JP6458558B2

JP6458558B2 - 走行式荷役機械の操作制御装置及び走行式荷役機械

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Publication number: JP6458558B2
Application number: JP2015042931A
Authority: JP
Inventors: 村野　健一; 健一村野
Original assignee: JFE Engineering Corp
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 2015-03-04
Filing date: 2015-03-04
Publication date: 2019-01-30
Anticipated expiration: 2035-03-04
Also published as: JP2016160081A

Description

本発明は、走行式荷役機械（クレーン）の操作制御装置及び、これを備えた走行式荷役機械に関する。なお、本発明におけるクレーンとは、橋型クレーン等の大型クレーンを含むが、これに限定されない。

例えば、図１及び図２に示すように、一般に大型のコンテナクレーン２０やアンローダ等では、その脚部２６が門形に構成されたクレーン本体２２が、その下端の四隅部に設けられた走行装置２４により、岸壁（例えばエプロン）１０と平行に敷設されたレール１２に沿って走行できるようになっている。図において、８は水面、３０はブーム、３２はガータ、３４はトロリ、３６は、トロリ３４等の各種機器を動作させる機械室、３８は、荷５０の巻上・下制御、トロリ３４の横行制御、クレーン本体２２の走行制御等を行うための電気室、４２は、トロリ３４の近傍に配設された運転室である。

このような脚部２６が門形のクレーン本体２２を有する走行式クレーンでは、走行して荷５０を吊る荷役作業のため、走行方向（レール１２の方向）に例えば位置を決める必要がある。この際、位置を決めるために走行電動機などの制御機械で加速、減速などの駆動力、制動力を使用してクレーン本体２２の位置を決める。これは、トロリ３４によるブーム３０上の走行（横行と称する）の位置でも同様であるが、その際に、トロリ３４やクレーン本体２２の質量の移動、加減速によりクレーン本体２２が振動する。

従来、この振動に対しては、クレーン本体２２の減衰により、振動が収まるのを待つことや、慣性力を逆方向に作動させて振動を能動的に止める操作をすることや、制振装置を装備して振動を止めることなどが成されている。

例えば、特許文献１ではクレーン本体２２のブーム３０の振れ回り振動を制御するために、ブーム軸方向と直角に動作する走行装置２４を制御することで振れ回り振動を制振することを提案している。

一方、一般に上記例のクレーンではトロリ３４に運転室４２が装備されており、運転室４２に搭乗して上記操作をする。ところが、近年のクレーン本体２２の大型化により、荷役速度も高速化し、振動やトロリ３４自体の高速運転の要因によって、運転者の負担が増加している。そこで、特許文献２にあるような遠隔操作システムの提案がなされている。

特開２００４−０５９１５９号公報特開２００３−２１２４７５号公報特開２０００−１５９４７５号公報

近年のコンテナクレーンに代表される港湾荷役機械では、コンテナ船の大型化に伴い、コンテナクレーンが大型化し、その固有振動数が低くなり、ブーム３０の振れ回り振動も長くなるため、振動が収まるまでの時間が長く、一度振動した場合、クレーン本体２２の位置を決める時間が長くなることや、トロリ３４上の運転者がブーム３０先端付近で荷役する場合にも、その振動により作業性が悪化するなどの問題点がある。

このようなクレーンに対して、特許文献２のように遠隔操作する場合は、クレーンの振動や高速運転からの加速度による運転者の疲労は軽減されると考えられるが、逆に、運転者自身が感じている振動によって荷の振れや、クレーンの振動を抑える操作が、遠隔操作では難しくなるという問題点が生じる。

そこで、特許文献３に示されるシミュレータでは、操作の臨場感や訓練のために、逆に模擬振動を発生させている程である。

本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、荷役機械の操作に悪影響がある振動を、運転者の操作から発生させないようにすることを課題とする。

本発明は、荷役機械の物理モデルを用いて、運転者の操作入力により発生する荷役機械本体の振動及び吊荷の振れを数値計算で予測する予測計算手段と、該予測計算手段で予測された荷役機械本体の振動及び吊荷の振れを抑制するため、外力ベクトル値をＦ、前記予測計算手段で予測された荷役機械本体及び吊荷の固有振動モードの状態推定値をｑ ^* としたとき、操作制御装置に入力される操作入力値ｆが、ｆ＝Ｆｑ ^* のカーブ形状に倣うように角部のみ運転者の操作入力を補正して、荷役機械への実際の操作入力とする操作入力補正手段と、を備えることにより、前記課題を解決したものである。

