JP6576756B2 - ショベル - Google Patents

Description

本発明は、ショベルに関する。

ショベルは、クローラと呼ばれる走行体、上部旋回体、走行体（ロワーともいう）に対して上部旋回体を回転させる旋回装置、上部旋回体に取り付けられるアタッチメントを備える。油圧ショベルでは、上部旋回体の動力、アームやブーム、バケットの動力として、油圧が利用される。ハイブリッドショベルでは、上部旋回体の動力として電動モータが使用される。

ショベルが軟土壌等の弾性係数の低い脆いフィールドで使用される場合、あるいは摩擦係数が小さいフィールドで使用される場合、上部旋回体を旋回させると、その反力により走行体が地面に対して滑る場合がある。走行体の滑りは、安全性の観点から好ましくない。また作業効率を低下させ、あるいは運転者に不快感を与えるという問題がある。

特開２０１４−１６３１５５号公報

特許文献１には、通常旋回モードに加えてスリップ防止モードを設け、滑りを検出すると、スリップ防止モードに切りかえる技術が開示されている。しかしながら、上部旋回体のイナーシャは、アタッチメントの姿勢や、バケット内の土砂の重量に応じて変化するため、２つもモードの切り換えのみでは、走行体の滑りを抑制できない場合がある。

本発明は係る課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、すべり抑制機構を備えたショベルの提供にある。

本発明のある態様はショベルに関する。ショベルは、走行体と、地面を基準とする回転を検出するセンサと、走行体に回動自在に設けられる上部旋回体と、旋回指令にしたがい、上部旋回体を旋回させる旋回装置と、センサの出力から得られる走行体の対地回転運動が小さくなるように、フィードバック制御により旋回指令を補正する補正部と、を備える。

この態様によると、対地回転運動を検出するセンサを設け、対地回転運動が抑制されるように、補正部による補正量（補正の程度）をフィードバック制御することにより、ショベルの姿勢や土砂の重量が異なるさまざまな状況において、走行体の滑りを抑制できる。

補正部は、走行体の対地角加速度をゼロに近づけるフィードバック制御を行ってもよい。これにより、静止状態にある走行体が滑り始めるのを抑制できる。

補正部は、走行体の対地角速度をゼロに近づけるフィードバック制御を行ってもよい。これにより、走行体に滑りが生じている状況において静止させることができる。

補正部は、走行体の対地角加速度が所定のしきい値より低いときバイパスされてもよい。これにより、滑りが実質的にゼロである状況において、操作感が損なわれるのを防止できる。

旋回指令は、上部旋回体の旋回角加速度の指令値であり、補正部は、旋回指令の上限を変化させてもよい。

旋回指令は、上部旋回体の旋回角速度の指令値であり、補正部は、旋回指令の傾き制限してもよい。

センサは走行体に取り付けられてもよい。補正部は、走行体の対地角速度もしくは走行体の対地速度をゼロに近づけるフィードバック制御を行ってもよい。

センサは上部旋回体に取り付けられてもよい。補正部は、上部旋回体の対地角加速度を旋回指令にもとづく旋回角加速度指令に近づけるフィードバック制御、または上部旋回体の対地角速度を旋回指令にもとづく旋回速度指令に近づけるフィードバック制御を行ってもよい。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、ショベルの走行体の滑りを抑制できる。

実施の形態に係る建設機械の一例であるショベルの外観を示す斜視図である。 ショベルの座標系を示す外観図である。 実施の形態に係るショベルのブロック図である。 補正部のブロック図である。 図５（ａ）、（ｂ）は、補正器による補正の例を示す図である。 ショベルの制御のフローチャートである。 ショベルの滑り抑制動作を説明する波形図である。 第１変形例に係る補正部のブロック図である。 第２変形例に係る補正部のブロック図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

本明細書において、「部材Ａが、部材Ｂと接続された状態」とは、部材Ａと部材Ｂが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Ａと部材Ｂが、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

