JPH08119573A - ジャイロ効果を利用した吊荷姿勢制御装置及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 外乱により回転させられたジンバルを吊荷の
旋回に影響を与えることなく、ジャイロ効果を利用して
オフセット位置に戻すことのできる吊荷姿勢制御装置。 【構成】 ジャイロ枠１とジンバル枠６との間に設けら
れ両者を離接可能とする吊荷旋回用クラッチ２１と、ジ
ンバル８をオフセット位置に戻すときに傾転させるオフ
セット用傾転駆動モータ１９及びウォームギヤからなる
オフセット用傾転駆動部と、ジンバル８との間に設けら
れ両者を離接可能とするオフセット用傾転クラッチ１７
とを備える。ジンバル８をオフセット位置に戻すように
傾転させる際に、オフセット用傾転クラッチ１７が接続
状態とされ、吊荷旋回用クラッチ２１が切断状態とされ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、ワイヤーロープ等で
吊り下げられた吊荷を水平面内で適宜に旋回させる吊荷
姿勢制御装置及びその制御方法に関し、特に、ワイヤー
ロープ等により水平な姿勢で吊り下げられる吊り治具に
ジャイロを搭載し、そのジャイロ効果を利用して吊り治
具の水平旋回力を得るシステムに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】揚重作業における吊荷の旋回作業を自動
化することを目的として、リジットアームを持ったクレ
ーンや、ロープの捻れを反力とした旋回装置が提案され
ているが、前者は装置の重量が吊能力に対して過大であ
り、後者は吊荷の旋回挙動が不安定であるため、これら
の装置に代えてジャイロ効果を利用した吊荷の旋回姿勢
制御装置が開発されている（例えば特公平４−１７８７
３号公報参照）。

【０００３】この公報に記載された吊荷の旋回姿勢制御
装置は、クレーンから吊下されたワイヤーロープに水平
な姿勢で吊下げられその下方に吊荷が取り付けられる吊
り治具と、この吊り治具に対し平行な回転軸を中心とし
て回転可能なジンバルと、このジンバルに対し該ジンバ
ルの回転軸を含む面と直交するスピン軸を中心としてス
ピン可能なフライホイールとを備え、外乱により吊荷が
自然旋回した角度を検出し、旋回角が比較的小さい間
に、ジンバルをモータによって回転することにより、そ
れまでに旋回した分だけ逆に吊荷を旋回させることで、
常に所定の方位角を保つようにするものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
ジャイロ効果を利用した吊荷の旋回姿勢制御装置にあっ
ては、吊荷（吊り治具）の旋回軸に風等の外乱が加わる
と、外乱の力に応じてフライホイールのスピン軸が垂直
に近い角度となるようにジンバルが回転することで前記
外乱に対抗し、その結果、ジンバルが傾斜した状態を保
持することになる。その後、ジンバルをスピン軸が水平
となるオフセット位置（以下、単に「オフセット位置」
という）となるように回転すると、外乱方向に旋回が加
速されることとなる。

【０００５】このようなプレセッション力は、その時点
で吊荷を外乱による旋回方向に旋回させるならば好都合
であるが、反対方向に旋回力を付与する場合には、オフ
セット位置にジンバルを傾転して戻す必要があり、その
際、吊荷に同一方向の旋回力を付与してしまうといった
問題がある。

【０００６】また、オフセット位置でジンバルを回転す
るモータの駆動を停止すると、加速旋回した成分をジン
バルが回転することで対抗吸収するため、結果的にジン
バルを単に逆方向に回転するだけではジンバルをオフセ
ット位置に戻すことはできない。

【０００７】この発明は、前述した従来の問題に鑑みな
されたもので、その目的は、外乱により回転させられた
ジンバルを吊荷の旋回に影響を与えることなく、ジャイ
ロ効果を利用してジンバルをオフセット位置に戻すこと
のできる吊荷姿勢制御装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１にかかる装置発明は、吊荷を吊下するため
に水平な姿勢で吊り下げられる吊り治具と、この吊り治
具に固定されたジャイロ枠と、このジャイロ枠に対し鉛
直な旋回軸を中心として旋回可能なジンバル枠と、この
ジンバル枠に対し該ジンバル枠の旋回軸を含む面と直交
する回転軸を中心として回転可能なジンバルと、このジ
ンバルに対し前記回転軸を含む面と直交するスピン軸を
中心としてスピン可能なフライホイールと、前記ジンバ
ル枠に搭載されてジンバルを正逆回転する回転駆動部
と、前記ジンバルに搭載されてフライホイールをスピン
させるスピン駆動部とを備えた吊荷姿勢制御装置であっ
て、前記ジャイロ枠とジンバル枠との間に両者を離接可
能とする吊荷旋回用クラッチを設けるとともに、前記ジ
ンバル枠から回転駆動部への反力トルクを封殺する機構
を設けたことを特徴とする。

