JPH11215906A - 果菜収穫ロボットの摘果装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】果菜収穫ロボットにより果菜類の収穫を行うと
き、果菜類を摘果するエンドエフェクタの摘果プレート
による果菜類への押圧力の強さを適正な一定圧力に保持
させる。 【解決手段】左右の把持プレート１により把持した果菜
類に対し開口端部２ａを押圧して果柄の検出と切断を行
う平面視Ｕ字形状の摘果プレート２を前後方向にスライ
ド駆動させるエンドエフェクタ３を有する果菜収穫ロボ
ットにおいて、該摘果プレート２を、果菜類に対する押
圧力を上方向への分力により逃して適正な圧力を保持で
きる角度θとなるよう傾斜させたことを特徴とする摘果
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、果菜収穫ロボッ
トの摘果装置に関し、果菜類としてのキュウリ等を摘果
するマニピュレータに装着したエンドエフェクタの技術
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】果菜
収穫ロボットにより作業対象物としての果菜類（例えば
キュウリ）の収穫を行うには、傾斜棚等に栽培された収
穫適期のキュウリを視覚センサにより画像を入力し、こ
の入力画像の画像処理を行った結果により、エンドエフ
ェクタを先端部に支承したマニピュレータを上下移動及
び左右旋回させて収穫アプローチを行う。

【０００３】このアプローチ時に、エンドエフェクタの
姿勢制御を行って左右の把持プレートによりキュウリを
把持すると共に、把持プレートの上方に位置してキュウ
リの果柄を検出及び切断する摘果プレートを、摘果モー
タの駆動によりキュウリ側へガイドレールに沿って前進
スライドさせ、このスライドによって平面視Ｕ字形状の
摘果プレートの開口端部をキュウリに対し接当押圧した
ときは、この接当の検出により上動モータの駆動により
平行リンクを作用させて上昇スライドさせながら、更に
前進スライドを行わせることにより、摘果プレートの開
口端部から取り込まれた果柄を摘果プレートに固定した
カッタ刃により切断して収穫を行う。

【０００４】この収穫時に、従来では、エンドエフェク
タ内のガイドレールによって前進する摘果プレートが水
平姿勢で移動することにより、キュウリに接当押圧する
摘果プレートをキュウリの表面に沿って果柄位置まで上
昇スライドさせるときに、摘果プレートの押圧力により
開口端部がキュウリの表面に引っ掛かって円滑に上昇で
きないためキュウリを傷つけたり、キュウリの表面に凹
凸があるとき等は必要以上の圧力が加わってキュウリを
圧損させる恐れがあった。

【０００５】この発明は、キュウリに加わる押圧力を上
方向への分力により逃して適正な圧力を保持できる角度
となるよう摘果プレートを傾斜させる。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明は、左右の把持
プレート１により把持した果菜類に対し開口端部２ａを
押圧して果柄の検出と切断を行う平面視Ｕ字形状の摘果
プレート２を前後方向にスライド駆動させるエンドエフ
ェクタ３を有する果菜収穫ロボットにおいて、該摘果プ
レート２を、果菜類に対する押圧力を上方向への分力に
より逃して適正な圧力を保持できる角度θとなるよう傾
斜させたことを特徴とする摘果装置の構成とする。

【０００７】

【作用】上記の構成により、果菜収穫ロボットにより作
業対象物としての果菜類（例えばキュウリ）の収穫を行
うときは、エンドエフェクタ３を前端部に支承したマニ
ピュレータによる収穫アプローチにより、エンドエフェ
クタ３の姿勢制御を行って左右の把持プレート１により
キュウリを把持すると共に、この把持プレート１の上方
に位置してキュウリの果柄を検出及び切断する摘果プレ
ート２を、モータ等の駆動によりキュウリ側へ前進スラ
イドさせその開口端部２ａをキュウリの表面に接当押圧
させる。

【０００８】この押圧時に摘果プレート２を、その押圧
力を上方向への分力により逃して適正な圧力を保持でき
る角度θとなるよう傾斜させていることにより、その開
口端部２ａをキュウリの表面に沿って適正な圧力で押圧
させながら上昇させることが可能となり、この上昇によ
って徐々に果柄を摘果プレート２の開口端部２ａからＵ
字形状の長孔部内へ取り込んで、この長孔部を横断固定
したカッタ刃により切断して収穫を行う。

