WO2016163194A1

WO2016163194A1 - 作業機械の外力計測システムおよび作業機械

Info

Publication number: WO2016163194A1
Application number: PCT/JP2016/057262
Authority: WO
Inventors: 貴雅甲斐; 弘幸山田; 柄川　索
Original assignee: 株式会社日立製作所
Priority date: 2015-04-06
Filing date: 2016-03-09
Publication date: 2016-10-13
Also published as: JPWO2016163194A1; US20180073945A1

Abstract

　油圧ショベルバケットに作用する外力を精度よく算出する。　作業機械中のフロント部を駆動する油圧シリンダと、油圧シリンダ中のシリンダロッドのひずみ量をセンシングする複数のひずみゲージと、を有し、複数のひずみゲージは、少なくとも２組のひずみゲージで構成され、シリンダロッドの軸方向から見たとき、少なくとも２組のひずみゲージは対向して配置されている作業機械の外力計測システムであって、対向して配置されたそれぞれの組のひずみゲージのひずみ量の差に基づき、油圧シリンダに作用する荷重を算出する荷重演算部を有する作業機械の外力計測システム。

Description

作業機械の外力計測システムおよび作業機械

本発明は、作業機械の外力計測システムおよび作業機械に関する。

　油圧ショベルの掘削量および掘削反力を算出する技術が知られている。たとえば、特許文献１は、各リンクについて作用点に作用する反力荷重を求めるためのラグランジェの運動方程式を導出し、各リンクの回転角を検出すると共に、各リンクの重機本体側の枢軸線の周りのトルクを推定し、これらに基づいてラグランジェの運動方程式を解くことにより反力荷重を演算し、反力荷重に基づいて先端リンクが作用点にて対象物より受ける反力荷重を演算する。

特開２０１３－１０８９０７号公報

　特許文献１の技術では、各リンクの重機本体側の枢軸線の周りのトルクを推定し運動方程式を解くことで反力荷重を演算しており、トルクを算出するために、２枚のひずみゲージを用いてシリンダロッドに作用する軸力を計測している。しかし、特許文献１のようにひずみゲージをシリンダロッドに貼りつけた場合、旋回時のモーメント荷重や、掘削時の衝撃荷重の影響により、反力荷重を精度よく計測することが難しい。

　本発明は、油圧ショベルバケットに作用する外力を精度よく算出することを目的とする。

　上記課題を解決するための本発明の特徴は、例えば以下の通りである。

　作業機械中のフロント部を駆動する油圧シリンダと、油圧シリンダ中のシリンダロッドのひずみ量をセンシングする複数のひずみゲージと、を有し、複数のひずみゲージは、少なくとも２組のひずみゲージで構成され、シリンダロッドの軸方向から見たとき、少なくとも２組のひずみゲージは対向して配置されている作業機械の外力計測システムであって、対向して配置されたそれぞれの組のひずみゲージのひずみ量の差に基づき、油圧シリンダに作用する荷重を算出する荷重演算部を有する作業機械の外力計測システム。

　作業機械中のフロント部を駆動する油圧シリンダと、油圧シリンダ中のシリンダロッドのひずみ量をセンシングする複数のひずみゲージと、を有し、複数のひずみゲージは、少なくとも２組のひずみゲージで構成され、シリンダロッドの軸方向から見たとき、少なくとも２組のひずみゲージは対向して配置されている作業機械の外力計測システムであって、少なくとも２組のひずみゲージのひずみ量の平均値に基づき、油圧シリンダに作用する荷重を算出する荷重演算部を有する作業機械の外力計測システム。

　作業機械中のフロント部を駆動する油圧シリンダと、油圧シリンダ中のシリンダロッドのひずみ量をセンシングする複数のひずみゲージと、を有し、複数のひずみゲージは、少なくとも２組のひずみゲージで構成され、シリンダロッドの軸方向から見たとき、少なくとも２組のひずみゲージは対向して配置されている作業機械。

