(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ブームおよび該ブームに取り付けられたバケットとを含み、前記ブームを油圧リフトシリンダによって作動させて得られる上昇および下降機能と、前記バケットを油圧ティルトシリンダによって該バケットの支持ピボット軸まわりにピボット運動させて得られる投棄および荷支持機能と、を含む複数の作動機能を持つ土壌移動マシンの作業用具を制御して動かすための装置において、
オペレータ制御式ジョイスティックと、
該ジョイスティックの位置を検出し、これに応答してオペレータコマンド信号を発信するためのジョイスティック位置検出手段と、
前記ブームの高さ位置と前記バケットのピボット運動位置とを検出し、これに応答して各作業具位置信号を発信する用具位置検出手段と、
複数の作業具の位置に対応する複数の値を含み、複数の異なる作業機能について、該作業機能の各々における前記作業用具の位置に対応するコマンド信号修正係数を定めるルックアップ表を記憶するメモリ手段と、
前記用具位置信号およびオペレータコマンド信号を受信し、前記作業具位置信号と現在遂行中の作業機能に対応する前記ルックアップ表とから得られるコマンド信号修正係数に基づいて前記オペレータコマンド信号を修正し、該修正されたオペレータコマンド信号に応答して電気バルブ信号を発信するようになった制御手段と、
前記電気バルブ信号を受信し、該電気バルブ信号の大きさに応答して前記油圧シリンダのそれぞれに油圧流体流れを制御して送るようになっているバルブ手段と、
が設けられた装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記各作業具位置に応答して前記各ルックアップ表から値を選択し、該値に前記オペレータコマンド信号の大きさをかけ、これに応じて前記積に等しい大きさを有する前記電気バルブ信号を作り出す手段を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記ブームの前記高さ位置に対応する前記用具位置信号が、前記リフトシリンダ位置を表し、前記バケットの前記ピボット運動位置に対応する前記用具位置信号が前記ティルトシリンダ位置を表していることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記メモリ手段は、前記バケットのピボット運動を制御するための投棄およびラックルップアップ表を含んでおり、該各表は、前記リフトシリンダとティルトシリンダ位置に対応する複数のスケーリング値を記憶していることを特徴とする請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記投棄ルックアップ表は、前記バケットが所望の投棄角に近づくときの前記バケットのピボット運動を制限する複数のスケーリング値と、所望の最高投棄角に達するときに前記バケットの前記ピボット運動の動きを停止させる複数のスケーリング値とを含んでいることを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記ラックルックアップ表は、前記バケットが前記所望の最高投棄角からラックされるにつれ徐々に増大する複数のスケーリング値と、前記所望の最高ラック角を越えて完全にラックされたバケットにオペレータが命令しないようにする複数のスケーリング値を含むことを特徴とする請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記メモリ手段は、前記リフト組立体の作動を制御するための上昇および下降ルックアップ表を含んでおり、該ルックアップ表の各々は、前記修正係数として前記リフトシリンダ位置に対応する複数のスケーリング値を記憶していることを特徴とする請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記リフトルックアップ表は、前記ブームが所望の最高の高さに近接するときの前記ブームの動きを制限する複数のスケーリング値を含むことを特徴とする請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記下降ルックアップ表は、前記ブームが最高の高さから下降するにつれて徐々に増大する複数のスケーリング値を含んでいることを特