JP6017370B2 - 吊荷の姿勢制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、ワイヤーロープ等の線状部材により吊下支持される吊荷の姿勢を制御する装置に関する。

クレーン等による揚重作業では、ワイヤーロープ等により吊下支持される吊荷が、風の影響等を受けて、水平面内で自由に回転する虞がある。この吊荷の回転を抑制するために、例えば、特許文献１に記載の吊荷の姿勢制御装置が用いられ得る。
特許文献１に記載の吊荷の姿勢制御装置はコマ及びモータを含んで構成されている。コマ及びモータは、ワイヤーロープ等により水平に懸吊される吊りビームの上に設置されている。モータの出力軸とコマの回転軸とはベルト伝動機構を介して連系しており、これにより、モータがコマの回転駆動源として機能している。モータの作動については、地上から無線方式により遠隔操作され得る。

特許文献１では、コマを加・減速して回転させることにより生じる反作用モーメントにより、吊りビームにコマの加・減速方向とは逆向きのモーメントが作用することを利用して、吊りビームを回転させる。このようにして吊りビームを回転させることで吊荷を回転させることにより、吊荷の姿勢制御を行っている。

特開平６−５６３８３号公報

ところで、特許文献１に記載のコマのようなフライホイールを含む吊荷の姿勢制御装置では、角運動量保存則により、回転するフライホイールの側（以下「操作側」と称する）の慣性モーメントと、上記反作用モーメントが作用する側（以下「被制御側」と称する）の慣性モーメントとの逆比で、操作側の角速度と被制御側の角速度とが決定される。すなわち、被制御側の慣性モーメントを小さくするほど、また、操作側の慣性モーメントを大きくするほど、被制御側の角速度が大きくなる。換言すれば、吊荷の姿勢制御においては、被制御側の慣性モーメントを小さく抑えることにより、また、操作側の慣性モーメントを大きくすることにより、被制御側の良好な応答性を得ることができる。

しかしながら、特許文献１に記載のような吊荷の姿勢制御装置では、フライホイールの回転制御に用いられるモータ、電源、制御ユニット等が吊りビームに設置されるので、これらが上述の被制御側に位置することになる。このため、被制御側の慣性モーメントを小さく抑えることが難しく、この結果、被制御側の良好な応答性を得ることが難しかった。
また、特許文献１に記載のような吊荷の姿勢制御装置において、被制御側の良好な応答性を得るべく、フライホイールの大型化・重量化により、操作側の慣性モーメントを大きくすると、吊荷の姿勢制御装置の総重量が増大するので、クレーン等がその吊り能力を十分に発揮できない。

本発明は、このような実状に鑑み、吊荷の姿勢制御装置の軽量化を実現すると共に、被制御側の良好な応答性を得ることを目的とする。

そのため本発明に係る吊荷の姿勢制御装置は、吊荷に取り付けられる基礎部材と、鉛直な線を軸中心として基礎部材に対して回転自在に基礎部材に設けられるフライホイールと、フライホイールの回転駆動源である電動機と、電動機の運転を制御する制御ユニットと、電動機及び制御ユニットに電力を供給する電源と、を含んで構成される。また、本発明に係る吊荷の制御装置では、電動機、制御ユニット、及び電源が、フライホイールに搭載される。

本発明によれば、電動機、制御ユニット、及び電源が、フライホイールに搭載される。すなわち、操作側に、電動機、制御ユニット、及び電源が配置される。このように電動機、制御ユニット、及び電源が配置されることにより、特許文献１に記載のような吊荷の姿勢制御装置に比べて、被制御側の慣性モーメントを小さくすることができ、また、操作側の慣性モーメントを大きくすることができるので、被制御側の良好な応答性を得ることができる。
また本発明によれば、操作側に、電動機、制御ユニット、及び電源が配置されることにより、その分、被制御側の慣性モーメントを小さく抑えることができるので、電動機の小型化・軽量化を実現することができ、ひいては、吊荷の姿勢制御装置の小型化・軽量化を実現することができる。

本発明の一実施形態における吊荷の姿勢制御装置の吊荷への設置を示す図 吊荷の姿勢制御装置の斜視図 吊荷の姿勢制御装置の縦断面図 吊荷の姿勢制御方法の第１例における、吊荷の角速度と、フライホイールの角速度と、時間との関係を示す図 吊荷の姿勢制御方法の第１例における、操作側の回転方向と、被制御側の回転方向とを示す図 吊荷の姿勢制御方法の第２例における、吊荷の角速度と、フライホイールの角速度と、時間との関係を示す図 吊荷の姿勢制御方法の第３例を示すブロック線図 吊荷の姿勢制御装置の第１変形例及び第２変形例を示す図 吊荷の姿勢制御装置の吊荷への設置の第１変形例及び第２変形例を示す図 吊荷の姿勢制御装置の吊荷への設置の第３変形例を示す図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態における吊荷の姿勢制御装置の吊荷への設置を示す。図２は、吊荷の姿勢制御装置の概略構成を示す。図３は、吊荷の姿勢制御装置の縦断面を示す。
尚、以下の説明では、上方から見た平面視で、反時計回りの方向に対応する符号をプラス（＋）とし、時計回りの方向に対応する符号をマイナス（−）とする。

