JP7285466B2 - harvesting robot - Google Patents

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Description

本発明は、トマトやリンゴなどの果実を自動的に収穫する収穫ロボットにおける果実の収穫動作を行うロボットに関するものである。 The present invention relates to a robot that performs a fruit harvesting operation in a harvesting robot that automatically harvests fruits such as tomatoes and apples.

日本社会における今後の社会課題として、高齢化による生産人口の減少が懸念されている。特に第1次産業である農業について、日本を取り巻く環境は、高齢化が特に顕著であり、労働不足という観点で非常に厳しい状況にある。農林水産省の基本データによると、2014年の基幹的農業従事者は168万人であり、5年間で約23万人の減少となっている。また、平均年齢が66.5歳、新規就農者も減少傾向と、高齢化による労働不足が浮き彫りになる数字となっている。このことにより、耕作放棄地も40万haに達する状況であり、地域の営農環境や生活環境にも悪影響を与える状況である。特に耕作地が多く存在する地方においては、少子高齢化による過疎化も進み、農業の担い手がいないことからこの問題の顕在化が進んできている。 As a future social issue in Japanese society, there is concern about a decrease in the working population due to aging. In particular, agriculture, which is the primary industry, is in a very severe situation in terms of the aging population and labor shortage. According to the basic data of the Ministry of Agriculture, Forestry and Fisheries, the number of core farmers in 2014 was 1.68 million, a decrease of about 230,000 in five years. In addition, the average age is 66.5 years old, and the number of new farmers is also declining, which highlights the labor shortage due to the aging population. As a result, the amount of abandoned farmland reaches 400,000 ha, and this situation adversely affects the farming environment and living environment of the region. Especially in rural areas where there is a lot of arable land, depopulation is progressing due to the declining birthrate and aging population, and this problem is becoming more apparent because there are no people to bear the burden of agriculture.

そのような中、農業の自動化による労働力不足への対応に対する期待が高まっている。経済産業省の「2012年ロボット産業の市場動向」によれば、2018年から2024年にかけて農業関連ロボット国内市場は大きく伸びるとされ、約2200億円の規模になると予想されている。実際に、ドローンを使った管理、トラクターの自動運転、栽培をナビゲーションするシステムなど、農業の自動化につながる開発も活発になってきている。また、農水省においても、農業の自動化を支援するような補助制度が充実化しており、国からのこの分野への期待も非常に高い。その中で、収穫の自動化に関する技術についても、トマト収穫ロボット、アスパラ収穫ロボット、イチゴ収穫ロボットなどの実用化に向けた開発が、企業や大学などにおいて実施されている。 Under such circumstances, expectations are rising for the automation of agriculture to deal with labor shortages. According to the Ministry of Economy, Trade and Industry's 2012 Robot Industry Market Trends, the domestic market for agricultural robots is expected to grow significantly from 2018 to 2024, and is expected to reach a scale of approximately 220 billion yen. In fact, developments that lead to the automation of agriculture, such as management using drones, automatic driving of tractors, and cultivation navigation systems, are becoming active. In addition, the Ministry of Agriculture, Forestry and Fisheries has a substantial subsidy system that supports the automation of agriculture, and the government has very high expectations for this field. Among them, with regard to technologies related to harvesting automation, companies, universities, etc. are developing robots for harvesting tomatoes, asparagus, and strawberries for practical use.

そのような収穫の自動化に関する技術においては、果実を見つけるセンシングの技術、移動機構の技術、もぎ取り動作を行うエンドエフェクタの技術など多くの特許文献が公開されている。その中で、エンドエフェクタに関する従来の技術としては、特許文献1に記載されたようなものがある。これは、果実を離層と呼ばれる部分でもぎ取る方法で収穫する際に、有益な方法である。 A number of patent documents have been published regarding technologies related to such automation of harvesting, such as sensing technology for finding fruits, technology for moving mechanisms, and technology for end effectors that perform picking motions. Among them, there is a conventional technique related to the end effector, such as that described in Patent Document 1. This is a useful method when the fruit is harvested by a method called delamination.

図1におけるエンドエフェクタにおいて、201は引き込みガイド、202は収穫リング、203は収穫果ガイド、204は収穫果シート、205はロボットアームである。このエンドエフェクタによるもぎ取り動作方法は以下のとおりである。まず、トマト引き込み動作で、引き込みガイド201で収穫果を引き込み果実間に隙間を作る。次に、果実間の隙間に収穫リング202を挿入する。引き込みガイド201については、切れ目から小果梗をすり抜けさせ離脱させる。そして、収穫リング202を開いて、果実を引き果梗を押す事で、小果梗を引き伸ばし、離層で果実を分離する。 In the end effector in FIG. 1, 201 is a pull-in guide, 202 is a harvesting ring, 203 is a harvested fruit guide, 204 is a harvested fruit sheet, and 205 is a robot arm. The method of ripping off with this end effector is as follows. First, in the tomato pull-in operation, the pull-in guide 201 pulls in the harvested fruits to form a gap between the fruits. Harvest rings 202 are then inserted into the gaps between the fruits. As for the pull-in guide 201, the peduncle slips through the cut and is separated. The harvest ring 202 is then opened to pull the fruit and push the stem to elongate the stems and separate the fruit by delamination.

