JP4943601B2 - Method and apparatus for determining payload weight - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に作業機械のバケット内の負荷の重量を求めることに関し、より詳細には、多くの自由度を有する作業機械のバケット内の負荷の重量を求めることに関する。
【０００２】
【従来の技術】
作業機械のバケット内のペイロードの重量を求める様々な従来的方法がある。しかし、その過程の複雑さのために、これらの多くの方法には固有の限界が内在している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
例えば、いくつかの方法は、フロント・ローダなどの２つの自由度しかないバケットを有する作業機械に限られる。この手法は、より多くの自由度を有する機械、例えば掘削機には使用できないであろう。他の方法は、ペイロードが静止している間のみ、又は、所定の位置のみで作業機械が測定を実行することを必要とする。これは、操作員が各掘削サイクルに余分な時間をかけて機械を操作する必要があるという点で問題がある。更に別の方法では、既知の負荷を使用する測定装置の較正を必要とするか、又は、曲線当てはめなどの類似な形態を有する異なる（ベースライン）機械の作動に基づいてペイロードの重量を近似的に求める。前者は、そうでなければ掘削に費やすことができる余計な時間を機械の操作にかける可能性があり、他方、後者は、作業機械とベースライン機械との間にずれがほとんど無いか全く無いことを仮定しており、これは、しばしば誤りである。
【０００４】
【問題を解決するための手段】
本発明は、作業機械のペイロードの質量を求める方法及び装置を提供する。作業機械は、シャーシ、シャーシと結合した運転台、及び、運転台と結合したブームを有する。第１のアクチュエータは、ブーム及び運転台に結合され、運転台に対してブームを動かす。作業機械は、ブームに結合されたアームを有し、アーム及びブームに結合された第２のアクチュエータは、アームをブームに対して動かす。作業機械はまた、ペイロードを受け入れるように機能するバケットを有する。バケットはアームと結合され、第３のアクチュエータは、バケット及びアームに結合されてバケットをアームに対して動かす。運転台に対するブームの第１の連結角は、時間的に少なくとも２つの時点で測定される。ブームに対するアームの第２の連結角も、時間的に少なくとも２つの時点で測定される。アームに対するバケットの第３の連結角は、時間的に少なくとも１つの時点で測定される。第１のアクチュエータに作用する第１のアクチュエータ力は、少なくとも２つの時点で測定される。第２のアクチュエータに作用する第２のアクチュエータ力も、少なくとも２つの時点で測定される。第３のアクチュエータに作用する第３のアクチュエータ力も、少なくとも２つの時点で測定される。更に、作業機械の複数の物理的特性が測定される。バケット及びペイロードの質量は、第１連結角、第２連結角、第３連結角、第１アクチュエータ力、第２アクチュエータ力、第３アクチュエータ力、及び、バケットがアームに対して比較的静止している間に予め測定された複数の物理的特性の関数として判断される。
【０００５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の１つの実施形態による掘削機１０などの作業機械の表象的側面図である。例えばバックホウローダ又はフロントショベルなど、当業者に公知の他の適切な作業機械を使用しても良い。掘削機１０は、地面に留まるシャーシ１２、及び、シャーシ１２に結合され、必ずしもそうではないが通常はシャーシ１２に対して可動である運転台１４を含む。ブーム１６などの第１の結合アームは、運転台１４に結合され、それと相対的に可動である。アーム１８などの第２の結合アームは、ブーム１６に結合され、それと相対的に可動である。バケット２０などのペイロードを収容する装置は、アーム１８に結合され、それと相対的に可動である。バケット２０は、本発明の１つの実施形態に従って質量又は重量を求めることができるペイロード（図示しない）を受け入れる。
【０００６】
第Ｉ部 運動学的解析
Ａ．問題記述
図２は、固定基準座標系（ＸＹ）と、本発明の１つの実施形態に従って運転台に取り付けられた付加的座標系（ｘｙ）を示す。運転台座標系の原点は、第１の回転軸上において運転台座標系のｘ軸もまた第２の回転軸と交わるような地点に位置する。固定座標系の原点はｘｙ座標系の原点と一致し、Ｙ軸は垂直方向（重力の方向と平行）であり、Ｘ軸は水平方向で「最も急な上り坂方向」を指す。
図３は、本発明の１つの実施形態に従って運転台１４に取り付けられたｘｙ座標系と、ブーム１６（ｓｔ）、アーム１８（ｕｖ）、及び、バケット２０（ｐｑ）に取り付けられた付加的座標系とを示す。掘削機１０は、ブーム１６、アーム１８、及び、バケット２０のほか、これらのリンクを作動する３つの線形油圧シリンダ２２、２４、及び、２６の中心線がｘｙ平面にあるようにモデル化されている。図４（表１）は、本発明の１つの実施形態に従ってキャタピラー３２５型掘削機の定数機構パラメータを列挙している。異なる特性を有する作業機械のパラメータは、当業者に公知の方法によって測定されてもよい。
【０００７】
ここで、問題記述が以下のように述べられる。
与えられる事項：
・定数機構パラメータ（図４を参照されたい）
・傾斜角ξ（図２を参照されたい）
・連結角パラメータψ、θ₁、θ₂、θ₃（図２及び図３を参照されたい）のほか、掘削機リンク１４、１６、１８、及び、２０がある軌道に沿って動く時、各時点におけるそれらの時間に関する１次及び２次微分
・掘削機リンク１６、１８、及び、２０がある軌道に沿って動く時、各時点における油圧シリンダ２０、２２、及び、２４に沿うアクチュエータ力ｆ₁、ｆ₂、及び、ｆ₃
求める事項：バケット及び負荷の質量（又は重量）
解析は、掘削機シャーシ１２が地面に固定して付帯していることを仮定している。また、第１の連結軸線周りのアクチュエータトルクがこの解析において不要であることに注意することは無駄ではない。
【０００８】
Ｂ：位置解析
掘削機１０に対する力学的運動方程式は、図２及び図３に示すｘｙ座標系と同時に同じ向きに並ぶ固定座標系を用いて生み出されることになる。この固定座標系による重力ベクトルの方向は、傾斜角ξ及び回転角ψを用いて次のように容易に決めることができる。

これ以降、運転台座標系であることがはっきりと述べられない限り、ｘｙ座標系は、固定基準フレームを意味するものとする。
【０００９】
ブーム１６、アーム１８、及び、バケット２０における点の座標をｘｙ座標系に変換することは、回転角θ₁、θ₂、及び、θ₃が既知量であるから簡単なことである。点Ｈの座標は、平面４本バー機構Ｇ−Ｈ−Ｉ−Ｒ₃の解析から決めることができる。これらの変換方程式はまだここに示されていないが、これ以降、図３に示す全ての点の座標は、点Ｍ（バケット及び負荷の質量中心の位置）を除けば固定ｘｙ座標系を用いて既知であると仮定される。
【００１０】
Ｃ．速度解析
物体ｉに対して測定される物体ｊの速度状態は、次のように書かれることになる。

ここで、ⁱω^jは、物体ｉに対して測定された物体ｊの角速度であり、ⁱv^j _ooは、基準点ＯＯ（図３）と同時に一致する物体ｊにおける点の線速度である。一旦物体の速度状態が分かれば、物体内の任意の点Ｐの速度は次式から計算し得る。

ここで、項ⁱv^j _pは、物体ｉに対して測定された物体ｊにおける点Ｐの速度を表す。項ｒ_{oo → p}は、基準点ＯＯから点Ｐへと向かうベクトルである。
【００１１】
物体ｉに対する物体ｋの速度状態は、物体ｊに対する物体ｋの速度状態及び物体ｉに対する物体ｊの速度状態を用いて次式により判断できることを証明することができる。

これ以降、地面は物体０、運転台１４は物体１、ブーム１６は物体２、アーム１８は物体３、そして、バケット２０は物体４として参照するものとする。これらの各物体の速度状態は、こうして固定ｘｙ基準フレームを用いて判断されることになる。
【００１２】
関節によって結合された２つの物体に対して、速度状態は、結合部に関する角速度の大きさと結合部軸線の結合プラッカ座標との積に等しくなることを示すことができる。
当業者に公知の方法により４つの結合軸線のプラッカ線座標をｘｙ座標系を用いて計算すると、掘削機アームの各物体の速度状態は、物体０（地面）に対して次式で判断し得る。

ここで、

ここで、

これらの方程式において、ｓ₁、ｃ₁、ｓ₂、及び、ｃ₂は、角θ₁及び角θ₂の正弦及び余弦を各々表す。更に、項ｓ₁₊₂及びｃ₁₊₂は、合計θ₁＋θ₂の正弦及び余弦を表している。
【００１３】
Ｄ．部分速度スクリュー
移動する剛体１から４の各々の速度状態は、方程式（５）から（８）で表される。これらの速度状態の各々は、ここで次の公式に因数分解されることになる。

【００１４】
（５）から次式は明らかであり、

【００１５】
Ｅ．各点の部分角速度及び部分速度
各点の部分角速度及び部分速度の概念は、当業者には公知であり、マグロー・ヒルから１９８５年に出版されたＴ．ケーン及びＤ．レビンソン著の「力学：理論と応用」において見出すことができ、ケーンの力学方程式を導く際に使用される。諸量は、Ｄ節で導かれた部分速度スクリューから直接に導くことができ、部分速度スクリューは、本質的に２つの部分から成っている。すなわち、
（ｉ）各単位方向ベクトルは、ケーンの部分角速度に相当する、そして、
（ｉｉ）各モーメントベクトルは、本明細書の基準点ＯＯと一致する物体の点のケーンの部分速度に相当する。
従って、各点のケーンの部分角速度及び部分速度は、実際にはベクトルである。ケーンの表記法は、力学的運動方程式を導く際に以下で使用されることになる通りにここで導入される。
【００１６】
一般化座標ψによる点ＯＯの部分角速度及び部分速度は、物体１（運転台１４）に対して（１３）から次式のように表すことができる。

一般化座標θ₁、θ₂、及び、θ₃による物体０（地面）に対する物体１（運転台１４）の任意の点の部分角速度及び部分速度は、これらの一般化座標が物体１（運転台１４）の「下流」にあるため、全てゼロである。従って、

【００１７】
物体２（ブーム１６）に関して、一般化座標ψ及びθ₁による点ＯＯの部分角速度及び部分速度は、（１４）から次式のようになる。

一般化座標θ₂及びθ₃による物体２（ブーム１６）の全ての点の部分角速度及び部分速度はゼロである。従って、

【００１８】
物体３（アーム１８）に関して、一般化座標ψ、θ₁、θ₂、及び、θ₃による点ＯＯの部分角速度及び部分速度は、（１５）から次式のようになる。

物体４（バケット２０及び負荷）に関して、一般化座標ψ、θ₁、θ₂、及び、θ₃による点ＯＯの部分角速度及び部分速度は、（１６）から次式のようになる。

一般化座標λによる物体ｉの任意の点Ｐの部分速度に対する一般方程式は、次式で表すことができる。

すなわち、（２５）を使用して任意の一般化座標に対する掘削機アームの任意の点の部分速度を得ることができる。
【００１９】
しかし、物体４（バケット２０及び負荷）に関する質量中心点の部分速度は、そのためにここで拡張されることになるが、理由は、質量中心点の位置が未知のパラメータｐ_M及びｑ_Mによって表されるからである。バケット２０及び負荷の質量中心の座標は、ｘｙ座標系を用いて次のように表してもよい。
ｘ_G4＝ｐ_Mｃ₁₊₂₊₃−ｑ_Mｓ₁₊₂₊₃＋ａ₂₃ｃ₁₊₂＋ａ₁₂ｃ₁＋ｘ_O、
ｙ_G4＝ｐ_Mｓ₁₊₂₊₃＋ｑ_Mｃ₁₊₂₊₃＋ａ₂₃ｓ₁₊₂＋ａ₁₂ｓ₁． （２６）
（２２）から（２５）までの式から、４つの一般化座標ψ、θ₁、θ₂、及び、θ₃の各々に関するこの質量中心点の部分速度は、次式で表すことができる。

更に、物体４の質量中心の全体速度は、次式で表すことができる。

この方程式から、バケット２０及び負荷の質量中心の速度は、未知のパラメータｐ_M及びｑ_Mを用いて次式で表すことができる。

ここで、

【００２０】
Ｆ．加速度解析

ここで、⁰αⁱ及び⁰ωⁱは、各々、物体０に関する剛体ｉの角加速度及び角速度であり、⁰aⁱ _oo及び⁰vⁱ _ooは、各々、物体０の基準点ＯＯに一致する物体ｉの点の加速度及び速度である。
【００２１】
加速度状態はまた、異なる基準点を用いて表されてもよい。例えば、剛体ｉの加速度状態は、原点が点Ｇ_i（物体ｉの質量中心）にある物体０に取り付けられた基準フレームに関する物体ｉの加速度状態は、次式で表すことができる。

（３４）及び（３５）を（３６）に代入し、質量中心点の加速度⁰aⁱ _Giについて解くと、次式が得られる。

従って、一旦物体０に対する物体ｉの速度状態及び加速度状態が分かると、物体ｉの任意の点（特に、質量中心点Ｇ_i）の加速度は、（３７）から決めることができる。これで物体１から物体４までの加速度状態が測定されることになる。
【００２２】
（３４）から物体１（運転台１４）の加速度状態は、次式で表すことができる。

