JP2018021416A - Overturn prevention device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent overturn of a construction machine while reducing computational complexity.SOLUTION: A ZMP calculation part 110 calculates a ZMP of a construction machine 1 based on a joint angle θ, an angular velocity θ', an angular acceleration θ" and a tilt angle β. A retrieval part 111 retrieves a tilt direction in which a ratio of decreasing a distance Lp between a boundary B2 of a safety domain D2 and any ZMP in relative to a present angular acceleration becomes maximum, in a first function F1 indicating the distance Lp as an angular acceleration θ" in a case where a present ZMP is positioned outside of the safety domain D2. The angular acceleration is changed in the retrieved tilt direction, thereby retrieving an angular acceleration that makes the distance Lp equal to or less than zero.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本発明は、建設機械の転倒防止装置に関するものである。   The present invention relates to a fall prevention device for a construction machine.

近年、構造体の地表面との接地部全体に分布する床反力の法線成分がある一点にかかっているとみなしたときの作用点を示すZMP(Zero Moment Point)を用いてロボットの転倒防止を図る技術が知られている。   In recent years, the fall of a robot using a ZMP (Zero Moment Point) indicating an action point when it is assumed that a normal component of the floor reaction force distributed over the entire ground contact portion of the structure is applied to one point Techniques for prevention are known.

特許文献1は、下記の技術を開示する。建設機械の操作レバーが操作状態から停止指令位置まで戻されたとき、シリンダ速度を3次関数で近似して建設機械のZMPを計算し、建設機械が停止するまでの安全性を予測する。そして、転倒の恐れがあることが予測された場合は、レバー入力信号の速度勾配を時間の経過に伴って減少させることにより、転倒防止を試みる。それでも安定性が十分に確保できない場合は、安定性が十分になるまで速度指令値を段階的に減少させる。   Patent Document 1 discloses the following technique. When the operating lever of the construction machine is returned from the operating state to the stop command position, ZMP of the construction machine is calculated by approximating the cylinder speed with a cubic function, and the safety until the construction machine stops is predicted. And when it is predicted that there is a possibility of falling, the speed gradient of the lever input signal is decreased with the passage of time to try to prevent falling. If sufficient stability cannot be ensured, the speed command value is decreased stepwise until stability is sufficient.

特許文献2は、下記の技術を開示する。腕を備えた2足歩行ロボットが特定の作業を達成するために、ロボットの各関節に予め計算された目標軌道(関節角の時系列情報)を与える。目標軌道は、作業中にロボットのZMPが支持多角形を逸脱することのないように設計されている。そして、ロボットに外力が加わり、ロボットのZMPが本来想定されている点からずれると、本来の目標軌道のZMPと、外乱によってずれたZMPとの差を0とするように目標軌道を修正する。   Patent document 2 discloses the following technique. In order for a biped robot with arms to accomplish a specific task, a pre-calculated target trajectory (joint angle time-series information) is given to each joint of the robot. The target trajectory is designed so that the ZMP of the robot does not deviate from the support polygon during work. When an external force is applied to the robot and the ZMP of the robot deviates from the originally assumed point, the target trajectory is corrected so that the difference between the ZMP of the original target trajectory and the ZMP shifted due to the disturbance becomes zero.

国際公開第2012/169531号International Publication No. 2012/169531 特開平10−230485号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-230485

しかし、建設機械の転倒は作業中に生じるあらゆる加速度に起因するが、特許文献1は、急停止時しか転倒防止の制御が実行されていない。そのため、特許文献1は、急停止時以外のシーンで建設機械の転倒防止を図ることができず、建設機械の転倒防止を十分に図ることができない。   However, although the fall of the construction machine is caused by any acceleration that occurs during the work, in Patent Document 1, the control for preventing the fall is executed only at the time of a sudden stop. Therefore, Patent Document 1 cannot prevent the construction machine from falling over in a scene other than during a sudden stop, and cannot sufficiently prevent the construction machine from overturning.

特許文献2では、計算した目標軌道を環境に応じて更新する手法が開示されているが、この手法は歩行ロボットの制御では有効である。しかし、建設機械は、目標動作が搭乗者のレバー操作によって時々刻々変更されるため、事前に目標軌道を設定することが困難である。よって、特許文献2の手法は、建設機械には適さない。   Patent Document 2 discloses a method for updating the calculated target trajectory according to the environment, but this method is effective in controlling a walking robot. However, it is difficult for the construction machine to set the target trajectory in advance because the target motion is changed every moment by the lever operation of the passenger. Therefore, the method of Patent Document 2 is not suitable for construction machines.

本発明は、少ない計算量で建設機械の転倒防止を実現できる転倒防止装置を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide an overturn prevention device that can prevent overturning of a construction machine with a small amount of calculation.

本発明の一態様は、回転軸を中心に回転する可動部を備える建設機械において、前記建設機械の転倒を防止する転倒防止装置であって、
前記可動部を作動させるアクチュエータと、
重力に対する前記建設機械の傾斜角と、前記回転軸に対する前記可動部の角度、角速度、及び角加速度とを取得する取得部と、
前記取得された、傾斜角、角度、角速度、及び角加速度に基づいて、前記建設機械の動的な重心位置であるZMPを算出するZMP算出部と、
前記建設機械に設定された支持多角形と、前記支持多角形の内側に設定された安全領域との位置情報を記憶する位置情報記憶部と、
現在のZMPが前記安全領域の外側に位置する場合、前記安全領域の境界及び任意のZMP間の距離を角加速度で示す第1関数において、前記現在の角加速度に対して前記距離が減少する割合が最大となる傾斜方向を探索し、前記探索した傾斜方向に沿って前記角加速度を変化させることにより、前記現在のZMPを前記安全領域の内側に戻す角加速度を探索する探索部と、
前記アクチュエータの制御量が前記探索された角加速度に応じた制御量となるように前記アクチュエータを制御する駆動部とを備える。
One aspect of the present invention is a fall prevention device for preventing a fall of the construction machine in a construction machine including a movable portion that rotates about a rotation axis,
An actuator for operating the movable part;
An acquisition unit that acquires an inclination angle of the construction machine with respect to gravity and an angle, an angular velocity, and an angular acceleration of the movable unit with respect to the rotation axis;
A ZMP calculating unit that calculates a ZMP that is a dynamic center of gravity position of the construction machine based on the acquired inclination angle, angle, angular velocity, and angular acceleration;
A position information storage unit for storing position information of a support polygon set in the construction machine and a safety area set inside the support polygon;
When the current ZMP is located outside the safe area, a rate at which the distance decreases with respect to the current angular acceleration in the first function that indicates the distance between the boundary of the safe area and an arbitrary ZMP as an angular acceleration A search unit for searching for an angular acceleration in which the current ZMP is returned to the inside of the safety region by searching for the inclination direction in which the current ZMP is maximized and changing the angular acceleration along the searched inclination direction;
And a drive unit that controls the actuator so that the control amount of the actuator becomes a control amount corresponding to the searched angular acceleration.

本態様によれば、支持多角形の内側に設定された安全領域の外側に現在のZMPが位置する場合、任意のZMP及び安全領域の境界間の距離を角加速度で示す第1関数において、前記現在のZMPを前記安全領域の内側に戻す角加速度が探索される。これにより、現在のZMPを安全領域の内側に戻す転倒防止制御が実現される。ここで、本態様では、現在の角加速度に対して距離が減少する割合が最大となる第1関数の傾斜方向に沿って角加速度が探索される。そのため、少ない計算量で建設機械の転倒防止を実現できる。   According to this aspect, when the current ZMP is located outside the safety region set inside the support polygon, in the first function indicating the distance between the boundary between any ZMP and the safety region in terms of angular acceleration, An angular acceleration that returns the current ZMP to the inside of the safe area is searched. Thereby, the fall prevention control for returning the current ZMP to the inside of the safety region is realized. Here, in this aspect, the angular acceleration is searched for along the inclination direction of the first function that maximizes the rate of decrease in the distance with respect to the current angular acceleration. Therefore, it is possible to prevent the fall of the construction machine with a small amount of calculation.

特に、建設機械は搭乗者の操作によって可動部の目標動作が時々刻々変動するので、2足歩行ロボットと比べて可動部の目標動作を予測することが困難である。本態様は、少ない計算量で現在のZMPを安全領域の内側に戻す角加速度が算出できるので、目標動作の予測が困難な建設機械の転倒防止制御に適している。   In particular, since the target motion of the movable part varies from moment to moment depending on the operation of the occupant, it is difficult to predict the target motion of the movable part compared to a biped robot. Since this embodiment can calculate the angular acceleration that returns the current ZMP to the inside of the safe area with a small amount of calculation, it is suitable for the fall prevention control of a construction machine where it is difficult to predict the target operation.

上記態様において、前記位置情報記憶部は、前記安全領域の内側に設定された前記建設機械の転倒防止制御が行われない非制御領域の位置情報を更に記憶し、
前記探索部は、
前記非制御領域の外側且つ前記安全領域の内側に前記現在のZMPが位置する場合、前記現在のZMPが前記非制御領域から離れるにつれて、前記現在のZMPの前記非制御領域側への移動量が長くなるように目標ZMPを設定し、
前記目標ZMP及び前記任意のZMP間の距離を前記角加速度で示す第2関数において、前記現在の角加速度に対して前記距離が減少する割合が最大となる傾斜方向を探索し、前記探索した傾斜方向に沿って前記角加速度を変化させることにより、前記距離を零にする角加速度を探索してもよい。
In the above aspect, the position information storage unit further stores position information of a non-control area where the fall prevention control of the construction machine set inside the safety area is not performed,
The search unit
When the current ZMP is located outside the non-control area and inside the safety area, as the current ZMP moves away from the non-control area, the amount of movement of the current ZMP toward the non-control area is increased. Set the target ZMP to be longer,
In the second function indicating the distance between the target ZMP and the arbitrary ZMP as the angular acceleration, a search is made for an inclination direction in which the rate of decrease of the distance with respect to the current angular acceleration is maximized, and the searched inclination You may search for the angular acceleration which makes the said distance zero by changing the said angular acceleration along a direction.

本態様では、非制御領域の外側且つ安全領域の内側に現在のZMPが位置する場合においても、転倒防止制御を実行する。そのため、転倒防止制御の実行と非実行とが繰り返され、アクチュエータを振動的に駆動させることを防止できると共に、ZMPが安全領域からはみ出したときにアクチュエータの制御量が過大になることを防止できる。しかも、この場合、現在のZMPが非制御領域から離れるにつれて、現在のZMPの非制御領域側への移動量が長くなるように目標ZMPが設定される。そのため、転倒の危険性が高くなるにつれて制御量が増大するように転倒防止制御を実行することができる。更に、ZMPが安全領域に戻った後も、緩やかな転倒防止制御が継続されるため、ZMPが安全領域からはみ出ることを抑制できる。   In this aspect, even when the current ZMP is located outside the non-control area and inside the safety area, the fall prevention control is executed. Therefore, execution and non-execution of the overturn prevention control are repeated, and it is possible to prevent the actuator from being driven in vibration, and it is possible to prevent the control amount of the actuator from becoming excessive when the ZMP protrudes from the safe region. In addition, in this case, the target ZMP is set such that the amount of movement of the current ZMP toward the non-control region increases as the current ZMP moves away from the non-control region. Therefore, the fall prevention control can be executed so that the control amount increases as the risk of the fall increases. Furthermore, since the gentle fall prevention control is continued even after the ZMP returns to the safe area, it is possible to suppress the ZMP from protruding from the safe area.

