(57)【要約】【課題】機体の応答の予測を容易化し振動現象の発生を回避しつつ円滑に操縦する上で有利な作業機械を提供する。【解決手段】油圧アクチュエータ３３Ａ〜Ｄ、油圧アクチュエータ３３Ａ〜Ｄにより駆動される被駆動部材８，２、油圧アクチュエータ３３Ａ〜Ｄへの圧油の流れを制御する制御弁３２Ａ〜Ｄ、被駆動部材２，８の動作を指示する操作装置１１、及び操作装置１１からの指令値を基に制御弁３２Ａ〜Ｄへの制御信号３７Ｓを生成する制御ユニット３７を備えた作業機械において、操作装置１１は、操作レバー１５に作用した操作力を検出する操作力検出手段１６、及び検出された操作力を基に対象の油圧アクチュエータの動作指令値１１Ｓを制御ユニット３７に出力する指令値生成手段１７を備え、操作力の検出から操作レバー１５が変位するまでの操作装置１１の標準応答周波数特性を、指令値１１Ｓの出力から動作出力までの機体の標準応答周波数特性に対応させる。【選択図】  図５
2009167673.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
油圧ポンプと、この油圧ポンプからの圧油で駆動する油圧アクチュエータと、この油圧アクチュエータにより駆動される被駆動部材と、前記油圧ポンプから前記油圧アクチュエータへの圧油の流れを制御する制御弁と、前記被駆動部材の動作を指示する操作装置からの指令値に基づいて前記制御弁への制御信号を生成する動作制御手段とを備えた作業機械において、
前記操作装置は、
操作者による機械的な操作入力を受ける被操作部材と、
この被操作部材に作用した操作力を検出する操作力検出手段と、
この操作力検出手段により検出された操作力に基づいて対象の油圧アクチュエータの動作指令値を生成し前記動作制御手段に出力する指令値生成手段と、
前記操作力検出手段により検出された操作力を受けて前記被操作部材が変位するまでの前記操作装置の標準応答周波数特性が、前記指令値生成手段による指令値出力から前記被駆動部材の動作までの機体の標準応答周波数特性に対応するように前記被操作部材に操作反力を付加する反力付加手段と
を備えたことを特徴とする作業機械。
【請求項２】
請求項１の作業機械において、前記機体の標準応答周波数特性が、少なくとも圧油の粘性成分、構成部材の弾性成分、構成部材の重量による慣性成分のいずれかを含む２次以上の遅れ特性であることを特徴とする作業機械。
【請求項３】
請求項１又は２の作業機械において、
前記反力付加手段は、
前記被操作部材の操作力と前記機体の標準応答周波数特性との予め与えられた関係の下、前記操作力検出手段により検出された操作力に基づいて反力の指令値を演算する演算手段と、
この演算手段で演算された指令値に基づいて前記被操作部材にかかる操作力に対向する操作反力を前記被操作部材に付加する反力生成手段と
を備えていることを特徴とする作業機械。
【請求項４】
請求項１又は２の作業機械において、前記操作装置は、標準応答周波数特性が機体の標準応答周波数特性に対応するように、前記被操作部材の操作に伴う粘性成分、弾性成分、慣性成分のうちの少なくとも一つが調整されていることを特徴とする作業機械。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかの作業機械において、前記油圧ポンプは可変容量型の油圧ポンプであり、前記動作制御手段は、前記制御弁とともに、又は前記制御弁に代えて前記油圧ポンプの傾転を制御することを特徴とする作業機械。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかの作業機械において、前記被操作部材は操作レバー、前記被駆動部材はブーム、アーム、作業具からなる多関節型の作業装置若しくは走行体、前記油圧アクチュエータは前記作業装置又は走行体を駆動する複数の油圧シリンダ又は油圧モータであることを特徴とする作業機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、油圧ショベルや油圧クレーン等の作業機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
