JP7252762B2 - 作業機械 - Google Patents

Description

本発明は作業機械に関する。

従来、ホイールローダ等の作業機械として、バケット（作業具）による積荷の積み込み作業中に積荷の荷重を計測するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の作業機械は、バケットを設けたリフトアームを油圧シリンダで回動させる際に、油圧シリンダのテール側（ボトム側）油圧とロッド側油圧を用いて積荷の荷重計測を行っている。このとき、リフトアームの回動速度、エンジン回転数、車両本体の走行速度等による計測誤差が、各種の補正マップを用いて補正されることで積荷の荷重計測の精度が高められている。

特許第４３３８６７８号公報

ところで、傾斜地にあるダンプトラック等の運搬機械に積荷を積み込む場合には、傾斜によって油圧シリンダの油圧が影響を受けて積荷の荷重計測に誤差が生じる。特許文献１に記載の作業機械では、リフトアームの回動速度、エンジン回転数、車両本体の走行速度等による計測誤差が補正されるが、機体の傾斜による誤差までは補正されない。機体の傾斜角度を検出するための検出器を設ける構成も考えられるが、既存の部品構成からの変更が必要となる。

本発明は前記課題を解決するもので、その目的とするところは、機体の傾斜角度検出用に検出器を設けることなく、傾斜地における荷重の計測誤差を補正することのできる作業機械を提供することである。

本発明の一態様の作業機械は、積荷を積み込み可能な作業具を設けたリフトアームと、前記リフトアームを回動させる油圧アクチュエータと、前記油圧アクチュエータの油圧力を検出する油圧力検出器と、前記リフトアームの回動角度を検出するアーム角度検出器と、前記積荷の荷重を算出するコントローラとを備えた作業機械であって、前記コントローラは、前記リフトアームの回動角度を所定の計測角度域において油圧力を計測する油圧力計測部と、前記リフトアームの回動角度に対する油圧力の変化率である油圧力変化率を前記計測角度域の平均油圧力で除して新たな油圧力変化率を算出する油圧力変化率算出部と、を有し、機体の傾斜角度によって生じる前記積荷の荷重の誤差を前記油圧力変化率算出部で算出された新たな油圧力変化率に基づいて補正することを特徴とする。

本発明によれば、作業機械が傾斜地で作業する際に、機体の傾斜角度を検出することなく、機体の傾斜角度によって生じる誤差を補正して、積荷を高い精度で荷重計測することができる。本発明に関連する更なる特徴は、本明細書の記述、添付図面から明らかになるものである。また、上記した以外の、課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

第１の実施形態に係るホイールローダの側面図。 第１の実施形態に係る荷重計測装置の構成図。 第１の実施形態に係る補正処理を説明する図であり、図３Ａは正規化前のリフトアームの傾斜角度と油圧力の関係、図３Ｂは正規化されたリフトアームの傾斜角度と油圧力の関係を示す。 第１の実施形態に係る交点角度テーブルを示す図。 第１の実施形態に係る油圧力変化率テーブルを示す図。 第１の実施形態に係る荷重計測処理のフローチャートを示す図。 第１の実施形態に係る油圧力の補正処理のフローチャートを示す図。 第２の実施形態に係る荷重計測装置の構成図。 第２の実施形態に係る傾斜角度テーブルを示す図。 第２の実施形態に係る補正前と補正後の荷重の関係を示す図。 第２の実施形態に係る荷重計測処理のフローチャートを示す図。

[第１の実施形態]
以下、図１から図７を参照して、第１の実施形態に係るホイールローダを説明する。なお、以下の説明では、作業機械としてホイールローダを例示して説明する。また、図３から図７では、説明の便宜上、図１及び図２の符号を適宜使用して説明する。

図１は、第１の実施形態に係るホイールローダ１の側面図である。ホイールローダ１は、バケット（作業具）３で掘削した土砂等の積荷を運搬機械に積載したり、積荷を短距離運搬したりする作業機械である。ホイールローダ１の機体２下部には前輪４ａ、後輪４ｂが設けられており、前輪４ａ、後輪４ｂによって不整地や傾斜地を走行することが可能になっている。ホイールローダ１の機体２上部には運転室５が設けられ、運転室５内にはステアリングホールや各種操作レバーが設けられている。ホイールローダ１の機体２後部にはエンジン室６が設けられ、エンジン室６内にはエンジン（不図示）が搭載されている。

ホイールローダ１の機体２前部には、機体２から前方に延びる左右一対のリフトアーム７が上下に回動自在に取り付けられている。リフトアーム７の略中間位置と機体２前部はリフトシリンダ（油圧アクチュエータ）８によって連結されている。リフトシリンダ８のボトム室に油圧が供給されるとロッド９が伸長してリフトアーム７が上方向に回動され、リフトシリンダ８のロッド室に油圧が供給されるとロッド９が縮退してリフトアーム７が下方向に回動される。なお、リフトシリンダ８のボトム室とは運転室５側の受圧面積の大きい油圧室であり、ロッド室とはロッド９が収容されたヘッド側の受圧面積の小さい油圧室である。

左右一対のリフトアーム７の先端部分には、バケット３が回動自在に取り付けられている。バケット３にはベルクランク１１が連結され、ベルクランク１１と機体２前部はバケットシリンダ１２によって連結されている。バケットシリンダ１２のボトム室に油圧が供給されるとロッド１３が伸長してバケット３が上方に回動され、バケットシリンダ１２のロッド室に油圧が供給されるとロッド１３が縮退してバケット３が下方向に回動される。なお、バケットシリンダ１２のボトム室とは運転室５側の受圧面積の大きい油圧室であり、ロッド室とはロッド１３が収容されたヘッド側の受圧面積の小さい油圧室である。