上記態様において、前記駆動部は、前記第2関数を用いた前記探索によって得られた角加速度に応じた制御量を、前記目標ZMPが前記非制御領域の境界から離れるにつれて増大させてもよい。   In the above aspect, the drive unit may increase the control amount according to the angular acceleration obtained by the search using the second function as the target ZMP moves away from the boundary of the non-control region.

本態様によれば、ZMPが非制御領域の外側且つ安全領域の内側に位置する場合、転倒の危険性が低下するにつれてアクチュエータの制御量を低下させることができる。そのため、ZMPが安全領域からはみ出したときに、アクチュエータの制御量が過大になることを防止できる。更に、ZMPが安全領域に戻った後も、緩やかな転倒防止制御が継続されるため、ZMPが安全領域からはみ出ることを抑制できる。   According to this aspect, when the ZMP is located outside the non-control region and inside the safe region, the control amount of the actuator can be reduced as the risk of falling falls. Therefore, it is possible to prevent the control amount of the actuator from becoming excessive when the ZMP protrudes from the safe area. Furthermore, since the gentle fall prevention control is continued even after the ZMP returns to the safe area, it is possible to suppress the ZMP from protruding from the safe area.

上記態様において、前記探索部は、前記現在のZMPと前記現在のZMPの速度とに基づいて、前記ZMPの予測位置を算出し、前記算出した予測位置が前記安全領域の外側に位置する場合、前記第1関数を用いた前記探索を実行してもよい。   In the above aspect, the search unit calculates the predicted position of the ZMP based on the current ZMP and the speed of the current ZMP, and when the calculated predicted position is located outside the safety region, The search using the first function may be executed.

本態様によれば、実際に現在のZMPが安全領域外にはみ出していなくても、ZMPの移動の勢いが大きい場合は事前にZMPを安全領域の内側に戻す転倒防止制御が行われる。そのため、ZMPが安全領域からはみ出て、いざ、ZMPを安全領域に戻そうとしたときに、制御量が過大になり、アクチュエータが飽和することを防止できる。   According to this aspect, even if the current ZMP does not actually protrude out of the safe area, the fall prevention control is performed to return the ZMP to the inside of the safe area in advance when the movement of the ZMP is large. Therefore, it is possible to prevent the control amount from becoming excessive and the actuator from being saturated when the ZMP protrudes from the safe area and the ZMP is returned to the safe area.

上記態様において、前記探索部は、前記現在の角加速度に対して前記距離が減少する割合が最大となる傾斜方向において前記探索を行った結果、前記ZMPが前記安全領域の内側に戻るまでに前記距離の減少が見込めなくなった場合、前記現在の角加速度に対して前記距離が減少する割合が次に大きな傾斜方向において前記探索を実行してもよい。   In the above aspect, as a result of performing the search in an inclination direction in which the rate of decrease in the distance with respect to the current angular acceleration is maximized, the search unit may change the ZMP until the ZMP returns to the inside of the safety region. When the decrease in the distance cannot be expected, the search may be executed in the inclination direction in which the rate at which the distance decreases with respect to the current angular acceleration is the next largest.

本態様によれば、最初に決定した傾斜方向において探索した結果、距離を零未満にすることができなくなった場合であっても、距離の減少する割合が次に大きな傾斜方向に沿って再探索が行われる。そのため、距離を零未満にする加加速度をより確実に探索できる。   According to this aspect, even when the distance cannot be reduced to less than zero as a result of searching in the initially determined inclination direction, the search is performed again along the inclination direction in which the distance decreases. Is done. Therefore, it is possible to more reliably search for jerk that makes the distance less than zero.

本発明によれば、少ない計算量で建設機械の転倒防止を実現できる。   According to the present invention, it is possible to prevent the construction machine from falling over with a small amount of calculation.

本発明の実施の形態1における転倒防止装置が適用された建設機械の外観図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is an external view of the construction machine to which the fall prevention apparatus in Embodiment 1 of this invention was applied. ZMPの説明図である。It is explanatory drawing of ZMP. 図1に示す建設機械に適用された転倒防止装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the fall prevention apparatus applied to the construction machine shown in FIG. 建設機械を上方から下方に見たときの支持多角形と安全領域とを示す図である。It is a figure which shows a support polygon and a safe area | region when a construction machine is seen below from the upper direction. 距離の取り方の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of how to take distance. 油圧回路の回路図である。It is a circuit diagram of a hydraulic circuit. 実施の形態の転倒防止装置の処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the process of the fall prevention apparatus of embodiment. 探索処理の詳細を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the detail of a search process. 第1関数の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the 1st function. 本発明の実施の形態2に係る転倒防止装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the fall prevention apparatus which concerns on Embodiment 2 of this invention. 建設機械を上方から下方に見たときの支持多角形と安全領域と非制御領域とを示す図である。It is a figure which shows a support polygon, a safety area | region, and a non-control area | region when a construction machine is seen from upper direction to the downward direction. 探索部の処理を説明する図である。It is a figure explaining the process of a search part. 本発明の実施の形態2に係る探索処理の詳細を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the detail of the search process which concerns on Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態3に係る転倒防止装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the fall prevention apparatus which concerns on Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施の形態3に係る転倒防止装置の処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the process of the fall prevention apparatus which concerns on Embodiment 3 of this invention. ZMPの予測位置の説明図である。It is explanatory drawing of the predicted position of ZMP.

以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の実施の形態は、本発明を具体化した例であって、本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The following embodiments are examples embodying the present invention, and are not of a nature that limits the technical scope of the present invention.

(実施の形態1)
[建設機械]
図1は、本発明の実施の形態1における転倒防止装置が適用された建設機械1の外観図である。建設機械1は、油圧ショベルで構成されているが、これは一例であり、クレーン等の上部旋回体を備える建設機械であればどのような建設機械が採用されてもよい。図1において、+x方向は建設機械1の前方を示し、−x方向は建設機械1の後方を示す。前方及び後方を総称して前後方向(x方向)と呼ぶ。+z方向は建設機械1の上方を示し、−z方向は建設機械1の下方を示す。上方と下方とを総称して上下方向(z方向)と呼ぶ。+y方向は後方から前方に建設機械1を見たときの左方を指し、−y方向は後方から前方に建設機械1を見たときの右方を指す。右方と左方とを総称して左右方向と呼ぶ。
(Embodiment 1)
[Construction machinery]
FIG. 1 is an external view of a construction machine 1 to which a fall prevention device according to Embodiment 1 of the present invention is applied. Although the construction machine 1 is configured by a hydraulic excavator, this is an example, and any construction machine may be employed as long as the construction machine includes an upper swing body such as a crane. In FIG. 1, the + x direction indicates the front of the construction machine 1, and the −x direction indicates the rear of the construction machine 1. The front and rear are collectively referred to as the front-rear direction (x direction). The + z direction indicates the upper side of the construction machine 1, and the −z direction indicates the lower side of the construction machine 1. The upper part and the lower part are collectively referred to as the vertical direction (z direction). The + y direction indicates the left when the construction machine 1 is viewed from the rear to the front, and the -y direction indicates the right when the construction machine 1 is viewed from the rear to the front. The right side and the left side are collectively referred to as the left-right direction.

建設機械1は、クローラ式の下部走行体2と、下部走行体2上に旋回可能に設けられた上部旋回体3と、上部旋回体3に取り付けられた作業装置4とを備えている。   The construction machine 1 includes a crawler-type lower traveling body 2, an upper revolving body 3 that is turnable on the lower traveling body 2, and a work device 4 that is attached to the upper revolving body 3.

作業装置4は、上部旋回体3に対して起伏可能に取り付けられたブーム41と、ブーム41の先端部に対して揺動可能に取り付けられたアーム42と、アーム42の先端部に対して揺動可能に取り付けられたバケット43とを備えている。   The work device 4 includes a boom 41 attached to the upper swing body 3 so as to be able to move up and down, an arm 42 attached so as to be swingable with respect to a distal end portion of the boom 41, and a swing with respect to the distal end portion of the arm 42. And a bucket 43 movably attached thereto.

また、作業装置4は、上部旋回体3に対してブーム41を起伏させるブームシリンダ51と、ブーム41に対してアーム42を揺動させるアームシリンダ52と、アーム42に対してバケット43を揺動させるバケットシリンダ53とを備えている。   In addition, the working device 4 swings the boom 43 with respect to the upper swing body 3, the arm cylinder 52 with which the arm 42 swings with respect to the boom 41, and the bucket 43 with respect to the arm 42. And a bucket cylinder 53 to be operated.

[ZMPの概要]
図2は、ZMPの説明図である。本実施の形態では建設機械1の全重心位置cとZMP(Zero Moment Point)とを用いて、建設機械1の転倒防止制御を行う。ZMPは、物体が地面から受ける反力の中心位置を示し、動的な重心位置を示す。例えば、図1を参照して作業装置4が左側に加速しているとすると、ZMPは全重心位置cの右側に移動する。
[Outline of ZMP]
FIG. 2 is an explanatory diagram of ZMP. In the present embodiment, the fall prevention control of the construction machine 1 is performed using the total center-of-gravity position c of the construction machine 1 and the ZMP (Zero Moment Point). ZMP indicates the center position of the reaction force that the object receives from the ground, and indicates the dynamic center of gravity position. For example, if the working device 4 is accelerating to the left with reference to FIG. 1, the ZMP moves to the right of the total center of gravity position c.

図2を参照する。ZMPを用いた転倒防止制御は、ZMPが支持多角形D1の境界B1を含まない内側に位置するように作業装置4を制御する。支持多角形D1は、物体が地面と接している領域を凸に取り囲む多角形である。建設機械1の場合、下部走行体2を構成する左右一対のクローラ21,22が地面と接しているので、クローラ21,22が地面と接している2つの領域を凸に取り囲んだほぼ矩形状の領域が支持多角形D1となる。   Please refer to FIG. In the overturning prevention control using the ZMP, the work device 4 is controlled so that the ZMP is located inside the support polygon D1 not including the boundary B1. The support polygon D1 is a polygon that surrounds a region where the object is in contact with the ground. In the case of the construction machine 1, since the pair of left and right crawlers 21 and 22 constituting the lower traveling body 2 are in contact with the ground, the substantially rectangular shape in which the crawlers 21 and 22 are convexly surrounded by the two regions. The region becomes the support polygon D1.

