JPH02101228A - 作業機の制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、パワーショベル等の作業機の制御装置に関す
るものである。

〔従来の技術〕

一般に油圧式パワーショベルは第１６図に示すように、
ブーム１、アーム２、バケット３及びこれらを駆動する
ブームシリンダ４、アームシリンダ５、バケットシリン
ダ６を具備しており、各シリンダ４〜６はそれぞれ運転
室内に配備された操作レバー（図示せず）により手動操
作されるようになっている。このためオペレータに高度
な操作技術が要求される。特に、法面掘削の場合のよう
な、バケット先端による直線掘削作業は極めて困難であ
った。

上記操作技術の困難を改善するための従来技術としては
特開昭６２−１８９２２３号公報に示されるように、ア
ーム先端の位置を制御し、このアーム先端が目標となる
軌跡に従って正確に移動するようにしたものがあった。

また特公昭６１−４５０２５号公報に示されるように、
アーム先端の位置が目標軌跡を移動するようにブーム、
アームを制御し、また掘削角度が目標値となるようバケ
ット３を制御するようにしたものがある。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術のうち、前者にあっては、バケット３の掘
削角度を同時に制御することができなかった。これに対
して上記後者の従来技術にあっては、アーム２の先端と
同時にバケット３の掘削角度を同時に制御することがで
きるが、アーム２の先端の位置の誤差及びバケット３の
角度誤差が加算され、バケット３の刃先の位置の誤差が
大きくなってしまうという問題があった。

すなわち、アーム先端位置と、バケット姿勢角に分けて
軌跡を制御した場合、アーム先端が目標位置からずれた
ときにも、バケット３は目標姿勢角をとろうとするため
、バケット先端の位置が目標位置からずれ、またアーム
先端が目標位置にあっても、バケット先端に加わる負荷
の変動等により、バケット姿勢が目標角からずれてバケ
ット先端位置がずれるという問題があった。

本発明は上記のことにかんがみなされたもので、バケッ
トの刃先の位置と掘削角度共に精度よく目標軌跡に追随
させることができ、また掘削位置、速度、バケット姿勢
角を予め設定しておくことにより、オペレータが操作レ
バーに手を触れずに高精度自動掘削を行なうことができ
る作業機の制御装置を提供することを目的とするもので
ある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明に係る作業機の制御
装置は、車体の一点に回動可能に取付けられたブームと
、ブームの先端に回動可能に取付けられたアームと、ア
ームの先端に回動可能に取付けられたバケットを有する
作業機において、予め掘削速度を設定する掘削速度設定
手段と、予め掘削位置を設定する掘削位置設定手段と、
予めバケットの姿勢角を設定するバケット姿勢角設定手
段と、ブーム角、アーム角、バケット角をそれぞれ検出
する角度検出手段と、上記角度検出手段からの検出信号
に基づいてバケット先端の位置及びバケット姿勢角を算
出する現在位置姿勢演算手段と、上記各手段の設定値及
び演算値とバケット先端位置及び姿勢角の現在値との偏
差を求める偏差演算手段と、上記各偏差を、ブーム、ア
ーム、バケットの回転角速度へ変換するための行列を演
算する角速度変換行列演算手段と、上記各演算手段がら
の信号に基づいて、ブーム、アーム、バケットの各アク
チュエータへの流体の流量を制御する流量制御手段とを
備えた構成となっている。

〔作　用〕

掘削速度設定手段と掘削位置設定手段とバケット姿勢角
設定手段にて目標の掘削位置とバケット姿勢角を予め設
定し、一方作業機のブーム、アーム、バケットの各角度
を各角度検出器にて検出し、この各角度検出器からの検
出信号から現在位置姿勢演算手段にて現在のバケット先
端位置及びバケット姿勢角を演算し、この現在位置姿勢
演算手段からの演算信号と、上記目標の掘削位置とバケ
ット姿勢角との偏差を偏差演算手段にて演算し、この各
偏差を角速度変換行列演算手段にてブーム、アーム、バ
ケットの回転各角度へ変換する行列を演算し、各演算手
段からの信号に基づいて流量制御手段にてブーム、アー
ム、バケットの各アクチュエータの流量を制御する。

