JPH10204927A - 力ベクトルを用いた自動バケット積載システムおよび方法 - Google Patents

力ベクトルを用いた自動バケット積載システムおよび方法

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JPH10204927A
JPH10204927A JP10001072A JP107298A JPH10204927A JP H10204927 A JPH10204927 A JP H10204927A JP 10001072 A JP10001072 A JP 10001072A JP 107298 A JP107298 A JP 107298A JP H10204927 A JPH10204927 A JP H10204927A
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bucket
command signal
lift
cylinder
control system
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JP10001072A
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English (en)
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Andrew G Shull
ジー シュール アンドリュー
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Caterpillar Inc
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Caterpillar Inc
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    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02F—DREDGING; SOIL-SHIFTING
    • E02F3/00—Dredgers; Soil-shifting machines
    • E02F3/04—Dredgers; Soil-shifting machines mechanically-driven
    • E02F3/28—Dredgers; Soil-shifting machines mechanically-driven with digging tools mounted on a dipper- or bucket-arm, i.e. there is either one arm or a pair of arms, e.g. dippers, buckets
    • E02F3/36—Component parts
    • E02F3/42—Drives for dippers, buckets, dipper-arms or bucket-arms
    • E02F3/43—Control of dipper or bucket position; Control of sequence of drive operations
    • E02F3/431—Control of dipper or bucket position; Control of sequence of drive operations for bucket-arms, front-end loaders, dumpers or the like
    • E02F3/432—Control of dipper or bucket position; Control of sequence of drive operations for bucket-arms, front-end loaders, dumpers or the like for keeping the bucket in a predetermined position or attitude

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 作業機械のバケットに積載するための電気油
圧制御システムに関する。 【解決手段】 この制御システムは、バケット位置と力
を表す信号を発するためのセンサーを含む。コマンド信
号発生器は、信号を受信し、蓄積されたエネルギーを基
準にした目標角と、バケットの基準点において発生した
実際の力を表す力ベクトル角とを計算する。リフトおよ
びティルトコマンド信号が、目標角と実際の角との間の
差に応じて修正され、効率的に土壌物を捕らえるために
計算された割合でバケットを傾けながら、土壌物中をバ
ケットを通して持ち上げるのに用いられる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、一般的に土工用機械の
