特開 2020-179987 吊り荷回動システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2020-179987(P2020-179987A)

(43)【公開日】2020年11月5日

(54)【発明の名称】吊り荷回動システム

(51)【国際特許分類】

   B66C 13/08 20060101AFI20201009BHJP

   B66C 13/06 20060101ALI20201009BHJP

【ＦＩ】

   B66C13/08 H

   B66C13/08 L

   B66C13/06 M

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】24

(21)【出願番号】特願2019-85377(P2019-85377)

(22)【出願日】2019年4月26日

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用申請有り ｈｔｔｐｓ：／／ｉｅｅｅｘｐｌｏｒｅ．ｉｅｅｅ．ｏｒｇ／ｄｏｃｕｍｅｎｔ／８３６３０６２（公開日：平成３０年５月２３日） ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｓｃｉｅｎｃｅｄｉｒｅｃｔ．ｃｏｍ／ｓｃｉｅｎｃｅ／ａｒｔｉｃｌｅ／ａｂｓ／ｐｉｉ／Ｓ０９６７０６６１１８３０７０１９（公開日：平成３０年１２月１３日）

(71)【出願人】

【識別番号】000002059

【氏名又は名称】シンフォニアテクノロジー株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】304027349

【氏名又は名称】国立大学法人豊橋技術科学大学

(74)【代理人】

【識別番号】110000992

【氏名又は名称】特許業務法人ネクスト

(72)【発明者】

【氏名】寺嶋 一彦

(72)【発明者】

【氏名】ホ ドゥク トオ

(72)【発明者】

【氏名】爪 光男

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 健介

(57)【要約】

【課題】クレーンから吊り下げられた吊り荷を垂直軸線周りに回動させる場合においても、吊り荷の回動方向の振れやロープの捻れを抑制できる吊り荷回動システムを開示すること。
【解決手段】吊り荷３を垂直軸線２ｃ周りに回動させるモータ部１２及びモータ部１２の動力を吊り荷３へ伝達または遮断するクラッチ部１３を備えた吊り荷回動システム１の制御装置２０は、クラッチ部１３がオン状態である場合及びオフ状態である場合の吊り荷３の回動運動を表した数理モデルを用いて、吊り荷３の回動角度が目標回動角度に到達するまでの、モータ部１２の駆動パターン、及び、クラッチ部１３の切替タイミングを導出する。
【選択図】 図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

クレーンにおけるブームの先端部に取り付けられたロープによって吊り下げられた吊り荷を、垂直軸線周りに回動させる吊り荷回動システムであって、
前記ロープの下端部に接続され、前記吊り荷を前記垂直軸線周りに回動可能に保持する吊り具と、
前記吊り荷の回動角度を制御する制御装置と、を備え、
前記吊り具は、
前記吊り荷を前記垂直軸線周りに回動させるモータ部と、
オン状態である場合に前記モータ部の動力を前記吊り荷に伝達し、オフ状態である場合に前記モータ部の動力の前記吊り荷への伝達を遮断するクラッチ部と、を備え、
前記制御装置は、
前記クラッチ部がオン状態である場合における前記吊り荷の回動運動を、前記吊り荷の回動方向の角加速度である第１角加速度、及び、前記吊り具の回動方向の角加速度である第２角加速度にて表された第１数理モデル、並びに、
前記クラッチ部がオフ状態である場合における前記吊り荷の回動運動を、前記第１角加速度及び前記第２角加速度にて表された第２数理モデルを記憶する記憶部と、
前記第１数理モデルおよび前記第２数理モデルを用いて、前記吊り荷の回動が開始される開始時点から、目標とする前記吊り荷の回動角度である目標回動角度に前記吊り荷の回動角度が到達する到達時点までの、前記モータ部の駆動パターン、及び、前記クラッチ部のオン状態とオフ状態とを切り替えるタイミングである切替タイミングを導出する導出部と、
前記導出部によって導出された前記モータ部の駆動パターン、及び、前記クラッチ部の前記切替タイミングに基づいて、前記モータ部及び前記クラッチ部への制御信号を出力する出力部と、を備えている、吊り荷回動システム。

【請求項2】

前記導出部は、前記モータ部の消費電力に関する評価関数を最適化する最適制御をさらに用いて、前記モータ部の駆動パターン、及び、前記クラッチ部の前記切替タイミングを導出する、請求項１に記載の吊り荷回動システム。

【請求項3】

前記導出部は、
前記開始時点から前記到達時点までの間について、
前記開始時点から、前記開始時点と前記到達時点との間の第１時点まで間を、前記クラッチ部をオン状態にして、前記開始時点から前記第１時点に向けて前記吊り荷の角速度を大きくするように設定される第１区間と、
前記第１時点から、前記第１時点と前記到達時点との間の第２時点までの間を、前記クラッチ部をオフ状態に設定される第２区間と、
前記第２時点から前記到達時点までの間を、前記クラッチ部をオン状態にして、前記第２時点から前記到達時点にかけて前記吊り荷の角速度を小さくするように設定される第３区間と、に分けて、
前記モータ部の駆動パターン、及び、前記クラッチ部の前記切替タイミングを導出する、請求項１または請求項２に記載の吊り荷回動システム。

【請求項4】

前記導出部は、
前記目標回動角度が所定回動角度以上である場合、前記第１時点における前記吊り荷の角速度を、前記モータ部の最大動力に応じた角速度に設定して、前記モータ部の駆動パターンを導出する、請求項３に記載の吊り荷回動システム。

【請求項5】

前記制御装置は、前記吊り具と別体に設けられ、前記モータ部及び前記クラッチ部と無線を用いて通信可能に接続されている請求項１乃至請求項４のうち何れか一項に記載の吊り荷回動システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、吊り荷回動システムに関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、クレーンからロープを用いて吊り下げられた吊り荷を旋回させるクレーン吊り具の一形式が開示されている。特許文献１のクレーン吊り具は、吊り荷が接続されて吊り荷を旋回させる旋回軸と、旋回軸を旋回させる駆動装置と、旋回軸と駆動装置との間に配置されたクラッチ機構と、を備えている。クラッチ機構がＯＦＦの状態である場合、駆動装置の動力が旋回軸に伝達されない。よって、クレーンの旋回時にクラッチ機構をＯＦＦの状態にしておけば、吊り荷の慣性モーメントを逃がすことができる。これにより、吊り荷の慣性モーメントによって発生する吊り荷の旋回方向の振れや、クレーンと吊り具とを接続するロープの捻れが抑制される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】実開昭６２−１３３５８５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、上述したクレーン吊り具においては、吊り荷を所望の位置に降ろす前に吊り荷を旋回すなわち垂直軸線周りに回動させる場合、クラッチがＯＦＦの状態であるときには、手動にて吊り荷を回動させ、クラッチがＯＮの状態であるときには、駆動装置にて吊り荷を回動させる。このとき、吊り荷の慣性モーメントにより、吊り荷の回動方向の振れや、吊り具の回動方向の振れ、ひいてはロープの捻れが発生することが考えられる。

