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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-07-02
(45)【発行日】2024-07-10
(54)【発明の名称】制御装置、クレーン、及びクレーンの制御方法
(51)【国際特許分類】
B66C 23/12 20060101AFI20240703BHJP
B66C 23/00 20060101ALI20240703BHJP
【ＦＩ】
B66C23/12
B66C23/00 C
【請求項の数】
10
(21)【出願番号】P 2023517193
(86)(22)【出願日】2022-03-29
(86)【国際出願番号】 JP2022015505
(87)【国際公開番号】W WO2022230562
(87)【国際公開日】2022-11-03
【審査請求日】2023-09-21
(31)【優先権主張番号】P 2021075171
(32)【優先日】2021-04-27
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】304021417
【氏名又は名称】国立大学法人東京工業大学
(73)【特許権者】
【識別番号】000148759
【氏名又は名称】株式会社タダノ
(74)【代理人】
【識別番号】110002952
【氏名又は名称】弁理士法人鷲田国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】山浦 弘
(72)【発明者】
【氏名】菅井 芳朗
(72)【発明者】
【氏名】谷住 和也
(72)【発明者】
【氏名】市川 浩樹
(72)【発明者】
【氏名】野口 真児
(72)【発明者】
【氏名】多田野 有司
【審査官】八板 直人
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１７－２０６３５１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１６－１２０９９６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０８－０７３１８３（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許第０５９６１５６３（ＵＳ，Ａ）
【文献】Ying SHEN, 外３名，旋回クレーンの起伏・旋回・巻上げ同時動作による直線搬送方式での荷物の最短時間制御，計測自動制御学会産業論文集，第3巻第10号，日本，公益社団法人計測自動制御学会，2004年，p.70-79
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ６６Ｃ １３／００－１５／０６；１９／００－２３／９４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
ブーム及びウインチの動作を制御して始点から終点まで荷物を搬送するクレーンの制御装置であって、前記始点の位置情報及び前記終点の位置情報を取得する取得部と、
前記始点と前記終点とを結ぶ直線の水平方向成分により表される前記ブームの先端部の水平軌道を、前記荷物の荷振れの周波数重みを考慮した最適制御理論を用いて生成する水平軌道生成部と、
前記水平軌道に沿うように前記荷物を搬送するための前記ブームの動作の軌道及び前記ウインチの回転動作の軌道を生成する動作軌道生成部と、
前記ブームの動作の軌道及び前記ウインチの動作の軌道に基づいて、前記ブーム及び前記ウインチの動作を制御する動作制御部と、を備え、
前記水平軌道は、前記始点から前記終点に向かって、加速域、定速域、減速域の順に区分けされ、
前記動作軌道生成部は、前記定速域の間における前記荷物の高さを変更可能に、前記ウインチの回転動作の軌道を作成する、
制御装置。
【請求項2】
ブーム及びウインチの動作を制御して始点から終点まで荷物を搬送するクレーンの制御装置であって、前記始点の位置情報及び前記終点の位置情報を取得する取得部と、
前記始点と前記終点とを結ぶ直線の水平方向成分により表される前記ブームの先端部の水平軌道を、前記荷物の荷振れの周波数重みを考慮した最適制御理論を用いて生成する水平軌道生成部と、
前記水平軌道に沿うように前記荷物を搬送するための前記ブームの動作の軌道及び前記ウインチの回転動作の軌道を生成する動作軌道生成部と、
前記ブームの動作の軌道及び前記ウインチの動作の軌道に基づいて、前記ブーム及び前記ウインチの動作を制御する動作制御部と、を備え、
前記水平軌道は、前記始点から前記終点に向かって、加速域、定速域、減速域の順に区分けされ、
前記動作軌道生成部は、前記加速域の間に、前記荷物を一定の高さで搬送し、前記定速域の間に、前記始点と前記終点との高さの差だけ前記荷物を高さ方向に搬送し、前記減速域の間に、前記荷物を一定の高さで搬送するように前記ウインチの回転動作の軌道を作成する、
制御装置。
【請求項3】
ブーム及びウインチの動作を制御して始点から終点まで荷物を搬送するクレーンの制御装置であって、前記始点の位置情報及び前記終点の位置情報を取得する取得部と、
前記始点と前記終点とを結ぶ直線の水平方向成分により表される前記ブームの先端部の水平軌道を、前記荷物の荷振れの周波数重みを考慮した最適制御理論を用いて生成する水平軌道生成部と、
前記水平軌道に沿うように前記荷物を搬送するための前記ブームの動作の軌道及び前記ウインチの回転動作の軌道を生成する動作軌道生成部と、
