JP4475607B2 - 作業機及びその操縦システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば油圧ショベル等の重機、産業用ロボット、医療用処置装置、放射性物質等の危険物取扱装置など、複数の作業側リンク部材を有する作業装置が、同様のリンク機構を有する操作装置により操作される作業機、及びその作業機に使用される操縦システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、油圧ショベルには、作業装置のアクチュエータを操作するための２本の作業用操作レバーが設けられている。これらの作業用操作レバーは、それぞれ４方向、合計８方向への操作が可能になっている。また、油圧ショベルでは、ブーム、アーム、バケット及び旋回体がそれぞれ２方向、合計８方向へ回動するため、上記の作業用操作レバーの操作方向にブーム、アーム、バケット及び旋回体の動作方向が対応している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来の油圧ショベルにおいては、ブーム、アーム、バケット及び旋回体の動作方向と作業用操作レバーの操作方向とが異なっているため、これら操作方向と動作方向との関係を感覚的に把握し、作業装置をスムーズに動作させるためにはかなりの熟練を要するという問題点があった。また、熟練度などのオペレータの個人的な能力により作業の進み具合に大きな差が生じてしまい、全体の工期にも大きな影響を及ぼすという問題点があった。
【０００４】
この発明は、上記のような問題点を解決することを課題としてなされたものであり、熟練を必要とせず、スムーズに操作することができる作業機及びその操縦システムを得ることを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る作業機は、回動可能に連結されている複数の作業側リンク部材を有する作業装置、複数の作業側リンク部材をそれぞれ回動させる駆動装置、作業側リンク部材にそれぞれ対応して回動可能に連結されている複数の操作側リンク部材を有する操作装置、作業側リンク部材の回動を検出する回動センサ、回動センサからの信号に応じて駆動されるモータ、モータにより正逆両方向へ駆動される作業側可動部と、この作業側可動部に対する中立位置から所定の範囲内で正逆両方向へ変位可能な操作側可動部と、作業側可動部に対する操作側可動部の中立位置からの相対的な変位を検出する差動センサとを有している差動検出部、操作側リンク部材と操作側可動部との間に設けられ、操作側リンク部材の回動を機械的に伝達し、操作側リンク部材の回動に応じて操作側可動部を変位させる操作伝達手段、及び差動センサからの信号に応じて駆動装置を制御する制御部を備え、作業側リンク部材は、対応する操作側リンク部材の回動に対応して駆動装置により回動され、作業側可動部は、操作側可動部を相対的に中立位置に戻す方向へモータにより駆動されるものである。
【０００６】
また、この発明に係る作業機の操縦システムは、回動可能に連結されている複数の作業側リンク部材を有する作業装置と、複数の作業側リンク部材をそれぞれ回動させる駆動装置とを備えた作業機を操縦するためのものであって、作業側リンク部材にそれぞれ対応して回動可能に連結されている複数の操作側リンク部材を有する操作装置、作業側リンク部材の回動を検出する回動センサ、回動センサからの信号に応じて駆動されるモータ、モータにより正逆両方向へ駆動される作業側可動部と、この作業側可動部に対する中立位置から所定の範囲内で正逆両方向へ変位可能な操作側可動部と、作業側可動部に対する操作側可動部の中立位置からの相対的な変位を検出する差動センサとを有している差動検出部、操作側リンク部材と操作側可動部との間に設けられ、操作側リンク部材の回動を機械的に伝達し、操作側リンク部材の回動に応じて操作側可動部を変位させる操作伝達手段、及び操作側リンク部材の回動に対応して作業側リンク部材が回動されるように、差動センサからの信号に応じて駆動装置を制御する制御部を備え、作業側可動部は、操作側可動部を相対的に中立位置に戻す方向へモータにより駆動されるものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図について説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による作業機の動作原理を一部ブロックで示す説明図である。この発明は、複数の関節を有するリンク機構を持つ作業機に特に有効であるが、ここでは簡単のため、まず１つの関節を有するリンク機構について説明する。
【０００８】
図において、実際の作業を行う作業装置１０１は、互いに回動可能に連結されている第１及び第２の作業側リンク部材１０２，１０３を有している。第２の作業側リンク部材１０３は、駆動装置１０４により第１の作業側リンク部材１０２に対して回動される。駆動装置１０４は、油圧作業機であれば油圧モータや油圧シリンダが使用され、電動の作業機であれば電動駆動モータや、場合によってはリニアモータ等が使用される。第１の作業側リンク部材１０２に対する第２の作業側リンク部材１０３の回動（回動量及び回動方向）は、回動センサ１０５により検出される。
【０００９】
作業者が操縦する操作装置１０６は、第１及び第２の作業側リンク部材１０２，１０３にそれぞれ対応して互いに回動可能に連結されている第１及び第２の操作側リンク部材１０７，１０８を有している。作業側リンク部材１０２，１０３のサイズが大きい場合、操作側リンク部材１０７，１０８は、操縦し易い大きさまで縮小してもよい。
【００１０】
回動センサ１０５には、モータ１０９が接続されている。モータ１０９としては、例えばサーボモータが使用される。作業側可動部１１０は、モータ１０９により正逆両方向へ駆動される。第１の操作側リンク部材１０７に対する操作側リンク部材１０８の回動（回動量及び回動方向）は、操作伝達手段１１１を介して操作側可動部１１２に機械的に伝達される。
【００１１】
従って、作業側可動部１１０は、作業側リンク部材１０３の回動に対応して変位し、操作側可動部１１２は、操作側リンク部材１０８の回動に対応して変位する。操作側可動部１１２は、作業側可動部１１０に対する中立位置から所定の範囲内で正逆両方向へ変位可能になっている。これら作業側及び操作側可動部１１０，１１２の変位は、直線動作による変位でも回動動作による周方向への変位でもよい。また、作業側可動部１１２は、モータ１０９によって変位されるが、操作側から作業側可動部１１２を変位させることは、モータ１０９によって規制されている。
【００１２】
作業側可動部１１０に対する操作側可動部１１２の中立位置からの相対的な変位は、差動センサ１１３により検出される。即ち、差動センサ１１３は、操作側リンク部材１０８と作業側リンク部材１０３との差動を検出する。差動検出部１１４は、作業側可動部１１０、操作側可動部１１２及び差動センサ１１３により構成されている。制御部１１５は、差動センサ１１３からの信号に応じて駆動装置１０４を制御する。
【００１３】
次に、動作について説明する。まず、第２の操作側リンク部材１０８が作業者により回動されたとすると、この回動が操作伝達手段１１１により操作側可動部１１２に伝達される。操作側可動部１１２は、操作側リンク部材１０８が停止されているときには作業側可動部１１０に対して中立位置にあるが、操作側リンク部材１０８が回動されると、中立位置から対応する方向へ変位される。
【００１４】
このとき、作業側リンク部材１０３はまだ回動していないため、作業側可動部１１０は停止している。従って、操作側可動部１１２は、作業側可動部１１０に対して相対的に変位され、この相対的な変位が差動センサ１１３により検出される。この後、差動センサ１１３から制御部１１５に信号が出力され、この信号に応じて制御部１１５により駆動装置１０４が制御される。即ち、第２の操作側リンク部材１０８が回動されると、その動作に僅かに遅れて、第２の作業側リンク部材１０３が駆動装置１０４により同方向へ回動される。
【００１５】
このような第２の作業側リンク部材１０３の回動は、回動センサ１０５により検出され、これによりモータ１０９が駆動され、操作側可動部１１２を中立位置に戻す方向へ、作業側可動部１１０が操作側可動部１１２に対して相対的に変位される。即ち、作業側可動部１１０は、操作側可動部１１２を追従するように変位される。従って、第２の操作側リンク部材１０８が連続して回動されると、操作側及び作業側可動部１１２，１１０が同方向へ変位し続け、第２の作業側リンク部材１０３が連続して回動される。
【００１６】
また、第２の操作側リンク部材１０８の回動が停止されれば、操作側可動部１１２が作業側可動部１１０に対して中立位置に戻され、第２の作業側リンク部材１０３の回動も停止される。
【００１７】
