JP3657894B2

JP3657894B2 - 油圧ショベルの手動操作

Info

Publication number: JP3657894B2
Application number: JP2001218104A
Authority: JP
Inventors: 栄二中野; 泰光森木; 宏友沼倉; 明夫寺井; 慎治吉長
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; Maruma Technica Co Ltd; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; Maruma Technica Co Ltd; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2001-07-18
Filing date: 2001-07-18
Publication date: 2005-06-08
Anticipated expiration: 2021-07-18
Also published as: JP2003027527A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は油圧ショベルの手動操作装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から用いられている一般的な油圧ショベルの動力伝達は、すべて油圧駆動である。この油圧ショベルの基本的構造は、図４に示すようにバケット1 、アーム２、ブーム３、本体４、クローラ部５から成り、動力源として、エンジンを用いて、油圧ポンプを駆動し、その圧油をバケット、アーム、ブームの各シリンダや本体の旋回用のモータ、移動用のクローラの走行モータに送り、それらを駆動するようにしている。
【０００３】
しかし、操作に関しては最新の油圧ショベル、図５、図６、図２に示すように、右作業機操作レバー１８ａ、左作業機操作レバー１８ｂの操作により、バケット１、アーム２、第１ブーム３ａ、第２ブーム３ｂの各シリンダやブームオフセット操作ペダル５０により、オフセットブーム３ｃのオフセットシリンダ３ｓ〔また、右走行レバー１９ａ、左走行レバー１９ｂの操作により走行モータ５ａ（左右）〕を駆動するバルブ（弁）を個別的に開閉するので、各シリンダの駆動により、バケット、アーム、ブームが独立して作動する。従って、それらのシリンダの作動の複合によりバケット１に必要な動作を行わせるには、その操作に十分な経験を積んだオペレータが必要になる。
【０００４】
すなわち、右作業機操作レバー１８ａの左右方向操作に対して、バケット引き込み、押し出し、また前後方向に対して、ブーム（３ａ、３ｂ）下げ、上げの関節動作が対応している。また、左作業機操作レバー１８ｂの前後方向に対してアーム押し出し、引き込みの関節動作が対応している。（左右方向に対しては、本体上部体の旋回動作が対応している。）なお、これら両レバー共に、前後及び左右両方向にまたがる領域では、複合操作が可能となる。さらに両レバー同時操作による複合操作も可能である。レバーの操作方向は、関節の作動と対応しており、バケット自体の空間的な動きと直接的な関連性は無く、複合操作によるバケットの挙動を直感することは困難であり、作業現場で直面するバケットを水平や法面などに沿う直線状に駆動することは、経験を積んだオペレータでないと殆ど不可能である。
【０００５】
また、操作用レバーにより、オペレータは、機械各部の作動を指令しているだけで、機械各部の情報（先端の力の情報など）を得ていないので、硬い土質や岩盤の有無などの作業現場の状況を把握しにくく、この点でも操作が困難になっている。
【０００６】
これに対して、発明者等は先に、油圧ショベルのバケットの操作性を一層向上させることにより、その操作を誰もが容易に行えるようにし、且つバケットに加えられる外界からの反力をオペレータに適切にフィードバックできるようにした手動操作装置を発明し、これを特許第２８２４１６７号として、特許を取得した。（以下基本特許と称する。）
【０００７】