建設機械1の静的な転倒安定性は、全重心位置cが機械の支持多角形D1の内側に存在することによって満たされる。しかし、外力などにより建設機械1に加速度が加わると、全重心位置cが支持多角形D1内に存在したとしても、ZMPが支持多角形D1がはみ出している或いは境界B1に位置していれば、建設機械1は転倒する。例えば、ZMPが点p1に位置すれば、建設機械1は転倒しないが、ZMPが点p2に位置すれば、建設機械1は転倒する。そこで、建設機械1の動特性を考慮に入れた、ZMPによる転倒判定が必要となる。   The static overturning stability of the construction machine 1 is satisfied by the presence of the total center of gravity position c inside the machine support polygon D1. However, when acceleration is applied to the construction machine 1 by an external force or the like, even if the total center of gravity position c exists within the support polygon D1, if the support polygon D1 protrudes or is positioned at the boundary B1, The construction machine 1 falls. For example, if the ZMP is located at the point p1, the construction machine 1 does not fall, but if the ZMP is located at the point p2, the construction machine 1 falls. Therefore, it is necessary to make a fall determination by ZMP taking into consideration the dynamic characteristics of the construction machine 1.

<ブロック図>
図3は、図1に示す建設機械1に適用された転倒防止装置10の構成を示すブロック図である。転倒防止装置10は、回転軸を中心に回転する可動部を備える建設機械1において、建設機械1の転倒を防止する装置である。以下、可動部としては、図1に示す作業装置4を構成するブーム41、アーム42、及びバケット43が採用できる。但し、これは一例であり、回転軸を中心に回転する建設機械1の構成部品であればどのような構成部品であっても可動部として適用可能である。例えば、油圧クレーンのジブが可動部とされてもよい。また、バケット43以外のアタッチメントが可動部とされてもよいし、上部旋回体3が可動部とされてもよい。
<Block diagram>
FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of the overturn prevention device 10 applied to the construction machine 1 shown in FIG. The overturn prevention device 10 is a device that prevents the construction machine 1 from overturning in the construction machine 1 including a movable part that rotates about a rotation axis. Hereinafter, the boom 41, the arm 42, and the bucket 43 which comprise the working apparatus 4 shown in FIG. However, this is merely an example, and any component part of the construction machine 1 that rotates about the rotation axis can be applied as the movable part. For example, a jib of a hydraulic crane may be the movable part. Further, an attachment other than the bucket 43 may be a movable part, and the upper swing body 3 may be a movable part.

転倒防止装置10は、角度センサ101(取得部の一例)、傾斜センサ102(取得部の一例)、コントローラ103、アクチュエータ104、及び油圧回路105を備える。   The fall prevention device 10 includes an angle sensor 101 (an example of an acquisition unit), a tilt sensor 102 (an example of an acquisition unit), a controller 103, an actuator 104, and a hydraulic circuit 105.

角度センサ101は、例えば、ブーム41の関節角θ1と、アーム42の関節角θ2とバケット43の関節角θ3とのそれぞれを検出する3つの角度センサで構成される。関節角θ1は、上部旋回体3に対するブーム41の起伏量を示す。関節角θ2は、ブーム41に対するアーム42の揺動量を示す。関節角θ3は、アーム42に対するバケット43の揺動量を示す。以下、関節角θ1〜θ3を総称する場合、関節角θと表す。角度センサ101は、ロータリーエンコーダで構成されてもよいし、ポテンショメータで構成されてもよい。   The angle sensor 101 includes, for example, three angle sensors that detect the joint angle θ1 of the boom 41, the joint angle θ2 of the arm 42, and the joint angle θ3 of the bucket 43, respectively. The joint angle θ <b> 1 indicates the amount of undulation of the boom 41 with respect to the upper swing body 3. The joint angle θ <b> 2 indicates the swing amount of the arm 42 with respect to the boom 41. The joint angle θ <b> 3 indicates the amount of swing of the bucket 43 relative to the arm 42. Hereinafter, the joint angles θ1 to θ3 are collectively referred to as the joint angle θ. The angle sensor 101 may be composed of a rotary encoder or a potentiometer.

傾斜センサ102は、例えば、重力センサで構成され、水平面に対する建設機械1の傾斜量を示す傾斜角βを検出する。   The inclination sensor 102 is composed of, for example, a gravity sensor, and detects an inclination angle β indicating the amount of inclination of the construction machine 1 with respect to a horizontal plane.

コントローラ103は、例えば、CPU、RAM、及びROMを備えるコンピュータで構成され、ZMP算出部110、探索部111、駆動部112、及び位置情報記憶部113を備える。   The controller 103 includes, for example, a computer including a CPU, a RAM, and a ROM, and includes a ZMP calculation unit 110, a search unit 111, a drive unit 112, and a position information storage unit 113.

ZMP算出部110は、関節角θ、角速度θ’、角加速度θ”、及び傾斜角βに基づいて、建設機械1のZMPを算出する。ここで、ZMP算出部110は、角度センサ101で検出された関節角θを1階微分することで角速度θ’を算出し、関節角θを2階微分することで角加速度θ”を算出すればよい。或いは、ブーム41、アーム42、及びバケット43の角速度を検出する角速度センサが設けられているのであれば、ZMP算出部110は、角速度センサにより検出された角速度を取得すればよい。このことは、角加速度センサが設けられている場合も同じである。   The ZMP calculation unit 110 calculates the ZMP of the construction machine 1 based on the joint angle θ, the angular velocity θ ′, the angular acceleration θ ″, and the inclination angle β. Here, the ZMP calculation unit 110 is detected by the angle sensor 101. The angular velocity θ ′ may be calculated by first-order differentiation of the joint angle θ, and the angular acceleration θ ″ may be calculated by second-order differentiation of the joint angle θ. Or if the angular velocity sensor which detects the angular velocity of the boom 41, the arm 42, and the bucket 43 is provided, the ZMP calculation part 110 should just acquire the angular velocity detected by the angular velocity sensor. This is the same when an angular acceleration sensor is provided.

<ZMPの計算>
詳細には、ZMP算出部110は、下記の式(1)、(2)を用いてZMPを算出すればよい。
<Calculation of ZMP>
Specifically, the ZMP calculating unit 110 may calculate ZMP using the following equations (1) and (2).

Figure 2018021416
式(1)、(2)では、図2に示すように、建設機械1が接している地面上にx軸、y軸が設定され、地面に対して垂直上方にz軸が設定されている。式(1)、(2)において、左辺のpはZMPを示す。pはx,y成分のみで構成され、z成分は0である。これは、ZMPは地面上に設定された支持多角形D1上の点だからである。
Figure 2018021416
In the formulas (1) and (2), as shown in FIG. 2, the x axis and the y axis are set on the ground with which the construction machine 1 is in contact, and the z axis is set vertically above the ground. . In the expressions (1) and (2), p on the left side represents ZMP. p is composed only of x and y components, and the z component is zero. This is because ZMP is a point on the support polygon D1 set on the ground.

全質量M及び重力加速度g(gx,gy,gz)は定数である。全重心位置c(cx,cy,cz)は建設機械1全体の重心であり、建設機械1の関節角θに依存する変数である。全運動量P及び全角運動量Lは、各可動部の運動量及び角運動量のベクトル和である。全運動量P及び全角運動量Lは関節角θと角速度θ’と角加速度θ”とに依存する変数である。傾斜角βに応じて重力加速度gの方向を変えることにより、傾斜地におけるZMPの計算も可能である。式(1)、(2)から、全運動量P及び全角運動量Lを調整することでZMPが目的の場所に配置可能であることが分かる。   The total mass M and the gravitational acceleration g (gx, gy, gz) are constants. The total center-of-gravity position c (cx, cy, cz) is the center of gravity of the entire construction machine 1 and is a variable that depends on the joint angle θ of the construction machine 1. The total momentum P and the total angular momentum L are the vector sum of the momentum and angular momentum of each movable part. The total momentum P and the total angular momentum L are variables that depend on the joint angle θ, the angular velocity θ ′, and the angular acceleration θ ″. By changing the direction of the gravitational acceleration g in accordance with the inclination angle β, ZMP calculation on an inclined ground is also possible. From equations (1) and (2), it can be seen that the ZMP can be placed at the target location by adjusting the total momentum P and the total angular momentum L.

このように、ZMPの計算には、建設機械1の全重心位置c、全運動量P、及び全角運動量Lが必要となる。これらの物理量は、建設機械1の関節角θ、角速度θ’、角加速度θ”、及び建設機械の重力加速度gに対する傾斜角βから運動学的に求められる。よって、式(1)、(2)は、関節角θ、角速度θ’、及び角加速度θ”の関数となる。   Thus, the calculation of ZMP requires the total center-of-gravity position c, the total momentum P, and the total angular momentum L of the construction machine 1. These physical quantities are obtained kinematically from the joint angle θ, the angular velocity θ ′, the angular acceleration θ ″ of the construction machine 1 and the inclination angle β with respect to the gravitational acceleration g of the construction machine. Therefore, the equations (1) and (2 ) Is a function of the joint angle θ, the angular velocity θ ′, and the angular acceleration θ ″.

なお、関節角θは関節数に応じた成分を持つベクトルである。図1の建設機械1は関節数が3つなので、関節角θはθ1,θ2,θ3の3成分からなるベクトルで表される。   The joint angle θ is a vector having components corresponding to the number of joints. Since the construction machine 1 in FIG. 1 has three joints, the joint angle θ is expressed by a vector composed of three components θ1, θ2, and θ3.

したがって、関節数がn個であれば、関節角θは式(3)で示すn成分からなるベクトルで表される。   Therefore, if the number of joints is n, the joint angle θ is represented by a vector composed of n components shown in Expression (3).

Figure 2018021416
<安全領域>
前述の通り、ZMPが建設機械1の支持多角形D1の内側に存在すれば、理論上は建設機械1は転倒しない。しかし、現実にはモデル化誤差や計測誤差によってZMPの計算結果には誤差が生じる。そこで、本実施の形態は、建設機械1の支持多角形D1内にさらに安全領域D2を設定し、ZMPが安全領域D2内にあるかどうかを転倒判定の基準とする。
Figure 2018021416
<Safe area>
As described above, if the ZMP exists inside the support polygon D1 of the construction machine 1, the construction machine 1 does not fall down theoretically. However, in reality, an error occurs in the ZMP calculation result due to modeling error or measurement error. Therefore, in the present embodiment, a safety region D2 is further set in the support polygon D1 of the construction machine 1, and whether or not the ZMP is in the safety region D2 is used as a reference for the fall determination.

位置情報記憶部113は、建設機械1に設定された支持多角形D1の位置情報と、支持多角形D1の内側に設定された安全領域D2の位置情報とを記憶する。図4は、建設機械1を上方から下方に見たときの支持多角形D1と安全領域D2とを示す図である。   The position information storage unit 113 stores the position information of the support polygon D1 set in the construction machine 1 and the position information of the safety area D2 set inside the support polygon D1. FIG. 4 is a diagram showing the support polygon D1 and the safety area D2 when the construction machine 1 is viewed from above.