　本発明によれば、油圧ショベルバケットに作用する外力を精度よく算出することができる。上記した以外の課題、構成及び効果は以下の実施形態の説明により明らかにされる。

油圧ショベル全体図シリンダロッド拡大図ひずみゲージ付シリンダロッド断面図荷重演算装置の作業フローショベルフロント部拡大図ひずみゲージ付シリンダロッド断面図

　以下、図面等を用いて、本発明の実施形態について説明する。以下の説明は本発明の内容の具体例を示すものであり、本発明がこれらの説明に限定されるものではなく、本明細書に開示される技術的思想の範囲内において当業者による様々な変更および修正が可能である。また、本発明を説明するための全図において、同一の機能を有するものは、同一の符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。

　本実施例では、作業機械として油圧ショベルを、外力が作用するアタッチメントとしてバケットを想定して説明する。油圧ショベルでの作業中にバケットに作用する外力の計測方法について、図１、図２、図３、図４を用いて説明する。図１は油圧ショベル全体図、図２はシリンダロッド拡大図、図３はひずみゲージ付シリンダロッドの断面図、図４は荷重演算部の作業フローである。

　本実施例の特徴は、作業機械中のフロント部を駆動する油圧シリンダと、油圧シリンダ中のシリンダロッドのひずみ量をセンシングする複数のひずみゲージと、を有し、複数のひずみゲージは、少なくとも２組のひずみゲージで構成され、シリンダロッドの軸方向から見たとき、少なくとも２組のひずみゲージは対向して配置されている作業機械の外力計測システムであって、対向して配置されたそれぞれの組のひずみゲージのひずみ量の差に基づき、油圧シリンダに作用する荷重を算出する荷重演算部を有する作業機械の外力計測システムである。

　油圧ショベル１００は、図１に示す下部走行体１、下部走行体１上部に取付けられる上部旋回体２、上部旋回体２に取付けられるキャブ３、上部旋回体２に取付けられるブーム４、ブーム４先端に取付けられるアーム５、アーム５先端に取付けられるバケット６から構成される。ブーム４、アーム５、およびバケット６でフロント部が構成される。

　ブーム４、アーム５、バケット６には、油圧シリンダであるブームシリンダ４ａ、アームシリンダ５ａ、バケットシリンダ６ａが取り付けられている。また、ブーム４、アーム５、バケット６には、ブームストロークセンサ４ｂ、アームストロークセンサ５ｂ、バケットストロークセンサ６ｂが取り付けられている。これらの油圧シリンダは、キャブ３内に設けられる操作レバーを操作することによって、シリンダ内の油量を調整し、油圧シリンダを伸縮させることができる。この油圧シリンダの伸縮動作によって、ブーム４、アーム５、バケット６（フロント部）を駆動することができる。キャブ３内に、油圧シリンダに作用する荷重を算出する荷重演算部２０が配置されている。荷重演算部２０は、油圧ショベル１００の外部に作業機械の外力計測システムとして配置されていてもよい。

　図２は油圧シリンダの拡大図である。ここではアームシリンダ５ａについて説明するが、ブームシリンダ４ａ、バケットシリンダ６ａに関しても、構造は同等である。油圧シリンダ５ａは、クレビス８とアーム５のピン挿入穴８ａにピンを通すことによって結合している。油圧シリンダの逆側も同様に、クレビス９とブーム４のピン挿入穴９ａにピンを通すことで結合している。このように取り付けられることで、油圧シリンダ５ａが伸びた場合に、アーム５をキャブ３側に抱え込む動作（クラウド動作）、縮んだ場合はアーム５を伸ばす動作（ダンプ動作）を行うことができる。

　バケット６はアーム５と同じように油圧シリンダ６ａが伸びた場合にクラウド動作、縮んだ場合にダンプ動作を行い、ブーム４は、ブームシリンダ４ａが伸びた場合にブーム上げ、縮んだ場合にブーム下げ動作を行う。

