荷役機械及び荷役機械の制御方法
【課題】低コストでバランスモード時の操作力を確実に軽減することができる荷役機械を提供する。
【解決手段】バランスモードに設定可能なエアー式の荷役機械１であって、上下方向及び水平方向に移動自在に構成され、所定の荷役物１０を保持する把持機構８を有する昇降機構５と、昇降機構５をエアーの圧力によって上下方向に駆動するエアーシリンダ２０と、エアー源２１から供給されるエアーの圧力を所定の圧力に調整してエアーシリンダ２０に供給する圧力比例制御弁２２と、昇降機構５の上下方向の加速度を検出する加速度センサ１１とを備える。バランスモードにおいて、加速度センサ１１にて得られた荷役物１０の加速度情報及びエアーシリンダ２０内の圧力情報に基づいて、エアーシリンダ２０に対する圧力比例制御弁２２の出力エアー圧力を調整するように構成されている。
【解決手段】バランスモードに設定可能なエアー式の荷役機械１であって、上下方向及び水平方向に移動自在に構成され、所定の荷役物１０を保持する把持機構８を有する昇降機構５と、昇降機構５をエアーの圧力によって上下方向に駆動するエアーシリンダ２０と、エアー源２１から供給されるエアーの圧力を所定の圧力に調整してエアーシリンダ２０に供給する圧力比例制御弁２２と、昇降機構５の上下方向の加速度を検出する加速度センサ１１とを備える。バランスモードにおいて、加速度センサ１１にて得られた荷役物１０の加速度情報及びエアーシリンダ２０内の圧力情報に基づいて、エアーシリンダ２０に対する圧力比例制御弁２２の出力エアー圧力を調整するように構成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷役物を昇降して搬送するための荷役機械に関し、特にエアー式の駆動源によって昇降機構を駆動する荷役機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、工場の生産ラインあるいは倉庫などでは、比較的重量のある機材の脱着作業に伴う搬送、半製品荷役物の次工程への搬送、また出荷製品の運搬など多種多様な搬送が行われている。
こうした各種荷役物の搬送作業では、労力軽減化と安全化を図り、かつ、小回りが利き機動性と簡便さを備えた荷役機械が使用されている。
【０００３】
この荷役機械１０１の基本構造は、例えば図６に示すように、底面または台車から垂直に立ち上げた支柱を有する本体１０３を備えている。
荷役機械１０１の本体１０３の内部にはエアーシリンダ１２０が配設され、このエアーシリンダ１２０のピストンロッド１２０ａの先端部には、昇降機構１０５を構成するアーム１０４（１０４ａ〜１０４ｃ）がリンク機構によって連結されている。
このリンク機構はアーム１０４の上昇下降動作時の力点となるとともに、アーム１０４は本体１０３内部で支持されこの支持部がアーム１０４の支点となっている。
【０００４】
そして、先端部側のアーム１０４ｃには、負荷バランスボタン１０９ａ、無負荷バランスボタン１０９ｂ、把持ボタン１０９ｃ、把持解除ボタン１０９ｄを有する操作ボックス１０９が設けられている。また、アーム１０４ｃの先端部には、荷役物１００を保持するための把持機構１０８が設けられている。
エアーシリンダ１２０にはエアー給排気用の制御回路１２３が接続配管され、操作ボックス１０９からの上昇・下降指令に応じて、エアー源１２１から圧力比例制御弁１２２を介してエアーシリンダ１２０へエアーの給排気処理を行うように構成されている。
【０００５】
この場合、例えば、操作グリップ（図示せず）を上方向に操作すると、エアーシリンダ１２０には制御回路１２３を介してエアーが給気され、これによりエアーシリンダ１２０のピストンロッド１２０ａは図中下方向に動作し、アーム１０４ｃ先端部の把持機構１０８で把持された荷役物１００は、てこの原理で上方向に移動する。
ところで、このような荷役機械１０１としては、作業者１３０が直接荷役物１００を掴んで無重力感覚で自在に移動・移載できるバランスモードという制御モードが装備されているものがある。
【０００６】
バランスモードにおける回路動作を図６を使って説明する。
バランスモードでは、荷役機械１０１は、支点Ａに対してアーム１０４の重量及び把持された荷役物１００の重量による反時計回り方向の力のモーメントＭ１と、エアーシリンダ１２０のピストンロッド１２０ａに支持された力点Ｂによる時計回り方向の力のモーメントＭ２を一致させることにより、アーム１０４が停止した状態（以下、バランスモードという。）になる。
【０００７】
バランスモードでは、エアーシリンダ１２０内のエアー圧が常に一定圧になるように、制御回路１２３によって圧力比例制御弁１２２の出力エアー圧が制御されている。このバランス状態で作業者１３０が荷役物１００に力を加えると、これら両方の力のモーメントＭ１、Ｍ２のバランスが崩れ、作業者１３０が力を加えた方向に荷役物１００を自在に動かすことが可能になる。
【０００８】
例えば、荷役機械１０１で荷役物１００を搬送する場合の操作方法について説明すると、把持機構１０８によって荷役物１００を把持した後、作業者１３０が負荷バランスボタン１０９ａを押すと、制御回路１２３は圧力比例制御弁１２２の入力ポート（図示せず）に荷役物１００を把持する際のエアーシリンダ圧（負荷バランス圧）を設定し、荷役機械１０１を負荷バランスモードに設定する。
【０００９】
負荷バランスモードで荷役物１００を所定の場所に搬送し荷役物１００を着地させた後、無負荷バランスボタン１０９ｂを押すと、荷役機械１０１は無負荷バランスモードに設定される。
この状態で把持解除ボタン１０９ｄが押下されると、荷役物１００はリリース（把持解除）されるが、荷役機械１０１が無負荷バランスモードに設定されているため、荷役機械１０１は上昇することなくその場で停止状態を保つ。
【００１０】
ところで、バランスモードで作業を行う場合は、クレーンモードによる作業と比較すると、素早い搬送作業ができること、さらに位置決め作業が容易になるなどのメリットがある反面、操作力が重い（大きい）荷役機械１０１を使って長時間バランスモードで作業を行うなどの場合は、作業者１３０が大きな疲労感を感じたり、場合によっては筋肉痛などを引き起こす可能性もある。
また、近年は、高齢者及び女性による搬送作業も増えてきているため、バランスモード時の操作力は極力軽くしたい等の要望が増えてきている。
【００１１】
以上のような理由・要望もあって、バランスモードでの荷役物１００の搬送作業を行う場合は、バランス時の操作力を極力小さくする必要がある。
バランスモード時では、搬送する荷役物１００の重量が軽量で、荷役機械１０１のリンク機構部に摩擦等がない理想的な状態にあれば、比較的小さな操作力で荷役物１００を動かすことができるが、実際の荷役機械１０１では、エアーシリンダ１２０が動作するときのピストン１２０ｂとシリンダチューブ内壁１２０ｃの摺動摩擦、各アーム１０４ａ〜１０４ｃのリンク機構部の摩擦、搬送する荷役物１００及び荷役機械１０１のアーム１０４の慣性などがあるため、ある程度の操作力が必要となる。
【００１２】
加えて、荷役物１００の重量が重くなり大型の荷役機械１０１が必要になってくると、特に大きな操作力を要することになる。
荷役機械１０１のバランスモード時の操作力が軽い場合、作業者１３０が長時間に渡って荷役機械１０１を操作しても疲労は出にくいが、操作力が重くなってくると、作業時間が延びてしまうだけではなく、上述したように作業者１３０の健康上の問題等も発生する可能性も出てくる。
【００１３】
このバランスモード時の操作力を軽減するためには、上記の操作力を重くしている要因についてそれぞれ検討を行い改良を行う必要がある。
近年では、使用部品の改良・見直し、品質向上等により操作力の課題は改善されてきてはいるが、荷役機械の構造上の問題、製造コストの問題、物理的な問題等もあって、従来の荷役機械では操作力を軽減していくことは容易ではなかった。
【００１４】
我々は、上述した操作力の問題を解決するため、特願２００５−２８５９７５号（特開２００７−９１４３９号公報：特許文献１）において、力センサを利用したバランス時の操作力軽減機能を発明し提案した。
この発明では、バランスモード時に作業者が荷役機械の操作ハンドルに加えた力を力センサで検出し、シリンダ圧を調整して操作力を軽減するように制御している。そして、この操作力軽減機能を荷役機械に装備することによって、バランス時の操作力を大幅に軽減することができた。
【００１５】
しかし、この操作力軽減機能の制御方式については以下の問題があった。