（３７）から物体１（運転台１４）の質量中心の加速度は、次式で計算することができる。

物体１（運転台１４）に対する物体２（ブーム１６）の加速度状態は、基準点ＯＯに関して次式で表すことができる。

物体２（ブーム１６）は単に点Ｏに関して回転するように制限されるので、この加速度は、次式のように変形されることになる。

【００２３】

リー・ブラケットの拡張は、２つの速度スクリュー（両方とも同じ基準点ＯＯに関して表される）の一般的な場合に対して、次式のように定義される。

【００２４】
（４３）を使用して（４２）を拡張すると次式が得られる。

物体２（ブーム１６）の質量中心の加速度について解くと、次式が得られる。

ここで、

同様な手順により物体３（アーム１８）の加速度状態は、次式で値を求めることができる。

物体３（アーム１８）の質量中心の加速度は、次式で与えられる。

ここで、

【００２５】
最後に、物体４（バケット２０）の加速度状態は、次式で計算される。

ここで、

ここで、
ａ_G4x＝ｐ_MＡ₁₀＋ｑ_MＡ₁₁＋Ａ₁₂
ａ_G4y＝ｐ_MＡ₁₃＋ｑ_MＡ₁₄＋Ａ₁₅ （５７）
ａ_G4z＝ｐ_MＡ₁₆＋ｑ_MＡ₁₇＋Ａ₁₈
であり、また項Ａ₁₀からＡ₁₈までは、次式のように定義される。

項ａ_4x、ａ_4y、及び、ａ_4zは（５５）で定義され、項Ａ₁からＡ₉までは（３３）で定義される。
運転台１４、ブーム１６、及び、アーム１８の質量中心の直線加速度は、所定のパラメータを用いて決められた。しかし、バケット２０の質量中心の直線加速度は、ｐｑ座標系におけるバケット質量中心点の位置を指定する未知のパラメータｐ_M及びｑ_Mを用いて表される。
【００２６】
第ＩＩ部 力学的解析
Ａ．序論
ここでは、ケーンによって開発された多体系の力学的解析について簡単な説明が与えられる。本発明の１つの実施形態による連続チェーン３０が図５に示されている。図６は、本発明の１つの実施形態によるリンクｉと、それに作用する力及びトルクとを示す。これらの力及びトルクは、Ｒ_i-1、i、Ｒ_i+1、i、Ｆ_p1、Ｆ_p2、．．．、Ｔ_i、及び、Ｍ_iｇなどの外力として分類することができ、ここで、ｇは重力による力、また慣性力はダランベール力としても知られている。
【００２７】
当業者に公知のニュートン・オイラーの方程式から次式が得られる。

項ΣF_iEXTは、リンクｉに加えられる外力の合計に等しく、項ΣT_iEXTは、点Ｇ_iに関する外力のモーメントの合計に等しい。ここで、更に項F_i ^*及びT_i ^*が導入されて、リンクｉの運動による慣性力（ダランベールの力）、及び、リンクｉの運動による慣性トルク（ダランベールのトルク）を表す。すなわち、

が得られ、方程式（６１）及び（６２）は、次式で表すことができる。

【００２８】
多体系は多くの自由度を有するが、この序論では簡単のためこれらの自由度のうちの１つのみ、すなわちチェーンの回転対偶の１つの回転θを考察することにする。ここで、θは一般化座標と呼ばれ、更に角速度ωは次式で与えられる。

これにより、慣性基準フレーム０に対するリンクｉに固定された任意の点Ｐの速度は、次式で与えられ、

慣性基準フレームに対するリンクｉの角速度は、次式で与えられる。

ベクトル⁰Uⁱ _Pは、一般化座標θに対してリンクｉに固定された点Ｐの部分速度と呼ばれ、他方、ベクトル⁰Uⁱは、一般化座標θに対するリンクｉの部分角速度と呼ばれる。方程式（６８）及び（６９）の和における残りの項は、系の他の一般化座標の時間微分を乗じた部分速度及び部分角速度を表すことになる。
【００２９】
一般化座標θに関してリンクｉに付随する作用力は、次式で定義され、

一般化座標θに関してリンクｉに付随する慣性力は、次式で定義される。

次に、一般化座標θに付随する連続チェーンの力学的方程式は、次式で与えられる。

ここで、ｉ＝１、２、．．．、ｎは、連続チェーンのｎ個のリンクの各々を表す。
【００３０】
ケーンの方法によると、一般化座標ψ、θ₁、θ₂、及び、θ₃の各々に付随する力学的運動方程式がある。（７２）から、これらの方程式は次式の形で表すことができる。

ここで、項Ｆ及びＦ^*は、次節で導かれる作用力及び慣性力である。（７３）を展開すると、方程式（７４）から（７６）までを使用しても除去することができないバケットの不要で未知の慣性項が（７３）に包含されていることが示されることになる。この理由から、この方程式を使用することにはならないので、その展開をこれ以上進めることはしない。
【００３１】
Ｂ．一般化慣性力
ケーンによって発展させられた表記法では、項F_n ^*及びT_n ^*は、地面（物体０）に対して測定される物体ｎの慣性力及び慣性トルクにとして各々定義される。これらの項は次式で表される。

ここで、Ｍ_nは物体の質量、⁰aⁿ _Gnは質量中心点の加速度、及び、⁰ωⁿ及び^oαⁿは地面に対して測定される物体の角速度及び角加速度である。I_nは、この物体に対する慣性ダイアディックであり、次式で表すことができる。

角速度及び角加速度は、次式で表すことができる。

（８２）及び（８４）を（７８）に代入すると、次式が得られる。

【００３２】
Ｂ．１ 物体１すなわち運転台に対する一般化慣性力
一般化座標ψに関する物体１の慣性力はゼロにはならないであろうが、方程式（７３）が使用されないので、この項の値は、本明細書では求められないことになる。残りの一般化座標θ₁、θ₂、及び、θ₃に関する物体１の部分角速度及び部分線速度は全てゼロに等しいので、これらの一般化座標に関する物体１の慣性力もまた全てゼロに等しくなる。従って、

【００３３】
Ｂ．２ 物体２すなわちブームに対する一般化慣性力
一般化座標θ₁に関する物体２（ブーム１６）の慣性力は、次式で与えられる。

項T₂ ^*は、（８５）から得ることができる。しかし、各瞬間における慣性モーメントがｘｙｚ座標系に平行で原点が物体２の質量中心と一致する座標系を用いて表される必要があることにここで注意することは重要である。しかし、物体２の慣性モーメントの項は、原点が質量中心に位置するｓｔ座標系に平行な座標系を用いて与えられていた。ｓｔ座標系は、ｚ軸に関して−θ₁の角度だけ回転することによりｘｙ座標系と平行に持ってくることができる。ｓｔ座標系から点をｘｙ座標系へ変換する回転マトリックスは、^x _s ^y _tRと呼ばれ、次式で表すことができる。

このマトリックスは、ｓｔ座標系による慣性テンソルすなわちI_stzをｘｙ座標系による慣性テンソルすなわちI_xyzに以下の関係式に従って変換するのに使用することができる。

このマトリックス積を展開すると、次式が得られる。
Ｉ_xx＝Ｉ_ssｃｏｓ²θ₁＋Ｉ_ttｓｉｎ²θ₁−２ｓｉｎθ₁ｃｏｓθ₁Ｉ_st、（９０）
Ｉ_yy＝Ｉ_ssｓｉｎ²θ₁＋Ｉ_ttｃｏｓ²θ₁＋２ｓｉｎθ₁ｃｏｓθ₁Ｉ_st、（９１）
Ｉ_xy＝（−Ｉ_tt＋Ｉ_ss）ｓｉｎθ₁ｃｏｓθ₁＋Ｉ_st（ｃｏｓ²θ₁−ｓｉｎ²θ₁）、 （９２）Ｉ_xz＝Ｉ_szｃｏｓθ₁−Ｉ_tzｓｉｎθ₁， （９３）Ｉ_yz＝Ｉ_szｓｉｎθ₁＋Ｉ_tzｃｏｓθ_1. （９４）慣性モーメントの項Ｉ_ZZはそのままで変化しない。
最後に、（８７）を展開すると次式が得られることになる。

【００３４】
Ｂ．３ 物体３すなわちアームの一般化慣性力
前節の場合と同様に、ｕｖ座標系によって与えられる物体３（アーム１８）の慣性モーメントの項は、ｘｙ座標系を用いて求める必要がある。これは、前記と同様の方法で達成され、今度はｕｖ座標系をｚ軸に関して−（θ₁＋θ₂）の角度だけ回転することによりｘｙ座標系と平行に持ってくることができる。
一般化座標θ₁に関する物体３の慣性力について解くことにより、次式が得られる。

一般化座標θ₂に関する物体３の慣性力は、次式で与えられる。

ここで、a_G3x及びa_G3yは、（５１）及び（５２）で与えられる。
最後に、θ₃に関する質量中心の部分角速度及び部分速度は共にゼロに等しいので、一般化座標θ₃に関する物体３の慣性力はゼロに等しくなることになる。従って、

【００３５】
Ｂ．４ 物体４すなわちバケットの一般化慣性力
物体２及び物体３に対して使用されたのと同様な手順をここでも利用して、一般化座標系θ₁、θ₂、及び、θ₃に関する物体４（バケット２０）の慣性力が得られる。この手順の結果は、ここで以下のように表される。

これらの方程式において、項ｐ_M及びｑ_Mは、ｐｑ座標系を用いて測定されたバケット２０及び負荷の質量中心の未知の位置を表している。項Ａ₁₀からＡ₁₅までは、（５８）及び（５９）によって定義される。最後に、物体４（バケット２０）の慣性モーメントは、ｐｑ座標系において未知であり、従って、ｘｙ座標系においても未知であることに注意することは重要である。
【００３６】
Ｃ．一般化作用力
一般化座標λに関する物体ｎの一般化作用力は、力の作用線上の点の部分線速度（一般化座標λに関する）上に投影された外力の各々の合計として得ることができる。例えば、もし物体ｎが各々点Ａ及び点Ｂを通過する２つの外力F₁及びF₂を受けていたのであれば、一般化座標λに関する物体ｎの一般化作用力は、次式で表すことができたであろう。

ここで、^ovⁿ _{A λ}及び^ovⁿ _{B λ}は、一般化座標λに関する物体ｎの点Ａ及び点Ｂの部分線速度である。一般化座標θ₁、θ₂、及び、θ₃に関する掘削機の物体１から物体４までの作用力は、これで測定されることになる。
【００３７】
Ｃ．１ 物体１すなわち運転台の一般化作用力
一般化座標θ₁、θ₂、及び、θ₃に関する物体１（運転台１４）の部分角速度及び部分線速度は、全てゼロである。このような理由から、一般化作用力もまたゼロに等しいことになる。従って、
Ｆ_{1 θ 1}＝Ｆ_{1 θ 2}＝Ｆ_{1 θ 3}＝０． （１０３）
【００３８】
Ｃ．２ 物体２すなわちブームの一般化作用力
３つの外力が物体２（ブーム１６）に作用している。これらは、点Ｊ（点Ｇ₂とも呼ばれる）を通過する物体２の重量、点Ａ及び点Ｂの間に加わるアクチュエータ力、及び、点Ｄ及び点Ｅの間に加わるアクチュエータ力である。従って、一般化座標θ₁に関する物体２の一般化作用力は、次式で表すことができる。

ここで、W₂は物体２（ブーム１６）の重量であり、F_2B及びF_2Dはシリンダの力であり、そして、^ov² _{G2 θ i}、^ov² _{B θ i}、及び、^ov² _{D θ i}は、一般化座標θ₁に関する点Ｇ₂、Ｂ、及び、Ｄの部分速度である。一般化座標θ₁に関する得られた一般化作用力は、ここで次式のように表される。

ここで、ｇは重力の加速度である。一般化座標θ₂及びθ₃に関する物体２（ブーム１６）の部分速度スクリューはゼロに等しいので、これらの座標に関する物体２の一般化作用力もまたゼロに等しいことになる。従って、
Ｆ_{2 θ 2}＝Ｆ_{2 θ 3}＝０． （１０６）
【００３９】
Ｃ．３ 物体３すなわちアームの一般化作用力
４つの外力が物体３（アーム１８）に作用している。これらは、点Ｋ（点Ｇ₃とも呼ばれる）を通過する物体３の重量、点Ｄ及び点Ｅの間に加わるアクチュエータ力、点Ｆ及び点Ｈの間に加わるアクチュエータ力、及び、点Ｇ及び点Ｈの間のリンクに沿う力である。従って、一般化座標θ₁に関する物体３（アーム１８）の一般化作用力は、次式で表すことができる。

ここで、W₃は物体３（アーム１８）の重量であり、F_3E及びF_3Fはシリンダ力であり、F_3GはリンクＧＨに沿う力であり、そして、^ov³ _{G3 θ i}、^ov³ _{E θ i}、^ov³ _{F θ i}、及び、^ov³ _{G θ i}は、一般化座標θ₁に関する点Ｇ₃、Ｅ、Ｆ、及び、Ｇの部分速度である。一般化座標θ₁及びθ₂に関する得られた一般化作用力は、ここで次式のように表される。

θ₃に関する物体３の部分速度スクリューがゼロに等しいので、θ₃に関する物体３の一般化作用力もまた０に等しいことになる。従って、
Ｆ_{3 θ 3}＝０． （１１０）
【００４０】
Ｃ．３ 物体４すなわちバケットの一般化作用力
２つの外力が物体４（バケット２０）に作用している。これらは、点Ｍ（点Ｇ₄とも呼ばれる）を通過する物体４の重量、及び、点Ｈ及び点Ｉの間のリンクに沿う力である。従って、一般化座標θ₁に関する物体４の一般化作用力は、次式で表すことができる。

