JP2011028601A - 力覚提示操作レバー装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アクチュエータの不連続な運動に代表される作業機械の状態を力覚として操縦者に対して柔軟に提示するための技術を提供する。
【解決手段】力覚提示操作レバー装置１００は、操作レバー１と、前記操作レバー１を傾倒可能に支持する操作レバー支持体２と、前記操作レバー１の傾倒に対する反力として電磁的なトルクを発生させる電磁的手段（ＤＣブラシレスモータ３等）と、前記操作レバー１の傾倒に対する反力として摩擦によるトルクを発生させる摩擦ブレーキ機構７（摩擦ブレーキ手段）と、前記の電磁的手段と摩擦ブレーキ機構７とが、前記操作レバー１の傾倒に対する反力としてのトルクを相互補完的に発生するように、前記の電磁的手段と摩擦ブレーキ機構７の動作を制御する制御手段５０と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、操作レバーの傾動に対して所望の反力を付与する、力覚提示操作レバー装置に関する。

油圧式クレーンは、一般に、下部走行体と、この下部走行体に対して水平旋回可能に設けた上部旋回体と、この上部旋回体に俯仰可能に接続されるアタッチメントと、アタッチメントを介して作業対象物を吊り上げるためのフック装置と、から構成されている。これらの構成要素は、油圧モータなどのアクチュエータによって駆動されるようになっており、アクチュエータのトルクや速度、位置の制御は適宜の操作レバーを操作することで行われる。

周知の通り、上記のアクチュエータのトルクや速度、位置の制御は容易ではなく、アタッチメントの俯仰角度や作業対象物の重量、位置などに影響されてしまう。特に、アタッチメントなどの構成要素が静止状態から動作状態へと切り替わる瞬間は、静摩擦と動摩擦の差異や電気系・油圧系・機械系が有する様々な遅れのせいで、アクチュエータの運動（トルクや速度、位置）は不連続となってしまう。

上記の事情で、油圧式クレーンの操縦者には高度な操縦技術が要求される。具体的には、アクチュエータの運動は勿論、作業対象物の揺れ動く振幅を可及的にゼロに近づけるテクニックが要求されている。そこで、熟練した操縦者は、アクチュエータの不連続な運動を、主として操作レバーへの油圧の圧力の戻りによる反力を介して察知し、その上で高度なフィードフォワード操作ないしフィードバック操作をしている。

しかし、昨今、システム構成の簡易化の流れで、操作レバーへの油圧の圧力の戻りによる反力のない、所謂バイワイヤー式が広く採用されるようになっている。

以上を踏まえ、特許文献１（特開２０００−２７６２４４号公報）は、外部からの通電により粘性が変化する可変粘性流体を用いたダンパーを開示している。即ち、このダンパーを操作レバーの傾転に対する反力の発生装置として用いることで、操作レバーの操作速度に応じて操作レバーの操作反力（重さ）を適切な大きさに調整できるようになっており、主として操作レバーの操作フィーリングを高めることが目的とされている。

しかし、上記特許文献１の構成では、アクチュエータの不連続な運動に代表される作業機械の状態を力覚として操作者に対して柔軟に提示することが難しい。というのは、上記特許文献１の構成は、あくまで、操作レバーの操作速度に応じた操作反力が発生するようになっているだけだからである。

以上の事情を鑑み、本願発明の主たる目的は、アクチュエータの不連続な運動に代表される作業機械の状態を力覚として操縦者に対して柔軟に提示するための技術を提供することにある。

