JP2014133600A - 吊荷姿勢制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】外乱を良好に抑制すると共に、構造の簡略化、コストの低減を図ることができる吊荷姿勢制御装置を提供する。
【解決手段】互いに同期して動作する複数台のジャイロスコープのジャイロ効果を利用して吊荷Ｍの旋回力を得る吊荷姿勢制御装置において、水平面内における吊荷Ｍの原点位置からの角度及び角速度を検出するためのジャイロセンサ１０１と、ジャイロセンサの出力から検出した吊荷角度及び吊荷角速度が入力され、ジンバルの傾転角速度指令を演算して出力するジャイロコントローラ２００と、前記傾転角速度指令、フライホイールの角速度及び慣性モーメント、並びに外乱トルクに基づいてジャイロトルクを生成し、前記ジャイロトルクに基づいてジンバルの傾転を制御する手段と、ジャイロトルクにより生じた速度を低減させる減速ジャイロトルクを生成して吊荷角度が目標角度となった際に吊荷の旋回を停止させる手段と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ワイヤロープ等により吊り下げられた金型等の吊荷を水平面内で旋回させて所定の角度、姿勢に保持するための吊荷姿勢制御装置に関し、詳しくは、ジャイロスコープによるジャイロ効果を利用して吊荷の旋回力を得るようにした吊荷姿勢制御装置に関するものである。

この種の吊荷姿勢制御装置は、ワイヤロープ等により吊り下げられて吊荷が固定された吊り治具に、水平な回転軸を中心として傾転（回転）可能なジンバル（ジンバルフレーム）と、このジンバルに対してその回転軸を含む面に直交するスピン軸を中心として高速で回転可能なフライホイールと、を有するジャイロスコープを備えている。

上記構成において、フライホイールを所定方向に高速で回転させながらジンバルを所定方向・速度で傾転させると、ジャイロ効果によって鉛直軸まわりの旋回力が発生し、この旋回力により吊り治具及び吊荷が水平面内で旋回する。
また、ジンバルに傾転力が与えられていないフリー状態において、吊荷に風などの外乱によって鉛直軸まわりの旋回力が加わった場合には、その旋回力が吊り治具及びジンバルを介してフライホイールに伝達される結果、ジャイロ効果によりジンバルが傾転し、その際に生じるフライホイールの慣性の反作用により吊荷の旋回を抑制して外乱が加わる前の吊荷の姿勢を保持することができる。

上記原理に基づく吊荷姿勢制御装置の従来技術としては、例えば特許文献１〜３に記載されたものが知られている。
このうち、特許文献１に記載された従来技術は、吊荷に作業員が手を掛けて所定位置に建て込むような場合に、フライホイールが高速回転したままの状態でジンバルの傾転をフリー状態にしてそのままロックすることにより、吊荷の急速な旋回停止やその後の自由な旋回作業、旋回停止作業を可能にしている。

また、特許文献２に記載された従来技術では、吊荷の旋回負荷が設計上の最大負荷を超えた場合に、フライホイールのスピン軸が所定角度（例えば±４５度）を超えて鉛直線に近付かないように、ジンバルの傾転角度を規制するストッパーを設けている。
特許文献３に記載された従来技術では、フライホイールのスピン軸が水平でない状態でジンバルの駆動を停止した後に、ジンバルを強制的に原点位置に傾転させて吊荷を旋回させる際の旋回力低下を防止することを目的として、ジンバルの傾転軸を、フライホイールを含むジンバルの重心よりも上方に偏心させて配置している。

特許第３３４２１６２号公報（［００１２］〜［００２５］、図１等） 特許第３０４５９２０号公報（［００１９］〜［００３４］、図１〜図４等） 特許第２８３９１７８号公報（［００１２］〜［００２３］、図１〜図３等）

特許文献１〜３に係る吊荷姿勢制御装置は、ジンバルの傾転角度や旋回角速度等を設定値に従って制御する単一制御を基本としており、吊荷の旋回角度や角速度等を任意に制御することができない。
また、特許文献１では、ジンバルをフリー状態で傾転させるために、モータとジンバル傾転軸との間にクラッチ等の動力伝達機構を設ける必要があると共に、ジンバルをフリー状態とする操作のオン・オフ時に、重力の影響によってジンバルの傾転動作が不安定になり、良好な外乱抑制動作が困難になるという問題がある。

特許文献２は、ワイヤロープのねじれや外乱等により負荷トルクが変化する場合を考慮して設計した場合、スピン軸の傾きが４５度近辺になったときの吊荷の旋回角速度が一定にならず、危険速度になる懸念がある。加えて、ストッパーにより規制されたジンバルが原点位置に復帰するまでに時間がかかる等の不都合もある。
更に、特許文献２や特許文献３では、傾転角度規制用のストッパーや偏心軸など、ジンバルの構造上の変更を要するため、構造が複雑化してコスト高になる等の問題があった。

