挖掘机的控制装置 本发明涉及挖掘机的控制装置，特别是涉及在操作装置和由它驱动的作业装置之间提供一种直观的控制关系，使操作装置的动作与作业装置相互有逻辑上的相关关系并制作成为使作业人员得以容易地进行操作的多自由度的作业装置的挖掘机的控制装置。
一般说挖掘机具有由多数个关节构成的作业装置、回转装置和行走装置，并需要使它们动作的多数个手柄或踏板之类的操作装置。
但是，由于操作装置和作业装置之间逻辑上的相关关系小，对于不熟练的作业人员来说很难进行要求平坦作业之类的高级操作技术的作业，而且为了高精度地操作多数的操作装置需要长的时间和努力。
此外，即使是熟练的作业人员，若操作多数的操作装置，也存在着易于产生疲劳和紧张以致作业效率降低地缺点。
为了克服上述缺点，提出了(US 4059196、日本国特开昭62-3394、日本国特开平5-257551)一种用作业装置的小型模型实际制作操作装置并使之跟踪位置的装置的方案，但是，由于这些方案都必须不断跟踪作业时的位置，故不仅不方便而且操作装置也复杂。
此外，还有一种把现有的设置于垂直平面上使用的操作装置设置于水平平面上并将操作装置和作业装置的平面作成同一平面来执行直观的作业的方案(日本国特开昭58-22613、日本国特开昭59-131066、US5160239、US5424623、EPO361666A1、日本国实开平4-134570、日本国特开平3-275819)，但是，由于作业时的安全装置不足，且回转作业和行走作业不能脱离既存的惯例，故依然在可操作性上存在着问题。
另一方面，由于每种装备的操作方式不同，故可以选择操作方式以满足操作者的嗜好的那些发明(日本国特开平5-156665、日本国特开昭64-31153、日本国特开平4-30034)由于不包含直观性的操作方法，而仅考虑了操作装置与作业装置间的一一对应，故为要进行熟练的操作必须付出相当多的努力。
因此，本发明的目的是提供一种可用两手自由自在地对多关节的作业装置、行走装置和旋转装置进行操作的挖掘机的控制装置。
本发明的另一目的是提供一种使得在操作者与作业装置之间提供直观的控制关系，且使操作装置的动作与作业装置的动作相互有逻辑上的相关关系，且使得作业者可以容易地对多自由度的作业装置进行操作的挖掘机的控制装置。
本发明的再一个目的是提供一种使得可多样地设定装备的功能、并根据操作者的状态可适宜地选择该功能且易于进行那些要求高度熟练的技术的操作的挖掘机的控制装置。
上述的本发明的目的在于提供一种具有下述特征的多关节作业装置的控制装置来实现。这一特征是：在具备有：由附着于对下部行走体进行旋转的上部旋转体的头部上的悬臂、附着于上述悬臂的头部上的摇臂、附着于上述摇臂的头部上的铲斗等等多数个关节构成的作业装置；进行驱动使得上部对于上述下部行走体进行旋转的旋转装置；驱动上述下部行走体的左右履带的行走装置；本身为驱动上述各自的作业装置、旋转装置及行走装置的执行器的作业油缸及油压电机；根据规定的信号调节流入各执行器的流量的油压控制阀；被设置于上述悬臂与上部旋转体之间并检测悬臂对上部旋转体的相对旋转角的悬臂角度检测传感器；设于上述悬臂与摇臂之间并检测摇臂对悬臂的相对旋转角的摇臂角度检测传感器；设置于上述摇臂与铲斗之间并检测铲斗对摇臂的相对角的铲斗角检测传感器的挖掘机控制装置中，被构成为具有：可由操作者的操作分别进行三方向运动的控制、且输出比例于对各自的操作方向从中立偏离开来的量的信号的一对操作装置；设置有多个功能选择开关，并借助于功能选择输出规定的信号，同时显示所选择的功能的开关板；从上述操作装置和开关板及上述各关节传感器接受输入信号并把多个作业装置控制信号供给上述油压控制阀并控制供往各执行器的油量的控制器。
