JP6851701B2 - ショベル - Google Patents

Description

本発明は、ショベルに関する。

ショベルは、クローラと呼ばれる走行体、上部旋回体、走行体に対して上部旋回体を回転させる旋回装置、上部旋回体に取り付けられるアタッチメントを備える。アタッチメントは、ブーム、アーム、バケットおよびそれらを駆動するブームシリンダ、アームシリンダ、バケットシリンダを有する。各シリンダは、運転者（オペレータ）によるレバー操作により制御可能となっている。

バケットに土砂や瓦礫などの積載物が収容された状態で、オペレータがブーム軸、アーム軸、バケット軸あるいは旋回軸を急激に動かすと、積載物がバケットからこぼれ落ちる（土砂溢れという）。土砂溢れは作業のやり直しを必要とするため作業効率を悪化させる要因となる。

特開２００８−２６７７６０号公報

しかしながら従来の土砂溢れの防止は、旋回トルクの急変を抑制したり、オペレータの設定にもとづいて旋回加速度を制限したり、アタッチメントの衝撃が低減されるように緩やかに旋回軸を止めるなど、旋回運動にともなう土砂溢れには有効であったが、アタッチメントの動作にもとづく土砂溢れに対して配慮されておらず、改善の余地があった。

また、従来技術では、バケット姿勢を地面に対して自動的に水平に保つバケット角一定制御をベースとするものであり、バケットの力学的な運動が考慮されていない。

本発明は係る課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、土砂溢れを抑制可能なショベルの提供にある。

１． 本発明のある態様はショベルに関する。ショベルは、クローラと、上部旋回体と、クローラに対して上部旋回体を回転させる旋回装置と、ブーム、アーム、バケットおよびブームシリンダ、アームシリンダ、バケットシリンダを有し、上部旋回体に取り付けられるアタッチメントと、アタッチメントの動作中にバケット内の積載物に加わる力が、積載物の安定しうるしきい値を超えないように、アタッチメントおよび上部旋回体の少なくとも一方の動作を制限するコントローラと、を備える。

この態様によると、アタッチメントの動作中に積載物に加わる力を考慮することで、土砂溢れを抑制することができる。

コントローラは、アタッチメントの動作にともない発生する力と旋回装置の動作にともない生ずる力の合力を考慮してもよい。これにより、旋回運動とアタッチメントの曲げ伸ばし運動を同時に行った場合の土砂溢れを抑制できる。

コントローラは、旋回軸、ブーム軸、アーム軸、バケット軸の少なくともひとつの軸の加速度を抑制してもよい。

コントローラは、旋回軸、ブーム軸、アーム軸、バケット軸の全軸の加速度を抑制してもよい。

コントローラは、積載物をバケットから溢す方向に支配的に作用する軸の加速度を優先的に抑制してもよい。

コントローラは、旋回軸、ブーム軸、アーム軸、バケット軸の少なくともひとつの軸の速度を抑制してもよい。

コントローラは、旋回軸、ブーム軸、アーム軸、バケット軸の少なくともひとつの軸のジャークを抑制してもよい。

しきい値は、アタッチメントの姿勢に応じていてもよい。

２． 本発明のある態様はショベルに関する。ショベルは、クローラと、上部旋回体と、クローラに対して上部旋回体を回転させる旋回装置と、ブーム、アーム、バケットおよびブームシリンダ、アームシリンダ、バケットシリンダを有し、上部旋回体に取り付けられるアタッチメントと、バケットを移動させたときに、バケットの基準面がバケット内の積載物に生ずる加速度方向と垂直面に近づく方向に、バケットを傾けるコントローラと、を備える。

本発明の別の態様もまた、ショベルである。このショベルは、クローラと、上部旋回体と、クローラに対して上部旋回体を回転させる旋回装置と、ブーム、アーム、バケットおよびブームシリンダ、アームシリンダ、バケットシリンダを有し、上部旋回体に取り付けられるアタッチメントと、旋回装置およびアタッチメントの少なくともひとつを可動中にバケット内の積載物の垂直抗力が大きくなるようにバケットを傾けるコントローラと、を備える。

本発明のさらに別の態様もまた、ショベルである。このショベルは、クローラと、上部旋回体と、クローラに対して上部旋回体を回転させる旋回装置と、ブーム、アーム、バケットおよびブームシリンダ、アームシリンダ、バケットシリンダを有し、上部旋回体に取り付けられるアタッチメントと、旋回装置およびアタッチメントの少なくともひとつを可動中に、バケット内の積載物に対して、バケットの基準面と平行に働く力が小さくなるようにバケットを傾けるコントローラと、を備える。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、土砂溢れを抑制できる。

実施の形態に係る建設機械の一例であるショベルの外観を示す斜視図である。 ショベルの座標系を模式的に示す図である。 第１の実施の形態に係るショベルの一実施例のブロック図である。 第１の実施の形態に係るショベルの一実施例のブロック図である。 第１の実施の形態に係るショベルの一実施例のブロック図である。 第１の実施の形態に係るショベルの一実施例のブロック図である。 バケットおよび積載物を模式的に示す図である。 第１の使用形態におけるショベルの動作を示す図である。 第２の使用形態におけるショベルの動作を示す図である。 コントローラのブロック図である。 第２の実施の形態に係るショベルの一実施例のブロック図である。 バケットおよび積載物を模式的に示す図である。 図１３（ａ）、（ｂ）は、コントローラによるバケット角制御を模式的に示す図である。 図１４（ａ）、（ｂ）は、バケット角制御が有効なショベルの第１の使用形態を示す図である。 バケット角制御が有効なショベルの第２の使用形態を示す図である。 コントローラのブロック図である。 第１変形例に係るショベルの電気系統や油圧系統などのブロック図である。 第２変形例に係るショベルの電気系統や油圧系統などのブロック図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

本明細書において、「部材Ａが、部材Ｂと接続された状態」とは、部材Ａと部材Ｂが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Ａと部材Ｂが、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

