JPH0788671B2 - パワ−シヨベルの作業機制御方法および装置 - Google Patents

パワ−シヨベルの作業機制御方法および装置

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JPH0788671B2
JPH0788671B2 JP2395287A JP2395287A JPH0788671B2 JP H0788671 B2 JPH0788671 B2 JP H0788671B2 JP 2395287 A JP2395287 A JP 2395287A JP 2395287 A JP2395287 A JP 2395287A JP H0788671 B2 JPH0788671 B2 JP H0788671B2
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excavation
bucket
angle
arm
boom
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忠幸 花本
信爾 高杉
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    • E02HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02FDREDGING; SOIL-SHIFTING
    • E02F3/00Dredgers; Soil-shifting machines
    • E02F3/04Dredgers; Soil-shifting machines mechanically-driven
    • E02F3/28Dredgers; 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
    • E02F3/36Component parts
    • E02F3/42Drives for dippers, buckets, dipper-arms or bucket-arms
    • E02F3/43Control of dipper or bucket position; Control of sequence of drive operations
    • E02F3/435Control of dipper or bucket position; Control of sequence of drive operations for dipper-arms, backhoes or the like
    • E02F3/437Control 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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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明はパワーショベルの作業機制御方法および装置
に関し、特に自動掘削についての技術に関する。
〔従来の技術〕
周知のように、パワーショベルは作業機としてバケッ
ト、アーム、ブームを有し、これら作業機はバケットシ
リンダ、アームシリンダおよびブームシリンダによって
各別に駆動され、バケットを所望の軌跡と姿勢で移動さ
せるには各シリンダの伸縮を同時制御することが不可欠
である。
このため、バケットを所望の軌跡と姿勢で移動させるに
は、オペレータがバケット、アーム、ブームのそれぞれ
に対応する操作レバーを同時にあるいは交互に操作しな
ければならず、操作に熟練を要していた。
また、未熟練者は掘削時に、第15図(a)に示すように
バケット刃先を進行方向に向けなかったり、第15図
(b)に示すようにバケット底板を削ったあとの掘削面
に干渉させたりして、無用な掘削抵抗増を引き起こして
いた。
一方、予めバケット刃先の移動軌跡(例えば、直線、円
弧等)およびこれらの軌跡に対するバケット姿勢を設定
しておき、この軌跡に沿ってバケット刃先が移動するよ
うにバケット、アーム、ブームを自動制御するようにし
たパワーショベルの制御装置が種々提案されている。
〔発明が解決しようとする問題点〕
しかしながら、これら従来の自動掘削装置は一般に仕上
げ作業を対象にしたものであり、掘削および積込作業を
対象にしたものは少ない。また、掘削・積込作業を対象
にした装置にあっても、作業効率、操作性、掘削時間等
の面で未だ不完全なものであり、その技術を実機に搭載
するには及ばなかった。
本発明は、簡単な操作のみで作業機が掘削に最適な動作
をするように自動制御し、掘削積込作業の効率を向上さ
せることができるパワーショベルの作業機制御方法およ
び装置を提供しようとするものである。
〔問題点を解決するための手段〕
この発明では、自動モードを指定する自動モード指定手
段と、自動モードによる掘削開始時点を検出する自動モ
ード開始検出手段と、バケット角、アーム角およびブー
ム角を検出する角度検出手段と、前記自動モード開始検
出手段の出力に基づき掘削開始時点における前記角度検
出手段の検出値を取り込み、これら検出値に基づき車両
に対するバケット刃先位置を求める第1の演算手段と、
