JP6733321B2

JP6733321B2 - 吊荷方向制御装置

Info

Publication number: JP6733321B2
Application number: JP2016111134A
Authority: JP
Inventors: 徹三輪; 肖一椎名; 正剛岩下; 孝幸堂地; 孝義沼崎
Original assignee: Obayashi Corp
Current assignee: Obayashi Corp
Priority date: 2016-06-02
Filing date: 2016-06-02
Publication date: 2020-07-29
Anticipated expiration: 2036-06-02
Also published as: JP2017214213A

Description

本発明は、吊荷の姿勢や旋回方向を制御する吊荷方向制御装置に関する。

ジャイロ効果を用いて、吊荷の旋回及び停止を制御する吊荷方向制御装置が検討されている（例えば、特許文献１、２参照。）。特許文献１に記載の吊荷方向制御装置は、ほぼ垂直面内で回転するフライホイールと、フライホイールの支軸に直交する支持軸を有する枠状のジンバルと、このジンバルを支持軸回りに傾動させる駆動手段と、この駆動手段による傾動を制御することで、吊荷の旋回及び停止を制御する制御手段とを備えている。

特許文献２には、小型軽量でもトルクを増大させるために、フライホイールの風損低減を目的として、フライホイールの凹凸に沿った凹凸形状でジンバルを構成した吊荷方向制御装置が記載されている。

特開平９−３１５７６１号公報特開２０１４−１３１９４１号公報

吊荷方向制御装置においては、ジンバル用モータとジンバルとの間に減速ギアを配置することがある。この減速ギアによって、モータ出力の低速化、トルクの増大化により、ジンバルの傾動を制御している。しかしながら、減速ギアにより、ジャイロ効果を発揮できず、旋回を抑制できないことがある。例えば、姿勢の保持時に、風等により微速で旋回する回転力（外力）が作用すると、減速ギアの抵抗により、ジンバルの傾転反応が鈍化し、ジャイロ効果を発揮することができず、回転力を打ち消す慣性力を期待できない。

本発明は、上記課題に鑑みてなされ、その目的は、的確に旋回を停止させることができる吊荷方向制御装置を提供することにある。

・上記課題を解決する吊荷方向制御装置は、フライホイールと、前記フライホイールを傾動させるジンバルと、前記ジンバルを傾動させる駆動モータと、前記駆動モータと前記ジンバルとの間に配置される減速ギアとを備え、回転させた前記フライホイールを、前記ジンバルにより傾動させて生じるジャイロ効果を利用して、吊荷の旋回方向を制御する吊荷方向制御装置であって、前記減速ギアと前記ジンバルとの間に配置したクラッチと、前記吊荷の旋回の停止時に、前記クラッチを切断する制御部とを備える。これにより、クラッチによって減速ギアをジンバルと分離するので、姿勢保持時に、微速旋回する回転力が作用した場合においても、ジャイロ効果により、的確に旋回を停止して、姿勢（旋回位置）を維持することができる。

・上記吊荷方向制御装置において、前記クラッチは、歯が噛み合うことによりトルクを伝達することが好ましい。これにより、大きなトルクを確実にジンバルに伝達することができる。

・上記課題を解決する吊荷方向制御装置の制御方法は、フライホイールと、前記フライホイールを傾動させるジンバルと、前記ジンバルを傾動させる駆動モータと、前記駆動モータと前記ジンバルとの間に配置される減速ギアとを備えた吊荷方向制御装置を用いて、回転させた前記フライホイールを、前記ジンバルにより傾動させて生じるジャイロ効果を利用して、吊荷の旋回方向を制御する制御方法であって、前記減速ギアと前記ジンバルとの間には、クラッチが配置されており、前記吊荷の旋回の停止時に、前記クラッチを切断する。これにより、クラッチによって減速ギアをジンバルと分離するので、姿勢保持時に、微速旋回する回転力が作用した場合においても、ジャイロ効果により、的確に旋回を停止して、姿勢（旋回位置）を維持することができる。

本発明によれば、微速旋回する回転力が作用した場合にも、吊荷方向制御装置の姿勢（旋回位置）を維持することができる。

本実施形態における吊荷方向制御装置の使用状態の模式的な斜視図。本実施形態における吊荷方向制御装置の要部の一部断面図。本実施形態における吊荷方向制御装置の電気的構成を示すブロック図。本実施形態における吊荷方向制御装置の制御方法を説明する流れ図であって、（ａ）は旋回処理、（ｂ）は姿勢保持処理を示す。

