JP2016216909A

JP2016216909A - ショベル

Info

Publication number: JP2016216909A
Application number: JP2015099120A
Authority: JP
Inventors: 哲司小野; Tetsuji Ono
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2015-05-14
Filing date: 2015-05-14
Publication date: 2016-12-22

Abstract

【課題】操作者の感覚に適合した旋回操作特性を有するショベルを提供する。【解決手段】ショベル１は、クローラ、クローラに対して旋回する上部旋回体を備える。上部旋回体の運転席には旋回レバー１０２が設けられる。補正部１０４は、右旋回と左旋回に関して異なる補正特性を保持しており、旋回レバー１０２の操作量に応じた旋回指令値ωＣＮＴを、方向が対応する補正特性に応じて補正する。旋回装置３００は、補正された旋回指令値ωＲＥＦにもとづいて上部旋回体を旋回させる。【選択図】図３

Description

本発明は、ショベルに関する。

ショベルは、クローラと呼ばれる走行体、上部旋回体、走行体に対して上部旋回体を回転させる旋回装置、上部旋回体に取り付けられるアタッチメントを備える。油圧ショベルでは、上部旋回体の動力、アームやブーム、バケットの動力として、油圧が利用される。

図１（ａ）はショベルの操縦席１００を示す図である。操縦席には、操作者（オペレータ）が操作する旋回レバー１０２が設けられる。旋回レバー１０２の操作方式は、規格、メーカーに応じて異なる。たとえば横旋回では、左方向に旋回レバーを倒すと左旋回、右方向に旋回レバーを倒すと右旋回する。旋回装置は、旋回レバー１０２の操作量、すなわち傾きを検出し、操作量に応じて目標速度を設定し、旋回体の実速度が目標速度と一致するように、旋回モータのトルクをフィードバック制御する。規格によっては、右側のレバー１０３が、旋回レバー動作に割り当てられる場合もある。

ショベルをはじめとする建設機械は、不特定の操作者によって使用されるものであるが、その操作特性は、仮想的な操作者を想定して設計される。その結果、ある操作者にとっては、応答性が悪いと感じたり、逆に、ある操作者にとっては、応答性が良過ぎると感じたりするおそれがある。操作者の操作意思（感覚）と、旋回体の実際の運動が異なると、作業効率が悪化し、またハンチングなどを引き起こして、快適性あるいは安全性に影響を及ぼすおそれがある。特許文献１，２には関連技術が開示されている。

特開２００９−６８１９７号公報特開２０１０−００７２６５号公報

本発明者は、旋回レバーについて検討した結果、以下の問題を認識するに至った。
図１（ｂ）は、横旋回方式の旋回レバー１０２を示す図である。旋回レバー１０２は、必ずしも人間工学の見地から好ましい設計がなされているわけではない。例として、横旋回方式の旋回レバー１０２が、操作者の左手で操作される場合、右旋回は、左手を内側に倒す動作（i）に、左旋回は、左手を外側に倒す動作（ii）に対応することとなるが、多くの人間にとって、内側に倒す場合と外側に倒すとき場合とで、力の入れ具合は異なり、結果としてレバーを倒す速度が異なることとなる。また操作者が同じ角度傾けたつもりでも、内側に倒す場合と外側に倒すとき場合では、実際の傾きは異なりうる。このように、ある一人の操作者にとっても、右旋回と左旋回とで感覚が異なることが起こりえる。縦旋回方式の旋回レバーについても、奥側に倒すときと、手前側に倒すときで、同様の問題が生じうる。なおこのような問題を当業者の一般的な認識と捉えてはならず、本発明者が独自に認識したものである。

本発明は係る課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、操作者の感覚に適合した旋回操作特性を有するショベルの提供にある。

本発明のある態様は、ショベルに関する。ショベルは、クローラと、クローラに対して旋回する上部旋回体と、上部旋回体の運転席に設けられた旋回レバーと、右旋回と左旋回に関して異なる補正特性を保持しており、旋回レバーの操作量に応じた旋回指令値を方向が対応する補正特性に応じて補正する補正部と、補正された旋回指令値にもとづいて上部旋回体を旋回させる旋回装置と、を備える。
この態様によると、旋回レバーの構造および操作者の運動の非対称性に起因する左旋回と右旋回のずれを補正し、左旋回と右旋回を同じ感覚で行うことができる。

