JP2021045095A - Hull form small-sized robot - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、主に農業の管理に使用される数十センチメータ程度の前後長を有する船型小型ロボットに関し、特に、単独で用いたり、複数台を協調制御したりして、作物の病害虫予防や、育成管理、雑草の生育防止、害獣対策、防犯などに利用可能な船型小型ロボットに関する。 The present invention relates to a small boat-type robot having a front-rear length of about several tens of centimeters, which is mainly used for agricultural management. , Cultivation management, weed growth prevention, pest control, crime prevention, etc.
従来から知られている農業用ロボットとしては、大型の自律走行型コンバイン、小型の水田除草用ロボットがある。とりわけ、水田除草用ロボットとしては、田植え以降に生育する雑草の発生を防止するために、遠隔装置によりチェーンや回転体で水田の土壌を攪拌するものが知られている。 Conventionally known agricultural robots include large autonomous traveling combine harvesters and small paddy field weeding robots. In particular, as a paddy field weeding robot, a robot that agitates the soil of a paddy field with a chain or a rotating body by a remote device is known in order to prevent the growth of weeds that grow after rice planting.
しかしながら、これらの農業用ロボットは土壌を機械的に撹拌することを要するため、小型化に限界があり、さらに遠隔装置による操縦者が必要であり、また価格も高いものとなっていた。 However, since these agricultural robots require mechanical agitation of soil, there is a limit to miniaturization, a remote control operator is required, and the price is high.
また、自律走行を行う水田除草ロボットも開発されている。これらの自律走行水田除草ロボットとしては、車輪やクローラを用いて、水田の水底となる土壌の表面を走行するタイプや、空気圧を用いるホバークラフトタイプがある。車輪やクローラを用いて土壌表面を走行するタイプでは、土壌表面には凹凸が多く、走行中にその外乱を受けるために、稲株に接触することなく走行することが困難であるという問題がある。ホバークラフトタイプでは、稲の真上からも圧縮された空気を噴射するため、稲を痛めることがあるという難点がある。 In addition, paddy field weed control robots that perform autonomous driving have also been developed. These autonomously traveling paddy field weed control robots include a type that uses wheels and crawlers to travel on the surface of the soil that is the bottom of the paddy field, and a hovercraft type that uses air pressure. The type that runs on the soil surface using wheels and crawlers has a problem that it is difficult to run without contacting the rice plant because the soil surface has many irregularities and is affected by the disturbance during running. .. The hovercraft type has the disadvantage that it may damage the rice because it injects compressed air from directly above the rice.
この改善策として、本件出願人は数十センチメータ程度の長さで、水田の水面に浮かべて自律航行させる小型船舶タイプの農業ロボットに、水底の土壌に向けて水の噴流を吹き出す機能を加えて、土壌を拡散させて、土壌表面に生えている雑草への太陽光を遮断し、雑草の光合成を阻害させて生育を阻止する発明に関する特許出願をしている(特許文献9)。 As a remedy for this, the applicant has added a function to blow out a jet of water toward the soil at the bottom of the water to a small vessel type agricultural robot that floats on the surface of a paddy field and navigates autonomously with a length of about several tens of centimeters. Therefore, a patent application has been filed for an invention relating to an invention that diffuses soil, blocks sunlight on weeds growing on the soil surface, inhibits photosynthesis of weeds, and inhibits growth (Patent Document 9).
本願の発明者が水田での実験を重ねた結果、水田には水深が浅いところも多く、場合によっては水上に土壌部分が突き出していることもあり、船舶タイプの農業ロボットでは土壌に乗り上げてしまって、航行機能が阻害されることがあり得ることが判明した。本発明は、水中での航行と浅瀬や陸上での走行が可能となるように、船舶型小型ロボットの左右に外輪を設けて、水面航行の場合は外輪に組み込まれているパドルが水をかき分けて推進力を起こし、浅瀬や陸上では外輪の外側リングが車輪となって駆動力を発生させる工夫をしたものである。 As a result of repeated experiments in paddy fields by the inventor of the present application, there are many places where the water depth is shallow, and in some cases the soil part protrudes above the water, so the ship-type agricultural robot rides on the soil. Therefore, it was found that the navigation function could be impaired. In the present invention, outer rings are provided on the left and right sides of a small boat-type robot so that it can navigate underwater and travel in shallow water or on land, and in the case of water surface navigation, a paddle incorporated in the outer ring separates water. In shallow water and on land, the outer ring of the outer ring acts as a wheel to generate driving force.
