JP5519414B2 - 建設機械 - Google Patents

Description

本発明は、ブーム、アーム、バケット等の作業要素を駆動して掘削作業を行なう建設機械に関する。

掘削作業を行なう建設機械の一例として油圧ショベルがある。一般的に、油圧ショベルは、ブームと、ブームの先端に取り付けられたアームと、アームの先端に取り付けられたバケットとを有する。ブーム、アーム、及びバケットは油圧シリンダで駆動される。すなわち、ブームはブームに設けられたブームシリンダにより駆動され、アームはアームに設けられたアームシリンダにより駆動され、バケットはバケットに設けられたバケットシリンダにより駆動される。

油圧ショベルでの掘削作業中にはこれらの油圧シリンダに油圧が供給され、ブーム及びアームを駆動してバケットを目的の位置に移動しながら、バケットで土砂等を掘削する。バケットですくい上げられた土砂は、所定の場所に排土（ダンプ）される。通常、掘削動作は、バケットを土砂に差し込んだ後、アームを閉じながら（手前に引きながら）バケットを閉じるという動作となる。

バケットによる掘削の際に、バケットを土砂に深く入れて過ぎてしまった場合、あるいは掘削する土砂が固くて重いような場合、土砂によりバケットに加わる負荷が大きくなり、アームを閉じる動作あるいはバケットを閉じる動作ができなくなることがある。例えば、アームを閉じようとしてアームシリンダに最大の油圧を供給しても、土砂による負荷が大きすぎてそれ以上アームを閉じることができないような場合が生じることがある。建設機械のオペレータは、アームをそれ以上閉じることができなくなったこと（アームを最大の力で閉じるように操作レバーを操作してもアームが停止していること）を目視で判断し、そのような場合には掘削深さを浅くするなどして掘削動作をやり直すこととなる。

このように、オペレータの目視による判断によると、掘削動作をやり直すべきであると判断するまでにある程度時間がかかってしまう。掘削動作のやり直しに移るまでの間は、例えばアームを閉じようとして最大の油圧をアームシリンダに加えて続けており、油圧エネルギを無駄に消費してしまうこととなる。

そこで、バケットやアーム等の作業要素に荷重検出器を取り付けて作業要素に加わる荷重（掘削反力）を検出することができる。例えば、バケットをアームに取り付ける部分にストレインゲージを取り付けて歪みを測定し、測定した歪みから荷重（掘削反力）を求めることが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開平１０−２２７６８４号公報

上述の特許文献１に開示された荷重検出方法では、土砂に接触して掘削作業を行なうバケットにストレインゲージを取り付けるため、ストレインゲージが破損しやすいという問題がある。また、掘削動作時にバケットに慣性力が作用するため、この慣性力による歪みをストレインゲージが検出してしまい、荷重検出時の誤差が生じるおそれがある。

本発明は上述の問題に鑑みなされたものであり、ブーム、アーム、及びバケット等の作業要素に荷重検出器を取り付けずに、作業要素の位置及び姿勢から掘削反力を求めることで、掘削動作における過負荷を判定し、作業要素の動作を制御することのできる建設機械を提供することを目的とする。

本発明によれば、ブーム、アーム、及びバケットを駆動して掘削作業を行なう建設機械であって、前記ブームの角度を検出するブーム角度検出器と、前記アームの角度を検出するアーム角度検出器と、前記バケットの角度を検出するバケット角度検出器と、掘削する土砂の土砂特性に関するデータ、及びバケット角度並びに前記土砂特性と前記バケットに作用する土砂の掘削反力との関係を予め求め、テーブル化した掘削反力テーブルを格納した記憶装置と、掘削動作を制御する制御部とを有し、前記制御部は、検出したブーム角度、検出したアーム角度、検出したバケット角度、及び前記記憶装置に格納された土砂特性から前記掘削反力テーブルを用いて、前記バケットに作用する土砂の掘削反力を算出し、算出した掘削反力が予め設定した上限値より大きいか否かを判定して掘削動作を修正すべきか否かを判断することを特徴とする建設機械が提供される。

上述の建設機械において、前記制御部は、算出した掘削反力が予め設定した上限値より大きくなったことをオペレータに通知することが好ましい。あるいは、前記制御部は、算出した掘削反力が予め設定した上限値より大きい場合、前記ブームを上げて掘削深さを低減するように前記ブームの駆動を制御することとしてもよい。

また、前記制御部は、前記ブームを駆動するブームシリンダの圧力に基づいて前記バケットが土砂に接触したか否かを判定し、前記バケットが土砂に接触していないときは、掘削反力をゼロに設定することとしてもよい。さらに、前記制御部は、前記ブームを駆動するブームシリンダの圧力に基づいて前記バケットが土砂に接触したか否かを判定し、前記バケットが土砂に接触したときから、掘削反力の算出を行なうこととしてもよい。また、前記制御部は、前記バケットで掘削した土砂の重量を算出し、該土砂の重量に基づいて前記土砂の土砂特性を決定することとしてもよい。さらに、前記制御部は、前記ブームを駆動するブームシリンダの油圧が予め設定した上限値より高い場合には、前記ブームを上げて掘削深さを低減することとしてもよい。

上述の発明によれば、ブーム、アーム、及びバケット等の作業要素に荷重検出器を取り付けずに、作業要素の位置及び姿勢から掘削反力を求めることで、掘削動作における過負荷を判定し、作業要素の動作を制御することのできる建設機械を提供することができる。

