JPH07315798A - 平衡荷役装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】平衡状態に静止させた荷物に対して、作業者が
僅かな力を加えることにより、荷物の運搬、位置決め等
の作業を行う平衡荷役装置において、作業者が荷物を昇
降させる際に必要な操作力を低減する。 【構成】コントローラ１４は、荷物１０を吊り下げた状
態で油圧モータ１２の出力トルクを増加および減少さ
せ、エンコーダ１５の位置データがわずかに変化した時
の出力トルクの上限値と下限値を記憶し、当該上限値と
下限値よりも小さな振幅で出力トルクを振動させる。そ
して、荷物１０に対して外部から操作力が付加され、か
つ出力トルクの振動が前記操作力の付加された方向の限
界値に達した時は、出力トルクを一定低速の速度制御に
切り換えるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、アクチュエータで平
衡状態に静止させた荷物に対して、作業者が僅かな力を
加えることにより、荷物を昇降させながら運搬、揚上、
据え付け、位置決め等の荷役作業を行う平衡荷役装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、工場や建築作業現場などで重量物
を精密に組み立てるような場合には、クレーンやホイス
トなどに比べて、より微細な位置決めが可能な平衡荷役
装置が用いられている。この平衡荷役装置は、モータに
より平衡状態に静止させた荷物に対して、作業者が僅か
な力を加えることにより、荷物を昇降させながら荷役作
業を行うことができる。

【０００３】このような平衡荷役装置に関して、例えば
特公昭５２−２１８２号公報には、流体圧作動伸縮機構
（シリンダ）の圧力を検出し、記憶して、この記憶値に
基づいてシリンダ内圧を一定に制御することにより、人
間の操作力であたかも無重力のように扱える荷重平衡装
置が提案されている。また特開昭４９−９２７４４号公
報には、荷重検出部（荷重検出用シリンダ）を設け、こ
の検出結果に基づいてバランス圧力を制御するようにし
た昇降平衡装置が提案されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特公昭
５２−２１８２号の荷重平衡装置では、機構部、駆動部
の摩擦力の影響が大きいため、実際の作業では、その摩
擦力に打ち勝って、さらに圧力変化を生じさせるだけの
操作力を必要としていた。一方、特開昭４９−９２７４
４号の昇降平衡装置においても、操作する部分と検出部
分との間に機構的な要素が含まれている場合は、必ず摩
擦力が存在するため、同様にその影響を無視することは
できない。また、操作部の近傍に検出部を取り付けた場
合は、ロードセル、トルクセンサなどの比較的高価なセ
ンサが必要となるうえ、これらのセンサは使用環境条件
（温度、防水性など）の制約を受けることが多く、また
温度ドリフトが大きいという欠点がある。

【０００５】この発明は、作業者が荷物を昇降させる際
に必要な操作力を低減し、かつ安価な部品構成を可能と
する平衡荷役装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、この発明に係わる平衡荷役装置は、荷物を支持また
は吊り下げる機構部と、当該機構部で支持または吊り下
げた荷物を所定の動作指令に従って昇降または回動させ
る駆動部と、前記機構部または駆動部の変位を検出する
検出手段と、前記検出手段で検出された変位を入力し、
前記駆動部の制御に必要な動作指令を演算する制御部と
を備えた平衡荷役装置において、荷物を支持または吊り
下げた状態で駆動部出力を増加および減少させ、前記検
出手段の出力に変化が生じた時の駆動部出力の上限値と
下限値を記憶する第１の制御手段と、前記記憶された上
限値と下限値よりも小さな振幅で駆動部出力を振動させ
る第２の制御手段と、前記機構部に支持または吊り下げ
られた荷物に対して外部から操作力が付加され、かつ駆
動部出力振動が前記操作力の付加された方向の限界値に
達した時は、駆動部出力を一定低速の速度制御に切り換
える第３の制御手段とを備えたことを特徴とする。

【０００７】

【作用】第１の制御手段では、荷物を支持または吊り下
げた状態で駆動部出力を増加および減少させ、検出手段
の出力がわずかに変化した時の駆動部出力の上限値と下
限値を記憶する。第２の制御手段は、前記第１の制御手
段で記憶された上限値と下限値よりも小さな振幅で駆動
部出力を振動させる。第３の制御手段は、機構部に支持
または吊り下げられた荷物に対して外部から操作力が付
加され、かつ駆動部出力振動が前記操作力の付加された
方向の限界値に達した時は、駆動部出力を一定低速の速
度制御に切り換える。

