JP2000110199A - 建設機械の設計支援装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ３つの計算装置を分散配置して、高度な計算
機能、動態表示機能、状態量監視機能を持たせたシミュ
レータを構築する。 【解決手段】 建設機械の設計支援装置において、建設
機械の操作レバーに擬態して設けられる操作レバー３
と、建設機械設計に必要なデータおよび前記操作レバー
からの操作データに基づいて建設機械をシミュレーショ
ンする第１の計算装置２と、前記第１の計算装置によっ
て計算されたシミュレーションデータを記憶するデータ
記録装置５と、前記シミュレーションデータに基づいて
前記建設機械を構成する機構の動きを画像表示する第２
の計算装置６と、前記シミュレーションデータに基づい
て前記建設機械を構成する機構各部の状態量を所定の形
態で表示する第３の計算装置７とを備え、前記各計算装
置は互いに他の計算装置とは独立して演算処理を行わせ
ることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、建設機械の設計を
支援する装置に係わり、更に詳しくは建設機械の機構
系、駆動システムの運動、および操作性能を試作前に評
価することを可能にした建設機械の設計支援装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、コンピュータによる航空機設計と
フライトシミュレータとを結合して、設計されたものの
フライトを体験可能とするものとして、例えば、特開平
８−２８６６０号公報に記載されているものが知られて
いる。一方、航空機とは異なる機械として油圧ショベル
で代表される建設機械があるが、この種の機械を開発す
る場合は、機械設計をしてから、試作、実験、操作テス
ト等を行い、不具合、または操作性が良くない等の理由
で設計変更を行っている。建設機械はこのような試行錯
誤を繰り返しながら製品開発を行われているのが現状で
ある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】近年、建設機械の需要
に伴い、建設機械を早期に納入することが要求されてい
るが、前述のように、開発までに多大な時間を要してい
る。特に、建設機械は複数の運動物体（例えば、ショベ
ルの場合は、走行、旋回、ブーム、アーム、バケットの
５つの運動体がある）で構成されている。一つの運動物
体はそれを駆動するシステムが必要であり、さらに複数
の運動物体があると各システムのシミュレーション計算
も、また、それらの動き全体を表示させるためには大量
の計算が必要となる。

【０００４】また、建設機械の操作性評価は機構の各運
動物体が操作に対してどのような動きをするかの動態評
価（例えば、ブーム、アームの速度、位置など）と機構
を動かす駆動システムの状態量評価（例えば、油圧シス
テムの流量、圧力、エネルギー消費量など）の２つ部分
がある。また、操作性は操作者と建設機械との調和性に
も関係しており、例えば、人間の目が機構の動きを見
て、また、その動きを予想して、操作レバーを調整する
ので、建設機械の動きが操作レバーにリアルに反応しな
いとよい操作性評価は得られない。

【０００５】そのため、建設機械の設計を支援する装置
としては、次のような技術課題がある。

【０００６】（１）建設機械の操作性をシミュレーショ
ンによって評価するためにには、計算装置に、高い計算
能力、画像表示能力、信号処理能力等が求められ、一台
の計算機でそれらの機能を全部実現するのは高価で高性
能の計算機が必要となる。

【０００７】（２）また、たとえ、一体型の計算機でそ
れらを実現したとしても、各機能を実現する各プログラ
ムと計算機とは関連が強いので、各部分機能の個別管理
が難しく、また各部分機能の個別改善も困難である。

【０００８】（３）さらに、一体型の計算機を用いる場
合、シミュレーション時の操作性の容易さにも問題があ
る。例えば、操作者の操作の途中で、他人がシステム内
部のいろんな部分の状態を観測してみたい、あるいは表
示方法を変えてみたい等の要望があるとき、計算機はリ
アルタイムの計算をやっているので、観測点の変換など
をするために操作されると、リアルタイム計算に影響を
及ぼし、自由に表示変換を行うことができない等の難点
がある。

