JP6695134B2 - 助力装置システム - Google Patents

Description

本発明は、荷役物等の移動動作を助力する助力装置を複数配置した助力装置システムに関するものである。

従来から工業製品の組立てを行う工場では、大きな重量を有する工具、作業用機器、製品、半完成品などの荷役物を吊り下げ及び上下動作させる荷役機械を使用している。その中でも、使用者が大きな重量の荷役物を比較的軽い操作力で任意の高さに上下動できるように助力を発生させる助力装置は、エアシリンダを用いたものと、モータを用いたものが知られている。

エアシリンダを用いたものは、主としてアーム式で、圧力エアが必要であることからエアコンプレッサ等が別途必要であり、またエア供給が切れた際の安全装置が必要であるという難点があった。また異なる重量の荷役物を吊り下げると、その重量差によって助力の度合いが変わってしまうため、これを修正するために、都度手動でエア圧を調整するようにすると作業効率が低下し、荷役物重量をコンピュータに登録して登録呼出しで行うようにしようとすると電空レギュレータを用いるため配管なども含め構成が複雑になるという難点があった。（特許文献１）

これに対して圧力エアを不要とするモータを用いたものは回転ドラムにフック付きのワイヤロープを巻き付けてこれをモータで回転させるものである。単にモータと回転ドラムの構成では上下動だけしか行われないため、ぜんまいばねを回転ドラムに取り付けて補助動力として組み合わせたものが公知である。ぜんまいばね方式では、ワイヤロープが使用者によって長く引き出されると、ぜんまいばねは弾性変形して徐々に回転ドラムに大きな力を付与することになって使用者の感触が変わってしまうため、特許文献２のようにテーパー状の回転ドラムを用いたものが開示されている。

特開２０１３−２５６３６２号公報 特開２０１５−０５４７６２号公報 特開２００１−２９４３８９号公報 特開平０７−２１５６６６号公報

しかしながら、特許文献２に開示された助力装置では、ワイヤロープを巻き付ける回転ドラムの形状がテーパー状になっていることから、これを製作することは従来の円筒形と較べてコストアップとなる。またぜんまいばねの寿命による破損時の交換作業の煩雑さが課題であった。また異なる重量の荷役物を扱う際にも、ぜんまいばねは基本１つで対応せざるを得ないため使用者の使用感に差が生じ、作業効率の低下が生じる恐れがある。

そこで本発明者は、圧力エア供給を不要とし、単純な部品形状及び機構である助力装置を開発中であるが、以下のような課題が生じる場合があった。

この課題は、長尺の荷役物を扱う場合であって、特に荷役物の重心位置が偏っている場合である。長尺であるが故に荷役物の重心位置の偏りと相まって、荷役物の姿勢が定まらない状態になる。特許文献３では荷役物の２点間に架設されるチェーンの長さを可変にする改善を開示している。また特許文献４ではバランスシリンダによる改善を開示している。本発明者は、開発中の助力装置を複数台使用して、非常に長い長尺の荷役物、それも重心位置が偏っているものに対しても安全に助力することができる助力装置システムを提供することを目的としている。

請求項１に係る助力装置システムは、上記の目的を達成するため、
対象物の上下動作を助力する複数のモータと、
各モータと繋がっている対象物の各位置を検出して位置情報を出力する複数の位置検出手段と、
各モータに対応してそれぞれ設けられて、対象物の重量及び対象物に働く外力を計測して力計測値を出力する複数の力計測手段と、
各モータ、各位置検出手段及び各力計測手段と電気的に繋がって各モータの駆動を制御する制御部と、を有し、
制御部は、
対象物の重量及び外力が各力計測手段に及ぼす力の総和を基に力目標値を演算する力目標演算手段と、
力目標値と各力計測値から第１制御参照値を演算する力制御手段と、
位置目標値を演算する位置目標演算手段と、
位置目標値と各位置情報から第２制御参照値を演算する位置制御手段と、
第１制御参照値及び第２制御参照値から各モータを制御するための制御指令信号をそれぞれ出力する制御指令出力手段と、
制御指令信号を受けて各モータの駆動を行う駆動手段と、
を備え構成されている。

請求項２に係る助力装置システムは、上記の目的を達成するため、
第１制御参照値が、力目標値と、各力計測値の総和と、の差を所望の値とするように演算されるように構成されている。