ここで、W₄は物体４の重量であり、F₃₁はリンクＨＩに沿う力であり、そして、^ov⁴ _{G4 θ i}及び^ov⁴ _{I θ i}は、一般化座標θ₁に関する点Ｇ₄及び点Ｉの部分速度である。一般化座標θ₁、θ₂、及び、θ₃に関する得られた一般化作用力は、ここで次式のように表される。
Ｆ_{4 θ 1}＝Ｍ₄ｇ［（ｐ_Mｓ₁₊₂₊₃＋ｑ_Mｃ₁₊₂₊₃＋ａ₂₃ｓ₁₊₂＋ａ₁₂ｓ₁）ｓｉｎξｃｏｓψ−（ｐ_Mｃ₁₊₂₊₃−ｑ_Mｓ₁₊₂₊₃＋ａ₂₃ｃ₁₊₂＋ａ₁₂ｃ₁）ｃｏｓξ］＋Ｆ_HI［−ｙ_Iｕ_HIx＋（ｘ_I−ｘ_O）ｕ_HIy］、(１１２)
Ｆ_{4 θ 2}＝Ｆ_{4 θ 1}−Ｍ₄ｇ［ａ₁₂ｓ₁ｓｉｎξｃｏｓψ−ａ₁₂ｃ₁ｃｏｓξ］
＋Ｆ_HI（ａ₁₂ｓ₁ｕ_HIx−ａ₁₂ｃ₁ｕ_HIy） （１１３）
Ｆ_{4 θ 3}＝Ｆ_{4 θ 2}−Ｍ₄ｇ［ａ₂₃ｓ₁₊₂ｓｉｎξｃｏｓψ−ａ₂₃ｃ₁₊₂ｃｏｓξ］
＋Ｆ_HI（ａ₂₃ｓ₁₊₂ｕ_HIx−ａ₂₃ｃ₁₊₂ｕ_HIy）． （１１４）
として表される。
【００４１】
Ｄ．運動方程式の定式化
方程式（７３）から（７６）までは、掘削機アームの運動方程式を表した。これらの方程式の１番目は、バケット２０に関する多くの未知の慣性モーメント項を包含するので使用しないことになる。残る３つの方程式は、ゼロ値をとる一般化慣性力及び作用力を代入した後、次のように表すことができる。

方程式（１１５）から（１１７）までをバケット２０の重量について解くために、（１１５）から（１１６）を引き、（１１６）から（１１７）を引く形を作ってバケット２０及び負荷の未知の慣性項、すなわちI⁴ _xx、I⁴ _xy、I⁴ _xz、I⁴ _yy 、I⁴ _yz及び、I⁴ _zzを消去することになり、次式を得る。

問題のこの大きな単純化なしでは、実行可能な解法は不可能に思われ、単純化が本質的に発生するのは、第２、第３、及び、第４の結合軸線が全て平行であるからである。これは、最初には明らかでなかったことである。
【００４２】
（１０５）、（９５）、（１０９）、（１１３）、（９７）、及び、（１００）を使用して（１１８）を展開し、（１０９）、（１０８）、（９７）、（９６）、及び、（１００）を使用して（１１９）を展開すると、３つの未知のパラメータＭ₄、ｐ_M、及び、ｑ_Mに関する次の２つの方程式が得られる。
Ｂ₁Ｍ₄＋Ｄ₁Ｍ₄ｐ_M＋Ｅ₁Ｍ₄ｑ_M＋Ｆ₁＝０、 （１２０）
Ｂ₂Ｍ₄＋Ｄ₂Ｍ₄ｐ_M＋Ｅ₂Ｍ₄ｑ_M＋Ｆ₂＝０． （１２１）
ここで、（５８）から（６０）まで、及び、（３３）を係数に代入すると次式が得られる。

【００４３】
Ｅ．多重データセットからのバケット及び負荷の重量測定
（１２０）及び（１２１）全体をＭ₄で割ることにより次式が得られる。

ｑ_Mを消去して次式が得られる。

ここで、
Ｈ_i＝Ｄ₂Ｅ₁−Ｄ₁Ｅ₂、 Ｊ_i＝Ｆ₂Ｅ₁−Ｆ₁Ｅ₂、
Ｋ_i＝Ｂ₂Ｅ₁−Ｂ₁Ｅ₂． （１２６）添字ｉを使用して多重データセット、すなわち各瞬間に集められたデータを表す。
方程式（１２５）は、次式のようにマトリックス形式で表してもよい。
A x =b , （１２７）
ここで、Aはｎ×２マトリックス、xは長さ２のベクトル、及び、bは長さｎのベクトルであり、以下の式で与えられる。

【００４４】
マトリックスA、及び、ベクトルbは共に既知であり、最小二乗法を使用して長さｎの残差ベクトルrの成分の二乗の合計が最小になるように、x_optと呼ぶxに対する解を求めることになる。ここで、rは次式で定義される。
ｒ＝ｂ−Ａｘ_opt. （１２９）
解は、次式で与えられる。
ｘ_opt＝（Ａ^TＡ）^-1Ａ^Tｂ. （１３０）