課題を解決するための手段及び効果

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段とその効果を説明する。

本願発明の観点によれば、以下のように構成される、力覚提示操作レバー装置が提供される。即ち、力覚提示操作レバー装置は、操作レバーと、前記操作レバーを傾倒可能に支持する操作レバー支持体と、前記操作レバーの傾倒に対する反力として電磁的なトルクを発生させる電磁的手段と、前記操作レバーの傾倒に対する反力として摩擦によるトルクを発生させる摩擦ブレーキ手段と、前記の電磁的手段と摩擦ブレーキ手段とが、前記操作レバーの傾倒に対する反力としてのトルクを相互補完的に発生するように、前記の電磁的手段と摩擦ブレーキ手段の動作を制御する制御手段と、を備える。以上の構成によれば、前記電磁的手段の存在により、前記操作レバーの傾倒に対する反力としてのトルクを自由自在に柔軟に発生させることができる。また、前記制御手段による上記の相互補完的な制御によれば、前記操作レバーの傾倒に対する反力としてのトルクの一部が前記摩擦ブレーキ手段に割り振られるので、前記電磁的手段がトルクを発生させる際の発熱を抑制することができる。

上記の力覚提示操作レバー装置は、更に、以下のように構成されてもよい。前記制御手段は、外部信号に基づいて、前記操作レバーの傾倒に対する反力としてのトルクを設定する。

上記の力覚提示操作レバー装置は、更に、以下のように構成されてもよい。前記操作レバーの傾倒量を検知する傾倒量検知手段を設ける。前記制御手段は、前記傾倒量検知手段によって検知した前記操作レバーの傾倒量に基づいて、前記操作レバーの傾倒に対する反力としてのトルクを設定する。

上記の力覚提示操作レバー装置は、更に、以下のように構成される。即ち、前記操作レバーの傾倒に対する反力としてのトルクの程度を調整可能な反力調整手段を設けた。以上の構成によれば、前記操作レバーの傾動に対する反力としてのトルクの程度を調整することができるようになる。

上記の力覚提示操作レバー装置は、更に、以下のように構成される。即ち、バイワイヤー式に構成される。このように、操作レバーへの油圧の圧力の戻りがそもそも存在しない場合に、上述の技術は特に有用である。

第一実施形態に係る力覚提示操作レバー装置の部分断面図 第二実施形態に係る力覚提示操作レバー装置の部分断面図

以下、図１を参照しつつ、本発明の好適な実施の形態を説明する。以下、本願発明に係る力覚提示操作レバー装置を油圧式クレーンに適用した例を説明する。

本実施形態に係る力覚提示操作レバー装置１００は、操作レバー１が前後方向に傾倒可能である所謂前後駆動式に構成されており、操作レバー１と、この操作レバー１を傾倒可能に支持する操作レバー支持体２と、を主たる構成として備える。

操作レバー支持体２は、図示しない油圧式クレーンの運転室の底床に支持され、上壁２ａが開口した箱体であって、この上壁２ａには、後述するＤＣブラシレスモータ３や減速機構４、第一ブレーキ円板５ａ、ロータリエンコーダ６が固定される固定板２ｂが取り付けられている。

図１に示すように第一ブレーキ円板５ａは固定板２ｂに対して回転自在に支持されており、上記の操作レバー１は、この第一ブレーキ円板５ａの外周に連結支持されている。この第一ブレーキ円板５ａには、第一ブレーキ円板５ａと共回りする第二ブレーキ円板５ｂが設けられている。この第二ブレーキ円板５ｂは、上記の減速機構４を介してＤＣブラシレスモータ３の出力軸に接続されており、この構成で、ＤＣブラシレスモータ３が生成した電磁トルクが減速機構４によって増幅された上で第二ブレーキ円板５ｂに作用するようになっている。本実施形態において、操作レバー１の傾倒に対する反力として電磁的なトルクを発生させる電磁的手段は、少なくとも、ＤＣブラシレスモータ３と減速機構４、第二ブレーキ円板５ｂを含んで実現されている。

