WO2020195880A1 - 作業機械、システムおよび作業機械の制御方法 - Google Patents

作業機械、システムおよび作業機械の制御方法 Download PDF

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WO2020195880A1
WO2020195880A1 PCT/JP2020/010746 JP2020010746W WO2020195880A1 WO 2020195880 A1 WO2020195880 A1 WO 2020195880A1 JP 2020010746 W JP2020010746 W JP 2020010746W WO 2020195880 A1 WO2020195880 A1 WO 2020195880A1
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WO
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boom
load
value
bucket
boom cylinder
Prior art date
Application number
PCT/JP2020/010746
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English (en)
French (fr)
Inventor
熊谷　年晃
賢佑 藤井
Original Assignee
株式会社小松製作所
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Publication date
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Priority to US17/437,133 priority patent/US20220178106A1/en
Priority to CN202080013578.4A priority patent/CN113423898B/zh
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    • E02F3/36—Component parts
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    • E02F3/43—Control of dipper or bucket position; Control of sequence of drive operations
    • E02F3/435—Control of dipper or bucket position; Control of sequence of drive operations for dipper-arms, backhoes or the like
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    • E02F9/20—Drives; Control devices
    • E02F9/2025—Particular purposes of control systems not otherwise provided for
    • E02F9/2029—Controlling the position of implements in function of its load, e.g. modifying the attitude of implements in accordance to vehicle speed

Definitions

  • This disclosure relates to work machines, systems and control methods for work machines.
  • the load in the bucket is important for knowing the workload of the work machine.
  • a technique for calculating a load value in a bucket is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2010-89633 (Patent Document 1) and International Publication No. 2018/087834 (Patent Document 2).
  • the current load value of the load is obtained by calculation from the posture of the work machine and the pressure acting on the boom cylinder.
  • the integrated load value is calculated by integrating the current load value.
  • the operator is notified of the state.
  • An object of the present disclosure is to provide a work machine, a system, and a control method of the work machine capable of improving the accuracy of load measurement.
  • the work machine of the present disclosure includes a boom, an arm, a bucket, a boom cylinder, and a controller.
  • the arm is attached to the tip of the boom.
  • the bucket is attached to the tip of the arm.
  • the boom cylinder drives the boom.
  • the controller calculates the calculated load value in the bucket based on the load of the boom cylinder, and detects the amount of change in at least one of the information of the operation command value for operating the boom cylinder and the speed of expansion and contraction of the boom cylinder per unit time. Then, the calculated load value obtained by the calculation is corrected based on the amount of change per unit time to determine the load value.
  • FIG. 1 It is a figure which shows schematic structure of the work machine in one Embodiment of this disclosure. It is a block diagram which shows the schematic structure of the system of the work machine shown in FIG. It is a figure which shows the functional block in the controller shown in FIG. It is a flow figure which shows the control method of the work machine in one Embodiment of this disclosure. It is a figure which shows the PPC pressure of a boom, the amount of change of the PPC pressure of a boom, and the time change of a load calculation value (CalcuPayload).
  • FIG. 1 is a side view schematically showing a configuration of a hydraulic excavator as an example of a work machine according to an embodiment of the present disclosure.
  • the hydraulic excavator 100 of the present embodiment mainly includes a traveling body 1, a swivel body 2, and a working machine 3.
  • the working machine main body is composed of the traveling body 1 and the swivel body 2.
  • the traveling body 1 has a pair of left and right track devices 1a. Each of the pair of left and right track devices 1a has a track.
  • the hydraulic excavator 100 self-propells by rotationally driving the pair of left and right tracks.
  • the swivel body 2 is installed so as to be swivel with respect to the traveling body 1.
  • the swivel body 2 mainly has a driver's cab (cab) 2a, a driver's seat 2b, an engine room 2c, and a counterweight 2d.
  • the driver's cab 2a is arranged on, for example, the front left side (vehicle front side) of the turning body 2.
  • a driver's seat 2b for the operator to sit on is arranged.
  • Each of the engine room 2c and the counterweight 2d is arranged on the rear side (rear side of the vehicle) of the swivel body 2 with respect to the driver's cab 2a.
  • the engine room 2c houses an engine unit (engine, exhaust treatment structure, etc.).
  • the upper part of the engine room 2c is covered with an engine hood.
  • the counterweight 2d is arranged behind the engine room 2c.
  • the work machine 3 is axially supported on the front side of the swivel body 2 and, for example, on the right side of the driver's cab 2a.
  • the working machine 3 has, for example, a boom 3a, an arm 3b, a bucket 3c, a boom cylinder 4a, an arm cylinder 4b, a bucket cylinder 4c, and the like.
  • the base end portion of the boom 3a is rotatably connected to the swivel body 2 by a boom foot pin 5a.
  • the base end portion of the arm 3b is rotatably connected to the tip end portion of the boom 3a by a boom tip pin 5b.
  • the bucket 3c is rotatably connected to the tip of the arm 3b by a pin 5c.
  • the boom 3a can be driven by the boom cylinder 4a. By this drive, the boom 3a can rotate in the vertical direction with respect to the swivel body 2 about the boom foot pin 5a.
  • the arm 3b can be driven by the arm cylinder 4b. By this drive, the arm 3b can rotate about the boom tip pin 5b in the vertical direction with respect to the boom 3a.
  • the bucket 3c can be driven by the bucket cylinder 4c. By this drive, the bucket 3c can rotate about the pin 5c in the vertical direction with respect to the arm 3b. In this way, the working machine 3 can be driven.
  • the work machine 3 has a bucket link 3d.
  • the bucket link 3d has a first link member 3da and a second link member 3db.
  • the tip of the first link member 3da and the tip of the second link member 3db are connected so as to be relatively rotatable via the bucket cylinder top pin 3dc.
  • the bucket cylinder top pin 3dc is connected to the tip of the bucket cylinder 4c. Therefore, the first link member 3da and the second link member 3db are pin-connected to the bucket cylinder 4c.
  • the base end of the first link member 3da is rotatably connected to the arm 3b by the first link pin 3dd.
  • the base end of the second link member 3db is rotatably connected to the bracket at the base of the bucket 3c by the second link pin 3de.
  • a pressure sensor 6a is attached to the head side of the boom cylinder 4a.
  • the pressure sensor 6a can detect the pressure (head pressure) of the hydraulic oil in the cylinder head side oil chamber 40A of the boom cylinder 4a.
  • a pressure sensor 6b is attached to the bottom side of the boom cylinder 4a. The pressure sensor 6b can detect the pressure (bottom pressure) of the hydraulic oil in the cylinder bottom side oil chamber 40B of the boom cylinder 4a.
  • Stroke sensors (detection units) 7a, 7b, and 7c are attached to the boom cylinder 4a, arm cylinder 4b, and bucket cylinder 4c, respectively.
  • the boom angle ⁇ b can be calculated from the displacement amount of the cylinder rod 4ab with respect to the cylinder 4aa in the boom cylinder 4a. Further, the arm angle ⁇ a can be calculated from the displacement amount of the cylinder rod in the arm cylinder 4b. Further, the bucket angle ⁇ k can be calculated from the displacement amount of the cylinder rod in the bucket cylinder 4c.
  • potentiometers 9a, 9b, 9c may be attached around each of the boom foot pin 5a, the boom tip pin 5b, and the pin 5c.
  • the boom angle ⁇ b can be calculated from the measured value of the potentiometer 9a.
  • the arm angle ⁇ a can be calculated from the measured value of the potentiometer 9b.
  • the bucket angle ⁇ k can be calculated from the measured value of the potentiometer 9c.
  • IMUs 8a, 8b, 8c, and 8d are attached to the swivel body 2, the boom 3a, the arm 3b, and the first link member 3da, respectively.
  • the IMU8a measures the acceleration of the swivel body 2 in the front-rear direction, the left-right direction, and the up-down direction, and the angular velocity of the swivel body 2 around the front-rear direction, the left-right direction, and the up-down direction.
  • IMU8b, 8c, 8d each have accelerations of booms 3a, arms 3b, and buckets 3c in the front-rear, left-right, and up-down directions, and angular speeds of booms 3a, arms 3b, and buckets 3c around the front-back, left-right, and up-down directions. And measure.
  • the acceleration of expansion and contraction of the boom cylinder 4a (the amount of change in the expansion and contraction speed of the boom cylinder 4a) based on the difference between the acceleration measured by the IMU 8a attached to the swing body 2 and the acceleration measured by the IMU 8b attached to the boom 3a. Can be obtained.
  • the boom angle ⁇ b, the arm angle ⁇ a, and the bucket angle ⁇ k are measured by the potentiometer, but they may be calculated by the IMU.
  • FIG. 2 is a block diagram showing a schematic configuration of the system of the work machine shown in FIG. As shown in FIG. 2, the system in this embodiment is a system for determining a load value.
  • the system according to the present embodiment includes a hydraulic excavator 100 as an example of the work machine shown in FIG. 1 and a controller 10 shown in FIG.
  • the controller 10 may be mounted on the hydraulic excavator 100, or may be installed at a remote location away from the hydraulic excavator 100.
  • the operating device 25 is arranged in the driver's cab 2a.
