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JP7629787B2 - Self-propelled robot - Google Patents
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Description

本発明は、自走式ロボットに関し、例えば果樹に実っている果実をもぎ取ることなく非破壊にて糖度を計測する非破壊成分推定装置を搭載する自走式ロボットに適用して好適なものである。 The present invention relates to a self-propelled robot, and is suitable for use in a self-propelled robot equipped with a non-destructive component estimation device that non-destructively measures the sugar content of fruit without plucking it from fruit trees.

従来、トマト等の果実の糖度を計測するために、果実に対して近赤外光を照射して吸光度を計測し、その吸光度から糖度を推定する近赤外分光法を用いた非破壊計測方法が実用化されている。 Conventionally, to measure the sugar content of fruits such as tomatoes, a non-destructive measurement method using near-infrared spectroscopy has been put into practical use, in which the fruit is irradiated with near-infrared light, the absorbance is measured, and the sugar content is estimated from the absorbance.

しかし、一般的な非破壊計測方法は果実を果樹から採取して集荷した状態で実施されるケースが多く、糖度が必要な値に満たしていないと判断された果実は、商品価値がないものとして廃棄される可能性が高い。 However, typical non-destructive measurement methods are often performed after the fruit has been picked from the trees and collected, and fruit that is determined to have a sugar content that does not meet the required level is likely to be discarded as having no commercial value.

この問題を解決すべく、果樹に実った状態のまま果実の糖度を直接計測するようになされたハンディ式の糖度計が開発されている(特許文献1参照)。このハンディ式糖度計は、光源から照射され、青果物表面で反射された光を受光センサにより測定することにより、反射光に基づいて糖度の算出を行うようになされている。 To solve this problem, a handheld saccharometer has been developed that can directly measure the sugar content of fruit while it is still on the tree (see Patent Document 1). This handheld saccharometer is designed to measure light that is irradiated from a light source and reflected by the surface of fruit or vegetable using a light receiving sensor, and calculates the sugar content based on the reflected light.

特開2016-114544号公報JP 2016-114544 A

ところで、特許文献1に示すハンディー式糖度計では、作業者が果樹に実る大量の果実を1つ1つ手で把持しながら計測する必要があり、作業者にとって非常に手間がかかるという問題がある。また野外では果樹が太陽光の影響も大きく影響を受けるため、光量調節手段に可変減光フィルタを設けているが、構成が煩雑になる。 However, the handheld sugar content meter shown in Patent Document 1 has the problem that the operator must measure the large number of fruits on the trees while holding each one by hand, which is very time-consuming for the operator. In addition, fruit trees are greatly affected by sunlight in the field, so a variable neutral density filter is provided in the light amount adjustment means, but this makes the configuration complicated.

実際に太陽光に晒されている果樹において、当該果樹に実る大量の果実の成長過程を把握しながら、各果実の糖度を含む内部成分を高い精度で計測して管理することが望ましいが、上述の特許文献1では実用上不十分な問題が残る。 In fruit trees exposed to sunlight, it is desirable to monitor the growth process of the large number of fruits that grow on the trees and to measure and manage the internal components, including sugar content, of each fruit with high accuracy, but the above-mentioned Patent Document 1 leaves problems that make it insufficient for practical use.

本発明は以上の点を考慮してなされたもので、果実の成長過程における内部成分の状態を高い精度で推定することが可能な非破壊成分推定装置を搭載する自走式ロボットを提案しようとするものである。 The present invention was made in consideration of the above points, and aims to propose a self-propelled robot equipped with a non-destructive component estimation device that can estimate with high accuracy the state of internal components during the fruit growth process.

かかる課題を解決するため本発明においては、果実に光を照射して糖度を推定する非破壊成分推定装置を搭載し、自律的にまたは外部操作に応じて地面を走行する自走式ロボットにおいて、ロボット本体を地面の所望方向に所望速度で走行駆動する走行駆動部と、多自由度を有する多関節機構を有するアーム部の根元部を支持し、かつ、アーム部と一体となって走行駆動部に対して回動自在に当該走行駆動部の上段に連結されたアーム支持部と、走行駆動部およびアーム支持部をそれぞれ駆動制御する走行制御部とを備え、非破壊成分推定装置は、果実に対して光が照射されたとき、当該果実の内部から生じる散乱光を当該果実の皮表面を介して検出する光検出部と、光検出部に隣設され、果実との接触状態を検知する接触検知部と、先端が果実の皮表面に吸着可能な弾性材からなり、当該果実への吸着時に光検出部および接触検知部の周囲を被覆して外光から遮光するための吸着遮光部と、吸着遮光部に吸着される果実の吸着部位の近傍を光照射するように、光を照射する光源と、吸着遮光部による吸着対象を撮像すると同時に当該吸着対象までの距離を計測する撮像距離計測部と、光検出部により検出された散乱光を分光して、波長ごとの光強度分布を表すスペクトルを計測する分光スペクトル計測部と、果実と異なる複数の同種類の果実に対応する散乱光のスペクトルとして記憶されているライブラリと、分光スペクトル計測部により計測されたスペクトルに対して、ライブラリに記憶されている複数のスペクトルとの相関性を多変量解析することにより、果実の内部成分の状態を推定するように学習した推定モデルを構築する推定モデル構築部と、推定モデル構築部により構築された推定モデルに基づいて、果実の成長過程における内部成分の状態を推定する内部状態推定部とを備え、走行制御部は、撮像距離計測部にて撮像される吸着遮光部による吸着対象の撮像内容と当該吸着対象までの計測距離とに基づいて、アーム支持部を回動させるとともにアーム部の各関節機構を屈曲または伸展させながら、吸着遮光部を吸着対象となる果実に位置合わせした後、接触検知部により果実の接触状態を検知しながら当該吸着遮光部を当該果実の外表面に吸着させるようにした。 In order to solve such problems, the present invention provides a self-propelled robot that is equipped with a non-destructive component estimation device that estimates sugar content by irradiating light on fruit and that travels on the ground autonomously or in response to external operation, the robot comprises a travel drive unit that drives the robot body to travel on the ground in a desired direction at a desired speed, an arm support unit that supports the base of an arm unit having a multi-joint mechanism with multiple degrees of freedom and is connected to the upper part of the travel drive unit integrally with the arm unit so as to be freely rotatable relative to the travel drive unit, and a travel control unit that drives and controls the travel drive unit and the arm support unit. The non-destructive component estimation device includes a light detection unit that detects scattered light generated from inside the fruit through the skin surface of the fruit when light is irradiated onto the fruit, a contact detection unit that is provided adjacent to the light detection unit and detects a state of contact with the fruit, an adsorption light shielding unit whose tip is made of an elastic material that can be adsorbed to the skin surface of the fruit and that covers the periphery of the light detection unit and the contact detection unit when adsorbed onto the fruit to block external light, a light source that irradiates light so as to irradiate the vicinity of the adsorption site of the fruit that is adsorbed onto the adsorption light shielding unit, and an image capturing unit that captures an image of the adsorption target by the adsorption light shielding unit and simultaneously captures the adsorption target. The device is equipped with an imaging distance measurement unit that measures the distance to the fruit, a spectroscopic measurement unit that disperses the scattered light detected by the light detection unit and measures a spectrum that represents the light intensity distribution for each wavelength, a library that stores the spectra of scattered light corresponding to a plurality of fruits of the same kind that are different from the fruit, an estimation model construction unit that constructs an estimation model that has been learned to estimate the state of the internal components of the fruit by performing multivariate analysis of the correlation between the spectrum measured by the spectroscopic measurement unit and the plurality of spectra stored in the library, and an internal state estimation unit that estimates the state of the internal components during the growth process of the fruit based on the estimation model constructed by the estimation model construction unit, and the travel control unit rotates the arm support unit and bends or extends each joint mechanism of the arm unit based on the image content of the target to be attracted by the adsorption light shielding unit captured by the imaging distance measurement unit and the measured distance to the target to be attracted, and then adsorbs the adsorption light shielding unit to the outer surface of the fruit while detecting the contact state of the fruit with the contact detection unit.

