(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
フレームと、第１の端部が前記フレームにピボット運動可能に接続され第２の端部が積載物係合部材にピボット運動可能に接続されたブームを備える用具とを有する作業機械の用具を協働して制御する制御装置であって、前記制御装置は、
前記積載物係合部材の実際の位置を表す位置信号を送信するようになっている位置センサーと、
前記積載物係合部材の所望の角速度と所望の線形速度とを含む前記積載物係合部材の所望の速度を表す所望の速度信号を送信するようになっている入力装置と、
制御システムと、
を備え、前記制御システムは、
前記位置信号と前記所望の速度信号とを受信し、
前記位置信号から実際の速度信号を算出し、該実際の速度信号に対する実際の角速度信号の比である実際の角速度比と該実際の速度信号に対する実際の線形速度信号の比である実際の線形速度比とを求め、
前記所望の速度信号に基づいて、該所望の速度信号に対する所望の角速度信号の比である所望の角速度信号比と該所望の速度信号に対する所望の線形速度信号の比である所望の線形速度信号比とを求め、
前記積載物係合部材の前記実際の角速度比及び前記実際の線形速度比を前記所望の角速度比及び前記所望の線形速度比と比較して偏差を求め、前記偏差に応じて、前記所望の角速度比と前記所望の線形速度比とを修正する
ことを特徴とする制御装置。
【請求項２】
前記実際の角速度比は、前記実際の角速度を、前記実際の角速度の絶対値と前記実際の線形速度の絶対値との合計で除算することにより計算され、
前記実際の線形速度比は、前記実際の線形速度を、前記実際の角速度の絶対値と前記実際の線形速度の絶対値との合計で除算することにより計算されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記所望の角速度比は、前記所望の角速度を、前記所望の角速度の絶対値と前記所望の線形速度の絶対値との合計で除算することにより計算され、
前記所望の線形速度比は、前記所望の線形速度を、前記所望の角速度の絶対値と前記所望の線形速度の絶対値との合計で除算することにより計算されることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記入力装置は、第1軸線に沿って前記ブームの所望の線形速度を、前記第1の軸線と垂直関係をなす第2の軸線に沿って前記ブームの所望の角速度をコマンドするようになっていることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の装置。
【請求項５】
前記ブームの角度を制御する第1アクチュエータと、
前記ブームの長さを制御する第2のアクチュエータと、
からなり、
前記制御システムは、前記第1および第2アクチュエータを、それぞれ前記所望の角速度および前記所望の線形速度の関数として作動させるようになっていることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の装置。
【請求項６】
前記位置センサーは、前記フレームに対し前記ブームの角度を検出するようになっている角度センサーと、前記ブームの長さを検出するようになっている長さセンサーと、基準面に対する前記フレームの傾斜角を検出するようになっている傾斜センサーのうち少なくとも一つを含んでいることを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の装置。
【請求項７】
前記入力装置は前記作業機械に配置されていることを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の装置。
【請求項８】
前記入力装置は前記作業機械から離れて配置されていることを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の装置。
【請求項９】
フレームと、第１の端部が前記フレームにピボット運動可能に接続され第２の端部が積載物係合部材にピボット運動可能に接続されたブームを備える用具とを有する作業機械の用具を協働して制御する方法であって、該方法は、
前記積載物係合部材の位置を検出し、これに応答して位置信号を送信し、
所望の角速度と所望の線形速度とを含む前記積載物係合部材の所望の速度を表す所望の速度信号を送信し、
前記位置信号から実際の速度信号を算出し、
該実際の速度信号に対する実際の角速度信号の比である実際の角速度比と該実際の速度信号に対する実際の線形速度信号の比である実際の線形速度比とを求め、
前記所望の速度信号に基づいて、該所望の速度信号に対する所望の角速度信号の比である所望の角速度信号比と該所望の速度信号に対する所望の線形速度信号の比である所望の線形速度信号比とを求め、
前記積載係合部材の前記実際の角速度比及び前記実際の線形速度比を前記所望の角速度比及び前記所望の線形速度比と比較して偏差を求め、前記偏差に応じて、前記所望の角速度比と前記所望の線形速度比とを修正する、
