JP2018145754A

JP2018145754A - 作業機械の荷重計測装置

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Publication number: JP2018145754A
Application number: JP2017044477A
Authority: JP
Inventors: 哲司中村; Tetsuji Nakamura; 邦嗣冨田; Kunitsugu Tomita; 陽平鳥山; Yohei Toriyama
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2017-03-09
Filing date: 2017-03-09
Publication date: 2018-09-20

Abstract

【課題】操作者や作業内容に応じた荷重確定期間判定条件を生成することで、精度良く作業対象物の荷重を計測できる作業機械の荷重計測装置を提供する。【解決手段】アタッチメントと、位置検出部と推力検出部からの信号に基づいて運搬作業中にアタッチメントが運搬している作業対象物の瞬時荷重を常時演算する荷重演算部とを備えた作業機械の荷重計測装置において、運搬作業の間の所定期間を判定するための荷重確定条件を記憶する荷重確定条件記憶部と、所定期間の瞬時荷重に基づいてアタッチメントが運搬している作業対象物の荷重を確定する荷重確定部と、荷重確定部で確定した作業対象物の確定荷重を出力する外部出力器と、荷重演算部で演算した瞬時荷重と位置検出部と推力検出部からの信号の履歴を記憶する記憶部と、記憶部に記憶された信号の履歴に基づいて荷重確定条件を更新演算する荷重確定条件更新演算部とを備えた。【選択図】図３

Description

本発明は、作業機械の荷重計測装置に関する。

一般に、油圧ショベルに代表される作業機械は、例えば鉱物等の掘削作業の他に、掘削した鉱物等を運搬機械であるダンプトラックのところまで運搬する運搬作業と、運搬した鉱物等をダンプトラックの荷台へ放土して積み込む積込作業とを行なう。

このような運搬作業または積込作業において、作業機械により、鉱物等の積込量を適量に管理できれば、ダンプトラックにおける積込不足による生産量の低下や過積載による積み直し作業の発生などを防止できるので、現場作業の生産効率を向上させることができる。このため、掘削物の運搬中に掘削物の荷重を計測し、その計測値をオペレータに提示する作業機械がある。運搬作業毎に掘削物の荷重が提示されるので、オペレータはダンプトラックへの積込み量を把握できる。そして、オペレータは次の掘削作業において掘削量を調整することで、鉱物等の積込量を適量にできるので、ダンプトラックへの積込み量を適量に管理できる。

このような、運搬作業中に作業対象物の荷重を計測する作業機械の荷重計測装置を含む適応型ペイロード監視システムにおいて、その計測精度を改善することを目的として、複数に分割した作業サイクルの中の運搬状態区間において、作業機械の運搬ツールの速度が略一定の期間を判定し、当該期間中における運搬ツールの持ち上げ力に基づいて荷重を演算して表示する適応型ペイロード監視システムがある（例えば、特許文献１参照）。

特許５４０６２２３号公報

上述した適応型ペイロード監視システムによれば、作業サイクルを、積載状態移動区間を含む複数の区間に分割し、積載状態移動区間の中のツールの速度が略一定の期間を判定し、当該の期間中に記録された持ち上げ力に基づいて、ツールのペイロードを計算するコントローラを備えているので、ツールの運動による（ツールの速度及び／または加速度の変化による）測定誤差は生じにくいと想定される。

しかしながら、上述した適応型ペイロード監視システムは、ツール速度の略一定の期間（サンプリング期間）を判定する条件を一様に設定しているため、例えば、作業機械の行なう作業内容が変わった場合や操作者が替わった場合に、適切なサンプリング期間が決定されず、十分な計測精度を得られない虞があった。

本発明は、上述の事柄に基づいてなされたもので、その目的は、操作者や作業内容に応じた荷重確定期間判定条件を生成することで、精度良く作業対象物の荷重を計測できる作業機械の荷重計測装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、作業機械に対して回動可能に取り付けられたフロント機構と、前記フロント機構に取り付けられ、作業対象物の掘削作業と掘削した作業対象物を掘削位置から運搬機械の荷台の上に移動させる運搬作業とを行なうアタッチメントと、前記アタッチメントの位置を検出する位置検出部と、前記フロント機構の関節を駆動する少なくとも１つのアクチュエータと、前記アクチュエータの推力を検出する推力検出部と、前記位置検出部と前記推力検出部からの信号に基づいて前記運搬作業中に前記アタッチメントが運搬している作業対象物の瞬時荷重を常時演算する荷重演算部とを備えた作業機械の荷重計測装置において、前記運搬作業の間の所定期間を判定するための荷重確定条件を記憶する荷重確定条件記憶部と、前記所定期間の瞬時荷重に基づいて前記アタッチメントが運搬している前記作業対象物の荷重を確定する荷重確定部と、前記荷重確定部で確定した前記作業対象物の確定荷重を出力する外部出力器と、前記荷重演算部で演算した前記瞬時荷重と、前記位置検出部と前記推力検出部からの信号の履歴を記憶する記憶部と、前記記憶部に記憶された前記位置検出部と前記推力検出部からの信号の履歴に基づいて前記荷重確定条件を更新演算する荷重確定条件更新演算部と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、作業機械の作業履歴に基づいて荷重が安定している期間を判定し、当該期間の作業履歴に基づいて荷重演算期間判定の設定値を生成するので、精度良く作業対象物の荷重を計測できる作業機械の荷重計測装置を提供することができる。