複数の地点によって近似したバケット刃先の基準移動軌
跡とこれら複数の地点にバケット刃先が位置するときの
各バケット姿勢とが予め設定され、前記第1の演算手段
によって求めた掘削開始位置に基づき前記設定した複数
の地点の車両に対する位置を前記複数の地点によって分
割した各掘削区間毎に1位置ずつ算出するとともに、該
算出した位置にバケット刃先を移動させかつバケットを
当該地点毎に前記設定したバケット姿勢とするに要する
バケット回動角、アーム回動角およびブーム回動角を前
記各掘削区間毎に算出する第2の演算手段と、前記各掘
削区間毎に算出したバケット回動角、アーム回動角およ
びブーム回動角に基づき各作業機に供給する圧油流量の
配分比を各掘削区間毎に求め、前記圧力検出手段の検出
ポンプ圧から求めたポンプ流量と前記求めた分配比とに
基づき各作業機に対する流量指令を算出し出力する第3
の演算手段と、前記角度検出手段の出力に基づきアーム
角が各掘削区間毎の目標角に達した時点を検出し、該検
出時点において前記第2および第3の演算手段による演
算制御を当該掘削区間の演算制御から次の掘削区間の演
算制御に移行させる掘削区間終了検出手段と、前記自動
モード指定手段によって自動モードが指定されると、前
記第3の演算手段から出力される各流量指令を主導指令
優先で手動指令に代えて出力する切替手段と、前記自動
モードによる自動掘削の終了を検出する自動掘削終了検
出手段とを具えるようにする。
〔作用〕
まず、手動操作によってバケット刃先を掘削開始位置に
移動させた後、自動モード指定手段によって自動モード
を選択したとすると、前記自動モード開始検出手段によ
って掘削開始が検出され、その後、バケット刃先が設定
した基準移動軌跡に沿って移動しかつバケットが該基準
移動軌跡上の複数の地点において設定した姿勢となるよ
うバケット、アームおよびブームが自動制御される。す
なわち、掘削開始時点における前記角度検出手段の検出
値から掘削開始位置が求められ、この掘削開始位置から
前記設定した移動軌跡に沿った次の目標位置の車両に対
する座標が求められる。そして、次の目標位置でバケッ
トが設定した姿勢をとりかつ掘削開始位置から次の目標
位置までバケット刃先を移動させるに要するバケット回
動角、アーム回動角、ブーム回動角が求められ、更にこ
れら求めた回動角から各作業機に供給する圧油流量の配
分比が求められる。また、予め設定したポンプ圧とポン
プ流量の所定の関係と実ポンプ圧とから作業機ポンプの
流量値を求め、この流量値を前記分配比で分配すること
により各作業機に対する流量指令を算出し、この流量指
令を各作業機に対して出力する。各掘削区間毎の制御は
アーム角が目標角に到達ることにより終了し、制御は次
の掘削区間に移行する。このような制御を自動掘削終了
が検出されるまで繰り返す。自動掘削中は常に手動操作
が優先される。
〔実施例〕
以下、本発明を添付図面に示す実施例を参照して詳細に
説明する。
第2図はパワーショベルの概略構成を示すものであり、
走行体1上には上部旋回体2が旋回自在に支持され、旋
回体2にはブーム3の一端が軸支され、ブーム3の他端
にはアーム4が軸支され、さらにこのアーム4の他端に
はバケット5が軸支されており、これらブーム3、アー
ム4およびバケット5はブームシリンダ6、アームシリ
ンダ7およびバケットシリンダ8によって各別に回転駆
動される。
ここで、作業機各部の長さ、角度等を第3図に示すよう
定義する。すなわち、点Aをブーム回動点、点Bをアー
ム回動点、点Cをバケット回動点、点Dをバケット刃先
点とし、 l1;点A、B間の長さ l2;点B、C間の長さ l3;点C、D間の長さ α:線分ABと垂直軸とのなす角(ブーム角) β;線分BCと線分ABの延長線とのなす角(アーム角) γ;線分CDと線分BCの延長線とのなす角(バケット角) δ;掘削方向uとバケットの底板のなす角(掘削角) ε;掘削方向uと線分CDのなす角 とする。尚、バケット姿勢は角度ε等で定義するように
する。
まず、自動掘削の際の掘削軌跡の設定の仕方について説
明する。この実施例では、第4図に示すようなバケット
刃先についての掘削軌跡を設定する。この軌跡は所定点
0を中心とした半径Rの円弧軌跡であり、この円弧軌跡
をn個の点P1、P2、…、Pnで近似するようにする。軌跡
設定の際、1回の掘削土量V(図示ハッチング部)はバ
ケットの満杯量に所定数k(=1〜3)を掛けたものと
し、掘削深さdは線分CDの長さ(=l3)に所定数e(=
0.1〜1.5)を掛けた値とし、更に角度ψは10゜〜180゜
の間の適宜の値とする。これらの値k、e、ψと円弧の
半径Rは土質、バケット形状、作業内容等に応じて決め
られる値であり、それらの値を特定することより基準掘
削軌跡を決定する。また、このようにして決定した掘削
軌跡に対し、前述したようにn個の点P1〜Pnを近似し、
これら各点P1〜Pnを単位掘削区間毎のバケット刃先の目
標位置とする。点P2〜Pnの位置は掘削開始点P1の位置を
基準にして設定する。そして、これら各目標位置P1〜Pn
毎にバケット姿勢すなわち前記角度ε〜εを予め決
めておく。
このバケット姿勢εの決定に際しては、掘削開始時に掘
削角δが小さくなるようにするとともに、掘削中にバケ
ット背部がなるべく土と干渉しない範囲で掘削角δが小
さくなるようにするとにより、掘削抵抗をできるだけ小
