JP2017162225A - 作業機械 - Google Patents

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Abstract

【課題】オペレータの意識が低下してしまうまでの覚醒状態の判定に有用な情報を取得することが可能な作業機械を提供する。【解決手段】オペレータが座席33に着座して作業機械を操作する。検出器36が、オペレータにより座席加わる圧力の前後方向に関する分布を検出する。ある時間刻み幅ごとに座面の圧力分布から求めた重心位置のヒストグラムのピーク位置を求める。ピーク位置の移動は、オペレータが座り直したことにより圧力分布の重心位置が移動したことを表している。各ピークの広がりは、座り直し後の位置を中心として、オペレータの体が前後に揺れたことを表している。ヒストグラムに現れたピークの個数を計数することにより、座り直しの回数を求めることができる。【選択図】図2

Description

本発明は、オペレータが座席に着座して操作する作業機械に関する。
ショベル等の作業機械を操作するオペレータの覚醒状態、言い換えると眠気や疲労の状態を検出する技術が望まれている。下記の特許文献1に、産業機械に組み込まれる意識低下検出システムが開示されている。この意識低下検出システムにおいては、運転席の座面と背面との境界部分に圧力センサが配置される。運転者は、疲労が高まると後屈した姿勢になりやすい。運転者が後屈すると、座面と背面との境界部分に配置された圧力センサに圧力が加わる。従って、圧力センサの検出結果に基づいて、運転者の意識低下を検出することができる。
特開2010−26610号公報
特許文献1に開示された発明では、オペレータが後屈状態になる程度まで意識が低下した後に、意識低下を検出することができる。後屈状態になる前の、軽い程度の意識低下を検出することはできない。
本発明の目的は、オペレータの意識が低下してしまうまでの覚醒状態の判定に有用な情報を取得することが可能な作業機械を提供することである。
本発明の一観点によると、
オペレータが着座する座席と、
前記座席に着座しているオペレータにより座面に加わる圧力の前後方向に関する分布を検出する検出器と
を有する作業機械提供される。
作業機械のオペレータの疲労や眠気が高まると、着座姿勢を変える頻度が増す傾向がある。オペレータの着座姿勢の変化は、座面に加わる圧力の分布の変化として現れる。特に、前後方向に関する圧力分布の変化は、オペレータの覚醒状態を判定するための有用な情報として利用できる。
図1は、実施例による作業機械の側面図、及び管理端末の斜視図である。 図2Aは、実施例による作業機械のキャビン内の平面図であり、図2Bは、検出器によって検知された二次元の圧力分布の一例を示す分布図である。 図3は、ある時間刻み幅ごとに、座面に加わる圧力分布から求めた重心位置の一例を示すヒストグラムである。 図4は、オペレータによる作業開始からの経過時間と、座り直し回数との関係(座り直し回数の時刻歴)の一例を示すグラフである。 図5は、他の実施例による作業機械のキャビン内の平面図である。 図6は、検出器で検出された分布から求められた前後方向の重心位置のヒストグラムである。 図7は、さらに他の実施例による作業機械のキャビン内の平面図である。 図8は、さらに他の実施例による作業機械のキャビン内の平面図である。 図9A及び図9Bは、さらに他の実施例による作業機械の座席の側面図である。 図10は、さらに他の実施例による作業機械のブロック図である。
図1〜図4を参照して、実施例による作業機械について説明する。
図1に、実施例による作業機械の側面図、及び管理端末の斜視図を示す。下部走行体10に上部旋回体11が旋回可能に搭載されている。上部旋回体11に、掘削対象物を掘削する作業要素15が搭載されている。作業要素15は、上部旋回体11に揺動可能に連結されたブーム12、ブーム12の先端に揺動可能に連結されたアーム13、アーム13の先端に揺動可能に連結されたバケット14を含む。なお、バケット14に替えて、他の先端アタッチメントが取付けられる場合もある。
