反転させる必要があるので、第二リンク１４をおよそ１８０°だけ旋廻させる。このとき、第四リンク１８を折りたたむことになるが、関節２０の部分が栽培棚６０に届くこと、好ましくはフリースペースＦにはみ出すことを避ける必要がある。イチゴ６２を傷つけてしまうおそれがあるからである。そのためには、第三リンク１６と第四リンク１８の長さを互いに等しくするとともに、当該長さを搬送用ロボット４０の幅Ｗの半分、つまりＷ／２以下に押さえればよい。
そうすれば、第四リンク１８を第三リンク１６の側に折りたたんで第二リンク１４を旋廻させれば、関節２０がフリースペースＦにはみ出すことはない。この条件を満たすには、第三リンク１６の長さ＝第四リンク１８の長さ＝搬送用ロボット４０の幅Ｗの１／２＝ｒ＝３０ｃｍとすればよい。

ところが、第二リンク１６と第三リンク１８のみの動作では、摘み取ったイチゴ６２を搬送用ロボット４０に受け渡すことができない。つまり、旋廻軸Ｊ２から作業ハンド２２の先端までの距離は最長でもＷ＝６０ｃｍであるのに対して、イチゴ６２を受け渡すのに必要なリーチＲ＝８５ｃｍであるから、作業ハンド２２は搬送用ロボット４０に届かない。
しかし、マニピュレータユニット１０は、第一リンク１２を可動範囲の中心Ｃ（図３（ｂ））の位置からＣ’の位置まで約２５ｃｍ移動させることで、作業ハンド２２が搬送用ロボット４０に届くようになりイチゴ６２を受け渡すことができる。

以上の本実施形態による分散協働型処理システム７０によれば、処理用ロボット１が摘み取ったイチゴ６２を搬送用ロボット４０に受け渡す際には、第三リンク１６と第四リンク１８がなす角度を適宜調整しながら作業ハンド２２の向きを、搬送用ロボット４０に備えられるストッカー４２の中の目標位置に狙いを定める。そして、第一リンク１２を前進させれば、イチゴ６２をストッカー４２に受け渡すことができる。

処理用ロボット１がイチゴ６２を摘み取る作業を行っている間に、例えば、先行して前方に配置されていた搬送用ロボット４０の全てのストッカー４２が満杯になれば、当該搬送用ロボットは集荷場所１００に向けて搬送を開始する。それと同時に待機状態にしていた別の搬送用ロボット４０が処理用ロボット１からイチゴ６２を受け取ることができる所定位置に向けて移動を開始する。一方、処理用ロボット１はマニピュレータユニット１０の第三リンク１６及び第四リンク１８の向きを反転させて、渡す相手を後方にいる搬送用ロボット４０に換えることができる。このように分散協働型処理システム７０を１台の処理用ロボット１と２台の搬送用ロボット４０とで構成することで、切れ目の少ない処理作業を実現することができるようになる。

以上、分散協働型処理システム７０の主要部の寸法を決定する一例を示したが、これらは栽培棚６０の間隔を含む栽培条件、処理用ロボット１の仕様などに応じて適宜決定することが望ましい。その場合であっても、前後に配置される搬送用ロボット４０に対してイチゴ６２を渡すのに必要とされるリーチＲを確実に確保するとともに、マニピュレータユニット１０の作業ハンド２２の向きを１８０°旋廻するときに関節２０がフリースペースＦにはみ出してイチゴ６２を傷つけないようにすべきことは言うまでもない。また、上述の数値は、本発明の処理システムを実施する場合の一例を示しているに過ぎず、栽培区域Ｓ０の中での栽培棚６０の配置に応じて、適宜、調節されるべきものである。

［マニピュレータユニットＢを備えた場合の比較］
図９に示すマニピュレータユニットＢは、第一リンク１２に相当する部分を備えない点を除けば、マニピュレータユニット１０と同じリンク構成を備えている。
このマニピュレータＢにおいて、図１０（ａ）に示すように第三リンク１６の長さ（３０ｃｍ）と第四リンク１８の長さ（３０ｃｍ）は互いに等しく、かつ、走行ユニット３０の幅Ｗ（６０ｃｍ）の１／２に等しいものとする。この寸法では、二つのリンクの長さを加えても６０ｃｍにしかならないので、必要とされるリーチＲ（８５ｃｍ）に満たないので、イチゴ６２を搬送用ロボット４０に受け渡すことができないことになる。

