JP2021093022A

JP2021093022A - 操作レバーシステム

Info

Publication number: JP2021093022A
Application number: JP2019223848A
Authority: JP
Inventors: 泰平尾臺; Taihei Odai
Original assignee: Sinfonia Technology Co Ltd
Current assignee: Sinfonia Technology Co Ltd
Priority date: 2019-12-11
Filing date: 2019-12-11
Publication date: 2021-06-17

Abstract

【課題】ＭＲＦデバイスの残留磁気による影響を抑制して操作レバーに精度良くトルクを与えると共に、操作レバーの操作感をリアルタイムに実現できる操作レバーシステムを提供する。【解決手段】作業機械を操作するための操作レバー１と、電源からの印加電圧により電磁コイルを通電して発生する磁界の大きさによって粘度が変化する磁気粘性流体を用いて操作レバー１に操作抵抗となるトルクを付与するための磁気粘性流体デバイス部２と、操作レバー１に付与するトルクに対応するトルク指令を設定するトルク設定手段３と、トルク設定手段３からのトルク指令に基づいて操作レバー１に付与するトルクを制御する制御部４と、を備え、制御部４は、トルクを現状のトルクよりも小さくする場合に、現状のトルクより小さいトルクのトルク指令信号に対応する印加電圧を、現状のトルクのトルク指令に対応する印加電圧の極性に対して極性を逆にした状態で印加する。【選択図】図１

Description

本発明は、操作レバーに操作抵抗となるトルクを付与するための操作レバーシステムに関する。

例えば、電子機器等への入力装置の一つである操作レバーに磁気粘性流体デバイス（ＭＲＦデバイス）を用いることによって、操作レバーに操作抵抗を付与するものが提案されている（特許文献１参照）。この磁気粘性流体は、例えば、強磁性粒子（カルボニル鉄）をオイル中に分散させたものであり、磁力を加えていない状態では粘度が非常に低い流体（ニュートン流体）であるが、外部から磁力が加わると、磁力の大きさにより粘度が変化する(粘度が高い)流体（ビンガム流体）としての性質を持つようになる。

また、建設機械では、操作レバーにハプティクス技術（触覚技術）を適用してアームやバケット等の操作状態を作業者へ感覚的に訴えるために、前述したＭＲＦデバイスを用いて操作レバーにトルクを与えて操作レバーの操作抵抗を制御することが考えられている。

特開２０１７−１１１４６４号公報

近年、各種センサ技術の進歩に伴って、建設機械をはじめ、操作対象である全体的なシステム及びその周辺の状態を様々な形で検出できるようになりつつある。よって、操作レバーの操作抵抗を段続的に変更させることにより、操作対象の状態を作業者にリアルに知覚させるなど、作業者への感覚的なフィードバック方法について多様化が要望されている。しかし、操作レバーの操作抵抗を変更する際、ＭＲＦデバイスの残留磁気の影響により、所望のトルクに設定するのが難しい。このため、ＭＲＦデバイスの残留磁気を一旦消磁してから所望のトルクに設定するなど、操作抵抗をリアルタイムに変更できず操作レバーの操作感を損なう可能性がある。

また、建設機械は、複数の作業者によって操縦されることが多いため、操作対象の状態に対応する感覚的なフィードバックの強さを作業者に応じて変更したり、操作レバーに付与する操作抵抗（操作レバーの操作感）を各々の作業者の好みに応じて設定したりすることで、操作性や作業性を向上することが要望されている。

そこで本発明は、ＭＲＦデバイスの残留磁気による影響を抑制して操作レバーに精度良くトルクを与えると共に、操作レバーの操作感をリアルタイムに実現できる操作レバーシステムを提供することを課題とする。

本発明の操作レバーシステムは、作業機械を操作するための操作レバーと、電源からの印加電圧により電磁コイルを通電して発生する磁界の大きさによって粘度が変化する磁気粘性流体を用いて前記操作レバーに操作抵抗となるトルクを付与するための磁気粘性流体デバイス部と、前記操作レバーに付与するトルクに対応するトルク指令を設定するトルク設定手段と、該トルク設定手段からのトルク指令に基づいて前記操作レバーに付与するトルクを制御する制御部と、を備え、前記制御部は、トルクを現状のトルクよりも小さくする場合に、該現状のトルクより小さいトルクのトルク指令信号に対応する印加電圧を、該現状のトルクのトルク指令に対応する印加電圧の極性に対して極性を逆にした状態で印加することを特徴とする。

