JP2020033814A - 建設機械 - Google Patents

Abstract

【課題】熟練者と非熟練者との操作特徴の差異を明確化できる評価及び当該評価に基づく効率的な制御を可能とする建設機械を提供する。【解決手段】建設機械１００は、下部走行体１０と、下部走行体１０に対して旋回可能な構造で取り付けられた上部旋回体２０と、上部旋回体２０に対して上下方向に揺動可能な構造で取り付けられた作業装置３０とを備えている。作業装置３０は、複数の部材３１〜３３から構成されている。建設機械１００は、複数の部材３１〜３３の合成重心の運動状態量を測定若しくは算出する取得部７１と、作業装置３０を動かす駆動力を入力とし、取得部７１により測定若しくは算出された運動状態量を出力とする伝達関数を用いて、作業装置の動作を表現する等価システム生成部７２と、等価システム生成部７２により得られた伝達関数のシステム減衰係数及び固有角周波数を操作スキル評価値として抽出するパラメータ推定部７３とをさらに備えている。【選択図】図２

Description

本発明は、例えば油圧ショベル等の建設機械におけるオペレータの熟練度評価やその評価に基づく制御に関する。

昨今の建設業界に目を向けると、建設投資額の減少、加えて若年層の就業労働人口の低下が著しく、高齢化の一途を辿っている。一方で、このような社会環境においても魅力ある現場を作り出すことで新３Ｋを実現し、生産性を向上させる動きがあり、これら相反するものを両立していくことが求められている。建設業を始めとした各種産業においては、これらの実現に向けた施策であるi-Constructionが国主導で推進されており、ＩＣＴ建機や作業自動化による省人化を図ることで、１人当りの生産性向上が図られている。

しかし、非定常な作業や現場など、依然として人の操作や判断に頼らなければならない場面は多い。そのような場合、油圧ショベルなどの建設機械の生産性は、操作オペレータの技量によって左右されることになる。これは、現場環境や作業内容に合わせて建設機械の複数ある操作レバーをそれぞれ操作する必要があり、高い技量を有するオペレータであれば生産性の高い効率的な作業が実現できるためである。

また、ベテランのオペレータが高齢のためにいなくなり、若年層が主体となりつつある昨今、高い生産性を獲得していくためには、操作技量の向上が必須であるが、技量向上には時間を要するため、制御をはじめとした生産性を高める様々な対策が必要である。

従来技術では、例えば、油圧ショベルの掘削軌跡を既定の軌道に追従させて生産性向上を図る制御が提案されている（非特許文献１）。また、将来の自動化を見越し、掘削反力の低いバケットの動かし方も報告されている（非特許文献２）。さらに、技量の評価に関する従来技術では、掘削作業中のバケット先端軌跡のばらつきによって熟練度を評価する方法が提案されている（非特許文献３）。

横田眞一 他、「油圧ショベルのアーム系３軸のロバスト軌跡制御」、２０００年、日本機械学会論文集Ｃ編、Vol.66、No.648、pp.2549-2556 吉田達哉 他、「油圧ショベルの掘削作業における効率向上の検討」、２０１２年、日本機械学会論文集Ｃ編、Vol.78、No.789、pp.1596-1606 境田右軌 他、「熟練オペレータによる油圧ショベル操作の解析」、２００５年、第２３回日本ロボット学会技術講演会、Vol.23、p.3121

非特許文献１、２は、作業中の生産性向上に対する制御手法に関するものであるが、生産性はオペレータの技量つまり作業の良し悪しによって大きく左右されるところ、非特許文献１、２にはオペレータの技量評価に関する記載はみられない。

また、非特許文献３は、掘削作業中のバケット先端軌跡のばらつきによって熟練度を評価するものであるが、ダイナミクスが考慮されていないため、軌跡が目標通りであれば、動作が遅くても（生産性が低くても）、熟練度が高いという評価がされてしまう。

以上に鑑み、本発明は、熟練者と非熟練者との操作特徴の差異を明確化できる評価及び当該評価に基づく効率的な制御を可能とする建設機械を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明に係る建設機械は、下部走行体と、下部走行体に対して旋回可能な構造で取り付けられた上部旋回体と、上部旋回体に対して上下方向に揺動可能な構造で取り付けられた作業装置とを備え、作業装置は、複数の部材から構成されており、複数の部材の合成重心の運動状態量を測定若しくは算出する取得部と、作業装置を動かす駆動力を入力とし、取得部により測定若しくは算出された運動状態量を出力とする伝達関数を用いて、作業装置の動作を表現する等価システム生成部と、等価システム生成部により得られた伝達関数のシステム減衰係数及び固有角周波数を操作スキル評価値として抽出するパラメータ推定部とをさらに備えている。

