(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
果実類を栽培する栽培ベッド（１）の下側に、該栽培ベッド（１）を支持する支柱（５）を備えたベッド架台（２）を設け、栽培ベッド（１）から垂れ下がる果実を重なることなく整列させる果柄位置規制プレート（９）を横長方向の全支柱（５）間に設けると共に該支柱（５）から外側に下方傾斜させて設け、該果柄位置規制プレート（９）と協同して果実の垂れ下がり時の不揃いを防止する果実支持プレート（１０）を各支柱（５）に外巻きにして設け、
前記ベッド架台（２）の下部の空間（Ｓ）にガイドレール（３）を設け、果実類の収穫作業を行うエンドエフェクタ（３３）を備えた作業ロボット（４）の上部ベース（１２）を前記ガイドレール（３）に摺動可能に保持させ、該上部ベース（１２）に上部ベース（１２）を摺動させるＸ軸モータ（１６）を設け、該上部ベース（１２）にスライド螺子軸（１９）を備えた鉛直状の縦フレーム（１７）を取り付け、該縦フレーム（１７）の下端部にスライド螺子軸（１９）を回動させるＺ軸モータ（２２）を取り付け、前記スライド螺子軸（１９）の回動によって昇降する横フレーム（２４）を設け、該横フレーム（２４）の外側にエンドエフェクタ（３３）を取り付け、該エンドエフェクタ（３３）の後方上部にカメラ（４３）を設け、
該カメラ（４３）が検出した果実の位置に対してＸ軸モータ（１６）を駆動して上部ベース（１２）を栽培ベッド（１）に沿って移動させると共にＺ軸モータ（２２）を駆動して横フレーム（２４）を上昇移動させ、エンドエフェクタ（３３）の横方向の位置と高さ位置とを調整してから、該エンドエフェクタ（３３）を前記果柄位置規制プレート（９）と果柄支持プレート（１０）によって整列した果実の方向へ移動させる構成としたことを特徴とする高設栽培用果実収穫ロボット。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、高設栽培用果実収穫ロボットに関し、作業者の作業容易な高さ位置に栽培ベッドを配置した高設栽培において、果実類の収穫作業を行う果実収穫ロボットの分野に属する。
【０００２】
【従来の技術、及び発明が解決しようとする課題】
従来では、果実類を作業者の作業容易な高さ位置に土耕又は水耕栽培による栽培ベッドにより栽培を行い、これらの果実類の管理及び収穫作業は全て人手により処理を行っているものが一般的であった。
【０００３】
しかし、これら工場生産的な手法により栽培を行うものにおいては、近年、農村における人手不足や人件費の高騰等のため管理及び収穫作業の自動化が要望されるようになってきた。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
この発明は、果実類を栽培する栽培ベッド（１）の下側に、該栽培ベッド（１）を支持する支柱（５）を備えたベッド架台（２）を設け、栽培ベッド（１）から垂れ下がる果実を重なることなく整列させる果柄位置規制プレート（９）を横長方向の全支柱（５）間に設けると共に該支柱（５）から外側に下方傾斜させて設け、該果柄位置規制プレート（９）と協同して果実の垂れ下がり時の不揃いを防止する果実支持プレート（１０）を各支柱（５）に外巻きにして設け、前記ベッド架台（２）の下部の空間（Ｓ）にガイドレール（３）を設け、果実類の収穫作業を行うエンドエフェクタ（３３）を備えた作業ロボット（４）の上部ベース（１２）を前記ガイドレール（３）に摺動可能に保持させ、該上部ベース（１２）に上部ベース（１２）を摺動させるＸ軸モータ（１６）を設け、該上部ベース（１２）にスライド螺子軸（１９）を備えた鉛直状の縦フレーム（１７）を取り付け、該縦フレーム（１７）の下端部にスライド螺子軸（１９）を回動させるＺ軸モータ（２２）を取り付け、前記スライド螺子軸（１９）の回動によって昇降する横フレーム（２４）を設け、該横フレーム（２４）の外側にエンドエフェクタ（３３）を取り付け、該エンドエフェクタ（３３）の後方上部にカメラ（４３）を設け、該カメラ（４３）が検出した果実の位置に対してＸ軸モータ（１６）を駆動して上部ベース（１２）を栽培ベッド（１）に沿って移動させると共にＺ軸モータ（２２）を駆動して横フレーム（２４）を上昇移動させ、エンドエフェクタ（３３）の横方向の位置と高さ位置とを調整してから、該エンドエフェクタ（３３）を前記果柄位置規制プレート（９）と果柄支持プレート（１０）によって整列した果実の方向へ移動させる構成としたことを特徴とする高設栽培用果実収穫ロボットの構成とする。
