JP7069610B2

JP7069610B2 - 遠隔操縦装置

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Publication number: JP7069610B2
Application number: JP2017174155A
Authority: JP
Inventors: 文哉渋川
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2017-09-11
Filing date: 2017-09-11
Publication date: 2022-05-18
Anticipated expiration: 2037-09-11
Also published as: JP2019049147A

Description

本発明は、建設機械に用いられる遠隔操縦装置に関する。

従来、建設機械に用いられる遠隔操縦装置として、例えば、特開平９－３２８７８３号公報に記載されるように、操縦者の腕部に装着され、腕部の各関節の動作を検出する上肢姿勢検出器を備え、その検出結果に基づいて建設機械に対応する部位を作動させる装置が知られている。

特開平９－３２８７８３号公報

しかしながら、上述した遠隔操縦装置にあっては、操縦者に装着する装置が大掛かりな構造となる。すなわち、上述した遠隔操縦装置では、腕全体の上下動動作を検出するセンサ、肘の屈伸動作を検出センサおよび手首の回動動作を検出するセンサが必要であり、それらのセンサを操縦者の腕に取り付けるための機構も必要となる。このため、装置として大型なものとなり、取り扱いも容易とは言えない。

そこで、建設機械の遠隔操縦装置として、操縦が容易でありながら、コンパクトで扱いやすい装置の開発が望まれている。

本発明の一態様に係る遠隔操縦装置は、建設機械の遠隔操縦を行う遠隔操縦装置において、操縦者により操縦される操縦部と、操縦部に取り付けられ少なくとも操縦部の動きを検出する操縦動作検出センサと、操縦動作検出センサの検出信号に基づいて操縦部の操縦による動きと同様に建設機械の作業部を動かすための操縦制御信号を建設機械に対して出力する制御部とを備え、操縦部は建設機械の作業部を模して形成され、操縦者が手に取って左右、上下及び前後に動かすことができ、操縦者により与えられる動きによって操縦できるように設けられている。この遠隔操縦装置によれば、操縦部に取り付けられた操縦動作検出センサにより操縦部の動きを検出する。このため、操縦部を簡易な構造とすることができ、コンパクトで扱いやすいものとすることができる。また、操縦部の動きが操縦動作検出センサにより検出され、その検出信号に基づいて操縦部の操縦による動きと同様に建設機械の作業部を動かすための操縦制御信号が建設機械に対して出力される。このため、操縦者は、建設機械の作業部を動かしたいように操縦部を動かすことによって建設機械を操縦することができ、建設機械の操縦が容易に行える。また、本発明の一態様に係る遠隔操縦装置によれば、操縦者が操縦部を手に取って左右、上下及び前後に動かして操縦することができる。このため、操縦部が扱いやすいものとなる。

さらに、本発明の一態様に係る遠隔操縦装置において、操縦部は作動ボタンを有し、制御部は作動ボタンがオン状態の場合に操縦制御信号を建設機械に対し出力してもよい。この場合、作動ボタンがオン状態の場合に操縦制御信号が建設機械に対し出力されるため、操縦部を誤って操作した場合など作動ボタンがオン状態でなければ操縦制御信号が建設機械に対し出力されない。従って、建設機械の誤操縦を抑制でき、建設機械の操縦の安全性の向上を図ることができる。

本発明によれば、建設機械の操縦が容易に行えながら、コンパクトで扱いやすい遠隔操縦装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る遠隔操縦装置の構成を示す概略図である。図１の遠隔操縦装置の電気的構成を示すブロック図である。図１の遠隔操縦装置の動作を示すフローチャートである。遠隔操縦される建設機械の動作を示すフローチャートである。図１の遠隔操縦装置の変形例に用いられる操縦部を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

図１は本発明の実施形態に係る遠隔操縦装置１０の構成概要図であり、図２は本発明の実施形態に係る遠隔操縦装置１０の電気的構成を示すブロック図である。図１に示されるように、遠隔操縦装置１０は、建設機械２０の遠隔操縦を行うための装置であり、操縦部１１及び制御部１２を備えている。操縦部１１は、操縦者Ａにより操縦される部位であり、操縦者Ａが手に取って持てるような大きさで構成されている。この操縦部１１は、操縦者Ａが手に取って自由に動かして操縦できるように構成されている。すなわち、操縦部１１は、支持部材や回転軸などで支持されておらず、左右、上下及び前後に制限なく動かせるように設けられている。この点で、操縦部１１は、取付位置を支点として前後左右にのみ動かせる操縦レバーなどと異なっている。

