JPH086353B2 - 負荷フィードバック機構付き制御レバー - Google Patents

負荷フィードバック機構付き制御レバー

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JPH086353B2
JPH086353B2 JP62505913A JP50591387A JPH086353B2 JP H086353 B2 JPH086353 B2 JP H086353B2 JP 62505913 A JP62505913 A JP 62505913A JP 50591387 A JP50591387 A JP 50591387A JP H086353 B2 JPH086353 B2 JP H086353B2
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リチャード アレン シメンスカ
マーヴィン パトリック シュナイダー
トーマス ジョン ビュージ
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キャタピラー インコーポレーテッド
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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、一般的には、作業器具の状況を電子制御す
る装置に関し、より詳細には、作業器具にかかっている
負荷を示すフィードバック信号を送る装置に関する。
〔従来の技術〕
地上にいる監督者は一般に、大きな投資がなされた一
団の重装備車両を監督する。この監督のやり方によって
収益性に大きな影響が出る。例えば、熟練の作業者は低
い作業コストで高い生産性と効率を達成できるが、逆
に、経験の少ない物あるいは新しい作業者は低い効率し
か達成できない。さらに、熟練作業者であっても疲労、
健康不良、倦怠のために生産性が低下する時期もある。
多量の土砂を運ぶより大きな車においては、経験と技
術の不足は一層深刻である。そのような車では、作業者
は実際の仕事からは解放され、作業器具のみが視界にあ
り、車の質量に起因して作業器具に作用する力からも隔
離される。エンジン回転数は車の作業性の指標となる
が、空調のきいた運転室のように作業条件が良くなる
と、作業者がエンジン音を聞くことは一層困難になる。
このような場合には、タコメータがエンジン速度を観察
するのに有用であるが、作業者の注意は主に作業に向け
られてしまうで、タコメータのような可視指標手段では
絶え間ない観察が不可能である。作業者の視界が作業器
具に限られている間にも、効率に関する情報、例えばサ
イドスピルの大きさ等の情報が可視的に集められる。こ
のように、タコメータから情報を得ても、他の可視的情
報を見逃すことによってその情報は部分的に相殺され
る。
本発明は上述の諸問題を解決することを目的とする。
特に、車の作業に関する正確な指示、すなわち、車が行
うあらゆる作業に向けられるものはなく、熟練の作業者
のための適切な指示を提供することを目的とする。
〔発明の開示〕
本発明の一態様は、作業器具の状態を制御するフィー
ドバック機構付き制御レバーである。フィードバック機
構付き制御レバーは、少なくとも一つの平面内において
所定の可動範囲を有し、手動で位置変更可能な制御レバ
ーと、該制御レバーに連結し、該制御レバーとともに移
動可能であり、前記制御レバーの位置に対応した大きさ
の第一信号を発信するようにされたセンサと、作業器具
にかかる負荷を検知し、その負荷に対応した大きさの第
二信号を発信する手段と、受信した制御信号の大きさに
対応して、所定の可変の大きさの力を前記制御レバーに
作用させる付勢手段と、前記第一信号および第二信号を
受信し、両信号の大きさに対応した大きさの制御信号を
前記付勢手段に発信する手段とを備える。
〔図面の簡単な説明〕
第１図は本発明を車に適用した一実施例のブロック
図、第２図は本発明に係るフィードバック機構付き制御
レバーの一部断面を含む側面図、第３図は本発明に係る
フィードバック機構付き制御レバーの一部断面を含む端
面図、第4A乃至4C図は負荷を受けたときのハンドル位置
とフィードバック力との関係を示す線図、第５図はソフ
トフェア制御をする場合のフローチャートである。
〔実施例〕
第１図のブロックダイアグラムには、例えばトラック
型トラクタ14のような車12に本発明を適用した装置10が
示されている。ここに示した機構は一つの可能な実施例
として例示したものであって、これに限定する意図では
ない。本発明の範囲から逸脱しない範囲で多くの改変が
可能である。フィードバック機構付き制御レバー16は、