【０００９】本発明は、上記従来の種々の問題点に鑑
み、３つの計算装置を分散配置して、高度なリアルタイ
ム計算機能、リアルな動き表現できる表現機能、および
便利な状態量監視機能を持つシミュレータを構築した建
設機械の設計支援装置の提供を目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の目的を
達成するために次のような手段を採用した。

【００１１】建設機械の設計支援装置において、建設機
械の操作レバーに擬態して設けられる操作レバーと、建
設機械設計に必要なデータおよび前記操作レバーからの
操作データに基づいて建設機械をシミュレーションする
第１の計算装置と、前記第１の計算装置によって計算さ
れたシミュレーションデータを記憶するデータ記録装置
と、前記シミュレーションデータに基づいて前記建設機
械を構成する機構の動きを画像表示する第２の計算装置
と、前記シミュレーションデータに基づいて前記建設機
械を構成する機構各部の状態量を所定の形態で表示する
第３の計算装置とを備え、前記各計算装置は互いに他の
計算装置とは独立して演算処理を行うことを特徴とす
る。

【００１２】また、建設機械の設計支援装置において、
建設機械の操作レバーに擬態して設けられる操作レバー
と、建設機械設計に必要なデータおよび前記操作レバー
からの操作データに基づいて建設機械をシミュレーショ
ンする第１の計算装置と、前記第１の計算装置によって
計算された前記建設機械の動態データおよび状態量デー
タを記憶するデータ記録装置と、前記動態データに基づ
いて前記建設機械を構成する機構の動きを画像表示する
第２の計算装置と、前記状態量データに基づいて前記建
設機械を構成する機構各部の状態量を所定の形態で表示
する第３の計算装置とを備え、前記各計算装置は互いに
他の計算装置とは独立して演算処理を行うことを特徴と
する。

【００１３】また、請求項１ないしは請求項２のいずれ
か１つの請求項に記載の建設機械の設計支援装置おい
て、前記第２の計算装置の表示手段として、画像拡大装
置を付加したことを特徴とする。

【００１４】まあ、請求項１ないしは請求項２のいずれ
か１つの請求項に記載の建設機械の設計支援装置おい
て、前記第２の計算装置の表示手段として、３次元表示
装置を付加したことを特徴とする。

【００１５】

【発明の実施の形態】はじめに、本発明の第１の実施形
態を図１から図３を用いて説明する。

【００１６】図１は本実施形態に係わる建設機械の設計
支援装置の構成を示す概観図である。

【００１７】同図において、１は後述する計算装置２に
建設機械のシミュレーション計算を行なわせるためのコ
ントロール装置であり、建設機械のシミュレーションモ
デルの入力、変更、計算の実行、停止などの操作を行う
ものである。２は建設機械のシミュレーション計算を行
う計算装置である。３は建設機械の操作レバーに擬態し
て設けられる操作レバーである。４は操作レバー３の操
作によって生じる操作量を電気信号に変換する装置であ
る。５は計算装置２のシミュレーション計算によって取
得され、後述する計算装置６，７の計算に利用されるデ
ータＡｉ，Ｆｉを格納するデータ記録装置であり、デー
タＡｉは建設機械各部の各状態量変数を表すデータであ
り、データＦｉは建設機械の各運動物体の位置と姿勢に
係わる変数を表すデータである。６はデータ記録装置５
から読み込まれたデータＦｉに従って建設機械の機構の
姿勢を表示する計算装置である。７はデータ記録装置５
から読み込まれたデータＡｉに従って建設機械の機構各
部の状態量を監視し、分析して、その結果をグラフやリ
スト等の形態で表示する計算装置である。８は、計算装
置６に対しては機械運動の見る方向と見る視点の指定な
いしは変更を行い、計算装置７に対しては状態量変数の
指定の変更などを行うコントロール装置である。

