(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともｚ軸を中心に旋回可能なブームを有して該ブームに吊り下げた吊り荷を運搬可能なクレーンの制御方法において、前記吊り荷を旋回移送する目標旋回角度θｒのｘ方向成分ｒｘおよびｙ方向成分ｒｙとフィードバックした前記吊り荷のｘ方向の位置ｘ及び速度ｘ’並びにｙ方向の位置ｙ及び速度ｙ’とに基づいて数式１により前記ブームの実際の旋回角度θを設定して前記クレーンに入力することを特徴とするクレーンの制御方法。
【数１】
0004457231.tif 000007
【数２】
Ｌｘ”＋ｇ・ｒ・Ｆ１ｘ・ｘ’＋ｇ（１＋ｒ・Ｆ２ｘ）ｘ＝ｃｏｓθｒ
但し、Ｌ：吊り荷を吊すワイヤの長さ
ｇ：重力加速度
ｒ：ワイヤの支点の水平旋回半径
【数３】
Ｌｙ”＋ｇ・ｒ・Ｆ１ｙ・ｙ’＋ｇ（１＋ｒ・Ｆ２ｙ）ｙ＝ｓｉｎθｒ
【請求項２】
少なくともｚ軸を中心に旋回可能なブームを有して該ブームに吊り下げた吊り荷を運搬可能なクレーンの制御装置において、前記吊り荷を旋回移送する目標旋回角度θｒのｘ方向成分ｒｘおよびｙ方向成分ｒｙとフィードバックした前記吊り荷のｘ方向の位置ｘ及び速度ｘ’並びにｙ方向の位置ｙ及び速度ｙ’との入力により、数式４により前記ブームの実際の旋回角度θを設定して前記クレーンに入力することを特徴とするクレーンの制御装置。
【数４】
0004457231.tif 000008
【数５】
Ｌｘ”＋ｇ・ｒ・Ｆ１ｘ・ｘ’＋ｇ（１＋ｒ・Ｆ２ｘ）ｘ＝ｃｏｓθｒ
但し、Ｌ：吊り荷を吊すワイヤの長さ
ｇ：重力加速度
ｒ：ワイヤの支点の水平旋回半径
【数６】
Ｌｙ”＋ｇ・ｒ・Ｆ１ｙ・ｙ’＋ｇ（１＋ｒ・Ｆ２ｙ）ｙ＝ｓｉｎθｒ
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、クレーンの制御方法およびこれを利用する制御装置に関する。更に詳述すると、本発明はクレーンの吊り荷の振れを防止する制御方法および制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
旋回可能なブームを有するクレーンの制御では、吊り荷を目標位置まで短時間で移行させることが望まれる。このために、吊り荷の移行途中の荷振れを小さくすると共に、目標位置に到達したときの残存振れをできるだけ早く減衰させることが必要になる。現状ではクレーンの運転は熟練した操縦者の勘に頼ることが多いが、これでは操縦者の経験や熟練度によって吊り荷の操作に差が生じてしまい安全性や経済性の観点から自動制御が望まれている。
【０００３】
このため、吊り荷の振れを誘発しないように最適な旋回目標パターンに基づいた制御方法が開発されている。この制御方法は、最適な目標パターンを決定するためにいわゆる最大原理という理論を用いて制御を行うようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したクレーンの制御方法では、吊り荷が定められた目標軌道に正確に追従するように旋回に起因する振れのみを無くすように制御しているので、機械的な振動や風等の外乱が生ずると吊り荷が揺れて正確に制御できなくなるおそれがある。
【０００５】
そこで、本発明は、旋回による振れだけでなく外乱に起因する吊り荷の振れも有効に防止できるクレーンの制御方法および制御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】
かかる目的を達成するため、請求項１記載の発明は、少なくともｚ軸を中心に旋回可能なブームを有して該ブームに吊り下げた吊り荷を運搬可能なクレーンの制御方法において、吊り荷を旋回移送する目標旋回角度θｒのｘ方向成分およびｙ方向成分とフィードバックした吊り荷のｘ方向の位置及び速度並びにｙ方向の位置及び速度とに基づいて、吊り荷の振動が減衰振動に成るように線形制御理論により実際の旋回角度θを設定してクレーンに入力することを基本の構成にしている。また、請求項２記載の発明は、少なくともｚ軸を中心に旋回可能なブームを有して該ブームに吊り下げた吊り荷を運搬可能なクレーンの制御装置において、吊り荷を旋回移送する目標旋回角度θｒのｘ方向成分およびｙ方向成分とフィードバックした吊り荷のｘ方向の位置及び速度並びにｙ方向の位置及び速度との入力により、吊り荷の振動が減衰振動に成るように線形制御理論によりブームの実際の旋回角度θを設定してクレーンに入力することを基本の構成にしている。