本発明の作業機械の荷重計測装置の第１の実施の形態を備えた油圧ショベルを示す側面図である。本発明の作業機械の荷重計測装置の第１の実施の形態を備えた油圧ショベルの油圧回路とコントローラを示す概念図である。本発明の作業機械の荷重計測装置の第１の実施の形態のシステム構成を示す概念図である。本発明の作業機械の荷重計測装置の第１の実施の形態を備えた油圧ショベルの掘削作業の一例を示す俯瞰図である。本発明の作業機械の荷重計測装置の第１の実施の形態を備えた油圧ショベルの積込作業の一例を示す俯瞰図である。本発明の作業機械の荷重計測装置の第１の実施の形態における荷重演算方法を説明するフロント機構の側面概略図である。本発明の作業機械の荷重計測装置の第１の実施の形態における荷重演算の処理内容を示すフローチャート図である。本発明の作業機械の荷重計測装置の第１の実施の形態における荷重確定期間の判定方法を説明するための特性図の一例である。本発明の作業機械の荷重計測装置の第１の実施の形態における荷重確定期間の判定方法を説明するための特性図の他の例である。本発明の作業機械の荷重計測装置の第１の実施の形態における荷重確定条件の更新演算の処理内容を示すフローチャート図である。本発明の作業機械の荷重計測装置の第１の実施の形態における荷重安定期間の判定方法を説明するための特性図の一例である。本発明の作業機械の荷重計測装置の第１の実施の形態における荷重確定条件の更新方法を説明するための特性図の一例である。本発明の作業機械の荷重計測装置の第１の実施の形態における外部出力器の表示画面の一例を示す概略図である。本発明の作業機械の荷重計測装置の第２の実施の形態のシステム構成を示す概念図である。本発明の作業機械の荷重計測装置の第２の実施の形態における荷重確定条件の更新演算の処理内容を示すフローチャート図である。本発明の作業機械の荷重計測装置の第２の実施の形態における外部出力器の表示画面の一例を示す概略図である。本発明の作業機械の荷重計測装置の第３の実施の形態のシステム構成を示す概念図である。本発明の作業機械の荷重計測装置の第３の実施の形態における荷重確定条件の更新演算の処理内容を示すフローチャート図である。本発明の作業機械の荷重計測装置の第３の実施の形態における外部出力器の表示画面の一例を示す概略図である。

以下、作業機械として油圧ショベルを例にとって本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。なお、本発明は、作業フロント装置を備えた作業機械全般に適用が可能であり、本発明の適用は油圧ショベルに限定されるものではない。

図１は本発明の作業機械の荷重計測装置の第１の実施の形態備えた油圧ショベルを示す側面図である。
作業機械である油圧ショベル１は、下部走行体１０と、下部走行体１０に旋回可能に設けられた上部旋回体１１と、上部旋回体１１に上下方向に回動可能に設けられたブーム１３と、ブーム１３の先端に回動可能に設けられたアーム１４と、アーム１４の先端に回動可能に設けられたバケット（アタッチメント）１５と、ブーム１３を駆動するブームシリンダ１６と、アーム１４を駆動するアームシリンダ１７と、バケット１５を駆動するバケットシリンダ１８と、ブーム１３とアーム１４とバケット１５とブームシリンダ１６とアームシリンダ１７とバケットシリンダ１８とを有するフロント機構１２と、上部旋回体１１を回動する旋回モータ１９と、上部旋回体１１に設けられ、操作者が乗り込み油圧ショベル１を操作する操作室２０と、操作室２０の内部に設けられた操作レバー２２Ａ〜Ｄと、油圧ショベル１の動作を制御するコントローラ２１とを備えている。

ブーム１３の回動軸には、ブーム１３の回動角度を検出するブーム角度センサ２４が取付けられている。同様にアーム１４の回動軸にはアーム１４の回動角度を検出するアーム角度センサ２５が、バケット１５の回動軸には、アーム１４の回動角度を検出するバケット角度センサ（位置検出部）２６が、各々取付けられている。これらの角度センサ２４，２５，２６が検出した信号はコントローラ２１に入力される。

上部旋回体１１には、上部旋回体１１の旋回角速度を検出する旋回ジャイロスコープ２７と、上部旋回体１１の前後方向の傾斜角度を検出する傾斜計２８とが取付けられていて、旋回ジャイロスコープ２７と傾斜計２８が検出した信号はコントローラ２１に入力される。また、操作室２０の内部には荷重計測装置の計測結果を表示する例えばディスプレイ装置等で構成される外部出力器２３が設けられている。

図２は本発明の作業機械の荷重計測装置の第１の実施の形態を備えた油圧ショベルの油圧回路とコントローラを示す概念図である。
図２において、ブームシリンダ１６とアームシリンダ１７とバケットシリンダ１８と旋回モータ１９とは、図示しないエンジンにより駆動されるメインポンプ３５から吐出される圧油を、ブーム用コントロールバルブ３１とアーム用コントロールバルブ３２とバケット用コントロールバルブ３３と旋回用コントロールバルブ３４とを介して、各々供給されるように構成されている。メインポンプ３５の吐出配管には、圧油の圧力が過大になるのを防ぐためのリリーフ弁３６が設けられている。

ブーム用コントロールバルブ３１とアーム用コントロールバルブ３２とバケット用コントロールバルブ３３と旋回用コントロールバルブ３４には、各々両端に操作部が設けられていて、図示しないエンジンにより駆動されるパイロットポンプ３７から吐出されるパイロット圧油を、ブーム用操作レバー２２Ａ、アーム用操作レバー２２Ｂ、ベケット用操作レバー２２Ｃ、旋回用操作レバー２２Ｄを介して各々供給されるように構成されている。パイロットポンプ３７の吐出配管には、パイロット圧油の圧力が過大になるのを防ぐためのリリーフ弁３８が設けられている。

パイロットポンプ３７から各コントロールバルブ３１，３２，３３，３４の操作部へのパイロット圧油の供給流量は、操作レバー２２Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの操作量に応じて変化し、このことにより、各コントロールバルブ３１，３２，３３，３４の開閉量が変わる。この結果、メインポンプ３５からブームシリンダ１６とアームシリンダ１７とバケットシリンダ１８と旋回モータ１９とに供給する圧油の供給流量を各々調整することができる。

