JP7178721B2

JP7178721B2 - 柱体昇降機

Info

Publication number: JP7178721B2
Application number: JP2020137121A
Authority: JP
Inventors: 鋭也颯田; 誠治山下; 啓泰松原
Original assignee: イー・バレイ株式会社
Priority date: 2019-07-24
Filing date: 2020-07-22
Publication date: 2022-11-28
Anticipated expiration: 2040-07-22
Also published as: JP2021019583A

Description

本発明は、柱体昇降機に関するものである。

杉や檜の幹へ本体機枠を取付けて、刃物が樹幹を旋回して枝を切断する自動枝打機が知られている。刃物を枝のある高さまで到達させるために、自動枝打機には樹幹の昇降が必須であるが、樹幹外周に複数の車輪を押し当て、車輪を駆動させて昇降する装置が数多く考案されている。

特開２０１１－１９３８２２号公報

特許第５５８８７１７号公報

［第１の課題］
機体を安定した姿勢を維持して柱体を昇降させるためには、車輪は柱体外周に等分に接することが望ましいが、径の変化に対応する際、各車輪を柱体に対して放射状に移動させない限り、幹径によって車輪の位置関係が変化してしまい不安定になる。多方向に車輪を配置することで不安定さは軽減できるが、車輪が増えれば機構は複雑化し、重量も増加する。

［第２の課題］
環状の機体を柱体に取り囲むように取り付けるためには、作業者はフレームを開き、片方の手で機体を保持しつつ、もう一方の手でフレームを閉じるという操作をする。持ち替えが必要であったり、また機体が片手で保持できないほどの重量である場合は、機体を仮置きするための専用の架台を予め幹に取り付けるという、非効率な作業を要する。

本発明の柱体昇降機は、柱体を軸方向から見る平面視において、柱体外周を略三等分する位置で接するように車輪を複数配し、前記略三等分の一方に配するものを主輪、他二方に配するものを副輪とし、柱体中心と主輪の柱体接点とを結ぶ直線に対し左右略３０度の方向に配されるレールが、主輪を支持する主フレームに固定され、副輪を支持する副アームはレール上を可動で、副アームは対向する他方の副アームと同期して、主フレームに接近あるいは離反する機構を備えることを特徴とする。

また、本発明の柱体昇降機は、前記副輪を上下に複数備え、前記主輪及び副輪で柱体を挟むことにより、柱体に沿った機体の姿勢を保つことを特徴とする。

また、本発明の柱体昇降機は、前記主輪の柱体に対する接圧を検知するセンサーと、前記副アームを移動させるアクチュエーターとを備え、前記センサーの計測値を規定値になるように前記アクチュエーターを制御することを特徴とする。

また、本発明の柱体昇降機は、作業者が把持して機体を保持するためのグリップと、前記アクチュエーターの制御を操作するボタンを備えることを特徴とする。

また、本発明の柱体昇降機は、前記主輪及び副輪に操舵機構を備えることを特徴とする。

［第１の実施例］
以下、本発明の第１の実施例について、図面を参照して説明する。図１は柱体昇降機を示す斜視図である。主輪２０と４つの副輪３０を備え、柱体を３方向から締付けながら昇降する。副輪３０は、フォーク３１を介して副アーム３２に支持される。副アーム３２は主フレーム１０に固定されたレール１２上を可動で、レール１２と平行に配されたすべりねじ４７に取り付いており、すべりねじ４７の駆動により副アーム３２は移動する。

図２に柱体取付け時の平面図を示す。主輪２０及び副輪３０は柱体１００外周を三等分する位置で接するようにそれぞれ配置される。レール１２は、主輪２０と柱体１００との接点と、柱体１００中心とを結ぶ直線に対し左右３０度の方向に配置される

図３は図２におけるＡ－Ａ断面図である（柱体１００は図示しない）。主輪２０はフォーク２１を介して主アーム２２に支持され、主アーム２２は、２本のレール１１によって柱体１００に対して進退可能にして、主フレーム１０に取付けられている。主アーム２２は圧縮ばね２３で押圧されている。センサー２４は主フレーム１０に固定され、圧縮ばね２３の変位を測定できる。

