JPWO2012169531A1 - 作業機械 - Google Patents
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Abstract
Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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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