JP4481206B2 - 建設機械の操作装置 - Google Patents

Description

本発明は、フロント作業装置の駆動を指令する操作レバーなどの操作に対して操作反力を付与する建設機械の操作装置に関する。

運転席からバケットの位置を目視しにくい状態で油圧ショベルによる掘削作業を行うことがある。このような状況の下、角度センサ等によりバケットの位置を検出し、操作レバーの操作に対してバケットの位置に応じた操作反力を付与するようにした装置が知られている（例えば特許文献１、２参照）。これによれば予めバケットの制限作業領域を設定し、バケットがこの制限作業領域の境界に近づくに従って操作反力を増加させる。

特開平１１−１５８９３０号公報 特開平１１−２１００１５号公報

しかしながら、上記特許文献記載の装置では、例えばブームとアームを複合操作する場合に、ブーム用操作レバーの操作によるバケットの制限作領域の境界への接近の度合いとアーム用操作レバーの操作による接近の度合いのうち、どちらがどの程度大きいかをオペレータは認識することができない。そのため、オペレータは適切な複合操作を行うことが困難であった。

本発明による建設機械の操作装置は、複数のフロント作業装置移動用のアクチュエータに対応してそれぞれ設けられ、これら各アクチュエータの駆動をそれぞれ指令する複数の操作部材と、各操作部材の操作による駆動指令に応じてアクチュエータをそれぞれ駆動する駆動手段と、各操作部材にそれぞれ操作反力を付与する反力付与手段と、フロント作業装置の移動を制限するための作業範囲境界を設定する設定手段と、各操作部材の操作によるフロント作業装置の作業範囲境界への接近の度合いをそれぞれ演算し、演算された接近度合いに応じた操作反力を各操作部材の操作に対してそれぞれ付与するように反力付与手段を制御する反力制御手段と、フロント作業装置の姿勢を検出する姿勢検出手段と、操作部材の操作を検出する操作検出手段とを備え、姿勢検出手段により検出されたフロント作業装置の姿勢と操作検出手段により検出された各操作部材の操作とに基づき、各操作部材の各操作によるフロント作業装置の作業範囲境界への接近の度合いをそれぞれ演算することを特徴とする。
フロント作業装置の姿勢と各操作部材の操作とに基づき、各操作部材の操作による所定時間後のフロント作業装置と作業範囲境界との距離をそれぞれ演算し、演算された距離が、フロント作業装置の現在位置と作業範囲境界との距離よりも短くなるような操作部材の操作に対してのみ操作反力を付与することもできる。
フロント作業装置の現在位置と作業範囲境界との距離を演算し、少なくともこの距離が所定値以下のときに各操作部材の操作に対して操作反力を付与することもできる。
操作反力が付与された回数もしくは時間を積算し、回数もしくは時間の積算量が所定値を越えると操作部材の操作に対して付与する操作反力を小さくするように反力付与手段を制御することが好ましい。
フロント作業装置を目視した状態で行う第１の作業モードおよびフロント作業装置を目視しないで行う第２の作業モードを設定する作業モード設定手段を有し、第１の作業モードが設定されたときのみ操作反力を小さくすることもできる。

本発明によれば、フロント作業装置駆動指令用の各操作部材の操作によるフロント作業装置の作業範囲境界への接近の度合いをそれぞれ演算し、この接近度合いに応じた操作反力を各操作部材の操作に対して付与するようにしたので、オペレータは各操作部材の操作によるフロント作業装置の作業範囲境界への接近度合いを、操作反力を介して認識することができ、適切な複合操作を行うことが可能となる。

−第１の実施の形態−
以下、図１〜図１４を参照して本発明による建設機械の操作装置の第１の実施の形態について説明する。
図１は、本発明が適用される油圧ショベルの外観斜視図であり、図２はこの油圧ショベルに設けられた油圧アクチュエータの駆動回路図である。油圧ショベルは、それぞれ地面に対する垂直面内で回動するブーム１ａ，アーム１ｂおよびバケット１ｃからなる多間接型のフロント作業装置１Ａと、上部旋回体１ｄおよび下部走行体１ｅなどの車体１Ｂとにより構成される。

フロント作業装置１Ａのブーム１ａは上部旋回体１ｄの前部にブームシリンダ３ａにより回動可能に支持され、アーム１ｂはブーム先端部にアームシリンダ３ｂにより回動可能に支持され、バケット１ｃはアーム先端部にバケットシリンダ３ｃにより回動可能に支持されている。ブーム１ａの基端部には上部旋回体１ｄに対するブーム角度αを検出する角度検出器８ａが設けられ、アーム１ｂの基端部にはブーム１ｂに対するアーム角度βを検出する角度検出器８ｂが設けられ、バケット１ｃの基端部にはアーム１ｃに対するバケット角度γを検出する角度検出器８ｃが設けられている。

