本发明涉及对水果或蔬菜的果实等进行收割的收割装置及收割方法。
背景技术：
近年来，期望着农作物的收割作业的自动化。作为进行这样的自动收割的例子，例如已知专利文献1中记载的收割装置。
图10是一般的西红柿的结果状态的概略图。图11是专利文献1中记载的现有的收割装置80的主要部件的概略结构图。
现有的收割装置80在从栽培垄内的垂挂于主茎12的果串16收割果实13时，将机械臂81伸展到果串16中，通过配置在机械臂81前端的采果剪82将小果柄15切断。因此，存在机械臂81或采果剪82与主茎12或收割对象外的果实等干扰的可能性。
例如，在收割动作结束而使机械臂81恢复至原始位置时、或在使采果剪82向下一个要收割的果实位置移动时、或在使行驶车辆83移动时，有以下担忧：机械臂81或采果剪82未完全避开主茎12、果实13、果串16而钩挂于它们，导致切断主茎12或损伤果实13等、对植被带来损害。
据此可知，需要在产生干扰时，检测出干扰并快速地停止收割装置的运行，以确保植被的安全。
例如在专利文献2中记载了对装置与障碍物的干扰进行检测并使动作停止的装置。
图12是表示将结构简化为关节数为3(第一关节92、第二关节94、第三关节96)、连杆数为3(第一连杆91、第二连杆93、第三连杆95)的装置90的概略图，示出了在第三连杆95碰上障碍物97时，第三连杆95以受推角98进行旋转的受推动作。
该装置90通过受推角98检测出第三连杆95与障碍物97的冲撞，在检测出冲撞的情况下执行停止处理。
专利文献1：日本专利第3757279号公报
专利文献2：日本专利第4756618号公报
如上所述，在收割装置80的收割动作中，为了在小果柄15的部分割断果实13来进行收割，将采果剪82插入到垂挂于主茎12的果串16中。
在栽培于菜园等中的状态下，多个果串16或主茎12密集地存在。因此，在实际的收割动作中，通过将采果剪82插入到密集的果串16或主茎12等的植被中，并利用采果剪82将小果柄15切断，来进行果实13的收割动作，在收割动作结束后，将采果剪82从植被中拔出，使收割装置80向下一个收割位置移动，继续收割动作。
这时，若采果剪82未顺利地从植被中拔出，而保持着与主茎12干扰的状态使收割装置80移动，则成为在采果剪82或机械臂81上钩挂着主茎12而进行移动的状态。其结果，最坏的情况是将主茎12切断或拉倒。
因此，需要如装置90那样，在机械臂81或采果剪82上设置当机械臂81钩挂主茎13时对相当于受推角98的角度进行检测的机构，使收割装置80的移动停止，由操作人员解除干扰状态。
但是，采果剪82由于在每次收割动作中被插入到植被中而后被从植被中拔出，所以因植被的状态而钩挂主茎13的几率较高，若每次都使装置80停止使得连续收割无法高效地进行。
技术实现要素：
本发明涉及能够对水果或蔬菜的果实等高效地进行连续收割的收割装置及收割方法。
为了实现上述目的，本发明的收割装置，包括：摘果用手；臂，其使摘果用手向植被中移动；检测部，其检测施加到摘果用手或臂上的负荷的大小和施加负荷的方向；以及控制部，其基于由检测部检测出的负荷的大小和施加负荷的方向，检测摘果用手或臂与植被之间的干扰状态的产生和干扰的朝向，进行消除干扰的控制。
另外，本发明的收割方法包括以下工序：检测工序，检测部检测施加到摘果用手、或使摘果用手向植被中移动的臂上的负荷的大小和施加负荷的方向；以及控制工序，控制部基于在检测工序中检测出的负荷的大小和施加负荷的方向，检测在摘果用手或臂与植被之间的干扰状态的产生和干扰的朝向，进行消除干扰的控制。