図4の例では、安全領域D2は支持多角形D1と相似な矩形の形状を持つ。また、図4の例では、安全領域D2の中心は支持多角形D1の中心と同じ位置に設定されている。安全領域D2の境界B2と支持多角形D1の境界B1との間の領域は調整領域D3である。   In the example of FIG. 4, the safety area D2 has a rectangular shape similar to the support polygon D1. In the example of FIG. 4, the center of the safety area D2 is set at the same position as the center of the support polygon D1. An area between the boundary B2 of the safety area D2 and the boundary B1 of the support polygon D1 is an adjustment area D3.

ZMPが安全領域D2内に存在する場合、転倒防止装置10は転倒防止制御を行わない。ZMPが調整領域D3内に存在する場合、転倒防止装置10は、ZMPが安全領域D2に戻るように転倒防止制御を行う。   When the ZMP exists in the safety area D2, the fall prevention device 10 does not perform the fall prevention control. When the ZMP exists in the adjustment area D3, the fall prevention device 10 performs the fall prevention control so that the ZMP returns to the safety area D2.

支持多角形D1は、建設機械1のクローラ21,22の形状から予め定められた大きさ及び形状が採用できる。支持多角形D1の位置情報のデータ構造としては、例えば、x,y,zの3軸からなる建設機械1の座標系において、ある位置を原点としたときの支持多角形D1の4つの頂点の座標が採用できる。   The support polygon D1 can adopt a size and a shape determined in advance from the shapes of the crawlers 21 and 22 of the construction machine 1. As the data structure of the position information of the support polygon D1, for example, in the coordinate system of the construction machine 1 composed of three axes x, y, and z, the four vertices of the support polygon D1 when the position is the origin are used. Coordinates can be adopted.

安全領域D2の大きさは、建設機械1の仕様に応じて予め定められた値が採用できる。例えば、安全領域D2の大きさとしては、ZMPが支持多角形D1の境界B1付近に存在する場合であっても、アクチュエータ104が飽和することなく、ZMPを安全領域D2内に戻すことが可能な値が採用できる。   A value determined in advance according to the specifications of the construction machine 1 can be adopted as the size of the safety region D2. For example, the size of the safety area D2 can be returned to the safety area D2 without saturating the actuator 104 even when the ZMP exists near the boundary B1 of the support polygon D1. Value can be adopted.

安全領域D2の位置情報のデータ構造としては、例えば、建設機械1の座標系において、安全領域D2の4つの頂点の座標が採用できる。   As the data structure of the position information of the safety area D2, for example, the coordinates of the four vertices of the safety area D2 in the coordinate system of the construction machine 1 can be adopted.

図3に参照を戻す。探索部111は、現在のZMPが安全領域D2の外側に位置する場合、安全領域D2の境界B2及び任意のZMP間の距離Lpを角加速度θ”で示す第1関数F1を設定する。そして、探索部111は、第1関数F1において、現在の角加速度θ”に対して距離Lpが減少する割合が最大となる傾斜方向を探索し、探索した傾斜方向に沿って角加速度を変化させることにより、距離Lpが零以下になる角加速度を探索する。この探索のアルゴリズムとしては、例えば最急降下法が採用できる。   Returning to FIG. When the current ZMP is located outside the safe area D2, the search unit 111 sets the first function F1 indicating the distance Lp between the boundary B2 of the safe area D2 and an arbitrary ZMP by the angular acceleration θ ″. In the first function F1, the search unit 111 searches for a tilt direction in which the rate of decrease of the distance Lp with respect to the current angular acceleration θ ″ is maximized, and changes the angular acceleration along the searched tilt direction. The angular acceleration at which the distance Lp is less than or equal to zero is searched. As the search algorithm, for example, the steepest descent method can be adopted.

<距離Lpの取り方>
図5は、距離Lpの取り方の一例を示す図である。図5の例では、点pは、任意のZMPを示す。図5の例では、安全領域D2の中心Oと点pとを繋ぐ直線K1上における任意のZMP(点p)と境界B2との長さが距離Lpとして採用されている。
<How to take distance Lp>
FIG. 5 is a diagram illustrating an example of how to obtain the distance Lp. In the example of FIG. 5, the point p indicates an arbitrary ZMP. In the example of FIG. 5, the length between an arbitrary ZMP (point p) and the boundary B2 on the straight line K1 connecting the center O of the safety region D2 and the point p is adopted as the distance Lp.

任意のZMP(点p)は、上記の式(1)、(2)で表される。式(1)、(2)は、上述したように、関節角θ、角速度θ’、及び角加速度θ”の関数なので、距離Lpは、関節角θ、角速度θ’、及び角加速度θ”の関数となる。   Arbitrary ZMP (point p) is represented by the above formulas (1) and (2). Since the expressions (1) and (2) are functions of the joint angle θ, the angular velocity θ ′, and the angular acceleration θ ″ as described above, the distance Lp is determined by the joint angle θ, the angular velocity θ ′, and the angular acceleration θ ″. It becomes a function.

また、探索部111は、ZMPが境界B2の外側に存在する場合、Lp>0となるように距離Lpを定める。したがって、探索部111は、距離Lpが零未満(Lp<0)であれば、ZMPが安全領域D2の内側に存在するので、建設機械1は安定であると判定する。一方、探索部111は、距離Lpが零以上(Lp≧0)であれば、ZMPが安全領域D2の外側に存在するので建設機械1は安定でないと判定する。   The search unit 111 determines the distance Lp so that Lp> 0 when the ZMP exists outside the boundary B2. Therefore, if the distance Lp is less than zero (Lp <0), the search unit 111 determines that the construction machine 1 is stable because the ZMP exists inside the safety region D2. On the other hand, if the distance Lp is greater than or equal to zero (Lp ≧ 0), the search unit 111 determines that the construction machine 1 is not stable because ZMP exists outside the safety region D2.

なお、距離Lpの取り方は、図5に示す取り方に限定されない。例えば、距離Lpは、安全領域D2の境界B2から任意のZMP(点p)までの最短距離が採用されてもよい。   Note that the method of obtaining the distance Lp is not limited to the method illustrated in FIG. For example, the shortest distance from the boundary B2 of the safety region D2 to an arbitrary ZMP (point p) may be adopted as the distance Lp.

建設機械1のZMPが安全領域D2からはみ出して調整領域D3に侵入した場合(Lp>0)、又は、ZMPが安全領域D2の境界B2上に位置する場合(Lp=0)、建設機械1のアクチュエータ104の制御量を調整し、ZMPを安全領域D2内に留めることを考える。   When the ZMP of the construction machine 1 protrudes from the safety region D2 and enters the adjustment region D3 (Lp> 0), or when the ZMP is located on the boundary B2 of the safety region D2 (Lp = 0), Consider that the control amount of the actuator 104 is adjusted to keep the ZMP within the safety region D2.

式(1),(2)において、全運動量P及び全角運動量Lは、関節角θ、角速度θ’、及び角加速度θ”に依存する。よって、ある時刻において、センサにより関節角θ及び角速度θ’が既知であれば、角加速度θ”を調節することによりZMPを所望の場所に配置できる。この場合、ある時刻における距離Lpを示す第1関数F1は角加速度θ”の関数として考えられる。そこで、探索部111は、距離Lpを第1関数F1(θ”)として取り扱う。   In the equations (1) and (2), the total momentum P and the total angular momentum L depend on the joint angle θ, the angular velocity θ ′, and the angular acceleration θ ″. Therefore, at a certain time, the joint angle θ and the angular velocity θ are detected by the sensor. If 'is known, the ZMP can be placed at a desired location by adjusting the angular acceleration θ ". In this case, the first function F1 indicating the distance Lp at a certain time is considered as a function of the angular acceleration θ ″. Therefore, the search unit 111 handles the distance Lp as the first function F1 (θ ″).

詳細には、転倒防止装置10が角速度センサを備えているのであれば、探索部111は、関節角θ及び角速度θ’に角度センサ101及び角速度センサの検出値を代入することで、第1関数F1を角加速度θ”の関数に設定すればよい。また、転倒防止装置10が角速度センサを備えていないのであれば、探索部111は、関節角θに、角度センサ101の検出値を代入すると共に、角速度θ’に、一つ前のサンプリング点における角加速度θ”から得られた角速度θ’を代入することで、第1関数F1を角加速度θ”の関数に設定すればよい。   Specifically, if the overturn prevention device 10 includes an angular velocity sensor, the search unit 111 substitutes the detection values of the angle sensor 101 and the angular velocity sensor into the joint angle θ and the angular velocity θ ′, thereby obtaining the first function. F1 may be set as a function of the angular acceleration θ ″. If the fall prevention device 10 does not include the angular velocity sensor, the search unit 111 substitutes the detected value of the angle sensor 101 for the joint angle θ. In addition, the first function F1 may be set as a function of the angular acceleration θ ″ by substituting the angular velocity θ ′ obtained from the angular acceleration θ ″ at the previous sampling point into the angular velocity θ ′.

なお、第1関数F1を角加速度θ”の関数としたのは、関節角θ、角速度θ’、及び角加速度θ”のうち、角加速度θ”の応答性が高いからである。   The reason why the first function F1 is the function of the angular acceleration θ ″ is that the responsiveness of the angular acceleration θ ″ is high among the joint angle θ, the angular velocity θ ′, and the angular acceleration θ ″.

図3に参照を戻す。駆動部112は、アクチュエータ104の制御量が探索部111により探索された角加速度θ”になるように、油圧回路105を通じてアクチュエータ104を制御する。なお、駆動部112は、可動部が複数存在するのであれば、複数の可動部のそれぞれを個別に制御する。図1の例では、駆動部112は、ブームシリンダ51、アームシリンダ52、及びバケットシリンダ53を個別に制御する。   Returning to FIG. The drive unit 112 controls the actuator 104 through the hydraulic circuit 105 so that the control amount of the actuator 104 becomes the angular acceleration θ ″ searched by the search unit 111. The drive unit 112 has a plurality of movable units. In this case, each of the plurality of movable parts is individually controlled, and in the example of Fig. 1, the drive part 112 individually controls the boom cylinder 51, the arm cylinder 52, and the bucket cylinder 53.

アクチュエータ104は、可動部が複数存在するのであれば、複数の可動部に対応して複数のアクチュエータ104が存在する。図1の例では、アクチュエータ104は、ブームシリンダ51、アームシリンダ52、及びバケットシリンダ53に対応する3つのアクチュエータ104を含む。   If the actuator 104 has a plurality of movable parts, a plurality of actuators 104 exist corresponding to the plurality of movable parts. In the example of FIG. 1, the actuator 104 includes three actuators 104 corresponding to the boom cylinder 51, the arm cylinder 52, and the bucket cylinder 53.

油圧回路105は、駆動部112の制御の下、アクチュエータ104を作動させる。   The hydraulic circuit 105 operates the actuator 104 under the control of the drive unit 112.

