JP2011217688A

JP2011217688A - 自動枝打装置

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Publication number: JP2011217688A
Application number: JP2010091775A
Authority: JP
Inventors: Makoto Murata; 誠村田
Original assignee: Murata Software Co Ltd
Current assignee: Murata Software Co Ltd
Priority date: 2010-04-12
Filing date: 2010-04-12
Publication date: 2011-11-04
Anticipated expiration: 2030-04-12
Also published as: JP5588717B2

Abstract

【課題】枝打機本体の姿勢を好適に制御できるようにする。
【解決手段】枝打機本体２と、枝打機本体２を昇降移動させる複数の昇降移動機構３とを具備し、各昇降移動機構３が、駆動モータ３２により回転駆動される上輪３１ａ及び下輪３１ｂと、上輪３１ａ及び下輪３１ｂを連結支持する連結支持体３３と、連結支持体３３を回転自在に軸支して樹幹Ｔに対して進退移動させる進退駆動部３４と、連結支持体３３及び進退駆動部３４の間に介在して設けられて連結支持体３３の傾斜角度θを検出する傾斜角度検出部３５とを有し、各昇降移動機構３の傾斜角度検出部３５から得られた連結支持体３３の傾斜角度θに基づいて、各昇降移動機構３の駆動モータ３２を個別に制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、樹幹を昇降して当該樹幹から伸びる枝を切断するための自動枝打装置に関するものである。

この種の自動枝打装置としては、特許文献１に示すように、枝打機本体を樹幹に対して螺旋状に昇降移動させて、その昇降移動途中において、枝打機本体の上部に設けたチェンソーにより枝を切断するものがある。この自動枝打装置は、樹幹の周方向に複数設けられた走行輪のうち１つを駆動輪とし、それ以外を従動輪として構成されている。

しかしながら、螺旋状に昇降移動するものでは、枝打機本体を所定高さに移動させるまでの走行距離が長くなってしまい、移動時間が長くなるだけでなく、それに伴い枝打作業が長時間となってしまうという問題がある。また、１つの駆動輪により枝打機本体を安定して昇降移動させるため又は移動時間短縮のためには、駆動輪を駆動する駆動モータの出力を大きくすることが考えられるが、駆動モータの大型化及び大重量化を招いてしまい、枝打機本体の昇降移動に支障をきたしてしまうという問題がある。なお、高出力及び小型のモータを使用することも考えられるがコストの面で難がある。

一方、特許文献２に示すように、枝打機本体を樹幹に対して垂直に昇降移動させて、枝打機本体の上部に設けたチェンソー又は電動丸ノコ等の切断機を樹幹の周りに旋回させて枝を切断するものがある。この自動枝打装置の駆動走行輪は、上側のローラと下側のクローラとからなり、これらが走行輪アームで上下に連結されている。この走行輪アームは、枝打機本体との間で平行四辺形リンクにより連結されており、上側のローラ及び下側のクローラの樹幹に対する位置関係が変わらないように樹幹に対して進退移動するように構成されている。また、複数の駆動走行輪は、ユニバーサルジョイントにより連結されており、樹幹と枝打機本体とが同心を保つように構成されている。

しかしながら、樹幹の凹凸によって一部の駆動走行輪がスリップしてしまうことは避けられないことや、複数の駆動走行輪が個別に駆動モータにより駆動されていることから、昇降移動の途中において各駆動走行輪の高さ位置が異なってしまうことがあり、枝打機本体が樹幹に対して傾いてしまう。そうすると、安定した走行を実現することが難しいだけでなく、枝打機本体に設けられている切断機が樹幹に接触してしまう又は樹幹から離間しすぎてしまう等の問題が生じる。

特開２０００−２９５９３１号公報特開昭６０−１１４１２８号公報

そこで本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、枝打機本体を樹幹に対して略直線状に昇降移動させるものにおいて、安定した昇降移動を実現するとともに、樹幹に対する枝打機本体の姿勢を好適に制御できるようにすることをその主たる課題とするものである。

すなわち本発明に係る自動枝打装置は、樹幹の周囲を囲むように設けられ、当該樹幹の枝を切断するための切断機構を有する枝打機本体と、前記枝打機本体に設けられて当該枝打機本体を樹幹に対して略直線状に昇降移動させる３つ以上の昇降移動機構とを具備し、前記各昇降移動機構が、樹幹に接触して回転駆動される上輪及び下輪と、前記上輪及び下輪を回転駆動する駆動モータと、前記上輪及び下輪をそれぞれ回転自在に連結支持する連結支持体と、前記枝打機本体に設けられ、前記連結支持体の略中央部を回転自在に軸支するとともに当該連結支持体を樹幹に対して進退移動させて前記上輪及び下輪を押圧接触させる進退駆動部と、前記連結支持体及び前記進退駆動部の間に介在して設けられて前記進退駆動部に対する前記連結支持体の傾斜角度を検出する傾斜角度検出部とを有し、各昇降移動機構の傾斜角度検出部から得られた連結支持体の傾斜角度に基づいて、前記枝打機本体の樹幹に対する姿勢を調整すべく前記駆動モータを制御することを特徴とする。

