WO1998024985A1

WO1998024985A1 - Organe de commande d'engin de construction

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Publication number: WO1998024985A1
Application number: PCT/JP1997/004361
Authority: WO
Inventors: Shoji Tozawa; Tomoaki Ono
Original assignee: Shin Caterpillar Mitsubishi Ltd.
Priority date: 1996-12-03
Filing date: 1997-11-28
Publication date: 1998-06-11
Also published as: JPH10159123A; EP0900887A1; CA2242755A1; CN1210570A; EP0900887A4; KR19990081852A

Description

建設機械の制御装置

技術分野

本発明は、地面を掘削する油圧ショベル等の建設機械に関し、特にかかる建設機械の制御装置に関する。

明 - 田

背景技術

油圧ショベル等の建設機械は、例えば F I G . 1 2に模式的に示すように、無限軌条部 5 0 0 Αを有する下部走行体 5 0 Q上に、運転操作室 (キヤビン） 6 0 0付きの上部旋回体 1 0 0をそなえており、さらに、この上部旋回体 1 0 0に、ブーム 2 0 0，スティック 3 0 0 ，ノくケッ卜 4 0 0からなる関節式アーム機構を装備した構成となっている。

そして、例えば、ストロークセンサ 2 1 0， 2 2 0 , 2 3 0にて得られた、ブーム 2 0 0，スティック 3 0 0 , ノくケット 4 0 0の各伸縮変位情報に基づき、ブーム 2 0 0 , スティック 3 0 0 , ノ"？ケッ卜 4 0 0を適宜それぞれ油圧シリンダ 1 2 0 , 1 2 1 , 1 2 2で駆動して、バケットの進行方向或いはバケツト 4 0 0の姿勢を一定に保って掘削作業を行なえるようになつており、これにより、バケツ卜 4 0 0のごとき作業部材の位置と姿勢の制御を正確に且つ安定して行ない得るようになつている

しかしながら、このような従来の油圧ショベルでは、ブーム 2 0 0，スティック 3 0 0，バケツ卜 4 0 0の各伸縮変位を検出するためのス卜ロークセンサ 2 1 0 , 2 2 0 , 2 3 0が高価であるため、全体としてコスト高を招くという課題がある。本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、コストを低く抑えながら、作業部材の位置と姿勢を正確に且つ安定して制御しうる、建設機械の制御装置を提供することを目的とする。発明の開示

このため、本発明の建設機械の制御装置は、建設機械本体と、この建設機械本体に一端部を枢着され他端側に作業部材を有するとともに、関節部を介して相互に接続された少なくとも一対のアーム部材を有する関節式アーム機構と、伸縮動作を行なうことによりこのアーム機構を駆動する複数のシリンダ式ァクチユエ一夕を有するシリンダ式ァクチユエ一夕機構と、上記アーム機構の姿勢を角度情報で検出する角度検出手段と、この角度検出手段で得られた角度情報を対応する上記シリンダ式ァクチユエ一夕の伸縮変位情報に変換する変換手段と、この変換手段で変換された上記のシリンダ式ァクチユエ一夕の伸縮変位情報に基づいて上記シリンダ式ァクチユエ一夕が所定の伸縮変位となるように制御する制御手段とをそなえて構成されたことを特徴としている。

なお、上記の関節式アーム機構は、上記の建設機械本体に対して一端が回動可能に接続されるブームと、このブームに対して一端が上記関節部を介して回動可能に接続されるスティックとで構成し、上記作業部材を、このスティックに対して一端が関節部を介して回動可能に接続され先端が地面を掘削し内部に土砂を収容可能なバケツトとして構成してもよい。

また、上記のシリンダ式ァクチユエ一タ機構は、上記の建設機械本体と上記ブームとの間に介装され端部間の距離が伸縮することによりそのブームを建設機械本体に対して回動させるブーム油圧シリンダと、上記のブームとスティックとの間に介装され端部間の距離が伸縮することによりスティックをブームに対して回動させるスティック油圧シリンダと、上記のスティックとバケツ卜との間に介装され端部間の距離が伸縮することによりバケツトをスティックに対して回動させるバケット油圧シリンダとで構成してもよい。

さらに、上記の角度検出手段は、上記ブームの姿勢を検出する第 1角度センサと、上記スティックの姿勢を検出する第 2角度センサと、上記バゲッ卜の姿勢を検出する第 3角度センサとで構成してもよい。

また、上記の変換手段には、上記の角度検出手段で得られた角度情報からその角度情報に対応するシリンダ式ァクチユエ一タの伸縮変位情報を演算により求める演算手段を設けたり、上記の角度検出手段で得られた角度情報に対応するシリンダ式ァクチユエ一タの伸縮変位情報を記憶する記憶手段を設けたりしてもよい。

さらに、上記の変換手段は、上記の第 1角度センサで得られた角度情報をブーム油圧シリンダの伸縮変位情報に変換し、上記の第 2角度センザで得られた角度情報をスティック油圧シリンダの伸縮変位情報に変換し、上記の第 3角度センサで得られた角度情報をバケツ卜油圧シリンダの伸縮変位情報に変換するように構成してもよい。

このような構成により、本発明の建設機械の制御装置では、上記の角度検出手段で検出された角度情報が、変換手段で、アーム機構を駆動するシリンダ式ァクチユエ一夕の伸縮変位情報に変換されて、制御手段へ入力されるので、従来のように、各ァクチユエ一夕の伸縮変位を検出するための高価なストロ一クセンサを使用しなくても、従来の制御系で使用していたァクチユエ一夕の伸縮変位を使用した制御を実行することができる。従って、コストを低く抑えながら、作業部材の位置と姿勢を正確に且つ安定して制御しうるシステムを提供することができる。図面の簡単な説明

