JPH07267579A - ジャイロスコープによる吊荷姿勢制御装置およびその制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 吊荷の旋回負荷が設計された最大許容負荷を
越えた状態であっても、水平旋回力を得ることができる
ジャイロスコープによる吊荷姿勢制御装置を提供する。 【構成】 水平な姿勢で吊り下げられたＨ形鋼よりなる
吊り治具４と、吊り治具４の中央底部にボルト５によっ
て取付け固定されたジャイロフレーム６と、ジャイロフ
レーム６内にあって回転軸７を中心として回転可能なジ
ンバルフレーム（ジンバル）８と、ジンバルフレーム８
内にあってスピン軸９を中心としてスピン可能なフライ
ホイール１０とを備える。ジャイロフレーム６内には、
ジンバルフレーム８の回転範囲を規制する一対のストッ
パ１３，１３が固定されている。ストッパ１３は、フラ
イホイール１０のスピン軸９がジンバルフレーム８の回
転軸７を０座標とする鉛直面内において水平軸から左右
に４５度の範囲内においてのみその回転を許容するよう
な位置に設置されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、ワイヤーロープ等で
吊り下げられた吊荷を水平面内で適宜に旋回させる吊荷
姿勢制御装置に関し、特に、ワイヤーロープ等により水
平な姿勢で吊り下げられる吊り治具にジャイロスコープ
を搭載し、そのジャイロ効果を利用して吊り治具の水平
旋回力を得るシステムに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】揚重作業における吊荷の旋回作業を自動
化することを目的として、リジットアームを持ったクレ
ーンや、ロープの捻れを反力とした旋回装置が提案され
ているが、前者は装置の重量が吊能力に対して過大であ
り、後者は吊荷の旋回挙動が不安定であるため、これら
の装置に代えてジャイロスコープを用いた吊荷の旋回姿
勢制御装置が開発されている（例えば特公平４−１７８
７３号公報参照）。

【０００３】この公報に記載された吊荷の旋回姿勢制御
装置は、クレーンから吊下されたワイヤーロープに水平
な姿勢で吊下げられその下方に吊荷が取り付けられる吊
り治具に対し水平な回転軸を中心として回転可能なジン
バルと、このジンバルに対し該ジンバルの回転軸と直交
するスピン軸を中心としてスピン可能なフライホイール
とを備えている。

【０００４】フライホイールを所定方向に高速でスピン
させた状態で、ジンバルを適宜方向に適宜速度で強制回
転させると、その回転に対するジャイロスコープのジャ
イロ効果により鉛直軸まわりの旋回力が発生し、この旋
回力により吊り治具を介して吊荷が鉛直軸を中心とした
水平面内で旋回する。

【０００５】ジンバルに回転力が伝達されていないフリ
ー状態において、風等の外乱により吊荷を旋回する力が
加わった場合には、その旋回力が吊り治具、ジンバルを
介してフライホイールに伝達される結果、フライホイー
ルのジャイロ効果によりジンバルが回転され、このとき
生ずるフライホイールの慣性の反作用により、吊荷の旋
回を阻止しようとする抵抗力が働き、吊荷の旋回を抑え
て外乱を受ける前の吊姿勢を保持する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、以上のよう
な原理のシステムにおいては、ある方向に操作回転され
るフライホイールのスピン軸（ジンバルの回転角）が水
平（０度）となっているときにジャイロ効果による水平
旋回力が最大となり、所定角を越えて垂直（フライホイ
ールが水平になった状態）に近づくにつれて水平旋回力
は徐々に小さくなり、スピン軸が垂直になると水平旋回
力はゼロになる。

【０００７】そこで、このようなジャイロスコープを用
いて吊荷の旋回姿勢を制御する装置にあっては、吊荷の
最大許容負荷と入力トルクとの関係から最大許容負荷の
吊荷を旋回させたときにジンバルの回転角が水平軸から
所定角以内となるように、入力トルクと反力トルクとが
つり合うように予め設計しておくことが必要である。し
かしながら、実際の吊荷の旋回負荷が設計された最大許
容負荷を越えた状態でその旋回操作を行った場合には、
ジンバルの回転角が所定角を越えてスピン軸が垂直に近
づく結果、水平旋回力が小さくなって旋回速度が遅くな
り、ひいては水平旋回力がゼロになるといった問題が生
じる。