ブーム12は、ブームシリンダ16によって上下方向に駆動される。アーム13は、アームシリンダ17によって駆動されることにより、ブーム12に対して開閉動作を行う。バケット14は、バケットシリンダ18によって駆動されることにより、アーム13に対して開閉動作を行う。ブームシリンダ16、アームシリンダ17、及びバケットシリンダ18には、油圧アクチュエータ(油圧シリンダ)が用いられる。
上部旋回体11にキャビン30が搭載されている。キャビン30内に操作レバー31、出力装置32、及び座席33が配置されている。オペレータが座席33に着座して、操作レバー31を操作する。オペレータに対する操作情報、警報等が出力装置32に表示される。上部旋回体11に、さらに、通信装置35が搭載されている。作業機械は、通信装置35を通して管理端末90と通信を行なう。通信装置35と管理端末90との間の通信には、公衆通信網、無線LAN、近距離無線通信等を用いることができる。
図2Aに、キャビン30内の平面図を示す。座席33の座面の両側に、それぞれ一対の肘掛34が配置されている。一対の操作レバー31が、座席33の両側で、かつ肘掛34の前方に一つずつ配置されている。
座席33の座面に、検出器36が配置されている。検出器36は、オペレータが座席に着座した時に座面に加わる圧力の分布を測定する。検出器36として、例えば、二次元に分布する複数の荷重センサを含むフィルム状センサシートを用いることができる。このフィルム状センサシートが座席33の座面に埋め込まれている。検出器36による検出結果が処理装置20に入力される。
処理装置20は、検出器36で得られた二次元の圧力分布データに基づいて、前後方向に関する圧力分布を算出する。例えば、二次元の圧力分布データを座席33の座面の左右方向に積分することにより、前後方向に関する圧力分布を求めることができる。オペレータが前後方向に移動すると、前後方向に関する圧力分布が変化する。処理装置20は、ある期間における前後方向に関する圧力分布を分析することにより、圧力分布の重心位置を算出する。処理装置20の詳細な機能については、後に図3及び図4を参照して説明する。
図2Bに、検出器36によって検知された二次元の圧力分布の一例を示す。相対的に圧力の高い領域に、相対的に濃いドットパターンが付されている。オペレータの着座位置に応じて、オペレータの臀部及び大腿部が載っている位置に、大きな圧力が加わっていることがわかる。
図3に、ある時間刻み幅ごとに座面の圧力分布から求めた重心位置のヒストグラムの一例を示す。図3に示したヒストグラムでは、主として3つの山(ピーク)が現れている。ピーク位置の移動は、オペレータが座り直したことにより圧力分布の重心位置が移動したことを表している。各ピークの広がりは、座り直し後の位置を中心として、オペレータの体が前後に揺れたことを表している。ヒストグラムに現れたピークの個数を計数することにより、座り直しの回数を求めることができる。
覚醒レベルの検出において、生理計測と自己申告との相関から有効となる手段が種々の研究機関により報告されている。本願発明者による評価実験によると、オペレータの座り直し回数を行動指標とした場合も同様の相関が確認された。従って、オペレータの座り直し回数に基づいて、オペレータの覚醒レベルを判定することが可能である。
ショベルが旋回すると、オペレータに遠心力が加わる。この遠心力は、オペレータに対して左右方向に働く。このため、ショベルの操作中に、オペレータには、断続的に左右方向の力が働く。その結果、オペレータが左右方向に振られ、左右方向に関する重心位置が変動する。これは、主に前進のみしか行わない走行車両との大きな相違点である。このように、旋回動作を行なうショベルに関しては、左右方向に関する重心位置は、オペレータの覚醒レベルとは無関係に変動する。従って、左右方向に関する重心位置情報から覚醒レベルに関する情報を得ることは困難である。
次に、図4を参照して、オペレータの覚醒レベルを評価する具体例について説明する。
図4に、オペレータによる作業開始からの経過時間と、座り直し回数との関係(座り直し回数の時刻歴)の一例を示す。横軸は作業開始時点からの経過時間を表し、縦軸は基準時間幅ごとの座り直し回数を表す。基準時間幅は、例えば30分である。
時間が経過するに従って、座り直し回数が増加している。これは、作業時間が長くなるに従って、オペレータの覚醒レベルが低下していることを意味する。処理装置20は、座り直し回数が判定基準値Nthを超えると、オペレータの覚醒レベルが低下したと判定する。
