JPH06167036A - 建設機械の自動掘削制御装置 - Google Patents

建設機械の自動掘削制御装置

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JPH06167036A
JPH06167036A JP20743492A JP20743492A JPH06167036A JP H06167036 A JPH06167036 A JP H06167036A JP 20743492 A JP20743492 A JP 20743492A JP 20743492 A JP20743492 A JP 20743492A JP H06167036 A JPH06167036 A JP H06167036A
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浩 田路
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Abstract

(57)【要約】 [目的] バケットの掘削反力をパラメータとした従来
技術の自動掘削制御装置をそなえた油圧ショベルで自動
掘削を行うとき、土質条件により掘削反力が大きいとき
にはブーム上げ調整が自動的に行われて浅く掘削される
し、逆に掘削反力が小さいときには深く掘れるので、た
だ穴を掘る単純掘削には適しているが、所要の掘削深さ
に制限することは困難であった。本発明は、上記の問題
点を解決する。 [構成] 本発明の自動掘削制御装置では、目標掘削深
さをコントローラに対して予め入力する手段をそなえ、
また掘削反力と、掘削反力時間変化量及び掘削深さに対
応するメンバーシップ関数を選定して、ブーム,アー
ム,バケットがそれぞれ回動又は停止するときのファジ
ィルールを選定し、自動掘削を行うとき実際の掘削深さ
が目標掘削深さに近付くように制限した。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、油圧ショベルなど建設
機械,作業車両の自動掘削制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】図6は、バックホータイプの油圧ショベ
ルの全体側面図である。図において、1は上部旋回体、
2は下部走行体、3は上部旋回体1のフロント部に装着
した作業アタッチメント、4はブーム、5はアーム、6
はバケット、7はバケットリンク、8はブームシリン
ダ、9はアームシリンダ、10はバケットシリンダ、1
1はブーム基端部ピン、12はアーム基端部ピン、13
はバケットヒンジピン、14はバケットピン、15は上
部旋回体1本体に対するブーム4の回転角度を検出する
ブーム角度センサ(バケット姿勢検出手段を構成)、1
6はブーム4に対するアーム5の回転角度を検出するア
ーム角度センサ(バケット姿勢検出手段を構成)、1
7,18はバケットヒンジピン13,バケットピン14
にそれぞれ装備されているピン型のロードセル(作用力
検出手段)39は上部旋回体1の内部に装備しているコ
ントローラ、矢印Fはバケット6の掘削反力を示す。図
7は、図6におけるバケット6の掘削反力Fを求める方
法を示す図である。図において、矢印F1はバケットピ
ン14回りの作用力、矢印F2はバケットヒンジピン1
3回りの作用力を示す。それで、ロードセル18,17
によってそれぞれ検出される作用力F1とF2の信号を
コントローラ39に入力せしめることにより、作用力F
1とF2を合成して、掘削反力Fを算出することができ
る。
【0003】油圧ショベルが自動掘削を行う場合に、図
6のようにバケット6を土質に対して十分くい込ませる
ためにバケット6の回転を止めて掘削反力が十分大きく
なった後に、掘削反力に応じてバケット回転及びバケッ
ト昇降の双方の制御をするようにしている。図8は、自
動掘削におけるファジィ制御で用いられる変数である掘
削反力(F)のメンバーシップ関数を示す図である。図
において、ボリューム操作部(図示しない)によって設
