JP6908238B2

JP6908238B2 - バランサー制御装置

Info

Publication number: JP6908238B2
Application number: JP2017072360A
Authority: JP
Inventors: フェルナンドモヤアリミエエリック; 理一郎多田隈; 敬造荒木; 水野　晃; 晃水野
Original assignee: Yamagata University NUC; Equos Research Co Ltd
Current assignee: Yamagata University NUC; Equos Research Co Ltd
Priority date: 2017-03-31
Filing date: 2017-03-31
Publication date: 2021-07-21
Anticipated expiration: 2037-03-31
Also published as: JP2018173141A

Description

本発明は、ジンバル機構の回動中心と、バランサーを含むジンバル機構に取り付けられる構成の重心とを一致させる制御を短時間で行うことが可能なバランサーの制御装置に関するものである。

種々の荷重がかかることがある機械装置に対して、カウンタウエイトなどを備えるバランサーを設けておき、荷重に応じてカウンタウエイトを移動させるなどして、バランスを取る技術が知られている。例えば、特許文献１（特開２００１−２７８５７７号公報）には、支点の一側で重量機器を昇降させ、支点の他側で前記重量機器の昇降位置におけるバランスを制御して、重量機器を吊下げ又は吊上げる方法において、重量機器の昇降に対応し、カウンタウエイトを自動的に移動して、重量機器側と、カウンタウエイト側とのモーメントをバランスさせることを特徴とした重量機器のバランサー付き吊り方法が開示されている。
特開２００１−２７８５７７号公報

発明者らは、ジンバル機構に取り付けられた荷台を有する全方向移動車両を開発している。このような全方向移動車両においては、荷台に荷物を置いた際、その反動でジンバル機構が揺動し、ジンバル機構の静止までに時間がかかっていた。全方向移動車両の走行は、ジンバル機構が静止してからとなるので、荷台に荷物を置いてから、走行開始まで長い時間がかかっていた。このようなことから、従来、荷台に荷物が置かれてから、短時間で、ジンバル機構の回動中心と、ジンバル機構に取り付けられている構成の重心とを一致させるバランサーの制御が求められていたが、そのような制御が開発されておらず、問題であった。

上記問題を解決するために、本発明に係るバランサー制御装置は、一方の端部に第１基台が配され、他方の端部に第２基台が配されると共に、第１ジンバル軸と第２ジンバル軸を有するジンバル機構に取り付けられる棹部材と、前記第１基台上に、少なくとも３つの荷重センサを介して設けられるトレーと、前記ジンバル機構の第１ジンバル軸の回動角を検出するロール角センサと、前記ジンバル機構の第２ジンバル軸の回動角を検出するピッチ角センサと、前記第１基台を昇降させる昇降機構と、前記第２基台に水平面内可動機構を介して設けられるバランス用錘と、前記荷重センサの検出値と、前記ロール角センサの検出値と、前記ピッチ角センサの検出値とが入力され、前記昇降機構を駆動する昇降機構駆動部と、前記水平面内可動機構を駆動する水平面内可動機構駆動部と、に対して制御信号を出力する制御部と、を有し、前記制御部が、前記ロール角センサの検出値と、前記ピッチ角センサの検出値と、から前記第１基台が静止すると予測される角度である静止角度を演算し、前記荷重センサの検出値と、前記静止角度とから、前記トレー上に載置された物体の重さと重心位置を演算し、演算された物体の重さと重心位置に応じて、前記ジンバル機構の回動中心（前記第１ジンバル軸と前記第２ジンバル軸の交点）と、前記ジンバル機構に取り付けられる構成の重心を一致させるように前記昇降機構駆動部と前記水平面内可動機構駆動部と、に対して制御信号を出力することを特徴とする。

また、本発明に係るバランサー制御装置は、前記ジンバル機構が車両に搭載されることを特徴とする。

また、本発明に係るバランサー制御装置は、前記車両が全方向移動車両であることを特徴とする。

本発明に係るバランサー制御装置によれば、ジンバル機構の回動中心と、ジンバル機構に取り付けられている構成の重心とを一致させる制御を短時間で行うことが可能となる。

本発明の実施形態に係るバランサー制御装置１を備える車両１０を示す図である。本発明の実施形態に係るバランサー制御装置１のブロック図である。本発明の実施形態に係るバランサー制御装置１による制御処理のフローチャートを示す図である。バランサー制御装置１における静止角度αの概念を説明する図である。物体の重量ｍ₁と荷重センサ１１０による検出値との関係を説明する図である。物体の重心位置を演算する際の位置関係やパラメーターを説明する図である。物体の重心位置を演算する際の位置関係やパラメーターを説明する図である。物体の重心位置を演算する際の位置関係やパラメーターを説明する図である。物体の重心位置を演算する際の位置関係やパラメーターを説明する図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は本発明の実施形態に係るバランサー制御装置１を備える車両１０を示す図であり、図２は本発明の実施形態に係るバランサー制御装置１のブロック図である。図１においては、モータ、アクチュエータ、制御回路及びこれらに電源を供給するバッテリーなどについては図示を省略している。

