JPS6145025B2

JPS6145025B2 -

Info

Publication number: JPS6145025B2
Application number: JP10242278A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Nakayama
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 1978-08-23
Filing date: 1978-08-23
Publication date: 1986-10-06
Also published as: JPS5530038A

Description

【発明の詳細な説明】本発明はパワーシヨベル等の作業機の制御装
置、主として操作系の制御装置に関する。

一般に油圧式パワーシヨベルは第１図に示すよ
うにブーム１、アーム２、バケツト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、バケツトシリンダ６を具備しており、各シリ
ンダ４〜６は夫々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。そして、
オペレータが手動操作により作業機の姿勢を制御
してバケツト位置を設定するようになつている。
このため、オペレータに高度な技術が要求され
る。特に、バケツトによる地ならし作業すなわ
ち、バケツトの平行移動制御は極めて困難であ
り、法面の地ならし作業等においては不可能に近
い。

このため、従来はリンク機構等を使用してバケ
ツトの平行移動制御を行なうようにしていた。

しかしながら、上記リンク機構によるものにお
いては車輌本体の改造箇所が多く、装置を装着さ
せる場合も多くの工数を必要とし、コストアツプ
の要因となつていた。そこで、これを改善するた
めバケツトの軌跡を演算制御して平行移動制御を
行なうようにしたものが考案されている。例えば
特願昭52−156271号・発明の名称「作業機の位置
制御装置」においては、ブームの回動速度を指令
値として与え、この回動速度に対応してバケツト
が平行移動するようなアーム回動速度を演算で求
めて制御を行なうようにしている。しかしなが
ら、この特願昭52−156271号においては回動速度
を指令値として与えるため指令値を一定としても
バケツトの移動速度はブーム角およびアーム角に
応じて大きく変動してしまうことになり、バケツ
トの移動速度をオペレータの思う通りに制御する
のが難しかつた。

また、バケツト刃先を所望勾配の直線に沿つ
て、かつ掘削面に対するバケツトの姿勢角を一定
に保ちながら、作業機を自動的に制御する装置と
して、特開昭49−132801号・発明の名称「油圧シ
ヨベルの直線掘削自動運転装置」がある。

この装置は、運転室に設けた操作盤により予め
掘削面の勾配およびバケツト姿勢角を設定し、掘
削速度の大きさを指示すると、その掘削速度を上
記設定した掘削面の勾配からｘ軸方向成分および
ｙ軸方向成分に分解し、これらの各速度成分を積
分してバケツト回動点のｘ軸方向位置座標および
ｙ軸方向位置座標に変換し、最急降下法を用いた
逐次演算によつてそのような位置およびバケツト
姿勢に位置決めするように各油圧シリンダへの流
量の制御を行なうようにしたものである。

しかしながら、この装置の場合、バケツト回動
点の目標位置を求める際に、積分計算を行なうの
で、積分誤差が累積され、精度の良い目標位置を
演算することが難しく、また、バケツト姿勢角な
どの初期設定回路が必要なため、価格的にも高価
になる。

また、求める指令が位置指令であるため、或る
時間の間目標位置（Ｘ_i、Ｙ_i）を保持し、その間
に指令値発生演算、制御系演算を繰り返し、作業
機を目標位置に収束させ、その収束後、次の目標
位置（Ｘ_i+1、Ｙ_i+1）を発生させ、同様の演算を
繰り返すことになる。この方法では、作業機が目
標位置（Ｘ_i、Ｙ_i）に近づくにつれて、作業機の
指令速度、すなわち作業機の速度が小さくなり、
目標位置（Ｘ_i、Ｙ_i）では完全に停止する。次の
目標位置（Ｘ_i+1、Ｙ_i+1）が発生すると、作業機
は大きな速度で目標位置に向つて動きだし、その
偏差が小さくなるにしたがつてまた速度を落して
ゆく。これを繰り返すことによつて、作業機は所
望勾配の直線上に沿つて移動することになるが、
ギクシヤクとした動きとなる。そこで、作業機を
目標位置に完全に一致させないようにすることに
より、或る程度このギクシヤクとした動きを軽減
することができるが、この場合には作業機が目標
位置に一致しないためにその偏差が累積され、作
業機は所望勾配の直線上から外れた軌跡を描くこ
とになる。

