JP6270029B2 - 電動式旋回装置を備えたショベル及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、走行装置等の基体に旋回体が取り付けられた電動式旋回装置を備えたショベル及びその制御方法に関する。

走行体（基体）に対して旋回可能に取り付けられた旋回体を有する旋回作業機械において、進入禁止領域に侵入物が進入したことを検出すると、旋回動作を強制的に停止させる制御が行われている。

特開２００３−１０５８０７号公報

油圧式旋回作業機械においては、旋回体を静止させる際に、油圧弁を閉じて旋回駆動部への圧油の供給を抑制する。圧油の流れが抑制されることにより、旋回体が静止する。旋回体を電動機で旋回させる場合、旋回用の電動機への電力の供給を停止しても、旋回体の慣性モーメントのため、即時に旋回体を静止させることは困難である。特に、ショベルのように、アタッチメントを備える旋回作業機械においては、旋回体の慣性モーメントが大きくなるため、旋回体を静止させることが一層困難になる。危険回避のために、旋回動作を、より安全に停止させる技術が望まれている。

本発明の一観点によると、
基体と、
前記基体に、旋回可能に取り付けられた旋回体と、
前記旋回体を旋回させる旋回用電動機と、
前記旋回用電動機に電力を供給するインバータと、
前記旋回用電動機に供給される電力を制御するための制御信号を前記インバータに送信する制御部と、
前記基体の周囲の障害物を検知し、検知結果を前記制御部に送信する障害物検知器と
を有し、
前記制御部は、
前記障害物検知器からの検知結果に基づいて、監視領域内の障害物の有無を判定し、
前記監視領域の内側に障害物が存在しないときには、操作者による操作量に基づいて生成される第２指令値に基づいて前記インバータを制御し、
前記監視領域の内側に障害物が存在するときには、予め記憶されている制限速度に基づく第１指令値に基づいて前記インバータを制御し、前記インバータに制御信号を送信することにより前記旋回用電動機を停止させる電動式旋回装置を備えたショベルが提供される。

本発明の他の観点によると、
基体と、
前記基体に、旋回可能に取り付けられた旋回体と、
前記旋回体を旋回させる旋回用電動機と、
前記旋回用電動機に電力を供給するインバータと、
前記旋回用電動機に供給される電力を制御するための制御信号を前記インバータに送信する制御部と、
前記基体の周囲の障害物を検知し、検知結果を前記制御部に送信する障害物検知器と
を有する電動式旋回装置を備えたショベルの制御方法であって、
前記障害物検知器からの検知結果に基づいて、前記制御部が、監視領域内に障害物が存在するか否かを判定する工程と、
前記監視領域の内側に障害物が存在しないと判定されたときには、前記制御部が、操作者による操作量に基づいて生成される第２指令値に基づいて前記インバータを制御し、前記監視領域の内側に障害物が存在すると判定されたときには、予め記憶されている制限速度に基づく第１指令値に基づいて前記インバータを制御し、前記インバータに制御信号を送信することにより前記旋回用電動機を停止させる工程と
を有するショベルの制御方法が提供される。

緊急時に、電動式の旋回体を、安全に静止させることができる。

図１は、実施例１による電動旋回装置の平面図である。 図２は、実施例１による電動旋回装置の全体のブロック図である。 図３は、アタッチメント長の算出方法を説明するための旋回軸とアタッチメントとの概略図である。 図４は、実施例１による電動旋回装置の旋回制御の機能ブロック図である。 図５は、インバータの等価回路図である。 図６は、速度操作値と速度指令値との関係を示すグラフである。 図７は、実施例１による旋回制御のフローチャートである。 図８は、実施例２による電動旋回装置の旋回制御の機能ブロック図である。 図９は、障害物の位置の方位角と制限速度との関係を示すグラフである。 図１０は、実施例２による旋回制御のフローチャートである。 図１１は、実施例２の変形例による電動旋回装置の旋回制御の機能ブロック図である。 図１２は、実施例３による電動旋回装置の平面図である。 図１３は、実施例３による電動旋回装置の旋回制御の機能ブロック図である。 図１４は、障害物の位置の方位角と制限速度との関係を示すグラフである。 図１５は、実施例３による旋回制御のフローチャートである。 図１６は、実施例４による電動旋回装置の平面図である。 図１７は、実施例５による電動旋回装置の旋回制御の機能ブロック図である。 図１８は、実施例６による電動旋回装置の平面図である。 図１９は、実施例６による電動旋回装置の旋回制御の機能ブロック図である。 図２０は、実施例７による電動旋回装置の平面図である。 図２１は、実施例７による電動旋回装置の旋回制御の機能ブロック図である

［実施例１］
図１に、実施例１による電動式旋回装置の平面図を示す。実施例１では、一例として、電動式旋回装置を備えたショベルを取り上げているが、この実施例は、ショベル以外の旋回動作可能な建設機械に適用することも可能である。

基体１に旋回体２が搭載されている。基体１は、例えばクローラ等を含む走行体である。旋回体２は、旋回中心３を中心として、基体１に対して旋回する。旋回体２にアタッチメント４が取り付けられている。アタッチメント４は、旋回体２と共に、旋回中心３を中心として旋回する。電動式旋回装置がショベルの場合には、アタッチメント４は、例えば、ブーム、アーム、及びバケットで構成される。

基体１を基準水平面の上に載置したときに、基準水平面内において、旋回中心３からアタッチメント４の先端を向く方位をｘ軸、それに直交する方位をｙ軸、旋回中心３をｚ軸とするｘｙｚ直交座標系を定義する。ｘ軸の正の向きを、上方から見て時計回りに９０°回転させた方位を、ｙ軸の正の向きと定義する。図１では、ｘｙｚ直交座標系として左手系を採用している。

