JP2019060132A - 作業機械 - Google Patents

Abstract

【課題】作業機械において，作業環境や操作者の操作スキルに依らず，作業具の速度が略一定となる期間を精度確保に必要な程度設けること。【解決手段】作業対象物の運搬動作がフロント作業機１２により行われている間のブームシリンダ１６の推力情報に基づいて作業対象物の荷重を演算する荷重演算部５２を有するコントローラ２１を備える油圧ショベル１において，コントローラ２１に，さらに，運搬動作の開始時における作業機１２の姿勢情報に基づいてブームシリンダ１６の速度の制限値Ｖｌｉｍを演算する速度制限値演算部５５と，ブームシリンダ速度が制限値Ｖｌｉｍを超えるとき，ブームシリンダ速度が前記制限値となるように前記速度指令を補正して出力する速度指令補正部５０と，速度指令補正部から出力された速度指令に基づいてブームシリンダの駆動信号を生成して出力する駆動信号生成部５１とを備える。【選択図】 図３

Description

本発明は，作業機によって運搬機械の上方に運搬される作業対象物の荷重値を演算する制御装置を備える作業機械に関する。

一般に，油圧ショベルに代表される作業機械は，例えば鉱山における鉱物の掘削とダンプトラックへの積込のように，掘削物（本稿では「作業対象物」と称することがある）を運搬機械に積込む作業（積込作業）を行うことがある。

このような作業のとき，運搬機械への積込量（運搬機械上の作業対象物の総重量）を適量にすることができれば，積込不足による生産量の低下や過積載による積直しの無駄を削減し，現場の生産効率を向上することができる。

運搬機械への積込量を適量にする手段として，積込機械による掘削物（作業対象物）の運搬中に掘削物の荷重を計測し，それを作業機械の操作者に提示する方法がある。掘削物の荷重が提示されることで作業機械の操作者は運搬機械への積込量を把握でき，次回以降の掘削量を調整し，運搬機械への積込量を適量にすることが可能となる。

作業機械が運搬している掘削物の荷重を計測する装置において，運搬作業中に荷重を計測する技術が知られている。作業対象物の荷重計測装置として，特許第５４０６２２３号公報（特許文献１）には，作業機械の作業サイクルを，掘削物を作業具に入れて運搬する区間である運搬状態区間（積載状態移動区間）を含む複数の区間に分割し，その作業サイクルの運搬状態区間において，作業機械の作業具（ツール）の速度が略一定の期間を判定し，当該期間中に記録された作業具（ツール）の持上げ力に基づいて掘削物の荷重（ツールのペイロード）を計測し，これを表示するペイロード監視システムが開示されている。

特許第５４０６２２３号公報

特許文献１のシステムでは，概して一般的な運搬作業で掘削物の荷重計測の精度が良いと考えられる，作業具の速度が略一定の期間に掘削物の荷重を複数回演算し、その演算結果に基づいて掘削物の荷重を確定している。そして，掘削物の荷重計測の精度を確保するためには，作業具の速度が略一定の期間に掘削物の荷重を演算する回数（サンプリング回数）を十分確保することが好ましい。すなわち，掘削物の荷重を演算する回数を確保して計測精度を維持する観点からは，作業具の速度が略一定となる期間を精度確保に必要な程度設けることが好ましい。しかし，作業環境や操作者の操作スキルによっては，作業具の速度が略一定となる期間を充分確保できず，充分な計測精度が得られない作業サイクルが発生するおそれがある。

本発明の目的は，作業環境や操作者の操作スキルに依らず，作業対象物の荷重を精度良く計測できる作業機械を提供することにある。

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，多関節型の作業機と，前記作業機を駆動するアクチュエータと，操作量に応じて前記アクチュエータに対する速度指令を生成する操作装置と，運搬機械の上方への作業対象物の運搬が前記作業機により行われている間の前記アクチュエータの推力情報に基づいて前記作業対象物の荷重を演算する荷重演算部を有する制御装置とを備える作業機械において，前記制御装置は，さらに，前記作業機による前記運搬機械の上方への作業対象物の運搬の開始時における前記作業機の姿勢情報に基づいて前記アクチュエータの速度の制限値を演算する速度制限値演算部と，前記速度指令で規定されるアクチュエータ速度が前記制限値を超えるとき，前記アクチュエータの速度が前記制限値となるように前記速度指令を補正して出力し，前記速度指令で規定されるアクチュエータ速度が前記制限値以下のとき，前記速度指令を補正することなく出力する速度指令補正部と，前記速度指令補正部から出力された速度指令に基づいて前記アクチュエータの駆動信号を生成して出力する駆動信号生成部とを備えることとする。

本発明によれば，運搬開始時の作業機の姿勢に基づいて作業機の動作速度が制限され，これにより作業具の速度が略一定となる期間を精度維持に必要な分だけ確保できるので，作業環境や操作者の操作スキルに依らず作業対象物の荷重を精度良く計測できる。

本発明の実施形態に係る油圧ショベルの側面図。 本発明の実施形態に係る油圧ショベルの油圧回路の概略図。 第１実施形態の荷重計測システムのシステム構成図。 油圧ショベルの作業の一例を示す概観図。 油圧ショベルの作業の一例を示す概観図。 第１実施形態における運搬開始判定部が実行するフローチャート。 アームボトム圧センサの検出値及びバケット角度センサの検出値と運搬開始判定部５４による判定結果の関係を示すグラフの一例。 荷重演算部によるバケット内の作業対象物の瞬時荷重Ｍｌの演算方法の説明図。 第１実施形態の荷重演算部が実行する荷重確定処理のフローチャート。 荷重演算部により演算される瞬時荷重値Ｍｌの時間変化を示すグラフ。 第１実施形態のコントローラにおける速度制限値演算部によるブームシリンダの速度制限値Ｖｌｉｍの演算方法の説明図。 第１実施形態の速度制限値演算部が実行するブームシリンダの速度制限値Ｖｌｉｍの演算処理を示すフローチャート。 第１実施形態のコントローラによるブームシリンダの速度制御処理の説明図。 第２実施形態の速度制限値演算部が速度制限値Ｖｌｉｍを演算する際に利用するＨｍｉｎ，Ｈｍａｘの説明図。 第２実施形態の速度制限値演算部により演算される速度制限値Ｖｌｉｍとブームシリンダの速度指令値の時間変化を示すグラフ。 第３実施形態の荷重計測システムのシステム構成図。 第３実施形態に係る油圧ショベルとダンプトラックの相対距離を演算する方法を示す概略図。 第４実施形態の荷重計測システムのシステム構成図。 第４実施形態の荷重安定判定部により実行される荷重安定判定処理のフローチャート。 第４実施形態の速度制限値演算部により実行される処理のフローチャート。 第４実施形態のフィルタ処理部によりローパスフィルタ処理を行った場合と行わなかった場合の瞬時荷重値Ｍｌとブーム速度指令の時間変化を示す図。 第５実施形態の荷重計測システムのシステム構成図。 第５実施形態のモニタの表示画面の一例の概略図。 動作予測に基づく速度指令の補正の一例の説明図。 第６実施形態のコントローラにおける速度制限値演算部によるブームシリンダの速度制限値Ｖｌｉｍの演算方法の説明図。 第６実施形態のコントローラによるブームシリンダの速度制御処理の説明図。 第７実施形態に係る油圧ショベルとダンプトラックの相対距離を演算する方法を示す概略図。

以下，本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。以下では，作業機械の荷重計測システムを構成する積込機械として油圧ショベルを，運搬機械としてダンプトラックを利用する場合について説明する。

本発明が対象とする作業機械（積込機械）は，アタッチメントとしてバケットを有する油圧ショベルに限られず，グラップルやリフティングマグネット等，運搬物の保持・解放が可能なものを有する油圧ショベルも含まれる。また，油圧ショベルのような旋回機能の無い作業腕を備えるホイールローダ等にも本発明は適用可能である。

＜第１実施形態＞
−全体構成−
図１は本実施形態に係る油圧ショベルの側面図である。図１の油圧ショベル１は，下部走行体１０と，下部走行体１０の上部に旋回可能に設けられた上部旋回体１１と，上部旋回体１１の前方に搭載された多関節型の作業腕であるフロント作業機１２と，上部旋回体１１を回動する油圧モータである旋回モータ１９と，上部旋回体１１に設けられ操作者（オペレータ）が乗り込んでショベル１を操作する操作室（運転室）２０と，操作室２０内に設けられ，油圧ショベル１に搭載されたアクチュエータの動作を制御するための操作レバー（操作装置）２２（２２ａ，２２ｂ）と，記憶装置（例えば，ＲＯＭ，ＲＡＭ），演算処理装置（例えばＣＰＵ）及び入出力装置を有し油圧ショベル１の動作を制御するコントローラ２１によって構成されている。

フロント作業機１２は，上部旋回体１１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を駆動する油圧シリンダであるブームシリンダ１６と，アーム１４を駆動する油圧シリンダであるアームシリンダ１７と，バケット１５を駆動する油圧シリンダであるバケットシリンダ１８を備えている。

