JP6860458B2

JP6860458B2 - 作業機械

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Publication number: JP6860458B2
Application number: JP2017178365A
Authority: JP
Inventors: 悠介鈴木; 坂本　博史; 博史坂本; 麻里子水落; 田中　宏明; 宏明田中
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2017-09-15
Filing date: 2017-09-15
Publication date: 2021-04-14
Anticipated expiration: 2037-09-15
Also published as: JP2019052499A; EP3683366A1; EP3683366A4; US11414836B2; WO2019053936A1; US20200131737A1; CN110382787A; CN110382787B

Description

本発明は、構造物解体工事、廃棄物処理、スクラップ処理、道路工事、建設工事、土木工事等に使用される作業機械に関する。

構造物解体工事、廃棄物処理、スクラップ処理、道路工事、建設工事、土木工事等に使用される作業機械として、動力系により走行する走行体の上部に旋回体を旋回可能に取り付けると共に、旋回体に多関節型の作業フロントを上下方向に回動可能に取り付け、作業フロントを構成する各フロント部材をシリンダにて駆動するものが知られている。その一例にブーム、アームおよびバケットから構成される作業フロントを有する油圧ショベルがある。ブーム、アームおよびバケットは、それぞれブームシリンダ、アームシリンダおよびバケットシリンダによって駆動される。

油圧ショベルを代表とするこの種の作業機械では、作業フロントを駆動するシリンダがストロークエンドに衝突するとき、その作用によって作業機械に衝撃が発生し、衝撃の大きさによっては作業機械がバランスを崩して傾く、あるいは最悪の場合、転倒することがある。そこで、シリンダがストロークエンドに衝突するときに生じる衝撃を緩和して作業機械の傾きや転倒を緩和する目的で、ストロークエンド付近の減速制御を行う駆動制御装置が知られている（例えば、特許文献１）。

特許文献１には、操作手段からの操作信号により油圧シリンダを伸縮動作し作業機を操作するに際して、前記油圧シリンダがストロークエンド付近に達すると油圧シリンダを減速制御し、ストロークエンドでの衝撃を緩和する油圧シリンダの駆動制御装置において、前記操作手段からの操作信号を検出する操作信号検出手段と、前記油圧シリンダがストロークエンド付近に達し前記減速制御をするとき、前記操作信号が一旦予め定めた値より小さくなると、油圧シリンダがストロークエンド付近にある間、前記油圧シリンダの減速制御を解除する減速制御解除手段とを備えることを特徴とする油圧シリンダの駆動制御装置（請求項１）が記載されている。

この油圧シリンダの駆動制御装置によれば、油圧シリンダがストロークエンドに達する際の衝撃を緩和する機能を維持しつつ、油圧シリンダがストロークエンド付近にあるときでも容易に作業が行え、ストロークエンド付近での作業性、操作性が向上する。

特開２０００−１３０４０２号公報

油圧ショベルでは、バケットやアームに付着した泥土を落とすため、バケットシリンダやアームシリンダをストロークエンドに衝突させる操作が行われることがある。また、狭い場所での作業時に、バケットに入った土砂を車体の近傍に飛ばして寄せるため、アームシリンダをアームクラウド側のストロークエンドに衝突させてアームを急停止させる操作が行われることがある。さらに、広い場所での作業時に、バケットに入った土砂を作業フロントの可動範囲よりも遠方に飛ばすため、アームシリンダをアームダンプ側のストロークエンドに衝突させてアームを急停止させる操作が行われることがある。

しかしながら、特許文献１に記載の油圧シリンダの駆動制御装置では、油圧シリンダがストロークエンド付近に達し、操作信号が一旦予め定めた値より小さくなると、油圧シリンダがストロークエンド付近にある間しか、油圧シリンダの減速制御が解除されない。そのため、油圧シリンダの減速制御が解除された状態で操作手段を油圧シリンダのストロークエンド方向に動作するよう操作しても、油圧シリンダのストロークエンドまでの距離が非常に短く、十分にシリンダ速度が上がらないうちにストロークエンドに達するため、油圧シリンダの減速制御を行わなくても大きな衝撃は生じない（段落［００１０］）。従って、油圧シリンダの減速制御を解除しても、ストロークエンド衝突時の衝撃を利用した作業を行うことができない。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、動的安定性を損なわない限度において、作業フロントを駆動するシリンダのストロークエンド衝突時の衝撃を利用した作業を行うことができる作業機械を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、車体と、前記車体の前部に上下方向に回動可能に取り付けられた作業フロントと、前記作業フロントを駆動する少なくとも１つのシリンダと、前記シリンダの動作を指示するための操作入力装置と、前記操作入力装置からの指示に応じて前記シリンダの駆動を制御する駆動制御装置とを備え、前記駆動制御装置は、前記シリンダがストロークエンドに近づいたときに、前記操作入力装置によって指示された前記シリンダの動作速度を予め設定した許容速度以下に補正して前記シリンダを減速させる機能を有した作業機械において、前記駆動制御装置は、前記シリンダが減速停止した後のシリンダストロークを予測する減速停止後シリンダストローク予測部と、前記減速停止後シリンダストローク予測部により予測されたシリンダストロークからストロークエンドまでのストロークエンド距離に応じて前記シリンダがストロークエンドに衝突する可能性の有無を判定するストロークエンド距離演算・評価部と、前記ストロークエンド距離演算・評価部により前記シリンダがストロークエンドに衝突する可能性があると判定された場合に、前記シリンダの減速操作を開始してから前記シリンダが停止するまでの前記作業機械の動的重心位置の軌道を予測する動的重心位置予測部と、前記動的重心位置予測部により予測された前記作業機械の動的重心位置の軌道から前記作業機械と地面との接地面により形成される外形線のうち、前記作業機械の静的重心位置を基点として動的重心位置に向かって延ばした直線が交わる線である転倒支線までの最小距離が所定の第１閾値以上となる前記シリンダの動作速度のうち最も大きい動作速度を前記許容速度として設定する許容速度変更部とを有するものとする。