【０００９】

【発明の効果】上記作用の如く、果菜収穫ロボットによ
り果菜類（例えばキュウリ）を収穫するときに、エンド
エフェクタ３における把持プレート１によりキュウリを
把持すると共に、この把持したキュウリの表面に、押圧
力を上方向への分力により逃がして適正な圧力を保持で
きる角度θだけ傾斜させた傾斜姿勢による摘果プレート
２の開口端部２ａを押圧させることにより、従来の如
く、水平姿勢による摘果プレート２の押圧のため圧力の
逃げがないときのように、開口端部２ａがキュウリの表
面に引っ掛かって傷つけたり、キュウリの表面の凹凸等
により必要以上の圧力が加わってキュウリを圧損させた
りすることがなく、該開口端部２ａをキュウリの表面に
沿って適正な圧力でソフトに押圧させながら円滑に上昇
させることができるから、摘果プレート２によって傷の
ない綺麗なキュウリを効率よく収穫することができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】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果菜収穫ロボット
について図面に基づき説明する。図４は果菜収穫ロボッ
トの全体構成を示すもので、車台４の下側前後位置に左
右一対の前輪５ａと後輪５ｂを各々配設し、この前輪５
ａと後輪５ｂの４輪に対し各別に車輪駆動モータ６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、この前輪５ａと後輪５ｂと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７を各々設
け、該前輪５ａと後輪５ｂとの間に動力電源としてのバ
ッテリ８を格納して走行装置９を構成させる。

【００１１】該車台４上の前部位置に、このロボットの
操作制御を行うコントローラ等を内装した前カバー１０
を設け、この前カバー１０の後方に、果菜類としてのキ
ュウリの画像を撮像する視覚センサとしてのＣＣＤカメ
ラ１１と、このＣＣＤカメラ１１の撮像によりキュウリ
を把持摘果するマニピュレータ１２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１３
を旋回可能に配設すると共に、この作業旋回胴１３の後
方側となる車台４の後部位置に設けた後カバー１４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１５と、この後カバー１４
の後側面にロボットの操作を行う操作パネル１６を配設
して作業装置１７を構成させる。

【００１２】該マニピュレータ１２とキュウリを補助的
に収納させる補助収納ケース１８とを、上下方向にスラ
イド移動させるボールネジ等によるスライダ１９を該作
業旋回胴１３の直角状の切り欠き部壁面の内側に沿って
回動可能に支承すると共に、このスライダ１９の回動に
より上下移動可能にスライドガイド２０を軸承して設け
る。このスライドガイド２０にマニピュレータ１２のベ
ース部２１を、作業旋回胴１３の直角状の切り欠き部壁
面に沿って設けた２条の摺動溝１３ａを貫通して結合す
ると共に、該スライダ１９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２２をスライダ１９の下端部
に連動連結し、該作業旋回胴１３と共に前記ＣＣＤカメ
ラ１１及びマニピュレータ１２を略１８０度旋回させる
車台モータ２３を、前記車台４の作業旋回胴１３の中心
位置に配置すると共に連動連結して構成させる。

【００１３】該ＣＣＤカメラ１１を、上下方向にスライ
ド移動させるボールネジ等によるスライダ２４を、該作
業旋回胴１３の直角状の切り欠き部壁面の内側に沿って
回動可能に支承すると共に、このスライダ２４の回動に
より上下移動可能にスライドガイド２５を軸承して設け
る。このスライドガイド２５の上面部に、前記のマニピ
ュレータ１２の摺動溝１３ａを有する壁面に対し略直角
位置に変位させる壁面に沿って設けた摺動溝１３ｂを貫
通して、ＣＣＤカメラ１１の係合アーム１１ａを係合さ
せると共に、スライダ２４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２６をスライダ２４の下端部
に連動連結し、該摺動溝１３ｂにはＣＣＤカメラ１１の
姿勢を保持させると共に摺動可能なガイドレールを設け
て構成させる。

【００１４】図３はマニピュレータ１２の全体構成を示
すもので、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Ａ，アーム関節部Ｂ，リスト関節部Ｃ
等の各関節部を相互に連結配置した構成とする。該ショ
ルダ関節部Ａは、マニピュレータ１２を上下回動させる
ためのショルダ関節として、サーボモータによるショル
ダモータ２７を組み込んで連動連結して構成させる。

