JP5465650B2

JP5465650B2 - 油圧ショベルの荷重計測装置

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Publication number: JP5465650B2
Application number: JP2010249514A
Authority: JP
Inventors: 大聡村本
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2010-11-08
Filing date: 2010-11-08
Publication date: 2014-04-09
Anticipated expiration: 2030-11-08
Also published as: JP2012103029A

Description

この発明は、解体作業、建築作業、土木作業等に使用される油圧ショベルにおいて、重量物の荷重を計測する荷重計測装置に関する。

油圧ショベルの作業として、建設現場において掘削した土砂あるいはスクラップ処理場において発生した金属スクラップをトラックに積み込んだり、製鉄所において電気炉へ材料を投入したりする。このような作業において、これら重量物を油圧ショベルに搭載した状態でその荷重を計測すれば、計量の手間を省き、作業効率を向上させることができる。
一般的に、ショベルクレーンの吊荷重の計測は、吊荷重によるフロント揺動基点を中心とする吊荷重モーメントとフロントの重力によるフロント揺動基点を中心とするフロント自重モーメントとの総荷重モーメントが、フロントを揺動する油圧シリンダの推力のフロント揺動基点に関する支持モーメントに釣り合うことに基づいて演算により求める。

従来のショベルクレーンの吊荷重計測装置として、ブームシリンダ、アームシリンダ、バケットシリンダ等の作業腕に、それぞれ、圧力センサを設け、フロント姿勢に応じて荷重演算に用いる油圧シリンダを切り替える荷重計測装置が知られている。この場合、通常は、ブームシリンダの圧力センサからの検出信号に基づいて荷重の演算を行うが、ブームシリンダが伸縮ストローク端に達した状態ではアームシリンダの圧力センサの検出値を用いる。また、アームがアームの揺動基点の垂直下に位置した状態では、バケットシリンダの圧力センサの検出値を用いて吊荷重を演算する（例えば、特許文献１参照）。

特開平１１−２３０８２１号公報

吊荷重計測装置による荷重検出を正確に行うには、計測を行う作業腕の動作を停止し、静止した状態で行う必要がある。このため、上記した従来の方法では、荷重検出の都度、フロントによる作業を中断しなければならない。このことは、上記の方法では、通常は、ブームシリンダの圧力センサからの検出信号に基づいて荷重の演算を行うということを一例に挙げても明確である。ブームシリンダの圧力センサからの検出信号を得る際、ブームの駆動を停止しない限り、正確な検出値を得ることができないが、上記先行文献においては、この状態において、他の作業腕の圧力センサーからの検出値に基づく計測は行われないからである。
このように、従来の吊荷重計測装置では、計測の都度、フロントによる作業を停止させる必要があるため、作業効率を低下させるものであった。

本発明の油圧ショベルの荷重計測装置は、複数の油圧シリンダと、それぞれ、各油圧シリンダにより駆動される複数の作業腕とを有するフロントにより重量物の運搬作業を行う油圧ショベルの荷重計測装置であって、フロント姿勢を検出する姿勢検出手段と、油圧シリンダの中、少なくとも２つの油圧シリンダのそれぞれに対して、ボトム側圧力およびロッド側圧力を検出する圧力検出手段と、姿勢検出手段および圧力検出手段の検出結果に基づいて、少なくとも２つの油圧シリンダに関する荷重値を演算する荷重演算手段と、姿勢検出手段の検出結果に基づいて、各油圧シリンダがストロークエンドであることを判定するシリンダストロークエンド判定手段と、姿勢検出手段の検出結果に基づいて特異姿勢であることを判定する特異姿勢判定手段と、油圧シリンダが駆動状態であることを判定するシリンダ駆動判定手段と、シリンダストロークエンド判定手段、特異姿勢判定手段およびシリンダ駆動判定手段の判定結果に基づいて、各油圧シリンダが、荷重演算を行うことに不適切な状態であることを判定するシリンダ判定手段と、姿勢検出手段の検出結果に基づいて、荷重演算手段により演算された荷重値を、計測値として適切な順に優先順位を付すシリンダ順位決定手段と、シリンダ判定手段およびシリンダ順位決定手段の判定結果に基づいて最優先順位の荷重値を最終荷重値として出力する最終荷重値出力手段とを備え、最終荷重値は、シリンダストロークエンド判定手段でストロークエンドであると判定された油圧シリンダ、特異姿勢判定手段で特異姿勢であると判定された油圧シリンダまたはシリンダ駆動判定手段で駆動状態であると判定された油圧シリンダのいずれにも該当しない油圧シリンダに関して演算された荷重値のうち、最優先順位の荷重値であることを特徴とする。

この発明によれば、荷重判定手段により、少なくとも２つの油圧シリンダに関する荷重値を演算し、各センサからの検出値に基づいて、荷重判定手段で演算された荷重値に優先順位を付し、最適な荷重値を決定するので、フロント作業機による作業を継続しながらでも荷重値を計測することができる。

本発明の一実施の形態を示す油圧ショベルの全体の側面図。本発明の油圧ショベルの荷重計測装置の概念を説明するための図。本発明の荷重計測装置における構成要素の処理とその処理の流れを示す図。本発明におけるブームシリンダによる荷重値の演算を説明するための図。本発明におけるアームシリンダによる荷重値の演算を説明するための図。本発明におけるバケットシリンダによる荷重値の演算を説明するための図であり、圧力および荷重の位置を示す図。図６に図示された圧力および荷重によるモーメントの釣り合いを説明するための図。荷重計測において、各シリンダの演算結果の優位性の順位を決定する方法の一実施の形態を説明するための図。