図４に副アーム位置を制御する駆動系を示す。２本のすべりねじ４７は各歯車と回転軸４５を介し、同一の駆動軸４２で連結されている。駆動軸４２とその両端の回転軸４５は、ウォーム４３及びウォームホイール４４を介して接続され、駆動軸４２は回転軸４５を回転できるが、回転軸４５側からは駆動軸４２を回転できない構造となっている。すなわち、平歯車４１を介して駆動軸４２を回転させるモーター４０の動作によってのみ、すべりねじ４７が回転される。モーター４０はマウント１４に固定され、マウント１４は主フレーム１０に固定されている。モーター４０が回転すると副アーム３２は左右対称に移動する。

機体の柱体への取付けは、左右の副アーム３２を副フレーム１３側へ寄せた状態で始める。作業者は左右のグリップ１６を把持して機体を保持しながら、柱体１００を左右の副輪３０の間に通して主輪２０に当て、手元のボタン（図示しない）で締付け制御を開始させる。すると、モーター４０が動作し、副アーム３２は主フレーム１０側へ移動する。やがて副輪３０が柱体１００に接すると、主輪２０が押され圧縮ばね２３が圧縮し始める。規定の圧縮ばね変位をセンサー２４が検知すると締付け完了となる。締付け完了後も締付け制御は継続され、センサー２４の計測値が規定値を外れると、再び規定値に到達するようモーター４０が動作する。

前記締付け完了時、各車輪は柱体外周を三等分する位置で接している。その原理について図５を用いて説明する。柱体と各車輪との接点を結ぶ三角形が正三角形となる時、主輪と柱体中心とを結ぶ直線に対し、左右３０度の方向に副輪が左右対称に直線移動する場合、各車輪の接点を結ぶ形状は前記正三角形の相似形となる。したがって、各車輪は、柱体外周をその径にかかわらず三等分する位置で接することとなる。

前記締付け完了時、図６に示すように、上下の副輪と、その中間の高さに位置する主輪２０で柱体を挟むことにより、機体は傾くことなく柱体に沿った姿勢を保つ。本実施例における、１つの主輪及び上下２つの副輪は、機体の姿勢を保つ最小の構成であって、例えば、副輪が上下に３つ以上あっても、また主輪が上下に２つ以上あってもよい。

本実施例では、２本のすべりねじ４７を連結させ、１つのモーター４０で駆動しているが、図７に示すように、各すべりねじ４７を独立させ、個別にモーター７０で駆動してもよい。モーター７０は副フレーム７３に取付けられており、モーター７０はウォーム７１及びウォームホイール７２を介してすべりねじ４７を回転させる。この場合、２つのモーター７０は同期して動作するように制御する。

主輪２０及び副輪３０それぞれについて、その接点と柱体中心軸を結ぶ垂線を軸にしてフォーク２１、３１は回転可能であり、各回転軸はサーボモーター５０により任意の角度に制御できる。

主輪２０はモーター２５を備えた能動輪である。圧縮ばね２３により、各車輪には柱体１００に対し接圧がかかるため、主輪２０を正転させれば機体は上昇、逆転させれば下降する。各サーボモーター５０を同一角度となるようリンクして動作させることで、機体は進行方向を変えられる。よって、機体は柱体１００を直線状にも螺旋状にも自在に昇降可能となる。モーター２５は主輪２０に限らず、副輪３０に備えさせてもよく、また複数であってもよい。

締付け制御中は、センサー２４の値が目標値に近づくようモーター４０が制御されるため、機体の昇降に際し柱体径が変化しても、主輪２０と副輪３０が柱体外周を三等分する位置関係、および圧縮ばね２３による各車輪の接圧は適正に維持され、機体は柱体１００に沿った好適な姿勢を維持しながら昇降可能である。

機体を柱体から取外す際、作業者はグリップ１６を把持し、手元のボタン（図示しない）で開放動作を開始させる。すると副アーム３２は副フレーム１３側へ移動する。副アーム３２が限界位置に到達すると動作完了となり停止する。作業者は機体を保持したまま左右の副輪３０の間に柱体を通り抜けさせて取外し完了となる。