図１は、実施の形態に係る建設機械の一例であるショベル１の外観を示す斜視図である。ショベル１は、主としてクローラ（走行機構ともいう）２と、クローラ２の上部に旋回装置３を介して回動自在に搭載された上部旋回体（以下、単に旋回体ともいう）４とを備えている。

旋回体４には、ブーム５と、ブーム５の先端にリンク接続されたアーム６と、アーム６の先端にリンク接続されたバケット１０とが取り付けられている。バケット１０は、土砂、鋼材などの吊荷を捕獲するための設備である。ブーム５、アーム６、及びバケット１０は、アタッチメント１２と総称され、それぞれブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９によって油圧駆動される。また、旋回体４には、バケット１０の位置や励磁動作および釈放動作を操作する運転者を収容するための運転室４ａや、油圧を発生するためのエンジン１１といった動力源が設けられている。エンジン１１は、例えばディーゼルエンジンで構成される。

図２は、ショベル１の座標系を模式的に示す図である。ショベル１においては、ブーム５、アーム６、バケット１０それぞれの位置を示す角度座標θ_１〜θ_３が定義される。θ_１はブームと旋回体４の位置関係、θ_２はブーム５とアーム６の位置関係、θ_３はアーム６とバケット１０の位置関係を一義的に表せばよく、それらはどのように定義しても構わない。θ_１〜θ_３の組み合わせを単にθと示し、アタッチメント１２全体の位置（姿勢）を示すものとする。

またφは旋回装置３の旋回角を示す。Ｒ（θ_１，θ_２，θ_３）は、アタッチメント１２の原点Ｏと、バケット１０の基準位置Ｘの距離である。Ｒはアタッチメント１２の機構にもとづく関数で表され、位置情報θ_１〜θ_３から計算することができる。Ｒ（θ_１，θ_２，θ_３）を単にＲ（θ）とも記す。またアタッチメント１２の原点およびバケット１０の基準位置は、それぞれ適切に定めればよい。

（第１の実施の形態）
図３〜図６は、第１の実施の形態に係るショベル１の電気系統や油圧系統などのブロック図である。なお、図３〜図６では、機械的に動力を伝達する系統を二重線で、油圧系統を太い実線で、操縦系統を破線で、電気系統を細い実線でそれぞれ示している。なおここでは油圧ショベルについて説明するが、旋回に電動機を用いるハイブリッドショベルにも本発明は適用可能である。

機械式駆動部としてのエンジン１１は、油圧ポンプとしてメインポンプ１４及びパイロットポンプ１５に接続されている。メインポンプ１４には、高圧油圧ライン１６を介してコントロールバルブ１７が接続されている。なお、油圧アクチュエータに油圧を供給する油圧回路は２系統設けられることがあり、その場合にはメインポンプ１４は２つの油圧ポンプを含む。本明細書では理解の容易化のため、メインポンプが１系統の場合を説明する。

コントロールバルブ１７は、ショベル１における油圧系の制御を行う装置である。コントロールバルブ１７には、図１に示したクローラ２を駆動するための走行油圧モータ２Ａ及び２Ｂの他、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９が高圧油圧ラインを介して接続されており、コントロールバルブ１７は、これらに供給する油圧を運転者の操作入力に応じて制御する。

また、旋回装置３を駆動するための旋回油圧モータ２１がコントロールバルブ１７に接続される。旋回油圧モータ２１は、旋回コントローラの油圧回路を介してコントロールバルブ１７に接続されるが、図３等には旋回コントローラの油圧回路は示されず、簡略化されている。

パイロットポンプ１５には、パイロットライン２５を介して操作装置２６（操作手段）が接続されている。操作装置２６は、クローラ２、旋回装置３、ブーム５、アーム６、及びバケット１０を操作するための操作装置であり、運転者によって操作される。操作装置２６には、油圧ライン２７を介してコントロールバルブ１７が接続され、また、油圧ライン２８を介して圧力センサ２９が接続される。

操作装置２６は、パイロットライン２５を通じて供給される油圧（１次側の油圧）を運転者の操作量に応じた油圧（２次側の油圧）に変換して出力する。操作装置２６から出力される２次側の油圧は、油圧ライン２７を通じてコントロールバルブ１７に供給されるとともに、圧力センサ２９によって検出される。なお図３等において油圧ライン２７は１本で描かれているが、実際には左走行油圧モータ、右走行油圧モータ、旋回それぞれの制御指令値の油圧ラインが存在する。

操作装置２６は、３つの入力装置２６Ａ〜２６Ｃを含む。入力装置２６Ａ〜２６Ｃはペダルもしくはレバーであり、入力装置２６Ａ〜２６Ｃは、油圧ライン２７及び２８を介して、コントロールバルブ１７及び圧力センサ２９にそれぞれ接続される。圧力センサ２９は、電気系の駆動制御を行うコントローラ３０に接続されている。本実施形態では、入力装置２６Ａが旋回操作レバーとして機能し、入力装置２６Ｂがアタッチメントの操作レバーとして機能する。入力装置２６Ｃは、走行用のレバーもしくはペダルである。

コントローラ３０は、ショベルの駆動制御を行う主制御部である。コントローラ３０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）及び内部メモリを含む演算処理装置で構成され、ＣＰＵがメモリに格納された駆動制御用のプログラムを実行することにより実現される。

センサ５３０は、アタッチメント２３の位置情報θを検出する。具体的には位置情報θは、ブーム５、アーム６、バケット１０それぞれの位置を示す角度座標θ_１〜θ_３の検出値を含む。センサ５３０は、リンク角センサあるいはシリンダの変位量を検出するセンサで構成することができる。また位置情報は、角度情報［ｒａｄ］であってもよいし、角速度情報［ｒａｄ／ｓ］であってもよいし、あるいは角加速度情報［ｒａｄ／ｓ^２］であってもよい。

