(57)【要約】【課題】操作者に対して力覚による報知を的確に行う。【解決手段】コントローラ１は、レバー２の変位量に係る信号及び外部信号を受信し、これら信号の一方又は両方に基づいてレバー２に付加する圧力を演算する。そしてコントローラ１は、演算した圧力がレバー２に付加されるよう、力覚アクチュエータ３３ｂの駆動を制御する。力覚アクチュエータ３３ｂの駆動により分岐管３２ｘ内の流体に圧力が付加され、この圧力が本体管３２内の流体に伝達され、さらに支持体２ａを介してレバー２に伝達される。【選択図】図４
2011221617.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
作業機の操作者が操作する操作部材の変位量に係る信号及び外部信号の少なくともいずれかを受信する受信手段と、
前記受信手段が受信した信号に基づいて、前記操作部材に付加する圧力を演算する演算手段と、
前記操作部材の変位に伴い流動可能な流体に生じる圧力を介して前記演算手段により演算された圧力が前記操作部材に付加されるよう、前記流体に圧力を付加する力覚アクチュエータの駆動を制御する駆動制御手段と
を備えたことを特徴とする、作業機の操作部材に対する力覚制御装置。
【請求項２】
前記流体の収容空間が前記操作部材の変位方向に沿って設けられており、
前記収容空間における前記変位方向に対向する位置に設けられたバルブの駆動を制御することにより、前記操作部材に付加される圧力を前記変位方向に関して調整する調整手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の力覚制御装置。
【請求項３】
前記調整手段が、複数の前記バルブを個別に制御可能であることを特徴とする請求項２に記載の力覚制御装置。
【請求項４】
前記調整手段は、前記演算手段が前記変位量に係る信号に基づいて前記圧力を演算した場合、前記変位方向に関して均一な圧力が前記操作部材に付加されるように調整することを特徴とする請求項２又は３に記載の力覚制御装置。
【請求項５】
前記調整手段は、前記演算手段が前記外部信号に基づいて前記圧力を演算した場合、前記変位方向に関して不均一な圧力が前記操作部材に付加されるように調整することを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載の力覚制御装置。
【請求項６】
前記操作部材が、作業対象物に回転力を付与する動作に係るものであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の力覚制御装置。
【請求項７】
前記操作部材が、前記操作者の操作により傾斜可能な棒状部材であり、
前記変位量が、前記操作部材の傾斜角度であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の力覚制御装置。
【請求項８】
前記作業機が油圧式であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の力覚制御装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一項に記載の力覚制御装置と、
前記流体を収容する収容部材と、
前記力覚アクチュエータと、
前記操作部材を支持すると共に前記収容部材及び前記力覚アクチュエータを内蔵する支持体とを備え、
前記流体に生じる圧力が前記支持体を介して前記操作部材に付加されることを特徴とする、作業機の操作部材に対する力覚発生装置。
【請求項１０】
前記操作部材を付勢すると共に前記変位量に応じた復元力を発生する付勢手段をさらに備えたことを特徴とする請求項９に記載の力覚発生装置。
【請求項１１】
前記支持体が、前記操作部材の変位に伴い変位すると共に、前記力覚アクチュエータの駆動により生じた前記流体の圧力に応じて変位し、前記操作部材を変位させることを特徴とする請求項９又は１０に記載の力覚発生装置。
【請求項１２】
作業機の操作者が操作する操作部材の変位量に係る信号及び外部信号の少なくともいずれかを受信する受信ステップ、
前記受信ステップにおいて受信した信号に基づいて、前記操作部材に付加する圧力を演算する演算ステップ、及び、
前記操作部材の変位に伴い流動可能な流体に生じる圧力を介して前記演算ステップにおいて演算された圧力が前記操作部材に付加されるよう、前記流体に圧力を付加する力覚アクチュエータの駆動を制御する駆動制御ステップ
を備えたことを特徴とする作業機の操作部材に対する力覚制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、作業機の操作部材に対する力覚制御装置、力覚発生装置、及び、力覚制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
建設機械や産業用ロボット、制御器を搭載する作業器具類は、各種作業における作業力の拡大、速度、効率、精度等を向上させるものである。これら作業機は、機械的機構と動力として電動機や内燃機関等を具備しており、駆動力としては油圧式、空圧式、電気式等がある。駆動方式については、一定の処理を繰り返す自動制御方式のものもあるが、人が操作・操縦することによるものもある。後者の一例である建設機械のクレーンやショベルは、操作室内にレバー等の操作部材を有し、操作者が操作部材を操作することで、操作部材の変位量に応じた駆動力（回転トルク、速度等）により駆動するよう構成されている。このような作業機の操作部材に関する技術文献として、特許文献１が知られている。特許文献１の技術は、操作部材（操作レバー）の支持体に、操作部材を付勢する付勢手段と可変粘性流体を収容したダンパとを設け、操作部材の操作速度（変位速度）に応じてダンパ内の流体の粘度を通電により変化させ、ダンパによる減衰力を発生させる。