JP6260951B2 - 水田除草ロボット - Google Patents

Description

本発明は，水田に発生する雑草を除去または，その発生を防止するために水田を自走可能とする水田除草ロボットに関する。

水田に発生する雑草は，水稲栽培において稲の育成を妨げるために，雑草を適時除去していく必要がある。しかし，水田の雑草を人手により行うことは，沢山の労働力が必要となる。

これに対して，水田にアイガモを放つアイガモ農法が実践されている。図１は，アイガモ農法を示す一例であり，複数のアイガモが水田の中を泳ぎ移動することにより雑草の種子の土中での定着を防ぎ，雑草の発生を防ぐことができる。

現在このようなアイガモ農法を実践する農家は，全国で１０００戸程度であるが，アイガモ農法は，年間１００万円程度の維持管理費が必要と理解されている。一方，水稲栽培者は，現在１３４万戸程度である。したがって，より多くのアイガモ農法の実践農家が期待されるが，上記のとおり，維持管理費が普及の障害の一因となっている。

かかる点から，アイガモに代わり機械的な方法で水田除草を行う移動体ロボット機構が種々提案されている(特許文献１−６)。

図２は，特許文献１に記載の発明に対応する岐阜県生産情報技術研究所により開発された移動体を示す図である。この移動体は，キャタピラ状の左右両側車輪を有し，車輪の回転により圃場を移動する機構である。移動体は左右両側車輪間で稲株列を跨ぐように配置される。

また，特許文献２に示される発明は，水田表層土の攪拌装置を備え，障害物を避けて走行し，表層土を攪拌することを特徴とする。特許文献１に示される機構と同様に稲株列を跨ぐように配置されるキャタピラ状の両車輪を備えている。

特許文献３に記載の発明は，先の図２に説明した機構と同様に，水田の稲列に沿って自走するロボットであるが，通常の車両と同様の輪形の車輪を備え，水田の稲列の末端部で稲列を踏み潰さずにＵターン反転することができる機構を有する。

これら特許文献１-３に記載の発明では，左右両側車輪間で稲株列を跨ぐように配置される構造により装置が大きくなることが避けられない。さらに，キャタピラや輪形の車輪が圃場の土に接触し，接触面積は大きい。

図３は，かかる特許文献１-３に記載の発明の構造に起因する不都合を説明する図である。すなわち，図３に示すように，移動の過程で，車輪（もしくはキャタピラ）１が連続して圃場の土面に接する。従って，稲株２に車輪１が触れた場合には，連続して稲株２に車輪１の押し圧がかかり，稲株２に損傷を与える恐れがある。

これに対して，特許文献４に示される発明は，フロートにより浮力を得て，稲株を踏み潰さないようにして，フィンにより水を攪拌しながら移動する構造である。

さらに，特許文献５に示される発明は，小型のエアーボートに攪拌機を備え，障害物を避けて水田内を移動できるようにした構造である。エアーボートは水田に浮く状態で移動するために，稲株を踏み潰さずに移動可能である。

かかる特許文献４，５に記載の発明にあっては，稲株を踏み潰さずに移動可能であるが，浮力を得るために，フロートあるいはエアーボート等の浮力機構が必要であり，やはり装置として大型化になる。

また，特許文献６に記載の発明は，特許文献４，５に示される発明のようにフロートを必要としないで，稲株をいためずに走行できる機構である。この機構では，回転する４つの車輪を有し，それぞれの車輪の先端が柔軟性を有し撓むことができるブラシローラを有している。車輪の先端部分が撓むことにより，稲株に触れた場合であっても湾曲して稲株を避けることができる。

特開２００５−１９８６０４号公報 特開２００７−１２９９１０号公報 特開２０１１−２２９４６３号公報 特開２０１１−１２０５７３号公報 特開２０１１−２０５９６７号公報 特開２０１２−１０６２９号公報

上記のとおり，先に提案されている特許文献１−３に記載の発明では水田除草を行う機構は，車輪で連続的に稲株に押し圧を与えてしまう恐れがある。これに対して，特許文献４，５に記載の発明は，車輪を浮かせて稲株を連続して圧接することを回避するために，フロート，エアーボート等の浮力機構を必要とするものであり，大型化を避けられない(特許文献４，５)。

特許文献６に記載の発明は，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を示しているが，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，どのような駆動機構とするかにより，装置の自重が変り，車輪の先端部の撓みの状態が，どのような条件でどのような状態になるかについて理解することができない。

したがって，本願発明の目的は，装置の構成を小さく構成することを可能とし，特許文献６に記載の発明の原理とは全く異なる方法で稲株に影響を与えずに，水田の除草を可能とする水田除草ロボットを提供することにある。

