JP6939262B2 - エンドエフェクタ - Google Patents
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Description
(一実施形態)
一実施形態に係る自動収穫装置について図1から図5に基づいて説明する。
図1に一実施形態に係るエンドエフェクタ20を備えた、自動収穫装置1を示す。以下、重力方向を下方向、その反対方向を上方向とする。
走行車両10は、制御部12からの信号によりバッテリ等からの電源で走行車両モータ101を駆動させ、車輪102により施設内を移動する。走行車両10は、後述する制御部12からの信号により、所定の位置で停止可能である。走行車両10は、収穫した果菜を入れる収穫籠103を有する。
コンピュータ121は、後述する計測部14からのデータを受信し、果菜の画像を認識し、また、認識した果菜との距離を記録し、目標果菜とする。
コンピュータ121は、目標果菜に対して後述するマニピュレーター部16を操作し、近づけるように操作可能である。
コンピュータ121は、走行車両10に対して信号を送信し、任意の位置に移動させることが可能である。
コンピュータ121は、後述するエンドエフェクタ20を操作することが可能である。
カメラ141は、例えばCCDカラーカメラであって果菜の画像をコンピュータ121に送信可能である。
距離センサ142は、例えば、超音波方式、または、レーザ方式により、果菜類との距離を測定し、その距離データ等をコンピュータ121に送信可能である。
マニピュレーター161は、コンピュータ121と配線163を介して接続し、コンピュータ121からのデータを基に作動し、収穫動作を行うことが可能である。
コントローラ162は、コンピュータ121からのデータが送信され、そのデータを基にマニピュレーター161を動作させることが可能である。
マニピュレーター161の先端部にエンドエフェクタ20が設けられる。
エンドエフェクタ20は、アクチュエータ部22、刃組部24を有する。
アクチュエータ部22は、ケース221、「駆動部」としてのボールネジ222、中空ロータ223、モータステータ225、コネクタ224、ホルダ227、リンク材228、ボールネジナット235、ベアリング236、センサ237等を有する。アクチュエータ部22はいわゆるボールネジと中空モータとを組み合わせてボールネジ222の直線移動を可能にする構成を含む。
ボールネジ222は、ロッド状であり、ケース221の中に設けられる。ボールネジ222は、外壁にネジが形成されている。
中空ロータ223は、筒状の部材であって、ケース221の中に設けられる。中空ロータ223は、自身の中心軸上にボールネジ222が中空ロータ223とは非接触な状態で挿通される。中空ロータ223の径外方向には、中空ロータ223の回転を円滑にするためのベアリング236が設けられる。
モータステータ225は、ケース221の中に設けられる。モータステータ225は、中空ロータ223を回転させることが可能である。
コネクタ224は、ケース221の外壁に設けられ、コンピュータ121からの制御信号線や電源線が接続され、モータステータ225、中空ロータ223及びセンサ237と電気的に接続可能である。
ボールネジナット235は、中空ロータ223において中空ロータ223の中心軸に沿う方向の一方の側に中空ロータ223と一体に回転可能に設けられる。ボールネジナット235には、ボールネジ222が挿通される。ボールネジナット235の内壁は、ボールネジ222の外壁のネジと螺合する。ボールネジナット235の径外方向には、ボールネジナット235の回転を円滑にするためのベアリング236が設けられる。
センサ237は、中空ロータ223の回転数や回転方向を検知し、コネクタ224を介してコンピュータ121にフィードバックする。
リンク材228は、ホルダ227の間隙に収容される部材であり、一方の端部がボールネジ222と接続し、ボールネジ222の直線動作と同期し、一体となって動作する。リンク材228の他方の端部は、後述する刃組部24が有する切断刃組240及び「挟持部」としての挟持刃組260と連結可能なリンク孔232が形成されている。
ホルダ227への切断刃組240及び挟持刃組260の取付方法は後に詳述する。
第一切断刃241は、刃部242、支持部243及び連結部244を有する。
