(57)【要約】      （修正有）【課題】工場で既に広く用いられている天井走行クレ−ンを含む搬送手段に適用しても、人間が荷物を直接操作しながら操作性の高い状態で荷物の搬送が可能な搬送手段の制御システムを提供する。【解決手段】所要の強度および可撓性を有するロープ状の吊下げ部材によって荷物を吊り下げかつ前記吊下げ部材を搬送手段によって移動させて荷物を搬送するに当たり、前記搬送手段が二次元の平面上を移動して前記吊下げ部材が垂直面とで成す振れ角を縮小すべく前記搬送手段を制御するシステムであって、前記吊下げ部材における振れの回転中心から前記荷物の重心までの距離である吊下げ部材長を計測する長さ計測手段と、前記吊下げ部材が垂直面とで成す振れ角の角度を計測する角度計測手段と、前記長さ計測手段および前記角度計測手段からの情報に基づき、前記搬送手段の走行条件を演算する演算手段と、を具備したことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所要の強度および可撓性を有するロープ状の吊下げ部材によって荷物を吊り下げかつ前記吊下げ部材を搬送手段によって移動させて荷物を搬送するに当たり、前記搬送手段が二次元の平面上を移動して前記吊下げ部材が垂直面とで成す振れ角を縮小すべく前記搬送手段を制御するシステムであって、前記吊下げ部材における振れの回転中心から前記荷物の重心までの距離である吊下げ部材長を計測する長さ計測手段と、前記吊下げ部材が垂直面とで成す振れ角の角度を計測する角度計測手段と、前記長さ計測手段および前記角度計測手段からの情報に基づき、前記搬送手段の走行条件を演算する演算手段と、 を具備したことを特徴とする搬送手段の制御システム。
【請求項２】
請求項１に記載の搬送手段の制御システムにおいて、前記吊下げ部材が垂直面とで成す振れ角は、搬送するために作業者が前記荷物を押すか、または前記吊下げ部材における振れの回転中心が前記荷物を置いた位置の真上位置と異なることにより生じることを特徴とする搬送手段の制御システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載の搬送手段の制御システムにおいて、前記搬送手段は各種のクレーンであることを特徴とする搬送手段の制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本発明は、搬送手段の制御システムに係り、より詳しくは、所要の強度および可撓性を有するロープ状の吊下げ部材によって荷物を吊り下げかつ前記吊下げ部材を搬送手段によって移動させて荷物を搬送するに当たり、前記搬送手段が二次元の平面上を移動して前記吊下げ部材が垂直面とで成す振れ角を縮小すべく前記搬送手段を制御するシステムに関する。      
【背景技術】
【０００２】  従来、例えば、工場内における研究的なパワ−アシストシステムとしては、力覚センサを用いて人間の操作力を測定し、その操作力に応じたアシスト力（補助力）を得るようにしたもの（例えば、非特許文献１参照）や、作業者の負担の軽減だけでなく操作フィリングも考慮してスキルアシスト（技術補助）を行うようにしたもの（例えば、非特許文献２参照）や、アクセルとハンドルにより人間が操作するＣＯＢＯＴＯ（例えば非特許文献３参照）がある。      【非特許文献１】中村久著「運搬用パワ−アシストシステムの開発」システムインテグレ−ション部門学術講演会窒O１講演会論文集２００１年（ｐ５１５〜５１６）。
【非特許文献２】山田陽滋著「スキルアシストの安全取組」システムインテグレ−ション部門学術講演会窒O１講演論文集２００１年（ｐ５１９〜５２０）。
【非特許文献３】Ｐ  Ａｋｅｌｌａ著「Ｃｏｂｏｔｓ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ  ａｓｓｅｍｂｌｙ  ｌｉｎｅ」Ｐｒｏｃ  ＩＥＥＥ  Ｉｎｔ  Ｃｏｎｆ  Ｒｏｂ  Ａｕｔｏｍ  １９９９年（ｐ７２８〜７３３）。
