JP7297645B2 - クレーンおよびクレーン制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、吊荷を吊下げて搬送するクレーンの動作を制御する技術に関する。具体的には、クレーン、クレーン制御装置、クレーン制御方法およびクレーンを制御するためのプログラムに関する。

近年、クレーンの熟練作業者の高齢化や、クレーン設置台数の増加による人手不足に伴い、経験の浅い非熟練作業者がクレーンを運転（操作）する場合が増加している。非熟練作業者によるクレーン操作においては、障害物の位置や高さの見誤りや、周辺障害物の見落し、吊荷の荷振れなどのクレーンの挙動予測の未熟さ、クレーン操作に不慣れなための誤操作などが生じるリスクがある。このため、非熟練作業者によるクレーン操作では、熟練作業者のクレーン操作に比べ、吊荷と障害物の衝突や挟まれ等の事故発生が高くなりがちである。

事故を防ぐ対策の一つとして、特許文献１に開示の技術がある。特許文献１には、荷振れを抑制しつつ、クレーンを停止する制御方法として、クレーンを停止動作開始時に、一度ノッチの投入あるいは機械的制動を行った後、その振れ周期の１／２後のタイミングで１回又は複数回の逆ノッチの投入又は機械的制動を行うか、その振れ周期の１／４後のタイミングで１回又は複数回の逆ノッチ投入又は機械的制動を行うことが開示されている。

特開平８－３２４９６０号公報

特許文献１に開示の方法ではノッチもしくは機械的制動による減速後に１回以上のノッチ（三角波速度パターン）を入れて荷振れを抑制しているが、１回の操作で確実に停止させるものではなく、結果、制動距離の低減を期待できるものではない。これに対して、クレーンを速やかに安全に停止させること、すなわち、停止など即変化が発生する場合の荷振れを抑制しつつ、制動距離が短いことが望ましい。

ここで、クレーン速度を変化させると、目標速度に達するまでの時間ないし速度変化が一定範囲内までの時間や移動距離と、荷振れの大きさがトレードオフの関係となる。つまり、クレーン速度の変化の割合を大きくすると、上記の時間ないし移動距離は短くなるが、荷振れが大きくなってしまう。特に、急峻に速度を変化させるとこの問題がより顕著になる。例えば、速度変化の一例としてクレーンを停止させると、停止するまでにトロリが移動する制動距離は短いものの、大きな荷振れが発生する。荷振れを低減させるには速度変化時間（例えば、減速時間）を長くしたり、荷振れを抑制するための制御を加えればよいが、この場合、荷振れを抑制できるものの、制動距離が長くなるという問題がある。

本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、荷振れを抑制しながらも制御による距離や時間を短くすることが可能な、より安全性の高いクレーンの動作を制御する技術を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明では、クレーンの制御開始の際における荷振れと、クレーン制御による第１の速度パターンにより生じる荷振れを重ね合わせた「重複荷振れ」（制御とは、目標速度ないし速度変化が一定範囲内となる制御）を打消す第２の速度パターンを生成し、この加減速パターンを用いてクレーンの動作を制御する。その一例を挙げると、ロープにより吊下げられる吊荷を水平方向に移動させる水平移動装置と、該水平移動装置を制御するための速度指令を生成する速度指令生成部と、前記速度指令に従い前記水平移動装置の速度を制御するクレーン制御部とを有するクレーンであって、前記速度指令生成部は、前記速度指令として、前記水平移動の速度変更開始の際における速度から所定の速度に変更する第１の速度パターンを生成し、前記速度変更開始の際の第１の荷振れと前記第１の速度パターンによる駆動で生じる第２の荷振れとを重ね合わせて生成される第３の荷振れを打消すような加減速を行う第２の速度パターンを生成し、前記クレーン制御部は、前記速度変更開始の際から前記第１の速度パターンにより前記水平移動装置を制御し、前記第３の荷振れの荷振れ量が最大となる時刻と前記第２の速度パターンの中心時刻を一致させるように前記水平移動装置を制御することで、生成された前記第１の速度パターンと前記第２の速度パターンにより前記水平移動装置を制御するクレーンである。

また、本発明には、上記クレーンでの制御方法、本制御方法を実行し、クレーンを制御するためのプログラムも含まれる。

なお、ここで、上記の「ロープ」という用語は、ロープだけでなく、チェーン、紐、縄、ベルト、ケーブル等、荷物の吊下げに用いることができる道具全般を表すものとして定義する。

本発明によれば、速度変化による荷振れをより少ないか数の加減速で打消すないし減少することができるので、荷振れを抑制しつつ目標速度までの距離を低減することが可能となり、クレーンの安全性を高めることができる。

本発明の対象とするクレーンの一例における機構を示す図である。 本発明における実施例１のクレーンの構成を示す図である。 実施例１で生成される速度パターンを示す図である。 実施例１のクレーンの速度指令生成部の処理フローを示す図である。 実施例１の動作例を説明する図である。 本発明における実施例２のクレーンの構成を示す図である。 本発明における実施例３のクレーンの構成を示す図である。

以下、本発明におけるクレーンのいくつかの実施例を、図面を用いて説明する。

ここで、本発明は、吊荷を水平方向に移動可能なクレーン全般に有効である。すなわち、トロリにより吊荷を横行および走行させるクレーン（例えば、天井クレーン）はもちろん、横行又は走行のみを行うクレーン（例えば、アンローダ）やいわゆるクレーン車においても適用できる技術である。つまり、本明細書において、「クレーン」という用語は、吊荷を水平方向に移動可能なすべての種類のクレーンを含む。なお、水平とは、クレーン車のアームなどによる曲線移動も含む。つまり、移動により吊荷に対して荷振を発生しうる移動を含む。

