JP3705661B2 - 建設機械の作業機の姿勢制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多関節型のフロント装置を備えた建設機械の作業機の姿勢制御装置に係わり、特に、ブーム、アーム、バケット又は把持装置等からなるフロント装置を備えた油圧ショベルにおいて、作業機であるバケットや把持装置の姿勢を制御する姿勢制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常の建設機械では、フロント装置先端に位置する作業機を除く全てのフロント部材の動作が作業機の姿勢に影響するために、作業機の車体に対する姿勢を保持したり変更したりする場合には、作業機を除く全てのフロント部材の動作に応じて作業機を操作しなければならず、熟練を必要とする困難な作業であった。
【０００３】
そこで、このような作業を容易にするための作業機の姿勢制御装置が特開昭５８−２０８３５号公報に提案されている。この姿勢制御装置では、作業機であるバケットが操作されない場合には、バケットを作業腕の角度信号により角速度制御することに加え角度偏差信号により位置制御をすることにより、バケット以外の他のフロント装置が動作しても、バケットが地面に対してなす角度である絶対角度を高精度に保持でき、またバケットが操作されると、バケットの絶対角度を保持するためのバケット角度保持信号とバケットを操作するバケット操作レバーにより発生したバケット操作信号のうち高い方を選択し、バケットの制御信号とすることにより、バケット操作レバーの操作方向と逆の方向にバケットの絶対角度が変わることがなく、バケットの絶対角度の修正操作をスムーズに行える。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術には次のような問題がある。
【０００５】
特開昭５８−２０８３５号公報に記載の従来技術では、バケットが操作された場合には、バケット角度保持信号とバケット操作信号のうち高い方を選択してバケットの制御信号とするためにバケット操作信号がバケット角度保持信号を越えないうちはバケットの絶対角度の変更ができないという不都合が生じる。
【０００６】
つまり、バケット操作レバーを操作しても、バケットの絶対角度の変更ができない不感帯が生じ、この不感帯は、バケットを除く他のフロント部材の動作に応じてバケット角度保持信号が変動することに伴ない変動する。
【０００７】
したがって、バケット操作レバーの操作量に対するバケットの絶対角度の変わり始めが判りにくく、またバケットの絶対角度を一定の角速度で変えるためにバケット操作レバーの操作量を一定にしていても、他のフロント部材の動作によっては急にバケットの絶対角度が変わらなくなってしまうなど、バケットの操作性が良くない。
【０００８】
本発明の目的は、作業機を除くフロント部材の動作に係わらず、常に作業機の回動動作を指示する操作手段の操作信号に応じた速度で作業機の絶対角度を変えることのできる建設機械の作業機の姿勢制御装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、互いに回動可能に連結された複数のフロント部材により構成される多関節型のフロント装置と、前記フロント装置を駆動する複数の油圧アクチュエータと、これら複数の油圧アクチュエータに供給される圧油の流量を制御する複数の流量制御弁とを備え、前記フロント装置の先端に位置するフロント部材として作業機を含む建設機械の作業機の姿勢制御装置において、（ａ）前記複数のフロント部材の回転動作をそれぞれ指示する複数の操作手段と、（ｂ）前記フロント装置の姿勢に関する状態量を検出する状態量検出手段と、（ｃ）前記操作手段の操作信号と前記状態量検出手段の検出信号を入力し、これらの信号に基づき、前記操作手段により前記作業機の回転動作が指示されていないときは、前記作業機を除く他のフロント部材が動作しても前記作業機が地面に対してなす絶対角度を一定に保ち、前記操作手段により前記作業機の回転動作が指示されると、前記他のフロント部材の動作に係わらず、常に前記作業機の回転動作を指示する操作手段の操作信号に応じた速度で前記作業機の絶対角度が変わるように前記作業機に係わる流量制御弁を駆動制御する演算制御手段とを備え、前記制御演算手段は、前記操作手段の操作信号と前記状態量検出手段の検出信号とから前記操作手段による前記作業機の目標角速度と前記他のフロント部材の目標角速度とを求める手段と、前記作業機の目標角速度から前記他のフロント部材の目標角速度の和を減じて前記作業機の補正目標角速度を求める手段と、前記作業機の補正目標角速度に応じて前記作業機に係わる流量制御弁の制御信号を生成し出力する手段とを含むものとする。
【００１０】
以上のように構成した本発明においては、制御演算手段により、操作手段により作業機の回転動作が指示されると、他のフロント部材の動作に係わらず、常にその操作手段の操作信号に応じた速度で作業機の絶対角度が変わるように作業機に係わる流量制御弁を駆動制御するので、その操作手段により回転動作が指示されても作業機の絶対角度が変わらないような操作手段の不感帯がなくなり、良好な作業機の操作性が得られる。
【００１１】
（２）また、上記の目的を達成するために、本発明は、互いに回動可能に連結された複数のフロント部材により構成される多関節型のフロント装置と、前記フロント装置を駆動する複数の油圧アクチュエータと、これら複数の油圧アクチュエータに供給される圧油の流量を制御する複数の流量制御弁とを備え、前記フロント装置の先端に位置するフロント部材として作業機を含む建設機械の作業機の姿勢制御装置において、（ａ）前記作業機の移動ベクトル及び回転動作を指示する操作手段と、（ｂ）前記フロント装置の姿勢に関する状態量を検出する状態量検出手段と、（ｃ）前記操作手段の操作信号と前記状態量検出手段の検出信号を入力し、これらの信号に基づき、前記操作手段により前記作業機の回転動作が指示されていないときは、前記作業機を除く他のフロント部材が動作しても前記作業機が地面に対してなす絶対角度を一定に保ち、前記操作手段により前記作業機の回転動作が指示されると、前記他のフロント部材の動作に係わらず、常に前記作業機の回転動作を指示する操作手段の操作信号に応じた速度で前記作業機の絶対角度が変わるように前記作業機に係わる流量制御弁を駆動制御する演算制御手段とを備え、前記制御演算手段は、前記操作手段の操作信号と前記状態量検出手段の検出信号とから前記操作手段による前記作業機の目標角速度と前記他のフロント部材の目標角速度とを求める手段と、前記作業機の目標角速度から前記他のフロント部材の目標角速度の和を減じて前記作業機の補正目標角速度を求める手段と、前記作業機の補正目標角速度に応じて前記作業機に係わる流量制御弁の制御信号を生成し出力する手段とを含むものとする。
【００１２】
以上のように構成した本発明においても、上記（１）と同様に、制御演算手段により、操作手段により作業機の回転動作が指示されると、他のフロント部材の動作に係わらず、常にその操作手段の操作信号に応じた速度で作業機の絶対角度が変わるように作業機に係わる流量制御弁を駆動制御するので、その操作手段により回転動作が指示されても作業機の絶対角度が変わらないような操作手段の不感帯がなくなり、良好な作業機の操作性が得られる。
【００１３】