右旋回に対応する操作と左旋回に対応する操作を含む所定の標準操作が規定されてもよい。補正部は、キャリブレーションモードにおいて、操作者が、標準操作を行う意図をもって、旋回レバーを操作したときの旋回指令値を取得し、取得した旋回指令値と標準操作の結果得られるべき正しい旋回指令値である標準指令値の関係にもとづいて、補正特性を更新してもよい。
これにより、個々の操作者に最適な旋回操作特性を実現できる。

本発明の別の態様もまた、ショベルである。このショベルは、クローラと、クローラに対して旋回する上部旋回体と、上部旋回体の運転席に設けられた旋回レバーと、旋回レバーの操作量に応じた制御指令に応じて、上部旋回体を旋回させる旋回装置と、補正部と、を備える。右旋回に対応する操作と左旋回に対応する操作を含む所定の標準操作が規定されている。補正部は、（i）キャリブレーションモードにおいて、操作者が、標準操作を行う意図をもって、旋回レバーを操作したときの旋回指令値を取得し、取得した旋回指令値と標準操作の結果得られるべき正しい旋回指令値である標準指令値の関係にもとづいて、補正特性を生成し、（ii）通常の作業モードにおいて、補正特性にもとづいて旋回指令値を補正し、旋回装置に出力する。
これにより、個々の操作者に最適な旋回操作特性を実現できる。

標準操作は、左旋回に対応する方向、右旋回に対応する方向それぞれに対して、同じ速度で旋回レバーを傾ける動作を含んでもよい。これにより、左旋回の加速と右旋回の加速を揃えることができる。

標準操作は、左旋回に対応する方向、右旋回に対応する方向それぞれに対して、同じ量だけ旋回レバーを傾ける動作を含んでもよい。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、操作者の感覚に適合した旋回操作特性を実現できる。

図１（ａ）はショベルの操縦席を示す図であり、図１（ｂ）は横旋回方式の旋回レバーを示す図である。実施の形態に係るショベルの外観を示す斜視図である。実施の形態に係るショベルの旋回軸の制御系を示すブロック図である。図４（ａ）、（ｂ）は、左旋回と右旋回の補正特性の一例を示す図である。キャリブレーション動作を示すフローチャートである。第１のキャリブレーションを示す波形図である。図７（ａ）は第２のキャリブレーションを示す波形図であり、図７（ｂ）は補正テーブルを示す図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図２は、実施の形態に係るショベル１の外観を示す斜視図である。ショベル１は、主としてクローラ（走行機構ともいう）２と、クローラ２の上部に旋回機構３を介して回動自在に搭載された上部旋回体（以下、単に旋回体ともいう）４とを備えている。

旋回体４には、ブーム５と、ブーム５の先端にリンク接続されたアーム６と、アーム６の先端にリンク接続されたバケット１０とが取り付けられている。バケット１０は、土砂、鋼材などの吊荷を捕獲するための設備である。ブーム５、アーム６、及びバケット１０は、アタッチメント１２と総称され、それぞれブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９によって油圧駆動される。また、旋回体４には、バケット１０の位置や励磁動作および釈放動作を操作する運転者を収容するための運転室４ａや、油圧を発生するためのエンジン１１といった動力源が設けられている。エンジン１１は、例えばディーゼルエンジンで構成される。

図３は、実施の形態に係るショベル１の旋回軸の制御系を示すブロック図である。ショベル１は、旋回レバー１０２、補正部１０４および旋回装置３００を備える。

旋回レバー１０２は、旋回体４の旋回動作を行う際に使用される。旋回レバー１０２を傾ける方向が、旋回方向に対応し、また傾けた角度（操作量）が旋回体４の旋回指令値となる。本実施の形態では一例として旋回指令値は、旋回体４の旋回速度を指示する速度指令値ω_ＣＮＴであるものとするが、本発明はそれには限定されない。補正部１０４は、右旋回と左旋回に関して異なる補正特性を保持しており、旋回レバー１０２の操作量に応じた速度指令値ω_ＣＮＴを、左右の補正特性のうち対応する一方に応じて補正する。