請求項３に係る助力装置システムは、上記の目的を達成するため、
第１制御参照値及び第２制御参照値が、加速度値で構成されている。

請求項４に係る助力装置システムは、上記の目的を達成するため、
位置目標演算手段が、対象物に対する各モータの制御位置に所望の差を生じるように位置目標値を演算することで構成されている。

請求項５に係る助力装置システムは、上記の目的を達成するため、
位置目標値を変化させる位置目標可変手段を有して構成されている。

請求項１から２に係る助力装置システムによれば、例えば長尺の荷役物、特に重心位置が偏っている長尺の荷役物であっても、バランスを保ちつつ荷役物の移動の助力を可能としている。

請求項３に係る助力装置システムによれば、加速度による制御を行うことで負荷やモータの慣性モーメントの変化に対するロバスト性の向上や振動の抑制が容易になることから、例えば長尺の荷役物、特に重心位置が偏っている長尺の荷役物であっても、バランスを保ちつつ荷役物の移動の助力性能の向上を図ることができる。

請求項４に係る助力装置システムによれば、例えば長尺の荷役物、特に重心位置が偏っている長尺の荷役物であっても、バランスを保ちつつ荷役物姿勢を変えることを可能としている。

請求項５に係る助力装置システムによれば、例えば長尺の荷役物、特に重心位置が偏っている長尺の荷役物であっても、バランスを保ちつつ作業中に自在に荷役物姿勢を変える動作を行うことを可能としている。

本発明の実施形態に係る助力装置システムの構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る助力装置システムにて対象物である荷役物を吊るした外観図である。 本発明の実施形態に係る助力装置システムにて対象物である荷役物を吊るした外観図である。

以下、本発明の実施形態に係る助力装置システムについて、図面を基に詳細な説明を行う。図１は本発明の実施形態を示す助力装置システムの構成を示す図である。

モータ１は対象物の移動動作の助力を行うものであって、対象物の位置を検出して位置情報を出力するために各モータ１に対応して位置検出手段２が取り付けられている。位置検出手段２は、例えばモータ１に取り付けられたスリット板と発光受光素子から構成される光学式のエンコーダである。一方対象物とワイヤロープで繋がった回転ドラム４があり、モータ１と回転ドラム４との間に回転軸に加わる力を計測する力計測手段３が設けられている。

力計測手段３はモータ１の対象物側の出力軸に直列に連結されている回転軸を有していて、この回転軸に歪みゲージが貼付されていてこの回転軸のねじれから回転軸に加わる力を計測するものを使用している。

回転ドラム４は力計測手段３の回転軸の対象物側と直列に連結されていて、回転自在に支持された円筒状の形状であって、ワイヤロープの一端が固定されていて、回転ドラム４が回転するとワイヤロープを巻き付ける若しくは送り出すことができるように胴部を有している。回転ドラム４はモータ１を動力源として回転駆動が可能であり、対象物の重力や、対象物に外力を加えて生じる回転ドラム４に発生する力、すなわち対象物に働く力は、力計測手段３によって計測できる。

なお位置検出手段２は、磁気によるものであっても良いし、また設置場所は回転ドラム４側にあっても良い。さらにモータ１と力計測手段３の間には必要に応じて減速機が設けられる場合がある。

本発明の実施形態に係る助力装置システムにおいては、このモータ１、位置検出手段２、力計測手段３及び回転ドラム４等からなる助力装置が複数設けられ、制御部５がこの複数の各助力装置１８ａ、１８ｂを制御して動作の助力を行うものである。

制御部５はこのモータ１、位置検出手段２、力計測手段３と電気的にケーブル等で接続されて、これらの機器からのデータ収集、データの記憶、データの演算、制御指令の送信などの制御を行うものである。

各助力装置１８ａ、１８ｂの制御は以下のように行われる。各助力装置１８ａ、１８ｂの力計測手段３から出力される力計測値は和として集められる。一方力目標演算手段６は対象物の荷重の総和を基に力目標値を演算する。すなわち対象物と繋がって動作の助力を行う各助力装置１８ａ、１８ｂに加わる荷重の総和を予め記憶させて力目標値を演算する。次いで各助力装置１８ａ、１８ｂの力計測手段３から出力される力計測値の和と、力目標演算手段６にて演算出力される力目標値との差が、力制御手段７へ入力される。

