JPH1052145A - 農業用ロボットの収穫装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】マニピュレータ先端部のリストピッチ関節軸
に、エンドエフェクタを支承して回動させるときに、必
要となるモータの出力トルクを小さく抑える。 【解決手段】マニピュレータ５の伸縮直動アーム６の先
端部近傍に駆動可能に支承したリストピッチ関節軸７の
一端部に、上下方向に回動移動させて作業対象物を収穫
するエンドエフェクタ８の回動重心位置Ｇ近傍を軸止し
てなる農業用ロボットの収穫装置の構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、農業用ロボット
の収穫装置に関し、エンドエフェクタをオフセットした
マニピュレータ等の技術分野に属する。

【０００２】

【従来の技術、及び発明が解決しようとする課題】農業
用ロボットにおけるマニピュレータの伸縮直動アーム先
端部近傍に、該アームと直角交差方向にリストピッチ関
節軸を設け、このリストピッチ関節軸にエンドエフェク
タをオフセット状態に装着して、上下方向に回動移動さ
せることにより作業対象物としての果菜類の収穫を行わ
せるものにおいて、このエンドエフェクタを回動させる
リストピッチ関節軸と、該エンドエフェクタの回動重心
位置とが偏位しているときは回動時のモーメントが極め
て大となり、リストピッチ関節軸を駆動するために大き
な出力トルクのモータを必要とすることになる。

【０００３】このモータの出力が大きくなるに伴いその
容量も大きくなるため、マニピュレータの先端部近傍の
形状も大きくなり、作業対象物としての果菜類に干渉し
て傷つける等種々の不具合が発生すると共に、伸縮直動
アームやショルダ及びウエスト関節部等他の関節駆動用
のモータの出力も大きくする必要があり、各駆動モータ
のコストアップは勿論のこと、電気使用量を多く必要と
するため、電源をバッテリ等から供給するときは稼動時
間が短くなり作業能率が阻害される。

【０００４】そこでこの発明は、エンドエフェクタの回
動重心位置近傍を、リストピッチ関節軸に軸止して上下
方向に回動移動させる。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この発明は、マニピュレ
ータ５の伸縮直動アーム６の先端部近傍に駆動可能に支
承したリストピッチ関節軸７の一端部に、上下方向に回
動移動させて作業対象物を収穫するエンドエフェクタ８
の回動重心位置Ｇ近傍を軸止してなる農業用ロボットの
収穫装置の構成とする。

【０００６】

【作用】上記の構成により、農業用ロボットにおけるマ
ニピュレータ５の伸縮直動アーム６先端部近傍におい
て、該アーム６と直角交差して駆動可能に内装支承した
リストピッチ関節軸７の一端部に、例えば、作業対象物
を収穫する収穫部と、この収穫部にロール回動させるモ
ータを連結配置した縦長のエンドエフェクタ８の、上下
方向の回動重心位置Ｇ及至はその近傍位置を支持アーム
を介して軸止することにより、このエンドエフェクタ８
の鉛直平面内での上下方向の回動時に回転モーメントを
小さく抑えることができるから、リストピッチ関節軸７
を駆動するモータの出力トルクが小さくなるに伴いその
容量も小さくてすみ、該アーム６の先端部近傍の形状を
小さく納めることができる。

【０００７】

【発明の効果】該リストピッチ関節軸７によりエンドエ
フェクタ８の回動重心位置Ｇを支承して上下方向に回動
させるときは、回動用のモータを小出力で対応できるか
ら、モータの容量も小さくなりマニピュレータの先端部
近傍の形状が小さく纏まって、作業対象物に干渉する等
の不具合を防止できると共に、他の関節駆動用のモータ
の出力も大きくする必要がなく、各駆動用のモータのコ
スト及び電気使用量を低減することができ、電源にバッ
テリ等を使用したときでも稼動時間の延長が可能となり
作業能率の低下を抑制することができる。なお、重さの
違うエンドエフェクタ８を装着したときでも回動用のモ
ータへの影響が少ない。

