(57)【要約】【課題】細りのある（外径が変化する）円筒形状の柱に対して、自重を利用して昇降する柱体昇降機の姿勢調整に関して、上下の能動車輪を円筒中心方向・反方向に移動させるアーム機構を有する円筒昇降ロボットは、不静定問題が生じうる。【解決手段】上下の能動車輪に姿勢角度に応じた速度差を設けて動かし、これによる姿勢変化を生じさせ、同時に上下のアーム駆動を行うことを特徴とする。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
柱体を挟む反対側において上下方向に異なる位置で前記柱体の外周面に当接する上下の能動車輪を有し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、
前記能動車輪は少なくとも一方が二輪以上で構成されるとともに、上下に少なくとも一輪の能動車輪を配し、
前記柱体の径方向外側に配置される機枠と、
前記機枠に固定される上下の能動車輪の支持装置と、を備え、
前記支持装置の少なくとも一方が支持アームを介して車輪を支持することにより、柱体の外周径の大きさに応じて前記支持アームが車輪を前記柱体の外周面に当接させるように動作し、
前記支持アームの動作の際に、上下の車輪それぞれの上方向への動作速度に差を設けることを特徴とする柱体昇降機。
【請求項２】
前記速度差が、下側の車輪の目標速度をＶ２ｄと、上側の車輪の目標速度Ｖ１ｄが以下の関係式（１）で表されることを特徴とする請求項１に記載の柱体昇降機。
【数１】
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（θは機体のｙ軸回りの角度、θｍａｘは機構構造できまる機体のｙ軸回りの角度の許容する最大値、αは設定する減速係数である。）
【請求項３】
前記支持アームが二輪一組の車輪を支持する左右一対の支持アームであって、前記二輪をそれぞれ支持することにより該二輪を周方向に離間した位置において前記柱体の外周面に当接させるとともに、前記外周面に当接する前記二輪の軌跡が前記柱体の中心軸で交差するように前記各支持アームを左右対称に同期して動作させることを特徴とする請求項１又は２に記載の柱体昇降機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、柱体昇降機に係り、特には樹木に沿って昇降動作して枝打ち作業などを行うロボットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
日本は森林面積２５００万ヘクタール、森林蓄積５０億立方メートル弱で世界でもトップクラスを誇る有数の森林国である。しかし現在、日本の森林は充分な手入れがなされないまま放置されている状況にある。林業の就業者はおよそ７万人であるが、６５歳以上の就業者は２万人を越え（林野庁平成２８年版森林・林業白書より）、高齢化が顕著である。
【０００３】
その原因は、「安い外材の輸入」、「賃金水準が高くない」、「地形が急峻な上に、森林の所有規模が小さく分散的」なことなどがあげられ、日本では林業で生活することはできないと思い込まれている。しかし、木材を加工・利用する産業はすそ野が広く、農業と同様に林業は地方再生の切り札となり得る。
【０００４】
高齢者に限ったことではないが森林を手入れするには、機械化を進めることが肝要である。特に、高所での作業となる枝打ちは、作業者の安全確保と木材の品質維持・向上のために必須であり、種々の提案がなされている。
【０００５】
従来の枝打ち機として、特許文献１に開示されたものがある。この枝打ち機は主輪と副輪とで幹を抱き締める枝打ち機において、幹径が変化しても、常に一定の抱き締め力を発揮し、幹の凹凸等に対して敏感に応答する機能を有している。しかし、主輪と副輪を幹の外周面に押し付けるために高応答性弾性材及び小ばね定数大弾発力弾性材を使用しているので、幹に対して枝打ち機を装着する際に、手動でアームに大きな力を働かせる必要があり、操作性に課題があった。また弾性材に耐えるフレームや、開閉アームを使用することで重量化するため、可搬性を考慮する余地もある。
【０００６】
