荷台水平運搬を実現する 低重心型平行二輪ビークル 山梨大学大学院総合研究部 工学域機械工学系(機械工学) 准教授 野田 善之 1 研究の背景 農林業が抱える問題 ・農林業従事者の高齢化 ・農林業のグローバル化 収穫物や肥料などの運搬重筋作業を軽 減する技術開発が求められている。 ◆運搬作業の環境 ・農地は不整地や傾斜 地が多い。 ・畝間などの狭い環境での 移動と旋回が必要。 畦道 ぶどう畑 桃畑 果樹園での草生栽培 ナス畑の畝間 不整地や傾斜地、狭い環境において、安全にかつ自在に 運搬作業ができる運搬支援技術が求められている。 2 従来技術とその問題点 ◆実用化されている技術 動力を有する運搬台車や電動化された台車 が利用されている。近年では、畝間などの 狭い場所での移動も可能で、傾斜地や不整 地での走破性も高いクローラ式運搬車が利 用されつつある。 小回りが困難 人力運搬台車と比較して操作が難しい。 不整地や傾斜地で荷台を水平化できず荷崩れ する恐れがある。 出典:(有)河島農具製作所HP クローラ式運搬車では畝間の路面を荒らすこと やエネルギー消費が大きい。 3 シーズ技術1 低重心型平行二輪ビークル ◆特長 ◆ビークル仕様 全長:1,100mm ・車体低重心化による構造的な安定姿勢を確保 全幅:900mm ・大径車輪による高い悪路走破性 全高:1,100mm ・坂道での車体水平姿勢保持 車輪直径:1,050mm 4 シーズ技術2 車体水平化機能(アクティブマスシステム) アクティブマス制御の有無 5 開発技術 低重心型平行二輪ビークル機構を用いて、傾斜地での荷台 水平化、およびビークルを自在に操作できる低重心型平行 二輪運搬ビークルを開発する。 パワーアシスト操作ハンドル サスペンション 台車 タイヤ直径 740mm アクティブマスシステム (内蔵) 6 開発技術の特徴 サスペンション パワーアシスト操作 車輪駆動モータ (荷台を取り除いた状態) 操作ハンドル 全長:800mm 全幅:850mm 全高:730mm 車輪直径:730mm(29inch) 最低地上高:110mm 荷台のロール方向の傾斜を 姿勢角制御で水平化 【平地】 力覚センサ 車輪 荷台 アクティブマスシステム(車体内蔵) 車体のピッチ方向の揺れや傾斜をウエイト搬送 制御により抑制 搬送物 荷台 車体 姿勢角 センサ 【傾斜地】 姿勢角センサ 車輪 ウエイト 車体 ビークル側面 荷台ロール方向 姿勢制御機構 7 制御システムの構成 車輪 姿勢角センサ 車載PC 車輪駆動指令 ハンドル 荷台傾動指令 荷台傾動角 力覚 荷台 荷台姿勢角 ウエイト位置 ウエイト搬送指令 力覚センサ ウエイト 車体 8 アクティブマス制御システム1 ビークルの数理モデル 車輪 車体 l2 l1 アクティブマス⇒バッテリー m1 θ b m2 rw アクティブ マス 車体の運動方程式 2 2 ( J θ + m1l1 + m2 (l2 + b 2 ))θ&& + m2l2b&& + (2m2b&b + dθ )θ& + m1 gl1 sin θ + m2 g (l2 sin θ + b cos θ ) = τ θ 9 アクティブマス制御システム2 バックステッピング法によるフィードバック制御の構築 bref {( ) 1 = C (b, b&) − J (b)(c1 + c2 ) θ& + (K − J (b)(1 + c1c2 ))θ m2 g ( J (b ) = J θ + m1l12 + m2 l2 2 + b 2 C b, b& = 2m2bb& + dθ K = −(m1l1 + m2l2 )g ( ) } ) 10 アクティブマス制御システム3 制御なし⇒ 制御あり⇒ 11 荷台ロール方向姿勢制御1 姿勢角センサ モータ 凸凹走行での荷台水平化性能 複数段差の間隔に対する荷台の姿勢角 荷台ロール角 荷台傾動角 荷台傾動指令 ビークル速度 v=1.1[m/s] 車載 PC 0.1[m] 姿勢角センサにより、荷台ロール角を検 出し、荷台が水平化するように荷台傾動 角を制御する。 