CN102575457A

CN102575457A - 作业机械

Info

Publication number: CN102575457A
Application number: CN2010800470420A
Authority: CN
Inventors: 水落麻里子; 石井启范; 山口仁一
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2009-10-19
Filing date: 2010-10-19
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2030-10-19
Also published as: KR101755739B1; JP5491516B2; US20120232763A1; US8768580B2; JPWO2011049079A1; EP2492404A4; EP2492404A1; CN102575457B; KR20120095875A; WO2011049079A1

Abstract

本发明提供作业机械，时刻对考虑到作用于该作业机械的惯性力或外力的动态稳定性以及作业机械的接地状况进行运算并进行显示、警告。该作业机械是具备行驶体、安装在该行驶体上的作业机械主体、以在上下方向自由摇动的方式安装在该作业机械主体上的作业前部、以及安装在该作业前部的前端的作业工具的作业机械，具备：ZMP运算单元，分别使用包含上述作业前部的上述主体以及行驶体的各部的位置信息、加速度信息、外力信息计算ZMP的坐标；稳定性运算单元，计算上述作业机械与地面的多个接地点形成的支撑多边形，在上述ZMP包含在形成于上述支撑多边形的周边缘的内侧的警告区域时发出跌倒警告，对上述ZMP以及包含上述警告区域的支撑多边形进行运算并进行显示或警报。

Description

作业机械

技术领域

本发明涉及作业机械，特别涉及用于建筑施工，拆除施工，土木施工等的作业机械。

背景技术

作为用于建筑施工，拆除施工，土木施工等的作业机械，已知在下部行驶体上以自由旋转的方式安装上部旋转体，在该上部旋转体上以上下自由摆动的方式安装多关节型的作业前部的机械。作为这种作业机械的一个例子，有以液压挖掘机为基础的拆除作业机械。

在这种作业机械中，在上部旋转体上借助于关节以上下自由摇动的方式连接由起重臂以及臂构成的作业前部，而且在上述臂的前端借助于关节安装有抓斗、铲斗、破碎机、碎石机等，进行构造物拆除施工、废弃物拆除施工等的作业。

这种作业机械进行的作业是在将构成作业前部的起重臂、臂、作业工具(以铲斗为代表)向上部旋转体的外方突出的状态改变各种姿势来进行的。因此，在进行了不合理操作的情况下，存在作业机械跌倒的情况。

作为该问题所涉及的现有技术，例如，提示有专利文献1。在专利文献1所示的技术中，在作业机械的起重臂以及臂上分别安装角度传感器，而且在作业机械上设置控制装置，向控制装置输入来自上述角度传感器的检测信号。控制装置基于上述检测信号，对作业机械整体的重心位置和下部行驶体的接地面中的稳定支点的支撑力进行运算，并将基于该运算结果的稳定支点中的支撑力值显示在显示装置中。而且，在作业机械的后方稳定支点中的支撑力为安全作业确保上的极限值以下时，发出警报。

作为其他的例子，例如提示专利文献2。在专利文献2所示的技术中，具备检测作业机械的起重臂角、臂角、铲斗角、上部旋转体的旋转角的角度传感器以及检测车体的前后方向的倾斜的倾斜角传感器，以这些各角度传感器以及车体的规定部分的尺寸为基础，对作业机械的静态跌倒力矩进行运算。

另外，使用上部旋转体的旋转角速度对由上部旋转体的旋转的离心力产生的动态跌倒力矩进行运算，而且，使用旋转的最大角加速度对上部旋转体的紧急停止时产生的动态跌倒力矩进行运算。并且，将这些动态跌倒力矩的一方或较大方加到静态跌倒力矩上，其大小作为跌倒的判定条件，根据上述判定条件的成立控制旋转角速度。

另外，作为其他的例子，例如提示专利文献3。在专利文献3所示的技术中，具备检测主体的姿势、动作以及作业负荷的传感器，基于这些传感器的检测值，参照数据库，构筑表现与建筑机械主体的姿势相关的现在以及未来的力学举动的模型，判别建筑机械主体是否跌倒。并且，在预知了跌倒的情况下，停止执行中的作业动作，而且开始用于避免跌倒的动作来防止跌倒，并且在预知了跌倒的情况下，将其意思通知给操作员。

专利文献1：日本专利第2871105号说明书

专利文献2：日本特开平7-180192号公报

专利文献3：日本特开平5-319785号公报

鉴于作业机械的实际的作业，在作业中，因作业前部的运动或作业机械自身的运动产生惯性力，该惯性力与作业机械的稳定性非常相关。

另外，在作业机械中，其动作时刻变化，伴随该变化稳定性也变化。因此，需要时刻进行稳定性的评价，并将其结果不延迟地通知给操作者(操作员)。

另外，作业机械用于各种作业，例如有使作业前部的前端按压地面使主体起重的起重动作等、因动作而使与地表面接地状况变化的情况。在该情况下，为了准确判别稳定性，需要经常检测接地状况，根据其变化进行稳定性的判定。

但是，在现有技术中，还未提示时刻对考虑了惯性力的作业机械的稳定性进行计算、判定的判定单元。而且，也未进行针对推土铲的接地状态、起重状态等的作业机械和地表面的接地点变化的动作的考察。

发明内容

本发明是鉴于这些问题而完成的，提供对考虑了时刻作用于作业机械的惯性力或外力的动态稳定性以及作业机械的接地状况进行运算，能够不延迟进行显示以及警告的作业机械。

本发明为了解决上述课题采用了如下方案。

一种具备行驶体、安装在该行驶体上的作业机械主体、以在上下方向自由摇动的方式安装在该作业机械主体上的作业前部、以及借助于销安装在该作业前部的作业工具，具备：ZMP运算单元，分别使用包含上述作业前部的上述主体以及构成行驶体的各质点的位置矢量、加速度矢量以及外力矢量来计算ZMP的坐标；稳定性运算单元，计算出不凹地连接上述作业机械与地面的多个接地点形成的支撑多边形，在上述ZMP包含在形成于上述支撑多边形的周边缘的内侧的警告区域时发出跌倒警告，上述ZMP运算单元以及稳定性运算单元对上述ZMP以及包含上述警告区域的支撑多边形进行运算并显示。

本发明的效果如下。

在本发明中，由于具备以上的构成，因此能够对考虑了作用于作业机械的惯性力或外力的动态稳定性以及接地状况时刻进行运算，并不延迟地进行显示。

附图说明

图1是表示第一实施方式的作业机械的概要侧视图。

图2是表示作业机械的控制系统构成的框图。

图3是表示作业机械的运算用模型的概要侧视图。

图4是表示支撑多边形的一个例子的图。

图5是表示作业机械的运算用模型的概要俯视图。

图6是表示跌倒警告区域的设定方法的一个例子的图。

图7是表示跌倒警告区域的设定方法的一个例子的图。

图8是表示推土铲接地状态中的支撑多边形的一个例子的图。

图9是表示起重状态中的支撑多边形的一个例子的图。

图10是表示第二实施方式的作业机械的运算用模型的概要侧视图。

图11是表示作业机械的运算用模型的概要俯视图。

图12是作业机械所具备的控制装置的概要构成图。

图13是表示第三实施方式的作业机械的运算用模型的概要侧视图。

图14是表示作业机械的运算用模型的概要俯视图。

图15是作业机械所具备的控制装置的概要构成图。

图16是表示第四实施方式的作业机械的概要侧视图。

图17是表示第四实施方式的支撑多边形的一个例子的图。

具体实施方式

第一实施方式

以下，对本发明的第一实施方式进行说明。

硬件构成

主体

图1是显示第一实施方式的作业机械的概要侧视图。在第一实施方式的作业机械1中，在下部行驶体2上以能够旋转的方式安装上部旋转体3，上部旋转体3由旋转马达7旋转驱动。在上部旋转体3上安装有驾驶室4、发动机5。而且，在上部旋转体3的后方安装有配重8。除此而外，具备控制作业机械1的整体的控制装置60，构成作业机械1。

作业前部

在上部旋转体3上以支点40为关节且以上下自由摆动的方式设置有起重臂10，在起重臂10的前端以支点41为关节且以自由摆动的方式设置有臂12。而且，在臂12的前端以支点42为关节且以自由转动的方式设置有作为作业工具的铲斗23。此处，由上述起重臂10、臂12构成作业前部6。