次に、図１０(ｂ)は、必要とされるリーチＲ（８５ｃｍ）を確保するために、第三リンク１６と第四リンク１８の長さをＲ／２（４２．５ｃｍ）の長さにした例である。この例は、第三リンク１６と第四リンク１８を一直線上に延ばすことによって必要な長さのリーチを確保できるのでイチゴ６２を搬送用ロボット４０に渡すことができる。ところが、第三リンク１６と第四リンク１８の長さをこのように設定した場合には、第三リンク１６と第四リンク１８の向きを反転させようとするときに、第四リンク１８を折り畳んだとしても、関節２０がフリースペースＦを超えて栽培棚６０にまで届いてしまい、イチゴ６２を傷つけかねない。

マニピュレータＢを旋廻させるときに、リンクや関節がイチゴ６２や栽培棚６０に干渉するのを、回避するために、第三リンク１６、第四リンク１８、関節２０、作業ハンド２２等を栽培棚６０の上方に一旦退避させてから反転させることもできる。しかしながらそうすると、作業効率が悪化するとともに、昇降にともないエネルギが浪費される。また、この際の負荷重量は、昇降に関わる構造物の重量とデジタルカメラ重量を合わせて数ｋｇにもなるため、反転の都度にエネルギが消費されるのでバッテリの消耗が激しくなる。バッテリの消耗は一度の充電で作業できる継続可能時間の短縮をもたらし、引いては分散協働型処理システム全体の効率の悪化をもたらすので好ましくない。

［分散協働型処理システムの運用］
次に、分散協働型処理システム７０の運用方法を、図４を参照して説明する。
図４は、栽培区域Ｓ０において、分散協働型処理システム７０が運用されている様子を示した図である。図４では（ａ）〜（ｆ）にしたがって時間が経過している。
図４（ａ）は、処理用ロボット１が図面に向かって右側の搬送用ロボット４０に対して摘み取ったイチゴ６２を渡していたところ、全てのストッカー４２が満杯になった様子を表している。以下、満杯になった搬送用ロボット４０は黒く塗りつぶして表示することにする。
図４（ｂ）は、満杯になった右側の搬送用ロボット４０が、処理用ロボット１の元を離れて栽培区域Ｓ０の角に設けられた集荷場所１００に処理用ロボット１から渡されたイチゴ６２を降ろしに向かうとともに、処理用ロボット１が作業ハンド２２の向きを１８０°転回しようとしている様子を表す。処理用ロボット１は、１８０°転回すると直ちにイチゴ６２を摘み取る処理を行い、図面に向かって左側の搬送用ロボット４０に対する受け渡しを始める。

図４（ｃ）は、イチゴ６２を降ろしに行った右側の搬送用ロボット４０が道程Ｒ１を通って戻ってくるまでの間にも処理用ロボット１の作業が続けられ、この間に摘み取ったイチゴ６２は左側の搬送用ロボット４０に対して渡されてストッカー４２が徐々に満たされている様子を示す。
図４（ｄ）は、左側の搬送用ロボット４０に切換えてイチゴ６２を渡している間に、右側の搬送用ロボット４０がイチゴ６２を降ろして元の位置で戻り待機している様子を示す。

図４（ｅ）は、満杯になった左側の搬送用ロボット４０が、処理用ロボット１の元を離れて栽培区域Ｓ０の外に設けられた集荷場所１００にイチゴ６２を降ろしに向かうと同時に、処理用ロボット１が、作業ハンド２２の向きを１８０°転回している様子を表す。
図４（ｆ）は、イチゴ６２を降ろしに行った左側の搬送用ロボット４０が道程Ｒ２を通って戻ってくるまでの間にも処理用ロボット１が作業を続け、右側の搬送用ロボット４０に対して摘み取ったイチゴ６２を渡すことにより、ストッカー４２が渡されたイチゴ６２で徐々に満たされている様子を示す。

