JP2019187315A

JP2019187315A - 自動刈取装置

Info

Publication number: JP2019187315A
Application number: JP2018084229A
Authority: JP
Inventors: 清一宮腰; Seiichi Miyakoshi
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2018-04-25
Filing date: 2018-04-25
Publication date: 2019-10-31

Abstract

【課題】ＧＰＳや高度な制御システムを用いることなく、細線により刈取り範囲を確定するだけで、その範囲内の雑草を自動的に除去する。【解決手段】本発明の自走式刈取機１は、雑草を所定の高さで刈り取る刈取部８と、自走を行うための駆動機構と、刈取り範囲を確定するよう、雑草の根元付近に周回させた細線６と、進行方向前方と後方に搭載され、細線６を刈取部８の上方に維持しながら細線６の巻き取りと繰り出しを行う前方細線巻取機４と後方細線巻取機５と、細線６の張力が一定となるよう、前方細線巻取機４と後方細線巻取機５の制御を行うコントローラ９を備えている。刈り取りの進行に伴い、細線６が順次接触する雑草に向けて進行方向を変化させ、刈取り対象範囲内の雑草を刈り取る。【選択図】図１

Description

本発明は、雑草等の刈取装置に関し、特に、棚田など様々な大きさ、形状の農作地に適した刈取装置に関する。

高齢化が進む農業従事者にとって、耕作地の草取りは大きな負担となっている。
そこで、こうした草刈りを自動化するために、ＧＰＳや位置センサ等を利用した自動刈取機が開発されている。

特許文献１には、芝刈りを行う周囲データを入力し、ＧＰＳを利用して周囲データを外縁とした領域の芝刈りをロボットで行うことが記載されている。
また、非特許文献１には、庭に敷設した境界ワイヤに基づいてガーデンの地図を作成し、芝刈りのパターンを徐々に自動調整していくことが記載されている。
さらに、外周部に針金を張り回して設置し、電磁誘導等を用いて検出し、芝刈りを行う領域の最外周を設定する芝刈機や、芝地の中心部に杭を打ち、この杭にロープで結んだ自走式芝刈り機を円形に旋回させ、ロープが巻き取られることにより中心部に向けてらせん状に芝刈りを行うことも提案されている。

特表２０１７−５３１４２３公報

「ロボット芝刈機」農業食料工学会誌第７７巻第１号（2015）（通巻第346号）高橋伸拓著、平成27年1月1日発行

特許文献１のように、ＧＰＳを利用する場合、受信器、制御演算部、ディスプレイ装置が必要となるため高価であり、山の陰などでＧＰＳからの位置情報を一時的に受信できないような場合、正確な草取りが行われず、棚田などではロボットが転落するなどのおそれもある。
また、ロープ式芝刈り機ではロープ長で定まる円形にしか芝を刈ることができず、また、ロープの巻き取りに伴い、ロープ半径が連続的に短縮するため、芝刈り刃の幅との関係で重複部分や刈り残し部分が発生するので、効率的な芝刈りが困難である。また、芝生の手入れには利用可能であるとしても、丈の高い雑草が存在する耕作地などの場合には、ロープが途中で引っ掛かってしまい、芝刈機の進行自体が不可能になってしまう。
そこで、本発明の目的は、ＧＰＳや高度な制御システムを利用することなく、テグスやワイヤなどの細線で草を刈る領域を任意に定めるだけで、この領域内に自生した雑草などの植物を自動的に除去できるようにすることにある。

上記の課題を解決するため、本発明の自走式刈取機は、雑草を所定の高さで刈り取る刈取部と、自走を行うための駆動機構と、刈取り範囲を確定するよう、雑草の根元付近に周回させた細線と、進行方向前方と後方に搭載され、前記細線を刈取部上方に維持しながら前記細線の前後端の巻き取りと繰り出しを行う前方細線巻取機及び後方細線巻取機と、前記細線のテンションが一定となるよう、前記前方細線巻取機と前記後方細線巻取機の制御を行うコントローラとを備え、刈取りの進行に伴い、前記細線が順次接触する雑草に向けて進行方向を変化させることにより、刈取り範囲内の雑草を刈り取るようにした。

本発明によれば、細線により刈取り範囲を確定するだけで、細線がその範囲内の雑草を検知するセンサとして機能し、ＧＰＳや高度な制御システムを用いることなく、自動的に除去することが可能となる。

