JP6143223B2 - 樹木の伐倒システム、樹木情報検出装置及びそのプログラム - Google Patents

Description

本発明は、樹木の伐倒システム、樹木情報検出装置及びそのプログラムに係り、更に詳しくは、伐倒対象となる樹木から作業者が離れた状態で、当該樹木を自動的に伐倒するための樹木の伐倒システムと、当該伐倒システムに適用される樹木情報検出装置及びそのプログラムとに関する。

森林で樹木を伐倒する際に用いられる林業機械としては、チェーンソーやハーベスタ等が知られている。日本では、山中の地面の傾斜が急である上に起伏に富み、地面も強固でなく、山道の路網密度も非常に低い。従って、大型の林業機械の伐倒現場への搬入は困難な場合が多く、実際の現場では、作業者がチェーンソーを把持しながら樹木を伐倒する古来の作業が依然多い。この作業においては、作業者の予期しない方向に樹木が倒れる虞がある等、安全性を十分に確保できないという問題がある。一方、ハーベスタは、大型の重機により構成されるため、適用可能な現場の条件が限られ、特に、前述した状況から、日本の山間部では、重機自体を現場に搬送することが困難な場合が多い。以上のことから、作業者が離れた状態で樹木を伐倒可能にする林業機械の小型化が、以前から要請されている。

ところで、特許文献１には、チェーンソーを用いて任意の樹木を伐倒可能な伐採機が開示されている。この伐採機では、油圧を動力として樹木を掴む樹木掴み装置と、チェーンソーの押込み及び引抜動作が可能なチェーンソー切込み装置と、チェーンソー切込み装置を樹心に対して９０度の旋回動作をさせるとともに、当該旋回動作に倣って切断位置を上下移動可能なチェーンソー旋回装置とを備えている。オペレータは、現場を撮像するカメラからの画像を地上で見ながら、伐採機を遠隔操作して樹木を伐倒するようになっている。

特開２００２−２０９４５７号公報

しかしながら、前記特許文献１の伐採機にあっては、油圧を動力としていることから、装置全体が大型になっており、そのため、現場への運搬は、空中搬送装置により、空中からの吊り下げにより行われる。従って、現場への伐採機の搬送に多大な手間と時間がかかる上に、伐採機が、現場への搬入時や搬出時に吊り下げられた状態で空中を移動することから、移動中に地上に落下する虞がある。前記伐採機は、刃物の付いた高重量物であり、空中から地上への伐採機の落下は大変危険であることから、使用は現実的に難しい。また、伐採機は、オペレータが現場のカメラ画像を地上で見ながら、遠隔操作がなされるため、現場でカメラの死角になる部位に伐採の障害等となるような事象が生じた場合、対応困難になり、これを防ぐにはより多くのカメラを現場に設置しなければならず、現場での伐倒作業に一層の手間がかかることになる。

本発明は、このような不都合に着目して案出されたものであり、その目的は、作業者が伐倒対象となる樹木を離れた状態で直視しながら、状態の異なる種々の樹木を安全且つ自動的に伐倒可能にする樹木の伐倒システム、樹木情報検出装置及びそのプログラムを提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明は、主として、樹木を自動的に伐り倒すための伐倒システムであって、
前記樹木を切削するための切削具と、前記樹木の近傍に設置され、当該樹木の周囲の所定空間内で前記切削具を移動可能に動作するマニピュレータと、前記樹木の情報を自動収集する樹木情報検出装置と、当該樹木情報検出装置の検出結果に基づき、前記樹木の樹幹の所定部分を前記切削具で切削するように前記マニピュレータの動作を制御する制御装置とを備え、
前記樹木情報検出装置は、前記マニピュレータの周辺の空間のうち前記樹幹の存在範囲を特定し、当該樹幹の直径を計測する樹幹特定手段と、前記樹幹の傾き及び前記樹木の枝の分布を求めて前記樹木の重心が存在する方向を推定し、当該方向に基づき前記樹木の伐倒方向を決定する伐倒方向決定手段とを備え、
前記制御装置では、前記樹木情報検出装置での検出結果から、前記切削具の移動軌道を自動生成し、当該移動軌道に従って前記切削具が移動するように前記マニピュレータの動作を制御する、という構成を採っている。

