JP2005280997A - 機械部材の協調複数軸制御を有する油圧システム - Google Patents

Abstract

【課題】 油圧システムを提供する。
【解決手段】 例えば、建設機械のブームのような機械部材は第１アクチュエータに枢着され、第２アクチュエータにより変更できる長さを有する。制御方法により、機械のオペレータは機械の先端が直線経路に沿って動くように命令できる。オペレータの命令は２つの直交軸に沿った速度を特定し、これらの速度が部材の角速度と長手速度に変換される。角速度と長手速度は第１および第２アクチュエータのための個別の速度に変換される。各アクチュエータは命令された部材の動きを達成するため個別の速度で動作される。
【選択図】 図１

Description

本発明は機械に取り付けられた機械部品の組合せの動きを発生させる複数の油圧アクチュエータに対する流量を制御する油圧システムに関し、特に、建設機械のブームのような機械部材のピボット角および長さを変えるために油圧アクチュエータを制御する油圧システムに関する。

建設および農業用機械は異なる機械部品を動作させるため油圧システムを採用している。例えば、遠隔ハンドラーはトラクタに枢着された伸縮ブームの端部に取付けられた１対のフォーク又はプラットフォームを有する一般材料取扱い機械である。個別の油圧アクチュエータはピボット角を変更するため、即ち、ブームを上下させるためおよびブームの長さを変化させるために使用され、これらの動作の各々は機械の“機能”と称される。ここで使用される用語“油圧アクチュエータ”は一般的に作動液流量を機械の動作に変換する、シリンダー又はモータのような、装置を意味している。

従来、機械オペレータは複数の異なる制御レバーのハンドルを操作することによりそれぞれ独立した機能を制御していた。各制御レバーはポンプから関連したシリンダに流れる加圧流体の流量とポンプにより供給されるタンクに戻る流量を管理するバルブを制御する。従来より、制御レバーはバルブに機械的に結合されているが、現在の傾向は機械動作型油圧バルブから離れ、ソレノイド動作型バルブを使用する電気制御に移行している。電気制御システムにより、バルブ類を運転室から遠隔した、例えば、制御されているシリンダ上に配置することが可能になる。これにより、１対の供給ラインとタンク戻りラインがブーム上のすべての油圧アクチュエータに共通に配線できるので、機械上での油圧配管を簡単化できる。

オペレータは任意の機械動作を実行するためいくつかの制御レバーを同時に操作しなければならない場合がある。例えば、遠隔ハンドラーの場合、フォークやプラットフォームを水平に移動させるため、ブームの仰角、即ち、ピボット角度、およびその長さの両方を変化させなければならない。これらの同時、協調操作は、特に、未経験のオペレータにとって困難である。

したがって、単一の制御レバーの操作により複数の機械機能の同時、強調動作を含む複雑な機械動作を制御することが望まれる。

部材は第１アクチュエータにより変更できるピボット角で機械上に搭載される。この部材は第２アクチュエータにより変更できる長さを有する。制御システムは部材を移動させる第１および第２アクチュエータを動作させるために設けられる。この制御システムは部材の先端がほぼ直線経路に沿って移動する所望の速度を指定するオペレータ入力装置からの命令を受信する。

命令は部材の所望の角速度および所望の長手速度に変換される。部材のための所望の角速度は所望の第１速度に変換され、第１アクチュエータは部材の角度を変化させるため所望の第１速度に応答して駆動される。

第２アクチュエータは部材の長さを変更するため所望の長手速度に基いて駆動される。制御システムにより実施される方法の選択された応用において、部材のための所望の長手速度は第２アクチュエータのための第２速度に変換され、第２アクチュエータの動作は第２速度に基いている。

制御システムの１つの典型的な実施例は部材の実際のピボット角を示す第１信号を発生し、部材の実際の長さを示す第２信号を発生する工程を含む。部材の実際の角速度は第１信号から導出され、部材の実際の長手速度は第２信号から導出される。実際の角速度と所望の角速度間の差に相当する第１誤差値は実際の長手速度と所望の長手速度間の差に相当する第２誤差信号と共に発生される。所望の角速度は第１アクチュエータの動作で使用される補正された所望角速度を発生するため第１誤差値に応答して調整される。所望の長手速度は第２アクチュエータの動作で使用される補正された所望の長手速度を発生するため第２誤差信号に応答して調整される。好ましい実施例において、個別の比例積分微分機能が２つの誤差値を発生するために使用される。

まず図１を参照すると、本発明による協調複数軸制御システムはブーム１３が枢軸的に搭載されるトラクタ１２からなる遠隔ハンドラー１０に組み込まれている。しかしながら、この制御システムは他の型の油圧動作型装置に使用される。リフトシリンダ１６のような第１油圧アクチュエータはピボットシャフト１７の周りのアーク内でブーム１３を上昇および下降させ、トラクタ１２に相対して固定されたベースライン１１又は平面に対してブームのリフト角θを変更する。トラクタが地面上を移動するにつれて、真の水平ライン２１に対するベースライン１１の角度γは変化する。角度のθとγの合計は地面の水平に対してブーム１３の位置を示す角度αである。

