JP2022145767A - Construction machine, control device for construction machine, and control method for construction machine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、建設機械、建設機械の制御装置及び建設機械の制御方法に関する。 The present invention relates to a construction machine, a construction machine control device, and a construction machine control method.
従来、建設作業や農作業等の各種作業が行われる現場では、建設機械や農業機械等、作業用の機械(作業機械)が用いられている。
このような作業機械が用いられる場合、操作者は、作業対象物の目視あるいは作業機械の出力音等を基に作業機械の操作を行っている。
なお、作業機械の操作性を向上させるための技術が種々提案されており、例えば、特許文献1には、油圧ショベルの運転スペースにモニターを設置する技術が記載されている。
2. Description of the Related Art Conventionally, working machines (working machines) such as construction machines and agricultural machines are used at sites where various works such as construction work and agricultural work are performed.
When such a work machine is used, an operator operates the work machine based on visual observation of a work target or output sound of the work machine.
Various techniques have been proposed to improve the operability of work machines. For example,
しかしながら、従来の作業機械においては、操作者が作業に際して得られる情報が視覚情報あるいは聴覚情報に限られている。
そのため、作業機械を操作する操作者においては、作業機械で行っている作業の状態を把握することが困難な場合があった。
However, in conventional working machines, the information that an operator can obtain during work is limited to visual information or auditory information.
Therefore, it is sometimes difficult for the operator who operates the work machine to grasp the state of the work being performed by the work machine.
本発明の課題は、建設機械で行っている作業の状態をより容易に把握できるようにすることである。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to make it possible to more easily grasp the state of work being performed by a construction machine.
上記目的を達成するため、本発明の一態様の作業機械は、
作業対象物に対する作業を行う作業部と、
前記作業部における作業用可動部材の位置を検出する第1位置検出部と、
前記作業部における前記作業用可動部材を駆動する第1駆動部と、
前記作業部に対する操作を行うための操作部と、
前記操作部における操作用可動部材の位置を検出する第2位置検出部と、
前記操作部における前記操作用可動部材を駆動する第2駆動部と、
前記第1位置検出部によって検出された前記作業用可動部材の位置と、前記第2位置検出部によって検出された前記操作用可動部材の位置とに基づいて、位置及び力の領域への制御エネルギーの変換を行う変換部と、
前記変換部の変換結果に基づいて、位置の領域における演算を行う位置領域演算部と、
前記変換部の変換結果に基づいて、力の領域における演算を行う力領域演算部と、
前記位置領域演算部及び前記力領域演算部の演算結果に基づいて、前記第1駆動部及び前記第2駆動部の入力への変換を行う逆変換部と、
を備えることを特徴とする。
In order to achieve the above object, a working machine according to one aspect of the present invention includes:
a work unit that performs work on a work target;
a first position detection unit that detects the position of the working movable member in the working unit;
a first driving section that drives the working movable member in the working section;
an operation unit for operating the working unit;
a second position detection unit that detects the position of the operation movable member in the operation unit;
a second driving section for driving the operating movable member in the operating section;
control energy to a region of position and force based on the position of the movable member for operation detected by the first position detector and the position of the movable member for operation detected by the second position detector; a conversion unit that converts
a position area calculation unit that performs calculation in a position area based on the conversion result of the conversion unit;
a force region calculation unit that performs calculations in the force region based on the conversion result of the conversion unit;
an inverse conversion unit that converts the input of the first driving unit and the second driving unit based on the calculation results of the position area calculation unit and the force area calculation unit;
characterized by comprising
本発明によれば、建設機械で行っている作業の状態をより容易に把握することが可能となる。 Advantageous Effects of Invention According to the present invention, it is possible to more easily grasp the state of work being performed by a construction machine.
以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。
[本発明の基本的概念]
本発明に係る作業機械は、操作者によって操作される操作部(操作レバーやペダル等)と、作業対象物に対して作業を行う作業部(アクチュエータを含むアーム等)との間で、バイラテラル制御に基づく力触覚の伝達を行い、操作者に対して、作業部に入力する外力の状態を伝達する制御(以下、「リアルハプティクス制御」と称する。)を可能とするものである。また、このようなリアルハプティクス制御を行うために、本発明においては、作業部及び操作部における可動部材の位置を取得し、位置に基づいて取得される加速度の次元のパラメータを基に、位置(または速度)及び力の次元の演算を独立して行うことが可能となるよう座標変換を行う。この座標変換において、操作部と作業部とで力触覚の伝達を行う機能に加え、位置(または速度)及び力のスケーリングを行う機能が適宜実装される。
そのため、作業機械の操作を行う操作者は、視覚や聴覚の情報に加え、適切に伝達される力触覚の情報に基づいて、作業機械で行っている作業状態をより容易に把握することが可能となる。
なお、位置と速度とは微積分演算により置換可能なパラメータであるため、位置に関する処理を行う場合、適宜、速度に置換することが可能である。以下、説明を簡単にするため、単に「位置」と表現するが、位置または速度のいずれを用いて処理を行うことも可能である。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[Basic concept of the present invention]
The working machine according to the present invention has a bilateral structure between an operating portion (operating lever, pedal, etc.) operated by an operator and a working portion (arm including an actuator, etc.) that performs work on a work target. It transmits a haptic sensation based on the control, and enables control (hereinafter referred to as “real haptics control”) to transmit the state of the external force input to the working unit to the operator. Further, in order to perform such real-haptics control, in the present invention, the positions of the movable members in the working unit and the operating unit are acquired, and based on the parameters of the dimension of the acceleration acquired based on the positions, the position (or velocity) and force dimensions can be calculated independently. In this coordinate transformation, in addition to the function of transmitting haptic sensations between the operation unit and the working unit, a function of scaling position (or velocity) and force is implemented as appropriate.
