JP2014528528A

JP2014528528A - 掘削機を利用した平坦化整地作業制御システム

Info

Publication number: JP2014528528A
Application number: JP2014534448A
Authority: JP
Inventors: チュンハンイ
Original assignee: ボルボコンストラクションイクイップメントアーベー
Priority date: 2011-10-05
Filing date: 2011-10-05
Publication date: 2014-10-27
Anticipated expiration: 2031-10-05
Also published as: US20140244118A1; US9145657B2; KR20140071376A; JP5903165B2; CN103857844B; EP2765240A1; CN103857844A; WO2013051737A1; EP2765240A4

Abstract

【課題】作業効率を向上させ掘削機を利用した平坦化整地作業制御システムを提供する。【解決手段】掘削機を利用した平坦化整地作業制御システムは、ジョイスティック操作による制御信号値と、圧力検出手段により検出されるアームシリンダの圧力値と、作業モード設定の有無の入力を受けるステップＳ１００と、平坦化整地作業モードの設定の有無を判断するステップＳ２００と、平坦化整地作業モードが設定されると、アームシリンダに発生する圧力値によって作業装置に加えられる外力を計算するステップＳ３００と、計算された外力値によってアームの姿勢を推定するステップＳ４００と、アームの姿勢をフィルタリングして信号処理するステップＳ５００と、推定されるアームの姿勢と、運転者によるジョイスティックの操作による制御信号値とを組み合わせて、ブーム及びアームの操作量を計算して、初期ステップに移行するステップＳ６００と、を繰り返す。【選択図】４

Description

本発明は、掘削機を利用した平坦化整地作業制御システムに係り、より詳細にはブーム操作レバーとアーム操作レバーを操作して地面を平坦化させる整地作業を行う際、作業装置の推定される姿勢と運転者によるジョイスティックの操作信号を組み合わせて、作業装置（ブームとアームをいう）操作量を決めて制御できるようにした掘削機を利用した平坦化作業制御システムに関する。

一般に、掘削機を利用して平坦化整地作業を行う場合、ブーム、アームなどからなる作業装置の複雑なリンク構造によってバケット終端の軌跡を線型に制御するために、運転経験の豊富な熟練した運転者の適切な操作パターンが求められる。このような操作を円滑に行うために、作業装置の姿勢を測定するための角度センサ、またはシリンダ変位センサなどを備えて軌跡を制御する自動化技術が試みられている。

しかしながら、このような自動化された平坦化整地作業は、コストがかかり、自動機能遂行中に運転者の作業装置の操作量とは無関係に、任意に設定された速度で作業装置の作動が限定される。また、運転者が異なる形態の作業を併行する際、毎回自動機能設定及び自動機能解除などを繰り返し変更しなければならないため、運転者の作業疲労度を加重させて作業能率が低下する問題がある。

本発明は、非熟練者は地面を平坦に均す整地作業を円滑に行って、熟練者は繰り返し行う整地作業による疲労度を低減し作業効率を向上させるようにした掘削機を利用した平坦化整地作業制御システムを提供する。

本発明の掘削機を利用した平坦化整地作業制御システムは、
可変容量型油圧ポンプと、前記可変容量型油圧ポンプに接続される少なくとも一つ以上の油圧アクチュエータと、前記油圧アクチュエータにより駆動されるブーム、アーム等を含む作業装置と、前記油圧ポンプと前記油圧アクチュエータとの間の流路に設置されて、切換時に前記油圧アクチュエータを駆動させる制御弁と、少なくとも一つ以上の電気式のジョイスティックと、前記油圧アクチュエータに発生する圧力を検出する圧力検出手段と、作業モードを設定する手段と、前記制御弁を切換させる制御信号を出力する制御器と、を備える掘削機を利用した平坦化整地作業制御システムにおいて、
前記ジョイスティックの操作による制御信号値と、前記圧力検出手段により検出されるアームシリンダの圧力値と、作業モード設定の有無の入力を受けるステップと、
平坦化整地作業モードが設定されると、前記アームシリンダに発生する圧力値によって作業装置に加えられる外力を計算するステップと、
計算された外力値によって前記アームの姿勢を推定するステップと、
前記アームの姿勢をフィルタリングして信号処理するステップと、
推定される前記アームの姿勢の信号値と、運転者による前記ジョイスティックの操作による制御信号値とを制御器が組み合わせて、前記ブーム及び前記アームの操作量を計算して、初期ステップに移行するステップと、を繰り返すことからなることを特徴とする。

