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1. WO2020195880 - WORK MACHINE, SYSTEM, AND WORK MACHINE CONTROL METHOD

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明 細 書

発明の名称 作業機械、システムおよび作業機械の制御方法

技術分野

0001  

背景技術

0002   0003   0004  

先行技術文献

特許文献

0005  

発明の概要

発明が解決しようとする課題

0006   0007   0008  

課題を解決するための手段

0009  

発明の効果

0010  

図面の簡単な説明

0011  

発明を実施するための形態

0012   0013   0014   0015   0016   0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032   0033   0034   0035   0036   0037   0038   0039   0040   0041   0042   0043   0044   0045   0046   0047   0048   0049   0050   0051   0052   0053   0054   0055   0056   0057   0058   0059   0060   0061   0062   0063   0064   0065   0066   0067   0068   0069   0070   0071   0072   0073   0074   0075   0076   0077   0078   0079   0080   0081   0082   0083   0084   0085   0086   0087   0088   0089   0090   0091   0092   0093   0094   0095   0096   0097   0098   0099   0100   0101   0102   0103   0104   0105   0106   0107   0108   0109   0110   0111   0112   0113   0114  

符号の説明

0115  

請求の範囲

1   2   3   4   5   6  

図面

1   2   3   4   5  

明 細 書

発明の名称 : 作業機械、システムおよび作業機械の制御方法

技術分野

[0001]
 本開示は、作業機械、システムおよび作業機械の制御方法に関するものである。

背景技術

[0002]
 バケット内の荷重は、作業機械の仕事量を知るうえで重要である。バケット内の荷重値を演算する技術は、たとえば特開2010-89633号公報(特許文献1)、国際公開第2018/087834号(特許文献2)に開示されている。
[0003]
 特許文献1においては、荷の現在荷重値が、作業機械の姿勢と、ブームシリンダに作用する圧力とから演算により取得される。この現在荷重値を積算することにより積算荷重値が演算される。この積算荷重値が目標荷重値に達するとき、その状態がオペレータに報知される。
[0004]
 特許文献2においては、ブームシリンダの伸縮の加速度に基づいてバケット内の荷重値が補正される。これによりブーム、アーム、バケットなどの動作に基づく作業機の慣性による誤差を荷重値から取り除くことができ、荷重計測時の計測精度を向上することができる。

先行技術文献

特許文献

[0005]
特許文献1 : 特開2010-89633号公報
特許文献2 : 国際公開第2018/087834号

発明の概要

発明が解決しようとする課題

[0006]
 油圧ショベルなどの作業機械で土砂を掘削してダンプトラックに積み込む作業では、積載量をダンプトラックの最大積載量以下にする必要がある。ダンプトラックには、複数回の掘削、積み込みを行っており、毎回の積み込み土量を計測して合計した積載量をオペレータに通知する。毎回の土量を計測するためには作業機のブーム、アーム、バケットの角度とブームシリンダの油圧が必要である。このためセンサが取り付けられて、土を掘削してバケットに土が入れられた後、ブームの持ち上げ動作中にバケット内の土量が計測されている。
[0007]
 上記持ち上げ動作中のブームシリンダ圧はブームの操作に応じて変動する(脈動する)ため、精度良く荷重を計測することが難しい。
[0008]
 本開示の目的は、荷重計測の精度を向上させることが可能な作業機械、システムおよび作業機械の制御方法を提供することである。

課題を解決するための手段

[0009]
 本開示の作業機械は、ブームと、アームと、バケットと、ブームシリンダと、コントローラとを備えている。アームは、ブームの先端に取り付けられている。バケットは、アームの先端に取り付けられている。ブームシリンダは、ブームを駆動する。コントローラは、ブームシリンダの負荷に基づいてバケット内の荷重計算値を演算し、ブームシリンダを動作させる操作指令値とブームシリンダの伸縮の速度との少なくとも一方の情報の単位時間当たりの変化量を検出し、演算により得られた荷重計算値を単位時間当たりの変化量に基づいて補正して荷重値を決定する。

発明の効果

[0010]
 本開示によれば、荷重計測の精度を向上させることが可能な作業機械、システムおよび作業機械の制御方法を実現することができる。

図面の簡単な説明

[0011]
[図1] 本開示の一実施の形態における作業機械の構成を概略的に示す図である。
[図2] 図1に示す作業機械のシステムの概略構成を示すブロック図である。
[図3] 図2に示すコントローラ内の機能ブロックを示す図である。
[図4] 本開示の一実施の形態における作業機械の制御方法を示すフロー図である。
[図5] ブームのPPC圧、ブームのPPC圧の変化量および荷重計算値(CalcuPayload)の時間変化を示す図である。