ブーム１３はブーム内の長手シリンダ１９のような他の油圧アクチュエータの動作に応答して伸縮的に伸張し且つ後退する第１および第２区画１４および１５からなる。伸縮運動はブームの全長Ｌを変化させる。長手シリンダ１９は第１および第２ブーム区画１４および１５に直接接続される。どちらの場合も、ロッドがシリンダ本体から伸びる距離“ｂ”はブームが伸びる長さに等しい。変形構成において、長手シリンダ１９は機械的な利点を与える滑車装置により接続され、どちらの場合も、シリンダ伸張距離“ｂ”はブームの長さＬに対する機械的利得に関連している。ブーム１３の第１区画１４が第２区画１５内に摺動するが、ブームの長さを変化させる同様な伸縮動作が第２区画の外部に沿って滑る第１区画により実施される。

品物を上昇させるための１対のパレットフォーク２０又はプラットフォームのような作業ヘッド１８は第１ブーム区画１４の遠方端部にピボット点２２で取り付けられる。作業ポートの他の型を第１ブーム区画の遠方端部に取り付けても良い。第３油圧シリンダ２４はブーム１３の端部で作業ヘッド１８を垂直に回転させる。第３油圧シリンダ２４からのピストンロッドの伸張はパレットフォーク２０の先端を上方に傾斜させ、ピストンロッドの後退はフォークの先端を降下させる。

図２を参照すると、遠隔ハンドラー１０の油圧システム３０はポンプ３２とタンク３４からなる流体源３１を有する。ポンプ３２は作動液をタンク３４から引き出し、圧力を掛けてこの流体を供給ライン３６に強制的に戻す。遠隔ハンドラーのアクチュエータを駆動するために使用された後、流体は戻りライン３８を介してタンク３４に戻る。

油圧システム３０はそれぞれブームリフト角θ、ブーム長Ｌ、および作業ヘッド傾斜を変化させる個別の３個の機械機能部４０、４１、および４２を制御する。ブームリフト機能部４０はロッド４５が接続されるピストン４４を含むリフトシリンダ１６を動作させることによりトラクタ１２に対してブーム１３を枢着させる。ピストン４４はリフトシリンダ１６をロッドチャンバ４６とヘッドチャンバ４７に分割する。４個の比例電磁油圧バルブ５１、５２、５３、および５４からなる第１バルブアセンブリ４８は通常の方法でロッドおよびヘッドチャンバ４６および４７を供給および戻りライン３６および３８に結合する。各電磁油圧バルブ５１−５４は、例えば、米国特許第６，３２８，２７５号に記載されたバルブのようなソレノイドによりパイロット動作させても良い。特定のバルブ５１−５４に入力される電流の大きさはバルブが開く程度およびバルブを流れる作動液流量を決定する。第１バルブアセンブリ４８の対向する脚のバルブを選択的に動作させることにより、作動液は一方のシリンダチャンバ４６又は４７に供給され、他方のチャンバ４７又は４６から排出される。特に、開口したバルブ５１および５３は供給ライン３６からロッドチャンバ４６に加圧作動液を供給し、第１ピストンロッド４５をリフトシリンダ１６内に後退させ、ブーム１３をトラクタ１２に向けて降下させる。同様に、開口したバルブ５２および５４は作動液をヘッドチャンバ４７に供給し、ピストンロッド４５をリフトシリンダ１６から伸張させ、ブーム１３を上昇させる。本発明が他の型の電磁油圧バルブアセンブリを有する油圧回路で使用できることを理解すべきである。

ブーム長機能部４１はブームリフト機能部４０と類似の油圧回路を有し、長手シリンダ１９のチャンバに出入りする流量を制御する４個の比例電磁油圧バルブ５６、５７、５８、および５９の第２アセンブリ５５を含んでいる。流体を選択的に供給することにより長手シリンダ１９から第２ピストンロッド６０を伸張させ、第１区画１４を第２ブーム区画１５から伸張させ又は第１区画１４を第２ブーム区画１５内に後退させる長手シリンダ１９内に第２ピストンロッド６０を後退させる。

作業ヘッド傾斜機能部４２は第３シリンダ２４に出入りする流量を制御する４個の比例電磁油圧バルブを有する第３バルブアセンブリ６２を有する。流体を供給ライン３６から第３シリンダ２４のヘッドチャンバ６４内に送ることにより作業ヘッド１８のフォークを上方に又は図１で反時計回りに傾斜させる第３ピストンロッド６６を伸張させる。同様に、第３シリンダ２４のロッドチャンバ６８に供給ライン流体を供給することにより第３ピストンロッド６６を後退させ、作業ヘッドフォーク２０を下方に又は図１で時計回りに傾斜させる。種々の制御技術がブームを上昇および下降させると共にトラクタシャシーに対して一定の角度方向に作業ヘッド１８のフォーク又はプラットフォームを維持するために開発された。このような制御技術は本発明から明確に区別されるが、１つの技術が遠隔ハンドラー１０内に組み込まれている。