更にまた、求める指令が位置指令であるため、
作業機目標位置は必ず作業機現在位置よりも先に
ある。このため、例えば第４図に示すように、Ａ
点からＢ点まで直線掘削し、Ｂ点で方向を変えて
Ｃ点まで直線掘削したい場合に、Ｂ点で指令方向
が変わる直前の目標位置B′点は直線ABの延長上
にある。したがつて、Ｂ点からＣ点の方向に向か
う指令に変わると、その目標位置はＣ点ではなく
C′点となり、指令方向と演算装置の出力の位置
指令の方向は一致しなくなる。

また、更に他の従来技術としては特開昭49−
39904号・発明の名称「腕式作業機の制御装置」
がある。この装置は、作業アームと相似の制御ア
ームをそなえ、その制御アーム先端を、操作レバ
ーによつて指示される水平（ｘ）方向と垂直
（ｙ）方向の各速度成分に応じてｘ−ｙ速度制御
器で制御し、作業アームを上記制御アームと常に
相似の姿勢を保たせるようにしたものである。

しかしながら、この装置の場合、前記制御アー
ム先端をｘ、ｙ方向に移動させるためのｘ−ｙ速
度制御器および作業アームと相似の制御アームが
必要であるために、構成が複雑となり、価格的に
も高価となる。また、各油圧制御系へ指令値が達
するまでに、ｘ−ｙ速度制御器および作業アーム
と相似の制御アームのそれぞれの応答遅れ、無駄
時間、ガタ、ヒステリシスおよび不感帯等の影響
を受けるので、それらによる誤差によつて精度が
悪くなる。更にまた、油圧シヨベルのように３つ
の回動点を有するものではなく、上記制御アーム
の先端はバケツト回動点にする必要があり、した
がつてこの装置ではバケツトの姿勢を制御するこ
とはできない。

本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、バ
ケツト回動点のｘ軸方向速度およびｙ軸方向速度
を指令値として与え、この指令値に対応するブー
ム回動速度およびアーム回動速度を演算で求め、
またバケツト回動速度はブーム回動速度およびア
ーム回動速度からバケツトの姿勢を保持するバケ
ツト回動速度として求め、これらの回動速度をそ
れぞれ制御指令として各作業機を制御することに
より、バケツトを所望の姿勢に保持した状態で、
所望の方向にかつ所望の速度で制御することがで
きる作業機の制御装置を提供することを目的とす
る。

以下この発明を添付図面の一実施例にもとづい
て詳しく説明する。

まず、作業機各部の位置を第２図に示すように
定義する。すなわち、原点Ｏ（Ｏ、Ｏ）：ブーム１の回動支点点Ｂ（ｘ_b、ｙ_b）：アーム２の回動支点点Ｃ（ｘ_c、ｙ_c）：バケツト３の回動支点点Ｄ（ｘ_d、ｙ_d）：バケツト３の刃先点とする。ここで、ｘ軸：点Ｏ，Ｂ，Ｃ，Ｄを含む平面と点Ｏを含む
車輛旋回面との交線ｙ軸：点Ｏを通り、車輌旋回面に垂直な直線であ
る。また、第２図において L₁：点Ｏ，Ｂ間の長さ L₂：点Ｂ，Ｃ間の長さ L₃：点Ｃ，Ｄ間の長さ α：ｙ軸に対する線分OBのなす角 β：ｙ軸に対する線分BCのなす角 δ：ｙ軸に対する線分CDのなす角（双先角）である。