操縦部１１は、例えば、建設機械２０の作業部を模して形成される。具体的には、操縦部１１は、建設機械２０のショベル２１を模して形成されている。これにより、操縦者Ａは、ショベル２１を動かしたいように操縦部１１を動かすことにより建設機械２０を操縦することでき、操縦によるショベル２１の作動をイメージしやすくなっている。従って、建設機械２０の操縦に慣れていない者であっても、建設機械２０の操縦が習得が容易であり、操縦も容易に行える。なお、操縦部１１は、自由に動かせる構造であれば、建設機械２０の作業部以外の形状に形成されていてもよい。

操縦部１１には、操縦動作検出センサ１３が取り付けられている。操縦動作検出センサ１３は、少なくとも操縦部１１の動きを検出するセンサである。すなわち、操縦動作検出センサ１３は、少なくとも操縦部１１の姿勢及び移動を検出できるセンサが用いられる。例えば、操縦動作検出センサ１３は、３軸姿勢及び３軸速度を検出できるセンサが用いられる。具体的には、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸回りの角速度及びｘ軸、ｙ軸、ｚ軸方向の加速度を検出できる６軸モーションセンサが用いられる。この操縦動作検出センサ１３は、操縦部１１の表面に取り付けられてもよいし、操縦部１１の内部に設けられていてもよい。操縦部１１は、制御部１２と電気的に接続されている。例えば、操縦部１１は、ワイヤを介して制御部１２と接続される。なお、操縦部１１と制御部１２は、有線でなく、無線により通信できるように構成されていてもよい。

図２に示すように、制御部１２は、遠隔操縦装置１０の制御ユニットであり、センサ情報取得部１４、関節角演算部１５及び通信部１６を備えている。センサ情報取得部１４は、制御部１２に入力される操縦動作検出センサ１３の検出信号をセンサ情報として取得し記録する。関節角演算部１５は、センサ情報に基づいて建設機械２０の関節角を演算する。例えば、関節角演算部１５は、センサ情報に基づいて、操縦部１１が動かされたようにショベル２１を動かすために、本体２２に対するブーム２３の角度、ブーム２３に対するアーム２４の角度、および、アーム２４に対するショベル２１の角度をそれぞれ演算する。このとき、本体２２の旋回角度を演算してもよい。

これらの角度を演算するにあたり、ショベル２１の姿勢及び速度を操縦部１１の姿勢及び速度と同期させてもよいが、建設機械２０の作業内容に応じてショベル２１の姿勢及び速度の一方を他方に対して優先させてもよい。例えば、ショベル２１の姿勢を操縦部１１の操縦動作に同期させ、ショベル２１の移動速度を操縦部１１の移動速度に比例させた速度としてもよい。また逆に、ショベル２１の速度を姿勢に対し優先させてもよく、ショベル２１の姿勢変更速度を操縦部１１の操縦動作速度に比例させ、ショベル２１の移動速度を操縦部１１の移動速度に同期させてもよい。ショベル２１の姿勢と速度のどちらを優先させるかについては、建設機械２０の作業に応じて設定すればよい。

通信部１６は、建設機械２０との通信を行う。通信部１６は、関節角演算部１５により演算された角度信号を建設機械２０へ送信する。なお、図１、２において、制御部１２は、操縦部１１と別部材として構成されているが、操縦部１１の内部に設けられ、操縦部１１と一体に構成されていてもよい。

図１において、建設機械２０は、操縦部１１により操縦される建機である。つまり、この建設機械２０と遠隔操縦装置１０により、建設機械２０の遠隔操縦システムを構成している。建設機械２０として、例えば、ショベル（バケット）２１を備えたバックホウが用いられる。建設機械２０において、本体２２は上下方向の軸線を中心に旋回可能に構成され、ブーム２３は本体２２に対し水平方向の軸線を中心に回動可能に構成されている。また、建設機械２０において、アーム２４はブーム２３に対し水平方向の軸線を中心に回動可能に構成され、ショベル２１はアーム２４に対し水平方向の軸線を中心に回動可能に構成されている。