【0005】

そこで、本明細書は、クレーンから吊り下げられた吊り荷を垂直軸線周りに回動させる場合においても、吊り荷の回動方向の振れやロープの捻れを抑制できる吊り荷回動システムを開示することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本明細書によって開示された実施例に記載の吊り荷回動システムは、クレーンにおけるブームの先端部に取り付けられたロープによって吊り下げられた吊り荷を、垂直軸線周りに回動させる吊り荷回動システムであって、ロープの下端部に接続され、吊り荷を垂直軸線周りに回動可能に保持する吊り具と、吊り荷の回動角度を制御する制御装置と、を備え、吊り具は、吊り荷を垂直軸線周りに回動させるモータ部と、オン状態である場合にモータ部の動力を吊り荷に伝達し、オフ状態である場合にモータ部の動力の吊り荷への伝達を遮断するクラッチ部と、を備え、制御装置は、クラッチ部がオン状態である場合における吊り荷の回動運動を、吊り荷の回動方向の角加速度である第１角加速度、及び、吊り具の回動方向の角加速度である第２角加速度にて表された第１数理モデル、並びに、クラッチ部がオフ状態である場合における吊り荷の回動運動を、第１角加速度及び第２角加速度にて表された第２数理モデルを記憶する記憶部と、第１数理モデルおよび第２数理モデルを用いて、吊り荷の回動が開始される開始時点から、目標とする吊り荷の回動角度である目標回動角度に吊り荷の回動角度が到達する到達時点までの、モータ部の駆動パターン、及び、クラッチ部のオン状態とオフ状態とを切り替えるタイミングである切替タイミングを導出する導出部と、導出部によって導出されたモータ部の駆動パターン、及び、クラッチ部の切替タイミングに基づいて、モータ部及びクラッチ部への制御信号を出力する出力部と、を備えている。

【発明の効果】

【0007】

本明細書によって開示された実施例に記載の吊り荷回動システムによれば、吊り荷の回動運動を表す数理モデルが、吊り荷の角加速度及び吊り具の角加速度にて表されているため、モータ部の駆動パターン、及び、クラッチ部の切替タイミングを、吊り荷の回動方向の振れを抑制するとともに、吊り具の回動方向の振れひいてはロープの捩じれを抑制するように導出できる。よって、吊り荷回動システムは、クレーンから吊り下げられた吊り荷を垂直軸線周りに回動させる場合においても、吊り荷の回動方向の振れやロープの捻れを抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本明細書の第１実施例に係る吊り荷回動システムの概要図である。

【図2】図１に示すＡ矢視の部分拡大図ある。

【図3】図１に示すジブから吊り荷までの間を簡易的にモデル化した簡易モデルの斜視図である。

【図4】図３に示す簡易モデルの上面図である。

【図5】図１に示す吊り荷回動システムのブロック図である。

【図6】図１に示す導出部によって導出されるモータ部の駆動パターン及びクラッチ部の切替タイミングを示すタイムチャートであり、上段が第１角速度、下段がクラッチ部の切替タイミングを示している。

【図7】図５に示す制御装置が実行するフローチャートである。

【図8】図７に示すフローチャートが実行された場合における、吊り具が回動したときのタイムチャートであり、上段から下段に向けて順に、第１回動角度、第２回動角度、動作角速度、第１角加速度、及び、クラッチ部の動作を示している。

【図9】本明細書の第２実施例に係る吊り荷回動システムの部分拡大図である。

【図10】図９に示す吊り荷回動システムのブロック図である。

【図11】図１０に示す制御装置が実行するフローチャートである。

【図12】図１２に示すフローチャートが実行された場合における、吊り具が回動したときのタイムチャートであり、上段左側が動作角度、上段右側が第２回動角度、下段左側がスライディング関数の値、及び、下段右側が動作角加速度を示している。

【図13】図１２に示すフローチャートが実行された場合における、吊り具が回動したときのタイムチャートであり、左側は第２実施例に係る積分項を含むスライディング関数を用いたものであり、右側は第２実施例の比較対象として積分項を含まないスライディング関数を用いたものである。

【発明を実施するための形態】

【0009】

＜第１実施例＞
以下、本明細書の第１実施例に係る吊り荷回動システムについて図面を参照しながら説明する。吊り荷回動システム１は、図１及び図２に示すように、クレーン２におけるブーム２ａの先端部（ジブ）２ａ１に取り付けられたロープ２ｂによって吊り下げられた吊り荷３を、垂直軸線２ｃ周りに回動させるものである。クレーン２は、例えばデッキクレーンである。垂直軸線２ｃは、鉛直方向に沿って延びる軸線である。以下、ブーム２ａの先端部２ａ１を、ジブ２ａ１と記載する。

【0010】

ブーム２ａは、腕状に設けられ、基端部２ａ２を支点として回動体２ｄに回動可能に固定されている。基端部２ａ２が支点となってブーム２ａが回動することにより、先端部であるジブ２ａ１が上下方向に移動する。回動体２ｄは、垂直軸線２ｃと平行な軸線である回動体軸線２ｄ１周りに回動するように設けられている。

【0011】

ジブ２ａ１には、ロープ２ｂの上端部がロープ２ｂを巻上げ及び巻下げ可能に固定されている。ロープ２ｂの下端部には、後述する吊り具１０を介して、吊り荷３が保持されている。ロープ２ｂは、ワイヤーロープであり、伸縮不能に設けられている。

【0012】

吊り荷３は、クレーン２にて運搬される荷物であり、直方体状に設けられている。吊り荷３は、回動体２ｄ及びブーム２ａの回動によって所定の位置に搬送される。このとき、回動体２ｄの回動に合わせて吊り荷３も垂直軸線２ｃ周りの角度が変化する。このとき、吊り荷回動システム１は、吊り荷３を降ろす場所に合わせて、吊り荷３を所望の角度に回動させる。吊り荷回動システム１は、吊り具１０、及び、制御装置２０（図５）を備えている。

【0013】

吊り具１０は、ロープ２ｂの下端部に接続され、吊り荷３を垂直軸線２ｃ周りに回動可能に保持するものである。吊り具１０は、図２に示すように、本体部１１、モータ部１２、クラッチ部１３、及び、通信部１４を備えている。

【0014】

本体部１１は箱状に形成され、モータ部１２およびクラッチ部１３を収容するものである。本体部１１は、２本のロープ２ｂによって、ジブ２ａ１から吊り下げられている。２本のロープ２ｂの下端部が、本体部１１の長手方向の両端部にそれぞれ固定されている。本体部１１ひいては吊り具１０の長手方向及び吊り荷３の長手方向は、図２の左右方向である。これにより、本体部１１は、ジブ２ａ１に対して、回動可能に固定されている。

【0015】

モータ部１２は、吊り荷３を垂直軸線２ｃ周りに回動させるものである。モータ部１２は、例えばサーボモータである。モータ部１２は、出力軸１２ａの回転軸線が垂直軸線２ｃと一致するように、かつ、出力軸１２ａの下端部が本体部１１の外部に位置するように配置されている。出力軸１２ａの下端部には、金属製のアーム４を介してスプレッダ５が接続されている。スプレッダ５は、吊り荷３を着脱可能に保持するものである。出力軸１２ａが垂直軸線２ｃ周りに回動することにより、吊り荷３が垂直軸線２ｃ周りに回動する。すなわち、吊り荷３は、吊り具１０及びジブ２ａ１に対して、回動可能に保持されている。