ブームシリンダ１６のボトム側油室には、その圧力を検出するブームボトム圧力センサ（推力検出部）２９が設けられ、ロッド側油室にはその圧力を検出するブームロッド圧力センサ（推力検出部）３０が設けられている。これら圧力センサ２９、３０の検出した信号はコントローラ２１に入力されている。

コントローラ２１には、上述したブーム角度センサ２４とアーム角度センサ２５とバケット角度センサ２６と旋回ジャイロスコープ２７と傾斜計２８が検出した信号が入力されている。また、コントローラ２１は、これらの入力信号に応じて荷重を演算し、外部出力器２３へ演算結果を出力する。外部出力器２３は荷重計測結果を表示する機能と、操作者の操作によって更新指示をコントローラ２１へ指示する荷重確定条件更新指示器３９の機能とを備えている。

次に、コントローラ２１の構成について図３を用いて説明する。図３は本発明の作業機械の荷重計測装置の第１の実施の形態のシステム構成を示す概念図である。図３において、図１及び図２に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

本実施の形態における荷重計測システムは、いくつかのソフトウエアの組合せが演算部としてコントローラ２１の内部に実装されていて、各センサ２４〜３０が検出した信号を入力し、演算部で運搬中の作業対象物の荷重値を演算する。演算結果である荷重値は外部出力器２３に表示される。

コントローラ２１は、各センサ２４〜３０が検出した信号に基づいて瞬時荷重（Ｆｉｎｓｔ）を演算する瞬時荷重演算部５０と、各センサ２４〜３０が検出した信号と瞬時荷重演算部５０の演算結果とを記憶する記憶部５３と、記憶部５３に記憶された瞬時荷重の中から荷重が安定する荷重安定期間を判定する荷重安定期間判定部５４と、荷重安定期間判定部５４が判定した荷重安定期間における各センサ２４〜３０が検出した信号に基づいて新たな荷重確定条件を生成する荷重確定条件更新演算部５５と、荷重確定条件更新演算部５５からの新たな荷重確定条件に基づいて荷重確定条件の設定更信号を荷重確定条件記憶部５７と外部出力器２３に出力する荷重確定条件更新部（荷重確定条件更新判定部）５６と、各センサ２４〜３０が検出した信号に基づいて油圧ショベル１が運搬作業中の所定期間を判定するための荷重確定条件を記憶すると共に、荷重確定条件更新部５６からの設定更新信号により荷重確定条件の設定を更新する荷重確定条件記憶部５７と、荷重確定条件記憶部５７からの荷重確定条件と各センサ２４〜３０が検出した信号のいずれかに基づいて油圧ショベル１が運搬作業中の所定期間を判定する荷重確定期間判定部５１と、荷重確定期間判定部５１が出力する荷重確定期間における瞬時荷重値を平均して荷重を確定する荷重確定部５２とを備えている。なお、荷重確定条件記憶部５７は、後述する荷重確定開始設定値ＡＣ１や荷重確定終了設定値ＡＣ２を記憶している。

次に、本発明の作業機械の荷重計測装置の第１の実施の形態における機能と作用について図４乃至図６を用いて説明する。具体的には、本実施の形態における荷重計測装置は、作業機械の作業履歴に基づいて荷重安定期間を判定し、当該荷重安定期間の作業履歴に基づいて荷重演算期間判定の設定値を生成している。図４は本発明の作業機械の荷重計測装置の第１の実施の形態を備えた油圧ショベルの掘削作業の一例を示す俯瞰図、図５は本発明の作業機械の荷重計測装置の第１の実施の形態を備えた油圧ショベルの積込作業の一例を示す俯瞰図、図６は本発明の作業機械の荷重計測装置の第１の実施の形態における荷重演算方法を説明するフロント機構の側面概略図である。図４乃至図６において、図１乃至図３に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

作業機械である油圧ショベル１は一般に、図４に示すように、掘削対象３である鉱山等に対して、フロント機構１２を操作して掘削し、掘削物４をバケット１５の内部に積載する掘削作業と、掘削物４等が積載されたバケット１５をダンプトラック２の荷台上まで旋回移動する運搬作業と、図５に示すように、ダンプトラック２の荷台上にバケット１５を移動し掘削物４を放出する積込作業と、掘削対象３の位置へバケット１５を移動するリーチング作業とを順番に繰り返し実施し、ダンプトラック２の架台を作業対象物で満杯にする。

このように、通常の作業機械は作業を連続して行うため、荷重計測は運搬作業中に行なわれることが要求されている。荷重計測のために作業機械の一連の作業を停止することは、作業時間の増大を招き、生産効率を低下させるためである。

次に、本実施の形態における荷重計測装置の荷重演算方法について図６を用いて説明する。図６において、荷重計測は、ブーム１３の回動軸周りに作用してブームシリンダ１６が発生するトルクと、フロント機構１２が重力と旋回遠心力とにより発生するトルクと、積載物が重力と旋回遠心力とにより発生するトルクとの釣合を利用して、荷重を算出する。