【０００７】
したがって、吊り荷を目標旋回角度θｒだけ旋回させようとするときに、クレーンに対して目標旋回角度θｒを直接与えずに、制御用に設定された実際の旋回角度θを与えるようにする。そして、この旋回角度θは吊り荷の位置や速度をフィードバックさせて吊り荷の振動が減衰振動に成るように線形制御理論により決定しているので、ブームの旋回時の吊り荷の振れや目標旋回角度θｒに達したときの吊り荷の残存振れの発生を防止することができる。しかも、外乱に起因して吊り荷が振れた場合でも、この振れが吊り荷の位置および速度として検出されてフィードバック処理により振れを無くすように制御できる。
【０００８】
ところで、図３に示すジブクレーンを以下のようにモデル化することが知られている。このジブクレーンでは、ｘ，ｙ，ｚの３軸から成る直交座標の原点Ｏをブームの基端部に設けると共にブームの旋回中心をｚ軸にしている。また、ブームの起伏とワイヤの巻き上げとを行わないようにして、ブームの高さｈおよび旋回半径ｒとワイヤの長さＬとは一定なものとしている。さらに、ワイヤがｚ軸に対して為す角度αは微少であるのでｃｏｓαを１として扱っている。この条件により、ジブクレーンの数学モデルは数式７のように表される。
【０００９】
【数７】
Ｌｘ”＋ｇ・ｘ＝ｇ・ｒ・ｃｏｓθ
Ｌｙ”＋ｇ・ｙ＝ｇ・ｒ・ｓｉｎθ
但し、ｘ，ｙ：吊り荷を水平面に投影した座標
Ｌ：ロープの長さ
ｇ：重力加速度
ｒ：ロープの支点の水平旋回半径
θ：旋回角度
【００１０】
なお、クレーンおよび吊り荷の各部分の重量の項目は数式７を導く際に消去される。
【００１１】
ここで、本願発明者が鋭意研究を重ねた結果、上述のジブクレーンの数学モデルを用いて吊り荷の振れを防止する線形制御理論による制御方法を開発した。これによる吊り荷の目標旋回角度θｒと実際に旋回させる角度θとの関係を数式８に表す。
【数８】
ｃｏｓθ＝ｃｏｓθｒ−（Ｆ１ｘ・ｘ’＋Ｆ２ｘ・ｘ）
ｓｉｎθ＝ｓｉｎθｒ−（Ｆ１ｙ・ｙ’＋Ｆ２ｙ・ｙ）
【００１２】
ここで、各係数Ｆ１ｘ，Ｆ２ｘ，Ｆ１ｙ，Ｆ２ｙを求めるために、数式８のθを数式７に代入して数式９を得る。
【数９】
Ｌｘ”＋ｇ・ｒ・Ｆ１ｘ・ｘ’＋ｇ（１＋ｒ・Ｆ２ｘ）ｘ＝ｃｏｓθｒ
Ｌｙ”＋ｇ・ｒ・Ｆ１ｙ・ｙ’＋ｇ（１＋ｒ・Ｆ２ｙ）ｙ＝ｓｉｎθｒ
【００１３】
そして、吊り荷のｘ，ｙ方向の移動量ｘ，ｙ、速度ｘ’，ｙ’、加速度ｘ”，ｙ”がいずれも非振動的に成るように、即ち減衰振動に成るように線形制御理論（例えば、最適レギュレータ理論）を用いてＦ１ｘ及びＦ２ｘとＦ１ｙ及びＦ２ｙを決定する。これにより、目標旋回角度θｒのｘ方向成分の入力変数としてｃｏｓθを、ｙ方向成分の入力変数としてｓｉｎθを採用することによって、実際に旋回させる角度θの決定に必要な係数Ｆ１ｘ，Ｆ２ｘ，Ｆ１ｙ，Ｆ２ｙを線形制御理論に基づいたフィードバック係数を決定する問題に帰着させることができる。
【００１４】
一方、数式８の２式を数式１０のように１つにまとめることができる。
【数１０】
0004457231.tif 000002
【００１５】
さらに、数式１０において、ｒｙ＝ｓｉｎθｒ、ｚｙ＝Ｔ［ｙ’  ｙ］、Ｆｙ＝［Ｆ１ｙ  Ｆ２ｙ］、ｒｘ＝ｃｏｓθｒ、ｚｘ＝Ｔ［ｘ’  ｘ］、Ｆｘ＝［Ｆ１ｘ  Ｆ２ｘ］とおくと、数式１０は数式１１にように変形される。
【数１１】
0004457231.tif 000003
【００１６】
また、ジブクレーンへの入力はθであるので、数式１１を変形して数式１２を得ることができる。
【数１２】
0004457231.tif 000004
【００１７】