【0016】

クラッチ部１３は、オン状態である場合にモータ部１２の動力を吊り荷３に伝達し、オフ状態である場合にモータ部１２の動力の吊り荷３への伝達を遮断するものである。クラッチ部１３は、電磁クラッチである。クラッチ部１３は、モータ部１２の出力軸１２ａに配置されている。

【0017】

通信部１４は、制御装置２０と無線にて通信可能に接続されている（図５）。通信部１４は、モータ部１２及びクラッチ部１３と有線または無線にて電気的に接続されている。通信部１４は、制御装置２０によって出力されるモータ部１２及びクラッチ部１３への制御信号を受信してモータ部１２及びクラッチ部１３へ送信する。

【0018】

制御装置２０は、吊り具１０と別体に設けられ、モータ部１２及びクラッチ部１３と無線を用いて通信可能に接続されている（図５）。また、制御装置２０は、吊り荷３の回動角度を制御するものである。回動角度は、回動方向の角度である。回動方向は、吊り荷３が回動する垂直軸線２ｃ周りの方向である。制御装置２０は、ジブ２ａ１に対する吊り荷３の回動角度の目標値である目標回動角度だけ、吊り荷３を回動させるようにモータ部１２及びクラッチ部１３を制御する。図３及び図４に示す簡易モデルにおいて、ジブ２ａ１、吊り具１０および吊り荷３それぞれの長手方向が一致するときの回動角度をゼロとする。長手方向は、垂直軸線２ｃ（Ｚ軸）上のジブ２ａ１の中心点Ｏを通り、かつ、垂直軸線２ｃと直交する軸線Ｘ１の方向とする。なお、軸線Ｘ２は、垂直軸線２ｃ上の吊り具１０の中心点Ｐを通り、かつ、軸線Ｘ１と平行な軸線である。軸線Ｙは、中心点Ｏを通り、かつ、垂直軸線２ｃ及び軸線Ｘ１と直交する軸線である。

【0019】

また、ジブ２ａ１はブーム２ａに対して回動しないため、吊り荷３の回動角度及び吊り具１０の回動角度は、ジブ２ａ１に対する回動方向の角度である。以下、吊り荷３の回動角度を第１回動角度、吊り具１０の回動角度を第２回動角度と記載する。また、第１回動角度は、図４において時計回り方向を正の方向とし、反時計回り方向を負の方向とする。一方、第２回動角度は、図４において時計回り方向を負の方向とし、反時計回り方向を正の方向とする。また、吊り具１０に対する吊り荷３の回動角度は、第１回動角度と第２回動角度との和で表される。以下、吊り具１０に対する吊り荷３の回動角度を動作角度と記載し、動作角度の速度を動作角速度と記載し、動作角度の加速度を動作角加速度と記載する。また、図３及び図４において、γは第１回動角度、θは第２回動角度、φは動作角度である。

【0020】

クレーン２の運転者は、吊り荷３が回動して第１回動角度が目標回動角度となること、かつ、第１回動角度が目標回動角度となった時に、吊り荷３及び吊り具１０の回動方向の振れや振動が抑制されていることを所望する。すなわち、運転者が所望する吊り荷３の回動角度にするためには、第１回動角度が目標回動角度となり、さらに、第１回動角度が目標回動角度となった時に、第２回動角度がゼロであり、かつ、動作角度が目標回動角度であることが必要である。また、吊り荷３及び吊り具１０の回動方向の振れや振動を抑制するために、第１回動角度が目標回動角度となった時に、吊り荷３の回動方向の角速度である第１角速度、及び、吊り具１０の回動方向の角速度である第２角速度がゼロであることが必要である。なお、第１角速度は、第１回動角度を１回微分したものに相当し、第２角速度は、第２回動角度を１回微分したものに相当する。

【0021】

制御装置２０は、吊り荷３の回動が開始される開始時点ｔｋ０から、動作角度が目標回動角度に到達した時点である到達時点ｔｋ３までのモータ部１２の駆動パターン、及び、クラッチ部１３のオン状態とオフ状態とを切り替える切替タイミングを、吊り荷３の回動動作を行う前に導出する。制御装置２０は、この駆動パターンおよび切替タイミングに基づいて、モータ部１２及びクラッチ部１３を制御する。制御装置２０は、図５に示すように、記憶部２１、取得部２２、導出部２３、及び、出力部２４を備えている。

【0022】

記憶部２１は、第１数理モデル、第２数理モデル、及び、評価関数が記憶されている。第１数理モデルは、クラッチ部１３がオン状態である場合における吊り荷３の回動運動を、吊り荷３の回動方向の角加速度である第１角加速度、及び、吊り具１０の回動方向の角加速度である第２角加速度にて表されたものである。回動運動は、回動方向の運動である。なお、第１角加速度は、第１回動角度を２回微分したものに相当する。第２角加速度は、第２回動角度を２回微分したものに相当する。

【0023】

第１数理モデルは、式（１）によって表される。また、第２数理モデルは、クラッチ部１３がオフ状態である場合における吊り荷３の回動運動を、第１角加速度及び第２角加速度にて表されたものである。第２数理モデルは、式（２）によって表される。

【0024】

【数1】

【0025】

【数2】

【0026】

数式（１），（２）において、γは第１回動角度、θは第２回動角度、Ｉ_Lは吊り荷３の慣性、Ｉ_Hは吊り具１０の慣性、ｍは吊り荷３及び吊り具１０の総重量、Ｒは吊り具１０の半径、ｇは重力加速度、τはモータ部１２の動力によって吊り荷３に作用するトルクであるモータトルク、ａは中心点Ｏと中心点Ｐとの間の長さに相当する中心長さ（図３参照）、である。

【0027】

ここで、第１数理モデルおよび第２数理モデルの導出方法について、図３及び図４の簡易モデルを用いて説明する。図３から、式（３）が成立する。ｌはロープ２ｂの長さである。

【0028】

【数3】

【0029】

また、簡易モデルの全運動エネルギＴは、式（４）にて表される。また、簡易モデルの位置エネルギＶは、式（５）によって表される。さらに、ラグランジュ関数Ｌは、式（６）によって表される。

【0030】

【数4】

【0031】

【数5】

【0032】

【数6】

【0033】

また、簡易モデルの一般化座標ｑを式（７）とする。座標θ（ｔ）にオイラーラグランジュ方程式を適用すると式（８）のようになる。但し、式（９）であることに注意する。φは、動作角度である。

【0034】

【数7】

【0035】

【数8】

【0036】

【数9】

【0037】

さらに、式（８）、に式（３）及び式（６）を適用すると式（１０）が得られる。

【0038】

【数10】

【0039】

また、座標γ（ｔ）にオイラーラグランジュ方程式を適用すると式（１１）のようになる。さらに式（１１）に式（６）を適用すると式（１２）が得られる。

【0040】

【数11】

【0041】

【数12】

【0042】

続けて、式（１２）を式（１１）に代入すると、式（１３）が得られる。

【0043】

【数13】

【0044】

クラッチ部１３がオン状態である場合、モータ部１２からの動力が伝達されるため、式（１０）が成立する。一方、クラッチ部１３がオフ状態である場合、モータ部１２からのトルクがゼロ（τ＝０）であるため、式（１３）を用いて式（１４）が得られる。

