果実収穫装置
【課題】作業効率が高く且つ果実を傷めずに収穫可能な果実収穫装置を提供する。
【解決手段】栽培空間に複数の対象果実が吊下している果実の収穫装置１において、収穫装置は、鉛直方向に延設された支柱３にアーム機構が取り付けられ、アーム機構の先端に設けられた把持ハンド１０で果実を把持して収穫するマニピュレータ２を備えており、アーム機構は、支柱３に第１の軸４を介して取り付けられ鉛直面内で屈曲する第１のアーム部５と、第１のアーム部５に第２の軸６を介して取り付けられ鉛直面内で屈曲する第２のアーム部７と、第２のアーム部７に第３の軸８を介して取り付けられ鉛直面内で屈曲する第３のアーム部９とを有する３軸のアーム機構であり、第３のアーム部９の先端に取り付けられた把持ハンド１０が水平に維持されるように該第３のアーム部が駆動されるとともに、把持ハンド１０と果実１１１との高さ方向及び奥行き方向の位置を合わせるように第１のアーム５部及び第２のアーム部７が駆動される構成とする。
【解決手段】栽培空間に複数の対象果実が吊下している果実の収穫装置１において、収穫装置は、鉛直方向に延設された支柱３にアーム機構が取り付けられ、アーム機構の先端に設けられた把持ハンド１０で果実を把持して収穫するマニピュレータ２を備えており、アーム機構は、支柱３に第１の軸４を介して取り付けられ鉛直面内で屈曲する第１のアーム部５と、第１のアーム部５に第２の軸６を介して取り付けられ鉛直面内で屈曲する第２のアーム部７と、第２のアーム部７に第３の軸８を介して取り付けられ鉛直面内で屈曲する第３のアーム部９とを有する３軸のアーム機構であり、第３のアーム部９の先端に取り付けられた把持ハンド１０が水平に維持されるように該第３のアーム部が駆動されるとともに、把持ハンド１０と果実１１１との高さ方向及び奥行き方向の位置を合わせるように第１のアーム５部及び第２のアーム部７が駆動される構成とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アーム機構の先端に設けられた把持ハンドで果実を把持して収穫する果実収穫装置に関し、特に、イチゴ、トマト、ぶどう又はさくらんぼ等の果実の収穫に用いられる果実収穫装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、イチゴ、トマト、ぶどう又はさくらんぼ等の果実の収穫においては、果実を傷めないために人手による収穫が主であった。しかし近年、農業における労働力不足に加えて、果実の収穫は過酷な作業環境下で長時間労働を強いられることから、作業効率の向上、労働負荷の軽減を目的として収穫作業の機械化に対する要望が高まってきている。
【０００３】
このような要望を受けて、画像処理技術やマニピュレーション制御技術などといったロボット技術を活用して、果実収穫装置が開発、実用化されている。特に、高設栽培施設での運用を想定した収穫装置が多く開発されている。これは、高設栽培は果実の自重で栽培ベンチ下に果実が自然と垂れ下がり、密生する葉から果実が露出する確率が高くなって、画像処理技術で果実とその他の物体とが識別しやすくなるためである。具体的に果実収穫装置は、主に、果実の位置を検出する画像処理部と、画像処理部で検出された位置に合わせてアームにより把持ハンドを接近させ、把持ハンドで果実を把持、収穫して搬送トレイへ置くマニピュレータとで構成されていることが多い。
【０００４】
このような果実収穫装置として、例えば特許文献１（特開２００８−２０６４３８号公報）には、果実群の下方と正面から果実をそれぞれ撮像する撮像装置を備え、これらの撮像装置で撮像した画像から果実の三次元位置を特定し、この位置に合わせてマニピュレータを作動させて果実を収穫する構成が開示されている。さらにこのマニピュレータは、果実群に向かって左右に並列配置されており、果実との距離に合わせて水平旋回して果実を把持するようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２０６４３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、果実収穫装置で果実を収穫する場合、果実に直接触れると果実が傷んで品質が低下してしまうため、従来の果実収穫装置では品質を低下させずに効率よく果実を収穫することが課題とされていた。
特許文献１に開示される装置は、果実群の下方と正面から果実をそれぞれ撮像することで果実の位置検出精度を向上させているが、位置を正確に把握できても、把持ハンドを接近させる際にアームや把持ハンドが他の果実に触れてしまう可能性があるため、確実に高品質の果実を収穫することは困難であった。
【０００７】
また、高設栽培施設においては、収穫時期の色づいた果実は通路側から見て全体又は一部が白い未熟果の下に隠れていることが多いが、従来の果実収穫装置は通路を移動する構成であったため、収穫適期果を見逃したり、未熟果を巻き込んで収穫を失敗したり、さらにマニピュレータの姿勢によっては収穫適期果の近隣に干渉して未収穫の果実を傷つけることがあった。特許文献１においても、通路に装置を設置し、通路裏側へ横方向からアームを旋回させて果実を収穫する構成が記載されており、この構成ではアームの構造上、近隣の未収穫の果実に衝突する危険性が非常に高い。
【０００８】
さらにまた、アームを水平方向に旋回駆動させて果実に接近するマニピュレータは、旋回に時間がかかり作業効率が低下してしまうという問題も有していた。
したがって、本発明はかかる従来技術の問題に鑑み、作業効率が高く且つ果実を傷めずに収穫可能な果実収穫装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するために、本発明に係る果実収穫装置は、栽培空間に複数の対象果実が吊下している果実の収穫装置において、前記収穫装置は、鉛直方向に延設された支柱にアーム機構が取り付けられ、前記アーム機構の先端に設けられた把持ハンドで果実を把持して収穫するマニピュレータを備えており、前記アーム機構は、前記支柱に第１の軸を介して取り付けられ鉛直面内で屈曲する第１のアーム部と、前記第１のアーム部に第２の軸を介して取り付けられ鉛直面内で屈曲する第２のアーム部と、前記第２のアーム部に第３の軸を介して取り付けられ鉛直面内で屈曲する第３のアーム部とを有する３軸のアーム機構であり、前記第３のアーム部の先端に取り付けられた前記把持ハンドが果実収穫に適した角度となるように該第３のアーム部が駆動されるとともに、前記把持ハンドと前記果実との高さ方向及び奥行き方向の位置を合わせるように前記第１のアーム部及び前記第２のアーム部が駆動されることを特徴とする。なお、果実収穫に適した角度とは、把持ハンドで果実を把持するのに最適な第３のアーム部の角度をいい、好適には水平とする。
【００１０】
本発明によれば、アーム機構の軸構成を鉛直方向のみに３自由度で屈曲する構成とし、アーム部が水平方向に屈曲しないようにしたため、近隣の果実にアーム部や把持ハンドが接触することなく把持ハンドを収穫対象である果実に接近させることができる。これにより果実を傷めずに高品質な状態で収穫することが可能となる。これは、栽培空間に吊下する果実は、鉛直方向に重なり合うことは少なく、横方向に果実が並ぶ状態であることが多い。したがって、鉛直方向からマニピュレータを対象果実に接近させることで、他の果実への接触を防ぐことが可能となる。
さらに、アーム機構の鉛直方向の屈曲動作は水平方向の屈曲動作よりも時間が短いため、収穫時間を短縮化でき、作業効率の向上が可能となる。
【００１１】
また、前記支柱が載置されるとともに、該支柱を前記アーム機構の屈曲方向と直交する方向へスライド移動させる架台レールが設けられた架台を備えることが好ましい。
このように、架台レールによりマニピュレータをアームの屈曲方向と直交する方向へスライド移動させることで、マニピュレータと対象果実との横方向の位置合わせを可能とし、精度良く把持ハンドを対象果実に接近させることが可能となる。
【００１２】
さらに、高設栽培の栽培ベンチ上に前記果実の株が載置された果実栽培施設に用いられる果実収穫装置であって、前記栽培ベンチの下方に、該栽培ベンチの延設方向に沿って敷設された下部レールを有し、該下部レール上を前記架台が走行するように構成されたプラットフォームを備えることが好ましい。
このように、栽培ベンチの下方に果実収穫装置を設置することにより、通路裏側に多く存在する色づいた果実に接近しやすくなり作業効率が向上し、且つ対象果実とマニピュレータとの距離が近づくことから、把持ハンドを接近させる際に他の果実に触れることを防止できる。