上述の理論に基づいて為された請求項１記載の発明は、少なくともｚ軸を中心に旋回可能なブームを有して該ブームに吊り下げた吊り荷を運搬可能なクレーンの制御方法において、吊り荷を旋回移送する目標旋回角度θｒのｘ方向成分ｒｘおよびｙ方向成分ｒｙとフィードバックした吊り荷のｘ方向の位置ｘ及び速度ｘ’並びにｙ方向の位置ｙ及び速度ｙ’とに基づいて数式１３により実際の旋回角度θを設定してクレーンに入力するようにしている。また、請求項２記載の発明は、少なくともｚ軸を中心に旋回可能なブームを有して該ブームに吊り下げた吊り荷を運搬可能なクレーンの制御装置において、吊り荷を旋回移送する目標旋回角度θｒのｘ方向成分ｒｘおよびｙ方向成分ｒｙとフィードバックした吊り荷のｘ方向の位置ｘ及び速度ｘ’並びにｙ方向の位置ｙ及び速度ｙ’との入力により、数式１３によりブームの実際の旋回角度θを設定してクレーンに入力するようにしている。
【００１８】
【数１３】
0004457231.tif 000005
【数１４】
Ｌｘ”＋ｇ・ｒ・Ｆ１ｘ・ｘ’＋ｇ（１＋ｒ・Ｆ２ｘ）ｘ＝ｃｏｓθｒ
但し、Ｌ：吊り荷を吊すワイヤの長さ
ｇ：重力加速度
ｒ：ワイヤの支点の水平旋回半径
【数１５】
Ｌｙ”＋ｇ・ｒ・Ｆ１ｙ・ｙ’＋ｇ（１＋ｒ・Ｆ２ｙ）ｙ＝ｓｉｎθｒ
【００１９】
したがって、クレーンに実際に入力する旋回角度θは吊り荷の位置や速度をフィードバックさせて線形制御理論を用いて吊り荷の振動が減衰振動に成るように決定しているので、吊り荷の振れを最小限に抑えて旋回できると共に吊り荷の残存振れの発生を抑えることができるだけでなく、外乱に起因する吊り荷の振れを吊り荷の位置および速度として検出して減衰するように制御できる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の構成を図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。
【００２１】
本発明のクレーン１の制御装置２は、図１〜図３に示すように少なくともｚ軸を中心に旋回可能なブーム３を有して該ブーム３にワイヤ１０によって吊り下げた吊り荷４を運搬可能なクレーン１を制御するものである。本実施形態では、図３に示すようにｘ，ｙ，ｚの３軸から成る直交座標の原点Ｏをブーム３の基端部に設けている。
【００２２】
この制御装置２は、吊り荷４を旋回移送する目標旋回角度θｒのｘ方向成分およびｙ方向成分とフィードバックした吊り荷４のｘ方向の位置及び速度並びにｙ方向の位置及び速度との入力により、吊り荷４の振動が減衰振動に成るように線形制御理論によりブーム３の実際の旋回角度θを設定してクレーン１に入力するようにしている。このため、吊り荷４を旋回させるときにクレーン１に対して目標旋回角度θｒを直接与えずに吊り荷４の振動が減衰振動に成るように設定した旋回角度θを与えるようにするので、ブーム３の旋回時の吊り荷４の振れや目標旋回角度θｒに達したときの吊り荷４の残存振れの発生を防止することができる。しかも、外乱に起因して吊り荷４が振れた場合でも、この振れが吊り荷４の位置および速度として検出されてフィードバック処理により振れを無くすように制御できる。
【００２３】
そして、この制御装置２は、図１に示すように目標旋回角度θｒのｘ方向成分ｒｘを入力する第１入力部５と、目標旋回角度θｒのｙ方向成分ｒｙを入力する第２入力部６と、各入力部５，６からの出力値に基づきブーム３の実際の旋回角度θを設定してクレーン１に与える主計算部７と、クレーン１からフィードバックされた吊り荷４のｘ方向成分（位置及び速度）ｚｘをフィードバック係数Ｆｘで処理して、その出力Ｆｘ・ｚｘを第１入力部５に与える第１処理部８と、クレーン１からフィードバックされた吊り荷４のｙ方向成分（位置及び速度）ｚｙを受けてフィードバック係数Ｆｙで処理して、その出力Ｆｙ・ｚｙを第２入力部６に与える第２処理部９とを備えている。
【００２４】
