(57)【要約】【課題】車体が接地している地盤の安定度を判定し、判定結果を操作者に通知することができる作業機械を提供する。【解決手段】コントローラ２４は、油圧ショベル１の動的重心位置７０と支持範囲図形Ｌを構成する辺との距離に応じて車体安定度αを演算する車体安定度演算部４４と、車体１０，１１の姿勢情報に基づいて前記車体の振幅を推定する振幅推定部４５と、前記車体の安定度である車体安定度が所定の安定度よりも高くかつ前記振幅が所定の振幅よりも大きい場合に前記車体が接地している地盤の安定度である地盤安定度が低いと判定し、前記車体安定度が前記所定の安定度よりも高くかつ前記振幅が前記所定の振幅以下の場合に前記地盤安定度が高いと判定し、判定結果を情報出力装置３１に出力する地盤安定度判定部４６とを有する。【選択図】  図２
2019190089.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車体と、
前記車体に取り付けられた作業機と、
前記車体および前記作業機の姿勢情報を取得する姿勢情報取得装置と、
情報出力装置と、
前記情報出力装置を制御するコントローラとを備えた作業機械において、
前記コントローラは、
前記姿勢情報に基づいて前記作業機械の動的重心位置を推定する動的重心位置推定部と、
前記車体の寸法情報に基づいて前記車体の接地点で構成される支持範囲図形を演算する支持範囲演算部と、
前記動的重心位置と前記支持範囲図形を構成する辺との距離に応じて前記作業機械の車体安定度を演算する車体安定度演算部と、
前記車体の姿勢情報に基づいて前記車体の振幅を推定する振幅推定部と、
前記車体安定度が所定の安定度よりも高くかつ前記振幅が所定の振幅よりも大きい場合に前記車体が接地している地盤の安定度である地盤安定度が低いと判定し、前記車体安定度が前記所定の安定度よりも高くかつ前記振幅が前記所定の振幅以下の場合は前記地盤安定度が高いと判定し、判定結果を前記情報出力装置に出力する地盤安定度判定部とを有する
ことを特徴とする作業機械。
【請求項２】
請求項１に記載の作業機械において、
前記車体の走行状態を取得する走行状態取得装置を更に備え、
前記地盤安定度判定部は、前記走行状態に基づいて前記車体が走行中か否かを判定し、前記車体が走行中でない場合にのみ前記地盤安定度の判定を行い、前記車体が走行を開始するまで判定結果を保持する
ことを特徴とする作業機械。
【請求項３】
請求項１に記載の作業機械において、
前記所定の振幅としての許容振幅を設定する許容振幅設定装置を更に備えた
ことを特徴とする作業機械。
【請求項４】
請求項３に記載の作業機械において、
前記許容振幅設定装置は、
前記許容振幅の数値を入力するための許容振幅入力部と、
前記許容振幅入力部に入力された数値を前記許容振幅として記憶する許容振幅記憶部とを有する
ことを特徴とする作業機械。
【請求項５】
請求項３に記載の作業機械において、
前記許容振幅設定装置は、
複数の作業内容のいずれかを選択するための作業内容選択部と、
前記複数の作業内容のそれぞれに関連付けられた許容振幅の数値を記憶し、前記作業内容選択部で選択された作業内容に関連付けられた許容振幅の数値を選択する許容振幅選択部とを更に有し、
前記許容振幅選択部で選択された数値を前記許容振幅として記憶する許容振幅記憶部とを有する
ことを特徴とする作業機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、油圧ショベル等の作業機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
油圧ショベル等の作業機械は、作業中に車体が転倒しないように、車体安定度が高い状態で作業を行う必要がある。ここでいう車体安定度とは、車体の転倒し難さを表す指標であり、車体安定度が低いほど車体が転倒する可能性が高いことを意味する。車体安定度を判定できる作業機械の従来技術を開示するものとして、例えば特許文献１がある。
【０００３】
特許文献１には、下部走行体と、前記下部走行体に搭載される上部旋回体と、前記上部旋回体に取り付けられるアタッチメントと、操作内容を検出する操作内容検出装置と、ショベルの位置及び向きを測定する測位装置と、前記アタッチメントの姿勢を検出する姿勢検出装置と、制御装置と、を備えるショベルであって、前記制御装置は、地面形状情報取得部を有し、前記姿勢検出装置が検出した前記アタッチメントの姿勢の推移と、前記地面形状情報取得部が取得した作業対象の地面の現在の形状に関する情報と、ショベルの位置とに基づいてショベルが安定な状態か不安定な状態か（車体安定度）を判定し、不安定と判定した場合にショベルの動きを制限する、ショベルが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−１７２９６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、油圧ショベル等の作業機械では、高い施工精度が求められることがあり、その場合は安定度の高い地盤に車体を接地する必要がある。例えば軟らかい地盤（安定度の低い地盤）に車体を接地して作業を行った場合、自重や作業の反動で地盤が変形することにより車体が振動し、精密な作業が困難になるためである。
【０００６】
