JP7364999B2 - ブームの操作システム - Google Patents

Description

本発明は、移動式クレーン等に搭載されるブームの操作システムに関するものである。

従来から移動式クレーンは、走行機能を有する車体と、車体に水平旋回可能に搭載された旋回台と、旋回台に起伏可能に搭載されたブームと、を主に備えている。これらの各構成要素は、油圧アクチュエータによって駆動されるように構成されている。そして、油圧アクチュエータが発生させるトルクや速度は、オペレータが操作レバーを操作することによって制御・調整される。

しかしながら、操作レバーによる油圧アクチュエータの制御は容易ではなく、ブームの起伏角度や吊荷の重量、位置などによっても操作性が影響されてしまう。さらに、近年では操作レバーに対する油圧の圧力の戻りがない、いわゆるバイワイヤー方式が採用されることも多くなり、ますます操作は難しくなっている。

そこで、例えば特許文献１には、操作レバーの傾倒に対する反力を、電磁的手段によって発生させるとともに、反力の一部を摩擦ブレーキ手段によって発生させる力覚提示操作レバー装置が開示されている。このように構成することで、オペレータが操作レバーの反力を感じることができるようになっている。

特開２０１１－２８６０１号公報

しかしながら、特許文献１の力覚提示操作レバー装置を含む従来の技術は、吊荷の重量や機械自体の動作力を考慮していない。そのため、オペレータは、吊荷の重量や機械の動作状況の違いを感じ取ることができなかった。

そこで、本発明のブームの操作システムは、実際に作用する力に基づいて操作レバーに反力を提示することのできる、ブームの操作システムを提供することを目的としている。

前記目的を達成するために、本発明のブームの操作システムは、操作レバーと、ブームと、力検出器と、力検出器によって検出された力に基づいて、前記操作レバーに与えるべき角度、又は機械インピーダンスを演算する力制御器と、演算された角度、又は機械インピーダンスに基づいて、反力提示器に指示する角度又はトルクを演算する角度・トルク制御器と、操作力に加算して、演算された角度又はトルクを前記操作レバーに提示する反力提示器と、を備え、前記角度・トルク制御器は、演算された角度、又は機械インピーダンスに加算して、安定限界及びアクチュエータの出力限界に基づいて演算された操作限界角度、又は操作限界機械インピーダンスを超えない範囲で、角度又はトルクを演算して前記反力提示器に指示するようになっている。

このように、本発明のブームの操作システムは、操作レバーと、ブームと、力検出器と、力制御器と、角度・トルク制御器と、反力提示器と、を備えているため、ブームの先端に実際に作用する力に基づいて、操作レバーに反力を提示することができる。したがって、吊荷の位置の微調整や振れ止めといった操作を容易に行うことができる。

移動式クレーンの側面図である。 ブームの操作システムのブロック図である。 ブームの操作システムのブロック線図である。 操作レバーの説明図である。（ａ）は起伏操作及び旋回操作に用いる十字レバーの説明図であり、（ｂ）は鉛直方向の操作に用いる１軸レバーの説明図である。 目視困難な位置での作業についての作用図である。

以下、本発明に係る実施例について図面を参照して説明する。ただし、以下の実施例に記載されている構成要素は例示であり、本発明の技術範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

本実施例のブームの操作システム（Ｓ）を備える移動式クレーンとしては、例えば、ラフテレーンクレーン、オールテレーンクレーン、トラッククレーン等が挙げられる。以下、ラフテレーンクレーンを例に挙げて説明するが、他の移動式クレーンにも、本発明に係るブームの操作システム（Ｓ）を適用することができる。この他、ブームを備える高所作業車にも、本発明を適用することができる。

（移動式クレーンの構成）
まず、図１の側面図を用いて、移動式クレーンの機械系の構成について説明する。本実施例のラフテレーンクレーン１は、図１に示すように、走行機能を有する車両の本体部分となる車体１０と、車体１０の四隅に設けられたアウトリガ１１，・・・と、車体１０に水平旋回可能に取り付けられた旋回台１２と、旋回台１２の後部に搭載されたブーム１４と、を備えている。

アウトリガ１１は、スライドシリンダを伸縮させることによって、車体１０から幅方向外側にスライド張出／スライド格納可能であるとともに、ジャッキシリンダを伸縮させることによって車体１０から上下方向にジャッキ張出／ジャッキ格納可能である。

