CN112601863B - 工程机械和评价装置 - Google Patents

Abstract

本发明的工程机械（100）包括：下部行走体（10）；上部回转体（20），以相对于下部行走体（10）能够回转的结构而被安装；作业装置（30），以相对于上部回转体（20）在上下方向上能够摆动的结构而被安装，包含多个附属装置（31、32、33）；运动状态获取部（71），获取多个附属装置（31、32、33）的合成重心的运动状态量；等效系统生成部（72），将传递函数作为等效地表示作业装置（30）的动作的等效系统来生成，该传递函数以驱动作业装置（30）的驱动力作为输入且以运动状态量作为输出；以及，参数推测部（73），将传递函数的系统衰减系数及固有角频率作为操作技能评价值来推测。

Description

工程机械和评价装置

技术领域

本发明涉及对操作工程机械的操作人员的操作技能进行评价的技术。

背景技术

近来的建筑行业中，建筑投资额减少且年轻人的就业劳动人口下降显著，日趋老龄化。另一方面，在这样的社会环境下，存在如下的动向：实现工资高且能够取得休假并且有希望的建筑现场，通过创建有魅力的建筑现场来提高生产率。于是，便要求兼顾本来相矛盾的生产率提高和有魅力的建筑现场创建。在以建筑行业为首的各种产业中，在国家主导下正在推进作为实现生产率提高和有魅力现场创建的对策的“i-Construction（智能建设）”。在该“i-Construction”中，通过ICT（Information and communication Technology（信息通讯技术））工程机械的利用或基于作业自动化的少人化来提高人均生产率。

然而，在建筑现场，依然需要依赖人的操作或判断的场面例如非固定的作业内容或现场环境等还很多。在这样的情况下，液压挖掘机等工程机械的生产率会受到操作人员的技术水平的影响。即，操作人员必须按照现场环境或作业内容来分别操作工程机械的多个操作杆。因此，技能高的熟练操作人员能够实现生产率高的有效作业。

近年来，老练的操作人员基于高龄而逐渐引退，年轻的操作人员逐步成为主力。因此，为了获得高生产率，必须提高非熟练人员的操作技术水平。然而，由于提高操作技术水平需要时间，因此，必须采取各种各样的对策，以提高控制等的生产率。

例如，非专利文献1中提出了一种通过使液压挖掘机的挖掘轨迹跟随既定的轨道来提高生产率的控制。此外，例如非专利文献2中报告一种预想到将来的自动化而使挖掘反作用力较小的铲斗动作方法。此外，例如在关于技术水平的评价的非专利文献3中还提出了一种根据挖掘作业中的铲斗远端轨迹的参差来评价熟练度的方法。

非专利文献1和非专利文献2是关于提高作业中的生产率的控制方法的技术。非专利文献1及非专利文献2中的生产率会较大地受到操作人员的技术水平也就是作业良否的影响。非专利文献1及非专利文献2中并没有关于评价操作人员的操作技能的记载。

此外，非专利文献3是根据挖掘作业中的铲斗远端轨迹的参差来评价熟练度的技术。然而，非专利文献3中并没有考虑到作业的动态状况。因此，只要轨迹跟随目标轨迹，即使动作较慢（生产率较低）也被评价为高熟练度。因此，非专利文献3的技术难以正确地评价操作人员的技能。

现有技术文献

非专利文献

非专利文献1：横田真一．液压挖掘机的三轴斗杆系统的鲁棒轨迹控制－基于干扰观测器的控制的有效性研讨．日本机器学会论文集C系列，2000，Vol.66，No.648，pp.2549-2556．

非专利文献2：吉田达哉．液压挖掘机的挖掘作业中的效率提高的研讨．日本机器学会论文集C系列，2012，Vol.78，No.789，pp.1596-1606．

非专利文献3：境田右轨．熟练操作人员的液压挖掘机操作的分析．第23次日本机器人学会技术演讲会，2005，Vol.23，p.3121。

发明内容

本发明为解决上述的问题而作，其目的在于提供一种能够简单且正确地评价操作人员的操作技能的技术。

本发明的一个方面所涉及的工程机械包括：下部行走体；上部回转体，以相对于所述下部行走体能够回转的结构而被安装；作业装置，以相对于所述上部回转体在上下方向上能够摆动的结构而被安装，包含多个构件；获取部，获取所述多个构件的合成重心的运动状态量；生成部，将传递函数作为等效地表示所述作业装置的动作的等效系统来生成，所述传递函数以驱动所述作业装置的驱动力作为输入、以所述获取部获取的所述运动状态量作为输出；以及，推测部，将所述生成部生成的所述传递函数的系统衰减系数及固有角频率作为操作人员的操作技能评价值来推测。