前記ブームの動作の軌道及び前記ウインチの動作の軌道に基づいて、前記ブーム及び前記ウインチの動作を制御する動作制御部と、を備え、
前記水平軌道は、前記始点から前記終点に向かって、加速域、定速域、減速域の順に区分けされ、
前記動作軌道生成部は、前記加速域と前記定速域と前記減速域との間に、前記ウインチの回転動作を行わないように前記ウインチの回転動作の軌道を作成し、
前記動作制御部は、前記加速域の前に、前記始点と前記終点との高さの差だけ前記荷物を高さ方向に搬送するように前記ウインチを動作させる、
制御装置。
【請求項4】
前記ブームの動作の軌道は、前記ブームの旋回動作の軌道、及び、前記ブームの起伏動作の軌道を含む、請求項１～３の何れか一項に記載の制御装置。
【請求項5】
前記水平軌道生成部は、前記水平軌道を時間の関数として生成する、請求項１～３の何れか一項に記載の制御装置。
【請求項6】
ブーム及びウインチの動作を制御して始点から終点まで荷物を搬送するクレーンであって、請求項１～３の何れか一項に記載の制御装置を搭載した
クレーン。
【請求項7】
ブーム及びウインチの動作により始点から終点まで荷物を搬送するクレーンに搭載されたコンピュータにおいて実行されるクレーンの制御方法であって、前記始点の位置情報及び前記終点の位置情報を取得し、
前記始点と前記終点とを結ぶ直線の水平方向成分により表される前記ブームの先端部の水平軌道を、前記荷物の荷振れの周波数重みを考慮した最適制御理論を用いて作成し、
前記水平軌道に沿うように前記荷物を搬送するための前記ブームの動作の軌道及び前記ウインチの回転動作の軌道を生成し、
前記ブームの動作の軌道及び前記ウインチの動作の軌道に基づいて、前記ブーム及び前記ウインチの動作を制御するクレーンの制御方法において、
前記水平軌道は、前記始点から前記終点に向かって、加速域、定速域、減速域の順に区分けされ、
前記ウインチの回転動作の軌道は、前記定速域の間における前記荷物の高さを変更可能な軌道を含む、
クレーンの制御方法。
【請求項8】
ブーム及びウインチの動作により始点から終点まで荷物を搬送するクレーンに搭載されたコンピュータにおいて実行されるクレーンの制御方法であって、前記始点の位置情報及び前記終点の位置情報を取得し、
前記始点と前記終点とを結ぶ直線の水平方向成分により表される前記ブームの先端部の水平軌道を、前記荷物の荷振れの周波数重みを考慮した最適制御理論を用いて作成し、
前記水平軌道に沿うように前記荷物を搬送するための前記ブームの動作の軌道及び前記ウインチの回転動作の軌道を生成し、
前記ブームの動作の軌道及び前記ウインチの動作の軌道に基づいて、前記ブーム及び前記ウインチの動作を制御するクレーンの制御方法において、
前記水平軌道は、前記始点から前記終点に向かって、加速域、定速域、減速域の順に区分けされ、
前記ウインチの回転動作の軌道は、前記加速域の間に、前記荷物を一定の高さで搬送し、前記定速域の間に、前記始点と前記終点との高さの差だけ前記荷物を高さ方向に搬送し、前記減速域の間に、前記荷物を一定の高さで搬送するような軌道である、
クレーンの制御方法。
【請求項9】
ブーム及びウインチの動作により始点から終点まで荷物を搬送するクレーンに搭載されたコンピュータにおいて実行されるクレーンの制御方法であって、前記始点の位置情報及び前記終点の位置情報を取得し、
前記始点と前記終点とを結ぶ直線の水平方向成分により表される前記ブームの先端部の水平軌道を、前記荷物の荷振れの周波数重みを考慮した最適制御理論を用いて作成し、
前記水平軌道に沿うように前記荷物を搬送するための前記ブームの動作の軌道及び前記ウインチの回転動作の軌道を生成し、
前記ブームの動作の軌道及び前記ウインチの動作の軌道に基づいて、前記ブーム及び前記ウインチの動作を制御するクレーンの制御方法において、
前記水平軌道は、前記始点から前記終点に向かって、加速域、定速域、減速域の順に区分けされ、
前記ウインチの回転動作の軌道は、前記加速域と前記定速域と前記減速域との間に、前記ウインチの回転動作を行わないような軌道を含み、
前記加速域の前に、前記始点と前記終点との高さの差だけ前記荷物を高さ方向に搬送するように前記ウインチを動作させる、
クレーンの制御方法。
【請求項10】
前記ブームの動作の軌道は、前記ブームの旋回動作の軌道、及び、前記ブームの起伏動作の軌道を含む、請求項７～９の何れか一項に記載のクレーンの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、制御装置、クレーンの制御方法、及びクレーンに関する。
【背景技術】
【0002】
従来より、移動式クレーン及びタワークレーン等のクレーンが知られている。クレーンは、フックに吊り下げられた荷物を搬送可能である。
【0003】
ところで、荷物を平面視直線状に搬送するクレーンの制御方法が知られている（特許文献１参照）。かかるクレーンの制御方法では、直線変換搬送モデルを用いて荷物の振れ角の加速度が０になるような仮想起伏角加速度を算出し、仮想起伏角加速度を用いた入力逆変換によりブームの旋回角加速度及び起伏角加速度を算出する。
【0004】
そして、旋回角加速度及び起伏角加速度に基づいてブームの旋回動作及び起伏動作を制御することにより、終点の位置まで荷振れを抑制して荷物を搬送する。
【0005】
しかし、かかるクレーンの制御方法は、ワイヤロープのロープ長の変化及び荷物の高さの変化を制御対象に含まない。そのため、特に荷物の搬送途中にロープ長が変化した場合、終点の位置における荷振れの抑制効果が小さくなる。
【0006】
