特開 2023-165229 自走式バキューム装置および同装置のノズル位置制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023165229

(43)【公開日】2023-11-15

(54)【発明の名称】自走式バキューム装置および同装置のノズル位置制御方法

(51)【国際特許分類】

   B65G 53/24 20060101AFI20231108BHJP

   B60P 3/00 20060101ALI20231108BHJP

   C02F 11/00 20060101ALI20231108BHJP

   E01H 1/08 20060101ALI20231108BHJP

【ＦＩ】

B65G53/24

B60P3/00 Q

C02F11/00 A ZAB

E01H1/08

【審査請求】未請求

【請求項の数】2

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022076033

(22)【出願日】2022-05-02

(71)【出願人】

【識別番号】000236311

【氏名又は名称】品川フアーネス株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】304026696

【氏名又は名称】国立大学法人三重大学

(74)【代理人】

【識別番号】100090169

【弁理士】

【氏名又は名称】松浦 孝

(74)【代理人】

【識別番号】100124497

【弁理士】

【氏名又は名称】小倉 洋樹

(72)【発明者】

【氏名】矢野 賢一

(72)【発明者】

【氏名】田中 浩輔

(72)【発明者】

【氏名】福井 茂

(72)【発明者】

【氏名】有馬 利彦

【テーマコード（参考）】

3F047

4D059

【Ｆターム（参考）】

3F047BA07

3F047DA00

4D059AA15

4D059CB01

4D059CB22

4D059EA20

4D059EB20

(57)【要約】

【課題】自走式バキューム装置のノズル位置を自動制御して堆積物をより確実に吸引する。
【解決手段】自走式バキューム装置１０は、パワーシリンダ２０を用いて車両本体１２に設けられた回転軸２４（Ａ点）周りにバキューム用のノズル１６を回動可能である。車両本体１２の傾斜角θを検出する傾斜角センサを設ける。傾斜角θとノズル１６の先端の目標高さｙ_refとに基づき回転軸２４（Ａ点）周りの目標ノズル角度φ_refを算出する。目標ノズル角度φ_refを目標値として回転軸２４周りのノズル１６の回動をフィードバック制御する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

バキューム用のノズルと、
車両本体に設けられた回転軸周りに前記ノズルを回動するノズル回動手段と、
前記車両本体の傾斜角θを検出する傾斜角センサとを備え、
前記ノズル回動手段は、前記傾斜角θと予め設定された前記ノズルの先端の目標高さｙ_refとに基づき前記回転軸周りの目標ノズル角度φ_refを算出し、前記目標ノズル角度φ_refを目標値として前記回転軸周りの前記ノズルの回動をフィードバック制御する
ことを特徴とする自走式バキューム装置。

【請求項2】

車両本体に設けられた回転軸周りに回動可能なバキューム用のノズルを備える自走式バキューム装置のノズル位置制御方法であって、
前記車両本体の傾斜角θを検出するステップと、
順運動学に基づき前記傾斜角θと前記ノズルの先端の目標高さｙ_refとに基づき前記回転軸周りの目標ノズル角度φ_refを算出するステップと、
前記目標ノズル角度φ_refを目標値として前記回転軸周りの前記ノズルの回動をフィードバック制御するステップと
を備えることを特徴とする自走式バキューム装置のノズル位置制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ノズルを用いて堆積物を吸引する自走式バキューム装置に関する。

【背景技術】

【0002】

例えば製鉄所などで発生するスラグは、粉砕された後、搬送コンベヤによりヤードまで搬送され、搬送コンベヤ下のヤードに一時的に保管される。ヤードに堆積された粉体状のスラグは、定期的にトラックなどに積み込まれヤードから搬出される。スラグのトラックへの積み込みは、搬送コンベヤを停止した状態でショベルカーなどを用いて行われている。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

一方、ショベルカーに替えて遠隔操作可能な自走式バキューム装置を用いてスラグなどの粉体堆積物を回収することも考えられる。しかし、粉体堆積物の回収において自走式バキューム装置が堆積物の上に乗り上げる場合、吸引用ノズルの位置が固定されていると堆積物の吸引を行うことが困難な場合が発生する。

【0004】

本発明は、自走式バキューム装置のノズル位置を自動制御して堆積物をより確実に吸引することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明の自走式バキューム装置は、バキューム用のノズルと、車両本体に設けられた回転軸周りに前記ノズルを回動するノズル回動手段と、前記車両本体の傾斜角θを検出する傾斜角センサとを備え、前記ノズル回動手段は、前記傾斜角θと予め設定された前記ノズルの先端の目標高さｙ_refとに基づき前記回転軸周りの目標ノズル角度φ_refを算出し、前記目標ノズル角度φ_refを目標値として前記回転軸周りの前記ノズルの回動をフィードバック制御することを特徴としている。