【００４５】
図１に戻って参照すると、掘削機１０は、通常、いくつかの装置を使用して上記で検討した適切な測定を行う。本発明の１つの実施形態において、第１の感知装置５０は、ブーム１６と結合し得る。第１の感知装置５０は、掘削機１０のブーム角θ₁の関数としてブーム角信号を発信する。第１の感知装置５０は、回転位置センサ又はシリンダ伸張センサなど、当業者に公知である様々な適切な装置のどれであってもよい。
【００４６】
第２の感知装置５２は、アーム１８と結合し得る。第２の感知装置５２は、掘削機１０のアーム角θ₂の関数としてアーム角信号を発信する。第２の感知装置５２もまた、回転位置センサ又はシリンダ伸張センサなど、当業者に公知である様々な適切な装置のどれであってもよい。
第３の感知装置５４は、バケット２０と結合し得る。第３の感知装置５４は、掘削機１０のバケット角θ₃の関数としてバケット角信号を発信する。ここでもまた、第３の感知装置５４は、回転位置センサ又はシリンダ伸張センサなど、当業者に公知である様々な適切な装置のどれであってもよい。
【００４７】
第４の感知装置５６は、運転台１４をブーム１６に結合する油圧シリンダ２２に結合し得る。第４の感知装置５６は、油圧シリンダ２２に作用する第１の力の関数として第１のアクチュエータ力信号を発信する。第１の力は、通常、ブーム１６、アーム１８、及び、バケット２０、更にもしあればそのペイロードのほか、掘削機１０が平坦でない地面上にある場合の運転台１４の重量及び運動による正味の力である。
【００４８】
本発明の１つの実施形態において、第４の感知装置５６は、それぞれの感知圧力の関数としてそれぞれの圧力信号を発信する２つの圧力センサ５８及び６０を含む。圧力センサ５８及び６０の一方は、油圧シリンダ２２のロッド側に結合され、他方はヘッド側に結合される。油圧シリンダ２２のこれらの側の各圧力を求めることにより、正味の力の正確な測定が当業者に公知の方法によって為され得る。本発明の別の実施形態においては、たった１つのセンサが使用されてもよいが、通常、油圧シリンダ２２上の正味の力に対する精度の落ちる測定をもたらすことになる。
【００４９】
本発明の１つの実施形態において、第４の感知装置５６はまた、圧力センサ５８及び６０からそれぞれの圧力信号を受信して圧力信号の関数として第１のアクチュエータ力信号を発信するセンサ処理回路６１を含んでもよい。別の実施形態において、センサ処理回路６１は、下記で検討する処理装置７８に含まれてもよい。
第５の感知装置６２は、ブーム１６とアーム１８とを結合する油圧シリンダ２４に結合し得る。第５の感知装置６２は、第２のアクチュエータ力信号を油圧シリンダ２４に作用する第２の力の関数として発信する。第２の力は、通常、アーム１８及びバケット２０、更にもしあればそのペイロードのほか、掘削機１０が平坦でない地面上にある場合の運転台１４の重量及び運動による正味の力である。
【００５０】
本発明の１つの実施形態において、第５の感知装置６２は、それぞれの感知圧力の関数としてそれぞれの圧力信号を発信する２つの圧力センサ６４及び６６を含む。圧力センサ６４及び６６の一方は、油圧シリンダ２４のロッド側に結合され、他方はヘッド側に結合される。油圧シリンダ２４のこれらの側の各圧力を求めることにより、正味の力の正確な測定が当業者に公知の方法によって為され得る。本発明の別の実施形態においては、たった１つのセンサが使用されてもよいが、通常、油圧シリンダ２４上の正味の力に対する精度の落ちる測定をもたらすことになる。
【００５１】
本発明の１つの実施形態において、第５の感知装置６２はまた、上記のセンサ処理回路６１と類似のセンサ処理回路６７を含んでもよく、その説明は簡略のため繰り返さない。
第６の感知装置６８は、アーム１８とバケット２０とを結合する油圧シリンダ２６に結合し得る。第６の感知装置６８は、第３のアクチュエータ力信号を油圧シリンダ２６に作用する第３の力の関数として発信する。第３の力は、通常、バケット２０、及び、もしあればそのペイロードのほか、掘削機１０が平坦でない地面上にある場合の運転台１４の重量及び運動による正味の力である。
【００５２】
本発明の１つの実施形態において、第６の感知装置６８は、それぞれの感知圧力の関数としてそれぞれの圧力信号を発信する２つの圧力センサ７０及び７２を含む。圧力センサ７０及び７２の一方は、油圧シリンダ２６のロッド側に結合され、他方はヘッド側に結合される。油圧シリンダ２６のこれらの側の各圧力を求めることにより、正味の力の正確な測定が当業者に公知の方法によって為され得る。本発明の別の実施形態においては、たった１つのセンサが使用されてもよいが、通常、油圧シリンダ２６上の正味の力に対する精度の落ちる測定をもたらすことになる。
本発明の１つの実施形態において、第６の感知装置６８はまた、上記のセンサ処理回路６１と類似のセンサ処理回路７３を含んでもよく、その説明は簡略のため繰り返さない。
【００５３】
上記の検討においては油圧シリンダ２２、２４、及び、２６を使用してブーム１６、アーム１８、及び、バケット２０を作動するが、当業者に公知の他の種類のアクチュエータもまた使用することができるであろう。例えば、電気式、又は、空気式を含む油圧式モータなどの様々なモータとそれらに対する軸継手とを使用することができるであろう。更に、例えば圧力センサの代わりにトルクセンサを使用するなど、当業者に公知の適切な変更を一般に次に為すことができるであろう。
【００５４】
本発明の１つの実施形態において、第７の感知装置７４は、シャーシ１２又は運転台１４のいずれかに結合されてもよい。第７の感知装置７４は、掘削機の傾斜角ξの関数として傾斜角信号を発信する。
本発明の１つの実施形態において、第８の感知装置７６は、運転台１４に結合されてもよい。第８の感知装置は、例えばシャーシ１２に対する運転台１４の位置などの掘削機のヨー角の関数としてヨー角信号を発信する。
【００５５】
処理装置７８は、感知装置５０、５２、５４、５６、６２、６８、７４，及び、７６に結合され、それらの各信号を受信する。処理装置は、第１から第６までの感知装置５０、５２、５４、５６、６２、及び、６８から少なくとも２つの時点で信号を受信し、上記で説明した方法を使用して、受信信号と掘削機１０の所定の物理的特性との関数としてバケット２０とその中の任意のペイロードとの質量又は重量を求める。
【００５６】
本発明の１つの実施形態において、処理装置７８は、バケット及びペイロードの測定質量及び重量からバケット（負荷なし）の既知質量及び重量を減算するなどによりペイロード単独の質量を求める。処理装置はまた、質量に重力加速度を乗算するなどによりペイロードの重量を測定してもよい。
本発明の１つの実施形態において、傾斜角、及び／又は、ヨー角が必要ない場合があり、本発明のそれらに関する部分が除かれるか無視されてもよい。例えば掘削機１０が実質的に平坦な地面にある場合、傾斜角は無視し得る。関節部がヨー角を持たないような方法で結合される作業機械にすることもまた可能である。この場合、明らかにヨー角部分は無視し得る。
【００５７】
本発明の別の実施形態において、ホイールローダなどの自由度のより少ない作業機械は、バケットの質量及び重量を求めるのに上記の技術を使用してもよい。同様に、他の結合アームに対して相対速度ゼロである１つ又はそれ以上の結合アームを有する掘削機１０はまた、上記の技術を使用してもよい。これらの場合、静止又は存在しない結合アームに関する適当な変数は、ゼロにするか又は無視してもよく、これらの項にデータを供給する適当なセンサは、それらが例えば位置などの他の項にとって必要なければ除外してもよい。
【００５８】
例えば、バケット２０がアーム１８に対して静止している時、バケット２０及びペイロードの質量及び重量を求めることが必要な場合がある。すなわち、バケット２０に対するいかなる相対速度又は相対加速度の項もゼロにするか又は無視してよく、方程式が簡単になる。本発明の１つの実施形態において、バケット２０に対する相対速度及び相対加速度の項を供給するセンサ５４などの装置は、他の装置や方法が利用できない限り、バケット２０の位置を求めるのにやはり必要であろう。
【００５９】
上記のバケット２０及びペイロードの質量及び重量の測定は、例えば静的又は動的のいずれかの場合である、ブーム１６、アーム１８、及び、バケット２０のうちの１つ又は全てが運動している間に為されるか、又は、それらが静止している間に為されてもよい。更に、バケット２０及びペイロードの質量及び重量の測定は、掘削機のアームが所定の位置にあることには関係しない。すなわち、バケット２０及びペイロードの質量及び重量の測定が為される一方で、通常の経路に沿って掘削及びダンプするなど、掘削機１０は通常に作動し得る。
【００６０】
更に、本発明の１つの実施形態において、バケット２０及びペイロードの質量及び重量の測定は解析的であり、例えば非経験的である。既知の負荷を使用して力や角度を測定し、次に、未知の負荷を用いて曲線の当てはめを行うなどの掘削機１０の較正を実行する必要はない。
更に、上記の方法は、本質的にトルクを使用してバケット２０及びペイロードの質量及び重量の測定を行っている。すなわち、アクチュエータに関する結合点が異なるか変更された場合、上記で検討した方程式の他の部分を変更することなく、基本的なトルク方程式のわずかな修正が為されることが可能であろう。
最後に、本発明の１つの実施形態において、バケット及び負荷の質量は、バケット及び負荷の慣性特性のいかなる知識も用いることなく計算し得る。
【００６１】
図７は、本発明の１つの実施形態による掘削機１０のバケット２０及びペイロードの質量を求めるアルゴリズム９０の流れ図である。ブロック９２で掘削機１０の所定の物理的特性がメモリのデータセットにアクセスするなどして決められる。
アルゴリズムのブロック９４は、実際には適切な数のデータサンプル（１を超える）が読み取られることを確実にするカウンタやポインタである。ブロック９６で例えば掘削機アームに作用する上記の位置及び力などのデータサンプルが読み取られる。
ブロック９８において、データは、当業者に公知の方法により適切な状態に調整される、及び／又は、フィルタにかけられる。適切な場合には、このブロックは除外してもよい。
【００６２】
ブロック１００でデータが記憶される。データサンプルが更に必要であるか又は希望される場合、制御は、ブロック９４又はブロック９６に分岐してもよい。
ブロック１０２において、運転台１４、ブーム１６、アーム１８、及び、バケット２０の角速度及び角加速度は、適切であれば、上記でサンプリングされた位置の関数として決められる。
ブロック１０４において、バケットペイロードの質量及び重量が上記の通り決められる。
ブロック１０６において、バケットペイロードの質量や重量は、表示装置（図示しない）又は所定の時間に亘ってバケットペイロードの全質量や全重量の記録を保つアナログ加算器（図示しない）などの装置に出力される。
【００６３】
上記でアルゴリズム９０の１つの流れ図を検討したが、様々な同等な流れ図もまた使用可能であろう。例えば、ブロック９４をブロック１００の次にくるように移動させて、ブロック１００が常に制御をブロック９４に渡すようにすることもできる。ブロック９４において、ｎ個のサンプルが読み取られた場合、制御はブロック１０２に渡されるであろう。そうでない場合、制御はブロック９６に分岐することになる。
【００６４】
産業上の利用可能性
本発明は、掘削機１０の操作員によりバケット２０のペイロードの重量を求めるのに使用されてもよい。操作員は、通常の掘削経路を使用してバケット２０に積載する。バケットがトラック上方などのその積み降ろし地点に向かって旋回される時、ペイロードの重量が測定され、目に見えるように表示されてもよい。操作員は、掘削機アームの運動を止める必要はなく、それが所定の形態や位置に入るようにする必要もない。
本明細書において例証的な目的のために本発明の特定な実施形態が説明されたが、本発明の精神又は範囲を逸脱することなく様々な変更を為し得ることが以上の説明から理解されるであろう。従って、本発明は、添付請求項以外によっては制限されていない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１つの実施形態による作業機械の表象的側面図である。
【図２】固定基準座標系と、本発明の１つの実施形態に従って運転台に取り付けられた付加的座標系とを示す図である。
【図３】本発明の１つの実施形態に従って、運転台に取り付けられたｘｙ座標系と、ブーム、アーム、及び、バケットに取り付けられた付加的座標系とを示す図である。
【図４】本発明の１つの実施形態によるキャタピラー３２５型掘削機に対する定数機構パラメータを列挙した表である。
【図５】本発明の１つの実施形態による連続チェーンを示す図である。
【図６】本発明の１つの実施形態に従って、連続チェーンのリンクｉと、それに作用する力及びトルクとを示す図である。
【図７】本発明の１つの実施形態に従って、掘削機のバケット及びペイロードの質量を求めるアルゴリズムに関する流れ図である。
【符号の説明】
１０ 掘削機
１２ シャーシ
１４ 運転台
１６ ブーム
１８ アーム
２０ バケット
２２、２４、２６ 油圧シリンダ
５０ 第１の感知装置
５２ 第２の感知装置
５４ 第３の感知装置
５６ 第４の感知装置
５８、６０、６４、６６、７０、７２ 圧力センサ
６１、６７、７３ センサ処理回路
６２ 第５の感知装置
６８ 第６の感知装置
７４ 第７の感知装置
７６ 第８の感知装置
７８ 処理装置[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates generally to determining the weight of a load in a bucket of a work machine, and more particularly to determining the weight of a load in a bucket of a work machine having many degrees of freedom.
[0002]
[Prior art]
There are various conventional methods for determining the weight of the payload in the bucket of the work machine. However, due to the complexity of the process, many of these methods have inherent limitations.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
For example, some methods are limited to work machines having buckets with only two degrees of freedom, such as front loaders. This approach would not be used for machines with more degrees of freedom, such as excavators. Other methods require the work machine to perform measurements only while the payload is stationary or only in a predetermined position. This is problematic in that the operator needs to operate the machine with extra time for each drilling cycle. Yet another method requires calibration of the measuring device using a known load or approximates the payload weight based on the operation of a different (baseline) machine having a similar form such as curve fitting. Ask for. The former may take extra time to operate the machine otherwise it can spend excavation, while the latter has little or no deviation between the work machine and the baseline machine This is often an error.
[0004]
[Means for solving problems]
The present invention provides a method and apparatus for determining the payload mass of a work machine. The work machine includes a chassis, a cab coupled to the chassis, and a boom coupled to the cab. The first actuator is coupled to the boom and the cab and moves the boom relative to the cab. The work machine has an arm coupled to the boom, and a second actuator coupled to the arm and the boom moves the arm relative to the boom. The work machine also has a bucket that functions to accept the payload. The bucket is coupled to the arm and a third actuator is coupled to the bucket and the arm to move the bucket relative to the arm. The first connection angle of the boom to the cab is measured at least two points in time. The second connection angle of the arm to the boom is also measured at least two points in time. The third coupling angle of the bucket relative to the arm is measured at least at one point in time. The first actuator force acting on the first actuator is measured at at least two time points. The second actuator force acting on the second actuator is also measured at at least two time points. A third actuator force acting on the third actuator is also measured at at least two time points. In addition, a plurality of physical characteristics of the work machine are measured. The mass of the bucket and payload is such that the first connection angle, the second connection angle, the third connection angle, the first actuator force, the second actuator force, the third actuator force, and the bucket is relatively stationary with respect to the arm. As a function of a plurality of physical properties measured in advance.
[0005]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a diagrammatic side view of a work machine such as an excavator 10 according to one embodiment of the present invention. Other suitable work machines known to those skilled in the art may be used, such as a backhoe loader or a front shovel. The excavator 10 includes a chassis 12 that remains on the ground and a cab 14 that is coupled to the chassis 12 and that is usually but not necessarily movable with respect to the chassis 12. A first coupling arm, such as a boom 16, is coupled to the cab 14 and is movable relative thereto. A second coupling arm, such as arm 18, is coupled to boom 16 and is movable relative thereto. A device that accommodates a payload, such as bucket 20, is coupled to arm 18 and is movable relative thereto. Bucket 20 receives a payload (not shown) that can determine mass or weight in accordance with one embodiment of the present invention.
[0006]
Part I Kinematic Analysis
A. Problem description
FIG. 2 shows a fixed reference coordinate system (XY) and an additional coordinate system (xy) attached to the cab according to one embodiment of the present invention. The origin of the cab coordinate system is located on the first rotation axis at a point where the x-axis of the cab coordinate system also intersects the second rotation axis. The origin of the fixed coordinate system coincides with the origin of the xy coordinate system, the Y axis is the vertical direction (parallel to the direction of gravity), and the X axis is the “steepest uphill direction” in the horizontal direction.
FIG. 3 illustrates an xy coordinate system attached to the cab 14 according to one embodiment of the present invention, and additional coordinates attached to the boom 16 (st), arm 18 (uv), and bucket 20 (pq). System. The excavator 10 is modeled so that the center line of the three linear hydraulic cylinders 22, 24, and 26 that operate these links, as well as the boom 16, the arm 18, and the bucket 20, are in the xy plane. Yes. FIG. 4 (Table 1) lists the constant mechanism parameters for a Caterpillar 325 excavator according to one embodiment of the present invention. Parameters of work machines having different characteristics may be measured by methods known to those skilled in the art.
[0007]
Here, the problem description is described as follows.
Items given:
-Constant mechanism parameters (see Fig. 4)
Inclination angle ξ (see FIG. 2)
・ Connecting angle parameters ψ, θ₁, Θ₂, Θ_ThreeIn addition to (see FIGS. 2 and 3), when excavator links 14, 16, 18, and 20 move along a trajectory, first and second order derivatives with respect to their time at each point in time.
Actuator force f along the hydraulic cylinders 20, 22, and 24 at each point in time when the excavator links 16, 18, and 20 move along a track.₁, F₂And f_Three
What you want: Mass (or weight) of bucket and load
The analysis assumes that the excavator chassis 12 is fixedly attached to the ground. It is not wasteful to note that the actuator torque around the first connecting axis is not necessary in this analysis.
[0008]
B: Position analysis
The dynamic equation of motion for the excavator 10 is generated using a fixed coordinate system that is aligned in the same direction as the xy coordinate system shown in FIGS. The direction of the gravity vector by this fixed coordinate system can be easily determined as follows using the tilt angle ξ and the rotation angle ψ.

From now on, the xy coordinate system shall mean a fixed reference frame unless it is explicitly stated that it is a cab coordinate system.
[0009]
Converting the coordinates of the points in the boom 16, the arm 18, and the bucket 20 to the xy coordinate system is the rotation angle θ.₁, Θ₂, And θ_ThreeIt is easy because is a known amount. The coordinates of the point H are the four plane bar mechanism GHIR_ThreeCan be determined from the analysis. These transformation equations have not yet been shown here, but from now on, the coordinates of all points shown in FIG. 3 are determined using a fixed xy coordinate system, except for point M (the position of the center of mass of the bucket and load). It is assumed to be known.
[0010]
C. Speed analysis
The velocity state of the object j measured with respect to the object i will be written as follows:

here,ⁱω^jIs the angular velocity of the object j measured with respect to the object i,ⁱv^j _ooIs the linear velocity of the point in the object j that coincides with the reference point OO (FIG. 3). Once the speed state of the object is known, the speed of any point P in the object can be calculated from the following equation.

Where the termⁱv^j _pRepresents the velocity of the point P in the object j measured with respect to the object i. Term r_{oo → p}Is a vector from the reference point OO to the point P.
[0011]
It can be proved that the speed state of the object k with respect to the object i can be determined by the following equation using the speed state of the object k with respect to the object j and the speed state of the object j with respect to the object i.

Hereinafter, the ground is referred to as object 0, the cab 14 is referred to as object 1, the boom 16 is referred to as object 2, the arm 18 is referred to as object 3, and the bucket 20 is referred to as object 4. The speed state of each of these objects is thus determined using the fixed xy reference frame.
[0012]
For two objects joined by a joint, it can be shown that the velocity state is equal to the product of the magnitude of the angular velocity for the joint and the joint plaquer coordinate of the joint axis.
When the plaquer line coordinates of the four coupling axes are calculated using the xy coordinate system by a method known to those skilled in the art, the speed state of each object of the excavator arm can be determined by the following equation with respect to the object 0 (ground). .

here,

here,

In these equations, s₁, C₁, S₂And c₂Is the angle θ₁And angle θ₂Represents the sine and cosine, respectively. Furthermore, the term s_{1 + 2}And c_{1 + 2}Is the total θ₁+ Θ₂Represents the sine and cosine.
[0013]
D. Partial speed screw
Each velocity state of the moving rigid bodies 1 to 4 is expressed by equations (5) to (8). Each of these velocity states will now be factored into the following formula:

[0014]
From (5), the following equation is clear:

[0015]
E. Partial angular velocity and partial velocity at each point
The concept of partial angular velocities and partial velocities at each point is known to those skilled in the art and is described in T.W. Kane and D.C. It can be found in Levinson's "Mechanics: Theory and Application" and is used to derive Kane's dynamic equations. The quantities can be derived directly from the partial speed screw introduced in Section D, which consists essentially of two parts. That is,
(I) Each unit direction vector corresponds to a partial angular velocity of Kane, and
(Ii) Each moment vector corresponds to the partial velocity of the cane at the point of the object that coincides with the reference point OO in this specification.
Therefore, the partial angular velocity and partial velocity of the cane at each point are actually vectors. Kane's notation is introduced here as it will be used below in deriving the dynamic equation of motion.
[0016]
The partial angular velocity and the partial velocity of the point OO based on the generalized coordinate ψ can be expressed as follows from (13) with respect to the object 1 (cab 14).

