JP4208906B2 - 移動体 - Google Patents

Description

この発明は移動体の制振に関する。

スタッカークレーンや無人搬送車、有軌道台車などの搬送台車では、スライドフォークやスカラアームなどの進退自在なアームと、昇降台やリフタなどの組み合わせで、物品の移載を行う。また天井走行車では、昇降台のチャックで物品をチャックし、昇降させることにより、移載を行う。これらの何れの場合も、移載時の物品の振動を抑制したいとの要求がある。振動を抑制できれば、移載時に物品に加わる力を小さくできる、振動が収まるまで待つ時間を短縮できる、移載時の高さ精度を向上できる、移載装置の剛性が小さくても良い、より重く損傷しやすい物品を移載できるなどの利点がある。ところで特許文献１（特許３５２６０１４）は、スタッカークレーンでの移載で、スライドフォークが物品に接触する前は高速で、接触開始時期付近から低速で、昇降台を上昇させ、物品とスライドフォークが接触する際の衝撃を小さくすることを提案している。
特許３５２６０１４号公報

この発明の基本的課題は、振動を抑制しながら、短時間で必要な運動を行えるようにすることにある。
この発明での追加の課題は、物品の振動を抑制しながら、短時間で物品を移載できるようにすることにある。
請求項２の発明での追加の課題は、スタッカークレーンでの物品の移載時の振動を抑制すると共に、短時間で物品を移載できるようにし、更に移載相手の棚などのデッドスペースを小さくすることにある。
この発明での追加の課題は、上記のための制御系の構成を提供することにある。

この発明の移動体は、移動体の位置を検出するための位置検出手段と、移動体の振動加速度を検出するための振動検出手段と、少なくとも振動の抑制対象となる運動に対して、前記各手段の検出結果に応じて、移動体の駆動機構をフィードバック制御するための制御部とを設けたものであって、制御部は、制御部は、駆動機構へのオープンループの基本指令を発生するための基本指令発生手段と、該基本指令を移動体の位置と加速度との参照信号に変換するための参照信号発生手段と、
前記各検出手段で求めた移動体の位置と加速度と、前記参照信号発生手段で求めた移動体の位置と振動加速度との誤差の算出手段と、算出した誤差に基づいて移動体の状態の推定値を更新するための更新手段と、
前記基本指令に移動体の状態の推定値に基づく補正値を加算して、駆動機構への制御入力とするための加算手段、とを備えている。

この発明は、昇降モータによりマストに沿って昇降する昇降台に、進退自在なアームを搭載したスタッカークレーンにおいて、
昇降台の高さセンサを設けると共に、加速度センサをアーム先端に設けて該アーム先端の振動加速度を検出し、
該アームを進出させた状態で昇降台を昇降させる際に、前記高さセンサの信号と加速度センサの信号により、昇降モータをフィードバック制御する制御部を設け、制御部は、前記昇降モータへのオープンループの基本指令を発生するための基本指令発生手段と、該基本指令を昇降台の高さとアームの加速度との参照信号に変換するための参照信号発生手段と、
前記高さセンサで求めた昇降台の高さと前記加速度センサで求めたアームの振動加速度と、前記参照信号発生手段で求めた昇降台の高さとアームの加速度との誤差の算出手段と、算出した誤差に基づいて昇降台とアームの状態の推定値を更新するための更新手段と、
前記基本指令に昇降台とアームの状態の推定値に基づく補正値を加算して、昇降モータへの制御入力とするための加算手段、とを備えている。

この発明では、移動体の駆動機構を、移動体の位置と振動の検出結果でフィードバック制御するので、振動を抑制しながら短時間で必要な運動を行うことができる。
特に移載装置の移載動作にこの発明を適用すると、移載時に物品に加わる振動を抑制しながら短時間で移載を行える。
そしてスタッカークレーンの昇降台に対する、移載時の昇降制御にこの発明を適用すると、アーム先端の振動を抑制し、少なくともアーム先端の振動が増さないようにしながら、昇降台の高さやアーム先端の高さの目標の高さからの偏差を小さくすることにより、短時間で移載できる。また昇降台やアームの先端の高さを正確に制御できるので、棚などの移載相手側のデッドスペースを小さくできる。