【0045】

【数14】

【0046】

また、クラッチ部１３がオフ状態である場合、モータ部１２からの動力が伝達されないため、式（１０）において式（１４）を代入する。以上を要約することにより、クラッチ部１３がオン状態である場合の式（１）、及び、クラッチ部１３がオフ状態である場合の式（２）が得られる。

【0047】

評価関数は、モータ部１２の消費電力に関するものであり、後述する最適制御が実行される場合に用いられる。また、評価関数は、目標回動角度が後述する所定角度以上である場合、式（１５）によって表される。また、評価関数は、目標回動角度が所定角度より小さい場合、式（１６）によって表される。式（１５）において、ｔ１は第１時点ｔｋ１、ｕ_１は第１区間Ｋ１におけるｕ（＝τ／Ｉ_Ｌ：式（１）参照）、及び、ｕ_ｍａｘはτの最大値に対応するｕである。また、式（１６）において、ｔｆは、到達時点ｔｋ３、及び、ｕ_３は第３区間Ｋ３におけるｕに相当する。式（１５）及び式（１６）において、ｖ_ｍａｘは、最大角速度である。第１時点ｔｋ１、第１区間Ｋ１、到達時点ｔｋ３、第３区間Ｋ３、及び、最大角速度については後述する。

【0048】

【数15】

【0049】

【数16】

【0050】

取得部２２は、目標とする吊り荷３の回動角度である目標回動角度を取得するものである。目標回動角度は、入力部６から入力される。入力部６は、キーボードなどのインターフェースである。入力部６は、制御装置２０と有線または無線にて通信可能に接続されている。また、取得部２２は、各パラメータを取得する。各パラメータは、吊り荷３の慣性、吊り具１０の慣性、吊り荷３及び吊り具１０の総重量、吊り具１０の半径、ロープ２ｂの長さ、重力加速度、モータトルク、及び、中心長さである。取得部２２によって取得された目標回動角度及び各パラメータは、導出部２３に出力される。

【0051】

導出部２３は、第１数理モデルおよび第２数理モデルを用いて、吊り荷３の回動が開始される開始時点ｔｋ０から、吊り荷３の回動角度が取得部２２によって取得された目標回動角度に到達する到達時点ｔｋ３までの、モータ部１２の駆動パターン、及び、クラッチ部１３のオン状態とオフ状態とを切り替えるタイミングである切替タイミングを導出するものである。

【0052】

導出部２３は、第１数理モデル及び第２数理モデルを、上述した評価関数を最適化する最適制御にて、モータ部１２の駆動パターン、及び、クラッチ部１３の切替タイミングを導出する。具体的には、最適制御によって、開始時点ｔｋ０から到達時点ｔｋ３までの時間をより短く、かつ、モータ部１２の消費電力を最小とするように、評価関数が最適化される。モータ部１２の駆動パターンは、モータ部１２における出力軸１２ａの角加速度にて導出される。出力軸１２ａの角加速度は、動作角加速度に相当する。なお、本実施例における最適制御は、主として共役勾配法が用いられ、さらに局所最適を防ぐために初期値の変更にスワーム法が用いられる。

【0053】

また、導出部２３は、図６に示すタイムチャートのように、開始時点ｔｋ０から到達時点ｔｋ３までの間について、第１区間Ｋ１乃至第３区間Ｋ３の３つの区間に分けて、モータ部１２の駆動パターン及び切替タイミングを導出する。第１区間Ｋ１は、開始時点ｔｋ０から、開始時点ｔｋ０と到達時点ｔｋ３との間の第１時点ｔｋ１まで間を、クラッチ部１３をオン状態にして、開始時点ｔｋ０から第１時点ｔｋ１に向けて第１角速度を大きくするように設定される区間である。すなわち、第１区間Ｋ１は、動作角加速度を正の値にして、吊り荷３の回動を加速させる区間である。

【0054】

第２区間Ｋ２は、第１時点ｔｋ１から、第１時点ｔｋ１と到達時点ｔｋ３との間の第２時点ｔｋ２までの間を、クラッチ部１３をオフ状態に設定される区間である。クラッチ部１３がオフ状態になっているため、モータ部１２の動力が吊り荷３に作用しない。よって、吊り荷３は、第２区間Ｋ２において、第１時点ｔｋ１における第１角速度にて、等速で回動する。すなわち、第２区間Ｋ２は、動作角加速度をゼロとすることができる区間である。

【0055】

第３区間Ｋ３は、第２時点ｔｋ２から到達時点ｔｋ３までの間を、クラッチ部１３をオン状態にして、第２時点ｔｋ２から到達時点ｔｋ３にかけて第１角速度を小さくするように設定される区間である。すなわち、第３区間Ｋ３は、動作角加速度を負の値にして、吊り荷３の回動を減速させる区間である。

【0056】

また、導出部２３は、到達時点ｔｋ３において、次の制約条件を設定する。すなわち到達時点ｔｋ３において、第１回動角度が目標回動角度、及び、第１角速度がゼロとなるように設定する。さらに、第２回動角度がゼロ、及び、第２角速度がゼロとなるように設定する。これにより、到達時点ｔｋ３において、上述したように、吊り荷３のジブ２ａ１に対する回動方向の角度が目標回動角度となり、吊り具１０のジブ２ａ１に対する回動方向の角度がゼロとなり、かつ、吊り荷３及び吊り具１０の回動方向の振れ及び振動が抑制される。

【0057】

なお、開始時点ｔｋ０の制約条件においては、第１回動角度、第１角速度、第２回動角度及び第２角速度がゼロであるため、第１角速度、第２回動角度及び第２角速度においては、上述した到達時点ｔｋ３の制約条件と同じとなる。また、第２区間Ｋ２は、吊り荷３が等速運動をするため、第２時点ｔｋ２の第１角速度は、第１時点ｔｋ１の第１角速度と同じである。これらにより、第３区間Ｋ３におけるモータ部１２の駆動パターンを、第１区間Ｋ１におけるモータ部１２の駆動パターンと対称となるように設定することができる。この場合、第１区間Ｋ１と第３区間Ｋ３とでは、モータ部１２への制御指令値の符号が反対となる。これにより、第１区間Ｋ１と第３区間Ｋ３とで、モータ部１２の消費電力が同じとなる。また、第２区間Ｋ２ではクラッチ部１３がオフ状態であるため、モータ部１２の消費電力をゼロにできる。よって、目標回動角度が所定角度以上である場合、モータ部１２の消費電力は、第１区間Ｋ１だけ考慮すればよい。したがって、目標回動角度が所定角度以上である場合、上述した評価関数の式（１５）は、第１区間Ｋ１のみが考慮されている。

【0058】

さらに、導出部２３は、第１時点ｔｋ１において、次の制約条件を設定する。具体的には、目標回動角度が所定角度以上である場合、第１時点ｔｋ１における第１角速度を、モータ部１２の最大動力に応じた最大となる角速度である最大角速度に設定する。最大角速度は、モータ部１２の仕様に応じて変化する。所定角度は、第２区間Ｋ２を、吊り荷３が最大角速度にて回動可能な目標回動角度である。さらに、第１時点ｔｋ１における第２回動角度及び第２角速度をそれぞれゼロに設定する。一方、目標回動角度が所定角度より小さい場合、第１時点ｔｋ１における制約条件は設定されない。

