JPWO2012169531A1 - 作業機械 - Google Patents

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Abstract

【課題】走行体、旋回体及び作業フロントの急停止による影響を考慮した動的なバランスを容易に評価することができて、安定性の高い作業機械を提供する。【解決手段】作業機械の制御装置６０に、安定化制御演算手段６０ａと、指令値生成手段６０ｉとを備える。安定化制御演算手段６０ａは、作業フロント６を含む本体及び走行体の各可動部の位置情報と急停止モデルを用いて、操作レバー５０が操作状態から瞬時に停止指令位置まで戻された場合の完全に停止に至るまでの安定性変化を予測し、停止に至るまでのいずれの時刻においても不安定化が生じないために必要とされる動作制限を算出する。指令値生成手段６０ｉは、安定化制御演算手段６０ａの演算結果をもとに駆動アクチュエータへの指令情報を補正する。【選択図】図４

Description

本発明は、構造物解体工事、廃棄物処理、スクラップ処理、道路工事、建設工事、土木工事等に使用される作業機械に関する。
構造物解体工事、廃棄物処理、スクラップ処理、道路工事、建設工事、土木工事等に使用される作業機械として、動力系により走行する走行体の上部に旋回体を旋回自在に取り付けると共に、旋回体に多関節型の作業フロントを上下方向に揺動自在に取り付け、作業フロントを構成する各フロント部材をアクチュエータにて駆動するものが知られている。このような作業機械の一例として、油圧ショベルをベースとし、一端が旋回体に揺動自在に連結されたブームと、一端がブームの先端に揺動自在に連結されたアームと、アームの先端に装着されたグラップル、バケット、ブレーカ、クラッシャ等の作業具を備え、所望の作業を行えるようにした解体作業機械がある。
この種の作業機械は、作業フロントを構成するブーム、アーム及び作業具を旋回体の外方に突き出した状態で種々姿勢を変えながら作業を行うため、過度の作業負荷をかける、或いは、過負荷かつフロントを伸ばした状態で旧動作を行う等の無理な操作を行った場合に作業機械がバランスを崩すことがある。したがって、この種の作業機械については、従来種々の転倒防止技術が提案されている。
例えば、特許文献１には、作業機械のブーム及びアームにそれぞれ角度センサを設け、これら各角度センサの検出信号を制御装置に入力し、制御装置が、上記検出信号に基づいて作業機械全体の重心位置と、走行体の接地面における安定支点の支持力を演算し、その演算結果に基づく安定支点における支持力値を表示装置に表示すると共に、後方安定支点における支持力が安全作業確保上の限界値以下になったときには警報を発するようにした技術が開示されている。
また、特許文献２には、本体の姿勢、動作及び作業負荷を検出するセンサを備え、これら各センサの検出値に基づき、かつデータベースを参照しながら、建設機械本体の姿勢に関する現在及び未来の力学的挙動を表すモデルを構築し、本体が転倒するか否かを判別して、転倒が予知された場合は実行中の作業動作を停止させ、さらには転倒を回避するための動作を開始することにより転倒を防止し、転倒を予知した場合は操作者にもその旨を知らせる技術が開示されている。
さらに、特許文献３には、作業フロントのブーム角、アーム角、バケット角及び旋回体の旋回角を検出する角度センサと、車体の前後方向の傾きを検出する傾斜角センサとを備え、これら各角度センサ及び傾斜角センサの検出値と車体の所定部分の寸法とから作業機械の静的転倒モーメントを演算し、また、旋回体の旋回の遠心力により生じる動的転倒モーメントを旋回角速度を用いて演算し、さらには、旋回体の急停止時に生じる動的転倒モーメントを旋回の最大角加速度を用いて演算して、これらの一方又は大きい方を静的転倒モーメントに加算したものを転倒の判定条件とし、前記判定条件の成立により旋回角速度を制御する技術が開示されている。
特許第２８７１１０５号公報 特開平５−３１９７８５号公報 特開平７−１８０１９２号公報
ところで、上述の解体作業機械のような作業機械は、大質量の走行体、旋回体及び作業フロントを駆動することにより作業を行うので、何らかの理由により操作者が動作中の走行体、旋回体又は作業フロントの駆動を停止させる操作を行った場合、作業機械に大きな慣性力が作用し、安定性に大きな影響を与える。特に、搭載された警報装置から転倒の可能性を通知する警報が発せられた場合に、慌てて操作者が動作中の走行体、旋回体又は作業フロントの駆動を停止させる操作を行うと、転倒方向に大きな慣性力が重畳されて、却って転倒の可能性が高まる虞がある。
しかしながら、特許文献１に開示の技術は、静的なバランスのみを評価する構成であり、慣性力が働く環境下では安定性を正確に評価できないという問題点がある。また、特許文献２に開示の技術は、急停止による影響が考慮されておらず、急停止による転倒を防止することができない。加えて、特許文献２に開示の技術は、データベースを参照しながら建設機械本体の姿勢に関する現在及び未来の力学的挙動を表すモデルを構築し、本体が転倒するか否かを判別する構成であるため、計算処理が複雑であり、実用上リアルタイムでの処理が難しいという問題もある。さらに、特許文献３に開示の技術は、旋回体の急停止時については対応がなされているが、旋回体以外の動作による慣性力の影響や、フロント動作の急停止による影響が考慮されておらず、対応可能な動作が旋回動作のみに限られるという問題がある。また、旋回の最大角加速度から算出したモーメントと旋回角速度から算出したモーメントのうち大きい方を選択する構成であるため、条件によっては転倒可能性が過度に見積もられ、過度の動作制限により作業効率が劣化する可能性がある。
本発明は、このような従来技術の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、走行体、旋回体及び作業フロントの急停止による影響を考慮した動的なバランスを容易に評価することができて、安定性の高い作業機械を提供することにある。
本発明は、上記課題を解決するため、走行体と、該走行体上に取り付けた作業機械本体と、該作業機械本体に対し上下方向に揺動自在に取り付けた作業フロントと、これら各部の駆動を制御する制御装置とを備えた作業機械において、前記制御装置は、前記走行体、前記作業機械本体及び前記作業フロントにおける各可動部の駆動を操作する操作レバーが操作状態から停止指令位置まで戻る前記操作レバーの操作速度の変化に応じて前記可動部が停止するまでの安定性変化の予測、及び前記可動部が停止するまでの作業機械が安定であるために必要とされる動作制限の算出とを行う安定化制御演算手段と、前記安定化制御演算手段の演算結果をもとに前記可動部を駆動するアクチュエータへの指令情報を補正する指令値生成手段を備え、前記操作レバーが瞬時に操作状態から停止位置から停止位置まで戻された場合にも機械の安定性を向上することを特徴とする。
