JP5887405B2 - 作業機械の応力演算システム - Google Patents

Description

本発明は油圧ショベル、ダンプトラックおよびホイールローダを含む作業機械の応力演算システムに関する。

本技術分野の背景技術としては、特開２００３−１６６９０９号公報（特許文献１）がある。この公報には、「油圧ショベル１を所定の動作パターンで場内試験して応力検出器によりフロント各部の応力σ１を検出する。油圧ショベル１と同機種の油圧ショベル２を現場試験してストロークセンサと圧力センサにより油圧ショベルの動作パターンとそのときのフロント各部の応力σ２を検出する。応力σ１とσ２により動作パターンに対応した補正係数αを算出する。油圧ショベル１、２と同クラスの油圧ショベル３を所定の動作パターンで場内試験して応力検出器によりフロント各部の応力σ１を検出し、この応力を補正係数αで補正して補正後の応力σＡを求める」と記載されている。

また、特開２００９−１３３１９４号公報（特許文献２）がある。この公報には、「油圧ショベルのアームとブームにひずみゲージを取付け、作業負荷によるひずみを検出し、この検出したひずみ量に基づき、アームとブーム各部位の被害量を演算で求めて寿命を予測する。さらにアームシリンダ又はブームシリンダにかかる油圧ピーク値を代用して、ひずみ量及び被害量を演算によって求めても構わない」と記載されている。

特開２００３−１６６９０９号公報 特開２００９−１３３１９４号公報

複数のアクチュエータによって駆動される作業装置（フロント作業装置）を前方に有する作業機械の１つとして、ブーム、アーム及び作業具（例えば、バケット）を有する多関節型の作業装置を複数の油圧シリンダで駆動する油圧ショベルがある。油圧ショベルでは、その使用状況の多様化により、耐久試験合格品であっても想定した疲労強度を満足しない場合がある。そこで、実動下におけるフロント作業装置に生じる応力に基づいて強度評価を行い、疲労強度低下に伴うその破壊を未然に防ぐシステム（強度評価システム）の構築が必要とされている。

しかし、実動下の油圧ショベルでは、油圧シリンダによるブーム、アーム及びバケットの回動動作や旋回モータによる旋回動作に伴って姿勢が変化し、さらに、当該姿勢や積荷に応じてバケットに作用する荷重も変化する。そのため、フロント作業装置に係る構造物に発生する最大応力の位置は逐次変化する。また、バケットには、主に積荷による静的荷重のみならず、掘削作業に伴う衝撃等の動的荷重も作用する。そのため、動的荷重に起因した応力波がショベル全体に伝わって最大応力の位置が変化することがある。このように、実動下では、最大応力の位置及び値は常に変化しているため、応力評価は困難である。

そのため、実動下の作業装置の正確な強度評価を行うためには、作業装置を構成する構造物全体の応力評価を行うことが好ましい。ところで、特許文献１と特許文献２に係る技術では、ひずみゲージを取り付けた位置での応力および被害量を検出している。そのため、フロント作業装置に係る応力及び被害量（損傷量）の評価位置を増加する場合には、当該評価位置の数だけひずみゲージを取り付ける必要があり、ひずみゲージ及びこれに伴う配線の重量増加により油圧ショベルの運動性能が低下してしまう。さらに、これはコスト増加にもつながる。

本発明は、運動性能を損なうことなく作業機械の所望の位置に係る応力評価が可能な作業機械の応力演算システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。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、外部から荷重が作用した時に作業機械に生じる変化を示すパラメータである荷重関連パラメータを検出する荷重関連パラメータ検出器と、前記作業機械の姿勢を示すパラメータである姿勢関連パラメータを検出する姿勢関連パラメータ検出器と、前記荷重関連パラメータ検出器および前記姿勢関連パラメータ検出器の出力値に基づいて、当該出力値のときの前記作業機械の応力分布を推定する演算部とを備えるものとする。

本発明によれば、少数のセンサで作業機械の所望の位置での応力評価が可能なので、作業機械の運動性能の維持及びコストの抑制が可能になる。

本発明の第１の実施の形態に係る作業機械の概略図。 本発明の第１の実施の形態に係る応力演算システムの概略構成図。 本発明の第１の実施の形態に係る応力分布データベース４２ａに含まれるデータを示す図。 図３中の加速度分布a_{d_pw}、ひずみ分布ε_{d_pw}及び応力分布σ_{d_pw}を求める際に考慮する各油圧シリンダの変位のパターンを示す図。 図３中の加速度分布a_{d_pw}、ひずみ分布ε_{d_pw}及び応力分布σ_{d_pw}を求める際に考慮する荷重の大きさ及び方向のパターンを示す図。 図５で示した３種類の荷重の方向（x、 y、 z）と油圧ショベルの関係を示す図。 本発明の第１の実施の形態における応力演算部４１ａで実行される応力演算処理のフローチャート。 図１の油圧ショベルで実動稼働を模擬した動作を行ったときに測定されたセンサ群１１、１３、１５の出力値の時系列データの一例をグラフ形式で表した図。 図８に示したセンサ群１１、１３、１５の出力値の時系列データを0.1[s]ごとに抽出してテーブル形式で表した図。 本発明の第１の実施の形態に係る作業装置６について、t=1.1[s]における応力分布を示す図。 時系列データ記憶装置４２ｂに記憶された、所定の評価位置における作業装置６の応力の時間変化を示す図。 本発明の第１の実施の形態に係る表示装置４３にブーム１０及びアーム１２の残存寿命を表示した図。 本発明の第２及び第３の実施の形態に係る作業機械の概略図。 本発明の第２の実施の形態に係る応力演算システムの概略構成図。 本発明の第２の実施の形態に係る応力分布データベース４２ｃに含まれるデータを示す図。 図１５中の加速度分布a_{d_pw}、ひずみ分布ε_{d_pw}及び応力分布σ_{d_pw}を求める際に考慮する上部作業体の各軸回り角度のパターンを示す図。 図１５中の加速度分布a_{d_pw}、ひずみ分布ε_{d_pw}及び応力分布σ_{d_pw}を求める際に考慮する各油圧シリンダの速度のパターンを示す図。 図１５中の加速度分布a_{d_pw}、ひずみ分布ε_{d_pw}及び応力分布σ_{d_pw}を求める際に考慮する上部作業体の各軸回り角速度のパターンを示す図。 図１６、図１８で示した各回転軸（x軸、 y軸、 z軸）と油圧ショベルの関係を示す図。 本発明の第２の実施の形態における応力演算部４１ａで実行される応力演算処理のフローチャート。 本発明の第３の実施の形態に係る応力演算システムの概略構成図。 本発明の第３の実施の形態に係る近似式構築に使用する予測変数と応答のパターンデータを示す図。 本発明の第３の実施の形態における応力演算部４１ｃで実行される応力演算処理のフローチャート。 本発明の適用対象たる作業機械の１つであるダンプトラックの概略図である。 本発明の適用対象たる作業機械の１つであるホイールローダの概略図である。 本発明を油圧ショベル、ダンプトラックおよびホイールローダに適用した場合の予測変数と応答の関係を示した図。

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。
図１は本発明の第１の実施の形態に係る作業機械（油圧ショベル）の概略図である。この図に示す作業機械は、地面に接して走行するための下部走行体２と、作業装置６が取り付けられた上部作業体４を主に備えている。

作業装置（フロント作業装置）６は、ブーム１０、アーム１２及びアタッチメント１４を有する多関節型のものであり、上部作業体４の前方に回動自在に取り付けられている。ブーム１０は、ブーム１０の一端（基端）に位置する回動軸３０を介して、上部作業体４に対して回動可能に支持されている。ブーム１０は、上部作業体４とブーム１０に架け渡された油圧シリンダ（ブームシリンダ）２０を伸縮させることにより、回動軸３０を中心に駆動される。

アーム１２は、ブーム１０の他端に位置する回動軸３２を介して、ブーム１０に対して回動可能に支持されている。アーム１２は、ブーム１０とアーム１２に架け渡された油圧シリンダ（アームシリンダ）２２を伸縮させることにより、回動軸３２を中心に駆動される。

アタッチメント１４は、アーム１２の先端に位置する回動軸３４を介して、アーム１２に対して回動可能に支持されている。アタッチメント１４は、リンク機構１６を介してアーム１２とアタッチメント１４に架け渡された油圧シリンダ（アタッチメントシリンダ）２４を伸縮することにより、回動軸３４を中心に駆動される。なお、図１に示した作業機械１には、アタッチメント１４として、バケットが取り付けられているが、この他にも、グラップル、カッタ、ブレーカ、マグネット等の他のアタッチメントを作業に応じて取付けても良い。また、以下においては、図１に基づいて、アタッチメント１４をバケット１４、アタッチメントシリンダ２４をバケットシリンダ２４と表記することがある。