更に、クレーンフック等の摩擦による損失トルクが大きい装置では、所定の時間内に吊荷を目標角度まで旋回させることができない場合もあった。

そこで、本発明の解決課題は、吊荷の旋回角度や旋回角速度をフィードバック制御して良好な外乱抑制動作を可能にすると共に、ジンバルをフリー状態とするための構造やストッパー、偏心軸等を不要にして構造の簡略化、コストの低減を図った吊荷姿勢制御装置を提供することにある。
また、本発明の別の解決課題は、クレーンフック等の摩擦による損失トルクがある場合でも、最小ジャイロトルクで所定の時間内に吊荷を目標角度まで確実に旋回させて停止させるようにした吊荷姿勢制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項1に係る発明は、支持部材により支持された吊荷を水平面内で旋回させて所定の角度、姿勢に保持するための吊荷姿勢制御装置であって、互いに同期して動作する複数台のジャイロスコープのジャイロ効果を利用して吊荷の旋回力を得る吊荷姿勢制御装置において、
水平面内における吊荷の原点位置からの角度及び角速度を検出する角度・角速度検出部と、
前記角度・角速度検出部により検出した吊荷角度及び吊荷角速度が入力され、前記ジャイロスコープ内のジンバルの傾転角速度指令を演算して出力するジャイロコントローラと、
前記傾転角速度指令、前記ジャイロスコープ内のフライホイールの角速度及び慣性モーメント、並びに外乱トルクに基づいてジャイロトルクを生成し、前記ジャイロトルクに基づいて前記ジンバルの傾転角度が前記傾転角速度指令に一致するように前記ジンバルを制御する手段と、
前記ジャイロトルクにより生じた速度を低減させるための減速ジャイロトルクに応じた制御減速度を生成し、前記制御減速度を用いて前記ジャイロコントローラが演算した前記傾転角速度指令に従って前記ジンバルの傾転角度を制御することにより、吊荷角度が目標角度になった時点で吊荷の旋回を停止させる手段と、を備えたものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載した吊荷姿勢制御装置において、前記ジャイロコントローラは、角度調節手段と、ジンバル傾転補正手段と、ジャイロトルク調節手段と、を備え、
前記角度調節手段は、水平面内の目標角度と前記吊荷角度との偏差がゼロになるように動作する位置決め調節手段を有し、
前記ジンバル傾転補正手段は、ジンバル傾転角度の余弦値を求める手段を有し、
前記ジャイロトルク調節手段は、
前記位置決め調節手段から出力される角速度指令と前記吊荷角速度との偏差がゼロになるように動作してジャイロトルクを生成するトルクコントローラと、前記ジンバル傾転角度の余弦値、前記フライホイールの角速度及び慣性モーメント、並びに、前記ジャイロトルクを用いて、前記ジンバルの傾転角速度指令を演算する手段と、を有するものである。

請求項３に係る発明は、請求項２に記載した吊荷姿勢制御装置において、
吊荷に対して所定の旋回トルクを与えるための定トルク設定値を生成する定トルク設定手段と、前記定トルク設定手段により生成した定トルク設定値を前記トルクコントローラから出力されるジャイロトルクに代えて出力する手段と、を備えたものである。

請求項４に係る発明は、請求項２に記載した吊荷姿勢制御装置において、
装置の全慣性モーメントに基づく加減速トルク及び装置の全重量に基づく損失トルクを、前記トルクコントローラから出力されるジャイロトルクに加えて出力する手段を備えたものである。

請求項５に係る発明は、請求項２に記載した吊荷姿勢制御装置において、
目標とする吊荷の移動角度が与えられたときに、所定のジャイロトルクを得るための吊荷の角速度の特性線上で、吊荷の加速時間と損失トルクのみによる減速時間と位置決め制御による制御減速時間との和であるトータルタクト時間を最小化するようなジンバル傾転角度を求め、前記ジンバル傾転角度からジンバルの傾転角速度指令を生成する最適指令演算部と、
制御初期に、前記最適指令演算部により演算した前記傾転角速度指令を前記トルクコントローラに基づく傾転角速度指令に代えて出力する手段と、を備えたものである。

本発明によれば、吊荷の旋回角度や旋回角速度をフィードバック制御してジャイロスコープの傾転角速度を制御することにより、高精度な外乱抑制制御、旋回制御を実現することができる。
また、従来技術のようにジンバルをフリー状態とするための操作や複雑な構造、ストッパー、偏心軸等が不要であるため、ジンバルスコープの構造の簡略化、コストの低減が可能になる。
更に、クレーンフック等の摩擦による損失トルクがある場合でも、最小ジャイロトルクにより、言い換えれば最小の製造コストにて、所定の時間内に吊荷を目標角度まで旋回させて停止させることができる。