旋回台１２は、旋回モータ６１の動力が伝達されるピニオンギヤを有しており、このピニオンギヤが車体１０に設けた円形状のギヤに噛み合うことで旋回軸を中心に回動する。旋回台１２は、右前方に配置された操縦席１８と、後方に配置されたカウンタウェイト１９と、をさらに有している。

さらに、旋回台１２の後部には、ワイヤ１６を巻上／巻下げるためのウインチ１３が配置されている。ウインチ１３は、ウインチモータ６４を正方向／逆方向に回転させることによって、巻上げ方向（巻き取る方向）／巻下げ方向（繰り出す方向）の２方向に回転するようになっている。

ブーム１４は、基端ブーム１４１と（１つ又は複数の）中間ブーム１４２と先端ブーム１４３とによって入れ子式に構成されており、内部に配置された伸縮シリンダ６３によって伸縮できるようになっている。先端ブーム１４３の最先端のブームヘッド１４４にはシーブが配置され、シーブにワイヤ１６が掛け回されてフック１７が吊下げられている。

そして、基端ブーム１４１の付け根部は、旋回台１２の後部に設置された支持軸に回動自在に取り付けられており、支持軸を回転中心として上下に起伏できるようになっている。そして、旋回台１２と基端ブーム１４１の下面との間には、起伏シリンダ６２が架け渡されており、起伏シリンダ６２を伸縮することでブーム１４全体を起伏することができるようになっている。

（制御系の構成）
次に、図２のブロック図を用いて、本実施例のブームの操作システムＳの制御系の構成について説明する。ブームの操作システムＳは、制御部としてのコントローラ４０を中心として構成されている。コントローラ４０は、入力ポート、出力ポート、演算装置などを有する汎用のマイクロコンピュータとすることができる。

コントローラ４０は、操作レバー５１～５４（旋回／起伏レバー５１、伸縮レバー５３、巻上／巻下レバー５４）からの操作信号を受けて、図示しない制御バルブを介してアクチュエータ６１～６４（旋回モータ６１、起伏シリンダ６２、伸縮シリンダ６３、ウインチモータ６４）を制御する。

旋回／起伏レバー５１は、図４（ａ）に示すように、直交する二軸回りに傾動する十字レバーであり、１つのレバーで２つの動作（旋回及び起伏）を制御できるようになっている。すなわち、旋回／起伏レバー５１を左に傾倒させることでブーム１４が左旋回し、右に傾倒させることでブーム１４が右旋回する。さらに、旋回／起伏レバー５１を奥に傾倒させることでブーム１４が倒伏し、手前に傾倒させることでブーム１４が起仰する。

そして、本実施例の旋回／起伏レバー５１には、レバー自体が傾倒された角度を検出するために、旋回及び起伏の回転軸ごとに、角度検出器４１、４２が設置されている。旋回用の角度検出器４１は、例えばポテンショメータであり、左－右の傾倒角度を検出してコントローラ４０に伝送する。同様に、起伏用の角度検出器４２は、奥－手前の傾倒角度を検出してコントローラ４０に伝送する。

そして、旋回／起伏レバー５１には、実際にブーム１４の先端に作用する力に応じて旋回／起伏レバー５１に反力を提示するために、旋回及び起伏の回転軸ごとに、反力提示器７１、７２が設置されている。旋回用の反力提示器７１は、例えば電動モータであり、旋回方向に作用する反力を旋回／起伏レバー５１に提示し、起伏用の反力提示器７２は、起伏方向の反力を旋回／起伏レバー５１に提示する。

次に、伸縮レバー５３は、図示しないが、一軸回りに傾動するレバーであり、伸縮動作を制御できるようになっている。さらに、本実施例の伸縮レバー５３には、レバー自体が傾倒された角度を検出するために、その回転軸に、角度検出器４３が設置されている。この伸縮用の角度検出器４３は、奥－手前の傾倒角度を検出してコントローラ４０に伝送する。

さらに、本実施例の伸縮レバー５３には、実際にブーム１４の先端に作用する力に応じて伸縮レバー５３に反力を提示するために、その回転軸に、反力提示器７３が設置されている。伸縮用の反力提示器７３は、伸縮方向に作用する反力を伸縮レバー５３に提示する。なお、ここでは、伸縮レバー５３に角度検出器４３及び反力提示器７３が設置される場合について説明したが、これに限定されるものではなく、伸縮動作による吊荷の移動が規制される場合等には、伸縮レバー５３に角度検出器４３及び反力提示器７３が設置されていなくてもよい。

