(57)【要約】【課題】  比較的簡易な制御系によりリミットサイクル問題を解消し得る搬送装置およびその制御システムを提供する。【解決手段】  サーボモータ１の正逆回転駆動により巻き上げ・巻き下げされるロープ２と、このロープに介在されたロードセル６と、ロープの先端に設けられた振動吸収手段３と、この振動吸収手段の先端に設けられた搬送物吊下手段と、ロードセルの高さ方向の変位を計測する計測手段とを備える。ロードセルによる検出情報に加え、ロードセルおよび搬送物の高さ方向の変位情報に基づきサーボモータを制御する。【選択図】  図１
2011131976.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
サーボモータの正逆回転駆動により巻き上げ・巻き下げされるロープと、このロープに介在されたロードセルと、前記ロープの先端に設けられた振動吸収手段と、この振動吸収手段の先端に設けられた搬送物吊下手段と、前記ロードセルの高さ方向の変位を計測する計測手段とを備え、前記ロードセルによる検出情報に加え、前記ロードセルの高さ方向の変位情報に基づき前記サーボモータを制御してなることを特徴とする搬送装置。
【請求項２】
前記振動吸収手段は、バネおよびダンパが重畳的に設けられた振動吸収手段であることを特徴とする請求項１に記載の搬送装置。
【請求項３】
サーボモータの正逆回転駆動により巻き上げ・巻き下げされるロープにロードセルを介在し、ロープ先端にバネおよびダンパを重畳的に配置してなる振動吸収手段を設け、この振動吸収手段の先端に搬送物吊下手段を設けてなる搬送装置において、
前記ロードセルの高さ方向の変位を計測する変位計測手段を備え、前記ロードセルによる検出情報に基づく制御信号に対し、前記ロードセルの高さ方向の変位を検出するとき、前記変位計測手段による高さ方向の変位および荷重の変化による計測値をコントローラにフィードバックしてなることを特徴とする搬送装置における制御装置。
【請求項４】
前記計測値は、次式により算出された値であることを特徴とする請求項３に記載の搬送装置の制御方法。
【数１】
2011131976.tif 000021
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、搬送装置および搬送装置の制御システムに関し、特に、重量物搬送における作業負担を軽減するいわゆるパワーアシスト機能を搭載した搬送装置と、その搬送装置を制御するためのシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、いわゆるパワーアシストシステムと呼ばれる省力化技術の開発が行われ、重量物搬送においても作業負担を軽減できるような技術開発がなされている。本発明者らは、天井クレーンによる重量物搬送において、研究開発を行っており（特許文献１および２参照）、三次元空間における重量搬送物の移動を半自動化し（特許文献１）、また、重量搬送物の姿勢を制御することのできる制御システム（特許文献２）を開発している。
【０００３】
上記に示した技術の基本的な構成は、サーボモータにより正逆方向に駆動され、ロープを巻き上げ・巻き下げを行うことによって、搬送物が上下方向の移動をアシストするものであった。そして、このようなパワーアシストシステムでは、搬送物の移動の終点において、図６に示すように、制御が収束せずにロープの巻き上げ・巻き下げを継続するいわゆるリミットサイクルの問題があった。特に、地面に接地させた際には、一定周期で地面を搬送物がバウンドするという状態が発生し得るものであった。そこで、本発明者らは、二種類のコントローラを切り換える構成の制御システムを開発している（特許文献３および非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２１４００９号公報
【特許文献２】特開２００８−２７３６８２号公報