Pitch 車輪 段差 8 姿勢制御系 荷台傾斜:大 Angular Amplitude [deg] フレキシブルラック&ピニオン 6 制御なし 4 制御あり 2 ピッチ:長 0 0 2 4 6 Pitch [m] 8 10 12 荷台ロール方向姿勢制御2 13 パワーアシスト操作システム1 車載PC 操作ハンドル センサで検出される力 Fx 1 0 f 0 x M = 0 L f 0 0y z 力覚 力覚センサ 車輪駆動力 ビークル移動推進力指令、 モーメント指令 Fv max kx F vr Fx max = M vr 0 0 ≤ kx ≤ 1 Fx M v max M z kz M z max 0 0 ≤ kz ≤ 1 左右車輪への駆動力 1 1 f r 2 L Fvr f = 1 1 M l − vr L 2 14 パワーアシスト操作システム2 坂道でのパワーアシスト操作の効果 15 パワーアシスト操作システム3 平地でのパワーアシスト操作の効果 16 従来技術との比較 旋回性能 登坂能力 低重心型平行 二輪ビークル クローラ式運搬車 四輪運搬車 手動一輪車 ○ ○ × ○ 車両中心旋回可 車両中心旋回可 ○ ◎ △ × 15°傾斜以内 人力では困難 悪路走破性 ○ ○ △ × 荷台水平化 ○ × × ○ 操作性 ◎ × × ○ 軽量物限定 積載量 △ ○ ○ × 最大20kg, コンテナ1台 エネルギ消費 ○ × × ◎ 価格 △ △ ○ ◎ 17 想定される用途 低重心型平行二輪ビークル ・安定運搬 ・自在操作 パーソナル ビークル 農地 工場 市街地災害 移動ロボットの プラットフォーム 18 実用化に向けた課題 現在、荷台水平化運搬ビークルのプロトタイプ開発と基本性能検証 を実施中 【課題】 アクティブマスシステムの性能向上 登坂能力を維持しながら、走行速度の向上 追従機能の付加 利用時間の伸長(バッテリー容量の増大化) 積載容量の増大 具体的な適用先に向けたカスタマイズ <例>ブドウ畑への適用 ・搭載容量、重量の増大(コンテナ3台以上搭載可) 19 企業への期待 ビークルをコンパクトに、動力性能を保ちつつ、搭載容 量を増大させるには、インホイルモータ化が求められる。 高トルクサーボモータ開発企業との共同研究を希望 一日稼働を可能にするバッテリー技術や回生エネルギー 技術の導入が求められる。 蓄電、エネルギー回生システム開発企業との共同研究 を希望 防塵、防滴機能を有し、環境に親和するプロダクトデザ インが求められる。 運搬技術に、荷台水平化と自在操作の付加価値技術の導 入を検討している企業には、本技術の導入が有効と思わ れる。 20 本技術に関する知的財産権 •発明の名称:二輪ビークルならびにそ の制御方法および操作制御方法 •出願番号 :特願2014-21357 •出願人 :山梨大学 •発明者 :野田善之 21 産学連携の経歴 2008年-2015年 ㈱ケーイーアール社と低重心型平行二輪 パーソナルビークルの共同研究実施 2014年-2015年 山梨大学新産業創出プロジェクト採択 (農地運搬支援ビークル開発) 2015年 国際ロボット展に低重心型平行二輪運搬 ビークルを出展 22 お問い合わせ先 山梨大学 社会連携・知財管理センター 産学連携コーディネーター 服部 康弘 TEL 055-220-8759 FAX 055-220-8757 e-mail yhattori@yamanashi.ac.jp 23
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