図１に示すように、クレーン等のワイヤーロープ（線状部材）１は、その下端に設けられたフック２及び玉掛け用ワイヤーロープ（線状部材）３を介して、直方体状の吊荷４を吊下支持している。尚、吊荷４の形状は直方体状に限らない。
吊荷４は水平方向に延在しており、その長手方向を、本実施形態では吊荷の基準方向Ｓ（以下、単に「基準方向Ｓ」と称する）としている。

吊荷４の上面の中央部には、吊荷の姿勢制御装置１０（以下、単に「姿勢制御装置１０」と称する）が着脱可能に取り付けられている。
姿勢制御装置１０は吊荷４の回転（特に、ヨーイング）を制御するものである。ここで、吊荷４の回転の中心軸上に、後述する軸１３（図２、図３参照）が位置するように、姿勢制御装置１０を吊荷４の上面に取り付けることが好ましい。

図２及び図３に示すように、姿勢制御装置１０は、直方体状のケース１１と、円形ラック１２と、軸１３と、フライホイール１４と、２つの電動機１５と、２つのピニオンギヤ１６と、制御ユニット１７と、電源１８と、方位センサ１９とを備える。尚、ケース１１は直方体状に限らない。
ケース１１は、円形ラック１２と、軸１３と、フライホイール１４と、２つの電動機１５と、２つのピニオンギヤ１６と、制御ユニット１７と、電源１８と、方位センサ１９とを収容する。ケース１１の底面を構成する基礎部材１１ａは板状であり、この基礎部材１１ａが、吊荷４の上面の中央部に着脱可能に取り付けられている。

基礎部材１１ａには軸１３が立設されている。軸１３は円柱状であり、鉛直な線に沿って延びている。軸１３の下端は、基礎部材１１ａの上面に固定されている。
円形ラック１２は、鉛直方向に厚みを有する円環状である。円形ラック１２は、その中心と軸１３の中心とが一致するように、基礎部材１１ａの上面にブラケット１２ａを介して取り付けられている。円形ラック１２の外側の円周面には、図示しない歯部が形成されている。この歯部には、ピニオンギヤ１６の歯部が噛み合っている。

円形ラック１２の上方には、フライホイール１４が位置している。フライホイール１４は、鉛直方向に厚みを有する円板状である。フライホイール１４は、その中心と軸１３の中心とが一致するように、図示しないベアリング等を介して、軸１３に回転自在に取り付けられている。従って、フライホイール１４は、軸１３によって支持され、また、軸１３を回転中心として（すなわち、鉛直な線を軸中心として）基礎部材１１ａに対して回転自在である。また、フライホイール１４は基礎部材１１ａ上に設けられている。
フライホイール１４の上面の外周縁部には、フライホイール１４の回転駆動源である２つの電動機１５が設置されている。２つの電動機１５は、各々がフライホイール１４の同一直径上に配置されて、フライホイール１４の周方向に互いに間隔を空けて配置されている。

電動機１５は、出力軸１５ａを備えるロータ（図示せず）とステータ（図示せず）とを含んで構成される。電動機１５の出力軸１５ａは、正逆双方向に回転可能である。尚、フライホイール１４の外周縁部には，各電動機１５の出力軸１５ａを挿入するために、各出力軸１５ａに対応するように、貫通孔１４ａが予め形成されている。電動機１５の出力軸１５ａは、鉛直な線に沿って、電動機１５のロータから、フライホイール１４の貫通孔１４ａを通って、フライホイール１４の下方に向かって延びている。
各電動機１５の出力軸１５ａの下端には、それぞれ、ピニオンギヤ１６が取り付けられている。ピニオンギヤ１６の外周面には歯部（図示せず）が形成されており、この歯部が、円形ラック１２の歯部に噛み合っている。

フライホイール１４の上面の外周縁部には、制御ユニット１７と電源１８とが設置されている。ここで、制御ユニット１７及び電源１８のフライホイール１４への設置に際しては、２つの電動機１５、制御ユニット１７、及び電源１８がフライホイール１４に搭載された状態での重量バランスが考慮され得る。
電源１８は、図示しない電力線を介して、２つの電動機１５及び制御ユニット１７に電力を供給する。電源１８としては、例えば、固形タイプのバッテリが用いられ得る。
制御ユニット１７は、無線通信用の受信部（図示せず）と、２つの電動機１５の運転を制御する運転制御部（図示せず）と、を含んで構成される。