水田稲作では、有機JAS栽培の認定を受ければ、米の販売価格が高くなる。しかしながら、有機JAS栽培の認定を受けるためには、無農薬栽培が必要となるため、雑草を農薬で処理することができずに、毎日の除草作業の負荷が農家にかかってくる。通常は、手押し型や搭乗型の除草機を用いて除草作業を毎日行うことが多いが、このような除草機械を用いたとしても、除草作業は多大の工数とコストを要するため、このような除草作業の省力化が望まれている。 In paddy rice cultivation, the selling price of rice will be higher if it is certified for organic JAS cultivation. However, in order to be certified for organic JAS cultivation, pesticide-free cultivation is required, so weeds cannot be treated with pesticides, and the burden of daily weeding work is placed on the farmers. Normally, weeding work is often performed daily using a hand-push type or boarding type herbicide, but even if such a weeding machine is used, the weeding work requires a great deal of man-hours and costs. Labor saving in herbicidal work is desired.
一部の有機栽培稲作では、合鴨を水田に放つ「合鴨農法」が取り入れられている。これは、田植え後の活着時期から出穂時期まで、合鴨を何匹も水田内で自由に泳がせて雑草の育成を防止するものである。ところが、合鴨は犬・猫や野獣、野鳥に襲われることが多く、電気柵の設置を行うか、合鴨専用の檻を設けて毎晩収監する手間が必要となる。また、合鴨には餌が必要であり、さらに、合鴨は水田の全部の区域を移動するわけではないので、どうしても水田の一部に雑草が残り、それを人手で除去する作業が必要となる。このような背景から、合鴨農法では手間と経費がかかり、有機栽培米として販売価格向上しただけの利益増加分が、増加する経費により、その多くが失われることが多い。 Some organically cultivated rice farms have adopted the "duck farming method" in which ducks are released into paddy fields. This is to prevent the growth of weeds by allowing a number of ducks to freely swim in the paddy field from the time of settlement to the time of heading after rice planting. However, ducks are often attacked by dogs, cats, wild beasts, and wild birds, so it is necessary to install an electric fence or set up a cage dedicated to ducks and imprison them every night. In addition, since the ducks need food and the ducks do not move in the entire area of the paddy field, weeds inevitably remain in a part of the paddy field, and it is necessary to manually remove them. Against this background, the Aigamo farming method requires labor and expense, and the increase in profits due to the increase in the selling price of organically cultivated rice is often lost due to the increase in expenses.
このような状況で、合鴨の代わりに水田の雑草除去を行う、農作業ロボットが特許文献1−10で示したように開発されている。特許文献1−3に開示されている発明では、水田除草の機構は、車輪又はクローラで水底の土壌部に接触して走行し、同時に雑草を除去する方式であり、このとき、水田に植えられている稲株の根本近くを連続的に圧接するおそれがあり、稲株の育成も阻害させる可能性が高い。 In such a situation, an agricultural work robot that removes weeds in paddy fields instead of ducks has been developed as shown in Patent Document 1-10. In the invention disclosed in Patent Document 1-3, the mechanism of paddy field weeding is a method of traveling in contact with the soil portion of the bottom of the water with wheels or crawlers and at the same time removing weeds, and is planted in the paddy field at this time. There is a risk of continuous pressure contact near the root of the rice plant, which is likely to hinder the growth of the rice plant.