すなわち、この従来技術では力センサを操作ハンドルに取り付けてバランスモード時の操作力を検出しようとしたが、操作ハンドル以外の場所を把持して操作した場合（例えば、荷役機械のアームを持って操作する場合）には、操作力が検出できなくなるため、操作力軽減機能が有効に機能しないという問題がある。
また、バランスモード時の力センサを含めた操作力検出部（力センサ部）は、操作力を精度良く検出でき、かつ、応答性に優れ、さらに長期間の使用に耐えうる高品質の機械的構造が必要になるため、製造原価が高いという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開２００７−９１４３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明は、前記課題を解消するためになされたもので、低コストでバランスモード時の操作力を確実に軽減することができる荷役機械を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記目的を達成するためになされた本発明は、バランスモードに設定可能なエアー式の荷役機械であって、上下方向及び水平方向に移動自在に構成され、所定の荷役物を保持する保持機構を有する昇降機構と、前記昇降機構をエアーの圧力によって上下方向に駆動するエアーシリンダと、所定のエアー源から供給されるエアーの圧力を所定の圧力に調整して前記エアーシリンダに供給する圧力比例制御弁と、前記昇降機構の上下方向の加速度情報を検出するための加速度情報検出用センサとを備え、前記バランスモードにおいて、前記加速度情報検出用センサからの情報に基づき得られた当該荷役物の加速度情報及び前記エアーシリンダ内の圧力情報に基づいて、前記エアーシリンダに対する前記圧力比例制御弁の出力エアー圧力を調整するように構成されているものである。
また、本発明では、前記エアーシリンダ内の圧力を検出する圧力センサを有し、前記バランスモードにおいて、前記加速度検出用センサにて得られた情報及び前記圧力センサにて得られた圧力情報に基づいて、前記エアーシリンダに対する前記圧力比例制御弁の出力エアー圧力を調整するように構成されている場合にも効果的である。
また、本発明では、前記保持機構に、前記加速度情報検出用センサとして、上下方向の加速度を検出する加速度センサが設けられている場合にも効果的である。
また、本発明では、前記昇降機構が荷役物昇降用のアームを有し、当該アームに、前記加速度情報検出用センサとして、ジャイロセンサ又は傾斜センサが設けられている場合にも効果的である。
また、本発明では、前記エアーシリンダのピストンロッドに、前記加速度情報検出用センサとして、位置センサ又は速度センサが設けられている場合にも効果的である。
一方、本発明は、上述したいずれかの荷役機械を制御する方法であって、前記昇降機構によって荷役物を保持し当該荷役機械をバランスモードに設定した状態において、作業者が前記昇降機構を上方向又は下方向に移動させた場合に、前記加速度情報検出用センサからの情報に基づき得られた当該荷役物の加速度情報に応じて、前記昇降機構を当該移動方向に付勢動作させるように、前記エアーシリンダに対する前記圧力比例制御弁の出力エアー圧力を制御する荷役機械の制御方法である。
【００１９】
本発明の場合、バランスモードにおいて、加速度情報検出用センサからの情報に基づき得られた当該荷役物の加速度情報及びエアーシリンダ内の圧力情報に基づいて、エアーシリンダに対する圧力比例制御弁の出力エアー圧力を調整するようにしたことから、作業者が、昇降機構によって動く部分（操作部、操作ハンドル、荷役物、アーム等）のいずれの部分を把持した場合であっても、確実に操作力を軽減させることができる。
【００２０】
したがって、本発明によれば、バランス機能を効果的に活用することが可能になり、幅広い作業に対応させることが可能になる。
また、本発明において、加速度情報検出用センサとして、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）技術による小形で低コスト加速度センサを用いるようにすれば、操作力軽減機能を有する荷役機械を低コストで提供することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、バランスモードにおける操作力を確実且つ大幅に軽減することができるため、作業者は長時間バランスモードで作業を行っても疲労感を感じることがなく作業を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に係る荷役機械の実施の形態の外観構成を示す概略図
【図２】同荷役機械の制御系を示すブロック図
【図３】本発明による操作力軽減機能の基本原理を説明するための概念図
【図４】本発明に係る荷役機械の他の実施の形態の制御系を示すブロック図
【図５】本発明に係る荷役機械の更に他の実施の形態の制御系を示すブロック図
【図６】従来技術に係る荷役機械の制御系を示すブロック図
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の好ましい実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明に係る荷役機械の実施の形態の外観構成を示す概略図、図２は、同荷役機械の制御系を示すブロック図である。
図１に示すように、本実施の形態の荷役機械１は、鉛直に立設された支柱２を有し、この支柱２の上部に制御ボックスからなる本体３が設けられている。
【００２４】
図２に示すように、この本体３内には、従来技術と同様のエアーシリンダ２０が設けられている。このエアーシリンダ２０は、エアー配管部２８、圧力比例制御弁２２、エアー配管部２７を介してエアー源２１に接続されている。
【００２５】
荷役機械１は、荷役物１０を昇降搬送するための昇降機構５を備え、この昇降機構５は、第１〜第３のアーム４ａ〜４ｃから構成されるアーム４を有している。ここで、第１のアーム４ａは、上下方向に所定の角度回動可能な状態で、てこを構成するように支点Ａにおいて支持され、エアーシリンダ２０のピストンロッド２０ａによって駆動されるように力点Ｂにおいてリンク機構により連結されている。
【００２６】
また、第１のアーム４ａは、支柱２の中心軸を中心にして水平方向に旋回するように支持されている。
第１のアーム４ａの先端部には、第２のアーム４ｂが、関節部６を介して常に水平状態を保持する状態で連結され、さらに、第２のアーム４ｂの先端部（下端部）には、鉛直方向に延びる第３のアーム４ｃが水平方向に回転可能な状態で連結されている。
【００２７】
また、第３のアーム４ｃの下側部分には、操作グリップ９０ａを有する操作ボックス９が取り付けられている。
ここで、操作ボックス９には、負荷バランスボタン９ａ、無負荷バランスボタン９ｂ、把持ボタン９ｃ、把持解除ボタン９ｄが設けられている。
【００２８】
これら負荷バランスボタン９ａ、無負荷バランスボタン９ｂ、把持ボタン９ｃ、把持解除ボタン９ｄは、制御回路２３に接続されており、それぞれオン・オフ信号を制御回路２３に送出するように構成されている。
制御回路２３は、マイクロコンピュータ、メモリ等を有して構成されている。この制御回路２３は、Ｄ／Ａ変換器２６を介して上記圧力比例制御弁２２に電気的に接続され、後述するように、圧力比例制御弁２２に対して種々の制御信号を送出して圧力比例制御弁２２を制御する。
【００２９】
さらに、第３のアーム４ｃの下端部には、例えばエアーの吸引により荷役物１０を保持（把持）する把持機構（保持機構）８が取り付けられている。
この把持機構８は、操作ボックス９に設けられた把持ボタン９ｃ又は把持解除ボタン９ｄを操作することによって荷役物１０を把持し又は把持を解除するように構成されている。
【００３０】
本実施の形態においては、エアー源２１から供給されるエアーの圧力を、制御回路２３からの命令により圧力比例制御弁２２によって調整してエアーシリンダ２０に出力するように構成されている。
また、圧力比例制御弁２２の後段には、圧力センサ２４が設けられている。この圧力センサ２４は、圧力比例制御弁２２とエアーシリンダ２０との間のエアー配管部２８内の圧力を測定するもので、Ａ／Ｄ変換器２５を介して制御回路２３に電気的に接続され、測定した圧力データを制御回路２３に送出するようになっている。
【００３１】
本実施の形態においては、把持機構８に、上下方向の加速度を検出する加速度センサ１１が設けられている。この加速度センサ１１は、Ａ／Ｄ変換器２５を介して制御回路２３に電気的に接続され、検出した加速度データを制御回路２３に送出するようになっている。
【００３２】
図３は、本発明による操作力軽減機能の基本原理を説明するための概念図である。
ここでは、説明を簡単化するため、理想的な荷役機械を想定して説明を行うこととする。
