JP2004021693A

JP2004021693A - 搬送ロボットのテーブル角度制御方法

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Publication number: JP2004021693A
Application number: JP2002176996A
Authority: JP
Inventors: Kazue Sumiya; 角谷　和重; Shin Miyaji; 宮治　伸; Naoto Tojo; 東條　直人
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2002-06-18
Filing date: 2002-06-18
Publication date: 2004-01-22
Also published as: US6859684B2; US20040006408A1

Abstract

【課題】テーブルに作用する加速度と重力との合力ベクトルがテーブルに対して垂直に作用するようにテーブルを傾動させることにより、テーブルに載置された物品の落下等を効果的に防止できるテーブル角度制御方法を提供する。
【解決手段】台車の移動に伴いテーブル又は台車に作用する加速度と重力の合力ベクトルがテーブルに対して垂直に作用するように、テーブルを傾動させる。また、台車を移動させるために台車の駆動手段へ入力される速度指令値から、テーブルに作用する加速度を推定するステップと、推定された加速度と重力との合力ベクトルを算出するステップと、得られた合力ベクトルがテーブルに対して垂直に作用するように、テーブルを傾動させるステップと、を有する。
【選択図】　　　図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自走式搬送ロボットのテーブルに載置された物品の落下や荷崩れを防止するためのテーブル角度制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図２１に示すように、車輪（９２）の回転によって路面を走行する自走式台車（９１）の上部にテーブル（９３）を配備し、該テーブル（９３）上に物品を載置して搬送するロボット（９０）が知られている。
この種物品搬送ロボット（９０）は、テーブル（９３）を台車（９１）に対して前後及び左右に傾動可能とすると共に、テーブル（９３）に傾斜角センサ（図示せず）を配備しており、路面の傾きや台車（９１）が障害物に乗り上げたときにテーブル（９３）が水平に維持されるようにテーブル（９３）を傾動させ、テーブル（９３）に載置された物品の落下や荷崩れを防止している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、搬送ロボット（９０）が走行すると、加減速による慣性力や旋回時の遠心力などが作用するため、テーブル（９３）を単に水平に維持するだけでは、物品の落下や荷崩れが生じることがあり、また、搬送物が液体の場合にはこぼれてしまうこともあった。
【０００４】
本発明の目的は、テーブルに作用する加速度と重力との合力ベクトルがテーブルに対して垂直に作用するようにテーブルを傾動させることにより、テーブルに載置された物品の落下等を効果的に防止できるテーブル角度制御方法を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載の搬送ロボットのテーブル角度制御方法は、台車の移動に伴いテーブル又は台車に作用する加速度と重力の合力ベクトルがテーブルに対して垂直に作用するように、テーブルを傾動させる。
【０００６】
本発明の請求項２に記載の搬送ロボットのテーブル角度制御方法は、
台車の移動に伴いテーブル又は台車に作用する加速度を測定するステップと、得られた加速度と重力との合力ベクトルがテーブルに対して垂直に作用するように、テーブルを傾動させるステップと、を有する。
【０００７】