また、クレーンで搬送する荷物（吊荷）は、ロープやチェーン等により吊下げられて搬送されるが、本発明においては荷物の吊下げに用いることができる道具であればなんでも良く、材質や形状等にも無関係である。そのため、上述したように、本明細書において「ロープ」という用語は、荷物の吊下げに用いる道具を総称する用語として記載している。すなわち、「ロープ」には、いわゆるロープだけでなく、チェーン、ベルト、ワイヤー、ケーブル、紐、縄、等が含まれる。

＜実施例１＞
図１から図５を用いて、本発明における実施例１のクレーンを説明する。なお、各図において、同一機器（装置）には同一符号を付し、後の図の説明では既出の機器の説明は省略する場合がある。

図１は、天井クレーンの機構の概略を示す図である。なお、本発明が天井クレーンに限定されないことは上述したとおりである。

図１において、クレーン１は、建屋（図示せず）の両側の壁に沿って設けられたランウェイ２と、このランウェイ２の上面を移動するガーダ３と、ガーダ３の下面に沿って移動するトロリ４から構成される。トロリ４の下部には図示しない巻上機（ホイスト）が設けられており、これを用いてロープ５を巻上げ、または、巻下げることにより、ロープ５の先端のフック６を昇降させる。このフック６に直接ないしはワイヤー７を介して吊荷８を吊下げており、フック６の昇降に伴い、吊荷８が昇降する。すなわち、クレーン１は、ガーダ３の水平方向の移動（以下、単に「走行」と称する）とトロリ４の水平方向の移動（以下、単に「横行」と称する）により吊荷８を水平方向に移動させ、巻上機により吊荷８を垂直方向（上下方向）に昇降させることができる。

本実施例では、このトロリ４による横行、ガーダ３による走行により、水平方向移動が行われる。この図１では、トロリ４とガーダ３が水平移動装置に該当する。本発明は吊荷を水平方向に移動する動作に関係するので、本発明の実施例１に関する以下の説明は横行と走行による水平方向移動の動作を中心に説明する。したがって、以下の実施例の説明において、吊荷の移動とは、トロリ４を駆動した移動（横行）、ガーダ３を駆動した移動（走行）のいずれか、あるいは両方を示す。

図２は、本発明の実施例１におけるクレーンの構成を示す図である。図２では、説明を簡単にするためにトロリ４により横行するクレーン１を示しており、ガーダ３による走行は図では省略している。また、トロリ４とガーダ３を移動するためのモータ等の駆動部は省略している。

図２において、１０は、吊荷８を目的位置まで移動するために水平移動装置（ガーダ３とトロリ４）を制御する速度パターン等を生成する速度指令生成部であり、ここでは汎用の計算機を使用した例を示している。１０１は、内蔵しているプログラムやデータ等を用いて、速度パターンを生成するなどの演算処理を実行するＭＰＵ（マイクロプロセッシングユニット）である。１０２は、そのプログラムやデータ等を記憶するメモリである。１０３は、外部からのデータや信号の入力やＭＰＵが演算処理した信号等を外部に出力するための入出力制御部である。１０４は、速度指令生成部１０内の各構成機器の相互の信号やデータの授受を行うためのバスである。１２はクレーン制御部であり、速度指令生成部１０から出力される速度パターンを入力し、トロリ４の水平方向移動（横行）速度を制御する。クレーン制御部１２は、入力された速度パターンに応じた制御信号をトロリ４に巣出力する。また、クレーン制御部１２は、速度指令生成部１０にその機能を持たせ、速度指令生成部１０から制御信号を出力してもよい。

なお、図２では省略しているが、速度指令生成部１０は、トロリ４だけでなく、走行制御する場合にはガーダ３の水平方向移動（走行）速度を制御する速度パターンを出力する。ガーダ３側ではこの速度パターンにより吊荷の水平方向移動（走行）速度が制御される。また、速度指令生成部１０には、図示しないロープ長検出器の出力であるロープ長さＬ０と、同じく図示しない速度検出器から停止動作開始時点の速度Ｖｓが入力される。なお、ロープ長Ｌ０および速度Ｖｓが変動しない場合には、それらのデータをメモリ１０２に記憶しておけばよい。なお、９は障害物を示す。この障害物９は吊荷の搬送経路途中に常に存在するわけではないが、存在する可能性がある場合を想定したものである。

なお、本明細書では、クレーンの減速、停止を例に説明するが、各実施例では加速や停止まではされない速度までの減速などの目標速度までの制御へも適用可能である。この場合、減速開始時点の速度は、制御開始の際における速度を用いる。また、減速開始時点とは、速度検出器で入力される他、制御に基づく予測値であっても構わない。

次に、図２のクレーンの制御内容の詳細について説明する。図２において、操作者が操作入力装置１００により吊荷の移動方向を指示すると、速度指令生成部１０は指示された移動方向に対応した方向にガーダ３、トロリ４を移動させる速度指令を生成する。クレーン制御部は生成された速度指令に従いガーダ３、トロリ４を駆動して、吊荷８を水平方向に移動（この場合、横行）させる。