本発明によれば、樹木の傍にマニピュレータをセットし、樹木情報検出装置により、切削される樹木の樹幹の位置及び直径と、当該樹幹の傾き及び枝の分布等による樹木の重心の存在する方向とが検出され、当該検出結果から樹木の伐倒方向が決定される。そして、当該方向に樹木が倒れるように、切削具による切り口の位置と切り込み量が自動的に求められるとともに、予め定められた伐倒手順に基づく切削具の移動軌道が生成され、当該移動軌道で切削具が移動するようにマニピュレータが動作する。このため、作業者は、樹木の傍にマニピュレータをセットした後、離れた位置で伐倒対象の樹木を直視しながら、マニピュレータの動作により、切削具で樹木を自動的に伐倒することができる。また、樹木の重心の影響による予期しない方向への樹木の伐倒が防止され、伐倒作業の安全性を高めることができる。更に、マニピュレータの構成を比較的簡単にすることができ、システムの全体構成の小型化を促進し、マニピュレータを含むシステム全体の現場への搬送や設置の制約を軽減することができる。

本実施形態に係る樹木の伐倒システムの概略構成図。 マニピュレータの概略斜視図。 図２に対して別方向から見たマニピュレータの概略斜視図。 図２及び図３に対して姿勢を変えた状態のマニピュレータの概略斜視図。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１には、本実施形態に係る樹木の伐倒システムの概略構成図が示されている。この図において、前記伐倒システム１０は、樹木を切削するための切削具１１と、伐倒対象の樹木の近傍に設置され、当該樹木の周囲の所定空間内で切削具１１を移動可能に動作するマニピュレータ１２と、前記樹木の情報を自動収集する樹木情報検出装置１３と、樹木情報検出装置１３の検出結果に基づき、樹木の樹幹の所定部分を切削具１１で切削するようにマニピュレータ１２の動作を制御する制御装置１４とを備えて構成されている。

前記切削具１１は、図２〜図４に示されるように、外歯をチェーン状にして回転させることで樹木Ｔを切削可能にする公知のチェーンソーからなる。このチェーンソーは、特に限定されるものではないが、動力としてガソリンエンジンが用いられている。なお、切削具１１の構造は、発明の本質部分ではないため、詳細な説明を省略する。また、切削具１１については、後述する樹木Ｔの伐倒を可能にする限り、チェーンソー以外の機械装置を代替適用することも可能である。

前記マニピュレータ１２は、図２〜図４に示されるように、伐倒する対象の樹木Ｔの付近の地面に設置されて当該樹木Ｔに固定されるベース１６と、ベース１６に対して移動可能に支持されるとともに、切削具１１を保持するロボットアーム１７とを備えている。

前記ベース１６は、所定方向に延びる一対のフレーム１９，２０と、これらフレーム１９，２０の間に回転可能に配置されるとともに、各フレーム１９，２０に沿って延びるボールねじ２２と、ボールねじ２２を回転させる第１のモータ２４と、図２中右側に位置する一方のフレーム２０に取り付けられ、伐倒対象となる樹木Ｔを把持する把持アーム２６と、各フレーム１９，２０の上面側にそれぞれ固定され、フレーム１９、２０の延出方向に延びるスライドレール２９，３０とを備えている。なお、以下の説明において、特に明示しない限り、図２に示されるように、フレーム１９，２０の延出方向をｘ軸方向とし、同延出方向に直交する方向をｙ軸方向とする。

