WO2022176515A1

WO2022176515A1 - 作業機モーメントを推定する方法

Info

Publication number: WO2022176515A1
Application number: PCT/JP2022/002401
Authority: WO
Inventors: 賢佑藤井; 年晃熊谷; 幹小山
Original assignee: 株式会社小松製作所
Priority date: 2021-02-22
Filing date: 2022-01-24
Publication date: 2022-08-25
Also published as: KR20230002980A; JP2022128084A; CN115698436A; DE112022000038T5; US20230212839A1

Abstract

作業機のモーメントを正確に推定する。作業機を第１の姿勢にする。第１の姿勢にある作業機に積載された荷の重量である第１のペイロード演算値を取得する。作業機を第２の姿勢にする。第１リンク部材の重心位置から第１リンク部材の基端までの水平方向の距離と、作業機に積載された荷の重心位置から基端までの水平方向の距離と、の比が、第１の姿勢と第２の姿勢とで等しくなっている。第２の姿勢にある作業機に積載された荷の重量である第２のペイロード演算値を取得する。第１のペイロード演算値と、第２のペイロード演算値とを比較する。第１のペイロード演算値と第２のペイロード演算値との比較の結果、第１のペイロード演算値と第２のペイロード演算値とが異なっていると判断されると、第２リンク部材の重量を変更して、上記の処理を繰り返す。

Description

作業機モーメントを推定する方法

　本開示は、作業車両における作業機モーメントを推定する方法に関する。

　作業機に積載された荷の重量は、作業機械の仕事量を知る上で重要である。特開昭６０－１０２４３６号公報（特許文献１）には、ブーム回動支点を中心とするモーメントの釣り合い式から積荷の重量を演算する技術が開示されている。

特開昭６０－１０２４３６号公報

　作業機を構成する各リンク部材の重量および重心位置の設計値が不明な場合、実測も困難であるため、積荷重量の演算の精度を高くすることができない。

　本開示では、積荷重量をより精度よく演算するための技術が提案される。

　本開示に従うと、作業機械における、作業機モーメントを推定する方法が提案される。作業機械は、車体と、車体に対して相対移動可能な作業機とを備えている。作業機は、車体に回動支点軸により支持された第１リンク部材と、第１リンク部材の先端に取り付けられた第２リンク部材とを有している。作業機モーメントは、回動支点軸をつり合い中心とする作業機のモーメントである。上記方法は、以下のステップを備えている。第１ステップは、作業機を第１の姿勢にするステップである。第２ステップは、第１の姿勢にある作業機に積載された荷の重量である第１のペイロード演算値を取得するステップである。第３ステップは、作業機を第２の姿勢にするステップである。第１リンク部材の重心位置から第１リンク部材の基端までの水平方向の距離と、作業機に積載された荷の重心位置から基端までの水平方向の距離と、の比が、第１の姿勢と第２の姿勢とで等しくなっている。第４ステップは、第２の姿勢にある作業機に積載された荷の重量である第２のペイロード演算値を取得するステップである。第５ステップは、第１のペイロード演算値と、第２のペイロード演算値とを比較するステップである。上記方法は、第１のペイロード演算値と第２のペイロード演算値との比較の結果、第１のペイロード演算値と第２のペイロード演算値とが異なっていると判断されると、第２リンク部材の重量を変更して、第１ステップから第５ステップまでの処理を繰り返すステップをさらに備えている。

　本開示に係る方法によれば、作業機モーメントを正確に推定することで、精度のよい積荷重量の値を算出することができる。

本開示の実施形態に基づく作業機械の構成を概略的に示す図である。図１に示される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に示されるコントローラ内の機能ブロックを示す図である。実施形態に基づく作業機の重量を調整する方法を示すフロー図である。ブーム重心位置とアーム重心位置とを模式的に示す図である。アームの質量を調整するための姿勢を模式的に示す図である。作業機重量の調整前後の荷重計算値の精度の比較を示すチャートである。