建設機械２０には、ショベル２１を動かすためのアクチュエータ２５が設置されている。例えば、アクチュエータ２５には、ブーム２３を回動させる油圧シリンダ、アーム２４を回動させる油圧シリンダ及びショベル２１を回動させる油圧シリンダが含まれる。この場合、ブーム２３及びアーム２４の回動によりショベル２１が移動し、ショベル２１の回動によりショベル２１の姿勢が変更される。

建設機械２０には、関節角センサ２６が設置されている。関節角センサ２６は、ブーム２３の回動角度、アーム２４の回動角度及びショベル２１の回動角度を検出するセンサである。関節角センサ２６としては、例えば、アクチュエータ２５の作動量に基づいて各回動角度を検出するものが用いられる。また、関節角センサ２６としては、ブーム２３などの回動角度が検出できるものであれば、いずれタイプのセンサであってもよい。

ショベル２１には、姿勢速度センサ２７が取り付けられている。姿勢速度センサ２７は、ショベル２１の動きを検出するセンサである。姿勢速度センサ２７としては、例えば、ショベル２１の姿勢、移動方向及び移動速度を検出できるセンサが用いられる。具体的には、ショベル２１のｘ軸、ｙ軸、ｚ軸回りの角速度及びｘ軸、ｙ軸、ｚ軸方向の加速度を検出できる６軸モーションセンサが用いられる。

図２に示すように、建設機械２０には、制御部２８が設けられている。制御部２８は、建設機械２０の遠隔操縦の制御を行う制御器である。制御部２８には、通信部２９が接続されている。通信部２９は、遠隔操縦装置１０との無線通信を行う通信機器である。通信部２９は、遠隔操縦装置１０から遠隔操縦に応じた関節角の角度信号を受信する。制御部２８は、センサ情報取得部２８１、作動量算出部２８２を備えている。センサ情報取得部２８１は、通信部２９が受信した角度信号を角度情報として記録する。また、センサ情報取得部２８１は、関節角センサ２６の出力信号を関節角情報として記録する。制御部２８は、関節角情報に基づいて現在のブーム２３、アーム２４及びショベル２１の回動角度を認識することができる。また、センサ情報取得部２８１は、姿勢速度センサ２７の出力信号をショベル２１の姿勢速度情報として記録する。

作動量算出部２８２は、アクチュエータ２５の作動量を算出する。すなわち、作動量算出部２８２は、遠隔操縦に応じてショベル２１を動かすためのアクチュエータ２５の作動量を算出する。例えば、作動量算出部２８２は、現在のブーム２３、アーム２４、ショベル２１の角度と遠隔操縦装置１０から送信される角度信号のブーム２３、アーム２４、ショベル２１の角度との差から、アクチュエータ２５の作動量を算出する。制御部２８は、作動量算出部２８２から出力される作動量情報に応じてアクチュエータ２５に制御信号を出力する。これにより、油圧シリンダであるアクチュエータ２５が作動して、遠隔操縦に応じてショベル２１が作動する。

次に、本実施形態に係る遠隔操縦装置１０の動作について説明する。

図３は遠隔操縦装置１０の動作を示すフローチャート、図４は遠隔操縦に関する建設機械２０の動作を示すフローチャートである。

まず、図１に示すように、操縦者Ａが操縦部１１を持って操縦部１１を動かすことにより建設機械２０の遠隔操縦が行われる。操縦者Ａは、建設現場に建てられる管理施設内に居て操縦を行ってもよいし、建設機械２０の近傍で操縦を行ってもよい。また、操縦者Ａは、建設機械２０の操縦キャビンに乗って操縦することもできる。この場合、建設機械２０の操縦者、すなわちオペレータの教育、熟練オペレータの育成が効率よく行える。