油圧ショベルの側面図である。 掘削動作時の油圧ショベルの側面図である。 掘削反力を算出する際のパラメータを示す図である。 掘削反力の算出方法を示すブロック図である。 掘削動作区間における各動作時点におけるバケットの位置を示す図である。 掘削動作中のバケット角度の変化と掘削反力の変化を示すグラフである。 バケット角度の変化に対する掘削反力の変化を示すグラフである。 掘削動作の制御処理のフローチャートである。 掘削動作の途中で掘削深さを小さく修正した場合の、掘削動作区間における各動作時点におけるバケットの位置を示す図である。 掘削深さに対する補正係数を示すグラフである。 補正係数を用いて掘削反力を補正した場合と、補正しない場合の、バケット姿勢の変化と掘削反力の変化の関係を示すグラフである。 土砂密度に対する補正係数を示すグラフである。 補正係数を用いて掘削反力を補正した場合と、補正しない場合の、バケット姿勢の変化と掘削反力の変化の関係を示すグラフである。 油圧ショベルの油圧回路を示す図である。 シリンダの圧力がリリーフ圧力より高いときに掘削動作が異常な状態であると判断し、掘削深さを調整するように制御する掘削動作のフローチャートである。

本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

まず、本発明が適用可能な建設機械の一例として油圧ショベルについて説明する。図１は建設機械の一例である油圧ショベルの側面図である。油圧ショベルの下部走行体１には、旋回機構２を介して上部旋回体３が搭載されている。上部旋回体３からブーム４が延在し、ブーム４の先端にアーム５が接続される。さらに、アーム５の先端にバケット６が接続される。ブーム４、アーム５及びバケット６は、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９によりそれぞれ油圧駆動される。また、上部旋回体３には、運転室としてのキャビン１０及び動力源としてのエンジン（図示せず）が搭載される。また、上部旋回体３には、油圧ショベルの作業要素の動作を制御するための制御部であるコントローラ３０（図２参照）が設けられる。コントローラ３０は、オペレータからの指示、及び油圧ショベルの各部に設けられたセンサからの検出情報に基づいて、各作業要素の動作を制御する。コントローラ３０は電子制御部であり、演算を行なうＣＰＵ及び記憶装置（メモリ）としてのＲＯＭ，ＲＡＭ等を備えている。

ブーム４は上部旋回体３に対して上下に旋回可能に支持されており、旋回支持部（関節）にブーム角度センサＳ１（図２，３参照）が取り付けられている。ブーム角度センサＳ１により、水平方向からのブーム４の傾き角度であるブーム角θ１を検出することができる。

アーム５はブーム４の先端に旋回可能に支持されており、旋回支持部（関節）にアーム角度センサＳ２（図２，３参照）が取り付けられている。アーム角度センサＳ２によりブーム４に対するアーム５の角度を検出し、検出したアーム５の角度とブーム角θ１から、水平方向からのアーム５の傾き角度であるアーム角θ２を求めることができる。

バケット６はアーム５の先端に旋回可能に支持されており、旋回支持部（関節）にバケット角度センサ（図２，３参照）が取り付けられている。バケット角度センサによりアーム５に対するバケット６の角度を検出し、検出したバケットの角度、ブーム角θ１及びアーム角θ２から、水平方向からのバケット６の傾き角度であるバケット角θ３を検出することができる。

上部旋回体３を旋回させる旋回機構２には、旋回角度センサ（図示せず）が設けられている。旋回角度センサにより、上部旋回体３が正面を向いた位置からの角度である旋回角を検出することができる。

油圧ショベルが行なう典型的な動作として、掘削・積込み動作がある。掘削・積込み動作は、バケットで土砂を掘ってすくい上げ、運搬車の荷台に土砂を載せるという動作である。掘削・積込み動作は、一般的に４つの動作区間に分けられる。４つの動作区間とは、土砂を掘削してバケットに入れる掘削動作区間、土砂が入ったバケットを運搬車の荷台の上まで移動するブーム上げ旋回動作区間、運搬車の荷台にバケットの土砂を排出するダンプ動作区間、及び、バケットを掘削位置まで移動するブーム下げ旋回動作区間である。この４つの動作区間のうち、掘削動作区間において掘削による反力がバケットに作用する。したがって、掘削動作区間において掘削による反力（掘削反力）を求め、求めた掘削反力に基づいて掘削動作を制御することが好ましい。本実施形態では、掘削動作時のブーム４、アーム５、バケット６の姿勢（位置、角度）からバケット６の先端に作用する掘削反力を演算により求める。そして、演算により求めた掘削反力が予め設定された値よりも大きくなった場合に、掘削動作を一旦停止し、ブームを上げて掘削深さを浅くしてから掘削動作を継続して行なう。

図２は掘削動作時の油圧ショベルの側面図である。掘削動作時にはブーム４が下げられてバケット６が土砂の中に差し込まれた状態とし、それからアーム５を閉じながらバケット６を閉じることで、バケット６で土砂をすくい上げる。