より好ましくは、前記圧力検出手段として、アームシリンダに発生する圧力を検出して、検出信号を制御器に伝送する圧力センサが用いられる。
前記圧力検出手段として、アームシリンダの供給側圧力が設定された圧力に到達すると、オン／オフされて信号を発生させる圧力スイッチが用いられる。
前述した作業モードを設定する手段として、ジョイスティックに備わるスイッチが用いられる。
前述した作業モードを設定する手段として、運転室内に備わるスイッチが用いられる。
前述した作業モードを設定する手段として、運転室内に備わるモニタが用いられる。

前述した構成を有する本発明の掘削機を利用した平坦化整地作業制御システムは以下のメリットを有する。

掘削機を利用して、地面を平坦化させる整地作業を行うために、平坦化整地作業モードを選択時に、作業装置の推定される姿勢の信号と運転者によるジョイスティック操作信号を組み合わせて、ブーム及びアームの駆動を制御するため、平坦整地作業操作が簡単になり、繰り返し行う整地作業による疲労度を低減しながら作業性を向上させることが可能になる。

本発明の一実施形態による掘削機を利用した平坦化整地作業制御システムの電気構成図である。本発明の一実施形態による掘削機を利用した平坦化整地作業制御システムにおいて、平坦化整地作業時にアームシリンダに作用する重力の大きさと方向を示す図である。本発明の一実施形態による掘削機を利用した平坦化整地作業制御システムにおいて、平坦化整地作業時に運転者によるジョイスティック操作とアームシリンダに作用する重力の相関関係を示す図である。本発明の一実施形態による掘削機を利用した平坦化整地作業制御システムを示すフローチャートである。

以下、添付図面に基づき、本発明の好適な実施形態について詳述するが、これは本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者が発明を容易に実施できる程度に詳細に説明するためのものであり、これにより本発明の技術的な思想及び範疇が限定されることはない。

図１乃至図４に示す本発明の一実施形態による掘削機を利用した平坦化整地作業制御システムは、可変容量型油圧ポンプ１０（以下「油圧ポンプ」という）と、油圧ポンプ１０に接続される少なくとも一つ以上の油圧アクチュエータ１１、１２（以下、アクチュエータをいう）と、アクチュエータ１１、１２により駆動されるブーム１３、アーム１４等を含む作業装置１５と、油圧ポンプ１０とアクチュエータ１１、１２との間の流路に設置されて、切換時にアクチュエータ１１、１２を駆動させる制御弁１６、１７と、運転者による操作量に対応する電気的制御信号を出力する一つ以上の電気式のジョイスティック１８と、アクチュエータ１１、１２に発生する圧力を検出する圧力検出手段１９と、掘削作業などの作業モードを設定する手段と、制御弁１６、１７を切換させる制御信号を出力する制御器２０と、を備える掘削機を利用した平坦化整地作業制御システムにおいて、
ジョイスティック１８の操作による制御信号値と、圧力検出手段１９により検出されるアームシリンダ１１の圧力値と、作業モード設定の有無の入力を受けるステップ（Ｓ１００）と、
平坦化整地作業モード（ｇｒａｄｉｎｇｍｏｄｅ）の設定の有無を判断するステップ（Ｓ２００）と、
平坦化整地作業モードが設定されると、アームシリンダ１１に発生する圧力値によって作業装置１５に加えられる外力を計算するステップ（Ｓ３００）と、
計算された外力値によってアーム１４の姿勢を推定するステップ（Ｓ４００）と、
アーム１４の姿勢をフィルタリングして信号処理するステップ（Ｓ５００）と、
推定されるアーム１４の姿勢の信号値と、運転者によるジョイスティック１８の操作による制御信号値とを組み合わせて、ブーム１３及びアーム１４の操作量を計算して、初期ステップ（Ｓ１００）に移行するステップ（Ｓ６００）と、を繰り返すことからなる。