そして、操縦者Ａが操縦部１１を動かすと、操縦部１１の動きに応じて遠隔操縦装置１０の制御部１２から角度信号が建設機械２０に送信される。そして、その角度信号に応じてアクチュエータ２５が作動し、操縦部１１の動きと同様にショベル２１を動かすことができる。以上の遠隔操縦における遠隔操縦装置１０及び建設機械２０の動作を、図３、４のフローチャートを用いて詳述する。

遠隔操縦装置１０の動作としては、まず、図３のステップＳ１０（以下、単に「Ｓ１０」という。以下のステップについても同様。）に示すように、センサ情報取得処理が行われる。センサ情報取得処理は、操縦動作検出センサ１３の検出情報を取得する処理であり、制御部１２により行われる。操縦部１１が操作されていない場合には、操縦動作検出センサ１３から検出信号が出力されず、検出情報は取得されない。一方、操縦部１１が操作された場合には、操縦動作検出センサ１３から検出信号が出力され、その検出情報が記録される。

そして、Ｓ１２に処理が移行し、関節角演算処理が行われる。関節角演算処理は、センサ情報に基づいて、建設機械２０の関節角を演算する処理である。例えば、関節角演算部１５は、センサ情報に基づいて、操縦部１１が動かされたようにショベル２１を動かすための本体２２に対するブーム２３の角度、ブーム２３に対するアーム２４の角度及びアーム２４に対するショベル２１の角度をそれぞれ演算する。この関節角演算処理において、本体２２の旋回角度を演算してもよい。

そして、Ｓ１４に処理が移行し、送信処理が行われる。送信処理は、Ｓ１２にて演算された角度情報を角度信号として建設機械２０へ送信する処理であり、通信部１６によって行われる。そして、Ｓ１６に処理が移行し、制御部１２により、一連の制御処理の終了条件が成立したか否かが判定される。例えば、遠隔操縦装置１０の電源がオフされた場合など一連の制御処理の終了条件が成立したと判定される。Ｓ１６において、制御処理の終了条件が成立したと判定されない場合には、Ｓ１０に処理が戻る。一方、Ｓ１６において、制御処理の終了条件が成立したと判定された場合には、図３の一連の制御処理を終了する。

建設機械２０の動作としては、まず、図４のＳ２０に示すように、遠隔操縦装置１０からの角度信号を受信したか否かが判定される。すなわち、制御部２８は、通信部２９を通じて遠隔操縦装置１０からの角度信号を受信したか否かを判定する。Ｓ２０において、遠隔操縦装置１０からの角度信号を受信したと判定されない場合、Ｓ２６に処理が移行する。一方、遠隔操縦装置１０からの角度信号を受信したと判定された場合、作動量算出処理が行われる（Ｓ２２）。

作動量算出処理は、アクチュエータ２５の作動量を算出する処理である。すなわち、作動量算出部２８２は、遠隔操縦に応じてショベル２１を動かすためのアクチュエータ２５の作動量を算出する。具体的には、作動量算出部２８２は、現在のブーム２３、アーム２４、ショベル２１の角度と遠隔操縦装置１０から送信される角度信号のブーム２３、アーム２４、ショベル２１の角度との差に基づいて、アクチュエータ２５の作動量を算出する。現在のブーム２３、アーム２４、ショベル２１の角度は、関節角センサ２６の検出信号に基づいて認識すればよい。

そして、Ｓ２４に処理が移行し、作動制御処理が行われる。すなわち、制御部２８は、アクチュエータ２５に対し、作動制御信号を出力する。作動制御信号は、各アクチュエータ２５に対し出力される。この作動制御信号は、それぞれのアクチュエータ２５の作動量を含む制御信号である。アクチュエータ２５は、作動制御信号に従って作動する。これにより、ショベル２１が操縦部１１の動きに応じて移動し姿勢変更が行われる。

そして、Ｓ２６に処理が移行し、制御部２８より、一連の制御処理の終了条件が成立したか否かが判定される。例えば、建設機械２０の作動オフされた場合など一連の制御処理の終了条件が成立したと判定される。Ｓ２６において、制御処理の終了条件が成立したと判定されない場合には、Ｓ２０に処理が戻る。一方、Ｓ２６において、制御処理の終了条件が成立したと判定された場合には、図４の一連の制御処理を終了する。