ブルドーザーブレード20のような作業器具18の位置制御
を行う。ブレード20の位置変更は油圧シリンダー22と電
子油圧バルブ24とを介して行われる。バルブ24はコイル
26を備えており、このコイル26は交互に反対方向に励磁
されてバルブ24内のスプール（図示せず）を動かす。ス
プールはシリンダー22内において油圧流体を両方向に制
御可能に駆動し、これによってブレード20は上がったり
下がったりする。
コイル26の励磁は中央制御装置28によりなされる。中
央制御装置28は通常の電子装置であり、第５図のフロー
チャートと関連して描かれたソフトウェア制御の下に作
動するマイクロプロセッサ30を備えている。中央制御装
置28はディジタル技術を用いて作動しており、このため
ディジタル−アナログ変換器（D/A）32を用いて、制御
可能なアナログ信号をコイル26に送っている。ディジタ
ル−アナログ変換器は通常の変換器であり、適当な変換
器としては米国Analog Devices社のAD 650がある。第２
図および第３図を同時に参照してフィードバック機構付
き制御レバー16の構造を説明する。制御レバー16は手動
で位置変更できるレバー33を備えている。レバー33は少
なくとも一つの平面内において所定の可動範囲を有して
おり、中立位置から第一および第二の両回転方向へ選択
的に回動し得る。レバー33は、支持ブラケット42と揺動
ピン44とによってハウジング40に揺動可能に取付けられ
たハンドル38を備えている。ハンドル38は、ピン44の軸
に垂直な平面内においてピン44の軸の回りに揺動する。
ハンドル38は支持ブラケット42の下方において、前方リ
ンケージ48および後方リンケージ50と係合している他の
ブラケット46に連結している。前方リンケージ48は一個
の矩形シャフト51を備えており、この矩形シャフト51は
その両端が、ブラケット46と、誘導センサー54（第２図
参照）の可動部52とにそれぞれ揺動可能に連結してい
る。従って、ハンドル38の揺動運動とセンサー54の可動
部52の運動とは類似したものとなる。センサー54は、内
壁（図番なし）に取付けられたヨーク56を介してハウジ
ング40に取付けられている。
センサー54は、レバー33の位置に対応した大きさの第
一信号を発信する。センサー54としては市販のディジタ
ル型センサーを用いることができるが、利用性と車の価
値とを考えれば、例えばリフトトラックのアクセルペダ
ルの位置検出に用いられるようなアナログ誘導型センサ
ーが適している。センサー54は、通常のアナログ−ディ
ジタル変換器（A/D）58（例えば、Analog Devices社のA
D 537）を介して中央制御装置28に電気接続している。
制御レバー16は付勢手段60を備えている。付勢手段60
は、受信した制御信号の大きさに対応した所定の可変の
大きさの力をハンドル38に与えるものである。付勢手段
60は、ハンドル38に連結し、かつハンドル38により回転
可能な少なくとも一つのトルクモーター62を備えてい
る。トルクモーター62は一の回転方向にのみ駆動力を与
える。このため、ハンドル38が行う動きの何れの方向に
も駆動力が与えられるように二つのトルクモーターが使
用される。二方向に駆動力を与えられる他の型式のアク
チュエータを使用すれば、一つのアクチュエータで足り
る。この型式のアクチュエータとしては、例えば、ソレ
ノイド、DCモーター、空圧または油圧シリンダー等があ
る。トルクモーターはそのコンパクト性、制御の容易
性、所望の力（４〜６ポンド）を付与する能力等からみ
て好適である。
トルクモーター62、64は支持ブラケット66を介してハ
ウジング40に取付けられている。支持ブラケット66はハ
ウジング40の上面上に延びており、支持ブラケット42に
よりハウジング40の上面に取付けられている。従属アー
ム68、70はそれぞれモーター62、64は取り囲み、両モー
ターが対向するように両モーターを支持している。モー
ター62、64の軸72、74は両モーターの回転力によりハン
ドル38が揺動運動を行うように、ともに後方リンケージ
50に連結している。後方リンケージ50は、その両端にお
いてブラケット46に連結し、さらにそれぞれリンク80、
81を介して軸72、74に連結している一対の矩形シャフト
76、78を備えている。
トルクモーター62、64は一対のディジタル−アナログ
変換器（D/A）84、86を介して中央制御装置28に電気接
続されている。中央制御装置28はソフトウェア制御の下
に作動し、トルクモーター62、64に送られる電流を調整
し、もってハンドル38を及ぼす力の大きさ及び方向を制
御する。
車12は主発動機90とトランスミッション92とを備えて