【０００３】 しかし、上述の非特許文献１〜３に記載されている従来のパワ−アシストシステムはいずれも、作業者による操作力を測定するセンサが荷物から離れた別の場所に設置してあるため、作業者が荷物に直接触れて荷物に対する手応えを感じながら荷物を搬送することができず、良好な操作感覚が期待できなかった。しかも、上述のパワ−アシストシステムは、システム専用の装置が必要であるため、工場の天井走行クレ−ンへの導入には問題があった。      
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、その目的は、工場で既に広く用いられている天井走行クレ−ンを含む搬送手段に適用しても、人間が荷物を直接操作しながら操作性の高い状態で荷物の搬送が可能な搬送手段の制御システムを提供することにある。      
【課題を解決するための手段】
【０００５】  上記の目的を達成するために本発明における搬送手段の制御システムは、所要の強度および可撓性を有するロープ状の吊下げ部材によって荷物を吊り下げかつ前記吊下げ部材を搬送手段によって移動させて荷物を搬送するに当たり、前記搬送手段が二次元の平面上を移動して前記吊下げ部材が垂直面とで成す振れ角を縮小すべく前記搬送手段を制御するシステムであって、前記吊下げ部材における振れの回転中心から前記荷物の重心までの距離である吊下げ部材長を計測する長さ計測手段と、前記吊下げ部材が垂直面とで成す振れ角の角度を計測する角度計測手段と、前記長さ計測手段および前記角度計測手段からの情報に基づき、前記搬送手段の走行条件を演算する演算手段と、を具備したことを特徴とする。【０００６】 このように構成されたものは、吊下げ部材によって吊り下げられた荷物を搬送するために作業者がその荷物を押すか、または吊下げ部材における振れの回転中心が荷物を置いた位置の真上位置と異なる場合、吊下げ部材と垂直面との間に振れ角が生じ、そこで、長さ計測手段からの吊下げ部材長情報および角度計測手段からのその時点における吊下げ部材の振れ角度情報が演算手段に入力されて、その時点において吊下げ部材の振れ角が縮小する方向へ搬送手段を移動させるべく搬送手段を制御する。   【０００７】 なお、本発明において搬送手段とは各種のクレーンをいう。またなお、本発明において吊下げ部材としてはワイヤーロープを始めチェーンを含む。
【発明の効果】
【０００８】以上の説明から明らかなように本発明は、所要の強度および可撓性を有するロープ状の吊下げ部材によって荷物を吊り下げかつ前記吊下げ部材を搬送手段によって移動させて荷物を搬送するに当たり、前記搬送手段が二次元の平面上を移動して前記吊下げ部材が垂直面とで成す振れ角を縮小すべく前記搬送手段を制御するシステムであって、前記吊下げ部材における振れの回転中心から前記荷物の重心までの距離である吊下げ部材長を計測する長さ計測手段と、前記吊下げ部材が垂直面とで成す振れ角の角度を計測する角度計測手段と、前記長さ計測手段および前記角度計測手段からの情報に基づき、前記搬送手段の走行条件を演算する演算手段と、を具備したから、工場で既に広く用いられている天井走行クレ−ンを含む搬送手段に適用しても、人間が荷物を直接操作しながら操作性の高い状態で荷物の搬送が可能になるなどの優れた実用的効果を奏する。 【０００９】これに伴い、見方を変えると、本発明においては、吊下げ部材が垂直面とで成す振れ角が、搬送するために作業者が荷物を押すことにより生じる場合には、作業者が荷物を押すための労力を補助することができる。また、本発明においては、吊下げ部材が垂直面とで成す振れ角が、吊下げ部材における振れの回転中心が荷物を置いた位置の真上位置と異なることにより生じる場合には、荷物を吊り上げた時に生じる荷物の揺れの発生を防止することができる。  
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】以下、本発明を搬送手段としての天井走行クレ−ンに適用した一実施例について図面に基づき詳細に説明する。図１に示すように、本天井走行クレ−ンにおいては、前記吊下げ部材としてロープ２のにおける振れの回転中心から前記荷物の重心までの距離である吊下げ部材長としてのロープ長を計測する長さ計測手段と、天井走行クレ−ンの台車１に装着のロープ巻揚げドラム（図示せず）から巻き下げられたロープ２の下端に、搬送すべき荷物３が掛止されている。