特開2017-051104号公報JP 2017-051104 A

しかしながら、前記従来の構成では、2重で構成された収穫リングそれぞれの相対位置運動が決められた駆動機構で制約されるため果実の様々なシチュエーションに対応できないという課題がある。そしてこのことにより、このエンドエフェクタによる動作によっては、もぎ取り動作しかできない。もぎ取り動作しかできないために、離層とよばれる部分がない果実に対しての収穫は困難であり、収穫率を低下させる要因になってしまう。さらに、別の課題として、複数個のモータ、ガイドなどの構成パーツを持つためにエンドエフェクタ自体が大きく複雑になり、枝の隙間に入らないときがある。これも収穫率を下げる要因となる。 However, in the above-described conventional configuration, there is a problem that the relative positional movement of each of the double harvesting rings is restricted by a predetermined drive mechanism, so that it is not possible to cope with various fruit situations. As a result, only the tearing operation can be performed by the operation of the end effector. Since the fruit can only be peeled off, it is difficult to harvest the fruit without a part called delamination, which is a factor in lowering the harvest rate. Furthermore, another problem is that the end effector itself becomes large and complicated due to having a plurality of components such as motors and guides, and cannot fit into the gaps between the branches. This is also a factor in lowering the yield.

そこで本開示は、収穫効率を向上することが可能な収穫ロボットを提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present disclosure is to provide a harvesting robot capable of improving harvesting efficiency.

本開示による収穫ロボットは、
対象物を挿通させる収穫リングを有する第1ロボットアームと、
前記対象物が実った果梗を固定する補助部材を有する第2ロボットアームと、
前記第1ロボットアーム及び前記第2ロボットアームを制御する制御部と、
を備え、
前記制御部が、前記補助部材にて、前記果梗を固定した状態で、前記収穫リングの移動制御及び姿勢制御を実行可能に構成され
前記制御部が、前記収穫リングの先端が下方側になるように、前記収穫リングを水平面に対して前後方向に傾ける第1動作を実行可能に構成され、
前記制御部が、前記第1動作を実行した後、前記収穫リングの姿勢を維持しつつ、前記収穫リングを上方に移動させる第2動作を実行可能に構成され、
前記制御部が、前記第2動作を実行した後、前記収穫リングの先端を起点として、前記収穫リングを横方向に回転させる第3動作を実行可能に構成されている、
収穫ロボットである。
A harvesting robot according to the present disclosure includes:
a first robotic arm having a harvesting ring through which the object is passed;
a second robot arm having an auxiliary member for fixing a fruit peduncle bearing the object;
a control unit that controls the first robot arm and the second robot arm;
with
The control unit is configured to be capable of executing movement control and posture control of the harvesting ring while the fruit stem is fixed by the auxiliary member ,
The control unit is configured to be capable of executing a first operation of tilting the harvesting ring in the front-rear direction with respect to a horizontal plane so that the tip of the harvesting ring faces downward,
The control unit is configured to be capable of executing a second action of moving the harvesting ring upward while maintaining the posture of the harvesting ring after executing the first action,
After executing the second action, the control unit is configured to be capable of executing a third action of rotating the harvesting ring in a lateral direction with the tip of the harvesting ring as a starting point.
A harvesting robot.

本発明の収穫ロボットによれば、果実の安定収穫が可能となり、果実の収穫効率の向上を実現することができる。 According to the harvesting robot of the present invention, it is possible to stably harvest fruits, and it is possible to improve the harvesting efficiency of fruits.

特許文献1に記載された従来のロボットハンドを示す図A diagram showing a conventional robot hand described in Patent Document 1 本発明の実施の形態における収穫の一連動作のステップを示す図A diagram showing the steps of a series of operations for harvesting according to the embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態における収穫対象のトマト房を示す図A diagram showing a tomato bunch to be harvested in the embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態におけるもぎ取り動作のステップを示す図A diagram showing the steps of a tear-off operation according to the embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態におけるもぎ取り動作時のロボットハンドと収穫対象果実の位置関係を示す図FIG. 4 is a diagram showing the positional relationship between the robot hand and the fruit to be harvested during the picking operation according to the embodiment of the present invention; 本発明の実施の形態におけるもぎ取り動作を説明する図FIG. 4 is a diagram for explaining a tear-off operation according to the embodiment of the present invention; 本発明の実施の形態におけるもぎ取り動作を説明する図FIG. 4 is a diagram for explaining a tear-off operation according to the embodiment of the present invention; 本発明の実施の形態におけるもぎ取り動作を説明する図FIG. 4 is a diagram for explaining a tear-off operation according to the embodiment of the present invention; 本発明の実施の形態におけるもぎ取り動作を説明する図FIG. 4 is a diagram for explaining a tear-off operation according to the embodiment of the present invention; 本発明の実施の形態におけるもぎ取り動作を説明する図FIG. 4 is a diagram for explaining a tear-off operation according to the embodiment of the present invention; 本発明の実施の形態におけるもぎ取り動作を説明する図FIG. 4 is a diagram for explaining a tear-off operation according to the embodiment of the present invention; 本発明の実施の形態における収穫リングの上面図1 is a top view of a harvest ring according to an embodiment of the invention; FIG. 本実施形態における収穫ロボットの装置構成を説明する図A diagram for explaining the device configuration of the harvesting robot in this embodiment.

まず、本実施の形態における果梗の位置推定方法の理解を助けるために、先に、(1)収穫対象であるトマトの一例の形態、(2)本実施形態における自動収穫ロボットを用いた場合の基本的な収穫動作の一例の形態、について説明する。 First, in order to facilitate understanding of the method for estimating the position of fruit stems in the present embodiment, (1) an example form of a tomato to be harvested, and (2) the case where the automatic harvesting robot in the present embodiment is used An example form of a basic harvesting operation will be described.