さくするようにする。すなわち、この掘削では、ブー
ム、アームおよびバケットを同時に駆動することによ
り、バケットが姿勢ε〜εをもって目標位置P1〜Pn
に追従するように仮想線ODを単位角Δψ(=ψ/n)ずつ
回動させるようにする。
この実施例における自動掘削は第5図に示した手順にし
たがって実行され、以下その概略を説明する。この装置
では、ブーム、アーム、バケットの回動指令および旋回
指令を与える2本の操作レバー11、12の他に、自動掘削
モードを指示する操作ペダル10を設けており、該操作ペ
ダル10の操作(ペダルを踏み続ける)により前記円弧軌
跡に沿った自動掘削が行なわれる。
まず、オペレータは操作レバー11、12の操作によりバケ
ットの刃先を所望の掘削開始位置に移動させた後(第5
図(a))、操作ペダル10を踏むことにより、自動掘削
モードを選択するとともに掘削開始位置を指定する(第
5図(b))。
すなわち、操作ペダル10が踏まれたときには、該時点に
おけるバケット刃先位置が求められ、該求めた位置を今
回掘削時の掘削開始位置とするようにしている。
いま、ブーム回動点Aに対する掘削開始位置P1を(X1
Y1)とすると、この位置(X1、Y1)はペダル10が踏まれ
た時点におけるブーム角α、アーム角βおよびバケ
ット角γから、次式 X1=l1cos α+l2cos(α+β) +l3cos(α+β+γ) Y1=l1sin α+l2sin(α+β) −l3sin(α+β+γ) ……(1) によって求めることができる。
ところで、この実施例では第6図に示すごとく、前記検
出した掘削開始位置P1と予め設定した所定点Paとの位置
関係から地形の傾斜角θを想定し、この傾斜角θに応じ
て前記円弧軌跡を回転し、該回転した円弧軌跡に追従し
た自動掘削を行なうようにしている。前記所定点Paは履
帯1の前方の適当な位置に設定し、これにより地形の変
化にある程度対応できるようになる。
すなわち、この自動掘削においては、オペレータが掘削
開始位置のみを指定すれば今回掘削時の最適な掘削軌跡
およびバケット姿勢が決定されるように演算アルゴリズ
ムが予め設定されてある。なお、この実施例では前記設
定した複数の点P1〜Pnの車両(ブーム回動点A)に対す
る位置を掘削開始時に全て求めておくのではなく、各単
位区間において次の目標位置をその都度求めるようにし
て記憶容量を削減するようにしている。
掘削開始が指定されると、掘削開始位置に応じて決定し
た掘削軌跡上で単位角Δψ進んだ次の目標位置P2の座標
が求められる。また、バケットの姿勢も該目標位置P2
応じて定まっているので、この目標位置P2におけるブー
ム角α、アーム角βおよびバケット角γを一義的
に決定することができる。これら作業機の目標角α
β、γが決定されれば、現在の各作業機の実角度と
の偏差をとることにより上記地点P2までバケット刃先を
移動させるための各作業機の目標回動角Δα、Δβ、Δ
γを決定することができる。
第7図は、Δα、Δβ、Δγを求める演算を説明するた
めのもので、ψは水平線と線分ODとのなす角度、w1
掘削開始点P1での線分CDと線分ODとのなす角度、w2は次
目標位置P2での線分CDと線分ODとのなす角度である。
P2の座標を(X2、Y2)とすると X=l1cos(α+Δα) +l2cos(α+β+Δα+Δβ) +l3cos(α+β+γ+Δα+Δβ+Δγ)≒X1 +Y1Δα+{l2cos(α +β)+l3cos(α+β+γ)}Δβ +l3cos(α+β+γ)Δγ ……(2) となり、またX2は X2=X1+R・Δψ・sin(ψ+0.5Δψ) ……(3) とも表わすことができ、上記(2)式のl2cos(α
β)+l3cos(α+β+γ)=la、l3cos(α
+β+γ)・Δγ=lbとすると、上記(2)、
(3)式から Y1・Δα+laΔβ+lbΔγ= −R・Δψ・sin(ψ+0.5Δψ) ……(4) が成立する。
同様に、 Y2=Y1+X1Δα−{l2sin(α +β)l3sin(α+β+γ)}Δβ −l3sin(α+β+γ)Δγ ……(5) =Y1−R・Δψ・cos(ψ+0.5Δψ)……(6) が成立し、上記(5)式のl2sin(α+β)+l3sin
(α+β+γ)=lc、l3sin(α+β
γ)Δγ=ldとすると、上記(5)、(6)式から X1Δα+lcΔβ+ldΔγ =RΔψ・cos(ψ+0.5Δψ) ……(7) が成立する。
また ψ+w1=α+β+γ−π/2 ……(8) ψ+Δψ+w2=α+β+γ+Δα +Δβ+Δγ−π/2 ……(9) が成立するため、これら(8)、(9)式から w2−w1=Δα+Δβ+Δγ−Δψ ……(10) が成立する。
前記(4)、(7)、(10)式においてΔα、Δβ、Δ
γ以外は全て特定されるため、これら(4)、(7)、
(10)式を解くことにより掘削開始点P1から次の目標点
P2までバケット刃先を移動させるための各作業機の回動
角Δα、Δβ、Δγを求めることができる。
このようにして求めた回動角Δα、Δβ、Δγに基づき
各作業機シリンダに対する流量指令を決定するのである
が、この際、各作業機に供給する圧油流量の和Q5(=Q
bm+Qam+Qbt;Qbm,ブームに対する流量、Qam,アームに
対する流量、Qbt,バケットに対する流量)が、そのとき
のポンプの吐出流量になるように、各作業機に対する流