水平方向の移動（横行、走行）を停止させる場合、操作者は操作入力装置１００を使い停止動作開始信号１１を速度指令生成部１０に指示する。例えば、操作入力装置１００に移動方向に対応した押しボタンが配置される。そして、移動を開始するときは移動したい方向に対応するボタンを押し、停止させたい時はそのボタンを離すことにより操作する場合、押しボタンが離されたときに停止動作開始のトリガーとなる停止動作開始信号１１が速度指令生成部１０に入力される。または、別途設けられた停止ボタンや、外部機器から停止動作開始信号１１が入力されるようにしてもよい。

図３は、停止動作開始信号１１が入力されたときに速度指令生成部１０が生成する速度パターンの図である。停止動作開始信号１１が入力されると、まず、ガーダ・トロリ速度を停止動作開始時のＶｓから時間幅Ｔ１で減速する第１の速度パターンｖ１で駆動する。そして、停止動作開始時の荷振れとｖ１による駆動により生じる荷振れを打ち消すように、停止動作開始からＴｗ後に時間幅Ｔ２、最高速度Ｖｄｍａｘで加減速を行う第２の速度パターンｖ２で駆動する。これらの速度パターンは、次のような関係式により求められる。なお、速度パターンとは、速度の変動を示すパターンであればよい。

まず、クレーンの速度指令から荷振れ量までの伝達関数Ｐ（ｓ）は次式で与えられる。
Ｐ（ｓ）＝－ｓ／（ｓ＾２＋ｗｒ＾２）・・・（数１）
ここで、ｗｒは荷振れの角周波数であり、吊荷の荷振れ周期Ｔｃからｗｒ＝２＊π／Ｔｃで求められる。または、ロープの回転中心から吊荷の重心までの距離Ｌから、ｗｒ＝ｓｑｒｔ（ｇ／Ｌ）（ｇ：重力加速度）で求められる。なお、Ｌは、ロープの長さＬ０に、フック位置からとワイヤーにより吊り下げられている吊荷の重心までの距離△Ｌを加算して求められる。△Lは吊荷や使用するワイヤーにより変化するが、トロリに取り付けた距離センサなどにより計測したり、あるいは、操作者が入力して、予めメモリ１０２に記憶しておく。

停止動作開始時の荷振れｘ０（ｔ）は次式のように与えられる。
ｘ０（ｔ）＝Ａ０＊ｓｉｎ（ｗｒ＊ｔ＋θ０）・・・（数２）
ここで、停止動作開始時の荷振れ量をｘ０（０）、荷振れ速度ｖ０（０）とすると、Ａ０とθ０は、以下のとおりである。
Ａ０＝ｓｑｒｔ（ｘ０（０）＾２＋（ｖ０（０）／ｗｒ）＾２）・・・（数３）
θ０＝ａｔａｎ（（ｖ０（０）／ｗｒ）／ｘ０（０））・・・（数４）
第１の速度パターンｖ１が時間ｔに関する関数ｖ１（ｔ）で与えられると、ｖ１（ｔ）でトロリを駆動したときに発生する荷振れｘ１（ｔ）は、ｖ１（ｔ）をラプラス変換してＶ１（ｓ）を求め、Ｘ１（ｓ）＝Ｐ（ｓ）＊Ｖ１（ｓ）を逆ラプラス変換することにより求めることができ、次式のように与えられる。
ｘ１（ｔ）＝Ａ１＊ｓｉｎ（ｗｒ＊ｔ＋θ１）・・・（数５）
ここで、ｖ１（ｔ）が一定の減速度での減速とすると、Ａ１とθ１は、以下のとおりである。
Ａ１＝２＊Ｖｓ＊ｓｉｎ（Ｔ１＊ｗｒ／２）／（Ｔ１＊ｗｒ＾２）・・・（数６）
θ１＝－Ｔ１＊ｗｒ／２・・・（数７）
ここで、Ｖｓは停止動作開始時のトロリの速度、Ｔ１は減速時間である。

第２の速度パターンｖ２が時間ｔに関する関数ｖ２（ｔ）で与えられると、ｖ２（ｔ）でトロリを駆動したときに発生する荷振れｘ２（ｔ）は、ｖ２（ｔ）をラプラス変換してＶ２（ｓ）を求め、Ｘ２（ｓ）＝Ｐ（ｓ）＊Ｖ２（ｓ）を逆ラプラス変換することにより求めることができ、次式のように与えられる。
ｘ２（ｔ）＝Ａ２＊ｓｉｎ（ｗｒ＊ｔ＋θ２）・・・（数８）
ここで、ｖ２（ｔ）が台形波とすると、Ａ２とθ２は、以下のとおりである。
Ａ２＝－４＊Ｖｄｍａｘ＊（ｃｏｓ（ｒ＊Ｔ２＊ｗｒ／２）－ｃｏｓ（Ｔ２＊ｗｒ／２））／（（１－ｒ）＊Ｔ２＊ｗｒ＾２)・・・（数９）
θ２＝π／２－Ｔｗ＊ｗｒ－Ｔ２＊ｗｒ／２・・・（数１０）
ここで、ｒは台形波の上底／下底である。