本発明の発明者は、当該分野においてこれまでに幾つかの提案を行っている。例えば、枝噛みの発生を防止して効率的に作業を行う装置として、枝の切断面間に挿入可能な厚みを備えた挿入部を備え、挿入部が切断中の枝の切断面間に挟まれた状態の下でチェーンソーの切断動作が可能にされた枝噛み防止部材を有するもの（特許文献２）、チェーンソーの刃幅よりも幅が狭い枝打ち方向側の端部を備え、樹幹の周面に沿って円弧状の軌跡を描いて移動自在に支持された枝噛み防止部材を有するもの（特許文献３）などがある。
【０００７】
また、枝打ち装置の姿勢維持、樹幹に対する固定手段に関する提案としては、回転軸の上部と下部に駆動輪を装着して、下部駆動輪の外側に重量中心を設定することにより、強い力で押し付けるための付勢機構を不要とし、部品点数を低減して軽量化したもの（特許文献４）、単数又は一対の揺動部材を柱体の外周面へ接近離間移動可能に、かつ環状機枠に対して揺動自在に支持され、樹幹の断面形状が変化した際に、揺動部材の両端に設けられた車輪が同時に柱体の外周面に強く押し付けて接触でき、安定して昇降ができるようにしたもの（特許文献５）。上下一対の車輪支持装置が、左右一対の支持アームを有して二つの車輪を独立に支持することにより各車輪を周方向に離間した位置において柱体の外周面に当接させ、各車輪の軌跡が柱体の軸中心で交差するように各支持アームを左右対称に同期して動作させるもの（特許文献６）などがある。
【０００８】
その他、バネによる抱き込み型の昇降機構において、姿勢調整のため各能動輪の速度を制御しているもの（非特許文献１）、自重を利用して昇降できるロボットであって、機体姿勢を調整するために下部のアームは目標姿勢角度を０とするＰＩＤ制御、上部のアームは下部の姿勢角度を目標とするＰＩＤ制御をするアーム機構の設計法に関するもの（非特許文献２）、自重を利用して昇降できるロボットにおいて，機体の姿勢調整法として、押し付け力が増大したとき、アームを駆動して能動車輪間の距離を広げて押し付け力を低減し，再度アームにより姿勢調整を行うもの（非特許文献３）などがある。
【０００９】
しかし、前記する各種方法、特に自重を利用した昇降ロボットにおいて不静定問題に対処できる方法が明確に示されてはいない。不静定問題とは、接触点（支点）での力とモーメントがつり合い式だけで解析できない問題を表す。一般に、静定な構造と比較して、不静定な構造は、力学的に安定性が高く、部材や反力が１つ、場合によっては２つ以上減っても不安定にならない。なお、自重を利用しない抱き込み型の昇降ロボットでは、不静定問題は生じないが、故障時に機体を降ろすことが原理的に容易ではないという課題（それに対して、自重を利用した昇降ロボットでは、故障時に機体を降ろすことが容易である）がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０００−２９５９３１号公報
【特許文献２】特開２００９−２６１３７５号公報
【特許文献３】特開２０１１−１６７１２７号公報
【特許文献４】特開２００８−２５３１１６号公報
【特許文献５】特開２０１１−９２０９０号公報
【特許文献６】特開２０１３−１６９１８９号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】[1] H. Shokripour, et. al., Development of an automatic  cutting  system  for  harvesting  oil  palm  fresh  fruit  bunch  (FFB),  Afurican  Journal  of  Agricultural Research，Vol. 7(17), pp.2683-2688, 2012
【非特許文献２】[6] Y. Ishigure et al., Climbing Robot Equipped With A Postural Adjustment Mechanism For Conical Poles, Proc. of 16th International Conference on Climbing and Walking Robots and the Support Technologies for Mobile Machines (CLAWAR 2013), Sydney, 2013.