コントローラ３０は、アタッチメント１２の動作中にバケット１０内の積載物に加わる力Ｆが、積載物の安定しうるしきい値Ｔを超えないように、アタッチメント１２および上部旋回体４の少なくとも一方の動作を制限する。コントローラ３０による制限制御については後述する。

図７は、バケット１０および積載物４０を模式的に示す図である。ある使用形態において土砂溢れは、積載物４０に加わる力Ｆが最大静止摩擦力μＮを上回ると発生する。したがってしきい値Ｔは、静止摩擦係数μと垂直抗力Ｎ、積載物４０の質量ｍを考慮して計算することができる。

具体的にはしきい値は、積載物およびバケット１０をモデル化することにより近似的に計算することができる。バケット１０が水平面（地面）となす角度をδとする。バケット１０の静止状態では垂直抗力Ｎは、Ｎ＝ｍｇ×ｃｏｓδである。また積載物４０を溢す方向ｘには、重力の成分Ｆ_Ｇ＝ｍｇ×ｓｉｎδが働いている。よって関係式Ｆ_Ｇ＜μＮが土砂溢れが生じない条件となる。

アタッチメント１２あるいは旋回装置３を動かすと、重力の成分に加えて、アタッチメント１２や旋回装置３の動作に起因する力Ｆ_||が積載物４０に加わる。このとき、関係式Ｆ_||＋Ｆ_Ｇ＜μＮが土砂溢れが発生しない条件となる。これを変形すると、以下の関係式を得ることができ、右辺μ_Ｎ−Ｆ_Ｇがしきい値Ｔとなる。
Ｆ_||＜μＮ−Ｆ_Ｇ
Ｔ＝μＮ−Ｆ_Ｇ＝μｍｇ×ｃｏｓδ−ｍｇ×ｓｉｎδ
＝ｍｇ（μｃｏｓδ−ｓｉｎδ）
つまり、しきい値Ｔはバケット角δの関数であるため、バケット角δが溢しやすい範囲にあるときには、しきい値Ｔを低下させることが望ましい。なお、アタッチメント１２や旋回装置３を動かすことで垂直抗力Ｎも変化するが、その影響は無視している。

しきい値Ｔは、ショベル１の設計段階において典型的なδ、μ、ｍを仮定し、これらにもとづいて計算した所定値を用いてもよい。あるいはショベル１の運転者が設定できるようにしてもよい。

あるいはコントローラ３０が実行するプログラム（あるいはハードウェア）に、しきい値Ｔの演算式を記述しておき、しきい値Ｔを適応的に演算してもよい。たとえばアタッチメント１２の姿勢から角度δを計算し、しきい値Ｔを適宜計算してもよい。また積載物４０の質量ｍが測定可能である場合、質量ｍをしきい値Ｔに反映させてもよい。

より高度なモデルでは、アタッチメント１２や旋回装置３の動作に起因する垂直抗力Ｎの変化を考慮してもよい。

積載物４０の形状によって溢れやすさが異なることが経験的に分かる。そこでカメラなどによって積載物の形状等を検出し、形状に応じてしきい値Ｔを動的、適応的に変化させてもよい。

なお、コントローラ３０によるアタッチメント１２や旋回体４の動作の制限は、バケット１０中の積載物を運んでいる状態においてのみ行い、そうでない場合、たとえば排土中や掘削中は、制限しないことが望ましい。排土、掘削動作中は土砂溢れが問題とならないため、制限を解除することで、作業効率が低下するのを防止できる。なお、排土中であることや掘削中であることの判定には、たとえば特願２００６−１８２５０４号公報に記載の技術を用いることができる。

続いて、コントローラ３０によるアタッチメント１２や旋回体４の動作制限について、ショベル１のいくつかの使用形態と関連付けて説明する。

図８は、第１の使用形態におけるショベル１の動作を示す図である。図８には旋回持ち上げ動作が示される。旋回持ち上げ動作では、バケット内の積載物４０に働く力Ｆ_Ａは式（１ａ）、（１ｂ）で表される。
Ｆ_Ａ＝ｍ×α_Ａ …（１ａ）
α_Ａ＝（ｙ_１１＋ｙ_１２＋ｙ_１３＋ｙ_１４） …（１ｂ）
ｍ： 積載物の質量
α_Ａ： 積載物の加速度
ｙ_１１：アタッチメント１２の動作により生ずる遠心力
ｙ_１２：旋回装置３の動作により生ずる遠心力
ｙ_１３：旋回装置３の動作によりアタッチメント１２が積載物４０に及ぼす力
ｙ_１４：アタッチメント１２の動作によりアタッチメント１２が積載物４０に及ぼす力

つまりこの使用形態では、アタッチメント１２の動作にともない発生する力ｙ_１１，ｙ_１４と旋回装置３の動作にともない生ずる力ｙ_１２，ｙ_１３の合力Ｆ_Ａが考慮される。なお、旋回持ち下げ動作も同様に考えることができる。

遠心力ｙ_１１は、ブーム軸、アーム軸、バケット軸の変位にともない、アタッチメント１２を含む平面内の原点Ｏ周りの遠心力であり、ｙ_１１＝Ｒ（θ）・（θ_１'＋θ_２'＋θ_３'）^２で表される。「'」は時間微分ｄ／ｄｔを表す。

ｙ_１２は、旋回軸の回転により生ずる遠心力であり、たとえばｙ_１２＝Ｒ（θ）・φ'^２で表される。

ｙ_１３は、旋回軸の回転によりアタッチメント１２が積載物４０に及ぼす力であり、たとえばｙ_１３＝Ｒ（θ）・φ''で表される。「''」は時間の２階微分（ｄ／ｄｔ）^２を表す。

ｙ_１４は、ブーム軸、アーム軸、バケット軸の変位にともないアタッチメント１２が積載物４０に及ぼす力であり、たとえばｙ_１４＝Ｒ（θ）・（θ_１''＋θ_２''＋θ_３''）で表される。