ここで、前記運転者の操作入力を、地上からの遠隔操作により入力することができる。

又、前記運転者の操作入力を、荷役機械上の運転室から入力することができる。

又、前記操作入力補正手段が、予め計算した荷役機械の走行方向及び横行方向の固有振動数によって、操作信号のそれぞれの走行操作、横行操作入力信号から、それぞれの固有振動数のノッチフィルタを通した制御信号を発生するようにすることができる。

又、前記予測計算手段で予測された振動が所定の制限レベルを超えた発生箇所の画面を優先して表示することができる。

本発明は、又、前記の操作制御装置を装備したことを特徴とする走行式荷役機械を提供するものである。

本発明によれば、荷役機械の操作に悪影響がある振動を、運転者の操作から発生させないようにすることができる。

従来のコンテナクレーンの全体構成を示す斜視図同じく正面図本発明の第１実施形態の全体構成を示す正面図第１実施形態の遠隔操作室を示す構成図同じく本発明に係る要部を示す構成図同じく補正装置の構成を示すブロック図同じくΓ関数の例を示す図本発明の第２実施形態の全体構成を示す正面図クレーンの運動特性の例を示す図本発明の第３実施形態で用いられているノッチフィルタの構成を示すブロック図同じくノッチフィルタの動作特性を示す図本発明の第３実施形態における制御の様子を示す図同じく第４実施形態における制御の様子を示す図

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態及び実施例に記載した内容により限定されるものではない。又、以下に記載した実施形態及び実施例における構成要件には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。更に、以下に記載した実施形態及び実施例で開示した構成要素は適宜組み合わせてもよいし、適宜選択して用いてもよい。

本発明の第１実施形態が適用されるコンテナクレーン２０は、図１、図２と同様のコンテナクレーン２０において、図３に示す如く、運転室４２を省略し、クレーン本体２２の各所にカメラ６０及びセンサ（例えば加速度センサ）６２が設けられると共に、電気室３８と地上に設けた遠隔操作室７０間を、例えば有線又は無線で接続し、遠隔操作室７０から信号伝達によって制御できるようにされている。

前記遠隔操作室７０には、図４に示す如く、前記電気室３８との通信装置７２と、クレーンの操作に関わる操作スイッチ７６や操作レバー７８が配設された操作卓７４と、前記カメラ６０で撮像されたクレーンの荷５０や周囲の状況を的確に映し出すモニタ８０と、制御装置８２とが備えられている。

前記制御装置８２には、図５に示す如く本発明に係る補正装置８４が備えられている。該補正装置８４は、図６に示す如く、補正値演算回路８６で、操作卓７４からの操作入力と通信装置７２を介して入力されるクレーンの状態データによってクレーンの振動モデルを計算し、振動を予測して、操作卓７４からの操作入力を補正する。これに対して従来は、運転者が操作した信号そのものをクレーン制御装置４０の指令としていたため、振動を誘発するような指令値の場合、クレーン自体の振れを励起してしまう事があった。

クレーンの振動モデルは、例えば微分方程式を近似的に解くための数値解析の方法である有限要素法（ＦＥＭ）等で解析してモデル化することによって、一般的に次の（１）〜（４）式で表現できる。この時、操作入力を図６に示したように制御側にフィードバックして、補正する。

例えばブーム３０が振動するモードがｑ＝[ｑ₁・・・ｑ_n]の中のｑ₁である場合、Φ^-1ｆでのｑ₁に対する入力を出来るだけ軽減すれば良い。

（４）式は、

ｆ＝−Ｆｑ,Ｆ＝Ｒ^-1Ｂ^TＰ …（６）
ここで、Ｐはリカッティ形方程式（７）式を満たす解である。
ＰＡ＋Ａ^TＰ−ＰＢＲ^-1Ｂ^TＰ＋Ｑ＝０ …（７）
ここで、Ｆは外力ベクトル、Ｑ、Ｒは重み行列である。

この時、評価関数の重みＱで、軽減したいモードの重みを大きくする。

他にはＨ無限大制御、スライディングモード制御等の制御則を適用しても設計が可能である。

ｆ＝−Ｆｑのｑはクレーンの状態であるので、これはセンサ６２を利用してｑをカルマンフィルタ等で推定することができる。

運転者の入力をｕとすると、ｆ＝−Ｆｑが制御的に望ましい入力となるので、
ｆ’＝Γ（−Ｆｑ^*−Ｓｕ）（ｑ^*は推定値）の演算によりｕを補正し、ｆ’をクレーン制御入力とする。