Generalized coordinate θ₁, Θ₂, And θ_ThreeThe partial angular velocities and partial velocities of any point of the object 1 (cab 14) with respect to the object 0 (ground) due to are all zero because their generalized coordinates are “downstream” of the object 1 (cab 14). is there. Therefore,

[0017]
For object 2 (boom 16), generalized coordinates ψ and θ₁From (14), the partial angular velocity and partial velocity of the point OO according to are as follows.

Generalized coordinate θ₂And θ_ThreeThe partial angular velocities and partial velocities at all points of the object 2 (boom 16) due to are zero. Therefore,

[0018]
For the object 3 (arm 18), generalized coordinates ψ, θ₁, Θ₂, And θ_ThreeFrom (15), the partial angular velocity and partial velocity of the point OO according to are as follows.

For object 4 (bucket 20 and load), generalized coordinates ψ, θ₁, Θ₂, And θ_ThreeFrom (16), the partial angular velocity and partial velocity of the point OO according to are as follows.

A general equation for the partial velocity of an arbitrary point P of the object i by the generalized coordinate λ can be expressed by the following equation.

That is, (25) can be used to obtain the partial velocity of any point on the excavator arm relative to any generalized coordinates.
[0019]
However, the partial velocity at the center of mass for the object 4 (bucket 20 and load) will therefore be extended here because the parameter p where the position of the center of mass is unknown._MAnd q_MIt is because it is represented by. The coordinates of the mass center of the bucket 20 and the load may be expressed as follows using an xy coordinate system.
x_G4= P_Mc_{1 + 2 + 3}-Q_Ms_{1 + 2 + 3}+ A_{twenty three}c_{1 + 2}+ A₁₂c₁+ X_O,
y_G4= P_Ms_{1 + 2 + 3}+ Q_Mc_{1 + 2 + 3}+ A_{twenty three}s_{1 + 2}+ A₁₂s₁. (26)
From the equations (22) to (25), the four generalized coordinates ψ, θ₁, Θ₂, And θ_ThreeThe partial velocity at this center of mass for each of can be expressed as:

Furthermore, the overall velocity of the center of mass of the object 4 can be expressed by the following equation.

From this equation, the speed of the bucket 20 and the center of mass of the load is the unknown parameter p_MAnd q_MCan be expressed by the following formula.

here,

[0020]
F. Acceleration analysis

here,⁰αⁱas well as⁰ωⁱAre respectively the angular acceleration and angular velocity of the rigid body i with respect to the object 0,⁰aⁱ _ooas well as⁰vⁱ _ooAre the acceleration and velocity of the point of the object i that coincides with the reference point OO of the object 0, respectively.
[0021]
The acceleration state may also be expressed using different reference points. For example, the acceleration state of the rigid body i has an origin point G_iThe acceleration state of the object i with respect to the reference frame attached to the object 0 at (the center of mass of the object i) can be expressed by the following equation.

Substituting (34) and (35) into (36), the acceleration at the center of mass⁰aⁱ _GiIf we solve for, we get

Therefore, once the velocity state and acceleration state of the object i with respect to the object 0 are known, an arbitrary point of the object i (in particular, the mass center point G_i) Acceleration can be determined from (37). Thus, the acceleration state from the object 1 to the object 4 is measured.
[0022]
From (34), the acceleration state of the object 1 (cab 14) can be expressed by the following equation.

From (37), the acceleration at the center of mass of the object 1 (cab 14) can be calculated by the following equation.

The acceleration state of the object 2 (boom 16) relative to the object 1 (cab 14) can be expressed by the following equation with respect to the reference point OO.

Since the object 2 (boom 16) is limited only to rotate about the point O, this acceleration will be transformed as:

[0023]

The expansion of the Lee bracket is defined by the following equation for the general case of two speed screws (both expressed with respect to the same reference point OO):

[0024]
Extending (42) using (43) yields:

When the acceleration at the center of mass of the object 2 (boom 16) is solved, the following equation is obtained.

here,

With the same procedure, the acceleration state of the object 3 (arm 18) can be obtained by the following equation.

The acceleration at the center of mass of the object 3 (arm 18) is given by the following equation.

here,

[0025]
Finally, the acceleration state of the object 4 (bucket 20) is calculated by the following equation.

here,

here,
a_G4x= P_MA_Ten+ Q_MA₁₁+ A₁₂
a_G4y= P_MA₁₃+ Q_MA₁₄+ A₁₅                    (57)
a_G4z= P_MA₁₆+ Q_MA₁₇+ A₁₈
And term A_TenTo A₁₈Until, it is defined as the following equation.

Term a_4x, A_4yAnd a_4zIs defined in (55) and term A₁To A₉Up to is defined in (33).
The linear acceleration at the center of mass of the cab 14, the boom 16, and the arm 18 was determined using predetermined parameters. However, the linear acceleration at the mass center of the bucket 20 is an unknown parameter p that specifies the position of the bucket mass center point in the pq coordinate system._MAnd q_MIt is expressed using
[0026]
Part II Mechanical Analysis
A. Introduction
Here is a brief description of the multi-system dynamic analysis developed by Kane. A continuous chain 30 according to one embodiment of the present invention is shown in FIG. FIG. 6 shows a link i and the forces and torques acting on it according to one embodiment of the invention. These forces and torques are R_{i-1, i}, R_{i + 1, i}, F_p1, F_p2,. . . , T_i,And M_iIt can be classified as an external force such as g, where g is a force due to gravity and inertial force is also known as d'Alembert force.
[0027]
From the Newton Euler equations known to those skilled in the art, the following equation is obtained:

Term ΣF_iEXTIs equal to the sum of external forces applied to link i and the term ΣT_iEXTIs point G_iIs equal to the sum of the moments of external force. Where further term F_i ^*And T_i ^*Are introduced to represent the inertial force (Dalanvale force) due to the movement of the link i and the inertial torque (Dalanvale torque) due to the movement of the link i. That is,

Equations (61) and (62) can be expressed by the following equations.

[0028]
Many-body systems have many degrees of freedom, but for the sake of simplicity in this introduction we will consider only one of these degrees of freedom, ie one rotation θ of the chain's rotation pair. Here, θ is called a generalized coordinate, and the angular velocity ω is given by the following equation.

Thus, the velocity of an arbitrary point P fixed to the link i with respect to the inertia reference frame 0 is given by the following equation:

The angular velocity of link i relative to the inertial reference frame is given by

vector⁰Uⁱ _PIs called the partial velocity of the point P fixed to the link i with respect to the generalized coordinate θ, while the vector⁰UⁱIs called the partial angular velocity of link i relative to the generalized coordinate θ. The remaining terms in the sum of equations (68) and (69) will represent the partial velocity and partial angular velocity multiplied by the time derivative of the other generalized coordinates of the system.
[0029]
The acting force associated with the link i with respect to the generalized coordinate θ is defined by the following equation:

The inertial force associated with the link i with respect to the generalized coordinate θ is defined by the following equation.

Next, the dynamic equation of the continuous chain associated with the generalized coordinate θ is given by

Here, i = 1, 2,. . . , N represents each of the n links in the continuous chain.
[0030]
According to Kane's method, generalized coordinates ψ, θ₁, Θ₂, And θ_ThreeEach has a dynamic equation of motion associated with it. From (72), these equations can be expressed in the form:

Where terms F and F^*Is the acting force and inertial force derived in the next section. Expanding (73) will show that (73) contains unnecessary and unknown inertial terms of the bucket that cannot be removed using equations (74) through (76). . For this reason, we will not use this equation and will not proceed further.
[0031]
B. Generalized inertia force
In the notation developed by Kane, the term F_n ^*And T_n ^*Are respectively defined as the inertial force and the inertial torque of the object n measured with respect to the ground (object 0). These terms are expressed by the following equation.

Where M_nIs the mass of the object,⁰aⁿ _GnIs the acceleration of the center of mass, and⁰ωⁿas well as^oαⁿAre the angular velocity and angular acceleration of the object measured relative to the ground. I_nIs the inertia dyadic for this object and can be expressed as:

Angular velocity and angular acceleration can be expressed by the following equations.

Substituting (82) and (84) into (78) yields:

[0032]
B. 1 Generalized inertial force on object 1 or cab
The inertial force of the object 1 with respect to the generalized coordinate ψ will not be zero, but since the equation (73) is not used, the value of this term will not be determined here. Remaining generalized coordinates θ₁, Θ₂, And θ_ThreeSince the partial angular velocity and partial linear velocity of object 1 with respect to all are equal to zero, the inertial forces of object 1 with respect to these generalized coordinates are also all equal to zero. Therefore,

[0033]
B. 2 Generalized inertial force on object 2 or boom
Generalized coordinate θ₁The inertial force of the object 2 (boom 16) is given by the following equation.

Term T₂ ^*Can be obtained from (85). However, it is important to note here that the moment of inertia at each instant must be expressed using a coordinate system that is parallel to the xyz coordinate system and whose origin coincides with the center of mass of the object 2. However, the term of inertia moment of the object 2 is given using a coordinate system parallel to the st coordinate system where the origin is located at the center of mass. The st coordinate system is −θ with respect to the z axis.₁Can be brought in parallel with the xy coordinate system by rotating by an angle of. The rotation matrix that converts points from the st coordinate system to the xy coordinate system is^x _s ^y _tIt is called R and can be expressed as:

This matrix is the inertia tensor or I_stzIs the inertia tensor in the xy coordinate system, ie I_xyzCan be used to convert according to the following relation:

When this matrix product is expanded, the following equation is obtained.
I_xx= I_sscos²θ₁+ I_ttsin²θ₁-2sinθ₁cosθ₁I_st, (90)
I_yy= I_sssin²θ₁+ I_ttcos²θ₁+2 sin θ₁cosθ₁I_st, (91)
I_xy= (-I_tt+ I_ss) Sinθ₁cosθ₁+ I_st(Cos²θ₁-Sin²θ₁), (92) I_xz= I_szcosθ₁-I_tzsinθ₁, (93) I_yz= I_szsinθ₁+ I_tzcosθ_1.                 (94) Moment of inertia I_ZZRemains unchanged.
Finally, when (87) is expanded, the following equation is obtained.

[0034]
B. 3 Generalized inertial force of object 3 or arm
As in the previous section, the term of inertia moment of the object 3 (arm 18) given by the uv coordinate system needs to be obtained using the xy coordinate system. This is accomplished in a similar manner as described above, this time with the uv coordinate system set to − (θ₁+ Θ₂) Can be brought in parallel with the xy coordinate system.
Generalized coordinate θ₁By solving for the inertial force of the object 3 with respect to

Generalized coordinate θ₂The inertial force of the object 3 with respect to is given by

Where a_G3xAnd a_G3yIs given by (51) and (52).
Finally, θ_ThreeSince the partial angular velocity and partial velocity of the center of mass for both are equal to zero, the generalized coordinate θ_ThreeThe inertial force of the object 3 with respect to will be equal to zero. Therefore,

[0035]
B. 4 Generalized inertial force of object 4 or bucket
A procedure similar to that used for object 2 and object 3 is also utilized here, and the generalized coordinate system θ₁, Θ₂, And θ_ThreeThe inertial force of the object 4 (bucket 20) is obtained. The result of this procedure is now expressed as:

In these equations, the term p_MAnd q_MRepresents the unknown position of the center of mass of the bucket 20 and the load measured using the pq coordinate system. Term A_TenTo A₁₅Is defined by (58) and (59). Finally, it is important to note that the moment of inertia of the object 4 (bucket 20) is unknown in the pq coordinate system and is therefore unknown in the xy coordinate system.
[0036]
C. Generalized force
The generalized acting force of the object n with respect to the generalized coordinate λ can be obtained as the sum of each of the external forces projected on the partial linear velocity (relative to the generalized coordinate λ) of the point on the force action line. For example, if an object n passes two points A and B, two external forces F₁And F₂The generalized acting force of the object n with respect to the generalized coordinate λ could be expressed by the following equation.

here,^ovⁿ _{A λ}as well as^ovⁿ _{B λ}Is the partial linear velocity of point A and point B of the object n with respect to the generalized coordinate λ. Generalized coordinate θ₁, Θ₂, And θ_ThreeThe acting force from the object 1 to the object 4 of the excavator is thus measured.
[0037]
C. 1 Generalized force of object 1 or cab
Generalized coordinate θ₁, Θ₂, And θ_ThreeThe partial angular velocity and the partial linear velocity of the object 1 (cab 14) are all zero. For this reason, the generalized acting force is also equal to zero. Therefore,
F_{1 θ 1}= F_{1 θ 2}= F_{1 θ Three}= 0. (103)
[0038]
C. 2 Generalized force of object 2 or boom
Three external forces are acting on the object 2 (boom 16). These are point J (point G₂The weight of the object 2 that passes through the actuator 2, the actuator force applied between the points A and B, and the actuator force applied between the points D and E. Therefore, the generalized coordinate θ₁The generalized acting force of the object 2 with respect to can be expressed as:

Where W₂Is the weight of object 2 (boom 16) and F_2BAnd F_2DIs the force of the cylinder and^ov² _{G2 θ i},^ov² _{B θ i},as well as,^ov² _{D θ i}Is the generalized coordinate θ₁Point G₂, B and D partial velocities. Generalized coordinate θ₁The generalized acting force obtained for is expressed here as:

Here, g is the acceleration of gravity. Generalized coordinate θ₂And θ_ThreeSince the partial speed screw of object 2 with respect to (boom 16) is equal to zero, the generalized acting force of object 2 with respect to these coordinates will also be equal to zero. Therefore,
F_{2 θ 2}= F_{2 θ Three}= 0. (106)
[0039]
C. 3 Generalized force of object 3 or arm
Four external forces are acting on the object 3 (arm 18). These are point K (point G_ThreeThe weight of the object 3 passing through), the actuator force applied between point D and point E, the actuator force applied between point F and point H, and the force along the link between point G and point H is there. Therefore, the generalized coordinate θ₁The generalized acting force of the object 3 (arm 18) with respect to can be expressed by the following equation.

