JP2024034563A - 吊荷制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】保持指令後に吊荷の挙動を安定させ、且つ素早く制動させる吊荷制御方法を提供する。【解決手段】保持指令によってジンバル用モータの電磁ブレーキを解放することで吊荷の旋回に応じてジンバルを傾動させ、ジャイロ効果によって、旋回中の吊荷を制動させる吊荷制御方法において、吊荷の旋回速度が所定角速度以下であるかを判定する第１の吊荷角速度判定工程と、吊荷が所定角速度以下である場合に、その角速度が安定しているかを判定する吊荷角速度安定期判定工程と、吊荷角速度判定工程及び吊荷角速度安定期判定工程が適合した場合に電磁クラッチによって、強制的にジンバル用モータの動力を切断する動力強制切断工程と、を含む方法。【選択図】図６

Description

本発明は、吊荷の旋回を制御する吊荷制御方法に関する。

従来、吊荷の旋回を制御する方法が提案されている。
特許文献１には、（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及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制動させる工程を含む吊荷制御方法であって、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）、及び工程（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、吊荷制御方法が開示されている。

特開２０１９－１１２２０５号公報

しかしながら、特許文献１では、吊荷制御装置の能力などによっては、保持指令後に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と、ジンバルは機敏に動作可能となるが、吊荷はジンバルの機敏動作に追従できず、吊荷の鉛直軸線回りに正逆方向の揺れを繰り返す挙動をする場合がある。これにより、吊荷の制動時間が遅くなり、それによって周囲の作業者が近寄れない状態となる恐れがある。

本発明は、かかる事情を鑑みてなされたものであり、保持指令後に吊荷の挙動を安定させ、且つ素早く制動させる吊荷制御方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、保持指令によってジンバル用モータの電磁ブレーキを解放することで吊荷の旋回に応じてジンバルを傾動させ、ジャイロ効果によって、旋回中の吊荷を制動させる吊荷制御方法において、吊荷の旋回速度が所定角速度以下であるかを判定する第１の吊荷角速度判定工程と、吊荷が所定角速度以下である場合に、その角速度が安定しているかを判定する吊荷角速度安定期判定工程と、吊荷角速度判定工程及び吊荷角速度安定期判定工程が適合した場合に電磁クラッチによって、強制的にジンバル用モータの動力を切断する動力強制切断工程と、を含む方法が適応される。

本発明によれば、保持指令後に吊荷の挙動を安定させ、且つ素早く制動させる吊荷制御方法を提供できる。

吊荷制御装置の概略斜視図である。 「旋回」の動作説明図であり、図２Ａは左旋回、図２Ｂは右旋回である。 「保持」の動作説明図である。 吊荷制御装置の概略構成を示すブロック図である。 従来の保持指令後の手順を説明するためのフローチャートである。 本発明の保持指令後の手順を説明するためのフローチャートである。 吊荷の旋回速度と時間の関係を示したグラフである。 ジンバル角度と時間の関係を示したグラフである。

図１は、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１は吊荷制御装置１００を介して図示しないクライミングクレーンや岸壁クレーンのフック等に吊り下げられる。

換言すると、吊荷制御装置１００の上端面には複数のワイヤ３が取り付けられ、それらを介してクライミングクレーン等に取り付けられる。一方、下端面にも複数のワイヤ４が取り付けられ、それらを介して吊荷１を吊り下げている。

このような吊荷制御装置１００は、吊荷１を鉛直軸線回りに回転させる用途で使用される。以下、鉛直軸線回りの回転を「旋回」という場合がある。また、吊荷を鉛直方向に見たときに時計回りの旋回を「右旋回」、反時計回りの旋回を「左旋回」と定義する。また、ジンバル用モータ１４側からジンバル１１を見たときにジンバル１１の時計回りの回転を「右傾動」、反時計回りの回転を「左傾動」と定義する。さらに、フライホイール用モータ１５側からフライホイール１０を見たときにフライホイール１０の時計回りの回転方向を「正方向」、反時計回り回転方向を「逆方向」と定義する。

本実施形態における本発明の吊荷制御方法は、作業者２が送信機５によって様々な指令（保持、中立、左旋回、右旋回など）を出力することで吊荷制御装置１００の制御を行う方法である。以下、吊荷制御装置１００と吊荷はワイヤ４の張力によって、一体に動作するものとし、便宜上、吊荷制御装置１００の旋回動作を吊荷１の旋回動作として説明する場合がある。