アセンブリ４８、５５、および６２内の４個のバルブは遠隔ハンドラー１０の運転席内に配置された１対のジョイスティック７２および７３のような手動入力装置からの信号を受信するマイクロコンピュータをベースにする制御器７０により個別に動作される。遠隔ハンドラーオペレータはＭおよびＮで示される２つの直交軸の周りで第１ジョイスティック７２を操作し、ブーム１３の所望の動きを指示する。動作の通常の極座標モードにおいて、リフト角θを変化させることにより、第１ジョイスティック７２を一方の軸の周りに中央位置から移動させ、ブーム１３を上昇又は下降させる。他方の軸Ｎの周りでのこの第１ジョイスティック７２の動きはブーム長Ｌを変化させる第１ブーム区画１４を伸張又は後退させる。ブームリフト角と長さは両軸の周囲に第１ジョイスティック７２を同時に動かすことにより同時に変化させることができる。第１ジョイスティック７２は２軸の周りの位置を示す１対の電気信号を発生させる。制御器７０は作動液をリフトシリンダ１６に伝達するため第１バルブアセンブリ４８を選択的に動作させることによりこれらの電気信号の１つに応答し、所望の角度ブーム運動を発生させる。他のジョイスティック信号により制御器７０は第２バルブアセンブリ５５を動作させ、ブーム１３の長さＬを変化させる。第２ジョイスティック７３はブームの端部に対して作業ヘッド１８を傾斜させるために使用される。

制御器７０は図１の複数のセンサー７４、７５、７６、および７９からの入力信号を受信する。リフトセンサー７４はロッドがリフトシリンダ１６から突出する第１伸張距離“ａ”を示す電気信号を発生し、ブーム１３がトラクタ１２から上昇する量を示す。ロッド伸張距離はブームリフト角θに三角法的に関係する。代案として、リフト角θはブーム１３とトラクタ１２間に搭載されたリフト角センサー７７により直接計測される。ピッチセンサー７９はトラクタ１２のピッチ角γ、即ち、トラクタ基準線１１と真の地面水平間の角度を示す電気信号を出力する。ブーム伸張センサー７５は第１区画１４が第２ブーム区画１５から突出する伸張距離“ｂ”を示し、２つのブーム区画１４および１５の伸張距離“ｂ”と最小長“ｃ”の和である全ブーム長Ｌを示す。ブーム伸張センサー７５はロッドが長手シリンダ１９から伸びる距離を検出し、距離は第１区画１４が全後退位置を越えて第２ブーム区画１５から伸びる量と同じである。代案として、ブーム伸張センサー７５は伸張量を直接測定するためにブーム区画１４と１５に取り付けられる。作業ヘッドセンサー７６は第１ブーム区画１４に対するフォーク２０の傾斜角を示す電気信号を発生するために設けられる。いくつかの遠隔ハンドラーは伸縮的に伸びる３つ以上の区画を持つブームを有し、どちらの場合も、ブーム伸張センサー７５は複数のブーム区画の全長を検出するために構成されなければならない。

従来の極座標モードでの動作のほかに、遠隔ハンドラー１０は第１ジョイスティック７２がブーム１３の遠隔端部の所望の移動を２つの直交軸ＸおよびＹで示す直交座標モードで動作可能である。Ｘ軸は地面に対する水平線に対応し、Ｙ軸は垂直線に対応する。図１および図２を参照すると、モードスイッチ７８は極又は直交座標モードを選択するため機械オペレータにより使用される。動作の直交座標モードにおいて、１つの軸に沿って第１ジョイスティック７２の動きはＸ軸に沿ってブームピボット点２２の所望の速度を示し、他方のジョイスティック軸に沿った動きはＹ軸に沿った所望のブームピボット速度を示す。直交速度信号と位置センサー信号から、制御器７０は第１および第２バルブアセンブリ４８と５５を動作させるために信号を導出するので、リフトおよび長手シリンダー１６および１９は所望のブームの動きを発生する。動作の直交モードは地面に対して水平および垂直の作業ヘッドの動作のオペレータの制御を簡単化する。

第１および第２バルブアセンブリ４８および５５を動作させるための信号の微分は制御器が実行するソフトウエアで実施されるブーム制御システムにより実施される。ブーム制御システムの第１実施例８０は図３に図示される。第１ジョイスティック７２は２つの軸の周りでのジョイスティックレバーの動きに応答して２つの信号ＭおよびＮを発生させる。Ｍ信号は一方の軸の周りのジョイスティックの位置を示し、他方の信号Ｎは他方の軸の周りでのジョイスティックの位置を示す。これらの位置はそれぞれＸおよびＹ方向の作業ヘッド１８の所望の速度に対応する。ジョイスティック信号ＭおよびＮはジョイスティック位置信号をＸ軸およびＹ軸に沿って所望の速度Ｘ_ｓｐおよびＹ_ｓｐを示す信号に変換する個別のマッピングルーチン８２および８４に適用される。所望の速度は速度設定値として、ここでは、下付き文字ＳＰとして参照される。

リフトおよび伸張シリンダ１６および１９を制御するため、所望の直交速度Ｘ_ｓｐおよびＹ_ｓｐはシリンダ速度に変換されなければならない。これはまず所望の直交速度を所望の極座標速度α_ｓｐおよびＬ_ｓｐに変換することにより達成される。前述したように、極座標角αは角度θとγの和である。変換は作業ヘッドピボット点２２の直交座標位置Ｘ，Ｙと下記式で与えられる極座標位置間の関係に基いている。