本発明に係る建設機械によると、複数の部材（アタッチメント）から構成された作業装置を、アタッチメントの合成重心のみで動きを等価的に表現したシステム（以下、等価システムという）として取り扱うことができる。このため、オペレータの操作の特徴や操作スキルの評価の対象とするパラメータ数を圧縮することができるので、当該評価を簡単に行うことができる。また、等価システムの伝達関数のパラメータからオペレータの操作の特徴量が得られるので、オペレータの熟練度の差異つまり操作スキルを定量的に評価することができる。具体的には、伝達関数を構成するシステム減衰係数からは減衰性（オーバーシュートの程度）を、伝達関数を構成する固有角周波数からは速応性（作業速度）をそれぞれ定量的に評価することができる。

本発明に係る建設機械において、パラメータ推定部により抽出された操作スキル評価値と、予め設定されている指標値との差分に基づき、作業装置の動特性を調整する動特性調整部をさらに備えているてもよい。

このようにすると、等価システムの伝達関数を構成するシステム減衰係数及び固有角周波数で表現される操作スキル評価値と指標値との差分に基づき、作業装置のコントローラのパラメータを変化させることにより、作業装置の動特性（速度や加速度など）を調整可能である。このため、熟練度の低いオペレータであっても、熟練者のような操作を実現でき、効率的な作業を行うことができる。具体的には、過操作に起因する速度オーバーシュートを抑制する減衰性と、効率的な作業速度となる速応性とを実現できるので、安定した滑らかな操作によって効率的な作業を行うことができる。

また、この場合、指標値は、操作方法又は作業内容に応じて変更可能であってもよい。このようにすると、操作方法や作業内容に応じて指標値を調整可能であるため、様々な操作、作業に対して作業装置を効率的に動作させることができる。

本発明によると、熟練者と非熟練者との操作特徴の差異を明確化できる評価及び当該評価に基づく効率的な制御を可能とする建設機械を提供することができる。

本発明が適用される建設機械の一例の側面図である。 実施形態に係る制御装置のブロック図である。 実施形態の変形例に係る制御装置のブロック図である。 図３に示す制御装置を用いた作業装置の制御フロー図である。 作業装置のフィードバック系を示す図である。 作業装置の合成重心を示す図である。 実施形態に係る操作スキル評価の試験条件を示す図である。 実施形態に係る操作スキル評価試験におけるパラメータ推定対象データ（出力データ）を示す図である。 実施形態に係る操作スキル評価試験におけるパラメータ推定対象データ（入力データ）を示す図である。 実施形態に係る操作スキル評価試験におけるパラメータ推定結果を示す図である。 図１０に示すパラメータ推定結果に基づき算出したシステム減衰係数ζ、固有角周波数ω_n を示す図である。 実施形態に係る操作スキル評価試験における合成重心速度の経時変化を示す図である。 実施形態に係る操作スキル評価試験におけるレバー入力の経時変化を示す図である。 実施形態に係る指標値設定のための試験における合成重心速度の経時変化を示す図である。 実施形態に係る指標値設定のための試験におけるレバー入力の経時変化を示す図である。 図１４及び図１５に示すデータから算出されたパラメータテーブルである。 実施形態に係る設定指標値と図１１に示す結果とを比較した図である。 実施形態に係る指標値を用いた制御における合成重心の角速度の経時変化を示す図である。 実施形態に係る指標値を用いた制御における入力トルクの経時変化を示す図である。

以下、本発明の実施形態に係る建設機械について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明が適用される建設機械の一例の側面図である。図１に示すように、建設機械１００は、下部走行体１０と、下部走行体１０に対して旋回可能な構造で取り付けられた上部旋回体２０と、上部旋回体２０に対して上下方向に揺動可能な構造で取り付けられた作業装置３０とを備えている。作業装置３０は、垂直方向にそれぞれ回動する複数の被駆動部材（ブーム３１、アーム３２及びバケット３３）を連結して構成されており、作業装置３０のブーム３１の基端は上部旋回体２０の前部に支持されている。