量指令を決定する。すなわち、前記回動角Δα、Δβ、
Δγに基づき各作業機が必要とする流量分配比を決定す
るとともに、第8図に示すポンプ流量Qとポンプ圧Pと
の馬力一定関係と現時点における実ポンプ圧Pdとから最
大出力時のポンプ流量Qdを求め、このポンプ流量Qdを前
記決定した配分比によって配分することにより各作業機
に対する流量指令値を決定する。また、この際、ブー
ム、アームおよびバケットが同時に目標角α、β
γに到達できるよう、各時点のブーム角、アーム角、
バケット角に基づき各作業機に供給される実流量を求
め、該算出した実流量に基づき前記配分比を随時調整す
るようにする。この単位区間毎の掘削はアームが目標角
βになったときを終了とし、アーム角が目標値β
なった時点で次の区間の制御に移行する。次の区間にお
いても、前記同様にして、まずバケット刃先の目標位置
P3とバケット姿勢角εが決定され、これら決定値に基
づき回動角Δα、Δβ、Δγが決定され、更に該Δα、
Δβ、Δγに対応する流量配分によって各作業機に対す
る流量指令が決定される。アームが目標角βになった
時点でこの区間の制御は終了し、次の区間の制御に移行
する。このような制御が終点Pnまで繰り返し実行される
ことにより、バケット刃先は第9図に示したごとく初期
位置P1(α11)から円弧軌跡上の目標位置…P8
(α88)…P15(α151515)…P
20(α202020)に沿って移動することになる(第
5図(C))。
第10図は上記演算制御の概念構成を示すものである。す
なわち、この自動掘削においては、各単位区間の初めに
次の目標点の座標位置を計算するようにしてメモリ容量
の削減を図るとともに、これら目標位置から求められる
流量指令に実流量値を適当な周期でフィードバックする
ようにして各作業機に対する流量指令を随時補正し、バ
ケット刃先が適正な姿勢で設定した掘削軌跡上を正確に
移動できるようにしている。
尚、掘削途中において操作パダル10が戻された場合、各
作業機に対する流量指令を零とし、操作レバー11、12に
よって手動操作が行なわれていない限り各作業機は直ち
に停止するようになっている。
また、自動掘削途中に手動レバー11、12による指令が入
力された場合には、安全性のために手動の方を優先と
し、レバー操作が中止された時点から自動掘削を再開す
るようにしている。例えば、第11図に示すごとく自動掘
削がP8まで進んだときに手動操作入力があったとする
と、レバー操作が中止された地点を再スタート点として
次の目標点P9に向う自動掘削を再開するようにする。す
なわち、自動掘削中に手動入力があったときには、自動
掘削を解除するのではなく、一時的に中断するようにし
ている。
また、この場合掘削の終了は油圧ポンプのポンプ圧値に
基づき検出されるようになっており、掘削区間がある程
度進んだ掘削後半になって油圧ポンプのポンプ圧が所定
値を超えた時点を掘削終了時と認知するようにしてい
る。この認知後はブームを上昇し、バケットを水平状態
までチルトして掘削を終了させる。このように、油圧ポ
ンプ圧による負荷検出によって掘削終了が検出されるよ
うになっているので、ムダ掘りを防止することができ
る。
この掘削終了後は、バケット傾角を常に水平に保持する
バケット水平保持モードに移行する(第5図(d))。
すなわちこのバケット水平保持モードのときにはブーム
操作レバーおよびアーム操作レバーからの入力指令に応
じてα+β+γ=3/2πを満たすようにバケット角γを
自動制御するようにして、バケット上面を常に水平に保
持する。また、この水平保持モードのときには前記自動
掘削要操作ペダルの操作は無効とする。このような制御
によって、積荷をこぼさないようにするとともに、積込
作業中の操作を簡単にする(バケット操作を不要にす
る)。
この自動掘削モードは、前記バケット水平保持モードの
際に、バケットが手動操作によりダンプ側に所定量以上
回動されたときに解除される。すなわち、バケット水平
保持モード中にオペレータが排土のためにバケットをダ
ンプ側に所定量以上回動したとき、自動掘削モードが解
除される(第5図(e))。
自動掘削モードが解除されると、制御はバケットを常に
最適な掘削開始時の姿勢に制御するバケット姿勢自動セ
ットモードに移行する(第5図(f))。すなわち、こ
のバケット姿勢自動セットモードにおいては、排土後、
ブーム、およびアームの位置によって決定されるバケッ
トピン(第3図のC点)の位置に応じて最適な掘削開始
時のバケット姿勢なるようバケットシリンダの制御を行
なう。具体的には、第12図に示すごとくバケット姿勢を
角度λ(バケット刃先位置および前記設定点Paを結ぶ線
分とバケット上面のなす角)で定義し、水平線と上記線
分との成す角をτとしたとすると、次式 α+β+γ+λ+τ=3/2π ……(11) 満足するようバケット角γを制御する。すなわち、上式
において、λは所定値であり、τはα、β等から求める
ことができ、手動操作により与えられたブーム角α、ア
ーム角αに応じて上記(11)式を満足するようバケット
角γを制御するようにする。ただし、このバケット姿勢
セットモードは、バケット操作レバー11が手動操作され
た場合中止され、その後各作業機はバケットを含めて操
作レバー11.12からの指令にしたがって駆動される。