本発明に係るバランサー制御装置１を備える車両１０としては全方向移動車両を想定しており、車台２０の下部４隅に取り付けられる車輪２３としてはオムニホイールなどが用いられる。しかしながら、本発明に係るバランサー制御装置１が搭載され得る対象は、全方向移動車両に限られるものではなく、任意の車両でよく、さらに言えばどのような機器であっても構わない。

車輪２３には不図示の駆動機構が設けられており、車輪２３が回転することで、車両１０は全方向に移動可能に構成されている。

車台２０の上部４隅には支柱２５が立設されており、これらの支柱２５の車台２０側でない能の端部には第１枠体３０が固定されている。

ジンバル機構２９は、第１枠体３０に支持され、第１ジンバル軸３５を中心に回動する第２枠体４０（第１のジンバル）と、第２枠体４０（第１のジンバル）に支持され、第１ジンバル軸３５に直交する第２ジンバル軸４５を中心に回動する棹部材５０（第２のジンバル）とから構成されている。

第１ジンバル軸３５の回動角をロール角（σ）として、また、第２ジンバル軸４５の回動角をピッチ角（θ）として定義する。

第１枠体３０には、第１ジンバル軸３５の回動角を検出するロール角センサ１０１が設けられており、これによりロール角（σ）が検出されるようになっている。また、第２枠体４０には、第２ジンバル軸４５の回動角を検出するピッチ角センサ１０３が設けられており、これによりピッチ角（θ）が検出されるようになっている。

ロール角センサ１０１によって検出されたロール角（σ）及びピッチ角センサ１０３によって検出されたピッチ角（θ）は、制御部１００に送信されるようになっている。制御部１００は、ＣＰＵとＣＰＵ上で動作するプログラムを保持するＲＯＭとＣＰＵのワークエリアであるＲＡＭなどからなる汎用の情報処理装置である。

制御部１００は、図示されている制御部１００と接続される各構成と協働・動作する。また、本発明に係るバランサー制御装置１における種々の制御処理は、制御部１００内のＲＯＭやＲＡＭなどの記憶手段に記憶保持されるプログラムをＣＰＵが実行することによって実現されるものである。

棹部材５０の長手方向の一方の端部には第１基台５１が配されており、棹部材５０の他方の端部には第２基台５２が配されている。第１基台５１上には３つの荷重センサ１１０が設けられており、これらの荷重センサ１１０の上に、トレー６０が配されている。３つの荷重センサ１１０は、それぞれの中心位置が正三角形の頂点を形成するようなレイアウトで配されている。３つの荷重センサ１１０は、トレー６０に置かれる物体の重さに係る情報を検出する。３つの荷重センサ１１０で検出される検出値は、制御部１００に送信されるようになっている。

棹部材５０を昇降させる不図示の昇降機構が設けられている。この昇降機構は昇降機構駆動部１５０によって棹部材５０を上下に変位させるようになっている。これにより、棹部材５０と共に、第１基台５１及び第２基台５２も上下（Ｚ法区）に変位する。この昇降機構は、バランサー制御装置１が制御対象とするバランサーの一部である。昇降機構駆動部１５０は、制御部１００から送信される制御指令信号に基づいて、昇降機構を駆動する。

第２基台５２の下方には、全方向歯車機構７０を介してバランス用錘８０が設けられている。この全方向歯車機構７０は全方向歯車機構駆動部１７０によって、第２基台５２に対してバランス用錘８０をＸＹ方向に変位させることができるようになっている。この全方向歯車機構７０は、バランサー制御装置１が制御対象とするバランサーの一部である。全方向歯車機構駆動部１７０は、制御部１００から送信される制御指令信号に基づいて、全方向歯車機構７０を駆動する。

なお、本実施形態では、バランス用錘８０をＸＹ方向に変位させるための構成として、全方向歯車機構７０を用いるようにしたが、モータやアクチュエータなどにより駆動されるＸＹステージを用いるなどしてもよい。なお、本発明においては、全方向歯車機構７０やＸＹステージを含む上位概念として、水平面内可動機構という語を用いることとする。