各油圧シリンダ２０、２２、２４の駆動は、上部作業体４の運転室（キャブ）内に設置され油圧信号を出力する操作装置（図示せず）によって制御される。

本実施の形態に係る油圧ショベルは、方向及び大きさが異なる種々の荷重が作用することで稼働中の作業装置６に生じる変化を示す荷重関連パラメータを検出するための検出器（荷重関連パラメータ検出器）として、ひずみゲージ１１ａと、ひずみゲージ１１ｂと、加速度検出器１３を備えている。なお、以下では、荷重関連パラメータとして、作業装置６の加速度及びひずみを取りあげた場合について主に説明するが、後に説明する油圧シリンダ２０、２２、２４の圧力（例えば、ボトム側圧力）を含め、その他のパラメータを利用しても良い。

ブーム１０には、ブーム１０に生じるひずみの検出器としてひずみゲージ１１ａが貼り付けられており、アーム１２には、アーム１２に生じるひずみの検出器としてひずみゲージ１１ｂが貼り付けられている。ひずみゲージ１１ａ、１１ｂの取り付け位置に特に限定は無いが、図１の例では、ひずみゲージ１１ａはブーム１０の上面に取り付けられており、ひずみゲージ１１ｂはアームの下面に取り付けられている。

アーム１２には、アーム１２に発生する加速度を検出するための加速度検出器１３が取り付けられている。加速度検出器１３の取り付け位置には特に限定は無いが、図の例ではアーム１２の上面に取り付けられている。

また、本実施の形態に係る油圧ショベルは、稼働中の作業装置６の姿勢（各回動軸３０、３２、３４を基準としたブーム１０、アーム１２及びアタッチメント１４の回動角度）を検出するための姿勢関連パラメータ検出器として、各油圧シリンダ２０、２２、２４の変位を検出するための変位検出器１５ａ、１５ｂ、１５ｃを備えている。ブームシリンダ２０には、ブームシリンダ２０のストローク変位を検出するための変位検出器１５ａが取り付けられており、アームシリンダ２２には、アームシリンダ２２のストローク変位を検出するための変位検出器１５ｂが取り付けられており、アタッチメントシリンダ２４には、アタッチメントシリンダ２４のストローク変位を検出するための変位検出器１５ｃが取り付けられている。変位検出器１５ａ、１５ｂ、１５ｃの出力値は、作業装置６の姿勢を検出するために用いられる。

なお、以下では、上記のひずみゲージ１１ａ、１１ｂと、加速度検出器１３と、変位検出器１５ａ、１５ｂ、１５ｃをまとめて「センサ群」と称することがあり、同種のセンサ内で区別する必要が無い場合にはアルファベットの添字を省略して表記することがある。

上部作業体４は、下部走行体２の上部に取り付けられている。本実施の形態の作業機械は油圧ショベルであり、上部作業体４は、旋回油圧モータを含む旋回装置（図示せず）を介して下部走行体２に対して旋回可能に連結されているが、旋回装置を介することなく下部走行体２に取り付けても良い。なお、図１に示した下部走行体２は、無限軌道履体を備えたいわゆるクローラ式のものであるが、複数の車輪を備えたいわゆるホイール式で構成しても勿論良い。

図２は本発明の実施１の形態に係る応力演算システムの概略構成図である（なお、先の図と同じ部分には同じ符号を付して説明を省略することがある（後の図についても同様とする。）。）。この図の応力演算システムは、各種プログラムを実行するための演算手段としての演算処理装置（例えば、ＣＰＵ）４１と、当該プログラムをはじめ各種データを記憶するための記憶手段としての記憶装置（例えば、ＲＯＭ、ＲＡＭおよびフラッシュメモリ等の半導体メモリや、ハードディスクドライブ等の磁気記憶装置）４２と、演算処理装置４１の処理結果等を表示するための表示装置（例えば、液晶モニタ等）４３と、各装置４１、４２、４３へのデータ及び指示等の入出力制御を行うための入出力演算処理装置４４を備えている。

入出力演算処理装置４４には、センサ群１１、１３、１５と、オペレータ等による指示及びデータ等の入力に用いられる入力装置（例えば、キーパッドやタッチパネル等）４５が接続されており、センサ群１１、１３、１５の出力値（d_B、 d_A、 d_Bk、 a_A、 ε_B、 ε_A）が入力される。ここでは、ブームシリンダ２０に係る変位検出器１５ａの出力値をd_B[mm]とし、アームシリンダ２２に係る変位検出器１５ｂの出力値をd_A[mm]とし、バケットシリンダ２４に係る変位検出器１５ｃの出力値をd_Bk[mm]とし、アーム１２に係る加速度検出器１３に係る出力値をa_A[m/s²]とし、ブーム１０に係るひずみゲージ１１ａの出力値をε_B[×10^-6]とし、アーム１２に係るひずみゲージ１１ｂの出力値をε_A[×10^-6]とする。

なお、ここでは、演算処理装置４１と、記憶装置４２と、表示装置４３と、入出力演算処理装置４４は、図１に示した油圧ショベルに搭載されているものとして説明するが、これら装置４１、４２、４３、４４を、複数の油圧ショベルの動作管理を行うための管理センタ内の電子計算機に搭載し、各油圧ショベルに設置されたセンサ群１１、１３、１５からの出力を無線ネットワークを介して受信して演算処理装置４１によって各種処理を実行するように構成しても良いし、構成の一部を油圧ショベルに搭載しつつ、残りを管理センタ内の電子計算機に搭載しても良い。すなわち、油圧ショベル上のセンサ群１１、１３、１５との通信が可能であれば各装置４１、４２、４３、４４の設置場所は特に限定されない。

図２に示した応力演算システムは、記憶装置４２として、応力分布データベース（以下、「応力分布ＤＢ」と称することがある）４２ａと、時系列データ記憶装置４２ｂを備えている。

応力分布ＤＢ４２ａには、方向及び大きさが異なる複数の荷重がそれぞれ作用したときに作業装置６に生じる応力分布と、当該複数の荷重がそれぞれ作用したときに作業装置６に生じる変化を示す荷重関連パラメータが記憶されている。ここにおける「荷重」には、慣性力の影響を無視できる静的荷重（例：バケット１４内の積荷による荷重）と、慣性力の影響がある動的荷重（例：作業装置６に作用する衝撃、振動に伴う荷重）がある。応力分布及び荷重関連パラメータは、当該複数の荷重の方向及び大きさ並びに作業装置６の姿勢ごとに記憶されている。応力分布ＤＢ４２ａは、実機（ここでは図１に示した油圧ショベル）を模したシミュレーションモデル（機構モデル）の解析結果に基づいて作成されたものであり、予め記憶装置４２に記憶しておくものとする。

ここで、応力分布ＤＢ４２ａの構築方法の一例について説明する。まず、実動荷重下で作業装置６に係る各部の加速度及びひずみと、各油圧シリンダ２０、２２、２４の変位を各種センサで実測する。このとき、アタッチメント１４内の積荷による静的荷重を検出するために各油圧シリンダ２０、２２、２４の圧力を圧力センサ等で実測しても良い。そして、実機を模した機構モデルにシリンダ変位（実測した場合にはさらにシリンダ圧力）を入力して、作業装置６の加速度及びひずみを解析により算出する。解析により得た当該加速度及びひずみを実測値と比較して、両者が最も一致するようにモデルのパラメータ（例えば、回動軸（ピン）の剛性など）を最適化する。そして、当該最適化したモデルを用いて、作業装置６の姿勢や作業装置６に作用する荷重を変化させながら、作業装置６（ブーム１０及びアーム１２）に発生する応力分布、加速度分布及びひずみ分布を求め、これらをシリンダ変位（作業装置６の姿勢）及び荷重をキーとして応力分布ＤＢ４２ａに格納する。

図３は、本発明の第１の実施の形態に係る応力分布ＤＢ４２ａに含まれるデータを示す図である。この図に示すように、本実施の形態に係る応力ＤＢ４２ａのデータには、バケットシリンダ変位d_Bkn[mm]と、アームシリンダ変位d_An[mm]と、ブームシリンダ変位d_Bn[mm]と、バケットに作用する荷重（動的荷重及び静的荷重）の方向及び大きさL_sxm、 L_dxm、 L_sym、 L_dym、 L_szm、 L_dzm[N]と、作業装置６に発生する加速度分布a_{d_pw}[m/s²]、ひずみ分布ε_{d_pw}[×10^-6]及び応力分布σ_{d_pw}[MPa]とが含まれている。なお、n、 m、 wはともに自然数とする。

図４は、図３中の加速度分布a_{d_pw}、ひずみ分布ε_{d_pw}及び応力分布σ_{d_pw}を求める際に考慮する各油圧シリンダ２０、２２、２４の変位のパターン（すなわち、作業装置６の姿勢のパターン）を示す図である。本実施の形態では、バケットシリンダ変位はそれぞれ値が異なるd_Bk1〜d_Bknのn通り（nは自然数）、アームシリンダ変位はそれぞれ値が異なるd_A1〜d_Anのn通り、ブームシリンダ変位はそれぞれ値が異なるd_B1〜d_Bnのn通りとする。したがって、シリンダ変位のパターンの総数はn³通りとなる。

