JP6092138B2 - 柱体昇降機及び枝打ちロボット - Google Patents
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Description
特許文献2のように樹径が変化した場合に、それに対応できる装置は、他に特許文献3、特許文献4が公知である。
本発明の他の目的は、柱体に装着されて枝打ち作業を行う枝打ちロボットがスタックした場合、メンテナンスを早期に行うことができる枝打ちロボットを提供することにある。
また、前記同期作動部は、前記ギヤ部側からの逆入力回転を伝達しないウォームギヤであることが好ましい。
また、前記駆動源を駆動制御する制御部と、作動指令に基づいて前記解除アクチュエータを駆動制御する緊急用制御部を有することが好ましい。
また、前記ロープを収納する収納部と、前記解除アクチュエータと連携動作して、前記収納部から前記ロープの放出並びに前記ロープの垂れ下がりを許容する許容部材を備えるが好ましい。
また、本発明の枝打ちロボットによれば、スタックした枝打ちロボットのメンテナンスを早期に行うことができる効果を奏する。
以下、本発明を具体化した一実施形態を図1〜図17を参照して説明する。
図1に示すように、枝打ちロボット1は、樹幹10を柱体として昇降動作する柱体昇降機2と、モータ駆動により樹幹から延びる枝を切断可能な切断装置としての電動チェーンソー3を備えている。
前記の構成により、その樹幹10を挟む反対側において上下方向に異なる位置で樹幹10の外周面10aに当接する上下の車輪7a,7bには、機体(装置全体)の自重に基づいて、各車輪7a,7bによる樹幹10への押付力に抗する反力F1,F2が発生する。そして、柱体昇降機2は、この互いに相反する方向の押付力F1,F2を利用して、上下の各車輪7a,7b間に樹幹10を挟み込むことにより、その自重により、樹幹10に対する上下方向の相対位置を保持することが可能となっている。
解除アクチュエータ70は、基部15下面に固定されたモータ71と、カップリング73を介してモータ71の出力軸71aに連結され、回転軸40と平行に配置されたネジ棒74と、ネジ棒74に噛合するナット75を下部に有する可動支持部31を含む。前記ネジ棒74は、基部15の下面に設けられた一対の軸受72にて回動自在に支持されている。
次に前記各アクチュエータの制御回路60を、図16を参照して説明する。
制御ボックス45には制御回路60、及び無線通信部47が収納されている。無線通信部47は第1無線通信部に相当する。制御回路60はアームアクチュエータ(アームACT)35、駆動アクチュエータ(駆動ACT)42、操舵アクチュエータ(操舵ACT)44、及び電動チェーンソー3を図示しないトライバを介して制御する。また、制御ボックス45には、緊急用の制御回路46、無線通信部48が収容されている。前記制御回路46は緊急用制御部に相当する。また、無線通信部48は第2無線通信部に相当する。柱体昇降機2の昇降モードの切り替えや電動チェーンソー3の作動等といった枝打ちロボット1の動作は、その無線通信機能を利用することにより、図16に示すリモートコントローラ90からの無線通信により操作することが可能となっている。
(実施形態の作用)
<姿勢制御の自動制御>
まず、柱体昇降機の姿勢制御は、特許文献2で公知であるため、簡略して説明する。
ここで、Z軸は反重力方向に向かう軸であり、Y軸は機体が回転する際の回転軸(例えば、軸心P0)を重力方向と一致させた際、前記機体が描く円軌跡の接線方向に向かう軸であり、X軸は前記Z軸とY軸と直交する軸である。なお、傾斜角度センサ62としては、例えば、周知の3軸ジャイロセンサ等を利用することができるが、3軸ジャイロセンサに限定されるものではなく他の角度センサを使用してもよい。
<枝打ち制御の自動制御>
次に、枝打ち制御を図17(a)及び図17(b)のフローチャートに従って説明する。
図17(b)は、S200において、制御回路60が実行するプログラムのサブルーチンのフローチャートの一部である。
