JP6966935B2 - タワークレーンの自動運転システム - Google Patents

Description

本発明は、高層建造物を構築する際に使用されるタワークレーンを衛星測位によって自動的に運転するシステムに関するものである。

この種のクレーンを自動運転する装置として、公知になっている複数の技術がある。その中で第１の公知技術は、起伏及び旋回が可能なジブを有するクレーンの自動運転装置であって、作動中のクレーンのジブのジブ先端部の実際の位置を略常時検知して出力するジブ先端位置計測手段と、上記ジブの起伏移動用の起伏駆動手段、上記ジブの旋回移動用の旋回駆動手段及び上記ジブ先端部からワイヤーにより吊り下げられた吊り荷支持手段の巻き上げ及び巻き下げ移動用の巻上下駆動手段を制御して、上記吊り荷支持手段の任意の位置から任意の位置への移動を制御する自動運転制御手段とを具備してなり、上記自動運転制御手段は、予め決められた上記吊り荷支持手段の移動開始位置及び移動停止位置に基づくジブ先端部の移動経路と、上記ジブ先端位置計測手段から出力されるジブ先端部の現在位置とを比較し、上記ジブ先端部の移動経路から上記ジブ先端部の現在位置がずれていた場合に、上記ジブ先端部の位置が移動経路上に戻るように上記起伏移動手段及び上記旋回駆動手段を制御することを特徴とするクレーンの自動運転装置、である（特許文献１）。

上記クレーンの自動運転装置によれば、クレーンの自動運転に際し、ジブ先端部の位置が予め決められた吊り荷支持手段の移動開始位置及び移動停止位置に基づくジブ先端部の移動経路からずれた場合に、上記自動運転制御手段が、上記ジブ先端部の位置を移動経路上に戻すように上記起伏移動手段及び上記旋回駆動手段を制御するので、クレーンの自動運転を継続しても、吊り荷が障害物に近づいたり、荷降し位置がずれたりすることがなく、自動運転を停止して手動に切り替える必要がない、というものである。

また、第２の公知技術については、補正された文書によると、フックブロック、先端部において上記フックブロックを吊るジブ、当該ジブを起伏させる起伏装置、及び上記フックブロックを上げ下げするための巻回装置を具備するクレーンと、当該クレーンを支持するマストと、上記マストに対して上記クレーンを旋回させる旋回装置と、起伏可能及び旋回可能に上記クレーンに設けられるとともに、光を受けて光の往復する時間を測定することにより距離を測定するトータルステーションと、上記フックブロックに設けられ、かつ、上記トータルステーションで送信された光を上記トータルステーションに反射する反射手段と、上記マストに対する上記クレーンの旋回角を測定する旋回角計と、を備え、上記トータルステーションが上記反射手段を視準し、上記フックブロックを追尾して、当該トータルステーションの旋回角度及び起伏角度を測定するとともに、上記トータルステーションと上記フックブロックとの距離を測定することを特徴とするタワークレーン装置、である（特許文献２）。

このタワークレーン装置によれば、クレーンの操作時において、場外に検知装置を設けた場合のように、マストが邪魔にならずフックブロックの三次元位置を常に把握することができる。また、風によりフックブロックが揺動した場合でも、フックブロック、すなわち、吊り荷の三次元位置を常時把握することができる。したがって、タワークレーンを運転自動化することができ、オペレータ及び合図者の負担を軽減することができる、というものである。

特開平１０−２５８９８９号の公開公報 特開２００１−８０８８１号の公開公報

前記公知技術１，２の発明においては、ジブのジブ先端部の実際の位置と吊り荷支持手段の巻き上げ及び巻き下げ移動とをジブ先端位置計測手段で常時検出して、ジブ先端部の位置が予め決められた吊り荷支持手段の移動開始位置及び移動停止位置に基づくジブ先端部の移動経路からずれた場合に、タワークレーンの旋回体に設けた移動局と地上に設けられた固定局とで受信した位置データーに基づき位置計測演算処理部で座標値を算出して自動運転制御手段が、上記ジブ先端部の位置を移動経路上に戻すように上記起伏移動手段及び上記旋回駆動手段を制御するというものでありますから、吊り荷を吊り上げたジブの先端が移動する際に移動経路からの位置ずれを検出して移動経路に戻す操作が行われ、吊り上げ操作と移動操作が別々に行われるので、吊り上げの動作時間に移動の動作時間がプラスされて、作業性が悪くなるばかりでなく構築費がコスト高になるという課題を有している。