このように自走式ロボットにおいては、所望の果樹のある位置まで自走して到達した後、当該果樹に実る複数の果樹に対してそれぞれアーム部に搭載された非破壊成分推定装置を位置決めして、当該各果実の成長過程における内部成分の状態を比較的高い精度で推定することができる。果樹に実る果実の数が多い場合には、人手による個別作業よりも格段と作業効率が向上するために非常に有効である。 In this way, the self-propelled robot can drive to the location of a desired fruit tree, and then position the non-destructive component estimation device mounted on the arm for each of the multiple fruits on that tree, and estimate the state of the internal components of each fruit as it grows with a relatively high degree of accuracy. This is extremely effective when there are a large number of fruits on a tree, as it improves work efficiency significantly compared to individual manual work.

その際、非破壊成分推定装置では、果実の成長過程における内部成分の状態を比較的高い精度で推定することができる。特に果実の成長過程における内部成分の変化状態を時系列的に記録しておくことにより、当該記録に基づいて、果樹に実る各果実をより一層高い価値をもつ品種となるような改良研究に寄与することが可能となる。また、非破壊成分推定装置では、外乱光の影響を受けることなく、果実の成長過程における内部成分の状態を比較的高い精度で推定することができる。 In this case, the non-destructive component estimation device can estimate the state of the internal components during the fruit's development with a relatively high degree of accuracy. In particular, by recording the changes in the internal components during the fruit's development in chronological order, it is possible to contribute to research into improving the varieties of each fruit that grows on fruit trees, based on the records. Furthermore, the non-destructive component estimation device can estimate the state of the internal components during the fruit's development with a relatively high degree of accuracy, without being affected by external light disturbances.

また本発明においては、ロボット本体の走行環境を撮像する環境撮像部と、環境撮像部による撮像画像に基づいて、走行環境における特定の果樹を検知する対象検知部と、走行環境に対して自己の位置を推定すると同時に、地面を含む平面的または立体的な環境地図を作成する環境地図作成部とを備え、走行制御部は、環境地図作成部により作成された環境地図において、走行駆動部を制御して対象検知部により検知された特定の果樹に移動した後、アーム部を駆動しながら当該果樹に実る複数の果実に対して吸着遮光部をそれぞれ当接させるとともに、順次アドレスを割り当てておき、非破壊成分推定装置の内部状態推定部により推定された果実の成長過程における内部成分の状態を表すデータを、アドレス単位で管理するようにした。 The present invention also includes an environmental imaging unit that captures images of the environment in which the robot body is traveling, an object detection unit that detects specific fruit trees in the traveling environment based on the images captured by the environmental imaging unit, and an environmental map creation unit that estimates the robot's position relative to the traveling environment and creates a two-dimensional or three-dimensional environmental map including the ground at the same time. The traveling control unit controls the traveling drive unit to move to a specific fruit tree detected by the object detection unit in the environmental map created by the environmental map creation unit, and then drives the arm unit to bring the suction light blocking unit into contact with each of the multiple fruits on the fruit tree, and sequentially assigns addresses to the fruits. Data representing the state of the internal components during the growth process of the fruit estimated by the internal state estimation unit of the non-destructive component estimation device is managed on an address-by-address basis.

この結果、自走式ロボットでは、栽培エリア内における所望の果樹の植立位置まで自動的に移動することができるとともに、特定の果樹に実る複数の果実について、個別にアドレス管理することによって、当該各果実の成長過程における内部成分の状態を時系列的に記憶することが可能となる。 As a result, the self-propelled robot can automatically move to the desired planting location for the fruit tree within the cultivation area, and by managing the individual addresses of multiple fruits growing on a specific fruit tree, it is possible to chronologically store the state of the internal components of each fruit as it grows.

さらに本発明においては、推定モデル構築部は、推定モデルとして、教師あり機械学習法を用い、内部状態推定部は、教師あり機械学習法による学習結果を、交差検証によって精度評価する。この結果、非破壊成分推定装置では、学習回数の増加に伴い、内部状態推定部による精度評価の正確度が向上するため、より一層、果実の成長過程における内部成分の状態を高い精度で推定することが可能となる。 Furthermore, in the present invention, the estimation model construction unit uses a supervised machine learning method as the estimation model, and the internal state estimation unit evaluates the accuracy of the learning results obtained by the supervised machine learning method through cross-validation. As a result, in the non-destructive component estimation device, the accuracy of the accuracy evaluation by the internal state estimation unit improves as the number of learning rounds increases, making it possible to estimate the state of the internal components during the fruit growth process with even higher accuracy.

さらに本発明においては、果実は、果樹に実ったままの状態にあり、果実の内部成分は、糖度、酸味、γ-アミノ酪酸、硬さ、密度および色合いの少なくとも1以上からなる。この結果、非破壊成分推定装置では、果実の成長過程における内部成分の変化を具体的に個別または組み合わせによる相関性も確認することが可能となる。 Furthermore, in the present invention, the fruit is left on the tree, and the internal components of the fruit consist of at least one of the following: sugar content, acidity, γ-aminobutyric acid, hardness, density, and color. As a result, the non-destructive component estimation device can specifically confirm the changes in the internal components during the development of the fruit, either individually or in combination, and also the correlations between them.

本発明によれば、果実の成長過程における内部成分の状態を比較的高い精度で推定することが可能な非破壊成分推定装置を搭載する自走式ロボットを実現することができる。 The present invention makes it possible to realize a self-propelled robot equipped with a non-destructive component estimation device that can estimate the state of internal components during the growth process of a fruit with relatively high accuracy.

本実施の形態による非破壊成分推定装置の全体構成を示す外観図である。1 is an external view showing the overall configuration of a nondestructive component estimation device according to an embodiment of the present invention. 図1に示す非破壊成分推定装置の内部構成を示すブロック図である。2 is a block diagram showing an internal configuration of the nondestructive component estimation device shown in FIG. 1. 糖度推定に最適な波長領域を探索するためのグラフである。1 is a graph for searching for an optimum wavelength region for estimating sugar content. 糖度推定による結果を表すグラフである。13 is a graph showing the results of sugar content estimation. 糖度の平均値と誤差との関係を表すグラフである。1 is a graph showing the relationship between the average sugar content and the error. 本実施の形態による自走式ロボットの全体構成を示す外観図である。1 is an external view showing the overall configuration of a self-propelled robot according to an embodiment of the present invention; 図6に示す自走式ロボットの底面側の構成を示す略線図である。7 is a schematic diagram showing the configuration of the bottom side of the self-propelled robot shown in FIG. 6. 自走式ロボットの制御系の構成を示すブロック図である。FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of a control system of the self-propelled robot. 自走式ロボットの自律移動の説明に供する略線図である。FIG. 2 is a schematic diagram illustrating the autonomous movement of a self-propelled robot. 非破壊成分推定装置によるトマトの糖度推定動作の説明に供する略線図である。11 is a schematic diagram illustrating the sugar content estimation operation of a tomato by the nondestructive component estimating device;

以下図面について、本発明の一実施の形態を詳述する。 One embodiment of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings.

(1)本実施の形態による非破壊成分推定装置の構成
図1(A)および(B)は、本実施の形態にかかる非破壊成分推定装置1を示し、装置全体を統括制御するための制御基板および電装系を内部に含む本体部2と、当該本体部2の前端に設けられる光学検知ユニット3と、当該本体部の上側に設けられる撮像ユニット4とを有する。
(1) Configuration of the Nondestructive Component Estimation Apparatus According to the Present Embodiment FIGS. 1(A) and 1(B) show a nondestructive component estimation apparatus 1 according to the present embodiment, which has a main body 2 that contains a control board and an electrical system for controlling the entire apparatus, an optical detection unit 3 provided at the front end of the main body 2, and an imaging unit 4 provided on the upper side of the main body.

光学検知ユニット3は、果実に対して光を照射する一対の光源5A、5Bと、果実の内部から生じる散乱光を当該果実の皮表面を介して検出する光検出部6とから構成されている。各光源5A、5Bは、波長範囲が350〔nm〕~3,500〔nm〕のハロゲンランプからなる。光検出部6は、598〔nm〕~1,047〔nm〕の光検出能を有し、果実の内部から得られる散乱光を検出する。 The optical detection unit 3 is composed of a pair of light sources 5A, 5B that irradiate the fruit with light, and a light detection section 6 that detects the scattered light generated from inside the fruit through the surface of the fruit's skin. Each of the light sources 5A, 5B is made up of a halogen lamp with a wavelength range of 350 [nm] to 3,500 [nm]. The light detection section 6 has a light detection capability of 598 [nm] to 1,047 [nm], and detects the scattered light obtained from inside the fruit.