図１は、実施の形態に係る建設機械の一例であるショベル１の外観を示す斜視図である。ショベル１は、主としてクローラ（走行機構ともいう）２と、走行体２の上部に旋回機構３を介して回動自在に搭載された上部旋回体（以下、単に上部旋回体ともいう）４とを備えている。

上部旋回体４には、ブーム５と、ブーム５の先端にリンク接続されたアーム６と、アーム６の先端にリンク接続されたバケット１０とが取り付けられている。バケット１０は、土砂、鋼材などの吊荷を捕獲するための設備である。ブーム５、アーム６、及びバケット１０は、アタッチメント１２と総称され、それぞれブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９によって油圧駆動される。また、上部旋回体４には、バケット１０の位置や励磁動作および釈放動作を操作する運転者を収容するための運転室４ａや、油圧を発生するためのエンジン１１といった動力源が設けられている。エンジン１１は、例えばディーゼルエンジンで構成される。

ショベル１の座標系を説明する。図２は、ショベル１の座標系を示す外観図である。上部旋回体４は、走行体２に対して旋回軸Ａ周りに旋回する。上部旋回体４の走行体２に対する旋回角速度をωとする。走行モータが停止し、アタッチメントによる作業中においては、走行体２は静止すべきであるが、上部旋回体４の回転や、バケット１０からの反力により、走行体２を地面に対して滑らせる力が発生する。このときの滑りによる走行体２の対地旋回速度をφとし、その加速度をφ’とする。

なおブーム５、アーム６、バケット１０それぞれの位置を示す角度座標θ_１〜θ_３が定義されるが、本発明との関連はないため説明は省略する。

図３は、実施の形態に係るショベル１のブロック図である。図２には、上部旋回体４の旋回に関連する機能ブロックのみが示される。

ショベル１は、旋回レバー２６Ａ、センサ２０２、補正部２０４、旋回装置３００、上部旋回体４を備える。センサ２０２は、地面を基準とする回転を検出する。本実施の形態においてセンサ２０２は、走行体２に取り付けられており、走行体２の対地回転運動を検出する。センサ２０２はジャイロセンサであるが、地磁気センサやＧＮＳＳなどによる方位計測や加速度センサなどによる走行体２の対地角加速度φ’の計測により運動を検出してもよい。

旋回レバー２６Ａは、作業者により操作され、レバーの操作量（傾き）が、上部旋回体４への旋回指令ＲＥＦとなる。旋回装置２００は、旋回指令ＲＥＦ_Ｍにしたがい、上部旋回体４を旋回させる。旋回装置２００は、旋回モータと旋回モータを制御する制御装置を含む。旋回モータは電動モータであってもよいし、油圧モータであってもよい。

たとえば旋回レバー２６Ａの操作量は、旋回速度の指令値ω_ＲＥＦであってもよい。この場合、制御装置は上部旋回体４の旋回速度の検出値ω_ＤＥＴが指令値ω_ＲＥＦに近づくように、フィードバック制御により旋回モータのトルク指令値を生成してもよい。制御装置は、トルク指令値にもとづいて旋回モータを駆動してもよい。

あるいは旋回レバー２６Ａの操作量は、旋回角速度の指令値ω_ＲＥＦ’であってもよい。この場合、制御装置は上部旋回体４の旋回加速度の検出値ω_ＤＥＴ’が指令値ω_ＲＥＦ’に近づくように、フィードバック制御により旋回モータのトルク指令値を生成してもよい。制御装置は、トルク指令値にもとづいて旋回モータを駆動してもよい。旋回装置２００は公知技術を用いればよく、その構成、制御方式は特に限定されない。

補正部２０４は、センサ２０２の検出値から得られる走行体２の対地回転運動が小さくなるように、フィードバック制御により旋回指令ＲＥＦを補正する。補正後の旋回指令をＲＥＦ_Ｍとする。