方位センサ１９は、基礎部材１１ａの上面に設置されて、基準方向Ｓが指す方位（基準方向Ｓの方位）を測定する。尚、方位センサ１９を基礎部材１１ａに取り付ける代わりに、吊荷４に直接取り付けてもよい。また、方位センサ１９をケース１１の任意の箇所に取り付けることで、方位センサ１９を実質的に基礎部材１１ａに取り付けてもよい。
方位センサ１９によって測定された方位（すなわち、基準方向Ｓの方位）に対応する信号は、図示しない送信部から、無線通信により、制御ユニット１７の受信部と、操縦装置２０（図１参照）の受信部（図示せず）とに伝達される。尚、方位センサ１９として、例えば、ジャイロコンパスが用いられる。

図１に示すように、姿勢制御装置１０の外部に位置する操縦装置２０は、送信部（図示せず）と、受信部（図示せず）と、入力部２１と、表示部２２と、を備える。
操縦装置２０の入力部２１で入力された命令に基づいて生成される命令信号は、操縦装置２０の送信部から、無線通信により、制御ユニット１７の受信部に伝達される。
操縦装置２０の表示部２２は、本発明の「表示装置」として機能するものであり、方位センサ１９で測定された基準方向Ｓの方位に対応する信号に基づいて、基準方向Ｓの方位を表示する。
制御ユニット１７の運転制御部と２つの電動機１５とは、図示しない信号線により接続されている。制御ユニット１７の運転制御部は、操縦装置２０からの命令信号に基づいて、又は、この命令信号に加えて、方位センサ１９にて測定された基準方向Ｓの方位に対応する信号に基づいて、２つの電動機１５の運転の制御を行う。

電動機１５の運転時には、ピニオンギヤ１６の歯部と円形ラック１２の歯部とが噛み合った状態で、出力軸１５ａの回転により、ピニオンギヤ１６が、円形ラック１２の周りを回転する。このピニオンギヤ１６の円形ラック１２に対する回転により、フライホイール１４、及び、それに搭載された電動機１５、制御ユニット１７及び電源１８が、円形ラック１２に対して回転する。尚、電動機１５の運転時には、電動機１５の出力軸１５ａの回転方向が、フライホイール１４の回転方向に一致している。すなわち、電動機１５の出力軸１５ａの回転方向が平面視で時計回りの方向であれば、フライホイール１４の回転方向も平面視で時計回りの方向となる。ここで、円形ラック１２及びピニオンギヤ１６が、本発明の「回転機構」として機能して、電動機１５の出力軸１５ａの回転力により、フライホイール１４を、基礎部材１１ａに対して回転させる。

次に、姿勢制御装置１０により実現される、吊荷４の姿勢制御方法の第１例について、図４及び図５を用いて説明する。
図４は、吊荷４の角速度ω_４と、フライホイール１４の角速度ω_１４と、時間ｔとの関係を示す。図５は、操作側の回転方向と、被制御側の回転方向とを示す。ここで、操作側には、フライホイール１４、電動機１５、ピニオンギヤ１６、制御ユニット１７、電源１８が含まれる。一方、被制御側には、吊荷４、ケース１１、円形ラック１２、軸１３、方位センサ１９が含まれる。吊荷４の角速度ω_４は、地面に対する吊荷４の角速度（対地角速度）である。フライホイール１４の角速度ω_１４は、地面に対するフライホイール１４の角速度（対地角速度）である。尚、図５では、ケース１１、円形ラック１２、軸１３、ピニオンギヤ１６、方位センサ１９の図示を省略している。

ここで、操作側における軸１３周りの慣性モーメントＩ_ｄについては、以下の式（１）が成り立つ。

Ｉ_ｄ＝Ｉ_１４＋Ｉ_１５＋Ｉ_１６＋Ｉ_１７＋Ｉ_１８ ・・・（１）
Ｉ_１４：軸１３周りのフライホイール１４の慣性モーメント
Ｉ_１５：軸１３周りの電動機１５の慣性モーメント
Ｉ_１６：軸１３周りのピニオンギヤ１６の慣性モーメント
Ｉ_１７：軸１３周りの制御ユニット１７の慣性モーメント
Ｉ_１８：軸１３周りの電源１８の慣性モーメント

また、操作側における電動機１５の出力軸１５ａ周りの慣性モーメントｉ_ｍについては、以下の式（２）が成り立つ。

ｉ_ｍ＝ｉ_ｒ＋ｉ_１６ ・・・（２）
ｉ_ｒ：出力軸１５ａ周りの電動機１５のロータの慣性モーメント
ｉ_１６：出力軸１５ａ周りのピニオンギヤ１６の慣性モーメント

また、被制御側の慣性モーメントＩ_ｗについては、以下の式（３）が成り立つ。

Ｉ_ｗ＝Ｉ_４＋Ｉ_１１＋Ｉ_１２＋Ｉ_１３＋Ｉ_１９ ・・・（３）
Ｉ_４：吊荷４の慣性モーメント
Ｉ_１１：ケース１１の慣性モーメント
Ｉ_１２：円形ラック１２の慣性モーメント
Ｉ_１３：軸１３の慣性モーメント
Ｉ_１９：方位センサ１９の慣性モーメント