ここで、図１に示すように、Ｌはブーム１３の全長であり、θはブームの角位置であり、γはトラクタ１２のピッチ角である。しかしながら、作業ヘッドピボットポイント２２はピボットシャフト１７を通過するブームの縦軸２３上存在しないが、距離“ｄ”だけオフセットされる。ある用途において、直交移動は、地面に対してではなく、機械のみに対してのみ参照され、どちらの場合も、ピッチ角γは式（１）および下記式から消去される。
式（１）から、Ｘ軸上の速度Ｘは以下の式から与えられる。

同様に、Ｙ軸上の速度が以下の式により与えられる。

式（２）および（３）に鑑みて、直交座標系と極座標系間の速度関係は下記マトリクス式により示される。

変換マトリクスＢはマトリクスＯの直交座標とマトリクスＰの極座標間の関係を規定する。直交座標に関する極座標を規定する逆関係は下記マトリクス式により与えられる。
Ｐ ＝ Ｂ^−１Ｏ （５）
ここでＢ^−１は式（４）の変換マトリクスＢの逆マトリクスである。後者の関係は所望の直交速度Ｘ_ｓｐおよびＹ_ｓｐを所望の極座標系α_ｓｐおよびＬ_ｓｐに変換するために使用できる。

図３を再度参照すると、マッピングルーチン８２および８４から所望の直交速度Ｘ_ｓｐおよびＹ_ｓｐは逆変換マトリクスＢ^−１を使用して式（５）を解く直交座標対極座標変換機能部８６に適用される。座標変換機能部８６はブーム１３の端部で作業ヘッドピボット点２２の実際の極座標位置αおよびＬを指定する信号を受信する。これらの実際の極座標位置はロッドが伸びる距離“ａ”を指定する信号を発生するリフトシリンダセンサー７４からおよび第１ブーム区画１４が第２区画１５から伸びる距離“ｂ”を示す信号を出力するブーム伸張センサー７５から導出される。リフトシリンダ距離“ａ”はこの距離をノード８７で第１極座標αを発生するためピッチ角γと合計される対応するリフト角θに変換する角度変換機能部８８に適用される。長手シリンダ距離“ｂ”はこの距離を長手極座標Ｌに変換する長手変換機能部９０に適用される。これらの２つのシリンダ伸張距離“ａ”および“ｂ”は作業ヘッドピボット点２２の位置のため対応する極座標θおよびＬをそれぞれ発生する個別の変換機能部８８および９０に適用される。

これらの変換機能部８８および９０は制御器のメモリに蓄積されたルックアップ表を使用してデジタルコンピュータの領域で実施できるが、代案として、各変換はシリンダ伸張距離“ａ”および“ｂ”を各極座標θおよびＬに関連付ける方程式を解くことにより実施できる。例えば、ブーム長Ｌは検出されたシリンダ伸長距離“ｂ”をブーム１３の最小、即ち、完全に後退した長さ“ｃ”に加算することにより導出される。ブームシリンダ伸長距離“ｂ”とブーム長Ｌ間の一定の算術的合計関係があるので、更なる代案として、この関係がブームシリンダ伸張距離“ｂ”を長さ変換機能部９０を消去する入力として直接受信する座標変換機能部８６に組み込んでもよい。

座標変換機能部８６により要求される最終変数はブームの縦軸２３から作業ヘッドピボット点２２のオフセット距離“ｄ”である。このオフセット距離は特定の機械では一定であり、導出および出力する必要がないが、機能部８６に組み込まれる。座標変換の結果は所望の極座標速度α_ｓｐおよびＬ_ｓｐである。

角座標速度α_ｓｐはトラクタ１２に関係するブームの動作のため所望の角速度θ_ｓｐに変換される。これは微分器８９を使用してピッチセンサー信号からトラクタ１２のピッチ速度γを導出することにより達成される。ピッチ速度は所望のブーム角速度θ_ｓｐを発生するため加算ノード９１で角座標速度α_ｓｐから減算される。

得られた所望極座標ブーム速度θ_ｓｐおよびＬ_ｓｐは２つのシリンダセンサー７４および７５から位置信号を微分することにより作られる実際の極座標ブーム速度θおよびＬと比較される。具体的には、伸張距離“ａ”を示すリフトシリンダセンサー７４からの信号は油圧アクチュエータの長さが変化しているリフトシリンダ速度ａを特定する信号を発生する第１微分機能部９２又は微分器に適用される。リフトシリンダ速度aと伸張距離“a”はリフトシリンダのリニア速度をブーム１３の角速度θに変換する例えば他のルックアップ表である第１速度変換機能部９４に適用される。

実際のブーム角速度θと対応する所望角速度θ_ｓｐは実際のおよび所望角速度に基いて補正値を示す出力を発生する従来の比例積分微分制御機能部を実行する角度ＰＩＤ制御器９６で比較される。この補正値は第１加算ノード９８で所望の角速度θ_ｓｐと合成され、補正所望角速度θ_ｃｓｐを発生する。他のルックアップ表で実行される第３速度変換機能部１００は補正された所望角速度θ_ｃｓｐをリフトシリンダ１６が動く補正所望リフトシリンダ速度ａ_ｃｓｐに変換し、ブーム１３の補正された所望角速度を発生する。この補正された所望リフトシリンダ速度ａ_ｃｓｐは第１アセンブリ４８（図２）内の選択されたバルブを開くために必要な電流レベルを発生する第１組の通常のバルブドライバ１０２に適用され、リフトシリンダ１６とブームのこの所望の速度を達成する。このようなバルブドライバの１つの型は米国特許出願第１０／２５４，１２８号に記載されている。

