KR20240038647A - 로봇 과일 수확 시스템 - Google Patents

Abstract

수집 도구는 드라이브 섀시, 상기 드라이브 섀시상에 배치되는 수확기 모듈로서, 목표 물체들을 식별하도록 구성되는 비전 시스템 및 상기 목표 물체들을 수집하도록 구성되는 그래스퍼를 포함하는 로봇 아암을 포함하는, 상기 수확기 모듈, 및 관절형 반강성 캐치 부재를 포함하는 서브시스템으로서, 상기 반강성 캐치 부재는 상기 드라이브 섀시가 움직이는 동안 수축된 상태로 전환되고 상기 드라이브 섀시가 고정되어 있고 상기 로봇 아암이 상기 목표 물체들을 수집하는 공정에 있는 동안 확장된 상태로 전환되도록 구성되는, 상기 서스시스템을 포함한다.

Description

로봇 과일 수확 시스템

정부 지원 진술

본 발명은 국립과학재단에서 부여한 계약 번호 제1951077호에 따라 정부 지원을 받아 수행되었다. 정부는 본 발명에 대한 특정 권리를 갖는다.

관련 출원들에 대한 상호 참조

본 출원은 "2중 아암 로봇 과일 수확 시스템"이라는 명칭으로 2021년 4월 2일에 출원된 미국 가출원 제63/170,232호 및 "2중 아암 로봇 과일 수확 시스템"이라는 명칭으로 2021년 12월 14일에 출원된 미국 가출원 제63/265,400호에 대해 35 U.S.C.§119(e)에 의거하여 우선권을 주장한다. 이와 같은 출원들의 각각의 내용은 모든 목적을 위해 본원에 전체적으로 통합되어 있다.

농업 기술은 상업적으로 중요한 관심을 받고 있는 분야이다. 새롭게 떠오르는 농업 기술의 예로는 작물 관리 및 관개를 위한 자동화된 농기구들이 포함된다. 수확 작업의 자동화는 상당한 과제를 안고 있다.

본원에 개시된 양태들 및 실시예들은 반자동 이동 로봇을 사용하여 농산 과일 및 채소를 수확하는 방법에 관한 것이다.

일 양태에 따라, 수집 도구가 제공된다. 상기 수집 도구는 드라이브 섀시(drive chassis), 상기 드라이브 섀시상에 배치되는 수확기 모듈(harvester module)로서, 목표 물체들을 식별하도록 구성되는 비전 시스템(vision system ) 및 상기 목표 물체들을 수집하도록 구성되는 그래스퍼(grasper)를 포함하는 로봇 아암을 포함하는, 상기 수확기 모듈, 및 관절형 반강성 캐치 부재(articulating semi-rigid catch member)를 포함하는 서브시스템으로서, 상기 반강성 캐치 부재는 상기 드라이브 섀시가 움직이는 동안 수축된 상태로 전환되고, 상기 드라이브 섀시가 고정되어 있고 상기 로봇 아암이 상기 목표 물체들을 수집하는 공정에 있는 동안 확장된 상태로 전환되도록 구성되는, 상기 서브시스템을 포함한다.

일부 실시예들에 있어서, 상기 반강성 캐치 부재는 복수의 연결부들을 포함한다.

일부 실시예들에 있어서, 상기 수집 도구는 상기 수축된 상태와 상기 확장된 상태 사이에서 상기 복수의 연결부들을 관절연결시키도록 구성되는 선형 액추에이터를 추가로 포함한다.

일부 실시예들에 있어서, 상기 반강성 캐치 부재는 복수의 피벗 패널들을 포함한다.

일부 실시예들에 있어서, 상기 복수의 피벗 패널들을 상기 수축된 상태와 상기 확장된 상태 사이에서 관절연결시키도록 구성되는 선형 액추에이터를 추가로 포함한다.

일부 실시예들에 있어서, 상기 반강성 캐치 부재는 선형 수축 및 확장 전방 부재 및 상기 전방 부재를 수축 및 확장시키도록 구성된 선형 액추에이터를 포함한다.

일부 실시예들에 있어서, 상기 선형 액추에이터는 하나 이상의 공압 실린더, 선형 모터 및 레일 시스템, 볼 또는 리드 스크류 메커니즘을 갖는 회전 모터, 또는 유압 피스톤/다이아프램을 포함한다.

일부 실시예들에 있어서, 상기 수집 도구는 상기 반강성 캐치 부재에 연결되고 또한 수집된 목표 물체들을 수신하고 출구를 통해 상기 목표 물체들을 지시하도록 구성되는 순응성 재료로 형성되는 목표 표면을 추가로 포함한다.

일부 실시예들에 있어서, 상기 반강성 캐치 부재는 동적으로 조절 가능하고 가요성인 후프를 포함한다.

일부 실시예들에 있어서, 상기 후프는 가요성 힌지 롤러 체인을 포함한다.

일부 실시예들에 있어서, 상기 후프는 가요성 바 요소를 포함한다.

일부 실시예들에 있어서, 상기 수집 도구는 상기 후프를 수축 및 확장하도록 구성되는 2중 작동 선형 액추에이터를 추가로 포함한다.

일부 실시예들에 있어서, 상기 2중 작동 선형 액추에이터는 일 단부가 상기 수집 도구의 측면에 부착되고 단일 회전 자유도를 갖는 공압 실린더이다.

일부 실시예들에 있어서, 상기 공압 실린더는 상기 후프의 측면에 부착되고 또한 클레비스 피벗(clevis pivot)을 중심으로 하는 회전뿐만 아니라 2 방향으로의 이동을 포함하는 3 자유도를 갖는 제2 단부를 포함한다.

일부 실시예들에 있어서, 상기 공압 실린더의 몸체는 확장 및 축소되는 동안 아크 운동으로 이동하도록 구성된다.

일부 실시예들에 있어서, 상기 후프는 수축된 위치에서 제1 영역 및 확장된 위치에서 상기 제1 영역보다 큰 제2 영역을 갖는다.

일부 실시예들에 있어서, 상기 후프의 전방 부분은 상기 후프에 의해 충격을 받는 장애물에 부합하도록 구성된다.

일부 실시예들에 있어서, 상기 후프에 연결되고 또한 수집된 목표 물체들을 수신하고 상기 목표 물체들을 출구를 통해 지시하도록 구성되는, 순응성 재료로 형성된 목표 표면을 추가로 포함한다.

일부 실시예들에 있어서, 상기 목표 표면은 상기 후프에 해제 가능하게 연결된다.

일부 실시예들에 있어서, 상기 목표 표면은 상기 출구를 향해 테이퍼진다.

일부 실시예들에 있어서, 상기 수집 도구는 상기 반강성 캐치 부재의 베이스에 결합되고 상기 서브시스템을 통과하는 물체들을 감지하도록 구성되는 센서를 추가로 포함한다.

일부 실시예들에 있어서, 상기 수집 도구는 상기 캐치 부재의 하류에 상기 수확기 모듈의 측면을 따라 배치되고 또한 물체들을 수집 빈(collection bin)으로 이송하도록 구성되는 컨베이어를 추가로 포함한다.

일부 실시예들에 있어서, 상기 컨베이어는 상기 수집 빈을 향하는 방향으로 상향으로 경사져 있다.

일부 실시예들에 있어서, 상기 컨베이어는 미끄럼 방지용 컨베이어 벨트(cleated conveyor belt)를 포함한다.

다른 양태에 따르면, 수집 도구가 제공된다. 상기 수집 도구는 드라이브 섀시, 상기 드라이브 섀시상에 배치되는 수확기 모듈로서, 목표 물체들을 식별하도록 구성되는 비전 시스템 및 상기 목표 물체들을 수집하도록 구성된 그래스퍼를 포함하는 로봇 아암을 포함하는, 상기 수확기 모듈, 및 상기 수집 도구의 정적 지점들에 장착된 가요성 직물 구조를 포함하는, 상기 그래스퍼로부터 낙하되는 목표 물체들을 위한 포괄적인 착륙 구역을 포함한다.

일부 실시예들에 있어서, 상기 가요성 직물 구조는 덜 가요성 직물로 형성된 보강재들과 결합된 순응성 직물들 또는 망직물(netting)의 혼합물을 포함한다.

일부 실시예들에 있어서, 상기 덜 가요성 직물은 립스톱 나일론(ripstop nylon)을 포함한다.

일부 실시예들에 있어서, 상기 가요성 직물 구조는 퀵 릴리스/부착 패스너(quick release/attachment fastener)들로 상기 수집 도구상의 정적 지점들에 장착된다.

일부 실시예들에 있어서, 상기 수집 도구는 수집 빈을 추가로 포함한다.