上記の例では、１つの関節を有するリンク機構について説明したが、複数の関節を有するリンク機構についても、回動センサ１０５、モータ１０９及び差動検出部１１４の数を増やし、各関節での操作側リンク部材の回動を操作伝達手段で対応する操作側可動部に伝達することにより、操作側リンク部材の動作に応じて、対応する作業側リンク部材を高精度で追従させることができる。
【００１８】
従って、この発明は、図１に示したような１関節のリンク機構を持つ作業機にも適用できるが、複数の関節が直列に配置されたリンク機構を持つ作業機に対して特に有効である。
【００１９】
実施の形態２．
次に、この発明を油圧作業機である油圧ショベルに適用した例について説明する。図２はこの発明の実施の形態２による油圧ショベルを示す概略の構成図である。図において、下部走行体１上には、運転室２Ａを有する上部旋回体２が旋回可能に設けられている。この上部旋回体２には、作業装置３が搭載されている。この作業装置３は、ブーム連結部材３Ａ、このブーム連結部材３Ａに回動可能に連結されているブーム４、このブーム４に回動可能に連結されているアーム５、及びこのアーム５に回動可能に連結されているバケット６を有している。
【００２０】
ここで、作業装置３を作業側のリンク機構として見た場合、ブーム連結部材３Ａ、ブーム４、アーム５、及びバケット６は、それぞれ作業側リンク部材に相当する。
【００２１】
ブーム連結部材３Ａとブーム４との間にはブームシリンダ７、ブーム４とアーム５との間にはアームシリンダ８、アーム５とバケット６との間にはバケットシリンダ９がそれぞれ設けられている。これらのシリンダ７，８，９としては、油圧シリンダが用いられる。上部旋回体２は、油圧モータである旋回モータ１０により下部走行体１に対して旋回可能になっている。運転室２Ａには、作業装置３のリンク機構を適当な比率で縮小した操作側のリンク機構を構成する操作装置１１が設けられている。
【００２２】
ブーム４の基端部には、ブーム４の回動を検出する回動センサとしてのブームセンサ１２が設けられている。ブーム４とアーム５との連結部には、アーム５の回動を検出する回動センサとしてのアームセンサ１３が設けられている。バケット６を回動させるためのリンク機構の一部には、バケット６の回動を検出する回動センサとしてのバケットセンサ１４が設けられている。これらのセンサ１２〜１４としては、例えばポテンションメータなど、回転状態に応じて電気信号を出力する周知の回転センサを適宜選択して使用することができる。また、絶対的な回動位置を検出するエンコーダを使用してもよい。
【００２３】
上部旋回体２上の適当な場所には、作業装置３を操作するための差動ユニット１５が配置されている。各センサ１２〜１４と差動ユニット１５とは、配線（図示せず）により電気的に接続されている。
【００２４】
図３は図２の油圧ショベルの要部を示す概略のブロック図である。図において、各シリンダ７〜９及び旋回モータ１０には、それぞれの動作方向を切り換える切換バルブ２１〜２４が接続されている。また、各切換バルブ２１〜２４は、それぞれ制御バルブ２５〜２８により制御される。ブーム制御バルブ２５、アーム制御バルブ２６及びバケット制御バルブ２７には、電磁比例バルブが使用されている。
【００２５】
上記の切換バルブ２１〜２４を有する油圧回路部２９には、タンク及び油圧ポンプ等（図示せず）が設けられているのは勿論であり、周知の油圧ショベルの油圧回路部を利用することもできる。従って、回路構成の細部については、種々の変更が可能である。この実施の形態２における駆動装置３０は、油圧シリンダ７〜９、旋回モータ１０及び油圧回路部２９を有している。
【００２６】
ブーム制御バルブ２５、アーム制御バルブ２６及びバケット制御バルブ２７は、コントロールユニット３１からの信号により制御される。コントロールユニット３１には、差動ユニット１５からのアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器３２と、Ａ／Ｄ変換器３２からの信号を処理して制御バルブ２５〜２７に出力するＣＰＵ３３とが設けられている。制御部３４は、制御バルブ２５〜２８及びコントロールユニット３１を有している。
【００２７】
次に、図４は図２の差動ユニット１５の要部を示す正面図、図５は図４のＶ−Ｖ線に沿う断面図である。サーボモータ３５は、ブームセンサ１２、アームセンサ１３及びバケットセンサ１４のいずれか１つのセンサからの信号に応じて駆動される。サーボモータ３５は、モータ本体３６と、このモータ本体３６により回動される回動軸３７とを有している。回動軸３７には、回動軸３７と一体に回動するフランジ部材３８が固着されている。フランジ部材３８には、フランジ部３８ａが設けられている。
【００２８】
フランジ部材３８には、フランジ部材３８と一体に回動する作業側可動部としての作業側回動片３９が固定されている。作業側回動片３９は、フランジ部３８ａにねじ（図示せず）により固定されている。また、作業側回動片３９には、円弧状の嵌合溝３９ａと、軸部３９ｂとが設けられている。
【００２９】
作業側回動片３９には、操作側可動部としての操作側回動片４０が組み合わされている。操作側回動片４０は、作業側回動片３９と同一の軸線を中心として所定の範囲（角度）内で正逆両方向へ相対的に回動可能になっている。また、操作側回動片４０には、嵌合溝３９ａに挿入され操作側回動片４０の相対的な回動に伴って嵌合溝３９ａ内を移動する円弧状の嵌合突起４０ａが設けられている。
【００３０】
操作側回動片４０には、ねじ（図示せず）により差動ユニット側プーリ４１が固定されている。差動ユニット側プーリ４１は、操作装置１１を操作することにより操作側回動片４０と一体に回動される。作業側回動片３９の軸部３９ｂは、操作側回動片４０及び差動ユニット側プーリ４１の中心部を貫通している。また、回動軸３７、フランジ部材３８、作業側回動片３９、嵌合溝３９ａ、軸部３９ｂ、操作側回動片４０、嵌合突起４０ａ及び差動ユニット側プーリ４１は、それぞれ同一の軸線を中心として配置されている。
【００３１】
軸部３９ｂの先端部には、作業側回動片３９と一体に回動されるピン支持板４２が固着されている。ピン支持板４２には、ピン４３が立設されている。差動ユニット側プーリ４１の側面には、台座４４を介して差動センサ４５が取り付けられている。台座４４は、複数のねじ４６により差動ユニット側プーリ４１に固定されている。
【００３２】
差動センサ４５は、台座４４に固定されたセンサ本体４７と、このセンサ本体４７に揺動可能に設けられている揺動片４８とを有している。この実施の形態２における差動検出部は、作業側回動片３９、操作側回動片４０、ピン支持板４２、ピン４３、台座４４及び差動センサ４５を有している。モータ本体３６及びセンサ本体４７の内部構造は図示しない。揺動片４８には、ピン４３が回動自在に貫通している。
【００３３】
差動センサ４５は、台座４４及び差動ユニット側プーリ４１を介して操作側回動片４０に搭載されており、操作側回動片４０とともに回動される。これに対し、ピン４３は、作業側回動片３９の回動により変位されるため、操作側回動片４０が作業側回動片３９に対して相対的に回動変位されると、揺動片４８がセンサ本体４７に対して揺動される。これにより、差動センサ４５から制御部３４のコントロールユニット３１へアナログ電気信号が出力される。
【００３４】
図６は図５の作業側回動片３９を示す正面図、図７は図５の操作側回動片４０を示す正面図である。なお、図６は図５の右側から作業側回動片３９を見た図、図７は図５の左側から操作側回動片４０を見た図である。
【００３５】
作業側回動片３９の嵌合溝３９ａの一部には、溝幅を広げることにより円弧状のばね収容部３９ｃが設けられている。ばね収容部３９ｃには、操作側回動片４０を中立位置に戻す方向へ付勢する戻しばね４９が収容されている。操作側回動片４０の嵌合突起４０ａには、戻しばね４９の両端部に当接する一対の当接部４０ｂが設けられている。このような構成により、作業側回動片３９に対する操作側回動片４０の相対的な回動範囲が所定の角度内に規制されている。
【００３６】
なお、差動ユニット１５には、ブーム４、アーム５及びバケット６のそれぞれに対応して、図４ないし図７に示した装置が３組設けられている。
【００３７】
次に、図８は図２の操作装置１１を示す側面図である。図において、運転室２Ａに固定された固定部材５１には、旋回モータ１０用の旋回制御バルブ２８が搭載されている。旋回制御バルブ２８は、固定部材５１に固定されたバルブ本体２８ａと、このバルブ本体２８ａに設けられた揺動可能なバルブ操作レバー２８ｂとを有している。バルブ操作レバー２８ｂには、可動支持部材５２が固定されている。この可動支持部材５２は、固定部材５１に対して、バルブ操作レバー２８ｂと一体に水平方向左右へ回動可能になっている。
【００３８】
可動支持部材５２上には、操作装置基台５３が固定されている。この操作装置基台５３には、ブームレバー５４の基端部が回動可能に連結されている。このブームレバー５４の先端部には、アームレバー５５が回動可能に連結されている。さらに、アームレバー５５の先端部には、バケットレバー５６が回動可能に連結されている。
