JP2002129598A - ペイロードの重量を求める方法及び装置 - Google Patents

ペイロードの重量を求める方法及び装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 作業機械のペイロードの質量を求める方法及
び装置。 【解決手段】 作業機械は、シャーシ、シャーシと結合
した運転台、及び、運転台と結合したブームを有する。
第１のアクチュエータが、ブーム及び運転台に結合さ
れ、運転台に対してブームを動かす。作業機械はブーム
に結合されたアームを有し、アーム及びブームに結合さ
れた第２のアクチュエータがアームをブームに対して動
かす。作業機械は、ペイロードを受け入れるバケットを
有する。バケットはアームと結合され、第３のアクチュ
エータがバケット及びアームに結合されてバケットをア
ームに対して動かす。運転台に対するブームの第１の連
結角は２つの時点で測定される。ブームに対するアーム
の第２の連結角も２つの時点で測定される。アームに対
するバケットの第３の連結角は、１つの時点で測定され
る。第１のアクチュエータに作用する第１のアクチュエ
ータ力は、２つの時点で測定される。第２のアクチュエ
ータに作用する第２のアクチュエータ力も、２つの時点
で測定される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般に作業機械の
バケット内の負荷の重量を求めることに関し、より詳細
には、多くの自由度を有する作業機械のバケット内の負
荷の重量を求めることに関する。
【０００２】
【従来の技術】作業機械のバケット内のペイロードの重
量を求める様々な従来的方法がある。しかし、その過程
の複雑さのために、これらの多くの方法には固有の限界
が内在している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】例えば、いくつかの方
法は、フロント・ローダなどの２つの自由度しかないバ
ケットを有する作業機械に限られる。この手法は、より
多くの自由度を有する機械、例えば掘削機には使用でき
ないであろう。他の方法は、ペイロードが静止している
間のみ、又は、所定の位置のみで作業機械が測定を実行
することを必要とする。これは、操作員が各掘削サイク
ルに余分な時間をかけて機械を操作する必要があるとい
う点で問題がある。更に別の方法では、既知の負荷を使
用する測定装置の較正を必要とするか、又は、曲線当て
はめなどの類似な形態を有する異なる（ベースライン）
機械の作動に基づいてペイロードの重量を近似的に求め
る。前者は、そうでなければ掘削に費やすことができる
余計な時間を機械の操作にかける可能性があり、他方、
後者は、作業機械とベースライン機械との間にずれがほ
とんど無いか全く無いことを仮定しており、これは、し
ばしば誤りである。
【０００４】
【問題を解決するための手段】本発明は、作業機械のペ
イロードの質量を求める方法及び装置を提供する。作業
機械は、シャーシ、シャーシと結合した運転台、及び、
運転台と結合したブームを有する。第１のアクチュエー
タは、ブーム及び運転台に結合され、運転台に対してブ
ームを動かす。作業機械は、ブームに結合されたアーム
を有し、アーム及びブームに結合された第２のアクチュ
エータは、アームをブームに対して動かす。作業機械は
また、ペイロードを受け入れるように機能するバケット
を有する。バケットはアームと結合され、第３のアクチ
ュエータは、バケット及びアームに結合されてバケット
をアームに対して動かす。運転台に対するブームの第１
の連結角は、時間的に少なくとも２つの時点で測定され
る。ブームに対するアームの第２の連結角も、時間的に
少なくとも２つの時点で測定される。アームに対するバ
ケットの第３の連結角は、時間的に少なくとも１つの時
点で測定される。第１のアクチュエータに作用する第１
のアクチュエータ力は、少なくとも２つの時点で測定さ
れる。第２のアクチュエータに作用する第２のアクチュ
エータ力も、少なくとも２つの時点で測定される。第３
のアクチュエータに作用する第３のアクチュエータ力
も、少なくとも２つの時点で測定される。更に、作業機
械の複数の物理的特性が測定される。バケット及びペイ
ロードの質量は、第１連結角、第２連結角、第３連結
角、第１アクチュエータ力、第２アクチュエータ力、第
３アクチュエータ力、及び、バケットがアームに対して
比較的静止している間に予め測定された複数の物理的特
性の関数として判断される。
【０００５】
【発明の実施の形態】図１は、本発明の１つの実施形態
による掘削機１０などの作業機械の表象的側面図であ
る。例えばバックホウローダ又はフロントショベルな
ど、当業者に公知の他の適切な作業機械を使用しても良
い。掘削機１０は、地面に留まるシャーシ１２、及び、
シャーシ１２に結合され、必ずしもそうではないが通常
はシャーシ１２に対して可動である運転台１４を含む。
ブーム１６などの第１の結合アームは、運転台１４に結
合され、それと相対的に可動である。アーム１８などの
第２の結合アームは、ブーム１６に結合され、それと相
対的に可動である。バケット２０などのペイロードを収
容する装置は、アーム１８に結合され、それと相対的に
可動である。バケット２０は、本発明の１つの実施形態
に従って質量又は重量を求めることができるペイロード
（図示しない）を受け入れる。
【０００６】第Ｉ部 運動学的解析 Ａ．問題記述 図２は、固定基準座標系（ＸＹ）と、本発明の１つの実
施形態に従って運転台に取り付けられた付加的座標系
（ｘｙ）を示す。運転台座標系の原点は、第１の回転軸
上において運転台座標系のｘ軸もまた第２の回転軸と交
わるような地点に位置する。固定座標系の原点はｘｙ座
標系の原点と一致し、Ｙ軸は垂直方向（重力の方向と平
行）であり、Ｘ軸は水平方向で「最も急な上り坂方向」
を指す。図３は、本発明の１つの実施形態に従って運転
台１４に取り付けられたｘｙ座標系と、ブーム１６（ｓ
ｔ）、アーム１８（ｕｖ）、及び、バケット２０（ｐ
ｑ）に取り付けられた付加的座標系とを示す。掘削機１
０は、ブーム１６、アーム１８、及び、バケット２０の
ほか、これらのリンクを作動する３つの線形油圧シリン
ダ２２、２４、及び、２６の中心線がｘｙ平面にあるよ
うにモデル化されている。図４（表１）は、本発明の１
つの実施形態に従ってキャタピラー３２５型掘削機の定
数機構パラメータを列挙している。異なる特性を有する
作業機械のパラメータは、当業者に公知の方法によって
測定されてもよい。
【０００７】ここで、問題記述が以下のように述べられ
る。与えられる事項 ： ・定数機構パラメータ（図４を参照されたい） ・傾斜角ξ（図２を参照されたい） ・連結角パラメータψ、θ1、θ2、θ3（図２及び図３
を参照されたい）のほか、掘削機リンク１４、１６、１
８、及び、２０がある軌道に沿って動く時、各時点にお
けるそれらの時間に関する１次及び２次微分 ・掘削機リンク１６、１８、及び、２０がある軌道に沿
って動く時、各時点における油圧シリンダ２０、２２、
及び、２４に沿うアクチュエータ力ｆ1、ｆ2、及び、ｆ
3 求める事項 ：バケット及び負荷の質量（又は重量） 解析は、掘削機シャーシ１２が地面に固定して付帯して
いることを仮定している。また、第１の連結軸線周りの
アクチュエータトルクがこの解析において不要であるこ
とに注意することは無駄ではない。