【非特許文献３】H. Kawasaki et al.,  Postural Adjustment Control of a Climbing Robot Having Statically Indeterminate Structure, Proc. of the 2015 IEEE Multi-Conference on Systems and Control (MSC 2015), Sydney, 21-23 September,  pp. 1154-1159, 2015
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
自重を利用して柱体外周面に当接し、上下にそれぞれ２つの能動車輪を有する昇降機において、細りのある柱体を昇降する場合には機体の姿勢が変化する。この姿勢を一定の範囲に保つ姿勢調整について、能動車輪を円筒中心方向に動かすアーム機構で柱体外径に応じて能動車輪を変位させる機体姿勢調整では、４つの車輪と樹表面での3次元接触力が１２要素あり、機体に作用する力とモーメントの６つの釣り合い式から解析できない不静定問題を抱えている。このため、能動車輪を柱体に押し付けて姿勢調整をしようとしても、押し付け力のみが増加して姿勢調整が十分にできないことが生じるため、この課題を解決する手段が求められているのである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記目的を達成するために、本発明では、アーム機構の駆動と同時に上下の能動車輪に対して、機体の姿勢角度に応じた速度差を設けて駆動させることを特徴とする。
【００１４】
より具体的な構成として、柱体を挟む反対側において上下方向に異なる位置で前記柱体の外周面に当接する上下の能動車輪を有して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、前記能動車輪は少なくとも一方が二輪以上で構成されるとともに、上下に少なくとも一輪の能動車輪を配し、前記柱体の径方向外側に配置される機枠と、前記機枠に固定される上下の能動車輪の支持装置とを備え、前記支持装置の少なくとも一方が支持アームを介して車輪を支持することにより、柱体の外周径の大きさに応じて前記支持アームが車輪を前記柱体の外周面に当接させるように動作し、前記支持アームの動作時に、上下の車輪それぞれの上方向への動作速度に差を設けたのである。
【００１５】
前記支持アームを柱体の軸方向に動かすと、機体の姿勢が調整されるのであるが、姿勢制御がなされることなく押し付け力のみが増大してしまうことがあった。そこで、上下の能動車輪の目標速度に速度差を設けることにより、この押し付け力だけが増大することを回避して、正確な姿勢制御を行うことができるようにしたのである。
【００１６】
また、前記支持アームが二輪一組の車輪を支持する左右一対の支持アームであって、前記二輪をそれぞれ支持することにより該二輪を周方向に離間した位置において前記柱体の外周面に当接させるとともに、前記外周面に当接する前記二輪の軌跡が前記柱体の中心軸で交差するように前記各支持アームを左右対称に同期して動作させることを特徴としている。上側と下側の車輪をそれぞれ二輪一組で構成して柱体に対する当接時の安定性を向上させると共に、各支持アームの動作時における車輪と柱体との接点の軌跡が前記柱体の中心軸に向くようにして、各車輪の当接力を均等に維持することができるようにした。
【００１７】
前記速度差は、下側の車輪の目標速度をＶ２ｄと、上側の車輪の目標速度Ｖ１ｄが以下の関係式（１）で表されることを特徴とする。
【００１８】
【数１】
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【００１９】
式（１）において、θは機体のｙ軸回りの角度、θｍａｘは機構構造できまる機体のｙ軸回りの角度の許容する最大値、αは設定する減速係数である。なお、ｘ、ｙ、ｚの各軸については図１に示す通りであり、ｙ軸とは前記機枠を含む仮想平面が柱体の中心軸（ｚ軸）と直交する水平面上の軸である。ｙ軸回りの機体姿勢角度が大きい程、上側の能動車輪の目標速度は大きな減速となるように設定している。この速度差により、機体はｙ軸回りに回転し、水平方向の上下の車輪間距離が広くなり、アームによる押し付け力が低減し、アームが動きやすくなる。能動車輪が柱体外周面との接触を保てるように、アームの応答性を考慮してαを設定する。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の柱体昇降機は、自重を利用して柱体に対する上下方向の相対位置を保持するものであり、従来の高応答性弾性材や圧力調整機構等のような能動的に締め付け力を発生させる構成を無くすことによって、機体の小型化及び軽量化が図られ、柱体に対して取り付けが容易な機構とすることができる。