本実施例において、締付けの際、副輪３０が柱体から受ける反力により主フレーム１０またはレール１２がたわみ、形状を保てない場合には、図８ａ及び図８ｂに示すように、副フレーム１３１と副フレーム１３２に架する補強フレーム６０及び受座６２を装着してたわみを防止することが可能である。

受座６２は副フレーム１３２に固定されている。補強フレーム６０は回転軸６１を中心に回転可能で、巻ばね（図示しない）によって、常時閉塞状態（図８ａ）となる。補強フレーム６０端はワイヤー６５を介してトリガー６３とつながっており、柱体への取付けの際には、作業者はグリップ１６から指の届くトリガー６３を引くことで、グリップから手を離すことなく補強フレーム６０を開放可能である。

機体を枝打ち機として利用する場合、図９に示すように、主フレーム１０の上にチェーンソー８１を樹幹２００に沿うように直立させて搭載する。チェーンソー８１は筐体８２を介してフレーム１０に固定される。枝打ちの際、モーター８０によりチェーンソー８１を駆動させながら、機体を旋回させて枝２０１を切り落とす。

［第２の実施例］
以下、本発明の第２実施例について、図面を参照して説明する。図１０は柱体昇降機を示す斜視図である。主輪３２０と４つの副輪３３０を備え、柱体を３方向から締付けながら昇降する。副輪３３０は、フォーク３３１を介して副アーム３３２に支持される。副アーム３３２は主フレーム３１０に固定されたレール３１２上を可動で、レール３１２と平行に配された台形ねじ３４５に取り付いており、台形ねじ３４５の駆動により副アーム３３２は移動する。

図１１に柱体取付け時の平面図を示す。主輪３２０及び副輪３３０は柱体１００外周を三等分する位置で接するようにそれぞれ配置される。レール３１２は、主輪３２０と柱体１００との接点と、柱体１００中心とを結ぶ直線に対し左右３０度の方向に配置される。しかしながら、機体が対象とする柱体直径が限定される場合には、後述する機体の姿勢保持及び昇降動作を安定的に行える範囲において、副輪３３０の移動方向の、主輪３２０と柱体１００中心とを結ぶ直線に対する角度は、前記左右３０度から逸脱してもよく、主輪３２０及び副輪３３０が柱体１００外周と接する位置は前記三等分から逸脱してもよい。

図１２は図１１におけるＢ－Ｂ断面図である（柱体１００は図示しない）。主輪３２０はフォーク３２１を介して主アーム３２２に支持され、主アーム３２２は、２本のレール３１１によって柱体１００に対して進退可能にして、主フレーム３１０に取付けられている。主アーム３２２は圧縮ばね３２３で押圧されている。センサー３２４は主フレーム３１０に固定され、圧縮ばね３２３の変位を測定できる。

図１３に副アーム位置を制御する駆動系を示す。２本の台形ねじ３４５は傘歯車３４３と回転軸３４４を介し、同一の駆動軸３４２で連結されている。平歯車３４１を介して駆動軸３４２を回転させるモーター３４０の動作によって、台形ねじ３４５が回転される。モーター３４０はマウント３１４に固定され、マウント３１４は主フレーム３１０に固定されている。モーター３４０が回転すると副アーム３３２は左右対称に移動する。

機体の柱体への取付けは、左右の副アーム３３２を副フレーム３１３側へ寄せた状態で始める。作業者は左右のグリップ３１６及びグリップ３１７を把持して機体を保持しながら、柱体１００を左右の副輪３３０の間に通して主輪３２０に当て、手元のボタン（図示しない）で締付け制御を開始させる。すると、モーター３４０が動作し、副アーム３３２は主フレーム３１０側へ移動する。やがて副輪３０が柱体１００に接すると、主輪３２０が押され圧縮ばね３２３が圧縮し始める。圧縮ばね変位を計測するセンサー３２４の計測値が規定値に達すると締付け完了となる。規定値は、主輪３２０及び副輪３３０と柱体との接点を結ぶ三角形が正三角形となる位置に設定されている。締付け完了後も締付け制御は継続され、後述する昇降動作の過程で柱体径が変化してセンサー３２４の計測値が規定値を外れると、再び規定値に到達するようモーター３４０が動作する。