図２において、掘削する土砂の頂上にバケット６の先端が到達したところから掘削が開始されるとする。油圧ショベルが置かれた地面のレベルをゼロ（０）と定義し、地面から下方向を正と定義し、さらに、掘削する土砂の頂上と地面との差を掘削開始高さＨ０と定義すると、図２において、掘削開始高さＨ０は地面より高い位置であるため、Ｈ０は負の値となる。そして、ブーム４を下げてバケット６を土砂に差し込んだときの、地面（０）からバケット６の先端までの深さを掘削途中深さＨと定義する。掘削途中のバケット６の先端の位置は、地面より低い位置となるため、Ｈは正の値となる。掘削深さΔＨは、掘削する土砂の頂上からバケット６を土砂に差し込んだときの地面からバケット６の先端までの深さに相当し、掘削開始深さＨｏと掘削途中深さＨとの和となる。ここで、掘削途中深さＨは正の値であり、掘削途中深さＨは負の値であるため、掘削深さΔＨを求めるには、ＨからＨ０を引くこととなる（ΔＨ＝Ｈ−Ｈ０）。Ｈ０は負の値であるため、掘削深さΔＨはＨとＨ０の絶対値が加算された値となる。また、掘削動作時における水平面からのバケット６の傾き角度（すなわち、バケット角度θ３）をバケット姿勢θ３とする。また、掘削開始高さＨ０が地面より下の場合には正の値となるため、掘削深さΔＨはＨからＨ０の絶対値が減算された値となる。

本実施形態では、後述のように、バケット姿勢θ３（バケット６の水平からの角度）と掘削開始深さΔＨとから、掘削時のバケット６の先端に作用する土砂の反力（掘削反力Ｆ）を演算により求める。

図３は掘削反力を算出する際のパラメータを示す図である。ブーム４は、ブームの支持点Ｐ１とアームの支持点Ｐ２とを結ぶ線分として表される。アーム角度θ１はこのブーム４を表す線分と水平線との間の角度である。アーム５は、アーム５の支持点Ｐ２とバケット６の支持点Ｐ３とを結ぶ線分として表される。アーム角度θ２はこのアーム５表す線分と水平線との間の角度である。バケット６は、バケット６の支持点Ｐ３とバケット６の先端とを結ぶ線分として表される。バケット角度θ３はこのバケット６を表す線分と水平線との間の角度である。

ブーム４には、ブームシリンダ７の駆動力Ｆ１による回転モーメントτ１が加わる。アーム５には、アームシリンダ８の駆動力Ｆ２による回転モーメントτ２が加わる。バケット６には、バケットシリンダ９の駆動力Ｆ３による回転モーメントτ３が加わる。

ここで、バケット６の先端に作用する掘削反力Ｆの方向は、バケット６の先端の速度方向Ｖと逆向きとなる。

図４は掘削反力Ｆの算出方法を示す機能ブロック図である。掘削反力Ｆの算出は上述のコントローラ３０により行なわれる。本実施形態において、掘削反力は、実測データ分析により得られた掘削反力テーブルを用いて算出する。掘削反力テーブル３２は、バケット姿勢θ３と掘削深さΔＨとから決まる掘削反力Ｆの値が格納されたテーブルであり、実測データ分析により予め求められるテーブルである。より具体的には、掘削反力テーブル３２は、実掘削時と空掘削時のバケット姿勢θ３と掘削深さΔＨをデータ分析することで、バケット姿勢θ３と掘削反力Ｆとの関係をテーブル化したものである。

ここで、バケット姿勢θ３は、水平方向からのブーム４の角度であるブーム角度θ１と、ブーム４に対するアーム５の角度と、アーム５に対するバケット６の角度とから求めることができる。このようにして求めたバケット姿勢θ３から掘削反力テーブル３２を用いて掘削反力Ｆを算出する。なお、掘削反力テーブル３２はコントローラ３０のメモリに格納されている。

また、本実施形態では、掘削する土砂の特性（深さ、密度）を考慮して補正しながら掘削反力Ｆを算出する。すなわち、掘削深さΔＨが変わると掘削反力Ｆは変化するので、掘削深さΔＨの変化と掘削反力Ｆは変化との関係をテーブル化した掘削深さ補正テーブル３４を予め準備しておく。そして、掘削反力Ｆを算出する際に掘削深さΔＨを考慮するための補正係数Ｋ１を掘削深さ補正テーブル３４から求め、掘削反力Ｆを掘削反力テーブル３２から求める際に補正係数Ｋ１により掘削反力Ｆを補正して求める。掘削深さ補正テーブル３４はコントローラ３０のメモリに格納されている。

また、掘削反力Ｆは土砂密度によっても変化するため、土砂密度と掘削反力Ｆとの関係をテーブル化した密度特性テーブル３６を予め準備しておく。そして、そして、掘削反力Ｆを算出する際に土砂密度を考慮するための補正係数Ｋ２を土砂特性テーブル３６から求め、掘削反力Ｆを掘削反力テーブル３２から求める際に補正係数Ｋ２により掘削反力Ｆを補正して求める。土砂特性テーブル３６はコントローラ３０のメモリに格納されている。

ここで、密度特性テーブルに入力される土砂密度は、掘削する土砂により異なるので、掘削開始時に土砂密度を測定する。例えば、掘削を開始する前にバケット６で土砂をすくい上げ、すくい上げた土砂の重量とバケット６の容積から土砂の密度を測定することができる。本実施形態では、掘削を開始して最初の掘削動作ですくい上げた土砂の密度を測定して、測定した土砂密度をコントローラ３０のメモリに格納しておく。

次に、上述のように算出した掘削反力Ｆの変化について説明する。まず、掘削動作区間における動作時点ｔ１〜ｔ４について説明する。図５は掘削動作区間における動作時点ｔ１〜ｔ４におけるバケットの位置を示す図である。

