JP7253949B2 - 作業機械、システムおよび作業機械の制御方法 - Google Patents

Description

本開示は、作業機械、システムおよび作業機械の制御方法に関するものである。

バケット内の荷重は、作業機械の仕事量を知るうえで重要である。バケット内の荷重値を演算する技術は、たとえば特開２０１０－８９６３３号公報（特許文献１）、国際公開第２０１８／０８７８３４号（特許文献２）に開示されている。

特許文献１においては、荷の現在荷重値が、作業機械の姿勢と、ブームシリンダに作用する圧力とから演算により取得される。この現在荷重値を積算することにより積算荷重値が演算される。この積算荷重値が目標荷重値に達するとき、その状態がオペレータに報知される。

特許文献２においては、ブームシリンダの伸縮の加速度に基づいてバケット内の荷重値が補正される。これによりブーム、アーム、バケットなどの動作に基づく作業機の慣性による誤差を荷重値から取り除くことができ、荷重計測時の計測精度を向上することができる。

特開２０１０－８９６３３号公報 国際公開第２０１８／０８７８３４号

油圧ショベルなどの作業機械で土砂を掘削してダンプトラックに積み込む作業では、積載量をダンプトラックの最大積載量以下にする必要がある。ダンプトラックには、複数回の掘削、積み込みを行っており、毎回の積み込み土量を計測して合計した積載量をオペレータに通知する。毎回の土量を計測するためには作業機のブーム、アーム、バケットの角度とブームシリンダの油圧が必要である。このためセンサが取り付けられて、土を掘削してバケットに土が入れられた後、ブームの持ち上げ動作中にバケット内の土量が計測されている。

上記持ち上げ動作中のブームシリンダ圧はブームの操作に応じて変動する（脈動する）ため、精度良く荷重を計測することが難しい。

本開示の目的は、荷重計測の精度を向上させることが可能な作業機械、システムおよび作業機械の制御方法を提供することである。

本開示の作業機械は、ブームと、アームと、バケットと、ブームシリンダと、コントローラとを備えている。アームは、ブームの先端に取り付けられている。バケットは、アームの先端に取り付けられている。ブームシリンダは、ブームを駆動する。コントローラは、ブームシリンダの負荷に基づいてバケット内の荷重計算値を演算し、ブームシリンダを動作させる操作指令値とブームシリンダの伸縮の速度との少なくとも一方の情報の単位時間当たりの変化量を検出し、演算により得られた荷重計算値を単位時間当たりの変化量に基づいて補正して荷重値を決定する。

本開示によれば、荷重計測の精度を向上させることが可能な作業機械、システムおよび作業機械の制御方法を実現することができる。

本開示の一実施の形態における作業機械の構成を概略的に示す図である。 図１に示す作業機械のシステムの概略構成を示すブロック図である。 図２に示すコントローラ内の機能ブロックを示す図である。 本開示の一実施の形態における作業機械の制御方法を示すフロー図である。 ブームのＰＰＣ圧、ブームのＰＰＣ圧の変化量および荷重計算値（CalcuPayload）の時間変化を示す図である。

以下、本開示の実施の形態について図に基づいて説明する。
明細書および図面において、同一の構成要素または対応する構成要素には、同一の符号を付し、重複する説明を繰り返さない。また、図面では、説明の便宜上、構成を省略または簡略化している場合もある。

本開示は、油圧ショベル以外に、ブーム、アームおよびバケットを有する作業機械であれば適用可能である。以下の説明において、「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」とは、運転室２ａ内の運転席２ｂに着座したオペレータを基準とした方向である。

＜作業機械の構成＞
図１は、本開示の一実施の形態における作業機械の一例としての油圧ショベルの構成を概略的に示す側面図である。図１に示されるように、本実施の形態の油圧ショベル１００は、走行体１と、旋回体２と、作業機３とを主に有している。走行体１と旋回体２とにより作業機械本体が構成されている。

走行体１は左右一対の履帯装置１ａを有している。この左右一対の履帯装置１ａの各々は履帯を有している。左右一対の履帯が回転駆動されることにより油圧ショベル１００が自走する。

旋回体２は走行体１に対して旋回自在に設置されている。この旋回体２は、運転室（キャブ）２ａと、運転席２ｂと、エンジンルーム２ｃと、カウンタウェイト２ｄとを主に有している。運転室２ａは、旋回体２のたとえば前方左側（車両前側）に配置されている。運転室２ａの内部空間には、オペレータが着座するための運転席２ｂが配置されている。

エンジンルーム２ｃおよびカウンタウェイト２ｄの各々は、運転室２ａに対して旋回体２の後方側（車両後側）に配置されている。エンジンルーム２ｃは、エンジンユニット（エンジン、排気処理構造体など）を収納している。エンジンルーム２ｃの上方はエンジンフードにより覆われている。カウンタウェイト２ｄは、エンジンルーム２ｃの後方に配置されている。

作業機３は、旋回体２の前方側であって運転室２ａのたとえば右側にて軸支されている。作業機３は、たとえばブーム３ａ、アーム３ｂ、バケット３ｃ、ブームシリンダ４ａ、アームシリンダ４ｂ、バケットシリンダ４ｃなどを有している。ブーム３ａの基端部は、ブームフートピン５ａにより旋回体２に回転可能に連結されている。またアーム３ｂの基端部は、ブーム先端ピン５ｂによりブーム３ａの先端部に回転可能に連結されている。バケット３ｃは、ピン５ｃによりアーム３ｂの先端部に回転可能に連結されている。

