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WO2024171607A1 - 作業機械 - Google Patents

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Publication number
WO2024171607A1
WO2024171607A1 PCT/JP2023/045569 JP2023045569W WO2024171607A1 WO 2024171607 A1 WO2024171607 A1 WO 2024171607A1 JP 2023045569 W JP2023045569 W JP 2023045569W WO 2024171607 A1 WO2024171607 A1 WO 2024171607A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
actuator
actuators
bucket
overloaded
pressure oil
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2023/045569
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
晃司 塩飽
秀一 森木
諒 稲田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Original Assignee
Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Construction Machinery Co Ltd filed Critical Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority to EP23922940.4A priority Critical patent/EP4567204A1/en
Priority to CN202380063605.2A priority patent/CN119816644A/zh
Priority to KR1020257007007A priority patent/KR20250044417A/ko
Priority to JP2025500680A priority patent/JPWO2024171607A1/ja
Publication of WO2024171607A1 publication Critical patent/WO2024171607A1/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • E02F9/20—Drives; Control devices
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    • F15B2211/60—Circuit components or control therefor
    • F15B2211/63—Electronic controllers
    • F15B2211/6303—Electronic controllers using input signals
    • F15B2211/633—Electronic controllers using input signals representing a state of the prime mover, e.g. torque or rotational speed
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    • F15B2211/00—Circuits for servomotor systems
    • F15B2211/80—Other types of control related to particular problems or conditions
    • F15B2211/86—Control during or prevention of abnormal conditions

Definitions

  • the present invention relates to a work machine.
  • an assist system In a work machine having a front working machine (working device) such as a hydraulic excavator, an assist system has been proposed that controls actuator operation according to the operation input by the operator (hereinafter referred to as excavation control) in order to avoid the front working machine stopping due to overload when excavating soil or sand with the front working machine and to perform the excavation operation smoothly.
  • excavation control controls actuator operation according to the operation input by the operator (hereinafter referred to as excavation control) in order to avoid the front working machine stopping due to overload when excavating soil or sand with the front working machine and to perform the excavation operation smoothly.
  • Prior art related to excavation control is disclosed in, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2.
  • Patent Document 1 discloses a construction machine that drives a boom, arm, and bucket to perform excavation work, and has a boom angle detector that detects the angle of the boom, an arm angle detector that detects the angle of the arm, a bucket angle detector that detects the angle of the bucket, a storage device that stores data related to the soil characteristics of the soil to be excavated, and a control unit that controls the excavation operation, and the control unit calculates the excavation reaction force of the soil acting on the bucket based on the detected boom angle, detected arm angle, detected bucket angle, and the soil characteristics stored in the storage device, and determines whether the calculated excavation reaction force is greater than a preset upper limit value to determine whether the excavation operation should be modified.
  • Patent Document 2 discloses a backhoe work vehicle equipped with a first sensor that detects the vertical angle of the boom relative to the vehicle body and a second sensor that detects the boom angle of the arm, as well as a calculator that calculates the position of the tip of the arm or bucket relative to the vehicle body based on information from the first and second sensors, and an output device that compares information from the calculator with information from a setting device and issues signals to operate each actuator to move the tip of the arm or bucket along a specified trajectory, and an overload determiner that determines that an overload has occurred if the tip of the arm or bucket has not moved a set distance or more within a set time based on information from the calculator.
  • JP 2011-252338 A Japanese Unexamined Patent Publication No. 146929/1983
  • the force (hereinafter referred to as excavation reaction force) that the soil exerts on the front work machine during excavation operation is obtained based on the ground depth and previously input soil characteristics, and an overload state is determined depending on whether the excavation reaction force is greater than a predetermined upper limit value (hereinafter referred to as maximum excavation force), and a decision is made as to whether the excavation operation needs to be corrected or the actuator operation is controlled.
  • excavation reaction force a predetermined upper limit value
  • the maximum excavation force that a hydraulic excavator can output depends on the maximum thrust of the cylinder and the geometric arrangement of the work equipment (geometric structure and joint angles), and therefore the maximum excavation force also changes according to changes in the posture of the work equipment. Therefore, if a decision is made as to whether or not the excavation operation needs to be modified based on a predetermined maximum excavation force (upper limit value) as in Patent Document 1, it may be determined that the excavation operation needs to be modified even though there is actually a margin up to the maximum excavation force.
  • a predetermined maximum excavation force upper limit value
  • Patent Document 2 when working with a hydraulic excavator, the front working machine does not necessarily stop due to an overload caused by an excavation reaction force. Therefore, in the above-mentioned Patent Document 2, for example, when light excavation is performed at a speed below a threshold, such as during precision ground leveling work, it may be determined that the excavation operation needs to be corrected.
  • the present invention has been made in consideration of the above, and aims to provide a work machine that can perform excavation operations more efficiently by appropriately controlling actuator operation according to the speed of the work equipment and the load state of the actuator.
  • the present application includes multiple means for solving the above problem, and an example thereof is a work machine including a work device consisting of multiple structures, multiple actuators for driving the multiple structures of the work device, an overload detection device for detecting an overload state of each of the multiple actuators, an angle/speed detection device for detecting the operating angle and angular velocity of each of the multiple structures of the work device, an operation device for operating the multiple actuators, and a control device for controlling the supply amount of pressure oil supplied to the multiple actuators in accordance with the operation amount of the operation device, the control device determining whether the multiple actuators are in an overload state based on the detection result of the overload detection device, and determining whether the multiple actuators are in a stopped state based on the detection result of the angle/angular velocity detection device, and if an actuator among the multiple actuators is determined to be in an overloaded state and stopped, correcting the supply amount of pressure oil supplied to the actuator selected based on the determination result.
  • a work machine including a work device consisting of multiple structures, multiple actuators for driving the
  • FIG. 1 is a perspective view showing the appearance of a hydraulic excavator as an example of a work machine in this embodiment.
  • a cabin 12 forming a driver's cab is disposed beside the front work machine 1A at the front of the upper rotating body 1B.
  • a controller 22 that controls the overall operation of the hydraulic excavator 1 is disposed behind the driver's seat in the cabin 12 where the operator sits.
  • operation devices 2 are disposed which, when operated by the operator, generate operation signals that command the operation (speed and direction) of the boom 8, arm 9, bucket 10, and upper rotating body 1B.
  • an operation device that generates operation signals that command the operation (speed and direction) of the left and right traveling devices 3 is also disposed in front of the driver's seat.
  • the boom 8, arm 9, and bucket 10 are respectively provided with a boom angle/angular velocity detection device 20a, an arm angle/angular velocity detection device 20b, and a bucket angle/angular velocity detection device 20c, which detect the angle (operating angle) relative to the horizontal plane and the angular velocity due to operation.
  • the bucket angle/angular velocity detection device 20c may be installed on the bucket link 13 instead of the bucket 10.
  • the boom angle/angular velocity detection device 20a, the arm angle/angular velocity detection device 20b, and the bucket angle/angular velocity detection device 20c may be collectively referred to as the angle/angular velocity detection device 20.
  • the boom cylinder 5 is provided with a pressure sensor 25a that detects the pressure on the bottom side (bottom pressure) and the pressure on the rod side (rod pressure) of the boom cylinder 5.
  • the arm cylinder 6 is provided with a pressure sensor 25b that detects the pressure on the bottom side (bottom pressure) and the pressure on the rod side (rod pressure) of the arm cylinder 6.
  • the bucket cylinder 7 is provided with a pressure sensor 25c that detects the pressure on the bottom side (bottom pressure) and the pressure on the rod side (rod pressure) of the bucket cylinder 7.
  • the boom overload detection device 61a, the arm overload detection device 61b, and the bucket overload detection device 61c may be collectively referred to as the overload detection device 61.
  • the overload detection device 61 determines whether the boom cylinder 5, arm cylinder 6, and bucket cylinder 7 are in an overload state based on the following (Equation 1) and (Equation 2), and determines that an overload state exists when the above (Equation 1) or (Equation 2) is satisfied.
  • P i_btm and P i_rod indicate the pressures measured by the pressure sensor 25
  • P sat_i indicates the pressure-resistant specification
  • i indicates which of the boom cylinder 5, the arm cylinder 6, and the bucket cylinder 7 is targeted.
  • Figure 2 is a functional block diagram showing the processing functions of the controller along with the associated configuration.