動作時点ｔ１は掘削動作を始めた時点であり、図５（ａ）に示すように、ブーム４が下げられてバケット６の先端が土砂に接触した状態である。動作時点ｔ２は掘削動作が進んだ時点であり、図５（ｂ）に示すように、バケット６の先端が掘削深さΔＨに到達した状態である。動作時点ｔ３はさらに掘削動作が進んだ時点であり、図５（ｃ）に示すように、バケット６が閉じ始めて土砂をすくい上げている状態である。動作時点ｔ４は掘削動作が終了した時点であり、図５（ｄ）に示すように、掘削した土砂をバケット６に完全にすくい上げた状態である。

図６は掘削動作中のバケット姿勢θ３の変化と掘削反力Ｆの変化を示すグラフである。図６（ａ）は掘削動作中のバケット姿勢θ３の変化を示し、図６（ｂ）は掘削動作中の掘削反力Ｆの変化を示す。なお、バケット角度はバケット６が閉じる方向（時計回り方向）をマイナスとし、バケットを開く方向（反時計回り方向）をプラスとする。

掘削動作が開始されて掘削が進むに連れて、バケット６の水平線からの角度であるバケット姿勢θ３はバケット６を閉じる方向に大きくなり、動作時点ｔ４にて水平に近い最大角度となる。バケット姿勢θ３は、アーム５を閉じる動作とバケット６を閉じる動作により大きくなる。

一方、土砂による掘削反力Ｆは、バケット６の先端が掘削深さΔＨに到達するまでの動作時点ｔ１〜ｔ２の間は急激に大きくなる。すなわち、バケット６で土砂を掘削する動作であり、土砂からの反力を強く受けている。動作時点ｔ２〜ｔ３の間は、掘削した土砂をバケット６ですくい上げる動作であるため、主に土砂の重量による反力が作用するだけであり、掘削反力Ｆの増大率は減少する。動作時点ｔ３〜ｔ４の間は、バケット６の先端は土砂から離れてすくい上げた土砂の重量による反力だけとなるため、掘削反力は減少する。

図７は図６に示すバケット姿勢θ３の変化に対する掘削反力Ｆの変化を示すグラフである。掘削動作時にバケット６の先端が土砂に接触してからバケット姿勢θ３が大きくなるにつれて掘削反力Ｆが変化することが示されている。上述の図４に示す掘削力反力テーブルは、このバケット姿勢θ３と掘削反力Ｆとの関係をテーブル化したものである。

算出した掘削反力Ｆが図７に示すように変化した場合、掘削反力Ｆは予め設定された掘削反力上限値Ｆｍａｘを超えていないので、掘削動作は通常のままオペレータのレバー操作のとおりに行なわれる。ここで、掘削反力上限値Ｆｍａｘは、掘削している土砂によりバケット６に過大な負荷がかかったと判定するための限界値である。すなわち、掘削反力Ｆが掘削反力上限値Ｆｍａｘを超えた場合は、レバー操作によりそれ以上掘削動作を進めても、バケット６が土砂の負荷により停止してしまうおそれがある。

そこで、本実施形態では、掘削反力Ｆが掘削反力上限値Ｆｍａｘを超えた場合は、そのことをオペレータに通知し、オペレータに掘削動作をやり直すかあるいは操作を修正することを促すこととする。オペレータへの通知は、操縦室の操作パネルに表示を行なえばよい。あるいは警告音を発してオペレータに通知することとしてもよい。オペレータは通知を受けると、バケット６に加わる土砂の負荷（反力）を低減するようにバケット６を操作する。通常、バケット６に加わる土砂の反力を低減するには、ブーム４を少し上げてバケット６の掘削深さΔＨを小さくすればよい。したがって、アーム５を閉じながら掘削動作を行なっている途中で掘削反力Ｆが掘削反力上限値Ｆｍａｘを超えたという通知を受けたオペレータは、一旦アーム閉じ動作を中断し（あるいはアーム閉じ動作を継続していてもよい）、ブーム４を上げて掘削深さΔＨを浅くする。掘削深さΔＨを浅くすることで、バケット６に加わる土砂の反力が低減されるので、再びアーム閉じ動作を継続し、掘削動作を最後まで行なうことができる。

なお、掘削動作を自動で行なう場合には、掘削反力Ｆが掘削反力上限値Ｆｍａｘを超えたことをオペレータに通知するだけでなく、コントローラ３０が自動的にブーム４を少し上げてバケット６の掘削深さΔＨを小さくしてから掘削動作をやり直せばよい。

図８はコントローラ３０が行なう上述の掘削動作の制御フローチャートである。まず、掘削動作が開始されると、ステップＳ１において、ブームシリンダ７のロッド側圧力Ｐｒがブームシリンダ７のボトム側圧力Ｐｂより大きいか否かが判定される（Ｐｂ＜Ｐｒ？）。この判定はバケット６が土砂に接触したか否かを判定するためのものである。バケット６が上方から土砂に着地（接触）すると、土砂の反力がブーム４に伝わるため、ブームシリンダ７のロッド側圧力Ｐｒが、ブームシリンダ７のボトム側圧力Ｐｂより大きな値となる。

ステップＳ１において、ブームシリンダ７のロッド側圧力Ｐｒが、ブームシリンダ７のボトム側圧力Ｐｂより大きな値ではない（ステップＳ１のＮＯ）と判定されると、処理はステップＳ２に進み、掘削反力Ｆをゼロ（Ｆ＝０）とする。続いて、処理はステップＳ１に戻り、ロッド側圧力Ｐｒがボトム側圧力Ｐｂより大きいか否かが判定される（Ｐｂ＜Ｐｒ？）。

