JPH076212B2 - パワ−シヨベルの位置制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明はパワーショベルの位置制御装置に関する。

〔従来の技術〕

一般に油圧式パワーショベルは第５図に示すようにブー
ム1,アーム2,バケット３及びこれらを駆動するブームシ
リンダ4,アームシリンダ5,バケットシリンダ６を具備し
ており、各シリンダ４〜６は夫々運転室内に配備された
操作レバー（図示せず）により手動操作される。そし
て、オペレータが手動操作により作業機の姿勢を制御し
てバケット位置を設定するようになっている。このた
め、オペレータに高度な技術が要求される。特に、バケ
ットによる地ならし作業すなわち、バケットの平行移動
制御は極めて困難であり、法面の地ならし作業等におい
ては不可能に近い。

第６図に、このような問題点を解決するための１従来技
術を示す。

かかる構成においては、アーム２の先端点Ｃ（バケット
３の回動支点）に着目し、各設定器10および11において
該点Ｃにおけるｘ軸およびｙ軸方向の速度成分_ｃおよ
び_ｃを目標値▲^ref _c▼および▲^ref _c▼として設定
するようにしている。

いま、作業機各部の位置を第７図に示すように定義す
る。すなわち、 原点０（0,0）：ブーム１の回動支点 点Ｂ（x_b，y_b）：アーム２の回動支点 点Ｃ（x_c，y_c）：バケット３の回動支点 点Ｄ（x_d，y_d）：バケット３の刃先点 とする。ここで、 ｘ軸：点0,B,C,Dを含む平面と点０を含む車輌旋回面と
の交線 ｙ軸：点０を通り、車輌旋回面に垂直な直線である。ま
た、第７図において L₁：点0,B間の長さ L₂：点B,C間の長さ L₃：点C,D間の長さ α:y軸に対する線分0Bのなす角 β：線分0Bの延長線に対する線分BCのなす角 γ：線分BCの延長線に対する線分CDのなす角（刃先角） である。以上のように定義すると、点Ｃの座標（x_c，
y_c）は次式のように表わされる。

x_c＝L₁sinα＋L₂sin（α＋β） ……（１） y_c＝L₁cosα＋L₂cos（α＋β） ……（２） これら（１）（２）式を時間について微分し、点Ｃにお
けるｘ軸およびｙ軸方向の速度成分_ｃ，_ｃを求める
と次式のようになる。_ｃ ＝L₁cosα＋L₂（＋）cos（α＋β） ……
（３）_ｃ ＝−L₁sinα−L₂（＋）sin（α＋β） ……
（４） ここで：角αの時間的変化（ブーム１の回動速度） ：角βの時間的変化（アーム２の回動速度） である。

これら（３）（４）式を，について解けば、下式の
如く、希望する_ｃ，_ｃを得るための，が求めら
れる。

すなわち、第６図の座標変換部13では、各設定器10およ
び11からそれぞれ入力されたアーム先端点の速度指令▲
^ref _c▼および▲^ref _c▼に基づき上記（５）式に示し
た変換を行なうことにより、ブーム１の角速度指令
^refおよびアーム２の角速度指令^refを出力する。

そして、この座標変換部13で導出された各角速度指令
^ref，^refおよび設定器12により直接設定されたバケッ
ト角速度指令^refを各加算点14,15および16にそれぞれ
入力する。各加算点14,15および16においては、該入力
されて夫々の角速度指令^ref，^refおよび^refと各
作業機（ブーム，アーム，バケット）に設置された角度
センサ19の各検出出力から導出した各作業機の角速度検
出値，およびとの偏差（^ref−），（^ref−
）および（^ref−）を夫々演算し、該導出した各
偏差を夫々の流量制御装置17へ入力する。

各流量制御装置17では、これら各偏差が零となるように
ブームシリンダ20,アームシリンダ21およびバケットシ
リンダ22への圧油供給流量を夫々制御することにより、
各時点における各作業機の回転角α，βおよびγを決定
する。

このように、この従来装置では、アーム先端点Ｃの移動
速度（X_c，Y_c）およびバケットの回動速度を指令値と
して与え、前記移動速度（_ｃ，_ｃ）に基づき算出し
たブーム回動速度およびアーム回動速度と前記直接
指定したバケットの回動速度によって各作業機ブー
ム，アーム，バケットの動きを夫々制御するようにして
いる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、この従来技術によれば、アーム先端点の平行移
動は容易であるが、バケット先端点の平行移動となると
未だオペレータの技術に頼るところが大きい。例えば水
平掘削を行なう場合、オペレータは設定器10の他に設定
器12を操作しないことには、バケット刃先点の軌跡は水
平とならない。また、法面掘削時においては、バケット
対地角度θ（第７図参照）は一定にしておくのが望まし
いが、上述従来技術ではバケット対地角度θはブーム1,
アーム２およびバケット３のとる位置（α，β，γ）に
より変化するので、これを一定にして掘削を行なうには
オペレータにかなり高度な技術を要する。