【００１８】次に、この建設機械の設計支援装置の操作
の概要を図１を用いて説明する。

【００１９】設計者は建設機械の機構と駆動システムを
設計するために、コントロール装置１からシミュレーシ
ョンモデルを入力する。計算装置２では入力モデルに従
ってシミュレーション計算を行う。一方、操作者は設計
した建設機械の操作性を評価するために計算装置６の表
示画面を見ながら、操作レバー３を操作する。操作者は
画面上の建設機械の各運動物体が自分の操作量に対し
て、運動の速さ、軌跡制御の容易さなど建設機械の操作
性能を判断する。他方、設計者は計算装置７の表示画面
を観測して操作中の各種のシステムの内部状態量を監視
し、建設機械に悪い影響に与える状態があるかないかを
確認する（例えば、油圧システム内の部分的真空状態、
過高圧状態などがあると機構の故障原因になる）。ま
た、もし、レバー操作中に不具合が発生したら、レバー
操作しながら、計算装置６、７の両方に表示される現象
を観察し、両者をつき合わせながら原因を調べる。

【００２０】次に、本実施形態に係わる建設機械の設計
支援装置に設けられる各計算装置２，６，７の演算処理
を図２および図３を用いて説明する。

【００２１】図２は計算装置２におけるシミュレーショ
ン計算の処理手順を示すフローチャートである。

【００２２】ステップ１において、計算装置２のシミュ
レーションプログラムがスタートする。ステップ２で、
シミュレーションしようとする建設機械に必要なパラメ
ータを設定しまたは変更する。ステップ３で、この時点
の時刻をｔ＝ｔ０１の初期値に設定し、中断状態値をＩ
ｄ１＝０に設定する。ステップ４では、操作レバー３か
らの操作信号を読み込む。ステップ５では、入力された
操作信号が次のサンプリングタイムにおいて次の操作信
号が検出されるまで同一の値を保持していると仮定し
て、サンプリング周期Ｔｓ１として、時刻ｔ＝ｔ１＝ｔ
０１＋Ｔｓ（なお、ＴｓはＴｓ＜Ｔｓ１の任意の時間）
におけるシステム内部の各種の状態量データＡｉを計算
する。さらに、ステップ６において、同時刻ｔ＝ｔ１に
おける当該建設機械の各部のアクチェータの駆動力を計
算する。そして、ステップ７において、同時刻ｔ＝ｔ１
における機構の各運動物体の位置、角度（姿勢）等の動
態データＦｉを計算する。計算が終了すると、ステップ
８において、次のサンプリング時間がくるまで待つ。も
し、これらの演算処理の途中において、ステップ９にお
いて、中断指令（設計パラメータの変更または演算処理
の中止指令）が出されると、Ｉｄ１＝１に設定され、さ
らに、ステップ１０において、サンプリング時間を待つ
間にＩｄ１＝１か否かを判定し、もしＩｄ１＝１のとき
は、ステップ８以降の処理を中断して、ステップ２から
の処理に戻る。ステップ８において次のサンプリング時
刻が来ると、ステップ１１において、新しい時刻ｔ０１
＝ｔ０１＋Ｔｓ１に書き換え、ステップ４からの処理を
繰り返す。その後は、ステップ４において新しい時刻に
おいてその時の操作信号が読み込まれ、ステップ５から
ステップ７における処理も新しいデータに基づいて演算
処理され、更新された新しいデータが得られる。ステッ
プ５およびステップ７においてそれぞれ演算処理の結果
得られた状態量データＡｉおよび動態データＦｉは後述
するデータ記録装置５に逐次記録される。