旋回装置３００は、補正された前速度指令値ω_ＲＥＦにもとづいて旋回体４を旋回させる。旋回装置３００は、旋回モータ３０２、駆動手段３０４、回転検出手段３０６、旋回軸コントローラ３１０を備える。旋回モータ３０２の回転運動は、減速機３０８を含む旋回軸機構を介して旋回体４に伝達される。回転検出手段３０６は、旋回体４の旋回速度ω_ＦＢを検出する。回転検出手段３０６は旋回体４の回転速度を直接検出してもよいし、旋回モータ３０２の回転速度を検出し、減速機３０８の減速比を乗算することにより、旋回体４の回転速度を間接的に検出してもよい。

旋回軸コントローラ３１０は、旋回体４の実速度を示す速度検出値ω_ＦＢが目標速度である速度指令値ω_ＲＥＦと一致するように、旋回モータ３０２のトルク指令値τ_ＲＥＦをフィードバック制御する。駆動手段３０４は、トルク指令値τ_ＲＥＦにもとづいて旋回モータ３０２を駆動する。ハイブリッドショベルでは、旋回モータ３０２は電動モータであり、駆動手段３０４はインバータである。油圧ショベルでは旋回モータ３０２は油圧モータであり、駆動手段３０４は、コントロールバルブに相当する。

旋回軸コントローラ３１０はたとえばＰＩ（比例・積分）制御器であり、減算器３１２、ＰＩ補償器３１４を含む。減算器３１２は、速度指令値ω_ＲＥＦと速度検出値ω_ＦＢの誤差を検出する。ＰＩ補償器３１４は、誤差を比例・積分演算し、トルク指令値τ_ＲＥＦを生成する。なおＰＩ補償器３１４はＰＩＤ補償器やＰ補償器など、別の形式の補償器を用いてもよい。

続いて補正部１０４の補正特性について説明する。
たとえば、左レバー・横旋回方式の旋回レバーについて検討する。右旋回は、左手を内側に倒す動作（i）に、左旋回は、左手を外側に倒す動作（ii）に対応することとなるが、多くの人間にとって、内側に倒す場合と外側に倒すとき場合とで、力の入れ具合は異なり、結果としてレバーを倒す速度が異なることとなる。具体的には右旋回時に左腕を内側に傾けるときの方が、左旋回時に左腕を外側に傾けるときよりも力が入れやすい。したがって、右旋回を基準として制御特性を設計すると、左旋回の応答性が悪く感じることとなる。反対に左旋回を基準として制御特性を設計すると、右旋回の応答性が機敏すぎる感じることとなる。

補正部１０４の補正特性は、この問題を解決するために設けられる。図４（ａ）、（ｂ）は、左旋回と右旋回の補正特性の一例を示す図である。上段には補正ゲインＧが、下段には補正部１０４の入出力特性が示される。操作量は左に倒す方向を＋、右に倒す方向を−として示す。たとえば標準的な旋回レバー１０２では、操作量（レバーの傾き）に対して、速度指令値ω_ＣＮＴは実質的に比例するが、操作量のゼロ近傍には不感帯（遊び）が設けられる。

左旋回時には、旋回レバー１０２に力を入れやすいことから、補正ゲインＧは、図４（ａ）に示すように、基準値（たとえば１とする）より小さく設定される。反対に、右旋回時には、旋回レバー１０２に力を入れにくいことから、補正ゲインＧは、図４（ｂ）に示すように、基準値（たとえば１とする）より大きく設定される。

たとえば、補正部１０４は、補正特性として上段の補正ゲインＧを保持しておき、旋回レバー１０２からの速度指令値ω_ＣＮＴに、補正ゲインＧを乗算し、速度指令値ω_ＲＥＦを生成してもよい。あるいは補正部１０４は、下段に示すような速度指令値ω_ＣＮＴとω_ＲＥＦの関係をテーブルとして保持しておき、このテーブルを参照して補正を行ってもよい。

以上が実施の形態に係るショベル１の構成である。
このショベル１によれば、左旋回と右旋回で異なる補正特性を有する補正部１０４を設けることで、その非対称性が故に人間工学的見地から必ずしも好ましくない旋回レバー１０２が用いられていても、操作者の感覚に適合した操作感を実現することができる。