なおＦ_Ａは三次元ベクトルであるが、図７に示すように、土砂溢れに作用するのは、バケット１０と平行な成分Ｆ_||である。したがってアタッチメント１２の姿勢を考慮して平行成分Ｆ_||を演算してもよい。あるいは力Ｆ_Ａのノルム（絶対値）がすべて土砂溢れに寄与するものとして、｜Ｆ_Ａ｜≒Ｆ_||と近似してもよい。

コントローラ３０は、各軸の座標θ_１〜θ_３およびφにもとづいて、力Ｆ_Ａを演算する。上述のように力Ｆ_Ａは、θ_１〜θ_３およびφの関数として把握される。そしてコントローラ３０は、旋回持ち上げ動作中に積載物４０の安定しうるしきい値をＴ_Ａと書くとき、関係式（２）を満たすようにアタッチメント１２および旋回装置３の少なくとも一方の動作を制限する。
Ｔ_Ａ＞Ｆ_Ａ …（２）

ここで、しきい値Ｔ_Ａは主に摩擦力により支配され、したがって積載物４０の質量に比例すると近似できる。比例係数をＳ_Ａとすると、しきい値Ｔ_Ａは式（３）で表される。
Ｔ_Ａ＝ｍ×Ｓ_Ａ …（３）

式（１）〜（３）から、積載物４０の質量ｍに依存しない関係式（４）を得る。コントローラ３０は関係式（４）を満たすように、複数軸の加速度ｙ_１１，ｙ_１２，ｙ_１３，ｙ_１４の少なくとも一つを制限すればよい。
Ｓ_Ａ＞（ｙ_１１＋ｙ_１２＋ｙ_１３＋ｙ_１４） …（４）

図９は、第２の使用形態におけるショベル１の動作を示す図である。図９には、持ち上げ動作が示される。持ち上げ動作では、バケット１０が上に持ち上げられながら、手前に引き込まれる。この持ち上げ動作では、バケット内の積載物４０に働く力Ｆ_Ｂは式（５ａ）、（５ｂ）で表される。
Ｆ_Ｂ＝ｍ×α_Ｂ …（５ａ）
α_Ｂ＝ｙ_１１ …（５ｂ）
ｙ_１１：アタッチメント１２の動作により生ずる遠心力
なお、この使用形態においてｙ_１４を考慮してもよい。

この使用形態では遠心力ｙ_１１は、積載物４０をバケット１０の両脇からアーム６の奥側に向かって溢れ落とす方向に加わる。

コントローラ３０は、各軸の座標θ_１〜θ_３にもとづいて、力Ｆ_Ｂを演算する。そしてコントローラ３０は、持ち上げ動作中に積載物４０の安定しうるしきい値をＴ_Ｂと書くとき、関係式（６）を満たすようにアタッチメント１２および旋回装置３の少なくとも一方の動作を制限する。しきい値Ｔ_Ｂは、しきい値Ｔ_Ａと異なる値に定めてもよい。
Ｔ_Ｂ＞Ｆ_Ｂ …（６）
しきい値Ｔ_Ｂは比例係数Ｓ_Ｂを用いて式（７）で表される。
Ｔ_Ｂ＝ｍ×Ｓ_Ｂ …（７）

式（５）〜（７）から、積載物４０の質量ｍに依存しない関係式（８）を得る。コントローラ３０は関係式（８）を満たすように、アーム軸、ブーム軸、バケット軸に関連する加速度ｙ_１１，ｙ_１４の少なくとも一つを制限すればよい。
Ｓ_Ｂ＞ｙ_１１ …（８）

第１、第２の使用形態において、力Ｆ_ＡやＦ_Ｂを抑制するために、コントローラ３０は以下の制御を行うことができる。

制御１． 加速度の抑制
コントローラ３０は、少なくともひとつの軸の加速度（角加速度）を制限することにより、力Ｆ_Ａ，Ｆ_Ｂを低下させることができる。

制御１Ａ． たとえばコントローラ３０は、全軸の加速度を抑制することにより関係式（４）あるいは（８）を維持してもよい。全軸の加速度の抑制は、（i）パイロット圧の流量変化を落とすこと、あるいは（ii）ポンプ出力トルクの変化量（時間変化率）を制限すること、などにより実現できる。パイロット圧の流量変化は、パイロットライン２５上に、電磁絞りを追加することで実現してもよい。

具体的には、図３のショベル１においては、油圧ライン２７の経路上に流量調整弁１８が設けられる。コントローラ３０は、流量調整弁１８を制御することにより、全軸の加速度を抑制することができる。

また図４のショベル１においては、コントローラ３０がメインポンプ１４を制御することにより、メインポンプ１４の出力トルクの変化量が抑制することができる。

全軸の加速度を抑制することにより、直接的にはｙ_１３およびｙ_１４の項が抑制される。また加速度の抑制によりその後の速度が低下するため、ｙ_１１，ｙ_１２の項も間接的に抑制される。その結果、力Ｆ_Ａ，Ｆ_Ｂが減少し、式（４）、（８）が満たされ、土砂溢れを抑制できる。また全軸を一律に抑制することで制御を簡素化できる。

コントローラ３０は、Ｓ＜αとなると、加速度を抑制し、それでもなおＳ＜αであるときには、さらに加速度を抑制してもよい。あるいはコントローラ３０は、Ｓとαの比率Ｋ＝α／Ｓにもとづいて加速度を抑制してもよい。たとえばある所定の範囲０＜Ｋ＜０．８では加速度を抑制せず、０．８＜Ｋとなると加速度を抑制してもよい。Ｋが大きくなるほど、加速度を抑制する程度を高めてもよい。式（４）や（８）を満たすために、加速度をどのように低下させるかについてはさまざまなバリエーションが存在し、バリエーションも本発明の範囲に含まれる。