停止後の荷振れを抑制するためには、ｘ０（ｔ）とｘ１（ｔ）とを重ね合わせた荷振れｘ０１（ｔ）を、ｘ２（ｔ）で打ち消すようにすればよい。

ｘ０１（ｔ）は次式で与えられる。
ｘ０１（ｔ）＝Ａ０１＊ｓｉｎ（ｗｒ＊ｔ＋θ０１）・・・（数１１）
ここで、数１１で用いられるＡ０１とθ０１は、以下のとおりであある。
Ａ０１＝ｓｑｒｔ（２＊Ｖｓ＾２＋Ａ０＾２＊Ｔ１＾２＊ｗｒ＾４－２＊Ｖｓ＾２＊ｃｏｓ（Ｔ１＊ｗｒ）－２＊Ａ０＊Ｔ１＊Ｖｓ＊ｗｒ＾２＊ｓｉｎ（θ０）＋２＊Ａ０＊Ｔ１＊Ｖｓ＊ｗｒ＾２＊ｓｉｎ（θ０＋Ｔ１＊ｗｒ））／（Ｔ１＊ｗｒ＾２）・・・（数１２）
θ０１＝ａｔａｎ（（－Ｖｓ＋Ｖｓ＊ｃｏｓ（Ｔ１＊ｗｒ）＋Ａ０＊Ｔ１＊ｗｒ＾２＊ｓｉｎ（θ０））／（Ａ０＊Ｔ１＊ｗｒ＾２＊ｃｏｓ（θ０）＋Ｖｓ＊ｓｉｎ（Ｔ１＊ｗｒ）））・・・（数１３）
ｘ０１（ｔ）をｘ２（ｔ）で打ち消すには、ｘ０１（ｔ）とｘ２（ｔ）の位相を一致させ、振幅を打消し合うようにすればよい。したがって、θ０１＝θ２、Ａ０１＝－Ａ２とすればよい。
θ０１＝θ２より、次式が得られる。
Ｔｗ＋Ｔ２／２＝（π／２－θ０１）／ｗｒ・・・（数１４）
これより、ｖ２（ｔ）の中心時刻（ｔ＝Ｔｗ＋Ｔ２／２）でのｘ０１（ｔ）は次式のようになる。
ｘ０１（Ｔｗ＋Ｔ２／２）＝Ａ０１＊ｓｉｎ（π／２）・・・（数１５）
これは、ｘ０１（ｔ）が最大となる時刻とｖ２（ｔ）の中心時刻を一致させればよいことを示している。

Ａ０１＝－Ａ２より、次式が得られる。
Ｖｄｍａｘ＝１／４＊Ａ０１＊（１－ｒ）＊Ｔ２＊ｗｒ＾２／（ｃｏｓ（ｒ＊Ｔ２＊ｗｒ／２）－ｃｏｓ（Ｔ２＊ｗｒ／２））・・・（数１６）
この式から、Ｔ２、Ｖｄｍａｘ、ｒは次のように求めることができる。

まず、Ｔ２の設定時間Ｔ、Ｖｄｍａｘの設定速度Ｖが与えられた場合、ｒは次のように決定する。Ｔ２＊ｗｒ／２が微小と仮定すれば、Ｖｄｍａｘは次式のように近似できる。
Ｖｄｍａｘ＝２＊Ａ０１／（１＋ｒ）／Ｔ２・・・（数１７）
これから、ｒは次式のように決定する。
ｒ＝２＊Ａ０１／Ｔ／（ｋ＊Ｖ）・・・（数１８）
ここで、ｋは近似の影響を考慮した補正係数である。決定したｒから数１６によりＶｄｍａｘの厳密解を計算する。

また、Ｖｄｍａｘの設定速度Ｖ、台形波の加速度の設定加速度αが与えられた場合には次のようにＴ２、ｒを決定してもよい。Ｔ２＊ｗｒ／２が微小と仮定すれば、加速度は次式のように求めることができる。
α＝Ｖｄｍａｘ／（（１－ｒ）＊Ｔ２／２）
＝４＊Ａ０１／（１－ｒ＾２）／Ｔ２＾２・・・（数１９）
これより、Ｔ２、ｒは次式のように決定する。
Ｔ２＝Ａ０１／（ｋ＊Ｖ）＋（ｋ＊Ｖ）／α・・・（数２０）
ｒ＝２＊α＊Ａ０１／（α＊Ａ０１＋（ｋ＊Ｖ）＾２）－１・・・（数２１）
決定したＴ２、ｒから数１６によりＶｄｍａｘの厳密解を計算する。

さらには、ｒを０、すなわち、三角波として、Ｖｄｍａｘの設定速度Ｖが与えられた場合には、次のようにＴ２を決定する。ｒ＝０とすると、Ｖｄｍａｘは次式のようになる。
Ｖｄｍａｘ＝１／８＊Ａ０１＊Ｔ２＊ｗｒ＾２／ｓｉｎ（Ｔ２＊ｗｒ／４）＾２・・・（数２２）
Ｔ２＊ｗｒ／４が微小と仮定すれば、Ｖｄｍａｘは次式のように近似できる。
Ｖｄｍａｘ＝２＊Ａ０１／Ｔ２・・・（数２３）
これから、Ｔ２は次式のように決定する。
Ｔ２＝２＊Ａ０１／（ｋ＊Ｖ）・・・（数２４）
ここで、ｋは近似の影響を考慮した補正係数である。決定したＴ２から数２２によりＶｄｍａｘの厳密解を計算する。

