JP6753459B2 - 自走式草刈機及び自走式草刈機における草刈り方法 - Google Patents

Description

本発明は、電動モータを駆動源とし草刈領域内を自律的に走行して草を刈り取る自走式草刈機及びその草刈り方法に関する。

地面に生えた芝生や雑草を刈り取るための草刈機として、ワイヤー等で区画された草刈領域内を自動的に走行して草を刈り取るようにした自律走行式（自走式、あるいはロボット式）の草刈機が普及してきた。自走式の草刈機においては、車輪を駆動するための車輪用のモータと、草刈用の刈刃を駆動する刈刃用のモータを設け、これらモータに電力を供給する二次電池を搭載して制御装置にて走行しながら、刈り取り作業を行う。

自走式にて草刈作業中に二次電池の充電容量が低下した場合には、草刈機が、送電装置が設けられた充電ステーション（充電ベース）に向けて帰還走行を行い、自動的に充電が行われる。二次電池の充電が終了した後は、指定された草刈領域での作業が再開される。このような草刈機は、充電が必要となる度に操作者が草刈機を充電ステーションに案内することが不要であり、操作者不在のまま長時間草刈りを行うことができる。ここで従来の自走式草刈機の使用例を図１０を用いて説明する。家屋２００に隣接する庭２１０に芝生（図示せず）が植えられており、そこが草刈りを行う対象たる草刈領域２９０である。草刈領域２９０には芝生の上に自走式の草刈機３０１が配置される。草刈領域２９０には、草刈機３０１を充電するための充電ステーション２７０が配置される。充電ステーション２７０は、芝刈り領域の隅に設置され、ケーブル２６０によってＡＣアダプタ２５０に接続される。ＡＣアダプタ２５０は、商用交流電源等のコンセント（図示せず）に接続され、コンセントから供給される交流電圧（例えば２３０Ｖ）を、直流電圧（例えば２１Ｖ）に変換する。充電ステーション２７０は直流出力端子（正極、負極）を有し、草刈機３０１が充電ステーション２７０の充電位置に到達すると、草刈機３０１の受電端子（図示せず）が充電ステーション２７０の直流出力端子（図示せず）に接触するようにして停止し、充電ステーション２７０側から草刈機３０１側への電力の供給が行われ、草刈機３０１は搭載された二次電池の充電を行う。

草刈機３０１には、車輪が複数（例えば４つ）設けられ、車輪のうちいくつかは車輪モータ（図示せず）により駆動される。また、草刈機３０１の前後方向に見て前輪と後輪の間には、地面と略平行な面で回転するロータリー式の刈刃（図示せず）が設けられ、刈刃は、走行用とは独立した刈刃用モータ（図示せず）によって回転される。

草刈機３０１の自律走行を助けるために、庭２１０内の草刈領域２９０とその他の領域との境界部分には、境界ケーブルや、柵や、無線や光等を用いた境界報知手段が予め配置される。境界報知手段は、例えばループ状に形成されたガイドワイヤ（誘導ワイヤー）２８０が配設（例えば埋設）されたものである。ガイドワイヤ２８０の配設は草刈機３０１の使用者が草刈り前に予め行うもので、自走式の草刈機３０１はガイドワイヤ２８０を外縁とする内側の領域にて草刈作業を行う。ガイドワイヤ２８０には充電ステーション２７０内の誘導信号発生器（図示せず）が接続され、所定間隔でパルス状の電流が流される。草刈機３０１は、ガイドワイヤ２８０に流れる電流により発生した磁界を検知することにより、ガイドワイヤ２８０の内側にいるか外側にいるかを判別し、自動かつ自律的に走行しながら草刈作業を行う。草刈機３０１は進行方向に直進しながら草を刈り、ガイドワイヤ２８０で囲む外縁位置に到達したこと検知したら、Ｕターン又は大きく向きを変えて別の方向に向かって直進しながら草刈りを継続する。この時の草刈り状態を示すのが図１１である。

図１１は、草刈機の走行方向と草刈り範囲との関係を示す図である。草刈機は、図示しない車輪モータと図示しない刈刃モータを本体シャーシにて保持し、これらを本体カバーで覆うようにした自走可能な構成である。本体シャーシの前側には右前輪１２ａ、左前輪１２ｂが設けられ、後側に右後輪１３ａ、左後輪１３ｂを設け、後輪のそれぞれに直結された独立したモータによって駆動するようにした。刈刃モータは本体シャーシの前後方向に見て前輪と後輪の間にあって回転軸が鉛直方向に延びるように配置される。刈刃３５は、地面と略平行な面で回転する円形のフレーム３５ａの外周縁には４つの金属製の刃３５ｂが固定されたロータリー式であって、刈刃３５の大きさは、左右方向にみて右前輪１２ａと左前輪１２ｂの間、且つ、右後輪１３ａ、左後輪１３ｂの間である。また、全方向に見て右前輪１２ａ、左前輪１２ｂ、左後輪１３ｂ、右後輪１３ａの外縁部を結ぶ輪郭の範囲内に刃３５ｂの回転軌跡が収まるように配置される。また、刈刃３５の外縁位置は、上面視にてカバー２の外縁位置よりも十分内側に位置する。このような草刈機が直進状態で刈り取り前の草地２８１の刈り取りを行うと、回転する刃３５ｂの直径Ｄの幅分の刈込み幅Ｗ_Ｃ１にて刈り取りが行われる。図１１において、前輪は草刈り前の領域を進み、後輪も草刈りされていない領域を進むことが理解できるであろう。この際、円形の刈刃３５の刈込み部分（刃３５ｂが草を刈る部分）１３６は、前方側の半分、約１８０度分の外周部分（太線で示した部分）になる。

特開２０１５−１５９２２号公報

自走式芝刈機においては、芝の密度が高かったり、芝の高さが高かったり、芝が堅い場合等の刈り取り対象の状況によって刈り取り負荷が大きくなった場合、刈刃モータに過大な負荷がかかって停止してしまう恐れがあった。このため、刈刃モータに大きな負荷が生じた場合に、ロボット芝刈機の走行スピードを遅くする芝刈機が知られている。しかしながら、刈刃の１８０度分に芝刈負荷が生じている状況には変化がないため、速度を遅くするだけでは十分に負荷を抑制することができない恐れがある。