【０００８】Ｂ：位置解析 掘削機１０に対する力学的運動方程式は、図２及び図３
に示すｘｙ座標系と同時に同じ向きに並ぶ固定座標系を
用いて生み出されることになる。この固定座標系による
重力ベクトルの方向は、傾斜角ξ及び回転角ψを用いて
次のように容易に決めることができる。 これ以降、運転台座標系であることがはっきりと述べら
れない限り、ｘｙ座標系は、固定基準フレームを意味す
るものとする。
【０００９】ブーム１６、アーム１８、及び、バケット
２０における点の座標をｘｙ座標系に変換することは、
回転角θ1、θ2、及び、θ3が既知量であるから簡単な
ことである。点Ｈの座標は、平面４本バー機構Ｇ−Ｈ−
Ｉ−Ｒ3の解析から決めることができる。これらの変換
方程式はまだここに示されていないが、これ以降、図３
に示す全ての点の座標は、点Ｍ（バケット及び負荷の質
量中心の位置）を除けば固定ｘｙ座標系を用いて既知で
あると仮定される。
【００１０】Ｃ．速度解析 物体ｉに対して測定される物体ｊの速度状態は、次のよ
うに書かれることになる。 ここで、iωjは、物体ｉに対して測定された物体ｊの角
速度であり、ivj ooは、基準点ＯＯ（図３）と同時に一
致する物体ｊにおける点の線速度である。一旦物体の速
度状態が分かれば、物体内の任意の点Ｐの速度は次式か
ら計算し得る。 ここで、項ivj pは、物体ｉに対して測定された物体ｊに
おける点Ｐの速度を表す。項ｒoo→pは、基準点ＯＯか
ら点Ｐへと向かうベクトルである。
【００１１】物体ｉに対する物体ｋの速度状態は、物体
ｊに対する物体ｋの速度状態及び物体ｉに対する物体ｊ
の速度状態を用いて次式により判断できることを証明す
ることができる。 これ以降、地面は物体０、運転台１４は物体１、ブーム
１６は物体２、アーム１８は物体３、そして、バケット
２０は物体４として参照するものとする。これらの各物
体の速度状態は、こうして固定ｘｙ基準フレームを用い
て判断されることになる。
【００１２】関節によって結合された２つの物体に対し
て、速度状態は、結合部に関する角速度の大きさと結合
部軸線の結合プラッカ座標との積に等しくなることを示
すことができる。当業者に公知の方法により４つの結合
軸線のプラッカ線座標をｘｙ座標系を用いて計算する
と、掘削機アームの各物体の速度状態は、物体０（地
面）に対して次式で判断し得る。 ここで、 ここで、 これらの方程式において、ｓ1、ｃ1、ｓ2、及び、ｃ
2は、角θ1及び角θ2の正弦及び余弦を各々表す。更
に、項ｓ1+2及びｃ1+2は、合計θ1＋θ2の正弦及び余弦
を表している。
【００１３】Ｄ．部分速度スクリュー 移動する剛体１から４の各々の速度状態は、方程式
（５）から（８）で表される。これらの速度状態の各々
は、ここで次の公式に因数分解されることになる。
【００１４】（５）から次式は明らかであり、
【００１５】Ｅ．各点の部分角速度及び部分速度 各点の部分角速度及び部分速度の概念は、当業者には公
知であり、マグロー・ヒルから１９８５年に出版された
Ｔ．ケーン及びＤ．レビンソン著の「力学：理論と応
用」において見出すことができ、ケーンの力学方程式を
導く際に使用される。諸量は、Ｄ節で導かれた部分速度
スクリューから直接に導くことができ、部分速度スクリ
ューは、本質的に２つの部分から成っている。すなわ
ち、（ｉ）各単位方向ベクトルは、ケーンの部分角速度
に相当する、そして、（ｉｉ）各モーメントベクトル
は、本明細書の基準点ＯＯと一致する物体の点のケーン
の部分速度に相当する。従って、各点のケーンの部分角
速度及び部分速度は、実際にはベクトルである。ケーン
の表記法は、力学的運動方程式を導く際に以下で使用さ
れることになる通りにここで導入される。
【００１６】一般化座標ψによる点ＯＯの部分角速度及
び部分速度は、物体１（運転台１４）に対して（１３）
から次式のように表すことができる。 一般化座標θ1、θ2、及び、θ3による物体０（地面）
に対する物体１（運転台１４）の任意の点の部分角速度
及び部分速度は、これらの一般化座標が物体１（運転台
１４）の「下流」にあるため、全てゼロである。従っ
て、
【００１７】物体２（ブーム１６）に関して、一般化座
標ψ及びθ1による点ＯＯの部分角速度及び部分速度
は、（１４）から次式のようになる。 一般化座標θ2及びθ3による物体２（ブーム１６）の全
ての点の部分角速度及び部分速度はゼロである。従っ
て、
【００１８】物体３（アーム１８）に関して、一般化座
標ψ、θ1、θ2、及び、θ3による点ＯＯの部分角速度
及び部分速度は、（１５）から次式のようになる。 物体４（バケット２０及び負荷）に関して、一般化座標
ψ、θ1、θ2、及び、θ3による点ＯＯの部分角速度及
び部分速度は、（１６）から次式のようになる。 一般化座標λによる物体ｉの任意の点Ｐの部分速度に対
する一般方程式は、次式で表すことができる。 すなわち、（２５）を使用して任意の一般化座標に対す
る掘削機アームの任意の点の部分速度を得ることができ
る。
【００１９】しかし、物体４（バケット２０及び負荷）
に関する質量中心点の部分速度は、そのためにここで拡
張されることになるが、理由は、質量中心点の位置が未
知のパラメータｐM及びｑMによって表されるからであ
る。バケット２０及び負荷の質量中心の座標は、ｘｙ座
標系を用いて次のように表してもよい。 ｘG4＝ｐMｃ1+2+3−ｑMｓ1+2+3＋ａ23ｃ1+2＋ａ12ｃ1＋ｘO、 ｙG4＝ｐMｓ1+2+3＋ｑMｃ1+2+3＋ａ23ｓ1+2＋ａ12ｓ1． （２６） （２２）から（２５）までの式から、４つの一般化座標
ψ、θ1、θ2、及び、θ 3の各々に関するこの質量中心
点の部分速度は、次式で表すことができる。 更に、物体４の質量中心の全体速度は、次式で表すこと
ができる。 この方程式から、バケット２０及び負荷の質量中心の速
度は、未知のパラメータｐM及びｑMを用いて次式で表す
ことができる。 ここで、
【００２０】Ｆ．加速度解析 ここで、0αi及び0ωiは、各々、物体０に関する剛体ｉ
の角加速度及び角速度であり、0ai oo及び0vi ooは、各
々、物体０の基準点ＯＯに一致する物体ｉの点の加速度
及び速度である。
【００２１】加速度状態はまた、異なる基準点を用いて
表されてもよい。例えば、剛体ｉの加速度状態は、原点
が点Ｇi（物体ｉの質量中心）にある物体０に取り付け
られた基準フレームに関する物体ｉの加速度状態は、次
式で表すことができる。 （３４）及び（３５）を（３６）に代入し、質量中心点
の加速度0ai Giについて解くと、次式が得られる。 従って、一旦物体０に対する物体ｉの速度状態及び加速
度状態が分かると、物体ｉの任意の点（特に、質量中心
点Ｇi）の加速度は、（３７）から決めることができ
る。これで物体１から物体４までの加速度状態が測定さ
れることになる。
【００２２】（３４）から物体１（運転台１４）の加速
度状態は、次式で表すことができる。 （３７）から物体１（運転台１４）の質量中心の加速度
は、次式で計算することができる。 物体１（運転台１４）に対する物体２（ブーム１６）の
加速度状態は、基準点ＯＯに関して次式で表すことがで
きる。 物体２（ブーム１６）は単に点Ｏに関して回転するよう
に制限されるので、この加速度は、次式のように変形さ
れることになる。
【００２３】 リー・ブラケットの拡張は、２つの速度スクリュー（両
方とも同じ基準点ＯＯに関して表される）の一般的な場
合に対して、次式のように定義される。