以下、図１〜図４を用いて、吊荷方向制御装置及び制御方法の一実施形態を説明する。
図１に示すように、本実施形態の吊荷方向制御装置１０は、本体部１１を有している。この本体部１１は、クレーン（図示せず）からワイヤーで吊り下げられる。この本体部１１には、吊荷８０を吊り下げる吊冶具（天秤梁）７０がワイヤーを介して吊り下げられている。本体部１１は、吊冶具７０を介して、吊荷８０の旋回方向や旋回姿勢等を制御する。本体部１１は、内部に、フライホイール２０、フライホイール用モータ２５、ジンバル３０、ジンバル用モータ４５を備えている。

次に、図２及び図３を用いて、吊荷方向制御装置１０の本体部１１の構造を詳述する。
図２に示すように、吊荷方向制御装置１０の本体部１１は、フレーム１５からなるハウジングを備えている。吊荷方向制御装置１０のハウジング内には、フライホイール２０が配置されている。フライホイール２０は、外周部２１が内周部２２よりも厚肉の円盤により構成される。このため、フライホイール２０の両面は、内周部２２が外周部２１に対して凹んだ凹凸形状を有している。また、フライホイール２０の中心位置には、両面から突出した回転軸２３が設けられている。

ジンバル３０は、フライホイール２０の凹凸に応じた凹凸形状の円盤形状を有しており、内部空間にフライホイール２０を収納している。ジンバル３０の中心部には、フライホイール２０を挟むように一組の軸受２４が内蔵されている。この一組の軸受２４に回転軸２３が回転可能に支持されていることにより、フライホイール２０はジンバル３０によって回転可能に支持される。

また、ジンバル３０の回転面の中心部の一方には、フライホイール用モータ２５が取り付けられている。このフライホイール用モータ２５の出力軸は、フライホイール２０の回転軸２３と同軸上で、カップリング２６により結合されている。フライホイール用モータ２５は、回転軸２３を中心として、フライホイール２０を回転させる。

更に、ジンバル３０回転面の中心部の他方（フライホイール用モータ２５の取付面の反対側）には、カウンタウエイト２８が取り付けられている。このカウンタウエイト２８により、ジンバル３０の両側で、フライホイール用モータ２５との重量バランスが調整されている。

ジンバル３０の外周面には、中心軸に対して直交する水平方向の軸方向の両側に、支軸３１，３２がそれぞれ設けられている。各支軸３１，３２は、フレーム１５に取り付けられた軸受３３，３４によって回転可能に支持されている。

フレーム１５には、クラッチ３６が収納されたクラッチハウジング３７が固定されている。ここで、クラッチ３６として、歯の噛み合いによって動力を伝達するツース電磁クラッチを用いる。本実施形態では、シンフォニアテクノロジー社製のコイル回転形クラッチ「形名：ＴＲ−５６０」を用いる。このクラッチ３６は、アーマチェア部３６ａとロータ部３６ｂとを有し、アーマチェア部３６ａとロータ部３６ｂとは分離可能に結合されている。これらアーマチェア部３６ａ及びロータ部３６ｂの対向する面には、相互に噛み合う歯が形成されている。アーマチェア部３６ａの中央には、支軸３１を嵌合したカップリング３５が嵌合されており、ロータ部３６ｂの中央には、連結軸４０が嵌合されている。従って、クラッチ３６においては、支軸３１と連結軸４０が同軸上で、カップリング３５により結合されている。

また、クラッチハウジング３７には、ギアボックス４１が取り付けられている。このギアボックス４１には、駆動モータとしてのジンバル用モータ４５が取り付けられている。更に、ギアボックス４１には、連結軸４０と、ジンバル用モータ４５の出力軸とが挿入されている。

このギアボックス４１には、減速ギアが内蔵されている。例えば、ギア比が１：４８０や１：２００のギア比の減速ギアを用いる。減速ギアは、ジンバル用モータ４５の出力軸と連結軸４０とを連結し、ジンバル用モータ４５の出力軸の回転数を減速させかつトルクを増大させて、連結軸４０に伝達する。従って、ジンバル用モータ４５の出力が、ギアボックス４１内の減速ギアにより連結軸４０に伝達され、この連結軸４０からクラッチ３６を介して、支軸３１に伝達される。そして、この支軸３１の回転によって、ジンバル３０及びその中のフライホイール２０が傾動する。