　以下、実施形態について図面に基づいて説明する。以下の説明では、同一部品には、同一の符号を付している。それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰り返さない。

　本開示は、油圧ショベル以外に、作業機を備え、作業機は複数のリンク部材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、本開示の実施形態に基づく作業機械の一例としての油圧ショベル１００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とにより作業機械の車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。ブームフートピン５ａは、ブーム３ａの回動支点軸である。アーム３ｂの基端部は、アーム連結ピン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、アタッチメント連結ピン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、アーム連結ピン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、アタッチメント連結ピン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部材３ｄａと、第２部材３ｄｂとを有している。第１部材３ｄａの先端と第２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部材３ｄａおよび第２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には、ストロークセンサ７ａが取り付けられている。ストロークセンサ７ａは、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の変位量を検出する。アームシリンダ４ｂには、ストロークセンサ７ｂが取り付けられている。ストロークセンサ７ｂは、アームシリンダ４ｂにおけるシリンダロッドの変位量を検出する。バケットシリンダ４ｃには、ストロークセンサ７ｃが取り付けられている。ストロークセンサ７ｃは、バケットシリンダ４ｃにおけるシリンダロッドの変位量を検出する。

　ブームフートピン５ａの周囲には、角度センサ９ａが取り付けられている。アーム連結ピン５ｂの周囲には、角度センサ９ｂが取り付けられている。アタッチメント連結ピン５ｃの周囲には、角度センサ９ｃが取り付けられている。角度センサ９ａ，９ｂ，９ｃは、ポテンショメータであってもよく、ロータリーエンコーダであってもよい。

　図１に示されるように、側方視のブーム動作領域において、ブームフートピン５ａとアーム連結ピン５ｂとを通る直線（図１中に二点鎖線で図示）と、上下方向に延びる直線（図１中に破線で図示）とのなす角度を、ブーム角θｂとする。ブーム角θｂは、旋回体２に対するブーム３ａの角度を表す。ブーム角θｂは、ストロークセンサ７ａの検出結果から算出することができ、または角度センサ９ａの測定値から算出することができる。

　側方視のアーム動作領域において、ブームフートピン５ａとアーム連結ピン５ｂとを通る直線（図１中に二点鎖線で図示）と、アーム連結ピン５ｂとアタッチメント連結ピン５ｃとを通る直線（図１中に二点鎖線で図示）とのなす角度を、アーム角θａとする。アーム角θａは、ブーム３ａに対するアーム３ｂの角度を表す。アーム角θａは、ストロークセンサ７ｂの検出結果から算出することができ、または角度センサ９ｂの測定値から算出することができる。

　側方視のバケット動作領域において、アーム連結ピン５ｂとアタッチメント連結ピン５ｃとを通る直線（図１中に二点鎖線で図示）と、アタッチメント連結ピン５ｃとバケット３ｃの刃先とを通る直線（図１中に二点鎖線で図示）とのなす角度を、バケット角θｋとする。バケット角θｋは、アーム３ｂに対するバケット３ｃの角度を表す。バケット角θｋは、ストロークセンサ７ｃの検出結果から算出することができ、または角度センサ９ｃの測定値から算出することができる。

　旋回体２、ブーム３ａ、アーム３ｂおよび第１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。ブーム角θｂ、アーム角θａ、バケット角θｋは、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に示される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い。コントローラ１０は、油圧ショベル１００の外部に設置されていてもよい。コントローラ１０は、油圧ショベル１００の作業現場に配置されてもよく、油圧ショベル１００の作業現場から離れた遠隔地に配置されてもよい。

　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から吐出された油の一部は、作動油として方向制御弁３４に供給される。油圧ポンプ３３から吐出された油の一部は、減圧弁によって一定の圧力に減圧されて、パイロット油として使用される。

　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。

　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。

　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パイロット油圧と称される。

　油圧ポンプ３３は、上記のように作動油とパイロット油との両方を送出するものであってもよい。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、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。