根据本发明，能够简单且正确地评价操作人员的操作技能。

附图说明

图1是表示本实施方式所涉及的工程机械的一个例子的侧视图。

图2是表示本实施方式所涉及的控制装置的结构的方块图。

图3是表示本实施方式的变形例所涉及的控制装置的结构的方块图。

图4是用于说明利用图3所示的控制装置来控制作业装置的处理的流程图。

图5是表示本实施方式所涉及的作业装置的反馈系统的结构的图。

图6是用于说明本实施方式所涉及的作业装置的合成重心的图。

图7是用于说明本实施方式所涉及的操作技能评价测验的条件的图。

图8是表示本实施方式所涉及的操作技能评价测验中的参数推测对象数据（输出数据）的图。

图9是表示本实施方式所涉及的操作技能评价测验中的参数推测对象数据（输入数据）的图。

图10是表示本实施方式所涉及的操作技能评价测验中的参数推测结果的图。

图11是表示根据图10所示的参数推测结果算出的系统衰减系数及固有角频率的图。

图12是表示本实施方式所涉及的操作技能评价测验中的合成重心速度的经时变化的图。

图13是表示本实施方式所涉及的操作技能评价测验中的杆输入的经时变化的图。

图14是表示用于本实施方式所涉及的指标值设定的测验中的合成重心速度的经时变化的图。

图15是表示用于本实施方式所涉及的指标值设定的测验中的杆输入的经时变化的图。

图16是表示根据图14及图15所示的数据而被算出的参数表的图。

图17是对本实施方式所涉及的设定指标值和图11所示的各被测验人员的参数推测结果进行比较的图。

图18是表示利用了本实施方式所涉及的指标值的控制中的合成重心的角速度的经时变化的图。

图19是表示利用了本实施方式所涉及的指标值的控制中的输入转矩的经时变化的图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式所涉及的工程机械进行说明。以下的实施方式只不过是本发明的一个具体例，其并不限定本发明的技术范围。

图1是表示实施方式所涉及的工程机械的一个例子的侧视图。

如图1所示，工程机械100具备：下部行走体10；上部回转体20，以能够相对于下部行走体10回转的结构而被安装；作业装置30，以能够相对于上部回转体20沿上下方向摆动的结构而被安装。作业装置30具备多个分别沿垂直方向摆动的被驱动构件（动臂31、斗杆32、铲斗33）。多个被驱动构件相互连结。作业装置30的动臂31的基端在上部回转体20的前部被支撑。

动臂31、斗杆32及铲斗33分别被动臂工作缸51、斗杆工作缸52及铲斗工作缸53驱动。根据操作人员对搭载在上部回转体20的驾驶室内的多个操作杆（省略图示）进行的操作而对动臂工作缸51、斗杆工作缸52及铲斗工作缸53输出动作指示。具体而言，在驾驶室内设置有与各操作杆相对应的采用液压先导方式的操作装置（省略图示）。通过对应于来自该操作装置的信号而被供应的液压油的驱动，动臂工作缸51、斗杆工作缸52及铲斗工作缸53伸缩。由此，动臂31、斗杆32及铲斗33分别摆动，从而使铲斗33的位置及姿势变化。

本实施方式的特征在于，工程机械100具备如下的控制装置70：明确熟练人员和非熟练人员的操作特征的差异，简单且正确地评价操作人员的熟练度（操作技能），根据该评价来有效地控制工程机械100。

图2是表示本实施方式所涉及的控制装置的结构的方块图。

如图2所示，控制装置70具备运动状态获取部71、等效系统生成部72、参数推测部73。控制装置70是评价装置的一个例子，运动状态获取部71是获取部的一个例子，等效系统生成部72是生成部的一个例子，参数推测部73是推测部的一个例子。

运动状态获取部71获取作业装置30所包含的多个构件的合成重心的运动状态量。即，运动状态获取部71通过利用安装在作业装置30的各构件（动臂31、斗杆32及铲斗33）上的传感器来检测各构件的姿势而测量或计算作业装置30的合成重心的运动状态量。

等效系统生成部72将以驱动作业装置30的驱动力作为输入且以运动状态获取部71所获取的运动状态量作为输出的传递函数，作为等效地表示作业装置30的动作的等效系统来生成。

参数推测部73将由等效系统生成部72生成的传递函数的参数作为操作人员的操作技能评价值来推测。所述参数包含系统衰减系数及固有角频率。

根据以上所说明的本实施方式，由多个构件（附属装置）构成的作业装置30能够作为等效地表示仅以多个附属装置的合成重心进行的动作的等效系统来处理。因此，能够削减作为操作人员的操作特征或操作技能的评价的对象的参数数，从而能够简单地评价操作人员的操作技能。此外，由于能够根据等效系统的传递函数的参数来获得操作人员的操作特征量，因此，能够定量地评价操作人员的熟练度的差异也就是操作技能。具体而言，根据构成等效系统的传递函数的系统衰减系数，能够定量地评价衰减性（上冲的程度）。此外，根据构成等效系统的传递函数的固有角频率，能够定量地评价速度响应性（作业速度）。