旋回中心３（ｚ軸）を中心とする扇形によって第１監視領域５が画定される。第１監視領域５の中心角の二等分線がｘ軸に一致する。

旋回中心３（ｚ軸）からアタッチメント４の先端までの距離Ｒは、ブーム、アーム、バケットを駆動することにより変動する。ここで、距離Ｒは、基準水平面（ｘｙ面）への投影長さを意味する。この距離Ｒを、「アタッチメント長」ということとする。第１監視領域５の半径は、アタッチメント長Ｒと等しい。第１監視領域５の中心角の１／２をα１とする。

図２に、実施例１による電動式旋回装置の例として、ハイブリッド型ショベルの全体のブロック図を示す。図２において、機械的動力系を二重線で表し、高圧油圧ラインを太い実線で表し、電気系統を細い実線で表し、パイロットラインを破線で表す。

エンジン１１１の駆動軸が変速機１１３の入力軸に連結されている。エンジン１１１には、電気以外の燃料によって駆動力を発生するエンジン、例えばディーゼルエンジン等の内燃機関が用いられる。エンジン１１１は、作業機械の運転中は、常時駆動されている。

電動発電機１１２の駆動軸が、変速機１１３の他の入力軸に連結されている。電動発電機１１２は、電動（アシスト）運転と、発電運転との双方の運転動作を行うことができる。電動発電機１１２には、例えば磁石がロータ内部に埋め込まれた内部磁石埋込型（ＩＰＭ）モータが用いられる。

変速機１１３は、２つの入力軸と１つの出力軸とを有する。この出力軸には、メインポンプ１１４の駆動軸が連結されている。

エンジン１１１に加わる負荷が大きい場合には、電動発電機１１２がアシスト運転を行い、電動発電機１１２の駆動力が変速機１１３を介してメインポンプ１１４に伝達される。これにより、エンジン１１１に加わる負荷が軽減される。一方、エンジン１１１に加わる負荷が小さい場合には、エンジン１１１の駆動力が変速機１１３を介して電動発電機１１２に伝達されることにより、電動発電機１１２が発電運転される。電動発電機１１２のアシスト運転と発電運転との切り替えは、電動発電機１１２に接続されたインバータ１１８により行われる。インバータ１１８は、制御装置３０により制御される。

制御装置３０は、中央処理装置（ＣＰＵ）３０Ａ及び内部メモリ３０Ｂを含む。ＣＰＵ３０Ａは、内部メモリ３０Ｂに格納されている駆動制御用プログラムを実行する。制御装置３０は、表示装置１３５に、後述する緊急レベル等を表示することにより、運転者の注意を喚起する。

メインポンプ１１４は、高圧油圧ライン１１６を介して、コントロールバルブ１１７に油圧を供給する。コントロールバルブ１１７は、運転者からの指令により、油圧モータ１０１Ａ、１０１Ｂ、ブームシリンダ１０７、アームシリンダ１０８、及びバケットシリンダ１０９に油圧を分配する。油圧モータ１０１Ａ及び１０１Ｂは、それぞれ図１に示した走行体１に備えられた左右の２本のクローラを駆動する。

電動発電機１１２の電気系統の入出力端子が、インバータ１１８を介して蓄電回路１１９に接続されている。インバータ１１８は、制御装置３０からの指令に基づき、電動発電機１１２の運転制御を行う。蓄電回路１１９には、さらに、他のインバータ２０を介して旋回用電動機１６が接続されている。蓄電回路１１９及びインバータ２０は、制御装置３０により制御される。

電動発電機１１２がアシスト運転されている期間は、必要な電力が、蓄電回路１１９から、インバータ１１８を経由して、電動発電機１１２に供給される。電動発電機１１２が発電運転されている期間は、電動発電機１１２によって発電された電力が、インバータ１１８を経由して、蓄電回路１１９に供給される。

旋回用電動機１６は、インバータ２０からのパルス幅変調（ＰＷＭ）制御信号により交流駆動され、力行動作及び回生動作の双方の運転を行うことができる。旋回用電動機１６には、例えばＩＰＭモータが用いられる。ＩＰＭモータは、回生時に大きな誘導起電力を発生する。

旋回用電動機１６の力行動作中は、旋回用電動機１６の回転力が変速機１２４を介して、図１に示した旋回体２に伝達される。この際、変速機１２４は、回転速度を遅くする。これにより、旋回用電動機１６で発生した回転力が増大して、旋回体２に伝達される。また、回生動作時には、旋回体２の回転運動が、変速機１２４を介して旋回用電動機１６に伝達されることにより、旋回用電動機１６が回生電力を発生する。この際、変速機１２４は、力行動作の時とは逆に、回転速度を速める。これにより、旋回用電動機１６の回転数を上昇させることができる。

レゾルバ１７が、旋回用電動機１６の回転軸の回転方向の位置を検出する。検出結果は、制御装置３０に入力される。旋回用電動機１６の運転前と運転後における回転軸の回転方向の位置を検出することにより、旋回角度及び旋回方向が導出される。

メカニカルブレーキ１８が、旋回用電動機１６の回転軸に連結されており、機械的な制動力を発生する。メカニカルブレーキ１８の制動状態と解除状態とは、制御装置３０からの制御を受け、電磁的スイッチにより切り替えられる。

パイロットポンプ１１５が、油圧操作系に必要なパイロット圧を発生する。発生したパイロット圧は、パイロットライン１２５を介して操作装置１２６に供給される。操作装置１２６は、レバーやペダルを含み、運転者によって操作される。操作装置１２６は、パイロットライン１２５から供給される１次側の油圧を、運転者の操作に応じて、２次側の油圧に変換する。２次側の油圧は、油圧ライン１２７を介してコントロールバルブ１１７に伝達されると共に、他の油圧ライン１２８を介して圧力センサ１２９に伝達される。

