荷すくい装置
【課題】荷すくい時の振動を短時間で制振し、かつ短時間で目的高さまで物品支持部を上昇させること。
【解決手段】スライドフォークの先端加速度と昇降台の高さ位置とを計測し、昇降台とスライドフォークとカウンターウェイトを含む系の状態量をＸとする。スライドフォークの先端加速度と昇降台の位置への推定値をｙとし、これらの計測値からの誤差をｒ−ｙとし、カルマンフィルタ４４をＬ、制御入力をＵ、行列をＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄとし、時変のゲインベクトルをＫとして、 dＸ／dｔ＝ＡＸ＋ＢＵ＋Ｌｒ−ｙ； ｙ＝ＣＸ＋ＤＵ； ｕ＝ＫＸにより、Ｘ，ｙを推定する。時変のゲインＫは、初期にスライドフォークの制振への重みを大きく、後半で昇降台の位置への重みを大きくする。
【効果】荷すくい時のスライドフォークの振動を小さくできる。
【解決手段】スライドフォークの先端加速度と昇降台の高さ位置とを計測し、昇降台とスライドフォークとカウンターウェイトを含む系の状態量をＸとする。スライドフォークの先端加速度と昇降台の位置への推定値をｙとし、これらの計測値からの誤差をｒ−ｙとし、カルマンフィルタ４４をＬ、制御入力をＵ、行列をＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄとし、時変のゲインベクトルをＫとして、 dＸ／dｔ＝ＡＸ＋ＢＵ＋Ｌｒ−ｙ； ｙ＝ＣＸ＋ＤＵ； ｕ＝ＫＸにより、Ｘ，ｙを推定する。時変のゲインＫは、初期にスライドフォークの制振への重みを大きく、後半で昇降台の位置への重みを大きくする。
【効果】荷すくい時のスライドフォークの振動を小さくできる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、物品支持部の昇降によって荷すくいを行う荷すくい装置に関し、特に荷すくい時の制振制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
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、荷すくいを行っている。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、上昇させることにより、荷すくいを行っている。これらの何れの場合も、荷すくい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、荷すくい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、荷すくい時の高さ精度を向上できる、荷すくい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荷すくいできるなどの利点がある。ところで特許文献１は、スタッカークレーンでの荷すくいで、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。
【０００３】
・ スライドフォーク等が物品に接触する時刻を正確に予測できない、
・ スライドフォークや昇降台に様々な不確定要因がありまた外乱が働くため、荷すくい装置の正確な内部状態を推定するのが難しい、等の問題に対して、
発明者は、
・ 安定な制振制御を行い、かつ
・ 短時間で荷すくいを完了できる制御を検討した。
【特許文献１】特許３５２６０１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この発明の課題は荷すくい時の制振にあり、特に、荷すくい時の振動を短時間で制振し、かつ短時間で目的高さまで物品支持部を上昇させることにある。
請求項２の発明での追加の課題は、昇降自在なベースにアームを取り付けた荷すくい装置を制振すると共に、効率的な制振制御を行うことにある。
請求項３の発明での追加の課題は、ベースを正確な高さへ短時間で上昇させることにある。
請求項４の発明での追加の課題は、昇降台と昇降モータとの間に吊持材がある荷すくい装置で、物品支持部を制振し、昇降台を正確な位置に上昇させることにある。
請求項５の発明での追加の課題は、内部状態を正確に推定して、的確な制御を行うことにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明は、物品を支持するための物品支持部を、昇降手段により昇降させるようにした荷すくい装置であって、
前記物品支持部の振動を検出するセンサと、
該センサの出力に基づき、荷すくい装置の内部状態を推定するための内部状態推定手段と、
推定した内部状態に基づき、物品支持部の振動を抑制しながら、物品支持部を上昇させるように、昇降手段を制御する制御手段とを備え、
該制御手段は、物品支持部が物品に接触した後、物品支持部の上昇が終了するまでの時間帯の、初期は物品支持部の制振に対する制御ゲインを高く、後期は物品支持部の高さ位置に対する制御ゲインを高くするように、制振に対する制御ゲインと高さ位置に対する制御ゲインとの割合を時間的に可変にしたことを特徴とする。
【０００６】
好ましくは、水平方向に進退自在で、先端が前記物品支持部で、前記昇降手段により昇降自在なベースに基部が取り付けられたアームを設けて、
前記アームは物品よりも低い位置から上昇を開始し、
アームが物品に接触するまではフィードフォワード制御により昇降手段を制御し、
アームが物品に接触した後に、前記制御手段による制御を行う。
より好ましくは、前記アーム基部の高さ位置を求めるためのセンサを設けて、
前記制御手段は、アーム基部の高さ位置とアーム先端の振動とに基づいて、アームとベースの内部状態を推定して、昇降手段を介してベースの昇降を制御する。
特に好ましくは、前記昇降手段が、ベースの昇降をガイドする支柱と、ベースを吊持する吊持材と、吊持材を鉛直方向に送る昇降モータとを備えている。
【０００７】
好ましくは、前記内部状態推定手段は、
前記センサの出力と前記内部状態に基づく推定値との偏差により、内部状態を変化させるためのフィルタと、
前記内部状態自体を、該内部状態の変化に換算するための演算手段と、
昇降手段への制御入力を、前記内部状態の変化に換算するための演算手段と、
前記フィルタ及び前記各演算手段による内部状態の変化を加算すると共に積分して、前記内部状態を更新するための更新手段、とを備えている。
より好ましくは、前記制御手段は、非定常ロバスト制御により、前記昇降手段を制御する。
【発明の効果】
【０００８】
この発明では、物品支持部の振動を検出して、荷すくい装置の内部状態を推定し、物品支持部の上昇を制御する。ここで制御の初期では制振を主目標として制御し、後期は高さ位置の正確さを主目標に制御するので、荷すくいによって生じた振動を速やかに制振した後に、正確に目標位置まで上昇できる。これらの結果、荷すくい時に物品に加わる力を小さくでき、振動が収まるまで待つ必要がないので、荷すくい時間を短縮できる。また物品が振動しても棚等と干渉しないようにするためのデッドスペースを小さくでき、さらに荷すくい装置の剛性を比較的小さくできる。
