(57)【要約】【課題】操作装置の特性を動的に変化させ、急操作時の操作感又は操作性の向上と誤操作の抑制を両立することができる操作装置を提供する。【解決手段】操作者の操作に応じて作業機械のアクチュエータの動作指令値を生成する操作装置７０において、操作入力を受ける被操作部材７１、及び被操作部材７１の動作を基に操作信号を出力する操作信号生成手段７２を有する操作入力手段７６と、操作者が被操作部材７１を制動する動作を検出する制動動作検出手段７８と、被操作部材７１に対して操作方向と反対方向に作用する力を付加し被操作部材７１の動作を減衰させる抵抗反力生成手段７５、制動動作検出手段７８からの検出信号に基づいて抵抗反力生成手段７５への指令値を生成する抵抗反力指令値生成手段７３、及び抵抗反力指令値生成手段７３からの指令値に応じて抵抗反力生成手段７５に指令信号を出力する抵抗反力制御手段７４を有する操作支援手段７７とを備える。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
操作者の操作に応じて作業機械のアクチュエータの動作指令値を生成する操作装置において、
操作入力を受ける被操作部材、及び前記被操作部材の動作を前記アクチュエータの動作指令値に変換し操作信号を出力する操作信号生成手段を有する操作入力手段と、
操作中に操作者が前記被操作部材を制動する動作を検出する制動動作検出手段と、
前記被操作部材に対して操作方向と反対方向に作用する力を付加し前記被操作部材の動作を減衰させる抵抗反力生成手段、前記制動動作検出手段からの検出信号に基づいて前記抵抗反力生成手段への指令値を生成する抵抗反力指令値生成手段、及び前記抵抗反力指令値生成手段からの指令値に応じて前記抵抗反力生成手段に指令信号を出力する抵抗反力制御手段を有する操作支援手段と
を備えたことを特徴とする操作装置。
【請求項２】
前記抵抗反力生成手段は、前記被操作部材の移動速度と前記被操作部材の動きに伴って流動する粘性摩擦係数との積で決まる粘性摩擦抵抗反力を生成することを特徴とする請求項１の操作装置。
【請求項３】
前記制動動作検出手段として、前記被操作部材に加わる操作力を検出する操作力検出手段又は前記操作信号生成手段が出力する操作信号の加速度成分を演算する加速度演算手段を設け、
前記抵抗反力指令値生成手段は、前記制動動作検出手段により検出された前記操作力の変化率又は前記加速度成分の変化率の絶対値が予め設定した第１閾値以上に増大した後、前記操作力の変化率又は前記加速度成分の変化率が正負逆転して絶対値が予め設定した第２閾値以上に増大した場合、前記操作力又は前記加速度成分に応じて前記抵抗反力生成手段への指令値を生成し、前記操作力の変化率又は前記加速度成分の変化率の絶対値が前記第１及び第２閾値よりも小さな第３閾値以下にある場合、前記抵抗反力生成手段への指令値の出力を停止する
ことを特徴とする請求項１又は２の操作装置。
【請求項４】
前記制動動作検出手段として、操作者が前記被操作部材を動かすときに活動する主動筋と制動するときに活動する拮抗筋の緊張度を測定する筋緊張測定手段を設け、
前記抵抗反力指令値生成手段は、前記主動筋と前記拮抗筋の同時出力の拮抗度に応じて前記抵抗反力生成手段への指令値を生成する
ことを特徴とする請求項１又は２の操作装置。
【請求項５】
前記制動動作検出手段として、操作者が前記被操作部材を把持する握り圧又は握り力を検出する握り量検出手段を設け、
前記抵抗反力指令値生成手段は、前記握り量検出手段で検出された握り量に応じて前記抵抗反力生成手段への指令値を生成する
ことを特徴とする請求項１又は２の操作装置。
【請求項６】
前記制動動作検出手段として、操作者が操作レバーである前記被操作部材を軸方向に押し付ける力又は圧力を検出する押し付け量検出手段を設け、
前記抵抗反力指令値生成手段は、前記押し付け量検出手段で検出された押し付け量に応じて前記抵抗反力生成手段への指令値を生成する
ことを特徴とする請求項１又は２の操作装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、操作者の操作に応じて油圧ショベルや油圧クレーン等の作業機械のアクチュエータの動作指令値を生成する操作装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
土木工事や解体工事等の作業現場では、一般に油圧ショベルや油圧クレーンに代表される作業機械が用いられる。この種の作業機械は、動力源となる油圧ポンプ、油圧ポンプからの圧油で駆動する油圧アクチュエータ（油圧シリンダ、油圧モータ等）、油圧アクチュエータにより駆動される被駆動部材（アーム、バケット、ワイヤロープ等）、油圧アクチュエータへの圧油の流れ（流量及び方向）を制御する制御弁、被駆動部材の動作を指示する操作装置等を備えている。通常、操作装置は、操作者により操作される被操作部材（操作レバー、ペダル、ボタン等）、及び被操作部材の移動角や移動距離を油圧アクチュエータの動作速度指令値に変換する指令値生成装置から構成されている。操作者によって被操作部材が操作されると操作装置からの指令値を基に制御弁が制御され、指令値に応じた駆動速度で油圧アクチュエータが駆動し被駆動部材の動作として出力される。こうした作業機械では、作業の効率や質等を含めた作業性を高めるために、疲労が少なく作業に適した操作感又は操作性が求められる。
【０００３】