　図３はシリンダロッドの断面図であり、ブーム４、アーム５、バケット６に取り付けられるブームシリンダ４ａ、アームシリンダ５ａ、バケットシリンダ６ａで共通である。シリンダロッド７には、ひずみゲージ１０、ひずみゲージ１１、ひずみゲージ１２、ひずみゲージ１３が貼付けられており、ひずみゲージ１０、ひずみゲージ１１は図３に示すピン挿入穴の軸方向のｘ軸上、ひずみゲージ１２、ひずみゲージ１３はＡ－Ａ’断面におけるｘ軸から９０度の位置のｚ軸上に貼付けられている。油圧シリンダは、シリンダロッド７が伸縮することで駆動するため、シリンダロッド７はシリンダ内部に入ってしまう箇所がある。このため、ひずみゲージ１０、ひずみゲージ１１、ひずみゲージ１２、ひずみゲージ１３は油圧シリンダ内部に入らないようにクレビス８の根元に貼付けることが望ましい。シリンダロッド７の長さを変更できる場合、シリンダロッド７の長さを大きくし、油圧シリンダ内部に入らない部分を設け、そこにひずみゲージ１０、ひずみゲージ１１、ひずみゲージ１２、ひずみゲージ１３を貼付けてもよい。このシリンダロッド７に貼付けたひずみゲージ１０、ひずみゲージ１１、ひずみゲージ１２、ひずみゲージ１３から、シリンダロッド７に作用する応力、荷重を計測する。換言すれば、ひずみゲージ１０、ひずみゲージ１１、ひずみゲージ１２、ひずみゲージ１３は、シリンダロッド７のひずみ量をセンシングする。

　シリンダロッド７には、油圧ショベル１００の多様な動きにより、圧縮、引張方向の荷重に加えて、モーメント荷重、衝撃荷重などのさまざまな荷重が作用する。これらの複数の荷重から、圧縮、引張方向の荷重のみを計側することができれば、バケット６に作用する外力を正確に算出することができる。そのため、油圧ショベル１００のシリンダロッド７に作用するモーメント荷重などの余計な荷重を除去し、純粋なシリンダロッド７の軸方向の荷重のみの荷重値を計測する必要がある。油圧ショベル１００の旋回時のモーメント荷重の除去方法として、シリンダロッド７に複数枚のひずみゲージを貼り、シリンダロッド７に作用する荷重を計算する方法について図３、図４を用いて説明する。

　図３は、シリンダロッドの断面図であり、上述したように４枚のひずみゲージ１０、ひずみゲージ１１、ひずみゲージ１２、ひずみゲージ１３が貼りつけられている。油圧ショベル１００作業中のこれらのひずみゲージの値は、図４に示す荷重演算部内に取込まれる。

　図４は荷重演算部内で行われる処理のフロー（作業フロー）であり、シリンダロッド７のひずみ量から算出されるシリンダロッド７に作用する荷重を用いて、油圧ショベル１００のバケットに作用する外力を算出する。荷重演算部２０内の処理に必要な情報である、ひずみゲージの計測値について説明する。
図４では、まず、油圧ショベル１００の作業を開始する。次に、ひずみゲージ１０、ひずみゲージ１１、ひずみゲージ１２、ひずみゲージ１３を用いて、シリンダロッド７のひずみ量を取得する。次に、ひずみゲージ１０、ひずみゲージ１１、ひずみゲージ１２、ひずみゲージ１３の中で対向するひずみゲージのうち、ひずみ量が小さい方を選択する。次に、選択されたひずみ量に基づき、シリンダロッド７に作用する荷重を算出する。

　シリンダロッド７に純粋に引張荷重が負荷される場合、全てのひずみゲージの値は、同じになる。しかし、油圧ショベル１００の旋回時には、モーメント荷重が作用することから、図３に示すひずみゲージ１０、ひずみゲージ１１（組合せＡ）の値に差が出る。対向するひずみゲージのひずみ量に差がある場合、モーメント荷重などの不必要な荷重が含まれている。そのため、２組のひずみゲージから、対向するひずみゲージの値が小さい方を選択し、このひずみゲージの値を用いる。組み合わせが決定されると、対向するひずみゲージの値を平均し、応力を算出する。このように、対向するひずみゲージから差分を算出し、差分の小さい方の値を荷重の算出に用いることで、モーメント荷重や、衝撃荷重といった余計な荷重を除去した、軸方向のみの荷重を算出することができる。ひずみゲージは、材料の伸び量を計測することで、その材料に作用する応力や荷重を算出することができる。一般的には、材料に負荷する荷重から材料の断面積を除すことでその材料に働く応力を算出することができる。また、材料のひずみ量から応力を算出する場合には、材料定数であるヤング率からひずみ量を除すことが知られており、これらの関係をもとに、シリンダロッド７に作用する外力を算出することができる。各油圧シリンダに作用する荷重を算出した後、油圧ショベル１００の姿勢からバケット６に作用する外力を荷重演算部２０にて算出する。油圧ショベル１００の姿勢の算出には、各油圧シリンダに取り付けられるストロークセンサ４ｂ、ストロークセンサ５ｂ、ストロークセンサ６ｂの値を用いる。