制御１Ｂ． あるいはコントローラ３０は、いくつかの軸の加速度を制限し、残りの軸の加速度を抑制しないこととしてもよい。たとえばバケット軸θ_３に関しては、力ｙ_１４に及ぼす影響が他の軸に比べてそれほど大きくない場合がある。この場合、θ_３の加速度を制限せずに、θ_１，θ_２，φの３軸について加速度の制限を行ってもよい。加速度を制限しない軸を適切に選択することで、応答性の低下、操作感の悪化を防止できる。

あるいはコントローラ３０は旋回軸φの加速度のみを抑制してもよい。なおこの制御を従来技術と混同してはならない。従来では、アタッチメントの運動により発生する力ｙ_１１，ｙ_１４は考慮されていない。

制御２． 速度の抑制
コントローラ３０は、少なくともひとつの軸の速度（角速度）を制限することにより、力Ｆ_Ａ，Ｆ_Ｂを低下させることができる。

制御２Ａ． コントローラ３０は、全軸の速度を制限することにより関係式（２）を維持してもよい。全軸の速度の抑制は、（i）ポンプの出力トルクを落とすこと、（ii）パイロット圧を落とすこと、あるいは（iii）エンジンの回転数を落とすことにより実現できる。

図４のショベル１において、コントローラ３０は、メインポンプ１４を制御することによりメインポンプ１４の出力トルクを低下させることにより、速度を制限することができる。

図５のショベル１には、油圧ライン２７上に比例弁１９が設けられる。コントローラ３０は、比例弁１９を制御することによりパイロット圧を低下させることにより、速度を制限することができる。

図６のショベル１において、コントローラ３０は、エンジン１１の回転数を落とすことにより、速度を制限することができる。

コントローラ３０は、Ｓ＜αとなると、全軸の速度を抑制し、それでもなおＳ＜Ｆであるときには、さらに速度を抑制してもよい。あるいはコントローラ３０は、Ｓとαの比率Ｋ＝α／Ｓにもとづいて速度を抑制してもよい。たとえばある所定の範囲０＜Ｋ＜０．８では速度を抑制せず、０．８＜Ｋとなると速度を抑制してもよい。Ｋが大きくなるほど、速度を抑制する程度を高めてもよい。

このように全軸の速度を抑制することにより、遠心力の項ｙ_１１およびｙ_１２の項が抑制される。その結果、力Ｆ_Ａ，Ｆ_Ｂが減少し、式（４）、（８）が満たされ、土砂溢れを抑制できる。また全軸を一律に抑制することで制御を簡素化できる。

制御２Ｂ． コントローラ３０は、いくつかの軸の速度を制限し、残りの軸の速度を抑制しないこととしてもよい。加速度を制限しない軸を適切に選択することで、応答性の低下、操作感の悪化を防止できる。

制御３． 加速度および速度の抑制
コントローラ３０は、加速度の抑制制御と速度の抑制制御を併用してもよい。この場合、ｙ_１１，ｙ_１２，ｙ_１３，ｙ_１４すべての項が制限されて力Ｆ_Ａ，Ｆ_Ｂが低下する。たとえば（i）すべての軸について加速度、速度の両方を抑制したり、（ii）選択されたいくつかの軸について加速度、速度の両方を抑制したり、（iii）いくつかの軸について加速度を抑制し、残りのいくつかの軸について速度を抑制してもよい。

制御４． 加加速度の抑制
コントローラ３０は、少なくともひとつの軸の加加速度（ジャーク）を制限することにより、力Ｆ_Ａ，Ｆ_Ｂを低下させることができる。加加速度の抑制は、加速度や速度の抑制と組み合わせてもよい。

このように、加速度、速度、加加速度を抑制することで、力Ｆがしきい値Ｔを超えないような制御が実現できる。

続いて、複数軸の制御について説明する。コントローラ３０は、積載物４０をバケット１０から溢す方向に支配的に作用する軸の加速度、速度あるいはジャークを優先的に抑制してもよい。
Ｓ＞Ｋ_１・ｙ_１１＋Ｋ_２・ｙ_１２＋Ｋ_３・ｙ_１３＋Ｋ_４・ｙ_１４ …（９）
Ｋ_１，Ｋ_２，Ｋ_３，Ｋ_４は各軸のゲインであり、コントローラ３０はＫ_１，Ｋ_２，Ｋ_３，Ｋ_４を重み付けすることにより、操作感を損なわずに、土砂溢れを抑制できる。

コントローラ３０は、Ｋ_１，Ｋ_２，Ｋ_３，Ｋ_４は、土砂の形状、バケットの姿勢などにもとづいて、動的、適応的に変化させてもよい。土砂の形状、バケットの姿勢によって、土砂の溢れやすさ、溢れ易い方向が異なりうる。そこでこれらを考慮して、Ｋ_１，Ｋ_２，Ｋ_３，Ｋ_４を変化させることにより、土砂溢れと関係のない軸の操作感を損なわずに、土砂溢れを抑制できる。

図１０は、コントローラ３０のブロック図である。コントローラ３０は、しきい値取得部３２、力演算部３４、制限部３６を備える。コントローラ３０はＣＰＵ、マイクロコントローラ、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）などのハードウェアとプログラムの組み合わせで実現でき、したがってしきい値取得部３２、力演算部３４、制限部３６は、ハードウェア的にはＣＰＵやＤＳＰの一部と把握される。

しきい値取得部３２は、しきい値Ｔを取得する。しきい値Ｔは、上述のように演算してもよいし、所定値を用いてもよい。あるいは所定値に、バケットの角度δや積載物４０の形状に応じた可変係数を乗じてしきい値Ｔとしてもよい。しきい値Ｔは、上述のように加速度の次元を有するＳで表してもよい。

力演算部３４は、アタッチメント１２の位置を示す情報θ_１〜θ_３および旋回装置３の状態を示す情報φを受け、力Ｆを演算する。力Ｆは加速度の次元を有するαで表してもよい。