Therefore, the operator who operates the work machine can more easily grasp the working state of the work machine based on the haptic information that is appropriately transmitted in addition to the visual and auditory information. becomes.
Since position and velocity are parameters that can be replaced by calculus, they can be replaced by velocity as appropriate when performing position-related processing. To simplify the explanation, the term "position" is simply used below, but it is also possible to perform processing using either position or velocity.
[構成]
図1は、本発明を適用した建設機械1の全体構成を示す模式図である。
建設機械1は、本発明に係る作業機械の一例を示すものであり、例えば、油圧ショベルとして構成される。
図1に示すように、建設機械1は、上部旋回体10と、作業部20と、下部走行体30とを備えている。
[Constitution]
FIG. 1 is a schematic diagram showing the overall configuration of a
A
As shown in FIG. 1 , the
上部旋回体10は、作業者が建設機械1を運転するためのキャブ11と、建設機械1の本体12とを備えている。キャブ11には、操作者が建設機械1を操作するための操作部11Aが備えられている。また、本体12には、建設機械1全体を制御する制御部121と、動力源となるエンジン122と、作業部20の各可動部材を動作させるための油圧機構123と、上部旋回体10を下部走行体30に対して回転させる旋回モータ124とが備えられている。本実施形態において、制御部121は、組み込み型のマイクロコンピュータや、PLC(Programmable Logic Controller)等の情報処理装置によって構成される。
The
また、上部旋回体10は、下部走行体30に対して回転可能に構成され、操作者の操作に応じて、下部走行体30に対して左右方向に回転する。また、上部旋回体10は、関節を介して作業部20を回転可能に支持し、操作者の操作に応じて、作業部20を関節の回りに回転させる。
The upper turning
作業部20は、作業対象物に対して作業を行うための多関節機構によって構成される。本実施形態において、作業部20は、図1に示すように、上部旋回体10に関節を介して回転可能に設置されたブーム21と、ブーム21に関節を介して回転可能に設置されたアーム22と、アーム22の先端に関節を介して回転可能に設置されたバケット23とを備えている。また、上部旋回体10及びブーム21には、上部旋回体10に対してブーム21を回転動作させるブームシリンダ211が設置されている。同様に、ブーム21及びアーム22には、ブーム21に対してアーム22を回転動作させるアームシリンダ221が設置され、アーム22及びバケット23には、アーム22に対してバケット23を回転動作させるバケットシリンダ231が設置されている。本実施形態において、ブームシリンダ211、アームシリンダ221及びバケットシリンダ231は、それぞれ油圧シリンダによって構成されている。また、これらブームシリンダ211、アームシリンダ221及びバケットシリンダ231には、それぞれの油圧シリンダの位置(ブーム21、アーム22及びバケット23の伸展または屈曲を示す位置)を検出する位置センサD1~D3が備えられている。油圧シリンダの位置は、ブーム21、アーム22及びバケット23等の可動部材の位置を表すものである。なお、本実施形態において、可動部材の位置を取得する場合、アクチュエータ(油圧シリンダやモータ)の出力軸の位置や、出力軸が移動させる部材の位置等を取得することができる。
下部走行体30は、左右のクローラ31,32を独立して駆動することが可能であり、操作者の操作に応じて、直進や各種ターン等の走行動作を行う。
The working
The lower traveling
図2は、キャブ11における操作部11Aの構成例を示す模式図である。
図2に示すように、キャブ11の操作部11Aには、運転者が着座するための座席111と、座席111の左右両側に設置された一対の十字操作レバー112L,112Rと、座席111の前方に左右に並べて設置された一対の前後操作レバー113L,113Rと、座席111の右前方に設置されたモニタ114等が設けられている。十字操作レバー112L,112Rには、各操作方向における位置(可動部材としての十字操作レバー112L,112Rの位置)を検出する位置センサD4~D7が備えられている。また、十字操作レバー112L,112Rには、各操作方向における位置及び力(操作反力)を制御するためのアクチュエータとなるモータM1~M4が備えられている。
FIG. 2 is a schematic diagram showing a configuration example of the
As shown in FIG. 2, the
十字操作レバー112Lは、前方に倒すことでアーム22の伸展動作を指示し、後方に倒すことでアーム22の屈曲動作を指示するものである。本実施形態においては、十字操作レバー112Lの前後方向の操作と、ブーム21に対するアーム22の動作との間で、バイラテラル制御を実行する。この場合、十字操作レバー112Lの前後方向におけるニュートラルの位置と、ブーム21に対するアーム22の基準となる位置(以下、「アーム基準位置」と称する。)とが対応付けられ、十字操作レバー112Lが前後方向におけるニュートラルの位置にある場合には、ブーム21に対するアーム22の位置がアーム基準位置となるよう制御される。なお、アーム基準位置は、例えば、ブーム21に対してアーム22が回転可能な角度範囲において、その中央位置とすることができる。
また、十字操作レバー112Lは、左方に倒すことで上部旋回体10の左方向への旋回動作を指示し、右方に倒すことで上部旋回体10の右方向への旋回動作を指示するものである。
なお、バイラテラル制御とは、操作者から操作部11Aを介して作業部20に指令を送ることができ、かつ、この作業部20がこの指令に応答することにより指令の対象である作業対象物等から受ける作業反力を、操作部11Aを介して操作者にフィードバックする制御方式である。
The
When the
The bilateral control means that the operator can send a command to the working
十字操作レバー112Rは、前方に倒すことでブーム21の下げ動作を指示し、後方に倒すことでブーム21の上げ動作を指示するものである。本実施形態においては、十字操作レバー112Rの前後方向の操作と、上部旋回体10に対するブーム21の動作との間で、バイラテラル制御を実行する。この場合、十字操作レバー112Rの前後方向におけるニュートラルの位置と、上部旋回体10に対するブーム21の基準となる位置(以下、「ブーム基準位置」と称する。)とが対応付けられ、十字操作レバー112Rが前後方向におけるニュートラルの位置にある場合には、上部旋回体10に対するブーム21の位置がブーム基準位置となるよう制御される。なお、ブーム基準位置は、例えば、上部旋回体10に対してブーム21が回転可能な角度範囲において、その中央位置とすることができる。
The