【０００８】

【実施例】以下に、この発明の実施例を、作業対象物と
しての果菜類の収穫を行う農業用ロボットについて図面
に基づき説明する。車台９の下側前後位置に左右一対の
前輪１０ａと後輪１０ｂを各々配設し、この前輪１０ａ
と後輪１０ｂの４輪に対し各別に車輪駆動モータ１１を
連動連結すると共に、進行方向に対して操向旋回自在に
支架し、この前・後輪１０ａ，１０ｂを各別に舵取り制
御するための操向角度を検出する操向角度センサ１２を
各々設け、該前・後輪１０ａ，１０ｂの間に動力電源と
してのバッテリ１３ａを格納して走行装置１３を構成す
る。

【０００９】該車台９上の前部位置に、この農業用ロボ
ットの操作制御を行うコントローラ等を内装した前カバ
ー１４を設け、この前カバー１４の後方に、果菜類とし
てのキュウリの画像を撮像するＣＣＤカメラ２による視
覚センサ１と、この視覚センサ１の撮像によりキュウリ
を把持摘果するマニピュレータ５とを装架した、略円筒
形状でその一部を直角状に切り欠いだ作業旋回胴１５を
旋回可能に設けると共に、この作業旋回胴１５の後方側
となる車台９上の後部位置に後カバー１６を設け、この
後カバー１６内に、収穫したキュウリを収納するための
キャリーの格納と放出を行うキャリー制御部１６ａを配
設して作業装置１７を構成する。なお、この後カバー１
６の後側面にロボットの操作パネル１７ａを配設する。

【００１０】該マニピュレータ５は多関節によって人間
の腕と手先の動きに近い作用を行わせるため、その基部
側から先端側にかけて各々ショルダ関節部Ｓ，アーム関
節部Ａ，リスト関節部Ｋ等の各関節部を相互に連結配置
して構成する。該ショルダ関節部Ｓは、マニピュレータ
５を上下回動させるためのショルダ関節に、サーボモー
タによるショルダモータ１８を組み込んで連動連結す
る。アーム関節部Ａは、２段階に伸縮させる伸縮直動ア
ーム６の基部に組み込んだサーボモータによるアームモ
ータ１９から、該アーム６基部の固定筒６ａに内装した
ボールネジ等からなるスライダ４３に連動連結すると共
に、このスライダ４３の回動により固定筒６ａ内に、１
段目の伸縮筒６ｂを収納可能にガイドレール４３ａをス
ライダ４３と並行して内装配置する。該アームモータ１
９から２段目の伸縮筒６ｂ内に張設したタイミングベル
ト４４を介して、ボールネジ等からなるスライダ４５に
連動連結すると共に、このスライダ４５の回動により１
段目の伸縮筒６ｂ内に、２段目の伸縮筒６ｃを収納可能
にガイドレール４５ａをスライダ４５と並行して内装配
置して構成する。

【００１１】リスト関節部Ｋは、２段目の伸縮筒６ｃの
基部側に組み込んだサーボモータによるリストピッチモ
ータ２０から、伸縮筒６ｃの先端部まで延長したリスト
駆動軸４６の端部にウォーム４７ａを軸止すると共に、
このウォーム４７ａと直角交差して噛み合うウォームホ
イル４７ｂにリストピッチ関節軸７を軸止して各々連動
連結すると共に、このリストピッチ関節軸７が伸縮筒６
ｃの外部に突出した軸端に、角筒状のエンドエフェクタ
８の回動を支持するＬ字状の回動支持アーム７ａを軸止
して構成する。