かかる構成によると、操作レバーが操作状態から瞬時に中立位置まで戻された場合において、作業機械の各可動部が完全に停止するまでの安定性変化の予測、及び作業機械の各可動部が完全に停止するまでのいずれの時刻においても作業機械が安定であるために必要とされる動作制限の算出を安定化制御演算手段にて行い、その演算結果を基に指令値生成手段にてアクチュエータへの指令情報を補正するので、慣性力が働く環境下における作業機械の安定性を正確に評価することができて、作業機械の静的及び動的なバランスを安定に保つことができる。また、操作レバーが操作状態から瞬時に中立位置まで戻された場合、即ち、作業機械の各可動部が急停止された場合の影響を考慮してアクチュエータの駆動を制御するので、旋回体のみならず走行体やフロント部材の急停止に起因する作業機械の転倒についても防止することができる。さらに、この場合において、安定性変化の予測及び動作制限の算出を簡易な演算によって行うことができて、作業機械の安定化処理をリアルタイムで行うことができる。
また本発明は、前記構成の作業機械において、前記安定化制御演算手段は、前記動作制限として、前記可動部の減速度を制限して前記可動部を緩やかに停止させる緩停止指令値、及び前記アクチュエータの動作速度を制限する動作速度上限値の少なくともいずれか一方を算出することを特徴とする。
一般に、作業機械の各可動部は、操作レバーの操作内容に応じて各可動部を駆動するので、操作レバーが操作状態から瞬時に中立位置まで戻されると、当該操作レバーの操作に応じて駆動される可動部は急停止し、その際の減速度に応じた慣性力が発生する。したがって、操作レバーが操作状態から瞬時に中立位置まで戻された場合に、可動部の減速度を制限するか、前もってアクチュエータの動作速度を制限すれば、可動部に作用する慣性力を緩和できて、作業機械を安定に保持することができる。
また本発明は、前記構成の作業機械において、前記安定化制御演算手段は、前記走行体、前記作業機械本体及び前記作業フロントにおける各可動部の位置情報、加速度情報及び外力情報から算出されるＺＭＰ座標、並びに作業機械の各可動部の位置情報及び速度情報から算出される力学的エネルギの少なくとも一方を用いて前記動作制限を算出することを特徴とする。
ＺＭＰ（Zero Moment Point）座標は、構造体の地表面との接地部全体に分布してかかっている床反力の法線成分を、ある一点にかかっているとして置き換えたときの作用点の座標である。また、ＺＭＰ安定判別規範は、ダランベールの原理に基づいて、ＺＭＰ座標を構造体の安定性を判定するための評価指標として用いたものであり、構造体の接地している部分を凹にならないように囲む（凸包）ことによって描かれる支持多角形の内側にＺＭＰ座標が存在する場合には、構造体は地表面に安定に接地していると判定し、支持多角形の辺上にＺＭＰ座標が存在する場合には、構造体の接地部の一部が地表面から浮上する境界にあると判定するものである。このＺＭＰ安定判別規範によれば、構造体の安定度を定量的に評価できると共に、転倒可能性の有無を的確に判定することができる。一方、力学的エネルギは、構造体の一部が浮上しているとき、構造体を支持多角形上に支点を持つ倒立振子とみなし、構造体の重心がその回転中心（ＺＭＰ）の鉛直線上に達すると重力の作用により自ら転倒することを利用したもので、構造体の位置エネルギと運動エネルギの和が最高位点における位置エネルギを超えているか否かを算出することによって、接地部の一部が地表面から浮上している構造体が転倒に至るか否かを判定することができる。よって、これらの方法を用いることにより、作業機械の安定度及び転倒可能性を的確に判定することができる。
また本発明は、前記構成の作業機械において、前記安定化制御演算手段は、前記可動部の減速度の制限を予め記憶しており、該減速度の制限を満たすように、前記アクチュエータへの指令情報を補正することを特徴とする。
かかる構成によると、安定化制御演算手段は可動部の減速度の制限を予め記憶しているので、これに基づくアクチュエータへの指令情報の補正を容易に行うことができ、作業機械の安定化処理をリアルタイムで行うことができる。
また本発明は、前記構成の作業機械において、前記制御装置は、前記操作レバーが操作状態から瞬時に停止指令位置まで戻された場合における作業機械の挙動予測を行う挙動予測手段を備え、前記挙動予測手段は、速度が変化し始める時刻及びその時の速度によって表される速度変化開始点と操作レバー開放時からの速度変化量が最大となる時刻及びその時の速度によって表されるピーク到達点を極値とする３次関数をモデルとして用い、前記走行体、前記作業機械本体及び前記作業フロントの動作ごとに予め同定した、速度変化開始点とピーク到達点の速度の比によって算出されるオーバーシュート率、操作レバー開放から速度変化開始点までの時間、及び速度変化開始点からピーク到達点までの時間を用いることを特徴とする。
操作レバーが操作状態から瞬時に停止指令位置まで戻された場合において、当該操作レバーによって操作される可動部の急停止時挙動予測を行うためには、可動部が完全に停止に至るまでの位置、速度、加速度軌跡を算出する必要がある。この場合において、急停止時の速度軌跡を簡易な３次関数モデルでモデル化すると、急停止時の位置、速度、加速度軌跡の算出が容易になり、リアルタイムで急停止時挙動予測を行うことが可能になる。
本発明によれば、作業機械の操作レバーが操作状態から瞬時に停止指令位置まで戻された場合、作業機械に備えられた制御装置にて、操作された作業機械の可動部が完全に停止するまでの安定性変化の予測と、当該可動部が完全に停止するまでのいずれの時刻においても作業機械が安定であるために必要とされる動作制限の算出とを行い、かつその演算結果をもとに可動部を駆動するアクチュエータへの指令情報を補正するので、慣性力が働く環境下における作業機械の安定性を正確に評価できると共に、旋回体、走行体又はフロント部材の急停止に起因する作業機械の転倒を防止することができる。また、安定性変化の予測及び動作制限の算出を簡易な演算によって行うことができ、作業機械の安定化処理をリアルタイムで行うことができる。
本発明が適用される作業機械の側面図である。 実施形態に係る安定化制御演算に用いられる作業機械モデルを示す図である。 本発明が適用される作業機械のセンサ構成を示す側面図である。 実施形態に係る制御装置の機能ブロック図である。 実施形態に係る緩停止方法の例を示すグラフ図である。 実施形態に係る急停止時挙動予測手段に用いられる急停止モデルの一例を示すグラフ図である。 実施形態に係る安定性判定手段による安定性評価方法の手順を示すフローチャートである。 実施形態に係るＺＭＰ演算・評価手段において行われる安定性評価方法の説明図である。 実施形態に係る動作制限決定手段において行われる繰り返し演算方法の手順を示すフローチャートである。