以上説明したように、本実施形態に係る遠隔操縦装置１０によれば、操縦部１１に取り付けられた操縦動作検出センサ１３により操縦部１１の動きを検出する。このため、操縦部１１を簡易な構造とすることができ、コンパクトで扱いやすいものとすることができる。また、操縦部１１の動きが操縦動作検出センサ１３により検出され、その検出信号に基づいて操縦部１１の操縦による動きと同様に建設機械２０のショベル２１を動かすための操縦制御信号が建設機械２０に対して出力される。このため、操縦者は、建設機械２０のショベル２１を動かしたいように操縦部１１を動かすことによって建設機械２０を操縦することができる。つまり、遠隔操縦装置１０と建設機械２０との間の制御量の対応を意識することなく、ショベル２１の操作が行え、建設機械２０の操縦が容易に行える。

従来型のリモートコントローラは、操作レバーを動かしたり装着型のハードウェアを動かすなどして動作指令を出力していた。このため、建設機械２０を思うように作動させるには操縦の仕方を習得するのが容易ではなかった。これに対し、本実施形態に係る遠隔操縦装置１０では、操縦部１１を手に取って移動させ姿勢を変えることによって、それと同様にショベル２１を移動させその姿勢を変えることができる。このため、建設機械２０の操縦の仕方を習得するのが非常に容易なものとなる。

また、本実施形態に係る遠隔操縦装置１０によれば、操縦者Ａが手に取って自由に動かして操縦できるように操縦部１１が構成されている。このため、操縦部１１が扱いやすいものとなっている。これに対し、従来の装着型のリモートコントローラでは操縦者独りでコントローラを装着するのも困難であり、取り扱いが困難なものである。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明は、特許請求の範囲の記載の要旨を逸脱しない範囲で様々な変形態様を取ることができる。

例えば、本実施形態では、建設機械２０のショベル２１の作動を遠隔操縦する場合について説明したが、ショベル２１以外の作業部を遠隔操作する場合に適用してもよい。また、本実施形態では、建設機械としてバックホウに適用する場合について説明したが、作業部を有する建設機械であれば、バックホウ以外の建設機械に適用してもよい。

また、本実施形態に係る遠隔操縦装置１０において、操縦部１１に作動ボタン１１１を設けてもよい。例えば、図５に示すように、操縦部１１に作動ボタン１１１を設け、この作動ボタン１１１がオン状態の場合のみ、操縦制御信号が建設機械２０に対し出力されるようにしてもよい。つまり、制御部１２（図１、２参照）は、作動ボタン１１１がオン状態である場合に操縦制御信号を建設機械２０に対し出力し、作動ボタン１１１がオン状態でない場合には操縦制御信号を建設機械２０に対し出力しない。このように構成することにより、操縦部１１を誤って動かしてしまった場合、または、操縦部１１を手から落下させてしまった場合などに、建設機械２０が誤操縦されることを抑制することができ、操縦の安全性が高められる。この作動ボタン１１１は、機械的に作動するボタンであってもよいし、光学式または静電容量式などのタッチボタンであってもよい。

１０遠隔操縦装置
１１操縦部
１２制御部
１３操縦動作検出センサ
２０建設機械
２１ショベル（作業部）
１１１作動ボタン
Ａ操縦者

Claims

建設機械の遠隔操縦を行う遠隔操縦装置において、
操縦者により操縦される操縦部と、
前記操縦部に取り付けられ、少なくとも前記操縦部の動きを検出する操縦動作検出センサと、
前記操縦動作検出センサの検出信号に基づいて、前記操縦部の操縦による動きと同様に前記建設機械の作業部を動かすための操縦制御信号を前記建設機械に対して出力する制御部と、を備え、
前記操縦部は、前記建設機械の作業部を模して形成され、前記操縦者が手に取って左右、上下及び前後に動かして操縦できるように設けられている、
遠隔操縦装置。
前記操縦部は、作動ボタンを有し、
前記制御部は、前記作動ボタンがオン状態の場合に前記操縦制御信号を前記建設機械に対し出力する、
請求項１に記載の遠隔操縦装置。