JPH0791844B2

JPH0791844B2 - 作業機の制御装置

Info

Publication number: JPH0791844B2
Application number: JP1041730A
Authority: JP
Inventors: 誠治鎌田; 周武田
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 1989-02-23
Filing date: 1989-02-23
Publication date: 1995-10-09
Anticipated expiration: 2010-10-09
Also published as: JPH02221527A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、パワーショベル等掘削用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、油圧式のパワーショベルは第14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。

上記従来の操作技術の困難を改善するための従来技術と
しては、特公昭61-45025号公報に示されるように、バケ
ット回動点によるx,y方向の掘削速度をそれぞれレバー
等により入力して、バケット回動点が与えられた軌跡上
を動くように、各アクチュエータ操作量を演算して自動
掘削するものがあった。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術においては、自動掘削中に、オペレータが
掘削速度を逐次与えなければならず、また目標とする掘
削勾配を得るためには、x,y方向の速度の設定が困難で
あった。

また女性等オペレータが素人である場合、効率よく高精
度の掘削を行なうためには、自動掘削の動き始めや、ブ
ームの折り返し点付近での速度の微調整がうまくいか
ず、自動掘削といっても、ある程度の熟練技術がオペレ
ータに要求されている。

すなわち、従来は、掘削勾配と共に、掘削速度を入力し
なければならず、掘削速度の入力なしに自動掘削できる
ものがなかった。

従って従来の技術では、速度教示の手間及び入力装置が
必要であり、さらに上記速度入力に伴う演算を行なう演
算装置も高価になるという問題があった。

さらに従来は、バケット３を掘削面に対して一定の姿勢
で目標軌跡に沿った掘削を行なう場合、アーム２の先端
位置が目標軌跡と平行に移動するように、ブーム１及び
アーム２を制御し、バケット３は個別に、ブーム角、ア
ーム角の検出信号から姿勢が一定になる様に制御してい
たが、この場合、アーム２の先端位置の軌跡誤差と、バ
ケット３の姿勢誤差が加算されて刃先の軌跡誤差に表わ
れるため、掘削精度が悪くな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、オペレ
ータは掘削速度制御を一切行なうことなく所望の勾配の
自動掘削を少ない労力で精度よく行なうことができて、
オペレータの運転操作の労力軽減を図ることができると
共に、自動掘削のための制御装置の演算装置を安価にす
ることができ、さらに掘削精度を向上することができる
ようにした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、車体に回動可能に取付けたブームと、ブームの
先端に回動可能に取付けたアームと、アームの先端に回
動可能に取付けたバケット等の先端作業機とを有し、か
つ上記各部材をシリンダ等のアクチュエータにて回転駆
動するようにした作業機において、上記各アクチュエー
タを制御するアクチュエータ制御手段と、上記ブーム、
アーム、先端作業機のそれぞれの姿勢角を検出する作業
機姿勢検出手段と、上記先端作業機にて掘削しようとす
る掘削面の目的とする掘削勾配を与える勾配入力手段
と、先端作業機の基準平面からの目標傾角を与える先端
傾角入力手段と、上記作業機姿勢検出手段からの出力値
と勾配入力手段及び先端傾角入力手段とから指令値を受
けて、先端作業機が上記先端傾角入力手段にて与えられ
た傾角で、かつ、勾配入力手段で与えられた掘削勾配
を、きめられた固有の速度で移動するための操作量を演
算して、その値を上記各アクチュエータ制御手段へ出力
するアクチュエータ操作量演算手段とを備えた構成とな
っている。

また、車体に回動可能に取付けたブームと、ブームの先
端に回動可能に取付けたアームと、このアームの先端に
回動可能に取付けたバケット等の先端作業機とを有し、
かつ上記各部材をシリンダ等のアクチュエータにて回動
駆動するようにした作業機において、上記各アクチュエ
ータを制御するアクチュエータ制御手段と、上記ブー
ム、アーム、先端作業機のそれぞれの姿勢角を検出する
作業機姿勢検出手段と、上記先端作業機にて掘削しよう
とする掘削面の目標とする掘削勾配を与える勾配入力手
段と、上記作業機姿勢検出手段からの検出値と勾配入力
手段からの指令値を受けて、先端作業機を固定にした状
態で先端作業機が上記勾配入力手段で与えられた掘削勾
配をきめられた固有の速度で移動するための操作量を演
算して、その値を上記アクチュエータ制御手段へ出力す
るアクチュエータ操作量演算手段とを備えた構成となっ
ている。

