JPS6286235A - パワ−シヨベルにおける作業機の制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野１ 本発明はパワーショベルにおける作業機の制御装置に関
する。

［従来の技術］ 従来、パワーショベルの操作性向上のために、操作レバ
ーによってアーム先端点の速度ベクトルを指令するよう
にし、この指令した速度ベクトルの方向及び速度でアー
ム先端を移動させるためのブーム回動速度およびアーム
回動速度を求め、更にこれらの回動速度にかかわらずバ
ケット対地角度を一定にするためのバケット回動速度を
求め、これらの回動速度でブーム、アーム、バケットを
自動で同時制御するようにしたものがある（特開昭５５
−３００３８＞。

かかる従来の制御ｌ装置によれば、アーム先端点の速度
ベク］〜ル制御に、バケット対地角度θ一定のバケット
傾角制御を行なうので、第４図（ａ）に示すように直線
掘削は非常に行ないやすい。

［発明が解決しようとする問題点１ しかしながら、実際の作業として水平掘削を行なう際は
、第４図（ｂ）の実線で示すようにリーチをかせぐため
にバケットの初期角度をシリンダストロークエンド近く
にすることが多い。この状態から速度Ｖｘによる水平掘
削を行なうと、バケット対地角一定制御のためバケット
はすぐにストロークエンドに達してしまい、その後はバ
ケット制御かできなくなる。

そのために、バケット先端の眠削軌跡は円弧を描いて破
線で示すように目標軌跡より大きくもぐり込んでしまう
という問題があった。

本発明は上記実情に鑑みてなされたもので、バケットが
ストロークエンドに達してもバノノット刃先点を目標方
向に移動させることができるパワーショベルにおける作
業機の制御装置を提供することを目的とする。

［問題点を解決するための手段］ 本発明によれば、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該平面内におけるバケット刃先点
の移動すべき速度ベクトルを設定する速度ベクトル設定
手段と、ブーム角およびアーム角をそれぞれ検出する角
度検出手段と、バケットのストロークエンドを検出する
ストロークエンド検出手段と、前記速度ベクトル設定手
段によって設定された速度ベクｌ−ルおよび前記角度検
出手段の検出角度に基づいてバケット回動点の速度ベク
トルが上記設定された速度ベクトルに一致するようにそ
れぞれアーム回動速度およびアーム回動速度を求める第
１の演算手段と、バケットの対地角度が一定になるよう
にバケット回動速度またはバケット回動角を求める第２
の演０手段と、前記速度ムク１−ル設定手段によって設
定された速度ベクトルおよび前記角度検出手段の検出角
度に基づいてバケットがストロークエンドで固定されて
いるという条件で、そのバケット刃先点の速度ベクトル
が上記設定された速度ベクトルに一致するようにそれぞ
れブーム回動速度およびアーム回動速度を求める第３の
演算手段と、前記ス１〜ロークエンド検出手段がバケッ
トのストロークエンドを検出していないとき前記第１お
よび第２の演算手段の演算結果を出力し、バケットのス
トロークエンドを検出したとき前記第３の演算手段の演
の結果を出力する切替手段と、前記切替手段から加わる
上記演算結果に基づいてそれぞれ対応する作業機シリン
ダへの圧油供給流量を制御する流量制御手段から構成さ
れている。

［作用］ すなわち、バケットが可１Ｆ７Ｉ範囲内にあるときには
、アーム先端点が指令された速度ベクトル通りに移動す
るようにブーム、アームを制御すると共に、バケット対
地角度が一定になるようにバケットを制御し、バケット
がストロークエンドに達して対地角度一定制御が効かな
くなったら、バケットがそのストロークエンドでアーム
先端点に固定されたものとして、該バケット刃先点が指
令された速度ベク；〜ル通りに移動するＪ：うにブーム
、アームを制御するようにしている。

