WO2024070262A1 - 作業機械 - Google Patents

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WO2024070262A1
WO2024070262A1 PCT/JP2023/029070 JP2023029070W WO2024070262A1 WO 2024070262 A1 WO2024070262 A1 WO 2024070262A1 JP 2023029070 W JP2023029070 W JP 2023029070W WO 2024070262 A1 WO2024070262 A1 WO 2024070262A1
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WO
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load
target surface
work
actuator
command value
Prior art date
Application number
PCT/JP2023/029070
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English (en)
French (fr)
Inventor
悠介 鈴木
宏明 田中
靖彦 金成
昭広 楢▲崎▼
博史 坂本
Original Assignee
日立建機株式会社
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Filing date
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02F—DREDGING; SOIL-SHIFTING
    • E02F3/00—Dredgers; Soil-shifting machines
    • E02F3/04—Dredgers; Soil-shifting machines mechanically-driven
    • E02F3/28—Dredgers; Soil-shifting machines mechanically-driven with digging tools mounted on a dipper- or bucket-arm, i.e. there is either one arm or a pair of arms, e.g. dippers, buckets
    • E02F3/36—Component parts
    • E02F3/42—Drives for dippers, buckets, dipper-arms or bucket-arms
    • E02F3/43—Control of dipper or bucket position; Control of sequence of drive operations
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02F—DREDGING; SOIL-SHIFTING
    • E02F9/00—Component parts of dredgers or soil-shifting machines, not restricted to one of the kinds covered by groups E02F3/00 - E02F7/00
    • E02F9/20—Drives; Control devices
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02F—DREDGING; SOIL-SHIFTING
    • E02F9/00—Component parts of dredgers or soil-shifting machines, not restricted to one of the kinds covered by groups E02F3/00 - E02F7/00
    • E02F9/26—Indicating devices

Definitions

  • the present invention relates to a work machine used in road construction, construction work, civil engineering work, dredging work, demolition work, etc.
  • a known work machine used in road construction, building construction, civil engineering, dredging, etc. is one in which a rotating body is attached to the top of a running body that travels by a power system so that it can rotate freely, and a multi-jointed work front is attached to the work machine body so that it can swing freely up and down, and each front member that makes up the work front is driven by a cylinder.
  • a hydraulic excavator which has a work front consisting of a boom, arm, bucket, etc.
  • Some hydraulic excavators of this type use machine control, which automatically controls boom movement according to the distance between the target surface and the bucket so that the bucket can excavate along the target surface by setting the target surface to be excavated with the bucket.
  • Patent Document 1 discloses a technology for controlling the speed of the hydraulic cylinder by providing a data acquisition unit that acquires data related to the operation command value and cylinder speed, and a derivation unit that derives the operation start operation command value when the stopped hydraulic cylinder starts operating, and the slow-speed operating characteristics that indicate the relationship between the operation command value and the cylinder speed in the slow-speed region.
  • a work machine such as a hydraulic excavator
  • the positional relationship between the target surface and the work front differs for each task.
  • the posture of the work front is constantly changing. Therefore, the load acting on the hydraulic cylinder changes from moment to moment during excavation work in response to changes in the work posture.
  • the operating speed of a hydraulic cylinder changes depending on the amount of hydraulic oil inserted into the hydraulic cylinder and the load acting on the hydraulic cylinder, so if the operating command value is constant, the operating speed of the hydraulic cylinder will slow down as the load acting on the hydraulic cylinder increases.
  • Patent Document 1 measures the operation command value and the operating characteristics of the hydraulic cylinder in a specific working posture, so if the posture of the work front changes during excavation work, the cylinder speed cannot be accurately controlled. As a result, excavation cannot be performed accurately along the construction target surface.
  • the operating speed of a hydraulic excavator changes depending on the load acting on the work front, i.e. the load acting on the hydraulic cylinder, making it easier for the operator to recognize the load state on the work front. Therefore, if the operating speed of the hydraulic cylinder becomes a constant speed regardless of the load on the work front, it is difficult for the operator to recognize the load acting on the work front, and operability is poor.
  • the present invention was made in consideration of the above problems, and its purpose is to provide a work machine that can accurately move a work tool along a construction target surface when the work tool is near the construction target surface, and that allows the operator to operate the work tool while being aware of the load acting on the work front when the work tool is not near the construction target surface.
  • the present invention provides a work machine including a machine body, a work front having a working tool attached to the machine body so as to be rotatable in the vertical direction, an actuator for driving the work front, a drive device for driving the actuator, an operation input device for instructing the operation of the actuator, a posture detection device for detecting the posture of the machine body and the work front, a target surface information setting device for setting a target surface for the working tool, and a controller for outputting an operation command value for the actuator to the drive device based on information input from the operation input device, the posture detection device, and the target surface information setting device so that the working tool is positioned along or above the construction target surface, the work machine including a load detection device for detecting the load on the actuator, the controller for calculating a target speed for the actuator based on the operation amount of the operation input device, the posture, and the distance between the working tool and the construction target surface, calculating an operation command value for the actuator based on the target speed, calculating a correction amount for the
  • the actuator operation command value is calculated so as to reduce the distance between the work tool and the target surface, a correction amount for the operation command value is calculated based on the load on the actuator, and the correction amount is added to the operation command value.
  • the work machine according to the present invention makes it possible to operate the work tool accurately along the target construction surface when the work tool is near the target construction surface, and when the work tool is not near the target construction surface, the operator can operate the work tool while being aware of the load acting on the work front.
  • FIG. 1 is a side view of a hydraulic excavator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a control system according to an embodiment of the present invention.
  • 1 is a functional block diagram of an information processing device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an example of the operation of a hydraulic excavator.
  • FIG. 4 is a diagram showing the operating characteristics of a hydraulic cylinder.
  • FIG. 13 is a diagram showing an excavation trajectory by machine control when the operation command value of the boom cylinder is not corrected.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating a required motion vector in the embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a correction gain in the embodiment of the present invention.
  • FIGS. 11A to 11C are diagrams illustrating an example of correction of an operation command value according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a method for estimating a load on a boom cylinder in an embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a diagram showing an e-digging trajectory by machine control in an embodiment of the present invention. 4 is a flowchart showing a process of the information processing device according to the embodiment of the present invention.
  • Fig. 1 is a side view of a hydraulic excavator according to this embodiment.
  • the hydraulic excavator 1 includes a front work unit 2, a rotating unit 3 constituting a machine body, and a traveling unit 4.
  • the work front 2 rotates around the connecting part with respect to the rotating body 3, and the rotating body 3 rotates around the running body 4.
  • the work front 2 includes a boom 20 connected at one end to the rotating body 3, an arm 21 connected at one end to the boom 20, a bucket 22 as a working tool connected at one end to the arm 21, a boom cylinder 20A connected at both ends to the boom 20 and the rotating body 3, an arm cylinder 21A connected at both ends to the arm 21 and the boom 20, a first link 22B connected at one end to the arm 21, a second link 22C connected at one end to the bucket 22, and a bucket cylinder 22A connected at one end to the other ends of the first link 22B and the second link 22C and connected at the other end to the arm 21.
  • These members are configured to rotate up and down around the connecting part.
  • the running body 4 includes a traveling motor 41 and a track 42.
  • the boom cylinder 20A, arm cylinder 21A, and bucket cylinder 22A are each hydraulically extendable and retractable, allowing the boom 20, arm 21, and bucket 22 to rotate, respectively.
  • the boom cylinder 20A is fitted with pressure sensors 20BP and 20RP for detecting the pressure on the bottom side and rod side, respectively.
  • the arm cylinder 21A is fitted with pressure sensors 21BP and 21RP for detecting the pressure on the bottom side and rod side, respectively.
  • the bucket cylinder 22A is fitted with pressure sensors 22BP and 22RP for detecting the pressure on the bottom side and rod side, respectively.
  • the bucket 22 can be freely replaced with attachments such as a grapple, breaker, ripper, and magnet (not shown).
  • a boom IMU (Inertial Measurement Unit) 20S is attached to the boom 20 to detect the attitude of the boom 20.
  • An arm IMU 21S is attached to the arm 21 to detect the attitude of the arm 21.
  • a bucket IMU 22S is attached to the first link 22B to detect the attitude of the bucket 22.
  • the boom IMU 20S, arm IMU 21S, and bucket IMU 22S each consist of an angular velocity sensor and an acceleration sensor.
  • the rotating body 3 includes a rotating body IMU 30S, a main frame 31, a cab 32, an information processing device 34, a drive device 35, a prime mover 36, a counterweight 37, and a rotation motor 38.
  • the rotating body IMU 30S, the cab 32, the information processing device 34, the drive device 35, the prime mover 36, the counterweight 37, and the rotation motor 38 are arranged on the main frame 31.
  • the rotating body IMU 30S is composed of an acceleration sensor and an angular velocity sensor, and can detect the tilt angle of the rotating body 3.
  • the operating input device 33, the target surface information setting device 100, the image display device 110, and the machine information setting device 120 are arranged in the cab 32.