【０００９】
さらに水平方向に進退自在なアームを設けて、アームが物品に接触するまではフィードフォワード制御により昇降手段を制御し、アームが物品に接触した後に、この発明の制御を行うと、制御を簡単にできる。
ここでアーム基部の高さ位置を求めるためのセンサを設けて、アーム基部の高さ位置とアーム先端の振動とに基づいて、この発明の制御を行うと、制御の主目標である制振とアーム基部の高さに対して実測値を用いることができるので、制振と正確な高さ位置への上昇制御を行うことができる。
この発明では、ベースを吊持材で吊持して昇降モータで昇降させる荷すくい装置でも、昇降モータから離れたアームの振動を抑制できる。
【００１０】
センサの出力と内部状態に基づく推定値との偏差により内部状態を変化させるためのフィルタと、内部状態自体を内部状態の変化に換算するための演算手段と、昇降手段への制御入力を、内部状態の変化に換算するための演算手段と、フィルタ及び各演算手段による内部状態の変化を加算すると共に積分して、内部状態を更新するための更新手段、とにより、内部状態を推定すると、内部状態を正確に推定できる。
また非定常ロバスト制御により、制御の重みを制振から高さ位置へ変化させながら制御すると、様々な外乱に対して安定に制御できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に本発明を実施するための最適実施例を示す。
【実施例】
【００１２】
図１〜図９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、昇降モータ２２により昇降する。昇降モータ２２はフィードバック制御器１６とフィードフォワード制御器１８とにより制御され、いずれの制御器を用いるかをスイッチ２０で切り替える。切り替えは、図４の実線の速度パターンで、初期の上昇とその後の微速上昇をフィードフォワード制御で実行し、その後の上昇をフィードバック制御で実行する。
【００１３】
２４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、２５はスライドフォーク２４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２５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。
【００１４】
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、荷すくい中の振動を防止するため、スライドフォーク２４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、荷すくい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、荷すくいのサイクルタイムを短縮する必要がある。
【００１５】
物品３２を荷すくいする場合、昇降台４を物品３２よりも例えば５〜２０ｃｍ程度低い位置で停止させ、スライドフォーク２４を前進させる。次いで図４の実線の速度パターンのように、昇降台４を上昇させた後、微速でさらに上昇させ、物品支持部２５に物品３２を支持させる。物品支持部２５に確実に物品３２が支持されると、昇降台４をやや速い速度で上昇させ、物品３２が棚受け３０と干渉しない位置ように、棚受け３０よりも例えば５〜２０ｃｍ程度高い位置まで上昇させる。この後、スライドフォーク２４を後退させ、荷すくいを完了させる。このストロークは、スライドフォーク２４が物品３２からの加重で撓むことと、物品３２を棚受け３０から持ち上げる際の衝撃やその後の上昇運動で振動することと関係し、物品支持部２５の振動を小さくできれば、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、物品支持部２５の振幅を±ｈとすると、棚受け３間の間隔では、下側の棚受けとの干渉を避けるため少なくともｈのゆとりが、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。
【００１６】
実施例では、スライドフォーク２４に物品３２までの残距離を求めるためのセンサや、物品３２との接触開始を検出するためのセンサを設けていないので、図４での微速上昇を終了するまでの期間は、図１のフィードフォワード制御器１８により、加速度センサ２６の信号を用いず、昇降台４を上昇させる。なおフィードフォワードの間は、目標の高さ位置に対する誤差をリニアセンサ１０で検出して、フィードバックしても良い。この明細書で、フィードフォワード制御かフィードバック制御かは、加速度センサ２６の信号を用いているかどうかで定める。
【００１７】
フィードフォワード制御で物品支持部２５に物品３２が支持されているはずの時間帯になると、昇降台４の上昇速度を増し、例えばこれと同時にフィードバック制御を開始する。昇降台４をさらに昇降させると、その上昇をほぼ停止させて、昇降台４の高さ位置を目標に揃えるための制御を行い、例えばこれと同時にスライドフォーク２５を昇降台４上に復帰させる。もしくは昇降台の高さ制御が完了した後に、スライドフォーク２４を昇降台４へ復帰させる。図４の正規化時間が０から１の範囲が昇降台の制御期間である。
【００１８】
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。
【００１９】
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。さらに後述のカルマン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。
【００２０】
図３に、実施例での制御系を示す。目標高さ記憶部３４は昇降台の高さ位置の目標値を記憶し、リニアセンサの信号ｘ0との差分を差分器３６で求める。また加速度センサ２６の信号と上記の差分とをセンサ入力ｒとして制御系に入力する。制御系で推定した昇降台やスライドフォークの状態Ｘから、目標高さまでの残距離と物品支持部の加速度を推定値ｙとして推定し、入力との偏差を差分器３８で求め、カルマンフィルタ４４へ入力して出力Ｌ(ｒ−ｙ)を求める。カルマンフィルタ４４はそれ自体としては周知で、入力は２次元、出力は１４次元である。
【００２１】