また、十字操作レバー112Rは、左方に倒すことでバケット23の掘削動作を指示し、右方に倒すことでバケット23の開放動作を指示するものである。本実施形態においては、十字操作レバー112Rの左右方向の操作と、アーム22に対するバケット23の動作との間で、バイラテラル制御を実行する。この場合、十字操作レバー112Rの左右方向におけるニュートラルの位置と、アーム22に対するバケット23の基準となる位置(以下、「バケット基準位置」と称する。)とが対応付けられ、十字操作レバー112Rが左右方向におけるニュートラルの位置にある場合には、アーム22に対するバケット23の位置がバケット基準位置となるよう制御される。なお、バケット基準位置は、例えば、アーム22に対してバケット23が回転可能な角度範囲において、その中央位置とすることができる。
Further, the
前後操作レバー113Lは、前方に倒すことで左のクローラ31の前進動作を指示し、後方に倒すことで左のクローラ31の後退動作を指示する。また、前後操作レバー113Rは、前方に倒すことで右のクローラ32の前進動作を指示し、後方に倒すことで右のクローラ32の後退動作を指示する。
なお、本実施形態において、前後操作レバー113L,113Rの下端には、ペダル115L,115Rがそれぞれ設置されており、操作者はペダル115L,115Rによっても前後操作レバー113L,113Rを前後方向に操作することができる。また、モニタ114には、建設機械1における各種設定や、燃料残量及びエンジン冷却水温等の操作者に必要な情報等が適宜表示される。
The front-
In the present embodiment,
[機能的構成]
次に、建設機械1の機能的構成について説明する。
図3は、建設機械1の機能的構成を示すブロック図である。
なお、図3においては、建設機械1の機能的構成のうち、本発明に関連する主要な機能構成を示している。
[Functional configuration]
Next, a functional configuration of the
FIG. 3 is a block diagram showing the functional configuration of the
In addition, in FIG. 3, of the functional configuration of the
図3に示すように、建設機械1は、制御部121において、位置取得部201,202と、座標変換部203と、力領域演算部204と、位置領域演算部205と、逆変換部206と、油圧制御部207と、モータ制御部208とを備えている。
As shown in FIG. 3, the
位置取得部201は、位置センサD1~D3から、作業部20における各可動部材の位置に関する情報を取得する。本実施形態において、位置取得部201は、ブームシリンダ211のブーム基準位置からの変位、アームシリンダ221のアーム基準位置からの変位及びバケットシリンダ231のバケット基準位置からの変位を取得するものとする。ただし、各可動部材の位置を特定できる情報であれば、位置取得部201は、これら以外の位置に関する情報を取得することとしてもよい。例えば、位置取得部201は、ブーム21と上部旋回体10との連結部分である関節回りにおいて、ブーム基準位置からのブーム21の回転角度を取得したり、アーム22とブーム21との連結部分である関節回りにおいて、アーム基準位置からのアーム22の回転角度を取得したり、アーム22とバケット23との連結部分である関節回りにおいて、バケット基準位置からのバケット23の回転角度を取得したりすることとしてもよい。なお、関節とは、ある部材と他の部材とを互いに相対運動可能に接続する接続部位である。本実施形態においては、関節によって互いに接続される部位が互いに回転(揺動)可能になっている
The
位置取得部202は、位置センサD4~D7から、操作部11Aにおける各可動部材の位置に関する情報を取得する。本実施形態において、位置取得部202は、十字操作レバー112L,112Rのニュートラルの位置からの前後方向の変位(前後ストローク長)、十字操作レバー112L,112Rのニュートラルの位置からの左右方向の変位(左右ストローク長)を取得するものとする。ただし、各可動部材の位置を特定できる情報であれば、位置取得部202は、これら以外の位置に関する情報を取得することとしてもよい。例えば、位置取得部202は、十字操作レバー112L,112Rのニュートラルの位置からの前後方向の回転角度、十字操作レバー112L,112Rのニュートラルの位置からの左右方向の回転角度を取得したりすることとしてもよい。
The
座標変換部203は、位置取得部201,202から入力された位置に関する情報(作業部20における各可動部材の位置及び操作部11Aにおける各可動部材の位置)を入力として、位置及び力の領域への制御エネルギーの変換(制御エネルギーを位置のエネルギーと力のエネルギーとに割り当てる変換)を行う。なお、制御エネルギーとは、アクチュエータに入力されるエネルギーである。具体的には、座標変換部203は、作業部20における各可動部材の位置及び操作部11Aにおける各可動部材の位置を要素とする入力ベクトルを、位置の制御目標値を算出するための位置の状態値からなる出力ベクトルに変換するとともに、作業部20における各可動部材の力及び操作部11Aにおける各可動部材の力を要素とする入力ベクトルを力の制御目標値を算出するための力の状態値からなる出力ベクトルに変換する。
例えば、座標変換部203における座標変換は、次式(1)及び(2)のように一般化して表すことができる。
Coordinate
For example, the coordinate transformation in the coordinate
ただし、式(1)において、x’1~x’n(nは1以上の整数)は速度の状態値を導出するための速度ベクトルであり、x’a~x’m(mは1以上の整数)は、作業部20における各可動部材の位置及び操作部11Aにおける各可動部材の位置から得られる速度(各可動部材の速度または各可動部材が移動させる対象物の速度)を要素とするベクトル、h1a~hnmはバイラテラル制御のための座標変換行列の要素である。また、式(2)において、f’’1~f’’n(nは1以上の整数)は力の状態値を導出するための力ベクトルであり、f’’a~f’’m(mは1以上の整数)は、作業部20における各可動部材の位置及び操作部11Aにおける各可動部材の位置から得られる力(各可動部材の力または各可動部材が移動させる対象物の力)を要素とするベクトルである。
なお、本実施形態においては、十字操作レバー112L,112Rにおけるいずれかの操作方向と、作業部20における可動部材の動作との間でバイラテラル制御を実行するため、これら1組の制御を表す座標変換は、次式(3)及び(4)のように表すことができる。
However, in formula (1), x' 1 to x' n (n is an integer of 1 or more) are velocity vectors for deriving the state value of velocity, and x' a to x' m (m is 1 or more). Integer) is the speed obtained from the position of each movable member in the working
In the present embodiment, since bilateral control is executed between one of the operating directions of the
ただし、式(3)において、x’pは速度(位置)の状態値を導出するための速度、x’fは力の状態値に関する速度である。また、x’mは操作部11Aの可動部材(レバー)の速度(位置の微分値)、x’sは作業部20の可動部材の現在の速度(現在位置の微分値)である。また、式(4)において、fpは速度(位置)の状態値を導出するための力、ffは力の状態値を導出するための力である。また、fmは操作部11Aの可動部材(レバー)の力、fsは作業部20の可動部材の現在の力である。