【００１５】アーム関節部Ｂは、２段階に伸縮させる伸
縮直動アーム２８の基部に組み込んだサーボモータによ
るアームモータ２９から、該アーム２８基部の固定筒２
８ａに内装したボールネジ等からなるスライダ３０に連
動連結すると共に、このスライダ３０の回動により固定
筒２８ａ内に、１段目の伸縮筒２８ｂを収納可能にガイ
ドレール３１をスライダ３０と並行して内装配置する。
該アームモータ２９から１段目の伸縮筒２８ｂ内に張設
したタイミングベルト３２を介して、ボールネジ等から
なるスライダ３３に連動連結すると共に、このスライダ
３３の回動により１段目の伸縮筒２８ｂ内に、２段目の
伸縮筒２８ｃを収納可能にガイドレール３４をスライダ
３３と並行して内装配置して構成させる。

【００１６】リスト関節部Ｃは、２段目の伸縮筒２８ｃ
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３５から、伸縮筒２８ｃの先端部まで延長したリ
スト駆動軸３６の端部にウォームギヤ３７ａを軸止する
と共に、このウォームギヤ３７ａと直角交差して噛み合
うウォームホイル３７ｂにリストピッチ関節軸３８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３８が伸縮筒２８ｃの外部に突出した軸端に、角筒状
のエンドエフェクタ３の回動を支持するＬ字状の回動支
持アーム３９を軸止して構成させる。

【００１７】この回動支持アーム３９に、エンドエフェ
クタ３の後端部を支承して略１８０度範囲で鉛直平面内
をピッチ回動させると共に、このエンドエフェクタ３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４０を、該回動支持アーム３９を介
してエンドエフェクタ３の後端部に連動連結して構成さ
せる。

【００１８】該マニピュレータ１２を水平旋回させるウ
エスト関節部Ｄにおけるサーボモータによるウエストモ
ータ４１の回動軸心を、該ショルダ関節部Ａが装着され
る前記ベース部２１において、該エンドエフェクタ３の
作業中心軸が該アーム２８の基部に向けて延長した軸線
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２１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３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前記補助収納
ケース１８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４２を組み込んで前記作業旋回胴１３の
上面に配置して構成させる。

【００１９】該エンドエフェクタ３は、図１，図２に示
す如く、角筒状の箱体４３を有し、この箱体４３内の上
部一側にキュウリを摘果する摘果モータ４４を配置し、
このモータ４４にスライドネジ４５を前方に向け延長し
て連結すると共に、このスライドネジ４５の回転方向に
より前進又は後進するスライドアーム４５ａを、該モー
タ４４の側部に平行して前後方向に延設したガイドレー
ル４６によって摺動案内される断面Ｕ字状の摘果ベース
４７に接合し、この摘果ベース４７のＵ字状の片側後端
部の側部突起４７ａを、前後に配置したリミットスイッ
チ前及び後７２ａ，７２ｂとに各々係合可能に構成させ
る。

【００２０】４点平行リンクによる左右の摘果リンク４
８によって、該摘果ベース４７の前端部と摘果アーム４
９の後部とを連結すると共に、該摘果ベース４７のリン
クピン４７ｂに摘果リンク４８による摘果アーム４９の
上動を一定の荷重で抑える抑えバネ４７ｃを張設し、該
摘果アーム４９の前端部に、キュウリの果柄の検出と切
断を行う平面視Ｕ字形状の摘果プレート２のＵ字基部を
支持して構成させる。

【００２１】該摘果プレート２は、摘果アーム４９に支
持するＵ字基部から前端の開口端部２ａに亘り、キュウ
リへの押圧力を上方向への分力により逃して適正な圧力
を保持できる角度θとなるよう傾斜させると共に、左右
の開口端部２ａの先端には各々摘果プレート２のキュウ
リへの押圧上動を円滑にするための摺動ローラ２ｂを軸
支し、キュウリの果柄を取り入れるＵ字形状の長孔部２
ｃを平面視斜めに遮断する状態に薄刃状のカッタ刃２ｄ
を、果柄の押し切りを容易とするよう傾斜姿勢の摘果プ
レート２に対し水平状態に取り付けて構成させる。

【００２２】該箱体４３内の中央下部にキュウリを把持
する把持モータ５０を配置し、このモータ５０から前方
側にウォームギヤ５１ａを連結し、このウォームギヤ５
１ａと噛合する左右のウォームホイル５１ｂを各々左右
対称位置に配設すると共に、この左右のウォームホイル
５１ｂから各々上方に向けて支承した左右の把持軸５２
に、この把持軸５２の回動によりキュウリを把持可能な
長さ前方へ延出した左右の把持プレート１を軸止して連
動可能に設け、この把持プレート１にはリターン用の戻
しバネ１ａと、キュウリを傷つけないための緩衝パット
１ｂを各々取り付けて構成させる。