【００２４】（４３）を使用して（４２）を拡張すると
次式が得られる。 物体２（ブーム１６）の質量中心の加速度について解く
と、次式が得られる。 ここで、 同様な手順により物体３（アーム１８）の加速度状態
は、次式で値を求めることができる。 物体３（アーム１８）の質量中心の加速度は、次式で与
えられる。 ここで、
【００２５】最後に、物体４（バケット２０）の加速度
状態は、次式で計算される。 ここで、 ここで、 ａG4x＝ｐMＡ10＋ｑMＡ11＋Ａ12 ａG4y＝ｐMＡ13＋ｑMＡ14＋Ａ15 （５７） ａG4z＝ｐMＡ16＋ｑMＡ17＋Ａ18 であり、また項Ａ10からＡ18までは、次式のように定義
される。 項ａ4x、ａ4y、及び、ａ4zは（５５）で定義され、項Ａ
1からＡ9までは（３３）で定義される。運転台１４、ブ
ーム１６、及び、アーム１８の質量中心の直線加速度
は、所定のパラメータを用いて決められた。しかし、バ
ケット２０の質量中心の直線加速度は、ｐｑ座標系にお
けるバケット質量中心点の位置を指定する未知のパラメ
ータｐM及びｑMを用いて表される。
【００２６】第ＩＩ部 力学的解析 Ａ．序論 ここでは、ケーンによって開発された多体系の力学的解
析について簡単な説明が与えられる。本発明の１つの実
施形態による連続チェーン３０が図５に示されている。
図６は、本発明の１つの実施形態によるリンクｉと、そ
れに作用する力及びトルクとを示す。これらの力及びト
ルクは、Ｒi-1、i、Ｒi+1、i、Ｆp1、Ｆp2、．．．、Ｔi、
及び、Ｍiｇなどの外力として分類することができ、こ
こで、ｇは重力による力、また慣性力はダランベール力
としても知られている。
【００２７】当業者に公知のニュートン・オイラーの方
程式から次式が得られる。 項ΣFiEXTは、リンクｉに加えられる外力の合計に等し
く、項ΣTiEXTは、点Ｇiに関する外力のモーメントの合
計に等しい。ここで、更に項Fi *及びTi *が導入されて、
リンクｉの運動による慣性力（ダランベールの力）、及
び、リンクｉの運動による慣性トルク（ダランベールの
トルク）を表す。すなわち、 が得られ、方程式（６１）及び（６２）は、次式で表す
ことができる。
【００２８】多体系は多くの自由度を有するが、この序
論では簡単のためこれらの自由度のうちの１つのみ、す
なわちチェーンの回転対偶の１つの回転θを考察するこ
とにする。ここで、θは一般化座標と呼ばれ、更に角速
度ωは次式で与えられる。 これにより、慣性基準フレーム０に対するリンクｉに固
定された任意の点Ｐの速度は、次式で与えられ、 慣性基準フレームに対するリンクｉの角速度は、次式で
与えられる。 ベクトル0Ui Pは、一般化座標θに対してリンクｉに固定
された点Ｐの部分速度と呼ばれ、他方、ベクトル0U
iは、一般化座標θに対するリンクｉの部分角速度と呼
ばれる。方程式（６８）及び（６９）の和における残り
の項は、系の他の一般化座標の時間微分を乗じた部分速
度及び部分角速度を表すことになる。
【００２９】一般化座標θに関してリンクｉに付随する
作用力は、次式で定義され、 一般化座標θに関してリンクｉに付随する慣性力は、次
式で定義される。 次に、一般化座標θに付随する連続チェーンの力学的方
程式は、次式で与えられる。 ここで、ｉ＝１、２、．．．、ｎは、連続チェーンのｎ
個のリンクの各々を表す。
【００３０】ケーンの方法によると、一般化座標ψ、θ
1、θ2、及び、θ3の各々に付随する力学的運動方程式
がある。（７２）から、これらの方程式は次式の形で表
すことができる。 ここで、項Ｆ及びＦ*は、次節で導かれる作用力及び慣
性力である。（７３）を展開すると、方程式（７４）か
ら（７６）までを使用しても除去することができないバ
ケットの不要で未知の慣性項が（７３）に包含されてい
ることが示されることになる。この理由から、この方程
式を使用することにはならないので、その展開をこれ以
上進めることはしない。
【００３１】Ｂ．一般化慣性力 ケーンによって発展させられた表記法では、項Fn *及びT
n *は、地面（物体０）に対して測定される物体ｎの慣性
力及び慣性トルクにとして各々定義される。これらの項
は次式で表される。 ここで、Ｍnは物体の質量、0an Gnは質量中心点の加速
度、及び、0ωn及びoαnは地面に対して測定される物体
の角速度及び角加速度である。Inは、この物体に対する
慣性ダイアディックであり、次式で表すことができる。 角速度及び角加速度は、次式で表すことができる。 （８２）及び（８４）を（７８）に代入すると、次式が
得られる。
【００３２】Ｂ．１ 物体１すなわち運転台に対する一
般化慣性力 一般化座標ψに関する物体１の慣性力はゼロにはならな
いであろうが、方程式（７３）が使用されないので、こ
の項の値は、本明細書では求められないことになる。残
りの一般化座標θ1、θ2、及び、θ3に関する物体１の
部分角速度及び部分線速度は全てゼロに等しいので、こ
れらの一般化座標に関する物体１の慣性力もまた全てゼ
ロに等しくなる。従って、
【００３３】Ｂ．２ 物体２すなわちブームに対する一
般化慣性力 一般化座標θ1に関する物体２（ブーム１６）の慣性力
は、次式で与えられる。 項T2 *は、（８５）から得ることができる。しかし、各
瞬間における慣性モーメントがｘｙｚ座標系に平行で原
点が物体２の質量中心と一致する座標系を用いて表され
る必要があることにここで注意することは重要である。
しかし、物体２の慣性モーメントの項は、原点が質量中
心に位置するｓｔ座標系に平行な座標系を用いて与えら
れていた。ｓｔ座標系は、ｚ軸に関して−θ1の角度だ
け回転することによりｘｙ座標系と平行に持ってくるこ
とができる。ｓｔ座標系から点をｘｙ座標系へ変換する
回転マトリックスは、x s y tRと呼ばれ、次式で表すこと
ができる。 このマトリックスは、ｓｔ座標系による慣性テンソルす
なわちIstzをｘｙ座標系による慣性テンソルすなわちI
xyzに以下の関係式に従って変換するのに使用すること
ができる。 このマトリックス積を展開すると、次式が得られる。 Ｉxx＝Ｉssｃｏｓ2θ1＋Ｉttｓｉｎ2θ1−２ｓｉｎθ1ｃｏｓθ1Ｉst、 （９０） Ｉyy＝Ｉssｓｉｎ2θ1＋Ｉttｃｏｓ2θ1＋２ｓｉｎθ1ｃｏｓθ1Ｉst、 （９１） Ｉxy＝（−Ｉtt＋Ｉss）ｓｉｎθ1ｃｏｓθ1 ＋Ｉst（ｃｏｓ2θ1−ｓｉｎ2θ1）、 （９２） Ｉxz＝Ｉszｃｏｓθ1−Ｉtzｓｉｎθ1， （９３） Ｉyz＝Ｉszｓｉｎθ1＋Ｉtzｃｏｓθ1. （９４） 慣性モーメントの項ＩZZはそのままで変化しない。最後
に、（８７）を展開すると次式が得られることになる。
【００３４】Ｂ．３ 物体３すなわちアームの一般化慣
性力 前節の場合と同様に、ｕｖ座標系によって与えられる物
体３（アーム１８）の慣性モーメントの項は、ｘｙ座標
系を用いて求める必要がある。これは、前記と同様の方
法で達成され、今度はｕｖ座標系をｚ軸に関して−（θ
1＋θ2）の角度だけ回転することによりｘｙ座標系と平
行に持ってくることができる。一般化座標θ1に関する
物体３の慣性力について解くことにより、次式が得られ
る。 一般化座標θ2に関する物体３の慣性力は、次式で与え
られる。 ここで、aG3x及びaG3yは、（５１）及び（５２）で与え
られる。最後に、θ3に関する質量中心の部分角速度及
び部分速度は共にゼロに等しいので、一般化座標θ3に
関する物体３の慣性力はゼロに等しくなることになる。