上記課題を解決するための本発明に従う水田除草ロボットの一態様は，
それぞれ独立して回転制御される左右車輪と，
少なくとも前記左右車輪を回転駆動制御する制御部を有する本体部を有し，
前記左右車輪のそれぞれは，
薄板円盤と，
前記薄板円盤の周縁部に沿って，所定の間隔で一端が固定され，前記薄板円盤の軸方向に平行な，複数のロッドを有して構成されていることを特徴とする。

前記一態様において，
前記ロッドは，丸棒であることを特徴とする。

また，前記一態様において，
前記左右車輪に対し，前記本体部の制御部は，前記左右車輪の両方の回転数を同じにして，直進走行させることを特徴とする。

さらに，前記一態様において，
前記本体部の制御部は，移動距離を判定し，判定される移動距離が所定閾値以下である時，他物体との衝突と判定して，前記左右車輪の回転速度を一方は正側に，他方は負側に制御して，方向転換させることを特徴とする。

アイガモ農法を示す一例である。 特許文献１に記載の発明に対応する岐阜県生産情報技術研究所により開発された移動体を示す図である。 特許文献１-３に記載の発明の構造に起因する不都合を説明する図である 圃場に置かれた本発明に従う水田除草ロボットの外観形態図である。 本発明の特徴を説明する図であり，ロッド型車輪を横方向から見た模式図である。 本発明に従う水田除草ロボットの本体部１００の概念図である。 回転軸１０６Ｌ，１０６Ｒのそれぞれが，中心に接続される左右のロッド型車輪１０Ｌ（図７Ａ），１０Ｒ（図７Ｂ）の斜視図である。 ロッド型車輪１０Ｌ（１０Ｒ）を有するように組み立てられた水田除草ロボットの概観を示す図である。 水田除草ロボットの機能ブロック図である。 方向制御を行う制御フローである。 衝突判定処理（ステップS２）の詳細フローを示す図である。 方向転換処理のフローである。 水田除草ロボットの移動軌跡の例を示す図である。

以下図面に従い，本発明原理に基づく水田除草ロボットの実施例を説明する。なお，実施例説明は，本発明の理解のためであり，本発明の保護の範囲は，これら実施例に限定されるものではなく，特許請求の範囲に記載されたもの，及びこれに近似するものにも及ぶ。

図４は，圃場に置かれた本発明に従う水田除草ロボットの外観形態図である。本発明の水田除草ロボットの構造は，後に詳細に説明するが，図４によっても容易に理解されるように，本体部１００の左右に独立して回転制御される車輪を有している。この車輪は，薄板円盤１０と，その薄板円盤１０の円周辺に沿って，所定間隔を空けて一端が固定され，平行に配置される複数のロッド１１を有して構成される（以下，ロッド型車輪という）。本体部１００には，本体部１００自身が回転してしまうことを防止する長い形状を有する回転阻止部材１２を有する。回転阻止部材１２はその一端側が本体部１００に固定され，他端側が，水田の土に接するような形態となる。

ロッド型車輪を回転して進むと，ロッド１１により土の表面を持ち上げ，雑草及び土の中の雑草種子を水中に掃き出すことができる。これにより，雑草種子が，土に定着することを防止し，雑草の発芽条件を阻止することが出来る。

また，図４において，水田除草ロボットは矢印方向に進行する状態にあり，その進行方向の前方直前に稲株２が植えられている。この状態で，水田除草ロボットが前方に進行すると，稲株２が水田除草ロボットの下になる。しかし，本発明の特徴構成により，稲株２が容易に，ロッド型車輪から待避可能であり，生育途中の稲株に損傷することが無い。

図５は，かかる本発明の特徴を説明する図であり，ロッド型車輪を横方向から見た模式図である。

薄板円盤１０の円周に沿って，端部が薄板円盤１０に固定された複数のロッド１１を有する。したがって，複数のロッド１１は，所定間隔を有して薄板円盤１０の中心穴１３の軸方向（紙面垂直方向）に平行に配置される。

図５において，稲株２が，ロッド型車輪に踏まれた場合，１本のロッド１１ａに押し圧を与えられる（Ｉの状態）が，次のロッド１１ｂとの間に間隔があり，容易にロッド１１により押し圧を避けることが出来る（IIの状態）。これにより，水田除草ロボットが稲株２に触れたとしても，稲株２が連続して車輪から押し圧を受けるという状態を回避することが出来る。

図６は，本発明に従う水田除草ロボットの本体部１００の概念図である。

水田除草ロボットの本体部１００は，強化プラスチック樹脂等により形成された円筒形部１１０と，この円筒形部１１０をその両端側から密閉する円盤状の蓋体１０１Ｌ，１０１Ｒを有して構成される（図は，蓋体１０１Ｌ，１０１Ｒを外した状態を示している。）。