これにより、付勢手段による付勢力を調整し、操作者の操作部材に加える力に対する反力を調整するというものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−２７６２４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、作業機においては、作業機の姿勢、作業機周辺の環境、作業対象物（荷物等）の位置・重量等の各要素が、作業に影響を及ぼす場合がある。例えば、作業機が静止状態から駆動開始してしばらく経過した後は、操作部材の変位量に応じた駆動力が適時に生じ、作業を円滑に行うことができるが、駆動開始直後は、静摩擦と動摩擦との差異、電気系と機械系とにおける動作の遅延等によって、操作部材の変位量に応じた駆動力が適時に生じず、作業を円滑に行いにくい傾向にある。また、例えば作業機がクレーンであって、作業対象物を保持しつつ旋回する場合や作業対象物の引き揚げのためにブームを伏仰させる場合、作業対象物の重力と旋回やブーム伏仰による回転力との合力とによって作業対象物が振り子運動を行うため、作業を円滑に行いにくい。操作者はこのような問題を考慮しつつ操作を行う必要があり、経験のある操作者であれば、機械が発生する振動や音や吊り荷の位置情報（例えば、旋回動作時における油圧モータの圧力や流量の変化、巻き揚げ動作時における巻き揚げドラムの負荷トルクやワイヤ張力）を自らの五感で感知して精巧な操作を行い得る。このような力覚を操作者に適切に提示することができれば、経験の少ない操作者であっても、経験のある操作者のような精巧な操作が可能となる。そのため、上記各要素について操作者に対して報知を行うことが求められている。
【０００５】
報知の方法としては、聴覚による方法（例えば、ブザー音や特殊な音色を発生させる方法）、視覚による方法（例えば、特定の画像を表示する方法）等が挙げられるが、前者では報知音と周辺の環境音との区別が困難であり報知音を把握しにくいという問題、後者では操作者が操作に集中できないという問題がある。その他、力覚による方法として、操作部材を微小振動させることが考えられるが、この場合、特に精密性を要する操作（微操作）において、適切な操作を行えないという問題がある。また、上記特許文献１の技術では、たとえ操作速度に加えて上記各要素を考慮したとしても、ダンパによる減衰力によって付勢力を調整するだけであるため、力覚による報知を的確に行うことができない。
【０００６】
本発明の目的は、操作者に対して力覚による報知を的確に行うことが可能な、作業機の操作部材に対する力覚制御装置、力覚発生装置、及び力覚制御方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明の第１観点によると、作業機の操作者が操作する操作部材の変位量に係る信号及び外部信号の少なくともいずれかを受信する受信手段と、前記受信手段が受信した信号に基づいて、前記操作部材に付加する圧力を演算する演算手段と、前記操作部材の変位に伴い流動可能な流体に生じる圧力を介して前記演算手段により演算された圧力が前記操作部材に付加されるよう、前記流体に圧力を付加する力覚アクチュエータの駆動を制御する駆動制御手段とを備えたことを特徴とする、作業機の操作部材に対する力覚制御装置が提供される。
【０００８】
本発明の第２観点によると、上記第１観点に係る力覚制御装置と、前記流体を収容する収容部材と、前記力覚アクチュエータと、前記操作部材を支持すると共に前記収容部材及び前記力覚アクチュエータを内蔵する支持体とを備え、前記流体に生じる圧力が前記支持体を介して前記操作部材に付加されることを特徴とする、作業機の操作部材に対する力覚発生装置が提供される。
【０００９】
本発明の第３観点によると、作業機の操作者が操作する操作部材の変位量に係る信号及び外部信号の少なくともいずれかを受信する受信ステップ、前記受信ステップにおいて受信した信号に基づいて、前記操作部材に付加する圧力を演算する演算ステップ、及び、前記操作部材の変位に伴い流動可能な流体に生じる圧力を介して前記演算ステップにおいて演算された圧力が前記操作部材に付加されるよう、前記流体に圧力を付加する力覚アクチュエータの駆動を制御する駆動制御ステップを備えたことを特徴とする作業機の力覚制御方法が提供される。
【００１０】
ここで、「外部信号」とは、操作部材の変位量に基づき行われる作業に影響を及ぼす要素（例えば、作業機の姿勢、作業機がこれから行う動作の種類、作業機周辺の環境、作業対象物（荷物等）の位置・移動軌跡・重量、油圧モータの圧力や流量、ウィンチドラムの負荷トルクやワイヤ張力等の各要素）に係るデータ値を示す信号をいう。
【００１１】
上記第１〜第３観点によれば、力覚アクチュエータの駆動を制御し、操作部材の変位に伴い流動可能な流体に生じる圧力を介して、操作部材に圧力を付加する。この場合、操作部材に対し、能動的に圧力が付加されることから、操作者に対して力覚による報知を的確に行うことが可能である。
【００１２】
変位量に係る信号に基づいた圧力を操作部材に付加する場合、反力を調整する（例えば反力を大きくすることで操作感覚を重くし、慎重に微操作を行うのに好適な設定としたり、反力を小さくすることで操作感覚を軽くし、操作者の疲労を抑制しつつ迅速な操作を行うのに好適な設定としたりする）ことができる。また、外部信号に基づいた圧力を操作部材に付加する場合、力覚による報知が的確に行われることにより、操作経験の少ない者でも、操作に対する注意力が喚起され、円滑な作業を実現し得る。
【００１３】
また、本発明の上記第２観点に係る力覚発生装置によれば、操作部材を支持する支持体に流体の収容部材及び力覚アクチュエータを内蔵させたことで、力覚発生に係る部材を外部に設けた場合に比べ、装置全体の小型化を実現することができる。
【００１４】
本発明に係る力覚制御装置は、前記流体の収容空間が前記操作部材の変位方向に沿って設けられており、前記収容空間における前記変位方向に対向する位置に設けられたバルブの駆動を制御することにより、前記操作部材に付加される圧力を前記変位方向に関して調整する調整手段をさらに備えてよい。この場合、力覚による報知をより一層効果的に行うことができる。
【００１５】