従って、
【００３５】Ｂ．４ 物体４すなわちバケットの一般化
慣性力 物体２及び物体３に対して使用されたのと同様な手順を
ここでも利用して、一般化座標系θ1、θ2、及び、θ3
に関する物体４（バケット２０）の慣性力が得られる。
この手順の結果は、ここで以下のように表される。 これらの方程式において、項ｐM及びｑMは、ｐｑ座標系
を用いて測定されたバケット２０及び負荷の質量中心の
未知の位置を表している。項Ａ10からＡ15までは、（５
８）及び（５９）によって定義される。最後に、物体４
（バケット２０）の慣性モーメントは、ｐｑ座標系にお
いて未知であり、従って、ｘｙ座標系においても未知で
あることに注意することは重要である。
【００３６】Ｃ．一般化作用力 一般化座標λに関する物体ｎの一般化作用力は、力の作
用線上の点の部分線速度（一般化座標λに関する）上に
投影された外力の各々の合計として得ることができる。
例えば、もし物体ｎが各々点Ａ及び点Ｂを通過する２つ
の外力F1及びF2を受けていたのであれば、一般化座標λ
に関する物体ｎの一般化作用力は、次式で表すことがで
きたであろう。 ここで、ovn Aλ及びovn Bλは、一般化座標λに関する物
体ｎの点Ａ及び点Ｂの部分線速度である。一般化座標θ
1、θ2、及び、θ3に関する掘削機の物体１から物体４
までの作用力は、これで測定されることになる。
【００３７】Ｃ．１ 物体１すなわち運転台の一般化作
用力 一般化座標θ1、θ2、及び、θ3に関する物体１（運転
台１４）の部分角速度及び部分線速度は、全てゼロであ
る。このような理由から、一般化作用力もまたゼロに等
しいことになる。従って、 Ｆ1θ1＝Ｆ1θ2＝Ｆ1θ3＝０． （１０３）
【００３８】Ｃ．２ 物体２すなわちブームの一般化作
用力 ３つの外力が物体２（ブーム１６）に作用している。こ
れらは、点Ｊ（点Ｇ2とも呼ばれる）を通過する物体２
の重量、点Ａ及び点Ｂの間に加わるアクチュエータ力、
及び、点Ｄ及び点Ｅの間に加わるアクチュエータ力であ
る。従って、一般化座標θ1に関する物体２の一般化作
用力は、次式で表すことができる。 ここで、W2は物体２（ブーム１６）の重量であり、F2B
及びF2Dはシリンダの力であり、そして、ov2 G2θi、ov2
Bθi、及び、ov2 Dθiは、一般化座標θ1に関する点
Ｇ2、Ｂ、及び、Ｄの部分速度である。一般化座標θ1に
関する得られた一般化作用力は、ここで次式のように表
される。 Ｆ2θ1＝Ｍ2ｇ［ｓｉｎξｃｏｓψｙG2−ｃｏｓξ（ｘG2−ｘO）］ ＋ＦAB［−ｕABxｙB＋ｕABy（ｘB−ｘO）］ ＋ＦED［−ｕEDxｙD＋ｕEDy（ｘD−ｘO）］． （１０５） ここで、ｇは重力の加速度である。一般化座標θ2及び
θ3に関する物体２（ブーム１６）の部分速度スクリュ
ーはゼロに等しいので、これらの座標に関する物体２の
一般化作用力もまたゼロに等しいことになる。従って、 Ｆ2θ2＝Ｆ2θ3＝０． （１０６）
【００３９】Ｃ．３ 物体３すなわちアームの一般化作
用力 ４つの外力が物体３（アーム１８）に作用している。こ
れらは、点Ｋ（点Ｇ3とも呼ばれる）を通過する物体３
の重量、点Ｄ及び点Ｅの間に加わるアクチュエータ力、
点Ｆ及び点Ｈの間に加わるアクチュエータ力、及び、点
Ｇ及び点Ｈの間のリンクに沿う力である。従って、一般
化座標θ1に関する物体３（アーム１８）の一般化作用
力は、次式で表すことができる。 ここで、W3は物体３（アーム１８）の重量であり、F3E
及びF3Fはシリンダ力であり、F3GはリンクＧＨに沿う力
であり、そして、ov3 G3θi、ov3 Eθi、ov3 Fθi、及び、
ov3 Gθiは、一般化座標θ1に関する点Ｇ3、Ｅ、Ｆ、及
び、Ｇの部分速度である。一般化座標θ1及びθ2に関す
る得られた一般化作用力は、ここで次式のように表され
る。 Ｆ3θ1＝Ｍ3ｇ［ｓｉｎξｃｏｓψｙG3−ｃｏｓξ（ｘG3−ｘO）］ −ＦDE［−ｙEｕEDx＋（ｘE−ｘO）ｕEDy］ ＋ＦHF［−ｙFｕHFx＋（ｘF−ｘO）ｕHFy］ ＋ＦHG［−ｙGｕHGx＋（ｘG−ｘO）ｕHGy］， （１０８） Ｆ3θ2＝Ｆ3θ1＋ａ12ｓ1（−Ｍ3ｇｓｉｎξｃｏｓψ＋ＦDEｕDex ＋ＦHFｕHFx＋ＦHGｕHGx）−ａ12ｃ1（−Ｍ3ｇｃｏｓξ ＋ＦDEｕDEy＋ＦHFｕHFy＋ＦHGｕHGy）． （１０９） θ3に関する物体３の部分速度スクリューがゼロに等し
いので、θ3に関する物体３の一般化作用力もまた０に
等しいことになる。従って、 Ｆ3θ3＝０． （１１０）
【００４０】Ｃ．３ 物体４すなわちバケットの一般化
作用力 ２つの外力が物体４（バケット２０）に作用している。
これらは、点Ｍ（点Ｇ 4とも呼ばれる）を通過する物体
４の重量、及び、点Ｈ及び点Ｉの間のリンクに沿う力で
ある。従って、一般化座標θ1に関する物体４の一般化
作用力は、次式で表すことができる。 ここで、W4は物体４の重量であり、F31はリンクＨＩに
沿う力であり、そして、ov4 G4θi及びov4 Iθiは、一般
化座標θ1に関する点Ｇ4及び点Ｉの部分速度である。一
般化座標θ1、θ2、及び、θ3に関する得られた一般化
作用力は、ここで次式のように表される。 Ｆ4θ1＝Ｍ4ｇ［（ｐMｓ1+2+3＋ｑMｃ1+2+3＋ａ23ｓ1+2 ＋ａ12ｓ1）ｓｉｎξｃｏｓψ−（ｐMｃ1+2+3−ｑMｓ1+2+3＋ａ23ｃ1+2 ＋ａ12ｃ1）ｃｏｓξ］＋ＦHI［−ｙIｕHIx＋（ｘI−ｘO）ｕHIy］、(１１２) Ｆ4θ2＝Ｆ4θ1−Ｍ4ｇ［ａ12ｓ1ｓｉｎξｃｏｓψ−ａ12ｃ1ｃｏｓξ］ ＋ＦHI（ａ12ｓ1ｕHIx−ａ12ｃ1ｕHIy） （１１３） Ｆ4θ3＝Ｆ4θ2−Ｍ4ｇ［ａ23ｓ1+2ｓｉｎξｃｏｓψ−ａ23ｃ1+2ｃｏｓξ］ ＋ＦHI（ａ23ｓ1+2ｕHIx−ａ23ｃ1+2ｕHIy）． （１１４） として表される。
【００４１】Ｄ．運動方程式の定式化 方程式（７３）から（７６）までは、掘削機アームの運
動方程式を表した。これらの方程式の１番目は、バケッ
ト２０に関する多くの未知の慣性モーメント項を包含す
るので使用しないことになる。残る３つの方程式は、ゼ
ロ値をとる一般化慣性力及び作用力を代入した後、次の
ように表すことができる。 方程式（１１５）から（１１７）までをバケット２０の
重量について解くために、（１１５）から（１１６）を
引き、（１１６）から（１１７）を引く形を作ってバケ
ット２０及び負荷の未知の慣性項、すなわちI4 xx、
I4 xy、I4 xz、I4 yy、I4 yz及び、I4 zzを消去することにな
り、次式を得る。 問題のこの大きな単純化なしでは、実行可能な解法は不
可能に思われ、単純化が本質的に発生するのは、第２、
第３、及び、第４の結合軸線が全て平行であるからであ
る。これは、最初には明らかでなかったことである。
【００４２】（１０５）、（９５）、（１０９）、（１
１３）、（９７）、及び、（１００）を使用して（１１
８）を展開し、（１０９）、（１０８）、（９７）、
（９６）、及び、（１００）を使用して（１１９）を展
開すると、３つの未知のパラメータＭ4、ｐM、及び、ｑ
Mに関する次の２つの方程式が得られる。 Ｂ1Ｍ4＋Ｄ1Ｍ4ｐM＋Ｅ1Ｍ4ｑM＋Ｆ1＝０、 （１２０） Ｂ2Ｍ4＋Ｄ2Ｍ4ｐM＋Ｅ2Ｍ4ｑM＋Ｆ2＝０． （１２１） ここで、（５８）から（６０）まで、及び、（３３）を
係数に代入すると次式が得られる。
【００４３】Ｅ．多重データセットからのバケット及び