土木工事や解体工事等の作業現場では、一般に油圧ショベルや油圧クレーンに代表される作業機械が用いられる。こうした作業機械は、動力源となる油圧ポンプ、油圧ポンプからの圧油で駆動する油圧アクチュエータ（油圧シリンダ、油圧モータ等）、油圧アクチュエータにより駆動される被駆動部材（アーム、バケット、ワイヤロープ等）、油圧アクチュエータへの圧油の流れ（流量及び方向）を制御する制御弁、被駆動部材の動作を指示する操作装置等を備えている。通常、操作装置は、オペレータにより操作される被操作部材（操作レバー、ペダル、ボタン等）、被操作部材の移動角や移動距離を油圧アクチュエータの動作速度指令値に変換する指令値生成装置から構成されている。オペレータによって被操作部材が操作されると操作装置からの指令値を基に制御弁が制御され、指令値に応じた駆動速度で油圧アクチュエータが駆動し被駆動部材が実際に動作する。
【０００３】
こうした作業機械においては、被駆動部材の動作に伴って各構成要素の共振により機体全体が揺れる振動現象が生じる場合がある。例えば急操作により共振が生じるとハンチングの発生により機体のコントロールが難しくなるので、オペレータはハンチングが生じないように作業機械を操縦する必要がある。圧油やワイヤロープ等の動力伝達要素は、大きな力を高効率に伝達する反面、一般に振動が生じ易い。この種の作業機械は、振動を抑制する構成要素が少なく、発生した振動が減衰し難いのも実情である。
【０００４】
それに対し、この種の作業機械の振動抑制を目的とした技術として、油圧アクチュエータの圧力（検出値）を操作信号にフィードバックすることにより、油圧アクチュエータの圧力変動を抑え、機体の振動を抑制するものがある（特許文献１等参照〉。
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−３５１２０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一般に、作業機械の動作には、油圧機器等の動作遅れ・各構成要素の弾性や重量等に起因して、オペレータの操作に対する作業機械の応答ずれが生じるため、作業機械を精度良く又は効率良く操縦するためには、オペレータは、この応答特性を予測して操作する必要がある。したがって、作業機械の操縦は、機体の応答特性を熟知する必要がある上、機体の振動現象が生じないように機体の挙動を監視しつつ適切な速度で機体をコントロールする必要があり、オペレータには高度な熟練が要求される。アームやバケット等の複数の被駆動部材を同時に複合操作するときのように機体の複雑な動作を予測する必要がある場合には、特に高度な熟練度が要求される。このように機体を高精度かつスムーズに操縦するために機体の挙動を予測する必要がある点は、上記特許文献１に記載した技術でも同様である。
【０００７】
本発明は上記課題に鑑みなされたもので、機体の応答の予測を容易化し振動現象の発生を回避しつつ円滑に操縦する上で有利な作業機械を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、油圧ポンプと、この油圧ポンプからの圧油で駆動する油圧アクチュエータと、この油圧アクチュエータにより駆動される被駆動部材と、前記油圧ポンプから前記油圧アクチュエータへの圧油の流れを制御する制御弁と、前記被駆動部材の動作を指示する操作装置からの指令値に基づいて前記制御弁への制御信号を生成する動作制御手段とを備えた作業機械において、前記操作装置は、操作者による機械的な操作入力を受ける被操作部材と、この被操作部材に作用した操作力を検出する操作力検出手段と、この操作力検出手段により検出された操作力に基づいて対象の油圧アクチュエータの動作指令値を生成し前記動作制御手段に出力する指令値生成手段と、前記操作力検出手段により検出された操作力を受けて前記被操作部材が変位するまでの前記操作装置の標準応答周波数特性が、前記指令値生成手段による指令値出力から前記被駆動部材の動作までの機体の標準応答周波数特性に対応するように前記被操作部材に操作反力を付加する反力付加手段とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
（２）上記（１）において、好ましくは、前記機体の標準応答周波数特性が、少なくとも圧油の粘性成分、構成部材の弾性成分、構成部材の重量による慣性成分のいずれかを含む２次以上の遅れ特性であることを特徴とする。
【００１０】
（３）上記（１）又は（２）において、好ましくは、前記反力付加手段は、前記被操作部材の操作力と前記機体の標準応答周波数特性との予め与えられた関係の下、前記操作力検出手段により検出された操作力に基づいて反力の指令値を演算する演算手段と、この演算手段で演算された指令値に基づいて前記被操作部材にかかる操作力に対向する操作反力を前記被操作部材に付加する反力生成手段とを備えていることを特徴とする。