【００３９】
バケットレバー５６は、操作装置１１の把手を兼ねており、作業者が掴み易い形状に構成される。また、バケットレバー５６には、付属的な機器を操作するための電気スイッチや安全スイッチ等を搭載することも可能である。
【００４０】
ここで、操作装置１１を操作側のリンク機構として見た場合、操作装置基台５３、ブームレバー５４、アームレバー５５、及びバケットレバー５６は、それぞれ操作側リンク部材に相当する。
【００４１】
各レバー５４〜５６の基端部には、各レバー５４〜５６と一体に回動するブームレバープーリ５７、アームレバープーリ５８及びバケットレバープーリ５９が固定されている。各レバープーリ５７〜５９の外周には、それぞれループ状のブームワイヤ６０、アームワイヤ６１及びバケットワイヤ６２の一部がそれぞれ巻かれている。各ワイヤ６０〜６２は、例えば止めねじ（図示せず）を締め付けることにより、各レバープーリ５７〜５９にその円周上の１箇所で固定されている。
【００４２】
また、ワイヤ６０〜６２は、それぞれワイヤチューブ６０ａ，６１ａ，６２ａに摺動自在に挿通された状態で、各レバープーリ５７〜５９の近傍まで導かれている。さらに、各ワイヤチューブ６０ａ，６１ａ，６２ａの一端部は、操作装置基台５３、ブームレバー５４及びアームレバー５５にそれぞれ固定されている。
【００４３】
図９は図２の操作装置１１と差動ユニット１５との接続状態を模式的に示す説明図である。上述したように、差動ユニット１５には、差動検出部とサーボモータ３５とを組み合わせたユニットが３組設けられている。各ユニットの差動ユニット側プーリ４１には、図８に示したワイヤチューブ６０ａ，６１ａ，６２ａにより導かれたワイヤ６０〜６２の一部がそれぞれ巻かれている。各ワイヤ６０〜６２は、例えば止めねじ（図示せず）を締め付けることにより、各差動ユニット側プーリ４１にその円周上の１箇所で固定されている。
【００４４】
従って、操作装置１１における各レバー５４〜５６が回動され、対応するレバープーリ５７〜５９が回動されると、ワイヤ６０〜６２が循環され、対応する差動ユニット側プーリ４１が回動される。この実施の形態２における操作伝達手段は、レバープーリ５７〜５９、ワイヤ６０〜６２、ワイヤチューブ６０ａ，６１ａ，６２ａ、及び差動ユニット側プーリ４１を有している。
【００４５】
次に、動作について説明する。運転室２Ａに搭乗した作業者は、操作装置１１のバケットレバー５６を把持し、バケット６及び作業現場を目視しながら、バケット６を動かすようにバケットレバー５６を移動させる。これにより、操作装置１１の各関節部分が回動される。
【００４６】
例えば、ブームレバー５４が図８の反時計方向（下げ方向）へ回動されたとすると、これとともにブームレバープーリ５７も同様に回動される。ブームレバープーリ５７にはブームワイヤ６０が固定されているので、ブームレバープーリ５７の回動によりブームワイヤ６０はワイヤチューブ６０ａ内を循環され、対応する差動ユニット側プーリ４１が同期して回動される。
【００４７】
差動ユニット側プーリ４１が回動されると、これと一体に操作側回動片４０が回動される。このとき、ブーム４はまだ回動しておらず、ブームセンサ１２からの信号では回動量がゼロであるため、作業側回動片３９は停止したままである。従って、操作側回動片４０は、作業側回動片３９に対して中立位置から一方向へ相対的に回動される。
【００４８】
このとき、嵌合突起４０ａが嵌合溝３９ａ内を摺動し、一方の当接部４０ｂにより戻しばね４９が圧縮される。作業側回動片３９に対する操作側回動片４０の相対的な回動角度は、戻しばね４９の圧縮範囲により規制されている。また、作業側回動片３９は、サーボモータ３５によって回動されるが、戻しばね４９の圧縮範囲を超えて操作側から作業側回動片３９を無理に変位させることは、サーボモータ３５によって規制されている。
【００４９】
このように、操作側回動片４０が作業側回動片３９に対して相対的に回動されると、ピン４３により揺動片４８が揺動され、差動センサ４５からコントロールユニット３１に信号が出力される。差動センサ４５からの信号は、Ａ／Ｄ変換器３２によりデジタル信号に変換され、さらにＣＰＵ３３で演算処理された後、コントロールユニット３１からブーム制御バルブ２５に出力される。
【００５０】
ブーム制御バルブ２５は、コントロールユニット３１からの信号により操作され、ブーム制御バルブ２５によりブーム切換バルブ２１が制御される。従って、ブームレバー５４が回動されると、その動作に僅かに遅れてブーム４が同様に回動される。
【００５１】
このようなブーム４の回動は、ブームセンサ１２により検出され、これにより対応するサーボモータ３５が駆動され、操作側回動片４０を中立位置に戻す方向へ作業側回動片３９が回動される。即ち、操作装置１１の操作により操作側回動片４０が回動されると、同方向へ追従するようにサーボモータ３５により作業側回動片３９が回動される。従って、ブームレバー５４を連続して回動させると、操作側回動片４０及び作業側回動片３９が回動され続け、ブーム４が連続して回動される。
【００５２】
また、ブームレバー５４の回動が停止すれば、作業側回動片３９が操作側回動片４０に追いつき、操作側回動片４０が中立位置に戻り、差動センサ４５からの信号が出力されず（又は差動０の信号が出力され）、ブーム４の回動も停止される。なお、ブームレバー５４を逆方向へ操作した場合は、上記の逆の動作となる。また、アーム５及びバケット６についてもブーム４と同様に操作される。各レバー５４〜５６の回動方向と、対応するブーム４、アーム５及びバケット６の回動方向とは、同じになるように予め設定されている。
【００５３】
次に、旋回動作について説明する。バケットレバー５６を握ったままで、操作装置１１全体を旋回させたい方向へ回動させると、旋回制御バルブ２８のバルブ操作レバー２８ｂが直接操作され、上部旋回体２全体が同方向へ旋回される。従って、操作装置１１を旋回方向へ回動させている間、上部旋回体２は同方向へ旋回され、操作装置１１の回動を止めれば、上部旋回体２の旋回も停止される。
【００５４】
このように、操作装置１１のリンク機構に追従して、作業装置３のリンク機構をスムーズに動作させることができるため、作業者は、作業装置３を直接動かすのに近い感覚で操作装置１１を容易に操作することができる。また、バケットレバー５６を動かせば、操作装置１１のリンク機構は自動的に最短距離で追従するので、各リンクの個別の角度等を考慮する必要もない。従って、特別な熟練を必要とせずに作業効率を向上させることができ、工期全体としても大幅な短縮を図ることができる。
【００５５】
さらに、作業装置３及び操作装置１１の各リンク部材は１：１で対応しているため、例えばブーム４の動作に対するアーム５の対比速度や対比変位量などを考慮する必要もなく、装置構成が簡単である。即ち、各油圧シリンダ７〜９及び旋回モータ１０への作動油の配分が自動的に行われるため、ディストリビュータでの複雑な制御は不要であり、油圧回路部２９に設けられたポンプの出力を最大限に利用して、大幅なコストダウンを図ることができる。また、既存の油圧作業機への操縦システムの装着が容易であり、かつメンテナンスも容易である。
【００５６】
なお、各センサ１２〜１４からサーボモータ３５への信号の送信は、リード線を配線することにより行えばよいが、ワイヤレスで送信することも可能であり、リード線の断線等による故障を防止することができる。
【００５７】
また、実施の形態２では、３つの油圧シリンダ７〜９及び旋回モータ１０の動作について示したが、例えばブーム４をスイング動作させる場合や、図２の左右方向へ延びる軸を中心にブーム４を回動させる場合にも、この発明は適用できる。
【００５８】
さらに、作業装置及び操作装置をそれぞれ２組設け、両手で同時に操縦するようにすることも可能である。この場合、上記のような操縦システムを用いれば、同様の構造の数を増やすだけでよいため、増設が容易である。
【００５９】
さらにまた、実施の形態２では、旋回制御バルブ２８の操作も操作装置１１で行ったが、別のレバーを設けたり、運転室２Ａの足元にペダルを設け、このペダルを足で操作することにより、旋回制御バルブ２４を操作するようにしてもよい。
【００６０】
また、実施の形態２では、プーリとワイヤとを用いた操作伝達手段を示したが、歯付きプーリと歯付きベルトとを用いた操作伝達手段や、チェーンとスプロケットとを用いた操作伝達手段としてもよい。
【００６１】
さらに、実施の形態２では、油圧ショベル、特に油圧バックホーについて示したが、この発明は、例えばトラックバックホー、ジャンボブレーカ、クラッシャ、クラムシェル、油圧フォーク（はさみ）、油圧バイブロなど、種々の油圧作業機に適用することができる。また、バケットの代わりに種々のアタッチメントを取り付けてもよい。
【００６２】
