JP7614027B2 - クレーン - Google Patents

Description

本発明は、吊荷を移動させることが可能なクレーンに関する。

従来、移動式クレーンとして、下部走行体と、上下方向に延びる旋回中心軸回りに旋回可能なように下部走行体に支持された上部旋回体と、ブームやジブなどの起伏体と、を備えたものが知られている。起伏体は、水平な回転中心軸回りに起伏方向に回動可能なように上部旋回体の前部に取り付けられている。また、起伏体の先端部から垂下された吊荷ロープにはフックが装着されており、当該フックに吊荷が接続されることで、吊荷が吊り上げられる。このように吊荷が吊り上げられた状態で、上部旋回体が旋回すると、吊荷を旋回方向に移動させることができる。

特許文献１には、クレーンを用いて、予め設定された搬送経路に沿って荷物を自動搬送する際に、荷物の荷振れを抑制することが可能なクレーンの制御方法が開示されている。当該制御方法では、前記搬送経路が複数のノード（点）からなる点群データによって設定される。そして、制御装置が、ユーザーが希望する始点から終点までの搬送所要時間を、隣接するノード同士の区間距離にそれぞれ割り振ることで、各区間の目標搬送時間を設定する。更に、制御装置は、設定された目標搬送時間に応じて各区間の目標搬送速度を設定する。当該目標搬送速度は区間同士の境界において不連続となり荷振れが発生しうるため、制御装置は、このようにステップ状に変化する目標搬送速度の加速区間および減速区間に、目標値フィルタを適用する。当該目標値フィルタは、逆動力学に基づく高次のローパスフィルタであり、上記のようにステップ状に変化する目標搬送速度を非ステップ状の目標搬送速度に変換することで、荷物の荷振れを低減する。

特開２０２０－１５８２７８号公報

特許文献１に記載された技術では、作業の条件によっては目標位置における吊荷の荷振れを抑制することが難しい場合がある。具体的に、上記の技術では、ユーザーが希望する搬送所要時間に基づいて各区間の目標搬送時間がそれぞれ設定されるため、各区間の目標搬送速度が前記搬送所要時間に拘束される。このため、希望される搬送所要時間が比較的短い場合には、ステップ状の目標搬送速度を、逆動力学に基づく高次のローパスフィルタによって、荷振れが生じないような非ステップ状の目標搬送速度に変換することが難しく、目標位置における荷振れの抑制が困難になるという問題がある。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、目標位置および旋回動作中のうちの少なくとも一方における吊荷の荷振れを抑制しつつ前記吊荷を前記目標位置に効率的に移動させることが可能なクレーンを提供することにある。

本発明によって提供されるのはクレーンである。当該クレーンは、下部本体と、上部本体と、起伏体と、吊荷ロープと、旋回駆動部と、起伏体長さ情報取得部と、旋回角検出部と、ロープ長さ情報取得部と、移動情報受付部と、目標速度設定部と、指令信号生成部とを備える。上部本体は、前記下部本体に上下方向に延びる旋回中心軸回りに旋回可能に支持されている。起伏体は、前記上部本体に水平な回転中心軸回りに起伏方向に回動可能なように支持された起伏体基端部と前記起伏体基端部とは反対の起伏体先端部とを含む。吊荷ロープは、前記起伏体先端部から垂下され吊荷に接続される。旋回駆動部は、所定の速度指令信号を受け付け、当該速度指令信号に応じた速度で前記上部本体を前記旋回中心軸回りに旋回させることが可能である。起伏体長さ情報取得部は、前記起伏体基端部と前記起伏体先端部とを結ぶ方向である起伏体長手方向における当該起伏体の長さに対応する情報である起伏体長さ情報を取得する。旋回角検出部は、前記上部本体の前記旋回中心軸回りの旋回角を検出する。起伏角検出部は、前記回転中心軸回りの前記起伏体の起伏角を検出する。ロープ長さ情報取得部は、前記起伏体先端部と前記吊荷との間の前記吊荷ロープの長さに対応する情報であるロープ長さ情報を取得する。移動情報受付部は、前記吊荷が前記吊荷ロープによって吊り上げられた状態である初期状態から、前記上部本体の旋回動作によって前記吊荷を所定の目標位置まで前記旋回中心軸回りに移動させるための目標旋回角度を含む移動情報を受け付ける。前記起伏体を前記上部本体の旋回方向に沿って見た場合における前記吊荷ロープの鉛直方向に対する角度を半径方向振れ角度、前記起伏体を前記上部本体の旋回動作の半径方向に沿って見た場合における前記吊荷ロープの鉛直方向に対する角度を旋回方向振れ角度とすると、目標速度設定部は、少なくとも前記起伏体の長さと前記吊荷ロープの長さと前記起伏角とを含む前記旋回方向および前記半径方向のそれぞれについての前記吊荷の運動方程式と、前記旋回動作の経過時間を変数とした前記上部本体の前記旋回角についての多項式関数であって前記経過時間について互いに異なる次数をそれぞれ含む複数の単項式からなる多項式関数とに基づいて、前記目標位置および前記旋回動作中のうちの少なくとも一方における前記半径方向振れ角度および前記旋回方向振れ角度が所定の閾値角度よりも小さくかつ前記吊荷の前記目標位置への到達時間が最小となるように前記複数の単項式の係数をそれぞれ決定し、前記目標位置に至るまでの前記上部本体の前記経過時間に応じた目標速度を設定する。指令信号生成部は、前記目標速度設定部によって設定された前記目標速度に対応する前記速度指令信号を生成し出力する。

本構成によれば、目標速度設定部が、吊荷の運動方程式および多項式関数に基づいて、目標位置または旋回移動中における２方向における吊荷の振れ角度が閾値角度よりも小さくかつ吊荷の到達時間が最小となるように、上部本体の目標速度を設定することができる。このため、オペレータによって予め移動所要時間が設定される場合のように上部本体の目標速度が前記移動所要時間の影響を受けることがなく、目標位置または旋回移動中における振れの抑制を満たしつつ、可能な限り最小限の移動時間で吊荷を移動させることができる。したがって、目標位置または旋回移動中における吊荷の荷振れを抑制しつつ吊荷を前記目標位置に効率的に移動させることが可能となる。

上記の構成において、前記指令信号生成部は、前記生成した速度指令信号を前記旋回駆動部に入力するものでもよい。

本構成によれば、指令信号生成部が生成した速度指令信号に基づいて、目標位置における荷振れを抑制しつつ吊荷を目標位置に移動させるように、上部本体を自動で旋回させることができる。

上記の構成において、前記目標速度設定部は、前記目標位置における前記半径方向振れ角度および前記旋回方向振れ角度が所定の閾値角度よりも小さくなるように前記複数の単項式の係数をそれぞれ決定するものでもよい。

上記の構成において、前記目標速度設定部は、更に、前記吊荷が前記目標位置に到達した際の前記上部本体の旋回速度がゼロであり、前記半径方向振れ角度および前記旋回方向振れ角度のそれぞれの時間変化である半径方向振れ角速度および旋回方向振れ角速度が前記目標位置において所定の閾値角速度以下になるように、前記複数の単項式の係数をそれぞれ決定するものでもよい。

上記の構成において、前記目標速度設定部は、更に、前記旋回動作中において、前記上部本体の移動速度が予め設定された最大速度以下であり、前記半径方向振れ角度および前記旋回方向振れ角度が所定の移動中最大角度以下であり、前記半径方向振れ角速度および前記旋回方向振れ角速度が所定の移動中最大角速度以下になるように、前記複数の単項式の係数をそれぞれ決定するものでもよい。