  • the controller 22 has an operation flow rate calculation unit 202 that calculates an operation flow rate, which is the supply amount of pressure oil to be supplied to the boom cylinder 5, arm cylinder 6, and bucket cylinder 7, based on the operation state (operation direction, operation amount) of the operation device 2, a stop state calculation unit 203 that determines whether each structure such as the boom 8, arm 9, bucket 10 operated by the boom cylinder 5, arm cylinder 6, and bucket cylinder 7 (hereinafter, may be collectively referred to as actuators) is in a stopped state based on the angular velocity detected by the angle/angular velocity detection device 20, and an assist unit 201 that calculates and outputs a command flow rate for the actuators 5, 6, and 7 based on the operation flow rate from the operation flow rate calculation unit 202, the overload state from the overload detection device 61 (information indicating whether or not an overload state exists), the angle from the angle/angular velocity detection device 20, and the stop state from the stop state calculation unit 203 (information indicating whether or not an actuator exists).
  • an operation flow rate calculation unit 202 that
  • the operation flow rate calculated by the operation flow rate calculation unit 202 only needs to include information about the operation flow rate, and the operation flow rate may be instructed from another external system, such as a remote control device or an automated system on a server.
  • FIG. 3 is a functional block diagram showing the processing functions of the controller's assist unit along with related configuration.
  • the assist unit 201 has an upward direction designation unit 301, a toe position calculation unit 302, a fully overloaded operable direction calculation unit 303, a corrected actuator calculation unit 304, an overloaded operable direction calculation unit 305, an operating direction determination unit 306, and a command flow rate calculation unit 307.
  • the upward direction designation unit 301 designates the opposite direction of the gravity vector (vertically upward direction), for example, by prior input to the operation device 2.
  • an inertial measurement unit IMU
  • IMU inertial measurement unit
  • the tip position calculation unit 302 calculates the position coordinates of the tip of the bucket 10 in the vehicle body coordinate system based on the detection results (angles) from the angle/angular velocity detection device 20.
  • the fully overloaded operable direction calculation unit 303 calculates a fully overloaded target speed vector that indicates the target direction and target speed of the toe movement of the bucket 10 in a fully overloaded state, based on the contents specified by the upward direction specification unit 301 (vertical upward direction) and the calculation result (toe coordinates) from the toe position calculation unit 302.
  • the correction actuator calculation unit 304 determines which actuators 5, 6, and 7 should correct the amount of pressure oil supplied by correcting the operating flow rate based on the calculation result from the stopped state calculation unit 203 (information indicating whether the structure and the structure preceding it are in a stopped state) and the detection result from the overload detection device 61 (information indicating whether there is an overload).
  • the overload operable direction calculation unit 305 calculates an overload target speed vector that indicates the target direction and target speed of the tip of the bucket 10 during an overload, based on the detection results (angles) from the angle/angular velocity detection device 20 and the calculation results (information on the actuator to be corrected) from the correction actuator calculation unit 304.
  • the motion direction determination unit 306 calculates the target speed vector of the tip of the bucket 10 based on the calculation result from the fully overloaded operable direction calculation unit 303 (fully overloaded target speed vector), the calculation result from the overloaded operable direction calculation unit 305 (overloaded target speed vector), and the calculation result from the correction actuator calculation unit (information on the actuator to be corrected).
  • the command flow rate calculation unit 307 calculates and determines the command flow rate to the actuators 5, 6, and 7 based on the calculation result (target speed vector) from the operation direction determination unit 306, the calculation result (operation flow rate) from the operation flow rate calculation unit 202, and the detection result (angle) from the angle/angular speed detection device 20, and outputs it to the actuators 5, 6, and 7.
  • the command flow rate is calculated by converting the target speed vector of the tip of the bucket 10 from the operation direction determination unit 306 into the target speed of the cylinder using a Jacobian matrix or the like.
  • FIG. 4 is a flowchart showing the processing performed by the controller.
  • the controller 22 first calculates which actuators 5, 6, and 7 are in an overloaded state and satisfy the condition (Condition A) that the structures (boom 8, arm 9, bucket 10) corresponding to each actuator 5, 6, and 7 are in a stopped state (step S100).
  • step S110 it is determined whether or not there is any actuator that satisfies condition A (step S110), and if the determination result is YES, that is, if all of the actuators (boom cylinder 5, arm cylinder 6, and bucket cylinder 7) do not satisfy condition A, the calculation result (operation flow rate) of the operation flow rate calculation unit 202 is output as a command flow rate to the actuators 5, 6, and 7 without correction (step S111), and the process ends.
  • step S110 if there is no actuator that satisfies condition A, the operation flow rate is not corrected (see step S111), thereby improving the efficiency of the process.
  • step S110 If the result of the determination in step S110 is NO, i.e., if it is determined that there is an actuator that satisfies condition A, it is determined whether the actuator that is determined to satisfy condition A has continued to satisfy condition A for a predetermined time (predetermined time) or more (in other words, whether a predetermined time or more has passed since the actuator satisfied condition A) (step S120).
  • the reason for performing the processing in step S120 is that if the predetermined time has passed since the actuator satisfied condition A (YES), the state of the actuator will not improve even by correcting the operating flow rate, so by interrupting the correction of the operating flow rate and notifying (displaying) the operator, the operator is prompted to check the current situation and take action, thereby improving the efficiency of processing.
  • step S120 If the result of the determination in step S120 is YES, that is, if it is determined that condition A has been continuously satisfied for a predetermined time or more (i.e., a predetermined time has passed since the actuator satisfied condition A), the calculation result (operated flow rate) of the operated flow rate calculation unit 202 is output as a command flow rate to the actuators 5, 6, and 7 without modification, and a message that correction of the operated flow rate has been suspended is displayed on the display device 23 to notify the operator (step S121), and the process ends. Note that returning to the process of the next step S100 after the suspension of the process in step S121 may be triggered by all operated flow rates becoming 0 (zero) at once (by placing the operating device in neutral), by raising the lock lever, by turning off the key, etc.
  • step S120 If the result of the determination in step S120 is NO, i.e., if it is determined that an actuator that satisfies condition A has not satisfied that condition A for a predetermined time or more (i.e., the predetermined time has not passed since the actuator satisfied condition A), it is determined whether all actuators satisfy condition A (step S130).
  • step S130 determines whether all actuators satisfy condition A, all actuators are selected as actuators for which the operation flow rate is to be corrected, command flow rates in which the operation flow rates of all actuators are corrected are calculated and output to actuators 5, 6, and 7 (step S131), and the process ends. If the determination result in step S130 is NO, the process proceeds to step S140, as described below, where actuators that do not satisfy condition A are selected as actuators to be corrected, the operation flow rates of those actuators are corrected, and the process ends.
  • Figure 5 explains the basic concept of calculating the command flow rate by correcting the operating flow rate.
  • the position x of the tip of the bucket 10 at a certain time n is indicated as tip position x n
  • the position x of the tip of the bucket 10 at time n- 1 before it reaches tip position x n is indicated as tip position x n-1
  • the vertically upward direction specified by upward direction specifying unit 301 is indicated as vector v.
  • the subscript n in the tip positions x n and x n-1 defines a variable indicating the clock tick time of the controller 22 and changes as follows: ..., n-1, n, n+1, ... (n is a positive integer), but it is sufficient to be able to refer to past tip positions x, and it may be possible to go back a predetermined time or distance, for example.
  • the command flow rate is calculated by correcting the operation flow rates of the boom cylinder 5, the arm cylinder 6 , and the bucket cylinder 7 so that the moving direction (vector x) of the tip position xn of the bucket 10 is between the reverse direction (the direction toward the already passed position xn-1 and along the opposite direction to the vector X) and the vertically upward direction (vector v) specified by the upward direction specifying unit 301 (i.e., the range indicated by the diagonal lines in Fig. 5).
  • the calculation of the command flow rate by correcting the operation flow rate has as one of its purposes the operation of the front working implement 1A so as to reduce the load on each of the actuators 5, 6, 7 (so as to eliminate the overload state), and the command flow rate is calculated so that the moving direction of the point of application of the force of the front working implement 1A with respect to the excavation target such as the ground (here, the tip position of the bucket 10) is in a direction in which excavation has been completed and there is no soil, i.e., the range indicated by the diagonal lines in Fig. 5 (i.e., the operation flow rate is corrected).
  • the operating flow rates of each actuator 5, 6, and 7 may be corrected to calculate the command flow rate so that the direction of movement of the toe position of the bucket 10 is a direction that shallows the excavation depth, i.e., a direction between the perpendicular direction to the ground surface to be excavated and the vertically upward direction.