ブーム３ａは、ブームシリンダ４ａにより駆動可能である。この駆動により、ブーム３ａは、ブームフートピン５ａを中心に旋回体２に対して上下方向に回動可能である。アーム３ｂは、アームシリンダ４ｂにより駆動可能である。この駆動により、アーム３ｂは、ブーム先端ピン５ｂを中心にブーム３ａに対して上下方向に回動可能である。バケット３ｃは、バケットシリンダ４ｃにより駆動可能である。この駆動によりバケット３ｃは、ピン５ｃを中心にアーム３ｂに対して上下方向に回動可能である。このように作業機３は駆動可能である。

作業機３は、バケットリンク３ｄを有している。バケットリンク３ｄは、第１リンク部材３ｄａと、第２リンク部材３ｄｂとを有している。第１リンク部材３ｄａの先端と第２リンク部材３ｄｂの先端とは、バケットシリンダトップピン３ｄｃを介して、相対回転可能に連結されている。バケットシリンダトップピン３ｄｃは、バケットシリンダ４ｃの先端に連結されている。したがって第１リンク部材３ｄａおよび第２リンク部材３ｄｂは、バケットシリンダ４ｃにピン連結されている。

第１リンク部材３ｄａの基端は、第１リンクピン３ｄｄによりアーム３ｂに回転可能に連結されている。第２リンク部材３ｄｂの基端は、第２リンクピン３ｄｅによりバケット３ｃの根元部分のブラケットに回転可能に連結されている。

ブームシリンダ４ａのヘッド側には、圧力センサ６ａが取り付けられている。圧力センサ６ａは、ブームシリンダ４ａのシリンダヘッド側油室４０Ａ内の作動油の圧力（ヘッド圧）を検出することができる。ブームシリンダ４ａのボトム側には、圧力センサ６ｂが取り付けられている。圧力センサ６ｂは、ブームシリンダ４ａのシリンダボトム側油室４０Ｂ内の作動油の圧力（ボトム圧）を検出することができる。

ブームシリンダ４ａ、アームシリンダ４ｂおよびバケットシリンダ４ｃのそれぞれには、ストロークセンサ（検知部）７ａ、７ｂ、７ｃが取り付けられている。

ブームシリンダ４ａにおけるシリンダ４ａａに対するシリンダロッド４ａｂの変位量からブーム角θｂを算出することができる。またアームシリンダ４ｂにおけるシリンダロッドの変位量からアーム角θａを算出することができる。またバケットシリンダ４ｃにおけるシリンダロッドの変位量からバケット角θｋを算出することができる。

またブームフートピン５ａ、ブーム先端ピン５ｂおよびピン５ｃのそれぞれの周囲には、ポテンショメータ９ａ、９ｂ、９ｃが取り付けられていてもよい。ポテンショメータ９ａの測定値からブーム角θｂを算出することができる。またポテンショメータ９ｂの測定値からアーム角θａを算出することができる。またポテンショメータ９ｃの測定値からバケット角θｋを算出することができる。

また旋回体２、ブーム３ａ、アーム３ｂおよび第１リンク部材３ｄａのそれぞれには、ＩＭＵ（Inertial Measurement Unit：慣性計測装置）８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄが取り付けられている。ＩＭＵ８ａは、前後方向、左右方向および上下方向における旋回体２の加速度と、前後方向、左右方向および上下方向まわりの旋回体２の角速度とを計測する。ＩＭＵ８ｂ、８ｃ、８ｄのそれぞれは、前後方向、左右方向および上下方向におけるブーム３ａ、アーム３ｂ、バケット３ｃの加速度と、前後方向、左右方向および上下方向まわりのブーム３ａ、アーム３ｂ、バケット３ｃの角速度とを計測する。

旋回体２に取り付けられたＩＭＵ８ａで測定された加速度とブーム３ａに取り付けられたＩＭＵ８ｂで測定された加速度との差分に基づいてブームシリンダ４ａの伸縮の加速度（ブームシリンダ４ａの伸縮速度の変化量）を取得することができる。

なお本実施の形態においてはブーム角θｂ、アーム角θａ、バケット角θｋがポテンショメータによって測定されているが、ＩＭＵで算出されてもよい。

＜作業機械のシステムの概略構成＞
次に、作業機械のシステムの概略構成について図２を用いて説明する。

図２は、図１に示す作業機械のシステムの概略構成を示すブロック図である。図２に示されるように、本実施の形態におけるシステムは、荷重値を決定するためのシステムである。本実施の形態におけるシステムは、図１に示す作業機械の一例としての油圧ショベル１００と、図２に示されるコントローラ１０とを含んでいる。コントローラ１０は、油圧ショベル１００に搭載されていてもよく、油圧ショベル１００から離れた遠隔地に設置されていてもよい。

操作装置２５は、運転室２ａ内に配置されている。操作装置２５は、オペレータにより操作される。操作装置２５は、作業機３を駆動するオペレータ操作を受け付ける。また操作装置２５は、旋回体２を旋回させるオペレータ操作を受け付ける。操作装置２５は、オペレータ操作に応じた操作信号を出力する。本例においては、操作装置２５は、たとえばパイロット油圧方式の操作装置であるが、電気方式の操作装置であってもよい。