图3是表示本实施方式的变形例所涉及的控制装置的结构的方块图。

本实施方式的变形例中，如图3所示，控制装置70不仅具备运动状态获取部71、等效系统生成部72及参数推测部73，而且还具备动态特性调整部74。动态特性调整部74根据参数推测部73所推测的操作技能评价值与预先设定的指标值的差值来调整作业装置30的动态特性。此外，指标值能够根据操作方法或作业内容来变更。

图4是用于说明利用图3所示的控制装置来控制作业装置的处理的流程图。

如图4所示，首先，在步骤S1中，运动状态获取部71获取作业装置30所包含的多个构件的合成重心的运动状态量。

其次，在步骤S2中，等效系统生成部72获取驱动动作业装置30的多个构件各者的驱动力。

其次，在步骤S3中，等效系统生成部72将以驱动作业装置30的驱动力作为输入且以运动状态获取部71所获取的运动状态量作为输出的传递函数，作为等效地表示作业装置30的动作的等效系统来生成。

其次，在步骤S4中，参数推测部73将由等效系统生成部72生成的传递函数的参数作为操作人员的操作技能评价值来推测。此外，所取得的参数为系统衰减系数及固有角频率。

其次，在步骤S5中，动态特性调整部74判断由参数推测部73推测的参数也就是操作技能评价值与预先设定的指标值之间是否存在差异。

此处，在被判断为操作技能评价值与指标值之间存在差异的情况下（步骤S5中为“是”），在步骤S6中，动态特性调整部74根据参数推测部73所推测的操作技能评价值与预先设定的指标值的差值来调整作业装置30的动态特性。即，动态特性调整部74根据由参数推测部73所推测的操作技能评价值与预先设定的指标值的差值，来使作业装置30的控制器的参数变化，从而变更作业装置30的动态特性。作业装置30的动态特性例如为速度或加速度等。

另一方面，在被判断为操作技能评价值与指标值之间不存在差异的情况下（步骤S5中为“否”），不调整作业装置30的动态特性，并结束处理。

这样，由于作业装置30的动态特性通过动态特性调整部74而被调整，因此，即使是熟练度低的操作人员，也能够与熟练人员同样地进行操作，能够有效地进行作业。即，由于根据操作人员的操作技能来调整作业装置30的动态特性，因此，能够使作业稳定，能够提高生产率。具体而言，由于既能够抑制因过度操作而引起的速度上冲又能够实现有效的作业速度，因此，基于稳定的圆滑的操作而能够进行有效的作业。

此外，在控制装置70具备动态特性调整部74的情况下，动态特性调整部74也可根据操作方法或作业内容来变更为了与操作技能评价值（作为等效系统的传递函数的参数）进行比较而被预先设定的指标值。这样做，能够根据操作方法或作业内容来调整指标值，因此，能够针对各种各样的操作或作业来使作业装置30有效地动作。

如上所述，根据本实施方式，能够提供一种如下的工程机械100：明确熟练人员和非熟练人员的操作特征的差异，简单且正确地评价操作人员的操作技能，根据操作人员的操作技能的评价来有效地进行控制。

此外，本实施方式中，控制装置70例如可搭载在上部回转体20上的驾驶室内。此外，控制装置70也可搭载在经由网络而与工程机械100可通信地连接的外部设备上。外部设备例如是服务器或个人电脑。此情况下，工程机械100将运动状态量和驱动力发送到外部设备。外部设备接收运动状态量和驱动力。而且，外部设备将用于调整作业装置30的动态特性的调整数据发送到工程机械100。工程机械100接收被外部设备发送的调整数据。工程机械100根据所接收的调整数据来控制作业装置30。

此外，控制装置70具备计算机，通过该计算机执行程序来实施运动状态获取部71、等效系统生成部72、参数推测部73及动态特性调整部74的各功能。计算机具备依照程序来工作的作为主要的硬件结构的处理器。处理器只要能够通过执行程序来实现功能，则其的种类并没有限制。处理器可由包含例如半导体集成电路（IC）或LSI（Large ScaleIntegration（大规模集成电路））的一个或多个电子电路构成。多个电子电路可集成在一个芯片中，也可设于多个芯片中。多个芯片可集中在一个装置中，也可设于多个装置中。程序被记录在能够让计算机读取的ROM、光盘或硬盘驱动器等非暂时性记录介质中。程序可被预先存储于记录介质中，也可经由包含互联网等广域网来供应到记录介质。

此外，工程机械100还可具备将由参数推测部73所推测的操作人员的操作技能评价值提示给操作人员的提示部。提示部例如是表示操作技能评价值的显示部。

［操作技能评价］

以下，对由本实施方式的控制装置70进行的操作人员的操作技能评价进行说明。如图1所示，液压挖掘机等工程机械100基于动臂31、斗杆32及铲斗33等多个附属装置的组合而工作。因此，操作的组合便变得复杂，难以根据各附属装置的动作与操作人员的操作量的关系来评价操作人员的操作技能（技术水平）。