このようなものであれば、各昇降移動機構が上輪及び下輪を連結支持体により支持するとともに、当該連結支持体が進退駆動部に対して回転自在に軸支されていることから、樹幹の凹凸に関わらず、上輪及び下輪を確実に樹幹に対して接触させることができ、上輪及び下輪がスリップすることを防止することができる。また、連結支持体の進退駆動部に対する傾斜角度を検出することにより、当該検出角度を用いて複数の昇降移動機構同士の相対的な高さ位置を算出できるようになり、枝打機本体の樹幹に対する姿勢を検出できるようになる。このとき、各昇降移動機構は、個別の駆動モータにより上輪及び下輪が駆動されていることから、当該駆動モータを制御することによって枝打機本体の姿勢を調整できるようになる。これにより、枝打機本体に設けられた切断機構と樹幹の枝との位置関係のばらつきを解消することができ、枝打作業を確実に行うことができるようになる。

切断機構としてチェーンソー等の切断機と当該切断機を樹幹の周囲に旋回させる旋回機構とからなるものでは、切断機が枝の切断途中で枝の切断面間に挟まってしまい、切断機の停止又は破損等の不具合が生じる。このような問題を解決するためには、前記切断機構が、円板状の回転刃及び当該回転刃を回転駆動する回転刃駆動部からなる切断機と、前記切断機を、樹幹の略接線方向に沿って直進させる直進機構と、前記切断機及び前記直進機構を、前記枝打機本体上で樹幹の周りを回転移動させる回転機構とを有し、前記回転機構により前記切断機を樹幹の枝近傍に回転移動させた後に、前記直進機構により前記切断機を樹幹の枝を切断すべく直進させるものであることが望ましい。

枝打機本体が樹幹に対して停止した状態で切断機が樹幹の周りを回転する場合等には、枝打機本体において荷重点が移動することにより枝打機本体が傾いてしまうことが考えられる。この切断機の移動に伴う枝打機本体の傾きを解消するためには、前記連結支持体及び前記進退駆動部の間に介在して設けられており、前記進退駆動部に対して前記連結支持体が傾斜した場合に、前記支持連結体の傾斜を戻す方向に付勢力を与えて傾斜を解消する付勢機構を有することが望ましい。このように付勢機構により傾斜を解消することができるので、上記の通り駆動モータを制御することと併せて、枝打機本体の姿勢の調整の自由度を増すことができる。

このように構成した本発明によれば、枝打機本体を樹幹に対して略直線状に昇降移動させるものにおいて、安定した昇降移動を実現するとともに、樹幹に対する枝打機本体の姿勢を好適に制御することができる。

本発明の一実施形態に係る自動枝打装置の全体構成を示す模式図である。同実施形態の枝打機本体における一部断面平面図である。同実施形態の自動枝打装置の平面図である。同実施形態の開放位置及び閉塞位置にある枝打機本体の状態図である。同実施形態の昇降移動機構を示す模式図である。同実施形態の昇降移動機構におけるアーム部及び連結支持体の周辺構成を示す模式図である。同実施形態の連結支持体が傾斜した状態を示す模式図である。同実施形態の制御装置の構成を示す図である。同実施形態の制御装置の構成を示す図である。同実施形態の上部枝検出部の構成及び検出方法を示す図である。

以下に本発明に係る自動枝打装置の一実施形態について図面を参照して説明する。

本実施形態の自動枝打装置１００は、樹幹Ｔを抱持した状態で当該樹幹Ｔを昇降移動して、樹幹Ｔの枝Ｔ１を切断するものであり、図１に示すように、樹幹Ｔの周囲を囲むように設けられ、当該樹幹Ｔの枝Ｔ１を切断するための切断機構４を有する枝打機本体２と、枝打機本体２に設けられて当該枝打機本体２を樹幹Ｔに対して略直線状に昇降移動させる３つの昇降移動機構３とを備える。

枝打機本体２は、樹幹Ｔに対して着脱可能であり、樹幹Ｔの外周面を取り囲むように構成された平面視において概略円環形状をなす構造体である。

具体的に枝打機本体２は、図１及び図２に示すように、上板２１と、下板２２と、上板２１及び下板２２とを連結する複数の連結板２３とから構成されている。上板２１及び下板２２は略同一形状をなす木製平板から形成されている。また、連結板２３は、上板２１及び下板２２の間において概略放射状に設けられた木製平板から形成されている。このように上板２１、下板２２及び連結板２３を木製で形成することにより、枝打機本体２の軽量化を図っている。また各連結板２３には、枝打機本体２の軽量化のため複数の貫通孔（不図示）が形成されている。さらに、枝打機本体２の強度を増すために、上板２１、下板２２及び連結板２３には適宜、カーボンファイバー、グラスファイバーやケプラーファイバー等の補強材（不図示）が貼り合わされている。なお、上板２１、下板２２及び連結板２３は、木製に限られず、軽量化及び高強度化が可能な樹脂製のものであっても良い。

また、枝打機本体２は、図２及び図３に示すように、第１要素体２０１及び第２要素体２０２に２分割されており、第１要素体２０１及び第２要素体２０２とはヒンジ部２０３により結合されて、開閉自在に構成されている。本実施形態では第１要素体２０１は略２／３分割され、第２要素体２０２は略１／３分割されており、第１要素体２０１に対して第２要素体２０２がヒンジ部２０３により開閉自在に構成されている。