ブーム３１、アーム３２及びバケット３３はそれぞれブームシリンダ５１、アームシリンダ５２及びバケットシリンダ５３により駆動される。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への動作指示は、上部旋回体２０上の運転室内に搭載された複数の操作レバー（図示省略）に対するオペレータ操作に応じて出力される。具体的には、運転室内には、各操作レバーに対応する油圧パイロット方式の操作装置（図示省略）が設置されており、当該操作装置からの信号に応じて供給される圧油によりブームシリンダ５１、アームシリンダ５２及びバケットシリンダ５３が伸縮することによって、ブーム３１、アーム３２及びバケット３３がそれぞれ回動し、バケット３３の位置及び姿勢が変化する。

本実施形態の特徴は、熟練者と非熟練者との操作特徴の差異を明確化できる評価及び当該評価に基づく効率的な制御を可能とする制御装置を備えていることである。

図２は、本実施形態に係る制御装置のブロック図である。図２に示すように、制御装置７０は、作業装置３０の各部材（ブーム３１、アーム３２及びバケット３３）に取り付けたセンサを用いて各部材の姿勢を検出することにより、作業装置３０の合成重心の運動状態量を測定若しくは算出する運動状態取得部７１と、作業装置３０を動かす駆動力を入力とし、運動状態取得部７１により測定若しくは算出された運動状態量を出力とする伝達関数を用いて、作業装置３０の動作を表現する等価システム生成部７２と、等価システム生成部７２により得られた伝達関数のシステム減衰係数及び固有角周波数を操作スキル評価値として抽出するパラメータ推定部７３とを含む。

以上に説明した本実施形態によると、複数の部材（アタッチメント）から構成された作業装置３０を、アタッチメントの合成重心のみで動きを等価的に表現した等価システムとして取り扱うことができる。このため、オペレータの操作の特徴や操作スキルの評価の対象とするパラメータ数を圧縮することができるので、当該評価を簡単に行うことができる。また、等価システムの伝達関数のパラメータからオペレータの操作の特徴量が得られるので、オペレータの熟練度の差異つまり操作スキルを定量的に評価することができる。具体的には、等価システムの伝達関数を構成するシステム減衰係数からは減衰性（オーバーシュートの程度）を、伝達関数を構成する固有角周波数からは速応性（作業速度）をそれぞれ定量的に評価することができる。

尚、本実施形態において、図３に示すように、制御装置７０は、運動状態取得部７１、等価システム生成部７２及びパラメータ推定部７３に加えて、パラメータ推定部７３により抽出された操作スキル評価値と、予め設定されている指標値との差分に基づき、作業装置３０の動特性を調整する動特性調整部７４をさらに備えていてもよい。

図４は、図３に示す制御装置７０を用いた作業装置３０の制御フロー図である。図４に示すように、ステップＳ１において、前述のとおりパラメータ推定部７３が等価システムの伝達関数のパラメータ（システム減衰係数及び固有角周波数）を取得する。次に、ステップＳ２において、ステップＳ１で取得したパラメータつまり操作スキル評価値と、予め設定されている指標値との間に差異が有るかどうか判断する。ステップＳ２で差異有りと判断した場合は、ステップＳ３において、動特性調整部７４が、両者の差分に基づき、作業装置３０のコントローラのパラメータを変化させることにより、作業装置３０の動特性（速度や加速度など）を変更する。一方、ステップＳ２で差異無しと判断した場合は、作業装置３０の動特性は変更しない。

このように、動特性調整部７４によって作業装置３０の動特性を調整できるため、熟練度の低いオペレータであっても、熟練者のような操作を実現でき、効率的な作業を行うことができる。すなわち、オペレータの操作スキルに見合うように作業装置３０の動特性を調整できるため、作業を安定化させ、生産性を向上させることができる。具体的には、過操作に起因する速度オーバーシュートを抑制する減衰性と、効率的な作業速度となる速応性とを実現できるので、安定した滑らかな操作により効率的な作業を行うことができる。

また、制御装置７０が動特性調整部７４を備えている場合、動特性調整部７４は、操作スキル評価値（等価システムの伝達関数のパラメータ）に対する指標値を、操作方法又は作業内容に応じて変更してもよい。このようにすると、操作方法や作業内容に応じて指標値を調整可能であるため、様々な操作、作業に対して作業装置を効率的に動作させることができる。

以上のように、本実施形態によると、熟練者と非熟練者との操作特徴の差異を明確化できる評価及び当該評価に基づく効率的な制御を可能とする建設機械１００を提供することができる。