刃部242は、表面245から裏面246にかけて傾斜する刃247を有する。
刃247は、果柄を切断可能なように形成されている。
支持部243は、支持孔248が形成されている。刃部242の厚みと連結部244の厚みとは同一であり、支持部243の厚みは刃部242及び連結部244の厚みの2倍よりも少し大きい。もしくは、刃部242、支持部243及び連結部244の厚みは同一でも良い。
連結部244は、連結孔249が形成されている。連結孔249は、支持孔248よりも大きい。
ここで、刃部242と、支持部243と、連結部244とは、同一平面上に表面245を有する。支持部243の裏面250は、刃部242と、連結部244との裏面246よりも連結部244の厚み分だけ、より裏方向にある。
刃部252は、刃257を有する。
刃257は、果柄を切断可能なように形成されている。
支持部253は、支持孔258が形成されている。刃部252の厚みと連結部254の厚みとは同一であり、支持部253の厚みは刃部252及び連結部254の厚みの2倍よりも少し大きい。もしくは、刃部252、支持部253及び連結部254の厚みは同一でも良い。
連結部254は、連結孔259が形成されている。連結孔259は、支持孔258よりも大きい。
第一挟持刃261は、刃部262、支持部263及び連結部264を有する。
刃部262は、表面265から裏面266にかけて傾斜する刃267を有する。
刃267は、果柄を切断可能なように形成されている。
支持部263は、支持孔268が形成されている。刃部262と連結部264の厚みは同一であり、支持部263の厚みは刃部262及び連結部264厚みの2倍よりも少し大きい。もしくは、刃部262、支持部263及び連結部264の厚みは同一でも良い。
連結部264は、連結孔269が形成されている。連結孔269は、支持孔268よりも大きい。
ここで、刃部262と、支持部263と、連結部264とは、同一平面上に表面265を有する。支持部263の裏面270は、刃部262と、連結部264との裏面266よりも連結部264の厚み分だけ裏方向にある。
図4(c)に第一挟持刃261に対して、二点鎖線で示す第一切断刃241を重ねたとした場合の比較説明図を示す。第一挟持刃261は、第一切断刃241とほとんど同一形状であるが、刃部262が、刃部242よりもL1だけ小さい点のみが異なる。
第二挟持刃271は、刃部272、支持部273及び連結部274を有する。
刃部272は、果柄を切断可能なように形成されている刃277を有する。
支持部273は、支持孔278が形成されている。刃部272と連結部274の厚みは同一であり、支持部273の厚みは刃部272及び連結部274の厚みの2倍よりも少し大きい。もしくは、刃部272、支持部273及び連結部274の厚みは同一でも良い。
連結部274は、連結孔279が形成されている。連結孔279は、支持孔278よりも大きい。
支持孔248に「第二嵌合部」としての棒状のピン233が挿通するように設けられる。これにより、ピン233と、第一切断刃241とは一体になって移動可能である。支持孔258に棒状のピン233が挿通するように設けられる。これにより、ピン233と、第二切断刃251とは一体になって移動可能である。さらに、ピン233は、ホルダ227の長孔230に挿通される。このようにして、第一切断刃241及び第二切断刃251は、ホルダ227に支持される。
このとき、ホルダ227の長孔230は、切断刃組240の図5において紙面奥側にある。長孔230の内壁にピン233の外壁が当接しつつ、ピン233は長孔230の内壁形状に沿って移動可能である。
連結孔249、259とリンク材228のリンク孔232とにピン234が挿通される。このとき、リンク材228のリンク孔232は、切断刃組240の連結孔249、259よりも図5において紙面奥側にある。
支持孔268にピン233が挿通するように設けられる。これにより、ピン233と、第一挟持刃261とは一体になって移動可能である。支持孔278にピン233が挿通するように設けられる。これにより、ピン233と、第二挟持刃271とは一体になって移動可能である。さらに、ピン233は、ホルダ227の長孔230に挿通される。このようにして、第一挟持刃261及び第二挟持刃271は、ホルダ227に支持される。