【００１３】
また、前記プラットフォームは、前記栽培ベンチの下方に敷設された下部レールが複数並列配置されているとともに、複数の前記下部レール間を連結する架橋レールが設けられていることが好ましい。
このように、下部レールと架橋レールとにより果実収穫装置が果実栽培施設をＸＹ方向に移動可能とすることで、遠隔操作等で人手を介さずに施設内の果実を収穫することが可能となり、作業効率の向上が図れる。
【００１４】
さらに、前記把持ハンドは、前記アーム機構の屈曲方向の両側にそれぞれ一対設けられていることが好ましく、これによりアームを左右に駆動させることで栽培ベンチの左右両側の果実を収穫することが可能となり、より一層作業効率を向上させることができる。
【００１５】
さらにまた、前記支柱に設けられ前記果実との距離を検出するステレオカメラと、前記把持ハンドに設けられ前記果実の垂直方向及び水平方向の位置を検出するカメラとを備えることが好ましい。
本構成では、最初にステレオカメラで把持ハンドと果実との距離を含む大まかな果実の位置を検出しておき、この検出位置に基づきマニピュレータを接近させ、把持ハンドに設けられたカメラで垂直方向及び水平方向の正確な位置を検出することで、果実の位置を効率的に且つ精度良く検出することができ、これにより他の果実を傷つけることなく把持ハンドを果実に接近させることが可能となる。
また、前記ステレオカメラ及び前記位置検出カメラは、前記アーム機構の屈曲方向の両側にそれぞれ一対設けられていることが好ましく、これにより、アーム機構が、屈曲方向のいずれの側の果実を収穫する場合においても果実の位置を正確に検出することが可能となる。
【発明の効果】
【００１６】
以上記載のように本発明によれば、アーム機構の軸構成を鉛直方向のみに３自由度で屈曲する構成とし、アーム部が水平方向に屈曲しないようにしたため、近隣の果実にアーム部や把持ハンドが接触することなく把持ハンドを収穫対象である果実に接近させることができる。これにより果実を傷めずに高品質な状態で収穫することが可能となる。
さらに、アーム機構の鉛直方向の屈曲動作は水平方向の屈曲動作よりも時間が短いため、収穫時間を短縮化でき、作業効率の向上が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】（Ａ）は本発明の実施形態に係る果実収穫装置の全体構成を示す斜視図で、（Ｂ）はマニピュレータの拡大図である。
【図２】栽培ベンチの左右両側の果実を収穫する場合のマニピュレータの動作を説明する図である。
【図３】把持ハンドの具体的構成を示す図であり、（Ａ）は把持ハンドの斜視図で、（Ｂ）は（Ａ）をＣ方向から見た把持ハンドの平面図である。
【図４】把持ハンドの動作を説明する模式図である。
【図５】架台の斜視図である。
【図６】プラットフォームの平面図である。
【図７】図６のＤ部分の拡大斜視図である。
【図８】果実収穫装置のシステム構成を示すブロック図である。
【図９】果実収穫装置による収穫作業を説明するフローチャートである。
【図１０】果実収穫装置の具体的な動作を説明する図（前半）である。
【図１１】果実収穫装置の具体的な動作を説明する図（後半）である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
【００１９】
本発明の実施形態に係る果実収穫装置は、栽培空間に複数の対象果実が吊下している果実の収穫を行なう装置であり、収穫対象果実としては、例えば、イチゴ、トマト、ぶどう、さくらんぼ等が挙げられる。さらに、本発明の実施形態に係る果実収穫装置は、高設栽培される果実の収穫に特に適している。
以下に示す実施形態では、果実収穫装置をイチゴの高設栽培に適用した場合を例に挙げて説明しているが、対象果実及び栽培方式はこれに限定されるものではない。
【００２０】
最初に、図１を参照して、本発明の実施形態に係る果実収穫装置の全体構成を説明する。図１（Ａ）は本発明の実施形態に係る果実収穫装置の全体構成を示す斜視図で、（Ｂ）はマニピュレータの拡大図である。
同図には、果実収穫装置１が設置されたイチゴの高設栽培施設１００の一部が示されている。この高設栽培施設１００には、土耕栽培又は水耕栽培によるイチゴの結実時に、イチゴ１１１が垂れ下がるように栽培するための栽培ベッド１０１と、栽培ベッド１０１を所定高さで支持する複数の脚（図示略）とが設けられている。この栽培ベッド１０１は上部から吊下してもよい。なお、本実施形態では、栽培ベッド１０１の長手方向をＹ軸方向、短手方向をＸ軸方向、これらＸ軸及びＹ軸に垂直な方向をＺ軸方向として説明する。
【００２１】
本発明の実施形態に係る果実収穫装置１は、栽培ベンチ１０１の下方空間に設置される。果実収穫装置１は、地面上にＹ軸方向に延設された架台３０と、架台３０上に設置されたマニピュレータ２と、ステレオカメラ２１及びカメラ２２とを備える。架台３０の構成については後述する。
前記マニピュレータ２は、支柱基部３ａから鉛直方向（Ｚ軸方向）に延設された支柱３と、支柱３上部に取り付けられたアーム機構と、アーム機構の先端に取り付けられた把持ハンド１０とを有する。
【００２２】
前記アーム機構は、第１のアーム部５と第２のアーム部７と第３のアーム部９とを有し、鉛直面内で駆動する３軸（３自由度）のアーム機構となっている。
前記第１のアーム部５は、直線状に形成され、第１の軸４を介して支柱３に取り付けられている。該第１のアーム部５は、第１の軸４を中心に鉛直面内で屈曲動作するように構成されている。好適には、第１のアーム部５は、支柱３の頂部に取り付けられ、支柱３を中心に最大屈曲角が±１００°旋回するように構成されているとよい。
【００２３】
前記第２のアーム部７は、直線状に形成され、第２の軸６を介して第１のアーム部５に取り付けられている。該第２のアーム部７は、第２の軸６を中心に鉛直面内で屈曲動作するように構成されている。なお、第１の軸４と第２の軸６とは、第１のアーム部５の両端部にそれぞれ設けられていることが好ましい。
前記第３のアーム部９は、直線状に形成され、第３の軸８を介して第２のアーム部７に取り付けられている。該第３のアーム部９は、第３の軸８を中心に鉛直面内で屈曲動作するように構成されている。なお、第２の軸６と第３の軸８とは、第２のアーム部７の両端部にそれぞれ設けられていることが好ましい。また、第３のアーム部９の先端には、把持ハンド１０が設けられている。把持ハンド１０については後述する。
【００２４】
上記した各アーム部を有するアーム機構では、第３のアーム部９の先端に取り付けられた把持ハンド１０がイチゴ１１１収穫に適した角度となるように該第３のアーム部９が駆動されるとともに、把持ハンド１０と収穫対象イチゴ１１１との高さ方向及び奥行き方向の位置を合わせるように第１のアーム部５及び第２のアーム部７が駆動されるようになっている。なお、第３のアーム部９の果実収穫に適した角度とは、把持ハンド１０でイチゴ１１１を把持するのに最適な第３のアーム部９の角度をいい、好適には水平とする。また、前記奥行き方向とは、アーム機構が駆動する鉛直面内における水平方向であり、すなわちＸ方向をいう。
【００２５】
このように、アーム機構の軸構成を鉛直方向のみに３自由度で屈曲する構成とし、アーム部５、７、９が水平方向に屈曲しないようにしたため、近隣のイチゴにアーム部５、７、９や把持ハンド１０が接触することなく把持ハンド１０を収穫対象であるイチゴ１１１に接近させることができる。これによりイチゴ１１１を傷めずに高品質な状態で収穫することが可能となる。
さらに、アーム機構の鉛直方向の屈曲動作は水平方向の屈曲動作よりも時間が短いため、収穫時間を短縮化でき、作業効率の向上が可能となる。
【００２６】
前記ステレオカメラ２１は、支柱３の上部に設置され、主に収穫対象イチゴ１１１までの距離（Ｘ軸方向）を検出する。もちろん、ステレオカメラ２１は、垂直方向（Ｚ軸方向）及び水平方向（Ｙ軸方向）における収穫対象イチゴ１１１の大まかな位置も検出できる。また、ステレオカメラ２１は、アーム屈曲方向の両側の栽培ベッド１０１に向けて一対ずつ配置することが好ましい。
前記カメラ２２は、把持ハンド１０に取り付けられ、該把持ハンド１０がイチゴ１１１に近接した時に、垂直方向（Ｚ軸方向）及び水平方向（Ｙ軸方向）における収穫対象イチゴ１１１の正確な位置を検出する。また、カメラ２２も前記ステレオカメラ２１と同様に、アーム屈曲方向の両側の栽培ベッド１０１に向けて一対ずつ配置することが好ましい。