さらに、下部走行体を持たない定置式の作業機にもこの発明を適用することができ、かつ操作装置を作業機本体外に設けることも可能である。例えば、海底、湖底、川底、深い穴の底等での作業を行うための作業装置を、別に設けた操作装置により遠隔操作する場合にも、この発明は適用できる。この場合、例えばコントロールユニット３１から制御バルブ２５〜２７への配線、及び回動センサ１２〜１４からサーボモータ３５への配線を引き延ばして、作業側と操作側とに配置を振り分ければよい。さらにまた、建設用に限らず、あらゆる作業に使用される油圧作業機にこの発明は適用できる。
【００６３】
実施の形態３．
また、実施の形態２では、電磁比例バルブからなる制御バルブ２５〜２７を制御部３４に設け、これらの制御バルブ２５〜２７により切換バルブ２１〜２３を制御したが、例えば図１０に示すように、切換バルブ７１〜７３として電磁比例バルブを使用し、コントロールユニット３１からの信号で切換バルブ７１〜７３を直接制御するようにしてもよい。この場合、制御部７４は、コントロールユニット３１及び切換バルブ７１〜７３を有しており、他の構成は実施の形態２と同様である。
【００６４】
実施の形態４．
図１１はこの発明の実施の形態４による油圧ショベルの要部を示す概略のブロック図である。実施の形態２では、制御バルブ２５〜２７に電磁比例バルブを使用し、コントロールユニット３１からの信号を制御バルブ２５〜２７に入力したが、例えば図１１に示すように、機械的に操作される制御バルブ２５〜２７を用い、コントロールユニット３１からの信号を第１ないし第３のバルブ操作モータ８７〜８９に入力し、これらのバルブ操作モータ８７〜８９により制御バルブ２５〜２７を機械的に操作してもよい。
【００６５】
実施の形態５．
図１２はこの発明の実施の形態５による油圧ショベルの要部を示す概略のブロック図である。実施の形態２では、制御バルブ２５〜２７に電磁比例バルブを使用し、コントロールユニット３１からの信号を制御バルブ２５〜２７に入力したが、例えば図１２に示すように、コントロールユニット３１からの信号を第１ないし第３のバルブ操作モータ８７〜８９に入力し、これらのバルブ操作モータ８７〜８９により切換バルブ２１〜２３を機械的に直接操作してもよい。
【００６６】
なお、図１０〜図１２では、旋回モータの記載を省略したが、駆動装置に旋回モータが含まれる場合、実施の形態２と同様に制御すればよい。また、旋回モータについても、作業装置側に回動センサを設けるとともに、操作伝達手段を設け、他の関節と同様に制御することも可能である。特に、遠隔操作をする場合には、旋回モータも他の関節と同様に制御するのが望ましい。
【００６７】
実施の形態６．
次に、図１３はこの発明の実施の形態６による電動作業機の要部を示すブロック図である。この例では、３関節の直列リンク機構を持つ作業装置（図示せず）が使用される。３つの作業側リンク部材は、第１ないし第３の電動駆動モータ８１〜８３により回動される。駆動装置８４は、第１ないし第３の電動駆動モータ８１〜８３を有している。
【００６８】
また、実施の形態６では、図４ないし図７に示された差動ユニット１５及び図８に示された操作装置１１を使用することができる。作業側リンク部材の回動は、回動センサにより検出され、回動センサからの信号は、サーボモータ３５に入力される。差動センサ４５からの信号は、コントロールユニット３１に入力される。コントロールユニット３１からの指令信号は、インバータ８５を介して第１ないし第３の電動駆動モータ８１〜８３に送られる。制御部（制御回路部）８６は、コントロールユニット３１及びインバータ８５を有している。
【００６９】
このような構成により、電動の作業機についても、操作装置１１のリンク機構に追従して、作業装置のリンク機構をスムーズに動作させることができ、簡単な構造により操作性を著しく向上させることができる。従って、医療用処置装置（例えば先端部の作業側リンク部材に、レーザ照射ヘッド、内視鏡、又は放射線照射装置が搭載されたものなど）、宇宙空間での作業機、放射線など人体に有害な環境下での作業機など、あらゆる分野に使用されるマスタ・スレーブ方式の作業機にも、この発明を適用することができる。
【００７０】
なお、この発明を油圧重機に適用する場合、作業装置よりも小さいサイズの操作装置を用いることが多いが、他の分野の作業機にこの発明を適用する場合、作業装置と等倍の操作装置や、作業装置よりも大形の操作装置を用いてもよい。
【００７１】
また、上述したように、作業装置及び操作装置のリンク機構の関節数は、特に限定されるものではない。逆に言うと、この発明を適用することより、関節数を増加させ、作業装置の細かい動きを実現することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１による作業機の動作原理を一部ブロックで示す説明図である。
【図２】 この発明の実施の形態２による油圧ショベルを示す概略の構成図である。
【図３】 図２の油圧ショベルの要部を示す概略のブロック図である。
【図４】 図２の差動ユニットの要部を示す正面図である。
【図５】 図４のＶ−Ｖ線に沿う断面図である。
【図６】 図５の作業側回動片を示す正面図である。
【図７】 図５の操作側回動片を示す正面図である。
【図８】 図２の操作装置を示す側面図である。
【図９】 図２の操作装置と差動ユニットとの接続状態を模式的に示す説明図である。
【図１０】 この発明の実施の形態３による油圧ショベルの要部を示す概略のブロック図である。
【図１１】 この発明の実施の形態４による油圧ショベルの要部を示す概略のブロック図である。
【図１２】 この発明の実施の形態５による油圧ショベルの要部を示す概略のブロック図である。
【図１３】 この発明の実施の形態６による電動作業機の要部を示すブロック図である。
【符号の説明】
３Ａ ブーム連結部材、４ ブーム、５ アーム、６ バケット、７ ブームシリンダ、８ アームシリンダ、９ バケットシリンダ、１１ 操作装置、１２ ブームセンサ、１３ アームセンサ、１４ バケットセンサ、２１，７１ ブーム切換バルブ、２２，７２ アーム切換バルブ、２３，７３ バケット切換バルブ、２５ ブーム制御バルブ、２６ アーム制御バルブ、２７ バケット制御バルブ、２９ 油圧回路部、３０ 駆動装置、３４，７４ 制御部、３５ サーボモータ、３６ モータ本体、３７ 回動軸、３９ 作業側回動片、３９ａ 嵌合溝、３９ｃ ばね収容部、４０ 操作側回動片、４０ａ 嵌合突起、４５ 差動センサ、４９ 戻しばね、５３ 操作装置基台、５４ ブームレバー、５５ アームレバー、５６ バケットレバー。
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば油圧ショベル等の重機、産業用ロボット、医療用処置装置、放射性物質等の危険物取扱装置など、複数の作業側リンク部材を有する作業装置が、同様のリンク機構を有する操作装置により操作される作業機、及びその作業機に使用される操縦システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、油圧ショベルには、作業装置のアクチュエータを操作するための２本の作業用操作レバーが設けられている。これらの作業用操作レバーは、それぞれ４方向、合計８方向への操作が可能になっている。また、油圧ショベルでは、ブーム、アーム、バケット及び旋回体がそれぞれ２方向、合計８方向へ回動するため、上記の作業用操作レバーの操作方向にブーム、アーム、バケット及び旋回体の動作方向が対応している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来の油圧ショベルにおいては、ブーム、アーム、バケット及び旋回体の動作方向と作業用操作レバーの操作方向とが異なっているため、これら操作方向と動作方向との関係を感覚的に把握し、作業装置をスムーズに動作させるためにはかなりの熟練を要するという問題点があった。また、熟練度などのオペレータの個人的な能力により作業の進み具合に大きな差が生じてしまい、全体の工期にも大きな影響を及ぼすという問題点があった。
【０００４】
この発明は、上記のような問題点を解決することを課題としてなされたものであり、熟練を必要とせず、スムーズに操作することができる作業機及びその操縦システムを得ることを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る作業機は、回動可能に連結されている複数の作業側リンク部材を有する作業装置、複数の作業側リンク部材をそれぞれ回動させる駆動装置、作業側リンク部材にそれぞれ対応して回動可能に連結されている複数の操作側リンク部材を有する操作装置、作業側リンク部材の回動を検出する回動センサ、回動センサからの信号に応じて駆動されるモータ、モータにより正逆両方向へ駆動される作業側可動部と、この作業側可動部に対する中立位置から所定の範囲内で正逆両方向へ変位可能な操作側可動部と、作業側可動部に対する操作側可動部の中立位置からの相対的な変位を検出する差動センサとを有している差動検出部、操作側リンク部材と操作側可動部との間に設けられ、操作側リンク部材の回動を機械的に伝達し、操作側リンク部材の回動に応じて操作側可動部を変位させる操作伝達手段、及び差動センサからの信号に応じて駆動装置を制御する制御部を備え、作業側リンク部材は、対応する操作側リンク部材の回動に対応して駆動装置により回動され、作業側可動部は、操作側可動部を相対的に中立位置に戻す方向へモータにより駆動されるものである。