일부 실시예들에 있어서, 상기 수집 도구는 상기 로봇 아암에 의해 수집된 물체들을 상기 수집 빈으로 운반하도록 구성되는, 상기 수집 도구의 측면을 따라 배치되는 컨베이어를 추가로 포함한다.

일부 실시예들에 있어서, 상기 컨베이어는 경사져 있다.

일부 실시예들에 있어서, 상기 컨베이어는 미끄럼 방지용 컨베이어 벨트를 포함한다.

또 다른 양태에 따르면, 작물 열(crop row)로부터 농산물을 수집하기 위한 시스템이 제공된다. 상기 시스템은 수집 도구로서, 드라이브 섀시 및 상기 드라이브 섀시상에 배치되는 수확기 모듈을 포함하며, 상기 수확기 모듈은 목표 물체들을 식별하도록 구성되는 비전 시스템 및 상기 목표 물체들을 수집하도록 구성되는 그래스퍼를 포함하는 로봇 아암을 포함하는, 상기 수집 도구, 및 캐치 시스템으로서, 순응성 재료로 형성되고 출구를 포함하는 상기 작물 열의 전체 길이를 따라 실질적으로 확장되는 트로프형 캐치 구역(trough-shaped catch zone) 및 상기 캐치 구역의 출구 아래에 배치되고 목표 물체들을 수집 빈으로 이송하도록 구성되는 컨베이어를 포함하는 이송 구역을 포함하는, 상기 캐치 시스템을 포함한다.

이제, 본 발명의 실시예들이 첨부된 도면들을 참조하여 비제한적인 예시로서 설명된다.
도 1은 2중 아암 로봇 과일 수확 시스템의 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 2는 로봇 과일 수확 시스템의 과일 캐치 서브시스템의 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 3은 과일 캐치 서브시스템에 의해 과일을 낙하시켜 포획하고, 캐치 슈트(catch chute)를 통해 과일 수집 또는 운반 서브시스템으로 향하게 하는 과일의 예를 도시한 도면이다.
도 4는 로봇 과일 수확 시스템의 과일 캐치 서브시스템을 대체하는 메커니즘의 실시예를 도시한 도면이다.
도 5a는 캐치 서브시스템 표면의 선두 엣지상의 텔레스코핑 링크(telescoping link)를 사용하여 로봇 과일 수확 시스템의 과일 캐치 서브시스템의 동적 위치 지정을 나타내는 도면이다.
도 5b는 캐치 서브시스템 표면의 선두 엣지상의 플랩을 사용하여 로봇 과일 수확 시스템의 과일 캐치 서브시스템의 동적 위치 지정을 나타내는 도면이다.
도 6은 단일 아암 로봇 과일 수확 시스템의 실시예를 나타내는 도면이다.
도 7은 과일 검사 센서를 포함하는 로봇 과일 수확 시스템의 실시예를 나타내는 도면이다.
도 8은 관절 연결부를 포함하는 과일 수집 서브시스템의 일부를 도시한 도면이다.
도 9는 수축 및 확장 가능한 상호배치 가능 패널들을 포함하는 과일 수집 서브시스템의 일부를 나타내는 도면이다.
도 10은 확장 벨트를 포함하는 과일 수집 서브시스템의 일부를 나타내는 도면이다.
도 11은 롤러 체인 후프를 포함하는 과일 수집 서브시스템의 일부를 나타내는 도면이다.
도 12는 가요성 후프를 포함하는 과일 수집 서브시스템의 일부를 나타내는 도면이다.
도 13은 가요성 직물 구조와 컨베이어 벨트를 포함하는 과일 수집 서브시스템의 일부를 나타내는 도면이다.
도 14는 배수로/작물하의 오프보드(offboard) 과일 수집 및 운반을 포함하는 과일 수집 서브시스템의 일부를 나타내는 도면이다.
도 15a 및 도 15b는 조작기 아암으로부터 분리된 비전 시스템을 포함하는 로봇 과일 수확 시스템용 수확 모듈을 나타내는 도면이다.
도 16a 및 16b는 본원에 개시된 로봇 과일 수확 시스템의 실시예들에 대한 픽업 흐름도를 나타내는 도면이다.
도 17a 및 17b는 본원에 개시된 로봇 과일 수확 시스템의 실시예들에 대한 다른 픽업 흐름도를 나타내는 도면이다.
도 18은 본원에 개시된 로봇 과일 수확 시스템의 실시예들에 대한 또 다른 픽업 흐름도를 나타내는 도면이다.
도 19는 본원에 개시된 로봇 과일 수확 시스템의 실시예들에 대한 또 다른 픽업 흐름도를 나타내는 도면이다.
도 20은 본원에 개시된 로봇 과일 수확 시스템의 실시예들에 대한 또 다른 픽업 흐름도를 나타내는 도면이다.
도 21은 본원에 개시된 로봇 과일 수확 시스템의 실시예들에 대한 또 다른 픽업 흐름도를 나타내는 도면이다.
도 22는 본원에 개시된 로봇 과일 수확 시스템의 실시예들에 대한 또 다른 픽업 흐름도를 나타내는 도면이다.
도 23은 2중 아암 로봇 과일 수확 시스템의 다른 실시예를 나타내는 도면이다.
도 24a는 2중 아암 로봇 과일 수확 시스템의 또 다른 실시예를 나타내는 도면이다.
도 24b는 2중 아암 로봇 과일 수확 시스템의 또 다른 실시예를 나타내는 도면이다.

특정 실시예들에 대한 다음의 설명은 특정 실시예들에 대한 다양한 설명을 제시한다. 그러나, 본 명세서에 설명된 획기적인 사상은 예를 들어 청구범위에 의해 한정되고 보장되는 바와 같이 다양한 방식으로 구현될 수 있다. 본 설명에서는 도면들이 참조되며, 여기서 유사한 참조 부호들은 동일하거나 기능적으로 유사한 요소들을 나타낼 수 있다. 도면들에 예시된 요소들은 반드시 축척에 따라 도시된 것이 아니라는 사실을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 특정 실시예들은 도면에 도시된 것보다 더 많은 요소들 및/또는 도면에 예시된 요소들의 하위 집합을 포함할 수 있다는 사실을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 일부 실시예들은 2 이상의 도면들로부터의 특징들의 임의의 적절한 조합을 통합할 수 있다.

본원에 개시된 양태들 및 실시예들은 독립적인 픽업 및 비전 작업을 수행할 수 있는 2개의 수확 모듈들과 과일 수집 시스템을 결합하여 성능을 크게 향상시킨다.

수확된 과일을 중앙 빈(bin) 또는 수집 지점으로 수집하기 위한 자동화된 로봇 메커니즘의 일부 실시예들은 능동적으로 움직이는 관절형 트레이를 활용하여, 능동적으로 픽업하는 로봇 아암 및 과일 파지 도구로부터 구성 가능한 거리를 유지한다. 이와 같은 트레이는 작업을 계속하기 전에 아암과 그래스퍼(grasper)가 현재 파지된 과일을 명시적으로 위치시킬 수 있는 장소를 제공한다. 이와 같은 실시예들은 손상이나 멍이 들지 않도록 조심스럽게 배치해야 하는 과일들(예를 들면, 딸기 및 큰 토마토)에 선호되지만, 일부 실시예들에서는 짧은 거리에서 낙하시켜도 견딜 수 있는 충분한 기계적 견고성을 가진 개별 수확 품목들을 배치하기 위해 완전히 감속 및 일시 정지시키는 것은 시간적으로 비효율적이다. 이를 위해, 본 발명에서 고려되는 새로운 방법이 선호된다.

본원에 개시된 시스템 및 방법의 양태들 및 실시예들에 있어서, 과일은 로봇 조작기 및 그래스퍼의 베이스에 배치된 캐치(catch)에 의해 수집될 수 있다. 이와 같은 캐치는 조작기로 상하로 관절연결하기 위해 작동될 필요가 없다. 대신, 윤곽이 있는 표면, 깔때기 모양의 넓은 수용 영역, 및 단일 출구 지점을 통해, 조작기에 의해 폭넓은 범위의 위치들로부터 아웃바운드(outbound) 과일 이송 시스템으로 낙하되는 과일들을 수집할 수 있게 된다. 일부 실시예들에 있어서, 순응성 및/또는 동적 메커니즘을 사용하여 과일 수집기의 커버리지를 증가시킬 뿐만 아니라 가변 환경에 부합할 수 있다. 이와 같은 아웃바운드 이송 시스템은 컨베이어 벨트, 빈 벨트, 경사 슈트, 관절형 빈, 또는 과일을 시스템의 일 단부로 이송시켜 과일의 아웃바운드 이송을 용이하게 제거 및 집계하기 위한 목적을 달성하는 기타 장치일 수 있다.