尚、最初の自動掘削時あるいは前述のバケット姿勢セッ
トモードの際にオペレータがバケット姿勢を任意に変化
させた場合等においては、バケットは掘削開始時最適な
姿勢となっているとは限らないが、このような場合バケ
ット姿勢を次の区間までに急に最適なものに補正するの
ではなく、適当数の区間を設け、これら区間の間に徐々
に最適な角度に補正するようにする。
第1図は前述の各機能を実現する制御構成例を示すもの
で、自動掘削モード指定ペダル10が踏まれたか否かはペ
ダル操作検出器17によって検出され、検出信号はコント
ローラ20に入力される。また、バケットブーム操作レバ
ー11の操作方向および操作量はレバー位置検出器13およ
び15によって検出され、これら検出器13および15からバ
ケット回動指令およびブーム回動指令がスイッ
チ30および32に夫々入力される。また、アーム操作レバ
ー12の操作方向および操作量はレバー位置検出器14によ
って検出され、その検出信号であるアーム回動指令
はスイッチ31に入力される。これら操作レバー11.12に
よる指令信号はコントローラ20に対し
ても入力されている。
スイッチ30.31および32は夫々コントローラ20から入力
される切替制御信号SL1、SL2、およびSL3に基づきその
切替動作を行なうものでコントローラ20から入力される
自動掘削時の指令信号とレバー位置検
出器13.14.15から入力される手動掘削時の指令信号
とを各別に選択切替するものである。
バケット制御系40は、バケット角γを検出する角度セン
サ41、このバケット角γを微分して、実際のバケット回
動速度を検出する微分器42、目標値と実際のバケット
回動速度を示す信号の偏差をとる加算点43、および加
算点43からの偏差信号を0にすべくその偏差信号に応じ
た流量の圧油をバケットシリンダ4に供給する流量制御
弁44から構成されている。
同様に、アーム制御系50およびブーム制御系60は、バケ
ット制御系40と同様にそれぞれ角度センサ51.61、微分
器52.62、加算点53.63および流量制御弁54.64を有し、
指令値に一致するようにアームおよびブームを回動制御
する。
尚、これら流量制御系の角度センサ41.51.61によって検
出されたバケット角γ.アーム角.β.ブーム角αはコ
ントローラ20にも入力されている。また、作業機ポンプ
(図示せず)のポンプ圧が油圧センサ70によって検出さ
れ、その検出圧がコントローラ20に入力されている。
かかる構成の作用を第13図に示したフローチャートを参
照して説明する。操作ペダル10が踏まれたとすると、こ
れはペダル操作検出器17によって検出され、この検出信
号はコントローラ20に入力され、コントローラ20は自動
堀削モードによる制御を開始する(ステップ100)。
尚、自動モードは安全性のために操作レバー11.12によ
る手動操作が行なわれているときと、前記第5図(f)
に示したバケット姿勢自動セットモードの際に動作可能
とし、コントローラ20は、これら以外のときに操作レダ
ル10が踏まれたとしても自動モードを開始させないよう
にする。
自動モードが開始されると、コントローラ20は、角度セ
ンサ41.51.61.の出力γ.β.αに基づき該開始時点に
おけるバケット刃先位置P1を求める(第(1)式参
照)。続いて、コントローラ20はこの算出した堀削開始
位置P1を前記(4)(7)(10)式から作成された演算
プログラムに代入し、バケットが次目標位置P2において
バケット姿勢εをとりかつバケット刃先をP1からP2
で移動させる各作業機の所要回動角Δα.Δβ.Δγを
計算する(ステップ110)。次にコントローラ20はこれ
ら回動角Δα.Δβ.Δγから各作業機に供給する油の
配分比を決定し(ステップ120)、更にこのときの油圧
センサ70の出力からポンプ圧Pdを求め、第8図に示した
馬力一定関係からこのポンプ圧Pdに対応する最大出力時
のポンプ流量Qdを求め、このポンプ流量Qdを前記配分比
をもって配分することにより各作業機に対する指令信号
c.c.を求め、該指令信号c.c.をスイッ
チ32.31.30に夫々出力する(ステップ130)。尚、自動
モードが選択されると、スイッチ30.31.32の各接点はコ
ントローラ20の切替え制御信号SL1,SL2,SL3によってコ
ントローラ20側に切替えられており、コントローラ20か
らの前記指令信号c.c.はこれらスイッチ32.31.
30を介してブーム制御系60.アーム制御系50.バケット制
御系40に入力される。
次のステップ140においては、コントローラ20はペダル
操作検出器17の出力に基づきペダル10が踏まれいるか否
かを判定し、ペダル10の復帰を検出した場合は各流量制
御系に入力する指令信号c.c.を直ちに零にする
(ステップ150)。また、ステップ160においては操作レ
バー11.12の操作により手動指令r.r.が入力さ
れたか否かが判定され、入力されていた場合は手動指令
を優先する(ステップ170)。すなわち、手動指令が入
力された場合は、スイッチ30.31.32のうち該入力された
手動指令に対応する作業機のスイッチを操作レバー側に
切換えるようにして操作レバー側からの指令信号を対応
する流量制御系に供給するようにする。
このように、操作ペダル10と操作レバー11.12の操作態
様に応じてコントローラ20からの指令信号c.c.