作業具を自動的に制御するための制御システムに関す
る。より詳細には、本発明は、土壌を捕らえるときの力
ベクトルに応じて、コマンド信号の大きさを調整して土
工用機械の油圧シリンダを制御する電気油圧式システム
に関する。
【０００２】
【従来の技術】大量の土壌、岩石、鉱石、および別の土
壌を動かすための作業用機械は、一般的に少なくとも１
つのリフト油圧シリンダと１つのティルト油圧シリンダ
により制御可能に作動されるバケットのような、積載を
行なうのに設計された作業具を備えている。オペレータ
が作業具を扱い、連続した別個の機能を実行する。バケ
ットに積載するための一般的な作業サイクルにおいて、
オペレータは、まず堆積された土壌に近接するように機
械を動かし、バケットの高さを地上表面に近くにし、次
いで機械を堆積された土壌に係合するように前進させ
る。続いて、オペレータはバケットを土壌の堆積物中を
通って上昇させ、同時に、材料を捕らえるためにバケッ
トを「ラックする」（後方に傾斜させる）。バケットが
堆積物で一杯になるとき、すなわち堆積物から離れると
きには、オペレータは、バケットを完全にラックして投
棄する高さにこれを持ち上げ、堆積物から後退して特定
の投棄場所に進ませる。積載物を投棄した後、作業機械
は土壌堆積物に戻り、別の作業サイクルを開始する。
【０００３】作業サイクルを自動化してオペレータの疲
れを減少させること、より効率的にバケットに積載する
ことは、人間のオペレータにとって不適切であるような
状態のときには、ますます望まれる。しかし、所定の位
置または速度コマンド信号を用いる従来の自動化された
積載サイクルでは、土壌の状態が様々であるために、バ
ケットに完全に積載するのに効果がなく、積載できない
ことがあった。本明細書において「球状岩」として記載
する、***により残された積み重なった破壊岩の断片
と、本明細書において「硬質な石壁」といわれる堆積土
壌とが、特に厄介な土壌の状態を表す。機械油圧システ
ムの動力の限界のためにバケットの先端がより大きな岩
石にぶつかると、従来の自動積載を不可能にすらするこ
とがある。米国特許第３、７８３、５７２号では、リフ
トシリンダを制御して、対応するホイールトルクを監視
することにより車輪と地面との接触を維持するようにな
っている油圧制御システムを開示する。米国特許第５、
５２８、８４３号は、検出された油圧に応じて、最高の
リフトおよびティルト信号を選択的に供給する、土壌を
捕らえるための制御システムを開示する。国際特許出願
番号第ＷＯ９５／３３８９６号は、バケット力が許容可
能な限界を越えると、油圧シリンダへの流体の流れを逆
転させることを開示する。しかし、いかなるシステム
も、より効率的に土壌を捕らえることができるようにコ
マンド信号の大きさを可変に制御していない。
【０００４】本発明は、上述の問題の１つか２つ以上を
解決するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】作業具によって自動的に
積載を行なうことが本発明の１目的である。特に球状岩
と硬質バンクのような土壌を捕らえるのにバケットを制
御するための信号を作り出すことが本発明の別の目的で
ある。作業具に関する自動化された作業サイクルを行
い、手動の積載操作に関して生産性を高めることが本発
明のさらに別の目的である。これらの目的と、別の目的
は、目標の角度に従って作業具を用いて、土壌を積載す
るように、本発明の原則に従って構成された自動制御シ
ステムで達成すればよい。本発明の１態様において、シ
ステムは、ホイールローダのバケットの積載に関連する
位置と力に応答して信号を発信するセンサーを含む。コ
マンド信号発生器は、信号を受信して、バケットに作用
する機械または土壌の力の方向を表す力ベクトル角を作
り出し、この力ベクトル角を目標角と比較し、この比較
に応じてリフトおよびティルトコマンド信号を発信す
る。最後に、作業具コントローラがリフトコマンド信号
を受信し、リフトシリンダを制御可能に伸ばして、土壌
中にバケットを通して上昇させ、ティルトコマンド信号
を受信して、ティルトシリンダを制御的に動かしバケッ
トを傾斜させ、土壌を捕らえるようになっている。
【０００６】本発明の別の詳細、目的および利点が、本
発明の所定の実施例、この方法を実行する所定の本発明
の好ましい方法として明確になるであろう。同一の参照
符号が同一のまたは同類の成分を示すようになっている
図面とともに、以下の詳細な記載を参照して、本発明の
より完全な説明がなされる。
【０００７】
【実施例】図に関し、まず図１を参照すると、ホイール
タイプのローダ機械１０の前方部分が、リフトアーム組
立体１２に接続されており、バケットの先端１６ａを有
するバケット１６を備える作業具を有するように図示さ
れている。リフトアーム組立体１２は、機械フレーム１
１に取り付けられたリフトアームピボットピン１３のま
わりで油圧リフトシリンダ１４によりピボット運動可能