ブームシリンダ１６の推力Ｆｃｙｌは、ブームボトム圧力センサ２９の出力信号とブームロッド圧力センサ３０の出力信号のそれぞれに、ブームシリンダ１６の受圧面積を乗算した後に、これらの差を演算することで算出される。また、図６において、ブーム回動軸とブームシリンダ１６の推力の作用点とを結ぶ線分の長さをＬｂｍ、ブームシリンダ１６の推力Ｆｃｙｌの推力方向と線分Ｌｂｍとが成す角度をθｂｍｃｙｌとすると、ブームシリンダ１６が発生するトルクＴｂｍは、以下の式（１）で定まる。
Ｔｂｍ＝Ｆｃｙｌ・Ｌｂｍ・ｓｉｎ（θｂｍｃｙｌ）・・・・（１）
また、フロント機構１２の重心重量をＭｆｒ、重力加速度をｇ、ブーム回動軸とフロント重心までの前後方向の長さをＬｆｒ、ブーム回動軸とフロント重心を結ぶ線分と水平面とが成す角度をθｆｒとすると、フロント機構１２が重力により発生するトルクＴｇｆｒは、以下の式（２）で定まる。
Ｔｇｆｒ＝Ｍｆｒ・ｇ・Ｌｆｒ・ｃｏｓ（θｆｒ）・・・・（２）
更に、旋回角速度をωとすると、フロント機構１２が旋回遠心力により発生するトルクＴｃｆｒは、以下の式（３）で定まる。
Ｔｃｆｒ＝Ｍｆｒ・Ｌｆｒ・ω^２・ｓｉｎ（θｆｒ）・・・・（３）
なお、上述したＭｆｒ、Ｌｆｒ、θｆｒは、予め設定されたブーム１３、アーム１４、バケット１５それぞれの重心位置と重量と、ブーム角度センサ２４とアーム角度センサ２５とバケット角度センサとから出力される角度信号とから算出することができる。

次に、積載物が重力により発生するトルクＴｇｌは、積載物の重量をＭｌ、ブーム回動軸とバケット重心までの前後方向の長さをＬｌ、ブーム回動軸と積載物重心を結ぶ線分と水平面とが成す角度をθｌとすると、以下の式（４）で定まる
Ｔｇｌ＝Ｍｌ・ｇ・Ｌｌ・ｃｏｓ（θｌ）・・・・（４）
積載物が旋回遠心力により発生するトルクＴｃｌは、以下の式（５）で定まる
Ｔｃｌ＝Ｍｌ・Ｌｌ・ω^２・ｓｉｎ（θｌ）・・・・（５）
式（１）乃至（５）の釣合を変形して、積載物の重量Ｍｌに関して展開すると、積載物の重量Ｍｌは、以下の式（６）で定まる。
Ｍｌ＝（Ｔｂｍ−Ｔｇｆｒ−Ｔｃｆｒ）／｛Ｌｌ・（ｇ・ｃｏｓ（θｌ）＋ω^２・ｓｉｎ（θｌ））｝・・・・（６）
式（６）に代表される荷重の演算は、各センサのノイズやコントローラ２１における演算誤差やフロント機構１２の関節に生じるガタなどのモデル化が困難な現象等により、常に一定の値を出力することは、困難である。このため、作業機械の運搬作業中において、荷重演算を実施する期間を定めて、この期間に荷重を確定することが望ましい。

＜荷重確定方法＞
次に、本発明の荷重計測装置が運搬中の荷重を確定し出力する方法について図７乃至図８（ｂ）を用いて説明する。図７は本発明の作業機械の荷重計測装置の第１の実施の形態における荷重演算の処理内容を示すフローチャート図、図８（ａ）は本発明の作業機械の荷重計測装置の第１の実施の形態における荷重確定期間の判定方法を説明するための特性図の一例、図８（ｂ）は本発明の作業機械の荷重計測装置の第１の実施の形態における荷重確定期間の判定方法を説明するための特性図の他の例である。ここで、図７のフローチャート図はコントローラ２１において予め定められたサンプリング毎に実行される。また、図８（ａ）と図８（ｂ）において、横軸は時間を示し、特性線Ａは荷重位置の加速度特性を示し、特性線Ｂは瞬時荷重Ｆｉｎｓｔの特性を示している。また、破線は荷重位置の加速度０を示し、点線Ｃは確定荷重を示している。また、ＡＣ１は荷重確定開始設定値を示し、ＡＣ２は荷重確定終了設定値を示している。

コントローラ２１の瞬時荷重演算部５０において、瞬時荷重Ｆｉｎｓｔの演算が行われる（ステップＳ１００）。具体的には、瞬時荷重演算部５０が上述した式（１）乃至（６）に関する演算を行い、瞬時荷重Ｆｉｎｓｔを出力する。図８（ａ）と図８（ｂ）の特性線Ｂは、この様にして得られる。

コントローラ２１の荷重確定期間判定部５１において、荷重確定期間開始か否かを判定する（ステップＳ１０１）。具体的には、荷重確定期間判定部５１が作業機械１の動作をブーム角度センサ２４とアーム角度センサ２５とバケット角度センサとから出力される角度信号とから、荷重位置の加速度として算出し（図８（ａ）と図８（ｂ）の特性線Ａは、この様にして得られる）、この加速度と、荷重確定条件記憶部５７に設定されている荷重確定開始設定値ＡＣ１とを比較する。そして、算出した荷重位置の加速度が、荷重確定開始設定値ＡＣ１の絶対値を下回って０に近づいたときに、荷重確定期間の開始であると判定する。図８（ａ）において、時刻ｔ１が荷重確定期間の開始の時刻を示している。
図７に戻り、荷重確定期間開始であると判断された場合には、ステップＳ１０２へ進み、それ以外の場合には、ＥＮＤへ進み処理を終了する。

コントローラ２１の荷重確定期間判定部５１において、瞬時荷重Ｆｉｎｓｔを記録する（ステップＳ１０２）。

コントローラ２１の荷重確定期間判定部５１において、荷重確定期間終了か否かを判定する（ステップＳ１０３）。具体的には、荷重確定期間判定部５１が荷重位置の加速度として算出し（図８（ａ）と図８（ｂ）の特性線Ａ）、この加速度と、荷重確定条件記憶部５７に設定されている荷重確定終了設定値ＡＣ２とを比較する。そして、算出した荷重位置の加速度が、荷重確定終了設定値ＡＣ２の絶対値を上回って０から離れたときに、荷重確定期間の終了であると判定する。図８（ａ）において、時刻ｔ２が荷重確定期間の終了の時刻を示している。
図７に戻り、荷重確定期間終了であると判断された場合には、ステップＳ１０４へ進み、それ以外の場合には、ステップＳ１０２に戻る。換言すると、荷重確定期間の終了が判定されるまで、瞬時荷重Ｆｉｎｓｔは記録される。