図５は、図３中の加速度分布a_{d_pw}、ひずみ分布ε_{d_pw}及び応力分布σ_{d_pw}を求める際に考慮する荷重であってバケット１４に負荷するものの大きさ及び方向（x、 y、 z）のパターンを示す図である。図６は、図５で示した３種類の荷重の方向（x、 y、 z）と油圧ショベルの関係を示す図であり、図６中の各矢印の方向を各方向の正とする。図５に示すように、本実施の形態では、静的x方向荷重はそれぞれ値が異なるL_sx1〜L_sxmのm通り（mは自然数）、動的x方向荷重はそれぞれ値が異なるL_dx1〜L_dxmのm通り、静的y方向荷重はそれぞれ値が異なるL_sy1〜L_symのm通り、動的y方向荷重はそれぞれ値が異なるL_dy1〜L_dymのm通り、静的z方向荷重はそれぞれ値が異なるL_sz1〜L_szmのm通り、動的z方向荷重はそれぞれ値が異なるL_dz1〜L_dzmのm通りとする。したがって、荷重のパターンの総数はm⁶通りとなる。

図３の説明に戻る。上記により、図３における加速度分布a_{d_pw}、ひずみ分布ε_{d_pw}及び応力分布σ_{d_pw}に係るパターンpの総数wは、図４のシリンダ変位のパターンの総数と、図５の荷重の方向及び大きさのパターンの総数との組合せによりn³×m⁶通りとなる。したがって、wは１からn³×m⁶までの自然数となる。

図３に示す応力分布ＤＢ４２ａでは、荷重（L_sxm、 L_dxm、 L_sym、 L_dym、 L_szm、 L_dzm）と姿勢（シリンダ変位d_Bkn、 d_An、 d_Bn）で規定される各パターンpwに係る荷重関連パラメータとして、作業装置６におけるブーム１０及びアーム１２の加速度（加速度分布a_{d_pw}）とひずみ（ひずみ分布ε_{d_pw}）を採用している。

加速度分布a_{d_pw}は、各パターンpwにおいてブーム１０及びアーム１２に生じる加速度の分布を示すものであり、各パターンpwについて行ったシミュレーションモデルの解析から算出したものである。加速度分布a_{d_pw}は、稼働中の油圧ショベルのブーム１０及びアーム１２の応力分布をセンサ群１１、１３、１５の出力に基づいて推定する際の基準として利用されるものであり、主として稼働中の油圧ショベルのブーム１０及びアーム１２に作用する動的荷重の方向及び大きさを判別するために利用される。

ひずみ分布ε_{d_pw}は、各パターンpwにおいてブーム１０及びアーム１２に生じるひずみの分布を示すものであり、各パターンpwについて行ったシミュレーションモデルの解析から算出したものである。ひずみ分布ε_{d_pw}は、稼働中の油圧ショベルのブーム１０及びアーム１２のひずみ分布をセンサ群１１、１３、１５の出力に基づいて推定する際の基準として利用されるものであり、主として稼働中の油圧ショベルのブーム１０及びアーム１２に作用する静的荷重の方向及び大きさを判別するために利用される。

また、応力分布σ_{d_pw}は、各パターンpwにおいてブーム１０及びアーム１２に生じる応力の分布を示すものであり、各パターンpwについて行ったシミュレーションモデルの解析から算出したものである。応力分布σ_{d_pw}は、稼働中の油圧ショベルのブーム１０及びアーム１２の応力分布をセンサ群１１、１３、１５の出力に基づいて推定する際の基準として利用される。

なお、上記では、「作業装置６」の加速度分布a_{d_pw}、ひずみ分布ε_{d_pw}及び応力分布σ_{d_pw}を解析するとしたが、具体的には後述の図１０に示すようにブーム１０及びアーム１２の加速度分布、ひずみ分布及び応力分布であり、回動軸（ピン）３０、３２、３４や、バケット１４等は含まないものとする。

時系列データ記憶装置４２ｂには、センサ群１１、１３、１５の出力値のデータが時系列で記憶されており、さらに、センサ群１１、１３、１５の出力値及び応力分布ＤＢ４２ａのデータに基づいて演算処理装置４１（応力演算部４１ａ）で推定されたブーム１０及びアーム１２の応力分布のデータが時系列で記憶される。応力分布の時系列データは、ブーム１０及びアーム１２の応力分布の時間変化を示すものであり、残存寿命算出部４１ｂによるブーム１０及びアーム１２の寿命予測等に用いられることがある。

演算処理装置４１は、ブーム１０及びアーム１２の応力分布を推定する処理を実行する応力演算部４１ａと、応力演算部４１ａで算出した応力分布の時間変化に基づいてブーム１０及びアーム１２の寿命を推定する処理を実行する残存寿命演算部４１ｂとして機能する。各部の処理内容の詳細については後述する。なお、演算処理装置４１に代えて、各部４１ａ、４１ｂの処理の一部又は全部を実行する集積回路（ハードウェアロジック）を利用してシステムを構築しても良い。

表示装置４３には、演算処理装置４１で算出されたブーム１０及びアーム１２の応力分布、寿命、損傷の有無等の種々の情報が表示され、表示装置４３は当該情報の報知手段として機能する。なお、表示装置４３の設置先は前述のように特に限定されないが、油圧ショベルや管理センタの他にも、例えば、油圧ショベルの積荷の積み込み対象であるダンプトラック等に設置しても良い。

以下、本実施の形態に係るシステムで行われる応力演算処理の詳細について説明する。図７は本発明の第１の実施の形態における応力演算部４１ａで実行される応力演算処理のフローチャートである。この図に示す処理が開始されたら、応力演算部４１ａは、時系列データ記憶装置４２ｂに記憶されたセンサ群１１、１３、１５の出力値（d_B、 d_A、 d_Bk、 a_A、 ε_B、 ε_A）の時系列データから所定時刻に係るものを実測データとして抽出する処理を実行する（Ｓ７１）。時系列データ記憶装置４２ｂに記憶されたセンサ群１１、１３、１５の出力値の時系列データを図８及び図９に示す。

図８は、図１の油圧ショベルで実動稼働を模擬した動作を行ったときに測定されたセンサ群１１、１３、１５の出力値（実測データ）の時系列データの一例をグラフ形式で表した図である。図９は図８に示したセンサ群１１、１３、１５の出力値の時系列データを0.1[s]ごと（刻み時間Δt=0.1[s]）に抽出してテーブル形式で表した図である。各出力値に付した括弧内の数字は時刻（t）を示す。なお、図９では、変位検出器１５ｃを変位計１、変位検出器１５ｂを変位計２、変位検出器１５ａを変位計３、加速度検出器１３を加速度計１、ひずみゲージ１１ｂをひずみゲージ１、ひずみゲージ１１ａをひずみゲージ２と表記している。また、ここでは刻み時間をΔt=0.1としているが、他の値（例えば、センサ群の出力周期）を採用しても良い。

ここではＳ７１において、t=1.1[s]に係る実測データを抽出するものとする。以下では、Ｓ７１で抽出した実測データを「抽出データ」と称することがある。図９において、t=1.1[s]に係る抽出データは、d_Bk(1.1)=-5[mm]、d_A(1.1)=-1445[mm]、d_B(1.1)=-195[mm]、a_A(1.1)=34[m/s²]、ε_A(1.1)=219[×10^-6]、 ε_B(1.1)=252[×10^-6]となる。

Ｓ７１が終了したら、応力演算部４１ａは、抽出データと応力分布ＤＢ４２ａ内のデータを比較して、当該抽出データに近いデータを応力分布ＤＢ４２ａから探索する処理を実行する（Ｓ７２）。具体的には、応力演算部４１ａは、応力分布ＤＢ４２ａ内の姿勢関連パラメータ（d_Bkn、 d_An、 d_Bn）と変位検出器１５ａ、１５ｂ、１５ｃの出力値（d_Bk(1.1)、d_A(1.1)、d_B(1.1)）を比較しつつ、応力分布ＤＢ４２ａ内の加速度分布（a_{d_pw}）から得られる加速度検出器１３の測定位置における加速度（a_A）と加速度検出器１３の出力値（a_A(1.1)）を比較しつつ、応力分布ＤＢ４２ａ内のひずみ分布（ε_{d_pw}）から得られるひずみゲージ１１ａ、１１ｂの測定位置におけるひずみ（ε_A、ε_B）とひずみゲージ１１ａ、１１ｂの出力値（ε_A(1.1)、ε_B(1.1)）を比較することで、抽出データとマッチングするデータ列を有するパターン（pw）を応力分布ＤＢ４２ａ上で探索する。以下では、Ｓ７２で探索した結果得られたパターンに係るデータ（データ列）を「探索データ」と称することがある。