ブーム１３，アーム１４，バケット１５の回動軸には夫々ブーム角度センサ２４，アーム角度センサ２５，バケット角度センサ２６が取り付けられている。これら角度センサ２４，２５，２６からはブーム１３，アーム１４，バケット１５夫々の回動角度を取得できる。また，上部旋回体１１には旋回角速度センサ（例えば，ジャイロスコープ）２７と傾斜角度センサ２８が取り付けられており，夫々上部旋回体１１の旋回角速度と上部旋回体１１の前後方向の傾斜角度が取得できるように構成されている。角度センサ２４，２５，２６，２７，２８の検出値からはフロント作業機１２の姿勢を特定できる。

ブームシリンダ１６およびアームシリンダ１７にはそれぞれブームボトム圧センサ２９，ブームロッド圧センサ３０，アームボトム圧センサ３１，アームロッド圧センサ３２が取り付けられており，各油圧シリンダ内部の圧力が取得できるように構成されている。圧力センサ２９，３０，３１，３２の検出値からは各シリンダ１６，１８の推力，すなわちフロント作業機１２に与えられる駆動力を特定できる。

なお，ブーム角度センサ２４，アーム角度センサ２５，バケット角度センサ２６，傾斜角度センサ２８，旋回角速度センサ２７は，フロント作業機１２の姿勢に関する物理量を検出できるものであれば他のセンサに代替可能である。例えば，ブーム角度センサ２４，アーム角度センサ２５及びバケット角度センサ２６はそれぞれ傾斜角センサや慣性計測装置（ＩＭＵ）に代替可能である。また，ブームボトム圧センサ２９，ブームロッド圧センサ３０，アームボトム圧センサ３１，アームロッド圧センサ３２は，ブームシリンダ１６及びアームシリンダ１７が発生する推力，すなわちフロント作業機１２に与えられる駆動力に関する物理量を検出できるものであれば他のセンサに代替可能である。さらに推力や駆動力の検出に代えて，ブームシリンダ１６及びアームシリンダ１７の動作速度をストロークセンサで検出したり，ブーム１３及びアーム１４の動作速度をＩＭＵで検出したりすることでフロント作業機１２の動作を検出しても良い。

操作室２０の内部にはコントローラ２１での演算結果（例えば，荷重演算部５２に演算あれたバケット１５内の作業対象物４の荷重値）などを表示するモニタ（表示装置）２３が備え付けられ，上部旋回体１１の上面にはコントローラ２１が外部のコンピュータ等と通信するための無線送受信機（図示せず）が取り付けられている。

本実施形態のモニタ２３は，タッチパネルを有しており，オペレータがコントローラ２１への情報の入力を行うための入力装置としても機能する。モニタ２３としては例えばタッチパネルを有する液晶ディスプレイが利用可能である。

操作レバー２２ａは，ブーム１３の上げ・下げ（ブームシリンダ１６の伸縮）とバケット１５のダンプ・クラウド（バケットシリンダ１８の伸縮）をそれぞれ指示し、操作レバー２２ｂは，アーム１４のダンプ・クラウド（アームシリンダ１７の伸縮）と上部旋回体１１の左・右旋回（油圧モータ１９の左右回転）をそれぞれ指示する。操作レバー２２ａと操作レバー２２ｂは２複合のマルチ機能操作レバーで、操作レバー２２ａの前後操作がブーム１３の上げ・下げ、左右操作がバケット１５のクラウド・ダンプ、操作レバー２２ｂの前後操作がアーム１４のダンプ・クラウド、左右操作が上部旋回体１１の左・右回転に対応している。レバーを斜め方向に操作すると、該当する２つのアクチュエータが同時に動作する。また，操作レバー２２ａ，２２ｂの操作量はアクチュエータ１６−１９の動作速度を規定する。

図２は本実施形態に係る油圧ショベル１の油圧回路の概略図である。ブームシリンダ１６，アームシリンダ１７，バケットシリンダ１８，及び旋回モータ１９は，メインポンプ３９から吐出される作動油によって駆動される。各油圧アクチュエータ１６−１９へ供給される作動油の流量及び流通方向は，操作レバー２２ａ，２２ｂの操作方向及び操作量に応じてコントローラ２１から出力される駆動信号によって動作するコントロールバルブ３５，３６，３７，３８によって制御される。

操作レバー２２ａ，２２ｂは，その操作方向及び操作量に応じた操作信号を生成してコントローラ２１に出力する。コントローラ２１は，操作信号に対応した駆動信号（電気信号）を生成して，これを電磁比例弁であるコントロールバルブ３５−３８に出力することで，コントロールバルブ３５−３８を動作させる。

操作レバー２２ａ，２２ｂの操作方向は油圧アクチュエータ１６−１９の動作方向を規定する。ブームシリンダ１６を制御するコントロールバルブ３５のスプールは，操作レバー２２ａが前方向に操作されると図２中の左側に移動してブームシリンダ１６のボトム側に作動油を供給し，操作レバー２２ａが後方向に操作されると同右側に移動してブームシリンダ１６のロッド側に作動油を供給する。アームシリンダ１７を制御するコントロールバルブ３６のスプールは，操作レバー２２ｂが前方向に操作されると同左側に移動してアームシリンダ１７のボトム側に作動油を供給し，操作レバー２２ｂが後方向に操作されると同右側に移動してアームシリンダ１７のロッド側に作動油を供給する。バケットシリンダ１８を制御するコントロールバルブ３７のスプールは，操作レバー２２ａが左方向に操作されると同左側に移動してバケットシリンダ１８のボトム側に作動油を供給し，操作レバー２２ａが右方向に操作されると同右側に移動してバケットシリンダ１８のロッド側に作動油を供給する。旋回モータ１９を制御するコントロールバルブ３８のスプールは，操作レバー２２ｂが左方向に操作されると同左側に移動して旋回モータ１９に同左側から作動油を供給し，操作レバー２２ｂが右方向に操作されると同右側に移動して旋回モータ１９に同右側から作動油を供給する。

また，コントロールバルブ３５−３８のバルブの開度は，対応する操作レバー２２ａ，２２ｂの操作量に応じて変化する。すなわち，操作レバー２２ａ，２２ｂの操作量は油圧アクチュエータ１６−１９の動作速度を規定する。例えば，操作レバー２２ａ，２２ｂの或る方向の操作量を増加すると，その方向に対応するコントロールバルブ３５−３８のバルブの開度が増加して，油圧アクチュエータ１６−１９に供給される作動油の流量が増加し，これにより油圧アクチュエータ１６−１９の速度が増加する。このように，操作レバー２２ａ，２２ｂで生成される操作信号は，対象の油圧アクチュエータ１６−１９に対する速度指令の側面を有している。そこで本稿では操作レバー２２ａ，２２ｂが生成する操作信号を，油圧アクチュエータ１６−１９（コントロールバルブ３５−３８）に対する速度指令と称することがある。

メインポンプ３９から吐出される作動油の圧力（作動油圧）は，リリーフ圧で作動油タンク４１と連通するリリーフ弁４０によって過大にならないように調整されている。油圧アクチュエータ１６−１９に供給された圧油がコントロールバルブ３５−３８を介して再度作動油タンク４１に戻るように，コントロールバルブ３５−３８の戻り流路は作動油タンク４１と連通している。

コントローラ２１は，ブーム角度センサ２４，アーム角度センサ２５，バケット角度センサ２６，旋回角速度センサ２７，傾斜角度センサ２８と，ブームシリンダ１６に取付けられたブームボトム圧センサ２９とブームロッド圧センサ３０と，アームシリンダ１７に取付けられたアームボトム圧センサ３１とアームロッド圧センサ３２の信号が入力されるように構成されており，これらのセンサ信号を基にコントローラ２１は荷重を演算し，荷重計測結果はモニタ２３に表示されるように構成されている。

−システム構成−
図３は本実施形態の荷重計測システムのシステム構成図である。本実施形態の荷重計測システムは，いくつかのソフトウェアの組み合わせとしてコントローラ２１内部に実装されており，操作レバー２２ａ，２２ｂから入力した速度指令（操作信号）に基づいて駆動信号を生成し，その駆動信号で対応するコントロールバルブ３５−３８を駆動するように構成されている。また，センサ２４−３２の信号を入力し，コントローラ２１内部で作業対象物の荷重値を演算し，モニタ２３に荷重値を表示するように構成されている。

また，図３のコントローラ２１の内部にはコントローラ２１が有する機能をブロック図で示している。コントローラ２１は，角度センサ２４−２８の検出値に基づいてフロント作業機１２の姿勢情報を演算する姿勢演算部５３と，フロント作業機１２によるダンプトラック（運搬機械）の荷台の上方への作業対象物の運搬の開始時（すなわち，運搬動作の開始時）をアームシリンダ１７の負荷情報（例えば，アームボトム圧センサ３１の検出値）に基づいて判定する運搬開始判定部５４と，ダンプトラックの荷台の上方への作業対象物の運搬がフロント作業機１２により行われている間（すなわち，運搬動作中）に動作するブームシリンダ１６の推力情報（例えば，ブームシリンダ１６のボトム圧センサ２９とロッド圧センサ３０の検出値）に基づいて作業対象物の荷重を演算する荷重演算部５２と，フロント作業機１２によるダンプトラックの荷台の上方への作業対象物の運搬の開始時（すなわち，運搬動作の開始時）におけるフロント作業機１２の姿勢情報に基づいてブームシリンダ１６の速度の制限値（速度制限値）Ｖｌｉｍを演算する速度制限値演算部５５と，操作レバー２２からの速度指令で規定されるブームシリンダ速度が制限値Ｖｌｉｍを超えるとき，ブームシリンダ速度が制限値Ｖｌｉｍとなるように速度指令を補正して出力し，速度指令で規定されるブームシリンダ速度が制限値Ｖｌｉｍ以下のとき，速度指令を補正することなく出力する速度指令補正部５０と，速度指令補正部５０から出力された速度指令に基づいてブームシリンダ１６の駆動信号（コントロールバルブ３５の駆動信号）を生成して出力する駆動信号生成部５１とによって構成されている。