力制御手段７ではこれらの入力を加減演算して力ゲインを乗算して助力装置１８ａ側を対象とした第１制御参照値ａ_ｆａ、助力装置１８ｂ側を対象とした第１制御参照値ａ_ｆｂ、をそれぞれ生成する。この力ゲインは仮想慣性の逆数であって適切な任意の値にて設定される。ここで力制御手段７では、力計測手段３から出力される力計測値の和を、力目標演算手段６にて演算出力される力目標値とするように、第１制御参照値ａ_ｆａ、第１制御参照値ａ_ｆｂを生成する。例えば所望の値をゼロ近傍にすることで非常に小さな力で対象物を移動させることができる。またある程度の外力を必要とした方が、組立て等適用した際には容易となる場合もあり、力目標演算手段６ではこれを所望の値に設定して演算する機能も有している。

一方、各助力装置１８ａ、１８ｂの位置検出手段２から出力される位置情報は差として集められる。一方位置目標演算手段８は各助力装置１８ａ、１８ｂの位置目標値を演算する。位置目標値をゼロにすると。各助力装置１８ａ、１８ｂは平行に対象物を移動させることになる。位置目標可変手段１９は位置目標演算手段８の目標値を変化させる可変手段であって、スイッチ、操作レバー、操作ハンドルなどで構成され、位置目標値を故意に変化させるものである。これによって生ずる効果については後述する。次いで各助力装置１８ａ、１８ｂの位置検出手段２から出力される対象物の位置の差と、位置目標演算手段８にて演算出力される位置目標値との差が、位置制御手段９へ入力される。

位置制御手段９ではこれらの入力を加減演算してゲインを乗算して第２制御参照値ａ_ｐａ、第２制御参照値ａ_ｐｂを生成する。このゲインは比例ゲインや微分ゲイン等からなり、適切な任意の値にて設定される。

なお本実施形態では、第１制御参照値ａ_ｆａ、第１制御参照値ａ_ｆｂ、第２制御参照値ａ_ｐａ、第２制御参照値ａ_ｐｂには、加速度値を用いている。加速度を用いて制御することで、モータの制御性能の向上を図ることができ、負荷やモータの慣性モーメントの変化に対するロバスト性の向上や振動の抑制が容易になる場合がある。

制御指令出力手段１０は、力制御手段７から出力される、助力装置１８ａ側の第１制御参照値ａ_ｆａと、位置制御手段９から出力される第２制御参照値ａ_ｐａを加算し、定数を乗算して、駆動手段１１ａへ制御指令信号をそれぞれ出力する。同様に、力制御手段７から出力される、助力装置１８ｂ側の第１制御参照値ａ_ｆｂと、位置制御手段９から出力される第２制御参照値ａ_ｐｂを加算し、定数を乗算して、駆動手段１１ｂへ制御指令信号をそれぞれ出力する。駆動手段１１ａ、１１ｂは各モータ１に対して、制御指令信号を基に電流制御により駆動を行う。

図２は本発明の実施形態を示す助力装置システムにて、助力の対象物として荷役物１６を吊るした時の外観図である。図２では制御部５及び各助力装置１８ａ、１８ｂの配線等は省略している。本実施形態では２つのモータにて構成しているが、３個以上のモータでも同様に実現可能である。

各助力装置１８ａ、１８ｂはフック１３によって固定部材１２に吊り下げられている。また各助力装置１８ａ、１８ｂからはワイヤロープが吊り下げてあって、その先端部には荷役用フック１４ａ、荷役用フック１４ｂが取り付けられている。荷役物１６はベルト１５ａ、ベルト１５ｂによって荷役用フック１４ａ、荷役用フック１４ｂに吊り下げられている。

荷役物１６は例えば長尺の円錐形の一部の形状であって、円錐軸方向での重量分布は均等では無いため、ベルト１５ａに加わる重量はベルト１５ｂに加わるものより大きくなることから、これをバランスするように制御することで、荷役物１６は略水平の姿勢が保たれる。ここで荷役物１６の任意の位置において上下方向の外力を加えると、荷役物１６を水平の姿勢を保ったまま移動することができる。すなわち、力目標演算手段６にて荷役物１６全体の重量を目標値として演算し、実際に各力計測手段３にて計測されている力値との差から力制御手段７にて第１制御参照値ａ_ｆａ、ａ_ｆｂを演算し、制御指令出力手段１０にて制御指令信号を出力し、これを駆動手段１１ａ、１１ｂにて受けて各モータ１を駆動して、小さな外力印加により荷役物１６の移動が可能となる。一方、位置目標演算手段８にて各助力装置１８ａ、１８ｂのワイヤロープの繰り出し位置の差をゼロに設定すると、各位置検出手段２にて検出されている対象物に対する各モータ１の制御位置の差をゼロにするように位置制御手段９が第２制御参照値ａ_ｐａ、ａ_ｐｂを演算し、制御指令出力手段１０にて制御指令信号を出力し、駆動手段１１ａ、１１ｂにて各モータ１を駆動することから、荷役物１６を水平の姿勢を保ったまま移動することができる。