次に、巻上／巻下レバー５４は、図４（ｂ）に示すように、一軸回りに傾動するレバーであり、巻上動作又は巻下動作を制御できるようになっている。すなわち、巻上／巻下レバー５４を手前に傾倒させることでウインチ１３が巻き上げ、奥に傾倒させることでウインチ１３が巻き下げる。

そして、本実施例の巻上／巻下レバー５４には、レバー自体が傾倒された角度を検出するために、その回転軸に、角度検出器４４が設置されている。この巻上／巻下用の角度検出器４３は、例えばポテンショメータであり、奥－手前の傾倒角度を検出してコントローラ４０に伝送する。

さらに、本実施例の巻上／巻下レバー５４には、実際にブーム１４の先端に作用する力に応じて巻上／巻下レバー５４に反力を提示するために、その回転軸に、反力提示器７４が設置されている。この巻上／巻下用の反力提示器７４は、例えば電動モータであり、鉛直方向に作用する反力を巻上／巻下レバー５４に提示する。

加えて、この巻上／巻下レバー５４には、吊荷の重量が下向きに作用するが、レバーに操作力が加わっていない状態又は弱い操作力が加わっている状態では、反力提示を不感帯内に抑えるように制御される。すなわち、一般に各種の操作レバーには、操作力を加えて移動（傾動）させてもアクチュエータが動作しない範囲である不感帯が設けられており、この範囲に巻上／巻下レバー５４が維持されるようになっている。このように制御されることで、非操作時や、レバーを離した際に、レバーが大きく動き、その結果としてブーム１４やワイヤ１６が思わぬ動作をすることを防止できる。

さらに、巻上／巻下レバー５４には、本来の中立位置にノッチ感を与えるために、摺動部位に凹凸を設けることができる。このように、本来の中立位置にノッチ感を与えるのは、重力が作用することで巻上／巻下レバー５４がオフセットされるため、操作者が手の感覚を通じて中立位置を判別できなくなることを防止するためである。

次に、力検出器５５は、ブーム１４のブームヘッド１４４に設置され、ブームヘッド１４４に作用する力（ブーム先端反力）を検出するためのものである。力検出器５５としては、張力を測定することで直接的に力を検出するロードセルや、位置や加速度を測定して時間微分によって間接的に力を検出する位置測定装置（例えばＧＰＳ）や加速度計測装置を用いることができる。検出されたブーム先端反力は、コントローラ４０へ伝送される。

そして、コントローラ４０は、ブーム１４及びウインチ１３の作動を制御する制御部であり、その機能部として、速度変換器４０ａと、速度制御器４０ｂと、力制御器４０ｃと、角度・トルク制御器４０ｄと、を備えている。以下、各機能部の機能について説明する。なお、以下の各機能部の機能は、操作レバー５１～５４に対応するアクチュエータ６１～６４ごとに実施される。

速度変換器４０ａは、角度検出器４１～４４からレバー電圧を受信し、これを速度指令値へ変換したうえで、速度制御器４０ｂへ送信する。このアクチュエータの速度は、フィードバック制御によって制御される。

速度制御器４０ｂは、速度変換器４０ａからの速度指令値とフィードバックされた計測値との誤差（偏差）に基づいて、アクチュエータの速度を制御する（フィードバック制御）。具体的には、誤差（偏差）に基づいて、各アクチュエータに対応する制御バルブに所定の電流を通電する。

力制御器４０ｃは、力検出器５５によって検出された力（ブーム先端反力）に基づいて、角度指令、又は機械インピーダンス指令を演算する。そして、本実施例の力制御器４０ｃは、力制御ベースの反力提示制御、又は、インピーダンス制御ベースの反力提示制御に基づいて、角度指令、又は機械インピーダンス指令を演算するようにされている。

力制御ベースの反力提示制御によって、機械インピーダンス指令を演算する場合には、例えば以下のように、機械インピーダンス指令を演算することができる。

ブーム先端反力Ｆ、任意に決定したブーム先端の仮想インピーダンスとして仮想質量Ｍｂ、仮想粘性係数Ｄｂ、仮想ばね係数Ｋｂを用いると、直近のいくつかのサンプリングデータを用いると、ブーム先端の仮想運動ｄｄｘ、ｄｘ、ｘは、下式で求めることができる。

