JP3790058B2 - 油圧ショベルの制御装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、油圧ショベルの制御装置に係り、さらに詳しくはファジー推論を用いて油圧ショベルを制御する油圧ショベルの制御装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
油圧ショベルのような作業機械においては、ばらまき作業,土羽打ち作業,法面仕上げ作業,クレーン作業,押し付け掘削作業,積み込み作業,旋回地ならし作業,単純掘削作業,溝掘削作業,水平地ならし作業等の多くの作業が存在し、これらの作業に適した操作特性は異なっている。このため、油圧ショベルにおいてはいくつかの作業モードを用意しておき、オペレータが手動によりスイッチ操作することにより作業モードの切り替えを行っていた。しかし、このスイッチ操作が煩雑なためこれらの作業モードは十分に使いこなされていなかった。
【0003】
そこで、作業モードの切り替えを行うための作業判別を自動的に行う技術が開発された。例えば、特開平10−18355号公報に開示された技術(以下、「従来技術」という。)では、油圧ショベルによる作業時の作業種別を判別する装置であって、各作業用アクチュエータに対応する各操作レバーの操作量を検出する操作量検出手段と、この検出手段により検出された操作量に基づき、作業種別を判別するための前記油圧ショベルの動作状態を示す少なくとも1つの特徴量を求める特徴量算出手段と、この特徴量算出手段により求められた各特徴量から、判別すべき作業種別毎に各特徴量に対応させて予め定められたファジー推論用の複数のメンバシップ関数に基づき各特徴量の各作業種別に対する適合度を求める適合度算出手段とを具備し、この適合度算出手段により求められた適合度に基づき、前記各特徴量が最も適合する作業種別を択一的にピックアップし、これを前記油圧ショベルにより行っている作業種別として判別する装置に関する技術(以下、「従来技術」という。)が開示されている。
【0004】
この装置によれば、作業用アクチュエータ(ブーム,アーム,バケット,旋回,走行等)の各操作レバーの操作量が検出され、この操作量に基づいて所定の時間における各特徴量(ブーム操作複雑さ,アーム操作複雑さ,バケット操作複雑さ,高速旋回時間,ブーム逆操作時間,バケット・アーム停止時間,ブーム操作量平均値,アーム操作量平均値,バケット操作量平均値)が算出され、それらにファジー推論を適用して求められた各適合度を総合した総合適合度に基づいて、各作業(ばらまき作業,土羽打ち作業,法面仕上げ作業,クレーン作業,押し付け掘削作業,積み込み作業,旋回地ならし作業,単純掘削作業,溝掘削作業,水平地ならし作業等)の中からある1つの作業が判別され、予め設定された各作業種別の操作特性設定値のうち、この判別された1つの作業に対応する操作特性設定値がそのまま出力され、この出力値により油圧ショベル本体の各設定が行われる。
【0005】
なお、上記作業判別にIF−THENロジックを利用した例もある(特開平9−217702号公報参照)。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
(1)上記従来技術においては、操作の特徴から現在どの作業を行っているかを択一的に判別し、その後この判別された作業にしたがって、油圧ショベルの操作特性を切り替えている。この場合、操作特性の切り替えはON−OFF的に変化する。しかし、実際の掘削作業においては、ある特定の作業のみが行われることは少なく、例えば掘削作業を行って、次に仕上げ作業を行う等のように、複数の作業が組み合わされ、これらの作業への切り替えが頻繁に行われることが多い。
【0007】
いま、油圧ポンプの最大流量が、単純掘削作業に対し100%,法面仕上げ作業に対し70%にそれぞれ設定されていたとする。そして、オペレータが法面仕上げから、単純掘削に移るというような作業をしたとする。すると、油圧ポンプの最大流量が、70%から100%に急激に変化し、これによりオペレータはかなりのショックを感じ、その結果、油圧ショベルの操作性が大きく損なわれることがある。
【0008】
(2)また、上記従来技術においては、作業判別に必要な各特徴量を抽出するためには、所定時間(例えば15秒間)の各操作量の履歴データを必要とする。この所定時間内にオペレータが操作を切り替えると、操作量履歴データ内に異種作業のデータが混在することとなり、作業判別に誤りが生じやすい。したがって、例えばオペレータが操作を、掘削作業から法面仕上げ作業用の操作に切り替えたものとすると、判別結果が掘削作業に確定する直前に、法面仕上げ作業とは別の他の作業に判別され、結果としてオペレータの意図しない作業モードに切り替わる場合がある。上記従来技術では、上述したように、ON−OFF的に操作特性を切り替えているので、このように意図しない作業モードに切り替わることによる操作の違和感がオペレータにとって顕著に感じられ、その結果、この場合も油圧ショベルの操作性が損なわれることがある。
【0009】