エンジン３１の駆動力によって油圧ポンプ３３が駆動される。油圧ポンプ３３から吐出された作動油が、操作装置２５に供給される。操作装置２５に供給された作動油は、オペレータによる操作装置２５の操作に対応して、方向制御弁３４を介して各種の油圧アクチュエータ４０に供給される。

油圧アクチュエータ４０への油圧の供給および排出が制御されることにより、作業機３の動作、旋回体２の旋回、および走行体１の走行動作が制御される。上記油圧アクチュエータ４０は、図１に示されるブームシリンダ４ａ、アームシリンダ４ｂ、バケットシリンダ４ｃ、図示しない旋回モータなどを含んでいる。

エンジン３１は、たとえばディーゼルエンジンである。エンジン３１への燃料の噴射量がコントローラ１０によって制御されることにより、エンジン３１の出力が制御される。

油圧ポンプ３３は、エンジン３１に連結されている。エンジン３１の回転駆動力が油圧ポンプ３３に伝達されることにより、油圧ポンプ３３が駆動される。油圧ポンプ３３は、たとえば斜板を有し、斜板の傾転角が変更されることにより吐出容量を変化させる可変容量型の油圧ポンプである。油圧ポンプ３３から吐出された作動油は、減圧弁によって一定の圧力に減圧されて、方向制御弁３４に供給される。

方向制御弁３４は、たとえばロッド状のスプールを動かして作動油が流れる方向を切り換えるスプール方式の弁である。スプールが軸方向に移動することにより、油圧アクチュエータ４０に対する作動油の供給量が調整される。方向制御弁３４には、スプールの移動距離（スプールストローク）を検出するスプールストロークセンサが設けられる。

なお、本例においては、油圧アクチュエータ４０を作動するために、その油圧アクチュエータ４０に供給される油は作動油と称される。また、方向制御弁３４を作動するためにその方向制御弁３４に供給される油はパイロット油と称される。また、パイロット油の圧力はＰＰＣ圧（パイロット油圧）と称される。

油圧ポンプ３３は、作動油とパイロット油との両方を送出してもよい。たとえば、油圧ポンプ３３から送出された作動油の一部が減圧弁で減圧され、その減圧された作動油がパイロット油として使用されてもよい。また、油圧ポンプ３３は、作動油を送出する油圧ポンプ（メイン油圧ポンプ）と、パイロット油を送出する油圧ポンプ（パイロット油圧ポンプ）とを別々に有してもよい。

操作装置２５は、第１操作レバー２５Ｒと、第２操作レバー２５Ｌとを有している。第１操作レバー２５Ｒは、たとえば運転席２ｂの右側に配置されている。第２操作レバー２５Ｌは、たとえば運転席２ｂの左側に配置されている。第１操作レバー２５Ｒおよび第２操作レバー２５Ｌでは、前後左右の動作が２軸の動作に対応する。

第１操作レバー２５Ｒにより、たとえばブーム３ａおよびバケット３ｃが操作される。第１操作レバー２５Ｒの前後方向の操作は、たとえばブーム３ａの操作に対応し、前後方向の操作に応じてブーム３ａが上昇する動作および下降する動作が実行される。第１操作レバー２５Ｒの左右方向の操作は、たとえばバケット３ｃの操作に対応し、左右方向の操作に応じてバケット３ｃの上下方向への動作が実行される。

第２操作レバー２５Ｌにより、たとえばアーム３ｂおよび旋回体２が操作される。第２操作レバー２５Ｌの前後方向の操作は、たとえばアーム３ｂの操作に対応し、前後方向の操作に応じてアーム３ｂの上下方向への動作が実行される。第２操作レバー２５Ｌの左右方向の操作は、たとえば旋回体２の旋回に対応し、左右方向の操作に応じて旋回体２の右旋回動作および左旋回動作が実行される。

本例においては、ブーム３ａが上昇する動作は上げ動作、下降する動作は下げ動作とも称する。また、アーム３ｂの上下方向への動作は、それぞれダンプ動作、掘削動作とも称する。バケット３ｃの上下方向への動作は、それぞれダンプ動作、掘削動作とも称する。

なお、第１操作レバー２５Ｒの左右方向の操作がブーム３ａの操作に対応し、前後方向の操作がバケット３ｃの操作に対応してもよい。また第２操作レバー２５Ｌの前後方向が旋回体２の操作に対応し、左右方向の操作がアーム３ｂの操作に対応してもよい。

油圧ポンプ３３から送出され、減圧弁によって減圧されたパイロット油が、操作装置２５に供給される。

操作装置２５と方向制御弁３４とは、パイロット油路４５０を介して接続されている。操作装置２５の操作内容に基づいて、ＰＰＣ圧が調整される。操作装置２５が操作されると、操作装置２５の操作内容に対応したＰＰＣ圧が、パイロット油路４５０を介して方向制御弁３４に供給される。これにより、方向制御弁３４が調整されて、ブームシリンダ４ａ、アームシリンダ４ｂおよびバケットシリンダ４ｃに供給される作動油の流れ方向および流量が調整され、ブーム３ａ、アーム３ｂ、バケット３ｃの上下方向への動作が実行される。