そこで、制御対象としてロープ長の変化及び荷物の高さの変化を含み、平面視直線状に搬送する荷物の終点の位置における荷振れを抑制することができるクレーンの制御方法及びクレーンが求められていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【文献】特許第４０９６４７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
本発明の目的は、ロープ長の変化及び荷物の高さの変化を考慮しつつ、搬送する荷物の終点の位置における荷振れを抑制できるクレーンの制御方法及びクレーンを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明に係る制御装置の一態様は、
ブーム及びウインチの動作を制御して始点から終点まで荷物を搬送するクレーンの制御装置であって、
始点の位置情報及び終点の位置情報を取得する取得部と、
始点と終点とを結ぶ直線の水平方向成分により表されるブームの先端部の水平軌道を、荷物の荷振れの周波数重みを考慮した最適制御理論を用いて生成する水平軌道生成部と、
水平軌道に沿うように荷物を搬送するためのブームの動作の軌道及びウインチの回転動作の軌道を生成する動作軌道生成部と、
ブームの動作の軌道及びウインチの動作の軌道に基づいて、ブーム及びウインチの動作を制御する動作制御部と、を備える。
上述のような制御装置を実施する場合に、好ましくは、水平軌道は、始点から終点に向かって、加速域、定速域、減速域の順に区分けされてよい。
そして、動作軌道生成部は、定速域の間における荷物の高さを変更可能に、ウインチの回転動作の軌道を作成してよい。
ブーム及びウインチの動作を制御して始点から終点まで荷物を搬送するクレーンの制御装置であって、
始点の位置情報及び終点の位置情報を取得する取得部と、
始点と終点とを結ぶ直線の水平方向成分により表されるブームの先端部の水平軌道を、荷物の荷振れの周波数重みを考慮した最適制御理論を用いて生成する水平軌道生成部と、
水平軌道に沿うように荷物を搬送するためのブームの動作の軌道及びウインチの回転動作の軌道を生成する動作軌道生成部と、
ブームの動作の軌道及びウインチの動作の軌道に基づいて、ブーム及びウインチの動作を制御する動作制御部と、を備える。
上述のような制御装置を実施する場合に、好ましくは、水平軌道は、始点から終点に向かって、加速域、定速域、減速域の順に区分けされてよい。
そして、動作軌道生成部は、定速域の間における荷物の高さを変更可能に、ウインチの回転動作の軌道を作成してよい。
【0010】
本発明に係るクレーンの一態様は、
ブーム及びウインチの動作を制御して始点から終点まで荷物を搬送するクレーンであって、
上述の制御装置が搭載されている。
ブーム及びウインチの動作を制御して始点から終点まで荷物を搬送するクレーンであって、
上述の制御装置が搭載されている。
【0011】
本発明に係るクレーンの制御方法の一態様は、
ブーム及びウインチの動作により始点から終点まで荷物を搬送するクレーンに搭載されたコンピュータにおいて実行されるクレーンの制御方法であって、
始点の位置情報及び終点の位置情報を取得し、
始点と終点とを結ぶ直線の水平方向成分により表されるブームの先端部の水平軌道を、荷物の荷振れの周波数重みを考慮した最適制御理論を用いて作成し、
水平軌道に沿うように荷物を搬送するためのブームの動作の軌道及びウインチの回転動作の軌道を生成し、
ブームの動作の軌道及びウインチの動作の軌道に基づいて、前記ブーム及び前記ウインチの動作を制御する。
上述のようなクレーンの制御方法を実施する場合に、好ましくは、水平軌道は、始点から終点に向かって、加速域、定速域、減速域の順に区分けされてよい。
又、ウインチの回転動作の軌道は、定速域の間における荷物の高さを変更可能な軌道を含んでよい。
ブーム及びウインチの動作により始点から終点まで荷物を搬送するクレーンに搭載されたコンピュータにおいて実行されるクレーンの制御方法であって、
始点の位置情報及び終点の位置情報を取得し、
始点と終点とを結ぶ直線の水平方向成分により表されるブームの先端部の水平軌道を、荷物の荷振れの周波数重みを考慮した最適制御理論を用いて作成し、
水平軌道に沿うように荷物を搬送するためのブームの動作の軌道及びウインチの回転動作の軌道を生成し、
ブームの動作の軌道及びウインチの動作の軌道に基づいて、前記ブーム及び前記ウインチの動作を制御する。
上述のようなクレーンの制御方法を実施する場合に、好ましくは、水平軌道は、始点から終点に向かって、加速域、定速域、減速域の順に区分けされてよい。
又、ウインチの回転動作の軌道は、定速域の間における荷物の高さを変更可能な軌道を含んでよい。
【発明の効果】
【0012】
本発明によれば、制御対象としてロープ長の変化及び荷物の高さの変化を含み、平面視直線状に搬送する荷物の終点の位置における荷振れを抑制することができるクレーンの制御方法及びクレーンを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【発明を実施するための形態】
【0014】
本願に開示する技術的思想は、以下に説明する実施形態のほか、他の実施形態にも適用できる。
【0015】
まず、図１を用いて、第一実施形態に係るクレーン１について説明する。なお、本願においては、クレーン１を移動式クレーンとして説明する。ただし、本発明は、制御装置によってブームの旋回動作及び起伏動作とウインチの回転動作とを制御して、フックに吊り下げられた荷物を搬送する他種のクレーンに対しても適用できる。例えば、他種のクレーンは、タワークレーンである。