これは、図７に示すように前記図４に示したようなクローラ部５に対して、旋回する本体４を備えた油圧ショベルにおいて、そのバケット１、アーム２、ブーム３を動作させるため、それらのシリンダの駆動を制御するためのものであって、バケットの挙動前後Ｘ軸方向（コントロールレバー操作はオペレータから見て左右方向であるｘ軸方向移動）、上下Ｙ軸方向（コントロールレバー操作はオペレータから見て上下方向であるｙ軸方向移動）、及びバケットの回転Φ（コントロールレバー操作は捩じりφ方向）の３自由度を持ち、Ｘ、Ｙ平面内バケットの挙動をコントロールする単一のコントロールレバー１０及びグリップ１１を備え、さらにその指令に基づいて、上記シリンダに圧油を供給するためのバルブ（弁、図示省略）に制御信号を出力する駆動制御装置２０を備える。
【０００８】
手動操作装置においては、機体から側方に突出する単一のコントロールレバー１０の操作により、駆動制御装置２０において所要の演算を行って、アーム２、ブーム３、及びバケット１が複合的に駆動され、結果的にバケット１を油圧ショベル本体に対して一定の姿勢を保持しながら前後Ｘ軸方向（コントロールレバー操作はｘ軸方向移動）または上下Ｙ軸方向（コントロールレバー操作はｙ軸方向移動）平面内で、バケットの直線運動を含む任意の挙動を操作可能である。
【０００９】
しかも、コントロールレバーの操作方向をバケットの動きの方向と近似させているため、オペレータがバケットの動きを直感的に把握できる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
最近、油圧ショベル系建設機械の適用される現場は、数１０ｍの高所や深穴の掘削等、従来の視覚のみでは、操作困難な領域に迄拡大されている。そのために、レバー操作感が、バケットの挙動と一致すべく、またバケットにかかる外力を操作レバーへフィードバックする制御機構開発の要求は強くなっている。また、危険区域における遠隔操作にしても、１本レバーによる操作の容易性や、身体で感ずることの出来ない反力を手に感ずることを要求することは多い。
【００１１】
前記特許第２８２４１６７号の油圧ショベルの操作性向上のための手動操作装置は、図８に示すように説明される。コントロールレバー１０は、それが, 前後ｘ軸方向移動（ｘ回転軸）、上下ｙ軸方向移動（ｙ回転軸）に傾動可能に支持されると共に、グリップ１１を回転φ（φ回転軸捩じり）可能に支持されたもので、それぞれの方向への、操作量を検出するためのポテンショメータあるいはエンコーダ等の回転検出器１２ａ，ｂ，ｃを付設している。また、それぞれの回転方向に対し、バケット１に加えられる外界からの反力をオペレータへフィードバックする制御のための減速装置付きのモータ１３ａ，ｂ，ｃを付設している。また、グリップ１１上には、モード切換え用の必要数のスイッチ１４を設けている。
【００１２】
前記特許文献（第２８２４１６７号）には、コントロールレバー１０をそれ自体の軸方向（図８中ｂ）にも摺動により前記クローラ部５に対する本体４の旋回操作を行うようにすることもできるとあるが、軸方向の摺動に関しては何の具体的な説明はなされていない。
【００１３】
それどころか、図８の機構ではコントロールレバー１０をそれ自体の軸方向（ｚ軸方向）にも摺動させるべきものが見られず、この動きは実質的には不可能である。
【００１４】
本発明の目的は前記従来例の不都合を解消し、機体から側方に突出する単一のコントロールレバーの操作によりバケットを油圧ショベル本体に対して一定の姿勢を保持しながら前後Ｘ軸（コントロールレバー操作はｘ移動）、上下Ｙ軸（コントロールレバー操作はｙ移動）または左右Ｚ軸（コントロールレバー操作はｚ移動）の空間において、直線移動を含む任意の挙動をこのコントロールレバーを操作することによって、容易に得ることができ、コントロールレバーの動きは、人間工学的観点から考案された疑似座標系を採用しており、バケットの動きと直感的に良く一致しているので、油圧ショベルのバケット操作性をより一層向上させることができる手動操作装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