【特許文献３】特許第４１５５５２７号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】T.Miyoshi, H.Kojima, K.Terashima“ Development of VerticalPower-Assisted Crane System Considering Absolute Stability”,Int. Conf. onIntelligent Robots and Systems (IROS), 4902/4908(2006)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献３および非特許文献１において開示した技術は、パワーアシスト状態においては、ロードセルにより外力を計測しているときは、通常のコントローラが制御系を支配し、上記外力の方向に重量搬送物を移動させる駆動力が付与されるが、ロードセルが計測する計測値が閾置を下回った際には、駆動力を早期に低減させる減衰制御が制御系を支配し、所望の位置において重量搬送物を停止させるように構成されていた。
【０００７】
上記技術は、リミットサイクル問題を十分に解決することができるものであるが、上述のとおり、二種類のコントローラを要すること、および、コントローラの切換制御が必要となることから、少なからず制御系の複雑化を招来し得るものとなっていた。
【０００８】
本発明は、上記諸点にかんがみてなされたものであって、その目的とするところは、比較的簡易な制御系によりリミットサイクル問題を解消し得る搬送装置およびその制御システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
そこで、本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討の結果、本発明に至ったものである。
【００１０】
すなわち、搬送装置にかかる本発明は、サーボモータの正逆回転駆動により巻き上げ・巻き下げされるロープと、このロープに介在されたロードセルと、前記ロープの先端に設けられた振動吸収手段と、この振動吸収手段の先端に設けられた搬送物吊下手段と、前記ロードセルの高さ方向の変位を計測する計測手段とを備え、前記ロードセルによる検出情報に加え、前記ロードセルの高さ方向の変位情報に基づき前記サーボモータを制御してなることを特徴とする搬送装置を要旨としている。
【００１１】
上記構成により、現実に搬送される搬送物とロードセルの中間に振動吸収手段が介在することとなり、搬送物による振動を吸収するとともに、サーボモータによる巻き上げ・巻き下げ時の振動をも吸収される。そして、作業者による操作力は、一旦振動吸収手段を経由してロードセルに伝達され、このロードセルが操作力を計測するときにのみサーボモータが作動することとなる。従って、搬送物を地面に接地した状況下では、搬送物の質量相当の荷重の減少がロードセルによって計測されるが、搬送物の変位が検出されないことから、ロードセルの高さ方向の位置を収束させることができる。
【００１２】
さらに、上記各発明において、前記振動吸収手段は、バネおよびダンパが重畳的に設けられた構成とすることができる。この場合、バネによる衝撃吸収効果と、ダンパによる振動収束効果を得ることができる。
【００１３】
他方、制御装置にかかる本発明は、サーボモータの正逆回転駆動により巻き上げ・巻き下げされるロープにロードセルを介在し、ロープ先端にバネおよびダンパを重畳的に配置してなる振動吸収手段を設け、この振動吸収手段の先端に搬送物吊下手段を設けてなる搬送装置において、前記ロードセルの高さ方向の変位を計測する変位計測手段を備え、前記ロードセルによる検出情報に基づく制御信号に対し、前記ロードセルの高さ方向の変位を検出するとき、前記変位計測手段による高さ方向の変位および荷重の変化による計測値をコントローラにフィードバックしてなることを特徴とする搬送装置における制御装置を要旨としている。
【００１４】
上記構成によれば、ロードセルによる荷重の測定値とともに、ロードセルおよび搬送物の変位の計測値によって、ロードセルの高さ方向の位置を制御することができ、パワーアシスト機能を発揮しつつ、搬送物の接地状態におけるロードセルの停止位置を安定させることができる。
【００１５】
上記発明において、前記計測値は、例えば、数１式により算出された値とすることができる。このような制御方法によれば、搬送物の変位量からロードセルの変位量を減じて得た変位量について補正値が演算されることとなり、搬送物に対して操作力が作用する場合と、操作力が作用しない場合との制御状態を異ならせることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の搬送装置によれば、搬送物に操作力を作用させる場合にはパワーアシスト機能を発揮させることができるとともに、搬送物に操作力を作用させない場合には、ロードセルの位置の安定を図ることができ、搬送物の接地の際には、搬送物の高さ方向の位置を変化させることなくロードセルの位置を安定させ、これにより、リミットサイクル問題を解消し得ることとなる。