倘采用本发明的理想的第1特征，则上述操作装置被构成为具有：被设置于垂直平面上使得与上述作业装置的作业平面具有同一操作平面且通过操作量及操作方向来驱动上述作业装置的第1操作装置；被设置于垂直平面上且通过操作量及操作方向驱动行走装置和旋转装置的第2操作装置。
倘采用本发明的理想的第2特征，则上述第1操作装置可以在对于第1轴进行往复的第1操作方向、对与第1轴进行直交的第2轴进行往复运动的第2操作方向和对第1轴与第2轴构成的平面直交的第3轴进行旋转的第3操作方向上进行操作。
倘采用本发明的理想的第3特征，则上述第2操作装置，则具有对于第1轴进行往复运动的第1操作方向、对于垂直于第1轴的第2轴进行往复的第2操作方向和对于第1轴与第2轴构成的平面垂直的第3轴进行旋转的第3操作方向，且上述第3方向的操作方向分别顺次与上述行走装置的前后行走，行走装置的左右旋转及旋转装置的左右旋转动作相对应。
倘采用本发明的理想的第4特征，则还具备被设置于上述第2操作装置的圆周面上、且在on状态时，把上述第2操作装置进行的对第3操作方向的信号输出至上述控制器的旋转选择开关。
倘采用本发明的理想的第5特征，则还具备被设置上述上部旋转体与上述行走体之间，感知上部旋转体对下部行走体的相对角并输出至上述控制器的旋转传感器。
倘采用本发明的理想的第6特征，则进行这样地控制：以用上述旋转传感器所感知的上部旋转体对下部行走体的相对角180度为基准、交替进行第2操作装置在第1操作方向上进行的下部行走体的前进和后进动作使得在操作者的座标上总是与前方和后方的操作概念一致。
倘采用本发明的理想的第7特征，则上述开关板被构成为具有：决定是否执行对作业对象的屈曲面的平坦作业的平坦作业开关；决定在作业中是否把上述铲斗的绝对角度维持为恒定的铲斗角维持开关；在平坦作业的情况下，设定作业对象平坦面的角度的角度设定开关；把上述操作装置的操作转换成手动和自动模式的模式选择开关；把装备的操作状态和操作方式之类的形形色色的信息进行显示的显示部分。
倘采用本发明的理想的第8特征，则如果用上述模式选择开关选择了手动模式，则第1操作装置的第1操作方向控制(手动操作)悬臂的操作，第2操作方向控制(手动操作)摇臂的动作，第3操作方向控制(手动操作)铲斗的动作。
倘采用本发明的理想的第9特征，若用上述模式开关选择了自动模式时，则进行控制(自动操作)使得据第1操作装置的第1和第2操作方向产生的方向和操作量追踪上述铲斗的支枢，同时根据第3方向所产生的方向和操作量操作上述铲斗。
倘采用本发明的理想的第10特征，则还具备铲斗开关，该铲斗开关被设置于上述第1操作装置的圆周面上，且在on状态时，把对于上述第1操作装置的第3操作方向的操作量和方向的规定信号输出至上述控制器。
倘采用本发明的理想的第11特征，则当在上述自动操作中选择了上述铲斗角维持开关。那么一边执行上述自动操作，一边还要追踪铲斗对摇臂的角度以维持已由操作者设定好了的铲斗的绝对角，同时，在有铲斗的操作的情况下，优先于操作者的操作控制铲斗，以把铲斗的最终角度再次控制为应该追踪的绝对角度。
倘采用本发明的理想的第12特征，则要这样地进行控制：当选择了上述平坦作业开关后，自动地选择上述自动操作，检测上部旋转体与悬臂之间的相对角度、悬臂与摇臂之间的相对角度和摇臂与铲斗之间的相对角度，并根据自动操作的第1操作装置的第1操作方向和第2操作方向所产生的方向和操作量追踪铲斗的顶端，同时根据第3操作方向所产生的方向和操作量操作铲斗。
