JP2557852B2 - 吊荷等の姿勢制御方法及びその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、物上げ機械等によって吊下された吊荷等
の姿勢（水平，垂直方向の角度）を、ジャイロの作用に
よって変化するように制御する吊荷等の姿勢制御方法及
びその装置に関する。

〔従来の技術及び問題点〕

最近、建設工事等において、作業環境の向上や危険作
業の排除，作業能率の向上等の目的で種々の建設機械の
自動化が進められているが、その中で物上げ機械におけ
る吊荷等の振れまわりを防止する手段や吊荷等の姿勢を
希望の姿勢に制御する手段が解決を要する問題として残
されている。

吊荷等は通常、クレーンのフックからワイヤロープ等
を介して吊持されて移動するため、吊荷等の姿勢を制御
する装置を固定すべき場所を設定することはほとんど不
可能であった。但し、特殊な場合として、一部ではリジ
ッドアームを持つクレーン等が作られ使用されているも
のの、吊能力に対して自重が大きすぎるという欠点があ
った。

この発明は前記従来の問題点に着目してなされたもの
であって、他の構造物等に反力を支持させることなく、
ジャイロの角運動量を利用して吊荷等の姿勢を制御する
ことを目的としている。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明にかかる吊荷等の姿勢制御方法は、物上げ機
械によって吊下された吊荷等と一体的に吊持された姿勢
検出器によって、該吊荷等の或る時点における姿勢を基
準とする現在の姿勢を検出し、その検出値と、希望する
吊荷等の姿勢を設定する設定値との差値に対応して、前
記吊荷等と一体的に保持されて各々同一軸方向に配置さ
れた回転軸のまわりに互いに逆向きの回転をしている２
個のジャイロの該回転軸を、これと直交する同一方向の
軸まわりに逆向きに傾動させ、これにより各ジャイロの
回転軸と前記傾動軸とに直交する軸まわりに生ずる同一
の方向の偶力を前記吊荷等に作用させて、前記吊荷等の
姿勢を希望する姿勢に制御する方法に係る。

また、前記方法の発明の実施に直接使用する吊荷等の
姿勢制御装置は、物上げ機械によって吊下された吊荷等
と一体の動きをする治具に支持されて各々同一軸方向に
配置された回転軸を持つ２個のジャイロと、該ジャイロ
を回転軸のまわりに互いに逆向きに回転させるジャイロ
用モータと、該ジャイロの回転軸を該回転軸と直交する
軸まわりに互いに逆向きに傾動させる傾動用モータと、
前記吊荷等の或る時点における姿勢を基準とする現在の
姿勢を検出してその姿勢に対応する信号を出力する姿勢
検出器と、吊荷等の希望姿勢を設定してこれに対応する
信号を出力する姿勢設定器と、前記姿勢検出器及び前記
姿勢設定器の各出力信号に基づいて前記両モータの回転
を制御する制御装置とを備えたこと特徴としている。

〔作用〕 姿勢検出器が吊荷等の或る時点における姿勢を基準と
する現在の姿勢を検出してその姿勢に対応する信号を出
力し、姿勢設定器が予め設定された吊荷等の希望の姿勢
に対応する信号を出力し、制御装置では、前記両信号に
基づいてジャイロ用モータと傾動用モータとを作動させ
て、ジャイロ用モータは各ジャイロの回転軸を互いに逆
向きに回転させ、また傾動用モータは各ジャイロの回転
軸を、これと直交する同一方向の軸まわりに互いに逆向
きに傾動させる。かかるジャイロの回転と傾動とによっ
てジャイロには前記回転軸と傾動軸とに直交する軸まわ
りに同一方向の偶力が発生する。このためジャイロが支
持される治具と吊荷等とは一体の動きをなすことから、
この偶力がゼロになるまで吊荷等はその姿勢を変更され
る。吊荷等の姿勢が変更される方向は、各ジャイロの回
転軸の回転方向と傾動方向とジャイロの相対位置によっ
て決定される。

各ジャイロの回転軸を互いに逆向きに傾動させること
により、各ジャイロのそれぞれにおいて生ずる傾動に対
抗する反作用モーメントが全体として打ち消されるた
め、吊荷等の姿勢を変更する偶力だけが吊荷等に伝達さ
れ、効率の良い姿勢制御ができる。

