ロボット芝刈り機には通常、3つのモーターが必要です。すなわち、1つの刈り取り用モーターと、2つの独立した車輪駆動用モーターです。この3モーター構成は、刃の回転、前進、後退、および旋回を個別に制御できるため、広く採用されています。
代表的なモーター構成
| ロボット芝刈り機の設計 | 刈り取り用モーター | 駆動モーター | 補助モーター | 代表的な合計 |
| 基本型コンパクト芝刈り機 | 1 | 1～2 | 0 | 2～3 |
| 標準的な家庭用芝刈り機 | 1 | 2 | 0 | 3 |
| デュアルブレード芝刈り機 | 2 | 2 | 0 | 4 |
| 全輪駆動芝刈り機 | 1 | 4 | 0 | 5 |
| 電動高さ調整機能付きの高性能芝刈り機 | 1–2 | 2–4 | 1 | 4–7 |
| 業務用マルチディスク芝刈り機 | 2–3 | 2–4 | 0–2 | 4–9 |
ほとんどの家庭用ロボット芝刈り機において、3つのモーターを搭載することで、機動性、刈り取り性能、エネルギー消費量、機械的な複雑さ、および製造コストのバランスが最も良くなります。
ほとんどのロボット芝刈り機が3つのモーターを採用する理由
標準的なロボット芝刈り機には通常、以下の構成要素が含まれます：
- 刈り取りディスクまたはブレードを駆動するモーターが1基
- 左側の車輪を駆動するモーター1基
- 右側の車輪を駆動するモーター1基
2つの車輪用モーターは独立して動作します。これらのモーターの速度や回転方向を変えることで、芝刈り機は直進したり、曲線を描いて進んだり、後退したり、ほぼ自身の車体長分の範囲内で旋回したりすることができます。
例えば、両方の車輪用モーターが同じ速度で前方に回転すると、芝刈り機は直進します。左車輪の回転速度が右車輪よりも遅くなると、機械は左に曲がります。車輪の回転方向を逆にすることで、芝刈り機はごく狭い範囲内で鋭く旋回することが可能になります。
この構成により、別途の機械式ステアリングが不要になります。従来のステアリングアクスルでは、リンク機構やジョイント、追加のスペース、そしてより多くの可動部品が必要となります。独立したモーター制御は、頻繁に方向を変える小型の自律走行機には通常、より適しています。
カッティングモーターは、車輪の速度が変化してもブレードの速度を安定させなければならないため、独立して動作します。芝刈り機は境界付近で減速したり、障害物を避けるために停止したり、傾斜地で方向転換したりすることがありますが、カッティングディスクはそれでも目標回転速度を維持する必要がある場合があります。
したがって、カッティングシステムと駆動システムを分離することで、制御精度とシステムの柔軟性が向上します。
刈り取りモーター
刈り取りモーターは、芝刈り機の下部に取り付けられたブレード、刈り取りディスク、またはブレードキャリアを駆動します。その主な機能は、過度な振動、騒音、またはエネルギー消費を伴わずに、芝をきれいに刈り取るのに十分な回転速度を維持することです。
ほとんどのロボット芝刈り機は、1つの刈り取りモーターを使用しています。ロボット芝刈り機は、1回の走行で大量の草を刈り取るのではなく、頻繁に芝を刈るため、中小規模の芝生であれば通常これで十分です。
従来の手押し式芝刈り機では、数日あるいは数週間生え伸びた背の高い草を刈る必要がある場合があります。一方、ロボット芝刈り機は週に数回稼働し、草の先端を少しずつ刈り取るだけであることが多いため、刈り取りシステムに求められるトルクは低くなります。
それでも、モーターは次のような要因によって生じる負荷変動に対応しなければなりません：
- 茂った芝生
- 濡れた草
- 小さな枝
- 刈り取りディスク周辺にたまった草
- 刈り高の不均一
- 密生した植生への急な接触
適切な刈り取り用モーターは、無負荷回転数だけで選定すべきではありません。モーターの連続トルク、ピークトルク、熱性能、シャフトの設計、ベアリングの支持構造、およびコントローラーの応答性も重要です。
2つの刈り取りモーターを使用する場合
一部のロボット芝刈り機では、1つのカッティングモーターの代わりに2つのカッティングモーターを採用しています。各モーターは、それぞれ別のカッティングディスクを駆動する場合があります。
デュアルモーター式カッティングシステムには、次のような利点があります：
- より広い刈り取り幅
- 大型の芝刈り機本体下部の刈り込み範囲の向上
- より均一な荷重分散
- ブレード・ディスクの直径の縮小
- シャーシ設計の柔軟性の向上