动臂缸11是以使起重臂10绕支点40转动的方式对起重臂10进行驱动的驱动器，连接在上部旋转体3和起重臂10上。

臂缸13是以使臂12绕支点41转动的方式对臂12进行驱动的驱动器，连接在起重臂10和臂12上。

作业工具缸15是以使铲斗23绕支点42转动的方式对铲斗23进行驱动的驱动器，借助于连杆16与铲斗23连接，借助于连杆17与臂12连接。而且，铲斗23能够与抓斗、刀具、破碎机等的其他的作业工具交换。

驾驶室

在上部旋转体3上具备操作作业机械1的操作员用的驾驶室4，在驾驶室4中设有：用于输入来自操作员的对各驱动器的动作的指示的操作装置50；显示后述的支撑多边形和/或ZMP坐标等的显示装置(显示单元)61；发出作业机械1的跌倒警告音等的警报装置(警报单元)63；以及用于操作员进行各种设定的用户设定输入装置55等。

推土铲

在下部行驶体2的前面以上下自由摆动的方式设置有推土铲18，推土铲18被推土铲缸19驱动。

传感器

姿势传感器

在上部旋转体3上设置有用于检测机械基准坐标系相对于以与后述的重力相反方向为Z轴的通用坐标系的倾斜的姿势传感器3b。姿势传感器3b例如是倾斜角传感器，通过检测上部旋转体3的倾斜角，从而检测机械基准坐标系相对于通用坐标系的倾斜。

角度传感器

在上部旋转体3的旋转中心线3c上设置有用于检测下部行驶体2和上部旋转体3的旋转角度的旋转角度传感器3s。

在上部旋转体3和起重臂10的支点40上设有用于测量起重臂10的转动角度的起重臂角度传感器(角度传感器)40a。

在起重臂10和臂12的支点41上设有用于测量臂12的转动角度的臂角度传感器(角度传感器)41a。

在臂12和铲斗23的支点42上设有用于测量铲斗23的转动角度的铲斗角度传感器42a。

加速度传感器

在下部行驶体2、上部旋转体3、起重臂10以及臂12的重心附近分别设有下部行驶体加速度传感器2a、上部旋转体加速度传感器3a、起重臂加速度传感器10a、臂加速度传感器12a。

销力传感器

在连接臂12和铲斗23的销43、连接连杆16和铲斗23的销44上分别设置有销力传感器43a、44a。销力传感器43a、44a例如通过在圆筒状的内部插入应变仪，测量在该应变仪上产生的应变，检测施加在销43、44上的力(外力)的大小和方向。

压力传感器

使上部旋转体3旋转的旋转马达7具备对驱动旋转马达7的液压的吸入侧压力以及喷出侧压力进行检测的旋转马达压力传感器7i以及7o。而且，推土铲缸19具备对驱动推土铲缸19的液压的吸入侧压力以及喷出侧压力进行检测的推土铲缸压力传感器19i以及19o。

控制装置

图2是作业机械1所具备的控制装置的概要构成图。控制装置60具备：输入来自安装在作业机械1的各部的各传感器的信号的输入部60h；接收输入到输入部60h的信号进行规定的运算的运算部60g；接收来自运算部60g的输出信号输出作业机械1(参照图1)的稳定性信息以及跌倒警告信息的输出部60i。此处，显示部61显示作业机械1的稳定性信息以及跌倒警告信息，警报装置63发出与跌倒相关的警报。

运算部60g由以未图示的CPU(中央处理器)、ROM(只读存储器)、RAM4(随机存取存储器)以及闪存器等构成的存储部，以及具备这些存储部的微型计算机以及未图示的周边电路等构成，例如根据存储在ROM中的程序动作。

基准坐标系

图3是表示具有控制装置的ZMP运算用作业机械模型的概要侧视图。如图3所示那样设定以重力方向为基准，以与重力相反方向为Z轴的通用坐标系(O-XYZ)、和以下部行驶体2为基准的机械基准坐标系(O-XYZ)。

机械基准坐标系属于下部行驶体2，如图3所示，将机械基准坐标系原点设为在上部旋转体3的旋转中心线3c上且与地表面30接地的点O，将X轴设定成下部行驶体2的前后方向，将Y轴设定成左右方向，将Z轴设定成垂直方向。

模型

另外，在第一实施方式中，考虑安装的简易性作为用于运算ZMP70的模型，图3所示的各构成部件使用质量集中于重心的集中质点模型。将下部行驶体2、上部旋转体3、起重臂10、臂12的各自的质点2P、3P、10P、12P设定成各构成部件的重心位置，将各自的质点的质量设为m2、m3、m10、m12。并且将各自的质点的位置矢量设为r2、r3、r10、r12，将加速度矢量设为r”2、r”3、r”10、r”12。

而且，质点的设定方法并不限定于此，例如可以追加质量集中的部位(图1所示的发动机5、配重8等)。

另外，外力是通过利用铲斗23进行作业而施加在铲斗23的前端上的。由于铲斗23借助于销43、44与作业前部6连接，因此，将铲斗23的重力以及惯性力和施加在铲斗23上的X轴方向以及Z轴方向的外力的全部作为施加在销43和销44上的外力矢量F43和F44进行计算，进行ZMP坐标的运算。此处，将作为外力作用点的销43和销44的位置矢量设为s43、s44。而且，将施加在铲斗23上的横向(Y轴方向)的外力设为F46，将横向外力的作用点46的位置矢量设为s46。

稳定判别方式

此处，在说明运算部60g的详细内容之前，对第一实施方式中的稳定判别方式进行说明。

ZMP稳定判别方式

在第一实施方式中，为了判定作业机械1的稳定状态，使用ZMP(零力矩点)。ZMP稳定判别规范基于达朗贝尔原理。而且，关于ZMP的概念以及ZMP稳定判别规范，记载在“LEGGED LOCOMOTION ROBOTS：MiomirVukobratovic著(“步行机器人和人造脚：加藤一郎译，日刊工业报社”)”。

虽由作业机械1向地表面30作用重力、惯性力、外力以及这些力的力矩，但根据达朗贝尔原理，其与作为由地表面30向作业机械1的反作用的地面反作用力以及地面反作用力力矩相平衡。

因此，在作业机械1与地表面30稳定接地的情况下，在将作业机械1和地表面30的接地点以不凹的方式连接的支撑多边形的边上或在其内侧存在间距轴以及辊轴方向的力矩变成零的点(ZMP)。反过来说，在ZMP存在于支撑多边形内，由作业机械1向地表面30作用的力按压地表面30的朝向即地面反作用力为正的情况下，可以说作业机械1稳定接地。

即，ZMP越靠近支撑多边形的中心稳定性越高，若在支撑多边形的内侧则作业机械1便能不会跌倒地进行作业，另一方面，在ZMP存在于支撑多边形上的情况下，作业机械1有开始跌倒的可能性。因此，通过对ZMP和作业机械1与地表面30形成的支撑多边形进行比较能够判定稳定性。

ZMP方程式

ZMP方程式是根据由重力、惯性力、外力产生的力矩的平衡，如以下所示地导出的。

式1

\underset{i}{Σ} m_{i} (r_{i} - r_{zmp}) \times r_{i}^{n} - \underset{j}{Σ} M_{j} - \underset{k}{Σ} (s_{k} - r_{zmp}) \times F_{k} = 0 . . . (1)

此处

rzmp：ZMP位置矢量

mi：第i个质点的质量

ri：第i个质点的位置矢量

r”i：施加于第i个质点的加速度矢量(包含重力加速度)

Mj：第j个外力力矩

sk：第k个外力作用点位置矢量

Fk：第k个外力矢量

而且，矢量是由X成分、Y成分、Z成分构成的三维矢量。

上式(1)左边的第1项表示根据在各质点mi上施加的加速度成分(包含重力加速度)生成的绕ZMP70(参照图3)(半径ri-rzmp)的力矩的总和。上式(1)左边的第2项表示作用于作业机械1的外力力矩Mj的总和。上式(1)左边的第3项表示根据外力Fk(将第k个外力矢量Fk的作用点设为sk)生成的绕ZMP70(半径sk-rzmp)的力矩的总和。

而且，式(1)描述如下：根据在各质点mi上施加的加速度成分(包含重力加速度)生成的绕ZMP70(半径ri--rzmp)的力矩的总和、外力力矩Mj的总和、根据外力Fk(将第k个外力Fk的作用点设为sk)生成的绕ZMP70(半径sk-rzmp)的力矩的总和相平衡。

根据式(1)所示的ZMP方程式，能够计算地表面30的ZMP70。

此处，对象物停止，仅重力作用时的ZMP方程式如下：

式2

\underset{i}{Σ} m_{i} (r_{i} - r_{zmp}) \times g = 0 . . . (2)