尚、本実施形態において、制御装置７０は、例えば、上部旋回体２０上の運転室内に搭載してもよい。また、制御装置７０は、コンピュータを備えており、当該コンピュータがプログラムを実行することによって、運動状態取得部７１、等価システム生成部７２、パラメータ推定部７３及び動特性調整部７４の各機能が実施される。コンピュータは、プログラムに従って動作するプロセッサを主なハードウェア構成として備える。プロセッサは、プログラムを実行することによって機能を実現することができれば、その種類は問わないが、例えば半導体集積回路（ＩＣ）又はＬＳＩ（large scale integration）を含む一つ又は複数の電子回路により構成されていてもよい。複数の電子回路は、一つのチップに集積されてもよいし、複数のチップに設けられてもよい。複数のチップは一つの装置に集約されていてもよいし、複数の装置に備えられていてもよい。プログラムは、コンピュータが読み取り可能なＲＯＭ、光ディスク、ハードディスクドライブなどの非一時的記録媒体に記録される。プログラムは、記録媒体に予め格納されていてもよいし、インターネット等を含む広域通信網を介して記録媒体に供給されてもよい。

（操作スキル評価）
以下、本実施形態の制御装置７０によるオペレータの操作スキル評価について説明する。図１に示すように、油圧ショベル等の建設機械１００は、ブーム３１、アーム３２、バケット３３といった複数の作業アタッチメントの組み合わせで動くため、操作の組み合わせは複雑であり、各アタッチメントの動作とオペレータの操作量との関係で操作スキル（技量）を評価することは難しい。

そこで、以下の説明では、まず、作業装置３０の合成重心を計算し、次に、合成重心の動きを極座標系で表現すると共に合成重心の角速度（運動状態量）を出力、作業装置３０の回転トルク（駆動力）を入力とする伝達関数を用いて合成重心の動きを表現する等価システムを構築する（詳細は後記「合成重心を用いた等価システムの構築」）。続いて、油圧ショベルのブーム上げ減速操作に対してこの等価システムを適用し、遺伝的アルゴリズム（Genetic Algorithm：ＧＡ）により伝達関数のパラメータを推定する（詳細は後記「パラメータ推定」）。次に、熟練者、非熟練者それぞれの推定パラメータを比較することによって、操作特徴の差異を明確化する（詳細は後記「操作スキル評価の試験結果」）。また、推定パラメータに基づいて効率的な操作に対応する対する評価指標（指標値）を構築する（詳細は後記「スキル評価の指標値」）。さらに、作業中のオペレータの操作スキル評価値と指標値との差に基づいて、効率的な操作となるように，作業装置３０の動特性（加速性や速度など）を変化させる（詳細は後記「指標値を用いた制御」）。

（合成重心を用いた等価システムの構築）
通常、オペレータはアタッチメントの動きを目視しながら操作量を調整し、所望の動きを実現する。これは、図５に示すような、人間を含んだ閉ループ系で表され、そのシステムにおいては油圧部も機構部も一般的に非線形性を有する。油圧部は定式化が難しいが、以下に示す回転系の運動方程式（式（１））で表すことができる。尚、各アタッチメント要素の慣性項が互いの運動方程式に干渉するため、式（１）ではバケット動作を省いた２リンク（ブーム及びアーム）の動きに限定し、簡略化を図っている。

式（１）において、Ｍ₁₁、Ｍ₁₂、Ｍ₂₁、Ｍ₂₂はアタッチメント要素の慣性モーメント、ｄ² θ₁ ／ｄｔ² 、ｄ² θ₂ ／ｄｔ² は角加速度、ｈ₁ 、ｈ₂ は遠心力、φ₁ 、φ₂ は重力、τ₁ 、τ₂ はアタッチメント要素の駆動トルクを示し、下付添字１はブームに作用する項、下付添字２はアームに作用する項を表す。慣性モーメントＭ₁₂とＭ₂₁は、ブームとアームが同時に動く際に互いの運動に影響を及ぼす干渉項である。

ところで、人間の短期的な記憶容量は４項目程度と言われており、パラメータ数の多い高次システムとして運動や操作を行っていないと考えられている。そこで，オペレータは式（１）で示す機構部のシステムを所望の動きとするために、比較的低次元のシステムで扱い、操作していると仮定する。低次元のシステムとして表現するために、図６に示すアタッチメントの全体の重心（合成重心）Ｇ_c の座標（Ｘ_g (t),Ｙ_g (t)）を下記式（２）で計算する。尚、図６において、Ｍはアタッチメント全体の質量、Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３はそれぞれブーム、アーム、バケットの各重心を示している。また、図６において、図１に示す建設機械と同じ構成要素には同じ符号を付している。