負荷の重量測定 （１２０）及び（１２１）全体をＭ4で割ることにより
次式が得られる。 ｑMを消去して次式が得られる。 ここで、 Ｈi＝Ｄ2Ｅ1−Ｄ1Ｅ2、 Ｊi＝Ｆ2Ｅ1−Ｆ1Ｅ2、 Ｋi＝Ｂ2Ｅ1−Ｂ1Ｅ2． （１２６） 添字ｉを使用して多重データセット、すなわち各瞬間に
集められたデータを表す。方程式（１２５）は、次式の
ようにマトリックス形式で表してもよい。 A x =b , （１２７） ここで、Aはｎ×２マトリックス、xは長さ２のベクト
ル、及び、bは長さｎのベクトルであり、以下の式で与
えられる。
【００４４】マトリックスA、及び、ベクトルbは共に既
知であり、最小二乗法を使用して長さｎの残差ベクトル
rの成分の二乗の合計が最小になるように、xoptと呼ぶx
に対する解を求めることになる。ここで、rは次式で定
義される。 ｒ＝ｂ−Ａｘopt. （１２９） 解は、次式で与えられる。 ｘopt＝（ＡTＡ）-1ＡTｂ. （１３０）
【００４５】図１に戻って参照すると、掘削機１０は、
通常、いくつかの装置を使用して上記で検討した適切な
測定を行う。本発明の１つの実施形態において、第１の
感知装置５０は、ブーム１６と結合し得る。第１の感知
装置５０は、掘削機１０のブーム角θ1の関数としてブ
ーム角信号を発信する。第１の感知装置５０は、回転位
置センサ又はシリンダ伸張センサなど、当業者に公知で
ある様々な適切な装置のどれであってもよい。
【００４６】第２の感知装置５２は、アーム１８と結合
し得る。第２の感知装置５２は、掘削機１０のアーム角
θ2の関数としてアーム角信号を発信する。第２の感知
装置５２もまた、回転位置センサ又はシリンダ伸張セン
サなど、当業者に公知である様々な適切な装置のどれで
あってもよい。第３の感知装置５４は、バケット２０と
結合し得る。第３の感知装置５４は、掘削機１０のバケ
ット角θ3の関数としてバケット角信号を発信する。こ
こでもまた、第３の感知装置５４は、回転位置センサ又
はシリンダ伸張センサなど、当業者に公知である様々な
適切な装置のどれであってもよい。
【００４７】第４の感知装置５６は、運転台１４をブー
ム１６に結合する油圧シリンダ２２に結合し得る。第４
の感知装置５６は、油圧シリンダ２２に作用する第１の
力の関数として第１のアクチュエータ力信号を発信す
る。第１の力は、通常、ブーム１６、アーム１８、及
び、バケット２０、更にもしあればそのペイロードのほ
か、掘削機１０が平坦でない地面上にある場合の運転台
１４の重量及び運動による正味の力である。
【００４８】本発明の１つの実施形態において、第４の
感知装置５６は、それぞれの感知圧力の関数としてそれ
ぞれの圧力信号を発信する２つの圧力センサ５８及び６
０を含む。圧力センサ５８及び６０の一方は、油圧シリ
ンダ２２のロッド側に結合され、他方はヘッド側に結合
される。油圧シリンダ２２のこれらの側の各圧力を求め
ることにより、正味の力の正確な測定が当業者に公知の
方法によって為され得る。本発明の別の実施形態におい
ては、たった１つのセンサが使用されてもよいが、通
常、油圧シリンダ２２上の正味の力に対する精度の落ち
る測定をもたらすことになる。
【００４９】本発明の１つの実施形態において、第４の
感知装置５６はまた、圧力センサ５８及び６０からそれ
ぞれの圧力信号を受信して圧力信号の関数として第１の
アクチュエータ力信号を発信するセンサ処理回路６１を
含んでもよい。別の実施形態において、センサ処理回路
６１は、下記で検討する処理装置７８に含まれてもよ
い。第５の感知装置６２は、ブーム１６とアーム１８と
を結合する油圧シリンダ２４に結合し得る。第５の感知
装置６２は、第２のアクチュエータ力信号を油圧シリン
ダ２４に作用する第２の力の関数として発信する。第２
の力は、通常、アーム１８及びバケット２０、更にもし
あればそのペイロードのほか、掘削機１０が平坦でない
地面上にある場合の運転台１４の重量及び運動による正
味の力である。
【００５０】本発明の１つの実施形態において、第５の
感知装置６２は、それぞれの感知圧力の関数としてそれ
ぞれの圧力信号を発信する２つの圧力センサ６４及び６
６を含む。圧力センサ６４及び６６の一方は、油圧シリ
ンダ２４のロッド側に結合され、他方はヘッド側に結合
される。油圧シリンダ２４のこれらの側の各圧力を求め
ることにより、正味の力の正確な測定が当業者に公知の
方法によって為され得る。本発明の別の実施形態におい
ては、たった１つのセンサが使用されてもよいが、通
常、油圧シリンダ２４上の正味の力に対する精度の落ち
る測定をもたらすことになる。
【００５１】本発明の１つの実施形態において、第５の
感知装置６２はまた、上記のセンサ処理回路６１と類似
のセンサ処理回路６７を含んでもよく、その説明は簡略
のため繰り返さない。第６の感知装置６８は、アーム１
８とバケット２０とを結合する油圧シリンダ２６に結合
し得る。第６の感知装置６８は、第３のアクチュエータ
力信号を油圧シリンダ２６に作用する第３の力の関数と
して発信する。第３の力は、通常、バケット２０、及
び、もしあればそのペイロードのほか、掘削機１０が平
坦でない地面上にある場合の運転台１４の重量及び運動
による正味の力である。
【００５２】本発明の１つの実施形態において、第６の
感知装置６８は、それぞれの感知圧力の関数としてそれ
ぞれの圧力信号を発信する２つの圧力センサ７０及び７
２を含む。圧力センサ７０及び７２の一方は、油圧シリ
ンダ２６のロッド側に結合され、他方はヘッド側に結合
される。油圧シリンダ２６のこれらの側の各圧力を求め
ることにより、正味の力の正確な測定が当業者に公知の
方法によって為され得る。本発明の別の実施形態におい
ては、たった１つのセンサが使用されてもよいが、通
常、油圧シリンダ２６上の正味の力に対する精度の落ち
る測定をもたらすことになる。本発明の１つの実施形態
において、第６の感知装置６８はまた、上記のセンサ処
理回路６１と類似のセンサ処理回路７３を含んでもよ
く、その説明は簡略のため繰り返さない。
【００５３】上記の検討においては油圧シリンダ２２、
２４、及び、２６を使用してブーム１６、アーム１８、
及び、バケット２０を作動するが、当業者に公知の他の
種類のアクチュエータもまた使用することができるであ
ろう。例えば、電気式、又は、空気式を含む油圧式モー
タなどの様々なモータとそれらに対する軸継手とを使用
することができるであろう。更に、例えば圧力センサの
代わりにトルクセンサを使用するなど、当業者に公知の
適切な変更を一般に次に為すことができるであろう。
【００５４】本発明の１つの実施形態において、第７の
感知装置７４は、シャーシ１２又は運転台１４のいずれ
かに結合されてもよい。第７の感知装置７４は、掘削機
の傾斜角ξの関数として傾斜角信号を発信する。本発明
の１つの実施形態において、第８の感知装置７６は、運
転台１４に結合されてもよい。第８の感知装置は、例え
ばシャーシ１２に対する運転台１４の位置などの掘削機
のヨー角の関数としてヨー角信号を発信する。
【００５５】処理装置７８は、感知装置５０、５２、５
４、５６、６２、６８、７４，及び、７６に結合され、
それらの各信号を受信する。処理装置は、第１から第６
までの感知装置５０、５２、５４、５６、６２、及び、
６８から少なくとも２つの時点で信号を受信し、上記で
説明した方法を使用して、受信信号と掘削機１０の所定
の物理的特性との関数としてバケット２０とその中の任