与静态重心的向地表面的投影点一致。因此，能够将ZMP作为考虑了动态状态以及静态状态的重心的投影点进行处理，通过将ZMP作为指标使用，从而能够统一处理对象物静止时和进行动作时的双方。

运算部

如上所述，为了对ZMP坐标、稳定判别进行运算，图2所示的运算部60g主要具备：连杆运算单元60a；ZMP运算单元60b；稳定性运算单元60c；推土铲接地判定单元60d、起重判定单元60e、横向外力运算单元60f的功能块。该构成运算部60g的各功能块能够利用在驱动运算部60g的程序中编入各功能的、软件逻辑来实现。

参照图1至图4对以下各功能块的功能进行说明。

连杆运算单元

图1以及图2所示的、在作业机械1的各部配备的姿势传感器3b、旋转角度传感器3s、起重臂角度传感器40a、臂角度传感器41a、铲斗角度传感器42a、下部行驶体加速度传感器2a、上部旋转体加速度传感器3a、起重臂加速度传感器10a、臂加速度传感器12a、销力传感器43a、44a的检测值发送至连杆运算单元60a。

在运算部60g的连杆运算单元60a中，使用图1所示的设置在上部旋转体3上的姿势传感器3b的值、和作业机械1各部所具备的、旋转角度传感器3s、起重臂角度传感器40a、臂角度传感器41a、铲斗角度传感器42a的检测值依次进行运动学计算。而且，将图3所示的各质点2P、3P、10P、12P的位置矢量r2、r3、r10、r12、根据下部行驶体加速度传感器2a、上部旋转体加速度传感器3a、起重臂加速度传感器10a、臂加速度传感器12a的检测结果算出的各质点的加速度矢量r”2、r”3、r”10、r”12、针对销43、44、横向外力作用点46的位置矢量s43、s44、s46、作用于销43、44的各外力矢量F43、F44、F46变换成以机械基准坐标系(O-XYZ)为基准的值。此处，运动学计算的方法能够使用例如作为非专利文献的“机器人控制基础论：吉川恒夫著，コロナ社(1988)”所记载的方法。

ZMP运算单元

在图2所示的运算部60g的ZMP运算单元60b中，使用变换成机械基准坐标系的各质点的位置矢量、加速度矢量以及外力矢量，计算出图4所示的ZMP70的坐标。

在第一实施方式中，由于将机械基准坐标系的原点O设定于下部行驶体2和地表面30接触的点，因此，若假定ZMP的Z轴坐标处在地表面30上，则rzmpz＝0。而且，在作业机械1中，通常在除铲斗23以外的部分几乎不作用外力、外力力矩，因此，忽视其影响，认为外力力矩M＝0。在该条件的基础上解开式(1)，如下所示，计算出ZMP70的X坐标rzmpx。

式3

r_{zmpx} = \frac{\underset{i}{Σ} m_{i} (r_{iz} r_{ix}^{n} - r_{ix} r_{iz}^{n}) - \underset{k}{Σ} (s_{kz} F_{kx} - s_{kx} F_{kz})}{\underset{i}{Σ} m_{i} r_{iz}^{n} - \underset{k}{Σ} F_{kz}} . . . (3)

而且，同样如下所示，计算出ZMP70的Y坐标rzmpy。

式4

r_{zmpy} = \frac{\underset{i}{Σ} m_{i} (r_{iy} r_{iz}^{n} - r_{iz} r_{iy}^{n}) - \underset{k}{Σ} (s_{ky} F_{kz} - s_{kz} F_{ky})}{\underset{i}{Σ} m_{i} r_{iz}^{n} - \underset{k}{Σ} F_{kz}} . . . (4)

在式(3)、(4)中，m是图3所示的各质点2P、3P、10P、12P的质量，代入各质点的质量m2、m3、m10、m12。

r”是各质点的加速度，代入各质点的加速度r”2、r”3、r”10、r”12。

s表示作为外力作用点的销43、44以及铲斗23的横向外力作用点46的位置矢量，代入s43、s44、s46。

F表示在作为外力作用点的销43、44以及铲斗23的横向外力作用点46上施加的外力矢量，代入F43、F44、F46。

如上所述，通过使用在作业机械1的各部上设置的各传感器的检测值，从而ZMP运算单元60b能够计算出ZMP70的坐标。

稳定性运算单元

接下来，稳定性运算单元60c以利用ZMP运算单元60b计算的ZMP70的坐标(X坐标：70x，Y坐标：70y)为基础进行作业机械1的稳定判别。如上所述，在ZMP70存在于由作业机械1和地表面30的接地点形成的支撑多边形L的内部的情况下，图1所示的作业机械1不会跌倒，能够进行作业。

因此，第一实施方式中的稳定性运算单元60c算出用作业机械1和地表面30形成的、图4(a)或(b)所示的支撑多边形L，针对该支撑多边形L，设定跌倒的可能性充分低的通常区域J和跌倒的可能性更高的跌倒警告区域N。

并且，稳定性运算单元60c在ZMP70的坐标处于通常区域J的情况下，对显示装置61输出与稳定性相关的信息。并且，在ZMP70的坐标处于跌倒警告区域N的情况下，稳定性运算单元60c对显示部61和警报装置63输出稳定性的信息和跌倒警告。

这样，通过在ZMP70处于跌倒警告区域N时发出警告，从而操作员能够在ZMP70到达支撑多边形L上之前得知跌倒的可能性。

图4是说明支撑多边形L以及ZMP70的图，图4(a)是表示下部行驶体正立于地表面的状态的支撑多边形的一个例子的图，(b)是表示下部行驶体被作业前部起重状态下的支撑多边形的一个例子的图。

而且，图4表示驾驶室4(参照图1)所具备的显示装置61(参照图1)所显示的图像，周围的双重线表示显示装置61的框。

如图4(a)所示，在作业机械1正立于地表面30的情况下，支撑多边形L与下部行驶体2的平面形状大致相等。因此，在下部行驶体2的平面形状为矩形的情况下，如图4(a)所示，支撑多边形L成为矩形。如图5所示，作为下部行驶体2具有履带时的支撑多边形L是将连接左右的链轮32的中心点的线作为前方边界线，将连接左右的惰轮33的中心点的线作为后方边界线，将左右各自的履带链节外侧端作为左右的边界线的四边形。而且，前方以及后方的边界可以是最前方的下部辊34以及最后方的下部辊34的接地点。

另一方面，若下部行驶体2由作业前部6起重，则由于作业机械1在作业前部6的前端部和下部行驶体2的后部(作业前部6在下部行驶体2的前方起重的情况下)与地表面30接触，因此，支撑多边形L成为图4(b)所示的多边形。

支撑多边形L的算出是参照推土铲接地判定单元60d或起重判定单元60e的判定结果，基于作业机械1的接地状态进行的。

通常区域J和跌倒警告区域N的边界K设定在支撑多边形L的内侧。具体而言，边界K作为根据按照安全率决定的比率将支撑多边形L向中心点侧缩小的多边形或将支撑多边形L向内侧移动与按照安全率决定的长度相应的量的多边形来设定。

在本实施方式中，由于是ZMP70处于跌倒警告区域N时发出警告的构成，因此跌倒警告区域N的面积越大，越能尽早发出警告。因此，考虑作业机械1所需求的安全性等决定跌倒警告区域N的大小即可。而且，安全率可以是预先设定的规定的值(例如80％等)，也可以是根据操作作业机械1的操作员的熟练程度和/或作业内容、路面、周围的状况等来变更的值。该情况下，考虑根据预先给予的信息、各种传感器的输出值等自动设定的构成和、操作员或作业管理者使用用户设定输入装置55任意设定安全率的构成等。

而且，上述安全率可以根据作业机械1的作业状态在作业中变更，也可以是针对前后左右使用不同的值的构成。

例如，在倾斜地中的作业中，ZMP70处于容易向倾斜面的谷侧移动，与山侧相比容易发生向谷侧的滚落的倾向。于是，如图6(a)所示，根据倾斜角度，以谷侧变宽的方式设定跌倒警告区域N。就倾斜角度而言，除了操作员的输入外考虑使用姿势传感器3b的检测值的方法。

另外，在发生了跌倒的情况下，向作业前部6存在的方向以外的跌倒与向作业前部6的方向的跌倒相比，更容易产生重大的事故。因此，如图6(b)所示，还可以根据作业前部6的方向，以作业前部6的方向以外的方向变宽的方式设定跌倒警告区域N。而且，作业前部6相对于支撑多边形L的方向能够由旋转角度传感器3s检测。