【0006】

本発明のノズル位置制御方法は、車両本体に設けられた回転軸周りに回動可能なバキューム用のノズルを備える自走式バキューム装置のノズル位置制御方法であって、前記車両本体の傾斜角θを検出するステップと、順運動学に基づき前記傾斜角θと前記ノズルの先端の目標高さｙ_refとに基づき前記回転軸周りの目標ノズル角度φ_refを算出するステップと、前記目標ノズル角度φ_refを目標値として前記回転軸周りの前記ノズルの回動をフィードバック制御するステップとを備えることを特徴としている。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、自走式バキューム装置のノズル位置を自動制御して堆積物をより確実に吸引することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本発明の一実施形態である。

【図2】ノズル駆動部のリンク機構の構成を示す模式図である。

【図3】制約条件となる動作角度θ_refの算出方法を示す模式図である。

【図4】制約条件となるノズルの上下運動に必要なトルクτ_refの算出方法を示す模式図である。

【図5】本実施形態の自走式バキューム装置に搭載されたノズル位置制御システムの構成を示すブロック図である。

【図6】ノズル目標高さｙ_aの算出方法を説明する模式図である。

【図7】目標ノズル角度φ_refの算出方法を説明する模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態である自走式バキューム装置の外観を示す側面図である。なお、図１においては、後述するノズル位置の自動制御に用いられる各変数の定義を示すため傾けた状態で示されている。

【0010】

本実施形態の自走式バキューム装置１０は、車両本体１２と、車両本体の左右に取り付けられた自走用のクローラ１４と、スラグなどの粉体堆積物を吸引するためのノズル１６と、ノズル１６を保持し、車両本体１２に軸支される保持部材１８と、保持部材１８を回動させる左右一対のパワーシリンダ（直動アクチュエータ）２０と、車両が前傾してノズル１６が地面に吸い付くことを防止する（自走式バキューム装置１０の重心バランスを改善する）ためのカウンターウェイト２２を備える。保持部材１８に保持されるのノズル１６の基端部には、可撓性のバキュームホースの一端を連結するホース取付部１６Ａが設けられ、バキュームホースの他端は遠隔のバキューム装置に連結される。

【0011】

車両本体１２内にはクローラ１４を駆動する原動部と、原動部およびパワーシリンダ２０の駆動を制御する制御部と、車両本体１２の前後方向の傾きを検出する傾斜角センサと、基準線Ｈに対するノズル角度φを検出する角度センサと、遠隔の操作卓との間で通信を行う通信モジュールとが備えられる。クローラ１４を駆動する原動部は、通信モジュールを通して遠隔の操作卓により制御され、自走式バキューム装置１０の移動は操作卓により操作される。また、バキューム装置も遠隔で操作される。

【0012】

ノズル１６は、くの字状に屈曲されており、その先端部側は車両本体１２の前方に延出し、下方に向けられている。ノズル１６の基端部側は保持部材１８により概ねクローラ１４に沿って保持される。保持部材１８は、車両本体１２のフロント側に設けられた回転軸２４により車両本体１２に軸支される（Ａ点）。ノズル１６の先端部は、保持部材１８が回転軸２４を周りに回動されることにより、車両本体１２の前方において上下動する。なお、回転軸２４は車両本体１２の幅方向に沿って配置される。

【0013】

パワーシリンダ２０の一端は、回転軸２４の上方において保持部材１８のに軸支され（Ｃ点）、他端は車両本体１２のリア部に軸支される（Ｂ点）。すなわち、パワーシリンダ２０が伸縮することにより保持部材１８が回転軸２４周りに回動される。なお、カウンターウェイト２２は、車両本体１２の後方においてクローラ１４の走行面よりも僅かに高い位置に配置される。

【0014】

次に、図２、図３、図４を参照して、パワーシリンダ２０を用いたノズル駆動部の構成について説明する。図２はノズル駆動部のリンク機構の構成を示す模式図である。リンク機構は、Ａ点とＢ点を結ぶ車両本体１２の一部を構成する固定節Ｌ_abと、Ａ点とＣ点を結ぶ保持部材１８の一部を構成する回転節Ｌ_caと、固定節Ｌ_abの一端と回転節Ｌ_caの一端を連絡するパワーシリンダ２０（Ｌ_bc）とから構成される。本実施形態では、保持部材１８（ノズル１６）に要求される動作角度θ_refと、保持部材１８（ノズル１６）の回転に必要なトルクτ_refを制約条件として、ノズル１６の動作速度（回転軸２４周りの回転速度ω）が最大になるリンク比Ｌ_ca：Ｌ_abが反復計算により求められる。