意のペイロードとの質量又は重量を求める。
【００５６】本発明の１つの実施形態において、処理装
置７８は、バケット及びペイロードの測定質量及び重量
からバケット（負荷なし）の既知質量及び重量を減算す
るなどによりペイロード単独の質量を求める。処理装置
はまた、質量に重力加速度を乗算するなどによりペイロ
ードの重量を測定してもよい。本発明の１つの実施形態
において、傾斜角、及び／又は、ヨー角が必要ない場合
があり、本発明のそれらに関する部分が除かれるか無視
されてもよい。例えば掘削機１０が実質的に平坦な地面
にある場合、傾斜角は無視し得る。関節部がヨー角を持
たないような方法で結合される作業機械にすることもま
た可能である。この場合、明らかにヨー角部分は無視し
得る。
【００５７】本発明の別の実施形態において、ホイール
ローダなどの自由度のより少ない作業機械は、バケット
の質量及び重量を求めるのに上記の技術を使用してもよ
い。同様に、他の結合アームに対して相対速度ゼロであ
る１つ又はそれ以上の結合アームを有する掘削機１０は
また、上記の技術を使用してもよい。これらの場合、静
止又は存在しない結合アームに関する適当な変数は、ゼ
ロにするか又は無視してもよく、これらの項にデータを
供給する適当なセンサは、それらが例えば位置などの他
の項にとって必要なければ除外してもよい。
【００５８】例えば、バケット２０がアーム１８に対し
て静止している時、バケット２０及びペイロードの質量
及び重量を求めることが必要な場合がある。すなわち、
バケット２０に対するいかなる相対速度又は相対加速度
の項もゼロにするか又は無視してよく、方程式が簡単に
なる。本発明の１つの実施形態において、バケット２０
に対する相対速度及び相対加速度の項を供給するセンサ
５４などの装置は、他の装置や方法が利用できない限
り、バケット２０の位置を求めるのにやはり必要であろ
う。
【００５９】上記のバケット２０及びペイロードの質量
及び重量の測定は、例えば静的又は動的のいずれかの場
合である、ブーム１６、アーム１８、及び、バケット２
０のうちの１つ又は全てが運動している間に為される
か、又は、それらが静止している間に為されてもよい。
更に、バケット２０及びペイロードの質量及び重量の測
定は、掘削機のアームが所定の位置にあることには関係
しない。すなわち、バケット２０及びペイロードの質量
及び重量の測定が為される一方で、通常の経路に沿って
掘削及びダンプするなど、掘削機１０は通常に作動し得
る。
【００６０】更に、本発明の１つの実施形態において、
バケット２０及びペイロードの質量及び重量の測定は解
析的であり、例えば非経験的である。既知の負荷を使用
して力や角度を測定し、次に、未知の負荷を用いて曲線
の当てはめを行うなどの掘削機１０の較正を実行する必
要はない。更に、上記の方法は、本質的にトルクを使用
してバケット２０及びペイロードの質量及び重量の測定
を行っている。すなわち、アクチュエータに関する結合
点が異なるか変更された場合、上記で検討した方程式の
他の部分を変更することなく、基本的なトルク方程式の
わずかな修正が為されることが可能であろう。最後に、
本発明の１つの実施形態において、バケット及び負荷の
質量は、バケット及び負荷の慣性特性のいかなる知識も
用いることなく計算し得る。
【００６１】図７は、本発明の１つの実施形態による掘
削機１０のバケット２０及びペイロードの質量を求める
アルゴリズム９０の流れ図である。ブロック９２で掘削
機１０の所定の物理的特性がメモリのデータセットにア
クセスするなどして決められる。アルゴリズムのブロッ
ク９４は、実際には適切な数のデータサンプル（１を超
える）が読み取られることを確実にするカウンタやポイ
ンタである。ブロック９６で例えば掘削機アームに作用
する上記の位置及び力などのデータサンプルが読み取ら
れる。ブロック９８において、データは、当業者に公知
の方法により適切な状態に調整される、及び／又は、フ
ィルタにかけられる。適切な場合には、このブロックは
除外してもよい。
【００６２】ブロック１００でデータが記憶される。デ
ータサンプルが更に必要であるか又は希望される場合、
制御は、ブロック９４又はブロック９６に分岐してもよ
い。ブロック１０２において、運転台１４、ブーム１
６、アーム１８、及び、バケット２０の角速度及び角加
速度は、適切であれば、上記でサンプリングされた位置
の関数として決められる。ブロック１０４において、バ
ケットペイロードの質量及び重量が上記の通り決められ
る。ブロック１０６において、バケットペイロードの質
量や重量は、表示装置（図示しない）又は所定の時間に
亘ってバケットペイロードの全質量や全重量の記録を保
つアナログ加算器（図示しない）などの装置に出力され
る。
【００６３】上記でアルゴリズム９０の１つの流れ図を
検討したが、様々な同等な流れ図もまた使用可能であろ
う。例えば、ブロック９４をブロック１００の次にくる
ように移動させて、ブロック１００が常に制御をブロッ
ク９４に渡すようにすることもできる。ブロック９４に
おいて、ｎ個のサンプルが読み取られた場合、制御はブ
ロック１０２に渡されるであろう。そうでない場合、制
御はブロック９６に分岐することになる。
【００６４】産業上の利用可能性 本発明は、掘削機１０の操作員によりバケット２０のペ
イロードの重量を求めるのに使用されてもよい。操作員
は、通常の掘削経路を使用してバケット２０に積載す
る。バケットがトラック上方などのその積み降ろし地点
に向かって旋回される時、ペイロードの重量が測定さ
れ、目に見えるように表示されてもよい。操作員は、掘
削機アームの運動を止める必要はなく、それが所定の形
態や位置に入るようにする必要もない。本明細書におい
て例証的な目的のために本発明の特定な実施形態が説明
されたが、本発明の精神又は範囲を逸脱することなく様
々な変更を為し得ることが以上の説明から理解されるで
あろう。従って、本発明は、添付請求項以外によっては
制限されていない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１つの実施形態による作業機械の表象
的側面図である。
【図２】固定基準座標系と、本発明の１つの実施形態に
従って運転台に取り付けられた付加的座標系とを示す図
である。
【図３】本発明の１つの実施形態に従って、運転台に取
り付けられたｘｙ座標系と、ブーム、アーム、及び、バ
ケットに取り付けられた付加的座標系とを示す図であ
る。
【図４】本発明の１つの実施形態によるキャタピラー３
２５型掘削機に対する定数機構パラメータを列挙した表
である。
【図５】本発明の１つの実施形態による連続チェーンを
示す図である。
【図６】本発明の１つの実施形態に従って、連続チェー
ンのリンクｉと、それに作用する力及びトルクとを示す
図である。
【図７】本発明の１つの実施形態に従って、掘削機のバ
ケット及びペイロードの質量を求めるアルゴリズムに関
する流れ図である。
【符号の説明】
１０ 掘削機 １２ シャーシ １４ 運転台 １６ ブーム １８ アーム ２０ バケット ２２、２４、２６ 油圧シリンダ ５０ 第１の感知装置 ５２ 第２の感知装置 ５４ 第３の感知装置 ５６ 第４の感知装置 ５８、６０、６４、６６、７０、７２ 圧力センサ ６１、６７、７３ センサ処理回路 ６２ 第５の感知装置 ６８ 第６の感知装置 ７４ 第７の感知装置 ７６ 第８の感知装置 ７８ 処理装置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジョセフ デュフィー アメリカ合衆国 フロリダ州 32608 ゲ インズヴィル サウスウェスト セブンテ ィーセブンス ストリート 3823 Ｆターム(参考） 2D003 AA01 AB03 AB04 BA06 DA04 DB02 DB03 DB04