Ｓ７２で選択される探索データのデータ列は、抽出データのデータ列に可能な限り近いことが好ましいが、所定の値以上の差が両者のデータ列に存在する場合には、選択した探索データに係る応力分布を内挿又は外挿することで最終的な応力分布としても良い。さらに、選択すべき探索データを容易に１つのパターンに限定できない場合には、抽出データに近い複数の探索データを選択しても良い。この場合には、選択した複数の探索データに係る応力分布を内挿又は外挿することで最終的な応力分布を推定すれば良い。また、探索データの選択の方法としては、公知の方法が利用可能だが、例えば、マッチングに利用する所定の閾値を決定しておき、抽出データと各パターン（pw）に係るデータ列の差が当該閾値内に含まれるか否かで判断するものがある。したがって、当該閾値内に収まるパターンが複数存在する場合には、複数組の探索データが選択されることになり、最終的には当該複数組の探索データに係る応力分布を内挿又は外挿することで応力分布を推定することになる。

Ｓ７２が終了したら、応力演算部４１ａは、Ｓ７２の探索データに基づいてブーム１０及びアーム１２の応力分布を推定する処理を実行する（Ｓ７３）。Ｓ７２で探索されたパターンが１つの場合には、当該パターンに係る応力分布をt=1.1における応力分布として推定する。一方、Ｓ７２で探索されたパターンが２以上の場合には、当該２以上のパターンに係る応力分布に基づく内挿又は外挿をすることで最終的な応力分布を推定するものとする。

図１０は、本発明の第１の実施の形態に係る作業装置６（ブーム１０及びアーム１２）について、t=1.1[s]における応力分布を示す図である。この図では応力の大きさをグレースケールで表示しており、白に近づく程大きな応力が作用していることを示す。この図に示すように、本実施の形態では、応力分布の推定対象部分を作業装置６におけるブーム１０及びアーム１２に限定しており、バケット１４、油圧シリンダ２０、２２、２４、回動軸３０、３２、３４等は対象から除外した。しかし、バケット１４、油圧シリンダ２０、２２、２４、および回動軸３０、３２、３４等も含め、作業機械に係るあらゆる部分に関しても応力分布を推定することができる。

Ｓ７３が終了したら、応力演算部４１ａは、Ｓ７３で推定した応力分布を時刻（t=1.1[s]）と関連付けて時系列データ記憶装置４２ｂに記憶する（Ｓ７４）。Ｓ７４が終了したら、抽出データをリセットし（Ｓ７５）、応力分布の推定処理を継続するか否か判定する（Ｓ７６）。Ｓ７６で応力分布の推定処理を継続する場合には、Δt秒後の実測データを抽出データとし（Ｓ７７）、Ｓ７２移行の処理を繰り返す。一方、Ｓ７６で処理を終了すると判定された場合には一連の処理を終了する。

以上のように、本実施の形態によれば、センサ群１１、１３、１５の実測値（抽出データ）に基づいてブーム１０及びアーム１２に係る応力分布が推定できるので、ひずみゲージ１１ａ、１１ｂを取り付けた位置における応力だけでなく、ブーム１０及びアーム１２上のあらゆる点における応力を推定することが可能となる。すなわち、本実施の形態では２つのひずみゲージ１１ａ、１１ｂを利用しているが、その取り付け箇所以外の点に係る応力についても、ひずみゲージを追加設置することなく推定することができる。したがって、本実施の形態によれば、少数のセンサで作業装置の所望の位置での応力評価が可能なので、作業機械の運動性能の維持及びコストの抑制が可能になる。

なお、上記では図７のフローチャートで示したように、所定時刻におけるセンサ群１１、１３、１５の実測データを抽出して当該所定時刻における応力分布を推定する場合について説明したが、センサ群１１、１３、１５から出力される出力値に基づいて応力分布をリアルタイムに推定するように構成しても良いことは言うまでもない。なお、後者の場合には、図７中のΔtはセンサ群１１、１３、１５の制御周期に一致することになる。

本実施の形態の説明を続ける。図２において、残存寿命演算部４１ｂは、時系列データ記憶装置４２ｂに記憶された作業装置６の応力分布の時間変化（時系列データ）に基づいて、作業装置６（ブーム１０及びアーム１２）の残存寿命を推定する処理を実行する部分である。

図１１は、時系列データ記憶装置４２ｂに記憶された、所定の評価位置における作業装置６の応力の時間変化を示す図である。これは、数ある応力評価点の内の一点における応力の時間変化である。応力評価点は、上記のように推定した応力分布に基づいて、ブーム１０及びアーム１２の全体から任意に選択できる。

残存寿命演算部４１ｂは、まず、時系列データ記憶装置４２ｂに記憶された応力分布に基づいてブーム１０及びアーム１２の損傷量を推定する。損傷量は、例えば、レインフロー法による応力頻度解析とマイナー則による累積損傷則等の公知の方法を用いて算出できる。そして、残存寿命演算部４１ｂは、油圧ショベルの使用開始時からの損傷量の累積値に基づいてブーム１０及びアーム１２の残存寿命を推定する。残存寿命演算部４１ｂで算出された残存寿命は表示装置４３に表示される。

図１２は本発明の第１の実施の形態に係る表示装置４３にブーム１０及びアーム１２の残存寿命を表示した図である。この図に示すように表示装置４３の表示画面には、ブームとアームの残存寿命を示す残存寿命表示部８１が設けられている。

なお、残存寿命を算出する代わりに、油圧ショベルの使用開始時からの損傷量の累積値が閾値を超えると判定した場合に、メンテナンス時期が到来した旨を表示装置４３に表示しても良い。さらに、このとき、メンテナンスが必要な箇所を、メンテナンス時期到来の旨と合わせて表示しても良い。

このように作業装置６の残算寿命やメンテナンス時期を報知すれば、予め修理箇所を判断でき、かつ修理部品の在庫を確保できるためメンテナンスを円滑に進めることができる。よって油圧ショベルの稼働率を上げることができる。

なお、上記では、残存寿命やメンテナンス時期を表示装置４３に表示することで報知する場合について説明したが、警告灯や音声等、他の報知手段を用いて報知しても良い。また、これらの報知手段は、表示装置４３と同様にどの場所に設置するかは問わないものとする。

ところで、上記では、ひずみゲージを２つ設置する場合について説明したが、応力分布ＤＢ４２ａのデータ列と抽出データの容易なマッチングが可能であれば、作業装置６に取り付けるひずみゲージを１つとしても良い。もちろん、ひずみゲージが３つ以上の場合も除外されない。これと同様に、加速度検出器１３の個数についても上記で説明した１つに限定されず、その設置対象もアーム１２に限定されずブーム１０に設置しても良い。また、上記の実施の形態では、荷重関連パラメータとして、主に動的荷重の方向及び大きさの判断が可能な「加速度」と、主に静的荷重の方向及び大きさの判断が可能な「ひずみ」を利用したが、「ひずみ」に代えて各油圧シリンダ２０、２２、２４の圧力（例えば、ボトム側圧力）を圧力検出器１７ａ、１７ｂ、１７ｃ（図２参照）で検出し、当該出力値を荷重関連パラメータとして利用しても良い。これは、各油圧シリンダ２０、２２、２４の圧力によりバケットに作用する静的荷重（主に積荷による荷重）の方向及び大きさが推定できるからである。さらに、応力分布ＤＢ４２ａのデータ列と抽出データのマッチング精度を向上させる観点から、加速度とひずみに加えて、各油圧シリンダの圧力を荷重関連パラメータとして利用しても良い。なお、圧力検出器１７ａ、１７ｂ、１７ｃの取り付け位置としては、例えば、圧力検出器１７ａは油圧シリンダ２０の油圧室に、圧力検出器１７ｂは油圧シリンダ２２の油圧室に、圧力検出器１７ｃは油圧シリンダ２４の油圧室に取り付けるものがある。

また、上記では、作業装置６の姿勢（姿勢関連パラメータ）を検出する手段として変位検出器１５を利用する場合について説明したが、角度検出器で回動軸３０、３２、３４の中心軸回りの回転角度をそれぞれ検出し、当該各検出値に基づいて作業装置６の姿勢を検出しても良い。

次に本発明の第２の実施の形態について図面を用いて説明する。本実施の形態は、作業機械の応力分布を推定する際に、（１）第１の実施の形態に係る荷重関連パラメータおよび姿勢関連パラメータに加えて、作業機械の動作状況を示すパラメータ（動作関連パラメータ）を利用する点と、（２）作業装置も含めて作業機械全体の応力分布を推定している点に主な特徴がある。

動作関連パラメータは、所定時刻における姿勢（静的な姿勢）を示す姿勢関連パラメータと対をなすものであり、所定時間あたりの姿勢の変化（動的な姿勢）を示すものである。ここでは、作業機械の動作を、走行系のアクチュエータ（例えば、油圧ショベルの走行用油圧モータ）を駆動して行われる「走行動作」と、作業装置に備えられた走行系以外のアクチュエータ（例えば、油圧ショベルにおけるブームシリンダおよび旋回用油圧モータ）を各種作業時に駆動して行われる「作業動作」とに分類して説明することがある。そして、前者の作業装置の動作状況を示すパラメータを「作業動作関連パラメータ」と称し、後者の作業機械の走行動作の状況を示すパラメータを「走行動作関連パラメータ」と称する。さらに、当該２つパラメータを「動作関連パラメータ」と総称することがある。

