(57)【要約】【課題】制振性の犠牲を抑えつつ、適用範囲が広くて簡単に制振させることができる制振システムを提供することを課題とする。【解決手段】制振システム１０は、水平方向に走行可能に支えられている架台１６と、架台１６の吊り下げ支点Ｓ３に吊り下げられた上側錘１８と、上側錘１８に吊り下げられた下側錘２２と、架台１６の走行を制御する制御部２４と、を備える。制御部２４は、上側錘１８と下側錘２２の重量が同一であるとするとともに、吊り下げ支点Ｓ３から上側錘１８の重心までの長さと上側錘１８の重心から下側錘２２の重心までの長さとが同一であるとして、下側錘２２に吊り下げられた吊り荷Ｃの重量に応じ、吊り下げ支点Ｓ３で波動の反射を抑えるように架台１６の水平方向の加速度を制御する。【選択図】図１
2014114881.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水平方向に走行可能に支えられている架台と、
前記架台の吊り下げ支点に吊り下げられた上側錘と、
前記上側錘に吊り下げられた下側錘と、
前記架台の走行を制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記上側錘と前記下側錘の重量が同一であるとするとともに、前記吊り下げ支点から前記上側錘の重心までの長さと前記上側錘の重心から前記下側錘の重心までの長さとが同一であるとして、前記下側錘に吊り下げられた吊り荷の重量に応じ、前記吊り下げ支点で波動の反射を抑えるように前記架台の水平方向の加速度を制御することを特徴とする制振システム。
【請求項２】
前記吊り下げ支点と前記上側錘とを結ぶ直線が鉛直方向に対してなす角度θ３に基づいて、前記吊り下げ支点よりも上方に仮想的に設けた仮想錘と前記吊り下げ支点とを結ぶ直線が鉛直方向に対してなす角度θ４を求め、
前記θ３および前記θ４に基づいて前記加速度を制御することを特徴とする請求項１に記載の制振システム。
【請求項３】
吊り下げ支点から吊り下げられた上側錘と、
前記上側錘に前記吊り下げ支点まわりのトルクを付与する付与手段と、
前記上側錘に吊り下げられた下側錘と、
前記付与手段を制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記上側錘と前記下側錘の重量が同一であるとするとともに、前記吊り下げ支点から前記上側錘の重心までの長さと前記上側錘の重心から前記下側錘の重心までの長さとが同一であるとして、前記下側錘に吊り下げられた吊り荷の重量に応じ、前記吊り下げ支点で波動の反射を抑えるように前記付与手段の付与するトルクを制御することを特徴とする制振システム。
【請求項４】
前記吊り下げ支点と前記上側錘とを結ぶ直線が鉛直方向に対してなす角度θ３に基づいて、前記吊り下げ支点よりも上方に仮想的に設けた仮想錘と前記吊り下げ支点とを結ぶ直線が鉛直方向に対してなす角度θ４を求め、
前記θ３および前記θ４に基づいて前記トルクを制御することを特徴とする請求項３に記載の制振システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、クレーンなどの懸垂体の振れ止めを行う制振システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
クレーンなどの懸垂体の振れ止め制御については、種々の提案がなされている。この提案の多くは振動制御に基づく提案であり、制御対象の情報がある程度得られることが前提となっている。
【０００３】
一方、屋外でのクレーン作業などでは、運搬物が千差万別でその特性や懸垂物の振れ角を計測することが容易ではない。このような状況にも対応するためには、制御対象の波動伝搬特性を懸垂端で吸収する波動制御法が適している（例えば、非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】日本機械学会論文集、第61巻581号Ｃ編（平成7年1月）、p35-42
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来の波動制御法では、仮想系終端での波動の反射を防止するためにいわゆる初期化を随時実行しなければならない。従って、初期化時点で制御に不連続性が生じるため、制振性を犠牲にしている。