Claims (27)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 シャーシ、前記シャーシと結合された運
    転台、前記運転台と結合されたブーム、前記ブーム及び
    前記運転台に結合され前記ブームを前記運転台に対して
    動かすように作動可能な第１のアクチュエータ、前記ブ
    ームに結合されたアーム、前記アーム及び前記ブームに
    結合され前記アームを前記ブームに対して運かすように
    作動可能な第２のアクチュエータ、ペイロードを受け入
    れるように作動可能で前記アームに結合されたバケッ
    ト、及び、前記バケット及び前記アームに結合され前記
    バケットを前記アームに対して動かすように作動可能な
    第３のアクチュエータを有する、作業機械のペイロード
    の質量を求める装置であって、 前記ブームに結合され、前記作業機械のブーム角の関数
    としてブーム角信号を発信するように作動可能な第１の
    感知装置と、 前記アームに結合され、前記作業機械のアーム角の関数
    としてアーム角信号を発信するように作動可能な第２の
    感知装置と、 前記バケットに結合され、前記作業機械のバケット角の
    関数としてバケット角信号を発信するように作動可能な
    第３の感知装置と、 前記第１のアクチュエータに結合され、前記第１のアク
    チュエータに働く第１の力の関数として第１のアクチュ
    エータ力信号を発信するように作動可能な第４の感知装
    置と、 前記第２のアクチュエータに結合され、前記第２のアク
    チュエータに働く第２の力の関数として第２のアクチュ
    エータ力信号を発信するように作動可能な第５の感知装
    置と、 前記第３のアクチュエータに結合され、前記第３のアク
    チュエータに働く第３の力の関数として第３のアクチュ
    エータ力信号を発信するように作動可能な第６の感知装
    置と、 前記第１、第２、及び、第４から第６までの感知装置に
    結合されて少なくとも２つの時点でそれぞれの発信信号
    を受信し、前記第３の感知装置に結合されて少なくとも
    １つの時点で前記バケット角信号を受信して、前記受信
    信号と、前記バケットが前記アームに対して比較的静止
    している間に予め測定された前記作業機械の複数の物理
    的特性との関数として前記バケット及びペイロードの質
    量を求めるように作動可能な処理装置と、を含むことを
    特徴とする装置。
  2. 【請求項２】 前記処理装置は、前記バケット及びペイ
    ロードの質量を解析的に求めるように作動可能であるこ
    とを特徴とする請求項１に記載の装置。
  3. 【請求項３】 前記処理装置は、前記バケット及びペイ
    ロードの質量を非経験的に求めるように作動可能である
    ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
  4. 【請求項４】 前記処理装置は、前記ブーム及び前記ア
    ームのうちの少なくとも１つが動いている間に前記バケ
    ット及びペイロードの質量を求めるように作動可能であ
    ることを特徴とする請求項１に記載の装置。
  5. 【請求項５】 前記処理装置は、最小二乗法を使用して
    前記バケット及びペイロードの質量を求めるように作動
    可能であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
  6. 【請求項６】 前記複数の所定の特性は、 前記運転台の質量、 前記ブームの質量、 前記アームの質量、 前記バケットの質量、 前記運転台の質量中心の位置、 前記ブームの質量中心の位置、 前記アームの質量中心の位置、 前記バケットの質量中心の位置、 前記運転台の慣性モーメント、 前記ブームの慣性モーメント、 前記アームの慣性モーメント、 前記バケットの慣性モーメント、及び、 前記作業機械の複数の形状寸法、 の複数のものを含むことを特徴とする請求項１に記載の
    装置。
  7. 【請求項７】 前記処理装置は、次式の関数として前記
    バケット及びペイロードの質量（Ｍ4）を求めるように
    作動可能であり、 ｎは、前記処理装置が前記第１、第２、及び、第４から
    第６までの感知装置から前記それぞれの発信信号を受信
    する時点の数であり、前記アームに相対的な前記バケッ
    トの運動に相当する項は、ゼロにされている、ことを特
    徴とする請求項１に記載の装置。
  8. 【請求項８】 前記処理装置は、更に、前記作業機械の
    前記所定の物理的特性の関数として前記ペイロードの質
    量を求めるように作動可能であることを特徴とする請求
    項１に記載の装置。
  9. 【請求項９】 前記第１、第２、及び、第３のアクチュ
    エータの各々は、油圧シリンダを含み、 前記第４、第５、及び、第６の感知装置の各々は、 前記それぞれの第１、第２、及び、第３シリンダにおい
    て前記シリンダのヘッド側及びロッド側のうちの一方に
    ある第１の位置における各第１圧力の関数として各第１
    圧力信号を発信するように作動可能な各第１圧力センサ
    と、 前記それぞれの第１、第２、及び、第３シリンダにおい
    て前記シリンダの前記ヘッド側及びロッド側のうちの他
    の一方にある第２の位置における各第２圧力の関数とし
    て各第２圧力信号を発信するように作動可能な各第２圧
    力センサと、 前記それぞれの第１及び第２圧力センサと結合され前記
    それぞれの第１及び第２圧力信号を受信して、前記各第
    １及び第２圧力信号の関数として前記それぞれの第１、
    第２、及び、第３のアクチュエータ力信号を発信するよ
    うに作動可能な各センサ処理回路と、を含む、ことを特
    徴とする請求項１に記載の装置。
  10. 【請求項１０】 前記それぞれの第１、第２、及び、第
    ３アクチュエータに作用する前記第１、第２、及び、第
    ３の力は、各々、第１、第２、及び、第３の正味の力を
    含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
  11. 【請求項１１】 前記第１、第２、及び、第３のアクチ
    ュエータは、 油圧シリンダ、及び、 モータ、のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とす
    る請求項１に記載の装置。
  12. 【請求項１２】 前記作業機械の傾斜角の関数として傾
    斜角信号を発信するように作動可能な第７の感知装置を
    更に含み、前記処理装置が前記傾斜角信号を受信して前
    記傾斜角信号の更なる関数として前記バケット及びペイ
    ロードの質量を求めるように作動可能であることを特徴