上記の構成において、前記目標速度設定部は、前記吊荷の運動方程式として、以下の式Ｉ、式ＩＩに基づいて、前記目標速度を設定するものでもよい。
θ’’_１＝２×θ’_２×θ’_４＋θ_２×θ’’_４＋θ_１×θ’_４ ^２＋（Ｌ／ｌ）×θ’_４ ^２×ｓｉｎθ_３－（ｇ／ｌ）×θ_１ ・・・（式Ｉ）
θ’’_２＝－（Ｌ／ｌ）×θ’’_４×ｓｉｎθ_３－２×θ’_１×θ’_４－θ_１×θ’’_４＋θ_２×θ’_４ ^２－（ｇ／ｌ）θ_２ ・・・（式ＩＩ）
（ただし、θ_１：吊荷の半径方向振れ角度、θ_２：吊荷の旋回方向振れ角度、θ’_１：吊荷の半径方向振れ角速度、θ’_２：吊荷の旋回方向振れ角速度、θ’’_１：吊荷の半径方向振れ角加速度、θ’’_２：吊荷の旋回方向振れ角加速度、θ_３：鉛直方向に対する前記起伏体の起伏角、θ’_４：前記上部本体の旋回角速度、θ’’_４：前記上部本体の旋回角加速度、ｇ：重力加速度、Ｌ：前記起伏体の長さ、ｌ：前記起伏体の先端部から前記吊荷までの前記吊荷ロープの長さ）

上記の構成において、前記目標速度設定部は、前記吊荷の運動方程式として、以下の式ＩＩＩ、式ＩＶに基づいて、前記目標速度を設定するものでもよい。
θ’’_１＝２×θ’_２×θ’_４＋（Ｌ／ｌ）×θ’_４ ^２×ｓｉｎθ_３－（ｇ／ｌ）×θ_１ ・・・（式ＩＩＩ）
θ’’_２＝－（Ｌ／ｌ）×θ’’_４×ｓｉｎθ_３－（ｇ／ｌ）θ_２ ・・・（式ＩＶ）
（ただし、θ_１：吊荷の半径方向振れ角度、θ_２：吊荷の旋回方向振れ角度、θ’_２：吊荷の旋回方向振れ角速度、θ’’_１：吊荷の半径方向振れ角加速度、θ’’_２：吊荷の旋回方向振れ角加速度、θ_３：鉛直方向に対する前記起伏体の起伏角、θ’_４：前記上部本体の旋回角速度、θ’’_４：前記上部本体の旋回角加速度、ｇ：重力加速度、Ｌ：前記起伏体の長さ、ｌ：前記起伏体の先端部から前記吊荷までの前記吊荷ロープの長さ）

本発明によれば、目標位置および旋回動作中のうちの少なくとも一方における吊荷の荷振れを抑制しつつ吊荷を前記目標位置に効率的に移動させることが可能なクレーンが提供される。

本発明の一実施形態に係るクレーンの側面図である。 本発明の一実施形態に係るクレーンの旋回制御を説明するための模式的な斜視図である。 本発明の一実施形態に係るクレーンのブロック図である。 本発明の一実施形態に係るクレーンの旋回制御のフローチャートである。 上部本体の旋回速度プロファイルの一例である。 本発明の実施例における半径方向振れ角度の時間推移を示すグラフである。 本発明の実施例における旋回方向振れ角度の時間推移を示すグラフである。 本発明の実施例における旋回角度の時間推移を示すグラフである。 本発明の実施例における旋回角速度の時間推移を示すグラフである。 本発明の実施例における半径方向振れ角度の時間推移を示すグラフである。 本発明の実施例における旋回方向振れ角度の時間推移を示すグラフである。 本発明の実施例における旋回トルクの時間推移を示すグラフである。 本発明の実施例における旋回角度の時間推移を示すグラフである。 本発明の実施例における旋回角速度の時間推移を示すグラフである。 本発明の実施例における旋回角度の時間推移を示すグラフである。 本発明の実施例における旋回角速度の時間推移を示すグラフである。 本発明の実施例における半径方向振れ角度の時間推移を示すグラフである。 本発明の実施例における半径方向振れ角速度の時間推移を示すグラフである。 本発明の実施例における旋回方向振れ角度の時間推移を示すグラフである。 本発明の実施例における旋回方向振れ角速度の時間推移を示すグラフである。 本発明の実施例における半径方向振れ角度の時間推移を示すグラフである。 本発明の実施例における半径方向振れ角速度の時間推移を示すグラフである。 本発明の実施例における旋回方向振れ角度の時間推移を示すグラフである。 本発明の実施例における旋回方向振れ角速度の時間推移を示すグラフである。

以下、図面を参照しつつ、本発明の一実施形態について説明する。図１は、本実施形態に係るクレーン１０の側面図である。なお、図１には、「上」、「下」、「前」および「後」の方向が示されているが、当該方向は、本実施形態に係るクレーン１０の構造および後記の旋回制御を説明するために便宜上示すものであり、本発明に係るクレーンの移動方向や使用態様などを限定するものではない。

クレーン１０は、走行体１４（下部本体）と、走行体１４に上下方向に延びる旋回中心軸回りに旋回可能に支持された旋回体１２（上部本体）と、ブーム１６（起伏体）と、マスト２０と、を備える。また、旋回体１２の後部には、クレーン１０のバランスを調整するためのカウンタウエイト１３が積載されている。また、旋回体１２の前端部には、キャブ１５が備えられている。キャブ１５は、クレーン１０の運転席に相当する。

図１に示されるブーム１６は、いわゆるラチス型であり、下部ブーム１６Ａ（起伏体基端部）と、一または複数（図例では３個）の中間ブーム１６Ｂ，１６Ｃ、１６Ｄと、上部ブーム１６Ｅ（前記起伏体基端部とは反対の起伏体先端部）とから構成される。具体的に、下部ブーム１６Ａは、旋回体１２の前部に水平な回転中心軸（第１回転中心軸）回りに起伏方向に回動可能となるように支持される。中間ブーム１６Ｂ，１６Ｃ，１６Ｄは、その順に下部ブーム１６Ａの先端側に着脱可能に継ぎ足される。上部ブーム１６Ｅは中間ブーム１６Ｄの先端側に着脱可能に継ぎ足される。下部ブーム１６Ａは、その下端部に備えられたブームフットピン１６Ｓにおいて旋回体１２に回動可能に軸支される。

また、ブーム１６は、アイドラシーブ３４Ｓ、３６Ｓを有する。アイドラシーブ３４Ｓ、３６Ｓは、下部ブーム１６Ａの後側面にそれぞれ回転可能に支持されている。

ただし、本発明ではブームの具体的な構造は限定されない。例えば、当該ブームは、中間部材がないものでもよく、また、上記とは中間部材の数が異なるものでもよい。更に、ブームは、単一の部材で構成されたものでもよい。

マスト２０は、基端及び回動端を有し、その基端が旋回体１２に回動可能に連結される。マスト２０の回動軸は、ブーム１６の回動軸と平行でかつ当該ブーム１６の回動軸のすぐ後方に位置している。すなわち、このマスト２０はブーム１６の起伏方向と同方向に回動可能である。

更に、クレーン１０は、左右一対のブームバックストップ２３と、左右一対のブーム用ガイライン２４と、を備える。

左右一対のブームバックストップ２３はブーム１６の下部ブーム１６Ａの左右両側部に設けられる。これらのブームバックストップ２３は、ブーム１６が図１に示される起立姿勢まで到達した時点で、旋回体１２の前後方向の中央部に当接する。この当接によって、ブーム１６が強風等で後方に煽られることが規制される。

左右一対のブーム用ガイライン２４は、マスト２０の回動端をブーム１６の先端部に連結する。この連結は、マスト２０の回動とブーム１６の回動とを連携させる。

また、クレーン１０は、各種ウインチを更に備える。具体的に、クレーン１０は、ブーム１６を起伏させるためのブーム起伏用ウインチ３０と、吊荷の巻上げ及び巻下げを行うための主巻用ウインチ３４及び補巻用ウインチ３６とを備える。また、クレーン１０は、ブーム起伏用ロープ３８と、ブーム１６の先端部から垂下され吊荷に接続される主巻ロープ５０（吊荷ロープ）と、補巻ロープ６０とを備える。本実施形態に係るクレーン１０では、主巻用ウインチ３４および補巻用ウインチ３６がブーム１６の基端近傍部位に据え付けられる。また、ブーム起伏用ウインチ３０が旋回体１２に据え付けられる。これらのウインチ３０、３２、３４、３６の位置は、上記に限定されるものではない。