また、ホイールローダ１には、積荷の積載時に荷重を計測する荷重計測装置が設けられている。ホイールローダ１は平地だけでなく傾斜地でも積載作業を実施するため、荷重計測装置による荷重計測がホイールローダ１の機体２の傾斜角度θの影響を受けてしまう。そこで、荷重計測装置は機体２の傾斜角度θによって生じる計測誤差を補正して積荷の荷重を計測している。なお、荷重計測は、バケット３を運転室５側に回動させた状態（フルチルト）で、リフトアーム７を上方向に回動させながら、所定の計測角度域において実行される。

図２は、第１の実施形態に係る荷重計測装置の構成図である。リフトシリンダ８のボトム側にはリフトシリンダ８のボトム圧を検出するボトム圧検出器２１が設けられ、リフトシリンダ８のロッド側にはリフトシリンダ８のロッド圧を検出するロッド圧検出器２２が設けられている。ボトム圧検出器２１及びロッド圧検出器２２は油圧力検出器として機能し、ロッド圧とボトム圧の差圧に基づいてリフトシリンダ８の油圧力Ｆが算出される。リフトアーム７の基端側には機体２に対するリフトアーム７の回動角度αを検出するアーム角度検出器２３が設けられ、エンジン室６のエンジンにはエンジン回転数Ｎｅを検出するエンジン回転数検出器２４が設けられている。

荷重計測装置には、各種検出器からの出力に応じて積荷の荷重を算出するコントローラ２５が設けられている。コントローラ２５には、油圧力計測部３１と、油圧力変化率算出部３２と、油圧力補正部３３と、荷重算出部３４と、参照データ学習部３５とが設けられている。コントローラ２５は、プロセッサ２６及びメモリ２７等のハードウェアによって構成されており、プロセッサ２６によってコントローラ２５の各部が実現されている。また、メモリ２７には、油圧力補正部３３によって参照される交点角度テーブルＴ１、油圧力変化率テーブルＴ２等の参照テーブルや、各種処理で使用されるパラメータ及びプログラム等が記憶されている。

油圧力計測部３１には、ボトム圧検出器２１からボトム圧Ｐ_ｂｔｍが入力され、ロッド圧検出器２２からロッド圧Ｐ_ｒｏｄが入力され、アーム角度検出器２３からリフトアーム７の回動角度αが入力される。油圧力計測部３１は、リフトアーム７の回動角度αを所定の計測角度域でボトム圧Ｐ_ｂｔｍ及びロッド圧Ｐ_ｒｏｄから計測時の油圧力Ｆを計測している。なお、油圧力Ｆは、ボトム圧をＰ_ｂｔｍ、ボトム側の受圧面積をＡ_ｂｔｍ、ロッド圧をＰ_ｒｏｄ、ロッド側の受圧面積をＡ_ｒｏｄとしたときに、以下の式（１）によって算出される。
Ｆ＝Ｐ_ｂｔｍ×Ａ_ｂｔｍ－Ｐ_ｒｏｄ×Ａ_ｒｏｄ…（１）

油圧力変化率算出部３２には、油圧力計測部３１からリフトアーム７の回動角度αに応じた油圧力Ｆの測定結果が入力される。油圧力変化率算出部３２は、油圧力Ｆの測定結果からリフトアーム７の回動角度αに対する油圧力Ｆの変化率である油圧力変化率Ｋを算出し、油圧力変化率Ｋを計測角度域の平均油圧力Ｆａｖｅ（図３Ａ参照）で正規化して新たな油圧力変化率ｋを算出している。詳細は後述するが、正規化された油圧力変化率ｋは機体２の傾斜角度θに応じて変化するものであり、本実施形態では油圧力変化率ｋを利用して機体２の傾斜角度θで生じる油圧力Ｆの誤差が補正される。

油圧力補正部３３には、エンジン回転数検出器２４からエンジン回転数Ｎｅが入力され、油圧力変化率算出部３２から油圧力変化率ｋが入力され、油圧力計測部３１から計測結果が入力される。油圧力補正部３３は、エンジン回転数Ｎｅ及び正規化された油圧力変化率ｋに基づいて機体２の傾斜角度θによって生じる計測時の油圧力Ｆの誤差を補正して、機体水平時の油圧力Ｆｈを算出する。この場合、エンジン回転数Ｎｅ及び正規化された油圧力変化率ｋ、リフトアーム７の回動角度αと計測時の油圧力Ｆの関係を示す計測結果（図３Ａの直線Ｌ１）に基づいて、リフトアーム７の回動角度αと機体水平時の油圧力Ｆｈの関係を示す補正情報（図３Ａの直線Ｌ２）が求められる。

この補正情報によってリフトアーム７の任意の回動角度αに応じた機体水平時の油圧力Ｆｈが求められる。この油圧力の補正処理では、リフトアーム７の回動角度αと油圧力Ｆの関係から、リフトアーム７の回動角度αと機体水平時の油圧力Ｆｈの関係を導くために交点角度テーブルＴ１及び油圧力変化率テーブルＴ２が参照される（図４及び図５参照）。これら参照テーブルの参照データは、参照データ学習部３５によって各種条件を変更しながら事前に学習されている。なお、交点角度テーブルＴ１及び油圧力変化率テーブルＴ２の詳細については後述する。

荷重算出部３４には、エンジン回転数検出器２４からエンジン回転数Ｎｅが入力され、アーム角度検出器２３からリフトアーム７の回動角度αが入力され、油圧力補正部３３から機体水平時の油圧力Ｆｈが入力される。荷重算出部３４は、エンジン回転数Ｎｅ、リフトアーム７の回動角度α、機体水平時の補正された油圧力Ｆｈに基づいて積荷の荷重Ｗを算出する。荷重算出部３４で算出された積荷の荷重Ｗはモニタ４０に表示される。モニタ４０は、積荷の荷重Ｗを補正中であることを報知する報知部としても機能している。これにより、オペレータにモニタ４０に表示された荷重が補正された荷重か否かを正しく認識させることができる。