パイロット油路４５０には、圧力センサ３６が配置されている。圧力センサ３６は、ＰＰＣ圧を検出する。圧力センサ３６の検出結果は、コントローラ１０に出力される。操作装置２５の操作によって調整され、圧力センサ３６によって検出されるＰＰＣ圧は、本実施の形態における操作指令値に相当する。

図２では簡略化されて図示されているが、第１操作レバー２５Ｒおよび第２操作レバー２５Ｌの前後左右各方向への操作に対応する複数のパイロット油路４５０が、操作装置２５と方向制御弁３４とを接続するように設けられている。複数のパイロット油路４５０の各々に、圧力センサ３６が配置されている。

たとえばブーム３ａを動作する場合、ブーム３ａを上げ動作するときにＰＰＣ圧の増加を検出する圧力センサ３６と、ブーム３ａを下げ動作するときにＰＰＣ圧の増加を検出する圧力センサ３６とは異なる。また、たとえばアーム３ｂをダンプ動作するときにＰＰＣ圧の増加を検出する圧力センサ３６と、アーム３ｂを掘削動作するときにＰＰＣ圧の増加を検出する圧力センサ３６とは異なる。また、たとえばバケット３ｃを動作する場合、バケット３ｃをダンプ動作するときにＰＰＣ圧の増加を検出する圧力センサ３６と、バケット３ｃを掘削動作するときにＰＰＣ圧の増加を検出する圧力センサ３６とは異なる。

ＰＰＣ圧の増加量は、操作レバー２５Ｌ、２５Ｒの各々を中立位置から傾倒させる角度によって異なる。このようにして、各圧力センサ３６によるＰＰＣ圧の検出結果によって、操作装置２５の操作内容を判断することができる。

またコントローラ１０には、ストロークセンサ７ａ～７ｃ、ＩＭＵ８ａ～８ｄ、ポテンショメータ９ａ～９ｃおよび圧力センサ６ａ、６ｂの検出信号も入力される。

コントローラ１０は、ストロークセンサ７ａ～７ｃ、ＩＭＵ８ａ～８ｄ、ポテンショメータ９ａ～９ｃおよび圧力センサ６ａ、６ｂ、３６の各々と有線で電気的に接続されていてもよく、また無線で通信可能とされていてもよい。コントローラ１０は、たとえばコンピュータ、サーバー、携帯端末などであり、ＣＰＵ（Central Processing Unit）であってもよい。

＜コントローラ１０内の機能ブロック＞
次に、コントローラ１０内の機能ブロックについて図３を用いて説明する。

図３は、図２に示すコントローラ内の機能ブロックを示す図である。図３に示されるように、コントローラ１０は、操作指令値取得部１１と、ブームシリンダ伸縮速度取得部１２と、荷重計算値演算部１３と、記憶部１４と、変化量取得部１５と、重み算出部１６と、重み順位付け部１７と、荷重値決定部１８とを有している。

操作指令値取得部１１には、圧力センサ３６により検出されたＰＰＣ圧の信号が入力される。操作指令値取得部１１は、圧力センサ３６により検出されたＰＰＣ圧の信号から、たとえばブームシリンダ４ａを動作させる操作指令値を検出する。操作指令値取得部１１により取得された操作指令値は、記憶部１４へ出力され、記憶部１４に記憶される。

ブームシリンダ伸縮速度取得部１２には、ＩＭＵ８ａ～８ｄの各々により検出された加速度などの信号が入力される。ブームシリンダ伸縮速度取得部１２は、たとえば旋回体２に取り付けられたＩＭＵ８ａで検出された加速度とブーム３ａに取り付けられたＩＭＵ８ｂで検出された加速度との差分に基づいてブームシリンダ４ａの伸縮の加速度（ブームシリンダ４ａの伸縮速度の変化量）を検出する。

またブームシリンダ伸縮速度取得部１２には、ストロークセンサ７ａ～７ｃにより検出されたシリンダロッドの変位量または作業機の角度（ブーム角θｂ、アーム角θａ、バケット角θｋ）の信号が入力される。ブームシリンダ伸縮速度取得部１２は、たとえばストロークセンサ７ａにより検出されたシリンダロッドの変位量または作業機の角度（ブーム角θｂ）に基づいてブームシリンダ４ａの伸縮の速度を検出する。

またブームシリンダ伸縮速度取得部１２には、ポテンショメータ９ａ～９ｃにより検出された作業機の角度（ブーム角θｂ、アーム角θａ、バケット角θｋ）の信号が入力される。ブームシリンダ伸縮速度取得部１２は、たとえばポテンショメータ９ａにより検出された作業機の角度（ブーム角θｂ）に基づいてブームシリンダ４ａの伸縮の速度を検出する。

ブームシリンダ伸縮速度取得部１２により検出されたブームシリンダ４ａの伸縮速度（またはその伸縮速度の変化量）は、記憶部１４へ出力され、記憶部１４に記憶される。

荷重計算値演算部１３には、圧力センサ６ａ、６ｂにより検出されたブームシリンダ４ａのヘッド圧およびボトム圧の信号が入力される。また荷重計算値演算部１３には、ストロークセンサ７ａ～７ｃにより検出されたシリンダロッドの変位量または作業機の角度（ブーム角θｂ、アーム角θａ、バケット角θｋ）の信号が入力される。また荷重計算値演算部１３には、ポテンショメータ９ａ～９ｃにより検出された作業機の角度（ブーム角θｂ、アーム角θａ、バケット角θｋ）の信号が入力される。