このとき、前記圧力検出手段１９として、アームシリンダ１１に発生する圧力を検出して、検出信号を制御器２０に伝送する圧力センサが用いられる。

前記圧力検出手段１９として、アームシリンダ１１の供給側圧力が設定された圧力に到達すると、オン／オフされて信号を発生させる圧力スイッチが用いられる。

前述した作業モードを設定する手段として、ジョイスティック１８に備わるスイッチが用いられる。

前述した作業モードを設定する手段として、運転室（図示せず）内に備わるスイッチが用いられる。

前述した作業モードを設定する手段として、運転室（図示せず）内に備わるモニタ２１が用いられる。

以下、本発明の一実施形態による掘削機を利用した平坦化整地作業制御システムの使用例を添付図面に基づいて詳細に説明する。

図１乃至図４に示したように、前記油圧シリンダ１１、１２を駆動させるためにジョイスティック１８を操作することによって、制御器２０からの電気的制御信号によって制御弁１６、１７を切換させる。これによって、油圧ポンプ１０から吐出される作動油は、制御弁１６、１７を経由して油圧シリンダ１１、１２に各々供給され、これと同時に油圧シリンダ１１、１２から戻される作動油は、油圧タンク（図示せず）にドレインされるため、油圧シリンダ１１、１２を伸縮駆動させることができる。

このとき、圧力検出手段１９により検出される、油圧シリンダ１１、１２に発生する圧力に対する検出信号は、制御器２０に伝送される。

以下、本発明の一実施形態による掘削機を利用した平坦化整地作業過程を図２〜図４に基づいて説明する。

Ｓ１００のように、運転者によるジョイスティック１８の操作による制御信号値と、圧力検出手段１９により検出されるシリンダ１１の圧力値と、作業モード設定の有無の入力を制御器２０が受ける。

Ｓ２００のように、平坦化整地作業モード設定の有無を判断して、平坦化整地作業モードが設定されれば、Ｓ３００に移行し、平坦化整地作業モードが設定されなければ、初期ステップに移行する。

Ｓ３００のように、アームシリンダ１１に発生する圧力値によって作業装置（例えば、アームシリンダをいう）１５に加えられる外力を制御器２０が計算する。このとき、作業装置１５に加えられる外力（Ｐ）値は、次の式によって計算される。
Ｐ＝（Ｐａ×Ａａ）−（Ｐｂ×Ａｂ）

ここで、Ｐａ及びＰｂは、圧力検出手段１９により検出されるアームシリンダ１１のヘッド側圧力及びロード側圧力を意味し、Ａａ及びＡｂは、アームシリンダ１１のヘッド側及びロード側の有効断面積を意味する。

Ｓ４００のように、計算された外力（Ｐ）値によってアーム１４の姿勢（ｐｏｓｅ）を制御器２０が推定する。図２に示したように、平坦化整地作業時にアーム１４の姿勢は、アームシリンダ１１の外力を重力（ｇｒａｖｉｔｙｆｏｒｃｅ；「Ｆ」と称する）により作用する力と仮定して推定される。つまり、重力（Ｆ）＜０の時は、アームアウト（ａｒｍｏｕｔ）駆動状態であるアームシリンダ１１に外力が加えられなかった時であり、アーム１４の先端がブーム１３から最大限遠く離れた状態である。重力（Ｆ）＝０の時は、アームシリンダ１１が伸張駆動されてアーム１４の先端が垂直方向を保持する状態である。重力（Ｆ）＞０の時は、アームイン駆動状態であるアームシリンダ１１に外力が加えられる時であり、アーム１４の先端が、ブーム１３に対して最大限近接された状態である。

図３に示したように、平坦化整地作業時にアーム１４の姿勢に応じて、ブーム１３及びアーム１４のジョイスティック１８の操作量、または速度命令値が相関関係をなす。

アームシリンダ１１に作用する重力（Ｆ）＜０の時は、ブーム１３及びアームジョイスティック１８の操作量に比例してブーム１３及びアーム１４を駆動させる。アームシリンダ１１に作用する重力（Ｆ）＝０の時は、ブームジョイスティックの操作は、停止状態であり、アームジョイスティックは、フル状態で操作された状態を保持する。アームシリンダ１１に作用する重力（Ｆ）＞０の時は、アームジョイスティック１８の操作量が減少するように操作される。