倘采用本发明的理想的第13特征，则在同时选择了平坦作业开关和铲斗角维持开关时这样地进行控制：根据第1操作装置的自动操作所产生的操作量和操作方向控制为使追踪铲斗顶端的位置，同时当有了由第3操作方向所产生的操作信号时在铲斗顶端的位置不动的状态下优先于操作者的操作来控制铲斗，在没有铲斗的动作信号的情况下，则把对于绝对水平面的已设定好的铲斗的绝对角度维持恒定。
倘采用本发明的理想的第14特征，则还具备一个控制开关，它被设置于上述第1操作装置的头部并连结到上述控制器上，在on状态下，根据上述第1操作装置的规定的操作方向和操作量进行追踪的追踪点可在用上述角度设定开关设定好的作业平面上动作。
倘采用本发明的理想的第15特征，则当在平坦作业中选择了上述开关，则这样进行控制：根据上述第1操作装置的第1操作方向和第2操作方向产生的方向和操作量使被追踪的铲斗的顶端在具有用上述角度设定开关设定好的恒定角度的作业平面上动作。
对附图进行说明
图1是依据本发明的一个实施例的挖掘机的旋转装置和行走装置的控制装置的概略图。
图2是依据本发明的一个实施例的挖掘机的作业装置进行控制的控制装置的概略图。
图3是图2的简略图。
图4是图1的操作装置的内部传感器的配置概略图。
实施例
以下，依据附图说明本发明的理想的实施例。
图1是本发明的一个实施例的挖掘机的旋转装置和行走装置的控制装置，图2概略图示出了本发明的一个实施例的挖掘机的作业装置的控制装置，图3是图2的略图。
如图1和图2所示，具备有：提供已安装于装备上的作业装置100、且本身是已安装于装备的上部的第1链节(Link)的悬臂40、已被安装在悬臂头部上的身为第2链节的摇臂50、本身为连结到摇臂的头部上的作业器具的铲斗60，该作业器具也有时和作业装置不同。
这样的挖掘机由下部行走体79、被结合为可对于该下部行走体旋转的上部旋转体70、被结合到该上部旋转体的前方部位上并借助于多个关节可进行角度变换的作业装置100构成。
作业装置100采用在垂直平面上动作，并使悬臂40的支枢点或装备的上部70进行旋转的办法，具有身为动作区域的多个垂直平面。
悬臂40借助于油压油缸41进行动作并使作业装置100上下动作，摇臂50借助于油压油缸51使作业器具相对于装备或远或近地动作，铲斗60借助于油压油缸61进行打开或关闭的运动。
在悬臂40与上部旋转体70之间设置有检测悬臂对于上部旋转体的相对旋转角的悬臂角度检测传感器46，在悬臂40与摇臂50之间设置有检测摇臂对于悬臂的相对旋转角的摇臂角度检测传感器56，在摇臂50与铲斗60之间设置检测铲斗对于摇臂的相对角的铲斗角检测传感器66。
向各个作业油缸41、51和61供给的油量分别由油压控制阀42、52、62进行调整，在作旋转动作和行走动作的情况下供往各自的油压电机74、84、194的油量分别由油压控制阀76、86和196操作，在这些油压控制阀与作业者之间设置操作装置20、30，开关板90及控制器10。
旋转电机74驱动装备的上部旋转体70，左行走电机84承担装备的左行走，右行走电机194担当右行走。
由电气式托梁(joistic)等等构成的操作装置20、30分别设于操作者的左右，是一种可作3方向运动的构造。设置于运转席一侧的第1操作装置20，如图2所示，被安装在水平面上，具有三个操作方向：在与本身是作业装置的作业区域的垂直平面同一操作平面上，在身为上下方向的第1轴(X轴)上进行往复的第1操作方向21、22；在身为与第1轴直交的前后方向的第2轴(Y轴)上进行往复的第2操作方向23、24；对于与第1轴和第2轴构成的平面直交的第3轴(Z轴)进行旋转的第3操作方向26、27。