【０００８】この発明は前述した従来の問題点に鑑みな
されたもので、その目的は、吊荷の旋回負荷が設計され
た最大許容負荷を越えた状態であっても、水平旋回力を
得ることができるジャイロスコープによる吊荷姿勢制御
装置およびその制御方法を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１にかかる発明は、ワイヤーロープ等で水平
な姿勢で吊り下げられる吊り治具と、平行な回転軸を中
心として回転可能なジンバルと、このジンバルに対し該
ジンバルの回転軸と直交するスピン軸を中心としてスピ
ン可能なフライホイールとを備えた吊荷姿勢制御装置で
あって、前記フライホイールのスピン軸が前記回転軸を
０座標とする鉛直面内において水平軸から所定角の範囲
内でおいてのみその回転を許容するように、前記ジンバ
ルの回転を規制するストッパを設けたことを特徴とす
る。

【００１０】請求項２にかかる発明は、前記所定角度
を、ジンバルを回転させる回転モータによる入力トルク
が、設計最大許容負荷荷重の吊荷を定常旋回速度で旋回
したときにジンバルフレームの回転軸に生ずる反力トル
クと釣り合うときのジンバルの角度またはこれより若干
大きい角度とすることを特徴とする。

【００１１】請求項３にかかる発明は、前記ジンバルの
回転軸を前記フライホイールのスピン軸より上方或いは
下方に偏心して設定することを特徴とする。

【００１２】請求項４にかかる発明は、請求項１，２，
３のいずれかに記載のジャイロスコープによる吊荷姿勢
制御装置を用いて吊荷の姿勢を制御する方法であって、
前記ジンバルを強制回転する操作、該ジンバルが前記ス
トッパに当接したとき、前記ジンバルの回転駆動力を断
つ操作、を順に繰り返すことを特徴とする。

【００１３】

【作用】上記構成により、フライホイールを所定方向に
高速でスピンさせた状態で、ジンバルをその回転許容範
囲内で適宜方向に適宜速度で強制回転させると、その回
転に対するジャイロスコープのジャイロ効果により鉛直
軸まわりの旋回力が発生し、この旋回力により吊り治具
を介して吊荷が鉛直軸を中心とした水平面内で旋回す
る。ジンバルの回転軸（フライホイールのスピン軸）は
所定角を越えて垂直に近づくことがないので、常に十分
なジャイロ効果を得ることができる。

【００１４】予め設定された最大許容範囲を越えた過負
荷の吊荷を旋回した場合には、ジンバルが所定角を越え
て回転しようとするが、ジンバルの回転範囲はストッパ
によって規制されているので、ジンバルがストッパに当
接し、その瞬間からジャイロスコープのジャイロ効果が
消失する。ところが、吊荷は既に旋回しているので、そ
の慣性によって旋回を継続し、上記過負荷の吊荷であっ
ても旋回させることができる。

【００１５】従って、ジンバルを強制回転する操作、該
ジンバルが前記ストッパに当接したとき、前記ジンバル
の回転駆動力を断つ操作、を順に繰り返すことにより、
過負荷の吊荷であっても連続して旋回することができ
る。

【００１６】所定角度を、ジンバルを回転させる回転モ
ータによる入力トルクが、設計最大許容負荷荷重の吊荷
を定常旋回速度で旋回したときにジンバルフレームの回
転軸に生ずる反力トルクと釣り合うときのジンバルの角
度またはこれより若干大きい角度とした場合には、ジン
バルの回転範囲を効率的に利用できる範囲のみに限定す
ることができる。

【００１７】ジンバルの回転軸をフライホイールのスピ
ン軸より上方に偏心して設定した場合には、吊荷が旋回
中に外乱を受けてジンバルが回転した状態でこの外乱が
作用しなくなった場合、ジンバルの重心がその回転軸よ
り下方に位置していることから自重によりスピン軸が水
平姿勢に復元する。このため、次にジンバルを強制回転
して吊荷を旋回させる場合の応答性を向上させることが
できる。