【００３３】
すなわち、以下説明を行う荷役機械１は、エアーシリンダ２０内には摺動摩擦はなく、また、アーム４の関節部その他のメカ部は摩擦が全くない理想的な機構とし、荷役機械１のアーム４の重量は図中、作用点Ｃに集中しているとする。
また、圧力比例制御弁２２からエアーシリンダ２０内へのエアー供給は遅れることなく瞬時に行うことができるとし、さらに圧力比例制御弁２２の入力設定圧が一定の場合、如何なる装置状態においてもエアーシリンダ２０内のエアー圧を一定に保つことができると仮定する。
【００３４】
まず、エアーシリンダ２０内のエアー圧をＰ（負荷バランス圧）に設定し負荷バランスモードになったとすると、支点Ａにおいて時計回り方向と反時計回り方向の力のモーメントが等しくなることから次式が成り立つ。
（Ｍａ＋Ｍｗ）・Ｇ・Ｌａ＝Ｐ・Ｓ・Ｌｂ （Ｇ：重力加速度）
Ｍｔ・Ｇ・Ｌａ＝Ｐ・Ｓ・Ｌｂ …式（１）
【００３５】
ここでは、アーム４の有効長をＬａ、本体３内のアーム４の有効長をＬｂとし、荷役物１０の重量をＭａ、アーム４の重量をＭｗとし、Ｍｔ＝Ｍａ＋Ｍｗとする。
このバランスモードにおいて、作業者３０が荷役機械１で把持した荷役物１０に力を加えて上方向に加速度ａで動かそうとすると、次式で表される力Ｆが必要になる。
Ｆ＝（Ｍａ＋Ｍｗ）・ａ＝Ｍｔ・ａ …式（２）
【００３６】
また、このバランスモードにおいて、仮にエアーシリンダ２０内の圧力をΔＰだけ上昇させた場合、アーム４先端の作用点Ｃに発生する力をＦ１とすると、Ｆ１は次式で表される。
Ｆ１・Ｌａ＝Ｌｂ・ΔＰ・Ｓ
Ｆ１＝ΔＰ・Ｓ・Ｌｂ／Ｌａ …式（３）
【００３７】
エアーシリンダ２０内のエアー圧をΔＰ上昇させた状態において、作業者３０が荷役物１０に力を加えて加速度ａで上昇させるのに必要な力をＦ２とすると、Ｆ２は、式（２）、式（３）より、次式で表される。
Ｆ＝Ｆ１＋Ｆ２＝Ｍｔ・ａ
Ｆ２＝Ｍｔ・ａ−Ｆ１
＝Ｍｔ・ａ−ΔＰ・Ｓ・Ｌｂ／Ｌａ …式（４）
式（４）において、エアーシリンダ２０内の圧力上昇分ΔＰを次のように設定する。
ΔＰ＝ｋ・Ｍｔ・ａ（ｋは比例定数） …式（５）
式（５）を式（４）に代入すると、Ｆ２は次式で表される。
Ｆ２＝Ｍｔ・ａ−ｋ・Ｍｔ・ａ・Ｓ・Ｌｂ／Ｌａ
＝Ｍｔ・ａ（１−ｋ・Ｓ・Ｌｂ／Ｌａ） …式（６）
式（６）において、操作力Ｆ２を限りなく０にするためには、
１−ｋ・Ｓ・Ｌｂ／Ｌａ＝０ …式（７）
が成立すればよい。
式（７）から式（５）で設定した比例定数ｋを求めると、
ｋ＝Ｌａ／（Ｓ・Ｌｂ） …式（８）
になる。
【００３８】
式（１）より、アーム４の重量と荷役物１０の重量を加算したトータルの重量Ｍｔは次式で表される。
Ｍｔ＝Ｐ・Ｓ・Ｌｂ／（Ｇ・Ｌａ） …式（９）
エアーシリンダ２０内の圧力をバランスモード時のエアー圧から増減することにより、バランスモードにおける操作力Ｆ２を限りなく０にすることができると考える。
【００３９】
バランスモード時にエアーシリンダ２０内に設定するエアー圧増減分ΔＰは、式（８）、式（９）を式（５）に代入して次式で求めることができる。
ΔＰ＝ｋ・Ｍｔ・ａ＝{Ｌａ／（Ｓ・Ｌｂ）}{Ｐ・Ｓ・Ｌｂ／（Ｇ・Ｌａ）}・ａ
＝Ｐ・ａ／Ｇ …式（１０）
式（１０）は、操作力を軽減するために設定するバランスモード時のエアーシリンダ２０の圧力上昇分ΔＰは、アーム４先端の加速度及びバランスモード時のエアーシリンダ２０内の圧力に比例させて設定すれば良いことを示している。
【００４０】
したがって、式（１０）を、比例定数Ｋを使って次式のように書き換える。
ΔＰ＝ Ｋ・Ｐ・ａ（Ｋ＝０〜１／Ｇ） …式（１１）
式（１１）において、Ｋ＝０の場合はΔＰ＝０になるため、上記式（４）よりＦ２＝Ｍｔ・ａとなり、操作力軽減機能は無効になる。
一方、Ｋ＝１／Ｇとすると、ΔＰ＝Ｐ・ａ／Ｇ、Ｆ２＝０となり、バランス時の操作力を０（理想的な状態）に設定することができることを示している。
【００４１】
もっとも、実際の作業では、操作力が軽すぎた場合、昇降機構５が僅かな力で動いてしまうことになるため、かえって使いづらくなることも考えられる。
そのため、作業内容に応じてＫの値を設定しバランス時の操作力を調整したり、また、検出した加速度値を有効として処理するか否かの判断する閾値を設けたりする必要がある。
【００４２】
以下、本発明の具体例を図２、図４及び図５に示す実施の形態に即して説明する。
図２に示す実施の形態の荷役機械１においては、把持機構８に設けた加速度センサ１１によって荷役物１０の上下方向の加速度を検出し、さらに、エアーシリンダ２０内のエアー圧については、エアーシリンダ２０と圧力比例制御弁２２を接続するエアー配管部２８に設けた圧力センサ２４によってエアーシリンダ２０への供給エアー圧（≒エアーシリンダ２０内のエアー圧）を検出している。
【００４３】
この場合、圧力センサ２４からのシリンダ圧の情報は、荷役物１０の重量、荷役機械１の重量等の情報を等価なものとして検出している。
そして、加速度センサ１１及び圧力センサ２４で検出したセンサ情報は、Ａ／Ｄ変換器２５を介して制御回路２３に読み込まれる。
圧力比例制御弁２２への入力設定圧の設定は、Ｄ／Ａ変換器２６を介して行われる。この圧力比例制御弁２２への入力設定圧を一定に保つと、エアーシリンダ２０内のエアー圧はピストンロッド２０ａの位置に関係なく一定圧に保たれる。
【００４４】
そして、作業者３０が操作ボックス９の負荷バランスボタン９ａを押した場合には、エアーシリンダ２０内のエアー圧は荷役物１０を把持した状態でバランス状態が保てるように設定され、また、無負荷バランスボタン９ｂを押すと、荷役物１０をリリースしているときにバランス状態になるように設定されるようになっている。
【００４５】
このような構成において、例えば荷役物１０を把持して負荷バランスモードに設定されたと仮定する。
この状態において、作業者３０が把持機構８又は把持した荷役物１０等に力を加えて上下方向に操作すると、制御回路２３は、把持機構８に装備した加速度センサ１１からの出力情報により、把持機構８（又はアーム４）が動かされた上下方向の向きと、そのときの加速度の大きさを知ることができる。
【００４６】
ここで、この動作時に検出した加速度をａとし、エアーシリンダ２０内の負荷バランス圧をＰとすると、加速度検出時に圧力比例制御弁２２を介して新たに設定するエアーシリンダ２０内のエアー圧Ｐ’は、上記式（１１）に基づき次式で表される。
この場合、加速度ａは上昇方向に動いた場合は正値、下降方向に動かした場合は負値とする。
【００４７】
Ｐ’＝Ｐ＋ΔＰ
＝Ｐ＋Ｋ・Ｐ・ａ（但し、Ｋ＝０〜１／Ｇ）
＝Ｐ（１＋Ｋ・ａ） …式（１２）
式（１２）において、例えば上昇方向に０．１［Ｇ］で動かす場合を想定すると、圧力比例制御弁２２を制御することにより、このときの操作力を限りなく０に近づけようとした場合（Ｋ＝１／Ｇ）、エアーシリンダ２０内のエアー圧は次のように設定することになる。
【００４８】
Ｐ’＝Ｐ（１＋（１／Ｇ）・０．１Ｇ）＝１．１×Ｐ …式（１３）
式（１３）は、昇降機構５によって荷役物１０を０．１Ｇで上昇させる場合は、エアーシリンダ２０内のバランス圧を１．１倍にすると、操作力を限りなく０にすることができることを示している。
【００４９】
従来の荷役機械では、作業者が荷役物を上昇方向に加速度０．１Ｇで動かそうとすると、理想的な荷役機械においてもＭｔ（＝Ｍａ＋Ｍｗ）×０．１Ｇの力を必要とするが、本実施の形態による荷役機械１では、荷役物１０を上昇方向に同じ加速度で動かすために必要な操作力を、エアーシリンダ２０内のエアー圧を上昇させることによって得ることができるため、初動時に作業者３０が荷役物１０又は把持機構８に対して僅かな力を加えれば、手を添えるだけで昇降機構５を所望の加速度で動かすことができることを示している。
【００５０】
ただし、以上の説明は理想的な荷役機械を想定して行ったもので、実際の荷役機械では、荷役機械各部の摩擦、制御処理のレスポンスに遅れ等があるため、上述したように操作力を全く０にすることはできない。しかし、実際の荷役機械でも本実施の形態の荷役機械１の構成により、バランスモード時の操作力は大幅に軽減できることを確認している。
【００５１】
以上述べたように本実施の形態によれば、バランスモードにおける操作力を大幅に軽減することができるめ、作業者は長時間バランスモードで作業を行っても疲労感を感じることがなく作業を行うことができる。
また、本実施の形態において使用する加速度センサ１１は、ＭＥＭＳ技術による小形で低コストの部品によって構成することができるので、低コストで作業性の優れた荷役機械１を提供することができる。
【００５２】