本発明は、前記課題を解決するために、簡単な構成及び操作で、設定された搬送軌道から外れることなく、且つ旋回体の旋回操作とジブの起伏と吊荷の巻き上げ及び巻き下げを含む操作及び作業を効率よく行えるタワークレーンの自動運転システムを提供することを目的とするものである。

本発明は前述の課題を解決する具体的手段として、タワーの上部に旋回体を設け、該旋回体上に所要長さのジブの基部を起伏自在に取り付けると共に、該起伏を行うワイヤーを具え、前記ジブの先端から垂下し巻き上げ及び巻き下げできるワイヤーの先端にフックブロックが取り付けられ、前記旋回体の回転とジブの起伏とワイヤーの巻き上げ及び巻き下げを制御できる制御装置を備えたタワークレーンの自動運転システムであって、前記タワーの頂部とジブ先端とフックブロックとに常時衛星測位できる受信機をそれぞれ設け、前記制御装置は、記憶装置や表示機能部や演算機能部及び操作パネルを有しており、前記制御装置に構築物の設計図の少なくとも平面図と立体図と、前記旋回体の回転角度による時間座標とジブの起伏角度による時間座標とを読み込ませて保存し、前記操作パネルに構築しようとする階層の平面図もしくは立体図もしくは両方を表示させ、荷取エリアで吊り上げた建築部材位置とどの位置に設置するかをタッチすることで、吊り上げた位置と設置する位置から演算した時間座標に基づき最短移送距離を算出して自動的に移送して設置することを特徴とするタワークレーンの自動運転システムを提供するものである。

前記発明において、前記最短距離の算出は、回転と起伏とを同時に行い、回転と起伏のいずれか長い方に合わせて短い時間の方を減速させて、同時に設置場所に着くように制御すること；及び前記建築部材を設置した位置については、立体図で着色して表示するようにしたこと、を付加的要件として含むものである。

本発明に係るタワークレーンの自動運転システムによれば、操作パネルに表示された荷取位置と設置位置とをタッチするだけで、最短の搬送ルートで設置場所まで速やかに搬送して設置できるので、作業効率が著しく向上すると共に、全てが自動であるため余剰の作業員の数も減らすことができるばかりでなく、クレーンオペレータの操作技能を画一化して簡易に操作できるようにすれば、コスト削減につながる等の種々の優れた効果を奏するのである。

本発明の実施の形態に係る自動運転システムが適用されたタワークレーンを略示的に示した説明図（イメージ図）である。 同タワークレーンの自動運転システムに係る概略構成を示すブロック図である。 同タワークレーンの自動運転システムに係る建造物の一つの階層の平面図と、荷取ヤードから設置位置までの時間座標を組み合わせて示したイメージ図である。 同タワークレーンの自動運転システムに係る建造物の全体の立体図と、巻き上げ巻き下げ及びジブの起伏時間を算出するための座標とを組み合わせて示したイメージ図である。 同タワークレーンの自動運転システムに係る回転体の回転による角度（速さ）を時間単位で示した一例の座標である。 同タワークレーンの自動運転システムに係る回転体のジブの起伏による角度（速さ）を時間単位で示した一例の座標である。 同タワークレーンの自動運転システムに係る日々変化する建造物の建築部材を設置した位置を明確にするために着色した状態を立体的に表示して記憶させ、それを表示できる状態を示したイメージ図である。 同タワークレーンの自動運転システムに係るシステムフローを示すチャート図である。 同タワークレーンの自動運転システムに係るシステムフローに基づく荷（建築部材）の動きを示した説明図である。 同タワークレーンの自動運転システムに係るシステムフローにおける搬送の荷の到達前の鉛直方向の位置ずれを直す例を示した説明図である。 同タワークレーンの自動運転システムにおいて、画面上で一つの部材のタップした位置と実際のタップ位置とがずれていても自動的に補正できることを示した説明図である。 同タワークレーンの自動運転システムにおいて、画面上で他の部材のタップした位置と実際のタップ位置とがずれていても自動的に補正できることを示した説明図である。

