JP5283567B2 - 建設機械の干渉防止装置 - Google Patents

Description

本発明は、建設機械において、多関節フロントの先端に取付けられる作業具と運転室との干渉を防止する装置に関する。

多関節フロントを有する建設機械において、多関節フロントの先端に取付けた各種バケットやリフティングマグネット等の作業具が運転室に干渉することを防止するための干渉防止装置を備えたものがある。特許文献１に記載の干渉防止装置は、ブームおよびアームの回動角を検出して多関節フロント先端部の作業具の回動支点の位置を演算し、さらに、アーム先端の作業具回動支点に設けた角度センサにより作業具の先端位置を検出し、作業具先端位置が干渉防止領域に近づくと、作業具の運転室への接近動作を禁止する。

特開平１１−７１７８０号公報

しかしながら、作業具のアームに対する回動角を検出する角度センサは、作業箇所に近い過酷な環境に晒される。このため、角度センサに作業対象物や障害物が衝突したり引っ掛かかる等により角度センサが破損したり断線等の故障を生じるおそれがある。その場合、上記特許文献１に記載の干渉防止装置においては、作業具の回動支点に設けた角度センサの検出値に基づき、作業具の先端位置を算出し、多関節フロントの動作を制御しているため、作業具の回動角を検出する角度センサ等が故障して機能しなくなると、一般的には多関節フロントの動作を禁止するか、もしくは少なくとも多関節フロントがそれ以上運転室へ接近する動作を禁止する制御が行われる。すなわち、作業具が運転室から退避する方向にしか多関節フロントが動けなくなるため、結果として作業具の回動角を検出する角度センサが故障して機能しなくなると、作業を中断せざるを得なくなる。

本発明は、上記問題点に鑑み、作業具の回動角を検出する角度センサ等が故障した場合であっても、作業具と運転室との干渉を防止しつつ、作業が継続可能となる建設機械の干渉防止装置を提供することを目的とする。

請求項１の建設機械の干渉防止装置は、上部旋回体上に運転室を設置し、
前記上部旋回体に多関節フロントを取付け、
前記多関節フロントの先端に作業具を回動可能に取付けた建設機械における前記作業具と前記運転室との干渉を防止する建設機械の干渉防止装置において、
前記多関節フロントの関節部の回動角を検出する関節部角度センサと、
前記多関節フロントの先端に設けられ、前記作業具の回動角を検出する作業具角度センサと、
前記関節部角度センサの検出値により前記多関節フロントの先端位置を求めると共に、前記作業具角度センサの検出値により、前記作業具の先端位置を算出し、その先端位置を参照して前記作業具と前記運転室との干渉を防止する制御を行う第１の干渉防止制御手段と、
前記関節部角度センサの検出値により前記多関節フロントの先端位置を求め、その多関節フロントの先端位置を中心として、作業具の先端位置までの距離を半径とする円を作業具の先端位置と擬制して前記作業具と前記運転室との干渉を防止する制御を行う第２の干渉防止制御手段と、
前記作業具角度センサの出力を監視してその故障を検出する故障検出手段と、
前記故障検出手段が前記作業具角度センサの故障を検出することにより、前記第１の干渉防止制御手段による干渉防止制御を前記第２の干渉防止制御手段による干渉防止制御に切り換える切換手段とを備えたことを特徴とする。

請求項２の建設機械の干渉防止装置は、請求項１に記載の干渉防止装置において、
前記第１の干渉防止制御手段は、
前記関節部角度センサおよび前記作業具角度センサの検出値と、前記多関節フロントの先端位置が円弧部の一部に含まれる前記作業具の予め設定された包絡円の半径または直径とから、前記包絡円の位置を演算する作業具位置演算手段と、
前記包絡円の位置が、作業具と運転室との干渉防止領域に属するか否かを判定する干渉判定手段と、
前記包絡円の位置が、作業具と運転室との干渉防止領域に達した際に前記作業具の前記運転室への近接を制限する動作制限手段とを備えたことを特徴とする。