【0059】

出力部２４は、導出部２３によって導出されたモータ部１２の駆動パターン、及び、クラッチ部１３の切替タイミングに基づいて、モータ部１２の駆動量及びクラッチ部１３への制御信号を出力するものである。すなわち、出力部２４は、導出部２３によって導出されたモータ部１２の駆動パターンにて、モータ部１２が駆動するように、モータ部１２の駆動量を制御指令値としてモータ部１２に出力する。また、出力部２４は、導出部２３によって導出されたクラッチ部１３の切替タイミングとなるように、オン状態とオフ状態とを切り替える信号を制御指令値としてクラッチ部１３に出力する。出力部２４は、制御信号を無線によって通信部１４に送信する。すなわち、出力部２４は、通信部１４を介して制御信号をモータ部１２及びクラッチ部１３に送信する。

【0060】

次に、制御装置２０が実行するフローチャートについて図７を用いて説明する。制御装置２０は、Ｓ１０にて、目標回動角度及び各パラメータが入力されたか否かを判定する（取得部２２）。各パラメータが入力されていない場合、制御装置２０は、Ｓ１０にてＮＯと判定し、Ｓ１０を繰返し実行する。一方、各パラメータが入力された場合、制御装置２０は、Ｓ１０にてＹＥＳと判定し、Ｓ２０に進む。

【0061】

制御装置２０は、Ｓ２０にて、目標回動角度が所定角度以上であるか否かを判定する。目標回動角度が所定角度以上である場合、制御装置２０は、Ｓ２０にてＹＥＳと判定し、Ｓ３０にて、上述したように、開始時点ｔｋ０、到達時点ｔｋ３及び第１時点ｔｋ１の制約条件を設定する。一方、目標回動角度が所定角度より小さい場合、制御装置２０は、Ｓ２０にてＮＯと判定し、Ｓ４０にて、上述したように、開始時点ｔｋ０及び到達時点ｔｋ３の制約条件を設定する。

【0062】

続けて、制御装置２０は、Ｓ５０にてモータ部１２の駆動パターン及びクラッチ部１３の切替タイミングを導出し（導出部２３）、Ｓ６０にてモータ部１２への制御指令値及びクラッチ部１３への制御指令値を出力する（出力部２４）。

【0063】

次に上述したフローチャートが実行された場合における吊り荷回動システム１の動作について、図８のタイムチャートを用いて説明する。はじめに、目標回動角度が所定角度以上である場合について説明する。

【0064】

目標回動角度が所定角度以上である場合、開始時点ｔｋ０、到達時点ｔｋ３および第１時点ｔｋ１の制約条件が設定され（Ｓ３０）、モータ部１２の駆動パターン及びクラッチ部１３の切替タイミングが導出される（Ｓ５０）。

【0065】

具体的には、クラッチ部１３は、開始時点ｔｋ０から第１時点ｔｋ１までの第１区間Ｋ１、及び、第２時点ｔｋ２から到達時点ｔｋ３までの第３区間Ｋ３がオン状態であり、第１時点ｔｋ１から第２時点ｔｋ２までの第２区間Ｋ２がオフ状態である。また、モータ部１２の駆動パターンは、第１区間Ｋ１が正の動作角加速度にて、第３区間Ｋ３が負の動作角加速度にて導出され、第１区間Ｋ１の駆動パターンと第３区間Ｋ３の駆動パターンとが対称であるとともに、第２区間Ｋ２の動作角加速度がゼロである。

【0066】

制御装置２０によって導出されたモータ部１２の駆動パターン及びクラッチ部１３の切替タイミングに基づいて、モータ部１２及びクラッチ部１３の制御指令値が出力され（Ｓ６０）、モータ部１２およびクラッチ部１３の駆動が開始される。

【0067】

吊り荷３の回動が開始された時点から（時刻ｔｍ０；開始時点ｔｋ０）、吊り荷３の回動が加速される（第１角加速度を参照）。このとき、吊り具１０の回動方向において、吊り荷３の荷重の分力よりも、ロープ２ｂの張力の分力が小さいため、モータ部１２の動力の反力によって、吊り具１０が、吊り荷３よりも先に、吊り荷３の回動方向と反対方向に回動を開始する（第２回動角度を参照）。

【0068】

モータ部１２の動力によってロープ２ｂの張力の分力が、吊り荷３の荷重の分力と、おおよそ釣り合った時点（時刻ｔｍ１）から、吊り荷３の回動方向に吊り具１０が回動するとともに（第２回動角度を参照）、吊り荷３の第１回動角度の変化が大きくなる。

【0069】

第２回動角度がゼロに戻った時点において（時刻ｔｍ２；第１時点ｔｋ１）、第１角速度が最大角速度に到達する（図６参照）。なお、このとき、第２回動角度がゼロであるため、動作角度は、第１回動角度と同一である。すなわち、このときの動作角速度は、第１角速度と同一の最大角速度である。

【0070】

さらに、この時点（時刻ｔｍ２）からクラッチ部１３がオフ状態に切り替わる。クラッチ部１３がオフ状態であることにより、モータ部１２の動力が吊り荷３に作用しないため、吊り荷３が、第１角速度すなわち最大角速度にて等速で回動する。一方、吊り具１０は、第２回動角度がゼロの状態で停止している。

【0071】

続けて、クラッチ部１３がオン状態に切り替わった時点から（時刻ｔｍ３；第２時点ｔｋ２）、吊り荷３の回動が減速される。このとき、吊り具１０の回動方向において、吊り荷３の慣性力の分力より、ロープ２ｂの張力の分力及びモータ部１２の動力の合力が小さいため、吊り荷３の回動方向に吊り具１０が回動し始める（第２回動角度を参照）。

【0072】

第１回動角度がおおよそ目標回動角度に到達すると、吊り荷３の慣性力の分力とロープ２ｂの張力の分力及びモータ部１２の動力の合力とが、おおよそ釣り合った時点（時刻ｔｍ４）から、吊り荷３の回動方向の反対方向に吊り具１０が回動して（第２回動角度を参照）、第１回動角度が目標回動角度となり、第２回動角度がゼロの状態にて、吊り荷３の回動が終了する（時刻ｔｍ５；到達時点ｔｋ３）。このとき、式（９）から動作角度が目標回動角度であることが示される。

【0073】

また、この時点（時刻ｔｍ５）において、動作角速度がゼロである。さらに、第１角速度がゼロである（図６）。したがって、第２角速度もゼロである。すなわち、第１回動角度が目標回動角度となった時に、吊り荷３および吊り具１０の回動方向の振れや振動が抑制されている。

【0074】

一方、目標回動角度が所定角度より小さい場合、第１時点ｔｋ１において、第１角速度が最大角速度に到達しない。この場合、第２区間Ｋ２においては、吊り荷３は、その第１時点ｔｋ１の第１角速度にて等速で回動する。