图7示出了考虑到作业状况、周围的状况的跌倒警告区域N的设定例。在图7的例子中设想如下状况：作业机械1在平缓的倾斜地将山侧作为前方停车，在作业机械1的后方以及左后方存在作业人员，而且在左侧存在卡车，在作业机械1的右侧存在沟。考虑跌倒产生时的影响的大小，相对于什么都不存在的前方，以在沟存在的方向使跌倒警告区域N变宽的方式进行设定，而且，以在作业人员和/或卡车存在的方向使跌倒警告区域N变得更宽的方式进行设定。而且，以容易发生跌倒的谷侧(后方)的跌倒警告区域变宽的方式进行设定。这样，作为设定跌倒警告区域N的方法，除了操作员、作业管理者随时手动变更设定外，考虑使用GPS、地图信息、作业的CAD设计图等的构成。通过使用上述信息，自动判别容易发生跌倒的方向、跌倒时受害较大的方向，能够自动变更通常区域J和跌倒警告区域N的边界K以使该方向的跌倒警告区域N变宽。

这样，通过将安全率设为适当的值能够不降低作业效率地进行安全的作业。

作业内容判定单元的追加

作为跌倒警告区域N的设定方法，考虑识别现在进行的作业内容，根据该作业内容对跌倒警告区域N的大小、形状进行变更的方法。

预先设定并存储吊装作业、挖掘作业、拆除作业、行驶等多种作业中的特征的操作模式(パタ一ン)和适于各自的作业内容的跌倒警告区域N。设置对向各驱动器11、13、15输入的输入指令量进行检测的控制杆操作量传感器51，从在ZMP计算单元中计算的作业前部姿势、铲斗外力和控制杆操作量传感器51的检测值的履历中选择预先设定的操作模式中最接近的模式，输出对应的跌倒警告区域N。这样，通过进行作业内容判定，能够设定符合各自作业的跌倒警告区域，能够在保持较高的作业效率的状态下提高安全性。

跌倒警告区域的大小的自动变更：运动量

另外，还可以根据作业机械1的运动的剧烈程度变更安全率。在作业机械1动作的期间，式(1)所示的ZMP方程式的惯性力得到的力矩项的影响变大，ZMP70的位移量变大。也就是，在作业机械1进行一些动作时，ZMP70容易到达支撑多边形L上，跌倒的可能性较高。于是，通过与作业机械1的运动状态相符地使跌倒警告区域N的大小变化，从而在作业机械1激烈运动时，较早输出跌倒警告。

此时，作为评价作业机械1的运动状态的激烈程度的指标，使用各质点的运动量的和。就是说，是图3所示设定的各质点2P、3P、10P、12P的质量m2、m3、m10、m12、与图1所示的各加速度传感器(下部行驶体加速度传感器2a、上部旋转体加速度传感器3a、起重臂加速度传感器10a、臂加速度传感器12a)的值的积分值或由各角度传感器的值的微分值计算出的各质点的速度r’2、r’3、r’10、r’12的积的绝对值的合计，以式子表示为：

式5

\underset{i}{Σ} | m_{i} \times r_{i}^{'} | . . . (5)

并且，根据式(5)的值的大小，决定跌倒警告区域N的大小。更具体而言，在以式(5)所示的运动量的和为0的情况下，将通常区域J和跌倒警告区域N的边界K设定在最大位置，在运动量为最大的情况下，设定在最小位置。即，运动量的和为0时，通常区域J变成最大，运动量为最大时，跌倒警告区域N变大，通常区域J变小。

并且，运动量的最大值根据由作业机械1的性能决定的缸速度计算。而且，将边界K的最大位置设为将支撑多边形L向内侧移动与考虑了测量精度和驾驶者的反应延迟的安全余裕相当的量的位置。而且，将边界K的最小位置设为将支撑多边形L向内侧移动从而即便以最大速度运动场合下也十分安全的的位置。并且，该边界K的最大位置和最小位置之间以直线进行插补，随着作业机械的运动量变大，边界K渐渐设定在内侧。其中，边界K的最大位置和最小位置之间的插补可以使用组合了抛物线、圆弧的曲线。

跌倒警告区域的大小的自动变更：动能

另外，作为评价使跌倒警告区域N变化的作业机械1的运动状况的激烈程度的指标，可以使用各质点的动能的和。就是说，是图3所示的各质点2P、3P、10P、12P的质量m2、m3、m10、m12、与速度r’2、r’3、r’10、r’12的平方的积的合计，以式子表示为：

式6

\underset{i}{Σ} (m_{i} \times r_{i}^{' 2}) . . . (6)

就第一实施方式中的、使用了ZMP70的稳定性的判定而言，无论在作业机械1进行何种动作的情况下，通过向式(3)、(4)的代入运算以及代入运算结果和规定的区域的比较便能够进行上述稳定性的判定。因而，由于无需设定复杂的模型，能够通过在任何动作中都进行相同的运算而进行稳定性的运算，因此，起到能够不根据动作的种类而能实现时刻的稳定性的运算以及判定的良好效果。

横向外力运算单元

在横向外力运算单元60f中，计算在铲斗23上施加的Y轴方向的外力F46(参照图5)。将Y轴方向的外力的作用点设为横向外力作用点46。由于很难直接测量施加在该横向外力作用点46上的外力矢量F46，因此，在横向外力运算单元60f中，使用设置在旋转马达7上的旋转马达压力传感器7i以及7o检测的驱动旋转马达7的液压的压力值进行计算。此时，横向外力运算单元60f使用图5所示的模型。图5是表示第一实施方式的上部旋转体的模型化的俯视图。

首先，根据旋转马达7所具备的、旋转马达压力传感器7i检测的吸入侧的液压和旋转马达压力传感器7o检测的喷出侧的液压的液压差，计算施加在上部旋转体3上的旋转转矩Tz3。

并且，通过上部旋转体3的旋转转矩Tz3除以利用连杆运算单元60a计算的横向外力作用点46的位置矢量s46的X方向成分sx46，来计算施加在横向外力作用点46上的横向外力的Y成分Fy46(＝Tz3/sx46)。

此处，由于考虑因上部旋转体3的旋转得到的横向(图5中的Y方向)的外力，因此，在利用旋转角度传感器3s检测的旋转角度为0的情况下，横向外力矢量F46仅具有Y方向的成分，横向外力矢量F46＝(0，Fy46，0)。而且，在旋转角度不为0的情况下，使用旋转角度将Fy46变换成以机械基准坐标系(O-XYZ)为基准的值。

这样计算的横向外力矢量F46作用于图3所示的铲斗23的横向外力作用点46上产生力矩。

推土铲接地判定单元

推土铲接地判定单元60d进行推土铲18是否与地表面30接触的判定。如图1所示，第一实施方式的作业机械1的下部行驶体2具有推土铲18，支撑多边形L的形状根据推土铲18的接地状态而变化。更具体而言，在推土铲18接地时，如图8所示，支撑多边形L成为包含推土铲底部的形状，支撑多边形L以扩大的方式变形。因此，为了更加正确地判断稳定性，在稳定性运算单元60b中，需要使用于跌倒警告区域N的设定的支撑多边形L的形状变化。

因此，推土铲接地判定单元60d使用对驱动推土铲缸19的液压的吸入侧压力以及喷出侧压力进行测量的推土铲缸压力传感器19i、19o的值Pb1，Pb2，判断推土铲18的接地状态。设定在无负荷状态下比推土铲18的驱动所需的压力大、且比使作业机械1起重所需的压力小的阈值Pb3，在作为Pb1和Pb2的差的Pb1-Pb2与阈值Pb3相比变大的情况下，判断为推土铲18与地表面30接触，向稳定性运算单元60c发送信号。

在稳定性运算单元60c中，接收来自推土铲接地判定单元60d的信号，使支撑多边形L的形状以图8所示那样扩大的方式变化。

起重判定单元

在起重判定单元60e中，以上部旋转体3的姿势传感器3b的检测值、旋转角度传感器3s的检测值和设置于销43、44上的销力传感器43a、44a的检测值为基础判断有无起重状态。

在图1中，将铲斗23压入地表面30，在使下部行驶体2的一部分抬起的状态(起重)中，由于作业机械1和地表面30的接地点变化，因此支撑多边形L的形状改变。即、支撑多边形L从图4(a)所示的矩形变成图4(b)所示的、由下部行驶体2的接地侧的2个端点以及铲斗23的接地点形成的多边形。这样，由于支撑多边形L的形状不连续变化，因此在起重状态中，即便ZMP70存在于图4(a)所示的矩形的范围内也具有达到跌倒的可能性。因此，为了准确判断稳定性，检测起重状态，需要在稳定性运算单元60c中使用于跌倒警告区域N的设定的支撑多边形L变化。