図３は本発明の実施形態を示す助力装置システムにて斜めに荷役物１６を吊るした時の外観図である。ここでは位置目標可変手段１９により位置目標演算手段８の目標値を高さの差ｈだけ変化させるようにしているので、荷役物１６はその分姿勢を斜めにしてバランスしている。

この状態で例えば、荷役物１６の任意の位置に上下方向の外力を加えると、この高さの差ｈを保ちつつ荷役物１６は移動することになる。もちろん荷役物１６の移動中に位置目標可変手段１９によりこの高さの差ｈを可変することも可能である。その際は荷役物１６が移動しつつ姿勢が変化することになる。位置目標可変手段１９によって高さの差ｈを可変しない限り、荷役物１６はこの姿勢を保ちつつ、力目標演算手段６、力制御手段７及び制御指令出力手段１０、駆動手段１１ａ、１１ｂによって外力で上下方向に移動させることができる。

以上本実施形態によれば、複数の助力装置を用いて、荷重分布が一様でない長尺の荷役物等に対しても安全に動作を助力することができる。また荷役物の姿勢を途中で変えつつ移動させることも可能であり、組立て作業の効率化にも有用である。

以上、本発明を好ましい実施形態に基づいて説明したが、本発明は上述した荷役を扱う実施形態に限定されるものでは無く、複数の各助力装置に異なる力が加わる際、これらを同時に制御する場合において有用であって、本発明の要旨の範囲内において種々の変形にて実施することが可能である。

本発明の活用例として、荷役助力装置及び長尺の重量物組立て装置等への適用が可能である。

１ ：モータ
２ ：位置検出手段
３ ：力計測手段
４ ：回転ドラム
５ ：制御部
６ ：力目標演算手段
７ ：力制御手段
８ ：位置目標演算手段
９ ：位置制御手段
１０ ：制御指令出力手段
１１ａ、１１ｂ ：駆動手段
１２ ：固定部材
１３ ：フック
１４ａ、１４ｂ ：荷役用フック
１５ａ、１５ｂ ：ベルト
１６ ：荷役物
１７ ：助力装置システム
１８ ：助力装置
１９ ：位置目標可変手段

Claims (5)

1. 対象物の上下動作を助力する複数のモータと、
   前記各モータと繋がっている前記対象物の各位置を検出して位置情報を出力する複数の位置検出手段と、
   前記各モータに対応してそれぞれ設けられて、前記対象物の重量及び前記対象物に働く外力を計測して力計測値を出力する複数の力計測手段と、
   前記各モータ、前記各位置検出手段及び前記各力計測手段と電気的に繋がって前記各モータの駆動を制御する制御部と、を有し、
   前記制御部は、
   前記対象物の重量及び前記外力が前記各力計測手段に及ぼす力の総和を基に力目標値を演算する力目標演算手段と、
   前記力目標値と前記各力計測値から第１制御参照値を演算する力制御手段と、
   位置目標値を演算する位置目標演算手段と、
   前記位置目標値と前記各位置情報から第２制御参照値を演算する位置制御手段と、
   前記第１制御参照値及び前記第２制御参照値から前記各モータを制御するための制御指令信号をそれぞれ出力する制御指令出力手段と、
   前記制御指令信号を受けて前記各モータの駆動を行う駆動手段と、
   を備えたことを特徴とする助力装置システム。
2. 前記第１制御参照値が、前記力目標値と、前記各力計測値の総和と、の差を所望の値とするように演算されることを特徴とする請求項１に記載の助力装置システム。
3. 前記第１制御参照値及び前記第２制御参照値が、加速度値であることを特徴とする請求項１又は２に記載の助力装置システム。
4. 前記位置目標演算手段が、前記対象物に対する前記各モータの制御位置に所望の差を生じるように前記位置目標値を演算す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助力装置システム。
5. 前記位置目標値を変化させる位置目標可変手段を有す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助力装置システム。