本発明の実施形態におけるジャイロコントローラの第１実施例の構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態におけるフライホイールの角速度、ジンバルの角速度、及び、吊荷の角速度等の説明図である。 本発明の実施形態における全体的な制御ブロック図である。 本発明の実施形態におけるジャイロコントローラの第２実施例の構成を示すブロック図である。 図４の第２実施例による動作を示す特性図である。 本発明の実施形態におけるジャイロコントローラの動作を示すフローチャートである。 本発明の実施形態における吊荷の支持構造を概略的に示す図である。 本発明の実施形態におけるジャイロスコープの主要部を示す平面図である。 本発明の実施形態におけるジャイロスコープの主要部を示す正面図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
前後するが、図７はこの実施形態における吊荷の支持構造を概略的に示したものであり、１１は鉛直軸まわりに旋回可能なクレーンスイベル、１２はクレーンフック、１３は吊り治具１４の四隅を支持するワイヤロープ、Ｍは例えば金型等の吊荷である。ここで、クレーンスイベル１１、クレーンフック１２、ワイヤロープ１３、吊り治具１４等は、吊荷Ｍを支持する支持部材を構成している。これらの支持部材の構造は図示例に限定されないことは言うまでもなく、吊荷Ｍを保持しながら水平面内での旋回を許容するものであれば、いかなる構造であってもよい。

また、１００は吊り治具１４の上面の両端２箇所に取り付けられ、かつ、互いに同期して動作するジャイロスコープ、１０１は一方のジャイロスコープ１００の近傍に配置された角度・角速度検出部としてのジャイロセンサ（角速度センサ）である。ジャイロセンサ１０１は、吊り治具１４の水平面内の旋回角度つまり吊荷Ｍの旋回角度、あるいは、吊荷Ｍの旋回角速度を検出するためのものであり、ジャイロセンサ１０１の出力信号は、例えば無線通信によって後述するジャイロコントローラ２００に送られるようになっている。
なお、角度・角速度検出部としては、ジャイロセンサの代わりに、適宜な画像処理手段や超音波測定手段等を用いて吊荷Ｍの旋回角度及び旋回角速度を検出してもよく、その場合には、吊荷Ｍにターゲットを配置してその画像を取得する手段やターゲットから発生させた超音波を測定する手段を用いてターゲットの動きを観察することにより、吊荷Ｍの旋回角度及び旋回角速度を検出する。
ジャイロスコープ１００は、周知のごとく、ジャイロ効果によって吊り治具１４に鉛直軸まわりの旋回力を発生させ、吊荷Ｍを所定の角度及び角速度にて旋回させるように機能する。図７では、ジャイロスコープ１００を２台設置した例を示しているが、３台以上であってもよい。

次いで、図８，図９は、ジャイロスコープ１００の具体的な構造を示すもので、図８は平面図、図９は正面図である。
これらの図において、１０２はフライホイール、１０３はスピン軸、１０４はフライホイール１０２を回転させるモータ（サーボモータ）、１０５はフライホイールフレームである。また、１０６はスピン軸１０３に直交するジンバル傾転軸、１０７はジンバルフレーム、１０８は傾転用のモータ（サーボモータ）、１０９は減速用のギアボックス、１１０は吊り治具１４に固定される固定フレームを示す。

上記構成のジャイロスコープ１００では、モータ１０４を駆動してフライホイール１０２がスピン軸１０３（ｙ軸）を中心として回転している状態で、モータ１０８によりジンバルフレーム１０７及びフライホイールフレーム１０５をジンバル傾転軸１０６（ｘ軸）を中心として傾転させることにより、周知のジャイロ効果によって鉛直軸（ｚ軸）まわりの旋回力が発生する。これにより、吊り治具１４に保持された吊荷Ｍを鉛直軸まわりに旋回させることができる。
なお、モータ１０４，１０８に対する制御信号は、後述のジャイロコントローラ２００等を介して、例えば無線通信によって外部から伝送される。

次に、図１は、ジンバルの傾転角速度を制御するためのジャイロコントローラ２００の第１実施例の構成を示すブロック図である。
図１において、前記ジャイロセンサ１０１により検出された吊荷Ｍの水平面内の角度はジャイロ受信回路１２０により受信され、このジャイロ受信回路１２０から、吊荷角度φ_Ｍ及びその微分値である吊荷角速度φ’_Ｍが出力される。なお、ジャイロセンサ１０１により吊荷角速度φ’_Ｍを検出し、ジャイロ受信回路１２０がこれを積分して吊荷角度φ_Ｍを求めてもよい。
吊荷角度φ_Ｍは、角度調節器２０１内の減算手段２０２に入力され、吊荷Ｍの原点位置（基準位置）に相当する目標角度（例えば０°）との偏差Δφが求められる。

上記偏差Δφは、比例調節器等からなる位置決め調節器２０３に入力されており、風などの外力により水平面内で一定角度旋回した状態の吊荷Ｍを原点位置の角度に復帰させるための角速度指令値φ’が演算される。この角速度指令値φ’は減算手段２０４に入力されて吊荷角速度φ’_Ｍとの偏差が求められ、この偏差はジャイロトルク調節器２０５内のトルクコントローラ２０６に入力されている。

