JP2020007103A - クレーンおよびクレーンの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】荷物を基準としてアクチュエータを制御する際に、荷物の揺れを抑制しつつ目標軌道に沿って移動させることができるクレーンおよびクレーンの制御方法を提供する。【解決手段】荷物Ｗの加速度を検出する加速度センサ２２を備え、目標速度信号Ｖｄを荷物Ｗの目標位置座標ｐ（ｎ＋１）に変換し、旋回角度θｚ（ｎ）、起伏角度θｘ（ｎ）および伸縮長さｌｂ（ｎ）から、ブーム９の現在位置座標ｑ（ｎ）を算出し、既に算出している単位時間ｔ前の荷物Ｗの位置と、ブーム９の現在位置座標（ｎ）と、加速度センサ２２が検出した現在の荷物Ｗの加速度Ｇｘ（ｎ）、Ｇｙ（ｎ）、Ｇｚ（ｎ）とからワイヤロープのばね定数ｋｆ（ｎ）を算出し、加速度Ｇｘ（ｎ）、Ｇｙ（ｎ）、Ｇｚ（ｎ）とばね定数ｋｆ（ｎ）と、荷物Ｗの目標位置座標（ｎ＋１）とからブーム９の目標位置座標ｑ（ｎ＋１）を算出し、アクチュエータの作動信号Ｍｄを生成する。【選択図】図６

Description

本発明は、クレーンおよびクレーンの制御方法に関する。

従来、移動式クレーン等において、各アクチュエータが遠隔操作されるクレーンが提案されている。このようなクレーンにおいて、クレーンと遠隔操作端末との相対的な位置関係は、作業状況に応じて変化する。このため、作業者は、クレーンとの相対的な位置関係を常に考慮しながら遠隔操作端末の操作具を操作する必要があった。そこで、クレーンと遠隔操作端末との相対的な位置関係に関わらず、遠隔操作端末の操作具の操作方向とクレーンの作動方向とを一致させて、クレーンの操作を容易かつ簡単に行うことができる遠隔操作端末およびクレーンが知られている。例えば、特許文献１の如くである。

特許文献１に記載の遠隔操作装置（遠隔操作端末）は、基準信号として直進性の高いレーザ光等を基準信号としてクレーンに発信する。クレーン側の制御装置３１は、遠隔操作装置からの基準信号を受信することで遠隔操作装置の方向を特定し、クレーンの座標系を遠隔操作装置の座標系に一致させる。これにより、クレーンは、遠隔操作装置からの荷物を基準とした操作指令信号によって操作される。つまり、クレーンは、荷物の移動方向と移動速度に関する指令に基づいて各アクチュエータが制御されるので、各アクチュエータの作動速度、作動量、作動タイミング等を意識することなく直観的に操作することができる。

遠隔操作装置は、操作部の操作指令信号に基づいて操作速度に関する速度信号と操作方向に関する方向信号とをクレーンに送信する。このため、クレーンは、遠隔操作装置からの速度信号がステップ関数の態様で入力される移動開始時や停止時に不連続な加速度が荷物に加わり揺れが発生する場合があった。また、クレーンは、ブームの先端が常に荷物の鉛直上方にあるものとして遠隔操作装置からの速度信号と方向信号とをブームの先端の速度信号と方向信号として制御するため、ワイヤロープの影響によって生じる荷物の位置ずれや揺れの発生を抑制することができない。

特開２０１０−２２８９０５号公報

本発明の目的は、荷物を基準としてアクチュエータを制御する際に、荷物の揺れを抑制しつつ目標軌道に沿って移動させることができるクレーンおよびクレーンの制御方法の提供を目的とする。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

即ち、第１の発明は、ブームからワイヤロープで吊り下げられている荷物の移動方向と速さに関する目標速度信号に基づいて前記ブームのアクチュエータを制御するクレーンであって、前記ブームの旋回角度検出手段と、前記ブームの起伏角度検出手段と、前記ブームの伸縮長さ検出手段と、吊り具または荷物の加速度を検出する加速度検出手段と、を備え、所定の単位時間毎に、前記目標速度信号を基準位置に対する荷物の目標位置に変換し、前記単位時間毎に、前記旋回角度検出手段が検出した旋回角度、前記起伏角度検出手段が検出した起伏角度および前記伸縮長さ検出手段が検出した伸縮長さから前記基準位置に対するブーム先端の現在位置を算出し、前記単位時間毎に、既に算出している前記単位時間前の荷物の位置と、前記ブーム先端の現在位置と、前記単位時間毎に前記加速度検出手段が検出した現在の吊り具または荷物の加速度とからワイヤロープのばね定数を算出し、前記単位時間毎に、前記現在の吊り具または荷物の加速度と、前記ワイヤロープのばね定数と、前記荷物の目標位置とから前記荷物の目標位置におけるブーム先端の目標位置を算出し、前記単位時間毎に、前記ブーム先端の目標位置に基づいて前記アクチュエータの作動信号を生成するクレーンである。

第２の発明は、前記ブーム先端の目標位置と前記荷物の目標位置との関係が、前記荷物の加速度と前記荷物の重量と前記ワイヤロープのばね定数と前記荷物の目標位置とから式（１）によって表され、既に算出している所定の単位時間前の荷物の位置と前記ブーム先端の現在位置と前記現在の吊り具または荷物の加速度とから式（１）を用いて前記単位時間毎にワイヤロープのばね定数を算出し、前記現在の吊り具または荷物の加速度と、前記ワイヤロープのばね定数と、前記荷物の目標位置とから式（１）を用いて前記単位時間毎に前記荷物の目標位置におけるブーム先端の目標位置を算出するクレーンである。