<油圧回路>
図6は、油圧回路105の回路図である。油圧回路105は、方向切替弁602、逆比例弁603,604、操作部605、油圧ポンプ606、及びタンク607を備える。ここでは、ブームシリンダ51を作動させる油圧回路105を例に挙げて説明する。
<Hydraulic circuit>
FIG. 6 is a circuit diagram of the hydraulic circuit 105. The hydraulic circuit 105 includes a direction switching valve 602, inverse proportional valves 603 and 604, an operation unit 605, a hydraulic pump 606, and a tank 607. Here, the hydraulic circuit 105 that operates the boom cylinder 51 will be described as an example.

方向切替弁602は、パイロットポート602a、602bを有するパイロット切替弁を備える。方向切替弁602は、パイロットポート602aにパイロット圧が供給されると、シリンダ601のヘッドH側にパイロット圧に応じた供給量で作動油を供給し、シリンダ601のロッドR側の作動油をパイロット圧に応じた排出量でタンク607に排出する。一方、方向切替弁602は、パイロットポート602bにパイロット圧が供給されると、シリンダ601のロッドR側にパイロット圧に応じた供給量で作動油を供給し、シリンダ601のヘッドH側の作動油をパイロット圧に応じた排出量でタンク607に排出する。   The direction switching valve 602 includes a pilot switching valve having pilot ports 602a and 602b. When the pilot pressure is supplied to the pilot port 602a, the direction switching valve 602 supplies the hydraulic oil to the head H side of the cylinder 601 at a supply amount corresponding to the pilot pressure, and the hydraulic oil on the rod R side of the cylinder 601 is piloted. Discharge to the tank 607 with a discharge amount corresponding to the pressure. On the other hand, when the pilot pressure is supplied to the pilot port 602b, the direction switching valve 602 supplies hydraulic oil to the rod R side of the cylinder 601 with a supply amount corresponding to the pilot pressure, and the hydraulic oil on the head H side of the cylinder 601. Is discharged to the tank 607 at a discharge amount corresponding to the pilot pressure.

操作部605は、操作レバー605aを含むリモコン弁で構成され、操作レバー605aの操作量に応じたパイロット圧を出力する。ここで、操作部605は、操作レバー605aがブーム41を第1方向(起立方向)に回転させる方向に操作されると、操作量に応じたパイロット圧をパイロット管路608aを通じてパイロットポート602aに入力する。一方、操作部605は、操作レバー605aがブームを第1方向と反対の第2方向(倒伏方向)に回転させる方向に操作されると、操作量に応じたパイロット圧をパイロット管路608bを通じてパイロットポート602bに出力する。   The operation unit 605 includes a remote control valve including an operation lever 605a, and outputs a pilot pressure corresponding to the operation amount of the operation lever 605a. Here, when the operation lever 605a is operated in a direction in which the boom 41 is rotated in the first direction (stand-up direction), the operation unit 605 inputs a pilot pressure corresponding to the operation amount to the pilot port 602a through the pilot line 608a. To do. On the other hand, when the operation lever 605a is operated in a direction in which the operation lever 605a rotates the boom in the second direction (the lying down direction) opposite to the first direction, the pilot pressure corresponding to the operation amount is piloted through the pilot line 608b. Output to port 602b.

シリンダ601は、例えば、図1に示すブームシリンダ51で構成され、ブーム41を起伏させる。   The cylinder 601 is constituted by, for example, the boom cylinder 51 shown in FIG.

逆比例弁603は、操作部605及びパイロットポート602a間を繋ぐパイロット管路608aに設けられている。逆比例弁604は、操作部605及びパイロットポート602b間を繋ぐパイロット管路608bに設けられている。   The inverse proportional valve 603 is provided in a pilot pipe line 608a that connects the operation unit 605 and the pilot port 602a. The inverse proportional valve 604 is provided in a pilot pipe line 608b that connects the operation unit 605 and the pilot port 602b.

逆比例弁603,604は、コントローラ103からの制御信号に応じて、パイロット圧を減圧させる。   The inverse proportional valves 603 and 604 reduce the pilot pressure according to the control signal from the controller 103.

コントローラ103の駆動部112は、現在の角加速度θ”と探索部111で探索された角加速度θ”との偏差が零となるようにシリンダー601をフィードバック制御する。ここでは、駆動部112は、逆比例弁603,604の減圧量を調整することで、シリンダー601をフィードバック制御する。駆動部112は、操作レバー605aが第1方向に操作されていたとすると、逆比例弁603を制御し、操作レバー605aが第2方向に操作されていたとすると、逆比例弁604を制御すればよい。   The drive unit 112 of the controller 103 feedback-controls the cylinder 601 so that the deviation between the current angular acceleration θ ″ and the angular acceleration θ ″ searched by the search unit 111 becomes zero. Here, the drive unit 112 performs feedback control of the cylinder 601 by adjusting the pressure reduction amount of the inverse proportional valves 603 and 604. The drive unit 112 may control the inverse proportional valve 603 if the operation lever 605a is operated in the first direction, and may control the inverse proportional valve 604 if the operation lever 605a is operated in the second direction. .

<フローチャート>
図7は、実施の形態1の転倒防止装置10の処理を示すフローチャートである。このフローチャートは、例えば、建設機械1がキーオンされている期間、所定のサンプリング周期で実行される。
<Flowchart>
FIG. 7 is a flowchart illustrating processing of the overturn prevention device 10 according to the first embodiment. This flowchart is executed, for example, at a predetermined sampling period while the construction machine 1 is keyed on.

まず、ZMP算出部110は、関節角θ、角速度θ’、及び角加速度θ”を取得する(S701)。ここで、ZMP算出部110は、角度センサ101から関節角θを取得し、関節角θを一階微分することで角速度θ’を取得し、関節角θを二階微分することで角加速度θ”を取得すればよい。   First, the ZMP calculation unit 110 acquires the joint angle θ, the angular velocity θ ′, and the angular acceleration θ ″ (S701). Here, the ZMP calculation unit 110 acquires the joint angle θ from the angle sensor 101, and the joint angle. The angular velocity θ ′ may be obtained by first-order differentiation of θ and the angular acceleration θ ″ may be obtained by second-order differentiation of the joint angle θ.

次に、ZMP算出部110は、傾斜センサ102から傾斜角βを取得する(S702)。次に、ZMP算出部110は、傾斜角βで式(1)、(2)の重力加速度gの方向を修正し、修正後の式(1)、(2)に関節角θ、角速度θ’、及び角加速度θ”を入力することで、現在のZMPを算出する(S703)。   Next, the ZMP calculation unit 110 acquires the inclination angle β from the inclination sensor 102 (S702). Next, the ZMP calculation unit 110 corrects the direction of the gravitational acceleration g in the equations (1) and (2) with the inclination angle β, and the joint angle θ and the angular velocity θ ′ in the corrected equations (1) and (2). And the angular acceleration θ ″ are input to calculate the current ZMP (S703).

次に、探索部111は、現在のZMPが安全領域D2の内側に存在すれば(S704でYES)、建設機械1は転倒防止制御の必要がないと判定し、処理を終了する。一方、探索部111は、現在のZMPが安全領域D2の外側に存在すれば(S704でNO)、転倒防止制御の必要があると判定し、探索処理を実行する(S705)。探索処理の詳細は、図8を用いて後述する。   Next, if the current ZMP exists inside the safety region D2 (YES in S704), the search unit 111 determines that the construction machine 1 does not need the overturn prevention control, and ends the process. On the other hand, if the current ZMP exists outside the safe area D2 (NO in S704), the search unit 111 determines that the overturn prevention control is necessary, and executes search processing (S705). Details of the search process will be described later with reference to FIG.

次に、駆動部112は、アクチュエータ104の制御量が探索処理の結果得られた角加速度θ”になるようにアクチュエータ104を制御し(S706)、処理を終了する。   Next, the drive unit 112 controls the actuator 104 so that the control amount of the actuator 104 becomes the angular acceleration θ ″ obtained as a result of the search process (S706), and the process ends.

図8は、探索処理の詳細を示すフローチャートである。まず、探索部111は、第1関数F1において、現在の角加速度θ”に対して距離Lpが減少する割合が最大となる傾斜方向を示す傾斜方向αを算出する(S801)。   FIG. 8 is a flowchart showing details of the search process. First, in the first function F1, the search unit 111 calculates a tilt direction α indicating a tilt direction in which the rate of decrease of the distance Lp with respect to the current angular acceleration θ ″ is maximized (S801).

図9は、第1関数F1の一例を示すグラフであり、縦軸は距離Lpを示し、奥行軸は関節角θ1に対応する角加速度θ1”を示し、横軸は関節角θ2に対応する角加速度θ2”を示している。なお、図9では、説明の便宜上、角加速度θ”はθ1”,θ2”の2成分のベクトルで構成されている。但し、これは一例であり、角加速度θ”は、関節数の個数に応じた成分のベクトルで構成される。また、図9では、説明の便宜上、第1関数F1は、複数の交差する稜線で示されている。   FIG. 9 is a graph illustrating an example of the first function F1, the vertical axis indicates the distance Lp, the depth axis indicates the angular acceleration θ1 ″ corresponding to the joint angle θ1, and the horizontal axis indicates the angle corresponding to the joint angle θ2. The acceleration θ2 ″ is shown. In FIG. 9, for convenience of explanation, the angular acceleration θ ″ is composed of two-component vectors of θ1 ″ and θ2 ″. However, this is an example, and the angular acceleration θ ″ is the number of joints. It consists of a vector of corresponding components. In FIG. 9, the first function F1 is indicated by a plurality of intersecting ridge lines for convenience of explanation.

図9において、点Pαは現在の角加速度θ”が位置する第1関数F1上の点を示している。探索部111は、第1関数F1おいて現在の角加速度θ”(θ1”,θ2”)に対応する点Pαを設定し、点Pαを中心に角加速度を微小変化させながら、距離Lpが減少する割合が最大となる方向を探索することで傾斜方向αを算出すればよい。図9の例では、探索の結果、矢印で示す方向が傾斜方向αとして算出されている。なお、傾斜方向αはα1,α2の2成分のベクトルで構成され、α1は関節角θ1に対応し、α2は関節角θ2に対応する。また、傾斜方向αの大きさは、|α|=1である。   In FIG. 9, a point Pα indicates a point on the first function F1 where the current angular acceleration θ ″ is located. The searching unit 111 uses the first function F1 to determine the current angular acceleration θ ″ (θ1 ″, θ2). The inclination direction α may be calculated by setting a point Pα corresponding to “)” and searching for a direction in which the rate of decrease in the distance Lp is maximized while slightly changing the angular acceleration around the point Pα. In the example of FIG. 9, as a result of the search, the direction indicated by the arrow is calculated as the tilt direction α. Note that the tilt direction α is composed of two-component vectors α1 and α2, α1 corresponds to the joint angle θ1, and α2 corresponds to the joint angle θ2. Further, the magnitude of the inclination direction α is | α | = 1.