いる。好適な実施例においては、トランスミッション92
には自動作動レンジがあり、また、主発動機90及びトラ
ンスミッション92と連結した標準油圧トルクコンバータ
ー（図示せず）を備えている。
負荷検知手段88は作業器具18にかかっている負荷を検
知し、その負荷に対応した大きさの第二信号を発する。
負荷検知手段88は速度検知手段94を備えている。速度検
知手段94は主発動機90およびトランスミッション92の、
それぞれの速度と比較しての、回転速度を検知し、速度
差に対応した大きさの第二信号を発する。エンジンとト
ランスミッションとの速度差は車の負荷の好適な目安で
あることがわかり、従って、その速度差は作業器具の負
荷の合理的な近似値でもある。より直接的な測定方法も
存する。例えば、歪みゲージや磁気歪み物質を作業器具
18または車12の駆動系統に適用する方法である。このよ
うな方法をもって上記の方法に代えることもできる。
負荷検知手段88は一対の速度センサー（図示せず）を
備えている。誘導型のものが好ましく、各センサーは主
発動機90およびトランスミッション92のギヤまたはフラ
イホィールを検知する関係にあるように配置される。周
知のように、信号の周波数は回転速度を表す。これらの
信号は最終的には中央制御装置28に送られ、ソフトウェ
ア制御の下で処理される。
第５図はソフトウェエ制御サブルーチンのフローチャ
ートである。主制御ルーチンは定期的に同図のサブルー
チンを呼び出し、ブロック100において実行を開始す
る。サブルーチンからなる手段99は第一および第二信号
を受け、第一および第二信号の大きさに対応した大きさ
の制御信号を発信する。制御信号は付勢手段60によって
受信され、その信号の大きさによってハンドル38に与え
られる力が決まる。サブルーチンは、第一にアナログ−
ディジタル変換器58によって送られてきたハンドル位置
センサー54の大きさを読みとる。この値はメモリーに記
憶され、後に、ハンドル38に与える力の所望の大きさと
方向とを計算するときに使用される。続いて、ブロック
102において、主発動機90およびトランスミッション92
の速度センサーが読み出され、メモリーに記憶される。
ブロック104において、主発動機90とトランスミッショ
ン92との速度差を決定することによって作業器具18にか
かった負荷の近似値が計算される。速度差と作業器具負
荷との間には直接的な関係がある。したがって、速度差
が大きくなれば、作業器具負荷も大きくなる。
ブロック106において、ハンドル位置と作業器具負荷
とから所望のフィードバック力を求めるのに種々の手段
を用いることができる。例えば、第4A、4B、4C図のグラ
フに注目すると、そこには三つの方法が描かれており、
それぞれある条件の下では最良の方法である。まず、第
4A図のグラフには、最大出力によってフィードバック力
を変化させる方法、すなわちフィードバックは最大ハン
ドル位置以下の作業器具負荷により決定する方法が例示
されている。最大ハンドル位置以下の位置においては、
フィードバック力は作業器具負荷とハンドル位置とから
直接に決定される。
第4B図のグラフには、フィードバック力を最大力の変
化レベルによって変化させる方法が例示されている。こ
の制御方法においては、明確に検知し得る力の変化によ
ってフィードバック力は常にハンドル位置と作業器具負
荷との双方から決定されるので、フィードバック力は一
層精巧に制御される。この制御方法によって、作業者に
は、使用し得る力の範囲内でのフィードバック力の微妙
な変化によってより多くの情報が送られる。経験の多少
によらず、作業者は作業器具負荷の重要な変化を検知す
ることができる。
第4C図のグラフには、自動制御が例示されている。こ
の方法では、装置10は第二制御、例えば米国特許第4,63
0,685号記載の制御、と関連して作動する。この米国特
許に係る装置は、例えば地上速度、長手方向の角速度、
ブレード位置等の種々のパラメーターをモニターするこ
とによってブルドーザーのブレードを制御し、ブレード
が高生産性の位置を保つようにする。この制御は熟練の
作業者を模倣しようとするものであるが、検知能力の実
用的な限度や予想不能の出来事のために、制御は必ずし
も最も効率良くは作動しない。したがって、作業者がこ
の米国特許に係る制御を作動させない方が有利な場合も
ある。
第4C図に示されているように、前記米国特許により求
められた最適のブレード位置はピークの生産性を有し、
ブレードがその位置から上昇しても下降しても生産性は
低下する。したがって、最適のブレード位置が求めら
れ、偏差が前記米国特許の制御により中央制御装置28に
送られ、負荷検出手段88からの作業器具負荷信号にとっ