【００２１】
また、上下の能動車輪に上昇速度の差を設けることにより、柱体に対する機体の傾きを修正する際の補助を行うので、単にアームの動きだけで調整するよりも迅速にかつ確実に姿勢制御を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、本発明の柱体昇降機の一例示す斜視図である。
【図２】図２は、車輪支持装置の一例を示す斜視図である。
【図３】図３は、（ａ）樹幹（柱体）に取り付けられた柱体昇降機を模式的に示す平面図、（ｂ）同じく模式的に示す側面図である。
【図４】図４は、機体姿勢の調整方法を模式的に示す図である。
【図５】図５は、各支持アームの動作及び各車輪の軌跡を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明による柱体昇降機は、自重を利用して柱体に対する機体の上下方向の相対位置を保持するものである。以下、図面に従って具体的に説明する。
【００２４】
図１には本発明を具体化した第一の実施形態が示されている。図に示すように、本発明の柱体昇降機１は主として枝打ちを目的とし、樹幹を柱体として昇降動作する。昇降機本体２の一部に、樹幹から延びる枝を切断可能な切断装置として電動チェーンソー３を備えている。
【００２５】
柱体昇降機１は、略円環状の機枠４と、この機枠４に固定された一対の車輪支持装置５とを備えている。これらの車輪支持装置５が支持するそれぞれ２個の車輪７を柱体の外周面に当接させることにより、機体の上下方向の相対位置を保持し、柱体を昇降することが可能となっている。
【００２６】
図１に示される例では上下の車輪が二輪で一組を構成しているが、一方が一輪であっても良い。また二輪以上で構成されている場合には、その内の少なくとも一輪が能動車輪であれば良い。上方向への動作速度に差を設けることができれば良いからである。能動車輪を各一輪に限定することで、装置全体の軽量化・低コスト化が実現できる。また、全輪を能動車輪とすることで、柱体表面に凹凸があるような場合にも上昇・下降に伴う車輪の動きを個別に制御することができるので、正確な姿勢制御を可能とし、不具合が発生したときでもより適切な対応ができうる。
【００２７】
図３（ａ）に示すように、機枠４は、柱体としての樹幹１０を取り囲むように同樹幹１０の径方向外側に配置される。機枠４には、ジョイント部１３及び関節部１４が設けられている。柱体昇降機１を樹幹１０に取り付ける際には、このジョイント部１３を外して操作することにより、その機枠４の閉じた環を開くことが可能となっている。この開閉に関して、関節部にバネ等により軽く付勢力を働かせて、樹幹１０に対して固定する操作を容易にすることも可能である。
【００２８】
各車輪支持装置５は、ｙ軸を対象軸として相対する位置に固定されている。一方の車輪支持装置５Ａは、その支持する車輪７ａを樹幹１０の上下方向において機枠４よりも（図３（ｂ）において）上側に当接させるように構成され、他方の車輪支持装置５Ｂは、その支持する車輪７ｂを機枠４よりも（図３（ｂ）において）下側に当接させる。また、柱体昇降機２の重心が車輪支持装置５Ｂ側における下側の車輪７ｂよりも径方向外側になるように設計されている。
【００２９】
このような構成とすることで、樹幹１０を挟んでそれぞれ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、機体の自重に基づいてこれら各車輪を樹幹に押し付ける力Ｆ１、Ｆ２が発生する。柱体昇降機は、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間に樹幹を挟み込むことにより、その自重によって樹幹に対する上下方向の相対位置を重力方向に沿う摩擦力ｆ１、ｆ２で保持することが可能となっている。なお、押し付け力と重力方向に沿う摩擦力に直交する方向の力は、樹表面の凹凸により生じることはあるが、滑らかな樹表面ではゼロであるため、図３（ｂ）では表示していない。