根据本发明的收割装置及收割方法，能够对水果或蔬菜的果实等高效地进行连续收割。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式的收割装置的概略结构的一例的图。
图2是表示在铺设于通路的轨道上配置收割装置的状态的图。
图3是从上方观察将机械臂的关节型臂伸展到垄中的状态的概略图。
图4是对收割装置进行的收割动作进行说明的流程图。
图5是对收割装置进行的收割动作进行说明的流程图。
图6是对收割装置进行的收割动作进行说明的流程图。
图7是对收割装置进行的收割动作进行说明的流程图。
图8a～图8f是表示收割动作时的关节型臂的动作的图。
图9a～图9c是表示主茎与关节型臂及摘果用手干扰的状态的图。
图10是一般的西红柿的结果状态的概略图。
图11是现有的收割装置的主要部件的概略结构图。
图12是将结构简化为关节数为3、连杆数为3的装置的概略图。
标记说明
1：摘果用手
2：机械臂
3：滑动机构
4：关节型臂
5：粗识别摄像机
6：精识别摄像机
7：移动机构部
8：控制部
9：传送带
10：容纳部
11：轨道
12：主茎
13：果实
14：果柄
15：小果柄
16：果串
17：第一关节
18：第一臂
19：第二关节
20：第二臂
21：第三关节
22：第三臂
23：力矩传感器
24：不收割的果实
25：其他的植株
80：收割装置
81：机械臂
82：采果剪
83：行驶车辆
90：装置
91：第一连杆
92：第一关节
93：第二连杆
94：第二关节
95：第三连杆
96：第三关节
97：障碍物
98：受推角(clearanceangle)
100：收割装置
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。此外，对相同的构成要素标注相同标记，有时省略其说明。
首先，对本发明的实施方式中的收割方法所使用的收割装置进行说明。图1是表示本发明的实施方式的收割装置100的概略结构的一例的图。图2是表示在铺设于通路的轨道11上配置收割装置100的状态的图。
该收割装置100是以收割西红柿等果实等为目的的装置。当然，也能够适用于水果的果实、在垄上随意种植的茄子和黄瓜等果菜类的果实等。
西红柿栽培于小路或设施内，在本实施方式中，以收割栽培于设施内的西红柿为前提进行说明。在这样的设施内，通常设置有用于操作人员进行栽培或收割作业的通路，在该通路两侧的垄上种植西红柿等果菜。
例如，如图2所示，在通路的两侧，果实13以垂挂于主茎12的状态结果。而且，收割装置100一边在垄与垄之间的轨道11上移动一边自动地进行收割作业。当然，也可以是无轨的移动作业。
图1所示的收割装置100具有：摘果用手1、机械臂2、粗识别摄像机5、精识别摄像机6、移动机构部7、控制部8、传送带9、容纳部10。机械臂2具有能够在上下方向上移动的滑动机构3和关节型臂4。
收割装置100通过移动机构部7的作用沿着轨道11移动。移动机构部7例如是使收割装置100移动的车轮。而且，收割装置100中，由粗识别摄像机5和精识别摄像机6对果实13进行检测，由搭载在机械臂2的前端的摘果用手1进行收割。
具体而言，在收割装置100在垄与垄之间的轨道11上移动时，粗识别摄像机5对沿着垄的区域进行摄像。控制部8基于粗识别摄像机5拍摄到的图像，使收割装置100移动到精识别摄像机6能够对收割对象的果实进行拍摄的位置。
另外，精识别摄像机6对收割对象的果实进行拍摄。控制部8基于由精识别摄像机6拍摄到的图像，根据果实的三维的位置、颜色、大小等来对是否有应收割的果实进行判定。
而且，控制部8在判定为有应收割的果实的情况下，控制摘果用手1以及机械臂2来进行对该果实的收割。被收割的果实由传送带9向容纳部10运输，容纳于容纳部10中。
