(57)【要約】【課題】効率の高いアームの姿勢を維持し、かつ掘削箇所に集中して掘削作業を行うことが可能なショベルを提供する。【解決手段】ショベルの本体にブームが取り付けられている。ブームにアームが連結されている。アームシリンダが、ブームに対してアームの姿勢を変化させる。姿勢検出器が、ブームに対するアームの姿勢を検出する。操作レバーによってアームが操作される。作用機構が、操作レバーに対して作用を及ぼす。姿勢検出器によって検出されたアームの姿勢が、推奨範囲から逸脱しているとき、制御装置が作用機構を制御することにより、アームの姿勢が推奨範囲内であるときとは異なる作用を操作レバーに及ぼす。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
本体に取り付けられたブームと、
前記ブームに連結されたアームと、
前記ブームに対して前記アームの姿勢を変化させるアームシリンダと、
前記ブームに対する前記アームの姿勢を検出する姿勢検出器と、
前記アームを操作するための操作レバーと、
前記操作レバーに対して作用を及ぼす作用機構と、
前記姿勢検出器によって検出された前記アームの姿勢が、推奨範囲から逸脱しているとき、前記作用機構を制御することにより、前記アームの姿勢が前記推奨範囲内であるときとは異なる作用を前記操作レバーに及ぼす制御装置と
を有するショベル。
【請求項２】
前記作用機構は、前記操作レバーに与える操作トルクの大きさを変化させ、
前記制御装置は、前記アームの姿勢が前記推奨範囲から逸脱しているとき、前記作用機構を制御することにより、前記推奨範囲内であるときと比べて、前記操作レバーに与える操作トルクを大きくする請求項１に記載のショベル。
【請求項３】
前記作用機構は、前記操作レバーに振動を与え、
前記制御装置は、前記アームの姿勢が前記推奨範囲から逸脱しているとき、前記作用機構を制御することにより、前記操作レバーを振動させる請求項１に記載のショベル。
【請求項４】
前記姿勢検出器は、前記ブームに対する前記アームの姿勢に依存する物理量を検出し、
前記制御装置は、前記作用機構を制御することにより、前記姿勢検出器で検出された前記物理量の、前記推奨範囲からの逸脱量が大きくなるに従って、前記操作レバーに及ぼす作用の大きさを大きくする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のショベル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ショベルに関する。
【背景技術】
【０００２】
下記の特許文献１に、掘削作業における作業効率を向上させ、燃料消費の悪化を防止することを目的とした掘削作業支援装置が開示されている。この掘削作業支援装置は、ブームに対するアームの角度が、最大掘削力を発揮することができる範囲にあるとき、ランプを点灯させる。操作者は、このランプ表示を視認することにより、掘削力が最大となるアーム角度の範囲内で作業を実行していることを確認することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１３８４９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
掘削作業中、操作者はバケットに視線を集中させている。このため、ランプ表示の変化を認識することが困難である。操作者がランプ表示を確認するためには、一時的にバケットから視線を逸らさなければならない。このため、掘削箇所に集中して掘削作業を行なうことが困難である。
【０００５】
本発明の目的は、効率の高いアームの姿勢を維持し、かつ掘削箇所に集中して掘削作業を行うことが可能なショベルを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一観点によると、
本体に取り付けられたブームと、
前記ブームに連結されたアームと、
前記ブームに対して前記アームの姿勢を変化させるアームシリンダと、
前記ブームに対する前記アームの姿勢を検出する姿勢検出器と、
前記アームを操作するための操作レバーと、
前記操作レバーに対して作用を及ぼす作用機構と、