さらに、従来の歪みゲージなどを使用した力センサによる操作力軽減機能の場合、例えば、操作ハンドルのように操作力を検出できる箇所を把持して動かす必要があるなどの使用条件による制限があったが、本実施の形態では、加速度センサ１１は荷役機械１のアーム４が上下方向に動きさえすれば動き（加速度）を検出できるため、操作グリップ９０ａ、把持機構８、荷役物１０、アーム４など如何なる場所を把持しても操作力軽減機能を有効にすることになる。したがって、バランス機能を効果的に活用することが可能になり、幅広い作業に対応させることが可能になる。
【００５３】
なお、以上の実施の形態では、加速度センサ１１を把持機構８に装備した場合を例にとって説明したが、加速度センサ１１はアーム４に取り付けても良いし、また、荷役機械１の本体３内のピストンロッド２０ａや、力点Ｂ部分に装備しても同等の効果が得られる。
この場合、例えば本体３内の力点Ｂ部分に加速度センサ１１を取り付けた場合では、検出できる加速度は小さくなるが、制御回路２３が当該加速度情報を読み込んだ後、読み込んだ加速度値をアーム比倍（Ｌａ／Ｌｂ）すれば、把持機構８に装備した場合と同等になる。
【００５４】
図４は、本発明の他の実施の形態の制御系を示すブロック図であり、以下、上記実施の形態と対応する部分には同一の符号を付しその詳細な説明を省略する。
図２に示す実施の形態では把持機構８に加速度センサ１１を設けて昇降機構５の上下動作時の加速度を検出するようにしたが、本実施の形態では、図４に示すように、荷役機械１Ａのアーム４にジャイロセンサ３１又は傾斜センサ３２が設けられている。
【００５５】
そして、ジャイロセンサ３１又は傾斜センサ３２は、Ａ／Ｄ変換器２５を介して制御回路２３に電気的に接続され、検出したデータを制御回路２３に送出するようになっている。
ここで、ジャイロセンサ３１の場合には、アーム４の上下動作時の角速度を検出することになるが、ジャイロセンサ３１で検出した角速度情報を１階時間微分して角加速度を算出し、算出した角加速度に有効アーム長を乗ずればアーム４先端部の加速度を算出することができる。
【００５６】
一方、傾斜センサ３２は、角度成分を検出するセンサであるため、傾斜センサ３２で検出した角度情報を２階時間微分して角加速度を算出することにより、ジャイロセンサ３１と同様、アーム４先端部の加速度情報を算出することができる。
そして、このようにして得られた加速度情報に基づいて圧力比例制御弁２２を制御することにより、エアーシリンダ２０内のバランス圧を所定の値に設定し、操作力を限りなく０に近づけるようにする。
【００５７】
以上述べた本実施の形態においても、上記実施の形態と同様、バランスモードにおける操作力を大幅に軽減することができるため、作業者３０は長時間バランスモードで作業を行っても疲労感を感じることがなく作業を行うことができる。
また、本実施の形態によれば、ＭＥＭＳ技術による低コストのジャイロセンサ３１を使用するため、低コストでアーム４の角加速度を検出し、アーム４先端の加速度を算出できるという効果がある。
その他の構成及び作用効果については上述の実施の形態と同一であるのでその詳細な説明を省略する。
【００５８】
図５は、本発明の更に他の実施の形態の制御系を示すブロック図であり、以下、上記実施の形態と対応する部分には同一の符号を付しその詳細な説明を省略する。
本実施の形態では、図５に示すように、荷役機械１Ｂの本体３側のピストンロッド２０ａに、位置検出センサ４１又は速度検出センサ４２が設けられている。
【００５９】
そして、位置検出センサ４１又は速度検出センサ４２は、Ａ／Ｄ変換器２５を介して制御回路２３に電気的に接続され、検出したデータを制御回路２３に送出するようになっている。
ここで、ピストンロッド２０ａに位置検出センサ４１を設けた場合には、２階時間微分することにより加速度を算出することができる。
一方、速度検出センサ４２の場合は、１階時間微分して加速度を算出することができる。
そして、このようにして得られた加速度情報に基づいて圧力比例制御弁２２を制御することにより、エアーシリンダ２０内のバランス圧を所定の値に設定し、操作力を限りなく０に近づけるようにする。
【００６０】
以上述べた本実施の形態においても、上記実施の形態と同様、バランスモードにおける操作力を大幅に軽減することができるため、作業者３０は長時間バランスモードで作業を行っても疲労感を感じることがなく作業を行うことができる。
また、本実施の形態によれば、図２、図４の実施の形態では加速度センサ１１、ジャイロセンサ３１などのようにＭＥＭＳ技術によって近年急速に普及してきているセンサを使用して本発明を実現したが、本実施の形態によれば、旧来からあるリニアスケールなどのセンサを使用しても本発明を実現できるという効果がある。
その他の構成及び作用効果については上述の実施の形態と同一であるのでその詳細な説明を省略する。
【００６１】
なお、本発明は上述の実施の形態に限られることなく、種々の変更を行うことができる。
例えば、図２に示す実施の形態では、荷役機械１の加速度及びバランスモード時のエアーシリンダ２０内のエアー圧を加速度センサ１１及び圧力センサ２４で検出してバランス圧を制御するようにしたが、エアーシリンダ２０内のエアー圧を検出することなく、加速度センサ１１によって加速度を検出して制御するだけでも、ある程度の操作力軽減効果は得られる。
【００６２】
また、エアーシリンダ２０内のエアー圧力は、圧力センサ２４によって負荷バランスモード時のシリンダ圧を検出しなくても、予め制御回路２３に記憶・登録させておいた負荷又は無負荷バランス圧情報を用いて計算処理して算出することもできる。この場合には、装置構成を簡素化することができるというメリットがある。
【００６３】
さらに、図２に示す実施の形態では、低価格で本発明の操作力軽減機能を実現するため低価格の圧力センサ２４及び加速度センサ１１を用いた場合を説明したが、上記式（９）から理解されるように、圧力センサの代わりに、荷役物１０の重量をロードセルなどの重量センサで用いて直接重量を測定し制御に用いても同じような効果が得られる。
さらにまた、上記各実施の形態においては、アーム式荷役機械を例にとって説明したが、バランスモードを備えたホイストタイプの荷役機械においても、荷役物の把持機構部に加速度センサを装備することにより、アーム式荷役機械と同様に本発明を適用できることは明らかである。
【符号の説明】
【００６４】
１…荷役機械
３…本体
４…アーム
５…昇降機構
８…把持機構
９…操作ボックス
１０…荷役物
１１…加速度センサ（加速度情報検出用センサ）
２０…エアーシリンダ
２１…エアー源
２２…圧力比例制御弁
２３…制御回路
２４…圧力センサ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷役物を昇降して搬送するための荷役機械に関し、特にエアー式の駆動源によって昇降機構を駆動する荷役機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、工場の生産ラインあるいは倉庫などでは、比較的重量のある機材の脱着作業に伴う搬送、半製品荷役物の次工程への搬送、また出荷製品の運搬など多種多様な搬送が行われている。
こうした各種荷役物の搬送作業では、労力軽減化と安全化を図り、かつ、小回りが利き機動性と簡便さを備えた荷役機械が使用されている。
【０００３】
この荷役機械１０１の基本構造は、例えば図６に示すように、底面または台車から垂直に立ち上げた支柱を有する本体１０３を備えている。
荷役機械１０１の本体１０３の内部にはエアーシリンダ１２０が配設され、このエアーシリンダ１２０のピストンロッド１２０ａの先端部には、昇降機構１０５を構成するアーム１０４（１０４ａ〜１０４ｃ）がリンク機構によって連結されている。
このリンク機構はアーム１０４の上昇下降動作時の力点となるとともに、アーム１０４は本体１０３内部で支持されこの支持部がアーム１０４の支点となっている。
【０００４】
そして、先端部側のアーム１０４ｃには、負荷バランスボタン１０９ａ、無負荷バランスボタン１０９ｂ、把持ボタン１０９ｃ、把持解除ボタン１０９ｄを有する操作ボックス１０９が設けられている。また、アーム１０４ｃの先端部には、荷役物１００を保持するための把持機構１０８が設けられている。
エアーシリンダ１２０にはエアー給排気用の制御回路１２３が接続配管され、操作ボックス１０９からの上昇・下降指令に応じて、エアー源１２１から圧力比例制御弁１２２を介してエアーシリンダ１２０へエアーの給排気処理を行うように構成されている。
【０００５】