图3是从上方观察将机械臂2的关节型臂4伸展到垄中的状态的概略图。此外，图3中，对于主茎12仅示出其位于果实13周边的部分。
关节型臂4具有：第一关节17、第二关节19、第三关节21、第一臂18、第二臂20、第三臂22、以及力矩传感器23。
关节型臂4能够通过第一关节17、第二关节19、以及第三关节21，使第一臂18、第二臂20、以及第三臂22伸展或者折叠。
另外，力矩传感器23是对施加到摘果用手1或关节型臂4上的负荷、以及施加负荷的方向进行检测的检测部。控制部8从力矩传感器23获得负荷的信息，并在施加了规定值以上的负荷的情况下判定为在摘果用手1或关节型臂4与植被之间产生了干扰。
接着，对收割装置100进行的收割动作进行说明。图4～图7是对收割装置100进行的收割动作进行说明的流程图。图8a～图8f是表示收割动作时的关节型臂4的动作的图。这里，图8a表示进行收割动作之前的关节型臂4的原始位置的一例。图9a～图9c是表示主茎12与关节型臂4及摘果用手1干扰的状态的图。
如图4所示，首先，控制部8对由粗识别摄像机5以及精识别摄像机6拍摄到的图像进行分析，获得果实的结果状态以及果实的三维位置坐标的信息(步骤s1)。
然后，控制部8根据所获得的信息，对是否有应收割的果实进行判定(步骤s2)。在判定为有应收割的果实的情况下(步骤s2中为“是”的情况)，收割装置100开始收割动作(步骤s3)。关于该收割动作，将在后面使用图5详细地进行说明。
之后，控制部8基于从力矩传感器23获得的负荷的信息，判定是否在摘果用手1、或关节型臂4上施加了异常的负荷(步骤s4)。
在未施加异常的负荷的情况下(步骤s4中为“否”的情况)，控制部8对收割动作是否已结束进行判定(步骤s5)。在收割动作未结束的情况下(步骤s5中为“否”的情况)，再次执行步骤s4以后的处理。
在收割动作已结束的情况下(步骤s5中为“是”的情况)，对未被收割而剩余的其他果实再次执行步骤s1以后的处理。在收割动作未结束的情况下(步骤s5中为“否”的情况)，继续收割动作并且执行步骤s4以后的处理。
在步骤s4中，施加了异常的负荷的情况下(步骤s4中为“是”)，控制部8判定为在关节型臂4或摘果用手1与植被之间产生了干扰，开始消除该干扰的动作(步骤s6)。关于消除干扰的动作，将在后面使用图6详细地进行说明。
之后，控制部8对在摘果用手1或关节型臂4上是否施加了异常的负荷进行判定(步骤s7)。在未施加异常的负荷的情况下(步骤s7中为“否”)，控制部8对消除干扰的动作是否结束进行判定(步骤s8)。在消除干扰的动作未结束的情况下(步骤s8中为“否”的情况)，继续进行消除干扰的动作，并且再次执行步骤s7以后的处理。
在消除干扰的动作结束的情况下(步骤s8中为“是”的情况)，对未被收割而剩余的果实再次执行步骤s1以后的处理。
在步骤s7中，在施加了异常的负荷的情况下(步骤s7中为“是”)，控制部8进行将收割装置100的运行停止的处理(步骤s9)。在该情况下，由操作人员消除干扰状态。
这里，使用图5及图8a～图8f对在步骤s3中开始的收割动作详细地进行说明。
在该收割动作中，首先，控制部8一边避开不收割的果实24、主茎12、果柄14、小果柄15、其他的植株25等障碍物，一边使关节型臂4从原始位置伸展，将摘果用手1配置在收割对象的果实13附近的摘果位置(步骤s10)。在图8a～图8e)中示出了该情况。
这里，图8a表示关节型臂4位于原始位置的状态，图8b表示摘果手1向主茎12与其他的植株25之间移动的状态，图8c表示摘果手1插入到主茎12与其他的植株25之间的状态，图8d表示摘果手1向果实13的方向转动的状态，图8e表示摘果手1接近要切断的小果柄15的状态。