ｆ：ワイヤロープの張力、ｋｆ：ばね定数、ｍ：荷物の質量、ｑ：ブームの先端の現在位置または目標位置、ｐ：荷物の現在位置または目標位置、ｇ：重力加速度

第３の発明は、ブームからワイヤロープで吊り下げられている荷物の移動方向と速さに関する目標速度信号に基づいて前記ブームのアクチュエータを制御するクレーンの制御方法であって、所定の単位時間毎に、前記目標速度信号を基準位置に対する荷物の目標位置に変換する目標軌道算出工程と、前記単位時間毎に、既に算出している所定の単位時間前の荷物の位置と、基準位置に対するブーム先端の現在位置と、前記単位時間毎に前記加速度検出手段が検出した現在の吊り具または荷物の加速度とからワイヤロープのばね定数を算出し、前記単位時間毎に、前記現在の吊り具または荷物の加速度と、前記ワイヤロープのばね定数と、前記荷物の目標位置とから前記荷物の目標位置におけるブーム先端の目標位置を算出するブーム位置算出工程と、前記単位時間毎に、前記ブーム先端の目標位置に基づいて前記アクチュエータの作動信号を生成する動作信号生成工程と、からなるクレーンの制御方法である。

本発明は、以下に示すような効果を奏する。

第１の発明および第３の発明においては、現在の吊り具または荷物の加速度と、前記ワイヤロープのばね定数と、前記荷物の目標位置とから前記荷物の目標位置におけるブーム先端の目標位置を算出するので、荷物を基準としてクレーンを操作しつつ、吊り具また荷物に加わる加速度に基づいて荷物が目標軌道に沿って移動するようにブームが制御される。これにより、荷物を基準としてアクチュエータを制御する際に、荷物の揺れを抑制しつつ目標軌道に沿って移動させることができる。

第２の発明においては、吊り具または荷物の加速度が検出されることで、式（１）のワイヤロープのばね定数を算出し、吊り具または荷物の加速度と、ブーム先端の現在位置と、荷物の目標位置とから荷物の加速度に基づいたブーム先端の目標位置が算出される。これにより、荷物を基準としてアクチュエータを制御する際に、簡易な計測装置で荷物の揺れを抑制しつつ目標軌道に沿って移動させることができる。

クレーンの全体構成を示す側面図。 クレーンの制御構成を示すブロック図。 遠隔操作端末の概略構成を示す平面図。 遠隔操作端末の制御構成を示すブロック図。 吊り荷移動操作具が操作されている遠隔操作端末を示す図。 クレーンの制御装置の制御構成を示すブロック図。 クレーンの逆動力学モデルを示す図。 クレーンの制御方法の制御工程を示すフローチャートを表す図。 目標軌道算出工程を示すフローチャートを表す図。 ブーム位置算出工程を示すフローチャートを表す図。 作動信号生成工程を示すフローチャートを表す図。

以下に、図１から図４を用いて、本発明の一実施形態に係る作業車両として移動式クレーン（ラフテレーンクレーン）であるクレーン１について説明する。なお、本実施形態においては、作業車両としてクレーン（ラフテレーンクレーン）ついて説明を行うが、オールテレーンクレーン、トラッククレーン、積載型トラッククレーン、高所作業車等でもよい。

図１に示すように、クレーン１は、不特定の場所に移動可能な移動式クレーンである。クレーン１は、車両２、作業装置であるクレーン装置６を有する。

車両２は、クレーン装置６を搬送するものである。車両２は、複数の車輪３を有し、エンジン４を動力源として走行する。車両２には、アウトリガ５が設けられている。アウトリガ５は、車両２の幅方向両側に油圧によって延伸可能な張り出しビームと地面に垂直な方向に延伸可能な油圧式のジャッキシリンダとから構成されている。車両２は、アウトリガ５を車両２の幅方向に延伸させるとともにジャッキシリンダを接地させることにより、クレーン１の作業可能範囲を広げることができる。

クレーン装置６は、荷物Ｗをワイヤロープによって吊り上げる作業装置である。クレーン装置６は、旋回台７、ブーム９、ジブ９ａ、メインフックブロック１０、サブフックブロック１１、起伏用油圧シリンダ１２、メインウインチ１３、メインワイヤロープ１４、サブウインチ１５、サブワイヤロープ１６、キャビン１７、制御装置３１および操作端末３２等を具備する。

旋回台７は、クレーン装置６を旋回させる旋回台である。旋回台７は、円環状の軸受を介して車両２のフレーム上に設けられる。旋回台７は、円環状の軸受の中心を回転中心として回転自在に構成されている。旋回台７には、周辺を監視する複数の旋回台カメラ７ａが設けられている。また、旋回台７は、アクチュエータである油圧式の旋回用油圧モータ８が設けられている。旋回台７は、旋回用油圧モータ８によって一方向と他方向とに旋回可能に構成されている。

図１に示すように、アクチュエータである旋回用油圧モータ８は、電磁比例切換弁である旋回用バルブ２３（図３参照）によって回転操作される。旋回用バルブ２３は、旋回用油圧モータ８に供給される作動油の流量を任意の流量に制御することができる。つまり、旋回台７は、旋回用バルブ２３によって回転操作される旋回用油圧モータ８を介して任意の旋回速度に制御可能に構成されている。旋回台７には、旋回台７の旋回角度θｚ（角度）と旋回速度θｚを検出する旋回角度検出手段である旋回用センサ２７（図３参照）が設けられている。