【００１１】
（４）上記（１）又は（２）において、好ましくは、前記操作装置は、標準応答周波数特性が機体の標準応答周波数特性に対応するように、前記被操作部材の操作に伴う粘性成分、弾性成分、慣性成分のうちの少なくとも一つが調整されていることを特徴とする。
【００１２】
（５）上記（１）〜（４）のいずれかにおいて、好ましくは、前記油圧ポンプは可変容量型の油圧ポンプであり、前記動作制御手段は、前記制御弁とともに、又は前記制御弁に代えて前記油圧ポンプの傾転を制御することを特徴とする。
【００１３】
（６）上記（１）〜（５）のいずれかにおいて、好ましくは、前記被操作部材は操作レバー、前記被駆動部材はブーム、アーム、作業具からなる多関節型の作業装置若しくは走行体、前記油圧アクチュエータは前記作業装置又は走行体を駆動する複数の油圧シリンダ又は油圧モータであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、機体の応答の予測を容易化し振動現象の発生を回避しつつ操作性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
【００１６】
図１は本発明の一実施の形態に係る作業機械の側面図である。
【００１７】
図１に示すように、本実施の形態では、作業機械の一例として油圧ショベルを例示している。本実施の形態では、特に断り書きのない場合、図１中の左右を機体の前後方向とする。図１に示した油圧ショベルは、大きく分けて走行体１及びこの走行体１上に旋回可能に搭載された旋回体２から構成される。
【００１８】
走行体１は、無限軌道履帯を有する左右のクローラを備えており、左右のクローラを左右の走行モータ３３Ｅ，３３Ｆ（後述する図３参照）によりそれぞれ駆動することで走行する。走行モータ３３Ｅ，３３Ｆは油圧アクチュエータであり、走行体１は走行モータ３３Ｅ，３３Ｆにより駆動される被駆動部材を構成する。
【００１９】
旋回体２は、旋回フレーム３を有し、旋回フレーム３には、前方側にオペレータが搭乗するキャブボックス４が、キャブボックス４の後方側に機械室を画成する建屋カバー５が、最後部に機体の前後方向のバランスを調整するカウンタウェイト６が搭載されている。旋回フレーム３には旋回モータ３３Ｄ（後述する図３参照）が設けられており、旋回体２はこの旋回モータによって旋回駆動される。旋回モータ３３Ｄは油圧アクチュエータであり、旋回体２は旋回モータ３３Ｄにより駆動される被駆動部材を構成する。
【００２０】
また、旋回体２の前部（本例ではキャブボックス４の右側）には、旋回体２に対して俯仰動作するフロント作業装置８が設けられている。このフロント作業装置８は、旋回体２の旋回フレーム３にピン結合されたブーム８Ａと、ブーム８Ａの先端側にピン結合されたアーム８Ｂと、アーム８Ｂの先端側にピン結合された作業具（バケット）８Ｃとによって構成されている。そして、ブーム８Ａ、アーム８Ｂ及びバケット８Ｃは、ブームシリンダ３３Ａ、アームシリンダ３３Ｂ及びバケットシリンダ３３Ｃ等の油圧アクチュエータによって駆動される。ブーム８Ａ、アーム８Ｂ及びバケット８Ｃは、それぞれブームシリンダ３３Ａ、アームシリンダ３３Ｂ及びバケットシリンダ３３Ｃにより駆動される被駆動部材を構成している。
【００２１】
図２はキャブボックス４の内部の概略構成を表す側面図である。
【００２２】
図２に示すように、キャブボックス４の床板４Ａ上には、運転席７と運転席７の左右両側に配置された操作装置１１（左側のみ図示）が設けられている。操作装置１１は、被駆動部材としての旋回体２やフロント作業装置８の動作を指示するものである。この操作装置１１については、後に図４及び図５を用いて詳述するが、オペレータによる機械的な操作入力を受ける被操作部材である操作レバー１５と、操作レバー１５を支持するレバー支持体１２とを備えている。レバー支持体１２は、レバースタンド１３と、操作レバー１５のケーシング１４とを備えている。レバースタンド１３は、運転席７の側方に位置し、キャブボックス４の床板４Ａに取付けられている。左右の操作レバー１５を前後左右に傾転操作することによって、ブームシリンダ３３Ａ、アームシリンダ３３Ｂ、バケットシリンダ３３Ｃ及び旋回モータが駆動され、ブーム８Ａ、アーム８Ｂ、バケット８Ｃ及び旋回体２が動作する。また、運転席７の前方には、走行体１の左右のクローラに対応する一対の被操作部材であるペダル付き操作レバー１５Ｃ（左側のみ図示）が、キャブボックス４の床板４Ａに取付けられている。