図１３は本発明の第２の実施の形態に係る作業機械（油圧ショベル）の概略図であり、図１４は本発明の第２の実施の形態に係る応力演算システムの概略構成図である。これらの図に示すように、本実施の形態に係る油圧ショベルは、圧力検出器１７ｄと、回転検出器１８と、加速度検出器１９と、速度・角度演算部４１ｅをさらに備えており、応力分布ＤＢ４２ａに代えて応力分布ＤＢ４２ｃを備えている。

圧力検出器１７ｄは、上部作業体４に搭載された旋回油圧モータ（図示せず）を通過する作動油の前後差圧（図１５における「旋回圧力」）を検出するためのもので、入出力演算処理装置４４に接続されている。圧力検出器１７ｄの出力値（f_s[Pa]）は、旋回油圧モータから上部作業体４に加えられるトルクの算出に利用され、当該算出されたトルクは、旋回油圧モータから作業機械に作用する静的荷重の方向及び大きさを判別するために利用される。つまり、圧力検出器１７ｄは、荷重関連パラメータ検出器として利用されている。なお、旋回油圧モータの前後差圧を検出するためには、圧力検出器１７ｄを当該旋回油圧モータの前後に少なくとも１つずつ（すなわち、合計２つ）設置することが必要であるが、ここでは図示を簡略して図１４中の圧力検出器１７ｄが２つの圧力検出器１７ｄを示すものとして説明する。

回転検出器１８は、上部作業体４に設定された３次元直交座標系に係る３軸（ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸（図１９参照））回りについての上部作業体４の角速度(ω_x[rad/s]，ω_y[rad/s]，ω_z[rad/s])を検出するためのもので、入力演算処理装置４４に接続されている。回転検出器１８の直接の出力値である角速度(ω_x[rad/s]，ω_y[rad/s]，ω_z[rad/s])は、上部作業体４の動作状況を示す作業動作関連パラメータとして利用される。さらに、当該角速度を速度・角度演算部４１ｅで時間積分することで得られる３軸回りの角度（x軸回りの角度θ_xn[rad]，y軸回りの角度θ_yn[rad]，z軸回りの角度θ_zn[rad]）は、上部作業体４の姿勢を示す姿勢関連パラメータとして利用される。つまり、回転検出器１８は、姿勢関連パラメータ検出器と、作業動作関連パラメータ検出器として利用されている。

加速度検出器１９は、上部作業体４または下部走行体２の加速度（A_B[m/s²]）を検出するためのものであり、入出力演算処理装置４４に接続されている。図１３に示した加速度検出器１９は、上部作業体４に取り付けられており、上部作業体４の加速度を検出しているが、加速度検出器１９は下部走行体２に取り付けても良い。加速度検出器１９によって検出された上部作業体４又は下部走行体２の加速度（A_B[m/s²]）は、走行動作関連パラメータとして利用されており、加速度検出器１９は、走行動作関連パラメータ検出器として利用されている。

速度・角度演算部４１ｅは、変位検出器１５ａ，１５ｂ，１５ｃから出力される各油圧シリンダ２０，２２，２４の変位（d_B、 d_A、 d_Bk）を時間微分して各油圧シリンダ２０，２２，２４の速度（v_B[mm/s]，v_A[mm/s]，v_Bk[mm/s]）を算出しつつ、回転検出器１８から出力される上部作業体４の角速度(ω_x，ω_y，ω_z)を時間積分して上部作業体４の角度（θ_xn，θ_yn，θ_zn）を算出する処理を実行する部分である。

応力分布ＤＢ４２ｃには、方向及び大きさが異なる複数の荷重がそれぞれ作用したときに作業装置６に生じる応力分布であって、実機を模したシミュレーションモデル（機構モデル）の解析結果に基づいて作成されたものが記憶されている。

図１５は、本発明の第２の実施の形態に係る応力分布ＤＢ４２ｃに含まれるデータを示す図である。この図に示すように、応力分布ＤＢ４２ｃに記憶された各応力分布σ_{d_pw}[MPa]は、姿勢関連パラメータと、作業動作関連パラメータと、荷重関連パラメータと、走行動作関連パラメータに関連付けて記憶されている。なお、図１５におけるi、j、nはすべて自然数とする。

図１５における姿勢関連パラメータには、シリンダ変位に加えて、上部作業体４のx軸回りの角度θ_xn[rad]と、y軸回りの角度θ_yn[rad]と、z軸回りの角度θ_zn[rad]が含まれている。先述のように、上部作業体４の角度（θ_xn，θ_yn，θ_zn）の実測値は、回転検出器１８で検出された角速度(ω_x，ω_y，ω_z)を速度・角度演算部４１ｅで時間積分することで得られる。

また、図１５における作業動作関連パラメータには、バケットシリンダ速度v_Bki[mm/s]、アームシリンダ速度v_Ai[mm/s]およびブームシリンダ速度v_Bi[mm/s]と、上部作業体４のx軸回りの角速度ω_xi[rad/s]、y軸回りの角速度ω_yi[rad/s]およびz軸回りの角速度ω_zi[rad/s]が含まれている。先述のように、シリンダ速度（v_Bk，v_A，v_B）の実測値は、変位検出器１５ａ，１５ｂ，１５ｃで検出された各油圧シリンダ２０，２２，２４の変位（d_B、 d_A、 d_Bk）を時間微分することで得られる。また、上部作業体４の角速度(ω_x，ω_y，ω_z)の実測値は、回転検出器１８で検出できる。

また、図１５における荷重関連パラメータには、バケットシリンダ圧力f_Bkj[Pa]、アームシリンダ圧力f_Aj[Pa]およびブームシリンダ圧力f_Bj[Pa]と、旋回圧力f_sj[Pa]（上部作業体４に搭載された旋回油圧モータを通過する作動油の前後差圧）と、作業装置６のｘ方向の加速度a_xj[m/s²]、ｙ方向の加速度a_yj[m/s²]およびｚ方向の加速度a_zj[m/s²]とが含まれている。シリンダ圧力（f_Bk，f_A，f_B）の実測値は、圧力検出器１７ａ，１７ｂ，１７ｃで検出できる。旋回圧力（f_s）の実測値は、圧力検出器１７ｄで検出できる。作業装置６の加速度（a_x，a_y，a_z）の実測値は、加速度検出器１３で検出できる。

また、図１５における走行動作関連パラメータには、車体加速度A_Bk[m/s²]が含まれている。車体加速度（A_B）の実測値は、加速度検出器１９で検出できる。

ここで、応力分布ＤＢ４２ｃの構築方法の一例について説明する。応力分布ＤＢ４２ｃを構築するに際しては、応力分布ＤＢ４２aの構築で得たデータに加えて、実動荷重下で上部作業体４の角速度をジャイロスコープ等の回転検出器１８で実測する。このときアタッチメント１４内の積荷による静的荷重を検出するために旋回装置の圧力（旋回圧力）を圧力センサ等の圧力検出器１７ｄで実測しても良い。

そして、実機を模した機構モデルにシリンダ変位（あるいはシリンダ圧力）、旋回角（あるいは旋回圧力）の時系列データと、バケット負荷を入力して、作業機械の加速度及びひずみを解析により算出する。

解析により得た当該加速度及びひずみを実測値と比較して、両者が最も一致するようにモデルのパラメータ（例えば、回動軸（ピン）の剛性など）を最適化する。

そして、当該最適化したモデルを用いて、作業機械の姿勢、作業動作および走行動作ならびに作業機械に作用される荷重を変化させながら、作業装置６（ブーム１０及びアーム１２）だけでなく作業機械全体に発生する応力分布、加速度分布及びひずみ分布を求め、これらをシリンダ変位および旋回角（作業機械の姿勢）と、シリンダ速度および旋回角速度（作業機械の作業動作）と、シリンダ圧力、旋回圧力および作業装置加速度と、車体加速度（作業機械の走行動作）と、荷重をキーとして、応力分布ＤＢ４２ｃに格納する。なお、応力分布ＤＢ４２ｃには、最適化したモデルから得られる応力分布、加速度分布及びひずみ分布だけでなく、実機を動作させて得た応力分布、加速度分布及びひずみ分布の実験データを含めても良い。

図１６は、図１５中の加速度分布a_{d_pw}、ひずみ分布ε_{d_pw}及び応力分布σ_{d_pw}を求める際に考慮する上部作業体４の各軸回りの角度のパターン（すなわち、作業機械の姿勢パターン）を示す図である。本実施の形態では、x軸回りの旋回角はそれぞれ値が異なるθ_x1〜θ_xnのn通り、y軸回りの旋回角はそれぞれ値が異なるθ_y1〜θ_ynのn通り、z軸回りの旋回角はそれぞれ値が異なるθ_z1〜θ_znのn通りとする。したがって、旋回角のパターンの総数はn³通りとなる。