請求項１の発明は、作業具の回動角を検出する作業具角度センサが正常である状態においては、第１の干渉防止制御手段により、作業具の回動姿勢を参照して作業具と運転室との干渉を防止する制御を行なう。そしてもし故障検出手段が作業具角度センサの故障を検出すると、この作業具角度センサが不要となる第２の干渉防止制御手段による干渉防止制御を行なう。このため、作業の中断を要することなく、作業を続行させることができる。また、干渉防止制御が機能しない状態での作業の継続を防止することができ、安全性が向上する。

請求項２の発明においては、多関節フロントの先端位置を円弧の一部として含む包絡円は、実際の作業具の外形を良好に反映するので、包絡円の中心や全体の位置について作業具と運転室との干渉を判定すれば、作業具の運転室に近接する方向の過度の移動制限が緩和され、作業範囲を拡大することができる。

本発明を適用する建設機械の一例を示す側面図である。 図１の要部を作業具を傾斜させて示す拡大図である。 本発明の干渉防止装置の一実施の形態を示すブロック図である。 図３に示すコントローラの機能ブロック図である。 この実施の形態の第２の干渉防止制御手段における干渉防止動作を説明する側面図である。 この実施の形態の第１の干渉防止制御手段における干渉防止動作を作業具が運転室に向いた状態について従来例と対比して示す側面図である。 この実施の形態の第１の干渉防止制御手段における干渉防止動作を作業具が前方に向いた状態について従来例と対比して示す側面図である。 この実施の形態の第１の干渉防止制御手段における他の演算態様を説明する側面図である。

図１は本発明を適用する建設機械の一例を示す側面図である。図１に示す建設機械は、下部走行体１上に旋回装置２を介して上部旋回体３を設置し、上部旋回体３にパワーユニット４や運転室５等を搭載するとともに、上部旋回体３に多関節フロント６を取付けて構成される。多関節フロント６は、上部旋回体３にブームシリンダ７により起伏可能に取付けられたブーム８と、ブーム８の先端にアームシリンダ９により回動可能に取付けられたアーム１０とを備える。

アーム１０の先端に作業具１３のブラケット１３ａを回動支点１４を中心に回動可能に取付ける。この例では作業具１３がリフティングマグネットである場合について示す。１５は作業具１３を回動させる油圧シリンダ（以下作業具シリンダと称す。）であり、そのヘッドをアーム１０にピン付けする。１６は一端をアーム１０に回動可能にピン付けし、他端を作業具シリンダ１５のピストンロッド１５ａにピン付けしたアームリンクである。１７は一端を作業具１３の取付け用ブラケット１３ａにピン付けし、他端を作業具シリンダ１５のピストンロッド１５ａにアームリンク１６と共にピン付けした作業具リンクである。

多関節フロント６の関節部には、ブーム８、アーム１０の角度をそれぞれ検出する関節部角度センサとしての角度センサ２０，２１が取付けられる。また、作業具１３の回動支点１４には、作業具１３の回動角を検出する作業具角度センサ２２が取付けられる。２３は作業具１３と運転室５との干渉を防止する領域であり、この干渉防止領域２３は運転室５の周囲から例えば３０ｃｍ程度離れた位置に境界が設定される。

図２は図１の要部拡大図である。２４はこの実施の形態において設定する包絡円である。この包絡円２４は、作業具１３の回動支点１４を円弧の一部に含み、ブラケット１３ａを除いた作業具１３の全体が包含されるように設定される。Ｏはこの包絡円２４の中心、ｒはこの包絡円２４の半径である。作業具１３が水平姿勢にある場合、包絡円２４の中心Ｏは、運転室５から見て回動支点１４よりも前方にある。

図３は作業具１３と運転室５との干渉を防止する装置の一実施の形態を示すブロック図である。図３において、２５は上部旋回体３に搭載した油圧ポンプ、２６はブームシリンダ７、アームシリンダ９、作業具シリンダ１５の動作制御を行うコントローラである。このコントローラ２６は、作業具１５が運転室５に近接した場合、各シリンダ７，９，１５のコントロール弁２７，２８，２９に対する操作装置３０，３１，３２の操作信号を作業具１３の位置情報に基づいて変更するものである。３３は作業具１３の包絡円２４の半径ｒ（直径でもよい）の設定手段であり、この設定手段３３はスイッチやキーボード等でなる。３４は回動支点１４に設けられる角度センサ２２の出力信号を監視し、角度センサ２２の故障を検知する故障検出手段である。この故障検出手段３４は、例えば角度センサ２２の出力電圧がゼロであるとか、作業具１３の回動にも係らず角度センサ２２の出力が変化しない等の現象が発生した場合を故障しみなしてコントローラ２６に故障発生した旨の情報を伝えるものである。コントローラ２６はこの故障検出手段３４の出力に呼応して後述の制御を行なう。