以下、本発明に係る作業機械の実施形態を、図を参照しながら各項目ごとに説明する。
＜対象装置＞
図１に示すように、本実施形態に係る作業機械１は、走行体２と、走行体２の上部に旋回可能に取り付けられた旋回体３と、一端が旋回体３に連結された多関節型のリンク機構よりなる作業フロント６とを備えている。旋回体３は旋回モータ７によって中心軸３ｃを中心に旋回駆動される。旋回体３上には運転室４及びカウンタウエイト８が設置されている。また、この旋回体３上の所要の部分には、動力系を構成するエンジン５と、作業機械１の起動停止及び動作全般を制御する運転制御装置が備えられている。なお、図中の符号３０は地表面を示している。
作業フロント６は、一端が旋回体３に連結されたブーム１０と、一端がブーム１０の他端に連結されたアーム１２と、一端がアーム１２の他端に連結されたバケット２３とを有しており、これらの各部材は、それぞれ上下方向に旋回するように構成されている。ブームシリンダ１１は、ブーム１０を支点４０の回りに回動する駆動アクチュエータであり、旋回体３とブーム１０とに連結されている。アームシリンダ１３は、アーム１２を支点４１の回りに回動する駆動アクチュエータであり、ブーム１０とアーム１２とに連結されている。作業具シリンダ１５はバケット２３を支点４２の回りに回動する駆動アクチュエータであり、リンク１６を介してバケット２３と連結され、リンク１７を介してアーム１２に連結されている。バケット２３は、グラップル、カッタ、ブレーカ等の、図示しない他の作業具に任意に交換可能である。
運転室４内には、オペレータが各駆動アクチュエータに対する動きの指示を入力するための操作レバー５０と、オペレータが各種設定を行うためのユーザ設定入力手段５５が設けてある。
＜座標系の設定＞
図２に、ＺＭＰ算出用の作業機械モデル（側面）と、当該モデルのワールド座標系（Ｏ−Ｘ’Ｙ’Ｚ’）及び機械基準座標系（Ｏ−ＸＹＺ）を示す。ワールド座標系（Ｏ−Ｘ’Ｙ’Ｚ’）及び機械基準座標系（Ｏ−ＸＹＺ）はいずれも直交座標系であり、ワールド座標系（Ｏ−Ｘ’Ｙ’Ｚ’）は図２に示すように重力方向を基準とし、重力と逆方向をＺ軸としたものである。一方、機械基準座標系（Ｏ−ＸＹＺ）は走行体２を基準としたものであり、図２に示すように、原点を上部旋回体３の旋回中心線３ｃ上で、地表面３０と接する点Ｏを原点とし、走行体２の前後方向にＸ軸、左右方向にＹ軸、旋回中心線３ｃ方向にＺ軸を設定する。ワールド座標系と機械基準座標系との関係は、上部旋回体３に取り付けられた姿勢センサ３ｂを用いて検出する。この姿勢センサ３ｂについては、以下の＜状態量検出手段＞の欄でより詳細に説明する。
＜モデル＞
また、本実施形態では、実装の簡易性を考慮し、安定化制御演算において作業機械１を各構成部材の重心に質量が集中している集中質点モデルとして扱う。即ち、図２に示すように、走行体２、上部旋回体３、ブーム１０、アーム１２、バケット２３のそれぞれの質点２Ｐ、３Ｐ、１０Ｐ、１２Ｐ、２３Ｐを各構成部材の重心位置に設定し、それぞれの質点の質量をｍ２、ｍ３、ｍ１０、ｍ１２、ｍ２３とする。そして、それぞれの質点の位置ベクトルをｒ２、ｒ３、ｒ１０、ｒ１２、ｒ２３、速度ベクトルをｒ´２、ｒ´３、ｒ´１０、ｒ´１２、ｒ´２３、加速度ベクトルをｒ´´２、ｒ´´３、ｒ´´１０、ｒ´´１２、ｒ´´２３とする。なお、質点の設定方法はこれに限定されるものではなく、例えば、質量が集中している部位（図１に示すエンジン５、カウンタウエイト８など）を追加しても良い。
＜状態量検出手段＞
作業機械１の各部に取り付けられた状態量検出手段（センサ）につき、図３を参照しながら説明する。
＜姿勢センサ＞
上部旋回体３には、後述する重力と逆方向をＺ軸としたワールド座標系に対する機械基準座標系の傾きを検出するための姿勢センサ３ｂが設けられる。姿勢センサ３ｂは、例えば傾斜角センサであり、上部旋回体３の傾斜角を検出することで、ワールド座標系に対する機械基準座標系の傾きを検出する。
＜角度センサ＞
上部旋回体３の旋回中心線３ｃ上には、走行体２と上部旋回体３の旋回角度を検出するための旋回角度センサ３ｓが設けられる。また、上部旋回体３とブーム１０の支点４０には、ブーム１０の回動角度を計測するためのブーム角度センサ（角度センサ）４０ａが設けられ、ブーム１０とアーム１２の支点４１には、アーム１２の回動角度を計測するためのアーム角度センサ（角度センサ）４１ａが設けられ、アーム１２とバケット２３の支点４２には、バケット２３の回動角度を計測するためのバケット角度センサ４２ａが設けられる。
＜ピン力センサ＞
アーム１２とバケット２３を繋ぐピン４３、リンク１６とバケット２３を繋ぐピン４４には、それぞれピン力センサ４３ａ，４４ａが設けられる。ピン力センサ４３ａ，４４ａは、例えば円筒状の内部にひずみゲージが挿入され、このひずみゲージに発生するひずみを計測することによって、ピン４３，４４にかかる力（外力）の大きさと方向を検出する。作業中はバケット２３を用いて掘削等の作業を行うことにより、バケット部の質量が変化する。バケット２３は、ピン４３，４４を介して作業フロント６と繋がっていることから、ピン４３とピン４４に加わる外力ベクトルＦ４３とＦ４４を算出することにより、バケット２３の質量変化を算出することができる。なお、ピン４３とピン４４の位置ベクトルをｓ４３，ｓ４４とする。
＜レバー操作量センサ＞
操作レバー５０には、旋回モータ７への入力指令量を検出する旋回レバー操作量センサ５１ｓと、ブームシリンダ１１への入力指令量を検出するブームレバー操作量センサ５１ｂと、アームシリンダへの入力指令量を検出するアームレバー操作量センサ５１ａと、作業具シリンダ１５への入力指令量を検出するバケットレバー操作量センサ５１ｏが設けられる。
＜制御装置＞
図４は、作業機械１が備える制御装置の機能ブロック図である。制御装置６０は、作業機械１の各部に取付けられた各センサからの信号が入力される入力部６０ｘ、入力部６０ｘに入力される信号を受けて、所定の演算を行う演算部６０ｚ、演算部６０ｚからの出力信号を受けて、作業機械１の各駆動アクチュエータへの動作指令を出力する出力部６０ｙを備える。
演算部６０ｚは、図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、及びフラッシュメモリ等からなる記憶部、及びこれらを備えるマイクロコンピュータ並びに図示しない周辺回路などから構成され、例えばＲＯＭに格納されるプログラムにしたがって作動する。
＜安定性評価指標＞
まず、演算部６０ｚの詳細を説明する前に、実施形態における安定判別方式について説明する。本実施形態においては、作業機械1の安定性を判定するために、ＺＭＰ（Zero Moment Point）と、力学的エネルギとの２つの評価指標を用いる。以下では、各評価指標について説明する。
＜ＺＭＰ＞
