JP2021141833A - 形状計測システム - Google Patents

Abstract

【課題】木材の曲がり量を容易に判断できる形状計測システムを提供する。【解決手段】木材を把持する作業ヘッドを有する林業機械に取り付けられ、作業ヘッドが把持する木材の外形を計測する（ステップＳ３）外形計測部と、外形計測部により計測された外形に基づいて、木材の曲がり量を演算する（ステップＳ４）曲がり量演算部と、を備える。作業ヘッドは、開閉することにより木材を把持する一対の爪と、爪を開閉可能に支持するフレームと、を有する。外形計測部は、フレームに取り付けられる。【選択図】図４

Description

本発明は、木材の形状を計測する形状計測システムに関する。

木材を造材する際には、ハーベスタやプロセッサ、およびチェーンソーのような林業機械が使用される。具体的には、ハーベスタやチェーンソーで、立木が伐倒され、ハーベスタやプロセッサで、枝払いおよび玉切りされることにより、丸太が造材される。玉切りにおいては、まっすぐな柱材を得るため、丸太の曲がり位置を目視またはカメラで視認し、曲がりの少ない位置で玉切りされるのが好ましい。

特開２０１９−５４７３４号公報

上述した玉切りの位置は、林業機械の操縦者や作業従事者により判断される。すなわち、操縦者などの経験や勘により行われる。このため、操縦者の技能や作業環境に応じて丸太の品質にバラツキが生じるおそれがある。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、木材の曲がり量を容易に判断できる形状計測システムを提供することを目的とする。

本発明に係る形状計測システムは、上述した課題を解決するために、木材を把持する作業ヘッドを有する林業機械に取り付けられ、前記作業ヘッドが把持する木材の外形を計測する外形計測部と、前記外形計測部により計測された前記外形に基づいて、前記木材の曲がり量を演算する曲がり量演算部と、を備える。

本発明に係る表示装置においては、木材の曲がり量を容易に判断できる。

形状計測システムを適用したハーベスタの外観構成図。 形状計測システムの機能ブロック図。 平行リンクの作用の説明図。 形状計測システム１において実行される形状計測処理を説明するフローチャート。

本発明に係る形状計測システムの実施形態を添付図面に基づいて説明する。本発明に係る形状計測システムは、例えばハーベスタやプロセッサなどの林業機械に搭載することができる。以下の実施形態は、本発明の形状計測システムをハーベスタに搭載した例を用いて説明する。

図１は、形状計測システム１を適用したハーベスタ２の外観構成図である。

図２は、形状計測システム１の機能ブロック図である。
以下の説明においては、「前」、「後」、「上」、「下」は、図１における定義に従う。

形状計測システム１は、ハーベスタ２と、外形計測部３と、長さ・径計測部４と、演算部５と、表示部６と、を有する。

ハーベスタ２は、原木送り機能、枝払い機能、玉切り機能、測尺機能などを備える、高機能林業機械である。ハーベスタ２は、立木をつかんで伐木、造材、および集積やはい積などの一連の作業を一台で行うことができる。

ハーベスタ２は、車両本体１０と、ブーム１１と、アーム１２と、作業ヘッド１３と、を有する。

車両本体１０は、操縦者が搭乗する空間を有し、操縦者が車両本体１０を移動したり、アーム１２および作業ヘッド１３を操作したりする部分である。

ブーム１１は、くの字状に形成され、車両本体１０の前部に連結される。アーム１２は、ブーム１１の先端にピン１５ａにより連結される。作業ヘッド１３は、アーム１２の先端にピン１５ｂにより連結される。ブーム１１、アーム１２および作業ヘッド１３は、油圧シリンダ１６ａ、１６ｂ、１６ｃの伸縮により、各連結部分においてピン１５ａ、１５ｂ、１５ｃを軸に回転しながら、連動して駆動される。

作業ヘッド１３は、開閉することにより木材を把持する、一対の爪１７を有する。また、作業ヘッド１３は、図示しない、原木送り装置と、玉切り装置と、枝払いナイフと、を有する。

原木送り装置は、回転式のゴムローラやローラチェーンなどであり、爪１７で把持された木材を、木材の長さ方向に送る。玉切り装置は、チェーンソーなどであり、爪１７で把持された木材を切断する。枝払いナイフは、爪１７同様の支点で開閉し、爪１７で把持された木材の枝を切る。

作業ヘッド１３は、フレーム１８と、ローテーター１９と、平行リンク２０（図３）と、を有する。

フレーム１８は、爪１７の上端において、爪１７をピン１５ｃ（図１）を支点に開閉可能に支持する。具体的には、フレーム１８は、チルトフレーム１８ａと、爪支持フレーム１８ｂと、を有する。チルトフレーム１８ａと爪支持フレーム１８ｂは、ピン１５ｄを介して揺動可能に連結される。すなわち、チルトフレーム１８ａは、爪１７を（爪支持フレーム１８ｂを介して）揺動させる。爪支持フレーム１８ｂは、ピン１５ｃを支点に、爪１７を開閉可能に支持する。