【０００６】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、制振性の犠牲を抑えつつ、適用範囲が広くて簡単に制振させることができる制振システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者は、錘や吊り荷の吊り下げ支点（最上端側の支持端）で、波動制御法により波動の反射を起こさないｎ自由度均質単振子系運動方程式について検討した。
【０００８】
非特許文献１に記載されているように、図１０に示すようなｎ自由度均質単振子系（上端の吊り下げ支点Ｓ３からｎ個の均質（同一）の振子が同じ振子長さで直列に吊り下げられた系）の運動方程式は以下の式で表される。
【数１】
2014114881.tif 000003
【０００９】
そして、以下の式により、ｋ番目の振子から（ｋ＋１）番目の振子への振れ角の伝搬特性が求められる。
【数２】
2014114881.tif 000004
【００１０】
また、本発明者は、最上端振子の横変位を制御する手法として、振れ角θ（θ１〜θｎ）が微小である場合には、水平加速度制御が可能であることを見い出し、以下の式が成り立つことも見い出している。
【数３】
2014114881.tif 000005
【００１１】
そして、本発明者は、これらのことを、最下端振子がクレーン荷（クレーンで吊り上げる荷物）である場合へ適用することを鋭意検討した。
【００１２】
まず、本発明者は、４つの振子が直列に繋がれた非均質多重単振子系（４自由度均質単振子系）では、以下の式が成立することに着目した。ここで、添え字１〜３のパラメータは、それぞれ、下端側から付けた番号の振子に関するものである。
【数４】
2014114881.tif 000006
【００１３】
更に、本発明者は、吊り下げ支点の上方に仮想の振子８０を１つ配置し、吊り下げ支点の下方には直接に繋いだ３つの実在する振子を配置した系を考えた。そして、このような系で、最下端振子（クレーン荷）以外の振子の質量を全てｍ、隣り合う振子同士の間隔（振子長さ）を全てｌと同じに仮定し、更に、ｍ１／ｍ＝μ、ｌ１／ｌ＝κ、とおいた。ここで、ｍ１は最下端の振子の質量、ｌ１は最下端の振子の重心から吊り下げ支点までの長さである。この結果、以下の式が成立することを見い出した。
【数５】
2014114881.tif 000007
【００１４】
ここで、添え字４および５は、吊り下げ支点よりも上方に仮想的に設けた振子に関する値（振子、振子長さ、鉛直方向とのなす角度、など）を示す。
【００１５】
そして、本発明者は、最下端振子（クレーン荷）の１自由度振子と２自由度均質振子からなる３自由度系で波動吸収制御を行うことを検討し、以下の式を考え出した。
【数６】
2014114881.tif 000008
【００１６】
数２からk=3に対して以下の式が得られる。
【数７】
2014114881.tif 000009
【００１７】
また、本発明者は、数７を更に検討し、ｍｌ２を両辺に乗算することで以下の式を得た。
【数８】
2014114881.tif 000010
【００１８】
ここで、上式の右辺は、付与するトルクに対応している。
【００１９】
そして、本発明者は、解析計算を行ってこれらの関係式がほどよく成立していることを確認し、更に検討を重ね、本発明を完成するに至った。
【００２０】
上記課題を解決するために、本発明の第１発明に係る制振システムは、水平方向に走行可能に支えられている架台と、前記架台の吊り下げ支点に吊り下げられた上側錘と、前記上側錘に吊り下げられた下側錘と、前記架台の走行を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記上側錘と前記下側錘の重量が同一であるとし、前記吊り下げ支点から前記上側錘の重心までの長さと前記上側錘の重心から前記下側錘の重心までの長さとが同一であるとして、前記下側錘に吊り下げられた吊り荷の重量に応じ、前記吊り下げ支点で波動の反射を抑えるように前記架台の水平方向の加速度を制御することを特徴とする。
【００２１】