図8に示すS802では、探索部111は、角加速度をθ”+d・αに設定したときの距離Lpを算出する。変数dは微小変数であり、正の実数である。「d・α」は、傾斜方向αを向く大きさが変数dのベクトルである。   In S802 illustrated in FIG. 8, the search unit 111 calculates the distance Lp when the angular acceleration is set to θ ″ + d · α. The variable d is a minute variable and is a positive real number “d · α”. Is a vector of a variable d whose size is directed in the tilt direction α.

次に、探索部111は、距離Lpが零未満(Lp<0)であるか否かを判定する(S803)。距離Lpが零未満であれば(S803でYES)、探索部111は、ZMPが安全領域D2内に入ったので、S802で用いた変数dを確定変数dとして確定する(S804)。 Next, the search unit 111 determines whether or not the distance Lp is less than zero (Lp <0) (S803). If the distance Lp is less than zero (YES in S803), the search unit 111 confirms the variable d used in S802 as the deterministic variable d * because ZMP has entered the safe area D2 (S804).

次に、探索部111は、確定変数dにおける角加速度(θ”+d・α)を探索結果として決定する(S805)。 Next, the search unit 111 determines the angular acceleration (θ ″ + d * · α) in the definite variable d * as a search result (S805).

一方、距離Lpが零未満でなければ(Lp≧0)(S803でNO)、探索部111は、変数dの変更の前後で距離Lpが減少する見込みがあるか否かを判定する(S806)。ここで、探索部111は、距離Lpの変化量ΔLpを求め、ΔLp<0であれば、距離Lpが減少する見込みがあると判定し(S806でYES)、変数dを一定量増加させ(S807)、処理をS802に戻す。一方、ΔLp≧0であれば、距離Lpは減少する見込みがないと判定し(S806でNO)、処理をS801に戻す。但し、変化量ΔLpは、変更前の変数dをdt−1、変更後の変数dをdとすると、ΔLp=Lp(θ”+d・α)−Lp(θ”+dt−1・α)である。 On the other hand, if the distance Lp is not less than zero (Lp ≧ 0) (NO in S803), the search unit 111 determines whether or not the distance Lp is likely to decrease before and after the change of the variable d (S806). . Here, the search unit 111 obtains the change amount ΔLp of the distance Lp. If ΔLp <0, the search unit 111 determines that the distance Lp is likely to decrease (YES in S806), and increases the variable d by a certain amount (S807). ), The process returns to S802. On the other hand, if ΔLp ≧ 0, it is determined that the distance Lp is unlikely to decrease (NO in S806), and the process returns to S801. However, the amount of change ΔLp is expressed as ΔLp = Lp (θ ″ + d t · α) −Lp (θ ″ + d t−1 ·) where d t−1 is the variable d before the change and d t is the variable d after the change. α).

図9を参照して図8の処理を説明する。距離Lpが減少する限り、探索部111は、変数dを増大させながら、第1関数F1上において点Pαを傾斜方向αの方向に沿ってずらしていく(S802→S803:NO→S806→S807→S802)。そして、距離Lpが零未満になれば(S803:YES)、探索部111は、ZMPを安全領域D2に戻す角加速度θ”が探索できたと判定する。   The process of FIG. 8 will be described with reference to FIG. As long as the distance Lp decreases, the search unit 111 shifts the point Pα along the inclination direction α on the first function F1 while increasing the variable d (S802 → S803: NO → S806 → S807 → S802). If the distance Lp is less than zero (S803: YES), the search unit 111 determines that the angular acceleration θ ″ for returning the ZMP to the safe region D2 has been searched.

一方、点Pαを傾斜方向αの方向に沿ってずらしていっても、距離Lpが減少しなくなると、探索部111は、これ以上、傾斜方向αに点Pαをずらしていっても、ZMPを安全領域D2に戻す角速度θ”を探索できる見込みが低いと判定する(S806でNO)。そして、探索部111は、処理をS801に戻し、次の傾斜方向αを算出する。この場合、傾斜方向αは前回算出した調整方向の次に距離Lpの減少する割合が大きな方向を傾斜方向αとして決定すればよい。なお、次の傾斜方向αでもΔLp≧0となれば、探索部111は、その次に距離Lpの減少する割合が大きい方向を傾斜方向αとして算出し、その傾斜方向αに沿って探索すればよい。   On the other hand, if the distance Lp does not decrease even if the point Pα is shifted along the direction of the inclination direction α, the search unit 111 further changes ZMP even if the point Pα is shifted in the inclination direction α. It is determined that the probability that the angular velocity θ ″ to be returned to the safety region D2 can be searched is low (NO in S806). Then, the search unit 111 returns the process to S801 and calculates the next inclination direction α. α may be determined as the inclination direction α in the direction in which the decrease rate of the distance Lp is next to the previously calculated adjustment direction, and if ΔLp ≧ 0 even in the next inclination direction α, the search unit 111 Next, the direction in which the rate of decrease of the distance Lp is large may be calculated as the tilt direction α and searched along the tilt direction α.

このように、転倒防止装置10は、支持多角形D1の内側に設定された安全領域D2の外側に現在のZMPが位置する場合、任意のZMP及び安全領域D2の境界B2間の距離Lpを角加速度θ”で示す第1関数F1において、距離Lpが零未満となる角加速度θ”を探索する。これにより、現在のZMPを安全領域D2の内側に戻す転倒防止制御が実現される。ここで、転倒防止装置10は、現在の角加速度θ”に対して距離Lpが減少する割合が最大となる第1関数F1の傾斜方向αに沿って角加速度を探索する。そのため、少ない計算量で建設機械1の転倒防止を実現できる。   As described above, when the current ZMP is located outside the safety area D2 set inside the support polygon D1, the fall prevention device 10 determines the angle Lp between any ZMP and the boundary B2 of the safety area D2 as an angle. In the first function F1 indicated by the acceleration θ ″, an angular acceleration θ ″ that makes the distance Lp less than zero is searched. Thereby, the fall prevention control for returning the current ZMP to the inside of the safety area D2 is realized. Here, the fall prevention device 10 searches for the angular acceleration along the inclination direction α of the first function F1 that maximizes the rate at which the distance Lp decreases with respect to the current angular acceleration θ ″. Therefore, the amount of calculation is small. Can prevent the construction machine 1 from falling.

特に、建設機械1は搭乗者の操作によって可動部の目標動作が時々刻々変動するので、2足歩行ロボットに比べて可動部の目標動作を予測することが困難である。転倒防止装置10は、少ない計算量で現在のZMPを安全領域D2の内側に戻す角加速度θ”が算出できるので、目標動作の予測が困難な建設機械1における転倒防止制御に適している。   In particular, the construction machine 1 is difficult to predict the target motion of the movable part as compared to a biped robot, because the target motion of the movable part varies from moment to moment depending on the operation of the passenger. Since the fall prevention device 10 can calculate the angular acceleration θ ″ that returns the current ZMP to the inside of the safety region D2 with a small amount of calculation, it is suitable for the fall prevention control in the construction machine 1 in which it is difficult to predict the target operation.

(実施の形態2)
図10は、本発明の実施の形態2に係る転倒防止装置10Aの構成を示すブロック図である。転倒防止装置10Aは、安全領域D2の内側に更に非制御領域D4(図11)を設ける点を特徴とする。なお、実施の形態2において、実施の形態1と同一の構成要素には同一の符号を付し、説明を省く。
(Embodiment 2)
FIG. 10 is a block diagram showing a configuration of a fall prevention device 10A according to Embodiment 2 of the present invention. The fall prevention device 10A is characterized in that a non-control region D4 (FIG. 11) is further provided inside the safety region D2. In the second embodiment, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.

転倒防止装置10Aは、探索部111A、駆動部112A、及び位置情報記憶部113Aが実施の形態1の探索部111、駆動部112、及び位置情報記憶部113と異なる。   In the fall prevention device 10A, a search unit 111A, a drive unit 112A, and a position information storage unit 113A are different from the search unit 111, the drive unit 112, and the position information storage unit 113 of the first embodiment.

位置情報記憶部113Aは、支持多角形D1の位置情報と、安全領域D2の位置情報とに加えて、更に、非制御領域D4の位置情報を記憶する。図11は、建設機械1を上方から下方に見たときの支持多角形D1と安全領域D2と非制御領域D4とを示す図である。   The position information storage unit 113A stores position information of the non-control area D4 in addition to the position information of the support polygon D1 and the position information of the safety area D2. FIG. 11 is a diagram illustrating the support polygon D1, the safety region D2, and the non-control region D4 when the construction machine 1 is viewed from above.

実施の形態2では、安全領域D2及び非制御領域D4は円形である。安全領域D2及び非制御領域D4は中心が支持多角形D1の中心Oに設定されている。非制御領域D4は、コントローラ103による転倒防止制御が行われない領域であり、安全領域D2の内側に設定されている。   In the second embodiment, the safety area D2 and the non-control area D4 are circular. The center of the safety area D2 and the non-control area D4 is set to the center O of the support polygon D1. The non-control area D4 is an area where the controller 103 does not perform the overturn prevention control, and is set inside the safety area D2.

本実施の形態では、安全領域D2及び非制御領域D4は円形なので、安全領域D2及び非制御領域D4の位置情報としては、安全領域D2及び非制御領域D4の半径が採用できる。非制御領域D4の大きさとしては、建設機械1の仕様に応じて予め定められた値が採用できる。   In the present embodiment, since the safety area D2 and the non-control area D4 are circular, the radius of the safety area D2 and the non-control area D4 can be adopted as the position information of the safety area D2 and the non-control area D4. As the size of the non-control region D4, a value determined in advance according to the specification of the construction machine 1 can be adopted.

図10を参照し、探索部111Aは、非制御領域D4の外側且つ安全領域D2の内側に現在のZMPが位置する場合、現在のZMPが非制御領域D4から離れるにつれて、現在のZMPの非制御領域D4側への移動量が長くなるように目標ZMPを設定する。そして、探索部111Aは、目標ZMP及び任意のZMP間の距離Lpを角加速度θ”で示す第2関数F2を設定する。そして、探索部111A、第2関数F2において、実施の形態1と同様の探索を実行し、距離Lpを零にする角加速度を探索する。   Referring to FIG. 10, when the current ZMP is located outside the non-control region D4 and inside the safety region D2, the search unit 111A performs non-control of the current ZMP as the current ZMP moves away from the non-control region D4. The target ZMP is set so that the amount of movement toward the region D4 becomes longer. Then, the search unit 111A sets a second function F2 indicating the distance Lp between the target ZMP and an arbitrary ZMP as an angular acceleration θ ″. Then, the search unit 111A and the second function F2 are the same as in the first embodiment. The angular acceleration that makes the distance Lp zero is searched.

図12は、探索部111Aの処理を説明する図である。図12を参照し、点pは現在のZMPである。点p(ハット)は目標ZMPである。なお、明細書中では、記載の制約上、記号「∧」を(ハット)と記載する。   FIG. 12 is a diagram for explaining the processing of the search unit 111A. Referring to FIG. 12, point p is the current ZMP. Point p (hat) is the target ZMP. In the specification, the symbol “∧” is described as (hat) due to the limitation of description.