このようなカメラ構成により、最初にステレオカメラ２１で把持ハンド１０とイチゴ１１１との距離を含む大まかなイチゴ１１１の位置を検出しておき、この検出位置に基づきマニピュレータ２を接近させ、把持ハンド１０に設けられたカメラ２２で垂直方向及び水平方向の正確な位置を検出することで、イチゴ１１１の位置を効率的に且つ精度良く検出することができ、これにより他のイチゴを傷つけることなく把持ハンド１０をイチゴ１１１に接近させることが可能となる。
また、ステレオカメラ２１及びカメラ２２が、アーム機構の屈曲方向の両側にそれぞれ一対設けられていることにより、アーム機構が、屈曲方向のいずれの側のイチゴ１１１を収穫する場合においてもイチゴ１１１の位置を正確に検出することが可能となる。
【００２７】
次に、図２乃至図４を参照して、マニピュレータ１０の動作を説明する。
図２は、栽培ベンチの左右両側に吊下する果実を収穫する場合のマニピュレータの動作を説明する図である。
図２（Ａ）に示すように、果実収穫装置１は、先に栽培ベンチ１０１の一側（図面では左側）のイチゴ１１１ａに対して把持ハンド１０Ａを接近させるために、第１の軸４を介して第１のアーム部５を鉛直面内で屈曲させるとともに、第２の軸６を介して第２のアーム部７を鉛直面内で屈曲させて、把持ハンド１０Ａを図中矢印の方向に鉛直方向に旋回させる。このとき、第３の軸８を介して第３のアーム部９を屈曲させ、把持ハンド１０Ａを水平に維持する。
把持ハンド１０Ａが収穫対象イチゴ１１１ａに接近したら、該把持ハンド１０Ａによりイチゴ上方の茎（果柄）を掴み、その上部を切断してイチゴ１１１ａを把持する。再度各アーム部５、７、９を駆動させて、把持したイチゴ１１１ａをマニピュレータ２の左右に配置されたトレイ５０に置く。
【００２８】
次いで、栽培ベンチ１０１の他側（図面では右側）の収穫対象イチゴ１１１ｂに対して、先ほどと反対側の把持ハンド１０Ｂを接近させるために、上記と同様に第１のアーム部５、第２のアーム部７、第３のアーム部９を駆動させ、把持ハンド１０Ｂを図中矢印の方向に鉛直方向に旋回させる。
把持ハンド１０Ｂが収穫対象イチゴ１１１ｂに接近したら、該把持ハンド１０Ｂによりイチゴ上方の茎（果柄）を掴み、その上部を切断してイチゴ１１１ｂを把持する。再度各アーム部５、７、９を駆動させて、把持したイチゴ１１１ｂをマニピュレータ２の左右に配置されたトレイ５０に置く。
【００２９】
上記したように、果実収穫装置１は、栽培ベンチ１１の左右両側に延出する一対の把持ハンド１０Ａ、１０Ｂを備えていることが好ましく、これによりマニピュレータ２自体の向きを変えることなく、アーム機構を左右に駆動させるのみで栽培ベンチ１０１の左右両側のイチゴ１１１ａ、１１１ｂを収穫することが可能となり、より一層作業効率を向上させることができる。
【００３０】
ここで、把持ハンド１０の詳細な構成を説明する。図３は把持ハンドの具体的構成を示す図であり、（Ａ）は把持ハンドの斜視図で、（Ｂ）は（Ａ）をＣ方向から見た把持ハンドの平面図である。なお、図３に示す把持ハンドの構成は一例であり、この構成に限定されるものではない。
把持ハンド１０は、連結部１１と、モータ１２と、第１爪部１４と、第２爪部１５と、平行リンク機構１６とを有している。なお、本実施形態では、把持ハンド１０はイチゴの茎の切断と把持の両方の機能を有する。
【００３１】
前記連結部１１は、把持ハンド１０を第３のアーム部９に連結するための部位であり、さらに該連結部１１は、第３のアーム部９に対して把持ハンド１０を着脱自在に連結する構成であることが好ましい。
前記モータ１２は、平行リンク機構１６を駆動させて、第１爪部１４及び第２爪部１５の少なくとも一方を移動させ、第１爪部１４と第２爪部を開閉する。
【００３２】
前記第１の爪部１４と前記第２爪部１５は平行に配置され、平行リンク機構１６により互いに平行な状態を維持したまま開閉するようになっている。
前記第１爪部１４は、内側（第２の爪部側）にカミソリ片刃等の刃１７が取り付けられており、さらに刃１７の裏側にゴム状体１８が貼着されている。なお、刃１７及びゴム状体１８はいずれも交換可能であることが好ましい。また、刃１７の裏側にゴム状体１８を貼着しているため、果柄切断時に可動側爪部をさらに押し込むことで果柄を確実に切断できるとともに、第２の爪部１５で果柄をゴム状体１８に押圧した状態で該果柄を把持することができ、イチゴ１１１をトレイ５０に移動させるようになっている。
【００３３】
また、第１爪部１４の先端は、内側に向けて傾斜したテーパ部１９が形成されている。さらに好適には、第２爪部１５の先端は、外側に向けて傾斜したテーパ状とする。このようにテーパ部１９を設けることで、画像処理により算出した把持位置が、実際の収穫対象イチゴ１１１の位置から横方向に多少外れてしまっても、イチゴ１１１を確実に刃１７へ誘導することが可能で、さらに第１爪部１４の先端（及び第２爪部１５の先端）を細くできることから、群生しているイチゴ１１１の隙間を縫って目標果柄に接近することが可能となる。
さらにまた、第１爪部１４は、刃１７より基部側にストッパ２０が設けられている。このようにストッパ２０を設けることにより、把持ハンド１０が目標位置より多少突っ込んでしまっても果柄を刃１７の位置にとどめることができる。
【００３４】
図４は把持ハンドの動作を説明する模式図である。
上記した構成を備える把持ハンド１０では、図４（Ａ）に示すように、まず第２のアーム部７を駆動して片側の把持ハンド１０Ａをイチゴ１１１に接近させる。このとき、第３のアーム部９を、把持ハンド１０Ａによるイチゴ収穫に最適な角度となるように、好適には水平に維持する。このとき第１爪部１４と第２爪部１５とを開いた状態としておく。そして、図４（Ｂ）に示すように、イチゴ１１１の果柄が把持ハンド１０Ａの第１爪部１４と第２爪部１５の間にきたら第１、第２アーム部の駆動を停止する。このとき、図３に示すように、第１アーム部１４のテーパ部１９に収穫対象イチゴ１１１の茎を押し当てることによってテーパ部１９を滑らせて第１爪部１４と第２爪部１５の間にイチゴ１１１の果柄を入り込ませ、ストッパ２０で果柄を刃１７の位置に固定することが好ましい。次いで、図４（Ｃ）に示すように、平行リンク機構１６（図３参照）を駆動させて第２爪部１５を閉じる側へ動かし、刃１７で果柄を切断する。このようにして果柄を切断したイチゴ１１１を、図４（Ｄ）に示すように、第１の爪部１４のゴム状体１８（図３参照）と第２の爪部１５とで把持し、トレイ５０まで移送する。
【００３５】
図５は架台の斜視図である。
果実収穫装置１は、支柱３をアーム機構の屈曲方向に直交する方向へスライド移動させる架台レール３２が設けられた架台３０を備えている。
架台３０は、栽培ベンチ１０１の長手方向（Ｙ軸方向）に平行に設置される。架台３０上には、Ｙ軸方向に所定長さの架台レール３２が設けられており、移動テーブル２５は架台３０上を架台レール３２に沿って移動可能となっている。
【００３６】
このように、架台３０によりマニピュレータ２をアーム機構の屈曲方向と直交する方向へスライド移動させることで、マニピュレータ２とイチゴ１１１との横方向の位置合わせをすることができ、精度良く把持ハンド１０を収穫対象イチゴ１１１に接近させることが可能となる。
【００３７】
図６はプラットフォームの一例を示す平面図で、図７は図６のＤ部分の拡大斜視図である。
上記した架台３０は、高設栽培施設１００内をＸＹ方向に移動可能なプラットフォーム４０上を移動する構成となっている。
プラットフォーム４０は、主として栽培ベンチ１０１の下方に設置された下部レール４１と、栽培ベンチ１０１間を連結する架橋レール４２とを有している。
【００３８】
ここでは一例として、架橋レール４２が、複数の下部レール４１に架け渡されたメインフレーム４３上に形成された構成を示している。メインフレーム４２は、栽培ベンチ１０１の延設方向に直交する方向（Ｘ方向）に配置され、駆動制御部４５により栽培ベンチ１０１の延設方向（Ｙ方向）に下部レール４１上をスライド移動するようになっている。
【００３９】
架台３０は、メインフレーム４２上をＸ方向に移動して、対象とする果実列の栽培ベンチ１０１の下で停止し、イチゴ１１１の収穫作業を行なう。架台３０上で収穫適期果を収穫し終えたらメインフレーム４２をＹ方向に所定距離移動させて、再度イチゴ１１の収穫作業を行なう。対象とする果実列において全ての収穫適期果を収穫し終えたら、架台３０をメインフレーム４２上でＸ方向に移動させて隣の果実列の収穫作業を行なう。
【００４０】
このように、栽培ベンチ１０１の下方に果実収穫装置１を設置することにより、通路裏側に多く存在する色づいたイチゴ１１１に接近しやすくなり作業効率が向上し、且つ対象イチゴ１１１とマニピュレータ２との距離が近づくことから、把持ハンド１０を接近させる際に他のイチゴに触れることを防止できる。