【０００６】
また、この発明に係る作業機の操縦システムは、回動可能に連結されている複数の作業側リンク部材を有する作業装置と、複数の作業側リンク部材をそれぞれ回動させる駆動装置とを備えた作業機を操縦するためのものであって、作業側リンク部材にそれぞれ対応して回動可能に連結されている複数の操作側リンク部材を有する操作装置、作業側リンク部材の回動を検出する回動センサ、回動センサからの信号に応じて駆動されるモータ、モータにより正逆両方向へ駆動される作業側可動部と、この作業側可動部に対する中立位置から所定の範囲内で正逆両方向へ変位可能な操作側可動部と、作業側可動部に対する操作側可動部の中立位置からの相対的な変位を検出する差動センサとを有している差動検出部、操作側リンク部材と操作側可動部との間に設けられ、操作側リンク部材の回動を機械的に伝達し、操作側リンク部材の回動に応じて操作側可動部を変位させる操作伝達手段、及び操作側リンク部材の回動に対応して作業側リンク部材が回動されるように、差動センサからの信号に応じて駆動装置を制御する制御部を備え、作業側可動部は、操作側可動部を相対的に中立位置に戻す方向へモータにより駆動されるものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図について説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による作業機の動作原理を一部ブロックで示す説明図である。この発明は、複数の関節を有するリンク機構を持つ作業機に特に有効であるが、ここでは簡単のため、まず１つの関節を有するリンク機構について説明する。
【０００８】
図において、実際の作業を行う作業装置１０１は、互いに回動可能に連結されている第１及び第２の作業側リンク部材１０２，１０３を有している。第２の作業側リンク部材１０３は、駆動装置１０４により第１の作業側リンク部材１０２に対して回動される。駆動装置１０４は、油圧作業機であれば油圧モータや油圧シリンダが使用され、電動の作業機であれば電動駆動モータや、場合によってはリニアモータ等が使用される。第１の作業側リンク部材１０２に対する第２の作業側リンク部材１０３の回動（回動量及び回動方向）は、回動センサ１０５により検出される。
【０００９】
作業者が操縦する操作装置１０６は、第１及び第２の作業側リンク部材１０２，１０３にそれぞれ対応して互いに回動可能に連結されている第１及び第２の操作側リンク部材１０７，１０８を有している。作業側リンク部材１０２，１０３のサイズが大きい場合、操作側リンク部材１０７，１０８は、操縦し易い大きさまで縮小してもよい。
【００１０】
回動センサ１０５には、モータ１０９が接続されている。モータ１０９としては、例えばサーボモータが使用される。作業側可動部１１０は、モータ１０９により正逆両方向へ駆動される。第１の操作側リンク部材１０７に対する操作側リンク部材１０８の回動（回動量及び回動方向）は、操作伝達手段１１１を介して操作側可動部１１２に機械的に伝達される。
【００１１】
従って、作業側可動部１１０は、作業側リンク部材１０３の回動に対応して変位し、操作側可動部１１２は、操作側リンク部材１０８の回動に対応して変位する。操作側可動部１１２は、作業側可動部１１０に対する中立位置から所定の範囲内で正逆両方向へ変位可能になっている。これら作業側及び操作側可動部１１０，１１２の変位は、直線動作による変位でも回動動作による周方向への変位でもよい。また、作業側可動部１１２は、モータ１０９によって変位されるが、操作側から作業側可動部１１２を変位させることは、モータ１０９によって規制されている。
【００１２】
作業側可動部１１０に対する操作側可動部１１２の中立位置からの相対的な変位は、差動センサ１１３により検出される。即ち、差動センサ１１３は、操作側リンク部材１０８と作業側リンク部材１０３との差動を検出する。差動検出部１１４は、作業側可動部１１０、操作側可動部１１２及び差動センサ１１３により構成されている。制御部１１５は、差動センサ１１３からの信号に応じて駆動装置１０４を制御する。
【００１３】
次に、動作について説明する。まず、第２の操作側リンク部材１０８が作業者により回動されたとすると、この回動が操作伝達手段１１１により操作側可動部１１２に伝達される。操作側可動部１１２は、操作側リンク部材１０８が停止されているときには作業側可動部１１０に対して中立位置にあるが、操作側リンク部材１０８が回動されると、中立位置から対応する方向へ変位される。
【００１４】
このとき、作業側リンク部材１０３はまだ回動していないため、作業側可動部１１０は停止している。従って、操作側可動部１１２は、作業側可動部１１０に対して相対的に変位され、この相対的な変位が差動センサ１１３により検出される。この後、差動センサ１１３から制御部１１５に信号が出力され、この信号に応じて制御部１１５により駆動装置１０４が制御される。即ち、第２の操作側リンク部材１０８が回動されると、その動作に僅かに遅れて、第２の作業側リンク部材１０３が駆動装置１０４により同方向へ回動される。
【００１５】
このような第２の作業側リンク部材１０３の回動は、回動センサ１０５により検出され、これによりモータ１０９が駆動され、操作側可動部１１２を中立位置に戻す方向へ、作業側可動部１１０が操作側可動部１１２に対して相対的に変位される。即ち、作業側可動部１１０は、操作側可動部１１２を追従するように変位される。従って、第２の操作側リンク部材１０８が連続して回動されると、操作側及び作業側可動部１１２，１１０が同方向へ変位し続け、第２の作業側リンク部材１０３が連続して回動される。
【００１６】
また、第２の操作側リンク部材１０８の回動が停止されれば、操作側可動部１１２が作業側可動部１１０に対して中立位置に戻され、第２の作業側リンク部材１０３の回動も停止される。
【００１７】
上記の例では、１つの関節を有するリンク機構について説明したが、複数の関節を有するリンク機構についても、回動センサ１０５、モータ１０９及び差動検出部１１４の数を増やし、各関節での操作側リンク部材の回動を操作伝達手段で対応する操作側可動部に伝達することにより、操作側リンク部材の動作に応じて、対応する作業側リンク部材を高精度で追従させることができる。
【００１８】
従って、この発明は、図１に示したような１関節のリンク機構を持つ作業機にも適用できるが、複数の関節が直列に配置されたリンク機構を持つ作業機に対して特に有効である。
【００１９】
実施の形態２．
次に、この発明を油圧作業機である油圧ショベルに適用した例について説明する。図２はこの発明の実施の形態２による油圧ショベルを示す概略の構成図である。図において、下部走行体１上には、運転室２Ａを有する上部旋回体２が旋回可能に設けられている。この上部旋回体２には、作業装置３が搭載されている。この作業装置３は、ブーム連結部材３Ａ、このブーム連結部材３Ａに回動可能に連結されているブーム４、このブーム４に回動可能に連結されているアーム５、及びこのアーム５に回動可能に連結されているバケット６を有している。
【００２０】
ここで、作業装置３を作業側のリンク機構として見た場合、ブーム連結部材３Ａ、ブーム４、アーム５、及びバケット６は、それぞれ作業側リンク部材に相当する。
【００２１】
ブーム連結部材３Ａとブーム４との間にはブームシリンダ７、ブーム４とアーム５との間にはアームシリンダ８、アーム５とバケット６との間にはバケットシリンダ９がそれぞれ設けられている。これらのシリンダ７，８，９としては、油圧シリンダが用いられる。上部旋回体２は、油圧モータである旋回モータ１０により下部走行体１に対して旋回可能になっている。運転室２Ａには、作業装置３のリンク機構を適当な比率で縮小した操作側のリンク機構を構成する操作装置１１が設けられている。
【００２２】
ブーム４の基端部には、ブーム４の回動を検出する回動センサとしてのブームセンサ１２が設けられている。ブーム４とアーム５との連結部には、アーム５の回動を検出する回動センサとしてのアームセンサ１３が設けられている。バケット６を回動させるためのリンク機構の一部には、バケット６の回動を検出する回動センサとしてのバケットセンサ１４が設けられている。これらのセンサ１２〜１４としては、例えばポテンションメータなど、回転状態に応じて電気信号を出力する周知の回転センサを適宜選択して使用することができる。また、絶対的な回動位置を検出するエンコーダを使用してもよい。