制限部３６は加速度αとしきい値Ｓの関係にもとづき、アタッチメント１２および旋回装置３の少なくともひとつの軸の動作を制限する。上述のように制限部３６は、加速度、速度、ジャークを制限対象とすることができ、また制限する軸もさまざまなバリエーションが存在しうる。

以上、第１の実施の形態について説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。

（第１の実施の形態の変形例）
しきい値Ｔの決定に関して図７で示したモデルは一例にすぎず、別のモデルにもとづいてしきい値Ｔを決定してもよい。

またショベル１の図８、図９の使用形態において積載物４０に働く力Ｆ_Ａ，Ｆ_Ｂは、式（１）や（５）に限定されない。たとえばある項を省略してもよいし、さらに別の項を考慮してもよい。

（第２の実施の形態）
図１１は、第２の実施の形態に係るショベル１の電気系統や油圧系統などのブロック図である。

コントローラ３０は、詳しくは後述するが、バケット１０の傾きを制御することにより、土砂溢れを防止する。たとえばコントロールバルブ１７が電子制御可能である場合、コントローラ３０は、バケットシリンダ９もしくはその他のシリンダ７，８を制御するバルブを電気的に直接駆動してもよい。以上がショベル１の全体のブロック図である。

続いて土砂溢れのメカニズムを説明する。図１２は、バケット１０および積載物４０を模式的に示す図である。ある使用形態において土砂溢れは、積載物４０に加わる力Ｆが最大静止摩擦力μＮに応じたしきい値Ｔを上回ると発生するものと考えられる。したがってしきい値Ｔは、静止摩擦係数μと垂直抗力Ｎ、積載物４０の質量ｍを考慮して計算することができる。

具体的にはしきい値Ｔは、積載物およびバケット１０をモデル化することにより近似的に計算することができる。バケット１０の基準面が水平面（地面）となす角度（以下、バケット角と称する）をδとする。基準面４１は、バケットの底面あるいは上面と平行に定めることができる。バケット１０の静止状態では垂直抗力Ｎは、Ｎ＝ｍｇ×ｃｏｓδである。ｇは重力加速度を表す。また積載物４０を溢す方向ｘには、重力の成分Ｆ_Ｇ＝ｍｇ×ｓｉｎδが働いている。よって関係式Ｆ_Ｇ＜μＮが土砂溢れが生じない条件となる。従来のバケット角一定制御では、δをゼロに近づけることにより、Ｆ_Ｇをゼロに近づけ、垂直抗力Ｎを大きくすることにより、土砂溢れを防止するものと把握される。

アタッチメント１２あるいは旋回装置３を動かすと、重力の成分Ｆ_Ｇに加えて、アタッチメント１２や旋回装置３の動作に起因する力Ｆ_||が積載物４０に加わる。このとき、関係式Ｆ_||＋Ｆ_Ｇ＜μＮが土砂溢れが発生しない条件となる。力Ｆ_||は、アタッチメント１２の稼動による加速度、遠心加速度、旋回装置３の稼動による加速度、遠心加速度を含みうる。

続いて、本実施の形態に係るショベル１の土砂溢れの防止制御を説明する。図１３（ａ）、（ｂ）は、コントローラ３０によるバケット角制御を模式的に示す図である。積載物４０は、溢れ落ちる上部分４０ａと、バケット１０に収容される下部分４０ｂに分けて考えることができ、下部分４０ｂはバケット１０と一体とみなすことができる。

いま、バケット１０を図中矢印方向、つまり地面水平方向（Ｘ軸方向）に加速度αで加速させることを考える。なお図１３（ａ）〜（ｃ）には、力を加速度のディメンジョンで示している。図１３（ａ）には、従来のようにバケット角δを０度に保つ制御を示す。上部分４０ａの質量をｍとすると垂直抗力Ｎはｍｇであり、最大静止摩擦力はμｍｇとなる。下部分４０ｂに対して矢印方向Ｘに加速度αの力を加えることは、上部分４０ａに矢印Ｘと反対方向に加速度αの力を加えることと等価である。したがって、
ｍα＞μｍｇ
が成り立つとき、ひいては
α＞μｇ …（１）
が成り立つときに、上部分４０ａがＸ軸反対方向に溢れることとなる。

図１３（ｂ）には、本実施の形態におけるコントローラ３０によるバケット角制御が示される。バケット１０を加速度αで加速させるとき、コントローラ３０は、バケット１０を移動させたときに、バケット１０を、その基準面４１が積載物４０に生ずる加速度方向（Ｘ方向）と垂直面４２に近づく方向に傾ける。バケット角δの制御は、バケット軸θ_３のみの制御で行ってもよいし、ブーム軸θ_１、アーム軸θ_２の制御を組み合わせて行ってもよい。

図１３（ａ）と同様に、上部分４０ａには、矢印Ｘと反対方向に加速度αの力が加わり、鉛直方向に重力加速度ｇが加わっている。このときの垂直抗力は、加速度αの基準面４１に対して垂直な成分α_||と、重力加速度ｇの基準面４１に対して垂直な成分ｇ_||の合計であり、
ｇ×ｃｏｓδ＋α×ｓｉｎδ
となる。よって最大静止摩擦力は、
μ×（ｇ×ｃｏｓδ＋α×ｓｉｎδ）
となる。

一方、上部分４０ａを、基準面４１と水平方向に滑らせる力は、加速度αの基準面４１と平行な成分α_||と、重力加速度ｇの基準面４１と平行な成分ｇ_||の合計であり、
α×ｃｏｓδ−ｇ×ｓｉｎδ
となる。なおα_||とｇ_||は反対向きである。

したがって、関係式（２）が成り立つときに、上部分４０ａがＸ軸方向またはその反対方向に溢れることとなる。
｜α×ｃｏｓδ−ｇ×ｓｉｎδ｜＞μ×（ｇ×ｃｏｓδ＋α×ｓｉｎδ）…（２）