また、ｒを０で、台形波の加速度の設定加速度αが与えられた場合には、次のようにＴ２、Ｖｄｍａｘを決定してもよい。加速度は次式のように求めることができる。
α＝Ｖｄｍａｘ／（Ｔ２／２）
＝１／４＊Ａ０１＊ｗｒ＾２／ｓｉｎ（Ｔ２＊ｗｒ／４）＾２・・・（数２５）
これより、Ｔ２は次式のように決定する。
Ｔ２＝４／ｗｒ＊ａｓｉｎ（１／２＊ｓｑｒｔ（Ａ０１＊ｗｒ＾２／α））・・・（数２６）
Ｖｄｍａｘは、決定したＴ２から数２２により計算する。

ｖ２（ｔ）の開始時刻Ｔｗは次式により求められる。
Ｔｗ＝（π／２－θ０１）／ｗｒ－Ｔ２／２・・・（数２７）
この式でＴｗ＜０となる場合、停止動作開始前にｖ２（ｔ）による駆動を開始しなくてはならなくなるため、これを実現することはできない。この場合はｘ０１（ｔ）が角周期２πの周期関数であることから、１周期後に荷振れ量が最大となる時刻とｖ２（ｔ）の中心時刻を一致させるようにすればよい。よって、Ｔｗは次式による決定する。
Ｔｗ＝（（２＊ｎ＋１／２）＊π－θ０１）／ｗｒ－Ｔ２／２・・・（数２８）
ここで、ｎは０もしくは１である。

以上のようにすれば、第２の速度パターンｖ２の開始時刻Ｔｗと時間幅Ｔ２、最高速度Ｖｄｍａｘ、台形波の上底／下底ｒを決定することができる。

なお、停止動作開始時の速度Ｖｓが極低速の場合には、Ｔ１はほぼ０となる。この場合には停止動作開始時の荷振れｘ０（ｔ）と第１の速度パターンによる荷振れｘ１（ｔ）を重ね合わせた荷振れｘ０１（ｔ）はｘ０（ｔ）のみとなることから、ｘ０１（ｔ）の振幅Ａ０１、位相θ０１は、ｘ０（ｔ）の振幅Ａ０、位相θ０と見なせばよい。
制動距離を短くするためには、第１の速度パターンｖ１（ｔ）の時間幅Ｔ１と第２の速度パターンｖ２（ｔ）の時間幅Ｔ２を小さくすることが望ましい。そのためには、ガーダ・トロリの性能から、ｖ１（ｔ）の減速度、ｖ２（ｔ）の最高速度の設定値Ｖ、加速度の設定値αをできるだけ大きく取ることが望ましい。

図４は速度指令生成部１０の処理フローの図である。以下に処理の詳細を説明する。
Ｓ０１では、停止動作開始時の荷振れ量ｘ０（０）、荷振れ速度ｖ０（０）から数３、数４により停止動作開始時の荷振れｘ０（ｔ）の振幅Ａ０、位相θ０を推定する。なお、停止動作開始時のガーダ・トロリ速度Ｖｓが極低速で、かつ、Ａ０が荷振れ量の許容値より小さければ、以降の計算は行わず、停止させてよい。
Ｓ０２では、Ａ０、θ０、Ｖｓ、第１の速度パターンｖ１の時間幅Ｔ１、荷振れの角周波数ｗｒから、数１２、数１３によりｘ０とｖ１による駆動により生じる荷振れｘ１とを重ね合わせた荷振れｘ０１の振幅Ａ０１、θ０１を求める。このとき、Ｖｓが極低速の場合は、ｖ１による駆動は行わず（Ｔ１＝０）とし、Ａ０１＝Ａ０、θ０１＝θ０とする。
Ｓ０３では、Ａ０１とｗｒ、台形波の上底／下底ｒを０、すなわち、三角波とした第２の速度パターンｖ２の最高速度の設定値Ｖから、数２４、数２２によりｖ２の時間幅Ｔ２、最高速度Ｖｄｍａｘを求める。
Ｓ０４では、Ｓ０３で得られたＴ２を閾値Ｔ２ｓ＝２＊（（π／２－θ０１）／ｗｒ－Ｔ１）と比較する。Ｔ２＞Ｔ２ｓならば、ｒ＞０とすることでＴ２を短縮できる可能性があるので、最高速度、時間幅を規定したパラメータ計算を行う。
Ｓ０５では、ＶｄｍａｘをＶ、Ｔ２をＴ２ｓとして、数１７、数１８によりＶｄｍａｘ、ｒを求める。得られた台形波の加速度が最大加速度以下の場合には、駆動可能な台形波が決定されたとしてＳ１０へ進む。

Ｓ０６では、加速度が最大加速度αｍａｘを超えるかを判定し、超える場合には加速度がαｍａｘ以下になるように加速度を規定したパラメータ計算を行う。
Ｓ０７では、加速度の設定値をαｍａｘとして、数２６、数２２によりＴ２、Ｖｄｍａｘを求める。

Ｓ０８では、三角波の加速度が許容値（最低許容加速度αｍｉｎ）以下か判定する。許容値以下の場合には、ｒ＞０とすることでＴ２を短縮できる可能性があるので、最高速度、加速度を規定したパラメータ計算を行う。

Ｓ０９では、ＶｄｍａｘをＶ、加速度のαｍｉｎとして、数２０、数２１、数１６によりＴ２、ｒ、Ｖｄｍａｘを求める。
Ｓ１０では、数２８により開始時間Ｔｗを計算する。まず、ｎ＝０として計算し、Ｔｗ＜０となるときはｎ＝１として再計算する。

以上のように速度パターンのパラメータを計算すると、三角波では時間幅が大きくなる場合には台形波として時間幅を短縮するので、荷振れを抑制し停止するまでの時間と制動距離を短くすることが可能となる。