そして、前記天井走行クレ−ン１には、前記荷物３を作業者が押した時の前記ロープ２が垂直面とで成す振れ角の角度を計測する角度計測手段（図示せず）と、前記長さ計測手段および前記角度計測手段からの情報に基づき、前記天井走行クレ−ンの走行条件を演算する演算手段としてのコンピュータを含むコントローラ４が装着してある。    また、前記荷物３は、作業者により右方向へ押されて天井走行クレ−ンを介して移動されるようになっている。【００１１】次に、このように構成した天井走行クレ−ンの作用について説明する。ロープ２によって吊り下げられた荷物３を作業者が右方へ押すと、コントローラ４においては、天井走行クレ−ンを介しての作業者による荷物３の搬送を補助すべく次のような演算が行われる。【００１２】すなわち、図１に示す天井走行クレ−ンの運動方程式は、式 ｍ・ｌ２・ｄ２θ／ｄｔ２−ｍ・ｌ・ｄ２ｘ／ｄｔ２・cosθ＋ｍ・ｌ・ｇ・sinθ＝Ｆ・ｌ  ；ｐ＝ｘ＋ｌ・sinθ  （１）で表される。ここでｍ［ｋｇ］は荷物の質量、  ｌ［ｍ］はロ−プの長さ、ｇ［ｍ／ｓ2］は重力加速度、θ［ｒａｄ］はロ−プの振れ角の角度、ｘ［ｍ］は台車１の位置、ｄ２ｘ／ｄｔ２［ｍ／ｓ2］はその加速度、Ｆ［Ｎ］は作業者が与える操作力、ｐ［ｍ］は荷物３の位置である。【００１３】次いで、ロ−プ２の振れ角の角度をθ→０にして式（１）を線形に近似し、さらに、式ｄｘ／ｄｔ＝−Ｋｆθ  （２）のように、フィ−ドバックゲインＫｆを用いて振れ角の角度θ［ｒａｄ］から台車１の速度を決定する。これにより式（３）を得る。【００１４】
【数１】
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【００１５】また、コントロ−ラ４においてはＰＩＤ制御動作が行われる。 ここで、ＰＩＤ制御動作とは、操作量が制御偏差に比例する制御動作であるＰ制御動作と、操作量が制御偏差の積分値に比例する制御動作であるＩ動作と、操作量が微分値に比例する制御動作であるＤ動作を加え合わせたものである。これにより、式（３）のＫｆをＫｆ＝Ｋｐ＋Ｋｄｓ＋Ｋｉ／ｓに置きて換え式（４）および（５）を得る。 【００１６】
【数２】
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【００１７】 ところで、式（５）において、簡単のためにＫｉ＝０とした時、式（４）は次の式（６）ように変形できる。【００１８】
【数３】
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【００１９】ロ−プ２のような制動抵抗の小さな柔軟構造物によって吊り下げた荷物３に作業者が操作力を印加した場合には、荷物３の残留振動が懸念されるが、式（６）から適切なＫｐを与えることによってζ＞０．７０７となり、振動のない荷物３の操作が可能になる。【００２０】また、天井走行クレ−ンによる搬送速度と作業者による操作力の関係は、ω≪ωｎにおいて式（５）からｄｐ／ｄｔ＝Ｋｐ／ｍｇ・Ｆとなり、操作力に比例した搬送速度が得られる。【００２１】また、作業者の負担を軽くするためには、作業者の操作力の変化に応答よく天井走行クレ−ンが反応するということが重要である。つまり式（６）に示されたωｎを大きくするということが天井走行クレ−ン全体の反応を早くすることにつながる。これは、式（６）から、−ｌ＜微分ゲインＫｄ＜０の範囲で負の微分ゲインＫｄを設定することにより実現される。このことは以下のように説明できる。微分ゲインＫｄ＜０とは、作業者があえて操作力の方向とは反対方向に台車１（天井走行クレ−ン）を動かそうとすることを意味する。すなわち、図１において台車１が左方向である負の方向に加速すると、右方向である正の方向に振れ角が生じることになり、正の方向に振れ角を作ろうとする作業者の操作力を助けることになる。【００２２】  また、式（５）の右項は分母子がわずかに異なる２次の有理式である。そのためωがωｎよりも小さな領域では式（７）のように線形に近似することができる。【００２３】
【数４】
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この式（７）は、質量ｍ・（Ｋｉ＋ｇ）／Ｋｉ［ｋｇ］の荷物を摩擦のない状態で動かす際の運動方程式にほかならない。したがって、作業者が操作力Ｆ［Ｎ］を一度加えると、あたかも無重力状態で荷物を押したかのように、荷物は進んでいくことになる。      