However, in equation (3), x'p is the velocity for deriving the state value of velocity (position), and x'f is the velocity related to the force state value. Also, x'm is the velocity (differential value of the position) of the movable member (lever) of the operating section 11A , and x's is the current velocity (differential value of the current position) of the movable member of the working
このように、座標変換部203において、作業部20における各可動部材及び操作部11Aにおける各可動部材に関連して取得される変数(実空間上の変数)を、バイラテラル制御機能を表現するシステム全体の変数群(仮想空間上の変数)に“変換”し、位置の制御エネルギーと力の制御エネルギーとに制御エネルギーを割り当てる。そのため、作業部20における各可動部材及び操作部11Aにおける各可動部材に関連して取得される変数(実空間上の変数)のまま制御を行う場合と比較して、位置の制御エネルギーと力の制御エネルギーとを独立に与えることが可能となっている。
In this way, in the coordinate
また、座標変換部203は、作業部20における各可動部材及び操作部11Aにおける各可動部材との間で、スケーリングを行うことにより、位置及び力の大きさを変換する。本実施形態において、座標変換部203は、操作部11Aにおける操作量のα倍(αは正数)を作業部20に伝達し、作業部20における力の1/β倍(βは正数)を操作部11Aに伝達する変換を行う。
なお、スケーリング機能とは、基準となる制御に対して、出力される位置、力あるいは時間のスケールを拡大あるいは縮小する機能である。スケーリング機能によって、例えば、操作部11Aの動きの大きさを縮小して作業部20で再現したり、あるいは操作部11Aの動きの速度を低下させて作業部20で再現したりすることができる。
Further, the coordinate
Note that the scaling function is a function that enlarges or reduces the scale of output position, force, or time with respect to control that serves as a reference. By the scaling function, for example, it is possible to reduce the magnitude of the movement of the
このようなスケーリングの機能を実現するため、座標変換部203における座標変換では、操作部11Aの位置の導出に関連する行列の要素にαを乗算し、作業部20の力の導出に関連する行列の要素に1/βを乗算する。
例えば、式(3)及び式(4)においてスケーリングを適用した場合、座標変換は、次式(5)及び(6)のように表すことができる。
In order to realize such a scaling function, the coordinate transformation in the coordinate
For example, when scaling is applied in equations (3) and (4), coordinate transformation can be expressed as in equations (5) and (6) below.
力領域演算部204は、座標変換部203における座標変換に従って、力の領域における演算を実行する。なお、力のスケーリングを行う場合、上述のように、座標変換部203における座標変換に力のスケーリングの係数を適用する他、座標変換部203の座標変換において、力に関しては等倍の変換を維持し、力領域演算部204において、スケーリングを適用した力の目標値を設定することとしてもよい。
The force
位置領域演算部205は、座標変換部203における座標変換に従って、位置の領域における演算を実行する。なお、位置のスケーリングを行う場合、上述のように、座標変換部203における座標変換に位置のスケーリングの係数を適用する他、座標変換部203の座標変換において、位置に関しては等倍の変換を維持し、位置領域演算部205において、スケーリングを適用した位置の目標値を設定することとしてもよい。
The position
逆変換部206は、位置及び力の領域の値を操作部11A及び作業部20への入力の領域の値(例えば油圧の指令値、電流の指令値等)に変換する。なお、本実施形態において、逆変換部206の出力は、位置及び力の領域の値に逆変換処理を施した結果、操作部11A及び作業部20への入力の領域の値を要素とするベクトルとして出力される。
The
油圧制御部207は、逆変換部206によって出力されたベクトルの要素のうち、作業部20における各油圧シリンダの油圧の指令値を取得し、それぞれの油圧シリンダに出力する。本実施形態において、十字操作レバー112Rの前後方向の操作とブームシリンダ211との間でバイラテラル制御が行われるため、ブームシリンダ211に対する油圧の指令値は、十字操作レバー112Rの前後方向の操作に対応するものとなっている。また、本実施形態において、十字操作レバー112Lの前後方向の操作とアームシリンダ221との間でバイラテラル制御が行われるため、アームシリンダ221に対する油圧の指令値は、十字操作レバー112Lの前後方向の操作に対応するものとなっている。同様に、本実施形態において、十字操作レバー112Rの左右方向の操作とバケットシリンダ231との間でバイラテラル制御が行われるため、バケットシリンダ231に対する油圧の指令値は、十字操作レバー112Rの左右方向の操作に対応するものとなっている。
The
モータ制御部208は、逆変換部206によって出力されたベクトルの要素のうち、操作部11Aにおける各モータの電流の指令値を取得し、それぞれのモータに出力する。本実施形態において、十字操作レバー112Rの前後方向の操作とブームシリンダ211との間でバイラテラル制御が行われるため、十字操作レバー112Rの前後方向の動作を制御するモータM3の電流の指令値は、ブームシリンダ211の動作に対応するものとなっている。また、本実施形態において、十字操作レバー112Lの前後方向の操作とアームシリンダ221との間でバイラテラル制御が行われるため、十字操作レバー112Lの前後方向の動作を制御するモータM1に対する電流の指令値は、アームシリンダ221の動作に対応するものとなっている。同様に、本実施形態において、十字操作レバー112Rの左右方向の操作とバケットシリンダ231との間でバイラテラル制御が行われるため、十字操作レバー112Rの左右方向の動作を制御するモータM4に対する電流の指令値は、バケットシリンダ231の動作に対応するものとなっている。
The
なお、上部旋回体10の旋回動作と、十字操作レバー112Lの左右方向の操作との間でバイラテラル制御を行うこととしてもよく、この場合、十字操作レバー112Lの左右方向の動作を制御するモータM2に対する電流の指令値は、上部旋回体10の旋回動作に対応するものとなる。また、この場合、各油圧シリンダに対する油圧の指令値と同様に、十字操作レバー112Lの左右方向の動作とのバイラテラル制御に従って、上部旋回体10の旋回モータ124に対する電流の指令値が出力される。