前記一方のフレーム２０は、他方のフレーム１９より長くなっており、当該他方のフレーム１９に対して突出した突出部分２０Ａと把持アーム２６との間の空間が、樹木Ｔの根元部分が配置される空間となる。把持アーム２６は、長い方のフレーム２０に対してｘ軸方向にスライド可能となるように、当該フレーム２０にほぼ直交する方向に取り付けられ、突出部分２０Ａとの間で樹木Ｔを挟むことにより、当該樹木Ｔにマニピュレータ１２全体を固定するようになっている。すなわち、突出部分２０Ａと把持アーム２６との間に形成された空間に、樹木Ｔの根元を配置し、当該部分の樹木Ｔの外径に合わせ、把持アーム２６をスライドしながら樹木Ｔの外周部分に当接させ、突出部分２０Ａと把持アーム２６のそれぞれの先端側に設けられた針部材（図示省略）を樹木Ｔに刺すとともに、長い方のフレーム２０に対して把持アーム２６を固定することで、ベース１６が、地面に接地した状態で樹木Ｔの根元側に固定される。なお、突出部分２０Ａと把持アーム２６のそれぞれの先端側には、前記針部材とともに緩衝材３２が設けられており、樹木Ｔの根元側にベース１６を強固に固定できるようになっている。以上の構成の突出部分２０Ａと把持アーム２６は、マニピュレータ１２を樹木Ｔに固定する固定機構を構成し、当該固定機構は、ロボットアーム１７に保持された切断具１１よりも下方に位置し、切断具１１による樹幹の切断位置よりも下の樹幹部分に取り付けられる。

前記ロボットアーム１７は、スライドレール２９，３０の延出方向に摺動可能となるように、スライドレール２９，３０に掛け渡されたスライダー３４と、スライダー３４に回転可能に支持された側面視ほぼＬ字状のアーム本体３６と、アーム本体３６の先端側に取り付けられ、切削具１１を支持する切削具支持体３７とを備えている。

前記スライダー３４は、その下面側のナット（図示省略）が前記ボールねじ２２に係り合っており、第１のモータ２４の駆動によるボールねじ２２の回転によって、スライドレール２９，３０に沿って移動可能となっている。

前記アーム本体３６は、その基端側がスライダー３４に対して回転可能に取り付けられ、内部に設けられた第２のモータ３９（図２参照）の駆動によって、ｙ軸回りに回転可能となっている。

前記切削具支持体３７は、アーム本体３６の先端側に回転可能に取り付けられた回転体４１と、当該回転体４１に対して回転可能に接続され、切削具１１が取り付けられる切削具取付部４３とを備えている。

前記回転体４１は、内部に設けられた第３のモータ４５の駆動によって、アーム本体３６に対してｙ軸回りに回転可能となっている。従って、図２及び図４に示されるように、回転体４１の回転により、切削具取付部４３に支持された切削具１１を表裏反転させることが可能になり、切削具１１の表裏双方を上側にして樹木Ｔに切り込むことが可能になる。

前記切削具取付部４３は、図４に示されるように、第４のモータ４７の駆動によって、同図中の仮想回転軸Ｌ回りに、回転体４１の同図中上側を回転可能に設けられている。従って、第４のモータ４７が駆動すると、回転体４１に対して切削具１１が回転し、その刃部分が同図中左右方向に揺動することになる。また、切削具取付部４３は、図示省略しているが、切削具１１の着脱を自在にする構造が採用されているとともに、切削具１１の振動をマニピュレータ１２に伝達し難くする防振構造と、切削具１１の滑落防止構造とを有している。

前記樹木情報検出装置１３は、ＣＰＵ等の演算処理装置及びメモリやハードディスク等の記憶装置等からなるコンピュータによって構成され、当該コンピュータを以下の各部として機能させるためのプログラムがインストールされている。

すなわち、樹木情報検出装置１３は、図１に示されるように、マニピュレータ１２の周辺の空間のうち、樹木Ｔの樹幹の存在範囲を特定し、当該樹幹の直径を計測する樹幹特定手段５０と、伐倒対象となる樹木Ｔの樹幹の傾き状態及び枝の分布状態を検出して、樹木Ｔの重心が存在する方向を推定し、当該方向から樹木Ｔの伐倒方向を決定する伐倒方向決定手段５１とを備えている。

前記樹幹特定手段５０は、樹木Ｔの外側から切削予定の樹幹の部分に向けて光信号を発信し、樹幹からの反射光を検出する光学センサ５３と、光学センサ５３で検出した反射光の大きさに応じ、樹幹の占める位置範囲を特定する樹幹存在範囲特定部５４と、樹幹存在範囲特定部５４で特定された樹幹の位置範囲から、予め記憶された数式を用い、切削される樹幹部分の直径を演算により求める樹幹直径計測部５５とを備えている。