この実施の形態においてはコントロール弁２７〜２９が電磁弁により構成された場合を示す。２７ａ、２７ｂ〜２９ａ、２９ｂはコントロール弁２７〜２９のソレノイドである。３５ａ，３５ｂ〜３７ａ，３７ｂはそれぞれコントロール弁２７〜２９のソレノイド２７ａ、２７ｂ〜２９ａ、２９ｂにコントローラ２６から操作信号を送る操作線である。３８a〜３８ｃはそれぞれコントロール弁２７〜２９のシリンダ伸長側の操作線３５ａ〜３７ａに挿入され、作業具が干渉防止領域２３に達した際に、操作線３５ａ〜３７ａを経由する操作信号を断つ切断回路である。

図４はコントローラ２６により実現される干渉防止のための制御装置のブロック図である。図４において、回動支点演算手段３９は、ブーム８の角度センサ２０により検出されるブームの回動角と、アーム１０の角度センサ２１により検出されるアーム１０の回動角とから、多関節フロントの先端位置である回動支点１４の位置を演算により求めるものである。

作業具位置演算手段４０は、この回動支点１４の位置と、設定手段３３により与えられる包絡円２４の半径ｒと、角度センサ２２により検出される作業具１３の回動角とから、包絡円２４の中心Ｏの位置を演算するものである。干渉判定手段４１は、作業具位置演算手段４０により求められた包絡円２４の中心Ｏの位置が、作業具１３と運転室５との干渉を生じるおそれがあるか否かを判定するものである。動作制限手段４２は、干渉判定手段４１が包絡円２４が干渉防止領域１３に達した際に切断回路３８ａ〜３８ｃを作動させてブームシリンダ７、アームシリンダ９、作業具シリンダ１５の伸長を防止するものである。前記回動支点演算手段３９、作業具位置演算手段４０、干渉判定手段４１および動作制限手段４２により第１の干渉防止制御手段４３を構成する。

干渉判定手段４４は前記回動支点演算手段３９により演算される回動支点１４の位置と包絡円２４の半径ｒとから、作業具１３の回動角に係わりなく、干渉防止のための干渉の可能性の判定を行うものである。動作制限手段４５は、干渉判定手段４４の出力により、ブームシリンダ３８ａ、アームシリンダ３８ｂの伸長を停止するものである。前記回動支点演算手段３９、干渉判定手段４４および動作制限手段４５により第２の干渉防止制御手段４６を構成する。

４８は第１の干渉防止制御手段４３と第２の干渉防止制御手段４６の切換えを行なう切換手段である。この切換手段４８は、角度センサ２２が正常である間は第１の干渉防止制御手段４３の出力により切断回路３８ａ〜３８ｃの制御を行ない、故障検出手段３４により角度センサ２２の故障が検出された際には、第１の干渉防止制御手段４３に代わり、第２の干渉防止制御手段４６の出力により干渉防止制御を行なうものである。

第１の干渉防止制御手段４３の干渉判定手段４１において、作業具１３が干渉防止領域２３に達したか否かの判定は、例えば下記のように行う。作業具位置演算手段４０により、包絡円２４の中心Ｏの位置情報として、例えば運転室５からの距離Ｌ（図２参照）を演算する。一方、作業具１３と運転室５との干渉を防止する包絡円２４の中心Ｏの基準距離Ｌ０を予め設定しておく。この基準距離Ｌ０は下記の式から得られる。
Ｌ０＝ｒ＋ΔＬ（ただしΔＬは干渉防止領域２３の幅）
動作制限手段４２は、包絡円２４の中心Ｏの運転室５からの距離Ｌが基準距離Ｌ０にまで近づく（Ｌ≦Ｌ０になる）と、切断回路３８a〜３８ｃに制御信号を送り、操作線３５ａ〜３７ａを電気的に切断し、作業具１３が運転室５に近接する方向となるシリンダ７，９，１５の伸長動作を禁止するものである。