次に本発明の実施形態の一例である作業機械の荷重計測システムが作業サイクル開始時におけるフロント作業機１２の姿勢に基づいてフロント作業機１２の操作指示を補正し，荷重を計測する方法について図４−１２を用いて説明する。

−ダンプトラックへの積込作業中の油圧ショベルの動作の定義−
図４Ａ及び図４Ｂは油圧ショベル１の作業の一例を示す概観図である。本稿では便宜上，油圧ショベル（積込機械）１によるダンプトラック（運搬機械）２への「積込作業（運搬作業）」を，Ａ）作業対象物（運搬物）３を掘削してバケット１５内に作業対象物４を積み込む「掘削動作」と，Ｂ）上部旋回体１１の旋回とフロント作業機１２の動作を組み合わせてダンプトラック２の荷台の上までバケットを移動する「運搬動作」と，Ｃ）バケット１５内の作業対象物４をダンプトラック２の荷台に放出（放土）する「積込動作」と，Ｄ）掘削動作を開始するために作業対象物上の所望の位置へバケット１５を移動させる「リーチング動作」という４つの動作を含む作業と定義する。多くの場合，油圧ショベル１は，この４つの動作をこの順番で繰り返し実施することでダンプトラック２の荷台を作業対象物４で満杯にする。Ｂ）の運搬動作は多くの場合旋回ブーム上げによって行われる。Ｃ）の積込動作は，多くの場合バケットダンプによって行われる。

ダンプトラック２の架台に作業対象物４を過剰に積込むと過積載となり，ダンプトラック２の効率低下や損傷を招き，また作業対象物４の積込が過少である場合は運搬量が少ないため現場の生産量が下がることになるので，ダンプトラック２への積込量は適正にすることが望ましい。

油圧ショベル１の掘削作業は，図４Ａに示すように油圧ショベル１の下方（下部走行値１０の底面の下方）を掘削しながら後退するように作業を実施する下側作業５と，図４Ｂに示すように下部走行体１０の底面より上方かつ油圧ショベル１の前方を掘削しながら前進するように作業を実施する上側作業６に大別される。それぞれの作業５，６では，掘削時のフロント作業機１２の姿勢が異なっており，掘削が終了し運搬を開始するときのフロント作業機１２の姿勢が異なる。そのため，運搬動作時のバケット１５の持上げ量（運搬動作の開始時と終了時のバケット１５の高さの偏差，すなわち運搬動作中の高さ方向のバケット１５の移動量）が作業環境によって異なることがある。

−運搬開始判定部５４による運搬動作の開始判定−
図５はコントローラ２１における運搬開始判定部５４が，フロント作業機１２によるダンプトラック２の荷台の上方への作業対象物４の運搬が開始したか否かを判定する方法を示すフローチャートであり，図６はアームボトム圧センサ３１の検出値（アームシリンダボトム圧力）及びバケット角度センサ２６の検出値（アーム−バケット相対角度）と運搬開始判定部５４による判定結果の関係を示すグラフの一例である。

図５のフローチャートは油圧ショベル１のコントローラ２１において予め定められたサンプリング周期毎に実行される。

運搬開始判定部５４は，ステップＳ１００でアームボトム圧センサ３１の出力を監視し，予め設定されている閾値１より低い状態から閾値１を超えたか否か判定する。油圧ショベル１はアームシリンダ１７を押し出して掘削するため，図６の下側のグラフに示すようにアームシリンダボトム圧は掘削動作中に大きくなるので，本実施形態ではアームボトム圧が閾値１を上回ったタイミングで掘削動作を開始したとみなしている。ステップＳ１００でアームボトム圧が閾値１より低い状態から閾値１を超えたと判定された場合は，運搬開始判定部５４は油圧ショベル１が掘削動作を開始したと判定してステップＳ１０１に進む。反対にアームボトム圧が閾値１より低い状態から閾値１を超えない場合（閾値１以下を保持する場合）はステップＳ１００の前に戻り，アームボトム圧センサ３１の出力の監視を続行する。

ステップＳ１０１では引き続きアームボトム圧センサ３１の出力を監視し，予め設定されている閾値２より高い状態から閾値２を下回ったか否か判定する。図６の下側のグラフに示すようにアームシリンダボトム圧は掘削動作が終了すると小さくなるので，本実施形態ではアームボトム圧が閾値２を下回ったタイミングで掘削動作が終了し，運搬動作を開始したとみなしている。ステップＳ１０１でアームボトム圧が閾値２より高い状態から閾値２を下回ったと判定された場合は，運搬開始判定部５４は油圧ショベル１が掘削動作を終了し且つ運搬動作を開始したと判定してステップＳ１０２に進む。反対にアームボトム圧が閾値２より高い状態から閾値２を下回らない場合（閾値２以上を保持する場合）は運搬開始判定部５４は掘削動作が継続していると判定し，ステップＳ１０１の前に戻ってアームボトム圧センサ３１の出力の監視を続行する。

なお，閾値１と閾値２の関係に関して，図６に示した例では閾値１＜閾値２の関係が成り立っているがこれは一例に過ぎず，油圧ショベル１の掘削動作の開始と終了の判定が可能な範囲で任意の値を設定できる。またその際，閾値１と閾値２の大小関係は問わないものとする。

ステップＳ１０２では運搬開始判定部５４は運搬動作が開始したという判定を外部に出力しステップＳ１０３に進む。このときの判定の出力先には速度制限値演算部５５と荷重演算部５２が含まれる。

ステップＳ１０３では，運搬開始判定部５４はバケット角度センサ２６の出力を監視し，アーム−バケット間の相対角度（アーム１４とバケット１５のなす角）が予め設定されている閾値３より大きい角度から閾値３を下回ったか否か判定する。運搬動作を終え積込動作を開始する油圧ショベル１はバケット１５内の土砂（掘削対象物）を放出するためにアーム１４とバケット１５のなす角を狭めるように動作する。つまり図６の上側のグラフに示すようにアーム１４とバケット１５の相対角度は運搬動作から積込動作に遷移する際に小さくなるので，本実施形態ではアーム１４とバケット１５の相対角度が閾値３を下回ったタイミングで運搬動作が終了し，積込動作を開始したとみなしている。ステップＳ１０３でアーム−バケット相対角度が閾値３を下回ったと判定された場合は，運搬開始判定部５４は油圧ショベル１が運搬動作を終了し且つ積込動作を開始したと判定してステップＳ１０４に進む。反対にアーム−バケット相対角度が閾値３を下回らないと判定された場合（閾値３以上を保持する場合）は，運搬開始判定部５４は運搬動作が継続していると判定し，ステップＳ１０３の前に戻ってバケット角度センサ２６の出力の監視を続行する。

ステップＳ１０４では運搬開始判定部５４は運搬動作が終了したという判定（積込動作が開始したという判定）を外部に出力しステップＳ１００に戻る。このときの判定の出力先には荷重演算部５２が含まれる。

−荷重演算部５２による荷重値演算−
図７はコントローラ２１における荷重演算部５２によるバケット１５内の作業対象物の瞬時荷重Ｍｌの演算方法の説明図である。図７を用いて、荷重演算部５２が荷重を演算する方法を説明する。荷重の計測はブーム１３の回動軸周りに作用し，ブームシリンダ１６が発生するトルクと，フロント作業機１２が重力と旋回遠心力により発生するトルクと，積載物が重力と旋回遠心力により発生するトルクの釣合を利用する。

ブームシリンダ１６の推力Ｆｃｙｌはブームボトム圧センサ２９の出力信号をＰ１，ブームロッド圧センサ３０の出力信号をＰ２，ブームシリンダ１６の受圧面積をＡ１，Ａ２として，以下の式（１）で算出される。

Ｆｃｌｂｍ＝Ａ１・Ｐ１−Ａ２・Ｐ２・・・（１）
ブームシリンダ１６が発生するトルクＴｂｍは，ブーム回動軸とブームシリンダ１６の推力の作用点を結んだ線分の長さをＬｂｍ，ブームシリンダ１６の推力Ｆｃｙｌと線分Ｌｂｍと推力の方向が成す角度をθｂｍｃｙｌとして以下の式（２）で算出される。

Ｔｂｍ＝Ｆｃｙｌ・Ｌｂｍ・ｓｉｎ（θｂｍｃｙｌ） …（２）
フロント作業機１２が重力により発生するトルクＴｇｆｒは，フロント作業機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が成す角度をθｆｒとして以下の式（３）で算出される。

Ｔｇｆｒ＝Ｍｆｒ・ｇ・Ｌｆｒ・ｃｏｓ（θｆｒ） …（３）
フロント作業機１２が旋回遠心力により発生するトルクＴｃｆｒは，旋回角速度をωとして以下の式（４）で算出される。