〔実施例〕

以下、この発明を図面に基づいて説明する。第１〜６
図はこの発明の一実施例を示すものである。

なお、吊荷の姿勢については吊荷の吊下げ方によって
吊荷の水平面内における姿勢の制御（吊荷の鉛直軸まわ
りの制御）と、鉛直面内における制御（吊荷の水平軸ま
わりの制御）の二つの場合があり、以下そのぞれぞれに
ついて説明を行う。

『水平面内における姿勢の制御を行う場合』 第１図は要部を切欠した実施例の全体図で、同図
（ａ）はその正面図、同図（ｂ）は同図（ａ）における
Ｉ−Ｉ断面図である。先ず構成を説明すると、１は吊荷
であって、短いワイヤロープ２によってシャックル３を
介して吊治具４にこれと一体的に吊持されている。吊治
具４はシャックル５を介してワイヤロープ６により物上
げ機械のフック７に吊下されている。フック７は通常、
鉛直軸まわりに回動自在の構造となっている。吊治具４
には、吊荷１の向きを検出するための姿勢検出用ジャイ
ロを用いた姿勢検出器８と、吊荷１の希望姿勢を設定す
る設定器8a（第１図（ｃ）参照）と、姿勢検出器８と設
定器8aとの信号に基づき後述のジャイロ用モータ15と傾
動用モータ19との回転を制御する制御装置45と、ジャイ
ロ10を主要な構成要素とする姿勢制御部９とが構成され
る。姿勢検出器８には公知のジャイロスコープ又はジャ
イロコンパスを用いて、吊治具４の或る時点における鉛
直軸まわりの方位を基準とする現在の方位を検出するよ
うにしているが、このような吊治具４の方位を検出でき
る器具であれば他の器具を使用することを可能である。

第２図に姿勢制御部９を一部切欠した斜視図として示
す。10は十分な重量をもつジャイロであって、車（フラ
イホィール）10aが正確にその重心位置において回転軸1
0bに固着されており、回転軸10bはその両端において回
転自在に軸受11に支承された構成となっていて、車10a
と回転軸10bとでジャイロ10が構成される。12は、軸受1
1を挾持するごとく固定した円板であって、同形のもの
が２個対向しており、一方の円板12にはその円周に沿っ
て環状のラック13が取付けられている。さらにこの円板
12はその中心軸において軸受14を介して吊治具４に回動
自在に取付けられている。

15はジャイロ10を回転させるためのジャイロ用モータ
であって、円板12に取付けられている。16はジャイロ用
モータ15側のスプロケット、17はジャイロの回転軸10b
に固定されたスプロケット、18はモータ15の回転を伝え
るために両スプロケットに巻掛けたチェーンである。19
は吊治具４に取付けられた傾動用モータであって、この
回転軸には前記環状のラック13と噛合するピニオン20が
取付けられている。

以上のような構造の姿勢制御部９が第１図に示すよう
に吊治具４の両端部内に左右１対として吊治具４の回動
中心軸24に関して対称に且つ重量及びモーメントが平衡
するごとく設けられている。

なお、前記制御装置45の一例が第１図（ｃ）に示され
る。即ち、この制御装置45は、姿勢検出器８及び設定器
8aからの信号を比較する比較器45aと、比較器45aの比較
結果に基づいて姿勢設定器８の検出値と姿勢設定器8aの
設定値とが一致するように前記両モータ15,19の各回転
の是非及び回転方向を判断する判断回路45bと、判断回
路45bの判断結果に基づいて両モータ15,19に指令信号を
出力する出力回路45cとからなり、出力回路45cからの出
力信号に基づいて両モータ15,19が回転して、後述の作
動をなす。以上の制御装置45をマイクロコンピュータで
構成した場合の制御手順は、例えば第１図（ｄ）に示す
ようになる。ここで、ステップが比較器45aに対応
し、ステップ，が判断回路45bに対応している。

前記姿勢設定器8aに、吊荷の希望する姿勢を設定する
手段としては、姿勢設定器8aの操作ダイヤル等を予め手
で直接操作する手段や、荷役作業中に有線又は無線等で
信号を姿勢設定器8aに送出して遠隔操作する手段があ
る。