〈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を備え、その本体フレーム２０の内部にはジンバル１１、ジンバル用モータ１４、フライホイール１０、フライホイール用モータ１５、電磁クラッチ１７、及び角速度センサ２１などで構成される。

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、本体フレーム２０に支持される。

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を水平に設定されたジンバル軸線１２の回りに所定角度傾動させる。ここで傾動とは、正逆方向に１回転させずに傾ける動作をいう。

ジンバル用モータ１４は、電磁ブレーキを備えている。
電磁ブレーキが閉じた状態では、吊荷の旋回指令時、又は保持指令時はブレーキ力によってジンバル１１は不動である。
一方、電磁ブレーキが開いた状態では、吊荷の旋回指令時では、モータ駆動力によってジンバル１１は傾動し、吊荷の保持指令時ではジンバル１１は慣性力によって反対の方向に傾動する。

フライホイール１０は、ジンバル軸線１２と直交するように設定された回転軸線１８の回りに回転可能にジンバル１１内に支持される。

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を回転軸線１８の回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に伝達され、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。なお、本発明でいう電磁クラッチは、電磁開閉式クラッチに限定される。というのも、例えば、かみ合いクラッチの場合、ジンバルの傾動が完全に停止するまで動力を接続できない為、吊荷１が減速中に旋回操作がしがたいためである。又は、ジンバル重量アンバランスによってジンバルが微小に傾動しているときにクラッチ再接続ができないためである。

角速度センサ２１は、ジャイロセンサ、又は慣性センサとも呼ばれ、角速度（単位時間あたりの回転角）を計測するものである。種類は、機械式、光学式、振動式など特に限定はしないが、好ましくは振動式である。
角速度センサ２１は、吊荷制御装置の角速度を検知可能に、本体フレーム１１に取り付けられる。

〈動作原理〉
次に、動作の原理を説明する。
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が回転軸線１８の回りに高速で回転した状態で、ジンバル１１が回転軸線１８と直交するジンバル軸線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、ジンバル軸線１２及び回転軸線１８と直交するモーメント軸線１９の回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を受けて鉛直軸線の回りに旋回し、それに吊り下げられた吊荷１も吊荷制御装置１００と一体に鉛直軸線の回りに旋回する。

図２は、「旋回」の動作説明図であり、図２Ａは左旋回、図２Ｂは右旋回である。
作業者が、送信機５によって左旋回指令を出力すると、図２Ａに示すように、ジンバル１１が反時計回りの方向（逆方向）に高速回転中のフライホイール１０ごと右傾動する。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する。

一方、作業者が、送信機５によって右旋回指令を出力すると、図２Ｂに示すように、ジンバル１１が逆方向に高速回転中のフライホイール１０ごと左
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する。

図３は、「保持」の動作説明図である。
作業者が、送信機５によって保持指令を出力すると、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を開いた状態に作動させる。
これにより、ジンバル用モータ１４は、強制的にジンバル１１と切り離され、且つ動力が切断され、ジンバル１１は内部抵抗を受けずに機敏に傾動可能となる。

それによって、解放されたジンバル１１は、吊荷制御装置１００の旋回を制動しようと逆方向に傾いて、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。これが吊荷制御装置１００の旋回の慣性力を十分に上回っていれば、吊荷制御装置１００は静止する。

図４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４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、角速度センサ２１、電源部９、受信機６、ＰＬＣ７（プログラマブルロジックコントローラ）、及び電力変換部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り、特に限定されない。

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、フライホイール用モータ１５、電磁クラッチ、又は角速度センサ２１等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ところである。

ジンバル用エンコーダ１３は、ジンバル用モータ１４の回転数又は角速度を検出してＰＬＣ７に出力するところである。
フライホイール用エンコーダ１６も同様に、フライホイール用モータ１５の回転数又は角速度を検出してＰＬＣ７に出力するところである。

角速度センサ２１は、吊荷制御装置の時間あたりの旋回角度の変化量を検出し、電気信号でＰＬＣ７に出力するところである。一般的には、３軸の旋回角度の変化量が検出可能な角速度センサを用いるが、本実施形態では、１軸のヨー角の角速度センサを用いた。