発明を実施するための形態

[0012]
 以下、本開示の実施の形態について図に基づいて説明する。
 明細書および図面において、同一の構成要素または対応する構成要素には、同一の符号を付し、重複する説明を繰り返さない。また、図面では、説明の便宜上、構成を省略または簡略化している場合もある。
[0013]
 本開示は、油圧ショベル以外に、ブーム、アームおよびバケットを有する作業機械であれば適用可能である。以下の説明において、「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」とは、運転室2a内の運転席2bに着座したオペレータを基準とした方向である。
[0014]
 <作業機械の構成>
 図1は、本開示の一実施の形態における作業機械の一例としての油圧ショベルの構成を概略的に示す側面図である。図1に示されるように、本実施の形態の油圧ショベル100は、走行体1と、旋回体2と、作業機3とを主に有している。走行体1と旋回体2とにより作業機械本体が構成されている。
[0015]
 走行体1は左右一対の履帯装置1aを有している。この左右一対の履帯装置1aの各々は履帯を有している。左右一対の履帯が回転駆動されることにより油圧ショベル100が自走する。
[0016]
 旋回体2は走行体1に対して旋回自在に設置されている。この旋回体2は、運転室(キャブ)2aと、運転席2bと、エンジンルーム2cと、カウンタウェイト2dとを主に有している。運転室2aは、旋回体2のたとえば前方左側(車両前側)に配置されている。運転室2aの内部空間には、オペレータが着座するための運転席2bが配置されている。
[0017]
 エンジンルーム2cおよびカウンタウェイト2dの各々は、運転室2aに対して旋回体2の後方側(車両後側)に配置されている。エンジンルーム2cは、エンジンユニット(エンジン、排気処理構造体など)を収納している。エンジンルーム2cの上方はエンジンフードにより覆われている。カウンタウェイト2dは、エンジンルーム2cの後方に配置されている。
[0018]
 作業機3は、旋回体2の前方側であって運転室2aのたとえば右側にて軸支されている。作業機3は、たとえばブーム3a、アーム3b、バケット3c、ブームシリンダ4a、アームシリンダ4b、バケットシリンダ4cなどを有している。ブーム3aの基端部は、ブームフートピン5aにより旋回体2に回転可能に連結されている。またアーム3bの基端部は、ブーム先端ピン5bによりブーム3aの先端部に回転可能に連結されている。バケット3cは、ピン5cによりアーム3bの先端部に回転可能に連結されている。
[0019]
 ブーム3aは、ブームシリンダ4aにより駆動可能である。この駆動により、ブーム3aは、ブームフートピン5aを中心に旋回体2に対して上下方向に回動可能である。アーム3bは、アームシリンダ4bにより駆動可能である。この駆動により、アーム3bは、ブーム先端ピン5bを中心にブーム3aに対して上下方向に回動可能である。バケット3cは、バケットシリンダ4cにより駆動可能である。この駆動によりバケット3cは、ピン5cを中心にアーム3bに対して上下方向に回動可能である。このように作業機3は駆動可能である。
[0020]
 作業機3は、バケットリンク3dを有している。バケットリンク3dは、第1リンク部材3daと、第2リンク部材3dbとを有している。第1リンク部材3daの先端と第2リンク部材3dbの先端とは、バケットシリンダトップピン3dcを介して、相対回転可能に連結されている。バケットシリンダトップピン3dcは、バケットシリンダ4cの先端に連結されている。したがって第1リンク部材3daおよび第2リンク部材3dbは、バケットシリンダ4cにピン連結されている。
[0021]
 第1リンク部材3daの基端は、第1リンクピン3ddによりアーム3bに回転可能に連結されている。第2リンク部材3dbの基端は、第2リンクピン3deによりバケット3cの根元部分のブラケットに回転可能に連結されている。
[0022]
 ブームシリンダ4aのヘッド側には、圧力センサ6aが取り付けられている。圧力センサ6aは、ブームシリンダ4aのシリンダヘッド側油室40A内の作動油の圧力(ヘッド圧)を検出することができる。ブームシリンダ4aのボトム側には、圧力センサ6bが取り付けられている。圧力センサ6bは、ブームシリンダ4aのシリンダボトム側油室40B内の作動油の圧力(ボトム圧)を検出することができる。
[0023]
 ブームシリンダ4a、アームシリンダ4bおよびバケットシリンダ4cのそれぞれには、ストロークセンサ(検知部)7a、7b、7cが取り付けられている。
[0024]
 ブームシリンダ4aにおけるシリンダ4aaに対するシリンダロッド4abの変位量からブーム角θbを算出することができる。またアームシリンダ4bにおけるシリンダロッドの変位量からアーム角θaを算出することができる。またバケットシリンダ4cにおけるシリンダロッドの変位量からバケット角θkを算出することができる。
[0025]
 またブームフートピン5a、ブーム先端ピン5bおよびピン5cのそれぞれの周囲には、ポテンショメータ9a、9b、9cが取り付けられていてもよい。ポテンショメータ9aの測定値からブーム角θbを算出することができる。またポテンショメータ9bの測定値からアーム角θaを算出することができる。またポテンショメータ9cの測定値からバケット角θkを算出することができる。
[0026]
 また旋回体2、ブーム3a、アーム3bおよび第1リンク部材3daのそれぞれには、IMU(Inertial Measurement Unit:慣性計測装置)8a、8b、8c、8dが取り付けられている。IMU8aは、前後方向、左右方向および上下方向における旋回体2の加速度と、前後方向、左右方向および上下方向まわりの旋回体2の角速度とを計測する。IMU8b、8c、8dのそれぞれは、前後方向、左右方向および上下方向におけるブーム3a、アーム3b、バケット3cの加速度と、前後方向、左右方向および上下方向まわりのブーム3a、アーム3b、バケット3cの角速度とを計測する。
[0027]
 旋回体2に取り付けられたIMU8aで測定された加速度とブーム3aに取り付けられたIMU8bで測定された加速度との差分に基づいてブームシリンダ4aの伸縮の加速度(ブームシリンダ4aの伸縮速度の変化量)を取得することができる。
[0028]
 なお本実施の形態においてはブーム角θb、アーム角θa、バケット角θkがポテンショメータによって測定されているが、IMUで算出されてもよい。
[0029]
 <作業機械のシステムの概略構成>
 次に、作業機械のシステムの概略構成について図2を用いて説明する。
[0030]
 図2は、図1に示す作業機械のシステムの概略構成を示すブロック図である。図2に示されるように、本実施の形態におけるシステムは、荷重値を決定するためのシステムである。本実施の形態におけるシステムは、図1に示す作業機械の一例としての油圧ショベル100と、図2に示されるコントローラ10とを含んでいる。コントローラ10は、油圧ショベル100に搭載されていてもよく、油圧ショベル100から離れた遠隔地に設置されていてもよい。