この場合、例えば、操作グリップ（図示せず）を上方向に操作すると、エアーシリンダ１２０には制御回路１２３を介してエアーが給気され、これによりエアーシリンダ１２０のピストンロッド１２０ａは図中下方向に動作し、アーム１０４ｃ先端部の把持機構１０８で把持された荷役物１００は、てこの原理で上方向に移動する。
ところで、このような荷役機械１０１としては、作業者１３０が直接荷役物１００を掴んで無重力感覚で自在に移動・移載できるバランスモードという制御モードが装備されているものがある。
【０００６】
バランスモードにおける回路動作を図６を使って説明する。
バランスモードでは、荷役機械１０１は、支点Ａに対してアーム１０４の重量及び把持された荷役物１００の重量による反時計回り方向の力のモーメントＭ１と、エアーシリンダ１２０のピストンロッド１２０ａに支持された力点Ｂによる時計回り方向の力のモーメントＭ２を一致させることにより、アーム１０４が停止した状態（以下、バランスモードという。）になる。
【０００７】
バランスモードでは、エアーシリンダ１２０内のエアー圧が常に一定圧になるように、制御回路１２３によって圧力比例制御弁１２２の出力エアー圧が制御されている。このバランス状態で作業者１３０が荷役物１００に力を加えると、これら両方の力のモーメントＭ１、Ｍ２のバランスが崩れ、作業者１３０が力を加えた方向に荷役物１００を自在に動かすことが可能になる。
【０００８】
例えば、荷役機械１０１で荷役物１００を搬送する場合の操作方法について説明すると、把持機構１０８によって荷役物１００を把持した後、作業者１３０が負荷バランスボタン１０９ａを押すと、制御回路１２３は圧力比例制御弁１２２の入力ポート（図示せず）に荷役物１００を把持する際のエアーシリンダ圧（負荷バランス圧）を設定し、荷役機械１０１を負荷バランスモードに設定する。
【０００９】
負荷バランスモードで荷役物１００を所定の場所に搬送し荷役物１００を着地させた後、無負荷バランスボタン１０９ｂを押すと、荷役機械１０１は無負荷バランスモードに設定される。
この状態で把持解除ボタン１０９ｄが押下されると、荷役物１００はリリース（把持解除）されるが、荷役機械１０１が無負荷バランスモードに設定されているため、荷役機械１０１は上昇することなくその場で停止状態を保つ。
【００１０】
ところで、バランスモードで作業を行う場合は、クレーンモードによる作業と比較すると、素早い搬送作業ができること、さらに位置決め作業が容易になるなどのメリットがある反面、操作力が重い（大きい）荷役機械１０１を使って長時間バランスモードで作業を行うなどの場合は、作業者１３０が大きな疲労感を感じたり、場合によっては筋肉痛などを引き起こす可能性もある。
また、近年は、高齢者及び女性による搬送作業も増えてきているため、バランスモード時の操作力は極力軽くしたい等の要望が増えてきている。
【００１１】
以上のような理由・要望もあって、バランスモードでの荷役物１００の搬送作業を行う場合は、バランス時の操作力を極力小さくする必要がある。
バランスモード時では、搬送する荷役物１００の重量が軽量で、荷役機械１０１のリンク機構部に摩擦等がない理想的な状態にあれば、比較的小さな操作力で荷役物１００を動かすことができるが、実際の荷役機械１０１では、エアーシリンダ１２０が動作するときのピストン１２０ｂとシリンダチューブ内壁１２０ｃの摺動摩擦、各アーム１０４ａ〜１０４ｃのリンク機構部の摩擦、搬送する荷役物１００及び荷役機械１０１のアーム１０４の慣性などがあるため、ある程度の操作力が必要となる。
【００１２】
加えて、荷役物１００の重量が重くなり大型の荷役機械１０１が必要になってくると、特に大きな操作力を要することになる。
荷役機械１０１のバランスモード時の操作力が軽い場合、作業者１３０が長時間に渡って荷役機械１０１を操作しても疲労は出にくいが、操作力が重くなってくると、作業時間が延びてしまうだけではなく、上述したように作業者１３０の健康上の問題等も発生する可能性も出てくる。
【００１３】
このバランスモード時の操作力を軽減するためには、上記の操作力を重くしている要因についてそれぞれ検討を行い改良を行う必要がある。
近年では、使用部品の改良・見直し、品質向上等により操作力の課題は改善されてきてはいるが、荷役機械の構造上の問題、製造コストの問題、物理的な問題等もあって、従来の荷役機械では操作力を軽減していくことは容易ではなかった。
【００１４】
我々は、上述した操作力の問題を解決するため、特願２００５−２８５９７５号（特開２００７−９１４３９号公報：特許文献１）において、力センサを利用したバランス時の操作力軽減機能を発明し提案した。
この発明では、バランスモード時に作業者が荷役機械の操作ハンドルに加えた力を力センサで検出し、シリンダ圧を調整して操作力を軽減するように制御している。そして、この操作力軽減機能を荷役機械に装備することによって、バランス時の操作力を大幅に軽減することができた。
【００１５】
しかし、この操作力軽減機能の制御方式については以下の問題があった。
すなわち、この従来技術では力センサを操作ハンドルに取り付けてバランスモード時の操作力を検出しようとしたが、操作ハンドル以外の場所を把持して操作した場合（例えば、荷役機械のアームを持って操作する場合）には、操作力が検出できなくなるため、操作力軽減機能が有効に機能しないという問題がある。
また、バランスモード時の力センサを含めた操作力検出部（力センサ部）は、操作力を精度良く検出でき、かつ、応答性に優れ、さらに長期間の使用に耐えうる高品質の機械的構造が必要になるため、製造原価が高いという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開２００７−９１４３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明は、前記課題を解消するためになされたもので、低コストでバランスモード時の操作力を確実に軽減することができる荷役機械を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記目的を達成するためになされた本発明は、バランスモードに設定可能なエアー式の荷役機械であって、上下方向及び水平方向に移動自在に構成され、所定の荷役物を保持する保持機構を有する昇降機構と、前記昇降機構をエアーの圧力によって上下方向に駆動するエアーシリンダと、所定のエアー源から供給されるエアーの圧力を所定の圧力に調整して前記エアーシリンダに供給する圧力比例制御弁と、前記昇降機構の上下方向の加速度情報を検出するための加速度情報検出用センサとを備え、前記バランスモードにおいて、前記加速度情報検出用センサからの情報に基づき得られた当該荷役物の加速度情報及び前記エアーシリンダ内の圧力情報に基づいて、前記エアーシリンダに対する前記圧力比例制御弁の出力エアー圧力を調整するように構成されているものである。
また、本発明では、前記エアーシリンダ内の圧力を検出する圧力センサを有し、前記バランスモードにおいて、前記加速度検出用センサにて得られた情報及び前記圧力センサにて得られた圧力情報に基づいて、前記エアーシリンダに対する前記圧力比例制御弁の出力エアー圧力を調整するように構成されている場合にも効果的である。
また、本発明では、前記保持機構に、前記加速度情報検出用センサとして、上下方向の加速度を検出する加速度センサが設けられている場合にも効果的である。
また、本発明では、前記昇降機構が荷役物昇降用のアームを有し、当該アームに、前記加速度情報検出用センサとして、ジャイロセンサ又は傾斜センサが設けられている場合にも効果的である。
また、本発明では、前記エアーシリンダのピストンロッドに、前記加速度情報検出用センサとして、位置センサ又は速度センサが設けられている場合にも効果的である。
一方、本発明は、上述したいずれかの荷役機械を制御する方法であって、前記昇降機構によって荷役物を保持し当該荷役機械をバランスモードに設定した状態において、作業者が前記昇降機構を上方向又は下方向に移動させた場合に、前記加速度情報検出用センサからの情報に基づき得られた当該荷役物の加速度情報に応じて、前記昇降機構を当該移動方向に付勢動作させるように、前記エアーシリンダに対する前記圧力比例制御弁の出力エアー圧力を制御する荷役機械の制御方法である。
【００１９】
本発明の場合、バランスモードにおいて、加速度情報検出用センサからの情報に基づき得られた当該荷役物の加速度情報及びエアーシリンダ内の圧力情報に基づいて、エアーシリンダに対する圧力比例制御弁の出力エアー圧力を調整するようにしたことから、作業者が、昇降機構によって動く部分（操作部、操作ハンドル、荷役物、アーム等）のいずれの部分を把持した場合であっても、確実に操作力を軽減させることができる。
【００２０】