荷重計算値演算部１３は、入力された上記信号から荷重計算値を演算する。荷重計算値演算部１３により演算された荷重計算値は、記憶部１４へ送信され、記憶部１４に記憶される。

変化量取得部１５は、記憶部１４に記憶された情報から、ブームシリンダ４ａを動作させる操作指令値とブームシリンダ４ａの伸縮の速度との少なくとも一方の情報の単位時間当たりの変化量を取得する。

変化量取得部１５は、たとえば操作指令値取得部１１で取得されかつ記憶部１４に記憶されたＰＰＣ圧の信号から、ブームシリンダ４ａを動作させる操作指令値の単位時間当たりの変化量を取得する。

また変化量取得部１５は、たとえば操作指令値取得部１１で取得されかつ記憶部１４に記憶されたブームシリンダ４ａの伸縮速度の変化量から、ブームシリンダ４ａの伸縮の速度の単位時間当たりの変化量を取得する。

また変化量取得部１５は、たとえば操作指令値取得部１１で取得されかつ記憶部１４に記憶されたブームシリンダ４ａの伸縮速度から、ブームシリンダ４ａの伸縮の速度の単位時間当たりの変化量を取得する。

上記において変化量取得部１５により取得された変化量は重み算出部１６へ出力される。重み算出部１６は、変化量取得部１５から入力された変化量に基づいて加重平均に用いるための重み（加重値）を算出する。重み算出部１６により算出された重みは、記憶部１４へ出力され、記憶部１４にて記憶される。

重み順位付け部１７は、記憶部１４に記憶された複数の重みを、その重みの大きさに基づいて順位付けする。

荷重値決定部１８は、記憶部１４に記憶された荷重計算値と重みとに基づいて、加重平均により荷重値を決定する。荷重値決定部１８は、計算区間が長い（たとえば３秒以上の）場合、重み順位付け部１７によって順位付けられた重みのうち重みが大きいデータのみを用いて（つまり重みの小さいデータを用いずに）、加重平均により荷重値を決定してもよい。本実施の形態においては、重み順位付け部１７により順位付けられた重みが大きいＮ個のデータのみを用いて、加重平均により荷重値が決定されてもよい。

＜作業機械の制御方法＞
次に、本実施の形態における作業機械の制御方法について図３および図４を用いて説明する。

図４は、本開示の一実施の形態における作業機械の制御方法を示すフロー図である。図４に示されるように、本実施の形態においては、まずバケット３ｃ内の現在の荷重計算値（CalcuPayload）が計算される（ステップＳ１）。この荷重計算値（CalcuPayload）は静的釣り合いから計算される。具体的には、作業機３の自重によるモーメントＭＸ_weが算出された後、ブームフートピン５ａ回りの各モーメントの釣り合いからバケット３ｃ内の現在の荷重計算値が計算される。この荷重計算値（CalcuPayload）の計算は、図３に示される荷重計算値演算部１３により行われる。

まず作業機３の自重によるモーメントＭＸ_weは、以下の式（１）により算出される。

式（１）において、Ｍ_boomは、ブーム３ａの重量である。Ｍ_boomCは、ブームシリンダ４ａのシリンダ部分の重量である。Ｍ_boomCRは、ブームシリンダ４ａのシリンダロッド部分の重量である。Ｍ_armは、アーム３ｂの重量である。Ｍ_armCは、アームシリンダ４ｂのシリンダ部分の重量である。Ｍ_armCRは、アームシリンダ４ｂのシリンダロッド部分の重量である。Ｍ_bucketは、バケット３ｃの重量である。

これらの重量Ｍ_boom、Ｍ_boomC、Ｍ_boomCR、Ｍ_arm、Ｍ_armC、Ｍ_armCRおよびＭ_bucketの各々は、図３に示されるように、たとえば入力操作部２１にて記憶部１４への入力操作を行なうことにより、記憶部１４に記憶されている。

式（１）において、Ｘ_{boom_c}は、ブームフートピン５ａからブーム３ａの重心までの距離である。Ｘ_{boomC_c}は、ブームフートピン５ａからブームシリンダ４ａのシリンダ部分の重心までの距離である。Ｘ_{boomCR_c}は、ブームフートピン５ａからブームシリンダ４ａのシリンダロッド部分の重心までの距離である。Ｘ_{arm_c}は、ブームフートピン５ａからアーム３ｂの重心までの距離である。Ｘ_{armC_c}は、ブームフートピン５ａからアームシリンダ４ｂのシリンダ部分の重心までの距離である。Ｘ_{armCR_c}は、ブームフートピン５ａからアームシリンダ４ｂのシリンダロッド部分の重心までの距離である。Ｘ_{bucket_c}は、ブームフートピン５ａからバケット３ｃの重心までの距離である。

