JP2008077319A

JP2008077319A - 移動体駆動装置

Info

Publication number: JP2008077319A
Application number: JP2006254574A
Authority: JP
Inventors: Hideyuki Koe; 秀之向江
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2006-09-20
Filing date: 2006-09-20
Publication date: 2008-04-03

Abstract

【解決課題】低コストな構成で、操作者の負担を増加させることなく操作精度を向上させることができるようにする。
【解決手段】操作者がグリップ部に操作力を加えたときに、移動方向が対応付けられた全ての操作方向について最大操作力を計測し（１００、１０２）、各操作方向について、計測された最大操作力に基づいて、操作力の実測値と感覚値とが線形に変化する操作力の入力範囲及び操作力の標準値を決定する（１０４）。そして、操作者に対して、移動方向が対応付けられた全ての操作方向について、操作力の標準値をフィードバックし（１０６、１０８）、決定された入力範囲の操作力と移動量とが線形に変化するように定められた線形関係を示す入出力マップを各操作方向について生成する（１１０）。そして、作動部を駆動する場合には、生成された入出力マップを用いて、線形に変化する操作力の入力範囲の操作力を移動量に変換して、作動部を駆動する。
【選択図】図４

Description

この発明は、移動体駆動装置に係り、特に、操作部を操作することにより、移動体を駆動させる移動体駆動装置に関する。

従来、航空機の操縦桿において、前後、左右、回転方向（上下軸周り）に加えられる操作力に従って、操作信号を発するフォース式の操縦装置が知られている（特許文献１）。この操縦装置では、入力量に閾値を設け、閾値以上の値は制御則を用いて補正している。これは、人間が実際に入力した量と入力したと思う感覚量との関係が非線形であるため、制御なしでは操作対象の動きと人間の感覚量とが対応せず、操作が不安定になり、精度よく操作するためには操作者の負担が増加するためである。
特開２００１−１９９４

しかしながら、上記の特許文献１に記載の技術では、制御則を用いて出力量を補正するために、入力量と出力量とを油圧機構や電気回路上で非線形に制御する必要があるため、コストアップとなってしまう、という問題がある。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、低コストな構成で、操作者の負担を増加させることなく操作精度を向上させることができる移動体駆動装置を提示することを目的とする。

上記の目的を達成するために本発明に係る移動体駆動装置は、操作者によって操作力を加えることが可能な操作部と、前記操作部に加えられた操作力を、予め定められた複数の操作方向毎に計測する計測部と、前記操作力と操作対象の移動体の移動量とが線形に変化するように、前記複数の操作方向毎に予め定めた線形関係に基づいて、前記計測部によって計測される操作力と該操作力が計測されたときに前記操作者が加えたと感じる操作力とが線形に変化する予め定められた範囲の操作力であって、かつ、前記計測部によって計測された操作力を、前記複数の操作方向毎に、該操作方向に予め対応付けられた前記移動体の移動方向の移動量に変換する変換部と、前記移動体を駆動する駆動部と、前記変換部によって変換された前記移動方向の移動量に基づいて、該移動方向に前記移動体が該移動量だけ移動するように前記駆動部を駆動させる駆動制御部とを含んで構成されている。

本発明に係る移動体駆動装置によれば、操作者によって操作部に操作力が加えられると、計測部によって、操作部に加えられた操作力を、予め定められた複数の操作方向毎に計測する。

そして、変換部によって、複数の操作方向毎に予め定めた線形関係に基づいて、計測部によって計測された予め定められた範囲の操作力を、複数の操作方向毎に、操作方向に予め対応付けられた移動体の移動方向の移動量に変換し、駆動制御部によって、変換部によって変換された移動方向の移動量に基づいて、この移動方向に移動体が移動量だけ移動するように駆動部を駆動させる。

このように、計測される操作力と操作者が加えたと感じる操作力とが線形に変化する範囲で計測された操作力を、操作力と移動量との線形関係に基づいて、移動量に変換し、移動体を駆動することにより、移動体の移動量と操作者が加えたと感じる操作力とが線形に変化するため、低コストな構成で、操作者の負担を増加させることなく操作精度を向上させることができる。