  • the operating device 25 is operated by an operator.
  • the operation device 25 receives an operator operation for driving the work machine 3. Further, the operation device 25 receives an operator operation for turning the swivel body 2.
  • the operation device 25 outputs an operation signal corresponding to the operator operation.
  • the operating device 25 is, for example, a pilot hydraulic type operating device, but may be an electric type operating device.
  • the hydraulic pump 33 is driven by the driving force of the engine 31.
  • the hydraulic oil discharged from the hydraulic pump 33 is supplied to the operating device 25.
  • the hydraulic oil supplied to the operating device 25 is supplied to various hydraulic actuators 40 via the directional control valve 34 in response to the operation of the operating device 25 by the operator.
  • the hydraulic actuator 40 includes a boom cylinder 4a, an arm cylinder 4b, a bucket cylinder 4c, a swing motor (not shown), and the like shown in FIG.
  • the engine 31 is, for example, a diesel engine.
  • the output of the engine 31 is controlled by controlling the amount of fuel injected into the engine 31 by the controller 10.
  • the hydraulic pump 33 is connected to the engine 31.
  • the hydraulic pump 33 is driven by transmitting the rotational driving force of the engine 31 to the hydraulic pump 33.
  • the hydraulic pump 33 is, for example, a variable displacement hydraulic pump having a swash plate and changing the discharge capacity by changing the tilt angle of the swash plate.
  • the hydraulic oil discharged from the hydraulic pump 33 is depressurized to a constant pressure by the pressure reducing valve and supplied to the directional control valve 34.
  • the direction control valve 34 is, for example, a spool type valve that moves a rod-shaped spool to switch the direction in which hydraulic oil flows. By moving the spool in the axial direction, the amount of hydraulic oil supplied to the hydraulic actuator 40 is adjusted.
  • the directional control valve 34 is provided with a spool stroke sensor that detects the moving distance (spool stroke) of the spool.
  • the oil supplied to the hydraulic actuator 40 in order to operate the hydraulic actuator 40 is referred to as hydraulic oil.
  • the oil supplied to the directional control valve 34 for operating the directional control valve 34 is referred to as pilot oil.
  • the pressure of pilot oil is called PPC pressure (pilot oil pressure).
  • the hydraulic pump 33 may deliver both hydraulic oil and pilot oil. For example, a part of the hydraulic oil delivered from the hydraulic pump 33 may be depressurized by the pressure reducing valve, and the depressurized hydraulic oil may be used as the pilot oil. Further, the hydraulic pump 33 may separately have a hydraulic pump (main hydraulic pump) for delivering hydraulic oil and a hydraulic pump (pilot hydraulic pump) for delivering pilot oil.
  • main hydraulic pump main hydraulic pump
  • pilot hydraulic pump pilot hydraulic pump
  • the operating device 25 has a first operating lever 25R and a second operating lever 25L.
  • the first operating lever 25R is arranged, for example, on the right side of the driver's seat 2b.
  • the second operating lever 25L is arranged, for example, on the left side of the driver's seat 2b.
  • the front-back and left-right movements correspond to the two-axis movements.
  • the boom 3a and the bucket 3c are operated by the first operating lever 25R.
  • the operation of the first operating lever 25R in the front-rear direction corresponds to, for example, the operation of the boom 3a, and the operation of raising and lowering the boom 3a is executed according to the operation in the front-rear direction.
  • the operation of the first operating lever 25R in the left-right direction corresponds to, for example, the operation of the bucket 3c, and the operation of the bucket 3c in the vertical direction is executed according to the operation in the left-right direction.
  • the arm 3b and the swivel body 2 are operated by the second operating lever 25L.
  • the operation of the second operating lever 25L in the front-rear direction corresponds to, for example, the operation of the arm 3b, and the operation of the arm 3b in the vertical direction is executed according to the operation in the front-rear direction.
  • the operation of the second operating lever 25L in the left-right direction corresponds to, for example, the turning of the turning body 2, and the right-turning operation and the left-turning operation of the turning body 2 are executed according to the operation in the left-right direction.
  • the action of raising the boom 3a is also referred to as an raising action, and the action of lowering is also referred to as a lowering action.
  • the vertical movement of the arm 3b is also referred to as a dumping movement and an excavation movement, respectively.
  • the vertical movement of the bucket 3c is also referred to as a dump operation and an excavation operation, respectively.
  • the operation of the first operation lever 25R in the left-right direction may correspond to the operation of the boom 3a, and the operation in the front-rear direction may correspond to the operation of the bucket 3c. Further, the front-rear direction of the second operation lever 25L may correspond to the operation of the swivel body 2, and the operation in the left-right direction may correspond to the operation of the arm 3b.
  • Pilot oil delivered from the hydraulic pump 33 and depressurized by the pressure reducing valve is supplied to the operating device 25.
  • the operating device 25 and the directional control valve 34 are connected via a pilot oil passage 450.
  • the PPC pressure is adjusted based on the operation content of the operating device 25.
  • the PPC pressure corresponding to the operation content of the operating device 25 is supplied to the directional control valve 34 via the pilot oil passage 450.
  • the directional control valve 34 is adjusted to adjust the flow direction and flow rate of the hydraulic oil supplied to the boom cylinder 4a, the arm cylinder 4b and the bucket cylinder 4c, and to the vertical direction of the boom 3a, the arm 3b and the bucket 3c.
  • the operation of is executed.
  • a pressure sensor 36 is arranged in the pilot oil passage 450.
  • the pressure sensor 36 detects the PPC pressure.
  • the detection result of the pressure sensor 36 is output to the controller 10.
  • the PPC pressure adjusted by the operation of the operating device 25 and detected by the pressure sensor 36 corresponds to the operating command value in the present embodiment.
  • a plurality of pilot oil passages 450 corresponding to operations of the first operating lever 25R and the second operating lever 25L in the front, rear, left, and right directions are the operating device 25 and the direction control valve. It is provided so as to connect with 34.
  • a pressure sensor 36 is arranged in each of the plurality of pilot oil passages 450.
  • the pressure sensor 36 that detects an increase in PPC pressure when the boom 3a is raised is different from the pressure sensor 36 that detects an increase in PPC pressure when the boom 3a is lowered.
  • the pressure sensor 36 that detects an increase in PPC pressure when the arm 3b is dumped is different from the pressure sensor 36 that detects an increase in PPC pressure when the arm 3b is excavated.
  • the pressure sensor 36 that detects an increase in PPC pressure when dumping the bucket 3c and the pressure sensor 36 that detects an increase in PPC pressure when excavating the bucket 3c are different.
  • the amount of increase in PPC pressure differs depending on the angle at which each of the operating levers 25L and 25R is tilted from the neutral position. In this way, the operation content of the operation device 25 can be determined from the detection result of the PPC pressure by each pressure sensor 36.
  • the detection signals of the stroke sensors 7a to 7c, the IMU 8a to 8d, the potentiometers 9a to 9c, and the pressure sensors 6a and 6b are also input to the controller 10.
  • the controller 10 may be electrically connected to each of the stroke sensors 7a to 7c, IMU8a to 8d, potentiometers 9a to 9c, and pressure sensors 6a, 6b, and 36 by wire, and can communicate wirelessly. May be good.
  • the controller 10 is, for example, a computer, a server, a mobile terminal, or the like, and may be a CPU (Central Processing Unit).
  • FIG. 3 is a diagram showing functional blocks in the controller shown in FIG.
  • the controller 10 includes an operation command value acquisition unit 11, a boom cylinder expansion / contraction speed acquisition unit 12, a load calculation value calculation unit 13, a storage unit 14, a change amount acquisition unit 15, and a weight. It has a calculation unit 16, a weight ranking unit 17, and a load value determination unit 18.
  • the PPC pressure signal detected by the pressure sensor 36 is input to the operation command value acquisition unit 11.
  • the operation command value acquisition unit 11 detects, for example, an operation command value for operating the boom cylinder 4a from the PPC pressure signal detected by the pressure sensor 36.
  • the operation command value acquired by the operation command value acquisition unit 11 is output to the storage unit 14 and stored in the storage unit 14.
  • Signals such as acceleration detected by each of the IMUs 8a to 8d are input to the boom cylinder expansion / contraction speed acquisition unit 12.
  • the boom cylinder expansion / contraction speed acquisition unit 12 determines the expansion / contraction acceleration of the boom cylinder 4a based on the difference between the acceleration detected by the IMU 8a attached to the swivel body 2 and the acceleration detected by the IMU 8b attached to the boom 3a, for example. The amount of change in the expansion / contraction speed of the boom cylinder 4a) is detected.
  • a signal of the displacement amount of the cylinder rod or the angle of the working machine (boom angle ⁇ b, arm angle ⁇ a, bucket angle ⁇ k) detected by the stroke sensors 7a to 7c is input to the boom cylinder expansion / contraction speed acquisition unit 12.
  • the boom cylinder expansion / contraction speed acquisition unit 12 detects the expansion / contraction speed of the boom cylinder 4a based on, for example, the displacement amount of the cylinder rod detected by the stroke sensor 7a or the angle of the working machine (boom angle ⁇ b).