ステップＳ１において、ブームシリンダ７のロッド側圧力Ｐｒが、ブームシリンダ７のボトム側圧力Ｐｂより大きな値である（ステップＳ１のＹＥＳ）と判定されると、掘削反力Ｆが生じているため、処理はステップＳ３に進む。

ステップＳ３では、上述の図４に示す掘削反力算出方法により掘削反力Ｆが算出される。続いて、ステップＳ４において、掘削反力Ｆが掘削反力上限値Ｆｍａｘより大きいか否かが判定される。すなわち、ステップＳ４において、バケット６が過負荷となっているか否かが判定される。

ステップＳ４において、掘削反力Ｆが掘削反力上限値Ｆｍａｘより大きくないる（ステップＳ４のＮＯ）と判定されると、処理はステップＳ５に進む。ステップＳ５では、バケット６が過負荷となってはいないので掘削動作を継続してもよいと判断し、処理はステップＳ３に戻って再び掘削反力Ｆを算出する。一方、ステップＳ４において、掘削反力Ｆが掘削反力上限値Ｆｍａｘより大きい（ステップＳ４のＹＥＳ）と判定されると、処理はステップＳ６に進む。ステップＳ６では、掘削反力Ｆが掘削反力上限値Ｆｍａｘより大きくなっていることをオペレータに通知し、オペレータは掘削深さΔＨを浅くするようにブーム４を上げる操作を行なう。

処理はステップＳ６からステップＳ３に戻り、再び掘削反力Ｆを算出してから、ステップＳ３以降の処理を繰り返す。以上の処理は、オペレータのレバー操作による掘削動作が終了するまで継続して行なわれる。

図９は掘削動作の途中で掘削深さΔＨを小さく修正した場合の（上述のフローチャートのステップＳ４においてＹＥＳとなった場合の）、掘削動作区間における動作時点ｔ１〜ｔ５におけるバケットの位置を示す図である。

動作時点ｔ１は掘削動作を始めた時点であり、図９（ａ）に示すように、ブーム４が下げられてバケット６の先端が土砂に接触した状態である。動作時点ｔ２は掘削動作が進んだ時点であり、図９（ｂ）に示すように、バケット６の先端が掘削深さΔＨに到達した状態である。動作時点ｔ２において、掘削反力反Ｆが掘削反力上限値Ｆｍａｘより大きくなったので、オペレータはブームを上げてバケット６を上げる操作を行なう。動作時点ｔ３において、図９（ｃ）に示すように、バケット６が上昇して掘削深さΔＨが浅くなり、掘削反力反Ｆが減少して掘削反力上限値Ｆｍａｘより小さくなる。そこで、オペレータは掘削動作（ブーム閉じ及びバケット閉じ）を再開する。動作時点ｔ４はさらに再開した掘削動作が進んだ時点であり、図９（ｄ）に示すように、バケット６が閉じ始めて土砂をすくい上げている状態である。動作時点ｔ５は掘削動作が終了した時点であり、図９（ｅ）に示すように、掘削した土砂をバケット６に完全にすくい上げた状態である。

以上のように、本実施形態によれば、掘削動作中に土砂の反力によりバケット６が過負荷となったことを検知してオペレータに通知するので、オペレータは直ちに掘削動作を修正することができる。そのため、バケットがそれ以上動かなくなるような無駄な掘削動作を行なうことが無く、掘削動作を修正するまでに費やす時間を低減することができ、無駄な油圧を消費することも防止できる。

次に、土砂特性による掘削反力Ｆの補正（図４参照）についてより詳細に説明する。

まず、掘削深さ補正について説明する。掘削深さ補正は、補正係数Ｋ１を考慮して掘削反力テーブルから掘削反力Ｆを求めることで行なわれる。図１０は掘削深さΔＨに対する補正係数Ｋ１を示すグラフである。掘削深さΔＨがある程度深くなるとバケット６により移動する土砂の体積が大きくなり、その分掘削反力Ｆの増加率が大きくなる。そこで、図１０に示すように、掘削深さΔＨがある程度大きくなると、補正係数Ｋ１の値も大きくなる。したがって、掘削反力テーブルは、与えられる補正係数ｋ１が大きくなると求められる掘削反力Ｆが大きくなるように設定されている。

図１１は補正係数Ｋ１を用いて掘削反力Ｆを補正した場合と、補正しない場合の、バケット姿勢θ３の変化と掘削反力Ｆの変化の関係を示すグラフである。図１１において、補正係数Ｋ１を用いて補正しないときの掘削反力Ｆの変化が実線ＦＮで示され、補正係数Ｋ１を用いて補正したときの掘削反力Ｆの変化が点線ＦＣで示されている。

図１１において、補正係数Ｋ１を用いて補正しないで算出した掘削反力Ｆは、掘削動作を開始した時点ｔ１から上昇し始める。動作時点ｔ１では、図９（ａ）に示すように、ブーム４が下げられてバケット６の先端が土砂に接触した状態である。その後、動作時点ｔ３、ｔ４を通り動作時点ｔ５で掘削動作は終了する。動作時点ｔ３は掘削動作が開始されてからある程度進んだ時点であり、図９（ｃ）に示すように、バケット６の先端が適切な掘削深さΔＨに到達した状態である。ここで、補正しないで掘削反力Ｆを算出した場合は、図９（ｂ）に示す動作時点ｔ２の状態とはならず、最初から図９（ｃ）に示す動作時点ｔ３に示す状態で掘削深さΔＨは適当な深さとなる。動作時点ｔ４はさらに掘削動作が進んだ時点であり、図９（ｄ）に示すように、バケット６が閉じ始めて土砂をすくい上げている状態である。動作時点ｔ５は掘削動作が終了した時点であり、図９（ｅ）に示すように、掘削した土砂をバケット６に完全にすくい上げた状態である。