ＺＭＰ安定判別規範は、ダランベールの原理に基づいたものである。なお、ＺＭＰの概念ならびにＺＭＰ安定判別規範については、「LEGGED LOCOMOTION ROBOTS:Miomir Vukobratovic著（「歩行ロボットと人工の足：加藤一郎訳、日刊工業新聞社」）」に記載されている。
図１に示す作業機械１から地表面３０には重力、慣性力、外力及びこれらのモーメントが作用するが、ダランベールの原理によれば、これらは地表面３０から作業機械１への反作用としての床反力及び床反力モーメントと釣り合う。したがって、作業機械１が地表面３０に安定に接地している場合には、作業機械１と地表面３０との接地点を凹にならないように結んだ支持多角形の辺上あるいはその内側に、ピッチ軸及びロール軸方向のモーメントがゼロになる点（ＺＭＰ）が存在する。逆に言えば、ＺＭＰが支持多角形内に存在し、作業機械１から地表面３０に作用する力が地表面３０を押す向き、つまり床半力が正である場合には、作業機械１は安定に接地しているといえる。つまり、ＺＭＰが支持多角形の中心に近いほど安定性は高く、支持多角形の内側にあれば作業機械１は転倒することなく作業を行うことができる、一方、ＺＭＰが支持多角形上に存在する場合には、作業機械１は転倒を開始する可能性がある。したがって、ＺＭＰと作業機械１と地表面３０が形成する支持多角形とを比較することによって安定性を判定することができる。
＜ＺＭＰ方程式＞
ＺＭＰ方程式は、重力、慣性力、外力によって発生するモーメントの釣り合いから、以下の式（１）で導出される。
Figure 2012169531
ここで、
ｒｚｍｐ：ＺＭＰ位置ベクトル
ｍｉ：ｉ番目の質点の質量
ｒｉ：ｉ番目の質点の位置ベクトル
ｒ”ｉ：ｉ番目の質点に加わる加速度ベクトル（重力加速度含む）
Ｍｊ：ｊ番目の外力モーメント
ｓｋ：ｋ番目の外力作用点位置ベクトル
Ｆｋ：ｋ番目の外力ベクトル
なお、ベクトルはＸ成分、Ｙ成分、Ｚ成分で構成される３次元ベクトルである。
式（１）の左辺の第１項は、各質点ｍｉにおいて印加された加速度成分（重力加速度を含む）により生成されるＺＭＰ７０（図２参照）回り（半径ｒｉ−ｒｚｍｐ）のモーメントの総和を示す。式（１）の左辺の第２項は、作業機械１に作用する外力モーメントＭｊの総和を示す。式（１）の左辺の第３項は、外力Ｆｋ（ｋ番目の外力ベクトルＦｋの作用点をｓｋとする）により生成されるＺＭＰ７０回り（半径ｓｋ−ｒｚｍｐ）のモーメントの総和を示す。そして、式（１）は、各質点ｍｉにおいて印加された加速度成分（重力加速度を含む）により生成されるＺＭＰ７０回り（半径ｒｉ−ｒｚｍｐ）のモーメントの総和と、外力モーメントＭｊの総和と、外力Ｆｋ（ｋ番目の外力Ｆｋの作用点をｓｋとする）により生成されるＺＭＰ７０回り（半径ｓｋ−ｒｚｍｐ）のモーメントの総和が釣り合うということを記述している。式（１）に示すＺＭＰ方程式より、地表面３０におけるＺＭＰ７０を算出することが可能となる。
ここで、対象物が停止しており、重力のみが働く場合のＺＭＰ方程式は、重力加速度ベクトルｇを用いて式（２）のように表され、静的重心の地表面への投影点と一致する。
Figure 2012169531
したがって、ＺＭＰは動的状態及び静的状態を考慮した重心の投影点として扱うことが可能であり、ＺＭＰを指標として用いることによって対象物が静止している場合と、動作を行っている場合との両方を統一的に扱うことができる。
＜力学的エネルギ＞
本実施形態においては、作業機械１の安定性を判定するための安定性評価指標として、ＺＭＰに加え、力学的エネルギを用いている。前述のＺＭＰは安定度の定量的評価や転倒可能性の有無の判定に有用である。しかし、ＺＭＰが支持多角形の辺上にある場合には走行体２の一部が浮上するが、これはあくまで転倒に至るための必要条件であって，ＺＭＰが支持多角形の辺上に存在するからといって必ずしも転倒するわけではない。つまり，ＺＭＰでは走行体２の浮上の有無を判定することはできるが，実際に転倒に至るか否かを判定することはできない。そこで、走行体２の一部が浮上後、転倒に至るか否かを力学的エネルギを用いて判定する。走行体２の一部が浮上しているとき、作業機械１は支持多角形上に支点を持つ倒立振子とみなすことができる。作業機械１の重心が回転中心（ＺＭＰ）の鉛直線状に達すると重力の作用により自ら転倒する。したがって，重心が最高位点に達するか否かを判定することによって、将来、転倒に至るか否かを判定することができる。最高位点に達するのは，機械の位置エネルギ（ＰＥ）と運動エネルギ（ＫＥ）の和が最高位点における位置エネルギ（ＰＥＭＡＸ）を超えている場合である。したがって，転倒判定は以下の式（３）を用いて行う。なお、この評価は走行体の一部が浮上している場合においてのみ有効である。
Figure 2012169531
ここで、
θ：倒立振子（作業機械１の重心）の地表面からの傾き
ω：倒立振子の角速度
Ｍ：作業機械１の質量
Ｉ：回転支点回りの慣性モーメント
ｌ：回転半径
＜緩停止＞
本実施形態では、安定化のための動作制限として、動作速度制限と緩停止を行う。ここでは、緩停止について説明する。
緩停止とは、停止時における可動部の減速度を制限し、可動部を緩やかに停止させることを意味する。緩停止を行うことによって急停止時の加速度を抑えることができるため、慣性力の影響が小さくなり、不安定化を抑制できる。一方で、緩停止を行うことによって制動距離が増大するため、許容制動距離を予め定め、許容制動距離内で停止できるように緩停止を行う必要がある。
緩停止の方法は種々考えられるが、ここではレバー操作量（又はレバー操作速度）を図５（ａ）のように単調減少させる場合を例にとり説明する。図５（ａ）の場合には、レバー操作量変化の傾きがｋに制限される。つまり、補正後のレバー操作量は以下となる。
Figure 2012169531
ここで、Ｏｉ（ｔ）は時刻ｔにおけるレバー操作量指令値、Ｏｃ（ｔ）は時刻ｔにおけるレバー操作量補正値である。
この他の緩停止の方法としては、図５（ｂ）に示すように、レバー操作量変化の傾きの制限値をレバー操作量又はレバー操作速度に応じて切り替える方法が考えられる。この場合には、傾きを切り替える点及び傾きを適切に設定することによって制動距離を比較的短く保ったまま急停止時の加速度を小さく抑えることができる。
以下、図４を参照して、演算部６０ｚの構成について説明する。
＜演算部＞
演算部６０ｚは、作業機械１に備えられた各センサ及びユーザ設定入力手段５５から取り込まれる信号に応じて、安定化のために必要な動作制限を算出する安定化制御演算手段６０ａと、安定化制御演算手段６０ａからの出力をもとに各駆動アクチュエータへの指令値を補正する指令値生成手段６０ｉとから構成される。
＜安定化制御演算手段＞