この干渉防止装置において、角度センサ２２が正常に動作し、故障検出手段３４が角度センサ２２の出力の異常を検出しない状態、すなわち故障が無い場合には、第１の干渉防止制御手段４３の出力により、切断回路３８ａ〜３８ｃの制御を行なう。

ここで、例えばオペレータが操作装置３０を操作することにより、コントロール弁２７のソレノイド２７ａに操作線３５ａを通して通電し、コントロール弁２７を右位置に切り換え、ブームシリンダ７を伸長させ、ブーム８を上げる動作中において、干渉判定手段４１がＬ＝Ｌ０となる判定を行った際には、干渉判定手段４１の出力により、ブーム８のコントロール弁２７の操作線３５ａに挿入された切断回路３８ａにより操作線３５ａを切断し、それ以上のブーム上げ動作を停止し、作業具１３と運転室５とが干渉することを防止する。

また、オペレータが操作装置３１を操作することによりコントロール弁２８のソレノイド２８ａに操作線３６ａを通して通電し、コントロール弁２８を右位置に切り換え、アームシリンダ９を伸長させ、アーム１０を運転室５側に近接させる動作中において、干渉判定手段４１がＬ≦Ｌ０となる判定を行った際には、干渉判定手段４１の出力により、アーム１０のコントロール弁２８の操作線３６ａに挿入された切断回路３８ｂにより操作線３６ａを切断し、それ以上のアーム１０の運転室５側への近接動作を停止し、作業具１３と運転室５とが干渉することを防止する。

また、オペレータが操作装置３２を操作することによりコントロール弁２９のソレノイド２９ａに操作線３７ａを通して通電し、コントロール弁２９を右位置に切り換え、作業具シリンダ１５を伸長させ、作業具１０を運転室５側に回動させ近接させる動作中において、干渉判定手段４１がＬ≦Ｌ０となる判定を行った際には、干渉判定手段４１の出力により、作業具１３のコントロール弁２９の操作線３７ａに挿入された切断回路３８ｃにより操作線３７ａを切断し、それ以上の作業具１３の運転室５側への近接動作を停止し、作業具１３と運転室５とが干渉することを防止する。

また、オペレータが操作装置３０〜３２のうち複数のものを操作した場合、干渉判定手段４１がＬ≦Ｌ０となる判定を行った際には同様の干渉防止制御を行なう。

一方、故障検出手段３４が角度センサ２２の故障を検出した場合は、切換手段４８により、第１の干渉防止制御手段４３の出力をオフとし、ブーム８、アーム１０のみに係わりのある切断回路３８ａ，３８ｂを第２の干渉防止制御手段４６により制御する。

図５はこの第２の干渉防止制御手段４６による制御の態様を説明する図である。図５に示すように、第２の干渉防止制御手段４６においては、多関節フロント６の先端位置である回動支点１４から作業具１３の最遠点１３ｂまでの距離Ｒを半径とする円５０を想定して、作業具１３の先端位置を擬制する。そしてこの円５０が干渉防止領域２３に接する場合を回動支点１４の運転室５側への移動限界とする。したがって角度センサ２２の出力は参照せず、角度センサ２０，２１の出力から求められる回動支点１４の位置を参照して干渉の可能性を判定する。

すなわち、運転室５から回動支点１４までの距離Ｌ１が、
Ｌ１＞Ｒ＋ΔＬである場合には干渉判定手段４４は干渉の可能性なしとし、動作制限手段４５は切断回路３８ａ，３８ｂによる操作線３５ａ，３６ａの切断は行なわない。一方、
Ｌ１≦Ｒ＋ΔＬである場合には、動作制限手段４５は切断回路３８ａ，３８ｂにより操作線３５ａ，３６ａに与える操作信号をオフとしてアームシリンダ７、ブームシリンダ８のさらなる伸長を防止し、干渉を防止する。このような制御を行なえば、回動支点１４と干渉防止領域２３との間に前記距離Ｒ以上の距離が確保されるため、作業具シリンダ１５を伸長側に作動させ、作業具１３を運転室５側に回動させても作業具１３が運転室５に干渉するおそれはない。