一方、補正係数Ｋ１を用いて補正して算出した掘削反力Ｆは、掘削動作を開始した時点ｔ１（図９ａの状態）から上昇し、動作時点ｔ２（図９（ｂ）の状態）において掘削反力上限値Ｆｍａｘを超えてしまう。動作時点ｔ２から後もそのまま掘削動作を継続したとすると、算出される掘削反力Ｆはその後も増大した後に減少し、時点ｔ５において掘削動作が終了する。ただし、実際は、掘削深さΔＨが深すぎた場合は、動作時点ｔ２より後も掘削反力はＦは益々増大し、アームシリンダ８に最大油圧を供給して動かそうとしてもアーム５を閉じることができず、バケット６は停止してそれ以上進めない状態となってしまう。このような状態では、実際の掘削反力Ｆは掘削反力上限値Ｆｍａｘを超えたところで一定となる。すなわち、図１１における点線ＦＣは、掘削反力Ｆがいくら大きくなってもアーム５を閉じることができることを前提とした、掘削反力Ｆの変化を示している。

ここで、動作時点ｔ２（図９（ｂ）の状態）において、算出された掘削反力Ｆが掘削反力上限値Ｆｍａｘを超えたときには、オペレータはブーム４を上げて掘削深さΔＨを浅くする。これにより、動作時点ｔ２（図９（ｂ）の状態）から動作時点ｔ３（図９（ｃ）の状態）に移行するものとする。動作時点ｔ３以降は掘削反力Ｆは掘削反力上限値Ｆｍａｘを超えることはなく、動作時点ｔ４（図９（ｄ）の状態）を通って動作時点ｔ５（図９（ｅ）の状態）において掘削動作が終了する。

なお、図１１に示す例では、算出された掘削反力Ｆが動作時点ｔ２において掘削反力上限値Ｆｍａｘを超えたときに、補正無しで算出した掘削反力Ｆまで下がるように掘削深さΔＨを減少させたが、必ずしも補正無しで算出した掘削反力Ｆまで下げる必要はなく、掘削反力上限値Ｆｍａｘより小さな値とすればよい。掘削反力Ｆの減少が少ない場合は、掘削動作を続けると再度掘削反力上限値Ｆｍａｘを超えることとなり、その場合は、再度ブーム４を上げて掘削深さΔＨを浅くすることとなる。

次に、掘削深さ補正について説明する。密度補正は、補正係数Ｋ２を考慮して掘削反力テーブルから掘削反力Ｆを求めることで行なわれる。図１２は土砂密度に対する補正係数Ｋ２を示すグラフである。土砂密度にほぼ比例して土砂の反力は大きくなるので、補正係数Ｋ２も土砂密度にほぼ比例して大きくなるように設定されている。図１２に示す関係がテーブル化されて図４に示す密度特性テーブルとなる。したがって、掘削する土砂の密度を予め測定しておき、測定した密度を密度特性テーブルに設定することで、適切な補正係数Ｋ２が密度特性テーブルから出力される。掘削反力テーブルは、与えられる補正係数ｋ２が大きくなると求められる掘削反力Ｆが大きくなるように設定されている。

図１３は補正係数Ｋ２を用いて掘削反力Ｆを補正した場合と、補正しない場合の、バケット姿勢θ３の変化と掘削反力Ｆの変化の関係を示すグラフである。図１３において、補正係数Ｋ２を用いて補正しないときの掘削反力Ｆの変化が実線ＦＮで示され、補正係数Ｋ２を用いて補正したときの掘削反力Ｆの変化が点線ＦＣで示されている。

図１３において、補正係数Ｋ２を用いて補正しないで算出した掘削反力Ｆは、掘削動作を開始した時点ｔ１から上昇し始める。動作時点ｔ１では、図９（ａ）に示すように、ブーム４が下げられてバケット６の先端が土砂に接触した状態である。その後、動作時点ｔ３、ｔ４を通り動作時点ｔ５で掘削動作は終了する。動作時点ｔ３は掘削動作が開始されてからある程度進んだ時点であり、図９（ｃ）に示すように、バケット６の先端が適切な掘削深さΔＨに到達した状態である。ここで、補正しないで掘削反力Ｆを算出した場合は、図９（ｂ）に示す動作時点ｔ２の状態とはならず、最初から図９（ｃ）に示す動作時点ｔ３に示す状態で掘削深さΔＨは適当な深さとなる。動作時点ｔ４はさらに掘削動作が進んだ時点であり、図９（ｄ）に示すように、バケット６が閉じ始めて土砂をすくい上げている状態である。動作時点ｔ５は掘削動作が終了した時点であり、図９（ｅ）に示すように、掘削した土砂をバケット６に完全にすくい上げた状態である。