  • the operating input device 33, the information processing device 34, the drive device 35, the prime mover 36, the target surface information setting device 100, the image display device 110, and the machine information setting device 120 will be described later with reference to FIG. 2 or FIG. 3.
  • the running body 4 includes a track frame 40, a running motor 41, and tracks 45.
  • the tracks 45 are installed so that they can move around the track frame 40, and are driven by the running motor 41.
  • the operator can adjust the running speed of the hydraulic excavator 1 by operating the operation input device 33 to change the rotation speed of the running motor 41.
  • the running body 4 is not limited to one equipped with tracks 45, and may be one equipped with running wheels or legs.
  • Fig. 2 is a configuration diagram of a control system mounted on the hydraulic excavator 1.
  • the control system 10 is made up of an operation input device 33, an attitude detection device 30, a load detection device 27, an information processing device 34, a driving device 35, a prime mover 36, a target surface information setting device 100, an image display device 110, and a machine information setting device 120.
  • the operation input device 33 includes an operation lever 33a that is tilted by the operator, and an operation input amount sensor 33b.
  • the tilt amount (operation amount) of the operation lever 33a is converted into an electrical signal by the operation input amount sensor 33b and input to the information processing device 34.
  • the operation input device 33 may be of a hydraulic pilot type or a type that can be operated from a remote location.
  • the attitude detection device 30 is equipped with an angular velocity sensor 30a and an acceleration sensor 30b, and can measure the angles between each member of the work front 2 and the rotating body 3.
  • the load detection device 27 is equipped with pressure sensors 20BP, 20RP, 21BP, 21RP, 22BP, and 22RP that detect the loads of the actuators 20A, 21A, and 22A that drive the work front 2.
  • the information processing device 34 is equipped with an information processing controller 34a, and processes control signals and detection signals from each device.
  • the operation input device 33, the attitude detection device 30, the load detection device 27, the target surface information setting device 100, the image display device 110, and the machine information setting device 120 are connected to the information processing device 34.
  • the information processing device 34 outputs operation command values for driving the hydraulic excavator 1 to the drive device 35.
  • the drive unit 35 is composed of a hydraulic pump 35a, a directional control valve 35b, and an electromagnetic control valve 35c.
  • the hydraulic pump 35a generates the hydraulic pressure required to operate the hydraulic excavator 1.
  • the electromagnetic control valve 35c drives the directional control valve 35b in response to an operation command value from the information processing device 34.
  • the directional control valve 35b controls the flow rate and direction of the pressurized oil supplied from the hydraulic pump 35a to each actuator (boom cylinder 20A, arm cylinder 21A, bucket cylinder 22A, swing motor 38, and traveling motor 41).
  • the drive unit 35 can also drive attachments and equipment not included above.
  • the prime mover 36 is composed of an engine 36a.
  • the engine 36a drives the hydraulic pump 35a.
  • the prime mover 36 is not limited to this configuration, and other power sources such as an electric motor may also be used.
  • the target surface information setting device 100 is equipped with a target surface information setting controller 100a, and can set and manage the construction target surface.
  • the image display device 110 is equipped with a display monitor 110a, and can display to the operator the posture of the hydraulic excavator 1, information on the construction target surface set by the target surface information setting device 100, the positional relationship and distance between the work front 2 and the construction target surface, etc.
  • the machine information setting device 120 is equipped with a machine information setting controller 120a, and can set the mass of the bucket 22 attached to the work front 2, the center of gravity position of the work front 2, etc. as machine information.
  • the hydraulic excavator 1 is generally configured so that the operating speed of the actuators increases as the tilt amount of the control lever 33a increases.
  • the operator can change the operating speed of each of the actuators 20A, 21A, 22A, 38, 41 by adjusting the tilt amount of the control lever 33a.
  • the operation input device 33 is equipped with an operation input amount sensor 33b that electrically detects the tilt amount of the control lever 33a, and can detect the target operation of each actuator requested by the operator.
  • the operation input amount sensor 33b is not limited to a type that directly detects the tilt amount of the control lever 33a, and may be a type that detects an operation pilot pressure.
  • the posture detection device 30 is composed of angular velocity sensors and acceleration sensors provided in the revolving body IMU 30S, the boom IMU 20S, the arm IMU 21S, and the bucket IMU 22S, respectively, and can obtain angular velocity information and acceleration information at each position.
  • the boom 20, the arm 21, the bucket 22, the boom cylinder 20A, the arm cylinder 21A, the bucket cylinder 22A, the first link 22B, the second link 22C, and the revolving body 3 are each attached so as to be able to swing, so that the postures of the boom 20, the arm 21, the bucket 22, and the revolving body 3 can be estimated from the mechanical link relationships.
  • the posture detection method shown here is an example, and the relative angles of each part of the work front 2 may be directly measured, or the posture of each part of the hydraulic excavator 1 may be calculated by detecting the strokes of the boom cylinder 20A, the arm cylinder 21A, and the bucket cylinder 22A.
  • the load detection device 27 is composed of pressure sensors 20BP, 20RP that detect the pressure of the boom cylinder 20A, pressure sensors 21BP, 21RP that detect the pressure of the arm cylinder 21A, and pressure sensors 22BP, 22RP that detect the pressure of the bucket cylinder 22A.
  • the pressure sensors may be attached directly to the cylinders, or may be attached on the path from the drive device 35 to the cylinders.
  • the load detection device 27 is not limited to pressure sensors, and may be a load cell that directly detects the torque acting on the connection portion, or a method of estimating the load by detecting the strain of the work front 2 or a method of estimating the load from the output of the hydraulic pump 35a or the engine 36a may be adopted.
  • the target surface information setting device 100 can set a construction target surface that is to be an excavation target for the work front 2.
  • the construction target surface may be set to have a single plane or multiple planes, and a range that can be excavated by the work front 2 may be set.
  • the construction target surface may be set in a coordinate system based on the work machine 1, or in a coordinate system based on the earth.
  • the drive device 35 is composed of a hydraulic pump 35a, a directional control valve 35b, and an electromagnetic control valve 35c, and drives the actuators 20A, 21A, 22A, 38, and 41 according to an operation command value input from the information processing device 34.
  • the operation command value input from the information processing device 34 is converted to a pilot pressure by the electromagnetic control valve 35c, and the directional control valve 35b is driven by this pilot pressure.
  • the directional control valve 35b controls the operation speed of the actuators 20A, 21A, 22A, 38, and 41 by adjusting the flow rate of pressure oil supplied to the actuators 20A, 21A, 22A, 38, and 41.
  • Fig. 3 is a functional block diagram of the information processing device 34.
  • the information processing device 34 is composed of a target speed calculation unit 310, a motion command value calculation unit 320, a posture calculation unit 410, a target surface distance calculation unit 420, a required motion vector estimation unit 510, a load estimation unit 520, a motion command value correction amount calculation unit 610, and a motion command value correction unit 620.
  • the information processing device 34 is composed of a controller 34a having a calculation processing function, an input/output interface that inputs and outputs signals to and from external devices, and the functions of each unit are realized by executing a program stored in a storage device such as a ROM.
  • the target speed calculation unit 310 calculates the target speed of the actuators 20A, 21A, and 22A that drive the work front 2 based on the operation amount input to the operation input device 33 and the distance from the work front 2 to the construction target surface (for example, the distance from the bucket tip to the construction target surface) calculated by the target surface distance calculation unit 420, and outputs it to the operation command value calculation unit 320 and the operation command value correction amount calculation unit 610.
  • the motion command value calculation unit 320 calculates a motion command value for driving the drive device 35 based on the target speed calculated by the target speed calculation unit 310, and outputs the calculated value to the motion command value correction unit 620.
  • the posture calculation unit 410 calculates the posture of the work front 2 and the rotating body 3 based on the angle information from the posture detection device 30, and outputs it to the target surface distance calculation unit 420, the load estimation unit 520, and the operation command value correction amount calculation unit 610.
  • the target surface distance calculation unit 420 calculates the distance from the work front 2 to the construction target surface based on the setting information of the target surface information setting device 100 and the attitude of the work front 2 and the rotating body 3 calculated by the attitude calculation unit 410, and outputs the distance to the operation command value correction amount calculation unit 610 and the image display device 110.
  • the required motion vector estimation unit 510 estimates the direction of the motion vector (required motion vector) of the work front end (e.g., bucket end) required by the operator based on the operation amount input to the operation input device 33, and outputs it to the motion command value correction amount calculation unit 610.
  • the load estimation unit 520 estimates the load acting on each actuator that drives the work front 2 based on the load information from the load detection device 27, the setting information from the machine information setting device 120, and the attitude of the work front 2 and the rotating body 3 calculated by the attitude calculation unit 410, and outputs the load to the operation command value correction amount calculation unit 610.
  • the motion command value correction amount calculation unit 610 calculates a correction amount of the motion command value for driving the drive unit 35 based on the target speed of the work front 2 calculated by the target speed calculation unit 310, the attitude of the work front 2 and the rotating body 3 calculated by the attitude calculation unit 410, and the load of the work front 2 estimated by the load estimation unit 520, and outputs the correction amount to the motion command value correction unit 620.