関係式（１）と（２）を対比することにより、実施の形態に係るバケット角制御の利点が明確となる。関係式（１）、（２）それぞれの左辺は、上部分４０ａを溢そうとする力であり、δを適切に選ぶことにより、
α＞｜α×ｃｏｓδ−ｇ×ｓｉｎδ｜
が成り立つ。一方、関係式（１）、（２）それぞれの右辺の最大静止摩擦力を比較すると、δを適切に選ぶことにより、
μｇ＜μ×（ｇ×ｃｏｓδ＋α×ｓｉｎδ）
が成り立つ。つまり、関係式（１）と（２）を比べると、関係式（２）の方が成立しにくいことが分かる。

以上がコントローラ３０によるバケット角制御の原理である。このように実施の形態に係るショベル１によれば、バケット１０を移動させたときに、バケット１０を、その基準面４１が積載物４０に生ずる加速度方向（Ｘ方向）と垂直面４２に近づく方向に傾けることにより、土砂溢れを抑制することができる。

上述のように、関係式（１）と（２）の右辺同士を比較すると、関係式（２）の右辺の方が大きい。つまり本実施の形態を別の観点から見ると、コントローラ３０は、旋回装置３およびアタッチメント１２の少なくともひとつを可動中（つまりバケット１０の移動中）に、積載物４０（上部分４０ａ）に対する最大静止摩擦力が大きくなるように、言い換えれば垂直抗力が大きくなるようにバケット１０を傾ける制御を行っているものと把握することができる。

また上述のように、関係式（１）と（２）の左辺同士を比較すると、関係式（２）の左辺の方が小さい。つまり本実施の形態を別の観点から見ると、コントローラ３０は、旋回装置３およびアタッチメント１２の少なくともひとつを可動中に、積載物４０（上部分４０ａ）に対して、基準面と平行に働く力が小さくなるように、バケット１０を傾ける制御を行っているものと把握することができる。

なお、コントローラ３０によるバケット角制御は、バケット１０中の積載物４０を運んでいる状態においてのみ行い、そうでない場合、たとえば排土中や掘削中は、バケット角制御をしないことが望ましい。排土、掘削動作中は土砂溢れが問題とならないため、制限を解除することで、作業効率が低下するのを防止できる。なお、排土中であることや掘削中であることの判定には、たとえば特願２００６−１８２５０４号公報に記載の技術を用いることができる。

図１４（ａ）、（ｂ）は、バケット角制御が有効なショベル１の第１の使用形態を示す図である。第１の使用形態は、アタッチメント１２を固定し、旋回装置３を旋回させる旋回動作を示す。旋回動作中、積載物４０には、遠心力加速度Ｒφ'^２と旋回加速度Ｒφ''とが作用する。

バケット１０は、ブーム５およびアーム６を含む平面内で可動であるため、旋回加速度ｒφ''に対向する方向に傾けることはできない。したがってコントローラ３０は、積載物４０に働く力の内、ブーム５およびアーム６を含む平面内に働く力を考慮し、この平面内の加速度の垂直面に近づく方向に、バケットの基準面を傾ければよい。具体的には旋回動作時においてコントローラ３０は、バケット１０を、その基準面４１が遠心力加速度Ｒφ'^２の垂直面４２に近づく方向に傾ける。

図１５は、バケット角制御が有効なショベル１の第２の使用形態を示す図である。第２の使用形態は、旋回軸φを固定し、アタッチメント１２により積載物４０を持ち上げる（あるいは持ち下げる）動作を示す。持ち上げ動作中、積載物４０には加速度Ｒθ''と遠心力加速度Ｒθ'^２とが作用する。コントローラ３０は、バケット１０を、その基準面４１が加速度Ｒθ''と遠心力加速度Ｒθ'^２のいずれか一方の垂直面に近づくように傾ける。

あるいはコントローラ３０は、加速度Ｒθ''と遠心力加速度Ｒθ'^２をベクトル合成し、バケット１０を、その基準面４１が合成された加速度の垂直面に近づくように傾けてもよい。

図１４、図１５の使用形態の他、それらの組み合わせである旋回持ち上げ動作（旋回持ち下げ）動作にも、実施の形態に係るバケット角制御は有効である。この旋回持ち上げ動作中、積載物４０には、加速度Ｒθ''、遠心力加速度Ｒθ'^２、遠心力加速度Ｒφ'^２、旋回加速度Ｒφ''が作用する。コントローラ３０は、加速度Ｒθ''、遠心力加速度Ｒθ'^２、遠心力加速度Ｒφ'^２のいずれか、あるいはいくつかの組み合わせにもとづいてバケット角制御を行うことができる。

図１６は、コントローラ３０のブロック図である。図１６のコントローラ３０は、加速度方向取得部３２、バケット角演算部３４、逆運動学演算部３６を備える。コントローラ３０はＣＰＵ、マイクロコントローラ、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）などのハードウェアとプログラムの組み合わせで実現でき、したがって加速度方向取得部３２、バケット角演算部３４は、ハードウェア的にはＣＰＵやＤＳＰの一部と把握される。

加速度方向取得部３２は、バケット１０を移動させたときに、バケット１０内の積載物４０に生ずる加速度方向を取得する。加速度方向取得部３２は、位置情報θ_１〜θ_３およびφ（あるいは速度情報）にもとづき、加速度方向を演算してもよい。あるいは位置情報θ_１〜θ_３およびφ（あるいは速度情報）と、加速度方向を対応付けるマップ（テーブル）を保持し、テーブル参照により加速度方向を取得してもよい。マップは、使用形態（持ち上げ動作、旋回動作、旋回持ち上げ動作）ごとに用意してもよい。

バケット角演算部３４は、加速度方向取得部３２によって得られた加速度方向の垂直面に近づくように、バケット角δを演算あるいはテーブル参照により決定する。逆運動学演算部３６は、バケット角δが得られるようなリンク角θ_１〜θ_３の指令値を演算する。