本発明によれば、電磁コイルを通電すると、磁界が発生し、この磁界によって磁気粘性流体内の強磁性粒子が磁化される。これにより、磁気粘性流体の粘度が通電前よりも高く（大きく）なることで、操作レバーに操作抵抗が付与され、操作レバーに操作抵抗となるトルクを設定することができる。そして、トルクが設定された後に、操作レバーの操作感を設定されたトルクにおける操作感よりも重くしたい場合には、トルク設定手段で設定されたトルクよりも大きいトルクに対応するトルク指令を与える。制御部は、与えられたトルク指令に基づいて、このトルクに対応する電圧を印加することで通電により発生する磁場が強められ、設定されたトルクの時よりも大きい操作抵抗となるトルクを付与される。よって、作業者は設定されたトルクの時よりも操作レバーの操作感が重く感じられる。これとは反対に、操作レバーの操作感を設定されたトルクにおける操作感よりも軽くしたい場合には、トルク設定手段でトルクよりも小さいトルクに対応するトルク指令を与える。制御部は、与えられたトルク指令に基づいて、このトルクに対応する電圧を印加することで通電により発生する磁場が弱められ、設定されたトルクの時よりも小さい操作抵抗になるトルクを付与される。よって、作業者は設定されたトルクの時よりも操作レバーの操作感が軽く感じられる。しかし、この場合は、残留磁気の影響により所望のトルクまで小さくならず、操作レバーの操作感を損なう可能性がある。そこで、トルクを現状のトルクよりも小さくする場合には、現状のトルクより小さいトルクのトルク指令信号に対応する印加電圧を、現状のトルクのトルク指令に対応する印加電圧の極性に対して極性を逆にした状態で印加することで、残留磁気を抑制できる。よって、操作レバーに精度良くトルクを与えることができる。

また、本発明の操作レバーシステムは、前記制御部が、トルクを現状のトルクよりも小さいトルクにする場合に、該現状のトルクより小さいトルクのトルク指令に対応する印加電圧の極性と逆にした印加電圧の絶対値を、小さいトルクに対する電圧として扱う構成であってもよい。

トルクを現状のトルクよりも小さいトルクにする場合に、制御部は、現状のトルクより小さいトルクのトルク指令に対応する印加電圧の極性と逆にした印加電圧の絶対値を、小さいトルクに対する電圧として扱うことで、残留磁気の影響を抑制しつつ、操作レバーの操作感をリアルタイムに実現できる。

また、本発明の操作レバーシステムは、前記制御部が、トルクを現状のトルクよりも小さいトルクである第１トルクにする場合に、前記現状のトルクよりも小さく、かつ、前記第１トルクよりも大きなトルクである第２トルクのトルク指令に対応する印加電圧を、該現状のトルクのトルク指令に対応する印加電圧の極性に対して極性を逆にした状態で印加してから、前記第１トルクのトルク指令に対応する印加電圧を、該現状のトルクのトルク指令に対応する印加電圧の極性に対して極性を逆にした状態で印加する構成であってもよい。

トルクを現状のトルクよりも小さいトルクである第１トルクにする場合に、制御部は、第１トルクよりも大きなトルクである第２トルクのトルク指令に対応する印加電圧を、該現状のトルクのトルク指令に対応する印加電圧の極性に対して極性を逆にした状態で印加してから、前記第１トルクのトルク指令に対応する印加電圧を、該現状のトルクのトルク指令に対応する印加電圧の極性に対して極性を逆にした状態で印加する。このように複数段階で極性を逆にした印加電圧を加えることによって、残留磁気の影響を抑制しつつ、操作レバーの操作感をリアルタイムに実現できる。

本発明によれば、トルク設定手段により設定されたトルク設定値を下げる場合に、変更後のトルク値に対応する逆電圧を磁気粘性流体部に付与するための制御部を設けることによって、ＭＲＦデバイスの残留磁気による影響を抑制して操作レバーに精度良くトルクを与えると共に、操作レバーの操作感をリアルタイムに実現できる操作レバーシステムを提供することができる。

本発明の操作レバーシステムの構成を示すブロック図である。電圧を加えた時のトルクの関係を示すヒステリシス曲線を示すグラフである。操作状態１及び操作状態２におけるトルクと電圧の関係を示す２つのグラフである。

本発明に係る操作レバーシステムの一実施形態を、図面に基づいて説明を行う。ここでは、建設用機械用の操作レバーシステムについて説明する。

操作レバーシステムは、図１に示すように、建設機械を操作するための操作レバー１と、操作レバー１に操作抵抗となるトルクを付与するためのＭＲＦデバイス２（磁気粘性流体デバイス部）と、操作レバー１に付与するトルクに対応するトルク指令を設定するトルク設定手段３と、トルク指令に基づいて操作レバー１に付与するトルクを制御する制御部４と、制御部４に電力を供給するための電源となる電力供給部５と、を備えている。