【００２３】
図３は作業機械に備えられた油圧アクチュエータの駆動回路の概略図である。
【００２４】
図３に示すように、油圧アクチュエータすなわち、ブームシリンダ３３Ａ、アームシリンダ３３Ｂ、バケットシリンダ３３Ｃ、旋回モータ３３Ｄ、走行モータ３３Ｅ，３３Ｆは、建屋カバー５内に設けられた動力源としての油圧ポンプ３０からの圧油（作動油）により駆動する。油圧ポンプ３０はエンジン（図示せず）により駆動される。油圧ポンプ３０から吐出された圧油は、吐出配管３１Ａを流通して電磁・油圧パイロット式の制御弁（３位置コントロールバルブ）３２Ａ〜３２Ｆに供給され、それぞれ制御弁３２Ａ〜３２Ｆによって流れ（方向及び流量）を制御されて油圧アクチュエータ３３Ａ〜３３Ｆに供給される。油圧アクチュエータ３３Ａ〜３３Ｆからの各戻り油は、それぞれ制御弁３２Ａ〜３２Ｆを介して戻り油配管３１Ｂに流れ込みタンク３８に戻される。また、吐出配管３１Ａの圧油の最高圧はリリーフ弁３６により規制される。
【００２５】
左右の操作レバー１５（図２参照）には、それぞれ対応付けられた側の操作レバー１５の操作方向（前或いは後、又は左或いは右）及び操作量に応じ、油圧アクチュエータ３３Ａ〜３３Ｄの動作指令値をそれぞれ生成する指令値生成装置３４Ａ〜３４Ｄが設けられており、指令値生成装置３４Ａ〜３４Ｄで生成された指令値は制御ユニット３７に出力される。また、ペダル付き操作レバー１５Ｃ（図２参照）には、それぞれ対応付けられた側の操作レバー１５Ｃの操作方向（前又は後）及び操作量に応じ、走行モータ３３Ｅ，３３Ｆの動作指令値をそれぞれ生成する指令値生成装置３４Ｅ，３４Ｆが設けられており、指令値生成装置３４Ｅ，３４Ｆで生成された指令値が制御ユニット３７に出力される。
【００２６】
制御ユニット３７は、油圧アクチュエータの動作を制御する動作制御手段であり、指令値生成装置３４Ａ〜３４Ｆからの指令値を基にそれぞれ制御弁３２Ａ〜３２Ｆへの制御信号を生成し、それぞれ制御弁３４Ａ〜３４Ｆのソレノイドに制御信号を出力する。制御ユニット３７からの制御信号により制御弁３２Ａ〜３２Ｆのポジションがそれぞれ切り換わり、油圧アクチュエータ３３Ａ〜３３Ｆへの圧油の流れ（方向及び流量）が制御され、油圧アクチュエータ３３Ａ〜３３Ｆが駆動制御される。
【００２７】
図４は前述した操作装置１１の操作レバー１５を抽出して表した図である。
【００２８】
図４に示すように、操作レバー１５は、それぞれ前後方向・左右方向に回動するアーチ状のガイド部材５１，５２の頂部に設けた長穴５１ａ，５２ａに通されている。例えば操作レバー１５を前後方向に操作すると、操作レバー１５はガイド部材５２の長穴５２ａ内を長穴５２ａの長手方向に移動する一方、操作レバー１５の前後への動きに伴ってガイド部材５１が前後に回動する。反対に、操作レバー１５を左右方向に操作すると、操作レバー１５はガイド部材５１の長穴５１ａ内を長穴５１ａの長手方向に移動する一方、操作レバー１５の左右への動きに伴ってガイド部材５２が左右に回動する。操作レバー１５を複合操作した場合、例えば操作レバー１５を左前方に操作した場合には、操作レバー１５の動作に伴ってガイド部材５１，５２がそれぞれ前方及び左方向に回動する。
【００２９】
このとき、ガイド部材５１，５２の支軸には、それぞれ電動モータ５３，５４の出力軸が連結されている。これら電動モータ５３，５４は、ガイド部材５１，５２に対し、ガイド部材５１，５２の回動方向と対向する方向（反対方向）にトルクを与え、操作レバー１５に与える操作反力を生成する反力生成手段として機能する。
【００３０】
図５は本発明の一実施の形態に係る作業機械の機能ブロック図である。図５において、既出図面と同様の部分には同符号を付して説明を省略する。
【００３１】
図５には、作業機械の機能ブロックとして、操作装置１１、制御ユニット（動作制御手段）３７、及び作業機本体（機体）７２を備えている。
【００３２】
操作装置１１は、操作レバー（被操作部材）１５と、操作力検出手段１６と、指令値生成手段１７と、演算手段１８と、電動モータ（反力生成手段）５３，５４とを備えている。
【００３３】