安定化制御演算手段６０ａでは、急停止を行っても転倒に至らないための動作制限を算出する。ここで急停止とは、操作レバーを操作状態から瞬時に停止指令位置まで戻す操作を意味する。突発的な障害物や警告等への対応、操作ミス等により上記のような操作が行われる場合があるが、このような場合には急激に速度が減少し、その際に発生する慣性力の影響により、作業機械１の安定状態が劣化しやすくなる。安定状態が劣化した場合の対処方法としては、不安定になった状態から何らかの回避動作を行う方法が考えられる。しかしながら、オペレータの意図と異なる動作を行うことにより、操作の違和感を与えるとともに、周囲の作業者や物に危害を与えるリスクがある。そこで、本発明の安定化制御では、予め許容される制動距離を定め、必要に応じて緩停止を行い、また、いかなる場合においても所定の許容制動距離内で安全に停止できるように未然に動作速度を制限する。つまり、本発明の安定化制御は急停止時の挙動予測及び安定性評価に基づき、緩停止と動作速度制限による動作制限を行うことによって不安定化を未然に防ぐものである。なお、安定化制御演算手段６０ａにおいては、機械基準座標系に基づいて演算を行う。
安定化のための動作制限を算出する方法は、安定条件から逆演算を行う方法と、動作制限を変えながら挙動予測及び安定性評価を複数回繰り返す順演算による方法とがある。前者では、一度の演算で最適な動作制限を算出できるが、複雑な演算式を導出する必要がある。一方、後者は、複数回の試行が必要であるが、比較的簡易な演算式を用いることができる。以下では後者の手法を例にとって説明する。
図４に示すように、安定化制御演算手段６０ａは、速度推定手段６０ｂ、急停止時挙動予測手段６０ｃ、安定性判定手段６０ｄ及び動作制限決定手段６０ｈの各機能ブロックを備える。以下、各機能ブロックの詳細について説明する。
＜速度推定＞
一般に、油圧ショベルに備えられた油圧シリンダの動作速度は、操作レバーの操作量に比例する。また、レバー操作と動作速度との間には油圧及び機構による遅れが存在するため、レバー操作量情報を用いることによって近未来の状態を予測することができる。速度推定手段６０ｂでは、過去のレバー操作量、現在のレバー操作量及び現在の動作速度を用いて近未来の動作速度を予測する。推定は、以下の２ステップで行う。まず、過去のレバー操作量と現在の動作速度より速度算出モデルを同定する。次に、同定された速度算出モデルに現在のレバー操作量を入力として与えることにより、近未来の動作速度を予測する。速度算出モデルはエンジン回転数、負荷の大きさ、姿勢、油温等によって時々刻々と変化することが予想されるが、微小な時刻間では作業状況の変化が小さいので、モデルの変化も小さいものと考えてよい。速度推定手段６０ｂのより簡易な実現手段として、レバー操作からシリンダが動き始めるまでのむだ時間ＴＬと、下で定義する比例係数αｖを用いる方法がある。ここで、むだ時間ＴＬは変化しないものと仮定し、実験により予め求めておく。ＴＬ秒後の速度は、以下の手順で算出する。
ステップ１：ＴＬ秒前のレバー操作量Ｏｉ（ｔ−ＴＬ）と現在の速度ｖ（ｔ）より下記の式（５）を用いて比例係数αｖを算出する。
Figure 2012169531
ステップ２：算出した比例係数αｖと現在のレバー操作量Ｏｉ（ｔ）より下記の式（６）を用いて、ＴＬ秒後の速度の推定値ｖ（ｔ＋ＴＬ）を算出する。
Figure 2012169531
＜急停止時挙動予測＞
急停止時挙動予測手段６０ｃでは、急停止指令が行われた場合の作業機械１の挙動を予測する。現在の姿勢情報と速度推定手段６０ｂの速度推定結果と急停止モデルとから、操作レバーが開放されてから完全に停止に至るまでの位置、速度、加速度軌跡を算出する。急停止モデルとしては、例えば、急停止時の速度軌跡をモデル化し、その速度軌跡から位置軌跡及び加速度軌跡を算出する方法が考えられる。予め急停止時の速度軌跡をモデル化し、時刻ｔにおいて急停止動作が開始（操作レバー開放）されたときの操作レバー開放時刻からｔｅ秒後のシリンダ速度をｖｓｔｏｐ（ｔ，ｔｅ）としたとき、ｔｅ秒後のシリンダ長ｌｓｔｏｐ（ｔ，ｔｅ）とシリンダ加速度ａｓｔｏｐ（ｔ，ｔｅ）は、急停止開始時のシリンダ長ｌｓｔｏｐ（ｔ，０）を用いて以下の式（７）で算出する。
Figure 2012169531
リアルタイムで急停止時挙動予測を行うためには、急停止時の速度軌跡を簡易なモデルでモデル化すると良い。急停止時の速度軌跡の簡易モデルとしては一般に１次遅れ系や多次遅れ系や多項式関数が考えられる。なお、緩停止を行う場合には、急停止動作に加え、選択できる緩停止に対してもそれぞれ同様のモデル化を行う。
＜３次関数モデルによるモデル化＞
以下では、３次関数モデルを用いた場合を例にとり、モデル化及び急停止時挙動予測方法について説明する。本実施形態で用いる３次関数モデルを図６に示す。３次関数モデルは、速度変化開始点とピーク到達点を極値とする３次関数であり、操作レバー開放時刻をｔｉ、速度変化開始時刻をｔｓ、ピーク到達時刻をｔｐ、速度変化開始時の速度をｖｓ、ピーク速度をｖｐとする。急停止開始前のレバー操作量が一定であると仮定すると速度変化開始時の速度ｖｓは、操作レバー開放時の速度であることからｖｓ＝ｖｉとして扱う。モデル化においては、速度変化開始速度に対する速度最大変化量をオーバーシュート率αｏ、操作レバー開放時刻から速度変化開始時刻までの時間をむだ時間ＴＬ、速度変化開始時刻からピーク到達時刻までの時間を停止完了時間Ｔｃと定義し、ブーム１０、アーム１２及び旋回体３の動作ごとに上記の３つのパラメータを同定する。
Figure 2012169531
なお、緩停止を行う場合には、急停止時に加え選択できるそれぞれの設定の緩停止に対してもそれぞれ同様のモデル化を行い、設定ごとかつ動作ごとに上記の３つのパラメータを設定する。速度軌跡ｖｓｔｏｐ（ｔｉ，ｔｅ）は、オーバーシュート率、むだ時間、停止完了時間及び操作レバー開放時の速度を用いて以下の式（９）ように表される。操作レバー開放時の速度には速度推定手段の推定結果を用いる。
Figure 2012169531
このとき、シリンダ長軌跡及び加速度軌跡は以下の式（１０）で算出できる。
Figure 2012169531
ここで、
Ｌｉ：操作レバー開放時のシリンダ長である。
＜安定性判定手段＞
安定性判定手段６０ｄでは、上述した２つの安定性評価指標に基づき、急停止挙動予測６０ｃにおいて予測された急停止時軌跡より、ＺＭＰや力学的エネルギを必要に応じて算出し、いずれの点においても不安定化が生じないか否かを判定する。本実施形態では、上述のＺＭＰと力学的エネルギとを用いた安定性評価を行う。
以下、安定性評価のフローを、図７を用いて説明する。上述の通り、ＺＭＰは作業機械１が安定に接地している場合の安定性評価に有効であるが、走行体２が浮き始めた後の評価はできない。一方、力学的エネルギによる転倒判定は走行体２の一部が浮上した状態においてのみ有効であり、機械が安定に接地している場合の安定性評価はできない。そこで、常にＺＭＰを監視し、ＺＭＰが支持多角形内に設定された通常領域Ｊ内か否かを判定し、ＺＭＰが通常領域Ｊ内にある場合にはＺＭＰによる安定性評価を、ＺＭＰが通常領域Ｊの外側にある場合には、力学的エネルギによる評価を行う。力学的エネルギが式（３）を満たすときには「不安定」、満たさないときは「安定」と判定する。