【０００８】このように、駆動部出力を振動させて機構
部の機械的な摩擦力を補償することにより、作業者は荷
物にわずかな力を加えるだけで静止領域の摩擦力に対抗
することができるため、荷物を昇降させる際に必要な操
作力を低減することが可能となる。

【０００９】

【実施例】以下、この発明に係わる平衡荷役装置の一実
施例を図面を参照しながら詳細に説明する。

【００１０】図１は、この実施例における平衡荷役装置
のシステム構成を示すブロック図である。この平衡荷役
装置は、機構部に相当するアーム１１、駆動部（アクチ
ュエータ）に相当する油圧モータ１２、制御部に相当す
る流量制御弁１３およびコントローラ１４を主要構成要
素とし、油圧モータ１２の出力トルクをコントローラ１
４で制御することにより、アーム１１に吊り下げられた
荷物１０を平衡状態に保ち、作業者が荷物に手をそえて
操作力を与えることで、荷物１０の搬送や微操作を行う
ことができるように構成されている。

【００１１】アーム１１は、その一端が油圧モータ１２
の図示せぬ駆動軸に固定され、他の一端が前記駆動軸を
中心として図の上下方向に回動するように構成されてい
る。なお、この実施例ではアームの上方向への回動を正
転（またはｕｐ）、下方向への回動を逆転（またはｄｏ
ｗｎ）という。

【００１２】油圧モータ１２は、図示せぬ油圧ポンプか
ら供給される圧油により、正転方向に出力トルクを発生
し、アーム１１の一端に吊り下げられた荷物１０の平衡
状態を保持する。流量制御弁１３は、図示せぬ油圧ポン
プから油圧モータ１２へ供給される圧油の流量を調節す
る。油圧モータ１２の周辺回路としてはエンコーダ１
５、圧力センサ１６がある。エンコーダ１５は油圧モー
タ１２の動作検出部に相当し、油圧モータ１２の変位Ｅ
を検出して、その位置データをコントローラ１４にフィ
ードバックする。圧力センサ１６は油圧モータ１２の出
力トルク検出部に相当し、流量制御弁１３から出力され
る油の圧力Ｐ_A 、Ｐ_B を検出してコントローラ１４にフ
ィードバックする。

【００１３】コントローラ１４は、エンコーダや圧力セ
ンサなどの検出部で検出された値を入力し、油圧モータ
１２の制御に必要な動作指令を演算するとともに、この
動作指令に応じたソレノイド電流（電流指令）を流量制
御弁１３内の図示せぬソレノイドに対して出力すること
により、油圧モータ１２への圧油の流量を制御する。こ
れにより、吊り下げられた荷物１０の重量に対応する出
力トルクを油圧モータ１２で発生させ、荷物１０を平衡
状態に保持する。

【００１４】またコントローラ１４は、荷物１０を昇降
させる際に必要な操作力を低減するための機能手段とし
て、荷物１０を吊り下げた状態で油圧モータ１２の出力
トルクを増加および減少させ、エンコーダ１５の出力が
わずかに変化した時の出力トルクの上限値と下限値を記
憶する第１の制御手段と、前記第１の制御手段により記
憶された上限値と下限値よりも小さな振幅で出力トルク
を振動させる第２の制御手段と、アーム１１に吊り下げ
られた荷物１０に対して外部から操作力が付加され、か
つ油圧モータ１２への出力トルクの振動が前記操作力の
付加された方向の限界値に達した時は、油圧モータ１２
の出力トルクを一定低速の速度制御に切り換える第３の
制御手段と、操作力が抜けたときには、再び第２の制御
手段による制御に切り換える第４の制御手段を備えてい
る。

【００１５】なおコントローラ１４は、ＣＰＵ（中央処
理装置）、ＲＯＭ、ＲＡＭなどのメモリを主要構成要素
とする周辺回路により構成されている。

【００１６】上述したシステム構成において、アーム１
１（半径ｒ［ｍ］）に荷重Ｗ［ｋｇ］の荷物１０を吊り
下げたときに生じる外部負荷入力トルクと、油圧モータ
１２で発生する出力トルクの関係を図２に示す。