さらにまた、下部レール４１と架橋レール４２とにより果実収穫装置１が果実栽培施設１００をＸＹ方向に移動可能とすることで、遠隔操作等で人手を介さずに施設内のイチゴを収穫することが可能となり、作業効率の向上が図れる。
【００４１】
図８は本実施形態に係る果実収穫装置のシステム構成を示すブロック図である。
果実収穫装置１は、架台３０上に設置されたマニピュレータ用制御手段５１と、第１の軸４を駆動するためのモータドライバ５２と、第２の軸６を駆動するためのモータドライバ５３と、第３の軸８を駆動するためのモータドライバ５４と、把持ハンド１０を開閉駆動するためのモータドライバ５５とを有している。
【００４２】
マニピュレータ用制御手段５１は、遠隔に設置された遠隔制御手段６０からの制御信号を、無線ＬＡＮ手段６１を介して受信し、これに応じて各駆動機構を制御する。この制御信号を受けて、イチゴ１１１の収穫を実施する場合には、最初に支柱３に設けられたステレオカメラ２１からの信号が制御手段５１に入力されてイチゴ１１１の大まかな位置を検出し、これに基づきモータドライバ５１〜５３により第１のアーム部５、第２のアーム部７、第３のアーム部９を駆動させる。次いで、把持ハンド１０に設けられたカメラ（ハンドアイカメラ）２２からの信号が制御手段５１に入力され、イチゴ１１１の正確な位置が検出され、これに基づいて第３のアーム部９をイチゴ１１１に接近させ、モータドライバ５５により把持ハンド１０を閉じてイチゴ１１１の果柄を切断、把持する。
【００４３】
また、把持ハンド１０には、光ファイバセンサ２３等の物体検出センサが設けられていることが好ましく、イチゴ１１１の果柄を切断した後に、確実にイチゴ１１１が把持されているか否かを光センサ２３で判断し、把持されている場合にのみトレイ５０にイチゴを移送するとよい。これにより、イチゴが把持されていない場合に、トレイ５０までアーム機構を駆動する時間が短縮でき、作業効率の向上が図れる。
さらに、移動制御手段６４からの信号に基づいて、モーション制御手段６３により架台３０上でのマニピュレータ２の移動を制御するようにしてもよい。さらにまた、ＸＹ移動プラットフォーム制御ユニット６２からの信号に基づいて、モーション制御手段６３により架台３０のプラットフォーム４０上での移動を制御するようにしてもよい。
【００４４】
図９乃至図１１を参照して、本発明の実施形態に係る果実収穫装置の処理フローを説明する。図９は果実収穫装置による収穫作業を説明するフローチャートで、図１０及び図１１は果実収穫装置の具体的な動作を説明する図である。
収穫作業が開始されたら、まずマニピュレータ２が架台３０上を架台レール３１に沿ってホームポジションに移動する。ホームポジションは予め設定されているもので、例えば架台レール３１の端部である。
【００４５】
次に、栽培ベンチ１０１の片列側のステレオカメラ２１により収穫時期のイチゴ１１１を検出する。さらに反対列側のステレオカメラ２１により収穫時期のイチゴ１１１を検出する。マニピュレータ用制御手段５１により収穫時期のイチゴ１１１があるか否かを判断する。これは、例えば、ステレオカメラ２１の撮像画像を画像処理し、画像中のイチゴが赤く色づいた面積の割合等により収穫時期を判断してもよい。
【００４６】
収穫時期のイチゴが画像中に存在しない場合には、プラットフォーム４０上で下部レール４１に沿って架台３０を移動させる。このとき、収穫列の終点まで到達したか否かを判断し、到達していない場合には、マニピュレータ２がホームポジションまで移動して先ほどと同様に収穫時期のイチゴを探す。収穫列の終点まで到達した場合には、収穫作業を終了する。
一方、ステレオカメラ２１の撮像画像に基づいて収穫時期のイチゴ１１１があると判断された場合には、画像から検出したイチゴの収穫順番を決定する。これは、予め設定された規則に基づいて決定することが好ましく、この規則は、例えばイチゴの位置から順番を算出する。
【００４７】
ここで算出された順番に基づいて、図１０（Ａ）のように、最も順番が早い収穫対象イチゴ１１１の前方まで架台３０上でマニピュレータ２を移動する。
そして、図１０（Ｂ）のように、把持ハンド１０に内蔵されたカメラ２２で、収穫対象イチゴ１１１の切断・把持位置を検出し、把持動作に入る。図１０（Ｃ）のように、把持ハンド１０を開き、第１爪部１４先端のテーパ部１９をイチゴの果柄に接近させ、テーパ部１９に果柄を押し付けて第１爪部１４と第２爪部１５の間に茎を滑り込ませる。ストッパ２０に果柄が当接した状態で、刃１４により茎を切断し、把持機構で果柄を把持する。
【００４８】
把持ハンド１０が果実列から離れたら、把持ハンド１０内に内蔵された光ファイバセンサ２３がイチゴ１１１に反応したか否かを判断し、反応している場合には確実にイチゴ１１１が把持されていることが確認できるため、図１０（Ｄ）のように収穫したイチゴ１１１をトレイ５０に置く。光ファイバセンサ２３が反応していない場合には、果柄を切断できなかったか又はイチゴが落下してしまったため、イチゴを把持していないことが確認できるため、次の未収穫イチゴを探索する。
同様に、図１１（Ｅ）のように反対列の収穫対象イチゴ１１１もステレオカメラ２１により検出し、図１１（Ｆ）のように検出したイチゴ１１１の果柄を把持ハンド１０で切断し、把持機構で把持し、図１１（Ｇ）のように収穫したイチゴ１１１をトレイ５０に置く。
【００４９】
未収穫イチゴがあるか否かを判断し、未収穫イチゴがある場合には、上記したようにマニピュレータ２を未収穫イチゴの前方に移動させる。未収穫イチゴがない場合には、図１１（Ｈ）のようにプラットフォーム４０上で架台３０を移動させて次のイチゴの収穫を行なう。そして、収穫列の終点まで到達したら収穫作業を終了する。
【符号の説明】
【００５０】
１ 果実収穫装置
２ マニピュレータ
３ 支柱
４ 第１の軸
５ 第１のアーム部
６ 第２の軸
７ 第２のアーム部
８ 第３の軸
９ 第３のアーム部
１０ 把持ハンド
２１ ステレオカメラ
２２ ＣＣＤカメラ
３０ 架台
３１ レール
４０ プラットフォーム
４１、４２ レール
１００ 高設栽培施設
１０１ 栽培ベンチ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アーム機構の先端に設けられた把持ハンドで果実を把持して収穫する果実収穫装置に関し、特に、イチゴ、トマト、ぶどう又はさくらんぼ等の果実の収穫に用いられる果実収穫装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、イチゴ、トマト、ぶどう又はさくらんぼ等の果実の収穫においては、果実を傷めないために人手による収穫が主であった。しかし近年、農業における労働力不足に加えて、果実の収穫は過酷な作業環境下で長時間労働を強いられることから、作業効率の向上、労働負荷の軽減を目的として収穫作業の機械化に対する要望が高まってきている。
【０００３】
このような要望を受けて、画像処理技術やマニピュレーション制御技術などといったロボット技術を活用して、果実収穫装置が開発、実用化されている。特に、高設栽培施設での運用を想定した収穫装置が多く開発されている。これは、高設栽培は果実の自重で栽培ベンチ下に果実が自然と垂れ下がり、密生する葉から果実が露出する確率が高くなって、画像処理技術で果実とその他の物体とが識別しやすくなるためである。具体的に果実収穫装置は、主に、果実の位置を検出する画像処理部と、画像処理部で検出された位置に合わせてアームにより把持ハンドを接近させ、把持ハンドで果実を把持、収穫して搬送トレイへ置くマニピュレータとで構成されていることが多い。
【０００４】
このような果実収穫装置として、例えば特許文献１（特開２００８−２０６４３８号公報）には、果実群の下方と正面から果実をそれぞれ撮像する撮像装置を備え、これらの撮像装置で撮像した画像から果実の三次元位置を特定し、この位置に合わせてマニピュレータを作動させて果実を収穫する構成が開示されている。さらにこのマニピュレータは、果実群に向かって左右に並列配置されており、果実との距離に合わせて水平旋回して果実を把持するようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２０６４３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、果実収穫装置で果実を収穫する場合、果実に直接触れると果実が傷んで品質が低下してしまうため、従来の果実収穫装置では品質を低下させずに効率よく果実を収穫することが課題とされていた。