［実施例１ 以下、本発明を添付図面を参照して訂細に説明する。

第２図はパワーショベルのブーム１．アーム２゜バケッ
ト３の各作業機を模式的に示したもので、各作業機を含
む平面をＸＹ８標平面とし、ブーム１の回動点△を座標
原点としている。ここでＹ軸とブーム１とのなす角αを
ブー１１角、ブーム１とアーム２とのなす角βをアーム
角、アーム２とバケット３とのなげ角γをバケット角と
し、Ｃをアーム先端点、Ｄをバケット刃先点とする。な
お、同図においては、バケット３がストロークエンドに
達し、バケット角γがγｅｎｄになっている場合に関し
て示している。

まず、アーム先端点を指令した速度ベクトル通りに移動
させる制御と３１、に、バケット対地角を一定とする制
御について説明する。

さて、アーム先端点Ｃの座標（Ｘ、Ｙｏ）は、で与えら
れる。ここで、Ω　およびΩ２はそれぞれブーム長く線
分ＡＳ）ＬＢよびアーム長く線分ＢＣ）を示す。

次に、上記第（１）式の座標（Ｘｏ、Ｙｏ）を時間微分
し、Ｘ軸およびＹ＠力方向速度成分したがって、アーム
先端点Ｃを速度（火。。

′？０）となるように速度制御するためには、上記第（
２）式を満足するブーム回動速度ｄおよびアーム回動速
度力でブーム１およびアーム２の回動速度制御を行なえ
ばよい。上記第（２）式をブーム回８速度改およびアー
ム回動速度力について解また、バケット対地角を一定と
なるように制すＢするためには、上記第（３）式によっ
て求められるブーム回動速度ｄおよびアーム回動速度り
の和の符号を反転した賄−（改十ｂ）又は実礪のブーム
回動速度およびアーム回動速度の和の？Ｊ月を反転した
値をバケット３の回動速度指令として与えるようにすれ
ばよい。

このＪ：うにしてバケット対地角を一定にすると、第４
図（ａ）に示すようにアーム先端点の移動軌跡とバケッ
ト刃先点の移動軌跡は平行となり、アーム先端点が指令
された速度ベクトル通りに移動すると、バケット刃先点
も指令された速度ベクトル通りに移動することになる。

次に、バケットがストロークエンドに達して対地角一定
制御が効かなくなった場合に、バケット刃先点を指令し
た速度ベクトル通りに移動させる制御について説明する
。

この場合、バケット３がストロークエンドでアーム先端
点に固定されたものとする。このとき、で与えられる。

ここで、Ｑ３はバケット長（線分ＣＤ）、γｅｎｄはバ
ケツｉ・がストロークエンドのときのバケット角を示す
（第２図参照）。

上記第（４）式を時間微分してブーム回動速度改および
アーム回動速度力について整理すると、−Ω３ｓｉｎ（
ｃｘ＋β＋７ｅｎｄ） ＋Ω３５ｉｎ（α＋β＋７ｅｎｄ） −Ω２ｃｏｓ（α＋β） Ω　ｃｏｓα＋、Ω２ｃｏｓ（α」−β）どなる。

なお、上記第（５）式の代わりに、第２図に示ずように
バケット３がストロークエンドにあるときのブーム先端
点８とバケット刃先点りの長さをΩ　′とし、またこの
ときの線分ＢＣとＢＤとのなす角をΔβとすると、前記
第（３）式において、Ω　をΩ　′に、βを（β−Δβ
）に置き換えてとしてもよい。

したがって、バケット３が可動範囲内にあれば、前記第
（３）式によるブーム回動速度おにびアーム回動速度に
基づいてブーム１およびアーム２を制御し、かつバケッ
ト対地角一定となるバケット３の制御を行ない、バケッ
ト３がストロ−クエンドに達すると、前記第（５）式ま
たは第〈６）式によるブーム回動速度およびアーム回動
速度に基づいてブーム１およびアーム２を制御するよう
にする。

第１図は上述の原理に基づいてパワーショベルの作業機
を制御する制御装置の一実施例を示すブロック図である
。同図において、操作レバー１０は運転席の適宜位置に
片持梁状に配設されるジョイスティックの操作レバーで
、その操作方向によってバケット刃先点の進行方向を指
令し、その操作量によってバケット刃先点の進行速度を
指令する。この操作レバ〜１０によって設定されるバケ
ット刃先点の進行方向および進行速度、ずなりもバケッ
ト刃先点の速度ベクトルの各速度成分、　　ｒｅｆ　　
−ｒｅｆ （ＸＤ　　　、ＹＤ　　　）を示す信号は、座標変換回
路１１に加えられる。