本発明は、従来構成の問題点を解決すべく創案されたもので、操作の切り替え時のショックや違和感を極力少なくして油圧ショベルの操作特性を向上し得る油圧ショベルの制御装置を提供することを目的とするものである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明は、油圧ショベルの各作業用アクチュエータに対応する各操作レバーの操作量を検出する操作量検出手段と、上記検出された操作量に基づき油圧ショベルの操作の特徴を示す特徴量を演算する特徴量演算手段と、作業種別に各特徴量に対応させて予め設定されたファジー推論用の複数のメンバシップ関数を記憶するメンバシップ関数記憶手段と、上記演算された各特徴量を、上記記憶された各メンバシップ関数に適用することにより、該演算された各特徴量の各作業に対する適合度を演算する適合度演算手段とを具備した油圧ショベルの制御装置において、各作業種別に各操作特性に対応させて予め設定された操作特性設定値を記憶する操作特性設定値記憶手段と、複数の作業種に対応して演算された適合度および記憶された操作特性設定値に基づいて油圧ショベルの制御用の操作特性を出力する操作特性出力手段とを備え、前記操作特性出力手段は、各作業毎に設定された操作特性設定値の、各特徴量と各作業との関係を記述したファジールールへの適合度を重みとした加重平均を操作特性の出力値となすものである。
【0011】
このような構成では、油圧ショベルの各作業用アクチュエータに対応する各操作レバーの操作量が操作量検出手段により検出され、上記検出された操作量に基づき油圧ショベルの操作の特徴を示す特徴量が特徴量演算手段により演算され、作業種別に各特徴量に対応させて予め設定されたファジー推論用の複数のメンバシップ関数がメンバシップ関数記憶手段により記憶され、上記演算された各特徴量が、上記記憶された各メンバシップ関数に適用されることにより、該演算された各特徴量の各作業に対する適合度が適合度演算手段により演算される。この際、各作業種別に各操作特性に対応させて予め設定された操作特性設定値が操作特性設定値記憶手段に記憶され、複数の作業種に対応して演算された適合度および記憶された操作特性設定値に基づいて油圧ショベルの制御用の操作特性が操作特性出力手段により出力される。すなわち、上記従来技術のように単一の作業種に対応する操作特性設定値がそのまま出力されるのではなく、ここでは複数の作業種に対応する適合度と操作特性設定値とから求められた操作特性の出力値が出力される。これにより、複数の適合度が操作特性の出力値に総合的に反映されることとなる。
【0012】
より具体的には、例えば予め各特徴量と各作業との関係がファジールールで記述されており、各ルールへの適合度は、予め設定されたメンバシップ関数に基づいて計算され、操作特性の出力値が、各作業毎に設定された操作特性値を用いて、各ルールへの適合度を重みとした加重平均によって求められる。
【0013】
このことにより、操作特性が予め定められた値にON−OFF的に切り替わるのではなく、中間的な値が出力される。例えば、油圧ポンプの最大流量が上記従来技術と同様である場合においては、その出力値は100%と70%の中間の85%となる。
【0014】
したがって、例えばオペレータが、法面仕上げから、単純掘削というような作業をする場合でも、作業切り替わりの前後で予め記憶された操作特性設定値以外の中間的な出力値を制御値とすることができるので、油圧ポンプの最大流量が従来技術におけるようにステップ的に変化せず、段階的に変化し、操作特性の切り替わりがスムーズとなる。
【0015】
また、操作量履歴データ内に異種作業のデータが混在する場合でも、上記従来技術におけるようなON−OFF的な切り替えに比べて、各適合度を考慮した制御となっており、誤判別つまりオペレータが意図しない作業の適合度が大きくなるような場合でも、それらの操作特性に及ぼす影響が平均化されるので、操作の違和感が減少する。
【0016】
また本発明は、油圧ショベルの各作業用アクチュエータに対応する各操作レバーの操作量を検出する操作量検出手段と、上記検出された操作量に基づき油圧ショベルの操作の特徴を示す特徴量を演算する特徴量演算手段と、作業種別に各特徴量に対応させて予め設定されたファジー推論用の複数のメンバシップ関数を記憶するメンバシップ関数記憶手段と、上記演算された各特徴量を、上記記憶された各メンバシップ関数に適用することにより、該演算された各特徴量の各作業に対する適合度を演算する適合度演算手段とを具備した油圧ショベルの制御装置において、各作業種別に各操作特性に対応させて予め設定された操作特性設定値を記憶する操作特性設定値記憶手段と、複数の作業種に対応して演算された適合度および記憶された操作特性設定値に基づいて油圧ショベルの制御用の操作特性を出力する操作特性出力手段とを備え、前記操作特性設定値は、同一の操作特性を有する作業種毎にグループ化されたものであり、操作特性出力手段は、各作業グループ毎の適合度および操作特性設定値に基づいて油圧ショベルの制御用の操作特性を出力するものであって、各作業グループ毎に設定された操作特性設定値の、各特徴量と各作業との関係を記述したファジールールへの適合度を重みとした加重平均を操作特性の出力値となすものである。
【0017】
この構成によれば、ある特定の操作特性が重複して出現することにより、その操作特性が強調されることを防止することができる。より具体的には、例えば予め各特徴量と各作業グループとの関係がファジールールで記述されており、各ルールへの適合度は、予め設定されたメンバシップ関数に基づいて計算され、操作特性の出力値が、各作業グループ毎に設定された操作特性値を用いて、各ルールへの適合度を重みとした加重平均によって求められる。
【0018】
その結果、いずれの場合も、操作の切り替え時のショックや違和感を極力少なくして油圧ショベルの操作特性の向上を図ることができる。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について説明し、本発明の理解に供する。なお、以下の実施の形態は本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。以下、いくつかの実施の形態について説明する。
【0020】
(実施の形態1)