光学検知ユニット3は、光検出部6の隣に、果実との接触状態を検知する接触検知部10を有し、光検出部6および接触検知部10の周りを囲むように、弾性材からなる吸着遮光部11が設けられている。 The optical detection unit 3 has a contact detection section 10 that detects the contact state with the fruit, located next to the light detection section 6, and an adhesive light-shielding section 11 made of an elastic material is provided to surround the light detection section 6 and the contact detection section 10.

接触検知部10は、例えば硫化カドミウム(CdS)セルのような光導電素子からなり、果実との接触状態を検知する。吸着遮光部11は、先端が果実の皮表面に吸着可能な構造(例えば吸盤構造など)からなり、当該果実への吸着時に光検出部6および接触検知部10の周囲を被覆して外光から遮光するようになされている。 The contact detection unit 10 is composed of a photoconductive element such as a cadmium sulfide (CdS) cell, and detects the state of contact with the fruit. The adsorption and light shielding unit 11 has a structure (such as a suction cup structure) at the tip that allows it to be adsorbed to the skin surface of the fruit, and when it is adsorbed to the fruit, it covers the periphery of the light detection unit 6 and the contact detection unit 10 to block external light.

光学検知ユニット3において、一対の光源5A、5Bは、吸着遮光部(光検出部6および接触検知部10を含む)11を上下から挟む位置に設けられ、当該吸着遮光部11に吸着される果実の吸着部位の近傍を光照射し得るようになされている。 In the optical detection unit 3, a pair of light sources 5A, 5B are provided at positions sandwiching the adsorption light-shielding part 11 (including the light detection part 6 and the contact detection part 10) from above and below, so that light can be irradiated to the vicinity of the adsorption part of the fruit that is adsorbed to the adsorption light-shielding part 11.

なお、一対の光源5A、5Bは、光学検知ユニット3の筐体の照射口に設けられた内部ミラーによる反射光を併せて集合光として照射し得るとともに、光学検知ユニット3自体を可能な限り小型化し得るようになされている。 The pair of light sources 5A and 5B can irradiate light that is reflected by an internal mirror provided at the irradiation port of the housing of the optical detection unit 3 as a collective light, and are designed to make the optical detection unit 3 itself as small as possible.

また撮像ユニット4は、吸着遮光部11による吸着対象を撮像する対象撮像部20と、当該対象撮像部20により撮像された吸着対象との距離を計測する測距部21とから構成されている。対象撮像部20は、CMOSイメージセンサのような撮像素子からなり、測距部21は、光学式変位センサからなる。なお、測距部21は、非接触式の測距センサであれば、光学式以外にも、過電流式や超音波式、レーザフォーカス式など種々の方式のものを適用してもよい。 The imaging unit 4 is also composed of a target imaging section 20 that images the target to be attracted by the suction and light shielding section 11, and a distance measuring section 21 that measures the distance to the target imaged by the target imaging section 20. The target imaging section 20 is made of an imaging element such as a CMOS image sensor, and the distance measuring section 21 is made of an optical displacement sensor. Note that the distance measuring section 21 may be of various types other than optical, such as eddy current, ultrasonic, or laser focus, as long as it is a non-contact distance measuring sensor.

この非破壊成分推定装置1において、本体部2には、図2に示すように、装置全体を統括制御する制御基板としてデバイス制御部30および記憶部31が設けられている。このデバイス制御部30は、分光スペクトル計測部32と、推定モデル構築部33と、内部状態推定部34としての機能を有する。 In this nondestructive component estimation device 1, as shown in FIG. 2, the main body 2 is provided with a device control unit 30 and a memory unit 31 as a control board that controls the entire device. The device control unit 30 has the functions of a spectroscopic measurement unit 32, an estimation model construction unit 33, and an internal state estimation unit 34.

本実施の形態では、果実としてトマトを適用するとともに、当該果実の内部成分として糖度を推定する場合について実験した。 In this embodiment, we used tomatoes as the fruit and conducted experiments to estimate the sugar content as an internal component of the fruit.

分光スペクトル計測部32は、光検出部6により検出された散乱光を分光して、598〔nm〕~1,047〔nm〕の波長帯における波長ごとの光強度分布を表すスペクトルを計測する。記憶部31には、果実と異なる複数の同種類の果実に対応する散乱光のスペクトルがライブラリとして記憶されている。 The spectroscopic measurement unit 32 separates the scattered light detected by the light detection unit 6 and measures a spectrum that represents the light intensity distribution for each wavelength in the wavelength band of 598 nm to 1,047 nm. The memory unit 31 stores scattered light spectra corresponding to multiple fruits of the same type but different from the fruit as a library.

推定モデル構築部33は、分光スペクトル計測部32により計測されたスペクトルに対して、記憶部31のライブラリに記憶されている複数のスペクトルとの相関性を多変量解析することにより、果実の内部成分の状態を推定するように学習した推定モデルを構築する。この推定モデルは、教師あり機械学習法からなり、例えば、ニューラルネットワークやサポートベクタマシン、隠れマルコフニコフなど種々の手法を適用するようにしてもよい。 The estimation model construction unit 33 constructs an estimation model that is trained to estimate the state of the internal components of the fruit by performing multivariate analysis of the correlation between the spectrum measured by the spectroscopic measurement unit 32 and multiple spectra stored in the library of the storage unit 31. This estimation model is based on a supervised machine learning method, and various methods such as a neural network, a support vector machine, or a hidden Markovnikov may be applied.

例えば、図3に示すように、波長領域が598〔nm〕~1,047〔nm〕における散乱光の組み合わせの中で、最も糖度の推定精度が高い波長帯域は794〔nm〕~961〔nm〕であること(図中の枠Fに含まれる領域)が実験により得られた。 For example, as shown in Figure 3, experiments have shown that among the combinations of scattered light in the wavelength range of 598 nm to 1,047 nm, the wavelength band with the highest accuracy in estimating sugar content is the 794 nm to 961 nm wavelength band (the range included in frame F in the figure).

内部状態推定部34は、推定モデル構築部33により構築された推定モデルに基づいて、果実の成長過程における内部成分の状態を推定する。すなわち、内部状態推定部34は、教師あり機械学習法による学習結果を、交差検証によって精度評価する。 The internal state estimation unit 34 estimates the state of the internal components during the fruit growth process based on the estimation model constructed by the estimation model construction unit 33. That is, the internal state estimation unit 34 evaluates the accuracy of the learning results obtained by the supervised machine learning method through cross-validation.

具体的には、内部状態推定部34は、上述した図3にて得られた最も推定精度が高い波長帯域794〔nm〕~961〔nm〕を用いて検量線を、多変量解析のうちの重回帰分析によって算出する。なお、重回帰分析以外にも、主成分分析、因子分析、クラスタ分析など種々の多変量解析の手法を適用するようにしてもよい。 Specifically, the internal state estimation unit 34 calculates a calibration curve by multiple regression analysis, which is a type of multivariate analysis, using the wavelength band 794 [nm] to 961 [nm] that has the highest estimation accuracy obtained in FIG. 3 described above. Note that in addition to multiple regression analysis, various other multivariate analysis methods such as principal component analysis, factor analysis, and cluster analysis may also be applied.

実際に336個のトマト(Frutica:商品名)による散乱光スペクトルを基に作成した推定モデル(794〔nm〕~961〔nm〕の波長領域を使用)によって、同品種のトマト100個の糖度を推定した結果を図4(A)に示す。図4(B)に図4(A)の結果に基づく、糖度の平均値と誤差との関係を示す。この図4(B)に示すように、糖度推定精度は±0.60度であることがわかる。 Figure 4(A) shows the results of estimating the sugar content of 100 tomatoes of the same variety (Frutica: product name) using an estimation model (using a wavelength range of 794 nm to 961 nm) created based on the scattered light spectra of 336 tomatoes of the same variety. Figure 4(B) shows the relationship between the average sugar content and the error based on the results of Figure 4(A). As Figure 4(B) shows, the sugar content estimation accuracy is ±0.60 degrees.