図１は、本発明に基づく刈取機の基本構造を示す側面図である。図２は、本発明に基づく刈取機の基本構造を示す平面図である。図３は、本発明に基づく刈取機により刈り取りを開始する際の様子を模式的に示した図である。図４は、本発明に基づく刈取機が細線に接触する雑草により操舵される様子を模式的に示した図である。図５は、刈取機進行方向前方の刈取部周辺の雑草案内部の一例を示す平面図である。図６は、刈取機進行方向前方の刈取部周辺の雑草案内部の一例を示す側面図である。図７は、刈取機の進行方向に対する細線の変動に追随するよう、三角錐状の草避け板を設けた例を示す図である。図８は、細線ガイドの旋回角度を検出する角度検出器を配置した例を示す図である。図９は、細線により刈取機１の進行方向が変更される様子を示す図である。図１０は、細線巻取機の一例を示す図である。

以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ説明する。

図１、図２は刈取機１の基本構造を示すもので、電動モータなどの自走用駆動源２により自走可能な市販の刈取機をベースに、基台上に、電動式操舵装置３（操舵角度調整装置）、進行方向前方側に配備された前方細線巻取機４、後方側に後方細線巻取機５を配備している。
図２に示すように、前方細線巻取機４、後方細線巻取機５には、細線６の張力を検出する張力センサ４ａ、５ａがそれぞれ設けられ、さらに、前方細線巻取機４には、繰り出される細線６の進行方向に対する角度を検出する角度センサ４ｂが配備されている。
また、刈取機１の下面には電動モータやエンジンなどの駆動源７により回転駆動される刈取刃やバリカンなどの刈取部８が設けられており、自走用駆動源２による前後進と速度、電動式操舵装置３による操舵角、刈取部８のオンオフ、回転速度に加え、前方細線巻取機４、後方細線巻取機５を駆動する各電気モータを総合的に制御するコントローラ９と、これらに必要な電源などが搭載されている。

細線６として、所定の耐久性を有することはもとより、倒れた雑草や落下してきた雑草に絡まず、しかも、外縁領域の草から簡単に外れない程度の弾性、摩擦係数を有し、しかも、自重で落下しないように、重量を選定する必要がある。
例えば、径が０．５ｍｍ〜１ｍｍ程度のステンレス製撚り線や、釣り用のテグス等が使用可能である。

図３は、本実施例により雑草刈取りを開始する際の様子を模式的に示したものである。
作業者は前方細線巻取機４のロックを解除して細線６を繰り出し、刈り取りを行う領域の外縁（雑草Ａ−Ｆ）に沿って周回させた後、後方細線機５に連結する。この作業終了後、コントローラ９により前方細線巻取機４あるいは後方細線巻取機５を作動させ、所定の張力が得られるまで細線６のたるみを取る。
これにより、細線６が刈り取りを行う領域全域にわたり雑草や小枝の根元付近、ただし、図１に示すように、刈取機１の下面に配備される刈取刃８による刈取面付近では、細線６が刈取面より上方の位置に接触した状態となるよう案内される。

なお、細線６を刈り取り領域に周回させる際、後方細線巻取機５のボビンを外し、作業者がこのボビンを持って細線６を繰り出しながら刈取領域の外縁に沿って周回し、後方細線巻取機５に装着するようにしてもよい。さらに、刈取機１にリモートコントロール装置を配備し、後方細線巻取機５のロックを解除して、ここからワイヤを出しながら、一度、周囲を巡回させた後、後方細線巻取機５をロックすることにより、刈取領域をセットするようにしてよい。

細線６の設置終了後、刈取機１の自走をスタートすると、通常、進行方向前方側の細線張力が低下し、進行方向後方側の細線張力が増大する。
前方巻取機４、後方巻取機５の張力センサ４ａ、５ａがこれを検出すると、コントローラ９は、進行方向前方側の細線張力が所定値に回復するまで、前方巻取機５が細線６の巻き取りを行い、進行方向後方の細線張力が所定値に低減するまで、後方巻取機６が細線６の繰り出しを行うよう、両細線巻取機４、５に指令を送出する。
ただし、細線張力は、雑草Ａが倒れずに直立した状態を維持できる程度とする必要がある。

コントローラ３は、図２に示す角度センサ４ｂの検出値に基づき、進行方向に対し細線６がなす角度が０となるよう電動式操舵装置３を制御するので、刈取機１は、図３に示すように、前方細線巻取機４から繰り出される細線６が最初に接触する雑草Ａに向けて刈取機が進行する。
図４に示すように、刈取機１が雑草Ａの刈り取りを行うと、刈取面の上方で雑草Ａに接触していた細線６が解放され、張力が一瞬弱まり、次に、前方細線巻取機４、後方細線巻取機５による張力の復帰に伴って、細線６は雑草Ｂに接触し、刈取機１は、角度センサ４ｂの検出値に基づいて、雑草Ｂに向けて方向転換を行う。このように、細線６は、刈取機１の操舵を決定するセンサの役割を果たしている。