圧力センサ１２９で検出された圧力の検出結果が、制御装置３０に入力される。これにより、制御装置３０は、走行体１（図１）、旋回体２（図１）、ブーム、アーム、及びバケット等からなるアタッチメント４（図１）の操作の状況を検知することができる。特に、実施例１によるハイブリッド型ショベルでは、旋回用電動機１６が旋回体２を駆動する。このため、旋回体２の旋回運動を制御するためのレバーの操作量を高精度に検出することが望まれる。制御装置３０は、圧力センサ１２９を介して、このレバーの操作量を高精度に検出することができる。

操作者によって始動キー１３２がオンにされると、制御装置３０が起動される。制御装置３０は、エンジン１１１、インバータ２０、１１８及び蓄電回路１１９の制御を開始する。

図３を参照して、アタッチメント長Ｒの算出方法について説明する。ブーム５３が、ｙ軸に平行な揺動中心５２を中心として、上下に揺動する。ブーム５３の先端にアーム５４が取り付けられており、アーム５４の先端にバケット５５が取り付けられている。ブーム５３の基部、ブーム５３とアーム５４との接続部、及びアーム５４とバケット５５との接続部に、それぞれ上下角センサ５７Ａ、５７Ｂ、５７Ｃが取り付けられている。

上下角センサ５７Ａは、ブーム５３の長手方向と、基準水平面（ｘｙ面）とのなす角度β１を測定する。上下角センサ５７Ｂは、ブーム５３の長手方向とアーム５４の長手方向とのなす角度δ１を測定する。上下角センサ５７Ｃは、アーム５４の長手方向とバケット５５の長手方向とのなす角度δ２を測定する。ここで、ブーム５３の長手方向とは、揺動中心５２に垂直な面内（ｚｘ面内）において、揺動中心５２、及びブーム５３とアーム５４との接続部を通過する直線の方向を意味する。アーム５４の長手方向とは、ｚｘ面内において、ブーム５３とアーム５４との接続部、及びアーム５４とバケット５５との接続部を通過する直線の方向を意味する。バケット５５の長手方向とは、ｚｘ面内において、アーム５４とバケット５５との接続部、及びバケット５５の先端を通過する直線の方向を意味する。

揺動中心５２は、旋回中心３（ｚ軸）から外れた位置に配置されている。なお、旋回中心３と揺動中心５２とが交差するような構造、すなわち揺動中心５２のｘ座標を０としてもよい。アタッチメント長Ｒは、バケット５５の先端のｘ座標で与えられる。揺動中心５２のｘ座標、ブーム５３の長さ、アーム５４の長さ、及びバケット５５の長さは既知である。従って、角度β１、δ１、及びδ２を測定することにより、アタッチメント長Ｒを算出することができる。

旋回体２に、複数、例えば４個の障害物検知器７が取り付けられている。障害物検知器７は、旋回体２の周囲の障害物を検知する。障害物の一例として、作業者、ダンプトラック等が挙げられる。例えば、作業者のヘルメット１０に、発信器１１が取り付けられている。発信器１１には、例えば全方位マーカ発光器が用いられる。障害物検知器７には、例えば、発信器１１の画像を取得するＣＣＤカメラが用いられる。複数の障害物検知器７で１つの発信器１１を撮像することにより、発信器１１の位置を算出することができる。障害物検知器７は旋回体２に取り付けられているため、旋回体２を基準とした発信器１１の相対的な位置、すなわち障害物の相対的な位置が算出される。

旋回体２に、オペレータが着座するためのキャビンが搭載されている。キャビンには、オペレータが、旋回体２の旋回動作を指令するための旋回レバーが設置されている。

図４に、旋回機能のブロック図を示す。旋回用電動機１６が、旋回体２（図１）を旋回させる。旋回用電動機１６には、例えば埋込磁石内蔵型同期（ＩＰＭ）モータが用いられる。インバータ２０が、旋回用電動機１６に駆動電力を供給する。インバータ２０には、例えばパルス幅変調（ＰＷＭ）方式のインバータが用いられる。

図５に、インバータ２０の等価回路図の一例を示す。インバータ２０は、直流電源６０に接続された３個のハーフブリッジ回路６１を有する。各ハーフブリッジ回路６１は、正極側のスイッチング素子６２と負極側のスイッチング素子６３とを含む。スイッチング素子６２、６３のオン、オフを切り替えることにより、旋回用電動機１６に供給される駆動電力が制御される。スイッチング素子６２、６３には、例えば絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）が用いられる。ここで、直流電源６０は、図２に示した蓄電回路１１９に相当する。

制御装置３０が、インバータ２０に制御信号を印加する。具体的には、スイッチング素子６２、６３のゲート端子に、オンオフを制御するためのパルス電圧を印加する。

図４に戻って説明を続ける。旋回レバー２５から、制御装置３０の速度操作値変換部３１にレバー操作量が入力される。速度操作値変換部３１は、入力されたレバー操作量に応じて、速度操作値ωｏを生成する。速度操作値ωｏが、速度指令変換部３２に入力される。速度指令変換部３２は、速度操作値ωｏを、速度指令値ωｉに変換する。