図６に示すように、式（２）において、ｉはアタッチメントの各要素を表しており、ｉ＝１はブーム、ｉ＝２はアーム、ｉ＝３はバケットを示す。また、ｍ_i は各要素の質量、ｘ_i (t)及びｙ_i (t)は図６のＯ（ブーム３１の基端）を原点としたｘｙ座標系の時刻ｔにおける各アタッチメント要素の重心位置である。バケット質量ｍ₃ はバケット内の土砂等の質量を含む。各アタッチメント要素の重心位置ｘ_i (t)及びｙ_i (t)は直接計測可能か、又は計測可能なアタッチメントの角度情報から計算可能である。続いて、合成重心Ｇ_c の座標（Ｘ_g (t),Ｙ_g (t)）を下記式（３）〜（６）を用いて極座標に変換する。

図６に示すように、式（３）〜（６）において、θ_g (t)及びｒ_g (t)は極座標における重心位置、ω_g (t)は原点Ｏ回りの角速度、ｖ_r (t)は半径方向速度を示す。尚、本説明では、ブーム上げ操作のみを対象とすることで、アーム運動やバケット運動によるブーム運動への干渉項を省略する。次に、前述の通り、オペレータが低次元の線形システムで操作を把握しているとして、合成重心の動きを下記式（７）で表す。

式（７）において、Ｊは重心の動きに対する躍度、Ｉは慣性モーメント、Ｄ_c は弾性係数、Ｌはむだ時間、τはブームの駆動トルクを示す。以下では、式（７）で表すシステムのパラメータＪ、Ｉ、Ｄ_c を推定することで、オペレータの技量差を表現する手法について説明するが、油圧系統は機械系統のダイナミクスで表現され、オペレータの技量の影響は表れないものとして考慮しないものとする。次に、式（７）の入出力関係を伝達関数で表すことにより、下記式（８）を得る。

（パラメータ推定）
以下では、式（８）で表すパラメータを推定し、オペレータの技量の差異を表現する手法について説明する。評価対象となる等価システムのパラメータは、油圧ショベル等の建設機械の仕様や動きからほぼ決まるため、例えば探索範囲が設定可能な遺伝的アルゴリズム（ＧＡ）を推定手法として用いて、以下の手順で式（８）のパラメータを推定する。

[手順１]初期個体の生成
Ｊ、Ｉ、Ｄ_c、Ｌを遺伝子とする個体ｆ_N をランダムにＮ個（例えば２００個）生成する。

[手順２]初期評価
手順１で生成した個体の遺伝子を式（８）に代入し、取得データ（合成重心の運動状態）をサンプリング時間Ｔ_s で離散化することにより、下記式（９）に示す２次遅れ系の伝達関数（近似式）を得る。この計算には、数値解析ソフトウェアを用いる。

式（９）において、ａ₁ 、ａ₂ 、b₀ は定数、ｄはむだ時間のステップ数を示す。式（９）から、推定システム出力ｙ_s (k)を下記式（１０）のように算出する。

式（１０）において、ｕ₀ はシステム入力を示す。パラメータ推定には、例えば、下記式（１１）で表される評価関数Ｊ_E を用いる。

式（１１）において、ｎは総ステップ数、ｙ(k)は実機計測により得た合成重心速度を示す。式（１１）で表される評価関数Ｊ_Eが１に近いほど、適応度の高い個体である。

[手順３]エリート選択
最も適応度が高い個体をエリートとして保存し、次世代の個体群へ持ち越す。

[手順４]トーナメント選択
個体群から個体ｆ_m と、他の２個体ｆ_rdm1、ｆ_rdm2をランダムに抽出し、適応度比較を行って、最良の個体を選択し、個体ｆ_m として更新する。

[手順５]交叉
個体群からランダムに２個体ｆ_m 、ｆ_n を抽出する。これらの遺伝子を下記式（１２）に従って入れ替え、より適応度が高い新たな２個体ｆ_mnew、ｆ_nnewを生成し、更新する。

[手順６]突然変異
各個体を一定確率α（％）（例えば３０％）で新たな遺伝子を持つ個体に置き換える。

[手順７]計算終了
上記手順１〜６を世代数Ｇ（例えば２００世代）まで繰り返す。最終世代の計算終了時点で、個体群の中から適応度が最も高い個体ｆ_bestの遺伝子を推定（同定）パラメータとする。