Ｔｃｆｒ＝Ｍｆｒ・Ｌｆｒ・ω^２・ｓｉｎ（θｆｒ） …（４）
なお，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，重量と，ブーム角度センサ２４，アーム角度センサ２５，バケット角度センサ２６から出力される角度信号から算出される。

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が成す角度をθｌとして以下の式（５）で算出される。

Ｔｇｌ＝Ｍｌ・ｇ・Ｌｌ・ｃｏｓ（θｌ） …（５）
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（６）で算出される。

Ｔｃｌ＝Ｍｌ・Ｌｌ・ω^２・ｓｉｎ（θｌ） …（６）
式（２）−（６）の釣合いを変形して積載物重量Ｍｌに関して展開すると，積載物重量Ｍｌは以下の式（７）で算出される。

Ｍｌ＝（Ｔｂｍ−Ｔｇｆｒ−Ｔｃｆｒ）／
（Ｌｌ・（ｇ・ｃｏｓ（θｌ）＋ω^２・ｓｉｎ（θｌ））） …（７）
式（１）−（７）による荷重の演算では，フロント作業機１２の慣性力の影響や油圧回路の特性などにより，動作開始や終了時などフロント作業機１２の動作が安定していない期間は積載物重量Ｍｌが一定にならないため，運搬作業中でブーム回動が一定速度の所定期間における積載物重量Ｍｌの出力結果を用いて，荷重を確定することが望ましい。

図８は本実施形態の荷重演算部５２が実行する荷重確定処理のフローチャートであり、図９は荷重演算部５２により演算される瞬時荷重値Ｍｌの時間変化を示すグラフである。図８および図９を用いて，荷重演算部５２が荷重を確定し出力する方法について述べる。

図８の各ステップはコントローラ２１において予め定められたサンプリング周期毎に実行される。

コントローラ２１（荷重演算部５２）は、ステップＳ１１０で運搬開始判定部５４から運搬開始判定（図５のステップＳ１０２）が出力されたか否か監視する。運搬開始判定が出力されている場合はステップＳ１１１に進み、そうでない場合はステップＳ１１０の前に戻り、運搬開始判定部５４の出力を監視する。

ステップＳ１１１では，式（１）−（７）に関する演算を行い，瞬時の掘削物重量（瞬時荷重値）Ｍｌを演算し、続いてステップＳ１１２では瞬時荷重値Ｍｌを積算し、ステップＳ１１３に進む。

ステップＳ１１３では，荷重演算部５２は，運搬開始判定部５４から運搬開始判定が出力された時から所定時間が経過しているか否か判定する。ここで所定時間が経過していない場合はステップＳ１１１の前に戻り、ステップＳ１１１とＳ１１２を再度実行する。一方，所定時間が経過している場合はステップＳ１１４に進む。

ステップＳ１１４では、荷重演算部５２は，所定時間における瞬時荷重値Ｍｌの平均荷重を演算するために，瞬時荷重値Ｍｌの積算値を所定時間で除算する。図９に示すように、瞬時荷重値Ｍｌ（図９中の白丸参照）はサンプリング毎に異なっているので、本実施形態ではそれらの平均をとることで作業対象物の荷重を確定している。このとき、ブーム１３の回動角速度が一定となっている時間が少ない場合は、所定時間（図９中の荷重演算期間）での瞬時荷重値Ｍｌの変動が大きくなり、確定値が実際の荷重から大きく離れるおそれがある。また，フロント作業機１２の姿勢に依っては所定時間がそもそも確保できないおそれもある。ステップＳ１１４で荷重値が確定されると、続いてステップＳ１１５に進む。

ステップＳ１１５では，荷重演算部５２は，モニタ２３に表示している荷重値（図２２参照）を更新し、ステップＳ１１６に進む。

ステップＳ１１６では，荷重演算部５２は，運搬開始判定部５４から積込開始判定が出力されたか否か監視する。ここで積込開始判定が出力されていないと判定された場合はステップＳ１１６の前に戻り運搬開始判定部５４の出力の監視を続行し、積込開始判定が出力されたと判定された場合はステップ１１７に進む。

ステップＳ１１７では，荷重演算部５２は，瞬時荷重値Ｍｌの積算値と平均値を０にリセットし、続いてステップＳ１１８ではモニタ２３に表示している荷重値を更新してステップＳ１１０の前に戻る。

−速度制限値演算部５５によるブームシリンダ１６の速度制限値Ｖｌｉｍの演算−
図１０は本実施形態のコントローラ２１における速度制限値演算部５５によるブームシリンダ１６の速度制限値Ｖｌｉｍの演算方法の説明図であり、図１１は本実施形態の速度制限値演算部５５が実行するブームシリンダ１６の速度制限値Ｖｌｉｍの演算処理を示すフローチャートである。図１０および図１１を用いて，速度制限値演算部５５が姿勢演算部５３の出力に基づいて速度制限値Ｖｌｉｍを変更する方法について述べる。

本実施形態では，図１０に示すようにフロント作業機１２の先端位置（バケット１５の爪先位置）の高さをフロント機構１２の姿勢の基準とし、姿勢演算部５３は、そのフロント作業機１２の先端位置の高さを，ブーム１３の回動中心からバケット１５の先端位置までの鉛直方向距離（作業機の先端の高さ）Ｈとして所定の周期で継続的に演算している。鉛直方向距離Ｈは以下の式（８）で演算される。なお，ブーム１３の回動中心を基準とし，そこから鉛直下方を正，鉛直上方を負とする。

Ｈ＝Ｌｂｍ・ｓｉｎ（θｂｍ）＋Ｌａｍ・ｓｉｎ（θｂｍ＋θａｍ）＋Ｌｂｋ・ｓｉｎ（θｂｍ＋θａｍ＋θｂｍ） …（８）
本実施形態では，油圧ショベル１の底面（下部走行体１０の底面）より下方の所定の位置に下部走行値１０の底面と平行な基準線Ｌｓｔ１を予め設定しており，当該基準線Ｌｓｔ１よりも下方の領域Ａでは速度制限を行わずに，上方の領域Ｂでは速度制限が行われ得るものと設定している。ブーム１３の回動中心を基準とした基準線Ｌｓｔ１の高さ（ブーム１３の回動中心に対する基準線Ｌｓｔ１の鉛直方向距離）は設定値Ｈｔｈであり，本実施形態では，運搬動作開始時のバケット爪先の高さ位置が基準線Ｌｓｔ１の高さを越えるか否か（すなわち，バケット爪先が領域Ａ，Ｂのどちらに存在するか）でブームシリンダ１６の速度制限値の有無を分類している。

図１１のフローチャートに示すように，速度制限値演算部５５は、ステップＳ１２０で運搬開始判定部５４から運搬開始判定が出力されたか否か監視する。運搬判定が出力されている場合はステップＳ１２１で姿勢演算部５３から鉛直方向距離Ｈを取得しステップＳ１２２に進み、そうでない場合はステップＳ１２０の前に戻り、運搬開始判定部５４の出力を監視する。

ステップＳ１２２では，速度制限値演算部５５は、鉛直方向距離Ｈと設定値Ｈｔｈの大小を比較する。ここで，鉛直方向距離Ｈが設定値Ｈｔｈより小さいと判定された場合は，バケット爪先は領域Ｂに存在すると判定し，ステップＳ１２３でブームシリンダ１６の速度制限値を予め設定されている速度制限値ＶｌｉｍにセットしてステップＳ１２４に進む。一方，鉛直方向距離Ｈが設定値Ｈｔｈより大きいと判定された場合は，バケット爪先は領域Ａに存在すると判定し，速度制限値を設定することなくステップＳ１２４に進む。

ステップＳ１２４では，速度制限値演算部５５は，運搬開始判定部５４から積込開始判定が出力されたか否か監視する。ここで積込判定が出力されていると判定された場合は，ステップＳ１２５に進み、そうでない場合はステップＳ１２４の前に戻り、運搬開始判定部５４の出力を監視する。

ステップＳ１２５では、速度制限値演算部５５は、速度制限の設定をリセットし、ステップＳ１２０の前に戻る。

速度指令補正部５０は，まず，速度制限値演算部５５でブームシリンダ１６の速度制限値Ｖｌｉｍが演算されたか否かを判定し，速度制限値Ｖｌｉｍが演算されていないと判定した場合には操作レバー２２からの速度指令をそのまま駆動信号生成部５１に出力する。一方，速度制限値演算部５５で速度制限値Ｖｌｉｍが演算されたと判定した場合には，操作レバー２２からの速度指令で規定されるブームシリンダ速度が速度制限値Ｖｌｉｍを超えるか否かを判定し，速度制限値Ｖｌｉｍを超えると判定した場合には，ブームシリンダ速度が速度制限値Ｖｌｉｍとなるように速度指令を補正して駆動信号生成部５１に出力する。一方，速度制限値Ｖｌｉｍを超えないと判定した場合には，操作レバー２２からの速度指令をそのまま駆動信号生成部５１に出力する。