オペレータの座り直し回数が判定基準値Nthを上回ったと判定されると、処理装置20は、出力装置32(図1)に、覚醒レベルの低下を示す信号、または注意を促す信号を出力する。出力装置32は、画像表示、または音声出力によって、オペレータに覚醒レベルの低下を伝える。さらに、処理装置20は、覚醒レベルの低下を示す信号を、通信装置35(図1)を介して管理端末90に送信する。管理端末90は、オペレータの覚醒レベルが低下したことを示す画像を表示することにより、管理者に知らせる。
次に、図5及び図6を参照して、他の実施例による作業機械について説明する。以下、図1〜図4に示した実施例との相違点について説明し、共通の構成については説明を省略する。
図5に、本実施例による作業機械のキャビン30(図1)内の平面図を示す。上部旋回体11(図1)の旋回とともに旋回するいずれかの部品に加速度センサ37が取付けられている。図5では、肘掛34に加速度センサ37が取付けられている例を示している。加速度センサ37は、上部旋回体11の旋回中心から離れた位置に配置され、周方向の加速度を測定する。言い換えると、加速度センサ37は上部旋回体11の旋回方向の加速度(角加速度)を測定することができる。
加速度センサ37による測定結果が処理装置20に入力される。処理装置20は、加速度センサ37の測定結果が判定閾値以上であるか否かを判定する。測定結果が判定閾値以上である場合には、その時点で検出器36によって検出されたデータは、座り直し回数の計数に利用しない。すなわち、ヒストグラム(図3)を構成するデータとして利用しない。
次に、図6を参照して、図5に示した実施例の優れた効果について説明する。
図6は、検出器36で検出された圧力分布データから求められた前後方向の重心位置のヒストグラムを示す。横軸は前後方向の位置を表し、縦軸は頻度を表す。図6の破線は、加速度センサ37による検出結果によらず、検出器36で検出された全データに基づいて求められたヒストグラムを示し、実線は、加速度センサ37による測定結果が判定閾値以上の時に取得されたデータを除いて求められたヒストグラムを示す。
上部旋回体11(図1)の旋回方向の加速度が大きくなると、オペレータが座席33に対して前後左右にゆすられる。その結果、オペレータの重心位置が微小幅変動してしまう。図6において破線で示したヒストグラムには、加速度に起因する重心位置の変動が含まれている。図6において実線で示したヒストグラムからは、加速度に起因する重心位置の変動の影響が除外されている。
破線で示したヒストグラムのピークは、加速度に起因する重心位置の変動により、実線で示したヒストグラムのピークよりもブロードになっている。このため、実線で示したヒストグラムの近接する2つのピークが、破線で示したヒストグラムでは、1つの幅広のピークになってしまう場合がある。ヒストグラムのピークの個数が、オペレータの座り直しの回数に相当するため、破線で示したヒストグラムからは、正確な座り直しの回数を求めることができない場合がある。
図5及び図6に示した実施例においては、オペレータが受ける加速度の影響を取り除くことにより、重心位置のヒストグラムから求まる座り直しの回数の精度を高めることができる。
次に、図7A及び図7Bを参照して、さらに他の実施例による作業機械について説明する。以下、図1〜図4に示した実施例との相違点について説明し、共通の構成については説明を省略する。
図7Aに、本実施例による作業機械のキャビン30(図1)内の平面図を示す。図1〜図4に示した実施例では、検出器36として、例えば二次元の圧力分布を検出するフィルム状センサシートが用いられる。これに対し、本実施例では、検出器36が、前後方向に離れて配置された2つの荷重センサ38によって構成される。2つの荷重センサ38の各々の測定結果が、処理装置20に入力される。処理装置20は、2つの荷重センサ38の測定結果に基づいて、オペレータの前後方向の重心移動を検出する。
オペレータの前後方向の重心移動を検出しやすくするために、2つの荷重センサ38を、オペレータの臀部の位置、及び一方の大腿部の位置にそれぞれ配置することが好ましい。