本発明の目的は、上記背景に鑑みてなされたもので、刈込負荷を低減させた状態にて草刈りを行うことができるようにした自走式草刈機を実現することにある。本発明の他の目的は、芝刈機を直進させて刈り取りを行う通常モードと、芝刈機を蛇行させながら刈り取りを行う蛇行モードを設けた自走式草刈機を提供することにある。本発明のさらに他の目的は、芝刈機を直進させて刈り取りを行う通常モードと、芝刈機を蛇行させながら刈り取りを行う蛇行モードを自動で切り替えるようにした自走式芝刈機を提供することにある。

本願において開示される発明のうち代表的なものの特徴を説明すれば次の通りである。本発明は、従動輪と、２つの駆動輪と、従動輪を独立して駆動させる２つの車輪モータと、刈刃を駆動する刈刃モータと、これらのモータに電力を供給する二次電池と、草刈領域の自律的な走行を制御する制御装置と、を有する自走式草刈機に適用される。本発明では、自走式草刈機の全長の距離内で左右旋回を繰り返しながら進行方向に移動することにより、刈刃の通過領域を刈り取り済み領域と部分的に重複させながら刈り取りを行うようにした。また、草刈機１に、左右旋回を繰り返しながら刈刃による刈り取りを行う蛇行モードと、進行方向に直進しながら刈り取りを行う通常モードを設けて、これらのモードを、手動で又は自動で切替え可能なように構成した。自動切替えにおいては、通常モードによる運転中に刈刃モータに加わる負荷が所定以上であることを検出した場合や、転回のタイミングに、通常モードから蛇行モードに遷移させるようにした。

本発明の他の特徴によれば、入力手段を設けて操作者により蛇行モードの実行の有無を選択可能とし、蛇行モードの実行有りが選択された際には、制御装置は自走式草刈機の走行全体又はその一部分において蛇行運転による刈り取りを行うようにした。また、蛇行モードでは、一方の車輪が前進している間に他方の車輪を前進→停止→後退→停止の動作を行い、次に他方の車輪を前進させた状態で一方の車輪を前進→停止→後退→停止の動作を行い、これらを交互に切り替えて繰り返しながら進行方向に移動する。ここで、刈刃モータは回転軸が鉛直方向に延びるように配置され、回転軸に取り付けられ地面と略平行な面で回転する刈刃を有するロータリー式である。蛇行モードによる左右方向の蛇行幅は、２つの駆動輪の間隔以上、自走式草刈機の全長以下にした。

本発明のさらに他の特徴によれば、自走式草刈機は進行方向に進行して所定の転回位置、例えば、草刈領域の縁部に到達したら進行方向を変更する転回を行い、転回を行う毎にランダム制御により通常モードか蛇行モードかを選択して実行する。蛇行モードでは、車輪モータを停止及び逆転させる側の駆動輪が刈刃による刈り取り済み領域内で接地するように制御される。

本発明によれば、草刈機を直進で走行させながら草刈りをする場合に比べ、蛇行モードにおいては刈刃の外周のうち１８０度未満の範囲で草へ接触するようにして負荷を減らした状態で草刈り作業が可能となるため、刈刃負荷を十分に抑制することが可能となる。また、ジグザグ動作時の車輪の回転に逆転駆動を含めることで、ジグザグ動作時も刈り取り漏れがなく刈り取り作業することが可能となる。

本発明の実施例に係る草刈機１の斜視図である。 本発明の実施例に係る草刈機１の本体カバー２を外した状態の上面図である。 図２のＡ−Ａ部の断面から右方向を見た図である。 本発明の実施例に係る草刈機１の本体シャーシ１０に装備される各種機能部品を示すブロック図である。 本発明の実施例に係る草刈機１における蛇行モード時の草刈り状況を説明するための図である。 発明の実施例に係る草刈機１における蛇行モード時の刈刃３５、右後輪１３ａ、左後輪１３ｂの移動軌跡を説明するための図である。 本発明の実施例に係る草刈機１の制御手順を示すフローチャートである。 本発明の実施例に係る草刈機１において、蛇行モード時の駆動モータの制御手順を示すフローチャートである。 蛇行モード時の駆動モータの目標回転数を示す図である。 従来技術における自走式の草刈機３０１の動作の概要を説明するための図である。 従来技術における自走式の草刈機３０１の草刈り状況を示す図である。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。なお、以下の図において、同一の部分には同一の符号を付し、繰り返しの説明は省略する。また、本明細書においては、前後左右、上下の方向は図中に示す方向であるとして説明する。

図１は本発明の実施例に係る自走式の草刈機１の斜視図である。草刈機１は、走行方向に沿って転回または揺動可能に設けられる小径の右前輪１２ａ、左前輪１２ｂ（図１では１２ａは見えない）が本体シャーシ１０の前側に設けられ、駆動輪である大径の右後輪１３ａ、左後輪１３ｂ（図１では１３ａは見えない）が本体シャーシ１０の後側左右にそれぞれ設けられ、草刈機１は本体カバー２によって上部全体が覆われる。草刈機１の電源は、着脱可能なバッテリパック（図２で後述）であって、制御装置に含まれるマイクロコンピュータ（以下、「マイコン」と称する）によって車輪モータ（図示せず）の駆動が制御され、自律的に走行しながら草を刈り取る。本体カバー２の前方下端２ｃは、地面との間に所定の距離Ｈの隙間を隔てるように構成され、この隙間から本体カバー２の内部に入りこんだ草が、本体シャーシ１０の下側に配置される刈刃（後述）によって刈り取られる。本体カバー２の上側には、前方側の回動軸を中心に開閉可能な開閉カバー３が設けられる。開閉カバー３は例えば透明性を有する樹脂部材により構成され、開閉カバー３を開けることにより図２にて後述するダイヤル２０、キーボード２４、ディスプレイ２５にアクセス可能となる。本体カバー２の前方には前面視で略長方形の開口部５が設けられ、充電時に開口部５を介して充電ステーション２７０の送電端子が受電端子４１と接触可能となる。開口部５の内側には、本体シャーシ１０の先端部分が位置し、その左側側面と右側側面には受電端子４１が設けられる。本体カバー２の開口部５の左右両側には、前輪１２ａ（図２参照）、１２ｂの上部を覆うためのフェンダー２ａ、２ｂが形成される。本体カバー２の後方側上部には、手動停止用のストップスイッチ４が設けられる。