蓋体１０１Ｌ，１０１Ｒは，それぞれパッキング部材１０２を有し，円筒形部１１０を少なくとも水の浸入を防ぐ密封状態にすることが出来る。

円筒形部１１０内部には，基板１０３を有し，基板１０３の一表面側に左右両輪のそれぞれに対応する駆動部１０４Ｌ，１０４Ｒが搭載されている。基板１０３の反対面側には，駆動部１０４Ｌ，１０４Ｒを制御する制御部１０５が搭載されている。

駆動部１０４Ｌ，１０４Ｒのそれぞれには，駆動モータと回転比を変更するギヤを有している。なお，円筒形部１１０は図示する様に円筒でなくても，駆動部１０４Ｌ，１０４Ｒと制御部１０５が搭載されることが可能であれば，矩形体であってもよい。

駆動部１０４Ｌ，１０４Ｒのそれぞれからは，出力としてギヤに接続された回転軸１０６Ｌ，１０６Ｒが，蓋体１０１Ｌ，１０１Ｒの中心穴１０１ＬＣ，１０１ＲＣを通して突きでるように配置されている。

図７は，前記回転軸１０６Ｌ，１０６Ｒのそれぞれが，中心に接続される左右のロッド型車輪１０Ｌ（図７Ａ），１０Ｒ（図７Ｂ）の斜視図である。

ロッド型車輪１０Ｌ（１０Ｒ）は，薄板円盤１０と，薄板円盤１０の円周辺に沿って一端側が固定される複数のロッド１１が，中心穴１３の軸方向に向いて有する。

中心穴１３に駆動部１０４Ｌ（１０４Ｒ）の回転軸１０６Ｌ（１０６Ｒ）が接続される。これにより，回転軸１０６Ｌ（１０６Ｒ）の回転により，ロッド型車輪１０Ｌ（１０Ｒ）が回転される。

ここで，ロッド型車輪１０Ｌ（１０Ｒ）のロッド１１は，図７に示す例では，円柱状で示されているが，これに限定されるものではない。ロッド１１は，その他四角柱，三角柱であってもよい。

図８は，この様にロッド型車輪１０Ｌ（１０Ｒ）を有するように組み立てられた水田除草ロボットの概観を示す図である。（図８Ａ）は正面図，（図８Ｂ）は斜視図を示す。

なお，図８において，簡単化のために、片側のみに参照番号を付している。 また，図８Ｂは，ロッド型車輪１３Ｌ（１３Ｒ）を有するように組み立てられた水田除草ロボットの斜視図概観を示す図である。

ここで，本体部１００自体の回転により，ロボットが進行しなくなることを防ぐために，図８では省略されているが，本体部１００には，図４に示したように、回転阻止部材１２が設けられている。

次に，上記の様に構成された本発明に従う水田除草ロボットをどのように移動駆動するかについて説明する。

図９は，水田除草ロボットの機能ブロック図である。

円筒形部１１０内に，モータ駆動回路１５１と，これを制御するＣＰＵ１５０を有する。

駆動部１０４Ｌ，１０４Ｒには，それぞれ対応する左車輪１０Ｌ，右車輪１０Ｒを回転するための左モータ１４０と左ギヤ１４１，右モータ１４２と右ギヤ１４３を有する。

左モータ１４０，右モータ１４２は，それぞれ，モータ駆動回路１５１により駆動信号を与えられ，駆動信号の大きさに対応する回転数で回転する。

左モータ１４０，右モータ１４２の回転は，対応するギヤ１４１，１４３を通して左車輪１０Ｌ，右車輪１０Ｒに回転軸１０６Ｌ．１０６Ｒを介して伝達される。

左車輪１０Ｌ，右車輪１０Ｒの回転角が，対応するロータリエンコーダ１４４，１４５で検出され，加速度センサ１４６により，加速度が演算される。

加速度センサ１４６により演算された加速度の出力信号が、ＣＰＵ１５０に帰還される。したがって，ＣＰＵ１５０は，加速度センサ１５４の出力信号に基づき，駆動力の大きさを演算して，モータ駆動回路１５１を制御する。

ここで，上記ロータリエンコーダ１４４，１４５は，回転軸１０６Ｌ．１０６Ｒにリンクされ，加速度センサ１４６と共に、駆動部１０４Ｌ（１０４Ｒ）に設けてもよい。

左車輪１０Ｌ，右車輪１０Ｒの回転により，本発明に従う水田除草ロボットが前進する。左車輪１０Ｌ，右車輪１０Ｒの回転数を異ならすことにより左右任意の方向に向きを変えることが出来る。