  • step S130 in FIG. 4 determines whether there is an actuator that does not satisfy condition A. If the determination result in step S130 in FIG. 4 is NO, that is, if there is an actuator that does not satisfy condition A, the operation flow rate is corrected for the actuator that does not satisfy condition A to calculate a command flow rate, which is output to actuators 5, 6, and 7 (step S140), and the process ends. Specifically, if there is an actuator that does not satisfy condition A, that is, if at least one of boom cylinder 5, arm cylinder 6, and bucket cylinder 7 does not satisfy condition A, for the actuator that satisfies condition A, the operation flow rate calculated by operation flow rate calculation unit 202 is output as a command flow rate to that actuator.
  • the operation flow rate is corrected to calculate a command flow rate so that the moving direction of the bucket toe position by the actuator that does not satisfy condition A is perpendicular to the moving direction of the toe position by the actuator that satisfies condition A, and the command flow rate is output to the actuator that does not satisfy condition A.
  • step S140 in FIG. 4 i.e., the method of determining the moving direction (assist direction) of the tip position of the bucket 10 in the calculation of the command flow rate by correcting the operation flow rate, will be described in detail.
  • possible states of step S140 are when multiple (two) actuators satisfy condition A, and when a single (one) actuator satisfies condition A.
  • FIGS. 6 to 8 are diagrams explaining an example of a method for determining the assist direction when a single actuator satisfies condition A, and illustrate a case where only the boom cylinder satisfies condition A.
  • BM indicates the boom 8
  • AM indicates the arm 9
  • BK indicates the bucket 10.
  • the movement of the tip of the bucket 10 caused by a certain actuator is a movement around the axis rotated by the actuator. Therefore, as shown in FIG. 6, when a single actuator satisfies condition A, the target speed vector of the tip of the bucket 10 caused by the actuator that satisfies condition A is a vector connecting the rotation axis of the front stage side of the structure operated by the actuator that satisfies condition A (in the case of a boom 8, the base end side of the boom 8) and the tip of the bucket 10.
  • the other actuators that do not satisfy condition A assist in moving the tip of the bucket 10 in the direction closest to perpendicular to the target velocity vector of the tip of the bucket 10 by the actuator that satisfies condition A.
  • the first selection method (hereafter referred to as selection method 1) is to select intervention in a predetermined direction. In this case, it is preset to select either +90 (deg) or -90 (deg) for each of the actuators (boom 8, arm 9, bucket 10) that satisfy condition A.
  • the second selection method (hereafter referred to as selection method 2) involves selecting the direction to match the current movement direction.
  • selection method 2 involves selecting the direction to match the current movement direction.
  • the boom cylinder 5 satisfies condition A
  • the angular velocity of the arm 9 and bucket 10 that will intervene is measured, and the directional velocity vector of the tip of the toe is calculated based on the angular velocity of the arm 9 and bucket 10 (see Figure 7), and of the two solutions
  • the solution with the smaller angle with the directional velocity vector of the tip of the toe is selected (see Figure 8). Selecting the intervention direction using selection method 2 results in fewer changes to the current movement, making it possible to perform assistance that is less likely to cause discomfort to the operator.
  • selection method 1 and selection method 2 can also be applied when the only actuator that satisfies condition A is the arm 9 or the bucket 10.
  • FIGS. 9 to 12 are diagrams for explaining an example of a method for determining the assist direction when multiple actuators satisfy condition A, and illustrate a case where the boom cylinder and arm cylinder satisfy condition A.
  • BM indicates the boom 8
  • AM indicates the arm 9
  • BK indicates the bucket 10.
  • the target velocity vector of the tip of the bucket 10 by the actuators that satisfy condition A is obtained for each of the multiple actuators that satisfy condition A.
  • the angles formed by each vector are ⁇ BM1 , ⁇ BM2 , ⁇ AM1 , and ⁇ AM2 , and these angles can be calculated using the definition of the inner product of vectors and function f obtained by the cosine theorem using the following (Equation 3) to (Equation 6).
  • the assist operation is performed by setting a target speed vector according to the relationship between the angles.
  • the vector v BK1 is set as the target velocity vector.
  • the vector v BK2 is set as the target velocity vector.
  • the above method of setting the target velocity vector can also be applied when the multiple actuators that satisfy condition A are the boom 8 and bucket 10, or the arm 9 and bucket 10.
  • Second Embodiment A second embodiment of the present invention will be described with reference to Figures 13 to 16.
  • the same members as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted as appropriate.
  • FIG. 13 is a functional block diagram showing the processing functions of the assist unit of the controller according to this embodiment, together with the related configuration.
  • the assist unit 201A has an upward direction designation unit 301, a toe position calculation unit 302, a fully overloaded operable direction calculation unit 303, a corrected actuator calculation unit 304, an overloaded operable direction calculation unit 305, a time norm relationship recording unit 701, an operating direction determination unit 306A, and a command flow rate calculation unit 307.
  • the upward direction designation unit 301 designates the opposite direction of the gravity vector (vertically upward direction), for example, by prior input to the operation device 2.
  • an inertial measurement unit IMU
  • IMU inertial measurement unit
  • the tip position calculation unit 302 calculates the position coordinates of the tip of the bucket 10 in the vehicle body coordinate system based on the detection results (angles) from the angle/angular velocity detection device 20.
  • the fully overloaded operable direction calculation unit 303 calculates a fully overloaded target speed vector that indicates the target direction and target speed of the toe movement of the bucket 10 in a fully overloaded state, based on the contents specified by the upward direction specification unit 301 (vertical upward direction) and the calculation result (toe coordinates) from the toe position calculation unit 302.
  • the corrective actuator calculation unit 304 determines which actuators 5, 6, and 7 should have their operating flow corrected based on the calculation result from the stopped state calculation unit 203 (information indicating whether or not the actuator is in a stopped state) and the detection result from the overload detection device 61 (information indicating whether or not the actuator is overloaded).
  • the time norm relationship recording unit 701 records a norm calculation table that predetermines the relationship between the elapsed time since the condition of an overloaded state and a stopped state (condition A) is satisfied and the norm (magnitude) of the target speed vector of the tip of the bucket 10.
  • FIG. 14 shows an example of a norm calculation table that defines the relationship between elapsed time and norm when the arm cylinder satisfies condition A.
  • the norm calculation table is set so that the norm of the target speed vector of the tip of the bucket 10 increases as the elapsed time (t) from when condition A is satisfied increases.
  • the norm of the target speed vector is kn
  • the norm of the target speed vector also increases to km .
  • Fig. 14 illustrates an example in which the norm of the target speed increases in proportion to the increase in elapsed time, but the norm calculation table may be set so that the norm of the target speed increases as the elapsed time increases.
  • a norm calculation table showing a curved relationship rather than a linear (proportional) relationship may be set.
  • the motion direction determination unit 306A calculates the target speed vector of the tip of the bucket 10 based on the calculation result from the fully overloaded operable direction calculation unit 303 (fully overloaded target speed vector), the calculation result from the overloaded operable direction calculation unit 305 (overloaded target speed vector), the calculation result from the corrected actuator calculation unit (actuator information that corrects the operating flow rate), and the norm calculation table of the time norm relationship recording unit 701.
  • the motion direction determination unit 306A records the time that the actuator determined to be the object of correction by the correction actuator calculation unit 304 is maintained in operation (True state), and increases the norm of the target velocity vector of the tip of the bucket 10 according to the elapsed time based on the norm calculation table. Note that if the target actuator is in a non-operated state (False state), the count of the maintained time is reset.
  • FIG. 15 shows the target velocity vector of the bucket tip after correcting the operation flow rate when the norm calculation table is applied.
  • BM indicates the boom 8
  • AM indicates the arm 9
  • BK indicates the bucket 10.
  • the target speed vector is set so that norm tm for elapsed time tm is greater than norm kn for elapsed time tn.
  • norm tm for elapsed time tm is greater than norm kn for elapsed time tn.
  • the command flow rate calculation unit 307A calculates and determines the command flow rate to the actuators 5, 6, and 7 based on the calculation result (target speed vector) from the operation direction determination unit 306, the calculation result (operation flow rate) from the operation flow rate calculation unit 202, and the detection result (angle) from the angle/angular speed detection device 20, and outputs it to the actuators 5, 6, and 7.
  • the command flow rate is calculated by converting the target speed vector of the tip of the bucket 10 from the operation direction determination unit 306 into the target speed of the cylinder using a Jacobian matrix or the like.
  • the present embodiment configured as described above, can achieve the same effects as the first embodiment.