　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が下降する動作および上昇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の掘削方向（上向き）およびダンプ方向（下向き）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、たとえば旋回体２の旋回に対応し、前後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。第２操作レバー２５Ｌの左右方向の操作は、たとえばアーム３ｂの操作に対応し、左右方向の操作に応じてアーム３ｂのダンプ方向（上向き）および掘削方向（下向き）への動作が実行される。

　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の操作量に基づいて、パイロット油圧が調整される。

　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。パイロット油は、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のスプールが軸方向に移動して、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、パイロット油圧を検出する。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。パイロット油圧の増加量は、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。圧力センサ３６によるパイロット油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。

　コントローラ１０には、ストロークセンサ７ａ～７ｃ、ＩＭＵ８ａ～８ｄ、角度センサ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、角度センサ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。

　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。ポテンショメータの検出結果は、コントローラ１０に出力される。ポテンショメータ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。

　＜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に示されるコントローラ１０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により検出されたパイロット油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により検出されたパイロット油圧の信号から、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。

　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の信号が入力される。またブームシリンダ伸縮速度取得部１２には、角度センサ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角度センサ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の信号が入力される。また荷重計算値演算部１３には、角度センサ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へ出力され、記憶部１４に記憶される。

　＜荷重計算＞
　実施形態においては、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（CalcuPayload）が演算される。荷重計算値（CalcuPayload）の演算は、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。

　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、たとえば、図３に示される入力操作部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（の回動中心軸）からブーム３ａの重心までの水平方向の距離である。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水平方向の距離である。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水平方向の距離である。Ｘarm_cは、ブームフートピン５ａからアーム３ｂの重心までの水平方向の距離である。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水平方向の距離である。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水平方向の距離である。Ｘbucket_cは、ブームフートピン５ａからバケット３ｃの重心までの水平方向の距離である。

　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、角度センサ９ａ～９ｃの検出結果などから算出することができる。

　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。

　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（図１も併せて参照）。ｈは、ストロークセンサ７ａ、角度センサ９ａの検出値などから算出することができる。Ｆ×ｈにより、ブームシリンダ４ａの負荷Ｆを、延在方向の異なるブームの負荷に調整している。

　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。バケット３ｃ内の荷の重心位置は、バケット３ｃに保持可能な満杯の荷の重心位置としてよい。Ｘpayload_cは、ストロークセンサ７ａ～７ｃ、角度センサ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。

　＜作業機重量の推定＞
　作業機３を構成する各リンク部材、たとえばブーム３ａおよびアーム３ｂ、の重量および重心位置は、実測が困難である。ブーム３ａの重心位置は、距離Ｘboom_cを算出するために用いられ、アーム３ｂの重心位置は、距離Ｘarm_cを算出するために用いられる。上記のとおり、ブーム３ａの重量Ｍboom、アーム３ｂの重量Ｍarm、距離Ｘboom_cおよび距離Ｘarm_cは、荷重計算値の演算に用いられる。

　上記のとおり、荷重計算値はモーメントの釣り合いによる計算で求める。作業機構成部材のモーメントは、構成部材の重量（正確には質量）と、回転中心軸から重心位置までの距離との積で示される。そのため、荷重計算値の演算に用いられるブーム３ａの重量Ｍboomおよび重心位置、ならびにアーム３ｂの重量Ｍarmおよび重心位置が真値から外れていると、ブームフートピン５ａ回りのモーメントの計算が正しく行えず、作業機３の姿勢によって荷重計算値の演算値が異なることになる。荷重計算値の精度を高くするには、ブーム３ａおよびアーム３ｂの重量および重心位置の設計値が不明な場合においても、ブーム３ａおよびアーム３ｂのモーメントを精度よく推定できることが求められる。