次に、積荷の荷重計測方法について詳細に説明する。図３は、第１の実施形態に係る補正処理を説明する図である。図３Ａはリフトアーム７の回動角度αとリフトシリンダ８に作用する油圧力Ｆ、Ｆｈの関係を示すグラフである。直線Ｌ１がリフトアーム７の回動角度αと計測時の油圧力Ｆとの関係を示し、直線Ｌ２がリフトアーム７の回動角度αと機体水平時の油圧力Ｆｈとの関係を示している。直線Ｌ１は油圧力計測部３１によって計測された計測結果であり、直線Ｌ２はリフトアーム７の任意の回動角度αから機体水平時の油圧力Ｆｈを算出するためのグラフである。

図３Ａに示す計測時（機体傾斜時）及び機体水平時の油圧力Ｆ、Ｆｈは荷重に比例して変化するため、後述する油圧力変化率Ｋ、Ｋｈを、所定の計測角度域の平均油圧力Ｆａｖｅ、Ｆｈａｖｅで除する処理をすることで油圧力Ｆ、Ｆｈに対する荷重の影響を低減する。この処理を本実施形態では正規化と呼ぶことにする。図３Ｂは、リフトアーム７の回動角度αとリフトシリンダ８に作用する、正規化された油圧力ｆ、ｆｈの関係を示すグラフである。直線Ｌ３が直線Ｌ１に対応するグラフであり、リフトアーム７の回動角度αと正規化された油圧力ｆとの関係を示している。直線Ｌ４が直線Ｌ２に対応するグラフであり、リフトアーム７の回動角度αと正規化された油圧力ｆｈとの関係を示している。

正規化された油圧力ｆは、計測時の油圧力をＦ、所定の計測角度域の平均油圧力をＦａｖｅとすると、以下の式（２）によって算出される。また、正規化された油圧力ｆｈは、機体水平時の油圧力をＦｈ、所定の計測角度域の平均油圧力をＦｈａｖｅとすると、以下の式（３）によって算出される。なお、図３Ａにおけるαａｖｅは所定の計測角度域の平均角度を示している。
ｆ＝Ｆ／Ｆａｖｅ…（２）
ｆｈ＝Ｆｈ／Ｆｈａｖｅ…（３）

また、所定の計測角度域は、リフトアーム７の回動角度αとリフトシリンダ８の油圧力Ｆの関係が直線で示される角度域、すなわち測定原理に基づいて生じる油圧力Ｆの計測誤差が小さな角度域に設定されている。なお、油圧力Ｆの計測誤差は、例えばバケットシリンダ１２の油圧力の影響を受けることで生じている。所定の計測角度域でリフトアーム７の回動角度αを変えながら、リフトシリンダ８の油圧力Ｆを計測することで、リフトアーム７の回動角度αとリフトシリンダ８の油圧力Ｆを直線Ｌ１の関数として表すことができる。

油圧力補正部３３は、リフトアーム７の回動角度αに対する計測時の油圧力Ｆの変化を示す直線Ｌ１から、リフトアーム７の回動角度αに対する機体水平時の油圧力Ｆｈの変化を示す直線Ｌ２を算出している。直線Ｌ１の傾きはリフトアーム７の回動角度αに対する計測時の油圧力Ｆの変化率である油圧力変化率Ｋを示している。直線Ｌ２の傾きはリフトアーム７の回動角度αに対する機体水平時の油圧力Ｆｈの変化率である油圧力変化率Ｋｈを示している。また、直線Ｌ１、Ｌ２は交点（α０、Ｆ０）で交差している。交点（α０、Ｆ０）及び直線Ｌ２の油圧力変化率Ｋｈが分かれば、直線Ｌ２を算出することが可能である。

先ず、交点（α０、Ｆ０）の算出処理について説明する。計測時の直線Ｌ１と機体水平時の直線Ｌ２の交点角度α０は、計測時の油圧力Ｆと機体水平時の油圧力Ｆｈが一致するリフトアーム７の回動角度αである。計測時の直線Ｌ１及び機体水平時の直線Ｌ２は、荷重Ｗを大きくすると油圧力Ｆ、Ｆｈが上方にシフトすると共に傾きＫ、Ｋｈが大きくなり、荷重Ｗを小さくすると油圧力Ｆ、Ｆｈが下方にシフトすると共に傾きＫ、Ｋｈが小さくなるように変化する。このとき、荷重Ｗを変えても直線Ｌ１、Ｌ２は同じ角度α０で交差しており、交点角度α０は荷重Ｗの影響を受けていない。

リフトシリンダ８にはエンジンで駆動されたポンプからオイルが送り込まれるため、リフトアーム７の回動角度αにおける油圧力Ｆは、荷重Ｗ、機体２の傾斜角度θに加えてエンジン回転数Ｎｅによっても変化する。交点角度α０における交点油圧力Ｆ０は、荷重Ｗの影響を受けないため、機体２の傾斜角度θとエンジン回転数Ｎｅによって一意に決定される。本実施形態では、ホイールローダ１が機体２の傾斜角度θを直に検出しないため、傾斜角度θを検出する代わりに、傾斜角度θを導き出すことができる正規化された油圧力変化率ｋが算出される。

正規化された油圧力変化率ｋは、正規化前の油圧力変化率をＫ、所定の計測角度域の平均油圧力をＦａｖｅとしたときに、以下の式（４）によって正規化前の油圧力変化率Ｋを平均油圧力Ｆａｖｅで除して算出される。直線Ｌ１の傾きである油圧力変化率Ｋは、荷重Ｗ、機体２の傾斜角度θ、エンジン回転数Ｎｅによって変化する。よって、荷重Ｗの影響がなくなることで、正規化された油圧力変化率ｋが機体２の傾斜角度θとエンジン回転数Ｎｅによって一意に決まる値になる。なお、正規化前の油圧力変化率Ｋは、計測結果の直線Ｌ１の傾きを求めることで算出される。
ｋ＝Ｋ／Ｆａｖｅ…（４）