（３）また、上記の目的を達成するために、本発明は、互いに回動可能に連結された複数のフロント部材により構成される多関節型のフロント装置と、前記フロント装置を駆動する複数の油圧アクチュエータと、これら複数の油圧アクチュエータに供給される圧油の流量を制御する複数の流量制御弁とを備え、前記フロント装置は先端に位置するフロント部材として作業機を含む建設機械の作業機の姿勢制御装置において、（ａ）前記複数のフロント部材の回転動作をそれぞれ指示する複数の操作手段と、（ｂ）前記フロント装置の姿勢に関する状態量を検出する状態量検出手段と、（ｃ）前記操作手段の操作信号と前記状態量検出手段の検出信号を入力し、これらの信号に基づき、前記操作手段により前記作業機の回転動作が指示されていないときは、前記作業機を除く他のフロント部材が動作しても前記作業機が地面に対してなす絶対角度を一定に保ち、前記操作手段により前記作業機の回転動作が指示されると、前記他のフロント部材の動作に係わらず、常に前記作業機の回転動作を指示する操作手段の操作信号に応じた速度で前記作業機の絶対角度が変わるように前記作業機に係わる流量制御弁を駆動制御する演算制御手段とを備え、前記制御演算手段は、前記操作手段の操作信号と前記状態量検出手段の検出信号とから前記操作手段による前記作業機の目標角速度と前記他のフロント部材の目標角速度とを求める手段と、前記作業機の目標角速度から前記他のフロント部材の目標角速度の和を減じてフィードフォワード制御用の補正目標角速度を求める手段と、前記操作手段により前記作業機の回転動作が指示されないときには、前記操作手段の前回の指示による回転動作終了時の前記作業機の絶対角度を目標角度とし、前記操作手段により前記作業機の回転動作が指示されると、そのときに前記状態量検出手段の検出信号から求めた前記作業機の絶対角度を目標角度とし、それぞれフィードバック制御用の補正目標角速度を求める手段と、前記フィードフォワード制御用の補正目標角速度に前記フィードバック制御用の補正目標角速度を加算し前記作業機の補正目標角速度を求める手段と、前記作業機の補正目標角速度に応じて前記作業機に係わる流量制御弁の制御信号を生成し出力する手段とを含むものとする。
【００１４】
（４）また、上記の目的を達成するために、本発明は、互いに回動可能に連結された複数のフロント部材により構成される多関節型のフロント装置と、前記フロント装置を駆動する複数の油圧アクチュエータと、これら複数の油圧アクチュエータに供給される圧油の流量を制御する複数の流量制御弁とを備え、前記フロント装置は先端に位置するフロント部材として作業機を含む建設機械の作業機の姿勢制御装置において、（ａ）前記作業機の移動ベクトル及び回転動作を指示する操作手段と、（ｂ）前記フロント装置の姿勢に関する状態量を検出する状態量検出手段と、（ｃ）前記操作手段の操作信号と前記状態量検出手段の検出信号を入力し、これらの信号に基づき、前記操作手段により前記作業機の回転動作が指示されていないときは、前記作業機を除く他のフロント部材が動作しても前記作業機が地面に対してなす絶対角度を一定に保ち、前記操作手段により前記作業機の回転動作が指示されると、前記他のフロント部材の動作に係わらず、常に前記作業機の回転動作を指示する操作手段の操作信号に応じた速度で前記作業機の絶対角度が変わるように前記作業機に係わる流量制御弁を駆動制御する演算制御手段とを備え、前記制御演算手段は、前記操作手段の操作信号と前記状態量検出手段の検出信号とから前記操作手段による前記作業機の目標角速度と前記他のフロント部材の目標角速度とを求める手段と、前記作業機の目標角速度から前記他のフロント部材の目標角速度の和を減じてフィードフォワード制御用の補正目標角速度を求める手段と、前記操作手段により前記作業機の回転動作が指示されないときには、前記操作手段の前回の指示による回転動作終了時の前記作業機の絶対角度を目標角度とし、前記操作手段により前記作業機の回転動作が指示されると、そのときに前記状態量検出手段の検出信号から求めた前記作業機の絶対角度を目標角度とし、それぞれフィードバック制御用の補正目標角速度を求める手段と、前記フィードフォワード制御用の補正目標角速度に前記フィードバック制御用の補正目標角速度を加算し前記作業機の補正目標角速度を求める手段と、前記作業機の補正目標角速度に応じて前記作業機に係わる流量制御弁の制御信号を生成し出力する手段とを含むものとする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を油圧ショベルに適用した場合の実施形態を図面を用いて説明する。
【００１６】
まず、本発明の第１の実施形態を図１〜図５により説明する。
図１において、本発明が適用される油圧ショベルは油圧ポンプ２と、この油圧ポンプ２からの圧油により駆動されるブームシリンダ３ａ、アームシリンダ３ｂ、バケットシリンダ３ｃを含む複数の油圧アクチュエータと、油圧アクチュエータ３ａ〜３ｃに供給される圧油の流量を制御する複数の流量制御弁４ａ〜４ｃとを有し、これらは油圧ショベルの被駆動部材を駆動する油圧駆動装置を構成している。
【００１７】
また、油圧ショベルは、図２に示すように、互いに回動可能に連結されたブーム１ａ、アーム１ｂ及び作業機であるバケット１ｃからなる多関節型のフロント装置１Ａと、上部旋回体１ｄと下部走行体１ｅからなる車体１Ｂとで構成され、フロント装置１Ａのブーム１ａの基端は上部旋回体の前部に支持されている。
【００１８】
以上のような油圧ショベルに本実施形態による作業機の姿勢制御装置が設けられている。この姿勢制御装置は、図１に示すように、ブーム１ａ、アーム１ｂ及びバケット１ｃの回転動作をそれぞれ指示する操作レバー装置５ａ〜５ｃと、ブーム１ａ、アーム１ｂ及びバケット１ｃの回動支点にそれぞれ設けられ、フロント装置１Ａの姿勢に関する状態量としてそれぞれの回動角を検出する角度検出器６ａ，６ｂ，６ｃと、操作レバー装置５ａ〜５ｃの操作信号及び角度検出器６ａ〜６ｃの検出信号を入力し、これらの信号に基づき、バケット１ｃの姿勢制御を行うための制御信号（電気信号）を流量制御弁４ａ〜４ｃに出力する制御演算手段である制御ユニット７とで構成されている。
【００１９】
操作レバー装置５ａ〜５ｃは、それぞれ操作レバー５０ａ〜５０ｃを有しており、操作レバー５０ａ〜５０ｃの操作量に応じた操作信号ｕ１〜ｕ３を生成する。
【００２０】
制御ユニット７における処理内容を図３のフローチャートを基に、図４及び図５を用いて説明する。
【００２１】
図３に示すように、はじめに手順１００において、図４に示すようなブーム１ａ、アーム１ｂ及びバケット１ｃの回動角の検出信号θ１〜θ３が角度検出器６ａ〜６ｃから入力される。
【００２２】
次に手順１１０において、操作レバー５０ａ〜５０ｃの操作によりそれぞれ発生したブーム１ａ、アーム１ｂ及びバケット１ｃの操作信号ｕ１〜ｕ３が操作レバー装置５ａ〜５ｃから入力される。
【００２３】
次に手順１１５において、図５に示す姿勢制御装置７ｚにより、角度検出器６ａ〜６ｃの検出信号θ１〜θ３を用いて姿勢制御信号θ′を求め、変換器７ｓ，７ｔ，７ｕにより、目標シリンダ速度に対応する操作信号ｕ１〜ｕ３と姿勢制御信号θ′を用いてリンク構成に基づいた幾何学演算をすることにより、操作信号ｕ１〜ｕ３にそれぞれ対応する目標角速度ｖ１，ｖ２，ｖ３をそれぞれ求める。
【００２４】
次に手順１２０において、下記の式（１）により、目標角速度ｖ１〜ｖ３からバケット１ｃのフィードフォワード制御用の補正目標角速度を示すフィードフォワード制御信号ｖ３ｆｆを求める。
ｖ３ｆｆ＝ｖ３−（ｖ１＋ｖ２） （１）
次に手順１３０において、操作レバー装置５ｃの操作レバー５０ｃが操作された場合（ｕ３≠０）には、手順１４０に進み、図５に示すスイッチ７ｈをＯＮにして、バケット１ｃのフィードバック制御の目標角度γｃをそのときの絶対角度γに更新し、記憶する。
【００２５】
ここで、絶対角度γは、図４に示すようにバケット１ｃが地面に対してなす角度であり、下記の式（２）で求められる。
γ＝θ１＋θ２＋θ３ （２）
（角度は時計回り方向を＋、反時計回り方向を−とする）
一方、操作レバー装置５ｃの操作レバー５０ｃが操作されない場合（ｕ３＝０）には、手順１４０を介さずに手順１５０に進む。
【００２６】
次に手順１５０において、下記の式（３）により、目標角度γｃ、検出信号θ１〜θ３により求めた絶対角度γ及び制御ゲインＫｚからフィードバック制御用の補正目標角速度を示すフィードバック制御信号ｖ３ｆｂを求める。
ｖ３ｆｂ＝Ｋｚ・（γｃ−γ） （３）
ここで、操作レバー装置５ｃの操作レバー５０ｃが操作された場合（ｕ３≠０）には、上記の通り、目標角度γｃは、そのときに角度検出器６ａ〜６ｃにより検出された検出信号θ１〜θ３により求めたバケット１ｃの絶対角度γとなり、操作レバー装置５ｃの操作レバー５０ｃが操作されない場合（ｕ３＝０）には、目標角度γｃは、操作レバー５０ｃの前回の操作によるバケット１ｃの回転動作終了時のバケット１ｃの絶対角度γ0となる。
【００２７】