ブーム９は、荷物Ｗを吊り上げ可能な状態にワイヤロープを支持する可動支柱である。ブーム９は、複数のブーム部材から構成されている。ブーム９は、ベースブーム部材の基端が旋回台７の略中央に揺動可能に設けられている。ブーム９は、各ブーム部材をアクチュエータである図示しない伸縮用油圧シリンダで移動させることで軸方向に伸縮自在に構成されている。また、ブーム９には、ジブ９ａが設けられている。

アクチュエータである図示しない伸縮用油圧シリンダは、電磁比例切換弁である伸縮用バルブ２４（図３参照）によって伸縮操作される。伸縮用バルブ２４は、伸縮用油圧シリンダに供給される作動油の流量を任意の流量に制御することができる。ブーム９には、ブーム９の長さを検出する伸縮長さ検出手段である伸縮用センサ２８と、ブーム９の先端を中心とする方位を検出する方位センサ２９とが設けられている。

検知装置であるブームカメラ９ｂは、荷物Ｗおよび荷物Ｗ周辺の地物を撮影する画像取得手段である。ブームカメラ９ｂは、ブーム９の先端部に設けられている。ブームカメラ９ｂは、荷物Ｗの鉛直上方から荷物Ｗおよびクレーン１周辺の地物や地形を撮影可能に構成されている。

メインフックブロック１０とサブフックブロック１１とは、荷物Ｗが吊られる部材である。メインフックブロック１０には、メインワイヤロープ１４が巻き掛けられる複数のフックシーブと、荷物Ｗを吊るメインフック１０ａとが設けられている。サブフックブロック１１には、荷物Ｗを吊るサブフック１１ａが設けられている。メインフックブロック１０とサブフックブロック１１とには、三軸方向の加速度Ｇｘ（ｎ）、Ｇｙ（ｎ）、Ｇｚ（ｎ）を検出する加速度センサ２２が設けられている。加速度センサ２２は、搬送中の荷物Ｗに加わる加速度Ｇｘ（ｎ）、Ｇｙ（ｎ）、Ｇｚ（ｎ）を間接的に検出することができる。加速度センサ２２は、有線または無線で制御装置３１に検出値を送信可能に構成されている。なお、加速度センサ２２は、メインフックブロック１０またはサブフックブロック１１に吊られている荷物Ｗに直接設置する構成でもよい。

起伏用油圧シリンダ１２は、ブーム９を起立および倒伏させ、ブーム９の姿勢を保持するクチュエータである。起伏用油圧シリンダ１２は、シリンダ部の端部が旋回台７に揺動自在に連結され、ロッド部の端部がブーム９のベースブーム部材に揺動自在に連結されている。起伏用油圧シリンダ１２は、電磁比例切換弁である起伏用バルブ２５（図３参照）によって伸縮操作される。起伏用バルブ２５は、起伏用油圧シリンダ１２に供給される作動油の流量を任意の流量に制御することができる。ブーム９には、起伏角度θｘを検出する起伏角度検出手段である起伏用センサ３０（図３参照）が設けられている。

メインウインチ１３とサブウインチ１５とは、メインワイヤロープ１４とサブワイヤロープ１６との繰り入れ（巻き上げ）および繰り出し（巻き下げ）を行うアクチュエータである。メインウインチ１３は、メインワイヤロープ１４が巻きつけられるメインドラムがアクチュエータである図示しないメイン用油圧モータによって回転され、サブウインチ１５は、サブワイヤロープ１６が巻きつけられるサブドラムがアクチュエータである図示しないサブ用油圧モータによって回転されるように構成されている。

メイン用油圧モータは、電磁比例切換弁であるメイン用バルブ２６ｍ（図３参照）によって回転操作される。メインウインチ１３は、メイン用バルブ２６ｍによってメイン用油圧モータを制御し、任意の繰り入れおよび繰り出し速度に操作可能に構成されている。同様に、サブウインチ１５は、電磁比例切換弁であるサブ用バルブ２６ｓ（図３参照）によってサブ用油圧モータを制御し、任意の繰り入れおよび繰り出し速度に操作可能に構成されている。メインウインチ１３とサブウインチ１５とには、メインワイヤロープ１４とサブワイヤロープ１６の繰り出し量ｌをそれぞれ検出する巻回用センサ３４（図３参照）が設けられている。

キャビン１７は、操縦席を覆う筐体である。キャビン１７は、旋回台７に搭載されている。キャビン１７には、図示しない操縦席が設けられている。操縦席には、車両２を走行操作するための操作具やクレーン装置６を操作するための旋回操作具１８、起伏操作具１９、伸縮操作具２０、メインドラム操作具２１ｍ、サブドラム操作具２１ｓ、操作端末３２等が設けられている（図３参照）。旋回操作具１８は、旋回用油圧モータ８を操作することができる。起伏操作具１９は、起伏用油圧シリンダ１２を操作することができる。伸縮操作具２０は、伸縮用油圧シリンダを操作することができる。メインドラム操作具２１ｍは、メイン用油圧モータを操作することができる。サブドラム操作具２１ｓは、サブ用油圧モータを操作することができる。

図２に示すように、制御装置３１は、各操作弁を介してクレーン装置６のアクチュエータを制御する。制御装置３１は、キャビン１７内に設けられている。制御装置３１は、実体的には、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ等がバスで接続される構成であってもよく、あるいはワンチップのＬＳＩ等からなる構成であってもよい。制御装置３１は、各アクチュエータや切換えバルブ、センサ等の動作を制御するために種々のプログラムやデータが格納されている。