また、上記の操作方向に予め対応付けられた移動方向を、操作者が操作部に対して操作方向に操作力を加えたときに、操作したと感じる方向と一致する方向とすることができる。これにより、移動体の移動方向と操作者が操作したと感じる方向とが一致するため、操作者の負担を軽減することができる。

また、本発明に係る移動体駆動装置は、計測部によって計測された複数の操作方向毎の操作力に基づいて、複数の操作方向毎に、最大の操作力を算出する算出手段と、算出手段によって算出された複数の操作方向毎の最大の操作力に基づいて、予め定められた範囲を複数の操作方向毎に決定する決定手段とを更に含むことができる。これにより、計測された最大の操作力に応じて、計測される操作力と操作者が加えたと感じる操作力とが線形に変化する範囲を決定することができるため、操作者の操作力に適した範囲を決定することができる。

また、本発明に係る移動体駆動装置は、複数の操作方向毎に、予め定められた範囲内の所定の操作力を、標準の操作力として、操作者に対してフィードバックするフィードバック手段を更に含むことができる。これにより、計測される操作力と操作者が加えたと感じる操作力とが線形に変化する範囲内である標準の操作力を、操作者にフィードバックすることにより、操作者は、線形に変化する範囲内で操作力を加えることが容易となる。

以上説明したように、本発明の移動体駆動装置によれば、計測される操作力と操作者が加えたと感じる操作力とが線形に変化する範囲で計測された操作力を、操作力と移動量との線形関係に基づいて、移動量に変換し、移動体を駆動することにより、移動体の移動量と操作者が加えたと感じる操作力とが線形に変化するため、低コストな構成で、操作者の負担を増加させることなく操作精度を向上させることができる、という効果が得られる。

以下、図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、本実施の形態では、フォークを操作するフォークリフトに本発明を適用した場合について説明する。

図１に示すように、第１の実施の形態に係るフォークリフト１０は、操作者の手によって加えられる操作力が複数の操作方向毎に入力される入力部１２と、入力された各操作方向の操作力に基づいて、駆動信号を生成して出力する制御部１４と、モータから構成され、駆動信号に基づいて、フォークから構成される作動部１８を駆動する駆動部１６とを備えている。

入力部１２は、図２に示すように、長さ方向が上下方向となるように設置され、かつ、操作者の手によって操作力が加えられるグリップ部２０と、６分力計から構成され、操作者の手からグリップ部２０へ加えられた操作力を６操作方向（左右、前後、上下、左右軸周りの回転方向、前後軸周りの回転方向、上下軸周りの回転方向）毎に計測する力センサ２２とを備えており、力センサ２２は、６操作方向の各々の操作力（左右方向の並進力Ｆｘ、前後方向の並進力Ｆｙ、上下方向の並進力Ｆｚ、左右軸周りの回転方向のトルクＴｘ、前後軸周りの回転方向のトルクＴｙ、上下軸周りの回転方向のトルクＴｚ）に応じた検知信号を出力する。なお、グリップ部２０は、変位しないため、加えられる操作力のみが入力となる。

作動部１８のフォークは、前後方向（マストの前後方向の傾斜）、上下方向、及び左右方向に移動可能であり、駆動部１６では、各移動方向に対応するモータが駆動することによって、各移動方向にフォークが移動する。

また、制御部１４は、力センサ２２から入力された６操作方向の各々の検知信号が示す操作力を、作動部１８の移動方向の各々の移動量に変換し、変換された作動部１８の移動方向の各々の移動量に応じた電流をモータに出力する。また、操作者のグリップ部２０の操作方向と、作動部１８のフォークの移動方向とは、操作者が操作した操作方向の感覚と移動方向とが一致するように予め対応付けられている。例えば、図３に示すように、操作方向としての左右軸周りの回転方向を、移動方向としての前後方向に対応付け、操作方向としての前後軸周りの回転方向を、移動方向としての上下方向に対応付け、また、操作方向としての上下軸周りの回転方向を、移動方向としての左右方向に対応付ける。