従って、操作レバー装置５ｃの操作レバー５０ｃが操作された場合（ｕ３≠０）には、上記の式（３）で常にγｃ＝γとなるので、フィードバック制御信号ｖ３ｆｂは常に０となり、フィードバック制御は行われない。一方、操作レバー装置５ｃの操作レバー５０ｃが操作されない場合（ｕ３＝０）には、目標角度γｃであるバケット１ｃの回転動作終了時のバケット１ｃの絶対角度γ0を保持するようにフィードバック制御が行われる。
【００２８】
次に手順１６０において、下記の式（４）に示すように、フィードフォワード制御信号ｖ３ｆｆとフィードバック制御信号ｖ３ｆｂとを加算し、バケット１ｃの補正目標角速度ｖ３′を求める。
ｖ３′＝ｖ３ｆｆ＋ｖ３ｆｂ （４）
次に手順１６５において、図５に示す姿勢制御装置７ｚにより、角度検出器６ａ〜６ｃからの検出信号θ１〜θ３を用いて姿勢制御信号θ′を求め、図５に示す変換器７ｖにより、補正目標角速度ｖ３′と姿勢制御信号θ′とを用いて、リンク構成に基づいた幾何学演算をすることにより、バケット１ｃの補正操作信号ｕ３′を求める。
【００２９】
次に手順１７０において、ブーム１ａの操作信号ｕ１より、図５に示す関数７ａ，７ｂを用いて流量制御弁４ａの制御信号であるバルブ指令値ｐ１ａ，ｐ１ｂを求め、アーム１ｂの操作信号ｕ２より、図５に示す関数７ｃ，７ｄを用いて流量制御弁４ｂの制御信号であるバルブ指令値ｐ２ａ，ｐ２ｂを求め、手順１６５で求めたバケット１ｃの補正制御信号ｕ３′より、図５に示す関数７ｅ，７ｆを用いて流量制御弁４ｃの制御信号であるバルブ指令値ｐ３ａ，ｐ３ｂを求める。
【００３０】
なお、関数７ａ〜７ｆは、図５に示すように、操作信号ｕ１，ｕ２及び補正制御信号ｕ３′が大きくなるほど、対応するバルブ指令値ｐ１ａ〜ｐ３ｂが大きくなる特性となっている。
【００３１】
次に手順１８０において、手順１７０で求めたバルブ指令値ｐ１ａ〜ｐ３ｂを流量制御弁４ａ〜４ｃの電磁駆動部９ａ〜１０ｃにそれぞれ出力し、はじめに戻る。
【００３２】
以上のように構成した本実施形態では、操作レバー装置５ｃにより回転動作が指示されると、制御ユニット７における手順１２０により、フィードフォワード制御信号ｖ３ｆｆが求められ、手順１４０により、スイッチ７ｈがＯＮになり、目標角度γｃをそのときの絶対角度γに更新し、手順１５０により、フィードバック制御信号ｖ３ｆｂは０となり、手順１６０により、フィードフォワード制御信号ｖ３ｆｆに等しいバケット１ｃの補正目標角速度ｖ３′が求められ、バケット１ｃの角速度が補正目標角速度ｖ３′となるように流量制御弁９ｃ駆動制御され、バケット１ｃが補正目標角速度ｖ３′で駆動する。つまり、この場合には、フィードバック制御が行われず、補正目標角速度ｖ３′は、ブーム１ａの目標角速度ｖ１とアーム１ｂの目標角速度ｖ２との和をバケット１ｃの目標角速度ｖ３から減じた値となるので、常にブーム１ａ、アーム１ｂの動作がキャンセルされ、操作レバー５０ｃの操作に応じた角速度でバケット１ｃの絶対角度が変わる。
【００３３】
操作レバー装置５ｃにより回転動作が指示されていないときは、手順１２０によりフィードフォワード制御信号ｖ３ｆｆは、
ｖ３ｆｆ＝−（ｖ１＋ｖ２）
つまり、バケット１ｃがブーム１ａやアーム１ｂに対して逆動作しバケット１ｃの絶対角度γをバケット１ｃの回転動作終了時の絶対角度γ0に保持するための信号となり、手順１６０で、フィードフォワード制御信号ｖ３ｆｆに手順１５０で求められるフィードバック信号ｖ３ｆｂが加算された補正目標角速度ｖ３′が求められ、バケット１ｃの角速度が補正目標角速度ｖ３′となるように流量制御弁９ｃ駆動制御され、バケット１ｃが補正目標角速度ｖ３′で駆動する。つまり、この場合には、フィードフォワード制御とフィードバック制御により、常にバケット１ｃの絶対角度γがバケット１ｃの回転動作終了時の絶対角度γ0に保持される。
【００３４】
以上のように本実施形態によれば、操作レバー装置５ｃの操作レバー５０ｃを操作してもバケット１ｃの絶対角度が変わらないような操作レバー５０ｃの不感帯がなくなり、ブーム１ａやアーム１ｂの動作に係わらず、常に操作レバー５０ｃの操作量に応じた速度でバケット１ｃの絶対角度を変えることができ、良好なバケット１ｃの操作性が得られる。
【００３５】
本発明の第２の実施形態を図６〜図１２により説明する。図中、図１、図４、図５等に示した部材、機能と同等の部材、機能には同じ符号を付している。
【００３６】
図６において、本実施形態の姿勢制御装置は、第１の実施形態で述べたのと同様な図７に示す油圧ショベルに設けられており、第１の実施形態の姿勢制御装置に対して、操作レバー装置５ａ〜５ｃの代わりに、バケット１ｃの移動ベクトル及び回転動作を指示する操作レバー装置８が設けられており、その他の構成は第１の実施形態と同様である。
【００３７】
操作レバー装置８は、操作レバー８ａを有し、この操作レバー８ａを倒すことでバケット１ｃの移動ベクトルを指示し、操作レバー８ａを回転させることでバケット１ｃの回転動作を指示する。つまり、操作レバー装置８は、操作レバー８ａのＸ方向の倒れ量に応じて操作信号Ｕｘを発生し、Ｙ方向の倒れ量に応じて操作信号Ｕｙを発生し、操作レバー８ａの回転角に応じた操作信号Ｕｚを発生する。
【００３８】
制御ユニット７Ａにおける処理内容を図８のフローチャートを基に、図９〜図１２により説明する。
【００３９】
図８に示すように、はじめに手順１００において、図９に示すようなブーム１ａ、アーム１ｂ及びバケット１ｃの検出信号θ１〜θ３が角度検出器６ａ〜６ｃから入力される。
【００４０】
次に手順１０５において、操作レバー８ａの操作によりそれぞれ発生したブーム１ａ、アーム１ｂ及びバケット１ｃの操作信号Ｕｘ，Ｕｙ，Ｕｚが操作レバー装置８から入力される。
【００４１】
次に手順１０６において、図１０に示す座標変換器７ｍにより、操作信号Ｕｘ，Ｕｙを座標変換し、教示ベクトルａを求め、演算器７ｎにより、下記の式（５）に示すように、教示ベクトルａにゲインＫｆｆを乗じて、バケット１ｃが操作信号Ｕｘ，Ｕｙに比例して移動するようなフィードフォワード制御ベクトルＵｆｆを求める。
Ｕｆｆ＝Ｋｆｆ・ａ （５）
次に手順１０７において、図１０に示す偏差計算器７ｏにより、アーム１ｂの先端の偏差ｄを計算し、演算器７ｐにより、下記の式（６）に示すように、偏差ｄにゲインＫｆｂを乗じて、アーム１ｃの先端が図１２の目標軌跡ｒに沿って移動するようなフィードバック制御ベクトルＵｆｂを求める。
Ｕｆｂ＝Ｋｆｂ・ｄ （６）
次に手順１０８において、図１０に示す加算手段７ｑにより、下記の式（７）に示すように、手順１０６で求めたフィードフォワード制御ベクトルＵｆｆと手順１０７で求めたフィードバック制御ベクトルＵｆｂを加算してアーム先端制御ベクトルＶを求める（図１１及び図１２参照）。
Ｖ＝Ｕｆｆ＋Ｕｆｂ （７）
次に手順１０９において、図１０の座標変換器７ｒにより、アーム先端制御ベクトルＶを得るために動作すべきブームシリンダ３ａ、アームシリンダ３ｂの速度を示す目標シリンダ速度信号Ｕ１，Ｕ２を求める。
【００４２】
次に手順１１５〜１８０の処理を行い、流量制御弁４ａ〜４ｃの駆動制御を行うが、これらの処理は第１の実施形態と同じであり、目標シリンダ速度信号Ｕ１，Ｕ２及び制御信号Ｕｚと姿勢制御信号θ′とから目標角速度ｖ１〜ｖ３を求め（手順１１５）、目標角速度ｖ１〜ｖ３からフィードフォワード制御信号ｖ３ｆｆを求める（手順１２０）。操作レバー８ａによりバケット１ｃの回転動作が指示された場合（Ｕｚ≠０）には、スイッチ７ｈをＯＮにして、バケット１ｃのフィードバック制御の目標角度γｃをそのときの絶対角度γに更新、記憶し、操作レバー８ａによりバケット１ｃの回転動作が指示されない場合（Ｕｚ＝０）には、フィードバック制御の目標角度γｃをバケット１ｃの回転動作終了時の絶対角度γ0とし（手順１３０，１４０）、フィードバック制御の目標角度γｃからそのときの絶対角度γを減じて制御ゲインＫｚを乗じフィードバック制御信号ｖ３ｆｂを求める（手順１５０）。更に、フィードフォワード制御信号ｖ３ｆｆとフィードバック制御信号ｖ３ｆｂとを加算しバケット１ｃの補正目標角速度ｖ３′を求め（手順１６０）、補正目標角速度ｖ３′と姿勢制御信号θ′とを用い、バケット１ｃの目標シリンダ速度Ｕ３を求め（手順１６５）、目標シリンダ速度Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３から関数７ａ〜７ｆを用いてバルブ指令値ｐ１ａ〜ｐ３ｂを求め（手順１７０）、これら指令値ｐ１ａ〜ｐ３ｂを流量制御弁４ａ〜４ｃの電磁駆動部９ａ〜１０ｃにそれぞれ出力し（手順１８０）、はじめに戻る。