　バケットに作用する外力について、図５を用いて説明する。図５は、ショベルフロント部の拡大図である。ブーム４先端に、アーム５、アーム５先端にバケット６が取り付けられていることから、ブーム４根元回りのモーメントと、バケット６に作用する外力成分が等しいと仮定して、バケット６に作用する外力Ｆ_１を算出する。バケット６に作用する外力について、図５を用いて説明する。

　ブーム４根元のモーメントの釣り合いから、式（１）および式（２）のようになる。式（１）および式（２）において、Ｌ_１はブーム４根元からブームシリンダ４ａ先端までの距離、Ｌ_２はブーム４根元からバケット６重心までの距離、Ｆ_ｂ１はブームシリンダ４ａ荷重、Ｆ_ｂ２はブーム４根元回りのモーメントによる荷重、θ_１はＬ_１とブームシリンダ４ａのなす角度、である。

　Ｌ_１Ｆ_ｂ２＋Ｌ_２Ｆ_１＝０　　（１）
　Ｆ_１＝－（Ｌ_１／Ｌ_２）Ｆ_ｂ２＝－（Ｌ_１／Ｌ_２）Ｆ_ｂ１ｓｉｎθ_１　　（２）
　Ｌ_１は機体毎に決まっている値であり、Ｌ_２はブーム４、アーム５、バケット６の各部の寸法を用いて、重心までの位置を算出する。θ_１は、ブーム４根元とブームシリンダ４ａ根元間の距離と、Ｌ_１、Ｌ_２から、余弦定理によって算出することができる。式（１）は、ブーム４根元回りのモーメントの釣り合い式である。式（２）は、式（１）を変形したものであり、バケット６先端に作用する外力の成分であるＦ_１を算出することができる。

　次に、アーム５根元のモーメントの釣り合いは、式（３）および式（４）のようになる。式（３）および式（４）において、Ｌ_３はブーム４先端からアームシリンダ５ａ先端までの距離、Ｌ_４はブーム４先端からバケット６重心までの距離、Ｆ_ａ１はアームシリンダ５ａ荷重、Ｆ_ａ２はアームシリンダ５ａ周りのモーメントによる荷重、である。

　Ｌ_３Ｆ_ａ２＋Ｌ_４Ｆ_２＝０　　（３）
　Ｆ_２＝－（Ｌ_３／Ｌ_４）Ｆ_ａ２＝－（Ｌ_３／Ｌ_４）Ｆ_ａ１ｓｉｎθ_２　　（４）
　Ｌ_３は機体毎に決まっている値であり、Ｌ_４はブーム４先端からバケット６重心位置までの距離であり、Ｌ_２同様に、各部の寸法から算出する。θ_２についても、θ_１と同様に余弦定理によって算出する。θ_２の算出には、アームストロークセンサ５ｂ、Ｌ_３、Ｌ_５の値を用いる。Ｌ_５は、アームシリンダ５ａ根元から、ブーム４先端までの距離であり、機体毎に決まっている値である。

　上式の（１）～（４）によって算出されるＦ_１は、ブーム４回りのモーメントから算出した外力、Ｆ_２は、アーム５回りのモーメントから算出した外力であり、Ｆ_１とＦ_２を合成することにより、バケット６に作用する外力Ｆを求めることができる。

　外力の算出方法は、上記の方法に限るものではなく、油圧ショベル１００のフロント部の各関節に関する運動方程式を解くことでも算出可能である。このような構成により、シリンダロッド７に作用する外力から、モーメント荷重などの余計な荷重を除去し、純粋なロッド軸方向の荷重のみの荷重値計測することができ、油圧ショベル１００のバケット６先端に作用する外力を正確に算出することが可能になる。

　本実施例では、実施例１のひずみゲージの枚数を８枚にした際の油圧ショベルのバケットに作用する外力の算出方法について、図４、図６を用いて説明する。図４は、外力演算装置内で行われる処理のフローであり、実施例１と同じである。図６は、シリンダロッドの断面図であり、図３に示したひずみゲージに加えて、ｘ軸に対して４５゜、１３５゜、２２５゜、２７０゜の位置にひずみゲージ１４、ひずみゲージ１５、ひずみゲージ１６、ひずみゲージ１７が貼りつけられている。