したがって、本発明によれば、バランス機能を効果的に活用することが可能になり、幅広い作業に対応させることが可能になる。
また、本発明において、加速度情報検出用センサとして、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）技術による小形で低コスト加速度センサを用いるようにすれば、操作力軽減機能を有する荷役機械を低コストで提供することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、バランスモードにおける操作力を確実且つ大幅に軽減することができるため、作業者は長時間バランスモードで作業を行っても疲労感を感じることがなく作業を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に係る荷役機械の実施の形態の外観構成を示す概略図
【図２】同荷役機械の制御系を示すブロック図
【図３】本発明による操作力軽減機能の基本原理を説明するための概念図
【図４】本発明に係る荷役機械の他の実施の形態の制御系を示すブロック図
【図５】本発明に係る荷役機械の更に他の実施の形態の制御系を示すブロック図
【図６】従来技術に係る荷役機械の制御系を示すブロック図
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の好ましい実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明に係る荷役機械の実施の形態の外観構成を示す概略図、図２は、同荷役機械の制御系を示すブロック図である。
図１に示すように、本実施の形態の荷役機械１は、鉛直に立設された支柱２を有し、この支柱２の上部に制御ボックスからなる本体３が設けられている。
【００２４】
図２に示すように、この本体３内には、従来技術と同様のエアーシリンダ２０が設けられている。このエアーシリンダ２０は、エアー配管部２８、圧力比例制御弁２２、エアー配管部２７を介してエアー源２１に接続されている。
【００２５】
荷役機械１は、荷役物１０を昇降搬送するための昇降機構５を備え、この昇降機構５は、第１〜第３のアーム４ａ〜４ｃから構成されるアーム４を有している。ここで、第１のアーム４ａは、上下方向に所定の角度回動可能な状態で、てこを構成するように支点Ａにおいて支持され、エアーシリンダ２０のピストンロッド２０ａによって駆動されるように力点Ｂにおいてリンク機構により連結されている。
【００２６】
また、第１のアーム４ａは、支柱２の中心軸を中心にして水平方向に旋回するように支持されている。
第１のアーム４ａの先端部には、第２のアーム４ｂが、関節部６を介して常に水平状態を保持する状態で連結され、さらに、第２のアーム４ｂの先端部（下端部）には、鉛直方向に延びる第３のアーム４ｃが水平方向に回転可能な状態で連結されている。
【００２７】
また、第３のアーム４ｃの下側部分には、操作グリップ９０ａを有する操作ボックス９が取り付けられている。
ここで、操作ボックス９には、負荷バランスボタン９ａ、無負荷バランスボタン９ｂ、把持ボタン９ｃ、把持解除ボタン９ｄが設けられている。
【００２８】
これら負荷バランスボタン９ａ、無負荷バランスボタン９ｂ、把持ボタン９ｃ、把持解除ボタン９ｄは、制御回路２３に接続されており、それぞれオン・オフ信号を制御回路２３に送出するように構成されている。
制御回路２３は、マイクロコンピュータ、メモリ等を有して構成されている。この制御回路２３は、Ｄ／Ａ変換器２６を介して上記圧力比例制御弁２２に電気的に接続され、後述するように、圧力比例制御弁２２に対して種々の制御信号を送出して圧力比例制御弁２２を制御する。
【００２９】
さらに、第３のアーム４ｃの下端部には、例えばエアーの吸引により荷役物１０を保持（把持）する把持機構（保持機構）８が取り付けられている。
この把持機構８は、操作ボックス９に設けられた把持ボタン９ｃ又は把持解除ボタン９ｄを操作することによって荷役物１０を把持し又は把持を解除するように構成されている。
【００３０】
本実施の形態においては、エアー源２１から供給されるエアーの圧力を、制御回路２３からの命令により圧力比例制御弁２２によって調整してエアーシリンダ２０に出力するように構成されている。
また、圧力比例制御弁２２の後段には、圧力センサ２４が設けられている。この圧力センサ２４は、圧力比例制御弁２２とエアーシリンダ２０との間のエアー配管部２８内の圧力を測定するもので、Ａ／Ｄ変換器２５を介して制御回路２３に電気的に接続され、測定した圧力データを制御回路２３に送出するようになっている。
【００３１】
本実施の形態においては、把持機構８に、上下方向の加速度を検出する加速度センサ１１が設けられている。この加速度センサ１１は、Ａ／Ｄ変換器２５を介して制御回路２３に電気的に接続され、検出した加速度データを制御回路２３に送出するようになっている。
【００３２】
図３は、本発明による操作力軽減機能の基本原理を説明するための概念図である。
ここでは、説明を簡単化するため、理想的な荷役機械を想定して説明を行うこととする。
【００３３】
すなわち、以下説明を行う荷役機械１は、エアーシリンダ２０内には摺動摩擦はなく、また、アーム４の関節部その他のメカ部は摩擦が全くない理想的な機構とし、荷役機械１のアーム４の重量は図中、作用点Ｃに集中しているとする。
また、圧力比例制御弁２２からエアーシリンダ２０内へのエアー供給は遅れることなく瞬時に行うことができるとし、さらに圧力比例制御弁２２の入力設定圧が一定の場合、如何なる装置状態においてもエアーシリンダ２０内のエアー圧を一定に保つことができると仮定する。
【００３４】
まず、エアーシリンダ２０内のエアー圧をＰ（負荷バランス圧）に設定し負荷バランスモードになったとすると、支点Ａにおいて時計回り方向と反時計回り方向の力のモーメントが等しくなることから次式が成り立つ。
（Ｍａ＋Ｍｗ）・Ｇ・Ｌａ＝Ｐ・Ｓ・Ｌｂ （Ｇ：重力加速度）
Ｍｔ・Ｇ・Ｌａ＝Ｐ・Ｓ・Ｌｂ …式（１）
【００３５】
ここでは、アーム４の有効長をＬａ、本体３内のアーム４の有効長をＬｂとし、荷役物１０の重量をＭａ、アーム４の重量をＭｗとし、Ｍｔ＝Ｍａ＋Ｍｗとする。
このバランスモードにおいて、作業者３０が荷役機械１で把持した荷役物１０に力を加えて上方向に加速度ａで動かそうとすると、次式で表される力Ｆが必要になる。
Ｆ＝（Ｍａ＋Ｍｗ）・ａ＝Ｍｔ・ａ …式（２）
【００３６】
また、このバランスモードにおいて、仮にエアーシリンダ２０内の圧力をΔＰだけ上昇させた場合、アーム４先端の作用点Ｃに発生する力をＦ１とすると、Ｆ１は次式で表される。
Ｆ１・Ｌａ＝Ｌｂ・ΔＰ・Ｓ
Ｆ１＝ΔＰ・Ｓ・Ｌｂ／Ｌａ …式（３）
【００３７】
エアーシリンダ２０内のエアー圧をΔＰ上昇させた状態において、作業者３０が荷役物１０に力を加えて加速度ａで上昇させるのに必要な力をＦ２とすると、Ｆ２は、式（２）、式（３）より、次式で表される。
Ｆ＝Ｆ１＋Ｆ２＝Ｍｔ・ａ
Ｆ２＝Ｍｔ・ａ−Ｆ１
＝Ｍｔ・ａ−ΔＰ・Ｓ・Ｌｂ／Ｌａ …式（４）
式（４）において、エアーシリンダ２０内の圧力上昇分ΔＰを次のように設定する。
ΔＰ＝ｋ・Ｍｔ・ａ（ｋは比例定数） …式（５）
式（５）を式（４）に代入すると、Ｆ２は次式で表される。
Ｆ２＝Ｍｔ・ａ−ｋ・Ｍｔ・ａ・Ｓ・Ｌｂ／Ｌａ
＝Ｍｔ・ａ（１−ｋ・Ｓ・Ｌｂ／Ｌａ） …式（６）
式（６）において、操作力Ｆ２を限りなく０にするためには、
１−ｋ・Ｓ・Ｌｂ／Ｌａ＝０ …式（７）
が成立すればよい。
式（７）から式（５）で設定した比例定数ｋを求めると、
ｋ＝Ｌａ／（Ｓ・Ｌｂ） …式（８）
になる。
【００３８】
式（１）より、アーム４の重量と荷役物１０の重量を加算したトータルの重量Ｍｔは次式で表される。
Ｍｔ＝Ｐ・Ｓ・Ｌｂ／（Ｇ・Ｌａ） …式（９）
エアーシリンダ２０内の圧力をバランスモード時のエアー圧から増減することにより、バランスモードにおける操作力Ｆ２を限りなく０にすることができると考える。
【００３９】
バランスモード時にエアーシリンダ２０内に設定するエアー圧増減分ΔＰは、式（８）、式（９）を式（５）に代入して次式で求めることができる。
ΔＰ＝ｋ・Ｍｔ・ａ＝{Ｌａ／（Ｓ・Ｌｂ）}{Ｐ・Ｓ・Ｌｂ／（Ｇ・Ｌａ）}・ａ
＝Ｐ・ａ／Ｇ …式（１０）
式（１０）は、操作力を軽減するために設定するバランスモード時のエアーシリンダ２０の圧力上昇分ΔＰは、アーム４先端の加速度及びバランスモード時のエアーシリンダ２０内の圧力に比例させて設定すれば良いことを示している。
【００４０】
したがって、式（１０）を、比例定数Ｋを使って次式のように書き換える。
ΔＰ＝ Ｋ・Ｐ・ａ（Ｋ＝０〜１／Ｇ） …式（１１）