  • signals of the working machine angles (boom angle ⁇ b, arm angle ⁇ a, bucket angle ⁇ k) detected by the potentiometers 9a to 9c are input to the boom cylinder expansion / contraction speed acquisition unit 12.
  • the boom cylinder expansion / contraction speed acquisition unit 12 detects the expansion / contraction speed of the boom cylinder 4a based on, for example, the angle (boom angle ⁇ b) of the working machine detected by the potentiometer 9a.
  • the expansion / contraction speed (or the amount of change in the expansion / contraction speed) of the boom cylinder 4a detected by the boom cylinder expansion / contraction speed acquisition unit 12 is output to the storage unit 14 and stored in the storage unit 14.
  • the head pressure and bottom pressure signals of the boom cylinder 4a detected by the pressure sensors 6a and 6b are input to the load calculation value calculation unit 13. Further, a signal of the displacement amount of the cylinder rod or the angle of the working machine (boom angle ⁇ b, arm angle ⁇ a, bucket angle ⁇ k) detected by the stroke sensors 7a to 7c is input to the load calculation value calculation unit 13. Further, signals of the working machine angles (boom angle ⁇ b, arm angle ⁇ a, bucket angle ⁇ k) detected by the potentiometers 9a to 9c are input to the load calculation value calculation unit 13.
  • the load calculation value calculation unit 13 calculates the load calculation value from the input signal.
  • the load calculation value calculated by the load calculation value calculation unit 13 is transmitted to the storage unit 14 and stored in the storage unit 14.
  • the change amount acquisition unit 15 acquires the change amount per unit time of at least one of the operation command value for operating the boom cylinder 4a and the expansion / contraction speed of the boom cylinder 4a from the information stored in the storage unit 14. ..
  • the change amount acquisition unit 15 acquires, for example, the amount of change per unit time of the operation command value for operating the boom cylinder 4a from the PPC pressure signal acquired by the operation command value acquisition unit 11 and stored in the storage unit 14. ..
  • the change amount acquisition unit 15 changes the expansion / contraction speed of the boom cylinder 4a per unit time from the change amount of the expansion / contraction speed of the boom cylinder 4a acquired by the operation command value acquisition unit 11 and stored in the storage unit 14, for example. Get the quantity.
  • the change amount acquisition unit 15 acquires the amount of change per unit time of the expansion / contraction speed of the boom cylinder 4a from the expansion / contraction speed of the boom cylinder 4a acquired by the operation command value acquisition unit 11 and stored in the storage unit 14, for example. To do.
  • the amount of change acquired by the amount of change acquisition unit 15 in the above is output to the weight calculation unit 16.
  • the weight calculation unit 16 calculates a weight (weighted value) to be used for the weighted average based on the change amount input from the change amount acquisition unit 15.
  • the weight calculated by the weight calculation unit 16 is output to the storage unit 14 and stored in the storage unit 14.
  • the weight ranking unit 17 ranks a plurality of weights stored in the storage unit 14 based on the magnitude of the weights.
  • the load value determination unit 18 determines the load value by the weighted average based on the load calculation value and the weight stored in the storage unit 14. When the calculation interval is long (for example, 3 seconds or more), the load value determining unit 18 uses only the data with the larger weight among the weights ranked by the weight ranking unit 17 (that is, does not use the data with the smaller weight).
  • the load value may be determined by the weighted average. In the present embodiment, the load value may be determined by the weighted average using only N data having a large weight ranked by the weight ranking unit 17.
  • FIG. 4 is a flow chart showing a control method of a work machine according to an embodiment of the present disclosure.
  • the current load calculation value (CalcuPayload) in the bucket 3c is first calculated (step S1).
  • This load calculation value (CalcuPayload) is calculated from the static balance. Specifically, after the moment MX we due to the weight of the working machine 3 is calculated, the current load calculation value in the bucket 3c is calculated from the balance of each moment around the boom foot pin 5a.
  • the calculation of the load calculation value (CalcuPayload) is performed by the load calculation value calculation unit 13 shown in FIG.
  • the M boom is the weight of the boom 3a.
  • M boomC is the weight of the cylinder portion of the boom cylinder 4a.
  • M boomCR is the weight of the cylinder rod portion of the boom cylinder 4a.
  • M arm is the weight of the arm 3b.
  • M armC is the weight of the cylinder portion of the arm cylinder 4b.
  • M armCR is the weight of the cylinder rod portion of the arm cylinder 4b.
  • the M bucket is the weight of the bucket 3c.
  • Each of these weights M boom , M boomC , M boomCR , M arm , M armC , M armCR and M bucket is input to the storage unit 14 by, for example, the input operation unit 21 as shown in FIG. By doing so, it is stored in the storage unit 14.
  • X boom_c is the distance from the boom foot pin 5a to the center of gravity of the boom 3a.
  • X boomC_c is the distance from the boom foot pin 5a to the center of gravity of the cylinder portion of the boom cylinder 4a.
  • X boomCR_c is the distance from the boom foot pin 5a to the center of gravity of the cylinder rod portion of the boom cylinder 4a.
  • X arm_c is the distance from the boom foot pin 5a to the center of gravity of the arm 3b.
  • X armC_c is the distance from the boom foot pin 5a to the center of gravity of the cylinder portion of the arm cylinder 4b.
  • X armCR_c is the distance from the boom foot pin 5a to the center of gravity of the cylinder rod portion of the arm cylinder 4b.
  • X bucket_c is the distance from the boom foot pin 5a to the center of gravity of the bucket 3c.
  • Each of these distances X boom_c , X boomC_c , X boomCR_c , X arm_c , X armC_c , X armCR_c and X bucket_c can be calculated from the detection results of the stroke sensors 7a to 7c and the potentiometers 9a to 9c.
  • F is the load (pushing force) of the boom cylinder 4a and is obtained from the head pressure and the bottom pressure of the boom cylinder 4a. Therefore, F is obtained from the pressure (head pressure) detected by the pressure sensor 6a and the pressure (bottom pressure) detected by the pressure sensor 6b.
  • h is the shortest distance between the boom foot pin 5a and the boom cylinder 4a (the distance in the direction orthogonal to the extending direction of the boom cylinder 4a). h can be calculated from the detected values of the stroke sensor 7a and the potentiometer 9a.
  • X payload_c is the distance between the boom foot pin 5a and the center of gravity of the load in the bucket 3c.
  • the X payload_c can be calculated from the detected values of the stroke sensors 7a to 7c and the potentiometers 9a to 9c.
  • the load calculation value (CalcuPayload) in the bucket 3c is calculated based on the load F of the boom cylinder 4a.
  • the calculation of the above load calculation value (CalcuPayload) is always carried out.
  • step S2 it is determined whether or not the boom 3a is raised (step S2: FIG. 4). For example, when the raising operation of the boom 3a and the turning operation of the swivel body 2 are performed at the same time, it may be determined that the raising operation of the boom 3a is being executed. It is possible to determine whether or not the raising operation of the boom 3a and the turning operation of the swivel body 2 are being executed, for example, by detecting the PPC pressure with the pressure sensor 36.
  • the load calculation value (CalcuPayload) is continuously calculated.
  • the amount of change in the boom raising PPC pressure per unit time is calculated (step S3: FIG. 4).
  • the boom-raising PPC pressure at the first time point before the moment when the above load calculation value is calculated and the boom-raising PPC pressure at the second time point before the first time point are used per unit time.
  • the amount of change X in the boom-raising PPC pressure is calculated.
  • the amount of change X per unit time of the operation command value (boom raising PPC pressure) for operating the boom cylinder 4a is detected.
  • the calculation detection of the change amount X is performed by the change amount acquisition unit 15 shown in FIG.
  • the load calculation value (CalcuPayload) obtained by the above calculation is corrected to determine the load value W payload (step S4: FIG. 4).
  • the weight (weighted value) W is first calculated based on the change amount X (step S4a).
  • the weight W is obtained from, for example, the reciprocal of the amount of change X. As a result, the weight W when the amount of change X per unit time is large becomes small, and the weight W when the amount of change X per unit time is small becomes large.
  • the weight W is calculated by the weight calculation unit 16 shown in FIG.
  • step S4b the weight W stored in the storage unit 14 is ranked.
  • the ranking of the weight W is ranked in the order of the magnitude of the weight W.
  • the ranking of the weights W is performed by the weight ranking unit 17 shown in FIG.
  • the load value W payload is determined by weighted averaging the load calculation value (CalcuPayload) using the weight W obtained above (step S4c: FIG. 4).
  • the following equation (4) is used in determining the load value W payload .
  • each of CalcuPayload 1 , CalcuPayload 2 , CalcuPayload 3 , and CalcuPayload t is the load calculation value obtained as described above at time point 1, time point 2, time point 3, and time point t. Further, each of W 1 , W 2 , W 3 , and W t is the weight acquired as described above at the time point 1, the time point 2, the time point 3, and the time point t.
  • the weighted average of the load calculation values is performed by reducing the weight when the amount of change per unit time is large and increasing the weight when the amount of change per unit time is small.
  • the load value W payload is determined by the load value determination unit 18 shown in FIG.
  • the weights are not used, and the data of the plurality of weights having a small weight (weights and the load calculation value corresponding to the weights) are not used.