徴とする請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記メモリ手段は、前記リフトおよびティルトシリンダ位置に対応する複数の制限値を記憶するためのバケット傾斜角制御表を含むことを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記制御手段は、前記極限値を選択し、該極限値を前記オペレータコマンド信号値と比較し、該２つの比較された値の小さい方の値に等しい値で前記電気バルブ信号を作り出す自動投棄手段を含むことを特徴とする請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
ブームおよび該ブームに取り付けられたバケットを含み、前記ブームを油圧リフトシリンダによって作動させて得られる上昇および下降機能と、前記バケットを油圧ティルトシリンダによってピボット運動させて得られる投棄および荷支持機能と、を含む複数の作動機能を持つ、オペレータ制御ジョイスティックの位置に応答して土壌移動マシンの作業具を制御して動かすための方法において、
ジョイスティックの位置を検出し、これに応答してオペレータコマンド信号を発信し、
前記ブームの高さ位置と前記バケットのピボット運動位置とを検出し、これに応答してそれぞれの位置に対応する用具位置信号を発信し、
複数の作業具の位置に対応する複数の値を含み、複数の異なる作業機能について、該作業機能の各々における前記作業用具の位置に対応するコマンド信号修正係数を定めるルックアップ表を記憶し、
前記用具位置信号およびオペレータコマンド信号を受信し、前記用具位置信号と現在遂行中の作業機能に対応する前記ルックアップ表とから得られるコマンド信号修正係数に基づいて前記オペレータ命令信号を修正し、該修正されたオペレータ命令信号に応答して電気バルブ信号を発信し、
該電気バルブ信号を受信し、該電気バルブ信号の大きさに応答して前記油圧シリンダのそれぞれに油圧流体流れを制御して与える、
段階からなる方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、一般的に作業マシンの作業具の動きを制御するための方法と装置に関する。より詳細には、本発明は、作業具の位置とオペレータの命令に基づいて作業具の動きを制御する装置と方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ホイール式ローダのような作業マシンは、作業サイクルの間に複数の位置を動くことのできる作業具を含む。このような用具は、一般的にバケット、フォークおよび材料を処理する別の器具を含む。バケットに関連する典型的な作業サイクルは、バケットに材料を積み込むための掘削位置、搬送位置、持ち上げ位置および材料をバケットから取り出すための投棄位置に、バケットとこれに組み合わされるリフトアームを順次位置決めすることを含む。
制御レバーがオペレータステーションに取り付けられており、バケットまたはリフトアームを動かすために電気油圧回路に接続されている。オペレータは、加圧流体を油圧シリンダに送り用具を動かす油圧バルブを開閉するために、手で作業レバーを動かさなければならない。例えば、リフトアームが持ち上げられる場合、オペレータはリフトアーム油圧回路に対応する制御レバーを、油圧バルブが加圧流体をリフトシリンダのヘッド端部に流す位置に動かしてリフトアームを持ち上げる。制御レバーがニュートラル位置に戻ると、油圧バルブが閉じて、加圧流体はリフトシリンダに流れなくなる。
【０００３】
通常の作動状況において、作業具が急激に始動したり、または所望の作業サイクルを実行した後に急激に停止して、バケットおよびリフトアーム、マシンならびにオペレータの速度と加速度が急激に変化することが多い。このことは、例えば、用具が所望の範囲の動きの終わりに作動されるときに発生する。ティルトまたはリフトシリンダの線形運動とこれに対応するバケットまたはリフトアームの角度運動との間の幾何的な関係が、速度と加速度における急速な変化の結果としてオペレータに不愉快さを与えることになる。リンケージ組立体とこれに対応する油圧回路とによって吸収される力のために、メンテナンスが増え、関連する部品の故障が加速的に増えることになる。幾何的な関係による別の可能性のある結果は、所定の線形シリンダ位置の近辺においてリフトアーム、またはバケットが角度回転しすぎることであり、性能を低下させることがある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