また、この操作レバー１０はレバー軸に関して回８する
ことができ、その回動Φによってバケット回初速度テｒ
ｃｆを指定することができる。なお、操作レバー１０が
操作されていないときに（よこの操作レバーは中立位置
をとり、上記各速Ｗ指令は全てＯとなる。

座標変換回路１１の他の入力には、ブーム角検出器１２
．アーム角検出器１３およびバケット角検出器１４から
それぞれ実機のブーム角α、アーム角βおよびバケット
角γを示１信号が加えられている。座標変換回路１１は
入力するバケット角γを示す信号からバケット３がスト
ロークエンドに達しているか否かを検出するストローク
エンド検出回路を含み、この検出回路によってバケット
３がストロークエンドに達していないと判断されると、
入力する速度ベクトルの各速度成分（−ｒｅｆ　　Ｈｒ
ｅｆ　）を示す信号、ブーム角αおＸＤ　　　、ＹＤ よびアーム角βを示す信号に基づいて、バケット刃先点
Ｄ（アーム先端点Ｃ）を上記速度ベクトル通りに移動さ
せるために必要なアーム回動速度−ｒｃｒ　　　　　　
　　　　　　　　　　　　ｒｅｆ■　　およびアーム回
動速度ｂ　　を算出する（第（３）式）。

このように算出したブーム回動速度へｒｅｆはブーム１
の回動速度の目標値として加算点１５に加えられる。加
算点１５の他の入力にはブーム回動速度演算回路１６か
らブーム１の実際の回動速度改を示すフィードバック伍
が加えられている。なお、ブーム回動速度演算回路１６
は、ブーム角検出器１２から加わるブーム角αの単位時
間当りの差分演算を行なうことによりブーム回動速度へ
を求めるようにしている。

加算点１５では目標回動速度に対する偏差がとられ、こ
の偏差信号は、この偏差を速かに打消し、かつ安定した
制御が行なわれるように比例・積分・微分補償等を行な
う補償器１７を介して流量制御弁１８に加えられる。

流量制御弁１８は入力信号に応じた流量の圧油をブーム
シリンダ４に供給する。これにより、ブｃｆ −ム１は目標回動速度力　　となるように回８ゐり御さ
れることになる。

アーム２についてし上記と同様に、加鋒点１９ａｔ で目標回動速度力　　とアーム回動速度演算回路２０か
ら加えられる実際のアーム回動速度すとの偏差がとられ
、この偏差が補償器２１を介して流量制御弁２２に加え
られ、この流量制御弁２２によってアームシリンダ５に
所要流量の圧油が供給される。

これにより、アーム先端点Ｃは操作レバー１０によって
指令された速度ベクトル通りに移動することになる。

また、ブーム回動速度演算回路１６およびアーム回動速
度演算回路２０によって求められたブーム回動速度へお
よびアーム回動速度すを示す信号ｔよ加ｎ点２３で加算
され、その加鈴値は加算点２４の負入力に加えられる。

加算点２４の正入力に１よ操作レバー１０にリバａｔ ケッｌ〜回動速度γ　　を示す信号が加えられており、
加Ω点２４はこれらの入力を加算して加紳器２５に加え
る。加鈴点２５では目標回動速度ｃｆ （テ　　−（改＋Ａ））とバケット回動速度演ｔ、１回
路２６から加えられる実際のバケット回動速度ｔとの（
１差がとられ、この偏差が補償器２７を介して流吊制η
■弁２８に加えられ、この流量制御弁２８ににつてバケ
ツ］ヘシリンダ６に所要流量の圧油が供給される。

したがって、操作レバー１０によってバケットｅｆ 回動速度″ｒ　　＝０が指令されると、バケット３は回
動速度−（ａ＋！Ｊ）で回動することになり、その結果
、ブーム１およびアーム２′・つ・初にかかわらずバケ
ット３は最初の姿勢を保持７１　′、ｌ−うにすなわち
バケット対地角が一定となるように制御される。