（操作スキル評価の試験結果）
操作スキル評価試験には、下記の条件を用いた。
・操作内容：ブーム上げ単独瞬時最大操作〜停止×５回
・初期姿勢：最大リーチ（図７実線位置参照）
・停止姿勢：ブームフット鉛直（図７破線位置参照）
尚、図７において、図１に示す建設機械と同じ構成要素には同じ符号を付している。

本条件は、アクチュエータ速度及び慣性が大きくなるために停止させにくく、オペレータの技量の差が生じ易い。さらに、試験条件の１つとして、減速時に技量の差がより表れるように搭乗オペレータに「ショック無く停止させる」というタスクを課した。評価は、この一連の操作のうち減速停止区間において行った。尚、加速区間は瞬時最大操作に既設定されており、技量差が生じないため、評価外とした。また、データ取得試験には、コベルコ建機株式会社製の油圧ショベルSK200-9（標準仕様）を用いた。

図８及び図９は、実施形態に係る操作スキル評価試験におけるパラメータ推定対象データ（図８は出力データ（合成重心速度）、図９は入力データ（駆動トルク））を示す図である。尚、図８において、実線は実測データ、破線は推定データである。

図８及び図９に示すように、定常速度状態から速度ゼロになるまでを対象データとして、パラメータ推定を行った。熟練者（Expert）１名、非熟練者（Non-expert）４名を被験者とするパラメータ推定結果を図１０に示す。ここで、図１０に示すデータは被験者毎の平均値と標準偏差である。図１０に示す結果より、慣性モーメント（Inertia）Ｉ及び弾性係数（Damping coefficient）Ｄ_c には熟練者と非熟練者の比較において、有意水準５%のｔ検定で有意差は認められなかった。一方、躍度（Jerk）Ｊについては熟練者が非熟練者比４分の１以下と明らかに小さく、有意差が認められた。これは、熟練者の減速操作が加速度変化の小さい動作であることを示しており、滑らかな動作を実現する操作の特徴が表れている。これらの結果から、複数のアタッチメントの動きを合成重心の動きとして扱った場合においても、オペレータの操作技量の特徴と、現象に見合った物理特性がシステムパラメータとして表れることが明らかとなった。

続いて、以上に述べた合成重心を扱うシステムにおいて制御工学的な観点で評価を行った。ここで、伝達関数Ｇ(s)を２次遅れ系としているため、下記式（１３）の標準形で表すことができる。

ここで、式（８）と式（１３）の係数比較により、システム減衰係数ζ、固有角周波数ω_n はそれぞれ下記式（１４）、（１５）のように算出される。

図１０に示すパラメータ推定結果（慣性モーメントＩ、弾性係数Ｄ_c 、躍度Ｊ）を式（１４）、（１５）に代入してシステム減衰係数ζ、固有角周波数ω_n を算出した結果を図１１に示す。尚、システムゲインＫについては、試験条件を統一しているため、被験者による差が生じないので、評価していない。また、図１１に示すデータは、被験者毎の平均値と標準偏差である。

図１１に示すように、熟練者（Expert）と非熟練者（Non-expert）を比較すると、システム減衰係数ζ、固有角周波数ω_n のいずれについても明確な差があり、有意水準５%のｔ検定において有意差が認められた。具体的には、熟練者のシステム減衰係数ζは非熟練者と比較して２倍以上大きく、目標追従時の減衰性が高いことを示している。また、熟練者のシステム減衰係数ζは臨界減衰（ζ＝１）に近く、非熟練者よりも安定して目標値へ追従する系であることが分かる。但し、本実験結果では非熟練者４のみについて、システム減衰係数ζに有意水準５％で有意差が認められなかった。さらに、熟練者の固有角周波数ω_n は非熟練者と比較して約２倍と大きく、速応性の高い操作が実現できているといえる。

続いて、以上に述べた制御工学的評価結果からオペレータの技量差の評価を行った。図１２及び図１３は、熟練者（Expert）及び非熟練者（Non-expert）のそれぞれがブーム上げ減速を行った際の合成重心速度及びレバー入力を１サイクル分抽出した結果を示している。図１２及び図１３に示す結果から、レバー入力を比較すると、熟練者は操作の中間域において停止前に緩操作を行うことによって、速度アンダーシュートを抑えており、非熟練者よりも減衰性が高い。また、速度に合わせてレバーを戻し、停止と共にレバー入力がゼロとなる操作を行っている。これは、周波数応答の高い操作であること、つまり速応性の高さを示している。