次にジャイロ10の作動を説明する。

第1,2図において、ジャイロ10はモータ15により軸23
のまわりに矢印イ方向から見て時計まわりに一定速度で
回転している。この状態において第２図に示した姿勢制
御部９全体をモータ19を正転することによってピニオン
20,ラック13を介して軸22まわりに矢印ロ方向から見て
時計まわりにある角度だけ傾動させると、ジャイロ10は
ジャイロスコープの有する特性によって軸21まわりに矢
印ハ方向から見て反時計まわりに回動しようとするトル
ク（偶力）を発生する。そしてこのトルクは軸受11を介
して円板12に伝わり、さらに円板12からその軸受14を介
して吊治具４に伝わる。また、このトルクの発生する向
きは、ジャイロ10の回転方向を上記の回転方向に対して
逆にすれば逆向きとなり、また軸22まわりの傾動を逆に
しても逆向きとすることができる。さらに、このトルク
の大きさは、車10aの質量及び軸23まわりの回転速度及
び軸22まわりの傾動角度を適当な値にすることにより任
意に選ぶことができる。

第３図に前記の各回転軸の回転方向と吊治具４全体と
して発生するトルクの向き、すなわち吊荷と一体の吊治
具４の制御を与える方向（回動させたい向き）に対する
各ジャイロ10及びその軸を傾ける向きとの関係を示す。
図は第１図を簡略にしたもので、10L,10Rは何れも同じ
ジャイロ10を有する姿勢制御部９を示すもので、吊治具
４の一方側をＬ、他方側をＲとして表示上、区別したも
のである。

図において、ジャイロ10Lは軸23Lのまわりに矢印イ方
向から見て時計まわりに回転し、ジャイロ10Rは軸23Rま
わりに矢印ニ方向から見て時計まわりに回転していると
き、ジャイロ10Lを軸22Lまわりに矢印ロ方向から見て時
計まわりにある角度だけ傾動させ、また同時にジャイロ
10Rを軸22Rまわりに矢印ホ方向から見て反時計まわりに
ジャイロ10Lと同じ角度だけ傾動させる。すなわち、軸2
2Lまわりの傾動と軸22Rまわりの傾動とを同量かつ逆向
きにすることにより、ジャイロ10L,10Rを軸22L及び22R
まわりに傾動するときの反作用のモーメントを吊治具４
全体として打消し合うようにする。そしてこのように傾
動させられたジャイロ10L,10Rはその角運動量を保存し
ようとして軸21L,21Rのまわりに矢印ハ，ヘ方向から見
て反時計まわりに回動しようとするトルクを発生する。
このトルクは円板12の軸受14を介して吊治具４に伝わ
り、吊治具４は軸24のまわりに矢印方向から見て反時計
まわりに回動する。そして、傾動用モータ19によって、
ジャイロ10の回転軸を傾動することをやめると、吊治具
４に発生していたトルクの発生はなくなり、吊治具４及
び吊荷の回動が止まり、希望する方向に吊荷を向けるこ
とができる。

また、吊治具４の軸24まわりの回動を逆向きにするに
は、軸23L,23Rのまわりのジャイロ10L,10Rの回転方向を
逆にするか、あるいは軸22L,22Rのまわりの傾動方向を
逆にすればよい。

『鉛直面内における姿勢の制御を行う場合』 第４図にフック７から吊治具４を介して吊下された吊
荷１に対する鉛直方向回動による姿勢制御装置の１例を
示す。先ず構成を説明すると、4aは吊治具4bを支持する
支持フレームで、フック７に吊持される。吊治具4bは吊
荷１をその重心において吊持するよう吊荷１の両側に装
着される。吊治具4bの中には第２図に示した姿勢制御部
９が組込まれており、これを吊荷１の両側において9L,9
Rで示す。この場合も全体の重量とモーメントのバラン
スが得られるように軸25と26とを含む面に関して対称に
なるように姿勢制御部9L,9Rが配置されている。支持フ
レーム4aと吊治具4bとは軸受27によって連結されてお
り、軸28のまわりに互いに自由に回転できるようになっ
ている。また、吊治具4bは通常の取付け手段（玉掛用ワ
イヤ，クランプ，ボルト等）によって吊荷１に固定され
ているものとする。