一方、バケット３がストロークエンドに達し、これが座
標変換回路１１中のストロークエンド検出回路によって
検出されると、座標変換回路１１はバケット３がストロ
ークエンドで固定されているという条件で、そのバケッ
ト刃先点りの速度ベクトルが操作レバー１０によって指
令された速度ハざクトルに一致するようにそれぞれブー
ム回動法ｒｅｆ　　　　　　　　　　　　ｒｅｆ度改　
　およびアーム回動速度ｂ　　を求め（第（５）式また
は第（６）式）、これらの回動速度を示す信号を前記目
標値としていに回動速度を示す信号に切り替えて出力す
る。

これにより、バケット刃先点りは操作レバー１０によっ
て指令された速度ベクトル通りに移動することになる。

なお、操作レバー１ｏによってバケット回動速度７　ｒ
ｃｆ−０が指令されているとき、バケット３には実機の
ブーム回動速度へおよびアーム回動速度力の加算値の符
号を反転した値−（改＋Ａ）が目標速度として与えられ
るが、バケット３はすでにストロークエンドに達してお
り、上記目標速度によってはバケツ１−３は回動しない
。また、上記実施例に代えて、バケット角γがストロー
クエンドを示す角γｅｎｄにあるときにｔよ、加算点２
４に上記速度−（改十力）を示す信号が加わらないよう
にしてもよい。

次に、本発明の他の実施例について説明する。

この実施例においては、バケット３が可動範囲内にある
ときには、操作レバーによりバケット刃先点の速度ベク
トル（火　ｒｃｆ　　　−ｒａｔＤ　　　”Ｄ　　　）
おに びバケット絶対角速度Δを与え、その通りにブーム１．
アーム２．バケット３を複合制御し、作業中に６指令を
与えてもバケット刃先点は直線上を動＜Ｊ：うにしてい
る。また、法面角仕上用のモードをスイッチ切替によっ
て付加できるようにしたものである。

さて、バケット３が可動範囲内にあるとき、作業中にバ
ケット絶対角速度♂４０を与えてら、バケット刃先点を
指令された速度ベクトル通りに移＋）Ｊさぜる変換式は
、次式、 −Ω２　Ｃ０３（α＋β） Ω１ｃｏｓ　ａ＋Ω２ｃｏｓ（α＋β）−Ω１ＣＯ８α となる。ここで、制御中に、バフラ１ヘシリンダがスト
ロークエンドに達して（γｍａｘあるいはγｌ１１１．
）になったら、バケット制御ｊｌｌは効かなくなるので
、上記第（７）式に基づく制御から前述した第（５）式
又は第（６）式に基づく制御に切り替えて、ブーム１．
アーム２のみでバケット刃先端点の速度ベクトル制御Ｉ
Ｉを行なう。

第３図において、操作レバー３０は第１図の操作レバー
１０と同様にバケット刃先点の速度ベク、ｒｅｆ−ｒＯ
ｆ）ヲ示ス トルの各速度成分（ＸＤ　　　、ＹＤ 倍信号切替スイッチ３５および３６の接点３５　ａおよ
び３６ａに出力し、操作レバー３１はバケット絶対角速
度６を示す信号を座標変換回路３７に出力する。

法面角設定７！Ａ３２はバケット刃先点が移動すべき法
面の角度ｎを設定するもので、その法面角ｎを示す信号
を演算回路３４に出力する。操作レバー３３はバケット
刃先点の移動すべき速度■を設定するもので、その速度
■を示す信号を演算回路３４に出力する。

演ｔ）回路３４は入力する法面角ｎおよび速度Ｖを示ず
信号に基づいて、バケット刃先点の速度べ、ｒｃｆ　　
、ｒｃｒ クトルの各速度成分（×　　、工　　）を次式よこのよ
うにして求めた各速度成分（火ｒａｆ・　ｒａｔ Ｙ　　）を示す信号はそれぞれ切替スイッチ３５および
３６の接点３５ｂおよび３６ｂに加えられる。