本発明を図示の実施の形態に基づいて詳しく説明する。
図１は、実施の形態に係る自動運転システムが適用されたタワークレーンを略示的に示した説明図（イメージ図）であって、タワー１の上部に旋回体２を設け、該旋回体２上に所要長さのジブ３の基部４を起伏（回動）自在に軸支し、該ジブ３の先端５との間に張設したワイヤー６により、一般的なタワークレーンと同様にウインチ（図示せず）を介して適宜に起伏できるようになっており、さらに、ウインチ（図示せず）により巻き上げ及び巻き下げできるワイヤー７をジブ先端５から垂下し、該ワイヤー７の先端にフックブロック８が取り付けられた構成である。

このような構成を有するタワークレーンにおいて、衛星測位であるＧＮＮＳ、すなわち受信機９をタワー１の頂部における旋回芯と、受信機１０をジブ先端５と、受信機１１をフックブロック８とにそれぞれ設け、それぞれの位置関係をリアルタイムで測位できるように構成したものである。

また、タワークレーン自動運転システムとしては、図２に示したように、旋回体２に自動運転のための制御装置１２が設けられ、各受信機９，１０，１１からの受信信号に基づいて、リアルタイムで各部位の位置関係が把握できるのであり、それによって吊り荷の位置や設置すべき方向位置などに即座に対応することができるのである。さらに、制御装置１２においては、運転制御のための記憶装置や表示部および演算機能部等の種々の機能が装備されると共に、風速計１５や操作用の表示部を兼ねたタッチパネル１６が設けられている。さらに、制御装置１２には、衛星測位にトラブルが起きた場合に備え、クレーンの方位角、ジブ角度、ワイヤー長から吊り荷の現在位置を演算し、タップした位置へ吊り荷を誘導（搬送）する機能も備えている。

そして、制御装置１２は、受け取った信号に基づいてどのようにクレーンを制御するかの演算した結果の信号を、同じ機能を有する適宜場所に設置した人為的に操作できる制御装置１７に送って、例えば、構築途上における構築物に対して設計上と構築途上とで予期せぬ事態が生じた時、または、演算結果の信号のやりとりして制御動作の修正及び機能の向上等を図り、好ましい状態でクレーンを制御することができる。また、タッチパネル１６は、通常はクレーンの運転席に設けられ、吊り上げられる荷（部材）を画面上に表示される設計図に基づいて、どの位置に設置するかの指示を制御装置１２に与えるものである。しかしながら、この場合は、荷取ヤードとの間で吊り上げられる荷（部材）の識別表示を運転席の運転者に無線等で連絡する作業員が必要であるため、好ましくは、運転者が荷役ヤードの近傍において吊り上げの際に識別表示を確認してタッチパネル１６を操作することもできる。

さらに、制御装置１２には、図３と図４に示したように、建造しようとする建造物１８の設計上の平面図や立体図が記憶されている。この場合に、平面図においては、タワークレーンの設置位置、すなわち、タワー１を中心にしてジブ先端５が届く３６０度の範囲において放射状の線分１９が等間隔（概ね２°間隔）で設けられると共に、ジブ３の傾斜角度（概ね２°）に対応させて多数本の円形線２０が設けられた時間軸の座標と一緒にして示したイメージ図が記憶される。立体図については、タワー１の設置位置を中心にしてジブ先端５が届く３６０度の範囲において、円柱状に囲むように範囲を定め、円柱状の外周面に建造物の階層毎に、例えば、１０階建てであれば、地表面を含めて１１本の細線２１を等間隔、つまり吊りワイヤー７の巻き上げ巻き下げ速度の時間座標を外周面に表すと共に、外側面に取り付けられる柱の位置に対応する位置に、中心から放射状の細線２２と縦方向の細線２３とを設けたイメージ図が記憶されている。なお、図３における符号２４は、トラックで荷（建築部材）を運び込む荷取ヤードである。