此外，在运转席的另外一侧设置的第2操作装置30，如图1所示，被安装在垂直面上，并具有3个操作方向。这三个方向是：在与本身是作业装置100的作业区域的垂直平面垂直的操作平面上在身为前后方向的第2轴(Y轴)上进行往复的第1操作方向31、32；在身为与第2轴直交的左右方向的第3轴(Z轴)上进行往复的第2操作方向33、34；对于与由第2轴和第3轴构成的平面垂直的第1轴(X轴)进行旋转时第3操作方向36、37。
上述第1操作装置20和第2操作装置30对于各操作方向产生与偏离中立位置的量成比例的电信号，并用开关板90把该电信号输往控制器10。
开关板90是具有各种功能开关的装置，可对已预先编好了程序的作业功能进行选择，起着操作者的选择把作功能传给控制器10以执行该功能的作用，具备有：用于把装备的操作状态或操作方式等等的信息告诉操作者的显示部分95、把操作装置的操作变换成手动或自动模式的模式选择开关91、在对恒定的倾斜面进行平坦作业的情况下使用的平坦作业开关92、决定是否在作业中把铲斗60的绝对角度维持恒定的铲斗角维持开关94、在进行平坦作业时设定作业对象平坦面的角度的角度设定开关93。
其中角度设定开关93可使用电位差计或可逆(updown)开关，使得能设定连续的角度。
理想的是在第1操作装置20和第2操作装置30中，在各操作的圆周面上设置铲斗安全开关28的旋转安全装置38，因为对第1或第2操作方向进行操作时，有时候对不希望的第3操作方向会产生输出，上述安全装置的目的是防止这一情况即，仅仅在铲斗安全装置和旋转安全装置变成为on状态的情况下，才输出对各操作装置的第3操作方向的操作。
控制器10接受前述的开关板90及操作装置20、30的信号和来自各个关节传感器46、56、66的信号并把多数个的作业装置控制信号传送至油压控制阀42、52、62、76、86、196，油压控制阀根据从控制器10传来的控制信号控制各作业油缸41、51、61及电机74、84、194的油量使作业装置、旋转装置和行走装置按照操作者的意志动作。
依据图2，先就与作业装置100相关连的控制装置来说明这样构成的本发明。
开关板的模式开关91的状态为手动时，第1操作装置20与作业装置100之间的关系如下： 互分第1方向(21，22)第2方向(23，24)手柄部分旋转方向(26，27)操作装置方向上(21)下(22)前(23)后(24)反时针(26)顺时针(27)作业装置动作悬臂上升悬臂下降摇臂伸开摇臂折叠铲斗张开铲斗关闭
在进行这种手动操作时，由于第1操作装置的操作面与作业装置的动作面是同一个垂直平面，故逻辑上的相关关系的推算是容易的且可进行直观的控制。
另一方面，当选择自动模式时，使用控制器10控制悬臂40与摇臂50的相对角度，使得根据第1操作装置20的第l操作方向与第2操作方向的组合所得到方向和操作量追踪铲斗的支枢点63。这时，送往控制器10的输入变成为第1操作装置的操作方向和操作量，输出则变成为悬臂关节及摇臂关节的相对角度。理想的是，各关节的相对角度用关节角度检测传感器46、56、66测定并输入控制器10，而作为这样的关节角度检测传感器可以使用分解器、电位差计或编码器等等。
在这种状态下，可用第3操作方向操作铲斗60、这时，铲斗60的动作虽然仅仅由身为第3操作方向的旋转方向26、27决定，但由于有时候会在第1操作装置20的操作时产生不希望的动作，故定为使得仅仅在铲斗安全开关20动作时才用控制器10处理铲斗60的信号。因此，操作者在铲斗的动作时，必须总是在已按下铲斗安全开关的状态使之动作。