吊荷４の姿勢制御方法の第１例では、吊荷４が地面に対して静止している状態（図５（ａ）参照）から、吊荷４を、その上方から見た平面視で時計回りにθｒ[ｒａｄ］回転させて静止させる（図５（ｂ）、（ｃ）参照）。この吊荷４の姿勢制御時には、作業者が基準方向Ｓの方位を確認しつつ、操縦装置２０の入力部２１に命令を入力する。この命令は、例えば、電動機１５の出力軸１５ａの回転方向及び回転数（角速度）に関する命令であり得る。ここで、作業者は、基準方向Ｓの方位の確認を、操縦装置２０の表示部２２を見ることによって、及び／又は、吊荷４を目視することによって行う。また、制御ユニット１７の運転制御部は、操縦装置２０からの命令信号に基づいて、電動機１５の運転の制御を行う。

まず、図５（ａ）に示すように、吊荷４が地面に対して静止している状態では、操作側の回転が停止している。
この後、図４に示す時刻ｔ_１にて、電動機１５の運転を開始して、電動機１５の出力軸１５ａの回転を反時計回りに加速させる（図５（ｂ）の回転方向Ｒ１参照）。この出力軸１５ａの回転に伴って、ピニオンギヤ１６も反時計回りに回転する。また、ピニオンギヤ１６の歯部が円形ラック１８の歯部に噛み合っているので、フライホイール１４自体も軸１３を回転中心として反時計回りに回転する（図５（ｂ）の回転方向Ｒ２参照）。

このときに、電動機１５の出力軸１５ａを回転中心として、電動機１５のロータ及びピニオンギヤ１６を反時計回りに回転させるトルクＴ_ｍと、軸１３を回転中心として、フライホイール１４、電動機１５、ピニオンギヤ１６、制御ユニット１７、電源１８を反時計回りに回転させるトルクＴ_ｄとは、その反作用として、被制御側を時計回りに回転させるトルクＴ_ｕを与えることとなる（図５（ｂ）の回転方向Ｒ３参照）。

また、トルクＴ_ｍ、Ｔ_ｄにより反時計回りの方向に加速された操作側と、その反作用としてトルクＴ_ｕにより時計回りの方向に加速された被制御側と、については、角運動量保存則により、概ね、以下の式（４）が成り立つ。

ω_４・Ｉ_ｗ＝−（ω_１４・Ｉ_ｄ＋ω_１５ａ・ｉ_ｍ） ・・・（４）
ω_４：吊荷４の角速度
ω_１４：フライホイール１４の角速度
ω_１５ａ：電動機１５の出力軸１５ａの角速度
ここで、電動機１５の出力軸１５ａの角速度ω_１５ａは、電動機１５のステータに対する出力軸１５ａの角速度である。

従って、式（４）により、吊荷４の角速度ω_４は、概ね、以下の式（５）により求められる。

ω_４＝−（ω_１４・Ｉ_ｄ＋ω_１５ａ・ｉ_ｍ）／Ｉ_ｗ ・・・（５）

図４に示すように、時刻ｔ_１から時刻ｔ_２までの間では、操作側がトルクＴ_ｍ、Ｔ_ｄにより反時計回りの方向に加速されて、この結果、フライホイール１４の角速度ω_１４が角速度ω_１４ｃに達する。また、その反作用として、被制御側がトルクＴ_ｕにより時計回りの方向に加速されて、この結果、吊荷４の角速度ω_４が角速度ω_４ｃに達する。
次に、時刻ｔ_２から時刻ｔ_３までの間では、電動機１５の出力軸１５ａの角速度ω_１５ａを一定にする。これにより、フライホイール１４の角速度ω_１４が角速度ω_１４ｃで一定になる。また、吊荷４の角速度ω_４が角速度ω_４ｃで一定になる。

次に、時刻ｔ_３から時刻ｔ_４までの間では、時刻ｔ_４にて、電動機１５の出力軸１５ａの角速度ω_１５ａがゼロになるように、電動機１５の出力軸１５ａの角速度ω_１５ａを減速させる。尚、時刻ｔ_３から時刻ｔ_４までの間では、当該減速により、操作側のトルクＴ_ｍ、Ｔ_ｄと被制御側のトルクＴ_ｕとが、それぞれ、時刻ｔ_１から時刻ｔ_２までの間における各トルクの方向と逆方向（すなわち回転を妨げる方向）に作用することになる。それゆえ、電動機１５の出力軸１５ａの角速度ω_１５ａを減速させることで、フライホイール１４の角速度ω_１４と吊荷４の角速度ω_４とを減速させることができる。この結果、時刻ｔ_４では、フライホイール１４の角速度ω_１４と吊荷４の角速度ω_４とがそれぞれゼロになる。
時刻ｔ_４以降については、電動機１５の出力軸１５ａの角速度ω_１５ａをゼロのままとする。これにより、フライホイール１４の角速度ω_１４がゼロで一定となる（すなわち、地面に対して静止する）。また、吊荷４の角速度ω_４がゼロのままとなる（すなわち、地面に対して静止する）。