この発明は、このような実情に鑑みてなされたもので、
簡単な操作で精度良く直接掘削、法面掘削等の作業をな
し得るパワーショベルの位置制御装置を提供しようとす
るものである。

〔問題点を解決するための手段および作用〕

この発明では、バケット先端点（x_d，y_d）に着目し、該
バケット先端点のｘ軸,y軸方向の速度成分_ｄ，_ｄお
よびバケット対地角度−を指令値として与え、これら
指令値とブーム，アーム，バケットの実際の角度の検出
値とに基づき、ブーム回動速度、アーム回動速度お
よびバケット回動速度の各目標値を導出し、これら導
出した各目標値に夫々応じてブームシリンダ，アームシ
リンダおよびバケットシリンダへの圧油供給流量を制御
するようにする。なお、前記バケット対地角速度−の
変わりにバケットの回動速度を指令値とすることもで
きる。

〔実施例〕

第１図はこの発明の一実施例を示すものである。

同第１図において速度指令部30ではバケット刃先点Ｄの
ｘ軸方向およびｙ軸方向の速度成分▲^ref _d▼，▲
^ref _d▼およびバケット対地角速度−^ref（第７図参
照）を指令する。速度指令部30を図示のような電気レバ
ーで構成したとすると、該レバーのｘ軸方向およびｙ軸
方向の傾斜に応じた▲^ref _d▼，▲^ref _d▼を出力する
ことができ、さらに該レバー自体の回動（捩り）に応じ
た−^refを出力することができる。この電気レバー30
はレバー31が水平方向となるように取付けられ、このた
め各作業機の移動方向と該レバー31の移動方向が実際に
一致するようになっている。レバー31が中立であれば、
各出力は零となる。速度指令部30で指定された３つの指
令信号▲^ref _d▼，▲^ref _d▼および−^refは座標変
換部40に入力される。

ここで、バケット３の刃先点Ｄの座標（x_d，y_d）は第７
図に示した位置関係から次式のようになる。

x_d＝L₁sinα＋L₂sin（α＋β）＋L₃sin（α＋β＋γ）
……（６） y_d＝L₁cosα＋L₂cos（α＋β）＋L₃cos（α＋β＋γ）
……（７） また、バケット３とｘ軸との角度すなわち対地角度θは
同第７図から次式のようになる。

これら（６），（７）および（８）式を時間について微
分し、点Ｄにおけるｘ軸およびｙ軸方向の速度成分
_ｄ，_ｄおよびバケット対地角速度−を求めると次
式のようになる。

この（９）式を，およびについて解くと、次式の
ようになる。

この（10）式が本実施例の基礎式であり、第１図の座標
変換部40では速度指令部30から入力された指令信号▲
^ref _d▼，▲^ref _d▼および−^refと各作業機の実際の
角度α，βおよびγとに基づき、上記（10）式に従った
座標変換を行ない、ブーム1,アーム２およびバケット３
の夫々の角速度指令^ref，^refおよび^refを出力す
る。この変換のための構成としては例えばマイクロコン
ピュータを利用した構成、あるいは三角関数発生器、四
則演算器などによるハードウェア構成などをあげること
ができる。

座標変換部40から出力される各作業機（ブーム1,アーム
2,バケット３）の角速度指令^ref，^refおよび^ref
はそれぞれ各作業機を駆動する各シリンダの供給流量制
候系50,60および70へ送られ、各供給流量制御系50,60お
よび70において各シリンダへ供給する圧油の流量が制御
される。

例えば、ブーム角速度指令^refはブーム回動速度の
目標値としてブームシリンダ４の供給流量制御系50へ送
られ、加算点51において該目標値^refと現実のブー
ム回動速度との偏差が求められる。すなわち、このブ
ームシリンダ制御系50において、角度検出器52はブーム
１の回動支点０に取付けたポテンショメータ（図示せ
ず）で車体に対するブーム角αを検出しており、角速度
演算器53ではこの検出角αを微分して現実の回動速度
を求め、この値を加算点61にフィードバックしてい
る。加算点51で算出された偏差（^ref−）は補償器6
4に入力され、該補償器64および電油変換器65を介する
ことにより、該偏差（^ref−）が零となるべくブー
ムシリンダ４に圧油が供給される。