特許文献１に開示される装置は、果実群の下方と正面から果実をそれぞれ撮像することで果実の位置検出精度を向上させているが、位置を正確に把握できても、把持ハンドを接近させる際にアームや把持ハンドが他の果実に触れてしまう可能性があるため、確実に高品質の果実を収穫することは困難であった。
【０００７】
また、高設栽培施設においては、収穫時期の色づいた果実は通路側から見て全体又は一部が白い未熟果の下に隠れていることが多いが、従来の果実収穫装置は通路を移動する構成であったため、収穫適期果を見逃したり、未熟果を巻き込んで収穫を失敗したり、さらにマニピュレータの姿勢によっては収穫適期果の近隣に干渉して未収穫の果実を傷つけることがあった。特許文献１においても、通路に装置を設置し、通路裏側へ横方向からアームを旋回させて果実を収穫する構成が記載されており、この構成ではアームの構造上、近隣の未収穫の果実に衝突する危険性が非常に高い。
【０００８】
さらにまた、アームを水平方向に旋回駆動させて果実に接近するマニピュレータは、旋回に時間がかかり作業効率が低下してしまうという問題も有していた。
したがって、本発明はかかる従来技術の問題に鑑み、作業効率が高く且つ果実を傷めずに収穫可能な果実収穫装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するために、本発明に係る果実収穫装置は、栽培空間に複数の対象果実が吊下している果実の収穫装置において、前記収穫装置は、鉛直方向に延設された支柱にアーム機構が取り付けられ、前記アーム機構の先端に設けられた把持ハンドで果実を把持して収穫するマニピュレータを備えており、前記アーム機構は、前記支柱に第１の軸を介して取り付けられ鉛直面内で屈曲する第１のアーム部と、前記第１のアーム部に第２の軸を介して取り付けられ鉛直面内で屈曲する第２のアーム部と、前記第２のアーム部に第３の軸を介して取り付けられ鉛直面内で屈曲する第３のアーム部とを有する３軸のアーム機構であり、前記第３のアーム部の先端に取り付けられた前記把持ハンドが果実収穫に適した角度となるように該第３のアーム部が駆動されるとともに、前記把持ハンドと前記果実との高さ方向及び奥行き方向の位置を合わせるように前記第１のアーム部及び前記第２のアーム部が駆動されることを特徴とする。なお、果実収穫に適した角度とは、把持ハンドで果実を把持するのに最適な第３のアーム部の角度をいい、好適には水平とする。
【００１０】
本発明によれば、アーム機構の軸構成を鉛直方向のみに３自由度で屈曲する構成とし、アーム部が水平方向に屈曲しないようにしたため、近隣の果実にアーム部や把持ハンドが接触することなく把持ハンドを収穫対象である果実に接近させることができる。これにより果実を傷めずに高品質な状態で収穫することが可能となる。これは、栽培空間に吊下する果実は、鉛直方向に重なり合うことは少なく、横方向に果実が並ぶ状態であることが多い。したがって、鉛直方向からマニピュレータを対象果実に接近させることで、他の果実への接触を防ぐことが可能となる。
さらに、アーム機構の鉛直方向の屈曲動作は水平方向の屈曲動作よりも時間が短いため、収穫時間を短縮化でき、作業効率の向上が可能となる。
【００１１】
また、前記支柱が載置されるとともに、該支柱を前記アーム機構の屈曲方向と直交する方向へスライド移動させる架台レールが設けられた架台を備えることが好ましい。
このように、架台レールによりマニピュレータをアームの屈曲方向と直交する方向へスライド移動させることで、マニピュレータと対象果実との横方向の位置合わせを可能とし、精度良く把持ハンドを対象果実に接近させることが可能となる。
【００１２】
さらに、高設栽培の栽培ベンチ上に前記果実の株が載置された果実栽培施設に用いられる果実収穫装置であって、前記栽培ベンチの下方に、該栽培ベンチの延設方向に沿って敷設された下部レールを有し、該下部レール上を前記架台が走行するように構成されたプラットフォームを備えることが好ましい。
このように、栽培ベンチの下方に果実収穫装置を設置することにより、通路裏側に多く存在する色づいた果実に接近しやすくなり作業効率が向上し、且つ対象果実とマニピュレータとの距離が近づくことから、把持ハンドを接近させる際に他の果実に触れることを防止できる。
【００１３】
また、前記プラットフォームは、前記栽培ベンチの下方に敷設された下部レールが複数並列配置されているとともに、複数の前記下部レール間を連結する架橋レールが設けられていることが好ましい。
このように、下部レールと架橋レールとにより果実収穫装置が果実栽培施設をＸＹ方向に移動可能とすることで、遠隔操作等で人手を介さずに施設内の果実を収穫することが可能となり、作業効率の向上が図れる。
【００１４】
さらに、前記把持ハンドは、前記アーム機構の屈曲方向の両側にそれぞれ一対設けられていることが好ましく、これによりアームを左右に駆動させることで栽培ベンチの左右両側の果実を収穫することが可能となり、より一層作業効率を向上させることができる。
【００１５】
さらにまた、前記支柱に設けられ前記果実との距離を検出するステレオカメラと、前記把持ハンドに設けられ前記果実の垂直方向及び水平方向の位置を検出するカメラとを備えることが好ましい。
本構成では、最初にステレオカメラで把持ハンドと果実との距離を含む大まかな果実の位置を検出しておき、この検出位置に基づきマニピュレータを接近させ、把持ハンドに設けられたカメラで垂直方向及び水平方向の正確な位置を検出することで、果実の位置を効率的に且つ精度良く検出することができ、これにより他の果実を傷つけることなく把持ハンドを果実に接近させることが可能となる。
また、前記ステレオカメラ及び前記位置検出カメラは、前記アーム機構の屈曲方向の両側にそれぞれ一対設けられていることが好ましく、これにより、アーム機構が、屈曲方向のいずれの側の果実を収穫する場合においても果実の位置を正確に検出することが可能となる。
【発明の効果】
【００１６】
以上記載のように本発明によれば、アーム機構の軸構成を鉛直方向のみに３自由度で屈曲する構成とし、アーム部が水平方向に屈曲しないようにしたため、近隣の果実にアーム部や把持ハンドが接触することなく把持ハンドを収穫対象である果実に接近させることができる。これにより果実を傷めずに高品質な状態で収穫することが可能となる。
さらに、アーム機構の鉛直方向の屈曲動作は水平方向の屈曲動作よりも時間が短いため、収穫時間を短縮化でき、作業効率の向上が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】（Ａ）は本発明の実施形態に係る果実収穫装置の全体構成を示す斜視図で、（Ｂ）はマニピュレータの拡大図である。
【図２】栽培ベンチの左右両側の果実を収穫する場合のマニピュレータの動作を説明する図である。
【図３】把持ハンドの具体的構成を示す図であり、（Ａ）は把持ハンドの斜視図で、（Ｂ）は（Ａ）をＣ方向から見た把持ハンドの平面図である。
【図４】把持ハンドの動作を説明する模式図である。
【図５】架台の斜視図である。
【図６】プラットフォームの平面図である。
【図７】図６のＤ部分の拡大斜視図である。
【図８】果実収穫装置のシステム構成を示すブロック図である。
【図９】果実収穫装置による収穫作業を説明するフローチャートである。
【図１０】果実収穫装置の具体的な動作を説明する図（前半）である。
【図１１】果実収穫装置の具体的な動作を説明する図（後半）である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
【００１９】
本発明の実施形態に係る果実収穫装置は、栽培空間に複数の対象果実が吊下している果実の収穫を行なう装置であり、収穫対象果実としては、例えば、イチゴ、トマト、ぶどう、さくらんぼ等が挙げられる。さらに、本発明の実施形態に係る果実収穫装置は、高設栽培される果実の収穫に特に適している。
以下に示す実施形態では、果実収穫装置をイチゴの高設栽培に適用した場合を例に挙げて説明しているが、対象果実及び栽培方式はこれに限定されるものではない。
【００２０】
最初に、図１を参照して、本発明の実施形態に係る果実収穫装置の全体構成を説明する。図１（Ａ）は本発明の実施形態に係る果実収穫装置の全体構成を示す斜視図で、（Ｂ）はマニピュレータの拡大図である。