一般的な操作装置には、無操作時に指令値がゼロになるように被操作部材を中立位置に自動復帰させるためのバネが取付けられている。バネ弾性が大きければ被操作部材を中立位置に復帰させる力が強く復帰時間も早くなる。この場合、誤操作を避けてゆっくり慎重に操作する場面では良い操作感が得られるが、被操作部材を動かすのに要する力（操作力）が大きくなるので、急操作や微操作が難しく操作による操作者の疲労も大きくなる。反対に、バネ弾性を小さくすれば操作力が小さくなり、速い操作や微操作が要求される場面や運転時間が長時間に及ぶ場面では有利となるが、バネ弾性が過度に小さいと被操作部材の中立位置への復帰が遅くなる上、操作者の腕のぶれ等が操作に影響し易くなる。したがって、作業機械の操作性をより良くするためには、操作装置の特性（被操作部材の弾性や慣性、操作に関わる流体の粘性、また流体や可動部の摩擦等）を操作者の操作に対して適切に設定する必要がある。
【０００４】
操作装置の操作性の向上を狙った技術は既に多数存在するが、その１つとして操作装置の特性を動的に変更する技術があり、例えば特許文献１には、被操作部材に可変粘性流体を用いたダンパを接続し、被操作部材の操作速度に反比例するように可変粘性流体の粘性抵抗を制御して操作反力を調整する技術が開示されている。この記載技術を用いれば、速い操作のときに操作反力が大きく、遅い操作のときに操作反力が小さくなるので、上記のバネ弾性を小さく設定しても腕のぶれ等による誤操作を抑制することができる。
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−２７６２４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１の開示技術では、操作装置のバネ弾性を小さく設定しても微操作時等の誤操作が抑制される利点はあるが、被操作部材を急操作する場面では、被駆動部材の操作速度が十分に上がり切らない間は操作反力が強く速い操作ができない。この場合、過度に力を加えて操作速度を上げようとすると操作速度の上昇に伴って操作反力が急激に軽くなるため、的確な位置に被操作部材を停止させるための力加減も難しくなる。このように、操作感や操作性を向上させるために、操作装置の特性をどのような方法や手段で変化させるかについては更なる改善の余地が残されている。
【０００７】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、操作装置の特性を動的に変化させ、急操作時の操作感又は操作性の向上と誤操作の抑制を両立することができる操作装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、操作者の操作に応じて作業機械のアクチュエータの動作指令値を生成する操作装置において、操作入力を受ける被操作部材、及び前記被操作部材の動作を前記アクチュエータの動作指令値に変換し操作信号を出力する操作信号生成手段を有する操作入力手段と、操作中に操作者が前記被操作部材を制動する動作を検出する制動動作検出手段と、前記被操作部材に対して操作方向と反対方向に作用する力を付加し前記被操作部材の動作を減衰させる抵抗反力生成手段、前記制動動作検出手段からの検出信号に基づいて前記抵抗反力生成手段への指令値を生成する抵抗反力指令値生成手段、及び前記抵抗反力指令値生成手段からの指令値に応じて前記抵抗反力生成手段に指令信号を出力する抵抗反力制御手段を有する操作支援手段とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
（２）上記（１）において、好ましくは、前記抵抗反力生成手段は、前記被操作部材の移動速度と前記被操作部材の動きに伴って流動する粘性摩擦係数との積で決まる粘性摩擦抵抗反力を生成することを特徴とする。
【００１０】
（３）上記（１）又は（２）において、好ましくは、前記制動動作検出手段として、前記被操作部材に加わる操作力を検出する操作力検出手段又は前記操作信号生成手段が出力する操作信号の加速度成分を演算する加速度演算手段を設け、前記抵抗反力指令値生成手段は、前記制動動作検出手段により検出された前記操作力の変化率又は前記加速度成分の変化率の絶対値が予め設定した第１閾値以上に増大した後、前記操作力の変化率又は前記加速度成分の変化率が正負逆転して絶対値が予め設定した第２閾値以上に増大した場合、前記操作力又は前記加速度成分に応じて前記抵抗反力生成手段への指令値を生成し、前記操作力の変化率又は前記加速度成分の変化率の絶対値が前記第１及び第２閾値よりも小さな第３閾値以下にある場合、前記抵抗反力生成手段への指令値の出力を停止することを特徴とする。
【００１１】
（４）上記（１）又は（２）において、好ましくは、前記制動動作検出手段として、操作者が前記被操作部材を動かすときに活動する主動筋と制動するときに活動する拮抗筋の緊張度を測定する筋緊張測定手段を設け、前記抵抗反力指令値生成手段は、前記主動筋と前記拮抗筋の同時出力の拮抗度に応じて前記抵抗反力生成手段への指令値を生成することを特徴とする。
【００１２】
（５）上記（１）又は（２）において、好ましくは、前記制動動作検出手段として、操作者が前記被操作部材を把持する握り圧又は握り力を検出する握り量検出手段を設け、前記抵抗反力指令値生成手段は、前記握り量検出手段で検出された握り量に応じて前記抵抗反力生成手段への指令値を生成することを特徴とする。
【００１３】