段階からなることを特徴とする方法。
【請求項１０】
前記実際の角速度比を求める段階は、前記実際の角速度を前記実際の角速度の絶対値と前記実際の線形速度の絶対値との合計で除算することにより計算する段階を含み、
前記実際の線形速度比を求める段階は、前記実際の線形速度を、前記実際の角速度の絶対値と前記実際の線形速度の絶対値との合計で除算することにより計算する段階を含み、
前記所望の角速度比を求める段階は、前記所望の角速度を、前記所望の角速度の絶対値と前記所望の線形速度の絶対値との合計で除算することにより計算する段階を含み、
前記所望の線形速度比を求める段階は、前記所望の線形速度を、前記所望の角速度の絶対値と前記実際の線形速度の絶対値との合計で除算することにより計算する段階を含む、ことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的に、作業機械の作業用具を制御するための装置およびその方法に関する。より詳細には、本発明は、作業用具の協働制御を行い、作業用具の線形動作を作り出すための装置と方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
掘削機、バックホーローダ、ホイールローダ、テレスコープ型資材ハンドラー等のような作業機械は掘削、積載物およびパレットリフト等を行うようになっている。これらの操作は、一般的に、作業用具の位置および向きを制御するのに2つか、それ以上の手動作動式制御レバーを使用することを必要とする。
1例として、テレスコープ型資材ハンドラーは、例えば、ブームの１端部に接続された例えば、パレットリフトフォークのような積載物係合部材を有するテレスコープ型ブームを含む。制御レバーが、基準面に対するブームの角度およびブームの長さをそれぞれ調整するようになっている油圧シリンダを別箇に作動させるのに使用される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
例えば、テレスコープ型資材ハンドラーがパレットをリフトさせるために、パレットの下側で駆動されるべきとき、頻繁に、フォークの線形または直線動作が必要とされる。このような線形動作を行わせるために、ブームの角度およびブームの長さが同時に制御されなければならない。熟練したオペレータの技術が、これらの複雑な操作を行いながらレバーの制御を協働するために必要とされ、熟練したオペレータにとってオペレータ疲れが高まり、未熟なオペレータに必要とされる訓練時間が多く必要となる。
本発明は、上述した問題の1か、2以上を解決するものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の1態様において、フレームとを有する作業機械の用具を協働して制御する装置であって、該用具は、第１の端部が前記フレームにピボット運動可能に接続された第1端部と、第２の端部が積載物係合部材にピボット運動可能に接続された第2端部とを有するブームを備える用具とを有する作業機械の用具を協働して制御する制御装置であってており、前記制御装置は、前記積載物係合部材の実際の位置を表す位置信号を送信するようになっている位置センサーと、前記積載物係合部材の所望の角速度と所望の線形速度とを含む前記積載物係合部材の所望の速度を表す所望の速度信号を送信するようになっている入力装置と、制御システムと、を備え、前記制御システムは、前記位置信号と前記所望の速度信号とを受信し、前記位置信号から実際の速度信号を算出し、該実際の速度信号に対する実際の角速度信号の比である実際の角速度比と該実際の速度信号に対する実際の線形速度信号の比である実際の線形速度比とを求め、前記所望の速度信号に基づいて、該所望の速度信号に対する所望の角速度信号の比である所望の角速度信号比と該所望の速度信号に対する所望の線形速度信号の比である所望の線形速度信号比とを求め、これに応答して、前記積載係合部材の前記実際の角速度比及び前記実際の線形速度比を前記所望の角速度比及び前記所望の線形速度比と比較して偏差を求め、前記進行通路と、前記積載係合部材の所望の進行通路とを判断するようになっており、該実際と所望の進行通路の間の偏差に応じ答して、前記所望の角速度比と前記所望の線形速度比とを修正するようになっている制御システムと、からなることを特徴とする制御装置が提供される。
【０００５】