［実施形態１］
以下、本発明の油圧ショベルの荷重計測装置の一実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の荷重計測装置を備えた油圧ショベルの側面図である。
油圧ショベル１において、１Ａはフロント作業機（以下、「フロント」とする）、１Ｂは車体、２はブーム、３はアーム、４はバケット、１ｄは旋回体、１ｅは走行体、１ｆは操作室である。油圧ショベル１は、垂直方向にそれぞれ回動するブーム２、アーム３およびバケット４等の複数の作業腕を有する多関節型のフロント１Ａと旋回体１ｄおよび走行体１ｅからなる車体１Ｂとで構成されている。

フロント１Ａでは、ブーム２の基端が旋回体１ｄの前部に回動可能に支持されており、このブーム２の先端にアーム３の一端が揺動可能に支持され、このアーム３の他端にバケット４が回動可能に支持されている。ブーム２はブームシリンダ５によって垂直方向に回動するように駆動され、アーム３はアームシリンダ６によって垂直方向に揺動するように駆動され、バケット４はバケットシリンダ７によって垂直方向に揺動するように駆動される。車体１Ｂでは、操作室１ｆを有する旋回体１ｄが図示しない旋回モータを介して走行体１ｅ上に取り付けられており、旋回モータが駆動されることにより、旋回体１ｄが走行体１ｅに対して旋回する。走行体１ｅは、走行モータ３ｅにより駆動される。走行体１ｅおよび走行モータ３ｅは、車体１Ｂの対向側の側面にも設けられており、この一対の走行モータ３ｅは、それぞれ、独立して駆動される。一対の走行モータ３ｅが同時にあるいは独立して駆動され、それぞれ、各走行体１ｅを駆動することにより、油圧ショベル１が前進あるいは後進走行し、また、走行方向を変更することができる。

操作室１ｆ内には、ブームシリンダ５を駆動するブーム操作レバー、アームシリンダ６を駆動するアーム操作レバー、バケットシリンダ７を駆動するバケット操作レバー等の各種の操作レバー３２が配置されている。また、操作室１ｆ内には、油圧ショベル１が吊荷の荷重を計測する荷重計測装置２０が装着されている。
さらに、油圧ショベル１は、荷重計測装置２０により荷重を計測するための各種手段を備えている。

＜フロント姿勢検出手段＞
フロント姿勢を検出する検出手段として、車体１Ｂとブーム２の揺動中心に設けられたブーム角度センサ８、ブーム２とアーム３の揺動中心に設けられたアーム角度センサ９およびアーム３とバケット４の揺動中心に設けられたバケット角度センサ１０を備えている。

＜圧力検出手段＞
圧力検出手段として、ブームシリンダ５のボトム側のシリンダ室内圧力を検出するブームシリンダボトム室圧力センサ１１、ブームシリンダ５のロッド側のシリンダ室内圧力を検出するブームシリンダロッド室圧力センサ１２、アームシリンダ６のボトム側のシリンダ室内圧力を検出するアームシリンダボトム室圧力センサ１３、アームシリンダ６のロッド側のシリンダ室内圧力を検出するアームシリンダロッド室圧力センサ１４、バケットシリンダ7のボトム側のシリンダ室内圧力を検出するバケットシリンダボトム室圧力センサ１５、バケットシリンダ７のロッド側のシリンダ室内圧力を検出するバケットシリンダロッド室圧力センサ１６を備えている。

＜シリンダ駆動検出手段＞
シリンダ駆動検出手段として、各種の操作レバー３２の操作信号を検出するため、ブームシリンダ５の操作を検出するブームパイロット圧センサ３３、アームシリンダ６の操作を検出するアームパイロット圧センサ３４、バケットシリンダ７の操作を検出するバケットパイロット圧センサ３５を備えている。

＜荷重演算の概念＞
図２は、本発明の油圧ショベルの荷重計測装置による荷重の計測方法の概念を説明するための図である。以下の説明における各ステップの順序は、固定的なものではなく、適宜、変更することが可能である。また、すべてのステップを発明の必須の要件とするものでもなく、単に、発明の内容を明確にすることを目的として説明するものである。

先ず、ステップＳ１において、上記フロント姿勢検出手段によりフロント１Ａの姿勢を検出する。
ステップＳ１が完了したら、ステップＳ２において、上記圧力検出手段により各油圧シリンダ５、６、７のボトム側のシリンダ室内圧力およびロッド側のシリンダ圧力を検出する。そして、油圧シリンダ５、６、７のそれぞれに対して、ボトム側のシリンダ室内圧力とロッド側のシリンダ圧力との差を演算し、油圧シリンダ５、６、７のそれぞれに作用する推力を演算する。

次に、ステップＳ３において、油圧シリンダ５、６、７のそれぞれに関する荷重値を演算により荷重を求める。この演算は、後述する如く、荷重によるフロント揺動基点を中心とする荷重モーメントとフロントの重力によるフロント揺動基点を中心とするフロント自重モーメントとの合計モーメントと、フロントを揺動する油圧シリンダの推力のフロント揺動基点に関する支持モーメントとの釣り合いに基づいて演算により求める。