図６を参照して、速度指令変換部３２の機能について説明する。図６は、速度操作値ωｏと、速度指令値ωｉとの関係を示す。横軸は速度操作値ωｏを表し、縦軸は速度指令値ωｉを表す。旋回速度は、例えば時計回りを正とし、反時計回りを負とする。速度操作値ωｏの絶対値が最大速度ωｍａｘ以下の時には、ωｉ＝ωｏである。速度操作値ωｏの絶対値がωｍａｘ以上の場合には、ωｉ＝ωｍａｘとなる。すなわち、速度指令値ωｉの絶対値が、最大速度ωｍａｘを超えないように、速度指令値ωｉが生成される。速度指令値ωｉが、比較器４１の非反転入力端子に入力される。

図４に戻って説明を続ける。障害物検知器７の検知信号が、制御装置３０の位置演算部３３に入力される。位置演算部３３は、入力された検知信号を解析し、障害物の位置を求める。障害物の位置は、例えば図１に示したｘｙｚ直交座標系において、原点から障害物までの距離ｒと、ｘ軸の方位を０°とした方位角θとで表される。座標（ｒ，θ）は、旋回体２のアタッチメント４を基準とした相対位置である。検知器７が旋回体２に搭載されているため、旋回体２が旋回しても、検知器７によって方位角θを直接算出することができる。求められた障害物の位置座標（ｒ，θ）が、緊急度判定部３４に入力される。

緊急度判定部３４は、入力された障害物の座標（ｒ，θ）に基づいて、緊急度を判定する。図１に示した第１監視領域５の内側に障害物が存在する場合には、緊急度をレベルＥとする。第１監視領域５の内側に障害物が存在しない場合には、緊急度をレベルＮとする。

レゾルバ１７が、旋回用電動機１６の旋回方向の位置を検出し、検出結果を速度変換部４８に入力する。速度変換部４８は、旋回方向の位置を旋回速度に変換し、現時点の旋回速度ωｐを、比較器４１の反転入力端子に入力する。

比較器４１は、非反転入力端子に入力された速度指令値ωｉと、現時点の旋回速度ωｐとの差分を求め、その差分を旋回駆動制御部４５に入力する。インバータ２０の出力が、旋回駆動制御部４５にフィードバックされている。

旋回駆動制御部４５は、入力された差分、及びフィードバックされたインバータ２０の出力に基づいて、インバータ２０の制御信号を生成する。具体的には、現時点の旋回速度ωｐを、速度指令値ωｉに近づけるように、インバータ２０の制御信号を生成する。生成された制御信号は、第２切替部４７の一方の入力端子に入力される。

電力供給停止信号生成部４６が、インバータ２０から旋回用電動機１６への電力の
供給を停止させるための制御信号を生成する。具体的には、図５に示したイ
ンバータ２０のスイッチング素子６２、６３をすべてオフにするような制御
信号が生成される。

第２切替部４７が、旋回駆動制御部４５から出力された制御信号及び電力供給停止信号生成部４６から出力された制御信号の一方を選択して、インバータ２０に入力する。緊急度がレベルＮの時には、旋回駆動制御部４５から出力された制御信号がインバータ２０に入力される。緊急度がレベルＥの時には、電力供給停止信号生成部４６から出力された制御信号がインバータ２０に入力される。このように、旋回用電動機１６は、緊急度に対応して制御される。

ブレーキ駆動部４９が、メカニカルブレーキ１８を制御する。緊急度がレベルＥのとき、ブレーキ駆動部４９はメカニカルブレーキ１８を作動させ、旋回用電動機１６に制動力を与える。このように、メカニカルブレーキ１８は、緊急度に対応して制御される。

制御装置３０の各機能は、ハードウェアで実現してもよいし、コンピュータのソフトウェアで実現してもよい。

図７に、実施例１による電動旋回装置の旋回制御方法のフローチャートを示す。ステップＳ１において、緊急度がレベルＥか否かを判定する。緊急度がレベルＥのとき、すなわち、図１の第１監視領域５内に障害物が検知されたとき、図４に示した第２切替部４７が電力供給停止信号生成部４６を選択する。ステップＳ２において、インバータ２０に、電力供給を停止させる制御信号が送出される。インバータ２０から旋回用電動機１６への電力の供給が停止される。ステップＳ３において、ブレーキ駆動部４９が、ブレーキ１８を作動させる。なお、ステップＳ２とＳ３との時間の前後関係は、逆でもよいし、２つのステップを同時に実行してもよい。

旋回用電動機１６への電力の供給が停止され、ブレーキ１８から制動力が与えられることにより、旋回体２（図１）の旋回速度が急激に低下し、旋回体２を直ちに停止させることができる。

ステップＳ３を実施後、ステップＳ６において、電動旋回装置の運転状態を判定する。電動旋回装置の運転が停止されていない場合は、ステップＳ１に戻る。

ステップＳ１で、緊急度がレベルＥではないと判定された場合、すなわち緊急度がレベルＮの場合には、図４に示した第２切替部４７が旋回駆動制御部４５を選択する。これにより、ステップＳ４において、比較器４１の非反転入力端子に速度指令値ωｉが入力され、ステップＳ５において、旋回駆動制御部４５から出力された制御信号がインバータ２０に入力される。

図６に示すように、オペレータによる旋回レバーの操作量に基づく速度操作値ωｏが、最大速度ωｍａｘ以下の場合には、旋回速度が速度操作値ωｏになるように、インバータ２０が制御される。速度操作値ωｏが最大速度ωｍａｘを超えている場合には、旋回速度が最大速度ωｍａｘと等しくなるようにインバータ２０が制御される。このように、旋回速度が最大速度ωｍａｘに制限される。