  • the motion command value correction unit 620 limits the correction amount calculated by the motion command value correction amount calculation unit 610 according to the required motion vector estimated by the required motion vector estimation unit 510 and the distance calculated by the target surface distance calculation unit 420, corrects the motion command value by adding the limited correction amount to the motion command value calculated by the motion command value calculation unit 320, and outputs the corrected motion command value to the drive device 35.
  • the boom 20 is automatically controlled according to the operating speed of the arm 21 so that the bucket 22 moves along a preset construction target surface, as shown in Fig. 4. For example, when an operator performs crowding of the arm 21 in the state shown in Fig. 4, the boom 20 automatically rises so that the tip of the bucket moves along the construction target surface. This allows the operator to perform excavation work along the construction target surface without the need for skilled operation.
  • FIG. 5 shows an example of the relationship (operation characteristic) between the operation command value for driving the hydraulic cylinder and the hydraulic cylinder speed.
  • the load on the hydraulic cylinder is low, as shown by the solid line, the operation speed of the hydraulic cylinder increases quickly as the operation command value increases.
  • the load on the hydraulic cylinder is high, as shown by the dotted line, the degree of increase in the operation speed of the hydraulic cylinder relative to the operation command value becomes smaller than when the load on the hydraulic cylinder is low.
  • the load on the boom cylinder 20A changes mainly depending on the posture of the work front 2. Specifically, the load is large when the work front 2 is in the reeling posture, and is small when the work front is in the full reach posture.
  • the operation command value C2 for operating the hydraulic cylinder at a speed V under high load is obtained by adding a correction amount according to the load to the operation command value C1 for operating the hydraulic cylinder at a speed V under low load.
  • the operating speed of the hydraulic cylinder can be calculated using the orifice equation (Formula 1).
  • Flow rate C Flow coefficient A: Flow passage cross-sectional area ⁇ P: Differential pressure before and after P: Fluid density
  • the flow rate Q is determined by the diameter and target speed of the hydraulic cylinder
  • the flow coefficient C and fluid density P are determined by the physical properties of the hydraulic oil used
  • the front-rear differential pressure ⁇ P is determined by the load of the hydraulic cylinder as described later.
  • the flow path cross-sectional area A can be adjusted by the operation command value.
  • the relationship between the operation amount and the operation command value can be set in advance.
  • the required operation speed of each actuator of the work front 2 is calculated from the operation amount input to the operation input device 33.
  • the required operation speed of each actuator of the work front 2 can be converted into a required operation vector of the bucket tip from the geometric structure of the work front 2.
  • the required operation vector of the bucket tip is in a direction away from the construction target surface, the operator is trying to move the bucket 22 away from the construction target surface, so excavation controlled by machine control is not required.
  • the dashed arrow in FIG. 7 when the required operation vector of the bucket tip is in a direction approaching the construction target surface, the operator is trying to move the bucket 22 closer to the construction target surface, so excavation controlled by machine control is required. In this way, it is possible to determine whether accurate actuator speed control by machine control, that is, correction of the operation command value according to the load acting on the actuator, is required from the operation amount input to the operation input device 33.
  • FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the distance between the bucket 22 and the construction target surface and the correction gain.
  • the correction gain is a weighting coefficient by which the correction amount is multiplied before being added to the operation command value.
  • the correction gain when the bucket 22 moves away from the construction target surface is also determined according to the distance between the bucket 22 and the construction target surface, as shown in FIG. 8(B).
  • the first set value D1b and the second set value D2b are set to values smaller than the first set value D1a and the second set value D2a when the bucket 22 approaches the construction target surface (when the required motion vector is in a direction approaching the construction target surface).
  • Figure 9 is a diagram showing the corrected motion command value when the boom cylinder 20A is under high load.
  • the motion command value is determined according to the motion characteristics at low load as indicated by the thin solid line.
  • the actuator is under high load, in the region where the distance between the bucket 22 and the construction target surface is smaller than the set value D1a, the motion command value is determined according to the motion characteristics at high load as indicated by the thick solid line, and as the distance between the bucket 22 and the construction target surface increases, the motion command value approaches the motion command value according to the motion characteristics at low load.
  • the motion command value is determined according to the motion characteristics at low load as shown by the thin solid line.
  • the motion command value is determined according to the motion characteristics at high load as shown by the thick solid line, and as the distance between the bucket 22 and the target surface increases, the motion command value approaches the motion command value according to the motion characteristics at low load.
  • the set values D1b and D2b are set to values smaller than the set values D1a and D2a, respectively, so when the bucket tip moves away from the target surface, the motion command value at low load is output at a stage where the distance between the bucket 22 and the target surface is smaller than when the bucket tip approaches the target surface.
  • the operating speed of actuators 20A, 21A, and 22A can be accurately controlled by reducing the degree of limitation on the amount of correction of the operation command value, and when the bucket tip moves away from the target surface, operability can be improved by increasing the degree of limitation on the amount of correction of the operation command value.
  • a method for estimating the load acting on the actuator will be described using the boom cylinder 20A as an example.
  • the load acting on the boom cylinder 20A can be found from the cylinder thrust required to support the own weight Mg of the front work unit 2, as shown in FIG.
  • the thrust force FBm of the boom cylinder 20A can be found, for example, by solving the equation for the balance of the moment about the origin (equation 2) shown in Figure 10.
  • ⁇ Control procedure> 12 is a flowchart showing the process of the information processing device 34. Each step will be described below in order.
  • step S110 the posture of the work front 2 and the rotating body 3 is calculated based on the angle information from the posture detection device 30.
  • step S120 the distance from the tip of the work front to the target surface is calculated.
  • step S130 the operation amount input to the operation input device 33 is obtained.
  • step S140 the target speeds of the actuators 20A, 21A, and 22A that drive the work front 2 are calculated based on the attitude of the work front 2 and the rotating body 3, the distance from the tip of the work front to the target surface, and the operation amount input to the operation input device 33.
  • step S150 the operation command value is calculated based on the target speeds of actuators 20A, 21A, and 22A.
  • step S160 the load on actuators 20A, 21A, and 22A is estimated based on the attitude of the work front 2 and the rotating body 3 and the load information obtained from the load detection device 27.
  • step S170 the correction amount for the operation command value is calculated from the estimated loads of actuators 20A, 21A, and 22A.
  • step S180 the required movement vector of the end of the work front is estimated from the attitude of the work front 2 and the rotating body 3, the operation amount input to the operation input device 33, and the position of the construction target surface.
  • step S190 the amount of correction to the movement command value is limited according to the distance from the tip of the work front to the target surface and the required movement vector.
  • step S200 the operation command value calculated in step S150 is corrected by adding the post-limit correction amount to the operation command value, and is output to the drive device 35.
  • a machine body 3 a work front 2 having a working tool 22 attached to the machine body 3 so as to be rotatable in the vertical direction, actuators 20A, 21A, 22A that drive the work front 2, a drive device 35 that drives the actuators 20A, 21A, 22A, an operation input device 33 that instructs the operation of the actuators 20A, 21A, 22A, an attitude detection device 30 that detects the attitude of the machine body 3 and the work front 2, a target surface information setting device 100 that sets a construction target surface for the working tool 22, and a control device that controls the actuators 20A, 21A, 22A based on information input from the operation input device 33, the attitude detection device 30, and the target surface information setting device 100 so that the working tool 22 is positioned along or above the construction target surface.
  • a load detection device (27) is provided that detects the load on actuators (20A, 21A, 22A), and the controller (34a) calculates target speeds for actuators (20A, 21A, 22A) based on the operation amount of an operation input device (33), the attitude, and the distance between the work tool (22) and the target surface, calculates operation command values for actuators (20A, 21A, 22A) based on the target speeds, calculates a correction amount for the operation command value based on the load on actuators (20A, 21A, 22A) detected by the load detection device (27) and the distance between the work tool (22) and the target surface, and adds the correction amount to the operation command value.
  • the operation command values of the actuators 20A, 21A, and 22A are calculated so that the distance between the work tool 22 and the construction target surface is reduced, and a correction amount for the operation command value is calculated based on the load of the actuators 20A, 21A, and 22A, and the correction amount is added to the operation command value.
  • the controller 34a increases the amount of correction as the load on the actuators 20A, 21A, and 22A increases. This makes it possible to keep the speed of the actuators 20A, 21A, and 22A constant in response to the amount of operation of the operation input device 33, regardless of the load on the actuators 20A, 21A, and 22A.
  • the controller 34a in this embodiment limits the amount of correction according to the distance, and does not limit the amount of correction when the distance is smaller than a first set value D1a (D1b), sets the amount of correction to zero when the distance is equal to or greater than a second set value D2a (D2b) that is greater than the first set value D1a (D1b), and increases the degree of limitation of the amount of correction as the distance increases when the distance is equal to or greater than the first set value D1a (D1b) and smaller than the second set value D2a (D2b).
  • This allows the degree of limitation of the amount of correction to change continuously according to the distance between the bucket 22 and the construction target surface, making it possible to reduce the discomfort felt by the operator when switching between machine control and manual operation.