上記に対して、特許文献4,5に開示されている発明では、車輪を浮かせて稲株への連続圧接を回避させるために、フロートやエアーボート等の浮力発生機構を必用とするものであり、大型化を避けられない。
On the other hand, in the inventions disclosed in
特許文献6に開示されている発明では、車輪の先端部を撓む構造として、湾曲して稲株を避けるようにした構成が示されているが、どのように車輪を動かすかという構成は全く開示されていない。特に、駆動機構をどのようにするかにより、装置の自重が変わり、車輪の先端部の撓みが、どのような条件でどのような状態になるかが明らかにされていない。そのため、具体的にどう実現できるかが不明である。
In the invention disclosed in
特許文献7に開示されている発明では、雑草の種子の定着・発芽を阻止するために、薄板円盤に固定されたロッドを有する左右車輪を回転させ水田の土の表面を持上げ攪拌し、稲株間を回転走行する小型の装置であり、本発明に小型、稲株間の走行という点で、上記した従来技術と同様である。 In the invention disclosed in Patent Document 7, in order to prevent the colonization and germination of weed seeds, the left and right wheels having rods fixed to a thin disk are rotated to raise the soil surface of the paddy field and stir, and between rice plants. It is a small device that rotates and travels, and is similar to the above-mentioned conventional technique in that the present invention is small and travels between rice plants.
特許文献8には、フロートを装備して遊泳する除草機の除草装置が開示されている、この除草装置は、条間はロータを回転させて土壌を掻きまわす機能を利用し、除草が難しい株間には水もしくは空気をポンプで加圧して噴射除草をする補助機能を利用することが開示されている。この従来技術においても、条間をロータで掻きまわすためには大型の除草装置が必要となる。
本特許出願人による特許文献9には、小型かつ軽量であって、稲の株間或いは条間を通過しながら水面を浮上走行し、稲株へ接触しても被害を及ぼすことなく、水田の雑草育成を防止する機能を備えた構成及び制御方法が開示されている。しかしながら、実際の水田で走行実験を行ったところ、このような構成では、水田の水深が浅い部分では船体が土壌に乗り上げて進行不能となる問題があることが見出された。 Patent Document 9 by the applicant of the present invention states that weeds in paddy fields are small and lightweight, run on the surface of the water while passing between rice stocks or rows, and do not cause any damage even if they come into contact with rice stocks. A configuration and a control method having a function of preventing breeding are disclosed. However, when a running experiment was conducted in an actual paddy field, it was found that in such a configuration, there was a problem that the hull ran on the soil and could not proceed in the shallow part of the paddy field.
特許文献10は、駆動車輪とは別個に設けられた除草車輪を用いて水田の除草を行う比較的大型の装置を開示している。
このような従来技術の問題点に鑑み、本発明の主な目的は、雑草の防除等の目的で、水田等の水深にばらつきのある水中を航行或いは走行可能な船型小型ロボットを提供することにある。 In view of such problems of the prior art, a main object of the present invention is to provide a small boat-shaped robot capable of navigating or traveling in water with varying water depths such as paddy fields for the purpose of controlling weeds and the like. is there.
このような目的は、水中で浮遊可能な船体(1)と、前記船体の左右方向に延在する回転軸線周りに回転可能に前記船体に設けられた、複数のパドル(3)を含む外輪(2)と、前記外輪を駆動する駆動源(4)とを有することを特徴とする船型小型ロボットを提供することにより達成される。 Such an object is an outer ring (1) including a hull that can float in water and a plurality of paddles (3) that are rotatably provided on the hull around a rotation axis extending in the left-right direction of the hull. This is achieved by providing a hull-shaped small robot characterized by having 2) and a drive source (4) for driving the outer ring.
このような構成により、船型小型ロボットは、水深のある水中では、パドルにより発生する推進力により航行し、浅い水中或いは地上では外輪が発生する推進力により走行できる。 With such a configuration, the small boat-shaped robot can navigate by the propulsive force generated by the paddle in deep water, and can travel by the propulsive force generated by the outer ring in shallow water or on the ground.