【００１８】一方、ジンバルの回転軸をフライホイール
のスピン軸より下方に偏心して設定しても、ストッパの
働きで同様の効果を得ることができる。

【００１９】

【実施例】以下、この発明の実施例を図面を用いて詳細
に説明する。

【００２０】図１はこの発明にかかるジャイロスコープ
による吊荷姿勢制御装置を示し、同図では、クレーンに
よって吊下されるクレーンスイベル１に対し旋回可能な
クレーンフック２にワイヤーロープ３を介して水平な姿
勢で吊り下げられたＨ形鋼よりなる吊り治具４と、吊り
治具４の中央底部にボルト５によって取付け固定された
ジャイロフレーム６と、ジャイロフレーム６内にあって
回転軸７を中心として回転可能なジンバルフレーム（ジ
ンバル）８と、ジンバルフレーム８内にあってスピン軸
９を中心としてスピン可能なフライホイール１０とを備
えている。ジャイロフレーム６は吊荷全体のほぼ中心部
で且つ吊り治具４の底部に位置しているため、吊作業を
バランスよく行うことができる。また、高速でスピンす
るフライホイール１０の周囲をジンバルフレーム８で覆
い、さらにジンバルフレーム８の周囲をジャイロフレー
ム６で覆うことにより、安全性を確保している。

【００２１】ジンバルフレーム８はジャイロフレーム６
に設けられた回転モータ１１により、吊り治具４と平行
な軸を中心として適宜方向に適宜速度で回転可能となっ
ている。また、フライホイール１０は、ジンバルフレー
ム８に設けられた一対のスピンモータ１２により、ジン
バルフレーム８の回転軸７と直交するスピン軸９を中心
として高速スピン可能となっている。これらの回転モー
タ１１、スピンモータ１２は、それぞれの回転軸７、ス
ピン軸９に対して非接触状態でこれらを回転駆動する電
磁モータが採用されている。従って、各モータ１１，１
２の電力供給を断つことで回転軸７、スピン軸９を自由
回転状態（フリー状態）とすることができる。なお、回
転モータ７としては、電磁モータを採用することなく、
通常のステッピングモータ等を採用することもできる
が、この場合にはジンバルフレーム８をフリー状態にす
る必要があることからモータと回転軸７との間にクラッ
チを設ける。

【００２２】上記吊り治具４、ジンバルフレーム８、フ
ライホイール１０はジャイロスコープを構成している。
そして、ジャイロフレーム６内には、図に示すように、
ジンバルフレーム８の回転範囲を規制する一対のストッ
パ１３，１３が固定されている。この実施例におけるス
トッパ１３は、フライホイール１０のスピン軸９がジン
バルフレーム８の回転軸７を０座標とする鉛直面内にお
いて水平軸から左右に４５度の範囲内においてのみその
回転を許容（回転許容角度は９０度）するような位置に
設置されている。ストッパ１３の先端部は例えばゴム等
の弾性体からなり、ジンバルフレーム８が当接するとき
の衝撃を緩和する。

【００２３】また、この実施例では、ジンバルフレーム
８の回転軸７がフライホイール１０のスピン軸９より上
方に偏心して設定されている。

【００２４】ジャイロフレーム６内には、上記ジャイロ
スコープの他、回転モータ１１およびスピンモータ１２
の回転駆動を制御する旋回制御コントローラ１４、コン
トローラ１４を遠隔操作するための無線用アンテナ１
５、電源用バッテリ１６及びその充電器１７が備えられ
ている。作業員は、ジャイロフレーム６内の無線送受信
機との間で無線操作を行うための携帯用無線送受信機を
携行し、吊荷の姿勢を目視観察しながらコントローラ１
４を無線操作する。ここで、作業員が操作する無線送受
信機は、携帯用でなくてもよいし、荷渡し側と荷受け側
とのいずれか、または操作の優先順位を設定することに
より双方から操作することができる。また、電源は外部
から供給するよう構成してもよい。

【００２５】吊荷１８は吊り治具４の両端部から吊りワ
イヤ１９，１９によって吊下されている。なお、フライ
ホイール１０の立上げ機構にトルクコンバータを採用す
ることが、立上げ時間を大幅に短縮することから望まし
い。

【００２６】次に作用を説明する。

【００２７】上記構成において、まずスピンモータ１２
によりフライホイール１０を所定方向に高速でスピンさ
せる。この実施例では、立上げ機構にトルクコンバータ
が採用されているので、比較的早期に高速スピンを得る
ことができる。フライホイール１０が高速スピンした状
態で荷１８を吊上げ、吊荷１８の旋回姿勢を強制的に変
える際には、回転モータ１１によりジンバルフレーム８
を適宜方向に適宜速度で強制回転させることにより、そ
の回転に対するジャイロスコープのジャイロ効果により
鉛直軸まわりの旋回力が発生し、この旋回力により吊り
治具４を介して吊荷１８を鉛直軸を中心とした水平面内
で旋回することができる。この場合、ジンバルフレーム
８の回転軸７（フライホイール１０のスピン軸９）は４
５度を越えて垂直に近づくことがないので、常に十分な
ジャイロ効果を得ることができる。