さらに上記作業機において、アクチュエータ操作量演算
手段に、先端作業機の移動方向を手前側と押出し側に選
択する移動方向選択手段を備えた構成となっている。

〔作用〕

ブーム、アーム、先端作業のそれぞれの姿勢角は作業機
姿勢検出手段にて検出され、この検出値と、勾配入力手
段及び先端傾角入力手段からの指令値がアクチュエータ
操作量演算手段に入力されると、このアクチュエータ操
作量演算手段で、上記先端作業機が、上記先端傾角入力
手段にて与えられた傾角で、かつ勾配入力手段で与えら
れた掘削勾配を、この演算手段できめられた固有の速度
で移動（掘削）するための指令がアクチュエータ制御手
段へ出力し、先端作業機は上記与えられた傾角で、かつ
きめられた速度で与えられた勾配の法面を掘削する。

また作業機姿勢検出手段からの検出値と、勾配入力手段
から指令値がアクチュエータ操作量演算手段に入力され
ると、このアクチュエータ操作量演算手段で、先端作業
機を固定にした状態で、勾配入力手段で与えられた掘削
勾配を、この演算手段できめられた固有の速度で先端作
業機が移動（掘削）するための指令がアクチュエータ制
御手段へ出力し、先端作業機は一定の姿勢で、かつきめ
られた速度で与えられた勾配の法面を掘削する。

上記法面を掘削する先端作業機は、移動方向選択手段を
操作することにより与えられた勾配に対して手前側と押
出し側に移動される。

〔実施例〕

本発明の実施例を第１図から第13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14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、位置を第２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（基
準面）に対する傾角をδ、ブーム１の長さをl₁、アーム
２の長さをl₂、バケット３の長さをl₃、バケット３の先
端の前後方向の位置をｘ、上下方向の位置をｙ、掘削勾
配をφとする。

第１図に示す本発明の構成において、勾配入力手段７か
ら勾配指令φ_γを、先端傾角入力手段８からバケット傾
角指令δ_γを、また作業機姿勢検出手段10a,10b,10cか
らブーム角検出値α_a、アーム角検出値β_a、バケット角
検出値γ_aをそれぞれアクチュエータ操作量演算手段９
に入力し、このアクチュエータ操作量演算手段９では、
バケット３の目標傾角、刃先の目標軌跡及びバケット３
の実傾角と実軌跡を演算し、これらから与えられたバケ
ット傾角で目標軌跡上を移動するためのブーム１、アー
ム２、バケット３への各アクチュエータへ供給する液体
の流量指令値Ｖ_α,V_β,V_γを演算し、これに基づいて流
量制御弁11a,11b,11cを制御して各シリンダ4,5,6を駆動
する。

このとき上記勾配入力手段７としては第３図（ａ）に示
すように、ダイヤル7aにより予め設定する方法や、第３
図（ｂ）に示すように、レバー7bにより自動掘削中に逐
次入力する方法、さらに第３図（ｃ）に示すように、ダ
イヤル7aによる勾配設定値にレバー7bによる補正信号を
加算する方法が考えられる。

また上記バケット３の先端傾角入力手段８としては、上
記と同様に、予め設定する方法と、自動掘削中逐次入力
する方法、設定値に逐次入力信号を加算する方法が考え
られる。

また上記先端傾角入力手段８としては、ダイヤル等によ
り手動で入力するかわりに、第４図に示すように、自動
的に掘削開始直前の作業機姿勢検出値のα₀，β₀．γ₀
からバケット３の水平面（基準面）からの始点傾角δ₀
を演算し、これをサンプルホールド等により保持して傾
角指令値δ_γ _(t)としてもよい。

ここで第２図よりの関係から、上記始点傾角δ₀を求めることができる。

上記作業機姿勢検出手段10a,10b,10cとしては、ポテン
ショメータ、エンコーダ等により各回転を検出する方法
や、シリンダ長と回転角は１対１に対応しているので、
各シリンダストロークを検出する方法もある。

