JP7269301B2 - 作業機械 - Google Patents
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Description
-油圧ショベル-
図1は本発明の第1実施形態に係る油圧ショベル1の側面図である。なお、本実施形態では作業装置1Aの先端にアタッチメント(作業具)としてバケット10を装着した油圧ショベルを例示して説明するが、バケット以外のアタッチメントを装着した油圧ショベルにも本発明は適用され得る。
図2は油圧ショベル1が備える油圧システムを示す図である。図2に示すように、油圧システムは、メインポンプ2と、パイロットポンプ48と、制御弁ユニット61と、電磁弁ユニット62と、ブーム8を駆動するブームシリンダ5と、アーム9を駆動するアームシリンダ6と、バケット10を駆動するバケットシリンダ7と、旋回体12を駆動する旋回モータ4と、走行体11を駆動する走行モータ3a,3bと、を備えている。
図3は作業装置1Aの基準点の演算方法の説明図である。図3に示すように、作業装置1Aの姿勢は、ショベル基準のローカル座標系で定義できる。図3に示すローカル座標系は、旋回体12を基準に設定された座標系である。本実施形態では、このローカル座標系は、ブーム8の支点(ブームピンの中心点)が原点Oとされ、旋回体12の旋回中心軸と平行に(旋回体12の真上方向に)Z軸が設定され、Z軸と直交する方向(旋回体12の前方)にX軸が設定される。
Xbk=L1cos(α)+L2cos(α+β)+L3cos(α+β+γ)…(1)
Zbk=L1sin(α)+L2sin(α+β)+L3sin(α+β+γ)…(2)
L1は原点O(ブームピンの中心点)からブーム8とアーム9との連結部(アームピンの中心点)までの長さであり、L2はアーム9とブーム8の連結部(アームピンの中心点)からアーム9とバケット10の連結部(バケットピンの中心点)までの長さであり、L3はアーム9とバケット10の連結部(バケットピンの中心点)から基準点Pbk(バケット10の爪先)までの長さである。
コントローラ140には、操作装置A1~A3の少なくとも1つが操作された場合に、一定条件下でオペレータの操作に介入して作業装置1Aの動作を制限するMC(Machine Control)の機能が備わっている。MCには、「領域制限制御」及び「停止制御」が含まれる。領域制限制御は、操作装置A2によるアーム操作、または、操作装置A1によるブーム操作が行われる際にコントローラ140により実行される。停止制御は、操作装置A1によるブーム下げ操作、または、操作装置A3によるバケット操作が行われる際にコントローラ140により実行される。
図4は油圧ショベル1のコントローラ140のハードウェア構成図である。図4に示すように、コントローラ140には、姿勢検出装置50、目標面データ入力装置51、位置検出装置52、操作装置A1~A6、モード切替スイッチ96、表示装置53及び電磁弁54a~59bが接続されている。
図6等を参照し、コントローラ140の主な機能について説明する。図6はコントローラ140の機能ブロック図である。コントローラ140は、記憶装置である不揮発性メモリ93に記憶されているプログラムを実行することにより、操作量演算部141、姿勢演算部142、目標面設定部143、目標速度演算部144、目標パイロット圧演算部145、指令パイロット圧補正部146、バルブ指令演算部147、及び表示制御部148として機能する。目標パイロット圧演算部145、指令パイロット圧補正部146及びバルブ指令演算部147は、電磁弁54a~59bを制御することにより、油圧アクチュエータ(3a,3b,4~7)を制御するアクチュエータ制御部149として機能する。
操作量演算部141は、操作装置A1から出力されるブーム上げ、ブーム下げの操作信号に基づいて、流量制御弁D1の受圧室E1,E2に作用させる操作パイロット圧PiBMU0,PiBMD0を算出する。操作量演算部141は、操作装置A2から出力されるアームクラウド(アーム引き)、アームダンプ(アーム押し)の操作信号に基づいて、流量制御弁D2の受圧室E3,E4に作用させる操作パイロット圧PiAMC0,PiAMD0を算出する。操作量演算部141は、操作装置A3から出力されるバケットクラウド(バケット掘削)、バケットダンプ(バケット放土)の操作信号に基づいて、流量制御弁D3の受圧室E5,E6に作用させる操作パイロット圧PiBKC0,PiBKD0を算出する。