　本開示の方法によると、構成部材の重心位置を仮定して複数の作業機姿勢で荷重計算値を取得し、取得された複数の作業機姿勢での荷重計算値が等しくなるように構成部材の重量を調整することにより、従来より正確に構成部材のモーメントを取得できる。図４は、実施形態に基づく作業機３の重量を調整する方法を示すフロー図である。以下、図４および図５－６を適宜参照して、実施形態に基づく作業機３の重量の調整方法について説明する。

　まず、ステップＳ１において、アーム３ｂの質量を調整するための第１の姿勢（以下、姿勢（１）と称する）と、アーム３ｂの質量を調整するための第２の姿勢（以下、姿勢（２）と称する）とを後述のように選定する。

　図５は、ブーム重心位置Ｇａとアーム重心位置Ｇｂとを模式的に示す図である。図５に示されるブーム重心位置Ｇａは、ブーム３ａの重心の位置を示す。図５に示されるアーム重心位置Ｇｂは、アーム３ｂの重心の位置を示す。図５に示される「ブームのモーメント距離」は、モーメントつり合い中心（ブームフートピン５ａ）からブーム重心位置Ｇａまでの水平方向の距離、すなわち、上述した距離Ｘboom_cを示す。図５に示される「アームのモーメント距離」は、モーメントつり合い中心（ブームフートピン５ａ）からアーム重心位置Ｇｂまでの水平方向の距離、すなわち、上述した距離Ｘarm_cを示す。

　図６は、アーム３ｂの質量を調整するための姿勢を模式的に示す図である。図６に示される距離Ｘpayloadは、作業機３（バケット３ｃ）に積載された荷の重心位置Ｇｐからモーメントつり合い中心（ブームフートピン５ａ）までの水平方向の距離を示す。

　ブーム３ａの質量の真値に対するずれをΔＭboomとすると、この質量のずれ分のブームフートピン５ａ回りのモーメントは、質量のずれΔＭboomと、上述したブーム３ａのモーメント距離Ｘboom_cとの積で求められる。

　ブーム３ａの質量のずれに起因して、荷重計算値に誤差が生じる。この荷重計算値の誤差によるブームフートピン５ａ回りのモーメントは、荷重計算値の誤差ΔCalcuPayloadと、距離Ｘpayloadとの積で求められる。

　ブーム３ａの質量のずれにより発生するブームフートピン５ａ回りのモーメントは釣り合うはずであるので、以下の式（４）が成立する。

　式（４）を変形して、式（５）が得られる。

　式（５）より、荷重計算値の誤差ΔCalcuPayloadは、距離Ｘboom_cと距離Ｘpayloadとの比によって変動する。一方、（Ｘboom_c／Ｘpayload）の値が同じになる２つの姿勢で荷重計算値を比較すると、ブーム３ａの質量のずれによる荷重計算値の誤差ΔCalcuPayloadが同じになるので、ブーム３ａの質量のずれが荷重計算値に及ぼす影響を無くすことができる。その２つの姿勢で、空荷で荷重計算値の演算を行なうと、２つの姿勢で異なる荷重計算値が算出され、その誤差はアーム３ｂの質量のずれのみが要因である。したがって、図６に示される、距離Ｘboom_cと距離Ｘpayloadとの比と距離Ｘ’boom_cと距離Ｘ’payloadとの比とが同じになる２つの姿勢を選定し、これら２つの姿勢をそれぞれ姿勢（１）、姿勢（２）とする。

　次に、ステップＳ２において、ブーム３ａの質量を調整するための第３の姿勢（以下、姿勢（３）と称する）と、ブーム３ａの質量を調整するための第４の姿勢（以下、姿勢（４）と称する）とを後述のように選定する。

　上述した姿勢（１）および姿勢（２）の選定と同じように、アーム３ｂの質量のずれが荷重計算値に及ぼす影響をなくせる２つの姿勢を選定する。具体的には、距離Ｘarm_cと距離Ｘpayloadとの比が等しくなる２つの姿勢を選定し、これら２つの姿勢をそれぞれ姿勢（３）、姿勢（４）とする。