また、本発明の請求項３に記載の搬送ロボットのテーブル角度制御方法は、
台車を移動させるために台車の駆動手段へ入力される速度指令値から、テーブルに作用する加速度を推定するステップと、
推定された加速度と重力との合力ベクトルを算出するステップと、
得られた合力ベクトルがテーブルに対して垂直に作用するように、テーブルを傾動させるステップと、を有する。
【０００８】
【作用及び効果】
本発明の請求項１及び請求項２に記載の搬送ロボットでは、テーブル又は台車に作用する合力ベクトルを測定し、測定された合力ベクトルがテーブルに対して垂直に作用するようにフィードバック制御を行なう。従って、テーブルに載置された物品には、テーブルに垂直な方向の力だけが作用するため、台車が加減速や旋回を伴う移動をしても、テーブル上の物品が落下したり荷崩れすることはない。
【０００９】
また、本発明の請求項３に記載の搬送ロボットでは、台車を移動させるための速度指令値からテーブルに作用する合力ベクトルを予め算出し、算出された合力ベクトルがテーブルに対して垂直に作用するようにフィードフォワード制御を行なう。従って、テーブルに載置された物品には、テーブルに垂直な方向の力だけが作用するため、台車が加減速や旋回を伴う移動をしても、テーブル上の物品が落下したり荷崩れすることはない。
請求項３に記載の搬送ロボットは、フィードフォワード制御を行なうため、上記請求項１又は請求項２に記載のフィードバック制御に比べて遅延を生ずることなく、テーブルの傾動角の制御を行なうことができる利点がある。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明のテーブル角度制御方法を実施する物品搬送用ロボット（１）の一実施例を示している。図示の搬送ロボット（１）は、左右に走行車輪（１２）を配備した台車（１１）の上面にテーブル（２０）が配備される。テーブル（２０）は、図２に示すように、台車（１１）の移動方向と平行な面内（図２中Ｘ軸方向）及び該面に対して垂直かつ鉛直な面内（図２中Ｙ軸方向）で傾動可能となっており、これらの傾動を組み合わせることにより、所定の角度範囲内でテーブル（２０）を傾動させることができる。なお、テーブルを傾動させる機構は、特に限定されるものではなく公知の機構を用いることができるが、後述する実施例で説明する機構が特に好ましい。
【００１１】
テーブル（２０）の傾斜角及びテーブル（２０）に作用する加速度は、各種センサによって検出することができる。例えば、図３（ａ）に示すように、傾斜角を測定する傾斜角センサ（７１）（７２）と角速度を測定するジャイロ（７３）（７４）をテーブル（２０）のＸ軸とＹ軸に配置することにより、又は、図３（ｂ）に示すように、２軸加速度センサ（７７）をテーブル（２０）に配置することにより、Ｘ軸方向の加速度とＹ軸方向の加速度を検出することができる。テーブル（２０）が傾斜するとき、Ｘ軸及び／又はＹ軸方向に加速度が生ずるから、２軸加速度センサ（７７）を用いると、重力加速度の変化も測定することができる。さらに、図３（ｃ）及び以下に説明するように、Ｘ軸及びＹ軸の夫々に加速度センサ（７８）（７９）を取り付けることにより、各軸毎の加速度を測定することができる。
【００１２】
本発明のテーブル角度制御方法は、テーブル（２０）に作用する加速度と重力との合力ベクトルが、テーブル（２０）に対して垂直に作用するように制御するものであり、「フィードバック制御」と「フィードフォワード制御」の２つの形態に分けることができる。
【００１３】
［フィードバック制御］
この制御は、図４に示すように、テーブル（２０）又は台車（１１）に作用する慣性力と重力との合力ベクトルを観測し、得られた合力ベクトルがテーブル（２０）に垂直に作用するようにテーブル（２０）を傾動させる制御である。
Ｘ軸及びＹ軸方向の制御について夫々説明する。
【００１４】
Ｘ軸方向の制御は、加速度センサ（７８）によるＸ軸方向の加速度ａｘの観測値に基づいて行われる。