(操作ペダルがオフのときは零)もしくは手動レバー1
1.12からの指令信号r.r.が対応する流量制御系
60.40.50に入力され、これによりバケット、アーム、ブ
ームが回動される(ステップ180)。尚、コントローラ2
0は角度センサ41.51.61の出力に基づき各シリンダ8.7.6
に供給される油の実流量を求め、これら実流量値に応じ
て前記配分比を逐次調整するようにしている。
次に、コントローラ20は角度センサ51の検出出力βに基
づきアームが目標角度βに達したか否かを判定し(ス
テップ190)、目標角βに達していない場合はステッ
プ120に戻り、前記同様の制御を繰り返す。アームが目
標角βに達し場合は、堀削終了か否かが判定され(ス
テップ200)、終了できない場合はステップ110に戻り、
バケット刃先位置を次の目標位置P3に移動させる演算手
段を前記同様にして行なう。以下同様にしてステップ20
0で堀削終了と判断されるまで目標位置P4、P5…に沿っ
てバケット刃先を移動させる。尚、この場合、堀削区間
が後半になって油圧センサ70の出力値が所定値を越えた
時点を堀削終了時として検出するようにしている。ま
た、自動堀削中に手動指令が入力された場合コントロー
ラ20は、該手動指令が中止された時点で手順をステップ
110に復帰させ、該手動指令が入力されていた作業機に
対応するスイッチをコントローラ20側に切替え、手動操
作が中止された地点を再スタート点として、全ての作業
機をコントローラ20から指令信号によって再駆動するよ
うにする。
ステップ200において堀削終了が判定されると、コント
ローラ20はバケット傾角を水平に制御するバケット水平
保持モードに移行する(ステップ210)。この水平保持
モードにおいては、スイッチ31.32を手動レバー11.12側
に切替え、スイッチ30はそのままコントローラ20側に接
続するようにし、ブームおよびアームは手動指令にした
がって駆動されるようにする。そしてバケットに関して
はα+β+γ=3/2πを満たすようコンツローラ20から
指令信号を出力するようにして、ブームおよびアー
ムが任意に手動操作されてもバケット傾角が常に水平に
なるようにする。このバケット水平保持モード中かにバ
ケットが所定角以上ダンプ側に回動されたとすると、コ
ントローラ20は自動モードを解除し(ステップ220)、
手順をバケット姿勢初期セットモードに移行させる(ス
テップ230)。このモードにおいては、最初、スイッチ3
1.32は手動レバー11.12側に接続され、スイッチ30はコ
ントローラ20側に接続されており、ブームおよびアーム
に関してのみ手動指令を各制御系に入力するようにして
いる。そして、バケットに関しては前記(11)式を満た
すようコントローラ20からの指令信号cを出力するよ
うにしてバケットがバケット高さに応じて常に最適な初
期姿勢をとるようにしている。尚、この自動セットモー
ドはバケットに関する手動指令が入力された場合中止さ
れる。
尚、上記実施例では、堀削後半になってポンプ圧が所定
の設定値を越えた時点、すなわち作業機にかかる負荷が
一定値を越えたときを堀削終了とし、その後手順をバケ
ット水平保持モードに移行させるようにしたが、単に分
割区間数を計数し、所定区間数の堀削が終了したときを
堀削終了としてもよく、更にバケットの絶対姿勢を判定
し、バケット絶対姿勢がほとんど水平に近づいたときを
堀削終了と判定するようにしてもよい。
また、上記実施例では走査ペダル10が踏まれた時点を堀
削開始時とし、この時点のバケット刃先位置を堀削開始
位置とするようにしたが、より正確に堀削開始点を設定
するために、ポンプ圧により負荷を検出し、第14図に示
すごとくポンプ圧が設定した所定値Jを越えた時を自動
堀削開始時とするようにしてもよい。すなわち、操作ペ
ダル10が踏まれた時点を堀削開始とした場合、バケット
刃先が地面に到達したときと操作ペダルを踏む時点を完
全に一致させるのは困難であり、堀削開始位置にバラツ
キが生じることになり、このことは堀削土量にバラツキ
を生じ、堀削効果が悪くなる原因となり得る。このた
め、堀削開始時の判定条件を、操作ペダルが踏まれた後
のポンプ圧が設定値J以上となったときとするようすれ
ば、より正確な堀削開始点の判定が可能になる。すなわ
ち、操作ペダルが踏まれたときにバケット刃先が地面か
ら離れているとすると、操作ペダルが踏まれた時点から
バケットが着地する迄の間は手動操作を止めたとしても
各作業機は着地方向に自動的に移動させるようにする。
その後、バケットが着地した時点においては負荷に変動
があるので、この変動をポンプ圧によって検出するよう
にする。具体的には、ポンプ圧に関して堀削開始時点検
出用の設定値Jを設定し、ポンプ圧がこの設定値Jを越
えた時点を真の堀削開始時点とし、このときのバケット
刃先位置を堀削開始位置としる。尚、この場合、各作業
機に各別のポンプが設けられているときには、検出値の
大きな作業機のポンプ圧によって堀削開始時点を検出す
るようにすればよい。またこの検出方式においてはポン
プ圧により負荷検出を行なうので1ポンプ式の場合には
圧力計が1個で済むという利点がある。
更に、上記実施例に以下に示すムダ掘り防止機能を付加
するようにしてもよい。この装置においては前述したよ
うに堀削角δが常に小さくなるように自動堀削を行なっ
ており、このような堀削においては土質等の条件が同じ
だとすると、同じ土量をすくい込み、かつ押しのけるの
に必要な仕事量は一定であり、またこの装置において