ここで、図４に示す時間軸ｔと、吊荷４の角速度ω_４を示す線とにより囲まれる面積が、上述のθｒ[ｒａｄ］に対応する。それゆえ、時刻ｔ_１、ｔ_２、ｔ_３、ｔ_４については、図４に示す時間軸ｔと、吊荷４の角速度ω_４を示す線とにより囲まれる面積が上述のθｒ[ｒａｄ］となるように予め設定され得る。
このようにして、吊荷４が地面に対して静止している状態（図５（ａ）参照）から、吊荷４を、その上方から見た平面視で時計回りにθｒ[ｒａｄ］回転させて静止させる（図５（ｂ）、（ｃ）参照）ことができる。

次に、姿勢制御装置１０により実現される、吊荷４の姿勢制御方法の第２例について、図６を用いて説明する。
図６は、吊荷４の角速度ω_４と、フライホイール１４の角速度ω_１４と、時間ｔとの関係を示す。
上述の吊荷４の姿勢制御方法の第１例と異なる点について説明する。

吊荷４の姿勢制御方法の第２例では、吊荷４に風が作用し、操作側と被制御側との双方が（すなわち、姿勢制御装置１０及び吊荷４の双方が）一体的に角速度ω_０で回転している状態から、吊荷４の回転を停止させる。
図６に示す時刻ｔ_１１から時刻ｔ_１２までの間では、吊荷４に風が作用し、この結果、フライホイール１４の角速度ω_１４と吊荷４の角速度ω_４との双方が加速されて、角速度ω_０に達する。

時刻ｔ_１２から時刻ｔ_１３の間では無風状態であり、この結果、フライホイール１４の角速度ω_１４と吊荷４の角速度ω_４との双方が角速度ω_０で一定となる。
時刻ｔ_１３より、吊荷４の角速度ω_４を減速するべく、フライホイール１４の角速度ω_１４を角速度ω_０から加速させる。ここで、フライホイール１４の角速度ω_１４を角速度ω_０から加速させることにより、その反作用として、被制御側（吊荷４）の角速度ω_４がトルクＴ_ｕにより減速される。このフライホイール１４の角速度ω_１４の加速は、電動機１５の出力軸１５ａの角速度ω_１５ａを加速することにより実現される。

尚、吊荷４の姿勢制御方法の第２例では、角運動量保存則に関して、上述の式（４）の代わりに、以下の式（６）が概ね対応し得る。

ω_４・Ｉ_ｗ＋（ω_１４・Ｉ_ｄ＋ω_１５ａ・ｉ_ｍ）
＝ω_０・（Ｉ_ｗ＋Ｉ_ｄ） ・・・（６）

時刻ｔ_１３より吊荷４の角速度ω_４の減速を開始し、時刻ｔ_１４にて、吊荷４の角速度ω_４がゼロになると、電動機１５の出力軸１５ａの角速度ω_１５ａを一定にする。これにより、フライホイール１４の角速度ω_１４が角速度ω_１４ｃで一定になる。また、吊荷４の角速度ω_４がゼロのままとなる（すなわち、地面に対して静止する）。
このようにして、吊荷４に風が作用し、操作側と被制御側との双方が一体的に角速度ω_０で回転している状態から、吊荷４の回転を停止させることができる。

次に、姿勢制御装置１０により実現される、吊荷４の姿勢制御方法の第３例について、図７を用いて説明する。
図７は、吊荷４の姿勢制御方法の第３例を示すブロック線図である。
上述の吊荷４の姿勢制御方法の第１例と異なる点について説明する。

吊荷４の姿勢制御方法の第３例では、まず、作業者が、基準方向Ｓの目標方位を操縦装置２０の入力部２１に入力する。操縦装置２０は、この入力に対応する命令信号を無線通信を介して制御ユニット１７の運転制御部に伝達する。
次に、制御ユニット１７の運転制御部では、操縦装置２０からの命令信号と、方位センサ１９にて測定された基準方向Ｓの方位に対応する信号と、に基づいて、電動機１５の運転の制御を行う。具体的には、制御ユニット１７の運転制御部では、操縦装置２０からの目標方位と、方位センサ１９からの測定方位と、の差分を算出し、この差分が小さくなるように、電動機１５の運転を制御する。