て代わる。さらに、この方法ではブロック102および104
はバイパスされ、フィードバック力はブロック106にお
いてブレード位置偏差から直接に求められる。そのう
え、ブレード20の偏差は何れかの方向に起こるので、ト
ルクモーター62、64の双方が交互に用いられる。もし、
作業者がハンドル38から手を離し、全自動作動にすれ
ば、ハンドル38はトルクモーター62、64によって所望の
作動方向に移動し、これによってブレード20の位置が変
化する。しかしながら、ハンドル38に及ぼされる力が４
〜６ポンドの範囲であれば、作業者はハンドル38を押さ
えることにより容易にハンドルの動きを止めることがで
きる。
その後、ブロック108において、所望のフィードバッ
ク力は所望の電流に変換させられる。この所望の電流は
トルクモーター62、64に送られ、力を作り出す。所望の
フィードバック力は適切にスケーリングされてディジタ
ル信号となり、ディジタル−アナログ変換器84、86の何
れか一方に送られる。最後に、ブロック110において、
所望の油圧流量がハンドル位置センサーから直接に求め
られ、適切なスケーリングによって所望の電流に変換さ
せられ、ディジタル−アナログ変換器32に送られ、バル
ブ24内のスプールの位置を制御する。
〔産業上の利用性〕
作業車12の全作動はトラクター14が標準的なモードで
作動することを想定している。作業車の作動の間におい
ては、低生産性をもたらすトラックの過剰スリップを伴
うことなく、最大負荷が車12により伝達されることが望
ましい。車の容量以下の負荷を伝達しても生産性は低下
する。したがって、作業者が車が伝達している負荷の大
きさを決定する際に作業者を援助するため、装置10は加
えた力を減少させるようなハンドル38の位置の方向にハ
ンドルに力を加える。
作業者が作業器具18を下げ、ブレード20に負荷をかけ
始めると、装置10は主発動機90とトランスミッション92
との速度差に基づく負荷を検知する。フィードバック力
の決定に際しては、装置10は作業器具負荷のみならずハ
ンドル38の位置も考慮する。作業者が活発に活動するほ
ど、車12の負荷が過重になるのが早くなる。このよう
に、力の決定要素にハンドル位置も加えることにより、
事態の緊急性は効果的に伝えられる。しかしながら、フ
ィードバック力の存在は車12の負荷が過重であることを
意味するものではなく、単に車12に負荷がかかっている
ことを意味するだけである。フィードバック力は作業器
具負荷の指標となるものにすぎず、作業者は負荷の近似
値を判定しなければならない。装置10は作業器具18を最
適のレベルにするように作動するものではなく、単に車
12がどの程度の負荷で運転されているのかの決定に役立
つだけである。
明らかに、この作動態様においては、力は一方向（ブ
レード20を上昇させる方向）にのみ働き、第二のトルク
モーター64は作動していないが、他の作動態様において
はトルクモーター62、64の双方を利用することもでき
る。例えば、第4C図と関連して述べた自動モードにおい
ては、所望のブレード位置は第二制御により引き続きモ
ニターされるが、装置10はブレード20の所望の位置を保
つためにブレード20をいつ上昇または下降させなければ
ならないかを作業者に支持することができる。装置10を
他の事に使用した場合、例えばブームを何れかの方向に
動かして掘削を行う掘削機（フロントショベルまたはバ
ックホーに用いた場合）に使用した場合には、両方向に
おける作業器具負荷の指示を与えることが望ましい。し
たがって、必要なトルクモーターの数は車とフロントシ
ョベル等の適用物との双方による。その上、多重軸制御
には多重トルクモーターが必要となることがある。
本発明の他の態様、目的、利点は図面、明細書の説明
および特許請求の範囲から明らかにすることができる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ビュージ トーマス ジョン アメリカ合衆国 イリノイ州 61615 ピ オーリア ハイメドー プレイス ３エ イ‐5423 (56)参考文献 特開 昭63−135601（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−199125（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−20834（ＪＰ，Ａ) 実公 昭55−24653（ＪＰ，Ｙ２) 米国特許4580210（ＵＳ，Ａ) 米国特許3680370（ＵＳ，Ａ)

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】少なくとも一つの平面内において所定の可