類似の制御機能は命令された垂直又は水平移動を達成するためブーム１３の長さの変更に関して生じる。この機能のため、ロッドがシリンダ本体から伸びる実際の距離“ｂ”を示すブーム伸張センサー７５からの信号はブーム長手シリンダが変化している速度ｂを示す値を発生するため第２微分機能部１０４即ち微分器に入力される。図１に示されるブーム１３の構成において、長手シリンダ１９は第１および第２ブーム区画１４および１５に直接接続され、ブーム長手シリンダ速度ｂはブーム１３の長さが変化する速度Ｌに等しい。代案として、長手シリンダ１９が機械的利点を与える機構により第１区画１４に接続される場合、ブーム長速度Ｌは機構の機械利得により長手シリンダ速度ｂに関係している。後者の場合、第２微分機能部１０４により生成された長手シリンダ速度ｂは第２速度変換機能部１０６によりブーム長速度Ｌに変換される。

得られたブーム長速度Ｌは所望のブーム長速度Ｌ_ｓｐと共に長さＰＩＤ制御器１０８に入力される。長さＰＩＤ制御器１０８はこれらの２つの値を比較し、所望ブーム長速度と実際のブーム長速度間の差に基いて使用される補正値を導出する。この補正値は第２加算ノード１１０で所望のブーム長速度Ｌ_ｓｐを合成され、補正所望ブーム長速度Ｌ_ｃｓｐを発生する。

長手シリンダ１９が第１および第２ブーム区画１４および１５に接続された機械において、補正ブーム長速度Ｌ_ｃｓｐは長手シリンダ１９の所望の速度ｂ_ｃｓｐに等しい。どちらの場合でも、長さＰＩＤ制御器１０８からの出力はブーム長シリンダ１９を制御する第２バルブアセンブリ５５のため第２組のバルブドライバ１１４に直接接続される。長手シリンダ１９が機械利得を与える機構により第１ブーム区画１４に接続された他の機構において、他のルックアップ表の形式の第４速度変換機能部１１２は補正された所望ブーム長速度Ｌ_ｃｓｐを長手シリンダ１９の所望速度ｂ_ｃｓｐに変換する。所望長手シリンダ速度ｂ_ｃｓｐは第２組のバルブドライバ１１４に適用される。

このように、機械オペレータは第１ジョイスティック７２を操作し、直交座標系で作業ヘッド１８のためのピボット点２２の所望動作を指定する。これにより、オペレータは第１ジョイスティック７２を１軸に沿ってのみ動かすことにより水平又は垂直の作業ヘッド動作を命令することができる。ブーム制御システム８０はまず命令された水平又は垂直動作をブームリフト角および長さを制御するために通常採用される極座標動作に変換する。その後、ブーム制御システムは極座標運動をブーム１３の角および伸縮動作を発生する油圧アクチュエータの対応する速度に変換する。これらの得られた油圧アクチュエータ速度は最終的に油圧アクチュエータを駆動する各バルブを動作させる電気信号に変換され、所望のブーム運動を達成する。

図４は第１ブーム制御システム８０と共通である部品が同一参照番号 で指定される第２ブーム制御システム１２０を図示している。例えば、同一部品は第１ジョイスティック７２からの信号をブームリフト角およびブーム長の所望速度（θ_ｓｐおよびＬ_ｓｐ）に変換するために使用される。しかしながら、第２ブーム制御システム１２０において、これらの所望速度はそれぞれ２つの速度変換機能部１２２および１２４の入力部に供給される。これらの速度変換機能部１２２および１２４は各センサー７４および７５により計測されたリフトおよび長手シリンダ伸長距離“ａ”および“ｂ”でアドレスされるルックアップ表により実行される。リフトおよび長手速度変換機能部１２２および１２４は所望の極座標ブーム速度θ_ｓｐおよびＬ_ｓｐをリフトシリンダ１６および長手シリンダ１９の所望速度ａ_ｓｐおよびｂ_ｓｐに変換する。

これらの所望シリンダ速度ａ_ｓｐおよびｂ_ｓｐは微分機能部１３０および１３２即ち微分器からの実際のシリンダ速度ａおよびｂと共に個別の角度および長さＰＩＤ制御器１２６および１２８に適用される。角度ＰＩＤ制御器１２６は第１加算ノード１３４で所望リフトシリンダ速度ａ_ｓｐと合成される角速度補正値を発生する。この加算はアセンブリ４８内の４個のリフトシリンダバルブ５１−５４のための第１組のバルブドライバ１０２に入力される補正リフトシリンダ速度ａ_ｃｓｐを生成する。長さＰＩＤ制御器１２８はブーム長手シリンダ１９の所望速度および実際の速度間の差に基いて補正値を発生する。この補正値は第２加算ノード１３６でシリンダのための所望速度ｂ_ｓｐと合成され、補正された長手シリンダ速度ｂ_ｃｓｐを発生する。この補正された速度値はブーム長シリンダ１９を動作させる第２アセンブリ５５内のバルブ５６−５９を制御する第２組のバルブドライバ１１４に入力される。