F I G. 1は本発明の一実施形態にかかる制御装置を搭載した油圧ショベルの模式図である。

F I G. 2は本発明の一実施形態にかかる制御装置の全体構成（電気系統及び油圧系統）を概略的に示す図である。

F I G. 3は本発明の一実施形態にかかる制御装置の制御系構成を概略的に示す図である。

F I G. 4は本発明の一実施形態にかかる制御装置全体の機能的な構成を説明するためのプロック図である。

F I G. 5は本発明の一実施形態にかかる制御装置の要部制御ブロック図である。

F I G. 6は本実施形態による油圧ショベルの動作部分（関節式ァ一ム機構及びバケツト）を模式的に示す側面図である。

F I G. 7は本実施形態による油圧ショベルの動作を説明すべくその油圧ショベルを模式的に示す側面図である。

F I G. 8は本実施形態による油圧ショベルの動作を説明すべくその油圧ショベルを模式的に示す側面図である。

F I G. 9は本実施形態による油圧ショベルの動作を説明すべくその油圧ショベルを模式的に示す側面図である。

F I G. 1 0は本実施形態による油圧ショベルの動作を説明すべくその油圧ショベルを模式的に示す側面図である。

F I G. 1 1は本実施形態による油圧ショベルの動作を説明すべくその油圧ショベルを模式的に示す側面図である。

F I G. 1 2は従来の油圧ショベルの概略構成を模式的に示す側面図である。発明を実施するための最良の形態

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。本実施形態にかかる建設機械としての油圧ショベルは、例えば F I G . 1に模式的に示すように、左右に無限軌条部 5 0 0 Aを有する下部走行体 5 0 0上に、運転操作室 6 0 0付き上部旋回体（建設機械本体） 1 0 0が水平面内で回転自在に設けられている。

そして、この上部旋回体 1 0 0に対して、一端が回動可能に接続されるブーム（アーム部材） 2 0 0が設けられ、更にブーム 2 0 0に対して、一端が関節部を介して回動可能に接続されるスティック（アーム部材 ) 3 0 0が設けられている。

さらに、スティック 3 0 0に対して、一端が関節部を介して回動可能に接続され、先端が地面を掘削し内部に土砂を収容可能なバケツ卜（作業部材） 4 0 0が設けられている。

このように、ブーム 2 0 0 , スティック 3 0 0 , 'ケット 4 0 0で、上部旋回体 1 0 0に一端部を枢着され他端側にバケツ卜 4 0 0を有するとともに、関節部を介して相互に接続された一対のアーム部材としてのブーム 2 0 0，スティック 3 0 0を少なくとも有する関節式アーム機構が構成される。

また、シリンダ式ァクチユエ一夕としてのブーム油圧シリンダ 1 2 0 ，スティック油圧シリンダ 1 2 1 , バゲット油圧シリンダ 1 2 2 (以下、ブーム油圧シリンダ 1 2 0をブームシリンダ 1 2 0又は単にシリンダ 1 2 0ということがあり、スティック油圧シリンダ 1 2 1をスティックシリンダ 1 2 1又は単にシリンダ 1 2 1 ということがあり、バゲット油圧シリンダ 1 2 2をバケットシリンダ 1 2 2又は単にシリンダ 1 2 2 ということがある）が設けられている。

ここで、ブ一ムシリンダ 1 2 0は、上部旋回体 1 0 0に対して一端が回動可能に接続されるとともに、ブーム 2 0 0に対して他の一端が回動可能に接続され、即ち上部旋回体 1 0 0 とブーム 2 0 0との間に介装されて、端部間の距離が伸縮することにより、ブーム 2 0 0を上部旋回体 1 0 0に対して回動させることができるものである。

また、スティックシリンダ 1 2 1は、ブーム 2 0 0に対して一端が回動可能に接続されるとともに、スティック 3 0 0に対して他の一端が回動可能に接続され、即ちブーム 2 0 0 とスティック 3 0 0 との間に介装されて、端部間の距離が伸縮することにより、スティック 3 0 0をブ一ム 2 0 0に対して回動させることができるものである。

さらに、ノくケッ卜シリンダ 1 2 2は、スティック 3 0 0に対して一端が回動可能に接続されるとともに、バケツト 4 0 0に対して他の一端が回動可能に接続され、即ちスティック 3 0 0 とバケツト 4 0 0との間に介装されて、端部間の距離が伸縮することにより、バゲッ卜 4 0 0をスティック 3 0 0に対して回動させることができるものである。なお、バケット油圧シリンダ 1 2 2の先端部には、リンク機構 1 3 0が設けられている。

このように上記の各シリンダ 1 2 0〜 1 2 2で、伸縮動作を行なうことによりアーム機構を駆動する複数のシリンダ式ァクチユエ一夕を有するシリンダ式ァクチユエ一タ機構が構成される。

なお、図示しないが、左右の無限軌条部 5 0 O Aをそれぞれ駆動する油圧モータや、上部旋回体 1 0 0を旋回駆動する旋回モータも設けられている。

ところで、 F I G . 2に示すように、上記の油圧ショベルには、シリンダ 1 2 0〜 1 2 2や上記の油圧モータや旋回モータのための油圧回路が設けられており、この油圧回路には、ディーゼルエンジン等のェンジン Eによって駆動される吐出量可変型のポンプ 5 1， 5 2のほかに、ブ —ム用主制御弁（コントロールバルブ） 1 3 , スティック用主制御弁（コントロールバルブ） 1 4 , バケツ卜用主制御弁（コントロールバルブ ) 1 5等が介装されている。

なお、吐出量可変型のポンプ 5 1， 5 2は、それぞれ、後述するェンジンポンプコントローラ 2 7によってその傾転角を調整されることにより、油圧回路への作動油の吐出量を変更できる構成になっている。また、 F I G. 2において、各構成要素間を接続するラインが実線である場合には、そのラインが電気系統であることを示し、各構成要素間を接続するラインが破線である場合には、そのラインが油圧系統であることを示している。