このように複数のロボットが連携して運用される分散協働型処理システム７０では、搬送用ロボット４０がイチゴ６２を収容できる最大収容能力を、もう一方の搬送用ロボット４０が集荷場所１００に行って運搬したイチゴ６２を降ろして戻って来るまでの間に処理用ロボット１が摘み取ることができる量よりも、少なくとも大きく備えることで全く切れ目のない処理作業を実現することが可能となる。

以上の説明では前後に配置される搬送用ロボット４０が１台ずつであることを想定したが、栽培区域Ｓ０が広く集荷場所１００までの往復時間が相当に長い場合には、一方の搬送用ロボット４０が荷降ろしに行っている間に摘み取られるイチゴ６２をもう一方の１台の搬送用ロボット４０だけでは積み切れない状況も起こり得る。そのような場合には、前後の各側の搬送用ロボット４０を1台に限らず複数台が担当するようにして運用させても良い。何れにしても、切れ目のない処理作業が実現されることが望ましい。

［マニピュレータユニット１０の効果作用］
また、マニピュレータユニット１０では、一般に市販されている６軸、６関節のマニピュレータに比べると、４軸の構成であるため部品点数が少なく低コストに製作することができる。それとともに、マニピュレータユニット１０を構成する要素には鉛直方向に対して斜めに傾斜するリンクがないので、一般のマニピュレータに比べて対象物と干渉することが少なく広い可動範囲を実現できる。
マニピュレータユニット１０が重量物を支える場合は、一般のマニピュレータのようにトルク維持のための通電が必要でない箇所が多く、例えば、第一リンクがどの位置にいたとしても第一リンク１２にかかる全荷重は、第一リンクを下方で支えるガイドレールが機構的に支えるので停止状態で電力を消費することがない。第二リンク１４、及びア第四リンク１８についても同様である。このような意味において、本実施形態のマニピュレータユニット１０はエネルギ消費の少ない装置である。

マニピュレータユニット１０では、所定方向の移動成分を有する直線往復運動と旋廻運動の組み合わせによって作業ハンド２２を可動範囲内の処理対象物であるイチゴ６２の位置に導き、幅方向の両側の栽培棚６０のイチゴ６２を処理することができる。
つまり、第一リンクの移動方向と直交する軸Ｊ２を中心に水平方向に第二リンク１４を旋廻運動させることにより、幅方向の両側の栽培棚６０に作業ハンド２２を向けることができ、第三リンク１６を昇降させることにより、作業ハンド２２を栽培棚６０のイチゴ６２に高さ方向の位置合わせをすることができる。また、第四リンク１８を旋回運動させて、第三リンク１６に対して折り畳むことにより、第三リンク１６と第四リンク１８を両側の栽培棚６０に干渉させることなく、旋廻させることができる。さらに、第一リンク１２を、前進及び後退させることにより、摘み取った処理対象物を搬送用ロボット４０に受け渡すことができる。

上記以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更したりすることが可能である。
例えば、図５に示すように、図１の第二リンク１４と第三リンク１６の取り付ける順序を変えて、第一リンク１２（所定方向の軸Ｊ１に沿った移動成分で直線往復運動可能）、第三リンク１６（第一リンクの移動方向である軸Ｊ１と直行する軸Ｊ２に沿って昇降運動可能）、第二リンク１４（軸Ｊ２を中心に水平方向に旋廻運動可能）、第四リンク１８（軸Ｊ３に中心に水平方向に旋廻運動可能）の順に設けたとしても、同様の可動範囲を有するマニピュレータユニット１０を実現することができる。

また、図７（ａ）に示されるように第四リンク１８の中間には軸Ｊ３と垂直をなす軸Ｊ４を中心に鉛直方向に旋廻可能なＨ１リンク１８ａが設けられるものであってもよい。Ｈ１リンク１８ａが設けられることで、例えば、イチゴ６２等の果実類が葉に隠れているような場合であっても、葉を上下に掻き分けることによって摘み取り処理を容易にすることができる。