電動機１５の運転制御により、操作側に位置するフライホイール１４の回転の制御が行われ、この結果、被制御側に位置する吊荷４の回転の制御が行われることになる。
そして、方位センサ１９にて基準方向Ｓの方位を測定し、この測定方位と、操縦装置２０からの目標方位と、の差分を算出し、この差分が小さくなるように、電動機１５の運転を制御する。
このようにして、電動機１５の運転をフィードバック制御することにより、吊荷４の基準方向Ｓが任意の方位になるように吊荷４を回転させることができる。また、吊荷４の基準方向Ｓを任意の方位に向かわせた状態で、吊荷４の回転を抑制して吊荷４の姿勢を保持することができる。

本実施形態によれば、姿勢制御装置１０は、ワイヤーロープ１等の線状部材により吊下支持される吊荷４の姿勢を制御する。姿勢制御装置１０は、吊荷４に取り付けられる基礎部材１１ａと、鉛直な線を軸中心として基礎部材１１ａに対して回転自在に基礎部材１１ａに設けられるフライホイール１４と、フライホイール１４の回転駆動源である電動機１５と、電動機１５の運転を制御する制御ユニット１７と、電動機１５及び制御ユニット１７に電力を供給する電源１８と、を含んで構成される。電動機１５、制御ユニット１７、及び電源１８は、フライホイール１４に搭載される。すなわち、操作側に、電動機１５、制御ユニット１７、及び電源１８が配置される。このように電動機１５、制御ユニット１７、及び電源１８が配置されることにより、特許文献１に記載のような吊荷の姿勢制御装置に比べて、被制御側の慣性モーメントを小さくすることができ、また、操作側の慣性モーメントを大きくすることができるので、被制御側の良好な応答性を得ることができる。

また本実施形態によれば、操作側に、電動機１５、制御ユニット１７、及び電源１８が配置されることにより、その分、被制御側の慣性モーメントを小さく抑えることができるので、電動機１５の小型化・軽量化を実現することができ、ひいては、姿勢制御装置１０の小型化・軽量化を実現することができる。
また本実施形態によれば、姿勢制御装置１０の小型化・軽量化を実現することができるので、クレーン等の吊り能力のうち、姿勢制御装置１０の自重により損失となる部分を軽減することができ、ひいては、クレーン等の吊り能力を有効に使うことができる。

また本実施形態によれば、クレーン等にて長尺物である吊荷４を揚重する際に、従来は作業者がロープで引っ張ることで行っていた吊荷４の回転を、姿勢制御装置１０を用いて行うことができるようになるので、作業の安全性を向上させることができる。
また本実施形態によれば、クレーン等により吊荷４をその取付高さまで揚重する間に、姿勢制御装置１０を用いて、吊荷４の基準方向Ｓを任意の方向に向けることができるので、作業効率を向上させることができる。
また本実施形態によれば、風の影響により吊荷４が回転しかねない状況においても、姿勢制御装置１０を用いて吊荷４の姿勢を制御することにより、吊荷４に対する風の影響を抑制することができる。

また本実施形態によれば、姿勢制御装置１０は、基礎部材１１ａ又は吊荷４に取り付けられて吊荷４の基準方向Ｓの方位を測定する方位センサ１９を更に含んで構成され、制御ユニット１７は、方位センサ１９からの信号に基づいて、電動機１５の運転を制御する。これにより、例えば、操縦装置２０からの目標方位と、方位センサ１９からの測定方位とを用いて、電動機１５の運転をフィードバック制御することができ、ひいては、吊荷４の基準方向Ｓが任意の方位になるように吊荷４を回転させることができる。また、吊荷４の基準方向Ｓを任意の方位に向かわせた状態で、吊荷４の回転を抑制して吊荷４の姿勢を保持することができる。

また本実施形態によれば、姿勢制御装置１０は、方位センサ１９からの信号に基づいて、吊荷４の基準方向Ｓの方位を表示する表示装置（操縦装置２０の表示部２２）を更に含んで構成される。これにより、作業者が、吊荷４の基準方向Ｓの実方位を容易に把握することができる。

また本実施形態によれば、電動機１５は、その出力軸１５ａが、鉛直な線に沿って、フライホイール１４より延びており、姿勢制御装置１０は、電動機１５の出力軸１５ａの回転力により、フライホイール１４を基礎部材１１ａに対して回転させる回転機構（円形ラック１２及びピニオンギヤ１６）を更に含んで構成され、フライホイール１４の回転方向が電動機１５の出力軸１５ａの回転方向に一致する。これにより、操作側における軸１３周りの慣性モーメントＩ_ｄに加えて、電動機１５のロータの慣性モーメントｉ_ｒとピニオンギヤ１６の慣性モーメントｉ_１６とからなる出力軸１５ａ周りの慣性モーメントｉ_ｍも、操作側の慣性モーメントとして利用することができる。