操作力検出手段１６は、操作レバー１５に作用した力、すなわちオペレータが操作レバー１５に加えた力を検出するものであり、力センサ等を用いることができる。この操作力検出手段１６は、操作レバー１５の操作方向（前・後・左・右）ごとに設けられ、各方向への操作力を検出しその検出信号は指令値生成手段１７に出力する。
【００３４】
指令値生成手段１７は、アンプやフィルタ等の回路で形成され、操作力検出手段１６からの検出信号から、対応する油圧アクチュエータの動作指令値１１Ｓを生成し、制御ユニット（動作制御手段）３７に出力する。
【００３５】
演算手段１８は、反力生成手段である電動モータ５３，５４とともに、操作レバー１５に所望の操作反力を付加する反力付加手段を構成するものであり、機体の標準応答周波数特性と操作レバー１５の操作力との予め与えられた関係の下、操作力検出手段１７により検出された操作力を基に反力の指令値を演算し電動モータ５３，５４に出力する。このとき、演算手段１７には図示しない記憶部が備えられており、その記憶部には機体の標準応答周波数特性と操作レバー１５の操作力との関係が予め記憶されている。ここで、作業機械の標準応答周波数特性は、モデル等を用いてシミュレーションにより算出する、或いは、指令値生成手段１７による指令値１１Ｓの出力から対応の被駆動部材（ブーム８Ａ、アーム８Ｂ等）が動作するまでの時間、指令値１１Ｓや被駆動部材の挙動を実測することにより求めることができる。機体の応答周波数特性は、アクチュエータやアクチュエータの動作方向ごとに異なるので、各アクチュエータにつき動作方向ごとにデータを得ておく。演算手段１７の記憶部には、こうした機体の標準応答周波数特性が操作レバー１５の操作力に対応付けられて記憶されている。
【００３６】
オペレータにより操作レバー１５に力が加えられると、演算手段１８は、操作力検出手段１６で検出された操作力を基に機体の標準応答周波数特性に対応した反力指令値を生成し、その反力指令値を電動モータ５３，５４に出力する。電動モータ５３，５４は、演算手段１８からの反力指令値を基に操作レバー１５の操作力に対向するトルクを生成し、前出のガイド部材５１，５２を介して操作レバー１５に操作反力を付加する。これにより、操作装置１１の標準応答周波数特性、具体的には操作力検出手段１６による操作力の検出から当該操作力を受けて操作レバー１５が変位するまでの操作装置１１の標準応答周波数特性が、前述した機体の標準応答周波数特性に対応するようになっている。なお、作業機械と操作装置１１の標準応答周波数特性は完全に一致する必要はなく、類似した傾向を持っていれば足りる。
【００３７】
作業機本体７２では、操作装置１１からの動作指令値１１Ｓを基に制御ユニット３７で生成された制御信号３７Ｓが制御弁の対応のソレノイド駆動部に入力され、これにより油圧ポンプ３０からの圧油が操作装置１１の操作に対応した方向及び流量で油圧アクチュエータに供給され、被駆動部材が動作する。例えば、操作装置１１で「ブーム上げ」の動作を指示した場合、その操作の際に操作レバー１５に加わった操作力に基づく制御信号３７Ｓが制御弁３２Ａの対応（図３中の右側）のソレノイドに入力され、油圧ポンプ３０からの圧油がブームシリンダ３３Ａのボトム側に供給され、ブームシリンダ３３Ａが伸長して被駆動部材であるブーム８Ａが上昇する。前述した反力付加手段の作用により、この際の操作レバー１５の応答とブーム８Ａの挙動は対応し、仮に作業フロント８の姿勢によりブーム８Ａの動作が重い場合には、操作レバー１５に相応の反力が作用するので操作レバー１５の感触も重くなる。
【００３８】
なお、本実施の形態は、制御ユニット３７が制御信号３７Ｓを制御弁３２Ａ〜３２Ｆに出力し制御弁３２Ａ〜３２Ｆを制御する例であるが、例えば油圧ポンプ３０が可変容量型のポンプである場合、図５にも例示したように、油圧ポンプ３０の傾転を制御するポンプ制御装置である出力制御装置７３に制御信号３７Ｓを出力し、制御弁３２Ａ〜３２Ｆとともに、或いは制御弁３２Ａ〜３２Ｆに代えて油圧ポンプ３０の出力を制御することで、油圧アクチュエータの作動量を制御する構成とすることもできる。出力制御装置７３には、ポンプ傾転を制御する装置の他、油圧ポンプ３０を駆動するエンジン（図示せず）の回転数を制御する装置（ガバナ等）も考えられる。
【００３９】
次に本実施の形態による作用効果を説明する。
【００４０】