駆動信号生成部５１は，速度指令補正部５０から入力される速度指令に基づいてブームシリンダ１６のコントロールバルブ３５の駆動信号を生成し，その生成した駆動信号をコントロールバルブ３５に出力する。この駆動信号によりコントロールバルブ３５の開度が調整されてブームシリンダ１６の速度が速度指令補正部５０からの速度指令に基づいて制御される。

−動作−
上記のように構成される油圧ショベル１の動作について図１２を用いて説明する。図１２は本実施形態のコントローラ２１によるブームシリンダ１６の速度制御処理の説明図である。

図１２（ａ）の上段は図４Ａで示した下側掘削作業における運搬動作開始時の姿勢を示し，同中段は下側掘削作業における運搬動作中のバケット先端位置の高さの時間変化のグラフを示し，同下段は下側掘削作業における運搬動作中のブーム回動速度（ブームシリンダ１６の伸長速度）の時間変化のグラフを示している。

図１２（ｂ）の上段は図４Ｂで示した上側掘削作業における運搬動作開始時の姿勢を示し，同中段は上側掘削作業における運搬動作中のバケット先端位置の高さの時間変化のグラフを示し，同下段は上側掘削作業における運搬動作中のブーム回動速度（ブームシリンダ１６の伸長速度）の時間変化のグラフを示している。図１２（ｂ）中の「補正なし」は速度指令補正部５０による速度指令の補正（すなわち速度制限）を行わない従来技術の場合のグラフを示し，「補正あり」は同速度指令の補正を行う本発明の場合のグラフを示している。なお，図１２の下段のブーム回動速度はブームシリンダ１６の伸長速度と換言できる。

油圧ショベル１による掘削動作の終了後に旋回ブーム上げを実行して運搬動作を開始すると，図１２の下段のグラフに示すように，（ａ）（ｂ）いずれの場合も，運搬動作開始後にブーム１３の回動速度は上昇し，ある速度に達した後しばらくその速度を維持し，最後に減速・停止する。

図１２（ａ）に示すように，運搬動作開始時のバケット爪先の高さＨが設定値Ｈｔｈより大きい場合（すなわち，バケット爪先が基準線Ｌｓｔ１の下方の領域Ａにある場合）には，高さＨからダンプトラック２の荷台の上方に達するまでのバケット爪先の高さ方向の移動距離が比較的長く，運搬動作中にブーム回動速度が一定（速度限界値）となる期間を充分に確保できるため，瞬時荷重値Ｍｌのサンプリング数を充分確保でき，作業対象物の荷重値の精度を確保できる。

一方，図１２（ｂ）の「補正なし」のグラフが示すように，運搬動作開始時のバケット爪先の高さＨが設定Ｈｔｈより小さい場合（すなわち，バケット爪先が基準線Ｌｓｔ１の上方の領域Ｂにある場合）には，バケット爪先の高さ方向の移動距離が比較的短くなるため，運搬動作中にブーム回動速度が一定（速度限界値）となる期間を充分に確保できず，瞬時荷重値Ｍｌのサンプリング数が減るので荷重値に誤差が生じやすい。

そこで本実施形態では，図１２（ｂ）の「補正あり」のグラフが示すようにブーム回動速度に速度限界値よりも小さい値の速度制限値Ｖｌｉｍを設けた。このように速度制限値Ｖｌｉｍを設けると，バケット爪先がダンプトラック２の荷台の上方に達するまでの時間を「補正なし」の場合よりも長く確保できる。これにより運搬動作中にブーム回動速度が一定（速度制限値Ｖｌｉｍ）となる期間を充分に確保できるため，瞬時荷重値Ｍｌのサンプリング数を充分確保でき，作業対象物の荷重値の精度を確保できる。

このように，運搬動作開始時におけるバケット１５の爪先の高さに基づいてブームシリンダ１６の速度指令を補正することで，作業形態に合わせて荷重計測に適切なフロント作業機１２の動作を実現することができるので，作業環境や操作者の操作スキルによらず作業対象物の荷重を精度良く計測することができる。

＜第２実施形態＞
次に本発明の第２実施形態について説明する。上記の実施形態では速度制限値Ｖｌｉｍは一定であったが，運搬動作開始時のバケット爪先の高さ位置に応じて速度制限値Ｖｌｉｍを変更しても良い。例えば，基準線Ｌｓｔ１（図１１）の位置からバケット爪先の高さ位置が上方に向かうにつれて速度制限値Ｖｌｉｍが減少するように設定して速度制限がかかりやすくしても良い。すなわち，基準線Ｌｓｔ１よりバケット爪先が上方にあるとき，基準線Ｌｓｔ１とバケット爪先の距離の増加に応じて速度制限値Ｖｌｉｍが減少するように設定しても良い。

また，その他の速度制限値Ｖｌｉｍの設定方法の１つには図１３，１４で説明するものがある。図１３は本実施形態の速度制限値演算部５５が速度制限値Ｖｌｉｍを演算する際に利用するＨｍｉｎ，Ｈｍａｘの説明図であり、図１４は本実施形態の速度制限値演算部５５により演算される速度制限値Ｖｌｉｍとブームシリンダ１６の速度指令値の時間変化を示すグラフである。なお，本実施形態の構成は，速度制限値演算部５５による速度制限値Ｖｌｉｍの演算方法が異なる点を除いて他の構成は第１実施形態と同じであり，同じ部分の説明は省略する。

本実施形態の速度制限値演算部５５は図１３に示すように予めブームの回動中心に対する鉛直方向距離に２つの設定値ＨｍｉｎとＨｍａｘ（Ｈｍｉｎ＜Ｈｍａｘ）を記録している。Ｈｍｉｎはブームの回動中心に設定されており，Ｈｍａｘはバケット爪先の最大可動範囲に設定されている。また、速度制限値演算部５５は２つの速度設定値ＶｍａｘとＶｍｉｎ（Ｖｍｉｎ＜Ｖｍａｘ）を用いて、以下の式（９）で表される速度制限値Ｖｌｉｍを設定することで、図１１に示すステップＳ１２２，およびステップＳ１２３における領域の判定と設定値の呼出しを置き換える。下記式（９）では，Ｈの値の減少に応じて速度制限値Ｖｌｉｍの値が減少するように設定されている。

Ｖｌｉｍ＝Ｖｍｉｎ＋（Ｖｍａｘ−Ｖｍｉｎ）・（Ｈ−Ｈｍｉｎ）／（Ｈｍａｘ−Ｈｍｉｎ） …（９）
このように速度制限値Ｖｌｉｍの設定を高さＨに応じて連続的に変化するように設定することで、より適切な駆動指示補正を行うことができるので、ブーム回動速度が作業環境の変化や操作者の操作スキルによらず一定になり、荷重計測の精度を向上することができる。

＜第３実施形態＞
次に本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態は，油圧ショベル１とダンプトラック２の鉛直方向における相対距離Ｈｔを考慮して速度制限値Ｖｌｉｍを設定する点に特徴がある。

図１５は本実施形態の荷重計測システムのシステム構成図である。本実施形態の油圧ショベル１は，第１実施形態の油圧ショベル１の構成に加えて通信アンテナ４２を備えており，通信アンテナ４２を介して外部端末からの情報を受信可能に構成されている。また，本実施形態のコントローラ２１は、第１実施形態のコントローラ２１の構成に加えて，油圧ショベル１とその積込作業の対象であるダンプトラック（運搬機械）２の位置情報に基づいて油圧ショベル１とダンプトラック２の鉛直方向の相対距離Ｈｔを演算する相対距離演算部６１をさらに備えている。そして，本実施形態の速度制限値演算部５５は、姿勢演算部５３，運搬開始判定部５４及び相対距離演算部６１の出力に基づいて速度制限値Ｖｌｉｍを演算するように構成されている。その他の部分については第１実施形態と同じである。

図１６は本実施形態に係る油圧ショベル１とダンプトラック２の相対距離を演算する方法を示す概略図である。この例では，油圧ショベル１の基準点Ｐｓｓはブーム１３の回動中心に設定されており，ダンプトラック２の基準点Ｐｓｄは荷台の上端に設定されている。

ダンプトラック２は自車に搭載された通信アンテナ４２で測距衛星７から送信される電波を受信して、その電波に基づいてグローバル座標系におけるダンプトラック２の基準点Ｐｓｄの座標（絶対座標）を演算し、その演算結果を油圧ショベル１に送信する。同様に，油圧ショベル１のコントローラ２１は測距衛星７から送信される電波を通信アンテナ４２で受信して，その電波に基づいてグローバル座標系における油圧ショベル１の基準点Ｐｓｓの座標（絶対座標）を演算する。さらに，コントローラ２１は，ダンプトラック２から送信される基準点Ｐｓｄの座標情報と油圧ショベル１の基準点Ｐｓｓの座標情報に基づいて、油圧ショベル１とダンプトラック２の鉛直方向の相対距離Ｈｔを演算する。コントローラ２１は相対距離Ｈｔを用いて、運搬動作開始時のフロント作業機１２の姿勢を分類するための新たな鉛直方向距離の設定値Ｈｔｈ’を以下の式（１０）によって設定する。すなわち，本実施形態の速度制限値演算部５５は，高さＨｔｈに在る基準線Ｌｓｔ１を相対距離Ｈｔだけ下方に移動した新たな基準線Ｌｓｔ２を基準にしてブームシリンダ速度に速度制限値Ｖｌｉｍを設定するか否かの判定を行う。

