JPS6237183B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はパワーシヨベルの自動制御装置に関す
る。

一般に油圧式パワーシヨベルは第１図に示すよ
うにブーム１、アーム２、バケツト３及びこれら
を駆動するブームシリンダ４、アームシリンダ
５、バケツトシリンダ６を具備しており、各シリ
ンダ４〜６は夫々運転室内に配備された操作レバ
ー（図示せず）により手動操作される。そして、
オペレータが手動操作により作業機の姿勢を制御
してバケツト位置を設定するようになつている。
このため、オペレータに高度な技術が要求され
る。

特に水平掘削や法面掘削等を行う場合には、バ
ケツトの回動支点を直線に沿つて移動させなけれ
ばならないが、これには相当な熟練度が要求され
る。

そこで、特開昭52−97088号に係る制御装置が
提案されているが、この制御装置は、直交座標に
おける速度指令を角速度指令に変更する手段とし
てリンク機構を用いているので、構成が複雑、高
価となり、しかも大きな設置スペースを必要とす
る。しかもリンク機構の応答遅れ、ガタ、ヒステ
リシス等によつて制御精度が悪くなるという欠点
ももつ。

また特開昭49−132801号に係る制御装置も提案
されているが、この装置の場合、バケツトの回動
支点の目標位置を求める際に、積分計算を行なう
ので、積分誤差が累積され、精度の良い目標位置
を演算することが難しく、また、バケツト姿勢角
などの初期設定回路が必要なため、価格的にも高
価になる。しかも、ある時間間隔を置きながら目
標位置を決定するという手順が実行されることか
ら、上記バケツト回動支点の移動が円滑に行なわ
れないという欠点もある。

本発明は、かかる問題点に鑑み、複雑高価な手
段を用いることなくバケツトの回動支点を直線に
沿つて円滑にかつ精度よく移動させることができ
るパワーシヨベルの自動制御装置を提供しようと
するものである。

以下本発明を添附図面の一実施例に基いて詳述
する。

第２図において、ブーム１、アーム２、バケツ
ト３の各回動支点を夫々支点Ａ，Ｂ，Ｃとし、ブ
ーム１の回動支点ＡをＸ―Ｙ座標の原点（０，
０）、水平方向にＸ軸を、垂直方向にＹ軸をと
る。また、回動支点Ａ，Ｂ間、回動支点Ｂ，Ｃ間
の距離，を夫々γ_１，γ_２とする。この距
離γ_１，γ_２等は不変である。そして、回動支点
Ｃ（以下作業位置Ｃという）の位置を座標（ｘ，
ｙ）で表わす。この作業位置Ｃはブーム１、アー
ム２の回動に応じて変化する。また、ブーム１が
Ｙ軸となす角（以下ブーム角という）をα、アー
ム２がブーム１となす角（以下アーム角という）
をβ、バケツト３がアーム２となす角（以下バケ
ツト角という）をγ，バケツト３の刃先が作業位
置Ｃ点を通るＹ軸方向の垂線とのなす角（以下バ
ケツト刃先角という）をとする。

各回動支点Ａ，Ｂ，Ｃには位置（角度）検出器
例えばポテンシヨメータ１０，１１，１２が配設
されており、ブーム角α、アーム角β、バケツト
角γを検出し対応する位置（角度）信号ｅ〓，ｅ
〓，ｅ〓を出力する。