姿勢演算部142は、姿勢検出装置50で検出される姿勢情報に基づき、ブーム角度α、アーム角度β、バケット角度γ、及び傾斜角度(ピッチ角)θを演算する。姿勢演算部142は、ブーム角度α、アーム角度β及びバケット角度γ、並びに不揮発性メモリ93に記憶されている作業装置1Aの各部の寸法(L1,L2,L3)に基づき、ローカル座標系(ショベル基準座標系)における作業装置1Aの姿勢と、バケット10の基準点Pbk(Xbk,Zbk)を演算する。既述のとおり、バケット10の基準点Pbk(Xbk,Zbk)は、式(1)及び式(2)により演算できる。地理座標系における作業装置1Aの姿勢とバケット10の基準点Pbkの位置が必要な場合には、姿勢演算部142は、位置検出装置52で検出される地理座標系における旋回体12の位置情報及び方位情報並びに姿勢検出装置50で検出される車体1Bの傾斜角度に基づいて、旋回体12の地理座標系における位置と姿勢を算出して、ローカル座標系座標を地理座標系座標に変換する。
目標面設定部143は、目標面データ入力装置51から3次元の目標形状データを取得する。目標面設定部143は、目標形状データに基づいて、目標面Stの位置情報を演算し、演算結果を記憶装置である揮発性メモリ94に記憶する。目標面設定部143は、作業装置1Aの動作平面で切断した目標形状データの断面形状を目標面St(図3に示す2次元の目標面)として、その位置情報を演算する。
図6に示す表示制御部148は、目標面設定部143で設定された目標面Stと、姿勢演算部142で演算されたバケット10の基準点(バケット爪先)との位置関係を表す画像(図5参照)を表示装置53の表示画面に表示させるための表示制御信号を生成する。表示制御部148は、生成した表示制御信号を表示装置53に出力する。
目標速度演算部144は、姿勢演算部142での演算結果及び操作量演算部141での演算結果に基づいて、各油圧シリンダ(5,6,7)の伸縮速度の目標値(以下、目標速度とも記す)を演算する。目標速度演算部144は、モード切替スイッチ96(図4参照)により領域制限制御(整地制御)モードが設定されている場合、作業装置1Aによって目標面Stを越えて地面を掘削しないように、各油圧シリンダ(5,6,7)の目標速度を演算する。
図6に示す目標パイロット圧演算部145は、不揮発性メモリ93に記憶されている各油圧シリンダ(5~7)の流量制御弁D1~D3に作用させるパイロット圧と各油圧シリンダ(5~7)の伸縮速度の関係に基づいて、目標速度演算部144で演算された各目標速度を目標パイロット圧に変換する。目標パイロット圧演算部145は、ブーム上げ動作、ブーム下げ動作に対応するブームシリンダ5の目標速度に基づいて目標パイロット圧PiBMU1,PiBMD1を演算する。目標パイロット圧演算部145は、アームクラウド動作、アームダンプ動作に対応するアームシリンダ6の目標速度に基づいて目標パイロット圧PiAMC1,PiAMD1を演算する。目標パイロット圧演算部145は、バケットクラウド動作、バケットダンプ動作に対応するバケットシリンダ7の目標速度に基づいて目標パイロット圧PiBKC1,PiBKD1を演算する。このように、目標パイロット圧演算部145は、目標速度演算部144で演算された目標速度に基づいて、電磁弁54a~56bで生成するパイロット圧の第2の指令値である目標パイロット圧PiBMU1,PiBMD1,PiAMC1,PiAMD1,PiBKC1,PiBKD1を演算する。
指令パイロット圧補正部146は、姿勢演算部142の演算結果に基づいて、操作量演算部141で演算された各操作パイロット圧PiBMU0,PiBMD0,PiAMC0,PiAMD0,PiBKC0,PiBKD0、及び、目標パイロット圧演算部145で演算された目標パイロット圧PiBMU1,PiBMD1,PiAMC1,PiAMD1,PiBKC1,PiBKD1に対して補正を行うことにより、指令パイロット圧PiBMU2,PiBMD2,PiAMC2,PiAMD2,PiBKC2,PiBKD2を演算する。以下、指令パイロット圧の演算方法について詳しく説明する。