図１７は、図１５中の加速度分布a_{d_pw}、ひずみ分布ε_{d_pw}及び応力分布σ_{d_pw}を求める際に考慮する各油圧シリンダ２０、２２、２４の速度のパターン（すなわち、作業装置６の動作のパターン）を示す図である。本実施の形態では、バケットシリンダ速度はそれぞれ値が異なるv_Bk1〜v_Bkiのi通り（iは自然数）、アームシリンダ速度はそれぞれ値が異なるv_A1〜v_Aiのi通り、ブームシリンダ速度はそれぞれ値が異なるv_B1〜v_Biのi通りとする。したがって、シリンダ速度のパターンの総数はi³通りとなる。

図１８は、図１５中の加速度分布a_{d_pw}、ひずみ分布ε_{d_pw}及び応力分布σ_{d_pw}を求める際に考慮する上部作業体４の各軸回りの角速度のパターン（すなわち、作業装置６の動作パターン）を示す図である。本実施の形態では、x軸回りの旋回角速度はそれぞれ値が異なるω_x1〜ω_xiのi通り、y軸回りの旋回角速度はそれぞれ値が異なるω_y1〜ω_yiのi通り、z軸回りの旋回角速度はそれぞれ値が異なるω_z1〜ω_ziのi通りとする。したがって、旋回角速度のパターンの総数はi³通りとなる
図１９は、図１６及び図１８で示した各軸方向（x軸、 y軸、 z軸）と油圧ショベルの関係を示す図である。

図１５の説明に戻る。上記により、図１５における加速度分布a_{d_pw}、ひずみ分布ε_{d_pw}及び応力分布σ_{d_pw}に係るパターンpの総数wは、図４のシリンダ変位のパターンの総数と、図５の荷重の方向及び大きさのパターンの総数と図１６の上部作業体４の各軸回りの角度のパターン総数と、図１７の各油圧シリンダ２０、２２、２４のシリンダ速度のパターン総数と、図１８の上部作業体４の各軸回りの角速度のパターン総数などの組合せにより、n⁶×i⁶×j⁷×k×m⁶通りとなる。したがって、wは１からn⁶×i⁶×j⁷×k×m⁶までの自然数となる。

第１の実施の形態に係る応力分布ＤＢ４２ａには、油圧ショベルのうちブーム１０およびアーム１２に係る加速度分布、ひずみ分布および応力分布が記憶されていたが、本実施の形態に係る応力分布ＤＢ４２ｃには、油圧ショベルの全体に係る加速度分布、ひずみ分布および応力分布が記憶されている。

時系列データ記憶装置４２ｂには、センサ群１１、１３、１５、１７、１８、１９の出力値のデータと、速度・角度演算部４１eで算出されたデータ（シリンダ速度と上部作業体４の角度）が時系列で記憶されており、さらに、これらのデータと応力分布ＤＢ４２ｃのデータに基づいて演算処理装置４１（応力演算部４１ａ）で推定された作業機械全体の応力分布のデータが時系列で記憶される。

以下、本実施の形態に係るシステムで行われる応力演算処理の詳細について説明する。図２０は本発明の第２の実施の形態における応力演算部４１ａで実行される応力演算処理のフローチャートである。この図に示す処理が開始されたら、応力演算部４１ａは、時系列データ記憶装置４２ｂから、センサ群１１、１３、１５、１７、１８、１９の出力値と、速度・角度演算部４１ｅの算出値（シリンダ速度と上部作業体角度）の時系列データから所定時刻に係るものを実測データ（抽出データ）として抽出する処理を実行する（Ｓ８１）。

Ｓ８１が終了したら、応力演算部４１ａは、Ｓ８１の抽出データ（実測データ）と応力分布ＤＢ４２ｃ内のデータを比較して、当該抽出データに近いデータ列（パターン（pw））を応力分布ＤＢ４２ｃから探索する処理を実行する（Ｓ８２）。なお、第１の実施の形態と同様に、Ｓ８２で探索した結果得られたパターンに係るデータ（データ列）を「探索データ」と称することがある。具体的には、応力演算部４１ａは、応力分布ＤＢ４２ｃ内のシリンダ変位と変位検出器の出力値を比較し、応力分布ＤＢ４２ｃ内の上部作業体角度と速度・角度演算部４１で算出された上部作業体角度を比較し、応力分布ＤＢ４２ｃ内のシリンダ速度と速度・角度演算部４１で算出されたシリンダ速度を比較し、応力分布ＤＢ４２ｃ内のシリンダ圧力と圧力検出器１７ａ，１７ｂ，１７ｃの出力値を比較し、応力分布ＤＢ４２ｃ内の旋回圧力と圧力検出器１７ｄの出力値を比較し、応力分布ＤＢ４２ｃ内の作業装置加速度と加速度検出器１３の出力値を比較し、応力分布ＤＢ４２ｃ内の車体加速度と加速度検出器１９の出力値を比較することで探索データを見つけ出している。

Ｓ８２で選択される探索データのデータ列は、抽出データのデータ列に可能な限り近いことが好ましいが、所定の値以上の差が両者のデータ列に存在する場合には、選択した探索データに係る応力分布を内挿又は外挿することで最終的な応力分布としても良い。さらに、選択すべき探索データを容易に１つのパターンに限定できない場合には、抽出データに近い複数の探索データを選択しても良い。この場合には、選択した複数の探索データに係る応力分布を内挿又は外挿することで最終的な応力分布を推定すれば良い。また、探索データの選択の方法としては、公知の方法が利用可能だが、例えば、マッチングに利用する所定の閾値を決定しておき、抽出データと各パターン（pw）に係るデータ列の差が当該閾値内に含まれるか否かで判断するものがある。したがって、当該閾値内に収まるパターンが複数存在する場合には、複数組の探索データが選択されることになり、最終的には当該複数組の探索データに係る応力分布を内挿又は外挿することで応力分布を推定することになる。

Ｓ８２が終了したら、応力演算部４１ａは、Ｓ８２の探索データに基づいて作業機械の応力分布を推定する処理を実行する（Ｓ８３）。Ｓ８２で探索されたパターンが１つの場合には、当該パターンに係る応力分布を当該時刻における応力分布として推定する。一方、Ｓ８２で探索されたパターンが２以上の場合には、当該２以上のパターンに係る応力分布に基づく内挿又は外挿をすることで最終的な応力分布を推定するものとする。

Ｓ８３が終了したら、応力演算部４１ａは、Ｓ８３で推定した応力分布を時刻と関連付けて時系列データ記憶装置４２ｂに記憶する（Ｓ８４）。Ｓ８４が終了したら、抽出データをリセットし（Ｓ８５）、応力分布の推定処理を継続するか否か判定する（Ｓ８６）。Ｓ８６で応力分布の推定処理を継続する場合には、Δt秒後の実測データを抽出データとし（Ｓ８７）、Ｓ８２移行の処理を繰り返す。一方、Ｓ８６で処理を終了すると判定された場合には一連の処理を終了する。

以上のように、本実施の形態によれば、センサ群１１、１３、１５、１７、１８、１９の出力値と、速度・角度演算部４１ｅの算出値と、応力分布ＤＢ４２ｃ内のデータに基づいて、作業機械全体に係る応力分布を推定できるので、ひずみゲージ１１ａ、１１ｂを取り付けた位置における応力だけでなく、作業機械上のあらゆる点における応力を推定することが可能となる。すなわち、本実施の形態では２つのひずみゲージ１１ａ、１１ｂを利用しているが、その取り付け箇所以外の点に係る応力についても、ひずみゲージを追加設置することなく推定することができる。また、ひずみゲージ１１ａ，１１ｂと圧力検出器１７ａ，１７ｂ，１７ｃは共に静的荷重を検出するため、どちらか一方のみを用いても良い。したがって、本実施の形態によれば、少数のセンサで作業装置の所望の位置での応力評価が可能なので、作業機械の運動性能の維持及びコストの抑制が可能になる。

なお、上記では図２０のフローチャートで示したように、所定時刻におけるセンサ群の実測データを抽出して当該所定時刻における応力分布を推定する場合について説明したが、センサ群から出力される出力値に基づいて応力分布をリアルタイムに推定するように構成しても良いことは言うまでもない。

次に本発明の第３の実施の形態について図面を用いて説明する。図２１は本発明の第３の実施の形態に係る応力演算システムの概略構成図である。本実施の形態に係る応力演算システムは、第２の実施の形態のシステムにおける応力分布データベース４２ｃに代えて応力推定式記憶装置４２ｄを備えており、応力演算部４１ｃが、応力推定式記憶装置４２ｄに記憶された応力推定式（応力推定近似式）と、センサ群１３、１５、１７、１８、１９の出力値および速度・角度演算部４１ｅの算出値（シリンダ速度と上部作業体角度）を利用して作業機械の応力分布を推定している点に特徴がある。