１４次元のベクトルからなる状態Ｘに、乗算手段４８で例えば要素の値が定数の行列Ａを乗算し、出力ＡＸを求める。１次元の制御入力ｕに、乗算手段５０で例えば要素の値が定数の行列Ｂを乗算し、１４次元のベクトルＢｕとする。加算器４０で、カルマンフィルタ４４の出力、乗算手段４８の出力、乗算手段５０の出力を加算し、状態Ｘの時間微分を求める。なお加算器４０への入力はいずれも１４次元のベクトルである。状態Ｘの時間微分を積分手段４６で積分し、状態Ｘの推定値を更新する。例えば時刻n+1での状態Ｘn+1は、時刻nでの状態Ｘn等から、 Ｘn+1＝Ｘn+ＡＸn＋Ｂｕn＋Ｌ(r-y)n 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＋Ａ２／２・Δ２)Ｘn＋(Ｂ・Δ＋Ｂ２／２・Δ２)ｕn
＋(Ｌn(r-y)・Δ＋Ｌn２(r-y)／２・Δ２)
となる。
【００２２】
状態Ｘを時変ゲイン処理手段５６で処理し、１次元の制御入力ｕに変換する。時変ゲイン処理手段５６では、フィードバック制御の初期、即ち物品支持部が物品に接触後、昇降台の昇降速度を増した後、昇降台の昇降速度を再度低下させるまでの時期は、スライドフォーク先端の振動を抑制するためのゲインを高くし、昇降台の目標高さからの変位を小さくするためのゲインを小さくする。フィードバック制御の後期、即ち昇降台の昇降速度を再度小さくし、制御を終了するまでの区間では、物品支持部の制振に関するゲインを小さくし、昇降台の高さを目標高さに揃えるためのゲインを大きくする。
【００２３】
図２のモデルでは、ｘ1やその時間微分やθやその時間微分は、物品支持部の振動に直結し、ｘ0やその時間微分，ｘ2，ｘ3やそれらの時間微分は、昇降台の高さ位置への影響が大きい。実施例では、ゲイン処理手段５６でのゲインを、時間に依存する既定のパターンで変更するが、状態Ｘに応じて、あるいはセンサ入力ｒと出力ｙとの偏差に応じて、変更してもよい。制御入力ｕにより昇降モータを制御すると共に、乗算手段５０で系の状態Ｘの変化にＢｕとしてフィードバックし、乗算手段５４で出力ｙへの寄与Ｄｕを求める。乗算手段５２で、系の状態Ｘから２次元のベクトルＣＸを求め、Ｄｕと加算器４２で加算し出力ｙとする。表１，表２に制御モデルを示す。
【００２４】
表１ 非定常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
内部フィルタ次数 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
状態量Ｘ １４ 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 昇降台の高さ位置，スライドフォークの先端加速度
カルマンフィルタＬ ２入力×１４出力
時変ゲインＫ １４入力×１出力
行列Ａ １４行１４列 状態Ｘからのその時間変化への寄与
行列Ｂ １４行１列 制御入力ｕから状態Ｘの時間変化への寄与
行列Ｃ ２行１４列 状態Ｘから出力ｙへの寄与
行列Ｄ ２行１列 制御入力ｕから出力ｙへの寄与
【００２５】
表２ 非定常ロバスト制御の詳細モデル
dＸ／dt＝ＡＸ＋Ｂｕ＋Ｌ(ｒ−ｙ)
ｙ＝ＣＸ＋Ｄｕ
ｕ＝ＫＸ
Ｊ＝∫(ｕＴＲ(ｔ)ｕ＋ＸＴＱ(ｔ)Ｘ)ｄｔ： Ｊは評価関数；Ｒ(ｔ)は制御入力ｕへの時変の重み；Ｑ(ｔ)は状態量Ｘへの時変の重み
Ｊ＝Ｘ’Ｐ(ｔ)Ｘ： 評価関数Ｊを最小化するＰ(ｔ)が上式のリカッチ解
Ｋ＝Ｒ(ｔ)−１・ＢＴ(ｔ)・Ｐ(ｔ)： 時変の重みＲ(ｔ)，Ｑ(ｔ)を定めると評価関数Ｊとリカッチ解Ｐ(ｔ)とが定まり、ゲインＫは結局時変の重みＲ(ｔ)，Ｑ(ｔ)により定まる
【００２６】
系のモデルの運動方程式により行列Ａ，Ｂが定まり、状態Ｘと制御入力ｕにより状態Ｘが変化し、センサ入力との誤差に基づいて状態Ｘを修正する。また状態Ｘと制御入力ｕに基づいて出力ｙを求め、状態Ｘに応じて時間加変なゲインＫにより制御入力Ｕを決定する。フィードバック制御ではＨ∞制御によるロバスト制御を行い、具体的には想定される最悪外乱に対して評価関数を最小化するための最適制御入力が得られるように、リカッチ方程式を解いてゲインＫを決定する。特に物品支持部の振動、昇降台の振動等の、系の固有振動に対し、１次及び２次の伝達関数を小さくし、さらに最悪外乱に対して評価関数を最小化することにより、外乱の影響を抑制する。またゲインが可変なので、評価関数も時間的に変化する。
【００２７】
実施例の特性を図４〜図９に示す。これらの図において、正規化時間は、荷すくい時に昇降台が上昇を開始してから上昇を終了するまでの時間を１に規格化した時間である。正規化周波数は、昇降モータへの指令入力からスライドフォーク先端の加速度への伝達関数の最大値が周波数０.１５程度に表れるように、正規化した周波数である。図４及び図７〜図９の実線は実施例の特性で、破線は昇降台の昇降を全てフィードフォワード制御によって実行した際の特性である。
【００２８】
図４は昇降モータへの速度指令を示し、正規化時間で０.１５程度までの間やや高速で昇降台を上昇させ、時刻０.３５程度までの間微速で上昇させて、この間に物品支持部を物品に接触させ、再度昇降台をやや大きな速さで上昇させた後に、ほぼ停止させる。そしてフィードフォワード制御は時刻０.４弱までの微速上昇まで施して、その後はフィードバック制御に切り替える。スライドフォークが物品に接触するまでは、フィードバック制御を施す意味がないので、制御を簡単にするためフィードフォワード制御を施す。また時刻０.１５付近までの上昇時に、スライドフォークの振動を抑制するように、速度パターンを定めている。実施例(実線)では比較例(破線)と比べ、フィードバック制御の開始時に一旦目標速度が低下し、上昇終了時に一旦目標速度が負になっている。また最高上昇速度が比較例よりも大きい。これらはスライドフォークの制振を目的とするロバスト制御によるものである。
【００２９】
図５にゲインの時間的変化の例を示し、時刻はフィードバック制御の開始時を０にし、縦軸の重みは相対値である。昇降台の高さの目標位置からの誤差に対するゲインは初期的に小さく、その後増大する。一方スライドフォーク先端の速度に対するゲインは、フィードバック制御の初期で大きく、その後低下する。状態Ｘに含まれる変数は、昇降台の高さに結びついたものと、スライドフォーク先端の振動に結びついたものとに大別できる。そこで昇降台の高さへの影響が大きな変数に対しては制御の後半でゲインへの寄与を大きくし、前半で小さくする。スライドフォーク先端の振動への影響が大きな変数に対しては、制御の前半でゲインへの寄与を大きくし、後半で小さくする。制御入力ｕへのゲインは初期に大きくして、なるべく制御入力を小さくするようにし、中期〜後期には小さくする。以上のことによって、フィードバック制御の目標は、初期にはスライドフォークの振動を抑制することであり、後期には目標の高さ位置に昇降台を停止させることになる。
【００３０】
図６に、評価関数γ(t)の例を示す。γはＨ∞ノルム条件を誘導ノルムで表現する際に用いられる変数で、想定最悪外乱による制御の乱れの上限を表す。フィードバック制御の開始時には対象の不確かさや外乱が大きく、その後これらが小さくなるので、γの値をフィードバック制御の初期に大きく、後期に小さくしている。