Ｈｔｈ’＝Ｈｔｈ＋Ｈｔ …（１０）
コントローラ２１は，図１１のフローチャートのステップＳ１２２において設定値Ｈｔｈを設定値Ｈｔｈ’に代えた処理を実行してブームシリンダ速度に速度制限値Ｖｌｉｍを設定するか否かの判定を行う。これにより本実施形態のコントローラ２１は運搬動作開始時のバケット爪先位置（高さＨ）と油圧ショベル１とダンプトラック２の相対距離（Ｈｔ）に応じた操作レバー２２の速度指令の補正（速度制限値Ｖｌｉｍの設定）を実施する。

図１６に示した例の場合，第１実施形態のように油圧ショベル１とダンプトラック２の相対距離Ｈｔを考慮せずに，爪先の鉛直方向距離Ｈと設定値Ｈｔｈの大小のみを比較して速度制限値Ｖｌｉｍの設定の判定を行った場合，設定値Ｈｔｈが鉛直方向距離Ｈより小さいため，ステップＳ１２２の判定により速度制限無しと設定される。しかし，実際の積込場所（ダンプトラック２の基準点Ｐｓｄ）は油圧ショベル１の基準点Ｐｓｓに対し相対距離Ｈｔだけ下方に位置するため，ブーム１３の回動角速度が一定となる期間を十分取ることができない場合がある。

これに対して，本実施形態のように鉛直方向距離の新たな設定値Ｈｔｈ’を判定基準に用いると，ステップＳ１２２の判定により速度制限ありと設定されるため，ブーム１３の回動速度が速度制限値Ｖｌｉｍに抑えられてブーム１３の回動角速度が一定となる期間を十分取ることができるようになる。このようにダンプトラック２との鉛直方向における相対距離Ｈｔを考慮して速度指令の補正を実施することで、ダンプトラック２との鉛直方向の位置関係が頻繁に変更される環境においても適切な速度指令の補正を実施することができ、荷重計測の精度が向上する。

なお，図１６の例では，ダンプトラック２の基準点Ｐｓｄが油圧ショベル１の基準点Ｐｓｓの下方にある場合について説明したが，ダンプトラック２の基準点Ｐｓｄが油圧ショベル１の基準点Ｐｓｓの上方にある場合も同様に適用できる。ただし，この場合は第１実施形態と同じ処理を行うことができる。

なお，上記の設定値Ｈｔｈ’と鉛直方向距離Ｈを比較する処理に代えて，鉛直方向距離Ｈから相対距離Ｈｔを減じることで運搬動作におけるバケット爪先の移動高さ（Ｈ−Ｈｔ）を算出し，その値が基準線Ｌｓｔ１を超えるか否かを判定し，超えると判定された場合に速度制限値Ｖｌｉｍを設定するように構成しても良い。

＜第４実施形態＞
次に本発明の第４実施形態について説明する。本実施形態は荷重演算部５２で演算される荷重値の安定度を判定し，荷重値が安定していないと判定された場合には操作レバー２２から出力される速度指令にローパスフィルタ処理を掛ける点に特徴がある。荷重値が不安定になる原因としては例えば操作レバー２２への急操作の入力がある。

図１７は本実施形態の荷重計測システムのシステム構成図である。本実施形態のコントローラ２１は，第１実施形態の構成に加えてさらに，荷重安定判定部６０と，フィルタ処理部５６を備えている。その他の部分については第１実施形態と同じである。

荷重安定判定部６０は，荷重演算部５２で演算された作業対象物の荷重値の時間変化の態様に基づいて作業対象物の荷重値が安定しているか否かを判定する。フィルタ処理部５６は，荷重安定判定部６０で作業対象物の荷重値が安定していないと判定された場合，操作レバー２２で生成された速度指令にローパスフィルタ処理を施す。また，本実施形態の速度指令補正部５０は，フィルタ処理部５６でローパスフィルタ処理を施された速度指令（以下，「フィルタ速度指令」と称することがある）で規定されるブームシリンダ速度が速度制限値演算部５５に演算された速度制限値Ｖｌｉｍを超えるとき，ブームシリンダ速度が速度制限値Ｖｌｉｍとなるようにフィルタ速度指令を補正して駆動信号生成部５１に出力し，フィルタ速度指令で規定されるブームシリンダ速度が速度制限値Ｖｌｉｍ以下のとき，フィルタ速度指令を補正することなく駆動信号生成部５１に出力する。

図１８は本実施形態の荷重安定判定部６０により実行される荷重安定判定処理のフローチャートである。図１８のフローチャートはコントローラ２１において予め定められたサンプリング周期で実行される。

まず，荷重安定判定部６０はステップＳ１３０で運搬開始判定部５４から運搬開始判定が出力されたか否か監視する。ここで運搬開始判定が出力されていると判定した場合はステップＳ１３１に進み，そうでない場合は運搬開始判定部５４の監視を続行する。

ステップＳ１３１では，荷重安定判定部６０は，荷重演算部５２で演算される瞬時荷重値Ｍｌ（図８のステップＳ１１１）の記録を開始し，ステップＳ１３２で荷重を確定するためのステップＳ１１３の所定時間（図８参照）が経過したか否かを判定する。所定時間が経過したと判定した場合はステップＳ１３３に進み，そうでない場合はステップＳ１３１に戻り，瞬時荷重値Ｍｌの記録を続行する。これにより所定時間中に荷重演算部５２で演算された複数の瞬時荷重値Ｍｌが記録される。

ステップＳ１３３では，荷重安定判定部６０は，荷重計測期間（ステップＳ１１３の所定時間）における作業対象物の瞬時荷重値Ｍｌの時間変化の態様として，荷重計測期間における瞬時荷重値Ｍｌの標準偏差σをステップＳ１３１で記録した瞬時荷重値Ｍｌの履歴から演算し，ステップＳ１３４に進む。

ステップＳ１３４では，荷重安定判定部６０は，ステップＳ１３３で演算した標準偏差σが予め設定された閾値σｔｈより大きいか否かを判定し，標準偏差σが閾値σｔｈより大きいと判定した場合は，瞬時荷重値Ｍｌのバラツキが大きく，ステップＳ１３１で記録していた期間の荷重が不安定であると判断し，ステップＳ１３５で内部のカウントを１つ増加させてステップＳ１３６に進む。一方，標準偏差σが閾値σｔｈより小さいと判定した場合は内部カウントを加算せずにステップＳ１３６に進む。

ステップＳ１３６では，荷重安定判定部６０は，内部カウント値が予め保持している設定値より大きいか否かを判定し，小さいと判定した場合はステップＳ１３８に進む。反対に内部カウント値が設定値より大きいと判定した場合は，運搬動作中に荷重が不安定になることが頻繁にあったとみなし，ステップＳ１３７で荷重が不安定であるという荷重安定判定結果を速度制限値演算部５５に出力し，ステップＳ１３８に進む。

ステップＳ１３８では，荷重安定判定部６０は，ステップＳ１３１で記録した瞬時荷重値Ｍｌの記録をリセットし，ステップ１３０に戻る。

図１９は本実施形態の速度制限値演算部５５により実行される処理のフローチャートである。図１９のフローチャートはコントローラ２１において予め定められたサンプリング周期で実行される。図１９のフローチャートは図１１のフローチャートに荷重安定度の判定に基づくフィルタ処理部５６に対するフィルタ処理の指示（ステップＳ１４０，Ｓ１４１，Ｓ１４２，Ｓ１４３）を追加している。

速度制限値演算部５５は，ステップＳ１２２またはステップＳ１２３の後にステップＳ１４０で荷重安定度判定部６０から出力される荷重安定判定結果を取得し、ステップＳ１４１に進む。

ステップＳ１４１では，速度制限値演算部５５は，荷重が安定しているか否かを判定する。ここで荷重安定判定部６０から不安定という荷重安定判定結果が出力されておらず，荷重が安定していると判断した場合には，フィルタ処理部５６に対してローパスフィルタ処理の実行を指示することなくステップＳ１２４に進む。一方，荷重安定判定部６０から不安定という荷重安定判定結果が出力されている場合は，ステップＳ１４２でフィルタ処理部５６に対して操作レバー２２から入力される速度指令に対してローパスフィルタ処理を実行する旨を指示してステップＳ１２４に進む。

ステップＳ１２４では，速度制限値演算部５５は，運搬開始判定部５４から積込開始判定（図５のステップＳ１０４参照）が出力されたか否か監視する。ここで積込開始判定が出力されている場合はステップＳ１２５に進む。そうでない場合はステップＳ１２４の前に戻り、運搬開始判定部５４からの出力を監視する。

ステップＳ１２５では，速度制限値演算部５５は速度制限の設定をリセットしてステップＳ１４３に進む。ステップＳ１４３では，速度制限値演算部５５はフィルタ処理部５６に対してフィルタ処理の実行を中止する旨指示してステップＳ１２０に戻る。

図２０は本実施形態のフィルタ処理部５６によりローパスフィルタ処理を行った場合と行わなかった場合の瞬時荷重値Ｍｌ（図中上段）とブーム速度指令（ブームシリンダ１６に対する速度指令）（図中下段）の時間変化を示す図である。フィルタ処理を行った場合のグラフには「フィルタあり」と付し，フィルタ処理を行わなかった場合のグラフには「フィルタなし」と付している。