【００２３】
上部旋回体２上の適当な場所には、作業装置３を操作するための差動ユニット１５が配置されている。各センサ１２〜１４と差動ユニット１５とは、配線（図示せず）により電気的に接続されている。
【００２４】
図３は図２の油圧ショベルの要部を示す概略のブロック図である。図において、各シリンダ７〜９及び旋回モータ１０には、それぞれの動作方向を切り換える切換バルブ２１〜２４が接続されている。また、各切換バルブ２１〜２４は、それぞれ制御バルブ２５〜２８により制御される。ブーム制御バルブ２５、アーム制御バルブ２６及びバケット制御バルブ２７には、電磁比例バルブが使用されている。
【００２５】
上記の切換バルブ２１〜２４を有する油圧回路部２９には、タンク及び油圧ポンプ等（図示せず）が設けられているのは勿論であり、周知の油圧ショベルの油圧回路部を利用することもできる。従って、回路構成の細部については、種々の変更が可能である。この実施の形態２における駆動装置３０は、油圧シリンダ７〜９、旋回モータ１０及び油圧回路部２９を有している。
【００２６】
ブーム制御バルブ２５、アーム制御バルブ２６及びバケット制御バルブ２７は、コントロールユニット３１からの信号により制御される。コントロールユニット３１には、差動ユニット１５からのアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器３２と、Ａ／Ｄ変換器３２からの信号を処理して制御バルブ２５〜２７に出力するＣＰＵ３３とが設けられている。制御部３４は、制御バルブ２５〜２８及びコントロールユニット３１を有している。
【００２７】
次に、図４は図２の差動ユニット１５の要部を示す正面図、図５は図４のＶ−Ｖ線に沿う断面図である。サーボモータ３５は、ブームセンサ１２、アームセンサ１３及びバケットセンサ１４のいずれか１つのセンサからの信号に応じて駆動される。サーボモータ３５は、モータ本体３６と、このモータ本体３６により回動される回動軸３７とを有している。回動軸３７には、回動軸３７と一体に回動するフランジ部材３８が固着されている。フランジ部材３８には、フランジ部３８ａが設けられている。
【００２８】
フランジ部材３８には、フランジ部材３８と一体に回動する作業側可動部としての作業側回動片３９が固定されている。作業側回動片３９は、フランジ部３８ａにねじ（図示せず）により固定されている。また、作業側回動片３９には、円弧状の嵌合溝３９ａと、軸部３９ｂとが設けられている。
【００２９】
作業側回動片３９には、操作側可動部としての操作側回動片４０が組み合わされている。操作側回動片４０は、作業側回動片３９と同一の軸線を中心として所定の範囲（角度）内で正逆両方向へ相対的に回動可能になっている。また、操作側回動片４０には、嵌合溝３９ａに挿入され操作側回動片４０の相対的な回動に伴って嵌合溝３９ａ内を移動する円弧状の嵌合突起４０ａが設けられている。
【００３０】
操作側回動片４０には、ねじ（図示せず）により差動ユニット側プーリ４１が固定されている。差動ユニット側プーリ４１は、操作装置１１を操作することにより操作側回動片４０と一体に回動される。作業側回動片３９の軸部３９ｂは、操作側回動片４０及び差動ユニット側プーリ４１の中心部を貫通している。また、回動軸３７、フランジ部材３８、作業側回動片３９、嵌合溝３９ａ、軸部３９ｂ、操作側回動片４０、嵌合突起４０ａ及び差動ユニット側プーリ４１は、それぞれ同一の軸線を中心として配置されている。
【００３１】
軸部３９ｂの先端部には、作業側回動片３９と一体に回動されるピン支持板４２が固着されている。ピン支持板４２には、ピン４３が立設されている。差動ユニット側プーリ４１の側面には、台座４４を介して差動センサ４５が取り付けられている。台座４４は、複数のねじ４６により差動ユニット側プーリ４１に固定されている。
【００３２】
差動センサ４５は、台座４４に固定されたセンサ本体４７と、このセンサ本体４７に揺動可能に設けられている揺動片４８とを有している。この実施の形態２における差動検出部は、作業側回動片３９、操作側回動片４０、ピン支持板４２、ピン４３、台座４４及び差動センサ４５を有している。モータ本体３６及びセンサ本体４７の内部構造は図示しない。揺動片４８には、ピン４３が回動自在に貫通している。
【００３３】
差動センサ４５は、台座４４及び差動ユニット側プーリ４１を介して操作側回動片４０に搭載されており、操作側回動片４０とともに回動される。これに対し、ピン４３は、作業側回動片３９の回動により変位されるため、操作側回動片４０が作業側回動片３９に対して相対的に回動変位されると、揺動片４８がセンサ本体４７に対して揺動される。これにより、差動センサ４５から制御部３４のコントロールユニット３１へアナログ電気信号が出力される。
【００３４】
図６は図５の作業側回動片３９を示す正面図、図７は図５の操作側回動片４０を示す正面図である。なお、図６は図５の右側から作業側回動片３９を見た図、図７は図５の左側から操作側回動片４０を見た図である。
【００３５】
作業側回動片３９の嵌合溝３９ａの一部には、溝幅を広げることにより円弧状のばね収容部３９ｃが設けられている。ばね収容部３９ｃには、操作側回動片４０を中立位置に戻す方向へ付勢する戻しばね４９が収容されている。操作側回動片４０の嵌合突起４０ａには、戻しばね４９の両端部に当接する一対の当接部４０ｂが設けられている。このような構成により、作業側回動片３９に対する操作側回動片４０の相対的な回動範囲が所定の角度内に規制されている。
【００３６】
なお、差動ユニット１５には、ブーム４、アーム５及びバケット６のそれぞれに対応して、図４ないし図７に示した装置が３組設けられている。
【００３７】
次に、図８は図２の操作装置１１を示す側面図である。図において、運転室２Ａに固定された固定部材５１には、旋回モータ１０用の旋回制御バルブ２８が搭載されている。旋回制御バルブ２８は、固定部材５１に固定されたバルブ本体２８ａと、このバルブ本体２８ａに設けられた揺動可能なバルブ操作レバー２８ｂとを有している。バルブ操作レバー２８ｂには、可動支持部材５２が固定されている。この可動支持部材５２は、固定部材５１に対して、バルブ操作レバー２８ｂと一体に水平方向左右へ回動可能になっている。
【００３８】
可動支持部材５２上には、操作装置基台５３が固定されている。この操作装置基台５３には、ブームレバー５４の基端部が回動可能に連結されている。このブームレバー５４の先端部には、アームレバー５５が回動可能に連結されている。さらに、アームレバー５５の先端部には、バケットレバー５６が回動可能に連結されている。
【００３９】
バケットレバー５６は、操作装置１１の把手を兼ねており、作業者が掴み易い形状に構成される。また、バケットレバー５６には、付属的な機器を操作するための電気スイッチや安全スイッチ等を搭載することも可能である。
【００４０】
ここで、操作装置１１を操作側のリンク機構として見た場合、操作装置基台５３、ブームレバー５４、アームレバー５５、及びバケットレバー５６は、それぞれ操作側リンク部材に相当する。
【００４１】
各レバー５４〜５６の基端部には、各レバー５４〜５６と一体に回動するブームレバープーリ５７、アームレバープーリ５８及びバケットレバープーリ５９が固定されている。各レバープーリ５７〜５９の外周には、それぞれループ状のブームワイヤ６０、アームワイヤ６１及びバケットワイヤ６２の一部がそれぞれ巻かれている。各ワイヤ６０〜６２は、例えば止めねじ（図示せず）を締め付けることにより、各レバープーリ５７〜５９にその円周上の１箇所で固定されている。
【００４２】
また、ワイヤ６０〜６２は、それぞれワイヤチューブ６０ａ，６１ａ，６２ａに摺動自在に挿通された状態で、各レバープーリ５７〜５９の近傍まで導かれている。さらに、各ワイヤチューブ６０ａ，６１ａ，６２ａの一端部は、操作装置基台５３、ブームレバー５４及びアームレバー５５にそれぞれ固定されている。
【００４３】
図９は図２の操作装置１１と差動ユニット１５との接続状態を模式的に示す説明図である。上述したように、差動ユニット１５には、差動検出部とサーボモータ３５とを組み合わせたユニットが３組設けられている。各ユニットの差動ユニット側プーリ４１には、図８に示したワイヤチューブ６０ａ，６１ａ，６２ａにより導かれたワイヤ６０〜６２の一部がそれぞれ巻かれている。各ワイヤ６０〜６２は、例えば止めねじ（図示せず）を締め付けることにより、各差動ユニット側プーリ４１にその円周上の１箇所で固定されている。
【００４４】
従って、操作装置１１における各レバー５４〜５６が回動され、対応するレバープーリ５７〜５９が回動されると、ワイヤ６０〜６２が循環され、対応する差動ユニット側プーリ４１が回動される。この実施の形態２における操作伝達手段は、レバープーリ５７〜５９、ワイヤ６０〜６２、ワイヤチューブ６０ａ，６１ａ，６２ａ、及び差動ユニット側プーリ４１を有している。
