JPH0313381B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、マスター装置の動き又は動きを表わ
す演算出力にならつて、作業機本体の動作を制御
するマスタースレーブ制御装置に関し、油圧シヨ
ベル、油圧クレーン、マニピユレータなどに好適
なものである。

油圧シヨベルなどの土木・建設機械の分野で
は、複数の作業部材から成る作業用アタツチメン
トと相似に形成されたミニチユアモデルをマスタ
ー装置とし、作業用アタツチメントをスレーブ装
置として、マスター装置の出力によつてサーボ系
を制御し、作業用アタツチメントをならい動作さ
せるものが特公昭47−177号公報などにより提案
されている。

また、マスター装置に速度指示信号を入力レバ
ーの操作によつて与える指示入力装置を設けたも
のが、特公昭54−37405号公報により公知であり、
これは、マスター装置を直接手動操作により動か
すものに比べて、運転者の操作が簡単で、運転者
の疲れが少なく、操作性がはるかに良くなる利点
がある。更に、マスター装置としては、必ずしも
作業機本体と相似なミニチユアモデルである必要
はなく、作業機本体の各作業部材の変位に対応す
るマスター装置内の変位信号を、例えば電気回路
などによつて算出する演算モデルでもよいこと
が、特開昭52−97089号公報などにより公知であ
る。これらの従来技術に基づいたマスタースレー
ブ制御装置の一例を第１図に示す。マスター装置
１、サーボ系２及び作業機本体３から成るマスタ
ースレーブ機構４に対して、指示入力装置５が設
けられる。指示入力装置５は、特公昭54−37405
号公報に示されるように前後上下に操作可能な一
本のレバーによつて作業機本体３のバケツト取付
点Ｐの速度ベクトルＶ→の成分Z〓x，Z〓yに夫々比例
する速度指示信号z〓x，z〓ｇを出力するものでもよ
いし、特公昭54−37406号公報に示されるように
掘進方向角tan^-1（Z〓y／Z〓x）を設定するダイヤル
と速度の大きさ｜Ｖ｜を設定するレバーとで構成
されたものでもよい。マスター装置１は演算モデ
ルで、変数変換用演算装置６と積分器７ａ，７ｂ
とから成る。変数変換用演算回路６は、作業機本
体３の作業部材（例えばアームとブーム）の速度
にそれぞれ対応する速度信号φ〓₁，φ〓₂を演算し、
積分器７ａ，７ｂは速度信号φ〓₁，φ〓₂を積分し、
作業部材の変位信号φ₁，φ₂として出力すると共
に、この変位信号φ₁，φ₂を記憶するものである。
サーボ系２は、制御偏差演算回路８ａ，８ｂ、信
号増幅器９ａ，９ｂ及び駆動系１０ａ，１０ｂに
よつて構成される。制御偏差演算回路８ａ，８ｂ
は、マスター装置１から入力する変位信号φ₁，
φ₂と各作業部材の実際の変位を検出した変位検
出信号Φ₁，Φ₂とを比較し、その差を偏差信号ε₁，
ε₂として出力する。信号増幅器９ａ，９ｂは偏差
信号ε₁，ε₂を駆動系１０ａ，１０ｂを制御できる
パワーまで増幅し、駆動系１０ａ，１０ｂは増幅
された偏差信号E₁，E₂に比例又はほぼ比例した
出力Q₁，Q₂を作業部材のアクチユエータに与え
る。

作業機本体３は油圧シヨベルでは作業部材とし
てブーム１１、アーム１２及びバケツト１３を備
え、これらを駆動するアクチユエータとしてブー
ムシリンダ１４、アームシリンダ１５及びバケツ
トシリンダ１６を備える。アームシリンダ１５が
駆動系１０ａによつて直接制御され、ブームシリ
ンダ１４が駆動系１０ｂによつて直接制御され、
これによつて、バケツト取付点Ｐは、指示入力装
置５が出力する速度指示信号z〓x，z〓yにそれぞれ
比例した成分Z〓，Z〓yを有する速度ベクトルＶ→でも
つて移動する。なお、サーボ系２の特性や所望制
御精度の違いによつて第１図に破線で示したフイ
ードバツクをとらない場合もあるし、変位信号
φ₁，φ₂の代りに、或はそれに加えて、速度信号
φ₁，φ₂をサーボ系２に入力させる場合もある。