に作動される。リフトアーム荷重支持ピボットピン１９
がリフトアーム組立体１２とリフトシリンダ１４に取り
付けられている。バケット１６は、バケットピボットピ
ン１７のまわりをバケットティルト油圧シリンダ１５に
より後方に傾斜すなわち「ラックされる」。ホイール１
８によって可動なローダに関し図示するように、本発明
は履帯式ローダと土壌を捕らえるための別の作業具のよ
うな機械にも等しく適用可能である。
【０００８】図２は、本発明の１実施例に従った電気油
圧制御システム２０のブロック線図である。リフトおよ
びティルト位置センサー２１、２２のそれぞれが、リフ
トおよびティルト油圧シリンダ１４、１５のそれぞれの
ピストンロッドの伸び量を検出することにより、フレー
ム１１に対するバケット１６の位置に応答して、位置信
号を発する。米国特許第４、７３７、７０５号に開示さ
れるラジオ周波数共振センサーがこの目的のために用い
られてもよいし、あるいは、回転ポテンシオメータ、ヨ
ーヨー型またはピボットピン１３と１７における回転を
計測するような手段を用いて作業具ジョイント角度計測
値から位置を直接得ることができる。力センサー２４、
２５と２６が、機械１０または積載された土壌の等価対
向抵抗のいずれかにより、バケット１６上にかけられた
力を表す信号を発信する。信号はリフトおよびティルト
油圧シリンダ内の検出された油圧に依存するのが好まし
い。リフトシリンダは、積載中に引き込まれていないの
で、センサーは、一般的に上方の動きを行なうように方
向付けられている、シリンダのヘッド端部にのみ設けら
れている。しかし、バケットがラック状態および非ラッ
ク状態の間、力を決定できるように、センサーは、ティ
ルトシリンダのヘッドおよびロッド端部の双方に設けら
れているのが好ましい。圧力信号が、ピストン端部の各
断面積Ａを表すゲイン係数を乗算することにより対応す
る力の値に変換される。典型的なティルトシリンダＦT
は、ヘッド端部圧と面積の積と、ロッド端部圧と面積の
積との差に相当する。 ＦT ＝ＰH ＊ＡH −ＰR ＊ＡR 別の実施例において、油圧センサーを荷重セル、または
作業具のジョイントに作用する機械的力を表す信号を発
信するための同類の装置と置き換えてもよい。
【０００９】位置と力信号が、従来の信号励振およびフ
ィルタリングに関する信号調整器２７に送信されてもよ
いが、コマンド信号発生器２８に送られる。コマンド信
号発生器２８は、好ましくはマイクロプロセッサがベー
スのシステムであり、算術的なユニットを用いて、メモ
リ内に記憶されたソフトウェアプログラムに従って複数
のジョイスティック制御レバー３０により作られた信号
を模擬する信号を発信する。制御レバー３０により一般
的に得られた所望のリフト／ティルトシリンダの動作の
方向と速度を表すコマンド信号を模擬することにより、
本発明は、手動制御レバー入力と平行か、もしくは、交
差した状態の作業具コントローラ２９に接続することに
より、既存の機械を改善できるので有効である。あるい
は、部品の数を少なくするために、一体化された電気油
圧コントローラが、コマンド信号発生器２８とプログラ
ム可能な作業具コントローラ２９とを組み合わせて単一
のユニットになるように形成されてもよい。
【００１０】機械のオペレータは、以下に記載するよう
な土壌状態設定のような制御仕様を任意的に、アルファ
ベット式キーパッド、ダイヤル、スイッチまたは接触検
知ディスプレースクリーンのようなオぺレータインター
フェイス３１を介し入力してもよい。作業具コントロー
ラ２９は、本分野の当業者に公知のように受信したコマ
ンド信号に比例して、各リフトおよびティルト油圧シリ
ンダへの油圧流れを制御するように、バルブ３２、３３
を開閉するための油圧制御回路を含んでいる。作動にお
いて、コマンド信号発生器２８は、計算された目標角
と、バケット上の一点に作用する実際の力を表す力ベク
トルの角度との差に基づき、作業具の既知の幾何を用い
て、受信したバケットの位置と力信号から得られたバケ
ットの動きを制御する。
【００１１】作業具は、一般的に、作業サイクル中にホ
イール１８上で前進し、このために別の値が検出され、
機械の対地速度Ｓおよび作業機械により発生したドライ
ブライントルクを表す。ホイール１８に供給されるトル
クＴは、エンジン速度と、自動トランスミッションに関
するトルクコンバータ出力速度を表す検出された値の比
の関数であり、ルックアップ表を用いて得られてもよ
い。機械速度Ｓは、車軸、またはトランスミッション出
力で直接検出されるが、既知のトランスミッションシス
トレバー位置に基づいてトルクコンバータ出力速度から
変換されるのが好ましい。図３は、本発明の好ましい実
施例のフローチャートであり、コマンド信号発生器２８
により実行されたプログラム論理において実行されれば
よい。フローチャートの記載において、括弧〔ｎｎｎ〕
内の符合で記された機能的な説明は、その番号に関連す
るブロックのことをいう。
【００１２】ブログラム制御は、ＭＯＤＥ変数がＩＤＬ