油圧ショベルは、ブーム１ａ，アーム１ｂ，バケット１ｃの回動により図示のように地面を掘削する。ここで、例えば地下に埋設物がある場合には埋設物を損傷しないように掘削深さを制限する必要がある。そこで、本実施の形態では、後述するように目標掘削深さ（目標面）を作業領域の境界面として設定し、バケット１ｃの先端が目標面に近づくと操作方向と逆向きに操作反力を付与して、オペレータにバケット１ｃの目標面への接近状態を体感させる。

図２に示すように、油圧ショベルにはブームシリンダ３ａ，アームシリンダ３ｂ，バケットシリンダ３ｃの他、上部旋回体１ｄを旋回させる旋回モータ３ｄおよび下部走行体１ｅを駆動する左右一対の走行モータ３ｅ，３ｆなどの油圧アクチュエータが設けられている。これら油圧アクチュエータ３ａ〜３ｆにはそれぞれ電磁式流量制御弁５ａ〜５ｆを介して油圧ポンプ２からの駆動圧油が供給される。なお、油圧ポンプ２の最高圧はリリーフ弁６により規制される。

流量制御弁５ａ〜５ｆは、それぞれ操作量に応じた操作信号を発生する操作レバー（電気レバー）４ａ〜４ｆの操作量に応じて駆動される。すなわち制御ユニット９に操作レバー４ａ〜４ｆの操作信号がそれぞれ入力され、操作信号に応じた制御信号が制御ユニット９から方向制御弁５ａ〜５ｆのソレノイドに出力される。この制御信号により流量制御弁５ａ〜５ｆがそれぞれ切り換わり、油圧アクチュエータ３ａ〜３ｆへの圧油の流れが制御されて、油圧アクチュエータ３ａ〜３ｆが駆動される。制御ユニット９には角度検出器８ａ〜８ｃからの信号と設定器７からの信号も入力される。設定器７は操作パネルあるいは操作レバーのグリップ上に設けられるスイッチ７ａ，７ｂを有し、スイッチ７ａ，７ｂの操作により後述する反力制御の開始と目標面の設定をそれぞれ指示する。

本実施の形態の操作レバー４ａ〜４ｆは、それぞれ操作レバー４ａ〜４ｆの操作に対して操作反力を付与する反力発生部４０ａ〜４０ｆを有する。反力発生部４０ａ〜４０ｆは、例えば操作レバー４ａ〜４ｆの回動軸に設けられた電磁アクチュエータであり、この電磁アクチュエータに出力する制御信号に応じて任意の大きさの操作反力を発生させる。なお、電磁アクチュエータの代わりに例えば反力シリンダと反力シリンダの駆動を制御する電磁比例弁とにより反力発生部４０ａ〜４０ｆを構成し、油圧により操作反力を発生させることもできる。

図３は、第１の実施の形態に係る操作装置の構成を示すブロック図である。制御ユニット９は、角度検出器８ａ〜８ｃ，操作レバー４ａ〜４ｆ，設定器７ａ,７ｂからの各信号をそれぞれ取り込んでデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器９１、後述する制御プログラムを実行するＣＰＵ９２、制御プログラムや制御に必要な各種定数を格納するＲＯＭ９３、演算結果あるいは演算途中の数値を一時的に記憶するＲＡＭ９４、および流量制御弁５ａ〜５ｆ，反力発生部４０ａ〜４０ｆへの制御信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器を含むシングルチップマイコン９６と、フロント作業装置１Ａと車体１Ｂの各寸法データ（ブーム長さやアーム長さ等）を記憶する不揮発性メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）９７と、反力発生部４０ａ〜４０ｆへの制御信号を増幅するアンプ９８とにより構成される。

制御ユニット９では、設定器７からの指示により例えば以下のようにバケット先端部の目標深さを設定する。この場合、始めに目標深さの初期値として、バケット先端部が到底届かない深さ（例えば−２０ｍ）をセットする。これは、目標深さの設定はバケット先端部を実際に目標面まで移動することにより行うため、目標深さの設定の際にバケット１ｃが目標面に到達する前に操作反力の付与されることがないようするためである。この場合、例えばスイッチ７ｂの一定時間（例えば２秒以上）の長押しにより予め定めた初期値（−２０ｍ）がセットされる。

次に、操作レバー４ａ〜４ｆを操作して図４に示すようにバケット先端部Ｐ１を目標面まで移動し、スイッチ７ｂを今度は１回押し操作する。このスイッチ７ｂの操作により制御ユニット９に目標深さ演算信号が入力され、制御ユニット９は角度検出器８ａ〜８ｃからの信号を読み込んでバケット先端部Ｐ１の位置を演算する。この場合、先端部Ｐ１の位置は、ブーム１ａの回動支点を原点としたＸＹ座標系の座標値（Ｘ１，Ｙ１）として次式(I),(II)により求まる。
Ｘ１＝Ｌ1sinα＋Ｌ2sin(α＋β)＋Ｌ3sin(α＋β＋γ) (I)
Ｙ１＝Ｌ1cosα＋Ｌ2cos(α＋β)＋Ｌ3cos(α＋β＋γ) (II)