前記調整手段は、複数の前記バルブを個別に制御可能であることが好ましい。この場合、力覚による報知をさらに一層効果的に行うことができる。
【００１６】
前記調整手段は、前記演算手段が前記変位量に係る信号に基づいて前記圧力を演算した場合、前記変位方向に関して均一な圧力が前記操作部材に付加されるように調整してよい。この場合、いずれの変位方向についても同様の反力が生じるようにし、操作感覚を重くすることができる。
【００１７】
前記調整手段は、前記演算手段が前記外部信号に基づいて前記圧力を演算した場合、前記変位方向に関して不均一な圧力が前記操作部材に付加されるように調整してよい。この場合、不均一な圧力により、力覚による報知を的確に行うことができる。
【００１８】
前記操作部材は、作業対象物に回転力を付与する動作（例えば旋回動作や起伏動作）に係るものであってよい。この場合、操作部材を操作した際に、クレーンにおいては、作業対象物の重力と回転力との合力とによって作業対象物が振り子運動を行うため、作業に注意を要することから、力覚による報知を的確に行うことによる効果が特に発揮される。
【００１９】
前記操作部材が、前記操作者の操作により傾斜可能な棒状部材であり、前記変位量が、前記操作部材の傾斜角度であってよい。この構成は、建設機械等に適した形態である。
【００２０】
前記作業機が油圧式であってよい。この構成は、建設機械等に適した形態である。
【００２１】
本発明に係る力覚発生装置は、前記操作部材を付勢すると共に前記変位量に応じた復元力を発生する付勢手段をさらに備えてよい。この場合、付勢手段の復元力によって操作部材を初期位置に漸進的に復帰させることができ、操作性の向上が実現される。
【００２２】
本発明に係る力覚発生装置において、前記支持体が、前記操作部材の変位に伴い変位すると共に、前記力覚アクチュエータの駆動により生じた前記流体の圧力に応じて変位し、前記操作部材を変位させてよい。この場合、流体の圧力に応じて支持体が変位し、さらに操作部材が変位するため、操作者に対してより的確に報知を行うことができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によると、力覚アクチュエータの駆動を制御し、操作部材の変位に伴い流動可能な流体に生じる圧力を介して、操作部材に圧力を付加する。この場合、操作部材に対し、能動的に圧力が付加されることから、操作者に対して力覚による報知を的確に行うことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の一実施形態に係る力覚制御装置及び力覚発生装置が適用される、作業機の一例である油圧式クレーンの概略構成図である。
【図２】図１に示す油圧式クレーンの上部旋回体における駆動システムを示す図である。
【図３】図２に示すレバーに対して設けられた力覚発生装置を示す概略図である。
【図４】図３のレバーを後方に倒した場合における力覚発生装置の各要素の状態を示す概略図である。
【図５】力覚発生装置の力覚発生調整ユニットに含まれる力覚発生部及び力覚調整部を示す模式図である。
【図６】図５における一方の力覚調整部のバルブを初期位置に維持しつつ他方の力覚調整部のバルブを切り換えた状態を示す模式図である。
【図７】力覚制御方法を示すフローチャートである。
【図８】力覚発生装置の第１変形例を示す、図５に対応する模式図である。
【図９】力覚発生装置の第２変形例を示す、図５に対応する模式図である。
【図１０】力覚発生装置の第３変形例を示す、図５に対応する模式図である。
【図１１】力覚発生装置の第４変形例を示す、図５に対応する模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００２６】
先ず、図１を参照し、本発明の一実施形態に係る力覚制御装置及び力覚発生装置が適用される作業機の一例である油圧式クレーン１００の概略構成について、説明する。
【００２７】
クレーン１００は、下部走行体５０、下部走行体５０の上部に設けられた上部旋回体６０、上部旋回体６０に接続されたアタッチメント７０、及び、作業対象物（荷物等）を引掛け保持するフック８０を有する。上部旋回体６０は、下部走行体５０の平面中心を通り且つ下部走行体５０が走行する地面に対し直交する軸Ｏを回転軸として、旋回可能である。アタッチメント７０は、上部旋回体６０の上部前方から延出すると共に上部旋回体６０との接続点を中心として伏仰可能なブーム７１、及び、ブーム７１の上部旋回体６０とは反対側の端部に接続されると共にブーム７１との接続点を中心として伏仰可能なジブ７２を含む。ブーム７１及びジブ７２はワイヤ７５を介して上部旋回体６０に支持されている。フック８０はワイヤ８１を介して上部旋回体６０に支持されている。ワイヤ８１は、一端が上部旋回体６０に他端がフック８０にそれぞれ接続されており、上部旋回体６０からアタッチメント７０のブーム７１及びジブ７２に沿って延在し、そしてジブ７２の先端（ブーム７１とは反対側の端部）から鉛直方向下方に垂下し、他端においてフック８０に接続している。上部旋回体６０は、各ワイヤ７５，８１を巻き揚げるためのウィンチ（図示せず）も具備している。
【００２８】
下部走行体５０は、走行方向（図１中矢印で示す水平方向）に直交する左右方向（図１の紙面に直交する方向）両側に１つずつ、後述の動力源６１（図２参照）により駆動する走行用油圧モータ（図示せず）を有する。
【００２９】
上部旋回体６０は、図２に示すように、動力源６１、作動油を貯留する油圧タンク６２、動力源６１の駆動により油圧タンク６２から作動油を汲み上げる油圧ポンプ６３、及び、油圧ポンプ６３の駆動により供給された作動油によって駆動する複数の油圧モータを有する。動力源６１としては、エンジン等の内燃機関、バッテリ及び電動機の組合せによるもの、内燃機関とバッテリ及び電動機との組合せによるハイブリッド式のもの等が挙げられる。
【００３０】