Note that bilateral control may be performed between the swinging motion of the upper
[動作]
次に、建設機械1の動作を説明する。
図4は、建設機械1の制御部が実行する動作制御処理の流れを示すフローチャートである。
動作制御処理は、建設機械1のイグニションオンと共に開始される。
ステップS1において、制御部121は、建設機械1の動作に関する各種設定の入力を受け付ける。例えば、制御部121は、操作部11Aと作業部20とにおけるバイラテラル制御のスケーリングの係数(α、β)の入力を受け付ける。
ステップS2において、制御部121は、位置取得部201,202によって、作業部20における各可動部材の位置に関する情報及び操作部11Aにおける各可動部材の位置に関する情報を取得する。
[motion]
Next, the operation of the
FIG. 4 is a flow chart showing the flow of operation control processing executed by the control unit of the
The motion control process is started when the ignition of the
In step S<b>1 , the
In step S2, the
ステップS3において、制御部121は、座標変換部203によって、位置取得部201,202から入力された位置に関する情報(作業部20における各可動部材の位置及び操作部11Aにおける各可動部材の位置)を入力として、位置及び力の領域への制御エネルギーの変換(制御エネルギーを位置のエネルギーと力のエネルギーとに割り当てる変換)を行う。また、このとき、制御部121は、座標変換部203によって、作業部20における各可動部材及び操作部11Aにおける各可動部材との間で、スケーリングを行うことにより、位置及び力の大きさを変換する。
ステップS4において、制御部121は、力領域演算部204及び位置領域演算部205によって、座標変換部203における座標変換に従って、力及び位置の領域における演算を実行する。
In step S3, the
In step S<b>4 , the
ステップS5において、制御部121は、逆変換部206によって、位置及び力の領域の値を操作部11A及び作業部20への入力の領域の値(例えば油圧の指令値、電流の指令値等)に変換する。
ステップS6において、制御部121は、油圧制御部207によって、作業部20における各油圧シリンダの油圧の指令値を出力する。同様に、制御部121は、モータ制御部208によって、操作部11Aにおける各モータの電流の指令値を出力する。これにより、操作部11Aと作業部20との間におけるバイラテラル制御機能が実現される。
ステップS7において、制御部121は、建設機械1の停止が指示されたか否かの判定を行う。なお、建設機械1が停止されたか否かは、例えば、イグニションオフとされたか否かによって判定することができる。
建設機械1の停止が指示されていない場合、ステップS7においてNOと判定されて、処理はステップS2に移行する。
一方、建設機械1の停止が指示された場合、ステップS7においてYESと判定されて、動作制御処理は終了となる。
In step S5, the
In step S<b>6 , the
In step S7, the
If the stop of the
On the other hand, when the stop of the
以上のように、本実施形態に係る建設機械1は、操作者によって操作される操作部11Aと、作業対象物に対して作業を行う作業部との間で、バイラテラル制御に基づく力触覚の伝達を行う。
即ち、操作者においては、作業部に入力する外力の状態を触覚によって認識することができるため、建設機械1におけるリアルハプティクス制御を実現することができる。
したがって、操作者は、建設機械1で行っている作業の状態をより容易に把握することが可能となる。
As described above, in the
In other words, since the operator can perceive the state of the external force input to the working part with a sense of touch, real-haptics control in the
Therefore, the operator can more easily grasp the state of the work being performed by the
また、本実施形態に係る建設機械1は、操作者が操作を行うレバーにおける各方向の操作毎に、その方向に対応する作業部20の可動部材との間でバイラテラル制御を実行する。
したがって、作業者は、作業部20のいずれの可動部材に対する外力であるかを容易に把握できるため、作業部20における作業の状態をより適確に把握することが可能となる。
Moreover, the
Therefore, since the operator can easily grasp which movable member of the working
また、本実施形態に係る建設機械1は、作業部20における各可動部材及び操作部11Aにおける各可動部材との間で、スケーリングを行うことにより、位置及び力の大きさを変換する。
したがって、人間(操作者)が行う操作部11Aへの操作と、機械(建設機械1)が行う作業部20の動作との間で、適切な位置及び力の関係を設定して、バイラテラル制御を行うことができる。
Further, the
Therefore, by setting an appropriate position and force relationship between the operation of the
また、本実施形態に係る建設機械1は、作業部20における各可動部材及び操作部11Aにおける各可動部材との間でスケーリングを行う場合に、スケーリングの係数の設定を受け付ける。
そのため、建設機械1における作業対象物の性質等に応じて、より適切な位置及び力のスケーリングを行うことが可能となる。
Further, the
Therefore, it is possible to perform more appropriate position and force scaling according to the properties of the work object in the
[変形例1]
上述の実施形態においては、操作者が操作部11Aの各レバーを操作することで、バケット23の位置を制御するものとして説明したが、これに限られない。
例えば、操作者が、作業空間内において、バケット23の目標位置及び目標姿勢を指示する操作形態とすることで、作業部30における各可動部材の位置を制御部が自動的に算出し、作業部20を統合的に制御して、目標位置及び目標姿勢にバケット23を制御することも可能である。
この場合、作業部20における各可動部材及び操作部11Aにおける各可動部材との間におけるバイラテラル制御に代えて、作業部20を統合的に制御する際に設定される作業空間の座標において、鉛直方向及び水平方向毎に位置及び力のバイラテラル制御を実行する。
即ち、操作者が、バケット23を鉛直方向に移動させる操作と、作業部20がバケット23を鉛直方向に移動させる動作との間で、バイラテラル制御を行うと共に、バケット23を水平方向に移動させる操作と、作業部20がバケット23を水平方向に移動させる動作との間で、バイラテラル制御を実行する。
これにより、操作者は、より簡単にリアルハプティクス制御に基づく建設機械1の制御を行うことができる。
[Modification 1]
In the above-described embodiment, the operator controls the position of the