トルクコントローラ２０６は、比例調節器等によって角速度指令値φ’と吊荷角速度φ’_Ｍとの偏差がゼロになるように調節動作するもので、トルクコントローラ２０６の出力は、除算手段２０７によってジャイロスコープ１００の台数ｎにより除算される。なお、図７の例では、ｎ＝２である。この除算手段２０７の出力は、加算手段２０９に入力されている。
また、一定のジャイロトルク設定値が除算手段２０８によりジャイロスコープ１００の台数ｎによって除算される。この除算手段２０８の出力は、前記除算手段２０７の出力が加算手段２０９に与えられず定トルク運転を行う時に，加算手段２０９に入力されるようになっている。
前述の加算手段２０９から出力されるジャイロトルク（トルク指令）τ_ｇは、ジンバルが復帰する際に吊荷Ｍが回転しないように、例えばクレーンスイベル１１とクレーンフック１２との間の摩擦力以下の低トルクとすることが望ましい。

なお、上述した一定のジャイロトルク設定値、除算手段２０８、加算手段２０９等は本発明に必要不可欠なものではなく、外乱抑制等の本来の旋回制御に加えて、吊荷Ｍに任意の旋回トルクを与える定トルク発生装置としての利用を可能にするものであり、通常時には、除算手段２０７の出力を常に加算手段２０９を介して除算手段２１０に与えるように構成しても良い。
上記の定トルク発生装置による定トルク運転機能を持たせることで、複数台のジャイロスコープにより継続的にトルクを発生させる機構を実現することができ、例えば、１台目のジャイロスコープにより所定のトルクを発生させ、ジンバル傾転角度が限界に達したら１台目を停止して２台目、更に３台目……というように順次運転し、停止したジャイロスコープはフライホイールを逐次停止した後に、あるいは低トルクにてジンバルを原点位置に戻し、次の運転に備える、等の運転方法を採ることができる。

加算手段２０９から出力されたジャイロトルクτ_ｇは、ジンバル傾転補正部２２０内の余弦演算手段２２１からのジンバル傾転角度θ_１，θ_２，…の余弦値ｃｏｓθ_１，ｃｏｓθ_２，…により除算手段２１０にて除算され、τ_ｇ／ｃｏｓθ_１，τ_ｇ／ｃｏｓθ_２，…が演算される。なお、ジンバル傾転角度θ_１，θ_２，…は、複数台のジャイロスコープ１００にそれぞれ内蔵された角度センサにより検出されるものである。

更に、フライホイール１０２の角速度ψ’_ｆ１，ψ’_ｆ２，…（後述の図２を参照）及び慣性モーメントI_ｆ１，I_ｆ２，…が乗算手段２１１によりそれぞれ乗算されており、除算手段２１２では、除算手段２１０の出力τ_ｇ／ｃｏｓθ_１，τ_ｇ／ｃｏｓθ_２，…が乗算手段２１１の出力ψ’_ｆ１I_ｆ１，ψ’_ｆ２I_ｆ２，…によってそれぞれ除算される。
これにより、各ジャイロスコープ１００のジンバル１，ジンバル２，…ごとの角速度指令（傾転角速度指令）θ’_ｇ１，θ’_ｇ２，…が算出されることになる。

従って、ジャイロトルクτ_ｇ、ジンバルの角速度θ’_ｇ、フライホイール１０２の角速度ψ’_ｆ、フライホイール１０２の慣性モーメントI_ｆ、ジンバルの傾転角度θ_ｇの関係は、数式１のようになる。
［数１］
τ_ｇ＝θ’_ｇ×ψ’_ｆ×I_ｆ×ｃｏｓθ_ｇ

図２は、フライホイール１０２の角速度ψ’_ｆ、ジンバルの傾転角度θ_ｇ、及び、旋回する吊荷Ｍの角速度φ’_Ｍ等の説明図である。
前述したように、ジャイロコントローラ２００からは、各ジンバルの角速度指令θ’_ｇ１，θ’_ｇ２，…が出力されることになり、これらの角速度指令θ’_ｇ１，θ’_ｇ２，…に基づき、図３に示す制御ブロック図に従ってジャイロスコープ１００による旋回制御が行われる。

図３において、ジャイロコントローラ２００から出力された角速度指令θ’_ｇ１，θ’_ｇ２，…（ここでは、角速度指令θ’_ｇとする）は、積分項２３１を介して傾転角度θ_ｇに変換され、余弦項２３２を介して乗算項２３４に入力されている。
一方、乗算項２３３により、フライホイール１０２の角速度ψ’_ｆと慣性モーメントI_ｆとが乗算され、その出力が、前記乗算項２３４により角速度θ’_ｇと余弦項２３２の出力ｃｏｓθ_ｇとに乗算されて、ジャイロ効果によるジャイロトルクτ_ｇが発生する。

