計測自動制御学会東北支部第 309 回研究集会(2017.6.23)
資料番号 309-4

エンジン負荷に応じた草刈ロボットの動作計画
Motion Planning of a Brush-Cutting Robot According to
Its Engine Load○藤岡与周○Yoshichika Fujioka
八戸工業大学
Hachinohe Institute of Technology
キーワード：草刈 (Brush-Cutting)，知能ロボット (Intelligent Robot)，芝刈機(Lawn Mower)，ノッキング (Engine Knocking )，刈草の詰まり (Grass Clippings Clogging)
連絡先：〒031-8501

青森県八戸市大字妙字大開 88-1

八戸工業大学工学部システム情報工学科
TEL: 0178-25-8063

FAX: 0178-25-1691

藤岡与周

E-mail: fujioka@hi-tech.ac.jp

1. まえがき
遊休地や休耕地をはじめとする草刈作業は、除草剤の使用が制限される場合には刈り払い機を用いた人力作業や、自走式草刈機およびト
ラクタに取り付けられた除草装置などで行われる。広くて平坦な場所であれば、大型機械による効率的な草刈作業が可能であるが、畦道を始め狭い場所や土地の起伏の大きい場所では小型機械を用いた人力作業が必要となる。近年
は高齢化や過疎化のため草刈作業を行う人材

図１

試作したラジコン草刈機が不足しており、また重労働で危険を伴う作業する時間を他のことに使えるようにすることのため事故も多い。
そこで、芝刈りや低い雑草の草刈には、ロボを目指し、背の高い雑草や密集した雑草も含むットやラジコン芝刈機が開発され利用されて草刈作業を自動的に行うためのロボットシスいる[1]-[9]。これにより肉体的な労力が大幅にテムの構成を提案している[10]。図１と表１に、緩和され、安全性も向上する。さらに草刈に要芝刈り機と電動車いすを組み合わせて試作し1

たラジコン草刈機の構成と諸元を示す。

刈草の詰まり（過負荷）
刈草の巻き付き（過負荷）表１

試作ラジコン草刈機の主な諸元

刈草許容量超過（過負荷）

縦153cm

地面凸部への刈刃接触（過負荷）（土・石・横70cm

枝・根）

高さ68cm

単に障害物に刈刃が衝突してエンジンが停

重量82.5kg

止したのであれば、その障害物から離れるなど走行用バッテリ鉛シリコンバッテリして除去したのち、エンジンスタータで遠隔操

12V 20AH x 2 (24V)

作や自動復旧プログラム等によりエンジンの前輪

自在キャスター再始動が可能である。しかし、草刈り能力の過後輪

各１８０W 電動モー負荷によるエンストでは、図２に示すように刈タで駆動

草の刈刃への巻き付きや、刈草が排出されるべ刈幅460mm

き場所への詰まりが伴うことが多い。これらは草刈り用エンジン

4st 149cc 3.5HP

刈刃の回転抵抗を大幅に増加させるため、エン送信機

Spektrum

ジン再始動のためにはこれらを人手により除DX5e

去する必要がある。

2.4GHz 帯
モータドライバ

Sabertooth 2X25 V2芝刈機

ミナト電機工業詰まり（ペースト状）（除去が望ましい）

LMC-460KS
電動車いす

カワムラサイクル
KE12

2. 小型草刈りロボットの課題

巻き付き（要除去）

小型芝刈り機をベースとした草刈りロボッ
トは、例えばワゴン車やミニバン車に積載した詰まり
（要除去）

図２

巻き付きや詰まりり、あるいは適切な牽引装置を備えることによ
そこで、本稿では機構的に巻き付きや詰まりり、原付バイクや自転車等でのけん引も可能でが起こりにくくエンストしにくい草刈機構造あることから、大型草刈りロボットと異なり移を採用するとともに、エンジンの負荷に応じて動が容易であるという特長を有する。

