JPH0483026A - パワーショベルの掘削制御装置 - Google Patents

パワーショベルの掘削制御装置

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JPH0483026A
JPH0483026A JP2194833A JP19483390A JPH0483026A JP H0483026 A JPH0483026 A JP H0483026A JP 2194833 A JP2194833 A JP 2194833A JP 19483390 A JP19483390 A JP 19483390A JP H0483026 A JPH0483026 A JP H0483026A
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直行 守屋
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誠 鮫島
Yujiro Shimizu
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    • E02F3/04—Dredgers; Soil-shifting machines mechanically-driven
    • E02F3/28—Dredgers; Soil-shifting machines mechanically-driven with digging tools mounted on a dipper- or bucket-arm, i.e. there is either one arm or a pair of arms, e.g. dippers, buckets
    • E02F3/36—Component parts
    • E02F3/42—Drives for dippers, buckets, dipper-arms or bucket-arms
    • E02F3/43—Control of dipper or bucket position; Control of sequence of drive operations
    • E02F3/435—Control of dipper or bucket position; Control of sequence of drive operations for dipper-arms, backhoes or the like
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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に関し、特にパワーショベルに
よる掘削作業を自動化するための制御装置に関する。
従来の技術 第５図に従来の油圧パワーショベルの外観及び制御装置
の構成を示す。下部走行体Ｉ上に上部旋回体２が旋回自
在に搭載されており、上部旋回体２にフロント部３が取
り付けられている。フロント部３はブーム４、アーム５
、バケット６を回動自在に連結して構成されており、フ
ロント部３の作動は全て油圧シリンダ７．８．９により
達成される。
この油圧パワーショベルは、以下に示す五つの動作が可
能である。即ち、下部走行体１の前進・後進、上部旋回
体２の右旋回・左旋回、ブーム用油圧シリンダ７による
ブーム４の上げ・下げ、アーム用油圧シリンダ８による
アーム５の上げ・下げ、バケット用油圧シリンダ９によ
るバケット６の排土・すくいの動作が可能である。下部
走行体１及び上部旋回体２は図示しない油圧モータで駆
動される。
このような油圧パワーショベルによる掘削作業は、一般
にオペレータが運転席においてレバーを操作することに
よりなされるが、熟練オペレータの不足や操作性向上等
の観点から掘削作業の自動化が望まれ、従来は同図に示
されているような制御装置を搭載することにより対処し
ていた。
即ち、従来の制御装置は、複数の回転角検出器１０．１
１，１２．１３と、バケット先端位置算出手段１４と、
掘削開始位置及び終了位置を入力するコンソール１５と
、各シリンダ７．８．９及び上部旋回体２旋回用のモー
タの作動を制御する制御手段１６を備えている。各回転
角検出器１０゜１１．１２．１３は、下部走行体１、上