なお、本体部2の内部には、二次電池からなる内蔵バッテリ35が設けられており、当該本体部2の後端には、自走式ロボット40(図5)のアーム部44の先端を着脱自在に取り付けるためのアームマウント(図示せず)が設けられている。 Inside the main body 2, there is provided an internal battery 35 consisting of a secondary battery, and at the rear end of the main body 2, there is provided an arm mount (not shown) for detachably mounting the tip of the arm 44 of the self-propelled robot 40 (Figure 5).

このアームマウントには、内蔵バッテリ35と導電可能な給電端子が内設され、必要に応じて自走式ロボット40側の駆動用バッテリ76(図7)から供給される電力を当該給電端子を介して内蔵バッテリ35に供給して充電することが可能となる。一方、非破壊成分推定装置1を自走式ロボット40に取り付けた状態では、自走式ロボット40側の駆動用バッテリ76からの電力をそのまま非破壊成分推定装置1全体の動作用電力として供給することも可能である。 This arm mount is provided with a power supply terminal capable of conducting electricity with the built-in battery 35, and as necessary, power can be supplied from the driving battery 76 (FIG. 7) on the self-propelled robot 40 side via the power supply terminal to charge the built-in battery 35. On the other hand, when the non-destructive component estimation device 1 is attached to the self-propelled robot 40, it is also possible to supply the power directly from the driving battery 76 on the self-propelled robot 40 side as operating power for the entire non-destructive component estimation device 1.

(2)本実施の形態による自走式ロボットの構成
図5は全体として本実施の形態による自走式ロボット40を示す。自走式ロボット40は、自律的または外部操作に応じて床面を走行する二輪駆動型の移動体であり、一対の駆動輪41A、41Bを同時にまたは独立して回転駆動してロボット本体42を所望方向に走行させる走行ベース部(走行駆動部)43と、当該走行ベース部43の上段に連結されるとともに、少なくとも1以上の関節機構を有するアーム部44の端部を支持するアーム支持部45とを備える。
(2) Configuration of Self-Propelled Robot According to this Embodiment Fig. 5 shows a self-propelled robot 40 according to this embodiment as a whole. Self-propelled robot 40 is a two-wheel drive mobile body that travels on a floor surface autonomously or in response to external operation, and includes a traveling base unit (traveling drive unit) 43 that drives and rotates a pair of drive wheels 41A, 41B simultaneously or independently to travel robot main body 42 in a desired direction, and an arm support unit 45 that is connected to the upper section of the traveling base unit 43 and supports the end of an arm unit 44 that has at least one joint mechanism.

走行ベース部43は、図6の底面図に示すように、一対のオムニホイール46A、46Bが前輪として設けられるとともに、後輪である一対の駆動輪41A、41Bの間の後端中心には補助輪47が設けられている。これにより自走式ロボット40は、走行ベース部43が一対の駆動輪41A、41Bを同時に回転駆動して前後方向に走行することができる一方、一対の駆動輪41A、41Bを独立して回転移動して各オムニホイール46A、46Bが追従して左右いずれにも走行することができる。 As shown in the bottom view of FIG. 6, the traveling base unit 43 is provided with a pair of omni-wheels 46A, 46B as the front wheels, and an auxiliary wheel 47 is provided at the center of the rear end between the pair of drive wheels 41A, 41B, which are the rear wheels. This allows the self-propelled robot 40 to travel in the forward and backward directions by the traveling base unit 43 simultaneously rotating and driving the pair of drive wheels 41A, 41B, but also to travel in either the left or right direction by independently rotating and moving the pair of drive wheels 41A, 41B, with each omni-wheel 46A, 46B following suit.

すなわち一対の駆動輪41A、41Bはそれぞれ駆動モータ(例えばインホイールモータ)48A、48Bによってそれぞれ独立して回転駆動し、駆動輪41A、41Bの前進回転或いは後進回転によって前進及び後進し、駆動輪41A、41Bの前進回転角度に差を与えることによって前進しつつ右或いは左に走行する。また、駆動輪41A、41Bを互いに逆方向に回転駆動することによって自走式ロボット40がスピン、即ちその位置で方向転換する。 That is, the pair of drive wheels 41A, 41B are rotated independently by drive motors (e.g., in-wheel motors) 48A, 48B, respectively, and the self-propelled robot 40 moves forward and backward by the forward or backward rotation of the drive wheels 41A, 41B, and moves to the right or left while moving forward by giving a difference in the forward rotation angle of the drive wheels 41A, 41B. Also, by rotating the drive wheels 41A, 41B in opposite directions, the self-propelled robot 40 spins, i.e., changes direction at that position.

アーム支持部45は、走行ベース部43の上段に連結される根元本体部50を基台として、少なくとも1以上の関節機構を有するアーム部45の端部が鉛直方向を回動中心として回転自在に支持するようになされている。なお、走行ベース部43の上段には、アーム支持部45の連結部に近い位置にトレイ51が固定されている。 The arm support section 45 is supported by a base body section 50 connected to the upper section of the running base section 43, and the end of the arm section 45, which has at least one joint mechanism, is rotatably supported with the vertical direction as the center of rotation. A tray 51 is fixed to the upper section of the running base section 43 at a position close to the connection section of the arm support section 45.

走行ベース部43の前面側(進行方向側)には、レーザレンジセンサ52および3次元スキャン可能なRGB-Dセンサ53が設けられるとともに、その上側の周囲全方向を囲むように所定間隔で複数の3D距離画像センサ54が配置されており、斜め前方方向および左右方向の障害物の検知を行うようになされている。 A laser range sensor 52 and an RGB-D sensor 53 capable of three-dimensional scanning are provided on the front side (travel direction side) of the traveling base unit 43, and multiple 3D distance image sensors 54 are arranged at predetermined intervals around the upper side in all directions, to detect obstacles diagonally forward and to the left and right.

具体的にレーザレンジセンサ52は、設置位置から見た対象物(障害物)に照射し、その反射光を受光して距離を算出する。これを一定角度間隔で距離を測定することにより、平面上に扇状の距離情報を最大30m、角度240度の範囲で得ることができる。 Specifically, the laser range sensor 52 shines light onto an object (obstacle) as seen from the installation position, receives the reflected light, and calculates the distance. By measuring the distance at regular angular intervals, it is possible to obtain fan-shaped distance information on a flat surface within a range of up to 30 m and an angle of 240 degrees.

またRGB-Dセンサ53は、RGBカラーカメラ機能に加えて、当該カメラから見た対象物(障害物)までの距離を計測できる深度センサを有し、対象物の3次元スキャンを行うことができる。この深度センサは赤外線センサからなり、構造化光の単一のパターンを対象物に投影した状態で対象を撮影し、そのパラメータを用いて三角測量により画像上の各点のデプスを算出する。 In addition to its RGB color camera function, the RGB-D sensor 53 also has a depth sensor that can measure the distance to an object (obstacle) as seen by the camera, allowing it to perform 3D scanning of the object. This depth sensor is made up of an infrared sensor, and captures an image of the object while projecting a single pattern of structured light onto it, and uses the parameters to calculate the depth of each point on the image by triangulation.

例えばRGB-Dセンサ53として、例えばkinect(マイクロソフト社、登録商標)を適用した場合、水平視野57度、垂直視野43度、センサ範囲は1.2m~3.5mの範囲を撮影することが可能であり、RGB画像は640×480、Depth(深度)画像は320×240画素で共に30フレーム/秒で取得できる。 For example, if Kinect (a registered trademark of Microsoft Corporation) is used as the RGB-D sensor 53, it is possible to capture images with a horizontal field of view of 57 degrees, a vertical field of view of 43 degrees, and a sensor range of 1.2 m to 3.5 m, and RGB images can be captured at 640 x 480 pixels, and depth images at 320 x 240 pixels, both at 30 frames per second.

RGB-Dセンサ53を走行ベース部43の上部中央に設置したのは、垂直視野を確保すべく、床面から0.6m~1.8mの高さ確保が必要となる。 The RGB-D sensor 53 is installed in the center of the top of the running base 43 because a height of 0.6m to 1.8m from the floor is required to ensure a vertical field of view.