【００３１】
図７は制御入力のスペクトルを示し、正規化周波数で０.１５程度の１次モード付近のスペクトルが低く抑えられ、１次モードによる振動を抑制している。さらに正規化周波数で０.４以上の高周波数帯域での制御入力スペクトルは、実施例で比較例と同程度で、高次モードを励起するスピルオーバーを起こしていないことが分かる。
【００３２】
図８はスライドフォーク先端の加速度の波形を示し、時刻０.２から０.４弱までのやや平坦な区間は昇降台を微速で上昇させている区間である。物品支持部が物品に接触した後に、実施例では正規化時刻０.５程度までに振動がほぼ抑制されている。これに対して比較例では、時刻１程度まで振動が続いている。このため正規化時間で例えば０.５程度荷すくい時間を短縮でき、サイクルタイムを短縮できる。
【００３３】
図９はスライドフォーク先端の加速度のスペクトルを示し、正規化周波数で０.１５程度の１次モードでの振動を抑制すると共に、高次モードでの振動も比較例と同様に抑制されて、スピルオーバーを起こしていないことが分かる。従って荷すくい時の振動により液晶基板が受ける力や、振幅を小さくできることが分かる。
【００３４】
実施例では以下の効果が得られる。
1) スライドフォークの振動を、比較例の１／２程度の時間で抑制できる。
2) 昇降台を正確な位置へ上昇させることができる。
3) これらに伴って、荷すくいの時間を短縮できる。
4) 荷すくい時に物品に加わる力を軽減できる。
5) 荷すくい時の物品の振幅を小さくできるので、棚受け間の上下の間隔を小さくできる。
6) 液晶基板カセットなどの重量物の荷すくいでも、昇降台やスライドフォークなどの剛性を比較的小さくでき、スタッカークレーンの大形化を防止できる。
7) 昇降モータから吊持材、昇降台を介して行う制御にも係わらず、スライドフォーク先端の振動を抑制できる。
【００３５】
実施例ではスタッカークレーンの昇降台４について説明した。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荷すくい装置であれば、スタッカークレーンに限らず同様に実施できる。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荷すくいを行う、無人搬送車有軌道台車などの台車や移載装置に、同様に実施例を適用できる。次に、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。さらにフィルタの種類はカルマンフィルタに限らず任意である。
【００３６】
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。
【００３７】
なお荷すくいの全範囲に対して、加速度センサと昇降台の高さセンサの信号をフィードバックした、時間可変の非定常ロバスト制御を行っても良い。荷下ろし時も同様の非定常ロバスト制御を行っても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】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
【図２】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
【図３】実施例でのフィードバック制御器のブロック図
【図４】実施例のロバスト制御入力と、従来例の非制御入力での、昇降台の速度波形を示す図
【図５】実施例での時変ゲインの例を示す図で、上段は昇降台の目標位置からの変位に対するゲインを、中段はスライドフォークの先端速度へのゲインを、下段は制御入力へのゲインを示す
【図６】実施例での評価関数を示す図
【図７】実施例と従来例での、制御入力の周波数分布を示す図
【図８】実施例と従来例での、スライドフォークの先端加速度の経過を示す図
【図９】実施例と従来例での、スライドフォークの先端での加速度のスペクトルを示す図
【符号の説明】
【００３９】
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
１８ フィードフォワード制御器
２０ スイッチ
２２ 昇降モータ
２４ スライドフォーク
２５ 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
３６，３８ 差分器
４０，４２ 加算器
４４ カルマンフィルタ
４６ 積分手段
４８〜５４ 乗算手段
５６ 時変ゲイン処理手段
【技術分野】
【０００１】
この発明は、物品支持部の昇降によって荷すくいを行う荷すくい装置に関し、特に荷すくい時の制振制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
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、荷すくいを行っている。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、上昇させることにより、荷すくいを行っている。これらの何れの場合も、荷すくい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、荷すくい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、荷すくい時の高さ精度を向上できる、荷すくい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荷すくいできるなどの利点がある。ところで特許文献１は、スタッカークレーンでの荷すくいで、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。
【０００３】
・ スライドフォーク等が物品に接触する時刻を正確に予測できない、
・ スライドフォークや昇降台に様々な不確定要因がありまた外乱が働くため、荷すくい装置の正確な内部状態を推定するのが難しい、等の問題に対して、
発明者は、
・ 安定な制振制御を行い、かつ
・ 短時間で荷すくいを完了できる制御を検討した。
【特許文献１】特許３５２６０１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この発明の課題は荷すくい時の制振にあり、特に、荷すくい時の振動を短時間で制振し、かつ短時間で目的高さまで物品支持部を上昇させることにある。
請求項２の発明での追加の課題は、昇降自在なベースにアームを取り付けた荷すくい装置を制振すると共に、効率的な制振制御を行うことにある。
請求項３の発明での追加の課題は、ベースを正確な高さへ短時間で上昇させることにある。