　作業機３を動作させ、作業機３の姿勢を姿勢（１）にする。ステップＳ３で、作業機３の姿勢が姿勢（１）になったか否かの判断が行われる。作業機３の姿勢が姿勢（１）ではないと判断されると（ステップＳ３においてＮＯ）、ステップＳ３の判断が繰り返される。作業機３の姿勢が姿勢（１）になるまで、ステップＳ３の判断が繰り返される。

　作業機３の姿勢が姿勢（１）になったと判断されると（ステップＳ３においてＹＥＳ）、ステップＳ４に進み、姿勢（１）における荷重計算値の演算が行われる。荷重計算値を演算する際に、ブーム重心位置Ｇａおよびアーム重心位置Ｇｂの設計値の情報がない場合には、同じ体格の作業機械についての、既知のブーム重心位置Ｇａおよびアーム重心位置Ｇｂの設計値を、ブーム重心位置Ｇａとアーム重心位置Ｇｂとして仮定して、式（３）に従って荷重計算値を演算することができる。

　作業機３を動作させ、作業機３の姿勢を姿勢（２）にする。ステップＳ５で、作業機３の姿勢が姿勢（２）になったか否かの判断が行われる。作業機３の姿勢が姿勢（２）ではないと判断されると（ステップＳ５においてＮＯ）、ステップＳ５の判断が繰り返される。作業機３の姿勢が姿勢（２）になるまで、ステップＳ５の判断が繰り返される。

　作業機３の姿勢が姿勢（２）になったと判断されると（ステップＳ５においてＹＥＳ）、ステップＳ６に進み、姿勢（２）における荷重計算値の演算が行われる。

　ステップＳ７において、ステップＳ４で演算された姿勢（１）のときの荷重計算値と、ステップＳ６で演算された姿勢（２）のときの荷重計算値との比較が行われる。

　ステップＳ７の荷重計算値の比較の結果、姿勢（１）のときに演算された荷重計算値と姿勢（２）のときに演算された荷重計算値とが異なっていると判断されると（ステップＳ７においてＮＯ）、ステップＳ８に進み、アーム３ｂの重量が調整される。具体的には、姿勢（１）および姿勢（２）における異なる荷重計算値から逆算して、アーム３ｂの質量のずれを算出する。この質量のずれを低減するように、荷重計算値に用いられるアーム３ｂの質量を変更する。その後ステップＳ３の判断に戻り、ステップＳ３からステップＳ７までの処理が繰り返される。

　ステップＳ７の荷重計算値の比較の結果、姿勢（１）のときに演算された荷重計算値と姿勢（２）のときに演算された荷重計算値とが等しいと判断されると、そのときのアーム３ｂの質量を、アーム３ｂのモーメント計算のための質量とする。アーム３ｂの質量は、記憶部１４へ出力され、記憶部１４に記憶される。

　続いて、作業機３を動作させ、作業機３の姿勢を姿勢（３）にする。ステップＳ９で、作業機３の姿勢が姿勢（３）になったか否かの判断が行われる。作業機３の姿勢が姿勢（３）ではないと判断されると（ステップＳ９においてＮＯ）、ステップＳ９の判断が繰り返される。作業機３の姿勢が姿勢（３）になるまで、ステップＳ９の判断が繰り返される。

　作業機３の姿勢が姿勢（３）になったと判断されると（ステップＳ９においてＹＥＳ）、ステップＳ１０に進み、姿勢（３）における荷重計算値の演算が行われる。

　作業機３を動作させ、作業機３の姿勢を姿勢（４）にする。ステップＳ１１で、作業機３の姿勢が姿勢（４）になったか否かの判断が行われる。作業機３の姿勢が姿勢（４）ではないと判断されると（ステップＳ１１においてＮＯ）、ステップＳ１１の判断が繰り返される。作業機３の姿勢が姿勢（４）になるまで、ステップＳ１１の判断が繰り返される。