3D距離画像センサ54は、LEDパルスを照射し、対象物からの反射光の到達時間を画素単位で計測すると同時に取得した画像情報を重畳することにより、対象物までの距離情報を画素単位で算出する。 The 3D distance image sensor 54 emits an LED pulse, measures the arrival time of the reflected light from the object in pixel units, and simultaneously calculates distance information to the object in pixel units by superimposing the acquired image information.

この3D距離画像センサ54は、上述のRGB-Dセンサ53よりも高精度の検出能力を有し、かつレーザレンジセンサ52よりも視野角が広いことから、屋外向けの補完センサとして必要である。3D距離画像センサ54として、例えばピクセルソレイユ(日本信号株式会社の商品名)を適用した場合、水平視野72度、垂直視野72度、センサ範囲は0.3m~4.0mの範囲を撮影することが可能である。 This 3D distance image sensor 54 is necessary as a complementary sensor for outdoor use because it has a more accurate detection capability than the above-mentioned RGB-D sensor 53 and a wider viewing angle than the laser range sensor 52. When Pixel Soleil (a product name of Nippon Signal Co., Ltd.) is used as the 3D distance image sensor 54, for example, it is possible to capture an image with a horizontal field of view of 72 degrees, a vertical field of view of 72 degrees, and a sensor range of 0.3 m to 4.0 m.

本発明の自走式ロボット40では、レーザレンジセンサ52、RGB-Dセンサ53および3D距離画像センサ54を用いて、外部環境に対して自己の位置を推定すると同時に環境地図を作成するSLAM(Simultaneous Localization and Mapping)技術が実現するようになされている。 The self-propelled robot 40 of the present invention uses a laser range sensor 52, an RGB-D sensor 53, and a 3D distance image sensor 54 to realize SLAM (Simultaneous Localization and Mapping) technology that estimates its own position relative to the external environment and creates an environmental map at the same time.

このSLAM技術を用いた自走式ロボット40は、高精度に自己の位置を推定しながら、実空間内に存在する物体の3次元位置を表現する環境地図を動的に生成することにより、自己の移動経路を特定して環境内を自律的に移動することが可能である。 The self-propelled robot 40 using this SLAM technology can determine its own movement path and move autonomously within the environment by dynamically generating an environmental map that represents the three-dimensional positions of objects that exist in the real space while estimating its own position with high accuracy.

またアーム支持部45の根元本体部50には、複数の超広角レンズを搭載する撮像カメラ55が設けられており、自走式ロボット40の全方位(360度)の空間を撮像し得るようになされている。さらにアーム支持部45の根元本体部50には、集音マイクおよびスピーカ(ともに図示せず)が搭載されており、周囲環境の音声を集音し、必要に応じて発話や警告音を発するようになされている。 The base body 50 of the arm support 45 is also provided with an imaging camera 55 equipped with multiple ultra-wide-angle lenses, allowing it to capture images of the space in all directions (360 degrees) of the self-propelled robot 40. The base body 50 of the arm support 45 is also equipped with a sound-collecting microphone and speaker (neither shown), which collects sounds from the surrounding environment and can emit speech or warning sounds as necessary.

(3)本実施の形態によるアーム部の構成
アーム支持部45においては、走行ベース部43に連結された根元本体部50を基台として、当該根元本体部50に対して回動自在に連結された回動支持部60と、当該回動支持部60に対して垂直方向に旋回可能に連結された第1上腕部61と、当該第1上腕部61と同じ方向に旋回可能に連結された第2上腕部62と、当該第2上腕部62の旋回方向に対して垂直方向に旋回可能に連結された前腕部63と、当該前腕部63の旋回方向と垂直方向に旋回可能に連結された手首部64とからアーム部44を構成する。
(3) Configuration of the arm section in this embodiment In the arm support section 45, the arm section 44 is constituted by a root main body section 50 connected to the running base section 43 as a base, a pivoting support section 60 connected to the root main body section 50 so as to be freely rotatable, a first upper arm section 61 connected to the pivoting support section 60 so as to be rotatable in a direction perpendicular to the pivoting support section 60, a second upper arm section 62 connected to be rotatable in the same direction as the first upper arm section 61, a forearm section 63 connected to be rotatable in a direction perpendicular to the pivoting direction of the second upper arm section 62, and a wrist section 64 connected to be rotatable in a direction perpendicular to the pivoting direction of the forearm section 63.

すなわちアーム支持部45は、根元本体部50に対して5自由度をもつ多関節構造のアーム部44(回動支持部60、第1上腕部61、第2上腕部62、前腕部63、手首部64)が各軸(A軸~E軸)を回転中心として回動自在に連結された構成からなる。アーム部44を構成する手首部64の先端には、エンドエフェクタとして非破壊成分推定装置1(図1)が着脱自在に取り付けられるようになされている。 That is, the arm support section 45 is configured such that the arm section 44 (rotating support section 60, first upper arm section 61, second upper arm section 62, forearm section 63, wrist section 64) of a multi-joint structure with five degrees of freedom is connected to the base main body section 50 so as to be rotatable about each axis (Axis A to Axis E). The nondestructive component estimation device 1 (Figure 1) can be detachably attached to the tip of the wrist section 64 constituting the arm section 44 as an end effector.

具体的には、根元本体部50と回動支持部60はA軸を中心に回動可能に連結され、回動支持部60と第1上腕部61はB軸を中心に回動可能に連結され、第1上腕部61と第2上腕部62はC軸を中心に回動可能に連結され、第2上腕部62と前腕部63はD軸を中心に回動可能に連結され、前腕部63と手首部64はE軸を中心に回動可能に連結されている。 Specifically, the base body 50 and the pivoting support 60 are connected to be rotatable around the A axis, the pivoting support 60 and the first upper arm 61 are connected to be rotatable around the B axis, the first upper arm 61 and the second upper arm 62 are connected to be rotatable around the C axis, the second upper arm 62 and the forearm 63 are connected to be rotatable around the D axis, and the forearm 63 and the wrist 64 are connected to be rotatable around the E axis.

これら根元本体部50と回動支持部60の関節部位、回動支持部60と第1上腕部61の関節部位、第1上腕部61と第2関節部62の関節部位、第2関節部62と前腕部63の関節部位、前腕部63と手首部64の関節部位にはそれぞれ例えば直流サーボモータからなるアクチュエータが設けられ、図示しない伝達機構を介して回転駆動されるようになされている。 The joint parts between the base body 50 and the pivoting support 60, the joint part between the pivoting support 60 and the first upper arm 61, the joint part between the first upper arm 61 and the second joint part 62, the joint part between the second joint part 62 and the forearm 63, and the joint part between the forearm 63 and the wrist 64 are each provided with an actuator, e.g. a DC servo motor, and are rotated via a transmission mechanism (not shown).

このアーム部44を構成する手首部64には、先端にコネクタ(図示せず)が形成され、非破壊成分推定装置1の本体部2に形成されたアームマウント(図示せず)と導通接続し得るようになされている。自走式ロボット40は、非破壊成分推定装置1がアーム部44に接続された際、当該非破壊成分推定装置1をエンドエフェクタとしてアーム部44の動作に連動して駆動制御し得るようになされている。 A connector (not shown) is formed at the tip of the wrist 64 that constitutes the arm 44, and is adapted to be electrically connected to an arm mount (not shown) formed on the main body 2 of the nondestructive component estimation device 1. When the nondestructive component estimation device 1 is connected to the arm 44, the self-propelled robot 40 is adapted to drive and control the nondestructive component estimation device 1 as an end effector in conjunction with the operation of the arm 44.

(4)自走式ロボットの内部構成
図7に自走式ロボット40の内部の回路構成を示す。自律的にまたは外部操作に応じて床面を走行する自走式ロボット40において、ロボット全体の制御を司る走行制御部70は、マイクロコンピュータを主体として構成されている。
(4) Internal Configuration of Self-Propelled Robot Fig. 7 shows the internal circuit configuration of self-propelled robot 40. In self-propelled robot 40, which travels on a floor surface autonomously or in response to external operations, travel control unit 70, which is responsible for controlling the entire robot, is mainly composed of a microcomputer.