以上のように定義すると、第２図より点Ｂ，
Ｃ，Ｄの座標は次式のように表わされる。

つぎに上記第(1)式の刃先点の座標ｘ_d、ｙ_dを時
間について微分し、ｘ軸およびｙ軸方向の速度成
分ｘ〓_d、ｙ〓_dを求めると次式のようになる。

ここで α〓：角αの時間的変化（ブーム１の回動速度） β〓：角βの時間的変化（ブーム２の回動速度） γ〓：角γの時間的変化（バケツト２の回動速度）である。

ここで、γ〓＝０（すなわち刃先角γ一定）と仮
定すれば上記第(2)式は次式のようになり、点Ｃの
ｘ軸およびｙ軸方向の速度成分ｘ〓_c、ｙ〓_cが求めら
れたことになる。

直線的に掘削する場合は刃先角γを一定とし、
かつｘ_c、ｙ_cを一定の比率となるように制御すれ
ばよい（ｙ〓_c＝０とすれば水平面、ｘ〓_c＝０とすれ
ば垂直面、ｙ〓_c＝Ｋ・ｘ〓_c（Ｋは定数）とすれば法
面の掘削となる）。従つて、上記第(3)式をα〓、β〓
について解けば下式のように、希望するｘ〓_c、ｙ〓_c
を得るためのα〓、β〓が求められる。

上記(3)式においてL₁、L₂は既知の定数である
からsinβ、cosβ、sinα、cosαおよびsin（α
−β）を検出するようにすればα〓、β〓を求めるこ
とができる。

ところで、角α，β、を制御する変数は直接に
はブームシリンダ４、アームシリンダ５、バケツ
トシリンダ６への圧油の供給流量であり、これは
各機構要素の相対角度に相当する。すなわちブー
ムシリンダ４への供給流量は車体に対するブーム
１の回動速度α〓に相当し、アームシリンダ５への
供給流量はブーム１に対するアーム２の角速度β〓
−α〓に相当し、バケツトシリンダ６への供給流量
はアーム２に対するバケツト３の角速度γ〓−β〓に
相当する。従つて、上記第(3)式で得たα〓、β〓およ
びγ〓（＝０）からβ〓−α〓、γ〓−β〓を求め、α
〓に相
当する流量をブームシリンダ４へ、β〓−α〓に相当
する流量をアームシリンダ５へ、γ〓−β〓に相当す
る流量をバケツトシリンダ６へ供給することによ
り、バケツト刃先角γを一定にしつつ刃先点を直
線的に移動させることができる。

つぎに上述の原理にもとづいて制御系の一構成
例を第３図を参照して説明する。

第３図においては円弧掘削と直線掘削を切換え
て行なえるようになつている。まず、円弧掘削の
場合について説明する。

円弧掘削を行なう場合は第３図の円弧一直線切
換スイツチSwを円弧側（接点ｂ）の方に投入し
ておく。アームレバー１０、ブームレバー１１、
バケツトレバー１２は円弧掘削の場合はアーム
２、ブーム１、バケツト３の各回動速度β〓−α〓、
α〓、γ〓−β〓の目標値を設定する手段として働き、
その操作量（変位）に比例した信号を夫々出力す
る。これら信号は上記スイツチSwの接点ｂを介
して各シリンダの供給流量制御系１４，１３，１
５へ夫々送られる。すなわち、ブームレバー操作
量信号は車体に対するブーム回動速度α〓の目標値
（以下α〓目標値という）としてブームシリンダ４
の供給流量制御系１３へ送られる。この制御系１
３において角度センサ１７はブーム１の回動支点
Ｏに取付けられたポテンシヨメータ（図示せず）
で、車体に対するブーム角αを検出する。微分器
１８はこの検出角αを微分して現実の回動速度α〓
（以下α〓検出値という）を求める。加算点１９は
前記α〓目標値とα〓検出値との偏差を求め、これが
零となるように流量制御装置１６を介してブーム
シリンダ４に圧油を供給する。これによりブーム
レバー１１の操作量に比例した回動速度α〓でブー
ム１は回動する。またアームレバー操作量信号は
ブームに対するアーム回動速度β〓−α〓の目標値と
してアームシリンダ５の供給流量制御系１４へ送
られる。この制御系１４は前記ブームシリンダ４
の制御系１３′と同様に構成されており、アーム
レバー１１の操作量に比例した回動速度β〓−α〓で
アーム２を回動させる。またバケツトレバー操作
量信号はアーム２に対するバケツト回動速度γ〓−
β〓の目標値としてバケツトシリンダ６の供給流量
制御系１５へ送られる。この制御系１５も前記ブ
ームシリンダ４の制御系１３と同様に構成されて
おり、バケツトレバー１１の操作量に比例した回
動速度γ〓−β〓でバケツト１２を回動させる。