以上のように構成した本発明によれば、作業フロントを駆動するシリンダがストロークエンドに衝突する可能性があるときに、シリンダの減速操作を開始してからシリンダが停止するまでの作業機械の動的重心位置の軌道を予測し、前記動的重心位置の軌道から作業機械の転倒支線までの最小距離に応じてシリンダの許容速度を変更することにより、作業機械の動的安定性を損なわない限度において、シリンダのストロークエンド衝突時に衝撃を発生させることができる。

本発明によれば、作業機械の動的安定性を損なわない限度において、作業フロントを駆動するシリンダのストロークエンド衝突時の衝撃を利用した作業を行うことが可能となる。

本発明の実施形態に係る油圧ショベルの側面図である。油圧ショベルの各構成部材の重心位置を示す図である。油圧ショベルの静的重心位置、動的重心位置および転倒支線の位置関係を示す図である。駆動制御装置の機能ブロック図である。減速停止後シリンダストロークを求めるための計算モデルを示す図である。減速停止後シリンダストロークを求めるための計算モデルを示す図である。ストロークエンド付近のシリンダストロークとシリンダ許容速度との関係を示す図である。ストロークエンド付近のシリンダストロークとシリンダ許容速度との関係を示す図である。ストロークエンド付近のシリンダストロークとシリンダ許容速度との関係を示す図である。ストロークエンド付近のシリンダ速度およびシリンダストロークの経時変化を示す図である。駆動制御装置の処理を示すフロー図である。

以下、本発明の実施形態に係る作業機械として油圧ショベルを例に挙げ、図面を参照して説明する。なお、各図中、同等の部材には同一の符号を付し、重複した説明は適宜省略する。

＜油圧ショベル＞
図１は、本実施形態に係る油圧ショベルの側面図である。

図１に示すように、油圧ショベル１は、作業フロント２と、旋回体３および走行体４からなる車体とを備えている。

作業フロント２は、旋回体３の前部に上下方向に回動可能に取り付けられたブーム２０と、ブーム２０の先端部に上下または前後方向に回動可能に取り付けられたアーム２１と、アーム２１の先端部に上下または前後方向に回動可能に取り付けられたバケット２２と、一端が旋回体３の前部に連結され、他端がブーム２０の中間部に連結されたブームシリンダ２０Ａと、一端がブーム２０の中間部に連結され、他端がアーム２１の基端部に連結されたアームシリンダ２１Ａと、一端がアーム２１の基端部に連結され、他端がアームリンク２２Ｃを介してアーム２１の先端部に連結されるとともに、バケットリンク２２Ｂを介してバケット２２の基端部に連結されたバケットシリンダ２２Ａとを備えている。ブーム２０は、ブームシリンダ２０Ａの伸縮動作によって上下方向に回動する。アーム２１は、アームシリンダ２１Ａの伸縮動作によって上下または前後方向に回動する。バケット２２は、バケットシリンダ２２Ａの伸縮動作によって上下または前後方向に回動する。なお、バケット２２は、グラップル、ブレーカ、リッパ、マグネット等の他の作業具と交換可能である。

ブーム２０には、ブーム２０の角速度と加速度を検出するブーム用ＩＭＵセンサ２０ａが取り付けられている。アーム２１には、アーム２１の角速度と加速度を検出するアーム用ＩＭＵセンサ２１ａが取り付けられている。バケットリンク２２Ｂには、バケット２２の角速度と加速度を検出するバケット用ＩＭＵセンサ２２ａが取り付けられている。運転室３２内には、旋回体３の角速度と加速度を検出する旋回体用ＩＭＵセンサ３０ａが取り付けられている。

旋回体３は、メインフレーム３１と、運転室３２と、操作入力装置３３と、駆動制御装置３４と、エンジン３５と、駆動装置３６と、カウンタウェイト３７とを備えている。運転室３２、駆動制御装置３４、エンジン３５、駆動装置３６およびカウンタウェイト３７は、メインフレーム３１上に配置されている。

操作入力装置３３は、運転室３２内に設けられており、オペレータによって傾倒操作される複数の操作レバーとそれらの傾倒量（レバー操作量）を検出する操作入力量センサ３３ａ，３３ｂ，３３ｃ（図４に示す）とで構成されている。駆動制御装置３４は、操作入力装置３３からの指示に基づいて、ブームシリンダ２０Ａ、アームシリンダ２１Ａおよびバケットシリンダ２２Ａを含むアクチュエータの動作を制御する。エンジン３５は、油圧ショベル１の運転に必要な動力を発生させる。駆動装置３６は、駆動制御装置３４が決定した駆動指令値に基づいて、ブームシリンダ２０Ａ、アームシリンダ２１Ａおよびバケットシリンダ２２Ａを含むアクチュエータを駆動する。カウンタウェイト３７は、油圧ショベル１の運転時に必要な重量バランスをとるために、油圧ショベル１の後方に配置されている。