車両から積載物を下ろし、オペレータが短時間で関連する油圧バルブを閉じるときに、応力が発生することもある。荷重と用具の慣性力が、対応する油圧バルブが素早く閉じられてリフトアームの動きが急激に停止するときに、リフトアーム組立体と油圧システムにかかる。このような停止のために、車両の摩耗が増大し、オペレータの心地良さを低下させることになる。ある状況においては、マシンの背部が地面から持ち上がることすらある。
本発明は、上述の問題の１つか２つ以上を解決するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の１態様において、作業具を制御可能に動かすための装置を開示する。該用具は作業マシンに接続されており、油圧シリンダの作動に応答して可動である。該装置がオペレータ制御式ジョイスティックを含む。ジョイスティック位置センサが、ジョイスティックの位置を検出し、これに応答して、オペレータコマンド信号を作り出す。用具位置センサが油圧シリンダの位置を検出し、これに応答して用具位置信号を作り出す。マイクロプロセッサベースのコントローラが、用具の位置とオペレータコマンド信号を受信し、オペレータコマンド信号を修正し、該修正されたオペレータコマンド信号に応答し電気バルブ信号を発信する。電気油圧バルブは電気バルブ信号を受信し、該電気バルブ信号の大きさに応答して油圧流体流れを油圧シリンダに制御して与える。
【０００６】
【実施例】
図１において、用具制御システムが一般的に要素番号１００で示されている。図１は、バケット１０８の形態のペーロードキャリヤを有するホイール式ローダマシン１０４の前方部分を表す。本発明は、ホイール式のローダマシンに関連して記載するが、本発明は、トラック式のローダ、その他、ブームと該ブームに取り付けられてリフトシリンダおよびティルトシリンダによって作動させられる作業用具を備えるものであれば、どのようなマシンにも同様に適用可能である。バケット１０８は、マシンフレームに取り付けられているブームピボットピン１１２のまわりを２つの油圧リフトアクチュエ−タすなわちシリンダ１０６（１つのみを図示する）によってピボット運動可能に作動されるリフトアーム組立体すなわちブーム１１０に接続されている。ブーム支持ベアリングピボットピン１１８がブーム１１０とリフトシリンダ１０６とに取り付けられている。バケット１０８がバケットティルトアクチュエ−タすなわちシリンダ１１４によってティルトピボットピン１１６のまわりを傾斜運動する。
【０００７】
図２を参照すると、ホイール式のローダに適用されるものとして用具制御システム１００が概略的に図示されている。用具制御システムが複数の入力を検出して、これに応答して制御システム内の様々なアクチュエータに発信される出力信号を作り出す。用具制御システムはマイクロプロセッサベースの制御手段２０８を含むのが好ましい。
第１、第２および第３のジョイスティク２０６Ａ、２０６Ｂ、２０６Ｃが作業具１０２に対するオペレータ制御を行う。ジョイスティックは、単一の軸線に沿った動きを有する制御レバー２１９を含む。しかしながら、第１の軸線（水平方向）に沿った動きの他に、制御レバー２１９は、水平軸線に対し垂直の第２の軸線に沿っても動けばよい。第１ジョイスティック２０６Ａはブーム１１０の上昇作動を制御する。第２のジョイスティック２０６Ｂは、バケット１０８の傾斜作動を制御する。第３のジョイスティック２０６Ｃは、特定の作業具の作動のような補助機能を制御する。
【０００８】
ジョイスティック位置検出手段２２０は、ジョイスティック制御レバー２１９の位置を検出し、これに応答して電気作動コマンド信号を作り出す。電気信号が制御手段２０８の入力に送信される。ジョイステック位置検出手段２２０は、制御レバーのピボット運動位置に応答してパルス幅修正信号を発信する回転ポテンシオメータを含むのが好ましい。しかしながら、制御レバーのピポット運動位置に応答して電気信号を作り出すことのできるセンサであればいかなるものでも本発明に関し作動可能である。