図５は本実施例１の動作を説明する図であり、上からトロリ速度、荷振れ量の時間的な推移を示している。図５より、停止動作開始信号１１が入力された停止動作開始時から第１の速度パターンに従い減速を開始する。その後、第２の速度パターンである台形波速度指令により駆動させることにより、停止動作開始時及び減速により生じた荷振れが台形波速度指令により打消され、トロリが停止して以降の荷振れが抑制できていることが分かる。また、１回の台形波により停止できるので、複数回の操作を行う方法に比べ制動距離も短くすることができる。

以上のように、この実施例１によれば、減速による荷振れを１回の加減速で打消すことができ、荷振れを抑制しつつ制動距離を低減することが可能となり、クレーンの安全性を高めることができる。

なお、以上の実施例ではクレーンを停止させる場合について説明したが、任意の速度に変更する場合も同様にして荷振れを抑制することは可能である。また、第１の速度パターンと第２の速度パターンが重なり合う、すわなち、Ｔｗ＜Ｔ１であってもよい。

＜実施例２＞
次に、本発明の実施例２のクレーンを説明する。なお、上述の実施例との共通点についての重複説明は省略する。図６は実施例２におけるクレーンの構成を示す図である。実施例２において、図２に示す実施例１と大きく異なる点は、図６では吊荷の荷振れ量と荷振れ速度を取得する荷振れ量取得装置を有している点である。これまでの実施例の速度指令生成では、停止動作開始時の荷振れｘ０の振幅Ａ０、位相θ０を使用しており、これらは荷振れ量取得装置により取得された停止開始時の荷振れ量ｘ０（０）、荷振れ速度ｖ０（０）より、数３、数４により求めることができる。

荷振れ量取得装置は、吊荷の荷振れ量及び荷振れ速度を求める装置である。この実施例における荷振れ量取得装置は、吊荷の荷振れ量を計測する荷振れ量検出器１３と、計測された荷振れ量から荷振れ速度を演算する荷振れ速度演算装置とで構成している。荷振れ量検出器１３は、例えばトロリに下向きに取付けたカメラや３次元レーザー距離センサによりフック６あるいは吊荷８の振れを観測（計測）することで実現できる。また、荷振れ速度演算装置は計測された荷振れ量に、例えば微分演算や疑似微分演算を行う。この実施例では、荷振れ速度演算装置は個別に設置するのではなく、速度指令生成部１０の一つの機能として構成した。

また、荷振れ量取得装置は、荷振れ量および荷振れ速度を推定する荷振れ量推定装置を設け、荷振れの角周波数ｗｒとガーダ・トロリの速度指令から荷振れ量および荷振れ速度を推定することで求めることができる。このため、荷振れ量取得装置は、荷振れ量検出器１３により直接荷振れ量を検出しなくてもよい。角周波数ｗｒはロープ長Ｌ０から推定するようにしてもよい。荷振れ量推定装置の機能は、速度指令生成部１０内で演算するように構成しても良い。
荷振れ量および荷振れ速度の推定は、ガーダ・トロリの速度指令をｖｔ（ｔ）、荷振れ量をｘ（ｔ）とすると、こられをラプラス変換したＶＴ（ｓ）、Ｘ（ｓ）は次式で計算することができる。
Ｘ（ｓ）＝Ｐ（ｓ）＊ＶＴ（ｓ）・・・（数２９）
したがって、荷振れ量推定装置はｖｔ（ｔ）に対して伝達関数がＰ（ｓ）で与えられるフィルター演算を行うことで荷振れ量を推定でき、得られた荷振れ量を微分することで荷振れ速度を推定することができる。

以上のように、この実施例２によれば、減速による荷振れを１回の加減速で打消すことができ、荷振れを抑制しつつ制動距離を低減することが可能となり、クレーンの安全性を高めることができる。

＜実施例３＞
次に、本発明の実施例３のクレーンを説明する。なお、上述の実施例との共通内容についての重複説明を省略する。

図７は、本発明における実施例６のクレーンの構成を示す図である。本実施例では、吊荷８やトロリ４、ガーダ３の周辺の障害物９を検出する障害物検出器１４を有する。また、障害物検出器１４の検出信号を入力し、障害物９と吊荷８、トロリ４、ガーダ３のいずれかが衝突する危険の有無を判定し、衝突する危険有と判定した場合に、速度指令生成部１０に停止動作開始信号１１を出力する衝突判定装置１５を有する。

障害物検出器１４は、例えばトロリ４に下向きに取付けたカメラや３次元レーザー距離センサにより吊荷８周辺を観測することで、吊荷周辺の障害物を検出できる。衝突判定装置１５は、検出された障害物と吊荷との衝突が予測された場合、速やかに停止動作開始信号１１を出力する。速度指令生成部１０は、この停止動作開始信号１１を入力すると、上記した実施例と同様の速度パターンを生成する。すなわち、減速開始時の速度から第１の減速終了速度まで減速する第１速度パターンと、前記第１速度パターンにより前記水平移動装置を駆動した際に生じる荷振れを打消すような加減速を行う第２速度パターンとを生成する。そして、この生成された速度パターンをクレーン制御部１２に出力し、クレーン制御部１２によりガーダ３、トロリ４の速度を制御してクレーンを停止させる。この制御動作により、吊荷と障害物との衝突や挟まれ事故を防ぐことができる。