建設機械の一例である油圧ショベル（バックホーともいう）は、操縦を行うキャビンと、アタッチメントであるブーム、アーム、バケット等のアタッチメントと、アタッチメントを動かすためのバケットシリンダと、アームシリンダと、ブームシリンダと、を備えている。そして、バケットシリンダ、アームシリンダ、ブームシリンダが、操作レバーによって伸縮動作される。そして、ポテンショメータにより検出される操作レバーの操作量（角度）に基づいて、アーム、ブーム、バケットの動作速度を変更する。建設機械としては、油圧ショベルの他、ホイールローダー、ブルドーザ等が挙げられる。

本実施形態で用いられるＭＲＦデバイス２は、公知のものであり、強磁性粒子を作動油などの粘性流体中に分散させた磁気粘性流体であるＭＲＦ（ＭａｇｎｅｔｏＲｈｅｏｌｏｇｉｃａｌＦｌｕｉｄ）が封入されたケースと、ケースを囲むように配置された電磁コイルと、を備えている。そして、制御部４により電磁コイルを通電して発生する磁界（磁場）の大きさによって粘度が変化するように構成されている。そして、ＭＲＦデバイス２が操作レバー１の操作軸に装着されて、操作レバー１に操作抵抗となるトルクを付与する。

トルク設定手段３は、建設機械内に設けられた上位システム（図示せず）や建設機械外に設けられた遠隔操作機器（例えばリモートコントローラ）などであり、ＣＡＮ通信や無線通信などにより制御部４にトルク指令を入力する。

制御部４は、所望のトルクに対応するトルク指令が入力されると、ＭＲＦデバイス２にそのトルクに対応する電圧を印加して電磁コイルを通電する。例えば、図２に示すように、制御部４にトルクＴ１に対応するトルク指令が入力されると、ＭＲＦデバイス２に電圧Ｖ１を印加して電磁コイルを通電する。この通電により発生する磁界の大きさによりＭＲＦデバイス２のＭＲＦの粘度を変化させ、操作レバー１に操作抵抗となるトルクＴ１が付与される。

ところで、建設機械は、複数の作業者が操作することが多いため、操作対象の状態に対応する感覚的なフィードバックの強さを作業者に応じて変更したり、作業者毎に操作レバーに付与する操作抵抗（操作レバーの操作感）を好みに設定したい場合がある。例えば、第１番目に建設機械を操作する作業者が、操作レバー１の操作感を前記設定されたトルクＴ１における操作感よりも重くしたい場合には、トルク設定手段３でトルクＴ１よりも大きいトルクに対応するトルク指令を与える。制御部４は、与えられたトルク指令に基づいて、このトルクに対応する電圧（電圧Ｖ１より大きい電圧）を印加することで通電により発生する磁場が強められ、トルクＴ１の時よりも大きい操作抵抗となるトルクを付与される。よって、作業者はトルクＴ１の時よりも操作レバー１の操作感が重く感じられる。

また、第２番目に建設機械を操作する作業者が、操作レバー１の操作感をトルクＴ１における操作感よりも軽くしたい場合には、トルク設定手段３でトルクＴ１よりも小さいトルクに対応するトルク指令を与える。制御部４は、与えられたトルク指令に基づいて、このトルクに対応する電圧（電圧Ｖ１より小さい電圧）を印加することで通電により発生する磁場が弱められ、トルクＴ１の時よりも小さい操作抵抗になるトルクを付与される。よって、作業者はトルクＴ１の時よりも操作レバー１の操作感が軽く感じられる。しかし、この場合は、残留磁気の影響により所望のトルクまで小さくならず、操作レバー１の操作感を損なう可能性がある。例えば、図２に示すように、印加電圧をトルクＴ１に対応する電圧Ｖ１からトルクＴ３に対応する電圧Ｖ３まで下げた場合、残留磁気の影響により下側の曲線Ｌ１を辿ってトルクが減少するのではなく、上側の曲線Ｌ２を辿ってトルクが減少するため、トルクＴ２までしか下がらない。

そこで、トルクを現状より小さくする場合には、現状のトルクのトルク指令に対応する印加電圧と現状のトルクより小さいトルクのトルク指令に対応する印加電圧の極性が逆になるように印加することで、残留磁気を抑制できる。例えば、図３の操作状態１のように、トルクＴ１に対応する電圧Ｖ１からトルクＴ３に対応する電圧Ｖ３まで下げる際、電圧Ｖ１の極性に対して極性を逆にした電圧（ここでは電圧−Ｖ３）をＭＲＦデバイス２に印加することにより残留磁気を瞬間的に消磁する。これにより、図２に示すように、残留磁気の影響を速やかに抑制でき、曲線Ｌ２でなく曲線Ｌ３のように曲線Ｌ１に近づくようにトルクが減少するため、所望のトルクＴ３に変更することができる。よって、操作レバー１に精度良くトルクを与えることができる。