Ｅに設定されると、最初に段階〔１００〕で開始する。
ＭＯＤＥは、オペレータがスイッチを作動させて自動バ
ケット積載制御を行えるようにし、バケットをほぼ地表
面に近い高さになることに応じて、ＩＤＬＥに設定され
る。リフトおよびティルトシリンダから得られたバケッ
トの位置またはピボットピンの位置信号が、バケットの
床板が所定のリフト高さにおいて、ほぼ水平に対し±１
０°内の範囲にあるようなレベルであるかどうかを判断
するのに用いられる。自動バケットの積載が事故によ
り、あるいは安全な状態では係合していないことを確認
するために監視される別の検出値には、トップ第１ギア
速度の１／３からトップ第２ギア速度までの特定の範囲
内の機械速度、ほぼ中央のニュートラル位置のコントロ
ールレバー３０（わずかな下降コマンドにより床のクリ
ーニングを可能にできる）、例えば第１から第３ギアま
での低速前進ギアのトランスミッションシフトレバーを
含む。
【００１３】次いで、オペレータは、好ましくは、ほぼ
全速力で機械を堆積された土壌に向け、プログラム制御
は、機械が堆積物と接触した〔１０２〕ときを判断する
ようにトルクＴまたはリフトシリンダ力ＦL を監視す
る。コマンド信号発生器２８はトルクレベルが所定点Ａ
を越え、機械の対地速度が減少する間増大し続けること
を判定すると、ＭＯＤＥがＳＴＡＲＴ〔１０４〕に設定
される。いったんＳＴＡＲＴ ＭＯＤＥになると、コマ
ンド信号発生器２８がシフトダウンコマンドをトランス
ミッションコントローラに任意的に送り、トランスミッ
ションが自動シフトダウンルーチン（図示せず）によ
り、より低いギアになり、機械特性が所望の強さ、また
は土壌の状態に適合できるようにする。ＳＴＡＲＴ Ｍ
ＯＤＥ〔１０４〕において、作業具コントローラ２９が
リフトシリンダを最高速度にまで伸ばし、堆積物中を通
ってバケットを持ち上げるように、最高リフトコマンド
信号が発信されるので、フロントホイールに積込み牽引
力を維持するのに十分な下降力を作り出すことになる。
【００１４】本明細書では土壌堆積物を満載するとする
が、機械が前進するように駆動され続けながら、土壌の
中を通ってバケットが持ち上げられると、バケットにか
かるエネルギーＥが蓄積され設定点Ｂと比較されて、堆
積物と完全に係合したとき〔１０６〕を求めるようにな
っている。エネルギーＥは、ピボットピン１７のような
バケット上の１点において水平方向作業ΣＦX ｄｘ、垂
直方向の作業ΣＦy ｄｙ、回転作業ΣＭθｄθの段階的
増分の合計として計算されればよい。リフトおよびティ
ルトシリンダ１４、１５の伸び量は、リフトアーム組立
体１２とバケット１６の対応する動きを表し、油圧と組
み合わされると、アタッチメントの所定の点に作用する
力も表す。これらの力と動作が、同様にピボットピン１
７における水平、垂直および回転成分の力と動作に変換
され、分析できる。土壌堆積物に関する組立体１２の全
体の段階的な動作を表す別の水平方向成分が、機械トル
クおよび上述した速度から簡単に得られる。
【００１５】バケットが堆積物と完全に係合したときを
求めるためには、水平方向の作業ΣＦX ｄｘを簡単に計
算することで十分であることがわかった。バケットが堆
積物と係合したことを推定するのに十分な蓄積されたエ
ネルギーレベルが、特定の機械の大きさに関し経験的に
求められるが、スケールモデル単位において約２０から
３０ジュールの範囲が、バケットが土壌堆積物と係合し
たときを正確に推定するものと考えられる。スケールモ
デル単位は約１２インチ×４インチのバケットに関連し
ており、大まかには標準的なホイールローダのバケット
の大きさの約１／８から１／１２である。スケーリング
係数の３乗をスケールモデルの単位に乗算することによ
り変換が実行されてもよい。蓄積されたエネルギーの代
わりに、トルクまたはリフト力が、交互に段階〔１０
６〕において設定点Ｃと絶えず比較され、バケットが土
壌堆積物と完全に係合されたときを求めるようになって
いればよい。バケットが堆積物と係合し、瞬間的なトル
クまたはリフト力の読み取り値が圧力スパイクのためで
はなかったことを確認するために、引続き、プログラム
制御は、自動バケット積載が開始された後に、所定の時
間の長さの間、検出された値が設定点よりも大きいか、
どうかを判定する。
【００１６】蓄積されたエネルギーが設定点Ｂを依然と
して越えない場合には、あるいはトルクまたはリフト力
が所定の時間の間、設定点Ｃを越えない場合には、コマ
ンド信号発生器２８が段階１０４に戻り、リフトコマン
ドを発信し続ける。そうでない場合には、ＭＯＤＥが段
階１０８においてＤＩＧに設定され、コマンド信号発生
器２８が、バケット先端１６ａ上の基準点Ｐにおいて作
用する実際の力に対応する力ベクトルの角度を計算し始
める。図４を参照すると、基準点Ｐに作用する掘削抵抗
を表す力ベクトル５０の方向と大きさが、ホイールトル
クと、リフトおよびティルトシリンダ圧および伸び量か
ら得られた同じ点に作用する力ベクトルに等しくおよび