請求項４の発明での追加の課題は、昇降台と昇降モータとの間に吊持材がある荷すくい装置で、物品支持部を制振し、昇降台を正確な位置に上昇させることにある。
請求項５の発明での追加の課題は、内部状態を正確に推定して、的確な制御を行うことにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明は、物品を支持するための物品支持部を、昇降手段により昇降させるようにした荷すくい装置であって、
前記物品支持部の振動を検出するセンサと、
該センサの出力に基づき、荷すくい装置の内部状態を推定するための内部状態推定手段と、
推定した内部状態に基づき、物品支持部の振動を抑制しながら、物品支持部を上昇させるように、昇降手段を制御する制御手段とを備え、
該制御手段は、物品支持部が物品に接触した後、物品支持部の上昇が終了するまでの時間帯の、初期は物品支持部の制振に対する制御ゲインを高く、後期は物品支持部の高さ位置に対する制御ゲインを高くするように、制振に対する制御ゲインと高さ位置に対する制御ゲインとの割合を時間的に可変にしたことを特徴とする。
【０００６】
好ましくは、水平方向に進退自在で、先端が前記物品支持部で、前記昇降手段により昇降自在なベースに基部が取り付けられたアームを設けて、
前記アームは物品よりも低い位置から上昇を開始し、
アームが物品に接触するまではフィードフォワード制御により昇降手段を制御し、
アームが物品に接触した後に、前記制御手段による制御を行う。
より好ましくは、前記アーム基部の高さ位置を求めるためのセンサを設けて、
前記制御手段は、アーム基部の高さ位置とアーム先端の振動とに基づいて、アームとベースの内部状態を推定して、昇降手段を介してベースの昇降を制御する。
特に好ましくは、前記昇降手段が、ベースの昇降をガイドする支柱と、ベースを吊持する吊持材と、吊持材を鉛直方向に送る昇降モータとを備えている。
【０００７】
好ましくは、前記内部状態推定手段は、
前記センサの出力と前記内部状態に基づく推定値との偏差により、内部状態を変化させるためのフィルタと、
前記内部状態自体を、該内部状態の変化に換算するための演算手段と、
昇降手段への制御入力を、前記内部状態の変化に換算するための演算手段と、
前記フィルタ及び前記各演算手段による内部状態の変化を加算すると共に積分して、前記内部状態を更新するための更新手段、とを備えている。
より好ましくは、前記制御手段は、非定常ロバスト制御により、前記昇降手段を制御する。
【発明の効果】
【０００８】
この発明では、物品支持部の振動を検出して、荷すくい装置の内部状態を推定し、物品支持部の上昇を制御する。ここで制御の初期では制振を主目標として制御し、後期は高さ位置の正確さを主目標に制御するので、荷すくいによって生じた振動を速やかに制振した後に、正確に目標位置まで上昇できる。これらの結果、荷すくい時に物品に加わる力を小さくでき、振動が収まるまで待つ必要がないので、荷すくい時間を短縮できる。また物品が振動しても棚等と干渉しないようにするためのデッドスペースを小さくでき、さらに荷すくい装置の剛性を比較的小さくできる。
【０００９】
さらに水平方向に進退自在なアームを設けて、アームが物品に接触するまではフィードフォワード制御により昇降手段を制御し、アームが物品に接触した後に、この発明の制御を行うと、制御を簡単にできる。
ここでアーム基部の高さ位置を求めるためのセンサを設けて、アーム基部の高さ位置とアーム先端の振動とに基づいて、この発明の制御を行うと、制御の主目標である制振とアーム基部の高さに対して実測値を用いることができるので、制振と正確な高さ位置への上昇制御を行うことができる。
この発明では、ベースを吊持材で吊持して昇降モータで昇降させる荷すくい装置でも、昇降モータから離れたアームの振動を抑制できる。
【００１０】
センサの出力と内部状態に基づく推定値との偏差により内部状態を変化させるためのフィルタと、内部状態自体を内部状態の変化に換算するための演算手段と、昇降手段への制御入力を、内部状態の変化に換算するための演算手段と、フィルタ及び各演算手段による内部状態の変化を加算すると共に積分して、内部状態を更新するための更新手段、とにより、内部状態を推定すると、内部状態を正確に推定できる。
また非定常ロバスト制御により、制御の重みを制振から高さ位置へ変化させながら制御すると、様々な外乱に対して安定に制御できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に本発明を実施するための最適実施例を示す。
【実施例】
【００１２】
図１〜図９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、昇降モータ２２により昇降する。昇降モータ２２はフィードバック制御器１６とフィードフォワード制御器１８とにより制御され、いずれの制御器を用いるかをスイッチ２０で切り替える。切り替えは、図４の実線の速度パターンで、初期の上昇とその後の微速上昇をフィードフォワード制御で実行し、その後の上昇をフィードバック制御で実行する。
【００１３】
２４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、２５はスライドフォーク２４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２５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。
【００１４】
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、荷すくい中の振動を防止するため、スライドフォーク２４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、荷すくい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、荷すくいのサイクルタイムを短縮する必要がある。
【００１５】
物品３２を荷すくいする場合、昇降台４を物品３２よりも例えば５〜２０ｃｍ程度低い位置で停止させ、スライドフォーク２４を前進させる。次いで図４の実線の速度パターンのように、昇降台４を上昇させた後、微速でさらに上昇させ、物品支持部２５に物品３２を支持させる。物品支持部２５に確実に物品３２が支持されると、昇降台４をやや速い速度で上昇させ、物品３２が棚受け３０と干渉しない位置ように、棚受け３０よりも例えば５〜２０ｃｍ程度高い位置まで上昇させる。この後、スライドフォーク２４を後退させ、荷すくいを完了させる。このストロークは、スライドフォーク２４が物品３２からの加重で撓むことと、物品３２を棚受け３０から持ち上げる際の衝撃やその後の上昇運動で振動することと関係し、物品支持部２５の振動を小さくできれば、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、物品支持部２５の振幅を±ｈとすると、棚受け３間の間隔では、下側の棚受けとの干渉を避けるため少なくともｈのゆとりが、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。