さらに、検出手段で求めた位置と振動と、オープンループの基本指令から算出した位置と振動との誤差に基づいて、移動体の状態の推定値を更新すると、基本指令に対する実際の状態のずれに応じて移動体の状態の推定値を修正できる。そしてこの推定値に基づく補正値を加算手段で基本指令に修正すると、基本指令からのずれに応じたフィードバック制御が行え、基本指令に追従するように移動体を運動させることができる。

以下に本発明を実施するための最適実施例を示す。

図１〜図５に、スタッカークレーン２での昇降台４の制御を例に、実施例とその特性とを示す。各図において、昇降台４はマスト６にガイドされて昇降し、マスト６には高さ方向に沿ってリニアスケール８を設け、昇降台４に設けたリニアセンサ１０で昇降台４の高さ位置ｘ0を読み取る。また昇降台４は歯付きベルトやワイヤ、ロープなどの吊持材１２により吊り下げられて、図示しないカウンターウェイトと共に、図３の昇降モータ２０により昇降する。

２２はスライドフォークで、水平面内で進退自在なスカラアームなどの他のアームでもよく、２４はスライドフォーク２２のトッププレートからなる物品支持部で、２６は物品支持部２４に設けた加速度センサである。スタッカークレーン２の走行経路に対向して棚２８が設けられ、２９はその支柱で、棚受け３０に物品３２が載置してある。

ここではスタッカークレーン２は、棚２８と図示しないステーションとの間で、液晶基板のカセットなどの重量物を、物品３２として搬送するものとする。液晶基板は損傷しやすく、スライドフォーク２２や昇降台４の剛性を増すと、スタッカークレーン２が大形化して好ましくない。また棚２８等はクリーンルーム内に設置するので、受け渡しのためのデッドスペースを小さくする必要があり、液晶ディスプレイの生産性の点から、受け渡しのサイクルタイムを短縮する必要がある。

物品３２の荷すくいを例に、移載時の昇降動作を説明する。昇降台４は物品３２の底面よりも充分低い位置で停止し、スライドフォーク２２を前進させる。次いで第１の速度で上昇し、物品３２の底面にスライドフォーク２２が近づくと、上昇速度を微速の第２の速度に切り替え、棚受け３０から物品３２を移載する。物品３２が確実に物品支持部２４に移載された位置まで上昇すると、第１の速度に近い第３の速度に増速して上昇し、その後上昇を停止して、スライドフォーク２２を復帰させる。なお物品３２の底面とスライドフォーク２２との残距離は測定していないので、スライドフォーク２２から棚受け３０へ物品が移載される正確な時刻は予測不能である。荷すくいのストロークは、スライドフォーク２２の撓みや振幅と関係し、振幅を小さくできればストロークも短くできる。棚受け３０は棚２８の上下に複数設けられ、スライドフォーク２２の振幅を±ｈとすると、棚受け３０の配置では物品を支持していた棚受けとの干渉を避けるため少なくともｈのゆとりが、また物品の上側の棚受けとの干渉を避けるためにもｈのゆとりが必要で、合計２ｈ分のデッドスペースが必要である。最初やや高速で昇降台４を昇降させ、次いで微速で昇降させて棚受け３０との間で物品３２を受け渡しし、その後再度やや高速で昇降台４を昇降させる点は、荷下ろしの場合も同様である。