次に、ステップＳ４において、ステップＳ３で演算された各荷重値に対し、計測時の各油圧シリンダ５、６、７の状態に対応して誤差が小さい順に優先順位を付す。油圧シリンダの優先順位を決定する方法としては、例えば、α＝（ｌ／ｈ）×（１／Ａ）により演算されるαの大きさの順とする（但し、ｌ：油圧シリンダによって揺動されるフロントのリンク関節から荷重ベクトルまでの水平方向長さ、ｈ：油圧シリンダによって揺動されるフロントのリンク関節から油圧シリンダの軸船におろした垂線の長さ、Ａ：油圧シリンダのボトム側受圧面積）。
この式についての詳細は後述する。

次に、ステップＳ５において、荷重を演算するのに不適切な状態の油圧シリンダを判定する。荷重を演算することが不適切な状態の油圧シリンダとは、次の（ｉ）〜（ｉｉｉ）の３状態いずれかの状態のものを指す。
（１）油圧シリンダがストロークエンドに伸縮されている。
（２）特異姿勢の状態にある。
（３）油圧シリンダが駆動（揺動）状態にある。

次に、ステップＳ６において、ステップＳ４において付された荷重値の優先順位と、ステップＳ５において不適切状態と判定された油圧シリンダの判定結果を総合的に判断して、計測に最適な状態と決定された油圧シリンダに関して演算された荷重値、換言すれば、油圧シリンダの圧力検出手段からの検出値に基づいて演算された荷重値を最終荷重値として決定する。
最終荷重値を決定するうえで、ステップＳ５において、荷重演算するのに不適切と判断された油圧シリンダに関して演算された荷重値は、荷重演算するのに不適切と判断されなかった油圧シリンダに関して演算されたいずれの荷重値よりも優先順位は下位とされる。換言すれば、荷重演算するのに適切な油圧シリンダの荷重値は、常に、荷重演算するのに不適切な油圧シリンダの荷重値よりも優先される。この場合、荷重演算するのに不適切と判断された油圧シリンダに関して演算された荷重値は、優先順位を付す代わりに、優先順位無し、または優先順位無効としてもよい。

そして、ステップＳ７において、最終荷重値をオペレータに報知する。報知を行ったら、ステップＳ１に戻り、再び、ステップＳ７までを実行する。ステップＳ１からステップＳ７までを、油圧ショベル１の運搬作業中に複数回実行されるように所定の周期で繰り返す。
以下、本発明の一実施の形態の詳細を説明する。

図３は、本発明に係る荷重計測装置の構成要素と処理の流れの一実施の形態を示す図である。油圧ショベル１の操作室１ｆ内に装着された荷重計測装置２０はマイクロコンピュータを備える。このマイクロコンピュータは、荷重計測を行うために各種演算手段２２〜３０を機能的に備えており、操作室１ｆ内の表示装置３６に演算結果を表示する。
以下、図３に示された構成手段２２〜３０ごとに、順に、処理の内容および処理の流れについて説明する。

（１）荷重演算手段２２：
各角度センサ８、９、１０から構成される姿勢検出手段および各圧力センサ１１〜１６から構成される圧力検出手段の各センサ検出結果を用いて、各油圧シリンダ５、６、７に関して荷重演算を行い、演算結果としての荷重値を荷重値選択手段２８に送る。ここで、各油圧シリンダ５、６、７に関する荷重演算とは、ブームシリンダ５に対しては、圧力センサ１１および１２の検出値に基づいて、アームシリンダ６に対しては、圧力センサ１３および１４の検出値に基づいて、バケットシリンダ７に対しては、圧力センサ１５および１６の検出値に基づいて、荷重演算をすることである。
（２）シリンダストロークエンド判定手段２３：
フロントの姿勢検出手段の検出結果を用いて、ストロークエンドとなっている油圧
シリンダを判定し、判定結果をシリンダ判定手段２６に送る。ストロークエンドについては後述する。
（３）特異姿勢判定手段２４：
姿勢検出手段の検出結果を用いて、特異姿勢となっている油圧シリンダを判定し、判定結果をシリンダ判定手段２６に送る。特異姿勢判定の具体的な内容については後述する。
（４）駆動判定手段２５：
操作レバー３２の操作を検出する各パイロット圧センサ３３、３４、３５から構成される操作検出手段の検出結果を用いて、駆動状態にある油圧シリンダを判定し、判定結果をシリンダ判定手段２６に送る。油圧シリンダの駆動判定方法については後述する。

（５）シリンダ判定手段２６：
シリンダストロークエンド判定手段２３、特異姿勢判定手段２４、駆動判定手段２５の判定結果を用いて、ストロークエンド、特異姿勢、駆動状態のいずれの状態でもない油圧シリンダを判定する。判定結果は荷重値選択手段２８に出力される。この場合、全ての油圧シリンダがストロークエンド、特異姿勢、駆動状態のいずれかの状態である場合、判定不能の結果を出力する。
（６）シリンダ順位決定手段２７：
フロントの姿勢検出手段の検出結果を用いて、荷重演算結果の誤差が小さい順に、油圧シリンダに優先順位をつけ、各油圧シリンダの優先順位を荷重値選択手段２８に送る。荷重演算結果の誤差についての優先順位は所定の式による演算により決定するが、順位決定の具体的な方法については後述する。