上記ジャイロトルクτ_ｇと、風などの外乱により吊荷Ｍに加わった外乱トルクτ_Ｌとが加算項２３５により加算され、積分項２３６へ入力される。積分項２３６の積分時間Ｔは、装置の全慣性モーメントＩにより決まり、装置は吊荷角速度φ’_Ｍで回転する。ここで、装置の全慣性モーメントＩとは、図７のクレーンスイベル１１及びクレーンフック１２を除いた全構造物（ワイヤロープ１３、吊り治具１４、ジャイロスコープ１００、吊荷Ｍ等を含む）の慣性モーメントである。次に、前記吊荷角速度φ’_Ｍは、積分項２３７に入力されて吊荷角度φ_Ｍとなる。
吊荷角速度φ’_Ｍ及び吊荷角度φ_Ｍに従って各ジャイロスコープ１００の傾転用のモータ１０８が制御されることになる。吊荷角速度φ’_Ｍ及び吊荷角速度φ_Ｍは、ジャイロセンサ１０１により検出される。

以上のように、この実施形態は、ジャイロセンサ１０１により検出した吊荷Ｍの角度φ_Ｍまたは角速度φ’_Ｍをジャイロコントローラ２００にフィードバックしてジンバルの傾転角速度を求め、この傾転角速度をジンバルに対する角速度指令θ’_ｇとしてジャイロスコープ１００を制御することにより、吊荷Ｍを所定の角度にわたり所定の角速度で旋回させるものである。
このため、吊荷Ｍの旋回角度や旋回角速度をきめ細かく制御することができ、風などによる外乱を効果的に抑制して吊荷Ｍの姿勢を適切に制御することができる。また、従来技術のようにジンバルをフリー状態とするための操作や、ジャイロスコープ１００内で傾転角度を制限するためのストッパー、重心を調整するための偏心軸等の複雑な構造も不要である。

次に、図４は、本発明の実施形態におけるジャイロコントローラの第２実施例の構成を示しており、図１のジャイロコントローラ２００とほぼ同様に構成されたジャイロコントローラ２００Ａに、補償トルク発生部２４１と、吊荷Ｍを所定の角度へ回転させるために必要な最適エネルギーを算出する最適指令演算部２４５とを付加したものである。最適指令演算部２４５の動作によって吊荷Ｍに回転エネルギーを与えるためにジンバルを一気に加速させる運転モードを、ここでは、便宜的に「充填モード」という。また、前述でジンバルを一気に加速させている期間を「充填期間中」という。
なお、ジャイロコントローラ２００Ａ内のジャイロトルク調節器２０５Ａでは、加算手段２０９の出力を除算手段２０７にてジャイロスコープ１００の台数ｎにより除算しているが、図１の第１実施例のように、加算手段２０９の入力信号を除算手段２０７，２０８により除算してから加算する方法を採ってもよい。
図４における除算手段２０７以降の、除算手段２１０，２１２及び乗算手段２１１の作用は、図１の第１実施例と同様である。

図１に示した第１実施例では、吊荷Ｍの角速度φ’_Ｍの検出値のばらつきが大きい場合、トルクコントローラ２０６のゲインを余り大きくすることができず、結果的に所望のジャイロトルクτ_ｇを得ることができない場合がある。そこで、図４の第２実施例では、補償トルク発生部２４１により、角加速度指令値φ”を用いて装置の全慣性モーメントＩに基づく加減速トルク、及び、装置の全重量に基づく損失トルクを発生させ、これらの加減速トルクと損失トルクとの和である補償トルクをフィードフォワード的に加算手段２０９に加えるようにした。

すなわち、図４において、ジャイロコントローラ２００Ａ内の角度調節器２０１には、比例調節器２０３ａ及び加減速演算器２０３ｂが設けられ、加減速演算器２０３ｂにおける角速度φ’の演算過程から取り出した角加速度指令値φ”が補償トルク発生部２４１内の加減速補償部２４３に入力され、装置の全慣性モーメントＩに乗算されてその乗算結果が加算手段２４４に入力されている。

また、加減速演算器２０３ｂから出力された角速度φ’が、損失トルク演算部２４２に入力されており、角速度φ’の極性に応じたクレーンスイベル１１及びクレーンフック１２等による損失トルク（Ｗ・μ・ｒ）が加算手段２４４に入力されている。加算手段２４４では、加減速補償部２４３の出力と損失トルク演算部２４２の出力とを加算し、その加算結果を補償トルクとして加算手段２０９に出力する。
ここで、損失トルク（Ｗ・μ・ｒ）は、図７のクレーンフック１２より下方の全構造物の重量Ｗと、クレーンスイベル１１の転がり摩擦係数μと、スラスト玉軸受の軌道半径ｒとを乗じた値である。
ただし、「充填モード」時には、前記損失トルクが加算手段２０９に与えられないようになっている。更に、「充填期間中」は、前記加減速トルクが加算手段２０９に与えられないようになっている。

上記のように補償トルク発生部２４１を設けることにより、吊荷Ｍの角速度検出値のばらつきが大きくトルクコントローラ２０６のゲインを余り大きくできない場合には、加減速トルクをフィードフォワード的に加算してジャイロトルクτ_ｇを生成し、このジャイロトルクτ_ｇに基づいてジンバルに対する角速度指令θ’_ｇを生成することにより、角度調整に必要な適正ジャイロトルクを生成して吊荷Ｍの角度を精度よく制御することができる。