好ましくは、前記外輪が、前記船体の左右に設けられた1対の外輪を含み、前記駆動源が、前記両外輪を個別に駆動可能である。 Preferably, the outer ring includes a pair of outer rings provided on the left and right sides of the hull, and the drive source can drive both outer rings individually.
このように、パドル或いは外輪の左右の駆動力を個別に制御することにより、進行方向を自在に変更することができる。 In this way, the traveling direction can be freely changed by individually controlling the left and right driving forces of the paddle or the outer ring.
好ましくは、前記回転軸線が、前記船体の重心の前方に位置する。 Preferably, the axis of rotation is located in front of the center of gravity of the hull.
それによって、船体の先端が、地面につき刺さる等して走破性が失われる事態を回避することができる。 As a result, it is possible to avoid a situation in which the tip of the hull pierces the ground and loses its running performance.
好ましくは、前記船体の後部に補助輪又は橇が設けられている。 Preferably, training wheels or sleds are provided at the rear of the hull.
それによって、浅い水中或いは地上での船型小型ロボット走行抵抗を低減し、走破性を向上させることができる。 As a result, it is possible to reduce the running resistance of the small boat-shaped robot in shallow water or on the ground and improve the running performance.
このように、本発明によれば、雑草の防除等の目的で、水田等の水深にばらつきのある水中を航行或いは走行可能な船型小型ロボットが提供される。 As described above, according to the present invention, there is provided a small boat-type robot capable of navigating or traveling in water with varying water depths such as paddy fields for the purpose of controlling weeds and the like.
本発明の第1実施例に基づく船型小型ロボットは、図1及び2に示すように、水中で浮遊可能な船体1と、船体1の左右方向に延在する回転軸線周りに回転可能に、前記船体の両側部に設けられた1対の外輪2とを有する。船体1の先端部は、水の抵抗を減らし、走破性を向上するように、平面視で先細であって、その底部が、前方に向けて上向きに傾斜した形状を有する。外輪2は、放射方向に延出する複数のパドル3を有する。本実施例では、パドル3の先端部が、回転軸線に対して同軸的に配置された環状部材の内周面に結合されている。しかしながら、図1に於いて想像線により示すように、パドル3の先端部が外輪2の外周を超えて延出するものであっても良い。
As shown in FIGS. 1 and 2, the hull-shaped small robot based on the first embodiment of the present invention has the
船体1内には、両外輪2を、駆動軸5を介して、個別に駆動するように配置された1対の電動モータ4と、バッテリ6と、コンピュータを含む制御装置7と、制御装置7の制御化で、電動モータ4に電流を供給するモータドライバ8と、船体1の運動を検出し、検出信号を制御装置7に供給するためのジャイロ等を含むモーションセンサ9と、当該ロボットの環境を認識し、取得した環境情報を制御装置7に供給するための環境認識用センサ10と、外部の端末又は基地局及びGPS衛星と通信するための通信アンテナ11とが設けられている。環境認識用センサ10は、カメラ、レーダ、超音波センサ等を含むものであって良い。
Inside the
ロボットが或る程度深い水中で走行する場合、船体1は水中で浮遊し、両外輪2とともにパドル3が回転し、推進力を得ることができる。地上又は浅い水中で走行する場合、両外輪2が地面又は水底面に係合し、同じく推進力を得ることができる。この場合、船体1の後部は地面又は水底面上を滑ることになる。その場合、外輪2(特に、その回転軸線)が、ロボットの重心位置よりも前方に配置していることにより、高い走破性を得ることができる。
When the robot travels in water to a certain depth, the
図3に示された本発明の第2実施例では、船体1の後部の底部には従動輪12が設けられている。ロボットが或る程度深い水中で走行する場合は、第1実施例と同様であるが、地上又は浅い水中で走行する場合、従動輪12により走行抵抗を低減することができる。
In the second embodiment of the present invention shown in FIG. 3, a
従動輪12は、ばねや粘性ダンパ等を備えた懸架装置により支持されたものであって良く、それによって、地面の凹凸に起因する衝撃を緩和して地面との接触を確実にしたり、船体1に加わる衝撃力を低減するようにしても良い。また、従動輪12がキャスター機能を有するものとしてもよい。所望に応じて、従動輪12に代えて駆動輪を用いることにより、走破性を更に高めることができる。この場合も、外輪2(特に、その回転軸線)が、ロボットの重心位置よりも前方に配置していると良い。