개시된 과일 수집 시스템의 양테들 및 실시예들은 과일 수집기에 과일을 적재하는 동안 동적 움직임을 활용할 수 있는 조작기 아암의 경로 계획에 대한 추가 성능 향상을 가능하게 한다. 목표 획득 및 경로 계획을 위해 의도된 독립적인 모션 축의 구현은 로봇 아암으로 하여금 지속적으로 픽업 작업을 수행하도록 함으로써 시스템 가동 중단 시간을 감소시킬 수 있다. 평형화된 목표 획득 및 픽업 전략을 활용하여 이와 같은 운영 효율성을 달성하기 위한 몇 가지 자율적 방법들이 설명되어 있다.

이와 같은 수확 모듈 및 과일 수집 시스템의 개선은, 일부 실시예들에 있어서, 시스템당 2개의 수확 모듈들을 사용함으로써 더욱 활용된다. 2개의 수확 모듈들은 서로 다른 장착 방법을 가질 수 있으며, 일부 실시예들에 있어서 각각의 아암은 작물 열(crop row)의 반대편 측면들상에서 픽업할 수 있도록 방향이 지정된다. 이와 같은 배향은 시스템으로 하여금 성능의 배가 계수를 달성하고 개별 작물 열을 수확하기 위한 시간을 단축할 수 있게 한다. 2중 아암 로봇 과일 수확 시스템의 일 실시예가 도 1에 설명되어 있으며, 일반적으로 도면부호 100으로 표시된다. 상기 시스템은 예를 들어, 온실에서 식물 열들 사이, 선택적으로 한 세트의 트랙(150)을 따르는 경로로 이동하도록 구성되는 드라이브 섀시(105)를 포함한다. 본원에 개시된 아암 로봇 과일 수확 시스템의 양태들 및 실시예들은 상기 드라이브 섀시(105)상에 장착되고 또한 그리퍼(165)에서 종료되는 하나 이상의 로봇 아암 또는 조작기(160)를 포함하는, 하나 이상의 수확기 모듈을 포함할 수 있으며, 이에 대하여는 PCT 특허 출원 제PCT/US2019/039254, PCT/US2020/018392 또는 PCT/US 2021/020476 중 어느 하나 이상에 개시된 것과 같으며, 이들의 주제는 본원에 참조로 통합되어 있다.

과일 수집 시스템

과일 수집 시스템의 실시예의 넓은 수용 영역(본 명세서에서는 캐치라고도 함)은 고성능 자동 수확 시스템을 용이하게 하기 위한 3가지 목적을 달성한다. 첫째, 사용된 기하학적 구조와 표면으로 인해 동적 이동 중에 과일을 신속하게 방출할 수 있다. 둘째, 그래스퍼가 목표가 아닌 품목을 방해하거나 현재 목표에 대해 약간의 파지만 관리하는 경우, 바닥에 떨어뜨려 더 이상 먹을 수 없거나 판매할 수 없게 할 수 있는 과일의 범위를 증가시킬 수 있다. 상기 그래스퍼는 일반적으로 상기 그래스퍼가 수확 시스템의 중심 축을 향해 가속 및 이동하는 임의의 지점에서 수집된 목표 물체, 예를 들어 과일을 방출하기 위해 개방될 수 있으며, 이는 캐치를 향해 일반적으로 포물선 궤적으로 과일을 효과적으로 던진다. 이와 같은 방식으로 방출되는 과일의 착륙 위치에는 많은 변동성이 있지만, 충분히 넓은 캐치는 과일의 대부분 또는 전부를 수용할 수 있다. 여전히 이동 중인 상태에서 목표 물체를 방출시키면, 조작기와 그래스퍼가 배치를 위해 완전히 감속 및 정지하거나 개방될 필요가 없어져, 연속적인 목표 물체를 획득하는 속도를 극적으로 높이고 수확 시스템의 생산성을 증가시킨다. 마지막으로, 하부 캐치 서브시스템의 선두 엣지를 동적으로 재배치함으로써, 매우 동적인 환경에서 커버리지를 증가시키는 동시에 작물 손상 가능성을 감소시키거나 제거할 수 있다. 이와 같은 3가지 성능 개선 양태들은 적절한 기하학적 형상, 크기, 재료, 동적 배치 및 아래에서 추가로 설명하게 될 기타 여러 요소들을 통해 구현된다. 이와 같은 방법을 사용하면 조작자와 그래스퍼로 하여금 캐치에 의해 과일을 수집할지 여부에 대한 걱정 없이 폭넓은 범위의 위치들로부터 과일을 방출할 수 있게 한다.

표면 및 크기 조정

성공적인 하부 과일 캐치 설계를 구현하는 데는 여러 가지 표면들이 관련된다. 도 2에는 일반적으로 도면부호 110으로 표시된 하부 과일 캐치의 실시예가 설명되어 있다. 과일 캐치의 표면(117A)은 조작기 아암 그래스퍼에 의해 방출된 과일이 안전한 방식으로 잡되도록 의도된 반-순응형 표면이다. 표면(117B)은 실수로 떨어뜨린 과일이나 다른 요인으로 인해 떨어지는 과일을 잡기 위해 작물 환경 아래를 커버하는 거리를 최대화하기 위한 선두 엣지이다. 이와 같은 선두 엣지는 아래에서 논의될 실시예들에 따라 동적으로 위치할 수 있도록 의도된다. 일부 실시예들에 있어서, 이와 같은 선두 엣지는 작물을 손상시키지 않으면서 환경과의 일관된 결합 범위를 가능하게 하는 스트립 브러시(strip-brush) 또는 가요성 탄소 섬유 로드와 같은 추가 순응성 요소(110C)를 가질 수 있다. 상기 전방 엣지 이외의 다른 표면들도 또한 이와 같은 순응성 재료 방법론을 사용할 수 있다. 이와 같은 임의의 순응성 부재들은 수집기의 적절한 기능을 유지하기 위해 환경 하중이 유발된 후 변형되지 않은 상태로 복귀될 수 있다. 표면(들)(110D)은 과일을 통과 슈트(110E)를 향해 또는 선택된 과일 운반 방법을 통해 이송하기 위한 구역으로 유도하기 위한 가이드 역할을 하는 표면들이다. 표면(들)(110F)은 나머지 하부 캐치 기하학적 형상 주위에 "림"을 형성하는 역할을 하는 상승된/수직 표면들이다. 이와 같은 림의 기하학적 형상은 과일이 낙하 시 포물선 및 가변 동작으로 인해 실수로 캐치 용적 경계 외부로 굴러가는 것을 방지하기 위한 것이다. 일부 실시예들에 있어서, 표면들(117A, 117B 및 110D)에 대해 최소 20 내지 25도의 각도(상부 평면에서 측정시)가 유지되어 과일이 통과 슈트(110E)를 진입하거나 이송 서브시스템을 통과하기 전에 "고이거나" 끼일 가능성을 최소화한다. 이와 같은 20 내지 25도의 각도는 과일이 고이는 것을 최소화할 뿐만 아니라 과일이 이송 서브시스템으로 진입하는 속도를 증가시켜, 과일이 하부 캐치에서 빠져나와 땅에 떨어질 가능성을 최소화하며, 과일에 가해지는 충격 하중을 감소시켜 손상 가능성을 감소시키기에 유용한 각도이다. 작물 환경이 하부 캐치 각도의 물리적 설계에 큰 제약을 주는 경우, 캐치 슈트를 통해 과일이 적절하게 깔때기로 낙하되도록 유도하는 물리적 교반기의 도움을 받으면 선두 엣지의 각도를 작게 사용할 수 있다. 적절한 교반을 달성하는 방법에는 여러 가지가 있다. 선두 표면(117B) 아래의 왕복 캠 메커니즘은 순응성 표면에 푸시 모션을 제공하여 과일을 통과시킬 수 있으며, 공압 등은 구조물에 진동을 유도할 수 있다.

캐치 자체는 일반적으로 사용 가능한 임의의 재료로 제작할 수 있으며 여전히 효과적인 수집 시스템 역할을 할 수 있지만, 과일 손상을 최소화하려면 순응성 물질 또는 구조로 제작하는 것이 유리하다. 이들에는 폼 안감 패널, 지지 직물, 가요성 패널, 스프링이 장착된 패널 또는 메커니즘, 공기나 물과 같은 작동 유체로 압력을 가하는 팽창 구조물 등이 포함될 수 있지만 이에 제한되지는 않는다. 이와 같은 제안된 물질 및 기하학적 형상 구현을 고려할 때, 이와 같은 설계는 다양한 높이에서 과일을 하부 캐치 내로 안전하게 낙하시킬 수 있다. 과일의 안전을 보장하기 위해 권장되는 낙하 범위는 0 내지 1.5 m이다. 이와 같은 최대 낙하 높이는 과일과 채소의 유형/품종에 따라 달라질 수 있다.