本発明の実施形態に係るバランサー制御装置１が搭載された車両１０においては、利用者がトレー６０上に置いた物体を、車輪２３が回転することで、任意の方向に運搬することができるようになっている。

先に説明したように、このような全方向移動可能な車両１０においては、トレー６０に物体を置いた際、その反動でジンバル機構２９が揺動し、ジンバル機構２９の静止までに時間がかかっていた。車両１０の走行は、ジンバル機構２９が静止してからとなるので、トレー６０に物体を置いてから、走行開始まで長い時間がかかっていた。

そこで、本発明に係るバランサー制御装置１においては、ジンバル機構２９の回動中心（第１ジンバル軸３５と第２ジンバル軸４５の交点）と、ジンバル機構２９に取り付けられている構成の重心とを短時間で一致させる以下のような制御を行うようにするものである。

図３は本発明の実施形態に係るバランサー制御装置１による制御処理のフローチャートを示す図である。図３において、ステップＳ１００で制御処理が開始されると、続いて、ステップＳ１０１に進み、ロール角センサ１０１、ピッチ角センサ１０３、３つの荷重センサ１１０による検出値を取得する。

続いて、ステップＳ１０２では、検出されたロール角（σ）、ピッチ角（θ）の振幅から静止角度αを予測する。この静止角度αについて、図４を参照して説明する。図４はバランサー制御装置１における静止角度αの概念を説明する図である。

トレー６０に物体が置かれると、例えば図４に示すように、ジンバル機構２９に取り付けられている、第１基台５１などを含む全ての構成が揺動する。このような揺動は、振り子のように一定の振幅を有している。このような振幅についてはロール角（σ）、ピッチ角（θ）によって検出することができる。一方、当該振幅の振れ幅の中間で、ジンバル機構２９に取り付けられている構成が最終的に静止することが予測される。図４では、棹部材５０の長手方向と、一点鎖線とが平行となったときである。このような一点鎖線と水平面とがなす角度が静止角度αである。静止角度αは、ジンバル機構２９に取り付けられている構成が静止するものと予測された、あくまで推定された角度である。

さて、フローチャートに戻り、ステップＳ１０３では、３つの荷重センサ１１０の検出値から物体の重量ｍ₁を演算する。図５は物体の重量ｍ₁と荷重センサ１１０による検出値との関係を説明する図である。ジンバル機構２９に取り付けられている構成がαで傾いているとき、３つの荷重センサ１１０で検出される値ｗ₁、ｗ₂、ｗ₃から物体の重量ｍ₁は、図５に示すような幾何学的な関係から、下式（１）に基づいて演算することができる。

次のステップＳ１０４では、トレー６０に置かれた物体の重心の位置を演算する。図６乃至図９は物体の重心位置を演算する際の位置関係を説明する図である。トレー６０の中心の位置（前記正三角形の中心のトレー６０上の位置）から、物体までの高さをｈ、また、静止角度αを含む断面内での当該高さの位置からのずれをρとすると、ｈは下式（２）によって、また、ρは下式（３）によって表すことができる。

ここで、³Ｐ_COGxは座標系Σ₃から見たトレー６０上の物体の重心の位置のＸ座標であり、³Ｐ_xは座標系Σ₃から見た座標系Σ₁の原点のＸ座標であり、³Ｐ_zは座標系Σ₃から見た座標系Σ₁の原点のＺ座標である。図７における変数の間には、下式（４）の関係がある。

ここで、⁰Ｐ_COGxは、環境に固定された基準座標系Σ₀から見た「トレー６０上の物体の重心の位置ベクトル」であり、ｒ₁ｐｉｔｃｈは「トレー６０上の物体の重心位置」の座標系Σ₁におけるＸ座標であり、ｒ₁ｒｏｌｌは「トレー６０上の物体の重心位置」の座標系Σ₁におけるＹ座標である。⁰Ｐ_COGxは環境に固定された基準座標系Σ₀から見たトレー６０上の物体の重心のＸ座標であり、⁰Ｐ_COGyは環境に固定された基準座標系Σ₀から見たトレー６０上の物体の重心のＹ座標であり、⁰Ｐ_COGzは環境に固定された基準座標系Σ₀から見たトレー６０上の物体の重心のＺ座標である。

式（４）中における未知数は、下式（５）のによって求めることができる。

ここで、図９に示すトレー６０上に設定された座標系Σ₁を示しており、¹Ｐ_COGは物体の重心位置をトレー６０上に投影した際の位置である。また、ｒ₁は、トレー６０上の座標系Σ₁におけるピッチ（Pitch）軸（ｙ₁軸）、ロール（Roll）軸（ｘ₁軸）周りの回転半径を示すものであり、ピッチ（Pitch）軸周りの回転半径をｒ₁pitch、ロール（Roll）軸周りの回転半径をｒ₁rollと表現するものである。