＜リンク演算＞
リンク演算手段６０ｅでは、急停止時挙動予測手段６０ｃの予測結果を用いて、各リンクにつき、順次運動学演算を行う。そして図２に示す各質点２Ｐ，３Ｐ，１０Ｐ，１２Ｐ，２３Ｐの位置ベクトル軌跡ｒ２，ｒ３，ｒ１０，ｒ１２と速度ベクトル軌跡ｒ' ２，ｒ' ３，ｒ' １０，ｒ' １２，ｒ' ２３と加速度ベクトル軌跡ｒ'' ２，ｒ'' ３，ｒ'' １０，ｒ'' １２，ｒ'' ２３とを機械基準座標系（Ｏ−ＸＹＺ）を基準とした値に変換する。ここで、運動学計算の方法は周知の方法を用いることができるが、例えば「ロボット制御基礎論：吉川恒夫著、コロナ社（１９８８）」に記載されている方法を用いることができる。
＜ＺＭＰ演算・評価手段＞
ＺＭＰ演算・評価手段６０ｆは、リンク演算手段６０ｅによって機械基準座標系に変換された各質点の位置ベクトル軌跡及び加速度ベクトル軌跡を用いてＺＭＰ７０の軌跡を算出し（ステップＳ７１）、安定性評価を行う（ステップＳ７２）。本実施形態では、機械基準座標系の原点Ｏを走行体２と地表面３０の接する点に設定しているため、ＺＭＰのＺ座標が地表面３０上にあると仮定すると、ｒｚｍｐｚ＝０である。また、作業機械１では通常、バケット２３以外の部分には外力や外力モーメントはほとんど作用しないため、その影響を無視し、外力モーメントＭ＝０とみなす。このような条件のもとで式（１）を解き、ＺＭＰ７０のＸ座標ｒｚｍｐｘを以下の式（１１）を用いて算出する。
Figure 2012169531
また、これと同様に、ＺＭＰ７０のＹ座標ｒｚｍｐｙを以下の式（１２）を用いて算出する。
Figure 2012169531
式（１１）及び式（１２）において、ｍは図２に示す各質点２Ｐ，３Ｐ，１０Ｐ，１２Ｐ，２３Ｐの質量であり、各質点の質量ｍ２，ｍ３，ｍ１０，ｍ１２，ｍ２３を代入する。なお、バケット２３の質量ｍ２３は作業によって変化することが予想されるため、ピン力センサ４３ａ，４４ａの検出値から質量ｍ２３を算出して用いる。ｒ''は各質点の加速度であり、各質点の加速度ｒ'' ２，ｒ'' ３，ｒ'' １０，ｒ'' １２，ｒ'' ２３を代入する。以上のように、急停止時挙動予測手段の予測結果を用いることによって、ＺＭＰ演算・評価手段６０ｆは、ＺＭＰ７０の軌跡を算出することができる。
次に、ＺＭＰ演算・評価手段６０ｆがＺＭＰ７０の軌跡に基づいて行う領域判定による安定性算出と転倒可能性の判定について、図８を用いて説明する。
前記のように、ＺＭＰ７０が、作業機械１と地表面３０とで形成する支持多角形Ｌの十分内側の領域に存在する場合には、図１に示す作業機械１は転倒する可能性はほとんどなく、安全に作業を行うことが可能である。第１の実施形態におけるＺＭＰ演算・評価手段６０ｆは、作業機械１と地表面３０との接地点で形成される支持多角形Ｌを算出し、転倒の可能性が十分低い通常領域Ｊと、転倒の可能性がより高い転倒警告領域Ｎを設定し、ＺＭＰ７０がいずれの領域にあるかによって安定性を判定する。走行体２が地表面３０に正立している場合、支持多角形Ｌは、走行体２の平面形状と略等しくなる。したがって、走行体２の平面形状が矩形の場合、支持多角形Ｌは図８に示すように矩形となる。より具体的には、走行体２としてクローラを有している場合の支持多角形Ｌは、左右のスプロケットの中心点を結んだ線を前方境界線、左右のアイドラの中心点を結んだ線を後方境界線、左右それぞれのトラックリンク外側端を左右の境界線とした四角形である。なお、前方及び後方の境界は最も前方の下部ローラ及び最も後方の下部ローラの接地点としてもよい。
一方、図１に示した作業機械１は、ブレード１８を有しており、ブレード１８が地表面３０に接地している場合には、支持多角形Ｌは、ブレード底部を含むように拡大する。また、バケット２３を地表面に押し付けて走行体２を持ち上げるジャッキアップ動作においては、支持多角形Ｌは、走行体２の接地している側の２つの端点とバケット２３の接地点とによって形成される多角形となる。このように、作業機械１の接地状態によって支持多角形Lの形状が不連続に変化するため、ＺＭＰ演算・評価手段６０ｆは作業機械１の接地状況を監視し、接地状況に応じて支持多角形Ｌを設定する。
安定性評価においては、通常領域Ｊと転倒警告領域Ｎの境界Ｋを、支持多角形Ｌの内側に設定する。具体的には、境界Ｋは支持多角形Ｌを安全率にしたがって決定される比率に応じて、中心点側に縮小した多角形あるいは、支持多角形Ｌを安全率にしたがって決定される長さだけ内側に移動した多角形に設定される。ＺＭＰ７０が通常領域Ｊにある場合には、作業機械１の安定性は十分に高いと判定する。これに対して、ＺＭＰ７０が転倒警告領域Ｎにある場合には、作業機械が転倒の可能性ありと判定する。
上述のように、ＺＭＰが通常領域Ｊ内に存在する場合には「安定」であると判断し、安定性判定手段６０ｄの出力とする（ステップＳ７５）。一方、ＺＭＰが転倒警告領域Ｎに存在する場合には、走行体の一部が浮上する可能性が高いと判断し、力学的エネルギを算出して（ステップＳ７３）、力学的エネルギによる安定性判定を行う（ステップＳ７４）。つまり、転倒警告領域Ｎが大きいほど早期に力学的エネルギを計算することになる。転倒警告領域Ｎの大きさは、ＺＭＰ軌跡の推定誤差等を考慮して決めると良い。
＜力学的エネルギ算出・評価手段６０ｇ＞
ＺＭＰ演算・評価手段６０ｆにおいて、走行体２の浮上が予知された場合には、リンク演算手段６０ｅで算出した各質点の位置ベクトル軌跡、速度ベクトル軌跡を用いて作業機械１の重心位置軌跡を算出し、式（３）に示す運動エネルギ、位置エネルギ、回転半径を算出し、力学的エネルギに基づいた安定性判定を行う。即ち、式（３）を満たすか否かを判定することにより転倒の有無を判定できる。
第１の実施形態では、計測誤差やモデル化誤差、作業環境等の影響を考慮し、また、オペレータの熟練度や好みに合わせた制御介入を行うために安全率Ｓｅを設定する。安全率の設定方法としては、例えば、転倒判定に用いる閾値に対して安全率を設定することが考えられる。つまり、式（３）を以下の式（１３）のように変更して安定性判定を行う。
Figure 2012169531
式(１３)を満たさない場合には、転倒の可能性は低いと判断し、安定性判定手段の判定結果を「安定」とし（ステップＳ７６）、式（１３）を満たす場合には、転倒の可能性が高いと判断し、判定結果を「不安定」として出力する（ステップＳ７７）。
他の安全率設定方法としては、運動エネルギ演算に対して安全率を反映させる方法が考えられる。このとき、運動エネルギは以下の式（１４）で算出される。
Figure 2012169531
