レター

協生農法環境における農作業支援ロボットの開発―第 9 報：パラレルコンベックス駆動による高伸縮比アーム－前田菜夏香*1，土井瑛人*1，政谷巧樹*1，田中大雅*1，青竹峻太郎*1*2，舩橋真俊*2*3，三木浩*4
大谷拓也*5，高西淳夫*1*6

Development of the Agricultural Robot in SynecocultureTM Environment―9th Report, High extension and retraction ratio arm that enables parallel
drive with a convex―
Nanaka Maeda*1, Akito Doi*1, Koki Masaya*1, Taiga Tanaka*1
Shuntaro Aotake*1*2, Masatoshi Funabashi*2*3, Hiroshi Miki*4
Takuya Otani*5, and Atsuo Takanishi*1*6
We have developed a compact and lightweight high-stretch ratio arm that does not interfere with crops that can be used in synecocultureTM.
This arm has pitch axis rotation by parallel drive of convex. Convex geometry was considered for an arm structure that meets the required
specifications furthermore, the accuracy of arm movement position and angle control was verified. Consequently, the developed arm has
a 60% higher expansion/contraction ratio than the existing arm and has achieved a significant reduction in size and weight while
maintaining the withstand load.
Key Words: Agricultural robotics, Field robotics, Manipulator, Agriculture, Convex

1. はじめに
環境問題は近年注目を浴びており，地球温暖化は私たちの生活と密接に関わっている．農業もまた，環境破壊の要因となっ原稿受付 2023 年 7 月 12 日
*1 早稲田大学理工学術院ており，農業が環境へ与える影響は次第に大きくなっている．
そこで協生農法®という新しい農法が提案されている．協生農法は生物多様性を増やすことで農地の生態系機能が向上し環境回復が見込める．協生農法は複数種の植物を混生密生させるため，従来の整備された環境で運用される農業機械での運用は困難である[1]．また，ファームドロイド[2]やアグロボット[3]などの農業用ロボットに関しても，植物混生密生地で種植え・剪定・*2 （株）ソニーコンピュータサイエンス研究所

XY-Table*3 京都大学*4 サステナジー（株）

Arm1500*5 早稲田大学理工学術院総合研究所*6 早稲田大学ヒューマノイド研究所*1 Faculty of Science and Engineering, Waseda UniversityWheel*2 Sony Computer Science Laboratories, Inc.
*3 Kyoto University.
*4 Sustainergy, Inc.
*5 Waseda Research Institute for Science and Engineering,
Waseda University

Toolyxz*6 Humanoid Robotics Institute, Waseda University■本論文は XX 性（XXX 分野）で評価されました．

Fig. 1 Agricultural Robot in SynecocultureTM [4]収穫などの作業を実行できるものは存在していない．
本研究室では，Fig.1 に示した種植え・剪定・収穫の 3 種の作業による協生農法を遠隔実施するロボットの開発を進めている[4]．協生農法導入時は，未熟な生態系を日光や風雨から保護しエネルギー生産を進められるため，ソーラパネル下での運用を考えている．想定される密生環境やソーラパネル下の高さ制限も考慮すると，小型で作業に耐えうる剛性を持ち高伸縮比を持つアームが求められる．しかし，テレスコピック機構など既存の伸縮機構では，高伸縮比と小型かつ高剛性を十分に満たすことが困難であった．
そこで本研究では，半円型雨樋形状の細長い金属薄板であるコンベックスに注目した．コンベックスを用いたアームの開発で高伸縮と小型軽量が望めることにより，密生環境での植物に干渉することなく動作を行える．要求仕様である伸縮比 5 倍の実現，30[kg]ある既存の伸縮機構よりも小型軽量化した機構を目標として新型アームの開発を行う．そしてコンベックスを用いたアームの機構構造の検討を行い，アームの動作検証を行う．
動作検証に関して，本研究で開発したアームの Pitch 軸はコンベックスのパラレル駆動を有するため，アームの Z 軸方向の動作検証に加えて Pitch 軸回転動作を検証する．