ローテーター１９は、フレーム１８の上端において、ピン１５ｂによりアーム１２に対して揺動可能に連結されている。ローテーター１９は、相対的に回転可能な、上部１９ａと、下部１９ｂと、を有する。上部１９ａは、アーム１２に連結（固定）されている。下部１９ｂは、フレーム１８の上端に連結（固定）されている。これにより、作業ヘッド１３は、アーム１２に対して上下方向軸周りに回転および上下方向軸周りに直交する軸周りに揺動可能である。

平行リンク２０（センサ保持部）は、フレーム１８に取り付けられ、外形計測部３を取り付けるための台座２０ａ（図３）を有する。平行リンク２０は、爪１７の揺動角度に対して相対的に一定姿勢を保つ。すなわち、平行リンク２０は、チルトフレーム１８ａに対する爪１７（および爪支持フレーム１８ｂ）の揺動角度に連動して、チルトフレーム１８ａに対する相対位置が変化し、かつ爪１７に対する相対角度（レーザの放出角度）が一定となるような機構を有する。ここで、図３は、平行リンク２０の作用の説明図である。

作業ヘッド１３は、爪１７が閉じ、木材７を把持した場合の、把持軸方向Ｌを有する。なお、この把持軸方向Ｌは、爪１７に対して規定された設計上の方向であり、実際に把持された木材７の軸方向とは異なる場合がある。平行リンク２０は、図３（ａ）、図３（ｂ）および図３（ｃ）に示すように、把持軸方向Ｌと、外形計測部３の台座２０ａの面方向Ｓとが常に一定（略平行）になるように、外形計測部３を保持する。すなわち、爪１７がチルトフレーム１８ａに対して揺動すると、爪１７の揺動に併せて平行リンク２０も変位し、爪１７と台座２０ａの面方向Ｓ（外形計測部３）とは常に一定の位置関係を保つ。

台座２０ａは、爪１７（爪１７が把持する木材７）に対して所要の距離を有することが好ましく、その距離は外形計測部３（レーザスキャナ３１）の特性や計測対象物に応じて決定される。本実施形態においては、フレーム１８の上端近傍（爪１７の上方）に外形計測部３が配置される。

外形計測部３は、作業ヘッド１３が把持する木材の外形を計測する。外形計測部３は、レーザスキャナ３１と、サーボモータ３２と、ケーシング３３と、を有する（図２、図３）。

レーザスキャナ３１は、２次元平面内の形状を計測する、いわゆるライダー（LIDAR、Light Detection and Ranging）である。具体的には、レーザスキャナ３１は、計測対象にレーザ光を放出し、その反射光に関する点群データを取得する。サーボモータ３２（揺動部）は、レーザスキャナ３１の計測範囲である２次元平面に垂直な方向の軸周りに揺動（回転）する。これにより、外形計測部３は、計測対象の３次元形状を得るための点群データを取得でき、３次元形状センサとして機能する。ケーシング３３は、レーザスキャナ３１およびサーボモータ３２を収容する。ケーシング３３（形状計測部）は、平行リンク２０の台座２０ａを介してフレーム１８に取り付けられる。

長さ・径計測部４は、作業ヘッド１３から得られる情報に基づいて、木材の長さおよび径を計測する。長さ・径計測部４は、原木送り装置の送材量に基づいて木材の長さを計測する。また、長さ・径計測部４は、木材を把持する爪１７の開閉量に応じて、木材の径を計測する。

演算部５は、外形計測部３および長さ・径計測部４より得られる情報に基づいて、木材に関する各種値を演算、評価する。演算部５は、曲がり量演算部４１と、玉切り位置演算部４２と、を有する。

曲がり量演算部４１は、外形計測部３より得られる点群データ（外形）に基づいて、所要の演算処理を行うことにより、木材の曲がり量を演算する。

玉切り位置演算部４２は、曲がり量演算部４１により取得された曲がり量、および長さ・径計測部４により取得された木材の長さおよび径に基づいて、玉切り位置を演算する。

表示部６は、演算部５により得られた必要な演算結果などを表示する。

演算部５および表示部６は、ハーベスタ２内に設けられていてもよいし、ハーベスタ２から離れた位置に設けられる外形計測部３および長さ・径計測部４と通信可能な端末で実現されてもよい。

次に、形状計測システム１の外形計測方法の一例を説明する。図４は、形状計測システム１において実行される形状計測処理を説明するフローチャートである。

ステップＳ１において、ハーベスタ２は、伐倒した原木の元口（根本）側を把持し、木材の長さ方向に送材しながら枝払いする。このとき、長さ・径計測部４は、木材の長さおよび径を計測する。長さは、元口側を原点（長さ０）として計測される。枝払い後、ステップＳ２において、ハーベスタ２は、木材の末口（梢）側を把持している。

ステップＳ３において、外形計測部３は、サーボモータ３２によりレーザスキャナ３１を所要の単位角度で揺動させながら、木材の外形（３次元形状）を計測する。作業ヘッド１３は、木材の末口側に位置しているため、外形は、末口側を原点として計測される。得られた点群データは、演算部５に送信される。

