JP7195289B2

JP7195289B2 - 作業機械

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Publication number: JP7195289B2
Application number: JP2020052802A
Authority: JP
Inventors: 勝道伊東; 晃司塩飽
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2020-03-24
Filing date: 2020-03-24
Publication date: 2022-12-23
Anticipated expiration: 2040-03-24
Also published as: JP2021152275A

Description

本発明は、作業装置を備えた作業機械に関する。

この種の作業機械、例えば油圧ショベルは、クローラにより走行可能な下部走行体上に旋回可能に上部旋回体を設け、上部旋回体の前部に多関節型の作業装置を設けてなる。作業装置は上部旋回体から片持ち梁的に前方に張り出した状態で作業内容に応じて姿勢変化するため、それに伴って車両の重心も絶えず変化する。無理な操作を行うと作業機械のバランスが崩れて転倒する可能性があることから、作業中のオペレータは常に車体の安定性に気を配り、転倒の可能性が生じた場合には即座に安定方向への操作を行う必要がある。

このような作業中のオペレータの負担を軽減するために、例えば特許文献１に記載の油圧ショベルは、ＺＭＰ（Zero Moment Point）を用いた車体の安定性評価に基づきオペレータへの報知を行っている。ＺＭＰは車体の動力学的な重心位置であり、油圧ショベルの接地点から求めた支持多角形の周縁の警告領域内にＺＭＰが含まれるときに、転倒の可能性ありとして転倒警告を発している。

一方、特許文献２には、メインブームの先端に俯仰動可能にジブを連結し、ジブの先端に俯仰動可能にアームを連結し、アームの先端に作業内容に応じて複数種類の作業具を任意に連結可能とした解体作業機が開示されている。作業具の重量や重心位置に応じて車体の安定性、ひいては許容できるジブの俯仰角度が相違することを鑑みて、作業具のパラメータとして重量及び重心位置を入力装置に入力して俯仰角度の上限角度を求め、作業中に俯仰角度が上限角度を超えたときには、ジブの俯仰動を制限することで車体の安定性を確保している。

国際公開第２０１１/１４８９４６号特開２０１６－１６９４７３号

特許文献１の技術では、ＺＭＰを演算するための情報の一つとして油圧ショベルの各部の重量や重心位置等のパラメータを要し、作業装置を構成する被駆動部材であるブーム、アーム、作業具等が作業内容に応じて交換された場合には、交換後の被駆動部材のパラメータに更新する必要が生じる。その対策として、例えば特許文献２の技術のように各パラメータを入力装置により入力することが考えられるが、入力すべきパラメータの情報を得るには、単体の被駆動部材の重量や重心位置を実際に測定する必要があり、被駆動部材が重量物であることと相俟って測定作業に手間と時間を要する。このため、それらの測定作業を含めた全体としての被駆動部材の交換作業についても非常に煩雑になるという問題があった。