次に作動を説明する。

第４図において、ジャイロ10Lは軸29Lのまわりに矢印
イ方向から見て時計まわりに回転し、ジャイロ10Rは軸2
9Rのまわりに矢印ロ方向から見て反時計まわりに回転し
ているとき、ジャイロ10Lを軸30Lのまわりに矢印ハ方向
から見て時計まわりにある角度だけ傾動させ、同時にジ
ャイロ9Rを軸30Rのまわりに矢印ニ方向から見て反時計
まわりに同じ角度だけ傾動させる。すなわち、軸30L,30
Rのまわりの各傾動の向きを互に逆にすることにより、
ジャイロ10L及び10Rの回転時のそれぞれの反作用モーメ
ントを吊治具4bと一体の支持フレーム4a全体として打消
し合うようにする。そして、このように傾動させられた
ジャイロ10L,10Rはそれぞれその角運動量を保存しよう
として、軸28のまわりに矢印ホ方向から見て時計まわり
に回動しようとするトルクを発生する。このトルクは円
板12の軸受14（第２図参照）を介して吊治具4b及び支持
フレーム4aに伝わり、その結果、吊荷１は軸28のまわり
に矢印ホ方向から見て時計まわりに回動しようとする。
そして、傾動用モータ19によってジャイロの回転軸を傾
動することを止めると、吊治具4bに発生していたトルク
の発生はなくなり、吊治具4b及び吊荷１の回動が止ま
り、希望する方向に吊荷１を向けることができる。

支持フレーム4a及びこれと一体の吊治具4b全体に発生
させるトルクの向きを上記と逆向きにするには、軸29L,
29Rのまわりのジャイロ10L,10Rの回転方向を逆にする
か、あるいは軸30L、及び30Rのまわりの傾動方向を逆向
きにすればよい。

以上に説明したごとく、水平面内及び鉛直面内のいず
れの場合の姿勢制御においても、吊治具の中に同一軸方
向の回転軸をもつ２個のジャイロを装着してこれを互い
に逆向きに回転させ、この回転軸（Ｘ軸）と直交する軸
（Ｙ軸）も逆向きに傾動させることにより、この２軸
（X.Y軸）に直交する（Ｚ軸）まわりに同一方向のトル
クが発生し、このトルクを吊治具を介して吊荷に作動せ
しめることにより、吊荷の姿勢を変更することができ
る。

第５図に他の実施例を示す。

これは前記実施例のように姿勢制御部等を吊治具の内
部に収納するのではなく、ユニット化して箱又は枠体の
中に構成しておき、この箱又は枠体をフックに挾持され
た吊荷に取付けることにより、吊荷の姿勢制御を行うも
のである。

第５図において、吊荷31はワイヤロープ32によってフ
ック33の吊下されており、この状態ではフック33は軸34
のまわりに回動自在であるために吊荷31はわずかな外力
が加わっても軸34のまわりに回動して姿勢が不安定とな
る。そこでユニット化した姿勢制御装置35を通常の取付
け手段（ロープ，ワイヤロープ，ボルト等）により吊荷
31に固定する。そして、姿勢を変更する方向に応じて姿
勢制御装置35の各部に回転方向を定める。

いま、吊荷31を軸34のまわりに矢印方向から見て反時
計まわりに回動させる場合の作動を第６図によって説明
する。

第６図は第５図における姿勢制御装置35の構成を簡略
化して示したもので、ジャイロ10L,10Rはいずれも第２
図に示した姿勢制御部９内に組込まれているものであ
る。

まず、ジャイロ10Lを軸36Lのまわりに矢印イ方向から
見て時計まわりに回転させ、同時にジャイロ10Rを軸36R
のまわりに矢印ロ方向から見て時計まわりに回転させ
る。この状態でジャイロ10Lを軸37Lのまわりに矢印ハ方
向から見て時計まわりに、ジャイロ10Rを軸37Rのまわり
に矢印ニ方向から見て反時計まわりに同時にある角度だ
け傾動させると、ジャイロ10L,10Rにはそれぞれ軸38L,3
8Rのまわりに矢印ホ及びヘ方向から見て反時計まわりに
トルクが発生する。そして、このトルクは前記実施例と
同様に姿勢制御装置35の箱又は枠体を介して吊荷31に伝
わり、これを矢印方向から見て反時計まわりに回動さ
せ、姿勢を変更する。