  • the controller 34a in this embodiment calculates a required movement vector for the tip of the work front based on the amount of operation, and sets the first set value D1b and the second set value D2b when the required movement vector is in a direction away from the construction target surface to values smaller than the first set value D1a and the second set value D2a when the required movement vector is in a direction approaching the construction target surface. This allows the machine control to be quickly released when the bucket 22 is operated in a direction away from the construction target surface, improving the operability of the work front 2.
  • the controller 34a calculates the correction amount based on the load of the actuators 20A, 21A, and 22A detected by the load detection device 27 when the distance is smaller than the second set value D2a (D2b), and calculates the operation command value by assuming that the load of the actuators 20A, 21A, and 22A is the load when the work front takes a predetermined posture. This makes it possible to reduce the processing load of the controller 34a when the distance between the bucket 22 and the construction target surface is larger than the second set value D2a (D2b).
  • the controller 34a calculates the correction amount based on the load of the actuators 20A, 21A, 22A detected by the load detection device 27 when the distance is smaller than the second set value D2a (D2b), and calculates the operation command value based on a preset relationship between the operation amount and the operation command value when the distance is equal to or greater than the second set value D2a (D2b). This makes it possible to improve the operability of the work front 2 when the distance between the bucket 22 and the construction target surface is equal to or greater than the second set value D2a (D2b).
  • the work machine 1 in this embodiment also includes a machine information setting device 120 that sets the center of gravity position and mass of the work front 2, and the controller 34a calculates the loads of the actuators 20A, 21A, and 22A based on the attitude of the machine body 3 and the work front 2 detected by the attitude detection device 30 and the center of gravity position and mass of the work front 2 set by the machine information setting device 120.
  • This makes it possible to omit the load detection device 27 that detects the loads of the actuators 20A, 21A, and 22A.

Abstract

本発明は、施工目標面付近で作業具を施工目標面に沿って正確に動作させることが可能であり、作業具が施工目標面付近にないときは、オペレータが作業フロントに作用する負荷を認識しながら操作を行うことが可能な作業機械を提供することを目的とする。そのために、コントローラは、操作入力装置の操作量、機械本体および作業フロントの姿勢、ならびに作業具と施工目標面との距離に基づいてアクチュエータの目標速度を算出し、前記目標速度に基づいて前記アクチュエータの動作指令値を算出し、負荷検出装置２７により検出された前記アクチュエータの負荷に基づいて前記動作指令値の補正量を算出し、前記補正量を、前記動作指令値に加算する。

Description

作業機械
　本発明は、道路工事、建設工事、土木工事、浚渫工事、解体工事等に使用される作業機械に関する。
　道路工事、建設工事、土木工事、浚渫工事等に使用される作業機械として、動力系により走行する走行体の上部に旋回体を旋回自在に取り付けた作業機械本体に多関節型の作業フロントを上下方向に揺動自在に取り付け、作業フロントを構成する各フロント部材をシリンダにて駆動するものが知られている。その一例にブーム、アーム、バケット等から構成される作業フロントを有する、いわゆる油圧ショベルがある。
　この種の油圧ショベルには、バケットで掘削する施工目標面を設定し、バケットが施工目標面に沿って掘削できるように、施工目標面とバケットとの距離に応じてブーム動作を自動で制御する、いわゆるマシンコントロールを行うものがある。
　ところで、この種の油圧ショベルでは、施工目標面に沿ってバケットが正確に掘削できるようにするには作業フロントの動作状態、つまり油圧シリンダの動作速度を正確に制御する必要がある。特許文献１には、動作指令値及びシリンダ速度に関するデータを取得するデータ取得部を設け、停止状態の油圧シリンダが動作を開始するときの動作開始動作指令値、及び動作指令値と微速度領域におけるシリンダ速度との関係を示す微速度動作特性を導出する導出部を設けることで油圧シリンダの速度制御を行う技術が開示されている。
国際公開第２０１５／１３７５２４号公報
　油圧ショベルを一例とする作業機械では、施工目標面と作業フロントとの位置関係は作業ごとに異なる。また、施工目標面に沿って作業フロントを動かして掘削を行うため、作業フロントの姿勢は常に変化する。そのため、油圧シリンダに作用する負荷は、掘削作業中に作業姿勢の変化に応じて時々刻々と変化する。
　一般に油圧シリンダの動作速度は、油圧シリンダに挿入される作動油の量と油圧シリンダに作用する負荷に応じて変化するため、動作指令値が一定の場合には油圧シリンダに作用する負荷が大きくなると油圧シリンダの動作速度は遅くなってしまう。
　ところで、特許文献１に記載の技術では、特定の作業姿勢における動作指令値と油圧シリンダの動作特性を測定しているため、掘削作業中に作業フロントの姿勢が変化するとシリンダ速度を正確に制御することができない。そのため、施工目標面に沿って正確に掘削することができない。
　一方で、油圧ショベルは作業フロントに作用する負荷、つまり油圧シリンダに作用する負荷に応じて動作速度が変化することでオペレータは作業フロントの負荷状態を認知しやすくなる。そのため、油圧シリンダの動作速度が作業フロントの負荷によらず一定の速度になると、オペレータは作業フロントに作用する負荷を認知し難く操作性が良くない。
　本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、施工目標面付近で作業具を施工目標面に沿って正確に動作させることが可能であり、作業具が施工目標面付近にないときは、オペレータが作業フロントに作用する負荷を認識しながら操作を行うことが可能な作業機械を提供することにある。
　上記目的を達成するために、本発明は、機械本体と、前記機械本体に上下方向に回動可能に取り付けられた、作業具を有する作業フロントと、前記作業フロントを駆動するアクチュエータと、前記アクチュエータを駆動する駆動装置と、前記アクチュエータの動作を指示する操作入力装置と、前記機械本体および前記作業フロントの姿勢を検出する姿勢検出装置と、前記作業具の目標面を設定する目標面情報設定装置と、前記作業具が前記施工目標面に沿って、または前記施工目標面の上方に位置するように、前記操作入力装置、前記姿勢検出装置、および前記目標面情報設定装置から入力される情報に基づいて、前記アクチュエータの動作指令値を前記駆動装置に出力するコントローラとを備えた作業機械において、前記アクチュエータの負荷を検出する負荷検出装置を備え、前記コントローラは、前記操作入力装置の操作量、前記姿勢、および前記作業具と前記施工目標面との距離に基づいて前記アクチュエータの目標速度を算出し、前記目標速度に基づいて前記アクチュエータの動作指令値を算出し、前記負荷検出装置により検出された前記アクチュエータの負荷に基づいて前記動作指令値の補正量を算出し、前記補正量を、前記動作指令値に加算するものとする。