ステップＳ５を実施後、ステップＳ６において、電動旋回装置の運転状態を判定する。電動旋回装置の運転が停止されていない場合は、ステップＳ１に戻る。

実施例１においては、緊急度がレベルＥのとき、オペレータの操作とは無関係に、旋回用電動機１６への電力の供給を停止し、メカニカルブレーキ１８を動作させることにより、旋回体２の旋回動作を自動的に、かつ強制的に停止させる。このため、アタッチメント４が障害物に接触することを防止することができる。

［実施例２］
図８に、実施例２による電動式旋回装置の旋回機能のブロック図を示す。以下、図４に示した実施例１による旋回機能との相違点に着目して説明を行い、同一の機能については説明を省略する。図８を図４と対比すると、制限速度演算部３５、比較部３６、及び第１切替部４０が追加され、図４の電力供給停止信号生成部４６及び第２切替部４７が削除されている。

図９を参照して、制限速度演算部３５の機能について説明する。図９は、障害物が検知された位置の方位角θと、制限速度ωＬとの関係を示す。横軸は方位角θを表し、縦軸は制限速度ωＬを表す。方位角θの絶対値が、第１監視領域５（図１）の中心角の１／２（角度α１）以下のとき、制限速度ωＬを０とする。方位角θの絶対値がα１より大きいとき、制限速度ωＬを、最大速度ωｍａｘ（図６）とする。

比較部３６に、速度指令値（第２指令値）ωｉと、制限速度ωＬとが入力される。比較部３６は、速度指令値ωｉと制限速度ωＬとを比較し、小さい方の速度を、緊急時指令値（第１指令値）ωｃとして出力する。具体的には、速度指令値ωｉが制限速度ωＬよりも小さいとき、緊急時指令値ωｃに、速度指令値ωｉの値を設定する。速度指令値ωｉが制限速度ωＬ以上のとき、緊急時指令値ωｃに、制限速度ωＬの値を設定する。

速度指令値ωｉ及び緊急時指令値ωｃのうち一方が、第１切替部４０によって選択され、比較器４１の非反転入力端子に入力される。第１切替部４０は、緊急度判定部３４で判定された緊急度がレベルＮのとき、速度指令値ωｉを選択し、緊急度がレベルＥのとき、緊急時指令値ωｃを選択する。

緊急度がレベルＥであるということは、方位角θ（図１）がα１以下であることを意味する。このため、制限速度演算部３５から出力される制限速度ωＬは０である。比較部３６から出力される緊急時指令値ωｃも０になる。緊急度がレベルＥのとき、比較器４１の非反転入力端子に入力される緊急時指令値ωｃは０である。このとき、旋回駆動制御部４５は、旋回用電動機１６の回転速度が０になるようにインバータ２０に駆動信号を供給する。このとき、旋回用電動機１６には、電気的な制動トルクが印加されることになる。

メカニカルブレーキ駆動部４９に、速度変換部４８から現時点の旋回速度ωｐが入力されている。メカニカルブレーキ駆動部４９は、緊急度がレベルＥであり、かつ旋回速度ωｐが０のとき、メカニカルブレーキ１８を作動させる。

図１０に、実施例２による電動旋回装置の旋回制御方法のフローチャートを示す。ステップＳＡ１において、緊急度がレベルＥか否かを判定する。緊急度がレベルＥであるとき、ステップＳＡ２において、旋回駆動制御部４５に、緊急時指令値ωｃ＝０が入力される。ステップＳＡ３において、旋回駆動制御部４５が、旋回体２の旋回速度が０になるようにインバータ２０に制御信号を送信する。これにより、旋回用電動機１６に電気的な制動トルクが加わり、単に電力供給を停止させた場合に比べて、より迅速に旋回体２を静止させることができる。

ステップＳＡ４において、旋回体２の静止を確認した後、メカニカルブレーキ１８を作動させる。ステップＳＡ７において、電動旋回装置の運転状態を判定する。電動旋回装置の運転が停止されていない場合は、ステップＳＡ１に戻る。

ステップＳＡ１で緊急度がレベルＥではないと判定された場合、すなわち緊急度がレベルＮである場合には、ステップＳＡ５において、旋回駆動制御部４５に速度指令値ωｉを入力する。ステップＳＡ６において、旋回駆動制御部４５が、旋回体２の旋回速度がωｉになるようにインバータ２０に制御信号を送信する。その後、ステップＳＡ７において、電動旋回装置の運転状態を判定する。電動旋回装置の運転が停止されていない場合は、ステップＳＡ１に戻る。

図１１に、実施例２の変形例による電動旋回装置の旋回機能のブロック図を示す。以下、図８に示した実施例２による旋回機能との相違点に着目して説明を行い、同一の機能については説明を省略する。

この変形例においては、図８の制限速度演算部３５及び比較部３６に代えて、制限速度生成部３７が設けられている。制限速度生成部３７は、常に緊急時指令値ωｃ＝０を出力する。第１切替部４０の一方の入力端子に、速度指令値ωｉが入力され、他方の入力端子に、緊急時指令値ωｃ＝０が入力される。

この変形例においても、緊急度がレベルＥのとき、比較器４１の非反転入力端子に緊急時指令値ωｃ＝０が入力される。このため、上記実施例２と同様の動作が実現される。

［実施例３］
図１２〜図１５を参照して、実施例３による電動式旋回装置について説明する。以下、実施例１との相違点に着目して説明し、同一の構成については説明を省略する。

図１２に、実施例３による電動式旋回装置の平面図を示す。実施例１では、第１監視領域５が画定されていたが、実施例３では、第１監視領域５に加えて、第２監視領域６が画定されている。第２監視領域６も、第１監視領域５と同様に、旋回中心３（ｚ軸）を中心とする半径Ｒの扇形であり、中心角の二等分線がｘ軸に一致する。第２監視領域６の中心角の１／２をα２とする。角度α２は、角度α１より大きい。