【０００５】
【０００６】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、作業者の作業容易な高さ位置に栽培ベッド（１）を下側からベッド架台（２）により配置支持し、このベッド架台（２）の空間（Ｓ）を長手方向にガイドレール（３）に沿って作業ロボット（４）を案内させることによって、果実の収穫作業を自動的に行わせることができる。
そして、果柄位置規制プレート（９）と、果実支持プレート（１０）を設けたことによって、栽培ベッド（１）から垂れ下がった果実を重なることなく整列させることができるので、カメラ（４３）が複数の果実を認識したときでも、端の果実から順序付けを行って収穫することができる。また、支柱（５）が障害となって作業ロボット（４）による収穫作業が行えないことや、支柱（５）が日光を入りにくくするために、果実の色づきが悪く商品価値が低下することが防止される。
これにより、従来の如く、農村における人手不足や人件費の増大等に煩わされること無く、作業ロボット（４）の使用による省力化により合理的な果実の栽培収穫を行うことができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下に、この発明の実施例を果実類の収穫を行う果実収穫ロボットについて図面に基づき説明する。
【０００８】
図４及び図５は果実収穫ロボットの使用による収穫作業の全体配置状態を示すもので、土耕栽培又は水耕栽培によるイチゴ等果実類の結実時にその両端側から垂れ下がるよう栽培する一定の厚みと幅を有する横長の栽培ベッド１を、作業者の作業容易な高さ位置にベッド架台２により支持して高設栽培を構成させる。
【０００９】
該ベッド架台２の構造は、栽培ベッド１下面部１ａの横長方向全長を支持する複数本のパイプ状横長方向部材７を、栽培ベッド１の幅方向に掛け渡した複数本のパイプ状幅方向部材８により支持し、この幅方向部材８を、栽培ベッド１の外周部１ｂを取り囲み保持する鉛直状の支柱５に接合固定して構成させる。
【００１０】
該各支柱５の幅方向部材８下側近傍から外側へ向け、適宜幅下方傾斜させて果実の果柄ａ位置を規制する果柄位置規制プレート９を横長方向の全支柱５間に設けると共に、この規制プレート９と協同して果実の垂れ下がり時の不揃いを防止する各支柱５を外巻きにした果実支持プレート１０を配設して構成させる。
【００１１】
該ベッド架台２の内部空間（空間）Ｓに、果実類の管理及び収穫作業を自動的に行わせる作業ロボット４のマニピュレータ１１を配置し、このマニピュレータ１１の上部ベース１２を、ボール等により円滑に摺動保持して横長方向全長に亘り案内移動させるガイドレール３を、該幅方向部材８に取付金１３を介してその両端側に各々延長固定して構成させる。
【００１２】
該各取付金１３の下面部中間位置に横長方向全長に亘り横長方向ラック１４を延長固定すると共に、このラック１４と噛合連動する横長方向ピニオン１５を出力軸１６ａに軸止したＸ軸モータ１６を該上部ベース１２の下面に取り付け構成させる。
【００１３】
図１及び図２に示す如く、該上部ベース１２下面の幅方向一側寄りに鉛直状で一定長さの縦フレーム１７を取付金１７ａにより固定し、この縦フレーム１７に沿った補強金１８を介してスライド螺子軸１９を支承する上部軸受２０と下部軸受２１を取り付けると共に、この下部軸受２１から突出させた該螺子軸１９の下端部と、縦フレーム１７の下端部に取付金１７ｂにより固定したＺ軸モータ２２の出力軸２２ａとを軸継ぎ手２３により駆動可能に連結して構成させる。
【００１４】