Pi2 = Pi0’ × (1-a) + Pi1’ × a …(3)
式(3)により演算された指令パイロット圧Pi2、すなわちPiBMU2,PiBMD2,PiAMC2,PiAMD2,PiBKC2,PiBKD2は、バルブ指令演算部147での演算に用いられる。式(3)で表されるように、制御介入比率aは、補正目標パイロット圧Pi1’及び補正操作パイロット圧Pi0’のそれぞれが、指令パイロット圧Pi2に与える影響度合いを決定するためのパラメータである。制御介入比率aが大きいほど、補正目標パイロット圧Pi1’が指令パイロット圧Pi2に与える影響度合いが大きくなり、補正操作パイロット圧Pi0'が指令パイロット圧Pi2に与える影響度合いが小さくなる。指令パイロット圧補正部146による補正操作パイロット圧Pi0’と、補正目標パイロット圧Pi1’の演算方法の詳細については後述する。
バルブ指令演算部147は、指令パイロット圧補正部146で演算された指令パイロット圧PiBMU2,PiBMD2,PiAMC2,PiAMD2,PiBKC2,PiBKD2,PiSR2,PiSL2,PiRF2,PiRR2,PiLF2,PiLR2に基づき制御電流値を演算する。バルブ指令演算部147は、演算結果に応じた制御電流が電磁弁54a~59bのソレノイドに流れるように、制御信号(駆動電圧)を電磁弁54a~59bに出力する。これにより、電磁弁54a~59bによって指令パイロット圧に相当するパイロット圧が生成される。電磁弁54a~59bにより生成されたパイロット圧が流量制御弁D1~D6の受圧室E1~E12に作用すると、流量制御弁D1~D6が作動する。
指令パイロット圧補正部146による補正操作パイロット圧Pi0’と、補正目標パイロット圧Pi1’の演算方法の詳細について説明する。指令パイロット圧補正部146は、操作パイロット圧Pi0と、目標パイロット圧Pi1がアクチュエータ非駆動相当圧ps(例えば、0.3MPa)を超えたか否かを判定する。アクチュエータ非駆動相当圧psは、油圧アクチュエータ(3a,3b,4~7)が動作し始めるパイロット圧(アクチュエータ駆動相当圧)よりもわずかに小さい圧力であり、予め不揮発性メモリ93に記憶されている。アクチュエータ非駆動相当圧psは、油圧アクチュエータ(3a,3b,4~7)ごとに定められている。
Pi0’ = (Pmax0 - Pi0)exp(-Ka・τa)+Pi0 …(4)
補正圧力Pmax0は、t=ta0における出力圧力であり、電磁弁54a~56bの使用範囲における最大出力圧力である。Kaは正の所定値である。関数exp(x)はネイピア数を指数の底とし、xを指数とした指数関数を表す。
Pi1’ = (Pmax1 - Pi1)exp(-Kb・τb)+Pi1 …(5)
補正圧力Pmax1は、t=tb0における出力圧力である。Kbは正の所定値である。関数exp(x)はネイピア数を指数の底とし、xを指数とした指数関数を表す。
VGBmU = VBmUcos(α+θ) …(6)
VGBmD = VBmDcos(α+θ) …(7)
VGAmC = VAmCcos(α+β+θ) …(8)
VGAmD = VAmDcos(α+β+θ) …(9)
VGBkC = VBkCcos(α+β+γ+θ) …(10)
VGBkD = VBkDcos(α+β+γ+θ) …(11)
αは姿勢演算部142で演算されるブーム角度であり、βは姿勢演算部142で演算されるアーム角度であり、γは姿勢演算部142で演算されるバケット角度であり、θは姿勢演算部142で演算される旋回体12(車体1B)の前後方向の傾斜角度(ピッチ角)である。
上述した実施形態によれば、次の作用効果を奏する。
図12~図15を参照して、本発明の第2実施形態に係る油圧ショベル1ついて説明する。なお、第1実施形態で説明した構成と同一もしくは相当する構成には同一の参照番号を付し、相違点を主に説明する。
cBmU = min(a, bBmU) …(12)
cBmD = min(a, bBmD) …(13)
cAmC = min(a, bAmC) …(14)