草刈機の走行速度やパターンおよび刈刃高さ

しかし、草刈り用エンジンの出力が大きくななどの動作計画法について提案している。これ

いため、繁茂する雑草の草刈りでは頻繁にエンにより、小型草刈ロボットでありながらエンスストが発生し、そのたびに人手による復旧作業トしにくく長時間連続する自動運転を可能とやエンジンのかけなおしなどが必要となりやしている。

すい問題がある。
草刈り作業においてエンストが発生する主3. エンストしにくい草刈機構造な要因を、実際に人手により歩行型自走式小型芝刈り機による草刈りを繰り返した結果、可芝刈り機を用いて草刈りを繰り返しながら考能な限り刈られた草を速やかに草刈機の外へ察した結果、主に以下の原因が挙げられる。

排出することが最も大事であることに気が付2いた。また、地面に近い雑草の根本付近は密集

製品には刈草飛散防止カバーを備えており、同度の高い場合があり、いきなり低い位置で草刈様のカバーを備えることが望ましい。

りするよりも、一度十分高い位置で草刈りしたのち、低い部分を草刈りするほうがエンジンへの負荷が小さい。
前部と前輪の間隔を十分とる

図４
後方も開放

図３

前部と左右側部を除去

Gator mulching blade

刈草が主に吹き飛ばされる範囲

芝刈り機の前部・左右側部除去

以上より、図３に示すようにまず芝刈り機の粉砕された刈草が、エンジンの吸気口や冷却ファン入口にも堆積するため、しばしば人手で除去前部と左右側面の鉄板を除去し、刈草が容易に排出されるようにしている。これにより、もともと備えられていた前輪も除去されるため、新たに前輪を 2 個備えている。市販の草刈機では前輪が 1 輪のものも多いが、傾斜地を横切る場合などの安定性を考慮し、2 輪構成としている。

図５

飛散した粉砕刈草の堆積

ただし、刈刃は上からみて右回転するため、刈草が主に吹き飛ばされる領域をふさがないよ
うに、右前輪と芝刈り機前部の間隔を十分とる横材必要がある。さらに、もともと後方からの刈草排出も可能な構造であるため、この部分も開放している。図３のように刈草排出が容易な構造の草刈機として、例えばドイツ AS Motor 社製の Brush Cutter 等が挙げられる[11][12]。
草刈り
抵抗減少

刈刃には、通常芝刈り機に備えられている、雑草の切断と排出機能を有するバーナイフの代わりに、図４に示す Gator mulching bladeを備えている。ギザギザの刃形状により、切断

図６と排出に加えて刈草を粉砕する能力が高い。こ

前輪部分の構造

れらの構造により草刈りを続けると、粉砕され2 個の前輪部分の構造は、図６に示すようにた刈草が草刈機のあちこちに堆積する。図５に前輪間を渡る横方向の部材をできるだけ芝刈示すようにエンジンの吸気口や冷却ファンのり機側に備えるようにしている。これにより、空気取り入れ口もふさぐため、人手による定期密集する高い雑草も少ない走行抵抗で刈るこ的な除去が必要である。例えば AS Motor 社のとが容易となる
3

で 14 ㎝としている。ただし、芝刈り機の後輪右側部と右前輪の間隔を十分とるをそのまま利用しているため、刈刃の後端高さは約 8 ㎝となっている。この結果、エンジンが後ろに傾き、刈刃は前方から後方にかけていたるところで雑草を切断することになり、草刈の抵抗が大きい。本来であれば、刈刃は前端と後
図７端で高さが等しい水平状態か、あるいは若干後右側面部分の構造端が高いほうが望ましいと考えられる。草刈り中に刈刃高さを変えるには、操作者が後ろに伸びたハンドルを上下する必要がある。