[0031]
 操作装置25は、運転室2a内に配置されている。操作装置25は、オペレータにより操作される。操作装置25は、作業機3を駆動するオペレータ操作を受け付ける。また操作装置25は、旋回体2を旋回させるオペレータ操作を受け付ける。操作装置25は、オペレータ操作に応じた操作信号を出力する。本例においては、操作装置25は、たとえばパイロット油圧方式の操作装置であるが、電気方式の操作装置であってもよい。
[0032]
 エンジン31の駆動力によって油圧ポンプ33が駆動される。油圧ポンプ33から吐出された作動油が、操作装置25に供給される。操作装置25に供給された作動油は、オペレータによる操作装置25の操作に対応して、方向制御弁34を介して各種の油圧アクチュエータ40に供給される。
[0033]
 油圧アクチュエータ40への油圧の供給および排出が制御されることにより、作業機3の動作、旋回体2の旋回、および走行体1の走行動作が制御される。上記油圧アクチュエータ40は、図1に示されるブームシリンダ4a、アームシリンダ4b、バケットシリンダ4c、図示しない旋回モータなどを含んでいる。
[0034]
 エンジン31は、たとえばディーゼルエンジンである。エンジン31への燃料の噴射量がコントローラ10によって制御されることにより、エンジン31の出力が制御される。
[0035]
 油圧ポンプ33は、エンジン31に連結されている。エンジン31の回転駆動力が油圧ポンプ33に伝達されることにより、油圧ポンプ33が駆動される。油圧ポンプ33は、たとえば斜板を有し、斜板の傾転角が変更されることにより吐出容量を変化させる可変容量型の油圧ポンプである。油圧ポンプ33から吐出された作動油は、減圧弁によって一定の圧力に減圧されて、方向制御弁34に供給される。
[0036]
 方向制御弁34は、たとえばロッド状のスプールを動かして作動油が流れる方向を切り換えるスプール方式の弁である。スプールが軸方向に移動することにより、油圧アクチュエータ40に対する作動油の供給量が調整される。方向制御弁34には、スプールの移動距離(スプールストローク)を検出するスプールストロークセンサが設けられる。
[0037]
 なお、本例においては、油圧アクチュエータ40を作動するために、その油圧アクチュエータ40に供給される油は作動油と称される。また、方向制御弁34を作動するためにその方向制御弁34に供給される油はパイロット油と称される。また、パイロット油の圧力はPPC圧(パイロット油圧)と称される。
[0038]
 油圧ポンプ33は、作動油とパイロット油との両方を送出してもよい。たとえば、油圧ポンプ33から送出された作動油の一部が減圧弁で減圧され、その減圧された作動油がパイロット油として使用されてもよい。また、油圧ポンプ33は、作動油を送出する油圧ポンプ(メイン油圧ポンプ)と、パイロット油を送出する油圧ポンプ(パイロット油圧ポンプ)とを別々に有してもよい。
[0039]
 操作装置25は、第1操作レバー25Rと、第2操作レバー25Lとを有している。第1操作レバー25Rは、たとえば運転席2bの右側に配置されている。第2操作レバー25Lは、たとえば運転席2bの左側に配置されている。第1操作レバー25Rおよび第2操作レバー25Lでは、前後左右の動作が2軸の動作に対応する。
[0040]
 第1操作レバー25Rにより、たとえばブーム3aおよびバケット3cが操作される。第1操作レバー25Rの前後方向の操作は、たとえばブーム3aの操作に対応し、前後方向の操作に応じてブーム3aが上昇する動作および下降する動作が実行される。第1操作レバー25Rの左右方向の操作は、たとえばバケット3cの操作に対応し、左右方向の操作に応じてバケット3cの上下方向への動作が実行される。
[0041]
 第2操作レバー25Lにより、たとえばアーム3bおよび旋回体2が操作される。第2操作レバー25Lの前後方向の操作は、たとえばアーム3bの操作に対応し、前後方向の操作に応じてアーム3bの上下方向への動作が実行される。第2操作レバー25Lの左右方向の操作は、たとえば旋回体2の旋回に対応し、左右方向の操作に応じて旋回体2の右旋回動作および左旋回動作が実行される。
[0042]
 本例においては、ブーム3aが上昇する動作は上げ動作、下降する動作は下げ動作とも称する。また、アーム3bの上下方向への動作は、それぞれダンプ動作、掘削動作とも称する。バケット3cの上下方向への動作は、それぞれダンプ動作、掘削動作とも称する。
[0043]
 なお、第1操作レバー25Rの左右方向の操作がブーム3aの操作に対応し、前後方向の操作がバケット3cの操作に対応してもよい。また第2操作レバー25Lの前後方向が旋回体2の操作に対応し、左右方向の操作がアーム3bの操作に対応してもよい。
[0044]
 油圧ポンプ33から送出され、減圧弁によって減圧されたパイロット油が、操作装置25に供給される。
[0045]
 操作装置25と方向制御弁34とは、パイロット油路450を介して接続されている。操作装置25の操作内容に基づいて、PPC圧が調整される。操作装置25が操作されると、操作装置25の操作内容に対応したPPC圧が、パイロット油路450を介して方向制御弁34に供給される。これにより、方向制御弁34が調整されて、ブームシリンダ4a、アームシリンダ4bおよびバケットシリンダ4cに供給される作動油の流れ方向および流量が調整され、ブーム3a、アーム3b、バケット3cの上下方向への動作が実行される。
[0046]
 パイロット油路450には、圧力センサ36が配置されている。圧力センサ36は、PPC圧を検出する。圧力センサ36の検出結果は、コントローラ10に出力される。操作装置25の操作によって調整され、圧力センサ36によって検出されるPPC圧は、本実施の形態における操作指令値に相当する。
[0047]
 図2では簡略化されて図示されているが、第1操作レバー25Rおよび第2操作レバー25Lの前後左右各方向への操作に対応する複数のパイロット油路450が、操作装置25と方向制御弁34とを接続するように設けられている。複数のパイロット油路450の各々に、圧力センサ36が配置されている。
[0048]
 たとえばブーム3aを動作する場合、ブーム3aを上げ動作するときにPPC圧の増加を検出する圧力センサ36と、ブーム3aを下げ動作するときにPPC圧の増加を検出する圧力センサ36とは異なる。また、たとえばアーム3bをダンプ動作するときにPPC圧の増加を検出する圧力センサ36と、アーム3bを掘削動作するときにPPC圧の増加を検出する圧力センサ36とは異なる。また、たとえばバケット3cを動作する場合、バケット3cをダンプ動作するときにPPC圧の増加を検出する圧力センサ36と、バケット3cを掘削動作するときにPPC圧の増加を検出する圧力センサ36とは異なる。