本実施例においては、検出器36としてフィルム状センサシートを用いる場合に比べて、装置コストの低減を図ることができる。さらに、本実施例では、圧力分布データの積分処理を行う必要がない。このため、処理装置20に加わる演算負荷が軽減される。
図7Bに示すように、荷重センサ38を座面の左右対称の位置に配置してもよい。荷重センサ38を左右対称の位置に配置し、左右方向に関して荷重の平均処理をすることにより、左右方向へのオペレータの重心移動による測定データの変動を低減することができる。これにより、座り直し回数の計数精度を高めることができる。
次に、図8A及び図8Bを参照して、さらに他の実施例による作業機械について説明する。以下、図7に示した実施例との相違点について説明し、共通の構成については説明を省略する。
図8Aに、本実施例による作業機械のキャビン30(図1)内の平面図を示す。本実施例においては、検出器36が、座席33に着座するオペレータの一方の大腿部に沿って配置された複数の荷重センサ38により構成される。本実施例においても、座席33に着座するオペレータの前後方向の重心移動を検出することができる。本実施例では、図7Aに示した2点で荷重を検出する実施例に比べて、重心移動の検出感度を高めることができる。
図8Bに示すように、複数の荷重センサ38を、座面の左右対称の位置に配置してもよい。荷重センサ38を左右対称の位置に配置すると、図7Bに示した実施例と同様に、座り直し回数の計数精度を高めることができる。
次に、図9A及び図9Bを参照して、さらに他の実施例による作業機械について説明する。以下、図1〜図4に示した実施例との相違点について説明し、共通の構成については説明を省略する。
図9Aに、本実施例による作業機械の座席33の側面図を示す。座席33の座面が、軸受40を介して、ベース42に対して前後方向に揺動可能に支持されている。座面に加わる外力が消失すると、弾性部材41の復元力によって座面が中立位置に復帰する。弾性部材41として、例えばコイルばねを用いることができる。検出器36が、座面の傾斜角度を検出する。検出器36として、例えばベース42のある位置と、座面のある位置との間隔を測定する距離センサを用いることができる。検出器36による検出結果が処理装置20に入力される。
図9Bに、オペレータの重心が前方に移動したときの座席33の側面図を示す。オペレータの重心が前方に移動すると、座面が前方に傾斜する。逆に、オペレータの重心が後方に移動すると、座面が後方に傾斜する。従って、座面の傾斜角度を検出することにより、オペレータの前後方向への重心移動を検出することができる。
図9A及び図9Bに示した実施例において、必ずしも軸受40を設けなくてもよい。クッションやシート材の重心位置による微妙な変形、例えば座面の前後方向への傾斜を検知することで、オペレータの前後方向の重心移動を検出することが可能である。
図9A及び図9Bに示した実施例においても、オペレータの重心移動に基づいて、座り直し回数を計数することができる。
次に、図10を参照して、さらに他の実施例による作業機械について説明する。以下、図1〜図4に示した実施例との相違点について説明し、共通の構成については説明を省略する。
図10に、本実施例による作業機械のブロック図を示す。エンジン68から出力される動力により、メインポンプ69が駆動される。メインポンプ69から吐出された作動油が、コントロールバルブ70に供給される。コントロールバルブ70は、制御装置50からの指令に基づいて、作動油を、複数の油圧アクチュエータに分配する。複数の油圧アクチュエータには、ブームシリンダ16、アームシリンダ17、バケットシリンダ18、旋回油圧モータ80、右走行油圧モータ81、左走行油圧モータ82が含まれる。旋回油圧モータ80は、上部旋回体11(図1)を旋回させる。右走行油圧モータ81及び左走行油圧モータ82は、それぞれ下部走行体10の右及び左のクローラを駆動する。
制御装置50は、操作量検出部51、圧力分布データ処理部52、パイロット圧指令生成部54、ポンプ馬力指令生成部55、及びエンジン回転数指令生成部56を含む。これら各部の機能は、中央処理ユニット(CPU)が処理プログラムを実行することによって実現される。圧力分布データ処理部52が、図2A、図5、及び図7A〜図9Bに示した各実施例の処理装置20に相当する。