ブーム起伏用ウインチ３０は、ブーム起伏用ロープ３８の巻き取り及び繰り出しを行う。そして、この巻き取り及び繰り出しによりマスト２０が回動するようにブーム起伏用ロープ３８が配索される。具体的には、マスト２０の回動端部及び旋回体１２の後端部にはそれぞれ複数のシーブが幅方向に配列されたシーブブロック４０，４２が設けられ、ブーム起伏用ウインチ３０から引き出されたブーム起伏用ロープ３８がシーブブロック４０，４２間に掛け渡される。従って、ブーム起伏用ウインチ３０がブーム起伏用ロープ３８の巻き取りや繰り出しを行うことにより、両シーブブロック４０，４２間の距離が変化し、これによってマスト２０さらにはこれと連動するブーム１６が起伏方向に回動する。

主巻用ウインチ３４は、主巻ロープ５０による吊荷の巻き上げ及び巻き下げを行う。主巻ロープ５０（吊荷ロープ）は、ブーム１６の先端部から垂下され、吊荷に接続される。ブーム１６の先端部には主巻用ガイドシーブ５４が配置され、当該主巻用ガイドシーブ５４に隣接する位置に複数の主巻用ポイントシーブ５６が幅方向に配列された主巻用シーブブロックが設けられている。主巻用ウインチ３４から引き出された主巻ロープ５０が、アイドラシーブ３４Ｓ、主巻用ガイドシーブ５４に順に掛けられ、かつ、シーブブロックの主巻用ポイントシーブ５６と、吊荷用の主フック５７に設けられたシーブブロックのシーブ５８との間に掛け渡される。従って、主巻用ウインチ３４が主巻ロープ５０の巻き取りや繰り出しを行うと、両シーブ５６，５８間の距離が変わって、ブーム１６の先端から垂下された主巻ロープ５０に連結された主フック５７の巻き上げ及び巻き下げが行われる。この結果、吊荷の巻き上げ、巻き下げが可能となる。

同様にして、補巻用ウインチ３６は、補巻ロープ６０による吊荷の巻き上げ及び巻き下げを行う。この補巻については、主巻用ガイドシーブ５４と同軸に補巻用ガイドシーブ６４が回転可能に設けられ、補巻用ガイドシーブ６４に隣接する位置に不図示の補巻用ポイントシーブが回転可能に設けられている。補巻用ウインチ３６から引き出された補巻ロープ６０は、アイドラシーブ３６Ｓ、補巻用ガイドシーブ６４に順に掛けられ、かつ、補巻用ポイントシーブから垂下される。従って、補巻用ウインチ３６が補巻ロープ６０の巻き取りや繰り出しを行うと、補巻ロープ６０の末端に連結された図略の吊荷用の補フックが巻き上げられ、または巻き下げられる。

図２は、本実施形態に係るクレーン１０の旋回制御を説明するための模式的な斜視図である。図３は、本実施形態に係るクレーン１０のブロック図である。

図２では、説明のために、ブーム１６の基端部が旋回体１２の旋回中心軸上に位置するものとして示されている。図２において、Ｌはブーム１６の長さ、ｌ（小文字のＬ）はブーム１６の先端部から垂下された主巻ロープ５０の吊荷ＬＭまでの長さである。また、角度θ_１およびθ_２は、吊荷ＬＭの荷振れ角度を示すものである。具体的に、角度θ_１は、
ブーム１６を旋回体１２の旋回方向に沿って見た場合における主巻ロープ５０の鉛直方向に対する角度であり、半径方向振れ角度θ_１と称する（法線面における振れ角度）。一方、角度θ_２は、ブーム１６を旋回体１２の旋回動作の半径方向に沿って見た場合における主巻ロープ５０の鉛直方向に対する角度であり、旋回方向振れ角度θ_２と称する（接線面における振れ角度）。なお、吊荷ＬＭの振れ動作によっては、半径方向振れ角度θ_１および旋回方向振れ角度θ_２は、正の値だけではなく負の値もとる。

角度θ_４は、旋回体１２の前記旋回中心軸回りの旋回角であり、角度θ_３は、ブーム１６の前記回転中心軸回りの起伏角であり、図２では鉛直方向を基準として示している。また、図２の座標系では、ブーム１６の基端部を原点として、所定の水平方向（たとえば、走行体１４の前方向）をＸ軸、当該Ｘ軸と直交する水平な方向をＹ軸、Ｘ軸およびＹ軸とそれぞれ直交する方向（鉛直方向）をＺ軸としている。

本実施形態では、図２のように、ブーム１６（起伏体）の先端部から垂下された吊荷ＬＭが旋回体１２の旋回動作（旋回角θ_４の変化）によって旋回移動される場合に、目標位置における吊荷ＬＭの荷振れを抑制しつつ、吊荷ＬＭを可及的に速やかに目標位置に移動させることを可能とする。

図３を参照して、クレーン１０は、制御部７０と、旋回駆動部７１と、ブーム駆動部７２と、ウインチ駆動部７３と、旋回操作部７４と、ブーム操作部７５と、ウインチ操作部７６と、入力部８１（移動情報受付部）と、旋回角検出部８２と、起伏角検出部８３と、ロープ長さ検出部８４（ロープ長さ情報取得部）と、ブーム長さ取得部８５（起伏体長さ情報取得部）と、吊荷荷重検出部８６と、表示部８７とを更に備える。

旋回駆動部７１は、所定の速度指令信号を受け付け、当該速度指令信号に応じた速度で旋回体１２を前記旋回中心軸回りに旋回させることが可能である。具体的に、旋回駆動部７１は、旋回体１２を前記旋回中心軸回りに第１旋回方向および前記第１旋回方向とは反対の第２旋回方向にそれぞれ旋回させることが可能な駆動力を発生する。旋回駆動部７１は、作動油の供給を受けることで旋回体１２を旋回させる油圧式の旋回モータを含む。

ブーム駆動部７２は、ブーム起伏用ウインチ３０を回転させるための駆動力を発生し、ブーム１６を前記回転中心軸回りに回動することが可能とされている。ブーム駆動部７２は、作動油の供給を受けることでブーム起伏用ウインチ３０を回転させる油圧式の起伏モータを含む。

ウインチ駆動部７３は、主巻用ウインチ３４を回転させるための駆動力を発生し、主巻用ウインチ３４によって主巻ロープ５０の巻き取りおよび繰り出しを行うことで吊荷ＬＭを地面に対して相対的に昇降させることが可能とされている。ウインチ駆動部７３は、作動油の供給を受けることで主巻用ウインチ３４を回転させる油圧式の吊荷モータを含む。なお、補巻用ウインチ３６を回転させるための不図示のウインチ駆動部も同様に設けられている。

旋回操作部７４、ブーム操作部７５およびウインチ操作部７６は、キャブ１５内に配置されており、オペレータによるクレーン１０の各部材を駆動するための操作を受け付ける。

旋回操作部７４は、旋回駆動部７１によって旋回体１２を旋回駆動するための操作を受け付ける。旋回操作部７４は、旋回体１２を前記第１旋回方向および前記第２旋回方向にそれぞれ旋回させるための旋回用位置と旋回体１２の旋回を停止させるための中立位置との間で切換可能とされている。

ブーム操作部７５は、ブーム駆動部７２によってブーム１６を起伏するための操作を受け付ける。ブーム操作部７５は、ブーム１６を起伏させるための起伏用位置とブーム１６の起伏を停止させるための中立位置との間で切換可能とされている。前記起伏用位置では、ブーム１６を起立させる起立方向とブーム１６を倒伏させる倒伏方向への操作が可能である。

ウインチ操作部７６は、ウインチ駆動部７３によって吊荷ＬＭを昇降させるための操作を受け付ける。ウインチ操作部７６は、吊荷ＬＭを昇降させるための昇降用位置と吊荷ＬＭの昇降を停止させるための中立位置との間で切換可能とされている。前記昇降用位置では、吊荷ＬＭを上昇させる上昇方向と吊荷ＬＭを下降させる下降方向への操作が可能である。