【０００９】請求項２にかかる装置発明は、前記ジンバ
ルをオフセット位置に戻すときに該ジンバルを傾転させ
るオフセット用傾転駆動部と、このオフセット用傾転駆
動部に接続されるウォームギヤ機構と、このウォームギ
ヤ機構と前記ジンバルまたは前記回転駆動部との間に設
けられ両者を離接可能とするオフセット用傾転クラッチ
と、前記スピン駆動部，回転駆動部，オフセット用傾転
駆動部の駆動、並びに吊荷旋回用クラッチ，オフセット
用傾転クラッチの離接を制御して前記吊り治具に吊下さ
れる吊荷の旋回を制御する制御手段とを備えたことを特
徴とする。

【００１０】請求項３にかかる装置発明は、前記ジャイ
ロ枠とジンバル枠との間に、可変定トルク伝達機を設け
たことを特徴とする。

【００１１】請求項４にかかる方法発明は、前記吊荷姿
勢制御装置を用いて前記吊り治具に吊下される吊荷の旋
回を制御する方法であって、通常の旋回動作時には、前
記吊荷旋回用クラッチを接続状態とするとともに、前記
オフセット用傾転クラッチを切断状態とし、前記スピン
駆動部及び回転駆動部を駆動する一方、前記ジンバルを
オフセット位置に戻すときには、前記オフセット用傾転
クラッチを接続状態とするとともに、前記吊荷旋回用ク
ラッチを切断状態とし、前記オフセット用傾転駆動部を
駆動することを特徴とする。

【００１２】

【作用】上記構成において、通常の旋回動作時には、吊
荷旋回用クラッチを接続状態とする。この状態で、スピ
ン駆動部及び回転駆動部を駆動することにより、吊荷の
旋回及び旋回停止が行われる。

【００１３】吊荷の旋回軸に風等の外乱が加わると、外
乱の力に応じてフライホイールのスピン軸が垂直に近い
角度となるようにジンバルが回転する。その後、ジンバ
ルをオフセット位置に戻すときは、吊荷旋回用クラッチ
を切断状態とするとともに、回転駆動部を逆回転させ
る。すると、ジンバルが傾転するが、このとき、フライ
ホイールが回転しているため、ジャイロ効果を生じ、ジ
ンバル枠がこれまでと同方向に旋回しようとする。しか
し、ジンバル枠とジャイロ枠（吊り治具）との間が離間
しているため、ジャイロ枠には影響を与えることなしに
ジンバル枠だけが旋回する。従って、吊荷に同方向の旋
回力を付与することなくジンバルをオフセット位置に戻
すことができる（請求項１、４）。

【００１４】なお、オフセット位置に戻ったときに回転
駆動部のスイッチを切るとジンバル枠が慣性により旋回
を継続しようとするので逆のジャイロ効果を生じ、ジン
バルをオフセット位置から遠ざける（元に戻す）方向に
傾転させようとする力（トルク）が回転駆動部に働く
が、反力トルクを封殺する機構が設けられてあるため、
この作用により、ジンバルをオフセット位置に留めてお
くことができる。

【００１５】請求項２の構成を採用した場合には、通常
の旋回動作時には、吊荷旋回用クラッチが接続状態とさ
れることに加え、さらにオフセット用傾転クラッチが切
断状態とされる。ジンバルをオフセット位置に戻すよう
に傾転させる際は、オフセット用傾転クラッチを接続状
態とし、吊荷旋回用クラッチを切断状態とする。この状
態で、オフセット用傾転駆動部を駆動すると、請求項１
の場合と同様に、吊荷に旋回力を付与することなく、ジ
ンバルを回転することができる。（請求項２、請求項
４）。

【００１６】請求項３の構成を採用した場合には、ジン
バルをオフセット位置に戻すように傾転させる際に、ジ
ャイロ効果によりジンバル枠が旋回させられるが、この
旋回力は可変定トルク伝達機により設定された比較的小
さなトルクのみがジャイロ枠に伝達されるので、ジャイ
ロ枠、ひいては吊り治具（吊荷）に殆ど影響を与えるこ
とはない。この際、吊荷の慣性モーメントを反力場とし
て、ジャイロ枠とジンバル枠間での小さな伝達トルク
は、ジンバル枠の旋回を制動する力として作用する。