また、主制御弁 1 3 , 1 4， 1 5を制御するために、パイロット油圧回路が設けられており、このパイロッ卜油圧回路には、エンジン Eによつて駆動されるパイロットポンプ 5 0，電磁比例弁 3 A, 3 B, 3 C, 電磁切替弁 4 A, 4 B, 4 C, セレクタ弁 1 8 A， 1 8 B, 1 8 C等が介装されている。

そして、本実施形態の油圧ショベルには、電磁比例弁 3 A, 3 B, 3 Cを介して、主制御弁 1 3 , 1 4， 1 5を制御することにより、制御したいモードに応じて、ブーム 2 0 0，スティック 3 0 0，ノくケッ卜 4 0 0が所望の伸縮変位となるように制御するコントローラ（制御手段） 1 が設けられている。なお、このコントローラ 1は、マイクロプロセッサ， ROMや RAM等のメモリ，適宜の入出力インタフェースなどで構成される。

そして、このコントローラ 1へは種々のセンサからの検出信号（設定信号を含む）が入力されるようになっており、コントローラ 1は、これらのセンサからの検出信号に基づき、上記の制御を実行するようになつている。なお、このようなコントローラ 1による制御を半自動制御というが、この半自動制御による掘削中（半自動掘削モード）であっても、手動にてバケッ卜角及び目標法面高さの微調整を行なうことは可能である。

このような半自動制御モード（半自動掘削モード）としては、バケツト角制御モ一ド（F I G. 7参照），法面掘削モード（バケツト歯先直線掘削モ一ド又はレイキングモード）（F I G. 8参照），法面掘削モ ―ドとバケツト角制御モードとを組み合わせたスム一ジンダモード（F I G. 9参照） , バゲット角自動復帰モ一ド（ォ一卜リタ一ンモ一ド） (F I G. 1 0参照）等がある。

ここで、バゲット角制御モードは、 F I G. 7に示すように、スティック 3 0 0及びブーム 2 0 0を動かしてもバゲット 4 0 0の水平方向（垂直方向）に対する角度（バケツト角）が常に一定に保たれるモードで、このモードは、後述するモニタパネル 1 0上のバケツ卜角制御スイツチを ONにすると、実行される。なお、バゲット 4 0 0が手動にて動かされた時、このモードは解除され、バケツ卜 4 0 0が止まった時点でのバケツト角が新しいバケツト保持角として記憶される。

法面掘削モードは、 F I G. 8に示すように、バゲット 4 0 0の歯先 1 1 2 (以下、バケツ卜歯先 1 1 2ということがある）が直線的に動くモードである。但し、バケツトシリンダ 1 2 2は動かない。また、バゲット 4 0 0の移動に伴いバケツト角 øが変化する。

法面掘削モ一ド +バケツト角制御モ一ド（スム一ジングモード）は、 F I G. 9に示すように、バゲット 4 0 0の歯先 1 1 2が直線的に動くモードであり、バケツト角 øも掘削中一定に保たれる。

ノケット自動復帰モードは、 F I G. 1 0に示すように、バケツト角が予め設定された角度に自動的に復帰するモードであり、復帰バケツ卜角はモニタパネル 1 0によって設定される。このモードはブーム/バゲット操作レバ一 6上のバケッ卜自動復帰スター卜スィッチ 7を 0 Nにすることで始動する。バケツ卜 4 0 0が予め設定された角度まで復帰した時点でこのモードは解除される。

ここで、上記の法面掘削モード，ス厶ージングモードは、モニタパネル 1 0上の半自動制御スィッチを O Nにし、且つ、スティック操作レバ ― 8上の法面掘削スィツチ 9を O Nにし、スティック操作レバ一 8 とブ —ム /バゲット操作レバ一 6の両方又はどちらか一方が動かされた時に、これらのモードに入るようになつている。なお、目標法面角はモニタパネル 1 0上のスィッチ操作にて設定される。

また、法面掘削モード，スム一ジングモードでは、スティック操作レバー 8の操作量が目標法面角に対して平行方向のバケツト歯先移動速度を与え、ブーム/バケツ卜操作レバ一 6の操作量が垂直方向のバケツ卜歯先移動速度を与えるようになつている。従って、スティック操作レバ一 8を動かすと、目標法面角に沿って、バゲット 4 0 0の歯先 1 1 2力直線移動を開始し、掘削中にブーム/バケツ卜操作レバー 6を動かすことによって、手動による目標法面高さの微調整が可能となる。

さらに、法面掘削モード，スム一ジングモードでは、ブーム/バケツト操作レバ一 6を操作することによって掘削中のバゲッ卜角を微調整できるほか、目標法面高さも変更することができる。

なお、このシステムでは、手動モードも可能であるが、この手動モードでは、従来の油圧ショベルと同等の操作が可能となるほかに、バケツト 4 0 0の歯先 1 1 2の座標表示が可能である。

また、半自動システム全体のサービス · メンテナンスを行なうためのサービスモードも用意されており、このサービスモードはコントローラ 1に外部ターミナル 2を接続することによって行なわれる。そして、このサービスモ一ドによって、制御ゲインの調整や各センサの初期化等が行なわれる。

ところで、コントローラ 1に接続される各種センサとして、 F I G. 2に示すように、圧力スィッチ 1 6 , 圧力センサ 1 9， 2 8 A, 2 8 B , レゾルバ（角度センサ） 2 0〜 2 2，車両傾斜角センサ 2 4等が設けられており、更にコントローラ 1には、エンジンポンプコントローラ 2 7 , ON— O F Fスィッチ（前述したバケッ卜自動復帰スタートスイツチ） 7 , ON— 0 F Fスィッチ（前述した法面掘削スィッチ） 9，目標法面角設定器付きモニタパネル（ディスプレイスィッチパネル） 1 0が接続されている。なお、外部ターミナル 2は、制御ゲインの調整ゃ各センサの初期化時等に、コントローラ 1に接続される。