図５（ａ）は、台車（１１）が停止している状態又は等速移動状態を示している。この状態では、テーブル（２０）には重力ｇのみが作用する。つまり、テーブルに取り付けられた加速度センサ（７８）のＸ軸方向の加速度値はゼロであるから、テーブル（２０）のＸ軸が水平となるように維持することにより、テーブル（２０）と載置される物品（１００）との間にＸ軸方向の力は作用せず、物品（１００）の荷崩れ等は起こらない。
図５（ｂ）は、台車（１１）がＸ軸方向に加速又は減速した状態を示している。この状態では、テーブル（２０）には、重力ｇに加えて、Ｘ軸方向の加速度ａｘ（＝ａ１）が作用し、加速度センサ（７８）はＸ軸方向の加速度ａ１を検出する。つまり、物品（１００）は、重力加速度ｇとａ１との合力方向に力を受ける。このとき、慣性力追従制御により、図５（ｃ）に示すように、テーブル（２０）を合力と垂直な方向に傾動させるとａｘ＝０となる。物品（１００）に作用するＸ軸方向の合力ベクトルは、テーブル（２０）と垂直となるから、物品（１００）には、テーブル（２０）に平行な方向の力は作用せず、物品（１００）の荷崩れ等は起こらない。
【００１５】
Ｙ軸方向についても、図６（ａ）〜（ｃ）に示すように、Ｙ軸方向の加速度センサ（７９）の出力に基づいて、Ｘ軸方向の場合と同様の制御を行なう。なお、Ｙ軸方向に加速度ａｙが作用するのは、台車（１１）がＹ軸方向に移動した場合や、台車（１１）が旋回した場合、または、台車（１１）が傾斜面等を走行した場合である。
【００１６】
Ｘ軸方向とＹ軸方向の両方向について、上記のように、テーブル（２０）に作用する加速度を観測して、該加速度と重力との合力ベクトルがゼロとなるようにテーブル（２０）を傾動させることにより、テーブル（２０）に搭載された物品（１００）の落下や荷崩れ等を防止することができる。
【００１７】
［フィードフォワード制御］
この制御は、テーブル（２０）に加速度を与える台車（１１）の移動速度制御部（８０）から、台車（１１）を走行させるために台車（１１）の駆動手段（８２）に送信されるモータの回転角速度を観測し、得られた観測値からテーブル（２０）に作用するＸ軸及びＹ軸方向の加速度を算出し、これら加速度と重力との合力ベクトルがテーブル（２０）に垂直に作用するように、テーブル（２０）を傾動させる制御である。前述のフィードバック制御では、テーブル（２０）に加速度が作用してから、該加速度に対応するテーブル（２０）の傾動角を算出するので、その応答に遅延を生ずるが、フィードフォワード制御では、予め加速度に対応する傾動角が算出できるので、遅延は生じない。
【００１８】
次に、テーブル傾動機構について具体例を挙げて説明する。
【００１９】
図７乃至図１０に示すように、台車（１１）の上面の基台（４０）には、物品を載置するテーブル（２０）と、該テーブル（２０）を傾動させるテーブル駆動手段（５１）が配備される。
テーブル駆動手段（５１）は、２基の駆動モータ（５２）（５３）と、該駆動モータ（５２）（５３）に連繋された減速機構（５４）（５４）（なお、図示ではベルトとプーリ）と、該減速機構（５４）（５４）に連繋された差動ギア（傘歯車（５５）（５６）（２４）から構成される）を具える。駆動モータ（５２）（５３）は、夫々取付具（４１）（４１）によって基台（４０）に固定されている。また、駆動傘歯車（５５）（５６）は、図示のように、回転軸（５７）（５７）の軸心が一直線上となり、駆動傘歯車（５５）（５６）どうしが対向するように配置されている。回転軸（５７）（５７）は、基台（４０）に突設された支持ブラケット（５８）（５８）の軸受（５９）（５９）に略中央位置で夫々支持される。
【００２０】
駆動傘歯車（５５）（５６）の回転軸（５７）（５７）の先端は、図９及び図１０に示すように、駆動傘歯車（５５）（５６）を貫通して延びている。回転軸（５７）（５７）の各先端は、軸径が小さくなっており、後述する支持筒（３１）の軸受（３３）（３３）に夫々嵌まる。
【００２１】