【0075】

本第１実施例によれば、吊り荷回動システム１は、クレーン２におけるブーム２ａの先端部に取り付けられたロープ２ｂによって吊り下げられた吊り荷３を、垂直軸線２ｃ周りに回動させる。吊り荷回動システム１は、ロープ２ｂの下端部に接続され、吊り荷３を垂直軸線２ｃ周りに回動可能に保持する吊り具１０と、吊り荷３の回動角度を制御する制御装置２０と、を備えている。吊り具１０は、吊り荷３を垂直軸線２ｃ周りに回動させるモータ部１２と、オン状態である場合にモータ部１２の動力を吊り荷３に伝達し、オフ状態である場合にモータ部１２の動力の吊り荷３への伝達を遮断するクラッチ部１３と、を備えている。制御装置２０は、クラッチ部１３がオン状態である場合における吊り荷３の回動運動を、吊り荷３の回動方向の角加速度である第１角加速度、及び、吊り具１０の回動方向の角加速度である第２角加速度にて表された第１数理モデル、並びに、クラッチ部１３がオフ状態である場合における吊り荷３の回動運動を、第１角加速度及び第２角加速度にて表された第２数理モデルを記憶する記憶部２１と、第１数理モデルおよび第２数理モデルを用いて、吊り荷３の回動が開始される開始時点ｔｋ０から、目標とする吊り荷の回動角度である目標回動角度に吊り荷３の回動角度が到達する到達時点ｔｋ３までの、モータ部１２の駆動パターン、及び、クラッチ部１３のオン状態とオフ状態とを切り替えるタイミングである切替タイミングを導出する導出部２３と、導出部２３によって導出されたモータ部１２の駆動パターン、及び、クラッチ部１３の切替タイミングに基づいて、モータ部１２及びクラッチ部１３への制御信号を出力する出力部２４と、を備えている。

【0076】

これによれば、吊り荷３の回動運動を表す数理モデルが、吊り荷３の角加速度及び吊り具１０の角加速度にて表されているため、モータ部１２の駆動パターン、及び、クラッチ部１３の切替タイミングを、吊り荷３の回動方向の振れを抑制するとともに、吊り具１０の回動方向の振れひいてはロープ２ｂの捩じれを抑制するように導出できる。よって、吊り荷回動システム１は、クレーン２から吊り下げられた吊り荷３を垂直軸線２ｃ周りに回動させる場合においても、吊り荷３の回動方向の振れやロープ２ｂの捻れを抑制できる。
また、クラッチがオフ状態である状態においては、モータ部１２の駆動量を抑制することができる。よって、吊り荷３を回動させる場合におけるモータ部１２の消費電力を抑制することができる。

【0077】

また、導出部２３は、モータ部１２の消費電力に関する評価関数を最適化する最適制御をさらに用いて、モータ部１２の駆動パターン、及び、クラッチ部１３の切替タイミングを導出する。

【0078】

これによれば、導出部２３は、モータ部１２の消費電力に関する評価関数を最適化する最適制御を用いてモータ部１２の駆動パターン及び、クラッチ部１３の切替タイミングを導出するため、モータ部１２の消費電力を適切に抑制することができる。

【0079】

また、導出部２３は、開始時点ｔｋ０から到達時点ｔｋ３までの間について、開始時点ｔｋ０から、開始時点ｔｋ０と到達時点ｔｋ３との間の第１時点ｔｋ１まで間を、クラッチ部１３をオン状態にして、開始時点ｔｋ０から第１時点ｔｋ１に向けて吊り荷３の角速度を大きくするように設定される第１区間Ｋ１と、第１時点ｔｋ１から、第１時点ｔｋ１と到達時点ｔｋ３との間の第２時点ｔｋ２までの間を、クラッチ部１３をオフ状態に設定される第２区間Ｋ２と、第２時点ｔｋ２から到達時点ｔｋ３までの間を、クラッチ部１３をオン状態にして、第２時点ｔｋ２から到達時点ｔｋ３にかけて吊り荷３の角速度を小さくするように設定される第３区間Ｋ３と、に分けて、モータ部１２の駆動パターン、及び、クラッチ部１３の切替タイミングを導出する。

【0080】

これによれば、吊り荷３が回動される区間が３つの区間に分けられて、導出部２３によってクラッチ部１３の切替タイミング等が導出される。よって、クラッチ部１３の作動回数が抑制されることにより、クラッチ部１３の劣化が抑制されるとともに、導出部２３における数理モデルの計算時間が抑制される。

【0081】

また、導出部２３は、目標回動角度が所定回動角度以上である場合、第１時点ｔｋ１における吊り荷３の第１角速度を、モータ部１２の最大動力に応じた角速度に設定して、モータ部１２の駆動パターンを導出する。

【0082】

これによれば、目標回動角度が所定角度以上である場合、第１区間Ｋ１の最後の時点である第１時点ｔｋ１における吊り荷３の角速度がモータ部１２の最大動力に基づいて設定される。よって、第１区間Ｋ１における吊り荷３が回動する時間の短時間化を図ることができる。また、第１時点ｔｋ１の第１角速度が大きくなるにしたがって、第２区間Ｋ２の第１角速度が大きくなる。よって、第１時点ｔｋ１における第１角速度がモータ部１２の最大動力に基づいて設定されることにより、第２区間Ｋ２における吊り荷３が回動する時間の短時間化を図ることができる。

【0083】

また、制御装置２０は、吊り具１０と別体に設けられ、モータ部１２及びクラッチ部１３と無線を用いて通信可能に接続されている。
これによれば、吊り荷回動システム１のレイアウトの自由度を向上させることができる。

【0084】

＜第２実施例＞
次に、本明細書の第２実施例に係る吊り荷回動システム１について、主として上述した第１実施例と異なる部分について、図面を参照しながら説明する。吊り荷回動システム１は、上述した第１実施例においては第１数理モデル及び第２数理モデルを用いて吊り荷３の回動を開始させる前にモータ部１２の駆動パターン等を導出していたが、第２実施例においては、モータ部１２の駆動をスライディングモード制御によってリアルタイムに制御する。

【0085】

本第２実施例の吊り具１１０は、図９に示すように、上述した第１実施例の吊り具１０の構成に加えて、角度センサ１１５および角加速度センサ１１６をさらに備えている。角度センサ１１５および角加速度センサ１１６は、制御装置１２０と無線にて通信可能に接続されている。一方、本第２実施例の吊り具１１０は、上述した第１実施例のクラッチ部１３を備えていない。

【0086】

角度センサ１１５は、モータ部１１２によって回動された、吊り具１１０に対する吊り荷３の回動角度である動作角度を検出するものである。角度センサ１１５は、本体部１１に収納され、モータ部１１２の出力軸１２ａの回動角度を検出することにより、動作角度を検出する。角度センサ１１５は、例えばエンコーダである。角度センサ１１５によって検出された動作角度は、制御装置１２０に出力される。

【0087】

角加速度センサ１１６は、本体部１１１の上面に配置され、吊り具１１０の回動方向の角加速度である第２角加速度を検出するものである。角加速度センサ１１６は、例えば慣性センサである。角加速度センサ１１６によって検出された第２角加速度は、制御装置１２０に出力される。