【0016】
図１に示すように、クレーン１は、主に走行体２と旋回体３で構成されている。
【0017】
走行体２は、左右一対の前輪４と後輪５とを備えている。また、走行体２は、荷物Ｂの搬送作業を行う際に接地させて安定を図るアウトリガ６を備えている。なお、走行体２は、アクチュエータによって、その上部に支持する旋回体３を旋回自在としている。
【0018】
旋回体３は、ブーム７を支持している。ブーム７は、旋回用アクチュエータである旋回用油圧モータ５１の動力に基づいて旋回自在である（矢印Ａ１参照）。また、ブーム７は、伸縮用アクチュエータである伸縮用油圧シリンダ５２の動力に基づいて伸縮自在でもある（矢印Ａ２参照）。更に、ブーム７は、起伏用アクチュエータである起伏用油圧シリンダ５３の動力に基づいて起伏自在である（矢印Ａ３参照）。
【0019】
加えて、ブーム７には、ワイヤロープ８が架け渡されている。ブーム７の先端部分１１（以下、「ブーム先端部分１１」という）から垂下するワイヤロープ８には、フック９が取り付けられている。
【0020】
また、ブーム７の基端側近傍には、ウインチ１０が設けられている。ウインチ１０は、巻回用アクチュエータである巻回用油圧モータ５４と一体的に構成されており、巻回用油圧モータ５４の動力に基づいて、ワイヤロープ８の繰り入れ及び繰り出しを行う。そのため、フック９は、昇降自在である（矢印Ａ４参照）。
【0021】
次に、図２を用いて、クレーン１の制御構成について説明する。
【0022】
図２に示すように、クレーン１は、制御装置２０を備えている。制御装置２０は、クレーン１に搭載されたコンピュータであって、実体的には、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、及びＨＤＤ等がバスで接続されている。又は、制御装置２０は、ワンチップのＬＳＩ等からなる構成であってもよい。制御装置２０には、各種操作具（図示されていない）が接続されている。また、制御装置２０には、各種バルブ３１～３４が接続されている。
【0023】
更に、制御装置２０には、吊荷重センサ４５のほか、各種センサ４１～４４が接続されている。なお、吊荷重センサ４５は、荷物Ｂの重さを検出する。そのため、制御装置２０は、荷物Ｂの重さを認識できる。また、制御装置２０は、荷物Ｂの重さに基づいて、ブーム７の縦方向の撓み量を算出する。
【0024】
【0025】
旋回用油圧モータ５１は、方向制御弁である旋回用バルブ３１によって適宜に稼動される。つまり、旋回用油圧モータ５１は、旋回用バルブ３１が作動油の流動方向を切り替えることで適宜に稼動される。
【0026】
なお、旋回用バルブ３１は、オペレータによる旋回操作具（図示されていない）の操作に基づいて稼動される。また、ブーム７の旋回角度は、旋回角センサ４１によって検出される。そのため、制御装置２０は、ブーム７の旋回角度（例えば、走行体２の前進方向に対するブーム７の時計回り方向の角度）を認識できる。
【0027】
【0028】
伸縮用油圧シリンダ５２は、方向制御弁である伸縮用バルブ３２によって適宜に稼動される。つまり、伸縮用油圧シリンダ５２は、伸縮用バルブ３２が作動油の流動方向を切り替えることで適宜に稼動される。
【0029】
なお、伸縮用バルブ３２は、オペレータによる伸縮操作具（図示されていない）の操作に基づいて稼動される。また、ブーム７のブーム長さは、ブーム長さセンサ４２によって検出される。そのため、制御装置２０は、ブーム７のブーム長さを認識できる。
【0030】
【0031】
起伏用油圧シリンダ５３は、方向制御弁である起伏用バルブ３３によって適宜に稼動される。つまり、起伏用油圧シリンダ５３は、起伏用バルブ３３が作動油の流動方向を切り替えることで適宜に稼動される。
【0032】
なお、起伏用バルブ３３は、オペレータによる起伏操作具（図示されていない）の操作に基づいて稼動される。また、ブーム７の起伏角度は、起伏角センサ４３によって検出される。そのため、制御装置２０は、ブーム７の起伏角度（水平方向とブーム７のなす角度）を認識できる。
【0033】
【0034】
巻回用油圧モータ５４は、方向制御弁である巻回用バルブ３４によって適宜に稼動される。つまり、巻回用油圧モータ５４は、巻回用バルブ３４が作動油の流動方向を切り替えることで適宜に稼動される。
【0035】
なお、巻回用バルブ３４は、オペレータによる巻回操作具（図示されていない）の操作に基づいて稼動される。また、繰り出されたワイヤロープ８の長さ（以下、「繰出長さ」という）は、ロープ長さセンサ４４によって検出される。そのため、制御装置２０は、ワイヤロープ８の繰出長さを認識することができる。
【0036】
なお、制御装置２０は、起伏角度及びブーム長さに基づいて、旋回体３の旋回中心とブーム先端部分１１との間の水平方向の距離である作業半径を算出できる。また、制御装置２０は、ブーム長さ及び繰出長さに基づいて、ブーム先端部分１１から荷物Ｂまでの長さであるロープ長を算出できる。
【0037】
具体的には、制御装置２０は、例えば、ブーム長さ及び繰出長さに基づいて算出されるブーム先端部分１１からフック９までの長さに、フック９から荷物Ｂの重心までの長さに相当する予め定められた定数を加算することによって、ロープ長を算出できる。
【0038】
また、制御装置２０は、例えば、ブーム長さ及び起伏角度に基づいて算出される地面からブーム先端部分１１までの高さから、ロープ長を減算することによって、地面から荷物Ｂの重心までの高さを算出できる。
【0039】
加えて、制御装置２０には、操作部４６が接続されている。
