JP3113209B2 - ジャイロ効果を利用した吊荷姿勢の制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ワイヤーロープ
等で吊り下げられた吊荷を水平面内で適宜に旋回させる
吊荷姿勢制御装置に関し、特に、ワイヤーロープ等によ
り水平な姿勢で吊り下げられる吊り治具にジャイロスコ
ープを搭載し、そのジャイロ効果を利用して吊り治具の
水平旋回力を得るシステムに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】揚重作業における吊荷の旋回作業を自動
化することを目的として、リジットアームを持ったクレ
ーンや、ロープの捻れを反力とした旋回装置が提案され
ているが、前者は装置の重量が吊能力に対して過大であ
り、後者は吊荷の旋回挙動が不安定であるため、これら
の装置に代えてジャイロ効果を用いた吊荷の旋回姿勢制
御装置が開発されている（例えば特公平４−１７８７３
号公報参照）。

【０００３】この公報に記載された吊荷の旋回姿勢制御
装置は、クレーンから吊下されたワイヤーロープに水平
な姿勢で吊下げられその下方に吊荷が取り付けられる吊
り治具と、この吊り治具に固定されたフレームと、該フ
レームに対し吊り治具の延長方向と平行な回転軸を中心
として回転可能なケースと、このケースに対し該ケース
の回転軸を含む面と直交するスピン軸を中心としてスピ
ン可能なフライホイールとを備えている。前記ケースお
よびフライホイールはジンバル構造となっており、フレ
ームを含めて擬似的なジャイロスコープを形成してい
る。そして、風等の外乱により吊荷が自然旋回した角度
を検出し、旋回角が比較的小さい間に、ジンバルをモー
タによって回転することにより、それまでに旋回した分
だけ逆に吊荷を旋回させることで、常に所定の方位角を
保つようにするものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
ジャイロ効果を利用した吊荷の旋回姿勢制御装置にあっ
ては、装置の再使用時におけるジンバルの回転位置が一
定ではないし、また、吊荷（吊り治具）の旋回軸に風等
の外乱が加わると、外乱の力に応じてジンバルが回転す
ることで前記外乱による旋回を抑えるが、ジンバルがそ
の回転によりオフセット位置がずれて傾斜した状態、す
なわちフライホイールのスピン軸が水平方向から離れた
角度になる。

【０００５】ここで、オフセット位置とは、ジンバルの
回転モータが未起動状態にあり、かつ、ジンバルがロッ
クされていないときの当該ジンバルの回転位置をいう
（以下の説明において同じ）。

【０００６】このようにジンバルのオフセット位置がず
れた状態を、吊荷を旋回させるときの作用で換言する
と、オフセット位置がずれた分だけある方向への旋回能
力は増えるが、他方向への旋回能力は減ることとなる。
吊荷（吊り治具）が外乱を受け続けると、ジンバルの回
転位置がストッパにあたるまでずれ続け、その旋回能力
は大きいが一方向へしか吊荷を旋回させることができな
くなる。ジンバルのオフセット位置がリセット位置、す
なわちフライホイールのスピン軸が水平になる角度から
大きくずれている場合、何らかの方法でジンバルの回転
位置をリセットする、すなわちリセット位置に戻す必要
がある。

【０００７】しかしながら、現在までに実用化されてい
る従来のジャイロ効果を利用した旋回制御装置にあって
は、これが空中に吊下された状態でジンバルの回転位置
をリセットする操作を行うことはできない。また、吊荷
（吊り治具）を微動併進させることができないといった
課題もある。

【０００８】さらに、建築現場での揚重作業などでは、
揚重機のブーム先端から吊荷までの距離が長いので、吊
荷を微動併進させることが困難であり、揚重機の操作に
は高度な技術を必要とするとともに、オペレータは吊荷
の旋回現場から離れた場所にいることが多く、一人での
作業が困難であるといった課題がある。