部旋回体２、ブーム４、アーム５、及びバケット６のそ
れぞれの連結部に設けられており、算出手段１４はこれ
らの回転角検出器１０．１１．１２．１３からの検出値
に基づいて、バケット６の先端位置及び姿勢を幾何学的
に算出する手段であり、制御手段１６はコンソール１５
により入力された掘削開始位置及び終了位置の二点間を
所定の軌跡を描いて移動するように各シリンダ７．８．
９及び上部旋回体２の旋回用モータの作動を制御する手
段である。上記二点間を結ぶバケット６先端が描く軌跡
は、直線、円弧、その他、予め設定されている。
オペレータは必要に応じて自動運転モードを指定するこ
とにより、バケット６先端が所定の軌跡を描いて移動し
、土砂等を自動的に掘削するものである。
発明が解決しようとする課題 一般に、熟練オペレータは掘削対象の土質（硬さ、軟ら
かさ等）を感じながら各操作レバーを動かすことにより
効率のよい掘削作業を行っている。
しかし、従来の技術においては、バケット先端が単に所
定の軌跡を描くように制御しているものであるから、掘
削対象の土質がいかなるものであろうとも常に同じ動作
をなし、効率的な掘削が行えないという問題があった。
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、そ
の目的とするところは、自動運転においても掘削対象の
土質に応じて効率的な掘削作業を実施することができる
ようにし、未熟練のオペレータであっても熟練オペレー
タと同様の効率的な掘削を行えるようにすることである
。
課題を解決するための手段 上述した目的を達成するため、ブーム、アーム及びバケ
ットを順次回動自在に連結し、該ブーム、アーム及びバ
ケットをシリンダ手段の伸縮によりそれぞれ回動するよ
うにしたパワーショベルの掘削制御装置として、第１図
にその原理構成を示すような装置を提供する。
本掘削制御装置は、前記ブーム、アーム及びバケットの
位置の変化を検出する位置検出手段３４と、該位置検出
手段３４の出力を、前記ブーム、アーム及びバケットの
移動速度に変換する速度変換手段３５と、複数のメンバ
ーシップ関数からなる複数の制御ルールを格納している
記憶手段３６とを備えている。そして、前記速度変換手
段３５の出力及び該記憶手段３６の制御ルールに基づき
、前記各シリンダ手段３１．３２．３３に対する指令値
を算出する演算手段３７と、該演算手段３７の出力と前
記位置検出手段３４の出力に基づき、前記各シリンダ手
段３１．３２．３３の伸縮を制御する制御手段３８とを
備えている。
前記位置検出手段３４は、前記各シリンダ手段３１．３
２．３３の伸縮量を計測する手段や前記アーム、ブーム
及びバケットの回転角度を計測する手段から構成するこ
とができる。
前記記憶手段３６に格納される制御ルールは、ブーム、
アーム及びバケットの移動速度についてのメンバーシッ
プ関数からなる前件部と、各シリンダ手段３１，３２．
３３に対する指令値についてのメンバーシップ関数から
なる後件部により構成される。前記演算手段３７は、前
記速度変換手段３４の出力及び該制御ルールの前件部に
基づき、それぞれの移動速度に対応するメンバーシップ
値を求めて、これらのメンバーシップ値のうちの最小の
ものを選択し、該制御ルールの後件部のメンバーシップ
関数を当該最小のメンバーシップ値により補正し、該補
正されたメンバーシップ関数の重心位置を求め、更に各
制御ルールについての該重心位置の荷重平均を求めて、
これらを前記制御手段３８に渡す指令値として出力する
ようにした手段である。
作　　　用 本発明はいわゆるファジー理論をパワーショベルの掘削
作業時の自動運転制御に適用したものである。一般に熟
練オペレータが手動操作で掘削作業を行う場合には、軟
らかい土質の場合には比較的に深く掘削し、硬い土質の
場合には比較的浅く掘削するようにしている。このよう
な熟練オペレータが経験により体得したノウ／’％つに
基づいて、ブーム、アーム及びバケットの移動速度につ
いてのメンバーシップ関数及びブーム、アーム及びバケ
ットを駆動する各シリンダ手段に対する指令値について
のメンバーシップ関数を求め、これらを制御ルールとし
て記憶手段３６に格納している。
そして、自動運転時には、ブーム、アーム及びバケット
の移動速度を検出し、これらの移動速度を入力として演