応力推定式記憶装置４２ｄに記憶された応力推定式（応力推定近似式）は、作業機械の機構モデルによる応力分布の解析データに基づいて作成されたもので、作業装置の所定箇所に発生する応力を推定する近似式である。本実施の形態に係る応力推定式は、後述するように、センサ群１３、１５、１７、１８、１９の出力値と、速度・角度演算部４１ｅの算出値（シリンダ速度と上部作業体角度）をその予測変数として利用している。なお、応力推定式が応力を推定する箇所からは、その性質上、ひずみゲージ１１をはじめとする設置箇所に係る応力が間接的または直接的に検出可能な機器の設置箇所を除くことが好ましい。

ここで、応力推定式の構築方法の一例について説明する。応力推定式の構築には応答曲面を用いる。応答曲面とは、n個の予測変数x_i (i=1…n)から予測される応答yの関係式を近似したものである。近似式の一般形を下記に示す。下記式におけるεは誤差と呼ばれる。なお、応答曲面において関数f の形に特に制限はない。
y=f (x₁、…x_n)+ε
図２２は本発明の第３の実施の形態で利用される応力推定式についての予測変数と応答値の各パターンデータを示す図である。ここでは、図２２に示したデータに応答曲面を適用して応力推定式を求めた。この図に示したデータは、実機の実働を模擬した機構モデルによるシミュレーション解析により求めたものであるが、実機を動作させて得た実験データを含めても良い。

図２２に示すように、本実施の形態に係る応力推定式では、「予測変数」として、シリンダ変位および上部作業体角度（姿勢関連パラメータ）と、シリンダ速度および上部作業体角速度（作業動作関連パラメータ）と、シリンダ圧力、旋回圧力および作業装置加速度（荷重関連パラメータ）と、車体加速度（走行動作関連パラメータ）をとっており、「応答」として作業機械の評価位置に生じる応力をとっている。なお、近似式の応答として、応力に代えて評価位置における「ひずみ」を採用し、当該ひずみから応力を算出するように構成しても良い。

なお、本実施の形態における応力推定式は、評価位置ごとに作成されており、作業機械上の複数の評価位置の応力を示す応力分布を推定するには、複数の応力推定式が必要となる。しかし、応力の測定位置情報および方向情報と、作業機械を構成する部材の板厚情報とを予測変数に加えることで、評価位置ごとに作成した複数の応力推定式を１つの式にまとめ、当該１つの式（応力分布推定近似式）のみで複数の評価位置における応力分布（例えば、作業機械上の全ての評価位置における応力分布）が推定可能なように構成しても良い。このように複数の応力推定式を１つにまとめた応力分布推定近似式を利用すると、複数の応力推定式を利用する場合と比較して、応力分布の算出処理が簡略できるとともに、算出に要する時間を短縮できる。

図２３は本発明の第３の実施の形態における応力演算部４１ｃで実行される応力演算処理のフローチャートである。この図に示す処理が開始されたら、応力演算部４１ｃは、時系列データ記憶装置４２ｂから、センサ群１３、１５、１７、１８、１９の出力値と、速度・角度演算部４１ｅの算出値（シリンダ速度と上部作業体角度）の時系列データから所定時刻に係るものを実測データとして抽出する処理を実行する（Ｓ９１）。

Ｓ９１が終了したら、応力演算部４１ｃは、応力推定式記憶装置４２ｄに記憶された各評価位置に係る応力推定式に抽出データ（実測データ）を代入して、作業機械に発生する応力分布を推定する処理を実行する（Ｓ９２）。

Ｓ９２が終了したら、応力演算部４１ｃは、Ｓ９２で推定した応力分布を時刻と関連付けて時系列データ記憶装置４２ｂに記憶する（Ｓ９３）。Ｓ９３が終了したら、抽出データをリセットし（Ｓ９４）、応力分布の推定処理を継続するか否か判定する（Ｓ９５）。Ｓ９６で応力分布の推定処理を継続する場合には、Δt秒後の実測データを抽出データとし（Ｓ９６）、Ｓ９２移行の処理を繰り返す。一方、Ｓ９５で処理を終了すると判定された場合には一連の処理を終了する。

このように、本実施の形態では、センサ群１３、１５、１７、１８、１９により実測されるデータと速度・角度演算部４１ｅより出力されるデータを応力推定式に代入することで応力を推定しているため、第１の実施の形態及び第２の実施の形態に存在していた応力分布データベース４２ａ，４２ｃを必要としない。このため、データベース４２ａ，４２ｃに係るデータと実測データのマッチング処理を省略することができ、応力演算の処理速度を向上することが可能となる。

なお、ひずみゲージ１１ａ，１１ｂの検出値は、図２２に示した予測変数（荷重関連パラメータ）の１つとして応力分布の推定に利用しても良いが、ひずみゲージ１１ａ，１１ｂの設置位置における応力を上記の応力推定式で算出し、当該算出値と、ひずみゲージ１１ａ，１１ｂの検出値から算出される応力の実測値とを比較する処理を応力演算部４１ａで実行し、両者の偏差が所定の範囲に収まっているか否かで応力推定式の精度を検証しても良い。また、当該両者の偏差を応力推定式の校正に利用しても良い。なお、ひずみゲージ１１ａ，１１ｂは、その設置箇所に係る“ひずみ”を検出するものであって、当該設置箇所に係る“応力”を検出するものではないが、ひずみを応力に変換することは容易であり、上記の場合には、当該設置箇所に発生する応力を検出する応力検出器として実質的に機能している。

ところで、上記の各実施の形態では、油圧ショベルに適用した場合について説明したが、本発明は、アクチュエータによって駆動される作業装置を備える自走式の作業機械であれば他のものにも適用可能である。次に、その一例として、第３の実施の形態に係る発明をダンプトラックとホイールローダに適用する場合を挙げ、その場合に応力分布を算出する際の予測変数と応答のとり方について説明する。

図２４は本発明の実施の形態に係るダンプトラックの全体構成図である。この図に示すダンプトラック５０は、前輪及び後輪が取り付けられた車体フレーム５１と、車体フレーム５１の後方に回動可能に取り付けられた荷台５２と、伸縮することで荷台５２を回動させるホイストシリンダ５３と、前輪の車軸に取り付けられたフロントサスペンション５４と、後輪の車軸に取り付けられたリヤサスペンション５５を備えている。

車体フレーム４には、駆動系や運転席等の主要構成要素が搭載されており、前輪及び後輪によって車両が路面上を自由に走行可能な構成となっている。ホイストシリンダ５を伸長させると、荷台３は回動しながら前端を上昇させて傾斜角度を増していくように動作し、荷台３の上に積載した積荷（運搬物）を荷台３の後端から排出することが可能となっている。

図２５は本発明の実施の形態に係るホイールローダの全体構成図である。この図に示すホイールローダ６０は、油圧ポンプから吐出される作動油によって駆動される多関節型の作業装置６２を車両前方に備えている。作業装置６２は、車両本体にピン（ヒンジピン）を介して揺動可能に取り付けられた１組のリフトアーム６５と、リフトアーム６５を揺動させるためにリフトアーム６５と車両本体に架け渡されたアームシリンダ６３と、１組のリフトアーム６５の先端にピンを介して回動可能に取り付けられたバケット６６と、１組のリフトアーム６５を連結するアームに回動可能に取り付けられたベルクランク６７と、バケット６６を回動させるためにベルクランク６７と車両本体に架け渡されたバケットシリンダ６４と、ベルクランク６７とバケット６６に架け渡されたバケットリンク６８を備えている。バケットシリンダ６４を伸縮させるとバケット６６が回動される。

オペレータは、図示していないステアリングホイールを操作することで、ステアリングシリンダ６９を伸縮させて車両の屈折角を調節し、車両を旋回させることができる。また、操縦席内のリフトレバー、バケットレバーなどを操作することで、アームシリンダ６３、バケットシリンダ６４を伸縮させて、バケット６６の高さと傾きを制御し、掘削および荷役作業を行うことができる。

図２６は本発明をダンプトラックとホイールローダに適用した場合の予測変数と応答の関係を油圧ショベルの場合と対比してまとめた図である。この図に示すように、ダンプトラックおよびホイールローダの場合も油圧ショベルと同じで、応力推定式の予測変数として、姿勢関連パラメータ、作業動作関連パラメータ、荷重関連パラメータおよび走行動作関連パラメータをとり、応力推定式の応答として応力をとる。

ダンプトラック５０の場合には、姿勢関連パラメータとして、ホイストシリンダ５３の変位と、サスペンション５４，５５の変位と、車体フレーム５１と荷台５２の挟角度と、車体フレーム５１についての３軸回りの角度（車体角度）をとる。なお、ホイストシリンダ変位およびサスペンション変位は、油圧ショベルの場合と同様に変位検出器によって検出可能である。車体５１と荷台５２の挟角度は、角度センサまたはホイストシリンダ５３の変位検出器によって検出可能である。車体角度は、油圧ショベルの場合と同様に回転検出器によって検出可能である。

また、作業動作関連パラメータとしては、ホイストシリンダ５３の速度をとる。ホイストシリンダ速度は、変位検出器によって検出されるホイストシリンダ変位を時間微分することで算出できる。