また、エンジンポンプコントローラ 2 7は、エンジン回転数センサ 2 3からのェンジン回転数情報を受けてエンジン E及び前述した吐出量可変型のポンプ 5 1 , 5 2の傾転角を制御するもので、コントローラ 1 との間で協調情報を遣り取りできるようになつている。

圧力センサ 1 9は、スティック 3 0 0の伸縮用，ブーム 2 0 0の上下用の各操作レバ一 6， 8から主制御弁 1 3 , 1 4 , 1 5に接続されているパイロット配管に取り付けられて、パイロット配管内のパイロット油圧を検出するものであるが、かかるパイロット配管内のパイロット油圧は、操作レバー 6， 8の操作量によって変化するため、この油圧を計測することで操作レバー 6， 8の操作量を推定できるようになつている。圧力センサ 2 8 A, 2 8 Bはブ一ムシリンダ 1 2 0，スティックシリンダ 1 2 1の伸長伸縮状態を検出するものである。

なお、前述した半自動制御時において、スティック操作レバ一 8は、設定された掘削斜面に対して平行方向のバケツト歯先移動速度を決定するものとして使用され、ブーム/バケツ卜操作レバー 6は設定斜面に対して垂直方向のバケツ卜歯先移動速度を決定するものとして使用される。従って、スティック操作レバ一 8 とブームバケツ卜操作レバー 6の同時操作時は設定斜面に対して平行及び垂直方向の合成べクトルにてバケット 4 0 0の歯先 1 1 2の移動方向とその速度が決定されることになる。

圧力スィツチ 1 6は、ブーム 2 0 0 , スティック 3 0 0 ，ノくケット 4 0 0のための操作レバ一 6， 8用のパイ口ット配管にセレクタ 1 7等を介、して取り付けられて、操作レバ一 6 , 8が中立か否かを検出するために使用される。即ち、操作レバ一 6， 8が中立状態の時、圧力スィッチ 1 6の出力が O F Fとなり、操作レバー 6， 8が使用されると、圧カスイッチ 1 6の出力が O Nとなる。なお、中立検出用圧力スィツチ 1 6は上記圧力センサ 1 9の異常検出及び手動/半自動モ一ドの切替用としても利用される。

レゾルバ 2 0は、ブーム 2 0 0の姿勢をモニタしうるブーム 2 0 0の建設機械本体 1 0 0への枢着部（関節部）に設けられてブーム 2 0 0の姿勢を検出する第 1角度センサとして機能するものであり、レゾルバ 2 1は、スティック 3 0 0の姿勢をモニタしうるスティック 3 0 0のブーム 2 0 0への枢着部（関節部）に設けられてスティック 3 0 0の姿勢を検出する第 2角度センサとして機能するものである。また、レゾルバ 2 2は、バゲット 4 0 0の姿勢をモニタしうるリンク機構枢着部に設けられてバケツト 4 0 0の姿勢を検出する第 3角度センサとして機能するもので、これらのレゾルバ 2 0〜2 2により、アーム機構の姿勢を角度情報で検出する角度検出手段が構成されている。

信号変換器（変換手段） 2 6は、レゾルバ 2 0で得られた角度情報をブームシリンダ 1 2 0の伸縮変位情報に変換し、レゾルバ 2 1で得られた角度情報をスティックシリンダ 1 2 1の伸縮変位情報に変換し、レゾルバ 2 2で得られた角度情報をバケツトシリンダ 1 2 2の伸縮変位情報に変換するもの、即ち、レゾルバ 2 0〜 2 2で得られた角度情報を対応するシリンダ 1 2 0〜 1 2 2の伸縮変位情報に変換するものである。

このため、この信号変換器 2 6は、各レゾルバ 2 0〜 2 2からの信号を受ける入カインタフヱ一ス 2 6 Aと、各レゾルバ 2 0〜 2 2で得られた角度情報に対応するシリンダ 1 2 0〜 1 2 2の伸縮変位情報を記憶するルークアップテーブル 2 6 B— 1を格納したメモリ（記憶手段） 2 6 Bと、各レゾルバ 2 0〜 2 2で得られた角度情報に対応するシリンダ 1 2 0〜 1 2 2の伸縮変位情報を求めシリンダ伸縮変位情報をコントローラ 1に通信しうる主演算装置（C P U) 2 6 Cと、主演算装置（C P U ) 2 6 Cからのシリンダ伸縮変位情報を送出する出カインタフエース 2 6 Dとをそなえて構成されている。

ところで、各レゾルバ 2 0〜 2 2で得られた角度情報 0bm, Θ st, θ bkに対応するシリンダ 1 2 0〜 1 2 2の伸縮変位情報 λ bm, λ st, λ bk はそれぞれ余弦定理を用いて次式（ 1 ) 〜（ 3 ) により求めることができる。

bm = (し 1。 1 / 1 + L 1 0 1 /

― 2 L 1 0 1. * L 1 0 1 c o s ( 9 bm+ Axbm ) ) ^1/2

… - ( 1 ) λ st= (L , 03 /1 0 + L 1 04/

2 L 1 03/ L 1 04 / 1 c o s 0 st)

( 2 )

Abk= (L i 6/1 0 ' + L ! 07,

1 /2 2 L 1 06 , L！ 09 c o s ^ bk)