(1)収穫対象のトマトの形態
本開示の説明においては、図3に示すトマトを収穫の対象として説明する。図3に示すように、一つの房は果梗405といわれる茎を中心に構成されている。この果梗405から、小果梗401、ガク403が生り、その先に果実404が生っている。小果梗401の途中部分には、離層402とよばれる箇所があり、小果梗401に力を加えたときに、離層402で小果梗401が分断される。本開示では、収穫対象を果実404が複数個以上密集して構成される房とするのではなく、果実404の一つ一つを収穫対象とし、果実404の一つ一つをもぎ取ることで収穫している。これは、房に付いている果実404の成熟度合いがそれぞれ異なること等を想定しているためである。また一般に、ミニトマトは生食用であり、果実404表面に傷を付けずにガク403ごと収穫することが必要である。
(1) Morphology of Tomatoes to be Harvested In the description of the present disclosure, the tomato shown in FIG. 3 will be described as an object to be harvested. As shown in FIG. 3, one bunch is constructed around a stem called a fruit stem 405 . From this fruit stem 405, a small fruit stem 401 and a sepal 403 are grown, and a fruit 404 is grown therefrom. There is a portion called delamination 402 in the middle of the peduncle 401 , and when a force is applied to the peduncle 401 , the peduncle 401 is divided at the delamination 402 . In the present disclosure, the target for harvesting is not a cluster composed of a plurality of or more fruits 404, but each fruit 404 is targeted for harvesting, and each fruit 404 is harvested by tearing off each fruit 404. are doing. This is because it is assumed that the degree of maturity of the fruit 404 attached to the bunch is different. In general, cherry tomatoes are eaten raw and must be harvested together with the sepals 403 without damaging the surface of the fruit 404 .

(2)収穫動作の形態
図13に本実施形態における収穫ロボットの装置構成を示す。
(2) Form of Harvesting Operation FIG. 13 shows the device configuration of the harvesting robot in this embodiment.

画像取得部1401は、イメージセンサであり、収穫対象の果実404等が存在する領域を撮像する。画像処理部1404は、画像取得部1401において撮像した画像に画像処理を実施する。判断部1405は、画像処理結果をもとに収穫対象のトマト果実を検出する。制御部1406は、判断部1405による検出結果をもとに、第1ロボットアーム1402を制御することでトマト収穫ロボットを収穫に適した位置まで移動させる。その後、さらに画像取得部1401で撮像を実施し、画像処理部1404による処理を実施することで、判断部1405がトマト果実の3次元位置、色などを特定する。そして、制御部1406が収穫リング付きロボットアーム1402、及び補助部材付きロボットアーム1403を制御することで、トマトを収穫する。以上が基本的な装置構成とその動作である。 The image acquisition unit 1401 is an image sensor, and captures an image of an area where the fruit 404 to be harvested exists. An image processing unit 1404 performs image processing on the image captured by the image acquisition unit 1401 . A determination unit 1405 detects a tomato fruit to be harvested based on the result of image processing. The control unit 1406 controls the first robot arm 1402 based on the detection result by the determination unit 1405 to move the tomato harvesting robot to a position suitable for harvesting. After that, the image acquisition unit 1401 further performs imaging, and the image processing unit 1404 performs processing, whereby the determination unit 1405 identifies the three-dimensional position, color, and the like of the tomato fruit. Then, the control unit 1406 controls the robot arm 1402 with the harvesting ring and the robot arm 1403 with the auxiliary member to harvest tomatoes. The above is the basic device configuration and its operation.

尚、以下では、収穫リング付きロボットアーム1402を「第1ロボットアーム1402」と称し、補助部材付きロボットアーム1403を「第2ロボットアーム1403」と称する。 Hereinafter, the robot arm 1402 with the harvesting ring will be referred to as "first robot arm 1402", and the robot arm 1403 with the auxiliary member will be referred to as "second robot arm 1403".

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。 Embodiments of the present disclosure will be described below with reference to the drawings.

(実施の形態)
本開示の自動収穫ロボットによる収穫動作の基本的な動作の一例ステップを図2に示す。
(Embodiment)
FIG. 2 shows an example of basic operation steps of a harvesting operation by the automatic harvesting robot of the present disclosure.

まず、収穫対象である果実が生っている房を検出する(STEP1)。検出の方法については、画像センサーを用いて取得した画像に画像処理を施すことによる検出、また人工知能学習により、収穫対象である果実が生っている房の画像を学習することによる検出などが考えられる。 First, clusters on which fruits to be harvested are grown are detected (STEP 1). Regarding the detection method, there are detection by applying image processing to the image acquired using the image sensor, detection by learning the image of the bunch where the fruit to be harvested is growing by artificial intelligence learning, etc. Conceivable.

次に、STEP1で検出した房に対して、画像取得部1401が果実を収穫するためのセンシング動作を実施する(STEP2)。果実を収穫するためには、果実が収穫可能な状態になっているか(熟しているか)、果実の位置、果実周辺の茎や葉などの位置の情報が必要であり、STEP2のセンシングは、これらの情報を算出するための動作になる。ここで、前述したように、果実の色および位置を算出するために、センシングに用いるセンサーとしては、カラー画像を取得するためのカラーカメラ、また距離を測定できる距離センサーあるいは対象物までの距離の測定が可能なTOFカメラなどを同時に用いる方法などが取られる。果実の色は、果実が熟しているかどうかを判別するために用いられる。 Next, the image acquisition unit 1401 performs a sensing operation for harvesting the fruit on the bunches detected in STEP 1 (STEP 2). In order to harvest the fruit, it is necessary to know whether the fruit is ready for harvesting (whether it is ripe), the position of the fruit, and the positions of the stems and leaves around the fruit. This is an operation for calculating the information of Here, as described above, in order to calculate the color and position of the fruit, sensors used for sensing include a color camera for acquiring a color image, a distance sensor capable of measuring the distance, or a sensor for measuring the distance to the object. A method of simultaneously using a TOF camera or the like capable of measurement is adopted. Fruit color is used to determine whether the fruit is ripe.