第１図に示されるマスタースレーブ制御装置で
は、次に述べるような問題点が存在する。即ち、
制御装置全体が嫁動しておらず、したがつて、マ
スタースレーブ機構４が働いていない状態におい
て、マスター装置１内の変位信号φ₁，φ₂と作業
機本体３の変位検出信号Φ₁，Φ₂との間に大きな
偏差が生じている時、スイツチ等で指示して制御
装置全体を作動させると、作業機本体３がその大
きな偏差を短時間になくすべくオペレータの意図
せぬ方向に大きく動き出す不具合がある。

また、マスタースレーブ制御とは独立に、各ア
クチユエータを単独で操作できるようにするため
に、第２図に示されるように、制御偏差演算回路
８と信号増幅器９との間に、手動操作入力装置１
７と自動手動切換回路１８とを設けることが、特
公昭54−37406号公報などにより公知になつてい
るが、第２図に示されるマスタースレーブ制御装
置においては、作業機本体３のアクチユエータが
手動操作によつてマスタースレーブ制御の途中で
修正された後、再びマスタースレーブ制御に入る
と、その時にはマスター装置１内の変位信号φiと
作業機本体３の変位検出信号Φiとが大きくずれ
てしまつているため、作業機本体３が急激な修正
動作を行う。このことは、オペレータに不快感を
与えるのみならず、意図せぬ動きをするので、危
険である。なお、第２図で、信号を示す符号にそ
れぞれｉ又はｊが付いているのは、同様の信号が
系の自由度に相当する分だけあることを示す。
ε_aiは偏差信号、ε_niは手動信号である。

第１図について説明した不具合を解決するもの
として、始動時にマスター装置１と作業機本体３
との間に位置のずれがある場合に、作業機本体３
を微低速で動かしてマスター装置１に一致させる
ものが特公昭54−9801号公報により提案されてい
る。微低速で修正するということで危険の度合い
を低減しているとは云え、オペレータの意図に無
関係に作業機本体３が動くので、場合によつては
それでも危険であることがある。また、同時に、
一定許容範囲内の位置関係になるまで、作業機本
体３が微低速で動くのをオペレータが待つている
必要があり、好ましくない。更に、第２図の装置
には適用することができない。なぜならば、手動
入力装置１７の操作により作業機本体３を動かし
た後、マスタースレーブ制御に入ると、手動操作
による作業機本体３の変位が元に戻されてしまう
からである。

第１図について説明した不具合を解決する他の
ものとして、特開昭52−97089号公報がある。こ
れは、マスター装置１と作業機本体３との間に位
置のずれがある場合に、駆動系を停止して、ラン
プ等で表示するものである。この欠点は、位置の
ずれをオペレータが手動操作により修正しなけれ
ばならないため、時間及び手間がかかること、手
動入力装置１７による手動割込み動作後には、そ
れによる作業機本体３の変位を元に戻さなければ
ならないことである。

第１図について説明した不具合を解決する一つ
の手段として、特公昭54−37406号公報に示され
るように、マスタースレーブ制御に入る時に、マ
スター装置１の積分器７ａ，７ｂ又は７の初期値
を作業機本体３の変位検出信号Φiに基づて設定
することが考えられる。しかし、積分器７ａ，７
ｂ又は７の初期値を設定する設定手段、例えばサ
ーボポテンシヨメータなどの機構が必要となり、
また、設定操作も必要となる。更に、特公昭54−
37405号公報に示されるようなマスター装置、即
ち演算回路や積分器を持たない機械的マスター装
置では、初期条件を設定することが極めて困難で
ある。

本発明の目的は、上述した問題点を解決し、複
雑な初期条件の設定機構を設けることなしに、ま
た、初期条件の設定操作を行うことなしに、マス
タースレーブ制御に入る時に作業機本体がオペレ
ータの意図せぬ動きをする危険性をなくすことが
でき、しかも機械的なマスター装置を有するもの
にも適用することができるようにすることであ
る。

この目的を達成するために、本発明は、マスタ
ー装置の変位信号と制御対象である作業機本体の
変位を検出した変位検出信号とを比較し、その差
を偏差信号として出力する比較手段と、比較手段
の偏差信号に応じて大きさが増減し、マスター装
置に入力することによりマスター装置の変位信号
を作業機本体の変位検出信号に一致させる修正動
作信号を発生する修正動作信号発生手段と、マス
タースレーブ制御が行われる時には、指示入力装
置の変位指示信号によつてマスター装置を動作さ
せ、マスタースレーブ制御が行われない時には、
修正動作信号発生手段の修正動作信号を入力させ
ることによりマスター装置を動作させるように切
り換える切換手段とを設けたことを特徴とする。

