JP2019131374A - 走行台車 - Google Patents

Abstract

【課題】多種多様な積載物が積載された状態であっても、積載物および走行台車を転倒させることなく、より高速に走行できる走行台車を提供する。【解決手段】走行台車は、積載物の重量およびモーメントを測定する荷重測定部と、走行台車の加速度を測定する加速度測定部と、積載物の重心位置を算出する演算部とを備えることで、積載物の重量および重心位置を算出し、その積載物の情報に応じて、適切に加減速または速度制御を行うことを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、工場内等を自立走行する無人の走行台車に関する。

近年、工場等の少人数化が進められる中、特に、直接価値を生まない部品搬送部の無人化は盛んに検討がなされており、工場内の部品および製品などの搬送では、無人搬送台車（AGV：Automatic Guided Vehicle）の導入が進んでいる。無人搬送台車は、一般的には磁気テープまたは光学テープを工場内の通路などに貼り、その軌道を読み取りながら走行する、磁気式（光学式）の有軌道の無人搬送台車が一般的に普及している。

工場内の通路などでは、磁気テープまたは光学テープの上を走行台車や作業者などが頻繁に通ることにより、磁気テープまたは光学テープがはがれたり、汚れたりするので、定期的に磁気テープまたは光学テープを張り替える必要がある。さらに、工場のレイアウト変更などにより、無人搬送台車の経路が変わってしまうと、磁気テープまたは光学テープをすべて貼り替える必要があるため、時間およびコストがかかってしまう。

そこで、現在磁気テープまたは光学テープを用いることなく、無軌道で走行できる、無人搬送台車の開発が進んでおり、レーザー測長器（LRF：Laser Range Finder）やカメラなどの各種センサを用いて周りの環境を認識し、かつ地図情報を作成して、そのデータおよびセンサによる環境認識により、自己位置を推定しながら、所定の経路を走行する手法が開発されている。ここで、「推定」するとは、搬送台車が各種センサによって測定した環境情報と、自分の持っている地図と照合し、その地図上で自身がどの位置にいるかを予測することをいう。

なお、軌道上または無軌道の無人搬送台車にかかわらず、部品を搬送する走行台車には、走行台車に直接積載物を載せる積載方式や、部品が載った台車を引っ掛けて走行する牽引方式、部品が載った台車の下に潜り込んで部品が載った台車と一体で走行するもぐりこみ方式などさまざまな方式が用いられている。これら積載方式やもぐりこみ方式などでは、積載物の重量や重心位置により、走行が不安定になることが想定される。例えば、走行台車に重心位置の高い積載物を積載した場合、加減速をゆっくり行わないと、積載物または走行台車が転倒してしまう恐れがある。

一方で、加減速を早めないと搬送時間が長くなってしまい、非効率である。よって、無人搬送台車は、積載物の重量、重心位置を認識し、それにより制御を変えることで、より効率的かつ安全に運用することが期待される。

このような走行台車の加減速または速度を調整する技術として、例えば、特許文献１には、搬送台車の荷台に取り付けられた重量センサが搬送物の重量を測定し、予め作成した重量―速度テーブルを参照して、重量に応じて、速度を変更する搬送台車が開示されている。

また、特許文献２には、昇降台の高さを加味してスタッカークレーンの重心の高さを求めて、走行加減速度から慣性力を求め、さらに、走行面に対する重心高さ（垂直方向の重心位置）と慣性力、重心から前後の駆動車輪までの水平距離から、前後の駆動車輪に加わる輪圧を求め、求めた輪圧に比例してトルク配分を決めることで、安定して走行することを実現する走行台車が開示されている。

また、特許文献３には、載台が複数のロードセルによって自由振動可能に支持されており、遠心力等によって生じる力で起こる自由振動の状態を検知して重心高さを算出する車両が開示されている。

特開２００２−２５５３０９ 特開２００７−２９７１８９ 特許第５６２６７８１号

しかしながら、特許文献１に記載の搬送台車においては、搬送物をいくつかの領域に分類し、それに応じて速度を変更するだけであり、各重量の最適な速度を実現できておらず、また、重心位置がわからないため、走行台車の加減速または速度を調整するための取得情報として十分であるとはいえない。