次に直線掘削を行なう場合について説明する。

直線掘削を行なう場合は円弧−直線切換スイツ
チSwを直線側（接点α）に投入する。直線掘削
の場合はアームレバー１０はバケツト刃先点Ｄの
ｘ軸方向移動速度ｘ〓_cの目標値（以下、ｘ〓_c目標値
という）を設定する手段として用いられ、また、
ブームレバー１１はバケツト刃先点Ｄのｙ軸方向
移動速度ｙ〓_cの目標値（以下、ｙ〓_c目標値という）
を設定する手段として用いられる。また、バケツ
トレバー１２はバケツト２のバケツトの回動速度
を設定する手段として用いられる。このバケツト
レバー１２はバケツト刃先角γの変更が必要なと
きにのみ操作し、直線掘削の最中は操作しない。

一方、流量制御系１３，１４の各角度センサ１
７から得られる検出角α、およびβ−αは三角関
数発生器２１で三角関数に変換される。すなわち
β−αはsin（α−β）に、αはsinαおよびcos
αに夫々変換される。また、加算点２２はβ−α
とαを加算してβを求め、このβは三角関数発生
器２１に加えられてcosβおよびsinβに夫々変換
される。掛算器２３は前記アームレバー１０から
のｘ〓_c目標値と三角関数発生器２１からのsinβと
入力し、ｘ〓_csinβを出力する。掛算器２４は前記
ブームレバー１１からのｙ〓_c目標値と三角関数発
生器２１からのcosβとを入力し、ｙ〓_ccosβを出
力する。同様に掛算器２５はｘ〓_cとsinαを入力
し、ｘ〓_csinαを出力する。また掛算器２６はｙ〓_c
とcosαを入力し、ｙ〓_ccosαを出力する。

加算点２７は上記掛掛算器２３および２４の出
力をそれらの符号を反転して加算し、−（ｘ〓_csinβ
＋ｙ〓_ccosβ）を出力する。加算点２８は上記掛算
器２５および２６の出力を加算し、ｘ〓_csinα＋ｙ〓
_ｃcosαを出力する。これで前記第(4)式の各分子項
が得られたことになる。割算器２９は上記加算点
２７の出力を被除数として、前記三角関数発生器
２１の出力sin（α−β）を除数として入力し、−
ｘ_ｃｓｉｎβ−ｙ_ｃｃｏｓβ／ｓｉｎ（α−β）を出力
する。割算器３０は前記加算点２８の出力を被除数として、sin（α−
β）を除数として入力し、ｘ_ｃｓｉｎα＋ｙ_ｃｃｏｓα
／ｓｉｎ（α−β）を出力する。割算器２９，３０の出力は係数器３１−
３２で夫々１／Ｌ_１、１／Ｌ_２を掛け合わされて、これ
で前記第(4)式の値すなわちα〓、β〓の目標値が求められ
たことになる。