図2は、本実施の形態1に係る制御装置を含む油圧ショベルの全体システム構成図である。図2に示すように、この油圧ショベルは、エンジン10と、これを駆動源とする2台の油圧ポンプ11,12と、作業用アクチュエータであるブーム用油圧シリンダ13,アーム用油圧シリンダ14,バケット用油圧シリンダ15,旋回用油圧モータ16,右走行用油圧モータ17および左走行用油圧モータ18と、これらの機器1〜18の動作を制御するコントローラ19を具備している。
【0021】
このうち油圧ポンプ11は、ブーム用油圧シリンダ13,バケット用油圧シリンダ15および右走行用油圧モータ17に圧油を、それぞれ対応するコントロール弁13a,15aおよび17aを介して供給し、これらを駆動するようになっている。油圧ポンプ12は、アーム用油圧シリンダ14,旋回用油圧モータ16および左走行用油圧モータ18に圧油を、それぞれ対応するコントロール弁14a,16aおよび18aを介して供給し、これらを駆動するようになっている。
各コントロール弁13a〜18aは、それぞれブーム用操作レバー20,バケット用操作レバー21,右走行用操作レバー22,アーム用操作レバー23,旋回用操作レバー24および左走行用操作レバー25を備えた操作装置の図示しないパイロット弁から各操作レバー20〜25の操作量および操作方向に応じたパイロット圧油が供給されて切り替え動作が行われるようになっている。なお、ここでは、説明の便宜上、各操作レバーを個別に設けているが、実機においては、それらの共通化が図られている。
【0022】
また油圧ポンプ11,12は、可変容量型のものであり、その吐出流量を規制する傾転角がそれぞれ第1比例電磁弁26および第2比例電磁弁27により生成される2次圧によって、図示しないレギュレータを介して調整可能となっている。
【0023】
つまり、これら第1,第2比例電磁弁26,27の通電制御により各油圧ポンプ11,12の吐出流量が制御可能となっている。
【0024】
一方、この油圧ショベルは、各操作レバー20〜25の操作方向を含む操作量を検出する各操作量センサ(操作量検出手段に相当)1であるブーム操作量センサ20a,バケット操作量センサ21a,右走行操作量センサ22a,アーム操作量センサ23a,旋回操作量センサ24aおよび左走行操作量センサ25aを備えている。各操作量センサ1は、例えば圧力センサにより構成され、各操作レバー20〜25の操作量に応じた信号をコントローラ19に出力するようになっている。
【0025】
なお、図示しない管路が油圧ポンプ11,12の管路に接続されており、これによって、ブーム用油圧シリンダ13,アーム用油圧シリンダ14には両ポンプから圧油が供給され、また各アクチュエータの非作動時には圧油が図示しないタンクへ還流されるようになっている。
【0026】
図1は、本実施の形態1に係る制御装置(以下、「本装置」という。)の概略構成を示すブロック図である。図1および図2に示すように、本装置の主要部をなすコントローラ19は、例えばマイクロコンピュータにより構成されており、その機能的構成として、各操作量センサ1からの出力信号をA/D変換するA/D変換器28と、このA/D変換された各操作レバー20〜25の操作量を示すデータを連続した所定時間(例えば20秒間)保持し、それを例えば5秒ごとに更新していくデータ保持部29と、この保持されたデータに基づき油圧ショベルの特徴を示す特徴量を抽出する特徴量抽出部(特徴量演算手段に相当)2と、作業種別に各特徴量に対応させて予め設定されたファジー推論用の複数のメンバシップ関数を記憶するメンバシップ関数記憶部(メンバシップ関数記憶手段に相当)3と、上記演算された各特徴量を、この記憶された各メンバシップ関数に適用することにより、この演算された各特徴量の各作業に対する適合度を演算する適合度演算部(適合度演算手段に相当)4とを具備している点では、上記従来技術と同様である。
【0027】
さらに、特徴量抽出部2は、作業種別を判別するために、後述する複数種の特徴量をデータ保持部29に保持された各操作レバー20〜25の所定時間分の操作量データからそれぞれ把握するブーム操作複雑さ把握部31,アーム操作複雑さ把握部32,バケット操作複雑さ把握部33,高速旋回時間把握部34,ブーム逆操作時間把握部35,バケット・アーム停止時間把握部36,ブーム操作平均値把握部37,アーム操作平均値把握部38およびバケット操作平均値把握部39を具備し、適合度演算部4は、メンバシップ関数記憶部3に記憶されたメンバシップ関数を用いて、作業時に上記各把握部31〜39に把握される各特徴量の各作業種別への適合度を求めるようになっているが、この点でも上記従来技術と同様である。
【0028】
しかし、本コントローラ19は、各作業種別に各操作特性に対応させて予め設定された操作特性設定値を記憶する操作特性設定値記憶部(操作特性設定値記憶手段に相当)5と、全作業種に対応して演算された適合度および記憶された操作特性設定値を総合的に取り込んで、これら全てを加味した油圧ショベルの制御用の操作特性を演算し、これを出力する操作特性演算部(操作特性出力手段に相当)6とを備えている点で上記従来技術と異なる。
【0029】
そして、コントローラ19の操作特性演算部6からの出力信号によって油圧ポンプ制御部7が第1,第2比例電磁弁26,27を動作させるようになっている。以下、本コントローラ19等の動作について図3〜図11を参照して説明する。
【0030】
本実施の形態1では、この特徴量抽出部2により抽出する作業種別は、単純掘削作業,法面仕上げ作業,溝掘削作業,水平掘削作業,旋回地ならし作業,土羽打ち作業,ばらまき作業,押し付け作業,クレーン作業および積み込み作業の10種類であり、各作業種別の作業内容の概要は以下の通りである。
【0031】