【００４３】
以上のように構成した本実施形態においても、第１の実施形態と同様な効果が得られる。
【００４４】
本発明の第３の実施形態を図１３及び図１４により説明する。図中、図１、図２に示した部材、機能と同等の部材、機能には同じ符号を付している。
【００４５】
図１３において、本実施形態の姿勢制御装置は、第２の実施形態のバケット１ｃの代わりに作業機として把持装置１ｆが設けられ、把持装置１ｆを用いて対象物を掴んで移動するハンドリング作業のできる図１４に示すような解体仕様の油圧ショベルに設けられている。また、本実施形態の姿勢制御装置は、第２の実施形態に対して、操作レバー装置８の代わりに、把持装置１ｆの移動ベクトル、回転動作及び開閉動作を指示する操作レバー装置８０が設けられており、その他の構成は第２の実施形態と同様である。
【００４６】
操作レバー装置８０は、操作レバー８０ａを有し、この操作レバー８０ａを倒すことで把持装置１ｆの移動ベクトルを指示し、操作レバー８０ａを回転させることで把持装置１ｆの回転動作を指示する。つまり、操作レバー装置８０は、操作レバー８０ａのＸ方向の倒れ量に応じて操作信号Ｕｘを発生し、Ｙ方向の倒れ量に応じて操作信号Ｕｙを発生し、操作レバー８０ａの回転角に応じて操作信号Ｕｚを発生する。
【００４７】
また、操作レバー８０ａの上面に、把持装置１ｆの開閉を指示する開閉スイッチ８０ｂを有しており、開閉スイッチ８０ｂのＯＮ、ＯＦＦに応じて操作信号Ｕｓを発生する。
【００４８】
制御ユニット７Ｂでは、第２の実施形態と同様に、操作信号Ｕｘ〜Ｕｚに基づいて流量制御弁４ａ〜４ｃへの制御信号が求められ、この制御信号が流量制御弁４ａ〜４ｃに出力される。更に、操作信号Ｕｓに応じて流量制御弁４ｄへの制御信号が求められ、この制御信号が流量制御弁４ｄに出力される。
【００４９】
この結果、操作レバー８０ａの操作量に応じた角速度で把持装置１ｆが回転動作し、開閉スイッチ８０ｂの操作により把持装置１ｆが開閉する。
【００５０】
以上のように構成した本実施形態においても、第１の実施形態と同様な効果が得られる。
【００５１】
なお、以上の第１〜第３実施形態では、バケット１ｃや把持装置１ｆの回転動作が指示されないときは、バケット１ｃや把持装置１ｆの絶対角度を高精度で一定に保持するようにフィードバック制御を行っているが、絶対角度を高精度で保持することが要求されない場合には、フィードバック制御を行わないように、図１及び図８に示す手順１３０〜１５０を削除して、手順１６５の補正目標角速度をフィードフォワード制御信号ｖ３ｆｆとしてもよい。
【００５２】
【発明の効果】
本発明によれば、作業機を除くフロント部材の動作に係わらず、常に作業機の回動動作を指示する操作手段の操作信号に応じた速度で作業機の絶対角度を変えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態における建設機械の作業機の姿勢制御装置を示す図である。
【図２】油圧ショベルの外観を示す図である。
【図３】制御ユニット７における処理内容を示すフローチャートである。
【図４】姿勢制御の動作を説明する図である。
【図５】制御ユニット７の制御機能を示す機能ブロック図である。
【図６】本発明の第２の実施形態における建設機械の作業機の姿勢制御装置を示す図である。
【図７】油圧ショベルの外観を示す図である。
【図８】制御ユニット７Ａにおける処理内容を示すフローチャートである。
【図９】姿勢制御の動作を説明する図である。
【図１０】制御ユニット７Ａの制御機能を示す機能ブロック図である。
【図１１】直線軌跡制御の操作入力とそれに対応するバケットの移動動作を説明する図である。
【図１２】直線軌跡制御の制御方法を説明する図である。
【図１３】本発明の第３の実施形態における建設機械の作業機の姿勢制御装置を示す図である。
【図１４】油圧ショベルの外観を示す図である。
【符号の説明】
１Ａ フロント装置
１Ｂ 車体
１ａ ブーム
１ｂ アーム
１ｃ バケット
１ｄ 上部旋回体
１ｅ 下部走行体
１ｆ 把持装置
２ 油圧ポンプ
３ａ〜３ｃ 油圧アクチュエータ
４ａ〜４ｃ 流量制御弁
５ａ〜５ｃ 操作レバー装置
６ａ〜６ｃ 角度検出器
７，７Ａ，７Ｂ 制御ユニット
８，８０ 操作レバー装置
９ａ〜１０ｃ 電磁駆動部
【発明の属する技術分野】
本発明は、多関節型のフロント装置を備えた建設機械の作業機の姿勢制御装置に係わり、特に、ブーム、アーム、バケット又は把持装置等からなるフロント装置を備えた油圧ショベルにおいて、作業機であるバケットや把持装置の姿勢を制御する姿勢制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常の建設機械では、フロント装置先端に位置する作業機を除く全てのフロント部材の動作が作業機の姿勢に影響するために、作業機の車体に対する姿勢を保持したり変更したりする場合には、作業機を除く全てのフロント部材の動作に応じて作業機を操作しなければならず、熟練を必要とする困難な作業であった。
【０００３】
そこで、このような作業を容易にするための作業機の姿勢制御装置が特開昭５８−２０８３５号公報に提案されている。この姿勢制御装置では、作業機であるバケットが操作されない場合には、バケットを作業腕の角度信号により角速度制御することに加え角度偏差信号により位置制御をすることにより、バケット以外の他のフロント装置が動作しても、バケットが地面に対してなす角度である絶対角度を高精度に保持でき、またバケットが操作されると、バケットの絶対角度を保持するためのバケット角度保持信号とバケットを操作するバケット操作レバーにより発生したバケット操作信号のうち高い方を選択し、バケットの制御信号とすることにより、バケット操作レバーの操作方向と逆の方向にバケットの絶対角度が変わることがなく、バケットの絶対角度の修正操作をスムーズに行える。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術には次のような問題がある。
【０００５】
特開昭５８−２０８３５号公報に記載の従来技術では、バケットが操作された場合には、バケット角度保持信号とバケット操作信号のうち高い方を選択してバケットの制御信号とするためにバケット操作信号がバケット角度保持信号を越えないうちはバケットの絶対角度の変更ができないという不都合が生じる。
【０００６】
つまり、バケット操作レバーを操作しても、バケットの絶対角度の変更ができない不感帯が生じ、この不感帯は、バケットを除く他のフロント部材の動作に応じてバケット角度保持信号が変動することに伴ない変動する。
【０００７】
したがって、バケット操作レバーの操作量に対するバケットの絶対角度の変わり始めが判りにくく、またバケットの絶対角度を一定の角速度で変えるためにバケット操作レバーの操作量を一定にしていても、他のフロント部材の動作によっては急にバケットの絶対角度が変わらなくなってしまうなど、バケットの操作性が良くない。
【０００８】
本発明の目的は、作業機を除くフロント部材の動作に係わらず、常に作業機の回動動作を指示する操作手段の操作信号に応じた速度で作業機の絶対角度を変えることのできる建設機械の作業機の姿勢制御装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、互いに回動可能に連結された複数のフロント部材により構成される多関節型のフロント装置と、前記フロント装置を駆動する複数の油圧アクチュエータと、これら複数の油圧アクチュエータに供給される圧油の流量を制御する複数の流量制御弁とを備え、前記フロント装置の先端に位置するフロント部材として作業機を含む建設機械の作業機の姿勢制御装置において、（ａ）前記複数のフロント部材の回転動作をそれぞれ指示する複数の操作手段と、（ｂ）前記フロント装置の姿勢に関する状態量を検出する状態量検出手段と、（ｃ）前記操作手段の操作信号と前記状態量検出手段の検出信号を入力し、これらの信号に基づき、前記操作手段により前記作業機の回転動作が指示されていないときは、前記作業機を除く他のフロント部材が動作しても前記作業機が地面に対してなす絶対角度を一定に保ち、前記操作手段により前記作業機の回転動作が指示されると、前記他のフロント部材の動作に係わらず、常に前記作業機の回転動作を指示する操作手段の操作信号に応じた速度で前記作業機の絶対角度が変わるように前記作業機に係わる流量制御弁を駆動制御する演算制御手段とを備え、前記制御演算手段は、前記操作手段の操作信号と前記状態量検出手段の検出信号とから前記操作手段による前記作業機の目標角速度と前記他のフロント部材の目標角速度とを求める手段と、前記作業機の目標角速度から前記他のフロント部材の目標角速度の和を減じて前記作業機の補正目標角速度を求める手段と、前記作業機の補正目標角速度に応じて前記作業機に係わる流量制御弁の制御信号を生成し出力する手段とを含むものとする。