図２に、昇降台と、スライドフォークやスライドフォーク上の物品の制御モデルを示す。昇降台を、水平に姿勢を保たれた質量ｍ3のベースと、これに対して傾斜角θで傾斜し、ピンで接合された剛体(質量ｍ)とでモデル化する。さらに剛体とベースはバネｋ3と摩擦抵抗Ｃ3とで接続されている。スライドフォーク並びにそれに支持された物品を質点ｍ1で表し、剛体との間をバネｋ1並びに摩擦抵抗Ｃ1で接続されているものとする。なお質点ｍ1の質量は、物品の荷すくいにより急変する。昇降台は吊持材を介してカウンターウエイト(質点ｍ2)に接続され、カウンターウエイトがさらに吊持材で昇降モータに接続されている。カウンターウエイトと昇降台との間の吊持材のバネ定数をｋ2，摩擦抵抗をＣ2とする。またカウンターウエイトと昇降モータとの間のバネ定数をｋ4，摩擦抵抗をＣ4とする。昇降台のベースの絶対高さをｘ0とし、ｘ0を基準とする相対座標でスライドフォーク先端の高さをｘ1，カウンターウエイトの高さをｘ2，カウンターウエイトから昇降モータへの指令位置までの高さをｘ3とする。

図２の系の状態Ｘは、高さを表す４つの変数、ｘ0〜ｘ3と、これらの時間微分、並びに昇降台の傾斜角θとその時間微分とで表現できる。そして状態Ｘは、スタッカークレーン中の昇降台とスライドフォークとからなる系の状態を表す。さらにロバスト制御のためのＨ^∞フィルタに関係した変数として変数Ｆ1〜Ｆ4を定め、合計１４変数により状態Ｘを表す。またｕは昇降モータへの制御入力である。

図３に、実施例での制御系を示す。目標高さ記憶部３４は、昇降モータ２０への基本的な指令のパターンを記憶し、これはスライドフォーク２２の振動を抑制しながら、荷すくいや荷下ろしをするための昇降速度のパターンである。ただし棚受けとの間で物品をやりとりする正確な時刻は不明なので、図２のモデルで、質点ｍ1の質量がスライドフォークのみの場合も、スライドフォーク＋物品の場合も、固有振動を抑制するように、基本指令を定めてある。参照信号発生部３６は、基本指令を昇降台の高さ位置及び昇降台の昇降に伴うスライドフォークの加速度からなる２次元の参照信号refに変換する。なおこの加速度には、スライドフォークの振動による分は含まれていない。

差分器３８は、センサ１０，２６の信号と参照信号refとの差分からなるエラーベクトルｅを出力し、これは基本指令からのシフトを昇降台の高さ位置とスライドフォーク先端の振動で表したものである。乗算手段４４はエラーベクトルに行列Ｂを乗算し、乗算手段４８は状態Ｘの推定値に行列Ａを乗算し、これらを加算器４０で加算して積分手段４６で積分し、状態Ｘを更新する。乗算手段４４は、エラーベクトルに基づいて状態Ｘの推定値を修正し、乗算手段４８は状態Ｘの推定値自体に基づいてＸを修正する。例えば時刻n+1での状態Ｘn+1は、時刻nでの状態Ｘnから、 Ｘn+1＝Ｘn+ＡＸn＋Ｂｅn で表され、ここに添字は時刻を示す。各時刻間の時間刻みをΔとすると、２次の項まで考慮して例えば、
Ｘn+1＝(１＋Ａ・Δ＋Ａ^２／２・Δ^２)Ｘn＋(Ｂ・Δ＋Ｂ^２／２・Δ^２)ｅn
となる。

乗算手段５０は、例えば１４次元のベクトルである状態Ｘに行列Ｃを乗算して、出力ＣＸを発生させる。出力ＣＸは状態Ｘに基づく制御入力で、基本指令からの高さ位置や振動加速度のシフト分に応じて、基本指令ＦＦを修正する。乗算手段５２はエラーベクトルｅに行列Ｄを乗算して、出力Ｄｅを制御入力に加算する。加算器４２で、基本指令ＦＦにＣＸとＤeを加算して、制御入力ｕとする。なおＤeの項は設けなくても良い。制御入力ｕはＨ^∞制御の意味でのロバスト性があり、想定最悪外乱に対してもその影響は所定値以下である。また昇降台の昇降時の自由度は５であるが、その内スライドフォークの先端の振動と、昇降台の高さ位置とに対し、センサ１０，２６によるフィードバック制御を行う。従って実施例の制御は、２自由度のロバスト制御である。

