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 8 報：アーム先端部で交換可能な複数種対応の種植え機構および種子団子製造機の開発―
土井瑛人*1，前田菜夏香*1，田中大雅*1，政谷巧樹*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―8th Report, Development of seed planting mechanism for multiple
seeds interchangeable at the end of the arm and seed dumpling
making machine―
Akito Doi*1, Nanaka Maeda*1, Taiga Tanaka*1, Koki Masaya*1
Shuntaro Aotake*1*2, Masatoshi Funabashi*2*3, Hiroshi Miki*4
Takuya Otani*5, and Atsuo Takanishi*1*6
To support SynecocultureTM, in which a variety of crops are grown in mixed densely vegetated areas, I developed a seedplanting mechanism that can handle seed dumplings made of soil and can be used for multiple species and interchangeable
operation. I also developed a manufacturing machine and succeeded in planting seed dumplings that automatically compressedand formed.
Key Words: Agricultural robotics, Field robotics, Manipulator, Agriculture, Robotic seeding

1. はじめに
近年，食料不足や砂漠化が世界規模で進んでいる．これらを解決する手段として協生農法®（SynecocultureTM）[1]が新たに提案されている．協生農法とは，多様な植物を混生密生させて機能的な生態系を人為的に作り，複数作物を栽培しつつ生物多様性を豊かにする農法である．砂漠化地域の緑化による環境回復
原稿受付 2023 年 7 月 19 日
*1 早稲田大学理工学術院*2 （株）ソニーコンピュータサイエンス研究所*3 京都大学*4 サステナジー（株）*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 University*2 Sony Computer Science Laboratories, Inc.
*3 Kyoto University.
*4 Sustainergy, Inc.
*5 Waseda Research Institute for Science and Engineering,
Waseda University*6 Humanoid Robotics Institute, Waseda University■本論文は XX 性（XXX 分野）で評価されました．

が見込める．また植物，作物同士の競合で互いに成長を促進させ，収穫作物の栄養価向上も期待できる．本農法では，無耕起，無施肥，無農薬を原則とし，種と苗以外を一切持ち込まない．
よってその土地の生態系のみで循環させ，年間を通して様々な植物，作物で地面が覆い尽くされる状態が理想である．また無耕起な土地から植物の混生密生環境を作り出し，断続的な種植え・剪定・収穫によって複数作物を扱う必要がある．従って人間の手作業では作業効率の頭打ちが課題となる．さらに 1 つの耕地に単一作物を一定間隔で植える慣行農法とは異なるため，既存の農業機械やロボットは使用できない．
我々はこれまでに，協生農法環境での種植え・剪定・収穫が可能な農業ロボット（Fig.1）[2]を開発してきた．

Fig. 3 Seed-planting mechanism of this study
Fig. 1 Main body of a robot

Fig. 4 Image of the mechanism
Fig. 2 Seed planting mechanisms developed so far
先行研究でも種植えが可能な機械，ロボットは数多く開発されている．例えば Farm Bot は，真空ポンプとノズルにより種子の吸引と農地への差し込みで種植えを行う[3]．FarmDroid FD2は，バルブの開閉により容器に入った種子を地面に落下させて種蒔きを行う[4]．またトラクタの牽引により使用されるインプルメントと呼ばれる種植え機も存在する．トラクタの走行により歯車が回転し，凹みに入った種がそのまま地面に落ちることで種を蒔く．しかしいずれも協生農法で要求される多様な作物の種に対応し，任意の箇所での 1 粒ずつ種植えが実施不可能である．これまでの我々の研究で 1 粒の種を土で包み丸めて団子形状とし，様々な大きさ・形状を均一に揃えた「種子団子」を考案した．そしてこれを地面に植える機構（Fig. 2 左，右）を開発してきた．しかし肥大な機構により周辺植物への干渉や他作業を妨げる恐れがあった．また任意の種の切り替えや複数個の種子団子搭載が不可能なこと，常設型機構により他の作業ツールへの付け替えが自動化できないなどの課題があった
そこで本研究では以上の課題を解決した新たな種植え機構の開発を目指す．具体的には種子団子貯蔵タンクの搭載やアーム先端部での自動交換を可能とする．また種子団子の運用は継続しつつ，これまでと比較し効率的な量産と高強度に均一な大きさで製造可能な種子団子製造機を開発する．