前記姿勢検出器によって検出された前記アームの姿勢が、推奨範囲から逸脱しているとき、前記作用機構を制御することにより、前記アームの姿勢が前記推奨範囲内であるときとは異なる作用を前記操作レバーに及ぼす制御装置と
を有するショベルが提供される。
【発明の効果】
【０００７】
アームの姿勢が推奨範囲から逸脱したときに、作用機構が操作レバーに及ぼされる作用が、操作レバーを握る手を通して操作者に感知される。このため、操作者は、掘削箇所から視線を逸らすことなく、アームの姿勢が推奨範囲から逸脱したことを認識することができる。これにより、掘削箇所に集中して掘削作業を行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、実施例によるショベルの概略側面図である。
【図２】図２Ａは、操作レバーに作用を及ぼす機能を説明するブロック図であり、図２Ｂは、制御装置で実行される制御のフローチャートである。
【図３】図３Ａは、ブーム、アーム、バケット、及びアームシリンダを単純な直線で表した模式図であり、図３Ｂは、アームシリンダの長さ、アーム角、及びアーム角の正弦の関係を示すグラフである。
【図４】図４は、掘削作業を行なったときのアームシリンダの長さとアームシリンダの推力との時刻歴を示すグラフである。
【図５】図５Ａは、アームシリンダの長さ、アーム角、及びアーム角の正弦の関係を示すグラフであり、図５Ｂは、操作レバーの操作量と、操作トルク（操作レバーに作用する反力）との関係を示すグラフである。
【図６】図６Ａは、アームシリンダの長さ、アーム角、及びアーム角の正弦の関係を示すグラフであり、図６Ｂは、アームシリンダの長さの逸脱量と、操作レバーに与える振動の強さとの関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１に、実施例によるショベルの概略側面図を示す。ショベルの本体１０が、下部走行体１１及び上部旋回体１２により構成される。上部旋回体１２は下部走行体１１に対して旋回可能である。上部旋回体１２にブーム１５が取り付けられている。ブーム１５は、ブームシリンダ１８により上げ方向及び下げ方向に駆動される。
【００１０】
ブーム１５の先端にアーム１６が連結されている。アーム１６は、アームシリンダ１９により、押出方向（ダンプ方向）及び引き込み方向（クラウド方向）に駆動される。アーム１６の先端にバケット１７が連結されている。バケット１７は、バケットシリンダ２０により、開き方向（ダンプ方向）及び閉じ方向（クラウド方向）に駆動される。ブームシリンダ１８、アームシリンダ１９、及びバケットシリンダ２０は、油圧により駆動される。
【００１１】
アームシリンダ１９に、姿勢検出器２３が取り付けられている。姿勢検出器２３は、ブーム１５に対するアーム１６の姿勢を検出する。ブーム１５に対するアーム１６の姿勢は、ブーム１５とアーム１６とのなす角度、アームシリンダ１９のシリンダ軸とアーム１６とのなす角度、アームシリンダ１９の長さ等で表すことができる。姿勢検出器２３として、これらの角度を検出するセンサを用いてもよいし、アームシリンダ１９の伸縮長を検出するストロークセンサを用いてもよい。
【００１２】
上部旋回体１２のキャビンに操作レバー２１が装備されている。操作者が操作レバー２１を操作すると、操作量に応じてブームシリンダ１８、アームシリンダ１９、及びバケットシリンダ２０が作動する。その結果、ブーム１５、アーム１６、及びバケット１７が駆動される。
【００１３】
作用機構２２が、操作レバー２１に対して作用、例えば機械的な刺激を及ぼす。操作者は、作用機構２２が操作レバー２１に及ぼした作用を、操作レバー２１を握る手を介して感知することができる。
【００１４】
上部旋回体１２に制御装置３０が搭載されている。制御装置３０は、姿勢検出器２３の検出結果に基づいて作用機構２２を制御することにより、操作レバー２１に作用を及ぼす。
【００１５】
図２Ａに、操作レバー２１に作用を及ぼす機能を説明するブロック図を示す。操作レバー２１の操作量に応じて、油圧系統２５を介してアームシリンダ１９が作動する。油圧系統２５は、油圧ポンプ、方向制御弁、流量調整弁等を含む。油圧ポンプは、エンジンによって駆動されて作動油を供給する。方向制御弁及び流量調整弁は、作動油の流れを制御する。