【0040】
操作部４６は、クレーン１を稼働させるためのオペレータの操作を受け付けるものである。操作部４６は、上述の旋回操作具、伸縮操作具、起伏操作具、及び巻回操作具を備える。
【0041】
また、操作部４６は、終点の位置を指定するためのインターフェースと制御開始スイッチとを備える。終点の位置を指定するインターフェースは、例えば、タッチパネル式モニタや、表示部を備える遠隔操作端末等である。
【0042】
制御開始スイッチは、荷物Ｂの搬送を開始するためのものである。制御装置２０は、操作部４６を通じて受け付けたオペレータの操作に基づいて、走行体２と旋回体３とを稼働させる。
【0043】
【0044】
図３に示すように、本発明の第一実施形態に係るクレーン１の制御方法は、位置取得工程Ｋ１、位置軌道作成工程Ｋ２、動作軌道作成工程Ｋ３、搬送工程Ｋ４を実施する。このような各工程の主体は、制御装置２０である。
【0045】
［位置取得工程］
制御装置２０は、荷物Ｂの搬送を開始する始点の位置と、荷物Ｂの搬送を終了する終点の位置を取得する。すなわち、制御装置２０は、荷物Ｂの搬送を開始する始点の位置情報と荷物Ｂの搬送を終了する終点の位置情報を取得する取得部２０１（図２参照）を有する。
制御装置２０は、荷物Ｂの搬送を開始する始点の位置と、荷物Ｂの搬送を終了する終点の位置を取得する。すなわち、制御装置２０は、荷物Ｂの搬送を開始する始点の位置情報と荷物Ｂの搬送を終了する終点の位置情報を取得する取得部２０１（図２参照）を有する。
【0046】
ここで、始点の位置は、搬送開始時の荷物Ｂの位置であり、本願において、搬送開始時の旋回角度、作業半径、ロープ長から示されるものである。終点の位置は、搬送終了時の荷物Ｂの位置であり、本実施形態において、搬送終了時の旋回角度、作業半径、ロープ長から示されるものである。
【0047】
制御装置２０は、始点の位置の取得に際して、例えば、旋回角度、ブーム長さ、起伏角度、繰出長さをセンサ４１～４４から取得する。そして、制御装置２０は、取得したブーム長さ及び起伏角度に基づいて、搬送開始時における作業半径を算出する。更に、制御装置２０は、ブーム長さ及び繰出長さに基づいてロープ長を算出する。
【0048】
制御装置２０は、終点の位置の取得に際して、例えば、オペレータが入力する旋回角度、作業半径、ロープ長を、操作部４６から取得する。
【0049】
［位置軌道作成工程］
制御装置２０は、ブーム先端部分１１の軌道を、荷振れの周波数重みを考慮した最適制御理論を用いて作成する。図４に示すように、ブーム先端部分１１の軌道は、加速域と定速域と減速域とから順に構成され、平面視直線状に移動するものである。換言すれば、ブーム先端部分１１の軌道は、始点Ｐ１と終点Ｐ２とを結ぶ直線の水平成分により表される水平軌道である。水平軌道は、始点Ｐ１から終点Ｐ２に向かって、加速域、定速域、減速域の順に区分けされている。
制御装置２０は、ブーム先端部分１１の軌道を、荷振れの周波数重みを考慮した最適制御理論を用いて作成する。図４に示すように、ブーム先端部分１１の軌道は、加速域と定速域と減速域とから順に構成され、平面視直線状に移動するものである。換言すれば、ブーム先端部分１１の軌道は、始点Ｐ１と終点Ｐ２とを結ぶ直線の水平成分により表される水平軌道である。水平軌道は、始点Ｐ１から終点Ｐ２に向かって、加速域、定速域、減速域の順に区分けされている。
【0050】
すなわち、制御装置２０は、始点Ｐ１と終点Ｐ２とを結ぶ直線の水平方向成分により表されるブームの先端部の水平軌道を、荷物の荷振れの周波数重みを考慮した最適制御理論を用いて生成する水平軌道生成部２０２（図２参照）を有する。
【0051】
具体的には、まず、制御装置２０は、始点Ｐ１と終点Ｐ２の高さの差である△Ｈを算出する。そして、制御装置２０は、Ｏ－ＸＹ平面に対するブーム先端部分１１の射影が直線状に動くように、荷振れの周波数重みを考慮した最適制御理論を用いてＸＹ方向のブーム先端部分１１の軌道を作成する。
【0052】
制御装置２０は、本実施形態における最適制御理論において、加速域では始点Ｐ１におけるロープ長を用い、減速域では終点Ｐ２におけるロープ長を用いる。
【0053】
以下では、最適制御理論について詳しく説明する。図５に示すように、本願では、ブーム７の起伏動作によるブーム先端部分１１の高さの変化を無視し、簡略化したモデルを扱う。
【0054】
即ち、本願では、ブーム先端部分１１を天井クレーンモデルとして扱う。このモデルの運動方程式は、数１となる。数１のｓは、ブーム先端部分１１の変位である。φｓｉは、荷物Ｂの振れ角である。ｌｉは、ロープ長である。なお、図５においては、ブーム先端部分１１の移動開始位置を原点Ｏとしている。また、荷物Ｂの振れ角は、鉛直方向とワイヤロープ８のなす角である。
【0055】
【数1】
【0056】
ここで、ωｎｉは、数２で示される。ｇは、重力加速度である。
【0057】
【数2】
【0058】
また、本願では、荷振れの周波数重みを考慮した評価関数を扱う。評価関数は、数３となる。
【0059】
【数3】
【0060】
ここで、ｖ（ｔ）は、数４で示される。数４のｓは、ラプラス演算子である。
【0061】
【数4】
【0062】
Ｖ（ｊω）は、数５で示される。数５のブーム先端部分１１の変位Ｓは、制御入力であり、Ｗ（ｊω）を重み関数とする。Ｓ（ｊω）は、Ｓ（ｔ）のフーリエ変換である。
【0063】
【数5】
【0064】
また、重み関数Ｗ（ｊω）は、例えば、１次フィルタ型を扱う。重み関数Ｗ（ｊω）は、数６となる。なお、重み関数Ｗ（ｊω）は、１次フィルタ型ではなく、２次フィルタ型でもよい。重み関数Ｗ（ｊω）を２次フィルタ型にすることにより、加速開始時及び加速終了時のブーム先端部分１１の加速度をより小さくすることができる。