2. パラレル駆動を有する伸縮機構可能なロボット
アームの開発2.1 要求仕様
混生密生地環境下では作物が一律同じ高さや場所にはないため，作業地点で行う目標動作は作業対象近傍の他の植物を回避しながら移動する必要がある(Fig.2)．想定環境でのソーラパネ
ルの高さは 1500[mm]であり，想定最大植物長さは 1200[mm]である．そのため，収縮時のアームの長さは 300[mm]以内が望ましく，伸長時 1500[mm]から考えると伸縮比 5 倍以上が要求される．また，圧縮荷重と曲げモーメントに関しては，実地実験で測定した値を基に定めている．アームが伸びている状態で強い圧縮を受ける種植え時を考慮しそれぞれ 80[N]，10[Nm]とした．引張荷重に関しては，ツール交換時の引き抜き力を基準にしており 140[N]としている．

Fig. 2 Image of the assumed environment [4]2.2 コンベックスの構造と配置
上記の要求仕様を実現するためにコンベックスを用いた直動機構を用いる．平行に 2 つ搭載することで，伸縮だけでなく先端の回転運動を行う．現在コンベックスを用いた直動機構に関しては，伸縮機構のみが存在しており各軸設計の未検討や機構が大型化していることが問題であった[4]．直動機構をパラレルに搭載することで先端のモータ搭載による肥大化が改善でき，伸縮比向上や小型化が目指せると考えた．
コンベックスのアーム機構の小型軽量化には，直動機構 1 つあたりのコンベックスの本数を必要最低限にする必要がある．
直動機構 1 つあたりの本数を 2 本で耐荷重の測定を行ったとこ
ろ，要求仕様を十分に満たした．本機体のアーム機構はパラレル駆動であるため，直動機構は 2 つ必要である．伸縮比に関係する Z 方向の長さや，伸長時の耐久力に関係する直動機構同士間距離などを考慮して検討する．小型で高伸縮機構を可能にする配置は，以下に示した Table 1 の(iii)組み合わせの配置である．
2.3 開発したアーム機構
本研究で開発したパラレル駆動を有した高伸縮機構のコンベックスアームでは，Yaw 軸部と巻き取り機構部，Pitch 軸部に分けて設計を行った．
まず巻き取り機構部の設計についてである．コンベックスの巻き取るドラム機構の下にモータを配置することで伸縮比向上につながると検討した．コンベックス駆動の機構は，XY 平面上に設置されたモータから 2 つのギアを介してローラへ伝達され，コンベックスはローラにより動作を行う．ローラを回転させるためには，モータから直交に変換できる機構を加える必要があった．減速比なども考慮してモータからまがりばかさ歯車とウォームホイールを用いることで実現可能にした．巻き取り機構部の設計を以下の Fig. 3，4 に示す．
Yaw 軸を上方に設置することで伸縮比向上を行った．これまでの研究[5]にて伸縮比が低下している原因は，回転関節が直動部先端にあったためである．加えて，設置したカメラは先端のYaw 軸回転とともに動くため植物の映り込みが問題であった．
上に設置した Yaw 軸部分にカメラを設置することで解決できる．Yaw 軸の回転機構は平歯車を選定した．伸縮比を考慮した

Table 1 Comparison of combined shapes
(i)
(ii)
(iii)

Fig. 3 Design of mechanism for rolling up tape(a) whole mechanism (b) Degree of freedom layout
Fig. 5 Mechanism produced in this research

Fig. 4 model of mechanism for rolling up tapeところ，歯車が直交している機構は不向きであることから XY
平面上に取り付けられる歯車を検討したところ平歯車が好ましい．またモータからの伝達方法として，摩擦を考慮し平歯車同士を噛み合わせることが最適であった．巻き取り機構部全体を回転させるためには，巻き取り機構部を覆うことが可能な歯車の大きさが必要であったため，軽量化も考慮しプラスチックギアを選定した．歯車の選定は以下の式(1)～(5)を用いて計算し，求めた必要トルク T から歯車の選定を行った．
Fig. 6 Outline of Pitch axis
(1)
𝑇 = 𝑇𝑟 + 𝑇𝑎
(2) Pitch の回転軸からツールチェンジャ接続部までは 100[mm]と𝑇𝑟 = 𝑀𝑐ℎ × 𝑎 × 𝑔 + 𝑀𝑡𝑜𝑜𝑙 × 𝑏 × 𝑔