以上が滑り抑制のためのショベル１の構成である。続いて補正部２０４による補正について具体的に説明する。

補正部２０４は、走行体２の対地角加速度φ’をゼロに近づけるフィードバック制御を行う。走行体２の対地角加速度φ’は、ジャイロセンサから得られる角速度を微分することにより得られる。図４は、補正部２０４のブロック図である。補正部２０４は、誤差検出器２２０、トルク導出部２２２、ＰＩＤ（比例・積分、微分）補償器２２４、補正器２２６、セレクタ２２８、滑り判定器２３０を備える。補正部２０４は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、マイコン、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）などのハードウェアとソフトウェアプログラムの組み合わせ、あるいは専用のコントローラにより実現しうる。

誤差検出器２２０は、走行体２の対地角加速度φ’と、その目標値φ_ＲＥＦ’であるゼロの誤差（加速度偏差という）Δφ’を生成する。トルク導出部２２２は、加速度偏差Δφ’を受け、それをトルクのディメンジョンを有するトルク偏差ΔＴに変換する。
ΔＴ＝Ｉ・Δφ’
Ｉは慣性モーメントである。ショベル１の慣性モーメントＩは、アタッチメントの姿勢に依存する。また車体の傾きαに応じて回転軸が変化するため、慣性モーメントＩも変化する。そこでトルク導出部２２２は、アタッチメントの姿勢を示す検出値θ_１〜θ_３および傾きαを用いて、慣性モーメントＩを演算してもよい。あるいは慣性モーメントＩとして定数を用いてもよい。

ＰＩＤ補償器２２４は、トルク偏差ΔＴにＰＩＤ演算を施し、補正量を示す補正データＳ１を生成する。なおＰＩＤ補償器２２４に代えてＰＩ補償器やＰ補償器、ＰＤ補償器などを用いてもよい。補正器２２６は、補正データＳ１にもとづいて、旋回指令値ＲＥＦを補正する。

図５（ａ）、（ｂ）は、補正器２２６による補正の例を示す図である。図５（ａ）において旋回指令ＲＥＦは、加速度のディメンジョンを有し、すなわち上部旋回体４の旋回角加速度の指令値ω_ＲＥＦ’である。このとき補正器２２６は、補正データＳ１に応じて旋回指令ω_ＲＥＦ’の上限を変化させてもよい。図５（ａ）には、補正データＳ１が一定、つまりリミット値が一定の場合が示される。この補正器２２６は、補正データＳ１に応じてリミット値が可変である加速度リミッタとして把握することができる。

図５（ｂ）において、旋回指令ＲＥＦは加速度のディメンジョンを有し、すなわち上部旋回体４の旋回角速度の指令値ω_ＲＥＦである。このとき補正器２２６は、補正データＳ１に応じて旋回指令ω_ＲＥＦの傾きを変化させてもよい。この補正器２２６は、時定数（カットオフ周波数）が補正データＳ１に応じて可変であるフィルタ回路であってもよい。図５（ｂ）にも補正データＳ１が一定の場合が示される。

補正部２０４による処理は、走行体２の対地角加速度φ’が所定のしきい値ＴＨより低いとき、バイパスされることが望ましい。滑り判定器２３０は、対地角加速度φ’を所定のしきい値ＴＨと比較し、滑りの有無を判定する。そして滑りが生じているとき、セレクタ２２８を端子Ａ側を選択させ、旋回指令ＲＥＦを補正器２２６に出力する。滑りが生じていないとき、セレクタ２２８に端子Ｂ側を選択させ、旋回指令ＲＥＦを補正器２２６を経由せずに、つまり補正せずに出力する。滑り判定器２３０は、対地角速度φを所定のしきい値ＴＨと比較することにより滑りの有無を判定してもよい。