定された掘削反力の目標値がFで、発生反力がたとえば
Faの場合にはメンバーシップ関数は丁度ZO、規格値
で云えば50になる(同様に、掘削反力がFbの場合に
はNM、規格値は30、また掘削反力がFcの場合には
PM、規格値は70になる)が、掘削反力の変化はアナ
ログ値であり、当然Fa〜Fb,Fa〜Fcの間の値が
存在し、その間の掘削反力の変化に応じて徐々に規格値
を変えてゆく。また目標掘削反力の大小により発生反力
が同じでも、規格値は変化する。次に図9は、自動掘削
におけるファジィ制御で用いられる変数である掘削反力
時間変化量(△F)のメンバーシップ関数を示す図であ
る。たとえば掘削反力時間変化量(△F)が+△Faと
ふえたときには、図9の例ではPM(規格値で云えば7
0)が選択される。勿論この場合にも、掘削反力時間変
化量はアナログ値である故に、規格値はZO〜PM間の
数値を持っている。また下記の表1は、ブーム4の上下
動作指令信号出力値についてのルールを示す表である。
【0004】
【表1】
【0005】表1において、たとえば掘削反力Fは減少
してNM、かつ掘削反力時間変化量△Fも減少して(マ
イナスになって)NMになると、ブームに対する指令信
号出力値はNMとなり、ブームが下げ作動する。すなわ
ち掘削反力F及び掘削反力時間変化量△Fが小さいとき
には、ブーム4を下げるルールになっており、したがっ
て、バケット6はより深くくい込むように下げられる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】バケットの掘削反力を
パラメータとした自動掘削制御装置をそなえた油圧ショ
ベルで自動掘削を行うとき、土質条件により掘削反力が
大きいときにはブーム上げ調整が自動的に行われて浅く
掘削されるし、逆に掘削反力が小さいときには深く掘れ
るので、ただ穴を掘る単純掘削には適しているが、所要
の掘削深さに制限することは困難であった。本発明は、
上記の問題点を解決することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明の自動掘削制御装
置では、目標掘削深さをコントローラに対して予め入力
する手段をそなえ、また掘削反力と、掘削反力時間変化
量及び掘削深さに対応するメンバーシップ関数を選定し
て、ブーム,アーム,バケットがそれぞれ回動又は停止
するときのファジィルールを選定し、自動掘削を行うと
き実際の掘削深さが目標掘削深さに近付くように制限し
た。あるいはまた、目標掘削深さをコントローラに対し
て予め入力する手段をそなえ、またシリンダ圧力と、シ
リンダ圧力時間変化量及び掘削深さに対応するメンバー
シップ関数を選定して、ブーム,アーム,バケットがそ
れぞれ回動又は停止するときのファジィルールを選定
し、自動掘削を行うとき実際の掘削深さが目標掘削深さ
に近付くように制限した。
【0008】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細
に説明する。図1は、本発明請求項1及び請求項2の自
動掘削制御装置を示す要部回路図である。図において、
従来技術と同一構成要素を使用しているものに対しては
同符号を付す。19,20,21はそれぞれブーム用,
アーム用,バケット用油圧リモコン弁(油圧リモコン弁
は前後左右の十字方向に操作できるようになっているが
説明の都合上分割して図示している)、22,23,2
4はそれぞれ方向切換弁であるパイロット切換弁、2
5,〜,30はそれぞれパイロット圧を選択するシャト
ル弁、31,〜,36はそれぞれ電油変換器である電磁
比例減圧弁、37はメインポンプ、38はパイロットポ
ンプ、39’はコントローラ、40は自動・手動選択ス
イッチ、41は予め目標掘削深さをセットするボリュー
ム操作部、42はバケットシリンダ10’のシリンダ圧
力を検出するシリンダ圧センサ、17’はバケット角度
センサである。
【0009】図2は、掘削深さhがNM〜ZO〜PMと
アナログ的に変わるときブーム4の上下動作指令信号出
