(57)【要約】【課題】作業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。【解決手段】作業装置は、作業対象物に対する作業を行う作業部と、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、作業用可動部材を駆動する第１駆動部と、作業部に対する操作を行うための操作部と、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、操作用可動部材を駆動する第２駆動部と、作業用可動部材の位置と、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、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、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、位置領域演算部及び力領域演算部の演算結果に基づいて、第１駆動部及び第２駆動部の入力への変換を行う逆変換部と、を備える。【選択図】図３
2019214085.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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作業機械。
【請求項２】
前記作業部は、複数の前記作業用可動部材が関節によって連結された構造を有し、
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に記載の作業機械。
【請求項３】
前記変換部は、前記作業用可動部材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との組み合わせ毎に、個別に設定された前記変換を行うことを特徴とする請求項２に記載の作業機械。
【請求項４】
前記変換部は、前記作業用可動部材と前記操作用可動部材との間でバイラテラル制御を実現する前記制御エネルギーの変換を行うことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の作業機械。
【請求項５】
前記作業用可動部材と前記操作用可動部材との間で、位置及び力のスケーリングを伴うバイラテラル制御が実現されることを特徴とする請求項４に記載の作業機械。
【請求項６】
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うことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の作業機械。
【請求項７】
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、を備える作業機械を制御する作業機械の制御装置であって、
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作業機械の制御装置。
【請求項８】
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、を備える作業機械を制御するための作業機械の制御方法であって、
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、
を含むことを特徴とする作業機械の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、作業機械、作業機械の制御装置及び作業機械の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−００８５８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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。
【０００５】
本発明の課題は、作業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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、作業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。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明を適用した建設機械の全体構成を示す模式図である。
【図２】キャブにおける操作部の構成例を示す模式図である。
【図３】建設機械の機能的構成を示すブロック図である。
【図４】建設機械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。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
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。
【００１０】
［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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
［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。
【００２０】
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。
【００２１】
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
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
【数１】
2019214085.tif 000003
【００２５】
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。
【００２６】
【数２】
2019214085.tif 000004
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
【数３】
2019214085.tif 000005
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
［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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
［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。
【００４６】
［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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【符号の説明】
【００５３】
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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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