도 3은 과일 캐치 서브시스템 내로 과일(120)을 낙하시키고 캐치한 후 캐치 슈트를 통해 과일 수집 또는 운반 서브시스템(130)으로 보내는 예시를 보여준다.

동적 위치 지정 방법

하부 과일 캐치 서브시스템을 성공적으로 구현하는 데 도움이 되는 기능은 서브시스템 또는 서브시스템의 일부를 재배함으로써 낙하 커버리지 구역을 동적으로 조정할 수 있는 기능이다. 이와 같은 기능은 로봇이 작물 환경을 방해하고 손상시킬 가능성을 감소시키거나 제거할 뿐만 아니라 낙하 커버리지 영역을 최적화하여 더 나은 성능을 제공한다. 작물 환경에는 로봇의 정적인 넓은 표면이 열들을 상하로 이동하면서 성공적으로 작동하는 기능을 방해하는 잠재적인 장애물들이 많이 존재한다. 이와 같은 장애물들에는 덩굴 다발, 낮게 매달린 덩굴, 작물 배수로 및 매달린 구조물, 수직 시설 구조 빔, 작물 배수로를 공기 중에 고정하는 금속 스탠드 등이 포함될 수 있지만 이에 제한되지는 않는다.

일부 실시예들에 있어서, 하부 캐치의 선두 엣지는 ~10 인치까지 동적으로 수축 및 전개할 수 있어야 한다. 이와 같은 동적 스트로크 범위(stroke range)는 여러 가지 상이한 작동 수단을 통해 달성할 수 있다. 이를 달성하기 위한 한 가지 방법은 전체 하부 캐치 서브시스템을 선형으로 수축 및 확장하는 것이다. 이와 같은 방법은 도 4에 설명되어 있다. 이와 같은 동작은 공압, 모터, 스프링 또는 기타 수단을 통해 달성할 수 있다. 하부 캐치가 과일을 중앙 빈으로 배출하는 용도의 경우, 그러한 전진 및 후진 동작은 과일이 빈에 쌓이기 시작할 때 상기 빈 내에서 과일을 재분배하기 위한 수단으로도 사용될 수 있다.

동적 위치 지정을 달성하는 또 다른 실시예는 도 5a에 도시된 바와 같이 캐치 표면의 선두 엣지상에 텔레스코핑 링크(110F)를 사용하는 것이다. 이와 같은 엣지상에서 표면의 순응도는 과일 캐치 및 깔때기를 위한 적절한 장력을 유지하면서 확장 중에 추가 직물을 배치할 수 있게 하는 클럭-스프링(clock-spring)과 같은 다양한 방법들을 통해 유지될 수 있다. 이와 같은 텔레스코핑 표면의 선두 엣지는 수직 금속 지주대와 같은 작물 환경의 장애물 주변에서 부분적인 변형을 허용하기 위해 반-순응적으로 되거나 스트립 브러시 등을 사용할 수 있다. 이와 같은 적합성은 시스템이 장애물 앞에 있을 때 작물 영역 아래의 캐치 구역을 증가시킬 수 있게 한다.

선두 캐치 에지의 동적 위치 지정을 위한 또 다른 실시예는 도 5b에 도시된 바와 같이 "플랩(110G)"의 회전 배치를 통해 이루어지는데, 여기서 플랩은 예를 들어 "6-시 위치"로부터 작물 환경 아래 바깥쪽으로 배치된다. 이와 같은 선두 엣지에는 또한 비틀림 스프링을 통해 더 큰 회전 구조체에 장착되는 여러 개의 독립적인 플랩들이 포함될 수도 있으며, 이는 환경에 장애물에 부딪힐 때 전개 표면의 특정 서브-섹션만 "수용"된 상태로 유지되도록 할 수 있다. 이는 시스템이 장애물 앞에서 작동할 때 낙하 커버리지를 최적화하기 위한 또 다른 예이다.

시스템이 동적으로 배치된 하부 캐치 표면의 이와 같은 다양한 실시예들을 전개 및 수축시키기 위한 시기를 결정할 수 있는 몇 가지 방법들이 존재한다. 한 가지 방법은 레일(150)을 따라 로봇을 이동시키기 전에 수축 동작을 수행하여, 새로운 레일 위치가 확보되면 전개하는 방법이다. 이와 같은 방법을 사용하면 작물 열을 따라 이동하기 전에 구조물을 수축시킴으로써 작물 간섭/손상을 최소화할 수 있다. 스프링/공압 장치가 적절한 양의 저항을 적용하여 하부 캐치 서브시스템이 가능한 경우 배치된 상태로 유지하지만 열에 장애물로 인한 충분한 힘이 가해지는 경우 후퇴하는 수동적 접근 방식이 취해질 수 있다. 이와 같은 움직임은 힘을 더 용이하게 전달할 수 있는 리드-인 엣지를 통해 유도될 수 있다. 예를 들면, 환경과 접촉하는 리드-인 엣지를 트리거하는 기계식 스위치, 카메라 비전, 근접 센서 등의 용도와 같은, 다른 실시예들에 있어서 활용될 수 있는 다른 능동 감지 제어 입력들이 작동에 사용될 수 있다.

아웃바운드 이송 및 감지 방식

하부 과일 캐치(110) 자체는 일반적으로 "깔때기형" 형상을 형성하는 경사진 표면들을 사용하여 넓은 영역을 포괄하는 동시에 단일 출구 지점(110E)으로 과일을 수집한다. 이와 같은 출구 지점(110E)은 시스템상의 중앙 수집 및 집계 영역(130)으로 과일을 이송하는 방법으로 과일을 공급할 수 있다. 그러나, 모든 과일을 제어된 형상의 단일 출구를 통해 통과시키면, 과일이 캐치를 통해 컨베이어로 통과할 때 자동으로 과일을 감지할 수 있는 다양한 물체 감지 방법이 사용될 수 있다. 이와 같은 감지를 수행하기 위해 사용되는 센서에는 음향 충격 센서, 리미트 스위치를 활성화하는 메커니즘 또는 패들, 중량 센서, 광학 근접 또는 브레이크 빔 스타일 센서, 단색 또는 컬러 이미지 센서, 초음파 센서, 힘에 민감성 직물 등이 포함될 수 있지만 이에 한정되지는 않는다. 과일이 알려진 형상과 기하학적 구조의 통로를 통과하면 정밀한 센서 특성화와 일관된 감지 조건이 용이해져, 특히 광학 및 음향 감지 방법의 경우 매우 높은 감지 정확도를 얻을 수 있다.

본원에 개시되고 도 6에 도시된 바와 같은 로봇 과일 수확 시스템의 일 실시예에 있어서, 단일 아암(160)이 사용되어 그 아래의 단일 과일 캐치(110)로 과일을 동적으로 방출한다. 이와 같은 캐치(110)는 수확된 과일을 컨베이어 벨트(170)와 같은 이송 수단으로 전달하는 단일 출구를 갖는다. 그런 다음, 컨베이어 벨트(170)는 수확 시스템의 일 단부에 있는 수집 및 집계의 중앙 지점(130)으로 과일을 이송한다. 이와 같은 스타일의 중앙 수집 및 집계를 수행하는 시스템 및 방법은 수확된 과일의 주요 속성들을 편리하게 측정하기 위해 사용될 수 있다는 장점을 갖는다는 사실을 인지해야 한다. 예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이, 카메라(180)는 수확된 과일 컨베이어(170)의 출구 상부에 위치할 수 있으며, 이는 과일 손상, 색상 또는 숙성, 크기 또는 질병의 알고리즘 평가에 기초하여 품질 결정을 내릴 수 있다. 상기 카메라(180)는 또한 과일의 특정 특성에 따라 분류된 수확 제품의 누적된 양을 계산하거나 추정하기 위해 사용될 수 있다. 그런 다음, 거부된 과일은 최종 아웃바운드 수집 트레이(130)에 도달하기 전에 컨베이어(170)로부터 별도의 불량품 수집 지점으로 제거될 수 있다.

모든 과일의 중앙 위치(130)로의 수집은 또한 수확된 과일의 누적 중량을 모니터링하기 위한 편리한 위치를 제공한다. 예를 들어, 일부 실시예들에 있어서, 도 7에 도시된 바와 같이, 최종 수집 트레이 아래의 로드 셀(190)은 지금까지 수확된 과일의 총 질량을 지속적으로 모니터링할 수 있다. 누적된 과일의 계수와 함께, 이는 평균 중량 또는 중량의 표준 편차와 같은 과일에 대한 다른 관심 속성들을 추정하기 위해 사용될 수 있다. 이와 같은 속성들은 생산량과 수확량을 예측하는 과정에서 자주 사용되기 때문에 농장 운영자와 재배자에게 특히 중요하다.