𝑇𝑎 = 𝐽 × 𝛼(3)

ただし M は質量[kg]，a は回転中心からツールチェンジャ間距離[m]，b は 回転中心から先端までの距離[m]，J はアームの中心から見た慣性モーメント，α は角加速度とする．またモータ側の歯車の大きさに関して，減速比から選定した．減速比は以下の式(4)で求められた．

𝑇𝑎𝑇𝑚 ⋅ 𝜂 ∙ 𝑆設計した．これは水平方向 30[deg]に傾いたツールチェンジャと巻き取り機構が干渉しないかつ伸縮比を維持する必要があるた
めだ．またこのリンク機構設計が成り立っていることを計算式(5)(6)(7)より確認した．
(5)
𝑀0 = 𝑚𝑐 𝑔𝑐𝑜𝑠𝜃 × ℓ(6)
𝑀𝑓 = 𝐹 × ℎ

ただし，M0：求める重力によるモーメント h:リンクジョイント間距離ℓ：回転中心からツールチェンジャまでの距離
mc：ツールとツールチェンジャの重さ F：引張最大荷重
ここで Tm はモータトルク，η は効率，S は安全率としている． Mf：前側にあるコンベックスの引張荷重によるモーメント
コンベックスの直動機構 2 つを利用して，パラレル駆動によ と表せ Fig. 6 に示す．
り Pitch 軸回転を実現する．製作したアームと自由度配置図を 一番荷重がかかる場合である，水平方向上向き 30 度の時と水Fig. 5 に示す．パラレル駆動において，回転中心の固定を行うこ 平方向の時を考える．重力によるモーメント M0 と前側にあるとが重要と考えた．片側のリンクをコンベックスに固定させる コンベックスの引張荷重によるモーメント Mf の関係がことで回転中心の固定が可能である．また，コンベックス間の(7)
𝑀0 < 𝑀𝑓
リンクの長さ比を 1:2 に設計することで，Pitch 回転時にコンベックスとリンクが干渉することを考慮した．Pitch 軸の駆動角範 となることからリンク機構は理論上成り立つことが確認できた．
囲は，剪定するときの角度より水平方向を基準に上向き 30[deg]から鉛直方向下向きに 90[deg]の 120[deg]とした．角度範囲外時に進まないよう設計をすることで範囲を指定した．そして，𝑍≧(4)