【0088】

本第２実施例の制御装置１２０は、角度センサ１１５によって検出された動作角度を、動作角度の目標値である目標回動角度とするように、動作角度と目標回動角度の偏差に基づいてスライディングモード制御を実行して、モータ部１１２の操作量を出力するものである。制御装置１２０は、図１０に示すように、記憶部１２１、取得部１２２、導出部１２３、及び、出力部１２４を備えている。記憶部１２１は、第３数理モデル及びスライディング関数を記憶するものである。

【0089】

第３数理モデルは、吊り荷３の回動運動を、吊り荷３の角加速度である第１角加速度、及び、第２角加速度にて表されたものである。第３数理モデルは、式（１７）によって表される。第３数理モデルは、上述した図３及び図４の簡易モデルに基づいて導出される。式（１７）において、ｃは、吊り荷３を置くために吊り荷３と接触するものと、吊り荷３との摩擦係数である。すなわち、吊り荷３の底面と吊り荷３を置く面との摩擦係数であるが、本実施例においては、吊り荷３は空中にて回動されるため、摩擦係数はゼロである。また、吊り具１１０の角速度である第２角速度は、角加速度センサ１１６によって検出された第２角加速度を１回積分することによって得られる。さらに、吊り具１１０の回動角度である第２回動角度は、角加速度センサ１１６によって検出された第２角加速度を２回積分することによって得られる。

【0090】

【数17】

【0091】

スライディング関数は、スライディングモード制御が実行される場合に用いられる関数であり、式（１８）によって表される。スライディング関数は、第２回動角度であるθを含んで構成されている。また、スライディング関数は、積分項を含んで構成されている。積分項は、残留偏差が存在する場合、その偏差の時間積分に比例して操作量を変化させる動作をする。これにより、目標回動角度に対する定常偏差を抑制することができる。また、この積分項によって、スライディングモードに切り替え面への追従性及び速応性を高めることができる。式（１８）において、β１〜β６は制御ゲインであり、動作角度と目標回動角度との偏差であるｅ（ｔ）は、式（１９）によって表される。式（１９）において、φ（ｔ）は動作角度、φ_ｄ（ｔ）は目標回動角度である。

【0092】

【数18】

【0093】

（数１９）
ｅ（ｔ）＝φ（ｔ）−φ_ｄ（ｔ） ・・・（１９）

【0094】

また、スライディング関数に定数項を加えることによって、到達段階を打ち消すことが期待できる。この場合、制約条件である式（２０）を満たす必要がある。これにより、式（１８）及び式（２０）から式（２１）が導出される。

【0095】

（数２０）
σ（ｔ＝０）＝０ ・・・（２０）

【0096】

【数21】

【0097】

さらに、式（２２）とすることによって、式（２３）に示すスライディングモードコントロール関数が得られる。なお、式（２３）の関数についても記憶部１２１に記憶されている。

【0098】

【数22】

【0099】

【数23】

【0100】

また、動作角度を目標回動角度に、また、吊り具１１０及び吊り荷３の回動方向の振れを抑制するために、式（２４）に示すように収束させるためには、式（１８）の制御ゲインを式（２５）のように設定する。

【0101】

【数24】

【0102】

【数25】

【0103】

取得部１２２は、入力部６から目標回動角度及び各パラメータを取得するものである。各パラメータは、吊り荷３の慣性、吊り具１１０の慣性、吊り荷３及び吊り具１１０の総重量、吊り具１１０の半径、ロープ２ｂの長さ、重力加速度、モータトルク、中心長さ、並びに、摩擦係数である。また、取得部１２２は、角加速度センサ１１６から出力された第２角加速度、及び、角度センサ１１５から出力された動作角度を取得する。

【0104】

導出部１２３は、角度センサ１１５によって検出された動作角度を、動作角度の目標値である目標回動角度とするように、動作角度と目標回動角度の偏差に基づいてスライディングモード制御を実行して、モータ部１１２の操作量を導出する。スライディングモード制御は、第３数理モデル、及び、スライディング関数に基づいて、目標回動角度、角度センサ１１５によって検出された動作角度、及び、角加速度センサ１１６によって検出された第２角加速度を用いて実行される。スライディングモード制御において、開始時点ｔｋ０から到達時点ｔｋ３までの時間の短時間化を図るため、制御ゲインは、スワーム法を用いて最適化される。

【0105】

出力部１２４は、導出部１２３によって導出されたモータ部１１２の操作量を、制御指令値としてモータ部１１２に出力するものである。

【0106】

次に、制御装置１２０が実行するフローチャートについて、図１１を用いて説明する。制御装置１２０は、Ｓ１１０にて目標回動角度及び各パラメータが入力されたか否かを判定する（取得部１２２）。目標回動角度等が入力されない場合、制御装置１２０は、Ｓ１１０にてＮＯと判定し、Ｓ１１０を繰り返し実行する。一方、目標回動角度等が入力された場合、制御装置１２０は、Ｓ１１０にてＹＥＳと判定し、Ｓ１２０にて吊り荷３の回動を開始する。

【0107】

続けて、制御装置１２０は、Ｓ１３０にて動作角度及び第２角加速度を取得し（取得部１２２）、Ｓ１４０にてスライディングモード制御を実行し、モータ部１１２の操作量を導出する。さらに、制御装置１２０は、Ｓ１５０にて操作量をモータ部１１２に制御指令値として出力し、Ｓ１６０にて動作角度が目標回動角度に収束したか否かを判定する。目標回動角度と動作角度との偏差が所定範囲（例えば目標回動角度の１％）内となった状態が継続して所定時間（例えば０．５秒）以上となった場合、動作角度が目標回動角度に収束したと判定される。所定範囲及び所定時間は、実験等によって実測されることにより導出される。動作角度が目標回動角度に収束していない場合、制御装置１２０は、Ｓ１６０にてＮＯと判定し、Ｓ３０に戻る。一方、動作角度が目標回動角度に収束した場合、制御装置１２０は、Ｓ１６０にてＹＥＳと判定し、Ｓ１７０にて、吊り荷３の回動を終了する。

【0108】

次に上述したフローチャートが実行された場合における吊り荷回動システム１の動作について、図１２のタイムチャートを用いて説明する。図１２の上段左側の動作角度と時間との関係に示されているように、吊り荷３の回動は、動作角度が開始時点ｔｋ０から目標回動角度に向けておよそ一定比率にて増加し、到達時点ｔｋ３で目標回動角度にて収束する。また、図１２の上段右側の第２回動角度と時間との関係に示されているように、吊り具１１０の回動は、上述した第１実施例と同様に、開始時点ｔｋ０から吊り荷３と反対方向に回動した後反転して、吊り荷３と同じ方向に回動し、さらに反転して到達時点ｔｋ３にて第２回動角度がゼロに収束する。

【0109】

スライディング関数は、開始時点ｔｋ０から到達時点ｔｋ３まで、おおよそゼロに収束している。また、動作角加速度については、吊り荷３の回動時間が短時間化するように制御されている。

【0110】

なお、スライディング関数における積分項の効果は、図１３のタイムチャートに示されているように、積分項がない場合に比べて積分項がある場合の方が、動作角度が目標回動角度に早期に収束している。また、積分項がない場合はスライディング関数において到達段階を有しているが、積分項がある場合は、式（２１）によって、スライディング関数において到達段階を有していない。