第２要素体２０２は、第１要素体２０１に対して開放位置Ｐ及び閉塞位置Ｑの間で開閉自在に構成されている（図４参照）。開放位置Ｐは、第１要素体２０１に対して第２要素体２０２が外側に回転することにより、第１要素体２０１の中央開口部に樹幹Ｔを嵌入可能な位置である（図４（Ａ））。また、閉塞位置Ｑは、第１要素体２０１と第２要素体２０２が略密着して第２要素体２０２の自由端部又は第１要素体２０１の対応部分の一方に設けられた係止爪２０４が、他方に設けられた被係止部２０５に係止することにより第１要素体２０１に対して第２要素体２０２が固定される（図４（Ｂ））。なお、第１要素体２０１及び第２要素体２０２の分割態様は上記に限られず、例えば１／２分割ずつに分割されたものであっても良い。

切断機構４は、図１及び図３に示すように、切断機４１と、当該切断機４１を直進させる直進機構４２と、切断機４１及び直進機構４２を回転移動させる回転機構４３と、切断機４１と樹幹Ｔの表面との距離を調節する距離調節機構４４とを有する。

切断機４１は、円板状の回転刃４１ａ及び当該回転刃４１ａを回転駆動する回転刃駆動部４１ｂからなる。回転刃駆動部４１ｂは、回転駆動軸の端部に回転刃４１ａが接続される駆動モータ（ＢＭ）であり、後述する制御装置５によりオン／オフが制御される。また切断機４１は、樹幹Ｔに対して回転刃４１ａ及び回転刃駆動部４１ｂの順に位置するように構成され、回転刃４１ａを可及的に樹幹Ｔに近接できるようにして、樹幹Ｔから延びる枝Ｔ１を基端部から切断できるようにしている。

直進機構４２は、切断機４１及び回転機構４３の間に介在して設けられており、切断機４１を樹幹Ｔの略接線方向に沿って直線的にスライド移動させるものである。具体的に直進機構４２は、切断機４１に接続されるスライド部４２１と、当該スライド部４２１を直線的にスライド移動させる案内レール部４２２と、当該案内レール部４２２上でスライド部４２１を駆動するサーボモータ（ＳＭ１）等を用いたアクチュエータ部（図３には不図示）とを有する。

この直進機構４２は、切断機４１を樹幹Ｔの略接線方向に沿った方向に直進させるものであり、前記案内レール部４２２が樹幹Ｔの略接線方向に沿った方向に一致するように設けられている。なお、アクチュエータ部４２３は、ボールねじ又は台形ねじ機構を用いたものであっても良いし、ラックピニオン機構を用いたものであっても良い。またアクチュエータ部は、後述するように制御装置５によって制御される。

回転機構４３は、直進機構４２及び枝打機本体２の間に介在して設けられており、枝打機本体２上で切断機４１及び直進機構４２を、樹幹Ｔ周りを一体的に回転移動させるものである。具体的に回転機構４３は、直進機構４２の案内レール部４２２が設けられ、枝打機本体２の上面において回転移動される回転板４３１と、当該回転板４３１を枝打機本体２の上板２１に沿った回転を案内するための案内部４３２と、回転板４３１又は枝打機本体２の上板２１に設けられ、前記回転板４３１を回転駆動する回転駆動部（図３には不図示）とを有する。

回転板４３１は、前記枝打機本体２の上板２１と略同一形状をなす円環の一部を切り欠いた部分円環形状をなすものである。また、回転板４３１には、切断機４１等の他に、当該切断機４１が設けられた部分とは反対側に制御装置５が設けられている。これにより、回転板４３１の重心が中心寄りとなり回転し易くなるように構成されている。案内部４３２は、回転板４３１の外縁部及び内縁部に複数設けられて、上板２１の外縁に接触するものである。

本実施形態の案内部４３２は、枝打機本体２の上板２１に設けられた複数の遊動輪で構成され、この遊動輪は回転板４３１の回転方向に沿って配置されている。また、回転駆動部は、制御装置５の下に配置されており、回転駆動ギャードモータ（ＧＭ１）と、駆動タイヤと、引きばねによる懸架装置とで構成され、枝打機本体２の上板２１上を回転移動する。回転駆動ギャードモータ（ＧＭ１）は、後述する制御装置５によりオン／オフ制御される。

また切断機構４は、切断機４１の直進軌道と樹幹Ｔとの距離を近接又は離間させる距離調節機構４４を備えている。この距離調節機構４４は、直進機構４２及び回転機構４３の間に設けられており、樹幹Ｔの径方向に沿って延設されたレール部４４１と、当該レール部４４１上をスライド移動するスライド部４４２と、スライド部４４２を駆動するサーボモータ（ＳＭ２）等を用いた駆動部（図３には不図示）とを備えている。駆動部は、ボールねじ又は台形ねじ機構を用いたものであっても良いし、ラックピニオン機構を用いたものであっても良い。また駆動部のサーボモータ（ＳＭ２）は、後述するように制御装置５によって制御される。この距離調節機構４４により、昇降過程において、樹幹Ｔの外径が各部で異なるものにおいて、当該各部で枝Ｔ１をできるだけ残枝が残らないように切断することができるようになる。なお、切断機４１の樹幹側には、切断機４１と樹幹Ｔの表面との距離を検出する例えば光位置センサ等の距離センサ（ＰＳＤ１）が設けられている。この距離センサ（ＰＳＤ１）からの検出信号に基づいて、制御装置５は駆動部の駆動モータ（ＳＭ２）を制御する。