制御装置３１は、ブームカメラ９ｂ、旋回操作具１８、起伏操作具１９、伸縮操作具２０、メインドラム操作具２１ｍおよびサブドラム操作具２１ｓに接続され、ブームカメラ９ｂからの映像ｉ２を取得し、旋回操作具１８、起伏操作具１９、メインドラム操作具２１ｍおよびサブドラム操作具２１ｓのそれぞれの操作量を取得することができる。

制御装置３１は、操作端末３２からの制御信号を取得し、クレーン装置６からの制御情報、旋回台カメラ７ｂからの映像ｉ１、ブームカメラ９ｂからの映像ｉ２等を送信することができる。

制御装置３１は、操作端末３２の端末側制御装置４１（図参照）に接続され、操作端末３２からの制御信号を取得することができる。

制御装置３１は、旋回用バルブ２３、伸縮用バルブ２４、起伏用バルブ２５、メイン用バルブ２６ｍおよびサブ用バルブ２６ｓに接続され、旋回用バルブ２３、起伏用バルブ２５、メイン用バルブ２６ｍおよびサブ用バルブ２６ｓに作動信号Ｍｄを伝達することができる。

制御装置３１は、加速度センサ２２、旋回用センサ２７、伸縮用センサ２８、方位センサ２９、起伏用センサ３０および巻回用センサ３４に接続され、旋回台７の旋回角度θｚ、ブーム９の伸縮長さＬｂおよび起伏角度θｘ、メインフックブロック１０またはサブフックブロック１１の三軸の加速度Ｇｘ（ｎ）、Ｇｙ（ｎ）、Ｇｚ（ｎ）、メインワイヤロープ１４またはサブワイヤロープ１６（以下、単に「ワイヤロープ」と記す）の繰り出し量ｌ（ｎ）および方位を取得することができる。

制御装置３１は、旋回操作具１８、起伏操作具１９、メインドラム操作具２１ｍおよびサブドラム操作具２１ｓの操作量に基づいて各操作具に対応した作動信号Ｍｄを生成する。

このように構成されるクレーン１は、車両２を走行させることで任意の位置にクレーン装置６を移動させることができる。また、クレーン１は、起伏操作具１９の操作によって起伏用油圧シリンダ１２でブーム９を任意の起伏角度θｘに起立させて、伸縮操作具２０の操作によってブーム９を任意のブーム９長さに延伸させたりすることでクレーン装置６の揚程や作業半径を拡大することができる。また、クレーン１は、サブドラム操作具２１ｓ等によって荷物Ｗを吊り上げて、旋回操作具１８の操作によって旋回台７を旋回させることで荷物Ｗを搬送することができる。

図３と図４とに示すように、操作端末３２は、荷物Ｗを移動させる方向と速さに関する目標速度信号Ｖｄを入力する端末である。操作端末３２は、筐体３３、筐体３３の操作面に設けられる吊り荷移動操作具３５、端末側旋回操作具３６、端末側伸縮操作具３７、端末側メインドラム操作具３８ｍ、端末側サブドラム操作具３８ｓ、端末側起伏操作具３９、端末側表示装置４０および端末側制御装置４１（図２、図４参照）等を具備する。操作端末３２は、吊り荷移動操作具３５または各種操作具の操作により生成される荷物Ｗの目標速度信号Ｖｄをクレーン１（クレーン装置６）の制御装置３１に送信する。

図３に示すように、筐体３３は、操作端末３２の主たる構成部材である。筐体３３は、操縦者が手で保持可能な大きさの筐体に構成されている。筐体３３には、操作面に吊り荷移動操作具３５、端末側旋回操作具３６、端末側伸縮操作具３７、端末側メインドラム操作具３８ｍ、端末側サブドラム操作具３８ｓ、端末側起伏操作具３９および端末側表示装置４０が設けられている。

図３と図４とに示すように、吊り荷移動操作具３５は、水平面において荷物Ｗの移動方向と速さについての指示を入力する操作具である。吊り荷移動操作具３５は、筐体３３の操作面から略垂直に起立した操作スティックおよび操作スティックの傾倒方向および傾倒量を検出する図示しないセンサから構成されている。吊り荷移動操作具３５は、操作スティックが任意の方向に傾倒操作可能に構成されている。吊り荷移動操作具３５は、操作面に向かって上方向（以下、単に「上方向」と記す）をブーム９の延伸方向として図示しないセンサで検出した操作スティックの傾倒方向とその傾倒量についての操作信号を端末側制御装置４１に伝達するように構成されている。

端末側旋回操作具３６は、クレーン装置６の旋回方向と速さについての指示が入力される操作具である。端末側伸縮操作具３７は、ブーム９の伸縮と速さについての指示を入力する操作具である。端末側メインドラム操作具３８ｍ（端末側サブドラム操作具３８ｓ）は、メインウインチ１３の回転方向と速さについての指示を入力する操作具である。端末側起伏操作具３９は、ブーム９の起伏と速さについての指示を入力する操作具である。各操作具は、筐体３３の操作面から略垂直に起立した操作スティックおよび操作スティックの傾倒方向および傾倒量を検出する図示しないセンサから構成されている。各操作具は、一側および他側に傾倒可能に構成されている。

端末側表示装置４０は、クレーン１の姿勢情報や荷物Ｗの情報等の様々な情報を表示する。端末側表示装置４０は、液晶画面等の画像表示装置から構成されている。端末側表示装置４０は筐体３３の操作面に設けられている。端末側表示装置４０には、ブーム９の延伸方向を端末側表示装置４０に向かって上方向とし、その方位が表示されている。