なお、上式(I),(II)でＬ1はブーム１ａの回転支点とアーム１ｂの回動支点との距離（ブーム長さ）、Ｌ2はアーム１ｂの回動支点とバケット１ｃの回動支点との距離（アーム長さ），Ｌ3はバケット１ｃの回動支点とバケット１ｃの先端との距離（バケット長さ）であり、これらは制御ユニット９の不揮発性メモリ９７に予め記憶されている。制御ユニットのＲＡＭ９４には、バケット先端部Ｐ１のｙ座標値であるＹ１が目標面（目標深さ）として記憶される。

制御ユニット９は、上述の目標面Ｙに基づき、以下のように反力制御を行う。図５は反力制御処理の一例を示すフローチャートである。まず、ステップＳ１１０で設定器７のスイッチ７ａ（反力制御開始スイッチともいう）がオンか否か、すなわち反力制御開始指令の有無を判定する。ステップＳ１１０が否定されるとステップＳ２５０に進み、操作レバー４ａ〜４ｆからの操作信号を読み込み、ステップＳ２４０で操作信号に対応した制御信号を流量制御弁５ａ〜５ｆのソレノイドにそれぞれ出力する。この場合は反力発生部４０ａ〜４０ｆへの信号は出力されず、操作反力は発生しない。

一方、ステップＳ１１０が肯定されるとステップＳ１２０に進み、操作レバー４ａ〜４ｆからの操作信号を読み込み、ステップＳ１３０で角度検出器８ａ〜８ｃからの信号を読み込む。次いで、ステップＳ１４０で、検出した角度α,β,γと予め記憶されたフロント作業装置１Ａの各部寸法（Ｌ1,Ｌ2,Ｌ3）に基づき上式(I),(II)によりバケット先端部Ｐ１の現在位置（Ｘ、Ｙ）を演算する。

次いで、ステップＳ１９０でバケット先端部Ｐ１が反力制御領域内にあるか否かを判定する。ここで、反力制御領域とは、図６に示すようにバケット先端部Ｐ１と目標面との距離Ｄが所定値Ｄａ以内にある領域であり、ステップＳ１９０ではこの距離Ｄを演算して反力制御領域内か否かを判定する。なお、所定値Ｄａは不揮発性メモリ９７あるいはＲＡＭ９４に予め記憶されている。ステップＳ１９０が肯定されるとステップＳ２００に進み、操作レバー４ａ〜４ｆに付与する操作反力の大きさを演算する。

図８にステップＳ２００の処理の詳細を示す。まず、ステップＳ２０１で操作レバー４ａ〜４ｆの各操作に対応したバケット先端部Ｐ１の動作速度ベクトルの方向と大きさをそれぞれ演算する。ここで、操作レバー４ａの操作によるバケット先端部Ｐ１の速度ベクトルの方向はブーム１ａの回動方向に等しく、ブーム１ａの回動支点とバケット先端部Ｐ１とを結ぶ直線に対し垂直な方向である。同様に、操作レバー４ｂの操作によるバケット先端部Ｐ１の速度ベクトルの方向はアーム１ｂの回動支点とバケット先端部Ｐ１とを結ぶ直線に対し垂直な方向であり、操作レバー４ｃの操作によるバケット先端部Ｐ１の速度ベクトルの方向はバケット１ｃの回動支点とバケット先端部Ｐ１とを結ぶ直線に対し垂直な方向である。

また、操作レバー４ａの操作によるバケット先端部Ｐ１の速度ベクトルの大きさは操作レバー４ａの操作速度とブームシリンダ３ａの動作特性により求まり、操作レバー４ｂの操作によるバケット先端部Ｐ１の速度ベクトルの大きさは操作レバー４ｂの操作速度とアームシリンダ３ｂの動作特性により求まり、操作レバー４ｃの操作によるバケット先端部Ｐ１の速度ベクトルの大きさは操作レバー４ｃの操作速度とバケットシリンダ３ｃの動作特性により求まる。なお、シリンダ３ａ〜３ｃの動作特性とは、それぞれ操作レバー４ａ〜４ｃの操作速度に対するシリンダ３ａ〜３ｃの駆動速度の関係であり、これらはフロント作業装置固有の値として予め不揮発性メモリ９７に記憶されている。

次いで、ステップＳ２０２で操作レバー４ａ〜４ｆの操作による速度ベクトルに基づき、操作レバー４ａ〜４ｆ毎に所定時間後のバケット先端部Ｐ１と目標面との距離Ｄｅａ〜Ｄｅｆ（推定距離）を演算する（図１０〜１２参照）。次いで、ステップＳ２０３で推定距離Ｄｅａ〜Ｄｅｆのいずれかが、ステップＳ１９０で演算したバケット先端部Ｐ１の現在位置と目標面との距離Ｄより短いか否かを判定する。ステップＳ２０３が肯定されるとステップＳ２０４へ進み、ステップＳ２０３が否定されるとステップＳ２０４をパスしてステップＳ２１０へ進む。ステップＳ２０４では予め設定された図７の特性に基づき、推定距離Ｄｅａ〜Ｄｅｆに応じた目標操作反力Ｔａ〜Ｔｆを各操作レバー４ａ〜４ｆ毎にそれぞれ演算する。なお、図７の特性によれば、Ｄ＞Ｄａのときは目標操作反力Ｔは０であり、Ｄ≦Ｄａでは距離Ｄが減少するに従い目標操作反力Ｔが増加し、Ｄ＝０のときに目標操作反力Ｔが最大（Ｔmax）となる。