〔実　施　例〕

本発明の実施例を第１図から第１５図に基づいて説明す
る。

第１図は本発明の一実施例を示すブロック図であり、こ
の第１図における油圧式パワーショベルの構成は従来例
を説明するために用いた第１６図のものと同一である。

なお、以下の説明のために、上記構成の作業機の各部材
の角度、位置をＴ１２図に示すように定義する。

すなわち、ブーム１の回転角をα、アーム２の回転角を
β、バケット３の回転角をγ、バケット３の水平面に対
する姿勢角をδ、ブーム１の長さをｇ４、アーム２の長
さをＩＩ２、バケット３の長さを１３　、バケット３の
先端の上下方向の位置をｘ１前後方向の位置をｙとする
。

第１図において、１０ａはブーム角検出器、１０ｂはア
ーム角検出器、１０ｃはバケット角検出器であり、これ
らはそれぞれポテンショメータあるいはエンコーダ等が
用いられ、これらはブーム１、アーム２、バケット３の
それぞれの回転軸部に装着されており、各シリンダ４〜
６を作動してブーム１、アーム２、バケット３を作動し
たときの各部分の回転角α、β、γが各検出器１０ａ、
１０ｂ、１０ｃによって検出され、これらが現在位置姿
勢演算手段１１と角度鹿換行列演算手段１２、さらに流
量制御演算手段２６へ出力されるようになっている。

なお上記各回転軸部の回転角は、この各回転軸部の回転
角と各シリンダ４，５．６の伸縮長と１：１で対応して
いるので、各シリンダの長さを検出して求めてもよい。

現在位置姿勢演算手段１１は上記各検出器出力ａ１β、
γ及びこれに予め入力しであるブーム長１１１、アーム
長ρ２、バケット長ｇ３により、 δ−ａ＋β＋γ−π／２ を演算し、これの値を偏差演算手段１３へ出力する。

一方１４は掘削位置設定手段、１５は掘削速度設定手段
、１６はバケット姿勢角設定手段である。

上記掘削位置設定手段１４には掘削速度設定手段１５に
て操作盤等にて予め設定された掘削速度Ｖの値が入力さ
れるようになっており、掘削位置設定手段１４ではバケ
ット３の刃先の始端位置（ＸＯ，Ｙｏ）と終端位置（Ｘ
ｅ＋Ｙ、）をテンキー等で入力して設定する。

そして掘削位置設定手段１４がらは、上記入力データと
掘削速度Ｖにより、バケット３の刃先の時間当りのｘＳ
ｙ方向の位置指令（軌跡）ｘｒ　（ｔ）　、ｙｒ　（ｔ
）が出力される。

なおこのとき、車体が傾斜していると、実際のバケット
３の軌跡は変ってしまうので、傾斜計等により車体の傾
斜を測定してこれに基づいて上記位置出力ｘｒ　（ｔ）
、ｙｒ　（ｔ）を補正する。

上記掘削位置設定手段１（にょる設定方法としては、上
記の実施例のほかに、以下の方法によってもよい。

スナワチ、バケット３の刃先を予めオペレータが手動操
作によって掘削開始点と終点に位置決めし、このときの
各軸の回転角α、β、γを検出して上記（１）式にて始
点と終点の位置を演算して求め、この２点を結ぶ直線を
位置指令ｘｒ　　（ｔ）、Ｙｒ　　（ｔ）とする。

すなわち、第３図において、バケット３の刃先を終点位
置に位置決めして終点教示スイッチ１７ｂを押すことに
より終点用のサンプルホールド１８ｂにて終点位置の教
示角度αｅ１βｅ１γｅがホールドされ、この値から（
１）式演算手段１９ｂにより終点位置（Ｘｅ、Ｙｅ）を
演算する。次にバケット３の刃先を手動で掘削始点に位
置決めして始点教示スイッチ１７ａを押すことにより始
点用のサンプルホールド１８ａにて始点位置の教示角度
αｏ１βｏ１γ０がボールドされ、この値から（１）式
演算手段１９ａにより始点位置（Ｘｏ、Ｙｏ）を演算す
る。

ここで掘削長さをＬとすると、 また掘削速度をＶとすると、時々刻々の掘削位置指令ｘ
ｒ　（ｔ）　、ｙｒ　（ｔ）は、（２）式演算手段２０
にて として求められるので、この値を掘削開始とともに逐次
偏差演算手段１３に出力する。

この場合、車体が傾斜していても直接始点・終点の位置
から掘削軌跡を求めるので、傾斜計等による車体傾斜補
正をする必要がなく、またブーム１の角度検出器１０ａ
の零点が始めからズしていても問題がないので、オペレ
ータの思い通りの掘削を行なうことができる。

またこの掘削位置設定手段１４による他の位置設定の方
法としては、掘削開始点にバケット３の刃先を持って行
き、ついで予め操作盤のダイヤル等で掘削面の傾きを設
定し、さらに車体傾斜計からの傾斜角信号により車体の
傾きを補正して目標掘削位置を設定することも可能であ
る。