式（１１）において、Ｋ＝０の場合はΔＰ＝０になるため、上記式（４）よりＦ２＝Ｍｔ・ａとなり、操作力軽減機能は無効になる。
一方、Ｋ＝１／Ｇとすると、ΔＰ＝Ｐ・ａ／Ｇ、Ｆ２＝０となり、バランス時の操作力を０（理想的な状態）に設定することができることを示している。
【００４１】
もっとも、実際の作業では、操作力が軽すぎた場合、昇降機構５が僅かな力で動いてしまうことになるため、かえって使いづらくなることも考えられる。
そのため、作業内容に応じてＫの値を設定しバランス時の操作力を調整したり、また、検出した加速度値を有効として処理するか否かの判断する閾値を設けたりする必要がある。
【００４２】
以下、本発明の具体例を図２、図４及び図５に示す実施の形態に即して説明する。
図２に示す実施の形態の荷役機械１においては、把持機構８に設けた加速度センサ１１によって荷役物１０の上下方向の加速度を検出し、さらに、エアーシリンダ２０内のエアー圧については、エアーシリンダ２０と圧力比例制御弁２２を接続するエアー配管部２８に設けた圧力センサ２４によってエアーシリンダ２０への供給エアー圧（≒エアーシリンダ２０内のエアー圧）を検出している。
【００４３】
この場合、圧力センサ２４からのシリンダ圧の情報は、荷役物１０の重量、荷役機械１の重量等の情報を等価なものとして検出している。
そして、加速度センサ１１及び圧力センサ２４で検出したセンサ情報は、Ａ／Ｄ変換器２５を介して制御回路２３に読み込まれる。
圧力比例制御弁２２への入力設定圧の設定は、Ｄ／Ａ変換器２６を介して行われる。この圧力比例制御弁２２への入力設定圧を一定に保つと、エアーシリンダ２０内のエアー圧はピストンロッド２０ａの位置に関係なく一定圧に保たれる。
【００４４】
そして、作業者３０が操作ボックス９の負荷バランスボタン９ａを押した場合には、エアーシリンダ２０内のエアー圧は荷役物１０を把持した状態でバランス状態が保てるように設定され、また、無負荷バランスボタン９ｂを押すと、荷役物１０をリリースしているときにバランス状態になるように設定されるようになっている。
【００４５】
このような構成において、例えば荷役物１０を把持して負荷バランスモードに設定されたと仮定する。
この状態において、作業者３０が把持機構８又は把持した荷役物１０等に力を加えて上下方向に操作すると、制御回路２３は、把持機構８に装備した加速度センサ１１からの出力情報により、把持機構８（又はアーム４）が動かされた上下方向の向きと、そのときの加速度の大きさを知ることができる。
【００４６】
ここで、この動作時に検出した加速度をａとし、エアーシリンダ２０内の負荷バランス圧をＰとすると、加速度検出時に圧力比例制御弁２２を介して新たに設定するエアーシリンダ２０内のエアー圧Ｐ’は、上記式（１１）に基づき次式で表される。
この場合、加速度ａは上昇方向に動いた場合は正値、下降方向に動かした場合は負値とする。
【００４７】
Ｐ’＝Ｐ＋ΔＰ
＝Ｐ＋Ｋ・Ｐ・ａ（但し、Ｋ＝０〜１／Ｇ）
＝Ｐ（１＋Ｋ・ａ） …式（１２）
式（１２）において、例えば上昇方向に０．１［Ｇ］で動かす場合を想定すると、圧力比例制御弁２２を制御することにより、このときの操作力を限りなく０に近づけようとした場合（Ｋ＝１／Ｇ）、エアーシリンダ２０内のエアー圧は次のように設定することになる。
【００４８】
Ｐ’＝Ｐ（１＋（１／Ｇ）・０．１Ｇ）＝１．１×Ｐ …式（１３）
式（１３）は、昇降機構５によって荷役物１０を０．１Ｇで上昇させる場合は、エアーシリンダ２０内のバランス圧を１．１倍にすると、操作力を限りなく０にすることができることを示している。
【００４９】
従来の荷役機械では、作業者が荷役物を上昇方向に加速度０．１Ｇで動かそうとすると、理想的な荷役機械においてもＭｔ（＝Ｍａ＋Ｍｗ）×０．１Ｇの力を必要とするが、本実施の形態による荷役機械１では、荷役物１０を上昇方向に同じ加速度で動かすために必要な操作力を、エアーシリンダ２０内のエアー圧を上昇させることによって得ることができるため、初動時に作業者３０が荷役物１０又は把持機構８に対して僅かな力を加えれば、手を添えるだけで昇降機構５を所望の加速度で動かすことができることを示している。
【００５０】
ただし、以上の説明は理想的な荷役機械を想定して行ったもので、実際の荷役機械では、荷役機械各部の摩擦、制御処理のレスポンスに遅れ等があるため、上述したように操作力を全く０にすることはできない。しかし、実際の荷役機械でも本実施の形態の荷役機械１の構成により、バランスモード時の操作力は大幅に軽減できることを確認している。
【００５１】
以上述べたように本実施の形態によれば、バランスモードにおける操作力を大幅に軽減することができるめ、作業者は長時間バランスモードで作業を行っても疲労感を感じることがなく作業を行うことができる。
また、本実施の形態において使用する加速度センサ１１は、ＭＥＭＳ技術による小形で低コストの部品によって構成することができるので、低コストで作業性の優れた荷役機械１を提供することができる。
【００５２】
さらに、従来の歪みゲージなどを使用した力センサによる操作力軽減機能の場合、例えば、操作ハンドルのように操作力を検出できる箇所を把持して動かす必要があるなどの使用条件による制限があったが、本実施の形態では、加速度センサ１１は荷役機械１のアーム４が上下方向に動きさえすれば動き（加速度）を検出できるため、操作グリップ９０ａ、把持機構８、荷役物１０、アーム４など如何なる場所を把持しても操作力軽減機能を有効にすることになる。したがって、バランス機能を効果的に活用することが可能になり、幅広い作業に対応させることが可能になる。
【００５３】
なお、以上の実施の形態では、加速度センサ１１を把持機構８に装備した場合を例にとって説明したが、加速度センサ１１はアーム４に取り付けても良いし、また、荷役機械１の本体３内のピストンロッド２０ａや、力点Ｂ部分に装備しても同等の効果が得られる。
この場合、例えば本体３内の力点Ｂ部分に加速度センサ１１を取り付けた場合では、検出できる加速度は小さくなるが、制御回路２３が当該加速度情報を読み込んだ後、読み込んだ加速度値をアーム比倍（Ｌａ／Ｌｂ）すれば、把持機構８に装備した場合と同等になる。
【００５４】
図４は、本発明の他の実施の形態の制御系を示すブロック図であり、以下、上記実施の形態と対応する部分には同一の符号を付しその詳細な説明を省略する。
図２に示す実施の形態では把持機構８に加速度センサ１１を設けて昇降機構５の上下動作時の加速度を検出するようにしたが、本実施の形態では、図４に示すように、荷役機械１Ａのアーム４にジャイロセンサ３１又は傾斜センサ３２が設けられている。
【００５５】
そして、ジャイロセンサ３１又は傾斜センサ３２は、Ａ／Ｄ変換器２５を介して制御回路２３に電気的に接続され、検出したデータを制御回路２３に送出するようになっている。
ここで、ジャイロセンサ３１の場合には、アーム４の上下動作時の角速度を検出することになるが、ジャイロセンサ３１で検出した角速度情報を１階時間微分して角加速度を算出し、算出した角加速度に有効アーム長を乗ずればアーム４先端部の加速度を算出することができる。
【００５６】
一方、傾斜センサ３２は、角度成分を検出するセンサであるため、傾斜センサ３２で検出した角度情報を２階時間微分して角加速度を算出することにより、ジャイロセンサ３１と同様、アーム４先端部の加速度情報を算出することができる。
そして、このようにして得られた加速度情報に基づいて圧力比例制御弁２２を制御することにより、エアーシリンダ２０内のバランス圧を所定の値に設定し、操作力を限りなく０に近づけるようにする。
【００５７】
以上述べた本実施の形態においても、上記実施の形態と同様、バランスモードにおける操作力を大幅に軽減することができるため、作業者３０は長時間バランスモードで作業を行っても疲労感を感じることがなく作業を行うことができる。
また、本実施の形態によれば、ＭＥＭＳ技術による低コストのジャイロセンサ３１を使用するため、低コストでアーム４の角加速度を検出し、アーム４先端の加速度を算出できるという効果がある。
その他の構成及び作用効果については上述の実施の形態と同一であるのでその詳細な説明を省略する。
【００５８】
図５は、本発明の更に他の実施の形態の制御系を示すブロック図であり、以下、上記実施の形態と対応する部分には同一の符号を付しその詳細な説明を省略する。
本実施の形態では、図５に示すように、荷役機械１Ｂの本体３側のピストンロッド２０ａに、位置検出センサ４１又は速度検出センサ４２が設けられている。
【００５９】
そして、位置検出センサ４１又は速度検出センサ４２は、Ａ／Ｄ変換器２５を介して制御回路２３に電気的に接続され、検出したデータを制御回路２３に送出するようになっている。