走行体４は、トラックフレーム４０と、フロントアイドラ４１と、下ローラ４２ａ，４２ｂ，４２ｃと、スプロケット４３と、上ローラ４４と、履帯４５とを備えている。フロントアイドラ４１、下ローラ４２ａ，４２ｂ，４２ｃ、スプロケット４３および上ローラ４４は、それぞれトラックフレーム４０に回動可能に設置されており、履帯４５はこれら部材を介してトラックフレーム４０の周囲を周回できるように取り付けられている。なお、下ローラ４２ａ，４２ｂ，４２ｃおよび上ローラ４４の数は走行体４の規模に応じて増減し、走行体４の規模が小さい場合は下ローラ４２ａ，４２ｂ，４２ｃおよび上ローラ４４が設置されない場合もある。また、走行体４は、履帯４５を備えたものに限定されず、走行輪や脚を備えたものであってもよい。オペレータは、操作入力装置３３の操作レバーを操作してスプロケット４３の回転速度を調整することにより、履帯４５を介して油圧ショベル１を走行させることができる。

＜重心位置＞
図２は、油圧ショベル１の重心位置を求めるための計算モデルを示す図である。

図２に示すように、本実施形態では実装の簡易性を考慮し、油圧ショベル１の重心位置を求めるための計算モデルとして、各構成部材の重心に質量が集中する集中質点モデルを使用する。図２において、旋回体３の旋回中心軸が地面と交わる点を原点とし、走行体４の進行方向をＸ方向とし、地面の法線方向をＺ方向とし、Ｘ方向およびＹ方向と直交する方向をＹ方向とする。また、重心位置は、ＸＺ平面上で考えるものとする。

油圧ショベル重心１Ｇは、ブーム重心２０Ｇ、アーム重心２１Ｇ、バケット重心２２Ｇ、旋回体重心３Ｇおよび走行体重心４Ｇを合成した位置にある。

ブーム重心２０Ｇは、ブーム２０、ブームシリンダ２０Ａおよびブーム用ＩＭＵセンサ２０ａのそれぞれの重心を合成した位置にある。

アーム重心２１Ｇは、アーム２１、アームシリンダ２１Ａおよびアーム用ＩＭＵセンサ２１ａのそれぞれの重心を合成した位置にある。

バケット重心２２Ｇは、バケット２２、バケットリンク２２Ｂ、アームリンク２２Ｃ、バケットシリンダ２２Ａおよびバケット用ＩＭＵセンサ２２ａのそれぞれの重心を合成した位置にある。

旋回体重心３Ｇは、旋回体用ＩＭＵセンサ３０ａ、メインフレーム３１、運転室３２、操作入力装置３３、駆動制御装置３４、エンジン３５、駆動装置３６およびカウンタウェイト３７のそれぞれの重心を合成した位置にある。

走行体重心４Ｇは、フロントアイドラ４１、下ローラ４２ａ，４２ｂ，４２ｃ、スプロケット４３および上ローラ４４のそれぞれの重心を合成した位置にある。

なお、質点の設定方法はこれに限定されるものではなく、質点が集中している部位を追加または集約してもよい。例えば、土砂の質量をバケット２２の質量に加えてもよい。

＜転倒支線＞
転倒支線は、ＪＩＳＡ８４０３−１：１９９６，土工機械−油圧ショベル−第１部：用語及び仕様項目において、「転倒の支点となる点を結んだ線」と定義されている。油圧ショベル１の転倒支線について図３を用いて説明する。

図３において、油圧ショベル１の支持多角形を破線で示す。油圧ショベル１の支持多角形は、履帯４５と地面との接触点を凹にならないように結んだ四角形となる。本実施形態では、図１に示すように、フロントアイドラ４１とスプロケット４３が下ローラ４２ａ，４２ｂ，４２ｃに対してやや高い位置に取り付けられているため、フロントアイドラ４１とスプロケット４３の下では、履帯４５が地面と接していない。そのため、走行体４の前側に位置する支持多角形（四角形）の辺は、履帯４５の最も前方に配置された下ローラ４２ａの位置にあり、走行体４の後側に位置する支持多角形（四角形）の辺は、履帯４５の最も後方に配置された下ローラ４２ｃの位置にある。

転倒支線は、支持多角形（四角形）を構成する４つの辺のうち、油圧ショベル１の静的重心位置１Ｇｓを基点として動的重心位置１Ｇｄに向かって延ばした直線が交わる辺である。図３に示す例では、動的重心位置１Ｇｄが静的重心位置１Ｇｓから見て走行体４の前方に位置しているため、走行体４の前方に位置する支持多角形（四角形）の辺が転倒支線となる。静的重心位置１Ｇｓは、作業フロント２の姿勢や旋回体３の角度（旋回角）に応じて変化する。動的重心位置１Ｇｄは、作業フロント２の姿勢や旋回体３の角度（旋回角）に加えて、作業フロント２や旋回体３が動作する際に発生する慣性力に応じて変化する。静的重心位置１Ｇｓと動的重心位置１Ｇｄとの位置関係によっては、走行体４の左右方または後方に位置する支持多角形（四角形）の辺が転倒支線となる。