該スライド螺子軸１９の回動により横フレーム２４を昇降させるフレーム昇降環２５と、幅方向ピニオン２６を出力軸２７ａに軸止したＹ軸モータ２７とを固定した適宜大きさの昇降ベース２８を、該補強金１８に対し昇降摺動可能なるよう一端部を下側に折曲すると共に、この昇降ベース２８の上面に、該縦フレーム１７とフレーム昇降環２５及びＹ軸モータ２７等との接触を避ける空間を形成した方形状枠組の横フレーム２４を幅方向に往復摺動可能に保持して構成させる。
【００１５】
該横フレーム２４は、その枠組の摺動方向に直交する一端部に、幅方向ピニオン２６と噛合連動する幅方向ラック２９を設けると共に、このラック２９と反対側他端部に、該昇降ベース２８から立ち上げた、ボール等により円滑に摺動保持して横フレーム２４を幅方向に案内移動させる摺動規制レール３０を設ける。なお、横フレーム２４の摺動方向における該縦フレーム１７側と反対側の端部適宜位置に、収穫した果実を収納する収納箱３２を接合して構成させる。
【００１６】
該横フレーム２４の摺動規制レール３０部分から更に外側に、エンドエフェクタ３３を支持する適宜幅と長さを有した支持アーム３４を上方へ向け取り付けると共に、図３に示す如く、該支持アーム３４に、エンドエフェクタ３３の果実取込用としてのリストロール３５の後部適宜位置を回動可能に支承する支承枠３６を螺子止め固定して構成させる。
【００１７】
該支承枠３６の下部側に固定したロールモータ（モータ）３７の出力軸に軸止するロール駆動ギヤ３８と、リストロール３５の支承枠３６近傍に固定したロール従動ギヤ３９とを噛合連動して構成させる。
【００１８】
該リストロール３５の前部適宜位置に、発光部４０ａからの発光を該ロール３５の穴を貫通して受光部４０ｂにて受光することにより、この光を遮るものを検出するフォトインタラプタ４０を対角位置に複数組配置すると共に、リストロール３５前端部の果実取込部３５ａの先端下方に果実を円滑に誘導できるよう切り落としてフック部ｆを設け、このフック部ｆに果柄ａ切断用のカッタ刃４１を後方へ向けて取り付け構成させる。
【００１９】
該リストロール３５の後端部に、前記図１に示す如く、果柄ａの切断により収穫した果実を前記収納箱３２に収納可能に吸引筒４２を接続すると共に、この吸引筒４２から更に吸引装置Ｆに接続して構成させる。
【００２０】
前記上部ベース１２のエンドエフェクタ３３後方上部に相当する位置に、視覚センサ部としてのカラーＣＣＤ等によるカメラ４３を設けると共に、上部ベース１２の前記ベッド架台２の支柱５に最も近い位置の横長方向両端部に、各々支柱５を検出する支柱検出手段６としての支柱センサ６を取り付け構成させる。
【００２１】
作業ロボット４の動作手順として、まずマニピュレータ１１を初期姿勢により待機させる。この初期姿勢は、まずマニピュレータ１１をＸ軸モータ１６の駆動により栽培ベッド１に平行してその一端部まで横長方向へ案内移動し、次に、Ｙ軸モータ２７によりエンドエフェクタ３３を横フレーム２４の枠組前側が縦フレーム１７位置に接するまで後退させると共に、Ｚ軸モータ２２の駆動により横フレーム２４を縦フレーム１７の下端位置まで下降させた位置で待機させる。
【００２２】
このように、エンドエフェクタ３３を待機させた初期姿勢において、カメラ４３による画像入力により果実の認識及び位置検出を行い、この果実の検出位置に合わせて収穫アプローチを行わせる。このアプローチは、果実の位置に対しＸ軸モータ１６により上部ベース１２を栽培ベッド１に沿って横長方向に移動させると共に、Ｚ軸モータ２２により横フレーム２４を上昇移動させ、エンドエフェクタ３３の横長方向位置と高さ位置を調整する。
【００２３】
このエンドエフェクタ３３の横長方向と高さ位置の調整により吸引装置ＦをＯＮさせると共に、Ｙ軸モータ２７による横フレーム２４の移動によりエンドエフェクタ３３を果実の方向へ移動させる。この移動により、果実へ接近したエンドエフェクタ３３のリストロール３５果実取込部３５ａから果実を吸引誘導し、リストロール３５内へ誘導できたかどうかをフォトインタラプタ４０により検出を行う。
【００２４】
このフォトインタラプタ４０により果実を検出したときは、各軸モータ１６，２２，２７を各々停止させ、ロールモータ３７によりリストロール３５の回動を行うことにより果実の果柄ａをそのフック部ｆに誘導させると共に、エンドエフェクタ３３をＹ軸モータ２７により後退させフック部ｆに取り込まれた果柄ａを後向きのカッタ刃４１により切断し、この切断された果実をリストロール３５内の吸引作用により収納箱３２へ送り込む。