以下、本発明を図示の実施例に基づいて詳細に
説明する。

第３図はマスター装置１として演算モデルを用
いた場合の本発明の一実施例を示す。第１図及び
第２図と同様な部分は同一符号にて示す。比較回
路１９は、マスター装置１が出力する変位信号φi
と作業機本体３の作業部材の変位を検出した変位
検出信号Φiとを比較し、その差Δφiを偏差信号と
して出力する。修正動作信号発生回路２０は、偏
差信号Δφiに応じて大きさが増減する修正動作信
号δ_iを出力する。信号切換回路２１は、マスター
スレーブ制御時には速度信号φiを積分器７に入力
させ、マスタースレーブ制御が行われない停止
時、或は手動操作時には修正動作信号δ_iを積分器
７に入力させるように切り換える。

マスタースレーブ制御が行われる自動運転時に
は、自動手動切換回路１８は、制御偏差演演算回
路８の出力側を信号増幅器９の入力側に接続して
おり、それに連動して信号切換回路２１は、変数
変換用演算回路６の出力側を積分器７の入力側に
接続するので、第１図について説明した動作と同
様に、マスター装置１は指示入力装置５からの速
度指示信号z〓jの入力によつて動作して、作業機本
体３の各作業部材の変位信号φiを演算し、出力す
る。サーボ系２は変位信号φiによつて各作業部材
を変位させ、速度指示信号z〓0yに対応した速度ベ
クトルＶ→で作業機本体３を作業させる。

マスタースレーブ制御が行われていない停止
時、或は手段操作時には、自動手動切換回路１８
は手動操作入力装置１７と信号増幅器９とを接続
する。これによつて、偏差信号ε_aiは信号増幅器
９に入力されず、手動信号ε_niが信号増幅器９に
入力される形となつている。この時、比較回路１
９はマスター装置１の変位信号φiと作業機本体３
の変位検出信号Φiとを比較し、その差Δφi＝Φi−
φiを偏差信号として修正動作信号発生回路２０へ
出力する。修正動作信号発生回路２０は、偏差信
号Δφiに対応して修正動作信号δ_iを発生し、信号
切換回路２１は、修正動作信号δ_iを積分器７に入
力させる。最も簡単な場合を例にとると、積分器
７の演算内容を φi＝∫^t _pφ〓idt＋φio で表わすと、 δi＝kΔφi＝ｋ（Φi−φi） とすれば、積分器７は偏差信号δ_iを積分した時の
出力φiは下式となる。

φi＝k∫^t _p（Φi−φi）＋φio 上式を両辺微分すると、 φ〓i＝ｋ（Φi−φi） φ〓i／ｋ＋φi＝Φi となる。上式は一般的に一次遅れ要素として知ら
れている形となり、Ｔ＝１／ｋ（秒）を時定数と
した遅れが伴うものの、Ｔ秒より大きな時間後に
は変位信号φiは変位検出信号Φiに限りなく近ず
くことを示している。

以上説明ではわかりやすくδ_i＝kΔφiとしたが、
一般的には偏差信号Δφiと修正動作信号δ_iとは単
調増加の関係であれば任意の関係でよく、いずれ
の場合にも変位信号φiは変位検出信号Φiに収束
する。これによつて、マスタースレーブ制御が行
われていない時には、変位信号φiは変位検出信号
Φiに常に追従して、変位信号φiを記憶する機能
の積分器７は連続動作を行うこととなる。したが
つて、マスタースレーブ制御に再び入る際には、
φi＝Φiが保たれており、作業機本体３がオペレ
ータの意図せぬ動きをすることはなくなる。

第４図は本発明の他の実施例を示すもので、マ
スター装置１は、例えば特公昭54−37405号に示
されるようにＸ−Ｙ速度制御器及びリンク機構か
ら成る機械的なもので、マスター装置１内に積分
機構が独立して存在していない。このような場合
にも本発明は適用できる。変数変換用演算回路２
２は、マスター装置１の変位信号φiを、バケケツ
ト取付点Ｐに対応するマスター装置１内の座標zj
に変換し、変数変換用演算回路２３は、作業機本
体３の各作業部材の変位検出信号Φiを、バケツ
ト取付点Ｐの座標Zjに変換する。比較回路１９は
座標zjと座標Zjとを比較し、偏差信号Δzjを出力
する。修正動作信号発生回路２０は偏差信号Δzj
により修正動作信号δ_iを発生し、信号切換回路２
１を介してマスター装置１に入力する。修正動作
信号δ_iは座標zjを座標Zjに無限に近づける方向の
速度指示信号z〓jに相当する形で入力されるので、
マスター装置１は座標zjを座標Zjに近づけるよ
う、即ち変位信号φiを変位検出信号Φiに近づけ
るように動作する。