図３に示すように、ジンバル用モータ４５には、ブレーキ機構４６が設けられている。このブレーキ機構４６は、電磁石を用いた電磁ブレーキにより構成される。ブレーキ機構４６が作動した状態では、ジンバル用モータ４５は作動せず、ジンバル３０は不動となる。また、ブレーキ機構４６が解除された状態になると、ジンバル３０は慣性力で傾転する。

次に、図３を用いて、上述した吊荷方向制御装置１０の制御について説明する。
吊荷方向制御装置１０の本体部１１は、制御装置５０を備えている。制御装置５０は、無線通信により、後述する遠隔制御部６０に接続される。

制御装置５０は、制御部５１と、通信部５２とを備えている。制御部５１は、フライホイール用モータ２５、クラッチ３６、ジンバル用モータ４５、ブレーキ機構４６を制御する。通信部６２は、遠隔制御部６０と無線で通信を行なう。

遠隔制御部６０は、操作者の指示を取得する入力部６１と、通信部６２とを備えている。
入力部６１は、本体部１１の電源の投入又は切断、吊荷の姿勢保持、旋回開始及び旋回方向等の指示が入力される。通信部６２は、本体部１１と無線で通信を行なう。本実施形態では、入力された指示を本体部に送信する。

次に、図４を用いて上述した吊荷方向制御装置１０の制御方法について説明する。
吊荷方向制御装置１０を操作する場合、操作者は、遠隔制御部６０の入力部６１に、電源投入指示を入力する。これにより、遠隔制御部６０の通信部６２は、電源投入指示を吊荷方向制御装置１０の本体部１１に送信する。本体部１１の制御装置５０は、通信部５２を介して、遠隔制御部６０から電源投入指示を取得した場合、フライホイール用モータ２５を駆動して、フライホイール２０を高速で回転させる。

次に、図４（ａ）を用いて、旋回処理について説明する。
まず、本体部１１の制御装置５０は、通信部５２を介して、旋回指示を取得する（ステップＳ１−１）。具体的には、操作者が、遠隔制御部６０の入力部６１に、「右旋回」又は「左旋回」の旋回指示を入力すると、遠隔制御部６０は、通信部６２を介して、本体部１１に、その指示を送信する。

次に、本体部１１の制御装置５０の制御部５１は、クラッチを接続する（ステップＳ１−２）。これにより、連結軸４０とジンバル３０の支軸３１とを連結させる。
次に、本体部１１の制御装置５０の制御部５１は、ジンバル用モータを駆動する（ステップＳ１−３）。この場合、制御部５１は、ブレーキ機構４６を解放した状態にする。従って、ジンバル用モータ４５の動力が、減速ギア４２及びクラッチ３６を介して、ジンバル３０の支軸３１に伝達されて、ジンバル３０が傾動する。これにより、高速回転するフライホイール２０の回転軸２３と、直交するジンバル３０の支軸３１とに直交するモーメント軸の周りにジャイロモーメントが発生する。制御装置５０の制御部５１は、この発生したジャイロモーメントを受けて鉛直軸の周りに回転する。この場合、旋回方向（「右」又は「左」）に応じて、ジンバル３０の傾動方向を変更する。その結果、吊荷方向制御装置１０の本体部１１は、ジンバル３０の傾動方向に応じて強制的に鉛直軸の周りに旋回し、これに従って、図１に示す吊冶具７０及び吊荷８０が旋回する。
なお、旋回の指示信号が停止された場合には、制御装置５０の制御部５１は、ブレーキ機構４６を作動させて、旋回を停止する。

次に、図４（ｂ）を用いて、姿勢保持処理について説明する。
姿勢を保持させる場合、本体部１１の制御装置５０は、通信部５２を介して、姿勢保持指示を取得する（ステップＳ２−１）。具体的には、操作者は、遠隔制御部６０の入力部６１に、姿勢保持指示を入力する。遠隔制御部６０は、通信部６２を介して、本体部１１に、入力された姿勢保持指示を送信する。そして、制御装置５０は、通信部５２を介して、姿勢保持指示を取得する。

次に、本体部１１の制御装置５０の制御部５１は、クラッチを切断する（ステップＳ２−２）。この場合、ギアボックス４１に連結された連結軸４０と、ジンバル３０の支軸３１とは切り離される。これにより、ジンバル３０と低速ギアとの間のトルク伝達を遮断し、ジンバル３０を自由回転させる。

そして、吊荷方向制御装置１０は、ジャイロ効果による姿勢保持処理を実行する（ステップＳ２−３）。具体的には、吊荷方向制御装置１０の本体部１１に、風等の外力による回転力が加わった場合には、高速回転するフライホイール２０の慣性力により、加わった回転力を打ち消す方向に力が加わる。このため、吊荷方向制御装置１０の本体部１１は、旋回を抑制し、その姿勢（位置）を維持する。