走行制御部70による制御の下、走行駆動部71は、左右のモータドライバ65A、65Bを制御して駆動モータ48A、48Bの回転を制御することにより、ロボット本体42を床面の所望方向に所望速度で走行駆動する。 Under the control of the travel control unit 70, the travel drive unit 71 controls the left and right motor drivers 65A, 65B to control the rotation of the drive motors 48A, 48B, thereby driving the robot body 42 to travel at a desired speed in a desired direction on the floor surface.

環境地図作成部72は、予め設定された走行経路情報を記憶する目標走行経路記憶部73からの走行経路情報と、レーザレンジセンサ52、RGB-Dセンサ53および3D距離画像センサ54による各検出信号とに基づいて、走行環境に対して自己の位置を推定すると同時に、床面を含む平面的または立体的な環境地図を作成しながら、走行経路の適否や変更の要否を判断するとともに、走行障害物の有無を判断する。 The environmental map creation unit 72 estimates the vehicle's own position relative to the driving environment based on driving route information from the target driving route memory unit 73, which stores preset driving route information, and the detection signals from the laser range sensor 52, RGB-D sensor 53, and 3D distance image sensor 54. At the same time, it creates a two-dimensional or three-dimensional environmental map that includes the floor surface, while determining whether the driving route is appropriate or needs to be changed, and whether there are any driving obstacles.

例えばビニールハウス(栽培エリア)における自走式ロボット40がティーチングされた走行経路上を走行する際に壁面や石段直前などの走行障害物に接触するか否かを判断し、接触する直前に一旦停止して当該走行経路に沿う方向に走行経路を変更する。 For example, when the self-propelled robot 40 travels along a taught travel path in a vinyl greenhouse (cultivation area), it determines whether or not it will come into contact with an obstacle such as a wall or stone steps, and stops just before coming into contact and changes its travel path in a direction along that travel path.

実際に自走式ロボット40は、上述したSLAM技術を利用して、ビニルハウス(栽培エリア)内のロボット本体42が移動可能な対象エリアの環境地図を自動的に作成する。具体的には自走式ロボット40は、レーザレンジセンサ52および3D距離画像センサ54から得られる対象物との距離情報および角度情報に基づいて、2次元格子で区切ったグリッド上の局所地図を移動環境を示すエリアとして設定していきながら、所望の対象エリア全体を表す環境地図を作成する。 In fact, the self-propelled robot 40 uses the above-mentioned SLAM technology to automatically create an environmental map of the target area within the greenhouse (cultivation area) in which the robot body 42 can move. Specifically, the self-propelled robot 40 creates an environmental map that represents the entire desired target area by setting local maps on a two-dimensional grid as areas that represent the movement environment, based on distance and angle information from the target object obtained from the laser range sensor 52 and 3D distance image sensor 54.

それと同時に自走式ロボット40の一対の駆動輪41A、41Bに対応するエンコーダ(図示せず)から読み出された回転角度に基づいて、自機の走行量を演算し、次の居所地図と現時点までに作成された環境地図とのマッチングおよび自機の走行量から自己位置を推定する。実際に対象エリア全体を表す環境地図M1を図8(A)に示す。 At the same time, the robot calculates the distance traveled by the robot itself based on the rotation angle read from an encoder (not shown) corresponding to a pair of drive wheels 41A, 41B of the self-propelled robot 40, and estimates its own position based on the distance traveled by the robot itself and the matching between the next location map and the environmental map created up to the current point in time. An environmental map M1 that actually represents the entire target area is shown in Figure 8 (A).

また自走式ロボット40においては、ロボット本体42の走行環境を撮像カメラ(環境検知部)55により撮像し、対象検知部74は、当該撮像カメラ55による撮像画像に基づいて、走行環境における特定対象を検知する。図8(B)において、上述の図8(A)に示す環境地図M1上に走行環境における特定対象S1が重畳表示された状態を示す。 In addition, in the self-propelled robot 40, the driving environment of the robot body 42 is captured by an imaging camera (environment detection unit) 55, and the target detection unit 74 detects a specific target in the driving environment based on the image captured by the imaging camera 55. Figure 8 (B) shows a state in which a specific target S1 in the driving environment is superimposed on the environmental map M1 shown in Figure 8 (A) described above.

また走行制御部70は、走行ベース部43およびアーム支持部45をそれぞれ駆動制御するとともに、アーム部44にエンドエフェクタとして取り付けられた非破壊成分推定装置1を制御する。この自走式ロボット40では、アーム部44に非破壊成分推定装置1が接続された際、当該非破壊成分推定装置1は、走行制御部70により機能発揮のための制御を受けるようになされている。 The travel control unit 70 also controls the driving of the travel base unit 43 and the arm support unit 45, and also controls the nondestructive component estimation device 1 attached to the arm unit 44 as an end effector. In this self-propelled robot 40, when the nondestructive component estimation device 1 is connected to the arm unit 44, the nondestructive component estimation device 1 is controlled by the travel control unit 70 to perform its functions.

また自走式ロボット40は、外部の情報入力装置(図示せず)と無線通信する通信部75を備え、走行制御部70の制御に応じて、環境地図のデータを送信するとともに、情報入力装置からの操作指示の内容を示すデータを受信する。 The self-propelled robot 40 also includes a communication unit 75 that wirelessly communicates with an external information input device (not shown), and transmits data on the environmental map according to the control of the driving control unit 70, and receives data indicating the content of operational instructions from the information input device.

さらに自走式ロボット40は、二次電池またはキャパシタからなる比較的大容量の駆動用バッテリ76を内蔵しており、外部との給電台(図示せず)に設けられた給電端子に駆動用バッテリ76の充電端子を導電接続させることにより、商用電源から供給される電力を当該給電端子を介して駆動用バッテリ76に供給して充電することが可能となる。 The self-propelled robot 40 also has a relatively large capacity built-in driving battery 76 made of a secondary battery or a capacitor, and by conductively connecting the charging terminal of the driving battery 76 to a power supply terminal provided on an external power supply stand (not shown), it is possible to supply power from a commercial power source to the driving battery 76 via the power supply terminal to charge it.

(5)本実施の形態による自走式ロボットの動作
本実施の形態において、自走式ロボット40の走行制御部70は、例えばビニルハウス(栽培エリア)内に植立されている複数のトマト果樹のうち計測対象となる特定のトマト果樹の手前位置まで移動するように、走行ベース部43およびアーム支持部45を駆動制御する。
(5) Operation of the Self-Propelled Robot According to this Embodiment In this embodiment, the travel control unit 70 of the self-propelled robot 40 drives and controls the travel base unit 43 and the arm support unit 45 so that the self-propelled robot 40 moves to a position in front of a specific tomato tree that is to be measured among multiple tomato trees planted in a vinyl greenhouse (cultivation area), for example.

すなわち、走行制御部70は、ロボット本体42の走行環境を撮像した撮像画像に基づいて、走行環境における特定の果樹を検知しながら、走行環境に対して自己の位置を推定すると同時に、地面を含む平面的または立体的な環境地図を作成しておき、当該環境地図において特定の果樹に移動するように走行駆動部71を制御する。この結果、自走式ロボット40では、栽培エリア内における所望のトマト果樹の植立位置まで自動的に移動することができる。 That is, the travel control unit 70 detects specific fruit trees in the travel environment based on the captured image of the travel environment of the robot body 42, while estimating its own position relative to the travel environment, and at the same time creates a two-dimensional or three-dimensional environmental map that includes the ground, and controls the travel drive unit 71 to move to a specific fruit tree on the environmental map. As a result, the self-propelled robot 40 can automatically move to the planting position of the desired tomato tree within the cultivation area.

続いて、走行制御部70は、非破壊成分推定装置1における撮像ユニット4を制御すると同時に、アーム部44を駆動制御することにより、特定のトマト果樹に実る複数の果実について、一つずつ光学検知ユニット3の吸着遮光部11を当接させる(図9)。 Next, the travel control unit 70 controls the imaging unit 4 in the non-destructive component estimation device 1 and at the same time drives and controls the arm unit 44 to bring the adsorption and light shielding portion 11 of the optical detection unit 3 into contact with each of the multiple fruits on a specific tomato tree (Figure 9).