この場合、探索部111Aは、現在のZMP(点p)及び非制御領域D4の境界B3間の距離L1と、現在のZMP(点p)及び安全領域D2の境界B2間の距離L2とを求める。   In this case, the search unit 111A obtains the distance L1 between the current ZMP (point p) and the boundary B3 of the non-control region D4 and the distance L2 between the current ZMP (point p) and the boundary B2 of the safety region D2. .

次に、探索部111Aは、距離L1を距離l1と距離l2とで内分した目標ZMP(点p(ハット))を目標ZMPとして決定する。但し、l1:l2=L1:L2である。つまり、p(ハット)=L1・(l1/(l1+l2))である。したがって、現在のZMP(点p)が非制御領域D4から離れるにつれて、現在のZMP(点p)の非制御領域D4側への移動量が長くなるように目標ZMP(点p(ハット))が設定される。   Next, the search unit 111A determines a target ZMP (point p (hat)) obtained by internally dividing the distance L1 by the distance l1 and the distance l2 as the target ZMP. However, l1: l2 = L1: L2. That is, p (hat) = L1 · (l1 / (l1 + l2)). Accordingly, the target ZMP (point p (hat)) is set such that the amount of movement of the current ZMP (point p) toward the non-control region D4 increases as the current ZMP (point p) moves away from the non-control region D4. Is set.

次に、探索部111Aは、目標ZMP(p(ハット))及び任意のZMP間の距離を角加速度θ”で示す第2関数F2を設定する。第1関数F1は任意のZMP及び境界B2間の距離Lpを角加速度θ”で示す関数であった。一方、第2関数F2は、任意のZMP及び目標ZMP(点p(ハット))間の距離Lpを角加速度θ”で示す関数である。図12において、点pを任意のZMPとすると、第2関数F2では、点p及び目標ZMP(点p(ハット))間の距離が距離Lpとなる。図12の例では、安全領域D2及び非制御領域D4は同心円であるため、距離Lpは点pと目標ZMP(点p(ハット))との最短距離になる。それ以外は、第2関数F2は第1関数F1と同じである。そのため、第2関数F2も、第1関数F1と同様、角加速度θ”の関数となる。   Next, the search unit 111A sets a second function F2 indicating the distance between the target ZMP (p (hat)) and an arbitrary ZMP as an angular acceleration θ ″. The first function F1 is between the arbitrary ZMP and the boundary B2. The distance Lp is a function indicating the angular acceleration θ ″. On the other hand, the second function F2 is a function indicating a distance Lp between an arbitrary ZMP and a target ZMP (point p (hat)) by an angular acceleration θ ″. In FIG. In the two function F2, the distance between the point p and the target ZMP (point p (hat)) is the distance Lp In the example of Fig. 12, the safety region D2 and the non-control region D4 are concentric circles, so the distance Lp is a point. The second function F2 is the same as the first function F1 except for the shortest distance between p and the target ZMP (point p (hat)), so the second function F2 is the same as the first function F1. , Which is a function of the angular acceleration θ ″.

駆動部112Aは、第2関数F2を用いた探索により得られた角加速度θ”を、目標ZMPが非制御領域D4の境界B3に近づくにつれて低下させるように、角加速度θ”を修正する。   The drive unit 112A corrects the angular acceleration θ ″ so that the angular acceleration θ ″ obtained by the search using the second function F2 decreases as the target ZMP approaches the boundary B3 of the non-control region D4.

詳細には、駆動部112Aは、修正後の角加速度θ”をθb”、修正前の角加速度θ”をθa”とすると、下記の式を用いて角加速度θ”を修正する。   Specifically, the drive unit 112A corrects the angular acceleration θ ″ using the following equation, where θb ″ is the corrected angular acceleration θ ″ and θa ″ is the corrected angular acceleration θ ″.

θb”=(l1/l1+l2)・θa”
<フローチャート>
図13は、本発明の実施の形態2に係る探索処理の詳細を示すフローチャートである。なお、実施の形態2では、メインルーチンは実施の形態1と同様、図7のフローチャートが採用される。
θb ″ = (l1 / l1 + l2) · θa ″
<Flowchart>
FIG. 13 is a flowchart showing details of the search processing according to Embodiment 2 of the present invention. In the second embodiment, the main routine adopts the flowchart of FIG. 7 as in the first embodiment.

図13において、図8との相違点は、S803に代えてS1301が設けられている点と、S805に続いてS1302が設けられている点にある。それ以外は、図13の処理は図8と同じである。S1301では、探索部111Aは、距離LpがLp=0であるか否かを判定し、Lp=0であれば(S1301でYES)、処理をS804に進める。一方、探索部111Aは、距離LpがLp=0でなければ(S1301でNO)、処理をS806に進める。   13 differs from FIG. 8 in that S1301 is provided instead of S803 and that S1302 is provided subsequent to S805. Otherwise, the process of FIG. 13 is the same as that of FIG. In S1301, the search unit 111A determines whether or not the distance Lp is Lp = 0. If Lp = 0 (YES in S1301), the process proceeds to S804. On the other hand, if distance Lp is not Lp = 0 (NO in S1301), search unit 111A advances the process to S806.

このように、実施の形態2では、Lp=0、すなわち、現在のZMPを目標ZMPに位置決めするための角加速度θ”が探索される。   Thus, in the second embodiment, Lp = 0, that is, the angular acceleration θ ″ for positioning the current ZMP to the target ZMP is searched.

S1302では、駆動部112Aは、S805で決定された角加速度θa”にl1/l1+l2を乗じて角加速度θb”を算出し、角加速度θa”を修正する(S1302)。実施の形態2では、図7のS706において、駆動部112Aは、アクチュエータ104の制御量が角加速度θb”となるようにアクチュエータ104を制御する。   In S1302, the driving unit 112A calculates the angular acceleration θb ″ by multiplying the angular acceleration θa ″ determined in S805 by l1 / l1 + l2 to correct the angular acceleration θa ″ (S1302). 7, the driving unit 112 </ b> A controls the actuator 104 so that the control amount of the actuator 104 becomes the angular acceleration θb ″.

このように、実施の形態2に係る転倒防止装置10Aによれば、非制御領域D4の外側且つ安全領域D2の内側に現在のZMPが位置する場合においても、転倒防止制御を実行する。そのため、転倒防止制御の実行と非実行とが繰り返され、アクチュエータを振動的に駆動させることを防止できる共に、ZMPが安全領域D2からはみ出したときにアクチュエータ104の制御量が過大になることを防止できる。しかも、この場合、現在のZMPが非制御領域D4から離れるにつれて、現在のZMPの非制御領域D4側への移動量が長くなるように目標ZMPが設定されると共に、目標ZMPにするために必要な角加速度θ”が現在のZMPが非制御領域D4から離れるにつれて大きくなるように修正される。   Thus, according to the fall prevention device 10A according to the second embodiment, the fall prevention control is executed even when the current ZMP is located outside the non-control area D4 and inside the safety area D2. Therefore, the execution and non-execution of the overturn prevention control can be repeated to prevent the actuator from being driven vibrationally, and the control amount of the actuator 104 can be prevented from becoming excessive when the ZMP protrudes from the safety region D2. it can. In addition, in this case, as the current ZMP moves away from the non-control region D4, the target ZMP is set so that the amount of movement of the current ZMP toward the non-control region D4 becomes longer, and is necessary for achieving the target ZMP. Is corrected so as to increase as the current ZMP moves away from the non-control region D4.

そのため、転倒の危険性が高くなるにつれて制御量が増大するように転倒防止制御を実行することがでる。更に、ZMPが安全領域D2に戻った後も、緩やかな転倒防止制御が継続されるため、ZMPが安全領域D2からはみ出ることを抑制できる。   Therefore, the fall prevention control can be executed so that the control amount increases as the risk of the fall increases. Furthermore, since the gentle fall prevention control is continued even after the ZMP returns to the safety region D2, it is possible to suppress the ZMP from protruding from the safety region D2.

(実施の形態3)
図14は、本発明の実施の形態3に係る転倒防止装置10Bの構成を示すブロック図である。転倒防止装置10Bは、実施の形態1の転倒防止装置10において、ZMPの位置を予測して転倒防止制御を行う点を特徴とする。実施の形態3において実施の形態1と同一の構成要素は同一の符号を付し、説明を省く。
(Embodiment 3)
FIG. 14 is a block diagram showing a configuration of a toppling prevention device 10B according to Embodiment 3 of the present invention. The fall prevention device 10B is characterized in that the fall prevention device 10 of the first embodiment performs the fall prevention control by predicting the position of the ZMP. In the third embodiment, the same components as those of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.

図14において、実施の形態1の構成を示す図3との相違点は、探索部111に代えて、探索部111Bが設けられている点にある。それ以外は実施の形態1と同じである。   14 is different from FIG. 3 showing the configuration of the first embodiment in that a search unit 111B is provided instead of the search unit 111. In FIG. The rest is the same as in the first embodiment.

探索部111Bは、現在のZMPと現在のZMPの速度とに基づいて、ZMPの予測位置を算出し、算出した予測位置が安全領域D2の外側に位置する場合、第1関数F1を用いた探索を実行する。   The search unit 111B calculates the predicted position of the ZMP based on the current ZMP and the current ZMP speed, and when the calculated predicted position is located outside the safe area D2, the search using the first function F1 Execute.

<フローチャート>
図15は、本発明の実施の形態3に係る転倒防止装置10Bの処理を示すフローチャートである。図15において、図7との相違点は、S703に続いてS1601,S1602の処理が追加され、S704に代えてS1603が設けられている点にある。
<Flowchart>
FIG. 15 is a flowchart showing processing of the overturn prevention device 10B according to Embodiment 3 of the present invention. 15 is different from FIG. 7 in that the processes of S1601 and S1602 are added following S703, and S1603 is provided instead of S704.

S1601では、探索部111Bは、ZMPの速度を算出する。ここで、探索部111Bは、例えば、前回算出したZMPと今回算出したZMPとの差をサンプリング周期で割ることで、ZMPの速度を求めればよい。   In S1601, the search unit 111B calculates the speed of the ZMP. Here, for example, the search unit 111B may obtain the speed of the ZMP by dividing the difference between the ZMP calculated last time and the ZMP calculated this time by the sampling period.

次に、探索部111Bは、ZMPの予測位置を算出する(S1602)。図16は、ZMPの予測位置の説明図である。図16の例では、安全領域D2は、実施の形態2と同様、中心が支持多角形D1の中心に位置する円である。   Next, the search unit 111B calculates the predicted position of the ZMP (S1602). FIG. 16 is an explanatory diagram of a predicted position of ZMP. In the example of FIG. 16, the safety region D2 is a circle whose center is located at the center of the support polygon D1, as in the second embodiment.