後述するＺＭＰ安定判別規範の考え方では、油圧ショベル１の動的重心位置１Ｇｄから転倒支線までの距離（以下、転倒支線距離）は、油圧ショベル１の安定性を示す指標値となる。動的重心位置１Ｇｄから転倒支線までの距離（転倒支線距離）が小さくなるほど、車体が傾くおそれが高まる。

なお、走行体４の中心から転倒支線までの距離が前後左右方向でほぼ同じであれば、実装の簡易性を考慮し、旋回体３の回動中心を中心とする円を転倒支線としてもよい。

＜状態量検出手段＞
旋回体用ＩＭＵセンサ３０ａ（図１に示す）は、角速度センサ３０ｂおよび加速度センサ３０ｃ（図４に示す）で構成されている。ブーム用ＩＭＵセンサ２０ａ（図１に示す）は、角速度センサ２０ｂおよび加速度センサ２０ｃ（図４に示す）で構成されている。アーム用ＩＭＵセンサ２１ａ（図１に示す）は、角速度センサ２１ｂおよび加速度センサ２１ｃ（図４に示す）で構成されている。バケット用ＩＭＵセンサ２２ａ（図１に示す）は、角速度センサ２２ｂおよび加速度センサ２２ｃ（図４に示す）で構成されている。

角速度センサ３０ｂ，２０ｂ，２１ｂ，２２ｂおよび加速度センサ３０ｃ，２０ｃ，２１ｃ，２２ｃにより、旋回体３、ブーム２０、アーム２１およびバケット２２のそれぞれの対地角度と角速度を求めることができる。すなわち、油圧ショベル１の姿勢を取得することができる。また、それぞれの機械的なリンク関係から、旋回体重心３Ｇ、ブーム重心２０Ｇ、アーム重心２１Ｇおよびバケット重心２２Ｇの位置と加速度を３次元で求めることができる。なお、走行体４にもＩＭＵセンサを取り付け、走行体重心４Ｇの位置と加速度を３次元で求めてもよい。

本実施形態において走行体４は、旋回体３に対してＸＹ平面上でしか回動しないため、実装の簡易性を考慮し、Ｘ方向およびＺ方向の位置および加速度は、機械的な制約および旋回体用ＩＭＵセンサ３０ａから求める。

なお、ここで示した状態量検出手段は一例であり、油圧ショベル１の姿勢および加速度を検出する手段としては、作業フロント２の各部の相対角度を直接計測するものや、ブームシリンダ２０Ａ、アームシリンダ２１Ａおよびバケットシリンダ２２Ａのストロークや速度を検出して、油圧ショベル１の姿勢や加速度に変換するものであってもよい。

操作入力装置３３は、ブーム２０に対応した操作レバーの傾転量を、ブームシリンダ２０Ａの動作速度に相当する操作指令値として検出するブーム用操作入力量センサ３３ａ（図４に示す）と、アーム２１に対応した操作レバーの傾転量を、アームシリンダ２１Ａの動作速度に相当する操作指令値として検出するアーム用操作入力量センサ３３ｂ（図４に示す）と、バケット２２に対応した操作レバーの傾転量を、バケットシリンダ２２Ａの動作速度に相当する操作指令値として検出するバケット用操作入力量センサ３３ｃ（図４に示す）とを備えている。これにより、オペレータが操作レバーの傾転量を調整することにより、シリンダ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａの動作速度を変更することができる。

＜駆動制御装置＞
図４は、図１に示す駆動制御装置３４の機能ブロック図である。

図４に示すように、駆動制御装置３４は、演算ブロック３４Ａと、制御ブロック３４Ｂとで構成されている。演算ブロック３４Ａは、質点位置・加速度演算部３４ａと、減速停止後シリンダストローク予測部３４ｂと、ストロークエンド距離演算・評価部３４ｃと、動的重心位置予測部３４ｄと、転倒支線距離演算・評価部３４ｅとを備えている。制御ブロック３４Ｂは、許容速度変更部３４ｆと、駆動指令値決定部３４ｇとを備えている。

質点位置・加速度演算部３４ａは、角速度センサ２０ｂ、２１ｂ、２２ｂ、３０ｂおよび加速度センサ２０ｃ，２１ｃ，２２ｃ，３０ｃからの情報に基づいて、油圧ショベル１の各部質点の位置と質点位置での加速度を算出する。角速度センサ２０ｂおよび加速度センサ２０ｃは、ブーム用ＩＭＵセンサ２０ａ（図１に示す）を構成している。角速度センサ２１ｂおよび加速度センサ２１ｃは、アーム用ＩＭＵセンサ２１ａ（図１に示す）を構成している。角速度センサ２２ｂおよび加速度センサ２２ｃは、バケット用ＩＭＵセンサ２２ａ（図１に示す）を構成している。角速度センサ３０ｂおよび加速度センサ３０ｃは、旋回体用ＩＭＵセンサ３０ａ（図１に示す）を構成している。

減速停止後シリンダストローク予測部３４ｂは、質点位置・加速度演算部３４ａからの情報と、予め設定したシリンダ許容速度とに基づいて、シリンダが減速停止した後のシリンダストローク（減速停止後シリンダストローク）を予測する。減速停止後シリンダストロークの算出方法については後述する。

ストロークエンド距離演算・評価部３４ｃは、減速停止後シリンダストローク予測部３４ｂが予測した減速停止後シリンダストロークからストロークエンドまでの距離（ストロークエンド距離）を算出し、このストロークエンド距離に基づいて、シリンダがストロークエンドに衝突する可能性の有無を判定する。ストロークエンド衝突可能性の有無を判定する方法については後述する。