【００４５】
次に、動作について説明する。運転室２Ａに搭乗した作業者は、操作装置１１のバケットレバー５６を把持し、バケット６及び作業現場を目視しながら、バケット６を動かすようにバケットレバー５６を移動させる。これにより、操作装置１１の各関節部分が回動される。
【００４６】
例えば、ブームレバー５４が図８の反時計方向（下げ方向）へ回動されたとすると、これとともにブームレバープーリ５７も同様に回動される。ブームレバープーリ５７にはブームワイヤ６０が固定されているので、ブームレバープーリ５７の回動によりブームワイヤ６０はワイヤチューブ６０ａ内を循環され、対応する差動ユニット側プーリ４１が同期して回動される。
【００４７】
差動ユニット側プーリ４１が回動されると、これと一体に操作側回動片４０が回動される。このとき、ブーム４はまだ回動しておらず、ブームセンサ１２からの信号では回動量がゼロであるため、作業側回動片３９は停止したままである。従って、操作側回動片４０は、作業側回動片３９に対して中立位置から一方向へ相対的に回動される。
【００４８】
このとき、嵌合突起４０ａが嵌合溝３９ａ内を摺動し、一方の当接部４０ｂにより戻しばね４９が圧縮される。作業側回動片３９に対する操作側回動片４０の相対的な回動角度は、戻しばね４９の圧縮範囲により規制されている。また、作業側回動片３９は、サーボモータ３５によって回動されるが、戻しばね４９の圧縮範囲を超えて操作側から作業側回動片３９を無理に変位させることは、サーボモータ３５によって規制されている。
【００４９】
このように、操作側回動片４０が作業側回動片３９に対して相対的に回動されると、ピン４３により揺動片４８が揺動され、差動センサ４５からコントロールユニット３１に信号が出力される。差動センサ４５からの信号は、Ａ／Ｄ変換器３２によりデジタル信号に変換され、さらにＣＰＵ３３で演算処理された後、コントロールユニット３１からブーム制御バルブ２５に出力される。
【００５０】
ブーム制御バルブ２５は、コントロールユニット３１からの信号により操作され、ブーム制御バルブ２５によりブーム切換バルブ２１が制御される。従って、ブームレバー５４が回動されると、その動作に僅かに遅れてブーム４が同様に回動される。
【００５１】
このようなブーム４の回動は、ブームセンサ１２により検出され、これにより対応するサーボモータ３５が駆動され、操作側回動片４０を中立位置に戻す方向へ作業側回動片３９が回動される。即ち、操作装置１１の操作により操作側回動片４０が回動されると、同方向へ追従するようにサーボモータ３５により作業側回動片３９が回動される。従って、ブームレバー５４を連続して回動させると、操作側回動片４０及び作業側回動片３９が回動され続け、ブーム４が連続して回動される。
【００５２】
また、ブームレバー５４の回動が停止すれば、作業側回動片３９が操作側回動片４０に追いつき、操作側回動片４０が中立位置に戻り、差動センサ４５からの信号が出力されず（又は差動０の信号が出力され）、ブーム４の回動も停止される。なお、ブームレバー５４を逆方向へ操作した場合は、上記の逆の動作となる。また、アーム５及びバケット６についてもブーム４と同様に操作される。各レバー５４〜５６の回動方向と、対応するブーム４、アーム５及びバケット６の回動方向とは、同じになるように予め設定されている。
【００５３】
次に、旋回動作について説明する。バケットレバー５６を握ったままで、操作装置１１全体を旋回させたい方向へ回動させると、旋回制御バルブ２８のバルブ操作レバー２８ｂが直接操作され、上部旋回体２全体が同方向へ旋回される。従って、操作装置１１を旋回方向へ回動させている間、上部旋回体２は同方向へ旋回され、操作装置１１の回動を止めれば、上部旋回体２の旋回も停止される。
【００５４】
このように、操作装置１１のリンク機構に追従して、作業装置３のリンク機構をスムーズに動作させることができるため、作業者は、作業装置３を直接動かすのに近い感覚で操作装置１１を容易に操作することができる。また、バケットレバー５６を動かせば、操作装置１１のリンク機構は自動的に最短距離で追従するので、各リンクの個別の角度等を考慮する必要もない。従って、特別な熟練を必要とせずに作業効率を向上させることができ、工期全体としても大幅な短縮を図ることができる。
【００５５】
さらに、作業装置３及び操作装置１１の各リンク部材は１：１で対応しているため、例えばブーム４の動作に対するアーム５の対比速度や対比変位量などを考慮する必要もなく、装置構成が簡単である。即ち、各油圧シリンダ７〜９及び旋回モータ１０への作動油の配分が自動的に行われるため、ディストリビュータでの複雑な制御は不要であり、油圧回路部２９に設けられたポンプの出力を最大限に利用して、大幅なコストダウンを図ることができる。また、既存の油圧作業機への操縦システムの装着が容易であり、かつメンテナンスも容易である。
【００５６】
なお、各センサ１２〜１４からサーボモータ３５への信号の送信は、リード線を配線することにより行えばよいが、ワイヤレスで送信することも可能であり、リード線の断線等による故障を防止することができる。
【００５７】
また、実施の形態２では、３つの油圧シリンダ７〜９及び旋回モータ１０の動作について示したが、例えばブーム４をスイング動作させる場合や、図２の左右方向へ延びる軸を中心にブーム４を回動させる場合にも、この発明は適用できる。
【００５８】
さらに、作業装置及び操作装置をそれぞれ２組設け、両手で同時に操縦するようにすることも可能である。この場合、上記のような操縦システムを用いれば、同様の構造の数を増やすだけでよいため、増設が容易である。
【００５９】
さらにまた、実施の形態２では、旋回制御バルブ２８の操作も操作装置１１で行ったが、別のレバーを設けたり、運転室２Ａの足元にペダルを設け、このペダルを足で操作することにより、旋回制御バルブ２４を操作するようにしてもよい。
【００６０】
また、実施の形態２では、プーリとワイヤとを用いた操作伝達手段を示したが、歯付きプーリと歯付きベルトとを用いた操作伝達手段や、チェーンとスプロケットとを用いた操作伝達手段としてもよい。
【００６１】
さらに、実施の形態２では、油圧ショベル、特に油圧バックホーについて示したが、この発明は、例えばトラックバックホー、ジャンボブレーカ、クラッシャ、クラムシェル、油圧フォーク（はさみ）、油圧バイブロなど、種々の油圧作業機に適用することができる。また、バケットの代わりに種々のアタッチメントを取り付けてもよい。
【００６２】
さらに、下部走行体を持たない定置式の作業機にもこの発明を適用することができ、かつ操作装置を作業機本体外に設けることも可能である。例えば、海底、湖底、川底、深い穴の底等での作業を行うための作業装置を、別に設けた操作装置により遠隔操作する場合にも、この発明は適用できる。この場合、例えばコントロールユニット３１から制御バルブ２５〜２７への配線、及び回動センサ１２〜１４からサーボモータ３５への配線を引き延ばして、作業側と操作側とに配置を振り分ければよい。さらにまた、建設用に限らず、あらゆる作業に使用される油圧作業機にこの発明は適用できる。
【００６３】
実施の形態３．
また、実施の形態２では、電磁比例バルブからなる制御バルブ２５〜２７を制御部３４に設け、これらの制御バルブ２５〜２７により切換バルブ２１〜２３を制御したが、例えば図１０に示すように、切換バルブ７１〜７３として電磁比例バルブを使用し、コントロールユニット３１からの信号で切換バルブ７１〜７３を直接制御するようにしてもよい。この場合、制御部７４は、コントロールユニット３１及び切換バルブ７１〜７３を有しており、他の構成は実施の形態２と同様である。
【００６４】
実施の形態４．
図１１はこの発明の実施の形態４による油圧ショベルの要部を示す概略のブロック図である。実施の形態２では、制御バルブ２５〜２７に電磁比例バルブを使用し、コントロールユニット３１からの信号を制御バルブ２５〜２７に入力したが、例えば図１１に示すように、機械的に操作される制御バルブ２５〜２７を用い、コントロールユニット３１からの信号を第１ないし第３のバルブ操作モータ８７〜８９に入力し、これらのバルブ操作モータ８７〜８９により制御バルブ２５〜２７を機械的に操作してもよい。
【００６５】
実施の形態５．
図１２はこの発明の実施の形態５による油圧ショベルの要部を示す概略のブロック図である。実施の形態２では、制御バルブ２５〜２７に電磁比例バルブを使用し、コントロールユニット３１からの信号を制御バルブ２５〜２７に入力したが、例えば図１２に示すように、コントロールユニット３１からの信号を第１ないし第３のバルブ操作モータ８７〜８９に入力し、これらのバルブ操作モータ８７〜８９により切換バルブ２１〜２３を機械的に直接操作してもよい。
【００６６】