昇降移動機構３は、図２に示すように、枝打機本体２の周方向に等間隔に設けられており、本実施形態では３つが１２０度等配されている。これらの昇降移動機構３は、上板２１及び下板２２の間において、枝打機本体２の中心に対して放射状に配置されている。具体的に２つの昇降移動機構３は第１要素体２０１に設けられ、１つの昇降移動機構３は第２要素体２０２に設けられている。

具体的に昇降移動機構３は、図５及び図６に示すように、樹幹Ｔに接触して回転駆動される上輪３１ａ及び下輪３１ｂと、上輪３１ａ及び下輪３１ｂを回転駆動する駆動モータ（ＧＭ２）３２ａ、３２ｂと、上輪３１ａ及び下輪３１ｂをそれぞれ回転自在に連結支持する連結支持体３３と、枝打機本体２に設けられ、連結支持体３３の略中央部を回転自在に軸支するとともに当該連結支持体３３を樹幹Ｔに対して進退移動させて上輪３１ａ及び下輪３１ｂを樹幹Ｔに押圧接触させる進退駆動部３４とを有する。

上輪３１ａ及び下輪３１ｂは同一形状をなす車輪であり、いずれも樹幹Ｔの凹凸に関わらず樹幹Ｔの表面に密着するようにクッション性に優れたスポンジタイヤ又はラバータイヤを用いて構成されている。上輪３１ａ及び下輪３１ｂにはそれぞれ個別の駆動モータ３２ａ、３２ｂが接続されており、これら上輪３１ａ及び上輪用駆動モータ３２ａ、下輪３１ｂ及び下輪用駆動モータ３２ｂは、連結支持体３３に連結支持されている。

連結支持体３３は、図６に示すように、一端（上端）に上輪３１ａ及び上輪用駆動モータ３２ａが接続され、他端（下端）に下輪３１ｂ及び下輪用駆動モータ３２ｂが接続されている。このとき、上輪用駆動モータ３２ａ及び下輪用駆動モータ３２ｂは、他の昇降移動機構３の駆動モータ３２ａ、３２ｂと干渉しないように、いずれも同一サイドに位置するように接続される。本実施形態では全ての昇降移動機構３において駆動モータ３２は、上面視において反時計回り側に位置するように構成されている。なお、連結支持体３３における上輪３１ａ及び下輪３１ｂの近傍にはそれぞれ、連結支持体３３の上端及び下端と樹幹表面との距離を検出する例えば光位置センサ等の距離センサ（ＰＳＤ２）が設けられている。

進退駆動部３４は、連結支持体３３を進退移動させることにより、当該連結支持体３３により連結された上輪３１ａ及び下輪３１ｂを樹幹Ｔに対して放射状に進退移動させるものである。具体的に進退駆動部３４は、図５に示すように、連結支持体３３の略中央部を支軸である回転軸３４１ａにより回転自在に支持するアーム部３４１と、当該アーム部３４１を進退移動方向に案内する案内部材３４２と、当該案内部材３４２に沿ってアーム部３４１を進退移動するアクチュエータ部３４３とを有する。アクチュエータ部３４３は、案内部材３４２側に設けられた例えばサーボモータ（ＳＭ３）等の駆動モータ３４３ａと、当該駆動モータ３４３ａにより回転されるボールねじ又は台形ねじ３４３ｂと、アーム部３４１側に設けられたナット部材３４３ｃとから構成される。アーム部３４１又は案内部材３４２には、案内部材３４２に対するアーム部の位置を検出するためのアーム位置センサ（ＰＴＭ１）が設けられている。このアーム位置センサの構成としては、テンションスプリング、ワイヤ及びプーリからなるワンターンワイヤリンケージと、プーリに接続されたポテンションメータとからなる。このアーム位置センサからの検出信号に基づいて、制御装置５はアクチュエータ部３４３の駆動モータ３４３ａを制御する。

また、進退駆動部３４はサスペンション機構３４４を有しており、上輪３１ａ及び下輪３１ｂを樹幹Ｔに対して押圧接触させる際にアクチュエータ部３４３に掛かる圧力を緩衝するとともに、その圧力を検出するアーム圧力センサ（ＰＴＭ２）３４５を有する。このアーム圧力センサ３４５からの検出信号は制御装置５に送信され、当該検出信号を受信した制御装置５は当該検出信号に基づいてアクチュエータ部３４３を制御して、一定の圧力で上輪３１ａ及び下輪３１ｂが樹幹Ｔに接触するようにしている。

しかして本実施形態の昇降移動機構３は、図６及び図７に示すように、進退駆動部３４に対する連結支持体３３の傾斜角度θを検出する傾斜角度検出部３５を備えている。なお、図７は、連結支持体３３が傾斜した状態を示している。

この傾斜角度検出部３５は、連結支持体３３及び進退駆動部３４の間に介在して設けられるものであり、アーム部３４１に設けられた角度センサ（ＰＴＭ３）３５１と、当該角度センサ３５１に一端が接続され、他端が連結支持体３３の一方の端部に回転自在に接続された連結軸３５２とからなる。そして、連結支持体３３がアーム部３４１に対して傾斜すると（基準角度は、アーム部３４１と連結支持体３３が直角状態にある角度（基準位置））、それに伴い連結軸３５２に接続された角度センサ３５１が連結軸３５２の移動に伴う角度を検出する（図７参照）。角度センサ３５１からの検出信号は、制御装置５に送信され、当該角度信号を受信した制御装置５は、アーム部３４１に対する連結支持体３３の傾斜角度θを算出する。なお、本実施形態で傾斜角度θは、アーム部３４１と連結支持体３３とからなる下側の角度であるが、上側の角度としても良い。