（６）上記（１）又は（２）において、好ましくは、前記制動動作検出手段として、操作者が操作レバーである前記被操作部材を軸方向に押し付ける力又は圧力を検出する押し付け量検出手段を設け、前記抵抗反力指令値生成手段は、前記押し付け量検出手段で検出された押し付け量に応じて前記抵抗反力生成手段への指令値を生成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、操作装置の特性を動的に変化させることによって、適当な操作反力を被操作部材に適時に付与することができるので、急操作時の操作感又は操作性の向上と誤操作の抑制を両立することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に図面を用いて本発明の実施形態を説明する。
【００１６】
図１は本発明の操作装置の適用対象である作業機械の一例である油圧ショベルの側面図である。まず図１に示した油圧ショベルを例に、本発明の操作装置の適用対象である作業機械の概略構成を説明する。以下の説明では、特に断り書きのない場合は図１中の左右を機体の前後方向とする。
【００１７】
図１に示した油圧ショベルは、大きく分けて走行体１及びこの走行体１上に旋回可能に搭載された旋回体２から構成される。
【００１８】
走行体１は、無限軌道履帯を有する左右のクローラを備えており、左右のクローラを左右の走行モータ３３Ｅ，３３Ｆ（後述する図４参照）によりそれぞれ駆動することで走行する。走行モータ３３Ｅ，３３Ｆは油圧アクチュエータであり、走行体１は走行モータ３３Ｅ，３３Ｆにより駆動される被駆動部材を構成する。
【００１９】
旋回体２は、旋回フレーム３を有し、旋回フレーム３には、前方側に操作者が搭乗するキャブボックス４が、キャブボックス４の後方側に機械室を画成する建屋カバー５が、最後部に機体の前後方向のバランスを調整するカウンタウェイト６が搭載されている。旋回フレーム３には旋回モータ３３Ｄ（後述する図４参照）が設けられており、旋回体２はこの旋回モータによって旋回駆動される。旋回モータ３３Ｄは油圧アクチュエータであり、旋回体２は旋回モータ３３Ｄにより駆動される被駆動部材を構成する。
【００２０】
また、旋回体２の前部（本例ではキャブボックス４の右側）には、旋回体２に対して俯仰動作するフロント作業装置８が設けられている。このフロント作業装置８は、旋回体２の旋回フレーム３にピン結合されたブーム８Ａと、ブーム８Ａの先端側にピン結合されたアーム８Ｂと、アーム８Ｂの先端側にピン結合された作業具（バケット）８Ｃとによって構成されている。そして、ブーム８Ａ、アーム８Ｂ及びバケット８Ｃは、ブームシリンダ３３Ａ、アームシリンダ３３Ｂ及びバケットシリンダ３３Ｃ等の油圧アクチュエータによって駆動される。ブーム８Ａ、アーム８Ｂ及びバケット８Ｃは、それぞれブームシリンダ３３Ａ、アームシリンダ３３Ｂ及びバケットシリンダ３３Ｃにより駆動される被駆動部材を構成している。
【００２１】
図２はキャブボックス４の内部の概略構成を表す側面図である。
【００２２】
図２に示すように、キャブボックス４の床板４Ａ上には、運転席７と運転席７の左右両側に配置された操作装置１１（左側のみ図示）が設けられている。操作装置１１は、被駆動部材としての旋回体２やフロント作業装置８の動作を指示するものである。この操作装置１１については、後に図３を用いて詳述するが、操作者の操作入力を受ける被操作部材である操作レバー１５と、操作レバー１５を支持するレバー支持体１２とを備えている。レバー支持体１２は、レバースタンド１３と、操作レバー１５のケーシング１４とを備えている。レバースタンド１３は、運転席７の側方に位置し、キャブボックス４の床板４Ａに取付けられている。左右の操作レバー１５を前後左右に傾転操作することによって、ブームシリンダ３３Ａ、アームシリンダ３３Ｂ、バケットシリンダ３３Ｃ及び旋回モータ３３Ｄが駆動され、ブーム８Ａ、アーム８Ｂ、バケット８Ｃ及び旋回体２が動作する。また、運転席７の前方には、走行体１の左右のクローラに対応する一対の被操作部材であるペダル付き操作レバー１５Ｃ（左側のみ図示）が、キャブボックス４の床板４Ａに取付けられている。
【００２３】
図３は操作レバー１５の構成を表す断面図である。
【００２４】
操作レバー１５のケーシング１４は、その蓋１６のフランジ部がレバースタンド１３の開口部１３Ａに取付けられることによってレバースタンド１３に固定されている。操作レバー１５は、軸１５Ａとその先端部に装着されたグリップ１５Ｂで構成されている。軸１５Ａの基端部はカム４０に固定的に接続されている。カム４０は自由継手４１を介してケーシング１４の蓋１６の中央に連結されており、操作レバー１５の前後左右への傾転動作を許容する構成となっている。カム４０は、操作レバー１５の傾転動作によりプッシャ４２を押し下げ、またプッシャ４２からの反力で操作レバー１５を中立位置に復帰させる構成となっている。全ては図示していないが、プッシャ４２は自由継手４１の前後左右に各１つずつ計４つ設けられており、プッシャ４２の下部には操作装置１１の操作特性を決定するバネ等の反力生成要素が取付けられている。プッシャ４２の押し込み量（又は押し込みエネルギ）は、図示しない操作信号生成装置によって作業機械の動作速度や移動量の指令値となる電気信号、油圧の圧力値等の操作信号に変換される。
【００２５】
図４は作業機械に備えられた油圧アクチュエータの駆動回路の概略図である。
【００２６】