本発明の別の態様において、フレームを有する作業機械の用具の協働した制御を行うための方法が開示されている。この方法は、フレームと、第１の端部が前記フレームにピボット運動可能に接続され第２の端部が積載物係合部材にピボット運動可能に接続されたブームを備える用具とを有する作業機械の用具を協働して制御する方法である。該方法は、前記積載物係合部材の位置を検出し、これに応答して位置信号を送信し、所望の角速度と所望の線形速度とを含む該積載物係合部材の所望の速度を表す所望の速度信号を送信し、前記位置信号から実際の速度信号を算出し、該実際の速度信号に対する実際の角速度信号の比である実際の角速度比と該実際の速度信号に対する実際の線形速度信号の比である実際の線形速度比とを求め、前記所望の速度信号に基づいて、該所望の速度信号に対する所望の角速度信号の比である所望の角速度信号比と該所望の速度信号に対する所望の線形速度信号の比である所望の線形速度信号比とを求め、前記積載係合部材の前記実際の角速度比及び前記実際の線形速度比を前記所望の角速度比及び前記所望の線形速度比と比較して偏差を求め、前記偏差に応じて、前記所望の角速度比と前記所望の線形速度比とを修正する段階を含む。
【０００６】
【発明の実施の形態】
図1乃至図5を参照すると、本発明は、作業機械100の作業用具160の協働した制御を行うための装置と方法を提供する。説明のために、以下の記載は、テレスコープ型資材ハンドラー100に関する。しかし、バックホーローダー、ホイールローダー、掘削機等のような様々な別の種類の作業用具に、本発明の精神から逸脱することなく置き換えることができることに留意しなければならない。
【０００７】
図１を詳細に参照すると、テレスコープ型資材ハンドラー100が図示されている。テレスコープ型資材ハンドラー100は、ホイール120a、120bまたは履帯のような地面係合支持部材上で駆動する機械フレーム130を含む。テレスコープ型資材ハンドラー100は、第1端部162と、第2端部164とを有するブーム160を含む。ブーム160は、これの第1端部162においてフレーム130にピボット運動可能に接続されている。
【０００８】
ブーム160は完全に引き込まれた長さと完全に伸ばされた長さとの間を可動なテレスコープ型部材170を含む。積載物係合部材180はブーム160の第2端部164においてテレスコープ型部材170にピボット運動可能に接続されている。好ましい実施例において、積載物係合部材180はフォークを含む。しかしながら、本発明の精神から逸脱することなく、バケットまたは別の資材処理装置のように、別の種類およびタイプの積載物係合部材180を使用することができる。
【０００９】
フレーム130に対するブーム160の角度は、フレーム130とブーム160との間に接続された第1アクチュエータ140によって制御される。テレスコープ型部材170の伸張と引き込みとは、ブーム160と引き込み部材170との間に接続された第2のアクチュエータ150によって制御される。第1および第2のアクチュエータ140,150は、油圧シリンダのような流体作動式シリンダを含む。
【００１０】
説明のために、2つのアクチュエータ140,150のみが示されている。しかし、所望であれば、別の多くのアクチュエータも本発明に使用してもよい。例えば、第3のアクチュエータが、フォーク180のレベル状態における関係を維持するのに設けられていてもよい。
【００１１】
図2を参照すると、第1および第2アクチュエータ140,150が、作業機械100に配置された入力装置270によって形成される入力コマンドに従って制御される。入力装置270は、加圧された流体の第1および第2アクチュエータ140,150への給送を制御する油圧バルブ（図示せず）を作動する。
好ましい実施例において、入力装置270はジョイスティックを含む。しかし、手動式制御レバー、フットペダル、キーボード等のような別の種類の入力装置270に、本発明の範囲から逸脱することなく置き換えることができる。
【００１２】
オペレータ作動式ジョイスティック270は、予め定められた軸線の周りのジョイスティック270の動作に応答して、作業機械100に配置された制御システム240に所望の速度信号を送信する。好ましい実施例において、ジョイスティック270は2つの段階の動作を有する。第1軸線（ｘ軸線）のまわりのジョイスティック270の左右動作が、ピボット運動接続部164において積載物係合部材180の線形水平動作を行う。同様に、第1軸線に対し垂直な第2軸線（ｙ軸線）まわりのジョイスティック270の前後動作が、ピボット接続部164において積載物係合部材180の線形垂直方向の動作を行う。
【００１３】
制御システム240は作業機械100に配置された位置センサー210から積載物係合部材180の位置を表す位置信号も受信する、位置センサー210は、フレーム130に対するブーム160の角度を検出し、これに応答してブーム角度信号を送信するようになっている角度センサー220とを含む。位置センサー210は、ブーム160のテレスコープ型部材170の長さすなわち伸張を検出し、これに応答してブーム長さ信号を送信するようになっている長さセンサー230も含む。位置センサー210は、さらに基準面110に対するフレーム130の傾斜角を検出し、これに応答して傾斜信号を送信するようになっている傾斜センサー280を含む。制御システム240の特定の作動については、以下に詳細に記載する。
【００１４】