以上のように目標操作反力Ｔａ〜Ｔｆが演算されるとステップＳ２１０でこの目標操作反力Ｔａ〜Ｔｆに対応する制御信号を演算する。この場合、不揮発性メモリ９７には予め図９に示すように、目標操作反力Ｔの増加に対し出力電圧ｖが比例的に増加するような関係が定められており、ステップＳ２１０ではこの関係を用いて目標操作反力Ｔａ〜Ｔｆに対応する出力電圧ｖを演算し、反力発生部４０ａ〜４０ｆに出力する。次いで、ステップＳ２４０で、ステップＳ１２０の操作信号に対応した制御信号を流量制御弁５ａ〜５ｆのソレノイドにそれぞれ出力する。なお、ステップＳ２４０では、バケット先端部Ｐ１と目標面との距離Ｄが０以下になった場合には、バケット先端部Ｐ１がそれ以上下方に移動しないように、流量制御弁５ａ〜５ｆへの制御信号の出力を制限する。

次に、本実施の形態に係る操作装置の動作をより具体的に説明する。
予めバケット先端部Ｐ１の目標面をセットした後、設定器７のスイッチ７ａをオンし、ブーム用操作レバー４ａとアーム用操作レバー４ｂを同時に操作すると、その操作量に応じて流量制御弁５ａ，５ｂがそれぞれ駆動され、ブームシリンダ３ａとアームシリンダ３ｂが伸縮する（ステップＳ２４０）。

ここで、例えば操作レバー４ａ、４ｂを複合操作して掘削作業に対応したブーム下げおよびアーム引き動作を行うと、各操作レバー４ａ，４ｂの操作によるバケット先端部の速度ベクトル４Ａ，４Ｂはそれぞれ図１０に示すようになる。図１０では、バケット先端部Ｐ１は反力制限領域Ｄａ内にあり、速度ベクトル４Ａ，４Ｂは双方とも目標面に向いている。このため、操作レバー４ａ，４ｂの操作による所定時間後のバケット先端部Ｐ１と目標面との推定距離Ｄｅａ，Ｄｅｂ（ステップＳ２０２）は、バケット先端位置Ｐ１と目標面との距離Ｄよりも短く、操作レバー４ａ，４ｂの複合操作（速度ベクトル４Ａ，４Ｂの合成）によりバケット先端部Ｐ１が目標面に近づく。

図１０の状態では、速度ベクトル４Ａが目標面に向かう大きさは速度ベクトル４Ｂが目標面に向かう大きさよりも大きく、操作レバー４ｂの操作よりも操作レバー４ａの操作による方がバケット先端部Ｐ１の目標面への接近の度合いが大きい。この場合、推定距離Ｄｅａ，Ｄｅｂに応じた目標操作反力Ｔａ，Ｔｂが図７の特性により演算されるが、図７では推定距離Ｄｅａ，Ｄｅｂが小さいほど操作反力が大きいため、操作レバー４ａの操作に対する操作反力Ｔａは操作レバー４ｂの操作に対する操作反力Ｔｂよりも大きい。これによりオペレータは操作レバー４ａ，４ｂの操作によるバケット１ｃの目標面への接近の度合いを体感することができ、操作レバー４ａ，４ｂの適切な操作が可能となる。バケット先端部Ｐ１が目標面に達すると流量制御弁５ａ，５ｂへの制御信号の出力が制限され、バケット１ｃがそれ以上下方へ移動することが阻止される（ステップＳ２４０）。これにより地下に埋設物がある場合に、埋設物とバケット１ｃの接触を防止できる。

一方、バケット先端部が反力作業領域Ｄａ内にあるときに、例えば操作レバー４ａ，４ｂを複合操作して、放土作業に対応したブーム下げおよびアーム押し操作を行うと、各操作レバー４ａ，４ｂの操作によるバケット先端部の速度ベクトル４Ａ，４Ｂはそれぞれ図１１に示すようになる。この場合、速度ベクトル４Ａは目標面に向いているのに対し、速度ベクトル４Ｂは目標面の反対側に向いている。このため、Ｄｅａ＜Ｄ，Ｄｅｂ＞Ｄとなり、操作レバー４ａの操作によりバケット先端部Ｐ１は目標面に接近し、操作レバー４ｂの操作によりバケット先端部Ｐ１は目標面から離れる。このとき、操作レバー４ａの操作に対してのみ、すなわちバケット先端部Ｐ１を目標面に接近させる操作に対してのみ推定距離Ｄｅａに応じた操作反力Ｔａが付与される（ステップＳ２０３→ステップＳ２０４）。これによりオペレータは操作レバー４ａの操作によりバケット先端部Ｐ１が目標面に接近状態にあることを認識する。この場合、速度ベクトル４Ａが大きいほど推定距離Ｄｅａは短く、操作反力Ｔａは大きくなるため、オペレータはバケット先端部Ｐ１の目標面への接近の程度を良好に体感することができる。