The driven
図4に示された本発明の第3実施例では、船体1の後部の底部には橇13が設けられている。ロボットが或る程度深い水中で走行する場合は、第1実施例と同様であるが、地上又は浅い水中で走行する場合、橇13により走行抵抗を低減することができる。橇13は、別体で構成されたものでも、船体1の後部の底部を適切な形状に構成して橇13として機能するようにしたものであっても良い。この場合も、橇13を懸架装置により支持すると良く、外輪2(特に、その回転軸線)が、ロボットの重心位置よりも前方に配置していると良い。
In the third embodiment of the present invention shown in FIG. 4, a
図5には、船体1が水中を航行する際の喫水線が符号16により示され、図6には、地上又は浅い水中で走行する際に、両外輪2及び従動輪12(船体底部、橇13)が接する地面が符号15により示されている。
FIG. 5 shows the waterline when the
本発明の実施例に基づくロボットは、予め設定された領域を走行するようにプログラムされるが、環境認識用センサ10により取得した環境情報に基づいて、障害物を避けるように、自律的に走行するように構成されている。水田の条間は30cm程度に取ることが多く、株間が18cm程度の狭い幅であることから、稲株に接触することなくロボットが航行するためには、船体1の幅は8〜12cm程度あることが望ましい。また、両外輪2を個別に駆動可能とすることにより、進行方向を迅速に、かつ多大な空間を必要とすることなく変更することができる。
The robot based on the embodiment of the present invention is programmed to travel in a preset area, but autonomously travels so as to avoid obstacles based on the environmental information acquired by the
本発明の実施例に基づくロボットは、水田に於いて利用する場合には、小型でコンパクトとなるように部品を筐体内に収めるレイアウト構成が必要となる。外輪2を左右に配置し、それぞれを独立した電動モータ4で駆動する構造となっていることから、左右の電動モータ4の出力を調整して、ロボットの走行速度と直進走行や曲線状の走行の軌跡を制御することができる。電動モータ4は、外輪2を直接駆動するものでも、変速機を介して駆動するものであってもよい。
When the robot based on the embodiment of the present invention is used in a paddy field, it is necessary to have a layout configuration in which parts are housed in a housing so as to be compact and compact. Since the
ロボットが深い水中を船舶のように航行する際に、風や水流などの外乱を受けることが想定される。本発明の実施例によれば、左右の電動モータ4の出力を個別に制御し、外輪2のパドル3が発生する推力の左右差を調整することにより、所要の直進走行或いは旋回走行を行い、目標とする軌跡からの偏差を最小に抑えるような運動制御システムを内蔵している。例えば、将来の軌跡が目標から偏差を生じると予測される場合は、その偏差量をフィードバックして、左右の外輪の推力差や回転数差などを制御する。
When a robot navigates deep water like a ship, it is expected to be subject to disturbances such as wind and water currents. According to the embodiment of the present invention, the outputs of the left and right electric motors 4 are individually controlled, and the difference between the left and right thrusts generated by the
ロボットの目標軌跡は、ロボット自体が自律走行機能を有して自ら発生させる形態と、作業員の遠隔操作によって操縦される場合と両方対応が可能である。自律走行する場合には、ロボットは図示した装置以外に、外部環境認識用のカメラ、レーダ、衛星測位システム、超音波センサなどの装置と、認識処理のためのソフトウェアが必要となる。 The target locus of the robot can correspond to both a form in which the robot itself has an autonomous traveling function and generates it by itself and a case in which the robot is operated by remote control of a worker. In the case of autonomous traveling, the robot requires devices such as a camera for recognizing the external environment, radar, a satellite positioning system, and an ultrasonic sensor, and software for recognition processing, in addition to the devices shown in the figure.