[0049]
 PPC圧の増加量は、操作レバー25L、25Rの各々を中立位置から傾倒させる角度によって異なる。このようにして、各圧力センサ36によるPPC圧の検出結果によって、操作装置25の操作内容を判断することができる。
[0050]
 またコントローラ10には、ストロークセンサ7a~7c、IMU8a~8d、ポテンショメータ9a~9cおよび圧力センサ6a、6bの検出信号も入力される。
[0051]
 コントローラ10は、ストロークセンサ7a~7c、IMU8a~8d、ポテンショメータ9a~9cおよび圧力センサ6a、6b、36の各々と有線で電気的に接続されていてもよく、また無線で通信可能とされていてもよい。コントローラ10は、たとえばコンピュータ、サーバー、携帯端末などであり、CPU(Central Processing Unit)であってもよい。
[0052]
 <コントローラ10内の機能ブロック>
 次に、コントローラ10内の機能ブロックについて図3を用いて説明する。
[0053]
 図3は、図2に示すコントローラ内の機能ブロックを示す図である。図3に示されるように、コントローラ10は、操作指令値取得部11と、ブームシリンダ伸縮速度取得部12と、荷重計算値演算部13と、記憶部14と、変化量取得部15と、重み算出部16と、重み順位付け部17と、荷重値決定部18とを有している。
[0054]
 操作指令値取得部11には、圧力センサ36により検出されたPPC圧の信号が入力される。操作指令値取得部11は、圧力センサ36により検出されたPPC圧の信号から、たとえばブームシリンダ4aを動作させる操作指令値を検出する。操作指令値取得部11により取得された操作指令値は、記憶部14へ出力され、記憶部14に記憶される。
[0055]
 ブームシリンダ伸縮速度取得部12には、IMU8a~8dの各々により検出された加速度などの信号が入力される。ブームシリンダ伸縮速度取得部12は、たとえば旋回体2に取り付けられたIMU8aで検出された加速度とブーム3aに取り付けられたIMU8bで検出された加速度との差分に基づいてブームシリンダ4aの伸縮の加速度(ブームシリンダ4aの伸縮速度の変化量)を検出する。
[0056]
 またブームシリンダ伸縮速度取得部12には、ストロークセンサ7a~7cにより検出されたシリンダロッドの変位量または作業機の角度(ブーム角θb、アーム角θa、バケット角θk)の信号が入力される。ブームシリンダ伸縮速度取得部12は、たとえばストロークセンサ7aにより検出されたシリンダロッドの変位量または作業機の角度(ブーム角θb)に基づいてブームシリンダ4aの伸縮の速度を検出する。
[0057]
 またブームシリンダ伸縮速度取得部12には、ポテンショメータ9a~9cにより検出された作業機の角度(ブーム角θb、アーム角θa、バケット角θk)の信号が入力される。ブームシリンダ伸縮速度取得部12は、たとえばポテンショメータ9aにより検出された作業機の角度(ブーム角θb)に基づいてブームシリンダ4aの伸縮の速度を検出する。
[0058]
 ブームシリンダ伸縮速度取得部12により検出されたブームシリンダ4aの伸縮速度(またはその伸縮速度の変化量)は、記憶部14へ出力され、記憶部14に記憶される。
[0059]
 荷重計算値演算部13には、圧力センサ6a、6bにより検出されたブームシリンダ4aのヘッド圧およびボトム圧の信号が入力される。また荷重計算値演算部13には、ストロークセンサ7a~7cにより検出されたシリンダロッドの変位量または作業機の角度(ブーム角θb、アーム角θa、バケット角θk)の信号が入力される。また荷重計算値演算部13には、ポテンショメータ9a~9cにより検出された作業機の角度(ブーム角θb、アーム角θa、バケット角θk)の信号が入力される。
[0060]
 荷重計算値演算部13は、入力された上記信号から荷重計算値を演算する。荷重計算値演算部13により演算された荷重計算値は、記憶部14へ送信され、記憶部14に記憶される。
[0061]
 変化量取得部15は、記憶部14に記憶された情報から、ブームシリンダ4aを動作させる操作指令値とブームシリンダ4aの伸縮の速度との少なくとも一方の情報の単位時間当たりの変化量を取得する。
[0062]
 変化量取得部15は、たとえば操作指令値取得部11で取得されかつ記憶部14に記憶されたPPC圧の信号から、ブームシリンダ4aを動作させる操作指令値の単位時間当たりの変化量を取得する。
[0063]
 また変化量取得部15は、たとえば操作指令値取得部11で取得されかつ記憶部14に記憶されたブームシリンダ4aの伸縮速度の変化量から、ブームシリンダ4aの伸縮の速度の単位時間当たりの変化量を取得する。
[0064]
 また変化量取得部15は、たとえば操作指令値取得部11で取得されかつ記憶部14に記憶されたブームシリンダ4aの伸縮速度から、ブームシリンダ4aの伸縮の速度の単位時間当たりの変化量を取得する。
[0065]
 上記において変化量取得部15により取得された変化量は重み算出部16へ出力される。重み算出部16は、変化量取得部15から入力された変化量に基づいて加重平均に用いるための重み(加重値)を算出する。重み算出部16により算出された重みは、記憶部14へ出力され、記憶部14にて記憶される。
[0066]
 重み順位付け部17は、記憶部14に記憶された複数の重みを、その重みの大きさに基づいて順位付けする。
[0067]
 荷重値決定部18は、記憶部14に記憶された荷重計算値と重みとに基づいて、加重平均により荷重値を決定する。荷重値決定部18は、計算区間が長い(たとえば3秒以上の)場合、重み順位付け部17によって順位付けられた重みのうち重みが大きいデータのみを用いて(つまり重みの小さいデータを用いずに)、加重平均により荷重値を決定してもよい。本実施の形態においては、重み順位付け部17により順位付けられた重みが大きいN個のデータのみを用いて、加重平均により荷重値が決定されてもよい。
[0068]
 <作業機械の制御方法>
 次に、本実施の形態における作業機械の制御方法について図3および図4を用いて説明する。
[0069]
 図4は、本開示の一実施の形態における作業機械の制御方法を示すフロー図である。図4に示されるように、本実施の形態においては、まずバケット3c内の現在の荷重計算値(CalcuPayload)が計算される(ステップS1)。この荷重計算値(CalcuPayload)は静的釣り合いから計算される。具体的には、作業機3の自重によるモーメントMX weが算出された後、ブームフートピン5a回りの各モーメントの釣り合いからバケット3c内の現在の荷重計算値が計算される。この荷重計算値(CalcuPayload)の計算は、図3に示される荷重計算値演算部13により行われる。
[0070]
 まず作業機3の自重によるモーメントMX weは、以下の式(1)により算出される。
[0071]
[数1]