また、図７（ｂ）に示されるように第四リンク１８の中間には、第四リンク１８と平行を成す軸を中心にねじり旋廻可能なＨ２リンク１８ｂが設けられてもよい。Ｈ２リンク１８ｂが設けられることで、例えば、イチゴ６２等の果実類が栽培棚６０から吊り下がる方向が鉛直方向でない場合であっても、作業ハンド２２にねじり旋廻を与えることによって摘み取り処理を容易にすることができる。

また、図７（ｃ）に示されるように第四リンク１８の中間にＨ１リンクとＨ２リンクの双方が設けられることで、イチゴ６２等の様々な状況への対応が容易になり処理能力を一段と向上させることができる。なお、リンク（Ｈ１，Ｈ２）は、連結される順序を問わず、関節２０に対してＨ１，Ｈ２の順に備えられてもよいし、逆にＨ２，Ｈ１の順であってもよい。何れの場合であっても同様の機能を得ることができる。

また、第一リンク１２は、図６に示すように、所定方向の移動成分を複数含むＸ字状（２本の直線が交差）の軌道（軸Ｇ１，軸Ｇ２）を、往復運動可能なように設けられるものであってもよい。第一リンク１２をこのように設けることで、幅方向の可動範囲を図中のＹに相当する距離だけ拡大することができる。

また、走行ユニット３０が自律走行ではなく、栽培棚６０同士の間の通路Ｓ１にレールが設けられてレールの上を走行するものである場合は、軸Ｊ１は当該レールの上を往復運動する方向と一致すると見なすことができ、マニピュレータユニット１０の第一リンク１２の可動範囲Ｓを栽培棚６０の長さに匹敵するように備えることでも、自律走行の場合と同様の効果を得ることができる。その場合には搬送用ロボット４０もまた自律走行ではなく、同じレールの上を走行するものであったとしても、自律走行の場合と同様の効果を得ることができる。

また、栽培区域Ｓ０の配置はイチゴ生産者によって異なる場合がある。例えば、処理用ロボット１の幅Ｗの寸法に対して栽培棚６０と栽培棚６０の間の通路の幅Ｗ’の寸法が大きく異なるようなとき（例えば、フリースペースＦの寸法ｇが第１実施形態で示した１０ｃｍより大きく３５ｃｍなどに備えられるときにはＷ＝６０ｃｍに対して、Ｗ’＝１３０ｃｍにもなり両者の差が大きく拡大する）には、作業ハンド２２をイチゴ６２に対して届けることができない状況が起きることがある。このため本願発明の分散共同方処理システム７０では、マニピュレータユニット１０の第三リンクの長さｒ１と第四リンクの長さｒ２の長さを、１／２×Ｗ’ ＞ｒ１、ｒ２が成り立つように各部の寸法を備える。これにより作業ハンド２２によるイチゴ６２に対する無理のない処理が可能となる。しかも第三リンク、第四リンクとともに栽培棚６０に干渉することはない。

１ 処理用ロボット
１０ マニピュレータユニット
１１ ベース
１２ 第一リンク
１４ 第二リンク
１６ 第三リンク
１８ 第四リンク
１８ａ Ｈ１リンク
１８ｂ Ｈ２リンク
２０ 関節
２２ 作業ハンド
２４ デジタルカメラ
Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４ 軸
３０ 走行ユニット
３２ 大輪
３４ 小輪
３６ 下部収納部
３８ 取り付けベース
４０ 搬送用ロボット
４２ ストッカー
６０ 栽培棚
６２ イチゴ
７０ 分散協働型処理システム
１００ 集荷場所
Ｓ０ 栽培区域
Ｓ１ 通路
Ｆ フリースペース
Ｗ’ 通路の幅
Ｗ 処理用ロボットの幅
Ｌ 処理用ロボットの長さ
Ｃ 第一リンクの可動範囲の中心位置
Ｒ 位置Ｃを基準した必要なリーチの長さ
Ｓ 第一リンクの可動範囲
Ｙ 拡張される可動範囲

Claims (10)