【００１７】
また、本発明の制御方法によれば、単一のコントローラによる制御において、補正値の入力を異ならせることによって異なる制御の状態とすることができ、単一のコンとラーによるリミットサイクル問題の解消を可能にし得るものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態を示す概略図である。
【図２】本発明の制御方法を示すブロック図である。
【図３】搬送物の接地の状態を示す概略図である。
【図４】搬送物を接地した状態におけるブロック図である。
【図５】実験における振動状態を示すグラフである。
【図６】リミットサイクル出現時のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は搬送装置の実施形態を示す概略図である。この図に示すように、搬送装置は、サーボモータ１の正逆回転により巻き上げ・巻き下げが可能なロープ２に、ロードセル６、懸吊手段３が設けられている。この懸吊手段３は、振動吸収手段と、その下端に搬送物Ｗが吊下できる搬送物吊下手段としてのフック（図示せず）とで構成されている。懸吊手段３の主たる構成である振動吸収手段とは、バネ４とダンパ５を重畳的に配置した構成であり、現実的には図示のように、バネ４およびダンパ５が並列に設けられた構成となっており、搬送物Ｗの上下方向（図中Ｚ方向）の振動を同時に吸収させる作用を有している。本実施形態では、中心に１本のダンパ５を配置し、その両側に２本のバネ４が配置されているが、円筒バネ４の内部に同軸でダンパ５を配置する構成とすることができる。また、ダンパ５は、軸線を上下方向（Ｚ方向）に向けて配置され、上下方向（Ｚ方向）の振動を吸収する構成となっており、搬送物Ｗに対して単純な横向きの力に対しては直接的に作用しない。
【００２０】
なお、ロードセル６の高さ方向（Ｚ方向）の変位を計測する変位計測手段は、例えば、ロードセル６の変位はサーボモータ１の巻回の状態から演算する。
【００２１】
本実施形態は、図１からも明らかなとおり、懸吊手段３の下端に搬送物Ｗを吊下させると、ロードセル６が搬送物Ｗの重量を計測することとなるが、この搬送物Ｗの重量は初期値として、制御装置では当該重量を除いた計測値により制御される。この搬送物Ｗに対して外力（作業者の操作力）ｆｈ〔Ｎ〕を加えると、当該ロードセル６が、その操作力を検出して制御装置に入力する。制御装置により出力された駆動指令の信号により、サーボモータ１が正逆の方向および回転速度など所定の条件で作動するものである。なお、制御装置は、サーボモータ１に内蔵されるコントローラＫｆであるが、これとは別の制御装置を備えることも可能である。
【００２２】
本実施形態の制御装置のブロック線図を図２に示す。この図に示されているように、作業者の操作力ｆｈ〔Ｎ〕や荷物の重さｍｇによりバネ４の力ｕ〔Ｎ〕をロードセル６が検出する。ロードセル６からコントローラＫｆに入力される情報は、荷物の重さｍｇを差し引いた値となっており、コントローラＫｆが操作力ｆｈに基づいて制御入力ｒｖを生成し、サーボモータ１に指令を出力する。この指令信号に応じてモータ１は速度ｖで回転することとなる。コントローラＫｆは次式で表される演算処理が記憶されている。
【００２３】
【数２】
2011131976.tif 000003
【００２４】
ただし、数２の式におけるｋｐは変換係数〔ｍ／ｓ／Ｎ〕、ωｎは固有角周波数〔ｒａｄ／ｓ〕、ｓはラプラス演算子〔１／ｓ〕、ζは減衰係数である。
【００２５】
ここで、計測値ｕは、数３の式（数１に示したものと同じ）で求められ、バネ４の伸びや振動の減衰状態が反映されつつ制御が行われる。
【００２６】
【数３】
2011131976.tif 000004
【００２７】
この数式からも理解されるように、補正値ｕは、搬送物Ｗの変位からロードセル６の変位を差し引いた相対的な変位について、振動の減衰量が決定されている。つまり、ロードセル６の位置が変動しない場合は、単純に搬送物Ｗのみが振動している状態として認識され、逆に、ロードセル６の位置のみが変動している場合には、搬送物Ｗが静止（場合によっては地面に接地）している状態としてロードセル６の位置を安定化するように機能する。