図２には、上記複数の油圧モータのうち旋回用モータ６５のみを示すが、上部旋回体６０には旋回用モータ６５以外にもブーム伏仰用モータ、ジブ伏仰用モータ、ウィンチ用モータ等が設けられている。旋回用モータ６５は、その他のモータと直列、並列、又は直列・並列併用で、油圧ポンプ６３に対して接続されてよい。これら各油圧モータは、バルブを介して油圧ポンプ６３から作動油を受容し、減速機を介してクレーン１００の対応する各部を駆動する。図２には、旋回用モータ６５に対応したバルブ６４、減速機６６、及び旋回機構６７のみが示されている。
【００３１】
本実施形態において、レバー２は旋回動作に用いられるものである。即ち、操作者によるレバー２の操作に応じてバルブ６４の経路が切り換わり、これにより旋回用モータ６５の回転方向や回転速度が変化する。旋回用モータ６５以外のモータは、例えばレバー２以外の操作部材の操作者による操作に応じて、対応するバルブの経路が切り換わり、モータの回転方向や回転速度が変化する。
【００３２】
クレーン１００の操作者は、作業時においてクレーン１００が旋回動作、ブーム伏仰動作、ジブ伏仰動作、ウィンチ動作等の複数の動作を連続的に又は同時に行うよう、各操作部材（レバー２等）を操作する。
【００３３】
レバー２は、操作者が操作室内に着座したときに手で握りながら操作可能な、上部旋回体６０の操作室内において支持体２ａに支持された棒状部材である。レバー２は、初期状態において支持体２ａの表面から直交する方向に延在しており（図２参照。このときの位置を中立位置と称す。）、操作者の操作により下端を支点として前後方向（図１中矢印で示すクレーン１００の走行方向に沿った水平方向）に傾斜可能である（図３参照）。レバー２の下端には、図３に示すように、レバー２の傾斜角度及び傾斜方向を検出する角度計２ｂが内蔵されている。角度計２ｂが検出した傾斜角度及び傾斜方向を示す信号（変位量に係る信号）は、コントローラ１に送信される。
【００３４】
角度計２ｂとしては、ポテンショメータのようなアナログ検出を行うもの、ロータリーエンコーダのようなデジタル検出を行うもの等、任意の検出器を適用可能である。
【００３５】
次に、図３及び図４を参照し、本実施形態の力覚発生装置３０の概要について説明する。
【００３６】
力覚発生装置３０は、図３及び図４に示すように、支持体２ａ、一対のバネ３ａ，３ｂ、力覚発生調整ユニット３１、及びコントローラ１を含む。一対のバネ３ａ，３ｂ及び力覚発生調整ユニット３１は、レバー２に対応して設けられたものである。コントローラ１は、クレーン１００全体の動作を制御する。
【００３７】
バネ３ａ，３ｂはそれぞれ、レバー２の傾斜可能な前後方向に関してレバー２の下端から所定距離離隔した位置において、支持体２ａに内蔵されている。バネ３ａ，３ｂは、上端が支持体２ａの表面近傍、下端が力覚発生調整ユニット３１における後述の本体管３２の延在部３２ａ，３２ｂ上端近傍にそれぞれ固定され、支持体２ａを介してレバー２を鉛直方向上方に付勢すると共に、レバー２の傾斜に応じた復元力を発生する。
【００３８】
支持体２ａは、表面がレバー２の延在方向に対して常に直交する方向に延在し、レバー２の傾斜に応じて傾斜する。例えば図３の中立位置から操作者がレバー２を後方に倒すと、図４に示すように支持体２ａも傾斜する。このとき後方のバネ３ｂは支持体２ａ表面の下降に伴い圧縮され、前方のバネ３ａは支持体２ａ表面の上昇に伴い伸張する。またこのとき、後述の力覚発生調整ユニット３１における後方のロッド３６ｄ及びピストン３６ｐが支持体２ａ表面の下降に伴い下方に移動し、前方のロッド３６ｄ及びピストン３６ｐが支持体２ａ表面の上昇に伴い上方に移動する。また後に詳述するように、支持体２ａは、力覚発生調整ユニット３１の駆動により生じた流体の圧力に応じて傾斜し、レバー２を傾斜させる。
【００３９】
力覚発生調整ユニット３１は、流体が収容されているＵ字状の本体管３２、本体管３２の底部から下方に延出した分岐管３２ｘに設けられた力覚発生部３３、及び、本体管３２の２つの延在部３２ａ，３２ｂにそれぞれ対応して設けられた力覚調整部３４，３５を含む。
【００４０】
本体管３２は、延在部３２ａ，３２ｂの上端近傍に配置されたピストン３６ｐ及び分岐管３２ｘ内に配置されたピストン３３ｐによって画定された流体収容空間を有する。各ピストン３６ｐのロッド３６ｄの上端は支持体２ａの表面近傍に固定され、下端はピストン３６ｐに固定されている。なお、ピストン３６ｐ及びロッド３６ｄは力覚調整部３４，３５の要素、ピストン３３ｐは力覚発生部３３の要素であって、これらの詳細については後に説明する。
【００４１】
本体管３２及び分岐管３２ｘを含む流体の収容空間は、閉回路を形成している。
【００４２】
バネ３ａ，３ｂ及び力覚発生調整ユニット３１の各構成要素は支持体２ａに内蔵されており、コントローラ１はクレーン１００の適宜の位置に配置されている。
【００４３】
コントローラ１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を含む。ＲＯＭには、後述する力覚制御方法を実行するためのプログラム、レバー２の変位量（本実施形態では、レバー２の傾斜角度及び傾斜方向）と旋回用モータ６５の回転方向及び回転速度との関係特性、後述のＳ２（図７参照）においてレバー２に付加する圧力を演算するための演算式等が記憶されている。ＲＡＭには、レバー２の角度計２ｂから送信されてきた変位量に係る信号のデータ、外部信号のデータ、その他プログラム実行のための各種情報が一時的に記憶される。
【００４４】
次に、図５及び図６を参照し、力覚発生調整ユニット３１に含まれる力覚発生部３３及び力覚調整部３４，３５について説明する。
【００４５】
図５及び図６に示すように、力覚発生部３３はシリンダ３３ａ及び力覚アクチュエータ３３ｂを有し、力覚調整部３４，３５はそれぞれシリンダ３６、バルブ３７、及びアキュムレータ３８を有する。力覚アクチュエータ３３ｂ及びバルブ３７の駆動はコントローラ１により制御される。
【００４６】
力覚発生部３３のシリンダ３３ａは、シリンダ３３ａ内に配置されたピストン３３ｐにより画定された流体収容空間３３ｖを有する。当該空間３３ｖは、分岐管３２ｘと連通し、ピストン３３ｐの鉛直方向に沿った移動により容積が増減する。力覚アクチュエータ３３ｂは、ピストン３３ｐに接続し且つコントローラ１の制御により鉛直方向に伸縮可能なロッド３３ｄを有する。
