JPH07268897A - 自己適合性掘削制御システムとその方法 - Google Patents

自己適合性掘削制御システムとその方法

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JPH07268897A
JPH07268897A JP7063814A JP6381495A JPH07268897A JP H07268897 A JPH07268897 A JP H07268897A JP 7063814 A JP7063814 A JP 7063814A JP 6381495 A JP6381495 A JP 6381495A JP H07268897 A JPH07268897 A JP H07268897A
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bucket
work
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JP7063814A
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David J Rocke
ジェイ ロック ディヴィッド
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Caterpillar Inc
Original Assignee
Caterpillar Inc
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Publication date
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    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02F—DREDGING; SOIL-SHIFTING
    • E02F3/00—Dredgers; Soil-shifting machines
    • 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
    • E02F3/439—Automatic repositioning of the implement, e.g. automatic dumping, auto-return
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    • E02F—DREDGING; SOIL-SHIFTING
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    • E02F3/04—Dredgers; Soil-shifting machines mechanically-driven
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    • E02F3/437—Control of dipper or bucket position; Control of sequence of drive operations for dipper-arms, backhoes or the like providing automatic sequences of movements, e.g. linear excavation, keeping dipper angle constant

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  • Operation Control Of Excavators (AREA)
  • Fluid-Pressure Circuits (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】掘削機械の作業を自動化することを目的とす
る。 【構成】機械の全作業サイクルにわたり掘削機械の作業
器具(100) を自動的に制御する制御システムが開示され
る。作業器具には、ブーム(110) 、スティック(115) 、
バケット(120) が備えられ、それぞれ少なくとも１つの
油圧シリンダー(140,145,150) により作動する。少なく
とも１つの油圧シリンダーに対し、複数のコマンド信号
の大きさが記憶されている。コマンド信号の大きさは、
複数の制御曲線で表され、個々の制御曲線は掘削される
材料の所定の状態を表す材料状態設定に対応している。
マイクロプロセッサーが複数の制御曲線から１つを選
び、それに応じて選択した制御曲線で示す大きさのコマ
ンド信号を発生する。油圧システムは、コマンド信号を
受信して、所定の油圧シリンダーを制御可能に作動さ
せ、作業サイクルを行う。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、一般に掘削の分野に関
し、より詳しくは掘削機械の掘削作業サイクルを自動化
する自己適合性制御システムとその方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】掘削機、バックホー、フロントシャベル