  • the amount of pressurized oil supplied to the actuator (operating flow rate) is corrected to be larger depending on the time that has elapsed since condition A, that is, the overloaded and stopped state, is met, so that the stopped state of the structure due to the overload can be resolved more quickly.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes various modifications and combinations within the scope of the gist of the present invention.
  • the present invention is not limited to those having all the configurations described in the above-described embodiments, and includes those in which some of the configurations are deleted.
  • the above-described configurations, functions, etc. may be realized by designing some or all of them as an integrated circuit, for example.
  • the above-described configurations, functions, etc. may be realized by software, in which a processor interprets and executes a program that realizes each function.

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Abstract

作業装置の複数の構造体をそれぞれ駆動する複数のアクチュエータについて過負荷状態か否かを判定するとともに停止状態か否かを判定し、複数のアクチュエータのうち、過負荷状態かつ停止状態にあるアクチュエータが判定された場合にはて、その判定結果に基づいて選択されたアクチュエータに供給される圧油の供給量を補正する。作業装置の速度とアクチュエータの負荷状態とに応じてアクチュエータ動作を適切に制御することにより、掘削動作をより効率よく行うことができる。

Description

作業機械
　本発明は、作業機械に関する。
　油圧ショベルのようなフロント作業機（作業装置）を有する作業機械においては、フロント作業機による土砂などの掘削動作時に、過負荷によってフロント作業機が停止すること避けて掘削動作を円滑に行うために、オペレータが入力する操作内容に応じてアクチュエータ動作を制御する（以降、掘削制御と称する）アシストシステムが提案されている。掘削制御に関する従来技術としては、例えば、特許文献１や特許文献２に開示されているものが知られている。
　特許文献１には、ブーム、アーム、及びバケットを駆動して掘削作業を行なう建設機械であって、ブームの角度を検出するブーム角度検出器と、アームの角度を検出するアーム角度検出器と、バケットの角度を検出するバケット角度検出器と、掘削する土砂の土砂特性に関するデータを格納した記憶装置と、掘削動作を制御する制御部とを有し、制御部は、検出したブーム角度、検出したアーム角度、検出したバケット角度、及び記憶装置に格納された土砂特性に基づいて、バケットに作用する土砂の掘削反力を算出し、算出した掘削反力が予め設定した上限値より大きいか否かを判定して掘削動作を修正すべきか否かを判断する建設機械が開示されている。
　特許文献２には、ブームの対車体上下角を検出する第１センサ、及び、アームの対ブーム角を検出する第２センサを設けると共に、それら第１及び第２センサからの情報に基づいて、アーム又はバケットの先端の対車体位置を演算する演算器を設け、演算器からの情報と設定器からの情報とを比較してアーム又はバケットの先端を所定の軌跡に沿わせるように各アクチュエータを作動させる信号を発する出力器を設けたバックホウ作業車であって、演算器からの情報に基づいて、アーム又はバケットの先端が設定時間内に設定距離以上動いていない場合は過負荷であると判定する過負荷判定器を設けたバックホウ作業車が開示されている。
特開２０１１－２５２３３８号公報 特開昭６１－１４６９２９号公報
　上記特許文献１に記載の従来技術では、地面深さおよび予め入力された土砂特性をもとに、掘削動作時に土砂がフロント作業機に与える力（以下、掘削反力と称する）を取得し、その掘削反力が予め定めた上限値（以下、最大掘削力）より大きいか否かによって過負荷状態であるか否かを判定し、掘削動作の修正要否を判断したりアクチュエータ動作を制御したりしている。
　しかしながら、油圧ショベルが出力できる最大掘削力は、シリンダの最大推力や作業装置の幾何的な配置（幾何構造や関節角度）などに依存しているため、作業装置の姿勢の変化に応じて最大掘削力も変化してしまう。そのため、上記特許文献１のように予め定めた最大掘削力（上限値）に元づいて掘削動作の修正要否を判断すると、実際には最大掘削力までに余裕があるにも関わらず、掘削動作の修正を要すると判断してしまう場合がある。
　また、上記特許文献２に記載の従来技術では、予め定めた設定時間内にバケット先端が予め定めた設定距離以上動いているか否か、すなわち停止状態であるか否かに基づいて、過負荷状態であるか否かを判断している。
　しかしながら、油圧ショベルによる作業において、フロント作業機の停止状態は必ずしも掘削反力による過負荷のみに生じるわけではない。そのため、上記特許文献２では、例えば、精密整地作業中などのように、閾値以下の速度で軽掘削を行う場合などに、掘削動作の修正を要すると判断してしまう場合がある。
　本発明は上記に鑑みてなされたものであり、作業装置の速度とアクチュエータの負荷状態とに応じてアクチュエータ動作を適切に制御することにより、掘削動作をより効率よく行うことができる作業機械を提供することを目的とする。
　本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、複数の構造体からなる作業装置と、前記作業装置の複数の前記構造体をそれぞれ駆動する複数のアクチュエータと、複数の前記アクチュエータの過負荷状態をそれぞれ検出する過負荷検出装置と、前記作業装置の複数の前記構造体の動作角度および角速度をそれぞれ検出する角度・速度検出装置と、複数の前記アクチュエータを操作する操作装置と、前記複数のアクチュエータに供給される圧油の供給量を前記操作装置の操作量に応じて制御する制御装置とを備えた作業機械であって、前記制御装置は、前記過負荷検出装置の検出結果に基づいて、複数の前記アクチュエータについて過負荷状態か否かを判定するとともに、前記角度・角速度検出装置の検出結果に基づいて、複数の前記アクチュエータについて停止状態か否かを判定し、複数の前記アクチュエータのうち、過負荷状態かつ停止状態にあるアクチュエータが判定された場合には、その判定結果に基づいて選択されたアクチュエータに供給される前記圧油の供給量を補正するものとする。
　本発明によれば、作業装置の速度とアクチュエータの負荷状態とに応じてアクチュエータ動作を適切に制御することにより、掘削動作をより効率よく行うことができる。
作業機械の一例として示す油圧ショベルの外観を示す斜視図である。 コントローラの処理機能を関連構成とともに示す機能ブロック図である。 コントローラのアシスト部の処理機能を関連構成とともに示す機能ブロック図である。 コントローラの処理内容を示すフローチャートである。 操作流量の補正による指令流量算出の基本概念を説明する図である。 単独のアクチュエータが条件Ａを満たしている場合のアシスト方向の決定手法の一例を説明する図である。 単独のアクチュエータが条件Ａを満たしている場合のアシスト方向の決定手法の一例を説明する図である。 単独のアクチュエータが条件Ａを満たしている場合のアシスト方向の決定手法の一例を説明する図である。 複数のアクチュエータが条件Ａを満たしている場合のアシスト方向の決定手法の一例を説明する図である。 複数のアクチュエータが条件Ａを満たしている場合のアシスト方向の決定手法の一例を説明する図である。 複数のアクチュエータが条件Ａを満たしている場合のアシスト方向の決定手法の一例を説明する図である。 複数のアクチュエータが条件Ａを満たしている場合のアシスト方向の決定手法の一例を説明する図である。 第２の実施の形態に係るコントローラのアシスト部の処理機能を関連構成とともに示す機能ブロック図である。 アームシリンダが条件Ａを満たした場合の、経過時間とノルムの関係を定めたノルム算出テーブルの一例を示す図である。 ノルム算出テーブルを適用した場合の、操作流量の補正後におけるバケットの爪先の目標速度ベクトルの様子を示す図である。