上記の第二ブレーキ円板５ｂの近傍には、第二ブレーキ円板５ｂの回転角を検知可能な光学式ロータリエンコーダ６が設けられている。そして、操作レバー支持体２の上壁２ａには、ソレノイド式の摩擦ブレーキ機構７が設けられている。この摩擦ブレーキ機構７は、第一ブレーキ円板５ａを挟む位置に設けられる一対の摩擦パッド７ａと、この一対の摩擦パッド７ａを近接及び離反させるためのソレノイド７ｂと、ソレノイド７ｂを支持する片持ち梁７ｃと、を主たる構成として備え、ソレノイド７ｂが一対の摩擦パッド７ａを互いに近接させることで、回転する第一ブレーキ円板５ａに対して摩擦トルクを付与するようになっている。更に、上記の片持ち梁７ｃには一対の歪みゲージ８が貼設され、この歪みゲージ８は、歪み検出アンプ９に接続されている。この構成で、回転する第一ブレーキ円板５ａに対して摩擦ブレーキ機構７が摩擦トルクを付与すると、片持ち梁７ｃが撓み、この撓みに伴って上記の歪みゲージ８の抵抗値が変動し、この抵抗値の変動が歪み検出アンプ９に読み取られることで、回転する第一ブレーキ円板５ａに対して摩擦ブレーキ機構７が付与した摩擦トルクが検知可能となっている。

次に、力覚提示操作レバー装置１００が備える制御手段５０について説明する。本実施形態において上記制御手段５０は、ＤＣブラシレスモータ３と摩擦ブレーキ機構７とが、操作レバー１の傾倒に対する反力としてのトルクを相互補完的に発生させるように、ＤＣブラシレスモータ３と摩擦ブレーキ機構７の動作を制御するものであって、操作レバー支持体２内に収容されたマイクロコンピューターによって構成されている。即ち、制御手段５０は、演算処理装置であるＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）と、ＣＰＵが実行する制御プログラム及び制御プログラムに使用されるデータが記憶されているＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）と、プログラム実行時にデータを一時記憶するためのＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）と、から構成されている。そして、上記のＲＯＭに記憶されている制御プログラムが上記ＣＰＵに読み込まれ、ＣＰＵ上で実行されることで、制御プログラムは、上記ＣＰＵなどのハードウェアを、図１に示すブレーキ制御部５１、トルク演算部５２、減算器５３、モータ制御部５４、傾倒量演算部５５、傾倒量−トルク変換器５６として機能させるようになっている。

ブレーキ制御部５１は、摩擦ブレーキ機構７の動作を制御するものである。即ち、ブレーキ制御部５１には、制御手段５０の外部から外部トルク信号が送信されるようになっており、ブレーキ制御部５１は、受信した外部トルク信号に基づいて、摩擦ブレーキ機構７の動作を制御する。具体的には、摩擦ブレーキ機構７が発生する摩擦トルクは、第一ブレーキ円板５ａに対する摩擦パッド７ａの押圧力に比例し、この押圧力はソレノイド７ｂに入力された電流値に略比例する。従って、ブレーキ制御部５１は、摩擦ブレーキ機構７が発生する摩擦トルクが所望のトルクとなるように、ソレノイド７ｂに入力する電流値を適宜に増減するようになっている。なお、本実施形態では、摩擦ブレーキ機構７が発生する摩擦トルクが例えば２Ｎｍ、４Ｎｍ、６Ｎｍといったように段階的ないし間欠的となるように、ブレーキ制御部５１は摩擦ブレーキ機構７の動作を制御する。従って、例えば外部トルク信号のトルク値が４．７Ｎｍの場合は、ブレーキ制御部５１は、摩擦ブレーキ機構７が発生する摩擦トルクが４Ｎｍとなるように摩擦ブレーキ機構７の動作を制御する。