次に、前述した第１実施例では、吊荷Ｍの旋回角度や旋回角速度を所定値に制御することができるが、クレーンフック１２の摩擦等が損失となり、ジンバルをその限界角度まで傾転させても、吊荷Ｍを所定の目標角度まで旋回させることができない場合がある。
このため、第２実施例では、最適指令演算部２４５によりジンバルを一気に加速するような角速度指令θ’_ｇを生成し、上記の摩擦等による位置決め精度の低下を解消するようにした。
なお、図４のジャイロトルク調整器２０５Ａでは、除算手段２１２の出力側に加算手段２１３が設けられている。この加算手段２１３は、トルクコントローラ２０６の出力に代えて、最適指令演算部２４５の出力を各ジンバルの角速度指令θ’_ｇ１，θ’_ｇ２，…として出力するためのものである。
以下、最適指令演算部２４５の機能について説明する。

まず、運動方程式により、数式２が得られる。
［数２］
τ_ｇ×ｃｏｓθ_ｇ−Ｌ＝Ｉ×ｄ（φ’_Ｍ）／ｄｔ ［Ｎ・ｍ］
ここで、τ_ｇはジャイロトルク、θ_ｇはジンバルの傾転角度、Ｌはクレーンフック１２の摩擦等による損失トルク、Ｉは装置の全慣性モーメント、φ’_Ｍは吊荷Ｍの角速度である。
また、ジャイロトルクτ_ｇは、数式３によって表される。
［数３］
τ_ｇ＝Ｉ_ｆ×ψ’_ｆ×ψ’_ｇ ［Ｎ・ｍ］
ここで、Ｉ_ｆはフライホイールの慣性モーメント、ψ’_ｆはフライホイールの角速度、ψ’_ｇはジンバルの傾転角速度である。

数式２を時間０〜ｔ_１にわたり積分して得られる角速度を最大角速度φ’_Ｍｍａｘとすると、このφ’_Ｍｍａｘは、数式４及び数式５となる。

ここで、図５は、時間を横軸にとり、縦軸に、ジャイロトルクτ_Ａ，τ_Ｂ及び吊荷Ｍの角速度φ’_Ａ，φ’_Ｂを示した特性図であり、時刻ｔ＝０からジャイロトルクτ_Ａを与えた時の角速度がφ’_Ａ、ジャイロトルクτ_Ｂを与えた時の角速度がφ’_Ｂに、それぞれ対応する。また、角速度φ’_Ａ，φ’_Ｂの特性線において、実線は位置決め制御を行わない時の減速状態（損失トルクのみによる減速状態）を示し、破線は位置決め制御を行った時の減速状態（制御による減速状態）を示す。以下では、ジャイロトルクτ_Ａ及び角速度φ’_Ａを例に挙げて説明する。
図５における時間ｔ_１をジャイロトルクτ_Ａの充填時間（目標速度φ’_Ｍｍａｘまで一気に加速する時間）として定義すると、ｔ_１＝Δθ_ｇ／ψ’_ｇ［ｓ］によって表すことができる。なお、Δθ_ｇはジンバルの傾転角度である。
また、角速度φ’_Ａの特性線上で、吊荷Ｍの角速度φ’_Ｍがφ’_Ｍｍａｘから後述のφ’_Ｍ１まで減速するのに要する時間をｔ_３とすると、この時間ｔ_３は損失トルクのみによる減速時間と考えることができ、ｔ_３＝Ｉ×φ’_Ｍｍａｘ／Ｌ［ｓ］によって表される。
更に、時間（ｔ_１＋ｔ_３）から位置決め制御を開始すると仮定すると、図５における減速時間ｔ_ｃは、ｔ_ｃ＝（φ’_Ｍｍａｘ−α_ｌｏｓｓ×ｔ_３）／α_ｃ［ｓ］となる。ここで、α_ｌｏｓｓは損失トルクのみによる減速度であって、α_ｌｏｓｓ＝Ｌ／Ｉ[ｒａｄ／ｓ^２]によって表される。また、α_ｃは、位置決め制御を行うときの制御減速度であり、ジャイロトルクτ_Ａにより生じた角速度φ’_Ｍを低減させて吊荷角度が目標角度になった時点で吊荷Ｍの旋回を停止させるためのものである。
更に、時間Ｔをトータルタクト時間といい、Ｔ＝ｔ_１＋ｔ_３＋ｔ_ｃである。