すなわち、第４図において、始点位置を（Ｘｏ、ｙｏ）
、掘削面傾きに設定盤２１により設定された掘削面の傾
斜角をθ、車体傾斜角信号をε、掘削速度設定手段１５
による掘削速度をＶとすると、位置指令ｘｒ　（ｔ）、
Ｙｒ（１）は（３）式演算手段２２にて ｘ　ｒ　（ｔ）＝ｘｏ−Ｖ−ｔ　ｃｏｓ　（θ＋ε）ｙ
ｒ　（ｔ）−Ｙ（３−Ｖ−ｔｓｉｎ　（θ＋ε）・・・
（３） として求められ、これを偏差演算手段１３へ出力する。

なお、第５図において、車体傾斜角εだけ傾斜した車体
固定座標ｘ−ｙ上の位置指令（ｘｒ（ｔ）、ｙｒ　　（
ｔ））及びバケット３の刃先の現在位置（ｘＳｙ）を、
ブーム回動中心を原点とし、Ｘ軸を掘削面と平行にとっ
た座標Ｘ′ｙ′上のＸ′軸に変換すれば、ｙ′方向位置
指令値が定数となり、Ｘ′方向と比べて制御的にｙ′方
向に遅れが少なくなる。

ｘ−ｙ座標からＸ′−ｙ′座標への座標変換は次式で与
えられる。

Ｘ””ＸＣＯ３θ＋ｙｓｉｎθ ｙ’ｍ−ｘｓｉｎθ＋ｙｃｏｓθ ここでθは車体固定座標から見た掘削面の傾きで、始点
、終点位置を教示した場合は、Ｘ　　ｏ　　　　Ｙ　　
ｅ で与えられ、またこれは始点と掘削面の傾きθで位置を
教示した場合は傾き設定値である。

バケット姿勢角設定手段１６では操作盤等により、バケ
ット姿勢角δｒを予め設定し、これを偏差演算手段へ出
力する。

上記バケット角設定手段１６による設定方法としては上
記方法以外に、下記のような方法があり、その１は、第
６図に示すように、ブーム１、アームク、バケット３の
それぞれの掘削始点での回転角度を検出し、このときの
アーム１、ブーム２、バケット３のそれぞれの角度α。

。 β０．γ０をバケット姿勢角設定手段１６′に入力し、
ここでバケット姿勢角δｒ　（ｔ）はδｒ　（ｔ）−α
０＋β０＋γ０−π／２・・・（４） で与えられ、これを偏差演算手段１３へ出力する。

このとき第７図に示すように、掘削開始時の角度α０．
β０．γ０はバケット姿勢角教示スイッチ２３からの信
号によりサンプルホールド２４にてホールドされ、この
値から（４）式演算手段２５にてバケット姿勢角δ「（
ｔ）が演算されδｒ　（ｔ）−δ０として偏差演算手段
１３へ出力する。

ここで、バケット姿勢角教示スイッチ２３は上述した始
点教示スイッチを用いてもよい。

またその２は、バケット３の先端を掘削始点と終点に位
置させ、そのときのバケット３の両姿勢角を設定し、バ
ケット３が始点がら終点までの自動掘削中に上記両姿勢
角間にわたってバケット３の姿勢角を連続的に変化させ
る。

すなわち、第８図に示すように、掘削始点での各軸の検
出角（α０．β０．７０）と、終点での検出角（α、、
β、、γ、）及び掘削速度Ｖを、バケット姿勢角設定手
段１６″に入力すると、上記（１）式により（Ｘｏ、Ｙ
ａ、　　δ０）と（ｘ、、ｙ、、　　δ、）が演算され
、（ｘ、　　−λ＋）２　＋（ｙ、−ｙ＋）２　＝ｔ。

とおくと、バケット姿勢指令角δｒ　（ｔ）はｔ δ　ｒ　　（ｔ）　　−δｏ＋（δ、−６゜）として求
まる。

またその３として僅作盤等により設定する場合は第９図
に示すように同様に与えることかできる。

この実施例によれば、掘削途中でバケットシリングがス
トロークエンドに達しない様に、適当な姿勢角を始点・
終点で与えることにより広範囲に渡って自動掘削を行な
うことができる。