ここで、ピストンロッド２０ａに位置検出センサ４１を設けた場合には、２階時間微分することにより加速度を算出することができる。
一方、速度検出センサ４２の場合は、１階時間微分して加速度を算出することができる。
そして、このようにして得られた加速度情報に基づいて圧力比例制御弁２２を制御することにより、エアーシリンダ２０内のバランス圧を所定の値に設定し、操作力を限りなく０に近づけるようにする。
【００６０】
以上述べた本実施の形態においても、上記実施の形態と同様、バランスモードにおける操作力を大幅に軽減することができるため、作業者３０は長時間バランスモードで作業を行っても疲労感を感じることがなく作業を行うことができる。
また、本実施の形態によれば、図２、図４の実施の形態では加速度センサ１１、ジャイロセンサ３１などのようにＭＥＭＳ技術によって近年急速に普及してきているセンサを使用して本発明を実現したが、本実施の形態によれば、旧来からあるリニアスケールなどのセンサを使用しても本発明を実現できるという効果がある。
その他の構成及び作用効果については上述の実施の形態と同一であるのでその詳細な説明を省略する。
【００６１】
なお、本発明は上述の実施の形態に限られることなく、種々の変更を行うことができる。
例えば、図２に示す実施の形態では、荷役機械１の加速度及びバランスモード時のエアーシリンダ２０内のエアー圧を加速度センサ１１及び圧力センサ２４で検出してバランス圧を制御するようにしたが、エアーシリンダ２０内のエアー圧を検出することなく、加速度センサ１１によって加速度を検出して制御するだけでも、ある程度の操作力軽減効果は得られる。
【００６２】
また、エアーシリンダ２０内のエアー圧力は、圧力センサ２４によって負荷バランスモード時のシリンダ圧を検出しなくても、予め制御回路２３に記憶・登録させておいた負荷又は無負荷バランス圧情報を用いて計算処理して算出することもできる。この場合には、装置構成を簡素化することができるというメリットがある。
【００６３】
さらに、図２に示す実施の形態では、低価格で本発明の操作力軽減機能を実現するため低価格の圧力センサ２４及び加速度センサ１１を用いた場合を説明したが、上記式（９）から理解されるように、圧力センサの代わりに、荷役物１０の重量をロードセルなどの重量センサで用いて直接重量を測定し制御に用いても同じような効果が得られる。
さらにまた、上記各実施の形態においては、アーム式荷役機械を例にとって説明したが、バランスモードを備えたホイストタイプの荷役機械においても、荷役物の把持機構部に加速度センサを装備することにより、アーム式荷役機械と同様に本発明を適用できることは明らかである。
【符号の説明】
【００６４】
１…荷役機械
３…本体
４…アーム
５…昇降機構
８…把持機構
９…操作ボックス
１０…荷役物
１１…加速度センサ（加速度情報検出用センサ）
２０…エアーシリンダ
２１…エアー源
２２…圧力比例制御弁
２３…制御回路
２４…圧力センサ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バランスモードに設定可能なエアー式の荷役機械であって、
上下方向及び水平方向に移動自在に構成され、所定の荷役物を保持する保持機構を有する昇降機構と、
前記昇降機構をエアーの圧力によって上下方向に駆動するエアーシリンダと、
所定のエアー源から供給されるエアーの圧力を所定の圧力に調整して前記エアーシリンダに供給する圧力比例制御弁と、
前記昇降機構の上下方向の加速度情報を検出するための加速度情報検出用センサとを備え、
前記バランスモードにおいて、前記加速度情報検出用センサからの情報に基づき得られた当該荷役物の加速度情報及び前記エアーシリンダ内の圧力情報に基づいて、前記エアーシリンダに対する前記圧力比例制御弁の出力エアー圧力を調整するように構成されている荷役機械。
【請求項２】
前記エアーシリンダ内の圧力を検出する圧力センサを有し、前記バランスモードにおいて、前記加速度検出用センサにて得られた情報及び前記圧力センサにて得られた圧力情報に基づいて、前記エアーシリンダに対する前記圧力比例制御弁の出力エアー圧力を調整するように構成されている請求項１記載の荷役機械。
【請求項３】
前記保持機構に、前記加速度情報検出用センサとして、上下方向の加速度を検出する加速度センサが設けられている請求項１又は２のいずれか１項記載の荷役機械。
【請求項４】
前記昇降機構が荷役物昇降用のアームを有し、当該アームに、前記加速度情報検出用センサとして、ジャイロセンサ又は傾斜センサが設けられている請求項１又は２のいずれか１項記載の荷役機械。
【請求項５】
前記エアーシリンダのピストンロッドに、前記加速度情報検出用センサとして、位置センサ又は速度センサが設けられている請求項１又は２のいずれか１項記載の荷役機械。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項記載の荷役機械を制御する方法であって、
前記昇降機構によって荷役物を保持し当該荷役機械をバランスモードに設定した状態において、
作業者が前記昇降機構を上方向又は下方向に移動させた場合に、前記加速度情報検出用センサからの情報に基づき得られた当該荷役物の加速度情報に応じて、前記昇降機構を当該移動方向に付勢動作させるように、前記エアーシリンダに対する前記圧力比例制御弁の出力エアー圧力を制御する荷役機械の制御方法。
【請求項１】
バランスモードに設定可能なエアー式の荷役機械であって、
上下方向及び水平方向に移動自在に構成され、所定の荷役物を保持する保持機構を有する昇降機構と、
前記昇降機構をエアーの圧力によって上下方向に駆動するエアーシリンダと、
所定のエアー源から供給されるエアーの圧力を所定の圧力に調整して前記エアーシリンダに供給する圧力比例制御弁と、
前記昇降機構の上下方向の加速度情報を検出するための加速度情報検出用センサとを備え、
前記バランスモードにおいて、前記加速度情報検出用センサからの情報に基づき得られた当該荷役物の加速度情報及び前記エアーシリンダ内の圧力情報に基づいて、前記エアーシリンダに対する前記圧力比例制御弁の出力エアー圧力を調整するように構成されている荷役機械。
【請求項２】
前記エアーシリンダ内の圧力を検出する圧力センサを有し、前記バランスモードにおいて、前記加速度検出用センサにて得られた情報及び前記圧力センサにて得られた圧力情報に基づいて、前記エアーシリンダに対する前記圧力比例制御弁の出力エアー圧力を調整するように構成されている請求項１記載の荷役機械。
【請求項３】
前記保持機構に、前記加速度情報検出用センサとして、上下方向の加速度を検出する加速度センサが設けられている請求項１又は２のいずれか１項記載の荷役機械。
【請求項４】
前記昇降機構が荷役物昇降用のアームを有し、当該アームに、前記加速度情報検出用センサとして、ジャイロセンサ又は傾斜センサが設けられている請求項１又は２のいずれか１項記載の荷役機械。
【請求項５】
前記エアーシリンダのピストンロッドに、前記加速度情報検出用センサとして、位置センサ又は速度センサが設けられている請求項１又は２のいずれか１項記載の荷役機械。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項記載の荷役機械を制御する方法であって、
前記昇降機構によって荷役物を保持し当該荷役機械をバランスモードに設定した状態において、
作業者が前記昇降機構を上方向又は下方向に移動させた場合に、前記加速度情報検出用センサからの情報に基づき得られた当該荷役物の加速度情報に応じて、前記昇降機構を当該移動方向に付勢動作させるように、前記エアーシリンダに対する前記圧力比例制御弁の出力エアー圧力を制御する荷役機械の制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１０−２４１５１８（Ｐ２０１０−２４１５１８Ａ）
【公開日】平成２２年１０月２８日（２０１０．１０．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−８９１２６（Ｐ２００９−８９１２６）
【出願日】平成２１年４月１日（２００９．４．１）
【出願人】（０００１１００２２）トーヨーコーケン株式会社 (19)
【公開日】平成２２年１０月２８日（２０１０．１０．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年４月１日（２００９．４．１）
【出願人】（０００１１００２２）トーヨーコーケン株式会社 (19)
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