上記アクチュエータ操作量演算手段９については、第２
図において、各回転角α，β，γと先端位置x,yの関係
は、で表わされるので、（２）式及び上記（１）式におい
て、ブーム１、アーム２、バケット３の検出角α_a，
β_a，γ_aから求めた刃先の位置x,y及び先端傾角δは
ｘ_a,y_a，δ_aとして求めることができる。

また掘削開始直前の各軸検出角から求めた刃先の位置を
ｘ₀,y₀とすると、目標軌跡（ｘ_γ,y_γ）はとなる。ただし、勾配指令値をφ_γ _(t)、速度をｖとす
る。このとき、速度ｖはアクチュエータ操作量演算手段
９の演算回路内で適当な値で固定され、固有の速度ｖと
なっている。

またこの速度ｖは掘削開始から時間的に適当な速度パタ
ーンv_(t)で変化するようにしてもよい。

ここで第５図に示すように、車体がεだけ傾斜している
場合は、上記（３）式において、勾配φの代わりにφ−
εを入力して車体傾斜を補正するようにしてもよい。

また逆にブーム検出角α_aをα_a−εに置き換えて車体傾
斜を補正する方法も考えられる。

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（ｘγ（ｔ）,yγ（ｔ））
及びバケット３の刃先の現在位置（x,y）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。

以上より求めた先端作業機（バケット３）の先端の位置
及び姿勢の目標値ｘ_γ,y_γ，δ_γと、検出角α_a，β_a，
δ_aから求めた実際の位置、姿勢x_a,y_a，δ_aの偏差をと
り、それぞれ適当なゲインK_x,K_y,Ｋ_δを乗じたものを
D_x,D_y,Ｄ_δとする。

すなわち、ここで上記したように、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る。

上記（５）式の位置及び姿勢の偏差をブーム１、アーム
２、バケット３の各回動軸での角度偏差へ変換する方法
については、上記（Ｉ）、（２）式を時間で微分して行
列で表わすと、ただし、Ａ＝l₁cosα Ｂ＝cos（α＋β）Ｃ＝l₃cos（α＋β＋γ）Ｄ＝l₁sinα Ｅ＝l₂sin（α＋β）Ｃ＝l₃sin（α＋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傾角の偏差，，
から各軸回動角変化量，，を求めるには、上式
の両辺に左から逆行列T^-1を乗じ、x,y,δに上記（５）
式の偏差信号D_x,D_y,Ｄ_δを代入すれば、このときの各軸
の目標回転角速度指令γ，γ，γを得ることがで
きる。すなわち、として求められる。

第６図において、上記のようにして求めた各軸の回動角
速度指令_γ，_γ，_γと、検出角α_a，β_a，δ_aを
微分器により求めた実角速度_a，_a，_aとの偏差に
適当なゲインK_a,K_b,K_cを乗じたものを各流量制御弁11a,
11b,11cへの指令値として与え、各アクチュエータを制
御して自動掘削を行なう。

また上記流量指令値のかわりに、第７図に示すように、
各回動角速度指令γ，γ，γの積分値と、各検出
角α_a，β_a，δ_aとの偏差に適当なゲインK_a′，K_b′，K
_c′を乗じたものを流量指令値として各アクチュエータ
を制御する方法も考えられる。

また第８図に示すように、各回動軸の指令値に、上記回
動角速度指令にゲインK_a″，K_b″，K_c″を乗じたものを
それぞれ加算することにより定常偏差を減少させること
もできる。

さらに第９図に示すように、各シリンダ4,5,6の流入、
流出側の圧力差を検出し、適当なゲインK_a，K_b，K_c
を乗じて各流量指令値を補正することによりアクチュ
エータの振動を抑制することもできる。

以上の基準面に対してバケット３の傾角を一定に保って
目標軌跡上を掘削する場合について説明したが、バケッ
ト３の傾角を入力せず、ブーム１、アーム２のみによっ
て自動掘削を行なうこともできる。