【０００９】この発明は、前述した従来の問題に鑑みな
されたもので、その目的は、簡単な機構を付加するだけ
で、高度な技術に熟練することなく、空中に吊下された
状態で、外乱により回転させられたジンバルを吊荷の旋
回に影響を与えることなく、容易に、ジンバルをリセッ
ト位置に戻すことのできる吊荷姿勢制御装置及びその制
御方法を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１にかかる発明は、吊荷を吊下するために水
平な姿勢で吊り下げられる吊り治具と、この吊り治具に
固定されたジャイロ枠と、このジャイロ枠に水平な回転
軸により支持されるジンバルと、このジンバルに対し前
記回転軸を含む面と直交するスピン軸を中心としてスピ
ン可能なフライホイールと、前記ジンバル枠に搭載され
てジンバルを正逆回転する回転駆動部と、前記ジンバル
に搭載されてフライホイールをスピンさせるスピン駆動
部とを備えた吊荷姿勢制御装置であって、前記ジンバル
の回転位置を検出する回転位置検出センサと、前記吊り
治具に設けられ、該回転位置検出センサの出力に基づい
て、空気の噴射に伴う反作用により、当該ジンバルの回
転位置からこれをリセット位置に向けて回転するよう該
吊り治具に旋回軸回りのモーメントを生じさせる空気噴
射手段とを設けたことを特徴とするものである。

【００１１】この発明によれば、まずフライホイールを
所定の方向に高速でスピンさせた状態で吊荷を吊上げ、
吊荷の姿勢を強制的に変える際には、回転駆動部により
ジンバルを強制回転させることにより、その回転により
生ずるジャイロ効果によって、吊荷の重力成分に疎外さ
れない方向に吊り治具（吊荷）旋回させることができ
る。

【００１２】そして、揚重作業中に吊荷（吊り治具）が
風等の外乱の影響を受け、その結果として外乱成分を吸
収した分だけジンバルのオフセット位置がずれ、旋回方
向による旋回能力がバランスを崩し揚重作業に支障をき
たした場合には、次のようにしてジンバルのオフセット
位置をリセットする。

【００１３】すなわち、吊荷を吊下していない場合は、
ジンバルを自由回転可能な状態とした後、回転位置検出
センサにより検出された回転位置に基づいて、ジンバル
がリセット位置に向けて回転するように、吊り治具の両
端に位置するそれぞれのノズルから空気を噴射すると、
吊り治具を旋回させる偶力が発生し、その結果、ジャイ
ロ効果によりジンバルが回転する。ジンバルの回転位置
がリセット位置付近に到達したことを回転位置検出セン
サが検出した時点で、空気噴射を停止してジンバルの回
転を停止させ、これと同時に制動手段によりジンバルを
ロックすることにより、ジャイロ効果を解除した状態で
のジンバルのオフセット位置の修正、あるいは、リセッ
トを行うことができる。

【００１４】一方、吊荷を吊下している場合は、この状
態で、上述したように、ノズルから空気を噴射して吊り
治具に旋回力を付与すると、吊荷の慣性、並びに、吊り
治具と吊荷との間に存在する吊りロープのばね作用によ
り、吊り治具と吊荷との間で位相差をもった単振動が生
じる場合がある。このとき、回転軸の正方向または逆方
向の回転を阻止し、または正逆いずれの方向の回転を阻
止して自由回転を不能とすることにより、ジャイロ効果
によるジンバルの回転方向を一方向に制限することがで
き、もって間欠的にジンバルをリセット位置まで回転さ
せることができる。

【００１５】請求項２にかかる発明は、前記空気噴射手
段は、空気をパルス状に噴射することを特徴とするもの
であり、これによって、制動装置を作動させることな
く、迅速にリセットすることができ、かつ、ノズルに近
いところに設けた電磁弁の開閉による噴射であるため、
空気を供給する経路途中の圧力損失の影響をほとんど受
けることなく高圧高速の空気噴射が得られる。