また本実施形態によれば、複数の電動機１５が、フライホイール１４の周方向に互いに間隔を空けて配置される。これにより、電動機１５として小型の電動機を用いることができ、また、フライホイール１４についてはバランスの良い回転が得られる。尚、本実施形態では、２つの電動機１５がフライホイール１４の周方向に互いに間隔を空けて配置される例を説明したが、３つ以上の任意の個数の電動機１５がフライホイール１４の周方向に互いに間隔を空けて配置されてもよい。
また本実施形態によれば、電動機１５は、その出力軸１５ａが正逆双方向に回転可能である。これにより、操作側を回転させるトルクＴ_ｍ、Ｔ_ｄの方向として、時計回りの方向と反時計回りの方向との一方を適宜選択することができる。

尚、本実施形態では、フライホイール１４がベアリング等を介して軸１３に回転自在に取り付けられ、かつ、軸１３の下端が基礎部材１１ａの上面に固定される例を用いて説明したが、この他、フライホイール１４と軸１３とを固定してコマを形成し、軸１３の下端をベアリング等を介して基礎部材１１ａの上面に回転自在に取り付けてもよい。また、これに加えて、軸１３の上端をベアリング等を介してケース１１の上面に回転自在に取り付けてもよい。

また、本実施形態では、フライホイール１４が軸１３によって回転自在に支持されているが、フライホイール１４を回転自在に支持する形態はこれに限らない。
図８（ａ）は、姿勢制御装置１０の第１変形例を示す。図８（ｂ）は、姿勢制御装置１０の第２変形例を示す。
図３に示す姿勢制御装置１０と異なる点について説明する。

図８（ａ）に示す姿勢制御装置１０の第１変形例では、軸１３の代わりとして、スラスト軸受３０が基礎部材１１ａ上に設けられている。スラスト軸受３０の上面には、フライホイール１４が取り付けられている。従って、スラスト軸受３０が、フライホイール１４及びそれに搭載される電動機１５、制御ユニット１７、電源１８の重量をスラスト荷重として受け止めつつ、フライホイール１４を回転自在に支持する。尚、この変形例では、一方の電動機１５が省略されて、他方の電動機１５のみがフライホイール１４に搭載されて、フライホイール１４の回転駆動源として機能している。上記一方の電動機１５及びその出力軸１５ａの代わりとして、ベアリング３１及び回転軸３２が設けられている。ベアリング３１は、上記一方の電動機１５の代わりとして、フライホイール１４の上面に設置されている。回転軸３２は、その上端にてベアリング３１により回転自在に支持され、下端にピニオンギヤ１６が取り付けられている。

図８（ｂ）に示す姿勢制御装置１０の第２変形例では、軸１３の代わりとして、円形スライダ３５が設けられている。円形スライダ３５は、レール３６と、複数の車輪３７と、を含んで構成される。
レール３６は平面視で円環状であり、略菱形の断面形状を有する。レール３６は、ブラケット３８を介して、ケース１１の側壁に取り付けられている。
フライホイール１４の下面には、複数の車輪３７が回転自在に取り付けられている。複数の車輪３７は、レール３６の内周部（頂部）を鉛直方向で挟みつつレール３６上を転動する複数の車輪と、レール３６の外周部（頂部）を鉛直方向で挟みつつレール３６上を転動する複数の車輪と、からなる。
従って、円形スライダ３５が、フライホイール１４及びそれに搭載される電動機１５、制御ユニット１７、電源１８の重量を受け止めつつ、フライホイール１４を回転自在に支持する。

また、本実施形態では、１つの姿勢制御装置１０が、吊荷４の上面の中央部に設置されているが、吊荷４に設置される姿勢制御装置１０は単数に限らず複数であってもよい。
例えば、被制御側の慣性モーメントＩ_ｗが図１の状態より２倍になった場合には、図９（ａ）に示すように、２つの姿勢制御装置１０を上下に積み重ねて、吊荷４の上面の中央部に設置してもよい。
また、図９（ｂ）に示すように、２つの姿勢制御装置１０が、吊荷４の上面のうち、吊荷４の長手方向で一側と他側とにそれぞれに設置されてもよい。
また、複数の姿勢制御装置１０が、それぞれ、吊荷４上の任意の場所に配置されてもよい。

また、本実施形態では、姿勢制御装置１０を吊荷４の上面に着脱可能に設置しているが、これに加えて、又は、これに代えて、図１０に示すように、姿勢制御装置１０を吊具４０に着脱可能に設置してもよい。
図１０に示すように、吊具４０は、例えば、架台４１とワイヤーロープ４２とを含んで構成される。
クレーン等のワイヤーロープ１は、フック２及び玉掛け用ワイヤーロープ３を介して、直方体状の架台４１を吊下支持している。尚、架台４１の形状は直方体状に限らない。