制御回路60は、操舵角変更履歴有りか否かを履歴フラグに基づいて判定する。履歴フラグの初期値は、操舵角変更履歴無しを意味する「0」にリセットされている。なお、履歴フラグが「1」の場合は、操舵角変更履歴があったことを示している。操舵角変更履歴が「1」の場合はS04に移行し、操舵角変更履歴が「0」の場合はS10にジャンプする。
S04では、制御回路60は、螺旋上昇モードのための初期値の操舵角に戻し、履歴フラグを「0」にリセットする。この処理は、既にS80での操舵角調整が行われて枝打ちが成功している場合、その後に行われる螺旋上昇を、調整後の操舵角ではなく、初期値の操舵角で行うようにするためのものである。
制御回路60は螺旋上昇モードとなっているため、S10において螺旋上昇する。このときの螺旋上昇時のモータ41の回転速度をVu0とする。また、最初にS10を実行する際、或いはS04で操舵角が元に戻された場合に、各車輪7の操舵角は初期値で操舵される。モータ41の回転速度は、能動車輪の回転速度に相当する。
また、制御回路60は電動チェーンソー3に対する駆動電力の供給を開始し、チェーン歯53の駆動(回転)を開始する。
制御回路60は、モータMのモータ電流の増加の有無判定をし、モータ電流(すなわち、モータ駆動電流)が増加している場合には、S40に移行し、モータ電流が増加していない場合にはS50に移行する。これは、モータ電流の増加の有無に基づいて枝打ち状態を推定しているのである。
すなわち、モータ41の回転速度(言い換えれば、能動車輪の回転速度)が枝打ち状態のときに低下するため、制御回路60は、前記回転速度が予め設定された枝打ち判定閾値以下となった場合に、S40に移行するようにしてもよい。或いは、前記モータ電流の増加と前記回転速度の枝打ち判定閾値以下となった場合に、S30からS40に移行してもよい。また、前記モータ電流と前記回転速度の両方をそれぞれ検出して、いずれか一方、または両方が前述のそれぞれの条件を満足する場合に枝打ち状態であると推定するようにしてもよい。
S40では、制御回路60は、駆動アクチュエータ42のモータ41の所定の速度Vg(<Vu0)となるように減速制御を行う。前記減速制御は、具体的には、駆動アクチュエータ42による機体の旋回移動速度が遅くなるようにする制御である。この旋回移動速度の減速は、能動車輪である各車輪7の駆動力(モータ41の出力)を減少することにより行われる。また、制御回路60は、モータM(DCモータ)の図示しないドライバに対して、電圧を上昇させるように制御して電圧調整を行う。この電圧調整によりモータMのトルクを上昇させるのである。
S50では、制御回路60は、枝打ち状態及び機体の状態判定処理(以下、単に状態判定処理という)を行う。
制御回路60は、S30において、判定閾値Is>モータ電流の今回値Ikと判定されていた場合、枝打ちが行われていない非枝打ち状態であり「判定1」として、S02に戻る。この非枝打ち状態は、枝打ちが完了した後の状態の場合、枝打ちが行われずに螺旋上昇が継続している状態を含む。
S30において、今回値Ik≧判定閾値Isと判定されていた場合は、枝打ち状態フラグがセットされている。この場合は枝打ち状態であるため、制御回路60は、前記タイマーのカウント値tが、t<継続時間限界値Tsであるか否かを判定する。継続時間限界値Tsは電動チェーンソー3が無理なく切断できる最大時間であって、予め設定されている値である。
(3)判定3について
判定3とする場合は、下記の3つがある。すなわち、下記の3つの少なくともいずれか1つに相当する場合は、判定3とする。
制御回路60は、検出した各モータ41の回転速度Vのすくなとも1つが、速度下限値V1未満の場合、または、速度上限値V2(>V1)を越えている場合は、速度異常フラグをセットする。また、制御回路60は、速度下限値V1と速度上限値の範囲内にある場合は、速度異常フラグをリセットにする。
なお、この検出周期は、前記サブルーチンの制御周期よりも短いものとしている。このS50において、速度異常フラグがセットされている場合は、制御回路60は「判定3」とする。