For example, the operator can set the target position and the target orientation of the
In this case, instead of bilateral control between each movable member in the working
That is, between the operation of moving the
This allows the operator to more easily control the
[変形例2]
上述の実施形態において、建設機械1が、既存の操作方式(JIS方式等)に基づく操作部11Aの操作と、上述の実施形態におけるバイラテラル制御を用いた操作方式に基づく操作部11Aの操作とを切り替える機能を備えることとしてもよい。
この場合、建設機械1のイグニションオン時等、予め設定されたタイミングで、操作者がいずれの操作方式とするかを選択することができる。
そして、制御部121は、選択された操作方式に基づいて、操作部11Aに対する各操作を判定し、作業部20の動作を制御する。
これにより、既存の操作方式が適する作業の現場と、上述の実施形態におけるリアルハプティクス制御による操作方式が適する作業の現場とで、より適切な操作方式を選択して建設機械1を操作することが可能となる。
[Modification 2]
In the above-described embodiment, the
In this case, the operator can select which operation method to use at preset timing such as when the ignition of the
Then, the
As a result, the
なお、本発明は、本発明の効果を奏する範囲で変形、改良等を適宜行うことができ、上述の実施形態に限定されない。
例えば、上述の実施形態において、本発明を建設機械に適用する場合を例に挙げて説明したが、これに限られない。即ち、本発明は、人間が機械の操作を行い、機械によって作業対象物に対する作業を行う技術全般に適用することが可能である。例えば、本発明は、建設機械、農業機械あるいは産業機械等に適用することが可能である。
また、上述の実施形態において、建設機械1に備えられる油圧シリンダとしては、単軸の油圧シリンダ及び両軸の油圧シリンダのいずれも採用することができる。油圧シリンダとして、単軸の油圧シリンダを採用した場合、低コストで建設機械を構成することができる。また、油圧シリンダとして、両軸の油圧シリンダを採用した場合、伸展及び屈曲のいずれの方向においても、油圧の制御系統が対称なものとなるため、より高精度に油圧を制御することができる。
It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be appropriately modified and improved within the scope of the effects of the present invention.
For example, in the above-described embodiment, the case where the present invention is applied to a construction machine has been described as an example, but the present invention is not limited to this. That is, the present invention can be applied to general techniques in which a human operates a machine and the machine performs work on an object to be worked. For example, the present invention can be applied to construction machinery, agricultural machinery, industrial machinery, and the like.
Further, in the above-described embodiment, as the hydraulic cylinders provided in the
また、上述の実施形態において、建設機械1のアタッチメントとして、バケット23を設置する場合を例に挙げて説明したが、これに限られない。即ち、建設機械1には、グラップル、クラッシャー、カッター、ブレーカ等、種々のアタッチメントを目的に応じて設置することが可能である。グラップルやクラッシャー等、把持動作を行うアタッチメントを操作する場合、操作レバーに代えて、ペダルによる操作を行うことも可能である。
Further, in the above-described embodiment, the case where the
また、上述の実施形態において、操作部11Aの可動部材(十字操作レバー112L,112Rあるいは前後操作レバー113L,113R等)の位置をロックするためのロック機構を備えることとしてもよい。この場合、操作部11Aの可動部材がニュートラル位置以外にある状態で、作業部20の可動部材(ブーム21、アーム22あるいはバケット23等)の位置を固定することができる。そのため、操作者が操作部11Aの可動部材を保持することなく、作業部20の可動部材の位置を基準位置以外で停止させることができる。
Further, in the above-described embodiment, a lock mechanism for locking the positions of the movable members (the cross operating levers 112L, 112R or the front-rear operating levers 113L, 113R, etc.) of the
また、上述の実施形態において、操作部11Aの可動部材のニュートラル位置と、作業部20の可動部材の基準位置(可動範囲の中央位置)とが対応付けられ、操作部11Aの可動部材をニュートラル位置からいずれの方向に操作した場合も、作業部20の可動部材が対称に動作する例について説明したが、これに限られない。即ち、操作部11Aの可動部材のニュートラル位置と作業部20の可動部材の基準位置とは、目的に応じた位置の対応付けを設定することが可能である。また、この位置の対応付けに応じて、操作部11Aの可動部材をニュートラル位置から操作する方向によって、位置及び力の制御内容(操作量に対する応答量等)を異なるものとすることが可能である。
In the above-described embodiment, the neutral position of the movable member of the
また、上述の実施形態における制御部121の処理は、ハードウェア及びソフトウェアのいずれにより実行させることも可能である。
即ち、上述の処理を実行できる機能が制御部121に備えられていればよく、この機能を実現するためにどのような機能構成及びハードウェア構成とするかは上述の例に限定されない。
上述の処理をソフトウェアにより実行させる場合には、そのソフトウェアを構成するプログラムが、コンピュータにネットワークや記憶媒体からインストールされる。
Also, the processing of the
That is, it is sufficient that the
When executing the above-described processing by software, a program that constitutes the software is installed in the computer from a network or a storage medium.