Where W_ThreeIs the weight of object 3 (arm 18) and F_3EAnd F_3FIs the cylinder force, F_3GIs the force along the link GH, and^ov^Three _{G3 θ i},^ov^Three _{E θ i},^ov^Three _{F θ i},as well as,^ov^Three _{G θ i}Is the generalized coordinate θ₁Point G_Three, E, F, and G partial velocities. Generalized coordinate θ₁And θ₂The generalized acting force obtained for is expressed here as:

θ_ThreeSince the partial speed screw of object 3 with respect to is equal to zero,_ThreeThe generalized force of the object 3 with respect to is also equal to zero. Therefore,
F_{Three θ Three}= 0. (110)
[0040]
C. 3 Generalized acting force of object 4 or bucket
Two external forces are acting on the object 4 (bucket 20). These are point M (point G_FourAnd the force along the link between point H and point I. Therefore, the generalized coordinate θ₁The generalized acting force of the object 4 with respect to can be expressed by the following equation.

Where W_FourIs the weight of object 4, F₃₁Is the force along the link HI and^ov^Four _{G4 θ i}as well as^ov^Four _{I θ i}Is the generalized coordinate θ₁Point G_FourAnd the partial velocity at point I. Generalized coordinate θ₁, Θ₂, And θ_ThreeThe generalized acting force obtained for is expressed here as:
F_{Four θ 1}= M_Fourg [(p_Ms_{1 + 2 + 3}+ Q_Mc_{1 + 2 + 3}+ A_{twenty three}s_{1 + 2}+ A₁₂s₁) Sinξcosψ− (p_Mc_{1 + 2 + 3}-Q_Ms_{1 + 2 + 3}+ A_{twenty three}c_{1 + 2}+ A₁₂c₁) Cosξ] + F_HI[-Y_Iu_HIx+ (X_I-X_O) U_HIy], (112)
F_{Four θ 2}= F_{Four θ 1}-M_Fourg [a₁₂s₁sinξcosψ-a₁₂c₁cosξ]
+ F_HI(A₁₂s₁u_HIx-A₁₂c₁u_HIy(113)
F_{Four θ Three}= F_{Four θ 2}-M_Fourg [a_{twenty three}s_{1 + 2}sinξcosψ-a_{twenty three}c_{1 + 2}cosξ]
+ F_HI(A_{twenty three}s_{1 + 2}u_HIx-A_{twenty three}c_{1 + 2}u_HIy). (114)
Represented as:
[0041]
D. Formulation of equation of motion
Equations (73) to (76) represent the motion equation of the excavator arm. The first of these equations will not be used because it contains many unknown moment of inertia terms for bucket 20. The remaining three equations can be expressed as follows after substituting the generalized inertial force and acting force that take zero values.

To solve equations (115) through (117) for the weight of bucket 20, subtract (116) from (115) and subtract (116) from (116) to form the unknown inertia of bucket 20 and the load. The term I^Four _xx, I^Four _xy, I^Four _xz, I^Four _yy , I^Four _yzAnd I^Four _zzIs deleted, and the following equation is obtained.

Without this large simplification of the problem, a feasible solution seems impossible, and the simplification essentially occurs because the second, third, and fourth coupling axes are all parallel. It is. This was not obvious at first.
[0042]
(105), (95), (109), (113), (97), and (100) are used to expand (118), and (109), (108), (97), (96 ) And (100) to expand (119), the three unknown parameters M_Four, P_MAnd q_MThe following two equations for are obtained:
B₁M_Four+ D₁M_Fourp_M+ E₁M_Fourq_M+ F₁= 0, (120)
B₂M_Four+ D₂M_Fourp_M+ E₂M_Fourq_M+ F₂= 0. (121)
Here, when (58) to (60) and (33) are substituted into the coefficients, the following equation is obtained.

[0043]
E. Bucket and load weight measurement from multiple data sets
(120) and (121) the whole_FourThe following equation is obtained by dividing by

q_MIs eliminated, and the following equation is obtained.

here,
H_i= D₂E₁-D₁E₂, J_i= F₂E₁-F₁E₂,
K_i= B₂E₁-B₁E₂. (126) Use subscript i to represent multiple data sets, ie data collected at each instant.
Equation (125) may be expressed in matrix form as
A x = b, (127)
Here, A is an n × 2 matrix, x is a vector of length 2, and b is a vector of length n, which are given by the following equations.

[0044]
The matrix A and the vector b are both known, and the sum of the squares of the components of the residual vector r of length n is minimized using the least squares method._optTo find a solution for x. Here, r is defined by the following equation.
r = b-Ax_opt(129)
The solution is given by
x_opt= (A^TA)^-1A^Tb. (130)

[0045]
Referring back to FIG. 1, the excavator 10 typically makes the appropriate measurements discussed above using several devices. In one embodiment of the present invention, the first sensing device 50 may be coupled with the boom 16. The first sensing device 50 has a boom angle θ of the excavator 10.₁A boom angle signal is transmitted as a function of The first sensing device 50 may be any of a variety of suitable devices known to those skilled in the art, such as a rotational position sensor or a cylinder extension sensor.
[0046]
The second sensing device 52 can be coupled to the arm 18. The second sensing device 52 is provided with the arm angle θ of the excavator 10.₂The arm angle signal is transmitted as a function of The second sensing device 52 may also be any of a variety of suitable devices known to those skilled in the art, such as a rotational position sensor or a cylinder extension sensor.
Third sensing device 54 may be coupled to bucket 20. The third sensing device 54 has a bucket angle θ of the excavator 10._ThreeA bucket angle signal is transmitted as a function of. Again, the third sensing device 54 may be any of a variety of suitable devices known to those skilled in the art, such as a rotational position sensor or a cylinder extension sensor.
[0047]
The fourth sensing device 56 may be coupled to the hydraulic cylinder 22 that couples the cab 14 to the boom 16. The fourth sensing device 56 transmits a first actuator force signal as a function of the first force acting on the hydraulic cylinder 22. The first force is usually the net due to the weight and movement of the boom 16, the arm 18, and the bucket 20, and its payload, if any, as well as the cab 14 when the excavator 10 is on uneven ground. It is power.
[0048]
In one embodiment of the invention, the fourth sensing device 56 includes two pressure sensors 58 and 60 that emit respective pressure signals as a function of the respective sensed pressure. One of the pressure sensors 58 and 60 is coupled to the rod side of the hydraulic cylinder 22, and the other is coupled to the head side. By determining each pressure on these sides of the hydraulic cylinder 22, an accurate measurement of the net force can be made by methods known to those skilled in the art. In another embodiment of the invention, only one sensor may be used, but will typically result in a less accurate measurement of the net force on the hydraulic cylinder 22.
[0049]
In one embodiment of the present invention, the fourth sensing device 56 also receives a respective pressure signal from the pressure sensors 58 and 60 and transmits a first actuator force signal as a function of the pressure signal. May be included. In another embodiment, the sensor processing circuit 61 may be included in the processing device 78 discussed below.
The fifth sensing device 62 may be coupled to the hydraulic cylinder 24 that couples the boom 16 and the arm 18. The fifth sensing device 62 transmits a second actuator force signal as a function of the second force acting on the hydraulic cylinder 24. The second force is typically the net force due to the weight and movement of the cab 14 when the excavator 10 is on uneven ground, as well as the arm 18 and bucket 20, and if any, its payload.
[0050]
In one embodiment of the invention, the fifth sensing device 62 includes two pressure sensors 64 and 66 that emit respective pressure signals as a function of the respective sensed pressure. One of the pressure sensors 64 and 66 is coupled to the rod side of the hydraulic cylinder 24, and the other is coupled to the head side. By determining the pressure on each of these sides of the hydraulic cylinder 24, an accurate measurement of the net force can be made by methods known to those skilled in the art. In another embodiment of the present invention, only one sensor may be used, but will typically result in a less accurate measurement for the net force on the hydraulic cylinder 24.
[0051]
In one embodiment of the present invention, the fifth sensing device 62 may also include a sensor processing circuit 67 similar to the sensor processing circuit 61 described above, the description of which will not be repeated for the sake of brevity.
The sixth sensing device 68 may be coupled to the hydraulic cylinder 26 that couples the arm 18 and the bucket 20. The sixth sensing device 68 transmits a third actuator force signal as a function of the third force acting on the hydraulic cylinder 26. The third force is usually the net force due to the weight and movement of the cab 14 when the excavator 10 is on uneven ground, as well as the bucket 20 and its payload, if any.
[0052]
In one embodiment of the invention, the sixth sensing device 68 includes two pressure sensors 70 and 72 that emit respective pressure signals as a function of the respective sensed pressure. One of the pressure sensors 70 and 72 is coupled to the rod side of the hydraulic cylinder 26, and the other is coupled to the head side. By determining each pressure on these sides of the hydraulic cylinder 26, an accurate measurement of the net force can be made by methods known to those skilled in the art. In another embodiment of the invention, only one sensor may be used, but will typically result in a less accurate measurement of the net force on the hydraulic cylinder 26.
In one embodiment of the present invention, the sixth sensing device 68 may also include a sensor processing circuit 73 similar to the sensor processing circuit 61 described above, the description of which is not repeated for the sake of brevity.
[0053]
In the above discussion, hydraulic cylinders 22, 24, and 26 are used to operate boom 16, arm 18, and bucket 20, although other types of actuators known to those skilled in the art can also be used. Will. For example, various motors, such as electrical or pneumatic motors including pneumatics, and shaft couplings for them could be used. In addition, appropriate modifications known to those skilled in the art could generally be made next, such as using a torque sensor instead of a pressure sensor.
[0054]
In one embodiment of the invention, the seventh sensing device 74 may be coupled to either the chassis 12 or the cab 14. The seventh sensing device 74 transmits a tilt angle signal as a function of the excavator tilt angle ξ.
In one embodiment of the invention, the eighth sensing device 76 may be coupled to the cab 14. The eighth sensing device transmits a yaw angle signal as a function of the yaw angle of the excavator, such as the position of the cab 14 relative to the chassis 12, for example.
[0055]
The processing device 78 is coupled to the sensing devices 50, 52, 54, 56, 62, 68, 74 and 76 and receives their respective signals. The processing device receives signals from at least two time points from the first to sixth sensing devices 50, 52, 54, 56, 62, and 68, and uses the method described above to receive signals and The mass or weight of the bucket 20 and any payload therein is determined as a function of the predetermined physical characteristics of the excavator 10.
[0056]
In one embodiment of the invention, the processor 78 determines the mass of the payload alone, such as by subtracting the known mass and weight of the bucket (no load) from the measured mass and weight of the bucket and payload. The processing device may also measure the weight of the payload, such as by multiplying the mass by gravitational acceleration.
In one embodiment of the present invention, the tilt angle and / or yaw angle may not be required, and portions relating to them of the present invention may be omitted or ignored. For example, if the excavator 10 is on a substantially flat ground, the tilt angle can be ignored. It is also possible to have a working machine that is joined in such a way that the joints do not have a yaw angle. In this case, the yaw angle portion can obviously be ignored.
[0057]
In another embodiment of the invention, a less flexible work machine, such as a wheel loader, may use the techniques described above to determine the mass and weight of the bucket. Similarly, an excavator 10 having one or more coupled arms that are zero relative speed to other coupled arms may also use the techniques described above. In these cases, the appropriate variables for stationary arms that are stationary or not present may be zeroed out or ignored, and appropriate sensors that supply data to these terms are useful for other terms such as position. If not necessary, it may be excluded.
[0058]
For example, when the bucket 20 is stationary relative to the arm 18, it may be necessary to determine the mass and weight of the bucket 20 and payload. That is, any relative velocity or relative acceleration terms for bucket 20 may be zeroed out or ignored, simplifying the equation. In one embodiment of the present invention, a device such as a sensor 54 that provides relative velocity and relative acceleration terms to the bucket 20 is still needed to determine the position of the bucket 20 unless other devices or methods are available. I will.
[0059]
The measurement of the mass and weight of the bucket 20 and payload described above is such that one or all of the boom 16, arm 18, and bucket 20 are moving, eg, either static or dynamic. It may be done in the middle or while they are stationary. Furthermore, the measurement of the mass and weight of the bucket 20 and payload is not related to the excavator arm being in place. That is, the excavator 10 can operate normally, such as excavating and dumping along a normal path while measuring the mass and weight of the bucket 20 and payload.
[0060]
Further, in one embodiment of the present invention, the mass and weight measurements of the bucket 20 and payload are analytical, eg, ab initio. There is no need to perform a calibration of the excavator 10 such as measuring forces and angles using a known load and then fitting a curve using the unknown load.
Further, the above method essentially uses torque to measure the mass and weight of the bucket 20 and payload. That is, if the coupling point for the actuator is different or changed, a slight modification of the basic torque equation could be made without changing other parts of the equation discussed above.
Finally, in one embodiment of the invention, the bucket and load mass may be calculated without using any knowledge of the bucket and load inertial characteristics.
[0061]
FIG. 7 is a flow diagram of an algorithm 90 for determining the mass of bucket 20 and payload of excavator 10 according to one embodiment of the invention. At block 92, predetermined physical characteristics of the excavator 10 are determined, such as by accessing a data set in memory.
The block 94 of the algorithm is actually a counter or pointer that ensures that an appropriate number of data samples (greater than 1) are read. At block 96, data samples such as the above position and force acting on the excavator arm are read.
At block 98, the data is adjusted to an appropriate state and / or filtered by methods known to those skilled in the art. This block may be excluded if appropriate.
[0062]
Data is stored at block 100. If more data samples are needed or desired, control may branch to block 94 or block 96.
At block 102, the angular velocity and acceleration of the cab 14, boom 16, arm 18, and bucket 20 are determined as a function of the position sampled above, if appropriate.
At block 104, the mass and weight of the bucket payload is determined as described above.
At block 106, the mass and weight of the bucket payload is output to a device such as a display device (not shown) or an analog adder (not shown) that keeps track of the total mass and weight of the bucket payload over a predetermined time. The
[0063]
While one flowchart of algorithm 90 has been discussed above, various equivalent flowcharts could also be used. For example, the block 94 can be moved to come next to the block 100 so that the block 100 always passes control to the block 94. If at block 94 n samples have been read, control will be passed to block 102. Otherwise, control branches to block 96.
[0064]
Industrial applicability
The present invention may be used by an operator of excavator 10 to determine the weight of the payload of bucket 20. The operator loads the bucket 20 using a normal excavation route. As the bucket is swung toward its loading / unloading point, such as above the truck, the weight of the payload may be measured and displayed visibly. The operator does not need to stop the excavator arm movement, nor does it need to be in a predetermined form or position.
While specific embodiments of the invention have been described herein for purposes of illustration, it will be understood from the foregoing description that various modifications may be made without departing from the spirit or scope of the invention. It will be. Accordingly, the invention is not limited except as by the appended claims.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a representative side view of a work machine according to one embodiment of the present invention.
FIG. 2 shows a fixed reference coordinate system and an additional coordinate system attached to the cab according to one embodiment of the present invention.
FIG. 3 illustrates an xy coordinate system attached to the cab and an additional coordinate system attached to the boom, arm, and bucket, in accordance with one embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a table listing constant mechanism parameters for a caterpillar 325 excavator according to one embodiment of the present invention.
FIG. 5 illustrates a continuous chain according to one embodiment of the present invention.
FIG. 6 shows a continuous chain link i and the forces and torques acting on it in accordance with one embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a flow diagram for an algorithm for determining the mass of an excavator bucket and payload according to one embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
10 Excavator
12 Chassis
14 cab
16 boom
18 arms
20 buckets
22, 24, 26 Hydraulic cylinder
50 First sensing device
52 Second sensing device
54 Third sensing device
56 Fourth sensing device
58, 60, 64, 66, 70, 72 Pressure sensor
61, 67, 73 Sensor processing circuit
62 Fifth sensing device
68 Sixth sensing device
74 Seventh sensing device
76 Eighth sensing device
78 Processing equipment