前述した歪み検出アンプ９は、一対の歪みゲージ８の抵抗差を電圧に変換した上で適宜に増幅し、増幅した電圧を電圧信号としてトルク演算部５２に送信する。

トルク演算部５２は、歪み検出アンプ９から送信された電圧信号に基づいて、摩擦ブレーキ機構７が発生した摩擦トルクを演算し、演算した摩擦トルクを摩擦トルク信号としてブレーキ制御部５１に送信する。これにより、ブレーキ制御部５１による摩擦ブレーキ機構７の動作のフィードバック制御が実現される。更には、ブレーキ制御部５１は、操作レバー１の傾倒方向が逆転するなどしてトルク演算部５２から受信した摩擦トルク信号のトルク値が急激に低下するなどした場合は、操作レバー１の逆方向への傾倒を妨げないよう、摩擦ブレーキ機構７が摩擦トルクを発生しないように摩擦ブレーキ機構７の動作を制御する。また、トルク演算部５２は、演算した摩擦トルクを摩擦トルク信号として減算器５３にも送信する。

減算器５３には、制御手段５０の外部から外部トルク信号が送信されるようになっており、この外部トルク信号のトルク値から、上記トルク演算部５２から受信した摩擦トルク信号のトルク値を減算し、減算結果である差分トルクを差分トルク信号としてモータ制御部５４に送信するようになっている。

モータ制御部５４は、ＤＣブラシレスモータ３の動作を制御するものである。即ち、モータ制御部５４は、受信した差分トルク信号に基づいて、ＤＣブラシレスモータ３の動作を制御する。一般に、ＤＣモータの出力するトルクは、ＤＣモータに入力された電流値に比例する。従って、モータ制御部５４は、ＤＣブラシレスモータ３が発生する電磁トルクが、前述の減速機構４の減速比を考慮した上で上記の差分トルク信号のトルク値と一致するようにＤＣブラシレスモータ３に入力される電流値を適宜に増減する。なお、上記のように外部トルク信号のトルク値が４．７Ｎｍであり、摩擦ブレーキ機構７が発生する摩擦トルクが４Ｎｍとなるようにブレーキ制御部５１が摩擦ブレーキ機構７の動作を制御した場合、差分トルク信号のトルク値は０．７Ｎｍとなるので、この場合、モータ制御部５４は、ＤＣブラシレスモータ３が発生する電磁トルクが０．７Ｎｍとなるように、ＤＣブラシレスモータ３の動作を制御することとなる。

以上説明したように、外部トルク信号のトルク値は、摩擦ブレーキ機構７とＤＣブラシレスモータ３とが相互補完的に発生させるようになっている。

ところで、前述のロータリエンコーダ６は、第二ブレーキ円板５ｂの回転角を回転角信号として傾倒量演算部５５に送信する。そして、傾倒量演算部５５は、上記のロータリエンコーダ６から受信した回転角信号に基づいて操作レバー１の傾倒量を演算し、演算した傾倒量を傾倒量信号として傾倒量−トルク変換器５６と、油圧式クレーンの図示しない制御装置とに送信する。操作レバー１の傾倒量が電気信号で油圧式クレーンの制御装置に伝えられる点で、本実施形態に係る力覚提示操作レバー装置１００は所謂バイワイヤー式に構成されていると言える。

傾倒量−トルク変換器５６は、傾倒量演算部５５から受信した傾倒量信号の傾倒量値をトルクに変換し、変換後のトルクを内部トルク信号としてブレーキ制御部５１や減算器５３に送信するものである。即ち、制御手段５０は、外部トルク信号に基づいて操作レバー１の傾倒に対する反力としてのトルクを設定することに代えて、または加えて、内部トルク信号に基づいて操作レバー１の傾倒に対する反力としてのトルクを設定してもよい。具体的には、傾倒量とトルクとの対応関係が例えばテーブル形式などでＲＡＭに記憶されており、傾倒量−トルク変換器５６は、傾倒量演算部５５から受信した傾倒量信号の傾倒量値と、上記の対応関係と、に基づいて傾倒量値に対応するトルクを求め、このトルクを内部トルク信号としてブレーキ制御部５１や減算器５３に送信するようになっている。