本分野の当業者であれば、別の種類のセンサーおよびこれらの組み合わせが、本発明から逸脱することなく位置センサー210に含まれてもよいことがわかるであろう。１例として、フォークセンサーが、テレスコープ型部材170に対するフォーク180の傾斜即ち関係を検出し、これに応答してフォーク位置信号を送信するために含まれていてもよい。
【００１５】
好ましい実施例において、制御システム240はプロセッサ250、およびリードオンリーメモリおよびランダムアクセスメモリの双方を含んでいる。プロセッサ250は、入力装置270によって得られた所望の速度信号と同様にブーム角信号、ブーム長さ信号および傾斜信号から入力を受信し、処理する。メモリ内に記録されたソフトウェアプログラムのような制御ルーチンを実行することによって、プロセッサ250はコマンド信号を作り出し、コントローラ260に送信する。コントローラ260は、コマンド信号に応答して、第1および第2のアクチュエータ140,150の双方に対する油圧流体の流れを自動的に協働する。
【００１６】
入力装置270と制御システム240は、作業機械100に配置され、電気的に共に接続されているものとして記載してきたが、１または２つのエレメントを作業機械100から離して配置してもよい。例えば、制御システム240は中央に位置するオフィスに配置され、ワイヤレス通信リンクを介し位置センサー210、入力装置270、第1アクチュエータ140および第2アクチュエータ150と連通するようになっていればよい。
【００１７】
図3を参照すると、制御システム240のブロック線図が図示されている。入力装置270により作り出された入力コマンドが所望の速度要求として示されている。入力コマンドはデカルト座標にあり、フォーク180の所望の速度および動作の方向に対応したブーム160の所望のｘおよびｙ方向速度を表す。
基準面110に対する機械100の傾斜に基いて、所望速度が制御ボックス310において変換されたり調整される。
【００１８】
積載物係合部材180の実際の位置がブーム角信号、ブーム長さ信号および傾斜信号の関数として求められる。
積載物係合部材180の実際の位置は、制御ボックス355において実際の角速度および実際の線形速度に変換される。より詳細には、実際の角速度は角度センサー220によって検出されたブーム角信号間の偏差を計算することによって判断される。同様に、実際の線形速度は、長さセンサー230によって検出されるブーム長さ信号の偏差を計算することによって求まる。
【００１９】
調整された所望の速度リクエストが制御ボックス310において、積載物係合部材180の所望の進行通路に変換され、実際の角速度と実際の線形速度が、制御ボックス350において積載物係合部材180の実際の進行通路に変換される。
実際及び所望の進行通路の間の偏差と、実際及び所望の速度間の差とが、制御ボックス340において計算され、補償誤差が作り出される。
【００２０】
補償誤差は制御ボックス330において調整された所望の速度リクエストを修正するのに使用される。
デカルト座標で示された所望の速度が、制御ボックス320においてブーム160の位置および向きに基いて対応する極座標に変換される。デカルト座標の極変換制御ボックス320への出力は、第1アクチュエータ140によって制御されるブーム160の所望の角速度であり、第2のアクチュエータ150によって制御されるブーム160の所望の線形速度である。
【００２１】
所望の速度コマンドが制御ボックス330において所望の速度比に変換され、実際の速度コマンドが制御ボックス350において実際の速度比に変換される。より詳細には、パーセンテージで表される実際及び所望の速度比は以下の式に従って計算される。
角速度（％）＝角速度/│角速度│＋│線形速度│
線形速度（％）＝線形速度/│角速度│＋│線形速度│
上述の式の角速度と線形速度に関する単位は共通の単位を与えるために調整されたことに留意しなければならない。
【００２２】
組み合わされた角速度比と線形速度比とが速度比ベクトル400を表す。図４は複数の速度比ベクトル400の幾つかの例を表す。
所望および実際の速度比は、第2アクチュエータ150の所望および実際の速度に対する第1アクチュエータ140の所望および実際の速度を表すことが好ましい。
所望の速度比ベクトルが、制御ボックス340において、実際の速度比ベクトルと比較され、偏差が作り出される。この偏差の値が、所望の速度比ベクトルすなわち所望の角速度比および所望の線形速度比とを修正するのに使用される。
【００２３】
１例として、所望の60%の角速度比と40％の所望の線形速度比とが、入力装置270によって要求される。しかし、実際の速度比が65%であり、実際の線形速度比が35%である。従って誤差は5%である。このため、所望の角度速度比が5%だけ減少され、所望の線形速度比が5%だけ大きくなり、所望の角速度比55%と、所望の線形速度比45%とを得ることができる。
所望の角速度比と所望の線形速度比の偏差が、速度・流量変換制御ボックス360において各アクチュエータへの所望の流量に変換される。好ましくは、ルックアップ表、すなわちマップが所望の速度比値を第1および第2のアクチュエータ140,150への所望の流れに変換するのに使用される。