【００１０】
以上のように構成した本発明においては、制御演算手段により、操作手段により作業機の回転動作が指示されると、他のフロント部材の動作に係わらず、常にその操作手段の操作信号に応じた速度で作業機の絶対角度が変わるように作業機に係わる流量制御弁を駆動制御するので、その操作手段により回転動作が指示されても作業機の絶対角度が変わらないような操作手段の不感帯がなくなり、良好な作業機の操作性が得られる。
【００１１】
（２）また、上記の目的を達成するために、本発明は、互いに回動可能に連結された複数のフロント部材により構成される多関節型のフロント装置と、前記フロント装置を駆動する複数の油圧アクチュエータと、これら複数の油圧アクチュエータに供給される圧油の流量を制御する複数の流量制御弁とを備え、前記フロント装置の先端に位置するフロント部材として作業機を含む建設機械の作業機の姿勢制御装置において、（ａ）前記作業機の移動ベクトル及び回転動作を指示する操作手段と、（ｂ）前記フロント装置の姿勢に関する状態量を検出する状態量検出手段と、（ｃ）前記操作手段の操作信号と前記状態量検出手段の検出信号を入力し、これらの信号に基づき、前記操作手段により前記作業機の回転動作が指示されていないときは、前記作業機を除く他のフロント部材が動作しても前記作業機が地面に対してなす絶対角度を一定に保ち、前記操作手段により前記作業機の回転動作が指示されると、前記他のフロント部材の動作に係わらず、常に前記作業機の回転動作を指示する操作手段の操作信号に応じた速度で前記作業機の絶対角度が変わるように前記作業機に係わる流量制御弁を駆動制御する演算制御手段とを備え、前記制御演算手段は、前記操作手段の操作信号と前記状態量検出手段の検出信号とから前記操作手段による前記作業機の目標角速度と前記他のフロント部材の目標角速度とを求める手段と、前記作業機の目標角速度から前記他のフロント部材の目標角速度の和を減じて前記作業機の補正目標角速度を求める手段と、前記作業機の補正目標角速度に応じて前記作業機に係わる流量制御弁の制御信号を生成し出力する手段とを含むものとする。
【００１２】
以上のように構成した本発明においても、上記（１）と同様に、制御演算手段により、操作手段により作業機の回転動作が指示されると、他のフロント部材の動作に係わらず、常にその操作手段の操作信号に応じた速度で作業機の絶対角度が変わるように作業機に係わる流量制御弁を駆動制御するので、その操作手段により回転動作が指示されても作業機の絶対角度が変わらないような操作手段の不感帯がなくなり、良好な作業機の操作性が得られる。
【００１３】
（３）また、上記の目的を達成するために、本発明は、互いに回動可能に連結された複数のフロント部材により構成される多関節型のフロント装置と、前記フロント装置を駆動する複数の油圧アクチュエータと、これら複数の油圧アクチュエータに供給される圧油の流量を制御する複数の流量制御弁とを備え、前記フロント装置は先端に位置するフロント部材として作業機を含む建設機械の作業機の姿勢制御装置において、（ａ）前記複数のフロント部材の回転動作をそれぞれ指示する複数の操作手段と、（ｂ）前記フロント装置の姿勢に関する状態量を検出する状態量検出手段と、（ｃ）前記操作手段の操作信号と前記状態量検出手段の検出信号を入力し、これらの信号に基づき、前記操作手段により前記作業機の回転動作が指示されていないときは、前記作業機を除く他のフロント部材が動作しても前記作業機が地面に対してなす絶対角度を一定に保ち、前記操作手段により前記作業機の回転動作が指示されると、前記他のフロント部材の動作に係わらず、常に前記作業機の回転動作を指示する操作手段の操作信号に応じた速度で前記作業機の絶対角度が変わるように前記作業機に係わる流量制御弁を駆動制御する演算制御手段とを備え、前記制御演算手段は、前記操作手段の操作信号と前記状態量検出手段の検出信号とから前記操作手段による前記作業機の目標角速度と前記他のフロント部材の目標角速度とを求める手段と、前記作業機の目標角速度から前記他のフロント部材の目標角速度の和を減じてフィードフォワード制御用の補正目標角速度を求める手段と、前記操作手段により前記作業機の回転動作が指示されないときには、前記操作手段の前回の指示による回転動作終了時の前記作業機の絶対角度を目標角度とし、前記操作手段により前記作業機の回転動作が指示されると、そのときに前記状態量検出手段の検出信号から求めた前記作業機の絶対角度を目標角度とし、それぞれフィードバック制御用の補正目標角速度を求める手段と、前記フィードフォワード制御用の補正目標角速度に前記フィードバック制御用の補正目標角速度を加算し前記作業機の補正目標角速度を求める手段と、前記作業機の補正目標角速度に応じて前記作業機に係わる流量制御弁の制御信号を生成し出力する手段とを含むものとする。
【００１４】
（４）また、上記の目的を達成するために、本発明は、互いに回動可能に連結された複数のフロント部材により構成される多関節型のフロント装置と、前記フロント装置を駆動する複数の油圧アクチュエータと、これら複数の油圧アクチュエータに供給される圧油の流量を制御する複数の流量制御弁とを備え、前記フロント装置は先端に位置するフロント部材として作業機を含む建設機械の作業機の姿勢制御装置において、（ａ）前記作業機の移動ベクトル及び回転動作を指示する操作手段と、（ｂ）前記フロント装置の姿勢に関する状態量を検出する状態量検出手段と、（ｃ）前記操作手段の操作信号と前記状態量検出手段の検出信号を入力し、これらの信号に基づき、前記操作手段により前記作業機の回転動作が指示されていないときは、前記作業機を除く他のフロント部材が動作しても前記作業機が地面に対してなす絶対角度を一定に保ち、前記操作手段により前記作業機の回転動作が指示されると、前記他のフロント部材の動作に係わらず、常に前記作業機の回転動作を指示する操作手段の操作信号に応じた速度で前記作業機の絶対角度が変わるように前記作業機に係わる流量制御弁を駆動制御する演算制御手段とを備え、前記制御演算手段は、前記操作手段の操作信号と前記状態量検出手段の検出信号とから前記操作手段による前記作業機の目標角速度と前記他のフロント部材の目標角速度とを求める手段と、前記作業機の目標角速度から前記他のフロント部材の目標角速度の和を減じてフィードフォワード制御用の補正目標角速度を求める手段と、前記操作手段により前記作業機の回転動作が指示されないときには、前記操作手段の前回の指示による回転動作終了時の前記作業機の絶対角度を目標角度とし、前記操作手段により前記作業機の回転動作が指示されると、そのときに前記状態量検出手段の検出信号から求めた前記作業機の絶対角度を目標角度とし、それぞれフィードバック制御用の補正目標角速度を求める手段と、前記フィードフォワード制御用の補正目標角速度に前記フィードバック制御用の補正目標角速度を加算し前記作業機の補正目標角速度を求める手段と、前記作業機の補正目標角速度に応じて前記作業機に係わる流量制御弁の制御信号を生成し出力する手段とを含むものとする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を油圧ショベルに適用した場合の実施形態を図面を用いて説明する。
【００１６】
まず、本発明の第１の実施形態を図１〜図５により説明する。
図１において、本発明が適用される油圧ショベルは油圧ポンプ２と、この油圧ポンプ２からの圧油により駆動されるブームシリンダ３ａ、アームシリンダ３ｂ、バケットシリンダ３ｃを含む複数の油圧アクチュエータと、油圧アクチュエータ３ａ〜３ｃに供給される圧油の流量を制御する複数の流量制御弁４ａ〜４ｃとを有し、これらは油圧ショベルの被駆動部材を駆動する油圧駆動装置を構成している。