• · · ( 3 ) ここで、上式（ 1 ) 〜（ 3 ) において、 L / i は固定長、 Axbm は固定角を表し、 Lの添字 i / j は節点 i， j 間の情報を有する。例えば L は節点 1 0 1 と節点 1 0 2 との距離を表す。ただし、節点 1 0 1を x y座標の原点とする（F I G. 6参照）。

もちろん、各レゾルバ 2 0〜 2 2で角度情報 0bm, 9st, bkが得られる毎に、上式を演算手段（例えば C P U 2 6 C) で演算してもよい。この場合は、 C P U 2 6 ( カ《、各レゾルバ 2 0〜 2 2で得られた角度情報からその角度情報に対応するシリンダ 1 2 0〜 1 2 2の伸縮変位情報を演算により求める演算手段を構成することになる。

なお、信号変換器 2 6で変換された信号は、半自動制御時のフィードバック制御用に利用されるほか、バケツト歯先 1 1 2の位置計測 Z表示用座標を計測するためにも利用される。

また、半自動システムにおけるバケツト歯先 1 1 2の位置（以下、バケット歯先位置 1 1 2 ということがある）は、油圧ショベルの上部旋回体 1 0 0のある 1点を原点として演算されるが、上部旋回体 1 0 0がフロントリンケージ方向に傾斜した時、制御演算上の座標系を車両傾斜分だけ回転することが必要になる。車両傾斜角センサ 2 4はこの座標系の回転分を補正するために使用される。

前述のごとく、コントローラ 1からの電気信号によって、電磁比例弁 3 A〜3 Cはパイロットポンプ 5 0から供給される油圧を制御し、制御された油圧を切替弁 4 A〜 4 C又はセレクタ弁 1 8 A〜 1 8 Cを通して主制御弁 1 3 , 1 4 , 1 5に作用させることにより、シリンダ目標速度が得られるように、主制御弁 1 3 , 1 4， 1 5のスプール位置を制御することが行なわれるが、切替弁 4 A〜 4 Cを手動モード側にすれば、手動にてシリンダ 1 2 0〜 1 2 2を制御することができる。

なお、スティック合流調整比例弁 1 1は目標シリンダ速度に応じた油量を得るために 2つのポンプ 5 1 , 5 2の合流度合を調整するものであるまた、スティック操作レバー 8には、前述した O N— O F Fスィッチ (法面掘削スィッチ） 9が取り付けられており、オペレータがこのスィツチ 9を操作することによって、半自動モードが選択又は非選択されるそして、半自動モードが選択されると、バゲッ卜 4 0 0の歯先 1 1 2 を直線的に動かすことができるようになる。

さらに、ブーム Zバゲッ卜操作レバ一 6には、前述した O N— O F F スィッチ（バケツ卜自動復帰スタートスィッチ） 7が取り付けられており、オペレータがこのスィッチ 7を O Nすることによって、バゲット 4 0 0を予め設定された角度に自動復帰させることができるようになっている。

安全弁 5は電磁比例弁 3 A〜3 Cに供給されるパイ口ッ卜圧を断続するためのもので、この安全弁 5が O N状態の時のみパイロット圧が電磁比例弁 3 A〜3 Cに供給されるようになっている。従って、半自動制御上、何らかの故障があった場合等は、この安全弁 5を O F F状態にすることにより、速やかにリンケージの自動制御を停止することができる。また、エンジン Eの回転速度はオペレータが設定したエンジンスロットルの位置〔スロッ卜ダイヤル（図示省略）を操作することによって設定される〕によって異なり、更に、エンジンスロットルが一定であっても負荷によってエンジン回転速度は変化する。ポンプ 5 0 , 5 1 , 5 2 はエンジン Eに直結されているので、エンジン回転速度が変化すると、ポンプ吐出量も変化するため、主制御弁 1 3 , 1 4， 1 5のスプール位置が一定であっても、シリンダ速度はェンジン回転速度の変化に応じて変化してしまう。これを補正するためにエンジン回転速度センサ 2 3が取り付けられており、エンジン回転速度が低い時は、バケツト歯先 1 1 2の目標移動速度を遅くするようになっている。

目標法面角設定器付きモニタパネル 1 0 (以下、単に「モニタパネル 1 0」ということがある）は、目標法面角 a ( F I G . 6及び F I G .

1 1参照），バケツト復帰角の設定器として使用されるほか、バケツ卜歯先 1 1 2の座標や計測された法面角あるいは計測された 2点座標間距離の表示器としても使用されるようになっている。なお、このモニタパネル 1 0は、操作レバ一 6， 8とともに運転操作室 6 0 0内に設けられる。

すなわち、本実施形態にかかるシステムにおいては、従来のパイロッ卜油圧ラインに圧力センサ 1 9及び圧力スィツチ 1 6を組込み、操作レバ一 6 , 8の操作量を検出し、レゾルバ 2 0 , 2 1， 2 2を用いてフィ ―ドバック制御を行ない、制御は各シリンダ 1 2 0 , 1 2 1 , 1 2 2毎に独立した多自由度フィ一ドハック制御ができるような構成となっている。これにより、圧力補償弁等の油器の追加が不要となる。また、車両傾斜角センサ 2 4を用いて、上部旋回体 1 0 0の傾斜による影響を補正し、コントローラ 1からの電気信号にて、シリンダ 1 2 0 , 1 2 1 , 1 2 2を駆動するために電磁比例弁 3 A〜 3 Cを利用した構成にもなつている。なお、手動 Z半自動モード切替スィッチ 9によりオペレータは任意にモ一ドを選択できるようになつているほか、目標法面角を設定することもできるようになっているのである。

次に、コントローラ 1にて行なわれる半自動システムの制御アルゴリズムについて述べるが、このコントローラ 1にて行なわれる半自動制御モード（バケツ卜自動復帰モードを除く）の制御アルゴリズムは概略 F I G . 4に示すようになつている。