等の作業機械が掘削作業に使用されている。これらの掘
削機械は、ブーム、スティック、バケットのリンク機構
からなる作業器具を有する。ブームはその一端で掘削機
械に旋回可能に取り付けられ、その他端にはスティック
が旋回可能に取り付けられている。バケットがスティッ
クの自由端に旋回可能に取り付けられている。個々の作
業器具のリンク機構は、垂直平面内で動くように少なく
とも１つの油圧シリンダーにより制御可能に作動し、オ
ペレーターは、一般に作業器具を操作し、全体の掘削作
業サイクルをなす一連の特定の機能を行う。典型的な作
業サイクルでは、オペレーターが最初に作業器具を穴を
掘る位置に位置させ、作業器具をバケットが土に入るま
で下方に下げる。その後、オペレーターがバケットを掘
削機に向かい移動して穴掘り工程を行う。オペレーター
は次に土を捕獲するためバケットをカールさせる。捕獲
した積み荷を捨てるため、オペレーターは作業器具を持
ち上げ、特定の捨て場所に横断的にスイングさせ、ステ
ィックを伸ばし、バケットのカールを緩めて土を開放す
る。その後、作業器具を穴掘り位置に戻し、再度作業サ
イクルを始める。以下の記述では、上述の作業はそれぞ
れ、ブームを地面に下降、穴掘り工程、積み荷捕獲、捨
て場所にスイング、穴位置に戻すという。
【０００３】土を動かす工業では、幾つかの理由で掘削
機械の作業サイクルを自動化する要望が増している。人
のオペレーターと異なり、環境状態が悪く、作業時間が
長くても、自動掘削機械はかなり生産的である。自動化
した掘削機械は、状態が人間に危険で、適さず、望まし
くないときには理想的である。自動化した機械はまた、
オペレーターの技能が未熟でもこれを補ってより正確に
掘削を行うことができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述の問題
の１つ又はそれ以上を克服することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明の１態様では、機
械の全作業サイクルにわたり掘削機械の作業器具を自動
的に制御する制御システムが開示される。作業器具に
は、ブーム、スティック、バケットが備えられ、それぞ
れ少なくとも１つの油圧シリンダーにより作動する。少
なくとも１つの油圧シリンダーに対し、複数のコマンド
信号の大きさが記憶されている。コマンド信号の大きさ
は、複数の制御曲線で表され、個々の制御曲線は掘削さ
れる材料の所定の状態を表す材料状態設定に対応してい
る。マイクロプロセッサーが複数の制御曲線から１つを
選び、それに応じて選択した制御曲線で示す大きさのコ
マンド信号を発生する。油圧システムは、コマンド信号
を受信して、所定の油圧シリンダーを制御可能に作動さ
せ、作業サイクルを行う。
【０００６】
【実施例】図を参照すると、図１及び２は掘削機械の作
業器具100 の平面図であり、掘削機、バックホーローダ
ー、フロントシャベルと同様の穴掘り又は積載機能を果
たす。掘削機械には、掘削機、パワーシャベル、ホイー
ルローダー等がある。作業器具100 は、ブーム110 、ス
ティック115 、バケット120 を備える。ブーム110 は、
ブームピボットピン1 により掘削機械105 に旋回（ピボ
ット）可能に取り付けられている。ブームの重心（ＧＢ
Ｍ）は点12で表される。スティック115 は、スティック
ピボットピン4 でブーム110 の自由端に旋回可能に取り
付けられている。スティックの重心（ＧＳＴ）は点13で
表される。バケット120 は、バケットピボットピン8 で
スティック115 に旋回可能に取り付けられている。バケ
ット120は、丸い部分130 、点16で示すフロア、点15で
示す先端を含む。バケットの重心（ＧＢＫ）は点14で表
される。水平の参照軸Ｒは、ピン1 に始まり、点26を通
って延びるように定義される。軸Ｒは、作業車両105 と
各種ピンと作業器具100 の点の間の相対角度の関係を測
定するのに使われる。
【０００７】ブーム110 、スティック115 、バケット12
0 は、直線的に伸張可能な油圧シリンダーにより独立に
制御可能に作動する。ブーム110 は少なくとも１つのブ
ーム油圧シリンダー140 で作動し、スティック115 を上
下に動かす。ブーム油圧シリンダー140 は、作業機械10
5 とブーム110 の間にピン11と2 で結合されている。ブ
ームのシリンダーとシリンダーロッドの重心は、それぞ
れ点ＣＧ19、ＣＧ20で表される。スティック115 は少な
くとも１つのスティック油圧シリンダー145 で作動し、
バケット120 を縦方向に水平に動かす。スティック油圧
シリンダー145は、ブーム110 とスティック115 の間に
ピン3 と5 で結合されている。スティックのシリンダー
とシリンダーロッドの重心は、それぞれ点ＣＧ22、ＣＧ
23で表される。バケット120 はバケット油圧シリンダー
150 で作動し、バケットピボットピン8 の周りを半径方
向の移動範囲を持つ。バケット油圧シリンダー150 は、
ピン6 でスティック115 に、ピン9 でリンク機構155 に
結合されている。リンク機構155 はピン7 と10でそれぞ
れスティック115 とバケット120 に結合されている。バ