【００１７】
また、油圧ショベルは、図２に示すように、互いに回動可能に連結されたブーム１ａ、アーム１ｂ及び作業機であるバケット１ｃからなる多関節型のフロント装置１Ａと、上部旋回体１ｄと下部走行体１ｅからなる車体１Ｂとで構成され、フロント装置１Ａのブーム１ａの基端は上部旋回体の前部に支持されている。
【００１８】
以上のような油圧ショベルに本実施形態による作業機の姿勢制御装置が設けられている。この姿勢制御装置は、図１に示すように、ブーム１ａ、アーム１ｂ及びバケット１ｃの回転動作をそれぞれ指示する操作レバー装置５ａ〜５ｃと、ブーム１ａ、アーム１ｂ及びバケット１ｃの回動支点にそれぞれ設けられ、フロント装置１Ａの姿勢に関する状態量としてそれぞれの回動角を検出する角度検出器６ａ，６ｂ，６ｃと、操作レバー装置５ａ〜５ｃの操作信号及び角度検出器６ａ〜６ｃの検出信号を入力し、これらの信号に基づき、バケット１ｃの姿勢制御を行うための制御信号（電気信号）を流量制御弁４ａ〜４ｃに出力する制御演算手段である制御ユニット７とで構成されている。
【００１９】
操作レバー装置５ａ〜５ｃは、それぞれ操作レバー５０ａ〜５０ｃを有しており、操作レバー５０ａ〜５０ｃの操作量に応じた操作信号ｕ１〜ｕ３を生成する。
【００２０】
制御ユニット７における処理内容を図３のフローチャートを基に、図４及び図５を用いて説明する。
【００２１】
図３に示すように、はじめに手順１００において、図４に示すようなブーム１ａ、アーム１ｂ及びバケット１ｃの回動角の検出信号θ１〜θ３が角度検出器６ａ〜６ｃから入力される。
【００２２】
次に手順１１０において、操作レバー５０ａ〜５０ｃの操作によりそれぞれ発生したブーム１ａ、アーム１ｂ及びバケット１ｃの操作信号ｕ１〜ｕ３が操作レバー装置５ａ〜５ｃから入力される。
【００２３】
次に手順１１５において、図５に示す姿勢制御装置７ｚにより、角度検出器６ａ〜６ｃの検出信号θ１〜θ３を用いて姿勢制御信号θ′を求め、変換器７ｓ，７ｔ，７ｕにより、目標シリンダ速度に対応する操作信号ｕ１〜ｕ３と姿勢制御信号θ′を用いてリンク構成に基づいた幾何学演算をすることにより、操作信号ｕ１〜ｕ３にそれぞれ対応する目標角速度ｖ１，ｖ２，ｖ３をそれぞれ求める。
【００２４】
次に手順１２０において、下記の式（１）により、目標角速度ｖ１〜ｖ３からバケット１ｃのフィードフォワード制御用の補正目標角速度を示すフィードフォワード制御信号ｖ３ｆｆを求める。
ｖ３ｆｆ＝ｖ３−（ｖ１＋ｖ２） （１）
次に手順１３０において、操作レバー装置５ｃの操作レバー５０ｃが操作された場合（ｕ３≠０）には、手順１４０に進み、図５に示すスイッチ７ｈをＯＮにして、バケット１ｃのフィードバック制御の目標角度γｃをそのときの絶対角度γに更新し、記憶する。
【００２５】
ここで、絶対角度γは、図４に示すようにバケット１ｃが地面に対してなす角度であり、下記の式（２）で求められる。
γ＝θ１＋θ２＋θ３ （２）
（角度は時計回り方向を＋、反時計回り方向を−とする）
一方、操作レバー装置５ｃの操作レバー５０ｃが操作されない場合（ｕ３＝０）には、手順１４０を介さずに手順１５０に進む。
【００２６】
次に手順１５０において、下記の式（３）により、目標角度γｃ、検出信号θ１〜θ３により求めた絶対角度γ及び制御ゲインＫｚからフィードバック制御用の補正目標角速度を示すフィードバック制御信号ｖ３ｆｂを求める。
ｖ３ｆｂ＝Ｋｚ・（γｃ−γ） （３）
ここで、操作レバー装置５ｃの操作レバー５０ｃが操作された場合（ｕ３≠０）には、上記の通り、目標角度γｃは、そのときに角度検出器６ａ〜６ｃにより検出された検出信号θ１〜θ３により求めたバケット１ｃの絶対角度γとなり、操作レバー装置５ｃの操作レバー５０ｃが操作されない場合（ｕ３＝０）には、目標角度γｃは、操作レバー５０ｃの前回の操作によるバケット１ｃの回転動作終了時のバケット１ｃの絶対角度γ0となる。
【００２７】
従って、操作レバー装置５ｃの操作レバー５０ｃが操作された場合（ｕ３≠０）には、上記の式（３）で常にγｃ＝γとなるので、フィードバック制御信号ｖ３ｆｂは常に０となり、フィードバック制御は行われない。一方、操作レバー装置５ｃの操作レバー５０ｃが操作されない場合（ｕ３＝０）には、目標角度γｃであるバケット１ｃの回転動作終了時のバケット１ｃの絶対角度γ0を保持するようにフィードバック制御が行われる。
【００２８】
次に手順１６０において、下記の式（４）に示すように、フィードフォワード制御信号ｖ３ｆｆとフィードバック制御信号ｖ３ｆｂとを加算し、バケット１ｃの補正目標角速度ｖ３′を求める。
ｖ３′＝ｖ３ｆｆ＋ｖ３ｆｂ （４）
次に手順１６５において、図５に示す姿勢制御装置７ｚにより、角度検出器６ａ〜６ｃからの検出信号θ１〜θ３を用いて姿勢制御信号θ′を求め、図５に示す変換器７ｖにより、補正目標角速度ｖ３′と姿勢制御信号θ′とを用いて、リンク構成に基づいた幾何学演算をすることにより、バケット１ｃの補正操作信号ｕ３′を求める。
【００２９】
次に手順１７０において、ブーム１ａの操作信号ｕ１より、図５に示す関数７ａ，７ｂを用いて流量制御弁４ａの制御信号であるバルブ指令値ｐ１ａ，ｐ１ｂを求め、アーム１ｂの操作信号ｕ２より、図５に示す関数７ｃ，７ｄを用いて流量制御弁４ｂの制御信号であるバルブ指令値ｐ２ａ，ｐ２ｂを求め、手順１６５で求めたバケット１ｃの補正制御信号ｕ３′より、図５に示す関数７ｅ，７ｆを用いて流量制御弁４ｃの制御信号であるバルブ指令値ｐ３ａ，ｐ３ｂを求める。
【００３０】
なお、関数７ａ〜７ｆは、図５に示すように、操作信号ｕ１，ｕ２及び補正制御信号ｕ３′が大きくなるほど、対応するバルブ指令値ｐ１ａ〜ｐ３ｂが大きくなる特性となっている。
【００３１】
次に手順１８０において、手順１７０で求めたバルブ指令値ｐ１ａ〜ｐ３ｂを流量制御弁４ａ〜４ｃの電磁駆動部９ａ〜１０ｃにそれぞれ出力し、はじめに戻る。
【００３２】
以上のように構成した本実施形態では、操作レバー装置５ｃにより回転動作が指示されると、制御ユニット７における手順１２０により、フィードフォワード制御信号ｖ３ｆｆが求められ、手順１４０により、スイッチ７ｈがＯＮになり、目標角度γｃをそのときの絶対角度γに更新し、手順１５０により、フィードバック制御信号ｖ３ｆｂは０となり、手順１６０により、フィードフォワード制御信号ｖ３ｆｆに等しいバケット１ｃの補正目標角速度ｖ３′が求められ、バケット１ｃの角速度が補正目標角速度ｖ３′となるように流量制御弁９ｃ駆動制御され、バケット１ｃが補正目標角速度ｖ３′で駆動する。つまり、この場合には、フィードバック制御が行われず、補正目標角速度ｖ３′は、ブーム１ａの目標角速度ｖ１とアーム１ｂの目標角速度ｖ２との和をバケット１ｃの目標角速度ｖ３から減じた値となるので、常にブーム１ａ、アーム１ｂの動作がキャンセルされ、操作レバー５０ｃの操作に応じた角速度でバケット１ｃの絶対角度が変わる。
【００３３】
操作レバー装置５ｃにより回転動作が指示されていないときは、手順１２０によりフィードフォワード制御信号ｖ３ｆｆは、
ｖ３ｆｆ＝−（ｖ１＋ｖ２）
つまり、バケット１ｃがブーム１ａやアーム１ｂに対して逆動作しバケット１ｃの絶対角度γをバケット１ｃの回転動作終了時の絶対角度γ0に保持するための信号となり、手順１６０で、フィードフォワード制御信号ｖ３ｆｆに手順１５０で求められるフィードバック信号ｖ３ｆｂが加算された補正目標角速度ｖ３′が求められ、バケット１ｃの角速度が補正目標角速度ｖ３′となるように流量制御弁９ｃ駆動制御され、バケット１ｃが補正目標角速度ｖ３′で駆動する。つまり、この場合には、フィードフォワード制御とフィードバック制御により、常にバケット１ｃの絶対角度γがバケット１ｃの回転動作終了時の絶対角度γ0に保持される。
【００３４】
以上のように本実施形態によれば、操作レバー装置５ｃの操作レバー５０ｃを操作してもバケット１ｃの絶対角度が変わらないような操作レバー５０ｃの不感帯がなくなり、ブーム１ａやアーム１ｂの動作に係わらず、常に操作レバー５０ｃの操作量に応じた速度でバケット１ｃの絶対角度を変えることができ、良好なバケット１ｃの操作性が得られる。