図１３に、旋回機能のブロック図を示す。位置演算部３３で求められた方位角θが制限速度演算部３５に入力される。制限速度演算部３５は、入力された障害物の方位角θに基づいて、制限速度を算出する。図１４を参照して、制限速度演算部３５の機能について説明する。

図１４は、障害物が検知された位置の方位角θと、制限速度ωＬとの関係を示す。横軸は方位角θを表し、縦軸は制限速度ωＬを表す。方位角θの絶対値が、第２監視領域６の中心角の１／２（角度α２）以下のとき、方位角θの絶対値が小さくなるに従って、制限速度ωＬの絶対値が単調に減少する。方位角θの絶対値がαｍのとき、制限速度ωＬが０になる。方位角θの絶対値が０とαｍとの間の領域では、制限速度ωＬは０である。このように、制限速度演算部３５は、予め定められたパターン（障害物が検知された位置の方位角θと制限速度ωＬとの関係）に基づいて、制限速度ωＬを抑制する制限部として機能する。これにより、制限速度演算部３５は、入力された方位角θ、及び図１４に示した方位角θと制限速度ωＬとの関係に基づいて、制限速度ωＬを生成する。

比較部３６に、速度指令値ωｉと、制限速度ωＬとが入力される。比較部３６は、速度指令値ωｉと制限速度ωＬとを比較し、小さい方の速度を、緊急時指令値ωｃとして出力する。

緊急度判定部３４は、入力された障害物の座標（ｒ，θ）に基づいて、緊急度を判定する。図１に示した第２監視領域６の内側で、かつ第１監視領域５の外側に障害物が存在する場合には、緊急度をレベルＥ１とし、第１監視領域５の内側に障害物が存在する場合には、緊急度をレベルＥ２とする。その他の場合には、緊急度をレベルＮとする。

速度指令値ωｉ及び緊急時指令値ωｃのうち一方が、第１切替部４０によって選択され、比較器４１の非反転入力端子に入力される。第１切替部４０は、緊急度がレベルＮのとき、速度指令値ωｉを選択し、緊急度がレベルＥ１のとき、緊急時指令値ωｃを選択する。緊急度がレベルＥ２の時には、第１切替部４０は中立状態であり、比較器４１の非反転入力端子には、信号が入力されない。

第２切替部４７が、旋回駆動制御部４５から出力された制御信号及び電力供給停止信号生成部４６から出力された制御信号の一方を選択して、インバータ２０に入力する。緊急度がレベルＮまたはレベルＥ１の時には、旋回駆動制御部４５から出力された制御信号がインバータ２０に入力される。緊急度がレベルＥ２の時には、電力供給停止信号生成部４６から出力された制御信号がインバータ２０に入力される。

図１５に、実施例３による電動旋回装置の旋回制御方法のフローチャートを示す。ステップＳＢ１において、緊急度がレベルＥ２か否かを判定する。緊急度がレベルＥ２のとき、すなわち、図１２の第１監視領域５内に障害物が検知されたとき、図１３に示した第２切替部４７が電力供給停止信号生成部４６を選択する。ステップＳＢ２において、インバータ２０に、電力供給を停止させる制御信号が送出される。インバータ２０から旋回用電動機１６への電力の供給が停止される。ステップＳＢ３において、ブレーキ駆動部４９が、ブレーキ１８を作動させる。なお、ステップＳＢ２とＳＢ３との時間の前後関係は、逆でもよいし、２つのステップを同時に実行してもよい。

旋回用電動機１６への電力の供給が停止され、ブレーキ１８から制動力が与えられることにより、旋回体２（図１２）の旋回速度が急激に低下し、旋回体２を直ちに停止させることができる。

ステップＳＢ３を実施後、ステップＳＢ９において、電動旋回装置の運転状態を判定する。電動旋回装置の運転が停止されていない場合は、ステップＳＢ１に戻る。

ステップＳＢ１で、緊急度がレベルＥ２ではないと判定された場合には、ステップＳＢ４において、緊急度がレベルＥ１であるか否かを判定する。緊急度がレベルＥ１である場合、すなわち、図１２に示した第２監視領域６の内側で、かつ第１監視領域５の外側に障害物を検知した場合、図１３に示した第１切替部４０が緊急時指令値ωｃを選択し、第２切替部４７が旋回駆動制御部４５を選択する。これにより、ステップＳＢ５において、比較器４１の非反転入力端子に緊急時指令値ωｃが入力され、ステップＳＢ６において、旋回駆動制御部４５から出力された制御信号がインバータ２０に入力される。

図１４に示すように、障害物の位置の方位角θに依存して、旋回速度の上限値が制限速度ωＬに制限される。オペレータによる旋回レバーの操作が、制限速度ωＬより高速の旋回を指令している場合でも、旋回速度が制限速度ωＬに抑制される。このため、作業を停止させることなく、かつ障害物への急接近を回避することができる。

ステップＳＢ６を実施後、ステップＳＢ９において、電動旋回装置の運転状態を判定する。電動旋回装置の運転が停止されていない場合は、ステップＳＢ１に戻る。

ステップＳＢ４において、緊急度がレベルＥ１ではないと判定された場合、図１３に示した第１切替部４０が速度指令値ωｉを選択し、第２切替部４７が旋回駆動制御部４５を選択する。これにより、ステップＳＢ７において、比較器４１の非反転入力端子に速度指令値ωｉが入力され、ステップＳＢ８において、旋回駆動制御部４５から出力された制御信号がインバータ２０に入力される。