図２０中の下段の「フィルタなし」と付されたグラフのように，運搬動作の開始時に操作者がブーム上げ操作を入力する際にその操作量に急激な変化があった場合には，フロント作業機１２の慣性力の影響や油圧回路の特性により，瞬時荷重値Ｍｌは図２０中で「フィルタなし」と付した曲線が示すように振動的で不安定になることがあり，瞬時荷重値Ｍｌの平均値が真の荷重値と乖離することがある。

この課題を解決するために，本実施形態では，荷重が不安定であると判定された場合には，フィルタ処理部５６によりブーム速度指令にローパスフィルタを設定することでブーム速度指令の急激な変化を抑制し，瞬時荷重値Ｍｌの変動を小さくすることとした。

このように過去の荷重演算が安定しているか否かを判定することで，運搬動作時の操作者の操作が適正か否かを判定し，適正でない場合はフィルタ処理をかけて真値に近づけるので、操作が不適切になっている操作者における荷重計測においても精度を向上できる。

＜第５実施形態＞
次に本発明の第５実施形態について説明する。本実施形態は，第１実施形態の速度制限値Ｖｌｉｍと設定値Ｈｔｈの値を入力装置（モニタ２３）を介して操作者が任意に設定可能に構成してある点に特徴がある。本実施形態ではタッチパネルを有するモニタ２３は設定値Ｖｌｉｍ，Ｈｔｈの入力装置として機能する。その他の部分については第１実施形態と同じである。

図２１は本実施形態の荷重計測システムのシステム構成図である。本実施形態のコントローラ２１は，モニタ２３から出力される信号（速度制限値（Ｖｌｉｍ）の変更信号と，鉛直方向距離設定値（Ｈｔｈ）の変更信号）を受信可能に構成されている。モニタ２３からの信号は速度制限値演算部５５に入力されており，速度制限値演算部５５はその信号に基づいて速度制限値Ｖｌｉｍや設定値Ｈｔｈを変更する。

図２２は本実施形態のモニタ２３の表示画面の一例の概略図である。モニタ２３の画面上には，図２２に示すように、荷重演算部５２に演算された作業対象物の荷重値が表示される荷重値表示部７３と，主にフロント作業機１２の姿勢が表示される姿勢表示部７０と，実際のブーム回動速度の時間変化と速度制限値Ｖｌｉｍが表示される速度制限値表示部７１と，操作者が所望の速度制限値Ｖｌｉｍと設定値Ｈｔｈを設定するための入力部７２とが設けられている。

姿勢表示部７０には，図１０に示した領域Ａ，領域Ｂ及び基準線Ｌｓｔ１が表示され、運搬動作開始時のバケット１５の先端位置は黒丸で表示される。基準線Ｌｓｔ１の位置は，画面内の基準線Ｌｓｔ１の両端に在る２つの白丸のいずれかを一度タッチした後に入力部７２の上下の矢印を適宜操作することで上下に移動させることで調整できる。基準線Ｌｓｔ１の近くに設定値Ｈｔｈの数値を表示しても良い。入力部７２により設定された基準線Ｌｓｔ１の高さは鉛直方向距離設定値変更信号として速度制限値演算部５５に入力され，速度制限値演算部５５はその変更信号に基づいて設定値Ｈｔｈを変更する。

速度制限値Ｖｌｉｍの値は，速度制限値表示部７１内の速度制限値Ｖｌｉｍを示す直線を一度タッチした後に入力部７２の上下の矢印を適宜操作することで上下に移動させることで調整できる。速度制限値Ｖｌｉｍの近くにその数値を表示しても良い。入力部７２により設定された速度制限値Ｖｌｉｍの値は速度制限値変更信号として速度制限値演算部５５に入力され，速度制限値演算部５５はその変更信号に基づいて速度制限値Ｖｌｉｍを変更する。

このように，運搬動作開始時のバケット先端位置と基準線Ｌｓｔ１を同時に表示し，実際のブーム回動速度の時間変化と速度制限値Ｖｌｉｍを同時に表示し，さらに，基準線Ｌｓｔ１と速度制限値Ｖｌｉｍを操作者の所望の位置・値に変更可能に構成することで，作業環境や操作者に適応した速度制限を実施することができるので，荷重計測の精度を向上することができる。

なお，ここでは便宜上第１実施形態の速度制限値Ｖｌｉｍと設定値Ｈｔｈを所望の値に変更する場合について説明したが，前述及び後述の他の実施形態で設定されている各種設定値をモニタ（入力装置）２３で変更可能に構成しても良いことは言うまでもない。

＜第６実施形態＞
次に本発明の第６実施形態について説明する。本実施形態は，第１実施形態の変形例に該当し，運搬動作の開始時における上部旋回体１１からバケット爪先までの水平方向距離Ｌを演算する姿勢演算部５３と，その水平方向距離Ｌが設定値Ｌｔｈ未満の場合に速度制限値Ｖｌｉｍを演算する速度制限値演算部５５とを備える点に特徴がある。その他の部分については第１実施形態と同じである。

本実施形態では，図２４に示すように水平方向におけるバケット１５の先端位置をフロント作業機１２の姿勢の基準とし、姿勢演算部５３は、上部旋回体１１の旋回中心からバケット１５の先端位置までの水平方向距離Ｌを所定の周期で継続的に演算する。水平方向距離Ｌは以下の式（１１）で演算される。

Ｌ＝Ｌｂｍ・ｃｏｓ（θｂｍ）＋Ｌａｍ・ｃｏｓ（θｂｍ＋θａｍ）＋Ｌｂｋ・ｃｏｓ（θｂｍ＋θａｍ＋θｂｍ） …（１１）
本実施形態では，上部旋回体１１の旋回中心より車体前方の所定の位置に上部旋回体１１の旋回軸と平行な基準線Ｌｓｔ３を予め設定しており，当該基準線Ｌｓｔ３よりも上部旋回体１１に近い方の領域Ｃでは速度制限を行い，上部旋回体１１から遠い方の領域Ｄでは速度制限を行わないものと設定している。ブーム１３の回動中心から基準線Ｌｓｔ３までの距離（水平方向距離）は設定値Ｌｔｈであり，本実施形態では，運搬動作開始時のバケット先端位置が基準線Ｌｓｔ３を越えるか否か（すなわち，バケット爪先が領域Ｃ，Ｄのどちらに存在するか）でブームシリンダ１６の速度制限値の有無を分類している。

本実施形態の速度制限値演算部５５により実行されるフローチャートは，図１１のものと概略同じであるが，図１１のステップＳ１２１，Ｓ１２２を次のように変更したものとなる。すなわち，ステップＳ１２１では，速度制限値演算部５５は，姿勢演算部５３から水平方向距離Ｌを取得し，続くステップＳ１２２では，速度制限値演算部５５は，水平方向距離Ｌが設定値Ｌｔｈより大きいか否かを判定するものとする。その他の処理については図１１と同じなので説明は省略する。ただし，言うまでも無いが，ステップＳ１２３で設定される速度制限値Ｖｌｉｍは図１１のものと異ならせても良い。

図２５は，上段に示した２つの姿勢（ａ），（ｂ）のときの，運搬動作中のバケット先端位置の高さの時間変化のグラフ（中段）と，運搬動作中のブーム回動速度の時間変化のグラフ（下段）をそれぞれ示している。すなわち第１実施形態の図１２と同様のものである。図２５（ｂ）の「補正なし」のグラフが示すように，運搬動作開始時のバケット爪先の先端位置Ｌが設定Ｌｔｈより小さい場合（すなわち，バケット先端位置が基準線Ｌｓｔ３の手前の領域Ｃにある場合）には，フロント作業機１２の重力により発生するトルクが小さくなり，ブーム回動速度が上がる。そのため，ブーム回動速度が一定（速度限界値）となる期間を十分確保できず，瞬時荷重値Ｍｌのサンプリング数が減るので荷重値に誤差が生じやすい。これに対し，本実施形態によれば，図２５（ｂ）に示すように，ブーム１３の回動速度に設けられた速度制限Ｖｌｉｍにより，バケット先端位置が所定の高さに達するまでの時間を確保することができ，ブームの回動角速度が一定となる期間を十分取ることができる。したがって，第１実施形態と同様に，瞬時の荷重Ｍｌが安定して荷重計測の精度が向上する。

なお，第１実施形態の領域Ａ，Ｂと本実施形態の領域Ｃ，Ｄを組み合わせて，４つの領域を設定して速度制限を行っても良いことは明白である。さらに，複数のバケット先端位置を代表点とする補正量のマップを設定し、計測されたバケット先端位置に対してマップを用いた補間を実施することで設定値を決めるように構成されていてもよい。

また，本実施形態においても第５実施形態のように入力装置であるモニタ２３で設定値Ｌｔｈ及び速度制限値Ｖｌｉｍを所望の値に設定可能に構成しても良い。また，本実施形態においても，第２実施形態と同様に，速度制限値Ｖｌｉｍを，水平方向距離Ｌの減少に応じて減少するように設定しても良いことはいうまでもない。