また、特許文献２に記載の走行台車では、積載物等の情報がわかっていることが前提であり、多種多様な積載物に対して、一様に対応することは難しい。

さらに、特許文献３に記載の車両では、車両に対して載台が振動するために、載台上の積載物が不安定になりやすい。

本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、多種多様な積載物が積載された状態であっても積載物および走行台車を転倒させることなく、より高速に走行できる走行台車を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明に係る走行台車は、軌道上または無軌道を自律走行する走行台車であって、走行台車に積載する積載物の重量およびモーメントを測定する荷重測定部と、走行台車の加速度を測定する加速度測定部と、積載物の重心位置を算出する演算部と、を備えることを特徴とする。

以上のように、本発明に係る走行台車は、多種多様な積載物が積載された状態であっても積載物および走行台車を転倒させることなく、より高速に走行することができる。

本発明の第１実施形態に係る走行台車の構成を示す斜視図である。 本発明の第１実施形態に係る走行台車にパレット状の積載物を載せた状態の斜視図である。 本発明の第１実施形態に係る走行台車に取り付けられた荷重測定部に複数のロードセルを使用した場合の構成図である。 本発明の第１実施形態に係る走行台車が静止または等速移動している際に、積載物にかかる力を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る走行台車が加速した際に、積載物にかかる力を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る走行台車の駆動部の回転数と荷重センサから積載物の重量および重心位置を求めるための流れを示すブロック図である。 本発明の第２実施形態に係る走行台車に取り付けられた荷重測定部に６軸力覚センサを使用した場合の構成図である。 本発明の第３実施形態に係る加速度センサと荷重センサから積載物の重量および重心位置を求めるための流れを示すブロック図である。

＜第１実施形態＞
本発明の第１実施形態について図１〜図６を用いて説明する。

図１は、本発明の第１実施形態に係る走行台車の構成を示す斜視図である。本実施形態では、無軌道を自律走行する走行台車を想定している。本実施形態に係る走行台車１００は、走行台車本体１０１と、走行台車本体１０１に取り付けられ、独立したモータで駆動する２つの駆動車輪１０２と、積載物を載せる積載物トレイ１０３と、走行台車１００の前方に配置された測域センサ１０４と、を備えている。走行台車１００は、各モータに与える速度を制御することにより、前進、後退および旋回動作が行える差動２輪動作を行う。

走行台車１００の周りの環境は、走行台車１００の前方に配置された測域センサ１０４によって認識し、予め作成した地図情報と測域センサ１０４から得られた情報とを照合することにより、地図上での自己の位置および姿勢を推定する。なお、本実施形態の特徴とする構成として走行台車１００は、積載物を載せる積載物トレイ１０３を備えている。積載物トレイ１０３には、走行台車本体１０１と対向する面に、積載物の荷重を検出するための荷重センサであるロードセル１２１が４つ取り付けられている。これら４つのロードセル１２１で荷重測定部を形成している。なお、本実施形態に係る走行台車１００は、軌道上を自律走行することもできる。

図２は、本実施形態に係る走行台車１００にパレット状積載物１１１を載せた状態の斜視図である。例えば、積層トレイ１０３の上に、部品１１２を積み込んだパレット状積載物１１１を複数積み上げて積載すると、重量が増加するだけでなく、重心位置も高くなり、走行台車１００の走行時の不安定さが懸念される。そこで、パレット状積載物１１１の重心位置を推定する本構成の優位性が確認できる。

ここで、図３において、走行台車１００の荷重測定部の構成を説明する。図３は、本実施形態に係る走行台車１００に取り付けられた荷重測定部が複数のロードセル１２１である場合の構成図で、図３Ａは、積載物トレイ１０３およびパレット状積載物１１１の側面図であり、図３Ｂは、複数のロードセル１２１が取り付けられた積載物トレイ１０３の底面図である。走行台車１００は、積載物トレイ１０３と走行台車本体１０１との間に、４つの圧縮方向の荷重を測定できるロードセル１２１を備えており、これら４つのロードセル１２１により、パレット状積載物１１１の状態を推定する。