そして、制御装置５は、各昇降移動機構３から得られた傾斜角度θに基づいて、枝打機本体２の樹幹Ｔに対する姿勢を検知して、枝打機本体２の姿勢を枝打が確実に行える姿勢に調整する。具体的に制御装置５は、各昇降移動機構３から得られた傾斜角度θに基づいて、樹幹Ｔの中心軸に直交する平面に対する枝打機本体２の上板２１の角度を算出して、当該枝打機本体２の上板２１の角度が所定角度の範囲内か否かを判断する。なお、枝打機本体２が正常位置にある場合には、樹幹Ｔの中心軸Ｃに直交する平面に対する枝打機本体２の上板２１の角度は略０度である。枝打機本体２の姿勢を検知する手法としては、例えば、各昇降移動機構３から得られた傾斜角度θ同士の差から算出する、又はそれらの平均値と各傾斜角度θとの差から算出する等が考えられる。

枝打機本体２の上板２１の角度が所定角度の範囲外の場合には、当該角度が所定範囲内に収まるように、各昇降移動機構３の上輪３１ａ及び下輪３１ｂの駆動モータ３２ａ、３２ｂの回転数をフィードバック制御して、各昇降移動機構３間の相対的な高さ位置を調整する。具体的に制御装置５は、３つの昇降移動機構３のうち１つの昇降移動機構３が遅れていると判断した場合には、その遅れている昇降移動機構の駆動モータ３２ａ、３２ｂの回転数をその他の昇降移動機構３の駆動モータ３２ａ、３２ｂの回転数よりも上げるように制御する。

昇降中に、回転板４３１が枝打機本体２上を回転移動する際、ロータリーエンコーダＲＥ１と制御装置５により、回転板４３１と枝打機本体２との相対的な重心位置を算出し、昇降移動機構３それぞれの駆動モータ３２ａ、３２ｂの回転数を適切に制御することにより、昇降中の枝打機本体２の傾きを解消するような予測制御を行っている。

さらに本実施形態の昇降移動機構３は、図７及び図８に示すように、切断機構４により切断機４１が枝打機本体２上を移動する際に、その重量により枝打機本体２が樹幹Ｔに対して傾いた場合に、当該傾きを解消する方向に付勢力を加えて枝打機本体２の傾きを解消する付勢機構３６を有する。

この付勢機構３６は、進退駆動部３４に対する連結支持体３３の傾斜を解消すべく、連結支持体３３の傾斜を戻す方向に付勢力を与えて傾斜を解消するものである。具体的に付勢機構３６は、連結支持体３３及び進退駆動部３４の間に介在して設けられるものであり、進退駆動部３４のアーム部３４１に設けられたサーボモータ（ＳＭ４）３６１と、当該サーボモータ３６１の回転運動を直進運動に変換して連結支持体３３に伝達するリンク機構３６２とを備えている。

リンク機構３６２は、特に図６に示すように、サーボモータ３６１の回転軸に設けられた円板部３６２ａと、当該円板部３６２ａの偏心位置に一端が連結された第１アーム３６２ｂと、一端がアーム部３４１におけるサーボモータ３６１及び連結支持体３３の間に連結され、他端が前記第１アーム３６２ｂの他端に連結された第２アーム３６２ｃと、当該第２アーム３６２ｃの略中央部にスライド可能に設けられ、連結支持体３３に設けられた第３アーム３６２ｄとを有する。そして、第３アーム３６２ｄには、第２アーム３６２ｃの連結部３６２ｃ１を挟むように両サイドにそれぞれコイルばね３６２ｅ、３６２ｆが設けられている。このように第２アーム３６２ｃ及び第３アーム３６２ｄの間にコイルばね３６２ｅ、３６２ｆを介在させて、サーボモータ３６１及び連結支持体３３の間で生じる力（トルク）を緩衝させることによって、サーボモータ３６１が故障してしまうことを防いでいる。

また、このリンク機構３６２では、自動枝打装置１００が樹幹Ｔを昇降移動する際にアーム部３４１に対して連結支持体３３が傾斜した場合においても、第３アーム３６２ｄに外嵌されたコイルばね３６２ｅ、３６２ｆが伸縮することになる。この状態で切断機３１が回転移動すると、コイルばね３６２ｅ、３６２ｆの一方が縮みすぎている等により、緩衝機能を発揮することができない場合がある。このとき、付勢機構３６は、制御装置５によりサーボモータ３６１が回転させることによって第２アーム３６２ｃを移動させて、コイルばね３６２ｅ、３６２ｆを、緩衝機能を発揮することができる許容伸縮範囲内に戻すように構成されている。

次に制御装置５について説明する。本実施形態の制御装置５は、図８及び図９に示すように、枝位置認識、枝への移動近接制御及び枝切断制御を行う上部メイン制御部５１と、回転機構４３を制御する第１サブ制御部５２と、切断機４１、直進機構４２及び距離調節機構４４を制御する第２サブ制御部５３と、表示モジュールを制御する第３サブ制御部５４と、昇降制御及び姿勢制御を行う下部メイン制御部５５と、各昇降移動機構３を制御する第４〜第６サブ制御部５６〜５８とを備えている。