S60では、制御回路60は、逆方向の螺旋降下を予め設定された時間、或いは所定の走行量だけ行い、図示しないリトライカウンタをインクリメントし、S70に移行する。なお、前記所定の走行量は、駆動アクチュエータ42のモータ41の速度と降下に要する時間で算出する。また、制御回路60は、チェーン歯53の駆動を停止制御する。このチェーン歯53の駆動停止により、主バッテリの消耗を抑制できる。
S70では、制御回路60は、前記リトライカウンタのカウント値(リトライ回数)が、予め設定されたnを超えているか否かを判定する。なお、nは任意値であり、作業者が任意に設定できる。
S80では、制御回路60は、操舵アクチュエータ44の上昇時の操舵角を所定量増分して調整し、S10に戻る。この上昇時の操舵角の調整は、機体の滑りを考慮し、さらにガイドバーの中央部で切断を狙うためのものである。
前記自動制御中に、枝打ちロボット1が樹幹10上で身動きができずにスタックする場合がある。このスタックしている状態では、ウォームギヤ37の作動が不能となっている。例えば、螺旋上昇モードで上昇中(切断作業中を含む)に枝打ちロボット1がスタックする場合、或いは、図17(b)のS60の降下中に枝打ちロボット1がスタックする場合がある。スタックする原因は、種々あるが、枝等により引っかかった場合、大きく傾き過ぎた場合、或いは主バッテリ49の放電等が考えられる。
なお、柱体昇降機2の機枠4または制御ボックス45等には、図示しないロープが連結されてその下端は垂れ下がりしていることが好ましい。前記ロープは、枝打ちロボット1が枝打ちを行う最高の高さまで樹幹を上昇した際に下方に位置する作業者まで届く長さを有する。このようにすると、上記のようにして各支持アーム16R,16Lがスタックしている状態のときよりも広く開いた角度となってもスタックが開放されない場合があり得る。この場合に前記ローブが役立つ。すなわち、前記ロープを作業者が下方へ引っ張って、スタック状態を解除すればよい。
図11(a)、(b)に示すように本実施形態では、ガイド部材55,56がガイドバー52の貫通孔54の前縁部に対して揺動自在、特に、樹幹10側に向かって揺動自在にされている。一般に樹幹10の直径は、上に行くほど直径が短くなる。しかし、ガイド部材55,56は、樹幹10の直径が短くなるように変化してもその径の変化に応じて揺動可能となっている。
(1)本実施形態の柱体昇降機2は、樹幹10(柱体)の周囲に配置される機枠4と、樹幹10(柱体)を間にするよう配置されるとともに機枠4の上下にそれぞれ設けられた一対の車輪支持装置5(5A,5B)とを備える。また、各車輪支持装置5(5A,5B)は、樹幹10(柱体)の周方向において離間する左右一対の支持アーム16(16L,16R)と、各支持アーム16に先端に設けられて、樹幹10(柱体)の外周面に当接する車輪7を備える。また、各車輪支持装置5(5A,5B)は、各支持アーム16(16L,16R)を左右対称に同期移動させて前記外周面に前記車輪7を当接させるウォームギヤ37(同期作動部)と、ウォームギヤ37を駆動するモータ38(駆動源)を含む。そして、柱体昇降機2は、自重により樹幹10(柱体)に対する上下方向の相対位置を保持可能となっている。また、柱体昇降機2は、モータ38(駆動源)によるウォームギヤ37(同期作動部)の作動が不能の際、ウォームギヤ37を解除方向へ移動させてモータ38との連係を解除する。合わせてウォームギヤ37を介して支持アーム16(16L,16R)を作動させて、車輪7を前記外周面から離間させる解除アクチュエータ70を有する。
(2)本実施形態では、各支持アーム16(16L,16R)は、基端側に回動中心を有する第1リンク21及び第2リンク22と、該第1リンク21及び第2リンク22の先端に対して回動可能に連結された第3リンク23と、該第3リンク23の一端に設けられた車輪支持部17を備える。この結果、本実施形態によれば、四節リンクを用いて各支持アーム16が形成されることで、簡素な構成で高い剛性を確保することができる。この結果、その先端に支持する各車輪7を精度よく移動させることができる。そして、その四節リンクを構成する各要素(各関節J1〜J4の位置や相互距離等)を調整することで、その各支持アーム16の動作に基づいて、それぞれ樹幹10の軸心P0またはその近傍に向かって直線的に移動するようにすることができる。
