(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、該ベッド架台（２）の下部の空間（Ｓ）に、エンドエフェクタ（３３）を備えた作業ロボット（４）を案内移動させるガイドレール（３）を設け、作業ロボット（４）の上部ベース（１２）の下面に縦フレーム（１７）を取り付け、上部ベース（１２）の両端部に支柱（５）を検出する支柱検出手段（６）を設け、
作業ロボット（４）の初期姿勢では、エンドエフェクタ（３３）を支持するマニピュレータ（１１）をＸ軸モータ（１６）により栽培ベッド（１）の一端部まで移動させ、エンドエフェクタ（３３）を取り付けた横フレーム（２４）を、Ｙ軸モータ（２７）により該横フレーム（２４）の前側が縦フレーム（１７）に接するまで後退させ、横フレーム（２４）をＺ軸モータ（２２）により縦フレーム（１７）の下端位置まで下降させ、
収穫作業時には、エンドエフェクタ（３３）の後方上部に設けたカメラ（４３）で果実の位置を検出し、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）により横フレーム（２４）を上昇させてエンドエフェクタ（３３）の横方向位置と高さ位置を果実の検出位置に合わせ、該エンドエフェクタ（３３）の横方向位置及び高さ位置の調整の後に吸引装置（Ｆ）をＯＮにすると共に、Ｙ軸モータ（２７）により横フレーム（２４）を移動させてエンドエフェクタ（３３）を果実の方向へ移動させ、該エンドエフェクタ（３３）に備えたリストロール（３５）の果実取込部（３５ａ）から果実を吸引誘導し、該リストロール（３５）に設けたフォトインタラプタ（４０）によってリストロール（３５）内に誘導された果実を検出した場合に、モータ（３７）によりリストロール（３５）を回動させ、該リストロール（３５）に設けたフック部（ｆ）に果実の果柄（ａ）を誘導させ、カッタ刃（４１）によって切断して収穫する構成とし、
この収穫作業時にマニピュレータ（１１）またはエンドエフェクタ（３３）が接触しうる支柱（５）を支柱検出手段（６）によって検出した場合には、マニピュレータ（１１）の動作を一時停止して作業ロボット（４）を前記初期姿勢に戻してから支柱（５）部分を通過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、該ベッド架台（２）の下部の空間（Ｓ）に、エンドエフェクタ（３３）を備えた作業ロボット（４）を案内移動させるガイドレール（３）を設け、作業ロボット（４）の上部ベース（１２）の下面に縦フレーム（１７）を取り付け、上部ベース（１２）の両端部に支柱（５）を検出する支柱検出手段（６）を設け、作業ロボット（４）の初期姿勢では、エンドエフェクタ（３３）を支持するマニピュレータ（１１）をＸ軸モータ（１６）により栽培ベッド（１）の一端部まで移動させ、エンドエフェクタ（３３）を取り付けた横フレーム（２４）を、Ｙ軸モータ（２７）により該横フレーム（２４）の前側が縦フレーム（１７）に接するまで後退させ、横フレーム（２４）をＺ軸モータ（２２）により縦フレーム（１７）の下端位置まで下降させ、収穫作業時には、エンドエフェクタ（３３）の後方上部に設けたカメラ（４３）で果実の位置を検出し、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）により横フレーム（２４）を上昇させてエンドエフェクタ（３３）の横方向位置と高さ位置を果実の検出位置に合わせ、該エンドエフェクタ（３３）の横方向位置及び高さ位置の調整の後に吸引装置（Ｆ）をＯＮにすると共に、Ｙ軸モータ（２７）により横フレーム（２４）を移動させてエンドエフェクタ（３３）を果実の方向へ移動させ、該エンドエフェクタ（３３）に備えたリストロール（３５）の果実取込部（３５ａ）から果実を吸引誘導し、該リストロール（３５）に設けたフォトインタラプタ（４０）によってリストロール（３５）内に誘導された果実を検出した場合に、モータ（３７）によりリストロール（３５）を回動させ、該リストロール（３５）に設けたフック部（ｆ）に果実の果柄（ａ）を誘導させ、カッタ刃（４１）によって切断して収穫する構成とし、この収穫作業時にマニピュレータ（１１）またはエンドエフェクタ（３３）が接触しうる支柱（５）を支柱検出手段（６）によって検出した場合には、マニピュレータ（１１）の動作を一時停止して作業ロボット（４）を前記初期姿勢に戻してから支柱（５）部分を通過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とする。
【０００５】
【０００６】
【発明の効果】
この発明によれば、ベッド架台（２）の下部の空間（Ｓ）をガイドレール（３）に沿って作業ロボット（４）を移動させると共に、この移動時に障害となるベッド架台（２）の支柱（５）を、作業ロボット（４）に設けた支柱検出手段（６）の検出により回避して果実の収穫作業を自動的に行わせることができるから、従来の如く、農村における人手不足や人件費の増大に煩わされることなく、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。
そして、エンドエフェクタ（３３）に備えたリストロール（３５）の果実取込部（３５ａ）に果実を吸引誘導し、このリストロール（３５）を設けたフォトインタラプタ（４０）によってリストロール（３５）内に誘導された果実を検出した場合に、リストロール（３５）を回動させてフック部（ｆ）に果実の果柄（ａ）を誘導させ、カッタ刃（４１）によって切断して、収穫することができる。
【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によって収穫作業を行うときに、栽培ベッド１を支持するベッド架台２の内部空間Ｓを、横長方向に案内移動される作業ロボット４のマニピュレータ１１やエンドエフェクタ３３が、障害物としてのベッド架台２の支柱５に接触して破損する恐れがある。
【００２６】