単純掘削作業は、車両の前方箇所でバケットを地面に押し当てて、アームおよびブームの動作によってバケットを手前に引き込むことにより地面に穴を掘る作業である。法面仕上げ作業は、バケット,アーム,ブームの同時動作によって、バケットを斜面に沿わせ、この状態でアームやブームを動作させてバケットにより斜面を削っていく作業である。溝掘削作業は、車両の前方箇所でバケットを地面に押し当てて、アームおよびブームの動作によってバケットを手前に引き込むことにより地面に溝を掘る作業である。水平掘削作業は、車両の前方箇所でバケットを地面の凸部に押し当てて、アームおよびブームの動作によってバケットを手前に引き込むことにより地面の凸部を削り取る作業である。旋回地ならし作業は、バケットを地面に接触させ、この状態で旋回動作を行うことにより地ならしを行う作業である。土羽打ち作業は、ブームの上下動の繰り返しによって、バケットを地面にたたきつけて、地面をかためていく作業である。ばらまき作業は、バケット,アーム,ブームの同時動作によって、バケットに土をすくい、それをバケットの動作によってばらまくという作業を高速で繰り返す作業である。押し付け掘削作業は、車両の側方箇所で車両の前後方向に溝を掘る場合等に、旋回動作を行いつつ、バケットを地面に押し当てて引き込んで掘削を行う作業である。
【0032】
クレーン作業は、バケットの刃先にロープ等を介して運搬物をつり下げ、この運搬物の移動を行う作業である。積み込み作業は、油圧ショベルを輸送する際に、トレーラ等に油圧ショベルを積み込む作業である。
【0033】
これらの作業種別の特徴量を抽出する特徴量抽出部2のブーム操作複雑さ把握部31は、ブーム用操作レバー20の前記所定時間分の操作量データから、この所定時間内においてこの操作レバーの操作量が増減変動される割合をブーム操作の複雑さを示す複雑さ表示量として把握する。バケット操作複雑さ把握部33は、バケット用操作レバー21の前記所定時間分の操作量データから、この所定時間内においてこの操作レバーの操作量が増減変動される割合をブーム操作の複雑さを示す複雑さ表示量として把握する。このようにして求める例を表1に示している。
【0034】
【表1】
【0035】
本実施の形態1では、ブーム操作複雑さ把握部31は、所定時間分(例えば15秒間分)のブーム操作レバー20についての操作量の時間的変化を示す波形a(これはデータ保持部29に保持された複数の操作量S1〜S5(上記表1では、それぞれ、−10.0,−5.0,5.0,10.0)を表す直線b1〜b5のそれぞれと交わる交点P1〜P5の個数、換言すれば、所定時間内においてブーム用操作レバー20の操作量が各操作量S1〜S5より小さい操作量または大きい操作量からそれぞれこの操作量S1〜S5より大きい操作量または小さい操作量に変化する回数(各操作量S1〜S5の上下に変化する回数)を各操作量S1〜S5毎に求める。そして、各操作量S1〜S5に対応する各交点P1〜P5の個数の平均値をブーム操作の複雑さ表示量ch1として求める。
【0036】
例えば、図3に示すようなブーム用操作レバー21の操作量の波形aでは、各所定操作量S1〜S5に対応する複雑さ表示量は「9.6」となる。このような複雑表示量の求め方は、バケット操作複雑さ把握部33のバケット操作の複雑さ表示量ch2についても同様である。ただし、前記操作量S1〜S5は、各操作レバー毎に各別に定められている(上記表1では、−5.0のみとしている)。
【0037】
このようにして求められるブーム操作およびバケット操作の複雑さ表示量ch1,ch2は、それぞれブーム用操作レバー20およびバケット用操作レバー21が前記所定時間内で頻繁に増減操作される程度を示すものであり、この複雑さ表示量ch1,ch2が大きい程、各操作レバーが頻繁に増減操作されて、複雑なブーム操作およびバケット操作が行われていることを意味する。
【0038】
この場合、複数の所定操作量S1〜S5に対応する直線b1〜b5との交点P1〜P5の個数の平均値をブーム操作やバケット操作の複雑さ表示量とすることにより、同じ作業に際して作業者の好みや作業環境等によって、各操作レバーの操作量の増減幅がばらつくような場合であっても、各操作レバーが頻繁に増減操作される程度(操作の複雑さ)を前記複雑さ表示量ch1,ch2により適正に把握することができる。さらに、図3の右寄りの箇所に示すように、単なる振動等により、僅かな増減幅で各操作レバーの操作量が増減するような場合に、この操作レバーが頻繁に増減操作されていると誤認してしまうような事態を排除できる。このような複雑さ表示量は、前記各交点P1〜P5の個数の最小値をこの複雑さ表示量として求めるようにしてもよい。その場合には、図3の波形aでは、この複雑さ表示量は「8」となる。
【0039】
高速旋回時間把握部34は、旋回用操作レバーの前記所定時間分の操作量データから、この所定時間内において、この操作レバーの操作量の大きさが予め定められた所定操作量(上記表1では、30.0)以上となる時点数、例えばそのような時間の合計を求め、それを高速旋回時間の表示量ch3として把握する。このようにして求められる高速旋回時間の表示量ch3は、前記所定時間内において、油圧ショベルの高速旋回動作が行われた合計時間を意味する。
【0040】
バケット・アーム停止時間把握部36は、ブーム用,アーム用およびバケット用の各操作レバーについての前記所定時間分の操作量データから、この所定時間内においてブーム用操作レバー20の操作量(絶対値)が予め定められた所定操作量(上記表1では、3.0)以上で、かつ、アーム用操作レバー23およびバケット用操作レバー21の各操作量(絶対値)がそれぞれ予め定められた所定操作量(上記表1では、3.0)以下となる時点数、例えばそのようになる時間の合計を求め、それをバケット・アーム停止時間の表示量ch4として把握する。このようにして求められるバケット・アーム停止時間の表示量ch4は、バケットおよびアームをほぼ停止した状態で、ブームのみを駆動する状態の前記所定時間内における合計時間を意味する。