（７）荷重値選択手段２８：
シリンダ順位決定手段２７により決定した順位に基づいて、荷重演算手段２２で演算された荷重値を上位から順に順位を付す。この場合、シリンダ判定手段２６における判定結果を用い、荷重計測に不適切な状態とされた油圧シリンダに関する荷重値は、そうでない油圧シリンダに関する荷重値より優先順位が下位とされる。荷重計測に不適切な状態とされた油圧シリンダに関する荷重値は、優先順位無しまたは優先順位無効としてもよい。選択された最上位の荷重計測値は最終荷重値出力手段２９に送られる。また、すべてのシリンダが計測に不適切であった場合は、荷重計測値が不適切であるという情報が送られる。
（８）最終荷重値出力手段２９：
荷重値選択手段２８により選択された油圧シリンダの荷重演算値を最終荷重値として表示装置３６に出力し、表示する。同時に、荷重値保持手段３０にこの最終荷重値を出力する。荷重値選択手段２８から荷重計測値は不適切である情報が付されている場合には、荷重値保持手段３０が保持している前回の計測結果である最終荷重値を読み込み、表示装置３６に出力する。また、この場合には、今回の計測結果である最終荷重値を表示装置３６および荷重値保持手段３０に出力しない。従って、表示装置３６には、最終荷重値出力手段２９から送られてくる前回の計測値である最終荷重値が表示される。また、荷重計測に不適切な油圧シリンダに関して演算された荷重計測値は、表示装置３６には表示されることはない。
（９）荷重値保持手段３０：
最終荷重値出力手段２９から送られる最終荷重値を保持する。

次に、荷重演算装置２０による演算の方法および手順に関して具体的に説明をする。
＜荷重演算＞
積載した重量物の荷重を演算により求める方法として三通りの方法ある。
第１の演算方法は、ブームシリンダ５のボトム室圧力センサ１１およびロッド室圧力センサ１２により検出された圧力検出値、およびブーム角度センサ８、アーム角度センサ９およびバケット角度センサ１０の各角度検出センサにより検出された角度検出値に基づいて演算する方法である。
第２の演算方法は、アームシリンダ６のボトム室圧力センサ１３およびロッド室圧力センサ１４により検出された圧力検出値、およびブーム角度センサ８、アーム角度センサ９およびバケット角度センサ１０の各角度検出センサにより検出された角度検出値に基づいて演算する方法である。
第３の演算方法は、バケットシリンダ７のボトム室圧力センサ１５およびロッド室圧力センサ１６により検出された圧力検出値、およびブーム角度センサ８、アーム角度センサ９およびバケット角度センサ１０の各角度検出センサにより検出された角度検出値に基づいて演算する方法である。
以下、第１〜第３の演算方法を順に説明する。

ａ．＜ブームシリンダによる荷重演算＞
ブームシリンダ５による荷重演算について、図４を参照して説明する。
図４における各符号は下記を示す。
Ｗ：フロント１Ａにかかる荷重
Ｗ₁：ブームシリンダ５を除いたフロント自重
ｌ_bm：ブーム２の揺動中心と荷重点間の水平方向長さ
h_bm：ブーム２の揺動中心からブームシリンダ５の軸線に対して引いた垂線の長さ
ｌ₁：ブーム２の揺動中心とブームシリンダ５を除いたフロント１Ａの重心位置間の水平方向長さ
P_1b、P_1r：ブームシリンダ５のボトム側圧力、ロッド側圧力
A_1b、A_1r ：ブームシリンダ５のボトム側受圧面積、ロッド側受圧面積
F_bm：ブームシリンダ５の推力

ブームシリンダ５のボトム側とロッド側にかかる荷重の差が推力であることから（数１）が成り立つ。

推力F_bmは、荷重Ｗによるモーメントおよびフロント自重Ｗ₁によるモーメントと釣り合っているので（数２）が成り立つ。

（数１）と（数２）から（数３）が導かれる。

ここで、ブームシリンダ５のボトム側受圧面積A_1bおよびロッド側受圧面積A_1r、フロント自重Ｗ₁は既知である。ボトム側圧力P_1bおよびロッド側圧力P_1rは、それぞれブームシリンダボトム室圧力センサ１１およびロッド室圧力センサ１２により検出される。長さl_bm、h_bm、l₁は角度センサ８、９、１０の検出結果より演算される。
以上より、ブームシリンダ５について、ブーム２の揺動中心のモーメント釣り合い式から荷重Ｗを演算することができる。

ｂ．＜アームシリンダによる荷重演算＞
アームシリンダ６による荷重演算について、図５を参照して説明する。
図５における各符号は下記を示す。
Ｗ：フロント１Ａにかかる荷重
Ｗ₂：ブーム２、ブームシリンダ５、アームシリンダ６を除いたフロント自重
ｌ_am：アーム３の揺動中心と荷重点間の水平方向長さ
h_am：アーム３の揺動中心からアームシリンダ６の軸線に対して引いた垂線の長さ
l₂：アーム３の揺動中心とブーム２、ブームシリンダ５、アームシリンダ６を除いたフロント重心位置間の水平方向長さ
P_2b 、P_2r：アームシリンダ６のボトム側圧力、ロッド側圧力
A_2b、A_2r ：アームシリンダ６のボトム側受圧面積、ロッド側受圧面積
F_am：アームシリンダ６の推力

アームシリンダ６のボトム側とロッド側にかかる荷重の差が推力であることから（数４）が成り立つ。

推力F_amは、荷重Ｗによるモーメントおよびフロント自重Ｗ₂によるモーメントと釣り合っているので、（数５）が成り立つ。

（数４）と（数５）から（数６）が導かれる。

アームシリンダ６のロッド側受圧面積A_2rおよびボトム側受圧面積A_2b、フロント自重Ｗ₂は既知である。ボトム側圧力P_2ｂ、ロッド側圧力P_2rは、それぞれアームシリンダのボトム室圧力センサ１３およびロッド室圧力センサ１４により検出される。長さl_am、h_am、l₂は角度センサ８、９、１０の検出結果より演算される。
以上より、アームシリンダ６について、アーム３の揺動中心のモーメント釣り合い式から荷重Ｗを演算することができる。