対向するものとして処理される。実際の力ベクトルの上
述の計算は、バケット１６上にリフトアーム組立体１２
を介し作用するいくつかの力から基準点への変換と、成
分パーツへの変化とを含む。正確な計算が特定の機械構
造に依存しているが、本分野の当業者の水準の範囲内に
あるもとの考えられ、本明細書においては記載しない。
【００１７】本発明の説明を簡単にするために、バケッ
トの床板または機械のシャーシのいずれかに対し水平方
向の力ベクトルが角度０を有するものとして本明細書に
おいて定義され、垂直方向力ベクトルがπ／２のラジア
ンの角度を有するものとして定義される。段階〔１１
０〕において、コマンド信号発生器２８が、実際の力か
ら計算されたベクトル角θF から目的角θT を減算する
ことにより誤差信号θER R を発信する。次いで、誤差信
号がゲイン係数で乗算され、コントローラ２９に与えら
れた速度コマンド信号を修正し、バルブ３２、３３を位
置決めし、油圧流体をリフトおよびティルトシリンダ１
４、１５に供給する。掘削状態における変化に素早く応
答するために、目的角θT が、以下に記載するように蓄
積エネルギーＥの関数として連続して大きくなる。
【００１８】本発明の好ましい実施例において、目標角
θT が実際の力ベクトル角θF 未満である場合には、バ
ケットをラックするためのティルトシリンダ速度コマン
ド信号がゲイン係数Ｋ1 が乗算されたエラー信号θERR
の２乗だけ増大する。ティルト修正のこの形態では、小
さい方の差を実質的には無視して、大きい方の差を急速
に修正しようとする。一方、リフトシリンダ速度コマン
ド信号が、所定の一定のリフト速度信号から、ゲイン係
数Ｋ2 を乗算したエラー信号θERR を減算することによ
り減少される。目標角θT がベクトル角θF よりも大き
い場合には、リフトシリンダ速度コマンド信号が増大す
る間、ティルトシリンダ速度コマンド信号が減少され
る。これは、バケットの先端がこれを制御するために力
から離れて動くという点において、いくらか驚くべきこ
とである。
【００１９】前述したティルト速度コマンド信号は、急
速な振動を抑制するために特定の最高限界を受ける。最
高速度は、捕らえるべき特定の土壌に関し困難な積載を
表す土壌の状態に基づいて求められるのが好ましい。約
０．２ラジアン／秒の比較的低い最高ティルト速度が球
状岩を積載するのに有効であると判定されたが、約０．
６ラジアン／秒の最高ティルト速度が、小さくて丸い砂
利を積載するのにより有効であるのが証明された。本発
明の１実施例に従って、θT ＝ｍ＊Ｅ＋ｂの関係に従っ
た蓄積エネルギーの関数として、目標角θF が線形に増
大する。ここでｍとｂは、土壌の状態に基づいて選択さ
れた各定数である。例えば、ｍ＝０．００７の勾配は、
ｍ＝０．００５の勾配よりもわずかに積極的ではないア
プローチであることを示す。何故ならば、目標角は、よ
り高い掘削エネルギーに応答してより急速に変化するか
らである。切片ｂは、固まっていない土壌において初期
の大きい目標角を作り出し、より短時間でバケットをラ
ックするように選択される。本発明は、目標角と蓄積エ
ネルギーとの間の線形の関係を用いて図示したが、目標
角は、本発明の精神から逸脱することなく非線形の関数
を用いて、あるいはルックアップ表を用いて段階的に計
算できることが容易にわかるであろう。
【００２０】勾配ｍとエネルギー軸線切片ｂに関し用い
られた特定の値は、オペレータインターフェイス３１の
スイッチを介し土壌状態設定入力を基本にして、バケッ
ト積載の程度を制御するために、オペレータにより制御
されてもよい。代わりに土壌状態の設定は、蓄積された
エネルギーレベルを用いて各作業サイクル中に自動的に
求められてもよい。例えば、固まっていない土壌の比較
的積極的な積載に関するデフォールト設定が、対応する
比較的小さい勾配ｍを有した状態で、初期に用いられて
もよく、蓄積されたエネルギーが所定量だけ増大すると
きの、少なくとも所定の距離だけバケットが動かない場
合には修正される。このように、バケットが所定のエネ
ルギー入力に関し期待されるように動かない場合には、
勾配ｍとして定義される、目標角が蓄積エネルギーに比
例して増大する割合が、大きくなる。言い換えれば、目
標角の関数の勾配を増大させることにより、コマンド信
号発生器２８は、硬い地点でより簡単に断念させるよう
にする。
【００２１】ティルト速度が負の値（曲がらない）を持
つ可能性がときにはあり、リフト速度は、作業サイクル
の積載部分の間にゼロ以下に降下できない。一般的に、
コントローラとこれに対応するバルブは、「ティルト優
先」で実行され、ティルトシリンダがポンプから適当な
油圧流体の供給を受けて、加圧流体がティルトシリンダ
に給送される前に、要求された速度を作り出すことを確
実にする。従って、リフトコマンドが発っせられたにも
関わらず、ティルトコマンドが完全傾斜の所定の部分を
越えるような、作業サイクルの所定部分の間、リフトシ