【００２８】ここで、予め設定された最大許容範囲を越
えた過負荷の吊荷１８を吊り下げてこれを旋回した場合
には、ジンバルフレーム８が４５度を越えて回転しよう
とするが、ジンバルフレーム８の回転範囲はストッパ１
３によって規制されているので、ジンバルフレーム８の
側部がストッパ１３に当接し、その瞬間からジャイロス
コープのジャイロ効果が消失する。ところが、吊荷１８
は既に旋回しているので、その慣性によって旋回を継続
するので、上記過負荷の吊荷１８であっても旋回させる
ことができる。換言すれば、ジンバルフレーム８がスト
ッパ１３に当接するまでの間のジャイロ効果による水平
旋回力が吊荷１８に受け渡されることになる。

【００２９】このとき、ジンバルフレーム８がストッパ
１３に当接した状態を継続している限り、吊荷１８の旋
回がジンバルフレーム８からのジャイロ効果を受けるこ
とはない。

【００３０】この実施例では、ジンバルフレーム８の回
転軸７がフライホイール１０のスピン軸９より上方に偏
心して設定されているので、ジンバルフレーム８の重心
がその回転軸７より下方に位置していることから回転モ
ータ１１の電力供給を断ち、ジンバルフレーム８をフリ
ー状態とすることでその自重によりスピン軸９を水平姿
勢に復元することができる。

【００３１】そこで、ジンバルフレーム８を強制回転し
て吊荷１８をある程度水平旋回してから、これがストッ
パ１３に当接して旋回を継続させた後、回転モータ１１
の電力供給を断ってスピン軸９を水平姿勢に復元させ、
再びジンバルフレーム８の強制回転、これによりストッ
パ１３へ当接したときの電力遮断を繰り返すことによ
り、前記過負荷の吊荷を連続して旋回することができ、
その姿勢を確実に制御することができる。

【００３２】次に他の実施例について説明する。この実
施例では、ジャイロフレーム６に前記ストッパ１３，１
３が設けられていることは前述した実施例と同様である
が、ジンバルフレーム８の回転軸７がフライホイール１
０のスピン軸９より下方に偏心して設定されていること
を特徴としている。ジンバルフレーム８の回転軸７に回
転力が伝達されていないフリー状態では、その自重によ
り左右いずれかの方向にジンバルフレーム８が傾斜する
が、該フレーム８の傾斜がストッパ１３により規制され
ることにより同様の効果を得ることができる。

【００３３】ところで、従来のジャイロスコープによる
吊荷姿勢制御装置を用いて吊荷を旋回制御する作用につ
いて説明する。すなわち、吊荷を旋回させる際には、図
５の実線で示すように、ジンバルの回転速度が常に小さ
い値を保持するように（ａ）、吊荷の旋回速度を検出し
てこれをフィードバックしながらジンバルの入力トルク
を調整することにより（ｂ）、吊荷を定常旋回速度まで
徐々に加速させている（ｃ）。なお、このような制御の
結果、ジンバルの回転角度は（ｄ）に示すように徐々に
傾斜する。

【００３４】しかしながら、ジンバルの入力トルクは厳
格に微調整する必要があり、調整が僅かにずれた場合に
は、ジンバルの回転角度が（ｄ）の一点鎖線で示すよう
にやや急に傾斜し、フライホイールのスピン軸が直立し
て水平旋回力が０になる惧れがあり、吊荷の旋回操作が
できなくなるという問題があった。

【００３５】そこで、（ｂ）の破線で図示するように、
吊荷を定常旋回させるに必要なトルクをジンバルに最初
から入力すると、吊荷に大きな旋回力が作用するととも
にジンバルの回転速度も（ａ）の破線のように急激に変
化し、かつ、ジンバルの回転角度も急激に上昇する。や
がて、吊荷は（ｃ）の破線のように定常旋回速度（回転
モータによるジンバルへの入力トルクと、吊荷の旋回に
よりジンバルに加えられる水平旋回力により生じるジャ
イロ効果によるジンバルの回転トルク（反力トルク）と
が釣り合う）に達し、ジンバルの回転が停止するのであ
るが、吊荷が過負荷であると、所定角度を越える惧れが
生じる。しかし、本発明では、ストッパの存在によりそ
の危険が回避されるのでこのような制御方法が安全にで
きる。