次に、STEP2で取得したセンシングのデータをもとに、判断部1405が果実の色と果実及び周辺の茎や葉などの位置を算出する(STEP3)。 Next, based on the sensing data acquired in STEP 2, the determination unit 1405 calculates the color of the fruit and the positions of the fruit and surrounding stems and leaves (STEP 3).

次に、判断部1405が収穫対象と判断された果実を収穫するために第1ロボットアーム1402をどのように伸ばせばいいかの軌道計算を実施する(STEP4)。この際に、周辺の茎や葉などの位置情報から、第1ロボットアーム1402がそれらに干渉しない軌道を算出することが重要である。 Next, the determination unit 1405 performs a trajectory calculation as to how the first robot arm 1402 should be extended in order to harvest the fruit determined to be harvested (STEP 4). At this time, it is important to calculate a trajectory in which the first robot arm 1402 does not interfere with the surrounding stems and leaves from the position information.

次に、STEP4で計算された軌道に基づき、ロボットハンドを収穫対象の果実に近づけるよう第1ロボットアーム1402が動作する(STEP5)。 Next, based on the trajectory calculated in STEP 4, the first robot arm 1402 operates to bring the robot hand closer to the fruit to be harvested (STEP 5).

最後に、ロボットハンドがもぎ取り動作を行う(STEP6)。 Finally, the robot hand performs a stripping operation (STEP 6).

以下、本実施形態におけるロボットハンドについて、詳細に説明する。図6に、本実施形態におけるロボットハンドの概略斜視図を示す。 The robot hand according to this embodiment will be described in detail below. FIG. 6 shows a schematic perspective view of the robot hand in this embodiment.

本実施の形態におけるロボットハンド700は、第1ロボットアーム1402に搭載されている。ロボットハンド700による果実のもぎ取り動作は、制御部1406による第1ロボットアーム1402の制御により実現される。 The robot hand 700 in this embodiment is mounted on the first robot arm 1402 . The fruit picking operation by the robot hand 700 is realized by the control of the first robot arm 1402 by the control unit 1406 .

ロボットハンド700は、収穫リング701と、収穫リング701と第1ロボットアーム1402とを接続する接続部703と、を含む。なお、接続部703が省略され、第1ロボットアーム1402に収穫リング701が直接取り付けられることで、ロボットハンド700が構成されても良い。 The robot hand 700 includes a harvesting ring 701 and a connecting portion 703 that connects the harvesting ring 701 and the first robot arm 1402 . The robot hand 700 may be configured by omitting the connecting portion 703 and directly attaching the harvesting ring 701 to the first robot arm 1402 .

ここで、収穫リング701について、図12を用いて詳細に説明する。図12は、本実施形態における収穫リングの概略上面図である。なお、図12の左手側が、図6における第1ロボットアーム1402側となる。 Here, the harvesting ring 701 will be described in detail with reference to FIG. 12 . FIG. 12 is a schematic top view of the harvesting ring in this embodiment. 12 corresponds to the first robot arm 1402 side in FIG.

収穫リング701は、先端が角形状のリング穴を形成する。具体的には、収穫リング701は、先端に第1折れ曲がり部1301を有する。収穫リング701は、第1折れ曲がり部1301(即ち、角形状)を形成するように、左右に第1直線部1302および第1直線部1303を有する。また、収穫リング701は、図6における接続部703と接続される第2直線部1306および第2直線部1307を有する。ここで、第1直線部1302と第2直線部1306によって、第2折れ曲がり部1304が構成される。また、ここで、第1直線部1303と第2直線部1307によって第2折れ曲がり部1305が構成される。 The harvesting ring 701 forms a ring hole with a square tip. Specifically, the harvesting ring 701 has a first bent portion 1301 at its tip. The harvesting ring 701 has a first straight portion 1302 and a first straight portion 1303 on the left and right so as to form a first bent portion 1301 (that is, square shape). Harvesting ring 701 also has a second straight portion 1306 and a second straight portion 1307 that are connected to connecting portion 703 in FIG. A second bent portion 1304 is formed by the first straight portion 1302 and the second straight portion 1306 . A second bent portion 1305 is formed by the first straight portion 1303 and the second straight portion 1307 .

第1折れ曲がり部1301は、90°の角度であることが望ましい。これは、収穫対象物である果実が球体上のものであることに起因する。第1折れ曲がり部1301が90°から鋭角に近づいていくと、収穫リング701を挿入する際に、収穫リング701に収穫対象果実が通過するより先に、第1折れ曲がり部1301が果梗に衝突する可能性が高くなる。特に、第1折れ曲がり部1301の角度が70°より小さくなると、衝突の確率が高くなる。このことで、安定した収穫を実施しにくくなる。また、先端部が90°から鈍角に近づいていくと、収穫リング701を通す際に必要なサイズ以上の大きさになっていき、収穫時の収穫リング701と茎や葉などとの干渉を発生しやすい。特に、第1折れ曲がり部1301の角度が130度より大きくなってくると、干渉の確率が高くなる。このことで、安定した収穫を実施しにくくなる。以上のことから、第1折れ曲がり部1301の角度は、70°以上130°以下が望ましく、特に90°が望ましい。 The first bent portion 1301 is preferably at an angle of 90°. This is due to the fact that the fruits to be harvested are spherical. When the first bent portion 1301 approaches an acute angle from 90°, when the harvesting ring 701 is inserted, the first bent portion 1301 collides with the stem before the fruit to be harvested passes through the harvesting ring 701. more likely. In particular, when the angle of the first bent portion 1301 is smaller than 70°, the probability of collision increases. This makes it difficult to carry out stable harvesting. In addition, when the tip portion approaches an obtuse angle from 90°, the size becomes larger than the size necessary for passing the harvesting ring 701, and interference occurs between the harvesting ring 701 and the stems, leaves, etc. at the time of harvesting. It's easy to do. In particular, when the angle of the first bent portion 1301 becomes larger than 130 degrees, the probability of interference increases. This makes it difficult to carry out stable harvesting. From the above, the angle of the first bent portion 1301 is desirably 70° or more and 130° or less, and particularly desirably 90°.