【0111】

本第２実施例によれば、吊り荷回動システム１は、クレーン２のブーム２ａの先端部に取り付けられたロープ２ｂによって吊り下げられた吊り荷３を、垂直軸線２ｃ周りに回動させる。吊り荷回動システム１は、ロープ２ｂの下端部に接続され、吊り荷３を垂直軸線２ｃ周りに回動可能に保持する吊り具１１０と、吊り荷３を垂直軸線２ｃ周りに回動させるモータ部１１２と、モータ部１１２によって回動された、吊り具１１０に対する吊り荷３の回動角度である動作角度を検出する角度センサ１１５と、吊り具１１０の回動方向の角加速度である第２角加速度を検出する角加速度センサ１１６と、角度センサ１１５によって検出された動作角度を、動作角度の目標値である目標回動角度とするように、動作角度と目標回動角度の偏差に基づいてスライディングモード制御を実行して、モータ部１１２の操作量を出力する制御装置１２０と、を備えている。スライディングモード制御は、吊り荷３の回動運動を、動作角度の角加速度である動作角加速度、及び、第２角加速度にて表された第３数理モデル、並びに、スライディングモード制御におけるスライディング関数に基づいて、目標回動角度、角度センサ１１５によって検出された動作角度、及び、角加速度センサ１１６によって検出された第２角加速度を用いて実行される。スライディング関数は、積分項を含んで構成されている。

【0112】

これによれば、スライディング関数が積分項を有しているため、動作角度と目標回動角度との残留偏差が存在する場合、積分項は、その残留偏差の時間積分に比例して、操作量を変化させる動作をする。よって、スライディング関数に積分項が無い場合に比べて、動作角度を目標回動角度に早期に収束させることができる。さらに、積分項によってスライディングモード切り換え面への追従性及び速応性が高まるため、ロバスト性を向上されたスライディングモード制御が実行される。また、スライディング関数は、第２回動角度を含んで構成されているため、吊り具１１０の回動運動が考慮されることにより、ロバスト性をさらに向上されたスライディングモード制御が実行される。

【0113】

なお、上述した各実施例において、吊り荷回動システムの一例を示したが、本明細書の実施例はこれに限定されず、他の構成を採用することもできる。例えば、上述した各実施例において、クレーン２は、デッキクレーンであるが、これに代えて、ガントリークレーンや天井クレーンなどの吊り荷３を回動可能なクレーンでも良い。

【0114】

また、上述した各実施例において、モータ部１２，１１２の出力軸１２ａ，１１２ａが、減速機構を含んで構成されても良い。この場合、第１実施例のクラッチ部１３が減速機構に設けられるようにしても良い。

【0115】

また、上述した第１実施例において、目標回動角度が所定角度以上である場合、第１時点ｔｋ１における第１角速度が最大角速度に設定されているが、これに代えて、第１時点ｔｋ１における第１角速度を最大角加速度より小さい角速度に設定しても良い。また、目標回動角度が所定角度より小さい場合のように、第１時点ｔｋ１における第１角速度の制約条件を設定しなくても良い。

【0116】

また、上述した第１実施例において、モータ部１２の駆動パターン及びクラッチ部１３の切替タイミングは、開始時点ｔｋ０から到達時点ｔｋ３の間を３つの区間に分けられて導出されているが、これに代えて、開始時点ｔｋ０から到達時点ｔｋ３の間を区間に分けずに、または、開始時点ｔｋ０から到達時点ｔｋ３の間を３つより多くの区間に分けて、駆動パターン等を導出してもよい。

【0117】

また、上述した第１実施例において、最適制御は、開始時点ｔｋ０から到達時点ｔｋ３までの時間をより短く、かつ、モータ部１２の消費電力を最小とするように評価関数を最適化するが、これに代えて、開始時点ｔｋ０から到達時点ｔｋ３までの時間を最短とし、かつ、モータ部１２の消費電力をより小さくするように評価関数を最適化しても良い。

【0118】

また、上述した第１実施例において、モータ部１２の消費電力に関する評価関数を最適化する最適制御を用いて、駆動パターン等が導出されているが、これに代えて、吊り荷３の回動時間の短時間化のみを考慮して駆動パターン等が導出されるようにしても良い。

【0119】

また、上述した各実施例において、制御装置２０，１２０は、吊り具１０，１１０と別体に設けられているが、これに代えて、吊り具１０，１１０と一体に設けるようにしても良い。この場合、通信部１４，１１４と出力部２４，１２４とが有線にて接続されても良い。また、吊り具１０，１１０が通信部１４，１１４を備えずに、出力部２４，１２４とモータ部１２，１１２及びクラッチ部１３とが有線にて直接接続されても良い。さらに、角度センサ１１５及び角加速度センサ１１６が有線にて直接接続されても良い。

【0120】

また、上述した各実施例において、制御装置２０，１２０は、記憶部２１，１２１、取得部２２，１２２、導出部２３，１２３、及び、出力部２４，１２４を備えているが、これに代えて、記憶部２１，１２１及び導出部２３，１２３が吊り具１０，１１０に設けられても良い。この場合、取得部２２，１２２によって取得された目標回動角度等が出力部２４，１２４から通信部１４，１１４に出力される。さらに、目標回動角度等が通信部１４，１１４から導出部２３，１２３に出力され、導出部２３，１２３によって導出されたモータ部１２，１１２の駆動パターン、及び、クラッチ部１３の切替タイミングの制御指令値は、それぞれモータ部１２，１１２及びクラッチ部１３に出力される。また、導出部２３，１２３のみが吊り具１０，１１０に設けられるようにしても良い。この場合、記憶部２１，１２１に記憶された数理モデル等が出力部２４，１２４及び通信部１４，１１４を介して導出部２３，１２３に出力される。

【0121】

また、上述した第２実施例において、制御装置１２０の取得部１２２は、角加速度センサ１１６から出力された第２角加速度、及び、角度センサ１１５から出力された動作角度を取得するが、これに代えて、取得部１２２が、角度センサ１１５及び角加速度センサ１１６の検出信号を、通信部１１４を介して取得しても良い。また、上述した第１実施例において、吊り具１０の情報を、通信部１４を介して制御装置２０に送信しても良い。吊り具１０の情報は、例えばクラッチ部１３の状態や、モータ部１２がモータ部１２の回転数を検出する回転数センサ（図示省略）を有する場合における、この回転数センサの検出値である。

【0122】

また、本明細書の要旨を逸脱しない範囲において、吊り具１０，１１０の本体部１１，１１１の形状、モータ部１２，１１２及びクラッチ部１３の種類、簡易モデルの構成、各数理モデルの構成、最適制御の手法、並びに、評価関数の構成を変更するようにしても良い。

【符号の説明】

【0123】

１…吊り荷回動システム、２…クレーン、２ａ…ブーム、２ａ１…ジブ、２ｂ…ロープ、２ｃ…垂直軸線、３…吊り荷、１０…吊り具、１２…モータ部、１３…クラッチ部、２０…制御装置、２１…記憶部、２２…取得部、２３…導出部、２４…出力部、Ｋ１…第１区間、Ｋ２…第２区間、Ｋ３…第３区間、ｔｋ０…開始時点、ｔｋ１…第１時点、ｔｋ２…第２時点、ｔｋ３…到達時点。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】