図16において、点pは現在のZMPを示し、p’は現在のZMPの速度を示す。なお、速度p’は、ZMPが2成分で構成されるため、2成分で構成されるベクトルである。Δtはサンプリング周期である。点p(ハット)は予測位置を示す。探索部111Bは、下記の式を用いて予測位置(点p(ハット))を算出する。「p’・Δt」はZMPの移動の勢いを示す。   In FIG. 16, the point p indicates the current ZMP, and p 'indicates the current ZMP speed. The speed p ′ is a vector composed of two components because the ZMP is composed of two components. Δt is a sampling period. A point p (hat) indicates a predicted position. Search unit 111B calculates a predicted position (point p (hat)) using the following equation. “P ′ · Δt” indicates the momentum of movement of the ZMP.

p(ハット)=p+p’・Δt
探索部111Bは、予測位置(点p(ハット))が安全領域D2の内側に位置すれば(S1603でYES)、建設機械1は転倒防止制御の必要がないと判定し、処理を終了する。一方、探索部111Bは、現在のZMPが安全領域D2の外側に存在すれば(S1603でNO)、転倒防止制御の必要があると判定し、探索処理を実行する(S705)。
p (hat) = p + p ′ · Δt
If the predicted position (point p (hat)) is located inside the safety region D2 (YES in S1603), the search unit 111B determines that the fall prevention control is not necessary, and ends the process. On the other hand, if the current ZMP exists outside the safe area D2 (NO in S1603), the search unit 111B determines that the overturn prevention control is necessary, and executes search processing (S705).

このように、転倒防止装置10Bによれば、現在のZMPの移動の勢いを考慮に入れて、実際に現在のZMPが安全領域D2外にはみ出していなくても、ZMPの移動の勢いが大きい場合は事前にZMPを安全領域D2の内側に戻す転倒防止制御が行われる。そのため、ZMPが安全領域D2からはみ出て、いざ、ZMPを安全領域D2に戻そうとしたときに、制御量が過大になり、アクチュエータ104が飽和することを防止できる。そのため、アクチュエータ104の飽和により、安全領域D2にZMPを速やかに戻すことができなくなることを回避できる。   As described above, according to the fall prevention device 10B, when the current momentum of the ZMP is taken into consideration, the momentum of the movement of the ZMP is large even if the current ZMP does not actually protrude from the safety area D2. The fall prevention control for returning the ZMP to the inside of the safety area D2 is performed in advance. Therefore, it is possible to prevent the ZMP from protruding from the safety region D2 and when the ZMP is returned to the safety region D2, the control amount becomes excessive and the actuator 104 is saturated. Therefore, it can be avoided that the ZMP cannot be promptly returned to the safety region D2 due to the saturation of the actuator 104.

(変形例1)
実施の形態1〜3では、駆動部112は、アクチュエータ104の制御量として角加速度θ”を採用したが、本発明はこれに限定されない。例えば、トルクをアクチュエータ104の制御量として算出してもよい。この場合、駆動部112は、探索された角加速度θ”に慣性モーメントを乗じてトルクを算出し、そのトルクを出力するようにアクチュエータ104を制御すればよい。
(Modification 1)
In the first to third embodiments, the driving unit 112 employs the angular acceleration θ ″ as the control amount of the actuator 104, but the present invention is not limited to this. For example, even if the torque is calculated as the control amount of the actuator 104, In this case, the drive unit 112 may calculate the torque by multiplying the searched angular acceleration θ ″ by the moment of inertia and control the actuator 104 so as to output the torque.

制御量としてトルクを採用した場合、実施の形態2において、トルクは下記の式で修正される。但し、Taは探索により得られた角加速度θa”に応じたトルクであり、Tbは修正後のトルクである。   When torque is employed as the control amount, the torque is corrected by the following equation in the second embodiment. However, Ta is a torque according to the angular acceleration θa ″ obtained by the search, and Tb is a corrected torque.

Tb=(l1/l1+l2)・Ta
(変形例2)
実施の形態3では、実施の形態2の内容を考慮しなかったが、実施の形態2の内容を考慮に入れても良い。この場合、転倒防止装置10Bは、予測位置(点p(ハット))が安全領域D2の内側に位置すれば、実施の形態2の手法をそのまま適用すればよい。
Tb = (l1 / l1 + l2) · Ta
(Modification 2)
In the third embodiment, the contents of the second embodiment are not considered, but the contents of the second embodiment may be taken into consideration. In this case, if the predicted position (point p (hat)) is located inside the safety region D2, the fall prevention device 10B may apply the method of the second embodiment as it is.

B1,B2,B3 境界
D1 支持多角形
D2 安全領域
D3 調整領域
D4 非制御領域
F1 第1関数
F2 第2関数
ΔLp 変化量
α 傾斜方向
β 傾斜角
θ 関節角
θ’ 角速度
θ” 角加速度
1 建設機械
2 下部走行体
3 上部旋回体
4 作業装置
10,10A,10B 転倒防止装置
101 角度センサ
102 傾斜センサ
103 コントローラ
104 アクチュエータ
110 ZMP算出部
111,111A,113B 探索部
112,112A 駆動部
113,113A 位置情報記憶部

B1, B2, B3 boundary D1 support polygon D2 safety area D3 adjustment area D4 non-control area F1 first function F2 second function ΔLp variation α inclination direction β inclination angle θ joint angle θ ′ angular velocity θ ”angular acceleration 1 construction machine 2 Lower traveling body 3 Upper revolving body 4 Working device 10, 10A, 10B Fall prevention device 101 Angle sensor 102 Inclination sensor 103 Controller 104 Actuator 110 ZMP calculation unit 111, 111A, 113B Search unit 112, 112A Drive unit 113, 113A Position information Memory

Claims (5)

回転軸を中心に回転する可動部を備える建設機械において、前記建設機械の転倒を防止する転倒防止装置であって、
前記可動部を作動させるアクチュエータと、
重力に対する前記建設機械の傾斜角と、前記回転軸に対する前記可動部の角度、角速度、及び角加速度とを取得する取得部と、
前記取得された、傾斜角、角度、角速度、及び角加速度に基づいて、前記建設機械の動的な重心位置であるZMPを算出するZMP算出部と、
前記建設機械に設定された支持多角形と、前記支持多角形の内側に設定された安全領域との位置情報を記憶する位置情報記憶部と、
現在のZMPが前記安全領域の外側に位置する場合、前記安全領域の境界及び任意のZMP間の距離を角加速度で示す第1関数において、前記現在の角加速度に対して前記距離が減少する割合が最大となる傾斜方向を探索し、前記探索した傾斜方向に沿って前記角加速度を変化させることにより、前記現在のZMPを前記安全領域の内側に戻す角加速度を探索する探索部と、
前記アクチュエータの制御量が前記探索された角加速度に応じた制御量となるように前記アクチュエータを制御する駆動部とを備える転倒防止装置。
In a construction machine including a movable part that rotates about a rotation axis, the fall prevention device prevents the construction machine from overturning, and
An actuator for operating the movable part;
An acquisition unit that acquires an inclination angle of the construction machine with respect to gravity and an angle, an angular velocity, and an angular acceleration of the movable unit with respect to the rotation axis;
A ZMP calculating unit that calculates a ZMP that is a dynamic center of gravity position of the construction machine based on the acquired inclination angle, angle, angular velocity, and angular acceleration;
A position information storage unit for storing position information of a support polygon set in the construction machine and a safety area set inside the support polygon;
When the current ZMP is located outside the safe area, a rate at which the distance decreases with respect to the current angular acceleration in the first function that indicates the distance between the boundary of the safe area and an arbitrary ZMP as an angular acceleration A search unit for searching for an angular acceleration in which the current ZMP is returned to the inside of the safety region by searching for the inclination direction in which the current ZMP is maximized and changing the angular acceleration along the searched inclination direction;
A fall prevention device comprising: a drive unit that controls the actuator so that the control amount of the actuator becomes a control amount corresponding to the searched angular acceleration.
前記位置情報記憶部は、前記安全領域の内側に設定された前記建設機械の転倒防止制御が行われない非制御領域の位置情報を更に記憶し、
前記探索部は、
前記非制御領域の外側且つ前記安全領域の内側に前記現在のZMPが位置する場合、前記現在のZMPが前記非制御領域から離れるにつれて、前記現在のZMPの前記非制御領域側への移動量が長くなるように目標ZMPを設定し、
前記目標ZMP及び前記任意のZMP間の距離を前記角加速度で示す第2関数において、前記現在の角加速度に対して前記距離が減少する割合が最大となる傾斜方向を探索し、前記探索した傾斜方向に沿って前記角加速度を変化させることにより、前記距離を零にする角加速度を探索する請求項1記載の転倒防止装置。
The position information storage unit further stores position information of a non-control area where the fall prevention control of the construction machine set inside the safety area is not performed,
The search unit
When the current ZMP is located outside the non-control area and inside the safety area, as the current ZMP moves away from the non-control area, the amount of movement of the current ZMP toward the non-control area is increased. Set the target ZMP to be longer,
In the second function indicating the distance between the target ZMP and the arbitrary ZMP as the angular acceleration, a search is made for an inclination direction in which the rate of decrease of the distance with respect to the current angular acceleration is maximized, and the searched inclination The fall prevention device according to claim 1, wherein an angular acceleration that makes the distance zero is searched by changing the angular acceleration along a direction.
前記駆動部は、前記第2関数を用いた前記探索によって得られた角加速度に応じた制御量を、前記目標ZMPが前記非制御領域の境界から離れるにつれて増大させる請求項2記載の転倒防止装置。   The fall prevention device according to claim 2, wherein the drive unit increases a control amount according to an angular acceleration obtained by the search using the second function as the target ZMP moves away from a boundary of the non-control region. . 前記探索部は、前記現在のZMPと前記現在のZMPの速度とに基づいて、前記ZMPの予測位置を算出し、前記算出した予測位置が前記安全領域の外側に位置する場合、前記第1関数を用いた前記探索を実行する請求項1〜3のいずれかに記載の転倒防止装置。   The search unit calculates a predicted position of the ZMP based on the current ZMP and the speed of the current ZMP, and when the calculated predicted position is located outside the safety region, the first function The fall prevention device according to any one of claims 1 to 3, wherein the search using a computer is executed. 前記探索部は、前記現在の角加速度に対して前記距離が減少する割合が最大となる傾斜方向において前記探索を行った結果、前記ZMPが前記安全領域の内側に戻るまでに前記距離の減少が見込めなくなった場合、前記現在の角加速度に対して前記距離が減少する割合が次に大きな傾斜方向において前記探索を実行する請求項1〜4のいずれかに記載の転倒防止装置。   The search unit, as a result of performing the search in an inclination direction in which the rate at which the distance decreases with respect to the current angular acceleration is maximized, reduces the distance until the ZMP returns to the inside of the safety region. The fall prevention device according to any one of claims 1 to 4, wherein, when it becomes impossible to predict, the search is executed in a tilt direction in which the rate at which the distance decreases with respect to the current angular acceleration is the next largest.
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