また、収穫リング701は、後述するように、収穫対象の果実をその内側へ通過させる。よって、第2直線部1306と第2直線部1307間の距離が、果実の最大径より大きいことが望ましい。しかしながら、この収穫リング701が大きい場合には、果実を収穫する際に、枝と枝の間を通過させるのが難しくなる。このことから、収穫リング701の大きさ自体は極力小さいことが好ましい。 Harvesting ring 701 also allows fruit to be harvested to pass through it, as will be described later. Therefore, it is desirable that the distance between the second straight portion 1306 and the second straight portion 1307 is larger than the maximum diameter of the fruit. However, if this harvesting ring 701 is large, it becomes difficult to pass between the branches when harvesting the fruit. For this reason, it is preferable that the size of the harvesting ring 701 itself is as small as possible.

以下、図2におけるSTEP6のもぎ取り動作について、詳細に説明する。本実施形態におけるロボットハンドの動作ステップを図4に示す。また、図5に、その動作を行う際のロボットハンドの収穫対象果実に対する位置関係の概略図を示す。さらに、図7から図11に、もぎ取り動作作業における各ステップの動きの概略斜視図を示す。 The stripping operation of STEP6 in FIG. 2 will be described in detail below. FIG. 4 shows the operation steps of the robot hand in this embodiment. FIG. 5 shows a schematic diagram of the positional relationship of the robot hand with respect to the fruit to be harvested when performing the operation. Further, FIGS. 7 to 11 show schematic perspective views of the movement of each step in the tearing operation.

もぎ取り動作用のロボットハンド700は第1ロボットアーム1402に、もぎ取り動作時の支点を作るための補助部材704は第2ロボットアームに、それぞれ取り付けられている。 A robot hand 700 for the tearing operation is attached to the first robot arm 1402, and an auxiliary member 704 for creating a fulcrum for the tearing operation is attached to the second robot arm.

まず、図4の動作ステップにおけるSTEP1において、制御部1406は、第1ロボットアーム1402を制御することにより、収穫リング701を水平面に対して20°傾ける(本発明の「第1動作」に相当)。具体的には、収穫リング701の先端が下方側になるように、収穫リング701を水平面に対して前後方向に20°傾ける。これは、STEP2において収穫リング701を果梗405方向に挿入させる際に、傾きをつけて挿入させることで、スムースに挿入することが可能になるためである。この傾きでない場合は、STEP2において収穫リング701の位置が果実404の下端に対して上下にずれた場合に、果実404と衝突した際の抵抗が大きくなりうまく挿入できない可能性が高くなる。20°の角度を付けることで、挿入時の収穫対象以外の果実404などからの抵抗を小さくすることができる。また、この20°という角度は、トマトの下端部の曲面の形状に依存しているが、10°から30°の範囲であれば、概ねスムースな挿入が可能である。つまり、収穫リング701を傾ける角度は、収穫リング701のリング面が水平面に対して10°以上で且つ30°以下の角度であればよい。 First, in STEP 1 in the action steps of FIG. 4, the control unit 1406 tilts the harvesting ring 701 by 20° with respect to the horizontal plane by controlling the first robot arm 1402 (corresponding to the "first action" of the present invention). . Specifically, the harvesting ring 701 is tilted 20° in the front-rear direction with respect to the horizontal plane so that the tip of the harvesting ring 701 faces downward. This is because when the harvesting ring 701 is inserted in the fruit stem 405 direction in STEP 2, it is possible to insert it smoothly by inserting it with an inclination. If the inclination is not this, when the position of the harvesting ring 701 is displaced vertically with respect to the lower end of the fruit 404 in STEP 2, the resistance when colliding with the fruit 404 increases, and the possibility that it cannot be inserted well increases. By providing an angle of 20°, it is possible to reduce the resistance from the fruit 404 other than the harvested object at the time of insertion. Also, this angle of 20° depends on the shape of the curved surface of the lower end of the tomato, but if it is in the range of 10° to 30°, generally smooth insertion is possible. In other words, the angle at which the harvesting ring 701 is tilted should be 10° or more and 30° or less with respect to the horizontal plane of the ring surface of the harvesting ring 701 .

次に、図4の動作STEP2において、制御部1406は、収穫リング701を果梗405方向に挿入させる。具体的には、図7のように、収穫対象である果実404の下端に対して収穫リング701の先端部が接触するように、収穫リング701を果梗405方向に挿入する。この際に、先に示したようにSTEP1で20°傾けた状態のまま挿入させる。これによりスムースに挿入させやすい。 Next, in operation STEP2 in FIG. 4, the control unit 1406 inserts the harvesting ring 701 in the fruit stem 405 direction. Specifically, as shown in FIG. 7, the harvesting ring 701 is inserted in the direction of the stem 405 so that the tip of the harvesting ring 701 contacts the lower end of the fruit 404 to be harvested. At this time, as described above, in STEP 1, it is inserted while being tilted by 20°. This makes it easy to insert smoothly.