【００２８】
本実施形態における位置の変化（変位）と荷重の変化には、三種類の形態（これを振動条件と呼ぶ）がある。すなわち、作業者が搬送物Ｗを移動させることでロードセル６および搬送物Ｗが変位する振動条件（これを振動条件１という）、搬送物Ｗが接地されロードセル６のみが変位する振動条件（これを振動条件２という）、および、搬送物Ｗが空中で停止して搬送物Ｗのみが変位する振動条件（これを振動条件３という）である。
【００２９】
本実施形態では、これら３つの振動条件のすべてにおいて、振動吸収手段３の振動が制御されるように、バネ、ダンパおよびコントローラのパラメータが決定されなければならない。すなわち、搬送中の振動条件のみならず、搬送物Ｗを接地した際のリミットサイクル問題を解消することが可能になるのである。
【００３０】
そこで、各振動条件について順次説明する。
〔振動条件１〕
振動条件１は、作業者が搬送物Ｗを移動させている状態であり、ロードセル６および搬送物Ｗは変位している。また、搬送物Ｗに作用する作業力ｆｈは、振動吸収手段３を介してロードセル６に計測される。従って、ことのときの制御の状態は、前述した図２のブロック図に示されているとおりである。
【００３１】
そこで、コントローラＫｆに対する入力から出力速度ｖへの伝達関数は次式で与えられる。
【００３２】
【数４】
2011131976.tif 000005
【００３３】
ただし、上式のＴｍはサーボモータ１の時定数〔ｓｅｃ〕であり、ｓはラプラス演算子〔１／ｓｅｃ〕である。
【００３４】
上式より、
【００３５】
【数５】
2011131976.tif 000006
【００３６】
が得られ、さらに、
【００３７】
【数６】
2011131976.tif 000007
【００３８】
とおくことにより、式（３）、（５）および（６）より、
【００３９】
【数７】
2011131976.tif 000008
【００４０】
を得る。
【００４１】
ここで、搬送中の搬送物ｗについての運動方程式は、
【００４２】
【数８】
2011131976.tif 000009
【００４３】
となるから、これを式（７）に代入して整理すると、この式（７）は、
【００４４】
【数９】
2011131976.tif 000010
【００４５】
となり、状態方程式を求めると、次式となる。
【００４６】
【数１０】
2011131976.tif 000011
【００４７】
である。このとき特性方程式は次式のように定義される。
【００４８】
【数１１】
2011131976.tif 000012
【００４９】
作業者が搬送物を搬送している状態において、システムが漸近安定である条件は、上記（１１）の根の実部が全て負の場合である。この条件を満たすバネ定数ｋ、ダンパ定数ｃを選定する場合、搬送中のシステムは安定である。また、振動を抑えるためには、Ａａの固有値の偏角が0に近いことが必要である。
〔振動条件２〕
振動条件２は、搬送物Ｗが接地した状態で制御装置が作動している場合である。この場合は、図３に示すように、搬送物Ｗの高さ方向の変位は変化しないがロードセル６の高さ方向の変位はコントローラＫｆによってサーボモータ１が作動している。そして、このときのブロック線図を図５に示す。この図５から明らかなとおり、搬送物Ｗは接地していることから、搬送物Ｗの位置に変化がなく高さ方向の変位は考慮されない。また、操作力ｆｈの入力および搬送物Ｗの重さｍｇは０となり、その重さｍｇの入力がないのである。
【００５０】
従って、コントローラＫｆに対する入力値ｕは、式（３）より次式のとおりとなる。
【００５１】
【数１２】
2011131976.tif 000013
【００５２】
そこで、この式と上記の（４）および（６）から
【００５３】
【数１３】
2011131976.tif 000014
【００５４】
を得ることができ、状態方程式を求めると次式となる。
【００５５】
【数１４】
2011131976.tif 000015
【００５６】
そして、ことのとき特性方程式は次式のように定義される。
【００５７】
【数１５】
2011131976.tif 000016
【００５８】