図２は、本発明の実施例に係る草刈機１の本体カバー２を外した状態の上面図である。本体シャーシ１０は先端が凸状に、上面視で三角形に絞り込まれ、その斜面から左右両側には取付アーム１１ａ、１１ｂが伸びるように設けられる。取付アーム１１ａ、１１ｂには右前輪１２ａ、左前輪１２ｂが軸支され、草刈機１の移動方向に応じて車輪の向きが自在に追従可能なようにそれぞれ保持される。本体シャーシ１０の後方側には右後輪１３ａ、左後輪１３ｂが設けられる。ここでは右後輪１３ａ、左後輪１３ｂに大径の車輪を用いて、それぞれ独立した走行用の車輪モータ（右車輪モータ１６ａ、左車輪モータ１６ｂ）で駆動される。２つの車輪モータは、同期して又は非同期に駆動することによりメイン基板２６に搭載されるマイコン（図示せず）による操舵制御を可能としている。車輪モータの回転軸には右後輪１３ａ、左後輪１３ｂが直結される。例えば、右後輪１３ａ、左後輪１３ｂを同期して駆動することにより草刈機１が前進又は後進し、右後輪１３ａ、左後輪１３ｂの回転差を生じさせるように駆動することにより所定方向に草刈機１を転回させることができる。車輪モータは、例えばブラシレスＤＣモータが用いられ、図示しないインバータ回路を介して駆動される。

本体シャーシ１０の先端近傍の左右両側の斜面には、２つの受電端子４１（正極端子４１ａ、負極端子４１ｂ）が設けられる。取付アーム１１ａ、１１ｂの水平部の上側には、本体カバー２を支持するために、本体カバー２の内壁部に設けられる板ばね部（図示せず）の端部を所定範囲内で移動可能に収容する凹部１７ａ、１７ｂが設けられる。本体シャーシ１０の後方側端部付近には、本体カバー２の内壁部に設けられる板ばね部（図示せず）の端部を所定範囲内で移動可能に収容する凹部１８ａ（左側端部付近の凹部は図示せず）が設けられる。

本体シャーシ１０の中央付近には、図示しない刈刃用のモータを上下方向に移動させることにより刈刃の位置を変更して、刈り取り高さを変えるための昇降機構が設けられ、昇降機構のダイヤル２０が上部から回転操作可能なように設けられる。ダイヤル２０は、後述する刈刃と地面との距離（刈り取り高さ）を“２０”、“３０”、“４０”、“５０”、“６０”と刻印された基台部１４により回転可能なように保持される。ダイヤル２０をいずれかの数値に合わせることにより、それに対応して後述する刈刃と刈刃モータが上方向又は下方向に移動する。ダイヤル２０の前方には、本体シャーシ１０と本体カバー２の相対移動等から、草刈機１が障害物への衝突や、本体カバー２の持ち上げ状態、傾斜状態等を検出するリフトセンサ４７と接触センサ４８が設けられる。リフトセンサ４７と接触センサ４８と対応する位置であって本体カバー２の内壁側には、マグネット１９ａ、１９ｂが設けられる。リフトセンサ４７と接触センサ４８は、例えばホールセンサを有する基板を備えて構成される。

本体シャーシ１０の後方側にはバッテリパック（図３にて後述）を収容する容器部２２が設けられ、容器部２２の開口部は開閉可能な蓋部２３にて覆われる。蓋部２３の上面には液晶表示パネル等のディスプレイ２５と、キーボード２４と、メインスイッチ４２が設けられる。操作者は入力手段たるキーボード２４を操作して草刈りスケジュールの設定等を行うことができる。

地面と平行に所定の距離を隔てて回転するロータリー式の刈刃３５は、ダイヤル２０の回転中心と同軸上で回転し、刈刃モータ３０（図３で後述）は、本体シャーシ１０の前後方向に見て右前輪１２ａ及び左前輪１２ｂと、左後輪１３ａ及び左後輪１３ｂの間に設けられる。刈刃３５の外縁位置（図中一点鎖線で示す部分）は、右前輪１２ａ、左前輪１２ｂと右後輪１３ａ、左後輪１３ｂのそれぞれの中心位置を結んだ仮想四角形の範囲内に収まるように配置される。また、点線で示す本体カバー２の外縁位置は、刈刃３５の外縁位置よりも十分外側に位置するように設定され、刈刃３５と本体カバー２とのクリアランスが十分確保される。

図３は図２のＡ−Ａ部の断面から右方向を見た図（草刈機１の左右中心位置を通る鉛直断面図）である。本体カバー２は地面側を除いて本体シャーシ１０のほぼ全体を覆う形状であって、バネ等によって本体シャーシ１０に対して浮いた状態で保持されることにより、前後左右及び上下方向に僅かに移動可能である。本体カバー２は岩や突起、壁などの障害物にぶつかることがあり、その際の本体カバー２の相対的な位置変動を後述する接触センサ等で検出することにより、後述する制御装置が草刈機１の衝突等を検出する。

本体シャーシ１０の中央付近下側には、複数の刃３５ｂを有し、地面と略平行な面で回転する刈刃３５が設けられる。刈刃３５を回転させるための駆動装置（刈刃モータ３０）は、モータハウジング２１の内部に収容される。モータハウジング２１はダイヤル２０を回転させることによって、本体シャーシ１０に対して上下方向に移動可能なように構成とされ、刈刃３５の高さを調整する場合は、駆動装置と一体に上下方向に昇降する。図３では刈刃モータ３０及び刈刃３５が最上位位置（刈刃高さＨ２＝６０ｍｍ）にある状態を示している。

上方に開口を有するカップ状のモータハウジング２１の内側に刈刃モータ３０が収容され、刈刃モータ３０の回転軸３０ｃは鉛直方向に延びるように配置され、回転軸３０ｃの下端はモータハウジング２１に形成される貫通穴を貫通して下側にまで延び、そこに刈刃３５が取り付けられる。刈刃３５は円盤状に形成された合成樹脂製のフレーム３５ａの外周側の数カ所に金属製の刃３５ｂを設けたものであり、地面に対して設定された高さＨ２の水平な面内で回転する。

刈刃モータ３０はブラシレスＤＣモータであって、励磁コイルが巻かれたステータコア３０ｂの内側にて、永久磁石を有するロータコア３０ａが回転する。ステータコア３０ｂの一方側（ここでは上側）には円形のインバータ回路基板３１が設けられ、そこにロータコア３０ａの位置を検出するための複数のホールＩＣ（図示せず）と、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）やＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等の複数のスイッチング素子が搭載される。