このように、故障検出手段３４が作業具１３の角度センサ２２の故障を検出すると、第１の干渉防止制御手段４３から第２の干渉防止制御手段４６による干渉防止制御に移行するため、作業の中断を要することなく、作業を続行させることができる。また、干渉防止制御が機能しない状態での作業の継続を防止することができ、安全性が向上する。

また、作業具１３の回動支点１４を円弧の一部として含む包絡円２４は、実際の作業具１３の外形を良好に反映するので、包絡円２４の位置について作業具１３と運転室５との干渉を判定すれば、作業具１３の運転室５に近接する方向の過度の移動制限が緩和され、作業範囲を拡大することができる。

図６は前記特許文献１に記載の干渉防止装置による場合と上記実施の形態の第１の干渉防止制御手段４３による場合の作業具１３の近接可能距離を、作業具１３が運転室５側へ向いた状態で対比して示す図である。特許文献１に記載の干渉防止態様を踏襲すると、作業具１３の回動支点１４から最遠点１３ｂまでの距離Ｒを半径とする基準円５０を想定し、この基準円５０が干渉防止領域２３に達すると前述した多関節フロント６等の運転室５への近接動作を制限する。

一方、この従来方式に比較し、上記実施の形態による場合は、例えば作業具１３がリフティングマグネットである場合のように、作業具１３の回動支点１４を円弧の一部として含む包絡円２４は、実際の作業具１３の外形を良好に反映するので、包絡円２４の中心Ｏについて作業具１３と運転室５との干渉防止動作の要否を判定すれば、作業具１３の運転室５に近接する方向の過度の動作制限が緩和され、作業範囲をΔＸに示す幅分拡大することができる。

図７は前記特許文献１に記載の干渉防止装置による場合と上記実施の形態による場合の作業具１３の近接可能距離を、作業具１３が前方側へ向いた場合について対比して示す図である。従来方式による場合、作業具１３の向きに係らず回動支点１４が運転室５に近接できる距離は一定であるが、本実施の形態による場合、作業具１３が前向きになると、包絡円２４が前方に移動するので、回動支点１４の運転室５に近接可能な距離は、作業具１３が運転室５へ向いている場合に比較してさらに縮まり、従来方式に比較し、作業範囲をΔＸ１に示す分だけさらに拡大する（ΔＸ１＞ΔＸ）ことができる。

図８は前記包絡円２４を使用して干渉防止を行なう場合の他の演算態様を示す側面図である。この実施の形態においては、前記作業具位置演算手段４０において、包絡円２４の位置、すなわち運転室５と包絡円２４との距離Ｌ２を求め、干渉判定手段４１においては、この距離Ｌ２が干渉防止領域２３の距離（幅）ΔＬ以下（Ｌ２≦ΔＬ）に達したか否かを判定して干渉防止動作制限を行うようにしたものである。
なお、前記距離Ｌ２は、前記包絡円２４の中心Ｏの運転室５からの距離Ｌ（図２参照）から（Ｌ−ｒ）なる演算によって求めることができる。また、作業具位置演算手段４０において求める包絡円２４の位置としては、運転室５側の最近接点ではなく、中心Ｏから見てこの最近接点の反対側の最遠点を用いることもできる。このような包絡円２４の位置の演算によっても前記実施の形態と同様の効果を上げることができる。

なお、図３、図４の実施の形態においては、コントロール弁２７〜２９を電磁弁により構成した例を示したが、このコントロール弁２７〜２９を油圧操作式コントロール弁により構成することもできる。この油圧操作式コントロール弁を用いる場合は、干渉防止手段４１，４４において作業具１３が干渉防止領域２３に達すると判定される場合にコントロール弁２７〜２９の油圧操作回路をオフとするか、あるいは油圧操作回路へのパイロット圧油の供給を絶ち、サイディング３の運転室５への近接動作を制限する。

上記の実施の形態においては、包絡円２４の運転室５からの距離、あるいは回動支点１４の運転室５からの距離を演算することによって干渉の判定を行うようにしたが、包絡円２４の中心位置や運転室５側の位置情報そのもの、あるいは回動支点１４の位置情報そのものについて干渉の有無を予め判定しておき、包絡円２４の位置情報そのものから干渉の判定結果を得るようにしてもよい。