本実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）本実施形態では、吊荷方向制御装置１０の本体部１１の減速ギア４２とジンバル３０との間にクラッチ３６を設ける。本体部１１の制御部５１は、姿勢保持指示を取得した場合（ステップＳ２−１）、クラッチの切断処理を実行する（ステップＳ２−２）。これにより、姿勢保持の場合には、クラッチ３６によって、減速ギア４２をジンバル３０とは分離することができるので、吊荷方向制御装置１０に、ゆっくりと旋回する小さい回転力が作用した場合であっても、ジャイロ効果が期待でき、吊荷方向制御装置１０、吊冶具７０及び吊荷８０の姿勢（旋回位置）を維持することができる。

（２）本実施形態では、クラッチ３６として、歯の噛み合いによって動力を伝達するツース電磁クラッチを用いる。このため、接続時には減速ギア４２からジンバル３０にトルクを効率的に伝達するとともに、切断時に確実な切り離しを行なうことができる。

また、上記実施形態は、以下のように変更してもよい。
・上記実施形態では、吊荷方向制御装置１０の制御部５１は、遠隔制御部６０の入力部６１に入力された姿勢保持指示を取得した場合、クラッチ３６を切断した。クラッチ３６を切断する時期は、姿勢保持指示を取得した場合に限られない。例えば、吊荷方向制御装置１０の旋回を検出して、クラッチの切断又は接続を制御するようにしてもよい。この場合には、吊荷方向制御装置１０に、旋回方向の角速度を検出する旋回検出センサ（角速度センサ又はＧＰＳセンサ等）を設ける。そして、旋回検出センサの出力から旋回を検知した場合に、クラッチの切断又は接続を行なう。更に、制御部５１は、姿勢保持指示を取得した後に、旋回検出センサが、所定の基準角速度以下の旋回を検出した場合には、クラッチを切断する。これにより、ゆっくりとした旋回の発生を検知した場合にクラッチを切断することができる。

・上記実施形態では、クラッチ３６として、歯の噛み合いによって動力を伝達するツース電磁クラッチを用いた。トルクの確実な伝達や遮断が可能なクラッチであれば、他の機械要素を用いることも可能である。

次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について、それらの効果とともに以下に追記する。
（ａ）前記吊荷の基準回転速度以下の旋回を検出した場合に、前記吊荷の旋回の停止時と判定することを特徴とする請求項３に記載の吊荷方向制御装置の制御方法。

従って、この（ａ）に記載の発明によれば、微速旋回が発生した場合においても、クラッチにおいて動力伝達を切断するので、的確に旋回を停止することができる。

１０…吊荷方向制御装置、１１…本体部、１５…フレーム、２０…フライホイール、２１…外周部、２２…内周部、２３…回転軸、２４…軸受、２５…フライホイール用モータ、２６，３５…カップリング、２８…カウンタウエイト、３０…ジンバル、３１，３２…支軸、３３，３４…軸受、３６…クラッチ、３７…クラッチハウジング、４０…連結軸、４１…ギアボックス、４２…減速ギア、４５…ジンバル用モータ、４６…ブレーキ機構、５０…制御装置、５１…制御部、５２…通信部、６０…遠隔制御部、６１…入力部、６２…通信部、７０…吊冶具、８０…吊荷。

Claims

フライホイールと、前記フライホイールを傾動させるジンバルと、前記ジンバルを傾動させる駆動モータと、前記駆動モータと前記ジンバルとの間に配置される減速ギアとを備え、
回転させた前記フライホイールを、前記ジンバルにより傾動させて生じるジャイロ効果を利用して、吊荷の旋回方向を制御する吊荷方向制御装置であって、
前記減速ギアと前記ジンバルとの間に配置したクラッチと、
前記吊荷の旋回の停止時に、前記クラッチを切断する制御部とを備え、
前記ジンバルの支軸を支持するフレームにおいて、前記ジンバルとは反対側に、前記クラッチを収容するクラッチハウジングを固定し、
前記クラッチハウジングを介して、前記減速ギアを内蔵したギアボックスを前記フレームに取り付け、
前記クラッチハウジングにおいては、前記支軸と前記クラッチの連結軸とを同軸上で結合したことを特徴とする吊荷方向制御装置。
前記クラッチは、歯が噛み合うことによりトルクを伝達することを特徴とする請求項１に記載の吊荷方向制御装置。