いま、目標とする吊荷Ｍの移動角度をΔφ（角度偏差）とすると、Δφは数式６によって近似できる。なお、数式６におけるφ’_Ｍｍａｘは数式５から求められる。

数式６に示した移動角度Δφが大きいほど、または吊荷Ｍが重いほど、大きなジャイロトルクτ_ｇを必要とする。このため、例えば目標とする移動角度Δφが与えられたら、移動角度Δφに応じた適宜なジャイロトルクτ_ｇ、最大角速度φ’_Ｍｍａｘ、制御減速度α_ｃ及びトータルタクト時間Ｔの関係から、満足する組み合わせを見つけ出せばよい。その際、制御減速度α_ｃは損失トルクのみによる減速度α_ｌｏｓｓより小さくすることはできず、制御減速度α_ｃを小さくし過ぎると制御タクトが延びてしまい、また、制御減速度α_ｃを大きくし過ぎると停止時に吊荷Ｍの「揺らぎ」の原因になることを考慮する必要がある。
図４に示した第２実施例における最適指令演算部２４５では、目標とする移動角度Δφのもとで、所定のジャイロトルクτ_ｇ、例えば図５におけるジャイロトルクτ_Ａを得るための角速度φ’_Ａの特性線に関連する時間ｔ_１，ｔ_３，ｔ_ｃを求めてトータルタクト時間Ｔを算出し、このトータルタクト時間Ｔを最小化するようなジンバル傾転角度θ_ｇを求めてその傾転角度θ_ｇから図４のジンバル角速度指令θ’_ｇを生成するものである。

具体的には、ジンバル傾転角度θ_ｇを所定値から等角度（例えば０deg〜２deg）ずつ増加させて前述した最大角速度φ’_Ｍｍａｘ及びジャイロトルク充填時間ｔ_１を求め、数式６に代入する。
次に、数式７，数式８に基づいて時間ｔ_３を求める。

更に、前述したｔ_ｃ＝（φ’_Ｍｍａｘ−α_ｌｏｓｓ×ｔ_３）／α_ｃ［ｓ］の関係を用いて、時間ｔ_３から減速時間ｔ_ｃを求め、トータルタクト時間Ｔ（＝ｔ_１＋ｔ_３＋ｔ_ｃ）を求める。
上記の処理を繰り返すことにより、トータルタクト時間Ｔが最小となるようなジンバル傾転角度θ_ｇを求め、ジンバル角速度指令θ’_ｇを生成すればよい。なお、実際のジンバル傾転角度は、演算により求めたθ_ｇに適宜な安全率を乗算した値とする。

なお、図５におけるジャイロトルクτ_Ｂ及び角速度φ’_Ｂの特性線は、φ’_Ａよりも更に大きな速度で加速するときの特性線であり、この場合には、トータルタクト時間Ｔ’が最小となるようなジンバル傾転角度θ_ｇを求めてジンバル角速度指令θ’_ｇを生成することになる。これにより、角度調整に要する時間を最短にすることができる。
上述したように、ジャイロトルクτ_ｇに応じた制御減速度α_ｃを用いてジンバル角速度指令θ’_ｇを演算し、この角速度指令θ’_ｇに従ってジンバルの傾転角度θ_ｇを制御することにより、吊荷Ｍの位置決め制御を行う着想は、第１実施例にも適用可能である。

図６は、本発明の実施形態におけるジャイロコントローラの動作を示すフローチャートである。
まず、前述した第２実施例のように、最適指令演算部２４５の動作によりジンバルを一気に加速させる運転モード（充填モード）であるか否かを判断し（ステップＳ１）、充填モードでなければ（ステップＳ１ ＮＯ）、角度調節器２０１により吊荷Ｍの角度偏差Δφを求める（ステップＳ３）。なお、充填モードである場合には（ステップＳ１ ＹＥＳ）、最適指令演算部２４５がジンバルの最適傾転角度θ_ｇを演算する（ステップＳ２）。
次に、角度偏差Δφがない場合にはそのまま終了し（ステップＳ４ ＮＯ）、角度偏差Δφがある場合には（ステップＳ４ ＹＥＳ）、位置決め調節器２０３または２０３ａにより角速度指令値φ’を演算する（ステップＳ５）。

そして、充填モードでない場合は（ステップＳ６ ＮＯ）、前記角速度指令値φ’と吊荷角速度φ’_Ｍとの偏差に基づき、ジャイロトルク調節器２０５，２０５Ａによりジャイロトルクτ_ｇを演算する（ステップＳ７）。
次に、ジンバル傾転角度θ_ｇを演算すると共にジンバル傾転補正部２２０による補正演算を行い（ステップＳ８）、更にジンバルの傾転角速度指令θ_ｇ’を演算して出力する（ステップＳ９）。
また、充填モードである場合には（ステップＳ６ ＹＥＳ），既に求めたジャイロトルクτ_ｇ及び最適傾転角速度θ_ｇのもとで演算したジンバル傾転角祖度指令値θ_ｇ’に従い、ジンバルが初期傾転角度θ_ｇだけ移動（傾転）したか否かを判断する（ステップＳ１０）。ここで、ジンバルが初期傾転角度θ_ｇまで移動していなければ、ジンバルの移動処理を行ってから傾転角速度指令θ_ｇ’を演算し（ステップＳ１０ ＮＯ，Ｓ１１，Ｓ９）、ジンバルの移動が完了していれば（ステップＳ１０ ＹＥＳ）、更にジャイロトルクτ_ｇの演算以降の処理を行う（ステップＳ７，Ｓ８，Ｓ９）。