テーブル（２０）には、テーブル（２０）の下面から下方に向けて支柱（２２）と補助支柱（２３）が突設されている。支柱（２２）の下端には、従動傘歯車（２４）を嵌めて固定する有底の歯車固定孔（２５）が開設されており、該歯車固定孔（２５）の中央には、後述する支持軸（３０）を軸承する軸支持孔（２６）がさらに開設されている。軸支持孔（２６）には、軸受（２７）が配備されている。
従動傘歯車（２４）は、支柱（２２）の歯車固定孔（２５）に回転不能に固定されており、中央にて、支持軸（３０）が軸受（２８）を介して軸承される。従動傘歯車（２４）は、駆動モータ（５２）（５３）に連繋された駆動傘歯車（５５）（５６）の両方と噛合している。
【００２２】
支柱（２２）の軸支持孔（２６）及び従動傘歯車（２４）に軸承される支持軸（３０）は、図１０に示すように、駆動傘歯車（５５）（５６）の回転軸（５７）（５７）の軸心と直交して延び、略中央にて支持筒（３１）の側面を貫通し、他端が補助支柱（２３）に開設された軸支持孔（２６）に軸受（２９）を介して軸承されている。支持筒（３１）は、図９及び図１０に示すように、両端面に軸受（３３）（３３）を具え、該軸受（３３）（３３）の孔（３２）（３２）に駆動傘歯車（５５）（５６）の回転軸（５７）（５７）の先端が軸承されている。
【００２３】
支柱（２２）及び補助支柱（２３）は、支持軸（３０）の両端を挟んで支持し、かつ、支持軸（３０）に固定された支持筒（３１）は、回転軸（５７）（５７）に回転自由に支持されている。従って、駆動傘歯車（５５）（５６）の回転軸（５７）（５７）と従動傘歯車（２４）との間の距離は不変であり、従動傘歯車（２４）は、駆動傘歯車（５５）（５６）と噛合した状態で維持される。
駆動モータ（５２）（５３）を駆動すると、駆動傘歯車（５５）（５６）が回転し、従動傘歯車（２４）が駆動傘歯車（５５）（５６）上で相対的に移動して、テーブル（２０）が傾動する。
【００２４】
次に、テーブル（２０）の傾動の制御について説明する。なお、説明をわかりやすくするために、図１０に示すように、駆動傘歯車（５５）（５６）の回転軸（５７）（５７）と平行な軸（なお、以下では該軸を台車（１１）の進行方向と平行に採り、「Ｘ軸」とする）周りの回転角をロール角θ１、該Ｘ軸と直交するＹ軸周りの回転角をピッチ角θ２とする。また、図９において、紙面左側の駆動モータ（５２）を第１駆動モータ、第１駆動モータ（５２）の動力を受ける駆動傘歯車（５５）を第１駆動傘歯車と称し、紙面右側の駆動モータ（５３）を第２駆動モータ、第２駆動モータ（５３）の動力を受ける駆動傘歯車（５６）を第２駆動傘歯車と称する。
【００２５】
第１駆動モータ（５２）及び第２駆動モータ（５３）の回転と、テーブル（２０）の傾動方向との関係について説明する。
【００２６】
テーブル（２０）が基台（４０）に対して平行な状態から、第１駆動モータ（５２）のみを回転させると、図１１に示すように、第１駆動傘歯車（５５）のみが回転する。第１駆動傘歯車（５５）の回転によって、テーブル（２０）は、図１１の矢印方向に傾斜する。
同様に、第２駆動モータ（５３）のみを回転させると、テーブル（２０）が図１２の矢印方向に傾斜する。
【００２７】
さらに、図１３に示すように、第１駆動モータ（５２）及び第２駆動モータ（５３）の両方を駆動し、第１駆動傘歯車（５５）及び第２駆動傘歯車（５６）を同方向に回転させると、テーブル（２０）がＸ軸に垂直かつＹ軸に平行な面内で傾斜する。具体的には、実線矢印方向に駆動傘歯車（５５）（５６）を回転させたときには、実線矢印方向にテーブル（２０）が傾斜し、一点鎖線矢印方向に駆動傘歯車（５５）（５６）を回転させたときには、一点鎖線矢印方向にテーブル（２０）が傾斜する。
図１４に示すように、第１駆動傘歯車（５５）に対して、第２駆動傘歯車（５６）を逆方向に回転させると、テーブル（２０）がＸ軸に平行かつＹ軸に垂直な面内で傾斜する。具体的には、実線矢印方向に駆動傘歯車（５５）（５６）を回転させたときには、実線矢印方向にテーブル（２０）が傾斜し、一点鎖線矢印方向に駆動傘歯車（５５）（５６）を回転させたときには、一点鎖線矢印方向にテーブル（２０）が傾斜する。