ＰＬＣ７は、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、又は角速度センサ２１の出力情報をもとに、後述する図６及び図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、又は電磁クラッチ１７等に電力変換部８を介して制御信号を出力する。

次に、「保持」指令後の手順を説明する。
図５は、従来の保持指令後の手順を説明するためのフローチャートである。

まず、「保持」指令後の説明の前に、本発明者等の本発明における想到について図５を用いて、説明する。従来の保持指令後の手順は、保持指令（ステップｓｔ１）後に、電磁ブレーキを開放（ステップｓｔ２）して、電磁クラッチ１７でジンバル用モータ１４からの動力を強制的に切断（ステップｓｔ４）していた。

吊荷の形状や重量、吊荷制御装置１００（例えば、フライホイール）の能力など条件にもよるが、この従来動作の場合、吊荷１の減速とともにジンバル１１は傾動するが、ジンバル１１は内部抵抗を受けない為、吊荷１が制動しても勢い余って傾動し続ける。その結果、吊荷１は制動せずに逆方向に旋回する。そうすると、今度はジンバル１１が吊荷１の逆方向の旋回を制動させるために、さらに逆方向に傾動して吊荷１が旋回する。

すなわち、吊荷１は右旋回・左旋回が繰り返されて揺れるような挙動をする。それに伴って、制動する時間もかかっていた。
そこで、本発明者等は、この吊荷１の右旋回、左旋回と繰り返される揺れる挙動をなくすべく、鋭意検討した。そこで本発明者は、フライホイールの能力や電磁クラッチ１７の遮断タイミングに着目した。そして、フライホイールの能力に応じた判断と、遮断タイミングを吊荷１の角速度で見極め、さらに、この角速度に所定条件を設けることで、この挙動を解消することができると想到した。

以下、本発明における「保持」指令後の手順を説明する。
図６は、本発明の保持指令後の手順を説明するためのフローチャートである。
図６に示すように、まず、フライホイールの能力が出力される（ステップＳ１）。ステップＳ１は、作業者によって出力されてもよいし、予めＰＬＣ７等に組み込まれていてもよい。なお、ステップＳ１において、能力とは、特に限定しないが、フライホイールの個数の大小で判定されてもよいし、フライホイールの回転数の大小で判定されてもよいし、これに限らない。以下、ステップＳ１の判定に関わらず、ステップＳ６までは工程は同じため、説明を左ルート（能力「大」判定）に沿って説明する。次に、作業者から「保持指令」が出力（ステップＳ２）されると、ＰＬＣ７によってジンバル用モータ１４の電磁ブレーキが開放される（ステップＳ３）。
このとき、ジンバル１１が吊荷１の旋回に応じて、ジャイロ効果によってそれを抑制する向きへ傾動し、吊荷１の制動が始まる。厳密には、ジンバル１１の傾動は内部抵抗を受けて緩やかに行われる。

吊荷１の旋回速度は角速度センサによって常時一定時間間隔で検知されており、吊荷１の角速度が所定角速度α以下か否かが判定される（ステップＳ４）。尚、ステップＳ４において、所定角速度α以下と判定されないときは、所定角速度α以下と判定されるまで繰り返しステップＳ４の判定がなされる。

続いて、ステップＳ４において、所定角速度α以下と判定されると、角速度安定期か否かが判定される（ステップＳ５）。ここで角速度安定期とは、ステップＳ４の所定角速度α以下の状態が所定時間以上継続した状態をいう。尚、ステップＳ５において、所定時間以上継続しない状態では、所定時間以上継続するまで、ステップＳ４の判定に戻り繰り返される。
ステップＳ５において、角速度安定期と判定されると、ＰＬＣ７によって電磁クラッチ１７が開放され、ジンバル１１に対してジンバル用モータ１４からの動力が完全に遮断（強制切断）状態となる（ステップＳ６）。

そして、上述のステップＳ１にてフライホイールの能力が「大」と判定された左ルートの場合、これで「終了」となる。

一方、上述のステップＳ１にてフライホイールの能力が「小」と判定された右ルートの場合、ステップＳ６において、モータ動力強制切断（電磁クラッチが開放）時、ジンバル用モータ１４の内部抵抗がない為、ジンバル１１の重量アンバランスによっては、ジンバル１１が傾動し、この傾動により、吊荷は微小に旋回する場合がある。
この現象は、ジンバル１１の基準位置からの傾き角度が大きいときに表れやすい。