（作動）
以上の構成で、操作レバー１を中立位置から所定方向へ傾倒すると、傾倒量演算部５５から油圧式クレーンの制御装置へと傾倒量信号が送信される。油圧式クレーンの制御装置は、傾倒量演算部５５から受信した傾倒量信号に基づいて油圧式クレーンのアタッチメントなどの構成要素を俯仰ないし旋回させる。このとき、例えばアタッチメントを俯仰させるための油圧モータの油圧がステップ状に変動し、この変動が図示しない油圧変動検出器によって検出される。油圧変動検出器は、この油圧のステップ状の変動を操縦者に伝えるべく、外部トルク信号として、操作レバー１の傾倒に対する反力としてのトルクを制御手段５０に送信する。この外部トルク信号は制御手段５０のブレーキ制御部５１に入力され、ブレーキ制御部５１は、外部トルク信号のトルク値の一部を、回転する第一ブレーキ円板５ａに対して作用させるように、摩擦ブレーキ機構７の動作を制御する。そして、摩擦ブレーキ機構７によって発生した摩擦トルクは、歪みゲージ８と歪み検出アンプ９、トルク演算部５２によって検出され、この摩擦トルクは、ブレーキ制御部５１に適宜にフィードバックされる。

一方で、外部トルク信号のトルク値と、上記のトルク演算部５２によって演算された摩擦トルクのトルク値と、の差分トルクが差分トルク信号としてモータ制御部５４に送信される。モータ制御部５４は、この差分トルク信号に基づいてＤＣブラシレスモータ３の動作を制御する。以上の作動により、外的状況を反映した反力が操作レバー１の傾倒に対して付与される。

ところで、操作レバー１の傾倒方向が逆向きへと変化すると、摩擦ブレーキ機構７による摩擦トルクが急激に低下し、更には、逆向きの摩擦トルクが発生することになる。この逆向きの摩擦トルクは歪みゲージ８や歪み検出アンプ９、トルク演算部５２によって検出され、この逆向きのトルクがブレーキ制御部５１に入力されると、ブレーキ制御部５１は、摩擦トルクを消失させるように摩擦ブレーキ機構７の動作を制御する。これにより、操作レバー１の傾倒の反転が妨げられることがない。

（まとめ）
（請求項１）
以上説明したように上記実施形態において、力覚提示操作レバー装置１００は、以下のように構成されている。即ち、力覚提示操作レバー装置１００は、操作レバー１と、前記操作レバー１を傾倒可能に支持する操作レバー支持体２と、前記操作レバー１の傾倒に対する反力として電磁的なトルクを発生させる電磁的手段（ＤＣブラシレスモータ３等）と、前記操作レバー１の傾倒に対する反力として摩擦によるトルクを発生させる摩擦ブレーキ機構７（摩擦ブレーキ手段）と、前記の電磁的手段と摩擦ブレーキ機構７とが、前記操作レバー１の傾倒に対する反力としてのトルクを相互補完的に発生するように、前記の電磁的手段と摩擦ブレーキ機構７の動作を制御する制御手段５０と、を備える。以上の構成によれば、前記電磁的手段の存在により、前記操作レバー１の傾倒に対する反力としてのトルクを自由自在に柔軟に発生させることができる。また、前記制御手段５０による上記の相互補完的な制御によれば、前記操作レバー１の傾倒に対する反力としてのトルクの一部が前記摩擦ブレーキ機構７に割り振られるので、前記電磁的手段がトルクを発生させる際の発熱を抑制することができる。

また、上記の構成は、油圧供給を必要とせず、電力供給のみで実現できる構成となっている点で、操作レバー１周辺の構成のコンパクト化に寄与している。

（請求項２）
また、前記制御手段５０は、外部トルク信号（外部信号）に基づいて、前記操作レバー１の傾倒に対する反力としてのトルクを設定してもよい。

（請求項３）
それとも、操作レバー１の傾倒量を検知するロータリエンコーダ６（傾倒量検知手段）を設けた上で、前記制御手段５０は、ロータリエンコーダ６によって検知した前記操作レバー１の傾倒量に基づいて、前記操作レバー１の傾倒に対する反力としてのトルクを設定するようにしてもよい。