リンダは全く伸ばされない。リフト圧が設定点Ｇを越え
たときに作用する失速状態の特性は、流体圧をティルト
シリンダにのみ一時的に供給するために目標角からπ／
２ラジアンに任意的に設定してもよい。
【００２２】リフトおよびティルト速度コマンド信号を
修正した後に、コマンド信号発生器２８が段階１１２に
おいてバケットが、作業サイクルのＤＩＧ ＭＯＤＥを
終了するのに十分な程度に満たされているかどうかを判
断する。もし、そうでない場合には、コマンド信号発生
器２８は、段階〔１０８〕に戻り、力ベクトルと目標角
の計算の反復をさらに実行し、速度コマンド信号を修正
する。段階〔１１２〕においてバケット１６が、十分に
満載されていると判断される場合には、コマンド信号発
生器２８は、段階〔１１４〕においてコマンド信号を発
信し、ティルトシリンダを最高速度で伸ばして、任意的
には、信号に続いてリフトシリンダを最高速度で最高伸
び量までの所定の高さに伸ばす。コマンド信号発生器２
８は、段階〔１１２〕において、バケットがほぼ完全に
後方にラックしたことを表す０．７５ラジアンのような
設定点Ｅよりもティルトシリンダの伸び量が大きいかど
うか、バケットが土壌堆積物から離れることを表す設定
点Ｆよりもリフトシリンダの伸び量が大きいかどうか、
積載時間制限を越えたかどうか、ニュートラルの範囲か
ら制御レバー３０の一つを動かすことによりオペレータ
がマニュアル制御を初期化したかどうか、を含む設定点
とリフトまたはティルトシリンダの伸び量を比較するこ
とにより、十分にバケットが満たされているかどうかを
判断する。さらに、蓄積されたエネルギーを、バケット
が満たされたとみなすべきかを判断するようにチェック
すればよい。スケールモデル単位において８０から９０
ジュールの範囲の蓄積エネルギーレベルが、岩石のため
の充填されたバケットの積載を表すということがわかっ
た。１つか２つ以上の上述または同様の基準が満足され
る場合には、バケットが実質的に充填されていると見ら
れる。
【００２３】あるいは、最終段階のＭＯＤＥが段階〔１
１４〕において設定されてもよく、式θT ＝ｍ＊Ｅ＋ｂ
＊θB に従って現在のバケット角θB と蓄積エネルギー
の双方の関数として、目標角が急速に上昇する。本発明
に関連した特徴と利点がホイールローダに関連する操作
の記載により最もよく図示されている。自動バケットコ
ントロールが、監視されたトルクレベルに応じて、最初
に初期化されると、コマンド信号発生器がドライブライ
ントルクと、リフトおよびティルトシリンダ上の力を監
視し、バケットが完全に土壌堆積物と係合するときを求
める。堆積物が完全に係合されると、コマンド信号発生
器が信号をコントローラに送信して、蓄積エネルギーに
応じてアタックする角度を絶えず変化させることにな
る。
【００２４】上述したように、コマンド信号発生器２８
は、掘削が困難になることに応じ、リフトおよびティル
トシリンダ力を有効角で維持するために、所定の最高値
の範囲内で、コントローラに供給されたリフトおよびテ
ィルトシリンダコマンド信号を変化させる。例えば、蓄
積エネルギーにおける急速な上昇、ひいては目標角にお
ける急速な上昇により現れるように、特定の困難性が、
掘削サイクル中に所定の点で発生すると、バケットがラ
ックする割合がリフト率に比例して素早く減少し、コマ
ンド信号発生器は、押して深すぎる程度に貫通させ続け
るのではなく、土壌堆積物の硬い部分にあたると簡単に
断念するようになる。同時に、エネルギーが蓄積される
割合が急速に減少することにより、ティルトの割合に比
例してリフトの割合が減少し、バケットが土壌堆積物か
らあまりにも早く「取り外せない」ようにする。本発明
は、様々な広い範囲に変化する掘削状況に適合する能力
のために鋭利な角度のエッジに沿って噛み合うようにな
る球状の岩石と、硬質なバンクを堆積するのに特に有効
である。
【００２５】図５は、本発明に従って２．５４センチメ
ートルの火成岩を積載するときのサンプルバケット先端
通路に対応する水平方向の動きと垂直方向の動きとを表
す。火成岩は、スケーリングされた大きさに関し、爆発
により残余した球状岩石の重なり合った土壌堆積物を積
載するときに発生する困難な掘削状況に類似する。一連
の円丘部分６０、６２、６４および６６は、土壌を効率
的に積載するための力ベクトルの角度の検出に応じてバ
ケット先端を「うねらせる」という状態を示す。図６
は、コントローラ２９と、制御レバー３０の端部位置７
０、７２における油圧シリンダ１４、１５との非線形速
度を表す。手動制御の状態で、非線形はどうでもよいこ
とである。何故ならば、オペレータは一般的に速度の顕
著な変化だけを区別し応答できるからである。しかし、
本発明において、実際の力ベクトルにスムーズに応答す
るために、比較的小さな予期的な変化を作り出せること
が望まれる。従って、本発明の別の態様において、作業
具コントローラ２９には、閉ループ制御または工場校正
が設けられており、リフトおよびティルトシリンダの反