雑草Ｂを刈り取り後、同様の動作を繰り返し、雑草Ａの刈り取りを行い、以後、雑草Ｃ−Ｆを結ぶ領域の内側にある雑草を順次刈り取っていく。
この間、前方細線巻取機４―後方細線巻取機５間の細線周長は、雑草Ａ−Ｆの刈り取りに伴い徐々に減少し、雑草Ａ−Ｆにより区画される領域の内方にある雑草の刈り取りが順次終了し、最終的に前方細線巻取機４の張力センサ４ａ、後方細線巻取機５の張力センサ５ａにより、細線６が前方細線巻取機４と後方細線巻取機５間を直結する状態を検知して、刈取機を自動停止させる。

このように前方細線巻取機４あるいは後方細線巻取機５が細線６を巻き取る場合、細線６に絡みついた雑草がノイズとなり、刈取機１の操舵が正しく行われない場合や、走行自体が不可能になる場合も考えられる。そこで、各巻取機４、５のボビン直前に、巻取方向とは逆方向に回転するブラシ、巻取方向に向けて一定時間毎に開閉する八の字状に拡開するガイド等からなる草よけ機構により、絡みついた雑草を巻取機の外方に弾き飛ばすようにすると、雑草による張力変化を抑制することができる。さらに細線６に長手方向あるいは上下左右に微小振動を与えることにより、細線６をガイドの中心部に刈取領域全周にわたり、細線６を雑草に対し、均一な位置に収束させることが可能となる。

図５、図６に刈取機１の進行方向前方にある刈取部８周辺の雑草案内部の一例を示し、図５は平面図、図６は側面図である。
刈取部８（この例ではバリカン）の上方には、地面に対し平行に、進行方向に延びる複数のフォーク９を備えた櫛形バンパ１０が設けられている。図６に示されるように、各フォーク９には垂直方向に延び、進行方向先端から上方に向けて傾斜する三角形状の草避け板１１が形成されている。櫛形バンパ１０は、可動継ぎ手１０ａを介して刈取機１のフレームなどに支持されており、バネなどにより進行方向に弾圧され、櫛形バンパ１０が障害物に衝突したとき、接触検出センサ１２がこれを検知するようになっている。なお、Ｃは刈り取った雑草を排出するためのコンベアである。

図６に示すように、櫛形バンパ１０の下方には細線ガイド１３が設けられており、その先端側のフォーク９の下面には、細線６の両側を挟むようにして、前述した巻取方向と逆方向に回転するブラシ１４が設けられている。また、細線ガイド１３は、細線６を案内するパイプ状の案内部を備えたベーススライダ１３ａと、新たに接触する雑草により、細線６が地面に対し平行な面内で傾斜したとき、これに合わせて追随するよう、ベーススライダ１３ａを細線６に対し垂直で、かつ地面に対し平行に移動させる移動機構１３ｂとで構成されている。細線６は、ベーススライダ１３ａに支持されたプーリ状、あるいは螺旋状のガイド（図示せず）により再度後方にある前方細線巻取機４に向けて案内される。

図７は、刈取機１の進行方向に対する細線６の傾斜角が変動したとき、これに追随するよう三角錐状の草避け板１１ａを設けた例を示し、左上図が平面図、左下図が側面図、右図が進行方向に対し後方からみた図である。
先端にブラシ１４を備えた笠状の草避け板１１ａは、回転軸１１ｂにより地面に対し略垂直方向に揺動可能となっており、細線６は、回転軸１１ｂの中心部を通り、上方または下方に案内されて前方細線巻取機４に到るようになっている。なお、１１ｃは、草避け板１１ａをスムースに回転させるためのカウンターウエイトである。

図８は、図６のベーススライダ１３ａに細線ガイド１３の旋回角度を検出する角度検出器４ｂを配置した例を示す。これにより、角度センサ４ｂを常時進行方向に対し正面を向くようベーススライダ１３ａが地面に対し平行に移動するとともに、ベーススライダ１３ａが刈取機１の本体に固定した移動機構１３ｂのスリット状ガイドに沿って移動し、その両端に接触したとき、図９に示すように、細線６が及ぼす作用により、刈取機１の操舵が行われ進行方向が変更される。すなわち、（ａ）のように、細線６が刈取機１の進行方向と平行な状態からさらに進行すると、（ｂ）のように細線６が進行方向に対し傾斜し始める。これに伴いベーススライダ１３ａが上方に移動し、移動機構１３ｂのスリット状ガイド上端に接触する。
刈取機１がさらに進行すると、（ｄ）〜（ｆ）のように、移動機構１３ｂのスリット状ガイド上端を起点とし、細線６の張力により、刈取機１の進行方向が雑草に向かって直進するよう操舵角が変更されることになる。