【００３５】
本発明の第２の実施形態を図６〜図１２により説明する。図中、図１、図４、図５等に示した部材、機能と同等の部材、機能には同じ符号を付している。
【００３６】
図６において、本実施形態の姿勢制御装置は、第１の実施形態で述べたのと同様な図７に示す油圧ショベルに設けられており、第１の実施形態の姿勢制御装置に対して、操作レバー装置５ａ〜５ｃの代わりに、バケット１ｃの移動ベクトル及び回転動作を指示する操作レバー装置８が設けられており、その他の構成は第１の実施形態と同様である。
【００３７】
操作レバー装置８は、操作レバー８ａを有し、この操作レバー８ａを倒すことでバケット１ｃの移動ベクトルを指示し、操作レバー８ａを回転させることでバケット１ｃの回転動作を指示する。つまり、操作レバー装置８は、操作レバー８ａのＸ方向の倒れ量に応じて操作信号Ｕｘを発生し、Ｙ方向の倒れ量に応じて操作信号Ｕｙを発生し、操作レバー８ａの回転角に応じた操作信号Ｕｚを発生する。
【００３８】
制御ユニット７Ａにおける処理内容を図８のフローチャートを基に、図９〜図１２により説明する。
【００３９】
図８に示すように、はじめに手順１００において、図９に示すようなブーム１ａ、アーム１ｂ及びバケット１ｃの検出信号θ１〜θ３が角度検出器６ａ〜６ｃから入力される。
【００４０】
次に手順１０５において、操作レバー８ａの操作によりそれぞれ発生したブーム１ａ、アーム１ｂ及びバケット１ｃの操作信号Ｕｘ，Ｕｙ，Ｕｚが操作レバー装置８から入力される。
【００４１】
次に手順１０６において、図１０に示す座標変換器７ｍにより、操作信号Ｕｘ，Ｕｙを座標変換し、教示ベクトルａを求め、演算器７ｎにより、下記の式（５）に示すように、教示ベクトルａにゲインＫｆｆを乗じて、バケット１ｃが操作信号Ｕｘ，Ｕｙに比例して移動するようなフィードフォワード制御ベクトルＵｆｆを求める。
Ｕｆｆ＝Ｋｆｆ・ａ （５）
次に手順１０７において、図１０に示す偏差計算器７ｏにより、アーム１ｂの先端の偏差ｄを計算し、演算器７ｐにより、下記の式（６）に示すように、偏差ｄにゲインＫｆｂを乗じて、アーム１ｃの先端が図１２の目標軌跡ｒに沿って移動するようなフィードバック制御ベクトルＵｆｂを求める。
Ｕｆｂ＝Ｋｆｂ・ｄ （６）
次に手順１０８において、図１０に示す加算手段７ｑにより、下記の式（７）に示すように、手順１０６で求めたフィードフォワード制御ベクトルＵｆｆと手順１０７で求めたフィードバック制御ベクトルＵｆｂを加算してアーム先端制御ベクトルＶを求める（図１１及び図１２参照）。
Ｖ＝Ｕｆｆ＋Ｕｆｂ （７）
次に手順１０９において、図１０の座標変換器７ｒにより、アーム先端制御ベクトルＶを得るために動作すべきブームシリンダ３ａ、アームシリンダ３ｂの速度を示す目標シリンダ速度信号Ｕ１，Ｕ２を求める。
【００４２】
次に手順１１５〜１８０の処理を行い、流量制御弁４ａ〜４ｃの駆動制御を行うが、これらの処理は第１の実施形態と同じであり、目標シリンダ速度信号Ｕ１，Ｕ２及び制御信号Ｕｚと姿勢制御信号θ′とから目標角速度ｖ１〜ｖ３を求め（手順１１５）、目標角速度ｖ１〜ｖ３からフィードフォワード制御信号ｖ３ｆｆを求める（手順１２０）。操作レバー８ａによりバケット１ｃの回転動作が指示された場合（Ｕｚ≠０）には、スイッチ７ｈをＯＮにして、バケット１ｃのフィードバック制御の目標角度γｃをそのときの絶対角度γに更新、記憶し、操作レバー８ａによりバケット１ｃの回転動作が指示されない場合（Ｕｚ＝０）には、フィードバック制御の目標角度γｃをバケット１ｃの回転動作終了時の絶対角度γ0とし（手順１３０，１４０）、フィードバック制御の目標角度γｃからそのときの絶対角度γを減じて制御ゲインＫｚを乗じフィードバック制御信号ｖ３ｆｂを求める（手順１５０）。更に、フィードフォワード制御信号ｖ３ｆｆとフィードバック制御信号ｖ３ｆｂとを加算しバケット１ｃの補正目標角速度ｖ３′を求め（手順１６０）、補正目標角速度ｖ３′と姿勢制御信号θ′とを用い、バケット１ｃの目標シリンダ速度Ｕ３を求め（手順１６５）、目標シリンダ速度Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３から関数７ａ〜７ｆを用いてバルブ指令値ｐ１ａ〜ｐ３ｂを求め（手順１７０）、これら指令値ｐ１ａ〜ｐ３ｂを流量制御弁４ａ〜４ｃの電磁駆動部９ａ〜１０ｃにそれぞれ出力し（手順１８０）、はじめに戻る。
【００４３】
以上のように構成した本実施形態においても、第１の実施形態と同様な効果が得られる。
【００４４】
本発明の第３の実施形態を図１３及び図１４により説明する。図中、図１、図２に示した部材、機能と同等の部材、機能には同じ符号を付している。
【００４５】
図１３において、本実施形態の姿勢制御装置は、第２の実施形態のバケット１ｃの代わりに作業機として把持装置１ｆが設けられ、把持装置１ｆを用いて対象物を掴んで移動するハンドリング作業のできる図１４に示すような解体仕様の油圧ショベルに設けられている。また、本実施形態の姿勢制御装置は、第２の実施形態に対して、操作レバー装置８の代わりに、把持装置１ｆの移動ベクトル、回転動作及び開閉動作を指示する操作レバー装置８０が設けられており、その他の構成は第２の実施形態と同様である。
【００４６】
操作レバー装置８０は、操作レバー８０ａを有し、この操作レバー８０ａを倒すことで把持装置１ｆの移動ベクトルを指示し、操作レバー８０ａを回転させることで把持装置１ｆの回転動作を指示する。つまり、操作レバー装置８０は、操作レバー８０ａのＸ方向の倒れ量に応じて操作信号Ｕｘを発生し、Ｙ方向の倒れ量に応じて操作信号Ｕｙを発生し、操作レバー８０ａの回転角に応じて操作信号Ｕｚを発生する。
【００４７】
また、操作レバー８０ａの上面に、把持装置１ｆの開閉を指示する開閉スイッチ８０ｂを有しており、開閉スイッチ８０ｂのＯＮ、ＯＦＦに応じて操作信号Ｕｓを発生する。
【００４８】
制御ユニット７Ｂでは、第２の実施形態と同様に、操作信号Ｕｘ〜Ｕｚに基づいて流量制御弁４ａ〜４ｃへの制御信号が求められ、この制御信号が流量制御弁４ａ〜４ｃに出力される。更に、操作信号Ｕｓに応じて流量制御弁４ｄへの制御信号が求められ、この制御信号が流量制御弁４ｄに出力される。
【００４９】
この結果、操作レバー８０ａの操作量に応じた角速度で把持装置１ｆが回転動作し、開閉スイッチ８０ｂの操作により把持装置１ｆが開閉する。
【００５０】
以上のように構成した本実施形態においても、第１の実施形態と同様な効果が得られる。
【００５１】
なお、以上の第１〜第３実施形態では、バケット１ｃや把持装置１ｆの回転動作が指示されないときは、バケット１ｃや把持装置１ｆの絶対角度を高精度で一定に保持するようにフィードバック制御を行っているが、絶対角度を高精度で保持することが要求されない場合には、フィードバック制御を行わないように、図１及び図８に示す手順１３０〜１５０を削除して、手順１６５の補正目標角速度をフィードフォワード制御信号ｖ３ｆｆとしてもよい。
【００５２】
【発明の効果】
本発明によれば、作業機を除くフロント部材の動作に係わらず、常に作業機の回動動作を指示する操作手段の操作信号に応じた速度で作業機の絶対角度を変えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態における建設機械の作業機の姿勢制御装置を示す図である。
【図２】油圧ショベルの外観を示す図である。
【図３】制御ユニット７における処理内容を示すフローチャートである。
【図４】姿勢制御の動作を説明する図である。
【図５】制御ユニット７の制御機能を示す機能ブロック図である。
【図６】本発明の第２の実施形態における建設機械の作業機の姿勢制御装置を示す図である。
【図７】油圧ショベルの外観を示す図である。
【図８】制御ユニット７Ａにおける処理内容を示すフローチャートである。
【図９】姿勢制御の動作を説明する図である。
【図１０】制御ユニット７Ａの制御機能を示す機能ブロック図である。
【図１１】直線軌跡制御の操作入力とそれに対応するバケットの移動動作を説明する図である。
【図１２】直線軌跡制御の制御方法を説明する図である。
【図１３】本発明の第３の実施形態における建設機械の作業機の姿勢制御装置を示す図である。