・前記実施形態では、枝打ちロボット1及びその柱体昇降機2に具体化した。しかし、これに限らず、枝打ち以外の用途に用いられる柱体昇降機に適用してもよい。すなわち、その昇降する柱体は、例えば、電柱等、必ずしも樹幹10でなくともよい。
・前記各実施形態では、切断装置としての電動チェーンソー3に柱体昇降機2の機枠4に固定される。そして、機体と一体に旋回することにより、そのチェーン歯53に接触する枝を切断することとした。しかし、これに限らず、切断装置自体が樹幹10の周囲を移動する機能を備えた構成であってもよい。また、切断機は、エンジン付きチェーンソーでもよい。そして、例えば、回転刃を有するもの等、刃形状や駆動方法等は、どのようなものであってもよい。
・前記実施形態では、図17(b)に示すS50において、判定3を3つの場合とした。これに代えて、判定3を1つ目の場合のみとしてもよい。
これに代えて図18(a)、(b)に示すように、基部15に固定された有蓋筒状の収納ケース82と、収納ケース82内に収納されたロープ84と、収納ケース82の下部開口82aを覆う蓋88を設けてもよい。収納ケース82は収納部に相当する。また、蓋88は、許容部材に相当する。前記ロープ84の上端は収納ケース82の上部に連結されている。前記蓋88は可動支持部31に連結された支持部材86に固定されている。なお、図18(a)、(b)は模式図である。これらの図では支持部材86において、収納ケース82と交差する部位は収納ケース82に対して干渉しないように手前側に位置しているように図示されたものである。また、図18(a)において、支持部材86に支持された蓋88は前記下部開口82aの略全体を覆うように配置されている。
[1]技術的思想1は、支持部材(ガイドバー)と、前記支持部材により切断動作可能に支持された刃体(チェーン歯53)と、前記支持部材に対し、樹幹側に向かって基端が揺動自在に連結されるとともに、先端が反枝打ち方向に向かって延びる上下一対のガイド部材(55,56)と、前記上下一対のガイド部材(55,56)によりガイドされる枝噛み防止部材(63)と、前記枝噛み防止部材(63)を前記ガイド部材(55,56)の基端側へ常時付勢するコイルバネ68(付勢部材)を備え、枝打ちの枝噛み時に、前記コイルバネ68(付勢部材)の付勢力に抗して前記枝噛み防止部材(63)を前記ガイド部材(55,56)の先端へ向けて移動させるとともに、前記ガイド部材(55,56)を前記樹幹側に揺動させる切断装置。
[3−1]柱体に対して螺旋旋回することにより昇降する柱体昇降機(2)と、柱体昇降機(2)に設けられた枝を切断する切断装置(3)を有する枝打ちロボットにおいて、柱体昇降機(2)の姿勢角度(傾斜角度)を検出する角度検出部(制御回路60)と、螺旋旋回で上昇中に前記姿勢角度が角度閾値を超えた場合、前記柱体昇降機(2)を螺旋降下させる制御部(60)を備える枝打ちロボット。
技術思想[3−1]または[3−2]において、前記制御部(60)は、前記螺旋降下後、上昇角度を増分して螺旋上昇させて前記切断装置(3)による枝打ちを続行させる枝打ちロボット。
[3−4]
前記螺旋降下後の再上昇を行う場合のリトライ回数が予め設定された回数に達したときは、リトライを停止する技術的思想[3−1]、[3−2]、[3−3]のうちいずれか1つに記載の枝打ちロボット。この技術的思想によれば、設定された回数のリトライで枝打ちができない場合には、枝打ちロボットによる枝打ちを自動的に停止させることができる。
前記螺旋降下する際、前記切断装置を停止させる技術的思想[3−1]、[3−2]、[3−3]、[3−4]のうち、いずれか1つに記載の枝打ちロボット。この技術的思想によれば、切断装置を停止させることにより、切断装置に消費される駆動エネルギーを節約できる。
前記能動車輪の回転速度、及び前記電動モータ(M)のモータ駆動電流の少なくともいずれか一方に基づいて枝打ち状態を推定し、推定した結果に応じて前記電動モータ(M)の電圧を上昇させてトルクを上昇させる枝打ちロボット。