1. 処理用ロボットと、
   前記処理用ロボットの進行方向の前後の所定位置に配置され、前記処理用ロボットから処理対象物を受け渡される搬送用ロボットと、を備え、
   前記処理用ロボットと前記搬送用ロボットは、前記進行方向に直交する幅方向の両側に設けられる栽培棚の間の通路を進行し、
   前記処理用ロボットは、所定方向に走行する走行ユニットと、前記走行ユニットに搭載されて、前記走行ユニットとともに走行するマニピュレータと、を備え、
   前記搬送用ロボットは、受け渡された前記処理対象物を所定の集荷場所に移動して搬送し、
   前記マニピュレータは、
   所定方向の移動成分を有して軸Ｊ１に沿って往復運動可能な第一リンクと、
   前記第一リンクから上向きに立ち上がる第二リンクと、
   前記第二リンクに連なり、前記第二リンクとともに前記軸Ｊ１と垂直な軸Ｊ２を中心に旋廻可能であるか、又は、前記第二リンクに対して旋廻可能であるとともに、前記第一リンクに対して前記軸Ｊ１と垂直な前記軸Ｊ２に沿って昇降可能な第三リンクと、
   前記第三リンクに連なり、前記第三リンクとの接続部分を中心に前記軸Ｊ２に平行な軸Ｊ３を中心に旋廻可能な第四リンクと、
   前記第四リンクの先端に設けられる作業ハンドと、
   を備えることを特徴とする分散協働型処理システム。
2. 前記第二リンクは、前記第一リンクの移動方向と直交する前記軸Ｊ２を中心に水平方向に旋廻可能であり、
   前記第三リンクは、前記軸Ｊ２に沿って昇降可能である、
   請求項１に記載の分散協働型処理システム。
3. 前記第二リンクは、前記第一リンクの移動方向と直交する前記軸Ｊ２に沿って昇降可能であり、
   前記第三リンクは、前記軸Ｊ２を中心に旋廻可能である、
   請求項１に記載の分散協働型処理システム。
4. 前記第四リンクの中間に、前記軸Ｊ３と垂直をなす軸Ｊ４を中心に旋廻可能なＨ１リンク及び前記第四リンクと平行である軸を中心にねじり旋廻可能なＨ２リンク、の少なくとも一方又は双方が備えられる、
   請求項１〜請求項３の何れか一項に記載の分散協働型処理システム。
5. 前記第一リンクは、
   所定方向の移動成分のみを含んで往復直線運動可能である、
   請求項１〜請求項４の何れか一項に記載の分散協働型処理システム。
6. 前記第一リンクは、
   所定方向の移動成分と前記所定方向の移動成分を含んで、Ｘ字状の軌跡を往復運動可能である、
   請求項１〜請求項４の何れか一項に記載の分散協働型処理システム。
7. 前記処理用ロボットの前記進行方向に直交する幅方向の寸法をＷとし、
   前記第三リンクの長さをｒ１、前記第四リンクの長さをｒ２とすると、
   １／２×Ｗ＞ｒ１、ｒ２が成り立つ、
   請求項１〜請求項６の何れか一項に記載の分散協働型処理システム。
8. 待機状態の前記搬送用ロボットを備え、
   先行して前記処理用ロボットの前又は後に配置されていた前記搬送用ロボットが、所定の前記集荷場所に移動すると、待機状態の前記搬送用ロボットが、前記所定位置に移動する、
   請求項１〜請求項７の何れか一項に記載の分散協働型処理システム。
9. 前記処理用ロボットの前記進行方向の前の前記所定位置に配置されている前記搬送用ロボットへの前記処理対象物の受け渡しが定量になると、
   前記処理用ロボットは、前記マニピュレータの向きを反転させて、
   前記進行方向の後の前記所定位置に配置されている前記搬送用ロボットへの前記処理対象物の受け渡しを始め、
   前記マニピュレータが向きを反転させる際に、前記第三リンク、前記第四リンクは、前記処理対象物を栽培する栽培棚と干渉しない、
   請求項１〜請求項８の何れか一項に記載の分散協働型処理システム。
10. 前記処理用ロボットの前記進行方向に直行する前記栽培棚と前記栽培棚に挟まれる通路の幅の寸法をＷ’とし、
    前記処理用ロボットが備える前記マニピュレータの前記第三リンクの長さをｒ１、前記第四リンクの長さをｒ２とすると、
    １／２×Ｗ’ ＞ｒ１、ｒ２が成り立つ、
    請求項１〜請求項９の何れかに記載の分散協働型処理システム。

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