＜第７実施形態＞
次に本発明の第７実施形態について説明する。本実施形態は第３実施形態の変形例に該当する。第３実施形態では，油圧ショベル１の基準点Ｐｓｓとダンプトラック２の基準点Ｐｓｄの鉛直方向における相対距離Ｈｔを測距衛星７からの信号から算出したが，本実施形態の相対距離演算部６１では，図２６に示すように，ダンプトラック２の荷台に対する積込動作の開始時のバケット爪先の高さ位置Ｐｓｄ’を油圧ショベル１とダンプトラックの鉛直方向の相対距離Ｈｔ’としている。積込動作の開始時のバケット爪先の高さ位置（相対距離）Ｈｔ’は，運搬動作開始判定部５４が図５のステップＳ１０４で積込開始判定を出力した際の姿勢演算部５３の演算結果から取得できる。

本実施形態のコントローラ２１は算出した相対距離Ｈｔ’を用いて、運搬動作開始時のフロント作業機１２の姿勢を分類するための新たな鉛直方向距離の設定値Ｈｔｈ’を以下の式（１２）によって設定する。すなわち，本実施形態の速度制限値演算部５５は，高さＨｔｈに在る基準線Ｌｓｔ１を相対距離Ｈｔ’だけ上方に移動した新たな基準線Ｌｓｔ４を基準にしてブームシリンダ速度に速度制限値Ｖｌｉｍを設定するか否かの判定を行う。なお，図２６の例では，ダンプトラック２の基準点は油圧ショベルの基準点より上方に位置するので，下記式（１２）ではＨｔｈからＨｔを減じたものをＨｔｈ’としている。

Ｈｔｈ’＝Ｈｔｈ−Ｈｔ’ …（１２）
このように相対距離Ｈｔ’を演算しても，第３実施形態と同様の効果が得られる。なお，相対距離の算出に際して，本実施形態と第３実施形態で説明したものの他に，例えば、レーザー距離計や音波距離計を備え、運搬機械２の位置を直接計測してもよい。

＜その他＞
なお，本発明は，上記の各実施形態に限定されるものではなく，その要旨を逸脱しない範囲内の様々な変形例が含まれる。例えば，本発明は，上記の各実施形態で説明した全ての構成を備えるものに限定されず，その構成の一部を削除したものも含まれる。また，ある実施形態に係る構成の一部を，他の実施形態に係る構成に追加又は置換することが可能である。

例えば、上記の各実施形態の説明に用いた上部旋回体１１を有する油圧ショベル１のフロント作業機１２は、ブーム１３、アーム１４およびバケット１５を有しているが、フロント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フロント作業機を有する作業機械にも本発明は適用可能である。

また，速度指令の補正の方法は速度制限およびローパスフィルタに限定されないことは明白である。例えば，油圧ショベル１ではフロント機構１２の慣性の影響などにより，図２３に示すようにブーム１３に対する操作指示（速度指令）２３１とブーム１３の実際の動作（速度）を一致させることはできず，実際のブーム速度が速度制限値Ｖｌｉｍを超えて振動的に振る舞うおそれがある。このような課題を解決するために，コントローラ２１に油圧ショベル１の運動の予測モデルを備え，速度指令補正部５０で，図１２で示した速度制限値Ｖｌｉｍに基づく速度指令の補正を適用した場合のブーム１３の動作予測２３２を演算する。そして，速度指令補正部５０によるブーム１３の動作予測２３２が速度制限値Ｖｌｉｍを超える場合，速度指令補正部５０は，予測モデルの特性から逆算して，速度制限Ｖｌｉｍを超えないように補正指示２３３を生成する。このときの補正指示２３３は図２３に示すように予測モデルの振動を打ち消すような信号となる。このような補正指示２３３を生成して操作指示２３１に乗ずることで，ブーム１３を補正後動作２３４のように略一定速度で回動させることができる。
なお，上記の各実施形態では簡単のため単一のアクチュエータ（ブームシリンダ１６）に対して運搬動作時のフロント作業機１２の姿勢に基づく速度制限を行うことについて説明したが，その他のアクチュエータ（例えば，アームシリンダ１７，バケットシリンダ１８など）についても同様の速度制限を個別に行えるようにしても良いことは明白である。

また，運搬開始判定部５４における運搬開始判定は上述したようにアームシリンダボトム圧とバケット角度を用いた方法に限定されるものではない。例えばリフティングマグネット機のような作業機械の場合、マグネットの吸着のＯＮ／ＯＦＦ信号に基づいて運搬動作の開始と終了を判定することは容易である。

荷重の演算は図７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により構成されるフロント作業機１２の運動方程式を用いて荷重を演算してもよい。

荷重の確定方法は図８に示す手法に限定されるものではない。例えばブーム１３の回動加速度が所定値以下の期間を抽出して、その期間における荷重を平均化することで確定してもよい。

速度制限値Ｖｌｉｍの設定は図１０、図１２、図１３、図１４に示す方法に限定されるものではない。

１…油圧ショベル，２…ダンプトラック，１２…フロント作業機，１３…ブーム，１４…アーム，１５…バケット，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，２２…操作レバー（操作装置），２３…モニタ（表示装置，入力装置），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，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，３０…ブームロッド圧センサ，３１…アームボトム圧センサ，３２…アームロッド圧センサ，５１…駆動信号生成部，５２…荷重演算部，５３…姿勢演算部，５４…運搬開始判定部，５５…速度制限値演算部，５６…フィルタ処理部，６１…相対距離演算部

Claims (7)

1. 多関節型の作業機と，
   前記作業機を駆動するアクチュエータと，
   操作量に応じて前記アクチュエータに対する速度指令を生成する操作装置と，
   運搬機械の上方への作業対象物の運搬が前記作業機により行われている間の前記アクチュエータの推力情報に基づいて前記作業対象物の荷重を演算する荷重演算部を有する制御装置とを備える作業機械において，
   前記制御装置は，さらに，
   前記作業機による前記運搬機械の上方への作業対象物の運搬の開始時における前記作業機の姿勢情報に基づいて前記アクチュエータの速度の制限値を演算する速度制限値演算部と，
   前記速度指令で規定されるアクチュエータ速度が前記制限値を超えるとき，前記アクチュエータの速度が前記制限値となるように前記速度指令を補正して出力し，前記速度指令で規定されるアクチュエータ速度が前記制限値以下のとき，前記速度指令を補正することなく出力する速度指令補正部と，
   前記速度指令補正部から出力された速度指令に基づいて前記アクチュエータの駆動信号を生成して出力する駆動信号生成部とを備える
   ことを特徴とする作業機械。
2. 請求項１の作業機械において，
   前記作業機の姿勢情報として，前記作業機による前記運搬機械の上方への作業対象物の運搬の開始時における前記作業機械に対する前記作業機の先端の高さを演算する姿勢演算部をさらに備え，
   前記速度制限値演算部は，前記作業機の先端の高さが前記作業機械の下方に設定した基準線Ｌｓｔ１を越える場合に前記制限値を演算する
   ことを特徴とする作業機械。
3. 請求項１の作業機械において，
   前記作業機の姿勢情報として，前記作業機による前記運搬機械の上方への作業対象物の運搬の開始時における前記作業機械から前記作業機の先端までの水平方向距離を演算する姿勢演算部をさらに備え，
   前記速度制限値演算部は，前記水平方向距離が所定値未満の場合に前記制限値を演算する
   ことを特徴とする作業機械。
4. 請求項１の作業機械において，
   前記制御装置は，前記作業機械と前記運搬機械の鉛直方向における相対距離を計測する相対距離演算部をさらに備え，
   前記作業機の姿勢情報として，前記作業機による前記運搬機械の上方への作業対象物の運搬の開始時における前記作業機械に対する前記作業機の先端の高さを演算する姿勢演算部をさらに備え，
   前記速度制限値演算部は，前記鉛直方向における相対距離と前記作業機の先端の高さとから前記作業機の移動高さを算出し，当該移動高さが前記作業機械の下方に設定した基準線Ｌｓｔ１を越える場合に前記制限値を演算する
   ことを特徴とする作業機械。
5. 請求項１の作業機械において，
   前記制御装置は，
   前記荷重演算部で演算された前記作業対象物の荷重値の時間変化に基づいて前記作業対象物の荷重値が安定しているか否かを判定する荷重安定判定部と，
   前記荷重安定判定部で前記作業対象物の荷重値が安定していないと判定された場合，前記操作装置で生成された速度指令にローパスフィルタ処理を施すフィルタ処理部とをさらに備え，
   前記速度指令補正部は，前記フィルタ処理部でローパスフィルタ処理を施された速度指令であるフィルタ速度指令で規定されるアクチュエータ速度が前記制限値を超えるとき，前記アクチュエータ速度が前記制限値となるように前記フィルタ速度指令を補正して出力し，前記フィルタ速度指令で規定されるアクチュエータ速度が前記制限値以下のとき，前記フィルタ速度指令を補正することなく出力する
   ことを特徴とする作業機械。
6. 請求項２の作業機械において，
   前記制限値は，前記作業機の先端の高さと前記基準線Ｌｓｔ１の距離の増加に応じて減少するように設定されている
   ことを特徴とする作業機械。
7. 請求項３の作業機械において，
   前記制限値は，前記水平方向距離の減少に応じて減少するように設定されている
   ことを特徴とする作業機械。

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