本実施形態では、上部メイン制御部５１及び下部メイン制御部５５は、ＳＨ２マイコンを用いて構成されており、その他の第１〜第６サブ制御部５２〜５４、５６〜５８は、ＰＩＣ２４マイコンを用いて構成されている。また、上部メイン制御部５１と第１サブ制御部５２及び第２サブ制御部５３とはシリアル接続されており、下部メイン制御部５５と第４〜第６サブ制御部５６〜５８とはシリアル接続されている。上部メイン制御部５１と下部メイン制御部５５とは無線モジュールを通じてシリアル通信可能に構成されている。なお、上部メイン制御部５１は、回転板４３１において回転駆動部４３３の上に設けられており、下部メイン制御部５５は、上板２１及び下板２２の間に設けられている。なお、上記のメイン制御部５１、５５及びサブ制御部５２〜５４、５６〜５８は、マイコンに限られず、ＣＰＵ、メモリ及び入出力インタフェース等を備えた専用乃至汎用のコンピュータを用いて構成しても良い。また、上部メイン制御部５１及び下部メイン制御部５５のいずれか一方が他方の機能を備えるものであっても良いし、サブ制御部５２〜５４、５６〜５８のいずれかがその他のサブ制御部の機能を備えるものであっても良い。また１つの制御部によって上記全ての制御部の機能を有するものであっても良い。

上部メイン制御部５１は、自動枝打装置１００全体を統合管理する機能を有しており、各昇降移動機構３に取り付けられた各種センサ（アーム位置センサＰＴＭ１、アーム圧力センサＰＴＭ２、距離センサＰＳＤ２及び傾きセンサ（角度センサ）ＰＴＭ３）からの情報は、各昇降移動機構３を制御する第４〜第６サブ制御部５６〜５８を経由して、一旦下部メイン制御部５５で処理され、この下部メイン制御部５５から無線モジュールを経由して、上部メイン制御部５１に送信される。そして、上部メイン制御部５１は、下部メイン制御部５５から送信された各種センサ情報と切断機構４に取り付けられた各種センサ（距離センサＰＳＤ１、超音波センサＵＳＳ１）及び回転機構４３に取り付けられた各種センサ（距離センサＰＳＤ３、超音波センサＵＳＳ２、ＵＳＳ３）とを処理し、その時点で実行可能な状態に遷移して枝打に必要な一連の動作を繰り返し行う。

また、下部メイン制御部５５は、上部メイン制御部５１との通信中継機能の他、上部メイン制御部５１からのコマンドを受信（割り込み処理）するまでの間、各昇降移動機構３に取り付けられた各種センサ情報を第４〜第６サブ制御部５６〜５８を経由して収集し、独自で処理可能な制御を上部メイン制御部５１とは独立して行うように構成されている。

次に、自動枝打装置１００の動作について説明する。

まず、枝打機本体２の第１要素体２０１及び第２要素体２０２を開き、第１要素体２０１の中央開口部内に樹幹Ｔを入れて、第２要素体２０２を回転させて第２要素体２０２に設けた係止部２０４を第１要素体２０１の被係止部２０５に係合させて、自動枝打装置１００を樹幹Ｔにセットする。

その後、自動枝打装置１００の電源スイッチ（不図示）をオンすることによって自動枝打装置１００を起動させる。その後、昇降移動機構３の進退駆動部３４の「押圧」、「停止」、「退行」用３Ｐトグルスイッチを「押圧」にセットすることで、制御装置５は、昇降移動機構３の進退駆動部３４を制御して上輪３１ａ及び下輪３１ｂを樹幹Ｔに押圧接触させ、上輪用駆動モータ３２ａ及び下輪用駆動モータ３２ｂを制御して、上輪３１ａ及び下輪３１ｂを回転させる。これにより、自動枝打装置１００は、樹幹Ｔに沿って直線状に上昇する。

このとき制御装置５は、登木開始前又は登木停止中において、回転板４３１の上面において１２０度間隔に配置した３個の超音波センサ（ＵＳＳ１〜ＵＳＳ３、図３参照）を使用して、回転板４３１を３分の１回転移動させる過程で、順番（ＵＳＳ１→ＵＳＳ２→ＵＳＳ３→ＵＳＳ１→）に枝Ｔ１までの距離データを連続して収集する。そして制御装置５は、３箇所から得られたデータを合成して１周分の連続データとし、これから枝Ｔ１までの距離の最小値およびその変極点（位置）を求めて、上昇接近移動すべき枝位置を特定する。なお、制御装置５は、３分の１回転したことを認識するために、回転駆動部４３３の駆動タイヤの近傍に設けられた遊動輪に繋がったメカニカルロータリーエンコーダＲＥ１により、回転角度に対応して発生するパルス（４８／１回転）を遂次計測して移動距離に換算し、上板２１上を遊動輪が移動する一周回の軌道の３分の１と等しくなるまで回転駆動部４３３の駆動タイヤを駆動させる。

上記方法で枝探索範囲（例えば１００ｃｍ以内）に枝Ｔ１がみつかれば、制御装置５は、自動枝打装置１００から最小距離にある枝Ｔ１に向かって枝打機本体２を上昇させるべく昇降移動機構３を制御する。そして、制御装置５は、昇降移動機構３の連結支持体３３に設けられた昇降距離検出部（例えばロータリエンコーダＲＥ２）により、枝打機本体２の昇降距離を検出し、所定距離（例えば上記枝Ｔ１との距離よりも若干短い距離、詳細にはタッチプレートセンサ（不図示）から枝Ｔ１までの距離が約５ｃｍ）移動後に、上輪用駆動モータ３２ａ及び下輪用駆動モータ３２ｂを停止させる。