図４に示すように、制御部である端末側制御装置４１は、操作端末３２を制御する。端末側制御装置４１は、操作端末３２の筐体３３内に設けられている。端末側制御装置４１は、実体的には、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ等がバスで接続される構成であってもよく、あるいはワンチップのＬＳＩ等からなる構成であってもよい。端末側制御装置４１は、吊り荷移動操作具３５、端末側旋回操作具３６、端末側伸縮操作具３７、端末側メインドラム操作具３８ｍ、端末側サブドラム操作具３８ｓ、端末側起伏操作具３９および端末側表示装置４０等の動作を制御するために種々のプログラムやデータが格納されている。

端末側制御装置４１は、吊り荷移動操作具３５、端末側旋回操作具３６、端末側伸縮操作具３７、端末側メインドラム操作具３８ｍ、端末側サブドラム操作具３８ｓおよび端末側起伏操作具３９に接続され、各操作具の操作スティックの傾倒方向および傾倒量からなる操作信号を取得することができる。

端末側制御装置４１は、端末側旋回操作具３６、端末側伸縮操作具３７、端末側メインドラム操作具３８ｍ、端末側サブドラム操作具３８ｓおよび端末側起伏操作具３９の各センサから取得した各操作スティックの操作信号から、単位時間ｔ毎に荷物Ｗの目標速度信号Ｖｄを生成することができる。また、端末側制御装置４１は、クレーン装置６の制御装置３１に有線または無線で接続され、生成した荷物Ｗの目標速度信号Ｖｄをクレーン装置６の制御装置３１に送信することができる。本実施形態において、吊り荷移動操作具３５が傾倒操作されてからｎ回目の計算周期に当たる単位時間ｔを単位時間ｔ（ｎ）とし、ｎ回目から１周期後の単位時間ｔを単位時間ｔ（ｎ＋１）とする。

次に、図５を用いて、操作端末３２によるクレーン装置６の制御について説明する。

図５に示すように、ブーム９の先端が北を向いている状態において操作端末３２の吊り荷移動操作具３５が上方向に対して左方向に傾倒角度θ２＝４５°の方向に任意の傾倒量だけ傾倒操作された場合、端末側制御装置４１は、ブーム９の延伸方向である北から傾倒角度θ２＝４５°の方向である北西への傾倒方向と傾倒量についての操作信号を吊り荷移動操作具３５の図示しないセンサから取得する。さらに、端末側制御装置４１は、取得した操作信号から、北西に向かって傾倒量に応じた速さで荷物Ｗを移動させる目標速度信号Ｖｄを単位時間ｔ毎に算出する。操作端末３２は、算出した目標速度信号Ｖｄを単位時間ｔ毎にクレーン装置６の制御装置３１に送信する。

制御装置３１は、操作端末３２から目標速度信号Ｖｄを単位時間ｔ毎に受信すると、方位センサ２９が取得したブーム９の先端の方位に基づいて、荷物Ｗの目標軌道信号Ｐｄを算出する。さらに、制御装置３１は、目標軌道信号Ｐｄから荷物Ｗの目標位置である荷物Ｗの目標位置座標ｐ（ｎ＋１）を算出する。制御装置３１は、目標位置座標ｐ（ｎ＋１）に荷物Ｗを移動させる旋回用バルブ２３、伸縮用バルブ２４、起伏用バルブ２５、メイン用バルブ２６ｍおよびサブ用バルブ２６ｓの作動信号Ｍｄを生成する（図７参照）。クレーン１は、吊り荷移動操作具３５の傾倒方向である北西に向けて傾倒量に応じた速さで荷物Ｗを移動させる。この際、クレーン１は、旋回用油圧モータ８、縮用油圧シリンダ、起伏用油圧シリンダ１２およびメイン用油圧モータ等を作動信号Ｍｄによって制御する。

このように構成することで、クレーン１は、操作端末３２からブーム９の延伸方向を基準として、吊り荷移動操作具３５の操作方向に基づいた移動方向と速さの目標速度信号Ｖｄを単位時間ｔ毎に取得し、荷物Ｗの目標位置座標ｐ（ｎ＋１）を決定するので、操縦者が吊り荷移動操作具３５の操作方向に対するクレーン装置６の作動方向の認識を喪失することがない。つまり、吊り荷移動操作具３５の操作方向と荷物Ｗの移動方向とが共通の基準であるブーム９の延伸方向に基づいて算出されている。これにより、クレーン装置６の操作を容易かつ簡単に行うことができる。なお、本実施形態において、操作端末３２は、キャビン１７の内部に設けられているが、端末側無線機を設けてキャビン１７の外部から遠隔操作可能な遠隔操作端末として構成してもよい。

次に、図６から図１１を用いて、クレーン装置６の制御装置３１における作動信号Ｍｄを生成するための荷物Ｗの目標軌道信号Ｐｄ、およびブーム９の先端の目標位置座標ｑ（ｎ＋１）を算出する制御工程の第一実施形態について説明する。制御装置３１は、目標軌道算出部３１ａ、ブーム位置算出部３１ｂ、作動信号生成部３１ｃを有している。

図６に示すように、目標軌道算出部３１ａは、制御装置３１の一部であり、荷物Ｗの目標速度信号Ｖｄを荷物Ｗの目標軌道信号Ｐｄに変換する。目標軌道算出部３１ａは、荷物Ｗの移動方向および速さから構成されている荷物Ｗの目標速度信号Ｖｄを操作端末３２の端末側制御装置４２から単位時間ｔ毎に取得することができる。また、目標軌道算出部３１ａは、取得した目標速度信号Ｖｄを積分して荷物Ｗの目標位置情報を算出することができる。また、目標軌道算出部３１ａは、荷物Ｗの目標位置情報にローパスフィルタＬｐを適用して単位時間ｔ毎に荷物Ｗの目標位置情報である目標軌道信号Ｐｄに変換するように構成されている。