【００３６】なお、この発明は上記実施例のものに限定
されるものではなく、例えばジャイロフレーム６を吊荷
全体の中心部または吊り治具４の底部に位置させる必然
性はなく、吊り治具４の上部に設置したりその端部に設
置してもよい。吊り治具４の端部に設置した場合には、
例えばファンを利用した吊荷姿勢制御装置の補助装置と
して活用することもできる。また、一つの吊り治具４に
はジャイロフレーム６を複数設けてもよく、その数に応
じてジャイロ効果を２倍、３倍にすることができる。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したようにこの発明によれば、
フライホイールのスピン軸が前記回転軸を０座標とする
鉛直面内において水平軸から所定角の範囲内でおいての
みその回転を許容するように、前記ジンバルの回転を規
制するストッパを設けたため、吊荷の旋回負荷が設計さ
れた最大許容負荷を越えた状態であっても、ジンバルが
ストッパに当接した瞬間からジャイロスコープのジャイ
ロ効果が消失するが、吊荷の慣性によって旋回を継続す
ることができる。

【００３８】また、ジンバルの回転軸をフライホイール
のスピン軸より下方に偏心して設定しても、ストッパの
働きで同様の効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明にかかる一実施例の全体構成を示す斜
視図である。

【図２】図１の要部平断面図である。

【図３】図１の要部縦断面図である。

【図４】図３の作用説明図である。

【図５】他の実施例の作用を従来例と比較したグラフで
ある。

【符号の説明】

４ 吊り治具 ６ ジャイロフレーム ７ 回転軸 ８ ジンバルフレーム（ジンバル） ９ スピン軸 １０ フライホイール １１ 回転モータ １２ スピンモータ １３ ストッパ １８ 吊荷

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 脇坂 達也 東京都清瀬市下清戸４丁目640番地 株式 会社大林組技術研究所内 (72)発明者 井上 文宏 東京都清瀬市下清戸４丁目640番地 株式 会社大林組技術研究所内 (72)発明者 堂山 敦弘 東京都清瀬市下清戸４丁目640番地 株式 会社大林組技術研究所内 (72)発明者 渡辺 幸次 東京都清瀬市下清戸４丁目640番地 株式 会社大林組技術研究所内 (72)発明者 大八木 衆司 東京都清瀬市下清戸４丁目640番地 株式 会社大林組技術研究所内 (72)発明者 福田 一成 東京都清瀬市下清戸４丁目640番地 株式 会社大林組技術研究所内 (72)発明者 上村 泰邦 東京都千代田区神田司町２丁目３番地 株 式会社大林組東京本社内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ワイヤーロープ等で水平な姿勢で吊り下
   げられる吊り治具と、水平な回転軸を中心として回転可
   能なジンバルと、このジンバルに対し該ジンバルの回転
   軸と直交するスピン軸を中心としてスピン可能なフライ
   ホイールとを備えた吊荷姿勢制御装置であって、 前記フライホイールのスピン軸が前記回転軸を０座標と
   する鉛直面内において水平軸から所定角の範囲内でおい
   てのみその回転を許容するように、前記ジンバルの回転
   を規制するストッパを設けたことを特徴とするジャイロ
   スコープによる吊荷姿勢制御装置。
2. 【請求項２】 前記所定角度を、ジンバルを回転させる
   回転モータによる入力トルクが、設計最大許容負荷荷重
   の吊荷を定常旋回速度で旋回したときにジンバルフレー
   ムの回転軸に生ずる反力トルクと釣り合うときのジンバ
   ルの角度またはこれより若干大きい角度とすることを特
   徴とするジャイロスコープによる吊荷姿勢制御装置。
3. 【請求項３】 前記ジンバルの回転軸を前記フライホイ
   ールのスピン軸より上方或いは下方に偏心して設定した
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のジャイロス
   コープによる吊荷姿勢制御装置。
4. 【請求項４】 請求項１，２，３のいずれかに記載のジ
   ャイロスコープによる吊荷姿勢制御装置を用いて吊荷の
   姿勢を制御する方法であって、前記ジンバルを強制回転
   する操作、該ジンバルが前記ストッパに当接したとき、
   前記ジンバルの回転駆動力を断つ操作、を順に繰り返す
   ことを特徴とする吊荷姿勢制御方法。