【００１６】
実施例では、スライドフォーク２４に物品３２までの残距離を求めるためのセンサや、物品３２との接触開始を検出するためのセンサを設けていないので、図４での微速上昇を終了するまでの期間は、図１のフィードフォワード制御器１８により、加速度センサ２６の信号を用いず、昇降台４を上昇させる。なおフィードフォワードの間は、目標の高さ位置に対する誤差をリニアセンサ１０で検出して、フィードバックしても良い。この明細書で、フィードフォワード制御かフィードバック制御かは、加速度センサ２６の信号を用いているかどうかで定める。
【００１７】
フィードフォワード制御で物品支持部２５に物品３２が支持されているはずの時間帯になると、昇降台４の上昇速度を増し、例えばこれと同時にフィードバック制御を開始する。昇降台４をさらに昇降させると、その上昇をほぼ停止させて、昇降台４の高さ位置を目標に揃えるための制御を行い、例えばこれと同時にスライドフォーク２５を昇降台４上に復帰させる。もしくは昇降台の高さ制御が完了した後に、スライドフォーク２４を昇降台４へ復帰させる。図４の正規化時間が０から１の範囲が昇降台の制御期間である。
【００１８】
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。
【００１９】
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。さらに後述のカルマン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。
【００２０】
図３に、実施例での制御系を示す。目標高さ記憶部３４は昇降台の高さ位置の目標値を記憶し、リニアセンサの信号ｘ0との差分を差分器３６で求める。また加速度センサ２６の信号と上記の差分とをセンサ入力ｒとして制御系に入力する。制御系で推定した昇降台やスライドフォークの状態Ｘから、目標高さまでの残距離と物品支持部の加速度を推定値ｙとして推定し、入力との偏差を差分器３８で求め、カルマンフィルタ４４へ入力して出力Ｌ(ｒ−ｙ)を求める。カルマンフィルタ４４はそれ自体としては周知で、入力は２次元、出力は１４次元である。
【００２１】
１４次元のベクトルからなる状態Ｘに、乗算手段４８で例えば要素の値が定数の行列Ａを乗算し、出力ＡＸを求める。１次元の制御入力ｕに、乗算手段５０で例えば要素の値が定数の行列Ｂを乗算し、１４次元のベクトルＢｕとする。加算器４０で、カルマンフィルタ４４の出力、乗算手段４８の出力、乗算手段５０の出力を加算し、状態Ｘの時間微分を求める。なお加算器４０への入力はいずれも１４次元のベクトルである。状態Ｘの時間微分を積分手段４６で積分し、状態Ｘの推定値を更新する。例えば時刻n+1での状態Ｘn+1は、時刻nでの状態Ｘn等から、 Ｘn+1＝Ｘn+ＡＸn＋Ｂｕn＋Ｌ(r-y)n 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＋Ａ２／２・Δ２)Ｘn＋(Ｂ・Δ＋Ｂ２／２・Δ２)ｕn
＋(Ｌn(r-y)・Δ＋Ｌn２(r-y)／２・Δ２)
となる。
【００２２】
状態Ｘを時変ゲイン処理手段５６で処理し、１次元の制御入力ｕに変換する。時変ゲイン処理手段５６では、フィードバック制御の初期、即ち物品支持部が物品に接触後、昇降台の昇降速度を増した後、昇降台の昇降速度を再度低下させるまでの時期は、スライドフォーク先端の振動を抑制するためのゲインを高くし、昇降台の目標高さからの変位を小さくするためのゲインを小さくする。フィードバック制御の後期、即ち昇降台の昇降速度を再度小さくし、制御を終了するまでの区間では、物品支持部の制振に関するゲインを小さくし、昇降台の高さを目標高さに揃えるためのゲインを大きくする。
【００２３】
図２のモデルでは、ｘ1やその時間微分やθやその時間微分は、物品支持部の振動に直結し、ｘ0やその時間微分，ｘ2，ｘ3やそれらの時間微分は、昇降台の高さ位置への影響が大きい。実施例では、ゲイン処理手段５６でのゲインを、時間に依存する既定のパターンで変更するが、状態Ｘに応じて、あるいはセンサ入力ｒと出力ｙとの偏差に応じて、変更してもよい。制御入力ｕにより昇降モータを制御すると共に、乗算手段５０で系の状態Ｘの変化にＢｕとしてフィードバックし、乗算手段５４で出力ｙへの寄与Ｄｕを求める。乗算手段５２で、系の状態Ｘから２次元のベクトルＣＸを求め、Ｄｕと加算器４２で加算し出力ｙとする。表１，表２に制御モデルを示す。
【００２４】
表１ 非定常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
内部フィルタ次数 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
状態量Ｘ １４ 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 昇降台の高さ位置，スライドフォークの先端加速度
カルマンフィルタＬ ２入力×１４出力
時変ゲインＫ １４入力×１出力
行列Ａ １４行１４列 状態Ｘからのその時間変化への寄与
行列Ｂ １４行１列 制御入力ｕから状態Ｘの時間変化への寄与
行列Ｃ ２行１４列 状態Ｘから出力ｙへの寄与
行列Ｄ ２行１列 制御入力ｕから出力ｙへの寄与
【００２５】
表２ 非定常ロバスト制御の詳細モデル
dＸ／dt＝ＡＸ＋Ｂｕ＋Ｌ(ｒ−ｙ)
ｙ＝ＣＸ＋Ｄｕ
ｕ＝ＫＸ
Ｊ＝∫(ｕＴＲ(ｔ)ｕ＋ＸＴＱ(ｔ)Ｘ)ｄｔ： Ｊは評価関数；Ｒ(ｔ)は制御入力ｕへの時変の重み；Ｑ(ｔ)は状態量Ｘへの時変の重み
Ｊ＝Ｘ’Ｐ(ｔ)Ｘ： 評価関数Ｊを最小化するＰ(ｔ)が上式のリカッチ解
Ｋ＝Ｒ(ｔ)−１・ＢＴ(ｔ)・Ｐ(ｔ)： 時変の重みＲ(ｔ)，Ｑ(ｔ)を定めると評価関数Ｊとリカッチ解Ｐ(ｔ)とが定まり、ゲインＫは結局時変の重みＲ(ｔ)，Ｑ(ｔ)により定まる
【００２６】
系のモデルの運動方程式により行列Ａ，Ｂが定まり、状態Ｘと制御入力ｕにより状態Ｘが変化し、センサ入力との誤差に基づいて状態Ｘを修正する。また状態Ｘと制御入力ｕに基づいて出力ｙを求め、状態Ｘに応じて時間加変なゲインＫにより制御入力Ｕを決定する。フィードバック制御ではＨ∞制御によるロバスト制御を行い、具体的には想定される最悪外乱に対して評価関数を最小化するための最適制御入力が得られるように、リカッチ方程式を解いてゲインＫを決定する。特に物品支持部の振動、昇降台の振動等の、系の固有振動に対し、１次及び２次の伝達関数を小さくし、さらに最悪外乱に対して評価関数を最小化することにより、外乱の影響を抑制する。またゲインが可変なので、評価関数も時間的に変化する。