このように、正規化された油圧力変化率ｋが機体２の傾斜角度θとエンジン回転数Ｎｅによって一意に決まり、上記したように交点角度α０も機体２の傾斜角度θとエンジン回転数Ｎｅによって一意に決まる。したがって、正規化された油圧力変化率ｋとエンジン回転数Ｎｅから機体２の傾斜角度θを導き出すことができ、機体２の傾斜角度θとエンジン回転数Ｎｅから交点角度α０を導き出すことができる。すなわち、正規化された油圧力変化率ｋとエンジン回転数Ｎｅから交点角度α０が導き出され、直線Ｌ１から交点油圧力Ｆ０が算出される。

図４は、第１の実施形態に係る交点角度テーブルＴ１を示す図である。交点角度テーブルＴ１には、エンジン回転数（Ｎｅ＿１…Ｎｅ＿ｍ）と正規化された油圧力変化率（ｋ＿１…ｋ＿ｎ）に関連付けて交点角度データ（α０＿１１…α０＿ｍｎ）が保存されている。油圧力補正部３３は、交点角度テーブルＴ１を参照して、正規化された油圧力変化率ｋとエンジン回転数Ｎｅから交点角度α０を算出している。油圧力補正部３３は、交点角度テーブルＴ１を参照することで、複雑な算出処理を実施することなく、計測時の直線Ｌ１と機体水平時の直線Ｌ２の交点（α０、Ｆ０）を容易に算出することができる。

次に、機体水平時の油圧力変化率Ｋｈの算出処理について説明する。図５は、第１の実施形態に係る油圧力変化率テーブルＴ２を示す図である。正規化された油圧力変化率ｋは機体２の傾斜角度θとエンジン回転数Ｎｅによって決まるが、正規化された油圧力変化率ｋｈは傾斜角度θが０度の機体水平時であるためエンジン回転数Ｎｅによって決まる。このため、油圧力変化率テーブルＴ２には、エンジン回転数（Ｎｅ＿１…Ｎｅ＿ｎ）に関連付けて、正規化された油圧力変化率データ（ｋｈ＿１…ｋｈ＿ｎ）が保存されている。油圧力補正部３３は、油圧力変化率テーブルＴ２を参照して、正規化された油圧力変化率ｋｈをエンジン回転数Ｎｅから容易に算出することができる。

正規化された油圧力変化率ｋｈについては、機体水平時の油圧力変化率をＫｈ、所定の計測角度域の平均油圧力をＦｈａｖｅとしたときに、以下の式（５）が成立する。機体水平時の平均油圧力Ｆｈａｖｅについては、計測時の平均油圧力をＦａｖｅ、交点油圧力をＦ０、機体水平時の油圧力変化率をＫｈ、計測時の油圧力変化率をＫとしたときに、直線Ｌ１、Ｌ２の関係から以下の式（６）が成立する。
ｋｈ＝Ｋｈ／Ｆｈａｖｅ…（５）
Ｆｈａｖｅ＝（Ｆａｖｅ－Ｆ０）×Ｋｈ／Ｋ＋Ｆ０…（６）

次に、上記式（５）、（６）から以下の式（７）が導かれ、機体水平時の油圧力変化率Ｋｈが式（７）から求められる。正規化された油圧力変化率ｋｈは油圧力変化率テーブルＴ２から求められ、交点油圧力Ｆ０は交点角度α０から求められる。また、計測時の平均油圧力Ｆａｖｅ及び計測時の油圧力変化率Ｋは計測結果（直線Ｌ１）から求められる。このように油圧力補正部３３は、エンジン回転数Ｎｅから油圧力変化率ｋｈを算出して、機体水平時の直線Ｌ２の傾きである油圧力変化率Ｋｈを算出している。
Ｋｈ＝ｋｈ×Ｆ０／｛１＋（Ｆ０－Ｆａｖｅ）×ｋｈ／Ｋ｝…（７）

油圧力補正部３３によって交点（α０、Ｆ０）及び機体水平時の油圧力変化率Ｋｈが算出されて、計測結果を示す直線Ｌ１から直線Ｌ２が算出される。そして、油圧力補正部３３は、直線Ｌ２を用いてリフトアーム７の任意の回動角度αに対する機体水平時の油圧力Ｆｈが算出され、機体２の傾斜角度θによって生じる油圧力Ｆの誤差が補正される。油圧力補正部３３は、補正された油圧力Ｆｈを荷重算出部３４に出力する。荷重算出部３４は、既存の算出方法によって、補正された油圧力Ｆｈ、エンジン回転数Ｎｅ、リフトアーム７の回動角度αから荷重Ｗを算出してモニタ４０に出力する。

なお、交点角度テーブルＴ１及び油圧力変化率テーブルＴ２等の参照テーブルには、補正処理で参照される参照データが登録されており、この参照データは参照データ学習部３５によって学習されている。参照データ学習部３５は、参照データとして交点角度データ（α０＿１１…α０＿ｍｎ）を学習して、交点角度データを正規化された油圧力変化率ｋとエンジン回転数Ｎｅに関連付けて交点角度テーブルＴ１に登録している。また、参照データ学習部３５は、参照データとして機体水平時の正規化された油圧力変化率データ（ｋｈ＿１…ｋｈ＿ｎ）を学習して、油圧力変化率データをエンジン回転数に関連付けて油圧力変化率テーブルＴ２に登録している。

また、参照データ学習部３５は、荷重Ｗを変えながら参照データを学習して、荷重Ｗ毎の学習値の平均を参照データとして参照テーブルに登録してもよい。例えば、参照データ学習部３５は、荷重３ｔ、５ｔのときの交点角度データを学習して、荷重３ｔと荷重５ｔの交点角度データの平均を交点角度テーブルＴ１に登録してもよい。また、参照データ学習部３５は、荷重３ｔ、５ｔのときの機体水平時の油圧力変化率データを学習して、荷重３ｔと荷重５ｔの油圧力変化率データの平均を油圧力変化率テーブルＴ２に登録してもよい。これにより、油圧力補正部の補正処理の精度が向上されている。