応がコマンド信号発生器２８により発せられた速度コマ
ンドに予測的に比例することを確実にする。
【００２６】本発明の所定の好ましい実施例とこれを実
行するための本発明の好ましい方法とを、本明細書にお
いて図示し記載してきたが、本発明はこれに限定される
ものでなく、請求の範囲の範囲内で様々に実行してもよ
いことが明白に理解できるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】ホイールローダと、これに対応するバケットリ
ンケージの概略図である。
【図２】バケットリンケージを自動的に制御するために
使用される電気油圧システムのブロック線図である。
【図３】自動的に土壌を捕らえるためのプログラム制御
のフローチャート図である。
【図４】バケットに作用する力の合成方向を表す例示的
な目標角と力ベクトル角を表す概略線図である。
【図５】本発明の１実施例に従った火成岩を通るサンプ
ルのバケット先端通路を表すグラフ図である。
【図６】マニュアル制御信号の範囲内で一般的に見られ
る非線形速度応答を表すグラフ図である。
【符号】
１０ ホイールローダ機械 １２ リフトアーム組立体 １３、１７ ピボットピン １４ リフト油圧シリンダ １５ ティルト油圧シリンダ １６ バケット １６ａ バケット先端 １８ ホイール ２０ 電気油圧システム ２７ 信号調整器 ２８ コマンド信号発生器 ２９ 作業具コントローラ ３０ 制御レバー

Claims (20)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 油圧リフトシリンダと油圧ティルトシリ
    ンダとにより制御可能に作動される、土壌を捕らえるた
    めの土工用機械のバケットを自動的に制御するための制
    御システムにおいて、 リフトおよびティルトシリンダに関連した各油圧に応じ
    て圧力信号を発するための圧力検出手段と、 前記リフトおよびティルトシリンダの各伸び量を表す位
    置信号を発するための位置検出手段と、 前記位置および圧力信号を受信し、これに応じて前記バ
    ケット上の基準点に作用する合成力を表す相関関係にあ
    る力ベクトル角を計算し、該力ベクトル角と目標角との
    間の差に応答してシリンダ速度コマンド信号を発するよ
    うになっているコマンド信号発生手段と、 該コマンド信号に応じて前記シリンダの前記油圧を修正
    するための油圧作業具コントローラと、 が設けられている制御システム。
  2. 【請求項２】 前記コマンド信号発生手段は、獲得され
    るべき土壌堆積物と前記バケットがいつ接触したかを判
    断し、これに応答してシリンダ速度コマンド信号を発
    し、前記コントーラにより前記土壌堆積物と前記バケッ
    トが係合し、前記圧力信号と前記位置信号における変化
    を用いて前記機械により作り出された蓄積エネルギーを
    計算する段階を含むことを特徴とする請求項１に記載の
    制御システム。
  3. 【請求項３】 前記コマンド信号発生手段は、前記蓄積
    エネルギーの関数として前記目標角を計算することを特
    徴とする請求項２に記載の制御システム。
  4. 【請求項４】 前記コマンド信号発生手段は、前記蓄積
    エネルギーを少なくとも１つの設定点と比較し、前記蓄
    積エネルギーが前記設定点を越えたときに前記バケット
    角と前記蓄積エネルギー双方の関数として前記目標角を
    計算することを特徴とする請求項２に記載の制御システ
    ム。
  5. 【請求項５】 土壌状態設定を選択する手段を備え、 前記コマンド信号発生手段が、前記土壌状態設定により
    決定された勾配と切片とを有する、前記蓄積エネルギー
    の線形関数として前記目標角を計算することを特徴とす
    る請求項２に記載の制御システム。
  6. 【請求項６】 土壌状態設定を選択するための前記手段
    は、少なくとも１つのオペレータ作動スイッチを備えて
    いることを特徴とする請求項５に記載の制御システム。
  7. 【請求項７】 土壌状態設定を選択するための前記手段
    は、前記蓄積されたエネルギーが所定の量だけ増大する
    ときの前記バケットにより進行した距離に基づいて積載
    困難性を判断することを特徴とする請求項５に記載の制
    御システム。
  8. 【請求項８】 ドライブライン速度と前記機械により発
    生したトルクを表す信号を発するためのドライブライン
    速度検出手段を備え、 前記コマンド信号発生手段は、前記位置、圧力およびト
    ルク信号を受信し、前記土工用機械により作り出された
    蓄積エネルギーを表すエネルギーレベルを計算すること
    を特徴とする請求項１に記載の制御システム。
  9. 【請求項９】 前記コマンド信号発生手段は、前記ドラ
    イブライントルク信号を用いて、前記バケットが前記土
    壌堆積物といつ接触したかを判断し、これに応じて前記