【００１６】
アームシリンダ１９が作動することにより、アーム１６の姿勢が変化する。姿勢検出器２３が、アームシリンダ１９の伸縮長を検出する。検出された伸縮長が制御装置３０に入力される。制御装置３０は記憶装置３１を含む。記憶装置３１に、アーム１６の姿勢の推奨範囲が記憶されている。制御装置３０は、姿勢検出器２３で検出されたアーム１６の姿勢、及び推奨範囲に基づいて、作用機構２２を制御する。作用機構２２は、制御装置３０からの指令に応じて、操作レバー２１に作用を及ぼす。
【００１７】
図２Ｂに、制御装置３０で実行される制御のフローチャートを示す。この制御処理は、制御プログラムを中央処理ユニット（ＣＰＵ）が実行することにより実現される。図２Ｂに示した処理は、例えば一定の周期で起動される。ステップＳ１で、ショベルの現在の作業が、掘削作業であるか否かを判定する。以下、現在の作業が掘削作業であるか否かの判定方法の一例について説明する。
【００１８】
まず、ブーム１５用の操作レバー２１の操作量に基づいて、ブーム１５の上げ操作中であるか否かを判定する。ブーム１５の上げ操作中である場合、ブームシリンダ１８のロッド側の油圧を検出する。さらに、アームシリンダ１９のボトム側の油圧からロッド側の油圧を差し引いて、圧力差を算出する。ブームシリンダ１８のロッド側の油圧が所定の閾値以上であり、かつ算出された圧力差が所定の閾値以上の場合に、現在の作業が掘削作業であると判定される。
【００１９】
現在の作業が掘削作業ではないと判定された場合、処理を終了する。現在の作業が掘削作業であると判定された場合、ステップＳ２において、ブーム１５に対するアーム１６の姿勢を、姿勢検出器２３により検出する。ステップＳ３において、アーム１６の姿勢が、記憶装置３１に記憶されている推奨範囲内であるか否かを判定する。推奨範囲は、掘削作業の作業効率に基づいて決められている。アーム１６の姿勢が推奨範囲内に維持することにより、作業効率を高く維持することができる。
【００２０】
アーム１６の姿勢が推奨範囲内であると判定された場合、ステップＳ５において、作用機構２２を制御して、アーム１６の姿勢が推奨範囲内の場合の作用を、操作レバー２１に及ぼす。アーム１６の姿勢が推奨範囲内ではないと判定された場合、すなわち、作業効率の低い姿勢で掘削作業を行なっている場合には、ステップＳ４において、アーム１６の姿勢が推奨範囲内の場合の作用とは異なる作用（アーム１６の姿勢が推奨範囲から逸脱している場合の作用）を、操作レバー２１に及ぼす。
【００２１】
操作者は、操作レバー２１に及ぼされた作用を、操作レバー２１を握る手を通して感知することができる。これにより、現在のアーム１６の姿勢が、作業効率の低い姿勢であることを認識することができる。操作者は、アーム１６の姿勢を作業効率の高い姿勢に変化させる操作を行なうように動機付けられる。操作レバー２１を握る手を通して、操作レバー２１に及ぼされた作用が感知されるため、操作者は、視線を作業箇所であるバケットの先端に集中させて、掘削作業を行なうことができる。
【００２２】
次に、図３Ａ及び図３Ｂを参照して、アーム１６（図１Ａ）の姿勢の推奨範囲について説明する。
【００２３】
図３Ａは、ブーム１５、アーム１６、バケット１７、及びアームシリンダ１９を単純な直線で表した模式図である。ブーム１５が関節部４０を回転中心として、上部旋回体１２（図１）に対して上下方向に駆動される。アーム１６が、ブーム１５の先端の支点４１を回転中心として、ブーム１５に対して押し出し方向及び引き込み方向に駆動される。バケット１７が、アーム１６の先端の関節部４２を回転中心として、開き方向及び閉じ方向に駆動される。掘削作業中は、バケット１７の先端が作用点４３となる。アームシリンダ１９が、アーム１６の後端の力点４４に連結されている。ブーム１５とアーム１６とを連結する支点４１から先端の関節部４２に向かう直線と、後端の力点４４に向かう直線とは、必ずしも一直線上に位置するとは限らない。
【００２４】
支点４１と力点４４とを結ぶ直線と、アームシリンダ１９のシリンダ軸方向とのなす角度（アーム角）をθで表す。支点４１から力点４４までの腕の長さをｒで表す。アームシリンダ１９が発生する推力をＦで表す。アーム１６に対してバケット１７の姿勢が固定されている場合、作用点４３に発生するトルクＴは、