因此，起重判定单元60e在姿势传感器3b的值向作业前部6侧抬起的方向变化，且利用销力传感器43a、44a计算的作用于铲斗23上的力为按压地表面30方向的情况下，判断为起重状态，向稳定性运算单元60c发送信号。而且，在起重动作中，根据铲斗23的接地位置，下部行驶体2的哪一部分起重不同。

图9是表示作业前部6的方向和支撑多边形L的关系的图。在铲斗23在下部行驶体2的前方接地的情况下，下部行驶体2的前方浮起，支撑多边形L成为由下部行驶体2的后方的端点和铲斗23的接地点形成的多边形。同样，在铲斗23在下部行驶体2的后方接地的情况下，下部行驶体2的后方浮起，支撑多边形L成为由下部行驶体2的前方的端点和铲斗23的接地点形成的多边形。而且，在铲斗23在下部行驶体的右侧或左侧接地的情况下，下部行驶体2中右侧或左侧分别浮起，支撑多边形L成为由下部行驶体2的左侧或右侧的端点和铲斗23的接地点形成的多边形。

另一方面，在相对下部行驶体2倾斜的方向(下部行驶体2的前或后且左右的区域)上接地的情况下，由起重时的ZMP70的位置决定下部行驶体2的哪一部分浮起。若以使铲斗23在下部行驶体的右前方接地的情况为例，则如图9(c)以及(d)所示，相对于连接下部行驶体2的端点中距铲斗23的接地点的中心点(铲斗接地中心点)最远的端点(下部行驶体2的左后方的端点)和铲斗接地中心点的线段，在ZMP70存在于左前方(上方)的情况下，左前方的端点接地，下部行驶体2的右侧浮起。因此，支撑多边形L成为由下部行驶体2的左侧的端点和铲斗23的接地点形成的多边形。而且，相对于连接下部行驶体2的端点中距铲斗23的接地点最远的端点(下部行驶体2的左后方的端点)和铲斗23的接地点的线段，在存在于右后方(下方)的情况下右后方的端点接地，下部行驶体2前侧浮起，因此支撑多边形L成为由下部行驶体2的前侧的端点和铲斗23的接地点形成的多边形。

因此，在起重判定单元60e中，除了起重状态的判定外，在检测到起重状态的情况下，判定下部行驶体2的哪一部分浮起，哪一部分接地，计算支撑多边形L的形状，向稳定性运算单元60c发送信号。

使用旋转角度传感器3s、起重臂角度传感器40a、臂杆角度传感器41a、铲斗角度传感器42a的检测值依次进行运动学运算，计算铲斗23的接地点。根据计算出的铲斗接地点计算铲斗接地中心点，将下部行驶体2的端点中距铲斗接地中心点最远的端点作为第一接地端点。接下来，将连接第一接地端点和铲斗接地中心点的线段与ZMP70进行比较，将与第一接地端点邻接的2个端点中的ZMP70存在一侧的端点作为第二接地端点。并且，将连接第一以及第二接地端点和铲斗23的接地点而成的多边形作为支撑多边形L。

作为下部行驶体2的接地端点的其他的导出方法，可以构成为：使用姿势传感器3b和旋转角度传感器3s的检测值计算下部行驶体2的倾斜，将下部行驶体2的端点中谷侧的2点作为接地端点进行选择。

并且，在稳定性运算单元60c中，接收来自起重判定单元60e的信号，使支撑多边形L的形状变化。

显示装置

另外，如图1所示，第一实施方式的作业机械1具备显示装置61以及警报装置63。

显示装置(显示单元)61是由显像管、液晶面板等构成的装置，设置在驾驶室4(参照图1)内，显示控制装置60运算的支撑多边形L、跌倒警告区域N、ZMP坐标(参照图4)等。而且，显示装置61可以是显示跌倒警告的记号的构成。

这样，由于通过在驾驶室4所具备的显示装置61上显示稳定性、跌倒警告来使操作员总是认知跌倒的可能性，能够进行安全性较高的作业。

显示装置61可以是兼具用于操作员进行跌倒警告区域、警告方法等的设定的用户设定输入装置55的构成。该情况下，显示装置61具有触摸面板等的输入单元，进行设定输入用的图标的显示。

警报装置

再有，在第一实施方式的作业机械1中，警报装置(警报单元)63设置在驾驶室4内。警报装置63例如是蜂鸣器等发出警告音的装置，在利用控制装置60运算出的结果，ZMP70处于跌倒警告区域N(参照图4)的情况下，根据来自稳定性运算单元60c(参照图2)的控制发出警告音等的警报。

这样，由于利用驾驶室4所具备的警报装置63发出警报来使操作员认知跌倒的可能性，因此能够进行安全性较高的作业。

驾驶者·燃料的模型化

在以上的例子中，将操作员以及汽油等的燃料的质量设定成标准的固定值，虽是包含于上部旋转体3的质量的构成，但在需要精度较高的稳定判定的情况下、在操作员的体重差、燃料的剩余量的质量变化相对机械自身的质量所占的比率比较大的情况下，可以构成为根据操作员以及燃料的质量改变上部旋转体3的质量以及重心。针对操作员的质量，可以在驾驶席4内设置体重计等自动进行测量，操作员也可以使用用户设定输入装置55进行输入。而且，对于燃料的质量，考虑通过将利用燃料计检测的燃料的剩余量乘上使用的燃料的比重来计算的方法等。

远程操作

在以上的例子中，对设想操作员搭乘在作业机械1所具备的驾驶席4内进行作业机械1的操作的情况进行了说明。另一方面，作业机械1的操作有进行使用了无线等的远程操作的例子。在远程操作时，与搭乘时相比很难正确把握作业机械的姿势、路面的倾斜等，而且，即便是熟练的操作员也很难在感觉上把握作业机械的稳定性。因此，在远程操作时，针对操作员的稳定性信息的显示以及警告起到更加良好的效果。

在远程操作型的作业机械中，操作控制杆设置在作业机械1上以外的通常操作员进行操作的操作位置。显示装置、警报装置也可设置在操作员进行操作的位置。

另外，作为显示装置的利用方式，考虑作业管理者由远程地点进行作业机械1的状况的确认的例子。该情况下，除了操作员用的显示装置外，在作业机械1上以外的位置设置管理者用的显示装置，通过使用无线等进行数据传输，从而能够显示作业机械1的状况。管理者用显示装置的显示可以与驾驶者用的显示相同，也可以附加其他的信息显示。

以上，根据说明的第一实施方式，无论在作业机械1进行何种动作的情况下，可时刻计算包含作业前部的惯性力、外力的动态稳定性，能够不延迟地向驾驶者提示稳定性的信息。其结果，降低因不合理的操作使作业机械跌倒的可能性，能够提供安全性较高的作业机械。而且，通过检测推土铲的接地、起重等的作业机械和地表面的接地状况变化的动作，并变更跌倒警告区域，从而在接地状况变化的情况下也能够正确判定稳定性，提高安全性。

传感器构成变更例

以下针对第一实施方式中的传感器的构成，表示可能变更的例子(参照图1～图5)。

旋转角度传感器

对于旋转角度，有测量相对地表面30的绝对方位的方法和测量相对下部行驶体2的相对角度的方法。在第一实施方式中，虽利用旋转角度传感器3s检测相对角度，但也可以是使用地磁传感器、GPS等检测上部旋转体3以及下部行驶体2的绝对方位，利用绝对方位的差分计算相对旋转角的构成。通过这种构成，在很难设置旋转角度传感器3s的情况下也能够实施本发明。

角度传感器

在第一实施方式中，虽对于作业前部6的姿势的检测使用起重臂角度传感器40a以及臂角度传感器41a，但也可以是替换这些角度传感器而使用倾斜角传感器的构成。通过这种构成，即便在很难在支点40以及41上设置角度传感器的情况下也能够实施本发明。

无加速度传感器

在第一实施方式中，虽为了计算图3所示的各质点3P、10P、12P的加速度，使用上部旋转体加速度传感器3a、起重臂加速度传感器10a、臂加速度传感器12a，但可以不设置这些加速度传感器，而对角度传感器的值进行二次微分来求出加速度。例如，在求出上部旋转体3的旋转加速度的情况下，可以通过对由旋转角度传感器3s检测的上部旋转体3的旋转角度进行二次微分，求出上部旋转体3的旋转加速度。在该构成的情况下，虽需要注意二次微分引起的测量干扰，但能够减少设置的传感器的数量，而且，由于减少应向控制装置60发送的信号，因此能够做成更加廉价且简易的构成。