すなわち上記（２）式において、バケット角γを一定と
して微分すると、となり、この式の角速度，を速度，で表わす
と、となる。ここで、上記（５）式の位置偏差D_x,Dxを，
に代入すると、そのときのブーム１、アーム２の角度
偏差、すなわち、回動角速度指令_γ，_γを求めるこ
とができる。

よって、第１図に示す構成にかえて第12図に示す構成、
すなわちブーム１、アーム２のシリンダ4,5だけを上記
説明した方法により制御して目標軌跡を自動掘削するこ
とができる。

またバケット角速度指令_γ＝０としてフィードバック
をとれば、負荷等によるバケット角のずれを抑えること
ができる。

次に、与えられた勾配φでバケット３の刃先が手前側へ
移動するか、車体から離れる方（押出し方向）へ移動す
るかを選択し、入力する場合について述べる。

第10図（ａ）において、手前側への掘削の場合はvcos
φ,vsinφのが負であることにより、この両式のｖを負
とすればよく、押出し方向への掘削は逆になるので、ｖ
を正にとればよい。

すなわち、第10図（ｂ）において、手前・押出の選択を
行なう選択スイッチ12からのON、OFF信号により速度ｖ
の符号を選択し、上記（３）式により目標軌跡（ｘ_γ
_(t),y_γ _(t)）を求めることができる。

次に掘削の開始終了方法についての他の実施例を第11図
にて説明する。自動・手動切換スイッチ19の信号によ
り、各軸操作レバー13,14,15からの信号と、アクチュエ
ータ操作量演算手段９からの流量指令値Ｖ_α,V_β,V_γと
をリレー16により切換え、自動掘削開始スイッチ17から
の信号により、アクチュエータ操作量演算手段９におい
て、上記（１）式により刃先位置（ｘ_γ _(t),y_γ _(t)）、
先端傾角入力手段８からのバケット傾角指令δ_γを逐次
出力し、上記説明した方法により自動掘削を行なう。

ここで、自動掘削終了スイッチ18が押された場合は、刃
先の目標位置（ｘ_γ,Y_γ）をサンプルホールドにより保
持して作業機姿勢を保持させ、停止させる。また、各軸
操作レバーが操作されたことを検出して同様に目標位置
をサンプルホールドして停止する方法も考えられる。

またここで自動・手動切換スイッチ19を押すことにより
リレー16を手動側に切換えて通常作業を行なうことがで
きる。

上記掘削終了指示の別の手段としては、予めダイヤル等
で掘削長さを入力し、終点位置に刃先が達成した場合、
目標刃先位置をその位置でサンプルホールドにより保持
して掘削を停止させることもできる。

すなわち、掘削長さをＬ、勾配をφ、始点での刃先のｘ
方向位置をx₀とすると、終点位置x_eは x_e＝x₀−Lcosφ …（８）で与えることができ、この値と、刃先の目標位置指令ｘ
_γ _(t)とを比較して終了を自動的に指令することができ
る。

また終了指示の別の方法としては、ブーム１、アーム
２、バケット３の各回動軸の最大、最小可動角と、各回
動軸の検出角の大小を比較し、いずれからの回動軸で可
動角を越える方向へ指令が出た場合、その時の刃先の目
標位置を保持することにより、自動的に停止させること
ができる。

また予め計算により、ブーム、アーム、バケットのいず
れかがストロークエンドに最初に達する点を終点として
求めておいてもよい。

すなわち、ブーム、アーム、バケットそれぞれ、いずれ
か１軸をストロークエンド付近の設定角に固定して、他
の２軸により、与えられた傾角で目標軌跡上に刃先が位
置する点をそれぞれ求め、これら３点のうち、始点に一
番近い点を終点として掘削開始前に演算しておくことに
より自動的に停止させることができる。

また上記において３軸のかわりに２軸での場合も同様で
ある。

〔発明の効果〕

本発明によれば、バケット等の掘削用の先端作業機によ
る掘削速度をアクチュエータ操作量演算手段にきめられ
た固有の速度となり、作業時のオペレータは掘削速度の
入力は一切行なうことなく自動掘削を行なうことがで
き、オペレータの操作労力を最大限に軽減することがで
きる。アクチュエータ操作量演算手段も速度設定手段か
らの入力信号を受け入れる必要がなくなり、それだけそ
の構成を簡単にすることができ、これによりコスト低減
及び故障の減少を図ることができる。