なお、実施の形態では、横旋回方式の旋回レバーについて説明したが、縦旋回の旋回レバーを備えるショベル１についても本発明は適用可能である。たとえば旋回レバーが、奥に倒すときに力が入れやすく、手前に倒すときに力が入れにくい形状や構造を有する場合に、操作方向、すなわち旋回方向ごとに異なる補正特性を用意しておくことで、操作者の感覚に適合した操作感を実現することができる。

また、ショベルによっては、旋回レバーとは別に設けられた切りかえスイッチによって、縦旋回モードと横旋回モードが切りかえ可能なものが存在する。この場合、モードごとに、補正特性を用意しておけばよい。

補正特性は、出荷時において、標準的な操作者を想定して定めておいてもよいが、旋回レバー１０２を内側に倒すときと外側に倒すときの感覚の差は、操作者ごとに異なることが想定される。この観点から、実施の形態に係るショベル１にはキャリブレーション機能（トレーニング機能）が実装され、実際の個々の操作者に適合した補正特性を生成可能とされる。

ショベル１は、実際の作業を行う作業モードに加えて、補正特性をキャリブレーションするためのキャリブレーションモードに設定可能である。図５は、キャリブレーション動作を示すフローチャートである。キャリブレーションモードにおいて、ショベル１には、あらかじめ標準操作が規定されている。標準操作は、右旋回に対応する操作と、それと同一の左旋回に対応する操作を含む。ショベル１は、操作者に対して、標準操作の入力を促す（Ｓ１００）。

別の観点から言えば、ショベル１には、標準操作に対応する旋回体４の標準運動が定められている。ステップＳ１００は、操作者に対して、旋回体４が標準運動を行うような操作入力を促すことと等価である。

続いて、操作者は、標準操作を行う意図をもって、旋回レバーを操作する（Ｓ１０２）。補正部１０４はこのときに旋回レバー１０２から出力される速度指令値（旋回指令値）ω_ＣＮＴを取得する（Ｓ１０４）。補正部１０４には、標準操作の結果得られるべき正しい旋回指令値（標準指令値）ω_ＲＥＦが規定されている。補正部１０４は、取得した操作入力ω_ＣＮＴと、標準指令値ω_ＲＥＦの関係にもとづいて、補正特性を生成し、あるいは更新する。

これにより、実際の個々の操作者に適合した補正特性を生成できる。

続いてキャリブレーションの具体例を説明する。
図６は、第１のキャリブレーションを示す波形図である。ＲＥＦは標準操作を示す。たとえば、標準操作は、左旋回と右旋回それぞれに対して、旋回レバーを同じ速度で傾ける動作ＲＥＦ＋，ＲＥＦ−を含む。

破線ＯＰ＋,ＯＰ−は、操作者が標準操作を行う意識のもと、レバー操作したときの操作入力である。このときのω_ＣＮＴとω_ＲＥＦの関係が下段に示される。補正部１０４は、上段の操作入力ＯＰ＋が入力されたときに、下段のω_ＲＥＦ＋が旋回装置３００に入力されるように、補正特性を生成する。また補正部１０４は、上段の操作入力ＯＰ−が入力されたときに、下段のω_ＲＥＦ−が旋回装置３００に入力されるように、補正特性を生成する。

このキャリブレーションによれば、左旋回の加速と右旋回の加速を揃えることができる。ショベルが、縦旋回モードと横旋回モードが切りかえ可能である場合、使用するモードに設定した上で、このキャリブレーションを行えばよい。

図７（ａ）は、第２のキャリブレーションを示す波形図である。第２のキャリブレーションにおいて標準操作は、左旋回に対応する方向、右旋回に対応する方向それぞれに対して、同じ量だけ旋回レバーを傾ける動作を含む。図７（ａ）の縦軸は旋回レバー１０２への操作量であるレバーの傾きを、横軸は時間を示す。操作量（角度）は正規化されている。第２のキャリブレーションでは、操作者に対して以下の標準操作が指示される。
（i）右に１０％傾けて止めて下さい。
（ii）左に１０％傾けて止めて下さい。
（iii）右に５０％傾けて止めて下さい。
（iv）左に５０％傾けて止めて下さい。
（v）右に９０％傾けて止めて下さい。
（vi）左に９０％傾けて止めて下さい。
図７（ａ）には、この標準操作の指示に従い、操作者がレバー操作したときの操作入力が示される。図７（ｂ）には、図７（ａ）の操作入力の結果得られる補正テーブルが示される。