前記光学センサ５５は、図示省略しているが、ロボットアーム１７の先端側に取り付けられ、樹幹に向かって赤外線を水平に走査するようになっている。なお、光学センサ５５の取り付け場所は、ロボットアーム１７の先端に限定されず、マニピュレータ１２の他の部位でも良いし、マニピュレータ１２と別で設置しても良い。

前記伐倒方向決定手段５１は、樹木Ｔの根元から上空に向けて、樹木Ｔの周囲の複数方向にレーザー光を照射するレーザー光照射部５７と、樹木Ｔによって反射したレーザー光の強度を検出して樹幹の傾き方向を検出する樹幹傾き検出部５８と、樹木Ｔの根元付近から上空方向の画像を撮像するカメラ５９と、カメラ５９で撮像された画像の解析によって樹木Ｔの枝の状態を検出する枝状態検出部６０と、樹幹傾き検出部５８と枝状態検出部６０の検出結果から、樹木Ｔの重心が存在する方向を推定し、当該方向を樹木Ｔの伐倒方向とする重心方向推定部６１とを備えている。

前記樹幹傾き検出部５８では、樹木Ｔによって反射したレーザー光の強度を照射方向別に計測し、反射したレーザー光の強度に応じて樹幹の傾き方向を推定するようになっている。つまり、樹木Ｔの周囲で反射したレーザー光の強度の差が大きければ、高い強度が得られたレーザー光の照射方向に樹幹が存在し得ることになり、当該照射方向から樹幹の傾き方向を推定可能となる。

前記枝状態検出部６０では、カメラ５９により取得した画像内の各画素について、周囲の画素に対する明暗の変化が所定の閾値よりも大きい部分に、枝が存在すると推定し、画像内で枝の存在範囲を特定することで、枝の量及び各枝の太さを樹木Ｔの周囲の方向別に求めて、枝全体の張り出し方向を特定するようになっている。すなわち、ここでは、画像を二値化し、各画素について、周囲の画素に対して白から黒への変化量を求め、予め設定した閾値を超えた前記変化量を有する画素の部分が枝の一部であると決定される。この処理を画像中の各画素について行うことで、画像内での枝の存在範囲が特定され、枝全体の張り出し方向が検出される。

前記重心方向推定部６１では、樹幹傾き検出部５８で検出された樹幹の傾き方向と、枝状態検出部６０で検出された枝の張り出し方向から、予め記憶された数式やデータに基づき、樹木の重心が存在する方向を推定し、当該方向を樹木Ｔの伐倒方向と決定する。

前記制御装置１４は、ハードウェア及びソフトウェアによって構成され、ＣＰＵ等の演算処理装置、メモリやハードディスク等の記憶装置、及びこれら各装置を機能させるプログラムモジュール等から成り立っている。

この制御装置１４は、樹木情報検出装置１３での検出結果から、樹木Ｔを切り込む際の切削具１１の移動軌道（送り軌道）を求める移動軌道決定部６３と、移動軌道決定部６３で決定した移動軌道に従って切削具１１が移動するように、第１〜第４のモータ２４，３９，４５，４７の駆動を制御する制御部６４とを備えている。

前記移動軌道決定部６３では、受け口・追い口伐りにより、伐倒方向決定手段５１で決定された伐倒方向に樹木Ｔを自動的に伐倒できるように、切削具１１の移動軌道を決定する。すなわち、先ず、樹幹特定手段５０で決定された樹幹の切削部位の直径から、予め記憶された数式により、切り口の寸法を演算し、想定する切り口の形状が得られるように、切り口の作成位置が伐倒方向を考慮して経時的に決定され、前記移動軌道が得られることになる。なお、ここで決定される移動軌道は、状況に応じて変更可能にすることもできる。すなわち、作業者等の要望に合わせ、受け口深さ、弦幅、追い口角度を変更可能な構成にもできる。また、切削具１１の送り速度が変わるように、制御部６４で制御することも可能である。