【００２７】
実施例の特性を図４〜図９に示す。これらの図において、正規化時間は、荷すくい時に昇降台が上昇を開始してから上昇を終了するまでの時間を１に規格化した時間である。正規化周波数は、昇降モータへの指令入力からスライドフォーク先端の加速度への伝達関数の最大値が周波数０.１５程度に表れるように、正規化した周波数である。図４及び図７〜図９の実線は実施例の特性で、破線は昇降台の昇降を全てフィードフォワード制御によって実行した際の特性である。
【００２８】
図４は昇降モータへの速度指令を示し、正規化時間で０.１５程度までの間やや高速で昇降台を上昇させ、時刻０.３５程度までの間微速で上昇させて、この間に物品支持部を物品に接触させ、再度昇降台をやや大きな速さで上昇させた後に、ほぼ停止させる。そしてフィードフォワード制御は時刻０.４弱までの微速上昇まで施して、その後はフィードバック制御に切り替える。スライドフォークが物品に接触するまでは、フィードバック制御を施す意味がないので、制御を簡単にするためフィードフォワード制御を施す。また時刻０.１５付近までの上昇時に、スライドフォークの振動を抑制するように、速度パターンを定めている。実施例(実線)では比較例(破線)と比べ、フィードバック制御の開始時に一旦目標速度が低下し、上昇終了時に一旦目標速度が負になっている。また最高上昇速度が比較例よりも大きい。これらはスライドフォークの制振を目的とするロバスト制御によるものである。
【００２９】
図５にゲインの時間的変化の例を示し、時刻はフィードバック制御の開始時を０にし、縦軸の重みは相対値である。昇降台の高さの目標位置からの誤差に対するゲインは初期的に小さく、その後増大する。一方スライドフォーク先端の速度に対するゲインは、フィードバック制御の初期で大きく、その後低下する。状態Ｘに含まれる変数は、昇降台の高さに結びついたものと、スライドフォーク先端の振動に結びついたものとに大別できる。そこで昇降台の高さへの影響が大きな変数に対しては制御の後半でゲインへの寄与を大きくし、前半で小さくする。スライドフォーク先端の振動への影響が大きな変数に対しては、制御の前半でゲインへの寄与を大きくし、後半で小さくする。制御入力ｕへのゲインは初期に大きくして、なるべく制御入力を小さくするようにし、中期〜後期には小さくする。以上のことによって、フィードバック制御の目標は、初期にはスライドフォークの振動を抑制することであり、後期には目標の高さ位置に昇降台を停止させることになる。
【００３０】
図６に、評価関数γ(t)の例を示す。γはＨ∞ノルム条件を誘導ノルムで表現する際に用いられる変数で、想定最悪外乱による制御の乱れの上限を表す。フィードバック制御の開始時には対象の不確かさや外乱が大きく、その後これらが小さくなるので、γの値をフィードバック制御の初期に大きく、後期に小さくしている。
【００３１】
図７は制御入力のスペクトルを示し、正規化周波数で０.１５程度の１次モード付近のスペクトルが低く抑えられ、１次モードによる振動を抑制している。さらに正規化周波数で０.４以上の高周波数帯域での制御入力スペクトルは、実施例で比較例と同程度で、高次モードを励起するスピルオーバーを起こしていないことが分かる。
【００３２】
図８はスライドフォーク先端の加速度の波形を示し、時刻０.２から０.４弱までのやや平坦な区間は昇降台を微速で上昇させている区間である。物品支持部が物品に接触した後に、実施例では正規化時刻０.５程度までに振動がほぼ抑制されている。これに対して比較例では、時刻１程度まで振動が続いている。このため正規化時間で例えば０.５程度荷すくい時間を短縮でき、サイクルタイムを短縮できる。
【００３３】
図９はスライドフォーク先端の加速度のスペクトルを示し、正規化周波数で０.１５程度の１次モードでの振動を抑制すると共に、高次モードでの振動も比較例と同様に抑制されて、スピルオーバーを起こしていないことが分かる。従って荷すくい時の振動により液晶基板が受ける力や、振幅を小さくできることが分かる。
【００３４】
実施例では以下の効果が得られる。
1) スライドフォークの振動を、比較例の１／２程度の時間で抑制できる。
2) 昇降台を正確な位置へ上昇させることができる。
3) これらに伴って、荷すくいの時間を短縮できる。
4) 荷すくい時に物品に加わる力を軽減できる。
5) 荷すくい時の物品の振幅を小さくできるので、棚受け間の上下の間隔を小さくできる。
6) 液晶基板カセットなどの重量物の荷すくいでも、昇降台やスライドフォークなどの剛性を比較的小さくでき、スタッカークレーンの大形化を防止できる。
7) 昇降モータから吊持材、昇降台を介して行う制御にも係わらず、スライドフォーク先端の振動を抑制できる。
【００３５】
実施例ではスタッカークレーンの昇降台４について説明した。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荷すくい装置であれば、スタッカークレーンに限らず同様に実施できる。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荷すくいを行う、無人搬送車有軌道台車などの台車や移載装置に、同様に実施例を適用できる。次に、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。さらにフィルタの種類はカルマンフィルタに限らず任意である。
【００３６】
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。
【００３７】
なお荷すくいの全範囲に対して、加速度センサと昇降台の高さセンサの信号をフィードバックした、時間可変の非定常ロバスト制御を行っても良い。荷下ろし時も同様の非定常ロバスト制御を行っても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】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
【図２】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
【図３】実施例でのフィードバック制御器のブロック図
【図４】実施例のロバスト制御入力と、従来例の非制御入力での、昇降台の速度波形を示す図
【図５】実施例での時変ゲインの例を示す図で、上段は昇降台の目標位置からの変位に対するゲインを、中段はスライドフォークの先端速度へのゲインを、下段は制御入力へのゲインを示す
【図６】実施例での評価関数を示す図
【図７】実施例と従来例での、制御入力の周波数分布を示す図
【図８】実施例と従来例での、スライドフォークの先端加速度の経過を示す図