为了使铲斗的支枢点63与第l操作装置的操作方向和操作量相一致，控制器10应当控制悬臂与摇臂的相对角度θ1和θ2，但悬臂与摇臂的相对角度如图3所示，假定把对于铲斗的位置定为X2、Y2，悬臂的长度为L1，摇臂的长度为L2，应当追踪的铲斗的支枢点63的速度为V2，并把它分为水平分量V2x和垂直分量V2y则可以用下式计算θ1=cos(θ1+θ2)l1sinθ2V2x+sin(θ1+θ2)l1sinθ2V2y..........(1)]]>θ2=[-cosθ1l2sinθ2cos(θ1+θ2)l2sinθ2]V2x-[-sinθ1l2sinθ2sin(θ1+θ2)l1sinθ2]V2y...............(2)]]>
此外，当选择了开关板90的平坦作业开关92时，则不论有无自动模式选择，都要设定为使得仅仅用该本身选择自动模式。这时，控制器10应这样地进行控制，使得根据由操作者的操作得出的第1操作装置20的操作方向和操作量来追踪铲斗顶端64的位置。即，不把铲斗60的角度限定为恒定的角度，而是使用整个范围，同时控制铲斗对于摇臂的相对角度θ3维持已设定好了的铲斗的绝对角度，使得对一直根据第1操作装置20的操作量及操作方向用自动模式进行追踪的铲斗的支枢点63改变成对铲斗的顶端64追踪。这时，当根据第3操作方向的动作信号使铲斗60动作时，用这种办法使铲斗动作、并把最终铲斗角度再度设定为再度应追踪的铲斗的绝对角度。
理想的情况是，若可在开关90的平坦作业开关92被选择的状态下动作，则把开关92设置于第1操作装置的顶端使得铲斗顶端64的位置仅仅在具有用开半板90的角度设定开关93所设定好了平面才可进行控制。这时，追踪方向和追踪速度遵从第1操作装置的第2操作方向。当在这种状态下，有了由操作者的第1操作装置的第3操作方向生成的铲斗动作信号，则根据操作方向的操作量操作铲斗。
此外，当在平坦作业中选择了铲斗各维持开关94，则被控制为使上述的所有的作业都要维持铲斗的恒定绝对角度。
为了控制上述的铲斗顶端，首先把对于铲斗顶端64的位置定为X3、Y3，并设铲斗的长度为L3、且θa为铲斗对于绝对水平面的角度，则铲斗的支枢点63的位置如下。(A)x2=x3-l3cosθay2=y3-l3sinθa]]>
使用这里所决定的铲斗的支枢63的位置X2、Y2并用前边说过的式(1)和式(2)求解悬臂40与摇臂50的相对角度θ1及θ2、铲斗60对摇臂50的相对角度θ3可用下式来求。
θ3＝θa－θ1－θ2
此外，用于边以铲斗64速度为基准进行控制一边把铲斗的角度维持为恒定的公式如下所述。首先，所要求的铲斗顶端64的速度V3可用下式表示为铲斗的支枢63的速度V2。
把在这里求得的铲斗的支枢点63的速度V2用式(1)和(2)变换成悬臂及摇臂关节的角速度后进行控制。另外，作为不把铲斗的角度限制为恒定的角度而是在整个范围内使用边使铲斗顶端64追踪操作装置的操作方向和操作量的方法可使用下式。首先在各关节的角速度与铲斗顶端64的速度之间存在着下述关系。(C)...V3XV3y=[J]θ1θ2θa]]>其中J可用下式表示(D)..[J]=-l1s1-l2s12-l3s123-l2s12-l3s123-l3s123l1c1+l2c12+l3cl123-l2c12+l3cl123-l3cl123]]>其中、s1＝sinθ1、s2＝sinθ2、s3＝sinθ3
s12＝sin(θ1＋θ2)、s123＝sin(θ1＋θ2＋θ3)其中各关节的角速度[θ]可用下式来求θ1θ2θ3=[J]T·[[J]·[J]T]-1·V3xV3y]]>
以上对用于使操作装置进行直观性的操作的各种操作方式进行了说明，把它们归纳起来说明如下所述。