本発明は、金型等に限らず、クレーンにより搬送される種々の吊荷の旋回制御、姿勢制御に利用することができる。

１１：クレーンスイベル
１２：クレーンフック
１３：ワイヤロープ
１４：吊り治具
１００：ジャイロスコープ
１０１：ジャイロセンサ
１０２：フライホイール
１０４：モータ
１０５：フライホイールフレーム
１０６：ジンバル傾転軸
１０７：ジンバルフレーム
１０８：モータ
１０９：ギアボックス
１１０：固定フレーム
１２０：ジャイロ受信回路
２００，２００Ａ：ジャイロコントローラ
２０１：角度調節器
２０２，２０４：減算手段
２０３：位置決め調節器
２０３ａ：比例調節器
２０３ｂ：加減速度演算器
２０５，２０５Ａ：ジャイロトルク調節器
２０６：トルクコントローラ
２０７，２１０，２１２：除算手段
２０９：加算手段
２１１：乗算手段
２２０：ジンバル傾転補正部
２２１：余弦演算手段
２３１，２３６，２３７：積分項
２３２：余弦項
２３３，２３４：乗算項
２３５：加算手段
２４１：補償トルク発生部
２４２：損失トルク演算部
２４３：加減速補償部
２４４：加算手段
２４５：最適指令演算部
Ｍ：吊荷

Claims (5)

1. 支持部材により支持された吊荷を水平面内で旋回させて所定の角度、姿勢に保持するための吊荷姿勢制御装置であって、互いに同期して動作する複数台のジャイロスコープのジャイロ効果を利用して吊荷の旋回力を得る吊荷姿勢制御装置において、
   水平面内における吊荷の原点位置からの角度及び角速度を検出する角度・角速度検出部と、
   前記角度・角速度検出部により検出した吊荷角度及び吊荷角速度が入力され、前記ジャイロスコープ内のジンバルの傾転角速度指令を演算して出力するジャイロコントローラと、
   前記傾転角速度指令、前記ジャイロスコープ内のフライホイールの角速度及び慣性モーメント、並びに外乱トルクに基づいてジャイロトルクを生成し、前記ジャイロトルクに基づいて前記ジンバルの傾転角度が前記傾転角速度指令に一致するように前記ジンバルを制御する手段と、
   前記ジャイロトルクにより生じた速度を低減させるための減速ジャイロトルクに応じた制御減速度を生成し、前記制御減速度を用いて前記ジャイロコントローラが演算した前記傾転角速度指令に従って前記ジンバルの傾転角度を制御することにより、吊荷角度が目標角度になった時点で吊荷の旋回を停止させる手段と、
   を備えたことを特徴とする吊荷姿勢制御装置。
2. 請求項１に記載した吊荷姿勢制御装置において、
   前記ジャイロコントローラは、角度調節手段と、ジンバル傾転補正手段と、ジャイロトルク調節手段と、を備え、
   前記角度調節手段は、水平面内の目標角度と前記吊荷角度との偏差がゼロになるように動作する位置決め調節手段を有し、
   前記ジンバル傾転補正手段は、ジンバル傾転角度の余弦値を求める手段を有し、
   前記ジャイロトルク調節手段は、
   前記位置決め調節手段から出力される角速度指令と前記吊荷角速度との偏差がゼロになるように動作してジャイロトルクを生成するトルクコントローラと、前記ジンバル傾転角度の余弦値、前記フライホイールの角速度及び慣性モーメント、並びに、前記ジャイロトルクを用いて、前記ジンバルの傾転角速度指令を演算する手段と、
   を有することを特徴とする吊荷姿勢制御装置。
3. 請求項２に記載した吊荷姿勢制御装置において、
   吊荷に対して所定の旋回トルクを与えるための定トルク設定値を生成する定トルク設定手段と、
   前記定トルク設定手段により生成した定トルク設定値を前記トルクコントローラから出力されるジャイロトルクに代えて出力する手段と、
   を備えたことを特徴とする吊荷姿勢制御装置。
4. 請求項２に記載した吊荷姿勢制御装置において、
   装置の全慣性モーメントに基づく加減速トルク及び装置の全重量に基づく損失トルクを、前記トルクコントローラから出力されるジャイロトルクに加えて出力する手段を備えたことを特徴とする吊荷姿勢制御装置。
5. 請求項２に記載した吊荷姿勢制御装置において、
   目標とする吊荷の移動角度が与えられたときに、所定のジャイロトルクを得るための吊荷の角速度の特性線上で、吊荷の加速時間と損失トルクのみによる減速時間と位置決め制御による制御減速時間との和であるトータルタクト時間を最小化するようなジンバル傾転角度を求め、前記ジンバル傾転角度からジンバルの傾転角速度指令を生成する最適指令演算部と、
   制御初期に、前記最適指令演算部により演算した前記傾転角速度指令を前記トルクコントローラに基づく傾転角速度指令に代えて出力する手段と、
   を備えたことを特徴とする吊荷姿勢制御装置。

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