次に、第１の実施の形態に係るフォークリフト１０の作用について説明する。まず、操作者が初めて操作する場合には、操作ボタン（図示省略）によってキャリブレーションが指示され、制御部１４において図４に示すキャリブレーション処理ルーチンが実行される。

ステップ１００において、操作者が入力部１２のグリップ部２０を操作し、複数の操作方向に操作力を加えたときに、力センサ２２によって計測される所定の操作方向の操作力に基づいて、所定の操作方向について、最大操作力を計測し、ステップ１０２において、移動方向が対応付けられた全ての操作方向（例えば、左右軸周りの回転方向、前後軸周りの回転方向、上下軸周りの回転方向）について最大操作力を計測したか否かを判定し、最大操作力を計測していない操作方向があると、ステップ１００へ戻り、操作者が複数の操作方向に操作力を加えたときに計測される操作力に基づいて、他の操作方向の最大操作力について測定する。上記のステップ１０２で、移動方向が対応付けられた全ての操作方向について最大操作力が計測された場合には、ステップ１０４へ移行する。

ステップ１０４では、各操作方向について、操作力の実測値と感覚値とが線形に変化する操作力の入力範囲及び操作力の標準値を決定する。例えば、最大操作力の３０％を超えると、負担感が増加するため、入力される操作力の範囲の上限値を最大操作力（例えば、前方向で１００Ｎ）の３０％（例えば、前方向の操作力で３０Ｎ）とし、また、図５に示すように、操作力の標準値の１／２〜２倍までは、操作力の実測値と感覚値とが線形に変化し、標準値の２倍より大きいと、実測値と感覚値とが非線形に変化するため、上限値（最大操作力の３０％）の１／２を操作力の標準値とし、標準値を最大操作力の１５％（１５Ｎ）と決定する。また、入力される操作力の範囲の下限値を、標準値の１／２とし、最大操作力の７．５％（７．５Ｎ）と決定する。このように、操作力の実測値と感覚値とが線形に変化する操作力の入力範囲は、７．５Ｎ〜３０Ｎと決定される。

そして、ステップ１０６で、操作者に対して、ステップ１０４で決定された所定の操作方向の操作力の標準値をフィードバックし、ステップ１０８で、移動方向が対応付けられた全ての操作方向についてフィードバックしたか否かを判定し、基準値をフィードバックしていない操作方向があれば、ステップ１０６へ戻り、フィードバックを行うが、移動方向が対応付けられた全ての操作方向についてフィードバックが行われていれば、ステップ１１０へ進む。なお、標準値のフィードバックの方法は、移動方向が対応付けられた操作方向に操作者が操作力を加え、加えられた操作力が標準値となったときに、音や光で操作者に標準値であることを伝達する方法とすればよい。

ステップ１１０では、上記のステップ１０４で決定された入力範囲の操作力と作動部１８の移動量とが線形に変化するように定められた線形関係を示す入出力マップを各操作方向（左右軸周りの回転方向、前後軸周りの回転方向、上下軸周りの回転方向）について生成して、制御部１４のメモリ（図示省略）に記憶し、キャリブレーション処理ルーチンを終了する。なお、入出力マップは、キャリブレーションを行った操作者の識別情報と共にメモリに記憶される
次に、フォークを駆動させる場合には、制御部１４において図６に示す駆動処理ルーチンが実行される。まず、ステップ１５０では、操作者を識別する識別情報が入力されたか否かを判定し、操作者が操作ボタン（図示省略）を押下することによって、識別情報を入力すると、ステップ１５２へ進み、制御部１４のメモリから、入力された識別情報に対応する各操作方向の入出力マップを読み出す。

