JP2019112205A - 吊荷制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】「保持」動作時にジンバル用モータとの結合を切り離したとしても、吊荷に即座に制動力を与えるとともに、安全に吊荷の制御が行える吊荷制御方法を提供する。【解決手段】ジンバルを駆動するジンバル用モータの電磁ブレーキを開いた状態で、ジンバル及び回転中のフライホイールをジンバル軸を支点として慣性力で傾転させることで逆方向のジャイロモーメントを発生させることにより旋回中の吊荷を保持させる工程（ａ）と、ジンバルと当該モータとの間を、電磁クラッチを用いて、動力を切断する工程（ａ１）と、ジンバルの角速度を判定する工程（ａ２）と、ジンバルの傾き角度を判定する工程（ａ３）と、ジンバルの角速度の方向を判定する工程（ａ４）と、工程（ａ２）〜工程（ａ４）の少なくとも一方の判定が適合した場合に電磁クラッチを再作動させ、ジンバル用モータの動力を接続する工程（ａ５）とを含む。【選択図】 図７

Description

本発明は、吊荷制御装置を用いて、吊荷の旋回を制御する吊荷制御方法に関する。

吊荷の旋回を制御する吊荷制御装置として、当該装置内部にフライホイールと、当該フライホイール軸に直交するジンバル軸周りにフライホイールごと傾動させるジンバル(回転台)とを設け、フライホイールが回転するとともに、ジンバルがフライホイールを傾動させることにより発生するジャイロ効果を利用して吊荷を旋回させる装置が知られている（例えば、特許文献１）。

一般的に、吊荷の旋回を制御する吊荷制御方法としては、作業者が「旋回」と「保持」のボタンを押すことで制御を行っている。
「旋回」は、右旋回と左旋回があり、ジンバル用モータによりジンバルがフライホイールを所定角度分、傾転させる。これにより、吊荷制御装置を右または左に旋回させている。
一方、「保持」はジンバル用モータのブレーキを解放し、ジンバルをフリーにする。この状態で吊荷が旋回していれば、ジャイロ効果によりジンバルは自ずとこの吊荷の旋回力を打ち消す反対向きの力を発生させる向きに傾き、吊荷を静止させている。

特開平９−３１５７６１号公報

このように「保持」の際には、ジャイロ効果により現在の吊荷の旋回方向に応じて制動力を発生させる方向にジンバルが傾転する。その際、ジンバルの回転トルクにより、ジンバル用モータのギヤ部を回転させる必要がある。
このとき、ジンバルの回転トルクがギヤ部の内部抵抗を上回らなければジンバルは回転しない、もしくは回転したとしても極めて低速となる。

一般的にモータの減速比または出力が大きいほど、モータの内部抵抗も大きくなる。そのため、減速比または出力が小さいものを選定するとジンバル側から回転し易くなる。
しかし、そうするとモータ側からの出力トルクが小さくなり、「旋回」時にモータ側からジンバルを回すだけの力が足り無くなる恐れがある。

よって、これまではジンバル用モータは、減速比または出力を大きすぎず小さすぎずとなるよう選定しなければならないという問題があった。

一方で、この選定の問題を解決する手段としては、ジンバルを「保持」動作時のみモータから切り離す、という手段が考えられる。
しかし、その場合、吊荷の重量または回転速度によっては、それを静止すべくジンバルが急速度で傾転し、吊荷制御装置内部の他の構造部分に接触し損傷する恐れがある。

従って、本発明はモータの減速比または出力による内部抵抗の影響を受けずに、「保持」動作時にジンバルとジンバル用モータとの結合を切り離したとしても、吊荷に即時に制動力を与えるとともに、ジンバルが損傷することなく安全に吊荷の制御が行える吊荷制御方法を提供することを目的とする。