動的重心位置予測部３４ｄは、ストロークエンド距離演算・評価部３４ｃによってシリンダがストロークエンドに衝突する可能性があると予測された場合に、シリンダの減速操作を開始してからシリンダが停止するまでの油圧ショベル１の動的重心位置を予測する。動的重心位置の算出方法については後述する。

転倒支線距離演算・評価部３４ｅは、動的重心位置予測部３４ｄが予測した動的重心位置から油圧ショベル１の転倒支線までの距離（転倒支線距離）を算出し、この転倒支線距離に基づいて油圧ショベル１の安定状態を判定する。油圧ショベル１の安定状態を判別する方法については後述する。

許容速度変更部３４ｆは、転倒支線距離演算・評価部３４ｅが算出した転倒支線距離に基づいて、ストロークエンド付近におけるシリンダ許容速度を変更する。シリンダ許容速度の変更方法については後述する。

駆動指令値決定部３４ｇは、許容速度変更部３４ｆによって変更されたシリンダ許容速度と、操作入力量センサ３３ａ，３３ｂ，３３ｃからの操作指令値とに基づいて、シリンダの駆動を制御するための駆動指令値を決定し、駆動装置３６に出力する。駆動指令値の決定方法については後述する。

＜減速停止後シリンダストロークの算出方法＞
減速停止後シリンダストロークを算出する方法について説明する。当該方法は、減速停止後シリンダストローク予測部３４ｂによって実行される。

減速停止後シリンダストロークは、シリンダの減速操作を開始したときのシリンダストロークに、シリンダの減速操作を開始してからシリンダが減速停止するまでに伸縮したストローク量を加算することにより求められる。

本実施形態では、減速停止後シリンダストロークを算出する方法の一例として、図５に示す３次関数モデルを用いた方法を説明する。図５は、シリンダが減速停止する際のシリンダ速度の経時変化を示している。

図５において、シリンダの減速操作を開始した時刻を基準時刻ｔ_ｉ、シリンダが減速を開始する速度変化開始点における時刻を速度変化時刻ｔ_ｓ、シリンダ速度が０になる時刻を減速停止時刻ｔ_ｅ、シリンダがオーバシュートしてピーク到達点に達する時刻をピーク到達時刻ｔ_ｐとする。

３次関数モデルとは、シリンダの減速操作を開始してからシリンダが停止するまでのシリンダの速度変化を、速度変化開始点とピーク到達点を極値とする３次関数で近似したものであり、減速操作開始時のシリンダ速度をＶ_ｓ、ピーク到達時刻ｔ_ｐにおける速度をピーク速度Ｖ_ｐ、速度変化開始速度Ｖ_ｓに対するピーク速度Ｖ_ｐの比率をオーバシュート率α、基準時刻ｔ_ｉから速度変化開始時刻ｔｓまでの時間を遅れ時間Ｔ_Ｌ、速度変化開始時刻ｔ_ｓから減速停止時刻ｔ_ｅまでの時間を減速停止時間Ｔ_Ｇ、速度変化開始時刻ｔ_ｓからピーク到達時刻ｔ_ｐまでの時間をピーク到達時間Ｔ_Ｃと定義する。オーバシュート率α、遅れ時間Ｔ_Ｌおよびピーク到達時間Ｔ_Ｃは、シリンダ２０Ａ，２１Ａごとに同定する。

減速停止後シリンダストロークは、シリンダの減速操作を開始したとき（時刻ｔ_ｉ）のシリンダストロークに、基準時刻ｔ_ｉから速度変化時刻ｔ_ｓまで（遅れ時間Ｔ_Ｌ）に伸縮したストローク量Ｌ_Ｌと、速度変化時刻ｔ_ｓから減速停止時刻ｔ_ｅまで（減速停止時間Ｔ_Ｇ）に伸縮したストローク量Ｌ_Ｇとを加算することにより求められる。

油圧ショベル１の応答性を示す遅れ時間Ｔ_Ｌは減速停止時間Ｔ_Ｇと比べて十分に短いため、遅れ時間Ｔ_Ｌに伸縮したストローク量Ｌ_Ｌは、シリンダ速度を一定と仮定して、基準時刻ｔ_ｉのシリンダ速度Ｖ_ｓと遅れ時間Ｔ_Ｌとを乗算することにより求められる。

速度変化時刻Ｔ_ｓから減速停止時刻ｔ_ｅまでに伸縮したストローク量Ｌ_Ｇは、３次関数を速度変化時刻Ｔ_ｓから減速停止時刻ｔ_ｅまで積分することにより求められる。

なお、実装の簡易性を考慮し、図６に示すように、シリンダの速度変化を速度変化開始点とピーク到達点とを結ぶ一次関数で近似し、この一次関数を積分することにより速度変化時刻ｔ_ｓから減速停止時刻ｔ_ｅまで（減速停止時間Ｔ_Ｇ）に伸縮したストローク量Ｌ_Ｇを求めてもよい。

＜ストロークエンド衝突可能性有無の判定方法＞
ストロークエンド衝突可能性の有無を判定する方法について説明する。当該方法は、ストロークエンド距離演算・評価部３４ｃによって実行される。