容器部２２は、プラスチック等の合成樹脂の一体成形にて製造される。容器部２２は、上側に開口を有し、蓋部２３を開閉するためのヒンジ２３ａが設けられ、開口は蓋部２３にて閉鎖される。容器部２２の中に収容されるバッテリパック２８は着脱式であって、その内部には複数の二次電池セル（図示せず）が収容される。容器部２２の上側後端付近には、ヒンジ２３ａの反対側で蓋部２３の開閉を固定するねじ等からなる蓋の操作部３７が設けられる。

本体シャーシ１０の前端付近には第１のガイドワイヤセンサ４５が設けられ、後端付近には第２のガイドワイヤセンサ４６が設けられる。ガイドワイヤセンサ４５、４６はコイルによって、周囲の磁界の変化を電流の変化に変換する。ここでは図示しないコイルの軸方向（磁界の検出方向）が上下方向（鉛直方向）になるようにガイドワイヤセンサ４５、４６の取り付け向きが設定される。後側のガイドワイヤセンサ４６は、その上下中央位置が後輪駆動用のモータ１６ａ、１６ｂの回転軸の高さとほぼ一致するように配置される。このようにガイドワイヤセンサ４６の位置を設定することによって、モータ１６ａ、１６ｂによってガイドワイヤセンサ４６が受けるノイズの影響を抑制することができる。

図４は草刈機１の本体シャーシ１０に装備される各種機能部品を示すブロック図である。メイン基板２６には草刈機１の動作を制御する制御装置や図示しない電源回路等が搭載される。制御装置は、図示しないマイクロコンピュータ（以下、「マイコン」と称する）や記憶装置、その他の電子素子が含まれる。メイン基板２６には、充電ステーション２７０の２つの送電端子（正極、負極）に接続可能な受電端子４１ａ、４１ｂと、電池取付部に装着されたバッテリパック２８の端子（図示しない出力電圧端子及び識別用端子）と着脱自在に接続する電池ターミナル２９が接続される。メインスイッチ４２は電池ターミナル２９とメイン基板２６の接続線路に挿入されるもので、草刈機１のメイン基板２６やモータ等への電源の供給スイッチである。

メイン基板２６には、刈刃モータ３０、右車輪モータ１６ａ、左車輪モータ１６ｂに接続され、メイン基板２６から駆動電力がモータ駆動回路２７ａ〜２７ｃを介して供給されることにより、刈刃３５が回転し、右後輪１３ａ、左後輪１３ｂが独立して駆動される。モータ駆動回路２７ａ〜２７ｃはインバータ回路が含まれ、マイコンによって制御されるＰＷＭ制御信号に応じて直流電源から三相交流の励磁電流を生成して刈刃モータ３０、右車輪モータ１６ａ、左車輪モータ１６ｂを回転させる。マイコンは刈刃モータ３０を回転させる事により、刈刃モータ３０の回転軸３０ｃに減速機構無しで直結される刈刃３５を回転させる。また、マイコンは、右車輪モータ１６ａと左車輪モータ１６ｂを連動させて又は非連動で回転させることにより右後輪１３ａ、左後輪１３ｂを回転させる。

メイン基板２６にはキーボード２４、ディスプレイ２５、ストップスイッチ４が接続されるとともに、第１（前方側）のガイドワイヤセンサ４５、第２（後方側）のガイドワイヤセンサ４６、リフトセンサ４７、接触センサ４８、傾斜センサ４９等の各種センサが接続される。第１及び第２のガイドワイヤセンサ４５，４６のコイルにより検出された信号は、メイン基板２６に出力され、草刈り領域の境界をメイン基板２６に搭載されたマイコンにて認識する。この認識結果に応じて、マイコンは草刈機１の方向制御等を左車輪のモータ１６ｂと右車輪のモータ１６ａを独立して駆動することにより、草刈機１の前進、後退、及び転回をおこなう。リフトセンサ４７は、草刈機１の本体シャーシ１０が持ち上げられたとき、又は、草刈機１が地面に対して所定角度以上傾斜したときに、これを検知するものであり、その際にマイコンは右車輪モータ１６ａ、左車輪モータ１６ｂ、及び、刈刃モータ３０を停止させる。接触センサ４８は、草刈機１が何かに接触した際の衝撃を検出するものである。傾斜センサ４９は、草刈機１が地面に対して所定角度以上傾斜したときに、これを検知して傾斜面に草刈機１が侵入しないように回避する。

本体カバー２の後端側上部の操作しやすい位置にストップ用の手動停止手段であるストップスイッチ４（図１参照）が設けられ、ユーザは手動操作で走行中の草刈機１を停止させることができる。キーボード２４とそれに搭載されるディスプレイ２５は、草刈りに関する情報の入出力装置であり、操作者は本体カバー２に設けられた開閉カバー３を開くことでアクセスできるように配置され、動作開始の指示、タイマ設定、作業領域等の設定を行う。ここではキーボード２４を設けたが、ディスプレイ２５としてタッチ式の液晶ディスプレイを用いてこれらを一体に形成しても良い。

以上の草刈機１の構成において、本体シャーシ１０の電池取付部にバッテリパック２８を装着し、本体シャーシ１０を充電ステーション２７０に位置付けると、充電ステーション２７０側の制御装置は草刈機１の接続を判別して、図示しない送電回路から充電用の直流電圧を本体シャーシ１０に供給する。充電回路は定格出力電圧にてバッテリパック２８を充電する。充電完了後、マイコンは図示しないリレーを制御する事によりバッテリパック２８を負荷側（モータ等への電力供給側）から、モータ１６ａ、１６ｂ、３０に接続する側に切り替える。その後、草刈機１は充電ステーション２７０から離脱してメイン基板２６上のマイコンにより予め定められた自動走行プログラムに沿って草刈り動作を行う。草刈機１は要求された草刈り動作が終了したとき、又はバッテリパック２８の残量が低下したときは充電ステーション２７０に帰還する。