【００３０】
図２には車輪支持装置５の一方について詳細な例が示されている。車輪支持装置５は、機枠４に固定される基部１５と、この基部１５から延びる左右一対の支持アーム１６（１６Ｌ、１６Ｒ）とを備えている。また、各支持アーム１６の先端には、それぞれ車輪７（７Ｌ、７Ｒ）を支持可能な車輪支持部１７が設けられている。各車輪支持装置５（５Ａ、５Ｂ）は、これらの各支持アームが支持する二つの車輪を、樹幹の外周面に当接させる構成になっている。
【００３１】
図１には、左右一対の支持アームが示されているが、少なくとも一方がアームで他方は固定された構成であっても良い。姿勢制御の際にはアームにより機枠が柱体表面から離れる方向若しくは近づく方向のどちらかの動きができれば良いため、柱体を挟んで一方を動かせば、他方は相対的に反対方向に動くことになるからである。なお、アームはリンク構造でなくても車輪を柱体表面に常に当接する方向に作用するバネ等の簡易な機構で代用しても良い。
【００３２】
図２の各支持アーム１６は、基端側に回動中心となる関節Ｊ１、Ｊ２を有して基部１５に連結された第１リンク２１及び第２リンク２２と、前記各リンクの他端側に第３リンク２３に連結された関節Ｊ３、Ｊ４を有している。第３リンクの樹幹側の端部には、車輪支持部１７が接続されている。このような四節リンクを用いて各支持アームが形成され、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）を調整することにより先端に支持された各車輪が、支持アームの動作に基づいて、それぞれ樹幹１０の軸中心Ｐ０に向かって移動するように構成されている。
【００３３】
図５には各支持アームの動作及び各車輪の軌跡が示されている。樹径変化により生ずる機体の傾きは、周方向に離間した位置で樹幹１０の外周面１０ａに当接する左右の車輪の各当接点Ｐ１、Ｐ２の中間点Ｐ３と樹幹の軸中心Ｐ０とを結ぶ直線Ｎに沿ったものとなる。そしてこの各車輪の移動の軌跡（図中二点鎖線で示す）が、軸中心で交差するように各支持アームが左右対称に同期して動作させられることで、接触状態が安定する。
【００３４】
前記動作について詳述する。図２に示すように、各支持アームを構成する第１リンク２１の基端には、その回動中心となる関節Ｊ１に対応したピッチ円中心を有するギヤ部としてのセクターギヤ３６が形成されている。また、アームアクチュエータ３５は、各支持アームの基端にそれぞれ形成された二つのセクターギヤ３６に対して同時に歯合する駆動ギヤとしてのウォームギヤ３７を備えている。
【００３５】
そして、各車輪支持装置５の基部１５には、駆動源としてのモータ３８が固定され、アームアクチュエータ３５はモータ３８の出力を平歯車３９ａ、３９ｂを介してウォームギヤ３７の回転に接続することにより、モータの回転を左右の支持アームに対して同時に伝達する。このモータの回転に基づいて、各支持アームの第１リンクを回動させることにより、図５に示すように、その先端に設けられた各車輪が同期して樹幹の軸中心に向かうように動作させることが可能になっている。
【００３６】
このように各車輪が樹径変化に依らず樹幹の軸中心に向かうようにすることで、各車輪の転動方向と樹幹の軸線方向（上下方向）との間にずれが生ずることによる姿勢の乱れを抑制する。
【００３７】
また、ウォームギヤ３７は、その歯合するセクターギヤ側からの逆入力回転を伝達しないように設計されている。これによって、モータトルクを要することなく、各支持アームの動作位置を保持することが可能となっている。
【００３８】
さらに、各支持アームの先端に設けられた車軸支持部１７には、モータ４１を駆動源として各車輪７を回転駆動する駆動アクチュエータ４２、およびモータを駆動源として樹幹の外周面に当接する各車輪の舵角を変更可能な操舵アクチュエータ４４が設けられている。これにより、各車輪支持装置に支持された各車輪が、駆動輪及び操舵輪としての機能を備えた能動車輪を構成するようになっている。
【００３９】
また、機枠４には、各車輪支持装置５に設けられたアームアクチュエータ３５、駆動アクチュエータ４２及び操舵アクチュエータ４４の制御回路（図示しない）や、駆動電源（バッテリー）等が収容された制御ボックス４５が固定されている。この制御ボックスは、下側の車輪支持装置５Ｂの径方向外側において、前記支持装置よりも下方に配置されている。この配置により、機体の自重が上下の車輪によって常に樹幹中心に向けて作用させられるようになっている。