  • the load value may be determined by the weighted average shown in the equation (4) using only the data of the top 30 large weights (the weight and the load calculation value corresponding to the weight).
  • the load value W payload is determined by correcting the load calculation value (CalcuPayload) based on the amount of change X per unit time.
  • the determined load value W payload is corrected to eliminate the error that the work machine has for each individual (step S5: FIG. 4).
  • the load value W payload is determined as described above when there is no load in the bucket 3c (empty state), and the empty load state is obtained from the load value W payload obtained when the bucket 3c is loaded. It is performed by subtracting the load value W payload in.
  • step S6 it is determined whether or not the load has been discharged from the bucket 3c (step S6: FIG. 4). Discharge of the load from the bucket 3c is performed, for example, for loading on a dump truck.
  • step S1 If it is determined that the load has not been discharged from the bucket 3c, the load calculation value is calculated again (step S1: FIG. 4). On the other hand, when it is determined that the load is discharged from the bucket 3c, the corrected load value is determined, and the determined corrected load value is added to the load capacity of the dump truck (step S7: FIG. 4). ..
  • the corrected load value and the load capacity of the dump truck are displayed on, for example, a display device in the driver's cab 2a.
  • the operator in the driver's cab 2a can perform excavation / loading work while checking the corrected load value in the bucket 3c and the load capacity of the dump truck.
  • the load value in the bucket 3c is determined and added to the load capacity of the dump truck.
  • the operating device 25 may be an electric system.
  • the operating amounts of the first operating lever 25R and the second operating lever 25L are detected by, for example, a potentiometer.
  • a potentiometer is a displacement sensor that obtains an electrical (voltage) output proportional to its mechanical position. Therefore, as the amount of change in the operation command value per unit time, the amount of change in the electric (voltage) output obtained from the potentiometer per unit time may be used for calculating the weight W for performing the weighted averaging.
  • the weight is calculated based on the change amount X of the operation command value per unit time and the weighted average is performed has been described, but the weight is based on the change amount of the expansion / contraction speed of the boom cylinder per unit time. May be calculated and a weighted average may be performed. Further, the weight may be calculated based on both the change amount X of the operation command value per unit time and the change amount of the expansion / contraction speed of the boom cylinder per unit time, and the weighted average may be performed.
  • FIG. 5 is a diagram showing the change amount of the boom raising PPC pressure, the boom raising PPC pressure, and the time change of the load calculation value (CalcuPayload).
  • the present inventor pulsates the amount of change in the PPC pressure of the boom 3a according to the operation of the boom 3a during the raising operation of the boom 3a in which the PPC pressure of the boom 3a (solid line in the figure) increases.
  • the calculated load value (CalcuPayload) also pulsates accordingly. From this, it was found that it is difficult to accurately measure the load in the bucket 3c when the boom 3a is raised.
  • the present inventor has also found that the accuracy of the load calculation value (CalcuPayload) becomes worse when the boom 3a is raised at a high speed. Therefore, it is necessary to carefully raise the boom 3a, but if the boom 3a is raised carefully, the productivity deteriorates.
  • the load calculation value (CalcuPayload) is corrected based on the amount of change in at least one of the information of the operation command value for operating the boom cylinder 4a and the speed of expansion and contraction of the boom cylinder 4a per unit time.
  • the load value W payload is determined by this.
  • the weight W when the amount of change X per unit time is large is made small, and the weight W when the amount of change X per unit time is small is made large to calculate the load (CalcuPayload).
  • the load value W payload is determined by performing the weighted average of. By increasing the weight W when the amount of change X is small in this way, the calculation result can be stabilized.