図３および図４の第１および第２ブーム制御システム８０および１２０は各シリンダのロッドが伸びる距離を示すリフトシリンダセンサー７４とブーム伸張センサー７５の出力を使用している。リフトシリンダセンサー７４の代わりに、回転センサー７７がトラクタ１２とブーム１３間のリフト角θを直接検出するために使用できる。図５を参照すると、ブーム制御システムの第３形式１４０では、直線運動のためのブームの遠隔端部、特に、作業ヘッドピボット点２２の動きの制御において検出されたリフト角θを使用する。ブーム長シリンダ１９が伸びる距離“ｂ”を示すブーム伸張センサー７５の出力は、図３の第１制御システム８０に関して前述された、長手変換機能部９０と同一である長手変換機能部１４２により、全ブーム長Ｌに変換される。

ブーム角位置αおよび長さＬは所望の直交速度Ｘ_ｓｐおよびＹ_ｓｐを所望の極座標速度
α_ｓｐおよびＬ_ｓｐに変換するため直交対極座標変換機能部８６に適用される。極座標速度はブーム１３の実際の極座標速度θおよびＬを受信する角度および長さＰＩＤ制御器１４８および１５０に供給される。これらの実速度は１対の微分機能部１４４および１４６即ち１対の微分器により実際のブーム位置θおよびＬから導出される。

角度ＰＩＤ制御器１４８は所望角速度θ_ｓｐおよび実際の角速度θ間の差に相当する補正値を発生する。この補正値は第１加算ノード１５２で所望の角速度に適用され、補正された所望角速度θ_ｃｓｐを生成する。この後者の速度値は所望のリフトシリンダ速度ａ_ｃｓｐを発生するためブーム１３の実際の角位置θと共にリフト速度変換機能部１５４に適用される。このリフトシリンダ速度は選択されたバルブ５１−５４およびアセンブリ４８を動作することにより応答する第１組のバルブドライバ１５６に適用され、リフトシリンダ１６を制御し且つブーム１３の角動作を実現する。

同様に、ブーム１３の所望長手速度Ｌ_ｓｐおよび実際の長手速度Ｌは長さＰＩＤ制御器１５０に適用される。この結果はブームの所望長手速度と実際の長手速度間の差に基く補正値である。この補正値は第２加算ノード１５８により使用され、長手速度変換機能部１６０に供給される補正された所望長手速度Ｌ_ｃｓｐを発生し、ブーム長シリンダ１９のための所望長手速度ｂ_ｃｓｐを発生する。この所望長手速度は作動液をブーム長シリンダ１９に加えるため第２バルブアセンブリ５５内のバルブ５６−５９を制御する第２組のバルブドライバ１６２に適用され、ブーム１３の所望の長手方向動作を達成する。

以上の説明は主に本発明の好ましい実施例に向けられた。本発明の範囲内で種々の変形例が注目されたが、当業者が本発明の実施例の開示から明らかである追加的な変形例を実現する可能性があることが予測される。したがって、本発明の範囲は、上記開示により限定されることなく、請求項から決定されるべきである。

図１は本発明による油圧制御システムを内蔵する遠隔ハンドラーの部分的に切欠かれた側面図である。 図２は遠隔ハンドラーの油圧システムの概略図である。 図３は遠隔ハンドラーの協調複数軸ブーム制御システムの第１実施例を示す制御図である。 図４はブーム制御システムの第２実施例を示す制御図である。 図５はブーム制御システムの第３実施例を示す制御図である。

符号の説明

１０ 遠隔ハンドラー
１２ トラクタ
１３ ブーム
１６ リフトシリンダ
１７ ピボットシャフト
１８ 作業ヘッド
１９ 長手シリンダ
２４ 油圧シリンダ
３０ 油圧システム
３２ ポンプ
３４ タンク
４６ ロッドチャンバ
４７ ヘッドチャンバ
５２、５４ バルブ
６６ ピストンロッド
７０ 制御器
７４、７５、７６、７９ センサー
８９ 微分器
９６ 角度ＰＩＤ制御器
１０２、１１４ バルブドライバ

Claims (28)