入力部８１は、キャブ１５内に配置されており、オペレータによるクレーン１０の制御に関する情報の入力を受け付ける。一例として、入力部８１は、タッチパネル式の入力装置や各種のスイッチ、ボタンなどを含む。入力部８１は、吊荷ＬＭが主巻ロープ５０によって吊り上げられた状態である初期状態から、旋回体１２の旋回動作によって吊荷ＬＭを所定の目標位置まで前記旋回中心軸回りに移動させるための目標旋回角度θ_ｆ４を含む移動情報を受け付ける。

旋回角検出部８２は、旋回体１２（ブーム１６）の旋回中心軸回りの旋回角θ_４を検出および出力する。旋回角検出部８２は、不図示のジャイロセンサ（ＩＭＵセンサ）と演算部とを含む。旋回角検出部８２は、旋回体１２の旋回中心軸まわりの角速度を前記ジャイロセンサで計測し、前記演算部が前記計測された角速度を時間に対して１回積分処理することで角度に換算し、当該角度を旋回角θ_４として出力する。なお、旋回角検出部８２の構造は上記に限定されるものではなく、公知の角度計、エンコーダなどでもよい。

起伏角検出部８３は、ブーム１６の前記回転中心軸回りの起伏角θ_３を検出および出力する。起伏角検出部８３は、傾斜センサからなり、ブーム１６の鉛直方向に対する相対角度を検出する。なお、起伏角検出部８３は、その他の対象物に対する相対角度を検出するものでもよい。例えば、起伏角検出部８３は、ブーム１６の対地角（水平方向に対する相対角度）を検出し、９０度から当該対地角を引くことで、上記の起伏角θ_３を算出し、出力してもよい。また、起伏角検出部８３は、公知の角度計などでもよい。

ロープ長さ検出部８４は、ブーム１６の先端部と吊荷ＬＭとの間の主巻ロープ５０の長さ（ｌ）に対応する情報であるロープ長さ情報を取得し出力する。本実施形態では、ブーム１６の先端部の主巻用ポイントシーブ５６と主フック５７（シーブ５８）との間の距離をロープ長さとして検出する。ロープ長さ検出部８４は、主巻用ウインチ３４の回転量を検出可能な回転量検出部と、主巻用ウインチ３４の外周面上における主巻ロープ５０の巻き層数を検出する巻き層検出部とを含む。ロープ長さ検出部８４は、主巻用ウインチ３４のウインチ径、前記回転量検出部が検出するウインチ回転量に加え、前記巻き層検出部が検出する主巻ロープ５０の巻き層から推定される主巻用ウインチ３４から繰りだされる主巻ロープ５０の繰り出し量と、主巻用ポイントシーブ５６とシーブ５８のシーブブロックとの間における主巻ロープ５０の掛け数とから、前記距離を算出し出力する。

なお、主巻ロープ５０の長さｌの検出方法は、上記の態様に限定されるものではない。たとえば、ワイヤーを不図示のシーブで挟み込んで当該シーブの回転をエンコーダで計測することでロープ長さを検出する態様でも良いし、ブーム１６の先端部（ブームトップ）から３次元ＬＩＤＡＲで下方の領域をリアルタイムに計測することで吊荷を検知し、前記ブームトップから当該吊荷までの距離を計測することでロープ長さとしても良い。また、公知のステレオカメラや音波を用いて吊荷までの距離を計測し、ロープ長さを算出してもよい。この場合、距離計測の基準点は、ブームトップのようにブームの何れかの部分、クレーン本体、クレーン以外の地面等でもよい。更に、吊荷にＧＰＳなど位置測定可能なセンサを取り付けることで、ロープ長さが算出されてもよい。

ブーム長さ取得部８５は、制御部７０が実行する旋回体１２の旋回制御において使用されるブーム１６の長さ（Ｌ）に関する情報を取得する。すなわち、ブーム長さ取得部８５は、ブーム１６の基端部（起伏体基端部）と先端部（起伏体先端部）とを結ぶ方向であるブーム長手方向（起伏体長手方向）におけるブーム１６の長さに対応する情報（起伏体長さ情報）を取得および出力する。ブーム長さ取得部８５は、クレーン１０の製造時に前記ブーム１６の長さを記憶する記憶部でもよいし、前記ブーム１６の長さに関する情報をオペレータから受け付ける入力部でもよい。このため、ブーム長さ取得部８５の機能は、図３の制御部７０の記憶部７０４または入力部８１が担ってもよい。更に、旋回体１２に互いに異なる長さの複数のブーム１６が選択的に装着される場合に、ブーム長さ取得部８５は、各ブーム１６に装着されたＲＦＩＤなどからブーム１６の長さに関する情報を受け付ける受信部でもよい。

吊荷荷重検出部８６は、主フック５７に接続された吊荷ＬＭの重量に関する情報（吊荷重量情報）を取得し出力する。本実施形態では、吊荷荷重検出部８６は、主巻ロープ５０に接続された不図示の荷重検知器（ロードセル）を含み、主巻ロープ５０の張力の歪の変化に基づいて吊荷ＬＭの重量を検出する。なお、他の実施形態において、ブーム１６を起伏させる油圧回路内の圧力が不図示の圧力計によって検出され、当該圧力に基づいて前記吊荷の荷重が推定されても良い。

表示部８７は、キャブ１５内に配置されたディスプレイであり、オペレータに報知するための各種の情報を表示する。

制御部７０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、制御プログラムを記憶するＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＣＰＵの作業領域として使用されるＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等から構成されている。制御部７０は、前記ＣＰＵがＲＯＭに記憶された制御プログラムを実行することにより、駆動制御部７０１、目標速度演算部７０２（目標速度設定部）、指令信号生成部７０３および記憶部７０４を備えるように機能する。

駆動制御部７０１は、旋回操作部７４、ブーム操作部７５およびウインチ操作部７６が受け付ける操作の操作方向および操作量に応じた指令信号を旋回駆動部７１、ブーム駆動部７２およびウインチ駆動部７３にそれぞれ入力し、各駆動部を駆動する。

目標速度演算部７０２は、自動旋回制御が実行される際に、吊荷ＬＭが目標位置に至るまでの旋回体１２の目標速度を設定する。なお、自動旋回制御は、吊荷ＬＭを所定の初期位置から目標位置まで旋回方向に自動で移動させるための制御である。

指令信号生成部７０３は、目標速度演算部７０２によって設定された前記目標速度に対応する速度指令信号を生成し出力する。指令信号生成部７０３が出力した速度指令信号は、旋回駆動部７１に入力される。この結果、旋回体１２の旋回動作が自動制御される。なお、他の実施形態において、当該速度指令信号が表示部８７に入力され、オペレータが速度指令信号の大きさ、方向に応じて、旋回操作部７４を操作してもよい（旋回アシスト）。

記憶部７０４は、クレーン１０において実行される各種の制御中に参照されるパラメータや閾値などを記憶している。

＜旋回制御のフロー＞
図４は、本実施形態に係るクレーン１０の旋回制御のフローチャートである。制御部７０により旋回動作の自動制御が実行されるにあたって、まず、制御部７０は入力部８１に含まれる自動制御スイッチがＯＮされているか否かを判定する（ステップＳ１）。ここで、自動制御スイッチがＯＮされている場合（ステップＳ１でＹＥＳ）、制御部７０は記憶部７０４内に移動情報が格納されているかを判定する（ステップＳ２）。前述のように、当該移動情報は、吊荷ＬＭを移動させる目標位置までの目標旋回角度θ_ｆ４を含むものであり、オペレータが入力部８１を通じて入力することで記憶部７０４に格納される。