  • the load value W payload is determined on average instead of using the instantaneous measured value, even if the head pressure and bottom pressure of the boom cylinder 4a are disturbed due to noise due to sudden operation or the like, the measurement result is large. There is no effect.
  • a plurality of weights are calculated, and the weighted averaging is performed using the load calculation value of the larger weight among the plurality of weights without using the load calculation value of the smaller weight among the plurality of weights.
  • the load value W payload is determined by the above. As a result, a stable load value W payload can be calculated even when the calculation interval is as short as 3 seconds, for example.
  • each of the operation command value and the expansion / contraction speed of the boom cylinder 4a is the operation command value and the expansion / contraction speed of the boom cylinder 4a at the time of the operation of raising the boom 3a.

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Abstract

ブームシリンダ（４ａ）の負荷に基づいてバケット（３ｃ）内の荷重計算値（CalcuPayload）が演算される。ブームシリンダ（４ａ）を動作させる操作指令値とブームシリンダ（４ａ）の伸縮の速度との少なくとも一方の情報の単位時間当たりの変化量（Ｘ）が検知される。演算により得られた荷重計算値（CalcuPayload）を単位時間当たりの変化量（Ｘ）に基づいて補正することにより荷重値（Ｗpayload）が決定される。

Description

作業機械、システムおよび作業機械の制御方法
　本開示は、作業機械、システムおよび作業機械の制御方法に関するものである。
　バケット内の荷重は、作業機械の仕事量を知るうえで重要である。バケット内の荷重値を演算する技術は、たとえば特開２０１０－８９６３３号公報（特許文献１）、国際公開第２０１８／０８７８３４号（特許文献２）に開示されている。
　特許文献１においては、荷の現在荷重値が、作業機械の姿勢と、ブームシリンダに作用する圧力とから演算により取得される。この現在荷重値を積算することにより積算荷重値が演算される。この積算荷重値が目標荷重値に達するとき、その状態がオペレータに報知される。
　特許文献２においては、ブームシリンダの伸縮の加速度に基づいてバケット内の荷重値が補正される。これによりブーム、アーム、バケットなどの動作に基づく作業機の慣性による誤差を荷重値から取り除くことができ、荷重計測時の計測精度を向上することができる。
特開２０１０－８９６３３号公報 国際公開第２０１８／０８７８３４号
　油圧ショベルなどの作業機械で土砂を掘削してダンプトラックに積み込む作業では、積載量をダンプトラックの最大積載量以下にする必要がある。ダンプトラックには、複数回の掘削、積み込みを行っており、毎回の積み込み土量を計測して合計した積載量をオペレータに通知する。毎回の土量を計測するためには作業機のブーム、アーム、バケットの角度とブームシリンダの油圧が必要である。このためセンサが取り付けられて、土を掘削してバケットに土が入れられた後、ブームの持ち上げ動作中にバケット内の土量が計測されている。
　上記持ち上げ動作中のブームシリンダ圧はブームの操作に応じて変動する（脈動する）ため、精度良く荷重を計測することが難しい。
　本開示の目的は、荷重計測の精度を向上させることが可能な作業機械、システムおよび作業機械の制御方法を提供することである。
　本開示の作業機械は、ブームと、アームと、バケットと、ブームシリンダと、コントローラとを備えている。アームは、ブームの先端に取り付けられている。バケットは、アームの先端に取り付けられている。ブームシリンダは、ブームを駆動する。コントローラは、ブームシリンダの負荷に基づいてバケット内の荷重計算値を演算し、ブームシリンダを動作させる操作指令値とブームシリンダの伸縮の速度との少なくとも一方の情報の単位時間当たりの変化量を検出し、演算により得られた荷重計算値を単位時間当たりの変化量に基づいて補正して荷重値を決定する。
　本開示によれば、荷重計測の精度を向上させることが可能な作業機械、システムおよび作業機械の制御方法を実現することができる。
本開示の一実施の形態における作業機械の構成を概略的に示す図である。 図１に示す作業機械のシステムの概略構成を示すブロック図である。 図２に示すコントローラ内の機能ブロックを示す図である。 本開示の一実施の形態における作業機械の制御方法を示すフロー図である。 ブームのＰＰＣ圧、ブームのＰＰＣ圧の変化量および荷重計算値（CalcuPayload）の時間変化を示す図である。
　以下、本開示の実施の形態について図に基づいて説明する。
　明細書および図面において、同一の構成要素または対応する構成要素には、同一の符号を付し、重複する説明を繰り返さない。また、図面では、説明の便宜上、構成を省略または簡略化している場合もある。
　本開示は、油圧ショベル以外に、ブーム、アームおよびバケットを有する作業機械であれば適用可能である。以下の説明において、「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」とは、運転室２ａ内の運転席２ｂに着座したオペレータを基準とした方向である。
　＜作業機械の構成＞
　図１は、本開示の一実施の形態における作業機械の一例としての油圧ショベルの構成を概略的に示す側面図である。図１に示されるように、本実施の形態の油圧ショベル１００は、走行体１と、旋回体２と、作業機３とを主に有している。走行体１と旋回体２とにより作業機械本体が構成されている。
　走行体１は左右一対の履帯装置１ａを有している。この左右一対の履帯装置１ａの各々は履帯を有している。左右一対の履帯が回転駆動されることにより油圧ショベル１００が自走する。
　旋回体２は走行体１に対して旋回自在に設置されている。この旋回体２は、運転室（キャブ）２ａと、運転席２ｂと、エンジンルーム２ｃと、カウンタウェイト２ｄとを主に有している。運転室２ａは、旋回体２のたとえば前方左側（車両前側）に配置されている。運転室２ａの内部空間には、オペレータが着座するための運転席２ｂが配置されている。
　エンジンルーム２ｃおよびカウンタウェイト２ｄの各々は、運転室２ａに対して旋回体２の後方側（車両後側）に配置されている。エンジンルーム２ｃは、エンジンユニット（エンジン、排気処理構造体など）を収納している。エンジンルーム２ｃの上方はエンジンフードにより覆われている。カウンタウェイト２ｄは、エンジンルーム２ｃの後方に配置されている。
　作業機３は、旋回体２の前方側であって運転室２ａのたとえば右側にて軸支されている。作業機３は、たとえばブーム３ａ、アーム３ｂ、バケット３ｃ、ブームシリンダ４ａ、アームシリンダ４ｂ、バケットシリンダ４ｃなどを有している。ブーム３ａの基端部は、ブームフートピン５ａにより旋回体２に回転可能に連結されている。またアーム３ｂの基端部は、ブーム先端ピン５ｂによりブーム３ａの先端部に回転可能に連結されている。バケット３ｃは、ピン５ｃによりアーム３ｂの先端部に回転可能に連結されている。
　ブーム３ａは、ブームシリンダ４ａにより駆動可能である。この駆動により、ブーム３ａは、ブームフートピン５ａを中心に旋回体２に対して上下方向に回動可能である。アーム３ｂは、アームシリンダ４ｂにより駆動可能である。この駆動により、アーム３ｂは、ブーム先端ピン５ｂを中心にブーム３ａに対して上下方向に回動可能である。バケット３ｃは、バケットシリンダ４ｃにより駆動可能である。この駆動によりバケット３ｃは、ピン５ｃを中心にアーム３ｂに対して上下方向に回動可能である。このように作業機３は駆動可能である。
　作業機３は、バケットリンク３ｄを有している。バケットリンク３ｄは、第１リンク部材３ｄａと、第２リンク部材３ｄｂとを有している。第１リンク部材３ｄａの先端と第２リンク部材３ｄｂの先端とは、バケットシリンダトップピン３ｄｃを介して、相対回転可能に連結されている。バケットシリンダトップピン３ｄｃは、バケットシリンダ４ｃの先端に連結されている。したがって第１リンク部材３ｄａおよび第２リンク部材３ｄｂは、バケットシリンダ４ｃにピン連結されている。
　第１リンク部材３ｄａの基端は、第１リンクピン３ｄｄによりアーム３ｂに回転可能に連結されている。第２リンク部材３ｄｂの基端は、第２リンクピン３ｄｅによりバケット３ｃの根元部分のブラケットに回転可能に連結されている。
　ブームシリンダ４ａのヘッド側には、圧力センサ６ａが取り付けられている。圧力センサ６ａは、ブームシリンダ４ａのシリンダヘッド側油室４０Ａ内の作動油の圧力（ヘッド圧）を検出することができる。ブームシリンダ４ａのボトム側には、圧力センサ６ｂが取り付けられている。圧力センサ６ｂは、ブームシリンダ４ａのシリンダボトム側油室４０Ｂ内の作動油の圧力（ボトム圧）を検出することができる。
　ブームシリンダ４ａ、アームシリンダ４ｂおよびバケットシリンダ４ｃのそれぞれには、ストロークセンサ（検知部）７ａ、７ｂ、７ｃが取り付けられている。
　ブームシリンダ４ａにおけるシリンダ４ａａに対するシリンダロッド４ａｂの変位量からブーム角θｂを算出することができる。またアームシリンダ４ｂにおけるシリンダロッドの変位量からアーム角θａを算出することができる。またバケットシリンダ４ｃにおけるシリンダロッドの変位量からバケット角θｋを算出することができる。