また、第１の干渉防止制御手段４３においては包絡円２４を想定して干渉防止制御を行なうようにしたが、作業具１３の回動角を参照して干渉防止制御を行なう制御であれば、他の制御方式を第１の干渉防止制御手段４３に用いることができる。

また、上記の実施の形態においては、運転室５が上部旋回体３に固定して搭載される例について説明したが、運転室５の位置を上方、前方の少なくともいずれかに変位可能としたものにも適用できる。この場合は、運転室５の変位に応じて、運転室５の位置情報を変更する。また、本発明は、干渉防止領域２３の周囲に所定幅の減速範囲を設定して動作制限を行うことも可能である。また、多関節フロント６の構成としては、上記実施の形態のような標準型ではなく、３本のアームや伸縮アームを付加したもの、あるいはアーム１０を水平に揺動させるものにも適用できる。また、本発明は、作業具がリフティングマグネットである場合以外の例えばグラップルバケット、ホークバケット、鋏状の破砕具など、他の種々の作業具であるにも好適に適用できる。

１：下部走行体、２：旋回装置、３：上部旋回体、４：パワーユニット、５：運転室、６：多関節フロント、７：ブームシリンダ、８：ブーム、９：アームシリンダ、１０：アーム、１３：作業具、１３ａ：ブラケット、１４：回動支点、１５：作業具シリンダ、１６：アームリンク、１７：作業具リンク、２０〜２２：角度センサ、２３：干渉防止領域、２４：包絡円、２５：油圧ポンプ、２６：コントローラ、２７〜２９：コントロール弁、２７ａ、２７ｂ〜２９ａ，２９ｂ：ソレノイド、３０〜３２：操作装置、３３:半径ｒの設定手段、３４：角度センサ２２の故障検出手段、３５ａ，３５ｂ〜３７ａ，３７ｂ：操作線、３８ａ〜３８ｃ：切断回路、４３：第１の干渉防止制御手段、４６：第２の干渉防止制御手段、４８：切換手段、Ｏ：包絡円の中心、ｒ：半径、Ｒ：回動支点１４から作業具１３の最遠点までの距離

Claims (2)

1. 上部旋回体上に運転室を設置し、
   前記上部旋回体に多関節フロントを取付け、
   前記多関節フロントの先端に作業具を回動可能に取付けた建設機械における前記作業具と前記運転室との干渉を防止する建設機械の干渉防止装置において、
   前記多関節フロントの関節部の回動角を検出する関節部角度センサと、
   前記多関節フロントの先端に設けられ、前記作業具の回動角を検出する作業具角度センサと、
   前記関節部角度センサの検出値により前記多関節フロントの先端位置を求めると共に、前記作業具角度センサの検出値により、前記作業具の先端位置を算出し、その先端位置を参照して前記作業具と前記運転室との干渉を防止する制御を行う第１の干渉防止制御手段と、
   前記関節部角度センサの検出値により前記多関節フロントの先端位置を求め、その多関節フロントの先端位置を中心として、作業具の先端位置までの距離を半径とする円を作業具の先端位置と擬制して前記作業具と前記運転室との干渉を防止する制御を行う第２の干渉防止制御手段と、
   前記作業具角度センサの出力を監視してその故障を検出する故障検出手段と、
   前記故障検出手段が前記作業具角度センサの故障を検出することにより、前記第１の干渉防止制御手段による干渉防止制御を前記第２の干渉防止制御手段による干渉防止制御に切り換える切換手段とを備えたことを特徴とする建設機械の干渉防止装置。
2. 請求項１に記載の干渉防止装置において、
   前記第１の干渉防止制御手段は、
   前記関節部角度センサおよび前記作業具角度センサの検出値と、前記多関節フロントの先端位置が円弧部の一部に含まれる前記作業具の予め設定された包絡円の半径または直径とから、前記包絡円の位置を演算する作業具位置演算手段と、
   前記包絡円の位置が、作業具と運転室との干渉防止領域に属するか否かを判定する干渉判定手段と、
   前記包絡円の位置が、作業具と運転室との干渉防止領域に達した際に前記作業具の前記運転室への近接を制限する動作制限手段とを備えたことを特徴とする建設機械の干渉防止装置。

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