本発明の吊荷制御方法は、（ａ）ジンバルを駆動するジンバル用モータの電磁ブレーキを開いた状態で、ジンバルおよび回転中のフライホイールをジンバルのジンバル軸を支点として慣性力で傾転させることで旋回方向とは逆方向のジャイロモーメントを発生させることにより旋回中の吊荷を保持させる工程を含み、工程（ａ）は、ジンバルとジンバル用モータとの間を、電磁クラッチを用いて、強制的にジンバル用モータの動力を切断する工程（ａ１）と、ジンバルの角速度が所定角速度以上であるかを判定する工程（ａ２）と、ジンバルの基準位置からの傾き角度が所定角度以上であるかを判定する工程（ａ３）と、ジンバルの角速度の方向が工程（ａ１）時のジンバルの角速度の方向と逆方向であるかを判定する工程（ａ４）と、工程（ａ２）、工程（ａ３）、および工程（ａ４）の少なくとも一方の判定が適合した場合に電磁クラッチを再作動させ、ジンバル用モータの動力を強制的に接続する工程（ａ５）と、を含む。

本発明によれば、モータの減速比または出力による内部抵抗の影響を受けずに、「保持」動作時にジンバルとジンバル用モータとの結合を切り離したとしても、吊荷に即時に制動力を与えるとともに、ジンバルが損傷することなく安全に吊荷の制御が行える吊荷制御方法を提供することができる。

一実施形態に係る吊荷制御装置の概略斜視図である。 送信機を示す図である。 「旋回」動作を説明するための図であり、（ａ）は左旋回を説明するための図、（ｂ）は右旋回を説明するための図である。 「保持」動作を説明するための図である。 吊荷制御装置の概略構成を示すブロック図である。 「旋回」動作時の手順を説明するためのフローチャートである。 「保持」動作時の手順を説明するためのフローチャートである。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、適宜、図面を参照しながら説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物、或いはその用途を制限することを意図するものではない。

（実施形態）
図１は、一実施形態に係る吊荷制御装置１００を示す概略斜視図である。図１に示すように、吊荷制御装置１００は、図示しないクライミングクレーンや岸壁クレーンからワイヤー３で吊り下げられた状態で使用され、吊荷制御装置１００からワイヤー４で吊り下げられた吊荷１を鉛直軸周りに旋回させる用途で使用されている。
また、吊荷制御方法は、作業者２が送信機５を操作することで吊荷の制御が行われている。

〈吊荷制御装置の基本構成〉
吊荷制御装置１００は、直方体状の本体フレーム２０と、この本体フレーム２０内に設置されたジンバル１１、ジンバル用モータ１４、フライホイール１０、およびフライホイール用モータ１５などで構成されている。

ジンバル１１は、円筒状の外観を有しており、内部に長方形状のフレーム（図示しない）を備え、水平に設定されたジンバル軸１２の周りに回転可能に本体フレーム２０に支持されている。

ジンバル用モータ１４は、本体フレーム２０に支持され、ジンバル１１をジンバル軸１２の周りに所定角度分、傾転させる。
また、ジンバル用モータ１４は、電磁ブレーキ付モータであり、ジンバル用モータ１４の電磁ブレーキが閉じた状態では、ジンバル１１は不動であり、一方、ジンバル用モータ１４の電磁ブレーキが開いた状態では、ジンバル１１は慣性力で傾転する。このとき、ジンバル用モータ１４は、電磁ブレーキが閉じた状態では作動せず、一方、電磁ブレーキが開いた状態で作動する。

フライホイール１０は、ジンバル軸１２と直交するように設定された回転軸１８の周りに回転可能にジンバル１１内に支持されている。
フライホイール用モータ１５は、ジンバル１１に支持され、フライホイール１０を回転軸１８の周りに高速で回転させる。

電磁クラッチ１７は、電磁開閉式クラッチであり、ジンバル１１とジンバル用モータ１４との間に設けられている。このとき、電磁クラッチ１７が閉じた状態では、ジンバル用モータ１４からの駆動力はジンバル１１に伝わるようになっており、一方、開いた状態では、ジンバル１１はジンバル用モータ１４と完全に（強制的に）切り離される。