【0041】
ブーム逆操作時間把握部35は、ブーム用,アーム用およびバケット用の各操作レバーについての前記所定時間分の操作量データから、この所定時間内においてブーム用操作レバー20およびアーム用操作レバー23の各操作量がブームおよびアームの上昇側でそれぞれ予め定められた所定操作量(上記表1では、3.0)以上となり、かつ、バケット用操作レバー21の操作量が、バケットの引き込み側で予め定められた所定操作量(上記表1では、−3.0)以下となる時点数、例えばそのようになる時間の合計を求め、それをブーム逆操作時間の表示量ch5として把握する。このようにして求められるブーム逆操作時間の表示量ch5は、ブームおよびアームが上昇側に駆動される一方、バケットが引き込み側に駆動される状態の前記所定時間内における合計時間を意味する。
【0042】
ブーム操作平均値把握部37,アーム操作平均値把握部38およびバケット操作平均値把握部39は、それぞれブーム用,アーム用およびバケット用の各操作レバーについての前記所定時間分の操作量データから、この所定時間内における各操作レバーの操作量(絶対値)の平均値を求め、それぞれブーム操作量平均値の表示量ch6,アーム操作量平均値の表示量ch7およびバケット操作量平均値の表示量ch8として把握する。
【0043】
本実施の形態1では、これらの各把握部31〜39により把握されるブーム操作の複雑さの表示量ch1,バケット操作の複雑さの表示量ch2,高速旋回時間の表示量ch3,バケット・アーム停止時間の表示量ch4,ブーム逆操作時間の表示量ch5,ブーム操作量平均値の表示量ch6,アーム操作量平均値の表示量ch7およバケット操作量平均値の表示量ch8を油圧ショベルの動作状態を示す特徴量としている。このように求めた作業種と特徴量との関係を表2に示した。
【0044】
【表2】
【0045】
メンバシップ関数記憶部3に記憶保持されたメンバシップ関数は、この表2から導かれるものであり、前記ブーム操作の複雑さ表示量等である8種類の各特徴量の値と、前述した各作業種別に対応する特徴量の適合度との予め定められた関係を示すものである。そして、各作業種毎に、前述した各特徴量に対応するメンバシップ関数がメンバシップ関数記憶部3に記憶保持される。
【0046】
すなわち、このメンバシップ関数は、各作業種別と各特徴量との組毎に設定される。この場合、各作業種別と各特徴量との各組に対応するメンバシップ関数は、基本的には、各作業種別の実際の作業時において前述の各特徴量が通常的にとり得る値の範囲で、その特徴量の値に対応した適合度が最大値(本実施の形態では「1」)となり、この特徴量の値が上記範囲から外れるに従って、徐々に適合度が小さくなるように設定される。
【0047】
例えば図4〜図11は、単純掘削作業についての例であるが、通常、ブーム用操作レバー20およびバケット用操作レバー21が、短時間で頻繁に増減操作されるころは少ないため、図4および図5に示すように、前記ブーム操作の複雑さ表示量およびバケット操作の複雑さ表示量の値が「0」を含めて比較的低い範囲で、適合度が最大の「1」となるようにメンバシップ関数が設定される。
【0048】
また単純掘削作業においては、通常、高速旋回を行う動作や、バケットおよびアームをほぼ停止した状態でブームのみを駆動する動作、ブームを上昇側に駆動しつつバケットおよびアームを引き込み側に駆動する状態の頻度が少ないため、図6〜図8に示すように前記高速旋回時間,バケット・アーム停止時間およびブーム逆操作時間の値が「0」を含めて比較的低い範囲で、適合度が最大の「1」となるようにメンバシップ関数が設定される。
【0049】
また単純掘削作業においては、通常、ブーム用操作レバー20およびバケット用操作レバー21が比較的大きな操作量で操作される場合が多く、このため、図9および図11に示すように、前記ブーム操作量平均値およびバケット操作量平均値がある値以上の比較的大きい範囲で、適合度が最大の「1」となるようにメンバシップ関数が設定される。
【0050】
そして、アーム操作レバー23は、中程度の操作量で操作される場合が多いことから、図10に示すように、前記アーム操作量平均値の値が中程度の範囲で、適合度が最大の「1」となるようにメンバシップ関数が設定される。
【0051】
このような作業種別毎の各特徴量に対するメンバシップ関数の設定は、他の作業についても、同様であり、各作業が通常とり得る値の範囲で、その特徴量の値に対応した適合度が最大の「1」となるように各メンバシップ関数が設定される。なお、各作業種別について、特徴量の通常的な値の範囲が、この特徴量の全範囲にわたるような場合には、その特徴量のの全範囲にわたって適合度が最大の「1」となるようにメンバシップ関数が設定される。
【0052】
適合度演算部4は、作業時に前記各把握部31〜39により実際に把握された各特徴量の値から、上記のようにして設定されたメンバシップ関数を用いて各作業種毎に、各特徴量の各作業種別に対する適合度を求める。
【0053】
具体的には、適合度演算部4は、上記表1における各特徴量ch1〜ch8を用いて上記メンバシップ関数から計算される各作業の特徴量に対する適合度μij(i=1〜9,j=1〜8)の論理積あるいは論理和から、各作業の適合度hi(i=1〜9)を以下のような式を用いて計算する。
【0054】
【数1】
【0055】
あるいは、
【0056】
【数2】
【0057】
ただし、i=1は単純掘削作業,2は法面仕上げ作業,3は溝掘削作業,4は水平地ならし作業,5は旋回地ならし作業,6は土羽打ち作業,7はばらまき作業,8は押し付け掘削作業,9はクレーン作業を示し、min( )は最小値っを計算する処理を示している。