図１２に示すようにバケット先端部Ｐ１が反力作業領域Ｄａの外側にあるときは、操作レバー４ａ，４ｂの操作により推定距離Ｄｅａ，Ｄｅｂが距離Ｄより短くなったとしても、操作レバー４ａ，４ｂに操作反力は付与されない（ステップＳ１９０→ステップＳ２４０）。これによりバケット先端部Ｐ１が目標面に接近状態にない場合には、操作レバー４ａ，４ｂを少ない操作力でスムーズに操作することができ、良好な操作性が得られる。スイッチ７ａをオフしたときも同様に、操作レバー４ａ，４ｂに操作反力は付与されない。したがって、目標面を設定する必要ながい場合にはスイッチ７ａをオフすることで、良好な操作性を確保できる。

なお、以上では、図４のように目標面が水平な場合について説明したが、図１４に示すように目標面が水平面に対して角度θで傾斜している場合にも同様に反力制御を行うことができる。この場合、ブーム基端部から鉛直方向下方の目標面までの距離をＬθとすると、目標面とバケット先端部Ｐ１（Ｘ１，Ｙ１）との距離Ｄは次式(III)で求まる。
Ｄ＝｜−Ｘ１tanθ＋Ｙ１−Ｌθ｜×cosθ (III)
目標面が傾斜した状態で掘削作業を行うと、例えば図１３に示すように操作レバー４ｂの操作によるバケット先端部Ｐ１の速度ベクトル４Ｂの方向が目標面と平行になる（Ｄｅｂ＝Ｄ）。これにより上述した図１０の場合と異なり、操作レバー４ａのみに操作反力Ｔｂが付与される。すなわち目標面の傾斜角θに応じて、操作レバー４ａ，４ｂの操作に対し異なる操作反力が付与され、オペレータは適切な掘削作業を行うことができる。

以上では、深さ方向のバケット先端部Ｐ１の移動を制限するように目標面を設定したが、高さ方向や幅方向，前後方向の移動を制限するように目標面を設定してもよい。したがって、操作レバー４ａ，４ｂ以外の操作レバー４ｃ〜４ｆを複合操作する場合にも本発明は適用可能である。

以上の第１の実施の形態によれば、以下のような作用効果を奏することができる。
（１）操作レバー４ａ，４ｂの各操作によるバケット先端部Ｐ１の速度ベクトル４Ａ，４Ｂをそれぞれ求め、この速度ベクトル４Ａ，４Ｂにより各操作レバー４ａ，４ｂの操作に応じたバケット先端部Ｐ１の目標面への接近度合いをそれぞれ求め、接近度合いに応じた操作反力Ｔａ，Ｔｂを操作レバー４ａ，４ｂの操作に対しそれぞれ付与するようにした。これによりオペレータは操作レバー４ａ，４ｂの操作によるバケット先端部Ｐ１の目標面への接近の度合いを操作反力を介して認識することができ、適切な複合操作を行うことができる。

（２）バケット先端部Ｐ１の現在位置と操作レバー４ａ，４ｂの操作速度により、各操作レバー４ａ，４ｂの操作による所定時間後のバケット先端部Ｐ１の位置と目標面との推定距離Ｄｅａ，Ｄｅｂをそれぞれ演算し、推定距離Ｄｅａ，Ｄｅｂが短いほど操作反力が大きくなるようにした。これにより所定時間後のバケット先端部Ｐ１の位置を予測して操作反力を付与するため、目標面への接近速度に応じた適切な操作反力を付与できる。
（３）推定距離Ｄｅａ，Ｄｅｂが現在のバケット先端部Ｐ１と目標面との距離Ｄより短くなるような操作に対してのみ操作反力を付与するようにしたので、必要最小限に操作力を軽減することができ、操作性が向上する。
（４）バケット先端部Ｐ１の位置が反力制限領域Ｄａ内にあるときにのみ操作反力を付与するようにしたので、操作反力の付与を必要最小限に抑えることができる。
（５）反力制御を指令するスイッチ７ａを設け、スイッチ７ａがオフのときに操作反力の付与を停止するようにしたので、目標面の設定が不要な作業においてスイッチ７ａをオフすることで、操作性が向上する。

−第２の実施の形態−
図１５〜図１９を参照して本発明による建設機械の操作装置の第２の実施の形態について説明する。
第１の実施の形態では、バケット先端部Ｐ１の目標面への接近度合いに応じた操作反力を付与するようにしたが、同一の作業を繰り返し行う場合に目標面への接近度合いに応じた操作反力を常に付与すると、オペレータにとって負担が大きい。そこで、第２の実施の形態では、同一の作業を繰り返し行う場合に、操作反力を徐々に小さくしてオペレータの負担を軽くする。以下では第１の実施の形態との相違点を主に説明する。