また、本発明の第２発明に係る制振システムは、吊り下げ支点から吊り下げられた上側錘と、前記上側錘に前記吊り下げ支点まわりのトルクを付与する付与手段と、前記上側錘に吊り下げられた下側錘と、前記付与手段を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記上側錘と前記下側錘の重量が同一であるとし、前記吊り下げ支点から前記上側錘の重心までの長さと前記上側錘の重心から前記下側錘の重心までの長さとが同一であるとして、前記下側錘に吊り下げられた吊り荷の重量に応じ、前記吊り下げ支点で波動の反射を抑えるように前記付与手段の付与するトルクを制御することを特徴とする。
【００２２】
なお、第１発明に係る制振システムにおいて、最下端振子角度θ1が計測できる場合に、θ2振子、θ３振子の振子数学モデルを制御手段でオンライン計算することで、最下端振子支持点加速度を数９によって制御してもよい。なお、数９は数５から得られる。
【数９】
2014114881.tif 000011
【００２３】
具体的に説明すると、オンライン計算では、まず、θ３からθ４を数７で演算する。そして、微小時間刻み後のθ２およびθ３を、θ１およびθ４を一定値として以下の連立微分方程式を解くことによって求める。
【数１０】
2014114881.tif 000012
【００２４】
そして、数９に示した制御加速度を演算する。
【００２５】
この場合の利点は、制御対象振子長さを必要としないで振れ角の波動を吸収できることである。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、制振性の犠牲を抑えつつ、適用範囲が広くて簡単に制振させることができる制振システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】第１実施形態に係る制振システムが設けられた屋内用の天井クレーンの構成を説明する模式的な部分側面図である。
【図２】第２実施形態に係る制振システムが設けられた屋外用のクレーンの構成を説明する模式的な部分側面図である。
【図３】検証例１の算出結果を示すグラフ図である。
【図４】検証例１の算出結果を示すグラフ図である。
【図５】検証例１の算出結果を示すグラフ図である。
【図６】検証例２の算出結果を示すグラフ図である。
【図７】検証例２の算出結果を示すグラフ図である。
【図８】検証例２の算出結果を示すグラフ図である。
【図９】検証例２の算出結果を示すグラフ図である。
【図１０】多重単振子系のモデルを示す正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、図面は模式的なものであり、寸法比などは現実のものとは異なることに留意すべきである。従って、具体的な寸法比などは以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【００２９】
また、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための例示であって、この発明の実施の形態は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものではない。この発明の実施の形態は、要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施できる。
【００３０】
［第１実施形態］
まず、第１実施形態について説明する。図１は、本実施形態に係る制振システム１０が設けられた屋内用の天井クレーン１２の構成を説明する模式的な部分側面図である。本実施形態に係る制振システム１０は、レール１４によって水平方向に走行可能に支えられている架台１６と、架台１６の吊り下げ支点Ｓ３に吊り下げられた上側錘１８と、上側錘１８に吊り下げられた下側錘２２と、架台１６の走行を制御する制御部２４と、を備えている。架台１６には、走行力を発生させるためのサーボモータ２６が設けられている。
【００３１】
制御部２４は、下側錘２２に吊り下げられた吊り荷Ｃの重量に応じ、吊り下げ支点Ｓ３で波動の反射を抑えるように、架台１６の水平方向の加速度を制御するようになっている。
【００３２】
制御部２４は、上側錘１８の重量と下側錘２２の重量とを、同一の重量ｍであるとするとともに、吊り下げ支点Ｓ３から上側錘１８の重心までの長さと上側錘１８の重心から下側錘２２の重心までの長さとを、同一の長さｌであるとする。そして、下側錘２２に吊り下げられた吊り荷Ｃの重量ｍ１に応じ、吊り下げ支点Ｓ３で波動の反射を抑えるように架台１６の水平方向の加速度を制御するようになっている。