【0058】
操作特性設定値記憶部5は、応答時定数記憶部41と、吸収馬力記憶部42と、流量変更記憶部43と、最大供給流量記憶部44とを具備し、各記憶部41〜44に各作業に対して要求される操作特性設定値Pkiを例えば以下に示す表3のように設定し記憶させる。
【0059】
【表3】
【0060】
すなわち、応答時定数記憶部41は、各操作レバーの操作量の変化速度に対する各アクチュエータの作動速度の変化速度を規制する応答時定数を記憶しておくものであり、例えば上記表3に示すように、この応答時定数を作業種別に応じて0秒,0.2秒,0.3秒,0.5秒に設定し記憶する。応答時定数は、それが小さくなる程、各操作レバーの操作量が変化されたときに、それに対する各アクチュエータの作動速度の応答性が高くなるものである。なお、この応答時定数にしたがった作動は、例えば各操作レバーの操作量が変化されたときに、それに応じた油圧ポンプ11,12の流量変化を生ぜしめるための第1,第2比例電磁弁26,27への通電タイミングをこの応答時定数の時間だけ遅延させることにより行われる。
【0061】
吸収馬力記憶部42は、エンジン10の出力を油圧ポンプ11,12により吸収する割合である、いわゆる吸収馬力を記憶しておくものであり、例えば上記表3に示すように、油圧ポンプ吸収馬力を作業種別に応じて100%,80%,70%に設定し記憶する。ここで、100%の油圧ポンプ吸収馬力は、エンジン10の各回転数における出力トルクと油圧ポンプ11,12の発生トルクとが一致する状態を示しており、この状態では、エンジン10の出力が、そのまま各アクチュエータを駆動するための油圧ポンプ11,12の出力に変換される。また80%あるいは70%の油圧ポンプ吸収馬力は、エンジン10の各回転数における油圧ポンプ11,12の発生トルクと出力トルクの80%あるいは70%となる状態を示しており、この状態では、エンジン10の出力の80%あるいは70%が、各アクチュエータを駆動するための油圧ポンプ11,12の出力に変換される。
【0062】
流量変化度記憶部43は、各操作レバーの操作量の変化量に対する油圧ポンプ11,12から各アクチュエータへの圧油の流量についての静的変化量の割合を流量変化量として記憶しておくものであり、例えば上記表3に示すように、この流量変化量を作業種別に応じて大,中,小の3種類で設定し記憶する。流量変化量は、それが大きい程、各操作レバーの操作量の増減に対して、各アクチュエータの作動速度の増減変化が大きくなる。
【0063】
最大供給流量記憶部44は、油圧ポンプ11,12から各アクチュエータへの圧油の最大供給量を記憶しておくものであり、例えば上記表3に示すように、油圧ポンプ11,12の許容最大吐出流量に等しい最大供給流量を100%として、この最大供給流量を作業種別に応じて100%,80%,70%に設定し記憶する。最大供給流量は、それが大きい程、各操作レバーの操作による各アクチュエータの最大作動速度が速くなる。
【0064】
操作特性演算部6では、適合度演算部4によって計算された適合度hi(i=1〜9)と、操作特性設定値記憶部5の各記憶部41〜44に記憶されている操作特性設定値Pkiから、以下のような式を用いて操作特性出力値Pk(k=1〜4)を計算する。つまり、各作業毎に設定された操作特性設定値の、各特徴量と各作業との関係を記述したファジールールへの適合度を重みとした加重平均を操作特性の出力値となす。
【0065】
【数3】
【0066】
そして、操作特性演算部6からの操作特性出力値Pkにしたがって、油圧ポンプ制御部7では、各操作レバーの時々刻々の操作量に応じた流量の圧油が各アクチュエータに供給されるように第1,第2比例電磁弁26,27への通電量を決定し、この第1,第2比例電磁弁26,27へ通電し、これにより、油圧ポンプ11,12の吐出流量を制御する。
【0067】
以上より、本実施の形態1によれば、上記従来技術のように単一の作業種に対応する操作特性設定値がそのまま出力されるのではなく、ここでは全作業種に対応する適合度と操作特性設定値とから求められた操作特性の出力値が出力される。これにより、全ての適合度が操作特性の出力値に反映されることとなる。
【0068】
より具体的には、例えば予め各特徴量と各作業との関係がファジールールで記述されており、各ルールへの適合度は、予め設定されたメンバシップ関数に基づいて計算され、操作特性の出力値が、各作業毎に設定された操作特性値を用いて、各ルールへの適合度を重みとした加重平均によって求められる。
【0069】
このことにより、操作特性が予め定められた値にON−OFF的に切り替わるのではなく、中間的な値が出力される。例えば、油圧ポンプの最大流量が上記従来技術と同様に、単純掘削作業に対し100%,法面仕上げ作業に対し70%にそれぞれ設定されており、オペレータが、法面仕上げから、単純掘削というような作業をする場合においては、その出力値は100%と70%の中間の85%となる。
【0070】
したがって、このような組み合わせ作業を行う場合でも、作業切り替わりの前後で予め設定された値以外の中間的な制御値をとることができるので、油圧ポンプの最大流量が従来技術におけるようにステップ的に変化せず、段階的に変化し、操作特性の切り替わりがスムーズとなる。
【0071】
また、操作量履歴データ内に異種作業のデータが混在する場合でも、上記従来技術におけるようなON−OFF的な切り替えに比べて、各適合度を考慮した制御となっており、誤判別つまりオペレータが意図しない作業の適合度が大きくなるような場合でも、それらの操作特性に及ぼす影響が平均化されるので、操作の違和感が減少する。その結果、油圧ショベルの操作特性の向上を図ることができる。
【0072】