そして、次のステップ１５４で、力センサ２２から操作方向の各々の操作力を示す検知信号が入力されたか否かを判定し、操作者によってグリップ部２０が操作されて、ある操作方向に操作力が加えられると、ステップ１５６へ進み、読み出された各操作方向の入出力マップに基づいて、入力された各操作方向の検知信号が示す操作力を、フォークの各移動方向の移動量に変換し、ステップ１５８で、各移動方向の移動量に応じた電流を、移動方向に対応するモータの各々に出力し、ステップ１５０へ戻る。

なお、上記のステップ１５４で、入力される操作力の範囲の上限値を超える操作力が加えられた場合には、入力された操作量を上限値に補正し、入出力マップを用いて移動量に変換される。

そして、駆動部１６の各モータは、入力された電流に応じて駆動し、作動部１８のフォークを、操作方向に対応する移動方向に、操作力に応じた移動量だけ移動させる。

以上説明したように、第１の実施の形態に係るフォークリフトによれば、操作者が加えた操作力の実測値と感覚値とが線形に変化する範囲で計測された操作力を、操作力と作動部の移動量との線形関係を示す入出力マップを用いて、各移動方向の移動量に変換し、作動部を駆動することにより、作動部の移動量と操作者の操作力の感覚量とが線形に変化するため、操作者の精神的な集中が軽減されて、操作者の負担を増加させることなく操作精度を向上させることができる。また、操作精度が向上するため、作業効率の向上させることができ、また、事故発生の可能性を低下させることができる。

また、操作方向に対応付けられた作動部の移動方向が、操作者が操作したと感じる方向とが一致し、操作方向と作動部の動きが矛盾しないため、操作者の負担を軽減することができる。

また、操作者が加えた操作力の実測値と感覚値とが線形に変化する範囲内である操作力の標準値を、操作者にフィードバックすることにより、操作者は、線形に変化する範囲内で操作力を加えることが容易となる。

また、入力と出力との非線形制御が必要な場合、入出力のマップを生成し、回路に組み込む必要があるが、本実施の形態に係るフォークリフトでは、非線形制御が必要ないため、構成が簡略化され、低コストな構成とすることができる。

また、同じ操作力を加えても、ある人には軽く、ある人には重く感じられるように、各個人の力の特性が異なるが、操作者が加える操作力に対して、キャリブレーションを行って、計測された最大の操作力に応じて、操作者が加えた操作力の実測値と感覚値とが線形に変化する操作力の範囲を決定することができるため、操作者の操作力に適した範囲を決定することができる。

なお、上記の実施の形態では、フォークリフトのフォークを操作する場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、パワーショベルのショベルを操作する場合であってもよい。

また、駆動部のモータによって、作動部を駆動させる場合を例に説明したが、駆動部にモータと油圧機構と設け、油圧により作動部を駆動するような構成であってもよい。この場合には、モータを制御し、モータにより油圧機構を作動させて、油圧機構によって作動部を駆動させればよい。

また、操作方向として、左右軸周りの回転方向、前後軸周りの回転方向、及び上下軸周りの回転方向に作動部の移動方向を対応付けた場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、操作者が操作した操作方向の感覚と移動方向とが一致するように対応付け、また、手の自重がかかる上下方向に、移動方向を対応付けなければよい。例えば、図３に示すように、操作方向としての左右方向を、移動方向としての左右方向に対応付け、操作方向としての前後方向を、移動方向としての前後方向に対応付け、また、操作方向としての左右軸周りの回転方向を、移動方向としての上下方向に対応付けてもよい。

また、操作方向と移動方向とが予め対応付けられて固定されている場合を例に説明したが、対応付けを複数用意しておき、操作者が複数の対応付けの何れかを選択できるようにしてもよい。これにより、操作者の感覚にあった対応付けを選ぶことができるため、利便性が向上する。

また、グリップ部と力センサとが独立して設けられている場合を例に説明したが、力センサを埋め込んだグリップ部を用いてもよい。

また、グリップ部の長さ方向が上下方向となるように設定されている場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、操作方向と作動部の移動方向とが一致するように傾けて設置してもよい。