一方、非熟練者は操作の中間域で急操作を行っているため、急減速に起因するアンダーシュートが発生し、収束性が悪い。さらに、停止前に既にレバー入力がゼロとなる周波数応答の低い操作であり、速応性が低いことを示す。

以上に述べたような傾向がシステム減衰係数ζ、固有角周波数ω_n の大きさから分かる。従って、合成重心を用いた等価システムの入出力関係を式（１３）で表すことにより、システム減衰係数ζには減衰性が、固有角周波数ω_n には速応性（作業の速さ）がそれぞれ表現されるので、これらのパラメータの大きさに基づいてオペレータの技量を評価することが可能である。これは、重さの無い梁の先端に質量Ｍの物体が付いたシステムの回転運動を考えた場合、熟練者はその物体を振動させず且つ速応性が良い状態になるように梁の特性を変化させて動作させる一方、非熟練者は振動し易い状態の梁として動作させていることにたとえることができる。

（スキル評価の指標値）
以下、システム減衰係数ζ及び固有角周波数ω_n つまり操作スキル評価値に対して設定される指標値について説明する。

２次遅れ系のステップ応答において、出力が目標値の±５％以内であれば追従していると考えた場合、一般的に共振が発生しない単調減少で最速の停止となるシステム減衰係数ζは概ね０．７（＝１／√２）となることが分かっているため、この値をシステム減衰係数ζの指標値ζ_r と設定することができる。

次に、固有角周波数ω_n は大きいほど速応性が高く、停止は早いが、ショベル等の仕様や状態等によって停止可能な早さに限界があり、それによって固有角周波数ω_n の上限は決まる。そこで、機械の特性上最も早く停止させ、固有角周波数ω_n の上限値を見極めるために、前述の試験条件（図７参照）で急操作による急停止を行い、急停止時のシステムパラメータを推定し、システム減衰係数ζ及び固有角周波数ω_nの制御工学的パラメータを算出した。図１４及び図１５は、当該試験における合成重心速度及びレバー入力の経時変化を示す図であり、図１６は、図１４及び図１５に示すデータから算出されたパラメータテーブルである。図１６に示すように、機械成りで急停止させると、固有角周波数ω_nの値として８．５が得られた。機械の特性上、これ以上速応性の高い減速停止は不可能であるため、この値を固有角周波数の指標値ω_nrとして設定することができる。尚、本試験では、急減速による速度アンダーシュートが発生し、収束性が悪くなるため、システム減衰係数ζは低くなっている。

以上のように設定したζ_r とω_nrを指標値として、図１１に示す被験者データ（操作スキル評価値）と比較した結果を図１７に示す。図１７に示すように、熟練者（Expert）のシステム減衰係数ζは指標値ζ_r に近い値となっており、減衰特性は理論的にも最適であることが分かる。一方、熟練者の固有角周波数ω_n は、非熟練者（Non-expert）と比較すると、指標値ω_nrに迫っているものの、差異が有るので、速応性の改善は可能と考えられる。

一方，非熟練者は、図１２及び図１３に示すように、減速初期は緩やかな操作であるが、操作中間域から急操作を行うために、アンダーシュートによる収束性悪化を招いている。その結果、非熟練者のシステム減衰係数ζは低くなっており、図１６に示すシステム減衰係数ζに近い値になっている。これは、非熟練者の操作による減衰が機械成りに近いことを示しており、適切な減速ができていないことを意味している。その点、前述の通り、熟練者はより良い特性となるように操作を行い、乗りこなしていると言える。

（指標値を用いた制御）
次に、前述のように設定した二指標値に基づき、非熟練者のブーム上げ減速停止の改善を行った。具体的には、可能な限りシステム減衰係数ζ及び固有角周波数ω_n がそれぞれの指標値ζ_r 及びω_nrに近似する停止となるように、油圧ショベルのレバー操作量を変更できる機械的な仕組みと、車載コントローラに対して所定の位置で停止可能な仕組みとを織り込む改造を施した。

図１８及び図１９は、熟練者（Expert）、機械改造前の非熟練者（Non-expert）、機械改造後の非熟練者（Trial）のそれぞれによる「ブーム上げ減速停止」操作における合成重心の角速度及び入力トルクの経時変化を示している。図１８及び図１９に示すように、機械改造後の非熟練者のシステム減衰係数ζは指標値ζ_r と概ね同等となった。一方、固有角周波数ω_n は機械制約で減速特性が線形であったため、停止を重視すると減速が緩やかになってしまい、改善されなかったものの、合成重心の停止挙動は熟練者のデータに近似してきており、狙いの効果が得られることを確認できた。