STEP2においては、制御部1406は、収穫対象である果実404の下端部の位置を検出する必要がある。このとき、例えば第1ロボットアーム1402に搭載されたTOFカメラなどによって、その位置を検出することも可能であるが、できるだけ果実404の近くでセンシングを実施するほうが測定精度は向上する。また、例えば収穫ロボット本体の位置からセンシングを行った場合、収穫対象の果実404が茎や葉などで隠れ、測定できない場合も想定される。したがって、できるだけ果実404の近くでセンシングを実施するほうが望ましい。そこで、第1ロボットアーム1402の先端付近にTOFカメラなどのセンサーを取り付けることが、果実404の下端部の位置を検出するためには好ましい。 In STEP 2, the control unit 1406 needs to detect the position of the lower end of the fruit 404 to be harvested. At this time, it is possible to detect the position by, for example, a TOF camera mounted on the first robot arm 1402, but the measurement accuracy is improved by performing sensing as close to the fruit 404 as possible. Further, for example, when sensing is performed from the position of the harvesting robot main body, it is conceivable that the fruit 404 to be harvested may be hidden by stems, leaves, etc., and cannot be measured. Therefore, it is desirable to perform sensing as close to fruit 404 as possible. Therefore, it is preferable to attach a sensor such as a TOF camera near the tip of first robot arm 1402 in order to detect the position of the lower end of fruit 404 .

第1ロボットアーム1402に取り付けたセンサーによって、果実404の下端部の位置を検出する方法について説明する。なお、この方法は、図4における動作STEP2に先駆けて行われる。 A method for detecting the position of the lower end of fruit 404 by the sensor attached to first robot arm 1402 will be described. This method is performed prior to operation STEP2 in FIG.

まず、第1ロボットアーム1402に取り付けたセンサーによって、任意の位置、好ましくは収穫ロボット本体付近から、収穫対象である果実404の画像を取得する。このときの撮像位置を、第1の撮像位置とする。そして、第1の撮像位置で取得した画像に画像処理を施し、収穫対象果実の下端部を検出するのに適した位置、具体的には撮像に対する障害物がなく、できるだけ近づいた位置を、第2の撮像位置として特定する。第2の撮像位置は、第1の撮像位置における画像情報に画像処理を施すことで、果実404の位置と、周辺の主茎や果梗などの位置と、を特定し、これらをもとに算出される。また、第2の撮像位置は、第1ロボットアーム1402に取り付けたセンサーと果実404との間に障害物の存在しない位置が好ましい。 First, a sensor attached to the first robot arm 1402 acquires an image of the fruit 404 to be harvested from an arbitrary position, preferably near the body of the harvesting robot. Let the imaging position at this time be a 1st imaging position. Then, image processing is performed on the image acquired at the first imaging position, and a position suitable for detecting the lower end of the fruit to be harvested, specifically, a position as close as possible without any obstacles to the imaging, is selected as the second imaging position. 2 imaging position. At the second imaging position, image processing is performed on the image information at the first imaging position to identify the position of the fruit 404 and the positions of the surrounding main stem and fruit stem. Calculated. Also, the second imaging position is preferably a position where no obstacle exists between the sensor attached to the first robot arm 1402 and the fruit 404 .

次に、制御部1406は、第1ロボットアーム1402を制御することにより、第1ロボットアーム1402の先端に取り付けたセンサーを第2の撮像位置に移動し、第2の撮像位置で撮像を実施する。この際にも、果実の下端部の位置を測定するために、カラー画像と対象物までの距離を同時に測定するセンサーを用いることが必要であり、TOFカメラなどを使用する。 Next, the control unit 1406 controls the first robot arm 1402 to move the sensor attached to the tip of the first robot arm 1402 to the second imaging position, and performs imaging at the second imaging position. . Also in this case, in order to measure the position of the lower end of the fruit, it is necessary to use a color image and a sensor that simultaneously measures the distance to the object, and a TOF camera or the like is used.

上記の方法によって、より高精度に果実404の下端部位置を検出することができる。 With the above method, the position of the lower end of fruit 404 can be detected with higher accuracy.

次に、図4の動作STEP3において、制御部1406は、第2ロボットアーム1403を制御することで、補助部材704を果梗405に押し当てる。具体的には、図8のように、収穫対象である果実404より上部に位置する果梗405に対して、収穫リング701の挿入方向と同じ方向から、補助部材704を押し当てる。このことで、収穫リング701が、安定した収穫動作を行うことができる。なお、STEP3の動作は、STEP2の動作と同時に行われても良く、STEP2より先に行われても良い。 Next, in operation STEP 3 in FIG. 4 , the control unit 1406 controls the second robot arm 1403 to press the auxiliary member 704 against the stem 405 . Specifically, as shown in FIG. 8, the auxiliary member 704 is pressed against the stem 405 located above the fruit 404 to be harvested from the same direction as the insertion direction of the harvesting ring 701 . This allows the harvesting ring 701 to perform a stable harvesting operation. The operation of STEP3 may be performed simultaneously with the operation of STEP2, or may be performed prior to STEP2.

STEP3においては、制御部1406は、果梗405の位置を検出する必要がある。果梗405を検出するセンサーについても、第2ロボットアーム1403の先端に取り付けることで、高精度で押し当てる果梗の位置を検出することができる。このセンサーについても、カラー画像と対象物までの距離を同時に測定するセンサーを用いることが必要であり、TOFカメラなどを使用する。 In STEP 3 , the control section 1406 needs to detect the position of the fruit stem 405 . By attaching a sensor for detecting the stem 405 to the tip of the second robot arm 1403, the position of the stem to be pressed can be detected with high accuracy. As for this sensor, it is necessary to use a sensor that simultaneously measures the color image and the distance to the object, and a TOF camera or the like is used.