前記締付け完了時、各車輪は柱体外周を三等分する位置で接している。その原理について図１４を用いて説明する。柱体と各車輪との接点を結ぶ三角形が正三角形となる時、主輪と柱体中心とを結ぶ直線に対し、左右３０度の方向に副輪が左右対称に直線移動する場合、各車輪の接点を結ぶ形状は前記正三角形の相似形となる。したがって、各車輪は、柱体外周をその径にかかわらず三等分する位置で接することとなる。

前記締付け完了時、図１５に示すように、上下の副輪３３０と、その中間の高さに位置する主輪３２０で柱体を挟むことにより、機体は傾くことなく柱体に沿った姿勢を保つ。本実施例における、１つの主輪及び上下２つの副輪は、機体の姿勢を保つ最小の構成であって、例えば、副輪が上下に３つ以上あっても、また主輪が上下に２つ以上あってもよい。

前記締付け完了時、副アーム３３２は柱体から反力を受けるが、その反力によって副アーム３３２が移動しないよう、リード角の小さい台形ねじを用いることで、機体は姿勢を維持するために電気エネルギーを消費しない。同様の効果が得られる機構であれば、台形ねじのリード角は大きくてもよく、また、台形ねじの代わりにチェーンを用いてもよい。

図１６に副アーム位置を制御する駆動系の別例を示す。軸方向の荷重によって回転してしまうほどにリード角の大きな２本の台形ねじ３５０は、各歯車と回転軸３４９を介し、同一の駆動軸３４６で連結されている。駆動軸３４６とその両端の回転軸３４９は、ウォーム３４７及びウォームホイール３４８を介して接続され、駆動軸３４６は回転軸３４９を回転できるが、回転軸３４９側からは駆動軸３４６を回転できない構造となっている。すなわち、平歯車３４１を介して駆動軸３４６を回転させるモーター３４０の動作によってのみ、台形ねじ３５０が回転される。

また、本実施例では、２本の台形ねじ３４５を連結させ、１つのモーター３４０で駆動しているが、図１７に示すように、各台形ねじ３４５を独立させ、個別にモーター３５１で駆動してもよい。モーター５１は副フレーム５２に取付けられており、モーター５１はそれぞれ接合された台形ねじ３４５を回転させる。この場合、２つのモーター３５１は同期して動作するように制御する。

主輪３２０及び副輪３３０それぞれについて、その接点と柱体中心軸を結ぶ垂線を軸にしてフォーク３２１、３３１は回転可能であり、各回転軸はサーボモーター３２６により任意の角度に制御できる。

主輪３２０はモーター３２５を備えた能動輪である。圧縮ばね３２３により、各車輪には柱体１００に対し接圧がかかるため、主輪３２０を正転させれば機体は上昇、逆転させれば下降する。各サーボモーター３２６を同一角度となるよう同期して動作させることで、機体は進行方向を変えられる。よって、モーター３２５及び各サーボモーター３２６の動作を、リモコン（図示しない）による無線通信により操作可能にしておくことで、作業者は、機体を柱体１００に沿って直線状にも螺旋状にも自在に昇降させられる。モーター３２５は主輪３２０に限らず、副輪３３０に備えさせてもよく、また複数であってもよい。また、機体の昇降動作について、リモコンを用いた作業者による手動操作の他、動作内容を予め設定して、機体に自動で昇降動作をさせてもよい。動作内容の設定については、リモコンを介して行う他、機体に操作パネルを備え付けて行ってもよい。

締付け制御中は、センサー３２４の値が目標値に近づくようモーター３４０が制御されるため、機体の昇降に際し柱体径が変化しても、主輪３２０と副輪３３０が柱体外周を略三等分する位置関係、および圧縮ばね３２３による各車輪の接圧は適正に維持され、機体は柱体１００に沿った好適な姿勢を維持しながら昇降可能である。

機体を柱体から取外す際、作業者はグリップ３１６及びグリップ３１７を把持し、手元のボタン（図示しない）で開放動作を開始させる。すると副アーム３３２は副フレーム３１３側へ移動する。副アーム３３２が限界位置に到達すると動作完了となり停止する。作業者は機体を保持したまま左右の副輪３３０の間に柱体を通り抜けさせて取外し完了となる。