ケットのシリンダーとシリンダーロッドの重心は、それ
ぞれ点ＣＧ25、ＣＧ26で表される。例示のため、図１及
び２にはブーム、スティック、バケットの油圧シリンダ
ー140,145,150 は１つのみを示す。
【０００８】作業器具100 と油圧シリンダー140,145,15
0 の動作を確実に理解するため、これらの間には次の関
係がある。ブーム110 はブームシリンダー140 を伸ばす
と上がり、同シリンダー140 を縮めると下がる。スティ
ック油圧シリンダー145 を縮めるとスティック115 が掘
削機械105 から離れ、スティック油圧シリンダー145を
伸ばすとスティック115 が掘削機械105 の方へ動く。最
後に、バケット油圧シリンダー150 が縮まるとバケット
120 は掘削機械105 から回転して離れ、同シリンダー15
0 が伸びると掘削機械105 に回転して近づく。図３を参
照すると、本発明の電子油圧システム200 のブロック図
が示される。手段205 が作業器具100 の位置に応じて位
置信号を発生する。手段205 は、それぞれブーム、ステ
ィック、バケットの油圧シリンダー140,145,150 のシリ
ンダー伸び量を検知する変位量センサー210,215,220 を
含む。1988年4 月12日にビターらに与えられた米国特許
第4,737,705 号に記述された無線周波数に基づくセンサ
ーを使用することができる。作業器具100 の位置はま
た、は明らかに作業器具の結合角度を測定することによ
り導きだせる。作業器具の位置信号を発生する他の装置
としては、ブーム110、スティック115 、バケット120
の間の角度を測定する回転電位差計等の回転角度センサ
ーがある。作業器具100 の位置は、油圧シリンダーの伸
び量測定又は３角法の連結角度測定により、計算でき
る。バケットの位置を決めるこのような技術は公知であ
り、例えば1976年12月14日にティーチに与えられた米国
特許第3,997,071 号、及び1983年3 月22日にイヌイらに
与えられた米国特許第4,377,043 号に記載されている。
【０００９】手段225 が、作業器具100 にかかる力に応
答して圧力信号を発生する。手段225 は、ブーム、ステ
ィック、バケットの油圧シリンダー140,145,150 の個々
のシリンダーの油圧圧力を測定する圧力センサー230,23
5,240 を含む。圧力センサー230,235,240 は、個々の油
圧シリンダー140,145,150 の圧力に応答する信号を発生
する。例えば、シリンダー圧力センサー230,235,240
は、それぞれブーム、スティック、バケットの油圧シリ
ンダーヘッドとロッド端部の圧力を検知する。好適な圧
力センサーは、例えば、シリーズ555 圧力変換器として
米国カリフォルニア州モンロビアのプリサイスセンサー
会社により提供される。作業器具のピボット点180 に位
置する回転電位差計等のスウィング角度センサー243
が、穴掘り位置に対するスウィング軸Ｙの周りの作業器
具の回転量に応答して角度測定値を発生する。位置信号
と圧力信号は、信号調整器245 へ送信される。信号調整
器245 で通常に信号を励振しフィルターを通す。例え
ば、米国ノースカロライナ州ラレイのメジャーメントグ
ループ会社のビシャイ信号調整アンプ2300をこの目的の
ために使用できる。調整した位置信号と圧力信号は、論
理手段250 に送信される。論理手段250 はマイクロプロ
セッサーに基づく装置であり、計算ユニットを使用して
ソフトウェアプログラムに従って工程を制御する。一般
にプログラムは、リードオンリーメモリー、ランダムア
クセスメモリー等に記憶される。プログラムを各種のフ
ローチャートに関して説明する。
【００１０】論理手段250 は複合ジョイスティック制御
レバー255 とオペレーターインターフェース260 の２つ
の別のソースから入力を受ける。制御レバー255 により
作業器具100 の手動制御を行う。制御レバー255 の出力
が、作業器具100 の動きの方向と速度を決める。機械の
オペレーターは、オペレーターインターフェース260 デ
バイスで掘削深さとフロアの傾斜等の掘削の詳細を入力
することができる。オペレーターインターフェース260
はまた、掘削機械のペイロードに関する情報を表示する
ことができる。インターフェース260 デバイスは、液晶
表示板と英数字キーパッドを備えるようにしてもよい。
タッチセンサー板を使うのも好適である。さらに、オペ
レーターインターフェース260 はまた、オペレーターが
色々の掘削条件設定を行う複数のダイヤルとスイッチを
備えてもよい。論理手段250 は位置信号を受信し、それ
に応じて公知の微分技術を使ってブーム110 、スティッ
ク115 、バケット120 の速度を決める。当業者には明ら
かなように、ブーム、スティック、バケットの速度を決
めるのに、別体の速度センサーを使うこともできる。
【００１１】論理手段250 は、さらに位置信号と圧力信
号の情報に応じて、作業器具の幾何学的配列と力を決め
る。例えば論理手段250 は圧力信号を受信し、次式に従
ってブーム、スティック、バケットのシリンダーの力を
計算する。 シリンダー力＝（Ｐ2 ＊Ａ2 ）−（Ｐ1 ＊Ａ1 ） ここに、Ｐ2 とＰ1 は個々の油圧シリンダー140,145,15