記目的を達成するため、バケット、アーム、ブームを作動させる各シリンダを油圧によって駆動する油圧ショベルのための手動操作装置であって、単一のコントロールレバーとその単一のコントロールレバーの出力に基づいて、前記シリンダに圧油を供給するためのバルブに制御信号を出力する駆動制御装置とを備え、単一のコントロールレバーによって複合的に駆動されるシリンダの内部圧力を圧力検出器で検出し、単一のコントロールレバーにトルクとしてフィードバックすることにより、外力を感知するバイラテラル制御とコントロールレバー側と油圧ショベル側との異なる関節構造間の座標変換を行って方向と速度とのマスタースレーブ制御するものであり、それぞれの方向と速度指定の操作量を検出するためのポテンショメータあるいはエンコーダ等の回転検出器を付設し、また、それぞれの回転方向に対し、バケットに加えられる外界からの反力をオペレータへフィードバックするバイラテラル制御のための減速装置付きのｘモータ、ｙモータ、φモータ、ｚモータを備え、単一のコントロールレバーによってバケットの挙動は、前後ｘ軸方向のコントロールレバー操作で前後Ｘ軸方向に移動し、上下ｙ軸方向のコントロールレバー操作で上下Ｙ軸方向に移動し、φ軸捩じりのコントロールレバー操作でバケットΦ回転方向に移動する３自由度に加えて、左右ｚ軸方向のコントロールレバー操作でバケット左右Ｚ軸方向に移動する自由度を持たせ、バケットＸ、Ｙ、Ｚ軸方向空間およびΦ回転方向の４自由度のコントロールを可能とするために、ｘモータが連結するｘ回転軸に対して並行にｚモータが連結するｚ回転軸を設けたことを要旨とするものである。
【００１６】
請求項１記載の本発明によれば、機体から側方に突出する単一のコントロールレバーの操作により、駆動制御装置において所要の演算を行って、アーム、ブーム及びバケットが複合的に駆動され、結果的にバケットを油圧ショベル本体に対して一定の姿勢を保持しながら前後、上下、左右方向の３次元空間において直線移動を含む任意のバケット挙動を可能とする。一本レバーによる油圧ショベルバケットの操作範囲を拡大し操作性を向上させることができる。
【００１７】
しかも、単一のコントロールレバーの操作方向と移動量がバケットの動きの方向を近似させ、速度を比例させているため、オペレータがバケットの動きを直感的に把握できる。
【００１８】
また、機体から側方に突出する単一のコントロールレバーによって複合的に駆動されるシリンダの内部の圧力を圧力検出器で検出し、コントロールレバー側と油圧ショベル側との異なる関節構造間の座標変換を行ってバイラテラル制御するようにしているので、バケットに加えられる外界からの反力が単一のコントロールレバーを通してオペレータにフィードバックされ、しかもその反力が単一のコントロールレバーにおける４自由度の方向に作用するので、コントロールレバーを通してオペレータがバケットに作用する外界の力情報を、その方向を含めて感じ取ることが可能になる。
【００１９】
さらに、コントロールレバーの左右ｚ軸方向移動（ｚ回転軸）については、ｚ回転軸をｘ回転軸に平行に設けることにより、構造的に複雑になることを防止し、ｘ、ｙ、ｚ軸のうち単独軸方向に操作する際に他方向の干渉（つれ廻り）を受けることも無く、また、２あるいは３軸方向の合成方向に操作する場合も容易に可能である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面について本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は本発明の油圧ショベルの手動操作装置の１実施形態を示す斜視図、図２は本発明の手動操作装置によるバケットの挙動を示す油圧ショベルの全体斜視図である。本発明装置を搭載した最新の油圧ショベル図２は、前記従来油圧ショベル例図４に示したようにクローラ部５に対して旋回する油圧ショベル本体４を備えたものである。なお、油圧ショベルの腕に相当するアーム、ブームに関しては、従来（基本特許時点）のブームが単純な１本のブーム（図４）であったのに対して、最新の油圧ショベル（図２）においては、第１ブーム３ａ、第２ブーム３ｂ及びオフセットブーム３ｃが存在する。第２ブーム３ｂの操作は、右作業機レバーのノブ上のスイッチを用いて行う。また、オフセットブーム３ｃは、同シリンダ３ｓを駆動させることにより、バケットを左右Ｚ軸方向に移動させる。操作は、図５及び図６におけるブームオフセット操作ペダル５０による。本発明は、これらの最新の油圧ショベルのバケット挙動及び反力のフィードバックを１本レバー化した。