ストロークエンドに衝突する可能性の有無は、減速停止後シリンダストロークからストロークエンドまでの距離（ストロークエンド距離）に基づいて判定する。ストロークエンド距離が所定の閾値（第２閾値）より小さい場合は、シリンダがストロークエンドに衝突する可能性があると判定し、ストロークエンド距離が所定の閾値（第２閾値）以上の場合は、ストロークエンドに衝突する可能性がないと判定する。

ここで、シリンダの製造誤差が小さくＩＭＵセンサの検出精度が高い場合は、減速停止後シリンダストロークが高い精度で算出されるため、所定の閾値（第２閾値）として小さい値を設定することができる。また、減速停止後シリンダストロークと実際に減速停止させたときのシリンダストロークとの差分に応じて所定の閾値（第２閾値）を調整することにより、ストロークエンド衝突可能性有無の判定精度を向上させることが可能となる。

＜動的重心位置の算出方法＞
油圧ショベル１の動的重心位置を算出する方法について説明する。当該方法は、動的重心位置予測部３４ｄによって実行される。

油圧ショベル１の動的重心位置１Ｇｄは、油圧ショベル１の静的重心位置１Ｇｓに、作業フロント２や旋回体３が動作する際に発生する慣性力を加味した重心位置であり、以下に示すＺＭＰ方程式を用いて求められる。

ここで、
ｒ_ＺＭＰ…ＺＭＰ位置ベクトル（動的重心位置ベクトル）
ｍ_ｉ…ｉ番目の質点の質量
ｒ_ｉ…ｉ番目の質点の位置ベクトル
ｒ_ｉ”…ｉ番目の質点に加わる加速度ベクトル（重力加速度含む）
Ｍ_ｊ…ｊ番目の外力モーメント
Ｓ_ｋ…ｋ番目の外力作用点位置ベクトル
Ｆ_ｋ…ｋ番目の外力ベクトル
なお、式（１）のベクトルはＸ成分、Ｙ成分、Ｚ成分で構成される３次元ベクトルである。

本実施形態では、外力は作用しないため、式（1）の外力に係る部分（外力モーメントＭ_ｊおよび外力ベクトルＦ_ｋ）は０となる。よって、質点の質量ｍ_ｉ、位置ベクトルｒ_ｉおよび加速度ベクトルｒ_ｉ”が分かれば、動的重心位置を求められる。

本実施形態では、図５に示す３次関数モデルを用いて、シリンダが減速停止するまでの加速度を求める。図５に示す３次関数は、速度変化開始点とピーク到達点を極値にもつため、加速度はその中間で絶対値が最大になる。速度変化時刻ｔ_ｓとピーク到達時刻ｔ_ｐが分かっているため、その中間の時刻における３次関数の傾きが加速度となる。加速度は、３次関数を前述の中間の時刻において微分することによって求められる。

本実施形態では、駆動指令値に相当するシリンダの動作速度と実際のシリンダ動作速度との差分が大きいことを想定し、予め設定したシリンダ許容速度でシリンダを実際に減速停止させた場合の速度変化を近似した３次関数を用いて加速度を同定している。なお、駆動指令値に相当するシリンダの動作速度と実際のシリンダ動作速度との差分が小さい場合は、駆動指令値に相当するシリンダの動作速度から加速度を同定してもよい。

＜安定状態の判別方法＞
油圧ショベル１の安定状態を判定する方法について説明する。当該方法は、転倒支線距離演算・評価部３４ｅによって実行される。

転倒支線距離は、動的重心位置１Ｇｄから転倒支線までの距離であり、距離転倒支線のＸ成分から動的重心位置のＸ成分を減算することにより求められる。転倒支線距離の大小によって、油圧ショベル１の安定状態を判別することができる。ＺＭＰ安定判別規範によれば、この転倒支線距離が０以下になるときに、対象は不安定状態になると判別する。

ところで、油圧ショベル１は土砂の掘削や積込に使用されるため、強固な地面上だけでなく履帯４５が地面に沈み込むような軟弱な地盤において使用されることがある。そのため、転倒支線距離が０以下にならない場合でも、油圧ショベル１が設置される地盤によっては、履帯４５が地面にめり込むことで車体が傾くことがある。そこで、本実施形態では、転倒支線距離が所定の閾値（第１閾値）以上であれば、車体が傾くおそれはないと判別する。

ここで、所定の閾値（第１閾値）は、油圧ショベル１が使用される地盤の固さや、許容できる傾きの大きさに応じて実験的に決定すればよい。また、所定の閾値（第１閾値）を固定値とせずに、地盤の固さや許容できる傾きの大きさに応じた可変値としてもよい。

＜許容速度の変更方法＞
シリンダ許容速度を変更する方法について説明する。当該方法は、許容速度変更部３４ｆによって実行される。

シリンダ許容速度は、転倒支線距離に基づいて変更する。本実施形態では、シリンダの減速操作を開始してからシリンダが停止するまでの動的重心位置の軌道から転倒支線までの最小距離（最小転倒支線距離）が所定の閾値（第１閾値）以上である場合は、ストロークエンド衝突時の衝撃で車体が傾くおそれはないとみなし、シリンダの減速度が大きくなるようにシリンダ許容速度を変更する。一方、最小転倒支線距離が所定の閾値（第１閾値）よりも小さい場合は、ストロークエンド衝突時の衝撃で車体が傾くおそれがあるとみなし、シリンダの減速度が小さくなるようにシリンダ許容速度を変更する。