このように、指標値ζ_r 及びω_nrにより、減速停止の操作スキル評価が可能であるばかりではなく、理想的な停止挙動に向けた機械改善が可能であることが分かった。

以上に述べた実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物又はその用途を制限することを意図するものではなく、発明の範囲内で種々の変更が可能である。

例えば、本実施形態では、油圧ショベルの作業アタッチメントの合成重心を計算し、その合成重心の入出力による仮想的な低次線形システムとして油圧ショベルの動作を表現し、当該システムのパラメータと操作スキルとの関係を明確化すると共に評価指標値を設定した。その際、作業装置の先端のアタッチメントとしてバケットを備える油圧ショベルを例示したが、バケット以外のアタッチメントを備える油圧ショベルに本発明を適用してもよい。

また、本実施形態では、実機でブーム上げ瞬時最大操作の加速を行い、定常速度に到達後、目標地点での減速停止操作を実施した。油圧ショベルは機器の特性上、非線形性を有するシステムであるが、合成重心を扱うことによって、梁先端に質量Ｍが付いたモデルの運動として表現し、仮想的に線形システムとみなした。これにより、梁の機械特性に操作特徴が表れるため、システムのパラメータを推定することにより、減速停止区間のスキル評価を行った。しかし、スキル評価対象操作は、「ブーム上げ単独瞬時最大操作〜停止」に限られないことは言うまでもなく、他のアタッチメント（アームやバケット等）を動かす複合操作においても同様の評価を行うことができる。

また、本実施形態では、等価システムを２次遅れ系で表現し、パラメータ推定手法にはＧＡを用いたが、システムモデルやパラメータ推定手法は特に限定されるものではない。

また、本実施形態では、等価システムの伝達関数のパラメータから算出したシステム減衰係数ζ及び固有角周波数ω_n をそれぞれ減衰性及び速応性を表す操作スキル評価値として、作業の生産性に寄与する減速停止操作の技量と定量的な関係があることを明らかにした。また、これらの操作スキル評価値に対してそれぞれ指標値を設定し、両者の差分に基づいて作業装置の動特性が調整されるように特性設計を行うことによって、非熟練者にも熟練者に近い滑らかな減速停止動作を実現できるようにした。しかし、本手法の適用範囲はブーム上げ単独操作以外の他操作へ拡張することも可能であり、操作方法や作業内容に応じて指標値を設定し、当該指標値に沿って例えばコントローラのゲインチューニングを行うことによって、作業全体で効率的な操作を実現する制御系を実現することも可能である。

本発明は、例えば油圧ショベル等の建設機械として有用である。

１００ 建設機械
１０ 下部走行体
２０ 上部旋回体
３０ 作業装置
３１ ブーム
３２ アーム
３３ バケット
５１ ブームシリンダ
５２ アームシリンダ
５３ バケットシリンダ
７０ 制御装置
７１ 運動状態取得部
７２ 等価システム生成部
７３ パラメータ推定部
７４ 動特性調整部

Claims (3)

1. 下部走行体と、
   前記下部走行体に対して旋回可能な構造で取り付けられた上部旋回体と、
   前記上部旋回体に対して上下方向に揺動可能な構造で取り付けられた作業装置と
   を備え、
   前記作業装置は、複数の部材から構成されており、
   前記複数の部材の合成重心の運動状態量を測定若しくは算出する取得部と、
   前記作業装置を動かす駆動力を入力とし、前記取得部により測定若しくは算出された前記運動状態量を出力とする伝達関数を用いて、前記作業装置の動作を表現する等価システム生成部と、
   前記等価システム生成部により得られた前記伝達関数のシステム減衰係数及び固有角周波数を操作スキル評価値として抽出するパラメータ推定部と
   をさらに備えている、建設機械。
2. 請求項１に記載の建設機械において、
   前記パラメータ推定部により抽出された前記操作スキル評価値と、予め設定されている指標値との差分に基づき、前記作業装置の動特性を調整する動特性調整部
   をさらに備えている、建設機械。
3. 請求項２に記載の建設機械において、
   前記指標値は、操作方法又は作業内容に応じて変更可能である、建設機械。