本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、作業装置を構成する被駆動部材を交換する際に、その被駆動部材に関するパラメータの情報を簡単な手順により取得でき、全体としての被駆動部材の交換作業を容易かつ迅速に実施することができる作業機械を提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明の作業機械は、複数の被駆動部材を互いに回動軸を介して連結し、前記各被駆動部材をアクチュエータの駆動により回動可能として多関節型の作業装置を構成し、前記作業装置を車体に設けてなる作業機械において、前記各被駆動部材の内の何れか一つを重心位置の推定対象として定め、前記推定対象の被駆動部材を駆動するアクチュエータの負荷を検出する負荷検出装置と、前記推定対象の被駆動部材の前記回動軸を中心とした回動角を検出する回動角検出装置と、前記回動軸を中心として前記推定対象の被駆動部材を回動させる重心位置推定動作の実行中において、前記負荷検出装置により検出された負荷に基づき、前記アクチュエータの推力により前記回動軸を中心として発生するモーメントを演算し、前記重心位置推定動作の実行中において、前記モーメント、及び予め判明している前記推定対象の被駆動部材の重量に基づき、前記回動軸から前記推定対象の重心位置までの水平方向の距離をアーム長として演算し、前記重心位置推定動作の実行中において、前記回動角検出装置により検出される回動角、及び前記アーム長に基づき、前記回動軸を中心とした角度及び前記回動軸からの距離として、前記推定対象の被駆動部材の重心位置を推定するパラメータ演算部とを備え、前記パラメータ演算部が、前記重心位置推定動作の実行中において、前記アーム長の最大値を、前記重心位置を表す前記回動軸からの距離とし、前記アーム長の最大値が演算されたときに前記回動角検出装置により検出された回動角を、前記重心位置を表す前記回動軸を中心とした角度とすることを特徴とする。
また、本発明の作業機械は、複数の被駆動部材を互いに回動軸を介して連結し、前記各被駆動部材をアクチュエータの駆動により回動可能として多関節型の作業装置を構成し、前記作業装置を車体に設けてなる作業機械において、前記各被駆動部材の内の何れか一つを重心位置の推定対象として定め、前記推定対象の被駆動部材を駆動するアクチュエータの負荷を検出する負荷検出装置と、前記推定対象の被駆動部材の前記回動軸を中心とした回動角を検出する回動角検出装置と、前記回動軸を中心として前記推定対象の被駆動部材を回動させる重心位置推定動作の実行中において、前記負荷検出装置により検出された負荷に基づき、前記アクチュエータの推力により前記回動軸を中心として発生するモーメントを演算し、前記重心位置推定動作の実行中において、前記モーメント、及び予め判明している前記推定対象の被駆動部材の重量に基づき、前記回動軸から前記推定対象の重心位置までの水平方向の距離をアーム長として演算し、前記重心位置推定動作の実行中において、前記回動角検出装置により検出される回動角、及び前記アーム長に基づき、前記回動軸を中心とした角度及び前記回動軸からの距離として、前記推定対象の被駆動部材の重心位置を推定するパラメータ演算部とを備え、前記パラメータ演算部が、前記重心位置推定動作の実行中において、前記アーム長と前記回動角検出装置により検出された回動角との複数の測定点に基づき、アーム長と回動角との関係を表す余弦波を推定し、余弦波から求めたアーム長の最大値を、前記重心位置を表す前記回動軸からの距離とし、余弦波から求めた前記アーム長の最大値と対応する回動角を、前記重心位置を表す前記回動軸を中心とした角度とすることを特徴とする。
また、本発明の作業機械は、複数の被駆動部材を互いに回動軸を介して連結し、前記各被駆動部材をアクチュエータの駆動により回動可能として多関節型の作業装置を構成し、前記作業装置を車体に設けてなる作業機械において、前記各被駆動部材の内の何れか一つを重心位置の推定対象として定め、前記推定対象の被駆動部材を駆動するアクチュエータの負荷を検出する負荷検出装置と、前記推定対象の被駆動部材の前記回動軸を中心とした回動角を検出する回動角検出装置と、前記回動軸を中心として前記推定対象の被駆動部材を回動させる重心位置推定動作の実行中において、前記負荷検出装置により検出された負荷に基づき、前記アクチュエータの推力により前記回動軸を中心として発生するモーメントを演算し、前記重心位置推定動作の実行中において、前記モーメント、及び予め判明している前記推定対象の被駆動部材の重量に基づき、前記回動軸から前記推定対象の重心位置までの水平方向の距離をアーム長として演算し、前記重心位置推定動作の実行中において、前記回動角検出装置により検出される回動角、及び前記アーム長に基づき、前記回動軸を中心とした角度及び前記回動軸からの距離として、前記推定対象の被駆動部材の重心位置を推定するパラメータ演算部とを備え、前記パラメータ演算部が、前記重心位置推定動作の実行中において、前記アーム長の最大値を、前記重心位置を表す前記回動軸からの距離とし、前記アーム長の最大値が演算されたときに前記回動角検出装置により検出された回動角を、前記重心位置を表す前記回動軸を中心とした角度とし、前記パラメータ演算部により推定された重心位置に基づき前記作業機械のＺＭＰを演算し、前記ＺＭＰと前記作業機械の地表に対する接地点から求めた多角形との比較に基づき、前記作業機械の姿勢の安定度を判定する車体安定性演算部と、前記パラメータ演算部により推定された重心位置を記憶するパラメータ記憶部とをさらに備え、前記車体安定性演算部が、前記作業機械の作業が開始されたときに、前記作業機械の前回の作業時に前記パラメータ記憶部に記憶された重心位置を読み出して前記作業機械のＺＭＰの推定処理を実行することを特徴とする。
また、本発明の作業機械は、複数の被駆動部材を互いに回動軸を介して連結し、前記各被駆動部材をアクチュエータの駆動により回動可能として多関節型の作業装置を構成し、前記作業装置を車体に設けてなる作業機械において、前記各被駆動部材の内の何れか一つを重心位置の推定対象として定め、前記推定対象の被駆動部材を駆動するアクチュエータの負荷を検出する負荷検出装置と、前記推定対象の被駆動部材の前記回動軸を中心とした回動角を検出する回動角検出装置と、前記回動軸を中心として前記推定対象の被駆動部材を回動させる重心位置推定動作の実行中において、前記負荷検出装置により検出された負荷に基づき、前記アクチュエータの推力により前記回動軸を中心として発生するモーメントを演算し、前記重心位置推定動作の実行中において、前記モーメント、及び予め判明している前記推定対象の被駆動部材の重量に基づき、前記回動軸から前記推定対象の重心位置までの水平方向の距離をアーム長として演算し、前記重心位置推定動作の実行中において、前記回動角検出装置により検出される回動角、及び前記アーム長に基づき、前記回動軸を中心とした角度及び前記回動軸からの距離として、前記推定対象の被駆動部材の重心位置を推定するパラメータ演算部とを備え、前記パラメータ演算部は、前記重心位置推定動作の実行中において、前記アーム長の最大値を、前記重心位置を表す前記回動軸からの距離とし、前記アーム長の最大値が演算されたときに前記回動角検出装置により検出された回動角を、前記重心位置を表す前記回動軸を中心とした角度とし、前記パラメータ演算部により推定された重心位置に基づき前記作業機械のＺＭＰを演算し、前記ＺＭＰと前記作業機械の地表に対する接地点から求めた多角形との比較に基づき、前記作業機械の姿勢の安定度を判定する車体安定性演算部をさらに備え、前記車体安定性演算部が、さらに前記作業機械の姿勢が不安定になっていると判定されたときに、前記作業機械のアクチュエータを安定方向に駆動制御することを特徴とする。

本発明の作業機械によれば、作業装置を構成する被駆動部材を交換する際に、その被駆動部材に関するパラメータの情報を簡単な手順により取得でき、全体としての被駆動部材の交換作業を容易かつ迅速に実施することができる。

実施形態に係る油圧ショベルの構成図である。角度センサによる油圧ショベルの各部の角度検出状態を示す説明図である。油圧ショベルの油圧回路の構成を制御コントローラと共に示す油圧回路図である。図３中の電磁弁ユニットの詳細図である。油圧ショベルの制御コントローラを中心としたシステム構成を示す制御ブロック図である。第１実施形態の制御コントローラの機能ブロック図である。第１実施形態のパラメータ演算部で実施される制御フローを示すフローチャートである。入力装置の入力画面を示す図である。重心位置推定動作を実行するときの油圧ショベルの姿勢を示す説明図である。バケット周りのモーメントの釣り合いを示す説明図である。モーメントＴｃの演算手順を示す説明図である。バケットの重心位置の演算手順を示す説明図である。バケットの回動角度γ及びモーメントの腕の長さＬｗの測定結果をまとめた特性図である。第２実施形態の制御コントローラの機能ブロック図である。第２実施形態のパラメータ演算部で実施される制御フローを示すフローチャートである。アームの姿勢が図９より傾いた場合のバケットの重心位置の演算手順を示す説明図である。アームが図９の姿勢のときのバケットの回動に応じた重心位置の移動範囲例を示す説明図である。アームが図９の姿勢から約９０°車体方向に回動したときのバケットの回動に応じた重心位置の移動範囲例を示す説明図である。

以下、本発明をフロント作業装置を備えた油圧ショベルに具体化した一実施形態を説明する。なお、以下の説明では、フロント作業装置の先端に作業具としてバケットを備えた油圧ショベルを例示するが、複数の被駆動部材（ブーム、アーム、作業具等）を連結して構成される多関節型の作業装置を有するものであれば、油圧ショベル以外の作業機械への適用も可能である。