荷重関連パラメータとしては、サスペンション５４，５５の圧力（反力）と、ホイストシリンダ５３の圧力と、荷台５３の加速度をとる。サスペンション圧力およびホイストシリンダ圧力は圧力検出器によって検出可能であり、荷台加速度は加速度検出器によって検出可能である。

走行動作関連パラメータとしては車体フレーム５１の加速度（車体加速度）をとる。車体加速度は油圧ショベルの場合と同様に加速度検出器によって検出可能である。

応答としては、荷台５３や車体フレーム５１に生じる応力をとり、上記で説明した油圧ショベルの場合と同様に応答曲面によって応力推定式を構築するものとする。これにより、上記で説明した油圧ショベルの場合と同様に、ダンプトラックについても荷台５３や車体フレーム５１の応力分布の推定が可能となる。

一方、図２５に示したホイールローダの場合６０には、姿勢関連パラメータとして、アームシリンダ６３の変位と、バケットシリンダ６４の変位と、ステアリングシリンダ６９の変位（または、車両の屈折角度）をとる。各シリンダ６３，６４，６９の変位は、変位検出器によって検出可能である。屈折角度は、角度検出器によって検出可能である。

また、作業動作関連パラメータとしては、アームシリンダ６３の速度と、バケットシリンダ６４の速度と、ステアリングシリンダ６９の速度（または、車両の屈折角度の角速度）をとる。各種シリンダ６３，６４，６９の速度は、変位検出器によって検出される変位を時間微分することで算出できる。

荷重関連パラメータとしては、アームシリンダ６３の圧力と、バケットシリンダ６４の圧力と、ステアリングシリンダ６９の圧力と、作業装置６２の加速度をとる。角シリンダ６３，６４，６９の圧力は、油圧ショベルの場合と同様に圧力検出器によって検出可能である。作業装置６２の加速度は、油圧ショベルの場合と同様に加速度検出器によって検出可能である。また、走行動作関連パラメータとして車体加速度をとる。車体加速度は加速度検出器によって検出可能である。

応答としては、作業装置６２や車体に生じる応力をとり、上記で説明した油圧ショベルの場合と同様に応答曲面によって応力推定式を構築するものとする。これにより、上記で説明した油圧ショベルの場合と同様に、ホイールローダについても応力分布の推定が可能となる。

なお、上記では、第３の実施の形態について説明したが、第１および第２の実施の形態のように応力分布ＤＢを作成し、当該応力分布ＤＢとセンサ群の出力値に基づいて応力分布を推定することも同様に可能である。

ところで、本発明は、上記の各実施の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、上記の各実施の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、ある実施の形態に係る構成の一部を、他の実施の形態に係る構成に追加又は置換することが可能である。

また、上記の応力演算システムに係る各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の記憶装置、ＩＣカード、フラッシュメモリ、ＤＶＤ等の記録媒体に記憶することができる。また、上記では、実施の形態の説明に必要であると解される制御線や情報線を簡略して示したが、必ずしも製品に係る全ての制御線や情報線を正確に示しているとは限らない。すなわち、殆ど全ての構成が相互に接続されていることもある。

６…作業装置、１０…ブーム、１１…ひずみゲージ、１２…アーム、１３…加速度検出器、１４…アタッチメント、１５…変位検出器、１７…圧力検出器、１８…回転検出器、２０…ブームシリンダ、２２…アームシリンダ、２４…アタッチメントシリンダ（バケットシリンダ）、４１…演算処理装置、４１ａ…応力演算部、４１ｂ…残存寿命演算部、４２…記憶装置、４２ａ…応力分布データベース、４２ｂ…時系列データ記憶装置、４３…表示装置、４４…入出力演算処理装置、５０…ダンプトラック、５１…車体、５２…荷台、５３…シリンダ、５４…フロントサスペンション、５５…リヤサスペンション、６０…ホイールローダ、６１…車体、６２…作業装置、６３…アームシリンダ、６４…バケットシリンダ、８１…残存寿命表示部

Claims (6)

1. 外部から荷重が作用した時に作業機械に生じる変化を示すパラメータである荷重関連パラメータを検出する荷重関連パラメータ検出器と、
   前記作業機械の姿勢を示すパラメータである姿勢関連パラメータを検出する姿勢関連パラメータ検出器と、
   前記荷重関連パラメータ検出器および前記姿勢関連パラメータ検出器の出力値に基づいて、当該出力値のときの前記作業機械の応力分布を推定する演算部とを備え、
   前記作業機械は、アクチュエータによって駆動される作業装置を備える自走式の作業機械であり、
   前記作業装置の動作状況を示すパラメータである作業動作関連パラメータを検出する作業動作関連パラメータ検出器と、
   前記作業機械の走行動作の状況を示すパラメータである走行動作関連パラメータを検出する走行動作関連パラメータ検出器とをさらに備え、
   前記演算部は、前記荷重関連パラメータ検出器、前記姿勢関連パラメータ検出器、前記作業動作関連パラメータ検出器および前記走行動作関連パラメータ検出器の出力値に基づいて、当該出力値のときの前記作業機械の応力分布を推定することを特徴とする作業機械の応力演算システム。
2. 請求項１に記載の作業機械の応力演算システムにおいて、
   前記作業機械の機構モデルによる応力分布の解析データに基づいて作成された前記作業装置の応力分布の近似式であって、前記荷重関連パラメータ検出器、前記姿勢関連パラメータ検出器、前記作業動作関連パラメータ検出器および前記走行動作関連パラメータ検出器の出力値を変数とする応力分布推定近似式が記憶された記憶装置をさらに備え、
   前記演算部は、前記荷重関連パラメータ検出器、前記姿勢関連パラメータ検出器、前記作業動作関連パラメータ検出器および前記走行動作関連パラメータ検出器の出力値ならびに前記応力分布推定近似式に基づいて、当該出力値のときの前記作業機械の応力分布を推定することを特徴とする作業機械の応力演算システム。
3. 請求項２に記載の作業機械の応力演算システムにおいて、
   前記応力分布推定近似式は、前記作業機械の所定箇所に発生する応力を推定する近似式であって、前記荷重関連パラメータ検出器、前記姿勢関連パラメータ検出器、前記作業動作関連パラメータ検出器および前記走行動作関連パラメータ検出器の出力値を変数とする応力推定近似式を、複数箇所について集合させたものであり、
   前記演算部は、当該複数の応力推定近似式に基づいて前記作業機械の応力分布を推定することを特徴とする作業機械の応力演算システム。
4. 請求項２又は３に記載の作業機械の応力演算システムにおいて、
   前記作業機械の所定箇所に取り付けられ、当該所定箇所に発生する応力を検出する応力検出器を備え、
   前記演算部は、前記応力分布推定近似式から推定される当該所定箇所における応力と、前記応力検出器の出力値とを比較することで、前記応力分布推定近似式の精度を検証する処理を実行することを特徴とする作業機械の応力演算システム。
5. 請求項１に記載の作業機械の応力演算システムにおいて、
   前記作業機械の機構モデルによる応力分布の解析データに基づいて作成されたデータベースであって、方向及び大きさが異なる荷重がそれぞれ作用したときに前記作業機械に生じる応力分布、及び当該荷重がそれぞれ作用したときの荷重関連パラメータが、当該荷重の方向及び大きさ並びに前記作業機械の姿勢ごとに記憶されたデータベースをさらに備え、
   前記データベースは、前記荷重の方向及び大きさ、前記作業機械の姿勢、前記作業装置の動作状況、ならびに前記作業機械の走行動作状況ごとに、前記荷重関連パラメータを記憶しており、
   前記演算部は、前記荷重関連パラメータ検出器、前記姿勢関連パラメータ検出器、前記作業動作関連パラメータ検出器および前記走行動作関連パラメータ検出器の出力値、ならびに前記データベースのデータに基づいて、前記作業機械の応力分布を推定することを特徴とする作業機械の応力演算システム。
6. アクチュエータによって駆動される作業装置を備える自走式の作業機械であって、
   外部から荷重が作用した時に作業機械に生じる変化を示すパラメータである荷重関連パラメータを検出する荷重関連パラメータ検出器と、
   前記荷重が作用した時の前記作業機械の姿勢を示すパラメータである姿勢関連パラメータを検出する姿勢関連パラメータ検出器と、
   前記作業装置の動作状況を示すパラメータである作業動作関連パラメータを検出する作業動作関連パラメータ検出器と、
   前記作業機械の走行動作の状況を示すパラメータである走行動作関連パラメータを検出する走行動作関連パラメータ検出器と、
   前記荷重関連パラメータ検出器、前記姿勢関連パラメータ検出器、前記作業動作関連パラメータ検出器および前記走行動作関連パラメータ検出器の出力値、ならびに前記作業機械の機構モデルによる応力分布の解析データに基づいて、前記荷重が作用した時に前記作業機械に発生する応力分布を推定する演算部とを備えることを特徴とする作業機械。

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