さて、以上のようなステップＳ１０４で物体の重心位置が演算されると、続いて、ステップＳ１０５では、演算された物体の重心位置に基づいて、ジンバル機構２９に取り付けられている構成の質量中心がジンバル機構２９の回動中心となるように昇降機構駆動部１５０及び全方向歯車機構駆動部１７０に制御指令を出力する。

ステップＳ１０６で、処理を終了する。

以上のように、本発明に係るバランサー制御装置１においては、トレー６０上に物体が置かれると、その位置と重心が演算され、カウンタウエイトであるバランス用錘８０の位置を、昇降機構及び全方向歯車機構７０によって迅速に変位させることが可能となり、短時間でトレー６０を含むジンバル機構２９に取り付けられている構成が静止する。

このように、本発明に係るバランサー制御装置１によれば、ジンバル機構２９の回動中心と、ジンバル機構２９に取り付けられている構成の重心とを一致させる制御を短時間で行うことが可能となる。これにより、例えば、バランサー制御装置１が車両１０に搭載されているような場合には、物体がトレー６０に載せられた後、トレー６０を含むジンバル機構２９に取り付けられている構成が静止する時間が短くなり、車両１０の走行開始までの時間を短くすることができる。

なお、バランサー制御装置１が車両１０に搭載されているような場合、さらに車両１０の加速度を検出する加速度センサを利用することで、車両１０の運動分をキャンセルすることで、走行中の物体のバランス精度をより高めるようにしてもよい。

また、トレー６０に置かれた物体の重心位置を演算する際には、フローチャートのステップＳ１０４で説明した方法以外の任意の方法を用いることができる。例えば、物体がトレー６０上に置かれた際、ロール角（σ）、ピッチ角（θ）で検出される振幅の周波数や、振幅の方向は、トレー６０に置かれた物体の重心位置と関連するので、振幅の周波数及び振幅の方向に基づいて、物体の重心位置を算出するようにしてもよい。

１・・・バランサー制御装置
１０・・・車両
２０・・・車台
２３・・・車輪
２５・・・支柱
２９・・・ジンバル機構
３０・・・第１枠体
３５・・・第１ジンバル軸
４０・・・第２枠体
４５・・・第２ジンバル軸
５０・・・棹部材
５１・・・第１基台
５２・・・第２基台
６０・・・トレー
７０・・・全方向歯車機構（水平面内可動機構）
８０・・・バランス用錘
１００・・・制御部
１０１・・・ロール角センサ
１０３・・・ピッチ角センサ
１１０・・・荷重センサ
１５０・・・昇降機構駆動部
１７０・・・全方向歯車機構駆動部（水平面内可動機構駆動部）

Claims

一方の端部に第１基台が配され、他方の端部に第２基台が配されると共に、第１ジンバル軸と第２ジンバル軸を有するジンバル機構に取り付けられる棹部材と、
前記第１基台上に、少なくとも３つの荷重センサを介して設けられるトレーと、
前記ジンバル機構の第１ジンバル軸の回動角を検出するロール角センサと、
前記ジンバル機構の第２ジンバル軸の回動角を検出するピッチ角センサと、
前記第１基台を昇降させる昇降機構と、
前記第２基台に水平面内可動機構を介して設けられるバランス用錘と、
前記荷重センサの検出値と、前記ロール角センサの検出値と、前記ピッチ角センサの検出値とが入力され、前記昇降機構を駆動する昇降機構駆動部と、前記水平面内可動機構を駆動する水平面内可動機構駆動部と、に対して制御信号を出力する制御部と、を有し、
前記制御部が、
前記ロール角センサの検出値と、前記ピッチ角センサの検出値と、から前記第１基台が静止すると予測される角度である静止角度を演算し、
前記荷重センサの検出値と、前記静止角度とから、前記トレー上に載置された物体の重さと重心位置を演算し、
演算された物体の重さと重心位置に応じて、前記ジンバル機構の回動中心（前記第１ジンバル軸と前記第２ジンバル軸の交点）と、前記ジンバル機構に取り付けられる構成の重心を一致させるように前記昇降機構駆動部と前記水平面内可動機構駆動部と、に対して制御信号を出力することを特徴とするバランサー制御装置。
前記ジンバル機構が車両に搭載されることを特徴とする請求項１に記載のバランサー制御装置。
前記車両が全方向移動車両であることを特徴とする請求項２に記載のバランサー制御装置。