【００１７】作業者により加えられる操作力をＦ［ｋ
ｇ］、アーム１１に発生するモーメントアームをｒ
［ｍ］とすると、外部負荷入力トルクは （Ｗ±Ｆ）×ｒ で与えられる。したがって、荷重だけの場合の外部負荷
入力トルクはＷ×ｒとなり、コントローラ１４は油圧モ
ータ１２にＷ×ｒと同じだけの出力トルクを発生させて
荷物１０を平衡状態に保つ。図２の破線Ａ（静止摩擦時
の動作ポイント）の内側の領域は油圧モータ１２の内部
摩擦トルクＴ´による静止領域（操作力の摩擦損失分）
であり、外部負荷入力トルクがこの範囲内にあるときは
荷物１０は動作しない。すなわち、モータ内部の摩擦力
に打ち勝って荷物１０を動作させるには、動作ポイント
の外側（正転動作領域あるいは逆転動作領域）に移行さ
せるだけの操作力（Ｆ×ｒ）を加える必要がある。図２
の状態で荷重（Ｗ×ｒ）に操作力（Ｆ×ｒ）が加わった
場合、コントローラ１４はエンコーダ１５や圧力センサ
１６などの検出部から入力した値に基づいて演算処理を
行い、外部負荷入力トルク（Ｗ±Ｆ）×ｒと同じだけの
出力トルクを油圧モータ１２に発生させて荷物１０を平
衡状態に保つ。図２に示すような制御系において、外部
負荷入力トルクと出力トルクとの関係は次式で表され
る。

【００１８】Ｔ（モータ出力トルク）＝（Ｗ±Ｆ）×ｒ
±Ｔ´（内部摩擦トルク） ここで、Δｐ：Ｐ_A −Ｐ_B ［ｋｇ／ｃｍ² ］、ｑ：押し
のけ容積［ｃｃ／ｒｅｖ］とすると （Δｐ×ｑ／２π）１０^-2＝（Ｗ±Ｆ）×ｒ±Ｔ´ となる。

【００１９】次に、コントローラ１４により油圧モータ
１２の出力トルクを制御する場合の動作について説明す
る。出力トルクの制御は、コントローラ１４内に具備さ
れた第１の制御手段〜第４の制御手段により実行され、
それぞれステップ１〜ステップ４の手順で制御が行われ
る。図３〜図８は、出力トルクの制御が行われたときの
油圧モータ１２各部の状態を示したもので、図３はステ
ップ１、図４はステップ２、図５〜図７はステップ３、
図８はステップ４に対応している。また、各図におい
て、（ａ）は図２で説明した外部負荷入力トルクとモー
タ出力トルクとの関係を示す図、（ｂ）は油圧モータ１
２のモータ出力トルクの時間的な変化を示す図、（ｃ）
はコントローラ１４から流量制御弁１３へ出力される電
流指令の時間的な変化を示す図、（ｄ）はエンコーダ１
５で検出される油圧モータ１２の位置データの時間的な
変化を示す図である。なお、（ｃ）と（ｄ）は必要に応
じて図示する。

【００２０】ステップ１（動作境界の学習） 第１の制御手段では、図３（ａ）に示すように、荷物を
吊り下げた状態で油圧モータ１２の出力トルクを増加お
よび減少させ、それぞれエンコーダ１５の位置データが
わずかに変化した時の油圧モータ１２の出力トルクの上
限値と下限値を記憶する。すなわち第１の制御手段は、
荷物を吊り下げた状態で流量制御弁１３に図３（ｃ）に
示すような電流指令を出力し、油圧モータ１２の出力ト
ルクを図３（ｂ）のように変化させる。そして、エンコ
ーダ１５の位置データが図３（ｄ）のように変化した時
点での油圧モータ１２の出力トルクの上限値（Ｔｕｐ）
と下限値（Ｔｄｏｗｎ）をそれぞれ記憶する。これによ
り、静止領域から正転動作領域、および静止領域から逆
転動作領域へ移行する際の上限値と下限値を学習する。

【００２１】ステップ２（出力トルク振動） 第２の制御手段では、図４（ａ）に示すように、ステッ
プ１で学習したＴｕｐ、Ｔｄｏｗｎの幅よりも、それぞ
れ△Ｔだけ小さな幅（Ｔｕｐ−△Ｔ、Ｔｄｏｗｎ−△
Ｔ）を目標値（Ｔｍａｘ、Ｔｍｉｎ）として出力トルク
を周期的に変化させる。△Ｔはトルクのバラツキを考慮
したもので、上下の限界点を越えない範囲で任意の値を
設定することができる。第２の制御手段は、流量制御弁
１３に図４（ｃ）に示すようなディザの電流指令を出力
し、油圧モータ１２の出力トルクを図４（ｂ）のように
振動させる。この場合、出力トルクは静止領域内で変化
するだけなので、エンコーダ１５の位置データは図４
（ｄ）のように変化しない。