力値の対応実施例として第1〜第3ルールを示す図であ
る。図3は、掘削深さhがNM〜ZO〜PMとアナログ
的に変るときアーム5の引き動作指令信号出力値の対応
実施例として第1〜第3ルールを示す図である。図4
は、掘削深さhがNM〜ZO〜PMとアナログ的に変る
ときバケット6のリトラクト動作指令信号出力値の対応
実施例として第1〜第3ルールを示す図である。なお図
2〜図4におけるそれぞれ第1ルールは、深さ制限をし
ない場合のルール(標準的な通常のルール)である。
【0010】次に、本考案請求項1の自動掘削制御装置
の構成を図1〜図4について述べる。本発明の自動掘削
制御装置では、目標掘削深さをコントローラ39’に対
して予め入力する手段としてボリューム操作部41をそ
なえ、また掘削反力Fと、掘削反力時間変化量△F及び
掘削深さに対応するメンバーシップ関数(NB,NM,
ZO,PM,PMのうちいずれか動作指令信号出力値)
を選定して、ブーム(4),アーム(5),バケット
(6)がそれぞれ回動又は停止するときのファジィルー
ル(図2,〜,図4に示す)を選定し、自動掘削を行う
とき実際の掘削深さが目標掘削深さに近付くように制限
した。
【0011】次に、本発明請求項1の自動掘削制御装置
の作用について説明する。図5は、本発明の自動掘削制
御装置を装備している油圧ショベルが自動掘削を行って
いる状態を示す側面図である。図において、従来技術と
同一構成要素を使用するものに対しては同符号を付
す。。1’は上部旋回体、3’は上部旋回体1’のフロ
ント部に装着した作業アタッチメント、13’はバケッ
トヒンジピン、14’はバケットピン、43はバケット
6の爪先である。油圧ショベルで自動掘削を行うときに
は、運転者がバケット6の爪先43の目標掘削深さたと
えば深さhsをボリューム操作部41に予めセットす
る。ボリューム操作部41からの信号は、コントローラ
39’に記憶される。油圧ショベルが自動掘削を開始し
た場合にバケット6に作用する掘削反力が十分に大きく
なると、バケット6が回転して掘削を行う。ここで、ブ
ーム4に対して選定したファジィルールを図2について
説明する。最初に掘削深さが、目標掘削深さhsより浅
い“深さh”NM(図5に示す)のとき、掘削反力がZ
Oか又は小さいNB,NMであって掘削反力時間変化量
も中及至小程度(ZO〜NM〜NB)であれば、動作指
令信号出力値はNM(ブーム下げ)となる。したがって
コントローラ39’からの信号(NM値)が電磁比例減
圧弁32(図1に示す)のソレノイドに出力される。電
磁比例減圧弁32から導出されるパイロット二次圧は、
シャトル弁26を介してブーム用パイロット切換弁22
のパイロットポートイに作用する。パイロット切換弁2
2が切換作動し、ブームシリンダ8は縮小作動する。し
たがってブーム下げが行われ、バケット6はさらに深く
掘削してゆく。上記の場合に掘削反力時間変化量△Fが
大きくてPM,PBであれば、ブーム下げ(NM)でな
くて、ブーム停止(ZO)の指令信号が発せられる。ま
た掘削反力Fが油圧ショベルの持つ能力の最大値に近い
PMかPBの場合でも、掘削反力時間変化量△FがN
B,NMと小さければ、ブーム停止(ZO)の指令信号
が発せられる。また掘削反力FがPMかPBであって掘
削反力時間変化量△Fが大きい場合(PM,PB)であ
れば、動作指令信号出力値はPM又はPBになる。この
場合には、コントローラ39’からの信号(PM値又は
PB値)により、電磁比例減圧弁32から導出されるパ
イロット二次圧がシャトル弁25を介してブーム用パイ
ロット切換弁22のパイロットポートロに作用する。し
たがってブームシリンダ8が伸長作動し、ブーム4は通
常速度(PM値の場合)又はフルスピード(PB値の場
合)で上げ作動を行う。
【0012】上記“深さh”NMの掘削を経過して実際
の掘削深さが除々に深くなり、目標掘削深さhs(すな
わち“深さh”ZO)に達したときには、掘削反力Fが
ZOより大きいPM,PBであって、掘削反力時間変化
量△FがZOより大きいPM,PBの場合を除いて、ブ