このときも、振動条件１と同様に、システムが漸近安定である条件は、上式（１５）式の根の実部が全て負の場合である。この条件を満たすバネ定数ｋ、ダンパ定数ｃを選定する場合、接地状態でのシステムは安定である。また、振動を抑えるためには、Ａｓの固有値の偏角が0に近いことが必要である。
〔振動条件３〕
振動条件３は、懸吊手段３の単独挙動に関する条件である。この場合、制御装置は作動せず、ロードセル６の高さ方向の変位は変化しないで、搬送物Ｗが空中で存在している状態が想定される。現実には、搬送物Ｗの振動が振動吸収手段３に伝達されることから、ロードセル６では、次式（数１６）の力が計測される。つまり、この振動条件３では、搬送物Ｗの振動を機構的に収束させるための条件を決定することが要求されるのである。そこで、搬送物Ｗの高さ方向の変位について検討すると、運動方程式は次式となる。
【００５９】
【数１６】
2011131976.tif 000017
【００６０】
さらに、伝達関数を求める。
【００６１】
【数１７】
2011131976.tif 000018
【００６２】
このときＫ、ω０、ζ０はそれぞれ次のとおりとなる。
【００６３】
【数１８】
2011131976.tif 000019
【００６４】
そして、搬送物Ｗの振動が収束する条件は次式を満たす場合である。
【００６５】
【数１９】
2011131976.tif 000020
【００６６】
以上より、以上の３つの振動条件より、（１１）、（１５）式の根の実部が全て負になり、（１９）式を満たすようなバネ定数・ダンパ定数およびコントローラを用いることで、リミットサイクル問題を解消することが可能となるのである。
〔実験例〕
実験例としては、図３中に示したＡ点の高さから搬送物Ｗを下降させ、地面に接地するものである。装置の各種設定は、上記条件を満たすものとして、振動吸収手段３のバネ定数（ｋ）を２８６９〔Ｎ／ｍ〕とし、ダンパ定数（ｃ）を１０００〔Ｎ／（ｍ／ｓ）〕とした。この実験では、質量（ｍ）が３０〔ｋｇ〕の搬送物Ｗを使用し、操作力（ｆｈ）は２〔ｋｇ〕とした。
【００６７】
この実験装置を使用して、リミットサイクルが発生するか否かを測定した。測定は、搬送物Ｗが０．１〔ｍ〕の高さにある時点から開始し、地面に接地された７秒後までの間を記録した。この実験により、図５に示すような結果を得た。なお、この図５に示すグラフにおける高さの変位はロードセル６を基準にしている。
【００６８】
この実験結果から明らかなとおり、測定開始３秒後に搬送物Ｗは地面に接地し、その後、振動吸収部材６（バネ４およびダンパ５）の圧縮により、０ポジションからマイナス方向に移動しているが、その１秒後には、０ポジションで安定している。これは、搬送物Ｗが接地するまでの間は上述の振動条件１の状況下で制御され、接地後は、搬送物Ｗの変位がないために上述の振動条件２の状況下で制御されていることを意味する。そして、制御の補正値は、ロードセル６に対する重量の減少を出力し、ロードセル６が所定の０ポジションに収束することを意味するものである。この実験結果により、リミットサイクルが発生していないことが判明した。振動の収束時間は非常に速く、極めて良好であった。
【００６９】
以上のとおりであるから、上記実施形態に示した搬送装置およびその制御方法によって、リミットサイクル問題を解決し得ることができるとともに、パワーアシスト機能を利用した搬送を行うことができる。
【００７０】
なお、上記実施形態および実験例は、本発明の一例を示すものであり、これらに限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の態様をとることができることは言うまでもない。例えば、振動吸収手段３としては、バネ４およびダンパ５を使用しており、これらを重畳的に配置する一例として両者を並列に配置したものを示したが、衝撃吸収および振動収束を可能にするものであれば、他の部材を使用し、または、配置条件を変更することも可能である。
【符号の説明】
【００７１】
１  サーボモータ
２  ロープ
３  振動吸収手段
４  バネ
５  ダンパ
６  ロードセル
Ｗ  搬送物
【図１】
2011131976.tif 000022
【図３】
2011131976.tif 000023
【図４】
2011131976.tif 000024
【図５】
2011131976.tif 000025
【図６】
2011131976.tif 000026
【図２】
2011131976.tif 000027