【００１６】請求項３にかかる発明は、前記ジンバルの
回転軸に自由回転方向制限器を設けたことを特徴とす
る。この発明によれば、吊荷が単振動状に旋回したとき
にも、リセット方向になる方向の回転のみを許容するこ
とで、確実にリセットすることができる。

【００１７】請求項４にかかる発明は、前記旋回軸の法
線方向の空気噴射ノズルを設けたことを特徴とする。こ
の発明によれば、吊荷を吊り治具の長手方向に平行移動
させるときにも微動併進させることができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施例を図面を
用いて詳細に説明する。

【００１９】図１はこの発明にかかるジャイロスコープ
による吊荷姿勢制御装置を示し、同図では、クレーンフ
ック１によって吊下されるワイヤーロープ２を介して水
平な姿勢で吊り下げられた角型鋼などよりなる吊り治具
３と、吊り治具３の中央底部に取付け固定されたジャイ
ロフレーム４と、ジャイロフレーム４内にあって吊り治
具３の長手方向と平行な回転軸５を中心として回転可能
なジンバルフレーム６（ジンバル）と、ジンバルフレー
ム６内にあって回転軸５と直交するスピン軸７を中心と
してスピン可能なフライホイール８とを備えている。吊
り治具３の両端部に垂下状態で固定されたブラケット３
ａからは吊りワイヤ９の一端が連結され、吊りワイヤ９
の他端に吊荷Ｌが吊下される。上記吊り治具３、ジンバ
ルフレーム６、フライホイール８はジャイロスコープを
構成している。

【００２０】ジャイロフレーム４は吊荷全体のほぼ中心
部で且つ吊り治具３の底部に位置しているため、吊作業
をバランスよく行うことができる。また、高速でスピン
するフライホイール８の周囲をジンバルフレーム６で覆
い、さらにジンバルフレーム６の周囲をジャイロフレー
ム４で覆うことにより、安全性が確保されている。

【００２１】ジンバルフレーム６は、ジャイロフレーム
４の外側一端に設けられた回転モータ１０により減速機
１１を介して正逆方向に適宜速度で回転可能となってい
る。また、フライホイール８は、ジンバルフレーム６に
設けられたスピンモータ１２により高速スピン可能とな
っている。これらの回転モータ１０、スピンモータ１２
は、それぞれの回転軸５、スピン軸７に対して非接触状
態でこれらを回転駆動する電磁モータが採用されてい
る。従って、各モータ１０，１２の電力供給を断つこと
で回転軸５、スピン軸７を自由回転状態（フリー状態）
とすることができる。なお、回転モータ１０としては、
電磁モータを採用することなく、通常のステッピングモ
ータ等を採用することもできるが、この場合にはジンバ
ルフレーム６をフリー状態にする必要があることからモ
ータと回転軸との間にクラッチが設けられる。

【００２２】回転モータ１０のさらに外側には、回転軸
５の回転を制動してジンバルフレーム６の回転を制動す
る制動機１３、および該回転軸５の自由回転を電気的に
制御する自由回転制御器１４とが設けられている。自由
回転制御器１４は、回転軸５の正方向または逆方向の回
転を阻止し、または正逆いずれの方向の回転を阻止して
自由回転を不能とする周知のものである。

【００２３】また、この実施例では、ジンバルフレーム
６の回転軸５がフライホイール８を含むジンバル全体の
重心（この実施例では、ジンバル全体の重心とフライホ
イール８のスピン軸７とが一致しているので、スピン軸
７）より所定の偏心量をもって上方に偏心している。

【００２４】ジャイロフレーム４内には、図に示すよう
に、ジンバルフレーム６の回転範囲を規制する一対のス
トッパ１５，１５が固定されている。この実施例におけ
るストッパ１５は、フライホイール８のスピン軸７がジ
ンバルフレーム６の回転軸５を０座標とする鉛直面内に
おいて水平軸から左右に４５度の範囲内においてのみそ
の回転を許容（回転許容角度は９０度）するような位置
に設置されている。ストッパ１５の先端部は例えばゴム
等の弾性体からなり、ジンバルフレーム６が当接すると
きの衝撃を緩和する。