次に、図4の動作STEP4において、制御部1406は、第1ロボットアーム1402を制御することで、収穫リング701を果実404側面に沿って押し上げる(本発明の「第2動作」に相当)。具体的には、図9のように、収穫リング701の先端部が果実404の側面に沿って動くように、収穫リング701を押し上げる。ここで、収穫リング701の先端部が果実404の側面に沿うことで、収穫リング701を果実404の上端部までスムースに移動させやすくなる。ここでもし、果実404の側面に沿わず果実404から離れる方向に収穫リング701を押し上げると、収穫リング701が果梗405と接触しやすくなり、果梗405からの抵抗などにより収穫リング701を押し上げられなくなる可能性がある。 Next, in operation STEP4 in FIG. 4, the control unit 1406 controls the first robot arm 1402 to push up the harvest ring 701 along the side of the fruit 404 (corresponding to the "second operation" of the present invention). Specifically, as shown in FIG. 9, the harvesting ring 701 is pushed up so that the tip of the harvesting ring 701 moves along the side of the fruit 404 . Here, since the tip of the harvesting ring 701 is along the side surface of the fruit 404 , the harvesting ring 701 can be smoothly moved to the upper end of the fruit 404 . Here, if the harvesting ring 701 is pushed up in a direction away from the fruit 404 instead of along the side of the fruit 404, the harvesting ring 701 is likely to come into contact with the stem 405, and the harvesting ring 701 is pushed up by resistance from the stem 405 or the like. may not be available.

STEP4において、収穫リング701を押し上げる距離については、果実404の縦方向の長さに対応した距離とすることが望ましい。この縦方向の長さについても、第2の撮像位置において取得したデータを用いることで、精度良く算出することが可能となる。 In STEP 4, it is desirable that the distance by which the harvesting ring 701 is pushed up corresponds to the length of the fruit 404 in the vertical direction. The length in the vertical direction can also be calculated with high accuracy by using the data acquired at the second imaging position.

さらに、図4の動作STEP5において、制御部1406は、収穫リング701を押し上げる最中に、第1ロボットアーム1402を制御することにより、収穫リング701にひねりの動作を加える(本発明の「第3動作」に相当)。具体的には、図10のように、収穫リング701の先端部を起点として、横方向に回転させるように、収穫リング701にひねりの動作を加える。これにより、押し上げ動作の際の果梗405などから受ける収穫リング701への抵抗を抑えることが可能となる。また、ひねりの動作における回転度合いは、図4のSTEP4における押し上げ動作に線形比例しても良く、指数関数的に増大しても良い。なお、STEP5の動作は、STEP4の動作と並行して行われる。 Further, in operation STEP5 of FIG. 4, the control unit 1406 controls the first robot arm 1402 to twist the harvesting ring 701 while pushing up the harvesting ring 701 (the "third arm" of the present invention). (equivalent to "action"). Specifically, as shown in FIG. 10, the tip of the harvesting ring 701 is used as a starting point, and the harvesting ring 701 is twisted so as to rotate in the horizontal direction. This makes it possible to suppress the resistance to the harvesting ring 701 from the stem 405 and the like during the push-up operation. Also, the degree of rotation in the twisting motion may be linearly proportional to the push-up motion in STEP 4 of FIG. 4, or may increase exponentially. The operation of STEP5 is performed in parallel with the operation of STEP4.

さらに、図4の動作STEP6において、制御部1406は、第1ロボットアーム1402を制御することで、収穫リング701を引き寄せる(本発明の「第4動作」に相当)。具体的には、図11のように、第1ロボットアーム1402側、すなわち挿入方向と逆方向に、収穫リング701を引き寄せる。すなわち、収穫リング701は、果実404から離れる方向に移動する。このとき、STEP3で押し当てた補助部材704が支点に、収穫リング701の先端部が作用点となることで、収穫対象果実の離層部付近にせん断力が発生し、果実404が小果梗405から分断される。尚、小果梗405から分断された果実404は、例えば、収穫リング701の下方に配設された収穫籠(図示せず)に収納される。 Further, in operation STEP6 of FIG. 4, the control unit 1406 draws the harvesting ring 701 by controlling the first robot arm 1402 (corresponding to the "fourth operation" of the present invention). Specifically, as shown in FIG. 11, the harvesting ring 701 is pulled toward the first robot arm 1402, that is, in the direction opposite to the insertion direction. That is, harvest ring 701 moves away from fruit 404 . At this time, the auxiliary member 704 pressed in STEP 3 serves as a fulcrum, and the tip of the harvesting ring 701 serves as a point of action, so that a shearing force is generated in the vicinity of the delamination portion of the fruit to be harvested, and the fruit 404 becomes a small peduncle. 405. The fruit 404 separated from the peduncle 405 is stored, for example, in a harvesting basket (not shown) arranged below the harvesting ring 701 .

上記の動作ステップによって、果実をもぎ取ることが可能となる。 The above operational steps enable the fruit to be picked.

[効果]
以上のように、本実施形態に係る収穫ロボットは、果実(対象物)404を挿通させる収穫リング701を有する第1ロボットアーム1402と、果実404が実った果梗405を固定する補助部材704を有する第2ロボットアーム1403と、第1ロボットアーム1402及び第2ロボットアーム1403を制御する制御部1406と、を備え、制御部1406が、補助部材704にて、果梗405を固定した状態で、収穫リング701の移動制御及び姿勢制御を実行可能に構成されている。
[effect]
As described above, the harvesting robot according to this embodiment includes the first robot arm 1402 having the harvesting ring 701 through which the fruit (object) 404 is inserted, and the auxiliary member 704 for fixing the stem 405 bearing the fruit 404. and a control unit 1406 that controls the first robot arm 1402 and the second robot arm 1403, and the control unit 1406 fixes the stem 405 with the auxiliary member 704, It is configured to be able to execute movement control and attitude control of the harvesting ring 701 .

従って、本実施形態に係る収穫ロボットによれば、従来技術のように複数のリングを用いることなく、果実を収穫することが可能である。これによって、枝の隙間に存在する果実も容易に収穫することができ、且つ、離層がない果実も収穫することができるため、効率的に果実を収穫することが可能である。 Therefore, according to the harvesting robot according to the present embodiment, it is possible to harvest fruits without using a plurality of rings as in the prior art. As a result, it is possible to easily harvest the fruit present in the gaps between the branches, and also to harvest the fruit without delamination, so that the fruit can be harvested efficiently.