シリンダ許容速度の変更方法の具体例を図７〜図９を用いて説明する。図７〜図９は、それぞれ、ストロークエンド付近におけるシリンダストロークとシリンダ許容速度との関係を示す図である。

図７に示す例では、減速を開始するシリンダストロークＳ１がストロークエンド寄りのシリンダストロークＳ２となるようにシリンダ許容速度を変更することにより、シリンダの減速度を大きくしている。これにより、ストロークエンド衝突時の衝撃を大きくことができる。なお、図７に示す例では、ストロークエンドにおけるシリンダ許容速度を０にしているが、図８に示すように、ストロークエンドにおけるシリンダ許容速度を０にしなくてもよい。また、シリンダ速度を最大速度に維持したままシリンダをストロークエンドに衝突させた場合でも最小転倒支線距離が所定の閾値（第１閾値）以上となる場合は、図９に示すように、ストロークエンドまでシリンダ許容速度が最大速度で一定となるように設定される。これにより、ストロークエンド衝突時の衝撃を最大にすることができる。

図１０は、シリンダがストロークエンドで停止する際のシリンダ速度およびシリンダストロークの経時変化を示す図である。

シリンダの減速度が小さくなるように許容速度が設定されている場合は、ストロークエンドに達する前（時刻ｔ_ｓ）からレバー操作量が補正され、上側の破線で示すように、ストロークエンドに近づくに従ってシリンダ速度が徐々に小さくなる。これにより、シリンダが滑らかに停止するため、ストロークエンド衝突時の衝撃が緩和される。

一方、シリンダの減速度が大きくなるように許容速度が設定されている場合は、上側の実線で示すように、ストロークエンドに衝突するまでレバー操作量に相当するシリンダ速度が維持される。これにより、シリンダがストロークエンドで急停止するため、ストロークエンド衝突時に大きな衝撃が発生する。

＜駆動指令値決定方法＞
駆動装置３６への駆動指令値を決定する方法について説明する。当該方法は、駆動指令値決定部３４ｇによって実行される。

駆動指令値は、レバー操作量と、シリンダがストロークエンドに衝突する可能性とに基づいて決定する。シリンダがストロークエンドに衝突する可能性がないときは、レバー操作量に相当する値を駆動指令値とする。一方、シリンダがストロークエンドに衝突する可能性があるときは、レバー操作量に相当するシリンダ動作速度とシリンダ許容速度とを比較し、レバー操作量に相当するシリンダ動作速度が許容速度以下のときは、レバー操作量に相当する値を駆動指令値する。一方、レバー操作量に相当するシリンダ動作速度が許容速度よりも大きいときは、シリンダ許容速度に相当する値を駆動指令値とする。

＜駆動制御手段＞
図１１は、駆動制御装置３４の処理を示すフロー図である。当該フローは、ブームシリンダ２０Ａとアームシリンダ２１Ａのそれぞれに対して実行される。以下、各ステップを順に説明する。

ステップＳ１で、減速停止後シリンダストローク予測部３４ｂは、質点位置・加速度演算部３４ａからの情報に基づいて、減速停止後シリンダストロークを予測する。

ステップＳ２で、ストロークエンド距離演算・評価部３４ｃは、ステップＳ１で予測した減速停止後シリンダストロークからストロークエンドまでの距離（ストロークエンド距離）を算出する。

ステップＳ３で、ストロークエンド距離演算・評価部３４ｃは、ステップＳ２で算出したストロークエンド距離が、所定の閾値（第２閾値）よりも小さいか否かを判定する。ストロークエンド距離が所定の閾値（第２閾値）以上である（Ｎｏ）と判定した場合は、ステップＳ１１に進む。ストロークエンド距離が所定の閾値（第２閾値）よりも小さい（Ｙｅｓ）と判定した場合は、ステップＳ４に進む。

ステップＳ４で、動的重心位置予測部３４ｄは、シリンダの減速操作を開始してからシリンダが停止するまでの動的重心位置の軌道を予測する。

ステップＳ５で、転倒支線距離演算・評価部３４ｅは、ステップＳ４で予測した動的重心の軌道から油圧ショベル１の転倒支線までの最小距離（最小転倒支線距離）を算出する。

ステップＳ６で、転倒支線距離演算・評価部３４ｅは、ステップＳ５で算出した最小転倒支線距離が、所定の閾値（第１閾値）より小さいか否かを判定する。最小転倒支線距離が所定の閾値（第１閾値）以上である（Ｎｏ）と判定した場合は、ステップＳ７に進む。最小転倒支線距離が所定の閾値（第１閾値）よりも小さい（Ｙｅｓ）と判定した場合は、ステップＳ８に進む。

ステップＳ７で、シリンダ許容速度を大きくし、ステップＳ４に戻る。

ステップＳ８で、ステップＳ５で算出した最小転倒支線距離がステップＳ６の所定の閾値（第１閾値）以上の条件を満たすシリンダ許容速度のうち最も大きいシリンダ許容速度を、駆動装置３６への駆動指令値を決定するためのシリンダ許容速度に設定する。

ステップＳ９で、レバー操作量に相当するシリンダ動作速度がシリンダ許容速度よりも大きいか否かを判定する。シリンダ許容速度よりも大きい（Ｙｅｓ）と判定した場合は、ステップＳ１０に進む。シリンダ許容速度以下である（Ｎｏ）と判定した場合は、ステップＳ１１に進む。