【００３３】
また、本実施形態では、制振システム１０は、吊り下げ支点Ｓ３と上側錘１８とを結ぶ直線が鉛直方向に対してなす角度θ３を計測する角度測定部２８を備えており、計測された角度θ３が角度測定部２８から制御部２４に送信される。
【００３４】
また、制御部２４は、吊り下げ支点Ｓ３よりも上方に仮想的に仮想錘３０を設ける。仮想錘３０の重量は上記の重量ｍと同じとし、吊り下げ支点Ｓ３から仮想錘３０の重心までの長さは、上記の長さｌと同じとする。
【００３５】
そして、制御部２４は、ｍ１／ｍをμとおき、仮想錘３０と吊り下げ支点Ｓ３とを結ぶ直線が鉛直方向に対してなす角度の解θ４を、以下の式で求める。
【数１１】
2014114881.tif 000013
【００３６】
そして、計測されたθ３および数１１で求めたθ４に基づいて、架台１６の水平方向の加速度が以下の値となるように制御する。
【数１２】
2014114881.tif 000014
【００３７】
この結果、吊り下げ支点Ｓ３で波動の反射が抑えられる。従って、従来行っていた初期化が不要となり、制振性の犠牲を抑えつつ、適用範囲が広くて簡単に制振させることができる制振システム１０とすることができる。
【００３８】
なお、本実施形態では、制振システム１０が屋内用の天井クレーン１２に設けられた例で説明したが、天井クレーン１２以外のものにも勿論適用可能である。
【００３９】
［第２実施形態］
次に、第２実施形態について説明する。図２は、本実施形態に係る制振システムが設けられた屋外用のクレーン４２の構成を説明する模式的な部分側面図である。本実施形態に係る制振システム４０は、吊り下げ支点Ｓ３から吊り下げられた上側錘４８と、上側錘４８に吊り下げられた下側錘５２と、上側錘４８に吊り下げ支点Ｓ３まわりのトルクを付与する付与機構５６と、付与機構５６を制御する制御部５４と、を備えている。付与機構５６は、トルクを付与するためのサーボモータを備えている。
【００４０】
制御部５４は、上側錘４８の重量と下側錘５２の重量とを同一の重量ｍであるとするとともに、吊り下げ支点Ｓ３から上側錘４８の重心までの長さと上側錘４８の重心から下側錘５２の重心までの長さとを、同一の長さｌであるとする。そして、下側錘５２に吊り下げられた吊り荷Ｃの重量ｍ１に応じ、吊り下げ支点Ｓ３で波動の反射を抑えるように付与機構５６の付与するトルクを制御するようになっている。
【００４１】
また、本実施形態では、第１実施形態と同様、制振システム４０は、吊り下げ支点Ｓ３と上側錘４８とを結ぶ直線が鉛直方向に対してなす角度θ３を計測する角度測定部５８を備えており、計測された角度θ３が角度測定部５８から制御部５４に送信される。
【００４２】
また、制御部５４は、吊り下げ支点Ｓ３よりも上方に仮想的に仮想錘６０を設ける。仮想錘６０の重量は上記の重量ｍと同じとし、吊り下げ支点Ｓ３から仮想錘６０の重心までの長さは、上記の長さｌと同じとする。
【００４３】
そして、制御部５４は、ｍ１／ｍ＝μとおき、仮想錘６０と吊り下げ支点Ｓ３とを結ぶ直線が鉛直方向に対してなす角度θ４を、第１実施形態と同様にして数８から求める。
【００４４】
そして、θ３およびθ４に基づいて、付与機構５６が付与するトルクが
【数１３】
2014114881.tif 000015
【００４５】
となるように制御部５４が付与機構５６を制御する。
【００４６】
この結果、吊り下げ支点Ｓ３で波動の反射が抑えられ、波動制御が可能になる。従って、従来行っていた初期化が不要となり、制振性の犠牲を抑えつつ、適用範囲が広くて簡単に制振させることができる制振システム４０とすることができる。
【００４７】
なお、本実施形態では、制振システム４０が屋外用のクレーン４２に設けられた例で説明したが、クレーン４２以外のものにも勿論適用可能である。
【００４８】
＜検証例１＞