[0072]
 式(1)において、M boomは、ブーム3aの重量である。M boomCは、ブームシリンダ4aのシリンダ部分の重量である。M boomCRは、ブームシリンダ4aのシリンダロッド部分の重量である。M armは、アーム3bの重量である。M armCは、アームシリンダ4bのシリンダ部分の重量である。M armCRは、アームシリンダ4bのシリンダロッド部分の重量である。M bucketは、バケット3cの重量である。
[0073]
 これらの重量M boom、M boomC、M boomCR、M arm、M armC、M armCRおよびM bucketの各々は、図3に示されるように、たとえば入力操作部21にて記憶部14への入力操作を行なうことにより、記憶部14に記憶されている。
[0074]
 式(1)において、X boom_cは、ブームフートピン5aからブーム3aの重心までの距離である。X boomC_cは、ブームフートピン5aからブームシリンダ4aのシリンダ部分の重心までの距離である。X boomCR_cは、ブームフートピン5aからブームシリンダ4aのシリンダロッド部分の重心までの距離である。X arm_cは、ブームフートピン5aからアーム3bの重心までの距離である。X armC_cは、ブームフートピン5aからアームシリンダ4bのシリンダ部分の重心までの距離である。X armCR_cは、ブームフートピン5aからアームシリンダ4bのシリンダロッド部分の重心までの距離である。X bucket_cは、ブームフートピン5aからバケット3cの重心までの距離である。
[0075]
 これらの距離X boom_c、X boomC_c、X boomCR_c、X arm_c、X armC_c、X armCR_cおよびX bucket_cの各々は、ストロークセンサ7a~7c、ポテンショメータ9a~9cの検出結果などから算出することができる。
[0076]
 このモーメントMX weの計算は、図3に示される荷重計算値演算部13により行われる。
[0077]
 次に、ブームフートピン5a周りのモーメントの釣り合いは、以下の式(2)により表される。
[0078]
[数2]