固定ボルトの長さ調整により前方の刈刃高さを調整（約１４ｃｍ）

ここで、前輪は直径 26 ㎝の空気入りタイヤであり、地面の凹凸が大きい場合はこの直径がハンドル上下で草刈り中の刈刃高さ調整大きいほど走行抵抗が減少する。後輪はもともと芝刈り機に備えられているものを利用しており、直径 20 ㎝のプラスチック製である。今後方の刈刃高さ：
通常8㎝程度図８回利用した芝刈り機は後輪がエンジンからの動力を得て前進時に回転できる自走機能があ刈刃高さの調整る。このため、特に傾斜地を上る際には芝刈り機を押すのが少し容易になる。
図９に 140 ㎝程度と高い、茎が硬いイネ科雑草が密集している場所を草刈りしている様子を示す。右側部分がすでに草刈りを終えたところであり、左側部分はこれから草刈りを行う部分である。できるだけ草刈機の右側はすでに草刈りが終えた場所となるように草刈りコースを定めることにより、刈られた草の右側面方向への排出が容易となる。
図９

なお、燃料はガソリンの代わりに安価な灯油140 ㎝程度のイネ科雑草草刈りを使用している。始動時にはパーツクリーナー

低い雑草はほとんどが粉砕されて主に右側を吸気口に吹き付けて、灯油の始動性の悪さを面から横に吹き飛ばされて排出される。しかし、補っている。ガソリンで動作させても、エンス高い雑草や粉砕されにくい硬い茎の雑草は切ト自体は発生する。

断後右側面に倒れて排出される。これをスムー

エンストに気を付けてゆっくり刈ることにズに行うために、図７に示すように右前輪と右より、これまでよりエンストの頻度を大幅に減側面の間隔を十分にとることが望ましい。図７

らすことができた。雑草が密集している場所ででは約 10 ㎝程度の間隔をあけている。

は、少し進んではやや戻ることを繰り返すこと背の高い雑草も容易に刈るため、刈刃の地上により、刈られた草の排出をより容易とするよ高を図８に示すように、前輪と芝刈り機を固定うにした。地面が部分的に盛り上がっている部するボルト長を調整することにより、刈刃前端分では刃先が地面に接触してエンストしやす4いが、そのような場合でも速やかにハンドルを発生し、これが強くなるとエンストにつながる持ち上げて刈刃高さを高くし、エンジン負荷をことが経験上わかった。この音を本稿ではカタできるだけ速やかに減らすようにすれば、エンカタ音と呼ぶことにする。この音の発生原因とストしないで草刈りを継続できることも多かして、例えばノッキングの発生などが考えられった。しかし、長時間作業を続けていると疲労るが、どのような原因かは不明である。

により注意力が散漫になり、結果としてエンスエンジン音に応じた草刈動作をまとめたもト発生頻度が増加した。のを表２に示す。この表に従って注意深く作業をすることにより、人手による草刈りでもエン表２
カタカタ

エンジン音に応じた草刈動作ストの発生頻度は大幅に減少できる。エンジン動作

負荷の低減には、このほかに草刈機の刈幅全体を利用せず、その一部だけで少しずつ草刈を行音
なし

走行速度増加う方法もある。この場合でも、表２の方法に従鳴り始め走行速度減少

えばエンスト頻度を減らす効果がある。

増大

エンスト
直前

表２では、カタカタ音が増大してエンジン負少し進んで停止を繰り返す
少し進んでやや後退を繰り返す

荷が大きい場合、少し進んでやや後退する動作（刈草排出を促す）を繰り返すことになる。この場合、前輪や後輪速やかに少し後退が固定輪の方が、細かな動作が容易である。前

刈刃高さを速やかに上昇

輪や後輪を自在輪にすれば方向転換が容易に（エンジン負荷を速やかに減少）なるが、一方でこのような少し進んでやや後退エンジン回転が安定するまで待機する動作では自在輪の方向転換が間に合わず走行抵抗が増加する場合がある。
表２に従うと、カタカタ音がしない場合には走行速度を増加できる。そこで、草丈の低い雑草を、走りながら草刈した結果を図１０に示す。
この図の中ほどの部分が草刈をした部分であり、歩いて草刈した場合とほとんど違いがみられない。すなわち、エンジン負荷が少ない場合
は草刈速度を大幅に上げることが可能である。
実際、ロータリー型草刈機ユニットをバギーなどでけん引して高速に草刈する事例は多くあ