接着，控制部8控制摘果手1来收割果实(步骤s11)。在图8f中示出了该情况。这里，图8f示出摘果用手1对小果柄15进行切断的状态。
之后，控制部8将关节型臂4折叠，使关节型臂4退避至图8a所示的原始位置(步骤s12)。这样，进行了收割动作。
在收割结束的时刻，主茎12、不收割的果实24、其他的植株25作为障碍物而存在于摘果手1以及关节型臂4的周边。在收割后，关节型臂4在避开这些障碍物的同时，沿着在收割时关节型臂4移动的轨迹反向移动，从而返回到图8a所示的原始位置。
例如，在该情况下，关节型臂4按照图8f、图8e、图8d、图8c、图8b、图8a所示的状态寻路移动。
但是，由于收割对象的果实13、与该果实13相邻的不收割的果实24、主茎12、这些与摘果用手1的接触，以及对果实13进行收割所引起的载重平衡的变化等，不收割的果实24、主茎12、其他的植株25的位置有时与收割果实13之前的位置不同。
因此，偶尔会发生以下情况：不收割的果实24、主茎12、其他的植株25、与关节型臂4或摘果用手1之间产生干扰，关节型臂4或摘果用手1钩挂于它们。
在图9a中示出了该情况。图9a是表示主茎12与关节型臂4以及摘果用手1干扰的状态的图。
该状况下，若要将关节型臂4向图8a所示的原始位置移动，则主茎12会被拉拽，最坏时主茎12会被切断。
在该状态下，由主茎12的钩挂产生的反作用力的负荷施加到关节型臂4上。力矩传感器23通过检测负荷的大小和负荷方向，来检测干扰状态的产生和干扰的朝向。
此外，力矩传感器23也能够设置于图3所示的关节型臂4的第一关节17、第二关节19、第三关节21、第一臂18、第二臂20、第三臂22。另外，也能够根据驱动各臂的电机的电流变化来检测负荷的大小和负荷方向。
这里，使用图6及图9a～图9c对在步骤s6中开始的干扰消除动作详细地进行说明。
在图4的步骤s4中，若判定为在摘果用手1或关节型臂4上施加了异常的负荷(步骤s4中为“是”)，则控制部8使关节型臂4沿着关节型臂4为了收割而移动的轨迹反向移动，使得关节型臂4返回到干扰前的状态(步骤s20)。图9b中示出了该状态。
接着，控制部8以使收割装置100向与干扰的朝向相反的方向移动的方式使收割装置100后退(步骤s21)。例如，控制部8以最大株间距离(本例中为600mm)为限度，使收割装置100移动至力矩传感器23检测不到干扰的位置为止。图9c中示出了该状态。
然后，控制部8通过使关节型臂4沿着收割时关节型臂4移动的轨迹反向移动来将关节型臂4折叠，使关节型臂4返回到图8a所示的原始位置(步骤s22)。
之后，控制部8使收割装置100前进至后退开始位置(步骤s23)，结束该干扰消除动作。之后，再次执行图4的步骤s1以后的处理。
接着，使用图7，对在图4的步骤s2中判定为没有应收割的果实的情况下(步骤s2中为“否”的情况)的处理进行说明。
首先，控制部8对收割装置100的位置是否在垄的中途进行判定(步骤s30)。例如，控制部8能够根据移动机构部7的车轮的转速来检测收割装置100的位置。
当收割装置100的位置不在垄的中途而在垄的末端的情况下(步骤s30中为“否”的情况)，收割装置100直接结束收割动作。当收割装置100的位置在垄的中途的情况下(步骤s30中为“是”的情况)，控制部8开始到下一个果实的收割位置为止的收割装置100的移动(步骤s31)。
此外，在收割装置100向下一个果实的收割位置移动的过程中，在前进的道路上垂下的主茎12或果实13有时钩挂于关节型臂4或摘果用手1，产生干扰。因此，控制部8一边通过力矩传感器23确认没有干扰的产生，一边使收割装置100移动，直至到达下一个果实的收割位置。