図３に示したような油圧系は、大きな力を効率良く伝達することが可能である反面、振動が生じ易く且つ減衰し難い性質を持つ振動系となることが一般に知られている。ここで、仮に一般の作業機械のように操作レバー１５やペダル付き操作レバー１５Ｃの操作量を基に動作指令値を生成する構成とした場合、オペレータが操作レバー１５やペダル付き操作レバー１５Ｃを急操作すると、動作指令値が急変し制御弁３２Ａ〜３２Ｆが急に切り換わることで配管３１Ａ，３１Ｂの油圧が振動することがある。この振動は油圧アクチュエータ３３Ａ〜３３Ｆに伝搬し、作業機械を振動（ハンチング）させることになる。急操作によってフロント作業装置８のブーム８Ａ・アーム８Ｂ・バケット８Ｃや旋回体２が急激に動作した場合、これら被駆動部材の慣性による反動もハンチングの要因となる。この現象は特に起動時や停止時に生じ易い。また、作業機械全体の振動は搭乗するオペレータに伝わり、オペレータの身体の揺れが操作レバー１５に伝達されて作業機械全体の共振周波数近傍の振動がさらに大きくなることもある。このようなハンチングが生じると機体のコントロールが難しくなり作業効率が下がるので、オペレータはハンチングが生じないように被操作部材を慎重に操作する必要がある。
【００４１】
しかも、一般に、作業機械の動作には油圧機器等の動作遅れや各構成要素の弾性や重量（慣性）等に起因して、オペレータの操作に対する作業機械の応答ずれが生じる。そのため、作業機械を高精度に効率良く操縦するためには、通常、オペレータは作業機械の応答特性を予測して操作する必要があった。
【００４２】
それに対し、本実施の形態では、操作レバー１５の操作量ではなく操作レバー１５に加わった操作力を基に動作指令値１１Ｓを生成し、予め与えられた動作指令値１１Ｓと被駆動部材の動作出力の結果との関係を基に、被駆動部材の挙動に対応した操作反力を操作レバー１５に付加する構成としている。これにより、被駆動部材の挙動に対応した操作反力が操作レバー１５を通じてオペレータに伝えられるので、オペレータは被駆動部材の挙動に応じた操作レバー１５の手応えから感覚的に機体の挙動を予測することができる。したがって、機体の応答の予測を容易化し振動現象の発生を回避しつつ円滑に操縦する上で有利であり、熟練した操作技能がなくても感覚的にハンチングの発生を回避し易くなる。また、反力付加手段により、操作レバー１５の変位が油圧アクチュエータの動作量を擬似する（操作レバー１５がオペレータの加えた操作力に対して被駆動部材と同じように応答する）ので、操作量を基に動作指令値を生成する場合に比べ、操作レバー１５の動きに対する機体の応答ずれも小さい。
【００４３】
続いて本実施の形態の上記作用の理論的な裏付けを説明する。
【００４４】
上述のような油圧系を含む作業機械において、例えば操作レバー８による動作指令値が制御ユニット３７に入力されてからフロント作業装置８の動作出力までの機体の標準応答周波数特性Wは、一般に次の式（１）に示すような２次遅れ特性に近似することができる。
【００４５】
Ｗ＝ｋ１・ω２／（ｓ２＋２ζωｓ＋ω２）・・・（１）
ここで、ｋ１はゲイン、ζは振動系の減衰係数、ωは被駆動部材の角周波数、ｓはラプラス演算子を表す。
【００４６】
この特性Ｗには、図６に示した周波数特性６０のようにピークが存在する。このときの共振周波数は一般に数Ｈｚ程度である。この特性はアクチュエータ及びアクチュエータの動作方向ごとに異なっている。例えば、ブーム８Ａの上方向動作、下方向動作、アーム８Ｂの上方向動作、下方向動作では特性が異なっている。操作レバー１５の操作量を基に動作指令値を生成する場合、ハンチングの発生を抑制するためには、オペレータは、それぞれのアクチュエータ及びその動作方向ごとの特性を考慮し、共振周波数を含む動作を避けて慎重に操縦しなければならない。
【００４７】
図７は一般の作業機械の操作入力から動作出力に係る系をオペレータの神経系における情報の伝達と処理を中心にモデル化したブロック図である。
【００４８】
図７に示した系は、実際の操作レバー１５の変位量からレバー操作量を認識する認識特性Ｅ、作業機械の実際の動作速度と目標速度４１の差異を認識する認識特性Ａ、認識特性Ａで認識した差異からレバー操作量を算出する関数Ｂ、レバー操作量の算出値とフィードバック値に基づくレバー操作量の目標偏差から操作レバー１５に加える力（操作力）を決定する関数Ｃ、操作レバー１５に加える力から各筋肉の指令値を決定する関数Ｄ、レバー逆特性Ｕ（後述）から操作レバー１５の操作反力を認識する認識特性Ｆ、腱張力によるフィードバック関数Ｎ、骨格モデルＱ（後述）の筋伸長に基づくフィードバック関数Ｓ、関数Ｄで算出した各筋肉の指令値とフィードバック関数Ｎ，Ｓから実際の筋力を生成する関数Ｐ、骨格モデルＱ（後述）に基づく筋の粘弾性モデルＯ、レバー変位を骨格変位に変換する逆ヤコビアンＶ、これら粘弾性モデル及び骨格変位と生成した筋力から導き出したオペレータ自身の骨格モデルＱ、この骨格変位をレバー変位（操作量）に変換するヤコビアンＲ、レバー特性（操作反力に対するレバー変位の応答特性）の逆特性であるレバー逆特性Ｕ、及び前述の作業機械の応答特性（標準応答周波数特性）Ｗから構成される。これらのうち、レバー逆特性Ｕは操作レバー１５の特性、応答特性Ｗは作業機械の機体特性であり、それ以外の点線で囲った処理系はオペレータ自身の情報伝達系又は情報処理系を表している。