プログラムを記憶する記憶媒体は、配布可能なリムーバブルメディア、あるいは、制御部121に予め組み込まれた記憶媒体等で構成される。リムーバブルメディアは、例えば、磁気ディスク、光ディスク、または光磁気ディスク等により構成される。光ディスクは、例えば、CD-ROM(Compact Disk-Read Only Memory),DVD(Digital Versatile Disk),Blu-ray(登録商標) Disc(登録商標)等により構成される。光磁気ディスクは、MD(Mini-Disk)等により構成される。また、制御部121本体に予め組み込まれた記憶媒体は、例えば、プログラムが記憶されているROMやハードディスク等で構成される。
A storage medium for storing the program is constituted by a distributable removable medium, a storage medium pre-installed in the
1 建設機械、10 上部旋回体、11 キャブ、11A 操作部、111 座席、112L,112R 十字操作レバー、113L,113R 前後操作レバー、114 モニタ、12 本体、121 制御部、122 エンジン、123 油圧機構、124 旋回モータ、20 作業部、21 ブーム、211 ブームシリンダ、22 アーム、221 アームシリンダ、23 バケット、231 バケットシリンダ、30 下部走行体、31,32 クローラ、D1~D7 位置センサ、M1~M4 モータ、201,202 位置取得部、203 座標変換部、204 力領域演算部、205 位置領域演算部、206 逆変換部、207 油圧制御部、208 モータ制御部
Claims (7)
前記作業部における作業用可動部材の位置を検出する第1位置検出部と、
前記作業部における前記作業用可動部材を駆動する第1駆動部と、
前記作業部に対する操作を行うための操作部と、
前記操作部における操作用可動部材の位置を検出する第2位置検出部と、
前記操作部における前記操作用可動部材を駆動する第2駆動部と、
前記第1位置検出部によって検出された前記作業用可動部材の位置と、前記第2位置検出部によって検出された前記操作用可動部材の位置とに基づいて、位置及び力の領域への制御エネルギーの変換を行う変換部と、
前記変換部の変換結果に基づいて、位置の領域における演算を行う位置領域演算部と、
前記変換部の変換結果に基づいて、力の領域における演算を行う力領域演算部と、
前記位置領域演算部及び前記力領域演算部の演算結果に基づいて、前記第1駆動部及び前記第2駆動部の入力への変換を行う逆変換部と、
を備え、
前記第1駆動部は、前記作業用可動部材を油圧アクチュエータによって駆動し、
前記第2駆動部は、前記操作用可動部材を電動アクチュエータによって駆動し、
前記逆変換部は、前記位置領域演算部及び前記力領域演算部の演算結果に基づいて、前記第1駆動部及び前記第2駆動部の入力として、前記第1駆動部への油圧指令値及び前記第2駆動部への電流指令値への変換を行い、
前記操作部の前記操作用可動部材にはニュートラル位置が設定され、
前記作業部の前記作業用可動部材には基準位置が設定され、
前記操作用可動部材の前記ニュートラル位置からの変位と、前記作業用可動部材の前記基準位置からの変位とを対応付けて、前記第1駆動部及び前記第2駆動部における位置及び力を制御することを特徴とする建設機械。 a work unit that performs work on a work target;
a first position detection unit that detects the position of the working movable member in the working unit;
a first driving section that drives the working movable member in the working section;
an operation unit for operating the working unit;
a second position detection unit that detects the position of the operation movable member in the operation unit;
a second driving section for driving the operating movable member in the operating section;
control energy to a region of position and force based on the position of the movable member for operation detected by the first position detector and the position of the movable member for operation detected by the second position detector; a conversion unit that converts
a position area calculation unit that performs calculation in a position area based on the conversion result of the conversion unit;
a force region calculation unit that performs calculations in the force region based on the conversion result of the conversion unit;
an inverse conversion unit that converts the input of the first driving unit and the second driving unit based on the calculation results of the position area calculation unit and the force area calculation unit;
with
The first drive unit drives the working movable member by a hydraulic actuator,
The second drive unit drives the operation movable member by an electric actuator,
The inverse transforming unit outputs a hydraulic pressure command value to the first driving unit and a Converting to a current command value for the second drive unit,
A neutral position is set to the movable member for operation of the operation unit,
A reference position is set to the working movable member of the working unit,
Positions and forces in the first driving section and the second driving section are controlled by associating the displacement of the operating movable member from the neutral position with the displacement of the working movable member from the reference position. A construction machine characterized by:
前記操作部の前記操作用可動部材は、前記作業用可動部材それぞれに対応して設置され、
前記作業用可動部材の可動範囲と、当該作業用可動部材に対応して設置された前記操作用可動部材の可動範囲とが対応付けられていると共に、前記作業用可動部材の可動範囲における特定の位置と、前記操作用可動部材の可動範囲における特定の位置とが対応付けられていることを特徴とする請求項1に記載の建設機械。 The working part has a structure in which a plurality of the working movable members are connected by joints,
The operating movable members of the operating section are installed corresponding to the respective working movable members,
The movable range of the movable member for work and the movable range of the movable member for operation installed corresponding to the movable member for work are associated with each other, and a specific range in the movable range of the movable member for work is associated. 2. The construction machine according to claim 1, wherein a position is associated with a specific position in the movable range of said operating movable member.