図１６では、バケット角δを、加速度方向取得部３２とバケット角演算部３４の二段階の信号処理で決定したが本発明はそれに限定されない。たとえば位置情報θ_１〜θ_３およびφ（あるいは速度情報）と、バケット角δを直接的に対応付けるマップ（テーブル）を用意しておき、テーブル参照によりバケット角δを決定してもよい。この場合もマップは、使用形態（持ち上げ動作、旋回動作、旋回持ち上げ動作）ごとに用意してもよい。

バケット角δは、加速度の大きさおよびショベル１の動作の種類に応じて、適応的に変化させてもよい。あるいは、ショベル動作ごとに一定値を定めておき、ショベルの動作を判定すると、それに応じた一定値を用いてもよい。

また実施の形態に係るバケット角制御は、バケットを減速させる場合にも当然に有効である。

続いてコントローラ３０によるバケット制御の別の実施例を説明する。図１７は、第１変形例に係るショベルの電気系統や油圧系統などのブロック図である。バケット角を制御するために、ショベル１には切換弁１８および比例弁１９が設けられる。コントロールバルブ１７が、バケット軸あるいはその他の軸に関して電気制御不能である場合、コントローラ３０は切換弁１８および比例弁１９を制御し、コントロールバルブ１７への圧力を制御し、バケット角を制御してもよい。

図１８は、第２変形例に係るショベルの電気系統や油圧系統などのブロック図である。このショベル１は、図１７の切換弁１８、比例弁１９に代えて流量調整弁２０を備える。コントローラ３０は、流量調整弁２０を制御することにより、コントロールバルブ１７に供給される圧油の流量を変化させ、バケット角を制御してもよい。

いくつかの実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

１…ショベル、２…クローラ、２Ａ，２Ｂ…走行油圧モータ、３…旋回装置、４…旋回体、４ａ…運転室、５…ブーム、６…アーム、７…ブームシリンダ、８…アームシリンダ、９…バケットシリンダ、１０…バケット、１１…エンジン、１２…アタッチメント、１４…メインポンプ、１５…パイロットポンプ、１６…高圧油圧ライン、１７…コントロールバルブ、１８…切換弁、１９…比例弁、２０…流量調整弁、２１…旋回油圧モータ、２５…パイロットライン、２６…操作装置、２７，２８…油圧ライン、２９…圧力センサ、３０…コントローラ、３２…加速度方向取得部、３４…バケット角演算部、３６…逆運動学演算部、４０…積載物、４０ａ…上部分、４０ｂ…下部分、５３０…センサ。

本発明は産業車両に利用できる。

Claims (11)

1. クローラと、
   上部旋回体と、
   前記クローラに対して前記上部旋回体を回転させる旋回装置と、
   ブーム、アーム、バケットおよびブームシリンダ、アームシリンダ、バケットシリンダを有し、前記上部旋回体に取り付けられるアタッチメントと、
   前記アタッチメントの動作によって前記バケット内の積載物に生じる力が、前記積載物の安定しうるしきい値を超えないように、前記アタッチメントおよび前記上部旋回体の少なくとも一方の動作を制限するコントローラと、
   を備えることを特徴とするショベル。
2. 前記コントローラは、前記アタッチメントの動作にともない発生する力と前記旋回装置の動作にともない生ずる力の合力を考慮することを特徴とする請求項１に記載のショベル。
3. 前記コントローラは、旋回軸、ブーム軸、アーム軸、バケット軸の少なくともひとつの軸の加速度を抑制することを特徴とする請求項１または２に記載のショベル。
4. 前記コントローラは、旋回軸、ブーム軸、アーム軸、バケット軸の全軸の加速度を抑制することを特徴とする請求項３に記載のショベル。
5. 前記コントローラは、前記積載物を前記バケットから溢す方向に支配的に作用する軸の加速度を優先的に抑制することを特徴とする請求項３に記載のショベル。
6. 前記コントローラは、旋回軸、ブーム軸、アーム軸、バケット軸の少なくともひとつの軸の速度を抑制することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のショベル。
7. 前記コントローラは、旋回軸、ブーム軸、アーム軸、バケット軸の少なくともひとつの軸のジャークを抑制することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のショベル。
8. 前記しきい値は、前記アタッチメントの姿勢に応じていることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のショベル。
9. クローラと、
   上部旋回体と、
   前記クローラに対して前記上部旋回体を回転させる旋回装置と、
   ブーム、アーム、バケットおよびブームシリンダ、アームシリンダ、バケットシリンダを有し、前記上部旋回体に取り付けられるアタッチメントと、
   前記バケットを移動させたときに、前記バケットの基準面がバケット内の積載物に生ずる加速度方向と垂直面に近づく方向に、バケットを傾けるコントローラと、
   を備えることを特徴とするショベル。
10. クローラと、
    上部旋回体と、
    前記クローラに対して前記上部旋回体を回転させる旋回装置と、
    ブーム、アーム、バケットおよびブームシリンダ、アームシリンダ、バケットシリンダを有し、前記上部旋回体に取り付けられるアタッチメントと、
    前記旋回装置および前記アタッチメントの少なくともひとつを可動中に前記バケット内の積載物の垂直抗力が大きくなるように前記バケットを傾けるコントローラと、
    を備えることを特徴とするショベル。
11. クローラと、
    上部旋回体と、
    前記クローラに対して前記上部旋回体を回転させる旋回装置と、
    ブーム、アーム、バケットおよびブームシリンダ、アームシリンダ、バケットシリンダを有し、前記上部旋回体に取り付けられるアタッチメントと、
    前記旋回装置および前記アタッチメントの少なくともひとつを可動中に、前記バケット内の積載物に対して、バケットの基準面と平行に働く力が小さくなるように前記バケットを傾けるコントローラと、
    を備えることを特徴とするショベル。

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