アームシリンダ５およびバケットシリンダ６の各供給流
量制御系60および70も前記ブームシリンダ４の供給流量
制御系50と同様に構成されており、それぞれ入力された
アーム角速度指令およびバケット角速度指令を各目
標値として前記同様の流量制御を行なう。

かかる第１図に示す構成において、バケット対地角度θ
を一定にして水平掘削を行なう場合、速度指令部30にお
いてレバー31を回動方向およびｙ方向に関しては中立と
し、ｘ方向に関してのみレバー31を傾斜させれば、対地
角度θは一定のままバケット３の刃先点を水平方向に移
動することができる。また、レバー31をｙ方向に関して
のみ傾斜させれば、対地角度θは一定のままバケット３
の刃先点を垂直方向に移動することができる。さらに法
面掘削の際には、レバー31をｘ方向およびｙ方向の両方
向に傾斜させるようにすれば、該傾斜方向に応じた速度
比で決定される角度で対地角度θは一定のままバケット
３の刃先点を直線的に移動させることができる。

ところで、上記第１図に示す構成において、オペレータ
が直接指令する指令値としては、バケット刃先点のｘ
軸,y軸方向の速度成分▲^ref _d▼，▲^ref _d▼の代わり
に掘削角度^ref，バケット掘削速度υ^refを用いるよう
にしてもよい。この場合、これら値▲^ref _d▼，▲
^ref _d▼，^refおよびυ^refの間には下式のような関係が
あるので、 第２図に示すように座標変換部40の前に上記（11）式に
従った変換を行なう変換部32を設けるようにすれば、座
標変換部40に対しは前述同様▲^ref _d▼，▲ｙ^ref _d▼お
よび−θ^refが入力され、これ以降前記同様の演算制御
を行なうようにすれば、第１図に示したものと同等の機
能を達成することができる。

第３図にこの発明の他の実施例を示す。

この第３図に示す実施例においても先の実施例同様バケ
ット３の刃先点Ｄに着目し、速度指令部35からはバケッ
ト刃先点Ｄのｘ軸方向およびｙ軸方向の速度成分_ｄ，
_ｄが出力されるが、この実施例では速度指令部35にお
ける他の１つの指令要素としてバケット角速度を設定
するようにした。これら３つの指令信号のうち_ｄ，
_ｄは座標変換部45に入力される。

ここでバケット３の刃先点の座標（x_d，y_d）は前記
（６）および（７）式に示したように次式で示される。

x_d＝L₁sinα＋L₂sin（α＋β）＋L₃sin（α＋β＋γ）
……（６） y_d＝L₁cosα＋L₂cos（α＋β）＋L₃cos（α＋β＋γ）
……（７） これら（６），（７）式を時間微分し、点Ｄにおけるｘ
軸およびｙ軸方向の速度成分_ｄ，_ｄを求めると次式
のようになる。

この（12）式を，について解くと次式のようにな
る。

第３図の座標変換部45では、速度指令部35から入力され
た指令信号▲^ref _d▼および▲^ref _d▼と、各作業機の
実際の角度α，βおよびγとに基づき、上記（13）式に
従った座標変換を行ない、ブーム１およびアーム２の各
角速度指令^refおよび^refを出力する。これら角速度
指令^ref，^refは前記同様各流量制御系の加算点51,6
1に加えられ、該加算点51,61で算出された偏差（^ref
−），（^ref−）に基づきブーム１およびアーム
２が夫々駆動される。

一方、速度設定部35で設定されたバケット角速度^ref
は加算点71に入力され、該加算点71において該目標値
^refと実際のバケット角速度との偏差（^ref−）が
求められる。そして前記同様この偏差（^ref−）が
零となるようにバケット３が駆動される。

すなわち、この実施例では、次（14）式に従ってブーム
1,アーム２およびバケット３の夫々の角速度指令
^ref，^refおよび^refを求め、これら角速度指令
^ref，^refおよび^refに従ってブーム，アームおよび
バケットを駆動するようにする。

かかる第３図に示す構成によれば、例えば水平掘削を行
なう際には、速度指令部35においてレバー31をｙ方向に
関しては中立とし、回転方向に関しては一定の回転を与
え、ｘ方向に関して一定角傾斜させるようすれば、バケ
ット３の刃先点を水平方向に移動することができる。こ
の場合、対地角θは一定とはならない。なお、この際掘
削条件によってはバケット３を固定するようにしてもよ
い。