前記した設計図の平面図及び立体図は、建造物１８における構築前及び構築途上の階層毎に適宜表示することができるのであり、その表示画面を見て、吊り上げられる荷（部材）をどこに設置するかを決めて、画面上でその位置をタッチすることにより、制御装置１２が旋回体２及びジブ３を操作して自動的に目的位置まで運んで設置するのである。また、建造物１８が構築される敷地の周辺の状況、つまり、周囲に立木の存在や、既設の建物の存在等のチェックやドローン等による上空からの空撮写真なども含めて、前記図面と一緒に周辺状況も記憶させておくことは当然のことである。なお、図３と図４に示した座標は、演算機能部における演算に使用されるものであって、通常はタッチパネル１６に表示されないが、必要があれば、図示のように設計図と一緒に表示することもできるのである。

また、演算機能部について、図５と図６とを用いて、旋回体２の旋回時間とジブ３の起伏時間との一例について説明する。
まず、図５の旋回時間について、ジブ３の位置から目的位置２５まで、最高速度で１秒ごとに進む角度をグリッドとして線（座標の一部）を引くと、図示のとおり１４グリッド目以上１５グリッド以下となり、小数点以下を切り捨てて１４グリッド、すなわち目的位置まで１４秒必要であると計算されます。
次に、図６の起伏時間について、水平位置のジブ先端５が目的位置２５（太線の位置）まで、最高速度で１秒ごとに起立する半径をグリッドとして円形の線（座標の一部）を引くと、図示のとおり６グリッド目に達し、６秒必要であると計算されます。

そこで、本発明のタワークレーン自動運転システムの操作について説明する。例えば、図３及び図７に示したように、構築しようとする建造物１８の構築途上、前記したように１０階建てであれば、構築が終わった６階部分と１つ上の７階部分との平面図と、６階部分の上に構築される７階部分の立体図をタッチパネル１６に表示させ、操作者が荷取ヤード２４で吊り上げる位置と、建築部材（荷）の設置する第１の位置２６または第２の位置２７をタッチペン２８等でタッチするだけで、制御装置１２がジブ３の起伏（巻き上げも含む）と旋回体２の旋回とを同時に行うのであるが、起伏については、現在の作業半径から設置位置まで何ｍ移動させるのかを算出し、移動に必要な時間を算出する。旋回については、現在の位置から、設置位置まで角度的に何度移動するか算出し、移動に必要な時間を算出する。

そして、起伏と旋回との移動時間を比較して、時間の掛かる方を優先し、時間の短い方は、時間の掛かる方と同時に設置位置に到着するように速度を落とすように自動的に制御するのである。例えば、起伏時間が最高速度で３０秒で、旋回時間が最高速度で１５秒である場合に、実際の運転は、起伏時間３０秒に合わせて、旋回時間も３０秒（最高速度の１／２）に制御して運転するのである。その逆の場合、例えば、起伏時間が最高速度で１５秒で、旋回時間が最高速度で３０秒である場合も、実際の運転は、旋回に合わせて起伏時間３０秒（最高速度の１／２）に制御し、旋回時間は３０秒として運転するのである。
このように自動的に制御することにより、起伏又は旋回動作を止めたり再稼動させる手間が省けて、効率よく作業ができるのである。

このようにして設置された部所の建築部材（柱、梁又は壁材等）は、図７に示したように、設計上の平面図でもよいが好ましくは立体図面上で適宜の色で着色して、画面上で設置済みであることを表示できるようにし、まだ設置していない部所の設計上の柱及び梁は、例えば、白色のまま残して表示することができるのである。このようにリアルタイムで設置状況を表示できるようにすることにより、次にどの建築部材を搬送してどこに設置したらよいのかが画面上で一目して解るばかりでなく、この情報を日毎に保存して進捗管理に使用できると共に、後続の建築材料の誘導ではその設置した位置を自動的に避けることができるようになるのである。

次に、図８に示したシステムフロー図について説明する。Ａの工程は、建築現場においてタワークレーン１を設置した段階で衛星測位を常時行っているものである。Ｂの工程は、実際の運転操作において、制御装置１２に読み込まれ蓄積されている構築されるべき建造物１８の設計図と移送時間を演算する座標とを用いて、タワークレーン１のジブ先端５の位置と、建築部材（吊り荷）の設置位置とを座標上で読み込み、Ｃの工程で、両者の位置関係（距離）を算出して、Ｄの工程で、巻上・巻下か、ジブ３の起・伏か、回転体２の右旋回・左旋回かを判別すると同時に、それに要する時間も算出して移動速度を決定し、Ｅの工程において自動運転開始信号を出力し、該Ｅの工程からの信号に基づいて、Ｆの工程において、各駆動部が作動して、図９に示したように、建築部材（吊り荷）２９が各工程における〇で囲った番号の位置を通って搬送されてくる。