ステップＳ２において移動情報がある場合（ステップＳ２でＹＥＳ）、旋回角検出部８２、起伏角検出部８３およびロープ長さ検出部８４が、それぞれ、旋回角θ_４、起伏角θ_３および主巻ロープ５０の長さｌを検出する（ステップＳ３）。検出された情報は、記憶部７０４に記憶される。なお、ステップＳ１で自動制御スイッチがＯＦＦの場合（ステップＳ１でＮＯ）、または、ステップＳ２で移動情報がない場合（ステップＳ２でＮＯ）、図２のように各処理が繰り返される。

ステップＳ３において各情報が検出されると、ブーム長さ取得部８５がブーム１６の長さ（Ｌ）を取得する。前述のように、ブーム１６の長さは予め記憶部７０４に記憶されていても良いし、入力部８１などを通じて入力されてもよい。

次に、目標速度演算部７０２が、吊荷ＬＭが初期位置から目標位置に至るまでの旋回体１２の旋回速度（旋回角速度θ’_４）のプロファイル（推移）を演算する（ステップＳ５）。すなわち、本実施形態では、吊荷ＬＭの荷振れを抑制するために、旋回体１２の旋回角θ_４に応じてその角速度θ’_４が変化するように制御される。なお、以後の説明では、θの微分（角速度）をθ’と表し、θの２回微分（角加速度）をθ’’と表す場合がある。演算された旋回角速度θ’_４の推移は、表示部８７に表示され、オペレータが確認することができる。

ステップＳ５において速度プロファイル（角速度θ’_４の推移）が決定されると、ステップＳ６において、目標速度演算部７０２が目標位置における吊荷ＬＭの推定荷振れ量を演算する。この際、前述の運動方程式から吊荷ＬＭの半径方向振れ角度θ_１および旋回方向振れ角度θ_２がそれぞれ演算され、その結果が表示部８７に表示される。

次に、指令信号生成部７０３が、上記の演算された角速度θ’_４に応じた速度指令信号を生成し（ステップＳ７）、旋回駆動部７１に入力する。この結果、旋回駆動部７１が旋回体１２を旋回させ、旋回体１２の旋回動作の自動制御が実行される（ステップＳ８）。

＜旋回速度の演算について＞
次に、上記のステップＳ５で実行される旋回速度（角速度θ’_４）の演算について詳述する。

初期位置において吊荷ＬＭがブーム１６によって吊り上げられた状態から、旋回体１２が目標位置に向かって旋回すると、主巻ロープ５０に接続された吊荷ＬＭには、半径方向および旋回方向において２次元的な荷振れが発生する。ブーム１６は、旋回体１２とともに旋回する水平移動に加え、自らが起伏することで、鉛直方向にも移動することができる。このため、上記のような２次元的な荷振れを抑制するためには、旋回体１２の旋回速度（角速度θ’_４）に加え、移動中にブーム１６の起伏角θ_３を調整することも考えられる。しかしながら、このような吊荷ＬＭの上下方向における動きは重力に逆らうため、より複雑な荷振れを招きやすく、吊荷ＬＭを短時間で目標位置に到達させつつ、その荷振れを抑制することが困難になる。

そこで、本実施形態では、制御部７０が、旋回体１２の旋回、すなわち、ブーム１６の水平方向への移動のみによって、時間的に最適な軌道を決定し、目標位置における荷振れを抑制する。換言すれば、当該旋回移動では、ブーム１６の起伏角θ_３は固定されている。また、ここでいう軌道とは、位置的な軌道のみならず、時間的要素を含むものであり、各時刻において吊荷ＬＭがどの位置を通過するかという問題を含むものである。更に、制御部７０は、目標位置に到達した後の吊荷ＬＭの継続的な荷振れを出来る限り抑制する。

旋回体１２を駆動する旋回駆動部７１に含まれる旋回モータ（不図示）に掛かるトルクをτ_４とすると、トルクτ_４はラグランジュの運動方程式などから以下の式１によって表すことができる。

なお、上記の式１および後記の各式に含まれる一部のパラメータの定義について、以下の表１に示す。

式１のパラメータについて補足すると、Ｊ_４およびＩ_ｂは旋回体１２およびブーム１６に掛かる慣性モーメントである。Ｉ_ｘ、Ｉ_ｙ、Ｉ_ｚは表１にも示されているように、ブーム１６に掛かる各座標軸回りの慣性モーメントである。

ここで、図２の吊荷ＬＭに掛かる外力のバランスから、半径方向および旋回方向のそれぞれの方向における吊荷ＬＭの荷振れのダイナミクスモデルは、動力学に基づいて以下の式２、式３によって表すことができる。

なお、式２、式３においてｇは重力加速度である。式２、式３は、吊荷ＬＭの荷振れを表す基準となる（完全な）ダイナミクスモデルと定義される。一方、式２、式３の各式において、θの２乗とθの２回微分との積、ならびに、θとθの１回微分の２乗との積については、相対的に小さな値であるため、省略することができる（θは、θ_１、θ_２を含む）。このため、式２、式３は、以下の式４、式５に置き換えることができる。

式４、式５は、吊荷ＬＭの荷振れを表す第１のダイナミクスモデルと定義される。また、式４、式５は、本発明の式Ｉ、式ＩＩに相当する。更に、上記の式４の右辺の第２項、第３項、式５の右辺の第２項、第３項および第４項を省略することで、以下の式６、式７を得ることができる。

式６、式７は、吊荷ＬＭの荷振れを表す第２のダイナミクスモデルと定義される。また、式６、式７は、本発明の式ＩＩＩ、式ＩＶに相当する。更に、本実施形態では、動的なブーム１６の動きを単純化し最適な時間軌道を生成するために、目標速度演算部７０２は、旋回体１２の旋回角θ_４について、以下の式８のように、初期位置（旋回動作の始点）を基準とする旋回動作の経過時間ｔを変数とした多項式関数で定義する。

式８のように、本実施形態では、ブーム１６の動きを単純化するモデルとして、６次多項式を用いて定式化している。式８におけるｂ_ｉ（ｉ＝１～６）は、最適化によって決定される多項式係数である。ただし、旋回体１２の旋回動作が開始される初期状態では、旋回角θ_４＝０、旋回角速度θ’_４＝０であるため、係数ｂ_０、ｂ_１はゼロに割り当てられる。したがって、ｂ_２、ｂ_３、ｂ_４、ｂ_５、ｂ_６の５つの係数が最適化によって調整される。なお、多項式の次数は６次に限られるものではなく、より低次あるいは高次の多項式を用いてもよい。

ここで、吊荷ＬＭが目標位置に到達する時刻をＴとすると、旋回動作中の時刻（経過時間）ｔは、ｔ＝ＳＴと表すことができる。Ｓは、０≦Ｓ≦１の範囲内の離散値を含むベクトルである。この結果、式８は、以下の式９のように表すことができる。

目標速度演算部７０２は、上記の式９における到達時刻Ｔが最小となるように多項式係数ｂ_ｉ（ｉ＝２～６）をそれぞれ設定することで、吊荷ＬＭを速やかに目標位置に移動させることができる。この際、吊荷ＬＭの荷振れを抑制するためには、前述の式４および式５または式６および式７で規定される半径方向振れ角度θ_１、旋回方向振れ角度θ_２が、目標位置において所定の閾値角度以下に抑制されるとともに、目標位置への移動中においても所定の最大角度以下に抑えられることが望ましい。したがって、上記の問題は、以下の式１０、式１１によって表すことができる。