【００４０】
一方、機枠４には枝打ちのための電動チェーンソー３が固定されている。電動チェーンソー３は、駆動源となるモータを収容するモータボックス５１と、平板状に形成されたガイドバー５２と、モータ駆動によりガイドバー５２の外周を回転動作するチェーン刃５３とを備えている。電動チェーンソーはガイドバーが樹幹の外周面に対向するように（樹幹の円周に対する接線方向に並行するように）配置されている。
【００４１】
本発明の柱体昇降機は、前記駆動アクチュエータ及び操舵アクチュエータを作動させることにより、各車輪支持装置が支持する車輪を能動車輪として樹幹の外周面を走行する態様で昇降動作することが可能である。その走行モードとしては、樹幹に対して機体を回転させることなく昇降する直動走行モードと、樹幹を中心に旋回しつつ昇降する旋回昇降モードとを備えている。そして枝打ち作業を行う際、走行モードを旋回昇降モードに切り替えることにより、機体と一体に旋回する電動チェーンソー３によって、チェーン刃に接触する枝を切断することとなる。
【００４２】
次に、上記構成の柱体昇降機の姿勢制御について説明する。
【００４３】
姿勢制御のうちアームの動作については基本的に先行文献（特許文献６）と同様であり、まずその内容について重複することとなるが以下に再録する。
【００４４】
各車輪支持装置５に設けられたアームアクチュエータ３５のモータ３８は、制御ボックス４５内に収容された制御回路に接続されている。そして、各アームアクチュエータは、制御回路がモータに供給する駆動電力に基づいて作動する。
【００４５】
詳述すると、制御回路は、各モータに設けられた回転センサの出力信号に基づいて、下側の車輪支持装置におけるモータ角ｑ１、及び上側の車輪支持装置におけるモータ角ｑ２を検出する。また、制御回路には、傾斜角度（姿勢角度）センサが接続されており、姿勢角度検出手段としての制御回路は、この傾斜角度センサの出力信号に基づいて、機体の傾きを示す姿勢角度（傾斜角度）θを検出する。尚、傾斜角度センサとしては、例えば、周知のジャイロセンサ等を利用することができる。そして、制御回路は、機体の姿勢を維持すべく、その検出される姿勢角度θに基づいて、各車輪支持装置に設けられた各アームアクチュエータの作動、即ち当該各アームアクチュエータにより駆動される各支持アームの動作位置（ε２、ε１）を制御する。
【００４６】
図５に示すように樹幹１０の直径（樹径）が変化する場合、その樹径の変化に合わせて、上側（の車輪支持装置５Ａ）の各支持アーム１６及び下側（の車輪支持装置５Ｂ）の各支持アーム１６の動作位置を変化させることにより、機体の姿勢を維持することができる。そして、制御回路は、その検出される姿勢角度θを目標姿勢角度に追従させるべく、その各支持アームの動作位置を制御する。尚、機枠４の水平を基準とする「姿勢角度θ＝０」が目標角度となっている。
【００４７】
つまり、樹径の変化に上側（の車輪支持装置５Ａ）の各支持アーム１６及び下側（の車輪支持装置５Ｂ）の各支持アームの動作位置が対応してない場合には、機体の傾きを示す姿勢角度θが検出される。そして、その姿勢角度θが目標姿勢角度（θ＝０）になるように各支持アームの動作位置を制御することで、その機体の傾きを修正することができる。
【００４８】
さらに詳述すると、本実施形態の制御回路は、下側の車輪支持装置５Ｂに設けられた各支持アームを主アームＭＡとして、当該主アームＭＡについては、その検出される姿勢角度θと目標姿勢角度との偏差に基づくフィードバック制御演算を実行する。そして、その目標姿勢角度に検出される姿勢角度θが追従するように、その主アームＭＡの動作位置（ε１）を制御する。尚、このフィードバック制御演算は、以下の（２） 式に示されるＰＩＤ（比例・積分・微分）制御の式に基づいて行われる。
【００４９】
【数２】
2018186781.tif 000004
但し、「ｕ（ｔ）」は制御入力、「ｋＰ」「ｋＤ」「ＫＩ」は、それぞれ比例，微分，積分のフィードバックゲイン、「θｄ」「θ（ｔ）」は、目標姿勢角度と実姿勢角度である。「ｔｓ」は、積分開始時刻である。そして、添字の「ｍ」は主アーム系を示し、「ｓ」は従アーム系を示すものとする。