一方、補正係数Ｋ２を用いて補正して算出した掘削反力Ｆは、掘削動作を開始した時点ｔ１（図９ａの状態）から上昇し、動作時点ｔ２（図９（ｂ）の状態）において掘削反力上限値Ｆｍａｘを超えてしまう。動作時点ｔ２から後もそのまま掘削動作を継続したとすると、算出される掘削反力Ｆはその後も増大した後に減少し、時点ｔ５において掘削動作が終了する。ただし、実際は、掘削深さΔＨが深すぎた場合は、動作時点ｔ２より後も掘削反力Ｆは益々増大し、アームシリンダ８に最大油圧を供給して動かそうとしてもアーム５を閉じることができず、バケット６は停止してそれ以上進めない状態となってしまう。このような状態では、実際の掘削反力Ｆは掘削反力上限値Ｆｍａｘを超えたところで一定となる。すなわち、図１３における点線ＦＣは、掘削反力Ｆがいくら大きくなってもアーム５を閉じることができることを前提とした、掘削反力Ｆの変化を示している。

ここで、動作時点ｔ２（図９（ｂ）の状態）において、算出された掘削反力Ｆが掘削反力上限値Ｆｍａｘを超えたときには、オペレータはブーム４を上げて掘削深さΔＨを浅くする。これにより、動作時点ｔ２（図９（ｂ）の状態）から動作時点ｔ３（図９（ｃ）の状態）に移行するものとする。動作時点ｔ３以降は、掘削反力Ｆは掘削反力上限値Ｆｍａｘを超えることはなく、動作時点ｔ４（図９（ｄ）の状態）を通って動作時点ｔ５（図９（ｅ）の状態）において掘削動作が終了する。

なお、図１３に示す例では、算出された掘削反力Ｆが動作時点ｔ２において掘削反力上限値Ｆｍａｘを超えたときに、補正無しで算出した掘削反力Ｆまで下がるように掘削深さΔＨを減少させたが、必ずしも補正無しで算出した掘削反力Ｆまで下げる必要はなく、掘削反力上限値Ｆｍａｘより小さな値とすればよい。掘削反力Ｆの減少が少ない場合は、掘削動作を続けると再度掘削反力上限値Ｆｍａｘを超えることとなり、その場合は、再度ブーム４を上げて掘削深さΔＨを浅くすることとなる。

以上のように、補正係数Ｋ１及び補正係数Ｋ２を用いて掘削反力Ｆを補正することで、より精確な掘削反力Ｆを演算で求めることができ、掘削動作を適切に制御することができる。

上述の実施形態では、図８に示すフローチャートのステップＳ１においてバケットの着地を判定し、バケットが着地してからステップＳ２において掘削反力Ｆを算出し、ステップＳ４において過負荷を判定しているが、シリンダの圧力がリリーフ圧力より高いときに掘削動作が異常な状態であると判断し、掘削深さを調整することとしてもよい。

通常、油圧シリンダや油圧モータ等の油圧駆動部には、図１４に示すように供給する油圧が高くなりすぎた場合に油圧を逃がすためのリリーフ弁が設けられている。図１４は油圧ショベルの油圧回路を示す図である。

図１４において、エンジン１２により油圧ポンプ１４が駆動され、油圧ポンプ１４は高圧油圧ライン１６を介して高圧の作動油を油圧制御弁１８に供給する。油圧制御弁１８は、油圧ポンプ１４から供給された高圧の作動油を、コントローラ３０の指示に基づいて、走行モータ（右）及び走行モータ（左）（どちらも図示せず）、旋回モータ２０、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、バケットシリンダ９に分配・供給する。

ブームシリンダ７のボトム側にはリリーフ弁７Ａが接続されている。リリーフ弁７Ａは、ブームシリンダ７のボトム側に供給される油圧が予め設定された油圧より高くなると開弁して、作動油をタンク２２に戻して油圧がそれ以上高くならないようにする。同様に、ブームシリンダ７のロッド側にはリリーフ弁７Ｂが接続されている。リリーフ弁７Ｂは、ブームシリンダ７のロッド側に供給される油圧が予め設定された油圧より高くなると開弁して、作動油をタンク２２に戻して油圧がそれ以上高くならないようにする。

同様に、アームシリンダ８に対してリリーフ弁８Ａ，８Ｂが設けられ、バケットシリンダ９に対してリリーフ弁９Ａ，９Ｂが設けられている。また、旋回モータ２０の入力側にリリーフ弁２０Ａが接続され、吐出側にリリーフ弁２０Ｂが接続されている。

図１５はシリンダの圧力がリリーフ圧力より高いときに掘削動作が異常な状態であると判断し、掘削深さを調整するように制御する掘削動作のフローチャートである。

まず、掘削動作が開始されると、ステップＳ１１において、ブームシリンダ７の油圧、又はアームシリンダ８の油圧、又はバケットシリンダ９の油圧を検出する。次に、ステップＳ１２において、ブームシリンダ７の油圧、又はアームシリンダ８の油圧、又はバケットシリンダ９の油圧が、リリーフ圧より高い状態が持続するリリーフ持続時間が判定時間Ｔより長いか否かが判定される。例えば、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９に油圧計を設けて、油圧計の検出値をコントローラ３０に共有し、コントローラ３０がこの検出値をリリーフ圧より高いか否か判定し、高い場合はその持続時間を判定する。あるいは、リリーフ弁が作動してリリーフしていることを示すリリーフ信号を、各リリーフ弁がコントローラ３０に供給し、コントローラ３０はリリーフ信号の持続時間が判定時間Ｔより長いか否かを判定する。

ステップＳ１２において、ブームシリンダ７の油圧、又はアームシリンダ８の油圧、又はバケットシリンダ９の油圧がリリーフ圧より高い状態の持続時間が判定時間Ｔより長くない（ステップＳ１２のＮＯ）と判定されると、処理はステップＳ１３に進む。