　実施例１では、対向するひずみゲージの差分の小さい方の値を用いて荷重を算出した。しかし、２枚のゲージの値に差が少ない場合や、予め想定されるひずみ量よりも小さい値、または大きい値が出力された場合は、正確な荷重を算出することができない可能性がある。このような異常が発生した場合に、ひずみゲージの枚数を増やすことで、正確な荷重を算出できるようにする。ひずみゲージの選択は、実施例１と同様であり、各組み合わせのひずみゲージにて差分を算出し、差分が最も小さいものの値を荷重演算に用いる。
荷重を算出するために用いるひずみゲージの組合せは、対向するものに限るものではなく、シリンダロッドに貼りつけた全てのひずみゲージの値を平均し、荷重演算に用いることもできる。換言すれば、作業機械中のフロント部を駆動する油圧シリンダと、油圧シリンダ中のシリンダロッドのひずみ量をセンシングする複数のひずみゲージと、を有し、複数のひずみゲージは、少なくとも２組のひずみゲージで構成され、シリンダロッドの軸方向から見たとき、少なくとも２組のひずみゲージは対向して配置されている作業機械の外力計測システムであって、少なくとも２組のひずみゲージのひずみ量の平均値に基づき、油圧シリンダに作用する荷重を算出する荷重演算部を有する作業機械の外力計測システムを有することを特徴とする。このような構成により、異常な値がひずみゲージから計測されても、油圧ショベル１００のバケット６に作用する外力を安定して算出することができる。

１　下部走行体、２　上部旋回体、３　キャブ、４　ブーム、４ａ　ブームシリンダ、４ｂ　ブームストロークセンサ、５　アーム、５ａ　アームシリンダ、５ｂ　アームストロークセンサ、６　バケット、６ａ　バケットシリンダ、６ｂ　バケットストロークセンサ、７　シリンダロッド、８　クレビス、９　クレビス、１０　ひずみゲージ、１１　ひずみゲージ、１２　ひずみゲージ、１３　ひずみゲージ、１４　ひずみゲージ、１５　ひずみゲージ、１６　ひずみゲージ、１７　ひずみゲージ、２０　荷重演算部

Claims

　作業機械中のフロント部を駆動する油圧シリンダと、
　前記油圧シリンダ中のシリンダロッドのひずみ量をセンシングする複数のひずみゲージと、を有し、
　前記複数のひずみゲージは、少なくとも２組のひずみゲージで構成され、
　前記シリンダロッドの軸方向から見たとき、前記少なくとも２組のひずみゲージは対向して配置されている作業機械の外力計測システムであって、
　前記対向して配置されたそれぞれの組のひずみゲージのひずみ量の差に基づき、前記油圧シリンダに作用する荷重を算出する荷重演算部を有する作業機械の外力計測システム。
　作業機械中のフロント部を駆動する油圧シリンダと、
　前記油圧シリンダ中のシリンダロッドのひずみ量をセンシングする複数のひずみゲージと、を有し、
　前記複数のひずみゲージは、少なくとも２組のひずみゲージで構成され、
　前記シリンダロッドの軸方向から見たとき、前記少なくとも２組のひずみゲージは対向して配置されている作業機械の外力計測システムであって、
　前記少なくとも２組のひずみゲージのひずみ量の平均値に基づき、前記油圧シリンダに作用する荷重を算出する荷重演算部を有する作業機械の外力計測システム。
　作業機械中のフロント部を駆動する油圧シリンダと、
　前記油圧シリンダ中のシリンダロッドのひずみ量をセンシングする複数のひずみゲージと、を有し、
　前記複数のひずみゲージは、少なくとも２組のひずみゲージで構成され、
　前記シリンダロッドの軸方向から見たとき、前記少なくとも２組のひずみゲージは対向して配置されている作業機械。
　請求項３において、
　前記対向して配置されたそれぞれの組のひずみゲージのひずみ量の差に基づき、前記油圧シリンダに作用する荷重を算出する荷重演算部を有する作業機械。
　請求項３または４において、
　前記油圧シリンダにクレビスが設けられ、
　前記複数のひずみゲージは前記クレビスの根元に貼付されている作業機械。