【実験例】
【００２４】次に、本発明の有効性を確認するために、図１に示す天井走行クレ−ンを用いて実際に荷物３の搬送実験を行った結果について説明する。ロ−プ２の長さを１．０ｍ、荷物３の重量を１０．０ｋｇとして、比例要素Ｋｐを５．０としたＰ制御動作、比例要素Ｋｐを５．０、微分ゲインＫｄを−０．５としたＰＤ制御動作、比例要素Ｋｐを５．０、積分ゲインＫｉを３．０としたＰＩ制御動作を用いて３種類の実験を行った。 
【００２５】 ここで、ＰＤ制御動作とは、操作量（操作力）が制御偏差に比例する制御動作であるＰ制御動作と、操作量（操作力）が微分値に比例する制御動作であるＤ動作を加え合わせたものである。また、ＰＩ制御動作とは、Ｐ制御動作と、操作量（操作力）が制御偏差の積分値に比例する制御動作であるＩ動作を加え合わせたものである。なお、これらのゲインは大き過ぎるとモデルに現われない高次モ−ドの影響を大きく受けてしまうため適度な範囲内の値に設定してある。 
【００２６】まず、Ｐ制御動作を用いた搬送実験においては、作業者により３段階の一定の操作力を加え、その際の台車１（天井走行クレ−ン）の搬送速度を調べた。この実験値を理論値と比較したものを図２に示す。これの実験値は理論値とほぼ一致しており、台車１の搬送速度が作業者の操作力に比例していることが確認できた。
【００２７】  また、ＰＤ制御動作およびＰＩ制御動作をそれぞれ用いた搬送実験を行い、この結果を図３（ａ）および（ｂ）にそれぞれ示す。同時にモデルの妥当性を確認するため、実験と同様の操作力をシミュレ−ションに適用したものを重ねて示す。これら図３（ａ）および（ｂ）からは、ＰＤ制御動作では作業者の操作力に比例した振れ角や台車１の搬送速度が得られており、ＰＩ制御動作では作業者が一度操作力を与えただけで一定速度のまま荷物が移動していく様子が分かる。 
【００２８】  また、重量１０ｋｇの荷物の搬送実験においては、最大でも４Ｎの操作力で搬送することが確認できた。なお、実験値の振れ角に高次モ−ドの影響が出たが、実験とシミューレーションとの挙動は一致しており、モデルの有効性も確かめられた。
【００２９】また、微分ゲインの効果を確かめるために、Ｐ制御動作との挙動の違いをシミュレ−ションし、そのシミュレ−ションしたものを図４に示す。微分ゲインにおいても振れ角の角度θ［ｒａｄ］の立ち上がり方、および台車１の速度の逆振れにその効果がみられた。     
【００３０】なお、上記の実施例では天井走行クレ−ンは、荷物を移動するために用いているが、これに限定するものではなく、介護のために人間を運ぶのに用いても同様の作用効果が得られるのはもちろんである。
【００３１】またなお、上記の実施例では、吊下げ部材としてのロ−プ２が垂直面とで成す振れ角は、搬送するために作業者が荷物を押すことにより生じるが、このような実施例に限定いされるものではなく、例えば、図５に示すように、前記吊下げ部材における振れの回転中心が前記荷物を置いた位置の真上位置と異なることにより生じる場合もある。この場合には、荷物を吊り上げると、荷物が宙に浮いた瞬間、荷物は揺れる。 
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明のパワ−アシストシステムの概要を示す説明図である。
【図２】Ｐ制御動作の実験において、３段階の一定の操作力とこの操作力による搬送速度の関係について実験値と理論値を示すグラフである。
【図３】（ａ）  ＰＤ制御動作の搬送実験を示すグラフである。       （ｂ）  ＰＩ制御動作の搬送実験を示すグラフである。
【図４】微分ゲインの効果について、ＰＩ制御動作とＰ制御動作の挙動の違いをシミュレ−ションしたグラフである。
【図５】本発明の他の実施例の作動説明図である。
【符号の説明】
【００３３】    １  台車    ４  コントローラ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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