図１０

走りながらの草刈り結果る。小型草刈り機であっても、操作者の走る最高速度が許す限り、エンジン負荷に応じて高速に草刈を実現可能であるが、人間が走りながら4. エンジン負荷に応じた草刈り動作

草刈をする作業はとても疲れるため、これはロエンストしないように草刈りを行うためにボット向きの作業といえる。

は、エンジン負荷の様子を知る必要がある。図９の草刈り作業時には、主にエンジン音の様子以上より、図１に示すような自動草刈ロボッからエンジン負荷を判断している。エンジン負トに刈草排出性を高める構造と速やかな刈刃荷が増大すると、エンジンからカタカタと音が高さ調整機構を備えるとともに、表２に基づく動作計画をエンジン負荷に応じてリアルタイ
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ムで実施することにより、長時間安定して少な

参考文献

いエンスト頻度で草刈作業を自動的に行うこ[1]http://www.evatech.net/PRODUCT.php?Iとが可能と考えられる。エンジン負荷を計測す

D=5 等るセンサの候補としてノッキングセンサなど[2]http://www.instructables.com/id/Arduino-が考えられるが、より詳細なエンジン負荷状態

RC-Lawnmower/ 等の計測が必要となる場合には、ほかにタコメー[3] 長﨑, 中元：“中山間の急傾斜法面の草刈作

タやクランク角センサなども備える必要があ

業 を 楽 に す る 小 型 除 草 ロ ボ ッ ト の 開 発 ”,ると考えられる。

http://agri-renkei.jp/news/docs/20141205sem

さらに、低い雑草を高速移動しながら草刈し

inar_nagasaki.pdfている最中に急に高い雑草が繁茂する場所に[4]http://www.husqvarna.com/us/products/ro

到達する場合を考えると、エンジン負荷だけをbotic-lawn-mowers/ 等計測して行動計画を行う場合、エンジン負荷が[5]http://qzss.go.jp/usage/userreport/hokkaid

急激に増加してエンストに結びつく可能性が

o_150625.html 等高い。したがって、たとえばカメラなどにより[6]https://www.fhi.co.jp/news/01_7_9/01_07_

事前にある程度先までの雑草の状況を計測で11.htm

きるようにし、エンジン負荷が急激に増加する[7] http://ardupilot.org/rover/index.html 等

ような場合には、事前に速度を落とすなどの行[8] http://www.rtklib.com/

動計画が必要になると考えられる。

[9]http://sky.geocities.jp/oumeastro/amaradio.html 等

5. むすび[10] 藤岡: “自動草刈ロボットシステムの構成”,

狭い場所や必ずしも平坦でない場所の草刈

計測自動制御学会東北支部第 302 回研究集会を容易にする自動草刈ロボットについて、エン資料, 302-8, (2016.6)

ストの発生しにくい構造を実験的に調査する[11]https://www.youtube.com/watch?v=b-da

とともに、場所により異なる草刈負荷に応じた

A_xZXGk

自動草刈ロボットの動作計画法を提案した。こ[12]の動作計画法は、高い雑草や繁茂する雑草の草

https://www.as-motor.de/en/product/as-21-4t

刈りなど、高負荷時のエンストが減少し、自動-bs/運転向きである。また、雑草があまり伸びる前に 2 回目以降の草刈を行う場合など、低負荷時の場合には高速草刈が可能となることを明らかにした。
今後の課題として、エンジン高負荷時における少し進んでやや後退するなどが、具体的にどの程度の距離なのかを、実験によるデータ収集と解析で検討するとともに、ロボットに機械学習の機能を持たせ自ら学習し調整できるようにすることなどが挙げられる。

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