    動範囲を有する手動で位置調整可能なレバー（33）と、 該レバー（33）と連結し、該レバーとともに移動でき、
    前記レバーの位置に対応した大きさの第一信号を発信す
    るセンサー（54）と、 主発動機（90）とトランスミッション（92）の双方の回
    転速度を検知し、両回転速度の速度差を求め、この速度
    差に対応し、かつ、作業器具にかかっている負荷に対応
    した大きさの第二信号を発信する手段（88）と、 受信した制御信号の大きさに対応して所定の可変の大き
    さの力を前記レバー（33）に与える付勢手段（60）と、 前記第一信号および前記第二信号を受信し、これら両信
    号の大きさに対応した大きさの制御信号を前記付勢手段
    （60）に発信する手段（99）と、 からなる、トルクコンバータにより連結された主発動機
    （90）とトランスミッション（92）とを有する作業車
    （12）に搭載された作業器具（18）の位置制御用フィー
    ドバック機構付き制御レバー装置（16）。
  2. 【請求項２】前記付勢手段（60）は、前記レバー（33）
    に固定され、前記レバー（33）とともに回転可能な少な
    くとも一つのトルクモーター（62）を備えていることを
    特徴とする請求項（１）記載の制御レバー装置（16）。
  3. 【請求項３】前記制御信号発信手段は、前記第一信号お
    よび前記第二信号の大きさの関数として前記制御信号の
    大きさを計算するものであることを特徴とする請求項
    （１）記載の請求項レバー装置（16）。
  4. 【請求項４】前記制御信号発信手段は、前記第一信号の
    最大値を受けた状態で、最大値が第二信号の値に係わり
    なく同一の値となる制御信号を発生するものであること
    を特徴とする請求項（３）記載の制御レバー装置（1
    6）。
  5. 【請求項５】前記制御信号発信手段は、前記第一信号の
    最大値を受けた状態で、最大値が、第二信号の値により
    変化する制御信号を発生するものであることを特徴とす
    る請求項（３）記載の制御レバー装置（16）。
  6. 【請求項６】前記レバー（33）は単一平面内で第一およ
    び第二の回転方向に揺動運動可能に設けられ、前記セン
    サー（54）は前記レバー（33）とともに回転可能であ
    り、前記付勢手段（60）は前記回転方向のうちの一つの
    方向に選択的に前記力を与えるものであることを特徴と
    する請求項（１）記載の制御レバー装置（16）。
  7. 【請求項７】前記制御信号発信手段（99）は、前記第一
    信号および前記第二信号の大きさの関数として、前記第
    一信号及び第二信号の大きさの増加分だけ大きさが増加
    する制御信号を発生するものであることを特徴とする請
    求項（６）記載の制御レバー装置（16）。
  8. 【請求項８】前記制御信号発信手段（99）は、前記第一
    信号の最大値を受けた状態で、最大値が第二信号の値に
    係わりなく同一の値となる制御信号を発生するものであ
    ることを特徴とする請求項（７）記載の制御レバー装置
    （16）。
  9. 【請求項９】前記制御信号発信手段（99）は、前記第一
    信号の最大値を受けた状態で、最大値が第二信号の値に
    より変化する制御信号を発生するものであることを特徴
    とする請求項（７）記載の制御レバー装置（16）。
  10. 【請求項１０】前記制御信号発信手段は前記第一信号及
    び前記第二信号を受信し、これら両信号の大きさの関数
    として作業器具の最適位置の計算結果に想到する制御信
    号を発信するものであることを特徴とする請求項（７）
    記載の制御レバー装置（16）。
  11. 【請求項１１】前記作業車（12）は、付属の地上用また
    は操縦用作業器具を備えたオフハイウェイ用車であっ
    て、作業器具の位置は前記制御レバー（33）により制御
    されるものであることを特徴とする請求項（１）記載の
    制御レバー装置（16）。
JP62505913A 1987-02-13 1987-09-23 負荷フィードバック機構付き制御レバー Expired - Lifetime JPH086353B2 (ja)

Applications Claiming Priority (3)

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US14,734 1987-02-13
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