0 のヘッドとロッド端部での油圧圧力であり、Ａ2 とＡ
1 はそれぞれの端部の断面積である。論理手段250 は、
ブーム、スティック、バケットシリンダーのコマンド信
号をを発生し、作業器具100 を制御可能に動かす作動手
段265 へ送信する。作動手段265 は、ブーム、スティッ
ク、バケットの油圧シリンダー140,145,150 への油圧の
流れをそれぞれ制御する油圧制御弁270,275,280 を備え
る。作動手段265 はまた、スウィング組立体185 への油
圧の流れを制御する油圧制御弁285 を備える。図４を参
照すると、自動化した掘削作業サイクルのフローチャー
トが示される。掘削機械105 の作業サイクルは一般に、
ブームを地面に下降305 、前穴掘り307 、穴掘り工程31
0 、荷重捕獲315 、荷重を下ろす320 、穴掘りへ戻る32
3 の６つの別の一連の機能に分けられる。荷重を下ろす
320 機能は、調整機能330 を含むようにすると有利であ
る。
【００１２】本発明は、調整機能330 の例を幾つか含
む。それゆえ、他の機能の詳細は本発明に重要なもので
はないので、調整機能のみを詳細に述べる。調整機能33
0 が複数の制御曲線のうちからブーム、スティック、バ
ケットの油圧シリンダー140,145,150 の所望の速度で移
動させるコマンドを出す適当な１つを選ぶ。制御曲線の
一連の例を図５〜７のテーブルに示す。個々の制御曲線
は、ブーム、スティック、バケットの油圧シリンダー14
0,145,150 の変位量を制御するコマンド信号の大きさを
表す。曲線は、２次元ルックアップテーブル又はマイク
ロプロセッサーのメモリーに記憶される一連の式で定義
される。制御曲線は、土壌の状態を表す材料状態設定に
応じる。例えば、極端な場合として材料状態設定１は材
料が柔らかい状態を表し、材料状態設定９は材料が固く
固まった状態を表す。従って、中間の材料状態設定２〜
８は、緩い即ち柔らかい材料状態から硬い材料状態まで
の連続した材料状態を表す。当業者に分かるように、制
御曲線の数は、所望の制御特性に応じて決まる。制御曲
線は論理手段250 により自動的に選択するようにしても
よいが、制御曲線の１つ又は全てに応じて、オペレータ
ーインターフェース260 によりオペレーターが材料状態
設定を選択できるようにする。
【００１３】以下に、テーブルについて記述する。図５
は掘削作業サイクルの前穴掘り部分用のブームシリンダ
ー140 に関連する制御曲線を記憶するテーブルを表す。
コマンド信号の大きさは、バケットシリンダー150 にか
かる圧力又は力に応じて決まる。図６は掘削作業サイク
ルの穴掘り部分用のブームシリンダー140 に関連する制
御曲線を記憶するテーブルを表す。コマンド信号の大き
さは、スティックシリンダー145 にかかる圧力又は力に
応じて決まる。図７は掘削作業サイクルの穴掘り部分用
のバケットシリンダー150 に関連する制御曲線を記憶す
るテーブルを表す。コマンド信号の大きさは、バケット
シリンダー150 にかかる圧力又は力に応じて決まる。個
々のテーブルで制御曲線は、材料状態設定に応じる。従
って、材料状態設定は有効な掘削作業を行うのに重要で
ある。本発明では、実際の材料状態を評価するのに応じ
て適当な制御曲線を選ぶ。前述の技術は、適当な制御曲
線を選ぶのに重要なだけでなく、複数の掘削のセットポ
イントから１つを決めるためにも重要である。例えば、
掘削機制御では、掘削作業サイクルの間にシリンダーの
変位量と圧力を複数のセットポイントと比較してもよ
い。図８は、スティックとバケットのシリンダーの変位
量の為の複数のセットポイントを記憶するテーブルを示
し、個々のセットポイントは材料状態設定に応じる。
【００１４】調整機能330 はバケット120 の幾つかの力
の計算を使い、材料状態を評価する。力の計算について
記述する。図１及び２の作業器具の概略図を参照する。
第１に論理手段250 が、位置情報に応じて参照軸Ｒに対
する作業器具の幾何学的配列を決める。所定のピン、ポ
イント、重心の相対的位置を、公知の幾何学と３角法の
法則を使って計算する。例えば、作業器具の幾何学的配
列は、逆３角関数、サイン、コサインの法則とその逆を
使って決められる。さらに、所定のピンの各種の力を、
位置と圧力の情報に応じて決めるようにしてもよい。例
えば、ピンにかかる力の位置と大きさは、２次元ベクト
ルの交差と内積を使って決めてもよい。作業器具の幾何
学的配列と力の情報は当業者がよく理解する幾つかの方
法で決めることができる。例えば、ピンにかかる各種の
力は、歪みゲージ又は他の構造荷重測定方法を使って直
接測定することができる。次の記述では、「角度Ｒ．
Ｘ．Ｙ」という言葉は、参照軸Ｒに平行な線とピンＸと
Ｙで決まる線との間の角度をラジアンで表した。「長さ
Ｘ．Ｙ」という言葉は、点ＸとＹの間の長さを表す。ま
ず、ブーム−スティック−バケットのｘ方向の力の合計
は、次のように決まる。
【００１５】ΣＦx ブーム−スティック−バケット＝ Ｆx バケット＋Ｆx ピン1 ＋Ｆx ピン2 ＝０ (1) ここに、Ｆx バケットはバケットのｘ方向にかかる外部
力を表す。Ｆx ピン1 は、ピン１のｘ方向にかかる力を