    とする請求項１に記載の装置。
  13. 【請求項１３】 前記作業機械のヨー角の関数としてヨ
    ー角信号を発信するように作動可能な第８の感知装置を
    更に含み、前記処理装置が前記第８の感知装置に結合さ
    れて少なくとも２つの時点で前記ヨー角信号を受信し、
    前記ヨー角信号の関数として前記バケット及びペイロー
    ドの質量を求めるように更に作動可能であり、 前記作業機械の前記運転台は、前記シャーシに関して回
    転するように作動可能である、ことを特徴とする請求項
    １に記載の装置。
  14. 【請求項１４】 前記プロセッサは、前記運転台が前記
    シャーシに対して運いている間、前記バケット及びペイ
    ロードの質量を求めるように更に作動可能であることを
    特徴とする請求項１３に記載の装置。
  15. 【請求項１５】 シャーシ、前記シャーシと結合された
    運転台、前記運転台と結合されたブーム、前記ブーム及
    び前記運転台と結合され前記ブームを前記運転台に対し
    て動かすように作動可能な第１のアクチュエータ、前記
    ブームに結合されたアーム、前記アーム及び前記ブーム
    に結合され前記アームを前記ブームに対して運かすよう
    に作動可能な第２のアクチュエータ、ペイロードを受け
    入れるように作動可能で前記アームに結合されたバケッ
    ト、及び、前記バケット及び前記アームに結合され前記
    バケットを前記アームに対して運かすように作動可能な
    第３のアクチュエータを有する作業機械のペイロードの
    質量を求める方法であって、 少なくとも２つの時点で前記運転台に対する前記ブーム
    の第１の連結角を求める段階と、 少なくとも２つの時点で前記ブームに対する前記アーム
    の第２の連結角を求める段階と、 少なくとも１つの時点で前記アームに対する前記バケッ
    トの第３の連結角を求める段階と、 少なくとも２つの時点で前記第１のアクチュエータに働
    く第１のアクチュエータ力を求める段階と、 少なくとも２つの時点で前記第２のアクチュエータに働
    く第２のアクチュエータ力を求める段階と、 少なくとも２つの時点で前記第３のアクチュエータに働
    く第３のアクチュエータ力を求める段階と、 前記作業機械の複数の物理的特性を求める段階と、 前記第１連結角、前記第２連結角、前記第３連結角、前
    記第１アクチュエータ力、前記第２アクチュエータ力、
    前記第３アクチュエータ力、及び、前記バケットが前記
    アームに関して比較的静止している間に予め測定された
    前記複数の物理的特性の関数として前記バケット及びペ
    イロードの質量のうちの１つを求める段階と、を含むこ
    とを特徴とする方法。
  16. 【請求項１６】 前記バケット及びペイロードの質量を
    求める段階は、前記ペイロードの質量を解析的に求める
    段階を含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
  17. 【請求項１７】 前記バケット及びペイロードの質量を
    求める段階は、前記ペイロードの質量を非経験的に求め
    る段階を含むことを特徴とする請求項１５に記載の方
    法。
  18. 【請求項１８】 前記バケット及びペイロードの質量を
    求める段階は、前記ブーム及び前記アームのうちの少な
    くとも１つが動いている間に起こることをを特徴とする
    請求項１５に記載の方法。
  19. 【請求項１９】 前記バケット及びペイロードの質量を
    求める段階は、前記ペイロードの質量を最小二乗法を使
    用して求める段階を含むことを特徴とする請求項１５に
    記載の方法。
  20. 【請求項２０】 前記複数の所定の物理的特性は、 前記運転台の質量、 前記ブームの質量、 前記アームの質量、 前記バケットの質量、 前記運転台の質量中心の位置、 前記ブームの質量中心の位置、 前記アームの質量中心の位置、 前記バケットの質量中心の位置、 前記運転台の慣性モーメント、 前記ブームの慣性モーメント、 前記アームの慣性モーメント、 前記バケットの慣性モーメント、及び、 前記作業機械の複数の形状寸法、の複数のものを含むこ
    とを特徴とする請求項１５に記載の方法。
  21. 【請求項２１】 前記バケット及びペイロードの質量
    （Ｍ4）を求める段階は、Ｍ4に関する以下の方程式を解
    く段階を含み、 ｎは、前記第１及び第２連結角と、前記第１、第２、及
    び、第３アクチュエータ力とが測定される時点の数であ
    り、前記アームに対する前記バケットの運動に相当する
    項は、ゼロにされている、ことを特徴とする請求項１５
    に記載の方法。
  22. 【請求項２２】 前記ペイロードの質量を前記作業機械
    の前記所定の物理的特性の関数として求める段階を更に
    含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
  23. 【請求項２３】 前記第１、第２、及び、第３アクチュ
    エータの各々は、油圧シリンダを含み、 前記アクチュエータに働く前記第１、第２、及び、第３
    の力を求める段階は、 それぞれの第１の圧力を、前記それぞれの第１、第２、
    及び、第３シリンダにおいて前記シリンダのヘッド側及
    びロッド側のうちの一方である第１の位置でのそれぞれ
    の第１圧力の関数として求める段階と、 それぞれの第２の圧力を、前記それぞれの第１、第２、
    及び、第３シリンダにおいて前記シリンダの前記ヘッド
    側又はロッド側のうちの他の一方である第２の位置での
    それぞれの第２圧力の関数として求める段階と、 それぞれの第１、第２、及び、第３アクチュエータ力
    を、前記それぞれの第１及び第２圧力の関数として求め
    る段階と、を含む、ことを特徴とする請求項１５に記載
    の方法。
  24. 【請求項２４】 前記第１、第２、及び、第３アクチュ
    エータに作用するそれぞれの前記第１、第２、及び、第
    ３の力は、各々、第１、第２、及び、第３の正味の力を
    含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
  25. 【請求項２５】 前記作業機械の傾斜角を求める段階を
    更に含み、 前記バケット及びペイロードの質量を求める段階は、更
    に、前記傾斜角の関数である、ことを特徴とする請求項
    １５に記載の方法。
  26. 【請求項２６】 少なくとも２つの時点で、前記バケッ
    ト及びペイロードの質量を求める段階が更にその関数と
    なる、前記作業機械のヨー角を求める段階を更に含み、 前記作業機械の前記運転台は、前記シャーシに関して回
    転するように作動可能である、ことを特徴とする請求項
    １５に記載の方法。
  27. 【請求項２７】 前記ペイロードの質量を求める段階
    は、前記運転台が前記シャーシに対して動いている間に
    前記バケット及びペイロードの質量を求める段階を含む
    ことを特徴とする請求項２６に記載の方法。
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