【００４７】
シリンダ３３ａの受圧面積（即ち、空間３３ｖにおける水平方向に沿った断面積であって、ピストン３３ｐの面積）は、後述のような力覚アクチュエータ３３ｂの駆動に応じてシリンダ３３ａ内に生じた流体の圧力を本体管３２内の流体に伝達可能なように、本体管３２の受圧面積（本体管３２の延在方向に直交する方向に沿った断面積であって、ピストン３６ｐの面積）に比べて十分小さい。
【００４８】
力覚調整部３４，３５のシリンダ３６は、シリンダ３６内に配置されたピストン３６ｐにより画定された流体収容空間３６ｖを有する。当該空間３６ｖは、本体管３２の延在部３２ａ，３２ｂとそれぞれ連通し、ピストン３６ｐの移動により容積が増減する。シリンダ３６のピストンロッド３６ｄは、上述のとおり、上端が支持体２ａの表面近傍、下端がピストン３６ｐに固定されており、支持体２ａの傾斜、及び、空間３６ｖ内の流体レベルに沿ったピストン３６ｐの位置の変化に応じて、鉛直方向に移動可能である。つまり、支持体２ａの表面が上昇又は下降すると、ロッド３６ｄが鉛直方向に移動すると共にピストン３６ｐの位置が変化し、一方、空間３６ｖ内の流体レベルの変動によりピストン３６ｐの位置が変化すると、ロッド３６ｄが鉛直方向に移動すると共に支持体２ａの表面が上昇又は下降する。
【００４９】
バルブ３７は、コントローラ１の制御により、（Ａ）及び（Ｂ）の２つの位置を選択的に取り得る。（Ａ）（Ｂ）の各位置において、シリンダ３６に接続するポートＰＣ、アキュムレータ３８に接続するポートＰＡ、及び本体管３２に接続するポートＰＢが設けられている。バルブ３７が（Ａ）の位置にあるとき、ポートＰＣ，ＰＢが接続し、シリンダ３６と本体管３２とが接続される。バルブ３７が（Ｂ）の位置にあるとき、ポートＰＣ，ＰＡが接続し、シリンダ３６とアキュミュレータ３８とが接続される。初期状態において、バルブ３７は（Ａ）の位置にある。
【００５０】
ここで、図３〜図６を参照し、レバー２の変位（傾斜）や力覚アクチュエータ３３ｂの駆動に応じた各部の動作について説明する。
【００５１】
力覚調整部３４，３５の両バルブ３７が（Ａ）の位置にあり（図５参照）、且つ、力覚アクチュエータ３３ｂが駆動されない状態において、レバー２が図４に示すように後方に傾斜された場合、支持体２ａが傾斜すると共に、後方にある力覚調整部３５のロッド３６ｄ及びピストン３６ｐの下降により、力覚調整部３５のシリンダ３６の空間３６ｖ内の流体がポートＰＣ，ＰＢを介して本体管３２に流入し、他方の力覚調整部３４のシリンダ３６の空間３６ｖ内の流体レベルが上昇する。この場合、力覚アクチュエータ３３ｂが駆動されないため、レバー２にはバネ３ａ，３ｂの復元力のみが作用する。即ち、操作者がレバー２を図４のように傾斜させた後レバー２から手を離すと、レバー２はバネ３ａ，３ｂの復元力によって図３に示す中立位置に戻ろうとする。
【００５２】
力覚調整部３４，３５の両バルブ３７が（Ａ）の位置にある状態（図５参照）において、力覚アクチュエータ３３ｂを駆動してロッド３３ｄを上方に伸張させた場合、シリンダ３３ａの空間３３ｖが収縮し、空間３３ｖ内の流体に圧力が付加される。そしてこのとき空間３３ｖが分岐管３２ｘを介して本体管３２と連通し、さらに本体管３２の２つの延在部３２ａ，３２ｂが分岐管３２ｘを介して互いに接続されているため、２つの延在部３２ａ，３２ｂ内の流体に均一に圧力が付加される。そしてさらにロッド３６ｄを介して支持体２ａに圧力が伝達され、支持体２ａを介してレバー２にも流体圧力に起因した圧力が付加されることとなる。この場合、レバー２には、力覚アクチュエータ３３ｂの駆動による流体圧力に起因した圧力が作用する。
【００５３】
またこの場合、支持体２ａにおけるレバー２に対して前後両側に均一な圧力が生じ、操作者のレバー２に加える力に対する反力が、当該圧力の分だけ大きくなる。即ち、支持体２ａへの圧力付加により、操作者がレバー２を前後方向に傾斜させようと操作するとき、支持体２ａに圧力付加がなされていない状態よりも大きな力をレバー２に加えなければ、レバー２を傾斜させることができない。この場合、レバー２の操作感覚が重くなるため、例えば慎重に微操作を行う場合等に好適である。
【００５４】
レバー２が図３の中立位置にある状態において、力覚調整部３４，３５の両バルブ３７を（Ａ）の位置に維持しつつ（図５参照）力覚アクチュエータ３３ｂを駆動してロッド３３ｄを上方に伸張させた場合、レバー２には、力覚アクチュエータ３３ｂの駆動による流体圧力に起因した圧力が作用する。一方、レバー２が図４のように後方に傾斜した状態において、力覚調整部３４，３５の両バルブ３７を（Ａ）の位置に維持しつつ（図５参照）力覚アクチュエータ３３ｂを駆動してロッド３３ｄを上方に伸張させた場合、レバー２には、バネ３ａ，３ｂの復元力に加え、力覚アクチュエータ３３ｂの駆動による流体圧力に起因した圧力が作用する。
【００５５】
ロッド３３ｄに加わる力をｆ、シリンダ３３ａの受圧面積をＳ１、本体管３２の受圧面積をＳ２とすると、空間３３ｖ内の流体に付加される圧力は「ｆ／Ｓ１」であり、また、流体に付加される圧力はどの位置においても同一であることから、ロッド３６ｄに付加される力は「（ｆ／Ｓ１）×Ｓ２」となる。上記のように、シリンダ３３ａの受圧面積Ｓ１は本体管３２の受圧面積をＳ２に比べて十分小さいことから（Ｓ１≪Ｓ２）、小さな力ｆによって、ロッド３６ｄに大きな力を付加することができる。
【００５６】
なお、力覚アクチュエータ３３ｂを駆動する前に、力覚調整部３４，３５のバルブ３７の駆動を制御することで、レバー２に付加される圧力を前後において調整することができる。
【００５７】
例えば、図６に示すように、一方（図６右方）の力覚調整部３５のバルブ３７の位置を（Ａ）に維持したまま、他方（図６左方）の力覚調整部３４のバルブ３７の位置を（Ｂ）に切り換える。その後、力覚アクチュエータ３３ｂを駆動し、ロッド３３ｄを上方に伸張させると、シリンダ３３ａにおいて発生した圧力が一方（図６右方）の力覚調整部３５のみに伝達される。