【００２１】
図１中、１０は単一のコントロールレバーであり、これは少なくとも、オペレータから見て前後ｘ軸方向移動（ｘ回転軸）、上下ｙ軸方向移動（ｙ回転軸）、レバー捩じりφ方向（φ回転軸）の３自由度に加えて、左右ｚ軸方向移動（ｚ回転軸）の４自由度をもって側方に突出するものとする。
【００２２】
さらに、そのコントロールレバー１０の出力に基づいて上記シリンダに圧油を供給するためバルブ３８（図３参照）に制御信号を出力する駆動制御装置２０を備える。
【００２３】
図８の１４に示すようなスイッチによって、作業モードの変換を行うことによって操作は更に容易なものとなる。本発明におけるモード例を以下に示す。
１）直行モード
バケットの挙動Ｘ、Ｙ、Ｚ座標空間において、直線運動を含む任意の挙動をコントロールレバーによる近似的なｘ、ｙ、ｚ擬似座標系での操作によって容易に得られる。なお、Φに関しては、最初に設定された一定姿勢（本体に対する）が保持される。また、手動による介入は可能である。
２）法面モード
Ｘ、Ｙ、Ｚ空間座標における任意の２点を設定することによって、勾配と直線精度が保証される。
３）関節モード
ｘ、ｙ、ｚ軸方向移動及びφ軸方向移動（φ捩り）の各単一方向に対し、各関節（ブーム、アーム、バケット）の動きを対応させている。
【００２４】
前記コントロールレバー１０はバケット１に加わる外力を感知するための機能を付加したバイラテラル制御のものであり、４自由度の方向に作用するものとするには、グリップ１１を有するコントロールレバー１０に対してｘモータ２３のｘ回転軸２１、ｙモータ２７のｙ回転軸２５、ｚモータ３６のｚ回転軸３４を組み合わせ、このうち、垂直に立設して回転するｘ回転軸２１にｘ減速歯車２２ａ，２２ｂを介してｘモータ２３を連結し、このｘ回転軸２１にブラケット２４を設ける。
【００２５】
ブラケット２４に上下方向に回転するｙ回転軸２５を設け、このｙ回転軸２５にはｙ減速歯車２６を介してｙモータ２７を連結した。
【００２６】
コントロールレバー１０のグリップ１１からのφ回転軸３２は前記ブラケット２４に設けた水平方向の矩形枠によるフレーム２８に回転可能（φ方向）に支持されたもので、コントロールレバー１０に垂直方向の跨ぎ軸２９を設け、これを介してφ減速歯車３０、φモータ３１を連結する。
【００２７】
さらに、これらは左右ｚ軸方向に回転する台盤３３に載置され、この台盤３３は垂直方向に立設するｚ回転軸３４で支承するが、ｚ回転軸３４にはｚ減速歯車３５を介してｚモータ３６を連結した。このように、ｚ回転軸３４は前後ｘ軸方向（ｘ回転軸方向）のｘ回転軸２１に平行に設け、コントロールレバー１０のレバー左右ｚ軸方向移動（ｚ回転軸廻り回転）の動きはｘ軸方向移動、ｙ軸方向移動と同様疑似直線、円弧をもって伝達される。
【００２８】
なお、ｘモータ２３、ｙモータ２７、φモータ３１、ｚモータ３６はそれぞれの方向と速度指定の操作量を検出するためのポテンショメータあるいはエンコーダ等の回転検出器（図示せず）を付設したＡＣサーボモータで、またそれぞれの回転方向に対し、バケット１に加えられる外界からの反力をオペレータへフィードバックするバイラテラル制御のための減速装置付きのものである。
【００２９】
図３に示すように前記回転検出器の出力に基づき、駆動制御装置２０は必要な演算を行って、バケット１の駆動に必要な制御信号を所要のシリンダ３７を油圧駆動するための単一または複数のバルブに出力するもので、予め決められた動作態様で指定の位置まで駆動される。
【００３０】