【0015】

図３は、制約条件となる動作角度θ_refの算出方法を示す模式図である。動作角度θ_refには、傾斜面から車両本体１２が滑り落ちない最大傾斜角θに安全率αを掛けたものが用いられる。すなわち、自走式バキューム装置１０の車両重量をｍ、重力加速度をｇ、静止摩擦係数をμ、車両傾斜角をθとするとき、μ・ｍ・ｇ・ｃｏｓθ－ｍ・ｇ・ｓｉｎθ＝０となるθ（＝ｔａｎ^-1μ）が最大傾斜角となるので、これに安全率αを掛けたα・ｔａｎ^-1μが動作角度θ_refとされる。

【0016】

図４は、制約条件となるノズル１６の上下運動に必要なトルクτ_refの算出方法を示す模式図である。上下運動に必要なトルクτ_refには、ホース取付部１６Ａに取り付けられるバキュームホースの自重により保持部材１８に掛かるトルクに安全率を掛けたものが用いられる。ここで、ホース線密度をρ、ホース長さをＬ、ホース取付部１６Ａにおけるホースによる負荷をＦ、ホース取付位置までの回転軸２４（Ａ点）からのレバーをＬｖとすると、ホースにより保持部材１８に掛かるトルクＭは、Ｍ＝Ｆ・Ｌｖとなり（Ｆ＝ρ・Ｌ・ｇ／２）、ノズル１６の上下運動に必要なトルクτ_ref＝α・Ｍとされる。

【0017】

反復計算では、パワーシリンダ２０の最小／最大長さを条件としてＬ_ca、Ｌ_abの長さを順次変更し、パワーシリンダ２０の推力ｆ、動作速度ｖ_Lは一定として、上記制約条件（トルク＞τ_ref、動作角度＞θ_ref）の下、保持部材１８（ノズル１６）が最大の動作速度（回転軸２４周りの回転速度ω）で動作するリンク比、Ｌ_ca：Ｌ_abが求められる。

【0018】

なお、パワーシリンダ２０動作時における各Ｌ_ca、Ｌ_abに対する各時点［ｉ］での動作速度ω_[i]、トルクτ_[i]、およびＬ_ca、Ｌ_abにおける動作角度θ_Aの算出には以下の式が用いられる。
Ｌ_bc[i]＝Ｌ_bc[i-1]＋ｖ_L・ｄｔ
Ａ_[i]＝（Ｌ_bc[i] ²－Ｌ_ca ²－Ｌ_ab ²）／（２・Ｌ_ca・Ｌ_ab）
Ｂ_[i]＝（Ｌ_ca ²－Ｌ_ab ²－Ｌ_bc[i] ²）／（２・Ｌ_bc[i]・Ｌ_ab）
ω_[i]＝ｄＡ_[i]／ｄｔ
τ_[i]＝ｆ・ｃｏｓＢ_[i]・Ｌ_ca・ｓｉｎＡ_[i]
＋ｆ・ｓｉｎＢ_[i]・Ｌ_ca・ｃｏｓＡ_[i]
θ_A＝Ａ｜_{Lbc max}－Ａ｜_{Lbc min}

【0019】

図２に示されるように、Ａ_[i]は、回転軸２４における固定節Ｌ_abと回転節Ｌ_caの成す角度、Ｂ_[i]は、固定節Ｌ_abとパワーシリンダ２０に対応するＬ_bcの成す角度である。また、Ｌ_{bc max}は、パワーシリンダ２０の最大長さ、Ｌ_{bc min}は、パワーシリンダ２０の最小長さを表し、Ａ｜_{Lbc max}は、Ｌ_{bc max}におけるＡ_[i]の値であり、Ａ｜_{Lbc min}は、Ｌ_{bc min}におけるＡ_[i]の値である。