【００４９】
図７に示した系の認識特性Ａの入力から作業機械の伝達特性Ｗの出力までの特性をＧと表した場合、特性Ｇは図７のブロック図を基に、
Ｇ＝ＷＲＱＰＤＣＢＡ／｛ＰＤ（ＣＥ＋ＦＵ）ＲＱ＋ＰＮ＋ＰＳＱ（Ｏ＋ＶＵＲ）Ｑ＋１｝・・・（２）
と表すことができる。
【００５０】
この式（２）は、次の式（３）で表されるオペレータの身体特性Ｘを用いると、式（４）のように変換することができる。
【００５１】
Ｘ＝ＲＱＰＤ／｛ＰＮ＋ＰＳＱ＋（Ｏ＋ＶＵＲ）Ｑ＋１｝・・・（３）
Ｇ＝ＷＸＣＢＡ／｛Ｘ（ＣＥ＋ＦＵ）＋１｝・・・（４）
図８は式（４）に基づくブロック図である。
【００５２】
ここで簡単のため、式（４）のレバー変位の認識特性Ｅに関する項の値が十分大きい場合を考えると、式（４）は次の式（５）に近似することができる。
【００５３】
Ｇ＝ＷＢＡ／Ｅ・・・（５）
式（５）において、認識特性Ａは視覚の認識特性であり、一般に無駄時間（情報伝達時間等）と１次遅れで表される。また、認識特性Ｅは操作レバー位置を固有感覚レベルで認識する特性である。
【００５４】
したがって、応答特性Ｗの作業機械をうまく操縦するためには、レバー操作量を算出する関数Ｂにおいて、機体の応答特性Ｗの共振周波数でのゲインを下げる要素を含む必要がある。つまり関数Ｂでは、機体の応答特性Ｗを予測して、共振周波数以下の帯域における緩やかな操縦動作か、機体の振動を前もって打ち消すべくフィードフォワード的に位相を進める補償動作を算出する必要がある。したがって、式（５）から前述したオペレータの負担を理解することができる。
【００５５】
そこでこの負担を削減するため、本実施の形態では、図９に示すように作業機械への指令値をレバー位置変位４２ではなくレバー反力４３とし、かつレバーの標準応答周波数特性（Ｕの逆特性からゲインを除いたもの）を作業機械の標準応答周波数特性（Ｗからゲインを除いたもの）に近似させる構成としている。
【００５６】
図９のブロック図を基に、式（５）に対応する特性を次の式（６）に示す。
【００５７】
Ｇ＝ＷＵＢＡ／Ｅ・・・（６）
ここで、Ｗ≒Ｕ−１であることから、この式（６）は、
Ｇ≒ＢＡ／Ｅ・・・（７）
とすることができる。
【００５８】
上記特性式（７）より、機体の応答特性ＷがＵにより相殺されており、またレバー位置変位そのものが機械の目標速度に遅れなく対応するので、操作関数Ｂにおいて機械特性Ｗを予測する必要がないことが判る。さらに、レバー特性そのものが応答特性Ｗの共振周波数を機械的にフィルタリングするノッチフィルタの役目を果たすので、振動を生じさせる要因をレバー装置自体によって除去することができる。したがって、本実施の形態によれば、作業機械特性Ｗを予測し、必要以上に慎重な操作や負担の大きいフィードフォワード操作をする必要がなく、レバー位置によって直感的に機械の動作が判り、高速かつ安定した操縦が可能となる。従来より早い動作でも作業機械の動作が安定し、作業効率の向上、オペレータの負担低減が可能となる。
【００５９】
尚以上において、図４に示した電動モータ５３，５４やソレノイドなどの能動的な反力生成手段を用いた場合を例に挙げて説明したが、能動的な反力生成手段を設ける代わりに、操作装置の標準応答周波数特性が機体の標準応答周波数特性に対応するように、被操作部材の操作に伴う粘性成分、弾性成分、慣性成分のうちの少なくとも一つを調整しても良い。この場合、例えば操作装置の被操作部材にダンパーやウェイト、バネ等を取り付け、バネや油等の粘弾性体や流体等によって生じる反力で、操作装置の応答特性が機体の応答特性Ｗに近似するように構成することが考えられる。ただし、上記応答特性Ｗが少なくとも圧油の粘性成分、構成部材の弾性成分、構成部材の重量による慣性成分のいずれかを含む２次以上の遅れを持つ場合は、その特性を計算機によって容易に実現することができるので能動的な反力生成手段を用いる方が良く、この場合特性の変更、調整も容易となる。