は、第8図に示した馬力一定曲線に沿ってポンプ制御を
行なっているため上記仕事量を行なうに必要な時間をほ
ぼ一定にすることができると想定される。そこで、まず
水平な地面の現場で自動堀削を1回施行し、その時の堀
削時間すなわちバケットを地面に接地してからすくい上
げ(ブームを上昇し、バケットをチルトする)を開始す
るまでの時間を測定し記憶し、次回以降の自動堀削は、
堀削開始時点からこの記憶時間が経過した時点で前記す
くい上げを開始させるようにしてムダ掘りを防止するよ
うにする。尚、前記計時および記憶動作を行なわせるた
めに、例えば適宜の操作ボタンを設け、操作ペダル10に
よる自動堀削開始指定前にこのボタンが投入された場合
に堀削時間の測定記憶動作を行なわせるようにすればよ
い。このような機能を補足するようにすれば、堀削回数
や堀削軌跡の変化等により地形が変化したとしても、ム
ダ掘りが確実に防止され、堀削時間を短縮することがで
きる。
ところで、上記実施例では操作ペダルにより自動モード
を指定するようにしたが、押ボタン等の適宜の操作スイ
ッチにより自動モードを選択するようにしてもよい。ま
た、この実施例では各作業機の指令値として速度指令を
与えるようにしたが、位置(角度)指令を与えるように
構成してもよい。
[発明の効果] 以上説明したように、本発明によれば、操作ペダル、操
作ボタン等の自動モード指定手段のみの簡単な操作によ
って効率のよい堀削軌跡に沿った全自動掘削制御が可能
となるとともに、この堀削時には堀削抵抗が少なく、か
つ荷こぼれがなく、さらにポンプ出力を有効利用するよ
うに作業機の制御が行われるので、作業効率の向上およ
び堀削時間の短縮を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例を示すブロック図、第2図は
パワーショベルの外観図、第3図は作業機の長さ、角度
等を定義するために用いた図、第4図は自動堀削軌跡の
設定法を説明するための図、第5図は自動堀削の手順を
説明するための工程図、第6図は堀削軌跡の回転態様を
示す図、第7図はΔα.Δβ.Δγを求める手法を説明
するために用いた図、第8図は馬力一定曲線を示す図、
第9図は自動堀削時の各作業機の移動例を示す図、第10
図は目標位置の計算および指令信号の出力態様を概念的
に示す図、第11図は自動堀削中に手動指令が入力された
際の堀削態様を示す図、第12図はバケット姿勢初期セッ
トモードを説明するための図、第13図は第1図のコント
ローラの動作を説明するために用いたフローチャート、
第14図は堀削開始時を判定するためのポンプ圧と設定値
との関係を示す図、第15図は従来装置の不都合を説明す
るに用いた図である。 1……履帯、2……上部旋回体、3……ブーム、4……
アーム、5……バケット、6……ブームシリンダ、7…
…アームシリンダ、8……バケットシリンダ、10……自
動堀削用操作ペダル、11……バケットブーム操作レバ
ー、12……アーム旋回操作レバー、13.14.15……レバー
位置検出器、17……ペダル操作検出器、20……コントロ
ーラ、30.31.32……スイッチ、40……バケット制御系、
41.51.61……角度センサ、42.52.62……微分器、43.53.
63……加算点、44.54.64……流量制御弁、50……アーム
制御系、60……ブーム制御系、70……油圧センサ。

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】バケット、アームおよびブームを有するパ
    ワーショベルの作業機制御方法において、 バケット刃先の基準移動軌跡を複数の地点によって近似
    し、掘削開始位置を基準としたこれら複数の地点の位置
    とこれら複数の地点にバケット刃先が位置するときのバ
    ケット姿勢とを予め設定するとともに、 作業機操作レバーによってバケット刃先を掘削開始位置
    まで移動させる第1の工程と、 自動掘削開始が指定されると、この指定時点におけるバ
    ケット角、アーム角およびブーム角から車両に対する掘
    削開始位置を算出する第2の工程と、 該算出した車両に対する掘削開始位置に基づき前記設定
    した複数の地点の車両に対する位置を前記複数の地点に
    よって分割した各掘削区間毎に算出するとともに、該算
    出した位置にバケット刃先を移動させかつバケットを当
    該地点ごとに前記設定したバケット姿勢とするに要する
    バケット回動角、アーム回動角およびブーム回動角を前
    記各掘削区間毎に算出し、該算出した各回動角を各掘削
    区間毎の目標回動角としてバケット、アームおよびブー
    ムを自動的に駆動する第3の工程と、 前記第3の工程の終了後、バケットを水平に保持するよ
    うアームおよびブームに関する操作レバーからの手動指
    令に応じてバケットをバケットに関する操作レバーから
    の手動指令優先で自動的に駆動する第4の工程と、 前記第4の工程の終了後、バケットがその高さに応じて
    各所定の初期姿勢となるようアームおよびブームに関す
    る操作レバーからの手動指令に対応してバケットを自動
    的に駆動する第5の工程とを具えるパワーショベルの作
    業機制御方法。
  2. 【請求項2】前記第3の工程における各掘削区間毎の制
    御は、アーム回動角が目標角に達すると次の掘削区間の
    制御に移行する特許請求の範囲第(1)項記載のパワー
    ショベルの作業機制御方法。
  3. 【請求項3】前記3の工程は前記設定した全掘削区間の