上記構成で左車輪１０Ｌ、右車輪１０Ｒを駆動するそれぞれの帰還経路において，フィードバック制御が行われる。

図１０は，上記構成における方向制御を行う制御フローである。

[直進制御]
上記したフィードバック制御により時間Tの直進制御が行われる（ステップS１）。すなわち，左右の車輪１０Ｌ、１０Ｒの目標回転数と定数をＣＰＵ１５０に設定する。図９で説明したように左右の車輪１０Ｌ、１０Ｒは，独立に制御されるので，左右車輪１０Ｌ、１０Ｒの目標回転数を正側に同じにすることにより前方向に直進走行を実現できる。

水田除草ロボットが時間Tの間直進し，移動が停止する場合を考える。この時，衝突判定処理が実行される（ステップS２）。衝突判定処理（ステップS２）の詳細フローは，図１１に示される。

図１１において，CPU１５０により時刻（ｔ−T）からｔまでτ時間刻みの加速度センサ１４６により得られる二次元方向の加速度αｘ（t−τ），αｙ（t−τ）を参照する（ステップS２１）。

この加速度から，時刻ｔでのｘ，ｙ方向位置Px(t), Py(t) 計算し計算値を保持する（ステップS２２）。次いで，保持している時刻（t−T）での位置Ｐx(t-T), Py(t-T)を参照する（ステップS２３）。

したがって，上記ステップS22で求めた位置と，ステップS23出求めた位置の差から時刻t-Tまでの移動距離ｄを算出する（ステップS２４）。この移動距離ｄが，閾値以下であれば，水田除草ロボットが，障害物に衝突している状態と判定する（ステップS２５，Ｙ，ステップ２６）。移動距離ｄが，閾値より大きければ，非衝突と判定して時間Ｔの直進移動を続ける。

[方向転換制御]
障害物に衝突している状態と判定される（ステップS２５，Ｙ）場合は，方向転換処理（ステップS４）に移行する。

図１２は，方向転換処理のフローである。ＣＰＵ１５０は，ランダム時間ｒを一様乱数で生成する（ステップS４１）。

生成されたランダム時間rの間，左車輪１０Ｌに正方向に回転速度ｗ，右車輪１０Ｒに負方向に回転速度-ｗを与える様に設定する（ステップS４２）。

これにより，水田除草ロボットは，右方向に方向転換する（ステップS４）。そして，ステップS１に戻り，新たな方向で直進移動制御される（ステップS１）。

水田除草ロボットは，上記処理を繰り返して，移動することにより，移動軌跡が例えば，図１３に示す様に表される。

この様にして，水田除草ロボットが田圃中を移動することにより雑草の種子が土中に定着することを防ぎ，アイガモ農法と同様に，雑草の生育を防止することができる。

ここで，上記説明では，１台の水田除草ロボットを移動させる様に説明したが，本発明に従う複数の水田除草ロボットのそれぞれを上記した様に同時に移動制御することにより，より所定の面積の田圃の除草を迅速に行うことが出来る。

あるいは，一台の水田除草ロボットのみを主ロボットとして移動制御し，他の複数のロボットを従ロボットとして，前記主ロボットに一定間隔で追随する制御を行わせる，ムレ制御を行うことも可能である。

１ 車輪
２ 稲株
１０ 薄板円盤
１０Ｌ，Ｒ 車輪
１１ ロッド
１２ 回転阻止部材
１３ 中心穴
１００ 本体部
１０１Ｌ，Ｒ 蓋体
１１０ 円筒形部
１０２ パッキング部材
１０３ 基板
１０４Ｒ，Ｌ 駆動部
１０５ 制御部

Claims (4)

1. それぞれ独立して回転制御される左右車輪と，
   少なくとも前記左右車輪を回転駆動制御する制御部を有する本体部を有し，
   前記左右車輪のそれぞれは，
   薄板円盤と，
   前記薄板円盤の周縁部に沿って，所定の間隔で一端が固定され，前記薄板円盤の軸方向に平行で，且つ反対側の前記薄板円盤に向く方向に複数のロッドを有して構成されている，
   ことを特徴とする水田除草ロボット。
2. 請求項１において，
   前記ロッドは，丸棒であることを特徴とする水田除草ロボット。
3. 請求項１において，
   前記左右車輪に対し，前記本体部の制御部は，前記左右車輪の両方の回転数を同じにして，直進走行させる，
   ことを特徴とする水田除草ロボット。
4. 請求項１において，
   前記本体部の制御部は，移動距離を判定し，判定される移動距離が所定閾値以下である時，他物体との衝突と判定して，前記左右車輪の回転速度を一方は正側に，他方は負側に制御して，方向転換させる，
   ことを特徴とする水田除草ロボット。