さて、作業位置Ｃの座標（ｘ，ｙ）は次式で与
えられる。

ｘ＝γ₁sinα＋γ₂sin（α＋β） …(1) ｙ＝γ₁cosα＋γ₂cos（α＋β） …(2) 式(1)より ｄｘ／ｄｔ＝ｘ〓＝γ₁cosα・α〓 ＋γ₂cos（α＋β）・（α〓＋β〓 …(3) ｄｙ／ｄｔ＝ｙ〓＝−γ₁sinα・α〓 −γ₂sin（α＋β）・（α〓＋β〓） …(4) いま、作業位置Ｃを例えば第３図に示す曲線 ｙ＝_１（ｘ，K₁） に沿つて位置t₁まで移行させようとする場合、先
ず、この曲線について ｘ〓＝_２（ｔ，K₂） …(5) ｙ〓＝_３（ｔ，K₃） …(6) を求める（第４，５図）。そして、これらの式
(5)，(6)と前述の式(3)，(4)とに基いて作業位置Ｃの
上記曲線ｙ＝_１（ｘ，K₁）に沿うための軌跡の
条件を求めると、 α〓＝〓（ｔ，Ｋ，α，β） …(7) β〓＝〓（ｔ，Ｋ，α，β） …(8) を得ることができる。

例えば、作業位置Ｃを水平方向に平行移動させ
る場合には、この作業位置Ｃのｙ座標は前式(2)よ
り ｙ＝γ₁cosα＋γ₂cos（α＋β） で表わされ、且つその変化率すなわち速度ｙ〓は式
(4)で示すように、 ｄｙ／ｄｔ＝−γ₁sinα・α〓 −γ₂sin（α＋β）・（α〓＋β〓） で表わされる。従つて、この作業位置Ｃが水平移
動するためには、dy／dt＝０であればよい。

よつて、 γ₁sinα・α〓＋γ₂sin （α＋β）・（α〓＋β〓）＝０ …(9) ∴ γ₁sinα・α〓＋γ₂sin（α＋β） ・α〓＋γ₂sin（α＋β）・β〓＝０ ∴ β〓＝−γ_１ｓｉｎα＋γ_２ｓｉｎ（α＋β）／
γ_２ｓｉｎ（α＋β）・α〓 ∴ β〓＝−（γ_１ｓｉｎα／γ_２ｓｉｎ（α＋β）
＋１）・α〓…(10) となる。上式(10)は、作業位置Ｃを水平な方向に移
動させるためのアーム２の目標回動速度を示して
いる。

つぎに、上記作業位置Ｃを水平線に対し角度θ
の勾配をもつ直線に沿つて移動させる場合につい
て説明する。この場合には、dy／dx＝tanθとお
けばよいので、(3)，(4)式に基づいて下式(11)の関数
が得られる。

tanθ＝− γ_１ｓｉｎα・α＋γ_２ｓｉｎ（α＋β）・（α＋β）
／γ_１ｃｏｓα・α＋γ_２ｃｏｓ（α＋β）・（α＋β
）…(11) この式(11)をβ〓について整理すると、 β〓＝−γ_１｛ｃｏｓα・ｔａｎθ＋ｓｉｎα｝＋γ_２｛ｃｏｓ（α＋β）ｔａｎθ＋ｓｉｎ（α＋β）｝／γ_２
｛ｃｏｓ（α＋β）・ｔａｎθ＋ｓｉｎ（α＋β）｝・α〓…(12) となる。

上式(12)は、作業位置Ｃを勾配θをもつ直線に沿
つて移動させるためのアーム２の目標回動速度を
示し、この式におけるθをθ＝０とした場合に(10)
式に示した関係が成立することになる。

ところで、作業位置Ｃを水平な直線あるいはあ
る勾配θの直線に沿つて移動させた場合、バケツ
ト３の刃先角が変化する。これは、作業位置Ｃ
を直線に沿つて移動させても、バケツトの刃先が
直線に沿つて移動されないことを意味する。した
がつてより平坦な掘削面を得るためには、上記バ
ケツトの刃先角変化を補正して常に該刃先角が予
設定角となるように制御することが望ましい。

ブーム角α、アーム角β、バケツト角γ及びバ
ケツト刃先角の間には第２図から明らかなよう
に α＋β＋γ＋＝180゜ …(13) なる関係がある。従つて、この式（13）から γ＝180゜−（α＋β）− …(14) が得られる。