次に、前記伐倒システム１０を使った樹木Ｔの伐倒手順について説明する。

先ず、作業者により、切削具１１を装着したマニピュレータ１２が、伐倒対象とする樹木Ｔの根元付近の地面に設置される。そして、前記突出部分２０Ａと把持アーム２６で樹木Ｔを挟み込むことにより、マニピュレータ１２が樹木Ｔに固定される。

そして、樹木情報検出装置１３により樹木Ｔの情報が自動的に検出され、当該検出結果に基づき、制御装置１４で、マニピュレータ１２の所定部位を原点とした座標系における切削具１１の移動軌道が求められる。すなわち、ここでは、予め記憶された樹木Ｔの伐倒手法に対応した経時的な切り込み位置と切り込み量が演算によって決定される。そして、作業者が、図示しないスイッチを投入すると、切削具１１とマニピュレータ１２が動作し、決定した移動軌道に沿って切削具１１が自動的に移動し、樹木Ｔが自動的に伐倒されることになる。この際、作業者は、樹木Ｔから離れて待機することができる。

従って、このような実施形態によれば、伐倒対象となる樹木Ｔの状態に合わせて、切り口の位置、形状、寸法等を考慮した切削具１１の移動軌道が自動的に生成され、マニピュレータ１２の動作によって、樹木Ｔの伐倒方向が考慮された方向と角度にて、樹木Ｔを安全且つ自動的に伐倒できるという効果を得る。

なお、本実施形態の切削具１１を構成するチェーンソーについては、作業者の手でスロットルレバーを直接操作する既存のものの他に、作業者が手を触れずにスロットルレバーを操作可能なスロットルレバー調整装置（図示省略）を付設したものの適用も可能である。このスロットルレバー調整装置は、作業状態に合わせて自動的にスロットルの強さを調整する自動モードと、操作部に入力された作業者からの指令を無線通信によって伝達し、当該指令に応じてスロットルの強さを調整する手動モードとに任意に切り替え可能なものを例示できるが、何れか一方のモードのみを備えたものであっても良い。

また、設置する地面の状況によりにベース１６が傾いた状態で樹木Ｔに固定された際に、当該傾きに合わせて自動的にマニピュレータ１２の姿勢を変え、ベース１６に対するロボットアーム１７の水平姿勢を維持する姿勢補正機構をそれらの間に設けると良い。この構成により、伐倒作業の精度を一層向上させることができる。

更に、前記マニピュレータ１２は、前記実施形態の構造に限らず、切削具１１を所望の空間内で予め指定された軌道に従って移動させられる限りにおいて、自由度の数等は問わず、種々の構造を採用することができる。

また、前記制御装置１４では、三ツ紐伐り等の他の伐倒手法での樹木の伐倒を実現できるように、伐倒手法の幾つかのパターンを予め記憶し、選択したパターンに基づき切削具１１が移動するように、マニピュレータ１２の動作制御を行うことも可能である。

更に、光学センサ５５やレーザー光照射部５７は、本実施形態と同等の作用を奏する限りにおいて、他のセンサ類に代替適用することも可能である。

その他、本発明における装置各部の構成は図示構成例に限定されるものではなく、実質的に同様の作用を奏する限りにおいて、種々の変更が可能である。

１０ 伐倒システム
１１ 切削具
１２ マニピュレータ
１３ 樹木情報検出装置
１４ 制御装置
５０ 樹幹特定手段
５１ 伐倒方向決定手段
５３ 光学センサ
５４ 樹幹存在範囲特定部
５５ 樹幹直径計測部
５７ レーザー光照射部
５８ 樹幹傾き検出部
５９ カメラ
６０ 枝状態検出部
６１ 重心方向推定部

Claims (6)