図６に示した、オペレータによる旋回レバーの操作による速度操作値ωｏが、最大速度ωｍａｘ以下の場合には、旋回速度が速度操作値ωｏになるように、インバータ２０が制御される。速度操作値ωｏが最大速度ωｍａｘを超えている場合には、旋回速度が最大速度ωｍａｘと等しくなるようにインバータ２０が制御される。

ステップＳＢ８を実施後、ステップＳＢ９において、電動旋回装置の運転状態を判定する。電動旋回装置の運転が停止されていない場合は、ステップＳＢ１に戻る。

実施例３においては、緊急度がレベルＥ２のとき、オペレータの操作とは無関係に、旋回体２の旋回動作を強制的に停止させる。このため、アタッチメント４が障害物に接触することを防止することができる。また、緊急度がレベルＥ１のときには、旋回速度が制限速度ωＬ以下になるようにインバータ２０が制御される。このため、緊急度がレベルＥ２になったときに、旋回体２が停止するまでに旋回してしまう角度（制動角度）を、小さくすることができる。

［実施例４］
図１６に、実施例４による電動旋回装置の平面図を示す。上述の実施例３では、第１監視領域５（図１２）及び第２監視領域６（図１２）を、扇形の領域とした。実施例４では、図１６に示すように、第１監視領域５及び第２監視領域６を、旋回中心３を中心とした円形の領域とする。第１監視領域５の半径をｒ１とし、第２監視領域６の半径をｒ２とする。半径ｒ２は半径ｒ１より大きい。一例として、半径ｒ１は、アタッチメント長Ｒの最大値に設定され、半径ｒ２は、アタッチメント長Ｒの最大値の１．１倍に設定される。

第１監視領域５内に障害物が存在する場合、及び第２監視領域６内で、かつ第１監視領域５の外の円環状領域内に障害物が存在する場合の、旋回動作の制御方法は、実施例１〜実施例３のいずれかの場合と同一である。

実施例４では、障害物が近づいてくると、アタッチメントの方位とは無関係に、旋回動作を強制的に停止させるか、または旋回速度の上限値を制限する。これにより、十分な安全を確保することができる。

［実施例５］
図１７を参照して、実施例５による電動旋回装置について説明する。以下、実施例１による旋回制御との相違点について説明し、同一の構成については説明を省略する。

図１７に、実施例５による電動旋回装置の旋回制御の機能ブロック図を示す。実施例５では、検知器７がＧＰＳ端末７Ａと方位センサ７Ｂとを含む。ＧＰＳ端末７Ａは、電動旋回装置の旋回中心３（図１）のグローバル座標（緯度及び経度）を算出する。方位センサ７Ｂは、グローバル座標系において、走行体１（図１）の前方の方位を検出する。ＧＰＳ端末７Ａで算出されたグローバル座標、及び方位センサ７Ｂで検出された方位情報が、制御装置３０の位置姿勢演算部３８に入力される。レゾルバ１７から位置姿勢演算部３８に、旋回用電動機１６の旋回方向の位置情報が入力される。

位置姿勢演算部３８は、方位センサ７Ｂから入力された走行体１（図１）の前方の方位情報と、レゾルバ１７から入力された旋回用電動機１６の旋回方向の位置情報とに基づいて、グローバル座標系におけるアタッチメント４（図１）の方位（ｘ軸の方位）を算出する。

作業者のヘルメット１０（図１）にも、ＧＰＳ端末が取り付けられている。ヘルメット１０を装着した作業者のグローバル座標（位置情報）が、発信器１１から送信される。制御装置３０の受信部３９が、発信器１１から送信された位置情報を受信する。受信された位置情報が、位置演算部３３に入力される。

位置演算部３３は、作業者のグローバル座標と、電動旋回装置の旋回中心３のグローバル座標とに基づいて、旋回中心３から作業者までの距離ｒ（図１）を算出する。さらに、旋回中心３と作業者とのグローバル座標、及びｘ軸の方位とに基づいて、方位角θ（図１）を算出する。算出された距離ｒ及び方位角θが、緊急度判定部３４に入力される。緊急度判定部３４の処理は、実施例１による電動旋回装置の緊急度判定部３４の処理と同一である。このように、作業者とアタッチメントとの相対的な位置関係に基づいて、緊急度が判定される。

方位センサ７Ｂが、旋回体２（図１）に搭載されている場合には、アタッチメント４が向く方位（ｘ軸の方位）が方位センサ７Ｂで直接測定される。このため、アタッチメント４が向く方位を求めるために、レゾルバ１７で検出される旋回用電動機１６の旋回方向の位置情報を用いる必要はない。この場合には、ＧＰＳ端末７Ａ及び方位センサ７Ｂから位置演算部３３に、位置情報及び方位情報を入力すればよい。

［実施例６］
図１８及び図１９を参照して、実施例６による電動旋回装置について説明する。以下、実施例１による電動旋回装置との相違点について説明し、同一の構成については説明を省略する。

図１８に、実施例６による電動旋回装置の平面図を示す。実施例６では、障害物検知器７としてミリ波レーダが用いられる。障害物検知器７は旋回中心３の近傍に設置される。障害物検知器７は、ｘ軸の正の方向にミリ波を放射し、前方の障害物１２までの距離を計測する。ミリ波の放射方向は、ｘ軸を中心としてｘｙ面内でスキャンされる。ミリ波のスキャンには、メカニカルスキャン方式、ビーム切替方式等を採用することができる。

図１９に、実施例６による電動旋回装置の旋回制御の機能ブロック図を示す。障害物検知器（ミリ波レーダ）７の検出結果が、制御装置３０の位置演算部３３に入力される。位置演算部３３は、ミリ波レーダの検出結果に基づいて、第１監視領域５内の障害物１２の相対座標（ｒ，θ）を算出する。