切替スイッチ３５および３６は、予め設定した法面角度
通りに精度よく法面の仕上げ作業を行なうときには、そ
れぞれ可動接片３５ｃおよび３６Ｃがそれぞれ接点３５
ｂおよび３６ｂに切り替えられ、これらの接点に入力す
る信号を座標変換回路３７に出力し、それ以外の作業を
行なうときには、それぞれ可動接片３５ｃおよび３６Ｃ
がそれぞれ接点３５ａおよび３６ａに切り替えられ、こ
れらの接点に入力する信号を座標変換回路３７に出力す
る。

座標変換回路３７は、入力するバケット角γを示す信号
からバケット３がストロークエンドに達しているか否か
を検出するストロークエンド検出回路を含み、この検出
回路によってバケット３がストロークエンドに達してい
ないと判断されると、・　ｒａｔ 入力する速度ベクトルの各速度成分（Ｘｏ　　。

・　　ｒａｆ ＹＤ　　　）を示す信号、バケット絶対角速度６を示す
信号、ブーム角α、アーム角βおよびブーム角γを示す
信号に基づいて、バフラ］・刃先点りを上記速度ベクト
ル通りに移動させるために必要な・ｒｃｆ　　　　　　
　　　　ｒｃｆ ブーム回動回動α　　、アーム回動速度力　　およびバ
ケット回動速度ｔｒｃｆを算出する（第（８）式）。

また、バケット３がストロークエンドに達し、これが座
標変換回路３７中のストロークエンド検出回路によって
検出されると、座標変換回路３７はバフラｌ−３がスト
ロークエンドで固定されているという条件で、そのバケ
ット刃先点りの速度ベクトルが指令された速度ベクトル
に一致するようにそれぞれブーム回動速度へｒ　ｃ　ｆ
およびアーム回ａｔ 初速度力　　を算出する（第（５）式または第（６）式
）。

上記のようにして算出したブーム回動速度−ｒｅｆ　　
　　　　　　　　ｒｅｆ ■　　、アーム回動速度ｂ　　およびバケット回動速度
テｒａｔを示す信号は、対応する各作業機の目標値とし
て出力される。なお、これらの目標値に阜づいて各作業
機を制御する制御系は、第１図のものと同様のため、第
１図のものと同じ番号を付し、ここでは詳細な説明は省
略する。

なお、本実施例で（よ、車体本体が傾斜していない地面
にあることを前提として説明してきたが、車体本体が傾
斜していても、その傾斜角による補正を行なうことによ
ってバケット刃先点またはアーム先端点を指令した速度
ベクＩ〜ル通りに制御することができる。この場合、車
体（上部旋回体）の作業機の向いている方向の傾斜角を
例えば振子式傾斜計で計測する。この傾斜角を３とする
と、前述した第（３）式は、次式、 に置き換えることができる。

また、車体が傾斜地上にあり、かつ旋回や傾斜地での走
行などを行ない、上部旋回体の傾斜角が変化する場合に
は、その傾斜角の角速度ざも検出するようにし、この傾
斜角３および傾斜角速度ざに基づいて車体傾斜および車
体傾斜変化にともなうＩＩＩを除去し、バケット刃先点
またはアーム先端点を指令した速度ベクトル通りに制御
することらできる。この場合、曲）ホした第（３）式は
、次式、 に置き換えることができる。