図１５は第２の実施の形態に係る操作装置の構成を示すブロック図である。第２の実施の形態では、作業モードを選択するための設定器１０が新たに設けられ、設定器１０により各種作業、例えばバケット先端部を目視して行う通常掘削作業モードとバケット先端部を目視しないで行うブラインド作業モードを設定する。制御ユニット９には、Ａ／Ｄ変換器９１を介して角度検出器８ａ〜８ｃ，操作レバー４ａ〜４ｆ，設定器７ａ,７ｂからの各信号が取り込まれるとともに、設定器１０からの信号が取り込まれる。

第２の実施の形態でも上述した図５と同様に反力制御処理を行う。この場合、設定器１０からの信号に基づき作業モードに応じた操作反力を演算する。すなわち、ブラインド作業モードが設定されると第１の実施の形態と同様な処理（図８）を行って操作反力を演算する。一方、通常掘削作業モードが設定されたときは以下のような処理により操作反力を演算する。

図１６は、通常掘削作業モードが設定されたときの操作反力演算処理（ステップＳ２００）の詳細を示すフローチャートである。なお、図８と同一の箇所には同一の符号を付し、相違点を主に説明する。ステップＳ２０３では、バケット先端部Ｐ１と目標面との推定距離Ｄｅａ〜Ｄｅｆのいずれかが、バケット先端部Ｐ１の現在位置と目標面との距離Ｄより短いか否かを判定する。ステップＳ２０３が否定されるとステップＳ２０９に進み、フラグｆを０とする。なお、フラグｆは操作反力の付与状態を示すものであり、操作反力が付与されるとセットされ（ｆ＝１）、操作反力が除去されるとリセットされる（ｆ＝０）。初期状態、つまり電源がオンされた直後や目標面が変更された直後ではフラグｆ＝０である。

ステップＳ２０３が肯定されるとステップＳ２０４に進み、図７の特性に基づき、推定距離Ｄｅａ〜Ｄｅｆに応じた目標操作反力Ｔａ〜Ｔｆを演算する。次いで、ステップＳ２０５で、フラグｆの値を判定する。ステップＳ２０５でフラグｆ＝０、すなわち前回の処理で操作反力を付与していないと判定されるとステップＳ２０６に進み、回数Ｎに１を加算し（Ｎ＝Ｎ＋１）、カウントアップする。なお、Ｎは電源がオフされた場合や目標面が変更された場合に０になる。次いで、ステップＳ２０７でフラグｆ＝１をセットし、ステップＳ２０８に進む。一方、ステップＳ２０５でフラグｆ＝１、すなわち前回の処理で操作反力を付与したと判定されるとステップＳ２０６，ステップＳ２０７をパスしてステップＳ２０８に進む。つまり、ステップＳ２０５〜ステップＳ２０７では操作反力の付与された回数Ｎがカウントされる。

ステップＳ２０８では、予め定めた図１７の特性に基づき、回数Ｎに応じた係数αを演算し、その係数αにステップＳ２０４で求めた目標操作反力Ｔａ〜Ｔｆを乗じて、新たな目標操作反力Ｔａ〜Ｔｆを演算する。ここで、係数αは、回数Ｎが所定回数Ｎ１以上に増加すると、回数Ｎの増加に伴い徐々に小さくなるように設定される。図１７では、Ｎ＝Ｎ１（例えば３回）でα＝α１（例えば０．６６）とし、Ｎ＝Ｎ２（例えば４回）でα＝α２（例えば０．３３）とし、Ｎ＝Ｎ３（例えば５回）でα＝０とする。これにより操作反力の付与される回数（反力付与回数）Ｎが増加すると、それに伴い目標操作反力Ｔａ〜Ｔｆが徐々に小さくなり、最終的には目標操作反力Ｔａ〜Ｔｆは０になる。

この場合の目標操作反力の特性を図１８に示す。なお、図１８において、図７と同一の特性をＦＴ１、図７の特性に係数α１を乗じたものをＦＴ２、図７の特性に係数α２を乗じたものをＦＴ３でそれぞれ示す。操作レバー４ａ〜４ｆにはこのいずれかの特性ＦＴ１〜ＦＴ３に基づき距離Ｄに応じた操作反力Ｔａ〜Ｔｆが付与される。

例えば設定器１０を通常掘削作業モードに設定した状態で、操作レバー４ａ，４ｂを複合操作して掘削作業を行う場合、操作レバー４ａ，４ｂの操作回数（反力付与回数）が２回までは係数α＝１であり、操作レバー４ａ，４ｂには特性ＦＴ１に基づく操作反力Ｔａ，Ｔｂが付与される（ステップＳ２０８）。操作回数が３回目のときは係数α＝α１となり、操作レバー４ａ，４ｂには特性ＦＴ２に基づく操作反力Ｔａ，Ｔｂが付与される。このとき操作反力Ｔａ，Ｔｂは１回目，２回目よりも小さくなる。操作回数が４回目のときは係数α＝α２となり、操作レバー４ａ，４ｂには特性ＦＴ３に基づく操作反力が付与される。このとき操作反力Ｔａ，Ｔｂは３回目よりも小さくなる。操作回数が５回目以降は係数α＝０となり、操作レバー４ａ，４ｂには操作反力が付与されない。