本発明者は、多重単振子系（図１０参照）における数７の精度を検証することを検討した。そして、２個ではなく３３個の錘を吊り下げた場合について、同様にして各振子が鉛直方向に対してなす角度θｎ（ｎは１から４までの自然数）を算出することを検討した。そして、最下端から上方へ４個目の振子が鉛直方向に対してなす角度の算出解θ４（数１１により求めたもの）とシミュレーション解θ４（直接シミュレーション解）とを求め、互いに比較した。図３は、無次元化された時間と多重単振子系のシミュレーション解θ４との関係、および、無次元化された時間と算出解θ４との関係を示すグラフ図である。なお、図３では、シミュレーション解θ１〜θ３についても併せて表示した。
【００４９】
図３から判るように、算出解θ４とシミュレーション解θ４とがほとんど一致しており、制御側として十分に適用可能であるという結果になった。
【００５０】
更に、本発明者は、各振子が鉛直方向に対してなす角度θｎ（ｎは１６以下の自然数）を算出することを検討した。そして、最下端から上方へ１６個目の振子が鉛直方向に対してなす角度の算出解θ１６（数１１と同等の式により求めたもの）とシミュレーション解θ１６（直接シミュレーション解）とを求め、互いに比較した。図４は、算出解θ１６とシミュレーション解θ１６とを示すグラフ図である。図４から判るように、算出解θ１６とシミュレーション解θ１６とがほぼ一致するという結果になった。
【００５１】
更に、本発明者は、重量物を懸垂する場合を想定して、最下端の振子の質量のみを大きくした場合を想定し、３３個の振子のうち、最下端の振子の重量を１５、それ以外の振子の重量を全て１とした。そして、最下端から３個目の振子の算出解θ３（数１１と同等の式により求めたもの）とシミュレーション解θ３（直接シミュレーション解）とをそれぞれ求めて互いに比較した。図５に解析計算結果を示す。図５から判るように、算出解θ３とシミュレーション解θ３とがほぼ一致するという結果になり、十分な制振特性が得られることが判った。
【００５２】
＜検証例２＞
本発明者は、吊り荷が存在する場合について、第１実施形態で説明した架台１６を水平方向に１０メートル移動させたときの時間とθ１〜θ３との関係、および、時間と各振子の支持点変位、支持点速度、支持点加速度との関係を第１実施形態で説明した数式に基づいて算出した。その際、κを１００、μを１００、吊り長さを２０メートルとし、制御入力加速度を以下の式により算出した。
【数１４】
2014114881.tif 000016
【００５３】
解析計算結果を図６、図７に示す。図６は、時間とθ１〜θ３との関係を示すグラフ図であり、図７は、時間と各振子の支持点変位、支持点速度、支持点加速度との関係を示すグラフ図である。
【００５４】
また、本発明者は、吊り荷が存在しない場合についても同様に解析計算した。この場合、κ＝１００、μ＝１として計算した。解析計算結果を図８、図９に示す。図８は、時間とθ１〜θ３との関係を示すグラフ図であり、図９は、時間と各振子の支持点変位、支持点速度、支持点加速度との関係を示すグラフ図である。
【００５５】
図６〜図９から判るように、制振システム１０で制振制御を開始してから所定時間（例えば２００秒）が経過すると、支持点変位の変動が停止、すなわち支持点位置の変動が停止するとともに、角度、支持点速度、支持点加速度は何れも０になるという結果が得られた。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
以上のように、本発明に係る制振システムは、クレーンに用いるのに好適であり、クレーンに限らず、航空宇宙構造物、種々の産業機械、精密機械、精密測定器、分析器、半導体装置、またこれらに用いられるセンサ接触子、などの幅広い分野において適用可能である。
【符号の説明】
【００５７】
１０  制振システム
１６  架台
１８  上側錘
２２  下側錘
２４  制御部
３０  仮想錘
４０  制振システム
４８  上側錘
５２  下側錘
５４  制御部
５６  付与機構
６０  仮想錘
Ｓ３  吊り下げ支点
【図１】
2014114881.tif 000017
【図２】
2014114881.tif 000018
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2014114881.tif 000024
【図９】
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【図１０】
2014114881.tif 000026