本実施例において、締付けの際、副輪３３０が柱体から受ける反力により主フレーム３１０またはレール３１２がたわみ、形状を保てない場合には、図１８ａ及び図１８ｂに示すように、副フレーム３６１と副フレーム３６２に架する補強フレーム３６０を装着してたわみを防止することが可能である。

補強フレーム３６０は副フレーム３６１に回転軸を備えて開閉可能であり、ベルト３６５はトリガー３６３と補強フレーム３６０端を接続し、前記回転軸を周回して引張ばね３６６につながっている。引張ばね３６６の復元力により補強フレーム３６０には左回りの力が発生するため、常時は閉塞状態（図１８ａ）となる。トリガー３６３はグリップ３１６から指の届く位置にあり、トリガー３６３を引くと補強フレーム３６０が開放される（図１８ｂ）。すなわち、柱体への取付けの際に、作業者はグリップから手を離すことなく補強フレーム３６０を開閉可能となる。

補強フレーム３６０は、締付け動作中は開放されてはならないため、副フレーム３６２には解施錠機構が備わっている。図１９ａ及び図１９ｂにその構造を示す（副フレーム３６２は図示しない）。解錠ピン３６７と施錠ピン３６８には歯が付いており、平歯車３６９を介して連結されている。図１９ａは施錠時を示すが、補助フレーム３６０の先端の穴に施錠ピン３６８が通ることで、補助フレーム３６０は施錠され開放されなくなる。図１９ｂのように解錠ピン３６７が押されると、施錠ピン３６８が引き上げられ、補助フレーム３６０は開放可能となる。すなわち、取付け、取り外し時には副アーム３３２は副フレーム３６２に接近して解錠ピン３６７を押すため解錠され、補助フレーム３６０は開閉自由となる。一方、締め付け動作時には副アーム３３２は解錠ピン３６７から離れ、圧縮ばね３７０の復元力によって施錠ピン３６８が下ろされ、補助フレーム３６０は施錠される。本実施例では、副アーム３３２の移動を解施錠に利用しているが、この他にも、例えば、グリップ１７側にもトリガーを設け、解錠ピン３６７をワイヤー等を介して前記トリガーまで接続し、左手で解錠可能にしもよい。もしくは、施錠ピン３６８をソレノイドやモーター等のアクチュエーターを用いて電気的に動作可能にして、締付け動作時は施錠し、取付け、取り外し時は解錠する制御回路を設けてもよい。

本発明の応用例として、図２０に示すように、主フレーム３１０の上にチェーンソー３８１を樹幹２００に沿うように直立させて搭載することで、機体を枝打ち機として利用できる。チェーンソー３８１は筐体３８２を介してフレーム３１０に固定される。枝打ちの際、モーター３８０によりチェーンソー３８１を駆動させながら、機体を旋回させて枝２０１を切り落とす。この他にも、カメラを取付けて撮影機として、また各種センサーを取付けて柱体の検査機として本発明を利用可能である。

本発明にかかる柱体昇降機の第１の実施例の斜視図である。第１の実施例における柱体昇降機の、柱体取付け時の平面図である。図２におけるＡ－Ａ断面図である（柱体１００は図示しない）。第１の実施例における、副アーム位置を制御する駆動系の説明図である。車輪の柱体外周三等分配置を説明する模式図である。柱体昇降機が柱体に沿った姿勢を保つ原理を説明する模式図である。第１の実施例における、副アーム位置を２つのモーターで制御する仕様の斜視図である。第１の実施例における柱体昇降機に補強フレームを追加した平面図であり、図８ａは閉塞時、図８ｂは開放時を示す。第１の実施例における柱体昇降機にチェーンソーを搭載して枝打ち機とした例の斜視図である。本発明にかかる柱体昇降機の第２の実施例の斜視図である。第２の実施例における柱体昇降機の、柱体取付け時の平面図である。図１１におけるＢ－Ｂ断面図である（柱体１００は図示しない）。第２の実施例における、副アーム位置を制御する駆動系の説明図である。車輪の柱体外周三等分配置を説明する模式図である。柱体昇降機が柱体に沿った姿勢を保つ原理を説明する模式図である。第２の実施例における、副アーム位置を制御する駆動系の別例の説明図である。第２の実施例における、副アーム位置を２つのモーターで制御する仕様の斜視図である。第２の実施例における柱体昇降機に補強フレームを追加した平面図であり、図１８ａは閉塞時、図１８ｂは開放時を示す。補強フレームの解施錠機構の斜視図であり（副フレーム３６２は図示しない）、図１９ａは施錠時、図１９ｂは解錠時を示す。第２の実施例における柱体昇降機にチェーンソーを搭載して枝打ち機とした例の斜視図である。