しかし、刈り取りモーターを追加すると、消費電力、コントローラーの要件、配線、防水箇所、およびメンテナンスの複雑さも増大します。
2つの小型刈り取りモーターが、1つの大型モーターよりも必ずしも効率的であるとは限りません。刈り取り構造全体を評価する必要があります。 ブレードの直径、ブレードの数、ディスクの回転速度、オーバーラップ領域、草の密度、およびシャーシ下部の気流は、すべて実際の性能に影響を与えます。
デュアルディスクシステムは、非常に大きな切断ディスクを1つ使用することなく、広い刈り取り幅が必要な場合に最も有用です。
車輪駆動用モーター
ほとんどのロボット芝刈り機は2つの駆動モーターを使用しており、それぞれが駆動輪に1つずつ接続されています。これらのモーターは通常、減速ギアを介して作動し、比較的低速で必要な車輪トルクを供給します。
駆動モーターは以下の役割を担っています：
- 前進および後退
- 速度調整
- 方向転換
- 境界線追従
- 障害物回避
- 登坂
- 位置補正
- ドッキング位置合わせ
ロボット芝刈り機は、長く完璧にまっすぐな直線を進むことはめったにないため、各車輪に独立したモーターが特に重要です。ロボット芝刈り機は、境界信号、マッピングデータ、車輪からのフィードバック、カメラ情報、あるいは障害物センサーに基づいて、常に進路を調整しています。
1回の芝刈りサイクル中に、モーターは数百回もの微細な速度補正を行うことがあります。したがって、安定した低速走行は、高い最高速度よりも重要となる場合があります。
高速で移動するものの、制御された補正ができない芝刈り機は、刈り残しを生じたり、芝生の縁を傷つけたり、充電ステーションへの進入に苦労したりする可能性があります。
ロボット芝刈り機は駆動モーターを1つだけで使用できるか？
単純な構造の芝刈り機であれば、理論的には1つのモーターを共有アクスルやトランスミッションを介して両輪を駆動させることも可能です。その場合、ステアリングは機械的な機構や別のアクチュエータによって処理されることになります。
この設計により、主要な駆動モーターの数は減らせるかもしれませんが、他の課題が生じます。 ディファレンシャル、クラッチ、ステアリングリンケージ、あるいはステアリングアクチュエータが依然として必要となる可能性があります。これらの部品を含めると、システム全体は必ずしも単純化されるとは限りません。
駆動モーターを共有すると、左右の車輪の速度を個別に制御することも難しくなります。これにより、旋回時の柔軟性が制限され、精密なナビゲーションが困難になります。
これらの理由から、単一の駆動モーターは、主にステアリング要件が限定的な基本的な機種に適しています。木々、花壇、狭い通路、ガーデンファニチャー、不規則な境界線を回避しなければならない自律走行型芝刈り機には、あまり適していません。
一部の芝刈り機に4つの駆動モーターが必要な理由
急勾配や起伏の激しい地形向けに設計されたロボット芝刈り機は、四輪駆動を採用している場合があります。こうした機種では、各車輪に専用のモーターが搭載されており、駆動モーターは合計4つとなります。
刈り取り用モーターを1つ加えると、芝刈り機には少なくとも5つのモーターが搭載されることになります。
四輪駆動システムにより、以下の点が向上します：
- 傾斜地でのトラクション
- 柔らかい地面での走行性
- 凹凸のある芝生での安定性
- 浅い穴からの脱出性能
- 濡れた芝生上での操縦性
- 重量配分
- 凹凸のある路面での旋回性能
しかし、モーターの数だけでは優れた登坂能力が保証されるわけではありません。タイヤのトレッドパターン、ホイール径、芝刈り機の重量、重心、最低地上高、そして制御ソフトウェアも同様に重要です。
出力の低いホイールモーターを4つ搭載するよりも、適切なサイズのモーターを2つ搭載し、適切なタイヤと重量配分を行った方が、性能が優れている場合があります。
モーターを追加するとスペースを消費し、より多くの電子制御チャネルも必要となります。車輪モーターは互いに連携する必要があるため、速度の同期が不正確だと、タイヤの空転、エネルギーの損失、または不安定な動きを引き起こす可能性があります。
したがって、4モーター駆動システムは、単にモーター数が多い方が先進的に聞こえるという理由ではなく、地形がそれを必要とする場合にのみ採用すべきです。
補助モーター
高度なロボット芝刈り機には、刈り取りや車輪の動きに直接関係しない機能のために、小型のモーターやアクチュエータが搭載されている場合があります。
刈り高さ調整