関数Γは例えば

次に、図８を参照して本発明の第２実施形態を説明する。

本実施形態では、図２のコンテナクレーンと同様にトロリ３４に運転室４２が設けられ、該運転室４２の中に、本発明に係る補正装置８４を備えた制御装置８２が設けられている点が第１実施形態と異なる。これにより、カメラ６０の一部又は全部を省略できる。

他の点については第１実施形態と同様であるので、説明を省略する。

本実施形態によれば、操作性が改善される。

次に本発明の第３実施形態を説明する。

第１、第２実施形態で示した補正を、周波数領域で示した前出（２）式で考えると、操作入力をそれぞれの振動モードを励起しない周波数とすることで、振動励起を回避できる。

即ち、第１、第２実施形態に示したｑの各モードの内、走行入力によるブーム３０の振動モードと横行入力における横行方向の振動モードを、それぞれｑ₁、ｑ₂であるとすると、図９に例示するようにｑ₁とｑ₂の周波数において応答が大きくなる。よって、それぞれの振動モードを励起しないように、図１０に示す如く、単純に操作信号が励起＝共振してしまう周波数成分ｑ₁、ｑ₂を除去するノッチフィルタ（阻止帯域が狭くＱ値が高いバンドパスフィルタ）９０、９２を入れることで、操作信号を補正し、振動を抑えることができる。

図１１（Ａ）、（Ｂ）に各ノッチフィルタ９０、９２の周波数特性を示す。

あるいは常時運転者の操作を制御することは、操作性を低下させることにもなるので、図１２に例示する如く、Ｆｑ^*のカーブ形になるように、角部のみ補正することで、運転者に違和感を与えないようにすることも考えられる。

次に本発明の第４実施形態を説明する。

本実施形態は、図１３に例示する如く、例えばブーム振動ｑ₁ ^*が制限レベルＳを超えた場合に、モニタ８０に振動アラームとブーム３０を写すカメラを優先的に表示して、運転者の注意を促すようにしたものである。なお、吊荷、走行路など、安全にかかわる画面は変えないようにすることが望ましい。

このように、振動するブームや吊荷の画面を、クレーンの振動モデルで予測された場合に優先的に表示することで、運転者の操作性向上を図ることができる。

なお、本発明は、港湾用コンテナクレーンに適用されていたが、本発明の適用対象はこれに限定されず、アンローダを含む走行式荷役機械一般に同様に適用できる。

２０…コンテナクレーン
２２…クレーン本体
２４…走行装置
２６…脚部
３０…ブーム
３２…ガータ
３４…トロリ
３６…機械室
３８…電気室
４０…クレーン制御装置
４２…運転室
６０…カメラ
６２…センサ
７０…遠隔操作室
７２…通信装置
７４…操作卓
７６…操作スイッチ
７８…操作レバー
８０…モニタ
８２…制御装置
８４…補正装置
８６…補正値演算回路
９０、９２…ノッチフィルタ

Claims

荷役機械の物理モデルを用いて、運転者の操作入力により発生する荷役機械本体の振動及び吊荷の振れを数値計算で予測する予測計算手段と、
該予測計算手段で予測された荷役機械本体の振動及び吊荷の振れを抑制するため、外力ベクトル値をＦ、前記予測計算手段で予測された荷役機械本体及び吊荷の固有振動モードの状態推定値をｑ ^* としたとき、操作制御装置に入力される操作入力値ｆが、ｆ＝Ｆｑ ^* のカーブ形状に倣うように角部のみ運転者の操作入力を補正して、荷役機械への実際の操作入力とする操作入力補正手段と、
を備えたことを特徴とする走行式荷役機械の操作制御装置。
前記運転者の操作入力が、地上からの遠隔操作により入力されるものであることを特徴とする請求項１に記載の走行式荷役機械の操作制御装置。
前記運転者の操作入力が、荷役機械上の運転室から入力されるものであることを特徴とする請求項１に記載の走行式荷役機械の操作制御装置。
前記操作入力補正手段が、予め計算した荷役機械の走行方向及び横行方向の固有振動数によって、操作信号のそれぞれの走行操作、横行操作入力信号から、それぞれの固有振動数のノッチフィルタを通した制御信号を発生するようにされていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の走行式荷役機械の操作制御装置。
前記予測計算手段で予測された振動が所定の制限レベルを超えた発生箇所の画面を優先して表示するようにされていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の走行式荷役機械の操作制御装置。
請求項１乃至５のいずれかに記載の操作制御装置を装備したことを特徴とする走行式荷役機械。