【００２３】該把持モータ５０の上側で左右の把持軸５
２の間に、キュウリを把持する際に吸引固定するための
吸着パット５３を配置し、この吸着パット５３を前後に
移動させるスライドネジ５４を後方に向け延長し、この
スライドネジ５４と連動連結させた吸着モータ５５を、
該摘果モータ４４と反対側の上部位置側に配設して構成
させる。なお、該エンドエフェクタ３はオフセットによ
り交換を可能とする。

【００２４】図５に示す如く、制御機構として前記走行
装置９の車輪駆動モータ６，操向角度センサ７，キャリ
ー制御部１５等を制御する走行部コントローラ５６ａ
と、ＣＣＤカメラ１１を制御する視覚部コントローラ５
６ｂと、マニピュレータ１２を制御する摘果部コントロ
ーラ５６ｃと、これら各コントローラ５６ａ，５６ｂ，
５６ｃと共に、前記操作パネル１６及び安全装置５７等
を統括制御するメインコントローラ５６とを前記前カバ
ー１０に内装して構成する。

【００２５】該視覚部コントローラ５６ｂは、図６に示
す如く、ＯＣＲ５８から信号を受けた駆動パルス発生回
路５９からドライバ６０を介してレシーバ６１へ、この
レシーバ６１からＣＣＤカメラ１１へ接続する。該カメ
ラ１１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６２とカメラ１１とを接続し、この信
号処理回路６２からＡ／Ｄ変換器６３を経て画像メモリ
６４へ接続すると共に、この画像メモリ６４と高速画像
処理を行う画像処理回路６５とＣＰＵ６６とを相互通信
可能に接続する。該ＣＰＵ６６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６３の開始タイミン
グを設定するタイミング回路６７へ接続し、このタイミ
ング回路６７とＡ／Ｄ変換器６３、及びランプ駆動回路
６８とを接続すると共に、該タイミング回路６７へ信号
処理回路６２を接続させ、ランプ駆動回路６８を介して
ハロゲンランプ６９を駆動させるべく接続し、フォトセ
ンサ７０からＡ／Ｄ変換を経てＣＰＵ６６へ接続して構
成する。

【００２６】該摘果部コントローラ５６ｃは、図７に示
す如く、サーボモータとしての前記ウエストモータ４
１，スライドモータ２２，スライドモータ２６，ショル
ダモータ２７，アームモータ２９，リストピッチモータ
３５，リストロールモータ４０を各々コントロールドラ
イバ７１を介して接続すると共に、前記摘果モータ４
４，把持モータ５０，吸着モータ５５を各々接続して構
成する。なお、該各サーボモータ４１，２２，２６，２
７，２９，３５，４０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。

【００２７】果菜収穫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ときは、図８，図９に示す如
く、走行部コントローラ５６ａによる車輪駆動モータ６
や操向角度センサ７等の制御により畝溝Ｒに沿って走行
を行いながら、傾斜棚Ｔに栽培された収穫適期のキュウ
リをＣＣＤカメラ１１の上下スライド移動によって撮像
し、この撮像により入力した画像を視覚部コントローラ
５６ｂ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５６ｃの演算によって、マニピュレー
タ１２の伸縮直動アーム２８を、ウエスト関節部Ｄによ
る左右旋回とショルダ関節部Ａによる上下移動とを行わ
せると共にアーム関節部Ｂを伸縮させ、その先端部に位
置するリスト関節部Ｃによりエンドエフェクタ３を制御
して収穫アプローチを行う。

【００２８】この収穫アプローチ時に、エンドエフェク
タ３のピッチ回動又はロール回動により、吸着モータ５
５を駆動させて吸着パット５３を前方へスライドさせ、
外部から供給されるバキュームによりキュウリを吸着し
た後、把持位置まで後退させると同時に、把持モータ５
０を駆動させて把持プレート１によりキュウリを把持す
る。このキュウリの把持により摘果モータ４４を駆動さ
せて、スライドネジ４５によりスライドアーム４５ａを
介して摘果ベース４７をリミットスイッチ前７２ａによ
る規制位置まで前進を可能とし、この摘果ベース４７の
前進と共に摘果リンク４８により連結される摘果アーム
４９を介して摘果プレート２を前進させる。

【００２９】該摘果プレート２の前進によりその開口端
部２ａに軸支した摺動ローラ２ｂをキュウリの表面に押
圧させるが、この押圧時に摘果プレート２を、押圧力を
上方向への分力により逃して上動できる角度θだけ傾斜
させていることにより、この傾斜による上方向への分力
を抑えバネ４７ｃによる一定の荷重で抑えてキュウリの
表面に適正な圧力を保持して押圧させながら、開口端部
２ａの摺動ローラ２ｂの回動と共に摘果リンク４８によ
り平行上昇スライドさせる。