この式（14）中バケツト刃先角は予め作業に
応じて設定するものであり定数である。従つて、
α，βの変化に応じて（14）式に示す目標バケツ
ト角γとなるようにバケツト３の回動角を制御す
れば、常にバケツト３の刃先角が一定に保持さ
れ、これによつてバケツト３の刃先の移動軌跡が
作業位置Ｃの直線移動軌跡に平行することにな
る。つまり、バケツト３が平行移動されることに
なる。

第６図は上記原理に基いて第２図に示す作業位
置Ｃを水平方向に平行移動させる場合、ブーム
１、アーム２、バケツト３等の作業機の姿勢を制
御する制御装置の一実施例を示す図である。第６
図において、ブーム速度指令器１４はブーム１の
回動速度α〓を設定するためのもので指令速度α〓に
応じた設定信号Ｅα〓を出力し、加算部ａ及び反転
回路２２に加える。ブーム操作レバー位置検出器
２０はブーム操作レバー１９の位置を検出し対応
する位置信号を出力する。上記レバー１９は後記
する切換弁１８と連動し、したがつてその位置は
ブーム１の実際の回動速度を示す。そこでこの実
施例では、位置検出器２０の出力信号をブーム１
についての回動速度フイードバツク信号として用
いている。この位置検出器２０の出力信号をｅα〓
とする。この信号ｅα〓を加算部ａに加える。そし
て、設定信号Ｅα〓と信号ｅα〓との偏差信号Δα〓が
補償回路１５を介してアクチユエータ駆動回路１
６に加えられる。アクチユエータ駆動回路１６は
入力信号Δα〓に応じてアクチユエータ１７を駆動
し、手動切換弁１８を制御する。ブームシリンダ
４は手動切換弁１８に応じて駆動し、ブーム１を
回動制御する。ポテンシヨメータ１０はこのブー
ム１の現在の回動角αに応じた信号ｅ〓を出力
し、演算回路２３，４０，加算回路２４に加え
る。そして、偏差信号Δα〓が０となるようにブー
ム１を回動制御し、ブーム１の回動速度を設定速
度α〓に一致させる。

また、ポテンシヨメータ１１は現在のアーム２
の回動角βに応じた信号ｅ〓を出力し加算回路２
４、演算回路４０に加える。演算回路２３は入力
信号ｅ〓に基いてsinαを演算し対応する信号を
出力して係数器２６に加える。係数器２６は入力
信号に係数γ_１を剰算し、γ₁sinαに応じた信号
を出力して除算回路２８に加える。加算回路２４
は信号ｅ〓とｅ〓とを加算した後演算回路２５に
加える。演算回路２５は入力信号（ｅ〓＋ｅ〓）
に基いてsin（α＋β）を演算し、対応する信号
を出力して係数器２７に加える。係数器２７は入
力信号に係数γ_２を剰算し、γ₂sin（α＋β）に
応じた信号を出力して除算回路２８に加える。除
算回路２８は係数器２６，２７からの入力信号に
基いてγ₁sinα／γ₂sin（α＋β）を演算し対応
する信号を出力して剰算回路２９に加える。反転
回路２２はブーム速度設定信号Ｅα〓を反転し、信
号−Ｅα〓を剰算回路２９及び加算回路３０に加え
る。剰算回路２９は除算回路２８から入力される
前記信号と反転された信号−Ｅα〓とを剰算し、−
γ₁sinα・α〓／γ₂sin（α＋β）に応じた信号を
出力して加算回路３０に加える。加算回路３０は
この入力信号と前記反転信号−Ｅα〓とを加算し、
前記式(10)の演算を行いアーム２の目標回動速度β〓
を示す信号Ｅβ〓を出力して加算部ｂに加える。