以上がショベル１の構成である。続いてその動作を説明する。図６は、ショベル１の制御のフローチャートである。運転が開始する（Ｓ１００）と、左右の走行レバー圧が０か否かにもとづいて走行中か否かが判定される（Ｓ１０２）。そして走行レバー圧が非ゼロ、すなわち走行中であれば（Ｓ１０２のＮ）、元に戻る。そして走行レバー圧がゼロ、すなわち停止中であれば（Ｓ１０２のＹ）、図４の滑り判定器２３０により走行体２の滑りの有無が監視される。そして走行体２の対地角加速度φ’がしきい値ＴＨより大きければ（Ｓ１０４のＹ）、走行体２の対地角加速度φ’がゼロに近づくように、ＰＩＤ制御によって旋回指令値ＲＥＦが補正される（Ｓ１０６）。そして走行体２の対地角加速度φ’がしきい値ＴＨより小さいとき（Ｓ１０４のＮ）、滑りが生じていないと判定し、旋回指令値ＲＥＦの補正は行わない。

図７は、ショベル１の滑り抑制動作を説明する波形図である。ここでは旋回指令ＲＥＦは旋回速度指令ω_ＲＥＦであるとする。作業者が旋回レバー２６Ａを傾けると、旋回速度指令が増加し、上部旋回体４が回転しはじめる。このとき、その反力により走行体２が地面に対して滑ると、対地角加速度φ’がしきい値ＴＨより大きくなり、補正が有効になる。

この補正により、旋回指令ＲＥＦ_Ｍが補正される。具体的には、走行体２の対地角加速度φ’がゼロに近づくように、補正後の旋回指令ＲＥＦ_Ｍの傾きがフィードバック制御される。これにより、上部旋回体４の実旋回速度ωは、一点鎖線で示す旋回指令ＲＥＦにもとづく速度指令値ω_ＲＥＦよりも抑制される。その結果、上部旋回体４が走行体２に与える反力が減少し、あるいは上部旋回体４により走行体２の対地角速度を０に近づける力を発生する。このフィードバック制御により、走行体２の対地角加速度φ’がゼロに近づき、走行体２の滑りが抑制される。

以上がショベル１の動作である。
このショベル１によれば、対地回転運動を検出するセンサを設け、対地回転運動が抑制されるように、補正部による補正量（補正の程度）をフィードバック制御することにより、ショベルの姿勢や土砂の重量が異なるさまざまな状況において、走行体の滑りを抑制できる。

なお、図４においてトルク導出部２２２において、車両の傾きαやアタッチメントの姿勢θ_１〜θ_３を考慮しない場合、考慮した場合に比べて応答遅れは大きくなるが、対地回転運動が抑制されるようにフィードバック制御がかかることに代わりはなく、したがってショベルの姿勢や土砂の重量が異なるさまざまな状況において走行体の滑りを抑制できる。

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施の形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例を説明する。

（第１変形例）
図８は、第１変形例に係る補正部２０４ａのブロック図である。この変形例において補正部２０４ａは、走行体２の対地角速度φをゼロに近づけるフィードバック制御を行う。誤差検出器２２０ａは、走行体２の対地角速度φと、その目標値φ_ＲＥＦであるゼロの誤差（速度偏差という）Δφを生成する。トルク導出部２２２ａは、速度偏差Δφを受け、それをトルクのディメンジョンを有するトルク偏差ΔＴに変換する。トルク導出部２２２ａは、図４のトルク導出部２２２に微分器を追加した構成としてもよい。
ΔＴ＝Ｉ・ｄΔφ／ｄｔ
そのほかは図４と同様である。この変形例によれば、対地角速度φが常にゼロになるようなフィードバックがかかる。したがって仮に走行体２が滑り初めて対地角速度φが大きくなってしまったとしても、それをゼロに戻すことができる。この観点から、対地角加速度φ’をゼロに近づける制御は、走行体２を滑らせない制御といえ、対地角速度φをゼロに近づける制御は、滑ってしまった走行体２を静止させる制御といえる。