図５は、草刈機１を斜めに走行させた際の 刈刃３５と刈込み部分３６との関係を示す図である。図１１に示した草刈機１を直進させて刈込みをする際の刈込み部分１３６が、刈刃３５の前方側の半分１８０度分の外周部分となるのに比べて、図５の草刈機１は芝刈機を曲げながら移動させることにより刈込み部分３６が、刈刃３５の前方側の約１００度程度になっている。これは草刈機１の矢印で示す進行方向において、刈り取り予定領域（刈り取り右端と刈り取り左端で示す領域）内に、刈込み済みの部分３８が存在するためである。この刈込み済みの部分３８に部分的に重複するように刈刃３５が通過することにより、刈込み部分３６の長さ（周長）が短くなり、その分だけ刈刃モータ３０の負荷を減少させることができる。従って、この刈込み部分３６の長さを１８０度分よりも大幅に短くした状態を保ちながら刈り取り動作を継続できるようにすれば、負荷を低減させた状態で草刈り作業を続けることができる。また、直進して草刈り作業中に刈刃モータ３０の負荷が上昇した場合でも、図５のような刈込み方法に切り替えることにより、刈刃３５の高さを変更することなく草刈り動作を継続させることができる。

図６は本発明の実施例に係る草刈機１における蛇行モード時の草刈り状況を示す図である。図５の図では草刈機１を左向きに転回させながら走行している状態を示しているが、その状態を継続させると未刈込み領域に到達してしまうため、右前輪１２ａ、左前輪１２ｂの向きがそのままで刈り取りを行うと、刈込み部分の長さが図１１と同じ状態、即ち進行方向側の外縁１８０度分で刈り取りを行う状態になってしまう。そこで、図５に示すような刈刃３５の進行方向前方側に刈込み済み部分３８（図５参照）を必ず跨ぎながら刈り込みを行うようにするために、図６の点線６１で示すように草刈機１を左右方向にジグザグに進むようにした。点線６１は、刈刃３５の回転中心の軌跡をプロットした線であって、例えば、矢印６１ａから草刈機１が前進してから左方向に転回してまた直進し、矢印６１ｂの部分で草刈機１が右に向きを変えて少し直進してから右方向に転回してまた直進する。同様の転回を繰り返しながら、草刈機１は進行方向に対する刈り取り動作を行う。

刈刃３５の回転中心が、矢印６１ａ〜矢印６１ｃのような動きをするためには、草刈機１の右後輪１３ａ、左後輪１３ｂの接地面が点線６３、６４のように推移するように駆動する必要がある。点線６３は右後輪１３ａの軌跡であり、右後輪１３ａの接地面の中心位置をプロットしたものである。同様にして点線６４は左後輪１３ｂの軌跡であり、左後輪１３ｂの接地面の中心位置をプロットしたものである。ここでは、刈刃３５の中心位置が矢印６１ａ〜矢印６１ｃの動きをするときの右後輪１３ａ、左後輪１３ｂの動きを８段階のステップ、即ちステップ１（Ｓ１）〜ステップ８（Ｓ８）にて示した。ここで特徴的なことは、点線６１のような刈刃３５の動きを実現するために、走行中の右後輪１３ａ、左後輪１３ｂのいずれか一方を、前進→停止→後退→停止の制御をすることである。このように制御をすることによって、矢印に示す刈取り方向と直交方向となる刈込み幅Ｗｃが、車輪幅Ｔ_Ｒ（図１１参照）とほぼ同一幅となるように刈り取りを行う。尚、刈込み幅Ｗｃを車輪幅Ｔ_Ｒよりも大きくすることも可能であるが、その場合は草刈機１の全長Ｌ（図１１参照）以内、または刈刃３５の径の三倍以内（本実施の形態では刈刃３５の直径Ｄの２倍程度）とすると良い。このような範囲とすることで、草刈機１の進行方向への移動を旋回動作を中心に行うことができ、言い換えれば、左右方向に向いた状態での直進移動を小さくすることができるため、刈込み済みの領域との重複範囲を大きくすることができ、刈り残しの少ない作業を行うことが可能となる。尚、右後輪１３ａ、左後輪１３ｂの前進と後退の間、即ち正転と逆転の間に停止の制御を入れることで、右車輪モータ１６ａ、左車輪モータ１６ｂに反転時の過大な電流が流れることを抑制できる。

草刈機１の全長Ｌを越えない範囲、または刈刃３５の直径Ｄの三倍以内でのジグザグ走行を繰り返すことにより、刈刃３５による刈込み部分３６の長さを１８０度分よりも十分少ない長さの状態としたまま刈込み動作を継続することができる。尚、点線６３、６４のプロット位置から理解できるように、右後輪１３ａ、左後輪１３ｂの一方が必ず刈り取り済み領域内にある上に、両方の車輪のほとんどが刈込み済みの領域内を走行することになり、刈り取りが済んでいない草地２８１（図６では上側一部だけをハッチングで図示）でに入り込むのはほんの僅かである。従って、このようなジグザグ走行を行うにあたって増加する走行用モータの消費電力を抑制することができる。また、走行用モータの正転→停止→逆転の切替制御と、逆転→停止→正転の切替制御が、必ず刈込み済みの領域内で行われる。この結果、草刈機１の走行制御を精度良く行うことができるので、ジグザグ走行をより正確に行うことができ、その際の走行用モータの消費する消費電力も抑制することができる。尚、このようなジグザグ走行は刈刃モータ３０を回転させながら草刈り作業を行っている際の走行制御であって、草刈り作業が終わって充電ステーション２７０に帰還する際や、単なる場所移動などの刈刃モータ３０を停止させた状態で車輪モータ１６ａ、１６ｂを駆動する場合にはジグザグ走行を行う必要は無い。左右の駆動輪の中間位置の軌跡の幅に対して、刈刃の中心軌跡の幅６１が大きくなるよう、走行制御されている。

図７は本実施例に係る草刈機１の車輪の駆動モータの制御手順を示すフローチャートである。図７に示す一連の手順は、マイコンを有する制御装置にあらかじめ格納されたプログラムによってソフトウェア的に実行可能である。まず草刈機１は、設定されたプログラムによる指示、又は、操作者による手動開始指示により草刈り動作を開始する。すると制御装置に含まれるマイコンは、設定された草刈りモードが０、１、２のいずれであるかを判定する（ステップ７１）。本実施例の草刈機１では、図１１で示したように従来の草刈機１と同じように基本的に直進しながら草刈りを行う通常モード（モード０）と、図６で示したような蛇行運転を行いながら進行方向（図６参照）に草刈りを行う蛇行モード（モード２）を有する。通常モードと蛇行モードは、手動によって切り替え可能であるが、本実施例では、その切り替えをマイコンが自動で行うようにした自動運転モード（モード１）も設けた。モード０〜１は、草刈機１の初期設定項目の一つとして設定しておき、操作者によってあらかじめ蛇行モードの実行の有無を選択可能とすると良い。