式１０は、到達時刻Ｔが最小となるような多項式係数ｂ_ｉ（ｉ＝２～６）を最適化する問題を意味し、式１１は、そのための条件を意味している。式１１を上から順に参照して、時刻Ｔにおける旋回角θ_４（Ｔ）は、目標旋回角度θ_ｆ４である。時刻Ｔ、すなわち、目標位置における旋回角速度θ’_４（Ｔ）はゼロである。また、移動中の旋回角速度θ’_４（ｔ）（速度）の絶対値は、旋回駆動部７１の特性から予め設定された旋回最大角速度θ’_ｍａｘ４（最大速度）以下に設定される。更に、目標位置における振れ角度θ_ｉ（Ｔ）（ｉ＝１、２）の絶対値は、予め設定された最終荷振れ許容角度θ_ｆ（閾値角度）以下に設定される。同様に、目標位置における振れ角速度θ’_ｉ（Ｔ）（ｉ＝１、２）の絶対値は、予め設定された最終荷振れ許容角速度θ’_ｆ（閾値角速度）以下に設定される。また、移動中における振れ角度θ_ｉ（ｔ）（ｉ＝１、２）の絶対値は、予め設定された移動中荷振れ許容角度θ_ＳＷ（移動中最大角度）以下に設定される。同様に、移動中における振れ角速度θ’_ｉ（ｔ）（ｉ＝１、２）の絶対値は、予め設定された移動中荷振れ許容角速度θ’_ＳＷ（移動中最大角速度）以下に設定される。なお、上記のパラメータについては、前述の表１にも示されている。なお、各角速度は、対応する角度の時間変化に相当する。

本実施形態では、目標速度演算部７０２は、上記の問題を一例として逐次二次計画法によって演算する。なお、目標速度演算部７０２は、作業現場において求められる演算精度および演算時間に応じて、前述の式４、式５、式９、式１０および式１１（後記の実施例２）または、式６、式７、式９、式１０および式１１（後記の実施例１）によって、最適解を演算することができる。当該演算によって、式９の多項式係数ｂ_ｉ（ｉ＝２～６）がそれぞれ最適化され、式１０の最小の到達時刻Ｔが決定されると、その到達予想時刻が表示部８７に表示されてもよい。また、目標速度演算部７０２は、式９から移動中の各時刻における旋回角θ_４の推移を決定するとともに、その微分から旋回角速度θ’_４の推移を決定する。この結果から、先のステップＳ７において指令信号生成部７０３が速度指令信号を生成することができる。

一方、目標速度演算部７０２は、上記の最適化結果から、式４および式５、または、式６および式７を用いて、目標位置における半径方向振れ角度θ_１および旋回方向振れ角度θ_２を演算することができる（図４のステップＳ６）。この際、目標速度演算部７０２は、式２および式３から半径方向振れ角度θ_１および旋回方向振れ角度θ_２を演算してもよい。

以上のように、本実施形態では、目標速度演算部７０２は、動力学に基づく吊荷ＬＭの運動方程式と、所定の多項式関数に基づいて、旋回体１２の目標速度（角速度θ’_４）を演算する。前記運動方程式は、少なくともブーム１６の長さＬと主巻ロープ５０の長さｌと起伏角θ_３とを含むものであり、旋回方向および半径方向のそれぞれについての方程式を含む。また、前記多項式関数は、初期位置を基準とする旋回動作の経過時間ｔを変数とした旋回体１２の旋回角θ_４についての多項式関数である。当該多項式関数は、前記経過時間ｔについて互いに異なる次数をそれぞれ含む複数の単項式からなる。目標速度演算部７０２は、これらの方程式および関数に基づいて、目標位置における半径方向振れ角度θ_１および旋回方向振れ角度θ_２が所定の閾値角度よりも小さく、かつ、吊荷ＬＭの目標位置への到達時刻Ｔが最小となるように前記複数の単項式の係数をそれぞれ決定することで、目標位置に至るまでの旋回体１２の経過時間ｔに応じた目標速度（角速度θ’_４）を設定する。

特に、本実施形態では、目標速度演算部７０２が、吊荷ＬＭの運動方程式と多項式関数とに基づいて、目標位置における２方向における吊荷ＬＭの振れ角度θ_１、θ_２が所定の閾値角度よりも小さくかつ吊荷ＬＭの到達時間が最小となるように、旋回体１２の目標速度を設定することができる。このため、予め移動所要時間が設定される場合のように旋回体１２の目標速度が前記移動所要時間の影響を受けることがなく、目標位置における荷振れを抑制しながら、可能な限り最小限の移動時間で吊荷ＬＭを移動させることができる。したがって、目標位置における吊荷ＬＭの荷振れを抑制しつつ吊荷ＬＭを前記目標位置に効率的に移動させることが可能となる。

また、本実施形態では、吊荷ＬＭの到達時間が最小となるように、旋回体１２の目標速度（角速度の推移）を最適化することができる。この際、この問題を最適化する条件には、吊荷ＬＭの荷振れ制約条件が既に含まれている。したがって、従来のように、一度設定された搬送速度の推移に、逆動力学に基づくフィルタ処理（目標値フィルタ）を施すことで、荷振れを抑制するように上記の搬送速度を補正する場合と比較して、幅広い条件に対応して最適な旋回体１２の目標速度を設定することができる。また、事前に目標値までの搬送時間が設定される場合と比較して、旋回体１２の目標速度が当該搬送時間に拘束されることがなく、あくまでも荷振れの抑制を必達しながら最小時間で吊荷ＬＭを目標位置に到達させることが可能となる。

更に、本実施形態では、目標速度演算部７０２が実行する演算には、主巻ロープ５０の長さ（主フック５７の位置）、ブーム１６の起伏角θ３およびブーム１６の長さ（旋回半径）を含む吊荷ＬＭの運動方程式が用いられているため、吊荷ＬＭの振れを高い精度で抑えながら、吊荷ＬＭを目標位置に短時間で移動させることができる。

また、上記で説明した２つのダイナミクスモデルのうち、第１のダイナミクスモデルを用いて旋回体１２の旋回動作における旋回角速度θ’_４の最適化を行った場合には、吊荷ＬＭを目標位置に最短時間で到達させることができるとともに、完全なダイナミクスモデル（フルモデル）との波形の一致性も高く維持しながら、吊荷ＬＭの荷振れを抑えることができる。

次に、本発明について実施例を基に更に詳述する。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。

＜簡略化されたダイナミクスモデルの検証＞
前述のように、クレーン１０の旋回制御において所定の条件を満たすような旋回速度を演算するために、目標速度演算部７０２は、第１のダイナミクスモデル（式４、式５）または第２のダイナミクスモデル（式６、式７）を採用する。これらは、完全なダイナミクスモデル（式２、式３）を簡略化したものであるため、その有効性について検証する。図５は、基本的な旋回速度プロファイル（サイクロイドブーム速度）の一例である。図６は、本発明の実施例における半径方向振れ角度θ_１の時間推移を示すグラフである。図７は、本発明の実施例における旋回方向振れ角度θ_２の時間推移を示すグラフである。

図５における時間と旋回角速度との関係は、以下の式１２によって表すことができる。

なお、式１２におけるθ’_ｍａｘ４は、図５の最大角速度に相当する。図５における時刻２０ｓｅｃが目標位置と仮定される。このような速度プロファイルでは、目標位置における速度（角速度）のみならず、加速度（角加速度）もゼロである。このような速度プロファイルとともに、以下の表２に示すような条件を、第１のダイナミクスモデル（実施例２）、第２のダイナミクスモデル（実施例１）、完全なダイナミクスモデル（基準例）にそれぞれ入力することで演算された、半径方向振れ角度θ_１および旋回方向振れ角度θ_２のそれぞれの推移が図６、図７に示されている。なお、各条件では、速度および加速度が１０ｍｓｅｃのサンプリング時間で演算される。

図６、図７を参照して、第１のダイナミクスモデル（式４、式５）は、半径方向振れ角度θ_１および旋回方向振れ角度θ_２のいずれにおいても、完全なダイナミクスモデルに一致する結果となった。一方、第１のダイナミクスモデルと比べて、より多くの項を省略した第２のダイナミクスモデルでは、半径方向振れ角度θ_１においては完全なダイナミクスモデルに近似する結果となったが、旋回方向振れ角度θ_２においては後半の時間域において完全なダイナミクスモデルとの間で乖離が発生する結果となった。このため、完全なダイナミクスモデルとの一致性の観点では、第１のダイナミクスモデルの方が良好な結果となった。