ロボットには、図1に示すようにバッテリ、コンピュータ、左右独立モータドライバ、左右独立外輪駆動用モータ、モーションセンサ(3軸加速度及び3軸回転速度の検知用)、外部環境認識用センサ(カメラ、レーダ、超音波センサなど)、通信用アンテナなどが配置されており、図1には示していないが適切に信号と電力が伝送されるように配線されている。図1のレイアウトは機器の配置の一例であり、船体の重心位置を配慮した適切なレイアウトに設計されることになる。またバッテリの充電装置も必要となるが、図には示していない。 As shown in FIG. 1, the robot includes a battery, a computer, left and right independent motor drivers, left and right independent outer ring drive motors, motion sensors (for detecting 3-axis acceleration and 3-axis rotation speed), and external environment recognition sensors (camera, Radars, ultrasonic sensors, etc.), communication antennas, etc. are arranged, and although not shown in FIG. 1, they are wired so that signals and power are appropriately transmitted. The layout shown in FIG. 1 is an example of the arrangement of equipment, and is designed to be an appropriate layout in consideration of the position of the center of gravity of the hull. A battery charging device is also required, but it is not shown in the figure.
更に、本発明に基づくロボットを複数稼働させ、互いに強調する制御を行うことにより、広範囲の水田を短時間で処理することが可能となる。 Further, by operating a plurality of robots based on the present invention and performing control to emphasize each other, it is possible to process a wide range of paddy fields in a short time.
本発明のロボットにより、水田の水深の深いところでの外輪のパドル機能及び、浅瀬での外輪の車輪走行機能によって、水田底部の土壌が攪乱されて、水田の水を濁らせ、雑草への太陽光を遮断して雑草の生育を防止する効果がある。また、ロボットに各種の環境状況を検出するセンサを装着すれば、稲の生育環境、病害虫の状況を把握でき、さらにその状況に応じてピンポイントでの施肥・農薬注入など環境改善が可能である。本発明のロボットにより、農家は無農薬や低農薬の水稲を低コスト、低労働で行うことができるようになり、農業従事者の高齢化の課題を解決できる。 With the robot of the present invention, the paddle function of the outer ring in the deep water of the paddy field and the wheel running function of the outer ring in the shallow water disturb the soil at the bottom of the paddy field, muddy the water of the paddy field, and send sunlight to the weeds. It has the effect of blocking and preventing the growth of weeds. In addition, if the robot is equipped with sensors that detect various environmental conditions, it is possible to grasp the growing environment of rice and the conditions of pests, and further improve the environment such as pinpoint fertilization and pesticide injection according to the conditions. .. The robot of the present invention enables farmers to carry out pesticide-free and low-pesticide paddy rice at low cost and with low labor, and can solve the problem of aging of agricultural workers.
1 船体
2 外輪
3 パドル(櫂)
4 電動モータ
5 駆動軸
6 バッテリ
7 制御装置
8 モータドライバ
9 モーションセンサ
10 環境認識用センサ(カメラ、レーダ、超音波センサなど)
11 通信アンテナ
12 従動輪
13 橇
14 喫水線
15 地面
1
4
11
Claims (4)
前記船体の左右方向に延在する回転軸線周りに回転可能に前記船体に設けられた、複数のパドルを含む外輪と、
前記外輪を駆動する駆動源とを有することを特徴とする船型小型ロボット。 A hull that can float in the water and
An outer ring including a plurality of paddles provided on the hull so as to be rotatable around a rotation axis extending in the left-right direction of the hull.
A small boat-shaped robot having a drive source for driving the outer ring.
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Patent Citations (5)
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