このように第２の実施の形態では、同様な操作を繰り返して行う作業において、反力の付与される操作回数が増加するに伴い操作反力Ｔａ，Ｔｂを段階的に小さくするので、オペレータにとっての負担が軽くなり、作業性が向上する。この場合、操作回数が所定回数Ｎ１に達するまでは特性ＦＴ１に基づき通常の操作反力を付与するため、オペレータがバケット１ｃの目標面への接近の度合いを体感した後に、つまり操作レバー４ａ，４ｂをどの程度操作すればバケット１ｃがどの程度目標面に接近するかを認識した場合に操作反力が減少することとなり、オペレータが目標面を越えて操作することを防止できる。また、通常掘削作業モードが設定されたときに操作反力を小さくし、ブラインド作業モードが設定されたときは操作回数に拘わらず通常の操作反力を付与するので、バケット１ｃを目視可能な状態でのみ操作反力が小さくなり、目標面を越えて作業を行うことを防止できる。

なお、第２の実施の形態では反力付与回数Ｎに応じて係数αを変化させたが、例えば図１９に示すように操作反力が付与された時間（反力付与時間）ｔに応じて係数αを変更するようにしてもよい。反力付与時間はフラグｆ＝１の状態を積算した時間である。この場合、反力付与時間が所定時間ｔ１（例えば２０秒）に至るまでは係数α＝１に設定し、時間ｔが所定時間ｔ１を超えて増加するとそれに伴い係数αを減少させる。これにより操作時間が長くなると操作反力が小さくなり、オペレータの負担を軽くすることができる。

操作反力が付与された回数Ｎもしくは時間ｔを積算し、回数Ｎもしくは時間ｔの積算量が所定値Ｎ１，ｔ１を越えると操作反力を小さくするのであれば、係数αの特性は図示したものに限らずいかなるものでもよい。係数αを一定の割合で減少させるのでなく、回数Ｎと時間ｔの増加に伴い係数αの減少の割合を変化させてもよい。操作反力が小さくなったことをランプ等によりオペレータに報知するようにしてもよい。設定器１０により通常掘削作業モード（第１の作業モード）とブライド作業モード（第２の作業モード）を設定するようにしたが、他の作業モード設定手段により作業モードを設定してもよい。例えば操作レバー４ａ〜４ｆの操作や作業機先端アタッチメントに応じて作業モードを自動的に判定し、作業モードに応じて操作反力を付与するようにしてもよい。

なお、各操作レバー４ａ〜４ｆの操作によるバケット先端部Ｐ１の目標面への接近度合いに応じて操作反力を付与するのであれば、反力制御手段としての制御ユニット９における処理は上述したものに限らない。目標操作反力Ｔを図７の特性により演算したが、操作反力を付与することでバケット先端部Ｐ１が目標面に近づいたことをオペレータに認識させることができるのであれば、操作反力の算出はこれに限らない。速度ベクトル４Ａ，４Ｂの目標面に対する垂直成分、すなわち目標面に垂直に近づく成分をそれぞれ求め、この速度成分に比例する操作反力を付与するようにしてもよい。速度ベクトル４Ａ，４Ｂの合成ベクトルを求め、この合成ベクトルが目標面に接近するような場合にだけ、操作反力を付与するようにしてもよい。

上記実施の形態では、目標面をスイッチ７ｂにより設定したが、設定手段の構成はこれに限らず、数値で目標面を直接入力したり、予め入力した作業情報に基づき目標面を設定してもよい。操作レバー４ａ〜４ｆにより油圧アクチュエータ３ａ〜３ｆの駆動指令を出力するようにしたが、操作レバーの種類およびアクチュエータの種類は上述したものに限らない。また、操作レバー４ａ〜４ｆを電気レバーとしたが、操作量に応じた油圧パイロット圧を発生する油圧パイロット式の操作レバーでもよく、操作レバー以外の操作部材を用いてもよい。したがって操作検出手段も圧力センサ等であってもよい。

操作レバーの操作に応じて流量制御弁５ａ〜５ｆを切り換え、アクチュエータ３ａ〜３ｆへ駆動圧を供給するようにしたが、他の駆動手段を用いてもよい。操作レバー４ａ〜４ｆに設けた反力発生部４０ａ〜４０ｆにより操作反力を発生させるようにしたが、反力付与手段の構成はこれに限らない。姿勢検出手段として角度検出器８ａ〜８ｃを用いたが、ストロークセンサ等によりシリンダ３ａ〜３ｃのストロークを検出してフロント作業装置１Ａの姿勢を検出するようにしてもよい。