したがって、吊荷１の停止を角速度センサによって常時一定時間間隔で検知している。そして、吊荷１の角速度が所定角速度β以下か否かが判定され（ステップＳ７）、かつジンバル１１の基準位置からの傾き角度が所定角度以上か否かが判定される（ステップＳ８）。尚、ステップＳ８において、所定角度以上と判定されないときは、ジンバル１１は重量アンバランスによって傾動しないため、「終了」となる。

ステップＳ７とＳ８において、所定角速度β以下、かつ所定角度以上と判定されると、ＰＬＣ７によって電磁クラッチ１７が接続（モータ動力接続）される。すなわち、ジンバル１１とジンバル用モータ１４が接続され、ジンバル用モータ１４の内部抵抗によるジンバル１１の傾動が防止され、結果、吊荷１の微小な旋回を抑制することができる。そして、これで「終了」となる。

（実験例）
次に実際の実験例について図７及び図８を用いて説明する。
図７は、吊荷の旋回速度と時間の関係を示したグラフである。
図８は、ジンバル角度と時間の関係を示したグラフである。
図７及び図８の実線は、吊荷制御装置１００に角速度センサ２１を備えた（本発明）場合の波形を示し、破線は吊荷制御装置１００に角速度センサ２１を備えていない（従来技術）場合の波形を示している。

まず、角速度センサ２１を備えていない場合、図５のフロー図でいうところの保持指令（ステップｓｔ１）によって、電磁ブレーキが開放され（ステップｓｔ２）、クラッチ切断によってモータ動力完全遮断（ステップｓｔ３）が行われる。図７及び図８では保持指令を０秒とする。

図７より、クラッチ切断によってジンバルは内部抵抗を受けないため、１秒間で旋回速度が約３ｄｅｇ／ｓから約－２ｄｅｇ／ｓまで約５度、逆方向に吊荷が旋回しているのが分かる。その後、経時的に正方向に旋回し、そして逆方向に旋回する動作を繰り返し行っている（揺れ）のが分かる。これにより、経時的に振幅が減少しているが、完全に姿勢が制動されていないことが分かる。

また図８より、クラッチ切断によってジンバルは内部抵抗を受けないため、１秒間でジンバル角度が約３０ｄｅｇから約－１３ｄｅｇまで約４３度、逆方向にジンバルが傾動しているのが分かる。その後、経時的に正方向に傾動し、そして逆方向に傾動する動作を繰り返し行っているのが分かる。これにより、経時的に振幅が減少しているが、完全にジンバルの動きが止まっていないのが分かる。
ここで、吊荷の旋回方向の切り替わりタイミングとジンバルの傾動方向の切り替わりのタイミングが略同一であることに留意されたい。

次に、角速度センサ２１を備えている場合、図６のフロー図でいうところの保持指令（ステップＳ２）によって、電磁ブレーキが開放され（ステップＳ３）、クラッチ切断によってモータ動力完全遮断（ステップＳ６）が行われる。ここで、角速度センサ２１を備えていない場合との相違点は、始めに、フライホイールの能力判定がなされ（ステップＳ１）、角速度センサ２１による吊荷の角速度が所定角速度α以下であるか（ステップＳ４）、そして角速度安定期か（ステップＳ５）をそれぞれ判定してから、ステップＳ６にいく点である。図７及び図８では保持指令を０秒とする。

図７より、電磁ブレーキ開放後、ジンバルモータの内部抵抗を受けながら、吊荷は減速していく。具体的にいうと、３秒間で旋回速度が約３ｄｅｇ／ｓから約－１ｄｅｇ／ｓまで約４度、吊荷は逆方向に旋回しているのが分かる。これにより、角速度センサ２１を備えていない場合と比べ、吊荷は緩やかな速度で制動にむけて減速しているのが分かる。
そして、その後、経時的に正方向に旋回しているのが分かる。１４秒を過ぎたあたりで波形に変化がみられる。これは、吊荷の角速度が所定角速度α以下を満たし、且つ吊荷の角速度が安定期に入ったことにより、クラッチ切断（ステップＳ６）がされ、ジンバルが内部抵抗を受けない状態となったためである。これにより吊荷の旋回速度が約０ｄｅｇ／ｓとなり、吊荷がその姿勢を制動していることが分かる。