【００５８】
レバー２が図３の中立位置にある状態において、上記のようなバルブ３７の切り換え及び力覚アクチュエータ３３ｂの駆動を行った場合、力覚調整部３５に対応する一方（図６右方）のピストン３６ｐ及びロッド３６ｄが他方（図６左方）のピストン３６ｐ及びロッド３６ｄよりも上方に移動することにより、図４とは逆に、支持体２ａの表面の後方が隆起するように傾斜し、支持体２ａの傾斜に伴ってレバー２も前方に倒れる。一方、レバー２が図４のように後方に傾斜した状態において、上記のようなバルブ３７の切り換え及び力覚アクチュエータ３３ｂの駆動を行った場合、前後両方のピストン３６ｐ及びロッド３６ｄがそれぞれ初期位置に復帰する方向に移動することにより、支持体２ａには表面が水平になる方向の圧力が付加され、レバー２には図３の中立位置に戻る方向の力が付加される。
【００５９】
次に、図７を参照し、コントローラ１による力覚制御方法について説明する。図７に示す各処理は、コントローラ１のＣＰＵにより実行されるものである。即ち、コントローラ１のＣＰＵは、ＲＯＭからプログラムを読み出した上で、ＲＡＭから各種情報を読み出しつつ、下記のような力覚制御方法を実行する。
【００６０】
コントローラ１は、先ず、角度計２ｂから送信される変位量に係る信号、又は、外部信号を受信する（Ｓ１）。ここで、「外部信号」とは、レバー２の変位量に基づき行われる作業に影響を及ぼす要素（例えば、クレーン１００の姿勢、クレーン１００がこれから行う動作の種類、クレーン１００周辺の環境、作業対象物（荷物等）の位置・移動軌跡・重量、油圧モータの圧力や流量、ウィンチドラムの負荷トルクやワイヤ張力等の各要素）に係るデータ値を示す信号をいう。
【００６１】
Ｓ１で変位量に係る信号又は外部信号を受信した後、コントローラ１は、レバー２に付加する圧力を演算する（Ｓ２）。このときコントローラ１のＣＰＵは、ＲＯＭに記憶されている演算式と、ＲＡＭに記憶されているＳ１で受信した信号のデータとを参照しつつ、演算を行う。
【００６２】
圧力の演算方法は特に限定されるものではないが、本実施形態のように油圧式クレーン１００の旋回動作を対象とする場合における演算方法の一例について説明する。即ち、本実施形態では、コントローラ１は、旋回用モータ６５（図２参照）の出入口での差圧を検出するセンサから、当該差圧に係るデータ値を示す信号を「外部信号」として受信する。そして、この外部信号に基づいてレバー２に付加する圧力を演算する場合、レバー２に付加する圧力を、外部信号が示すデータ値（この場合、差圧の値）が大きいほど大きな圧力、小さいほど小さな圧力としてよい（ポジコン／比例制御）。或いは、外部信号が示すデータ値（この場合、差圧の値）が大きいほど小さな圧力、小さいほど大きな圧力としてもよい（ネガコン／反比例制御）。また、変位量に係る信号に基づいてレバー２に付加する圧力を演算する場合、傾斜角度が大きいほど大きな圧力、小さいほど小さな圧力としてよいし（ポジコン／比例制御）、逆に、傾斜角度が大きいほど小さな圧力、小さいほど大きな圧力としてもよい（ネガコン／反比例制御）。或いは、傾斜角度ではなく、レバー２の変位速度に基づいて圧力を演算してよい。
【００６３】
演算（Ｓ２）は、変位量に係る信号及び外部信号の少なくともいずれか一方に基づいて行えばよく、一方の信号のみに基づいて行ってもよいし、両方の信号に基づいて複合的な演算を行ってもよい。
【００６４】
なお、上記の演算例において、旋回用モータ６５（図２参照）の出入口での差圧を考慮することとしたのは、以下の理由による。即ち、旋回用モータ６５の駆動開始指令をコントローラ１が受信してからモータ６５が実際に回転し始めるまでには、先ず、油圧ポンプ６３からの作動油の供給によりモータ６５の入口側の圧力が増加し、モータ６５の出入口で差圧が生じる。そしてこの差圧が静摩擦力を超えたときに、モータ６５が回転し始める。さらに旋回機構６７が駆動を開始するには、減速機６６の静摩擦力をも考慮する必要がある。
【００６５】
演算（Ｓ２）の後、コントローラ１は、力覚を発生させる必要があるか否かを判断する（Ｓ３）。この判断は任意の条件に基づいて行ってよく、演算（Ｓ２）において考慮した信号の種類、レバー２の位置、クレーン１００の姿勢、操作者からの指令等に基づいて当該判断を行ってよい。力覚を発生させる必要がないと判断した場合（Ｓ３：ＮＯ）、コントローラ１は、処理をＳ１に戻す。力覚を発生させる必要があると判断した場合（Ｓ３：ＹＥＳ）、コントローラ１は、レバー２に付加する圧力を前後方向（レバー２の変位方向）に関して調整する必要があるか否かを判断する（Ｓ４）。この判断はＳ３と同様に任意の条件に基づいて行ってよく、演算（Ｓ２）において考慮した信号の種類、レバー２の位置、クレーン１００の姿勢、操作者からの指令等に基づいて当該判断を行ってよい。
【００６６】
Ｓ４に関して、例えば、演算（Ｓ２）を変位量に係る信号に基づいて行った場合、前後方向に関して均一な圧力がレバー２に付加されるよう、両バルブ３７が初期位置である（Ａ）に維持されるよう、バルブ３７の駆動制御（Ｓ５）を行わないと判断するか、或いは、両バルブ３７が初期位置（Ａ）から（Ｂ）に切り換わるよう、バルブ３７の駆動制御（Ｓ５）を行うと判断する。また、例えば、演算（Ｓ２）を外部信号に基づいて行った場合、前後方向に関して不均一な圧力がレバー２に付加されるよう、一方のバルブ３７を初期位置（Ａ）に維持しつつ他方のバルブ３７が（Ｂ）に切り換わるよう、バルブ３７の駆動制御（Ｓ５）を行うと判断する。
【００６７】
コントローラ１は、上記調整を行う必要がないと判断した場合（Ｓ４：ＮＯ）、処理をＳ６に移行させる。一方、上記調整を行う必要があると判断した場合（Ｓ４：ＹＥＳ）、コントローラ１は、バルブ３７の駆動を制御する（Ｓ５）。即ち、力覚調整部３４，３５の一方のバルブ３７の位置を（Ａ）に維持しつつ他方のバルブ３７の位置を（Ｂ）に切り換える（図６参照）か、或いは、両バルブ３７を初期位置（Ａ）から（Ｂ）に切り換える。