そして、レバーに与えるべき仮想インピーダンスとして、任意の仮想粘性係数Ｄｍ、仮想ばね係数Ｋｍを用いると、レバーに与えるべき力Ｆｍは下式を用いて決定できる。

インピーダンス制御ベースの反力提示制御によって、角度指令を演算する場合には、例えば以下のように、角度指令を演算することができる。

力制御ベースの反力提示制御と同様に、式１を用いてｄｘを求める。レバーの位置が示す目標速度指令値ｄｘｍとの差を用いてレバーに対してＰ制御を行い、任意のＲを用いると、レバーに与えるべき力Ｆｍは下式を用いて決定できる。

角度・トルク制御器４０ｄは、力制御器４０ｃにおいて演算された角度指令、又は機械インピーダンス指令に基づいて、角度又はトルクを演算して反力提示器７１～７４に指示する。このように、反力提示器７１～７４を介して操作レバー５１～５４に力覚を提示することによって、いわゆるバイラテラル制御が実現される。

そして、本実施例の角度・トルク制御器４０ｄは、演算された角度、又は機械インピーダンスに加算して、操作限界角度、又は操作限界機械インピーダンスに基づいて、角度又はトルクを演算して反力提示器７１～７４に指示するようになっている。これらの操作限界角度、又は操作限界機械インピーダンスは、安定限界や各アクチュエータの出力限界等に基づいて演算されたものを使用する。

（インピーダンス制御のブロック線図）
次に、図３のブロック線図を用いて、インピーダンス制御における各要素の入力・出力関係について説明する。まず、力検出器５５によってブーム先端反力が計測されて、コントローラ４０の力制御器４０ｃに送信される。力制御器４０ｃは、受信したブーム先端反力に基づいて角度指令又は機械インピーダンス指令を演算し、角度・トルク制御器４０ｄの直前の比較部（図中の白丸）へ送信する。ここにおいて、力制御器４０ｃは、前述した力制御ベースの反力提示制御、又は、インピーダンス制御ベースの反力提示制御に基づいて、角度、又は機械インピーダンスを演算する。

比較部では、受信した角度指令又は機械インピーダンス指令を、操作限界角度又は操作限界機械インピーダンスと比較して、操作限界角度又は操作限界機械インピーダンスを超えない範囲で、角度・トルク制御器４０ｄへ送信する。次に、角度・トルク制御器４０ｄは、受信した角度指令又は機械インピーダンス指令に基づいて、角度又はトルク指令を演算して、反力提示器７１～７４へ送信する。

反力提示器７１～７４は、受信した角度又はトルク指令に基づいて提示反力を比較部に送信し、操作力に加算したうえで、角度検出器４１～４４へ送信する。したがって、オペレータは、通常の（提示反力が作用しない）操作レバー５１～５４の操作感覚に加えて、吊荷による反力を操作レバー５１～５４を通じて感じ取ることができる。

角度検出器４１～４４は、操作レバー５１～５４が傾倒された角度を検出して、レバー電圧に変換したうえで、速度変換器４０ａに送信する。速度変換器４０ａは、速度指令値を比較部へ送信し、実際のアクチュエータの動作速度と比較し、誤差（偏差）を速度制御器４０ｂへ送信する。最後に、速度制御器４０ｂは、誤差（偏差）に基づいて、アクチュエータの速度を制御する（フィードバック制御）。

（効果）
次に、本実施例のブームの操作システムＳの奏する効果を列挙して説明する。

（１）上述してきたように、本実施例のブームの操作システムＳは、操作力によって傾倒される操作レバー５１～５４と、操作レバー５１～５４の傾倒角度に応じた速度で駆動されるブーム１４と、ブーム１４の先端に作用する力を検出する力検出器５５と、力検出器５５によって検出された力に基づいて、角度、又は機械インピーダンスを演算する力制御器４０ｃと、演算された角度、又は機械インピーダンスに基づいて、角度又はトルクを演算して反力提示器に指示する角度・トルク制御器４０ｄと、操作力に加算して、指示された角度又はトルクを操作レバー５１～５４に提示する反力提示器７１～７４と、を備えている。このような構成によれば、ブーム１４の先端に実際に作用する力に基づいて、操作レバー５１～５４に反力（力覚）を提示することができる。したがって、吊荷の位置の微調整や振れ止めといった操作を容易に行うことができる。

このようにして、操作者が自分の手でブーム先端を直接に把持しているような感覚を与えることで、吊荷の挙動が把握しやすくなり、振れ止め操作が容易になり、視覚だけに頼らずに吊荷の状況を把握できるようになる。