加算点３３は上記β〓目標値からα〓目標値を減算
してβ〓−α〓目標値を求める。また加算点３４は前
記バケツトレバー１２によるγ〓目標値から上記β〓
目標値から前記バケツトレバー１２からのγ〓目標
値を減算してγ〓−β〓を求める。なお、上記減算す
るβ〓目標値は、係数器３２から出力されたものに
限らず、ブームおよびアームにおける各微分器１
８の出力の和をとつたものでもよい。前記したよ
うにα〓、β〓−α〓およびγ〓−β〓は夫々車体に対
する
ブーム１の回動速度、ブーム１に対するアーム２
の回動速度、アーム２に対するバケツト３の回動
速度を示しているから上記各目標値を切換スイツ
チSwの接点αを介して各シリンダの供給流量制
御系１３，１４，１５に目標値として与えること
により、アームレバー１０の操作量に比例したバ
ケツト刃先点Ｄのｘ軸方向移動速度ｘ〓_cと、ブー
ムレバー１１の操作量に比例したバケツト刃先点
Ｄのｙ軸方向移動速度ｙ〓_cと、バケツトレバー１
２に比例したγ〓目標値と上記移動速度ｘ〓_cおよび
ｙ〓_cに伴なうバケツトの姿勢変化を相殺するに必
要な回動速度−β〓との和である車体に対するバケ
ツト刃先回動速度γ〓−β〓を得ることができる。す
なわち、アームレバー１０のみを操作すれば車体
に対する刃先角γは一定のままバケツト３はｘ軸
方向に移動し、ブームレバー１１のみを操作すれ
ば車体に対する刃先角ｒは一定のまま、バケツト
３は垂直に移動する。アームレバー１０、ブーム
レバー１１を同時に操作すれば各々の速度比で決
定される角度で刃先角γは一定のまま直線的に移
動する。バケツトレバー１２はバケツト刃先角γ
の変更が必要なときにのみ操作すればよい。

尚、上記実施例においては制御精度、応答性等
を向上させるためα〓、β〓−α〓、γ〓−βを角度セ
ン
サ１７および微分器１８を介して検出して、フイ
ードバツクループを構成しているが、このフイー
ドバツクループを省略することも勿論可能であ
る。また、角度センサ１７によりα、β−α、γ
−βを検出し、三角関数発生器２１により三角関
数に変換するようにしているが、これは角度セン
サ１７として開数型（sin、cos）ポテンシヨメー
タ等を利用することにより直接検出することもで
きる。

また、上記実施例においては直線掘削の場合、
ｘ軸方向の速度設定手段をアームレバー１０と
し、ｙ軸方向の速度設定手段をブームレバー１１
としたが、これらの関係を逆にしてもよく、更に
は別のレバーに対応させるようにしてもよい。な
お、バケツトの移動方向および速度を実時間で変
更することにより、直線掘削に限らずオペレータ
の思う通りに作業機を制御することができる。

また、上記実施例においては、各角度α、β、
γを車体に対する角度として与えたが、車体に適
当な傾斜計を配設して上記角度α、β、γを補正
し、補正した値にもとづいて演算を行なうように
すれば絶対水平に対する掘削制御を行なうことが
できる。

以上説明したように本発明によれば、バケツト
のｘ軸方向およびｙ軸方向の移動速度を指令値と
して与え、この指令値に対応するブーム回動速
度、アーム回動速度およびこれらの回動速度にか
かわらずバケツト姿勢を保持するためのバケツト
回動速度をそれぞれ制御指令として各作業機を制
御するようにしたので、バケツトの移動方向およ
び速度をオペレータの思う通りに制御できるとい
う効果がある。また、各操作レバーおよび各シリ
ンダの流量制御系などは円弧掘削と共用できるの
で構成が簡単であり、円弧掘削と直線掘削との切
換えも簡単なスイツチにより行なうことができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は油圧式パワーシヨベルの構成を示す
図、第２図は作業機各部の座標位置角度等を定義
するための説明図、第３図はこの発明の一実施例
を示すブロツク図、第４図は従来の問題点を説明
するために用いた図である。１……ブーム、２……アーム、３……バケツ
ト、４……ブームシリンダ、５……アームシリン
ダ、６……バケツトシリンダ、１０……アームレ
バー、１１……ブームレバー、１２……バケツト
レバー、１３，１４，１５……流量制御系、２１
……三角関数発生器、２３〜２６……掛算器、２
９，３０……割算器、３１，３２……係数器、
Sw……円弧−直線切換スイツチ。