＜荷振れ制約条件について＞
前述のように、本発明では、吊荷ＬＭを最短時間で目標位置に到達させるとともに、目標位置および移動中の荷振れが所定の閾値角度以下に収まるように（荷振れ制約条件）、旋回速度の推移が最適化される。このため、この荷振れ制約条件の有無による吊荷ＬＭの動きについて評価した。当該評価では、起伏角θ_３を４５度と仮定し、その他の条件は以下の表３に示される。

上記の各条件に基づいて、前述の式４、式５、式９、式１０および式１１（第１のダイナミクスモデル）から演算された、目標位置（目標旋回角度θ_ｆ４）までの旋回角θ_４および旋回角速度θ’_４の時間推移の結果が、図８、図９にそれぞれ示される。図８、図９において、「Ｗｉｔｈ ｓｗａｙ」は、式１１の制約条件がすべて加味された場合の演算結果である（後記の図でも同様）。一方、図８、図９において、「Ｎｏ ｓｗａｙ」は、式１１の下４つの半径方向振れ角度θ_１、旋回方向振れ角度θ_２に関する制約条件（荷振れ制約条件）がない場合の演算結果に相当する（後記の図でも同様）。図８に示すように、荷振れ制約条件がない場合には、荷振れ制約条件がある場合と比較して、吊荷ＬＭが早く目標位置に到達する。しかしながら、この場合、図９に示すように、旋回体１２の旋回角速度θ’_４は旋回開始時から急激に上昇するとともに、目標位置の直前で急激に低下される結果となった。なお、上記の各演算について、最適化が終了するまでの演算時間は、「Ｎｏ ｓｗａｙ」では１．５０秒、「Ｗｉｔｈ ｓｗａｙ」では２．９９秒であった。

更に、上記のように生成された時間的に最適化された軌道の有効性を確認するために、式９を式２、式３に適用することで、吊荷ＬＭの半径方向振れ角度θ_１および旋回方向振れ角度θ_２の推移について演算した。図１０は、本実施例における半径方向振れ角度の時間推移を示すグラフである。図１１は、本実施例における旋回方向振れ角度の時間推移を示すグラフである。なお、図１０、図１１のいずれのグラフにおいても、吊荷ＬＭが目標位置に到達した後（図８の到達時間参照）の荷振れも示している。

図１０、図１１に示すように、荷振れ制約条件がある場合には、半径方向振れ角度θ_１、旋回方向振れ角度θ_２ともに、移動中、目標位置および目標位置到達後の荷振れが低く抑えられている。一方、荷振れ制約条件がない場合には、図９に示すように吊荷ＬＭが目標位置に早く到達するものの、移動中、目標位置および目標位置到達後の荷振れが大きく発生する結果が得られた。

更に、上記の演算結果を式１に適用することで、荷振れ制約条件の有無について、旋回体１２を旋回させる旋回モータのトルクについて評価した。図１２は、本実施例における旋回トルクτ４の時間推移を示すグラフである。図１２では、一部のトルク推移が部分的に拡大して示されている。図１２に示すように、荷振れ制約条件がある場合、ない場合のいずれの場合においても、クレーン１０において予め設定される旋回モータの最大トルクおよび最小トルク（図１２の上下の一点鎖線）の間の範囲内に収まる結果となった。なお、前述の式１を制約条件に用いることで，旋回トルクτ４を最大トルクおよび最小トルクの間に抑える多項式軌道の生成も可能である。

＜荷振れ抑制の検証結果＞
次に、前述の第１のダイナミクスモデル（実施例２）および第２のダイナミクスモデル（実施例１）について、式１１に含まれる制約条件として２つのケースにおいて最適化の演算を行った結果を示す。表４は、上記の制約条件の２つのケース（ケース１、ケース２）を示したものである。

ケース１と比較してケース２では、旋回最大角速度θ’_ｍａｘ４、移動中荷振れ許容角速度θ’_ＳＷ、最終荷振れ許容角度θ_ｆが相対的に大きく設定されている一方、最終荷振れ許容角速度θ’_ｆが相対的に小さく設定されている。図１３および図１４は、上記のケース１における旋回角度θ_４および旋回角速度θ’_４の時間推移を示すグラフである。ケース１では、実施例１と実施例２との間で、旋回角θ_４の推移に大きな差は見られないが、旋回角速度θ’_４では、実施例２の方が緩やかな推移を示し、トップスピードを抑えることができる結果となった。

図１５および図１６は、上記のケース２における旋回角度θ_４および旋回角速度θ’_４の時間推移を示すグラフである。ケース２では、実施例２の方が実施例１よりも早く目標位置に到達する結果となった。なお、上記の到達時間の差はあるものの旋回角速度θ’_４のプロファイルには大きな差は見られない。

図１７、図１８、図１９および図２０は、上記のケース１における半径方向振れ角度θ_１、半径方向振れ角速度θ’_１、旋回方向振れ角度θ_２および旋回方向振れ角速度θ’_２のそれぞれの時間推移を示すグラフである。なお、各図では、実施例１、実施例２の結果に加えて、確認のために、前述の完全なダイナミクスモデル（式２、式３）を適用した場合の推移を、実施例１’、実施例２’としてそれぞれ示している。なお、実施例１、実施例２のそれぞれのグラフが途切れている部分（終端）が目標位置への到達時刻に相当する。実施例１’、実施例２’は目標位置に到達した後の推移を評価することができる。各図に示すように、実施例２は実施例１よりも目標位置における荷振れおよびその後の荷振れが低く抑えられている。また、実施例１は、完全なダイナミクスモデル（実施例１’）との一致性も極めて高い結果となった。ただし、いずれの実施例１、２においても、目標位置における荷振れを所定の閾値角度以下に抑えることが可能であるとともに、最適な最小時間で吊荷ＬＭを目標位置に到達させることが可能となる。

図２１、図２２、図２３および図２４は、上記のケース２における半径方向振れ角度θ_１、半径方向振れ角速度θ’_１、旋回方向振れ角度θ_２および旋回方向振れ角速度θ’_２のそれぞれの時間推移を示すグラフである。ケース２においても、実施例２は実施例１よりも目標位置における荷振れおよびその後の荷振れが低く抑えられている。また、実施例１は、完全なダイナミクスモデル（実施例１’）との一致性も極めて高い結果となった。また、いずれの実施例１、２においても、目標位置における荷振れを所定の閾値角度以下に抑えることが可能であるとともに、最適な最小時間で吊荷ＬＭを目標位置に到達させることが可能となる。

以上、本発明の一実施形態に係るクレーン１０について説明した。このような構成によれば、目標位置または旋回動作中、あるいは双方における吊荷ＬＭの荷振れを抑制しつつ吊荷ＬＭを前記目標位置に効率的に移動させることが可能となる。なお、本発明はこれらの形態に限定されるものではない。本発明は、例えば以下のような変形実施形態を取ることができる。

（１）クレーン１０の構造は、図１に示されるものに限定されるものではなく、他の構造を有するクレーンであってもよい。クレーン１０には、ブーム１６の先端部に連結されるジブがあっても良いし、クレーン１０はタワークレーンなどでもよい。また、マスト２０ではなく、ガントリを備えたクレーン１０でもよい。

（２）目標速度演算部７０２が実行する演算に使用される吊荷ＬＭの運動方程式は、先の実施形態において使用したものに限定されるものではない。ブーム１６の長さと主巻ロープ５０の長さとブーム１６の起伏角とを含む、旋回方向および半径方向のそれぞれについての他の吊荷ＬＭの運動方程式が採用されてもよい。この場合、前記旋回角についての多項式関数の係数の決定については、式Ｉ、式ＩＩまたは式ＩＩＩ、ＩＶ以外にも、公知のニュートンの運動方程式やラグランジュの運動方程式に基づく前記の完全なダイナミクスモデル、あるいは完全なダイナミクスモデルからいずれかの微小項を消去した運動方程式を用いてもよい。

（３）上記の実施形態では、式１１において、目標位置および旋回移動中の双方において、半径方向振れ角度θ_１、旋回方向振れ角度θ_２に関する条件がそれぞれ設定される態様にて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。振れ角度の条件は、目標位置のみ設定されてもよいし、旋回移動中のみ設定されてもよい。