【００２８】
これらの動作を組み合わせることによって、図１５に示すように、テーブル（２０）を任意の角度に傾斜させることができる。
以下、上記テーブル傾動機構を用いて、本発明の角度制御方法について説明する。
【００２９】
［フィードバック制御］
制御に際して、テーブル（２０）の裏面には、図３（ｃ）に示すように、Ｘ軸上及びＹ軸上に夫々テーブル（２０）のＸ軸、Ｙ軸方向の加速度を測定する加速度センサ（７８）（７９）を取り付けておく。
【００３０】
図１６は、フィードバックの制御系の構成及び制御信号の流れを示すブロック図、図１７は、フィードバック制御における制御系の制御器（７０）のブロック図、図１８は、制御器（７０）における制御フローを示している。
制御器（７０）には、台車（１１）の移動に伴って加速度センサ（７８）（７９）で観測される加速度が入力され、該加速度と重力との合力ベクトルがテーブル（２０）に垂直に作用する。即ち、前述の図４乃至図６におけるＸ軸方向の加速度ａｘ及びＹ軸方向の加速度ａｙがゼロとなるように、駆動モータ（５２）（５３）の回転を制御する。なお、図示はしていないが、駆動モータ（５２）（５３）の回転角、角速度及び電流はセンサによって計測され、モータドライバ（７５）（７６）へフィードバックすることにより、速度制御が行なわれている。
【００３１】
制御器（７０）は、予め設定された制御周期（図１８のステップＳ１）毎に加速度センサ（７８）（７９）の観測値を読み込む（ステップＳ２）。
制御器（７０）は、観測された加速度センサ（７８）（７９）の値に基づいて、Ｘ軸方向の加速度ａｘとＹ軸方向の加速度ａｙの目標値が夫々ゼロとなるように目標値と観測値と差分を算出する。
ロール角方向では、得られた各差分に、ゲインＧ２１及びＧ２２を掛けて、その差分が減少する方向の角速度リファレンスを決定する（ステップＳ３）。２台の駆動モータ（５２）（５３）を同方向に回転させることによりロール角方向にテーブル（２０）が傾斜するから（図１３参照）、モータドライバ（７５）（７６）には、得られたリファレンスをプラス入力する（ステップＳ４）。
ピッチ角方向についても同様に、ピッチ角の目標値と、ピッチ角傾斜センサ（７２）で得られた現在のテーブル（２０）のピッチ角の差分にゲインＧ２１及びＧ２２を掛けて、その差分が減少する方向の角速度リファレンスを決定する（ステップＳ３）。両駆動モータ（５２）（５３）を逆回転させることによりピッチ角方向にテーブル（２０）が傾斜するから（図１４参照）、図１７に示すように、モータドライバ（７５）にリファレンスをプラス入力し、モータドライバ（７６）にはリファレンスをマイナス入力する。
【００３２】
両駆動モータ（５２）（５３）への速度指令が決定され（ステップＳ４）、モータドライバ（７５）（７６）を介して所定の電流値が駆動モータ（５２）（５３）に印加されることにより、テーブル（２０）に作用する加速度と重力との合力ベクトルがテーブル（２０）に対して垂直となるようにテーブル（２０）が傾動する。
【００３３】
［フィードフォワード制御］
制御系のブロック図１９及びフロー図２０を参照しながら説明を行なう。なお、フィードバック制御の場合と重複する部分については説明を省略する。
台車（１１）の車輪（１２）は、モータ等の駆動手段（８２）に連繋され、駆動手段（８２）の駆動により、車輪（１２）が回転して台車（１１）が走行する。駆動手段（８２）の駆動制御は、図１９に示すように、移動速度制御部（８０）によって行なわれ、移動速度制御部（８０）には、外部から移動速度指令が入力されて、駆動手段（８２）の回転角速度が決定される。
そこで、本実施例では、所定周期毎（ステップＳ１１）に、現在のテーブル（２０）の傾斜角度及び／又は角速度を読み込み（ステップＳ１２）と、移動速度制御部（８０）に入力された移動速度指令からテーブルＸＹ方向へ働く加速度を求める（ステップＳ１３）。