【００５０】
また、制御回路は、上側の車輪支持装置５Ａに設けられた各支持アームを従アームＳＡとして、当該従アームＳＡについては、下側の車輪支持装置５Ｂにおけるモータ角ｑ１と上側の車輪支持装置５Ａにおけるモータ角ｑ２との偏差に基づくフィードバック制御演算を実行する。そして、下側の車輪支持装置５Ｂにおけるモータ角ｑ１に上側の車輪支持装置５Ａにおけるモータ角ｑ２が一致するように、その従アームＳＡの動作位置（ε２）を制御する。尚、このフィードバック制御演算は、以下の（３）式に示されるＰＩＤ（比例・積分・微分）制御の式に基づいて行われる。
【００５１】
【数３】
2018186781.tif 000005
但し、「ｑ（ｔ）」は、制御要素としてのモータ角を表す。
【００５２】
即ち、下側の車輪支持装置におけるモータ角ｑ１は、主アームＭＡの動作位置（ε１）に対応する制御要素であり、上側の車輪支持装置におけるモータ角ｑ２は、従アームＳＡの動作位置（ε２）に対応する制御要素である。本実施形態では、その上側の車輪支持装置５Ａにおけるモータ角ｑ２が、下側の車輪支持装置におけるモータ角ｑ１に一致するように制御することにより、その主アームＭＡと従アームＳＡとの間に応答遅れが生じない構成となっている。そして、これにより、樹幹の軸中心と機体の軸中心とが常に略一致するようになっている。
【００５３】
さらに、制御回路は、検出される姿勢角度θが許容範囲を超える場合に、上記のような各支持アーム１６の動作位置制御を実行する。即ち、その検出される姿勢角度θが許容範囲内である場合には、各支持アーム１６の動作位置（ε２，ε１）を変更しない。そして、本実施形態では、これにより、その消費エネルギー（消費電力）の低減を図る構成となっている。尚、この省電力化制御は、主アーム系は以下の（４）〜（６）式、主アーム系は以下の（７）〜（９）式、にそれぞれ示される「場合分け」に基づいて実行される。
【００５４】
【数４】
2018186781.tif 000006
【００５５】
但し、「ｅθ１」「ｅｑ１」は許容姿勢誤差、「ｅθ２（＞ｅθ１）」「ｅｑ２（＞ｅｑ１）」は姿勢制御適用誤差である。
【００５６】
アーム機構は、一つのモータで左右のアームを駆動する構成であり、モータの動力は衛星歯車減速機構とセルフロック機能のあるウォーム減速機構を介してアームを回転させ、能動輪を柱体に押し付けることができる。本発明の柱体昇降機は、車輪と柱体の軸との距離を、アーム機構で調整するときに、４つの能動車輪が図２に示すように、柱体外表面で接触する。この接触点において、接触平面上の摩擦力と接触面の法線方向の車輪の押し付けを機体が受ける。すなわち、１点の接触点で３要素の力が変化し、４つの接触点では合計１２要素の力が変化する。
【００５７】
一方で、力とモーメントの空間における釣り合い式は６個のため、１２要素は一意に定まらない。これを不静定問題という。このため、姿勢を調整するために上下のアーム機構を円柱中心軸方向に動かすと、姿勢が変化するときもあるが、変化せず押し付け力のみ増大し、姿勢の調整が安定的に実行できない場合も生じ得た。
【００５８】
本発明では、押し付け力を増大させないようにするために、上下の能動車輪の目標速度に速度差を設け、この速度差により機体がｙ軸回りで少し傾くことで、上下の能動車輪間距離が大きくなり、押し付け力が低減してアームが動きやすくなり、姿勢調整が容易にできるようにした。
【００５９】
具体的には、下側の能動車輪の目標速度をＶ２ｄとすると、上側の能動車輪の目標速度Ｖ１ｄを以下の式で設定する。
【００６０】
【数５】
2018186781.tif 000007
【００６１】
ここで、θは機体の姿勢角度（ｙ軸回りの角度）、θｍａｘは機構構造できまる機体の姿勢角度の許容する最大値、αは設定する減速係数である。ｙ軸回りの機体姿勢角度が大きい程、上側の能動車輪の目標速度は大きな減速となるように設定している。
【００６２】
この速度差により、図４に示すように機体はｙ軸回りに回転（図４（２））し、水平方向の上下の車輪間距離が広くなり、アームによる押し付け力が低減し、アームが動きやすくなる。能動車輪が樹との接触を保てるように、アームの応答性を考慮してαを設定する。同時に、アーム機構は前述の制御を施す。下側のアーム機構は姿勢角度θの目標角度を零とする位置ＰＩＤ制御、上側のアーム機構は、上側のアーム機構の位置を目標位置とする位置ＰＩＤ制御を行う。これらの設定により、機体姿勢θに応じて、上下能動輪の速度差により機体が回転し、同時にアームが動く（図４（３））ことで、姿勢調整が大きな押し付け力を必要とすることなく実現できる。