【００６８】
そしてＳ６において、コントローラ１は、力覚アクチュエータ３３ｂの駆動を制御する。即ち、力覚アクチュエータ３３ｂのロッド３３ｄを上方に伸張させ、シリンダ３３ａ内の流体に生じた圧力を、分岐管３２ｘ、本体管３２、支持体２ａ等を介して、レバー２に付加する。このとき、力覚アクチュエータ３３ｂに対する駆動力は、レバー２に付加される圧力がＳ２で演算した圧力となるように設定される。
【００６９】
Ｓ６の後、又は、Ｓ３で力覚を発生させる必要がないと判断した場合（Ｓ３：ＮＯ）、コントローラ１は、処理をＳ１に戻す。そして新たに信号を受信し（Ｓ１）、演算（Ｓ２）を行い、前回の演算結果も踏まえた上で、力覚発生の要否判断（Ｓ３）、圧力調整の要否判断（Ｓ４）等を行う。コントローラ１は、必要に応じてバルブ３７の駆動制御（Ｓ５）や力覚アクチュエータ３３ｂの駆動制御（Ｓ６）を行い、再び処理をＳ１に戻すという制御を繰り返す。
【００７０】
以上に述べたように、本実施形態に係る力覚制御装置（コントローラ１）及び力覚発生装置３０によると、力覚アクチュエータ３３ｂの駆動を制御し、レバー２の変位に伴い流動可能な流体（即ち、シリンダ３３ａ及び本体管３２内の流体）に生じる圧力を介して、レバー２に圧力を付加する。この場合、レバー２に対し、能動的に圧力が付加されることから、操作者に対して力覚による報知を的確に行うことが可能である。
【００７１】
変位量に係る信号に基づいた圧力をレバー２に付加する場合、反力を調整する（例えば反力を大きくすることで操作感覚を重くし、慎重に微操作を行うのに好適な設定としたり、反力を小さくすることで操作感覚を軽くし、操作者の疲労を抑制しつつ迅速な操作を行うのに好適な設定としたりする）ことができる。また、外部信号に基づいた圧力をレバー２に付加する場合、力覚による報知が的確に行われることにより、操作経験の少ない者でも、操作に対する注意力が喚起され、円滑な作業を実現し得る。
【００７２】
また、力覚発生装置３０によれば、レバー２を支持する支持体２ａに、流体の収容部材である本体管３２及び分岐管３２ｘ並びに力覚アクチュエータ３３ｂを内蔵させたことで、力覚発生に係る部材を外部に設けた場合に比べ、装置全体の小型化を実現することができる。
【００７３】
流体の収容空間が、レバー２の前後方向に沿って設けられている。そしてコントローラ１は、図７のＳ４において調整すると判断した場合（Ｓ４：：ＹＥＳ）、収容空間における前後方向に対向する位置に設けられたバルブ３７の駆動を制御し（Ｓ５）、レバー２に付加される圧力を前後方向に関して調整する。これにより、力覚による報知をより一層効果的に行うことができる。
【００７４】
上記のような調整にあたり、コントローラ１は、２つのバルブ３７を個別に制御可能である。これにより、力覚による報知をさらに一層効果的に行うことができる。
【００７５】
コントローラ１は、Ｓ２において変位量に係る信号に基づいて圧力を演算した場合、前後方向に関して均一な圧力がレバー２に付加されるように調整してよい。この場合、前後いずれの方向についても同様の反力が生じるようにし、操作感覚を重くすることができる。
【００７６】
コントローラ１は、Ｓ２において外部信号に基づいて圧力を演算した場合、前後方向に関して不均一な圧力がレバー２に付加されるように調整してよい。この場合、不均一な圧力により、力覚による報知を的確に行うことができる。
【００７７】
レバー２は、旋回動作に用いられるものである。作業対象物をフック８０に保持したまま旋回動作を行うと、作業対象物に回転力が付与される。即ち、この場合、レバー２を操作して旋回動作を行った際に、作業対象物の重力と回転力との合力とによって作業対象物が振り子運動を行うため、作業に注意を要する。そのため、力覚による報知を的確に行うことによる効果が特に発揮される。
【００７８】
本実施形態において、操作部材は操作者の操作により傾斜可能な棒状部材のレバー２であり、操作部材の変位量はレバー２の傾斜角度である。この構成は、建設機械等に適した形態である。
【００７９】
本実施形態で適用される作業機は油圧式であり、建設機械等に適した形態である。
【００８０】
力覚発生装置３０は、レバー２を付勢すると共にレバー２の傾斜角度に応じた復元力を発生するバネ３ａ，３ｂを備えている。この場合、バネ３ａ，３ｂの復元力によってレバー２を初期位置に漸進的に復帰させることができ、操作性の向上が実現される。
【００８１】
力覚発生装置３０において、支持体２ａは、レバー２の傾斜に伴い傾斜すると共に、力覚アクチュエータ３３ｂの駆動により生じた流体の圧力に応じて傾斜し、レバー２を傾斜させるものである。この場合、操作者に対してより的確に報知を行うことができる。
【００８２】
次いで、図８〜図１１を参照し、本発明の力覚発生装置の変形例について説明する。
【００８３】
図８は、本発明の力覚発生装置の第１変形例を示す。第１変形例では、本体管３２における力覚調整部３５，３６の間に、流路径調整弁４０が設けられている。この場合、弁４０の駆動を制御することで、本体管３２の流路径を変更し、当該部分を流れる流体の圧力を調整することができる。これにより、レバー２の前後における圧力の調整を効果的に行うことができる。例えば本体管３２の流路径を縮小することで流体圧力を増大させたり、流路径を拡大することで流体圧力を減少させたりすることができる。なお、流路径調整弁４０は、連続的に流路径を変化させるものであってもよいし、複数の異なる流路径のうちのいずれかを選択して切り換えるものであってもよい。
【００８４】
図９は、本発明の力覚発生装置の第２変形例を示す。第２変形例では、第１変形例で示した流路径調整弁４０が、各力覚調整部３４，３５のバルブ３７に内蔵されている。具体的には、バブル３７が初期位置（Ａ）にある場合にポートＰＣ，ＰＢの接続によりシリンダ３６と本体管３２とを接続する管の途中に、弁４０が設けられている。この場合、弁４０をバルブ３７に内蔵させたことで、構成部品数を抑制しつつ、レバー２の前後における圧力調整を効果的に行うことができる。また、力覚調整部３４，３５に対して個別に弁４０を設けることで、レバー２の前後に設けられた力覚調整部３４，３５それぞれにおいて個別に流路径を調整することができ、圧力調整をより効果的に行うことができる。