Claims (27)

シャーシ、前記シャーシと結合された運転台、前記運転台と結合されたブーム、前記ブーム及び前記運転台に結合され前記ブームを前記運転台に対して動かすように作動可能な第１のアクチュエータ、前記ブームに結合されたアーム、前記アーム及び前記ブームに結合され前記アームを前記ブームに対して運かすように作動可能な第２のアクチュエータ、ペイロードを受け入れるように作動可能で前記アームに結合されたバケット、及び、前記バケット及び前記アームに結合され前記バケットを前記アームに対して動かすように作動可能な第３のアクチュエータを有する、作業機械のペイロードの質量を求める装置であって、
前記ブームに結合され、前記作業機械のブーム角の関数としてブーム角信号を発信するように作動可能な第１の感知装置と、
前記アームに結合され、前記作業機械のアーム角の関数としてアーム角信号を発信するように作動可能な第２の感知装置と、
前記バケットに結合され、前記作業機械のバケット角の関数としてバケット角信号を発信するように作動可能な第３の感知装置と、
前記第１のアクチュエータに結合され、前記第１のアクチュエータに働く第１の力の関数として第１のアクチュエータ力信号を発信するように作動可能な第４の感知装置と、
前記第２のアクチュエータに結合され、前記第２のアクチュエータに働く第２の力の関数として第２のアクチュエータ力信号を発信するように作動可能な第５の感知装置と、
前記第３のアクチュエータに結合され、前記第３のアクチュエータに働く第３の力の関数として第３のアクチュエータ力信号を発信するように作動可能な第６の感知装置と、
前記第１、第２、及び、第４から第６までの感知装置に結合されて少なくとも２つの時点でそれぞれの発信信号を受信し、前記第３の感知装置に結合されて少なくとも１つの時点で前記バケット角信号を受信して、前記受信信号と、前記バケットが前記アームに対して相対的に静止している間に予め測定された前記作業機械の複数の物理的特性との関数として前記バケット及びペイロードの質量を求めるように作動可能な処理装置と、
を含むことを特徴とする装置。A chassis, a cab coupled to the chassis, a boom coupled to the cab, the boom and a first actuator coupled to the cab and operable to move the boom relative to the cab; An arm coupled to the boom, the arm and a second actuator coupled to the boom and operable to carry the arm relative to the boom; a bucket operable to receive a payload and coupled to the arm And a device for determining a payload mass of a work machine having a third actuator coupled to the bucket and the arm and operable to move the bucket relative to the arm,
A first sensing device coupled to the boom and operable to emit a boom angle signal as a function of a boom angle of the work machine;
A second sensing device coupled to the arm and operable to emit an arm angle signal as a function of the arm angle of the work machine;
A third sensing device coupled to the bucket and operable to emit a bucket angle signal as a function of the bucket angle of the work machine;
A fourth sensing device coupled to the first actuator and operable to emit a first actuator force signal as a function of a first force acting on the first actuator;
A fifth sensing device coupled to the second actuator and operable to emit a second actuator force signal as a function of a second force acting on the second actuator;
A sixth sensing device coupled to the third actuator and operable to emit a third actuator force signal as a function of a third force acting on the third actuator;
Coupled to the first, second, and fourth to sixth sensing devices to receive respective outgoing signals at at least two time points and coupled to the third sensing device at at least one time point. Receiving the bucket angle signal, and the bucket as a function of the received signal and a plurality of physical characteristics of the work machine measured in advance while the bucket is stationary relative to the arm And a processing device operable to determine a payload mass;
The apparatus characterized by including. 前記処理装置は、前記バケット及びペイロードの質量を解析的手法により求めるように作動可能であることを特徴とする請求項１に記載の装置。The processing unit, according to claim 1, characterized in that it is operable to determine more the mass of the bucket and payload analytical method. 前記処理装置は、前記バケット及びペイロードの質量を経験に基づく手法によらずに求めるように作動可能であることを特徴とする請求項１に記載の装置。The apparatus of claim 1, wherein the processing apparatus is operable to determine the mass of the bucket and payload without relying on an empirical approach . 前記処理装置は、前記ブーム及び前記アームのうちの少なくとも１つが動いている間に前記バケット及びペイロードの質量を求めるように作動可能であることを特徴とする請求項１に記載の装置。  The apparatus of claim 1, wherein the processing device is operable to determine a mass of the bucket and payload while at least one of the boom and the arm is moving. 前記処理装置は、最小二乗法を使用して前記バケット及びペイロードの質量を求めるように作動可能であることを特徴とする請求項１に記載の装置。  The apparatus of claim 1, wherein the processor is operable to determine the mass of the bucket and payload using a least squares method. 前記複数の物理的特性は、
前記運転台の質量、
前記ブームの質量、
前記アームの質量、
前記バケットの質量、
前記運転台の質量中心の位置、
前記ブームの質量中心の位置、
前記アームの質量中心の位置、
前記バケットの質量中心の位置、
前記運転台の慣性モーメント、
前記ブームの慣性モーメント、
前記アームの慣性モーメント、
前記バケットの慣性モーメント、及び、
前記作業機械の複数の形状寸法、
の複数のものを含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。The plurality of physical characteristics are:
The mass of the cab,
The mass of the boom,
The mass of the arm,
The mass of the bucket,
The position of the center of mass of the cab,
The position of the center of mass of the boom,
The position of the center of mass of the arm,
The position of the center of mass of the bucket,
Moment of inertia of the cab,
Moment of inertia of the boom,
Moment of inertia of the arm,
The moment of inertia of the bucket, and
A plurality of geometric dimensions of the work machine,
The apparatus of claim 1, comprising a plurality of: 前記処理装置は、更に、前記作業機械の前記所定の物理的特性の関数として前記ペイロードの質量を求めるように作動可能であることを特徴とする請求項１に記載の装置。  The apparatus of claim 1, wherein the processor is further operable to determine a mass of the payload as a function of the predetermined physical characteristic of the work machine. 前記第１、第２、及び、第３のアクチュエータの各々は、油圧シリンダを含み、
前記第４、第５、及び、第６の感知装置の各々は、
前記それぞれの第１、第２、及び、第３シリンダにおいて前記シリンダのヘッド側及びロッド側のうちの一方にある第１の位置における各第１圧力の関数として各第１圧力信号を発信するように作動可能な各第１圧力センサと、
前記それぞれの第１、第２、及び、第３シリンダにおいて前記シリンダの前記ヘッド側及びロッド側のうちの他の一方にある第２の位置における各第２圧力の関数として各第２圧力信号を発信するように作動可能な各第２圧力センサと、
前記それぞれの第１及び第２圧力センサと結合され前記それぞれの第１及び第２圧力信号を受信して、前記各第１及び第２圧力信号の関数として前記それぞれの第１、第２、及び、第３のアクチュエータ力信号を発信するように作動可能な各センサ処理回路と、
を含む、
ことを特徴とする請求項１に記載の装置。Each of the first, second, and third actuators includes a hydraulic cylinder;
Each of the fourth, fifth, and sixth sensing devices includes:
Each first pressure signal is transmitted as a function of each first pressure at a first position at one of the head side and the rod side of each of the first, second, and third cylinders. Each first pressure sensor operable to,
In each of the first, second, and third cylinders, each second pressure signal is a function of each second pressure at a second position on the other of the head side and the rod side of the cylinder. Each second pressure sensor operable to transmit;
Coupled to the respective first and second pressure sensors to receive the respective first and second pressure signals and as a function of the respective first and second pressure signals, the respective first, second, and Each sensor processing circuit operable to emit a third actuator force signal;
including,
The apparatus according to claim 1. 前記それぞれの第１、第２、及び、第３アクチュエータに作用する前記第１、第２、及び、第３の力は、これらアクチュエータの各々に作用する力の総和であることを特徴とする請求項１に記載の装置。The first, second, and third forces acting on each of the first, second, and third actuators are a sum of forces acting on each of the actuators. Item 2. The apparatus according to Item 1. 前記第１、第２、及び、第３のアクチュエータは、
油圧シリンダ、及び、
モータ、
のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。The first, second, and third actuators are:
Hydraulic cylinders, and
motor,
The apparatus of claim 1, comprising at least one of: 前記作業機械の傾斜角の関数として傾斜角信号を発信するように作動可能な第７の感知装置を更に含み、前記処理装置が前記傾斜角信号を受信して前記傾斜角信号の更なる関数として前記バケット及びペイロードの質量を求めるように作動可能であることを特徴とする請求項１に記載の装置。  A seventh sensing device operable to emit a tilt angle signal as a function of the tilt angle of the work machine, wherein the processing device receives the tilt angle signal and as a further function of the tilt angle signal; The apparatus of claim 1, wherein the apparatus is operable to determine a mass of the bucket and payload. 前記作業機械のヨー角の関数としてヨー角信号を発信するように作動可能な第８の感知装置を更に含み、前記処理装置が前記第８の感知装置に結合されて少なくとも２つの時点で前記ヨー角信号を受信し、前記ヨー角信号の関数として前記バケット及びペイロードの質量を求めるように更に作動可能であり、
前記作業機械の前記運転台は、前記シャーシに関して回転するように作動可能である、
ことを特徴とする請求項１に記載の装置。And an eighth sensing device operable to emit a yaw angle signal as a function of a yaw angle of the work machine, wherein the processing device is coupled to the eighth sensing device and the yaw angle at least two times. Is further operable to receive an angular signal and determine a mass of the bucket and payload as a function of the yaw angle signal;
The cab of the work machine is operable to rotate with respect to the chassis;
The apparatus according to claim 1. 前記処理装置は、前記運転台が前記シャーシに対して運いている間、前記バケット及びペイロードの質量を求めるように更に作動可能であることを特徴とする請求項１２に記載の装置。The processing unit, according to claim 12, wherein during the said is further operable to determine the mass of the bucket and payload the cab has had luck to the chassis. シャーシ、前記シャーシと結合された運転台、前記運転台と結合されたブーム、前記ブーム及び前記運転台と結合され前記ブームを前記運転台に対して動かすように作動可能な第１のアクチュエータ、前記ブームに結合されたアーム、前記アーム及び前記ブームに結合され前記アームを前記ブームに対して動かすように作動可能な第２のアクチュエータ、ペイロードを受け入れるように作動可能で前記アームに結合されたバケット、及び、前記バケット及び前記アームに結合され前記バケットを前記アームに対して動かすように作動可能な第３のアクチュエータを有する作業機械のペイロードの質量を求める方法であって、
少なくとも２つの時点で前記運転台に対する前記ブームの第１の連結角を求める段階と、
少なくとも２つの時点で前記ブームに対する前記アームの第２の連結角を求める段階と、
少なくとも１つの時点で前記アームに対する前記バケットの第３の連結角を求める段階と、
少なくとも２つの時点で前記第１のアクチュエータに働く第１のアクチュエータ力を求める段階と、
少なくとも２つの時点で前記第２のアクチュエータに働く第２のアクチュエータ力を求める段階と、
少なくとも２つの時点で前記第３のアクチュエータに働く第３のアクチュエータ力を求める段階と、
前記作業機械の複数の物理的特性を求める段階と、
前記第１連結角、前記第２連結角、前記第３連結角、前記第１アクチュエータ力、前記第２アクチュエータ力、前記第３アクチュエータ力、及び、前記バケットが前記アームに関して相対的に静止している間に予め測定された前記複数の物理的特性の関数として前記バケット及びペイロードの質量のうちの１つを求める段階と、
を含むことを特徴とする方法。A chassis, a cab coupled to the chassis, a boom coupled to the cab, the boom and a first actuator coupled to the cab and operable to move the boom relative to the cab, coupled arms on the boom, the arm and the second actuator coupled to said boom operable the arm as kinetic dregs to the boom, a bucket coupled to the arm operable to receive the payload , and to a method of determining the mass of the payload of a work machine having the bucket and the third actuator operable to dynamic dregs to the arm the bucket coupled to the arm,
Determining a first connection angle of the boom relative to the cab at at least two points;
Determining a second connection angle of the arm to the boom at at least two time points;
Determining a third connection angle of the bucket relative to the arm at at least one time point;
Determining a first actuator force acting on the first actuator at at least two time points;
Determining a second actuator force acting on the second actuator at at least two time points;