ローパスフィルタＬｐは、所定の周波数以上の周波数を減衰させるものである。目標軌道算出部３１ａは、目標軌道信号ＰｄにローパスフィルタＬｐを適用することにより微分操作による特異点（急激な位置変動）の発生を防止している。本実施形態において、ローパスフィルタＬｐは、ばね定数ｋｆ（ｎ）の算出時における四階微分に対応するため四次のローパスフィルタＬｐを用いているが、所望する特性に合わせた次数のローパスフィルタＬｐを適用することができる。式（２）におけるａ、ｂは係数である。

図７に示すように、クレーン１の逆動力学モデルを定める。逆動力学モデルは、ＸＹＺ座標系に定義され、原点Ｏをクレーン１の旋回中心とする。ｑは、例えば現在位置座標ｑ（ｎ）を示し、ｐは、例えば荷物Ｗの現在位置座標ｐ（ｎ）を示す。ｌｂは、例えばブーム９の伸縮長さｌｂ（ｎ）示し、θｘは、例えば起伏角度θｘ（ｎ）を示し、θｚは、例えば旋回角度θｚ（ｎ）を示す。ｌは、例えばワイヤロープの繰り出し量ｌ（ｎ）を示し、ｆはワイヤロープの張力ｆを示す。

図６と図７に示すように、ブーム位置算出部３１ｂは、制御装置３１の一部であり、ブーム９の姿勢情報と荷物Ｗの目標軌道信号Ｐｄからブーム９の先端の位置座標を算出する。ブーム位置算出部３１ｂは、目標軌道算出部３１ａから目標軌道信号Ｐｄを取得することができる。ブーム位置算出部３１ｂは、旋回用センサ２７から旋回台７の旋回角度θｚ（ｎ）を取得し、伸縮用センサ２８から伸縮長さｌｂ（ｎ）を取得し、起伏用センサ３０から起伏角度θｘ（ｎ）を取得し、巻回用センサ３４からメインワイヤロープ１４またはサブワイヤロープ１６（以下、単に「ワイヤロープ」と記す）の繰り出し量ｌ（ｎ）を取得し、加速度センサ２２から三軸の加速度Ｇｘ（ｎ）、Ｇｙ（ｎ）、Ｇｚ（ｎ）を取得することができる。

ブーム位置算出部３１ｂは、取得した旋回角度θｚ（ｎ）、伸縮長さｌｂ（ｎ）、起伏角度θｘ（ｎ）からブーム９の先端の現在位置であるブーム９の先端（ワイヤロープの繰り出し位置）の現在位置座標ｑ（ｎ）（以下、単に「ブーム９の現在位置座標ｑ（ｎ）」と記す）を算出することができる。また、ブーム位置算出部３１ｂは、クレーン装置６の停止状態（ｎ＝１）において、算出したブーム９の現在位置座標ｑ（１）と取得したワイヤロープの繰り出し量ｌ（１）から荷物Ｗの現在位置座標ｐ（１）を算出し、荷物Ｗの現在位置座標ｐ（１）と、単位時間ｔ経過後（ｎ＝２）の単位時間ｔ（２）における加速度Ｇｘ（２）、Ｇｙ（２）、Ｇｚ（２）とブーム９の現在位置座標ｑ（２）とから式（１）を用いてワイヤロープのばね定数ｋｆ（２）を算出することができる。つまり、ブーム位置算出部３１ｂは、既に算出している単位時間ｔ（ｎ−１）経過時の荷物Ｗの現在位置座標ｐ（ｎ−１）と、現在時間である単位時間ｔ（ｎ）における加速度Ｇｘ（ｎ）、Ｇｙ（ｎ）、Ｇｚ（ｎ）とブーム９の現在位置座標ｑ（ｎ）とから式（１）を用いてワイヤロープのばね定数ｋｆ（ｎ）を算出することができる。

そして、ブーム位置算出部３１ｂは、単位時間ｔ毎に荷物Ｗの三軸の加速度Ｇｘ（ｎ）、Ｇｙ（ｎ）、Ｇｚ（ｎ）と、ワイヤロープのばね定数ｋｆ（ｎ）と、荷物Ｗの目標位置座標ｐ（ｎ＋１）とから式（１）を用いて荷物Ｗの目標位置座標ｐ（ｎ＋１）におけるブーム９の目標位置座標ｑ（ｎ＋１）を算出するように構成されている。

作動信号生成部３１ｃは、制御装置３１の一部であり、単位時間ｔ（ｎ＋１）経過後のブーム９の目標位置座標ｑ（ｎ＋１）から各アクチュエータの作動信号Ｍｄを生成するものである。作動信号生成部３１ｃは、ブーム位置算出部３１ｂから単位時間ｔ（ｎ＋１）経過後のブーム９の目標位置座標ｑ（ｎ＋１）を取得することができる。作動信号生成部３１ｃは、旋回用バルブ２３、伸縮用バルブ２４、起伏用バルブ２５、メイン用バルブ２６ｍまたはサブ用バルブ２６ｓの作動信号Ｍｄを生成するように構成されている。

以下に、図８から図１１を用いて、制御装置３１における作動信号Ｍｄを生成するための荷物Ｗの目標軌道信号Ｐｄ、およびブーム９の先端の目標位置座標ｑ（ｎ＋１）を算出する制御工程を具体的に説明する。