【００２３】図３は、データ記録装置５のデータに基づ
く、計算装置６および計算装置７における表示処理の処
理手順を示すフローチャートである。

【００２４】ステップ１２において、計算装置２のシュ
ミレーション計算によって取得された状態量データＡｉ
および動態データＦｉはデータ記録装置５に格納され
る。

【００２５】計算装置６は、ステップ１３において、処
理プログラムがスタートする。ステップ１４において、
計算装置６に設けられる表示装置に画面表示する際、シ
ミュレーションされた建設機械の観察視点の方向や遠近
の指定を表示操作パネル８から操作して指定する。例え
ば、操作者が建設機械の運転席、建設機械外の真正面、
上面などいろいろな視点から指定することが可能であ
る。次いで、ステップ１５で、この時点の時刻をｔ＝ｔ
０２の初期値に設定し、中断状態値をＩｄ２＝０に設定
する。次に、ステップ１６において、データ記録装置５
に格納されている動態データＦｉとしての各運動物体の
位置および角度を読み込む。次いで、ステップ１７にお
いて、建設機械の各運動物体の表示画面上での表示位置
と姿勢を計算する。この計算は、さきの視点指定の違い
により運動物体の表示画面上での位置と姿勢が変わる。
ステップ１８では、ステップ１７の計算結果に基づい
て、建設機械の機構や各運動物体のその時点における姿
勢を表示装置に画面表示する。ステップ１９では、次の
サンプリング時刻ｔ＝ｔ０２＋Ｔｓ２の経過を待つ。も
し、演算処理の途中において、ステップ２０において、
中断指令（視点方向や遠近の変更、または演算処理の中
止指令）が出されると、Ｉｄ２＝１に設定され、さら
に、ステップ２１において、サンプリング時間を待つ間
にＩｄ２＝１か否かを判定し、もしＩｄ２＝１のとき
は、ステップ１９以降の処理を中断して、ステップ１４
からの処理に戻る。ステップ１９において次のサンプリ
ング時刻が来ると、ステップ２２において、新しい時刻
ｔ０２＝ｔ０２＋Ｔｓ２に書き換え、ステップ１６から
の処理を繰り返す。その後は、ステップ１６において新
しい時刻においてその時の動態データＦｉがデータ記録
装置５から読み込まれ、ステップ１７における処理も新
しい計算結果に基づいて、建設機械の機構や各運動物体
の姿勢が画面表示される。その結果、このような処理を
繰り返すことにより、表示装置には、操作レバー３の操
作により建設機械の機構が連続して動く様子を画面表示
することができる。

【００２６】一方、計算装置７は、ステップ２３におい
て、処理プログラムがスタートする。ステップ２４にお
いて、計算装置７に設けられる表示装置の画面上に建設
機械の表示すべきシステムの状態量と表示方法を表示操
作パネル８から指定する。

【００２７】次いで、ステップ２５で、この時点の時刻
をｔ＝ｔ０３の初期値に設定し、中断状態値をＩｄ３＝
０に設定する。次に、ステップ２６において、データ記
録装置５に格納されている状態量データＡｉから指定さ
れた状態量データを読み込む。

【００２８】次いで、ステップ２７において、読み込ま
れた状態量データについて表示画面上の表示位置や表示
数値を計算する。ステップ２８ではステップ２７の計算
結果に基づいて、表示画面上にグラフまたは表の形態で
表示する。ステップ２９では、次のサンプリング時刻ｔ
＝ｔ０３＋Ｔｓ３の経過を待つ。もし、演算処理の途中
において、ステップ３０において、中断指令（他の状態
量表示要求や表示方法の変更、演算処理の中止指令等）
が出されると、Ｉｄ３＝１に設定され、さらに、ステッ
プ３１において、サンプリング時間を待つ間にＩｄ３＝
１か否かを判定し、もしＩｄ２＝１のときは、ステップ
２９以降の処理を中断して、ステップ２４からの処理に
戻る。ステップ２９において次のサンプリング時刻が来
ると、ステップ３２において、新しい時刻ｔ０３＝ｔ０
３＋Ｔｓ３に書き換え、ステップ２６からの処理を繰り
返す。その後は、ステップ１６において新しい時刻にお
いてその時の状態量データＡｉから所定の状態量データ
がデータ記録装置５から読み込まれ、ステップ２７にお
ける処理も新しいデータに基づいて行われ、ステップ２
８でその計算結果に基づいて画面表示される。その結
果、このような処理を繰り返すことにより、表示装置に
は駆動システムの各種の状態量を連続的に表示される曲
線、または数値の変動する表等によって画面表示させる
ことができる。