まず、実施形態の説明に先立ち、本発明が如何なる知見に基づき想到されたかについて述べる。［発明が解決しようとする課題］に記載のように、ＺＭＰを演算するためには油圧ショベルの各部のパラメータを要し、作業装置を構成する被駆動部材であるブーム、アーム或いは作業具等が交換された場合には、交換後の被駆動部材のパラメータに更新する必要がある。ところが特許文献１，２の技術では、そのために単体の被駆動部材のパラメータを実際に測定する必要がある。

このような問題点を鑑みて本発明者は、被駆動部材のパラメータ中において重量や外形寸法等に比較して重心位置の測定が特に煩雑なため、その測定作業を省略できれば全体としての被駆動部材の交換作業を簡略化できる点に着目した。そして、作業装置への被駆動部材の組付状態において被駆動部材を回動させる際には、被駆動部材の重量により発生した回動軸を中心とするモーメントに抗して油圧シリンダにより被駆動部材が駆動される。この回動中には被駆動部材側のモーメントと油圧シリンダ側のモーメントとが釣り合った状態に保たれ、油圧シリンダ側のモーメント及び被駆動部材の重量については特定できるため、これらの情報に基づき回動軸を基準とした被駆動部材の重心位置を推定できる。
以上の知見に基づき本実施形態では、被駆動部材としてフロント作業装置のバケットの重心位置を推定対象としており、以下に第１及び第２実施形態として説明する。

＜第１実施形態＞
＜基本構成＞
図１は実施形態に係る油圧ショベルの構成図、図２は角度センサによる油圧ショベルの各部の角度検出状態を示す説明図である。
図１に示すように、油圧ショベル１は、車体２と多関節型のフロント作業装置３とにより構成されている。車体２は、走行左油圧モータ４ｌ及び走行右油圧モータ４ｒにより走行する下部走行体５と、下部走行体５の上に取り付けられ、旋回油圧モータ６により旋回する上部旋回体７とからなる。

フロント作業装置３は、垂直方向にそれぞれ回動する複数の被駆動部材としてブーム８、アーム９及びバケット１０を連結して構成されている。ブーム８の基端は、上部旋回体７の前部においてブームピン８ａを介して回動可能に支持されている。ブーム８の先端には、アームピン９ａを介してアーム９が回動可能に連結されており、アーム９の先端には、バケットリンク１０ｂのバケットピン１０ａ（本発明の回動軸に相当）を介してバケット１０が回動可能に連結されている。ブーム８はブームシリンダ１１によって駆動され、アーム９はアームシリンダ１２によって駆動され、バケット１０はバケットシリンダ１３によって駆動される。

図１，２に示すように、ブーム８、アーム９、バケット１０の回動角度α，β，γを測定可能なように、ブームピン８ａにブーム角度センサ１４、アームピン９ａにアーム角度センサ１５、バケットピン１０ａにバケット角度センサ１６が取付けられている。上部旋回体７には、基準面Ｆ（例えば水平面）に対する上部旋回体７の傾斜角θを検出する車体傾斜角センサ１７が取付けられている。なお、角度センサ１４～１６はそれぞれ基準面Ｆに対する角度センサに代替可能である。上部旋回体７と下部走行体５との相対角度を測定可能なように、旋回中心軸には旋回角度センサ１８が取付けられている。これらのセンサ１４～１８はフロント作業装置３の姿勢を検出することから、以下の説明では、姿勢検出装置１９と総称する場合もある。

＜油圧回路＞
図３は油圧ショベル１の油圧回路の構成を制御コントローラと共に示す油圧回路図である。
図１～３に示すように、上部旋回体７に設けられた運転室２１内には、油圧ショベル１の制御を司る制御コントローラ２０が設置されている。制御コントローラ２０には、走行左油圧モータ４ｌ（下部走行体５）を操作するための走行左レバー２２ａを有する左モータ操作装置２２と、走行右油圧モータ４ｒ（下部走行体５）を操作するための走行右レバー２３ａを有する右モータ操作装置２３と、アームシリンダ１２（アーム９）及び旋回油圧モータ６（上部旋回体７）を操作するための操作左レバー２４ａを有するアーム・旋回操作装置２４と、ブームシリンダ１１（ブーム８）及びバケットシリンダ１３（バケット１０）を操作するための操作右レバー２５ａを有するブーム・バケット操作装置２５とが接続されている。

各レバー２２ａ～２５ａに対するレバー操作に応じて、それぞれ対応する操作装置２２～２５から制御コントローラ２０に操作信号が入力される。これらの操作装置２２～２５はフロント作業装置３の操作状態を検出することから、以下の説明では、操作装置２６と総称する場合もある。

上部旋回体７に搭載された原動機であるエンジン２７は、油圧ポンプ２８，２９とパイロットポンプ３０とを駆動する。油圧ポンプ２８，２９はレギュレータ２８ａ，２９ａによって容量が制御される可変容量型ポンプであり、パイロットポンプ３０は固定容量型ポンプである。油圧ポンプ２８，２９及びパイロットポンプ３０はタンク３１より圧油を吸引する。レギュレータ２８ａ，２９ａの詳細構成は省略するが、制御コントローラ２０から入力される制御信号に応じてレギュレータ２８ａ，２９ａが駆動され、油圧ポンプ２８，２９の吐出流量が制御される。

油圧ポンプ２８，２９から吐出された圧油は流量制御弁３２～３７に供給され、後述する電磁弁ユニット４３の各電磁比例弁４４ａ,４４ｂ～４６ａ,４６ｂから入力されるパイロット圧により各流量制御弁３２～３７がそれぞれ切り換えられる。この切換に応じて、油圧ポンプ２８，２９からの圧油が走行左油圧モータ４ｌ及び走行右油圧モータ４ｒに供給されると、各油圧モータ４ｌ，４ｒの回転に伴って下部走行体５が走行する。また、圧油がブームシリンダ１１、アームシリンダ１２及びバケットシリンダ１３に供給されると、各シリンダ１１～１３の伸縮に伴ってブーム８、アーム９、バケット１０がそれぞれ回動してバケット１０の位置及び姿勢が変化する。また、圧油が旋回油圧モータ６に供給されると、旋回油圧モータ６の回転に伴って下部走行体５に対して上部旋回体７が旋回する。