コントローラ２１の荷重確定部５２において、記録した瞬時荷重Ｆｉｎｓｔの平均であるＦｍｅａｎを確定荷重値として演算する（ステップＳ１０４）。

コントローラ２１の荷重確定部５２において、演算した荷重平均であるＦｍｅａｎを外部出力器２３へ出力し、外部出力器２３で表示する（ステップＳ１０５）。ステップＳ１０５を実行後、処理を終了する。

上述したように、図８（ａ）の場合には、ステップＳ１０１及びステップＳ１０３により判定された荷重確定期間において、略一定の値で安定している瞬時荷重を取得することができる。

一方、図８（ｂ）においては、図８（ａ）と同じ設定により、荷重確定期間（荷重確定期間の開始の時刻ｔ３、荷重確定期間の終了の時刻ｔ４）を判定しているにもかかわらず、瞬時荷重が荷重確定期間内で変動していて、十分な精度を得ることができていない。このように、荷重確定期間を一様に決定された条件で判定すると、作業環境によって作業機械の行なう作業内容が変わった場合や操作者が替わった場合に、適切な期間が決定されないことになり、十分な計測精度を得られない場合がある。このため、操作者や作業内容に応じて、荷重確定期間を決定する条件（設定）を変更する必要がある。

＜荷重確定条件更新方法＞
次に、本発明の荷重計測装置が荷重確定条件を更新する方法について図９乃至図１１を用いて説明する。図９は本発明の作業機械の荷重計測装置の第１の実施の形態における荷重確定条件の更新演算の処理内容を示すフローチャート図、図１０は本発明の作業機械の荷重計測装置の第１の実施の形態における荷重安定期間の判定方法を説明するための特性図の一例、図１１は本発明の作業機械の荷重計測装置の第１の実施の形態における荷重確定条件の更新方法を説明するための特性図の一例である。ここで、図９のフローチャート図はコントローラ２１において予め定められたサンプリング毎に実行される。また、図１０と図１１において、横軸は時間を示し、特性線Ａは荷重位置の加速度特性を示し、特性線Ｂは瞬時荷重Ｆｉｎｓｔの特性を示している。また、破線は荷重位置の加速度０を示している。また、ＡＣ１は荷重確定開始設定値を示し、ＡＣ２は荷重確定終了設定値を示している。

コントローラ２１の荷重安定期間判定部５４において、記憶データの読み込みが行なわれる（ステップＳ１１０）。具体的には、図３に示す荷重安定期間判定部５４において、記憶部５３から運搬作業時に記録されたセンサ２４乃至３０のデータ及び瞬時荷重Ｆｉｎｓｔの記録データが読み込まれる。

コントローラ２１の荷重安定期間判定部５４において、読み込まれた瞬時荷重Ｆｉｎｓｔの記録データを用いて荷重安定期間を判定する（ステップＳ１１１）。具体的には、図１０に示す瞬時荷重Ｆｉｎｓｔの記録データの一定期間における標準偏差を演算し、１回の運搬作業において、瞬時荷重の標準偏差を演算する期間を徐々に変更し、標準偏差が最小となる期間を選択する。標準偏差は平均値との誤差のばらつきの大きさを示す尺度であり、標準偏差が小さい場合は加重の差異が小さいため、荷重は安定しているといえる。図１０においては、太字表示の標準偏差σ_３が、他の標準偏差σ_１、σ_２よりも小さい場合を示している。

図９に戻り、コントローラ２１の荷重確定条件更新演算部５５において、荷重確定条件更新演算が行われる（ステップＳ１１２）。具体的には、ステップＳ１１１から出力される荷重安定期間判定結果とその期間のセンサ２４乃至３０のデータを用いて荷重確定条件を生成する。図１１に示すように、荷重確定条件更新演算部５５は、瞬時荷重Ｆｉｎｓｔの荷重安定期間の始点の時刻（ｔ５）と終点の時刻（ｔ６）における荷重位置加速度を抽出する。そして、抽出した荷重位置加速度のうち、時刻ｔ５における加速度を荷重確定開始設定値ＡＣ１とし、時刻ｔ６における加速度を荷重確定終了設定値ＡＣ２として出力する。

図９に戻り、コントローラ２１の荷重確定条件更新部５６において、荷重確定条件書き換えが行なわれる（ステップＳ１１３）。具体的には、荷重確定条件記憶部５７に記録されている荷重確定条件をステップＳ１１２で新たに生成した荷重確定条件に書き換える。また、荷重確定条件更新部５６は、外部出力器２３に荷重確定条件である計測開始条件と荷重標準偏差を出力する。

コントローラ２１の記憶部５３において、記録データをリセットする処理が行なわれる（ステップＳ１１４）。ステップＳ１１４を実行後、処理を終了する。

＜画面表示＞
次に、本発明の荷重計測装置の荷重計測結果の表示について図１２を用いて説明する。図１２は本発明の作業機械の荷重計測装置の第１の実施の形態における外部出力器の表示画面の一例を示す概略図である。

図１２の表示画面は、荷重確定部５２で演算した作業対象物の荷重を表示する単体荷重値表示部７０と、荷重確定条件更新部５６からの演算結果である設定値を表示する設定値表示部７４とを備えている。

図１２において、外部出力器２３は、単体荷重値表示部７０に作業対象物の荷重を２４３０ｋｇ表示し、設定値表示部７４に荷重標準偏差として３５．６ｋｇ、計測開始条件として０．０８ｍ/ｓ^２と表示している。この表示値は、荷重確定条件更新部５６におけるステップＳ１１３の処理（図９参照）で荷重確定条件記憶部５７の設定が更新されたときの内容である。

上述した本発明の作業機械の荷重計測装置の第１の実施の形態によれば、作業機械の作業履歴に基づいて荷重が安定している期間を判定し、当該期間の作業履歴に基づいて荷重演算期間判定の設定値を生成するので、精度良く作業対象物の荷重を計測できる作業機械の荷重計測装置を提供することができる。