【００２９】本実施形態によれば、計算装置６と計算装
置７は独立して演算処理を実行しているが、両計算装置
６，７とも実時間で計算装置２によって演算処理された
状態量データＡｉおよび動態データＦｉを読み込んで演
算処理し画面表示しているので、操作者からは両者が連
動的に表示していると見ることができる。

【００３０】なお、上記計算装置２，６，７に用いられ
るサンプリング周期Ｔｓ１，Ｔｓ２，Ｔｓ３は同じにす
る必要はなく十分小さければ、設計支援装置全体の性能
に影響を与えない。

【００３１】次に、本発明の第２の実施形態を図４を用
いて説明する。

【００３２】図４は本実施形態に係わる建設機械の設計
支援装置の構成を示す概観図である。

【００３３】同図において、９は画像を投影するプロジ
ェクター、１０はプロジェクターによって投影された画
像を表示する投影幕である。なお、その他の構成および
各計算装置２，６，７における処理内容も第１の実施形
態において説明したものと同じであるので説明を省略す
る。

【００３４】本実施形態では、操作者に建設機械操作の
臨場感を与えるために、計算装置６の表示装置とは別
に、計算装置６にプロジェクター９を接続して投影幕１
０に表示させるものである。投影幕１０にはシミュレー
ションされた実物大の建設機械を表示できるので、操作
レバー３の操作により、建設機械の機構の連続して動く
様子を実感をもって見ることができる。

【００３５】次に、本発明の第３の実施形態を図５を用
いて説明する。

【００３６】図５は本実施形態に係わる建設機械の設計
支援装置の構成を示す概観図である。

【００３７】同図において、１１は立体型ディスプレイ
であり、その他の構成および各計算装置２，６，７にお
ける処理内容も第１の実施形態において説明したものと
同じであるので説明を省略する。

【００３８】本実施形態では、計算装置６の表示装置と
は別に、計算装置６に立体型ディスプレイ１１を接続
し、操作者はこの立体型ディスプレイ１１を装着して、
操作レバー３を操作することにより、建設機械を実感を
もって操作することができる。

【００３９】以上述べたように、上記の各実施形態の建
設機械の設計支援装置は、シミュレーション計算用計算
装置が一定の間隔で操作信号を読み込み、それに基づい
て建設機械内部の状態量と建設機械の各運動物体の位置
と姿勢を計算し、結果を共用とするデータ記録装置の指
定された場所に上書きしており、そして動画表示用計算
装置は機構の各物体の位置と姿勢データを一定の間隔で
読み込み、各運動物体の表示画面での位置と姿勢を計算
して表示画面に出力しており、監視用計算装置はデータ
記録装置にあるシステム内部の状態量を一定の間隔で読
み込み、指定された数値処理を行い、その結果をグラフ
または表の形態で表示画面に出力している。

【００４０】従って、この設計支援装置は、シミュレー
タに高速の計算機能、リアルな機構の動態表示機能と便
利なシステム内部の状態量監視機能を持たせることがで
きるので、油圧ショベル、ホイルローダー、クレーンな
どの建設機械の操作性能評価シミュレータとして極めて
有用である。

【００４１】

【発明の効果】本発明は、以下に示すような効果を奏す
ることができる。

【００４２】（１）建設機械のシミュレーションに要す
る計算負荷が３つの計算装置に分散されるので、高度な
リアルタイム計算機能、リアルな動きを表現できる表現
機能、および便利な状態量監視機能を持つシミュレータ
を構築することができる。

【００４３】（２）データ記録装置は、第１の計算装置
から送信される大量の動的に変動するデータを逐次蓄積
し、第２および第３の計算装置は蓄積さられたデータを
同時的に読み取って機構の動態表示と機械の状態量表示
を連動して表示することができる。換言すると、建設機
械の表と裏の状態を同時に観察でき、建設機械の不具合
などの原因究明に効果的である。