【００１７】

【実施例】以下、この発明の実施例を図面を用いて詳細
に説明する。

【００１８】図１，図２はこの発明にかかるジャイロ効
果を利用した吊荷姿勢制御装置を示し、この吊荷姿勢制
御装置は、クレーン（図示しない）によって吊下された
箱型のジャイロ枠１と、このジャイロ枠１の底部に水平
状態で固定され吊ロープ２，２によって吊荷３（同図で
はＨ型鋼）を吊下するためのＨ型鋼よりなる吊り治具４
と、ジャイロ枠１内にあって鉛直な旋回軸５を中心とし
て旋回可能なジンバル枠６と、このジンバル枠６に対し
回転軸７を中心として回転可能なジンバル８と、このジ
ンバル８に対しスピン軸９を中心としてスピン可能なフ
ライホイール１０とを備えている。

【００１９】ジンバル８はジンバル枠６に搭載されたジ
ンバル回転モータ１１（回転駆動部）により、ジンバル
枠６の旋回軸５を含む面と直交する回転軸７（吊り治具
４と平行な軸）を中心として正逆方向に適宜速度で回転
可能となっている。また、フライホイール１０は、ジン
バル８に搭載された図示しないスピンモータ（スピン駆
動部）により、ジンバル８の回転軸７を含む面と直交す
るスピン軸９を中心として高速スピン可能となってい
る。ジンバル回転モータ１１、スピンモータは、それぞ
れの回転軸７、スピン軸９に対して非接触状態でこれら
を回転またはスピン駆動する電磁モータが採用されてい
る。

【００２０】ジンバル８の回転機構を更に具体的に説明
する。すなわち、ジンバル８の回転軸７の一端部に従動
プーリ１２が連結され、回転軸７と平行に配設された回
転駆動軸１３の一端部に駆動プーリ１４が連結され、両
プーリ１２，１４間にタイミングベルト１５が巻き掛け
られているとともに、回転駆動軸１３の中間部にはヘリ
カルギヤボックス１６（減速機）を介して回転駆動軸１
３にジンバル回転モータ１１の回転駆動力が伝達される
よう構成されている。さらに、回転駆動軸１３の他端部
はオフセット用傾転クラッチ１７（電磁クラッチ）並び
にウォームギヤ機構１８を介してオフセット用傾転モー
タ１９（オフセット用傾転駆動部）に離接可能に連結さ
れている。ジンバル回転モータ１１は上述したように非
接触状態で回転駆動軸１３を正逆回転可能であり、ウォ
ームギヤ機構１８は周知のようにオフセット用傾転モー
タ１９からの駆動力を回転駆動軸１３側に伝達すること
ができるが、回転駆動軸１３からの動力をオフセット用
傾転モータ１９側に伝達することができない非可逆特性
を有している。

【００２１】オフセット用傾転クラッチ１７は、これを
切断状態とすると、ジンバル回転モータ１１の回転駆動
力が回転駆動軸１３に伝達されて駆動プーリ１４、タイ
ミングベルト１５、従動プーリ１２を順に介してジンバ
ル８の回転軸７に伝達される。一方、オフセット用傾転
クラッチ１７を接続状態とすると、オフセット用傾転モ
ータ１９の傾転駆動力が回転駆動軸１３に伝達されてこ
れがジンバル８の回転軸７に伝達されることになる。従
って、ジンバル回転モータ１１はジンバル８を正逆方向
に回転させるものであるのに対し、オフセット用傾転モ
ータ１９はジンバル８をオフセット位置に戻すときにジ
ンバル８を傾転させるものである。

【００２２】なお、オフセット用傾転クラッチを、オフ
セット用傾転モータに接続せず、直接、従動プーリ１２
を介してジンバルに接続してもよい。

【００２３】さらに、ジャイロ枠１の底面とジンバル枠
６の底部上面との間には、両者を離接可能とする吊荷旋
回用クラッチ２０が設けられている。吊荷旋回用クラッ
チ２０を接続状態とすると、ジンバル枠６とジャイロ枠
１、すなわち吊り治具４（吊荷３）とが一体的に旋回す
ることとなる一方、切断状態とすると、ジンバル８の回
転がジンバル枠６に伝達されてもジャイロ枠１、すなわ
ち吊り治具４（吊荷３）に影響を与えることがなくな
る。