図８に示すように、ステップＳ１００において、制御装置３１は、クレーン１の制御方法における目標軌道算出工程Ａを開始し、ステップをステップＳ１１０に移行させる（図９参照）。そして、目標軌道算出工程Ａが終了するとステップをステップＳ２００に移行させる（図８参照）。

ステップ２００において、制御装置３１は、クレーン１の制御方法におけるブーム位置算出工程Ｂを開始し、ステップをステップＳ２１０に移行させる（図１０参照）。そして、ブーム位置算出工程Ｂが終了するとステップをステップＳ３００に移行させる（図８参照）。

ステップ３００において、制御装置３１は、クレーン１の制御方法における作動信号生成工程Ｃを開始し、ステップをステップＳ３１０に移行させる（図１１参照）。そして、作動信号生成工程Ｃが終了するとステップをステップＳ１００に移行させる（図８参照）。

図９に示すように、ステップＳ１１０において、制御装置３１の目標軌道算出部３１ａは、操作端末３２から例えばステップ関数の態様で入力される荷物Ｗの目標速度信号Ｖｄを取得し、ステップをステップＳ１２０に移行させる。

ステップＳ１２０において、目標軌道算出部３１ａは、取得した荷物Ｗの目標速度信号Ｖｄを積分して荷物Ｗの位置情報を算出し、ステップをステップＳ１３０に移行させる。

ステップＳ１３０において、目標軌道算出部３１ａは、算出した荷物Ｗの位置情報に式（２）の伝達関数Ｇ（ｓ）で示されるローパスフィルタＬｐを適用して目標軌道信号Ｐｄを単位時間ｔ毎に算出し、目標軌道算出工程Ａを終了してステップをステップＳ２００に移行させる（図８参照）。

図１０に示すように、ステップＳ２１０において、制御装置３１のブーム位置算出部３１ｂは、加速度センサ２２から三軸の加速度Ｇｘ（ｎ）、Ｇｙ（ｎ）、Ｇｚ（ｎ）を取得し、ステップをステップＳ２２０に移行させる。

ステップＳ２２０において、ブーム位置算出部３１ｂは、取得した旋回台７の旋回角度θｚ（ｎ）、伸縮長さｌｂ（ｎ）およびブーム９の起伏角度θｘ（ｎ）からブーム９の現在位置座標ｑ（ｎ）を算出し、ステップをステップＳ２３０に移行させる。

ステップＳ２３０において、ブーム位置算出部３１ｂは、既に算出している単位時間ｔ（ｎ−１）経過時の荷物Ｗの現在位置座標ｐ（ｎ−１）と、取得した加速度Ｇｘ（ｎ）、Ｇｙ（ｎ）、Ｇｚ（ｎ）とブーム９の現在位置座標ｑ（ｎ）とから式（１）を用いてワイヤロープのばね定数ｋｆ（ｎ）を算出し、ステップをステップＳ２４０に移行させる。

ステップＳ２４０において、ブーム位置算出部３１ｂは、荷物Ｗの現在位置座標ｐ（ｎ）を基準として目標軌道信号Ｐｄから、単位時間ｔ経過後の荷物の目標位置である荷物Ｗの目標位置座標ｐ（ｎ＋１）を算出し、ステップをステップＳ２５０に移行させる。

ステップＳ２５０において、ブーム位置算出部３１ｂは、荷物Ｗの三軸の加速度Ｇｘ（ｎ）、Ｇｙ（ｎ）、Ｇｚ（ｎ）と、ワイヤロープのばね定数ｋｆ（ｎ）と、荷物Ｗの目標位置座標ｐ（ｎ＋１）とから荷物Ｗの目標位置座標ｐ（ｎ＋１）におけるブーム９の目標位置座標ｑ（ｎ＋１）を算出し、ブーム位置算出工程Ｂを終了してステップをステップＳ３００に移行させる（図８参照）。

図１１に示すように、ステップＳ３１０において、制御装置３１の作動信号生成部３１ｃは、ブーム９の目標位置座標ｑ（ｎ＋１）から単位時間ｔ経過後の旋回台７の旋回角度θｚ（ｎ＋１）、伸縮長さＬｂ（ｎ＋１）、起伏角度θｘ（ｎ＋１）およびワイヤロープの繰り出し量ｌ（ｎ＋１）を算出し、ステップをステップＳ３２０に移行させる。

ステップＳ３２０において、作動信号生成部３１ｃは、算出した旋回台７の旋回角度θｚ（ｎ＋１）、伸縮長さＬｂ（ｎ＋１）、起伏角度θｘ（ｎ＋１）、ワイヤロープの繰り出し量ｌ（ｎ＋１）から旋回用バルブ２３、伸縮用バルブ２４、起伏用バルブ２５、メイン用バルブ２６ｍまたはサブ用バルブ２６ｓの作動信号Ｍｄをそれぞれ生成し、作動信号生成工程Ｃを終了してステップをステップＳ１００に移行させる（図８参照）。

制御装置３１は、単位時間ｔ毎に目標軌道算出工程Ａとブーム位置算出工程Ｂと作動信号生成工程Ｃとを繰り返すことで、単位時間ｔ（ｎ＋１）の単位時間ｔ前に算出した荷物Ｗの現在位置座標ｐ（ｎ）を順次用いることで単位時間ｔ後のブーム９の目標位置座標ｑ（ｎ＋２）を算出する。制御装置３１は、ブーム９の目標位置座標ｑ（ｎ＋２）に基づいて作動信号Ｍｄを生成するフィードフォワード制御によって各アクチュエータを制御している。