【００２５】そして、本発明において特徴的な点は、ジ
ンバルの回転軸５の回転位置を検出するための回転位置
検出センサ１６がジャイロフレーム４の外側他端に設け
られているとともに、吊り治具３の両端上部に空気噴射
手段１７が設けられ、これら空気噴射手段１７から空気
を噴射することに伴う反作用により、オフセット位置が
ずれたジンバルをリセット位置に復帰させることであ
る。

【００２６】本発明にかかる回転位置検出センサ１６と
しては、エンコーダ、ポテンショメータ、またはリミッ
トスイッチを組み合わせたもの、フォトセンサを組み合
わせたもの等、種々のものを用いることができる。ま
た、本発明において、回転位置検出センサ１６は必須で
あるが、ジャイロフレーム４の吊り下げ固定、ストッパ
１５を設けること、回転軸５をジンバルの重心より上方
に位置することは必須ではない。

【００２７】ジャイロフレーム４の内底部にはエアコン
プレッサ１８が設けられ、エアコンプレッサ１８で生成
された圧縮空気は第１のフレキシブルホース１９を通じ
てジャイロフレーム４の外側部に設けられた円筒状のエ
アレシーバタンク２０に蓄えられる。エアレシーバタン
ク２０には第２のフレキシブルホース２１の一端が接続
され、第２のフレキシブルホース２１の他端はそれぞれ
の空気噴射手段１７に接続されている。

【００２８】それぞれの空気噴射手段１７は、第２のフ
レキシブルホース２１が接続される電磁開閉弁２２を備
え、電磁開閉弁２２には、吊り治具３の長手方向と直交
して水平方向に延びる空気噴射ノズル２３と、吊り治具
３の長手方向に沿って水平方向外側に延びる空気噴射ノ
ズル２４とが接続されている。そして、電磁開閉弁２２
を開閉制御により、それぞれのノズル２３，２４から選
択的に圧縮空気が噴射される。

【００２９】ノズル２３は、吊り治具３を上方からみた
とき、吊り治具３を直径とする水平な円の接線方向に向
けて空気を噴射するものであるので、それぞれの空気噴
射手段１７において空気を噴射するノズルを択一的に選
択することで、吊り治具３を、噴射方向と逆方向に旋回
させたり、その長手方向と直交する方向に向けて平行移
動させることができる。また、ノズル２４は、吊り治具
３の長手方向に沿って延びているので、いずれかのノズ
ルから択一的に空気を噴射することにより、吊り治具３
をその長手方向に沿って平行移動させることができる。
さらに、空気を噴射するノズル２３，２４を任意に組み
合わせることにより、空気噴射の反作用による推力を合
成した方向へ吊り治具３を移動させることができる。

【００３０】なお、空気噴射手段１７は、上記効果を奏
するため、吊り治具３上において、旋回軸からの距離が
同じになるように配置される。

【００３１】ここで、電磁開閉弁２２は、ノズル２４に
極く近い位置に設けられた弁を開閉するために設けら
れ、極短いパルス状に弁を開閉することにより、ノズル
２３，２４から空気を間欠的に噴射することが望まし
い。これは、圧縮空気供給路（特に、第２のフレキシブ
ルホース２１）途中の圧力損失の影響をほとんど受ける
ことなく高圧高速の空気噴射が得られるからである。

【００３２】ジャイロフレーム４内には、上記ジャイロ
スコープの他、回転モータ１０およびスピンモータ１２
の回転駆動を制御する制御ユニット、電源ユニットなど
（いずれも図示しない）が備えられている。なお、電源
は外部から供給するよう構成してもよい。また、制御ユ
ニット内には、遠隔から操作信号を送受信するための無
線機（図示しない）が備えられており、オペレータは、
吊荷の旋回姿勢を目視観察しながら、手元の操作用無線
機で無線操作する。オペレータは複数人でもよく、ま
た、操作場所も別個の複数箇所でもよい。複数の操作用
無線機を用いる場合は、操作の優先権を設定することで
安全性を確保することが望ましい。