　以上のように構成した本発明によれば、作業具と施工目標面との距離が小さくなるようにアクチュエータの動作指令値が算出され、アクチュエータの負荷に基づいて動作指令値の補正量が算出され、当該補正量が動作指令値に加算される。これにより、施工目標面付近で作業具を施工目標面に沿って正確に動作させることが可能となり、作業具が施工目標面付近にないときは、オペレータが作業フロントに作用する負荷を認識しながら操作を行うことが可能となる。
　本発明に係る作業機械によれば、施工目標面付近で作業具を施工目標面に沿って正確に動作させることが可能となり、作業具が施工目標面付近にないときは、オペレータが作業フロントに作用する負荷を認識しながら操作を行うことが可能となる。
本発明の実施形態における油圧ショベルの側面図である。 本発明の実施形態における制御システムの構成図である 本発明の実施形態における情報処理装置の機能ブロック図である。 油圧ショベルの動作例を示す図である。 油圧シリンダの動作特性を示す図である。 ブームシリンダの動作指令値を補正しなかった場合のマシンコントロールによる掘削軌跡を示す図である。 本発明の実施形態における要求動作ベクトルを示す図である。 本発明の実施形態における補正ゲインを示す図である。 本発明の実施形態における動作指令値の補正例を示す図である。 本発明の実施形態におけるブームシリンダの負荷推定方法を示す図である。 本発明の実施形態におけるマシンコントロールによるe掘削軌跡を示す図である。 本発明の実施形態における情報処理装置の処理を示すフローチャートである。
　以下、本発明の実施形態における作業機械として油圧ショベルを例に挙げ、図面を参照して説明する。なお、各図中、同等の部材には同一の符号を付し、重複した説明は適宜省略する。
　＜油圧ショベル＞
　図１は、本実施形態に係る油圧ショベルの側面図である。図１に示すように、油圧ショベル１は、作業フロント２と、機械本体を構成する旋回体３と、走行体４とを備えている。
　作業フロント２は旋回体３に対して、旋回体３は走行体４に対して、それぞれ連結部分を中心に回動する構成となっている。作業フロント２は、一端が旋回体３に連結されたブーム２０と、一端がブーム２０に連結されたアーム２１と、一端がアーム２１に連結された作業具としてのバケット２２と、両端がブーム２０と旋回体３にそれぞれ連結されたブームシリンダ２０Ａと、両端がアーム２１とブーム２０にそれぞれ連結されたアームシリンダ２１Ａと、一端がアーム２１に連結された第１リンク２２Ｂと、一端がバケット２２に連結された第２リンク２２Ｃと、一端が第１リンク２２Ｂおよび第２リンク２２Ｃの他端に連結され、他端がアーム２１に連結されたバケットシリンダ２２Ａとを備えている。これらの部材はそれぞれ連結部分を中心に、上下方向に回動するように構成されている。走行体４は、走行用モータ４１と、履帯４２とを備えている。
　ブームシリンダ２０Ａ、アームシリンダ２１Ａ、およびバケットシリンダ２２Ａは、油圧によりそれぞれ伸縮する構造となっており、伸縮によりそれぞれブーム２０、アーム２１、およびバケット２２を回動させることができる。ブームシリンダ２０Ａには、ボトム側とロッド側の圧力をそれぞれ検出するための圧力センサ２０ＢＰ，２０ＲＰが取り付けられている。アームシリンダ２１Ａには、ボトム側とロッド側の圧力をそれぞれ検出するための圧力センサ２１ＢＰ，２１ＲＰが取り付けられている。バケットシリンダ２２Ａには、ボトム側とロッド側の圧力をそれぞれ検出するための圧力センサ２２ＢＰ，２２ＲＰが取り付けられている。バケット２２は、グラップル、ブレーカ、リッパ、マグネット等の図示しないアタッチメントに任意に交換可能である。
　ブーム２０には、ブーム２０の姿勢を検出するためのブームＩＭＵ（Inertial Measurement Unit）２０Ｓが取り付けられている。アーム２１には、アーム２１の姿勢を検出するためのアームＩＭＵ２１Ｓが取り付けられている。第１リンク２２Ｂには、バケット２２の姿勢を検出するためのバケットＩＭＵ２２Ｓが取り付けられている。ブームＩＭＵ２０Ｓ、アームＩＭＵ２１Ｓ、およびバケットＩＭＵ２２Ｓは、それぞれ角速度センサと加速度センサとで構成されている。
　旋回体３は、旋回体ＩＭＵ３０Ｓ、メインフレーム３１、運転室３２、情報処理装置３４、駆動装置３５、原動装置３６、カウンタウェイト３７、および旋回用モータ３８を備えている。旋回体ＩＭＵ３０Ｓ、運転室３２、情報処理装置３４、駆動装置３５、原動装置３６、カウンタウェイト３７、および旋回用モータ３８は、メインフレーム３１上に配置されている。旋回体ＩＭＵ３０Ｓは、加速度センサと角速度センサとで構成されており、旋回体３の傾斜角度を検出することができる。運転室３２には、操作入力装置３３、目標面情報設定装置１００、画像表示装置１１０、および機械情報設定装置１２０が配置されている。操作入力装置３３、情報処理装置３４、駆動装置３５、原動装置３６、目標面情報設定装置１００、画像表示装置１１０、および機械情報設定装置１２０については、後に図２または図３を参照して説明する。
　走行体４は、トラックフレーム４０、走行用モータ４１、および履帯４５を備えている。履帯４５は、トラックフレーム４０を周回できるように設置されており、走行用モータ４１により駆動される。オペレータは、操作入力装置３３を操作して走行用モータ４１の回転速度を変化させることにより、油圧ショベル１の走行速度を調整することができる。なお、走行体４は、履帯４５を備えたものに限定されず、走行輪や脚を備えたものであってもよい。
　＜制御システム＞
　図２は、油圧ショベル１に搭載される制御システムの構成図である。図２において、制御システム１０は、操作入力装置３３、姿勢検出装置３０、負荷検出装置２７、情報処理装置３４、駆動装置３５、原動装置３６、目標面情報設定装置１００、画像表示装置１１０、および機械情報設定装置１２０で構成される。
　操作入力装置３３は、オペレータにより傾倒操作される操作レバー３３ａと操作入力量センサ３３ｂとを備えている。操作レバー３３ａの傾倒量（操作量）は、操作入力量センサ３３ｂにより電気信号に変換され、情報処理装置３４に入力される。なお、操作入力装置３３は、油圧パイロット方式や遠隔地から操作できる方式のものでも良い。
　姿勢検出装置３０は、角速度センサ３０ａと加速度センサ３０ｂとを備えており、作業フロント２の各部材と旋回体３の角度を計測できる。負荷検出装置２７は、作業フロント２を駆動するアクチュエータ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａの負荷を検出する圧力センサ２０ＢＰ，２０ＲＰ，２１ＢＰ，２１ＲＰ，２２ＢＰ，２２ＲＰを備えている。
　情報処理装置３４は、情報処理用コントローラ３４ａを備えており、各装置からの制御信号や検出信号を処理する。操作入力装置３３、姿勢検出装置３０、負荷検出装置２７、目標面情報設定装置１００、画像表示装置１１０、および機械情報設定装置１２０は、情報処理装置３４に接続されている。また、情報処理装置３４は、油圧ショベル１を駆動させるための動作指令値を駆動装置３５に出力する。
　駆動装置３５は、油圧ポンプ３５ａ、方向切替弁３５ｂ、および電磁制御弁３５ｃで構成される。油圧ポンプ３５ａは、油圧ショベル１の運転に必要な油圧を発生させる。電磁制御弁３５ｃは、情報処理装置３４からの動作指令値に応じて方向切替弁３５ｂを駆動する。方向切替弁３５ｂは、油圧ポンプ３５ａから各アクチュエータ（ブームシリンダ２０Ａ、アームシリンダ２１Ａ、バケットシリンダ２２Ａ、旋回用モータ３８、および走行用モータ４１）に供給される圧油の流量と方向を制御する。駆動装置３５は、また、上記に含まれないアタッチメントや機器を駆動することができる。
　原動装置３６は、エンジン３６ａで構成されている。エンジン３６ａは、油圧ポンプ３５ａを駆動する。なお、原動装置３６はこの構成に限られず、電動モータなどの他の動力源を用いても良い。
　目標面情報設定装置１００は、目標面情報設定用コントローラ１００ａを備えており、施工目標面を設定し管理することができる。画像表示装置１１０は、表示モニタ１１０ａを備えており、油圧ショベル１の姿勢、目標面情報設定装置１００で設定した施工目標面の情報、作業フロント２と施工目標面との位置関係および距離などをオペレータに向けて表示できる。機械情報設定装置１２０は、機械情報設定用コントローラ１２０ａを備えており、作業フロント２に取り付けられたバケット２２の質量や、作業フロント２の重心位置などを機械情報として設定することができる。
　＜操作入力装置＞
　油圧ショベル１は一般に、操作レバー３３ａの傾倒量が大きくなると、アクチュエータの動作速度が速くなるように構成されている。オペレータは、操作レバー３３ａの傾倒量を調節することにより、各アクチュエータ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａ，３８，４１の動作速度を変化させることができる。操作入力装置３３は、操作レバー３３ａの傾倒量を電気的に検出する操作入力量センサ３３ｂを備えており、オペレータが要求する各アクチュエータの目標動作をそれぞれ検出することができる。操作入力量センサ３３ｂは、操作レバー３３ａの傾倒量を直接検出するものに限られず、操作パイロット圧を検出する方式であっても良い。
　＜姿勢検出装置＞
　姿勢検出装置３０は、旋回体ＩＭＵ３０Ｓ、ブームＩＭＵ２０Ｓ、アームＩＭＵ２１Ｓ、およびバケットＩＭＵ２２Ｓがそれぞれ備える角速度センサと加速度センサとで構成され、それぞれの位置における角速度情報と加速度情報を得ることができる。ブーム２０、アーム２１、バケット２２、ブームシリンダ２０Ａ、アームシリンダ２１Ａ、バケットシリンダ２２Ａ、第１リンク２２Ｂ、第２リンク２２Ｃ、および旋回体３は、それぞれ揺動できるように取り付けられているので、機械的なリンク関係から、ブーム２０、アーム２１、バケット２２、および旋回体３の姿勢を推定することができる。なお、ここで示した姿勢の検出方法は一例であり、作業フロント２の各部の相対角度を直接計測しても良いし、ブームシリンダ２０Ａ、アームシリンダ２１Ａ、およびバケットシリンダ２２Ａのストロークを検出して油圧ショベル１の各部の姿勢を算出しても良い。