図４に示すように、油圧アクチュエータすなわち、ブームシリンダ３３Ａ、アームシリンダ３３Ｂ、バケットシリンダ３３Ｃ、旋回モータ３３Ｄ、走行モータ３３Ｅ，３３Ｆは、建屋カバー５内に設けられた動力源としての油圧ポンプ３０からの圧油（作動油）により駆動する。油圧ポンプ３０はエンジン（図示せず）により駆動される。油圧ポンプ３０から吐出された圧油は、吐出配管３１Ａを流通して電磁・油圧パイロット式の制御弁（３位置コントロールバルブ）３２Ａ〜３２Ｆに供給され、それぞれ制御弁３２Ａ〜３２Ｆによって流れ（方向及び流量）を制御されて油圧アクチュエータ３３Ａ〜３３Ｆに供給される。油圧アクチュエータ３３Ａ〜３３Ｆからの各戻り油は、それぞれ制御弁３２Ａ〜３２Ｆを介して戻り油配管３１Ｂに流れ込みタンク３８に戻される。また、吐出配管３１Ａの圧油の最高圧はリリーフ弁３６により規制される。
【００２７】
左右の操作レバー１５（図２参照）には、操作方向（前・後又は左・右）及び操作量に応じ、油圧アクチュエータ３３Ａ〜３３Ｄの動作指令値をそれぞれ生成する指令値生成装置３４Ａ〜３４Ｄが設けられており、指令値生成装置３４Ａ〜３４Ｄで生成された指令値は制御ユニット３７に出力される。また、ペダル付き操作レバー１５Ｃ（図２参照）には、それぞれ対応付けられた側の操作レバー１５Ｃの操作方向（前・後）及び操作量に応じ、走行モータ３３Ｅ，３３Ｆの動作指令値をそれぞれ生成する指令値生成装置３４Ｅ，３４Ｆが設けられており、指令値生成装置３４Ｅ，３４Ｆで生成された指令値が制御ユニット３７に出力される。
【００２８】
制御ユニット３７は、油圧アクチュエータの動作を制御する動作制御手段であり、指令値生成装置３４Ａ〜３４Ｆからの指令値を基にそれぞれ制御弁３２Ａ〜３２Ｆへの制御信号を生成し、それぞれ制御弁３２Ａ〜３２Ｆのソレノイドに制御信号を出力する。制御ユニット３７からの制御信号により制御弁３２Ａ〜３２Ｆのポジションがそれぞれ切り換わり、油圧アクチュエータ３３Ａ〜３３Ｆへの圧油の流れ（方向及び流量）が制御され、油圧アクチュエータ３３Ａ〜３３Ｆが駆動制御される。
【００２９】
このような油圧系は、大きな力を効率良く伝達することが可能である反面、振動が生じ易く減衰し難い性質を持つ振動系となることが知られている。特に配管の長い作業機械や重量物のハンドリングでは、操作者が被操作部材１５，１５Ｃに対して急な操作を加えると振動が生じ易い。この場合、ゆっくり慎重に操作する必要があり、被操作部材の反力を強めに設定すると操作性が良い。一方、振動の小さな作業機械では、変化の早い動作指令値を与えても安定に動作するため早い操作が可能となり、被操作部材の反力を弱めに設定すると操作性が良い。
【００３０】
次に本発明の操作装置の第１実施形態について説明する。
【００３１】
まず、操作者の操作動作の基本特性についての分析と本発明の理論的背景について図５を用いて説明する。図５は操作者の操作動作の特性図である。
【００３２】
図５（ａ）は目標追従波形を示した図であり、ランダムに変化する目標値５０（実線）に操作装置の指令値５１（点線）が追従するように操作者が操作装置を操作した時の出力信号の波形を表している。
【００３３】
図５（ａ）の信号波形を取得するには、第一に、表示装置に目標値と指令値の差を示し、その差がゼロになるように操作者が操作しているときの操作装置の出力信号を取得する方法がある。このときの操作動作は補償動作と呼ばれる。第二に、目標値と指令値を同時に表示し、指令値が目標値に一致すように操作者が操作しているときの操作装置の出力信号を取得する方法もある。この操作動作は追跡動作と呼ばれる。補償動作は、ある時点の誤差を認識してその誤差を補正する能力が要求され、追跡動作は、加えて目標値の将来の値を予測してその値に指令値を合わせる能力も要求される。但し、どちらの方法で測定した場合でも、目標追従波形は同じ傾向を示し、目標値５０から指令値５１までの伝達関数は、むだ時間と一次遅れの特性に近似できることが知られている。むだ時間は２００ｍｓ程度、一次遅れ特性のゲインが０ｄＢの周波数は０．１〜１Ｈｚ程度と言われている。
【００３４】
図５（ｂ）は図５（ａ）の指令値５１の一部（数百ｍｓ程度）を拡大して表した図であり、操作動作の平均的な基本単位を示している。
【００３５】
図５（ｂ）に例示された信号波形は、物を掴む時に掴む物まで手を伸ばす動作に伴う信号波形に類似しており、到達動作と呼ばれるものである。期間５２は操作者が目標の認識（目標の位置や動きの認知・予測）や操作動作の計画等を行っている期間であり、期間５３は目標の近傍まで早い速度で移動する期間、期間５４は目標位置への動作補正期間である。このような動作の連続したより巨視的な波形が図５（ａ）の指令値５１である。したがって、操作者の基本操作は数百ｍｓ程度の周期で繰り返されるフィードバック制御特性と等価であると言え、その特性が前述のむだ時間と一次遅れ特性に近似される。この図５（ｂ）に示した微視的な到達動作の操作性を向上させることが、操作系全体の操作性向上に大きく寄与すると考えられる。
【００３６】
図５（ｃ）は図５（ｂ）の期間５３，５４の操作者が被操作部材に加える力（操作力）の波形５５を表した図であり、例えば被操作部材からの反力は速い操作への対応に配慮して小さく設定されているものとする。この図を用いて操作者の筋肉の活動について説明する。
【００３７】