次に、動作の原理を図１を用いて説明する。
図１に示すように、吊荷制御装置１００の内部では、フライホイール１０が回転軸１８の周りに高速で回転し、ジンバル１１が回転軸１８と直交するジンバル軸１２を支点としてフライホイール１０を傾動させることにより、ジンバル軸１２および回転軸１８と直交するモーメント軸１９の周りにジャイロモーメントＭが発生する。

それによって、吊荷制御装置１００は、発生したジャイロモーメントＭを受けて鉛直軸の周りに回転し、吊荷１を鉛直軸の周りに旋回させている。

図２は、送信機５を示す図であり、作業者は吊荷制御装置１００を無線操作することで、吊荷１の挙動の操作している。
「左」押釦３１および「右」押釦３２は、それぞれ吊荷１の左旋回および右旋回を指示するための押釦であり、釦を押し続けることで作動させるものである。
「保持」押釦３３は、吊荷１の姿勢を維持させるための押釦であり、釦を押し続けることで保持させるものである。
「中立」押釦３４は、「左」押釦３１、「右」押釦３２、「保持」押釦３３による操作でジンバル１１が片方向に傾きすぎた状態において、傾斜角度０度の位置に復帰させるための押釦であり、釦を一度押すだけで作動させるものである。

図３は、「旋回」動作を説明するための図であり、（ａ）は左旋回を説明するための図、（ｂ）は右旋回を説明するための図である。
作業者が、送信機５の「左」押釦３１を押し続ける操作によって左旋回の指示をだすと、図３（ａ）に示すように、ジンバル１１がフライホイール１０ごと右側（手前側から見て時計回り方向）に傾動する。これによって、吊荷制御装置１００はジャイロモーメントにより左旋回（平面視で反時計回り方向）に旋回する。

一方、作業者が、送信機５の「右」押釦３２を押し続ける操作によって右旋回の指示をだすと、同様に、図３（ｂ）に示すように、ジンバル１１がフライホイール１０ごと左側（手前側から見て反時計回り方向）に傾動する。これによって、吊荷制御装置１００はジャイロモーメントにより右旋回（平面視で時計回り方向）に旋回する。

尚、フライホイール１０は、吊荷制御装置１００の右旋回または左旋回時に手前側から見て反時計回り方向に高速回転している。

図４は、「保持」動作を説明するための図である。
作業者が、送信機５の「保持」押釦３３を押し続ける操作によって、吊荷の旋回を停止させる場合、図４に示すように、「保持」の指示に応じてジンバル用モータ１４の電磁ブレーキを開いた状態にするとともに、電磁クラッチ１７を作動させる。
これにより、ジンバル用モータ１４は、強制的に切り離されて動力が切断されることになる。

それによって、フライホイール１０を内包するジンバル１１が解放されることとなり、自由回転が可能となったジンバル１１は、吊荷制御装置１００および吊荷１の旋回方向に対して、それを抑えようとする向きに自ずと傾いて、フライホイール１０の有する慣性モーメントに応じた制動力（慣性力）が発生する。これが吊荷１の旋回の慣性力を十分に上回っていれば、吊荷１は静止することとなる。

「中立」動作時は、基本的には図３で示した「旋回」動作の場合と同様となる。
送信機５による「中立」押釦による旋回の指示に応じて、ジンバル用エンコーダ１３にて検出している時点での傾斜角度に対して、それを０度位置に戻す方向にジンバル用モータ１４よりジンバル軸１２へ回転力を与える。

これにより、吊荷制御装置１００および吊荷１にもジンバル１１が傾いた方向に応じて、旋回力が発生する。
このとき、「中立」操作時のジンバル１１の復帰速度は、吊荷の負荷（吊荷の有無）によって異なっている。

図５は、吊荷制御装置１００の概略構成を示すブロック図である。
図５に示すように、吊荷制御装置１００は、ジンバル用モータ１４、フライホイール用モータ１５、電磁クラッチ１７、ジンバル用エンコーダ１３、フライホイール用エンコーダ１６、電源部９、送信機５、受信機６、ＰＬＣ（プログラマブルロジックコントローラ）７、および電力変換部８などを備えている。