　作業機３の姿勢が姿勢（４）になったと判断されると（ステップＳ１１においてＹＥＳ）、ステップＳ１２に進み、姿勢（４）における荷重計算値の演算が行われる。

　ステップＳ１３において、ステップＳ１０で演算された姿勢（３）のときの荷重計算値と、ステップＳ１２で演算された姿勢（４）のときの荷重計算値との比較が行われる。

　ステップＳ１３の荷重計算値の比較の結果、姿勢（３）のときに演算された荷重計算値と姿勢（４）のときに演算された荷重計算値とが異なっていると判断されると（ステップＳ１３においてＮＯ）、ステップＳ１４に進み、ブーム３ａの重量が調整される。具体的には、姿勢（３）および姿勢（４）における異なる荷重計算値から逆算して、ブーム３ａの質量のずれを算出する。この質量のずれを低減するように、荷重計算値に用いられるブーム３ａの質量を変更する。その後ステップＳ９の判断に戻り、ステップＳ９からステップＳ１３までの処理が繰り返される。

　ステップＳ１３の荷重計算値の比較の結果、姿勢（３）のときに演算された荷重計算値と姿勢（４）のときに演算された荷重計算値とが等しいと判断されると、そのときのブーム３ａの質量を、ブーム３ａのモーメント計算のための質量とする。ブーム３ａの質量は、記憶部１４へ出力され、記憶部１４に記憶される。

　そして、処理を終了する（図４のエンド）。
　＜作用および効果＞
　上述した説明と一部重複する記載もあるが、本実施形態の特徴的な構成および作用効果についてまとめて記載すると、以下の通りである。

　実施形態に係る、作業機のモーメントを推定する方法では、図４に示されるように、ステップＳ１において、距離Ｘboom_cと距離Ｘpayloadとの比が互いに等しい２つの姿勢が、姿勢（１）および姿勢（２）として選定される。ステップＳ３において、作業機３の姿勢を姿勢（１）にする。ステップＳ４において、姿勢（１）の姿勢にある作業機３に積載された荷の重量である第１のペイロード演算値が取得される。ステップＳ５において、作業機３の姿勢を姿勢（２）にする。ステップＳ６において、姿勢（２）の姿勢にある作業機３に積載された荷の重量である第２のペイロード演算値が取得される。ステップＳ７において、第１のペイロード演算値と第２のペイロード演算値とが比較される。ステップＳ７の比較の結果、第１のペイロード演算値と第２のペイロード演算値とが異なっていると判断されると、ステップＳ８において、ペイロード演算に使用されるアーム３ｂの質量が変更される。そして、ステップＳ３からステップＳ７までの処理が繰り返される。

　ブーム３ａの質量のずれの影響の無い複数の姿勢で荷重計算値を演算し、姿勢毎の荷重計算値の誤差がなくなるまでアーム３ｂの質量を調整することで、アーム３ｂのモーメントをより正確に推定することができる。アーム３ｂの質量の設計情報がない作業機械であっても、アーム３ｂの正確なモーメントを使って荷重計算値を演算することができるので、精度のよい積荷重量の値を算出することができる。

　ステップＳ７の比較の結果、第１のペイロード演算値と第２のペイロード演算値とが等しいと判断されると、そのときのアーム３ｂの質量を、アーム３ｂのモーメント計算のための質量とする。このようにすることで、アーム３ｂのモーメントを正確に推定することが可能になる。

　図４に示されるように、ステップＳ２において、距離Ｘarm_cと距離Ｘpayloadとの比が互いに等しい２つの姿勢が、姿勢（３）および姿勢（４）として選定される。ステップＳ９において、作業機３の姿勢を姿勢（３）にする。ステップＳ１０において、姿勢（３）の姿勢にある作業機３に積載された荷の重量である第３のペイロード演算値が取得される。ステップＳ１１において、作業機３の姿勢を姿勢（４）にする。ステップＳ１２において、姿勢（４）の姿勢にある作業機３に積載された荷の重量である第４のペイロード演算値が取得される。ステップＳ１３において、第３のペイロード演算値と第４のペイロード演算値とが比較される。ステップＳ１３の比較の結果、第３のペイロード演算値と第４のペイロード演算値とが異なっていると判断されると、ステップＳ１４において、ペイロード演算に使用されるブーム３ａの質量が変更される。そして、ステップＳ３からステップＳ７までの処理が繰り返される。