ブームシリンダ１１、アームシリンダ１２、バケットシリンダ１３には、それぞれボトム室及びロッド室の圧力を検出する圧力センサ３８ａ,３８ｂ～４０ａ,４０ｂが備えられ、各圧力センサ３８ａ,３８ｂ～４０ａ,４０ｂからの検出信号が制御コントローラ２０に入力される。これらの圧力センサ３８ａ,３８ｂ～４０ａ,４０ｂはフロント作業装置３の負荷状態を検出することから、以下の説明では、負荷検出装置４１と総称する場合もある。

図４は図３中の電磁弁ユニット４３の詳細図である。同図では、ブームシリンダ１１、アームシリンダ１２及びバケットシリンダ１３の流量制御弁３２～３４に対応する電磁比例弁４４ａ,４４ｂ～４６ａ,４６ｂを抜粋して示しており、説明及び図示は省略するが、走行油圧モータ４ｌ，４ｒ及び旋回油圧モータ６に対応する電磁比例弁についても同一構成である。

各流量制御弁３２～３４の油圧駆動部３２ａ,３２ｂ～３４ａ,３４ｂには、それぞれパイロットライン４７ａ,４７ｂ～４９ａ,４９ｂを介して電磁比例弁４４ａ,４４ｂ～４６ａ,４６ｂが接続され、各電磁比例弁４４ａ,４４ｂ～４６ａ,４６ｂにはポンプライン５０を経てパイロットポンプ３０からの圧油が供給されている。

電磁比例弁４４ａ,４４ｂ～４６ａ,４６ｂには制御コントローラ２０が電気的に接続され、操作装置２２～２５からの操作信号に対応する制御信号が制御コントローラ２０から入力されて、各電磁比例弁４４ａ,４４ｂ～４６ａ,４６ｂがそれぞれ切り換えられる。そして、各電磁比例弁４４ａ,４４ｂ～４６ａ,４６ｂの切換に応じて、パイロットポンプ３０からの圧油が減圧されてパイロット圧として対応する流量制御弁３２～３７に入力され、上記のように各油圧アクチュエータ４ｌ，４ｒ，６，１１～１３の駆動により油圧ショベル１が稼働する。

このように制御コントローラ２０からの制御信号に応じて電磁比例弁４４ａ,４４ｂ～４６ａ,４６ｂが開度制御されるため、操作装置２６に対するレバー操作が行われない場合であっても、制御コントローラ２０が電磁比例弁４４ａ,４４ｂ～４６ａ,４６ｂの駆動、ひいては各油圧アクチュエータ４ｌ，４ｒ，６，１１～１３の駆動を強制的に実行可能となっている。

図２に示すように、ポンプライン５０には電磁切換弁として構成されたロック弁５１が介装され、運転室２１内に配置された図示しないゲートロックレバーの位置検出器が電気的に接続されている。ゲートロックレバーはロック位置とアンロック位置との間で切り換えられ、それに応じたポジション信号がロック弁５１に入力され、ゲートロックレバーのロック位置ではロック弁５１が閉弁してポンプライン５０を遮断し、アンロック位置ではロック弁５１が開弁してポンプライン５０を開通させる。これによりオペレーションは、ゲートロックレバーをロック位置に切り換えることにより、操作装置２６に対する意図しないレバー操作を無効化して走行、旋回、掘削等の動作を禁止することができる。

＜システム構成＞
図５は油圧ショベル１の制御コントローラ２０を中心としたシステム構成を示す制御ブロック図である。
制御コントローラ２０は、入力部５３と、プロセッサである中央処理装置（ＣＰＵ）５４と、記憶装置であるリードオンリーメモリ（ＲＯＭ）５５及びランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）５６と、出力部５７とを有している。入力部５３は、姿勢検出装置１９を構成する各センサ１４～１８からの検出信号、操作装置２６を構成する各操作装置２２～２５からの操作信号、及び負荷検出装置４１を構成する各センサ３８ａ,３８ｂ～４０ａ,４０ｂからの検出信号をそれぞれ入力し、ＣＰＵ５４が演算可能なように変換する。

ＲＯＭ５５は、後述するフローチャートに係る処理を含めた制御内容を実行するための制御プログラム、及びフローチャートの実行に必要な各種情報等が記憶された記録媒体であり、ＣＰＵ５４は、ＲＯＭ５５に記憶された制御プログラムに従って入力部５３及びメモリ５５，５６から取り入れた信号に対して所定の演算処理を行う。出力部５７は、ＣＰＵ５４での演算結果に応じた制御信号を作成し、その信号を電磁比例弁４４ａ,４４ｂ～４６ａ,４６ｂや表示装置５８（例えば液晶ディスプレイ）に出力する。これにより各油圧アクチュエータ４ｌ，４ｒ，６，１１～１３を駆動制御したり、後述する被駆動部材のパラメータ（バケット１０の重心位置）を演算するために必要なフロント作業装置３の動作（以下、重心位置推定動作と称する）を表示装置５８の画面上に表示させたりする。

図６は制御コントローラ２０の機能ブロック図である。
制御コントローラ２０は、電磁比例弁制御部６０と、表示制御部６１と、パラメータ設定部６２、車体安定性演算部６３とを備えている。パラメータ設定部６２はパラメータ演算部６２ａとパラメータ記憶部６２ｂとを備えている。
電磁比例弁制御部６０は、操作装置２６がレバー操作されたときに、操作量及び操作方向に応じた制御信号を電磁比例弁４４ａ,４４ｂ～４６ａ,４６ｂに出力する。

表示制御部６１は、パラメータ演算部６２ａから出力される作業装置姿勢及び作業動作内容に基づき表示装置５８を制御する部分である。表示制御部６１には、フロント作業装置３の画像及びアイコンを含む表示関連データが多数格納されている表示ＲＯＭが備えられており、表示制御部６１が、入力情報に含まれるフラグに基づいて所定のプログラムを読み出すとともに、表示装置５８における表示制御をする。