次に、第２の実施の形態に係るフォークリフトについて説明する。なお、第１の実施の形態と同様の構成の部分については、同一符号を付して説明を省略する。

第２の実施の形態では、操作力の標準値が予め設定されている点と、入出力マップの入力となる操作力の範囲が予め設定されている点とが第１の実施の形態と異なっている。

第２の実施の形態に係るフォークリフトでは、実験結果より、グリップ部２０に加えられる操作力の標準値が求められており、並進力（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ）の標準値として５Ｎが設定され、トルク（Ｔｘ、Ｔｙ、Ｔｚ）の標準値として０．３Ｎｍが設定されている。

また、上述した図５で示したように、操作力の標準値の１／２〜２倍までは、操作力の実測値と感覚値とが線形に変化するため、入出力マップの入力となる操作力の範囲を、並進力については、２．５Ｎ〜１０Ｎと設定し、トルクについては、０．１５Ｎｍ〜０．６Ｎｍと予め設定しておく。そして、各操作方向に対して、この入力範囲の操作力と移動量とが線形に変化するように定めた線形関係を示す入出力マップを予め生成しておく。

第２の実施の形態に係るフォークリフトのキャリブレーションでは、操作者に対して、予め設定された各操作方向の操作力の標準値をフィードバックし、操作者に、各操作方向の操作力の標準値を伝達する。

また、作動部１８のフォークの駆動処理では、操作者は、各操作方向の操作力の標準値を基に、グリップ部２０に操作力を加え、制御部１４では、予め生成されている各操作方向の入出力マップを用いて、力センサ２２によって計測された操作方向毎の操作力を、各移動方向の移動量に変換し、移動方向毎に電流を駆動部１６のモータに出力し、駆動部１６によって、作動部１８のフォークを駆動する。

このように、実験的に、操作力の標準値、及び操作者が加えた操作力の実測値と感覚値とが線形に変化する操作力の入力範囲を予め決定しておき、その入力範囲で計測された操作力を、操作力と作動部の移動量との線形関係を示す入出力マップを用いて、各移動方向の移動量に変換し、作動部を駆動することにより、作動部の移動量と操作者の操作力の感覚量とが線形に変化するため、操作者の精神的な集中が軽減されて、操作者の負担を増加させることなく操作精度を向上させることができる。

次に、第３の実施の形態に係るフォークリフトについて説明する。なお、第１の実施の形態と同様の構成の部分については、同一符号を付して説明を省略する。

第３の実施の形態では、グリップ部が変位し、グリップ部に加えられる操作力と、グリップ部の変位とが操作のための入力となる点が第１の実施の形態と異なっている。

図７に示すように、第３の実施の形態に係る入力部３１２には、操作者の手によって、例えば前後方向に変位するグリップ部３２０と、グリップ部３２０の変位としての角度を測定するポテンシオメータ３２２と、圧力計から構成され、グリップ部３２０の変位の限界位置に設けられた力センサ３２４と、グリップ部３２０の変位に応じて、グリップ部３２０から手に反発力を与えるためのバネ３２６とが設けられている。

入力部３１２では、グリップ部３２０の変位の限界位置までグリップ部３２０が変位する間は、ポテンシオメータ３２２で計測される角度が操作のための入力となり、グリップ部３２０の変位の限界位置まで変位すると、操作のための入力が、力センサ３２４で計測される操作力に切り替わる。また、グリップ部３２０が変位の限界位置に達したときにグリップ部３２０に加えられる操作力が、操作力の標準値として設定され、予め実験より変位の限界位置に達したときの操作力を求めておき、操作力の標準値とすればよい。

また、操作者が変位の限界位置までグリップ部３２０を変位させることにより、操作力の標準値の操作者へのフィードバックが行われる。

また、制御部１４には、ポテンシオメータ３２２で計測される変位を入力とし、入力となる変位に応じた移動量を出力する変位用入出力マップと、力センサ３２４で計測される操作力を入力とし、入力となる操作力に応じた移動量を出力する力用入出力マップとが記憶されている。