Claims

【特許請求の範囲】１車体の一点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
ケツトとを有する作業機において、ブーム、アー
ムおよびバケツトを含む平面を座標平面としてバ
ケツト回動点のｘ軸方向の移動速度成分を設定す
るｘ成分速度設定手段と、前記座標平面における
バケツト回動点のｙ軸方向の移動速度成分を設定
するｙ成分速度設定手段と、ブーム角およびアー
ム角を検出する夫々の角度検出手段と、上記角度
検出手段の検出値および前記両速度設定手段の設
定値にもとづいて前記バケツト回動点のｘ軸方向
の移動速度分およびｙ軸方向の移動速度成分がそ
れぞれ該設定値に対応するようにブーム回動速度
およびアーム回動速度を求める第１演算回路と、
ブーム回動速度とアーム回動速度の和の符号を反
転した値をバケツト回動速度として求める第２演
算回路と、前記第１、第２演算回路によつて求め
たブーム回動速度、アーム回動速度およびバケツ
ト回動速度にもとづいてブームシリンダ、アーム
シリンダおよびバケツトシリンダへの圧油供給流
量を制御する夫々の流量制御系とを具えた作業機
の制御装置。２前記第２演算回路は、前記バケツト回動速度
とバケツトの回動速度を設定する設定手段の設定
値とを加算し、この加算値をバケツト回動速度と
して求める特許請求の範囲第１項記載の作業機の
制御装置。３車体の一点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
ケツトと、ブームの回動速度を設定する第１設定
手段と、アームの回動速度を設定する第２設定手
段と、バケツトの回動速度を設定する第３設定手
段と、上記第１、第２、第３設定手段の設定値に
応じてブームシリンダ、アームシリンダおよびバ
ケツトシリンダへの圧油供給流量を制御する夫々
の流量制御系とを具えた作業機において、ブー
ム、アームおよびバケツトを含む平面を座標平面
としてバケツト回動点のｘ軸方向の移動速度成分
を設定するｘ成分速度設定手段と、前記座標平面
におけるバケツト回動点のｙ軸方向の移動速度成
分を設定するｙ成分速度設定手段と、ブーム角お
よびアーム角を検出する夫々の角度検出手段と、
上記角度検出手段の検出値および前記両速度設定
手段の設定値にもとづいて前記バケツト回動点の
ｘ軸方向の移動速度成分およびｙ軸方向の移動速
度成分がそれぞれ該設定値に対応するようにブー
ム回動速度およびアーム回動速度を求める第１の
演算回路と、ブーム回動速度とアーム回動速度の
和の符号を反転した値をバケツト回動速度として
求める第２演算回路と、前記第１、第２、第３設
定手段の設定値または前記第１、第２演算回路の
ブーム回動速度、アーム回動速度およびバケツト
回動速度のいずれか一方の組を選択して前記個々
の流量制御系に加える切換手段とを具えた作業機
の制御装置。４前記ｘ成分速度設定手段およびｙ成分速度設
定手段は、夫々前記第１、第２、第３設定手段の
うちのいずれかの設定手段と同一のものである特
許請求の範囲第３項記載の作業機の制御装置。５前記第２演算回路は、前記バケツト回動速度
とバケツトの回動速度を設定する設定手段の設定
値とを加算し、この加算値をバケツト回動速度と
して求める特許請求の範囲第３項記載の作業機の
制御装置。