このとき、ホルダ227の長孔230は、挟持刃組260よりも図5において紙面手前側にある。したがって、ホルダ227の長孔230は切断刃組240と挟持刃組260とに挟まれる。長孔230の内壁にピン233の外壁が当接し、ピン233は長孔230の内壁形状に沿って移動可能である。
連結孔269、279とリンク材228のリンク孔232とにピン234が挿通される。このとき、リンク材228のリンク孔232は、挟持刃組260の連結孔269、279よりも図5において紙面手前側にある。したがって、リンク材228のリンク孔232は切断刃組240と挟持刃組260とに挟まれる。
切断刃組240が開状態の場合を図5(a)に示す。長孔230の最も外側にピン233が位置する。このときのピン233の軸中心位置をC0とする。ピン233の軸中心とピン234の軸中心との距離をL2とする。L2は常に一定である。
挟持刃組260が開状態の場合を図5(d)に示す。長孔230の最も外側にピン233が位置する。このときのピン233の軸中心位置をC0とする。切断刃組240と同様に、ピン233の軸中心とピン234の軸中心との距離をL2は常に一定である。
図5(e)に切断刃組240が第一段階に閉じたときの、挟持刃組260の状態を示す。リンク材228と、第一挟持刃261及び第二挟持刃271はピン234により連結している。そのため、ピン234が後退方向に移動すると、連結部264、274も後退方向に移動しようとする。このとき、ピン233の軸中心とピン234の軸中心との距離L2は常に一定であるため、ピン233は、長孔230の形状に沿って、長孔230の中心方向に移動する。
さらに、ボールネジ222が後退方向に移動すると、第一切断刃241及び第二切断刃251は隙間なく閉じた状態からさらに交差する。このときの、ピン233の軸中心位置を第二位置C2とし、切断刃組240は第二段階に閉じているとする。
(ステップS1 果菜探索工程)
カメラ141が周囲の画像を取得し、画像データを制御部12のコンピュータ121に送信する。コンピュータ121は画像を判定し、あらかじめ設定された果菜の画像と比べて、収穫対象となる目標果菜を決定する。
コンピュータ121が、目標果菜が収穫適期か否かを判断する。収穫適期であれば、収穫作業に移り、そうでなければ次の果菜に移る。本実施形態では果菜の色により判定している。他に果菜の大きさ、形状、近赤外線による糖度による判断など、様々な判定手段を用いてもよいし、これらの手段を組み合わせても良い。
距離センサ142により、目標果菜、及び目標果菜の果柄の距離を測定しデータをコンピュータ121に送る。本実施形態では、距離センサ142は、レーザーセンサによるが、他にも超音波等、様々な距離測定手段を用いてもよいし、これらの距離測定手段を組み合わせても良い。
コンピュータ121により、走行車両10とコントローラ162にデ−タを送信し、目標果菜に走行車両10を近接させる。コントローラ162がマニピュレーター161を動作させて、目標果菜の近くにマニピュレーター161の先端部に設けられたエンドエフェクタ20を位置させる。図7に示すように、このとき、果菜に果柄200が残らないように、果菜の近傍側の果柄200を第一挟持刃261及び第二挟持刃271が挟み込むようにする。
コンピュータ121は、電気信号を送り、ボールネジ222が後退方向に移動するように駆動させる。このとき図8に示すように、切断刃組240及び挟持刃組260は連動しているので同時に閉じる。切断刃組240及び挟持刃組260が第一段階に閉じたとき、切断刃組240は完全に果柄を切断する。挟持刃組260は、隙間S1を有して閉じ、果柄200を途中まで切断し、果柄200に食いこむ。これにより、目標とする果菜201の果柄200は、挟持刃組260により挟持される。
マニピュレーター161は、挟持刃組260により果菜を挟持したまま、収穫籠103の上に果菜を移動させる。その後、コンピュータ121は、電気信号を送り、ボールネジ222が後退方向にさらに移動するように駆動させる。図9に示すように、切断刃組240及び挟持刃組260が第二段階に閉じたとき、挟持刃組260は、果柄200を完全に切断する。そして、収穫籠103の中に目標果菜が落下する。
以上の工程により、果菜の収穫が完了する。その後、またステップS1に戻り新たな果菜を探索するか、あるいは、収穫作業を停止してもよい。
(a)果柄に挟持刃組260が食い込んだ状態で、果柄を挟持できる。したがって、挟持力が強く、確実に果柄を挟持できるため、収穫中に果柄が落下し傷がつくことがない。本実施形態の目標果菜であるトマトは果柄が繊維質であり、刃267、277が果柄の一部を切断して、果柄に少し食い込むだけで安定して挟持できる。