1. 樹木を自動的に伐り倒すための伐倒システムであって、
   前記樹木を切削するための切削具と、前記樹木の近傍に設置され、当該樹木の周囲の所定空間内で前記切削具を移動可能に動作するマニピュレータと、前記樹木の情報を自動収集する樹木情報検出装置と、当該樹木情報検出装置の検出結果に基づき、前記樹木の樹幹の所定部分を前記切削具で切削するように前記マニピュレータの動作を制御する制御装置とを備え、
   前記樹木情報検出装置は、前記マニピュレータの周辺の空間のうち前記樹幹の存在範囲を特定し、当該樹幹の直径を計測する樹幹特定手段と、前記樹幹の傾き及び前記樹木の枝の分布を求めて前記樹木の重心が存在する方向を推定し、当該方向に基づき前記樹木の伐倒方向を決定する伐倒方向決定手段とを備え、
   前記制御装置では、前記樹木情報検出装置での検出結果から、前記切削具の移動軌道を自動生成し、当該移動軌道に従って前記切削具が移動するように前記マニピュレータの動作を制御することを特徴とする樹木の伐倒システム。
2. 前記樹幹特定手段は、前記樹木の外側から前記樹幹に向けて光信号を発信して、当該樹幹からの反射光を検出する光学センサと、当該光学センサで検出した反射光の大きさに応じ、前記樹幹の占める位置範囲を特定する樹幹存在範囲特定部と、当該樹幹存在範囲特定部で特定された前記樹幹の位置範囲から、予め記憶された数式を用い、切削される前記樹幹の部分の直径を演算により求める樹幹直径計測部とを備えたことを特徴とする請求項１記載の樹木の伐倒システム。
3. 前記伐倒方向決定手段は、前記樹木の根元から上空に向け、当該樹木の周囲の複数方向にレーザー光を照射するレーザー光照射部と、前記樹木によって反射したレーザー光の強度を検出して前記樹幹の傾き方向を検出する樹幹傾き検出部と、前記樹木の根元付近から上空方向の画像を撮像するカメラと、前記画像の解析によって前記樹木の枝の状態を検出する枝状態検出部と、前記樹幹傾き検出部と前記枝状態検出部の検出結果から、前記樹木の重心が存在する方向を推定し、当該方向を前記樹木の伐倒方向とする重心方向推定部とを備えたことを特徴とする請求項１又は２記載の樹木の伐倒システム。
4. 前記樹幹傾き検出部では、前記樹木によって反射したレーザー光の強度を照射方向別に計測し、反射したレーザー光の強度に応じて前記樹幹の傾き方向を推定し、
   前記枝状態検出部では、前記画像内の各画素について周囲の画素に対して明暗の変化が所定の閾値よりも大きい部分に前記枝が存在すると推定し、前記画像中の前記枝の存在範囲を特定することで、前記枝の量及び前記各枝の太さを前記樹木の周囲の方向別に求めて、前記各枝の張り出し方向を特定し、
   前記重心方向推定部では、前記樹幹傾き検出部で検出された前記樹幹の傾き方向と、前記枝状態検出部で検出された前記枝の張り出し方向に基づき、前記樹木の重心が存在する方向を推定することを特徴とする請求項３記載の樹木の伐倒システム。
5. 樹木の樹幹の所定部分を切削する切削具を移動可能に動作するマニピュレータを使って前記樹木を自動的に伐り倒す際に、前記マニピュレータの動作を制御する上で必要となる前記樹木の情報を自動収集する樹木情報検出装置であって、
   前記マニピュレータの周辺の空間のうち前記樹幹の存在範囲を特定し、当該樹幹の直径を計測する樹幹特定手段と、前記樹幹の傾き及び前記樹木の枝の分布を求めて前記樹木の重心が存在する方向を推定し、当該方向から前記樹木の伐倒方向を決定する伐倒方向決定手段とを備えたことを特徴とする樹木情報検出装置。
6. 樹木の樹幹の所定部分を切削する切削具を移動可能に動作するマニピュレータを使って前記樹木を自動的に伐り倒す際に、前記マニピュレータの動作を制御する上で必要となる前記樹木の情報を自動収集する樹木情報検出装置のコンピュータを機能させるためのプログラムであって、
   前記マニピュレータの周辺の空間のうち前記樹幹の占める位置範囲を特定し、当該位置範囲から前記樹幹の直径を演算により求めるとともに、前記樹幹の傾き及び前記樹木の枝の分布を求めて前記樹木の重心が存在する方向を推定し、当該方向から前記樹木の伐倒方向を決定することを前記コンピュータに実行させるための樹木情報検出装置のプログラム。
   

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