1. 基準に対する部材の角度が第１アクチュエータにより変更でき且つ前記部材の長さが第２アクチュエータにより変更できる、部材の動きを制御する方法において、
   前記部材の先端が所望の実質的に直線の経路に沿って移動する所望の速度を指定する命令を発生する工程と；
   前記命令を前記第１アクチュエータのための所望の第１速度に変換する工程と；
   前記命令を前記第２アクチュエータのための所望の第２速度に変換する工程と；
   前記部材の前記角度を変更するため前記第１アクチュエータを前記所望の第１速度に応答して動作させる工程と；
   前記部材の長さを変更するため所望の長さ速度に基いて前記第２アクチュエータを動作させる工程と；
   を具備することを特徴とする方法。
2. 命令を発生させる工程が前記部材の先端が第１軸に沿って移動する第１所望速度を指定することを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 命令を発生させる工程が、
   前記部材の先端が第１軸に沿って移動する第１所望速度を指定する工程と；
   前記部材の先端が前記第１軸と直交する第２軸に沿って移動する第２所望速度を指定する工程と；
   を具備することを特徴とする請求項１記載の方法。
4. 前記命令を前記第１アクチュエータのための所望の第１速度に変換する工程が、
   前記命令が前記部材のための所望の角速度に変換する工程と；
   前記所望の角速度を前記所望の第１速度に変換する工程と；
   を具備することを特徴とする請求項１記載の方法。
5. 基準に対する部材の角度が第１アクチュエータにより変更でき且つ前記部材の長さが第２アクチュエータにより変更できる、部材の動きを制御する方法において、
   前記部材の先端が所望の実質的に直線の経路に沿って移動する所望の速度を指定する命令を発生する工程と；
   前記命令を前記部材のための所望の角速度と所望の長手速度に変換する工程と；
   前記部材のための前記所望の角速度を前記第１アクチュエータのための所望の第１速度に変換する工程と；
   前記部材の角度を変更するため前記第１アクチュエータを前記所望の第１速度に応答して動作させる工程と；
   前記部材の長さを変更するため所望の長手速度に基いて前記第２アクチュエータを動作させる工程と；
   を具備することを特徴とする方法。
6. 命令を発生する工程は前記部材の先端が第１軸に沿って移動する第１所望の速度を指定する工程からなることを特徴とする請求項５記載の方法。
7. 命令を発生する工程が、
   前記部材の先端が第１軸に沿って移動する第１の所望速度を指定する工程と；
   前記部材の先端が前記第１軸に直交する第２軸に沿って移動する第２の所望速度を指定する工程と；
   を具備することを特徴とする請求項５記載の方法。
8. 前記命令を変換する工程が下記式により規定される関係を利用する具備することを特徴とする請求項７記載の方法。
   

   

