計測自動制御学会東北支部 第 297 回 (2015.10.23)
資料番号 291-10

さくらんぼ収穫動作のフォースおよびトルクセンシング
Force and torque sensing of cherry picking motion〇西澤彩花*, 峯田貴*, 佐藤将吾*, 鈴木佑也*, 佐々木成海*, 妻木勇一*, 工藤信**〇Ayaka NISHIZAWA*, Takashi MINETA*, Shyogo SATO*, Yuya SUZUKI*,Narumi SASAKI*, Yuichi TSUMAKI*, Shin KUDO**
山形大学*, 山形園芸試験場**
Yamagata University*, Yamagata Horticultural Experiment Station**
キーワード：収穫ロボット(picking robot), 収穫ハンド(picking hand),センシング(sensing), さくらんぼ(cherry), 力覚(force)
連絡先：山形県米沢市城南 4-3-16

山形大学工学部機械システム工学科

E-mail: mineta-t@yz.yamagata-u.ac.jp

1. はじめに
近年, さくらんぼ農家の高齢化と人手不足

しかし現在のところ, さくらんぼの収穫作業が進んでおり, 自動でさくらんぼを収穫できは作業者の目視と手先の感覚に基づいて行るような機械の開発に期待が寄せられていわれており, 適する作用力や軌道等を数値とる. さくらんぼは, 実に触れると痛みやすく， して調べた研究は行われていない.
また, 収穫後の果実中の水分蒸発を防ぐため

そこで本研究では, 人間がさくらんぼを収に, 収穫の際に茎の途中で切らず, 茎の付け穫する際に作用させる力, トルク, および軌根ごともぎ取る必要があるなど, 繊細な収穫道について定量的に計測を行った.

作業が要求される. さくらんぼの収穫には,

2. 実験方法

力を作用させる方向や力加減が重要である
ことが経験的に知られており, 高品質のまま

図 1 に示す把持機構を作製し, 3 軸のフォ収穫するには, 熟練者が行っているもぎ取りース・トルクセンサ (IFS- 7M25A-I40,動作をロボットに再現させる必要がある.

JR3inc)を取り付けて, 力とトルクの計測を行

農作物を収穫するロボットとしてこれまでに, いちごを収穫するロボットった. 把持機構はさくらんぼの茎を掴むため, トマトの可動部と収穫作業者が持つためのグリッを収穫するロボット 2) 等が研究されている.

プで構成した. 可動部およびグリップ部は

1)

1

3D プリンタにより PLA 樹脂で作製した. 可になっているため, 約 12 N のほぼ一定の把動部をセンサ可動部へねじ止めし, グリップ持力を持つ.

は可動部に触れないようにセンサ固定部へ収穫作業の計測実験の手順を以下に示す.

ねじ止めした.

(1) グリップ部を持ち,姿勢が極力変わらないように維持しながら, 把持部を開いて静かにさくらんぼの茎を挟む.
(2) さくらんぼをもぎ取る.
(3) 把持機構を緩めてさくらんぼの茎を取り外す.
また, 3 台のカメラで収穫の様子を撮影し,動作の軌道についても観察した.

3. 可動部自重の影響
把持機構可動部の自重と, 把持後に茎から受ける力による計測結果への影響を確認す
図 1. 把持機構の外観るため, さくらんぼ把持後に力覚センサを初作製した把持機構の外観を図 2 に示す. ま期化し, 収穫の前と後での力とトルクの計測た, センサの主な仕様を表 1 に示す.

値の変化を確認した.
把持後にセンサを初期化した場合，図 4 に示すように，収穫前と収穫後で力の 3 軸成分

ZFx, Fy, Fz の変化は，それぞれ 0.31, 0.14, -0.79(N) であり,トルクの 3 軸成分 Tx, Ty, Tz の変Y化は, それぞれ-0.04, 0.03, -0.01 (N・m) であった. これは後述する収穫時に発生する最大Xの力およびトルクに比べて充分小さい値であったため，本実験では可動部の自重の影響等は無視し，補正等は行っていない.
これは把持機構可動部の自重が軽く, 把持