また一般に掘削速度と精度の関係は、各アクチュエータ
の圧力流体の流量の飽和や、各部材の慣性力の影響等に
より、第13図に示すように、速度がある値を越えると、
軌跡誤差が急に大きくなって精度が急に悪くなる点があ
るが、本発明においてアクチュエータ操作量演算手段で
きめる固有の速度を、上記第13図で示される最大有効速
度に固定しておくことにより、効率よく掘削を行なうこ
とができる。

さらに本発明によれば、バケット３の刃先の位置及び掘
削姿勢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、先端傾角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傾角のずれ
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。

またさらに本発明によれば、上記アクチュエータ操作量
演算手段が、先端作業機を固定にした状態となるように
して所定の掘削指令を出力することにより、速度設定手
段のほかに、先端傾角入力手段も不要となり、上記効果
がさらに大きくなる。

さらに先端作業機の刃先の移動する向きは、移動方向選
択手段により手前側と押出し側に簡単に調整することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図から第13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（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は勾配
入力手段の異なる実施例を示すブロック図、第４図は先
端傾角入力手段の一実施例を示すブロック図、第５図は
車体の傾斜及び座標変換説明図、第６図、第７図、第８
図、第９図は流量指令演算の実施例をそれぞれ示すブロ
ック図、第10図（Ａ）、（Ｂ）は手前側・押出し側の掘
削向き選択手段の説明図とブロック図、第11図は他の実
施例を示すブロック図、第12図は他の発明の実施例を示
すブロック図、第13図は速度と掘削精度の関係を示す説
明図であり、第14図は油圧パワーショベルの一例を示す
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、７は勾配入力手段、８は先端傾角入力手段、９は
アクチュエータ操作量演算手段、10a,10b,10cは姿勢検
出手段、12は手前・押出しの方向選択スイッチ、13,14,
15は操作レバー、16は自動・手動切換リレー、17,18は
開始及び終了スイッチ、19は自動・手動切換スイッチ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】車体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等の先端作
業機とを有し、かつ上記各部材をシリンダ等のアクチュ
エータにて回動駆動するようにした作業機において、上記各アクチュエータを制御するアクチュエータ制御手
段と、上記ブーム、アーム、先端作業機のそれぞれの姿勢角を
検出する作業機姿勢検出手段と、上記先端作業機にて掘削しようとする掘削面の目標とす
る掘削勾配を与える勾配入力手段と、先端作業機の基準平面からの目標傾角を与える先端傾角
入力手段と、上記作業機姿勢検出手段からの検出値と勾配入力手段及
び先端傾角入力手段とから指令値を受けて、先端作業機
が上記先端傾角入力手段にて与えられた傾角で、かつ、
勾配入力手段で与えられた掘削勾配を、きめられた固有
の速度で移動するための操作量を演算して、その値を上
記各アクチュエータ制御手段へ出力するアクチュエータ
操作量演算手段とからなることを特徴とする作業機の制
御装置。
【請求項２】車体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等の先端作
業機とを有し、かつ上記各部材をシリンダ等のアクチュ
エータにて回動駆動するようにした作業機において、上記各アクチュエータを制御するアクチュエータ制御手
段と、上記ブーム、アーム、先端作業機のそれぞれの姿勢角を
検出する作業機姿勢検出手段と、上記先端作業機にて掘削しようとする掘削面の目標とす
る掘削勾配を与える勾配入力手段と、上記作業機姿勢検出手段からの検出値と勾配入力手段か
らの指令値を受けて、先端作業機を固定にした状態で先
端作業機が上記勾配入力手段で与えられた掘削勾配をき
められた固有の速度で移動するための操作量を演算し
て、その値を上記アクチュエータ制御手段へ出力するア
クチュエータ操作量演算手段とからなることを特徴とす
る作業機の制御装置。
【請求項３】アクチュエータ操作量演算手段に、先端作
業機の移動方向を手前側と押出し側に選択する移動方向
選択手段を備えたことを特徴とする請求項１及び２記載
の作業機の制御装置。