ーム停止(ZO)の指令信号が発せられる。ブーム4の
上下昇降が行われないので、油圧ショベルは目標掘削深
さhsを掘ることができる。なお“深さh”ZOに達し
たとき、掘削反力FがZOより大きいPM,PBであっ
て、掘削反力時間変化量△FがZOより大きいPM,P
Bの場合には、ブーム上げ(PM)又はブームフルスピ
ード上げ(PB)の指令信号が発せられる。
【0013】次に目標掘削深さhsを超えてさらに深
く、すなわち“深さh”PMを掘ろうとした場合には、
掘削反力F,掘削反力時間変化量△Fの如何にかかわら
ず、ブーム上げ(一部、ブームフルスピード上げも含ま
れる)の指令信号が発せられる。したがって、目標深さ
hs(実際の掘削深さはhs±△h、ここで△hは掘削
深さの誤差である)を確保することができる。なおアー
ム5とバケット6のファジィルールは図3及び図4に示
すが、そのファジィルールの適応はブーム4に対する場
合と同様である。すなわち掘削反力F,掘削反力時間変
化量△Fに対応して、バケット6の爪先43が深くくい
込むようになると、アーム5とバケット6の作動を減速
するように制御される。なお上記爪先43の深さはアナ
ログ値であり、“深さh”NM〜ZO,ZO〜PMの間
でも、MINーMAX重心法など他の通常のファジィ制
御の考え方に則り、徐々に動作指令信号出力値を変えて
制御することができる。
【0014】次に、本発明請求項2の自動掘削制御装置
について述べる。請求項2の自動掘削制御装置では、目
標掘削深さをコントローラ39’に対して予め入力する
手段としてボリューム操作部41をそなえ、またバケッ
トシリンダ10’のボトム側油室のシリンダ圧力と、シ
リンダ圧力時間変化量及び掘削深さに対応するメンバー
シップ関数(NB,NM,ZO,PM,PMのうちいず
れか動作指令信号出力値)選定して、ブーム(4),ア
ーム(5),バケット(6)がそれぞれ回動又は停止す
るときのファジィルール(図2,〜,図4に示す)を選
定し、自動掘削を行うとき実際の掘削深さが目標掘削深
さに近付くように制限した。この請求項2の自動掘削制
御装置では、請求項1における掘削反力F及び掘削反力
時間変化量△Fの演算素子であるシリンダ圧力P及びシ
リンダ圧力時間変化量△Pと、掘削深さに対応するメン
バーシップ関数(図示しない)を選定するようにしてい
る。したがって、請求項2の自動掘削制御装置の作用及
び機能は、請求項1の自動掘削制御装置の場合と同様で
ある。
【0015】
【発明の効果】バケットの掘削反力をパラメータとした
自動掘削制御装置をそなえた油圧ショベルで自動掘削を
行うとき、土質条件により掘削反力が大きいときにはブ
ーム上げ調整が自動的に行われて浅く掘削されるし、逆
に掘削反力が小さいときには深く掘れるので、ただ穴を
掘る単純掘削には適しているが、所要の掘削深さに制限
することは困難であった。しかし本発明の自動掘削制御
装置では、目標掘削深さをコントローラに対して予め入
力する手段をそなえ、また掘削反力と、掘削反力時間変
化量及び掘削深さに対応するメンバーシップ関数を選定
して、ブーム,アーム,バケットがそれぞれ回動又は停
止するときのファジィルールを選定し、自動掘削を行う
とき実際の掘削深さが目標掘削深さに近付くように制限
した。あるいはまた、目標掘削深さをコントローラに対
して予め入力する手段をそなえ、またシリンダ圧力と、
シリンダ圧力時間変化量及び掘削深さに対応するメンバ
ーシップ関数を選定して、ブーム,アーム,バケットが
それぞれ回動又は停止するときのファジィルールを選定
し、自動掘削を行うとき実際の掘削深さに近付くように
制限した。上記ファジィルールは、自動掘削時にバケッ
トの爪先が目標掘削深さに達していない場合の第1のル
ール、また目標掘削深さに達した場合の第2のルール、
また目標掘削深さを超えてさらに深く掘ろうとする場合
の第3のルールが、それぞれブーム,アーム,バケット
に対して選定されており、第1から第3のルール間をバ
ケット爪先深さに応じて除々に変えてゆく。それによ