また、上述した本発明の作業機械の荷重計測装置の第１の実施の形態によれば、荷重確定条件の設定値が、作業機械の作業履歴に応じて更新されるので、操作者や作業内容に応じた適切な設定となり、荷重計測の精度が向上する。

以下、本発明の作業機械の荷重計測装置の第２の実施の形態を図面を用いて説明する。図１３は本発明の作業機械の荷重計測装置の第２の実施の形態のシステム構成を示す概念図、図１４は本発明の作業機械の荷重計測装置の第２の実施の形態における荷重確定条件の更新演算の処理内容を示すフローチャート図、図１５は本発明の作業機械の荷重計測装置の第２の実施の形態における外部出力器の表示画面の一例を示す概略図である。図１３乃至図１５において、図１乃至図１２に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

＜荷重確定条件の更新提案表示＞
本発明の作業機械の荷重計測装置の第２の実施の形態においては、図３に示す第１の実施の形態のコントローラ２１の構成に対して、図１３に示すように荷重確定条件比較部５８が追加構成され、荷重確定条件更新指示器３９からの更新指示信号を入力するように構成した点が異なる。本実施の形態においては、記録されている前回の荷重確定条件と新たに生成した荷重確定条件を比較し、所定の条件を満たせば、荷重確定条件の設定値更新を提案することを特徴とする。

本実施の形態において、荷重確定条件更新部５６には、荷重確定条件更新演算部５５からの信号の他に荷重確定条件更新指示器３９からの更新指示信号が入力されている。また、荷重確定条件比較部５８には、荷重確定条件記憶部５７に記録されている前回の荷重の標準偏差信号と荷重安定期間判定部５４で演算された今回の荷重の標準偏差信号とが入力される。荷重確定条件比較部５８は、入力された２つの標準偏差信号を比較し、演算された今回の荷重の標準偏差信号が小さい場合に、外部出力器２３に荷重確定条件の更新提案信号を出力し、荷重確定条件更新演算部５５に新たな荷重確定条件の生成を指示する。

図１４に示すフローチャート図はコントローラ２１において予め定められたサンプリング毎に実行されるものであり、図９に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

コントローラ２１の荷重安定期間判定部５４において、記憶データの読み込み（ステップＳ１１０）と、荷重安定期間の判定（ステップＳ１１１）が行なわれる。

コントローラ２１の荷重安定期間判定部５４において、荷重安定期間の評価が行なわれる（ステップＳ１２０）。具体的には、ステップＳ１１１の荷重安定期間判定で演算した所定期間毎の標準偏差を、予め設定されている基準値と比較してランク付けを行なう。

コントローラ２１の荷重確定条件更新比較部５８において、荷重標準偏差が改善されたか否かを判断する（ステップＳ１２１）。具体的には、ステップＳ１１１の演算された所定期間の標準偏差と荷重確定条件記憶部５７に記録されている前回の荷重の標準偏差と大きさを比較し、今回の荷重の標準偏差の方が小さい場合には、荷重標準偏差が改善されたと判断する。荷重標準偏差が改善された場合には、ステップＳ１１２へ進み、それ以外の場合には、ステップＳ１１４へ進む。

コントローラ２１の荷重確定条件更新演算部５５において、荷重確定条件更新演算が行われる（ステップＳ１１２）。荷重確定条件更新比較部５８からの指示信号により新たな荷重確定条件が生成される。

コントローラ２１の荷重確定条件更新比較部５８において、荷重確定条件の変更提案表示がなされる（ステップＳ１２２）。具体的には、荷重安定期間のランクと荷重確定条件の更新提案を外部出力器２３に出力する。ここで、図１５は本実施の形態における外部出力器２３の表示画面であって、第１の実施の形態における表示画面に対して、荷重安定期間判定部５４で評価した荷重安定期間のランク（荷重安定度）を例えば標準偏差の大、中、小のいずれかで表示するランク表示部７７と、荷重確定条件更新比較部５８から出力された荷重確定条件の変更提案を表示する更新提案表示部７６と、荷重確定条件更新指示器３９の機能としてのオン／オフ可能なスイッチ機能を有する設定変更ボタンとを備えている。ステップＳ１２２が実行されると、更新提案表示部７６が例えば点灯するなどして、操作者に荷重確定条件の変更提案が報知される。

図１４に戻り、コントローラ２１の荷重確定条件更新部５６において、更新指示があったか否かを判断する（ステップＳ１２３）。具体的には、荷重確定条件更新指示器３９の設定変更信号が入力されたか否かを判断する。ステップＳ１２２にて、操作者に荷重確定条件の変更提案表示がなされ、操作者がその提案にしたがって設定値を更新しようとする場合には、荷重確定条件更新指示器３９の設定変更ボタンが押下されて更新指示が成される。更新指示があった場合には、ステップＳ１１３へ進み荷重確定条件の書き換えが行なわれ、それ以外の場合には、ステップＳ１１４へ進み記録データをリセットする処理が行なわれ、その後処理を終了する。更新指示があった場合には、荷重確定条件更新演算部５５が荷重確定条件の更新を受付けて、新たな荷重確定条件を生成する。

なお、荷重確定条件の更新提案の表示方法は、図１５に示した例に限定されるものではない。例えば、更新提案表示部７６への出力ではなく、外部出力器２３の表示画面において、荷重確定条件更新比較部５８において更新提案信号が出力されないときには、荷重確定条件更新指示器３９を非表示にして、更新提案信号が出力されたときのみ、荷重確定条件更新指示器３９を表示するように構成しても良い。

上述した本発明の作業機械の荷重計測装置の第２の実施の形態によれば、上述した第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