【００２４】ジャイロ枠１の天井部下面とジンバル枠６
の天井部上面との間には、可変定トルク伝達機２１が設
けられている。可変定トルク伝達機２１は、ジンバル枠
６の旋回力のうち予め小さく設定されたトルクのみをジ
ャイロ枠１側に伝達するものである。

【００２５】上記ジンバル枠６、ジンバル８、フライホ
イール１０等はジャイロを構成している。なお、ジンバ
ル８の回転軸７の他端位置にはジンバル８の傾転状態を
検出する傾転検出器２２が設置され、ジャイロ枠１内に
は、上記ジャイロ、傾転検出器２２の他、ジンバル回転
モータ１１，スピンモータ，オフセット用傾転モータ１
９の回転駆動を制御するとともに、オフセット用傾転ク
ラッチ１７，吊荷旋回用クラッチ２１の離接駆動を制御
する制御コントローラ２３等が備えられている。

【００２６】次に作用を説明する。

【００２７】通常の旋回動作時には、吊荷旋回用クラッ
チ２１を接続状態とし、オフセット用傾転クラッチ１７
を切断状態としておく。この状態で、スピン駆動モータ
及びジンバル回転モータ１１を駆動してジンバル８を回
転駆動すればジャイロ効果が生じ、ジンバル枠６、ジャ
イロ枠１、吊り治具４を介して吊荷３を旋回させること
ができる。また、ジンバル８の回転駆動を停止すれば、
吊荷３の旋回力によりジンバル８を回転させることとな
り、これにより生じるジャイロ効果によって吊荷３の旋
回力が相殺されて吊荷３の旋回は停止する。

【００２８】吊荷３に風等の外乱が加わると、外乱の力
に応じてフライホイール１０のスピン軸９が垂直に近い
角度となるようにジンバル８が回転する。その後、ジン
バル８をオフセット位置に戻すように傾転させる際に
は、オフセット用傾転クラッチ１７を接続状態とし、吊
荷旋回用クラッチ２０を切断状態とする。この状態で、
オフセット用傾転モータ１９が駆動されると、ウォーム
ギヤ機構１８、回転駆動軸１３を介してジンバル８が傾
転される。ジンバル枠６をオフセット方向に傾転させる
と、ジャイロ効果により外乱と同方向にジンバル枠６が
旋回させられる。このとき、ジャイロ枠６（吊り治具
４）とジンバル枠６との間が離間しているため、ジャイ
ロ効果によるジンバル６の旋回力はジャイロ枠１に伝達
されない。従って吊り治具４にも伝達されない。

【００２９】なお、オフセット用傾転駆動モータ１９は
非可逆特性を有するウォームギヤ機構１８に連結されて
いるので、ジンバル枠６の慣性モーメントによる反力ジ
ャイロモーメントを封殺することができる。従って、ジ
ンバル枠６に遅い回転速度で大きなトルクを加えれば、
ジャイロモーメントによりジンバル枠６が旋回させられ
るが、ジャイロ枠１に伝達される旋回力は可変定トルク
伝達機２１の作用により小さな旋回トルクのみとなるた
め、ジャイロ枠１に殆ど影響を与えることはない。

【００３０】さらに、ジンバル枠６を傾転する際に加減
速制御（速度の台形制御等）を行えば、上述した可変定
トルク伝達機２１とウォームギヤ機構１８の作用が、ジ
ンバル８の傾転速度及びトルク並びにジンバル枠６の旋
回速度に応じて連鎖的に生じるので、吊荷３の旋回に大
きな影響を与えることなく、ジンバル８を所定の位置に
傾転させるとともにジンバル枠６をも制動制御できる。

【００３１】以上の説明においては、専用のオフセット
用傾転モータ１９を用いた場合（請求項２）について説
明したが、これを用いず、回転駆動部１１によりオフセ
ットすることができる（請求項１）。

【００３２】この場合、前述したとおり、反力トルクを
封殺する機構が必要である。この機構としては、図２に
示すように、 回転駆動部１１をブレーキ付きモータ１１Ａとする
（図２（ａ））。 回転駆動部１１とジンバル８との伝達軸に電磁ブレー
キ２４を設ける（図２（ｂ））。 回転駆動部１１とジンバル８との伝達軸にラチェット
機構２５を設け、ラチェットの爪２５ａをかけ替え可能
にする（図２（ｃ））。 などが可能である。