まず初動時には、被操作部材を操作方向へ動かすための操作力（図の正の領域）が増加する（期間５３ａ）。その後、操作力は直ぐに一定の値に到達して減少に転じ、さらに被操作部材が到達目標位置に近付くにつれて被操作部材を到達目標位置に停止させるために被操作部材を制動する力（操作方向と反対方向の力）が加わることで負の値になる（期間５３ｂ）。そして、到達目標位置近くではゼロに近い領域で操作力を微調整して被操作部材を到達目標位置に収束させる（期間５４）。このとき期間５３ａでは、操作者は腕の剛性を下げ（力を抜いて柔らかくした状態）、主動筋（被操作部材を所定の方向に動かすときに主に活動する腕の筋肉）のみを用いて被操作部材の動きを加速操作し、期間５３ｂでは主動筋以外に拮抗筋（主動筋と反対方向に出力し被操作部材を制動する筋肉）を動かして腕の剛性を上げ（力を入れて腕を硬くし、粘性抵抗を増加させ、被操作部材の動きを抑制する状態）、被操作部材の動きを減速操作する。また期間５４では、操作力はゼロ付近でも腕に力が入っている状態であり、到達目標位置にうまく停止できない場合は、主動筋と拮抗筋の筋力のバランスを微妙に変えながら被操作部材を到達目標位置に収束させる。
【００３８】
このように、操作者は腕の剛性を変えることで被操作部材を操作する動特性を動的に変化させている。一般に被操作部材を素早く動かすときは腕の剛性を下げ（粘性抵抗は小）、腕のぶれ等の誤操作を避けてゆっくり慎重に動かすとき、微操作時や停止時等は腕の剛性を上げる傾向にある。腕の剛性を上げると筋力負担が増して操作感を損なう結果、疲労を感じ易くなり、また誤操作も増えて操作性低下の要因ともなり得る。また腕の剛性がうまく調整できないと、被操作部材の加減速がうまく調整できない上、図５（ｃ）の期間５４に示したように被操作部材を目標位置に収束させるまでに振動的な動作となり、結果として応答が遅れ前述したむだ時間と一次遅れ特性が悪化する。したがって本実施形態では、操作装置の特性を動的に調整し、腕の剛性を上げた場合の粘性抵抗を補助することでこの微視的な到達動作の操作性を向上させることを目的とする。
【００３９】
図５（ｄ）は本発明を適用したときの、操作指令値５９と操作力６０、被操作部材からの抵抗反力６１（反力なので負の値で示した）の一例を示した図である。この図のように腕の剛性が上がる減速期間と停止期間で、操作装置からの抵抗反力６１を大きくすると、目標位置停止までの期間が短くなり（振動もない）、操作性が向上する。
【００４０】
図６は本発明の操作装置の第１実施形態の機能ブロック図である。
【００４１】
図６に示したように、本発明の操作装置７０は、操作者（オペレータ）の操作に応じて作業機械のアクチュエータ（図１−図４の例では図３の油圧モータ３３Ｄ−３３Ｆ、油圧シリンダ３３Ａ−３３Ｃ）の動作指令値を生成する装置である。この操作装置７０は、操作者による操作入力に応じてアクチュエータの動作を指示する操作信号を出力する操作入力手段７６と、操作中に操作者が操作を抑制する動作を検出する制動動作検出手段７８と、この操作者の操作を抑制する動きを支援する操作支援手段７７とを備えている。
【００４２】
操作入力手段７６は、操作者による物理的な操作入力（レバーであれば傾転動作等）を受ける被操作部材７１（図１−図４の例では図２の操作レバー１５，１５Ｃ）、及び被操作部材７１の動作をアクチュエータの動作指令値に変換し操作信号を出力する操作信号生成手段７２を有している。
【００４３】
被操作部材７１は、無操作時に指令値がゼロになるように中立位置に自動復帰させるためのバネ等の反力生成機構（図１−図４の例では図３のプッシャ４２）が取り付けられている。本実施形態においては、反力生成機構の弾性係数をあまり大きな値には設定せず、早い操作をする際の操作性を考慮して被操作部材７１の動きを軽めに調整する。
【００４４】
操作信号生成手段７２は、被操作部材７１の移動角や移動距離等を含めた操作量を、作業機械のアクチュエータの動作速度や移動量の指令値となる電気信号又は油圧の圧力値などの操作信号に変換する手段であり、図１−図４の例では図３のプッシャ４２の押し込み量を測定する変位センサや被操作部材の傾斜角度を検出するポテンショメータ等で構成することができる。
【００４５】
制動動作検出手段７８は、操作中に操作者が被操作部材７１を制動する動作を検出するものであり、例えば図１−図４の例において操作レバー１５の場合、操作者の操作動作によって操作レバー１５（被操作部材７１）に加わる少なくとも操作方向（この場合、前後方向及び左右方向）への荷重（操作力）を検出する力センサ（歪センサ）を、制動動作検出手段７８としてグリップ１５Ｂ（図３参照）に取り付けることができる。
【００４６】
操作支援手段７７は、被操作部材７１に対して操作方向と反対方向に作用する力（抵抗反力）を付加し被操作部材７１の動作を減衰させる抵抗反力生成手段７５、制動動作検出手段７８からの検出信号に基づいて抵抗反力生成手段７５への指令値を生成する抵抗反力指令値生成手段７３、及び抵抗反力指令値生成手段７３からの指令値に応じて抵抗反力生成手段７５に指令信号を出力する抵抗反力制御手段７４を有している。
【００４７】
抵抗反力生成手段７５は、上記の通り被操作部材７１の動作方向とは逆の方向に反力を生成し、その動作を減衰する手段である。このような反力を生成する要素には、粘性流体を用いた粘性摩擦抵抗、或いは固体を用いた乾性摩擦抵抗がある。粘性摩擦抵抗の反力は、被操作部材７１の移動速度と被操作部材７１の動きに伴って流動する粘性流体の粘性摩擦係数との積で決まる抵抗反力を生成し、乾性摩擦抵抗による抵抗反力は被操作部材７１の稼働部分に固体を押し付けたときに、その押し付け力と摩擦の生ずる固体間の摩擦係数の積で決まる抵抗反力を生成する。本実施形態では、操作者の腕の粘性抵抗の支援を行うものであるため、粘性摩擦抵抗を用いる方が望ましい。