cAmD = min(a, bAmD) …(15)
cBkC = min(a, bBkC) …(16)
cBkD = min(a, bBkD) …(17)
以下では、領域制限比率cBmU,cBmD,cAmC,cAmD,cBkC,cBkDを総称して領域制限比率cとも記す。
Pi2 = Pi0’ × (1-a) + Pi1’ × a …(18)
なお、式(18)は、上述の式(3)と同じ式である。補正操作パイロット圧Pi0'は、補正圧力Pmax0と操作パイロット圧Pi0に基づいて式(4)により演算され、補正目標パイロット圧Pi1'は、補正圧力Pmax1と目標パイロット圧Pi1に基づいて式(5)により演算される。
Pi2 = Pi0’ …(19)
つまり、指令パイロット圧Pi2は、補正操作パイロット圧Pi0’となる。
以上のとおり、本第2実施形態に係るコントローラ140は、駆動対象部材(8~10)に対する操作が、目標面Stに近づく方向(目標面Stを侵食する方向)の操作でないと判定した場合(図13のステップS160でNo)には、操作パイロット圧Pi0に基づいて指令パイロット圧Pi2を演算し(図13のステップS180)、指令パイロット圧Pi2に応じた制御信号を電磁弁54a~56bに出力するマニュアル制御を実行する。コントローラ140は、駆動対象部材(8~10)に対する操作が、目標面Stに近づく方向(目標面Stを侵食する方向)の操作であると判定した場合(図13のステップS160でYes)には、操作パイロット圧Pi0、目標パイロット圧Pi1、及び、制御介入比率aに基づいて、指令パイロット圧Pi2を演算し(図13のステップS170)、指令パイロット圧Pi2に応じた制御信号を電磁弁54a~56bに出力する介入制御を実行する。
図16及び図17を参照して、本発明の第3実施形態に係る油圧ショベル1について説明する。なお、第1実施形態で説明した構成と同一もしくは相当する構成には同一の参照番号を付し、相違点を主に説明する。図16は、第3実施形態に係るコントローラ340の機能ブロック図である。
以上のとおり、本第3実施形態に係るコントローラ340は、外部装置である重量入力装置60から入力される重量情報に基づいて駆動対象部材(8~10)の重量を設定する。コントローラ340は、駆動対象部材(8~10)の重量に基づいて、動作方向ベクトルVDの重力方向成分VGを補正する。
上記実施形態では、コントローラ140,340が、動作方向ベクトルVDの重力方向成分VGに基づいて、目標パイロット圧Pi1を補正する例について説明したが、本発明はこれに限定されない。コントローラ140,340は、動作方向ベクトルVDの重力方向成分VGに基づいて、操作パイロット圧Pi0を補正してもよい。この構成では、マニュアル操作開始時における作業装置1Aに作用する重力の影響に起因した遅れ時間のばらつきを均一化することができる。その結果、操作フィーリングを向上することができる。つまり、本発明は、MC機能を有していない油圧ショベルにも適用可能であり、操作開始時に操作パイロット圧Pi0を補正することにより、操作開始時の操作フィーリングを向上させ、作業精度を向上させることができる。
上記実施形態では電気式の操作装置A1~A6を備える油圧ショベル1を例に説明したが、本発明はこれに限定されない。油圧パイロット式の操作装置を備え、介入制御が実行可能な油圧ショベル1に本発明を適用してもよい。この油圧ショベル1は、操作装置の減圧弁から操作パイロット圧が出力されるパイロットラインとは別に、コントローラからの制御信号により駆動される電磁弁(電磁比例減圧弁)から目標パイロット圧が出力されるパイロットラインを備えている。この油圧ショベル1では、介入制御が実行される際に目標パイロット圧を上記実施形態と同様に補正することにより、各駆動対象部材の姿勢及び動作方向に関わらず、油圧アクチュエータが駆動し始めるまでの遅れ時間を均一にすることができる。
コントローラ140,340は、自動制御開始時に、動作方向ベクトルVDの重力方向成分VGに基づいて、目標パイロット圧Pi1を補正してもよい。これにより、作業装置1Aに作用する重力の影響に起因した遅れ時間のばらつきを均一化することができる。その結果、油圧ショベル1の自動制御による作業精度の向上を図ることができる。