【0065】
【数6】
【0066】
ここで、αは、数７で示される。
【0067】
【数7】
【0068】
βは、数８で示される。
【0069】
【数8】
【0070】
図６は、横軸を周波数ω、縦軸を重み関数Ｗ（ｊω）として、数６～数８を表したボード線図である。重みγは、ωｃ以上となるように設計する。また、高周波数域に重みをつけることにより、荷振れの高周波数成分の発生を抑制することができる。
【0071】
数５～数８を用いて、数１の運動方程式は数９のように書き換えられる。
【0072】
【数9】
【0073】
ここで、フィルタの状態量ｚは、数１０となる。
【0074】
【数10】
【0075】
数９、数１０を拘束条件として、数３の評価関数を最小化する関数ｖ（ｔ）、ｚ（ｔ）、Ｓ（ｔ）をオイラーの公式を使って算出すると、ブーム先端部分１１の変位ｓ（ｔ）は、数１１となる。また、荷物Ｂの振れ角φｓｉ（ｔ）は、数１２となる。
【0076】
【数11】
【0077】
【数12】
【0078】
数１１、数１２のＣｋ（ｋ＝１～８）は、ラグランジュの未定乗数である。数１３に示すように、Ｃｋ（ｋ＝１～８）は、時間０の初期条件と終了時間Ｔｃの終端条件を与えることによって特定される。具体的には、Ｃｋ（ｋ＝１～８）は、８個の未定乗数を未知数とした８元連立方程式を解くことにより算出される。Ｖは、定速域におけるブーム先端部分１１の速度である。
【0079】
【数13】
【0080】
なお、図７に示すように、減速域のブーム先端部分１１の軌道は、加速域の逆操作を行うことで荷物Ｂが搬送される軌道となる。即ち、減速域のブーム先端部分１１の軌道速度は、加速域と同様に算出し、ｔ＝Ｔｃ（図７の横軸の１を通る鉛直線）に対して線対称にすることにより、算出することができる。また、定速域の時間を変更することにより、ブーム先端部分１１の移動距離を調整することができる。
【0081】
図８は、荷振れの周期Ｔに定数を乗じた値を用いて、数１１により算出したブーム先端部分１１の速度波形である。荷振れの周期Ｔは、数２により算出される。定数は、例えば、０．５，０．６，０．８，１．０を用いている。
【0082】
加速域及び減速域において、算出した速度波形の速度でブーム先端部分１１を移動させることにより、加速終了後又は減速終了後に荷振れのない状態とすることができる。即ち、加速域と減速域を短くすることにより、より短い時間で荷振れのない挙動を実現することができる。
【0083】
また、加速終了後に荷振れのない状態とすることにより、定速域における力の平衡点がブーム先端部分１１の鉛直方向（鉛直下方）に位置するため、荷振れを抑制して荷物Ｂの高さを自由に変更することができる。
【0084】
なお、上述の定数は、アクチュエータが応答可能な範囲で設定可能であり、油圧アクチュエータ（例えば、旋回用油圧モータ５１及び起伏用油圧シリンダ５３）を想定した場合、０．５以上を設定可能である。
【0085】
［動作軌道作成工程］
制御装置２０は、作成した軌道に沿ってブーム先端部分１１を移動させるための、ブーム７の旋回動作及び起伏動作の軌道をそれぞれ作成するとともに、荷物Ｂを終点Ｐ２の位置に搬送するための、ウインチ１０の回転動作の軌道を作成する。
制御装置２０は、作成した軌道に沿ってブーム先端部分１１を移動させるための、ブーム７の旋回動作及び起伏動作の軌道をそれぞれ作成するとともに、荷物Ｂを終点Ｐ２の位置に搬送するための、ウインチ１０の回転動作の軌道を作成する。
【0086】
すなわち、制御装置２０は、水平軌道生成部２０２により生成されたブームの先端部の水平軌道に沿うように荷物を搬送するためのブームの動作の軌道及びウインチの回転動作の軌道を生成する動作軌道生成部２０３（図２参照）を有する。
【0087】
まず、ブーム７の旋回動作及び起伏動作の軌道の作成について説明する。図９に示すように、ブーム先端部分１１のＯ－ＸＹ平面に対する射影は、始点Ｐ１（γ０，０）と終点Ｐ２（γＴｃｏｓθＴ，γＴｓｉｎθＴ）を結ぶ線分上を移動する。
【0088】
線分上の点Ｐ３（Ｘ，Ｙ）は、幾何学関係により数１４となる。γ０は、始点Ｐ１における作業半径である。γＴは、終点Ｐ２における作業半径である。θＴは、始点Ｐ１から終点Ｐ２までの旋回角度である。
【0089】
【数14】
【0090】
ブーム長さをＬ、ブーム根本支点から旋回中心までの水平長さをＥとすると、ブーム７の起伏角度Ψ及び旋回角度Θは、数１５となる。制御装置２０は、数１５により算出される起伏角度Ψ及び旋回角度Θでブーム７が起伏動作及び起伏動作するように、ブーム７の起伏動作及び起伏動作の軌道を作成する。
【数15】
【0091】
次に、ウインチ１０の回転動作の軌道の作成について説明する。制御装置２０は、始点Ｐ１の位置から荷物Ｂの高さが一定となるように、ブーム先端部分１１の高さ方向の移動速度と同じ大きさで、且つ、ブーム先端部分１１の高さ方向の移動方向に対して逆方向となるロープ長速度（ウインチ速度パターン）を算出する（図１４Ｂの実線Ｒ１参照）。
【0092】
また、制御装置２０は、定速域において、ΔＨに相当するロープ長速度（台形速度パターン）を算出する（図１４Ｂの一点鎖線Ｒ２参照）。そして、制御装置２０は、上述のウインチ速度パターンに台形速度パターンを加算する。
【0093】