パラメータ演算部６２ａは、後述する制御フローにて、姿勢検出装置１９で検出された作業装置姿勢と負荷検出装置４１で検出された負荷を基にバケット１０の重心位置を演算する。パラメータ演算部６２ａは演算した結果をパラメータ記憶部６２ｂに出力し、バケット１０のパラメータを記憶させる。
パラメータ記憶部６２ｂは、さらに、入力装置６４で入力されたパラメータについても記憶するように備えられている。

車体安定性演算部６３は、姿勢検出装置１９を構成する各センサ１４～１８からのフロント作業装置３の姿勢情報とパラメータ記憶部６２ｂに記憶されているパラメータを基に、例えば車体２のＺＭＰを演算する。ＺＭＰについては周知であるため詳細は説明しないが、ＺＭＰと油圧ショベル１の地表に対する接地点から求めた多角形との比較に基づき車体２の姿勢の安定度を判定するものであり、車体安定性演算部６３は判定結果をオペレータに伝達できるように表示制御部６１に出力する。

＜パラメータ演算の制御フロー＞
図７はパラメータ演算部６２ａで実施される制御フローを示すフローチャート、図８は入力装置の入力画面を示す図である。
図７の制御フローは、図８で示す入力装置６４の入力画面で、バケット１０の重心位置を演算するために必要なパラメータである重量、寸法Ａ、角度Ｂを入力した後、パラメータ演算モードへ移行する移行ボタン６４ａをタップすることで実施される。

Ｓ４００では、重心位置を演算するためのフロント作業装置３の姿勢及び重心位置推定動作の内容を、表示制御部６１を介して表示装置５８に表示させる（本発明のガイダンス実行部に相当）。図９に示すように、このときのフロント作業装置３の姿勢は、ブーム８及びアーム９を連結するアームピン９ａと、アーム９及びバケット１０を連結するバケットピン１０ａとを結ぶ直線Ｌが重力方向と垂直となるような姿勢である。このときバケットシリンダ１３は最縮長となっており、重心位置推定動作の内容は、このバケットシリンダ１３を伸長方向に動作させてバケットピン１０ａを中心としてバケット１０を下方に回動させるものである。重心位置推定動作の速度は、後述するＳ４２０で重心位置を演算する際の慣性負荷の影響を軽減するために、緩慢な動作で実施するようにガイダンスする。なお、バケット１０の回動方向は下方に限るものではなく、逆にバケットピン１０ａを中心として上方に回動させてもよい。

Ｓ４００でオペレータの操作がなされ、重心位置推定動作が実施されている間、姿勢検出装置１９と負荷検出装置４１で検出値を測定し続ける。
Ｓ４１０では、重心位置推定動作が完了したかどうかを判定する。判定基準は、オペレータの操作が終了していること、及び次のＳ４２０で演算するための測定データの測定が完了したことである。Ｓ４１０の判定がＮＯ（否定）のときにはＳ４００へ戻り、再度測定を実施する。Ｓ４１０の判定がＹＥＳ（肯定）になるとＳ４２０へ進む。

Ｓ４２０では、Ｓ４００で測定した結果から重心位置を演算する。具体的な演算内容は図１０～１３を用いて後述する。
Ｓ４３０では、演算結果であるバケット１０の重心位置をパラメータ記憶部６２ｂへ記憶し、パラメータ演算モードを終了する。

＜重心位置の演算手順＞
次いで、図７のＳ４２０で実行されるバケット１０の重心位置の演算手順について説明する。
図１０はバケット１０周りのモーメントの釣り合いを示す説明図である。ブーム８及びアーム９を連結するアームピン９ａと、アーム９及びバケット１０を連結するバケットピン１０ａとを結ぶ直線ＬをＸ軸とし、Ｘ軸に垂直な鉛直方向をＺ軸とし、バケットピン１０ａの軸線を原点Ｏとして定める。

バケットシリンダ１３の推力Ｆｂによって発生する原点Ｏ周りのモーメントをＴｃ、バケット１０の重心位置に作用するバケット１０の自重による力をＦｗ（本発明の推定対象の被駆動部材の重量に相当）、原点Ｏ周りのＦｗによって発生するモーメントの腕の長さをＬｗ（本発明のアーム長に相当）とすると、次式(1)のような関係式が成り立つ。

Ｔｃ＝Ｆｗ×Ｌｗ……(1)
ここで、Ｔｃは、図１１に基づき後述する手順で取得でき、Ｆｗは、図８で入力される項目の重量値から演算できる。すなわち、これらの結果からＬｗを演算することができる。
図１１にＴｃの演算方法について示す。Ｔｃは、バケットシリンダ１３の推力Ｆｂによって生じる点ＣまわりのモーメントＴｂと、姿勢検出装置１９から取得されるバケット１０の回動角度γを変数とするリンクの変換比Ｒ（γ）を乗算して求められる。

Ｔｃ＝Ｔｂ×Ｒ（θγ）……(2)
Ｔｂは、ＦｂのＢＣに垂直な成分とＢＣの長さを乗算することで求められる。

ここで、Ｆｂは、バケットシリンダ１３に取り付けられた圧力センサ４０ａ及び圧力センサ４０ｂ（本発明の負荷検出装置に相当）によって検出されたボトム室の圧力及びロッド室の圧力からシリンダの受圧面積を乗じることで取得できる。

以上の手順でＬｗを演算した後、図１２に示す方法にてバケット１０の重心位置を演算できる。
原点Ｏからバケット重心位置までの距離をＬｃｏｇ（本発明の回動軸からの距離に相当）、原点Ｏとバケット爪先とを結ぶ線分と、原点Ｏとバケット重心位置とを結ぶ線分のなす角をθｃｏｇ（本発明の回動軸を中心とした角度に相当）とすると、次式(10)のような関係式が成り立つ。

Ｌ_Ｗ＝Ｌ_cog・cos(θ_cog＋γ)……(4)
式(4)より、バケット１０の姿勢を変えながらγ及びＬｗを測定すると、図１３に記載のような余弦波の関係が得られる。この回動角度γを検出するバケット角度センサ１６が本発明の回動角検出装置に相当する。この余弦波の特性から、特徴点としてＬｗが最大となるγ’を探すことで重心位置を決めるパラメータであるＬｃｏｇとθｃｏｇを演算できる。