【００３０】該摘果プレート２が上昇スライドによりキ
ュウリの表面に沿って果柄部に達したときは、果柄が開
口端部２ａから長孔部２ｃへ取り込まれ、水平姿勢のカ
ッタ刃２ｄによる押し切りにより摘果される。この摘果
されたキュウリをキャリーに収納し満杯になった時点で
キャリー制御部１５により地上に放出する。このよう
に、該摘果プレート２を傾斜させていることにより、キ
ュウリの表面に対し円滑に押圧上昇させることができる
から、開口端部２ａがキュウリの表面に引っ掛かって傷
つけたり、キュウリの表面の凹凸等により必要以上の圧
力が加わってキュウリを圧損させたりすることがなく、
傷のない綺麗なキュウリを効率よく収穫することができ
る。

【００３１】また、前記の如く、該摘果プレート２は傾
斜していてもカッタ刃２ｄは水平状態に取り付けている
ことにより、キュウリの果柄に対して水平面上で切断す
ることができるから、切断力を小さくすることができる
と共に、切断面により他の果菜類を折損させるようなこ
とがない。また、前記の如く、該摘果プレート２を傾斜
させていることにより、その開口端部２ａを摘果モータ
４４の駆動によりキュウリの表面に押圧させるとき、こ
の押圧力を上方向への分力により逃しキュウリの表面を
適正な圧力で押圧させながら、分力の上方向への作用に
より摘果プレート２を自然に上昇させることができるか
ら、従来では摘果プレート２の前進・後退作用と上昇ス
ライド作用とに各々専用のモータを各１箇宛必要として
いたものを、単一の摘果モータ４４のみで作用させるこ
とが可能となり、エンドエフェクタ３を軽量コンパクト
に形成することができる。

【００３２】このため、障害物の多い果菜類に対しても
葉や主茎・葉柄等に接触する機会が減少し折損等を少な
くすることができると共に、エンドエフェクタ３が軽く
なることによりマニピュレータの構造を軽量簡素化する
ことができる。また、前記の如く、該摘果プレート２の
開口端部２ａがキュウリに押圧接触する先端に、キュウ
リへの接触方向と上方向との双方に作用している押圧力
の接触抵抗を小さくするため、開口端部２ａの左右側先
端に各々摺動ローラ２ｂを軸支させていることにより、
摘果プレート２がキュウリの表面に引っ掛かって傷をつ
けることがないと共に、摘果プレート２を円滑に上下動
させることができるから摘果リンク４８を破損させたり
するようなことがなく、大きな動力源を必要とすること
もない。

【００３３】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】エンドエフェクタ内の摘果プレートの傾斜姿勢
と上下移動状態を示す側面図。

【図２】（ａ）マニピュレータにおけるエンドエフェク
タの全体構成を示す平面図。 （ｂ）マニピュレータにおけるエンドエフェクタの全体
構成を示す側面図。 （ｃ）マニピュレータにおけるエンドエフェクタの全体
構成を示す背面図。

【図３】（ａ）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。 （ｂ）マニピュレータの伸縮直動アームを伸長した状態
を示す側面図。

【図４】（ａ）果菜収穫ロボットの全体構成を示す側面
図。 （ｂ）果菜収穫ロボットの全体構成を示す背面図。

【図５】果菜収穫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】（ａ）視覚センサによる傾斜棚下段におけるカ
メラでの撮像状態を示す作業図。 （ｂ）視覚センサによる傾斜棚上段におけるカメラでの
撮像状態を示す作業図。

【図９】（ａ）マニピュレータによる傾斜棚の上段での
収穫物の摘果状態を示す作業図。 （ｂ）マニピュレータによる傾斜棚の上段での収穫物の
収納状態を示す作業図。

【符号の説明】

１． 把持プレート ２． 摘果プレート ２ａ． 開口端部 ３． エンドエフェクタ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】左右の把持プレート１により把持した果菜
   類に対し開口端部２ａを押圧して果柄の検出と切断を行
   う平面視Ｕ字形状の摘果プレート２を前後方向にスライ
   ド駆動させるエンドエフェクタ３を有する果菜収穫ロボ
   ットにおいて、該摘果プレート２を、果菜類に対する押
   圧力を上方向への分力により逃して適正な圧力を保持で
   きる角度θとなるよう傾斜させたことを特徴とする摘果
   装置。