かかる構成においては、バケットの刃先点の移動を制御
するようにしているため、バケットの刃先点の精度良い
軌跡を得ることができる。

なお、かかる実施例においても、第４図に示すように、
バケット掘削速度υ^ref，掘削角度ψ^refおよびバケット
角速度を指令値とし、変換部32において該指令値υ
^refおよび掘削角度ψ^refをバケット刃先点のｘ軸および
ｙ軸方向の速度成分▲^ref _d▼および▲^ref _d▼に変換
し、この変換値_ｄ，_ｄとバケット角速度とを座標
変換部45に入力するようにしてもよい。

なお、上記実施例では速度設定手段として１本のレバー
で３要素に関する指令を与えることができる電気レバー
を用いるようにしたが、勿論、通常の３本のレバーによ
る構成を採用してもよい。

また、上記実施例では各作業機の角速度は微分演算によ
り求めるようにしたが、該角度速度を検出する検出器を
各作業機に取付けるようにしてもよい。

〔発明の効果〕

以上説明したように、この発明によれば、バケット刃先
点の軌跡を制御するようにしたために、オペレータは簡
単な操作でバケット刃先点の任意の軌跡を得ることがで
き、これにより、従来困難とされていた直接掘削、法面
掘削等の作業を容易になし得るようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の第１の実施例を示すブロック図、第
２図は同第１の実施例の変形例を説明するためのブロッ
ク図、第３図はこの発明の第２の実施例を示すブロック
図、第４図は同第２の実施例を説明するためのブロック
図、第５図は油圧式パワーショベルの構成を示す図、第
６図は従来装置の一構成例を示すブロック図、第７図は
パワーショベル各部の座標位置等を定義するための説明
図である。 １……ブーム、２……アーム、３……バケット、４……
ブームシリンダ、５……アームシリンダ、６……バケッ
トシリンダ、13,40,45……座標変換部、30,35……速度
設定部、50,60,70……供給流量制御系、51,61,71……加
算点。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ブーム、アームおよびバケットを含む平面
   を座標平面としてバケット刃先点のｘ軸方向の移動速度
   成分を設定するｘ成分速度設定手段と、 前記座標平面におけるバケット刃先点のｙ軸方向の移動
   速度成分を設定するｙ成分速度設定手段と、 前記ｘ軸方向に対してバケットがなす角の速度を設定す
   る対地角速度設定手段と、 ブーム角、アーム角およびバケット角を検出する夫々の
   角度検出手段と、 前記ｘ成分、ｙ成分および対地角速度設定手段で夫々設
   定された各設定値と、前記角度検出手段の各検出値とに
   基づき、該設定値に対応するブーム回動速度、アーム回
   動速度およびバケット回動速度の各目標値を演算出力す
   る夫々の座標変換手段と、 これら座標変換手段で導出した各目標値に夫々応じてブ
   ームシリンダ、アームシリンダおよびバケットシリンダ
   への圧油供給流量を制御する夫々の流量制御系とを具え
   たパワーショベルの位置制御装置。
2. 【請求項２】前記ｘ成分およびｙ成分速度設定手段は、
   入力された掘削速度および掘削角に基づき前記バケット
   刃先点のｘ軸およびｙ軸方向の移動速度成分を夫々算出
   し、これら算出値を該ｘ成分およびｙ成分速度設定手段
   における設定値として前記座標変換手段に出力する特許
   請求の範囲第（１）項記載のパワーショベルの位置制御
   装置。
3. 【請求項３】ブーム、アームおよびバケットを含む平面
   を座標平面としてバケット刃先点のｘ軸方向の移動速度
   成分を設定するｘ成分速度設定手段と、 前記座標平面におけるバケット刃先点のｙ軸方向の移動
   速度成分を設定するｙ成分速度設定手段と、 バケットの回動速度を設定するバケット角速度設定手段
   と、ブーム角、アーム角およびバケット角を検出する夫
   々の角度検出手段と、 前記ｘ成分およびｙ成分速度設定手段で夫々設定された
   各設定値と前記角度検出手段の各検出値とに基づき該設
   定値に対応するブーム回動速度、アーム回動速度の各目
   標値を演算出力する夫々の座標変換手段と、 これら座標変換手段で導出した各目標値および前記バケ
   ット角速度設定手段で設定したバケット回動速度に夫々
   応じてブームシリンダ、アームシリンダおよびバケット
   シリンダへの油圧供給流量を制御する夫々の流量制御系
   とを具えたパワーショベルの位置制御装置。
4. 【請求項４】前記ｘ成分およびｙ成分速度設定手段は、
   入力された掘削速度および掘削角に基づき前記バケット
   刃先点のｘ軸およびｙ軸方向の移動速度成分を夫々算出
   し、これら算出値を該ｘ成分およびｙ成分速度設定手段
   における設定値として前記座標変換手段に出力する特許
   請求の範囲第（３）項記載のパワーショベルの位置制御
   装置。