作業で行う必要があった．また種子団子を 2，3 個のみしか貯蔵できずアームに常設型の機構で種の切り替えも不可能だった（Fig. 2 右）[5]．以上の問題を解決する必要がある．
要求仕様について，まず穴あけ荷重は実験農場での実測値72[N]と安全率を考慮し 150[N]とした．
また協生農法に使用可能な作物の種の大きさが 10[mm]以下のため種子団子の直径は13[mm]とし，発芽が確認できたため穴の大きさを 15×15[mm]，穴の深さを 15[mm]以上とした．さらに効率的な運用を想定し，種子団子 1 個あたりの種植え作業時間を 10[s]以内，タンクに貯蔵可能な個数を実地の広さ(2~3[𝑚2 ])も考え 10 個以上とした．
2.2 開発した種植え機構
以上より実際に開発した種植え機構を Fig. 3 に示す．種子団子貯蔵用の「タンク」，タンクから種子団子を 1 個ずつ取り出す「排出機構」，地面への穴あけと穴に種子団子投入を行う「穴あけ機構」から構成される．
ツールの付け替えを自動化するため，開発済みのツールチェンジャ機構[6]を活用する．タンクと一体化した種植え機構とアーム先端にそれぞれツールチェンジャコネクタを装着しその着脱による交換で種の切り替えを実現する．
穴あけ機構はドリルの回転，もしくは押し込みによる地面への穴あけを検討した．しかし協生農法では植物が密生した土地で種植えを行う．従ってドリルの回転では周辺植物を巻き込む恐れがある．そこで後述する排出機構との連動を考え，先の尖った先端部の押し込みによる地面への穴あけとした．地表の凹2. 種植え機構及び種子団子製造機の開発
凸を考慮し，15[mm]以上の深さの穴あけができるよう先端部の繰り出し長さは 30[mm]以上とした．
また穴あけ後に種子団子投2.1 種植え機構の要求事項・要求仕様入も行うため先端部付近に種子団子の通路を確保する必要があ
協生農法では多様な作物の種を扱い，任意の箇所で 1 粒ずつの種植えが要求される．従って種植え機構は種子団子を貯蔵で る．さらに種植え以外の作業時は先端部を収納することが望ま以上を考え，先端部の上下により地面への穴あけや収納，き，地面への穴あけと 1 個ずつの種子団子投入が求められる． しい．
また，その都度任意の種に切り替える必要もある．作業時に周 種子団子通路の開閉による投入動作を行うこととした．
排出機構は，穴あけ機構による地面への押し込み時に下から辺植物を傷つけないことも要求される．
これまでに開発された種植え機構の問題点について説明する． の押し出しによる種子団子の取り出しを連動させる機構とした
まず穴あけ用ドリルがアーム先端部のRoll 軸にねじで固定され (Fig. 4)．穴あけ機構先端部の上下による排出口の開閉で種子団ていた（Fig. 2 左）
．そのため他の作業ツールへの付け替えは手 子投入も行うため追加のアクチュエータが不要となる．そしてこれらの連動動作をアームの伸縮動作で行うモーターレスな種植え機構とした．
タンク機構としては種子団子を一直線に整列でき，複数個の貯蔵が可能なことから内部を螺旋形状とした．これにより排出時にタンクからの 1 個ずつの取り出しが容易となる．また機構の小型化のためツールチェンジャのコネクタ内部に内蔵する．
螺旋形状を採用するにあたりそのモデルを傾斜角度𝜃の斜面として考えた(Fig. 5)．ここで𝜃は，試作の螺旋型タンクにて 10 個
Fig. 5 Geometrical modeling of spiralの種子団子が詰まらずに滑らかな転がりを確認できた実験時の値とした．螺旋中心の半径𝑅はコネクタと種子団子直径から螺旋内外径を決定し，算出した．要求貯蔵個数を満たす螺旋高さは(1)~(3)式より算出した．高さが低いと貯蔵可能個数が減り，逆に高いとコネクタへの内蔵が不可能なためである．CAD での値指定が必要なため算出の際 1 ピッチ高さ𝑝の𝑡倍として求めた．
(1)
𝑝 = 2𝜋𝑅𝑡𝑎𝑛𝜃𝑝𝑡(2)
𝑙=𝑠𝑖𝑛𝜃
(3)𝑙 ≥ 2𝑟 × 𝑛
ただし，𝑟は種子団子の半径，𝑙は種子団子が並ぶ螺旋軌道の斜面長，𝑛は種子団子個数である．
2.3 種子団子製作方法の検討
協生農法では肥料や農薬は一切使用しない．そこで無機質で栄養分を含まない赤玉土を使用する．砕き，裏ごし器でふるっFig. 6 New seed dumpling production processて粒を細かくした土を使用し，土同士の密着力を高め強度を向上させる．そして水：土＝1:2 の重量比で混ぜた土で成型し，自然乾燥で水分を飛ばす．これにより種が発芽せずに種子団子の状態での保管が可能となる．
種子団子製作にあたり土に種を入れて球体にする必要がある．
種子団子の強度向上と製作効率，機構実現の容易性を考え半球型による圧縮成型を採用した．型は樹脂製であり圧縮時に土が型に密着して種子団子が取り出せない問題がある．そこで型にメッシュ（ストッキング）を敷き，圧縮後にメッシュの両端からの引張りで解決を図る．
これにより型と土の間に隙間ができ，種子団子を割らずに球体のまま型から取り出すことができる．
Fig. 7 Seed dumpling machine in this study
種子団子の製作工程としては製造機への土と種のセットのみ