また、上述した本発明の作業機械の荷重計測装置の第２の実施の形態によれば、荷重確定条件の変更提案と荷重安定度の評価結果が操作者に提示されるので、荷重確定条件の更新を実施するか否かの判断が容易にできる。また、設定の変更の有無を操作者が決定するので、不適切な設定更新が除外できる。この結果、操作者や作業現場の環境に合わせた設定ができるので、荷重計測の精度がより向上する。

以下、本発明の作業機械の荷重計測装置の第３の実施の形態を図面を用いて説明する。図１６は本発明の作業機械の荷重計測装置の第３の実施の形態のシステム構成を示す概念図、図１７は本発明の作業機械の荷重計測装置の第３の実施の形態における荷重確定条件の更新演算の処理内容を示すフローチャート図、図１８は本発明の作業機械の荷重計測装置の第３の実施の形態における外部出力器の表示画面の一例を示す概略図である。図１６乃至図１８において、図１乃至図１５に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

＜荷重確定条件の更新演算に用いる動作履歴の期間指示＞
本発明の作業機械の荷重計測装置の第３の実施の形態においては、図３に示す第１の実施の形態のコントローラ２１の構成に対して、図１６に示すように更新演算期間指示器４０からの動作履歴の期間信号と、荷重確定条件更新指示器３９からの更新指示信号を入力するように構成した点が異なる。本実施の形態においては、操作者が更新演算期間指示器４０により荷重確定条件の更新演算に用いる動作履歴の期間を指示し、当該期間の動作履歴に基づいて荷重確定条件を設定することを特徴とする。

本実施の形態において、荷重確定条件更新部５６には、荷重確定条件更新演算部５５からの信号の他に荷重確定条件更新指示器３９からの更新指示信号が入力されている。また、記憶部５３には、更新演算期間指示器４０から動作履歴の開始または終了の指令信号が入力されている。

図１７に示すフローチャート図はコントローラ２１において予め定められたサンプリング毎に実行されるものであり、図９及び図１４に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

コントローラ２１の記憶部５３において、動作取得開始指示がされているか否かを判断する（ステップＳ１３０）。具体的には、荷重演算期間指示器４０から動作履歴の取得開始が指示されているか否かを判定し、取得開始が指示されている場合は、ステップＳ１３１へ進み、それ以外の場合はそのまま処理を終了する。

取得開始が指示されている場合、コントローラ２１の記憶部５３において、動作履歴のデータが記録される（ステップＳ１３１）。

コントローラ２１の記憶部５３において、動作取得終了指示がされているか否かを判断する（ステップＳ１３２）。具体的には、荷重演算期間指示器４０から動作履歴の取得終了が指示されているか否かを判定し、取得終了が指示されている場合は、ステップＳ１１０へ進み、それ以外の場合はステップＳ１３１に戻る。

取得終了が指示されている場合、コントローラ２１の荷重安定期間判定部５４において、記憶データの読み込み（ステップＳ１１０）と、荷重安定期間の判定（ステップＳ１１１）が行なわれ、荷重確定条件更新部５５において荷重確定条件更新演算が行われる（ステップＳ１１２）。

コントローラ２１の荷重確定条件更新部５６において、更新指示があったか否かを判断する（ステップＳ１２３）。具体的には、荷重確定条件更新指示器３９の設定変更信号が入力されたか否かを判断する。更新指示があった場合には、ステップＳ１１３へ進み荷重確定条件の書き換えが行なわれ、それ以外の場合には、処理を終了する。ステップＳ１１３の処理の後にステップＳ１１４へ進み記録データをリセットする処理が行なわれ、その後処理を終了する。

＜画面表示＞
図１８は本実施の形態における外部出力器２３の表示画面であって、第１の実施の形態における表示画面に対して、更新前後設定値表示部７４を省略し、図１６に示す更新演算期間指示器４０の機能として、動作取得開始ボタン８１と動作終了ボタン８２と、荷重確定条件更新指示器３９の機能としての設定変更ボタンとを備えている。動作取得開始ボタン８１が押下されると、上述したステップＳ１３０にて、動作履歴の取得開始が指示されたと判断され、記憶部５３に動作履歴が記録される。動作終了ボタン８２が押下されるとステップＳ１３２にて、動作履歴の取得終了が指示された判断され、記憶部５３への動作履歴の記録が終了する。

上述した本発明の作業機械の荷重計測装置の第３の実施の形態によれば、上述した第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

また、上述した本発明の作業機械の荷重計測装置の第３の実施の形態によれば、荷重確定条件の生成に用いる作業履歴を操作者が指定することができるので、操作者や作業内容により適した設定値に更新することができる。このことにより荷重計測の精度がより向上する。さらに、作業実施前に作業と同様の動作を実施し、その動作の履歴のみを用いて荷重確定条件を生成することで、実施する作業と操作者に適した設定値に更新することができる。この結果、荷重計測の精度がより向上する。
＜その他＞
なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。

例えば、本実施例の説明に用いた油圧ショベル１は上部旋回体１１、ブーム１３、アーム１４、バケット１５を有しているが、作業機の構成はこれに限らず、例えばリフティングマグネット機のような異なる形態の作業機であっても良い。また油圧ショベル１の駆動回路は図２に示す構成に限定されるものではない。

また、瞬時荷重演算は図６に示すモデルに限定されるものではなく、異なる演算式を用いても良いことは明白である。例えば、ブーム１３、アーム１４、バケット１５それぞれの角度とブームシリンダ１６の圧力に対する荷重のマップを保持して、マップと圧力値から荷重を演算しても良い。また、ブーム１３、アーム１４、バケット１５により構成されるフロント機構１２の運動方程式を用いて荷重を演算しても良い。

荷重演算期間の判定方法は図８（ａ）、（ｂ）に示す手法に限定されるものではない。例えば荷重位置の加速度を用いるのではなく、旋回角度の大きさを用いて荷重演算期間を判定しても良い。また異なる判定条件を組み合わせて荷重演算期間を判定してもよい。なお、この際、荷重演算期間の判定に用いる変数を操作者が選択できるように構成しても良い。