さらに、第１入力部５では、ｘ方向成分ｒｘから第１処理部８の出力Ｆｘ・ｚｘを引いている。また、第２入力部６では、ｙ方向成分ｒｙから第２処理部９の出力Ｆｙ・ｚｙを引いている。そして、主計算部７では、数式１６に示すようにして各入力部からの値に基づいて実際の旋回角度θを設定している。この数式１６のＦｘおよびＦｙは線形制御理論（最適レギュレータ理論）を用いて導かれる。
【数１６】
0004457231.tif 000006
【００２５】
クレーン１では、入力された旋回角度θに基づいてブーム３を旋回させる。ここで、クレーン１としては少なくとも旋回可能なブーム３を有するものであれば良いが、ブーム３が起伏可能であると共にワイヤ１０の巻き上げが可能な汎用のクレーンを使用できるのは勿論である。
【００２６】
また、このクレーン１では、位置センサ（図示せず）の利用により吊り荷４の位置および速度をｘｙ平面、即ち水平面上に投影した値として検出する。この検出結果のうちで、ｘ方向の位置ｘと速度ｘ’は出力ｚｘ（＝Ｔ［ｘ’  ｘ］）として第１処理部８に入力される。また、ｙ方向の位置ｙと速度ｙ’は出力ｚｙ（＝Ｔ［ｙ’  ｙ］）として第２処理部９に入力される。
【００２７】
第１処理部８では、Ｆｘ＝［Ｆ１ｘ  Ｆ２ｘ］として、位置ｘに係数Ｆ２ｘを掛けると共に速度ｘ’に係数Ｆ１ｘを掛けて、これらを合わせて第１入力部５に入力する。第２処理部９では、Ｆｙ＝［Ｆ１ｙ  Ｆ２ｙ］として、位置ｙに係数Ｆ２ｙを掛けると共に速度ｙ’に係数Ｆ１ｙを掛けて、これらを合わせて第２入力部６に入力する。
【００２８】
上述したクレーン１の制御装置２の作動を以下に説明する。ここでは、ブーム３の起伏とワイヤ１０の巻き上げとを行わないようにしている。すなわち、ブーム３の高さｈおよび旋回半径ｒとワイヤ１０の長さＬとは一定なものとしている。さらに、ワイヤ１０がｚ軸に対して為す角度αは微少であるのでｃｏｓαを１として扱っている。
【００２９】
吊り荷４を旋回させようとする目標旋回角度θｒを設定して制御装置２に入力する。そして、制御装置２では、目標旋回角度θｒのｘ方向成分ｒｘ（＝ｃｏｓθｒ）およびｙ方向成分ｒｙ（＝ｓｉｎθｒ）を算出して各入力部５，６に入力する。ここで、これらｘ方向成分ｒｘおよびｙ方向成分ｒｙは制御装置２により算出されることには限られず、操作者が予め計算しておき、その計算結果を各入力部に直接入力するようにしても良い。
【００３０】
そして、各入力部５，６からの出力は主計算部７に入力されて、実際の旋回角度θが得られる。この旋回角度θがクレーン１に入力されて、ブーム３が旋回する。この旋回角度θとしては、微少な角度であったり、場合によっては目標の方向と逆を向くこともあり得る。吊り荷４の位置は位置センサにより常に検出されており、吊り荷４のｘｙ平面における位置ｘ，ｙおよび速度ｘ’，ｙ’を得ることができる。
【００３１】
クレーン１から得られた吊り荷４の位置ｘ，ｙおよび速度ｘ’，ｙ’は、フィードバックされて制御装置２の各処理部８，９に入力される。各処理部８，９では、吊り荷４の位置ｘ，ｙと速度ｘ’，ｙ’と加速度ｘ”，ｙ”が全て減衰振動になるように設定した係数Ｆｘ，Ｆｙを用いて計算処理を行い、各入力部５，６に加える。このため、吊り荷４を旋回移送する目標旋回角度θｒのｘ方向成分およびｙ方向成分とフィードバックした吊り荷４のｘ方向の位置及び速度並びにｙ方向の位置及び速度とに基づいて、吊り荷４の振動が減衰振動に成るように線形制御理論により実際の旋回角度θを設定してクレーン１に入力するようにできるので、ブーム３の旋回中の吊り荷４の振れやブーム３が目標旋回角度θｒだけ旋回したときの吊り荷４の残存振れを最小限に抑えることができるようになる。
【００３２】
一方、吊り荷４の旋回中に機械的振動や風等の外乱に起因して吊り荷４が振れた場合は、この振れが吊り荷４の位置ｘ，ｙおよび速度ｘ’，ｙ’として検出されてフィードバック処理により振れを無くすように制御される。このため、外乱に対しても吊り荷４の軌道を目標の軌道に追従させることができる。
【００３３】