【００２２】ステップ３（操作力ＯＮ、動作開始、速度
制御） 第３の制御手段では、荷物に対して操作力がいずれかの
方向にわずかに付加され、かつ出力トルクの振動が前記
操作力の付加された方向の限界点に達した時は、油圧モ
ータ１２の出力トルクを一定低速の速度制御に切り換え
る。

【００２３】図５（ａ）において、正転方向にＦ×ｒの
操作力が加わると、系のバランス点が変化し、動作ポイ
ントはＷ×ｒの位置から（Ｗ−Ｆ）×ｒの位置に移行す
る。すなわち、図５（ｂ）に示すように、動作ポイント
は操作力ＯＮの時点で全体的に下がることになる。

【００２４】さらに、出力トルク振動により波形値が増
加してゆくと、出力トルクは図６（ａ）に示すように、
目標値Ｔｍａｘ（＝Ｔｕｐ−△Ｔ）に達する前に動作ポ
イントを越えることになり、次の一定低速の速度制御の
動作が開始する。このときの出力トルクの変化を図６
（ｂ）に示す。同図では、操作力がＯＮしてから検出遅
れ△ｔ（＜ディザ周期）後に動作ポイントに達する様子
が示されている。

【００２５】速度制御の動作開始とともに、図７（ａ）
および図７（ｂ）に示すように、出力トルクの振動制御
から一定低速の速度制御に切り換えられる。このとき、
静止摩擦時の動作ポイントは動摩擦時の静止ポイントと
なり、その幅は狭くなる。この後、出力トルクは動摩擦
時の静止ポイント付近に位置するように制御される。す
なわち第３の制御手段は、図７（ｃ）に示すように、出
力トルクが動作ポイントに達した時点でディザの電流指
令からほぼ一定の電流指令を出力する。エンコーダ１５
の位置データは、図７（ｄ）のように一定の割合で変化
する。

【００２６】ステップ４（操作力ＯＦＦ） 第４の制御手段は、荷物に対する操作力が抜けたとき
に、出力トルクの制御を再び第２の制御手段による出力
トルク振動の制御に切り換える。

【００２７】図８（ａ）のように、操作力Ｆ×ｒがＯＦ
Ｆになり出力トルクが再度静止ポイントに入ると、第４
の制御手段は第２の制御手段に制御を移行する。第２の
制御手段では、図８（ｂ）のように、操作力がＯＦＦに
なった時点から、再び出力トルク振動の制御（図４参
照）を行う。このとき、動摩擦時の静止ポイントは静止
摩擦時の動作ポイントとなり、元の幅に戻る。

【００２８】次に、上述した第１の制御手段〜第４の制
御手段による処理の流れを図９のフローチャートにより
説明する。

【００２９】コントローラ１４は、初期化処理（ステッ
プ１０１）に続いて、エンコーダ１５や圧力センサ１６
から必要なデータを入力し（ステップ１０２）、油圧モ
ータ１２の出力トルクの計算や、速度制御用のスピード
計算等を行う（ステップ１０３）。続いて、バランサス
イッチＯＮかどうかを判定する（ステップ１０４）。バ
ランサスイッチとは、作業モードの選択スイッチであ
り、作業者が荷物に手を添えて動かすときはバランサス
イッチをＯＮとし、図示せぬジョイスティックレバーの
操作により荷物を動かす場合はバランサスイッチＯＦＦ
とする。バランサスイッチをＯＮのときはバランスモー
ドとなり、ＯＦＦであればレバーモードとなる。ここで
は、バランサスイッチがＯＮであったとする。

【００３０】次に、学習フラグがＯＮになっているかど
うかを判定する（ステップ１０５）。学習フラグとは、
第１の制御手段において出力トルクの上限値と下限値の
記憶を行ったかどうかを見るためのもので、一回学習を
行うとフラグがＯＮとなる。ここでは、学習がなされて
いないものとする。第１の制御手段は、油圧モータ１２
の出力トルクを増加および減少させ、エンコーダ１５の
位置データがわずかに変化した時の油圧モータ１２の出
力トルクの上限値と下限値をそれぞれ記憶する（ステッ
プ１０６〜ステップ１１２）。両方向の学習が済んだと
きは（ステップ１１３「Ｙ」）、学習フラグをＯＮとす
る（ステップ１１４）。

【００３１】さて、ステップ１０５で学習フラグがＯＮ
となったときは、第２の制御手段により出力トルクの振
動を行う。ここでは、出力トルクが摩擦限界上限または
摩擦限界下限のいずれでもなく、また速度制御の動作開
始でもなければ指令値をｕｐしていき（ステップ１１５
〜ステップ１１８）、摩擦限界上限または摩擦限界下限
に達したときは、それぞれ指令方向を反転して所定の指
令値を出力する（ステップ１１９、〜ステップ１２
１）。また、ステップ１１７で速度制御の動作開始とな
った場合、第３の制御手段は出力トルク振動から一定低
速の速度制御のルーチンへ移行する（ステップ１２
２）。