操作レバー31から、レバー操作量を表す信号が、制御装置50の操作量検出部51に入力される。操作量検出部51は、入力された信号に基づいて操作量データD1を生成する。
検出器36(図2A)によって検出された圧力分布データが制御装置50の圧力分布データ処理部52に入力される。圧力分布データ処理部52は、検出器36で得られた圧力分布データに基づいて、オペレータの覚醒レベルを判定する。覚醒レベルの判定には、図3及び図4を参照して説明した方法を用いることができる。一例として、単位時間あたりの座り直し回数を、覚醒レベルの指標値として用いることができる。
圧力分布データ処理部52は、算出された覚醒レベルの指標値を、予め決められている許容範囲と比較する。覚醒レベルの指標値が許容範囲から外れた場合、オペレータの覚醒レベルが低下していると判定することができる。この場合、圧力分布データ処理部52は、出力装置32を通して、オペレータに覚醒レベルが低下していることを、音声出力、画像表示等により知らせる。さらに、圧力分布データ処理部52は、通信装置35を介して、管理端末90(図1)に、オペレータの覚醒レベルが低下していることを通知する信号を送信する。管理端末90は、この信号を受信すると、作業機械の機体番号、オペレータの氏名等を表示することにより、管理者に対して、オペレータの覚醒レベルが低下していることを通知する。
さらに、圧力分布データ処理部52は、算出された覚醒レベルの指標値に基づいて、ショベルの動作の感度を指令するための感度データ(作業機械の制御パラメータ)D2を生成する。この感度データD2は、パイロット圧指令生成部54、ポンプ馬力指令生成部55、及びエンジン回転数指令生成部56に与えられる。
パイロット圧指令生成部54は、操作量データD1と感度データD2とに基づいて、パイロット圧指令信号S4を生成する。パイロット圧指令信号S4は、油圧アクチュエータごとに生成される。
パイロット圧制御弁60が、パイロット圧指令信号S4を受けて、1次側パイロット圧(パイロットポンプの吐出圧)を2次側パイロット圧に変換することにより、油圧信号P3を生成する。制御回路61が、油圧信号P3に基づいて、コントロールバルブ70の開度を制御する。これにより、各油圧アクチュエータに供給される作動油の流量が制御される。すなわち、各油圧アクチュエータに供給される作動油の流量は、感度データD2に依存する。
エンジン回転数指令生成部56は、操作量データD1と感度データD2とに基づいて、エンジン回転数指令信号S5を生成する。エンジンコントロールユニット67が、エンジン回転数指令信号S5を受けて、エンジン68の回転数が指令値に近づくように、エンジン68を制御する。すなわち、エンジン回転数は感度データD2に依存する。
ポンプ馬力指令生成部55は、操作量データD1と感度データD2とに基づいて、馬力制御信号S6を生成する。馬力制御弁64が、馬力制御信号S6を受けて、1次側パイロット圧を2次側パイロット圧に変換することにより、メインポンプ69の馬力制御に用いられる油圧信号P5を生成する。ここで、「馬力制御」とは、メインポンプ69の入力馬力がエンジン68の出力馬力を超えないようにメインポンプ69の入力馬力を調整する制御を意味する。制御回路65が、油圧信号P5を受けて、メインポンプ69の斜板傾転角を制御する。これにより、メインポンプ69の1回転当たりの吐出量を増減させることができる。すなわち、メインポンプ69の1回転当たりの吐出量は、感度データD2に依存する。
上述のように、感度データD2は、操作量データD1の大きさ(操作レバー31の操作量)に対する各アクチュエータの応答特性を規定する。感度データD2が異なると、各アクチュエータの応答特性が変化する。
次に、上記実施例の優れた効果について説明する。実施例においては、オペレータが作業機械を操作している間に、オペレータの覚醒レベルの判定を行なうことができる。オペレータの覚醒レベルが低下した場合、オペレータは、出力装置32からの出力情報に基づいて、自分の現在の覚醒レベルを知ることができる。出力装置32からの出力情報は、休憩を取るか否かの判断材料として利用することができる。
管理者は、管理端末90(図1)に表示される情報に基づいて、オペレータの覚醒レベルを知ることができる。この情報に基づいて、オペレータの交替等の判断を行なうことができる。