これらの距離Ｘ_{boom_c}、Ｘ_{boomC_c}、Ｘ_{boomCR_c}、Ｘ_{arm_c}、Ｘ_{armC_c}、Ｘ_{armCR_c}およびＸ_{bucket_c}の各々は、ストロークセンサ７ａ～７ｃ、ポテンショメータ９ａ～９ｃの検出結果などから算出することができる。

このモーメントＭＸ_weの計算は、図３に示される荷重計算値演算部１３により行われる。

次に、ブームフートピン５ａ周りのモーメントの釣り合いは、以下の式（２）により表される。

式（２）において、Ｆは、ブームシリンダ４ａの負荷（押す力）であり、ブームシリンダ４ａのヘッド圧とボトム圧とから得られる。このためＦは、圧力センサ６ａにより検出された圧力（ヘッド圧）と、圧力センサ６ｂにより検出された圧力（ボトム圧）とから得られる。

式（２）において、ｈは、ブームフートピン５ａとブームシリンダ４ａとの間の最短距離（ブームシリンダ４ａの延在方向に対する直交方向の距離）である。ｈは、ストロークセンサ７ａ、ポテンショメータ９ａの検出値などから算出することができる。

式（２）において、Ｘ_{payload_c}は、ブームフートピン５ａとバケット３ｃ内の荷の重心との間の距離である。Ｘ_{payload_c}は、ストロークセンサ７ａ～７ｃ、ポテンショメータ９ａ～９ｃの検出値などから算出することができる。

式（２）から、荷重計算値（CalcuPayload）は以下の式（３）により表される。

式（３）に示されるように、バケット３ｃ内の荷重計算値（CalcuPayload）は、ブームシリンダ４ａの負荷Ｆに基づいて算出される。上記の荷重計算値（CalcuPayload）の計算は常時実施される。

次に、ブーム３ａの上げ動作か否かの判定がなされる（ステップＳ２：図４）。たとえばブーム３ａの上げ動作と旋回体２の旋回動作とが同時に行なわれているときに、ブーム３ａの上げ動作が実行されていると判定されてもよい。ブーム３ａの上げ動作と旋回体２の旋回動作とが実行されているか否かの判定は、たとえば圧力センサ３６によりＰＰＣ圧を検出することにより可能である。

ブーム３ａの上げ動作が実施されていないと判定された場合には、引き続き荷重計算値（CalcuPayload）の計算が行なわれる。一方、ブーム３ａの上げ動作が実施されていると判定された場合には、単位時間当たりのブーム上げＰＰＣ圧の変化量が計算される（ステップＳ３：図４）。

この変化量の計算に際しては、上記荷重計算値を計算した瞬間より以前の第１時点でのブーム上げＰＰＣ圧と第１時点より以前の第２時点でのブーム上げＰＰＣ圧とから、単位時間当たりのブーム上げＰＰＣ圧の変化量Ｘが計算される。

上記により、ブームシリンダ４ａを動作させる操作指令値（ブーム上げＰＰＣ圧）の単位時間当たりの変化量Ｘが検出される。この変化量Ｘの計算による検出は、図３に示される変化量取得部１５により行なわれる。

このように検出された単位時間当たりの変化量Ｘに基づいて、上記演算で得られた荷重計算値（CalcuPayload）が補正されて荷重値Ｗ_payloadが決定される（ステップＳ４：図４）。この荷重計算値の補正においては、まず上記変化量Ｘに基づいて重み（加重値）Ｗが算出される（ステップＳ４ａ）。

重みＷは、たとえば変化量Ｘの逆数から求められる。これにより、単位時間当たりの変化量Ｘが大きいときの重みＷは小さくなり、単位時間当たりの変化量Ｘが小さいときの重みＷは大きくなる。この重みＷの算出は、図３に示される重み算出部１６により行われる。

上記単位時間当たりの変化量Ｘおよび重みＷの算出は常時実施され、瞬間毎に算出された重みＷは図３に示される記憶部１４に記憶される。

次に、記憶部１４に記憶された重みＷの順位付けが行なわれる（ステップＳ４ｂ）。この重みＷの順位付けは、重みＷの大きさの順に順位づけられる。この重みＷの順位付けは、図３に示される重み順位付け部１７により行われる。

次に、荷重計算値（CalcuPayload）が上記で得られた重みＷを用いて加重平均されることにより荷重値Ｗ_payloadが決定される（ステップＳ４ｃ：図４）。この荷重値Ｗ_payloadの決定に際しては、以下の式（４）が用いられる。

式（４）において、CalcuPayload₁、CalcuPayload₂、CalcuPayload₃、CalcuPayload_tのそれぞれは、時点１、時点２、時点３、時点ｔにおいて上記の如く取得された荷重計算値である。またＷ₁、Ｗ₂、Ｗ₃、Ｗ_tのそれぞれは、時点１、時点２、時点３、時点ｔにおいて上記の如く取得された重みである。

式（４）に示されるように、単位時間当たりの変化量が大きいときの重みを小さく、単位時間当たりの変化量が小さいときの重みを大きくして荷重計算値の加重平均が行なわれる。この荷重値Ｗ_payloadの決定は、図３に示される荷重値決定部１８により行なわれる。

本実施の形態においては、重み順位付け部１７により順位付けられた複数の重みのうち、重みが小さい複数の重みのデータ（重みとその重みに対応した荷重計算値）を用いずに、重みが大きい上位３０個の重みのデータ（重みとその重みに対応した荷重計算値）のみを用いて、式（４）に示す加重平均により荷重値が決定されてもよい。