　またブームフートピン５ａ、ブーム先端ピン５ｂおよびピン５ｃのそれぞれの周囲には、ポテンショメータ９ａ、９ｂ、９ｃが取り付けられていてもよい。ポテンショメータ９ａの測定値からブーム角θｂを算出することができる。またポテンショメータ９ｂの測定値からアーム角θａを算出することができる。またポテンショメータ９ｃの測定値からバケット角θｋを算出することができる。
　また旋回体２、ブーム３ａ、アーム３ｂおよび第１リンク部材３ｄａのそれぞれには、ＩＭＵ（Inertial　Measurement　Unit：慣性計測装置）８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄが取り付けられている。ＩＭＵ８ａは、前後方向、左右方向および上下方向における旋回体２の加速度と、前後方向、左右方向および上下方向まわりの旋回体２の角速度とを計測する。ＩＭＵ８ｂ、８ｃ、８ｄのそれぞれは、前後方向、左右方向および上下方向におけるブーム３ａ、アーム３ｂ、バケット３ｃの加速度と、前後方向、左右方向および上下方向まわりのブーム３ａ、アーム３ｂ、バケット３ｃの角速度とを計測する。
　旋回体２に取り付けられたＩＭＵ８ａで測定された加速度とブーム３ａに取り付けられたＩＭＵ８ｂで測定された加速度との差分に基づいてブームシリンダ４ａの伸縮の加速度（ブームシリンダ４ａの伸縮速度の変化量）を取得することができる。
　なお本実施の形態においてはブーム角θｂ、アーム角θａ、バケット角θｋがポテンショメータによって測定されているが、ＩＭＵで算出されてもよい。
　＜作業機械のシステムの概略構成＞
　次に、作業機械のシステムの概略構成について図２を用いて説明する。
　図２は、図１に示す作業機械のシステムの概略構成を示すブロック図である。図２に示されるように、本実施の形態におけるシステムは、荷重値を決定するためのシステムである。本実施の形態におけるシステムは、図１に示す作業機械の一例としての油圧ショベル１００と、図２に示されるコントローラ１０とを含んでいる。コントローラ１０は、油圧ショベル１００に搭載されていてもよく、油圧ショベル１００から離れた遠隔地に設置されていてもよい。
　操作装置２５は、運転室２ａ内に配置されている。操作装置２５は、オペレータにより操作される。操作装置２５は、作業機３を駆動するオペレータ操作を受け付ける。また操作装置２５は、旋回体２を旋回させるオペレータ操作を受け付ける。操作装置２５は、オペレータ操作に応じた操作信号を出力する。本例においては、操作装置２５は、たとえばパイロット油圧方式の操作装置であるが、電気方式の操作装置であってもよい。
　エンジン３１の駆動力によって油圧ポンプ３３が駆動される。油圧ポンプ３３から吐出された作動油が、操作装置２５に供給される。操作装置２５に供給された作動油は、オペレータによる操作装置２５の操作に対応して、方向制御弁３４を介して各種の油圧アクチュエータ４０に供給される。
　油圧アクチュエータ４０への油圧の供給および排出が制御されることにより、作業機３の動作、旋回体２の旋回、および走行体１の走行動作が制御される。上記油圧アクチュエータ４０は、図１に示されるブームシリンダ４ａ、アームシリンダ４ｂ、バケットシリンダ４ｃ、図示しない旋回モータなどを含んでいる。
　エンジン３１は、たとえばディーゼルエンジンである。エンジン３１への燃料の噴射量がコントローラ１０によって制御されることにより、エンジン３１の出力が制御される。
　油圧ポンプ３３は、エンジン３１に連結されている。エンジン３１の回転駆動力が油圧ポンプ３３に伝達されることにより、油圧ポンプ３３が駆動される。油圧ポンプ３３は、たとえば斜板を有し、斜板の傾転角が変更されることにより吐出容量を変化させる可変容量型の油圧ポンプである。油圧ポンプ３３から吐出された作動油は、減圧弁によって一定の圧力に減圧されて、方向制御弁３４に供給される。
　方向制御弁３４は、たとえばロッド状のスプールを動かして作動油が流れる方向を切り換えるスプール方式の弁である。スプールが軸方向に移動することにより、油圧アクチュエータ４０に対する作動油の供給量が調整される。方向制御弁３４には、スプールの移動距離（スプールストローク）を検出するスプールストロークセンサが設けられる。
　なお、本例においては、油圧アクチュエータ４０を作動するために、その油圧アクチュエータ４０に供給される油は作動油と称される。また、方向制御弁３４を作動するためにその方向制御弁３４に供給される油はパイロット油と称される。また、パイロット油の圧力はＰＰＣ圧（パイロット油圧）と称される。
　油圧ポンプ３３は、作動油とパイロット油との両方を送出してもよい。たとえば、油圧ポンプ３３から送出された作動油の一部が減圧弁で減圧され、その減圧された作動油がパイロット油として使用されてもよい。また、油圧ポンプ３３は、作動油を送出する油圧ポンプ（メイン油圧ポンプ）と、パイロット油を送出する油圧ポンプ（パイロット油圧ポンプ）とを別々に有してもよい。
　操作装置２５は、第１操作レバー２５Ｒと、第２操作レバー２５Ｌとを有している。第１操作レバー２５Ｒは、たとえば運転席２ｂの右側に配置されている。第２操作レバー２５Ｌは、たとえば運転席２ｂの左側に配置されている。第１操作レバー２５Ｒおよび第２操作レバー２５Ｌでは、前後左右の動作が２軸の動作に対応する。
　第１操作レバー２５Ｒにより、たとえばブーム３ａおよびバケット３ｃが操作される。第１操作レバー２５Ｒの前後方向の操作は、たとえばブーム３ａの操作に対応し、前後方向の操作に応じてブーム３ａが上昇する動作および下降する動作が実行される。第１操作レバー２５Ｒの左右方向の操作は、たとえばバケット３ｃの操作に対応し、左右方向の操作に応じてバケット３ｃの上下方向への動作が実行される。
　第２操作レバー２５Ｌにより、たとえばアーム３ｂおよび旋回体２が操作される。第２操作レバー２５Ｌの前後方向の操作は、たとえばアーム３ｂの操作に対応し、前後方向の操作に応じてアーム３ｂの上下方向への動作が実行される。第２操作レバー２５Ｌの左右方向の操作は、たとえば旋回体２の旋回に対応し、左右方向の操作に応じて旋回体２の右旋回動作および左旋回動作が実行される。
　本例においては、ブーム３ａが上昇する動作は上げ動作、下降する動作は下げ動作とも称する。また、アーム３ｂの上下方向への動作は、それぞれダンプ動作、掘削動作とも称する。バケット３ｃの上下方向への動作は、それぞれダンプ動作、掘削動作とも称する。
　なお、第１操作レバー２５Ｒの左右方向の操作がブーム３ａの操作に対応し、前後方向の操作がバケット３ｃの操作に対応してもよい。また第２操作レバー２５Ｌの前後方向が旋回体２の操作に対応し、左右方向の操作がアーム３ｂの操作に対応してもよい。
　油圧ポンプ３３から送出され、減圧弁によって減圧されたパイロット油が、操作装置２５に供給される。
　操作装置２５と方向制御弁３４とは、パイロット油路４５０を介して接続されている。操作装置２５の操作内容に基づいて、ＰＰＣ圧が調整される。操作装置２５が操作されると、操作装置２５の操作内容に対応したＰＰＣ圧が、パイロット油路４５０を介して方向制御弁３４に供給される。これにより、方向制御弁３４が調整されて、ブームシリンダ４ａ、アームシリンダ４ｂおよびバケットシリンダ４ｃに供給される作動油の流れ方向および流量が調整され、ブーム３ａ、アーム３ｂ、バケット３ｃの上下方向への動作が実行される。
　パイロット油路４５０には、圧力センサ３６が配置されている。圧力センサ３６は、ＰＰＣ圧を検出する。圧力センサ３６の検出結果は、コントローラ１０に出力される。操作装置２５の操作によって調整され、圧力センサ３６によって検出されるＰＰＣ圧は、本実施の形態における操作指令値に相当する。
　図２では簡略化されて図示されているが、第１操作レバー２５Ｒおよび第２操作レバー２５Ｌの前後左右各方向への操作に対応する複数のパイロット油路４５０が、操作装置２５と方向制御弁３４とを接続するように設けられている。複数のパイロット油路４５０の各々に、圧力センサ３６が配置されている。
　たとえばブーム３ａを動作する場合、ブーム３ａを上げ動作するときにＰＰＣ圧の増加を検出する圧力センサ３６と、ブーム３ａを下げ動作するときにＰＰＣ圧の増加を検出する圧力センサ３６とは異なる。また、たとえばアーム３ｂをダンプ動作するときにＰＰＣ圧の増加を検出する圧力センサ３６と、アーム３ｂを掘削動作するときにＰＰＣ圧の増加を検出する圧力センサ３６とは異なる。また、たとえばバケット３ｃを動作する場合、バケット３ｃをダンプ動作するときにＰＰＣ圧の増加を検出する圧力センサ３６と、バケット３ｃを掘削動作するときにＰＰＣ圧の増加を検出する圧力センサ３６とは異なる。
　ＰＰＣ圧の増加量は、操作レバー２５Ｌ、２５Ｒの各々を中立位置から傾倒させる角度によって異なる。このようにして、各圧力センサ３６によるＰＰＣ圧の検出結果によって、操作装置２５の操作内容を判断することができる。
　またコントローラ１０には、ストロークセンサ７ａ～７ｃ、ＩＭＵ８ａ～８ｄ、ポテンショメータ９ａ～９ｃおよび圧力センサ６ａ、６ｂの検出信号も入力される。
　コントローラ１０は、ストロークセンサ７ａ～７ｃ、ＩＭＵ８ａ～８ｄ、ポテンショメータ９ａ～９ｃおよび圧力センサ６ａ、６ｂ、３６の各々と有線で電気的に接続されていてもよく、また無線で通信可能とされていてもよい。コントローラ１０は、たとえばコンピュータ、サーバー、携帯端末などであり、ＣＰＵ（Central　Processing　Unit）であってもよい。
　＜コントローラ１０内の機能ブロック＞
　次に、コントローラ１０内の機能ブロックについて図３を用いて説明する。
　図３は、図２に示すコントローラ内の機能ブロックを示す図である。図３に示されるように、コントローラ１０は、操作指令値取得部１１と、ブームシリンダ伸縮速度取得部１２と、荷重計算値演算部１３と、記憶部１４と、変化量取得部１５と、重み算出部１６と、重み順位付け部１７と、荷重値決定部１８とを有している。
　操作指令値取得部１１には、圧力センサ３６により検出されたＰＰＣ圧の信号が入力される。操作指令値取得部１１は、圧力センサ３６により検出されたＰＰＣ圧の信号から、たとえばブームシリンダ４ａを動作させる操作指令値を検出する。操作指令値取得部１１により取得された操作指令値は、記憶部１４へ出力され、記憶部１４に記憶される。
　ブームシリンダ伸縮速度取得部１２には、ＩＭＵ８ａ～８ｄの各々により検出された加速度などの信号が入力される。ブームシリンダ伸縮速度取得部１２は、たとえば旋回体２に取り付けられたＩＭＵ８ａで検出された加速度とブーム３ａに取り付けられたＩＭＵ８ｂで検出された加速度との差分に基づいてブームシリンダ４ａの伸縮の加速度（ブームシリンダ４ａの伸縮速度の変化量）を検出する。