    掘削が終了すると終了する特許請求の範囲第(1)項記
    載のパワーショベルの作業機制御方法。
  4. 【請求項4】前記第3の工程はバケットの絶対姿勢が略
    水平となったときに終了する特許請求の範囲第(1)項
    記載のパワーショベルの作業機制御方法。
  5. 【請求項5】前記第3の工程は掘削区間が所定区間以上
    進んだ後、作業機ポンプ圧が所定の設定値を超えた時点
    で終了する特許請求の範囲第(1)項記載のパワーショ
    ベルの作業制御方法。
  6. 【請求項6】前記第4の工程はバケットが手動指令によ
    り排土側へ所定量以上回動された時点で終了する特許請
    求の範囲第(1)項記載のパワーショベルの作業制御方
    法。
  7. 【請求項7】バケット、アームおよびブームを有するパ
    ワーショベルの作業機制御装置において、 自動モードを指定する自動モード指定手段と、 自動モードによる掘削開始時点を検出する自動モード開
    始検出手段と、 バケット角、アーム角およびブーム角を検出する角度検
    出手段と、 作業機ポンプのポンプ圧を検出する圧力検出手段と、 前記自動モード開始検出手段の出力に基づき掘削開始時
    点における前記角度検出手段の検出値を取り込み、これ
    ら検出値に基づき車両に対する掘削開始時点のバケット
    刃先位置を求める第1の演算手段と、 複数の地点によって近似したバケット刃先の基準移動軌
    跡とこれら複数の地点にバケット刃先が位置するときの
    各バケット姿勢とが予め設定され、前記第1の演算手段
    によって求めた掘削開始位置に基づき前記設定した複数
    の地点の車両に対する位置を前記複数の地点によって分
    割した各掘削区間毎に1位置ずつ算出するとともに、該
    算出した位置にバケット刃先を移動させかつバケットを
    当該地点毎に前記設定したバケット姿勢とするに要する
    バケット回動角、アーム回動角およびブーム回動角を前
    記各掘削区間毎に算出する第2の演算手段と、 前記各掘削区間毎に算出したバケット回動角、アーム回
    動角およびブーム回動角に基づき各作業機に供給する圧
    油流量の配分比を各掘削区間毎に求め、前記圧力検出手
    段の検出ポンプ圧から求めたポンプ流量と前記求めた配
    分比とに基づき各作業機に対する流量指令を算出し出力
    する第3の演算手段と、 前記角度検出手段の出力に基づきアーム角が各掘削区間
    毎の目標角に達した時点を夫々検出し、該検出時点にお
    いて前記第2および第3の演算手段による演算制御を当
    該掘削区間の演算制御から次の掘削区間の演算制御に移
    行させる掘削区間終了検出手段と、 前記自動モード指定手段によって自動モードが指定され
    ると、前記第3の演算手段から出力される各流量指令を
    手動指令優先で手動指令に代えて出力する切替手段と 前記自動モードによる自動掘削の終了を検出する自動掘
    削終了検出手段とを具えるパワーショベルの作業機制御
    装置。
  8. 【請求項8】前記第3の演算手段は、自動モード指定手
    段による自動モードが解除されると出力する各流量指令
    を零にする特許請求の範囲第(7)項記載のパワーショ
    ベルの作業機制御装置。
  9. 【請求項9】前記自動モード開始検出手段は、前記自動
    モード指定手段による指定時点を検出するものである特
    許請求の範囲第(7)項記載のパワーショベルの作業機
    制御装置。
  10. 【請求項10】前記自動モード開始検出手段は、前記圧
    力検出手段の検出ポンプ圧が所定値を超えた時点を検出
    するものである特許請求の範囲第(7)項記載のパワー
    ショベルの作業機制御装置。
  11. 【請求項11】前記第2の演算手段は、前記第1の演算
    手段によって求められた掘削開始位置と所定の基準位置
    とのなす角度に応じて前記設定した基準移動軌跡を回転
    し、該回転した軌跡上の複数の地点の車両に対する位置
    を算出し、該算出した位置から各掘削区間毎のバケット
    回動角、アーム回動角およびブーム回動角を算出する特
    許請求の範囲第(7)項記載のパワーショベルの作業機
    制御装置。
  12. 【請求項12】前記自動掘削終了検出手段は、掘削区間
    が所定区間以上進んだ後、前記圧力検出手段の検出ポン
    プが所定値を超えた時点を検出するものである特許請求
    の範囲第(7)項記載のパワーショベルの作業機制御装
    置。
  13. 【請求項13】前記自動掘削終了検出手段は、自動掘削
    を試行したときの掘削時間を記憶するメモリを有し、次
    回以降の自動掘削の際は該メモリに記憶した掘削時間が
    経過した時点を掘削終了時とする特許請求の範囲第
    (7)項記載のパワーショベルの作業機制御装置。
  14. 【請求項14】前記第3の演算手段は、前記角度検出手
    段の各出力に基づき圧油の実流量を求め、該求めた実流
    量に基づきバケット、アームおよびブームが同時に各掘
    削区間毎の目標角に到達できるよう前記求めた配分比を
    逐次補正する特許請求の範囲第(7)項記載のパワーシ
    ョベルの作業機制御装置。
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