ｃ．＜バケットシリンダによる荷重演算＞
バケットシリンダ7による荷重演算について、図６、７を参照して説明する。
図６は圧力および荷重の位置を示し、図７は、図６に図示された圧力および荷重によるモーメントの釣り合いを説明するための図である。
図６および図７における各符号は下記を示す。
Ｗ：フロント１Ａにかかる荷重
Ｗ₃：ブーム２、アーム３、ブームシリンダ５、アームシリンダ６、バケットシリンダ７を除いたフロント自重
l_bk：バケット４の揺動中心と荷重点間の水平方向長さ
l₃：バケット４の揺動中心とブーム２、アーム３、ブームシリンダ５、アームシリンダ６、バケットシリンダ７を除いたフロント重心位置間の水平方向長さ
P_3b、P_3r：バケットシリンダ７のボトム側圧力、ロッド側圧力
A_3b、A_3r：バケットシリンダ７のボトム側受圧面積、ロッド側受圧面積
F_bk：バケットシリンダ７の推力

バケットシリンダ７のボトム側とロッド側にかかる荷重の差が推力であることから（数７）が成り立つ。

ここで、図７に示すように、バケットシリンダ７とアーム間をつなぐリンクのアーム側支点をa、バケットシリンダ７側支点をbとする。また、アーム先端をc、バケットシリンダ７とバケット４をつなぐリンクのバケット４側支点をｄとする。θ₁をバケットシリンダ７と直線ａｂのなす角の角度、θ_２を直線ａｂと直線ｂｄのなす角の角度、l_abをａｂ間の長さとおくと、バケットシリンダ７からバケットシリンダ７とバケット４をつなぐリンクに伝わる力F_bdは、バケットシリンダ７の推力F_bkと（数８）のように釣り合う。

この式はaまわりのモーメント釣り合い式である。

一方、θ₃を直線ｂｄと直線ｃｄのなす角の角度、l_cdをｃｄ間の長さとおくと、F_bdは以下のように、荷重Ｗによるモーメントおよびフロント自重Ｗ₃によるモーメントと釣り合っているので、（数９）が成立する。

従って、（数７）〜（数９）より（数１０）が導かれる。

バケットシリンダ７のロッド側受圧面積A_3rおよびボトム側受圧面積A_3b、フロント自重Ｗ₃、ａｂ間の長さl_ab、ｃｄ間の長さl_cdは既知である。ボトム側圧力P_3bおよびロッド側圧力P_3rは、それぞれバケットシリンダ７のボトム室圧力センサ１５およびロッド室圧力センサ１６により検出される。長さl_bkおよびl₃、角度θ₁、θ₂、θ₃は角度センサ８、９、１０の検出結果より演算される。
以上より、バケットシリンダ７について、バケット４の揺動中心のモーメント釣り合い式から荷重Ｗを演算することができる。

次に、シリンダ判定手段２６において判定する、荷重を演算することが不適切な状態に関して説明する。
荷重を演算することが不適切な油圧シリンダの状態には、次に示す（ｉ）〜（ｉｉｉ）の３つの状態がある。
（ｉ）油圧シリンダがストロークエンドまで伸縮された状態
（ｉｉ）油圧シリンダが特異な方向を向いている状態
（ｉｉｉ）油圧シリンダが駆動されている状態
正確な荷重の計測には、このような不適切な状態の油圧シリンダからの検出値に基づいて演算した荷重値を除外する必要がある。このためには、上記（ｉ）〜（ｉｉｉ）に示す状態であることを検出しなければならない。
以下、各状態の検出手段について順次説明する。

＜シリンダストロークエンド判定＞
シリンダストロークエンド判定手段２３で行われるシリンダストロークエンド判定について述べる。
各油圧シリンダが、伸縮ストローク端に達すると、ストローク端に設けられたクッション圧、リリーフ圧へと変動し、正確な圧力を検出することができない。そこで、油圧シリンダがストロークエンドに達したことを検出する。ブームシリンダ５、アームシリンダ６、バケットシリンダ７の長さは、それぞれブーム角度センサ８、アーム角度センサ９、バケット角度センサ１０の検出結果と、既知であるフロント寸法から演算することができる。また、各シリンダの最伸長および最縮長も既知である。シリンダストロークエンド判定手段２３は、角度センサ８、９、１０の検出結果より演算される各シリンダ長さが、それぞれの最伸長または最縮長に、ストロークエンド付近でのクッション域を含んだ長さとなったときに、油圧シリンダがストロークエンドとなったことを判定する。