図６を参照して、荷重計測処理の全体的な流れについて説明する。図６は、第１の実施形態に係る荷重計測処理のフローチャートを示す図である。なお、以下のフローチャートは一例を示すものであり、適宜順番等が前後してもよい。荷重計測処理が開始されると、コントローラ２５によってバケット３がフルチルト状態か否かが判定される（ステップＳ１）。バケット３がフルチルト状態ではないと判定されると（ステップＳ１でＮＯ）、コントローラ２５によってバケット３がフルチルト状態になるまでバケット３が運転室５側に回動（チルト）される（ステップＳ２）。

バケット３がフルチルト状態であると判定されると（ステップＳ１でＹＥＳ）、コントローラ２５によってリフトアーム７の回動角度αが計測開始角度よりも小さいか否かが判定される（ステップＳ３）。リフトアーム７の回動角度αが計測開始角度以上と判定されると（ステップＳ３でＮＯ）、コントローラ２５によってリフトアーム７の回動角度αが計測開始角度よりも小さくなるまでリフトアーム７が所定角度だけ下降される（ステップＳ４）。リフトアーム７の回動角度αが計測開始角度よりも小さいと判定されると（ステップＳ３でＹＥＳ）、コントローラ２５によってリフトアーム７が所定角度だけ上昇される（ステップＳ５）。

リフトアーム７が上昇されると、コントローラ２５によってリフトアーム７の回動角度αが計測開始角度より大きいか否かが判定される（ステップＳ６）。リフトアーム７の回動角度αが計測開始角度以下と判定されると（ステップＳ６でＮＯ）、コントローラ２５によってリフトアーム７の回動角度αが計測開始角度よりも大きくなるまでリフトアーム７が上昇される。リフトアーム７の回動角度αが計測開始角度よりも大きいと判定されると（ステップＳ６でＹＥＳ）、コントローラ２５によってリフトシリンダ８に作用する油圧力Ｆの計測が開始される。

油圧力Ｆの計測が開始されると、ボトム圧検出器２１でボトム圧Ｐ_ｂｔｍ、ロッド圧検出器２２でロッド圧Ｐ_ｒｏｄ、アーム角度検出器２３でリフトアーム７の回動角度α、エンジン回転数検出器２４でエンジン回転数Ｎｅが検出される（ステップＳ７）。このとき、コントローラ２５によってボトム圧検出器２１でボトム圧Ｐ_ｂｔｍ、ロッド圧検出器２２でロッド圧Ｐ_ｒｏｄからリフトシリンダ８の油圧力Ｆが求められ、リフトアーム７の回動角度αに関連付けて記録される。リフトアーム７の任意の回動角度αについて油圧力が計測されると、コントローラ２５によってリフトアーム７が所定角度だけ上昇される（ステップＳ８）。

そして、コントローラ２５によってリフトアーム７の回動角度αが計測終了角度よりも大きいか否かが判定される（ステップＳ９）。リフトアーム７の回動角度αが計測終了角度以下と判定されると（ステップＳ９でＮＯ）、リフトアーム７の回動角度αが計測終了角度よりも大きくなるまでステップＳ７からステップＳ９の処理が繰り返される。これにより、計測開始角度から計測終了角度までの所定の計測角度域において、リフトアーム７の回動角度αを所定角度ずつ大きくしながら、リフトシリンダ８の油圧力Ｆが複数箇所で計測される。

油圧力Ｆの計測処理が完了すると、コントローラ２５によって計測結果から各種算出処理が施されて、機体水平時の油圧力Ｆｈとリフトアーム７の回動角度αの関係を示す補正情報（図３Ａの直線Ｌ２）が求められる（ステップＳ１０）。補正処理の流れについては後述する。次に、コントローラ２５によって機体水平時の油圧力Ｆｈ、リフトアーム７の回動角度α、エンジン回転数Ｎｅから積荷の荷重Ｗが算出されて（ステップＳ１１）、モニタ４０には機体２の傾斜角度θによって生じる誤差を補正した状態で積荷の荷重Ｗが表示される（ステップＳ１２）。

続いて、図７を参照して、油圧力の補正処理の全体的な流れについて説明する。図７は、油圧力の補正処理のフローチャートを示す図である。なお、以下のフローチャートは一例を示すものであり、適宜順番等が前後してもよい。油圧力Ｆの補正処理が開始されると、コントローラ２５によって油圧力Ｆの計測結果（図３Ａの直線Ｌ１）から計測時の油圧力変化率Ｋ、所定の計測角度域の平均油圧力Ｆａｖｅが算出される（ステップＳ２１）。次に、コントローラ２５によって油圧力変化率Ｋ及び平均油圧力Ｆａｖｅから上記の式（４）を用いて、正規化された油圧力変化率ｋが算出される（ステップＳ２２）。

次に、コントローラ２５によって交点角度テーブルＴ１（図４参照）が参照されて、正規化された計測時の油圧力変化率ｋとエンジン回転数Ｎｅから交点角度α０が算出される（ステップＳ２３）。次に、コントローラ２５によって計測時の油圧力Ｆの計測結果（図３Ａの直線Ｌ１）から交点角度α０に対応した交点油圧力Ｆ０が算出される（ステップＳ２４）。次に、コントローラ２５によって油圧力変化率テーブルＴ２（図５参照）が参照されて、正規化された油圧力変化率ｋｈがエンジン回転数Ｎｅから算出される（ステップＳ２５）。

次に、コントローラ２５によって油圧力変化率ｋｈ、交点油圧力Ｆ０、平均油圧力Ｆａｖｅ、油圧力変化率Ｋから上記の式（７）を用いて機体水平時の油圧力変化率Ｋｈが算出される（ステップＳ２６）。次に、コントローラ２５によって交点座標（α０、Ｆ０）、機体水平時の油圧力変化率Ｋｈから機体水平時の油圧力Ｆｈとリフトアーム７の回動角度αの関係を示す補正情報（図３Ａの直線Ｌ２）が求められる（ステップＳ２７）。この補正情報によって、コントローラ２５によってリフトアーム７の任意の回動角度αに対する機体水平時の油圧力Ｆｈが算出される（ステップＳ２８）。