同図には、果実収穫装置１が設置されたイチゴの高設栽培施設１００の一部が示されている。この高設栽培施設１００には、土耕栽培又は水耕栽培によるイチゴの結実時に、イチゴ１１１が垂れ下がるように栽培するための栽培ベッド１０１と、栽培ベッド１０１を所定高さで支持する複数の脚（図示略）とが設けられている。この栽培ベッド１０１は上部から吊下してもよい。なお、本実施形態では、栽培ベッド１０１の長手方向をＹ軸方向、短手方向をＸ軸方向、これらＸ軸及びＹ軸に垂直な方向をＺ軸方向として説明する。
【００２１】
本発明の実施形態に係る果実収穫装置１は、栽培ベンチ１０１の下方空間に設置される。果実収穫装置１は、地面上にＹ軸方向に延設された架台３０と、架台３０上に設置されたマニピュレータ２と、ステレオカメラ２１及びカメラ２２とを備える。架台３０の構成については後述する。
前記マニピュレータ２は、支柱基部３ａから鉛直方向（Ｚ軸方向）に延設された支柱３と、支柱３上部に取り付けられたアーム機構と、アーム機構の先端に取り付けられた把持ハンド１０とを有する。
【００２２】
前記アーム機構は、第１のアーム部５と第２のアーム部７と第３のアーム部９とを有し、鉛直面内で駆動する３軸（３自由度）のアーム機構となっている。
前記第１のアーム部５は、直線状に形成され、第１の軸４を介して支柱３に取り付けられている。該第１のアーム部５は、第１の軸４を中心に鉛直面内で屈曲動作するように構成されている。好適には、第１のアーム部５は、支柱３の頂部に取り付けられ、支柱３を中心に最大屈曲角が±１００°旋回するように構成されているとよい。
【００２３】
前記第２のアーム部７は、直線状に形成され、第２の軸６を介して第１のアーム部５に取り付けられている。該第２のアーム部７は、第２の軸６を中心に鉛直面内で屈曲動作するように構成されている。なお、第１の軸４と第２の軸６とは、第１のアーム部５の両端部にそれぞれ設けられていることが好ましい。
前記第３のアーム部９は、直線状に形成され、第３の軸８を介して第２のアーム部７に取り付けられている。該第３のアーム部９は、第３の軸８を中心に鉛直面内で屈曲動作するように構成されている。なお、第２の軸６と第３の軸８とは、第２のアーム部７の両端部にそれぞれ設けられていることが好ましい。また、第３のアーム部９の先端には、把持ハンド１０が設けられている。把持ハンド１０については後述する。
【００２４】
上記した各アーム部を有するアーム機構では、第３のアーム部９の先端に取り付けられた把持ハンド１０がイチゴ１１１収穫に適した角度となるように該第３のアーム部９が駆動されるとともに、把持ハンド１０と収穫対象イチゴ１１１との高さ方向及び奥行き方向の位置を合わせるように第１のアーム部５及び第２のアーム部７が駆動されるようになっている。なお、第３のアーム部９の果実収穫に適した角度とは、把持ハンド１０でイチゴ１１１を把持するのに最適な第３のアーム部９の角度をいい、好適には水平とする。また、前記奥行き方向とは、アーム機構が駆動する鉛直面内における水平方向であり、すなわちＸ方向をいう。
【００２５】
このように、アーム機構の軸構成を鉛直方向のみに３自由度で屈曲する構成とし、アーム部５、７、９が水平方向に屈曲しないようにしたため、近隣のイチゴにアーム部５、７、９や把持ハンド１０が接触することなく把持ハンド１０を収穫対象であるイチゴ１１１に接近させることができる。これによりイチゴ１１１を傷めずに高品質な状態で収穫することが可能となる。
さらに、アーム機構の鉛直方向の屈曲動作は水平方向の屈曲動作よりも時間が短いため、収穫時間を短縮化でき、作業効率の向上が可能となる。
【００２６】
前記ステレオカメラ２１は、支柱３の上部に設置され、主に収穫対象イチゴ１１１までの距離（Ｘ軸方向）を検出する。もちろん、ステレオカメラ２１は、垂直方向（Ｚ軸方向）及び水平方向（Ｙ軸方向）における収穫対象イチゴ１１１の大まかな位置も検出できる。また、ステレオカメラ２１は、アーム屈曲方向の両側の栽培ベッド１０１に向けて一対ずつ配置することが好ましい。
前記カメラ２２は、把持ハンド１０に取り付けられ、該把持ハンド１０がイチゴ１１１に近接した時に、垂直方向（Ｚ軸方向）及び水平方向（Ｙ軸方向）における収穫対象イチゴ１１１の正確な位置を検出する。また、カメラ２２も前記ステレオカメラ２１と同様に、アーム屈曲方向の両側の栽培ベッド１０１に向けて一対ずつ配置することが好ましい。
このようなカメラ構成により、最初にステレオカメラ２１で把持ハンド１０とイチゴ１１１との距離を含む大まかなイチゴ１１１の位置を検出しておき、この検出位置に基づきマニピュレータ２を接近させ、把持ハンド１０に設けられたカメラ２２で垂直方向及び水平方向の正確な位置を検出することで、イチゴ１１１の位置を効率的に且つ精度良く検出することができ、これにより他のイチゴを傷つけることなく把持ハンド１０をイチゴ１１１に接近させることが可能となる。
また、ステレオカメラ２１及びカメラ２２が、アーム機構の屈曲方向の両側にそれぞれ一対設けられていることにより、アーム機構が、屈曲方向のいずれの側のイチゴ１１１を収穫する場合においてもイチゴ１１１の位置を正確に検出することが可能となる。
【００２７】
次に、図２乃至図４を参照して、マニピュレータ１０の動作を説明する。
図２は、栽培ベンチの左右両側に吊下する果実を収穫する場合のマニピュレータの動作を説明する図である。
図２（Ａ）に示すように、果実収穫装置１は、先に栽培ベンチ１０１の一側（図面では左側）のイチゴ１１１ａに対して把持ハンド１０Ａを接近させるために、第１の軸４を介して第１のアーム部５を鉛直面内で屈曲させるとともに、第２の軸６を介して第２のアーム部７を鉛直面内で屈曲させて、把持ハンド１０Ａを図中矢印の方向に鉛直方向に旋回させる。このとき、第３の軸８を介して第３のアーム部９を屈曲させ、把持ハンド１０Ａを水平に維持する。
把持ハンド１０Ａが収穫対象イチゴ１１１ａに接近したら、該把持ハンド１０Ａによりイチゴ上方の茎（果柄）を掴み、その上部を切断してイチゴ１１１ａを把持する。再度各アーム部５、７、９を駆動させて、把持したイチゴ１１１ａをマニピュレータ２の左右に配置されたトレイ５０に置く。
【００２８】
次いで、栽培ベンチ１０１の他側（図面では右側）の収穫対象イチゴ１１１ｂに対して、先ほどと反対側の把持ハンド１０Ｂを接近させるために、上記と同様に第１のアーム部５、第２のアーム部７、第３のアーム部９を駆動させ、把持ハンド１０Ｂを図中矢印の方向に鉛直方向に旋回させる。
把持ハンド１０Ｂが収穫対象イチゴ１１１ｂに接近したら、該把持ハンド１０Ｂによりイチゴ上方の茎（果柄）を掴み、その上部を切断してイチゴ１１１ｂを把持する。再度各アーム部５、７、９を駆動させて、把持したイチゴ１１１ｂをマニピュレータ２の左右に配置されたトレイ５０に置く。
【００２９】
上記したように、果実収穫装置１は、栽培ベンチ１１の左右両側に延出する一対の把持ハンド１０Ａ、１０Ｂを備えていることが好ましく、これによりマニピュレータ２自体の向きを変えることなく、アーム機構を左右に駆動させるのみで栽培ベンチ１０１の左右両側のイチゴ１１１ａ、１１１ｂを収穫することが可能となり、より一層作業効率を向上させることができる。
【００３０】
ここで、把持ハンド１０の詳細な構成を説明する。図３は把持ハンドの具体的構成を示す図であり、（Ａ）は把持ハンドの斜視図で、（Ｂ）は（Ａ）をＣ方向から見た把持ハンドの平面図である。なお、図３に示す把持ハンドの構成は一例であり、この構成に限定されるものではない。
把持ハンド１０は、連結部１１と、モータ１２と、第１爪部１４と、第２爪部１５と、平行リンク機構１６とを有している。なお、本実施形態では、把持ハンド１０はイチゴの茎の切断と把持の両方の機能を有する。
【００３１】
前記連結部１１は、把持ハンド１０を第３のアーム部９に連結するための部位であり、さらに該連結部１１は、第３のアーム部９に対して把持ハンド１０を着脱自在に連結する構成であることが好ましい。
前記モータ１２は、平行リンク機構１６を駆動させて、第１爪部１４及び第２爪部１５の少なくとも一方を移動させ、第１爪部１４と第２爪部を開閉する。
【００３２】
前記第１の爪部１４と前記第２爪部１５は平行に配置され、平行リンク機構１６により互いに平行な状態を維持したまま開閉するようになっている。
前記第１爪部１４は、内側（第２の爪部側）にカミソリ片刃等の刃１７が取り付けられており、さらに刃１７の裏側にゴム状体１８が貼着されている。なお、刃１７及びゴム状体１８はいずれも交換可能であることが好ましい。また、刃１７の裏側にゴム状体１８を貼着しているため、果柄切断時に可動側爪部をさらに押し込むことで果柄を確実に切断できるとともに、第２の爪部１５で果柄をゴム状体１８に押圧した状態で該果柄を把持することができ、イチゴ１１１をトレイ５０に移動させるようになっている。