【００３３】次に作用を説明する。

【００３４】上記構成において、まずスピンモータ１２
によりフライホイール８を所定方向に高速でスピンさせ
る。フライホイール８が高速スピンした状態で、吊りワ
イヤ９を介して吊り治具３に吊下された吊荷の姿勢を強
制的に変える際には、回転モータ１０によりジンバルを
適宜方向に適宜速度で強制回転させることにより、その
回転に対するジャイロスコープのジャイロ効果により鉛
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３（吊荷）を鉛直軸を中心とした水平面内で旋回する
ことができる。この場合、ジンバルフレーム６の回転軸
５（フライホイール８のスピン軸７）は、ストッパ１４
の存在により、４５度を越えて垂直に近づくことがない
ので、常に十分なジャイロ効果を得ることができる。

【００３５】そして、吊荷Ｌの揚重中に風等の外乱の影
響を受け、その結果、外乱成分を吸収した分だけジンバ
ルのオフセット位置が大きくずれたとき、または、リス
タート時においては、次のようにしてジンバルをリセッ
ト位置に復帰させる。

【００３６】吊荷を吊下しない状態で行う場合 まず、ジンバルを自由回転可能な状態とした後、ジンバ
ル回転位置検出センサにより検出された回転位置に基づ
いて、ジンバルがリセット位置に向けて回転するよう
に、吊り治具の両端に位置するそれぞれのノズルから空
気を噴射すると、吊り治具を旋回させる偶力が発生し、
ジャイロ効果によりジンバルが回転する。ジンバルの回
転位置がリセット位置付近に到達したことを回転位置検
出センサが検出した時点で、空気噴射を停止して吊り治
具の旋回を止める。その際、噴射がパルス状であると、
直ちに旋回が停止し、制動装置を作動させることなく、
迅速にリセットできる。このように、吊り治具や吊荷を
地面等に固定することなく、ジャイロ効果を解除した状
態でのジンバルのオフセット位置の修正、あるいは、リ
セットを行うことが出来る。

【００３７】吊荷を吊下した状態で行う場合 吊荷Ｌを吊下した状態で、上述したように、ノズル２
３，２４から空気を噴射して吊り治具３に旋回力を付与
すると、吊荷Ｌの慣性、並びに、吊り治具３と吊荷Ｌと
の間に存在する吊りワイヤ９のばね作用により、吊り治
具３と吊荷Ｌとの間で位相差をもった単振動が生じる場
合がある。このとき、上記自由回転制御器１４により、
ジャイロ効果によるジンバルの回転方向を一方向に制限
することで、間欠的にジンバルをリセット位置まで回転
させることができる。なお、自由回転制御器１４は、吊
荷Ｌを吊下しない状態でジンバルをリセット位置に復帰
させる場合にも適用することができる。

【００３８】また、この実施例では、オフセット位置に
おけるフライホイール８のスピン軸７が水平でない場合
には、ジンバルフレーム６の回転軸５がジンバル全体の
重心より上方に偏心しているので、リセット位置に向け
て復元する力が働く。このため、ジンバルの回転駆動部
を構成する減速機１１、回転モータ１０、制動機１３の
機械損をキャンセルできる。

【００３９】なお、この発明は上記実施例のものに限定
されるものではなく、例えばジャイロフレーム４を吊荷
全体の中心部または吊り治具３の底部に位置させる必然
性はなく、吊り治具３の上部に設置したりその端部に設
置してもよい。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１にかかる
発明によれば、空気噴射手段が空気の噴射に伴う反作用
により、ジンバルの回転位置からこれをリセット位置に
向けて回転するよう該吊り治具に旋回軸回りのモーメン
トを生じさせるので、高度な技術に熟練することなく、
空中に吊下された状態で、外乱により回転させられたジ
ンバルを吊荷の旋回に影響を与えることなく、容易に、
ジンバルをリセット位置に戻すことができる。この他、
空気噴射手段により、揚重機による吊荷の移動の際の揺
動をなくす微動併進をさせることができる。