【００１２】この回動支持アーム７ａによって略１８０
度範囲で鉛直平面内をピッチ回動するエンドエフェクタ
８の後端部に、このエンドエフェクタ８を略１８０度範
囲でロール回動させるサーボモータによるリストロール
モータ２１を、該回動支持アーム７ａを介して連動連結
して設け、該エンドエフェクタ８には、キュウリを把持
する把持部８ａと、キュウリを検出する果実検出センサ
８ｂと、検出したキュウリを把持する把持モータ８ｃ
と、把持したキュウリの果柄を検出する果柄検出センサ
８ｄと、この検出のための果柄検出スライドモータ８ｅ
と、検出した果柄を切断する切断モータ８ｆとを内装し
各々作用可能に配置すると共に、該リストロールモータ
２１を含むエンドエフェクタ８の回動重心位置Ｇと、リ
ストピッチ関節軸７の軸心とを合致させる位置に回動支
持アーム７ａによって取り付け構成する。なお、エンド
エフェクタ８はオフセットにより交換が可能である。

【００１３】該マニピュレータ５を水平旋回させるウエ
スト関節部Ｗにおけるサーボモータによるウエストモー
タ２５の回動軸心を、該ショルダ関節部Ｓが装着される
ベース部５ａにおいて、該エンドエフェクタ８の作業中
心軸が該アーム６の基部に向けて延長した軸線ａと交わ
る位置に組み込み連動連結して設ける。このベース部５
ａの下面にキュウリを数個収納可能で、キュウリの摘果
時にエンドエフェクタ８の位置までスライド延出すると
共に、その底面を開閉可能に設けた補助収納ケース４
を、ラックとピニオンにより駆動するケーススライドモ
ータ４ａを該収納ケース４上面に配置して構成する。

【００１４】該マニピュレータ５及び補助収納ケース４
を、上下方向にスライド移動させるボールネジ等からな
るスライダ２２を前記作業旋回胴１５の直角状の切り欠
き部内壁面に沿って回動可能に支承すると共に、このス
ライダ２２の回動により上下移動可能にスライドガイド
２３を軸承して設ける。このスライドガイド２３にマニ
ピュレータ５のベース部５ａを、作業旋回胴１５の直角
状の切り欠き部外壁面に沿って設けた２条の摺動溝１５
ａを貫通して結合すると共に、スライダ２２を回動させ
るためのサーボモータによるスライドモータ２４をスラ
イダ２２の下端部に連動連結し、該作業旋回胴１５と共
に前記視覚センサ１及びマニピュレータ５を略１８０度
旋回させる車台モータ９ａを、前記車台９の作業旋回胴
１５の中心位置に配置し連動連結して構成する。

【００１５】前記視覚センサ１として干渉フィルタ３を
回動可能に装着したＣＣＤカメラ２を、上下方向にスラ
イド移動させるボールねじ等からなるスライダ２６を、
該作業旋回胴１５の直角状の切り欠き部内壁面に沿って
回動可能に支承すると共に、このスライダ２６の回動に
より上下移動可能にスライドガイド２７を軸承して設け
る。このスライドガイド２７の上面部に、マニピュレー
タ５の摺動溝１５ａを有する外壁面に対し、略直角位置
に変位する外壁面に沿って設けた摺動溝１５ｂを貫通し
て視覚センサ１の係合アーム１ａを係合させると共に、
スライダ２６を回動させるためのサーボモータによるス
ライドモータ２８をスライダ２６の下端部に連動連結
し、該摺動溝１５ｂには視覚センサ１の姿勢を保持させ
て摺動可能なガイドレールを設けて構成する。

【００１６】制御機構として、図５に示す如く、前記走
行装置１３を制御する走行部コントローラ２９ａと、視
覚センサ１を制御する視覚部コントローラ２９ｂと、マ
ニピュレータ５を制御する摘果部コントローラ２９ｃ
と、これらの各コントローラ２９ａ，２９ｂ，２９ｃを
接続して統括制御するメインコントローラ２９とを前記
前カバー１４に内装して構成する。