刈り取り対象範囲内に、刈取刃８で刈り取ることのできない小枝、切り株や岩石などの障害物が存在し、図５、６に示した接触検出センサ１２により障害物を検知した場合、一定時間、刈取機１に後退、旋回、前進（前後進を伴う切り返し）を行わせ、障害物が検知されなくなるまで、この動作を繰り返すことにより障害物を回避すればよい。

図１０は、前方細線巻取機４の一例を示す。
前方細線巻取機４のボビン４ｃは、回転軸４ｄを備えたターンテーブル４ｅに載置されており、ターンテーブル４ｅの下面には、モータ４ｆにより回転駆動される駆動ローラ４ｇが接触している。駆動ローラ４ｇは、図示しないモータによりターンテーブル４ｅの径方向に移動可能な駆動ローラガイド４ｈに連結している。コントローラ９は、駆動ローラガイド４ｈをターンテーブル４ｅの中心から離れるように移動させることによりボビン４ｃの巻取速度を増大させ、駆動ローラガイド４ｈをターンテーブル４ｅの中心に接近するように移動させることにより、ボビン４ｃの巻取速度を減少することができる。また、細線６に過大な張力が発生した場合には、ボビン４ｃがターンテーブル４ｅ上を滑ることで、細線巻取機４の破損を防止するとともに、刈取機１を停止させることができる。後方細線巻取機５の構造も前方細線巻取機４と同様である。

以上の実施例では、電動式操舵装置３を用いているが、ある程度硬い茎を有する雑草の場合は、手動ハンドルをフリーとすることにより、前方細線巻取機４に作用する張力により、操舵を追随させることができる。
また電動式操舵装置３を用いる場合でも、刈り取りにより生じたゆるみを解消する程度に前方細線巻取機４、後方細線巻取機５を制御し、細線６を光学的なセンサ等でトレースするように電動式操舵装置３を制御すれば、細線６の張力を大幅に低下することができ、茎の柔らかい雑草でも刈り取りが可能となる。

また、市販されている無線操縦式の刈取機に適用する場合には、角度センサ４ｂの出力などを操舵信号に変換した上で無線で送信する送信機を設けるだけで、刈り取りを行う領域全域内の作業が終了するまで自動的に操舵を行うことが可能となる。

以上説明したように、本発明によれば、ＧＰＳや高度な制御システムを用いることなく、細線により刈取り範囲を確定するだけで、その範囲内の雑草を自動的に除去することが可能となるので、特に、高齢化が進む農村などで広く利用されることが期待される。

１：刈取機２：自走用駆動源
３：電動式操舵装置４：前方細線巻取機５：後方細線巻取機
４ａ、５ａ：張力センサ４ｂ：角度センサ４ｃ：ボビン
４ｄ：回転軸４ｅ：ターンテーブル４ｆ：モータ
４ｇ：駆動ローラ６：細線７：駆動源
８：刈取部９：コントローラ９１０：櫛形バンパ
１０ａ：フォーク１１：草避け板１２：接触検出センサ
１３：細線ガイド１４：ブラシ

Claims

雑草を所定の高さで刈り取る刈取部と、
自走を行うための駆動機構と、
刈取り範囲を確定するよう、雑草の根元付近に周回させた細線と、
進行方向前方と後方に搭載され、前記細線を刈取部上方に維持しながら前記細線の巻き取りと繰り出しを行う前方細線巻取機と後方細線巻取機と、
前記細線の張力が一定となるよう、前記前方細線巻取機と前記後方細線巻取機の制御を行うコントローラとを備え、
刈取りの進行に伴い、前記細線が順次接触する雑草に向けて進行方向を変化させることにより、刈取り対象範囲内の雑草を刈り取るようにしたことを特徴とする自走式刈取機。
前記刈取部の進行方向前方に、雑草を前記刈取部の外方に案内する草避け板を備えたことを特徴とする請求項１に記載された自走式刈取機。
前記前方細線巻取機の進行方向前方に、前記細線の進行方向に対する傾斜角度を検出する角度検出センサを設け、前記コントローラは、この傾斜角度が減少するよう、自走式刈取機の操舵角を制御することを特徴とする請求項１または２に記載された自走式刈取機。