以上のように単位時間当たりの変化量Ｘに基づいて荷重計算値（CalcuPayload）が補正されることにより荷重値Ｗ_payloadが決定される。

決定された荷重値Ｗ_payloadには、作業機械が個体毎に有する誤差を排除するための補正が行なわれる（ステップＳ５：図４）。この補正は、バケット３ｃ内に荷がない状態（空荷状態）で上記のように荷重値Ｗ_payloadを決定し、バケット３ｃ内に荷がある状態で得られた荷重値Ｗ_payloadから空荷状態での荷重値Ｗ_payloadを減算することにより行なわれる。この補正によって、作業機械の個体差によって生じる動摩擦、抵抗などの相違をキャンセルすることができる。

この後、荷がバケット３ｃ内から排出されたか否かの判定がなされる（ステップＳ６：図４）。荷のバケット３ｃ内からの排出は、たとえばダンプトラックに積み込むために行なわれる。

荷がバケット３ｃ内から排出されていないと判定された場合、荷重計算値の計算が再度行なわれる（ステップＳ１：図４）。一方、荷がバケット３ｃ内から排出されたと判定された場合、補正後の荷重値が確定し、その確定した補正後の荷重値がダンプトラックの積載量に加算される（ステップＳ７：図４）。

補正後の荷重値およびダンプトラックの積載量は、たとえば運転室２ａ内の表示装置などに表示される。これにより運転室２ａ内のオペレータは、バケット３ｃ内の補正された荷重値とダンプトラックの積載量を確認しながら、掘削・積み込み作業を行なうことができる。

以上により、バケット３ｃ内における荷重値が決定され、ダンプトラックの積載量に加算される。

上記においては操作装置２５がパイロット油圧方式である場合について説明したが、操作装置２５は電気方式であってもよい。操作装置２５が電気方式である場合、第１操作レバー２５Ｒおよび第２操作レバー２５Ｌの各々の操作量は、たとえばポテンショメータにより検出される。ポテンショメータとは、機械的な位置に比例した電気（電圧）出力を得る変位センサである。このため操作指令値の単位時間当たりの変化量として、ポテンショメータから得られる電気（電圧）出力の単位時間当たりの変化量が、加重平均を行なうための重みＷの算出用に用いられてもよい。

また上記においては操作指令値の単位時間当たりの変化量Ｘに基づいて重みを算出して加重平均を行なう場合について説明したが、ブームシリンダの伸縮の速度の単位時間当たりの変化量に基づいて重みを算出して加重平均が行なわれてもよい。また操作指令値の単位時間当たりの変化量Ｘとブームシリンダの伸縮の速度の単位時間当たりの変化量との双方に基づいて重みを算出して加重平均が行なわれてもよい。

＜作用効果＞
次に、本実施の形態の作用効果について、図５に示す本発明者の知見とともに説明する。

図５は、ブーム上げＰＰＣ圧、ブーム上げＰＰＣ圧の変化量および荷重計算値（CalcuPayload）の時間変化を示す図である。図５に示されるように、本発明者は、ブーム３ａのＰＰＣ圧（図中実線）が増加するブーム３ａの上げ動作時には、ブーム３ａのＰＰＣ圧の変化量がブーム３ａの操作に応じて脈動し、それに伴って荷重計算値（CalcuPayload）も脈動することを見出した。このことからブーム３ａの上げ操作時にバケット３ｃ内の荷重を精度良く計測することが難しいことが分かった。

またブーム３ａの上げ速度が速いと荷重計算値（CalcuPayload）の精度はさらに悪くなることも本発明者は見出した。このためブーム３ａの上げ操作を丁寧に行なう必要があるが、ブーム３ａの上げ操作を丁寧に行なうと生産性が悪化する。

そこで本実施の形態においては、ブームシリンダ４ａを動作させる操作指令値とブームシリンダ４ａの伸縮の速度との少なくとも一方の情報の単位時間当たりの変化量に基づいて、荷重計算値（CalcuPayload）を補正することにより荷重値Ｗ_payloadが決定される。これによりブーム３ａの動作時において荷重計算値（CalcuPayload）に生じる脈動が低減された荷重値Ｗ_payloadを得ることができる。このためブーム３ａの操作時にバケット３ｃ内の荷重を精度良く計測することが可能となる。よってオペレータは普段通りの操作をするだけでバケット３ｃ内の荷重を精度良く計測でき、かつ生産性も高く維持することができる。

また本実施の形態によれば、上記単位時間当たりの変化量Ｘが大きいときの重みＷを小さく、上記単位時間当たりの変化量Ｘが小さいときの重みＷを大きくして荷重計算値（CalcuPayload）の加重平均を行なうことにより荷重値Ｗ_payloadが決定される。このように変化量Ｘが小さいときの重みＷを大きくすることで、計算結果を安定させることができる。

また瞬間的な計測値を用いるのではなく、平均して荷重値Ｗ_payloadが決定されるため、急操作などでブームシリンダ４ａのヘッド圧およびボトム圧がノイズ的に乱れても、計測結果に大きな影響は生じない。