第３図又は第４図図示の実施例において、マス
タースレーブ制御が行われていない間は、指示入
力装置５の速度指示信号z〓jが信号切換回路２１に
よつてしや断されていることは重要である。その
理由は、前述したように変位信号φiを変位検出信
号Φiに一致させるのにＴ＝１／ｋ秒の遅れを伴
うが、定数ｋを小さく選んだ場合、時定数Ｔが大
きくなり、完全にφi＝Φiとならない間に、指示
入力装置５を操作すると、マスター装置１と作業
機本体３とは一致しないまま制御され、所望の動
作を行わないおそれがあるからである。定数ｋを
大きくとつて、マスター装置１の修正動作が瞬時
に行われるようにしておけば、こうした問題はな
くなるが、機械的なマスター装置１では、定数ｋ
を余り大きくすると、マスター装置１内の応答遅
れのためハンチング現象を生じる場合も考えら
れ、定数ｋを余り大きくすることはできない。そ
こで、変位信号φiと変位検出信号Φiとが一致し、
マスター装置１と作業機本体３との間に位置のず
れがなくなるまで、信号切換回路２１により指示
入力装置５の速度指示信号z〓jがマスター装置１の
出力である変位信号φiに影響を与えないようにす
ることが必要である。このため、信号切換回路２
１は、変数変換用演算回路６から修正動作信号発
生回路２０へ切り換わる時は自動手動切換回路１
８に連動するのみでよいが、修正動作信号発生回
路２０から変数変換用演算回路６へ復帰する時は
自動手動切換回路１８が自動へ戻り、且つ偏差信
号Δφi又はΔzjが予め定められた許容値以内に入
つたことを条件として切換動作を行うのがよい。

図示実施例では、指示入力装置５はバケツト取
付点Ｐの速度指示信号z〓iを出力するものである
が、バケツト取付点Ｐの変位指示信号を出力する
ものにしてもよい。また、マスター装置１は作業
機本体３の各作業部材（例えばブームとアーム）
への変位信号φiを出力しているが、各作業部材の
アクチユエータ（例えばブームシリンダとアーム
シリンダ）への変位信号を出力してもよい。この
場合、変位検出信号はアクチユエータの変位を検
出した信号となることは勿論である。

本発明は手動操作入力装置１７及び自動手動切
換回路１８を備えていないものに対しても適用す
ることができる。

以上説明したように、本発明によれば、マスタ
ースレーブ制御が行われない時には、マスター装
置の変位信号と作業機本体の変位検出信号との差
に応じて大きさが増減する動作修正信号を、切換
手段によりマスター装置に入力させ、マスター装
置の変位信号を作業機本体の変位検出信号に一致
させるようにしたから、複雑な初期条件の設定機
構を設けることなしに、また、初期条件の設定操
作を行うことなしに、マスタースレーブ制御に入
る時に作業機本体がオペレータの意図せぬ動きを
する危険性をなくすことができる。また、機械的
なマスター装置を有するものにも適用することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来技術によるマスタースレーブ制御
装置の一例のブロツク図、第２図は従来技術によ
るマスタースレーブ制御装置の他の例のブロツク
図、第３図は本発明の一実施例のブロツク図、第
４図は本発明の他の実施例のブロツク図である。 １……マスター装置、３……作業機本体、４…
…マスタースレーブ機構、５……指示入力装置、
１９……比較回路、２０……修正動作信号発生回
路、２１……信号切換回路、２２，２３……変数
変換用演算回路、z〓i……速度指示信号、φi……変
位信号、Φi……変位検出信号、Δφi，Δzj……偏
差信号、δ_i……修正動作信号。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 作業機本体の動作と相似な動きを示すマスタ
   ー装置にならつて、作業機本体が動作するマスタ
   ースレーブ機構に対して、変位指示信号又は速度
   指示信号をマスター装置に入力する指示入力装置
   を設けたマスタースレーブ制御装置において、マ
   スター装置の変位信号と制御対象である作業機本
   体の変位を検出した変位検出信号とを比較し、そ
   の差を偏差信号として出力する比較手段と、比較
   手段の偏差信号に応じて大きさが増減し、マスタ
   ー装置に入力することによりマスター装置の変位
   信号を作業機本体の変位検出信号に一致させる修
   正動作信号を発生する修正動作信号発生手段と、
   マスタースレーブ制御が行われる時には、指示入
   力装置の変位指示信号によつてマスター装置を動
   作させ、マスタースレーブ制御が行われない時に
   は、修正動作信号発生手段の修正動作信号を入力
   させることによりマスター装置を動作させるよう
   に切り換える切換手段とを設けたことを特徴とす
   るマスタースレーブ制御装置。