また、トルクを現状より連続的に小さくする場合には、制御部４において、電圧の絶対値変換回路など（図示せず）を実装して、現状のトルクより小さいトルクのトルク指令に対応する印加電圧の極性と逆にした印加電圧の絶対値を、小さいトルクに対する電圧として扱って制御対象とすることで、ＭＲＦデバイス２の残留磁気の影響を抑制しつつ、操作レバー１の操作感をリアルタイムに実現できる。例えば、図３の操作状態２のように、現状のトルクＴ１からトルク（第１トルク）Ｔ３まで連続的に小さくする際、まず、現状のトルクＴ１よりも小さく、かつ、トルク（第１トルク）Ｔ３よりも大きなトルクであるトルク（第２トルク）Ｔ２にする。この時、電圧Ｖ１に対して極性を逆にした電圧（ここでは電圧−Ｖ２）をＭＲＦデバイス２に印加し、制御部４において電圧−Ｖ２の絶対値である電圧Ｖ２をトルクＴ２に対する電圧として扱って制御対象とする。次に、トルク（第２トルク）Ｔ２からトルク（第１トルク）Ｔ３にする。この時、電圧Ｖ１に対して極性を逆にした電圧（ここでは電圧−Ｖ３）をＭＲＦデバイス２に印加し、制御部４において電圧−Ｖ３の絶対値である電圧Ｖ３をトルクＴ３に対する電圧として扱って制御対象とする。これにより、複数段階で極性を逆にした印加電圧を加えることによって、ＭＲＦデバイス２の残留磁気を抑制しつつ、操作レバー１の操作感をリアルタイムに実現できる。

尚、本発明に係る操作レバーシステムは、上記実施形態に限定されるものではなく、建設機械以外の作業機械の操作レバーにも適用可能であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

例えば、トルク設定手段３により設定されたトルクを表示できるトルク表示部を設けて実施してもよい。この場合、作業者毎に自分に適したトルク値を記憶させる記憶部を備え、作業者が操作する度に記憶部から記憶したトルク値を読みだして、そのトルク値を設定してもよい。

前記実施形態では、現状のトルクよりも小さい第１トルクにする場合に、現状のトルクよりも小さく、かつ、第１トルクよりも大きなトルクである第２トルクにしてから、第１トルクにしたが、現状のトルクよりも小さい第１トルクにする場合に、現状のトルクよりも小さく、かつ、第１トルクよりも大きなトルクである第２トルクにし、第２トルクから第２トルクよりも小さく、かつ、第１トルクよりも大きなトルクである第３トルクにしてから、第１トルクにしてもよく、要するに、複数段階にトルクを変更して最終の第１トルクにする構成であってもよい。

１…操作レバー、２…ＭＲＦデバイス（磁気粘性流体デバイス部）、３…トルク設定手段、４…制御部、５…電力供給部、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３…曲線、Ｔ１〜Ｔ３…トルク、Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３…電圧

Claims

作業機械を操作するための操作レバーと、電源からの印加電圧により電磁コイルを通電して発生する磁界の大きさによって粘度が変化する磁気粘性流体を用いて前記操作レバーに操作抵抗となるトルクを付与するための磁気粘性流体デバイス部と、前記操作レバーに付与するトルクに対応するトルク指令を設定するトルク設定手段と、該トルク設定手段からのトルク指令に基づいて前記操作レバーに付与するトルクを制御する制御部と、を備え、前記制御部は、トルクを現状のトルクよりも小さくする場合に、該現状のトルクより小さいトルクのトルク指令信号に対応する印加電圧を、該現状のトルクのトルク指令に対応する印加電圧の極性に対して極性を逆にした状態で印加することを特徴とする操作レバーシステム。
前記制御部は、トルクを現状のトルクよりも小さいトルクにする場合に、該現状のトルクより小さいトルクのトルク指令に対応する印加電圧の極性と逆にした印加電圧の絶対値を、小さいトルクに対する電圧として扱うことを特徴とする請求項１に記載の操作レバーシステム。
前記制御部は、トルクを現状のトルクよりも小さいトルクである第１トルクにする場合に、前記現状のトルクよりも小さく、かつ、前記第１トルクよりも大きなトルクである第２トルクのトルク指令に対応する印加電圧を、該現状のトルクのトルク指令に対応する印加電圧の極性に対して極性を逆にした状態で印加してから、前記第１トルクのトルク指令に対応する印加電圧を、該現状のトルクのトルク指令に対応する印加電圧の極性に対して極性を逆にした状態で印加することを特徴とする請求項１又は２に記載の操作レバーシステム。