JP5315488B2 - 液体搬送装置 - Google Patents
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Description
液体を収容して、X−Y−Z直交座標上の始点から終点まで該液体を搬送する収容部と、
前記収容部を支持して、該収容部を移動させるアーム部と、
前記アーム部を駆動する駆動部と、
前記収容部の搬送軌道におけるX−Y座標成分が直線となるよう前記駆動部を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記収容部の搬送速度カーブにおけるX−Y座標成分が、所定の加速カーブで収容部を加速させる加速段階と、加速終了時での速度で収容部を移動させる等速段階と、所定の減速カーブで収容部を減速させる減速段階とで構成されるよう前記駆動部を制御し、
前記加速カーブおよび減速カーブは、加速時または減速時に液体に作用する作用力が前記収容部に満たされた液体の表面張力より小さくなるよう設定されていることを特徴とする。
請求項1の発明によれば、搬送時における収容部の加速カーブおよび減速カーブは、液体に作用する作用力が該液体の表面張力より小さくなるよう設定されているので、液体を溢すことなく終点まで搬送し得る。また、搬送速度カーブのX−Y座標成分は、液体への作用力が生じない等速段階を有しているので、全ての搬送軌道において加速・減速カーブを求める必要がなく、計算量を抑制し得る。しかも、搬送軌道のX−Y座標成分は直線になるよう制御されるので、3次元空間での液体搬送問題を液体の直線搬送制御問題として単純化することができ、加速・減速カーブの導出に必要な計算量を更に抑制し得る。
請求項2の発明によれば、減速カーブは加速カーブを時間軸で反転させたカーブに設定したので、減速カーブを計算により求める必要がなく、計算量を半減し得る。
請求項3の発明によれば、加速カーブは、遺伝的アルゴリズムにより探索して求めたパラメータにより規定されるので、加速カーブの導出に要する計算量を抑制し得る。
次に、実施例に係る液体搬送装置10の作用について説明する。使用者がマニピュレータ12の取付部16を把持し、作動指令を制御部18に与えると、先ず始めに、制御部18は第1〜第6モータを作動させて、図示しない容器から液体をスプーン14で掬う。液体を掬ったスプーン14は、水平姿勢となって始点Oで待機する。次いで、使用者が操作スイッチ20の作動開始ボタン20aを押すと、制御部18が予め設定された搬送速度カーブVで、スプーン14を移動させる。すなわち、制御部18が各モータを制御して、スプーン14の搬送軌道CにおけるX−Y座標成分CX−YがY軸方向に沿って直線となるようスプーン14を搬送させる。また、制御部18は、加速カーブSに基づいてスプーン14の分解速度カーブVX−Yを加速させる。このとき、加速カーブSは、加速時に液体に作用する作用力がスープの表面張力より小さくなるよう設定されているので、加速時に液体がスプーン14から溢れることはない。
次に、前記加速カーブSの具体的な算出手法について、以下説明する。ここでは、スプーン14上の液体の挙動解析に流体解析ソフトFLOW−3Dを用い、液体の自由表面計算をVOF(Volume of Fluid, C.W.Hirt, B.D.Nichols, “Volume of Fluid(VOF) Methods for the Dynamics of Free Boundaries”, Journal of Computational Physics, Vol.39(1981), pp.201-255)法に基づいて行なった。また、複雑なスプーン14の幾何形状は、体積率技法の一種であるFAVOR(Fractional Area Volume Obstacle Representation)関数を用いて認識した。液体搬送装置10として、安川電機製の6自由度マニピュレータを採用した。本装置の仕様を表1に、またスプーン14の受容部14bの形状および寸法を図4に示す。本シミュレータのメッシュ幅については、1回の解析時間が15分程度となるよう設定した。そのときのシミュレーション領域におけるメッシュパラメータを表2に示す。この場合、総メッシュ数は、175000である。
結果として、これらの条件から式(数3)〜式(数6)を得ることができる。
次に、上記手法で得られた加速カーブS(減速カーブT)を用いた溢流防止制御系(本手法)による液体搬送実験を行なった。比較例として、比例制御による位置決め制御系およびハイブリッド整形法による振動制御系による液体搬送実験を行ない、本手法との対比を行なう。各制御手法による制御実験結果の搬送軌道、速度カーブおよび加速度カーブを図9に示す。また、各実験における実際のスプーンの液体挙動を図10〜図12に示す。ここで、図9の実線、破線、一点鎖線は夫々溢流防止制御、ハイブリッド整形法および比例制御による実験結果を示している。図12に示されるように、本手法により得られた加速カーブS(減速カーブT)で搬送した場合、比較例と搬送時間は同じであるのに拘わらず、液体を溢すことなく搬送できていることが分かる。一方、図10および図11に示すように、ハイブリッド整形法および比例制御により得られた加速(減速)カーブでは、搬送時に液体がスプーンから溢れてしまっている(図10,図11の丸印参照)。
30 第2アーム部,34 第3アーム部,C 搬送軌道
CX−Y 搬送軌道のX−Y座標成分,O 始点,P 終点,S 加速カーブ
T 減速カーブ,V 搬送速度カーブ,V1 目標分解速度
VX−Y 分解速度カーブ(搬送速度カーブのX−Y座標成分)
Claims (3)
- 液体を収容して、X−Y−Z直交座標上の始点(O)から終点(P)まで該液体を搬送する収容部(14)と、
前記収容部(14)を支持して、該収容部(14)を移動させるアーム部(26,30,34)と、
前記アーム部(26,30,34)を駆動する駆動部と、
前記収容部(14)の搬送軌道(C)におけるX−Y座標成分(CX-Y)が直線となるよう前記駆動部を制御する制御部(18)とを備え、
前記制御部(18)は、前記収容部(14)の搬送速度カーブ(V)におけるX−Y座標成分(VX-Y)が、所定の加速カーブ(S)で収容部(14)を加速させる加速段階と、加速終了時での速度(V1)で収容部(14)を移動させる等速段階と、所定の減速カーブ(T)で収容部(14)を減速させる減速段階とで構成されるよう前記駆動部を制御し、
前記加速カーブ(S)および減速カーブ(T)は、加速時または減速時に液体に作用する作用力が前記収容部(14)に満たされた液体の表面張力より小さくなるよう設定されている
ことを特徴とする液体搬送装置。 - 前記減速カーブ(T)は、前記加速カーブ(S)を時間軸で反転させたカーブに設定されている請求項1記載の液体搬送装置。
- 前記加速カーブ(S)のパラメータは、加速時の液体への作用力が前記表面張力より小さくなる制約条件下において、遺伝的アルゴリズムにより探索して求められる請求項2記載の液体搬送装置。
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