用具位置検出手段２１６、２１８が、作業マシン１０４に対する作業具１０２の位置を検出し、これに応答して複数の用具位置信号を発信する。好ましい実施例において、位置検出手段２１６、２１８は、ブーム１１０の高さ位置を検出するためのリフト位置検出手段２１６とバケット１０８のピボット運動位置を検出するためのティルト位置検出手段２１８とを含む。
【０００９】
１実施例において、リフトおよびティルト位置検出手段２１６、２１８は回転ポテンシオメータを含む。回転ポテンシオメータは車両に対するブーム１１０の角度位置と、ブーム１１０に対するバケット１０８の角度位置とに応答してパルス幅修正信号を発信する。ブームの角度位置はリフトシリンダ１０６Ａ、Ｂの延びの関数であり、バケット１０８の角度位置は、ティルトおよびリフトシリンダ１１４、１０６Ａ、１０６Ｂの延びの双方の関数である。検出手段２１６、２１８の機能は油圧シリンダの相対的な延びを直接的にか、間接的にかのいずれかで計測できる別のセンサとすることができる。例えば、ポテンシオメータは油圧シリンダ内に配置されたラジオ周波数（ＲＦ）センサと置き換えることができる。
バルブ手段２０２が制御手段によって発信された電気信号に応答し、油圧流体流れを油圧シンダ１０６Ａ、１０６Ｂ、１１４に与える。
【００１０】
好ましい実施例において、バルブ手段２０２は、４つの主バルブ（リフトシリンダ用の２つの主バルブとティルトシリンダ用の２つの主バルブ）と８つの比例油圧バルブ（各主バルブごとの２つの比例油圧バルブ）とを含む。主バルブは加圧流体をシリンダ１０６Ａ、１０６Ｂ、１１４に送り比例油圧バルブはパイロット流体の流れを主バルブに送る。各比例油圧バルブは制御手段２０８に電気的に接続されている。例示的な比例油圧バルブが、米国特許第５、３６６、２０２号に記載されており、本発明は、この先行技術を引用し、この特許明細書の記述を本明細書の記述の一部とする。２つの主ポンプ２１２、２１４が油圧流体を主スプールに供給するのに用いられ、パイロットポンプ２２２は油圧流体を比例油圧バルブに供給するのに用いられる。オン／オフソレノイドバルブと圧力リリーフバルブ２２４が比例油圧バルブのパイロット流体流れを制御するのに含まれている。
【００１１】
上述したように、一対の主バルブが対のティルトシリンダとリフトシリンダのそれぞれに含まれている。従って、所望の速度および圧力の変更特性を与えるために、同時にではなく主バルブスプールをそれぞれ順次動かすのが好ましい。
本発明は、作業具の動きを正確に制御するように電気バルブ信号の大きさを求めることに関する。制御手段２０８は、本発明の所定の特徴を実行するのにソフトウェアプログラムを記憶する、ＲＡＭおよびＲＯＭモジュールを含むのが好ましい。さらに、ＲＡＭおよびＲＯＭモジュールは、電気バルブ信号の大きさを求める複数のルックアップ表をソフトウェアに記憶する。制御手段２０８は、用具位置およびオペレータコマンド信号を受信し、該オペレータコマンド信号を修正し、該修正されたコマンド信号に応答する大きさを有する電気バルブ信号を発信する。バルブ手段２０２は電気バルブ信号を受信し、油圧流体の流れを、電気バルブ信号の大きさに応答して各油圧シリンダに制御して与える。
【００１２】
電気バルブ信号の大きさは、オペレータコマンド信号の大きさにスケーリング係数をかけることによって求められる。例えば、スケーリング係数は、０から１００パーセントの範囲の値を有していればよい。計数の態様によって、オペレータが指示できる最大率（作業具の動きの）を減少させることになり、またオペレータが指示できる全体の最大速度（作業具の動きの）を減少させることになる。これは図３のグラフによって示されている。オペレータコマンド信号は破線で示されており、電気バルブ信号は実線で示されている。
用具の位置信号が各油圧シリンダ１０６、１１４の位置の関数であるために、用具の位置信号は各油圧シリンダの延び量を表す。従ってＲＡＭおよびＲＯＭモジュールは複数のルックアップ表を記憶し、ルックアップ表のそれぞれは複数のシリンダ位置に対応する複数の値を有している。各ルックアップ表は、作用具を制御するのに用いられる作業機能に対応する。作業機能はリフト油圧シリンダ１０６Ａ、Ｂを延ばしたり縮めてバケットの高さを制御する上昇および下降機能と、ティルトシリンダ１１４を延ばしたり縮めてバケットの態様を制御するようになった投棄およびラック（荷支持）機能とを含む。作業機能ルックアップ表が図４乃至図７に示されている。メモリ内に記憶された複数の値はシステムの所望の精密さに依る。計測され計算された値が、メモリ内に記憶された別個の値の間にある場合には、実際の値を求めるのに捕間法が用いられてもよい。表の値は、経験的データの模擬および解析から得られる。