　アーム３ｂの質量のずれの影響の無い複数の姿勢で荷重計算値を演算し、姿勢毎の荷重計算値の誤差がなくなるまでブーム３ａの質量を調整することで、ブーム３ａのモーメントをより正確に推定することができる。ブーム３ａの質量の設計情報がない作業機械であっても、ブーム３ａの正確なモーメントを使って荷重計算値を演算することができるので、精度のよい積荷重量の値を算出することができる。

　ステップＳ１３の比較の結果、第３のペイロード演算値と第４のペイロード演算値とが等しいと判断されると、そのときのブーム３ａの質量を、ブーム３ａのモーメント計算のための質量とする。このようにすることで、ブーム３ａのモーメントを正確に推定することが可能になる。

　図４に示されるように、ステップＳ３からステップＳ７までの一連の処理の後に、ステップＳ９からステップＳ１３までの一連の処理が実行される。

　ブーム３ａの質量のずれがモーメントに及ぼす影響が同じ２姿勢でアーム３ｂの質量を調整し、その後、アーム３ｂの質量のずれがモーメントに及ぼす影響が同じ２姿勢でブーム３ａの質量を調整する、というように、順番に調整することで、アーム３ｂおよびブーム３ａの両方の質量を的確に調整することができる。

　なお、上記の実施形態の説明では、アーム３ｂの質量を調整した後にブーム３ａの質量を調整したが、質量調整の順序はこれに限られない。アーム３ｂの質量のずれの影響のない姿勢でブーム３ａの質量を調整した後に、ブーム３ａの質量のずれの影響のない姿勢でアーム３ｂの質量を調整してもよい。

　ブーム３ａおよびアーム３ｂに加えて、バケット３ｃの設計値が不明な場合には、ブーム３ａ、アーム３ｂおよびバケット３ｃのうちいずれか２つの質量のずれの影響のない姿勢で残りの１つの質量を調整することができる。この場合においても、ブーム３ａ、アーム３ｂおよびバケット３ｃの質量の調整を、６通りの順序のうちどの順序で行ってもよい。

検証例

　以下、検証例について説明する。ブームおよびアームの重量および重心位置が未知の油圧ショベルについて、ブームおよびアームの質量を調整する前に作業機の姿勢を変えて複数の姿勢で荷重計算値を演算し、実施形態の方法でブームおよびアームの質量を調整した後に作業機の姿勢を変えて同じ複数の姿勢で荷重演算値を演算し、調整の前後での荷重計算値の比較を行った。

　図７は、作業機重量の調整前後の荷重計算値の精度の比較を示すチャートである。ブーム３ａを、ブーム角θｂが３０°、５０°、７０°となる３通りの姿勢とし、各姿勢のブーム３ａについて、アーム角θａが４０°、９５°、１５０°となる３通りの姿勢とする合計９つの姿勢で、荷重計算値を演算した。図７に示される正９角形の太線は、実荷重値を示す。図７に示される複数の正９角形の細線は、実荷重値からのずれの大きさを示す。正９角形に付記される＋３～－４の数値は、荷重演算値の実荷重値からのずれの方向と大きさの指標を示す。正９角形の頂点は、それぞれ上述の９つの姿勢の一つを示す。

　図７に示される破線のチャートは、作業機の重量の調整前の各姿勢における荷重演算値を示す。図７に示される実線のチャートは、作業機の重量の調整後の各姿勢における荷重演算値を示す。