〔発明の効果〕

以上説明したように、この発明によれば、振れまわり
自在に吊下された吊荷等の姿勢を、人手または人手に代
わる機械設備によることなく自動的に操作することがで
き、クレーン等による荷の搬送作業の安全性及び作業能
率を大幅に向上できるという効果が得られる。

また、この発明によれば、吊荷等の現在の姿勢を或る
任意の時点における姿勢を基準として検出し、この検出
値と吊荷等の希望姿勢の設定値との差値に対応して角ジ
ャイロの回転軸を傾動させる構成としているため、吊荷
等の吊下げロープやよじれや風等により吊荷等が回動す
ることが生じた場合でも、その時点での姿勢が検出され
るから、格別のよじれ戻し機構を設けることなく、基準
とした時点の姿勢から希望する姿勢に確実に制御され、
信頼性の高い吊荷等の姿勢制御が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は吊荷の水平面内における姿勢の制御を行う一部
を切欠した実施例の全体図で、同図（ａ）はその正面
図、同図（ｂ）は同図（ａ）におけるＩ−Ｉ断面図、同
図（ｃ）は同図（ａ）における制御装置を含むブロック
図、同図（ｄ）は制御装置による制御手順の一例を示す
フローチャートである。 第２図は第１図（ａ）における部分拡大斜視図、第３
図は第１図に示した実施例の作用説明図、第４図は吊荷
の鉛直面内における姿勢の制御を行う実施例の全体斜視
図、第５図は他の実施例の概要図、第６図は第５図に示
した他の実施例の作用説明図である。 1,31……吊荷、４……吊治具、８……姿勢検出器、8a…
…姿勢設定器、10,10L,10R……ジャイロ、10a……車
（フライホィール）、10b……回転軸、15……ジャイロ
用モータ、19……傾動用モータ、45……制御装置、45a
……比較器、45b……判断回路、45c……出力回路、45d
……差動増幅器、45e……演算回路、45f……出力回路

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】物上げ機械によって吊下された吊荷等と一
   体的に吊持された姿勢検出器によって該吊荷等の或る時
   点における姿勢を基準とする現在の姿勢を検出し、その
   検出値と、希望する吊荷等の姿勢を設定する設定値との
   差値に対応して、前記吊荷等と一体的に保持されて各々
   同一軸方向に配置された回転軸のまわりに互いに逆向き
   の回転をしている２個のジャイロの該回転軸を、これと
   直交する同一方向の軸のまわりに互いに逆向きに傾動さ
   せ、これにより各ジャイロの回転軸と前記傾動軸とに直
   交する軸まわりに生ずる同一方向の偶力を前記吊荷等に
   作用させて、吊荷等の姿勢を希望する姿勢に制御するこ
   とを特徴とする吊荷等の姿勢制御方法。
2. 【請求項２】物上げ機械によって吊下された吊荷等と一
   体の動きをする治具に支持されて各々同一軸方向に配置
   された回転軸をもつ２個のジャイロと、該ジャイロを回
   転軸のまわりに互いに逆向きに回転させるジャイロ用モ
   ータと、該ジャイロの回転軸を該回転軸と直交する軸ま
   わりに互いに逆向きに傾動させる傾動用モータと、前記
   吊荷等の或る時点における姿勢を基準とする現在の姿勢
   を検出してその姿勢に対応する信号を出力する姿勢検出
   器と、吊荷等の希望姿勢を設定してこれに対応する信号
   を出力する姿勢設定器と、前記姿勢検出器及び前記姿勢
   設定器の各出力信号に基づいて前記両モータの回転を制
   御する制御装置とを備えたことを特徴とする吊荷等の姿
   勢制御装置。
3. 【請求項３】２個のジャイロが吊荷等の回動中心軸を挟
   む両側位置に対向して配置されている特許請求の範囲第
   ２項記載の吊荷等の姿勢制御装置。