架台４１は、ワイヤーロープ（線状部材）４２を介して、吊荷４を吊下支持している。ここで、平面視で、架台４１の長手方向が、吊荷４の基準方向Ｓに略一致している。
架台４１の上面の中央部には、姿勢制御装置１０が着脱可能に取り付けられている。
ここで、吊荷４の回転の中心軸上に、フライホイール１４の回転中心が位置するように、姿勢制御装置１０を架台４１の上面に取り付けることが好ましい。

図１０に示すように、吊荷４が、ワイヤーロープ１等の線状部材によって吊下支持される吊具４０により吊下支持され、姿勢制御装置１０が、吊荷４に取り付けられる代わりに、吊具４０に取り付けられることにより、姿勢制御装置１０を吊荷４に直接的に設置することが難しい場合であっても、姿勢制御装置１０を用いて、吊具４０を介して、吊荷４の姿勢制御を行うことができる。

尚、上述の実施形態では、操縦装置２０が姿勢制御装置１０の外部に位置する例を用いて説明したが、操縦装置２０の構成はこれに限らず、操縦装置２０は、姿勢制御装置１０に一体的に設けられてもよい。この場合には、図７に示した吊荷４の姿勢制御方法の第３例において、吊荷４の揚重作業に先立って、吊荷４の基準方向Ｓの現在の方位を目標方位として入力部２１に入力することにより、揚重作業中における吊荷４の姿勢を保持することができる。
また、上述の実施形態における姿勢制御装置１０では、方位センサ１９で基準方向Ｓの方位を測定する構成としたが、この他、方位センサ１９を省略して、作業者が、吊荷４の基準方向Ｓの方位を目視により確認しつつ、操縦装置２０を操作することで、姿勢制御装置１０を用いて、吊荷４の姿勢を制御してもよい。
また、上述の実施形態にて示した姿勢制御装置１０は、その天地が逆転しても同様の機能を実現し得ることはいうまでもない。

１ ワイヤーロープ
２ フック
３ ワイヤーロープ
４ 吊荷
１０ 吊荷の姿勢制御装置
１１ ケース
１１ａ 基礎部材
１２ 円形ラック
１２ａ ブラケット
１３ 軸
１４ フライホイール
１４ａ 貫通孔
１５ 電動機
１５ａ 出力軸
１６ ピニオンギヤ
１７ 制御ユニット
１８ 電源
１９ 方位センサ
２０ 操縦装置
２１ 入力部
２２ 表示部
３０ スラスト軸受
３１ ベアリング
３２ 回転軸
３５ 円形スライダ
３６ レール
３７ 車輪
３８ ブラケット
４０ 吊具
４１ 架台
４２ ワイヤーロープ
Ｓ 吊荷の基準方向

Claims (8)

1. 線状部材により吊下支持される吊荷の姿勢を制御する装置であって、
   前記吊荷に取り付けられる基礎部材と、
   鉛直な線を軸中心として前記基礎部材に対して回転自在に前記基礎部材に設けられるフライホイールと、
   前記フライホイールの回転駆動源である電動機と、
   前記電動機の運転を制御する制御ユニットと、
   前記電動機及び前記制御ユニットに電力を供給する電源と、
   を含んで構成され、
   前記電動機、前記制御ユニット、及び前記電源が、前記フライホイールに搭載されることを特徴とする吊荷の姿勢制御装置。
2. 前記電動機は、その出力軸が、鉛直な線に沿って、前記フライホイールより延びており、
   前記吊荷の姿勢制御装置は、前記電動機の出力軸の回転力により、前記フライホイールを前記基礎部材に対して回転させる回転機構を更に含んで構成され、
   前記フライホイールの回転方向が前記電動機の出力軸の回転方向に一致することを特徴とする請求項１に記載の吊荷の姿勢制御装置。
3. 前記基礎部材又は前記吊荷に取り付けられて前記吊荷の基準方向の方位を測定する方位センサを更に含んで構成され、
   前記制御ユニットは、前記方位センサからの信号に基づいて、前記電動機の運転を制御することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の吊荷の姿勢制御装置。
4. 前記方位センサからの信号に基づいて、前記吊荷の基準方向の方位を表示する表示装置を更に含んで構成されることを特徴とする請求項３に記載の吊荷の姿勢制御装置。
5. 前記基礎部材又は前記吊荷に取り付けられて前記吊荷の基準方向の方位を測定する方位センサと、この方位センサからの信号に基づいて、前記吊荷の基準方向の方位を表示する表示装置と、を更に含んで構成されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の吊荷の姿勢制御装置。
6. 複数の前記電動機が、前記フライホイールの周方向に互いに間隔を空けて配置されることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の吊荷の姿勢制御装置。
7. 前記電動機は、その出力軸が正逆双方向に回転可能であることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載の吊荷の姿勢制御装置。
8. 前記吊荷は、前記線状部材によって吊下支持される吊具により吊下支持され、
   前記吊荷の姿勢制御装置は、前記吊荷に取り付けられる代わりに、前記吊具に取り付けられることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１つに記載の吊荷の姿勢制御装置。