ステップ７１において、設定されているモードが０の場合は、マイコンは従来の草刈機と同じ制御によってガイドワイヤ２８０（図１０参照）の領域内でランダムな方向に向けて直進し、所定の条件となったら、Ｕターン又は大きく向きを変えて別の方向に向けて直進しながら刈り取りを行う通常運転を実行する（ステップ７２）。ステップ７１において、設定されているモードが２の場合は、直進移動の代わりに図６で説明したジグザグに運転させながら進行方向(図６参照)に向けて刈り取りを行う蛇行運転を行う（ステップ８４）。蛇行運転をしながらガイドワイヤ２８０に到達したら、Ｕターン又は大きく向きを変えて別の方向に向け、再び蛇行運転をしながら刈り取りを行う。

ステップ７１において、自動モード（モード１）が設定されている場合は、マイコンはまず乱数を発生させ（ステップ７３）、発生された乱数から所定のアルゴリズムを利用して通常運転を行うか、蛇行運転を行うかを決定する（ステップ７３）。本実施例では、例えば複数回のうちの１回、例えば平均して５回のうち１回だけ蛇行運転が行われるようにランダム制御により通常運転か蛇行運転かを選択して実行する。５回のうち４回は通常運転が選択される。ステップ７３において設定された運転モードが蛇行運転の場合は、図６にて示したように、進行方向への移動中に２つの駆動輪（１３ａ、１３ｂ）を交互に逆転させることで、左右に向きを変えながら走行制御を行う蛇行運転を行う（ステップ７５）。この蛇行運転の走行制御については図８、図９を用いて後述する。蛇行運転を行いながら進行方向に刈り取り作業中に、マイコンは、転回の条件に達したかの判断を行う（ステップ７６）。転回すべき条件に達していない場合はステップ７５に戻り、転回すべき条件に達した場合は、転回操作を行う（ステップ７７）。転回の条件としては、例えば草刈り領域のエッジの検出、走行距離（又は時間）のカウント、接触又は傾斜の検知、刈刃モータや駆動モータの負荷の検出等が挙げられる。例えば、エッジの検出では、ガイドワイヤセンサ４５、４６の出力信号からガイドワイヤ２８０によって発生される誘導信号を検出し、草刈機１が草刈領域２９０の中にいるか否かの判定処理を行い、草刈機１が草刈領域２９０の中にいると判定した時、即ち転回すべき草刈り領域のエッジ部分に到達していない場合はステップ７５に戻り、転回すべきエッジに到達した場合は、転回操作を行う。同様に、走行距離（又は時間）のカウントが所定以上となった場合、接触センサ４８又は傾斜センサ４９からの信号を検知した場合、刈刃モータや駆動モータの負荷の検出値が所定以上となった場合等に、転回操作を行う。転回の仕方は、所定距離だけ一旦バックして右又は左に所定角度又はランダムな角度にてカーブを描いて直進することにより実行できるが、どのように転回するかは任意である。所定の転回操作が終了したらステップ７３に戻る。

再びステップ７３にて乱数を発生させて、ステップ７４にて蛇行運転の実行が選択されたかどうかを判定し、蛇行運転が選択されていない場合、即ち、通常運転（直進運転）の場合は、ステップ７８にて直進移動による刈り取り動作を行う。ステップ７８による通常運転では次の転回が行われるまで通常運転を継続するようにしても良い。しかしながら、ここではマイコンが刈刃モータ３０に加わる負荷を検出して（ステップ７９）、モータの負荷が高くなった場合には、通常運転から蛇行運転に切り替えるようにした。マイコンは直進移動による刈り取り動作を行っている際に、刈刃モータ３０に掛かる負荷が過負荷と判断した場合に、ステップ７５に移行させる（ステップ８０）。刈刃モータ３０に加わる負荷が所定以上であることは、刈刃モータ３０の電流値が基準値以上か否か、刈刃モータ３０の温度が基準値を超えたか否か、定速度制御が行われる刈刃モータ３０の回転数が一定時間継続して所定の回転数以下となっているか、等の様々な手法により直接的に又は間接的に判断される。尚、直進運転から蛇行運転に切り替わるときの負荷の判断としては、先述した蛇行モードにおける転回の条件を判断する際の負荷の検出より低い閾値が設定される。ステップ８０でＮｏの場合は、マイコンは草刈機１が草刈領域２９０の中にいるか否かの判定をして、転回すべき草刈り領域のエッジ部分に到達したかどうかを判定する（ステップ８１）。転回すべきエッジに到達した場合は、転回操作を行ってからステップ７８に戻る（ステップ８２）。

以上のように本実施例では直進による通常モードに加えて、ジグザグに運転する蛇行モードを設けたので、何らかの理由で刈刃モータの負荷が上昇した際にも刈刃に加わる負荷を低減でき、草刈り作業を継続させることができる。尚、図７のフローチャートでは示していないが、刈刃モータ３０と車輪モータ１６ａ、１６ｂの電流値は常に監視されており、ロック状態やその他の異常状態が検出されたらモータへの通電が停止される。また、刈刃モータ３０の電流値の監視により、刈刃モータ３０がロックしそうになったり、ロックした場合は刈刃モータ３０の回転が停止される。本実施例では自動運転モードにおいて、転回後の蛇行運転を５回に１回くらいの割合で実行するようにしたが、実行回数の頻度は任意に設定しても良い。

次に図８のフローチャートを用いて、図７のステップ７４、８４の蛇行運転の処理手順を説明する。蛇行運転においては、ステップ９２〜９４の４つのステップによるモータ駆動制御を行う。最初に、右又は左の車輪モータのうち一方を正逆駆動輪に割り当て、他方を正転方向への連続駆動輪に設定する。ここでは最初に左車輪モータを正逆駆動輪に割り当て、右車輪モータを連続駆動輪に設定する（ステップ９１）。尚、車輪モータは左右で反対向きに設置されていることから、モータからみた回転方向は左右で逆となるが、ここでは本体（草刈機１）を前進させるための車輪の回転方向を正回転方向、本体を後進させるための車輪の回転方向を逆回転方向として説明する。