すなわち、最初に、バケツ卜歯先 1 1 2の移動速度及び方向を、目標法面設定角，スティックシリンダ 1 2 1及びブームシリンダ 1 2 0を制御するパイロット油圧，車両傾斜角，エンジン回転速度の情報より求める。そして、求められた情報（バケツト歯先 1 1 2の移動速度及び移動方向）に基づいて各シリンダ 1 2 0, 1 2 1 , 1 2 2の目標速度を演算する。この時、エンジン回転速度の情報はシリンダ速度の上限を決定するとき必要となる。

また、コントローラ 1は、 F I G. 3及び F I G. 4に示すように、各シリンダ 1 2 0, 1 2 1 , 1 2 2毎に独立した制御部 1 A， I B, 1 Cをそなえており、各制御は、 F I G. 4に示すように、独立した制御フィードバックループとして構成され、互いに干渉し合うことがないようになつている。

ここで、本実施形態の制御装置の要部について説明すると、 F I G. 4に示す閉ループ制御内の補償構成は、各制御部 1 A, I B, 1 Cとも . F I G. 5に示すように、変位，速度についてのフィードバックループとフィードフォヮ一ドループとの多自由度構成となっており、制御ゲィン（制御パラメータ）可変のフィ一ドバックループ式補償手段 7 2と、制御ゲイン（制御パラメータ）可変のフィードフォワードループ式補償手段 7 3とをそなえて構成されている。

すなわち、目標速度が与えられると、フィードバックループ式補償手段 7 2において、目標速度と速度フィ一ドバック情報との偏差に所定のゲイン K v p (符号 6 2参照）を掛けるルートと、目標速度を一旦積分して（F I G. 5の積分要素 6 1参照）、この目標速度積分情報と変位フィードバック情報との偏差に所定のゲイン K p p (符号 6 3参照）を掛けるルー卜と、上記目標速度積分情報と変位フィードバック情報との偏差に所定のゲイン Kp i (符号 6 4参照）を掛け更に積分（符号 6 6 参照）を施すルートによる処理がなされる一方、フィードフォワードループ式補償手段 7 3においては、目標速度に所定のゲイン K f (符号 6 5参照）を掛けるルートによる処理がなされるようになつている。

このうち、フィ一ドバックル一プ処理についてもう少し詳しく説明すると、本装置には、 F I G . 5に示すように、シリンダ 1 2 0〜 1 2 2 の動作情報を検出する動作情報検出手段 9 1が設けられており、コントローラ 1では、動作情報検出手段 9 1からの検出情報と、目標値設定手段 8 0で設定された目標動作情報（例えば目標移動速度）とを人力情報として、ブーム 2 0 0等のアーム部材およびバケツト（作業部材） 4 0 0が目標とする動作状態になるよう制御信号を設定 · 出力する。また、動作情報検出手段 9 1は、具体的には、各シリンダ 1 2 0〜 1 2 2の位置を検出しうるシリンダ位置検出手段 8 3であって、本実施形態では、このシリンダ位置検出手段 8 3は、上述したレゾルバ 2 0〜 2 2 と信号変換器 2 6 とから構成されている。

なお、上記のゲイン K v p， K p p , K p i， K f の値は、ゲインスケジユーラ 7 0によって変更できるようになつている。

また、非線形除去テーブル 7 1力^ 電磁比例弁 3 A〜 3 Cや主制御弁 1 3〜 1 5等の非線形性を除去するために設けられているが、この非線形除去テーブル 7 1を用いた処理は、テーブルルックアップ手法を用いることにより、コンビュ一夕にて高速に行なわれるようになつている。上述のような構成により、油圧ショベルを用いて、 F I G . 1 1に示すような目標法面角 αの法面掘削作業を半自動で行なう際に、本実施形態のシステムでは、従来の手動制御のシステムに比し、ブーム 2 0 0及びスティック 3 0 0の合成移動量を掘削速度に合わせて自動調整する電子油圧システムにより、上記のような半自動制御機能を実現することができる。

即ち、油圧ショベルに搭載されたコントロ一ラ 1へ種々のセンサからの検出信号（目標法面角の設定情報を含む）が入力され、このコント口 —ラ 1力^ これらのセンサからの検出信号（信号変換器 2 6を介したレゾルバ 2 0〜2 2での検出信号も含む）に基づき、電磁比例弁 3 Α， 3 B， 3 Cを介して、主制御弁 1 3， 1 4， 1 5を制御することにより、ブーム 2 0 0，スティック 3 0 0，バゲット 4 0 0が所望の伸縮変位となるような制御を施して、上記のような半自動制御を実行するのであるそして、この半自動制御に際しては、まず、バケツト歯先 1 1 2の移動速度及び方向を、目標法面設定角，スティックシリンダ 1 2 1及びブ —ムシリンダ 1 2 0を制御するパイロット油圧，車両傾斜角，エンジン回転速度の情報より求め、その情報を基に各シリンダ 1 2 0， 1 2 1 , 1 2 2の目標速度を演算するのである。この時エンジン回転速度の情報はシリンダ速度の上限を決定する時必要となる。また、制御は、各シリンダ 1 2 0， 1 2 1 , 1 2 2毎に独立したフィードバックル一プとしており、互いに干渉し合うことはない。

なお、この半自動システムにおける目標法面角の設定は、モニタパネノレ 1 0上のスィッチによる数値入力による方法， 2点座標入力法，バケット角度による入力法によりなされ、同じく半自動システムにおけるバケッ卜復帰角の設定は、モニタパネル 1 0上のスィツチによる数値入力による方法，バゲット移動による方法によりなされるが、いずれも公知の手法が用いられる。

また、上記各半自動制御モードとその制御法は、レゾルバ 2 0〜2 2 で検出された角度情報を信号変換器 2 6でシリンダ伸縮変位情報に変換したものに基づいて、次のようにして行なわれる。