本例の場合、安定性判定はＫＥのかわりにＫＥ’を用い、式（３）に基づいて行い、「安定」又は「不安定」を安定判定手段の判定結果として出力する。このように運動エネルギ演算に安全率を反映することにより安全率による速度調整が容易になる。
なお、安全率は、あらかじめ設定される所定の値であってもよいし、作業機械１を操作するオペレータの習熟度や作業内容路面や周囲の状況などによって変更される値であっても良い。この場合、予め与えられた情報や各種センサの出力値等から自動で設定する構成や、オペレータや作業管理者がユーザ設定入力装置５５を用いて安全率を任意に設定する構成などが考えられる。
また、安全率は、作業機械１の作業状態に応じて作業中に変更されても良いし、前後左右について異なる値を用いる構成としても良い。安全率の設定方法として、オペレータや作業管理者が随時手動で設定を変更するほか、ＧＰＳ、地図情報、作業のＣＡＤ図面などを用いる構成が考えられる。上記の情報を用いることによって転倒が発生しやすい方向や転倒時の被害の大きい方向を自動で判別し、その方向の安全率が高くなるように自動で変更をすることができる。このように、安全率を適正な値とすることによって、作業効率を低下させることなく安全な作業を行うことができる。
＜動作制限決定手段＞
動作制限決定手段６０ｈでは、安定性判定手段６０ｄの判定結果を元に更なる繰り返し演算の要否を判定し、指令値補正指令６０ｉを生成する。本実施形態の安定化制御では、不安定化を回避するために緩停止と動作速度制限を行う。したがって、動作制限決定手段６０ｈは指令値生成手段６０ｉに対し、緩停止設定及び動作速度制限ゲインを出力する。
次に、繰り返し演算のフローを、図９を用いて説明する。第１回目の試行においては、速度推定手段６０ｂの推定結果及び急停止モデルを用いる設定とし（ステップＳ９１）、挙動予測（ステップＳ９２）及び安定性判定（ステップＳ９３）を行う。安定性判定手段６０ｄの判定結果が「安定」であった場合には、指令値の補正は行わない。この場合には、「緩停止なし」、「動作速度制限ゲイン＝１」を出力する（ステップＳ９１０）。一方、安定性判定手段６０ｄの判定結果が「不安定」であった場合は、急停止モデルに代えて緩停止モデルを用いる設定とし（ステップＳ９４）、挙動予測（ステップＳ９５）及び安定性判定（ステップＳ９６）を行う。安定性判定手段６０ｄの判定結果が「安定」であった場合は、動作速度制限ゲインは１とし、緩停止のみを行うように指令値補正指令６０ｉを行う（ステップＳ９１１）。一方、安定性判定手段６０ｄの判定結果が「不安定」であった場合は、速度推定値に動作速度制限ゲインα（＜１）を乗じたものと、緩停止モデルとを用いる設定とし（ステップＳ９７）、挙動予測（ステップＳ９８）及び安定性判定（ステップＳ９９）を行う。安定性判定手段６０ｄの判定結果が「安定」であった場合は、緩停止指令及び動作速度制限ゲインαの動作制限を行うように指令値補正指令を行う（ステップＳ９１２）。一方、安定性判定手段６０ｄの判定結果が「不安定」であった場合は、動作速度制限ゲインαを徐々に小さくし、安定性判定手段６０ｄの判定結果が「安定」となるまで、挙動予測（ステップＳ９８）と安定性判定（ステップＳ９９）を繰り返す。
なお、上記実施形態では、緩停止のパターンが一通りである場合を例にとって説明したが、緩停止の設定を複数設けても良い。この場合には、全ての緩停止設定において安定性判定結果が不安定となった場合にはじめて速度を減ずる。
また、上記実施形態では、急停止あるいは緩停止の軌跡上の停止に至るまでのすべての点について安定性評価を行い，いずれの点においても「安定」となるまで逐次的に速度を減じて安定性評価を繰り返す順演算によって安定限界速度を算出する方法を示したが、実用上はコントローラの演算処理能力を考慮し，停止軌跡上の演算点の個数及び繰り返し演算の試行回数を決定する。また、演算点の間隔は必ずしも等間隔である必要はない。
＜指令値生成手段＞
指令値生成手段６０ｉでは、動作制限決定手段６０ｈより出力された指令値補正指令に基づき、レバー操作量を補正し、各駆動アクチュエータへの入力値を生成し、出力部６０ｙに出力する。より具体的には動作速度制限ゲインαをレバー操作量に乗じたものを指令値とし、また緩停止指令がある場合には前述の式（４）に基づいてレバー操作量を補正して出力する。
＜ユーザ設定入力手段＞
ユーザ設定入力手段５５は、複数個の入力ボタンなどから構成され、オペレータはユーザ設定入力手段５５を介して作業内容や個々人の好みに応じて警告方法や安全率などの設定を行う。
＜警報装置＞
また、図１に示すように、運転室４に警報装置６３を設置し、安定化制御介入時や安定度に応じて、オペレータに警報を発するように構成しても良い。
＜表示装置＞
さらに、図１に示すように、運転室４に表示装置６１を設置し、現在の安定状態や、安定状態の変動や現在の設定を表示するように構成しても良い。また、表示装置６１を用いて、オペレータに安定度に応じた警告を発するようにしても良い。このように、運転室４に設置された表示装置６１や警報装置６３を通じて、オペレータに作業機械１の安定状態を通知することにより、オペレータによる操作レバー５０の操作を、作業機械１の安全を確保する上でより適切な操作へと導くことが可能になる。
以下に、本発明に係る作業機械の他の実施形態を列挙する。
（１）上記実施形態では、安定化制御演算手段６０ａにおいて、走行体２、上部旋回体３、ブーム１０、アーム１２、バケット２３のそれぞれの質点２Ｐ，３Ｐ，１０Ｐ，１２Ｐ，２３Ｐを用いる例を示したが、いくつかの質点を統合する、あるいは、影響の大きい質点を抽出するなどにより、演算に使用する質点の数を減らしても良い。質点数を減らすことにより、演算量を減少させることができる。
（２）上記実施形態では、作業機械１を各構成部材の重心に質量が集中している集中質点モデルとして扱う例を示したが、剛体モデル等の他のモデル化形式に基づいて実施する構成としても良い。
（３）上記実施形態では、急停止時挙動予測手段６０ｃにおいて、速度推定手段６０ｂの推定結果を用いる例を示したが、急停止時挙動予測手段６０ｃで用いる速度は、角度センサの出力値から算出される現在の動作速度であっても良い。その場合は、速度推定手段６０ｂを除いた構成をすることができる。
（４）上記実施形態では、安定性評価指標としてＺＭＰと力学的エネルギの２つの指標を用いる例を示したが、ＺＭＰのみを指標として用いる構成としてもよい。その場合、安定性判定手段６０ｄは、ＺＭＰが通常領域Ｊにある場合に「安定」、転倒警告領域Ｎにある場合に「不安定」と判定し、動作制限決定手段６０ｈへ出力する。ＺＭＰのみを用いる構成とした場合には、車体の浮上を防止することができ、安全性や乗り心地をより高くなる。