１０ クレーン
１２ 旋回体（上部本体）
１３ カウンタウエイト
１４ 走行体（下部本体）
１５ キャブ
１６ ブーム（起伏体）
２０ マスト
２４ ブーム用ガイライン
３０ ブーム起伏用ウインチ
３４ 主巻用ウインチ
３８ ブーム起伏用ロープ
５０ 主巻ロープ（吊荷ロープ）
５７ 主フック
７０ 制御部
７０１ 駆動制御部
７０２ 目標速度演算部（目標速度設定部）
７０３ 指令信号生成部
７０４ 記憶部
７１ 旋回駆動部
７２ ブーム駆動部
７３ ウインチ駆動部
７４ 旋回操作部
７５ ブーム操作部
７６ ウインチ操作部
８１ 入力部（移動情報受付部）
８２ 旋回角検出部
８３ 起伏角検出部
８４ ロープ長さ検出部（ロープ長さ情報取得部）
８５ ブーム長さ取得部（起伏体長さ情報取得部）
８６ 吊荷荷重検出部
８７ 表示部
ＬＭ 吊荷
θ_１ 半径方向振れ角度
θ_２ 旋回方向振れ角度
θ_３ 起伏角
θ_４ 旋回角

Claims (7)

1. 下部本体と、
   前記下部本体に上下方向に延びる旋回中心軸回りに旋回可能に支持された上部本体と、
   前記上部本体に水平な回転中心軸回りに起伏方向に回動可能なように支持された起伏体基端部と前記起伏体基端部とは反対の起伏体先端部とを含む起伏体と、
   前記起伏体先端部から垂下され吊荷に接続される吊荷ロープと、
   所定の速度指令信号を受け付け、当該速度指令信号に応じた速度で前記上部本体を前記旋回中心軸回りに旋回させることが可能な旋回駆動部と、
   前記起伏体基端部と前記起伏体先端部とを結ぶ方向である起伏体長手方向における当該起伏体の長さに対応する情報である起伏体長さ情報を取得する起伏体長さ情報取得部と、
   前記上部本体の前記旋回中心軸回りの旋回角を検出する旋回角検出部と、
   前記回転中心軸回りの前記起伏体の起伏角を検出する起伏角検出部と、
   前記起伏体先端部と前記吊荷との間の前記吊荷ロープの長さに対応する情報であるロープ長さ情報を取得するロープ長さ情報取得部と、
   前記吊荷が前記吊荷ロープによって吊り上げられた状態である初期状態から、前記上部本体の旋回動作によって前記吊荷を所定の目標位置まで前記旋回中心軸回りに移動させるための目標旋回角度を含む移動情報を受け付ける移動情報受付部と、
   前記起伏体を前記上部本体の旋回方向に沿って見た場合における前記吊荷ロープの鉛直方向に対する角度を半径方向振れ角度、前記起伏体を前記上部本体の旋回動作の半径方向に沿って見た場合における前記吊荷ロープの鉛直方向に対する角度を旋回方向振れ角度とすると、少なくとも前記起伏体の長さと前記吊荷ロープの長さと前記起伏角とを含む前記旋回方向および前記半径方向のそれぞれについての前記吊荷の運動方程式と、前記旋回動作の経過時間を変数とした前記上部本体の前記旋回角についての多項式関数であって前記経過時間について互いに異なる次数をそれぞれ含む複数の単項式からなる多項式関数とに基づいて、前記目標位置および前記旋回動作中のうちの少なくとも一方における前記半径方向振れ角度および前記旋回方向振れ角度が所定の閾値角度よりも小さくかつ前記吊荷の前記目標位置への到達時間が最小となるように前記複数の単項式の係数をそれぞれ決定し、前記目標位置に至るまでの前記上部本体の前記経過時間に応じた目標速度を設定する、目標速度設定部と、
   前記目標速度設定部によって設定された前記目標速度に対応する前記速度指令信号を生成し出力する指令信号生成部と、
   を備えるクレーン。
2. 前記指令信号生成部は、前記生成した速度指令信号を前記旋回駆動部に入力する、請求項１に記載のクレーン。
3. 前記目標速度設定部は、前記目標位置における前記半径方向振れ角度および前記旋回方向振れ角度が所定の閾値角度よりも小さくなるように前記複数の単項式の係数をそれぞれ決定する、請求項１または２に記載のクレーン。
4. 前記目標速度設定部は、更に、前記吊荷が前記目標位置に到達した際の前記上部本体の旋回速度がゼロであり、前記半径方向振れ角度および前記旋回方向振れ角度のそれぞれの時間変化である半径方向振れ角速度および旋回方向振れ角速度が前記目標位置において所定の閾値角速度以下になるように、前記複数の単項式の係数をそれぞれ決定する、請求項１乃至３の何れか１項に記載のクレーン。
5. 前記目標速度設定部は、更に、前記旋回動作中において、前記上部本体の移動速度が予め設定された最大速度以下であり、前記半径方向振れ角度および前記旋回方向振れ角度が所定の移動中最大角度以下であり、前記半径方向振れ角速度および前記旋回方向振れ角速度が所定の移動中最大角速度以下になるように、前記複数の単項式の係数をそれぞれ決定する、請求項１乃至４の何れか１項に記載のクレーン。
6. 前記目標速度設定部は、前記吊荷の運動方程式として、以下の式Ｉ、式ＩＩに基づいて、前記目標速度を設定する、請求項１乃至５の何れか１項に記載のクレーン。
   θ’’_１＝２×θ’_２×θ’_４＋θ_２×θ’’_４＋θ_１×θ’_４ ^２＋（Ｌ／ｌ）×θ’_４ ^２×ｓｉｎθ_３－（ｇ／ｌ）×θ_１ ・・・（式Ｉ）
   θ’’_２＝－（Ｌ／ｌ）×θ’’_４×ｓｉｎθ_３－２×θ’_１×θ’_４－θ_１×θ’’_４＋θ_２×θ’_４ ^２－（ｇ／ｌ）θ_２ ・・・（式ＩＩ）
   （ただし、θ_１：吊荷の半径方向振れ角度、θ_２：吊荷の旋回方向振れ角度、θ’_１：吊荷の半径方向振れ角速度、θ’_２：吊荷の旋回方向振れ角速度、θ’’_１：吊荷の半径方向振れ角加速度、θ’’_２：吊荷の旋回方向振れ角加速度、θ_３：鉛直方向に対する前記起伏体の起伏角、θ’_４：前記上部本体の旋回角速度、θ’’_４：前記上部本体の旋回角加速度、ｇ：重力加速度、Ｌ：前記起伏体の長さ、ｌ：前記起伏体の先端部から前記吊荷までの前記吊荷ロープの長さ）
7. 前記目標速度設定部は、前記吊荷の運動方程式として、以下の式ＩＩＩ、式ＩＶに基づいて、前記目標速度を設定する、請求項１乃至５の何れか１項に記載のクレーン。
   θ’’_１＝２×θ’_２×θ’_４＋（Ｌ／ｌ）×θ’_４ ^２×ｓｉｎθ_３－（ｇ／ｌ）×θ_１ ・・・（式ＩＩＩ）
   θ’’_２＝－（Ｌ／ｌ）×θ’’_４×ｓｉｎθ_３－（ｇ／ｌ）θ_２ ・・・（式ＩＶ）
   （ただし、θ_１：吊荷の半径方向振れ角度、θ_２：吊荷の旋回方向振れ角度、θ’_２：吊荷の旋回方向振れ角速度、θ’’_１：吊荷の半径方向振れ角加速度、θ’’_２：吊荷の旋回方向振れ角加速度、θ_３：鉛直方向に対する前記起伏体の起伏角、θ’_４：前記上部本体の旋回角速度、θ’’_４：前記上部本体の旋回角加速度、ｇ：重力加速度、Ｌ：前記起伏体の長さ、ｌ：前記起伏体の先端部から前記吊荷までの前記吊荷ロープの長さ）

Images