Ｔ＝Ｆ・ｒ・ｓｉｎθ・・・（１）
と表すことができる。
【００２５】
掘削作業は、主としてアーム１６の引き込み動作によって行われる。ブーム１５はやや上げ方向に駆動され、バケット１７は、アーム１６に対してほぼ静止している。このため、アーム１６を効率的に駆動することが、掘削作業の効率化に大きく寄与する。このため、一例として、掘削作業の作業効率を、Ｔ／Ｆと定義することができる。支点４１から力点４４までの長さｒは不変であるため、作業効率Ｔ／Ｆはｓｉｎθに比例する。
【００２６】
図３Ｂに、アームシリンダ１９の長さ、アーム角θ、及びアーム角θの正弦（ｓｉｎθ）の関係を示す。図３Ｂの横軸はアームシリンダ１９の長さを表し、左縦軸はアーム角θを単位「度」で表し、右縦軸はｓｉｎθを表す。実線はアーム角θを示し、破線はｓｉｎθを示す。
【００２７】
アームシリンダ１９が長くなるに従って、アーム角θが小さくなる。アーム角θが９０度のとき、ｓｉｎθが最大値１を示す。アーム角θが９０度となる位置を含むある範囲が、推奨範囲Ｓとして決定される。アームシリンダ１９の長さが推奨範囲Ｓ内となる状態で掘削作業を行うことにより、高い作業効率を維持することができる。図２Ａに示した記憶装置３１に、この推奨範囲Ｓが記憶されている。
【００２８】
次に、図４を参照して、上記実施例の効果について、より具体的に説明する。
【００２９】
図４に、掘削作業を行なったときのアームシリンダ１９の長さとアームシリンダ１９の推力Ｆとの時刻歴を示す。横軸は、アームシリンダ１９の長さを表し、左縦軸は、アームシリンダ１９の推力Ｆを表し、右縦軸は、ｓｉｎθを表す。図４の太い実線は、熟練者が操作したときの、アームシリンダ１９の長さと推力とで特定されるグラフ上の点の軌跡を示し、細い破線は、初心者が操作したときの同様の軌跡を示す。
【００３０】
熟練者が操作した場合には、アーム１６の姿勢が推奨範囲Ｓ内に維持されていることがわかる。これに対し、初心者が操作した場合には、アーム１６の姿勢が推奨範囲Ｓから逸脱していることがわかる。実施例においては、アーム１６の姿勢が推奨範囲Ｓから逸脱している場合に、推奨範囲Ｓ内である場合と比べて異なる作用が、操作レバー２１（図１）に及ぼされる。操作者が、この作用を感知することにより、アーム１６の姿勢が推奨範囲Ｓから逸脱していることを認識することができる。操作者が、アーム１６の姿勢が推奨範囲Ｓに収まるように操作することにより、掘削作業の効率化を図ることができる。さらに、操作者の技能の向上を図ることも可能である。
【００３１】
上記実施例では、図３Ｂに示したように、アーム１６の姿勢をアームシリンダ１９の長さで表したが、ブーム１５に対するアーム１６の姿勢に依存するその他の物理量によってアーム１６の姿勢を表してもよい。姿勢検出器２３（図２Ａ）が、アーム角θ（図３Ａ）を検出する場合には、アーム角θによってアーム１６の姿勢を表してもよい。その他に、図３Ａに示した関節部４０から支点４１に向かう直線と、支点４１から関節部４２に向かう直線とのなす角によって、アーム１６の姿勢を表してもよい。
【００３２】
次に、図５Ａ及び図５Ｂを参照して、他の実施例について説明する。以下、図１〜図４に示した実施例との相違点について説明し、共通の構成については説明を省略する。図１〜図４に示した実施例では、作用機構２２が操作レバー２１（図２Ａ）に作用を及ぼすことにより、操作者にアーム１６の姿勢が推奨範囲から逸脱していることを認識させた。本実施例では、操作レバー２１に及ぼす作用として、操作トルク（反力）が採用される。
【００３３】
図５Ａは、アームシリンダ１９の長さ、アーム角θ、及びｓｉｎθの関係を示し、図３Ｂに示したものと同一である。図５Ａでは、アーム１６の姿勢が、推奨範囲Ｓの他に、範囲Ａ、範囲Ｂ、及び範囲Ｃに区分されている。範囲Ａは、推奨範囲Ｓに接して、推奨範囲Ｓの両側に定義される。範囲Ｂは、範囲Ａのさらに外側に定義され、範囲Ｃは、範囲Ｂのさらに外側に定義される。範囲Ａ、範囲Ｂ、及び範囲Ｃの順番に、アーム１６の姿勢の、推奨範囲Ｓからの逸脱量が大きくなる。