上記実施形態では、バケット爪先を基準点(制御点)として、制御介入比率aの演算に用いる目標面距離H、及びバケット10の動作方向ベクトルVBkC,VBkDの演算が行われる例について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、バケット後端側の任意の点を基準点(制御点)として、目標面距離H及びバケット10の動作方向ベクトルVBkC,VBkDの演算を行ってもよい。
旋回体12の左右方向の傾斜角度(ロール角)を加味して旋回体12の動作方向ベクトルの重力方向成分を演算し、その演算結果に基づいて、旋回体12を動作せるための電磁弁57a,57bで生成するパイロット圧の指令値を補正してもよい。
上記実施形態では、バケット10がアーム9に対して一方向にのみ回動可能に連結される構成について説明したが、本発明はこれに限定されない。バケット10は、アーム9に対して複数方向に回動可能に連結されていてもよい。例えば、バケット10は、バケットピンの中心軸方向を第1方向としたときに、第1方向に直交する第2方向に回動可能であり、かつ、第1方向及び第2方向に直交する第3方向に回動可能である構成としてもよい。この場合、コントローラは、領域制限制御を実行する際に、バケット10の第2方向への操作(チルト操作)及び第3方向への操作(ロータリー操作)に応じた操作パイロット圧を上記実施形態と同様に補正してもよい。
目標面データ入力装置51は、オペレータが、目標面を表す複数の座標値を入力可能なスイッチ、キーボード等の入力装置であってもよい。目標面データ入力装置51は、オペレータの操作に基づいてコントローラ140からバケット10の爪先の位置を取得し、その位置からの深さを表す数値の入力操作が行われることによって、目標面を表す座標値をコントローラ140に入力可能な装置であってもよい。
上記実施形態では、作業機械が油圧ショベル1である例について説明したが、本発明はこれに限定されない。本発明は、油圧アクチュエータ、油圧ポンプから油圧アクチュエータへ供給される作動油の流れを制御する制御弁、及び、制御弁にパイロット圧を出力する電磁弁を備えた種々の作業機械に適用することができる。
コントローラ140,340に係る各構成、当該各構成の機能及び実行処理等は、それらの一部また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。
上記実施形態では、説明に必要であると解される制御線、情報線を示したが、必ずしも製品に係る全ての制御線、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よい。
Claims (8)
- 複数の油圧アクチュエータ、及び、前記複数の油圧アクチュエータにより駆動される複数の駆動対象部材を有する作業装置と、
前記作業装置の姿勢情報を検出する姿勢検出装置と、
前記複数の油圧アクチュエータに作動油を供給する油圧ポンプと、
前記油圧ポンプから前記複数の油圧アクチュエータに供給される作動油の流れを制御する制御弁ユニットと、
前記制御弁ユニットを駆動するためのパイロット圧を生成する複数の電磁弁を有する電磁弁ユニットと、
前記電磁弁で生成するパイロット圧の指令値を演算し、前記指令値に応じた制御信号を前記電磁弁に出力するコントローラと、を備えた作業機械において、
前記コントローラは、
前記姿勢検出装置で検出される姿勢情報に基づいて、前記駆動対象部材の動作方向ベクトルの重力方向成分を演算し、
前記指令値が所定圧力を超えると、前記動作方向ベクトルの重力方向成分に基づいて前記パイロット圧の指令値を補正し、
補正後の前記指令値に応じた制御信号を前記電磁弁に出力する
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、
前記コントローラは、重力の向きとは反対方向の前記動作方向ベクトルの重力方向成分を正の値とし、重力の向きの前記動作方向ベクトルの重力方向成分を負の値としたとき、前記動作方向ベクトルの重力方向成分が大きいほど、前記パイロット圧の指令値を高い値に補正する
ことを特徴とする作業機械。 - 請求項2に記載の作業機械において、