なお、上記実施の形態1では、具体例として、操作特性の出力値が、各作業毎に設定された操作特性値を用いて、各特徴量と各作業との関係を表すファジールールへの適合度を重みとした加重平均によって求められるものとしたが、この適合度による重みに代えて、あるいは、この適合度による重みに加えてオペレータ指定による重み付けをしてもよい。その場合には、オペレータの経験が出力値に反映されることとなり、より実際的な操作性の向上が図られる。さらに、そのような重み付けを学習により行うこととしてもよいことは勿論である。
【0073】
また、上記実施の形態1では、予め用意された全ての作業種に対応する適合度および操作特性設定値をベースにしているが、本発明では、少なくとも2以上の作業種に対応する適合度および操作特性設定値を選択してこれらから複合的な操作特性出力値を演算することにより、優れた効果が得られる。
【0074】
(実施の形態2)
上記実施の形態1では、各作業毎に設定されている操作特性設定値Pkiを用いて操作特性出力値Pkの計算を行っている。しかし、上記表3をみると分かるように、例えば単純掘削作業,溝掘削作業および押し付け掘削作業はまったく同じ操作特性に設定されている(ポンプ吸収馬力=100%,最大供給流量=100%,重量変化度=1.0,応答時定数=0秒)。
【0075】
このような場合、上記数1式を用いて計算するとすれば、ある特定の操作特性が強調されることになる。例えば、ポンプ吸収馬力=100%が上記数1式では3回も重複して出現するからである。したがって、これによって不都合が生じる場合は、作業をグループ化することが考えられる。具体的には、以下に示す表4のような作業グループ化が考えられる。
【0076】
【表4】
【0077】
ここでは、例えば単純掘削作業,溝掘削作業および押し付け掘削作業を掘削作業としてグループ番号1で表しており、他の作業も同様にグループ化してそれぞれグループ番号2〜6で表している。このように作業グループ化した場合には、上記符号iは作業グループ番号を意味することとなる。すると、各作業グループと操作特性設定値との関係は以下に示す表5のようになる。
【0078】
【表5】
【0079】
ただし、各作業グループの適合度hgi(i=1〜6)は、各作業グループに属する作業の適合度の最大値とし、本実施の形態2では、以下の数4式によって計算する。つまり、ここでも上記実施の形態1と同様に、各作業毎に設定された操作特性設定値の、各特徴量と各作業との関係を記述したファジールールへの適合度を重みとした加重平均を操作特性の出力値となす。
【0080】
【数4】
【0081】
この場合、操作特性演算部6では、適合度演算部4によって計算された各作業グループの適合度hgi(i=1〜6)と、操作特性設定値記憶部5の各記憶部41〜44に記憶されている操作特性設定値Pkiから、以下のような式を用いて操作特性出力値Pk(k=1〜4)を計算する。つまり、各作業グループ毎に設定された操作特性設定値の、各特徴量と各作業グループとの関係を記述したファジールールへの適合度を重みとした加重平均を操作特性の出力値となす。
【0082】
【数5】
【0083】
そして、操作特性演算部6からの操作特性出力値Pkにしたがって、油圧ポンプ制御部7では、油圧ポンプの吐出量を第1,第2比例電磁弁26,27を介して制御する。
【0084】
以上より、本実施の形態2によれば、操作特性がまったく同様の作業が存在する場合、それらをグループ化することにより、ある特定の操作特性が重複して出現することによってその操作特性が強調されることを防止して、操作性の向上を図ることができる。
【0085】
なお、本実施の形態2の構成は、上記グループ化以外については、上記実施の形態1とまったく同様である。したがって、その他の作用効果は、上記実施の形態1とまったく同様である。
【0086】
【発明の効果】
以上の説明のとおり、本発明によれば、油圧ショベルの各作業用アクチュエータに対応する各操作レバーの操作量が操作量検出手段により検出され、上記検出された操作量に基づき油圧ショベルの操作の特徴を示す特徴量が特徴量演算手段により演算され、作業種別に各特徴量に対応させて予め設定されたファジー推論用の複数のメンバシップ関数がメンバシップ関数記憶手段により記憶され、上記演算された各特徴量が、上記記憶された各メンバシップ関数に適用されることにより、該演算された各特徴量の各作業に対する適合度が適合度演算手段により演算される。この際、各作業種別に各操作特性に対応させて予め設定された操作特性設定値が操作特性設定値記憶手段に記憶され、複数の作業種に対応して演算された適合度および記憶された操作特性設定値に基づいて油圧ショベルの制御用の操作特性が操作特性出力手段により出力される。すなわち、上記従来技術のように単一の作業種に対応する操作特性設定値が選択されてそのまま出力されるのではなく、ここでは複数の作業種に対応する適合度と操作特性設定値とから求められた操作特性の出力値が出力される。これにより、複数の適合度が操作特性の出力値に総合的に反映されることとなる。
【0087】
より具体的には、例えば予め各特徴量と各作業との関係がファジールールで記述されており、各ルールへの適合度は、予め設定されたメンバシップ関数に基づいて計算され、操作特性の出力値が、各作業毎に設定された操作特性値を用いて、各ルールへの適合度を重みとした加重平均によって求められる。
【0088】
このことにより、操作特性が予め定められた値にON−OFF的に切り替わるのではなく、中間的な値が出力される。例えば油圧ポンプの最大流量が、上記従来技術と同様に、単純掘削作業に対し100%,法面仕上げ作業に対し70%にそれぞれ設定されており、オペレータが、法面仕上げから、単純掘削というような作業をする場合においては、その出力値は100%と70%の中間の85%となる。