本発明の収穫ロボットに搭載するロボットアームは、果実の収穫に適した収穫リングを有することを特徴とするが、収穫の対象とする果実に適した大きさとすることで、果実の自動収穫の用途全般に適用できる。 The robot arm mounted on the harvesting robot of the present invention is characterized by having a harvesting ring suitable for harvesting fruits. Applicable in general.

201 引き込みガイド
202 収穫リング
203 収穫果ガイド
204 収穫果シート
205 ロボットアーム
401 小果梗
402 離層
403 ガク
404 果実
405 果梗
700 ロボットハンド
701 収穫リング
703 接続部
704 補助部材
1301 第1折れ曲がり部
1302,1303 第1直線部
1304,1305 第2折れ曲がり部
1306,1307 第2直線部
1401 画像取得部
1402 収穫リング付きロボットアーム
1403 補助部材付きロボットアーム
1404 画像処理部
1405 判断部
1406 制御部
201 Pull-in guide 202 Harvesting ring 203 Harvested fruit guide 204 Harvested fruit sheet 205 Robot arm 401 Small fruit stem 402 Delamination 403 Sepal 404 Fruit 405 Fruit stem 700 Robot hand 701 Harvesting ring 703 Connecting part 704 Auxiliary member 1301 First bending part 1302, 1303 First straight portion 1304, 1305 Second bent portion 1306, 1307 Second straight portion 1401 Image acquisition unit 1402 Robot arm with harvesting ring 1403 Robot arm with auxiliary member 1404 Image processing unit 1405 Judging unit 1406 Control unit

Claims (6)

対象物を挿通させる収穫リングを有する第1ロボットアームと、
前記対象物が実った果梗を固定する補助部材を有する第2ロボットアームと、
前記第1ロボットアーム及び前記第2ロボットアームを制御する制御部と、
を備え、
前記制御部が、前記補助部材にて、前記果梗を固定した状態で、前記収穫リングの移動制御及び姿勢制御を実行可能に構成され
前記制御部が、前記収穫リングの先端が下方側になるように、前記収穫リングを水平面に対して前後方向に傾ける第1動作を実行可能に構成され、
前記制御部が、前記第1動作を実行した後、前記収穫リングの姿勢を維持しつつ、前記収穫リングを上方に移動させる第2動作を実行可能に構成され、
前記制御部が、前記第2動作を実行した後、前記収穫リングの先端を起点として、前記収穫リングを横方向に回転させる第3動作を実行可能に構成されている、
収穫ロボット。
a first robotic arm having a harvesting ring through which the object is passed;
a second robot arm having an auxiliary member for fixing the fruit peduncle of the object;
a control unit that controls the first robot arm and the second robot arm;
with
The control unit is configured to be capable of executing movement control and posture control of the harvesting ring while the fruit stem is fixed by the auxiliary member ,
The control unit is configured to be capable of executing a first operation of tilting the harvesting ring in the front-rear direction with respect to a horizontal plane so that the tip of the harvesting ring faces downward,
The control unit is configured to be capable of executing a second action of moving the harvesting ring upward while maintaining the posture of the harvesting ring after executing the first action,
After executing the second action, the control unit is configured to be capable of executing a third action of rotating the harvesting ring in a lateral direction with the tip of the harvesting ring as a starting point.
harvesting robot.
前記収穫リングは、先端が角形状のリング穴を形成する、
請求項1に記載の収穫ロボット。
The harvesting ring forms a ring hole with a square tip.
A harvesting robot according to claim 1 .
前記収穫リングは、前記角形状を形成するように、一端が互いに接続された一対の第1直線部と、前記一対の第1直線部の他端と接続され、互いに並行に前記第1ロボットアームの基端側に延在する一対の第2直線部と、を有する、
請求項2に記載の収穫ロボット。
The harvesting ring includes a pair of first linear portions connected to each other at one end thereof and the other end of the pair of first linear portions connected to the other end of the pair of first linear portions so as to form the angular shape, and the first robot arm is connected in parallel to each other. and a pair of second straight portions extending to the proximal side of the
A harvesting robot according to claim 2.
前記制御部は、前記収穫リングのリング面が水平面に対して10°以上で且つ30°以下の角度となるように、前記第1動作を実行する、
請求項に記載の収穫ロボット。
The control unit performs the first operation so that the ring surface of the harvesting ring forms an angle of 10° or more and 30° or less with respect to a horizontal plane.
A harvesting robot according to claim 1 .
前記制御部が、前記第3動作を実行した後、前記収穫リングを、引き寄せる方向に移動させる第4動作を実行可能に構成されている、
請求項に記載の収穫ロボット。
The control unit is configured to be capable of executing a fourth operation of moving the harvesting ring in a pulling direction after executing the third operation.
A harvesting robot according to claim 1 .
前記制御部は、前記対象物を収穫する際、
前記第1動作にて、前記収穫リングを前記対象物の下方に配置し、
前記第2動作にて、前記収穫リング内に前記対象物を挿入させ、且つ、前記収穫リングを前記対象物の上端部まで移動させ、
前記第3動作及び前記第4動作にて、前記収穫リングを前記対象物の上端部に存在する前記果梗にせん断力を発生させて、前記果梗から前記対象物を分離する、
請求項に記載の収穫ロボット。
The control unit, when harvesting the target object,
disposing the harvesting ring below the object in the first operation;
inserting the object into the harvesting ring and moving the harvesting ring to an upper end of the object in the second operation;
In the third operation and the fourth operation, the harvesting ring generates a shearing force on the stem existing at the upper end of the object to separate the object from the stem.
A harvesting robot according to claim 5 .
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