【図９】実施例と従来例での、スライドフォークの先端での加速度のスペクトルを示す図
【符号の説明】
【００３９】
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
１８ フィードフォワード制御器
２０ スイッチ
２２ 昇降モータ
２４ スライドフォーク
２５ 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
３６，３８ 差分器
４０，４２ 加算器
４４ カルマンフィルタ
４６ 積分手段
４８〜５４ 乗算手段
５６ 時変ゲイン処理手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物品を支持するための物品支持部を、昇降手段により昇降させるようにした荷すくい装置であって、
前記物品支持部の振動を検出するセンサと、
該センサの出力に基づき、荷すくい装置の内部状態を推定するための内部状態推定手段と、
推定した内部状態に基づき、物品支持部の振動を抑制しながら、物品支持部を上昇させるように、昇降手段を制御する制御手段とを備え、
該制御手段は、物品支持部が物品に接触した後、物品支持部の上昇が終了するまでの時間帯の、初期は物品支持部の制振に対する制御ゲインを高く、後期は物品支持部の高さ位置に対する制御ゲインを高くするように、制振に対する制御ゲインと高さ位置に対する制御ゲインとの割合を時間的に可変にしたことを特徴とする、荷すくい装置。
【請求項２】
水平方向に進退自在で、先端が前記物品支持部で、前記昇降手段により昇降自在なベースに基部が取り付けられたアームを設けて、
前記アームは物品よりも低い位置から上昇を開始し、
アームが物品に接触するまではフィードフォワード制御により昇降手段を制御し、
アームが物品に接触した後に、前記制御手段による制御を行う、ようにしたことを特徴とする、請求項１の荷すくい装置。
【請求項３】
前記アーム基部の高さ位置を求めるためのセンサを設けて、
前記制御手段は、アーム基部の高さ位置とアーム先端の振動とに基づいて、アームとベースの内部状態を推定して、昇降手段を介してベースの昇降を制御する、ようにしたことを特徴とする、請求項２の荷すくい装置。
【請求項４】
前記昇降手段が、ベースの昇降をガイドする支柱と、ベースを吊持する吊持材と、吊持材を鉛直方向に送る昇降モータとを備えていることを特徴とする、請求項３の荷すくい装置。
【請求項５】
前記内部状態推定手段は、
前記センサの出力と前記内部状態に基づく推定値との偏差により、内部状態を変化させるためのフィルタと、
前記内部状態自体を、該内部状態の変化に換算するための演算手段と、
昇降手段への制御入力を、前記内部状態の変化に換算するための演算手段と、
前記フィルタ及び前記各演算手段による内部状態の変化を加算すると共に積分して、前記内部状態を更新するための更新手段、とを備えていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかの荷すくい装置。
【請求項６】
前記制御手段は、非定常ロバスト制御により、前記昇降手段を制御するように構成されていることを特徴とする、請求項５の荷すくい装置。
【請求項１】
物品を支持するための物品支持部を、昇降手段により昇降させるようにした荷すくい装置であって、
前記物品支持部の振動を検出するセンサと、
該センサの出力に基づき、荷すくい装置の内部状態を推定するための内部状態推定手段と、
推定した内部状態に基づき、物品支持部の振動を抑制しながら、物品支持部を上昇させるように、昇降手段を制御する制御手段とを備え、
該制御手段は、物品支持部が物品に接触した後、物品支持部の上昇が終了するまでの時間帯の、初期は物品支持部の制振に対する制御ゲインを高く、後期は物品支持部の高さ位置に対する制御ゲインを高くするように、制振に対する制御ゲインと高さ位置に対する制御ゲインとの割合を時間的に可変にしたことを特徴とする、荷すくい装置。
【請求項２】
水平方向に進退自在で、先端が前記物品支持部で、前記昇降手段により昇降自在なベースに基部が取り付けられたアームを設けて、
前記アームは物品よりも低い位置から上昇を開始し、
アームが物品に接触するまではフィードフォワード制御により昇降手段を制御し、
アームが物品に接触した後に、前記制御手段による制御を行う、ようにしたことを特徴とする、請求項１の荷すくい装置。
【請求項３】
前記アーム基部の高さ位置を求めるためのセンサを設けて、
前記制御手段は、アーム基部の高さ位置とアーム先端の振動とに基づいて、アームとベースの内部状態を推定して、昇降手段を介してベースの昇降を制御する、ようにしたことを特徴とする、請求項２の荷すくい装置。
【請求項４】
前記昇降手段が、ベースの昇降をガイドする支柱と、ベースを吊持する吊持材と、吊持材を鉛直方向に送る昇降モータとを備えていることを特徴とする、請求項３の荷すくい装置。
【請求項５】
前記内部状態推定手段は、
前記センサの出力と前記内部状態に基づく推定値との偏差により、内部状態を変化させるためのフィルタと、
前記内部状態自体を、該内部状態の変化に換算するための演算手段と、
昇降手段への制御入力を、前記内部状態の変化に換算するための演算手段と、
前記フィルタ及び前記各演算手段による内部状態の変化を加算すると共に積分して、前記内部状態を更新するための更新手段、とを備えていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかの荷すくい装置。
【請求項６】
前記制御手段は、非定常ロバスト制御により、前記昇降手段を制御するように構成されていることを特徴とする、請求項５の荷すくい装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００８−２４４６０（Ｐ２００８−２４４６０Ａ）
【公開日】平成２０年２月７日（２００８．２．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２００２５９（Ｐ２００６−２００２５９）
【出願日】平成１８年７月２４日（２００６．７．２４）
【出願人】（８９９００００７９）学校法人慶應義塾 (742)
【出願人】（０００００６２９７）村田機械株式会社 (4,916)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年２月７日（２００８．２．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年７月２４日（２００６．７．２４）
【出願人】（８９９００００７９）学校法人慶應義塾 (742)
【出願人】（０００００６２９７）村田機械株式会社 (4,916)
【Ｆターム（参考）】
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