4…機枠、5(5A,5B)…車輪支持装置、
7(7a,7b,7R,7L)…車輪、10…樹幹、10a…外周面、
16(16L,16R)…支持アーム、17…車輪支持部、21…第1リンク、
22…第2リンク、23…第3リンク、35…アームアクチュエータ、
36…ギヤ、37…ウォームギヤ、38…モータ(駆動源)、41…モータ、
42…駆動アクチュエータ、43…モータ、44…操舵アクチュエータ、
45…制御ボックス、46…緊急用の制御回路(緊急用制御部)、
47…無線通信部(第1無線通信部)、
48…無線通信部(第2無線通信部)、49…主バッテリ(第1電源部)、
50…副バッテリ(第2電源部)、
52…ガイドバー、53…チェーン歯(刃体)、
60…制御回路(制御部、角度検出部)、61…回転センサ、62…傾斜角度センサ、82…収納ケース(収納部)、84…ロープ、88…蓋(許容部材)、
G…重心、F1,F2…押付力、J1〜J4…関節、P0…軸心、
P1,P2…当接点、P3…中間点、N…直線、β…補正角、θ…姿勢角度、
q,q1,q2…モータ角。
Claims (11)
- 柱体の周囲に配置される機枠と、前記柱体を間にするよう配置されるとともに前記機枠の上下にそれぞれ設けられた一対の車輪支持装置と、を備え、
前記各車輪支持装置は、
前記柱体の周方向において離間する左右一対の支持アームと、前記各支持アームに先端に設けられて、前記柱体の外周面に当接する車輪と、前記各支持アームを左右対称に同期移動させて前記外周面に前記車輪を当接させる同期作動部と、前記同期作動部を駆動する駆動源を含み、自重により前記柱体に対する上下方向の相対位置を保持可能な柱体昇降機において、
前記駆動源による前記同期作動部の作動が不能の際、前記同期作動部を解除方向へ移動させて前記駆動源との連係を解除するとともに前記同期作動部を介して前記支持アームを作動させて、前記車輪を前記外周面から離間させる解除アクチュエータを有する柱体昇降機。 - 前記各支持アームは、基端側に回動中心を有する第1リンク及び第2リンクと、該第1リンク及び第2リンクの先端に対して回動可能に連結された第3リンクと、該第3リンクの一端に設けられた車輪支持部と、を備えてなる請求項1に記載の柱体昇降機。
- 前記第1リンクの基端には、前記回動中心に対応するピッチ円中心を有したギヤ部が形成され、
前記同期作動部は、前記ギヤ部に対して同時に噛合する請求項2に記載の柱体昇降機。 - 前記同期作動部は、前記ギヤ部側からの逆入力回転を伝達しないウォームギヤである請求項3に記載の柱体昇降機。
- 前記各車輪が操舵輪又は駆動輪の少なくとも何れかの機能を有する請求項1乃至請求項4のうちいずれか1項に記載の柱体昇降機。
- 前記駆動源を駆動制御する制御部と、作動指令に基づいて前記解除アクチュエータを駆動制御する緊急用制御部を有する請求項1乃至請求項5のうちいずれか1項に記載の柱体昇降機。
- 前記制御部には無線通信で受信した指令を付与する第1無線通信部を備え、
前記緊急用制御部には、無線通信で受信した指令を付与する第2無線通信部を備え、前記緊急用制御部は、第2無線通信部で受信した指令に基づいて前記解除アクチュエータを駆動する請求項6に記載の柱体昇降機。 - 前記駆動源及び前記駆動源の前記制御部に電力を供給する第1電源部と、前記解除アクチュエータ及び前記緊急用制御部に電力を供給する第2電源部を前記第1電源部とは独立して備える請求項7に記載の柱体昇降機。
- 垂れ下がり可能に連結されたロープを有する請求項8に記載の柱体昇降機。
- 前記ロープを収納する収納部と、前記解除アクチュエータと連携動作して、前記収納部から前記ロープの放出並びに前記ロープの垂れ下がりを許容する許容部材を備える請求項9に記載の柱体昇降機。
- 請求項1乃至請求項10のうちいずれか1項に記載の柱体昇降機を有して樹幹を昇降動作するとともに、前記樹幹から延びる枝を切断可能な切断装置を備えた枝打ちロボット。
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