力用入出力マップの入力となる操作力の範囲は、操作力の標準値の１／２〜２倍であり、操作力の実測値と感覚値とが線形に変化する範囲となっている。また、力用入出力マップは、操作力と作動部１８の移動量とが線形に変化するように定められた線形関係を示している。

第３の実施の形態に係るフォークリフトのキャリブレーションでは、操作者に対して、予め設定された前後方向の操作力の標準値をフィードバックし、作動部１８のフォークの駆動処理では、操作者は、操作方向の操作力の標準値を基に、グリップ部２０に操作力を加え、制御部１４では、変位用入出力マップを用いて、ポテンシオメータ３２２で計測されたグリップ部２０の変位を、グリップ部３２０の前後方向に対応付けられた所定の移動方向の移動量に変換し、駆動信号を生成して出力し、駆動部１６によって、作動部１８のフォークを駆動する。また、力用入出力マップを用いて、力センサ３２４で計測されたグリップ部２０に加えられる操作力を、グリップ部３２０の前後方向に対応付けられた移動方向の移動量に変換し、移動量に応じて電流を駆動部１６のモータに出力し、駆動部１６によって、作動部１８のフォークを駆動する。

このように、変位入力と操作力の入力とを組み合わせた構成においても、操作者が加えた操作力の実測値と感覚値とが線形に変化する操作力の入力範囲で計測された操作力を、操作力と作動部の移動量との線形関係を示す入出力マップを用いて、各移動方向の移動量に変換し、作動部を駆動することにより、操作者の精神的な集中が軽減されて、操作者の負担を増加させることなく操作精度を向上させることができる。

本発明の第１の実施の形態に係るフォークリフトの構成を示す概略図である。本発明の第１の実施の形態に係る入力部の構成を示す概略図である。操作方向と移動方法との対応付けの例を示す図である。本発明の第１の実施の形態に係るフォークリフトの制御部におけるキャリブレーション処理ルーチンの内容を示すフローチャートである。操作力の実測値と感覚値との関係を示すグラフである。本発明の第１の実施の形態に係るフォークリフトの制御部における駆動処理ルーチンの内容を示すフローチャートである。本発明の第３の実施の形態に係る入力部の構成を示す概略図である。

符号の説明

１０フォークリフト
１２、３１２入力部
１４制御部
１６駆動部
１８作動部
２０、３２０グリップ部
２２、３２４力センサ
３２２ポテンシオメータ

Claims

操作者によって操作力を加えることが可能な操作部と、
前記操作部に加えられた操作力を、予め定められた複数の操作方向毎に計測する計測部と、
前記操作力と操作対象の移動体の移動量とが線形に変化するように、前記複数の操作方向毎に予め定めた線形関係に基づいて、前記計測部によって計測される操作力と該操作力が計測されたときに前記操作者が加えたと感じる操作力とが線形に変化する予め定められた範囲の操作力であって、かつ、前記計測部によって計測された操作力を、前記複数の操作方向毎に、該操作方向に予め対応付けられた前記移動体の移動方向の移動量に変換する変換部と、
前記移動体を駆動する駆動部と、
前記変換部によって変換された前記移動方向の移動量に基づいて、該移動方向に前記移動体が該移動量だけ移動するように前記駆動部を駆動させる駆動制御部と、
を含む移動体駆動装置。
前記操作方向に予め対応付けられた移動方向は、前記操作者が前記操作部に対して該操作方向に操作力を加えたときに、操作したと感じる方向と一致する方向である請求項１記載の移動体駆動装置。
前記計測部によって計測された前記複数の操作方向毎の操作力に基づいて、前記複数の操作方向毎に、最大の操作力を算出する算出手段と、
前記算出手段によって算出された前記複数の操作方向毎の最大の操作力に基づいて、前記予め定められた範囲を前記複数の操作方向毎に決定する決定手段とを更に含む請求項１又は２記載の移動体駆動装置。
前記複数の操作方向毎に、前記予め定められた範囲内の所定の操作力を、標準の操作力として、前記操作者に対してフィードバックするフィードバック手段を更に含む請求項１〜請求項３の何れか１項記載の移動体駆動装置。