【0020】

実施例では、α＝２、μ＝０．５、ρ＝２．４６［ｋｇ／ｍ］、Ｌ＝１０［ｍ］、Ｌｖ＝０．０６［ｍ］、ｖ_L＝１５［ｍｍ／ｓ］、ｆ＝４００×２［Ｎ］、Ｌ_{bc min}＝２７０［ｍｍ］、Ｌ_{bc max}＝３７０［ｍｍ］として、固定節Ｌ_ca＝６３［ｍｍ］、回転接Ｌ_ab＝３２２［ｍｍ］とされた。すなわち、リンク比Ｌ_ca：Ｌ_ab＝６３：３２２であった。

【0021】

図５は、本実施形態の自走式バキューム装置１０に搭載されたノズル位置制御システムの構成を示すブロック図である。

【0022】

本実施形態のノズル位置制御システムでは、まず、傾斜角センサにより検出された車両の傾斜角θから順運動学に基づき、クローラ１４の接地面に対する回転軸２４（Ａ点）の高さｙ_aが、下記（１）式で算出される（順運動学ブロック２６）。
ｙ_a＝ｒ＋Ｌ_c・ｓｉｎ（θ＋ε） （１）
ここで、図６に示されるように、ｒはクローラ１４の車輪半径、Ｌ_cはクローラ１４の後方車輪の中心と回転軸２４（Ａ点）の距離、εはクローラ１４の車軸間を結ぶ直線とＬ_cの成す角度である。

【0023】

次に、傾斜角θおよび順運動学に基づき算出された回転軸２４の高さｙ_aと、予め設定されたノズル１６の先端の目標高さｙ_refから逆運動学に基づき、ノズル角度φの目標値である目標ノズル角度φ_refが算出される（逆運動学ブロック２８）。なお、ノズル角度φは、固定節Ｌ_abの延長線を基準線Ｈとして、基準線Ｈに対してＬ_nが成す角度である（図７において反時計回りを正とする）。

【0024】

本実施形態においてノズル１６の先端の目標高さｙ_refはクローラ１４の接地面高さ（ｙ_ref＝０）に設定される。このことから目標ノズル角度φ_refとノズル１６の先端の目標高さｙ_refとの間には、図７に示されるように（２）式が成立する。
ｙ_ref＝Ｌ_n・ｓｉｎ（θ＋φ_ref）＋ｙ_a （２）
したがって、（２）式を目標ノズル角度φ_refについて解くことにより、目標ノズル角度φ_refは以下の（３）式で算出される。
φ_ref＝ｓｉｎ^-1[(ｙ_ref－ｙ_a)／Ｌ_n]－θ （３）
なお、Ｌ_nは回転軸２４（Ａ点）からノズル１６先端の下側位置までの距離である。

【0025】

目標ノズル角度φ_refは、比較部３０において角度センサ３６において検出される現在のノズル角度φとの偏差（φ_ref－φ）が算出された後、偏差（φ_ref－φ）はコントローラ３２に入力される。コントローラ３２では例えばＰ制御などを通してパワーシリンダ２０を駆動するための電圧Ｖ_inが偏差（φ_ref－φ）から算出される。本実施形態では、Ｋ_p・（φ_ref－φ）＞５のときにＶ_in＝５、Ｋ_p・（φ_ref－φ）＜－５のときにＶ_in＝－５とされ、それ以外のときにはＶ_in＝Ｋ_p・（φ_ref－φ）とされる。なお、Ｋ_pは比例ゲインである。

【0026】

Ｖ_inはノズル上下機構３４に入力される。ノズル上下機構３４のパワーシリンダ２０は印可電圧Ｖｉｎに応じて伸縮され、これによりノズル角度φが変更される。実際のノズル角度φは、角度センサ３６により検知され、比較部３０へとフィードバックされる。なお、ノズル角度φは、角度センサ３６の代わりにパワーシリンダ２０（Ｌ_bc）の長さなどを検出することでも算出できる。

【0027】

以上のように本実施形態の自走式バキューム装置によれば、車両本体の傾斜角θと予め設定された目標高さｙ_refに基づき目標ノズル角度φ_refを算出し、傾斜角θに合わせてノズルを自動的に堆積物の吸引に適したノズル角度まで回動させることができる。これにより、車両が堆積物に乗り上げるような場合にも、より確実に堆積物を吸引することができる。

【符号の説明】

【0028】

１０ 自走式バキューム装置
１２ 車両本体
１４ クローラ
１６ ノズル
１８ 保持部材
２０ パワーシリンダ（直動アクチュエータ）
２４ 回転軸（Ａ点）
Ｈ 基準線
ｙ_ref ノズル目標高さ
θ 傾斜角
φ ノズル角度
φ_ref 目標ノズル角度

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】