表し、ブームにピン１でかかる力を合計することで決ま
る。Ｆx ピン2 は、ピン２のｘ方向にかかる力を表し、
ブームのシリンダーの軸方向力による。式(1) を再整理
し、力成分Ｆx バケットについて解くと、式(1) は次の
ように簡単になる。 Ｆx バケット＝−Ｆx ピン1 −（ブームシリンダーの軸
方向力）＊cos(角度Ｒ.11.2) 第２に、ブーム−スティック−バケットのｙ方向の力の
合計は、同様に計算することができる。 ΣＦY ブーム−スティック−バケット＝ ＦY バケット＋ＦY ピン1 ＋ＦY ピン2 −リンク機構部品重量＝０ (2) ここに、ＦY バケットはバケットのｙ方向にかかる外部
力を表す。
【００１６】ＦY ピン1 は、ピン１のｙ方向にかかる力
を表し、ブームにピン１でかかる力を合計することで決
まる。ＦY ピン2 は、ピン２のｙ方向にかかる力を表
し、ブームのシリンダーの軸方向力による。式(2) を再
整理し、力成分ＦY バケットについて解くと、式(2) は
次のようになる。 ＦY バケット＝−ＦY ピン1 −（ブームシリンダーの軸
方向力）＊sin(角度Ｒ.11.2)＋Σブーム−スティック−
バケットの重量＋（スティックとバケットシリンダーと
ロッドの重量）＋（ピン２でのブームシリンダーとロッ
ドの重量） バケットにかかる外部力ＦxYは、次式に従って計算され
る。 ＦxY＝[(ＦY バケット)2＋( Ｆx バケット)2]1/2 最後に、バケットの外部力のモーメントアームＭＡバケ
ットを、ピン８の周りのモーメントを合計することで、
ピン８について計算する。
【００１７】まず、線8.15に垂直なバケット上への力Ｆ
N バケットを、次の関係に従って計算する。 ＦN バケット＝ＦxY＊[(cos(α) ＊cos(角度Ｒ.15.16＋
Π／２))＋(sin( α) ＊sin(角度Ｒ.15.16＋Π／２)] ここに、α＝arctan（ＦY バケット／Ｆx バケット） αがある象限を適正に見分けるため、Ｆx バケットとＦ
Y バケットが正か負かに基づき、αを調整してもよい。
例えば、Ｆx バケットとＦY バケットが共に負の値な
ら、αからΠラジアンを引く。さらにＦx バケットが負
の値でＦY バケットが正の値なら、αにΠラジアンを足
す。第２に、ピン８の周りのモーメントを次式に従って
計算する。 Ｍ8 ＝8.10の長さ＊9.10上の力＊[cos( 角度Ｒ.8.10)＊
sin(角度Ｒ.9.10)−cos ( 角度Ｒ.9.10)＊sin(角度Ｒ.
8.10)] ＋8.14の長さ＊バケット重量＊[cos( 角度Ｒ.8.
14)＊sin(−Π／２) −cos(−Π／２) ＊sin(角度Ｒ.8.
14)] 最後に、バケット上の外部力のモーメントアームＭＡバ
ケットを次式に従い計算する。
【００１８】ＭＡバケット＝Ｍ8 ／ＦN バケット 調整機能330 について記述する。調整機能330 は図５〜
７の制御曲線の適当な１つを決め又は図８の複数の材料
状態設定の適当な１つを決めることで、掘削動作を「調
整する」。調整機能330 は掘削作業サイクルの現在の運
転状態に基づき適当な材料状態設定を決める。図９，１
１，１３，１５は、本発明の好適な実施例を実行するた
めのプログラム制御を例示するフローチャートである。
調整機能330 を行う１つの方法を図９のフローチャート
を参照して記述する。第１にバケット120 に積載される
ペイロードをブロック805 で決める。ペイロードは公知
の方法で決めることができる。例えば、作業器具の幾何
学的配置とシリンダー力に基づいて、ペイロードを決め
ることができる。１つのペイロードの決め方は、本出願
人によるに本出願と同日に出願された共に係属する「掘
削機械用ペイロード決定システム」という題の出願（代
理人ファイルNo.93-327 ）に示されていて、ここに参照
として組み込む。次に、ブロック810 で前穴掘りパスの
間にスティックとバケットシリンダー145,150 で行われ
る作業を計算する。作業計算は個々の穴掘りパスの直後
に行うのが好ましい。仕事は次式に従って計算する。
【００１９】 仕事＝（シリンダー力＊シリンダー変位量） 計算したペイロード値を次に、ブロック815 で仕事値で
割る。最後にブロック815 での結果を２次元ルックアッ
プテーブルの値と比較し、ブロック820 で適当な材料状
態設定を決める。例えば、図１０を参照し、複数の所定
の材料状態に対応する複数の所定のペイロード／仕事値
のテーブルを表す。ここに、制御装置は計算したペイロ
ード／仕事値をルックアップテーブルの値と合わせる。
もし、現在の材料状態設定が計算したペイロード／仕事
値についてルックアップテーブルに示す値と異なると、
現在の材料状態設定をルックアップテーブルに示す値に
設定する。そうでなければ、材料状態設定を変えない。
この方法は、材料が硬いほど、柔らかい場合より所定量
のペイロードを得るのにより多くの量の仕事が必要であ
ることを示す。従って、ペイロードの仕事に対する比に
基づき適当な材料状態設定が決められる。調整機能330
を行う他の方法を図１１を参照して説明する。第１にバ
ケット120 に積載したペイロードをブロック1005で計算
する。それから、ペイロードの計算に応じて、ブロック
1010でバケット120 の最大量の充填割合を決める。例え