　以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。なお、本実施の形態では、フロント作業機（作業装置）を備えた作業機械の一例として油圧ショベルを例示して説明するが、フロント作業機を有する他の作業機械においても本発明を適用することが可能である。
　また、以下の説明では、同一の構成要素が複数存在する場合、符号（数字）の末尾にアルファベットを付すことがあるが、当該アルファベットを省略して当該複数の構成要素をまとめて表記することがある。すなわち、例えば、３つの角度・角速度検出装置２０ａ，２０ｂ，２０ｃが存在するとき、これらをまとめて角度・角速度検出装置２０と表記することがある。また、説明により接続関係が明らかな信号線等については簡単のために図示を省略することがある。
　＜第１の実施の形態＞
  本発明の第１の実施の形態を図１～図１２を参照しつつ説明する。
　図１は、本実施の形態において作業機械の一例として示す油圧ショベルの外観を示す斜視図である。
　図１において、油圧ショベル１は、下部走行体１Ｃと、下部走行体１Ｃに旋回装置４を介して回動可能に取り付けられ、下部走行体１Ｃとともに車体を構成する上部旋回体１Ｂと、上部旋回体１Ｂの前部に取り付けられ、作業装置を構成するフロント作業機１Ａとを備えている。
　フロント作業機１Ａは、上部旋回体１Ｂの前部に上下方向に回動可能に取りつけられた構造体としてのブーム８と、ブーム８の先端（後段）に上下方向に回動可能に取り付けられた構造体としてのアーム９と、アーム９の先端（後段）に上下方向に回動可能に取り付けられた構造体としてのバケット１０と、アーム９とバケット１０に回動可能に取り付けられたバケットリンク１３と、上部旋回体１Ｂとブーム８とに連結され、上部旋回体１Ｂに対してブーム８を上下方向に駆動することで上部旋回体１Ｂに対するブーム８の回動角度を変更するブームシリンダ５と、ブーム８とアーム９とに連結され、ブーム８に対してアーム９を上下方向に駆動することでブーム８に対するアーム９の回動角度を変更するアームシリンダ６と、アーム９とバケットリンク１３とに連結され、バケットリンク１３を介してアーム９に対するバケット１０の回動角度を変更するバケットシリンダ７とで概略構成されている。構造体としてのバケット１０の前段にはアーム９が、アーム９の前段にはブーム８が設けられる構成を有する。
　下部走行体１Ｃは、クローラ式の左右の走行装置３（図１においては左の走行装置３のみを図示する）を備えており、左右の走行装置３は左右の走行モータ３ａ（図１においては左の走行モータ３ａのみ図示する）により駆動され、油圧ショベル１を所望の位置に移動可能とする。
　旋回装置４は、下部走行体１Ｃと上部旋回体１Ｂの回動角度を変更する旋回モータ１１を備えている。
　上部旋回体１Ｂの前部のフロント作業機１Ａの脇には、運転室を形成するキャビン１２が配置されている。キャビン１２内のオペレータが着座する運転席の後側には、油圧ショベル１の全体の動作を制御するコントローラ２２（制御装置）が配置されている。また、キャビン１２内の運転席の前部左右には、オペレータの操作によりブーム８、アーム９、バケット１０、及び、上部旋回体１Ｂの動作（速度と方向）を指示する操作信号を生成する操作装置２が配置されている。なお、運転席の前側には、左右の走行装置３の動作（速度と方向）を指示する操作信号を生成する操作装置も配置されている。
　ブーム８、アーム９、及び、バケット１０には、水平面に対する角度（動作角度）や動作による角速度を検出するブーム角度・角速度検出装置２０ａ、アーム角度・角速度検出装置２０ｂ、及び、バケット角度・角速度検出装置２０ｃがそれぞれ設けられている。なお、バケット角度・角速度検出装置２０ｃは、バケット１０に代えてバケットリンク１３に設置されるものであっても良い。以降、ブーム角度・角速度検出装置２０ａ、アーム角度・角速度検出装置２０ｂ、及び、バケット角度・角速度検出装置２０ｃをまとめて、角度・角速度検出装置２０と称する場合がある。
　角度・角速度検出装置２０は、例えば、ＩＭＵ(Inertial Measurement Unit：慣性計測装置)である。ただし、角度・角速度検出装置２０としては、角度および角速度を計測・演算できれば良く、例えば、ポテンショ・ジャイロ装置のような直接的に角度・角速度を計測する装置や、計測した角速度を数値微分・積分演算する装置、あるいは、それらの組み合わせの構成を用いても良い。
　ブームシリンダ５には、ブームシリンダ５のボトム側の圧力（ボトム圧）とロッド側の圧力（ロッド圧）を検出する圧力センサ２５ａが設けられている。また、アームシリンダ６には、アームシリンダ６のボトム側の圧力（ボトム圧）とロッド側の圧力（ロッド圧）を検出する圧力センサ２５ｂが設けられている。同様に、バケットシリンダ７には、バケットシリンダ７のボトム側の圧力（ボトム圧）とロッド側の圧力（ロッド圧）を検出する圧力センサ２５ｃが設けられている。
　圧力センサ２５ａ，２５ｂ，２５ｃは、コントローラ２２に設けられた機能部（図示せず）とともに、ブームシリンダ５、アームシリンダ６、及び、バケットシリンダ７の推力とこれらシリンダの機器性能としての耐圧仕様、またはこれらシリンダを駆動する油圧回路上の制限値（圧力）とからブームシリンダ５、アームシリンダ６、及び、バケットシリンダ７の過負荷状態をそれぞれ検出するブーム過負荷検出装置６１ａ、アーム過負荷検出装置６１ｂ、及び、バケット過負荷検出装置６１ｃを構成する。以降、ブーム過負荷検出装置６１ａ、アーム過負荷検出装置６１ｂ、及び、バケット過負荷検出装置６１ｃをまとめて過負荷検出装置６１と称する場合がある。
　過負荷検出装置６１によるブームシリンダ５、アームシリンダ６、及び、バケットシリンダ７の過負荷状態の判定は、下記（式１）及び（式２）に基づいて行い、上記（式１）又は（式２）を満たした場合に過負荷状態であると判定する。
　Ｐｉ＿ｂｔｍ≧Ｐｓａｔ＿ｉ　・・・（式１）
　Ｐｉ＿ｒｏｄ≧Ｐｓａｔ＿ｉ　・・・（式２）
　上記（式１）及び（式２）において、Ｐｉ＿ｂｔｍ，Ｐｉ＿ｒｏｄは圧力センサ２５による計測圧力を、Ｐｓａｔ＿ｉは耐圧仕様を、ｉはブームシリンダ５、アームシリンダ６、及び、バケットシリンダ７の何れを対象としているかをそれぞれ示しており、例えば、Ｐｂｍ＿ｂｔｍ≧Ｐｓａｔ＿ｂｍ（上記（式１）参照）、又は、Ｐｂｍ＿ｒｏｄ≧Ｐｓａｔ＿ｂｍ（上記（式２）参照）を満たす場合に、ブームシリンダ５のボトム側が過負荷状態であると判定する。なお、過負荷検出装置６１での演算に用いる耐圧仕様は、油圧回路構成でボトム側あるいはロッド側に接続されるリリーフ弁（所謂、オーバロードリリーフ弁）が配されている場合には、耐圧仕様と油圧回路上の制限値であるリリーフ弁セット圧のうちの低い方を用いてもよい。
　図２は、コントローラの処理機能を関連構成とともに示す機能ブロック図である。
　図２において、コントローラ２２は、操作装置２の操作状態（操作方向、操作量）に基づいてブームシリンダ５、アームシリンダ６およびバケットシリンダ７に供給されるべき圧油の供給量である操作流量を演算する操作流量演算部２０２と、角度・角速度検出装置２０で検出された角速度に基づいて、ブームシリンダ５、アームシリンダ６、バケットシリンダ７（以降、まとめてアクチュエータと称する場合がある）が動作させるブーム８、アーム９、バケット１０などのそれぞれの構造体と、その前段の構造体（例えば、アーム９に対するブーム８）が停止状態であるか否かを判定する停止状態演算部２０３と、操作流量演算部２０２からの操作流量、過負荷検出装置６１からの過負荷状態（過負荷状態であるか否かを示す情報）、角度・角速度検出装置２０からの角度、及び、停止状態演算部２０３からの停止状態（停止状態であるか否かを示す情報）に基づいて、アクチュエータ５，６，７の指令流量を演算して出力するアシスト部２０１とを有している。