また図８より、電磁ブレーキ開放後、ジンバルは内部抵抗を受けるため、３秒間でジンバル角度が約３０ｄｅｇから約－７ｄｅｇまで約３７度、逆方向にジンバルが傾動しているのが分かる。これにより、角速度センサ２１を備えていない場合と比べ、ジンバルは緩やかな速度で傾動しているのがわかる。
そして、その後、経時的に正方向に傾動し、４秒を過ぎたあたりで－１．５ｄｅｇを維持した状態となっている。そして、図６と同様に１４秒を過ぎたあたりで波形に変化がみられる。これは図７と同様にクラッチ切断によるものであるといえる。

尚、本実験例では、吊荷の所定角速度α以下の条件は、０．３ｄｅｇ／ｓ以下とした。また、吊荷の角速度安定期の条件は、０．８秒間とした。すなわち、吊荷の角速度が０．３ｄｅｇ／ｓの状態が０．８秒間以上経過するとクラッチ切断するようにした。
ここで、所定角速度α以下の条件と角速度安定期の条件は、吊荷制御装置の能力によって変わる。例えば、能力が小さい場合、吊荷の所定角速度α以下の条件は、１．５ｄｅｇ／ｓ以下とし、吊荷の角速度安定期の条件は、０．３秒間とすることもできる。
吊荷制御装置の能力は、フライホイールの慣性モーメントと依存し、上記でいう「能力が小さい」は、例えば上記実験例の能力のフライホイールの直径を半分とした場合をいう。

以上のように、吊荷制御装置に角速度センサを備えることで、吊荷の挙動が安定し、吊荷を制動する時間が半分以上短縮することができた。
また、本実施形態では、吊荷角速度と角速度安定期を用いて、制動を行っているが、これに限らず、吊荷角速度の減速度（減速勾配）を監視してクラッチ切断のタイミングを判断しても構わない。

最後に、本発明に係る実施形態及び変形例を説明したが、これらは、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。当該新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。当該実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１．吊荷， ２．作業者， ３．ワイヤ， ４．ワイヤ， 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．ジンバル軸線， 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．回転軸線， １９．モーメント軸線， ２０．本体フレーム， ２１．角速度センサ

Claims (6)

1. 保持指令によってジンバル用モータの電磁ブレーキを解放することで吊荷の旋回に応じてジンバルを傾動させ、ジャイロ効果によって、旋回中の吊荷を制動させる吊荷制御方法において、
   吊荷の旋回速度が所定角速度以下であるかを判定する第１の吊荷角速度判定工程と、
   前記吊荷が所定角速度以下である場合に、その角速度が安定しているかを判定する吊荷角速度安定期判定工程と、
   前記吊荷角速度判定工程及び前記吊荷角速度安定期判定工程が適合した場合に電磁クラッチによって、強制的にジンバル用モータの動力を切断する動力強制切断工程と、
   を含む、吊荷制御方法。
2. フライホイールの能力を判定する工程をさらに、備える、請求項１に記載の吊荷制御方法。
3. 前記動力強制切断工程後、
   吊荷の旋回速度が所定角速度以下であるかを判定する第２の吊荷角速度判定工程と、
   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ジンバル傾動判定工程と、をさらに備え、
   第２の吊荷角速度判定工程及び前記ジンバル傾動判定工程における判定が適合した場合に電磁クラッチを再作動させ、強制的にジンバル用モータの動力を接続する動力接続工程と、
   を含む、請求項２に記載の吊荷制御方法。
4. 前記電磁クラッチは、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との間に設けられる、請求項１に記載の吊荷制御方法。
5. 前記所定角速度以下が、０．３ｄｅｇ／ｓ以下の条件とし、
   前記安定期が、前記条件を０．８秒間以上経過した期間とする、
   請求項１に記載の吊荷制御方法。
6. 前記所定角速度以下が、１．５ｄｅｇ／ｓ以下の条件とし、
   前記安定期が、前記条件を０．３秒間以上経過した期間とする、
   請求項１に記載の吊荷制御方法。
   
   

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