この場合に、駆動制御装置２０においては、少なくとも、コントロールレバー１０の操作によって出力される信号に対応して、バケット１を油圧ショベル本体４に対して一定の姿勢を保持しながら上下Ｙ軸方向（Ｙ軸の上下方向）または前後Ｘ軸方向（Ｘ軸の前後方向）もしくは左右Ｚ軸方向（Ｚ軸の左右方向）に直線的に平行移動させるような制御を行い、且つコントロールレバー１０のグリップ１１の捩じり回転方向（φ回転軸方向）の回転操作によって出力される信号に対応して、バケットを回転させるように制御する。
【００３１】
すなわち、コントロールレバー１０の前後ｘ軸方向移動（ｘ回転軸廻り回転）の動きがバケット１を前後Ｘ軸方向（Ｘ軸の前後方向）に移動させ、上下ｙ軸方向移動（ｙ回転軸廻り回転）の動きがバケット１を上下Ｙ軸方向（Ｙ軸の上下方向）に移動させ、捩じり回転方向（グリップのφ回転方向）の動きがバケット１を捩じり回転させ、レバー軸左右ｚ軸方向移動（ｚ回転軸方向）の動きがバケット１を左右Ｚ軸方向（Ｚ軸の左右方向）に移動させる。
【００３２】
即ち、駆動制御装置２０においては、コントロールレバー１０の前後ｘ軸方向移動（ｘ回転軸方向移動）の操作があった場合、その方向と移動量に対応し、ブーム及びアームのシリンダをどのように駆動すればバケットをＸ方向に（直線的に）対応した速度で駆動できるかを演算し、その演算結果に基づいてシリンダへの圧油の供給を制御する各バルブに開口量を制御するための信号を出力する。なお、コントロールレバー１０の前後ｘ軸移動方向（ｘ回転軸廻り回転）、上下ｙ軸移動方向（ｙ回転軸廻り回転）の操作ではバケット１を本体４に対して一定の姿勢に保持しながら所要の方向に移動するように制御することは、前記基本特許と同様であるが本発明はレバー軸左右ｚ軸移動方向（ｚ回転軸廻り回転）の操作により油圧ショベル本体４に対して左右にブーム３ｃのオフセット動作を行うようにした。
【００３３】
このようなコントロールレバー１０の操作によって前記のごとき、制御を可能にすると、コントロールレバー１０の操作方向がバケット１の動きの方向と近似するため、オペレータがバケットの動きを直感的に把握でき、非熟練者でも簡単に所望の操作を行うことができる。
【００３４】
また、バケット１の受ける外力を操作レバーであるコントロールレバー１０にフィードバックすることにより、感触が視覚を補うことになり、これらの技術の基礎はバイラテラル制御による。本発明で用いるバイラテラル制御は、作業機械に対し効果的な動作指令を与えるため、その作業機械が外界から受ける反力をオペレータへフィードバックする制御である。通常の油圧ショベルでは、バケット１が硬い岩等にぶつかってもオペレータには分からず、操作しにくいが、このバイラテラル制御を行えば、操作指令の一方通行ではなく、オペレータが力を感じ取ることが可能になる。
【００３５】
バイラテラル制御は、各関節のシリンダ内の圧力をそれらに設けた圧力検出器により検出し、それらの出力に必要な変換を施した上で前記ｘモータ２３、ｙモータ２７、φモータ３１、ｚモータ３６を通じてコントロールレバー１０にフィードバックすればよい。すなわち、コントロールレバー１０では、動作の指令側と被駆動側の油圧ショベルが異なる関節機構を有していることから、異構造間のバイラテラル制御となり、そのため駆動制御装置において座標変換を行う必要がある。異構造間のバイラテラル制御については、本発明者の一人が特開昭５９−６３９８３号公報、特開昭５９−６９３８４号公報として提案した手段を用いることができ、本発明はそれらの既提案の発明の好適な具体例である。
【００３６】
【発明の効果】
以上述べたように本発明の油圧ショベルの手動操作装置は、機体から側方に突出する単一のコントロールレバーの操作によりバケットを油圧ショベル本体に対して一定の姿勢を保持しながら、バケットの挙動Ｘ、Ｙ、Ｚ座標空間において直線運動を含む任意の挙動を一本のコントロールレバーによる近似的ｘ、ｙ、ｚ擬似座標系での操作によって方向と速度を指定することにより容易に得られる。なお、バケットの回転角度Φは、随時手動による介入が可能である。コントロールレバーの擬似座標系とバケットの挙動座標空間を近似させたことにより、オペレータによる直接運転操作を容易にさせたばかりでなく、遠隔操作や作業対象物の認識装置の採用による自動化の可能性等を増大させた。これは、マスタースレーブ制御に関する効果である。