以上のように、第１の実施形態によれば、ホイールローダ１が傾斜地で作業する際に、機体２の傾斜角度θによって生じる誤差を補正することで、積荷を高い精度で荷重計測することができる。また、油圧力変化率Ｋは機体２の傾斜角度θや積荷の荷重Ｗの影響を受けて変化するが、油圧力変化率Ｋを所定の計測角度域の平均油圧力Ｆａｖｅで正規化することで、油圧力変化率ｋに対する荷重の影響を抑えることができる。正規化された油圧力変化率ｋは機体２の傾斜角度θを導き出すことができるものであるため、正規化された油圧力変化率ｋを使用して機体２の傾斜角度θによって生じる積荷の荷重Ｗの誤差を補正することができる。よって、機体２の傾斜角度を検出することなく、積荷の荷重Ｗを精度よく計測することができる。

[第２の実施形態]
続いて、図８から図１１を参照して、第２の実施形態に係るホイールローダ１について説明する。なお、第２の実施形態に係るホイールローダ１は、算出した荷重Ｗ’を機体２の傾斜角度θで補正する点で第１の実施形態と相違している。したがって、第１の実施形態と同様な構成については説明を極力省略する。また、説明の便宜上、同一の名称には同一の符号を付して説明している。

図８は、第２の実施形態に係る荷重計測装置の構成図である。コントローラ２５には、油圧力計測部３１と、油圧力変化率算出部３２と、傾斜角度算出部３６と、荷重算出部３４と、荷重補正部３７と、傾斜角度データ学習部３８とが設けられている。コントローラ２５は、プロセッサ２６及びメモリ２７等のハードウェアによって構成されており、プロセッサ２６によってコントローラ２５の各部が実現されている。また、メモリ２７には、傾斜角度算出部３６によって参照される傾斜角度テーブルＴ３等の参照テーブルや、各種処理で使用されるパラメータ及びプログラム等が記憶されている。

油圧力計測部３１は、リフトアーム７の回動角度αを所定の計測角度域で、ボトム圧Ｐ_ｂｔｍ及びロッド圧Ｐ_ｒｏｄの差圧に基づいて計測時の油圧力Ｆを計測している。油圧力変化率算出部３２は、油圧力Ｆの測定結果からリフトアーム７の回動角度αに対する油圧力Ｆの変化率である油圧力変化率Ｋを算出し、油圧力変化率Ｋを計測角度域の平均油圧力Ｆａｖｅで正規化して油圧力変化率ｋを算出している。正規化された油圧力変化率ｋの算出処理は、第１の実施形態と同様であり、油圧力変化率Ｋと平均油圧力Ｆａｖｅから上記の式（４）に基づいて算出される。

傾斜角度算出部３６には、正規化された油圧力変化率ｋが油圧力変化率算出部３２から入力され、エンジン回転数検出器２４からエンジン回転数Ｎｅが入力される。傾斜角度算出部３６は、傾斜角度テーブルＴ３を参照して、エンジン回転数Ｎｅ及び正規化された油圧力変化率ｋに基づいて機体の傾斜角度θを算出する。上記したように、正規化された油圧力変化率ｋは、機体２の傾斜角度θとエンジン回転数Ｎｅによって一意に決まるものである。したがって、機体２の傾斜角度θは、正規化された油圧力変化率ｋとエンジン回転数Ｎｅから算出することが可能である。

図９は、第２の実施形態に係る傾斜角度テーブルＴ３を示す図である。傾斜角度テーブルＴ３には、エンジン回転数（Ｎｅ＿１…Ｎｅ＿ｍ）と正規化された油圧力変化率（ｋ＿１…ｋ＿ｎ）に関連付けて、傾斜角度データ（θ＿１１…θ＿ｍｎ）が保存されている。このように、傾斜角度算出部３６は、傾斜角度テーブルＴ３を参照することで、複雑な算出処理を実施することなく、エンジン回転数Ｎｅと正規化された油圧力変化率ｋから機体２の傾斜角度θを容易に算出することができる。傾斜角度テーブルＴ３の傾斜角度データは、傾斜角度データ学習部３８によって各種条件を変更しながら事前に学習されている。

荷重算出部３４には、ボトム圧検出器２１からボトム圧Ｐ_ｂｔｍが入力され、ロッド圧検出器２２からロッド圧Ｐ_ｒｏｄが入力され、エンジン回転数検出器２４からエンジン回転数Ｎｅが入力され、アーム角度検出器２３からリフトアーム７の回動角度αが入力される。荷重算出部３４は、ボトム圧Ｐ_ｂｔｍ及びロッド圧Ｐ_ｒｏｄの差圧に基づいて油圧力Ｆを算出する。また、荷重算出部３４は、既存の算出方法によって、油圧力Ｆ、エンジン回転数Ｎｅ、リフトアーム７の回動角度αに基づいて補正前の荷重Ｗ’を算出する。補正前の荷重Ｗ’には、機体２の傾斜角度θによる誤差が含まれている。

荷重補正部３７には、傾斜角度算出部３６から機体２の傾斜角度θが入力され、荷重算出部３４から補正前の荷重Ｗ’が入力され、アーム角度検出器２３からリフトアーム７の回動角度αが入力される。図１０に示すように、リフトアーム７の回動角度αは、斜面に平行な直線Ｌａと、リフトアーム７の回転中心Ｐ１及びバケット３の回転中心Ｐ２を結ぶ直線Ｌｂとが成す角度である。バケット重心Ｇは、リフトアーム７の延在方向である直線Ｌｂの延長線上には存在していない。なお、厳密には積荷重心とバケット重心Ｇは異なるが、ここでは積荷重心をバケット重心Ｇと見做している。

補正前の荷重Ｗ’はバケット重心Ｇに対して斜面に垂直な方向に作用する荷重であり、補正された荷重Ｗはバケット重心Ｇに対して水平面に垂直に作用する荷重である。バケット重心Ｇ及び回転中心Ｐ１を結ぶ直線Ｌｃと回転中心Ｐ１，Ｐ２を結ぶ直線Ｌｂとが成す角度をβとすると、補正された荷重Ｗは以下の式（８）から求められる。リフトアーム７の回動角度αは下向きが正であり、角度βは正の定数である。このようにして、荷重補正部３７は、機体２の傾斜角度θに基づいて補正前の荷重Ｗ’の誤差を補正する。
Ｗ＝Ｗ’×cos（α－β）÷cos（α－β－θ）…（８）