【００３３】
また、第１爪部１４の先端は、内側に向けて傾斜したテーパ部１９が形成されている。さらに好適には、第２爪部１５の先端は、外側に向けて傾斜したテーパ状とする。このようにテーパ部１９を設けることで、画像処理により算出した把持位置が、実際の収穫対象イチゴ１１１の位置から横方向に多少外れてしまっても、イチゴ１１１を確実に刃１７へ誘導することが可能で、さらに第１爪部１４の先端（及び第２爪部１５の先端）を細くできることから、群生しているイチゴ１１１の隙間を縫って目標果柄に接近することが可能となる。
さらにまた、第１爪部１４は、刃１７より基部側にストッパ２０が設けられている。このようにストッパ２０を設けることにより、把持ハンド１０が目標位置より多少突っ込んでしまっても果柄を刃１７の位置にとどめることができる。
【００３４】
図４は把持ハンドの動作を説明する模式図である。
上記した構成を備える把持ハンド１０では、図４（Ａ）に示すように、まず第２のアーム部７を駆動して片側の把持ハンド１０Ａをイチゴ１１１に接近させる。このとき、第３のアーム部９を、把持ハンド１０Ａによるイチゴ収穫に最適な角度となるように、好適には水平に維持する。このとき第１爪部１４と第２爪部１５とを開いた状態としておく。そして、図４（Ｂ）に示すように、イチゴ１１１の果柄が把持ハンド１０Ａの第１爪部１４と第２爪部１５の間にきたら第１、第２アーム部の駆動を停止する。このとき、図３に示すように、第１アーム部１４のテーパ部１９に収穫対象イチゴ１１１の茎を押し当てることによってテーパ部１９を滑らせて第１爪部１４と第２爪部１５の間にイチゴ１１１の果柄を入り込ませ、ストッパ２０で果柄を刃１７の位置に固定することが好ましい。次いで、図４（Ｃ）に示すように、平行リンク機構１６（図３参照）を駆動させて第２爪部１５を閉じる側へ動かし、刃１７で果柄を切断する。このようにして果柄を切断したイチゴ１１１を、図４（Ｄ）に示すように、第１の爪部１４のゴム状体１８（図３参照）と第２の爪部１５とで把持し、トレイ５０まで移送する。
【００３５】
図５は架台の斜視図である。
果実収穫装置１は、支柱３をアーム機構の屈曲方向に直交する方向へスライド移動させる架台レール３２が設けられた架台３０を備えている。
架台３０は、栽培ベンチ１０１の長手方向（Ｙ軸方向）に平行に設置される。架台３０上には、Ｙ軸方向に所定長さの架台レール３２が設けられており、移動テーブル２５は架台３０上を架台レール３２に沿って移動可能となっている。
【００３６】
このように、架台３０によりマニピュレータ２をアーム機構の屈曲方向と直交する方向へスライド移動させることで、マニピュレータ２とイチゴ１１１との横方向の位置合わせをすることができ、精度良く把持ハンド１０を収穫対象イチゴ１１１に接近させることが可能となる。
【００３７】
図６はプラットフォームの一例を示す平面図で、図７は図６のＤ部分の拡大斜視図である。
上記した架台３０は、高設栽培施設１００内をＸＹ方向に移動可能なプラットフォーム４０上を移動する構成となっている。
プラットフォーム４０は、主として栽培ベンチ１０１の下方に設置された下部レール４１と、栽培ベンチ１０１間を連結する架橋レール４２とを有している。
【００３８】
ここでは一例として、架橋レール４２が、複数の下部レール４１に架け渡されたメインフレーム４３上に形成された構成を示している。メインフレーム４２は、栽培ベンチ１０１の延設方向に直交する方向（Ｘ方向）に配置され、駆動制御部４５により栽培ベンチ１０１の延設方向（Ｙ方向）に下部レール４１上をスライド移動するようになっている。
【００３９】
架台３０は、メインフレーム４２上をＸ方向に移動して、対象とする果実列の栽培ベンチ１０１の下で停止し、イチゴ１１１の収穫作業を行なう。架台３０上で収穫適期果を収穫し終えたらメインフレーム４２をＹ方向に所定距離移動させて、再度イチゴ１１の収穫作業を行なう。対象とする果実列において全ての収穫適期果を収穫し終えたら、架台３０をメインフレーム４２上でＸ方向に移動させて隣の果実列の収穫作業を行なう。
【００４０】
このように、栽培ベンチ１０１の下方に果実収穫装置１を設置することにより、通路裏側に多く存在する色づいたイチゴ１１１に接近しやすくなり作業効率が向上し、且つ対象イチゴ１１１とマニピュレータ２との距離が近づくことから、把持ハンド１０を接近させる際に他のイチゴに触れることを防止できる。
さらにまた、下部レール４１と架橋レール４２とにより果実収穫装置１が果実栽培施設１００をＸＹ方向に移動可能とすることで、遠隔操作等で人手を介さずに施設内のイチゴを収穫することが可能となり、作業効率の向上が図れる。
【００４１】
図８は本実施形態に係る果実収穫装置のシステム構成を示すブロック図である。
果実収穫装置１は、架台３０上に設置されたマニピュレータ用制御手段５１と、第１の軸４を駆動するためのモータドライバ５２と、第２の軸６を駆動するためのモータドライバ５３と、第３の軸８を駆動するためのモータドライバ５４と、把持ハンド１０を開閉駆動するためのモータドライバ５５とを有している。
【００４２】
マニピュレータ用制御手段５１は、遠隔に設置された遠隔制御手段６０からの制御信号を、無線ＬＡＮ手段６１を介して受信し、これに応じて各駆動機構を制御する。この制御信号を受けて、イチゴ１１１の収穫を実施する場合には、最初に支柱３に設けられたステレオカメラ２１からの信号が制御手段５１に入力されてイチゴ１１１の大まかな位置を検出し、これに基づきモータドライバ５１〜５３により第１のアーム部５、第２のアーム部７、第３のアーム部９を駆動させる。次いで、把持ハンド１０に設けられたカメラ（ハンドアイカメラ）２２からの信号が制御手段５１に入力され、イチゴ１１１の正確な位置が検出され、これに基づいて第３のアーム部９をイチゴ１１１に接近させ、モータドライバ５５により把持ハンド１０を閉じてイチゴ１１１の果柄を切断、把持する。
【００４３】
また、把持ハンド１０には、光ファイバセンサ２３等の物体検出センサが設けられていることが好ましく、イチゴ１１１の果柄を切断した後に、確実にイチゴ１１１が把持されているか否かを光センサ２３で判断し、把持されている場合にのみトレイ５０にイチゴを移送するとよい。これにより、イチゴが把持されていない場合に、トレイ５０までアーム機構を駆動する時間が短縮でき、作業効率の向上が図れる。
さらに、移動制御手段６４からの信号に基づいて、モーション制御手段６３により架台３０上でのマニピュレータ２の移動を制御するようにしてもよい。さらにまた、ＸＹ移動プラットフォーム制御ユニット６２からの信号に基づいて、モーション制御手段６３により架台３０のプラットフォーム４０上での移動を制御するようにしてもよい。
【００４４】
図９乃至図１１を参照して、本発明の実施形態に係る果実収穫装置の処理フローを説明する。図９は果実収穫装置による収穫作業を説明するフローチャートで、図１０及び図１１は果実収穫装置の具体的な動作を説明する図である。
収穫作業が開始されたら、まずマニピュレータ２が架台３０上を架台レール３１に沿ってホームポジションに移動する。ホームポジションは予め設定されているもので、例えば架台レール３１の端部である。
【００４５】
次に、栽培ベンチ１０１の片列側のステレオカメラ２１により収穫時期のイチゴ１１１を検出する。さらに反対列側のステレオカメラ２１により収穫時期のイチゴ１１１を検出する。マニピュレータ用制御手段５１により収穫時期のイチゴ１１１があるか否かを判断する。これは、例えば、ステレオカメラ２１の撮像画像を画像処理し、画像中のイチゴが赤く色づいた面積の割合等により収穫時期を判断してもよい。
【００４６】
収穫時期のイチゴが画像中に存在しない場合には、プラットフォーム４０上で下部レール４１に沿って架台３０を移動させる。このとき、収穫列の終点まで到達したか否かを判断し、到達していない場合には、マニピュレータ２がホームポジションまで移動して先ほどと同様に収穫時期のイチゴを探す。収穫列の終点まで到達した場合には、収穫作業を終了する。
一方、ステレオカメラ２１の撮像画像に基づいて収穫時期のイチゴ１１１があると判断された場合には、画像から検出したイチゴの収穫順番を決定する。これは、予め設定された規則に基づいて決定することが好ましく、この規則は、例えばイチゴの位置から順番を算出する。
【００４７】
ここで算出された順番に基づいて、図１０（Ａ）のように、最も順番が早い収穫対象イチゴ１１１の前方まで架台３０上でマニピュレータ２を移動する。