ステップＳ１３では、上述の図４に示す掘削反力算出方法により掘削反力Ｆが算出される。続いて、ステップＳ１４において、掘削反力Ｆが掘削反力上限値Ｆｍａｘより大きいか否かが判定される。すなわち、ステップＳ１４において、バケット６が過負荷となっているか否かが判定される。

ステップＳ１４において、掘削反力Ｆが掘削反力上限値Ｆｍａｘより大きくないる（ステップＳ１４のＮＯ）と判定されると、処理はステップＳ１５に進む。ステップＳ１５では、バケット６が過負荷となってはいないので掘削動作を継続してもよいと判断し、処理はステップＳ１３に戻って再び掘削反力Ｆを算出する。一方、ステップＳ１４において、掘削反力Ｆが掘削反力上限値Ｆｍａｘより大きい（ステップＳ１４のＹＥＳ）と判定されると、処理はステップＳ１６に進む。ステップＳ１６では、掘削反力Ｆが掘削反力上限値Ｆｍａｘより大きくなっていることをオペレータに通知し、オペレータは掘削深さΔＨを浅くするようにブーム４を上げる操作を行なう。

一方、ステップＳ１２において、ブームシリンダ７の油圧、又はアームシリンダ８の油圧、又はバケットシリンダ９の油圧がリリーフ圧より高い状態の持続時間が判定時間Ｔより長い（ステップＳ１２のＹＥＳ）と判定されると、処理はステップＳ１３〜Ｓ１５をスキップして、ステップＳ１６に進む。すなわち、ブームシリンダ７の油圧、又はアームシリンダ８の油圧、又はバケットシリンダ９の油圧がリリーフ圧より高い状態の持続時間が判定時間Ｔより長い場合は、掘削動作に異常が発生していると判断して、それをオペレータに通知し、ブーム４を上げて掘削深さΔＨを減少するように促す。

その後、処理はステップＳ１６からステップＳ１１に戻り、ブームシリンダ７の油圧、アームシリンダ８の油圧、及びバケットシリンダ９の油圧を検出してから、ステップＳ１２以降の処理を繰り返す。以上の処理は、オペレータのレバー操作による掘削動作が終了するまで継続して行なわれる。

１ 下部走行体
２ 旋回機構
３ 上部旋回体
４ ブーム
５ アーム
６ バケット
７ ブームシリンダ
７Ａ，７Ｂ リリーフ弁
８ アームシリンダ
８Ａ，８Ｂ リリーフ弁
９ バケットシリンダ
９Ａ，９Ｂ リリーフ弁
１０ キャビン
１２ エンジン
１４ 油圧ポンプ
１６ 高圧油圧ライン
１８ 油圧制御弁
２０ 旋回モータ
２２ タンク
３０ コントローラ
３２ 掘削反力テーブル
３４ 掘削深さ補正テーブル
３６ 密度特性テーブル
Ｓ１ ブーム角度センサ
Ｓ２ アーム角度センサ
Ｓ３ バケット角度センサ

Claims (7)

1. ブーム、アーム、及びバケットを駆動して掘削作業を行なう建設機械であって、
   前記ブームの角度を検出するブーム角度検出器と、
   前記アームの角度を検出するアーム角度検出器と、
   前記バケットの角度を検出するバケット角度検出器と、
   掘削する土砂の土砂特性に関するデータ、及びバケット角度並びに前記土砂特性と前記バケットに作用する土砂の掘削反力との関係を予め求め、テーブル化した掘削反力テーブルを格納した記憶装置と、
   掘削動作を制御する制御部と
   を有し、
   前記制御部は、検出したブーム角度、検出したアーム角度、検出したバケット角度、及び前記記憶装置に格納された土砂特性から前記掘削反力テーブルを用いて、前記バケットに作用する土砂の掘削反力を算出し、算出した掘削反力が予め設定した上限値より大きいか否かを判定して掘削動作を修正すべきか否かを判断することを特徴とする建設機械。
2. 請求項１記載の建設機械であって、
   前記制御部は、算出した掘削反力が予め設定した上限値より大きくなったことをオペレータに通知することを特徴とする建設機械。
3. 請求項１記載の建設機械であって、
   前記制御部は、算出した掘削反力が予め設定した上限値より大きい場合、前記ブームを上げて掘削深さを低減するように前記ブームの駆動を制御することを特徴とする建設機械。
4. 請求項１乃至３のうちいずれか一項記載の建設機械であって、
   前記制御部は、前記ブームを駆動するブームシリンダの圧力に基づいて前記バケットが土砂に接触したか否かを判定し、前記バケットが土砂に接触していないときは、掘削反力をゼロに設定することを特徴とする建設機械。
5. 請求項１乃至４のうちいずれか一項記載の建設機械であって、
   前記制御部は、前記ブームを駆動するブームシリンダの圧力に基づいて前記バケットが土砂に接触したか否かを判定し、前記バケットが土砂に接触したときから、掘削反力の算出を行なうことを特徴とする建設機械。
6. 請求項１乃至５のうちいずれか一項記載の建設機械であって、
   前記制御部は、前記バケットで掘削した土砂の重量を算出し、該土砂の重量に基づいて前記土砂の土砂特性を決定することを特徴とする建設機械。
7. 請求項１乃至６のうちいずれか一項記載の建設機械であって、
   前記制御部は、前記ブームを駆動するブームシリンダの油圧が予め設定した上限値より高い場合には、前記ブームを上げて掘削深さを低減することを特徴とする建設機械。

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