姿势传感器的设置位置

在第一实施方式中，虽将姿势传感器3b设置在上部旋转体3上，但也可以为设置在下部行驶体2上的构成。通过这种构成，不使用旋转角度传感器3s的检测值便能够计算机械基准坐标系相对通用坐标系的倾斜。

无姿势传感器

在第一实施方式中，虽为了检测路面的倾斜而使用上部旋转体3的姿势传感器3b，但在作为下部行驶体加速度传感器2a，使用能够测量直流成分(重力)的加速度传感器的情况下，可以为不设置姿势传感器3b的构成。该情况下，设置的传感器的数量减少，而且由于应向控制装置60发送的信号减少，因此能够做成更加廉价且简易的构成。

无姿势传感器

例如，像在定置工厂内的碎屑处理作业那样，在使用作业机械1的场地限于水平的场地的情况下，由作业机械1的倾斜引起的各质点的位置矢量r、外力作用点位置矢量s的变化十分小。

因此，在上述的情况下，可以为不设置上部旋转体3的姿势传感器3b的构成。在该情况下，设置的传感器的数量减少，而且由于应向控制装置60发送的信号减少，因此能够成为更加廉价且简易的构成。

此时，机械基准坐标系相对通用坐标系总是水平，计算ZMP70即可。

无下部行驶体传感器

无下部行驶体加速度传感器

另外，关于下部行驶体2的加速度，可以做成由上部旋转体3的加速度和旋转角度传感器3s检测的旋转角度来推定下部行驶体2的加速度的构成，而不设置检测下部行驶体2的加速度的下部行驶体加速度传感器2a的构成。

另外，在充分确保作业机械1的行驶中的稳定性，无需增加加速度的惯性力进行稳定性判别的情况下，可以为不设置下部行驶体2的下部行驶体加速度传感器2a的构成。

此时，下部行驶体2的加速度r’2仅作为重力成分，计算ZMP70即可。

无推土铲缸压力传感器

可以构成为在推土铲接地判定单元60d中操作员使用用户设定输入装置55输入推土铲的接地的有无的结构，而不设置推土铲缸压力传感器19i、19o的结构。

在作业机械1中，由于上部旋转体3相对于下部行驶体2旋转360度以上，因此，在下部行驶体2上配置传感器的情况下，为了向控制装置60传输传感器的检测值，需要使用集电环、无线等。如上所述，在做成不设置下部行驶体加速度传感器2a以及推土铲缸压力传感器19i、19o的构成的情况下，无需使用集电环、无线等的信息传输，能够做成更加简易且可靠性高的构成。而且，由于设置的传感器的数量减少，且应向控制装置60发送的信号减少，因此能够做成更加廉价且简易的构成。

无上部旋转体加速度传感器

在作业机械1不进行旋转动作的情况下，由上部旋转体3的惯性力产生的力矩与由作业前部6的惯性力产生的力矩相比非常小。

因此，在作业机械1几乎不进行上部旋转体3的旋转作业的情况下，可以做成不设置上部旋转体3的上部旋转体加速度传感器3a的构成。该情况下，由于设置的传感器的数量减少，且应向控制装置60发送的信号减少，因此成为更加廉价且简易的构成。

此时，上部旋转体3的加速度r”3仅作为重力成分计算ZMP70即可。

无旋转压力传感器

在作业机械1(参照图1)不使用旋转力进行作业的情况下，几乎不对铲斗23施加横向的外力。因此，不存在在作业中因外力而使稳定性恶化的问题，该情况下，可以做成不设置用于测量横向的外力的、检测旋转马达7的吸入侧压力以及喷出侧压力的旋转马达压力传感器7i以及7o的构成。该情况下，由于设置的传感器的数量减少，且应向控制装置60发送的信号减少，因此，能够成为更加廉价且简易的构成。而且，由于不进行横向外力的计算，因此能够减少运算量。

外力测量方法

以上，虽示出了为检测向铲斗施加的外力而设置销力传感器43a、44a的例子，但作为其他的检测方法有在动臂缸上设置压力传感器11a、11b的方法。在该方法中，从设置在动臂缸上的压力传感器11a、11b的检测值中计算包含铲斗外力和作业前部自重的力矩Ml，而且，从起重臂、臂、铲斗的各角度传感器的检测值和起重臂、臂、铲斗的各重心参数中计算作业前部的自重力矩Moc。接下来，从上述力矩Ml和Moc的差分以及旋转中心至铲斗的距离中计算铲斗外力。

无外力检测单元

例如，作业机械1作为作业工具装备未图示的刀具，在主要仅进行切断作业的情况下，由于切断作业利用刀具的内力进行，因此在作业中几乎不对作业前部6施加外力。因此，不存在作业中因外力而使稳定性恶化的问题，该情况下，可以做成不设置对作用于销43、44(参照图1)的外力进行检测的销力传感器43a、44a的构成。

该情况下，在作业工具上也设置加速度传感器，以由作业机械1施加的重力和由作业工具施加的惯性力为基础进行ZMP运算即可。

这样，通过不设置销力传感器43a、44a的构成，能够成为更加廉价的构成。

第二实施方式

振摆支柱型

接下来，参照图10以及图11对本发明的第二实施方式进行说明。图10是表示第二实施方式中作业机械的概要侧视图，图11是模型化地表示第二实施方式的上部旋转体的俯视图。在图10以及图11中，对于与第一实施方式相同的构成要素标记相同的符号，并省略说明。

第二实施方式与第一实施方式的不同点是在上部旋转体3和起重臂10之间具有进行左右摆动的振摆机构。以下，主要对与第一实施方式的不同点进行说明。

硬件构成

主体

如图10所示，在第二实施方式的作业机械1a中，在下部行驶体2上以能够旋转的方式安装上部旋转体3，上部旋转体3由旋转马达7驱动。在该上部旋转体3上安装有驾驶室4、配重8等。而且，在上部旋转体3的前方设有振摆支柱24，该振摆支柱24以支点45左右自由摇动，振摆支柱24由连接在上部旋转体3和振摆支柱24上的振摆缸25(参照图11)左右摇动。而且，作业机械1a具备控制作业机械1a整体的控制装置80。

作业前部

另外，在振摆支柱24上设有起重臂10，该起重臂10以支点40上下自由摇动，在起重臂10上设有臂12，该臂12以支点41自由摇动。而且，在臂12上设有铲斗23，该铲斗23以支点42自由转动。而且，与第一实施方式相同，以起重臂10、臂12构成作业前部6。

另外，如图10所示，具备驱动起重臂10的动臂缸110，连接在振摆支柱24和起重臂10上。而且，臂12由臂缸13驱动，铲斗23由作业工具缸15驱动。

驾驶室

上部旋转体3具备操作作业机械1a的操作员用的驾驶室4，与第一实施方式相同，在驾驶室4中设有操作装置50、显示装置61以及警报装置63。

传感器

与第一实施方式相同，在作业机械1a中设有旋转角度传感器3s、姿势传感器3b、起重臂角度传感器40a、臂角度传感器41a、铲斗角度传感器42a、下部行驶体加速度传感器2a、上部旋转体加速度传感器3a、起重臂加速度传感器10a、臂加速度传感器12a。

振摆角度传感器

除此之外，在上部旋转体3和振摆支柱24的支点45上设有用于检测振摆支柱24的转动角度的振摆角度传感器45a。

振摆压力传感器

如图11所示，在驱动振摆支柱缸25的液压的吸入侧以及喷出侧设有检测吸入侧压力以及喷出侧压力的振摆压力传感器25i以及25o。

控制装置

图12是第二实施方式的作业机械所具备的控制装置的概要构成图。在图10所示的控制装置80的功能块中，对与第一实施方式的控制装置60的功能块相同的功能块标记相同的符号，并省略说明。

横向外力运算单元

由于很难直接测量施加在铲斗23(参照图10)上的横向的外力，因此，根据设置在振摆缸25(参照图11)上的压力传感器25i以及25o检测的、驱动振摆缸25的液压的吸入侧压力以及喷出侧压力来进行计算。更具体而言，使用图11所示的模型。