停止させた後に、制御装置５は、回転板４３１上、具体的には回転板４３１上の切断機４１近傍に設けた上方向枝検出部６から得られる検出信号に基づいて、切断機４１に対する枝Ｔ１の位置を検出する。なお、上方向枝検出部６は、図１０に示すように、例えば光位置センサ等の距離センサ６１（ＰＳＤ４）と、当該距離センサ６１を上方向に対して左右に回転移動させるサーボモータ６２（ＳＭ５）と、サーボモータ６２の回転軸６２１に接続され、距離センサ６１が設けられる概略Ｌ字形状をなすホルダ６３とを備えている。

具体的には、サーボモータ６２に取り付けた上向きの光位置センサ６１（ＰＳＤ４）を、サーボモータ６２の回転軸６２１の中心線を基準として、垂線Ｔと光位置センサ６１の光軸がなす角度θを一定角度（例えば３度）ずつ多段階（例えば１７段階）で首を振るように回転させて、光位置センサ６１により測定した枝Ｔ１までの距離Ｌと光軸角度θから、水平距離ｄと垂直距離ｈを算出する。詳細には、サーボモータ６２の回転角度をθ１からθ２まで段階的に回転させた際、得られた光位置センサ６１の値Ｌ１、Ｌ２の間に、最小値Ｌが見つかれば、そのときの回転角度θを、枝Ｔ１の方向とし、距離Ｌと角度θから、水平距離ｄ＝Ｌ×ｓｉｎ（θ）、垂直距離ｈ＝Ｌ×ｃｏｓ（θ）を得る。なお、枝Ｔ１の形状等（小径や起伏）によっては、Ｌ１＝Ｌ＝Ｌ２となる場合があるが、この場合には、中間点をθとする。

そして、切断機４１と枝Ｔ１との水平距離ｄが所定値（例えば１ｃｍ未満）である場合には、切断機構４上部に設けたタッチプレートセンサが反応するまで下方から枝Ｔ１に向かってタッチプレートを押し当てるように垂直微上昇させた後、枝Ｔ１の切断動作に移行する。なお、垂直距離ｈが所定値以上であれば上記の検索動作を再度行う。

水平距離ｄが上記所定の距離を超えている場合には、その水平距離ｄが所定の距離となるように、回転機構４３により回転板４３１を回転させる。このとき、遊動輪に繋がれたロータリーエンコーダＲＥ１により移動距離を検出している。

なお、仮に探索範囲内に枝が見つからない場合は、登木開始と同時に回転板４３１を正転させながら、つまり回転板４３１上の３個の超音波センサＵＳＳ１〜ＵＳＳ３が螺旋上昇しながら、１００ｃｍ以内に枝Ｔ１がみつかるまで上昇回転移動検索を行い、見つかった場合に、再度回転板４３１の３分の１回転移動と超音波センサ（ＵＳＳ１〜ＵＳＳ３）を使用した枝探索を行う。

なお、制御装置５は、切断機４１の樹幹側に設けられた光位置センサ（ＰＳＤ１）からの検出信号に基づいて、切断機４１と樹幹Ｔとの距離を検出し、当該距離が所定値以上であれば、距離調節機構４４の駆動部（不図示）を制御して、切断機４１を樹幹Ｔに近接させる。そして、切断機４１と樹幹Ｔとの距離を所定値とした後に、制御装置５は、距離調節機構４４の駆動部を停止させ、回転刃駆動部４１ｂを制御して回転刃４１ａを回転させる。

また、制御装置５は、切断機４１の回転刃４１ａを回転させた後に、直進機構４２のアクチュエータ部４２３を駆動することにより、切断機４１を枝Ｔ１に向かって直進移動させる。これにより枝が切断される。枝Ｔ１の切断後において、制御装置５は、直進機構４２のアクチュエータ部４２３を制御して、切断機４１を初期位置（退避位置）に戻し、切断機４１の動作を停止するとともに、距離調節機構４４の駆動部を制御して、切断機４１と樹幹Ｔとの距離を例えば２ｃｍ以上離れた、昇降中に樹幹Ｔと干渉しない位置まで戻す。

そして、制御装置５は、昇降移動機構３の上輪用駆動モータ３２ａ及び下輪用駆動モータ３２ｂを制御して、自動枝打装置１００を樹幹Ｔに沿って再び直線状に上昇させる。その後の動作は上記と同様である。

しかして制御装置５は、樹幹Ｔの上昇過程において、各昇降移動機構３に設けられた傾斜角度検出部３５の角度センサ３５１から角度検出信号を随時受信して、連結支持体３３の傾斜角度θを監視している。そして、制御装置５は、各昇降移動機構３の傾斜角度θに基づいて、それらの上輪３１ａ及び下輪３１ｂの回転数をフィードバック制御して、枝打機本体２の姿勢を調整している。

また、制御装置５は、枝打機本体２が樹幹で停止し切断機構４が動作する段階において、切断機４１の回転移動に伴い、傾斜角度検出部３５の角度センサ３５１から得られた連結支持体３３の傾斜角度θが変化した場合には、その傾斜角度θの変化を打ち消す方向に付勢機構３６を制御する。つまり、切断機４１の移動により昇降移動機構３の一部が下がった場合、言い換えれば、アーム部３４１に対する連結支持体３３の傾斜角度θが大きくなった場合には、その傾斜角度θを戻す方向に、サーボモータ３６１を駆動してリンク機構３６２を介して連結支持体３３の下部に押圧力を加える。これにより、切断機４１の回転移動に伴う枝打機本体２の傾きを解消することができ、枝打作業を確実且つ正確に行うことができる。