また、例えばトロリ４、ガーダ３に取付けた測長センサを使って壁やストッパー、同一レール上を走行する別のクレーンまでの距離を測定することで、クレーンが壁やストッパー、別クレーンとの衝突が予測できる。これらは予測されたときに速やかに停止動作開始信号を出力してクレーンを停止させれば、クレーンと壁やストッパー、別クレーンとの衝突や挟まれ事故を防ぐことが可能となる。

以上説明した本発明の実施例３のクレーンによれば、減速による荷振れを１回の加減速で打消すことができるので、荷振れを抑制しつつ制動距離を低減することが可能となり、クレーンの安全性を高めることができる。さらに、衝突や挟まれ事故を防ぐことが可能となり、クレーンの安全性をより一層高めることができる。

また、停止制御を例とした各実施例によれば、減速による荷振れを１回の加減速で打消すまたは減少することができるので、荷振れを抑制しつつ制動距離を低減することが可能となり、クレーンの安全性を高めることができる。

なお、本発明は上記したいくつかの実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記の実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。各実施例の構成について、他の構成の追加、削除、置換をすることも可能である。特に、クレーンの制御は、停止に限定されるもものではなく、任意の速度（目標速度）までの減速や加速への適用が可能である。この場合、目標速度を所定の範囲内で一定に保つことが含まれる。また、制動距離は目標速度までの移動距離となる。

１…クレーン、２…ランウェイ、３…ガーダ、４…トロリ、５…ロープ、６…フック、７…ワイヤー、８…吊荷、９…障害物、１０…速度指令生成部、１１…停止動作開始信号、１２…クレーン制御部、１３…荷振れ量検出器、１４…障害物検出器、１５…衝突判定装置

Claims (18)