【００４８】
粘性摩擦抵抗を用いて抵抗反力生成手段７５を構成する場合、例えば特開２０００−２７６２４４号公報に開示された反力発生装置を適用することができる。この反力発生装置は、プッシャに連動するピストンに流体抵抗を与えるダンパ機構を応用した装置であり、通電により粘性が変化する可変粘性流体を用い、可変粘性流体に通電することでダンパの重さを変化させることによって操作装置の操作に反力を付与する構成となっている。本実施形態に適用する場合、後述する条件の下、抵抗反力指令値生成手段７３により可変粘性流体への通電を制御する構成とすることができる。この他に、ダンパのボトム側から排出される流体を流通する流路に可変絞りを設ければ、可変粘性流体を用いずとも、可変絞りの開度によってプッシャの押動に対する反力を調整する構成とすることができる。これを本実施形態に適用する場合も、後述する条件の下、抵抗反力指令値生成手段７３により可変絞りの開度を制御する構成とすることで実現できる。
【００４９】
乾性摩擦抵抗を用いて抵抗反力生成手段７５を構成する場合、例えば図１−図４の例の各プッシャ４２（図３参照）の外周面にそれぞれ押し付け可能なパッド（図示せず）を設け、押動されるプッシャ４２の外周面にパッドを押し付けることで操作レバー１５（被操作部材７１）の操作に対する抵抗反力を生成することができる。また、自由継手４１の軸部とブラケット部の間に作用する摩擦力を変化させる構成、例えばブラケット部側に軸部の外周部にパッドを押し付ける構成を設けることもできる。これら乾性摩擦抵抗を用いる構成も、抵抗反力指令値生成手段７３によって後述の条件下でパッドの動きを制御することで実現することができる。
【００５０】
抵抗反力指令値生成手段７３は、被操作部材７１への抵抗反力の指令値を生成する手段であり、本実施形態では、先に図５（ｄ）で述べた抵抗反力６１に相当する抵抗反力を生成するための指令値を生成し、抵抗反力制御手段７４に出力する。本実施形態では制動動作検出手段７８として被操作部材７１のグリップ部分に力センサを設けているので、図５（ｃ）及び図５（ｄ）を用いて説明すると、抵抗反力指令値生成手段７３は、制動動作検出手段７８により測定された操作力６０の変化率（図５（ｃ）の波形５６）の絶対値が予め設定した第１閾値Ｐ１以上に増大した後、操作力６０の変化率が正負逆転して絶対値が予め設定した第２閾値Ｐ２以上に設定時間内に増大した場合、操作力６０に応じて抵抗反力生成手段７５への指令値を生成する。また、操作力６０の変化率の絶対値が第１閾値Ｐ１及び第２閾値Ｐ２よりも小さな第３閾Ｐ３値以下に設定時間以上あれば（ゼロ近傍に収束しているときは）、抵抗反力生成手段７５への指令値の出力を停止して被操作部材７１への操作反力の付与を停止する。なお図５（ｃ）において、第２閾値Ｐ２は波形５６の図示に合わせて負の領域に表してあり、また第１閾値と異なる値とすることも同値とすることもできる。また、第３閾値Ｐ３は正負の両領域に表してある。
【００５１】
抵抗反力制御手段７４は、上記の通り、抵抗反力指令値生成手段７３からの抵抗反力の指令値を抵抗反力生成手段７５の制御信号に変換する手段である。ただし、ここで言う指令値や信号は、電気的な信号に限定されず、圧力や力等の機械的又は物理的な信号も含まれる。例えば、上記の抵抗反力生成手段７５が可変絞りの開度によって粘性摩擦係数を決定する場合、可変絞りの面積を抵抗反力の指令値（電気信号、圧力、力等）に対応した値に制御する信号（電気信号、圧力、力など）に変換する。
【００５２】
次に本実施形態の操作装置の操作に伴う動作と作用を順次説明する。
【００５３】
操作者により被操作部材７１が操作されると、操作信号生成手段７２は被操作部材７１の単位時間当たりの操作量と操作方向に応じ、操作方向に対応するアクチュエータへの動作指令値を生成する。図１−図４の例において当該操作が「ブーム上げ」の動作を指示する場合、動作指令値に応じた大きさの操作信号が制御弁３２Ａの図３中の右側のソレノイド駆動部に出力され、制御弁３２Ａが図中右側のポジションに切り換わり、ブームシリンダ３３Ａのボトム側に圧油が供給され、操作に応じてブーム８Ａが上昇する。
【００５４】
このとき、被操作部材７１は比較的弱い操作力で円滑に動作するように反力生成要素（プッシャ４２やバネ等）が設定されているため、操作の初動から到達目標位置近傍に被操作部材７１を粗寄せする間の位置調整を伴わない速い操作は、円滑にすることができる。この間、操作者により被操作部材７１に加えられる操作力は主に主動筋による操作方向への荷重が支配的で、操作力の変化率は第１閾値を超えても変化率が正負逆転しないため、抵抗反力指令値生成手段７３では制御指令値が生成されず、抵抗反力生成手段７５から被操作部材７１に反力は付加されない。一方、到達目標位置近傍で被操作部材７１を停止させる過程において、主動筋の活動に対する拮抗筋の活動が増大して（被操作部材７１に操作方向と反対方向から加わる力が大きくなって）操作力の変化率が正負逆転する。この際、拮抗筋の活動が支配的になるにつれ、設定時間内に主動筋の動作時とは逆符号の変化率が第２閾値を超えた場合、抵抗反力生成手段７３は、その際の操作力（例えば操作方向と反対方向に作用する操作力、又は操作方向への操作力とその反対方向への操作力の差）に応じた抵抗反力指令値を生成し、その結果、抵抗反力生成手段７５によって被操作部材７１に反力が付与さる。この場合、操作者が被操作部材７１を停止させる際の筋力負担が軽減される。また、微操作時にも操作者は腕に力を入れて主動筋と拮抗筋の活動が拮抗させるので、その状態が制動動作検出手段７８により検出されることで、操作支援手段７７からの反力の作用によって被操作部材７１の操作が重くなる。