ば、バケットの容量に基づきペイロードの計算で、バケ
ット120 に捕らえられた典型的な土材料の最大量の充填
割合を評価することができる。ブロック1015で上の結果
を２次元ルックアップテーブルの値と比較し、材料状態
設定が適当な値に設定されているかどうか決める。
【００２０】例えば、図１２を参照すると、複数の所定
の材料状態に対応する最大量の複数の所定の充填割合の
値のテーブルを表す。ここで、制御装置は計算した充填
量の値の割合を所定の充填値の割合と比較し、材料状態
設定が適当な値に設定されているかどうか決める。テー
ブルから柔らかい材料は硬い材料より多量の材料を充填
することができることがわかる。従って、最大充填量の
計算した割合に基づき、材料状態設定を評価することが
できる。もし、最大充填量の計算した割合が現在の材料
状態用のテーブルで制定した範囲内にあるなら、材料状
態設定は適当な値に設定されたという。しかし、最大充
填量の計算した割合が現在の材料状態用のテーブルで制
定した範囲外になるなら、材料状態設定を変更する。例
えば、最大充填量に対する計算した割合が８０％で現在
の材料状態設定が「５」であるなら、材料状態設定は適
当である。しかし、現在の材料状態設定が「５」でなく
「９」であるなら、材料状態設定を変更する。ブロック
1020に示すように、適当な材料状態設定を決めるため
に、一連の規則を使ってもよい。一連の規則の例を以下
に示す。 現在の材料状態設定＝１ 1.バケット充填量が最大充填量の８５％より大きけれ
ば、よい。 2.バケット充填量が７０％と８５％の間なら、材料状態
設定を３に変える。 3.バケット充填量が５０％と７０％の間なら、材料状態
設定を５に変える。 4.バケット充填量が５０％未満なら、材料状態設定を７
に変える。 現在の材料状態設定＝５ 1.バケット充填量が最大充填量の９０％より大きけれ
ば、材料状態設定を３に変える。 2.バケット充填量が７５％と９０％の間なら、よい。 3.バケット充填量が５０％と７５％の間なら、材料状態
設定を７に変える。 4.バケット充填量が５０％未満なら、材料状態設定を９
に変える。 現在の材料状態設定＝９ 1.バケット充填量が最大充填量の７５％より大きけれ
ば、材料状態設定を５に変える。 2.バケット充填量が６２％と７５％の間なら、材料状態
設定を７に変える。 3.バケット充填量が６２％未満なら、よい。 前述した一連の規則は例示のため挙げたものであり、本
発明を制限するものではない。当業者に明らかなよう
に、所定の一連の規則を使って、全ての材料状態設定の
ために適当な値を決めることができる。
【００２１】調整機能330 を実行するさらに他の方法を
図１３のフローチャートを使って説明する。第１にバケ
ット120 で運ぶペイロードをブロック1205で決める。次
に、ブロック1210で前穴掘りパス中の経過時間を計算す
る。経過時間は、１回の穴掘り工程動作の初めから終わ
りまでの時間を表す。ブロック1215で計算したペイロー
ド値を経過時間で割り、作業サイクルの有効性即ち生産
性を決める。次に、ブロック1220で生産性値を２次元ル
ックアップテーブルの値と比較し、材料状態設定が適当
な値に設定されているかどうか決める。例えば、図１４
を参照すると、複数の所定の材料状態に対応する複数の
所定の生産性値のテーブルを表す。ここで、制御装置は
計算した生産性値を現在の材料状態設定用の所定の生産
性値と比較し、材料状態設定が適当な値に設定されてい
るかどうか決める。テーブルから材料が柔らかいほど生
産性が多くなることがわかる。従って、計算した生産性
に基づき、材料状態を評価する。もし、計算した生産性
値が現在の材料状態用の所定の生産性値のテーブルで制
定した範囲内にあるなら、材料状態設定は適当な値に設
定されたという。しかし、計算した生産性値がテーブル
で制定した範囲外になるなら、材料状態設定を変更す
る。ブロック1225に示すように、材料状態設定は上述し
たのと同様の一連の規則で変更することができる。本開
示に基づいて材料状態設定を変える一連の規則を決める
ことは、当業者には明らかであろう。
【００２２】調整機能330 を行う最後の方法を図１５の
フローチャートを参照して説明する。第１に上述の計算
の関して、モーメントアームＭＡバケットをブロック14
05で決める。次に、ブロック1410でＭＡバケット値を所
定の値Ｌで割る。図１７（Ａ）に示すように、所定の値
Ｌはピン８からバケット先端までの全長のモーメントア
ームを表す。ブロック1415で割った結果を２次元ルック
アップテーブルの値と比較し、材料状態設定が適当な値
に設定されているかどうか決める。例えば、図６を参照
すると、複数の所定の材料状態に対応する複数の所定の
値のテーブルを表す。ここで制御装置は、ブロック1415
の割った結果をルックアップテーブルの値と比較し、材
料状態設定が適当な値に設定されたか決める。テーブル
から材料が硬いほどバケット上の外部力は材料が柔らか
いときよりバケット先端近くに位置することが分かる。
従って、外部力ベクトルの位置に基づき材料状態を評価
することができる。もし、計算した値が現在の材料状態
用に制定した範囲内にあるなら、材料状態設定は適当な
値に設定されたとする。しかし、計算した値がテーブル