1. ロープにより吊下げられる吊荷を水平方向に水平移動させる水平移動装置と、前記水平移動装置を制御するための速度指令を生成する速度指令生成部と、前記速度指令に従い前記水平移動装置の速度を制御するクレーン制御部とを有するクレーンであって、
   前記速度指令生成部は、前記速度指令として、前記水平移動の速度変更開始の際における速度から所定の速度に変更する第１の速度パターンを生成し、前記速度変更開始の際の第１の荷振れと前記第１の速度パターンによる駆動で生じる第２の荷振れとを重ね合わせて生成される第３の荷振れを打消すような加減速を行う第２の速度パターンを生成し、
   前記クレーン制御部は、前記速度変更開始の際から前記第１の速度パターンにより前記水平移動装置を制御し、前記第３の荷振れの荷振れ量が最大となる時刻と前記第２の速度パターンの中心時刻を一致させるように前記水平移動装置を制御することで、生成された前記第１の速度パターンと前記第２の速度パターンにより前記水平移動装置を制御することを特徴とするクレーン。
2. 請求項１記載のクレーンにおいて、
   前記速度指令生成部は、前記第１の速度パターンとして、当該クレーンの前記水平移動を減速し、停止させる減速パターンを用いることを特徴とするクレーン。
3. 請求項１または２のいずれかに記載のクレーンにおいて、
   前記速度指令生成部は、前記第２の速度パターンにおける制御の開始時刻、時間幅および最大速度を、前記第３の荷振れの振幅、位相および前記ロープの長さに応じた角周波数、前記速度変更開始の際におけるクレーンの速度、前記第１の速度パターンの速度が変更される時間に基づいて算出して、前記第２の速度パターンを生成することを特徴とするクレーン。
4. 請求項３記載のクレーンにおいて、
   前記速度指令生成部は、
   前記第１の荷振れの振幅および位相を、前記第１の荷振れにおける荷振れ量、荷振れ速度および角周波数に基づき算出し、
   算出された前記第１の荷振れの振幅、位相および角周波数と、前記第１の速度パターンである減速パターンの減速時間に基づいて、前記第３の荷振れの振幅および位相を算出することを特徴とするクレーン。
5. 請求項３または４のいずれかに記載のクレーンにおいて、
   前記速度指令生成部は、前記第２の速度パターンとして、台形波を示す第２の速度パターンを生成することを特徴とするクレーン。
6. 請求項５記載のクレーンにおいて、
   前記速度指令生成部は、前記第１の速度パターンとして、前記水平移動の速度変更が一定割合での加速ないし減速を示す第１の速度パターンを生成し、
   前記台形波は、開始時刻をＴｗ、時間幅をＴ２、最高速度をＶｄｍａｘ、前記台形波の上底／下底をｒ、前記角周波数をｗｒ、前記第３の荷振れの振幅をＡ０１、前記位相をθ０１とした場合（ｎは０もしくは１）、
   θ０１＝（２＊ｎ＋１／２）＊π－Ｔｗ＊ｗｒ－Ｔ２＊ｗｒ／２
   Ａ０１＝ －４＊Ｖｄｍａｘ＊（ｃｏｓ（ｒ＊Ｔ２＊ｗｒ／２）－ｃｏｓ（Ｔ２＊ｗｒ／２））／（（１－ｒ）＊Ｔ２＊ｗｒ＾２)
   を満たすことを特徴とするクレーン。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載のクレーンにおいて、
   さらに、前記吊荷の荷振れ量および荷振れ速度を取得する荷振れ取得部を有し、
   前記速度指令生成部は、前記荷振れ量および前記荷振れ速度を用いて、前記速度指令を生成することを特徴とするクレーン。
8. 請求項７記載のクレーンにおいて、
   前記荷振れ取得部は、前記荷振れの角周波数もしくは前記ロープの長さから求めた前記角周波数と、前記クレーンの前記速度指令から、前記荷振れ量および前記荷振れ速度を推定することを特徴とするクレーン。
9. 請求項１乃至８のいずれかに記載のクレーンにおいて、
   前記吊荷および前記クレーンに対する障害物を検出する障害物検出部と、
   前記障害物検出部で検出された前記障害物と前記吊荷および前記クレーンの少なくとも一方とが衝突する危険の有無を判定し、前記衝突の危険がある場合に前記速度指令生成部に停止動作を開始する停止動作開始信号を出力する衝突判定部とをさらに有することを特徴とするクレーン。
10. ロープにより吊下げられる吊荷を水平方向に水平移動させる水平移動装置と、前記水平移動装置を制御するための速度指令を生成する速度指令生成部と、前記速度指令に従い前記水平移動装置の速度を制御するクレーン制御部とを有するクレーンを制御するクレーン制御方法であって、
    前記速度指令生成部により、前記速度指令として、前記水平移動の速度変更開始の際における速度から所定の速度に変更する第１の速度パターンを生成し、前記速度変更開始の際の第１の荷振れと前記第１の速度パターンによる駆動で生じる第２の荷振れとを重ね合わせて生成される第３の荷振れを打消すような加減速を行う第２の速度パターンを生成し、
    前記クレーン制御部により、前記速度変更開始の際から前記第１の速度パターンにより前記水平移動装置を制御し、前記第３の荷振れの荷振れ量が最大となる時刻と前記第２の速度パターンの中心時刻を一致させるように前記水平移動装置を制御することで、生成された前記第１の速度パターンと前記第２の速度パターンにより前記水平移動装置を制御することを特徴とするクレーン制御方法。
11. 請求項１０記載のクレーン制御方法において、
    前記速度指令生成部により、前記第１の速度パターンとして、当該クレーンの前記水平移動を減速し、停止させる減速パターンを用いることを特徴とするクレーン制御方法。
12. 請求項１０または１１のいずれかに記載のクレーン制御方法において、
    前記速度指令生成部により、前記第２の速度パターンにおける制御の開始時刻、時間幅および最大速度を、前記第３の荷振れの振幅、位相および前記ロープの長さに応じた角周波数、前記速度変更開始の際におけるクレーンの速度、前記第１の速度パターンの速度が変更される時間に基づいて算出して、前記第２の速度パターンを生成することを特徴とするクレーン制御方法。
13. 請求項１２記載のクレーン制御方法において、
    前記速度指令生成部により、
    前記第１の荷振れの振幅および位相を、前記第１の荷振れにおける荷振れ量、荷振れ速度および角周波数に基づき算出し、
    算出された前記第１の荷振れの振幅、位相および角周波数と、前記第１の速度パターン
    である減速パターンの減速時間に基づいて、前記第３の荷振れの振幅および位相を算出することを特徴とするクレーン制御方法。
14. 請求項１２または１３のいずれかに記載のクレーン制御方法において、
    前記速度指令生成部により、前記第２の速度パターンとして、台形波を示す第２の速度パターンを生成することを特徴とするクレーン制御方法。
15. 請求項１４記載のクレーン制御方法において、
    前記速度指令生成部により、前記第１の速度パターンとして、前記水平移動の速度変更が一定割合での加速ないし減速を示す第１の速度パターンを生成し、
    前記台形波は、開始時刻をＴｗ、時間幅をＴ２、最高速度をＶｄｍａｘ、前記台形波の上底／下底をｒ、前記角周波数をｗｒ、前記第３の荷振れの振幅をＡ０１、前記位相をθ０１とした場合（ｎは０もしくは１）、
    θ０１＝（２＊ｎ＋１／２）＊π－Ｔｗ＊ｗｒ－Ｔ２＊ｗｒ／２
    Ａ０１＝ －４＊Ｖｄｍａｘ＊（ｃｏｓ（ｒ＊Ｔ２＊ｗｒ／２）－ｃｏｓ（Ｔ２＊ｗｒ／２））／（（１－ｒ）＊Ｔ２＊ｗｒ＾２)
    を満たすことを特徴とするクレーン制御方法。
16. 請求項１０乃至１５のいずれかに記載のクレーン制御方法において、
    さらに、前記吊荷の荷振れ量および荷振れ速度を取得する荷振れ取得部を有し、
    前記速度指令生成部は、前記荷振れ量および前記荷振れ速度を用いて、前記速度指令を生成することを特徴とするクレーン制御方法。
17. 請求項１６記載のクレーン制御方法において、
    前記荷振れ取得部は、前記荷振れの角周波数もしくは前記ロープの長さから求めた前記角周波数と、前記クレーンの前記速度指令から、前記荷振れ量および前記荷振れ速度を推定することを特徴とするクレーン制御方法。
18. 請求項１０乃至１７のいずれかに記載のクレーン制御方法において、
    前記クレーンは、障害物検出部および衝突判定部をさらに有し、
    前記障害物検出部により、前記吊荷および前記クレーンに対する障害物を検出し、
    前記衝突判定部により、前記障害物検出部で検出された前記障害物と前記吊荷および前記クレーンの少なくとも一方とが衝突する危険の有無を判定し、前記衝突の危険がある場合に前記速度指令生成部に停止動作を開始する停止動作開始信号を出力するとことを特徴とするクレーン制御方法。

Images