【００１７】該メインコントローラ２９には、前記操作
パネル１７ａ及び安全装置１４ａ等を接続する。該走行
部コントローラ２９ａは、前記車輪駆動モータ１１，操
向角度センサ１２，キャリー制御部１６ａ等を制御可能
に接続して構成する。該視覚部コントローラ２９ｂは、
図６に示す如く、ＯＣＲ３０から信号を受けた駆動パル
ス発生回路３１からドライバ３２を介してレシーバ３３
へ、このレシーバ３３からＣＣＤカメラ２へ接続する。
該カメラ２の駆動により検出された信号をビデオ信号に
変換する信号処理回路３４とカメラ２とを接続し、この
信号処理回路３４からＡ／Ｄ変換器３５を経て画像メモ
リ３６へ接続すると共に、この画像メモリ３６と高速画
像処理を行う画像処理回路３７とＣＰＵ３８とを相互通
信可能に接続する。該ＣＰＵ３８からビデオ信号を基に
ランプ発光タイミングとＡ／Ｄ変換器３５の開始タイミ
ングを設定するタイミング回路３９へ接続し、このタイ
ミング回路３９とＡ／Ｄ変換器３５、及びランプ駆動回
路４０とを接続すると共に、該タイミング回路３９へ信
号処理回路３４を接続させる。ランプ駆動回路４０を介
して、該視覚センサ１に内装したハロゲンランプ４１を
駆動させるべく接続すると共に、フォトセンサ６４から
Ａ／Ｄ変換を経てＣＰＵ３８へ接続して構成する。

【００１８】該摘果部コントローラ２９ｃは、図７に示
す如く、サーボモータとしての前記ショルダモータ１
８，アームモータ１９，リストピッチモータ２０，リス
トロールモータ２１，スライドモータ２４，ウエストモ
ータ２５，スライドモータ２８を各々コントロールドラ
イバ４２を介して接続すると共に、前記果実検出センサ
８ｂ，把持モータ８ｃ，果柄検出センサ８ｄ，果柄検出
スライドモータ８ｅ，切断モータ８ｆを各々接続して構
成する。なお、該各サーボモータ１８，１９，２０，２
１，２４，２５，２８には各々エンコーダ及び原点検出
センサを組み合わせて設ける。

【００１９】農業用ロボットにより作業対象物としての
キュウリの収穫を行うには、走行部コントローラ２９ａ
による車輪駆動モータ１１や操向角度センサ１２等の制
御により畝溝Ｕに沿って走行を行いながら、傾斜棚Ｃに
栽培された収穫適期のキュウリを、視覚センサ１の上下
スライド移動により撮像し、この撮像により入力した画
像を視覚部コントローラ２９ｂによって画像処理を行
い、この画像情報による摘果部コントローラ２９ｃの演
算によって、マニピュレータ５の伸縮直動アーム６をウ
エスト関節部Ｗによる左右旋回と、ショルダ関節部Ｓに
よる上下移動とを行わせると共に、リスト関節部Ｋを伸
縮させてエンドエフェクタ８により収穫アプローチを行
う。

【００２０】このアプローチ時に、エンドエフェクタ８
を上下回動又は左右回動させて、果実検出センサ８ｂの
検出により把持モータ８ｃを作用させ、把持部８ａによ
りキュウリを把持し、この把持されたキュウリの果柄を
果柄検出センサ８ｄと果柄検出スライドモータ８ｅによ
り検出し、この検出された果柄を切断モータ８ｆを作用
させて切断し摘果を行う。この摘果されたキュウリを、
キャリーに集納し満杯になった時点でキャリー制御部１
６ａにより地上に放出する。