ミリ波を、第１監視領域５の中心角の範囲内でスキャンさせることにより、第１監視領域５内の障害物１２を検出することができる。ミリ波をスキャンする中心角を拡大することにより、図１２に示した第２監視領域６内の障害物１２を検出することも可能になる。

［実施例７］
図２０及び図２１を参照して、実施例７による電動旋回装置について説明する。以下、実施例６による電動旋回装置との相違点について説明し、同一の構成については説明を省略する。

図２０に、実施例７による電動旋回装置の平面図を示す。実施例７では、障害物検知器７が、ミリ波レーダ７Ｃと撮像装置７Ｄとにより構成される。

図２１に、実施例７による電動旋回装置の旋回制御の機能ブロック図を示す。ミリ波レーダ７Ｃの検出結果に基づいて、位置演算部３３が第１監視領域５内の障害物１２（図２０）の相対座標（ｒ，θ）を算出する。ミリ波レーダ７Ｃを旋回体２に搭載すると、地面から約１ｍ程度の高さからミリ波が放射される。ミリ波の伝搬経路の直下が死角になるため、走行体１の直前に座っている人物等を検出できない場合がある。撮像装置７Ｄは、ミリ波レーダ７Ｃの死角になる領域を撮像する。

撮像装置７Ｄで取得された画像データが、制御装置３０の画像解析部４３に入力される。画像解析部４３は、取得された画像を解析することにより、画像内の人物を抽出する。人物の抽出は、例えば、人物の輪郭の特徴的な形状を抽出することにより行うことができる。人物が抽出された場合には、画像データから、人物の相対座標（ｒ，θ）を算出する。算出結果が緊急度判定部３４に入力される。

緊急度判定部３４は、位置演算部３３から入力された障害物の位置情報、及び画像解析部４３から入力された人物の位置情報に基づいて、緊急度を判定する。一例として、第１監視領域５内に人物が検出された場合には、緊急度をレベルＥとする。実施例７では、走行体１の直前に座っている人物を検出することができるため、第１監視領域５内の障害物の検出の信頼度を高めることができる。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

１ 走行体（基体）
２ 旋回体
３ 旋回中心
４ アタッチメント
５ 第１監視領域
６ 第２監視領域
７ 障害物検知器
７Ａ ＧＰＳ端末
７Ｂ 方位センサ
７Ｃ ミリ波レーダ
７Ｄ 撮像装置
１０ ヘルメット
１１ 発信器
１２ 障害物
１６ 旋回用電動機
１７ レゾルバ
１８ メカニカルブレーキ
２０ インバータ
２５ 旋回レバー
３０ 制御装置
３１ 速度操作値変換部
３２ 速度指令変換部
３３ 位置演算部
３４ 緊急度判定部
３５ 制限速度演算部
３６ 比較部
３７ 制限速度生成部
３８ 位置姿勢演算部
３９ 受信部
４０ 第１切替部
４１ 比較器
４３ 画像解析部
４５ 旋回駆動制御部
４６ 電力供給停止信号生成部
４７ 第２切替部
４８ 速度変換部
４９ メカニカルブレーキ駆動部
５２ 揺動中心
５３ ブーム
５４ アーム
５５ バケット
５７Ａ、５７Ｂ、５７Ｃ 上下角センサ
６０ 直流電源
６１ ハーフブリッジ回路
６２、６３ スイッチング素子
１０１Ａ、１０１Ｂ 油圧モータ
１０７ ブームシリンダ
１０８ アームシリンダ
１０９ バケットシリンダ
１１１ エンジン
１１２ 電動発電機
１１３ 変速機
１１４ メインポンプ
１１５ パイロットポンプ
１１６ 高圧油圧ライン
１１７ コントロールバルブ
１１８ インバータ
１１９ 蓄電回路
１２４ 変速機
１２５ パイロットライン
１２６ 操作装置
１２７、１２８ 油圧ライン
１２９ 圧力センサ
１３２ 始動キー
１３５ 表示装置

Claims (2)

1. 基体と、
   前記基体に、旋回可能に取り付けられた旋回体と、
   前記旋回体を旋回させる旋回用電動機と、
   前記旋回用電動機に電力を供給するインバータと、
   前記旋回体に機械的な制動力を加えるメカニカルブレーキと、
   前記インバータ及び前記メカニカルブレーキを制御する制御装置と、
   前記基体の周囲の障害物を検知し、検知結果を前記制御装置に送信する障害物検知器と、を有し、
   前記制御装置は、
   前記障害物検知器からの検知結果に基づいて、監視領域内の障害物の有無を判定し、
   前記監視領域内に障害物が存在しないときには、前記旋回体の操作レバーの操作量に対応する前記旋回体の速度指令値、及び現時点の旋回速度、から生成されるトルク指令値に基づいて前記インバータを制御し、
   前記監視領域内に障害物が存在するときには、前記メカニカルブレーキを作動させて前記旋回体を停止させる第１停止制御または前記旋回体の速度が０になるように前記インバータを制御する第２停止制御を実行させ、
   前記第１停止制御は、前記監視領域内における第１領域に障害物が存在するときに実行され、
   前記第２停止制御は、前記監視領域内、且つ、前記第１領域の外側の第２領域、に障害物が存在するときに実行される、
   ショベル。
2. 前記制御装置は、
   前記旋回体と前記障害物との旋回方向に関する相対位置と、前記旋回体の旋回速度との関係である速度パターンを記憶しており、
   前記監視領域内に障害物が存在し、前記第２停止制御を実行させる場合、
   前記速度パターンに記憶されている旋回速度に基づいて、前記インバータを制御する請求項１に記載のショベル。
   

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