更に本実施例では、バケット対地角一定制御を、ブーム
回動速度改とアーム回動速度力の和の符号を反転した賄
−（改十力）をバケット回動速度の目標速度として与え
ることによって達成しているが、予め設定したバケット
対地角度θを一定に保つべく、ブーム角αおよびアーム
角βに応じてバケット角γを位置制御するようにしても
よい。こｅｒ の場合、目標とするバケット角γ　　は、次式、γ””
　−（３／２）π−（αトβ十〇）・・・（１１）によ
って求めることができる。なお、上記バケット対地角度
θはバケット回動速度指令を積分して与えることができ
る。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、バケット対地角度
一定制御を行ないながらバケット刃先点を指令した速度
ベクトル通りに移動制御中に、バケットがストロークエ
ンドに達してもバフツ１〜刃先点を上記指令した速度ベ
クトル通りに移動させることができ、直線掘削時におい
て直線性が悪くなるのを補償することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すブロック図、第２図は
パワーショベルの構成および各部の定数、変数を示すた
めに用いた概略図、第３図は本発明の他の実施例を示す
ブロック図、第４図（ａ＞はアーム先端点の速度指令と
して水平方向指令■８を与え、かつバケット対地角度一
定制御を行なった時の作業機の変化状態図、第４図（ｂ
）はバフツ１−がストロークエンドに達してからもなお
アーム先端点の速度指令Ｖｘを与え続けた場合の従来の
作業機の変化状態図である。 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、 １０．３０，３１．３３・・・操作レバー、１１．３７
・・・座標変換回路、１２・・・ブーム角検出晶、１３
・・・アーム角検出器、１４・・・バケット角検出器、
１６・・・ブーム回動速度演算回路、１７．２１．２７
・・・補ｔｅｉ器、 １８．２２．２８・・・流ｍ制御弁、２０・・・アーム
回初速度演筒回路、２６・・・バケット回動速度演等回
路、３２・・・法面角設定器、３４・・・演算回路、３
５．３６・・・切替スイッチ。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）ブーム、アームおよびバケットを含む平面を座標
   平面として該平面内におけるバケット刃先点の移動すべ
   き速度ベクトルを設定する速度ベクトル設定手段と、 ブーム角およびアーム角をそれぞれ検出する角度検出手
   段と、 バケットのストロークエンドを検出するストロークエン
   ド検出手段と、 前記速度ベクトル設定手段によって設定された速度ベク
   トルおよび前記角度検出手段の検出角度に基づいてバケ
   ット回動点の速度ベクトルが上記設定された速度ベクト
   ルに一致するようにそれぞれブーム回動速度およびアー
   ム回動速度を求める第１の演算手段と、 バケットの対地角度が一定になるようにバケット回動速
   度またはバケット回動角を求める第２の演算手段と、 前記速度ベクトル設定手段によって設定された速度ベク
   トルおよび前記角度検出手段の検出角度に基づいてバケ
   ットがストロークエンドで固定されているという条件で
   、そのバケット刃先点の速度ベクトルが上記設定された
   速度ベクトルに一致するようにそれぞれブーム回動速度
   およびアーム回動速度を求める第３の演算手段と、 前記ストロークエンド検出手段がバケットのストローク
   エンドを検出していないとき前記第１および第２の演算
   手段の演算結果を出力し、バケットのストロークエンド
   を検出したとき前記第３の演算手段の演算結果を出力す
   る切替手段と、前記切替手段から加わる上記演算結果に
   基づいてそれぞれ対応する作業機シリンダへの圧油供給
   流量を制御する流量制御手段とを具えたパワーショベル
   における作業機の制御装置。
2. （２）前記速度ベクトル設定手段は、１本の操作レバー
   と、この操作レバーの操作方向および操作量によってバ
   ケット刃先点の速度ベクトルを設定する手段とからなる
   特許請求の範囲第（１）項記載のパワーショベルにおけ
   る作業機の制御装置。
3. （３）前記速度ベクトル設定手段は、掘削速度指令手段
   と、法面角設定手段とからなる特許請求の範囲第（１）
   項記載のパワーショベルにおける作業機の制御装置。
4. （４）前記第２の演算手段は、前記第１の演算回路によ
   って求めたブーム回動速度およびアーム回動速度若しく
   は実機のブーム回動速度およびアーム回動速度の和の符
   号を反転した値をバケット回動速度として求める特許請
   求の範囲第（１）項記載のパワーショベルにおける作業
   機の制御装置。
5. （５）前記第２の演算手段は、バケットの対地角度を設
   定する手段と、該設定手段の設定角度および前記角度検
   出手段によって検出されたブーム角およびアーム角に基
   づいて前記設定角度を一定に保つようバケット回動角度
   を求める特許請求の範囲第（１）項記載のパワーショベ
   ルにおける作業機の制御装置。