【図１４】油圧ショベルの外観を示す図である。
【符号の説明】
１Ａ フロント装置
１Ｂ 車体
１ａ ブーム
１ｂ アーム
１ｃ バケット
１ｄ 上部旋回体
１ｅ 下部走行体
１ｆ 把持装置
２ 油圧ポンプ
３ａ〜３ｃ 油圧アクチュエータ
４ａ〜４ｃ 流量制御弁
５ａ〜５ｃ 操作レバー装置
６ａ〜６ｃ 角度検出器
７，７Ａ，７Ｂ 制御ユニット
８，８０ 操作レバー装置
９ａ〜１０ｃ 電磁駆動部
Claims (4)
- 互いに回動可能に連結された複数のフロント部材により構成される多関節型のフロント装置と、前記フロント装置を駆動する複数の油圧アクチュエータと、これら複数の油圧アクチュエータに供給される圧油の流量を制御する複数の流量制御弁とを備え、前記フロント装置は先端に位置するフロント部材として作業機を含む建設機械の作業機の姿勢制御装置において、
（ａ）前記複数のフロント部材の回転動作をそれぞれ指示する複数の操作手段と、
（ｂ）前記フロント装置の姿勢に関する状態量を検出する状態量検出手段と、
（ｃ）前記操作手段の操作信号と前記状態量検出手段の検出信号を入力し、これらの信号に基づき、前記操作手段により前記作業機の回転動作が指示されていないときは、前記作業機を除く他のフロント部材が動作しても前記作業機が地面に対してなす絶対角度を一定に保ち、前記操作手段により前記作業機の回転動作が指示されると、前記他のフロント部材の動作に係わらず、常に前記作業機の回転動作を指示する操作手段の操作信号に応じた速度で前記作業機の絶対角度が変わるように前記作業機に係わる流量制御弁を駆動制御する演算制御手段とを備え、
前記制御演算手段は、前記操作手段の操作信号と前記状態量検出手段の検出信号とから前記操作手段による前記作業機の目標角速度と前記他のフロント部材の目標角速度とを求める手段と、前記作業機の目標角速度から前記他のフロント部材の目標角速度の和を減じて前記作業機の補正目標角速度を求める手段と、前記作業機の補正目標角速度に応じて前記作業機に係わる流量制御弁の制御信号を生成し出力する手段とを含むことを特徴とする建設機械の作業機の姿勢制御装置。 - 互いに回動可能に連結された複数のフロント部材により構成される多関節型のフロント装置と、前記フロント装置を駆動する複数の油圧アクチュエータと、これら複数の油圧アクチュエータに供給される圧油の流量を制御する複数の流量制御弁とを備え、前記フロント装置は先端に位置するフロント部材として作業機を含む建設機械の作業機の姿勢制御装置において、
（ａ）前記作業機の移動ベクトル及び回転動作を指示する操作手段と、
（ｂ）前記フロント装置の姿勢に関する状態量を検出する状態量検出手段と、
（ｃ）前記操作手段の操作信号と前記状態量検出手段の検出信号を入力し、これらの信号に基づき、前記操作手段により前記作業機の回転動作が指示されていないときは、前記作業機を除く他のフロント部材が動作しても前記作業機が地面に対してなす絶対角度を一定に保ち、前記操作手段により前記作業機の回転動作が指示されると、前記他のフロント部材の動作に係わらず、常に前記作業機の回転動作を指示する操作手段の操作信号に応じた速度で前記作業機の絶対角度が変わるように前記作業機に係わる流量制御弁を駆動制御する演算制御手段とを備え、
前記制御演算手段は、前記操作手段の操作信号と前記状態量検出手段の検出信号とから前記操作手段による前記作業機の目標角速度と前記他のフロント部材の目標角速度とを求める手段と、前記作業機の目標角速度から前記他のフロント部材の目標角速度の和を減じて前記作業機の補正目標角速度を求める手段と、前記作業機の補正目標角速度に応じて前記作業機に係わる流量制御弁の制御信号を生成し出力する手段とを含むことを特徴とする建設機械の作業機の姿勢制御装置。 - 互いに回動可能に連結された複数のフロント部材により構成される多関節型のフロント装置と、前記フロント装置を駆動する複数の油圧アクチュエータと、これら複数の油圧アクチュエータに供給される圧油の流量を制御する複数の流量制御弁とを備え、前記フロント装置は先端に位置するフロント部材として作業機を含む建設機械の作業機の姿勢制御装置において、
（ａ）前記複数のフロント部材の回転動作をそれぞれ指示する複数の操作手段と、
（ｂ）前記フロント装置の姿勢に関する状態量を検出する状態量検出手段と、
（ｃ）前記操作手段の操作信号と前記状態量検出手段の検出信号を入力し、これらの信号に基づき、前記操作手段により前記作業機の回転動作が指示されていないときは、前記作業機を除く他のフロント部材が動作しても前記作業機が地面に対してなす絶対角度を一定に保ち、前記操作手段により前記作業機の回転動作が指示されると、前記他のフロント部材の動作に係わらず、常に前記作業機の回転動作を指示する操作手段の操作信号に応じた速度で前記作業機の絶対角度が変わるように前記作業機に係わる流量制御弁を駆動制御する演算制御手段とを備え、
前記制御演算手段は、前記操作手段の操作信号と前記状態量検出手段の検出信号とから前記操作手段による前記作業機の目標角速度と前記他のフロント部材の目標角速度とを求める手段と、
前記作業機の目標角速度から前記他のフロント部材の目標角速度の和を減じてフィードフォワード制御用の補正目標角速度を求める手段と、
前記操作手段により前記作業機の回転動作が指示されないときには、前記操作手段の前回の指示による回転動作終了時の前記作業機の絶対角度を目標角度とし、前記操作手段により前記作業機の回転動作が指示されると、そのときに前記状態量検出手段の検出信号から求めた前記作業機の絶対角度を目標角度とし、それぞれフィードバック制御用の補正目標角速度を求める手段と、
前記フィードフォワード制御用の補正目標角速度に前記フィードバック制御用の補正目標角速度を加算し前記作業機の補正目標角速度を求める手段と、
前記作業機の補正目標角速度に応じて前記作業機に係わる流量制御弁の制御信号を生成し出力する手段とを含むことを特徴とする建設機械の作業機の姿勢制御装置。 - 互いに回動可能に連結された複数のフロント部材により構成される多関節型のフロント装置と、前記フロント装置を駆動する複数の油圧アクチュエータと、これら複数の油圧アクチュエータに供給される圧油の流量を制御する複数の流量制御弁とを備え、前記フロント装置は先端に位置するフロント部材として作業機を含む建設機械の作業機の姿勢制御装置において、
（ａ）前記作業機の移動ベクトル及び回転動作を指示する操作手段と、
（ｂ）前記フロント装置の姿勢に関する状態量を検出する状態量検出手段と、
（ｃ）前記操作手段の操作信号と前記状態量検出手段の検出信号を入力し、これらの信号に基づき、前記操作手段により前記作業機の回転動作が指示されていないときは、前記作業機を除く他のフロント部材が動作しても前記作業機が地面に対してなす絶対角度を一定に保ち、前記操作手段により前記作業機の回転動作が指示されると、前記他のフロント部材の動作に係わらず、常に前記作業機の回転動作を指示する操作手段の操作信号に応じた速度で前記作業機の絶対角度が変わるように前記作業機に係わる流量制御弁を駆動制御する演算制御手段とを備え、
前記制御演算手段は、前記操作手段の操作信号と前記状態量検出手段の検出信号とから前記操作手段による前記作業機の目標角速度と前記他のフロント部材の目標角速度とを求める手段と、
前記作業機の目標角速度から前記他のフロント部材の目標角速度の和を減じてフィードフォワード制御用の補正目標角速度を求める手段と、
前記操作手段により前記作業機の回転動作が指示されないときには、前記操作手段の前回の指示による回転動作終了時の前記作業機の絶対角度を目標角度とし、前記操作手段により前記作業機の回転動作が指示されると、そのときに前記状態量検出手段の検出信号から求めた前記作業機の絶対角度を目標角度とし、それぞれフィードバック制御用の補正目標角速度を求める手段と、
前記フィードフォワード制御用の補正目標角速度に前記フィードバック制御用の補正目標角速度を加算し前記作業機の補正目標角速度を求める手段と、
前記作業機の補正目標角速度に応じて前記作業機に係わる流量制御弁の制御信号を生成 し出力する手段とを含むことを特徴とする建設機械の作業機の姿勢制御装置。
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