[0079]
 式(2)において、Fは、ブームシリンダ4aの負荷(押す力)であり、ブームシリンダ4aのヘッド圧とボトム圧とから得られる。このためFは、圧力センサ6aにより検出された圧力(ヘッド圧)と、圧力センサ6bにより検出された圧力(ボトム圧)とから得られる。
[0080]
 式(2)において、hは、ブームフートピン5aとブームシリンダ4aとの間の最短距離(ブームシリンダ4aの延在方向に対する直交方向の距離)である。hは、ストロークセンサ7a、ポテンショメータ9aの検出値などから算出することができる。
[0081]
 式(2)において、X payload_cは、ブームフートピン5aとバケット3c内の荷の重心との間の距離である。X payload_cは、ストロークセンサ7a~7c、ポテンショメータ9a~9cの検出値などから算出することができる。
[0082]
 式(2)から、荷重計算値(CalcuPayload)は以下の式(3)により表される。
[0083]
[数3]


[0084]
 式(3)に示されるように、バケット3c内の荷重計算値(CalcuPayload)は、ブームシリンダ4aの負荷Fに基づいて算出される。上記の荷重計算値(CalcuPayload)の計算は常時実施される。
[0085]
 次に、ブーム3aの上げ動作か否かの判定がなされる(ステップS2:図4)。たとえばブーム3aの上げ動作と旋回体2の旋回動作とが同時に行なわれているときに、ブーム3aの上げ動作が実行されていると判定されてもよい。ブーム3aの上げ動作と旋回体2の旋回動作とが実行されているか否かの判定は、たとえば圧力センサ36によりPPC圧を検出することにより可能である。
[0086]
 ブーム3aの上げ動作が実施されていないと判定された場合には、引き続き荷重計算値(CalcuPayload)の計算が行なわれる。一方、ブーム3aの上げ動作が実施されていると判定された場合には、単位時間当たりのブーム上げPPC圧の変化量が計算される(ステップS3:図4)。
[0087]
 この変化量の計算に際しては、上記荷重計算値を計算した瞬間より以前の第1時点でのブーム上げPPC圧と第1時点より以前の第2時点でのブーム上げPPC圧とから、単位時間当たりのブーム上げPPC圧の変化量Xが計算される。
[0088]
 上記により、ブームシリンダ4aを動作させる操作指令値(ブーム上げPPC圧)の単位時間当たりの変化量Xが検出される。この変化量Xの計算による検出は、図3に示される変化量取得部15により行なわれる。
[0089]
 このように検出された単位時間当たりの変化量Xに基づいて、上記演算で得られた荷重計算値(CalcuPayload)が補正されて荷重値W payloadが決定される(ステップS4:図4)。この荷重計算値の補正においては、まず上記変化量Xに基づいて重み(加重値)Wが算出される(ステップS4a)。
[0090]
 重みWは、たとえば変化量Xの逆数から求められる。これにより、単位時間当たりの変化量Xが大きいときの重みWは小さくなり、単位時間当たりの変化量Xが小さいときの重みWは大きくなる。この重みWの算出は、図3に示される重み算出部16により行われる。
[0091]
 上記単位時間当たりの変化量Xおよび重みWの算出は常時実施され、瞬間毎に算出された重みWは図3に示される記憶部14に記憶される。
[0092]
 次に、記憶部14に記憶された重みWの順位付けが行なわれる(ステップS4b)。この重みWの順位付けは、重みWの大きさの順に順位づけられる。この重みWの順位付けは、図3に示される重み順位付け部17により行われる。
[0093]
 次に、荷重計算値(CalcuPayload)が上記で得られた重みWを用いて加重平均されることにより荷重値W payloadが決定される(ステップS4c:図4)。この荷重値W payloadの決定に際しては、以下の式(4)が用いられる。
[0094]
[数4]