【００１３】
従って、制御手段２０８は現在の作業機能を判定し、適切なルックアップ表を選択する。次いで、対応するシリンダ位置に基づいて、制御手段２０８がルックアップ表からの値を選択し、作動コマンド信号を選択された値に基づいて修正し作業具１０２を所望の比率と速度で制御する。
図４を参照すると、バケット１０８のピボット運動を所望の最大投棄角に制御する投棄ルックアップ表４００が示されている。投棄ルックアップ表４００は、リフトおよびティルトシリンダ１０６、１１４の位置に対応する複数のスケーリング値を記憶する。このスケーリング値は、バケットが所望の最大投棄角に近接するときバケット１０８の速度すなわちピボット運動の動きを制限するように選択される。これは、運動学的逆変換（Ｋｉｎｅｍａｔｉｃ  Ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ）といわれる。従って、このスケーリング値は、ティルトまたはリフトシリンダが所望の最大投棄角に近い極限の運動学的ゲイン領域に近接すると、速度制限効果をもたらす。従って、オペレータが「急に動く」と感じることが少なくなり、シリンダ内の力を減少させることになる。スケーリング値が記載されているが、本分野の当業者に明白なように制限値を同じように用いることができる。
【００１４】
運動学的ゲイン領域は、ブーム１００またはバケット１０８の回転変位と、組み合わされるリフトまたはティルトシリンダ１０６、１１４の対応する線形変位との比として定義される。極限運動学的ゲイン領域は、好ましくない速度または加速度を作り出すゲイン値に相当する。
さらに、投棄ルックアップ表は、電子的停止をもたらす、すなわちスケーリング値は、バケット１０８が物理的に最高投棄角に達する前にバケット１０８のピボット運動を停止させるように選択される。従って、作業具の構造的保護をもたらすように、機械的停止と係合する前（無限運動学的ゲインと対応する）バケットの動きを停止できる。
図５を参照すると、バケット１０８を最高ラック角にまでピボット運動を制御するラックルップアップ表５００が示されている。ラックルックアップ表５００は、リフトおよびティルトシリンダ１０６、１１４の位置に対応する複数のスケーリング値を記録する。スケーリング値は、バケットが最高投棄角から所望の最高ラック角にまで動くにつれ、バケット１０８のピボット運動または速度制限を徐々に増大させるように選択される。従って、ラック機能の制御性をより大きくするために、バケットが所望の最高投棄位置から動くにつれ、スケーリング値が徐々に増大し、バケットの動作を比例的に増大させる。
【００１５】
さらに、スケーリング値は、作業具が「折りたたみ位置」である、すなわちバケットが所望の最大ラック角に位置し、ブームが地面レベルで、あるいは地面レベル近傍に位置するときに対応する油圧力を減少させるように選択される。従って、作業具が「折りたたみ」位置にあるとき、電気バルブ信号の大きさを減少させるために、スケーリング値が極めて減少し、オペレータが、フル・ラックコマンドを命令しないようにするので、高油圧シリンダ力を防ぐことができる。
図６を参照すると、ブーム１１０の所望の最大高さまでの上昇を制御する上昇ルックアップ表６００が示されている。上昇ルックアップ表６００は、リフトシリンダ１０６Ａ、Ｂに相当する複数のスケーリング値を記憶する。スケーリング値は、ブームが所望の最高高さに近い極限運動学的ゲイン領域に近づくにつれ、ブーム１１０の速度すなわちピボット運動を制限するように選択される。このことは、さらに運動学的反転といわれる。従って、スケーリング値は、リフトシリンダ１０６Ａ、１０６Ｂが所望の最大高さに近づくと、速度制限効果をもたらすことになる。このために、オペレータは「急に動く」ように感じることが少なくなり、シリンダ内の力が減少する。
【００１６】