所望の流量は、ゲイン係数Ｋによって制御ボックス370においてスケールされ、流量・電流マップ380によって第１および第2のアクチュエータ140,150への出力に関する電流値にマップされる。電流値は各アーマチュエータへの流体流量を制御する電気油圧制御バルブに給送される。
【００２４】
図５を参照すると、フローチャートが本発明の１実施例の作動を表すように図示されている。
第１の制御ボックス510において、ブーム160のフレーム130に対する角度は、角度センサー220により求められ、ブーム160の実際の角度速度がこれに応答して求められる。
【００２５】
第2の制御ボックス520において、ブーム160の長さが長さセンサー230によって検出され、ブーム160の実際の線形速度がこれに応答して求められる。
次いで、制御は、第3の制御ボックス530に進み、ブーム160の所望の速度が入力装置270によってコマンドされる。機械フレーム130の基準面110に対する傾斜が第４制御ボックス540において検出され、これに応答してブーム160の所望の速度が修正される。
【００２６】
第5制御ボックス550において、所望の各速度および所望の線形速度が、入力装置270によってコマンドされたブーム160の所望速度、フレーム130に対するブーム160の角度およびブーム160の長さの関数として、制御システム240によって求められる。
【００２７】
次いで、制御は第6の制御ブロック560と第7制御ブロック570に進行する。実際の速度比と所望の速度比は第6制御ブロック560において求められる。実際の速度比は、実際の線形速度に対する実際の角速度を表す。同様に、所望の速度比は所望の線形速度に対する所望の角速度を表す。
実際の速度比が所望の速度比に比較され、これに応じて所望の速度比が第7制御ブロック570において修正される。
第8制御ブロック580において、第1および第2アクチュエータ140,150が所望速度比の関数として作動される。
【００２８】
本発明の用途の１例として、テレスコープ型資材ハンドラーは、一般的に様々な種類の資材を積載するのに使用される。このような用途において、ブームの線形動作が必要とされることが多い。例えば、テレスコープ型資材ハンドラーのフォークがパレットをリフトするためにパレットの下側で駆動されなければならないときに、水平面におけるフォークの線形動作が要求される。同様に、パレットが垂直方向にリフトされるべきときには、垂直面においてフォークの線形動作が要求される。双方の状況において、ブームの長さと角度がこのような動作に影響を与えるように同時に協働されなければならない。
【００２９】
本発明の制御システムでは、オペレータからの所望速度を入力装置、例えばジョイスティックから受取る。所望の速度は、ブームの所望の角速度、ブームの所望の線形速度を含む。所望の角速度および所望の線形速度は各油圧シリンダの所望の速度を表す。所望の速度は各シリンダの所望の流量に変換される。
しかし、場合によっては、別のシリンダの要求が高まるために、所望の流量を受取らないことがある。このため、シリンダは、オペレータの要求どおりに作動しないことになる。オペレータはこのような状況を回避または打ち勝とうとする試みに疲れてしまうことが多い。
【００３０】
本発明の制御システムは、ブームの実際の速度とブームの所望の速度との間の比較の関数として補償誤差を計算することにより、この種の問題を排除しようとするものである。この補償誤差は、所望の角速度および所望の線形速度を修正するのに使用され、各油圧シリンダへの流量を同時に協働させて、フォークの線形動作を行うようにするために使用され、これによりオペレータの疲れが減少し、効率を改善することになる。
本発明の別の態様、目的および特徴は図面、発明の開示および請求の範囲を研究することから得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例に使用するのに適した作業機械の概略図である。
【図２】  本発明の１実施例を表すブロック線図である。
【図３】  本発明の制御システムの１実施例を表すブロック線図である。
【図４】  本発明の１実施例に関連した複数の速度比ベクトルの例を表す図である。
【図５】  本発明の１実施例を表すフローチャートである。
【符号】
１００  作業機械
１１０  基準面
１２０a, b  ホイール
１３０  フレーム
１４０，１５０  アクチュエータ
１６０  作業用具、ブーム
１７０  テレスコープ型部材
１８０  積載物係合部材
２１０  位置センサー
２４０  制御システム
２６０  コンントローラ
２７０  入力装置
【図１】
0004657415.tif 000002
【図２】
0004657415.tif 000003
【図３】
0004657415.tif 000004
【図４】
0004657415.tif 000005
【図５】
0004657415.tif 000006