[0095]
 式(4)において、CalcuPayload 1、CalcuPayload 2、CalcuPayload 3、CalcuPayload tのそれぞれは、時点1、時点2、時点3、時点tにおいて上記の如く取得された荷重計算値である。またW 1、W 2、W 3、W tのそれぞれは、時点1、時点2、時点3、時点tにおいて上記の如く取得された重みである。
[0096]
 式(4)に示されるように、単位時間当たりの変化量が大きいときの重みを小さく、単位時間当たりの変化量が小さいときの重みを大きくして荷重計算値の加重平均が行なわれる。この荷重値W payloadの決定は、図3に示される荷重値決定部18により行なわれる。
[0097]
 本実施の形態においては、重み順位付け部17により順位付けられた複数の重みのうち、重みが小さい複数の重みのデータ(重みとその重みに対応した荷重計算値)を用いずに、重みが大きい上位30個の重みのデータ(重みとその重みに対応した荷重計算値)のみを用いて、式(4)に示す加重平均により荷重値が決定されてもよい。
[0098]
 以上のように単位時間当たりの変化量Xに基づいて荷重計算値(CalcuPayload)が補正されることにより荷重値W payloadが決定される。
[0099]
 決定された荷重値W payloadには、作業機械が個体毎に有する誤差を排除するための補正が行なわれる(ステップS5:図4)。この補正は、バケット3c内に荷がない状態(空荷状態)で上記のように荷重値W payloadを決定し、バケット3c内に荷がある状態で得られた荷重値W payloadから空荷状態での荷重値W payloadを減算することにより行なわれる。この補正によって、作業機械の個体差によって生じる動摩擦、抵抗などの相違をキャンセルすることができる。
[0100]
 この後、荷がバケット3c内から排出されたか否かの判定がなされる(ステップS6:図4)。荷のバケット3c内からの排出は、たとえばダンプトラックに積み込むために行なわれる。
[0101]
 荷がバケット3c内から排出されていないと判定された場合、荷重計算値の計算が再度行なわれる(ステップS1:図4)。一方、荷がバケット3c内から排出されたと判定された場合、補正後の荷重値が確定し、その確定した補正後の荷重値がダンプトラックの積載量に加算される(ステップS7:図4)。
[0102]
 補正後の荷重値およびダンプトラックの積載量は、たとえば運転室2a内の表示装置などに表示される。これにより運転室2a内のオペレータは、バケット3c内の補正された荷重値とダンプトラックの積載量を確認しながら、掘削・積み込み作業を行なうことができる。
[0103]
 以上により、バケット3c内における荷重値が決定され、ダンプトラックの積載量に加算される。
[0104]
 上記においては操作装置25がパイロット油圧方式である場合について説明したが、操作装置25は電気方式であってもよい。操作装置25が電気方式である場合、第1操作レバー25Rおよび第2操作レバー25Lの各々の操作量は、たとえばポテンショメータにより検出される。ポテンショメータとは、機械的な位置に比例した電気(電圧)出力を得る変位センサである。このため操作指令値の単位時間当たりの変化量として、ポテンショメータから得られる電気(電圧)出力の単位時間当たりの変化量が、加重平均を行なうための重みWの算出用に用いられてもよい。
[0105]
 また上記においては操作指令値の単位時間当たりの変化量Xに基づいて重みを算出して加重平均を行なう場合について説明したが、ブームシリンダの伸縮の速度の単位時間当たりの変化量に基づいて重みを算出して加重平均が行なわれてもよい。また操作指令値の単位時間当たりの変化量Xとブームシリンダの伸縮の速度の単位時間当たりの変化量との双方に基づいて重みを算出して加重平均が行なわれてもよい。
[0106]
 <作用効果>
 次に、本実施の形態の作用効果について、図5に示す本発明者の知見とともに説明する。
[0107]
 図5は、ブーム上げPPC圧、ブーム上げPPC圧の変化量および荷重計算値(CalcuPayload)の時間変化を示す図である。図5に示されるように、本発明者は、ブーム3aのPPC圧(図中実線)が増加するブーム3aの上げ動作時には、ブーム3aのPPC圧の変化量がブーム3aの操作に応じて脈動し、それに伴って荷重計算値(CalcuPayload)も脈動することを見出した。このことからブーム3aの上げ操作時にバケット3c内の荷重を精度良く計測することが難しいことが分かった。
[0108]
 またブーム3aの上げ速度が速いと荷重計算値(CalcuPayload)の精度はさらに悪くなることも本発明者は見出した。このためブーム3aの上げ操作を丁寧に行なう必要があるが、ブーム3aの上げ操作を丁寧に行なうと生産性が悪化する。
[0109]
 そこで本実施の形態においては、ブームシリンダ4aを動作させる操作指令値とブームシリンダ4aの伸縮の速度との少なくとも一方の情報の単位時間当たりの変化量に基づいて、荷重計算値(CalcuPayload)を補正することにより荷重値W payloadが決定される。これによりブーム3aの動作時において荷重計算値(CalcuPayload)に生じる脈動が低減された荷重値W payloadを得ることができる。このためブーム3aの操作時にバケット3c内の荷重を精度良く計測することが可能となる。よってオペレータは普段通りの操作をするだけでバケット3c内の荷重を精度良く計測でき、かつ生産性も高く維持することができる。
[0110]
 また本実施の形態によれば、上記単位時間当たりの変化量Xが大きいときの重みWを小さく、上記単位時間当たりの変化量Xが小さいときの重みWを大きくして荷重計算値(CalcuPayload)の加重平均を行なうことにより荷重値W payloadが決定される。このように変化量Xが小さいときの重みWを大きくすることで、計算結果を安定させることができる。
[0111]
 また瞬間的な計測値を用いるのではなく、平均して荷重値W payloadが決定されるため、急操作などでブームシリンダ4aのヘッド圧およびボトム圧がノイズ的に乱れても、計測結果に大きな影響は生じない。
[0112]
 また本実施の形態によれば、複数の重みが算出され、複数の重みのうち小さい重みの荷重計算値を用いずに、複数の重みのうち大きい重みの荷重計算値を用いて加重平均が行なわれることにより荷重値W payloadが決定される。これにより計算区間がたとえば3秒と短い場合でも安定した荷重値W payloadを計算することができる。
[0113]
 また本実施の形態によれば、操作指令値およびブームシリンダ4aの伸縮の速度の各々は、ブーム3aを上げる操作時における操作指令値およびブームシリンダ4aの伸縮の速度である。これによりブーム3aの上げ動作時において荷重計算値(CalcuPayload)に生じる脈動が低減された荷重値W payloadを得ることができる。
[0114]
 今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