【００３４】
図５Ｂに、操作レバー２１の操作量と、操作トルク（操作レバーに作用する反力）との関係を示す。横軸は、操作レバー２１の操作量を表し、縦軸は操作トルクを表す。図５Ｂのグラフ中の実線Ｓ、Ａ、Ｂ、Ｃは、それぞれアームシリンダ１９の長さが図５Ａに示した推奨範囲Ｓ、範囲Ａ、範囲Ｂ、範囲Ｃに含まれているときの操作量と操作トルクとの関係を示す。
【００３５】
操作量が中立位置を中心とする不感帯Ｘの範囲内であるとき、操作トルクはほぼ０である。操作量が不感帯Ｘを越えると、操作量が大きくなるに従って操作トルクが大きくなる。
【００３６】
次に、操作量が同一であるという条件の下で、操作トルクを比較する。アームシリンダ１９の長さが推奨範囲Ｓから逸脱すると、制御装置３０（図２Ａ）が作用機構２２（図１）を制御することにより、アーム１６の姿勢が推奨範囲Ｓ内であるとき（アームシリンダ１９の長さが推奨範囲Ｓに含まれているとき）と比べて、操作レバー２１の操作トルクを大きくする。操作トルクが大きくなると、操作者は、操作レバー２１の操作感触が重くなったと感じる。これにより、操作者は、アーム１６の姿勢が推奨範囲Ｓから逸脱していることを認識できる。
【００３７】
さらに、逸脱量が大きくなるに従って、操作トルクが大きくなっている。操作者は、操作トルクが小さくなる方向に、アーム１６を操作することにより、アーム１６の姿勢を推奨範囲Ｓに近づけることができる。
【００３８】
次に、図６Ａ及び図６Ｂを参照して、さらに他の実施例について説明する。以下、図１〜図４に示した実施例との相違点について説明し、共通の構成については説明を省略する。本実施例では、作用機構２２が操作レバー２１（図２Ａ）に及ぼす作用として、機械的振動が採用される。
【００３９】
図６Ａは、アームシリンダ１９の長さ、アーム角θ、及びｓｉｎθの関係を示し、図３Ｂに示したものと同一である。  アームシリンダ１９の長さに、推奨範囲Ｓが定義されている。推奨範囲Ｓから、現在のアームシリンダ１９の長さＬａまでの逸脱量をＤで表す。現在のアームシリンダ１９の長さＬａが推奨範囲Ｓから逸脱すると、制御装置３０が作用機構２２を制御することにより、操作レバー２１を振動させる。操作者は、操作レバー２１を握る手を通して、この振動を感知することができる。これにより、操作者は、アーム１６の姿勢が推奨範囲Ｓから逸脱していることを認識できる。
【００４０】
図６Ｂに、逸脱量Ｄと、操作レバー２１に与える振動の強さとの関係を示す。逸脱量Ｄが大きくなるに従って、振動の強さが大きくなる。操作者は、操作レバー２１に与えられる振動が小さくなる方向に、アーム１６を操作することにより、アーム１６の姿勢を推奨範囲Ｓに近づけることができる。
【００４１】
図１〜図６Ｂに示した実施例においては、アーム１６の姿勢が掘削の推奨範囲内であるか否かの情報が、操作者の手に及ぼされる作用によって、操作者に伝えられる。アーム１６の姿勢が掘削の推奨範囲内であるか否かの情報が、視覚情報として操作者に伝えられる場合には、操作者は、視覚情報を脳内処理した後、操作レバー２１の操作を行うことになる。上述の実施例の場合には、操作者が操作を行っている手に、直接作用が及ぼされるため、脳内処理が複雑化せず、操作者の疲労の蓄積を軽減することができる。
【００４２】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【符号の説明】
【００４３】
１０  本体
１１  下部走行体
１２  上部旋回体
１５  ブーム
１６  アーム
１７  バケット
１８  ブームシリンダ
１９  アームシリンダ
２０  バケットシリンダ
２１  操作レバー
２２  作用機構
２３  姿勢検出器
２５  油圧系統
３０  制御装置
３１  記憶装置
４０  関節部
４１  支点
４２  関節部
４３  作用点
４４  力点
Ｆ  アームシリンダの推力
Ｓ  推奨範囲
Ｔ  作用点に発生するトルク
Ｘ  不感帯
θ  アーム角
【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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