　＜負荷検出装置＞
　負荷検出装置２７は、ブームシリンダ２０Ａの圧力を検出する圧力センサ２０ＢＰ，２０ＲＰ、アームシリンダ２１Ａの圧力を検出する圧力センサ２１ＢＰ，２１ＲＰ、およびバケットシリンダ２２Ａの圧力を検出する圧力センサ２２ＢＰ，２２ＲＰで構成される。圧力センサはシリンダに直接取り付けても良いし、駆動装置３５からシリンダに至るまでの経路上に取り付けても良い。また、負荷検出装置２７は圧力センサに限られず、接続部に働くトルクを直接検出するロードセルでも良いし、作業フロント２のひずみを検出して負荷を推定する方式や、油圧ポンプ３５ａやエンジン３６ａの出力から推定する方式を採用しても良い。
　＜目標面情報設定装置＞
　目標面情報設定装置１００は、作業フロント２が掘削目標とする施工目標面を設定することができる。施工目標面は単一な平面に加え、複数の平面を持つように設定してもよく、作業フロント２が掘削可能な範囲を設定できるようにしても良い。施工目標面は、作業機械１を基準とする座標系で設定しても良いし、地球を基準とする座標系で設定しても良い。
　＜駆動装置＞
　駆動装置３５は、油圧ポンプ３５ａと方向切替弁３５ｂと電磁制御弁３５ｃとで構成され、情報処理装置３４から入力された動作指令値に従ってアクチュエータ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａ，３８，４１を駆動する。情報処理装置３４から入力された動作指令値は電磁制御弁３５ｃによってパイロット圧に変換され、このパイロット圧によって方向切替弁３５ｂが駆動される。方向切替弁３５ｂは、アクチュエータ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａ，３８，４１に供給される圧油の流量を調整することにより、アクチュエータ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａ，３８，４１の動作速度を制御する。
　＜情報処理装置＞
　図３は、情報処理装置３４の機能ブロック図である。図３において、情報処理装置３４は、目標速度演算部３１０、動作指令値演算部３２０、姿勢演算部４１０、目標面距離演算部４２０、要求動作ベクトル推定部５１０、負荷推定部５２０、動作指令値補正量演算部６１０、および動作指令値補正部６２０で構成される。情報処理装置３４は、演算処理機能を有するコントローラ３４ａ、外部機器との間の信号入出力を行う入出力インタフェース等で構成され、ＲＯＭ等の記憶装置に記憶されたプログラムを実行することにより各部の機能を実現する。
　目標速度演算部３１０は、操作入力装置３３に入力された操作量と、目標面距離演算部４２０が算出した作業フロント２から施工目標面までの距離（例えば、バケット爪先から施工目標面までの距離）とに基づいて、作業フロント２を駆動するアクチュエータ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａの目標速度を算出し、動作指令値演算部３２０および動作指令値補正量演算部６１０へ出力する。
　動作指令値演算部３２０は、目標速度演算部３１０が算出した目標速度に基づいて、駆動装置３５を駆動させるための動作指令値を算出し、動作指令値補正部６２０へ出力する。
　姿勢演算部４１０は、姿勢検出装置３０からの角度情報に基づいて、作業フロント２および旋回体３の姿勢を算出し、目標面距離演算部４２０、負荷推定部５２０、および動作指令値補正量演算部６１０へ出力する。
　目標面距離演算部４２０は、目標面情報設定装置１００の設定情報と、姿勢演算部４１０が算出した作業フロント２および旋回体３の姿勢とに基づいて、作業フロント２から施工目標面までの距離を算出し、動作指令値補正量演算部６１０および画像表示装置１１０へ出力する。
　要求動作ベクトル推定部５１０は、操作入力装置３３に入力された操作量に基づいて、オペレータが要求する作業フロント先端（例えばバケット先端）の動作ベクトル（要求動作ベクトル）の方向を推定し、動作指令値補正量演算部６１０へ出力する。
　負荷推定部５２０は、負荷検出装置２７からの負荷情報と、機械情報設定装置１２０の設定情報と、姿勢演算部４１０が算出した作業フロント２および旋回体３の姿勢とに基づいて、作業フロント２を駆動する各アクチュエータに作用する負荷を推定し、動作指令値補正量演算部６１０へ出力する。
　動作指令値補正量演算部６１０は、目標速度演算部３１０が算出した作業フロント２の目標速度と、姿勢演算部４１０が算出した作業フロント２および旋回体３の姿勢と、負荷推定部５２０が推定した作業フロント２の負荷とに基づいて、駆動装置３５を駆動させるための動作指令値の補正量を算出し、動作指令値補正部６２０へ出力する。
　動作指令値補正部６２０は、要求動作ベクトル推定部５１０が推定した要求動作ベクトルと、目標面距離演算部４２０が算出した距離とに応じて、動作指令値補正量演算部６１０が算出した補正量を制限し、動作指令値演算部３２０が算出した動作指令値に制限後の補正量を加算することにより動作指令値を補正し、補正後の動作指令値を駆動装置３５へ出力する。
　＜マシンコントロールの動作＞
　マシンコントロールでは、図４に示すように、予め設定された施工目標面に沿ってバケット２２が動作するように、アーム２１の動作速度に応じてブーム２０を自動的に制御する。例えば、図４に示す状態においてオペレータがアーム２１のクラウド操作を行うと、バケット先端が施工目標面に沿って動作するように、ブーム２０が自動的に上昇する。これによりオペレータは熟練の操作を要することなく施工目標面に沿って掘削作業を行うことができる。
　＜油圧シリンダの動作特性＞
　図５に油圧シリンダを駆動するための動作指令値と油圧シリンダ速度との関係（動作特性）の一例を示す。油圧シリンダへの負荷が低いときは、実線で示すように、動作指令値が大きくなるに従って油圧シリンダの動作速度が速やかに増加する。一方、油圧シリンダへの負荷が高いときは、点線で示すように、油圧シリンダへの負荷が低いときと比べて、動作指令値に対する油圧シリンダの動作速度の増加度合いが小さくなる。ここで、ブームシリンダ２０Ａへの負荷は、主に作業フロント２に姿勢に応じて変化する。具体的には、作業フロント２が巻き込み姿勢にあるときに大きくなり、作業フロントがフルリーチ姿勢にあるときに小さくなる。そのため、油圧シリンダを特定の速度に調整したい場合は、油圧シリンダに作用する負荷に応じて動作指令値を補正する必要がある。図５において、油圧シリンダを高負荷時に速度Ｖで動作させるための動作指令値Ｃ２は、低負荷時に速度Ｖで動作させるための動作指令値Ｃ１に負荷に応じた補正量を加算することにより求められる。
　以下、動作指令値の補正方法について具体的に説明する。油圧シリンダの動作速度はオリフィスの式（数１式）を用いて求めることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　Ｑ：流量
　Ｃ：流量係数
　Ａ：流路断面積
　ΔＰ：前後差圧
　Ρ：流体密度

　油圧ショベル１では、流量Ｑは油圧シリンダの径と目標速度によって、流量係数Ｃと流体密度Ｐは使用する作動油の物性値によって決まり、前後差圧ΔＰは後述するように油圧シリンダの負荷によって決まる。流路断面積Ａは動作指令値によって調整することができる。
　つまり、油圧シリンダの所定の速度（つまり、流量）で動作させたい場合は、前後差圧ΔＰ、流量係数Ｃ、流体密度Ｐに応じて流路断面積Ａ（つまり、動作指令値）を調整すればよい。とくに油圧ショベル１の動作では、作業フロント２の姿勢によって前後差圧ΔＰが大きく変化し、流量係数Ｃと流体密度Ｐの変化は小さいので、前後差圧ΔＰに応じて動作指令値を調整すればよい。
　また、操作量と動作指令値との関係に基づいて動作指令値を算出する場合は、操作量と動作指令値、動作指令値とシリンダ速度の関係を予め同定しておくと操作量と動作指令値との関係を予め設定しておくことができる。
　＜アクチュエータ負荷が掘削軌跡に与える影響＞
　ブームシリンダ２０Ａの動作指令値を補正しなかった場合のマシンコントロールによる掘削軌跡を図６に示す。ブームシリンダ２０Ａの負荷が小さい場合には、実線で示すように施工目標面に対する掘削軌跡の誤差は小さい。一方、ブームシリンダ２０Ａの負荷が大きい場合には、ブームシリンダ２０Ａがブーム２０を十分に持ち上げることができず、点線で示すように施工目標面よりも深く掘り過ぎてしまい、施工目標面に沿って正確に掘削することができない。
　特に、特許文献１のように特定の条件下で取得した油圧シリンダの動作速度と動作指令値の特性関係を用いると、特性を取得した条件と実際の作業姿勢や負荷が異なるほど、施工目標面と掘削軌跡の誤差が大きくなる。
　＜要求動作ベクトル＞
　作業フロント２の各アクチュエータの要求動作速度は、操作入力装置３３に入力された操作量から算出される。作業フロント２の各アクチュエータの要求動作速度は、作業フロント２の幾何学的構造からバケット先端の要求動作ベクトルに変換することができる。図７の実線矢印で示すように、バケット先端の要求動作ベクトルが施工目標面から離れる方向のときは、オペレータがバケット２２を施工目標面から離そうとしているため、マシンコントロールで制御された掘削が不要である。図７に破線矢印で示すように、バケット先端の要求動作ベクトルが施工目標面に近づく方向のときは、オペレータがバケット２２を施工目標面に近づけようとしているため、マシンコントロールによって制御された掘削が必要である。このように、操作入力装置３３に入力された操作量から、マシンコントロールによる正確なアクチュエータ速度制御、つまりアクチュエータに作用する負荷に応じた動作指令値の補正が必要か否かを判断することができる。
　＜動作指令値の補正方法＞