【００４４】（３）３つの計算装置の演算処理がそれぞ
れで独立して実行されるので、各計算装置のプログラ
ム、表示装置、操作装置の改良、変更は互いに他の計算
装置のものと係わりなく行うことができ、設計支援装置
の管理が容易になる。

【００４５】（４）シミュレーション計算を行う計算装
置と表示処理を行う計算装置とを別々の計算装置で行っ
ているため、操作の途中で表示方法、表示内容を変更す
るための操作が割り込まれても、シミュレーション計算
における建設機械の動きのリアル性に影響を与えること
がない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係わる建設機械の設
計支援装置の構成を示す概観図である。

【図２】計算装置２におけるシミュレーション計算の処
理手順を示すフローチャートである。

【図３】計算装置６および計算装置７におけるシミュレ
ーション計算の処理手順を示すフローチャートである。

【図４】本発明の第２の実施形態に係わる建設機械の設
計支援装置の構成を示す概観図である。

【図５】本発明の第３の実施形態に係わる建設機械の設
計支援装置の構成を示す概観図である。

【符号の説明】

１ コントロール装置 ２ 計算装置 ３ 操作レバー ４ 信号変換装置 ５ デ→記録装置 ６ 計算装置 ７ 計算装置 ８ 表示操作パネル ９ プロジェクタ １０ 投影幕 １１ 立体映像ディスプレイ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 豊岡 司 茨城県土浦市神立町650番地 日立建機株 式会社土浦工場内 (72)発明者 石川 広二 茨城県土浦市神立町650番地 日立建機株 式会社土浦工場内 (72)発明者 平田 東一 茨城県土浦市神立町650番地 日立建機株 式会社土浦工場内 Ｆターム(参考） 9A001 DZ12 HH32 HZ29 JJ48 KK54

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 建設機械の設計支援装置において、建設
   機械の操作レバーに擬態して設けられる操作レバーと、
   建設機械設計に必要なデータおよび前記操作レバーから
   の操作データに基づいて建設機械をシミュレーションす
   る第１の計算装置と、前記第１の計算装置によって計算
   されたシミュレーションデータを記憶するデータ記録装
   置と、前記シミュレーションデータに基づいて前記建設
   機械を構成する機構の動きを画像表示する第２の計算装
   置と、前記シミュレーションデータに基づいて前記建設
   機械を構成する機構各部の状態量を所定の形態で表示す
   る第３の計算装置とを備え、前記各計算装置は互いに他
   の計算装置とは独立して演算処理を行うことを特徴とす
   る建設機械の設計支援装置。
2. 【請求項２】 建設機械の設計支援装置において、建設
   機械の操作レバーに擬態して設けられる操作レバーと、
   建設機械設計に必要なデータおよび前記操作レバーから
   の操作データに基づいて建設機械をシミュレーションす
   る第１の計算装置と、前記第１の計算装置によって計算
   された前記建設機械の動態データおよび状態量データを
   記憶するデータ記録装置と、前記動態データに基づいて
   前記建設機械を構成する機構の動きを画像表示する第２
   の計算装置と、前記状態量データに基づいて前記建設機
   械を構成する機構各部の状態量を所定の形態で表示する
   第３の計算装置とを備え、前記各計算装置は互いに他の
   計算装置とは独立して演算処理を行うことを特徴とする
   建設機械の設計支援装置。
3. 【請求項３】 請求項１ないしは請求項２のいずれか１
   つの請求項において、 前記第２の計算装置の表示手段として、画像拡大装置を
   付加したことを特徴とする建設機械の設計支援装置。
4. 【請求項４】 請求項１ないしは請求項２のいずれか１
   つの請求項において、 前記第２の計算装置の表示手段として、３次元表示装置
   を付加したことを特徴とする建設機械の設計支援装置。