次に、図４および図５を用いて重量および重心位置の測定方法を説明する。図４は、本実施形態に係る走行台車１００が静止または等速で移動しているときにパレット状積載物１１１にかかる力を示す図である。この場合、パレット状積載物１１１は加減速していないことから、パレット状積載物１１１にかかる荷重としては、パレット状積載物１１１の重力成分のみがかかる。よって、４つのロードセル１２１で測定された荷重を合計することで、パレット状積載物１１１の重量を測定することができる。

また、パレット状積載物１１１の走行面に対する水平方向の重心位置Ｌｇは、各ロードセル１２１で検出された荷重の比率により算出することが可能となる。具体的には、例えば、以下の「走行面に対する垂直方向の力の釣り合いの式１」および「Ｆｂの支点周りのモーメントの釣り合いの式２」から（式３）を導き出し、（式３）を用いて上記水平方向の重心位置Ｌｇを求める。

Ｆｆ＋Ｆｂ ＝ Ｍｇ ・・・（式１）
Ｍｇ×Ｌｇ−Ｆｆ×Ｌ ＝ ０ ・・・（式２）
ここで、Ｆｆは前方のロードセル１２１の荷重合計、Ｆｂは後方のロードセル１２１の荷重合計、Ｍはパレット状積載物１１１および積載物トレイ１０３の総質量、Ｌｇはパレット状積載物１１１の上記水平方向の重心位置、Ｌは前後のロードセル１２１間長さ、を表す。

Ｌｇ ＝ Ｆｆ／（Ｆｆ＋Ｆｂ）×Ｌ ・・・（式３）

このように、静止または等速で移動しているときのロードセル１２１の値を用いることで、パレット状積載物１１１および積載物トレイ１０３の総重量Ｍｇおよび上記水平方向の重心位置Ｌｇが測定できる。

次に、走行面に対する重心高さ（垂直方向の重心位置）の算出方法について説明する。図５は、本実施形態に係る走行台車１００が加速した際に、積載物にかかる力を示す図である。例えば、図５の左方向に走行台車１００が加速する時には、積載物の重力方向の荷重に加えて、図５の右方向に慣性力が発生し、静止時と比べてロードセル１２１に差分が生まれる。走行台車１００の加速度は、走行台車の車輪径および車輪の回転速度より算出できる。この算出された走行台車１００の加速度と、ロードセル１２１で測定された重力およびモーメントにより、重心高さを計算することができる。具体的には、例えば、以下の「走行面に対する垂直方向の力の釣り合いの式４」、「Ｆｂの支点周りのモーメントの釣り合いの式５」および「Ｆａの支点周りのモーメントの釣り合いの式６」から（式７）を導き出し、（式７）を用いて上記垂直方向の重心位置Ｌｈを求める。

Ｆｆａ＋Ｆｂａ ＝ Ｍｇ ・・・（式４）
Ｍｇ×Ｌｇ−Ｆｆａ×Ｌ−Ｍａ×Ｌｈ ＝ ０ ・・・（式５）
Ｆｂａ×Ｌ−Ｍｇ×（Ｌ−Ｌｇ）−Ｍａ×Ｌｈ ＝ ０ ・・・（式６）
ここで、Ｆｆａは加速度aで加速した時の前方のロードセル荷重合計、Ｆｂａは加速度aで加速した時の後方のロードセル荷重合計、Ｍは積載物質量(積載物トレイを含む。）、Ｌｇは上記水平方向の重心位置、Ｌは前後ロードセル間長さ、Ｌｈは積載物の上記垂直方向の重心位置を表す。

Ｌｈ ＝ （Ｍｇ×Ｌｇ−Ｆｆａ×Ｌ）／Ｍａ ・・・（式７）

次に、上記した積載物の重量および重心位置の算出方法の流れの詳細を示す。図６は、本実施形態に係る走行台車の駆動部の回転数と荷重センサから積載物の重量および重心位置を求めるための流れを示すブロック図である。