すなわち、走行制御部70は、非破壊成分推定装置1の撮像ユニット4における対象撮像部20により果実を撮像すると同時に、測距部21により当該果実との距離を計測しながら、アーム部44を駆動制御して光学検知ユニット3の吸着遮光部11を果実に位置合わせした後、光学検知ユニット3の接触検知部10により果実との接触状態を検知しながら、当該吸着遮光部11を当該果実の表面に吸着させる(図10)。 That is, the travel control unit 70 captures an image of the fruit using the target imaging unit 20 in the imaging unit 4 of the nondestructive component estimation device 1, while simultaneously measuring the distance to the fruit using the distance measurement unit 21, and controls the drive of the arm unit 44 to align the adsorbing and shading unit 11 of the optical detection unit 3 with the fruit, and then adsorbs the adsorbing and shading unit 11 to the surface of the fruit while detecting the contact state with the fruit using the contact detection unit 10 of the optical detection unit 3 (Figure 10).

このように自走式ロボット40によれば、果樹に実る果実の数が多い場合には、人手による個別作業よりも格段と作業効率が向上するために非常に有効である。 In this way, the self-propelled robot 40 is extremely effective when there are many fruits on the fruit trees, as it improves work efficiency significantly compared to individual manual work.

続いて、走行制御部70は、非破壊成分推定装置1のデバイス制御部30を制御して、一対の光源5A、5Bから果実に対して光照射するとともに、当該果実の内部から生じる散乱光を当該果実の皮表面を介して光検出部6にて検出させる。 Then, the travel control unit 70 controls the device control unit 30 of the non-destructive component estimation device 1 to irradiate light from a pair of light sources 5A and 5B onto the fruit, and causes the light detection unit 6 to detect scattered light generated from inside the fruit through the skin surface of the fruit.

非破壊成分推定装置1のデバイス制御部30は、光検出部6により検出された散乱光を分光して、波長ごとの光強度分布を表すスペクトルを計測し、当該計測したスペクトルに対して、ライブラリ(記憶部31)に記憶されている複数のスペクトルとの相関性を多変量解析することにより、果実の内部成分の状態を推定するように学習した推定モデルを構築し、当該構築した推定モデルに基づいて、果実の成長過程における内部成分の状態を推定する。 The device control unit 30 of the non-destructive component estimation device 1 disperses the scattered light detected by the light detection unit 6, measures a spectrum representing the light intensity distribution for each wavelength, and constructs an estimation model that is trained to estimate the state of the internal components of the fruit by performing multivariate analysis of the correlation between the measured spectrum and multiple spectra stored in the library (storage unit 31), and estimates the state of the internal components during the growth process of the fruit based on the constructed estimation model.

このように非破壊成分推定装置1では、果実の成長過程における内部成分の状態を比較的高い精度で推定することができる。特に果実の成長過程における内部成分の変化状態を時系列的に記録しておくことにより、当該記録に基づいて、果樹に実る各果実をより一層高い価値をもつ品種となるような改良研究に寄与することが可能となる。 In this way, the non-destructive component estimation device 1 can estimate the state of the internal components of a fruit as it grows with a relatively high degree of accuracy. In particular, by recording the changes in the internal components of the fruit as it grows over time, it is possible to contribute to research into improving the varieties of each fruit that grows on fruit trees, based on the records.

さらに自走式ロボット40は、対象検知部74により検知された特定の果樹について、アーム部44を駆動しながら当該果樹に実る複数の果実をそれぞれ非破壊成分推定装置1における光学検知ユニット3の吸着遮光部11を当接させるとともに、順次アドレスを割り当てておき、非破壊成分推定装置1の内部状態推定部34(デバイス制御部30)により推定された果実の成長過程における内部成分の状態を表すデータを、アドレス単位で管理する。 Furthermore, for a specific fruit tree detected by the target detection unit 74, the self-propelled robot 40 drives the arm unit 44 to bring the suction light shielding unit 11 of the optical detection unit 3 in the non-destructive component estimation device 1 into contact with each of the multiple fruits growing on that tree, and sequentially assigns addresses to each of the fruits. The self-propelled robot 40 manages, on an address-by-address basis, data representing the state of the internal components during the growth process of the fruit, which is estimated by the internal state estimation unit 34 (device control unit 30) of the non-destructive component estimation device 1.

この結果、自走式ロボット40では、特定の果樹に実る複数の果実について、個別にアドレス管理することによって、当該各果実の成長過程における内部成分の状態を時系列的に記憶することが可能となる。 As a result, the self-propelled robot 40 can manage the addresses of multiple fruits growing on a specific fruit tree individually, and can store the state of the internal components of each fruit in chronological order as it grows.

(6)他の実施の形態
なお上述のように本実施の形態においては、自走式ロボット40として、外部操作に応じてまたは自律的に走行可能な二輪駆動型の移動体を適用した場合について述べたが、本発明はこれに限らず、四輪駆動型でもよく、アーム部44を支持しながら移動できれば、駆動方法や車輪の数など多種多様のものを適用しても良い。また一対の前輪をそれぞれオムニホールにしたが、それ以外にもキャスタやキャタピラなど種々の走行機構を適用してもよい。
(6) Other embodiments As described above, in this embodiment, a two-wheel drive type mobile body that can run autonomously or in response to external operation is used as the self-propelled robot 40, but the present invention is not limited to this, and a four-wheel drive type may also be used, and a wide variety of drive methods and numbers of wheels may be applied as long as the robot can move while supporting the arm unit 44. Also, although the pair of front wheels are each omni-wheels, various other running mechanisms such as casters or caterpillar tracks may also be applied.

また上述の実施の形態においては、アーム部44として5自由度をもつ多関節構造を適用した場合について述べたが、本発明はこれに限らず、多自由度を有する多関節機構からなるアーム部であれば、種々の孝蔵のものを適用するようにしてもよい。 In the above embodiment, a multi-joint structure with five degrees of freedom is used as the arm unit 44, but the present invention is not limited to this, and various arm units may be used as long as they are made of a multi-joint mechanism with multiple degrees of freedom.

さらに上述の実施の形態においては、果実としてトマトを適用するとともに、当該果実の内部成分として糖度を推定する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、トマト以外の種々の果実(リンゴ、みかん等)を適用してもよく、さらに当該果実の内部成分としては、糖度以外にも、酸味、γ-アミノ酪酸、硬さ、密度および色合いの少なくとも1以上を適用するようにしてもよい。この結果、非破壊成分推定装置では、果実の成長過程における内部成分の変化を具体的に個別または組み合わせによる相関性も確認することが可能である。 Furthermore, in the above embodiment, a tomato is used as the fruit, and sugar content is estimated as the internal component of the fruit, but the present invention is not limited to this, and various fruits other than tomatoes (apples, mandarins, etc.) may be used, and further, in addition to sugar content, at least one of acidity, gamma-aminobutyric acid, hardness, density, and color may be applied as the internal component of the fruit. As a result, the non-destructive component estimation device can confirm the correlation between the changes in the internal components during the growth process of the fruit, either individually or in combination.

1…非破壊成分推定装置、2…本体部、3…光学検知ユニット、4…撮像ユニット、5A、5B…光源、6…光検出部、10…接触検知部、11…吸着遮光部、20…対象撮像部、21…測距部、30…デバイス制御部、31…記憶部、32…分光スペクトル計測部、33…推定モデル構築部、34…内部状態推定部、35…内蔵バッテリ、40…自走式ロボット、41A、41B…駆動輪、42…ロボット本体、43…走行ベース部、44…アーム部、45…アーム支持部、46A、46B…オムニホイール、47…補助輪、48A、48B…駆動モータ、50…根元本体部、51…トレイ、52…レーザレンジセンサ、53…RGB-Dセンサ、54…3D距離画像センサ、55…撮像カメラ、60…回動支持部、61…第1上腕部、62…第2上腕部、63…前腕部、64…手首部、65A、65B…モータドライバ、70…走行制御部、71…走行駆動部、72…環境地図作成部、73…目標走行経路記憶部、74…対象検知部、75…通信部、76…駆動用バッテリ。
1...Non-destructive component estimation device, 2...Main body, 3...Optical detection unit, 4...Imaging unit, 5A, 5B...Light source, 6...Light detection unit, 10...Contact detection unit, 11...Absorption and light shielding unit, 20...Target imaging unit, 21...Distance measurement unit, 30...Device control unit, 31...Memory unit, 32...Spectroscopic spectrum measurement unit, 33...Estimation model construction unit, 34...Internal state estimation unit, 35...Built-in battery, 40...Self-propelled robot, 41A, 41B...Driving wheels, 42...Robot body, 43...Running base unit, 44...Arm unit, 45...Arm support unit, 46A, 46 B...Omni wheel, 47...Auxiliary wheels, 48A, 48B...Drive motor, 50...Base main body portion, 51...Tray, 52...Laser range sensor, 53...RGB-D sensor, 54...3D distance image sensor, 55...Imaging camera, 60...Rotation support portion, 61...First upper arm portion, 62...Second upper arm portion, 63...Forearm portion, 64...Wrist portion, 65A, 65B...Motor driver, 70...Driving control portion, 71...Driving drive portion, 72...Environmental map creation portion, 73...Target driving route memory portion, 74...Object detection portion, 75...Communication portion, 76...Driving battery.