上記実施の形態は、回動可能なブーム１ａ，アーム１ｂ，バケット１ｃを有する油圧ショベルに適用したが、これに限らず、フロント作業装置の位置を制限する必要がある他の建設機械においても同様に適用可能である。すなわち、本発明の特徴、機能を実現できる限り、本発明は実施の形態の操作装置に限定されない。

本発明が適用される油圧ショベルの外観斜視図。 図１の油圧ショベルに設けられた油圧アクチュエータの駆動回路図。 本発明の第１の実施の形態に係る操作装置の構成を示すブロック図。 本発明による目標面の設定を説明する図。 図３の制御ユニットにおける処理の一例を示すフローチャート。 本発明による反力制御領域の説明図。 目標操作反力の特性図。 図５のステップＳ２００の処理の詳細を示すフローチャート。 目標操作反力と出力電圧の関係を示す図。 本発明による操作装置の動作の第１の例を示す図。 本発明による操作装置の動作の第２の例を示す図。 本発明による操作装置の動作の第３の例を示す図。 本発明による操作装置の動作の第４の例を示す図。 図４の変形例を示す図。 本発明の第２の実施の形態に係る操作装置の構成を示すブロック図。 通常掘削作業モードが設定されたときの操作反力演算処理の一例を示すフローチャート。 図１６のステップＳ２０８の処理に用いる特性を示す図。 第２の実施の形態に係る操作装置により得られる目標操作反力特性の一例を示す図。 図１７の変形例を示す図。

符号の説明

１Ａ フロント作業装置
１ａ ブーム
１ｂ アーム
１ｃ バケット
３ａ〜３ｆ 油圧アクチュエータ
４ａ〜４ｆ 操作レバー（電気レバー）
５ａ〜５ｆ 流量制御弁
７ 設定器
８ａ〜８ｃ 角度検出器
９ 制御ユニット
１０ 設定器
４０ａ〜４０ｆ 反力発生部
Ｐ１ バケット先端部

Claims (5)

1. 複数のフロント作業装置移動用のアクチュエータに対応してそれぞれ設けられ、これら各アクチュエータの駆動をそれぞれ指令する複数の操作部材と、
   前記各操作部材の操作による駆動指令に応じて前記アクチュエータをそれぞれ駆動する駆動手段と、
   前記各操作部材にそれぞれ操作反力を付与する反力付与手段と、
   前記フロント作業装置の移動を制限するための作業範囲境界を設定する設定手段と、
   前記各操作部材の操作による前記フロント作業装置の前記作業範囲境界への接近の度合いをそれぞれ演算し、演算された接近度合いに応じた操作反力を前記各操作部材の操作に対してそれぞれ付与するように前記反力付与手段を制御する反力制御手段と、
   前記フロント作業装置の姿勢を検出する姿勢検出手段と、
   前記各操作部材の操作を検出する操作検出手段とを備え、
   前記反力制御手段は、前記姿勢検出手段により検出されたフロント作業装置の姿勢と前記操作検出手段により検出された前記各操作部材の操作とに基づき、前記各操作部材の操作による前記フロント作業装置の前記作業範囲境界への接近の度合いをそれぞれ演算することを特徴とする建設機械の操作装置。
2. 請求項１に記載の建設機械の操作装置において、
   前記反力制御手段は、前記姿勢検出手段により検出されたフロント作業装置の姿勢と前記操作検出手段により検出された前記各操作部材の操作とに基づき、前記各操作部材の操作による所定時間後の前記フロント作業装置と前記作業範囲境界との距離をそれぞれ演算し、演算された距離が、前記姿勢検出手段により検出されたフロント作業装置の現在位置と前記作業範囲境界との距離よりも短くなるような前記操作部材の操作に対してのみ、前記操作反力を付与するように前記反力付与手段を制御することを特徴とする建設機械の操作装置。
3. 請求項１または２に記載の建設機械の操作装置において、
   前記反力制御手段は、前記姿勢検出手段により検出された前記フロント作業装置の現在位置と前記作業範囲境界との距離を演算し、少なくともこの距離が所定値以下のときに前記操作反力を前記各操作部材の操作に対してそれぞれ付与するように前記反力付与手段を制御することを特徴とする建設機械の操作装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の建設機械の操作装置において、
   前記反力制御手段は、前記操作反力が付与された回数もしくは時間を積算し、回数もしくは時間の積算量が所定値を越えると前記操作部材の操作に対して付与する操作反力を小さくするように前記反力付与手段を制御することを特徴とする建設機械の操作装置。
5. 請求項４に記載の建設機械の操作装置において、
   前記フロント作業装置を目視した状態で行う第１の作業モードおよび前記フロント作業装置を目視しないで行う第２の作業モードを設定する作業モード設定手段を有し、
   前記反力制御手段は、前記第１の作業モードが設定されたときのみ操作反力を小さくするように前記反力制御手段を制御することを特徴とする建設機械の操作装置。

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