算手段３７によりファジー演算が行われ、この演算結果
に基づいて各シリンダ手段３１．３２．３３の伸縮を制
御するようにしているから、熟練オペレータが手動操作
により掘削を行うのと同様な動きを自動運転時にも実現
することができるようになる。
このように、本発明を適用することにより、未熟練オペ
レータであっても、自動運転に切り換えることにより、
熟練オペレータと同様の掘削作業を行うことができるよ
うになる。
実　　施　　例 以下本発明の実施例を図面に基づいて詳述する。
第２図は本発明実施例の構成図である。第５図に示した
従来技術と同一の構成部分については同一の番号を付し
その説明は省略する。ブーム４、アーム５及びバケット
６を回動駆動する各シリンダ？、８．９には、各シリン
ダ７．８．９の伸縮量を検出する位置検出器２１．２２
．２３が設けられている。位置検出器２１，２２．２３
の出力、及び上部旋回体２の回転角度を検出する回転角
検出器１０の出力は、バケット先端位置算出手段２４に
入力され、この算出手段２４により幾何学的な計算が行
われバケット６の先端位置及び姿勢が算出される。位置
検出器２１．２２．２３の出力はそれぞれに対応して設
けられた位置／速度変換器２５　（２５ａ、　　２５　
ｂ、　　２５　ｃ）及び複数の第１演算器２６　（２６
ａ、　　２６　ｂ、　　２６　ｃ、　　２６ｄ）に人力
される。位置／速度変換器２５においては、入力された
位置情報が速度情報に変換され、この速度情報は第１演
算器２６に入力される。
２７はメモリであり、このメモリ２７には以下に示すよ
うな四つの制御ルールが格納されている。
ルール１ （Ｖｂｋ　ｉｓ　Ｐａ　　ａｎｄ　（１／ａｍ　ｉｓ　
ＰＢ）（Ｊｂｋ　ｉｓ　ＰＳ　　ａｎｄ　（Ｊａｍ　ｉ
ｓ　ＰＢ）　ａｎｄ（Ｊｂｍ　ｉｓ　Ｚ）ルール２ （Ｖｂｋ　ｉｓ　ＰＳ　　ａｎｄ　（Ｖａｍ　ｉｓ　Ｐ
Ｂ）（Ｊｂｋ　ｉｓ　ＰＢ）　　ａｎｄ　　（Ｊａｍ　
　ｉｓ　ＰＭ）　　ａｎｄ（Ｊｂｍ　ｉｓ　ＰＳ）ルー
ル３： （Ｖｂｋ　　ｉｓ　ＰＢ）　　ａｎｄ　　（Ｖａｍ　　
ｉｓ　ＰＳ）（Ｊｂｋ　ｉｓ　ＰＳ）　　ａｎｄ　　（
Ｊａｍ　ｉｓ　ＰＭ）　　ａｎｄ（Ｊｂｍ　ｉｓ　ＰＳ
）ルール４： （Ｖｂｋ　ｉｓ　ＰＳ）　ａｎｄ（Ｖａｍ　ｉｓ　ＰＳ
）（Ｊｂｋ　　ｉｓ　Ｐａ）　　ａｎｄ　　（Ｊａｍ　
　ｉｓ　ＰＢ）　　ａｎｄ（Ｊｂｍ　　ｉｓ　ＰＭ）上
記各ルール１〜４において、上段が前件部であり、下段
が後件部である。また、Ｖｂｋ　はバケット速度、Ｖａ
ｍ　はアーム速度、Ｖｂｍ　はブーム速度、Ｊｂｋ　は
バケツ）Ｗ作指令値、Ｊａｍ　はアーム操作指令値、Ｊ
ｂｍ　はブーム操作指令値、ＰａはＰｏ５ｉｔｉｖｅ　
Ｂｉｇ　（正・大）、ＰＭはＰｏ５ｉｔｉｖｅ　Ｍｅｄ
ｉｕｍ　　（正・中）、ｐｓはＰｏ５ｉｔｉｖｅ　Ｓｍ
ａｌｌ　　（正・小）、Ｚ　はＺｅｒｏ（０）をそれぞ
れ示す。
例えば、ルール１はバケット速度（Ｖｂｋ）が正で大（
ＦＢ）且つアーム速度（Ｖ　ａ　ｍ）が正で大（ＦＢ）
ならば、バケット操作指令値（Ｊｂｋ）は正で小さく（
ＰＳ）、アーム操作指令値（Ｊａｍ）は正で太きく（Ｆ
Ｂ）、ブーム操作指令値（Ｊｂｍ）は０　（Ｚ）という
意味である。これらのルールは具体的な数値と結び付け
る必要があり、そのためにメンバーシップ関数が用いら
れる。メンバーシップ関数は第３図（ａ）及び（ハ）に
示されているように、横軸にルール入力値又は出力値を
縦軸のその度合を示すメンバーシップ値をとり、上記の
ＰＢＳＰＭ、ＰＳＳＺを表現した関数である。上記ルー
ル１から４に対応したメンバーシップ関数の具体例が第
３図（Ｃ）に示されている。
以下第１演算器２６による処理を第３図（Ｃ）を参照し
て説明する。第１演算器２６は、位置／速度変換器２５
からのバケットシリンダ速度に基づいて対応するメンバ
ーシップ関数（イ）の対応するメンバーシップ値を求め
、アームシリンダ速度に基づいて対応するメンバーシッ
プ関数（ロ）の対応するメンバーシップ値を求める。次
いで、これらの二つのメンバーシップ値のうちの小さい
方を選択する（Ｍｉｎ演算）。
次いで、ルール後件部の各メンバーシップ関数（（ハ）
、（ニ）、（ホ）に点線で示されている）を該小さい方
のメンバーシップ値に基づいて補正する（補正後のメン
バーシップ関数は、（ハ）、（ニ）、（ホ）に実線で示
されている）。
この補正後の各メンバーシップ関数の重心位置を求め、