本実施形態に係る走行台車１００は、例えば、走行台車本体１０１に演算部６０１を備えている。演算部６０１は、駆動車輪１０２を含み駆動車輪１０２の回転数を検出する駆動部（回転検出部）６０２および４つのロードセル１２１と通信可能に接続されている。駆動部（回転検出部）６０２は、走行台車１００の加速度を測定する加速度測定部の役割を有している。また、演算部６０１は、移動速度算出部６０３と、加速度算出部６０４と、積載物重量算出部６０５と、水平方向重心位置算出部６０６と、垂直方向重心位置算出部６０７と、を有している。なお、演算部６０１は走行台車本体１０１の外部に配置することもできる。この場合、演算部６０１は通信手段により走行台車１００に命令信号を送信し、受信した命令信号に従って走行台車１００を走行させることができる。

まず、演算部６０１は、駆動部６０２の回転数を取得し、その回転数および走行台車１００の駆動車輪１０２の径により、走行台車１００の速度を算出する。次に算出された走行速度の変化量より、走行台車１００の加速度を測定して算出する。一方、静止または等速運動時に測定された４つのロードセル１２１の合計値により、積載物の重量を測定でき、また、各ロードセル１２１で測定された荷重のばらつきから、積載物の上記水平方向の重心位置を推定することができる。さらに、演算部６０１では、加速時に測定された４つのロードセル１２１と、静止時に測定した荷重の差分と、そのときの走行台車の加速度を用いることで、積載物の上記垂直方向の重心位置を測定することができる。

移動速度算出部６０３は、積載物の測定された重量および算出された重心位置に応じて、走行台車１００の速度を算出し、走行台車１００の速度を変更する指令を出す。加速度算出部６０４は、加速度測定部で測定したデータに基づいて走行台車１００の加速度を算出する。積載物重量算出部６０５は、荷重測定部で測定したデータに基づいて積載物の重量およびモーメントを算出する。水平方向重心位置算出部６０６は、積載物の水平方向の重心位置を算出する。垂直方向重心位置算出部６０７は、積載物の垂直方向の重心位置を算出する。

本実施形態に係る走行台車の目的は、多種多様な積載物を積載する走行台車において、積載物の重量および重心位置を正確に把握し、それに応じて加減速度または速度を適切に変更することにより、積載物および走行台車が転倒することなく、そのなかでより速く動作し、搬送時間を短縮することにある。

本実施形態に係る走行台車は、このような目的を達成するために、上記構成を備えており、本構成により、静止または等速移動中は、荷重測定部により積載物の重量および走行面に対する水平方向の重心位置を測定することができる。また、本実施形態に係る走行台車は、加減速時の荷重測定部の情報および加減速度を見ることにより、積載物の重心高さを算出することができる。これにより、本実施形態に係る走行台車は、積載物の重量および重心位置を正確に把握し、それに応じて加減速度および速度を設定することにより、走行安定性を保ちつつ、より高速な走行が可能となる。

すなわち、本実施形態に係る走行台車は、走行台車に積載する積載物の重量および重心位置を正確には把握し、それに応じた加減速制御もしくは速度制御を行えるため、多種多様な積載物が載せられた場合においても、一律に制御が可能となる。また、本実施形態に係る走行台車は、積載物の重量および重心位置に応じた加減速制御もしくは速度制御を行うことにより、走行台車もしくは積載物の転倒、落下を防ぎつつ、より速く走行台車を走行させることができ、移動時間を短縮することができる。

以上のように、静止または等速時のロードセル１２１の値と、加速（または減速）時のロードセル１２１の静止時との差分および走行台車の加速度から、走行台車に積載している積載物の重量および重心位置を測定することができる。なお、走行台車自身の重量および重心位置については、設計時に予め算出しておくことが可能であるため、本手法において算出された積載物の重量および重心位置と合わせることで、積載物を含めた走行台車全体としての重量、重心位置を算出することができる。走行台車全体の重量、重心位置から、それに応じた加減速制御および速度制御を行うことにより、走行台車および積載物が転倒することがない範囲で、より速く走行台車を走行させることができる。