　なお、操作流量演算部２０２で演算される操作流量は、操作流量に関する情報が含まれていればよく、例えば、遠隔操作装置やサーバ上の自動システムなどのような外部の別システムから操作流量を指示してもよい。
　図３は、コントローラのアシスト部の処理機能を関連構成とともに示す機能ブロック図である。
　図３において、アシスト部２０１は、上方方向指定部３０１、爪先位置演算部３０２、全過負荷時動作可能方向演算部３０３、修正アクチュエータ演算部３０４、過負荷時動作可能方向演算部３０５、動作方向決定部３０６、及び、指令流量演算部３０７を有している。
　上方方向指定部３０１は、例えば、操作装置２における事前の入力により、重力ベクトルの反対方向（鉛直上方向）を指定する。なお、操作装置２による事前の入力ではなく、例えば、上部旋回体１Ｂに慣性計測装置（ＩＭＵ）を配置し、その検出結果に基づく自動入力により、上部旋回体１Ｂの上方に該当する方向を指定するように構成しても良い。
　爪先位置演算部３０２は、角度・角速度検出装置２０からの検出結果（角度）に基づいて、バケット１０の爪先の車体座標系における位置座標を演算する。
　全過負荷時動作可能方向演算部３０３は、上方方向指定部３０１からの指定内容（鉛直上方向）と、爪先位置演算部３０２からの演算結果（爪先座標）とに基づいて、全過負荷時におけるバケット１０の爪先移動の目標方向及び目標速度を示す全過負荷時目標速度ベクトルを演算する。
　修正アクチュエータ演算部３０４は、停止状態演算部２０３からの演算結果（構造体とその前段の構造体が停止状態であるか否かを示す情報）と、過負荷検出装置６１からの検出結果（過負荷であるか否かを示す情報）とに基づいて操作流量を修正して圧油の供給量を補正するアクチュエータ５，６，７を判定する。
　過負荷時動作可能方向演算部３０５は、角度・角速度検出装置２０からの検出結果（角度）と、修正アクチュエータ演算部３０４からの演算結果（修正するアクチュエータの情報）とに基づいて、過負荷時におけるバケット１０の爪先移動の目標方向及び目標速度を示す過負荷時目標速度ベクトルを演算する。
　動作方向決定部３０６は、全過負荷時動作可能方向演算部３０３からの演算結果（全過負荷時目標速度ベクトル）と、過負荷時動作可能方向演算部３０５からの演算結果（過負荷時目標速度ベクトル）と、修正アクチュエータ演算部からの演算結果（修正するアクチュエータの情報）とに基づいて、バケット１０の爪先の目標速度ベクトルを演算する。
　指令流量演算部３０７は、動作方向決定部３０６からの演算結果（目標速度ベクトル）と、操作流量演算部２０２からの演算結果（操作流量）と、角度・角速度検出装置２０からの検出結果（角度）に基づいて、アクチュエータ５，６，７への指令流量を演算して決定し、アクチュエータ５，６，７に出力する。具体的には、動作方向決定部３０６からのバケット１０の爪先の目標速度ベクトルに対してヤコビアン行列などを用いてシリンダの目標速度に変換することで、指令流量を演算する。
　図４は、コントローラの処理内容を示すフローチャートである。
　図４において、コントローラ２２は、まず、アクチュエータ５，６，７のそれぞれについて過負荷状態であり、かつ、各アクチュエータ５，６，７に対応した構造体（ブーム８、アーム９、バケット１０）が停止状態である条件（条件Ａ）を満たすアクチュエータを演算する（ステップＳ１００）。
　続いて、条件Ａを満たすアクチュエータが無いか否かを判定し（ステップＳ１１０）、判定結果がＹＥＳの場合、すなわち、全てのアクチュエータ（ブームシリンダ５、アームシリンダ６、及び、バケットシリンダ７）が条件Ａを満たさない場合には、操作流量演算部２０２の演算結果（操作流量）を補正せずに指令流量としてアクチュエータ５，６，７に出力し（ステップＳ１１１）、処理を終了する。ステップＳ１１０の処理では、条件Ａを満たすアクチュエータが無い場合には操作流量の補正を行わない（ステップＳ１１１参照）ことで、処理の効率化を図る。
　また、ステップＳ１１０での判定結果がＮＯの場合、すなわち、条件Ａを満たすアクチュエータが有ると判定された場合には、条件Ａを満たすと判定されたアクチュエータが、予め定めた時間（所定時間）以上の間継続して条件Ａを満たしているか否か（言い換えると、アクチュエータが条件Ａを満たしてから所定時間以上が経過したか否か）を判定する（ステップＳ１２０）。ステップＳ１２０の処理を行うのは、アクチュエータが条件Ａを満たしてから所定時間が経過所定時間が経過した場合（ＹＥＳ）は、操作流量の補正によってもアクチュエータの状態が改善されない状態であるため、操作流量の補正を中断し、オペレータへの報知（表示）を行うことで、オペレータに現状の確認及び対応を促し、処理の効率化を図るためである。
　ステップＳ１２０の判定結果がＹＥＳの場合、すなわち、予め定めた時間以上の間継続して条件Ａを満たしている（すなわち、アクチュエータが条件Ａを満たしてから所定時間が経過した）と判定された場合には、操作流量演算部２０２の演算結果（操作流量）を修正せずに指令流量としてアクチュエータ５，６，７に出力するとともに、操作流量の補正を中断する旨を表示装置２３に表示してオペレータに報知し（ステップＳ１２１）、処理を終了する。なお、ステップＳ１２１の処理の中断後における次のステップＳ１００の処理への復帰は、全ての操作流量が一度０（ゼロ）になること（操作装置を中立にすること）やロックレバーを上げること、キーオフすることなどを契機とすることが考えられる。
　また、ステップＳ１２０での判定結果がＮＯの場合、すなわち、条件Ａを満たすアクチュエータがその条件Ａを所定時間以上満たしていない（すなわち、アクチュエータが条件Ａを満たしてから所定時間が経過していない）と判定された場合には、全てのアクチュエータが条件Ａを満たしているか否かを判定する（ステップＳ１３０）。
　ステップＳ１３０での判定結果がＹＥＳの場合、すなわち、全てのアクチュエータが条件Ａを満たしていると判定された場合には、全てのアクチュエータを操作流量を補正するアクチュエータとして選択し、全てのアクチュエータの操作流量を補正した指令流量を算出してアクチュエータ５，６，７に出力し（ステップＳ１３１）、処理を終了する。また、ステップＳ１３０での判定結果がＮＯの場合は、後述のようにステップＳ１４０に進み、条件Ａを満たさないアクチュエータを補正対象のアクチュエータとして選択し、そのアクチュエータの操作流量の補正を行って処理を終了する。
　図５は、操作流量の補正による指令流量算出の基本概念を説明する図である。
　図５においては、ある時刻ｎにおけるバケット１０の爪先の位置ｘを爪先位置ｘｎ、爪先位置ｘｎに至るよりも前の時刻ｎ－１におけるバケット１０の爪先の位置ｘを爪先位置ｘｎ－１、時刻ｎにおいてバケット１０の爪先がすでに通過した方向をベクトルＸ＝ｘｎ－１－ｘｎ、上方方向指定部３０１で指定した鉛直上方向をベクトルｖで示している。なお、爪先位置ｘｎ，ｘｎ－１における添字ｎは、コントローラ２２のクロック刻み時間を示す変数を定義したものであり、・・・，ｎ－１，ｎ，ｎ＋１，・・・（ｎは正の整数）のように変化するが、過去の爪先位置ｘを参照できればよく、例えば、予め定めた時間あるいは距離だけ遡ってもよい。
　図５に示すように、図４のステップＳ１３１においては、例えば、バケット１０の爪先位置ｘｎの進行方向（ベクトルｘ）が、逆方向（すでに通過した位置ｘｎ－１に向かう方向であってベクトルXに逆向きに沿う方向）から上方方向指定部３０１で指定した鉛直上方向（ベクトルｖ）の間（すなわち、図５の斜線で示す範囲）となるように、ブームシリンダ５、アームシリンダ６、及び、バケットシリンダ７の操作流量を補正して指令流量を算出する。具体的には、操作流量の補正による指令流量の算出は、各アクチュエータ５，６，７の負荷が低減するように（過負荷状態が解消するように）フロント作業機１Ａを動作させることを目的の一つとしており、地面などの掘削対象物に対するフロント作業機１Ａの力の作用点（ここでは、バケット１０の爪先位置）の移動方向が、掘削済みであって土砂が無い方向、すなわち、図５に斜線で示した範囲となるように指令流量を算出している（すなわち、操作流量を補正している）。なお、掘削負荷と掘削深度とに一定の相関がある点に着目し、バケット１０の爪先位置の移動方向が掘削深度を浅くする方向、すなわち、掘削対象の地表面に対する垂直方向から鉛直上方向の間の方向となるように、各アクチュエータ５，６，７の操作流量を補正して指令流量を算出するようにしても良い。