ブーム、アーム及びバケットのそれぞれのシリンダに対
する指令値とこれに対応するメンバーシップ値を得る。
このような演算が全てのルール（１〜４）について行わ
れ、この演算により得た各ルールに対応する各指令値及
びメンバーシップ値（重心位置）は、ブーム、アーム及
びバケットに対応して設けられている第２演算器２８　
（２３ａ、２８ｂ、２８Ｃ）に入力される。
第２演算器２８においては、下記（１）式に示す演算が
実施され、各人力の対する荷重平均が算出される。
上記（１）式において、Ｊｌはブーム、アーム及びバケ
ットの各シリンダを制御するために用いる最終的な操作
指令値、Ｐｎはルールｎにおけるメンバーシップ値（度
合い）、Ｊｎｉはルールｎにおける指令値である。
ｎは適合するルールの回数を示す。即ち、０．３３＜Ｖ
ｂｋ　　＜０．６６　ｔ：Ｄ場合Ｖｂｋ　ｌ；！ＰＳテ
あり、且ツＰＢテする。同様に、Ｖａｍ　も０．３３　
＜Ｖａｍ　＜０．６６であれば、Ｖａｍ　はＰＳであり
、且ツＰＢである。従って、（Ｖｂｋ。
Ｖａｍ）＝（ＰＳ、　ＰＳ）、　（ＰＳ、　ＰＢ）、　
（ＰＢ、　ＰＳ）、　（ＰＢ、　ＰＢ）の４通りのルー
ルが適合される。従って、ｎ＝４となる。
ところが、０≦Ｖ、ｌ］ｋ≦０．３３で、０．３３　＜
　Ｖａｍ　＜　０．６６であれば、Ｖｂｋ　はＰＳでし
かなく　、（Ｖｂｋ、Ｖａｍ）＝（ＰＳ。
ｐｓ）、　（ＰＳ、　ＦＢ）　　の２通りのルールしか
適合されない。
従って、この場合はｎ＝２となる。ブーム、アーム及び
バケットの各シリンダについての最終的な操作指令値は
判定手段２９に人力される。
一方、バケット先端位置算出手段２４の出力は、同じく
判定手段２９に入力され、判定手段２９には更にコンソ
ール（入力手段）３０を用いて掘削作業の開始位置及び
終了位置が人力される。
判定手段２９による処理は第４図に示されているような
手順により実行される。即ち、オペレータにより掘削開
始位置Ｐ、及び掘削終了位置Ｐ２が人力され（ステップ
４０１）　、自動運転開始の指示があったならば（ステ
ップ４０２）　、バケット先端位置算出手段２４により
算出されている現在のバケット先端位置Ｐを掘削開始位
置Ｐ、へ移動する（ステップ４０３）。次いで第２演算
器２８からの操作指令値に基づいて各シリンダを駆動す
るシリンダ駆動手段（図示せず）に対して該操作指令値
を出力する（ステップ４０４）。この操作指令値に基づ
いて各シリンダ駆動手段により各シリンダに油圧の供給
がなされる。次に、バケット先端位置算出手段２４から
現在のバケット先端位置Ｐを受は取り（ステップ４０５
）、該バケット先端位置Ｐが掘削終了位置ＰＥ　に等し
くなっているかどうかを判定しくステップ４０６）　、
等しくない場合にはステップ４０４に戻り操作指令値の
出力を繰り返す。ステップ４０６において現在のバケッ
ト先端位置Ｐが掘削終了位置Ｐ、と等しくなったならば
、従来技術において説明した軌跡制御と同様の制御によ
りバケット６が所定位置に移動され、排出が行われ（ス
テップ４ｏ７）、ステップ４０１に戻る。
上述したように本実施例によれば、経験的に設定されて
いるメンバーシップ関数からなる制御ルールに基づき、
ブーム４、アーム５及びバケット６の各シリンダ７．８
．９が制御されるようになっているから、掘削開始位置
Ｐｓ　から掘削終了位置ＰＥ　に至るまでのバケット６
の動きが従来構成の如く画一的なものとならず、熟練オ
ペレータが手動操作で掘削する場合と同様に土質に応じ
てその掘削量が適宜変更され、効率的な掘削を行うこと
ができるようになる。
尚、上述した実施例においては、位置検出手段として各
シリンダの伸縮量を検出する位置検出器２１．２２．２
３を用いているが、本発明はもちろんこれに限定される
ものではなく、第５図に示した従来構成と同様にブーム
４、アーム５及びバケット６の回転角度を検出する回転
角検出器１１゜１２．１３を用いてその位置を検出する
ことができる。
最後に、第１図に示した原理構成図と第２図に示した実
施例の構成図との対応関係を明らかにしておくと、第１
図における位置検出手段３４は第２図における位置検出
器２１，２２．２３に、速度変換手段３５は位置／速度
変換器２５に、記憶手段３６はメモリ２７に、演算手段
３７は第１演算器２６及び第２演算器２８に、制御手段
３８は判定手段２９及びシリンダ駆動手段（図示せず）