で制定した範囲外になるなら、材料状態設定を変更す
る。ブロック1420に示すように、材料状態設定は上述し
たのと同様の一連の規則で変更することができる。
【００２３】図１７の（Ｂ）と（Ｃ）は、機械が掘削し
ているときの外部力の位置を例示する。（Ｂ）は外部力
がバケット120 の先端近くに位置することを示し、硬い
材料であることを表す。（Ｃ）では、外部力はバケット
先端より距離が離れ、材料が柔らかくある程度掘削が容
易であることを示す。上述した方法は、別の独立した方
法として又は相互に補うように共に使ってもよい。さら
に、上述の方法をオペレーターが選択できるように補う
ことも望ましい。例えば、穴掘り工程の機能に適した制
御曲線の材料状態設定、テーブル５，６は、オペレータ
ーがマニュアルで設定でき、他のテーブルと組合わされ
る残りの材料状態設定は論理手段250 で自動的に設定さ
れるようにしてもよい。こうすると、経験のあるオペレ
ーターは作業サイクルをより制御しやすくなる。テーブ
ルに示す値は、車両力学の当業者で掘削工程に詳しい者
の日常の経験で決めるようにしてもよい。ここに示す値
は、例示のためのみである。本発明の運転は、土を動か
す車両、特に掘削機、バックホーローダー、フロントシ
ャベル等の穴掘り又は積載機能を行う車両の使用に関連
して最もよく記述される。例えば、油圧掘削機を図１８
に示し、ここに線Ｙは垂直線を表す。
【００２４】本発明の実施例では、掘削機械のオペレー
ターは、２つの作業器具制御レバーと制御パネル又はオ
ペレーターインターフェース260 を使うことができる。
１つのレバーがブーム110 とバケット120 の動きを制御
し、他のレバーがスティック115 とスウィングの動きを
制御するのが好ましい。オペレーターインターフェース
260 により、オペレーターが選択し、機能特性を入れら
れるようになる。自律的に掘削の運転を行うには、オペ
レーターは所望の穴掘り深さ、穴掘り位置、土捨て場所
を入力する。図１９を参照すると、掘削作業サイクルが
例示される。バケット120 が土に入ると仮定する。最初
に、バケット120 が所定のカット角度になるまで最高に
近い速度でカールするよう指示することで、論理手段25
0が作業サイクル307 の前穴掘り部分を始める。バケッ
トがカールすると、ブーム110 が、図５に示す制御曲線
の１つにより指示される速度で上げられる。同時に、ス
ティック115 が所定の速度で内側に動くよう指示され
る。制御曲線は、バケットとスティックシリンダー150,
145 に所定の量の力を生じるコマンド信号の大きさを指
示し、地面に所望の量だけ侵入させる。いったんバケッ
ト120 が所定のカット角度までカールされると、論理手
段250が、ブーム110 を図６の制御曲線の１つに従って
上げるように指示し、一方バケット120 は図７の制御曲
線の１つに従ってカールするように指示されることによ
り、作業サイクル310 の穴掘り工程を始める。しかし、
スティック115 は、地面からできるだけ多くの材料を捕
獲するように最高に近い速度を指示される。図６と７の
制御曲線は、スティックとバケットシリンダーの圧力を
所望のレベルに維持する大きさのコマンド信号を指示す
る。
【００２５】いったん穴掘りが終了すると、論理手段25
0 がスティック速度がゼロに減少し、ブーム110 を上
げ、バケット120 をカールさせるように指示すること
で、作業サイクル315 の荷重捕獲部分を始める。いった
ん荷重が捕獲されると、論理手段250 は、作業器具100
が所望の捨て場所に着くまで捨て場所に向かって回転
し、ブーム110 を上げ、スティック115 を伸ばし、バケ
ット120 のカールを緩めるように指示することで、作業
サイクル320 の荷重捨て部分を始める。さらに、論理手
段250 は、材料の状態を評価し、必要なら新しい材料状
態設定を選択することにより、作業サイクル330 の調整
部分を始める。荷重が捨てられた後、論理手段250 は、
穴掘り位置に着くまで作業器具100 が穴掘り位置に回転
し、ブーム110 を下げ、スティック115 がより多くの量
に届くように指示することで、作業サイクル323 の穴掘
り部分へ戻り始める。最後に、論理手段は、バケット12
0 が地面と接触するまで、ブーム110 が地面に向かって
下がるように指示することで、作業サイクル305 のブー
ム下降部分を始める。本発明の他の態様、目的及び利点
は、図面、発明の詳細な説明、特許請求の範囲から分か
るであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】掘削機械の作業器具の概略図である。
【図２】掘削機械の作業器具の概略図である。
【図３】掘削機械の制御システムのハードウェアのブロ
ック線図で有る。
【図４】掘削作業サイクルの制御を表すトップレベルの
フローチャートである。
【図５】作業サイクルの前穴掘り部分のためのブームの
シリンダーのコマンドに適する制御曲線を表すテーブル
である。
【図６】作業サイクルの穴掘り部分のためのブームのシ
リンダーのコマンドに適する制御曲線を表すテーブルで
ある。
【図７】作業サイクルの穴掘り部分のためのバケットの
シリンダーのコマンドに適する制御曲線を表すテーブル
である。