荷重補正部３７で算出された積荷の荷重Ｗはモニタ（表示部）４０に表示される。モニタ４０は、積荷の荷重Ｗを補正中であることを報知する報知部としても機能している。これにより、オペレータにモニタ４０に表示された荷重が補正された荷重か否かを正しく認識させることができる。また、モニタ４０に荷重Ｗに加えて機体２の傾斜角度θが表示されてもよい。これにより、オペレータに機体２の傾きを正しく認識させることで、掘削作業や積み込み作業時の機体２の傾斜姿勢に対して注意を促して、作業の安全性を確保することができる。

傾斜角度データ学習部３８は、傾斜角度データ（θ０＿１１…θ０＿ｍｎ）を学習して、正規化された油圧力変化率ｋとエンジン回転数Ｎｅに傾斜角度データを関連付けて傾斜角度テーブルＴ３に登録している。傾斜角度データ学習部３８は、実際の機体２の傾斜角度θの入力を受け付けており、傾斜角度データの学習値が実際の機体２の傾斜角度θの許容範囲外になったときに傾斜角度データを再学習してもよい。これにより、誤差の少ない学習値のみを傾斜角度テーブルＴ３に登録して、傾斜角度算出部３６による傾斜角度θの算出処理の精度が向上される。

また、傾斜角度データ学習部３８は、荷重Ｗを変えながら傾斜角度データを学習して、荷重Ｗ毎の学習値の平均を傾斜角度データとして傾斜角度テーブルＴ３に登録してもよい。例えば、傾斜角度データ学習部３８は、荷重３ｔ、５ｔのときの傾斜角度データを学習して、荷重３ｔと荷重５ｔの傾斜角度データの平均を傾斜角度テーブルＴ３に登録してもよい。これにより、傾斜角度算出部３６による傾斜角度θの算出処理の精度が向上される。

図１１を参照して、荷重計測処理の全体的な流れについて説明する。図１１は、第２の実施形態に係る荷重計測処理のフローチャートを示す図である。なお、以下のフローチャートは一例を示すものであり、適宜順番等が前後してもよい。第２の実施形態の荷重計測処理のステップＳ３１からステップＳ３９までの処理は、第１の実施形態の荷重計測処理のステップＳ１からステップＳ９と同様であり、所定の計測角度域においてリフトアーム７の回動角度αを所定角度ずつ大きくしながら、リフトシリンダ８の油圧力Ｆが複数箇所で計測される。

油圧力Ｆの計測処理が完了すると、コントローラ２５によって計測結果から各種算出処理が施されて、機体２の傾斜角度θが算出される（ステップＳ４０）。機体２の傾斜角度θの算出処理では、第１の実施形態の補正処理のステップＳ２１、Ｓ２２（図７参照）と同様な処理が実施されて、油圧力変化率Ｋと平均油圧力Ｆａｖｅから上記の式（４）に基づいて、正規化された油圧力変化率ｋが算出される。そして、コントローラ２５によって傾斜角度テーブルＴ３（図９参照）が参照されて、正規化された油圧力変化率ｋとエンジン回転数Ｎｅから機体２の傾斜角度θが算出される。

次に、コントローラ２５によって油圧力Ｆ、リフトアーム７の回動角度α、エンジン回転数Ｎｅから補正前の荷重Ｗ’が算出される（ステップＳ４１）。そして、コントローラ２５によって機体２の傾斜角度θから上記の式（８）に基づいて荷重Ｗ’が補正（荷重Ｗが算出）され（ステップＳ４２）、モニタ４０には機体２の傾斜角度θの誤差を補正した荷重Ｗが表示される（ステップＳ４３）。

以上のように、第２の実施形態においても、ホイールローダ１が傾斜地で作業する際に、機体２の傾斜角度θによって生じる誤差を補正することで、積荷を高い精度で荷重計測することができる。また、第２の実施形態では、荷重の補正処理の処理負担が軽減されて、作業効率を向上させることができる。

上記の各実施形態において、油圧力計測部３１がリフトアーム７の回動角度αを変えながら複数回に亘って油圧力Ｆを計測したが、少なくとも２つの回動角度αで油圧力Ｆを計測すればよい。これにより、油圧力Ｆの計測時間を短縮することができる。

上記の各実施形態において、モニタ４０が積荷の荷重Ｗを補正中であることを報知する報知部として機能する構成について説明したが、この構成に限定されない。報知部は、積荷の荷重Ｗを補正中であることを報知可能であればよく、例えば、ライトの点滅、点灯、ブザー音、音声メッセージによって報知してもよい。

また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。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、又はＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記憶媒体に記録することができる。

また、図面には制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、前記した実施の形態は本発明を分かりやす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。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。さらに、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１ ホイールローダ（作業機械）
２ 機体
３ バケット（作業具）
７ リフトアーム
８ リフトシリンダ（油圧アクチュエータ）
２１ 油圧力検出器
２１ ボトム圧検出器
２２ 油圧力検出器
２２ ロッド圧検出器
２３ アーム角度検出器
２４ エンジン回転数検出器
２５ コントローラ
３１ 油圧力計測部
３２ 油圧力変化率算出部
３３ 油圧力補正部
３４ 荷重算出部
３５ 参照データ学習部
３６ 傾斜角度算出部
３７ 荷重補正部
３８ 傾斜角度データ学習部
４０ モニタ（表示部）
Ｔ１ 交点角度テーブル
Ｔ２ 油圧力変化率テーブル
Ｔ３ 傾斜角度テーブル

Claims (9)