荷重安定期間の判定方法は図１０に示す方法に限定されるものではない。例えば、安定度の演算は一定区間の標準偏差に限定されるものではなく、期間の最大値・最小値の差分を用いて荷重安定期間を判定しても良い。さらに複数の安定度を指標とするように構成しても良い。

荷重確定条件更新指示器３９は図１２に示すスイッチに限定されるものではない。例えば定期的に更新指示を出力するタイマーにより構成されていても良く、また無線装置により外部から更新指示を受け付ける構成にしても良い。さらに、油圧ショベル１の位置情報に応じて更新指示を出力するように構成されていても良い。

外部出力器２３の表示内容は図１２、図１５、および図１８に限定されるものではない。例えば、運搬機械２の規定積込重量を取得し、積算荷重の運搬機械容量に対する割合を同時に表示しても良く、過去の荷重演算結果の履歴を並べて表示するように構成されていても良い。

１：油圧ショベル（作業機械）、２：ダンプトラック（運搬機械）、３：掘削対象物、４：掘削物、１０：下部走行体、１１：上部旋回体、１２：フロント機構、１３：ブーム、１４：アーム、１５：バケット（アタッチメント）、１６：ブームシリンダ、１７：アームシリンダ、１８：バケットシリンダ、２１：コントローラ、２３：外部出力器、２４：ブーム角度センサ、２５：アーム角度センサ、２６：バケット角度センサ（位置検出部）、２７：旋回角速度センサ、２８：傾斜角度センサ、２９：ブームボトム圧センサ（推力検出部）、３０：ブームロッド圧センサ（推力検出部）、３９：荷重確定条件更新指示器、４０：更新演算期間指示器、５０：瞬時荷重演算部（荷重演算部）、５１：荷重確定期間判定部、５２：荷重確定部、５３：記憶部、５４：荷重安定期間判定部、５５：荷重確定条件更新演算部、５６：荷重確定条件更新部（荷重確定条件更新判定部）、５７：荷重確定条件記憶部、５８：荷重確定条件比較部

Claims

作業機械に対して回動可能に取り付けられたフロント機構と、
前記フロント機構に取り付けられ、作業対象物の掘削作業と掘削した作業対象物を掘削位置から運搬機械の荷台の上に移動させる運搬作業とを行なうアタッチメントと、
前記アタッチメントの位置を検出する位置検出部と、
前記フロント機構の関節を駆動する少なくとも１つのアクチュエータと、
前記アクチュエータの推力を検出する推力検出部と、
前記位置検出部と前記推力検出部からの信号に基づいて前記運搬作業中に前記アタッチメントが運搬している作業対象物の瞬時荷重を常時演算する荷重演算部とを備えた作業機械の荷重計測装置において、
前記運搬作業の間の所定期間を判定するための荷重確定条件を記憶する荷重確定条件記憶部と、
前記所定期間の瞬時荷重に基づいて前記アタッチメントが運搬している前記作業対象物の荷重を確定する荷重確定部と、
前記荷重確定部で確定した前記作業対象物の確定荷重を出力する外部出力器と、
前記荷重演算部で演算した前記瞬時荷重と、前記位置検出部と前記推力検出部からの信号の履歴を記憶する記憶部と、
前記記憶部に記憶された前記位置検出部と前記推力検出部からの信号の履歴に基づいて前記荷重確定条件を更新演算する荷重確定条件更新演算部とを備えた
ことを特徴とする作業機械の荷重計測装置。
請求項１に記載の作業機械の荷重計測装置において、
前記荷重確定条件記憶部に記憶されている荷重確定条件と前記荷重確定条件更新演算部で生成される新たな荷重確定条件とを比較し、前記２つの荷重確定条件の差分が所定の条件を満たす場合に荷重確定条件更新の提案信号を出力する荷重確定条件比較部と、
前記荷重確定条件更新演算部の演算結果により前記荷重確定条件記憶部に記憶された荷重確定条件を更新するか否かを判定する荷重確定条件更新判定部とをさらに備え、
前記外部出力器は、前記荷重確定条件比較部から荷重確定条件更新の提案信号が出力されたときに荷重確定条件の更新提案を報知し、
前記荷重確定条件更新演算部は、前記荷重確定条件更新判定部が荷重確定条件の更新の指示を受け付けたと判定したときに、新たな荷重確定条件を演算する
ことを特徴とする作業機械の荷重計測装置。
請求項１に記載の作業機械の荷重計測装置において、
前記記憶部に記憶された前記瞬時荷重の履歴の中の所定期間における標準偏差が最小となる期間を荷重安定期間と判定する荷重安定期間判定部を更に備え、
前記荷重確定条件更新演算部は、前記荷重安定期間の開始時点と終了時点における前記アタッチメントの加速度を前記記憶部に記憶された前記前記位置検出部からの信号の履歴から抽出し、抽出した加速度の信号を荷重確定条件として使用する
ことを特徴とする作業機械の荷重計測装置。
請求項３に記載の作業機械の荷重計測装置において、
前記荷重安定期間判定部は、前記荷重安定期間における標準偏差と予め設定された基準値とを比較して、前記荷重安定期間における安定度のランクを分類し、
前記外部出力器は、前記安定度のランクを更に出力する
ことを特徴とする作業機械の荷重計測装置。
請求項１に記載の作業機械の荷重計測装置において、
前記記憶部に記憶される前記瞬時荷重の履歴と前記位置検出部と前記推力検出部からの信号の履歴における履歴の期間を指定する更新演算期間指示器を更に備え、
前記荷重確定条件更新演算部は、前記更新演算期間指示器により指示された履歴の期間において記憶された前記瞬時荷重の履歴と前記位置検出部と前記推力検出部からの信号の履歴に基づいて新たな荷重確定条件を生成する
ことを特徴とする作業機械の荷重計測装置。