　動作指令値を補正する場合の一例を示す。はじめに、バケット２２と施工目標面との距離が小さい場合、つまり施工目標面に沿ってバケット２２が動作している場合は、アクチュエータの速度を正確に制御する必要があるのでアクチュエータの負荷に応じて動作指令値が常に補正され、補正量の制限は小さい。一方で、バケット２２と施工目標面との距離が大きい場合、つまり施工目標面から遠く離れた位置で動作している場合は、アクチュエータの速度はアクチュエータの負荷に応じて増減した方がオペレータの操作性が良いので、動作指令値を補正せず補正量の制限が大きい。
　動作指令値の補正量の制限方法について図８を用いて説明する。図８は、バケット２２と施工目標面との距離と補正ゲインとの関係を示す図である。補正ゲインは、補正量を動作指令値に加算する前に補正量に乗算する重み係数である。
　バケット２２が施工目標面に近づく場合（要求動作ベクトルが施工目標面に近づく方向の場合）は、図８Ａに示すように、バケット２２と施工目標面との距離が設定値Ｄ１ａより小さいときは補正ゲインは１となり、シリンダ負荷に応じた補正量が制限されることなく動作指令値に加算される。これにより、アクチュエータ負荷によらず施工目標面に沿って正確にバケット２２を動作させることが可能となる。前記距離が第２設定値Ｄ２ａ以上のときは補正ゲインは０となり、動作指令値は補正されない。これにより、マシンコントロールが無効となり、オペレータは負荷を把握しながら操作することができる。前記距離が第１設定値Ｄ１ａ以上でかつ第２設定値Ｄ２ａより小さいときは、前記距離の増加に応じて補正ゲインは１から０まで連続的に変化する。これにより、バケット２２と施工目標面との距離に応じて補正量の制限度合いが連続的に変化するため、マシンコントロールと手動操作とが切り換わる際のオペレータの違和感を軽減することが可能となる。
　バケット２２が施工目標面から離れる場合（要求動作ベクトルが施工目標面から離れる方向のとき）の補正ゲインも、図８（Ｂ）に示すように、バケット２２と施工目標面との距離に応じて決定される。ただし、第１設定値Ｄ１ｂおよび第２設定値Ｄ２ｂは、それぞれバケット２２が施工目標面に近づくとき（要求動作ベクトルが施工目標面に近づく方向のとき）の第１設定値Ｄ１ａおよび第２設定値Ｄ２ａよりも小さい値に設定されている。
　図９は、ブームシリンダ２０Ａの高負荷時の補正後の動作指令値を示す図である。バケット２２が施工目標面に近づく場合（要求動作ベクトルが施工目標面に近づく方向の場合）は、図９（Ａ）に示すように、アクチュエータが低負荷のときは、細い実線で示すように低負荷時の動作特性に従って動作指令値が決定される。一方、アクチュエータが高負荷のときは、バケット２２と施工目標面との距離が設定値Ｄ１ａより小さい領域において太い実線で示すように高負荷時の動作特性により動作指令値が決定され、バケット２２と施工目標面との距離が大きくなるに従って低負荷時の動作特性による動作指令値に近づいていく。
　バケット２２が施工目標面から離れる場合（要求動作ベクトルが施工目標面から離れる方向の場合）は、図９（Ｂ）に示すように、アクチュエータが低負荷のときは、細い実線で示すように低負荷時の動作特性に従って動作指令値が決定される。一方、アクチュエータが高負荷のときは、バケット２２と施工目標面との距離が設定値Ｄ１ｂより小さい領域において太い実線で示すように高負荷時の動作特性に従って動作指令値が決定され、バケット２２と施工目標面との距離が大きくなるに従って低負荷時の動作特性による動作指令値に近づいていく。ここで、設定値Ｄ１ｂ，Ｄ２ｂはそれぞれ設定値Ｄ１ａ，Ｄ２ａよりも小さい値に設定されているため、バケット爪先が施工目標面から離れるときは、バケット爪先が施工目標面に近づくときと比べて、バケット２２と施工目標面との距離がより小さい段階で低負荷時の動作指令値が出力される。
　以上から、バケット爪先が施工目標面に近づくときは動作指令値の補正量の制限度合いを小さくすることでアクチュエータ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａの動作速度を正確に制御することができ、バケット爪先が施工目標面から離れるときは動作指令値の補正量の制限度合いを大きくすることで操作性を向上させることができる。
　＜アクチュエータ負荷の推定方法＞
　アクチュエータに作用する負荷の推定方法についてブームシリンダ２０Ａを例に説明する。ブームシリンダ２０Ａに作用する負荷は、図１０に示すように、作業フロント２の自重Ｍｇを保持するのに必要なシリンダ推力から求めることができる。
　ブームシリンダ２０Ａの推力ＦＢｍは、例えば図１０に示す原点周りのモーメントの釣り合い式（数２式）を解くことにより求められる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　Ｌ１：原点とブームシリンダ２０Ａとの距離
　θ１：原点とブームシリンダ２０Ａの推力ＦＢｍがなす角度
　Ｍ：作業フロントの質量
　ｇ：重力加速度
　Ｌ２：原点と作業フロント２の重心位置の距離
　θ２：原点と作業フロント２の重心位置がなす角度

　＜動作指令値補正後の掘削軌跡＞
　アクチュエータの負荷が大きいとき、図１１に示すように動作指令値を補正する前の掘削軌跡は、アクチュエータ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａの要求速度と実速度の乖離が大きいため施工目標面に対して下方への沈み込みが大きい。一方で、アクチュエータの負荷を考慮して動作指令値を補正した後の掘削軌跡は、アクチュエータの要求速度と実速度の乖離が小さいため施工目標面に対して下方への沈み込みが少ない。
　＜制御手順＞
　図１２は、情報処理装置３４の処理を示すフローチャートである。以下、各ステップについて順に説明する。
　ステップＳ１１０では、姿勢検出装置３０からの角度情報を基に作業フロント２および旋回体３の姿勢を算出する。
　ステップＳ１２０では、作業フロント先端から施工目標面までの距離を算出する。
　ステップＳ１３０では、操作入力装置３３に入力された操作量を取得する。
　ステップＳ１４０では、作業フロント２および旋回体３の姿勢、作業フロント先端から施工目標面までの距離、および操作入力装置３３に入力された操作量に基づいて、作業フロント２を駆動するアクチュエータ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａの目標速度を算出する。
　ステップＳ１５０では、アクチュエータ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａの目標速度を基に動作指令値を算出する。
　ステップＳ１６０では、作業フロント２および旋回体３の姿勢と負荷検出装置２７から得られる負荷情報を基に、アクチュエータ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａの負荷を推定する。
　ステップＳ１７０では、推定したアクチュエータ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａの負荷から、動作指令値の補正量を算出する。
　ステップＳ１８０では、作業フロント２および旋回体３の姿勢、操作入力装置３３に入力された操作量、ならびに施工目標面の位置から作業フロント先端の要求動作ベクトルを推定する。
　ステップＳ１９０では、作業フロント先端から施工目標面までの距離と要求動作ベクトルとに応じて、動作指令値の補正量を制限する。
　ステップＳ２００では、ステップＳ１５０で算出した動作指令値に制限後の補正量を加算することにより動作指令値を補正し、駆動装置３５へ出力する。
　（まとめ）
　本実施形態では、機械本体３と、機械本体３に上下方向に回動可能に取り付けられた、作業具２２を有する作業フロント２と、作業フロント２を駆動するアクチュエータ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａと、アクチュエータ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａを駆動する駆動装置３５と、アクチュエータ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａの動作を指示する操作入力装置３３と、機械本体３および作業フロント２の姿勢を検出する姿勢検出装置３０と、作業具２２の施工目標面を設定する目標面情報設定装置１００と、作業具２２が前記施工目標面に沿って、または前記施工目標面の上方に位置するように、操作入力装置３３、姿勢検出装置３０、および目標面情報設定装置１００から入力される情報に基づいて、アクチュエータ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａの動作指令値を駆動装置３５に出力するコントローラ３４ａとを備えた作業機械１において、アクチュエータ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａの負荷を検出する負荷検出装置２７を備え、コントローラ３４ａは、操作入力装置３３の操作量、前記姿勢、および作業具２２と前記施工目標面との距離に基づいてアクチュエータ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａの目標速度を算出し、前記目標速度に基づいてアクチュエータ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａの動作指令値を算出し、負荷検出装置２７により検出されたアクチュエータ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａの負荷、および作業具２２と前記施工目標面との距離に基づいて前記動作指令値の補正量を算出し、前記補正量を、前記動作指令値に加算する。
　以上のように構成した本実施形態によれば、作業具２２と施工目標面との距離が小さくなるようにアクチュエータ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａの動作指令値が算出され、アクチュエータ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａの負荷に基づいて動作指令値の補正量が算出され、当該補正量が動作指令値に加算される。これにより、施工目標面付近で作業具２２を施工目標面に沿って正確に動作させることが可能となり、作業具２２が施工目標面付近にないときは、オペレータが作業フロントに作用する負荷を認識しながら操作を行うことが可能となる。