アーム操作レバー位置検出器３６はアーム操作
レバー３５の位置を検出し対応する信号を出力す
る。上記アーム操作レバーは後記する切換弁３４
に連動し、したがつてその位置はアーム１の実際
の回動速度を示す。そこでこの実施例では、位置
検出器３６の出力信号をアームについての回動速
度フイードバツグ信号として用いている。従つ
て、位置検出器３６の出力はアーム２の回動速度
β〓に対応する。この位置検出器３６の出力信号を
ｅβ〓とする。この信号ｅβ〓を加算部ｂに加える。
そして、前記基準信号Ｅβ〓と信号ｅβ〓との偏差信
号Δβ〓を補償回路３１を介してアクチユエータ駆
動回路３２に加える。アクチユエータ駆動回路３
２は入力信号Δβ〓に応じてアクチユエータ３３を
駆動し、手動切換弁３４を制御する。アームシリ
ンダ５は手動切換弁３４に応じて駆動し、アーム
２を回動制御する。ポテンシヨメータ１１はアー
ム２の現在の回動角βに応じた信号ｅ〓を出力し
前述したように加算回路２４、演算回路４０に加
える。そして偏差信号Δβ〓が０となるようにアー
ム２を回動制御し、アーム２の回動速度を目標速
度β〓に一致させる。

演算回路４０はバケツト３の回動角制御信号を
出力するためのものである。この演算回路４０に
は予設定バケツト刃先角に応じた信号Ｅが加
えられている。そして、この演算回路４０は現在
のブーム角α、アーム角βに応じた信号ｅ〓，ｅ
〓及びバケツト刃先角設定信号Ｅに基いて前記
式（14）で表わされる演算を行いバケツト角γに
応じた信号Ｅ〓を出力し、加算部Ｃに加える。こ
の信号Ｅ〓は予設定バケツト刃先角を保持させ
るためのバケツト〜角γの目標値を示す信号とな
る。一方、ポテンシヨメータ１２はバケツト３の
現在の回動角γに応じた信号ｅ〓を出力し加算部
Ｃに加える。そして、目標バケツト角信号Ｅ〓と
信号ｅ〓との偏差信号Δγが補償回路４１を介し
てアクチユエータ駆動回路４２に加えられる。ア
クチユエータ駆動回路４２は偏差信号Δγに応じ
てアクチユエータ４３を駆動し、手動切換弁４４
を制御する。バケツトシリンダ６は手動切換弁４
４に応じて駆動し、バケツト３を回動制御する。
このようにして偏差信号Δγが０となるようにバ
ケツト３を回動制御し、バケツト３の刃先が予設
定刃先角となるように制御する。

従つて、バケツト３を所定の刃先角で水平方向
に移動させることができ、地ならし作業或は水平
掘削作業等を行うことができる。

尚、上記実施例では位置検出器２０の出力信号
をブーム１についての回動角速度フイードバツク
信号として用いているが、ポテンシヨメータ１０
の出力を微分した信号を速度フイードバツク信号
として用いることも当然可能である。同様に、ア
ーム２についての速度フイードバツク信号として
ポテンシヨメータ１１の出力を微分した信号を用
いてもよい。

さらに実施例ではブーム速度指令器１４によつ
てブーム１についての回動速度指令を発生させて
いるが、ブーム操作レバー１９は切換弁１８を手
動操作してブーム１の回動速度を変化させるもの
であるから、該レバー１９に連動する前記位置検
出器２０の出力をブーム目標速度指令信号として
反転回路２２に加えるようにしてもよい。この場
合には、第６図に鎖線で示す部分の制御回路は不
要である。そして、ブーム１の回動速度はブーム
操作レバー１９の位置に応じた速度となり、オペ
レータが任意の速度に設定することができる。

更に、前記実施例においては作業位置Ｃを水平
方向に平行移動させる場合について記述したが、
前述した式(12)の演算を行なわせるように制御回路
を構成することにより、勾配θをもつ直線に沿つ
て作業位置Ｃを移動させることができる。