【００２１】このエンドエフェクタ８は、回動支持アー
ム７ａによってその回動重心位置Ｇ近傍を軸心として上
下回動させることにより回転モーメントが小さくなるか
ら、この上下回動させるリストピッチモータ２０も小出
力で対応が可能となる。従って、このリストピッチモー
タ２０の容量が小さくなるため伸縮直動アーム６の先端
部の形状が小さく纏まり、キュウリや茎葉等に干渉して
損傷するような不具合を防止できる。該リストピッチモ
ータ２０が小容量でよいから、他の、アームモータ１
９，ショルダモータ１８，ウエストモータ２５等も大き
な出力を必要とせず、該各モータ１９，１８，２５等の
コスト及び電気使用量を低減することができ、バッテリ
１３ａによる稼動時間が長持ちし作業能率の低下を抑制
することができる。なお、オフセットにより他の重さの
違うエンドエフェクタ８と交換した際でも、リストピッ
チモータ２０への影響が少なくてすむ。

【００２２】また、該ウエスト関節部Ｗのベース部５ａ
と伸縮直動アーム６のショルダ関節部Ｓの接続部を固定
せず分離可能とし、該アーム６を前記リストピッチ関節
軸７と同方向にスライド移動可能とすることにより、他
のエンドエフェクタ８と交換したときに、エンドエフェ
クタ８の作業中心軸の軸線ａとウエスト関節部Ｗの回動
軸心を、該アーム６のスライド微調整により交わらせる
ことができるから、マニピュレータ５の姿勢制御方法を
変更するような煩わしさがない。

【００２３】また、上記と異なる実施例として、図１０
に示す如く、マニピュレータ４８のリスト関節部Ｋａ
に、リストロールモータ４９により左右方向に回動可能
にＵ字状の回動支持アーム５０を連動連結し、この回動
支持アーム５０に、リストピッチモータ５１を取り付け
た回動枢支軸５２によりエンドエフェクタ５３を上下方
向に回動可能に支承して設ける。このエンドエフェクタ
５３は、回動枢支軸５２の軸線近傍で半分に分割すると
共に、その一側に把持部５４ａ等を備えた摘果部５４
と、他側にＣＣＤカメラ５５ａとライト５５ｂ等を備え
た撮像部５５とを内装して構成する。

【００２４】該エンドエフェクタ５３によりキュウリを
撮像するときは、撮像部５５を前面に向くようにリスト
ピッチモータ５１で回動切り替えし、マニピュレータ４
８の作動制御により視野を移動させて撮像を行う。この
撮像によりキュウリの存在が確認されたときは、マニピ
ュレータ４８を一旦停止させ、エンドエフェクタ５３を
回動させて撮像部５５と摘果部５４とを切り替え、再び
マニピュレータ４８を作動制御させて前面に位置する摘
果部５４によりキュウリを摘果収穫することができる。

【００２５】従来、離れた位置に各々摘果部５４と撮像
部５５が設けられているときは、摘果部５４と撮像部５
５の配置構成や位置算出等が複雑であると共に、撮像部
５５が広範囲な画像エリアを得るために特別の移動装置
を必要としていたものを、単一のエンドエフェクタ５３
を、摘果部５４と撮像部５５とに分割構成することによ
って、両部５４，５５の配置が容易で、且つ構成もコン
パクトとなり、撮像部５５の撮像中心と摘果部５４の作
業中心とが同一軸心上にあるため位置算出も容易とな
る。

【００２６】また、上記と異なる実施例として、単一の
カメラ５６を左右方向に一定距離だけ均等にスライド移
動させて、同じキュウリを左位置にて撮像した画像Ｌと
右位置にて撮像した画像Ｒによるステレオ画像で入力
し、キュウリの存在する方向と距離を検出可能なものに
おいて、図１１に示す如く、単一のカメラ５６をスライ
ドレール５７上をＤＣモータ５８の駆動により左右方向
へ一定距離だけ均等にスライド移動可能に構成し、この
カメラ５６の移動制御を行うコントローラ５９からパラ
レルインタフェース６０を介して、リレー回路６１を経
て該ＤＣモータ５８へ接続すると共に、左位置での停止
リミットスイッチ６２ａと、右位置での停止リミットス
イッチ６２ｂとを、各々フリップフロップ回路６３を経
て該インタフェース６０を介してコントローラ５９へ接
続して構成する。