そして、図１０（Ｂ）のように、把持ハンド１０に内蔵されたカメラ２２で、収穫対象イチゴ１１１の切断・把持位置を検出し、把持動作に入る。図１０（Ｃ）のように、把持ハンド１０を開き、第１爪部１４先端のテーパ部１９をイチゴの果柄に接近させ、テーパ部１９に果柄を押し付けて第１爪部１４と第２爪部１５の間に茎を滑り込ませる。ストッパ２０に果柄が当接した状態で、刃１４により茎を切断し、把持機構で果柄を把持する。
【００４８】
把持ハンド１０が果実列から離れたら、把持ハンド１０内に内蔵された光ファイバセンサ２３がイチゴ１１１に反応したか否かを判断し、反応している場合には確実にイチゴ１１１が把持されていることが確認できるため、図１０（Ｄ）のように収穫したイチゴ１１１をトレイ５０に置く。光ファイバセンサ２３が反応していない場合には、果柄を切断できなかったか又はイチゴが落下してしまったため、イチゴを把持していないことが確認できるため、次の未収穫イチゴを探索する。
同様に、図１１（Ｅ）のように反対列の収穫対象イチゴ１１１もステレオカメラ２１により検出し、図１１（Ｆ）のように検出したイチゴ１１１の果柄を把持ハンド１０で切断し、把持機構で把持し、図１１（Ｇ）のように収穫したイチゴ１１１をトレイ５０に置く。
【００４９】
未収穫イチゴがあるか否かを判断し、未収穫イチゴがある場合には、上記したようにマニピュレータ２を未収穫イチゴの前方に移動させる。未収穫イチゴがない場合には、図１１（Ｈ）のようにプラットフォーム４０上で架台３０を移動させて次のイチゴの収穫を行なう。そして、収穫列の終点まで到達したら収穫作業を終了する。
【符号の説明】
【００５０】
１ 果実収穫装置
２ マニピュレータ
３ 支柱
４ 第１の軸
５ 第１のアーム部
６ 第２の軸
７ 第２のアーム部
８ 第３の軸
９ 第３のアーム部
１０ 把持ハンド
２１ ステレオカメラ
２２ ＣＣＤカメラ
３０ 架台
３１ レール
４０ プラットフォーム
４１、４２ レール
１００ 高設栽培施設
１０１ 栽培ベンチ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
栽培空間に複数の対象果実が吊下している果実の収穫装置において、
前記収穫装置は、鉛直方向に延設された支柱にアーム機構が取り付けられ、前記アーム機構の先端に設けられた把持ハンドで果実を把持して収穫するマニピュレータを備えており、
前記アーム機構は、前記支柱に第１の軸を介して取り付けられ鉛直面内で屈曲する第１のアーム部と、前記第１のアーム部に第２の軸を介して取り付けられ鉛直面内で屈曲する第２のアーム部と、前記第２のアーム部に第３の軸を介して取り付けられ鉛直面内で屈曲する第３のアーム部とを有する３軸のアーム機構であり、
前記第３のアーム部の先端に取り付けられた前記把持ハンドが果実収穫に適した角度となるように該第３のアーム部が駆動されるとともに、前記把持ハンドと前記果実との高さ方向及び奥行き方向の位置を合わせるように前記第１のアーム部及び前記第２のアーム部が駆動されることを特徴とする果実収穫装置。
【請求項２】
前記支柱が載置されるとともに、該支柱を前記アーム機構の屈曲方向と直交する方向へスライド移動させる架台レールが設けられた架台を備えることを特徴とする請求項１に記載の果実収穫装置。
【請求項３】
高設栽培の栽培ベンチ上に前記果実の株が載置された果実栽培施設に用いられる果実収穫装置であって、
前記栽培ベンチの下方に、該栽培ベンチの延設方向に沿って敷設された下部レールを有し、該下部レール上を前記架台が走行するように構成されたプラットフォームを備えることを特徴とする請求項２に記載の果実収穫装置。
【請求項４】
前記プラットフォームは、前記栽培ベンチの下方に敷設された下部レールが複数並列配置されているとともに、複数の前記下部レール間を連結する架橋レールが設けられていることを特徴とする請求項３に記載の果実収穫装置。
【請求項５】
前記把持ハンドは、前記アーム機構の屈曲方向の両側にそれぞれ一対設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の果実収穫装置。
【請求項６】
前記支柱に設けられ前記果実との距離を検出するステレオカメラと、前記把持ハンドに設けられ前記果実の垂直方向及び水平方向の位置を検出するカメラとを備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の果実収穫装置。
【請求項７】
前記ステレオカメラ及び前記位置検出カメラは、前記アーム機構の屈曲方向の両側にそれぞれ一対設けられていることを特徴とする請求項６に記載の果実収穫装置。
【請求項１】
栽培空間に複数の対象果実が吊下している果実の収穫装置において、
前記収穫装置は、鉛直方向に延設された支柱にアーム機構が取り付けられ、前記アーム機構の先端に設けられた把持ハンドで果実を把持して収穫するマニピュレータを備えており、
前記アーム機構は、前記支柱に第１の軸を介して取り付けられ鉛直面内で屈曲する第１のアーム部と、前記第１のアーム部に第２の軸を介して取り付けられ鉛直面内で屈曲する第２のアーム部と、前記第２のアーム部に第３の軸を介して取り付けられ鉛直面内で屈曲する第３のアーム部とを有する３軸のアーム機構であり、
前記第３のアーム部の先端に取り付けられた前記把持ハンドが果実収穫に適した角度となるように該第３のアーム部が駆動されるとともに、前記把持ハンドと前記果実との高さ方向及び奥行き方向の位置を合わせるように前記第１のアーム部及び前記第２のアーム部が駆動されることを特徴とする果実収穫装置。
【請求項２】
前記支柱が載置されるとともに、該支柱を前記アーム機構の屈曲方向と直交する方向へスライド移動させる架台レールが設けられた架台を備えることを特徴とする請求項１に記載の果実収穫装置。
【請求項３】
高設栽培の栽培ベンチ上に前記果実の株が載置された果実栽培施設に用いられる果実収穫装置であって、
前記栽培ベンチの下方に、該栽培ベンチの延設方向に沿って敷設された下部レールを有し、該下部レール上を前記架台が走行するように構成されたプラットフォームを備えることを特徴とする請求項２に記載の果実収穫装置。
【請求項４】
前記プラットフォームは、前記栽培ベンチの下方に敷設された下部レールが複数並列配置されているとともに、複数の前記下部レール間を連結する架橋レールが設けられていることを特徴とする請求項３に記載の果実収穫装置。
【請求項５】
前記把持ハンドは、前記アーム機構の屈曲方向の両側にそれぞれ一対設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の果実収穫装置。
【請求項６】
前記支柱に設けられ前記果実との距離を検出するステレオカメラと、前記把持ハンドに設けられ前記果実の垂直方向及び水平方向の位置を検出するカメラとを備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の果実収穫装置。
【請求項７】
前記ステレオカメラ及び前記位置検出カメラは、前記アーム機構の屈曲方向の両側にそれぞれ一対設けられていることを特徴とする請求項６に記載の果実収穫装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１１−２０６０１４（Ｐ２０１１−２０６０１４Ａ）
【公開日】平成２３年１０月２０日（２０１１．１０．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−７９３９２（Ｐ２０１０−７９３９２）
【出願日】平成２２年３月３０日（２０１０．３．３０）
【出願人】（５０１２０３３４４）独立行政法人農業・食品産業技術総合研究機構 (827)
【出願人】（０００１４８３５７）株式会社前川製作所 (267)
【出願人】（８９９００００６８）学校法人早稲田大学 (602)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月２０日（２０１１．１０．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月３０日（２０１０．３．３０）
【出願人】（５０１２０３３４４）独立行政法人農業・食品産業技術総合研究機構 (827)
【出願人】（０００１４８３５７）株式会社前川製作所 (267)
【出願人】（８９９００００６８）学校法人早稲田大学 (602)
【Ｆターム（参考）】
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