また本実施の形態によれば、複数の重みが算出され、複数の重みのうち小さい重みの荷重計算値を用いずに、複数の重みのうち大きい重みの荷重計算値を用いて加重平均が行なわれることにより荷重値Ｗ_payloadが決定される。これにより計算区間がたとえば３秒と短い場合でも安定した荷重値Ｗ_payloadを計算することができる。

また本実施の形態によれば、操作指令値およびブームシリンダ４ａの伸縮の速度の各々は、ブーム３ａを上げる操作時における操作指令値およびブームシリンダ４ａの伸縮の速度である。これによりブーム３ａの上げ動作時において荷重計算値（CalcuPayload）に生じる脈動が低減された荷重値Ｗ_payloadを得ることができる。

今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 走行体、１ａ 履帯装置、２ 旋回体、２ａ 運転室、２ｂ 運転席、２ｃ エンジンルーム、２ｄ カウンタウェイト、３ 作業機、３ａ ブーム、３ｂ アーム、３ｃ バケット、３ｄ バケットリンク、３ｄａ 第１リンク部材、３ｄｂ 第２リンク部材、３ｄｃ バケットシリンダトップピン、３ｄｄ 第１リンクピン、３ｄｅ 第２リンクピン、４ａ ブームシリンダ、４ａａ シリンダ、４ａｂ シリンダロッド、４ｂ アームシリンダ、４ｃ バケットシリンダ、５ａ ブームフートピン、５ｂ ブーム先端ピン、５ｃ ピン、６ａ，６ｂ，３６ 圧力センサ、７ａ，７ｂ，７ｃ ストロークセンサ、８ａ，８ｂ，８ｃ ＩＭＵ、９ａ，９ｂ，９ｃ ポテンショメータ、１０ コントローラ、１１ 操作指令値取得部、１２ ブームシリンダ伸縮速度取得部、１３ 荷重計算値演算部、１４ 記憶部、１５ 変化量取得部、１６ 重み算出部、１７ 重み順位付け部、１８ 荷重値決定部、２１ 入力操作部、２５ 操作装置、２５Ｌ 第２操作レバー、２５Ｒ 第１操作レバー、３１ エンジン、３３ 油圧ポンプ、３４ 方向制御弁、４０ 油圧アクチュエータ、１００ 油圧ショベル、４５０ パイロット油路。

Claims (5)

1. ブームと、
   前記ブームの先端に取り付けられたアームと、
   前記アームの先端に取り付けられたバケットと、
   前記ブームを駆動するブームシリンダと、
   前記ブームシリンダの負荷に基づいて前記バケット内の荷重計算値を演算し、前記ブームシリンダを動作させる操作指令値と前記ブームシリンダの伸縮の速度との少なくとも一方の情報の単位時間当たりの変化量を検出し、演算により得られた前記荷重計算値を前記単位時間当たりの変化量に基づいて補正して荷重値を決定するコントローラと、を備え、
   前記コントローラは、前記単位時間当たりの変化量が大きいときの重みを小さく、前記単位時間当たりの変化量が小さいときの重みを大きくして前記荷重計算値の加重平均を行なうことにより前記荷重値を決定する、作業機械。
2. 前記コントローラは、複数の前記重みを算出し、複数の前記重みのうち第１重みの前記荷重計算値を用いずに、複数の前記重みのうち前記第１重みよりも大きい第２重みの前記荷重計算値を用いて前記加重平均を行なうことにより前記荷重値を決定する、請求項１に記載の作業機械。
3. 前記操作指令値および前記ブームシリンダの伸縮の速度の各々は、前記ブームを上げる操作時における操作指令値および前記ブームシリンダの伸縮の速度である、請求項１または請求項２に記載の作業機械。
4. ブームと、前記ブームの先端に取り付けられたアームと、前記アームの先端に取り付けられたバケットと、前記ブームを駆動するブームシリンダと、を有する作業機械と、
   前記ブームシリンダを動作させる操作指令値と前記ブームシリンダの伸縮の速度との少なくとも一方の情報の単位時間当たりの変化量を取得し、前記ブームシリンダの負荷に基づいて前記バケット内の荷重計算値を演算し、演算により得られた前記荷重計算値を前記単位時間当たりの変化量に基づいて補正して荷重値を決定するコントローラと、を備え、
   前記コントローラは、前記単位時間当たりの変化量が大きいときの重みを小さく、前記単位時間当たりの変化量が小さいときの重みを大きくして前記荷重計算値の加重平均を行なうことにより前記荷重値を決定する、システム。
5. ブームと、前記ブームの先端に取り付けられたアームと、前記アームの先端に取り付けられたバケットと、前記ブームを駆動するブームシリンダと、を有する作業機械の制御方法であって、
   前記ブームシリンダの負荷に基づいて前記バケット内の荷重計算値を演算し、
   前記ブームシリンダを動作させる操作指令値と前記ブームシリンダの伸縮の速度との少なくとも一方の情報の単位時間当たりの変化量を取得し、演算により得られた前記荷重計算値を前記単位時間当たりの変化量に基づいて補正して荷重値を決定し、
   前記荷重値を決定するのは、前記単位時間当たりの変化量が大きいときの重みを小さく、前記単位時間当たりの変化量が小さいときの重みを大きくして前記荷重計算値の加重平均を行なうことにより前記荷重値を決定する、作業機械の制御方法。

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