前記第1位置検出部によって検出された前記作業用可動部材の位置と、前記第2位置検出部によって検出された前記操作用可動部材の位置とに基づいて、位置及び力の領域への制御エネルギーの変換を行う変換部と、
前記変換部の変換結果に基づいて、位置の領域における演算を行う位置領域演算部と、
前記変換部の変換結果に基づいて、力の領域における演算を行う力領域演算部と、
前記位置領域演算部及び前記力領域演算部の演算結果に基づいて、前記第1駆動部及び前記第2駆動部の入力への変換を行う逆変換部と、
を備え、
前記第1駆動部は、前記作業用可動部材を油圧アクチュエータによって駆動し、
前記第2駆動部は、前記操作用可動部材を電動アクチュエータによって駆動し、
前記逆変換部は、前記位置領域演算部及び前記力領域演算部の演算結果に基づいて、前記第1駆動部及び前記第2駆動部の入力として、前記第1駆動部への油圧指令値及び前記第2駆動部への電流指令値への変換を行い、
前記操作部の前記操作用可動部材にはニュートラル位置が設定され、
前記作業部の前記作業用可動部材には基準位置が設定され、
前記操作用可動部材の前記ニュートラル位置からの変位と、前記作業用可動部材の前記基準位置からの変位とを対応付けて、前記第1駆動部及び前記第2駆動部における位置及び力を制御することを特徴とする建設機械の制御装置。 a working section that performs work on a work target; a first position detecting section that detects a position of a working movable member in the working section; a first driving section that drives the working movable member in the working section; an operation unit for operating a working unit; a second position detection unit for detecting a position of an operation movable member in the operation unit; a second drive unit for driving the operation movable member in the operation unit; A construction machine control device for controlling a construction machine comprising
control energy to a region of position and force based on the position of the movable member for operation detected by the first position detector and the position of the movable member for operation detected by the second position detector; a conversion unit that converts
a position area calculation unit that performs calculation in a position area based on the conversion result of the conversion unit;
a force region calculation unit that performs calculations in the force region based on the conversion result of the conversion unit;
an inverse conversion unit that converts the input of the first driving unit and the second driving unit based on the calculation results of the position area calculation unit and the force area calculation unit;
with
The first drive unit drives the working movable member by a hydraulic actuator,
The second drive unit drives the operation movable member by an electric actuator,
The inverse transforming unit outputs a hydraulic pressure command value to the first driving unit and a Converting to a current command value for the second drive unit,
A neutral position is set to the movable member for operation of the operation unit,
A reference position is set to the working movable member of the working unit,
Positions and forces in the first driving section and the second driving section are controlled by associating the displacement of the operating movable member from the neutral position with the displacement of the working movable member from the reference position. A construction machine control device characterized by:
前記第1位置検出部によって検出された前記作業用可動部材の位置と、前記第2位置検出部によって検出された前記操作用可動部材の位置とに基づいて、位置及び力の領域への制御エネルギーの変換を行う変換ステップと、
前記変換ステップにおける変換結果に基づいて、位置の領域における演算を行う位置領域演算ステップと、
前記変換ステップにおける変換結果に基づいて、力の領域における演算を行う力領域演算ステップと、
前記位置領域演算ステップ及び前記力領域演算ステップの演算結果に基づいて、前記第1駆動部及び前記第2駆動部の入力への変換を行う逆変換ステップと、
を含み、
前記第1駆動部は、前記作業用可動部材を油圧アクチュエータによって駆動し、
前記第2駆動部は、前記操作用可動部材を電動アクチュエータによって駆動し、
前記逆変換ステップでは、前記位置領域演算ステップ及び前記力領域演算ステップの演算結果に基づいて、前記第1駆動部及び前記第2駆動部の入力として、前記第1駆動部への油圧指令値及び前記第2駆動部への電流指令値への変換を行い、
前記操作部の前記操作用可動部材にはニュートラル位置が設定され、
前記作業部の前記作業用可動部材には基準位置が設定され、
前記操作用可動部材の前記ニュートラル位置からの変位と、前記作業用可動部材の前記基準位置からの変位とを対応付けて、前記第1駆動部及び前記第2駆動部における位置及び力を制御することを特徴とする建設機械の制御方法。 a working section that performs work on a work target; a first position detecting section that detects a position of a working movable member in the working section; a first driving section that drives the working movable member in the working section; an operation unit for operating a working unit; a second position detection unit for detecting a position of an operation movable member in the operation unit; a second drive unit for driving the operation movable member in the operation unit; A construction machine control method for controlling a construction machine comprising
control energy to a region of position and force based on the position of the movable member for operation detected by the first position detector and the position of the movable member for operation detected by the second position detector; a conversion step for converting
a position area calculation step of performing calculation in the position area based on the conversion result in the conversion step;
a force domain calculation step of performing calculations in the force domain based on the conversion result in the conversion step;
an inverse transformation step of performing transformation to the input of the first driving section and the second driving section based on the calculation results of the position area calculation step and the force area calculation step;
including
The first drive unit drives the working movable member by a hydraulic actuator,
The second drive unit drives the operation movable member by an electric actuator,
In the inverse conversion step, based on the calculation results of the position region calculation step and the force region calculation step, a hydraulic pressure command value and Converting to a current command value for the second drive unit,
A neutral position is set to the movable member for operation of the operation unit,
A reference position is set to the working movable member of the working unit,
Positions and forces in the first driving section and the second driving section are controlled by associating the displacement of the operating movable member from the neutral position with the displacement of the working movable member from the reference position. A construction machine control method characterized by:
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