具体而言，控制部8在收割装置100的移动中，基于从力矩传感器23获得的负荷的信息、以及施加负荷的方向的信息，判定是否从收割装置100的行进方向对摘果用手1或关节型臂4施加了异常的负荷(步骤s32)。
在未施加异常的负荷的情况下(步骤s32中为“否”的情况)，控制部8对到下一个果实的收割位置为止的收割装置100的移动是否结束进行判定(步骤s33)。在移动未结束的情况下(步骤s33中为“否”的情况)，再次执行步骤s32以后的处理。
在移动已结束的情况下(步骤s33中为“是”的情况)，在下一个果实的收割位置，再次执行图4所示的步骤s1以后的处理。
在步骤s32中，在施加了异常的负荷的情况下(步骤s32中为“是”的情况)，控制部8对步骤s35、以及步骤s36所示的干扰消除动作的次数(重试次数)是否在阈值以下进行判定(步骤s34)。
在重试次数不在阈值以下的情况下(步骤s34中为“否”的情况)，如图4的步骤s9所示，控制部8进行停止收割装置100的运行的处理。
在重试次数在阈值以下的情况下(步骤s34中为“是”的情况)，控制部8使收割装置100的移动停止(步骤s35)。然后，控制部8为了进行干扰的消除动作，而进行使关节型臂4向与收割装置100的行进方向相反的方向伸展的控制(步骤s36)。此外，控制部8也可以使关节型臂4伸展并且进行使摘果用手1开闭的控制。
之后，控制部8基于从力矩传感器23获得的负荷的信息、以及施加负荷的方向的信息，判定是否从收割装置100的行进方向对摘果用手1或关节型臂4施加了异常的负荷(步骤s37)。
在未施加异常的负荷的情况下(步骤s37中为“否”的情况)，再次执行步骤s30以后的处理。在施加了异常的负荷的情况下(步骤s37中为“是”的情况)，控制部8使收割装置100后退一定的距离(步骤s38)。优选将该距离设为植被的株间距离的二分之一至十分之一。
然后，控制部8基于从力矩传感器23获得的施加负荷的方向的信息，判定是否施加了与在步骤s37中检测出的异常负荷的方向相反的方向的负荷(步骤s39)。
在施加了相反方向的负荷的情况下(步骤s39中为“是”的情况)，判断为没有成为步骤s37中检测出的异常负荷的原因的干扰，再次执行步骤s30以后的处理。
在未施加相反方向的负荷的情况下(步骤s39中为“否”的情况)，控制部8判定收割装置100是否使关节型臂4向与行进方向相反的方向伸展并后退至开始移动的移动开始位置(步骤s40)。例如，控制部8能够根据移动机构部7的车轮的转速来判定是否已后退至移动开始位置。
在收割装置100未后退至移动开始位置的情况下(步骤s40中为“否”的情况)，再次执行步骤s37以后的处理。在收割装置100已后退至移动开始位置的情况下(步骤s40中为“是”的情况)，如图4的步骤s9所示，控制部8进行停止收割装置100的运行的处理。
在上述一连串的动作中，收割装置100一边在垄中移动一边收割果实。这时，收割装置100以使与植被的干扰成为最小限度的方式进行收割动作，即使产生干扰，也能够对其进行检测，并进行与收割装置100的动作状况对应的、准确的干扰消除动作。
即，收割装置100独立地避免对植被带来损害的干扰状态的产生，即使产生了干扰状态，也能够通过消除该状态来继续进行收割动作。
因此，不需要在每次产生干扰时都使收割装置暂时停止，并由操作人员每次前往干扰产生现场进行解除干扰状态的作业。其结果，不会占用操作人员的工时，而能够期待收割装置100的连续收割运行。
工业实用性
本发明的收割装置及收割方法能够适用于对水果或蔬菜的果实等进行收割的收割装置及收割方法。