　図４のステップＳ１３０での判定結果がＮＯの場合、すなわち、条件Ａを満たさないアクチュエータが有る場合には、条件Ａを満たさないアクチュエータについて操作流量を補正して指令流量を算出し、アクチュエータ５，６，７に出力して（ステップＳ１４０）、処理を終了する。具体的には、条件Ａを満たしていないアクチュエータが有る場合、すなわち、ブームシリンダ５、アームシリンダ６、バケットシリンダ７の少なくとも１つが条件Ａを満たしていない場合には、条件Ａを満たしているアクチュエータについては、操作流量演算部２０２の演算結果の操作流量を指令流量としてそのアクチュエータに出力する。また、条件Ａを満たしていないアクチュエータについては、条件Ａを満たしていないアクチュエータによるバケットの爪先位置の進行方向が、条件Ａを満たしているアクチュエータによる爪先位置の進行方向に対して垂直方向となるように、操作流量を補正して指令流量を演算し、条件Ａを満たしていないアクチュエータに出力する。
　ここで、図４のステップＳ１４０の処理、すなわち、操作流量の補正による指令流量の演算におけるバケット１０の爪先位置の移動方向（アシスト方向）の決定手法について詳細に説明する。本実施の形態で例示しているフロント作業機１Ａを考えると、ステップＳ１４０の取り得る状態としては、複数（２つ）のアクチュエータが条件Ａを満たしている場合と、単独（１つ）のアクチュエータが条件Ａを満たしている場合とが考えられる。
　図６～図８は、単独のアクチュエータが条件Ａを満たしている場合のアシスト方向の決定手法の一例を説明する図であり、ブームシリンダのみが条件Ａを満たしている場合を例示している。図６～図８中のＢＭはブーム８を、ＡＭはアーム９をＢＫはバケット１０を模式的に示している。
　フロント作業機１Ａにおける、あるアクチュエータによるバケット１０の爪先の運動は、アクチュエータが回転させる軸周りの運動である。したがって、図６に示すように、単独のアクチュエータが条件Ａを満たしている場合には、条件Ａを満たしているアクチュエータによるバケット１０の爪先の目標速度ベクトルは、条件Ａを満たしているアクチュエータが動作させる構造体の前段側（ブーム８の場合はブーム８の基端側）の回転軸とバケット１０の爪先とを結んだベクトルとなる。
　この場合、条件Ａを満たしているアクチュエータによるバケット１０の爪先の目標速度ベクトルに対して、垂直に最も近い方向にバケット１０の爪先を移動させるように、条件Ａを満たしていない他のアクチュエータでアシストを行う。
　図６に示すように、ブームシリンダ５のみが条件Ａを満たしている場合、垂直に最も近い方向としては、上述のベクトルに対して＋９０（ｄｅｇ）の方向と－９０（ｄｅｇ）の方向の二解が存在する（図６参照）。これら二解のうちどちらを選択するかは、例えば、以下のような２つの選択方法がある。
　１つ目の選択方法（以降、選択方法１と称する）としては、予め定められた方向に介入するよう選択する場合が考えられる。この場合には、条件Ａを満たしたアクチュエータ（ブーム８，アーム９，バケット１０）のそれぞれに対して＋９０（ｄｅｇ）、或いは、－９０（ｄｅｇ）のどちらを選択するかを予め設定しておく。
　２つ目の選択方法（以降、選択方法２と称する）としては、現在の動作方向に合わせるように選択する場合が考えられる。この場合には、例えば、ブームシリンダ５が条件Ａを満たした際に、介入を行うアーム９及びバケット１０の角速度を計測し、アーム９及びバケット１０の角速度による爪先の方向速度ベクトルを演算し（図７参照）、二解のうちの爪先の方向速度ベクトルとなす角が小さい方の解を選択する（図８参照）。選択方法２により介入方向を選択することで、現在の動作に対する変化が少なくなり、オペレータの違和感が生じにくいアシストを行うことができる。
　なお、選択方法１および選択方法２は、条件Ａを満たしている単独のアクチュエータがアーム９やバケット１０である場合にも同様に適用可能である。
　図９～図１２は、複数のアクチュエータが条件Ａを満たしている場合のアシスト方向の決定手法の一例を説明する図であり、ブームシリンダとアームシリンダとが条件Ａを満たしている場合を例示している。図９～図１２中のＢＭはブーム８を、ＡＭはアーム９をＢＫはバケット１０を模式的に示している。
　図９に示すように、複数のアクチュエータが条件Ａを満たしている場合には、条件Ａを満たしているアクチュエータによるバケット１０の爪先の目標速度ベクトルは、条件Ａを満たしている複数のアクチュエータのそれぞれについて求められる。
　具体的には、図９及び図１０に示すように、ブームシリンダ５による動作方向ｖＢＭ、及び、アームシリンダ６による方向ｖＡＭの二つの動作方向があり、それら二つのベクトルのそれぞれと、残ったアクチュエータ（ここでは、バケットシリンダ７）により爪先が動作可能な速度ベクトルとのなす角の合計が最小になる方向に、バケット１０の爪先を移動させるよう条件Ａを満たしていない他のアクチュエータでアシストを行う。
　ブームシリンダ５及びアームシリンダ６が条件Ａを満たしている場合、バケットシリンダ７により爪先が動作可能な方向の速度ベクトルは、プラス方向（動作可能な方向（１））のベクトルｖＢＫ１とマイナス方向（動作可能な方向（２））のベクトルｖＢＫ２の二つが存在する（図１０参照）。
　図１１及び図１２に示すように、各ベクトルのなす角としてはθＢＭ１，θＢＭ２，θＡＭ１，θＡＭ２があり、これらのなす角は、ベクトルの内積の定義と余弦定理とにより求められる関数ｆを用いて下記の（式３）～（式６）により求められる。
　θＢＭ１＝ｆ（ｖＢＫ１，ｖＢＭ）　・・・（式３）
　θＢＭ２＝ｆ（ｖＢＫ２，ｖＢＭ）　・・・（式４）
　θＡＭ１＝ｆ（ｖＢＫ１，ｖＡＭ）　・・・（式５）
　θＡＭ２＝ｆ（ｖＢＫ２，ｖＡＭ）　・・・（式６）
　アシスト動作は、各なす角の関係に応じて目標速度ベクトルを設定することにより行う。
　具体的には、下記（式７）を満たす場合には、ベクトルｖＢＫ１を目標速度ベクトルとする。
　θＢＭ１＋θＡＭ１＜θＢＭ２＋θＡＭ２　・・・（式７）
　また、下記（式８）を満たす場合には、ベクトルｖＢＫ２を目標速度ベクトルとする。
　θＢＭ１＋θＡＭ１＞θＢＭ２＋θＡＭ２　・・・（式８）
　なお、下記（式９）を満たす場合には、ベクトルｖＢＫ１とベクトルｖＢＫ２の何れを目標速度ベクトルとするかを予め設定しておき、設定したベクトルを目標速度ベクトルとする。
　θＢＭ１＋θＡＭ１＝θＢＭ２＋θＡＭ２　・・・（式９）
　なお、上記の目標速度ベクトルの設定方法は、条件Ａを満たしている複数のアクチュエータがブーム８とバケット１０である場合、或いは、アーム９とバケット１０である場合にも同様に適用可能である。
　以上のように構成した本実施の形態においては、角度・角速度検出装置２０の検出結果に基づいて、フロント作業機（作業装置）１Ａの過負荷状態による停止状態を適切に判別し、修正の要否を適切に判定することができるとともに、過負荷状態かつ停止状態のアクチュエータとは異なるアクチュエータの操作流量を補正することにより、掘削力をできるだけ維持したまま過負荷状態の解消を図ることができ、掘削動作をより効率よく行うことができる。
　＜第２の実施の形態＞
  本発明の第２の実施の形態を図１３～図１６を参照しつつ説明する。なお、本実施の形態において、第１の実施の形態と同様の部材について同じ符号を用いて説明し、適宜説明を省略する。
　図１３は、本実施の形態に係るコントローラのアシスト部の処理機能を関連構成とともに示す機能ブロック図である。
　図１３において、アシスト部２０１Ａは、上方方向指定部３０１、爪先位置演算部３０２、全過負荷時動作可能方向演算部３０３、修正アクチュエータ演算部３０４、過負荷時動作可能方向演算部３０５、時間ノルム関係記録部７０１、動作方向決定部３０６Ａ、及び、指令流量演算部３０７を有している。
　上方方向指定部３０１は、例えば、操作装置２における事前の入力により、重力ベクトルの反対方向（鉛直上方向）を指定する。なお、操作装置２による事前の入力ではなく、例えば、上部旋回体１Ｂに慣性計測装置（ＩＭＵ）を配置し、その検出結果に基づく自動入力により、上部旋回体１Ｂの上方に該当する方向を指定するように構成しても良い。
　爪先位置演算部３０２は、角度・角速度検出装置２０からの検出結果（角度）に基づいて、バケット１０の爪先の車体座標系における位置座標を演算する。
　全過負荷時動作可能方向演算部３０３は、上方方向指定部３０１からの指定内容（鉛直上方向）と、爪先位置演算部３０２からの演算結果（爪先座標）とに基づいて、全過負荷時におけるバケット１０の爪先移動の目標方向及び目標速度を示す全過負荷時目標速度ベクトルを演算する。
　修正アクチュエータ演算部３０４は、停止状態演算部２０３からの演算結果（停止状態であるか否かを示す情報）と、過負荷検出装置６１からの検出結果（過負荷であるか否かを示す情報）とに基づいて、操作流量を補正するアクチュエータ５，６，７を判定する。