り、ブームの上下昇降及び停止の動作,アームのアーム
引き及び停止の動作,バケットのリトラクト及び停止の
動作がそれぞれ三次元でアナログ的に制御される。すな
わち掘削反力と掘削反力時間変化量のそれぞれ変動に対
応して油圧ショベルの作業アタッチメントの作動を止め
ることなく、所要の目標掘削深さに掘ることができる。
したがって、油圧ショベルの自動掘削性を向上させるこ
とができる。また作用力検出手段としてバケットシリン
ダにシリンダ圧センサを設けているので、この自動掘削
制御装置のメンテナンス性,耐久性及び経済性をたかめ
ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の自動掘削制御装置を示す要部開路図で
ある。
【図2】本発明におけるブームの上下動作指令信号出力
値の対応実施例として第1〜第3ルールを示す図であ
る。
【図3】本発明におけるアームの上下動作指令信号出力
値の対応実施例として第1〜第3ルールを示す図であ
る。
【図4】本発明におけるバケットのリトラクト動作指令
信号出力値の対応実施例として第1〜第3ルールを示す
図である。
【図5】本発明の自動掘削制御装置を装備した油圧ショ
ベルが自動掘削を行っている状態を示す側面図である。
【図6】油圧ショベルの側面図である。
【図7】図6におけるバケットの掘削反力を求める方法
を示す図である。
【図8】自動掘削におけるファジィ制御で用いられる変
数である掘削反力のメンバーシップ関数を示す図であ
る。
【図9】自動掘削におけるファジィ制御で用いられる変
数である掘削反力時間変化量のメンバーシップ関数を示
す図である。
【符号の説明】
3,3’ 作業アタッチメント 4 ブーム 5 アーム 6 バケット 8 ブームシリンダ 9 アームシリンダ 10,10’ バケットシリンダ 15,16,17’ 角度センサ 39,39’ コントローラ 41 ボリューム操作部 42 シリンダ圧センサ 43 爪先

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 車体のフロント部にブーム,アーム,バ
    ケットを順次連結した作業アタッチメントを装着し、ま
    たバケット姿勢検出手段とバケット作用力検出手段をそ
    なえ、バケットの掘削反力を時々刻々演算するととも
    に、その掘削反力時間変化量を演算し、双方の値に基づ
    いてバケット回動駆動及びバケット昇降駆動を制御する
    ようにした自動掘削制御装置であって、目標掘削深さを
    コントローラに対して予め入力する手段をそなえ、また
    掘削反力と、掘削反力時間変化量及び掘削深さに対応す
    るメンバーシップ関数を選定して、ブーム,アーム,バ
    ケットがそれぞれ回動又は停止するときのファジィルー
    ルを選定し、自動掘削を行うとき実際の掘削深さが目標
    掘削深さに近付くように制限したことを特徴とする建設
    機械の自動掘削制御装置。
  2. 【請求項2】 車体のフロント部にブーム,アーム,バ
    ケットを順次連結した作業アタッチメントを装着し、ま
    たバケット姿勢検出手段とバケット作用力検出手段をそ
    なえ、バケットシリンダのシリンダ圧力を時々刻々検出
    することによりそのシリンダ圧力時間変化量を演算し、
    上記双方の値に基づいてバケット回転駆動及びバケット
    昇降駆動を制御するようにした自動掘削制御装置であっ
    て、目標掘削深さをコントローラに対して予め入力する
    手段をそなえ、またシリンダ圧力と、シリンダ圧力時間
    変化量及び掘削深さに対応するメンバーシップ関数を選
    定して、ブーム,アーム,バケットがそれぞれ回動又は
    停止するときのファジィルールを選定し、自動掘削を行
    うとき実際の掘削深さが目標掘削深さに近付くように制
    限したことを特徴とする建設機械の自動掘削制御装置。
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