　また、本実施形態におけるコントローラ３４ａは、アクチュエータ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａの負荷が大きくなるに従って前記補正量を大きくする。これにより、アクチュエータ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａの負荷に関わらず、操作入力装置３３の操作量に対するアクチュエータ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａの速度を一定にすることが可能となる。
　また、本実施形態におけるコントローラ３４ａは、前記距離に応じて前記補正量を制限し、前記距離が第１設定値Ｄ１ａ（Ｄ１ｂ）より小さい場合は、前記補正量を制限せず、前記距離が第１設定値Ｄ１ａ（Ｄ１ｂ）より大きい第２設定値Ｄ２ａ（Ｄ２ｂ）以上の場合は、前記補正量をゼロとし、前記距離が第１設定値Ｄ１ａ（Ｄ１ｂ）以上でかつ第２設定値Ｄ２ａ（Ｄ２ｂ）より小さい場合は、前記距離が大きくなるに従って前記補正量の制限度合いを大きくする。これにより、バケット２２と施工目標面との距離に応じて補正量の制限度合いが連続的に変化するため、マシンコントロールと手動操作とが切り換わる際のオペレータの違和感を軽減することが可能となる。
　また、本実施形態におけるコントローラ３４ａは、前記操作量に基づいて作業フロント先端の要求動作ベクトルを算出し、前記要求動作ベクトルが前記施工目標面から遠ざかる方向である場合の第１設定値Ｄ１ｂおよび第２設定値Ｄ２ｂの各値を、前記要求動作ベクトルが前記施工目標面に近づく方向である場合の第１設定値Ｄ１ａおよび第２設定値Ｄ２ａの各値よりも小さい値に設定する。これにより、バケット２２を施工目標面から離れる方向に操作する際に、マシンコントロールによる制御が速やかに解除されるため、作業フロント２の操作性を向上させることが可能となる。
　また、本実施形態におけるコントローラ３４ａは、前記距離が第２設定値Ｄ２ａ（Ｄ２ｂ）より小さい場合は、負荷検出装置２７で検出したアクチュエータ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａの負荷に基づいて前記補正量を算出し、前記距離が第２設定値Ｄ２ａ（Ｄ２ｂ）以上の場合は、アクチュエータ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａの負荷を前記作業フロントが所定の姿勢を取るときの負荷と仮定して前記動作指令値を算出する。これにより、バケット２２と施工目標面との距離が第２設定値Ｄ２ａ（Ｄ２ｂ）以上の場合において、コントローラ３４ａの処理負荷を軽減することが可能となる。
　また、本実施形態におけるコントローラ３４ａは、前記距離が第２設定値Ｄ２ａ（Ｄ２ｂ）より小さい場合は、負荷検出装置２７で検出したアクチュエータ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａの負荷に基づいて前記補正量を算出し、前記距離が第２設定値Ｄ２ａ（Ｄ２ｂ）以上の場合は、予め設定された前記操作量と前記動作指令値との関係に基づいて前記動作指令値を算出する。これにより、バケット２２と施工目標面との距離が第２設定値Ｄ２ａ（Ｄ２ｂ）以上の場合において、作業フロント２の操作性を向上させることが可能となる。
　また、本実施形態における作業機械１は、作業フロント２の重心位置および質量を設定する機械情報設定装置１２０を備え、コントローラ３４ａは、姿勢検出装置３０で検出した機械本体３および作業フロント２の姿勢と機械情報設定装置１２０により設定された作業フロント２の重心位置および質量とに基づいてアクチュエータ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａの負荷を算出する。これにより、アクチュエータ２０Ａ，２１Ａ，２２Ａの負荷を検出する負荷検出装置２７を省略することが可能となる。
　以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は、本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。
　１…油圧ショベル（作業機械）、２…作業フロント、３…旋回体（機械本体）、４…走行体、１０…制御システム、２０…ブーム、２０Ａ…ブームシリンダ（アクチュエータ）、２０ＢＰ，２０ＲＰ…圧力センサ、２０Ｓ…ブームＩＭＵ、２１…アーム、２１Ａ…アームシリンダ（アクチュエータ）、２１ＢＰ，２１ＲＰ…圧力センサ、２１Ｓ…アームＩＭＵ、２２…バケット（作業具）、２２Ａ…バケットシリンダ（アクチュエータ）、２２Ｂ…第１リンク、２２ＢＰ…圧力センサ、２２Ｃ…第２リンク、２２ＲＰ…圧力センサ、２２Ｓ…バケットＩＭＵ、２７…負荷検出装置、２７ａ…圧力センサ、３０…姿勢検出装置、３０ａ…角速度センサ、３０ｂ…加速度センサ、３０Ｓ…旋回体ＩＭＵ、３１…メインフレーム、３２…運転室、３３…操作入力装置、３３ａ…操作レバー、３３ｂ…操作入力量センサ、３４…情報処理装置、３４ａ…情報処理用コントローラ、３５…駆動装置、３５ａ…油圧ポンプ、３５ｂ…方向切替弁、３５ｃ…電磁制御弁、３６…原動装置、３６ａ…エンジン、３７…カウンタウェイト、３８…旋回用モータ、４０…トラックフレーム、４１…走行用モータ、４２…履帯、１００…目標面情報設定装置、１００ａ…目標面情報設定用コントローラ、１１０…画像表示装置、１１０ａ…表示モニタ、１２０…機械情報設定装置、１２０ａ…機械情報設定用コントローラ、３１０…目標速度演算部、３２０…動作指令値演算部、４１０…姿勢演算部、４２０…目標面距離演算部、５１０…要求動作ベクトル推定部、５２０…負荷推定部、６１０…動作指令値補正量演算部、６２０…動作指令値補正部。

Claims (7)

  1. 　機械本体と、
    　前記機械本体に上下方向に回動可能に取り付けられた、作業具を有する作業フロントと、
    　前記作業フロントを駆動するアクチュエータと、
    　前記アクチュエータを駆動する駆動装置と、
    　前記アクチュエータの動作を指示する操作入力装置と、
    　前記機械本体および前記作業フロントの姿勢を検出する姿勢検出装置と、
    　前記作業具の施工目標面を設定する目標面情報設定装置と、
    　前記作業具が前記施工目標面に沿って、または前記施工目標面の上方に位置するように、前記操作入力装置、前記姿勢検出装置、および前記目標面情報設定装置から入力される情報に基づいて、前記アクチュエータの動作指令値を前記駆動装置に出力するコントローラとを備えた作業機械において、
    　前記アクチュエータの負荷を検出する負荷検出装置を備え、
    　前記コントローラは、
    　前記操作入力装置の操作量、前記姿勢、および前記作業具と前記施工目標面との距離に基づいて前記アクチュエータの目標速度を算出し、
    　前記目標速度に基づいて前記アクチュエータの動作指令値を算出し、
    　前記負荷検出装置により検出された前記アクチュエータの負荷、および前記作業具と前記施工目標面との距離に基づいて前記動作指令値の補正量を算出し、
    　前記補正量を、前記動作指令値に加算する
    　ことを特徴とする作業機械。
  2. 　請求項１に記載の作業機械において、
    　前記コントローラは、前記アクチュエータの負荷が大きくなるに従って前記補正量を大きくする
    　ことを特徴とする作業機械。
  3. 　請求項１に記載の作業機械において、
    　前記コントローラは、
    　前記距離に応じて前記補正量を制限し、
    　前記距離が第１設定値より小さい場合は、前記補正量を制限せず、
    　前記距離が前記第１設定値より大きい第２設定値以上の場合は、前記補正量をゼロとし、
    　前記距離が前記第１設定値以上でかつ前記第２設定値より小さい場合は、前記距離が大きくなるに従って前記補正量の制限度合いを大きくする
    　ことを特徴とする作業機械。
  4. 　請求項３に記載の作業機械において、
    　前記コントローラは、
    　前記操作量に基づいて前記作業フロントの先端の要求動作ベクトルを算出し、
    　前記要求動作ベクトルが前記施工目標面から遠ざかる方向である場合の前記第１設定値および前記第２設定値の各値を、前記要求動作ベクトルが前記施工目標面に近づく方向である場合の前記第１設定値および前記第２設定値の各値よりも小さい値に設定する
    　ことを特徴とする作業機械。
  5. 　請求項３に記載の作業機械において、
    　前記コントローラは、
    　前記距離が前記第２設定値より小さい場合は、前記負荷検出装置で検出した前記アクチュエータの負荷に基づいて前記補正量を算出し、
    　前記距離が前記第２設定値以上の場合は、前記アクチュエータの負荷を前記作業フロントが所定の姿勢を取るときの負荷と仮定して前記動作指令値を算出する
    　ことを特徴とする作業機械。
  6. 　請求項３に記載の作業機械において、
    　前記コントローラは、
    　前記距離が前記第２設定値より小さい場合は、前記負荷検出装置で検出した前記アクチュエータの負荷に基づいて前記補正量を算出し、
    　前記距離が前記第２設定値以上の場合は、予め設定された前記操作量と前記動作指令値との関係に基づいて前記動作指令値を算出する
    　ことを特徴とする作業機械。
  7. 　請求項１に記載の作業機械において、
    　前記作業フロントの重心位置および質量を設定する機械情報設定装置を備え、
    　前記コントローラは、前記姿勢検出装置で検出した前記機械本体および作業フロントの姿勢と前記機械情報設定装置により設定された前記作業フロントの重心位置および質量とに基づいて前記アクチュエータの負荷を算出する
    　ことを特徴とする作業機械。
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