偏差演算手段１３では掘削位置設定手段１４及びバケッ
ト姿勢角設定手段１５からの設定出力ｘｒ　（ｔ）、ｙ
ｒ　（ｔ）、δｒ　（ｔ）と、上記現在位置姿勢演算手
段１１からの検出出力（ｘ、ｙ、δ）の偏差をｅＬ算し
、これに適当なゲイン（Ｋ、　、Ｋ、　、Ｋａ　）を乗
じる、すなわち Ｖｘ　−Ｋｌ　　（Ｘ、　　−Ｘ） ■ｙ　　−Ｋｙ　　（ｙ　、ｙ）　　ｌ　　　　　・・
・　（５）Ｖａ”ＫａＣδ２−　δ） を演算して各偏差値Ｖ、　、Ｖ、　、Ｖ、を求め、これ
を角速度変換行列演算手段１２へ出力する。

この偏差演算手段１３において、上記第５図におけるＸ
′−ｙ′座標での目標位置と現在位置のＸ′　　ｙ′方
向偏差をとれば、偏差が掘削方向と軌跡誤差方向に分離
でき、これらの偏差及びバケット姿勢角偏差に乗じるゲ
インＫ　ｘ　’Ｋｙ’を調整することにより、それぞれ
に重み付けをすることができ、遅れを持つ系に対して、
いずれかを優先させることにより目的にあワた掘削を行
なうことができる。この場合の実施例を図示すると第１
０図のようになる。

角速度変換行列演算手段１２では、上記偏差演算手段１
３より入力された藺差直Ｖ、　、Ｖ、、ｖ６より目標軌
跡の修正するために必要なブーム、アーム、バケットの
各回転速度ｙ　ｒ　％　７３’、テ「を算出する。

すなわち、 上記（１）式を微分すると、 ただし、 Ａ−ｆｌｌｃｏｓａ Ｂｍｃｏｓ　（α＋β） Ｃ−０３ｃ　ｏ、ｓ　（α十β＋γ） Ｄ＝Ｎ１ｓｔｒ＋α Ｅ−Ω２ｓｔｎ（α＋β） Ｆ−ｇ３ｓｉｍ（α十β＋γ）となり、ここで とおくと、 と表わされる。ここで逆に位置及び姿勢角の偏差灸、９
、♂から各軸回動角変化量み、み、テを求めるには、上
式の両辺に左から逆行列１ｒ″′を乗じ、ＸｚＹ−δに
上記（５）式の偏差信号ｖ、　、Ｖ、　、Ｖａを代入す
れば、このときの各軸の１」標回動角速度指令；ｔｒ、
７３ｒ、÷ｒを得ることができる。すなわち、 として求められる。

２６は流量制御演算手段であり、これは第１１図に示す
ようになっていて、各検出器１０ａ。

１０ｂ、１０ｃからの検出信号α、β、γを微分器２７
ａ、２７ｂ、２７ｃにより微分する。

この微分値Ｕ、／３．７はブーム１、アース２、バケッ
ト３のそれぞれの実回転速度である。そしてこの各実回
転速度み、力、テと角速度変換行列演算手段１２からの
目標回転速度みｒ、７３ｒ、７ｒと角速度変換行列演算
手段１２からのｌコ標回転速度み「、ｉ３　ｒ　ｓ　ｆ
ｒ、との偏差（回転角速度偏差）みｒ−み、Ｂｒ−８、
′ｆｒ−γニそれぞれゲイン２８ａ、２８ｂ、２８ｃを
乗じて増幅し、それぞれの増幅出力を各シリンダ４〜６
の流量制御弁２９ａ、２９ｂ、２９Ｃへ出力する。

第１２図はこの流量制御演算手段２６の他の実施例を示
すもので、この実施例では、上記回転角速度偏差を出力
するかわりに、目標回転速度、みｒ、ｊ３ｒ、テｒのそ
れぞれを積分器３０ａ。

３０ｂ、３０ｃにて積分してαｒ、βｒ、７ｒを求め、
これと各検出信号α、β、γとの偏差（回転角偏差）み
ｒ−み、力ｒ−力、９「−７にゲイン３１ａ、３１ｂ、
３１ｃを乗じて増幅し、これを各流量制御弁２９ａ、２
９ｂ、２９ｃへ出力する。

第１３図、第１４図は流量制御演算手段２６のさらに異
なる実施例を示すもので、第１３図に示すものは、各軸
の目標回転速度ａｒ、ｆｉｒ：ｆｒに適当なゲイン３２
ａ、３２ｂ、３２ｃを乗じたものを各シリンダへの指令
信号に加算したものであり、また第１４図に示すものは
、各シリンダの圧力Ｐα、Ｐβ、Ｐγを圧力検出器３３
ａ、３３ｂ、３３ｃにて検出し、コノソれぞれの値に適
当なゲイン３４ａ、３４ｂ、３４ｃを乗じたものを各シ
リンダへの指令信号から減算したものである。