【００８５】
図１０は、本発明の力覚発生装置の第３変形例を示す。第３変形例では、各力覚調整部３４，３５のバルブ３７の初期位置が（Ａ）ではなく（Ｂ）である。この場合、バルブ３７を初期位置（Ｂ）に維持した状態では、力覚アクチュエータ３３ｂを駆動しても、本体管３２における両バルブ３７のポートＰＢ間にある流体に圧力が付加されるのみで、レバー２に圧力を付加して力覚を発生させることはできない。レバー２に圧力を付加して力覚を発生させるには、少なくとも一方のバルブ３７を初期位置（Ｂ）から（Ａ）に切り換えた上で力覚アクチュエータ３３ｂを駆動する必要がある。
【００８６】
図１１は、本発明の力覚発生装置の第４変形例を示す。第４変形例では、第３変形例の構成において、第１変形例で示した流路径調整弁４０が、各力覚調整部３４，３５のアキュムレータ３８とバルブ３７のポートＰＡとを接続する管の途中に設けられている。なお、弁４０は、第４変形例ではバルブ３７の外部に設けられているが、図９のようにバルブ３７に内蔵されてもよい。
【００８７】
以上、本発明の好適な実施の形態及び変形例について説明したが、本発明は上述の実施形態及び変形例に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な設計変更が可能なものである。
【００８８】
クレーン１００は、上述の実施形態以外の様々な構成であってよく、例えばブーム７１が多段式（即ち、互いに連結された複数の部材を有し、部材をスライドさせることで伸縮自在に構成されたもの）であってよい。
【００８９】
作業機は、上述の実施形態の油圧式クレーン１００のように油圧式に限定されず、他の方式（例えば空圧式、水圧式、機械式、電気式等）によるものであってよい。
【００９０】
本発明において、作業機とは、建設機械の他、原動機から動力の供給を受けて仕事を行う全ての機械を含む概念である。
【００９１】
本発明において、流体は、油に限定されず、油以外の液体、気体等であってよい。
【００９２】
力覚アクチュエータは、上述の実施形態のような直動型の力覚アクチュエータ３３ｂに限定されず、例えば回転型であってもよい。
【００９３】
力覚アクチュエータの位置は、上述の実施形態のように本体管３２の下方に限定されず、任意である。
【００９４】
本発明に係る力覚発生装置において、バネ３ａ，３ｂ及び力覚調整部３４，３５は必須の構成要素ではなく、省略可能である。
【００９５】
力覚調整部３４，３５は、流体の圧力を調整可能である限り、上述の実施形態及び変形例で示した構成以外にも、様々な構成を採り得る。
【００９６】
操作部材として、上述の実施形態では建設機械等に適した形態である傾斜可能な棒状のレバー２を例示しているが、操作者の操作によって角度・位置等の変化を変位量として生じさせるものであれば、レバー２以外の様々な部材を適用可能である。
【００９７】
操作部材の変位量は、傾斜角度に限定されず、操作部材の構成に応じて、例えば位置の変化量等であってよい。
【００９８】
操作部材は、上述の実施形態のように旋回動作に係るものや、ブーム伏仰に係るものに限定されない。例えば、ショベルの操作部材（ブーム、アーム、バケット等の各アクチュエータに対応する操作部材）について、堀力反力等の力覚に、本発明に係る力覚制御装置、力覚発生装置、及び力覚制御方法を適用してよい。
【００９９】
操作部材は、一方向（上述の実施形態のように前後方向）のみに変位（傾斜又は移動）可能なものに限定されず、例えば２方向に変位（傾斜又は移動）可能な十字型レバー等であってよい。十字型レバーの場合、２つの動作（例えば旋回動作及び他の動作）が制御可能であり、十字型レバーにおける一の方向の変位が１の動作、他の方向の変位が他の動作に対応する構成であってよい。また、十字型レバーの場合、十字型レバーが変位可能な２方向の各方向に沿って流体の収容空間を設けてよい。
【０１００】
変位量に係る信号及び外部信号は共に、電子的信号、電気的信号、機械的信号等のいずれであってもよく、その形態は特に限定されるものではない。
【０１０１】
図７のＳ２における演算方法は、上述の実施形態で述べた方法に限定されず、任意である。
【０１０２】
レバー２に付加される圧力を前後方向に関して調整するためバルブ３７の駆動を制御する処理（Ｓ５）は、省略してよい。即ち、図７においてＳ４及びＳ５を省略してよい。
【０１０３】
レバー２の変位量の検出は、上述の実施形態ではコントローラ１ではなく操作部材としてのレバー２に含まれる角度計２ｂが行い、コントローラ１は検出信号を受信するのみであるが、コントローラ１が変位量の検出を行ってもよい。
【０１０４】
流体の収容空間は、上述の実施形態のようなＵ字状の本体管３２及び分岐管３２ｘによる形態に限定されず、様々な形態であってよい。また、流体の収容空間は、操作部材の変位方向に沿って設けられていなくてもよい。
【０１０５】
支持体は、操作部材の変位に伴い変位しなくてもよく、また、力覚アクチュエータの駆動により生じた流体の圧力に応じて変位し、操作部材を変位させるものでなくてよい。
【符号の説明】
【０１０６】
１  コントローラ（力覚制御装置，受信手段，演算手段，駆動制御手段，調整手段）
２  レバー（操作部材）
２ａ  支持体
２ｂ  角度計
３ａ，３ｂ  バネ（付勢手段）
３０  力覚発生装置
３１  力覚発生調整ユニット
３２  本体管（収容部材）
３２ｘ  分岐管（収容部材）
３３  力覚発生部
３３ｂ  力覚アクチュエータ
３４，３５  力覚調整部
３７  バルブ
１００  油圧式クレーン（作業機）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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