最初に正逆駆動輪に通電をして１０００ｒｐｍで一定時間（ｔ_１）だけ正回転方向に回転させ、同時に連続駆動輪に通電して２５００ｒｐｍで一定時間（ｔ_１）だけ正回転方向に回転させる（ステップ９２）。この場合は、草刈機１が左側に曲がりながら進むことを意味する。この際の正逆駆動輪たる左後輪１３ｂの軌跡が図６の点線６４に示したＳ１である。同様にして連続駆動輪たる右後輪１３ａの軌跡が図６の点線６３に示したＳ１である。

次に、正逆駆動輪を一定時間（ｔ_２）だけ停止させ、連続駆動輪を２５００ｒｐｍで一定時間（ｔ_２）だけ正回転方向に回転させる（ステップ９３）。このように正逆駆動輪の正転及び逆転制御の間に停止制御が行われ、この停止により左後輪１３ｂの接地面を中心に草刈機１が左回転をすることにより、小さく左に転回する。この際の正逆駆動輪たる左後輪１３ｂの位置が図６の点線６４に示したＳ２である。同様にして連続駆動輪たる右後輪１３ａの軌跡が図６の点線６３に示したＳ２である。

次に、正逆駆動輪を２０００ｒｐｍで一定時間（ｔ_３）だけ逆回転方向に回転させ、連続駆動輪を２０００ｒｐｍで一定時間（ｔ_３）だけ回転させる（ステップ９４）。この場合は、左後輪１３ｂと右後輪１３ａが逆位相で回転するため、草刈機１は大きく左に転回する。この際の正逆駆動輪たる左後輪１３ｂの軌跡が図６の点線６４に示したＳ３である。同様にして連続駆動輪たる右後輪１３ａの軌跡が図６の点線６３に示したＳ３である。

次に、正逆駆動輪を一定時間（ｔ_４）だけ停止させ、連続駆動輪を２０００ｒｐｍで一定時間（ｔ_４）だけ正回転方向に回転させる（ステップ９５）。この場合は、左後輪１３ｂが停止しているので、左後輪１３ｂの接地面を中心に草刈機１が左回転をすることにより、小さく左に転回する。この際の正逆駆動輪たる左後輪１３ｂの位置が図６の点線６４に示したＳ４である。同様にして連続駆動輪たる右後輪１３ａの軌跡が図６の点線６３に示したＳ４である。以上、ステップ９２〜９５の制御により図６に示した刈刃の中心位置は、矢印６１ａの位置から矢印６１ｂの位置に移動することになる。

次に制御装置は、正逆駆動輪と連続駆動輪との割り当てを入れ替える（ステップ９６）。即ち、正逆駆動輪を右車輪にして、連続駆動輪を左車輪にしてステップ９２に戻り、ステップ９２〜９５の駆動を繰り返す。この際のステップ９２〜９５実行時の正逆駆動輪たる右後輪１３ａの位置が図６の点線６３に示したＳ５〜Ｓ８である。同様にして連続駆動輪たる左後輪１３ｂの軌跡が図６の点線６４に示したＳ５〜Ｓ８である。これらは草刈機１の刈刃の中心位置が矢印６１ｂ〜矢印６１ｃに移動する走行に相当する。

以上のようにして、草刈機１は左右旋回を繰り返しながら芝刈り動作を行う。図９は図６のＳ１〜Ｓ８の各動作の際の右車輪モータ１６ａと左車輪モータ１６ｂの回転数を示す表である。この表により、片方の車輪で直進動作を行っている際に、他方の車輪の前進→停止→後退→停止の正逆制御を行うことが理解できるであろう。ここでこれらの電流を流す一定時間（ｔ_１〜ｔ_４）は図６のような移動経路を取るように個別に設定すれば良い。尚、ここでは、正逆駆動輪と連続駆動輪の回転数のパターンを４つずつ準備して制御するようにしたが、必ずしもこれだけに限られずにさらに多くの制御パターンを用いても良いし、一方を車輪で直進動作を行っている際に、他方の車輪の前進→停止→後退→停止の操作を行うならば、正逆駆動輪と連続駆動輪の回転数を連続可変的に変化させながら図６で示すような移動経路を実現しても良い。

尚、図７、図８のフローチャートでは図示していないが、フローチャートの処理を実行中にマイコンは、停止命令メモリの内容から草刈り動作の停止命令があったかどうかを判定し、停止命令があったら、刈刃モータ３０と車輪モータ（右車輪モータ１６ａ、左車輪モータ１６ｂ）への通電を停止することにより、草刈機１の動作を停止させ（ステップ１１４）、草刈り動作を停止する。停止命令とは、例えば、所定の草刈り動作が終了した場合、何らかの異常の発生が検出された場合、又は、操作者によって停止用のストップスイッチ４が操作された、等の様々な要因がある。

本実施例によれば、進行方向に移動させながら車輪の回転に逆転を入れることで、刈刃を急な角度で左右に振りながら走行を行うことができる。これにより、刈り取り済み領域と大きく重複させながら刈り取りを行うことができるので、刈刃の通過する刈り取り幅を左右の車輪の幅より大きくした場合であっても、刈り残しの少ないきれいな刈り取りを行うことが可能となる。また、刈り取り済み領域と重複した範囲には負荷が加わらないことから、刈刃の外縁の１８０度未満の範囲で切断を行う状態を継続させることで、刈刃負荷を抑制したまま刈り取りを行うことが可能となる。さらに、ジグザグ動作時には後輪がほとんど刈り取り済みの領域上を走行することになるので、走行抵抗が少なくてすみ、消費電力の増大を抑制できる。

以上、本発明を実施例に基づいて説明したが、本発明は上述の実施例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。例えば、本実施の形態において、車輪モータは後輪に設けられていたが、前輪に設けるようにしてもよい。この場合、蛇行モードを実施すると、本体の前方側に対して後方側が大きく振られる関係となる。