第１５図は本発明に係る作業機の制御装置全体の他の実
施例を示すもので、上記実施例における掘削位置設定手
段１４、掘削速度設定手段１５、姿勢角設定手段１６を
位置・姿勢角、速度設定手段３５と、位置・姿勢角指令
演算手段３６とにより構成し、これの位置・姿勢角指令
演算手段３６より各掘削指令ｘｒ　（ｔ）、）’ｒ（ｔ
）、δｒ　（ｔ）を出力するようになっている。また３
７は開始・終了指示手段、３８は自動・手動切換手段で
あり、さらに３９はブーム操作レバー　４０はアーム操
作レバー　４１はバケット操作レバー　４２は自動・手
動切換リレーである。

この実施例においては、掘削開始前に位置・姿勢角・速
度設定手段３５にて掘削位置・速度、バケット姿勢角を
設定すると共に、自動・手動切換手段３８を自動に切換
えてから、開始・終了指示手段３７から開始信号を出力
するこれにより位置・姿勢角指令演算手段３６において
各指令値を逐次出力すると共に、自動・手動切換リレー
４２が自動掘削指令側に切り換えられて上記した各手段
の作用により自動掘削が行なわれる。

また上記において、自動掘削終了後に自動・手動切換手
段３８を手動に切換えることにより流量制御手段２６が
各レバー３９．４０．４１により手動にて制御される。

〔発明の効果〕

本発明によれば、バケット３の刃先の位置及び掘削角度
をフィードバックできることにより、バケット３の刃先
の位置、掘削角度共に精度よく目標軌跡に追随させるこ
とができる。すなわち、本発明ではバケット３に加わる
負荷の変動等によって生じるバケット姿勢角のずれを含
むバケット先端位置をフィードバックできるので高い軌
跡精度を得ることができる。また本発明によれば、掘削
位置、速度、バケット姿勢角を予め設定しておくことに
より、オペレータが操作レバーに手を触れずに高精度自
動掘削を行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図から第１５図は本発明の実施例を示すもので、第
１図は一実施例を示すブロック図、第２図は作業機の各
部材の姿勢説明図、第３図、第４図は掘削位置設定手段
のそれぞれ異なる実施例を示すブロック図、第５図はバ
ケットの刃先位置の座標系説明図、第６図、第７図、第
８図、第９図はバケット姿勢角設定手段のそれぞれ異な
る実施例を示すブロック図、第１０図は偏差演算手段の
実施例を示すブロック図、第１１図、第１２図、第１３
図、第１４図は流量制御手段のそれぞれ異なる実施例を
示すブロック図、第１５図は本発明の他の実施例を示す
ブロック図である。第１６図は油圧式パワーショベルの
−例を示す側面図である。 １はブーム、２はアーム、３はバケット、４゜５．６は
シリンダ、１０　ａ、　　１０　ｂ、　　１０　ｃはブ
ーム、アーム、バケット角検出器、１１は現在位置姿勢
演算手段、１２は角速度変換行列演算手段、１３は偏差
演算手段、１４は掘削位置設定手段、１５は掘削速度設
定手段、１６は姿勢角設定手段、２６は流量制御演算手
段。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 車体の一点に回動可能に取付けられたブームと、ブーム
   の先端に回動可能に取付けられたアームと、アームの先
   端に回動可能に取付けられたバケットを有する作業機に
   おいて、 予め掘削速度を設定する掘削速度設定手段と、予め掘削
   位置を設定する掘削位置設定手段と、予めバケットの姿
   勢角を設定するバケット姿勢角設定手段と、ブーム角、
   アーム角、バケット角をそれぞれ検出する角度検出手段
   と、 上記角度検出手段からの検出信号に基づいてバケット先
   端の位置及びバケット姿勢角を算出する現在位置姿勢演
   算手段と、 上記各手段の設定値及び演算値とバケット先端位置及び
   姿勢角の現在値との偏差を求める偏差演算手段と、 上記各偏差を、ブーム、アーム、バケットの回転角速度
   へ変換するための行列を演算する角速度変換行列演算手
   段と、 上記各演算手段からの信号に基づいて、ブーム、アーム
   、バケットの各アクチュエータへの流体の流量を制御す
   る流量制御手段とを備えてなることを特徴とする作業機
   の制御装置。