表１ ２自由度ロバスト制御の項目
項 目 値 他 内 容
物理モデル自由度 ５ ｘ0，ｘ1，ｘ2，ｘ3，θ
Ｈ^∞フィルタ次数 ４
センサ数 ２ 昇降台の高さ位置，スライドフォークの先端加速度
制御入力ｕ １ 昇降モータへの指令
誤差ベクトルｅ ２次元 昇降台の高さ位置，スライドフォークの先端加速度と、 基本指令との誤差
状態量Ｘ １４次元 自由度の５×２＋フィルタ次数の４
各自由度に対し、その値と時間微分とを状態量とする
出力ｙ ２次元 昇降台の高さ位置，スライドフォークの先端加速度
行列Ａ １４行１４列 状態Ｘからのその時間変化への寄与を表現する
行列Ｂ １４行２列 誤差ベクトルｅによる状態Ｘの修正を行う
行列Ｃ １行１４列 状態Ｘから制御入力ｕへの寄与を決定する
行列Ｄ １行２列 誤差ベクトルｅから制御入力ｕへの寄与を定め省略可能
ＦＦ 基本指令

表２ ２自由度ロバスト制御の詳細モデル
dＸ／dt＝ＡＸ＋Ｂｅ
ｕ＝ＦＦ＋ＣＸ＋Ｄｅ

図４に、荷下ろしの場合の実施例の動作波形を示す。A)は昇降モータに対する入力速度指令を表し、非制御は基本指令のみを加えてフィードバック制御を行わない例を、２自由度ロバスト制御はリニアセンサ１０と加速度センサ２６によるフィードバック制御を加えた際の結果を示す。B)に昇降台の目的高さ位置からの偏差を示し、C)に移載対象物品のワークでの加速度を示す。なおスライドフォークから棚受けへの荷下ろし自体は時刻１秒目付近で行われている。図４C)から明らかなように、ワークに加わる振動の程度は、実施例でも基本指令のみでも同程度であるが、実施例では時刻３秒目以降で、昇降台の高さの偏差が殆ど０である。このため目的高さまで昇降台を速やかに下降させて、スライドフォークを後退させることができ、移載時間を短縮できる。基本指令はワークの振動を充分抑制するように設計されており、昇降台の高さが速やかに目的位置に収束するようにフィードバック制御を追加しても、ワークの振動は増加していない。

図５は荷すくい時の特性を示し、A)は基本指令ＦＦによる入力速度指令と、２自由度ロバスト制御による速度指令とを示し、B)は昇降台の目的高さ位置からの偏差を示し、C)はスライドフォーク先端の加速度を示し、D)はワークに加わる加速度を示す。荷すくいは時刻１秒目付近で行われており、これに対応して入力速度指令も時刻１秒目付近で基本指令ＦＦから変化している。ワークの加速度では、時刻２秒目弱で基本指令ＦＦのみの場合、加速のピークがあるが、実施例ではこのピークが消失している。昇降台の高さについては、実施例では時刻５秒目以降で偏差がほぼ０であるが、基本指令ＦＦのみでは偏差が解消していない。

実施例では以上のように、短時間で昇降台の高さ位置の偏差を解消できる。また荷すくいや荷下ろしに伴うワークやスライドフォーク先端に加わる加速度は、基本指令と同程度である。これらの結果、ワークやスライドフォーク先端に大きな衝撃を加えることなく短時間で移載を行うことができ、また昇降台の位置決め精度が高いので、棚側のデッドスペースを小さくできる。