＜特異姿勢判定＞
特異姿勢判定手段２４で行われる特異姿勢判定について述べる。
ここで述べる特異姿勢とは、フロント１Ａの揺動中心と荷重が加わる荷重作用点を結ぶ直線が、荷重方向と実質的に平行すなわち鉛直上向きまたは鉛直下向きとなるフロント１Ａの姿勢である。この姿勢では、油圧シリンダの圧力は、圧力ゼロの付近で不安定に変動し、正確な検出値を得ることができない。
特異姿勢では、ブームシリンダ５、アームシリンダ６、バケットシリンダ７それぞれについて、角度センサ８、９、１０の検出結果より演算されるl_bm、l_am、l_bkがそれぞれゼロとなる。そこで、特異姿勢判定手段２４は、l_bmがゼロとなるときブームシリンダ５について特異姿勢であると判定し、l_amがゼロとなるときアームシリンダ６ついて特異姿勢であると判定し、l_bkがゼロとなるときバケットシリンダ7について特異姿勢であると判定する。
なお、上記において、特異姿勢は、フロント１Ａの揺動中心と荷重が加わる荷重作用点を結ぶ直線が、荷重方向と実質的に平行すなわち鉛直上向きまたは鉛直下向きとなる場合としている。しかし、フロント１Ａの揺動中心と荷重が加わる荷重作用点を結ぶ直線が、荷重方向に対して所定の角度範囲内である場合を含むものである。

＜シリンダ駆動判定＞
駆動判定手段２５で行われるシリンダ駆動判定について述べる。
ブームシリンダ５、アームシリンダ６、バケットシリンダ７は、それぞれ対応する操作レバーをオペレータが操作することで、レバー操作方向に応じて伸長または短縮方向に駆動される。
そこで、操作レバー３２から各シリンダを駆動するために送られる操作信号として、パイロット圧力をパイロット圧センサ３３、３４、３５により検出する。これより、駆動判定手段２５は、操作信号が送られているシリンダを駆動状態であるとして判定する。

＜シリンダ順位決定＞
シリンダ順位決定手段２７で行われるシリンダ優先順位決定について、図８を参照して述べる。図８は油圧シリンダを備えた１リンクアームモデルであり、油圧シリンダはブームシリンダ５、アームシリンダ６、バケットシリンダ７のいずれかである。また、１リンクアームはシリンダに対応するフロントの部分が当てはまり、ブームシリンダ５に対応してフロント１Ａからブームシリンダ５を除いた部分、アームシリンダ６に対応してフロント１Ａからブーム２、ブームシリンダ５、アームシリンダ６を除いた部分、バケットシリンダ７に対応してフロント１Ａからブーム２、アーム３、ブームシリンダ５、アームシリンダ６、バケットシリンダ７を除いた部分が当てはまる。

荷重がフロント先端に作用したときのシリンダ室圧力変化量をΔＰ、リンク関節から荷重ベクトルまでの水平方向長さをl、リンク関節から油圧シリンダの軸線におろした垂線の長さをh、シリンダボトム側受圧面積をAとおく。ここで、Ｗを荷重の大きさとおくと、ΔＰは、（数１１）の式で表される。

ΔＰが大きいほど、荷重Ｗが油圧シリンダに伝わりやすいため、センサ精度や摩擦などの誤差要因の影響がセンサ検出値に占める割合が低下し、計測誤差が小さいと考えられる。
そこで、上式の括弧内を参照し、これが最も大きくなる油圧シリンダを選択する。すなわち、次の（数１２）に示すαが大きい順にブームシリンダ５、アームシリンダ６、バケットシリンダ７に順位をつける。

以上説明した通り、上記一実施の形態に示された油圧シリンダの荷重計測装置は下記の効果を奏する。
（１）フロントの姿勢を検出する姿勢検出手段と油圧シリンダの圧力を検出する圧力検出手段とを複数組設け、いずれの組によっても荷重計測をすることができるようにしたので、油圧シリンダのいずれかが駆動中であっても、荷重計測が可能であり、作業効率の向上を図ることができる。
（２）各油圧シリンダに関して演算により算出された荷重値に対し、所定の式による演算結果に基づいて、優先順位を付し、最優先の荷重値を出力するので、正確な計測結果が得られる。

（３）ストロークエンドまで伸縮された状態、特異な方向を向いている状態、駆動されている状態のいずれかに該当する油圧シリンダに関して演算された荷重値は、優先順位の下位とし、最終荷重値として表示しないので、オペレータが誤って読み取ることがない。
（４）荷重計測を、作業の継続に合わせて周期的に行うので、荷重が変わっても計測を連続的に行うことができ、一層、作業性よくすることができる。また、荷重が大きく変化した場合には、オペレータは、異常状態として認識することが可能であり、事故の未然防止を図ることができる。
（５）周期的に荷重計測を行っても、最終荷重値が荷重計測に不適切な油圧シリンダに関して演算されたものである場合には、前回の最終荷重値を表示し、今回の表示を消すことはないので、再計測を行ったり、前回の表示を再表示させたりするような操作をする必要がなく、能率的な作業を行うことができる。

[実施形態２]
上記実施形態１では、フロント１Ａの姿勢検出手段として角度センサを設けたものであった。
実施形態２では、フロント１Ａの姿勢検出手段として各油圧シリンダ５、６、７にストロークセンサを設ける。ストロークセンサにより、各油圧シリンダ５、６、７の停止位置を検出し、各油圧シリンダの長さを演算し、各油圧シリンダ５、６、７によって揺動されるブーム２、アーム３、バケット４の傾斜角を算出する。このようにしても、フロント１Ａの姿勢を検出することができる。