　またブームシリンダ伸縮速度取得部１２には、ストロークセンサ７ａ～７ｃにより検出されたシリンダロッドの変位量または作業機の角度（ブーム角θｂ、アーム角θａ、バケット角θｋ）の信号が入力される。ブームシリンダ伸縮速度取得部１２は、たとえばストロークセンサ７ａにより検出されたシリンダロッドの変位量または作業機の角度（ブーム角θｂ）に基づいてブームシリンダ４ａの伸縮の速度を検出する。
　またブームシリンダ伸縮速度取得部１２には、ポテンショメータ９ａ～９ｃにより検出された作業機の角度（ブーム角θｂ、アーム角θａ、バケット角θｋ）の信号が入力される。ブームシリンダ伸縮速度取得部１２は、たとえばポテンショメータ９ａにより検出された作業機の角度（ブーム角θｂ）に基づいてブームシリンダ４ａの伸縮の速度を検出する。
　ブームシリンダ伸縮速度取得部１２により検出されたブームシリンダ４ａの伸縮速度（またはその伸縮速度の変化量）は、記憶部１４へ出力され、記憶部１４に記憶される。
　荷重計算値演算部１３には、圧力センサ６ａ、６ｂにより検出されたブームシリンダ４ａのヘッド圧およびボトム圧の信号が入力される。また荷重計算値演算部１３には、ストロークセンサ７ａ～７ｃにより検出されたシリンダロッドの変位量または作業機の角度（ブーム角θｂ、アーム角θａ、バケット角θｋ）の信号が入力される。また荷重計算値演算部１３には、ポテンショメータ９ａ～９ｃにより検出された作業機の角度（ブーム角θｂ、アーム角θａ、バケット角θｋ）の信号が入力される。
　荷重計算値演算部１３は、入力された上記信号から荷重計算値を演算する。荷重計算値演算部１３により演算された荷重計算値は、記憶部１４へ送信され、記憶部１４に記憶される。
　変化量取得部１５は、記憶部１４に記憶された情報から、ブームシリンダ４ａを動作させる操作指令値とブームシリンダ４ａの伸縮の速度との少なくとも一方の情報の単位時間当たりの変化量を取得する。
　変化量取得部１５は、たとえば操作指令値取得部１１で取得されかつ記憶部１４に記憶されたＰＰＣ圧の信号から、ブームシリンダ４ａを動作させる操作指令値の単位時間当たりの変化量を取得する。
　また変化量取得部１５は、たとえば操作指令値取得部１１で取得されかつ記憶部１４に記憶されたブームシリンダ４ａの伸縮速度の変化量から、ブームシリンダ４ａの伸縮の速度の単位時間当たりの変化量を取得する。
　また変化量取得部１５は、たとえば操作指令値取得部１１で取得されかつ記憶部１４に記憶されたブームシリンダ４ａの伸縮速度から、ブームシリンダ４ａの伸縮の速度の単位時間当たりの変化量を取得する。
　上記において変化量取得部１５により取得された変化量は重み算出部１６へ出力される。重み算出部１６は、変化量取得部１５から入力された変化量に基づいて加重平均に用いるための重み（加重値）を算出する。重み算出部１６により算出された重みは、記憶部１４へ出力され、記憶部１４にて記憶される。
　重み順位付け部１７は、記憶部１４に記憶された複数の重みを、その重みの大きさに基づいて順位付けする。
　荷重値決定部１８は、記憶部１４に記憶された荷重計算値と重みとに基づいて、加重平均により荷重値を決定する。荷重値決定部１８は、計算区間が長い（たとえば３秒以上の）場合、重み順位付け部１７によって順位付けられた重みのうち重みが大きいデータのみを用いて（つまり重みの小さいデータを用いずに）、加重平均により荷重値を決定してもよい。本実施の形態においては、重み順位付け部１７により順位付けられた重みが大きいＮ個のデータのみを用いて、加重平均により荷重値が決定されてもよい。
　＜作業機械の制御方法＞
　次に、本実施の形態における作業機械の制御方法について図３および図４を用いて説明する。
　図４は、本開示の一実施の形態における作業機械の制御方法を示すフロー図である。図４に示されるように、本実施の形態においては、まずバケット３ｃ内の現在の荷重計算値（CalcuPayload）が計算される（ステップＳ１）。この荷重計算値（CalcuPayload）は静的釣り合いから計算される。具体的には、作業機３の自重によるモーメントＭＸweが算出された後、ブームフートピン５ａ回りの各モーメントの釣り合いからバケット３ｃ内の現在の荷重計算値が計算される。この荷重計算値（CalcuPayload）の計算は、図３に示される荷重計算値演算部１３により行われる。
　まず作業機３の自重によるモーメントＭＸweは、以下の式（１）により算出される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　式（１）において、Ｍboomは、ブーム３ａの重量である。ＭboomCは、ブームシリンダ４ａのシリンダ部分の重量である。ＭboomCRは、ブームシリンダ４ａのシリンダロッド部分の重量である。Ｍarmは、アーム３ｂの重量である。ＭarmCは、アームシリンダ４ｂのシリンダ部分の重量である。ＭarmCRは、アームシリンダ４ｂのシリンダロッド部分の重量である。Ｍbucketは、バケット３ｃの重量である。
　これらの重量Ｍboom、ＭboomC、ＭboomCR、Ｍarm、ＭarmC、ＭarmCRおよびＭbucketの各々は、図３に示されるように、たとえば入力操作部２１にて記憶部１４への入力操作を行なうことにより、記憶部１４に記憶されている。
　式（１）において、Ｘboom_cは、ブームフートピン５ａからブーム３ａの重心までの距離である。ＸboomC_cは、ブームフートピン５ａからブームシリンダ４ａのシリンダ部分の重心までの距離である。ＸboomCR_cは、ブームフートピン５ａからブームシリンダ４ａのシリンダロッド部分の重心までの距離である。Ｘarm_cは、ブームフートピン５ａからアーム３ｂの重心までの距離である。ＸarmC_cは、ブームフートピン５ａからアームシリンダ４ｂのシリンダ部分の重心までの距離である。ＸarmCR_cは、ブームフートピン５ａからアームシリンダ４ｂのシリンダロッド部分の重心までの距離である。Ｘbucket_cは、ブームフートピン５ａからバケット３ｃの重心までの距離である。
　これらの距離Ｘboom_c、ＸboomC_c、ＸboomCR_c、Ｘarm_c、ＸarmC_c、ＸarmCR_cおよびＸbucket_cの各々は、ストロークセンサ７ａ～７ｃ、ポテンショメータ９ａ～９ｃの検出結果などから算出することができる。
　このモーメントＭＸweの計算は、図３に示される荷重計算値演算部１３により行われる。
　次に、ブームフートピン５ａ周りのモーメントの釣り合いは、以下の式（２）により表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　式（２）において、Ｆは、ブームシリンダ４ａの負荷（押す力）であり、ブームシリンダ４ａのヘッド圧とボトム圧とから得られる。このためＦは、圧力センサ６ａにより検出された圧力（ヘッド圧）と、圧力センサ６ｂにより検出された圧力（ボトム圧）とから得られる。
　式（２）において、ｈは、ブームフートピン５ａとブームシリンダ４ａとの間の最短距離（ブームシリンダ４ａの延在方向に対する直交方向の距離）である。ｈは、ストロークセンサ７ａ、ポテンショメータ９ａの検出値などから算出することができる。
　式（２）において、Ｘpayload_cは、ブームフートピン５ａとバケット３ｃ内の荷の重心との間の距離である。Ｘpayload_cは、ストロークセンサ７ａ～７ｃ、ポテンショメータ９ａ～９ｃの検出値などから算出することができる。
　式（２）から、荷重計算値（CalcuPayload）は以下の式（３）により表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　式（３）に示されるように、バケット３ｃ内の荷重計算値（CalcuPayload）は、ブームシリンダ４ａの負荷Ｆに基づいて算出される。上記の荷重計算値（CalcuPayload）の計算は常時実施される。
　次に、ブーム３ａの上げ動作か否かの判定がなされる（ステップＳ２：図４）。たとえばブーム３ａの上げ動作と旋回体２の旋回動作とが同時に行なわれているときに、ブーム３ａの上げ動作が実行されていると判定されてもよい。ブーム３ａの上げ動作と旋回体２の旋回動作とが実行されているか否かの判定は、たとえば圧力センサ３６によりＰＰＣ圧を検出することにより可能である。
　ブーム３ａの上げ動作が実施されていないと判定された場合には、引き続き荷重計算値（CalcuPayload）の計算が行なわれる。一方、ブーム３ａの上げ動作が実施されていると判定された場合には、単位時間当たりのブーム上げＰＰＣ圧の変化量が計算される（ステップＳ３：図４）。
　この変化量の計算に際しては、上記荷重計算値を計算した瞬間より以前の第１時点でのブーム上げＰＰＣ圧と第１時点より以前の第２時点でのブーム上げＰＰＣ圧とから、単位時間当たりのブーム上げＰＰＣ圧の変化量Ｘが計算される。
　上記により、ブームシリンダ４ａを動作させる操作指令値（ブーム上げＰＰＣ圧）の単位時間当たりの変化量Ｘが検出される。この変化量Ｘの計算による検出は、図３に示される変化量取得部１５により行なわれる。
　このように検出された単位時間当たりの変化量Ｘに基づいて、上記演算で得られた荷重計算値（CalcuPayload）が補正されて荷重値Ｗpayloadが決定される（ステップＳ４：図４）。この荷重計算値の補正においては、まず上記変化量Ｘに基づいて重み（加重値）Ｗが算出される（ステップＳ４ａ）。
　重みＷは、たとえば変化量Ｘの逆数から求められる。これにより、単位時間当たりの変化量Ｘが大きいときの重みＷは小さくなり、単位時間当たりの変化量Ｘが小さいときの重みＷは大きくなる。この重みＷの算出は、図３に示される重み算出部１６により行われる。
　上記単位時間当たりの変化量Ｘおよび重みＷの算出は常時実施され、瞬間毎に算出された重みＷは図３に示される記憶部１４に記憶される。
　次に、記憶部１４に記憶された重みＷの順位付けが行なわれる（ステップＳ４ｂ）。この重みＷの順位付けは、重みＷの大きさの順に順位づけられる。この重みＷの順位付けは、図３に示される重み順位付け部１７により行われる。
　次に、荷重計算値（CalcuPayload）が上記で得られた重みＷを用いて加重平均されることにより荷重値Ｗpayloadが決定される（ステップＳ４ｃ：図４）。この荷重値Ｗpayloadの決定に際しては、以下の式（４）が用いられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　式（４）において、CalcuPayload1、CalcuPayload2、CalcuPayload3、CalcuPayloadtのそれぞれは、時点１、時点２、時点３、時点ｔにおいて上記の如く取得された荷重計算値である。またＷ1、Ｗ2、Ｗ3、Ｗtのそれぞれは、時点１、時点２、時点３、時点ｔにおいて上記の如く取得された重みである。