【００２５】
このように、高設栽培における栽培ベッド１で栽培されたイチゴ等果実類を作業ロボット４により収穫作業を行うときに、果実は大きくなったものから栽培ベッド１の幅方向両端外周部１ｂ域に赤く熟して垂れ下がるため、栽培ベッド１を支持するベッド架台２の内部空間Ｓを案内移動させる作業ロボット４により容易に収穫できると共に、作業者と作業領域が分離でき作業ロボット４の間近でも作業が可能となる。
【００２６】
また、果実をエンドエフェクタ３３のリストロール３５果実取込部３５ａへ誘導しようとする際に、フォトインタラプタ４０が果実を検出しないときは、エンドエフェクタ３３を、Ｙ軸モータ２７による前方移動と、Ｚ軸モータ２２による上方移動とを繰り返しながら斜め上方へ進ませて果実へアプローチさせることにより、アプローチの位置にずれが生じても位置修正を行って果実の誘導が可能となる。
【００２７】
なお、果実取込部３５ａと果実の距離が近接しているため果柄ａが曲がりにくく誘導でき難いときでも、位置修正により果柄ａの自由度が大きくなり果実の誘導が容易となる。
【００２８】
また、高設栽培におけるイチゴ等果実類は、栽培ベッド１の幅方向外周部ｂに赤く色付いたものから垂れ下がるようになり、この垂れ下がり時に果柄ａの径や堅さ及び果柄ａの位置等によって果実に重なりを生じるため、この重なりを生じた複数の果実を前記カメラ４３により認識したときは、この重なり状態を把握して収穫の順序を決めなければならないという煩わしさがあった。
【００２９】
このため、栽培ベッド１を支持するベッド架台２の横長方向各支柱５間の上部位置に前記果柄位置規制プレート９を掛け渡すことにより、この規制プレート９により赤く色付いた果実を重なることなく一定に揃えて整列させることができるから、該カメラ４３により複数の果実を認識したときでも、その重なりを把握する必要がなく、常に端の果実から順序付けを行って収穫することができる。
【００３０】
また、栽培ベッド１を支持するベッド架台２の横長方向各支柱５に果実が垂れ下がるときは、支柱５が障害となって作業ロボット４による収穫作業ができなかったり、前記エンドエフェクタ３３が支柱５に接触して破損する場合があると共に、果実が支柱５に邪魔されて日光が入りにくく、赤の色付きが悪くなり商品価値が低下するという難点があった。
【００３１】
このため、該各支柱５に前記果実支持プレート１０を外巻きにし、該果柄位置規制プレート９と共に連続可能に設けることにより、これらの難点を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  栽培ベッドの架台内部空間で収穫作業を行う作業ロボットを示す拡大側面図
【図２】  栽培ベッドの架台内部空間で収穫作業を行う作業ロボットを示す拡大正面図
【図３】  （ａ）作業ロボットに装着したエンドエフェクタの詳細構造を示す正面図
（ｂ）作業ロボットに装着したエンドエフェクタの詳細構造を示す側面図
【図４】  栽培ベッドの架台内部空間で収穫作業を行う作業ロボットを示す側面図
【図５】  栽培ベッドの架台内部空間で収穫作業を行う作業ロボットを示す正面図
【符号の説明】
１        栽培ベッド
２        ベッド架台
３        ガイドレール
４        作業ロボット
５        支柱
９        果柄位置規制プレート
１０      果実支持プレート
１２      上部ベース
１６      Ｘ軸モータ
１７      縦フレーム
１９      スライド螺子軸
２２      Ｚ軸モータ
２４      横フレーム
３３      エンドエフェクタ
４３      カメラ
Ｓ        内部空間（空間）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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