为此，在以下的说明，首先计算作业装置30的合成重心。其次，将由极坐标系来表示合成重心的运动并且以合成重心的角速度（运动状态量）作为输出且以作业装置30的转矩（驱动力）作为输入的传递函数，作为等效地表示作业装置30的合成重心的运动的等效系统来构建。等效系统的详细情况将在“利用合成重心的等效系统的构建”中进行叙述。接着，将等效系统应用到液压挖掘机的动臂提升减速操作中，根据遗传算法（Genetic Algorithm∶GA）来推测传递函数的参数。参数的详细情况将在“参数推测”中叙述。其次，通过对熟练人员和非熟练人员各自的推测参数进行比较来明确操作特征的差异。操作特征差异的明确化的详细情况将在“操作技能评价的测验结果”中叙述。而且，根据推测参数来构建与有效的操作相对应的评价指标（指标值）。指标值的构建的详细情况将在“技能评价的指标值”中叙述。而且，根据作业中的操作人员的操作技能评价值与指标值的差值来调整作业装置30的动态特性（加速性或速度等），以便成为有效的操作。作业装置30的动态特性的调整的详细情况将在“利用指标值的控制”中叙述。

［利用合成重心的等效系统的构建］

图5是表示本实施方式所涉及的作业装置的反馈系统的结构的图。

通常，操作人员一边目视附属装置的动作一边调整操作量，以实现所希望的动作。这可用图5所示那样的包含人的闭环系统来表示。闭环系统的系统中的液压部及机构部一般具有非线性。液压部虽然难以被定式化，但可用以下的式（1）所示的转动系统的运动方程式来表示。此外，由于各附属装置要素的惯性项会对彼此的运动方程式产生干扰，因此，在式（1）中，限定于省略了铲斗动作的两连杆（动臂及斗杆）的动作，以实现简略化。

［式1］

式（1）中，M₁₁、M₁₂、M₂₁及M₂₂表示附属装置要素的惯性力矩，d²θ₁/dt²及d²θ₂/dt²表示角加速度，h₁及h₂表示离心力，φ₁及φ₂表示重力，τ₁及τ₂表示附属装置要素的驱动转矩，下标数字的“1”表示对动臂产生作用的项，下标数字的“2”表示对斗杆产生作用的项。惯性力矩M₁₂及M₂₁是动臂和斗杆同时动作时对彼此的运动产生影响的干扰项。

另外，人的短期记忆容量据说为四个项目左右，被认为不作为参数数多的高次系统来进行运动或操作。为此，本发明人为了使式（1）所示的机构部的系统成为所希望的动作而假定操作人员对比较低维的系统进行处理和操作。

图6是用于说明本实施方式所涉及的作业装置的合成重心的图。为了表示为低维的系统，以下述的式（2）来计算图6所示的附属装置的整体的重心（合成重心）G_c的坐标（X_g（t），Y_g（t））。图6中，M表示附属装置整体的质量，G1、G2及G3分别表示动臂31、斗杆32及铲斗33的各重心。此外，图6中，对于与图1所示的工程机械100相同的结构要素附以相同的符号。

［式2］

如图6所示，式（2）中，i表示附属装置的各要素，i=1表示动臂31，i=2表示斗杆32，i=3表示铲斗33。此外，m_i表示各附属装置要素的质量，x_i（t）及y_i（t）表示以图6的动臂31的基端为原点O的xy坐标系的时刻t时的各附属装置要素的重心位置。铲斗质量m₃包含铲斗内的砂土等的质量。各附属装置要素的重心位置x_i（t）及y_i（t）能够直接测量，或者能够根据可测量的附属装置的角度信息来计算。接着，利用下述的式（3）至式（6）将合成重心G_c的坐标（X_g（t），Y_g（t））变换为极坐标。

［式3］

［式4］

［式5］

［式6］

如图6所示，式（3）至式（6）中，θ_g（t）及r_g（t）表示极坐标中的重心位置，ω_g（t）表示绕原点O的角速度，v_r（t）表示半径方向速度。此外，在本说明中，仅以动臂提升操作为对象，因而省略了基于斗杆运动或铲斗运动而对动臂运动的干扰项。其次，如前所述，在假定为操作人员在低维的线形系统中把握着操作的情况下，合成重心的运动以下述的式（7）来表示。

［式7］

式（7）中，J表示与重心的运动对应的跳跃度，I表示惯性力矩，D_c表示弹性模量，L表示浪费的时间，τ表示动臂的驱动转矩。以下，对通过推测由式（7）所表示的系统的参数J、I及D_c来表示操作人员的技术水平差异的方法进行说明。液压系统以机器系统的动态来表示。在以下的说明中，假定为操作人员的技术水平的影响不会呈现于液压系统中而不考虑液压系统。其次，通过以传递函数G（s）来表示式（7）的输入输出关系，从而得出下述的式（8）。

［式8］

［参数推测］

以下，对推测由式（8）所表示的参数来表示操作人员的技术水平的差异的方法进行说明。成为评价对象的等效系统的参数大体上取决于液压挖掘机等工程机械的规格或动作。因此，利用能够设定例如探索范围的遗传算法（GA）作为推测方法，并通过以下步骤来推测式（8）的参数。