【００５５】
以上のように、本実施形態によれば、被操作部材７１の操作特性を動的に調整することができる。具体的には、速く粗い操作の時には操作反力が作用しないので（又は弱いので）、軽い力で操作することができ疲労も小さい。一方、被操作部材７１の急制動時や微操作時等のように慎重な操作によって操作者の腕の剛性が上がる場面では、被操作部材７１の操作反力が大きくなるため、腕のぶれ等に起因する誤操作を抑制することができ、また操作者の被操作部材７１の制動動作に要する筋力負担を軽減することができる点で疲労低減の効果が期待できる。このように動作解析に基づく操作者の筋肉の動きを制御概念に取り込み、操作装置の特性を動的に変化させることによって、本実施形態によれば、適当な操作反力を被操作部材７１に適時に付与することができるので、急操作時の操作感又は操作性の向上と誤操作の抑制を両立することができる。これにより、操作感及び操作性を向上させることができ、ひいては、作業機械の動作の安定性、作業精度及び作業効率を向上させることができ、操作者の負担及び疲労を低減することができる。
【００５６】
なお、本実施形態では、制動動作検出手段７８として被操作部材７１に取り付けた力センサを例に上げて説明したが、これに限られない。図５（ｄ）に示した抵抗反力６１は腕の剛性が高まったときの粘性抵抗を補助するものであるから、腕の剛性が高まったときに抵抗反力指令値が大きくなるように、抵抗反力指令値生成手段７３を構成することもできる。この場合、例えば操作者が被操作部材７１を操作するときの腕の主動筋と拮抗筋となり得る筋肉に、制動動作検出手段７８として筋肉の緊張度合いを測定する筋電センサを取り付け、両方の筋肉が同時に緊張しているときに主動筋と拮抗筋の同時出力の拮抗度に応じて、抵抗反力指令値生成手段７３が抵抗反力生成手段７５への指令値を生成する構成とすることもできる。このように構成すると、素早く腕を動かしているときのように腕の剛性が低い場合は被操作部材７１の抵抗反力は小さくなり、腕のぶれ等の誤操作を避けてゆっくり慎重に動かすとき、また微操作時や停止時のように腕の剛性が高い場合は被操作部材７１の抵抗反力は大きくなる。これにより、適切なタイミングで適切な操作支援が可能となり、操作感及び操作性が向上する。
【００５７】
また、操作装置７０を操作する際、操作者は腕の剛性が高まるのと同時に被操作部材７１を強く握る傾向があるので、腕の剛性を直接測定する代わりに、操作者が被操作部材７１を把持する握り圧又は握る力を検出し、その検出値に応じて抵抗反力指令値生成手段７１が抵抗反力指令値を決定する構成とすることもできる。この場合、例えば被操作部材７１のグリップ部分に青銅動作検出手段７８として圧力分布センサを設置し、操作者の被操作部材７１の握り圧の測定値に応じて抵抗反力指令値生成手段７１が抵抗反力指令値を決定する構成とすることができる。また、圧力分布センサの代わりに押し込み力により出力が変化するセンサ（力センサ等）を１つ又は複数用いて指や掌にかかる力を測定し、その測定値に応じて抵抗反力指令値生成手段７１が抵抗反力指令値を決定する構成とすることもできる。
【００５８】
さらには、被操作部材７１が図３に示した操作レバー１５のような構成である場合、操作者は粘性反力が必要なときにグリップ１５Ｂを握る力を増加させるだけでなく、軸１５Ａ方向に操作レバー１５を押し込む傾向がある。この現象を利用し、例えば軸１５Ａにその軸方向に押し付ける力又は圧力を測定する力センサ又は圧力分布センサを制動動作検出手段７８として設け、その測定値に応じて抵抗反力指令値生成手段７１が抵抗反力指令値を決定する構成とすることもできる。
【００５９】
本発明の操作装置の第２の実施形態を説明する。
【００６０】
図７は本発明の操作装置の第２実施形態の機能ブロック図である。図７において既出図面と同様の部分には既出の符号を付して説明を省略する。
【００６１】
本実施形態は、図５及び図６で説明した第１実施形態の操作装置が制動動作検出手段７８として力センサを被操作部材７１に取付けて操作力６０を測定する構成を採っていたのに対し、操作信号生成手段７２の出力である操作信号の加速度成分を基に被操作部材７１に付与する抵抗反力を演算する例である。操作信号の加速度成分は被操作部材７１に加わる操作力の変化率と同じように変動する傾向があるため、被操作部材７１に加わる操作力の代わりに操作信号の加速度成分を操作反力の制御の基礎に利用することができる。
【００６２】
本実施形態では、操作信号生成手段７２が出力する操作信号の加速度成分を演算する加速度演算手段を制動動作検出手段７８Ａとして設けている。この制動動作検出手段７８Ａで演算された操作信号の加速度は抵抗反力指令値生成手段７３に出力される。抵抗反力指令値生成手段７３は、制動動作検出手段７８Ａにより演算された操作信号の加速度成分の絶対値が予め設定した第１閾値以上に増大した後、加速度成分が正負逆転して絶対値が予め設定した第２閾値（第１閾値と異なる値にも同値にも設定可能）以上に増大した場合、その時点の加速度成分に応じて抵抗反力生成手段７５への指令値を生成する。一方、加速度成分の絶対値が第１及び第２閾値よりも小さな第３閾値以下にある場合、抵抗反力生成手段７５への指令値の出力を停止する。