【0089】
したがって、このような組み合わせ作業を行う場合でも、作業切り替わりの前後で予め設定された値以外の中間的な制御値をとることができるので、例えば油圧ポンプの最大流量が従来技術におけるようにステップ的に変化せず、段階的に変化し、操作特性の切り替わりがスムーズとなる。
【0090】
また、操作量履歴データ内に異種作業のデータが混在する場合でも、上記従来技術におけるようなON−OFF的な切り替えに比べて、各適合度を考慮した制御となっており、誤判別つまりオペレータが意図しない作業の適合度が大きくなるような場合でも、それらの操作特性に及ぼす影響が平均化されるので、操作の違和感が減少する。
【0091】
さらに、操作特性設定値を、同一の操作特性を有する作業種毎にグループ化し、各作業グループ毎の適合度および操作特性設定値に基づいて油圧ショベルの制御用の操作特性を出力することとすれば、ある特定の操作特性が重複して出現することにより、その操作特性が強調されることを防止することができる。
【0092】
より具体的には、例えば予め各特徴量と各作業グループとの関係がファジールールで記述されており、各ルールへの適合度は、予め設定されたメンバシップ関数に基づいて計算され、操作特性の出力値が、各作業グループ毎に設定された操作特性値を用いて、各ルールへの適合度を重みとした加重平均によって求められる。
【0093】
その結果、いずれの場合も、操作の切り替え時のショックや違和感を極力少なくして油圧ショベルの操作特性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1に係る制御装置の概略構成を示すブロック図である。
【図2】本発明の実施の形態1に係る制御装置を含む油圧ショベルの全体システム構成図である。
【図3】本発明の実施の形態1に係る制御装置の作動説明図である。
【図4】ブーム操作複雑さ表示量についてのメンバシップ関数の例図である。
【図5】バケット操作複雑さ表示量についてのメンバシップ関数の例図である。
【図6】高速旋回時間の表示量についてのメンバシップ関数の例図である。
【図7】バケット・アーム停止時間の表示量についてのメンバシップ関数の例図である。
【図8】ブーム逆操作時間の表示量についてのメンバシップ関数の例図である。
【図9】ブーム操作量平均値の表示量についてのメンバシップ関数の例図である。
【図10】アーム操作量平均値の表示量についてのメンバシップ関数の例図である。
【図11】バケット操作量平均値の表示量についてのメンバシップ関数の例図である。
【符号の説明】
1 各操作量センサ(操作量検出手段に相当)
2 特徴量抽出部(特徴量演算手段に相当)
3 メンバシップ関数記憶部(メンバシップ関数記憶手段に相当)
4 適合度演算部(適合度演算手段に相当)
5 操作特性設定値記憶部(操作特性設定値記憶手段に相当)
6 操作特性演算部(操作特性出力手段に相当)
7 油圧ポンプ制御部
26 第1比例電磁弁
27 第2比例電磁弁
28 A/D変換部
29 データ保持部
Claims (3)
- 油圧ショベルの各作業用アクチュエータに対応する各操作レバーの操作量を検出する操作量検出手段と、上記検出された操作量に基づき油圧ショベルの操作の特徴を示す特徴量を演算する特徴量演算手段と、作業種別に各特徴量に対応させて予め設定されたファジー推論用の複数のメンバシップ関数を記憶するメンバシップ関数記憶手段と、上記演算された各特徴量を、上記記憶された各メンバシップ関数に適用することにより、該演算された各特徴量の各作業に対する適合度を演算する適合度演算手段とを具備した油圧ショベルの制御装置において、
各作業種別に各操作特性に対応させて予め設定された操作特性設定値を記憶する操作特性設定値記憶手段と、複数の作業種に対応して演算された適合度および記憶された操作特性設定値に基づいて油圧ショベルの制御用の操作特性を出力する操作特性出力手段とを備え、
前記操作特性出力手段は、各作業毎に設定された操作特性設定値の、各特徴量と各作業との関係を記述したファジールールへの適合度を重みとした加重平均を操作特性の出力値となすことを特徴とする油圧ショベルの制御装置。 - 油圧ショベルの各作業用アクチュエータに対応する各操作レバーの操作量を検出する操作量検出手段と、上記検出された操作量に基づき油圧ショベルの操作の特徴を示す特徴量を演算する特徴量演算手段と、作業種別に各特徴量に対応させて予め設定されたファジー推論用の複数のメンバシップ関数を記憶するメンバシップ関数記憶手段と、上記演算された各特徴量を、上記記憶された各メンバシップ関数に適用することにより、該演算された各特徴量の各作業に対する適合度を演算する適合度演算手段とを具備した油圧ショベルの制御装置において、
各作業種別に各操作特性に対応させて予め設定された操作特性設定値を記憶する操作特性設定値記憶手段と、複数の作業種に対応して演算された適合度および記憶された操作特性設定値に基づいて油圧ショベルの制御用の操作特性を出力する操作特性出力手段とを備え、
前記操作特性設定値は、同一の操作特性を有する作業種毎にグループ化されたものであり、
前記操作特性出力手段は、各作業グループ毎の適合度および操作特性設定値に基づいて油圧ショベルの制御用の操作特性を出力するものであって、各作業グループ毎に設定された操作特性設定値の、各特徴量と各作業との関係を記述したファジールールへの適合度を重みとした加重平均を操作特性の出力値となすものであることを特徴とする油圧ショベルの制御装置。 - 各作業に、ブーム作業,アーム作業,バケット作業および旋回作業を含む請求項1または2に記載の油圧ショベルの制御装置。
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