（請求項５）
また、力覚提示操作レバー装置１００はバイワイヤー式に構成されている。このように、操作レバー１への油圧の圧力の戻りがそもそも存在しない場合に、上述の技術は特に有用である。

次に、図２を参照しつつ、本願発明の第二実施形態を説明する。即ち、図２に示すように、操作レバー１の傾倒に対する反力の程度を調整可能な反力調整手段６０を外部トルク信号の信号線上に設けてもよい。この反力調整手段６０は、例えばオペアンプと可変抵抗などから成る増幅回路によって構成することができる。

（まとめ）
（請求項４）
以上説明したように、本実施形態において、力覚提示操作レバー装置１００は、以下のように構成されている。即ち、前記操作レバー１の傾倒に対する反力としてのトルクの程度を調整可能な反力調整手段６０を設けた。以上の構成によれば、前記操作レバー１の傾動に対する反力としてのトルクの程度を調整することができるようになる。

以上に本発明の好適な実施形態を説明したが、上記の各実施形態は以下のように変更して実施することができる。

即ち、傾倒した操作レバー１を中立点に戻すためのレバー復元手段を設けてもよい。というのは、ＤＣブラシレスモータ３による電磁トルクによっても、傾倒した操作レバー１を中立点に戻すことは可能であるが、操作レバー１が中立点近傍に至ったとき、十分な電磁トルクを確保することが困難となるからである。なお、レバー復元手段としては、例えば、圧縮コイルスプリングを適宜に配置することが考えられる。

また、上記各実施形態において、摩擦ブレーキ機構７の動作の制御は、段階的な（ステップ状の、間欠的な）制御としたが、これに代えて、連続的な（リニアな）制御としてもよい。ただし、摩擦ブレーキ機構７が発生させる摩擦トルクは応答性や安定性の面で劣るので、前者の制御を採用することが好ましく、そして、差分トルクを前述のようにＤＣブラシレスモータ３に担わせればよい。

１ 操作レバー
２ 操作レバー支持体
３ ＤＣブラシレスモータ（電磁的手段）
７ 摩擦ブレーキ機構（摩擦ブレーキ手段）

Claims (5)

1. 操作レバーと、
   前記操作レバーを傾倒可能に支持する操作レバー支持体と、
   前記操作レバーの傾倒に対する反力として電磁的なトルクを発生させる電磁的手段と、
   前記操作レバーの傾倒に対する反力として摩擦によるトルクを発生させる摩擦ブレーキ手段と、
   前記の電磁的手段と摩擦ブレーキ手段とが、前記操作レバーの傾倒に対する反力としてのトルクを相互補完的に発生するように、前記の電磁的手段と摩擦ブレーキ手段の動作を制御する制御手段と、
   を備える、ことを特徴とする力覚提示操作レバー装置。
2. 請求項１に記載の力覚提示操作レバー装置であって、
   前記制御手段は、外部信号に基づいて、前記操作レバーの傾倒に対する反力としてのトルクを設定する、
   ことを特徴とする、力覚提示操作レバー装置。
3. 請求項１に記載の力覚提示操作レバー装置であって、
   前記操作レバーの傾倒量を検知する傾倒量検知手段を設け、
   前記制御手段は、前記傾倒量検知手段によって検知した前記操作レバーの傾倒量に基づいて、前記操作レバーの傾倒に対する反力としてのトルクを設定する、
   ことを特徴とする、力覚提示操作レバー装置。
4. 請求項１〜３の何れかに記載の力覚提示操作レバー装置であって、
   前記操作レバーの傾倒に対する反力としてのトルクの程度を調整可能な反力調整手段を設けた、
   ことを特徴とする、力覚提示操作レバー装置。
5. 請求項１〜４の何れかに記載の力覚提示操作レバー装置であって、
   バイワイヤー式に構成される、
   ことを特徴とする、力覚提示操作レバー装置。

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