本発明によれば、バケツトの回動支点の直線移
動をリンク機構等の複雑かつ高価な手段を用いる
ことなく、円滑にかつ精度よく行なうことができ
る。

また、バケツトの刃先角を一定に制御するよう
にしているので、精度の高い直線掘削面を形成す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は油圧式パワーシヨベルの構成を示す
図、第２図は本発明に係るパワーシヨベルの自動
制御装置の作業機部分の一実施例を示す図、第３
図、第４図、第５図は本発明の動作原理を示す
図、第６図は本発明に係るパワーシヨベルの自動
制御装置の一実施例を示すブロツク図である。 １…ブーム、２…アーム、３…バケツト、４，
５，６…油圧シリンダ、１０，１１，１２…ポテ
ンシヨメータ、１４…ブーム速度指令器、１５，
３１，４１…補償回路、１６，３２，４２…アク
チユエータ駆動回路、１２，３３，４３…アクチ
ユエータ、１８，３４，４４…手動切換弁、１
９，３５…レバー、２０，３６…位置検出器、２
３，２５，４０…演算回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 車体の一点に回動可能に取付けられる第１の
   アクチユエータにより回動制御されるブームと、
   このブームの先端に回動可能に取付けられ第２の
   アクチユエータにより回動制御されるアームとを
   有するパワーシヨベルの自動制御装置において、 前記車体に対する前記ブームの回動角を検出す
   る第１の検出手段と、 前記ブームに対する前記アームの回動角を検出
   する第２の検出手段と、 前記ブームの回動速度を指令するブーム回動速
   度指令手段と、 このブーム回動速度指令手段で指令された回動
   速度に対応して前記１のアクチユエータを制御す
   ることにより前記ブームを該回動速度で回動させ
   るブーム制御手段と、 前記第１の検出手段の出力、前記第２の検出手
   段の出力、前記ブーム回動速度指令手段の出力お
   よび予め設定された掘削勾配にもとづき前記アー
   ムの先端が該設定された掘削勾配の直線上を移動
   するための前記アームの目標回動速度を演算する
   演算手段と、 この演算手段で演算されたアームの目標回動速
   度にしたがつて前記第２のアクチユエータを制御
   することにより前記アームの回動速度を制御する
   アーム制御手段と を具えたパワーシヨベルの自動制御装置。 ２ 車体の一点に回動可能に取付けられ第１のア
   クチユエータにより回動制御されるブームと、こ
   のブームの先端に回動可能に取付けられ第２のア
   クチユータにより回動制御されるアームと、この
   アームの先端に回動可能に取付けられ第３のアク
   チユエータにより回動制御されるバケツトとを有
   するパワーシヨベルの自動制御装置において、 前記車体に対する前記ブームの回動角を検出す
   る第１の検出手段と、 前記ブームに対する前記アームの回動角を検出
   する第２の検出手段と、 前記アームに対する前記バケツトの回動角を検
   出する第３の検出手段と、 前記ブームの回動速度を指令するブーム回動速
   度指令手段と、 このブーム回動速度指令手段で指令された回動
   速度に対応して前記第１のアクチユエータを制御
   することにより前記ブームを該回動速度で回動さ
   せるブーム回動制御手段と、 前記第１の検出手段の出力、前記第２の検出手
   段の出力、前記ブーム回動速度指令手段出力およ
   び予め設定された掘削勾配にもとづき前記アーム
   の先端が該設定された掘削勾配の直線上を移動す
   るための前記アームの目標回動速度を演算する演
   算手段と、 この演算手段で演算されたアームの目標回動速
   度にしたがつて前記第２のアクチユエータを制御
   することにより前記アームの回動速度を制御する
   アーム回動制御手段と、 前記第１の検出手段の出力、前記第２の検出手
   段の出力、前記第３の検出手段の出力および予め
   設定されたバケツトの刃先角にもとづき前記第３
   のアクチユエータを制御することにより前記バケ
   ツトの刃先角を一定に制御するバケツト回動制御
   手段と を具えたパワーシヨベルの自動制御装置。