実施例ではスタッカークレーンの昇降台について説明したが、固定のガイドに沿って吊持材により昇降する昇降台にスカラアームやスライドフォークを搭載した移載装置にも、実施できる。さらにスライドフォークやスカラアームをリフタ上に搭載して移載を行う、移載装置でのリフタの制御にも同様に実施例を適用できる。またスタッカークレーン等の搬送台車の走行制御の制振にも、同様に実施例を適用できる。さらに天井走行車本体から吊持材により吊り下げられ、チャックにより物品を支持する昇降台の昇降制御にも同様に実施例を適用できる。この場合、スライドフォーク先端の振動を、昇降台の横方向振動と置き換え、スタッカークレーンでの昇降台の昇降をそのまま天井走行車での昇降台の昇降に置き換えればよい。ロバスト制御の例としてＨ^∞制御を用いたが、これに限らずＨ²制御やμ制御などでもよい。

スライドフォークの先端に、物品までの距離や物品からの荷重の有無を検出するセンサを設けて、状態をより正確に推定し得るようにしてもよい。さらに昇降台の高さは、リニアスケールに限らず、昇降台の昇降ガイド用のローラの回転数を読み込むエンコーダや、レーザ距離計などの絶対距離センサで求めてもよい。

実施例での、昇降台とスライドフォーク及び棚の物品を模式的に示す図 実施例での、昇降モータへの指令位置からスライドフォークまでのモデルを示す図 実施例でのフィードバック制御器のブロック図 荷下ろし時の実施例の特性を示し、A)は入力速度指令を、B)は昇降台の高さ位置の基本指令からの偏差を、C)は物品の加速度を示す。 荷すくい時の実施例の特性を示し、A)は入力速度指令を、B)は昇降台の高さ位置の基本指令からの偏差を、C)はスライドフォーク先端の加速度を、D)は物品の加速度を示す。

符号の説明

２ スタッカークレーン
４ 昇降台
６ マスト
８ リニアスケール
１０ リニアセンサ
１２ 吊持材
１６ フィードバック制御器
２０ 昇降モータ
２２ スライドフォーク
２４ 物品支持部
２６ 加速度センサ
２８ 棚
２９ 支柱
３０ 棚受け
３２ 物品
３４ 目標高さ記憶部
３８ 差分器
４０，４２ 加算器
４６ 積分手段
４４，４８〜５２ 乗算手段

Claims (2)

1. 移動体の位置を検出するための位置検出手段と、移動体の振動加速度を検出するための振動検出手段と、少なくとも振動の抑制対象となる運動に対して、前記各手段の検出結果に応じて、移動体の駆動機構をフィードバック制御するための制御部とを設けた、移動体であって、
   前記制御部は、駆動機構へのオープンループの基本指令を発生するための基本指令発生手段と、該基本指令を移動体の位置と加速度との参照信号に変換するための参照信号発生手段と、
   前記各検出手段で求めた移動体の位置と振動加速度と、前記参照信号発生手段で求めた移動体の位置と加速度との誤差の算出手段と、算出した誤差に基づいて移動体の状態の推定値を更新するための更新手段と、
   前記基本指令に移動体の状態の推定値に基づく補正値を加算して、駆動機構への制御入力とするための加算手段、とを備えていることを特徴とする移動体。
2. 昇降モータによりマストに沿って昇降する昇降台に、進退自在なアームを搭載したスタッカークレーンにおいて、
   昇降台の高さセンサを設けると共に、加速度センサをアーム先端に設けて該アーム先端の振動加速度を検出し、
   該アームを進出させた状態で昇降台を昇降させる際に、前記高さセンサの信号と加速度センサの信号により、昇降モータをフィードバック制御する制御部を設け、
   前記制御部は、前記昇降モータへのオープンループの基本指令を発生するための基本指令発生手段と、該基本指令を昇降台の高さとアームの加速度との参照信号に変換するための参照信号発生手段と、
   前記高さセンサで求めた昇降台の高さと前記加速度センサで求めたアームの振動加速度と、前記参照信号発生手段で求めた昇降台の高さとアームの加速度との誤差の算出手段と、算出した誤差に基づいて昇降台とアームの状態の推定値を更新するための更新手段と、
   前記基本指令に昇降台とアームの状態の推定値に基づく補正値を加算して、昇降モータへの制御入力とするための加算手段、とを備えていることを特徴とする、スタッカークレーン。
   

Images