（５）上記実施形態では、不安定化を回避するための動作制限として緩停止と動作速度制限を行う例を示したが、緩停止を行わず、動作速度制限のみを行う構成にしても良い。その場合には、緩停止モデルを持つ必要はなく、急停止時挙動予測手段６０ｃは常に急停止モデルを用いて行う。また、動作制限決定手段６０ｈにおいては、第１回目の試行における安定性判定手段６０ｄの判定結果が「不安定」であった場合は、速度推定値に動作速度制限ゲインα（＜１）を乗じ、また、動作速度制限ゲインを徐々に小さくし安定性判定手段６０ｄの判定結果が「安定」となるまで、挙動予測と安定性判定を繰り返す。動作制限決定手段６０ｈの出力は動作速度制限ゲインαのみとなる。このように緩停止を行わない場合には、安定化制御による制動距離増大が生じない。
（６）上記実施形態では、バケットに加わる外力の検出にピン力センサ４３ａ，４４ａを設ける例を示したが、その他の検出方法として、ブームシリンダに圧力センサ１１ａ，１１ｂを設ける方法がある。この方法では、ブームシリンダに設けた圧力センサ１１ａ，１１ｂの検出値からバケット外力と作業フロント自重とを含んだモーメントＭｌを算出し、また、ブーム１０、アーム１２、バケット２３の各角度センサの検出値と、ブーム１０、アーム１２、バケット２３の各重心パラメータとから作業フロントの自重モーメントＭｏｃを算出する。次いで前記モーメントＭｌとＭｏｃとの差分及びブーム回動支点４０からバケット２３までの距離からバケット外力を算出する。また、作業機械１が作業具として、図示しないカッタを装備し、主に切断作業のみを行う場合、切断作業はカッタの内力を利用して行うため、作業中に作業フロント６には外力がほとんど加わらない。そこで、作業中に外力によって安定性が悪化する恐れが無い。このような場合には、ピン４３，４４（図１参照）に作用する外力を検出するピン力センサ４３ａ、４４ａを設けない構成としても良い。
（７）上記実施形態では、オペレータが作業機械１上に備わる運転席４に搭乗して、作業機械１の操作を行うことを想定して説明した。然るに、作業機械１の操作は無線等を用いた遠隔操作が行われるケースがある。遠隔操作時には、搭乗時に比べ作業機械の姿勢や路面の傾斜等を正確に把握するのが困難であり、また、熟練したオペレータでも作業機械の安定性を感覚的に把握することが困難である。したがって、遠隔操作時においては、一層優れた効果を奏する。遠隔操作型の作業機械においては、オペレータの操作場所付近に表示装置、警報装置等を設け、作業機械の情報を付加的に与えるように構成しても良い。
（８）上記実施形態では、操作レバー５０として、電気レバー方式を想定して説明したが、油圧パイロット方式の場合には、レバー操作量としてパイロット圧を計測し、安定化制御演算結果を元にパイロット圧を補正することによって安定化を行うことができる。
１ 作業機械
２ 走行体
３ 旋回体
３ｂ 姿勢センサ（旋回体）
３ｃ 中心線
３ｓ 旋回角センサ
４ 運転室
５ エンジン
６ 作業フロント
７ 旋回モータ
８ カウンタウエイト
１０ ブーム
１１ ブームシリンダ
１２ アーム
１３ アームシリンダ
１５ 作業具シリンダ
１６ リンク（Ａ）
１７ リンク（Ｂ）
２３ バケット
３０ 地表面
４０ ブーム回動支点
４０ａ 角度センサ（ブーム回動支点）
４１ アーム回動支点
４１ａ 角度センサ（アーム回動支点）
４２ バケット回動支点
４２ａ 角度センサ（バケット回動支点）
４３ ピン（バケット−アーム）
４３ａ 外力センサ（ピン４３）
４４ ピン（バケット−リンク）
４４ａ 外力センサ（ピン４４）
５０ 操作レバー
５１ｓ 旋回レバー操作量センサ
５１ｂ ブームレバー操作量センサ
５１ａ アームレバー操作量センサ
５１ｏ バケットレバー操作量センサ
５５ ユーザ設定入力手段
６０ 制御装置
６０ａ 安定化制御演算手段
６０ｂ 速度推定手段
６０ｃ 急停止時挙動予測手段
６０ｄ 安定性判定手段
６０ｅ リンク演算手段
６０ｆ ＺＭＰ演算・評価手段
６０ｇ 力学的エネルギ演算・評価手段
６０ｈ 動作速度制限決定手段
６０ｉ 指令値生成手段
６０ｘ 入力部
６０ｙ 出力部
６０ｚ 演算部
６１ 表示装置
６３ 警報装置
７０ ＺＭＰ

Claims (5)

  1. 走行体と、該走行体上に取り付けた作業機械本体と、該作業機械本体に対し上下方向に揺動自在に取り付けた作業フロントと、これら各部の駆動を制御する制御装置とを備えた作業機械において、
    前記制御装置は、前記走行体、前記作業機械本体及び前記作業フロントにおける各可動部の駆動を操作する操作レバーが操作状態から停止指令位置まで戻る前記操作レバーの操作速度の変化に応じて前記可動部が停止するまでの安定性変化の予測、及び前記可動部が停止するまでの作業機械が安定であるために必要とされる動作制限の算出とを行う安定化制御演算手段と、
    前記安定化制御演算手段の演算結果をもとに前記可動部を駆動するアクチュエータへの指令情報を補正する指令値生成手段を備え、前記操作レバーが瞬時に操作状態から停止位置まで戻された場合にも機械の安定性を向上することを特徴とする作業機械。
  2. 請求項１に記載の作業機械において、
    前記安定化制御演算手段は、前記動作制限として、前記可動部の減速度を制限して前記可動部を緩やかに停止させる緩停止指令値、及び前記アクチュエータの動作速度を制限する動作速度上限値の少なくともいずれか一方を算出することを特徴とする作業機械。
  3. 請求項１及び請求項２のいずれか１項に記載の作業機械において、
    前記安定化制御演算手段は、前記走行体、前記作業機械本体及び前記作業フロントにおける各可動部の位置情報、加速度情報及び外力情報から算出されるＺＭＰ座標、並びに作業機械の各可動部の位置情報及び速度情報から算出される力学的エネルギの少なくとも一方を用いて前記動作制限を算出することを特徴とする作業機械。
  4. 請求項２に記載の作業機械において、
    前記安定化制御演算手段は、前記可動部の減速度の制限を予め記憶しており、該減速度の制限を満たすように、前記アクチュエータへの指令情報を補正することを特徴とする作業機械。
  5. 請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の作業機械において、
    前記制御装置は、前記操作レバーが操作状態から瞬時に中立位置まで戻された場合における作業機械の挙動予測を行う挙動予測手段を備え、
    前記挙動予測手段は、速度が変化し始める時刻及びその時の速度によって表される速度変化開始点と操作レバー開放時からの速度変化量が最大となる時刻及びその時の速度によって表されるピーク到達点を極値とする３次関数をモデルとして用い、前記走行体、前記作業機械本体及び前記作業フロントの動作ごとに予め同定した、速度変化開始点とピーク到達点の速度の比によって算出されるオーバーシュート率、操作レバー開放から速度変化開始点までの時間、及び速度変化開始点からピーク到達点までの時間を用いることを特徴とする作業機械。
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