制御装置２０は、加算されたウインチ速度パターンでウインチ１０が回転動作するように、ウインチ１０の回転動作の軌道を作成する。このように、制御装置２０は、加速域及び減速域では、荷物Ｂの高さを一定に搬送し、定速域では、始点Ｐ１と終点Ｐ２の間の高さ変化とブーム先端部分１１の位置の変化を考慮して搬送することにより、高速で、終点Ｐ２の位置における荷振れのない状態を作ることができる。
【0094】
なお、荷物Ｂの高さが一定であるとき、図１０に示すように、ロープ長速度Ｌ０は、幾何学関係により数１６となる。起伏角速度Ψは、数１５のクレーン１の起伏角度Ψを微分することにより算出される。
【0095】
【数16】
【0096】
ブーム撓みによる高さ方向の変位速度をＤとすると、ブーム撓みを考慮したロープ長速度Ｌ０は、数１７となる。なお、ロープ長の軌道は、数１６又は数１７を積分することにより算出される。
【0097】
【数17】
【0098】
［搬送工程］
制御装置２０は、オペレータが制御開始スイッチをオンにすると、ブーム７の旋回動作及び起伏動作の軌道に追従させてブーム７を動作させるとともに、ウインチ１０の回転動作の軌道に追従させてウインチ１０を動作させ、荷物Ｂを搬送する。
制御装置２０は、オペレータが制御開始スイッチをオンにすると、ブーム７の旋回動作及び起伏動作の軌道に追従させてブーム７を動作させるとともに、ウインチ１０の回転動作の軌道に追従させてウインチ１０を動作させ、荷物Ｂを搬送する。
【0099】
すなわち、制御装置２０は、動作軌道生成部２０３により生成されたブームの動作の軌道及びウインチの動作の軌道に基づいて、ブーム及びウインチの動作を制御する動作制御部２０４（図２参照）を有する。
【0100】
具体的には、制御装置２０は、作成されたブーム７の旋回動作の軌道に追従させて、旋回用バルブ３１を稼働させる。また、制御装置２０は、作成されたブーム７の起伏動作の軌道に追従させて、起伏用バルブ３３を稼働させる。更に、制御装置２０は、作成されたウインチ１０の回転動作の軌道に追従させて、巻回用油圧モータ５４を稼働させる。
【0101】
［実施形態の作用効果］
図１１に示すように、始点Ｐ１から終点Ｐ２まで荷物Ｂを搬送する場合を想定する。終点Ｐ２は、始点Ｐ１よりも高い位置にあるものとする。
図１１に示すように、始点Ｐ１から終点Ｐ２まで荷物Ｂを搬送する場合を想定する。終点Ｐ２は、始点Ｐ１よりも高い位置にあるものとする。
【0102】
図１２Ａに示すように、制御装置２０は、数１１を用いてＸ方向、Ｙ方向、及びＸＹ方向のブーム先端部分１１の軌道を算出し、更に、図１２Ｂ及び図１２Ｃに示すように、Ｘ方向、Ｙ方向、及びＸＹ方向のブーム先端部分１１の軌道速度及び軌道加速度を算出する。
【0103】
図１３Ａに示すように、制御装置２０は、数１５を用いてブーム７の旋回角度を算出し、更に、ブーム７の旋回角速度及び旋回角加速度を算出する。即ち、制御装置２０は、ブーム７の旋回動作の軌道を作成する。
【0104】
図１３Ｂに示すように、制御装置２０は、数１５を用いてブーム７の起伏角度を算出し、更に、ブーム７の起伏角速度及び起伏角加速度を算出する。即ち、制御装置２０は、ブーム７の起伏動作の軌道を作成する。
【0105】
【0106】
また、制御装置２０は、定速域において、ΔＨに相当するロープ長速度（台形速度パターン）を算出する（図１４Ｂの一点鎖線Ｒ２参照、巻上方向は負号）。そして、制御装置２０は、上述のウインチ速度パターンに台形速度パターンを加算しロープ長速度（図１４Ｂの実線Ｒ１参照）を算出する。即ち、制御装置２０は、ウインチ１０の回転動作の軌道を作成する。
【0107】
制御装置２０は、ブーム７の旋回動作及び起伏動作の軌道に追従させてブーム７を動作させるとともに、ウインチ１０の回転動作の軌道に追従させてウインチ１０を動作させる。図１５Ａ及び図１５Ｂに示すように、制御装置２０は、搬送終了時の荷振れを抑制して荷物Ｂを搬送することができる。
【0108】
このように、クレーン１の制御方法において、ブーム７の旋回動作及び起伏動作に併せて、ウインチ１０の回転動作が制御される。従って、制御対象としてロープ長の変化及び荷物Ｂの高さの変化を含み、平面視直線状に搬送する荷物Ｂの終点Ｐ２の位置における荷振れを抑制することができる。また、作成した軌道にアクチュエータを追従させるため、荷物Ｂの振れ角を検出するためのセンサが不要である。
【0109】
また、クレーン１の制御方法において、定速域における荷物Ｂの高さを任意に変更可能となる。従って、定速域における荷物Ｂを任意の高さで搬送することができる。
【0110】
更に、クレーン１の制御方法において、荷物Ｂが平面視直線状に搬送されるのと同時に、終点Ｐ２の位置に向かって荷物Ｂが高さ方向に搬送される。従って、平面視直線状に荷物Ｂを搬送することと高さ方向に荷物Ｂを搬送することを分けて行うよりも高速に荷物Ｂを搬送することができる。
【0111】
加えて、クレーン１の制御方法において、繰り返し計算ではなく、時間の関数（数１１）により直接的に平面視の軌道が算出される。従って、平面視の軌道の計算負荷を小さくすることができる。
【0112】
次に、図１６Ａ、図１６Ｂ、図１７Ａ、及び図１７Ｂを用いて、第二実施形態に係るクレーン１の制御方法について説明する。なお、以下においては、第一実施形態に係るクレーン１の制御方法の説明で用いた名称と符号を用いることで、同じものを指すこととする。また、第一実施形態に係るクレーン１の制御方法に対して相違する部分を中心に説明する。
【0113】
［動作軌道作成工程］
制御装置２０は、加速域と定速域と減速域との間に、ウインチ１０の回転動作を行わないようにウインチ１０の回転動作の軌道を作成する。なお、制御装置２０は、本実施形態における最適制御理論において、始点Ｐ１におけるロープ長に対してΔＨだけ移動させたロープ長、即ち、終点Ｐ２におけるロープ長を用いる。