추가 과일 수집 실시예

본원에 개시된 바와 같이 로봇 과일 수확 시스템과 함께 사용하기 위한 다양한 대체 과일 수집 서브시스템들은 로봇이 다음 목표 픽업 위치로 이동하는 동안 과일을 낙하할 수 있도록 하여 처리량을 극대화하고 과일 손상을 최소화함으로써 작물을 로봇으로 수확하기 위한 능력을 향상시킬 수 있다. 적어도 일부 양태들에 있어서, 그렇게 하지 않을 경우 낙하될 품목의 약 90% 이상이 복구되는 성능 처리량 수준을 달성할 수 있다. 한 가지 대안적 실시예는 로봇 이동 시 필요에 따라 전개 및 수축하여 식물과 배수로 아래의 추가 커버리지로 하여금 로봇 아암에 의해 낙하된 픽업 시도를 포착할 수 있게 하는 견고한 후프/빈을 사용하는 것을 포함한다. 이와 같은 후프에는 과일을 계수하기 위한 일차 감지 조리개도 포함되어 있다. 다른 대안적 실시예는 식물과 배수로 아래에서 로봇의 움직임에 따라 확장/축소되지만 식물과 배수로 시스템 안팎의 장애물에 더 견고한 보다 가요성인 후프 구조를 사용하는 것을 포함한다. 제3의 대안적 실시예는 앞서 언급한 수집 후프들 중 하나를 로봇 시스템상의 지점에 부착된 후방 가요성 그물망/직물 시스템과 결합하는 것을 포함한다. 로봇 아암이 이와 같은 표면들에 과일을 포물선으로 낙하시킬 때 상부/후면 패널들은 의도적으로 수확한 과일을 픽업하여 깔때기 방식으로 하단/전면 후프의 바닥에 있는 감지 슈트로, 그리고 최종적으로 컨베이어 시스템으로 향하게 한다. 또 다른 대안적인 실시예는 전방/하부 후프 구조의 감지 조리개를 통과한 과일을 취하고 이들을 로봇의 단부로 이송하여 이들을 저장 빈에 낙하시키는 방법을 포함한다. 이와 같은 컨베이어는 로봇 측면을 따르는 수직 공간 활용을 극대화하기 위해 미끄럼 방지용 벨트로 경사져 있으며, 또한 식물, 배수로 또는 픽업 아암과의 간섭을 최소화하기 위해 수집 시스템을 가능한 한 낮출 수 있다. 컨베이어는 과일을 감지 조리개로부터 상향으로 운반하고 또한 사람이 관리하기 편리한 위치의 시스템의 일 단부상에 장착된 수집 빈으로 하향 낙하시킬 수 있다.

제1 대안적 과일 수집 서브시스템

제1 대안적 실시예는 본질적으로 반강체이고 관절형인 로봇에 장착된 메커니즘을 사용한다. 이와 같은 메커니즘의 관절형 특성은 섀시가 고정된 상태에서 픽업하는 것과 열을 따라 이동하는 로봇 작동 상태를 용이하게 한다. 로봇 섀시가 줄을 따라 이동할 때는 장애물에 걸리거나 작물에 부딪히지 않도록 과일 수집 후프 메커니즘을 가능한 한 가장 작은 폼 팩터(form factor)로 수축하는 것이 유리하다. 픽업 상태에서는 메커니즘이 배수로와 작물 아래에 도달하도록 확장되어 낙하된 과일이 착지할 수 있는 표면을 제공하는 것이 바람직하다. 이와 같은 관절은 도 8 내지 도 10에서 볼 수 있는 바와 같이 복수의 힌지 연결부, 피벗 상호배치 패널 또는 견고한 전방 부재의 선형 수축/확장을 통해 달성될 수 있다. 이와 같은 각각의 개념에는 공압 실린더, 선형 모터 및 레일 시스템, 볼 또는 리드 스크류 메커니즘이 있는 회전 모터, 유압 피스톤/다이아프램 또는 기타 유사한 선형 모션 시스템일 수 있는 선형 액추에이터의 사용이 내재되어 있다. 2중 작동 실린더를 사용하면 온보드 압축 공기를 사용하여 명령에 따라 어느 방향으로든 메커니즘을 작동시킬 수 있다. 이와 같은 각각의 설계는 깔때기 형상을 통합하여 낙하된 과일을 메커니즘 하단의 노리개로 보내 수집 및 감지/계수를 수행한다. 이와 같은 설계의 측면들은 섬세한 과일과 채소를 적절히 취급할 수 있도록 직물, 그물망 또는 부드러운 판넬을 조합하여 제조할 수 있다. 이와 같은 모든 디자인들의 선두 엣지(들)는 동적이며 다양한 위치를 허용하여, 식물과 배수로 시스템 아래에 ~ 10 내지 20 인치의 커버리지를 추가하는 동시에 환경의 물리적 장애물을 수용할 수 있다.

제2 대안적 과일 수집 서브시스템

제2 대안적 실시예는 동적으로 조절 가능한 가요성 후프 구조를 포함하는 로봇에 장착된 메커니즘을 사용한다. 관절형 후프는 도 11 및 도 12에 도시된 것과 같은 가요성 힌지형 플라스틱 롤러 체인 또는 얇은 가요성 바 요소로 구현될 수 있다. 얇은 바 요소는 플라스틱, 스프링강 또는 얇은 가요성 재료의 라미네이트로 제조될 수 있다. 제1 대안적 실시예와 같이, 양쪽 개념 모두에 2개의 2중 작동 실린더들에 의한 공압 작동의 용도가 내재되어 있다. 공압 실린더를 사용하면 온-보드 압축 공기를 사용하여 명령에 따라 어느 방향으로든 메커니즘을 작동시킬 수 있다. 공압 실린더의 고정된 단부는 로봇의 측면에 부착되어 있으며 오직 하나의 자유도, 즉 회전만 가능하다. 동적인, 공압 실린더의 다른 쪽 단부는 클레비스 피벗을 통해 지정된 지점들의 후프 측면에 부착되며, 클레비스 피벗을 중심으로의 회전뿐만 아니라 2방향으로 이동하는 3개의 자유도를 갖는다. 실린더의 몸체는 아크 운동으로 움직이면서 확장 및 축소되어 가요성 후프의 형상을 변화시킨다.

후프는 수축된 위치에서 세장형의 타원형으로부터 확장시에는 물리적 장애물이 없는 한 더욱 원형 또는 장방형 프로파일로 변경할 수 있다. 이와 같은 2가지 설계의 선두 엣지는 동적이며 다양한 위치들을 구현할 수 있어, 식물과 배수로 시스템 아래에 ~ 10 내지 20 인치의 커버리지를 추가하는 동시에 환경의 물리적 장애물도 수용할 수 있게 된다. 얇고 가요성인 후프에 부착된 반강성 플라스틱, 유리 섬유 또는 금속 섹션들의 짧은 섹션을 사용하여 상기 후프의 측면들을 특정 영역에서 더욱 규칙적이고 직선으로 유지함으로써, 수축 및 확장된 상태의 최종 형상은 더욱 세분화될 수 있다. 물리적 장애물이 있는 경우, 후프의 전방 부분은 장애물에 맞춰 불규칙한 형상을 취하고, 후프로 하여금 장애물 주변으로 구부러져 단단한 버전에 비해 추가적인 캐칭 볼륨을 유지할 수 있게 한다. 이와 같은 가요성 양태는 또한 완전히 단단한 연결부/바가 환경 장애물에 부딪히는 것과 비교하여 설계의 자연스러운 내구성을 증가시킨다.

상기 제1 대안적 실시예와 유사하게, 이와 같은 설계는 깔때기 형상을 통합하여 수집 및 감지/계수를 위해 낙하된 과일을 메커니즘 하단의 조리개를 통과하도록 한다. 이와 같은 설계의 측면 패널에는 나일론 스판덱스 직조 또는 성형 고무와 같은 순응성 직물 또는 그물망을 립스탑 나일론(ripstop nylon)과 유사한 덜 가요성인 직물과 결합시킨 혼합물이 포함될 수 있다. 후크 및 루프 패스너 또는 기타 해제 가능한 패스너는 후프를 감싸고 부착하는 직물/그물망의 엣지에 통합된다. 또한, 후크 및 루프 패스너 또는 기타 해제 가능한 패스너는 섬유재가 금속 조리개/슈트에서 아래에 부착되는 장소에 통합되어 후프 섬유재를 용이하게 설치 및 제거할 수 있게 한다. 섬유재는 신속하고 반복적으로 설치/제거할 수 있으므로, 세탁이 가능하여 통합 해충 관리(IPM) 관련 위험을 완화할 수 있게 된다.