１０主フレーム
１１レール
１２レール
１３副フレーム
１４マウント
１６グリップ
２０主輪
２１フォーク
２２主アーム
２３圧縮ばね
２４センサー
２５モーター
３０副輪
３１フォーク
３２副アーム
４０モーター
４１平歯車
４２駆動軸
４３ウォーム
４４ウォームホイール
４５回転軸
４６傘歯車
４７すべりねじ
５０サーボモーター
６０補強フレーム
６１回転軸
６２受座
６３トリガー
６４トリガーフレーム
６５ワイヤー
７０モーター
７１ウォーム
７２ウォームホイール
７３副フレーム
８０モーター
８１チェーンソー
８２筐体
１００柱体
１３１副フレーム
１３２副フレーム
２００樹幹
２０１枝
３１０主フレーム
３１１レール
３１２レール
３１３副フレーム
３１４マウント
３１５バッテリー
３１６グリップ
３１７グリップ
３２０主輪
３２１フォーク
３２２主アーム
３２３圧縮ばね
３２４センサー
３２５モーター
３２６サーボモーター
３３０副輪
３３１フォーク
３３２副アーム
３４０モーター
３４１平歯車
３４２駆動軸
３４３傘歯車
３４４回転軸
３４５台形ねじ
３４６駆動軸
３４７ウォーム
３４８ウォームホイール
３４９回転軸
３５０台形ねじ
３５１モーター
３５２副フレーム
３６０補強フレーム
３６１副フレーム
３６２副フレーム
３６３トリガー
３６４トリガーフレーム
３６５ベルト
３６６引張ばね
３６７解錠ピン
３６８施錠ピン
３６９平歯車
３７０圧縮ばね
３７１台座
３８０モーター
３８１チェーンソー
３８２筐体

Claims

柱体を軸方向から見る平面視において、柱体外周を略三等分する位置で接するように車輪を複数配し、前記略三等分の一方に配するものを主輪、他二方に配するものを副輪とし、柱体中心と主輪の柱体接点とを結ぶ直線に対し左右略３０度の方向に配されるレールが、主輪を支持する主フレームに固定され、副輪を支持する副アームは前記レール上をねじの駆動により可動で、副アームは対向する他方の副アームと同期して、主フレームに接近あるいは離反する機構と、前記ねじを駆動するモーターを備える柱体昇降機。
請求項１に記載の柱体昇降機において、前記副輪を上下に複数備え、前記主輪及び副輪で柱体を挟むことにより、柱体に沿った機体の姿勢を保つ柱体昇降機。
請求項１または請求項２に記載の柱体昇降機において、前記主輪は柱体半径方向に進退可能に前記主フレームに支持され、柱体中心に向かって前記主輪を加圧するばねと、前記ばねの変位を測定するセンサーを備え、前記センサーの計測値を規定値になるように前記モーターを制御する柱体昇降機。
請求項３に記載の柱体昇降機において、作業者が把持して機体を保持するためのグリップと、前記モーターの制御を操作するボタンを備える柱体昇降機。
請求項１から請求項４のいずれかに記載の柱体昇降機において、前記主輪及び副輪に操舵機構を備える柱体昇降機。
請求項１から請求項５のいずれかに記載の柱体昇降機において、左右の前記レールの前記主フレームとは反対側の末端同士を架する、開閉可能な補強フレームと、作業者が把持して機体を保持するためのグリップと、前記グリップを把持しながら前記補強フレームを開閉するトリガーを備える柱体昇降機。
請求項１から請求項６のいずれかに記載の柱体昇降機において、前記柱体は立木の幹であって、前記立木の枝打ちを行う切断手段が設けられていることを特徴とする柱体昇降機。