［第一步骤］初始个体的生成

以跳跃度J、惯性力矩I、弹性模量D_c及浪费的时间L为基因的个体f_N被随机地生成N个（例如200个）。

［第二步骤］初始评价

将第一步骤中生成的个体的基因代入到式（8）中，通过以采样时间T_s来使获取数据（合成重心的运动状态）离散，从而获得下述的式（9）所示的二阶滞后系统的传递函数的近似式。在该计算中使用数值分析软件。

［式9］

式（9）中，a₁、a₂及b₀表示常数，d表示浪费的时间的阶跃数。根据式（9），推测系统输出y_s（k）如下述的式（10）那样而被计算。

［式10］

式（10）中，u₀表示系统输入。在参数推测中，例如使用下述的式（11）所示的评价函数J_E。

［式11］

式（11）中，n表示总阶跃数，y（k）表示通过实机测量而获得的合成重心速度。式（11）所示的评价函数J_E越接近1，该个体便为适应度越高的个体。

［第三步骤］选优

适应度最高的个体作为优选而被存储，并被留给下一代的个体群。

［第四步骤］淘汰选择

从个体群中随机地提取个体f_m和别的两个个体f_rdm1和f_rdm2，进行适应度比较。选择最好的个体，所选择的个体作为个体f_m而被更新。

［第五步骤］交叉

从个体群中随机地提取两个个体f_m和f_n。所提取的两个个体的基因依照下述的式（12）进行替换，生成适应度更高的新的两个个体f_mnew和f_nnew，并被更新。

［式12］

［第六步骤］突变

各个个体以一定概率被置换为具备新基因的个体。一定概率例如为30%。

［第七步骤］计算结束

上述的第一步骤至第六步骤被重复至世代数G（例如200世代）为止。在最终世代的计算结束的时刻，从个体群中提取适应度最高的个体f_best的基因来作为推测（识别）参数。

［操作技能评价的测验结果］

图7是用于说明本实施方式所涉及的操作技能评价测验的条件的图。

操作技能评价测验中利用了下述的条件。

·操作内容∶进行五次从动臂单独提升瞬间最大操作至停止操作为止的操作。

·初始姿势∶最大伸臂（参照图7的实线位置）。

·停止姿势∶动臂脚垂直（参照图7的虚线位置）。

图7中，对于与图1所示的工程机械100相同的结构要素附以相同的符号。

本测验条件会使致动器速度及惯性变得较大而难以使其停止，容易产生操作人员的技术水平差异。此外，作为测验条件的其中之一，还要求搭乘操作人员进行“无冲击地使之停止”这一操作任务，以便进一步显示减速时的技术水平的差异。评价是针对上述的一连串的操作中的减速停止区间来进行的。加速区间在瞬间最大操作已被设定，不会产生技术水平差异，因此其被排除在评价之外。此外，在数据获取测验中使用了“神钢建机株式会社”制造的液压挖掘机SK200-9（标准规格）。

图8是表示本实施方式所涉及的操作技能评价测验中的参数推测对象数据（输出数据）的图。图9是表示本实施方式所涉及的操作技能评价测验中的参数推测对象数据（输入数据）的图。输出数据为合成重心速度，输入数据为驱动转矩。此外，图8中，实线为实际测量数据，虚线为推测数据。

如图8及图9所示，针对从稳定速度状态至成为零速度状态为止所测量的对象数据，进行参数的推测。

图10是表示本实施方式所涉及的操作技能评价测验中的参数推测结果的图。

图10所示的参数推测结果表示以一名熟练人员（Expert）和四名非熟练人员（Non-expert）作为被测验人员的操作技能评价测验的结果。此处，图10所示的数据是每个被测验人员的平均值及标准偏差。根据图10所示的结果，就惯性力矩（Inertia）I及弹性模量（Damping coefficient）D_c而言，在显著性水平5%的t测试中，并未观察到熟练人员和非熟练人员有显著性差异。另一方面，就跳跃度（Jerk）J而言，熟练人员为非熟练人员的四分之一以下而明显地较小，可观察到显著性差异。这表示了熟练人员的减速操作为加速度变化小的动作，呈现了能够实现圆滑的动作的操作特征。根据这些结果可清楚地知道，即使在将多个附属装置的动作作为合成重心的运动来处理的情况下，也能够将操作人员的操作技术水平的特征和与现象相称的物理特性作为系统参数来表示。

接着，以控制工程学的观点来对处理以上所叙述的合成重心的系统进行评价。此处，传递函数G（s）为二阶滞后系统。因此，传递函数G（s）以下述的式（13）的标准形式来表示。