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、クレーン１への入力としては旋回角度θではなく角速度θ’である場合もあるので、制御装置２の出力である旋回角度θを直接入力する以外にθを微分して角速度θ’として入力することができる。また、本実施形態では、クレーン１の制御装置２をブーム３を有するジブクレーンに適用しているが、これには限られず例えばブーム３として旋回可能なアームを利用しその先端にワイヤによりワークを吊して搬送するようにしたロボット等における制御にも適用することができる。この場合も線形制御理論を用いてアームの旋回を制御できるので、外乱によるワークの振れを抑制することができる。
【００３４】
また、本実施形態では実際の旋回角度θを算出するために線形制御理論（最適レギュレータ理論）を用いて導いた数式１６を使用しているが、これには限られず線形制御理論を利用した他の数式を使用するようにしても良い。
【００３５】
【実施例】
（実施例）
本実施形態のクレーン１の制御装置２を利用して、旋回半径ｒ＝３ｍ、目標旋回角度θｒ＝３００度に設定してシミュレートしたときの吊り荷４の軌跡を図４に示す。同図中、実線は吊り荷４の軌跡、二点鎖線は目標軌道、Ｓはスタート地点、Ｅは目標地点をそれぞれ示し、いずれもｘｙ平面上に投影した位置としている。同図に示すように、吊り荷４の軌跡は旋回が進むにつれて目標軌道にほぼ一致するようになり、しかも目標地点Ｅに達したときは残存振れがほどんど生じなかった。
【００３６】
（比較例）
制御装置２を使用せずに旋回半径ｒ＝３ｍ、目標旋回角度θｒ＝３００度の条件をクレーン１に直接設定してシミュレートしたときの吊り荷４の軌跡を図５に示す。同図中、実線は吊り荷４の軌跡、二点鎖線は目標軌道、Ｓはスタート地点、Ｅは目標地点をそれぞれ示し、いずれもｘｙ平面上に投影した位置としている。同図に示すように、吊り荷４の軌跡は旋回の最初から最後まで目標軌道にほとんど一致することはなく、しかも目標地点Ｅに達したときは大きな残存振れが残った。
【００３７】
したがって、図４の実施例と図５の比較例とを比較することにより、本制御装置２により吊り荷４の旋回時の振れと残存振れを極めて低減することができることが明らかになった。
【００３８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、請求項１記載のクレーンの制御方法および請求項２記載のクレーンの制御装置によれば、吊り荷を旋回させるときに吊り荷の振動が減衰振動に成るように線形制御理論により設定した旋回角度θを与えるようにするので、吊り荷の振れを最小限に抑えて旋回させることができると共に吊り荷が目標旋回角度θｒに達したときの残存振れの発生を抑えることができる。これにより、吊り荷を目標軌道に正確に追従できるようになる。
【００３９】
また、旋回角度θを設定する際に吊り荷のｘ方向の位置及び速度並びにｙ方向の位置及び速度とをフィードバックしているので、機械的振動や風等の外乱に起因して吊り荷が振れた場合でもこの振れが吊り荷の位置および速度として検出されてフィードバック処理により振れを無くすように制御することができる。このため、外乱が生じても吊り荷を目標軌道に正確に追従できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のクレーンの制御装置を示す概略のブロック図である。
【図２】クレーンの制御装置を示す詳細なブロック図である。
【図３】クレーンのブームが旋回して吊り荷を移送する状態を示す斜視図である。
【図４】クレーンの制御装置を用いたときの吊り荷の軌跡を示す図である。
【図５】クレーンの制御装置を用いないときの吊り荷の軌跡を示す図である。
【符号の説明】
１  クレーン
２  制御装置
３  ブーム
４  吊り荷
【図１】
0004457231.tif 000009
【図２】
0004457231.tif 000010
【図３】
0004457231.tif 000011
【図４】
0004457231.tif 000012
【図５】
0004457231.tif 000013