続いて、Ｈの工程で、建築部材２９が設置位置に到達する前に、吊り荷振れによる位置ずれを予測し、旋回体２の旋回速度及びジブ３の起伏動作を減速して位置ずれを直す。つまり、ジブ先端５とフックブロック８とに設けた受信機１０，１１が鉛直方向においてずれているかどうかを衛星測位で見て、図１０に示したように、設置位置手前で減速し設置位置上部でずれている方向に矢印ａで示したようにスーッと自動的に加速することにより、荷振れを直す（抑制機能）のである。このように吊り荷の状況によって定速・減速・加速する機能を有している。

荷振れが止められた位置において、Ｉの工程で、ジブ先端５の水平位置と設定位置の水平距離が設定値以内か否かの判定をする。その判定がイエス(yes)であれば、Ｊの工程で、巻き下げ信号を出力して、Ｋの工程で設置位置に荷を下ろして設置位置にセットし、巻き下げ信号を遮断し動作を終了し、その吊り上げた荷の完全終了信号を出力して、次の作業のために、元の位置（荷取ヤードの位置）もしくは次の荷取位置をタッチしてジブ３を戻すのである。もし、ノウ(no)であれば、Ｌの工程で、ずれた位置における設置位置との差を算出し、Ｍの工程で、起伏か旋回かを判別し、Ｍの工程で、ずれを修正すべく起伏及び/又は旋回信号を出力してジブ３又は旋回体２を駆動させ、Ｉの工程に戻してジブ先端５の水平位置と設定位置の水平距離が設定値以内か否かの判定し、イエス(yes)であれば、前記したようにＪの工程を経てＫの工程で設置位置に荷をセットして、元の位置にジブ３を自動的に戻すのである。

なお、図１１に示したように、建築部材２９が柱である場合に、実際のタップ位置１３（交点）がタッチパネル１６上で、仮に、図面上で仮想線で示す〇印の範囲１３ａ（７ｍｍ程度）内のずれた位置であったとしても、そのずれを実際のタップ位置１３に補正手段３０にて自動補正して誘導搬送する機能を有しているのである。また、建築部材２９が梁である場合も、図１２に示したように、実際のタップ位置１４（交点と交点との中間位置）がタッチパネル１６上で、仮に、図面上で仮想線で示す〇印の範囲１４ａ（７ｍｍ程度）ずれた位置であったとしても、そのずれを実際のタップ位置１４に補正手段３０にて自動補正して誘導搬送する機能を有しているのである。これらのずれの方向は、前後・左右。上下のいずれのずれも演算により自動的に補正できるのである。

いずれにしても、本発明のタワークレーン自動運転システムにおいては、構築しようとする建造物の主たる構造について設計した全体の構造の設計図（平面図と立体図）と、各階層毎の設計図（平面図と立体図）とを制御装置に読み込んで保存し、工事進捗に伴って日々建物形状か変化していく。このような状況下において、吊り荷（建築部材）を自動誘導する条件は、建物形状を常に把握し、建物エリア内を吊り荷の誘導ルートから省く操作が必要になってくる。そこで、建築部材を吊り上げて（タップして）自動誘導されて設置された位置について、図７に示したように、建物進捗結果として３Ｄ建物形状データ（立体的）に表示し、その建物進捗形状から吊り荷の大きさの１／２以上の間隔をもって、吊り荷自動誘導ルートとして自動的に設定される。
そして、タワー１の頂部に設けた受信機９と、ジブ先端５に設けた受信機１０と、フックブロック８に設けた受信機１１とによって、基本的にリアルタイムで３次元測位でタワークレーンを自動操作するのであり、吊り荷（建築部材）２９の位置測位については、受信機９と受信機１１とで行い、もし、マルチパスにより受信機１１が機能しないときは、ジブ先端５の受信機１０とタワー１の受信機９とで、吊り荷の大凡の位置を把握し、制御装置１２により巻き上げワイヤー７を巻き上げて測位位置まで持ち上げ、その位置から目的位置（設置位置）まで移送することができるのである。