電源部９は、吊荷制御装置１００に搭載されたバッテリや商用電源などである。
電力変換部８は、インバータやコンバータなどであり、電源部９からジンバル用モータ１４およびフライホイール用モータ１５に供給される直流あるいは交流の電力を逆変換あるいは順変換するものである。

ジンバル用エンコーダ１３は、ジンバル用モータ１４の回転数または角速度を検出してＰＬＣ７に出力する。
同様に、フライホイール用エンコーダ１６は、フライホイール用モータ１５の回転数または角速度を検出してＰＬＣ７に出力する。

ＰＬＣ７は、ジンバル用エンコーダ１３またはフライホイール用エンコーダ１６の出力情報をもとに、後述する図６および図７のフローチャートに基づき、フライホイール用モータ１５、ジンバル用モータ１４、電磁クラッチ１７に電力変換部８を介して制御信号を出力する。

次に、図６に示したフローチャートを参照しながら、「旋回」動作時の手順を説明する。

まず、作業者が「右」または「左」釦を押す（ステップＳ１）。次に、その操作によりジンバル用モータ１４からジンバル１１へ回転力が付与されることで（ジンバル用モータ作動）、ジンバル１１の傾転が開始する（ステップＳ２）。

このとき、ジンバル１１の傾転をジンバル用エンコーダ１３により監視し、ジンバル１１の基準位置からの傾き角度が所定角度以上に達したとき（ステップＳ３）、ジンバル用モータ１４のブレーキによりジンバル１１の傾転を停止させる（ステップＳ４）。

ここで、ジンバル１１の基準位置からの傾き角度が所定角度以上とは、安全性を考慮して６０度以上が好ましい。

また、ステップＳ３で、所定角度以上に達しなかった場合は、ステップＳ２時のジンバル１１の角速度の向きをジンバル用エンコーダ１３で検知していた方向と逆方向の角速度の向きかを判定し（ステップＳ５）、逆方向の角速度の場合は、ステップＳ４にいきジンバル１１の傾転を停止させる。
一方、逆方向でなく同じ方向の角速度の場合は、ステップＳ３に戻る。

なお、「旋回」動作時のジンバル１１の傾転は、「保持」動作時と比べると緩やかなので、ステップＳ５の角速度の向き判定は不要としても構わない。

次に、図７は示したフローチャートを参照しながら、「保持」動作時の手順を説明する。
まず、作業者が「保持」釦を押す（ステップＳ１）。次に、その操作により電磁クラッチ１７が作動し、それによって動力が切断された状態となる（ステップＳ２）。

このとき、ジンバル１１が吊荷１の旋回に応じて、それを抑制しようとする向きへ傾転し、吊荷１の制動が始まる。このとき、ジンバル用モータ１４のブレーキ開放も同時に行うのが好ましい。

ジンバル１１の傾転は、ジンバル用エンコーダ１３によって監視されており、動力切断状態にてジンバル１１の角速度が所定角速度以上に達したとき（ステップＳ３）、安全のため電磁クラッチ１７を作動させることでジンバル用モータ１４からの動力を再び伝達可能状態にする（ステップＳ４）。それによって、ジンバル１１は内部抵抗を受けることとなり、緩やかな回転に移行する。なお、ここで、ジンバル１１の所定角速度以上とは、安全性を考慮して１．０５（ｒａｄ／ｓ）以上が好ましい。

これによって、吊荷１の重さまたは大きさによってはジンバル１１が高速回転し、それに伴って停止位置を越えてオーバーランする可能性を、危険の無いような（安全な）回転速度にとどめることができる。

また、ステップＳ３で、所定角速度以上に達しなかった場合は、ジンバル１１の基準位置からの傾き角度が所定角度以上かの判定を行い（ステップＳ５）、所定角度以上の場合は、ステップＳ４にいき安全のため電磁クラッチを作動させる。