首先，从设置在振摆缸25上的振摆压力传感器25i以及25o检测的吸入侧压力以及喷出侧压力的压力差中计算施加在振摆支柱24的支点45周围的摇动转矩Tz45。接下来，通过使用作业前部6所具备的振摆角度传感器45a、起重臂角度传感器40a、臂角度传感器41a、铲斗角度传感器42a(参照图10)的检测值进行连接运算(リンク演算)，计算从振摆支柱24的支点45至铲斗23的横向外力作用点46的距离矢量l。此处，通过使摇动转矩Tz45除以从支点45至横向外力作用点46的距离矢量l的X方向成分lx45，计算施加在横向外力作用点46上的横向外力的Y成分Fy46(＝Tz3/lx45)。

连接运算(リンク演算)单元

如图10所示，通过使用配备在作业机械1a的各部上的姿势传感器3b、旋转角度传感器3s、振摆角度传感器45a、起重臂角度传感器40a、臂角度传感器41a、铲斗角度传感器42a、下部行驶体加速度传感器2a、上部旋转体加速度传感器3a、起重臂加速度传感器10a、臂加速度传感器12a、销力传感器43a、44a的值和横向外力矢量F46依次进行运动学计算，从而将各质点位置矢量r2、r3、r10、r12、各质点加速度矢量r”2、r”3、r”10、r”12、各外力作用点位置矢量s43、s44、各外力矢量F43、F44、F46变换成以机械基准坐标系(O-XYZ)为基准的值。

稳定性运算单元

在第二实施方式中，稳定性运算单元60c使用连接运算的结果，与第一实施方式相同地计算ZMP坐标，进行稳定判别。

并且，在第二实施方式中，与第一实施方式相同，能够进行各种传感器的变更、删除。而且，可以为不具备上部旋转体3的构成。

第三实施方式

偏置型

参照图13以及图14对本发明的第三实施方式进行说明。图13是表示第三实施方式中的作业机械的概要侧视图，图14是模型化地表示第三实施方式的上部旋转体的俯视图。在图13以及图14中，对与第一实施方式相同的构成要素标记相同的符号，并省略说明。

第三实施方式与第一实施方式的不同点是作为左右摇动机构具有使比作业前部6的臂12更靠前的前端在左右平行移动的偏置机构。以下，主要对与第一实施方式的不同点进行说明。

硬件构成

主体

如图13所示，第三实施方式的作业机械1b主要由下部行驶体2、上部旋转体3、驱动上部旋转体3的旋转马达7构成。在上部旋转体3上设有驾驶室4、配重8等。而且，具备控制作业机械1b整体的控制装置90。

作业前部

作业前部6具备：以上下自由摇动的方式设置在上部旋转体3上的起重臂(下起重臂)10；设置在起重臂10的前端侧的上起重臂26；设置在上起重臂26的前端侧的臂支撑体28；以自由摇动的方式安装在臂支撑体28的前端侧的臂12；以自由转动的方式安装在臂12的前端侧的铲斗23；连接起重臂10和臂支撑体28之间的连杆棒29；驱动起重臂10的动臂缸11；驱动臂12的臂缸13；驱动铲斗23的作业工具缸15以及使上起重臂26在左右方向摇动的偏置缸27。

并且，如图14所示，作业前部6利用偏置缸27使起重臂10和上起重臂26之间的支点47、上起重臂26和臂支撑体28之间的支点48中的旋转角度变化，成为使上起重臂26相对下起重臂10在左右方向平行移动(偏置)的状态。第三实施方式的作业机械1b在如上述那样使作业前部6偏置后的状态下使起重臂10、臂12以及铲斗23等的作业工具的各缸摇动，从而例如进行道路旁边的侧沟等的挖掘作业。

驾驶室

另外，上部旋转体3具备操作作业机械1b的操作员用的驾驶室4，与第一实施方式相同，在驾驶室4中设置有操作装置50、显示装置61以及警报装置63。

传感器

如图13所示，与第一实施方式相同，在作业机械1b上设有旋转角度传感器3s、姿势传感器3b、起重臂角度传感器40a、臂角度传感器41a、铲斗角度传感器42a、下部行驶体加速度传感器2a、上部旋转体加速度传感器3a、起重臂加速度传感器10a、臂加速度传感器12a。

偏置角度传感器

如图14所示，除了上述各传感器外，在偏置的支点48上设有用于检测支点48中的旋转角度的偏置角度传感器48a。

偏置压力传感器

另外，在偏置缸27上设有对驱动偏置缸27的液压的吸入侧压力以及喷出侧压力进行检测的偏置压力传感器27i以及27o。

控制装置

图15是第三实施方式的作业机械所具备的控制装置的概要构成图。在图15所示的控制装置90的功能块中，对与第一实施方式的控制装置60的功能块相同的功能块标记相同的符号，并适当省略说明。

横向外力运算单元

由于很难直接测量对图14所示的铲斗23施加的横向的外力，所以从驱动偏置缸27的液压的吸入侧压力以及喷出侧压力中来进行计算。更具体而言，使用图14所示的模型。

首先，从设置在偏置缸27上的偏置压力传感器27i以及27o检测的吸入侧压力以及喷出侧压力的压力差中计算对偏置的支点48周围施加的摇动转矩Tz48。

接下来，使用作业前部6所具备的、起重臂角度传感器40a、臂角度传感器41a、铲斗角度传感器42a、偏置角度传感器48a(参照图13)的检测值进行连接运算，计算从偏置的支点48至铲斗23的横向外力作用点46的距离矢量l。此处，通过使摇动转矩Tz48除以距离矢量lのX方向成分lx48，计算对横向外力作用点46施加的横向外力的Y成分Fy46(＝Tz3/lx48)。

连接运算单元

如图13所示，使用配备在作业机械1b的各部上的姿势传感器3b、旋转角度传感器3s、起重臂角度传感器40a、臂角度传感器41a、铲斗角度传感器42a、偏置角度传感器48a、下部行驶体加速度传感器2a、上部旋转体加速度传感器3a、起重臂加速度传感器10a、臂加速度传感器12a、销力传感器43a、44a的各检测值和横向外力矢量F46依次进行运动学计算，从而将各质点位置矢量r2、r3、r10、r12、各质点加速度矢量r”2、r”3、r”10、r”12、各外力作用点位置矢量s43、s44、各外力矢量F43、F44、F46变换成以机械基准坐标系(O-XYZ)为基准的值。

稳定性运算单元

并且，稳定性运算单元60c使用连接运算结果，与第一实施方式相同计算ZMP坐标，进行稳定判别。

另外，在第三实施方式中，与第一实施方式相同，能够进行各种传感器的变更、删除。而且可以为不具备上部旋转体3的构成。

如以上说明，根据本发明的实施方式，时刻计算包含动作中的作业前部的惯性力、外力的动态稳定性，能够不延迟地向操作员提示。因此，降低因不合理的操作使作业机械跌倒的可能性，能够提供安全性较高的作业机械。

另外，通过检测推土铲的接地或起重等作业机械和地表面的接地状况变化的动作，变更稳定范围，从而即便在接地状况变化的情况下也能够正确判定稳定性，能够提高安全性。

第四实施方式

参照图16以及图17对本发明的第四实施方式进行说明。图16是表示第四实施方式中的作业机械的概要侧视图，图17是表示第四实施方式中的支撑多边形的一个例子的图。在图16以及图17中，对与第一实施方式相同的构成要素标记相同的符号，并省略说明。

第四实施方式与第一实施方式的不同点是在下部行驶体2的行驶部具有车轮。以下，主要对与第一实施方式的不同点进行说明。

硬件构成

主体

如图16所示，第四实施方式的作业机械1c主要由下部行驶体2、上部旋转体3、上部旋转体3、驱动上部旋转体3的旋转马达7构成。在上部旋转体3上设有驾驶席4、配重8等。而且，具备控制作业机械1c整体的控制装置90。

下部行驶体

下部行驶体2由车轮35、液压支腿36、液压支腿缸37以及支撑他们的架、车轴等构成。液压支腿36由液压支腿缸37驱动。

作业前部、驾驶席

作业前部6的构成与第一实施方式相同。而且，与第一实施方式相同在驾驶席4中设有操作装置50、显示装置61以及警报装置63。

传感器

如图16所示，与第一实施方式相同，在作业机械1c上设有旋转角度传感器3s、姿势传感器3b、起重臂角度传感器40a、臂角度传感器41a、铲斗角度传感器42a、下部行驶体加速度传感器2a、上部旋转体加速度传感器3a、起重臂加速度传感器10a、臂加速度传感器12a。