Ｓ５００のように、アーム１４の姿勢をフィルタリングして信号処理する。

Ｓ６００のように、推定されるアーム１４の姿勢の信号値と、運転者によるジョイスティック１８の操作による制御信号値とを組み合わせて、ブーム１３及びアーム１４の操作量を制御器２０が計算して、初期ステップ（Ｓ１００）に移行するステップを繰り返す。このとき、アーム１４及びブーム１３の操作量は、推定されたアーム１４の姿勢とジョイスティック１８の操作信号を基準に予め定義されたテーブル値により定義される。

前述した通り、地面を平坦化整地させる整地作業を行うために、運転者によって平坦化整地作業モードを選択した後、運転者によってアーム操作レバーのアームジョイスティック１８を操作して、アーム１４を駆動させると、圧力検出手段１９により油圧シリンダ１１で検出される圧力を利用して、アーム１４の姿勢を制御器２０が推定し、これを根拠にブーム１３とアーム１４の操作量を補償したり、決めたりする。従って、運転者は、簡単な操作でバケット２２の終端の軌跡を線型に制御して、平坦化整地作業を簡単に行うことができる。

前述したように、本発明の一実施形態による掘削機を利用した平坦化整地作業制御システムによると、掘削機を利用して地面を平坦化整地させる整地作業時に作業装置の推定される姿勢の信号値と運転者によるジョイスティックの操作信号を制御器２０が組み合わせて作業装置を制御することによって、ジョイスティックの操作により運転者の操作性を確保すると共に、平坦化整地作業を簡単に行うことになる。これによって、非熟練者に便宜性を提供し、熟練者には繰り返し行う整地作業による疲労度を低減しながら作業性を向上させることができる。

１０可変容量型油圧ポンプ（油圧ポンプ）
１１アクチュエータ（アーム用油圧シリンダ、アームシリンダ）
１２アクチュエータ（油圧シリンダ）
１３ブーム
１４アーム
１５作業装置
１６，１７制御弁
１８ジョイスティック
１９圧力検出手段
２０制御器
２１モニタ
２２バケット

Claims

可変容量型油圧ポンプと、前記可変容量型油圧ポンプに接続される少なくとも一つ以上の油圧アクチュエータと、前記油圧アクチュエータにより駆動されるブーム、アーム等を含む作業装置と、前記油圧ポンプと前記油圧アクチュエータとの間の流路に設置されて、切換時に前記油圧アクチュエータを駆動させる制御弁と、少なくとも一つ以上の電気式のジョイスティックと、前記油圧アクチュエータに発生する圧力を検出する圧力検出手段と、作業モードを設定する手段と、前記制御弁を切換させる制御信号を出力する制御器と、を備える掘削機を利用した平坦化整地作業制御システムにおいて、
前記ジョイスティックの操作による制御信号値と、前記圧力検出手段により検出されるアームシリンダの圧力値と、作業モード設定の有無の入力を受けるステップと、
平坦化整地作業モードが設定されると、前記アームシリンダに発生する圧力値によって作業装置に加えられる外力を計算するステップと、
計算された外力値によって前記アームの姿勢を推定するステップと、
前記アームの姿勢をフィルタリングして信号処理するステップと、
推定される前記アームの姿勢の信号値と、運転者による前記ジョイスティックの操作による制御信号値とを制御器が組み合わせて、前記ブーム及び前記アームの操作量を計算して、初期ステップに移行するステップと、を繰り返すことからなることを特徴とする掘削機を利用した平坦化整地作業制御システム。
前記圧力検出手段として、前記アームシリンダに発生する圧力を検出して、検出信号を前記制御器に伝送する圧力センサが用いられることを特徴とする請求項１に記載の掘削機を利用した平坦化整地作業制御システム。
前記圧力検出手段として、前記アームシリンダの供給側圧力が設定された圧力に到達すると、オン／オフされて信号を発生させる圧力スイッチが用いられることを特徴とする請求項１に記載の掘削機を利用した平坦化整地作業制御システム。
前記作業モードを設定する手段として、前記ジョイスティックに備わるスイッチが用いられることを特徴とする請求項１に記載の掘削機を利用した平坦化整地作業制御システム。
前記作業モードを設定する手段として、運転室内に備わるスイッチが用いられることを特徴とする請求項１に記載の掘削機を利用した平坦化整地作業制御システム。
前記作業モードを設定する手段として、運転室内に備わるモニタが用いられることを特徴とする請求項１に記載の掘削機を利用した平坦化整地作業制御システム。