拡張性と機構の簡素化の観点から，ボールねじとリニアガイド手作業とし圧縮工程は全て製造機で行う．検討した製作工程をによる昇降機構とした．それぞれの選定においては，以下の(4)，Fig. 6 に示す．流れとしてはまず下の半球型に土を押し込む．次(5)式より検討した．に押し込んだ土の上に種，土の順に手でセットする．そしてセ𝐹1 𝐿
𝜇0 𝐹0 𝐿(4)
𝜏1 =+ットした土を少し大きい半球に圧縮して固め，種子団子に圧縮2𝜋 × 𝜂
2𝜋成型する．最後にメッシュの引張りで種子団子を型から取り外𝐹𝐷(5)𝑀=し，運搬する．下の型に土を押し込む際は土に対して機構で圧𝑛縮するため強度が保たれる．しかし種子団子への圧縮時は半球
ただし，𝜏1 はボールねじ駆動の必要トルク，𝐿はリード長，𝐹1 はの土同士で当たるため上側の土のみ固める必要があると考えた．
運動方向荷重，𝐹0 は与圧荷重，𝜇0 はナット摩擦係数，𝜂は効率でまた製造機への土のセット時は，直径 13[mm]，高さ 8[mm]のある．また𝑀はリニアガイドの許容モーメント，𝐹はかかる荷重，中空器を使用する．土のセット量を一定とし，余分な土により𝐷は荷重までの距離，𝑛はリニアガイドの使用個数である．
種子団子に生じるバリを低減するためである．種子団子の半径型からの取り外しと運搬はローラーにメッシュを巻き付けそが 6.5[mm]であること，実験からセット後の土が崩れない高さの回転方向の変更で行う．また圧縮前はメッシュを緩める必要を考慮し 8[mm]と決定した．また，土が少量による乾燥後の種がある．これは両端のローラーを，引張りとは逆方向にそれぞ
子団子の割れ，多量によるバリの肥大化を防ぐため中空器の直れ回転させて行う．下側ではメッシュの引張りと運搬のため 2径は 13[mm]と決定した．
つの，上側では引張りのみ行うため 1 つのモータを使用する．
2.4 種子団子製造機の開発
3. 評価実験
Fig. 6 の工程を実現するために種子団子製造機としては，型による圧縮，上側の 3 つの型の変換，メッシュの引張りによる
3.1 種植え機構の動作実験
型からの取り外し，運搬の 4 つの動作が要求される．以上を満開発した種植え機構の性能評価のため種植え作業の成功率とたし，実際に開発した種子団子製造機を Fig. 7 に示す．機能の作業時間を検証した（Fig. 8）．種植え機構はアーム先端部に装着しその伸縮動作で種植えを行う．流れとしてはまず種植えを行う位置にアームを平面移動させる．次にアームの伸長により種植え機構を地面に押し付ける．その際に地面への穴あけと種子団子排出動作が連動して行われる．最後にアームの短縮により穴へ種子団子が 1 個ずつ投入される．屋内で実験を実施し，プラスチック製の容器に土を入れて農地を再現した．また作業時間は，種植えを行う位置を決定後，実際に種子団子が穴に投入されるまでの時間と定義した．
結果，全 22 回の試行のうち 16 回の種植えに成功し，成功率は 73%となった．また成功した 16 回の平均作業時間は約 9.5[s]Fig. 9 Seed planting experiment in farmlandとなり，要求仕様 10[s]を満たす結果となった（Table. 1）．
失敗の原因は主に樹脂製のスライド部と，排出機構にあった．
まず摩擦でスライド部が噛み込み，機構自体に詰まりが生じた．
また種子団子の重みで排出機構の側面が押し付けられ下方向へ抜けず詰まることもあった．これらは摩擦低減可能な樹脂の採用や排出機構の側面形状の工夫で解決できると考えられる．
3.2 実地実験場における種植え機構の運用実験
東京都あきる野市内の農地で種植え機構の有効性を検証した（Fig. 9）
．実験手順は 4.1 と同様である．結果，密生環境において連続で 3 つの種子団子の種植えに成功した．
3.3 種子団子製造機の動作実験
Fig. 10 The evaluation experiment of the seed dumpling making
開発した種子団子製造機で圧縮成型，運搬が可能か検証を行を進める必要がある．
った（Fig. 10）．製造機への土と種のセットは手作業でそれ以外謝辞は自動での圧縮成型を行う．実験手順は Fig. 6 の工程の通りである．結果，全 6 回の試行で種子団子製造は成功率 100 %だっ
本研究は早稲田大学理工学術院総合研究所，早稲田大学次世た．しかし運搬まで含めると成功回数は 5 回となった．下側の 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メッシュの緩みが原因で運搬途中に種子団子が落下した．これ 実施された．また，本研究で用いられた 3DCAD はソリッドワ
は運搬時に再度下側のメッシュの引張りを行うか否か選択可能 ークス・ジャパン株式会社より提供された．各社・官公庁に感なシステムへの変更で解決できると考えている．またこれまで 謝する．協生農法®は（株）桜自然塾の登録商標です．の製造機[5]との製作時間比較では 127[s]から 106[s]と約 16 %の SynecocultureTM はソニーグループ（株）の商標です．
短縮に繋がり自動化工程の増加と量産の効率化向上に成功した．