このように構成することで、クレーン１は、操作端末３２から任意に入力される荷物Ｗの目標速度信号Ｖｄに基づいて目標軌道信号Ｐｄを算出しているので、規定の速度パターンに限定されない。また、クレーン１は、荷物Ｗを基準としてブーム９の制御信号を生成するとともに、操縦者の意図する目標軌道に基づいてブーム９の制御信号が生成されるフィードフォワード制御が適用されている。このため、クレーン１は、操作信号に対する応答遅れが小さく、応答遅れによる荷物Ｗの揺れを抑制している。また、クレーン１は、逆動力学モデルを構築し、荷物Ｗの三軸の加速度Ｇｘ（ｎ）、Ｇｙ（ｎ）、Ｇｚ（ｎ）と既に算出した単位時間ｔ前の荷物Ｗの現在位置座標ｐ（ｎ−１）と目標軌道信号Ｐｄから算出した荷物Ｗの目標位置座標ｐ（ｎ＋１）とからブーム９の目標位置座標ｑ（ｎ＋１）が算出されるので加減速等による過渡状態の誤差が生じない。更に、クレーン１は、荷物Ｗの現在位置座標を検出する必要がないので加速度センサ２２を荷物Ｗまたはメインフックブロック１０とサブフックブロック１１に設けるだけよい。これにより、クレーン１は、荷物Ｗを基準としてアクチュエータを制御する際に、荷物Ｗの揺れを抑制しつつ目標軌道に沿って移動させることができる。

上述の実施形態は、代表的な形態を示したに過ぎず、一実施形態の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。さらに種々なる形態で実施し得ることは勿論のことであり、本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲に記載の均等の意味、および範囲内のすべての変更を含む。

１ クレーン
６ クレーン装置
９ ブーム
２２ 加速度センサ
２７ 旋回用センサ
２８ 伸縮用センサ
３０ 起伏用センサ
４３ 巻回用センサ
Ｏ 基準位置
Ｖｄ 目標速度信号
Ｐ（ｎ） 荷物の現在位置座標
Ｐ（ｎ＋１） 荷物の目標位置座標
Ｑ（ｎ） ブームの現在位置座標
Ｑ（ｎ＋１） ブームの目標位置座標

Claims (3)

1. ブームからワイヤロープで吊り下げられている荷物の移動方向と速さに関する目標速度信号に基づいて前記ブームのアクチュエータを制御するクレーンであって、
   前記ブームの旋回角度検出手段と、
   前記ブームの起伏角度検出手段と、
   前記ブームの伸縮長さ検出手段と、
   吊り具または荷物の加速度を検出する加速度検出手段と、を備え、
   所定の単位時間毎に、前記目標速度信号を基準位置に対する荷物の目標位置に変換し、
   前記単位時間毎に、前記旋回角度検出手段が検出した旋回角度、前記起伏角度検出手段が検出した起伏角度および前記伸縮長さ検出手段が検出した伸縮長さから前記基準位置に対するブーム先端の現在位置を算出し、
   前記単位時間毎に、既に算出している前記単位時間前の荷物の位置と、前記ブーム先端の現在位置と、前記単位時間毎に前記加速度検出手段が検出した現在の吊り具または荷物の加速度とからワイヤロープのばね定数を算出し、
   前記単位時間毎に、前記現在の吊り具または荷物の加速度と、前記ワイヤロープのばね定数と、前記荷物の目標位置とから前記荷物の目標位置におけるブーム先端の目標位置を算出し、
   前記単位時間毎に、前記ブーム先端の目標位置に基づいて前記アクチュエータの作動信号を生成するクレーン。
2. 前記ブーム先端の目標位置と前記荷物の目標位置との関係が、前記荷物の加速度と前記荷物の重量と前記ワイヤロープのばね定数と前記荷物の目標位置とから式（１）によって表され、既に算出している所定の単位時間前の荷物の位置と前記ブーム先端の現在位置と前記現在の吊り具または荷物の加速度とから式（１）を用いて前記単位時間毎にワイヤロープのばね定数を算出し、前記現在の吊り具または荷物の加速度と、前記ワイヤロープのばね定数と、前記荷物の目標位置とから式（１）を用いて前記単位時間毎に前記荷物の目標位置におけるブーム先端の目標位置を算出する請求項１に記載のクレーン。
   

   

   ｆ：ワイヤロープの張力、ｋｆ：ばね定数、ｍ：荷物の質量、ｑ：ブームの先端の現在位置または目標位置、ｐ：荷物の現在位置または目標位置、ｇ：重力加速度
3. ブームからワイヤロープで吊り下げられている荷物の移動方向と速さに関する目標速度信号に基づいて前記ブームのアクチュエータを制御するクレーンの制御方法であって、
   所定の単位時間毎に、前記目標速度信号を基準位置に対する荷物の目標位置に変換する目標軌道算出工程と、
   前記単位時間毎に、既に算出している所定の単位時間前の荷物の位置と、基準位置に対するブーム先端の現在位置と、前記単位時間毎に前記加速度検出手段が検出した現在の吊り具または荷物の加速度とからワイヤロープのばね定数を算出し、前記単位時間毎に、前記現在の吊り具または荷物の加速度と、前記ワイヤロープのばね定数と、前記荷物の目標位置とから前記荷物の目標位置におけるブーム先端の目標位置を算出するブーム位置算出工程と、
   前記単位時間毎に、前記ブーム先端の目標位置に基づいて前記アクチュエータの作動信号を生成する動作信号生成工程と、からなるクレーンの制御方法。

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