3. 評価実験
3.1 伸縮動作実験
本実験では製作した並列型コンベックスアームを用いて，コンベックスがモータの回転制御に合わせて送り出し駆動と巻き取り駆動ができているかを確認する．モータの回転は PID 制御である．Table 2 に示した，幅と強度を変えた 2 種類のゼンマイを用いてそれぞれ実験を行った．コンベックスの送り出しと巻き取り駆動の移動距離をレーザ距離計で測定する．送り出しと巻き取り駆動実験は同条件で行い，実測値から誤差率を計算した実験結果を Table 3,4 に示す．送り出し動作の平均誤差率は指令値 100[mm]のときが最も小さく 3.2%となり，指令値 600[mm]のときは 9.0%となった．巻き取り動作に関して，平均誤差率は指令値 100[mm]のとき 19%となり指令値 400[mm]，600[mm]のときは巻き取りきらず測定不可となった．ローラのすべりが生じていることが誤差の原因であった．巻き取り駆動に関してもゼンマイの強度不足やゼンマイ幅が細いことが原因でうまく巻き取れないことがわかった．
一方で幅と強度を向上させたゼンマイ(B)を用いて実験を行ったところ，送り出しも巻き取り駆動もゼンマイ(A)より向上したことが測定できた．また，600[mm]の巻き取り駆動は測定不可能だったが今回では測定ができた．このことから，ゼンマイの影響による誤差は大きいと考えられる.
3.2 Pitch 軸動作実験
本実験では製作した並列型コンベックスアームを用いてPitch 軸の回転角度の制御精度を確認する．ある程度の距離までコンベックスを伸ばし，デジタル角度計測器を用いてその地点で Pitch 軸の角度指令値を与えて動作確認を行った．Pitch 軸に関しては，コンベックス同士の距離と回転角度から前方コンベックスの伸縮量を求めることで角度制御を行っている．基準面よりマイナス方向の回転駆動の誤差は平均で 9.6%となった．この誤差は前述の送り出し動作の不具合が関係しており，ゼンマイの強度や幅の影響と考えられる．
従来の農作業支援ロボットに搭載されているアームの Pitch軸よりも精度が落ちている一方で小型軽量化が達成できている．
実際の現地での実験において，Pitch 軸の先にはツール類が付く．
作業対象まで腕を近づける際には，作業対象の位置を正確に計測しフィードバックを行うため，Pitch 軸の誤差を許容できると考えられる．

4. 結論と今後の展望
本研究では，小型で軽量化したパラレルリンク機構を有する高伸縮比コンベックスアームを開発した．コンベックスを用いることでアーム全体の 80%の軽量化や小型化，伸縮比 5 倍を実現した．
今後はコンベックスアーム駆動の精度を向上させつつ，コンベックスのメンテナンス性や耐久性を考慮していくことを実用化に向けて検討する．

謝辞
本研究は早稲田大学次世代ロボット研究機構およびサステナジー株式会社の補助の下で実施された．本研究の一部は文部科学省の科学研究費補助金（21H05055）の支援を受けた．また，本研究で用いられた 3DCAD はソリッドワークス・ジャパン株

式会社より提供された．各社・官公庁に感謝する．協生農法®は(株)桜自然塾の商標または登録商標です. SynecocultureTM はソニーグループ(株)の商標です．

参考文献
[1]
Masatoshi
Funabashi ： “SynecocultureManual”,
http://synecoculture.sonycsl.co.jp/public/2016%20Synecoculture%20
Manual.pdf[2] Choque Moscos et al.： “Efficient Implementation of a Cartesian
Farmbot Robot for Agricultural Applications in the Region La LibertadPeru”. 2018 IEEE ANDESCON. IEEE, p. 1–6, 2018.
[3] Prajith A S et al.："Automatic Agricultural Robot-Ag robot," 2020
IEEE Bangalore Humanitarian Technology Conference (B-HTC), pp.
1-5, 2020.
[4] 三谷健人 他：“協生農法環境における農作業支援ロボットの開発（第 6 報：コンベックスを用いた高伸縮比を持つ直動機構）”，第 40 回日本ロボット学会学術講演会予稿集，2023(採択済)[5] T. Otani, et al., ” Agricultural Robot under Solar Panels forSowing,Pruning, and Harvesting in a Synecocu-lture Environment”,
Agriculture，13, 18, 2023.
[6] サミニ株式会社，”STOCK SPRINGS”，p139，
https://www.springnet.com/pdf/vol34/html5.html#page=143

AB

Table 2 Spring model number [6]model numberwidth
strengthmm
Nmm/rotate
59.7
81-0305-50-2000
1019.481-0310-50-2000
Table 3 Motion result of pushing of tape1234commandvalue
mmActualvaluemm
error rate%

100

200

300

400

500

A

103.2

191.8

285.6

374550

B

94.2

201.2

303.6

160

250

A

3.2

4.1

4.8

6.510B

5.8

0.6

1.2

60

50

Table 4 Motion of rolling up tape
12
3
4

5

commandvaluemm
Actualvaluemm
error rate%

5100

200

300

400

500

A

81148

224--

B

89

175

270

460

580

A

192625--

B

1113

101516