　図７に示されるように、姿勢毎の荷重計算値の誤差は、作業機の重量の調整前においてより大きく、作業機の重量の調整後においてより小さかった。作業機の設計値が不明な作業機械であっても、ブームおよびアームの重量を調整してブームおよびアームのモーメントをより正確に推定することで、荷重計算値の演算の精度を向上できることが示された。

　以上のように実施形態および実施例について説明を行ったが、今回開示された実施形態および実施例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、３　作業機、３ａ　ブーム（第１リンク部材）、３ｂ　アーム（第２リンク部材）、３ｃ　バケット、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（回動支点軸）、５ｂ　アーム連結ピン、５ｃ　アタッチメント連結ピン、６ａ，６ｂ，３６　圧力センサ、７ａ，７ｂ，７ｃ　ストロークセンサ、９ａ，９ｂ，９ｃ　角度センサ、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、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、１００　油圧ショベル（作業機械）。

Claims

　車体と、前記車体に対して相対移動可能な作業機とを備え、前記作業機は、前記車体に回動支点軸により支持された第１リンク部材と、前記第１リンク部材の先端に取り付けられた第２リンク部材とを有する、作業機械における、前記回動支点軸をつり合い中心とする前記作業機のモーメントを推定する方法であって、
　前記作業機を第１の姿勢にする第１ステップと、
　前記第１の姿勢にある前記作業機に積載された荷の重量である第１のペイロード演算値を取得する第２ステップと、
　前記作業機を、前記第１リンク部材の重心位置から前記第１リンク部材の基端までの水平方向の距離と前記作業機に積載された荷の重心位置から前記基端までの前記水平方向の距離との比が前記第１の姿勢と等しい、第２の姿勢にする第３ステップと、
　前記第２の姿勢にある前記作業機に積載された荷の重量である第２のペイロード演算値を取得する第４ステップと、
　前記第１のペイロード演算値と、前記第２のペイロード演算値とを比較する第５ステップと、
　前記第１のペイロード演算値と前記第２のペイロード演算値との比較の結果、前記第１のペイロード演算値と前記第２のペイロード演算値とが異なっていると判断されると、前記第２リンク部材の重量を変更して、前記第１ステップから前記第５ステップまでの処理を繰り返す、方法。
　前記第１のペイロード演算値と前記第２のペイロード演算値との比較の結果、前記第１のペイロード演算値と前記第２のペイロード演算値とが等しいと判断されたときの前記第２リンク部材の重量を、前記モーメントを推定するための前記第２リンク部材の重量とする、請求項１に記載の方法。
　前記作業機を第３の姿勢にする第６ステップと、
　前記第３の姿勢にある前記作業機に積載された荷の重量である第３のペイロード演算値を取得する第７ステップと、
　前記作業機を、前記第２リンク部材の重心位置から前記基端までの前記水平方向の距離と前記作業機に積載された荷の重心位置から前記基端までの前記水平方向の距離との比が前記第３の姿勢と等しい、第４の姿勢にする第８ステップと、
　前記第４の姿勢にある前記作業機に積載された荷の重量である第４のペイロード演算値を取得する第９ステップと、
　前記第３のペイロード演算値と、前記第４のペイロード演算値とを比較する第１０ステップと、
　前記第３のペイロード演算値と前記第４のペイロード演算値との比較の結果、前記第３のペイロード演算値と前記第４のペイロード演算値とが異なっていると判断されると、前記第１リンク部材の重量を変更して、前記第６ステップから前記第１０ステップまでの処理を繰り返す、請求項１または請求項２に記載の方法。
　前記第３のペイロード演算値と前記第４のペイロード演算値との比較の結果、前記第３のペイロード演算値と前記第４のペイロード演算値とが等しいと判断されたときの前記第１リンク部材の重量を、前記モーメントを推定するための前記第１リンク部材の重量とする、請求項３に記載の方法。
　前記第１ステップから前記第５ステップまでの一連の処理の後に、前記第６ステップから前記第１０ステップまでの一連の処理を実行する、請求項３または請求項４に記載の方法。