なお、図１０〜図１２では、旋回モータの記載を省略したが、駆動装置に旋回モータが含まれる場合、実施の形態２と同様に制御すればよい。また、旋回モータについても、作業装置側に回動センサを設けるとともに、操作伝達手段を設け、他の関節と同様に制御することも可能である。特に、遠隔操作をする場合には、旋回モータも他の関節と同様に制御するのが望ましい。
【００６７】
実施の形態６．
次に、図１３はこの発明の実施の形態６による電動作業機の要部を示すブロック図である。この例では、３関節の直列リンク機構を持つ作業装置（図示せず）が使用される。３つの作業側リンク部材は、第１ないし第３の電動駆動モータ８１〜８３により回動される。駆動装置８４は、第１ないし第３の電動駆動モータ８１〜８３を有している。
【００６８】
また、実施の形態６では、図４ないし図７に示された差動ユニット１５及び図８に示された操作装置１１を使用することができる。作業側リンク部材の回動は、回動センサにより検出され、回動センサからの信号は、サーボモータ３５に入力される。差動センサ４５からの信号は、コントロールユニット３１に入力される。コントロールユニット３１からの指令信号は、インバータ８５を介して第１ないし第３の電動駆動モータ８１〜８３に送られる。制御部（制御回路部）８６は、コントロールユニット３１及びインバータ８５を有している。
【００６９】
このような構成により、電動の作業機についても、操作装置１１のリンク機構に追従して、作業装置のリンク機構をスムーズに動作させることができ、簡単な構造により操作性を著しく向上させることができる。従って、医療用処置装置（例えば先端部の作業側リンク部材に、レーザ照射ヘッド、内視鏡、又は放射線照射装置が搭載されたものなど）、宇宙空間での作業機、放射線など人体に有害な環境下での作業機など、あらゆる分野に使用されるマスタ・スレーブ方式の作業機にも、この発明を適用することができる。
【００７０】
なお、この発明を油圧重機に適用する場合、作業装置よりも小さいサイズの操作装置を用いることが多いが、他の分野の作業機にこの発明を適用する場合、作業装置と等倍の操作装置や、作業装置よりも大形の操作装置を用いてもよい。
【００７１】
また、上述したように、作業装置及び操作装置のリンク機構の関節数は、特に限定されるものではない。逆に言うと、この発明を適用することより、関節数を増加させ、作業装置の細かい動きを実現することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１による作業機の動作原理を一部ブロックで示す説明図である。
【図２】 この発明の実施の形態２による油圧ショベルを示す概略の構成図である。
【図３】 図２の油圧ショベルの要部を示す概略のブロック図である。
【図４】 図２の差動ユニットの要部を示す正面図である。
【図５】 図４のＶ−Ｖ線に沿う断面図である。
【図６】 図５の作業側回動片を示す正面図である。
【図７】 図５の操作側回動片を示す正面図である。
【図８】 図２の操作装置を示す側面図である。
【図９】 図２の操作装置と差動ユニットとの接続状態を模式的に示す説明図である。
【図１０】 この発明の実施の形態３による油圧ショベルの要部を示す概略のブロック図である。
【図１１】 この発明の実施の形態４による油圧ショベルの要部を示す概略のブロック図である。
【図１２】 この発明の実施の形態５による油圧ショベルの要部を示す概略のブロック図である。
【図１３】 この発明の実施の形態６による電動作業機の要部を示すブロック図である。
【符号の説明】
３Ａ ブーム連結部材、４ ブーム、５ アーム、６ バケット、７ ブームシリンダ、８ アームシリンダ、９ バケットシリンダ、１１ 操作装置、１２ ブームセンサ、１３ アームセンサ、１４ バケットセンサ、２１，７１ ブーム切換バルブ、２２，７２ アーム切換バルブ、２３，７３ バケット切換バルブ、２５ ブーム制御バルブ、２６ アーム制御バルブ、２７ バケット制御バルブ、２９ 油圧回路部、３０ 駆動装置、３４，７４ 制御部、３５ サーボモータ、３６ モータ本体、３７ 回動軸、３９ 作業側回動片、３９ａ 嵌合溝、３９ｃ ばね収容部、４０ 操作側回動片、４０ａ 嵌合突起、４５ 差動センサ、４９ 戻しばね、５３ 操作装置基台、５４ ブームレバー、５５ アームレバー、５６ バケットレバー。
Claims (7)
- 回動可能に連結されている複数の作業側リンク部材を有する作業装置、
上記複数の作業側リンク部材をそれぞれ回動させる駆動装置、
上記作業側リンク部材にそれぞれ対応して回動可能に連結されている複数の操作側リンク部材を有する操作装置、
上記作業側リンク部材の回動を検出する回動センサ、
上記回動センサからの信号に応じて駆動されるモータ、
上記モータにより正逆両方向へ駆動される作業側可動部と、この作業側可動部に対する中立位置から所定の範囲内で正逆両方向へ変位可能な操作側可動部と、上記作業側可動部に対する上記操作側可動部の上記中立位置からの相対的な変位を検出する差動センサとを有している差動検出部、
上記操作側リンク部材と上記操作側可動部との間に設けられ、上記操作側リンク部材の回動を機械的に伝達し、上記操作側リンク部材の回動に応じて上記操作側可動部を変位させる操作伝達手段、及び
上記差動センサからの信号に応じて上記駆動装置を制御する制御部
を備え、上記作業側リンク部材は、対応する上記操作側リンク部材の回動に対応して上記駆動装置により回動され、上記作業側可動部は、上記操作側可動部を相対的に中立位置に戻す方向へ上記モータにより駆動されることを特徴とする作業機。 - 上記作業側可動部と上記操作側可動部との間には、上記操作側可動部を上記中立位置に戻す方向へ付勢する戻しばねが設けられていることを特徴とする請求項１記載の作業機の操縦システム。
- 上記モータは、モータ本体と、このモータ本体により回動される回動軸とを有するサーボモータにより構成され、
上記作業側可動部は、上記回動軸の回動により回動される作業側回動片により構成され、
上記操作側可動部は、上記作業側回動片と同一の軸線を中心として所定の角度内で回動可能に上記作業側回動片に組み合わされている操作側回動片から構成され、
上記差動センサは、上記作業側回動片に対する上記操作側回動片の相対的な回動を検出することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の作業機。 - 上記駆動装置は、上記作業側リンク部材を回動させる油圧シリンダと、上記油圧シリンダの動作方向を切り換える切換バルブを含む油圧回路部とを有し、上記制御部は、上記差動センサからの信号に応じて上記切換バルブを制御する制御バルブを有していることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の作業機。
- 回動可能に連結されている複数の作業側リンク部材を有する作業装置と、上記複数の作業側リンク部材をそれぞれ回動させる駆動装置とを備えた作業機を操縦するための作業機の操縦システムであって、
上記作業側リンク部材にそれぞれ対応して回動可能に連結されている複数の操作側リンク部材を有する操作装置、
上記作業側リンク部材の回動を検出する回動センサ、
上記回動センサからの信号に応じて駆動されるモータ、
上記モータにより正逆両方向へ駆動される作業側可動部と、この作業側可動部に対する中立位置から所定の範囲内で正逆両方向へ変位可能な操作側可動部と、上記作業側可動部に対する上記操作側可動部の上記中立位置からの相対的な変位を検出する差動センサとを有している差動検出部、
上記操作側リンク部材と上記操作側可動部との間に設けられ、上記操作側リンク部材の回動を機械的に伝達し、上記操作側リンク部材の回動に応じて上記操作側可動部を変位させる操作伝達手段、及び
上記操作側リンク部材の回動に対応して上記作業側リンク部材が回動されるように、上記差動センサからの信号に応じて上記駆動装置を制御する制御部
を備え、上記作業側可動部は、上記操作側可動部を相対的に中立位置に戻す方向へ上記モータにより駆動されることを特徴とする作業機の操縦システム。 - 上記作業側可動部と上記操作側可動部との間には、上記操作側可動部を上記中立位置に戻す方向へ付勢する戻しばねが設けられていることを特徴とする請求項５記載の作業機の操縦システム。
- 上記モータは、モータ本体と、このモータ本体により回動される回動軸とを有するサーボモータにより構成され、
上記作業側可動部は、上記回動軸の回動により回動される作業側回動片により構成され、
上記操作側可動部は、上記作業側回動片と同一の軸線を中心として所定の角度内で回動可能に上記作業側回動片に組み合わされている操作側回動片から構成され、
上記差動センサは、上記作業側回動片に対する上記操作側回動片の相対的な回動を検出することを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の作業機の操縦システム。
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