Determining a third actuator force acting on the third actuator at at least two time points;
Determining a plurality of physical characteristics of the work machine;
The first connection angle, the second connection angle, the third connection angle, the first actuator force, the second actuator force, the third actuator force, and the bucket are relatively stationary with respect to the arm. Determining one of the bucket and payload masses as a function of the plurality of physical properties measured in advance during
A method comprising the steps of: 前記バケット及びペイロードの質量を求める段階は、前記ペイロードの質量を解析的手法により求める段階を含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。Determining a mass of the bucket and payload, the method according to claim 14, characterized in that it comprises the step of obtaining more the mass of the payload analytical method. 前記バケット及びペイロードの質量を求める段階は、前記ペイロードの質量を経験に基づく手法によらずに求める段階を含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。15. The method of claim 14 , wherein determining the bucket and payload mass includes determining the payload mass without using an empirical approach. 前記バケット及びペイロードの質量を求める段階は、前記ブーム及び前記アームのうちの少なくとも１つが動いている間に起こることを特徴とする請求項１４に記載の方法。15. The method of claim 14 , wherein determining the bucket and payload mass occurs while at least one of the boom and the arm is moving. 前記バケット及びペイロードの質量を求める段階は、前記ペイロードの質量を最小二乗法を使用して求める段階を含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。The method of claim 14 , wherein determining the mass of the bucket and payload includes determining the mass of the payload using a least squares method. 前記複数の所定の物理的特性は、
前記運転台の質量、
前記ブームの質量、
前記アームの質量、
前記バケットの質量、
前記運転台の質量中心の位置、
前記ブームの質量中心の位置、
前記アームの質量中心の位置、
前記バケットの質量中心の位置、
前記運転台の慣性モーメント、
前記ブームの慣性モーメント、
前記アームの慣性モーメント、
前記バケットの慣性モーメント、及び、
前記作業機械の複数の形状寸法、
の複数のものを含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。The plurality of predetermined physical characteristics are:
The mass of the cab,
The mass of the boom,
The mass of the arm,
The mass of the bucket,
The position of the center of mass of the cab,
The position of the center of mass of the boom,
The position of the center of mass of the arm,
The position of the center of mass of the bucket,
Moment of inertia of the cab,
Moment of inertia of the boom,
Moment of inertia of the arm,
The moment of inertia of the bucket, and
A plurality of geometric dimensions of the work machine,
15. The method of claim 14 , comprising a plurality of: 前記ペイロードの質量を前記作業機械の前記所定の物理的特性の関数として求める段階を更に含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。The method of claim 14 , further comprising determining a mass of the payload as a function of the predetermined physical characteristic of the work machine. 前記第１、第２、及び、第３アクチュエータの各々は、油圧シリンダを含み、
前記アクチュエータに働く前記第１、第２、及び、第３の力を求める段階は、
それぞれの第１の圧力を、前記それぞれの第１、第２、及び、第３シリンダにおいて前記シリンダのヘッド側及びロッド側のうちの一方である第１の位置でのそれぞれの第１圧力の関数として求める段階と、
それぞれの第２の圧力を、前記それぞれの第１、第２、及び、第３シリンダにおいて前記シリンダの前記ヘッド側又はロッド側のうちの他の一方である第２の位置でのそれぞれの第２圧力の関数として求める段階と、
それぞれの第１、第２、及び、第３アクチュエータ力を、前記それぞれの第１及び第２圧力の関数として求める段階と、
を含む、
ことを特徴とする請求項１４に記載の方法。Each of the first, second, and third actuators includes a hydraulic cylinder;
Determining the first, second, and third forces acting on the actuator;
Each first pressure is a function of a respective first pressure at a first position which is one of the head side and the rod side of the respective first, second, and third cylinders. And asking for
Respective second pressures at respective second positions in the respective first, second and third cylinders at a second position which is the other of the head side or the rod side of the cylinder. Determining as a function of pressure;
Determining respective first, second, and third actuator forces as a function of the respective first and second pressures;
including,
15. The method of claim 14 , wherein: 前記第１、第２、及び、第３アクチュエータに作用するそれぞれの前記第１、第２、及び、第３の力は、これらアクチュエータの各々に作用する力の総和であることを特徴とする請求項１４に記載の方法。Each of the first, second, and third forces acting on the first, second, and third actuators is a sum of forces acting on each of the actuators. Item 15. The method according to Item 14 . 前記作業機械の傾斜角を求める段階を更に含み、
前記バケット及びペイロードの質量を求める段階は、更に、前記傾斜角の関数である、
ことを特徴とする請求項１４に記載の方法。Further comprising determining an inclination angle of the work machine,
Determining the mass of the bucket and payload is further a function of the tilt angle;
15. The method of claim 14 , wherein: 少なくとも２つの時点で、前記バケット及びペイロードの質量を求める段階が更にその関数となる、前記作業機械のヨー角を求める段階を更に含み、
前記作業機械の前記運転台は、前記シャーシに関して回転するように作動可能である、
ことを特徴とする請求項１４に記載の方法。Determining the yaw angle of the work machine, wherein the step of determining the mass of the bucket and payload is further a function of at least two time points;
The cab of the work machine is operable to rotate with respect to the chassis;
15. The method of claim 14 , wherein: 前記ペイロードの質量を求める段階は、前記運転台が前記シャーシに対して動いている間に前記バケット及びペイロードの質量を求める段階を含むことを特徴とする請求項２４に記載の方法。The method of claim 24 , wherein determining the payload mass comprises determining the bucket and payload mass while the cab is moving relative to the chassis. シャーシ、前記シャーシと結合された運転台、前記運転台と結合されたブーム、前記ブーム及び前記運転台に結合され前記ブームを前記運転台に対して動かすように作動可能な第１のアクチュエータ、前記ブームに結合されたアーム、前記アーム及び前記ブームに結合され前記アームを前記ブームに対して運かすように作動可能な第２のアクチュエータ、ペイロードを受け入れるように作動可能で前記アームに結合されたバケット、及び、前記バケット及び前記アームに結合され前記バケットを前記アームに対して動かすように作動可能な第３のアクチュエータを有する、作業機械のペイロードの質量を求める装置であって、
前記ブームに結合され、前記作業機械のブーム角の関数としてブーム角信号を発信するように作動可能な第１の感知装置と、
前記アームに結合され、前記作業機械のアーム角の関数としてアーム角信号を発信するように作動可能な第２の感知装置と、
前記バケットに結合され、前記作業機械のバケット角の関数としてバケット角信号を発信するように作動可能な第３の感知装置と、
前記第１のアクチュエータに結合され、前記第１のアクチュエータに働く第１の力の関数として第１のアクチュエータ力信号を発信するように作動可能な第４の感知装置と、
前記第２のアクチュエータに結合され、前記第２のアクチュエータに働く第２の力の関数として第２のアクチュエータ力信号を発信するように作動可能な第５の感知装置と、
前記第３のアクチュエータに結合され、前記第３のアクチュエータに働く第３の力の関数として第３のアクチュエータ力信号を発信するように作動可能な第６の感知装置と、
前記第１から第６までの感知装置に結合されて少なくとも２つの時点でそれぞれの発信信号を受信して、前記受信信号と、前記作業機械の所定の複数の物理的特性との関数として前記バケット及びペイロードの質量を求めるように作動可能な処理装置と、
を含むことを特徴とする装置。A chassis, a cab coupled to the chassis, a boom coupled to the cab, the boom and a first actuator coupled to the cab and operable to move the boom relative to the cab; An arm coupled to the boom, the arm and a second actuator coupled to the boom and operable to carry the arm relative to the boom; a bucket operable to receive a payload and coupled to the arm And a device for determining a payload mass of a work machine having a third actuator coupled to the bucket and the arm and operable to move the bucket relative to the arm,
A first sensing device coupled to the boom and operable to emit a boom angle signal as a function of a boom angle of the work machine;
A second sensing device coupled to the arm and operable to emit an arm angle signal as a function of the arm angle of the work machine;
A third sensing device coupled to the bucket and operable to emit a bucket angle signal as a function of the bucket angle of the work machine;
A fourth sensing device coupled to the first actuator and operable to emit a first actuator force signal as a function of a first force acting on the first actuator;
A fifth sensing device coupled to the second actuator and operable to emit a second actuator force signal as a function of a second force acting on the second actuator;
A sixth sensing device coupled to the third actuator and operable to emit a third actuator force signal as a function of a third force acting on the third actuator;
Coupled to the first to sixth sensing devices to receive respective outgoing signals at at least two points in time, and the bucket as a function of the received signal and a plurality of predetermined physical characteristics of the work machine And a processing device operable to determine a payload mass;
The apparatus characterized by including. シャーシ、前記シャーシと結合された運転台、前記運転台と結合されたブーム、前記ブーム及び前記運転台と結合され前記ブームを前記運転台に対して動かすように作動可能な第１のアクチュエータ、前記ブームに結合されたアーム、前記アーム及び前記ブームに結合され前記アームを前記ブームに対して運かすように作動可能な第２のアクチュエータ、ペイロードを受け入れるように作動可能で前記アームに結合されたバケット、及び、前記バケット及び前記アームに結合され前記バケットを前記アームに対して運かすように作動可能な第３のアクチュエータを有する作業機械のペイロードの質量を求める方法であって、
少なくとも２つの時点で前記運転台に対する前記ブームの第１の連結角を求める段階と、
少なくとも２つの時点で前記ブームに対する前記アームの第２の連結角を求める段階と、
少なくとも２つの時点で前記アームに対する前記バケットの第３の連結角を求める段階と、
少なくとも２つの時点で前記第１のアクチュエータに働く第１のアクチュエータ力を求める段階と、
少なくとも２つの時点で前記第２のアクチュエータに働く第２のアクチュエータ力を求める段階と、
少なくとも２つの時点で前記第３のアクチュエータに働く第３のアクチュエータ力を求める段階と、
前記作業機械の複数の物理的特性を求める段階と、
前記第１連結角、前記第２連結角、前記第３連結角、前記第１アクチュエータ力、前記第２アクチュエータ力、前記第３アクチュエータ力、及び前記複数の所定の物理的特性の関数として前記バケット及びペイロードの質量のうちの１つを求める段階と、
を含むことを特徴とする方法。A chassis, a cab coupled to the chassis, a boom coupled to the cab, the boom and a first actuator coupled to the cab and operable to move the boom relative to the cab, An arm coupled to the boom, the arm and a second actuator coupled to the boom and operable to carry the arm relative to the boom; a bucket operable to receive a payload and coupled to the arm And a method of determining a payload mass of a work machine having a third actuator coupled to the bucket and the arm and operable to carry the bucket relative to the arm,
Determining a first connection angle of the boom relative to the cab at at least two points;
Determining a second connection angle of the arm to the boom at at least two time points;
Determining a third coupling angle of the bucket relative to the arm at at least two time points;
Determining a first actuator force acting on the first actuator at at least two time points;
Determining a second actuator force acting on the second actuator at at least two time points;
Determining a third actuator force acting on the third actuator at at least two time points;
Determining a plurality of physical characteristics of the work machine;
The bucket as a function of the first connection angle, the second connection angle, the third connection angle, the first actuator force, the second actuator force, the third actuator force, and the plurality of predetermined physical characteristics. And determining one of the payload masses;
A method comprising the steps of:

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