このように本実施形態の油圧ショベル１によれば、フロント作業装置３のバケット１０を交換した際に、重心位置に比較して測定が容易なバケット１０の重量や外形寸法のパラメータを入力装置６４に入力した上で、表示装置５８によるガイダンスに従って重心位置推定動作を実行するだけで、自動的にバケット１０の重心位置を演算できる。このため、バケット１０を取り替える際の測定作業を含めた全体としてのバケット１０の交換作業を容易かつ迅速に実施することができる。

結果として車体安定性演算部６３では、装着されたバケット１０に則したパラメータに基づき、例えば車体２のＺＭＰ等の安定性に関する演算処理を実行して、その情報を表示装置５８によりオペレータに提示することができる。
また、パラメータ演算部６２ａで演算されたバケット１０の重心位置をパラメータ記憶部６２ｂに記憶するため、次回以降の作業時にはパラメータ記憶部６２ｂに記憶されたバケット１０の重心位置を読み出してＺＭＰ等の演算処理に利用することができる。よって、重心位置の演算処理のために必要なパラメータ入力や重心位置推定動作等を実行することなく、作業を開始することができる。

＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態について図１４，１５を用いて説明する。なお、図１～５に基づき説明した構成については第１実施形態と同様であるため、同一の部材番号を付して説明を省略し、相違点を重点的に述べる。

図１４は制御コントローラ２０の機能ブロック図である。
第１実施形態と異なり、パラメータ演算部６２ａは電磁比例弁４４ａ,４４ｂ～４６ａ,４６ｂを制御できるように構成されており、パラメータ演算部６２ａの出力が電磁比例弁制御部６０に入力される。さらに車体安定性演算部６３は油圧アクチュエータ４ｌ，４ｒ，６，１１～１３の動作を制限可能なように、その出力が電磁比例弁制御部６０に入力されるようになっている。車体２の姿勢が不安定になっていると推測されたときには、パラメータ演算部６２ａにより油圧アクチュエータ４ｌ，４ｒ，６，１１～１３の動作が制限されて、車体２の安定化が図られる。

図１５はパラメータ演算部６２ａで実施される制御フローを示すフローチャートである。
Ｓ５００では、重心位置を演算するための重心位置推定動作の開始指示入力待ち状態となる。動作開始指示の入力手段としては、図８の入力画面にタップできるボタンを追加する（不図示）。これは一例であり、動作開始指示の入力手段は、特定のレバー操作を入力する等でもよい。

Ｓ５１０では、動作開始指示が入力されたかどうかを判定する。Ｓ５１０でＮＯの場合、Ｓ５００に戻り、ＹＥＳの場合Ｓ５２０に進む。
Ｓ５２０では、重心位置推定動作を開始して、バケットシリンダ１３を伸長駆動するため電磁比例弁４６ａを駆動させる。
Ｓ５２０で動作が完了すると、Ｓ５３０に進み、重心位置を演算する。
Ｓ５４０では、演算結果をパラメータ記憶部６２ｂへ記憶する。

以下、第１実施形態で用いた図１２を参照しつつ、バケット１０の重心位置の演算手順を説明する。
第１実施形態と同様に、上式(4)が成り立つ。
この式(4)を加法定理を用いて分解し、行列表記すると

となる。最小二乗法を用い、式(5)中の

Ｌｗに相当する測定結果の行列をＢ、

ＡＸ＝Ｂ ……(6)

Ｘ＝（Ａ^ＴＡ）^－1Ａ^ＴＢ ……(8)

となる。

結果として、Ｌｗ及びγからなる複数の測定点に基づき、図１３に示すようなＬｗとγとの関係を表す余弦波が推定され、余弦波からＬｗの最大値と、このＬｗの最大値に対応するγ’とを特徴点として求め、これらのＬｗの最大値とγ’とに基づき、重心位置を決めるパラメータであるＬｃｏｇとθｃｏｇを求めることができる。
そして、重心位置推定動作では図１３に示されたＬｗ及びγからなる特性線の全てを測定する必要はなく、仮に測定点の中にＬｗが最大となるγ’が含まれなくても、推定した余弦波からＬwの最大値及びγ’を求めることができる。

このように本実施形態の油圧ショベル１によれば、第１実施形態と同じく、フロント作業装置３のバケット１０を交換した際に、自動的にバケット１０の重心位置を演算できるため、全体としてのバケット１０の交換作業を容易かつ迅速に実施できる。また、装着されたバケット１０に則したパラメータに基づき車体２のＺＭＰ等の安定性に関する演算処理を実行できると共に、演算したパラメータを記憶して次回以降の作業時に利用することができる。

しかも本実施形態では、重心位置を演算するために必要な重心位置推定動作を自動的に実行するため、オペレータの負担をより軽減することができる。
さらに、車体安定性演算の結果から油圧アクチュエータ４ｌ，４ｒ，６，１１～１３の動作を制限する構成としているため、車体２の姿勢が不安定なときには油圧アクチュエータ４ｌ，４ｒ，６，１１～１３の動作が制限され、より安定した作業を行うことができる。

ところで、上記の第１及び第２実施形態では、図９のようにアーム９を特定の姿勢として重心位置を演算するための重心位置推定動作を実行したが、このアーム９の姿勢に限らない。その場合、アーム９と重力方向の角度に応じて重心位置の演算に補正を加える必要があり、以下、この補正処理について説明する。

図１６はアーム９の姿勢が図９より傾いた場合のバケット１０の重心位置の演算手順を示す説明図である。地球に対して鉛直上向きをＺ軸とし、Ｚ軸に垂直でバケット１０とアーム９との接続点Ａを通り、且つバケットピン１０ａ及びアームピン９ａに対して垂直をなす方向をＸ軸とおく。Ｘ－Ｚ平面と同じ平面上において、アームピン９ａとバケットピン１０ａとを結ぶ直線をＸ軸に重ねるように、Ｘ軸とＺ軸とを点Ａ周りに回転させたアーム基準の座標系として、Ｘａ軸、Ｚａ軸を定義する。バケット１０の回動角度γはＸａとＡＥの成す角である。
ここで、Ｌｗを演算するためには、次式(11)で示すように、γではなく、Ｘ軸とＡＥがなす角φを用いなければならない。