［式13］

此处，通过进行式（8）与式（13）的系数比较，系统衰减系数ζ及固有角频率ω_n分别如下述的式（14）及式（15）那样而被计算。

［式14］

［式15］

图11是表示根据图10所示的参数推测结果而算出的系统衰减系数及固有角频率的图。

图11中，表示了将图10所示的参数推测结果（惯性力矩I、弹性模量D_c及跳跃度J）代入到式（14）及式（15）来算得的系统衰减系数ζ及固有角频率ω_n的结果。关于系统增益K，由于测验条件已被统一，不会产生被测验人员的差异，因此不进行评价。此外，图11所示的数据为每个被测验人员的平均值及标准偏差。

如图11所示，对熟练人员（Expert）和非熟练人员（Non-expert）进行了比较，系统衰减系数ζ和固有角频率ω_n均存在明确的差异，在显著性水平5%的t测试中可观察到显著性差异。具体而言，熟练人员的系统衰减系数ζ为非熟练人员的系统衰减系数ζ的两倍以上而较大。这表示了目标跟随时的衰减性高。此外，熟练人员的系统衰减系数ζ接近临界衰减（ζ=1），可知道该系统是相比于非熟练人员而稳定地跟随目标值的系统。然而，本实验结果中，就非熟练人员4而言，对于系统衰减系数ζ在显著性水平5%的情况下不能观察到显著性差异。此外，熟练人员的固有角频率ω_n为非熟练人员的固有角频率ω_n的大约两倍而较大。这表示了熟练人员能实现速度响应性高的操作。

接着，根据以上所叙述的控制工程学的评价结果来进行操作人员的技术水平差异的评价。

图12是表示本实施方式所涉及的操作技能评价测验中的合成重心速度的经时变化的图。图13是表示本实施方式所涉及的操作技能评价测验中的杆输入的经时变化的图。

图12及图13表示了抽出一个循环份量的熟练人员（Expert）和非熟练人员（Non-expert）各自进行动臂提升减速时的合成重心速度及杆输入后的结果。根据图12及图13所示的结果，对杆输入进行了比较，熟练人员通过在操作的中间区域在停止之前进行减缓操作来控制速度下冲，其的衰减性高于非熟练人员。此外，熟练人员根据速度来使杆返回，与停止同时地进行使杆输入成为零的操作。这表示了该操作为频率响应高的操作也就是表示速度响应性高。

另一方面，由于非熟练人员在操作中间区域进行了急速操作，因此，因急剧减速而发生下冲，导致收敛性差。此外，在停止之前，杆输入已成为零。这表示了该操作为频率响应低的操作也就是表示速度响应性低。

以上所叙述的那样的倾向可根据系统衰减系数ζ及固有角频率ω_n的大小而得知。因此，通过以式（13）来表示利用合成重心的等效系统的输入输出关系，从而由系统衰减系数ζ表示衰减性，由固有角频率ω_n表示速度响应性（作业速度）。因此，能够根据系统衰减系数ζ及固有角频率ω_n的参数的大小来评价操作人员的技术水平。这可比喻为：在考虑一个以具有质量M的物体附着于没有重量的臂梁的远端而成的系统的转动运动的情况下，熟练人员以使该物体不发生振荡且使速度响应性成为良好状态的方式来使臂梁的特性变化而使该系统工作，而非熟练人员则由容易发生振荡的状态的臂梁来使该系统工作。

［技能评价的指标值］

以下，对针对系统衰减系数ζ及固有角频率ω_n也就是操作技能评价值而设定的指标值进行说明。

在二阶滞后系统的阶跃响应中，在如果输出处于目标值的±5%以内就认为该输出正在跟随的情况下，已知基于一般情况下不发生共振的单调减少而成为最快速停止的系统衰减系数ζ为大致0.7（=1/√2）。因此，可将该值设定为系统衰减系数ζ的指标值ζ_r。

其次，固有角频率ω_n越大则速度响应性越高，从而迅速地停止，但是，因掘土机等的规格或状态等，能够迅速停止的程度存在极限，这便决定了固有角频率ω_n的上限。因此，为了在机器的特性上进行最迅速的停止，确定出固有角频率ω_n的上限值，而以前述的测验条件（参照图7）来进行基于急速操作的急速停止，并推测急速停止时的系统参数，算出系统衰减系数ζ及固有角频率ω_n的控制工程学参数。

图14是表示用于本实施方式所涉及的指标值设定的测验中的合成重心速度的经时变化的图。图15是表示用于本实施方式所涉及的指标值设定的测验中的杆输入的经时变化的图。图16是表示根据图14及图15所示的数据而被算出的参数表的图。

如图16所示，若使操作杆急速地返回到中立位置而依靠机器性能进行急速停止，便得到8.5的固有角频率ω_n的值。在机器的特性上，不可能实现该值以上的速度响应性高的减速停止。因此，该值能够作为固有角频率的指标值ω_nr而被设定。此外，在本测验中，由于发生基于急剧减速的速度下冲而收敛性变差，因此，图16所示的系统衰减系数ζ变得较小。