一方、所定角度以上でない場合は、ステップＳ２時のジンバル１１の角速度の向きをジンバル用エンコーダ１３で検知していた方向と逆方向の角速度の向きかを判定し（ステップＳ６）、逆方向の角速度の場合は、ステップＳ４にいき安全のため電磁クラッチを作動させる。なお、ここで、ジンバル１１の基準位置からの傾き角度が所定角度以上とは、安全性を考慮して４５度以上が好ましい。
また、逆方向でなく同じ方向の角速度の場合は、ステップＳ３に戻る。

このように、本実施形態による吊荷制御方法によれば、従来技術では成し得なかった即時性、能力効率をもって、吊荷の保持または静止を行うことができる。
また、従来は吊荷の「旋回」または「保持」に関する駆動装置の選定における制約が、電磁クラッチを用いることで効率よく能力が発揮できるため、駆動装置の選定の幅が広がる。
また、電磁クラッチの作動のタイミングにより保持時にジンバルの急回転を緩やかな回転とすることができ、ジンバルおよびジンバルの支持部を損傷することなく安全に保持することができる。
さらに、ジンバル用モータを「旋回」操作時のトルク確保のために、高出力または高減速比の機種を選択することができる。

以上、本実施形態を説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、もちろん、種々の改変が可能である。例えば、本実施形態では、図６、７のフローチャートで示した角速度の方向の判定は、使用状況に応じて適宜省いても構わない。
また、図６、図７のフローチャートで示した角度および角速度の閾値も、装置の使用形態によっては適宜変更してもよい。
また、図７のフローチャートで示した角度、角速度、角速度の方向の判定における適合は、どれか一つが適合したら、電磁クラッチを再作動させ動力伝達状態にすることでジンバルを緩やかに傾動させるようにしているが、これに限らず、２つの要素の適合、または３つ全ての要素の適合によって電磁クラッチを再作動させても構わない。

クライミングクレーンや岸壁クレーンから吊り下げられた吊荷の旋回を停止するとともに、その状態を維持（保持）させる用途で使用できる。

１ 吊荷
２ 作業者
３、４ ワイヤー
５ 送信機
６ 受信機
７ ＰＬＣ
８ 電力変換部
９ 電源部
１０ フライホイール
１１ ジンバル
１２ ジンバル軸
１３ ジンバル用エンコーダ
１４ ジンバル用モータ
１５ フライホイール用モータ
１６ フライホイール用エンコーダ
１７ 電磁クラッチ
１８ 回転軸
１９ モーメント軸
２０ 本体フレーム
３１ 「左」押釦
３２ 「右」押釦
３３ 「保持」押釦
３４ 「中立」押釦

Claims (1)

1. （ａ）ジンバルを駆動するジンバル用モータの電磁ブレーキを開いた状態で、ジンバルおよび回転中のフライホイールをジンバルのジンバル軸を支点として慣性力で傾転させることで旋回方向とは逆方向のジャイロモーメントを発生させることにより旋回中の吊荷を保持させる工程、
   を含む吊荷制御方法であって、
   前記工程（ａ）は、
   前記ジンバルと前記ジンバル用モータとの間を、電磁クラッチを用いて、強制的に前記ジンバル用モータの動力を切断する工程（ａ１）と、
   前記ジンバルの角速度が所定角速度以上であるかを判定する工程（ａ２）と、
   前記ジンバルの基準位置からの傾き角度が所定角度以上であるかを判定する工程（ａ３）と、
   前記ジンバルの角速度の方向が前記工程（ａ１）時のジンバルの角速度の方向と逆方向であるかを判定する工程（ａ４）と、
   前記工程（ａ２）、前記工程（ａ３）、および前記工程（ａ４）の少なくとも一方の判定が適合した場合に前記電磁クラッチを再作動させ、前記ジンバル用モータの動力を強制的に接続する工程（ａ５）と、
   を含む、吊荷制御方法。

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