Ｌw＝Ｌ_cogcos（θ＋φ）……(12)
φはＸ軸に対するバケット１０の回動角度なので、図２に示すように、車体２（上部旋回体７）のピッチ方向の傾き角θ、ブーム角α、アーム角β、バケット角γを用いて、次式(12)のように求められる。このφを用いることでＬｗを求めることができる。

φ＝θ＋α＋β＋γ……(13)

また、第１実施形態においては上記のバケット１０の回動角度γの補正に加え、次の点に注意する必要があり、以下に説明する。
図１７はアーム９が図９の姿勢のときのバケット１０の回動に応じた重心位置の移動範囲例を示す説明図であり、図１８はアーム９が図９の姿勢から約９０°車体方向に回動したときのバケット１０の回動に応じた重心位置の移動範囲例を示す説明図である。
第１実施形態では、Ｌｗの最大値を求めることで重心位置を演算している。Ｌｗの最大値は、バケット１０の回動に伴って重心位置がＸ軸の正側で交わる点であり、図１７の例では、Ｌｗが最大となる点（バケット１０の重心位置がＸ軸の正側で交わる点）がバケット重心位置の移動範囲に含まれるため、演算可能である。

一方で、図１８の場合、Ｌｗが最大となる点がバケット重心位置の移動範囲に含まれていないため、Ｌｗの最大値を求めてバケット１０の重心位置を演算することができない。そこで、この場合にはＬｗが最大となる点の代わりに、Ｌｗが最小となる点（バケット１０の重心位置がＸ軸の負側で交わる点）、或いはＬｗ＝０となる点を特徴点として抽出することで、バケット１０の重心位置を演算することができる。このように、図９以外のアーム９の姿勢であっても、それを考慮した演算方法を実施することで、第１及第２実施形態と同様にバケット重心位置を演算することができる。

以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態に限定されるものではなく、種々に変更可能である。例えば上記各実施形態では、バケット１０の重心位置を演算したが、同様の考え方でブーム８、アーム９の重心位置も演算できる。すなわち、フロント作業装置３のうち、アーム９を標準よりも長いアームに置き換えた際に本発明を適用してもよい。

また、上記各実施形態では、ブーム８、アーム９、バケット１０の角度を検出する角度センサ１４～１６を用いたが、角度センサではなくシリンダストロークセンサにより油圧ショベル１の姿勢情報を演算するとしてもよい。また、電気レバー式の油圧ショベル１を例として説明したが、油圧パイロット式の油圧ショベルであれば、油圧パイロットから生成される指令パイロット圧を制御するような構成としてもよい。

また、上記の制御コントローラ２０に係る各構成や当該各構成の機能及び実行処理等は、それらの一部又は全部をハードウェア（例えば各機能を実行するロジックを集積回路で設計する等）で実現してもよい。また、上記の制御コントローラ２０に係る構成は、演算処理装置（例えばＣＰＵ）によって読み出し・実行されることで当該制御コントローラ２０の構成に係る各機能が実現されるプログラム（ソフトウェア）としてもよい。当該プログラムに係る情報は、例えば、半導体メモリ（フラッシュメモリ、ＳＳＤ等）、磁気記憶装置（ハードディスクドライブ等）及び記録媒体（磁気ディスク、光ディスク等）等に記憶することができる。
また上記各実施形態では、バケット１０の重心位置を演算する際に、測定回数について記述しなかったが、測定誤差の影響を小さくするために複数回測定し、その結果を用いて重心位置を演算してもよい。

１油圧ショベル（作業機械）
２車体
３フロント作業装置
１０被駆動部材（バケット）
１０ａバケットピン（回動軸）
１３バケットシリンダ（アクチュエータ）
４０ａ，４０ｂ圧力センサ（負荷検出装置）
１６バケット角度センサ（回動角検出装置）
６２ａパラメータ演算部
６１表示制御部（ガイダンス実行部）
５８表示装置（ガイダンス実行部）
６０電磁比例弁制御部
６３車体安定性演算部
６３パラメータ記憶部