(b)挟持刃組260は、刃形状であり、果柄に食い込ませて挟持し、さらに切断ができる。そのため、一つのボールネジ222の動作だけで果柄の挟持及び切断が可能である。
(c)図10に示すように、果菜201のごく近接した部分の果柄200を挟持刃組260にて挟持することができる。その後、果柄200を挟持刃組260で切断することで、収穫した果菜201の果柄200を短くすることができる。そのため、収穫籠103の中において、収穫した果菜201が他の収穫した果菜201の果柄200により傷つけられることがない。したがって、果菜の商品価値を高く保つことができる。
一方、本実施形態のエンドエフェクタ20は、果柄を両側から挟み込む動作で切断可能である。そのため、果柄に傷が付きにくく、植物が病気になるリスクを低減できる。
(a)一実施形態では、収穫する果菜はトマトであるが、これに限らず、ナス、イチゴ、ブドウなど、その他の果菜などにも一実施形態の自動収穫装置1は適用可能である。自動収穫装置1は、キャベツ、レタス、タマネギなどの葉菜の茎を一部切断することで確実に挟持することも可能であり、葉菜類などにも適用可能である。他、果菜、葉菜を問わず、様々な作物の収穫に自動収穫装置1は、適用可能である。
(b)上記実施形態では、ボールネジ222を直線状に移動させ、切断刃組240及び挟持刃組260の開閉を行った。これに代えて、圧縮空気によってエアシリンダを直線状に移動させ、切断刃組240及び挟持刃組260の開閉を行っても良い。他にも直線状に移動可能な機構であれば、切断刃組240及び挟持刃組260の開閉させるための駆動部として利用可能である。このようにしても、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
20 エンドエフェクタ
222 ボールネジ(駆動部)
227 ホルダ
228 リンク材(駆動部)
230 長孔(第一嵌合部)
233 ピン(第二嵌合部)
240 切断刃組、 241 第一切断刃、 251 第二切断刃
260 挟持刃組(挟持部)、 261 第一挟持刃(挟持体)
271 第二挟持刃(挟持体)
Claims (6)
- 葉菜の茎または果菜(201)の果柄(200)を切断可能な切断刃組(240)と、
前記切断刃組が前記茎または前記果柄を切断するとき前記果菜または葉菜と前記切断刃組との間に位置する挟持体(261、271)を有し、前記茎または前記果柄の一部を切断した状態で前記茎または前記果柄を挟持可能な挟持部(260)と、
前記切断刃組、及び、前記挟持部を動作可能に支持するホルダ(227)と、
前記切断刃組、及び、前記挟持部を連動して駆動させることが可能な駆動部(222、228)と、
を備えるエンドエフェクタ。 - 前記挟持部は、前記茎または前記果柄を挟持可能な第一段階、及び、前記茎または前記果柄を切断可能な第二段階の二つの段階の動作が可能な一組の刃(267、277)を有する請求項1に記載のエンドエフェクタ。
- 前記ホルダには、第一嵌合部(230)が設けられ、
前記切断刃組、及び、前記挟持部は、前記駆動部と連結する連結部(244、254、264、274)、及び、前記第一嵌合部と嵌合可能な第二嵌合部(233)が設けられ前記ホルダに支持される支持部(243、253、263、273)を有し、
前記第一嵌合部に沿って前記第二嵌合部が移動すると、前記切断刃組、及び、前記挟持部が開閉する請求項1または2に記載のエンドエフェクタ。 - 前記駆動部には、第一嵌合部が設けられ、
前記切断刃組、及び、前記挟持部は、前記ホルダに支持される支持部、及び、前記第一嵌合部と嵌合可能な第二嵌合部が設けられ前記駆動部と連結する連結部を有し、
前記第一嵌合部に沿って前記第二嵌合部が移動すると、前記切断刃組、及び、前記挟持部が開閉する請求項1または2に記載のエンドエフェクタ。 - 前記第一嵌合部は、長孔(230)であり、
前記第二嵌合部は、前記長孔に挿通されている棒状のピン(233)である請求項3または4に記載のエンドエフェクタ。 - 前記駆動部は、直線上を往復移動可能である請求項1から5のいずれか一項に記載のエンドエフェクタ。
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