【００３２】また、ステップ１０４でバランサスイッチ
がＯＦＦであれば、レバー電圧に応じた指令値を決定し
（ステップ１２３）、学習フラグ等をＯＦＦとするな
ど、バランスモードパラメータを初期化する（ステップ
１２４）。

【００３３】上述した実施例の平衡荷役装置において
は、前もって油圧モータ内部の機械的な摩擦力を越える
上限値と下限値の学習を行い、この学習した位置の幅で
出力トルクを振動させることにより、摩擦力に対抗する
補償出力を与えるとともに、荷物に対して操作力が加え
られ、かつ前期出力トルクの振動が前記操作力の付加さ
れた方向の限界値に達した時は、油圧モータの出力トル
ク振動を一定低速の速度制御に切り換えるようにし、ま
た操作力が抜けたときには、再び出力トルク振動の制御
に移行するようにしているため、静止領域から動作領域
に移行するための操作力が補償されるので、荷物を昇降
させる際に必要な操作力を低減することができる。

【００３４】なお、上述した実施例では、流量制御弁と
圧力センサの構成により、出力トルク振動時には圧力制
御を行い、動作中（油圧モータ回転中）は速度制御を行
うようにしているが、電磁比例圧力制御弁の構成とする
ことにより、出力トルク振動時および動作中のいずれも
圧力制御とすることができる。この場合、圧力センサは
不要となる。また、アクチュエータとして油圧モータを
使用した場合について説明したが、油圧シリンダ、空圧
シリンダ、電動モータ等のアクチュエータを用いた平衡
荷役装置にも適用することができる。さらに、動作検出
部としては、エンコーダ以外にも、ポテンショメータ、
加速センサ、傾斜センサでも代用することができる。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、この発明に係わる
平衡荷役装置においては、駆動部出力を振動させて機構
部の機械的な摩擦力を補償するようにしたため、作業者
はわずかな力を加えるだけで静止領域の摩擦力に対抗す
ることができることになり、荷物を昇降させる際に必要
な操作力を大幅に低減することが可能となる。また、操
作部の近傍に高価なセンサなどを設ける必要がないの
で、安価な部品構成が可能となり、また使用環境条件等
の制約を受けることがない。

【図面の簡単な説明】

【図１】平衡荷役装置のシステム構成を示すブロック図

【図２】外部負荷入力トルクと出力トルクとの関係を示
す図

【図３】出力トルク制御が行われたときの状態を示す図
（動作境界の学習）

【図４】出力トルク制御が行われたときの状態を示す図
（出力トルク振動）

【図５】出力トルク制御が行われたときの状態を示す図
（操作力ＯＮ）

【図６】出力トルク制御が行われたときの状態を示す図
（動作開始）

【図７】出力トルク制御が行われたときの状態を示す図
（速度制御）

【図８】出力トルク制御が行われたときの状態を示す図
（操作力ＯＦＦ）

【図９】第１の制御手段〜第４の制御手段による出力ト
ルク制御処理の流れを示すフローチャート

【符号の説明】

１１…アーム（機後部） １２…油圧モータ（駆動部） １３…流量制御弁（制御部） １４…コントローラ（制御部） １５…エンコーダ（動作検出部） １６…圧力センサ（出力トルク検出部）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 荷物を支持または吊り下げる機構部と、
   当該機構部で支持または吊り下げた荷物を所定の動作指
   令に従って昇降または回動させる駆動部と、前記機構部
   または駆動部の変位を検出する検出手段と、前記検出手
   段で検出された変位を入力し、前記駆動部の制御に必要
   な動作指令を演算する制御部とを備えた平衡荷役装置に
   おいて、 荷物を支持または吊り下げた状態で駆動部出力を増加お
   よび減少させ、前記検出手段の出力に変化を生じた時の
   駆動部出力の上限値と下限値を記憶する第１の制御手段
   と、 前記記憶された上限値と下限値よりも小さな振幅で駆動
   部出力を振動させる第２の制御手段と、 前記機構部に支持または吊り下げられた荷物に対して外
   部から操作力が付加され、かつ駆動部出力振動が前記操
   作力の付加された方向の限界値に達した時は、駆動部出
   力を一定低速の速度制御に切り換える第３の制御手段
   と、 を備えたことを特徴とする平衡荷役装置。