まず、バケツ卜角度制御モードでは、バケツト 4 0 0 と X軸となす角 (バケツト角） 0を任意の位置で一定となるように、バケツトシリンダ 1 2 2長さを制御する。このとき、バケツトシリンダ長さ； I bkは、ブームシリンダ長さ A bin, スティックシリンダ長さ； I st及び上記の角度 øが決まると求められる。スム一ジングモードでは、バケツ卜角度 øは一定に保たれるから、バケッ卜歯先位置 1 1 2 と節点 1 0 8は平行に移動する。まず、節点 1 0 8が X軸に対して平行に移動する場合（水平掘削）を考えると、次のようになる。

すなわち、この場合は、掘削を開始するリンケ一ジ姿勢における節点 1 0 8の座標を（X _{1 0 8} ， y _{1 () 8} ) とし、この時のリンケージ姿勢におけるブ一ムシリンダ 1 2 0 とスティックシリンダ 1 2 1のシリンダ長さを求め、 X _{1 () 8} が水平に移動するようにブーム 2 0 0 とスティック 3 0 0の速度を求める。なお、節点 1 0 8の移動速度はスティック操作レバ一 8の操作量によって決定される。

また、節点 1 0 8の平行移動を考えた場合、微小時間 Δ t後の節点 1 0 8の座標は（χ _{1 0 8} + Δ X , y _{1 0 8} ) で表わされる。 Δ χは移動速度によって決まる微小変位である。従って、 X _{1 0 8} に Δ χを考慮することで、 Δ t後の目標ブーム及びスティックシリンダの長さが求められる。法面掘削モードでは、スムージングモードと同様の要領の制御でよいが、移動する点が節点 1 0 8からバケツ卜歯先位置 1 1 2へ変更され、更にバケツトシリンダ長さが固定されることを考慮した制御となる。また、車両傾斜角センサ 2 4による仕上げ傾斜角の補正については、フロントリンケージ位置の演算は F I G . 6における節点 1 0 1を原点とした X y座標系で行なわれる。従って、車両本体が X y平面に対して傾斜した場合、上記 x y座標が回転し、地面に対する目標傾斜角が変化してしまう。これを補正するため、車両に車両傾斜角センサ 2 4を取り付け、この車両傾斜角センサ 2 4によって、車両本体が x y平面に対して /3だけ回転していることが検出された場合、 ^だけ加算した値と置き直すことによって補正すればよい。

ェンジン回転速度センサ 2 3による制御精度悪化の防止については、以下の通りである。即ち、目標バゲット歯先速度の補正については、目標バケツト歯先速度はスティック操作レバー 8及びブーム/バケツ卜操作レバー 6の位置とエンジン回転速度とにより決定される。また、油圧ポンプ 5 1， 5 2はエンジン Eに直結されているため、エンジン回転速度が低い時、ポンプ吐出量も減少し、シリンダ速度が減少してしまう。そのため、エンジン回転速度を検出し、ポンプ吐出量の変化に合うように目標バケツト歯先速度を算出しているのである。

また、目標シリンダ速度の最大値の補正については、目標シリンダ速度はリンケージの姿勢及び目標法面傾斜角によって変化することと、ポンプ吐出量がエンジン回転速度の低下に伴い減少する場合、最大シリンダ速度も減少させる必要があることとを考慮した補正が行なわれる。なお、目標シリンダ速度が最大シリンダ速度を超えた時は、目標バケツト歯先速度を減少して、目標シリンダ速度が最大シリンダ速度を超えないようにする。

以上、種々の制御モードとその制御法について説明したが、いずれもシリンダ伸縮変位情報に基づいて行なう手法で、この手法による制御内容については公知である。すなわち、本実施形態にかかるシステムでは、レゾルバ 2 0〜2 2で角度情報を検出したのちに、角度情報を信号変換器 2 6でシリンダ伸縮変位情報に変換しているので、以降は公知の制御手法を使用できるのである。

このようにして、コントローラ 1にて、各種の制御がなされるが、本実施形態にかかるシステムでは、レゾルバ 2 0〜 2 2で検出された角度情報信号が、信号変換器 2 6で、シリンダ変位情報に変換されて、コントロ一ラ 1へ入力されているので、従来のように、ブーム 2 0 0，ステイツク 3 0 0 , バケツ卜 4 0 0用シリンダの各伸縮変位を検出するための高価なス卜ロークセンサを使用しなくても、従来の制御系で使用していたシリンダ伸縮変位を用いた制御を実行することができる。これにより、コストを低く抑えながら、バケツ卜 4 0 0の位置と姿勢を正確に且つ安定して制御しうるシステムを提供しうるのである。

また、フィードバック制御ループが各シリンダ 1 2 0， 1 2 1 , 1 2 2毎に独立しており、制御ァルゴリズムが変位、速度およびフィードフォワードの多自由制御としているので、制御系を簡素化できるほか、油圧機器の非線型性をテーブルルックアツプ手法により高速に線形化することができるので、制御精度の向上にも寄与している。

さらに、車両傾斜角センサ 2 4により車両傾斜の影響を補正したり、エンジン回転速度を読み込むことにより、エンジンスロットルの位置及び負荷変動による制御精度の悪化を補正しているので、より正確な制御の実現に寄与している。

また、外部ターミナル 2を用いてゲイン調整等のメインテナンスもできるので、調整等が容易であるという利点も得られる。さらに、圧力センサ 1 9等を用いてパイロット圧の変化により、操作レバ一 7， 8の操作量を求め、更に従来のオープンセンタバルブ油圧システムをそのまま利用しているので、圧力補償弁等の追加を必要としない利点があるほか、目標法面角設定器付モニタパネル 1 0でバケツト歯先座標をリアル夕ィムに表示することもできる。また、安全弁 5を用いた構成により、システムの異常時におけるシステム異常動作も防止できる。