【００４１】請求項２にかかる発明によれば、制動装置
を作動させることなく、迅速にリセットすることがで
き、かつ、ノズルに近いところに設けた電磁弁の開閉に
よる噴射であるため、空気を供給する経路途中の圧力損
失の影響をほとんど受けることなく高圧高速の空気噴射
が得られる。

【００４２】請求項３にかかる発明によれば、吊荷が単
振動状に旋回したときにも、リセット方向になる方向の
回転のみを許容することで、確実にリセットすることが
できる。

【００４３】請求項４にかかる発明によれば、吊荷を吊
り治具の長手方向に平行移動させるときにも微動併進さ
せることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明にかかる好適な実施例を示す斜視図で
ある。

【符号の説明】

３ 吊り治具（３ａ ブラケット） ４ ジャイロフレーム ５ 回転軸 ６ ジンバルフレーム（ジンバル） ７ スピン軸 ８ フライホイール １１ 減速機 １３ 制動機 １４ 自由回転制御器 １６ 回転位置検出センサ １７ 空気噴射手段 １８ エアコンプレッサ １９ 第１のフレキシブルホース ２０ エアレシーバタンク ２１ 第２のフレキシブルホース ２２ 電磁開閉弁 ２３ 空気噴射ノズル ２４ 空気噴射ノズル Ｌ 吊荷

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 脇坂 達也 東京都清瀬市下清戸４丁目640番地 株 式会社大林組技術研究所内 (72)発明者 井上 文宏 東京都清瀬市下清戸４丁目640番地 株 式会社大林組技術研究所内 (72)発明者 池田 雄一 東京都清瀬市下清戸４丁目640番地 株 式会社大林組技術研究所内 (72)発明者 渡辺 幸次 東京都清瀬市下清戸４丁目640番地 株 式会社大林組技術研究所内 (56)参考文献 特開 平８−119573（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−267579（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−113466（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−43185（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B66C 13/08

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 吊荷を吊下するために水平な姿勢で吊り
   下げられる吊り治具と、この吊り治具に固定されたジャ
   イロ枠と、このジャイロ枠に水平な回転軸により支持さ
   れるジンバルと、このジンバルに対し前記回転軸を含む
   面と直交するスピン軸を中心としてスピン可能なフライ
   ホイールと、前記ジンバル枠に搭載されてジンバルを正
   逆回転する回転駆動部と、前記ジンバルに搭載されてフ
   ライホイールをスピンさせるスピン駆動部とを備えた吊
   荷姿勢制御装置であって、 前記ジンバルの回転位置を検出する回転位置検出センサ
   と、前記吊り治具に設けられ、該回転位置検出センサの
   出力に基づいて、空気の噴射に伴う反作用により、当該
   ジンバルの回転位置からこれをリセット位置に向けて回
   転するよう該吊り治具に旋回軸回りのモーメントを生じ
   させる空気噴射手段とを設けたことを特徴とするジャイ
   ロ効果を利用した吊荷姿勢の制御装置。
2. 【請求項２】 前記空気噴射手段は、空気をパルス状に
   噴射することを特徴とする請求項１に記載のジャイロ効
   果を利用した吊荷姿勢の制御装置。
3. 【請求項３】 前記ジンバルの回転軸に自由回転方向制
   限器を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載
   のジャイロ効果を利用した吊荷姿勢の制御装置。
4. 【請求項４】 前記旋回軸の法線方向の空気噴射ノズル
   を設けたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか
   に記載のジャイロ効果を利用した吊荷姿勢の制御装置。