このため、該マニピュレータ１１の上部ベース１２横長方向両端部に各々設けている支柱センサ６により支柱５を検出したときは、マニピュレータ１１の動作を一時停止させ、一旦、前記の初期姿勢に戻して支柱５部分を通過させることにより、マニピュレータ１１やエンドエフェクタ３３が支柱５に接触しないよう回避させることができる。
【００２７】
なお、該各支柱５毎に、つまり一定の作業領域毎にマニピュレータ１１を初期姿勢に戻すことにより動作誤差を修正し、常に、前記カメラ４３からの情報により精度の良い動作を可能にすることができる。
【００２８】
また、該エンドエフェクタ３３のリストロール３５前端部の果実取込部３５ａを、その先端部が直線状に切断されているときは、リストロール３５の径を多少大きくしても、果実が果実取込部３５ａ先端下方に接触して取り込みが困難であった。
【００２９】
このため、該リストロール３５の果実取込部３５ａの先端下方を切り落として前記フック部ｆを設けることにより、該取込部３５ａの先端上方に果柄ａが接触して果実が回転し該取込部３５ａ内へ誘導されるときに、フック部ｆにより円滑に果実を取り込むことができる。なお、これにより、アプローチ位置に多少のずれが生じても的確に果実の取り込みが可能となる。
【００３０】
また、該エンドエフェクタ３３のリストロール３５の回動方向へ向けて果柄ａ切断用のカッタ刃４１を取り付けているときは、リストロール３５が回動すると同時に果柄ａが切断される場合と、回動後に切断される場合とがあり果柄ａの切断位置が様々であった。
【００３１】
このため、該カッタ刃４１をフック部ｆから後方へ向けて取り付け、リストロール３５回動後にエンドエフェクタ３３を後退させることにより、果柄ａの長さをある程度調整して、略一定となるよう切断させることができる。
【００３２】
また、前記カメラ４３による画像入力によりイチゴ等果実類の認識及び位置検出を行う手法として、図４のフローチャートに示す如く、カメラ４３により撮像した入力画像のＲＧＢ信号を画像内の各画素毎に赤部分の抽出２値化を行う。
【００３３】
この２値化は、Ｒ−Ｇが任意の設定値２０以上のときはＲが強く、Ｒ−Ｙ（全体の明暗）が任意の設定値２０以上のときは、更にＲが強いことを示しており、このＲが強いときは、１個の画素毎のしきい値との比較における２値化はＰ＝１（赤の部分）となり、全画素の２値化を完了させる。なお、Ｒ−ＧとＲ−Ｙが各々２０以下のときは、２値化はＰ＝０（赤以外）となり、全画素の２値化を完了させる。
【００３４】
全画素の２値化完了により、ノイズの除去と穴埋め処理を行うと共に、画像群のラベリング処理を行う。次に、果実認識画素数の面積が設定値２０以上のときは、その塊状図形の水平フェレ長ｆｈと、垂直フェレ長ｆｖとにより、このｆｈ／ｆｖが１以上のときは、フェレ長の短い方の塊状図形中央部の垂直方向切片長ｉｖの計算を行い、ｆｈ／ｆｖが１以下のときは、フェレ長の短い方の塊状図形中央部の水平方向切片長ｉｈの計算を行う。
【００３５】
なお、該水平フェレ長ｆｈは、塊状図形を２本の垂直線で挟んだときの距離を示しており、該垂直フェレ長ｆｖは、塊状図形を２本の水平線で挟んだときの距離を示しているものである。
【００３６】
これらの計算により、ｆｈ／ｉｖが設定値１．６以上のときは、この塊状図形は複数の果実が水平方向に並んでいると判定し、ｆｖ／ｉｈが設定値１．６以上のときは、この塊状図形は複数の果実が垂直方向に並んでいると判定する。これらの水平方向と垂直方向の位置判定により、ｆｈ＞ｆｖのときは果実を水平上端から収穫作業を行い、ｆｈ＜ｆｖのときは果実を垂直左（右）端から収穫作業を行う。
【００３７】
なお、ｆｈ／ｉｖが設定値以下で、ｆｖ／ｉｈも設定値以下で１に近い値ならば、２本の垂直線と水平線で囲んだ果実認識画素数の四角形を、水平・垂直に各々２等分した合計４等分の各エリア毎に該画素数を計算する。
【００３８】
該各エリア毎の計算画素数が、各々右上エリアｍと左下エリアｎが設定値ｕ以上で、左上エリアｏと右下エリアｐが設定値ｖ以下のときは、果実は右上から左下方向に並んでいると判定し、左上エリアｏと右下エリアｐが設定値ｕ以上で、右上エリアｍと左下エリアｎが設定値ｖ以下のときは、果実は左上から右下方向に並んでいると判定する。
【００３９】
以上の条件に該当しない水平・垂直方向に位置する場合や、果実認識画素数に差が無い場合は、果実は単数であると判定する。これらの各判定により、果実を右上から左下に向けて、又は左上から右下に向けて各々収穫作業を行うと共に、単独果実についての収穫作業を行う。
【００４０】
このように、作業ロボット４による果実の収穫作業時に、果実が複数個並んでいるかどうかの判断を行い、各果実の中心に向かって収穫アプローチできるため収穫率を向上できると共に、果実の並んでいる方向、特に斜め方向に並んでいる果実についても方向の特定を行い、アプローチ方向及びアプローチ位置を変えることによって、複数の果実を一度に収穫するようなことがない。
【００４１】
このため、従来のように果実の個数を判断することなく、塊状図形の中心つまり複数の果実の間に収穫アプローチを行うことにより、収穫できない場合があるといった不具合がないと共に、果実同士の接触による圧損等を少なくして、効率の良い収穫を行うことができる。
【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
【図６】  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
１１      マニピュレータ
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
２７      Ｙ軸モータ
Ｓ        内部空間
【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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【図６】
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