＜本実施形態の効果＞
このように構成した本実施形態に係る自動枝打装置１００によれば、各昇降移動機構３が上輪３１ａ及び下輪３１ｂを連結支持体３３により支持するとともに、当該連結支持体３３が進退駆動部３４に対して回転自在に軸支されていることから、樹幹Ｔの凹凸に関わらず、上輪３１ａ及び下輪３１ｂを確実に樹幹Ｔに対して接触させることができ、上輪３１ａ及び下輪３１ｂがスリップすることを防止することができる。また、連結支持体３３の進退駆動部３４に対する傾斜角度を検出することにより、当該検出角度を用いて複数の昇降移動機構３同士の相対的な高さ位置を算出できるようになり、枝打機本体２の樹幹Ｔに対する姿勢を検出できるようになる。このとき、各昇降移動機構３は、個別の駆動モータ３２ａ、３２ｂにより上輪３１ａ及び下輪３１ｂが駆動されていることから、当該駆動モータ３２ａ、３２ｂを制御することによって枝打機本体２の姿勢を調整できるようになる。これにより、枝打機本体２に設けられた切断機構４と樹幹Ｔの枝との位置関係のばらつきを解消することができ、枝打作業を確実に行うことができるようになる。

＜その他の変形実施形態＞
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

例えば、前記実施形態の自動枝打装置１００は３つの昇降移動機構３により構成されているが、４つ以上の昇降移動機構３を有するものであっても良い。

また、前記実施形態の切断機構４は１つの切断機４１により構成されているが、２つ以上の切断機４１を有するものであっても良い。

さらに、前記実施形態の付勢機構３６は、他部材との干渉を避けるために連結支持体３３の一方のみに設けられているが、連結支持体３３の両方に設けるようにしても良い。

その上、前記実施形態の自動枝打装置１００は、昇降移動機構３により昇降動作を停止した後に、回転機構４３により切断機４１を回転させるように構成しているが、昇降移動機構３による昇降動作及び回転機構４３による回転動作を同時に行うようにしても良い。その他、昇降移動機構、回転機構、直進機構及び距離調節機構の動作順序は前記実施形態に限られず、さらに各機構が個別に動作することの他、同時に複数の機構が動作するように構成しても良い。

加えて、前記実施形態では、上輪用駆動モータ３２ａ及び下輪用駆動モータ３２ｂを設けて、上輪３１ａ及び下輪３１ｂをそれぞれ個別に駆動するものであったが、上輪３１ａ及び下輪３１ｂを共通の駆動モータにより回転駆動するように構成しても良い。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

１００・・・自動枝打装置
Ｔ・・・樹幹
Ｔ１・・・枝
２・・・枝打機本体
３・・・昇降移動機構
３１ａ・・・上輪
３１ｂ・・・下輪
３２・・・駆動モータ
３３・・・連結支持体
３４・・・進退駆動部
３５・・・傾斜角度検出部
４１・・・切断機
４１ａ・・・回転刃
４１ｂ・・・回転刃駆動部
４２・・・直進機構
４３・・・回転機構

Claims

樹幹の周囲を囲むように設けられ、当該樹幹の枝を切断するための切断機構を有する枝打機本体と、
前記枝打機本体に設けられて当該枝打機本体を樹幹に対して略直線状に昇降移動させる３つ以上の昇降移動機構とを具備し、
前記各昇降移動機構が、
樹幹に接触して回転駆動される上輪及び下輪と、
前記上輪及び下輪を回転駆動する駆動モータと、
前記上輪及び下輪をそれぞれ回転自在に連結支持する連結支持体と、
前記枝打機本体に設けられ、前記連結支持体の略中央部を回転自在に軸支するとともに当該連結支持体を樹幹に対して進退移動させて前記上輪及び下輪を押圧接触させる進退駆動部と、
前記連結支持体及び前記進退駆動部の間に介在して設けられて前記進退駆動部に対する前記連結支持体の傾斜角度を検出する傾斜角度検出部とを有し、
各昇降移動機構の傾斜角度検出部から得られた連結支持体の傾斜角度に基づいて、前記枝打機本体の樹幹に対する姿勢を調整すべく前記駆動モータを制御する自動枝打装置。
前記切断機構が、
円板状の回転刃及び当該回転刃を回転駆動する回転刃駆動部からなる切断機と、
前記切断機を、樹幹の略接線方向に沿って直進させる直進機構と、
前記切断機及び前記直進機構を、前記枝打機本体上で樹幹の周りを回転移動させる回転機構とを有し、
前記回転機構により前記切断機を樹幹の枝近傍に回転移動させた後に、前記直進機構により前記切断機を樹幹の枝を切断すべく直進させるものである請求項１記載の自動枝打装置。
前記連結支持体及び前記進退駆動部の間に介在して設けられており、前記進退駆動部に対して前記連結支持体が傾斜した場合に、前記支持連結体の傾斜を戻す方向に付勢力を与えて傾斜を解消する付勢機構を有する請求項１又は２記載の自動枝打装置。