【００６３】
なお、姿勢が目標角度に対し許容する誤差範囲に入ったときは、省電力化のためアームの姿勢調整は停止することとしている。
【００６４】
上記では、上アームを下アームに対して減速した目標速度を設定したが、下アームを上アームに対して増速した目標設定でも同様の効果が得られる。
【００６５】
次に、枝打ち制御の態様について説明する。枝打ち制御については先行文献（特許文献６）と同様である。一例として、柱体昇降機２の走行モードを直動昇降モードから旋回昇降モードに切り替えることにより、電動チェーンソー３に対する駆動電力の供給が開始されるようになっている。
【００６６】
ここで、上記制御ボックス内に収容された図示しない電動チェーンソー３の制御回路は、その電動チェーンソーに作用する外力に応じて変化するモータ負荷に基づいて、当該電動チェーンソー３が樹幹から延びる枝を切断する枝打ち状態にあるか否かを判定する。
【００６７】
具体的には、電動チェーンソー３（のチェーン刃５３）に枝が接触し、その外力よりモータ負荷が増大することで、モータ電流が上昇し、及びモータ速度が低下する。枝打ち判定手段としての電動チェーンソー３の制御回路は、これらのモータ電流及びモータ速度を、それぞれ閾値と比較することにより、そのモータ負荷の大きさ、即ち推定される外力の大きさが、枝打ち状態に対応するものであるか否かを判定する。そして、枝打ち状態にあると判定した場合には、電動チェーンソー３のモータ出力を増大させる構成となっている。
【００６８】
尚、本実施形態では、電動チェーンソー３に対する駆動電力の供給は、制御回路に設けられたドライバ（駆動回路）のオンＤｕｔｙを制御することにより行われる。そして、モータ出力の増減は、そのＤｕｔｙ制御に基づいてモータ入力電圧を変化させることにより行われる。
【００６９】
さらに、この枝打ち状態判定の結果に基づいて、機体の旋回移動速度を切り替えることができる。具体的には、枝打ち状態にあると判定された場合、上記駆動アクチュエータ４２は、その機体の旋回移動速度が遅くなるように制御される。尚、この旋回移動速度の増減は、能動車輪である各車輪７の駆動力（モータ４１の出力）を増減することにより行われる。
【００７０】
そして、これら電動チェーンソー３の出力可変制御及び機体の旋回移動速度可変制御の実行によって、その切断する枝の大小にかかわらず、円滑な切断を可能とするとともに、併せて、その消費エネルギー（消費電力）の低減を図る構成となっている。
【００７１】
枝打ち制御については従来技術を踏襲しており、本発明の主改良点ではないため、先行文献の引用に留めることとする。
【００７２】
さて、従来の上下に能動車輪がある自重を利用して昇降する柱体昇降機には、昇降とともに機体姿勢が変化し、この姿勢を一定の範囲に保つ姿勢調整において、能動車輪を柱体中心方向に動かすアーム機構で柱体の外径に応じて能動車輪を変位させる機体姿勢調整だけでは、不静定問題が生じる。これにより、能動車輪を柱体に押し付けて姿勢調整しようとしても、押し付け力のみ増加し姿勢が変化しない現象が生じるおそれがあった。
【００７３】
そこで本発明では、アーム機構の駆動と同時に上下の能動車輪に対して、機体の姿勢角度に応じた速度差を設けて駆動する機体姿勢調整法を採用し、この速度差により、機体が少し傾いて上下の能動車輪間のギャップが大きくなる。これによって、能動車輪での押し付け力を増加させることなく、アーム機構が動きやすくなり、機体の姿勢を迅速・確実に調整できるのである。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
以上説明したように、本発明の提案する姿勢調整法は、枝打ちロボット、街燈等の外観検査ロボット、樹の腐朽検査ロボット、作業者搭載昇降ロボット等、自重を利用した柱体昇降機に幅広く活用でき、その波及効果は大きい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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