なお、本説明では、走行台車を無軌道で走行する走行台車で想定しているが、磁気テープや光学テープなどを用いた有軌道の走行台車であっても、同様に適応可能である。また、本説明では、走行台車の駆動部が２つの独立したモータで駆動車輪を制御する差動２輪駆動の走行台車を想定しているが、駆動方法はステアリングにより方向転換するステアリング方式や、オムニホイール等を使用した全方位移動型の駆動方式などにおいても適応可能である。

＜第２実施形態＞
次に本発明の第２実施形態について図７を用いて説明する。本実施形態に係る走行台車は、基本的な構成が第１実施形態に係る走行台車１００の構成と同じであるが、積載物の荷重検出方法が第１実施形態に係る走行台車１００と相違する。図７は、本実施形態に係る走行台車に取り付けられた荷重測定部が単一の６軸力覚センサ１２２を使用した場合の構成図で、図７Ａは、積載物トレイ１０３およびパレット状積載物１１１の側面図であり、図７Ｂは、単一の６軸力覚センサ１２２が取り付けられた積載物トレイ１０３の底面図である。

図７は、積載物の荷重検出を１つの荷重およびモーメントを測定できる６軸力覚センサ１２２を用いて測定している。より詳細には、積載物トレイ１０３と走行台車本体１０１との間に６軸力覚センサ１２２を用いることにより、第１実施形態に係る走行台車１００で使用していた４つのロードセル１２１の役割を１つのセンサにて果たすことができる。具体的には、静止時の高さ方向の荷重および水平軸周りのモーメントより、積載物の重量および上記水平方向の重心位置を推定し、さらに、移動時の加速度と６軸力覚センサ１２２から検出される水平軸周りのモーメントより、高さ方向の重心位置を算出することができる。なお、６軸力覚センサ１２２には、力角センサを用いることができる。

本構成をとることにより、実施の形態１と比べて、１つの６軸力覚センサ１２２で４つのロードセル１２１の役割を果たすことができるため、構造が簡易的になると共に、演算の簡略化が期待できる。

＜第３実施形態＞
次に本発明の第３実施形態について図８を用いて説明する。本実施形態に係る走行台車は、基本的な構成が第１実施形態に係る走行台車１００の構成と同じであるが、加速度を測定するための進行方向の加速度を検出可能な加速度センサ８０２を備えている点が第１実施形態に係る走行台車１００と相違する。加速度センサ８０２は、加速度測定部の役割を有している。加速度センサ８０２を備えているため、走行台車の加速度を駆動車輪の回転角度から算出する必要がなく、加速度センサ８０２からのデータを直接使用することができるため、演算の簡略化および加速度の検出精度向上が期待できる。

１００ 走行台車
１０１ 走行台車本体
１０２ 駆動車輪
１０３ 積載物トレイ
１０４ 測域センサ
１１１ パレット状積載物
１１２ 部品
１２１ ロードセル
１２２ ６軸力覚センサ
６０１、８０１ 演算部
６０２ 駆動部
６０３ 移動速度算出部
６０４ 加速度算出部
６０５ 積載物重量算出部
６０６ 水平方向重心位置算出部
６０７ 垂直方向重心位置算出部
８０２ 加速度センサ

Claims (6)

1. 軌道上または無軌道を自律走行する走行台車であって、
   前記走行台車に積載する積載物の重量およびモーメントを測定する荷重測定部と、
   前記走行台車の加速度を測定する加速度測定部と、
   前記積載物の重心位置を算出する演算部と、
   を備えることを特徴とする走行台車。
2. 前記積載物の測定された重量および算出された重心位置に応じて、前記走行台車の速度を変更する移動速度算出部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の走行台車。
3. 前記荷重測定部が、前記積載物を載せるトレイと前記走行台車本体との間に設置された複数のロードセルであることを特徴とする請求項１または２に記載の走行台車。
4. 前記荷重測定部が、前記積載物を載せるトレイと前記走行台車本体との間に設置された少なくとも高さ方向および水平軸に対するモーメントを測定できる力覚センサであることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の走行台車。
5. 前記加速度測定部は、前記走行台車の車輪径および車輪の回転速度を測定する回転検出部であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の走行台車。
6. 前記加速度測定部は、前記走行台車の加速度を測定する加速度センサであることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の走行台車。
   

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