图17是对本实施方式所涉及的设定指标值和图11所示的各被测验人员的参数推测结果进行比较的图。

图17表示了对如以上那样设定的系统衰减系数的指标值ζ_r及固有角频率的指标值ω_nr和图11所示的被测验人员数据（操作技能评价值）进行比较而得的结果。如图17所示，熟练人员（Expert）的系统衰减系数ζ成为接近指标值ζ_r的值，可知道衰减特性在理论上也是最优的。另一方面，熟练人员的固有角频率ω_n相比于非熟练人员（Non-expert）的固有角频率ω_n而迫近指标值ω_nr，但与指标值ω_nr有差异。因此，可认为熟练人员的速度响应性可改善。

另一方面，如图12及图13所示，非熟练人员在减速初期进行缓慢的操作，但从操作中间区域起进行急速操作，从而因下冲而导致收敛性恶化。其结果，非熟练人员的系统衰减系数ζ变得较小而成为接近图16所示的系统衰减系数ζ的值。这表示了基于非熟练人员的操作的衰减接近于机器性能自身，意味着还未能实现恰当的减速。有关此点，如前所述，可以说熟练人员能够以成为更良好的特性的方式进行操作，自如地操控工程机械100。

［利用指标值的控制］

其次，本发明人根据如前所述那样设定的两个指标值，对非熟练人员的动臂提升减速停止操作进行了改善。具体而言，本发明人实施了如下改进：将能够变更液压挖掘机的杆操作量的机械结构和相对于车载控制器能够在指定的位置处停止的结构组入到工程机械100中，以使该操作成为使系统衰减系数ζ及固有角频率ω_n尽可能地近似于各自的指标值ζ_r及ω_nr的停止操作。

图18是表示利用本实施方式所涉及的指标值的控制中的合成重心的角速度的经时变化的图。图19是表示利用本实施方式所涉及的指标值的控制中的输入转矩的经时变化的图。

图18及图19中，表示了熟练人员（Expert）、工程机械改进前的非熟练人员（Non-expert）及工程机械改进后的非熟练人员（Trial）各自进行的动臂提升减速停止操作中的合成重心的角速度及输入转矩的经时变化。如图18及图19所示，工程机械改进后的非熟练人员的系统衰减系数ζ与指标值ζ_r大致上等同。另一方面，关于固有角频率ω_n，由于减速特性受机器制约而为线形，因此当重视停止时会导致减速变得缓慢，未得以改善，但是合成重心的停止举动近似于熟练人员的数据，能够确认到获得了所期望的效果。

这样便可知道：根据系统衰减系数的指标值ζ_r及固有角频率的指标值ω_nr，不仅能够进行减速停止的操作技能评价，而且还能够进行朝向理想的停止举动的机器改善。

以上的实施方式的说明在本质上只不过是例示，本发明并没有限制其应用对象或其用途的意图，本发明是可在发明内容的范围内进行各种变更的。

例如，在本实施方式中，对液压挖掘机的多个附属装置的合成重心进行计算，将液压挖掘机的动作作为基于所计算的合成重心的输入输出而成的假设性的低维线形系统来表示，明确该系统的参数与操作技能的关系并且设定了评价指标值。此时，例示了具备作为作业装置的远端的附属装置的铲斗的液压挖掘机，但是，本发明还可应用于具备铲斗以外的附属装置的液压挖掘机。

此外，在本实施方式中，对实际的机器进行动臂提升瞬间最大操作，在达到稳定速度后，实施往目标地点的减速停止操作。液压挖掘机在设备的特性上是具有非线性的系统。然而，该系统中，通过对合成重心进行处理，将其作为在臂梁的远端附有质量M的物体的模型的运动来进行表示，从而将该系统假设性地看作具有线性的系统。由此，在臂梁的机器特性上呈现了操作特征，因此，通过推测系统的参数，能够进行减速停止区间的技能评价。然而，技能评价的对象操作无容置疑并不限于从动臂单独提升瞬间最大操作至停止操作的操作，还可针对驱动其它的附属装置（斗杆或铲斗等）的复合操作进行同样的技能评价。

此外，在本实施方式中，等效系统以二阶滞后系统来表示，在参数推测方法中采用了遗传算法，但是，系统模型及参数推测方法并不特别限定于上述的模型及方法。

此外，在本实施方式中，通过将等效系统的传递函数的参数也就是系统衰减系数ζ和固有角频率ω_n用作分别表示衰减性和速度响应性的操作技能评价值，从而可知道操作技能评价值与对作业生产率有贡献的减速停止操作的技术水平存在定量关系。此外，通过对这些操作技能评价值分别设定指标值，并根据两者的差值来调整作业装置30的动态特性，从而使非熟练人员能够实现接近于熟练人员的圆滑的减速停止动作。但是，本实施方式的应用范围还可扩张到动臂单独提升操作以外的其它的操作。也可根据操作方法或作业内容来设定指标值，并且按照该指标值来进行例如控制器的增益调谐，由此来实现一种能够使作业整体实现有效的操作的控制系统。