Claims

複数の被駆動部材を互いに回動軸を介して連結し、前記各被駆動部材をアクチュエータの駆動により回動可能として多関節型の作業装置を構成し、前記作業装置を車体に設けてなる作業機械において、
前記各被駆動部材の内の何れか一つを重心位置の推定対象として定め、前記推定対象の被駆動部材を駆動するアクチュエータの負荷を検出する負荷検出装置と、
前記推定対象の被駆動部材の前記回動軸を中心とした回動角を検出する回動角検出装置と、
前記回動軸を中心として前記推定対象の被駆動部材を回動させる重心位置推定動作の実行中において、前記負荷検出装置により検出された負荷に基づき、前記アクチュエータの推力により前記回動軸を中心として発生するモーメントを演算し、前記重心位置推定動作の実行中において、前記モーメント、及び予め判明している前記推定対象の被駆動部材の重量に基づき、前記回動軸から前記推定対象の重心位置までの水平方向の距離をアーム長として演算し、前記重心位置推定動作の実行中において、前記回動角検出装置により検出される回動角、及び前記アーム長に基づき、前記回動軸を中心とした角度及び前記回動軸からの距離として、前記推定対象の被駆動部材の重心位置を推定するパラメータ演算部と
を備え、
前記パラメータ演算部は、前記重心位置推定動作の実行中において、前記アーム長の最大値を、前記重心位置を表す前記回動軸からの距離とし、前記アーム長の最大値が演算されたときに前記回動角検出装置により検出された回動角を、前記重心位置を表す前記回動軸を中心とした角度とする
ことを特徴とする作業機械。
複数の被駆動部材を互いに回動軸を介して連結し、前記各被駆動部材をアクチュエータの駆動により回動可能として多関節型の作業装置を構成し、前記作業装置を車体に設けてなる作業機械において、
前記各被駆動部材の内の何れか一つを重心位置の推定対象として定め、前記推定対象の被駆動部材を駆動するアクチュエータの負荷を検出する負荷検出装置と、
前記推定対象の被駆動部材の前記回動軸を中心とした回動角を検出する回動角検出装置と、
前記回動軸を中心として前記推定対象の被駆動部材を回動させる重心位置推定動作の実行中において、前記負荷検出装置により検出された負荷に基づき、前記アクチュエータの推力により前記回動軸を中心として発生するモーメントを演算し、前記重心位置推定動作の実行中において、前記モーメント、及び予め判明している前記推定対象の被駆動部材の重量に基づき、前記回動軸から前記推定対象の重心位置までの水平方向の距離をアーム長として演算し、前記重心位置推定動作の実行中において、前記回動角検出装置により検出される回動角、及び前記アーム長に基づき、前記回動軸を中心とした角度及び前記回動軸からの距離として、前記推定対象の被駆動部材の重心位置を推定するパラメータ演算部と
を備え、
前記パラメータ演算部は、前記重心位置推定動作の実行中において、前記アーム長と前記回動角検出装置により検出された回動角との複数の測定点に基づき、アーム長と回動角との関係を表す余弦波を推定し、余弦波から求めたアーム長の最大値を、前記重心位置を表す前記回動軸からの距離とし、余弦波から求めた前記アーム長の最大値と対応する回動角を、前記重心位置を表す前記回動軸を中心とした角度とする
ことを特徴とする作業機械。
前記重心位置推定動作を前記作業機械のオペレータにガイダンスするガイダンス実行部をさらに備えた
ことを特徴とする請求項１または２に記載の作業機械。
前記パラメータ演算部は、さらに前記アクチュエータを駆動制御して前記重心位置推定動作を実行する
ことを特徴とする請求項１または２に記載の作業機械。
前記パラメータ演算部により推定された重心位置に基づき前記作業機械のＺＭＰを演算し、前記ＺＭＰと前記作業機械の地表に対する接地点から求めた多角形との比較に基づき、前記作業機械の姿勢の安定度を判定する車体安定性演算部をさらに備えた
ことを特徴とする請求項１または２に記載の作業機械。
複数の被駆動部材を互いに回動軸を介して連結し、前記各被駆動部材をアクチュエータの駆動により回動可能として多関節型の作業装置を構成し、前記作業装置を車体に設けてなる作業機械において、
前記各被駆動部材の内の何れか一つを重心位置の推定対象として定め、前記推定対象の被駆動部材を駆動するアクチュエータの負荷を検出する負荷検出装置と、
前記推定対象の被駆動部材の前記回動軸を中心とした回動角を検出する回動角検出装置と、
前記回動軸を中心として前記推定対象の被駆動部材を回動させる重心位置推定動作の実行中において、前記負荷検出装置により検出された負荷に基づき、前記アクチュエータの推力により前記回動軸を中心として発生するモーメントを演算し、前記重心位置推定動作の実行中において、前記モーメント、及び予め判明している前記推定対象の被駆動部材の重量に基づき、前記回動軸から前記推定対象の重心位置までの水平方向の距離をアーム長として演算し、前記重心位置推定動作の実行中において、前記回動角検出装置により検出される回動角、及び前記アーム長に基づき、前記回動軸を中心とした角度及び前記回動軸からの距離として、前記推定対象の被駆動部材の重心位置を推定するパラメータ演算部と
を備え、
前記パラメータ演算部は、前記重心位置推定動作の実行中において、前記アーム長の最大値を、前記重心位置を表す前記回動軸からの距離とし、前記アーム長の最大値が演算されたときに前記回動角検出装置により検出された回動角を、前記重心位置を表す前記回動軸を中心とした角度とし、
前記パラメータ演算部により推定された重心位置に基づき前記作業機械のＺＭＰを演算し、前記ＺＭＰと前記作業機械の地表に対する接地点から求めた多角形との比較に基づき、前記作業機械の姿勢の安定度を判定する車体安定性演算部と、
前記パラメータ演算部により推定された重心位置を記憶するパラメータ記憶部とをさらに備え、
前記車体安定性演算部は、前記作業機械の作業が開始されたときに、前記作業機械の前回の作業時に前記パラメータ記憶部に記憶された重心位置を読み出して前記作業機械のＺＭＰの推定処理を実行する
ことを特徴とする作業機械。
複数の被駆動部材を互いに回動軸を介して連結し、前記各被駆動部材をアクチュエータの駆動により回動可能として多関節型の作業装置を構成し、前記作業装置を車体に設けてなる作業機械において、
前記各被駆動部材の内の何れか一つを重心位置の推定対象として定め、前記推定対象の被駆動部材を駆動するアクチュエータの負荷を検出する負荷検出装置と、
前記推定対象の被駆動部材の前記回動軸を中心とした回動角を検出する回動角検出装置と、
前記回動軸を中心として前記推定対象の被駆動部材を回動させる重心位置推定動作の実行中において、前記負荷検出装置により検出された負荷に基づき、前記アクチュエータの推力により前記回動軸を中心として発生するモーメントを演算し、前記重心位置推定動作の実行中において、前記モーメント、及び予め判明している前記推定対象の被駆動部材の重量に基づき、前記回動軸から前記推定対象の重心位置までの水平方向の距離をアーム長として演算し、前記重心位置推定動作の実行中において、前記回動角検出装置により検出される回動角、及び前記アーム長に基づき、前記回動軸を中心とした角度及び前記回動軸からの距離として、前記推定対象の被駆動部材の重心位置を推定するパラメータ演算部と
を備え、
前記パラメータ演算部は、前記重心位置推定動作の実行中において、前記アーム長の最大値を、前記重心位置を表す前記回動軸からの距離とし、前記アーム長の最大値が演算されたときに前記回動角検出装置により検出された回動角を、前記重心位置を表す前記回動軸を中心とした角度とし、
前記パラメータ演算部により推定された重心位置に基づき前記作業機械のＺＭＰを演算し、前記ＺＭＰと前記作業機械の地表に対する接地点から求めた多角形との比較に基づき、前記作業機械の姿勢の安定度を判定する車体安定性演算部をさらに備え、
前記車体安定性演算部は、さらに前記作業機械の姿勢が不安定になっていると判定されたときに、前記作業機械のアクチュエータを安定方向に駆動制御する
ことを特徴とする作業機械。