【図８】作業サイクルの色々な部分に組み合わされた色
々の設定値を表すテーブルである。
【図９】調整機能の実施例の第２レベルのフローチャー
トである。
【図１０】図８の実施例の複数の所定の材料状態設定に
対応する複数のペイロード／作業値である。
【図１１】調整機能の他の実施例の第２レベルのフロー
チャートである。
【図１２】図１０の実施例の複数の所定の材料状態設定
に対応する複数の所定のバケット充填値である。
【図１３】調整機能のさらに他の実施例の第２レベルの
フローチャートである。
【図１４】図１２の実施例の複数の所定の材料状態設定
に対応する複数の生産性値を表すテーブルである。
【図１５】調整機能の他の実施例の第２レベルのフロー
チャートである。
【図１６】図１４の実施例の複数の所定の材料状態設定
に対応する複数のモーメントアーム値を表すテーブルで
ある。
【図１７】図１４の実施例の作業器具を表す概略図であ
る。
【図１８】掘削機械の側面図である。
【図１９】掘削作業サイクルの色々の段階の作業器具の
概略図である。
【符号の説明】
１００・・作業器具 １０５・・作業機械 １１０・・ブーム １１５・・スティック １２０・・バケット １３０・・丸い部分 １４０・・ブーム油圧シリンダー １４５・・スティック油圧シリンダー １５０・・バケット油圧シリンダー １５５・・リンク機構

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】機械の全作業サイクルにわたり、それぞれ
    加圧した油圧流体を含む少なくとも１つの油圧シリンダ
    ー(140,145,150) により作動するブーム(110) 、スティ
    ック(115) 、及びバケット(120) を備える掘削機械の作
    業器具(100)を自動的に制御する方法において、 少なくとも１つの油圧シリンダーに対して、それぞれが
    掘削される材料の所定の状態を表す材料状態設定に対応
    する複数の制御曲線で表された複数のコマンド信号の大
    きさを記憶し、 前記複数の制御曲線から１つを選び、それに応じて選択
    した前記制御曲線で示す大きさのコマンド信号を発生
    し、 前記コマンド信号を受信して、所定の前記油圧シリンダ
    ーを制御可能に作動させ、作業サイクルを行うことから
    なる方法。
  2. 【請求項２】前記材料状態を決め、前記決めた材料状態
    に応じて前記複数の制御曲線から１つを自動的に選ぶス
    テップを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】前記バケットのペイロードを計算し、 前記作業サイクルの穴掘り部分の間にスティックとバケ
    ットシリンダーにより行う仕事を計算し、 前記ペイロードの計算を前記仕事の計算で割り、割った
    結果は前記材料状態を示す、ステップを含むことを特徴
    とする請求項２記載の方法。
  4. 【請求項４】複数の所定の材料状態値に対応するペイロ
    ード／仕事値を記憶し、 前記計算したペイロード／仕事値を前記記憶したペイロ
    ード／仕事値と比較し、 前記比較に応じて、前記複数の制御曲線から１つを選
    ぶ、ステップを含むことを特徴とする請求項３記載の方
    法。
  5. 【請求項５】前記バケットのペイロードを計算し、 前記作業サイクルの穴掘り部分の１回のパスの間の経過
    時間を計算し、 前記ペイロードの計算を前記経過時間で割って、前記穴
    掘りパスの材料状態を表す生産性を決める、ステップを
    含むことを特徴とする請求項２記載の方法。
  6. 【請求項６】複数の所定の材料状態値に対応する複数の
    所定の生産性値を記憶し、 前記計算した生産性値を前記記憶した生産性値と比較
    し、 前記比較に応じて、前記複数の制御曲線の１つを選ぶ、
    ステップを含むことを特徴とする請求項５記載の方法。
  7. 【請求項７】前記バケットのペイロードを計算し、 前記ペイロードの決定に応じて、前記バケットが材料で
    充填された割合で、材料状態の指標である割合を評価す
    る、ステップを含むことを特徴とする請求項２記載の方
    法。
  8. 【請求項８】複数の所定の材料状態値に対応する複数の
    所定のバケット充填値を記憶し、 前記評価したバケット充填値を前記記憶したバケット充
    填値と比較し、 前記比較に応じて、前記複数の制御曲線の１つを選ぶ、
    ステップを含むことを特徴とする請求項７記載の方法。
  9. 【請求項９】前記バケットに作用する外部力のモーメン
    トアームで、その大きさが材料状態を表すモーメントア
    ームを計算する、ステップを含むことを特徴とする請求
    項１０記載の方法。
  10. 【請求項１０】複数の所定の材料状態値に対応する複数
    の所定のモーメントアーム値を記憶し、 前記計算したモーメントアーム値を前記記憶したモーメ
    ントアーム値と比較し、 前記比較に応じて、前記複数の制御曲線の１つを選ぶ、
    ステップを含むことを特徴とする請求項９記載の方法。
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