（第２変形例）
実施の形態では、センサ２０２を走行体２に取り付けることとしたが本発明はそれには限定されない。第２変形例においてセンサ２０２は、上部旋回体４に取り付けられる。この場合、センサ２０２の出力にもとづく角加速度が上部旋回体４の角加速度と一致していれば滑り方向の力は発生していないと言える。図９は、第２変形例に係る補正部２０４ｂのブロック図である。この変形例において補正部２０４ｂは、図４を参照して説明したのと同様に、上部旋回体４の対地角加速度φ’を旋回指令ＲＥＦにもとづく旋回角速度指令ω_ＲＥＦ’に近づけるフィードバック制御を行う。具体的には誤差検出器２２０ｂは、φ’とω_ＲＥＦ’の誤差である加速度偏差Δφ’を生成する。そのほかは図４と同様である。

あるいはセンサ２０２の出力にもとづく角速度が上部旋回体４の角速度と一致していれば滑りは生じていないと言える。そこで補正部２０４ｂは、第１変形例で説明したのと同様に、上部旋回体４の対地角速度φを旋回指令ＲＥＦにもとづく旋回速度指令ω_ＲＥＦに近づけるフィードバック制御を行ってもよい。

走行体２と上部旋回体４の間は、物理的な配線で接続することは難しく、したがってセンサ２０２を走行体２に取り付けた場合、センサ出力をワイヤレスで上部旋回体４に送信する必要がある。この変形例によれば、センサ出力を配線で伝送できるため、コストを下げることができる。

実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

１…ショベル、２…走行体、２Ａ，２Ｂ…走行油圧モータ、３…旋回機構、４…上部旋回体、４ａ…運転室、５…ブーム、６…アーム、７…ブームシリンダ、８…アームシリンダ、９…バケットシリンダ、１０…バケット、１１…エンジン、１２…アタッチメント、２６Ａ…旋回レバー、２００…旋回装置、２０２…センサ、２０４…補正部、２２０…誤差検出器、２２２…トルク導出部、２２４…ＰＩＤ補償器、２２６…補正器、２２８…セレクタ、２３０…滑り判定器。

Claims (8)

1. 走行体と、
   前記走行体の対地回転運動を検出するセンサと、
   前記走行体に回動自在に設けられる上部旋回体と、
   旋回指令にしたがい、前記上部旋回体を旋回させる旋回装置と、
   前記走行体の対地回転運動が小さくなるような前記センサの出力にもとづくフィードバック制御により前記旋回指令を補正する補正部と、
   を備えることを特徴とするショベル。
2. 前記補正部は、前記走行体の対地角加速度をゼロに近づけるフィードバック制御を行うことを特徴とする請求項１に記載のショベル。
3. 前記補正部は、前記走行体の対地角速度をゼロに近づけるフィードバック制御を行うことを特徴とする請求項１に記載のショベル。
4. 前記補正部は、前記走行体の対地角加速度が所定のしきい値より低いときバイパスされることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のショベル。
5. 前記旋回指令は、前記上部旋回体の旋回角加速度の指令値であり、
   前記補正部は、前記旋回指令の上限を変化させることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のショベル。
6. 前記旋回指令は、前記上部旋回体の旋回角速度の指令値であり、
   前記補正部は、前記旋回指令の傾き制限することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のショベル。
7. 前記センサは前記走行体に取り付けられ、
   前記補正部は、前記走行体の対地角速度もしくは前記走行体の対地速度をゼロに近づけるフィードバック制御を行うことを特徴とする請求項１に記載のショベル。
8. 前記センサは前記上部旋回体に取り付けられ、
   前記補正部は、前記上部旋回体の対地角加速度を前記旋回指令にもとづく旋回角加速度指令に近づけるフィードバック制御、または前記上部旋回体の対地角速度を前記旋回指令にもとづく旋回速度指令に近づけるフィードバック制御を行うことを特徴とする請求項１に記載のショベル。

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