　式（４）に示されるように、単位時間当たりの変化量が大きいときの重みを小さく、単位時間当たりの変化量が小さいときの重みを大きくして荷重計算値の加重平均が行なわれる。この荷重値Ｗpayloadの決定は、図３に示される荷重値決定部１８により行なわれる。
　本実施の形態においては、重み順位付け部１７により順位付けられた複数の重みのうち、重みが小さい複数の重みのデータ（重みとその重みに対応した荷重計算値）を用いずに、重みが大きい上位３０個の重みのデータ（重みとその重みに対応した荷重計算値）のみを用いて、式（４）に示す加重平均により荷重値が決定されてもよい。
　以上のように単位時間当たりの変化量Ｘに基づいて荷重計算値（CalcuPayload）が補正されることにより荷重値Ｗpayloadが決定される。
　決定された荷重値Ｗpayloadには、作業機械が個体毎に有する誤差を排除するための補正が行なわれる（ステップＳ５：図４）。この補正は、バケット３ｃ内に荷がない状態（空荷状態）で上記のように荷重値Ｗpayloadを決定し、バケット３ｃ内に荷がある状態で得られた荷重値Ｗpayloadから空荷状態での荷重値Ｗpayloadを減算することにより行なわれる。この補正によって、作業機械の個体差によって生じる動摩擦、抵抗などの相違をキャンセルすることができる。
　この後、荷がバケット３ｃ内から排出されたか否かの判定がなされる（ステップＳ６：図４）。荷のバケット３ｃ内からの排出は、たとえばダンプトラックに積み込むために行なわれる。
　荷がバケット３ｃ内から排出されていないと判定された場合、荷重計算値の計算が再度行なわれる（ステップＳ１：図４）。一方、荷がバケット３ｃ内から排出されたと判定された場合、補正後の荷重値が確定し、その確定した補正後の荷重値がダンプトラックの積載量に加算される（ステップＳ７：図４）。
　補正後の荷重値およびダンプトラックの積載量は、たとえば運転室２ａ内の表示装置などに表示される。これにより運転室２ａ内のオペレータは、バケット３ｃ内の補正された荷重値とダンプトラックの積載量を確認しながら、掘削・積み込み作業を行なうことができる。
　以上により、バケット３ｃ内における荷重値が決定され、ダンプトラックの積載量に加算される。
　上記においては操作装置２５がパイロット油圧方式である場合について説明したが、操作装置２５は電気方式であってもよい。操作装置２５が電気方式である場合、第１操作レバー２５Ｒおよび第２操作レバー２５Ｌの各々の操作量は、たとえばポテンショメータにより検出される。ポテンショメータとは、機械的な位置に比例した電気（電圧）出力を得る変位センサである。このため操作指令値の単位時間当たりの変化量として、ポテンショメータから得られる電気（電圧）出力の単位時間当たりの変化量が、加重平均を行なうための重みＷの算出用に用いられてもよい。
　また上記においては操作指令値の単位時間当たりの変化量Ｘに基づいて重みを算出して加重平均を行なう場合について説明したが、ブームシリンダの伸縮の速度の単位時間当たりの変化量に基づいて重みを算出して加重平均が行なわれてもよい。また操作指令値の単位時間当たりの変化量Ｘとブームシリンダの伸縮の速度の単位時間当たりの変化量との双方に基づいて重みを算出して加重平均が行なわれてもよい。
　＜作用効果＞
　次に、本実施の形態の作用効果について、図５に示す本発明者の知見とともに説明する。
　図５は、ブーム上げＰＰＣ圧、ブーム上げＰＰＣ圧の変化量および荷重計算値（CalcuPayload）の時間変化を示す図である。図５に示されるように、本発明者は、ブーム３ａのＰＰＣ圧（図中実線）が増加するブーム３ａの上げ動作時には、ブーム３ａのＰＰＣ圧の変化量がブーム３ａの操作に応じて脈動し、それに伴って荷重計算値（CalcuPayload）も脈動することを見出した。このことからブーム３ａの上げ操作時にバケット３ｃ内の荷重を精度良く計測することが難しいことが分かった。
　またブーム３ａの上げ速度が速いと荷重計算値（CalcuPayload）の精度はさらに悪くなることも本発明者は見出した。このためブーム３ａの上げ操作を丁寧に行なう必要があるが、ブーム３ａの上げ操作を丁寧に行なうと生産性が悪化する。
　そこで本実施の形態においては、ブームシリンダ４ａを動作させる操作指令値とブームシリンダ４ａの伸縮の速度との少なくとも一方の情報の単位時間当たりの変化量に基づいて、荷重計算値（CalcuPayload）を補正することにより荷重値Ｗpayloadが決定される。これによりブーム３ａの動作時において荷重計算値（CalcuPayload）に生じる脈動が低減された荷重値Ｗpayloadを得ることができる。このためブーム３ａの操作時にバケット３ｃ内の荷重を精度良く計測することが可能となる。よってオペレータは普段通りの操作をするだけでバケット３ｃ内の荷重を精度良く計測でき、かつ生産性も高く維持することができる。
　また本実施の形態によれば、上記単位時間当たりの変化量Ｘが大きいときの重みＷを小さく、上記単位時間当たりの変化量Ｘが小さいときの重みＷを大きくして荷重計算値（CalcuPayload）の加重平均を行なうことにより荷重値Ｗpayloadが決定される。このように変化量Ｘが小さいときの重みＷを大きくすることで、計算結果を安定させることができる。
　また瞬間的な計測値を用いるのではなく、平均して荷重値Ｗpayloadが決定されるため、急操作などでブームシリンダ４ａのヘッド圧およびボトム圧がノイズ的に乱れても、計測結果に大きな影響は生じない。
　また本実施の形態によれば、複数の重みが算出され、複数の重みのうち小さい重みの荷重計算値を用いずに、複数の重みのうち大きい重みの荷重計算値を用いて加重平均が行なわれることにより荷重値Ｗpayloadが決定される。これにより計算区間がたとえば３秒と短い場合でも安定した荷重値Ｗpayloadを計算することができる。
　また本実施の形態によれば、操作指令値およびブームシリンダ４ａの伸縮の速度の各々は、ブーム３ａを上げる操作時における操作指令値およびブームシリンダ４ａの伸縮の速度である。これによりブーム３ａの上げ動作時において荷重計算値（CalcuPayload）に生じる脈動が低減された荷重値Ｗpayloadを得ることができる。
　今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
　１　走行体、１ａ　履帯装置、２　旋回体、２ａ　運転室、２ｂ　運転席、２ｃ　エンジンルーム、２ｄ　カウンタウェイト、３　作業機、３ａ　ブーム、３ｂ　アーム、３ｃ　バケット、３ｄ　バケットリンク、３ｄａ　第１リンク部材、３ｄｂ　第２リンク部材、３ｄｃ　バケットシリンダトップピン、３ｄｄ　第１リンクピン、３ｄｅ　第２リンクピン、４ａ　ブームシリンダ、４ａａ　シリンダ、４ａｂ　シリンダロッド、４ｂ　アームシリンダ、４ｃ　バケットシリンダ、５ａ　ブームフートピン、５ｂ　ブーム先端ピン、５ｃ　ピン、６ａ，６ｂ，３６　圧力センサ、７ａ，７ｂ，７ｃ　ストロークセンサ、８ａ，８ｂ，８ｃ　ＩＭＵ、９ａ，９ｂ，９ｃ　ポテンショメータ、１０　コントローラ、１１　操作指令値取得部、１２　ブームシリンダ伸縮速度取得部、１３　荷重計算値演算部、１４　記憶部、１５　変化量取得部、１６　重み算出部、１７　重み順位付け部、１８　荷重値決定部、２１　入力操作部、２５　操作装置、２５Ｌ　第２操作レバー、２５Ｒ　第１操作レバー、３１　エンジン、３３　油圧ポンプ、３４　方向制御弁、４０　油圧アクチュエータ、１００　油圧ショベル、４５０　パイロット油路。

Claims (6)

  1. 　ブームと、
    　前記ブームの先端に取り付けられたアームと、
    　前記アームの先端に取り付けられたバケットと、
    　前記ブームを駆動するブームシリンダと、
    　前記ブームシリンダの負荷に基づいて前記バケット内の荷重計算値を演算し、前記ブームシリンダを動作させる操作指令値と前記ブームシリンダの伸縮の速度との少なくとも一方の情報の単位時間当たりの変化量を検出し、演算により得られた前記荷重計算値を前記単位時間当たりの変化量に基づいて補正して荷重値を決定するコントローラと、を備えた、作業機械。
  2. 　前記コントローラは、前記単位時間当たりの変化量が大きいときの重みを小さく、前記単位時間当たりの変化量が小さいときの重みを大きくして前記荷重計算値の加重平均を行なうことにより前記荷重値を決定する、請求項１に記載の作業機械。
  3. 　前記コントローラは、複数の前記重みを算出し、複数の前記重みのうち小さい重みの前記荷重計算値を用いずに、複数の前記重みのうち大きい重みの前記荷重計算値を用いて前記加重平均を行なうことにより前記荷重値を決定する、請求項２に記載の作業機械。
  4. 　前記操作指令値および前記ブームシリンダの伸縮の速度の各々は、前記ブームを上げる操作時における操作指令値および前記ブームシリンダの伸縮の速度である、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の作業機械。
  5. 　ブームと、前記ブームの先端に取り付けられたアームと、前記アームの先端に取り付けられたバケットと、前記ブームを駆動するブームシリンダと、を有する作業機械と、
    　前記ブームシリンダを動作させる操作指令値と前記ブームシリンダの伸縮の速度との少なくとも一方の情報の単位時間当たりの変化量を取得し、前記ブームシリンダの負荷に基づいて前記バケット内の荷重計算値を演算し、演算により得られた前記荷重計算値を前記単位時間当たりの変化量に基づいて補正して荷重値を決定するコントローラと、を備えた、システム。
  6. 　ブームと、前記ブームの先端に取り付けられたアームと、前記アームの先端に取り付けられたバケットと、前記ブームを駆動するブームシリンダと、を有する作業機械の制御方法であって、
    　前記ブームシリンダの負荷に基づいて前記バケット内の荷重計算値を演算し、
    　前記ブームシリンダを動作させる操作指令値と前記ブームシリンダの伸縮の速度との少なくとも一方の情報の単位時間当たりの変化量を取得し、演算により得られた前記荷重計算値を前記単位時間当たりの変化量に基づいて補正して荷重値を決定する、作業機械の制御方法。
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