控制装置

控制装置60的基本构成与图2所示的第一实施方式相同。在控制装置60的功能块中，针对与第一实施方式相同的模块省略说明。

稳定性运算单元

与第一实施方式相同，稳定性运算单元60c以在ZMP运算单元60b中计算的ZMP70的坐标为基础进行稳定性判别。稳定性运算单元60c计算由作业机械1和地表面30形成的支撑多边形L，并相对于该支撑多边形L，设定跌倒的可能性充分低的通常区域J和跌倒的可能性更高的跌倒警告区域N，在ZMP70的坐标处于通常区域J的情况下，对显示装置61输出与稳定性相关的信息。并且，在ZMP70的坐标处于跌倒警告区域N的情况下，稳定性运算单元60c对显示部61和警报装置63输出稳定性的信息和跌倒警告。

图17是表示第四实施方式中的支撑多边形L的一个例子的图。如图17(a)所示，使前后左右全部的液压支腿36接地时的支撑多边形L成为连接前后左右的液压支腿36的接地点的四边形。在具有摇动式的液压支腿的情况下，在摇动时，是连接液压支腿接地面中摇动的中心线的正下方的液压支腿接地点的四边形，在具有固定式的液压支腿的情况下，成为连接液压支腿接地面中距中心最远的点的四边形。在不使液压支腿36接地的情况下，如图17(b)所示，连接前后左右的车轮35的接地点的四边形成为支撑多边形L。而且，在不具有液压支腿的车轮式的作业机械中，支撑多边形L与图17(b)相同。在使液压支腿36仅在前后左右中的任意一个接地的情况下以及仅在前后左右中任意一处具有液压支腿36的情况下，支撑多边形L成为连接接地的液压支腿36的接地点以及前后左右中液压支腿不接地的方向的车轮35的接地点的四边形。在仅使前方的2个液压支腿接地，使后方的2个液压支腿不接地的情况下，成为图17(c)所示的例子。

在支撑多边形L的计算中，可以基于操作员的设定来变更液压支腿36的接地的有无，也可以构成为自动判定。作为自动判定液压支腿36的接地有无的方法，考虑在各液压支腿或各液压支腿缸37上设置姿势传感器，根据液压支腿的姿势判定设置的有无的方法或在各液压支腿缸37上设置压力传感器，根据压力检测值判定设置的有无的方法。

通常区域J和跌倒警告区域N的边界K设定在支撑多边形L的内侧。与第一实施方式相同地决定边界K。

另外，在第四实施方式中也与第一实施方式相同，能够进行各种传感器的变更、删除。而且，可以为不具备上部旋转体3的构成。

以上，对本发明的第一～第四实施方式进行了说明，但在任意的实施方式中，能够根据作业机械的动作状态变更稳定判别的条件，并基于变更后的稳定判别的条件，判别作业机械的稳定性。即起到如下良好的效果：驾驶者能够与作业机械的动作状态对应地时刻确认稳定性，能够进行安全性较高的作业。

另外，在以上的各实施方式中，虽对作为下部行驶体2具有履带的例子进行了说明，但在作为下部行驶体2具有卡车式等的其他方式的情况下，也能够同样适用。

另外，在以上的各实施方式中，作为作业机械1虽以液压挖掘机为例进行了说明，但若是具有行驶体和作业前部的作业机械，则能够适用本发明。

另外，在以上的各实施方式中，虽对设想使用作业机械1进行实际作业进行了说明，但可以将本发明适用于模拟器等并进行实施。

另外，在以上的实施方式中，作为用于对ZMP70进行运算的模型虽使用了集中质点模型，但也可以是基于刚体模型等的其他的模型化形式进行实施的构成。

另外，在以上的各实施方式中，虽基于具备上部旋转体3的作业机械1进行了说明，但也可以是不具备上部旋转体3的作业机械1。该情况下，成为在下部行驶体2上直接具备作业前部6的方式。而且，成为姿势传感器3b配备在下部行驶体2上，不具备旋转角度传感器3s、上部旋转体加速度传感器3a的方式。

符号说明

1、1a、1b-作业机械，2-下部行驶体，2a-下部行驶体加速度传感器(下部行驶体速度检测单元)，3-上部旋转体，3a-上部旋转体加速度传感器(上部旋转体速度检测单元)，3b-姿势传感器，3c-旋转中心线，3s-旋转角度传感器，4-驾驶室，6-作业前部，7-旋转马达，7i、7o-旋转马达压力传感器，10-起重臂(作业前部)，10a-起重臂加速度传感器(加速度传感器、起重臂速度检测单元)，12-臂(作业前部)，12a-臂加速度传感器(加速度传感器、臂速度检测单元)，13-臂缸，15-作业工具缸，18-推土铲，19-推土铲缸，19i、19o-推土铲缸压力传感器，23-铲斗(作业工具)，30-地表面，32-链轮齿(起动轮)，33-惰轮(浮动轮)，34-下部辊，35-车轮，36-液压支腿，37-液压支腿缸，40、41、42-支点，40a-起重臂角度传感器(角度传感器)，41a-臂角度传感器(角度传感器)，42a-铲斗角度传感器，43、44-销，43a、44a-销力传感器，46-横向外力作用点，50-操作控制杆，55-用户设定输入装置，60、80、90-控制装置，60a-连接运算单元，60b-ZMP运算单元，60c-稳定性运算单元，60d-推土铲接地判定单元，60e-起重判定单元，60f-横向外力运算单元，61-显示装置(显示单元)，63-警报装置(警报单元)，70-ZMP坐标，L-支撑多边形，J-通常区域，N-跌倒警告区域，K-边界，2P、3P、10P、12P-质点(重心位置)。

Claims

1.一种作业机械，具备行驶体、安装在该行驶体上的作业机械主体、以在上下方向自由摇动的方式安装在该作业机械主体上的作业前部、以及安装在该作业前部的前端的作业工具，其特征在于，具备：

ZMP运算单元，分别使用包含上述作业前部的上述主体以及行驶体的各可动部的位置信息、加速度信息、外力信息来计算ZMP的坐标；以及

稳定性运算单元，计算上述作业机械与地面的多个接地点形成的支撑多边形，以上述计算出的ZMP坐标为基础进行稳定判别，在上述ZMP包含在形成于上述支撑多边形的周边缘的内侧的警告区域时发出跌倒警告，

上述ZMP运算单元以及稳定性运算单元对上述ZMP以及包含上述警告区域的支撑多边形进行运算并进行显示或警报。

2.根据权利要求1所述的作业机械，其特征在于，

具有检测上述作业机械的动作角度的角度传感器、检测上述作业机械的动作加速度的加速度传感器、检测施加在连接上述作业前部和上述作业工具的销上的外力的销力传感器的至少任一个，

上述ZMP运算单元基于上述传感器的输出值，计算包含上述作业前部的上述主体以及构成行驶体的各可动部的位置矢量、加速度矢量以及外力矢量。

3.根据权利要求1所述的作业机械，其特征在于，

上述稳定性运算单元根据作业状态、操作员的指示逐次变更上述支撑多边形、上述警告区域以及稳定度。

4.根据权利要求3所述的作业机械，其特征在于，具备：

以上下自由摇动的方式连接在上述行驶体上的推土铲；

驱动上述推土铲的推土铲缸；

检测驱动上述推土铲缸的液压的吸入侧压力以及喷出侧压力的推土铲缸压力传感器；

根据上述推土铲缸压力传感器的吸入侧压力和喷出侧压力的压力差，判定上述推土铲的接地状态的推土铲接地判定单元，

上述稳定性运算单元在上述推土铲接地判定单元判定为上述推土铲接地时，变更上述支撑多边形的形状。

5.根据权利要求3所述的作业机械，其特征在于，

具备起重判定单元，基于检测施加在销上的外力的销力传感器所检测出的施加在上述销上的外力和由检测上述行驶体的倾斜角的姿势传感器得到的上述行驶体的倾斜角，判定有无利用作业前部进行的起重，其中，上述销将作业工具安装在作业前部上，

上述稳定性判别单元在上述起重判定单元判定为起重状态的情况下，变更上述支撑多边形的形状。

6.根据权利要求3所述的作业机械，其特征在于，具有：

以上下自由摇动的方式安装在上述行驶体上的起重臂；借助于关节以自由摇动的方式与该起重臂连接的臂；

检测上述起重臂的动作速度的起重臂速度检测单元以及检测臂的动作速度的臂速度检测单元；以及

检测上述下部行驶体的行驶速度的下部行驶体速度检测单元，

上述稳定性运算单元基于预先给予的上述下部行驶体的质量、上述起重臂的质量、上述臂的质量、上述行驶体速度检测单元检测的上述行驶体的行驶速度、上述起重臂速度检测单元检测的上述起重臂的动作速度以及上述臂速度检测单元检测的上述臂的动作速度，来变更上述警告区域的大小。