図 2. 把持機構の外観した後に収穫操作に移るまで, 大きな動きが
表 1.力覚センサの主な仕様無かったためである.
さくらんぼ把持前に力覚センサを初期化した際の,力とトルクへの計測結果の影響についても確認したが, 収穫前と収穫後での力とトルクの計測値に大きな違いはなかった.
可動部に取り付けたトーションばね(T057A, ULTRA SPRING) の復元力によりさくらんぼを把持する. 把持部はパラレル機構
2●(a) 力の変化(a) 力の変化(b) トルクの変化(b) トルクの変化
図 4. 上級の作業による力およびトルク (大きい力)

図 3. 把持前に初期化した時の力およびトルク

4. 実験結果
さくらんぼ収穫の熟練度が異なる 3 人の被験者により収穫を行い, 熟練した作業者による上級の作業, 収穫作業を行ったことのある作業者による中級の作業, 素人による初級の作業の 3 種類の収穫動作について調べた. そ(a) 力の変化

れぞれの場合の力およびトルク計測の結果を以下に示す. これらは収穫動作の部分のみを抽出してプロットしたものである.
図 4 に上級の作業による収穫時の計測結果を示す. 力およびトルクは 5 (N) , 0. 6 (N・m)程度であり, 茎の根元をせん断する方向に力をかけている.

(b) トルクの変化複数回行った実験のうち, もっと抵抗が小

図 5. 上級の作業による力およびトルク (スムーズ)

さくスムーズにもぎ取ることができた場合もあった．その時の結果を図 5 に示す. 力おあったために茎の根本が弱くなったものがよびトルクはそれぞれ 1 (N) 以下および 0. 1混在していた可能性も考えられる.

(N・m) 以下であった. やはり茎の根元に対

図 6 に中級の作業による収穫時の力およしてほぼ真横に力を作用させており、最適のびトルクの計測結果を示す. 作用させた力は方向に作用させた場合と考えられるが, 実験5 (N) , トルクは 0. 6 (N・m) 程度であり, 茎日がさくらんぼ収穫期の後期 (7 月上旬) で3

5. まとめの根元に対して斜め下に引っ張る方向に力をかけている.

茎の根元をせん断させる方向に, 5 (N) 程度の力と 0. 5 (N・m) 程度のトルクを作用させることで, さくらんぼをもぎ取ることができることがわかった. また, この際の把持力は 12 (N) 程度で十分であることがわかった．
しかし, 茎の根元を引っ張る方向に力を作用させると 15 (N) 程度の力と 0. 4 (N・m) 程度のトルクを作用させてももぎ取れない場合(a) 力の変化があり, 力を作用させる方向が重要であると考えられる.
また, 同じ上級者による収穫作業でも, 極めて小さい 1 (N) 以下の力と 0. 1 (N・m) 以
下のトルクでもぎ取れる場合があった. 根本が弱いものが混在していた可能性も考えら
れ, 今後, さくらんぼ収穫の時期による違い(b) トルクの変化についても確認していく必要がある.

図 6. 中級の作業による力およびトルク

図 7 に初級の作業による収穫時の計測結果

謝辞を示す. 力およびトルクは最大で約 15 (N)本研究の一部は、山形県さくらんぼ世界一プロおよび 0. 4 (N・m) であり, いずれも大きなジェクトの一環として行われた.

値であったが, 把持している茎が滑って把持部から外れても, もぎ取ることができなかっ参考文献

た. 茎を引っ張る方向に力をかけている.

1) 林茂彦, 山本聡史, 齋藤貞文, 山下智輝, 田中基雅, 坂本直樹, 柏原直哉, 菅野重樹: 内側収穫
ロボットを用いたイチゴ果実への接近収穫方法の検討, 農業機械学会誌, vol. 74 (2012) No.4
p.325-333

2) 太田智彦, 山下貴史, 林茂彦, 米田隆志: 鏡面反射利用の視覚システムを持つトマト収穫ロ(a) 力の変化

ボットの開発（第 1 報）, 農業機械学会誌, vol.
72 (2010) No. 6 p. 587-594(b) トルクの変化
図 7. 初級の作業による力およびトルク4