ステップＳ１０で、シリンダ許容速度に相当する駆動指令値を駆動装置３６への駆動指令値とし、ステップＳ１に戻る。

ステップＳ１１で、レバー操作量に相当する駆動指令値を駆動装置３６への駆動指令値とし、ステップＳ１に戻る。

＜効果＞
以上のように構成した油圧ショベル１によれば、作業フロント２を駆動するシリンダ２０Ａ，２１Ａがストロークエンドに衝突する可能性があるときに、シリンダ２０Ａ，２１Ａの減速操作を開始してからシリンダ２０Ａ，２１が停止するまでの動的重心の軌道から転倒支線までの最小距離（最小転倒支線距離）が大きくなるほど、シリンダ２０Ａ，２１Ａの減速度が大きくなるようにシリンダ許容速度を設定することにより、油圧ショベル１の動的安定性を損なわない限度において、シリンダ２０Ａ，２１Ａのストロークエンド衝突時に衝撃を発生させることができる。これにより、油圧ショベル１の動的安定性を損なわない限度において、作業フロント２を駆動するシリンダ２０Ａ，２１Ａのストロークエンド衝突時の衝撃を利用した作業を行うことが可能となる。

＜その他＞
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態では、油圧ショベルを例に説明したが、本発明は、油圧ショベル以外の作業機械にも適用可能である。また、上記した実施形態は、本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

１…油圧ショベル（作業機械）、１Ｇ…油圧ショベル重心、１Ｇｓ…静的重心位置、１Ｇｄ…動的重心位置、２…作業フロント、３…旋回体（車体）、３Ｇ…旋回体重心、４…走行体（車体）、４Ｇ…走行体重心、２０…ブーム、２０ａ…ブーム用ＩＭＵセンサ、２０ｂ…角速度センサ、２０ｃ…加速度センサ、２０Ａ…ブームシリンダ、２０Ｇ…ブーム重心、２１…アーム、２１ａ…アーム用ＩＭＵセンサ、２１ｂ…角速度センサ、２１ｃ…加速度センサ、２１Ａ…アームシリンダ、２１Ｇ…アーム重心、２２…バケット、２２ａ…バケット用ＩＭＵセンサ、２２ｂ…角速度センサ、２２ｃ…加速度センサ、２２Ａ…バケットシリンダ、２２Ｇ…バケット重心、２２Ｂ…バケットリンク、２２Ｃ…アームリンク、３０ａ…旋回体用ＩＭＵセンサ、３０ｂ…角速度センサ、３０ｃ…加速度センサ、３１…メインフレーム、３２…運転室、３３…操作入力装置、３３ａ…ブーム用操作入力量センサ、３３ｂ…アーム用操作入力量センサ、３３ｃ…バケット用操作入力量センサ、３４…駆動制御装置、３４ａ…質点位置・加速度演算部、３４ｂ…減速停止後シリンダストローク予測部、３４ｃ…ストロークエンド距離演算・評価部、３４ｄ…動的重心位置予測部、３４ｅ…転倒支線距離演算・評価部、３４ｆ…許容速度変更部、３４ｇ…駆動指令値決定部、３４Ａ…演算ブロック、３４Ｂ…制御ブロック、３５…エンジン、３６…駆動装置、３７…カウンタウェイト、４０…トラックフレーム、４１…フロントアイドラ、４２ａ，４２ｂ，４２ｃ…下ローラ、４３…スプロケット、４４…上ローラ、４５…履帯。

Claims

車体と、
前記車体の前部に上下方向に回動可能に取り付けられた作業フロントと、
前記作業フロントを駆動する少なくとも１つのシリンダと、
前記シリンダの動作を指示するための操作入力装置と、
前記操作入力装置からの指示に応じて前記シリンダの駆動を制御する駆動制御装置とを備え、
前記駆動制御装置は、前記シリンダがストロークエンドに近づいたときに、前記操作入力装置によって指示された前記シリンダの動作速度を予め設定した許容速度以下に補正して前記シリンダを減速させる機能を有した作業機械において、
前記駆動制御装置は、
前記シリンダが減速停止した後のシリンダストロークを予測する減速停止後シリンダストローク予測部と、
前記減速停止後シリンダストローク予測部により予測されたシリンダストロークからストロークエンドまでのストロークエンド距離に応じて前記シリンダがストロークエンドに衝突する可能性の有無を判定するストロークエンド距離演算・評価部と、
前記ストロークエンド距離演算・評価部により前記シリンダがストロークエンドに衝突する可能性があると判定された場合に、前記シリンダの減速操作を開始してから前記シリンダが停止するまでの前記作業機械の動的重心位置の軌道を予測する動的重心位置予測部と、
前記動的重心位置予測部により予測された前記作業機械の動的重心位置の軌道から前記作業機械と地面との接地面により形成される外形線のうち、前記作業機械の静的重心位置を基点として動的重心位置に向かって延ばした直線が交わる線である転倒支線までの最小距離が所定の第１閾値以上となる前記シリンダの動作速度のうち最も大きい動作速度を前記許容速度として設定する許容速度変更部と
を有することを特徴とする作業機械。
請求項１に記載の作業機械において、
前記ストロークエンド距離演算・評価部は、前記ストロークエンド距離が所定の第２閾値よりも小さいときに、前記シリンダがストロークエンドに衝突する可能性があると判定する
ことを特徴とする作業機械。