【００６０】
上記のように操作装置自体が持つ質量Ｍ、弾性（バネ）定数Ｋ、粘性係数Ｈ等の特性値を調整する場合、それぞれの値は例えば次のように決定する。まず、操作装置の操作に要する力が適当な大きさとなるように、弾性（バネ）定数Ｋを人間工学的に適切な値に設定する。次に、作業機械の応答特性Ｗが前述の式（１）のような特性の場合、質量Ｍ≒Ｋ／ω２、粘性係数Ｈ≒２Ｋζ／ωとなるように質量と粘性要素を決定する。作業機械の応答特性Ｗは、前述したように、モデル等を用いて算出するか、動作指令値入力とフロント作業装置８の動作出力を計測し、その対応から算出する。また、応答特性Ｗはアクチュエータやその動作方向ごとにそれぞれ決定する。被操作部材と作業機本体の応答特性値は、完全に一致する必要はない。共振周波数帯域のゲインを下げるものであればよいので、実機で直接調整しても良い。
【００６１】
また、操作レバー１５に本発明を適用した場合を主に説明したが、操作レバー１５に限らず、ペダル付き操作レバー１５Ｃや、その他のレバー、ペダル、ボタンなどのオペレータが直接操作する被操作部材にも本発明は適用可能である。また、油圧ショベルに限らず、油圧クレーンやホイールローダ等、土木工事、解体工事等の作業現場に使用される作業機械にも本発明は適用可能である。また、工場、宇宙、その他の環境でオペレータの操作する機械、遠隔操作機械、ロボットなどにも本発明は適用可能であり、同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の一実施の形態に係る作業機械の側面図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係る作業機械に備えられたキャブボックスの内部の概略構成を表す側面図である。
【図３】本発明の一実施の形態に係る作業機械に備えられた油圧アクチュエータの駆動回路の概略図である。
【図４】本発明の一実施の形態に係る作業機械に備えられた操作装置の操作レバーを抽出して表した図である。
【図５】本発明の一実施の形態に係る作業機械の機能ブロック図である。
【図６】作業機械の周波数特性を例示する図である。
【図７】一般の作業機械の操作入力から動作出力に係る系をオペレータの神経系における情報の伝達と処理を中心にモデル化したブロック図である。
【図８】図７のブロック図を簡略化したブロック図である。
【図９】本発明の一実施の形態に係る作業機械の操作入力から動作出力に係る系をオペレータの神経系における情報の伝達と処理を中心にモデル化し簡略化したブロック図である。
【符号の説明】
【００６３】
１          走行体（被駆動部材）
２          旋回体（被駆動部材）
３          旋回フレーム
４          キャブポックス
８          フロント作業装置（被駆動部材）
８Ａ        ブーム（被駆動部材）
８Ｂ        アーム（被駆動部材）
８Ｃ        バケット（被駆動部材）
１１        操作装置
１１Ｓ      動作指令値
１５        操作レバー（被操作部材）
１５Ｃ      ペダル付き操作レバー（被操作部材）
１６        操作力検出手段
１７        指令値生成手段
１８        演算手段（反力付加手段）
３０        油圧ポンプ
３１Ａ      吐出配管
３１Ｂ      戻り油配管
３３Ａ      ブームシリンダ（油圧アクチュエータ）
３３Ｂ      アームシリンダ（油圧アクチュエータ）
３３Ｃ      バケットシリンダ（油圧アクチュエータ）
３３Ｄ      旋回モータ（油圧アクチュエータ）
３３Ｅ，Ｆ  走行モータ（油圧アクチュエータ）
３２Ａ〜Ｆ  制御弁
３７        制御ユニット（動作制御手段）
３７Ｓ      制御信号
４３        レバー反力
５３，５４  電動モータ（反力生成手段、反力付加手段）
７３        出力制御手段
Ｈ          粘性係数
Ｋ          弾性定数
Ｍ          質量
Ｗ          標準応答周波数特性
【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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