【００３３】

【発明の効果】以上実施例によって説明したように、こ
の発明によれば、ジンバルを容易にオフセット位置に戻
すことができる（請求項１〜４）。

【００３４】また、請求項３の構成を採用した場合に
は、ジャイロ枠、ひいては吊り治具（吊荷）に殆ど影響
を与えることなく、より迅速にオフセット位置に戻すこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明のジャイロ効果を利用した吊荷姿勢制
御装置にかかる一実施例の全体構成を示す側断面図であ
る。

【図２】反力トルクを封殺する機構の説明図である。

【符号の説明】

１ ジャイロ枠 ３ 吊荷 ４ 吊り治具 ６ ジンバル枠 ８ ジンバル １０ フライホイール １１ ジンバル回転モータ １７ オフセット用傾転クラッチ １８ ウォームギヤ機構 １９ オフセット用傾転モータ ２０ 吊荷旋回用クラッチ ２１ 可変定トルク伝達機

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 脇坂 達也 東京都清瀬市下清戸４丁目640番地 株式 会社大林組技術研究所内 (72)発明者 井上 文宏 東京都清瀬市下清戸４丁目640番地 株式 会社大林組技術研究所内 (72)発明者 堂山 敦弘 東京都清瀬市下清戸４丁目640番地 株式 会社大林組技術研究所内 (72)発明者 渡辺 幸次 東京都清瀬市下清戸４丁目640番地 株式 会社大林組技術研究所内 (72)発明者 大八木 衆司 大阪府大阪市中央区北浜東４番33号 株式 会社大林組本店内 (72)発明者 福田 一成 大阪府大阪市中央区北浜東４番33号 株式 会社大林組本店内 (72)発明者 上村 泰邦 東京都千代田区神田司町２丁目３番地 株 式会社大林組東京本社内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 吊荷を吊下するために水平な姿勢で吊り
   下げられる吊り治具と、この吊り治具に固定されたジャ
   イロ枠と、このジャイロ枠に対し鉛直な旋回軸を中心と
   して旋回可能なジンバル枠と、このジンバル枠に対し該
   ジンバル枠の旋回軸を含む面と直交する回転軸を中心と
   して回転可能なジンバルと、このジンバルに対し前記回
   転軸を含む面と直交するスピン軸を中心としてスピン可
   能なフライホイールと、前記ジンバル枠に搭載されてジ
   ンバルを正逆回転する回転駆動部と、前記ジンバルに搭
   載されてフライホイールをスピンさせるスピン駆動部と
   を備えた吊荷姿勢制御装置であって、 前記ジャイロ枠とジンバル枠の間に両者を離接可能とす
   る吊荷旋回用クラッチを設けるとともに、前記ジンバル
   枠から回転駆動部への反力トルクを封殺する機構を設け
   たことを特徴とするジャイロ効果を利用した吊荷姿勢制
   御装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載のジャイロ効果を利用し
   た吊荷姿勢制御装置であって、前記ジンバルをオフセッ
   ト位置に戻すときに該ジンバルを傾転させるオフセット
   用傾転駆動部と、このオフセット用傾転駆動部に接続さ
   れるウォームギヤ機構と、このウォームギヤ機構と前記
   ジンバルまたは前記回転駆動部との間に設けられ両者を
   離接可能とするオフセット用傾転クラッチと、前記スピ
   ン駆動部，回転駆動部，オフセット用傾転駆動部の駆
   動、並びに吊荷旋回用クラッチ，オフセット用傾転クラ
   ッチの離接を制御して前記吊り治具に吊下される吊荷の
   旋回を制御する制御手段とを備えたことを特徴とするジ
   ャイロ効果を利用した吊荷姿勢制御装置。
3. 【請求項３】 前記ジャイロ枠とジンバル枠との間に、
   可変定トルク伝達機を設けたことを特徴とする請求項１
   または２に記載のジャイロ効果を利用した吊荷姿勢制御
   装置。
4. 【請求項４】 請求項１、２、３のいずれかに記載の吊
   荷姿勢制御装置を用いて前記吊り治具に吊下される吊荷
   の旋回を制御する方法であって、 通常の旋回動作時には、前記吊荷旋回用クラッチを接続
   状態とするとともに、前記オフセット用傾転クラッチを
   切断状態とし、前記スピン駆動部及び回転駆動部を駆動
   する一方、前記ジンバルをオフセット位置に戻すときに
   は、前記オフセット用傾転クラッチを接続状態とすると
   ともに、前記吊荷旋回用クラッチを切断状態とし、前記
   オフセット用傾転駆動部を駆動することを特徴とするジ
   ャイロ効果を利用した吊荷姿勢の制御方法。