【００３７】
バケットに加えられる外界からの反力を単一のコントロールレバーを通して、オペレータに適切にフィードバックしているので、バケットに作用する外界の力情報を、その方向を含めて感じ取ることが可能になるものである。上記マスタースレーブ制御の発明と併せて、触覚操作型建設機械のためのバイラテラル制御の効果である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の油圧ショベルの手動操作装置の１実施形態を示す斜視図である。
【図２】本発明の手動操作装置によるバケットの挙動を示す油圧ショベルの全体斜視図である。
【図３】本発明の油圧ショベルの手動操作装置の１実施形態としてバイラテラル・マスタースプレープの概念説明図である。
【図４】一般的な油圧ショベルの構成を示す側面図である。
【図５】従来の油圧ショベルにおける操作レバーの構成を示す正面図である。
【図６】従来の油圧ショベルにおける操作レバーの構成を示す側面図である。
【図７】従来の油圧ショベルにおける手動操作装置の基本的構成を示す説明図である。
【図８】従来の油圧ショベルにおける手動操作装置におけるコントロールレバーの一例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１…バケット２…アーム
３…ブーム３ａ…第１ブーム
３ｂ…第２ブーム３ｃ…オフセットブーム
３ｓ…オフセットシリンダ４…本体
５…クローラ部１０…コントロールレバー
１１…グリップ
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ…回転検出器
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ…モータ１４…スイッチ
１５…入力装置１７…安全ロックレバー
１８ａ…右作業機操作レバー１８ｂ…左作業機操作レバー
１９ａ，１９ｂ…走行レバー２０…駆動制御装置
２１…ｘ回転軸２２ａ，２２ｂ…ｘ減速歯車
２３…ｘモータ２４…ブラケット
２５…ｙ回転軸２６…ｙ減速歯車
２７…ｙモータ２８…フレーム
２９…跨ぎ軸
３０…φ減歯車３１…φモータ
３２…φ回転軸３３…台盤
３４…ｚ回転軸３５…ｚ減速歯車
３６…ｚモータ３７…シリンダ
３８…バルブ５０…ブームオフセット操作ペダル

Claims

バケット、アーム、ブームを作動させる各シリンダを油圧によって駆動する油圧ショベルのための手動操作装置であって、単一のコントロールレバーとその単一のコントロールレバーの出力に基づいて、前記シリンダに圧油を供給するためのバルブに制御信号を出力する駆動制御装置とを備え、単一のコントロールレバーによって複合的に駆動されるシリンダの内部圧力を圧力検出器で検出し、単一のコントロールレバーにトルクとしてフィードバックすることにより、外力を感知するバイラテラル制御とコントロールレバー側と油圧ショベル側との異なる関節構造間の座標変換を行って方向と速度とのマスタースレーブ制御するものであり、
それぞれの方向と速度指定の操作量を検出するためのポテンショメータあるいはエンコーダ等の回転検出器を付設し、また、それぞれの回転方向に対し、バケットに加えられる外界からの反力をオペレータへフィードバックするバイラテラル制御のための減速装置付きのｘモータ、ｙモータ、φモータ、ｚモータを備え、
単一のコントロールレバーによってバケットの挙動は、前後ｘ軸方向のコントロールレバー操作で前後Ｘ軸方向に移動し、上下ｙ軸方向のコントロールレバー操作で上下Ｙ軸方向に移動し、φ軸捩じりのコントロールレバー操作でバケットΦ回転方向に移動する３自由度に加えて、左右ｚ軸方向のコントロールレバー操作でバケット左右Ｚ軸方向に移動する自由度を持たせ、バケットＸ、Ｙ、Ｚ軸方向空間およびΦ回転方向の４自由度のコントロールを可能とするために、ｘモータが連結するｘ回転軸に対して並行にｚモータが連結するｚ回転軸を設けたことを特徴とする油圧ショベルの手動操作装置。