にそれぞれ対応している。
発明の効果 本発明は以上詳述したように構成したので、掘削作業を
自動で行う場合においても、熟練オペレータが手動操作
により土質に応じた掘削作業を実施するのと同様な作業
を実施することが可能となり、熟練オペレータによらな
くても高効率的な掘削作業が行なえるようになるという
効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の原理構成図、 第２図は本発明の実施例の構成図、 第３図（ａ）は本発明実施例における制御ルール前件部
で用いるメンバーシップ関数の一例を示す図、第３図（
ｂ）は同じく制御ルール後件部のメンバーシップ関数の
一例を示す図、 第３図（Ｃ）は本発明実施例における各ルールに対応し
たメンバーシップ関数の一例及び第１演算器、第２演算
器による処理を説明するための図、第４図は本発明実施
例における判定手段の処理を示す流れ図、 第５図は従来技術の構成図である。 １・・・ブームシリンダ、 ２・・・アームシリンダ、 ３・・・バケットシリンダ、 ４・・・位置検出手段、 ５・・・速度変換手段、 ６・・・記憶手段、 ７・・・演算手段、 ８・・・制御手段。 メンバシッフ０値 ルール入カイ１（正視化ｉｔ） メンバシッフ０イ直 ルーツしエカ位 （ｂ）

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １、ブーム、アーム及びバケットを順次回動自在に連結
    し、該ブーム、アーム及びバケットをシリンダ手段の伸
    縮によりそれぞれ回動するようにしたパワーショベルに
    おいて、 前記ブーム、アーム及びバケットの位置の変化を検出す
    る位置検出手段と、 該位置検出手段の出力を、前記ブーム、アーム及びバケ
    ットの移動速度に変換する速度変換手段と、 複数のメンバーシップ関数からなる複数の制御ルールを
    格納している記憶手段と、 前記速度変換手段の出力及び該制御ルールに基づき、前
    記各シリンダ手段に対する指令値を算出する演算手段と
    、 該演算手段の出力と前記位置検出手段の出力に基づき、
    前記各シリンダ手段の伸縮を制御する制御手段とを備え
    てなることを特徴とするパワーショベルの掘削制御装置
    。 ２、前記記憶手段に格納される制御ルールは、ブーム、
    アーム及びバケットの移動速度についてのメンバーシッ
    プ関数からなる前件部と、各シリンダ手段に対する指令
    値についてのメンバーシップ関数からなる後件部とから
    なり、 前記演算手段は、前記速度変換手段の出力及び該制御ル
    ールの前件部に基づきそれぞれの移動速度に対応するメ
    ンバーシップ値を求めてこれらのメンバーシップ値のう
    ちの最小のものを選択し、該制御ルールの後件部のメン
    バーシップ関数を当該最小のメンバーシップ値により補
    正し、該補正されたメンバーシップ関数の重心位置を求
    め、さらに、各制御ルールについての該重心位置の荷重
    平均を求めて、これらを前記制御手段に渡す指令値とし
    て出力する手段であることを特徴とする請求項１に記載
    のパワーショベルの掘削制御装置。 ３、前記記憶手段に格納される制御ルールは、ブーム、
    アーム及びバケットの位置についてのメンバーシップ関
    数を含み、 前記演算手段は、前記速度変換手段及び前記位置検出手
    段の出力と前記制御ルールに基づいて、前記各シリンダ
    手段に対する指令値を算出するように構成してあること
    を特徴とする請求項１又は２に記載のパワーショベルの
    掘削制御装置。 ４、前記位置検出手段を、前記各シリンダ手段の伸縮量
    を計測する手段により構成したことを特徴とする請求項
    １乃至３のいずれかに記載のパワーショベルの掘削制御
    装置。 ５、前記位置検出手段を、前記アーム、ブーム及びバケ
    ットの回転角度を計測する手段により構成したことを特
    徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のパワーショ
    ベルの掘削制御装置。
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