［实施方式的总结］

本实施方式的技术特征总结如下。

本发明的一个方面所涉及的工程机械包括：下部行走体；上部回转体，以相对于所述下部行走体能够回转的结构而被安装；作业装置，以相对于所述上部回转体在上下方向上能够摆动的结构而被安装，包含多个构件；获取部，获取所述多个构件的合成重心的运动状态量；生成部，将传递函数作为等效地表示所述作业装置的动作的等效系统来生成，所述传递函数以驱动所述作业装置的驱动力作为输入、以所述获取部获取的所述运动状态量作为输出；以及，推测部，将所述生成部生成的所述传递函数的系统衰减系数及固有角频率作为操作人员的操作技能评价值来推测。

根据该技术方案，将以驱动包含多个构件的作业装置的驱动力作为输入以多个构件的合成重心的运动状态量作为输出的传递函数作为等效地表示作业装置的动作的等效系统来处理。因此，能够削减表示操作人员的操作特征的参数数量，因而能够简单地评价操作人员的操作技能。此外，由于根据传递函数的系统衰减系数及固有角频率来获得操作人员的操作特征量，因此能够正确地评价操作人员的操作技能。此外，能够根据系统衰减系数来定量地评价抑制上冲速度的衰减性，能够根据固有角频率来定量地评价作业的速度响应性。

此外，上述的工程机械中，还可包括：调整部，基于所述推测部推测的所述操作技能评价值与预先设定的指标值之间的差值，调整所述作业装置的动态特性。

根据该技术方案，由于根据操作技能评价值和指标值的差值来调整作业装置的动态特性，因此，即使是熟练度低的操作人员，也能够与熟练度高的操作人员同样地操控作业装置，能够进行有效的作业。

此外，上述的工程机械中，所述指标值可根据操作方法或作业内容来变更。

根据该技术方案，由于能够根据操作方法或作业内容来变更指标值，因此，对于各种各样的操作或作业均能够有效地操控作业装置。

此外，上述的工程机械中，所述获取部测量或计算所述运动状态量。

根据该技术方案，能够通过测量或计算来获取表示多个构件的合成重心的运动状态量。

本发明的另一个方面所涉及的评价装置包括：获取部，获取工程机械的作业装置所包含的多个构件的合成重心的运动状态量；生成部，将传递函数作为等效地表示所述作业装置的动作的等效系统来生成，所述传递函数以驱动所述作业装置的驱动力作为输入、以所述获取部获取的所述运动状态量作为输出；以及，推测部，将所述生成部生成的所述传递函数的系统衰减系数及固有角频率作为操作人员的操作技能评价值来推测。

根据该技术方案，将以驱动包含多个构件的作业装置的驱动力作为输入以多个构件的合成重心的运动状态量作为输出的传递函数作为等效地表示作业装置的动作的等效系统来处理。因此，能够削减表示操作人员的操作特征的参数数量，因而能够简单地评价操作人员的操作技能。此外，由于根据传递函数的系统衰减系数及固有角频率来获得操作人员的操作特征量，因此能够正确地评价操作人员的操作技能。此外，能够根据系统衰减系数来定量地评价抑制上冲速度的衰减性，能够根据固有角频率来定量地评价作业的速度响应性。

用于实施本发明的各方案中的具体的实施方式或实施例只不过是表示本发明的技术内容的实施方式或实施例，本发明不应该仅限定于这样的具体例而被狭义地解释，本发明是可以在本发明的主旨和发明内容的范围内进行各种各样的变更并予以实施的。

Claims (5)

1.一种工程机械，其特征在于包括：

下部行走体；

上部回转体，以相对于所述下部行走体能够回转的结构而被安装；

作业装置，以相对于所述上部回转体在上下方向上能够摆动的结构而被安装，包含多个构件；

获取部，获取所述多个构件的合成重心的运动状态量；

生成部，将传递函数作为等效地表示所述作业装置的动作的等效系统来生成，所述传递函数以驱动所述作业装置的驱动力作为输入、以所述获取部获取的所述运动状态量作为输出；以及，

推测部，将所述生成部生成的所述传递函数的系统衰减系数及固有角频率作为操作人员的操作技能评价值来推测。

2.根据权利要求1所述的工程机械，其特征在于还包括：

调整部，基于所述推测部推测的所述操作技能评价值与预先设定的指标值之间的差值，调整所述作业装置的动态特性。

3.根据权利要求2所述的工程机械，其特征在于：

所述指标值可根据操作方法或作业内容来变更。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的工程机械，其特征在于：

所述获取部测量或计算所述运动状态量。

5.一种评价装置，其特征在于包括：

获取部，获取工程机械的作业装置所包含的多个构件的合成重心的运动状态量；

生成部，将传递函数作为等效地表示所述作业装置的动作的等效系统来生成，所述传递函数以驱动所述作业装置的驱动力作为输入、以所述获取部获取的所述运动状态量作为输出；以及，

推测部，将所述生成部生成的所述传递函数的系统衰减系数及固有角频率作为操作人员的操作技能评价值来推测。

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