1. 積荷を積み込み可能な作業具を設けたリフトアームと、
   前記リフトアームを回動させる油圧アクチュエータと、
   前記油圧アクチュエータの油圧力を検出する油圧力検出器と、
   前記リフトアームの回動角度を検出するアーム角度検出器と、
   エンジン回転数を検出するエンジン回転数検出器と、
   前記積荷の荷重を算出するコントローラとを備えた作業機械であって、
   前記コントローラは、
   前記リフトアームの回動角度が所定の計測角度域にある場合において前記油圧力を計測する油圧力計測部と、
   前記リフトアームの回動角度に対する油圧力の変化率である油圧力変化率を算出し、該油圧力変化率を前記計測角度域の平均油圧力で除して正規化した新たな油圧力変化率を算出する油圧力変化率算出部と、
   前記エンジン回転数及び前記新たな油圧力変化率に基づいて機体の傾斜角度によって生じる油圧力の誤差を補正する油圧力補正部と、
   補正された油圧力、前記エンジン回転数、及び前記リフトアームの回動角度から前記積荷の荷重を算出する荷重算出部と、を有し、
   前記油圧力補正部は、
   前記リフトアームの回動角度と計測時の油圧力との関係を示す第１の関数から、機体水平時における前記リフトアームの回動角度と油圧力との関係を示す第２の関数を算出し、第２の関数を用いて前記リフトアームの任意の回動角度に応じた機体水平時の油圧力を、前記補正された油圧力として算出し、
   前記油圧力補正部は、前記エンジン回転数及び前記新たな油圧力変化率に基づいて、前記第１の関数と前記第２の関数において前記油圧力が同一となる前記リフトアームの回動角度である交点角度を算出し、
   前記交点角度と、前記交点角度における油圧力である交点油圧力と、前記機体水平時の油圧力変化率とを用いて、前記第２の関数を算出し、
   前記第２の関数から前記機体水平時の油圧力を算出する
   ことを特徴とする作業機械。
2. 前記油圧力補正部は、
   前記第１の関数から前記油圧力変化率と前記計測角度域の平均油圧力を算出し、
   前記油圧力変化率を前記計測角度域の平均油圧力で除して新たな油圧力変化率を算出し、
   前記エンジン回転数及び前記新たな油圧力変化率に基づいて交点角度を算出し、
   前記第１の関数と前記交点角度から前記交点油圧力を算出し、
   前記機体水平時の油圧力変化率を前記機体水平時の平均油圧力で除した油圧力変化率となる正規化された油圧力変化率を前記エンジン回転数に基づいて算出し、
   前記油圧力変化率、前記正規化された油圧力変化率、前記交点油圧力、および前記平均油圧力から前記機体水平時の油圧力変化率を算出する
   ことを特徴とする請求項１に記載の作業機械。
3. 前記コントローラは、油圧力の補正処理で参照される参照テーブルが格納されたメモリを有しており、
   前記参照テーブルは、前記エンジン回転数および前記新たな油圧力変化率に関連づけて前記交点角度のデータが保存された交点角度テーブルと、
   前記エンジン回転数に関連づけて前記正規化された油圧力変化率が保存された油圧力変化率テーブルを有することを特徴とする請求項２に記載の作業機械。
4. 前記コントローラは、前記参照テーブルの参照データを学習する参照データ学習部を有し、
   前記参照データ学習部は、前記積荷の荷重を変えながら参照データを学習して、荷重毎の学習値の平均を参照データとして前記参照テーブルに登録することを特徴とする請求項３に記載の作業機械。
5. 積荷を積み込み可能な作業具を設けたリフトアームと、
   前記リフトアームを回動させる油圧アクチュエータと、
   前記油圧アクチュエータの油圧力を検出する油圧力検出器と、
   前記リフトアームの回動角度を検出するアーム角度検出器と、
   エンジン回転数を検出するエンジン回転数検出器と、
   前記積荷の荷重を算出するコントローラとを備えた作業機械であって、
   前記コントローラは、
   前記リフトアームの回動角度が所定の計測角度域にある場合において前記油圧力を計測する油圧力計測部と、
   前記リフトアームの回動角度に対する油圧力の変化率である油圧力変化率を算出し、該油圧力変化率を前記計測角度域の平均油圧力で除して正規化した新たな油圧力変化率を算出する油圧力変化率算出部と、
   前記エンジン回転数及び前記新たな油圧力変化率に基づいて機体の傾斜角度を算出する傾斜角度算出部と、
   前記油圧力、前記エンジン回転数、及び前記リフトアームの回動角度に基づいて前記積荷の荷重を算出する荷重算出部と、
   前記機体の傾斜角度、及び前記リフトアームの回動角度に基づいて前記積荷の荷重を補正する荷重補正部と、
   を有し、
   前記傾斜角度算出部は、
   前記エンジン回転数及び前記新たな油圧力変化率に関連付けて傾斜角度データが保存された傾斜角度テーブルを参照して前記機体の傾斜角度を算出し、
   前記荷重補正部は、前記傾斜角度算出部により算出された前記機体の傾斜角度、及び前記リフトアームの回動角度に基づいて前記積荷の荷重を補正する
   ことを特徴とする作業機械。
6. 前記コントローラは、前記傾斜角度データを学習する傾斜角度データ学習部を有し、
   前記傾斜角度データ学習部は、実際の前記機体の傾斜角度の入力を受け付けており、前記傾斜角度データの学習値が実際の前記機体の傾斜角度の許容範囲外になったときに、前記傾斜角度テーブルの傾斜角度データを再学習することを特徴とする請求項５に記載の作業機械。
7. 前記傾斜角度データ学習部は、前記積荷の荷重を変えながら傾斜角度データを学習して、荷重毎の学習値の平均を傾斜角度データとして前記傾斜角度テーブルに登録することを特徴とする請求項６に記載の作業機械。
8. 前記傾斜角度算出部により算出された前記機体の傾斜角度を表示する表示部を備えることを特徴とする請求項５に記載の作業機械。
9. 前記機体の傾斜角によって生じる前記積荷の荷重の誤差を補正中であることを報知する報知部を備えたことを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の作業機械。

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