제3 대안적 과일 수집 서브시스템

제3 대안적 실시예는 로봇의 고정 지점들에 장착된 가요성 직물 구조를 사용하여 로봇 그래스퍼로부터 낙하된 과일을 위한 포괄적인 착륙 구역으로서 역할을 한다. 이와 같은 설계는 보강용으로 립스톱 나일론과 유사한 덜 가요성 직물과 결합된 순응성 직물 또는 그물망의 혼합 용도를 활용한다. 또한, 볼 및 소켓 패스너를 사용하여 로봇에 볼 스터드 특징부를 장착하고 직물 템플릿에 결합 패스너를 통합함으로써 신속한 부착 지점들을 구현할 수 있다. 통합할 로봇 구조를 활용하면, 아암 아래의 넓은 영역이 커버될 수 있어 아암의 경로와 과일 방출 계획을 최대한 유연하게 조정할 수 있게 되며, 과일이 손상되거나 또는 과일을 성공적으로 수확한 후 아암이 이를 놓치게 될 염려가 거의 없게 된다.

제4 대안적 과일 수집 서브시스템

제4 대안적 실시예는 로봇의 측면을 따라 이송 시스템을 사용하여 위에서 설명한 후프의 감지 조리개를 통해 낙하되는 과일을 로봇 단부의 수집 빈으로 이송 및 적재되게 한다. 이는, 로봇 커버 상부에 프레임 구조가 구비되던 종래 설계에 비해, 이는 무거운 과일이 담긴 빈에 접근하기 위한 인적 요소를 훨씬 개선할 수 있고, 상부 커버를 통한 로봇에 대한 접근성을 높인다는 장점을 갖는다. 경사진 컨베이어는 과일 수집 시스템을 최대한 낮게 설치하여 배수로, 덩굴 다발 및 기타 장애물 아래에 정합될 수 있도록 하는 동시에 로봇의 뒤쪽에서 벽이 깊은 플라스틱 빈 내로 낙하하기에 충분히 높은 적재 지점을 가짐으로써 최적의 수직 공간 활용을 가능하게 한다. 이와 같은 경사진 배열을 가능하게 하기 위해, 컨베이어 벨트는 미끄럼 방지처리되어 마찰을 증가시켜 과일이 경사면으로부터 연속적으로 낙하되는 것을 방지하는 물리적 장벽을 추가할 수 있다. 적절한 미끄럼막이(cleat)의 높이와 간격의 선택은 과일 품종과 크기뿐만 아니라 컨베이어 속도에 따른 적절한 타이밍에 따라 달라진다. 미끄럼막이 간격을 올바르게 설정하면 향후 컨베이어 출구에서 감지를 구현할 때 과대 또는 과소 계수 없이 개별 과일을 최대한 많이 운반할 수 있게 된다. 컨베이어 측벽과 벨트 인터페이스 재료로는 농산물 수확을 위한 부수적인 식품 접촉 표준에 부합하는 임의의 플라스틱, 금속 또는 탄성 중합체 물질이 사용될 수 있다. 제3 및 제4 대안적 실시예는 모두 도 13에 도시되어 있다.

제5 대안적 과일 수집 서브시스템

제5 대안적 실시예는 온실의 운영 방식에 대한 패러다임 전환을 포함하며, 이 경우 로봇 시스템은 성공적으로 작동하기 위한 온-보드 과일 수집 시스템을 필요로 하지 않는다. 본 실시예에 있어서는, 대형 오프-보드 과일 수집 시스템이 작물 열의 전체 길이에 걸쳐 존재한다. 이와 같은 오프-보드 과일 수집 시스템은 도 14에 표시된 바와 같이 과일을 중앙 이송 구역으로 보내는 상대적인 트로프 형상의 대형 드레이프 그물망/캐치 구역을 포함하게 될 것이다. 이와 같은 중앙 이송 구역은 모든 과일을 중앙 과일 처리 구역으로 향하는 둑길로 이동시켜, 느슨한 식물 물질이 포장 창고로 전달되기 전에 과일과 채소 자체로부터 걸러질 수 있게 한다.

수확 모듈 자율화 방법

이동 중인 과일의 동적 낙하를 허용하는 과일 수집 시스템의 존재는 다른 방법으로 성능 개선을 달성할 수 있게 해준다. 일부 실시예들은 z축으로 움직이는 조작기에 결합된 비전 시스템을 사용할 수 있으며, 상기 비전 시스템은 아암의 픽업 가능한 윈도우보다 약간 위에 있는 목표물을 관측할 수 있다. 이와 같은 패러다임 작업에서 픽업은 아래에서 위로 이동하여 픽업 아암이 연속적인 픽업 목표물들 사이에서 이동해야 하는 거리를 최소화한다.

본원에 개시된 로봇 과일 수확 시스템의 양태들 및 실시예들은 비전 시스템이 조작기 아암으로부터 분리되어, 상기 조작기 아암이 다른 픽업 시퀀스를 실행하는 동안 독립적인 목표물 획득을 가능하게 하는 수확 모듈을 포함할 수 있다. 이와 같은 수확 모듈의 실시예들은 하나의 z-축에서 이동하는 관련 그리퍼를 갖는 조작기 아암과 제2의 독립적인 z-축에서 이동할 수 있는 비전 시스템을 포함할 수 있다. 제1 z-축 트랙(Z1)을 따라 이동할 수 있고, 제2 z-축 트랙(Z2)을 따라 이동할 수 있는 조작기 아암(160)으로부터 분리된 비전 시스템(210)을 포함하는 수확 모듈(200)의 일 실시예가 도 15a 및 도 15b에 도시되어 있다. 상기 비전 시스템(210)은 PCT 특허출원 제PCT/US2020/018285 또는 PCT/US2020/018395에 설명된 내용에 따라 작동할 수 있으며, 그 주제는 본원에 참조로 통합되어 있다.

과일 수집 트레이와 함께 분리된 인지 및 수확 시스템은 효율적인 수확을 위해 긴밀하게 결합된 작업을 가능하게 한다. 본원에 개시된 실시예들은 3개의 시스템들의 조정에 의해 포착되는 자율 동작의 종류와 그들의 복잡성 및 상호 얽힘의 증가에 대한 예이다. 상기 자율 시스템의 빌딩 블록은 가능한 한 최고의 처리량 또는 작업 완료를 달성하기 위해 다르게 재구성될 수 있다. 자율 수확 작업에 사용되는 빌딩 블록에는 과일 수집 트레이 작동, 온실 레일을 따라 이동, 실행 가능한 수확 목표물 식별, 픽업 작업을 위한 경로 및 작업 계획, 픽업 실행, 3D 공간에서 토마토 또는 기타 과일의 공간적 추론, 수집 및 수확 감지를 포함한다.

본원에 개시된 양태들 및 실시예들의 픽업 동작은 확장 및 작동되는 과일 수집 트레이를 이용하여, 환경으로부터의 과일 방출 및 수축 동작을 중첩시킴으로써 자동 수확 속도를 높일 수 있다. 픽업 흐름도의 일 예가 도 16a 및 16b에 도시되어 있다.

피업 및 비전 시스템을 위한 독립적인 모션 축을 갖는 자율 프로세스 흐름도의 제1 예가 도 16a와 16b에 도시되어 있으며, 여기서 주요 동작 방향은 항상 컬럼 위로 수직 증가한다.

이와 같은 자율 작업에 있어서, 수확 시퀀스는 작업 컬럼을 따라 수행되는 반면, 비전 및 픽업 시스템은 연속적인 이미지 캡처 및 픽업 작업을 수행할 때마다 더 높이 이동한다. 이렇게 하면, 과일로 가득 찬 영역으로부터 이미 과일이 제거된 컬럼 아래로 인지 및 픽업 시스템을 이동하는 데 소요되는 시간을 감소시킬 수 있다.

도 17a와 17b의 순서도에 설명된 제2 예에 있어서, 독립-축 비전 시스템이 지원하는 추가 빌딩 블록은 이전 시야를 이용하여 다음 작업 컬럼을 계획하기 위한 아이디어이다. 이와 같은 방법에 의하면 수확 및 이미징 작업이 컬럼 위쪽으로만 이동하는 것으로 제한되지 않고 - 스캔한 인접 컬럼의 전방 추정치에 따라 어느 순서로든 작업이 적용될 수 있다.

도 18의 순서도에서 설명된, 비전 시스템이 픽업 아암으로부터 분리되는 자율성 흐름의 제3 예는 중첩된 프로세스 아이디어를 확장하여 목표물 획득 및 픽업 동작을 더욱 빠른 자율 수확 로봇에 추가로 중첩시킬 수 있게 한다. 이와 같은 모드에 있어서는 목표물 획득이 이전에 획득한 목표물의 픽업과 동시에 이루어진다. 이와 같은 작동 모드에 있어서, 비전 시스템은 지속적으로 픽업 대기열 내로 목표물을 공급하고 환경을 지속적으로 추론한다. 향후 목표물의 배치가 대기열에 추가되고, 비전 시스템이 독립적으로 목표물을 획득하는 동안 목표물은 지속적으로 수확된다.