なお、上述した実施形態では、本発明を油圧ショベルに適用した場合について説明しているが、本発明は、これに限定されるものではなく、シリンダ式ァクチユエ一夕で駆動される関節式アーム機構を有するトラクタ，ローダ，ブルドーザ等の建設機械であれば同様に適用され、いずれの建設機械においても上述と同様の作用効果を得ることができる。また、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。産業上の利用可能性

以上のように、本発明の建設機械の制御装置によれば、上述のように従来の制御系で使用していたァクチユエ一夕の伸縮変位情報を用いた制御を実行することにより、コス卜を低く抑えながら、建設機械のアーム機構の位置と姿勢を正確に且つ安定して制御できるので、建設現場等の所望の作業現場における設備投資費用の低コスト化ゃ施工期間の短縮化などに大いに寄与し、その有用性は極めて高いものと考えられる。

Claims

請求の範囲

1. 建設機械本体（ 1 0 0 ) と、

該建設機械本体（ 1 0 0 ) に一端部を枢着され他端側に作業部材を有するとともに、関節部を介して相互に接続された少なくとも一対のァーム部材（ 2 0 0， 3 0 0 ) を有する関節式アーム機構と、

伸縮動作を行なうことにより該ァ一ム機構を駆動する複数のシリンダ式ァクチユエ一夕（ 1 2 0〜 1 2 2 ) を有するシリンダ式ァクチユエ一夕機構と、

該アーム機構の姿勢を角度情報で検出する角度検出手段（ 2 0〜 2 2 ) と、

該角度検出手段（ 2 0〜 2 2) で得られた角度情報を対応する該シリンダ式ァクチユエ一夕の伸縮変位情報に変換する変換手段（ 2 6 ) と、該変換手段（2 6 ) で変換された該シリンダ式ァクチユエ一タ（ 1 2 0〜 1 2 2 ) の伸縮変位情報に基づいて、該シリンダ式ァクチユエ一夕 ( 1 2 0〜 1 2 2 ) が所定の伸縮変位となるように制御する制御手段（ 1 ) とをそなえて構成されたことを特徴とする、建設機械の制御装置。

2. 該関節式アーム機構が、

該建設機械本体（ 1 0 0 ) に対して、一端が回動可能に接続されるブ —ム（ 2 0 0 ) と、

該ブーム（ 2 0 0 ) に対して、一端が該関節部を介して回動可能に接続されるスティック（ 3 0 0 ) とをそなえて構成されるとともに、該作業部材（ 4 0 0 ) 力^ 該スティック（ 3 0 0 ) に対して、一端が関節部を介して回動可能に接続され、先端が地面を掘削し内部に土砂を収容可能なバケツト（ 4 0 0 ) として構成されたことを特徴とする、請求の範囲第 1項記載の建設機械の制御装置。

3. 該シリンダ式ァクチユエ一夕機構が、

該建設機械本体（ 1 0 0 ) と該ブ一ム（ 2 0 0 ) との間に介装され、端部間の距離が伸縮することにより、該ブームを該建設機械本体に対して回動させる、ブーム油圧シリンダ（ 1 2 0 ) と、

該ブーム（ 2 0 0 ) と該スティック（ 3 0 0 ) との間に介装され、端部間の距離が伸縮することにより、該スティック（ 3 0 0 ) を該ブーム ( 2 0 0 ) に対して回動させる、スティック油圧シリンダ（ 1 2 1 ) と該スティック（ 3 0 0 ) と該バケツ卜（ 4 0 0 ) との間に介装され、端部間の距離が伸縮することにより、該バケツト（ 4 0 0 ) を該スティックに対して回動させる、バケット油圧シリンダ（ 1 2 2 ) とをそなえて構成されたことを特徴とする、請求の範囲第 2項記載の建設機械の制

4. 該角度検出手段が、

該ブーム（ 2 0 0 ) の姿勢を検出する第 1角度センサ（ 2 0 ) と、該スティック（ 3 0 0 ) の姿勢を検出する第 2角度センサ（ 2 1 ) と該バケツト（ 4 0 0 ) の姿勢を検出する第 3角度センサ（ 2 2 ) とをそなえて構成されたことを特徴とする、請求の範囲第 2項記載の建設機械の制御装置。

5. 該変換手段（ 2 6 ) が、

該角度検出手段（ 2 0〜 2 2 ) で得られた角度情報から該角度情報に対応する該シリンダ式ァクチユエ一夕（ 1 2 0〜 1 2 2 ) の伸縮変位情報を演算により求める演算手段（ 2 6 C) をそなえていることを特徴とする、請求の範囲第 1項記載の建設機械の制御装置。

6. 該変換手段（ 2 6 ) 、該角度検出手段（ 2 0〜 2 2 ) で得られた角度情報に対応する該シリンダ式ァクチユエ一タ（ 1 2 0〜 1 2 2 ) の伸縮変位情報を記憶する記憶手段（ 2 6 B) をそなえていることを特徴とする、請求の範囲第 1項記載の建設機械の制御装置。

7. 該変換手段（ 2 6 ) が、

該第 1角度センサ（ 2 0 ) で得られた角度情報を該ブーム油圧シリンダ（ 1 2 0 ) の伸縮変位情報に変換し、該第 2角度センサ（ 2 1 ) で得られた角度情報を該スティック油圧シリンダ（ 1 2 1 ) の伸縮変位情報に変換し、該第 3角度センサ（ 2 2 ) で得られた角度情報を該バケツト油圧シリンダ（ 1 2 2 ) の伸縮変位情報に変換するように構成されていることを特徴とする、請求の範囲第 3項記載の建設機械の制御装置。