前記コントローラは、補正前の前記指令値が前記所定圧力を超えると、前記補正前の前記指令値よりも高い所定の補正圧力を前記補正後の指令値として設定し、経過時間の増加とともに前記補正後の指令値が前記補正前の指令値に漸近するように、前記補正後の指令値を演算する
ことを特徴とする作業機械。 - 請求項3に記載の作業機械において、
前記コントローラは、前記動作方向ベクトルの重力方向成分が大きいほど、前記補正圧力を高くする、
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、
前記コントローラは、
外部装置から入力される重量情報に基づいて前記駆動対象部材の重量を設定し、
前記駆動対象部材の重量に基づいて、前記動作方向ベクトルの重力方向成分を補正する
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、
前記作業機械の車体の位置情報を検出する位置検出装置と、
前記作業装置を操作するための操作装置と、を備え、
前記コントローラは、
目標形状データを取得し、
取得した前記目標形状データ、前記車体の位置情報及び前記作業装置の姿勢情報に基づいて目標面を設定し、
前記操作装置の操作量に基づいて、前記目標面に沿うように操作パイロット圧を演算し、
前記作業装置において予め定められた基準点が、前記目標面に沿って前記目標面を越えないように目標パイロット圧を演算し、
前記作業装置の前記基準点から前記目標面までの距離が小さくなるほど大きくなる制御介入比率を演算し、
前記操作パイロット圧、前記目標パイロット圧、及び、前記制御介入比率に基づいて、指令パイロット圧を演算し、
前記指令パイロット圧に応じた制御信号を前記電磁弁に出力し、
前記目標パイロット圧が前記所定圧力を超えると、前記動作方向ベクトルの重力方向成分に基づいて、前記目標パイロット圧を補正し、
前記制御介入比率が大きいほど、前記目標パイロット圧が前記指令パイロット圧に与える影響度合いが大きくなる
ことを特徴とする作業機械。 - 請求項6に記載の作業機械において、
前記コントローラは、
前記目標面に対する前記駆動対象部材の動作方向ベクトルの角度を演算し、
前記操作装置により前記駆動対象部材が操作された場合、操作された前記駆動対象部材の動作方向ベクトルの前記角度、及び、前記制御介入比率に基づいて、前記駆動対象部材に対する操作が前記目標面に近づく方向の操作であるか否かを判定し、
前記駆動対象部材に対する操作が前記目標面に近づく方向の操作でないと判定した場合には、前記操作パイロット圧に基づいて第1指令パイロット圧を演算し、前記第1指令パイロット圧に応じた制御信号を前記電磁弁に出力し、
前記駆動対象部材に対する操作が前記目標面に近づく方向の操作であると判定した場合には、前記操作パイロット圧、前記目標パイロット圧、及び、前記制御介入比率に基づいて、第2指令パイロット圧を演算し、前記第2指令パイロット圧に応じた制御信号を前記電磁弁に出力する
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、
走行体と、
前記走行体に旋回可能に取り付けられた旋回体と、
前記旋回体を駆動する油圧モータと、
前記旋回体に取り付けられた前記作業装置と、を備え、
前記制御弁ユニットは、前記油圧ポンプから前記油圧モータに供給される作動油の流れを制御するモータ制御弁を有し、
前記電磁弁ユニットは、前記モータ制御弁を駆動するためのパイロット圧を生成するモータ用電磁弁を有し、
前記姿勢検出装置は、前記旋回体の姿勢情報を検出し、
前記コントローラは、
前記姿勢検出装置で検出される前記作業装置の姿勢情報及び前記旋回体の姿勢情報に基づいて、前記旋回体の動作方向ベクトルの重力方向成分を演算し、
前記モータ用電磁弁で生成するパイロット圧の指令値が所定圧力を超えると、前記旋回体の動作方向ベクトルの重力方向成分に基づいて、前記モータ用電磁弁のパイロット圧の指令値を補正し、
前記モータ用電磁弁の補正後の前記指令値に応じた制御信号を前記モータ用電磁弁に出力する
ことを特徴とする作業機械。
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