第２のキャリブレーションによれば、左旋回の加速と右旋回の速度を揃えることができる。ショベルが、縦旋回モードと横旋回モードが切りかえ可能である場合、使用するモードに設定した上で、このキャリブレーションを行えばよい。

標準操作は特に限定されず、より一層複雑な操作を含んでもよいし、あるいは複数の操作の組み合わせであってもよい。

以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。

（第１変形例）
実施の形態では、旋回レバー１０２への操作量が旋回体４の旋回指令値であり、旋回指令値は、旋回体４の旋回速度を指示する速度指令値ω_ＣＮＴであるものとしたが本発明はそれには限定されない。旋回指令値としては、速度指令の他、トルク指令、馬力指令など、他の特性であってもよい。またフィードバックについても、速度フィードバックに代えて、トルク、馬力のフィードバック制御を行ってもよい。

（第２変形例）
実施の形態ではハイブリッドショベルを例として説明したが、旋回の動力として油圧モータを利用する油圧ショベルにも本発明は適用可能である。この変形例では、補正部１０４による補正に関して、モータ制御に代えて、コントロールバルブによる制御が介在することとなる。たとえば油圧モータへの旋回指令に対する補正としては、スプールの開口量を左右で物理的に異ならしめてもよい。あるいは電子式のレバー用いる場合、操作量からスプール駆動指令を算出する過程において、ソフトウェアによる補正を行ってもよい。当業者によれば、電動モータ、油圧モータを問わずに、さまざまな方法により補正処理が可能であることが理解される。

実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

１…ショベル、２…クローラ、２Ａ，２Ｂ…走行油圧モータ、３…旋回機構、４…旋回体、４ａ…運転室、５…ブーム、６…アーム、７…ブームシリンダ、８…アームシリンダ、９…バケットシリンダ、１０…バケット、１１…エンジン、１２…アタッチメント、１０２…旋回レバー、１０４…補正部、３００…旋回装置、３０２…旋回モータ、３０４…駆動手段、３０６…回転検出手段、３０８…減速機、３１０…旋回軸コントローラ、３１２…減算器、３１４…ＰＩ補償器。

Claims

クローラと、
クローラに対して旋回する上部旋回体と、
前記上部旋回体の運転席に設けられた旋回レバーと、
右旋回と左旋回に関して異なる補正特性を保持しており、前記旋回レバーの操作量に応じた旋回指令値を対応する前記補正特性に応じて補正する補正部と、
補正された前記旋回指令値にもとづいて前記上部旋回体を旋回させる旋回装置と、
を備えることを特徴とするショベル。
前記補正部は、キャリブレーションモードにおいて、操作者が、右旋回に対応する操作と左旋回に対応する操作を含む所定の標準操作を行う意図をもって、前記旋回レバーを操作したときの前記旋回指令値を取得し、取得した前記旋回指令値と前記標準操作の結果得られるべき正しい旋回指令値である標準指令値の関係にもとづいて、前記補正特性を更新することを特徴とする請求項１に記載のショベル。
クローラと、
クローラに対して旋回する上部旋回体と、
前記上部旋回体の運転席に設けられた旋回レバーと、
前記旋回レバーの操作量に応じた旋回指令値に応じて、前記上部旋回体を旋回させる旋回装置と、
（i）操作者が、右旋回に対応する操作と左旋回に対応する操作を含む所定の標準操作を行う意図をもって、前記旋回レバーを操作したときの前記旋回指令値を取得し、取得した前記旋回指令値と前記標準操作の結果得られるべき正しい旋回指令値である標準指令値の関係にもとづいて、補正特性を生成し、（ii）通常の作業時においては、前記補正特性にもとづいて前記旋回指令値を補正し、前記旋回装置に出力する補正部と、
を備えることを特徴とするショベル。
前記標準操作は、左旋回に対応する方向、右旋回に対応する方向それぞれに対して、同じ速度で前記旋回レバーを傾ける動作を含むことを特徴とする請求項２または３に記載のショベル。
前記標準操作は、左旋回に対応する方向、右旋回に対応する方向それぞれに対して、同じ量だけ前記旋回レバーを傾ける動作を含むことを特徴とする請求項２から４のいずれかに記載のショベル。