一部のモデルでは、刈り高を電子的に調整することができます。小型のギアモーターやリニアアクチュエータが、刈り取りユニットを上下させます。
この機能により、アプリ、コントロールパネル、または自動プログラムを通じて刈り高を変更できます。また、芝生のエリアごとに異なる高さを設定できる場合もあります。
調整用モーターは短時間のみ作動するため、その必要出力は通常、刈り取り用モーターや駆動用モーターよりもはるかに低くなります。
ステアリングアクチュエータ
ほとんどのロボット芝刈り機は、車輪の速度差によってステアリングを行いますが、大型や特殊な機種では、独立したステアリングアクチュエータが使用される場合があります。これは、前輪が操舵可能な設計や、より一般的な車両の構造を持つモデルに見られます。
このような設計は、高速走行時の経路制御を向上させる可能性がありますが、追加の部品や故障のリスクをもたらすことになります。
清掃またはブレード位置調整システム
市販品や特殊用途のロボット芝刈り機には、電動クリーニングブラシ、刃の折りたたみ機構、高さ調整可能なデッキ、または排出制御システムが搭載されている場合があります。これらの電動機能のそれぞれに、小型モーターが1つずつ追加される可能性があります。
これらの機能は、明確な利点がある場合にのみ追加してください。モーターが1つ増えるごとに、シーリング要件、電気接続、制御ロジック、およびメンテナンスの必要性が増大します。
必要なモーター数を決定する要因
モーターの数は、他の機械を模倣するのではなく、芝刈り機の動作要件に基づいて決定すべきです。
刈り幅
刈幅の広い芝刈り機では、シャーシ下の全範囲をカバーするために複数の刈り取りディスクが必要になる場合があります。これにより、刈り取り用モーターの数が増える可能性があります。
1枚の大型ディスクは機械構造が単純ですが、より多くのスペースを必要とし、回転慣性も高くなる可能性があります。複数の小型ディスクを使用すると、パッケージングの柔軟性は向上しますが、より多くの部品が必要となります。
地形
平坦な住宅地の芝生であれば、通常は2輪駆動で対応可能です。急な傾斜、緩い土壌、濡れた路面、凹凸のある地面では、4輪駆動が適している場合があります。
旋回方式
ディファレンシャルステアリングには、通常、独立して制御される2つの駆動モーターが必要です。機械式ステアリングでは、1つのトラクションモーターと1つのステアリングアクチュエータを使用する場合がありますが、この構成では制御やメンテナンスの要件が異なります。
必要な機動性
狭い通路で作業する芝刈り機には、正確な車輪制御が必要です。2つの独立した駆動モーターがあれば、機械はきびきびと旋回でき、微細な位置補正も可能です。
バッテリー容量
すべてのモーターはバッテリーから電力を消費します。バッテリー、コントローラの制御戦略、および機械的効率を適切に調整しない限り、モーター数を増やすと稼働時間が短縮される可能性があります。
各モーターの負荷が軽減される可能性があるため、モーター数が増えたからといって、必ずしも消費電力が比例して増加するわけではありません。とはいえ、待機時の損失、コントローラーの損失、ギアボックスの摩擦、および追加重量については考慮する必要があります。
信頼性の目標
よりシンプルな3モーター構造の方が、密閉、製造、試験、およびメンテナンスが容易である可能性があります。より複雑な芝刈り機は優れた性能を発揮するかもしれませんが、コネクタ、ベアリング、ギア、ケーブル、ドライバー、そして故障の可能性のある箇所もより多く含まれることになります。
3モーター構成は通常、実用的な出発点となる
一般的な家庭用ロボット芝刈り機の場合、以下の構成が実用的な出発点となります：
- ブラシレス刈り取りモーター 1基
- 独立して制御されるギア付きホイールモーター2基
- 動力式調整機能が必要でない限り、補助モーターは不要
この構造により、システムを比較的コンパクトに保ちつつ、通常の芝生を刈るのに十分な制御性能を確保できます。
その後、実際の要件に応じて設計を拡張することができます。刈り取りデッキの幅を広げる場合は、2つ目の刈り取りモーターを追加することがあります。急勾配対応モデルでは、車輪用モーターをさらに2つ追加することがあります。刈り高さの自動制御を行う場合は、小型のアクチュエータを追加することがあります。
必要な機能を満たす最もシンプルな構成から始めることは、機械的および制御上の要件を完全に把握する前にモーターを追加するよりも、通常、より信頼性の高い設計につながります。