移動速度制御部（８０）で求められたＸ軸方向及びＹ軸方向の加速度情報は、目標姿勢演算部（８４）に入力され、目標姿勢演算部（８４）にて、各方向の加速度と重力との合力ベクトルが、テーブル（２０）に対して垂直に作用するテーブル（２０）の目標傾斜角を算出し（ステップＳ１４）、ステップＳ１２とステップＳ１４で得られた角度情報から前述の図１７と同様の手法で角速度のリファレンスを算出し（ステップＳ１５）、モータドライバ（７５）（７６）への角速度指令を行なって（ステップＳ１６）、テーブル（２０）を傾動させる。
【００３４】
上記フィードフォワード制御により、遅延のないテーブル角度制御を行なうことができる。
【００３５】
上記実施例の説明は、本発明を説明するためのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定し、或は範囲を減縮する様に解すべきではない。又、本発明の各部構成は上記実施例に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】搬送ロボットの制御状態を示す説明図である。
【図２】テーブルの軸及び角方向を示す斜視図である。
【図３】テーブルへの各種センサの配置を示す説明図である。
【図４】テーブルに載置される物品に作用する加速度及び重力の合力ベクトルを示す説明図である。
【図５】フィードバック制御におけるＸ軸方向のテーブルの傾動を説明する図である。
【図６】フィードバック制御におけるＹ軸方向のテーブルの傾動を説明する図である。
【図７】テーブルの傾動機構の縦断面図である。
【図８】図７の図８−図８線に沿う矢視断面図である。
【図９】図７の図９−図９線に沿う矢視断面図である。
【図１０】テーブル傾動機構の要部を拡大して示す分解斜視図である。
【図１１】第１駆動モータのみを駆動したときのテーブルの傾動状態を示す斜視図である。
【図１２】第２駆動モータのみを駆動したときのテーブルの傾動状態を示す斜視図である。
【図１３】両駆動モータを同方向に駆動したときのテーブルのＸ軸周りの傾動状態を示す斜視図である。
【図１４】両駆動モータを逆方向に駆動したときのテーブルのＹ軸周りの傾動状態を示す斜視図である。
【図１５】テーブルの全傾動範囲を示す斜視図である。
【図１６】フィードバックの制御系の構成及び制御信号の流れを示すブロック図である。
【図１７】フィードバックの制御系における制御器の詳細な制御ブロック図である。
【図１８】フィードバック制御における制御フローを示している。
【図１９】フィードフォワードの制御系の構成及び制御信号の流れを示すブロック図である。
【図２０】フィードフォワード制御における制御フローを示している。
【図２１】従来の搬送ロボットの制御状態を示す説明図である。
【符号の説明】
（１）　　搬送ロボット
（１１）　台車
（１２）　車輪
（２０）　テーブル

Claims

物品が載置されるテーブルを自走式の台車に対して前後及び／又は左右に傾動可能に配備した搬送ロボットのテーブル角度制御方法において、
台車の移動に伴いテーブル又は台車に作用する加速度と重力の合力ベクトルがテーブルに対して垂直に作用するように、テーブルを傾動させることを特徴とする搬送ロボットのテーブル角度制御方法。
台車の移動に伴いテーブル又は台車に作用する加速度を測定するステップと、
得られた加速度と重力との合力ベクトルがテーブルに対して垂直に作用するように、テーブルを傾動させるステップと、
を有することを特徴とする請求項１に記載の搬送ロボットのテーブル角度制御方法。
物品が載置されるテーブルを自走式の台車に対して前後及び／又は左右に傾動可能に配備した搬送ロボットのテーブル角度制御方法において、
台車を移動させるために台車の駆動手段へ入力される速度指令値から、テーブルに作用する加速度を推定するステップと、
推定された加速度と重力との合力ベクトルを算出するステップと、
得られた合力ベクトルがテーブルに対して垂直に作用するように、テーブルを傾動させるステップと、
を有することを特徴とする搬送ロボットのテーブル角度制御方法。