制御装置50の圧力分布データ処理部52は、覚醒レベルの指標値に応じて感度データD2を調整することができる。このため、オペレータの現時点の覚醒レベルに応じて、各アクチュエータの応答特性を適度な特性に設定することができる。例えば、オペレータの覚醒レベルが低下した場合には、アクチュエータの応答特性を、覚醒レベルを向上させるのに適した特性に設定することができる。覚醒レベルを向上させるのに適した応答特性は、種々の評価実験を行なうことにより決定することができる。
さらに、作業機械の制御パラメータと、覚醒レベルとの関係をデータベース化することができる。このデータベースは、オペレータの覚醒レベルの低下が促進されにくい作業機械の開発に利用することが可能である。
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
10 下部走行体
11 上部旋回体
12 ブーム
13 アーム
14 バケット(先端アタッチメント)
15 作業要素
16 ブームシリンダ
17 アームシリンダ
18 バケットシリンダ
20 処理装置
30 キャビン
31 操作レバー
32 出力装置
33 座席
34 肘掛
35 通信装置
36 検出器
37 加速度センサ
38 荷重センサ
40 軸受
41 弾性部材
42 ベース
50 制御装置
51 操作量検出部
52 圧力分布データ処理部
54 パイロット圧指令生成部
55 ポンプ馬力指令生成部
56 エンジン回転数指令生成部
60 パイロット圧制御弁
61 制御回路
64 馬力比例弁
65 制御回路
67 エンジンコントロールユニット
68 エンジン
69 メインポンプ
70 コントロールバルブ
80 旋回油圧モータ
81 右走行油圧モータ
82 左走行油圧モータ
90 管理端末

Claims (10)

  1. オペレータが着座する座席と、
    前記座席に着座しているオペレータにより座面に加わる圧力の前後方向に関する分布を検出する検出器と
    を有する作業機械。
  2. さらに、前記検出器による検出結果に基づいて、オペレータが座り直した回数を計数する処理装置を有する請求項1に記載の作業機械。
  3. 前記処理装置は、前記検出器で得られた圧力分布データから、ある時間刻み幅で重心位置を求め、重心位置のヒストグラムに基づいて、オペレータが座り直した回数を計数する請求項2に記載の作業機械。
  4. 前記検出器は、前記座面に加わる二次元の圧力分布を検出し、
    前記処理装置は、前記検出器により検出された二次元の圧力分布から、前後方向に関する圧力分布を求め、前後方向の圧力分布に基づいて、前記座席に着座しているオペレータの座り直しの回数を計数する請求項2または3に記載の作業機械。
  5. 前記検出器は、前記座席に着座するオペレータの臀部の位置、及び少なくとも一方の大腿部の位置にそれぞれ配置された荷重センサを含む請求項2または3に記載の作業機械。
  6. 前記検出器は、さらに、前記座席に着座するオペレータの少なくとも一方の大腿部に沿って配置された複数の他の荷重センサを含む請求項5に記載の作業機械。
  7. 前記座席は、
    前記座面を中立位置に復帰させる復元力を与える弾性部材を含み、
    前記検出器は、前記座面の傾斜角度を検出する請求項2または3に記載の作業機械。
  8. さらに、
    下部走行体と、
    前記下部走行体に対して旋回可能に支持された上部旋回体と
    を有し、
    前記座席は前記上部旋回体に備え付けられている請求項2乃至7のいずれか1項に記載の作業機械。
  9. さらに、前記上部旋回体の旋回方向の加速度を検出する加速度センサを有し、
    前記処理装置は、前記加速度センサによる検出結果が判定閾値以上であるか否かを判定し、前記加速度センサによる検出結果が前記判定閾値以上である期間に前記検出器によって検出されたデータは、座り直しの回数の計数に利用しない請求項8に記載の作業機械。
  10. 前記処理装置は、前記座席に着座しているオペレータが基準時間幅ごとに座り直した回数を計数し、座り直しの回数が基準値を超えたら、注意を促す信号を出力する請求項2乃至9のいずれか1項に記載の作業機械。
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