本発明に係るタワークレーンの自動運転システムは、タワー１の上部に旋回体２を設け、該旋回体上に所要長さのジブ３の基部を起伏自在に取り付けると共に、起伏を行うワイヤー６を備え、前記ジブの先端５から垂下し巻き上げ及び巻き下げできるワイヤー７の先端にフックブロック８が取り付けられ、前記旋回体２の回転とジブ３の起伏とワイヤー７の巻き上げ及び巻き下げを制御できる制御装置１２を備えたタワークレーンの自動運転システムであって、前記タワー１の頂部とジブ先端５とフックブロック８とに常時衛星測位できる受信機９、１０，１１をそれぞれ設け、前記制御装置は、記憶装置や表示機能部や演算機能部及び操作タッチパネルを有しており、前記制御装置に構築物の設計図の少なくとも平面図と立体図と、前記旋回体の回転角度による時間座標とジブの起伏角度による時間座標とを読み込ませて保存し、前記操作パネルに構築しようとする階層の平面図と時間座標とを表示させ、荷取エリアで吊り上げた建築部材を図面上のどの位置に設置するかをタッチすることで、前記座標に基づき最短移送距離を算出して自動的に移送して設置する構成としたものであり、操作タッチパネルに表示された図面により、荷取ヤードで吊り上げた荷（建築部材）をどこに設置するかをタッチするだけで、最短の搬送ルートで設置場所まで速やかに搬送して設置できるので、作業効率が著しく向上すると共に、全てが自動であるため余剰の作業員の数も減らすことができるばかりでなく、クレーンオペレータの操作技能を画一化して簡易に操作できるようにすれば、コスト削減につながるので、建築業界において広い範囲で使用可能である。

１ タワー
２ 回転体
３ ジブ
４ 基部
５ ジブ先端
6、７ ワイヤー
８ フックブロック
９、１０、１１ 受信機
１２、１７ 制御装置
１３、１４ 実際のタップ位置
１３ａ、１４ａ ずれたタップ位置
１５ 風速計
１６ 操作用タッチパネル
１８ 建造物
１９、２０ 時間軸の座礁
２１、２２、２３ 細線
２４ 荷取ヤード
２５ 設置位置（目的位置）
２６ 第１の位置
２７ 第２の位置
２８ タッチペン
２９ 建築部材（吊り荷）
３０ 補正手段

Claims (3)

1. タワーの上部に旋回体を設け、該旋回体上に所要長さのジブの基部を起伏自在に取り付けると共に、該起伏を行うワイヤーを具え、前記ジブの先端から垂下し巻き上げ及び巻き下げできるワイヤーの先端にフックブロックが取り付けられ、前記旋回体の回転とジブの起伏とワイヤーの巻き上げ及び巻き下げを制御できる制御装置を備えたタワークレーンの自動運転システムであって、
   前記タワーの頂部とジブ先端とフックブロックとに常時衛星測位できる受信機をそれぞれ設け、
   前記制御装置は、記憶装置と表示機能部と演算機能部と操作パネルとを有しており、前記制御装置に構築物の設計図の少なくとも平面図と立体図と、前記旋回体の回転角度による時間座標とジブの起伏角度による時間座標とワイヤーの巻き上げ及び巻き下げによる時間座標とを読み込ませて保存し、
   前記操作パネルに構築しようとする階層の平面図もしくは立体図もしくは両方を表示させ、荷取エリアで吊り上げた建築部材位置とどの位置に設置するかをタッチすることで、吊り上げた位置と設置する位置から演算した時間座標に基づき最短移送距離を算出して自動的に移送して設置すること
   を特徴とするタワークレーンの自動運転システム。
2. 前記最短移送距離の算出は、回転と起伏とを同時に行い、回転と起伏のいずれか長い方に合わせて短い時間の方を減速させて、同時に設置場所に着くように制御すること
   を特徴とする請求項１に記載のタワークレーンの自動運転システム。
3. 前記建築部材を設置した位置については、立体図で着色して表示するようにしたこと
   を特徴とする請求項１又は２に記載のタワークレーンの自動運転システム。

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