[実施形態３]
上記実施形態１では、圧力検出手段として圧力センサ１１〜１６をブームシリンダ５、アームシリンダ６、バケットシリンダ７の全てに設けたものであった。
実施形態３では、圧力センサを３つのシリンダのうちの２つに設ける構成とする。例えば、ブームシリンダ５に圧力センサ１１、１２を設け、アームシリンダ６に圧力センサ１３、１４を設ける。バケットシリンダ４には圧力センサを設けないので、この分、コストを低減することが可能である。このように、圧力センサを２つの油圧シリンダだけに設けた場合でも、図３に図示されたすべての処理の実行は可能である。但し、圧力センサの設置が１箇所少ないだけ、すべての油圧シリンダが、荷重値の演算が不適切な状態となる確率が高くなり、適切な最終荷重値が出力されるまでの時間が長くなる可能性が大きくなるので、この対応を図るようにすることがより望ましい。

[実施形態４]
上記実施形態１では、シリンダストロークエンド判定手段２３は、各油圧シリンダ長さが、それぞれの最伸長または最縮長に、ストロークエンド付近でのクッション域を含んだ長さとなったときに、油圧シリンダがストロークエンドとなったことを判定するものであった。
実施形態４では、シリンダストロークエンド判定手段２３は、各油圧シリンダ長さが、それぞれの最伸長または最縮長と一致した場合に、ストロークエンドとなったことを判定する。あるいは、シリンダストロークエンド判定手段２３は、ストロークエンド付近の、適切な長さと判断される、任意に設定した長さと一致した場合に、ストロークエンドとなったことを判定するようにしてもよい。

[実施形態５]
上記一実施の形態では、駆動判定手段２５としてパイロット圧力を検出する圧力センサ３３〜３５を用いたものであった。
実施形態５では、操作レバー３２を操作した際、操作レバー３２の傾斜角度を検出する角度センサを駆動判定手段として用いる。

[実施形態６]
上記一実施の形態では、各油圧シリンダの駆動判定手段２５として、油圧式の操作レバー３２を用い、操作レバー３２の操作に対応するパイロット圧の変化に基づいて判定するものであった。
実施形態６では、各油圧シリンダの駆動判定手段２５として、電気式の操作レバー３２を用い、操作レバー３２の操作に対応する電圧値の変化を検出して各油圧シリンダの駆動状態を判定する。

[実施形態７]
上記一実施の形態では、各油圧シリンダの駆動判定を、各操作レバー３２の操作状態の基づいて行うものであった。
実施形態７では、各油圧シリンダの駆動判定を、ブーム２、アーム３、バケット４の角度を検出するフロント１Ａの姿勢検出手段により行う。各角度センサ８、９、１０からの検出値を所定の時間間隔で取り込み、その時間変化の有無、または時間変化が所定の割合以下であるか否かに基づいて、各油圧シリンダ５、６、７の駆動状況を判定する。

[実施形態８]
上記一実施の形態では、荷重値保持手段３０は、最終荷重値出力手段２９が出力した最新の荷重値を、前回の最終荷重値に置き換えるものであった。
実施形態８では、荷重値保持手段３０は、最終荷重値出力手段２９が出力する最終荷重値を最新のものから時系列的に複数の所定の個数、または最新のものから時系列的に所定時間内における複数個、保持する。そして、今回の最終荷重値が、荷重計測には不適切である油圧シリンダに関して演算された荷重値である場合には、荷重値保持手段３０に保持されている荷重値の平均値を出力する。または、荷重値保持手段３０に保持されている荷重値の中央値を出力する。

[実施形態９]
上記一実施の形態では、シリンダ順位決定手段２７によりシリンダの優先順位を決定した後、シリンダ判定手段２６によるシリンダ判定を行った。
実施形態９では、シリンダ判定手段２６によるシリンダ判定を、シリンダ順位決定手段２７によるシリンダの優先順位決定よりも先に行う。

[実施形態１０]
上記一実施の形態では、フロント１Ａは、フロント作業機としてバケット４を備えているものであった。
実施形態１０では、フロント１Ａは、フロント作業機としてフォークグラップル、リフティングマグネットのいずれかを備えている。この場合、フロント作業機として、さらに、他のフロント作業機に置き換えることも可能である。

なお、上記一実施の形態では、荷重値選択手段２８において、荷重演算手段２２において演算した荷重値に優先順位を付すとして説明したが、ここでは、すべての荷重値に順位を付す必要はなく、計測値として最適な状態にあった油圧シリンダに関して、すなわち、その油圧シリンダの圧力センサの検出値に基づいて演算された荷重値を決定すればよい。
また、最終荷重値を表示する表示装置３６に替えて、音声により出力する報音器を用いることができる。表示装置および報音器の両者により報知してもよい。報音器による報知は、荷重値が設定した閾値を超えた場合に警報を発する警報機としてもよい。さらに、フロント１Ａは作業腕が３つである油圧ショベルに限られるものではなく、作業腕を4つ以上有するフロント１Ａに対しても適用が可能である。