例えば、図５（ａ）、（ｂ）に示すような、目視が困難な位置（例えば、ビルの上等）において、危険を伴う状況では、本発明は有効である。図５（ａ）に示すように、地切り、荷下ろし作業では、垂直方向の力覚の変化によって、操作者が状況を把握できる。さらに、図５（ｂ）に示すように、禁止されている横引き作業では、横引きの状況を水平方向のレバー荷重変化によって、操作者が把握できる。

加えて、一般にクレーン等で荷振れを止めるには、吊荷を追いかける操作をすることが得策であることが知られているところ、本発明によれば、吊荷による張力が作用する方向に操作レバー５１～５４を倒しやすくなることで、追いかける操作が容易になり、結果として荷振れを防止しやすくなる。

（２）また、角度・トルク制御器４０ｄは、演算された角度、又は機械インピーダンスに加算して、操作限界角度、又は操作限界機械インピーダンスに基づいて、角度又はトルクを演算して反力提示器７１～７４に指示するようになっているため、安定限界や各アクチュエータの出力限界等を考慮しつつ、反力提示器７１～７４を動作させることができる。

さらに、力制御器４０ｃは、力制御ベースの反力提示制御、又は、インピーダンス制御ベースの反力提示制御に基づいて、角度、又は機械インピーダンスを演算するようにされているため、質量Ｍ、ダンパＤ、バネＫの値の組み合わせに応じて、最適なインピーダンス制御を実行することができる。

（３）また、操作レバー５１～５４のうち、鉛直方向の操作に用いられる操作レバー（巻上／巻下レバー）５４には、反力提示器７４によって鉛直下方向の力が提示されるとともに、操作レバー５４の位置は、操作力が所定値以下の状態では不感帯内にとどまるようにされていることにより、非操作時や操作レバー５４を離した際に、操作レバー５４が大きく動く結果として、ブーム１４、ワイヤ１６が意図しない動作をすることを防止できる。

（４）さらに、操作レバー５１～５４のうち、鉛直方向の操作に用いられる操作レバー（巻上／巻下レバー）５４は、中立点を判別するためにノッチ感を与えるように形成されていることで、重力によってオフセットすることが原因で、操作者が中立点を判別できなくなることを防止できる。

以上、図面を参照して、本発明の実施例を詳述してきたが、具体的な構成は、この実施例に限らず、本発明の要旨を逸脱しない程度の設計的変更は、本発明に含まれる。

例えば、本実施例では、旋回／起伏レバー５１は、十字レバーであるとして説明したが、これに限定されるものではなく、一軸レバー２本であってもよい。

Ｓ：操作システム；
１：ラフテレーンクレーン；
１０：車体； １２：旋回台； １３：ウインチ；
１４：ブーム； １６：ワイヤ； １７：フック；
４０：コントローラ； ４０ａ：速度変換器； ４０ｂ：速度制御器；
４０ｃ：力制御器； ４０ｄ：角度ｏｒトルク制御器；
４１～４４：角度検出器；
５１：旋回／起伏レバー； ５３：伸縮レバー； ５４：巻上／巻下レバー；
５５：力検出器；
６１：旋回モータ； ６２：起伏シリンダ；
６３：伸縮シリンダ； ６４：ウインチモータ；
７１～７４：反力提示器

Claims (3)

1. 操作力によって傾倒される操作レバーと、
   前記操作レバーの傾倒角度に応じた速度で駆動されるブームと、
   前記ブームの先端に作用する力を検出する力検出器と、
   前記力検出器によって検出された力に基づいて、前記操作レバーに与えるべき角度、又は機械インピーダンスを演算する力制御器と、
   演算された角度、又は機械インピーダンスに基づいて、反力提示器に指示する角度又はトルクを演算する角度・トルク制御器と、
   操作力に加算して、演算された角度又はトルクを前記操作レバーに提示する反力提示器と、を備え、
   前記角度・トルク制御器は、演算された角度、又は機械インピーダンスに加算して、安定限界及びアクチュエータの出力限界に基づいて演算された操作限界角度、又は操作限界機械インピーダンスを超えない範囲で、角度又はトルクを演算して前記反力提示器に指示するようになっている、ブームの操作システム。
2. 前記操作レバーのうち、鉛直方向の操作に用いられる操作レバーには、前記反力提示器によって鉛直下方向の力が提示されるとともに、前記操作レバーの位置は、操作力が所定値以下の状態では不感帯内にとどまるようにされている、請求項１に記載されたブームの操作システム。
3. 前記操作レバーのうち、鉛直方向の操作に用いられる操作レバーは、中立点を判別するためにノッチ感を与えるように形成されている、請求項１又は請求項２に記載されたブームの操作システム。

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