参考文献

4. 結論と今後の展望[1] M. Funabashi : “(Eds) Synecoculture Manual 2016 Version
本研究では，混生密生地で種植え可能な機構を開発し農地で(English Version),” Research and Education material of UniTwinの有効性を確認した．また機構に内蔵した螺旋型タンクによるUNESCO Complex Systems Digital Campus, e-laboratory : Open
複数個の種子団子の貯蔵，アーム先端部での交換運用による種Systems Exploration for Ecosystems Leveraging, vol. 2, 2016.の切り替えも可能とした．
さらに種子団子の製作方法を見直し， [2] T. Otani, et al., ” Agricultural Robot under Solar Panels for Sowing,
自動化工程の増加と製造時間の短縮を実現した．
Pruning, and Harvesting in a Synecoculture Environment”,
種植え機構では，種子団子の詰まり問題を解決していくこと
Agriculture，13, 18, 2023.
が求められる．種子団子製作では，完全自動化を目指した検討 [3] Carlos J., Choque Moscoso, Erick M., Fiestas Sorogastua,Table. 1 Experimental result
Success Ratio
Success/Number of attempts
Mean time to work

73 %
16/22
9.5[s]Fig. 8 Seed planting mechanism in operation experimentRicardo S., Prado Gardini : “Efficient implementation of a Cartesian
Farmbot robot for agricultural applications in the region La LibertadPeru”, 2018 IEEE ANDESCON, pp. 1-6, 2018.
[4] FarmDroid : “FD20 Automatic Seeding & Weedin Robot,” pp112, 2022.
[5] 大澤来実 他：“協生農法環境における農作業支援ロボットの開発（第 5 報：アームに常設可能な播種機構及び種子団子成型機の開発）”，第 40 回日本ロボット学会学術講演会予稿集，2022．
[6] 杉山壮真 他：“協生農法環境における農作業支援ロボットの開発（第 4 報：ツールチェンジ可能な複数作の剪定・収穫用切断ツールの開発）”，
第 40 回日本ロボット学会誌，2022．
（採択済み）