ステップＳ４において、曲がり量演算部４１は、外形計測部３から得られた点群データに基づいて、木材の曲がり量を演算する。曲がり量演算部４１は、例えば、木材の外形を以下のように関数近似することにより曲がり量を演算する。

曲がり量演算部４１は、得られた点群データから、計測方向としての木材の略軸方向に沿って、計測方向に直交する所定間隔毎の断面に含まれる点群データ（断面データ）を抽出する。外形計測部３より得られる点群データには、木材に関する情報のみならず、木材以外の周辺物に関する情報も含まれている。このため、曲がり量演算部４１は、断面データにおいては、略円弧を描く木材に関する点群データのみを抽出し、これを断面データとする。曲がり量演算部４１は、得られた断面データに含まれる円弧を円近似し、この円の中心座標を演算する。曲がり量演算部４１は、得られた中心座標を計測方向に沿って連続させ、この複数の中心座標から得られる関数を曲がり量として得る。曲がり量演算部４１は、例えば、曲がり量が予め規定された既定値内である場合には、「直材」であると判断してもよい。一方、曲がり量演算部４１は、曲がり量が既定値を超えた場合には、「非直材」であると判断してもよい。

このとき、玉切り位置演算部４２は、長さ・径計測部４から得られた木材の長さ・径に関する情報を用いて、所望の直材を得るための玉切り位置を演算してもよい。玉切り位置演算部４２は、例えば、曲がり量演算部４１により取得された曲がり量を示す関数、および長さ・径計測部４により計測された木材の長さおよび径に基づいて、例えば元口（または末口）からどのくらいの位置で玉切りを行えば、所要長さのまっすぐな柱材が得られるかを判定する。

なお、木材の長さ・径に関する情報は、元口側が計測の原点となる。一方、３次元形状に関する情報は末口側が計測の原点となる。このため、演算部５は、両者の計測の原点を合わせる処理を別途行ってもよい。

このような形状計測システム１は、木材の曲がり量を容易に判断できる。このため、従来であれば、ハーベスタ２の操縦者や作業従事者の経験や勘に基づいて判断されていた木材の曲がり量を、形状計測システム１の計測結果に基づいて定量的に判断できる。また、木材の曲がり量から、好適な玉切り位置を得られる結果、木材を玉切りし、所要の工程を経て得られる直材の品質を向上できる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

例えば、外形計測部３は、レーザスキャナ３１を用いる例を説明したが、赤外線カメラなどの木材の３次元形状を得られるものであれば他の手段で実現してもよい。

上述した外形計測部３による計測の工程や曲がり量の演算方法は一例であって、これに限らない。

本発明の形状計測システムは、プロセッサにも搭載できる。プロセッサのフレームは、上述したチルトフレーム１８ａを有しておらず、爪支持フレーム１８ｂのみで爪を支持する。この場合、形状計測部は、爪支持フレーム１８ｂに直接または間接的に取り付けられるのが好ましい。また、プロセッサはチルトフレーム１８ａを有しないことから、フレームと爪との相対位置が変化することがない。よって、プロセッサの場合は、上述した平行リンク２０は省略される。

１ 形状計測システム
２ ハーベスタ
３ 外形計測部
４ 長さ・径計測部
５ 演算部
６ 表示部
７ 木材
１０ 車両本体
１１ ブーム
１２ アーム
１３ 作業ヘッド
１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ ピン
１６ａ、１６ｂ、１６ｃ 油圧シリンダ
１７ 爪
１８ フレーム
１８ａ チルトフレーム
１８ｂ 爪支持フレーム
１９ ローテーター
１９ａ 上部
１９ｂ 下部
２０ 平行リンク
２０ａ 台座
３１ レーザスキャナ
３２ サーボモータ
３３ ケーシング
４１ 曲がり量演算部
４２ 玉切り位置演算部
Ｌ 把持軸方向
Ｓ 面方向

Claims (4)

1. 木材を把持する作業ヘッドを有する林業機械に取り付けられ、前記作業ヘッドが把持する前記木材の外形を計測する外形計測部と、
   前記外形計測部により計測された前記外形に基づいて、前記木材の曲がり量を演算する曲がり量演算部と、を備える、形状計測システム。
2. 前記作業ヘッドは、開閉することにより前記木材を把持する一対の爪と、前記爪を開閉可能に支持するフレームと、を有し、
   前記外形計測部は、前記フレームに取り付けられる、請求項１記載の形状計測システム。
3. 前記フレームは、爪を揺動させるチルトフレームを有し、
   前記作業ヘッドは、前記フレームに取り付けられ、前記爪の揺動角度に対して一定姿勢を保つセンサ保持部をさらに有し、
   前記外形計測部は、前記センサ保持部を介して前記フレームに取り付けられる、請求項２記載の形状計測システム。
4. 前記外形計測部は、２次元平面内の形状を計測するレーザスキャナと、前記レーザスキャナを前記２次元平面に垂直な方向に揺動する揺動部と、を有し、前記木材の３次元形状を計測する、請求項１から３のいずれか一項記載の形状計測システム。

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