【００２７】図１２に示す如く、キュウリの画像を対応
付けるアルゴリズム（画像Ｌ及び画像Ｒ）において、一
般的なステレオ画像法における対応付けの条件（１）で
は、キュウリの画像ＬでのＸ座標が画像Ｒのそれより大
きく、且つ両画像Ｌ，Ｒの長さの差が１０以下で、両画
像Ｌ，ＲでのＹ座標の差が１０以下であるかどうかの判
断を行い、ＮＯのときは、次の条件（２）では、キュウ
リの果頂部近傍が隠れている場合の対応について、画像
ＬでのＸ座標が画像Ｒのそれよりも大きく、且つ画像Ｌ
での長さが３０以上で、両画像Ｌ，ＲでのＹ座標の差が
１０以下であるかどうかの判断を行い、ＮＯのときは、
次の条件（３）では、キュウリの果柄部近傍が隠れ、長
さ・高さ共に異なる場合の対応について、画像ＬでのＸ
座標が画像Ｒのそれよりも大きく、且つ画像Ｌでの長さ
が７０以上で、画像Ｌ，ＲでのＹ座標の差が３０以下で
あるかどうかの判断を行う。この際、キュウリ先端部で
の対応点の位置を推定することにより、的確な対応付け
を行うことができる。

【００２８】このように条件（１），（２），（３）に
より対応付けが可能となることにより、従来の如きステ
レオ画像法では、画像内にキュウリが数多く存在すると
きはその対応付けが困難であり、片方の画像内でキュウ
リの一部が障害物等で隠れている場合には、的確な距離
の検出ができ難い等の難点があったが、これらの難点を
補うため、一般的なステレオ画像法における対応付けに
加え、キュウリの長さが短くなった場合、また長さ・高
さが共に異なる場合の対応付けを可能としたことによ
り、キュウリの一部が葉等により隠れているときでも、
同じキュウリの画像Ｌ，Ｒの比較によりその先端位置を
推定して柔軟に対応することができる。

【００２９】なお、この実施例では収穫対象物をキュウ
リに限定して説明したが、本発明の要旨はキュウリ以外
の他の果菜類にも適応できることは勿論である。

【図面の簡単な説明】

【図１】マニピュレータの伸縮直動アームを伸長した状
態を示す平面図と側面図。

【図２】マニピュレータによりキュウリを摘果把持して
伸縮直動アームを短縮し、補助収納ケースを延出した状
態を示す平面図と側面図。

【図３】農業用ロボットの全体を示す側面図。

【図４】農業用ロボットの全体を示す背断面図。

【図５】農業用ロボット全体の制御関係を示すブロック
図。

【図６】視覚部の制御関係を示すブロック図。

【図７】摘果部の制御関係を示すブロック図。

【図８】視覚センサによる傾斜棚の下段及び上段での撮
像状態を示す作業図。

【図９】マニピュレータによる傾斜棚の上段でのキュウ
リの摘果及び補助収納状態を示す作業図。

【図１０】別実施例におけるマニピュレータのエンドエ
フェクタを示す平面図と側面図。

【図１１】別実施例のカメラによるステレオ撮像の駆動
機構を示す斜視図とその駆動回路を示すブロック図。

【図１２】別実施例のステレオ撮像法におけるキュウリ
の対応付けのアルゴリズムを示すフローチャートとその
対応画像。

【符号の説明】

５． マニピュレータ ６． 伸縮直動アーム ７． リストピッチ関節軸 ８． エンドエフェクタ Ｇ． 回動重心位置

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 マニピュレータ５の伸縮直動アーム６の
   先端部近傍に駆動可能に支承したリストピッチ関節軸７
   の一端部に、上下方向に回動移動させて作業対象物を収
   穫するエンドエフェクタ８の回動重心位置Ｇ近傍を軸止
   してなる農業用ロボットの収穫装置。