１…草刈機、２…本体カバー、２ａ，２ｂ…フェンダー、２ｃ…（本体カバーの）前方下端、３…開閉カバー、４…ストップスイッチ、５…開口部、１０…本体シャーシ、１１ａ，１１ｂ…取付アーム、１２ａ…右前輪、１２ｂ…左前輪、１３ａ…右後輪、１３ｂ…左後輪、１４…基台部、１６ａ…右車輪モータ、１６ｂ…左車輪モータ、１７ａ，１７ｂ，１８ａ…凹部、１９ａ，１９ｂ…マグネット、２０…ダイヤル、２１…モータハウジング、２２…容器部、２３…蓋部、２３ａ…ヒンジ、２４…キーボード、２５…ディスプレイ、２６…メイン基板、２７ａ〜２７ｃ…モータ駆動回路、２８…バッテリパック、２９…電池ターミナル、３０…モータ（刈刃モータ）、３０ａ…ロータコア、３０ｂ…ステータコア、３０ｃ…回転軸、３１…インバータ回路基板、３５…刈刃、３５ａ…フレーム、３５ｂ…刃、３６…刈込み部分、３７…操作部、４１，４１ａ，４１ｂ…受電端子、４２…メインスイッチ、４５，４６…ガイドワイヤセンサ、４７…リフトセンサ、４８…接触センサ、４９…傾斜センサ、６３…右後輪１３ａの走行軌跡、６４…左後輪１３ｂの走行軌跡、１３６…刈込み部分、２００…家屋、２１０…庭、２５０…ＡＣアダプタ、２６０…ケーブル、２７０…充電ステーション、２８０…ガイドワイヤ、２８１…草地、２９０…草刈領域、３０１…草刈機

Claims (12)

1. ２つの駆動輪と、前記２つの駆動輪を独立して駆動させる２つの車輪モータと、刈刃を駆動する刈刃モータと、これらのモータに電力を供給する二次電池と、草刈領域の自律的な走行を制御する制御装置と、を有する自走式草刈機において、
   前記制御装置は、
   進行方向に直進しながら刈り取りを行う通常モードと、進行方向への移動中に前記２つの駆動輪を交互に逆転させることで、左右に向きを変えながら刈り取りを行う蛇行モードを、前記進行方向への刈込み移動中に自動で切替え可能とし、
   刈り取り時に前記刈刃に加わる負荷を監視し、前記通常モードによる運転中に過負荷と判断した場合に、前記通常モードから前記蛇行モードに切り替えることを特徴とする自走式草刈機。
2. 前記進行方向の移動中に前記刈刃が通過する幅を、前記自走式草刈機の全長以内としたことを特徴とする請求項１に記載の自走式草刈機。
3. 進行方向の移動において前記刈刃が通過する幅を、前記刈刃の径の三倍以内としたことを特徴とする請求項１に記載の自走式草刈機。
4. 前記２つの駆動輪の逆転制御は、前記刈刃による刈り取り済み領域内で行われることを特徴とする請求項１から３のうち何れか一項に記載の自走式草刈機。
5. 前記駆動輪は、正転及び逆転制御の間に停止制御が行われることを特徴とする請求項１から４のうち何れか一項に記載の自走式草刈機。
6. 入力手段を設けて操作者により前記蛇行モードの実行の有無を選択可能とし、前記蛇行モードの実行が選択された際には、前記制御装置は前記自走式草刈機の走行全体又はその一部分において前記蛇行モードによる刈り取りを行うことを特徴とする請求項５に記載の自走式草刈機。
7. 一方の車輪が前進している間に他方の車輪を前進→停止→後退→停止の動作を行い、次に他方の車輪を前進させて一方の車輪を前進→停止→後退→停止の動作を行い、これらを繰り返しながら進行方向に移動することを特徴とする請求項６に記載の自走式草刈機。
8. 前記自走式草刈機は進行方向を変更する転回を行い、転回を行う際に前記通常モードと前記蛇行モードとを切替えることを特徴とする請求項７に記載の自走式草刈機。
9. 転回を行う毎にランダム制御により前記通常モードか前記蛇行モードかを選択して実行することを特徴とする請求項８に記載の自走式草刈機。
10. 車輪モータと刈刃モータを保持する本体シャーシと、これらを覆う本体カバーを有し、前記本体シャーシの前側に前輪を設け、後側に後輪を設け、前記後輪のそれぞれに前記車輪モータが接続され、前記本体シャーシの前後方向に見て前記前輪と前記後輪の間に設けられて地面と略平行な面で回転する刈刃と、前記車輪モータと前記刈刃モータを制御することにより草刈領域内の自律的な走行を制御する制御装置と、を有する自走式草刈機において、
    前記制御装置は、
    左右の車輪用の前記車輪モータを逆転させる操作を交互に行いながら蛇行させるようにして前記自走式草刈機を進行させながら刈り取りを行う蛇行モードと、進行方向に直進しながら刈り取りを行う通常モードを、前記進行方向への刈込み移動中に自動で切替え可能とし、
    前記車輪モータを逆転させる際の駆動輪が前記刈刃による刈り取り済み領域内で後退するように制御し、
    刈り取り時に前記刈刃に加わる負荷を監視し、前記通常モードによる運転中に過負荷と判断した場合に、前記通常モードから前記蛇行モードに切り替えることを特徴とする自走式草刈機における草刈り方法。
11. 前記制御装置は、刈刃モータが回転して刈り取り作業を行っているときに、
    ａ）前記車輪モータの一方を正転、停止、逆転、停止の正逆制御を行い、他方の前記車輪モータを連続的に正転駆動する制御を行い、
    ｂ）次に他方の車輪モータを正転、停止、逆転、停止の正逆制御を行い、一方の車輪モータの連続的に正転駆動する制御を行い、
    ｃ）ステップａ）〜ｂ）の制御を繰り返す、
    ことを特徴とする請求項１０に記載の草刈り方法。
12. ２つの駆動輪と、前記２つの駆動輪を独立して駆動させる２つの車輪モータと、刈刃を駆動する刈刃モータと、これらのモータに電力を供給する二次電池と、草刈領域の自律的な走行を制御する制御装置と、を有する自走式草刈機において、
    前記制御装置は、進行方向に直進しながら刈り取りを行う通常モードと、左右に向きを変えながら刈り取りを行う蛇行モードを、前記進行方向への刈込み移動中に自動で切替え可能とし、
    刈り取り時に前記刈刃に加わる負荷を監視し、前記通常モードによる運転中に過負荷と判断した場合に、前記通常モードから前記蛇行モードに切り替えることを特徴とする自走式草刈機。

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