Claims (4)

果実に光を照射して糖度を推定する非破壊成分推定装置を搭載し、自律的にまたは外部操作に応じて地面を走行する自走式ロボットにおいて、
ロボット本体を前記地面の所望方向に所望速度で走行駆動する走行駆動部と、
多自由度を有する多関節機構を有するアーム部の根元部を支持し、かつ、前記アーム部と一体となって前記走行駆動部に対して回動自在に当該走行駆動部の上段に連結されたアーム支持部と、
前記走行駆動部および前記アーム支持部をそれぞれ駆動制御する走行制御部と
を備え、
前記非破壊成分推定装置は、
前記果実に対して光が照射されたとき、当該果実の内部から生じる散乱光を当該果実の皮表面を介して検出する光検出部と、
前記光検出部に隣設され、前記果実との接触状態を検知する接触検知部と、
先端が前記果実の皮表面に吸着可能な弾性材からなり、当該果実への吸着時に前記光検出部および前記接触検知部の周囲を被覆して外光から遮光するための吸着遮光部と、
前記吸着遮光部に吸着される前記果実の吸着部位の近傍を光照射するように、前記光を照射する光源と、
前記吸着遮光部による吸着対象を撮像すると同時に当該吸着対象までの距離を計測する撮像距離計測部と、
前記光検出部により検出された前記散乱光を分光して、波長ごとの光強度分布を表すスペクトルを計測する分光スペクトル計測部と、
前記果実と異なる複数の同種類の果実に対応する前記散乱光のスペクトルとして記憶されているライブラリと、
前記分光スペクトル計測部により計測されたスペクトルに対して、前記ライブラリに記憶されている複数の前記スペクトルとの相関性を多変量解析することにより、前記果実の内部成分の状態を推定するように学習した推定モデルを構築する推定モデル構築部と、
前記推定モデル構築部により構築された前記推定モデルに基づいて、前記果実の成長過程における内部成分の状態を推定する内部状態推定部と
を備え、
前記走行制御部は、
前記撮像距離計測部にて撮像される前記吸着遮光部による吸着対象の撮像内容と当該吸着対象までの計測距離とに基づいて、前記アーム支持部を回動させるとともに前記アーム部の各関節機構を屈曲または伸展させながら、前記吸着遮光部を前記吸着対象となる前記果実に位置合わせした後、前記接触検知部により前記果実の接触状態を検知しながら当該吸着遮光部を当該果実の外表面に吸着させる
ことを特徴とする自走式ロボット。
A self-propelled robot that is equipped with a non-destructive component estimation device that estimates sugar content by shining light on fruit and that moves on the ground autonomously or in response to external control.
a travel drive unit that drives the robot body to travel in a desired direction on the ground at a desired speed;
an arm support section that supports a base section of an arm section having a multi-joint mechanism with multiple degrees of freedom, and is connected to an upper section of the traveling drive section integrally with the arm section so as to be rotatable relative to the traveling drive section;
a travel control unit that drives and controls the travel drive unit and the arm support unit,
The non-destructive component estimation device comprises:
a light detection unit that detects scattered light generated from inside the fruit through a skin surface of the fruit when light is irradiated onto the fruit;
a contact detection unit provided adjacent to the light detection unit and configured to detect a contact state with the fruit;
an adsorption/light shielding portion having a tip made of an elastic material capable of being adsorbed to a surface of the skin of the fruit, the adsorption/light shielding portion covering the periphery of the light detection portion and the contact detection portion when the adsorption/light shielding portion is adsorbed to the fruit, thereby shielding the light detection portion from external light;
a light source that irradiates light so as to irradiate a vicinity of an adsorption portion of the fruit that is adsorbed to the adsorption light-shielding portion;
an image pickup distance measurement unit that captures an image of an object to be attracted by the attraction and light blocking unit and simultaneously measures a distance to the object;
a spectroscopic measurement unit that separates the scattered light detected by the light detection unit and measures a spectrum that represents a light intensity distribution for each wavelength;
a library in which spectra of the scattered light corresponding to a plurality of fruits of the same kind but different from the fruit are stored;
an estimation model constructing unit that constructs an estimation model that is trained to estimate a state of an internal component of the fruit by performing a multivariate analysis of correlation between the spectrum measured by the spectroscopic measurement unit and a plurality of the spectra stored in the library;
an internal state estimation unit that estimates a state of an internal component during a growth process of the fruit based on the estimation model constructed by the estimation model construction unit;
Equipped with
The traveling control unit is
Based on the image of the object to be attracted by the adsorbing and light-shielding part captured by the imaging distance measuring part and the measured distance to the object, the arm support part is rotated and each joint mechanism of the arm part is bent or extended to align the adsorbing and light-shielding part with the fruit to be attracted, and then the adsorbing and light-shielding part is caused to adhere to the outer surface of the fruit while detecting the contact state of the fruit by the contact detection part.
A self-propelled robot characterized by the above.
前記ロボット本体の走行環境を撮像する環境撮像部と、
前記環境撮像部による撮像画像に基づいて、前記走行環境における特定の果樹を検知する対象検知部と、
前記走行環境に対して自己の位置を推定すると同時に、前記地面を含む平面的または立体的な環境地図を作成する環境地図作成部と
を備え、前記走行制御部は、前記環境地図作成部により作成された前記環境地図において、前記走行駆動部を制御して前記対象検知部により検知された特定の前記果樹に移動した後、前記アーム部を駆動しながら当該果樹に実る複数の前記果実に対して前記吸着遮光部をそれぞれ当接させるとともに、順次アドレスを割り当てておき、
前記内部状態推定部により推定された前記果実の成長過程における内部成分の状態を表すデータを、前記アドレス単位で管理する
ことを特徴とする請求項1に記載の自走式ロボット。
An environment imaging unit that images an environment in which the robot body is traveling;
an object detection unit that detects a specific fruit tree in the driving environment based on an image captured by the environmental imaging unit;
an environmental map creation unit that estimates its own position with respect to the traveling environment and creates a planar or three-dimensional environmental map including the ground at the same time, wherein the traveling control unit controls the traveling drive unit to move to a specific fruit tree detected by the object detection unit in the environmental map created by the environmental map creation unit, and then drives the arm unit to bring the adsorbing and shading unit into contact with each of the multiple fruits growing on the fruit tree, and sequentially assigns addresses to the fruits,
The data representing the state of the internal components during the growth process of the fruit estimated by the internal state estimation unit is managed in units of the addresses.
2. The self-propelled robot according to claim 1 .
前記推定モデル構築部は、前記推定モデルとして、教師あり機械学習法を用い、
前記内部状態推定部は、前記教師あり機械学習法による学習結果を、交差検証によって精度評価する
ことを特徴とする請求項1または2に記載の自走式ロボット
the estimation model construction unit uses a supervised machine learning method as the estimation model,
The self-propelled robot according to claim 1 or 2, wherein the internal state estimation unit evaluates accuracy of the learning result obtained by the supervised machine learning method by cross-validation.
前記果実は、果樹に実ったままの状態にあり、
前記果実の内部成分は、糖度、酸味、γ-アミノ酪酸、硬さ、密度および色合いの少なくとも1以上からなる
ことを特徴とする請求項1または2に記載の自走式ロボット
The fruit is in a state where it is still attached to the fruit tree,
The self-propelled robot according to claim 1 or 2 , characterized in that the internal components of the fruit include at least one of sugar content, sourness, γ-aminobutyric acid, hardness, density, and color.
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