　過負荷時動作可能方向演算部３０５は、角度・角速度検出装置２０からの検出結果（角度）と、修正アクチュエータ演算部３０４からの演算結果（操作流量を補正するアクチュエータの情報）とに基づいて、過負荷時におけるバケット１０の爪先移動の目標方向及び目標速度を示す過負荷時目標速度ベクトルを演算する。
　時間ノルム関係記録部７０１は、過負荷状態かつ停止状態の条件（条件Ａ）が満たされてからの経過時間と、バケット１０の爪先の目標速度ベクトルのノルム（大きさ）の関係を予め定めたノルム算出テーブルを記録している。
　図１４は、アームシリンダが条件Ａを満たした場合の、経過時間とノルムの関係を定めたノルム算出テーブルの一例を示す図である。
　図１４に示すように、ノルム算出テーブルでは、条件Ａが満たされてからの経過時間（ｔ）が増加するのに応じてバケット１０の爪先の目標速度ベクトルのノルムが大きくなるように設定されている。例えば、時間ｔｎのときには目標速度ベクトルのノルムをｋｎとし、経過時間が増加して時間ｔｍとなったときには目標速度ベクトルのノルムも増加してｋｍとなる。なお、図１４においては、経過時間の増加に比例して目標速度のノルムが増加する場合を例示しているが、ノルム算出テーブルは、経過時間の増加に応じて目標速度のノルムが増加するように設定すれば良く、例えば、直線的（比例）ではない曲線的な関係を示すノルム算出テーブルを設定しても良い。
　動作方向決定部３０６Ａは、全過負荷時動作可能方向演算部３０３からの演算結果（全過負荷時目標速度ベクトル）と、過負荷時動作可能方向演算部３０５からの演算結果（過負荷時目標速度ベクトル）と、修正アクチュエータ演算部からの演算結果（操作流量を補正するアクチュエータの情報）と、時間ノルム関係記録部７０１のノルム算出テーブルとに基づいて、バケット１０の爪先の目標速度ベクトルを演算する。
　動作方向決定部３０６Ａでは、修正アクチュエータ演算部３０４で修正対象であると判断されたアクチュエータが操作状態（Ｔｒｕｅ状態）になってからの維持時間を記録し、ノルム算出テーブルに基づいて、経過時間に応じてバケット１０の爪先の目標速度ベクトルのノルムを増加させる。なお、対象のアクチュエータが非操作状態（Ｆａｌｓｅ状態）となった場合には、維持時間のカウントをリセットする。
　図１５は、ノルム算出テーブルを適用した場合の、操作流量の補正後におけるバケットの爪先の目標速度ベクトルの様子を示す図である。図１５中のＢＭはブーム８を、ＡＭはアーム９をＢＫはバケット１０を模式的に示している。
　図１５に示すように、経過時間ｔｎの場合のノルムｋｎよりも、経過時間ｔｍの場合のノルムｔｍの方が大きくなるように、目標速度ベクトルが設定される。すなわち、アクチュエータの操作流量の補正後における目標速度ベクトルの大きさが、過負荷状態かつ停止状態となってからの経過時間に応じて増加すると言える。
　指令流量演算部３０７Ａは、動作方向決定部３０６からの演算結果（目標速度ベクトル）と、操作流量演算部２０２からの演算結果（操作流量）と、角度・角速度検出装置２０からの検出結果（角度）に基づいて、アクチュエータ５，６，７への指令流量を演算して決定し、アクチュエータ５，６，７に出力する。具体的には、動作方向決定部３０６からのバケット１０の爪先の目標速度ベクトルに対してヤコビアン行列などを用いてシリンダの目標速度に変換することで、指令流量を演算する。
　その他の構成は第１の実施の形態と同様である。
　以上のように構成した本実施の形態においても第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
　これに加えて、過負荷状態かつ停止状態の条件Ａを満たしてからの経過時間に応じてアクチュエータへの圧油の供給量（操作流量）が大きくなるように補正するので、過負荷による構造体の停止状態をより早く解消することができる。
　＜付記＞
  なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内の様々な変形例や組み合わせが含まれる。また、本発明は、上記の実施の形態で説明した全ての構成を備えるものに限定されず、その構成の一部を削除したものも含まれる。また、上記の各構成、機能等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等により実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。
　１…油圧ショベル、１Ａ…フロント作業機（作業装置）、１Ｂ…上部旋回体、１Ｃ…下部走行体、２…操作装置、３…走行装置、３ａ…走行モータ、４…旋回装置、５…ブームシリンダ、６…アームシリンダ、７…バケットシリンダ、８…ブーム、９…アーム、１０…バケット、１１…旋回モータ、１２…キャビン、１３…バケットリンク、２０ａ，２０ｂ，２０ｃ…角度・角速度検出装置、２２…コントローラ、２３…表示装置、２５ａ，２５ｂ，２５ｃ…圧力センサ、６１ａ，６１ｂ，６１ｃ…過負荷検出装置、２０１，２０１Ａ…アシスト部、２０２…操作流量演算部、２０３…停止状態演算部、３０１…上方方向指定部、３０２…爪先位置演算部、３０３…全過負荷時動作可能方向演算部、３０４…修正アクチュエータ演算部、３０５…過負荷時動作可能方向演算部、３０６，３０６Ａ…動作方向決定部、３０７，３０７Ａ…指令流量演算部、７０１…時間ノルム関係記録部

Claims (6)

  1. 　複数の構造体からなる作業装置と、
    　前記作業装置の複数の前記構造体をそれぞれ駆動する複数のアクチュエータと、
    　複数の前記アクチュエータの過負荷状態をそれぞれ検出する過負荷検出装置と、
    　前記作業装置の複数の前記構造体の動作角度および角速度をそれぞれ検出する角度・速度検出装置と、
    　複数の前記アクチュエータを操作する操作装置と、
    　前記複数のアクチュエータに供給される圧油の供給量を前記操作装置の操作量に応じて制御する制御装置とを備えた作業機械であって、
    　前記制御装置は、
    　前記過負荷検出装置の検出結果に基づいて、複数の前記アクチュエータについて過負荷状態か否かを判定するとともに、前記角度・角速度検出装置の検出結果に基づいて、複数の前記アクチュエータについて停止状態か否かを判定し、
    　複数の前記アクチュエータのうち、過負荷状態かつ停止状態にあるアクチュエータが判定された場合には、その判定結果に基づいて選択されたアクチュエータに供給される前記圧油の供給量を補正することを特徴とする作業機械。
  2. 　請求項１記載の作業機械において、
    　前記制御装置は、
    　複数の前記アクチュエータのうち、一部の前記アクチュエータが過負荷状態かつ停止状態であると判定された場合には、過負荷状態かつ停止状態にあるアクチュエータとは異なるアクチュエータへ供給される前記圧油の供給量を補正することを特徴とする作業機械。
  3. 　請求項１記載の作業機械において、
    　前記制御装置は、
    　複数の前記アクチュエータのうち、全ての前記アクチュエータが過負荷状態かつ停止状態であると判定された場合には、全ての前記アクチュエータへ供給される前記圧油の供給量を補正することを特徴とする作業機械。
  4. 　請求項２または３に記載の作業機械において、
    　前記制御装置は、過負荷状態かつ停止状態にあるアクチュエータがあると判定された場合は、その過負荷状態かつ停止状態にある時間が予め定めた時間よりも短い場合に、前記アクチュエータへ供給される前記圧油の供給量を補正することを特徴とする作業機械。
  5. 　請求項１記載の作業機械において、
    　前記制御装置により前記アクチュエータへ供給される前記圧油の供給量が補正された後の前記作業装置の先端の速度ベクトルは、過負荷状態にありかつ停止状態にあるアクチュエータにより前記作業装置の先端が動作する方向ベクトルに対して垂直に近い向きであることを特徴とする作業機械。
  6. 　請求項１記載の作業機械において、
    　前記制御装置は、
    　前記アクチュエータへ供給される前記圧油の供給量の補正後における前記作業装置の先端の速度ベクトルの大きさが、前記アクチュエータが過負荷状態にあり、かつ停止状態となってからの経過時間に応じて増加するように、前記アクチュエータへ供給される前記圧油の供給量を補正することを特徴とする作業機械。
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