    機械エネルギーレベルの蓄積を開始する手段を備えてい
    ることを特徴とする請求項２に記載の制御システム。
  10. 【請求項１０】 前記位置信号を複数の位置設定点と比
    較し、実質的に最高ティルトシリンダ速度コマンド信号
    を発して、前記リフトおよびティルトシリンダの一方の
    前記位置が各位置設定点を越えたときに前記バケットを
    完全にラックするようになっている前記コマンド信号発
    生手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の制御
    システム。
  11. 【請求項１１】前記力ベクトル角と前記目標角との差の
    二乗の関数として前記ティルトシリンダに関するシリン
    ダ速度コマンド信号を反復して修正する前記コマンド信
    号発生器を備えていることを特徴とする請求項１に記載
    の制御システム。
  12. 【請求項１２】前記力ベクトル角と、一定のリフト速度
    コマンド信号からオフセットした前記目標角との差の関
    数として前記リフトシリンダに関するシリンダ速度コマ
    ンド信号を作り出す前記コマンド信号発生器を備えてい
    ることを特徴とする請求項１に記載の制御システム。
  13. 【請求項１３】リフト油圧シリンダとティルト油圧シリ
    ンダとにより制御可能に作動されるバケットを含む、土
    壌を捕らえるための土工用機械の作業具を自動的に制御
    するための制御システムにおいて、 バケットに作用する検出された力を表す信号を発するた
    めの力センサーと、 前記バケットの位置を表す信号を発するための位置セン
    サーと、 前記力信号を受信し、前記バケット上の基準点における
    累積的力ベクトルを計算し、相関的な前記力ベクトル角
    と目標角との差に応じリフトおよびティルトシリンダコ
    マンド信号を発するコマンド信号発生器と、 前記リフトコマンド信号を受信して、前記バケットを前
    記土壌堆積中を通って持ち上げるために前記リフトシリ
    ンダを制御的に伸ばし、前記ティルトコマンド信号を受
    信して、前記バケットを傾斜させて前記土壌堆積物を捕
    らえるように前記ティルトシリンダを制御的に伸ばすよ
    うになっている作業具コントローラと、 が設けられている制御システム。
  14. 【請求項１４】前記コマンド信号発生器は、捕らえられ
    るべき土壌の堆積物と前記バケットがいつ係合したかを
    判断し、これに応じて前記力信号と前記位置信号におけ
    る変化を用いて前記機械により作り出された蓄積エネル
    ギーを計算することを特徴とする請求項１３に記載の制
    御システム。
  15. 【請求項１５】前記コマンド信号発生器は、前記蓄積エ
    ネルギーの関数として前記目標角を計算することを特徴
    とする請求項１４に記載の制御システム。
  16. 【請求項１６】前記コマンド信号発生器は、前記目標角
    が前記力ベクトル角を越えたときに前記ティルトシリン
    ダに関する前記シリンダ速度コマンド信号を反復的に減
    少させることを特徴とする請求項１５に記載の制御シス
    テム。
  17. 【請求項１７】少なくとも１つの油圧リフトシリンダと
    少なくとも１つの油圧ティルトシリンダにより制御可能
    に作動されるバケットを含む、土壌を捕らえるための土
    工用機械の作業具を自動的に制御するための方法におい
    て、 リフトおよびティルトシリンダのそれぞれにより作り出
    された力を表す油圧信号を発し、 前記バケットの位置を表す位置信号を発っし、 前記バケットを土壌物と係合させて、土壌物を捕らえる
    ように油圧シリンダ速度コマンド信号を発し、 前記機械により前記バケットにかけられた蓄積エネルギ
    ーを計算し、 基準点において前記機械により前記バケットにかけられ
    た累積的力を表す力ベクトル角を計算し、 該力ベクトル角と目標角との差に応答して前記油圧シリ
    ンダ速度コマンド信号を修正する、 段階からなる方法。
  18. 【請求項１８】前記蓄積エネルギーの関数として前記目
    標角を有することを特徴とする請求項１７に記載の方
    法。
  19. 【請求項１９】前記目標角が前記力ベクトル角を越えた
    ときに前記ティルトシリンダに関する前記シリンダ速度
    コマンド信号を反復的に減少させる段階からなることを
    特徴とする請求項１７に記載の方法。
  20. 【請求項２０】 土壌状態設定を選択し、 該土壌状態設定により決定された勾配と切片を有する、
    前記蓄積エネルギーの線形関数として前記目標角を計算
    する、 段階からなることを特徴とする請求項１７に記載の方
    法。
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