符号の説明

[0115]
 1 走行体、1a 履帯装置、2 旋回体、2a 運転室、2b 運転席、2c エンジンルーム、2d カウンタウェイト、3 作業機、3a ブーム、3b アーム、3c バケット、3d バケットリンク、3da 第1リンク部材、3db 第2リンク部材、3dc バケットシリンダトップピン、3dd 第1リンクピン、3de 第2リンクピン、4a ブームシリンダ、4aa シリンダ、4ab シリンダロッド、4b アームシリンダ、4c バケットシリンダ、5a ブームフートピン、5b ブーム先端ピン、5c ピン、6a,6b,36 圧力センサ、7a,7b,7c ストロークセンサ、8a,8b,8c IMU、9a,9b,9c ポテンショメータ、10 コントローラ、11 操作指令値取得部、12 ブームシリンダ伸縮速度取得部、13 荷重計算値演算部、14 記憶部、15 変化量取得部、16 重み算出部、17 重み順位付け部、18 荷重値決定部、21 入力操作部、25 操作装置、25L 第2操作レバー、25R 第1操作レバー、31 エンジン、33 油圧ポンプ、34 方向制御弁、40 油圧アクチュエータ、100 油圧ショベル、450 パイロット油路。

請求の範囲

[請求項1]
 ブームと、
 前記ブームの先端に取り付けられたアームと、
 前記アームの先端に取り付けられたバケットと、
 前記ブームを駆動するブームシリンダと、
 前記ブームシリンダの負荷に基づいて前記バケット内の荷重計算値を演算し、前記ブームシリンダを動作させる操作指令値と前記ブームシリンダの伸縮の速度との少なくとも一方の情報の単位時間当たりの変化量を検出し、演算により得られた前記荷重計算値を前記単位時間当たりの変化量に基づいて補正して荷重値を決定するコントローラと、を備えた、作業機械。
[請求項2]
 前記コントローラは、前記単位時間当たりの変化量が大きいときの重みを小さく、前記単位時間当たりの変化量が小さいときの重みを大きくして前記荷重計算値の加重平均を行なうことにより前記荷重値を決定する、請求項1に記載の作業機械。
[請求項3]
 前記コントローラは、複数の前記重みを算出し、複数の前記重みのうち小さい重みの前記荷重計算値を用いずに、複数の前記重みのうち大きい重みの前記荷重計算値を用いて前記加重平均を行なうことにより前記荷重値を決定する、請求項2に記載の作業機械。
[請求項4]
 前記操作指令値および前記ブームシリンダの伸縮の速度の各々は、前記ブームを上げる操作時における操作指令値および前記ブームシリンダの伸縮の速度である、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の作業機械。
[請求項5]
 ブームと、前記ブームの先端に取り付けられたアームと、前記アームの先端に取り付けられたバケットと、前記ブームを駆動するブームシリンダと、を有する作業機械と、
 前記ブームシリンダを動作させる操作指令値と前記ブームシリンダの伸縮の速度との少なくとも一方の情報の単位時間当たりの変化量を取得し、前記ブームシリンダの負荷に基づいて前記バケット内の荷重計算値を演算し、演算により得られた前記荷重計算値を前記単位時間当たりの変化量に基づいて補正して荷重値を決定するコントローラと、を備えた、システム。
[請求項6]
 ブームと、前記ブームの先端に取り付けられたアームと、前記アームの先端に取り付けられたバケットと、前記ブームを駆動するブームシリンダと、を有する作業機械の制御方法であって、
 前記ブームシリンダの負荷に基づいて前記バケット内の荷重計算値を演算し、
 前記ブームシリンダを動作させる操作指令値と前記ブームシリンダの伸縮の速度との少なくとも一方の情報の単位時間当たりの変化量を取得し、演算により得られた前記荷重計算値を前記単位時間当たりの変化量に基づいて補正して荷重値を決定する、作業機械の制御方法。

図面

[ 図 1]

[ 図 2]

[ 図 3]

[ 図 4]

[ 図 5]