第1方式：在用开关板90选择了自动模式的情况下，与第1操作装置20的第1操作方向21、22和第2操作方向23、24及操作量成比例地追踪铲斗2的支枢点63，当有了由第3操作方向的动作信号生成的铲斗的操作时，用它来操作铲斗。
第2方式：当选择了自动模式91并已选择了铲斗角度维持开关94的情况下，在已把铲斗60的绝对角度维持恒定的状态下，与操作装置20的第1操作方向21、22和第2操作方向23、24及操作量成比例地追踪铲斗的支枢点，当有由第3操作方向的动作信号生成的铲斗的操作时，则据之进行操作铲斗。
第3方式：在选择了平坦作业开关92的情况下，与操作装置20的第1操作方向21、22和第2操作方向23、24及操作量成比例地追踪铲斗的顶端64，且当有由第3操作方向的动作信号生成的铲斗的操作时，则据之操作铲斗。
第4方式，在选择了平坦作业开关92且同已选择了铲斗角维持开关的情况下，在根据操作者的指定维持铲斗60的绝对角为恒定的状态下，与操作装置20的第1操作方向21、22和第2操作方向23、24的操作方向及操作量成比例地追踪铲斗顶端64，且在有由第3操作方向的动作信号生成的操作26、27时，则据之操作铲斗。
第5方式：在选择平坦作业开关92且已选择了第1操作装置20的形状29的情况下，铲斗的顶端64被控制为使得与第1操作装置的第2操作方向23、24及操作量成比例地追踪具有用开关板90的角度设定开关93所设定的恒定角度的作业平面。
上边所说的五种操作方式在开关板的显示部分95上进行显示，使得操作者可以知道现在的操作方式。
其次，对示于图1的那一种旋转装置和行走装置有关的控制装置进行说明。
在用第2操作装置30进行的第1操作31、32的操作中，向前方向31的操作使在履带80和左履带190向前方81，191动作，向后方向32的操作使右履带80和左履带190向后方82、192进行操作。
向第2操作方向的右侧方向33的操作使左履带向前方向81，使右履带向后方向192动作，而使装备进行右旋转，向右侧方向34的操作使左履带向后方向82，右履带向前方向191动作使装备进行左旋转的动作。
向对于身为第2操作装置30的第3操作方向的X轴的顺时针方向36的操作，根据操作量使之产生上部旋转体的顺时针方向72的速度，向反时针方向37的操作使上部旋转体向反时针方向73旋转。
这时，借助于旋转安全开关38，在第1方向和第2方向的操作中，防止操作者所不希望的旋转操作。
理想的情况是，如图4所示，在为了行走而使用第2操作装置的情况下把设置于操作装置中的电位差计之类的位置检测器38、39设置于对于第3方向即前方31或后方32的法线方向上，且在前方或后方操作的情况下，必须是相互产生同一输出的构造。
另外，借助于担当行走时第2操作装置30的电信号，控制器10在用旋转传感器75测走的上部旋转体70对下部行走体79的相对角度不超过180度的情况下，在第2操作装置的前方向操作31之际，在进行方向81、191上控制履带使装备可向前方走，在相对角超过180度的情况下，则在后进方向82、192上控制履带使得在操作者的方向上装备与第2操作装置的操作方向一致，使得在操作者的座标上总是与前方和后方的操作概念一致。
如以上所说明的那样，倘采用本发明的挖掘机的控制装置，则采用设置分别可在3个方向上运动的一对操作装置的办法，仅用两只手就可以容易地操作6个自由度的装备，故具有可以防止操作者的疲劳和紧张以增加作业效率，而且提供一种可以直观地推断操作者与作业装置之间的关系的操作方式使得能在短时间内学会熟练操作，并多样地设定操作功能使得易于进行那些要求高度熟练的操作技术的作业因而改善作业效率的效果。