이와 같은 아이디어의 추가 실시예에는 단일 이미지가 아니라 픽업 대기열에 추가할 픽업 경로를 계획할 때 비전 시스템이 여러 위치들을 이미지화할 수 있는 기능이 포함된다.

도 19의 순서도에서 설명된 제4 예에 있어서는, 분리된 비전과 픽업 아암이 픽업 루프 내 환경 감지를 가능하게 하여 자율 수확 속도를 더욱 높일 수 있다. 이와 같은 모드에 있어서는, 수확 아암상의 연속 픽업 대기열이 연속적으로 추가되지만 모든 픽업 작업 후에, 비전 시스템은 이전에 픽업된 영역이 다시 이미지화되는 높이로 이동한다. 이렇게 하면, 비전 시스템은 수확 직후 예를 들면 토마토와 같은 과일이 성공적으로 수확되었는지의 여부를 재확인하여 노선 및 경로 계획을 세울 때 이와 같은 정보를 고려할 수 있다.

도 20의 순서도에서 설명된 제5 예에 있어서는, 독립 비전 시스템이 사전 스캔 모드에서 의도적 계획 모드와 결합하여 사용될 수 있다. 여기서, 픽업 아암으로 전송되는 연속 픽업 대기열은 소수의 목표물에 대한 연속 대기열 크기로 유지되지만, 비전 시스템은 처리 컬럼을 따라 지속적으로 상하로 이동하면서 시스템이 레일을 따라 이동하는 동안 전체 열에 있는 모든 과일, 예를 들면 토마토의 지속적인 모델을 구축하는 데 모든 시간을 소비한다. 그런 다음 수확 제어 유닛은 전체 컬럼에 잔휴하는 모든 목표물을 추론하면서 다음에 픽업할 수 있는 목표물의 순위를 지속적으로 재조정한다.

단일 드라이브 섀시상에 2개의 수확 모듈들을 추가하면 수확 생산성을 배로 높일 수 있다. 2개의 수확 모듈들은 자율적으로 수확할 수 있지만, 생산성을 추적할 때와 레일을 따라 새로운 픽업 위치로 이동할 때 통합된 결정을 내린다. 시스템 전체에서 모듈성과 최대 성능을 유지하기 위해, 각각의 수확 모듈은 도 21의 순서도에 설명된 바와 같이 자체 작업과 경로 계획을 독립적으로 담당할 수 있다. 각각의 수확 모듈들은 작물 열의 상이한 측면들을 보며 특정 목표물이나 픽업 경로에 대한 정보를 공유하지 않을 수 있다. 그러나, 로봇의 드라이브 트레인이 레일을 따라 이동하는 것은 공유 결정으로 이루어진다. 이와 같은 결정을 추론하기 위해 사용되는 정보는 양쪽 수확 모듈들로부터 독립적으로 취하여, 도 22의 순서도에서 설명된 바와 같이 레일을 따라 드라이브 트레인을 언제 얼마나 움직여야 하는지에 대한 최적의 선택을 내리기 위해 추론한다.

이중-아암 시스템 구성에 있어서는, 위에서 설명된 임의의 자율 모드와 구성 요소들이 각각 좌측 및 우측 수확 모듈 자율 모드들에 내장된다. 이와 같은 아키텍처에서 각각의 모듈은 다양한 자율 모드들을 사용하여 작물의 다양한 조건들 및 가용성들을 고려하고 적응하도록 구성될 수 있다.

이중 아암 시스템 레이아웃

도 23 내지 도 24b에 도시된 실시예들에는, 본원에 개시된 시스템 아키텍처의 확장성이 도시되어 있다. 이들 실시예들은 로봇 조작기(160) 및 과일 캐치 유닛(110)을 복제하여, 2 모듈들이 병렬로 작동하면서 동시에 집계 및 평가를 위해 동일한 단일 컨베이어(170)로 과일을 전달할 수 있도록 한다. 각각의 개별 조작기(160) 및 하부 과일 캐치(110)의 작동 원리는 동일하지만, 그와 같은 2개의 유닛들을 동시에 작동시킴으로써 전체 시스템 수확 생산성을 배가시킬 수 있게 한다.

동일한 기본 시스템 작동 방법 및 장점을 달성하기 위해, 다중 기능성 조작기 및 캐치 유닛들이 다양한 상이한 배열들로 배치될 수 있음을 이해해야 한다. 일 실시예에는 도 23 및 도 24a에 도시된 바와 같이 시스템 플랫폼의 반대편 단부들에서 서로를 향하는 조작기(160)와 도 24b의 실시예에 도시된 바와 같이 중앙으로부터 서로를 멀리 향하는 조작기(160)가 도시되어 있으며, 각각의 경우 하부 과일 캐치(110)가 작동 영역 아래에 있는 과일을 수집하는 것으로 도시되어 있다. 이 개념은 일반적으로 2개 이상의 수집 유닛들의 어레이로 확장할 수 있으며, 각각의 유닛이 단일 작물 열의 반대편 측면들로부터 수확하는 경우와 작물 열의 도일한 측면에 있는 2개의 상이한 영역들에서 동시에 수확하는 경우에도 마찬가지로 효과적으로 사용할 수 있다.

문맥상 달리 명확하게 요구하지 않는 한, 명세서 및 청구범위 전체에서 "구성한다", "포함하는", "구비하는" 등의 단어는 배타적 또는 배타적 의미가 아닌 포괄적 의미, 즉 "포함하되 이에 한정되지 않는"의 의미로 해석되어야 한다. 본원에서 일반적으로 사용되는 "결합"이라는 단어는 직접 연결되거나 또는 하나 이상의 중간 요소를 통해 연결될 수 있는 2개 이상의 요소들을 의미한다. 마찬가지로, 본원에서 일반적으로 사용되는 "연결"이라는 단어는 직접 연결되거나 하나 이상의 중간 요소를 통해 연결될 수 있는 2개 이상의 요소들을 지칭한다. 또한 본 출원에서 사용되는 "본원", "위", "아래" 및 이와 유사한 의미의 단어는 본 출원 전체를 지칭하는 것이며 본 출원의 임의의 특정 부분들을 지칭하는 것이 아니다. 문맥상 허용되는 경우, 상술된 상세한 설명에서 단수 또는 복수를 사용하는 단어들은 각각 복수 또는 단수를 포함할 수도 있다. 2개 이상의 항목들의 목록과 관련하여 "또는"이라는 단어는 목록의 임의의 항목들, 목록의 모든 항목들, 목록의 모든 항목들에 대한 임의의 조합과 같은 해당 단어의 모든 해석을 포괄한다.

또한, "할 수 있다", "가능하다", "할 수 있는", "가능한", "즉", "예를 들어", "~와 같은" 등과 같이 본원에 사용된 조건부 언어는, 특별히 달리 명시되거나 사용된 문맥 내에서 달리 이해되지 않는 한, 일반적으로 특정 실시예들이 특정 특징들, 요소들 및/또는 상태들을 포함하는 반면, 다른 실시예들은 포함하지 않는다는 것을 전달하기 위한 것이다. 따라서, 그와 같은 조건부 언어는 일반적으로 특징들, 요소들 및/또는 상태들이 하나 이상의 실시예에 어떠한 방식으로든 필요하다는 사실이나, 또는 그와 같은 특징들, 요소들 및/또는 상태들이 임의의 특정 실시예에 포함되거나 또는 그와 같은 실시예에서 수행되어야 하는지의 여부를 하나 이상의 실시예가 작성자 입력 또는 프롬프트의 유무에 관계없이 결정하기 위한 논리를 반드시 포함한다는 사실을 암시하려는 의도를 갖지 않는다.

특정 실시예들이 기술되었지만, 이와 같은 실시예들은 단지 예시로서만 제시되었으며, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다. 실제로, 본원에 설명된 새로운 장치, 방법 및 시스템은 다양한 다른 형태로 구현될 수 있으며; 또한, 본원에 설명된 방법 및 시스템의 다양한 생략, 대체 및 형태의 변경이 본 발명의 정신으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 이루어질 수 있다. 예를 들어, 블록들은 주어진 배열로 제안되어 있지만, 대체 실시예들이 상이한 구성 요소 및/또는 회로 토폴로지를 사용하여 유사한 기능을 수행할 수 있으며, 일부 블록들은 제거, 이동, 추가, 세분화, 결합 및/또는 수정될 수 있다. 이와 같은 블록들 각각은 다양한 방식으로 구현될 수 있다. 상술된 다양한 실시예들의 구성 요소들 및 행위들이 임의의 적절한 조합으로 결합되어 추가적인 실시예들을 제공할 수 있다. 첨부된 청구범위 및 그들의 균등물은 본 발명의 범위 및 정신에 속하는 바와 같은 형태 또는 수정 사항을 포함하도록 의도된다.