本発明は、さらに例えばブームを下降させるような重力補助作動中に「なめらかな始動」機能をもたらす。図７を参照すると、ブーム１１０の下降を制御する下降ルックアップ表７００が示られている。下降ルックアップ表７００が、リフトシリンダ１０６Ａ、１０６Ｂの位置に相当する複数のスケーリング値を記憶する。スケーリング値が、ブームが所望の最大高さから下降するにつれブーム１１０の速度限界を徐々に減少させるように選択される。従って、ブーム１１０が最大高さから下降するにつれ、計測値が徐々に増大し、電気バルブ信号の大きさを比例的に増大させる。このことは「急に動く」作動を防ぐことにより、下降機能をより制御可能にする。スケーリング値が記載されているが、本分野の当業者であればわかるように、限界値も同じように用いることができる。
【００１７】
本発明はさらにフル・ラック角制御をもたらす。このラック角制御の目的は、ブームが上昇するときに荷支持角度位置にあるバケットを前方にわずかに回転させることである。この自動的な運動は、ブームの自然な運動作用に対抗するように用いられて、ブームが持ち上げられるときにバケットの後方傾斜を少なくする。フルラック角制御は、ルックアップ表において、図８に示されているように、実行される。図示されたルックアップ表８００が、リフトおよびティルトシリンダ位置に対応する複数の極限値を記憶する。制御手段２０８が、リフトおよびティルトシリンダ位置に応答して極限値を選択し、該極限値をオペレータコマンド信号値と比較する。次いで、制御手段２０８が電気バルブ信号を、２つの比較された値のうち小さい方に等しい値で発生させる。図示したように、ルックアップ表８００は、正の極限値がラックコマンドに対応し、負の極限値が投棄コマンドに対応し、ニュートラルのコマンドがゼロ限界値に対応する。従って、負の制限値は、制御の自動化された回転前方運動をもたらすことになる。制御手段は、ブームが持ち上げられる間、オペレータコマンド信号を変更するだけであるのが好ましい。
【００１８】
従って、本発明は、上述の好ましい実施例に関し詳細に示し記載してきが、本分野の当業者であれば、様々な別の実施例も本発明の精神と範囲から逸脱することなく考えられることがわかる。
ホイール式ローダのような土壌作業マシンが、作業サイクルの間、複数の位置を通って動くことのできる作業具を含む。バケットに組み合わされる典型的な作業サイクルは、材料をバケットに積み込むために掘削位置、搬送位置、持ち上げ位置そして材料をバケットから取り除くための投棄位置に、ブームおよびバケットを順次位置決めすることを含む。
本発明は、用具の速度を急激に停止させたり変更させるのではなく、作業サイクル中に用具の速度を徐々に制限するための方法と装置を提供する。用具の速度が極限運動学的ゲイン領域に近づくと、用具の速度を制限するのに特に有効である。
【００１９】
好ましい実施例の機能が、ブームおよび対応する油圧回路に関連して記載されているが、本発明は、土壌作業マシンの別の種類の用具の位置を制御するのにも容易に適用できる。例えば、本発明は、油圧掘削機、バックホー、および油圧的に作動する用具を有する同様のマシンに用いることができる。
本発明の別の態様、目的および利点を図面、発明の開示および請求の範囲から得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ローダマシンすなわちホイール式ローダの前方部分の側図である。
【図２】ローダマシンの電気油圧制御システムのブロック線図である。
【図３】時間に対するオペレータコマンド信号と電気バルブ信号を表すグラフである。
【図４】投棄機能に対応するソフトウェアルックアップ表を示す図である。
【図５】ラック機能に対応するソフトウェアルックアップ表を示す図である。
【図６】上昇機能に対応するソフトウェアルックアップ表を示す図である。
【図７】下降機能に対応するソフトウェアルックアップ表を示す図である。
【図８】フルラック角制御に対応するソフトウェアルックアップ表を示す図である。
【符号】
１０２  作業具
１０４  ホイール式ローダマシン
１０６  油圧リフトシリンダ
１０８  バケット
１１０  ブーム
１１２  ピボットピン
１１４  バケットティルトシリンダ
２０６  ジョイスティック
２０８  制御手段
２１６  リフト位置検出手段
２１８  ティルト位置検出手段
２２０  位置検出手段
【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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