【００６３】
本実施形態によっても第１実施形態と同様の効果が得られる。
【００６４】
本発明の操作装置の第３の実施形態を説明する。
【００６５】
前述した各実施形態では粘性摩擦抵抗や乾性摩擦抵抗を利用して被操作部材に操作反力を与える構成を例に上げて説明したが、本実施形態では被操作部材の動きに抗う能動的な反力を作り出して被操作部材に付与する。
【００６６】
図８は本発明の操作装置の第３実施形態の反力生成構造を模式的に表した概略図である。図８において既出図面と同様の部分には既出の符号を付して説明を省略する。
【００６７】
図８に示したように、本実施形態の操作装置１１では、操作レバー１５がそれぞれ前後方向・左右方向に回動するアーチ状のガイド部材５１，５２の頂部に設けた長穴５１ａ，５２ａに通されている。例えば操作レバー１５を前後方向に操作すると、操作レバー１５はガイド部材５２の長穴５２ａ内を長穴５２ａの長手方向に移動する一方、操作レバー１５の前後への動きに伴ってガイド部材５１が前後に回動する。反対に、操作レバー１５を左右方向に操作すると、操作レバー１５はガイド部材５１の長穴５１ａ内を長穴５１ａの長手方向に移動する一方、操作レバー１５の左右への動きに伴ってガイド部材５２が左右に回動する。操作レバー１５を複合操作した場合、例えば操作レバー１５を左前方に操作した場合には、操作レバー１５の動作に伴ってガイド部材５１，５２がそれぞれ前方及び左方向に回動する。
【００６８】
このとき、ガイド部材５１，５２の支軸には、抵抗反力生成手段である電動モータ５３，５４の出力軸がそれぞれ連結されている。これら電動モータ５３，５４は、ガイド部材５１，５２に対し、ガイド部材５１，５２の回動方向と対向する方向（反対方向）にトルクを与え、操作レバー１５に与える操作反力を生成する反力生成手段として機能する。
【００６９】
したがって、抵抗反力指令値生成手段７３において、第１又は第２実施形態で抵抗反力指令値を生成したのと同じ条件下で、制動動作検出手段からの検出値を基に電動モータ５３，５４への指令値を演算し、この指令値に応じて抵抗反力制御手段７４を介して電動モータ５３，５４に制御信号を出力することによって、被操作部材７１に操作反力を適時に作用させることができる。よって、本実施形態によっても第１及び第２実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００７０】
以上、本発明の操作装置は、土木工事、解体工事等の作業現場に使用される、油圧ショベルや油圧クレーンに代表される作業機械の操作装置に利用することができる。また、工場、宇宙、その他の環境で操作者の操作する作業機械等にも利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明の操作装置の適用対象である作業機械の一例である油圧ショベルの側面図である。
【図２】図１の油圧ショベルに備えられたキャブボックスの内部の概略構成を表す側面図である。
【図３】図１の油圧ショベルに備えられた操作レバーの構成を表す断面図である。
【図４】図１の油圧ショベルに備えられた油圧アクチュエータの駆動回路の概略図である。
【図５】操作者の操作動作の特性図である。
【図６】本発明の操作装置の第１実施形態の機能ブロック図である。
【図７】本発明の操作装置の第２実施形態の機能ブロック図である。
【図８】本発明の操作装置の第３実施形態の反力生成構造を模式的に表した概略図である。
【符号の説明】
【００７２】
１１，７０        操作装置
１５              操作レバー
１５Ａ            軸
１５Ｂ            グリップ
１５Ｃ            ペダル付き操作レバー
３３Ａ            ブームシリンダ
３３Ｂ            アームシリンダ
３３Ｃ            バケットシリンダ
３３Ｄ            旋回モータ
３３Ｅ，Ｆ        走行モータ
５３，５４        電動モータ
５９              操作指令値
６０              操作力
６１              抵抗反力
７１              被操作部材
７２              操作信号生成手段
７３              抵抗反力指令値生成手段
７４              抵抗反力制御手段
７５              抵抗反力生成手段
７６              操作入力手段
７７              操作支援手段
７８，７８Ａ      制動動作検出手段
Ｐ１              第１閾値
Ｐ２              第２閾値
Ｐ３              第３閾値
【図１】
2010066962.tif 000003
【図２】
2010066962.tif 000004
【図３】
2010066962.tif 000005
【図４】
2010066962.tif 000006
【図５】
2010066962.tif 000007
【図６】
2010066962.tif 000008
【図７】
2010066962.tif 000009
【図８】
2010066962.tif 000010