Claims (33)

1. 수집 도구로서,
   드라이브 섀시(drive chassis);
   상기 드라이브 섀시상에 배치되는 수확기 모듈(harvester module)로서,
   목표 물체들을 식별하도록 구성되는 비전 시스템(vision system ); 및
   상기 목표 물체들을 수집하도록 구성되는 그래스퍼(grasper)를 포함하는 로봇 아암을 포함하는, 상기 수확기 모듈; 및
   관절형 반강성 캐치 부재(articulating semi-rigid catch member)를 포함하는 서브시스템으로서, 상기 반강성 캐치 부재는 상기 드라이브 섀시가 움직이는 동안 수축된 상태로 전환되고, 상기 드라이브 섀시가 고정되어 있고 상기 로봇 아암이 상기 목표 물체들을 수집하는 공정에 있는 동안 확장된 상태로 전환되도록 구성되는, 상기 서브시스템을 포함하는, 수집 도구.
2. 제1 항에 있어서, 상기 반강성 캐치 부재는 복수의 연결부들을 포함하는, 수집 도구.
3. 제2 항에 있어서, 상기 수축된 상태와 상기 확장된 상태 사이에서 상기 복수의 연결부들을 관절연결시키도록 구성되는 선형 액추에이터를 추가로 포함하는, 수집 도구.
4. 제1 항에 있어서, 상기 반강성 캐치 부재는 복수의 피벗 패널들을 포함하는, 수집 도구.
5. 제4 항에 있어서, 상기 복수의 피벗 패널들을 상기 수축된 상태와 상기 확장된 상태 사이에서 관절연결시키도록 구성되는 선형 액추에이터를 추가로 포함하는, 수집 도구.
6. 제1 항에 있어서, 상기 반강성 캐치 부재는 선형 수축 및 확장 전방 부재 및 상기 전방 부재를 수축 및 확장시키도록 구성된 선형 액추에이터를 포함하는, 수집 도구.
7. 제 3항, 제5 항 또는 제6 항중 어느 항에 있어서, 상기 선형 액추에이터는 하나 이상의 공압 실린더, 선형 모터 및 레일 시스템, 볼 또는 리드 스크류 메커니즘을 갖는 회전 모터, 또는 유압 피스톤/다이아프램을 포함하는, 수집 도구.
8. 제1 항에 있어서, 상기 반강성 캐치 부재에 연결되고 또한 수집된 목표 물체들을 수신하고 출구를 통해 상기 목표 물체들을 지시하도록 구성되는 순응성 재료로 형성되는 목표 표면을 추가로 포함하는, 수집 도구.
9. 제1 항에 있어서, 상기 반강성 캐치 부재는 동적으로 조절 가능한 가요성 후프를 포함하는, 수집 도구.
10. 제9 항에 있어서, 상기 후프는 가요성 힌지 롤러 체인을 포함하는, 수집 도구.
11. 제9 항에 있어서, 상기 후프는 가요성 바 요소를 포함하는, 수집 도구.
12. 제11 항에 있어서, 상기 후프를 수축 및 확장하도록 구성되는 2중 작동 선형 액추에이터를 추가로 포함하는, 수집 도구.
13. 제12 항에 있어서, 상기 2중 작동 선형 액추에이터는 일 단부가 상기 수집 도구의 측면에 부착되고 단일 회전 자유도를 갖는 공압 실린더인, 수집 도구.
14. 제13 항에 있어서, 상기 공압 실린더는 상기 후프의 측면에 부착되고 또한 클레비스 피벗(clevis pivot)을 중심으로 하는 회전뿐만 아니라 2 방향으로의 이동을 포함하는 3 자유도를 갖는 제2 단부를 포함하는, 수집 도구.
15. 제14 항에 있어서, 상기 공압 실린더의 몸체는 확장 및 축소되는 동안 아크 운동으로 이동하도록 구성되는, 수집 도구.
16. 제9 항에 있어서, 상기 후프는 수축된 위치에서 제1 영역 및 확장된 위치에서 상기 제1 영역보다 큰 제2 영역을 갖는, 수집 도구.
17. 제9 항에 있어서, 상기 후프의 전방 부분은 상기 후프에 의해 충격을 받는 장애물에 부합하도록 구성되는, 수집 도구.
18. 제9 항 내지 제17 항 중 어느 항에 있어서, 상기 후프에 연결되고 또한 수집된 목표 물체들을 수신하고 상기 목표 물체들을 출구를 통해 지시하도록 구성되는, 순응성 재료로 형성된 목표 표면을 추가로 포함하는, 수집 도구.
19. 제18 항에 있어서, 상기 목표 표면은 상기 후프에 해제 가능하게 연결되는, 수집 도구.
20. 제19 항에 있어서, 상기 목표 표면은 상기 출구를 향해 테이퍼지는, 수집 도구.
21. 제1 항 내지 제20 항 중 어느 항에 있어서, 상기 반강성 캐치 부재의 베이스에 결합되고 상기 서브시스템을 통과하는 물체들을 감지하도록 구성되는 센서를 추가로 포함하는, 수집 도구.
22. 제21 항에 있어서, 상기 캐치 부재의 하류에 상기 수확기 모듈의 측면을 따라 배치되고 또한 물체들을 수집 빈(collection bin)으로 이송하도록 구성되는 컨베이어를 추가로 포함하는, 수집 도구.
23. 제22 항에 있어서, 상기 컨베이어는 상기 수집 빈을 향하는 방향으로 상향으로 경사져 있는, 수집 도구.
24. 제23 항에 있어서, 상기 컨베이어는 미끄럼 방지용 컨베이어 벨트(cleated conveyor belt)를 포함하는, 수집 도구.
25. 수집 도구로서,
    드라이브 섀시;
    상기 드라이브 섀시상에 배치되는 수확기 모듈로서,
    목표 물체들을 식별하도록 구성되는 비전 시스템; 및
    상기 목표 물체들을 수집하도록 구성된 그래스퍼를 포함하는 로봇 아암을 포함하는, 상기 수확기 모듈; 및
    상기 수집 도구의 정적 지점들에 장착된 가요성 직물 구조를 포함하는, 상기 그래스퍼로부터 낙하되는 목표 물체들을 위한 포괄적인 착륙 구역을 포함하는, 수집 도구.
26. 제25 항에 있어서, 상기 가요성 직물 구조는 덜 가요성 직물로 형성된 보강재들과 결합된 순응성 직물들 또는 망직물(netting)의 혼합물을 포함하는, 수집 도구.
27. 제26 항에 있어서, 상기 덜 가요성 직물은 립스톱 나일론(ripstop nylon)을 포함하는, 수집 도구.
28. 제25 항에 있어서, 상기 가요성 직물 구조는 퀵 릴리스/부착 패스너(quick release/attachment fastener)들로 상기 수집 도구상의 정적 지점들에 장착되는, 수집 도구.
29. 제25 항에 있어서, 수집 빈을 추가로 포함하는, 수집 도구.
30. 제29 항에 있어서, 상기 로봇 아암에 의해 수집된 물체들을 상기 수집 빈으로 운반하도록 구성되는, 상기 수집 도구의 측면을 따라 배치되는 컨베이어를 추가로 포함하는, 수집 도구.
31. 제30 항에 있어서, 상기 컨베이어는 경사져 있는, 수집 도구.
32. 제31 항에 있어서, 상기 컨베이어는 미끄럼 방지용 컨베이어 벨트를 포함하는, 수집 도구.
33. 작물 열(crop row)로부터 농산물을 수집하기 위한 시스템으로서,
    수집 도구로서,
    드라이브 섀시;
    상기 드라이브 섀시상에 배치되는 수확기 모듈을 포함하며, 상기 수확기 모듈은:
    목표 물체들을 식별하도록 구성되는 비전 시스템; 및
    상기 목표 물체들을 수집하도록 구성되는 그래스퍼를 포함하는 로봇 아암을 포함하는, 상기 수집 도구; 및
    캐치 시스템으로서,
    순응성 재료로 형성되고 출구를 포함하는, 상기 작물 열의 전체 길이를 따라 실질적으로 확장되는 트로프형 캐치 구역(trough-shaped catch zone); 및
    상기 캐치 구역의 출구 아래에 배치되고 목표 물체들을 수집 빈으로 이송하도록 구성되는 컨베이어를 포함하는 이송 구역을 포함하는, 상기 캐치 시스템을 포함하는, 시스템.

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