   （ここで、Ｘは第１軸に沿った部材の先端の速度であり、Ｙは第２軸に沿った部材の先端の速度であり、θは部材の角度であり、θは部材の角速度であり、γは部材が搭載される機械のピッチ角であり、γは機械の角ピッチ速度であり、Ｌは部材の長さが変化する速度であり、ｄは先端が部材の縦軸からオフセットされた距離である。）
9. 命令を変換する工程は前記第１アクチュエータの次元を検出し前記位置を前記部材の前記角度位置に変換することにより導出される前記部材の前記角度位置を利用することを特徴とする請求項５記載の方法。
10. 前記命令を変換する工程が前記第２アクチュエータの次元を検出し、前記次元を前記部材の長さに変換することにより、導出される前記部材の長さを利用することを特徴とする請求項５記載の装置。
11. 前記部材のための前記所望の長手速度を前記第２アクチュエータの第２速度に変換する工程を更に具備し、前記第２アクチュエータを動作させる工程が前記第２速度に応答することを特徴とする請求項５記載の装置。
12. 基準に相対する前記部材の角度を示す第１信号を発生するため前記機械の第１パラメータを検出する工程と；
    前記部材の長さを示す第２信号を発生するため前記機械の第２パラメータを検出する工程と；
    前記第１信号から前記部材の実際の角速度を導出する工程と；
    前記第２信号から前記部材の実際の長手速度を導出する工程と；
    を更に具備することを特徴とする請求項５記載の装置。
13. 前記実際の角速度と前記所望の角速度間の差に相当する第１誤差信号を発生する工程と；
    前記実際の長手速度と前記所望の長手速度間の差に相当する第２誤差信号を発生する工程と；
    前記第１アクチュエータの動作において使用される補正された所望の角速度を発生するため前記第１誤差信号に応答して前記実際の角速度を調整する工程と；
    前記第２アクチュエータの動作において使用される補正された所望の長手速度を発生するため前記第２誤差信号に応答して前記所望の長手速度を調整する工程と；
    を具備することを特徴とする請求項１２記載の方法。
14. 第１誤差値を発生する工程と第１誤差値を発生する工程が比例積分微分制御機能を利用することを特徴とする請求項１３記載の方法。
15. 第１パラメータを検出する工程が前記第１アクチュエータの次元を検出することを特徴とする請求項１２記載の方法。
16. 第１パラメータを検出する工程が基準に相対する前記部材の角度を検出することを特徴とする請求項１２記載の方法。
17. 前記機械の第２パラメータを検出する工程が前記第２アクチュエータの次元を検出することを特徴とする請求項１２記載の方法。
18. 前記第１アクチュエータの第１パラメータを検出する工程と；
    前記第２アクチュエータの第２パラメータを検出する工程と；
    前記第１パラメータに応答して、前記第１アクチュエータの実際の速度を導出する工程と；
    前記第２パラメータに応答して、前記第２アクチュエータの実際の速度を導出する工程と；
    前記第１アクチュエータの実際の速度と前記所望の第１速度間の差に相当する第１誤差値を発生する工程と；
    前記第２アクチュエータの実際の速度と前記所望の第２速度間の差に相当する第２誤差値を発生する工程と；
    前記第１アクチュエータの動作で使用される結果を発生するため前記第１誤差値に応答して前記所望の第１速度を調整する工程と；
    前記第２アクチュエータの動作で使用される他の結果を発生するため前記第２誤差値に応答して前記所望の第２速度を調整する工程と；
    を更に具備することを特徴とする請求項５記載の方法。
19. 第１誤差値を発生する工程と第２誤差値を発生する工程が比例積分微分制御機能を利用することを特徴とする請求項１８記載の方法。
20. 基準に対する部材の角度が第１アクチュエータにより変更でき且つ前記部材が第２区画から第２アクチュエータにより変更される量だけ伸張する第１区画を有する、部材の動きを制御する方法において、
    前記部材の先端が第１軸に沿って移動する第１の所望速度を指定する 工程と；
    前記部材の先端が前記第１軸に直交する第２軸に沿って移動する第２の所望速度を指定する工程と；
    前記部材の位置を示す第１パラメータを検出する工程と；
    前記部材の角度位置を前記第１パラメータから導出する工程と；
    前記第１区画が前記第２区画から伸張する量を示す第２パラメータを検出する工程と；
    前記部材の長さを前記第２パラメータから導出する工程と；
    前記部材の角度位置と長さに基いて、前記第１および第２所望速度を前記部材の所望角速度と所望の長手速度に変換する工程と；
    前記部材のための所望角速度を前記第１アクチュエータのための所望第１速度に変換する工程と；
    前記部材の角度を変更するため所望の第１速度に応答して前記第１アクチュエータを動作させる工程と；
    前記部材の長さを変更するため前記所望の長手速度に基いて前記第２アクチュエータを動作させる工程と；
    を具備することを特徴とする方法。
21. 第２パラメータを検出する工程が前記第２アクチュエータの次元を検出する工程を具備することを特徴とする請求項２０記載の方法。
22. 前記所望の角速度を変換する工程が、
    前記部材の実際の角速度を前記第１パラメータから導出する工程と；
    前記実際の角速度と前記所望の角速度間の差に相当する第１誤差値を発生する工程と；
    前記第１アクチュエータの動作で使用される補正された所望角速度を発生するため前記第１誤差値に応答して前記所望角速度を調整する工程と；
    を具備することを特徴とする請求項２０記載の方法。
23. 前記第２アクチュエータを動作させる工程が前記部材のための前記所望長手速度を前記第２アクチュエータのための所望第２速度に変換する工程と；
    を具備することを特徴とする請求項２０記載の方法。
24. 前記所望の長手速度を変換する工程が、
    前記部材の実際の長手速度を前記第２パラメータから導出する工程と；
    前記実際の長手速度と前記所望の長手速度間の差に相当する第２誤差値を発生する工程と；
    前記第２アクチュエータの動作で使用される補正された所望の長手速度を発生するため第２誤差値に応答して前記所望の長手速度を調整する工程と；
    を具備することを特徴とする請求項２３記載の方法。
25. 基準に対する部材の角度と前記部材の長さをそれぞれ制御する第１および第２アクチュエータにより移動可能である部材のための制御装置において、
    所望の実質的に直線な経路に沿って前記部材の先端の所望速度を指定する命令を発生する入力装置と；
    前記入力装置に結合され、前記命令を前記部材の角速度と長手速度に変換する変換機能部と；
    前記アクチュエータが移動する前記部材のための角速度を第１速度に変換する第１変換器と；
    前記部材の角度を変更するため前記第１速度に応答して前記第１アクチュエータを動作させるための第１ドライバと；
    前記部材の長さを変更するため前記長手速度に応答して前記第２アクチュエータを動作させるための制御素子と；
    を具備することを特徴とする制御システム。
26. 前記入力装置により発生した命令が第１軸に沿った第１所望速度と前記第１軸にほぼ直交する第２軸に沿った第２所望速度を指定することを特徴とする請求項２５記載の方法。
27. 前記制御素子が、
    前記部材のための長手速度を前記第２アクチュエータが移動する第２速度に変換する第２変換器と；
    前記部材の長さを変更するため第２速度に応答して前記第２アクチュエータを動作させるための第２ドライバと；
    を具備することを特徴とする請求項２５記載の制御システム。
28. 基準に相対する前記部材の角度を示す前記機械の第１パラメータを示す第１信号を発生する第１センサーと；
    前記部材の長さを示す第２信号を発生する第２センサーと；
    前記部材の実際の角速度を前記第１信号から導出する第１微分器と；
    前記部材の実際の長手速度を前記第２信号から導出する第２微分器と；
    前記実際の角速度と前記所望の角速度間の差に相当する第１誤差値を発生する角度制御器と；
    前記実際の長手速度と前記所望の長手速度間の差に相当する第２誤差値を発生する長さ制御器と；
    前記第１制御器に入力される補正された所望角速度を発生するため前記第１誤差値に応答して前記所望角速度を変更する第１調整素子と；
    前記第２制御器の動作での前記制御素子により使用される補正された所望長手速度を発生するため前記第２誤差値に応答して前記所望長手速度を変更する第２調整素子と；
    を更に具備することを特徴とする請求項２５記載の制御システム。

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