その他、本発明の油圧ショベルの荷重計測装置は、発明の趣旨の範囲内において、種々、変形して適用することが可能であり、要は、複数の油圧シリンダと、それぞれ、各油圧シリンダにより駆動される複数の作業腕とを有するフロントにより重量物の運搬作業を行う油圧ショベルの荷重計測装置であって、フロント姿勢を検出する姿勢検出手段と、油圧シリンダの中、少なくとも２つの油圧シリンダのそれぞれに対して、ボトム側圧力およびロッド側圧力を検出する圧力検出手段と、姿勢検出手段および圧力検出手段の検出結果に基づいて、少なくとも２つの油圧シリンダに関する荷重値を演算する荷重演算手段と、姿勢検出手段の検出結果に基づいて、各油圧シリンダがストロークエンドであることを判定するシリンダストロークエンド判定手段と、姿勢検出手段の検出結果に基づいて特異姿勢であることを判定する特異姿勢判定手段と、油圧シリンダが駆動状態であることを判定するシリンダ駆動判定手段と、シリンダストロークエンド判定手段、特異姿勢判定手段およびシリンダ駆動判定手段の判定結果に基づいて、各油圧シリンダが、荷重演算を行うことに不適切な状態であることを判定するシリンダ判定手段と、姿勢検出手段の検出結果に基づいて、荷重演算手段により演算された荷重値を、計測値として適切な順に優先順位を付すシリンダ順位決定手段と、シリンダ判定手段およびシリンダ順位決定手段の判定結果に基づいて最優先順位の荷重値を最終荷重値として出力する最終荷重値出力手段とを備え、最終荷重値は、シリンダストロークエンド判定手段でストロークエンドであると判定された油圧シリンダ、特異姿勢判定手段で特異姿勢であると判定された油圧シリンダまたはシリンダ駆動判定手段で駆動状態であると判定された油圧シリンダのいずれにも該当しない油圧シリンダに関して演算された荷重値のうち、最優先順位の荷重値であるようにしたものであればよい。

１油圧ショベル
１Ａフロント作業機
１Ｂ車体
２ブーム（作業腕）
３アーム（作業腕）
４バケット（作業腕）
５〜７油圧シリンダ
８〜１０角度センサ
１１〜１６圧力センサ
３３〜３５パイロット圧センサ

Claims

複数の油圧シリンダと、それぞれ、各油圧シリンダにより駆動される複数の作業腕とを有するフロントにより重量物の運搬作業を行う油圧ショベルの荷重計測装置であって、
フロント姿勢を検出する姿勢検出手段と、
前記油圧シリンダの中、少なくとも２つの前記油圧シリンダのそれぞれに対して、ボトム側圧力およびロッド側圧力を検出する圧力検出手段と、
前記姿勢検出手段および前記圧力検出手段の検出結果に基づいて、少なくとも２つの前記油圧シリンダに関する荷重値を演算する荷重演算手段と、
前記姿勢検出手段の検出結果に基づいて前記各油圧シリンダがストロークエンドであることを判定するシリンダストロークエンド判定手段と、
前記姿勢検出手段の検出結果に基づいて特異姿勢であることを判定する特異姿勢判定手段と、
前記油圧シリンダが駆動状態であることを判定するシリンダ駆動判定手段と、
前記シリンダストロークエンド判定手段、前記特異姿勢判定手段および前記シリンダ駆動判定手段の判定結果に基づいて、前記各油圧シリンダが、荷重演算を行うことに不適切な状態であることを判定するシリンダ判定手段と、
前記姿勢検出手段の検出結果に基づいて、前記荷重演算手段により演算された荷重値を、計測値として適切な順に優先順位を付すシリンダ順位決定手段と、
前記シリンダ判定手段および前記シリンダ順位決定手段の判定結果に基づいて最優先順位の荷重値を最終荷重値として出力する最終荷重値出力手段とを備え、
前記最終荷重値は、前記シリンダストロークエンド判定手段でストロークエンドであると判定された前記油圧シリンダ、前記特異姿勢判定手段で特異姿勢であると判定された前記油圧シリンダまたは前記シリンダ駆動判定手段で駆動状態であると判定された前記油圧シリンダのいずれにも該当しない前記油圧シリンダに関して演算された荷重値のうち、最優先順位の荷重値であることを特徴とする油圧ショベルの荷重計測装置。
請求項１に記載の油圧ショベルの荷重計測装置において、さらに、荷重値を演算する前記荷重演算手段による荷重値の演算と、前記最終荷重値出力手段による最終荷重値の出力とを所定の周期で繰り返し行わせる演算指示手段を備えることを特徴とする油圧ショベルの荷重計測装置。
請求項１または２に記載の油圧ショベルの荷重計測装置において、前記シリンダ順位決定手段は、
α＝（ｌ／ｈ）×（１／Ａ）
（但し、ｌ：油圧シリンダによって揺動されるフロントのリンク関節から荷重ベクトルまでの水平方向長さ、ｈ：油圧シリンダによって揺動されるフロントのリンク関節から油圧シリンダの軸線におろした垂線の長さ、Ａ：油圧シリンダのボトム側受圧面積）
により演算したαの大きさの順に優先順位を付すことを特徴とする油圧ショベルの荷重計測装置。
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の油圧ショベルの荷重計測装置において、前記特異姿勢判定手段は、前記油圧シリンダによって揺動される前記作業腕が鉛直方向に向いている状態の場合に特異姿勢であると判定することを特徴とする油圧ショベルの荷重計測装置。
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の油圧ショベルの荷重計測装置において、さらに、前記最終荷重値出力手段が出力する荷重値を保持し、演算周期ごとに更新する荷重値保持手段を備え、前記油圧シリンダの全てが、前記シリンダストロークエンド判定手段でストロークエンドであると判定されたか、前記特異姿勢判定手段で特異姿勢であると判定されたかまたは前記シリンダ駆動判定手段で駆動状態であると判定されたかのいずれかであるとき、前記荷重値保持手段が保持する荷重値を最終荷重値出力手段に出力することを特徴とする油圧ショベルの荷重計測装置。
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の油圧ショベルの荷重計測装置において、最終荷重値出力手段が出力した計測荷重値を報知する報知手段を備えることを特徴とする油圧ショベルの荷重計測装置。