制御装置２０は、加速域と定速域と減速域との間に、ウインチ１０の回転動作を行わないようにウインチ１０の回転動作の軌道を作成する。なお、制御装置２０は、本実施形態における最適制御理論において、始点Ｐ１におけるロープ長に対してΔＨだけ移動させたロープ長、即ち、終点Ｐ２におけるロープ長を用いる。
【0114】
［搬送工程］
制御装置２０は、加速域の前に、ΔＨだけ荷物Ｂを高さ方向に搬送するようにウインチ１０を動作させる。制御装置２０は、ΔＨが正である場合、ΔＨだけワイヤロープ８を繰り入れ、ΔＨが負である場合、ΔＨだけワイヤロープ８を繰り出す。その後、制御装置２０は、ロープ長が一定の状態で、ブーム７の旋回動作及び起伏動作の軌道に追従させてブーム７を動作させる。
制御装置２０は、加速域の前に、ΔＨだけ荷物Ｂを高さ方向に搬送するようにウインチ１０を動作させる。制御装置２０は、ΔＨが正である場合、ΔＨだけワイヤロープ８を繰り入れ、ΔＨが負である場合、ΔＨだけワイヤロープ８を繰り出す。その後、制御装置２０は、ロープ長が一定の状態で、ブーム７の旋回動作及び起伏動作の軌道に追従させてブーム７を動作させる。
【0115】
【0116】
制御装置２０は、ブーム７の旋回動作及び起伏動作の軌道に追従させてブーム７を動作させるとともに、ウインチ１０の回転動作の軌道に追従させてウインチ１０を動作させる。図１７Ａ及び図１７Ｂに示すように、制御装置２０は定速域でロープ長を変化させる場合よりも搬送終了時の荷振れを抑制して荷物Ｂを搬送することができる。
【0117】
このように、クレーン１の制御方法において、ロープ長が一定の状態で平面視直線状に荷物Ｂが搬送されるため、理論上、終点Ｐ２の位置における荷振れを完全に抑制することができる。
【0118】
なお、以上の実施形態では、ブーム７を用いて荷物Ｂを搬送する場合を説明したが、ジブを用いて荷物を搬送する場合でも、同様の方法を用いて、ジブ先端部分を平面視直線状に移動させ、終点の位置における荷振れを抑制することができる。
【0119】
また、メインフックを扱った１自由度系の場合に限らず、サブフックを含めた並列２自由度系の場合でも、同様の方法を用いて、ブーム先端部分を平面視直線状に移動させ、メインフック及びサブフックを吊り下げるワイヤロープが互いに絡むことなく、高速に荷物を搬送し、終点の位置における荷振れを抑制することができる。
【0120】
更に、ブーム先端に荷物監視カメラが設けられている場合、オペレータは、荷物監視カメラが撮影した画像により周辺の状況を確認しながら、終点の位置を入力できる。
【0121】
加えて、ＢＩＭ（Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ）で設計した資材の搬送経路として、始点の位置と終点の位置を設定することにより、自動搬送を行うことができる。
【0122】
加えて、数１７では、ブーム撓みを考慮したが、ウインチ１０のドラム層数による繰出長さの速度変化を考慮することにより、より精度よく荷物Ｂの高さを一定にして、荷物Ｂを搬送することができる。
【0123】
最後に、発明の対象をクレーン１の制御方法を実行可能な制御装置２０を備えたクレーン１とすることも考えられる。
【0124】
本クレーン１において、上述の効果と同様の効果を奏する。
【0125】
２０２１年４月２７日出願の特願２０２１－０７５１７１の日本出願に含まれる明細書、図面、及び要約書の開示内容は、すべて本願に援用される。
【産業上の利用可能性】
【0126】
本発明は、種々のクレーンに適用できる。
【符号の説明】
【0127】
１ クレーン
２ 走行体
３ 旋回体
４ 前輪
５ 後輪
６ アウトリガ
７ ブーム
８ ワイヤロープ
９ フック
１０ ウインチ
１１ ブームの先端部分（ブーム先端部分）
２０ 制御装置
２０１ 取得部
２０２ 水平軌道生成部
２０３ 動作軌道生成部
２０４ 動作制御部
３１ 旋回用バルブ
３２ 伸縮用バルブ
３３ 起伏用バルブ
３４ 巻回用バルブ
４１ 旋回角センサ
４２ ブーム長さセンサ
４３ 起伏角センサ
４４ ロープ長さセンサ
４５ 吊荷重センサ
４６ 操作部
５１ 旋回用油圧モータ
５２ 伸縮用油圧シリンダ
５３ 起伏用油圧シリンダ
５４ 巻回用油圧モータ
Ｂ 荷物
Ｋ１ 位置取得工程
Ｋ２ 位置軌道作成工程
Ｋ３ 動作軌道作成工程
Ｋ４ 搬送工程
Ｐ１ 始点
Ｐ２ 終点
２ 走行体
３ 旋回体
４ 前輪
５ 後輪
６ アウトリガ
７ ブーム
８ ワイヤロープ
９ フック
１０ ウインチ
１１ ブームの先端部分（ブーム先端部分）
２０ 制御装置
２０１ 取得部
２０２ 水平軌道生成部
２０３ 動作軌道生成部
２０４ 動作制御部
３１ 旋回用バルブ
３２ 伸縮用バルブ
３３ 起伏用バルブ
３４ 巻回用バルブ
４１ 旋回角センサ
４２ ブーム長さセンサ
４３ 起伏角センサ
４４ ロープ長さセンサ
４５ 吊荷重センサ
４６ 操作部
５１ 旋回用油圧モータ
５２ 伸縮用油圧シリンダ
５３ 起伏用油圧シリンダ
５４ 巻回用油圧モータ
Ｂ 荷物
Ｋ１ 位置取得工程
Ｋ２ 位置軌道作成工程
Ｋ３ 動作軌道作成工程
Ｋ４ 搬送工程
Ｐ１ 始点
Ｐ２ 終点
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12A】
【図12B】
【図12C】
【図13A】
【図13B】
【図14A】
【図14B】
【図15A】
【図15B】
【図16A】
【図16B】
【図17A】
【図17B】