ここで、特許文献１に記載のショベルでは、車体が接地している地盤の形状に応じて車体安定度を判定することができるものの、自重や作業の反動による地盤の変形までは考慮しておらず、地盤の安定度を判定することはできない。そのため、現状では、操作者が自身の経験に基づいて地盤の安定度を判断しており、作業効率や施工品質にばらつきが生じている。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、車体が接地している地盤の安定度を判定し、判定結果を操作者に通知することができる作業機械を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明は、車体と、前記車体に取り付けられた作業機と、前記車体および前記作業機の姿勢情報を取得する姿勢情報取得装置と、情報出力装置と、前記情報出力装置を制御するコントローラとを備え、前記コントローラは、前記姿勢情報に基づいて前記作業機械の動的重心位置を推定する動的重心位置推定部と、前記車体の寸法情報に基づいて前記車体の接地点で構成される支持範囲図形を演算する支持範囲演算部と、前記動的重心位置と前記支持範囲図形を構成する辺との距離に応じて前記作業機械の車体安定度を演算する車体安定度演算部とを有する作業機械において、前記コントローラは、前記車体の姿勢情報に基づいて前記車体の振幅を推定する振幅推定部と、前記車体安定度が所定の安定度よりも高くかつ前記振幅が所定の振幅よりも大きい場合に前記車体が接地している地盤の安定度である地盤安定度が低いと判定し、前記車体安定度が所定の安定度よりも高くかつ前記振幅が前記所定の振幅以下の場合に前記地盤安定度が高いと判定し、判定結果を前記情報出力装置に出力する地盤安定度判定部とを有するものとする。
【０００９】
以上のように構成した本発明によれば、車体安定度が所定の安定度よりも高い状態で、車体の振幅に基づいて地盤安定度が判定され、判定結果が情報出力装置を介して操作者に通知される。これにより、車体が接地している地盤の安定度を操作者が作業中に把握することが可能となる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、作業機械の車体が接地している地盤の安定度を操作者が作業中に把握することができるため、作業効率や施工品質のばらつきを抑えることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１の実施例に係る油圧ショベルの側面図である。
【図２】図１に示す油圧ショベルに搭載された地盤安定度通知システムのブロック図である。
【図３】図２に示すコントローラの各演算で用いられる油圧ショベルの物理モデルを示す図である。
【図４】図２に示す車体安定度演算部による車体安定度の演算方法を示す説明図である。
【図５】図２に示す振幅推定部による車体の振幅の推定方法を示す説明図である。
【図６】本発明の第１の実施例における地盤安定度判定部による地盤安定度の判定方法を示すフローチャートである。
【図７】本発明の第１の実施例における情報出力装置の外観図である。
【図８】本発明の第２の実施例に係る油圧ショベルに搭載された地盤安定度通知システムのブロック図である。
【図９】本発明の第２の実施例における地盤安定度判定部による地盤安定度の判定方法を示すフローチャートである。
【図１０】本発明の第３の実施例に係る油圧ショベルに搭載された地盤安定度通知システムのブロック図である。
【図１１】本発明の第４の実施例における許容振幅設定装置の外観図である。
【図１２】本発明の第４の実施例に係る油圧ショベルに搭載された地盤安定度通知システムのブロック図である。
【図１３】本発明の第４の実施例における許容振幅設定装置の外観図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態に係る作業機械として油圧ショベルを例に挙げ、図面を参照して説明する。なお、各図中、同等の部材には同一の符号を付し、重複した説明は適宜省略する。
【実施例１】
【００１３】
図１は本発明の第１の実施例に係る油圧ショベルの側面図である。
【００１４】
図１において、油圧ショベル１は、下部走行体１０と、下部走行体１０に旋回可能に設けられ、下部走行体１０と共に車体を構成する上部旋回体１１と、上部旋回体１１に回動可能に設けられた作業フロント１２とを備えている。
【００１５】
作業フロント１２は、上部旋回体１１に回動可能に設けられたブーム１３と、ブーム先端に回動可能に設けられたアーム１４と、アーム先端に回動可能に設けられたバケット１５と、ブーム１３を駆動するブームシリンダ１６と、アーム１４を駆動するアームシリンダ１７と、バケット１５を駆動するバケットシリンダ１８と、バケットシリンダ１８とアーム１４を結合するリンク１９とバケットシリンダ１８とバケット１５を結合するリンク２０と、アーム１４とバケット１５を繋ぐピン３３、リンク２０とバケット１５を繋ぐピン３４とで構成されている。
【００１６】
上部旋回体１１には、上部旋回体１１を回動する旋回モータ２１と、操作者が乗り込む操作室２２と、操作室２２内に配置され、操作者による操作情報を油圧信号に変換するための操作レバー２３と、油圧ショベル１の動作を制御するコントローラ２４とが設けられている。
【００１７】
ブーム１３、アーム１４、リンク１９、上部旋回体１１にはそれぞれブームＩＭＵ２５、アームＩＭＵ２６、バケットＩＭＵ２７、車体ＩＭＵ２８が取り付けられている。ＩＭＵとは、Ｉｎｅｒｔｉａｌ  Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  Ｕｎｉｔ（慣性計測装置）の略称で、３軸の角度（または角速度）と加速度を検出することができ、作業フロント１２を構成するブーム１３、アーム１４、バケット１５、及び上部旋回体１１の姿勢情報を取得する姿勢情報取得装置４１として機能する。ＩＭＵ２５，２６，２７は、ブーム１３、アーム１４、バケット１５それぞれの回動角度および角速度を取得でき、ＩＭＵ２８は、上部旋回体１１の旋回方向、旋回角速度、上部旋回体１１の前後方向および左右方向の傾斜角度が取得できるように構成されている。また、操作室２２の内部には、コントローラ２４で地盤安定度が低いと判定された時に、地盤安定度の判定を出力する情報出力装置３１が備えられている。
［システムの構成］
図２は本実施例に係る油圧ショベル１に搭載された地盤安定度通知システムのブロック図である。
【００１８】
コントローラ２４は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、及びフラッシュメモリ等の書換可能な不揮発性の記憶手段等からなるマイクロコンピュータ、並びにＲＯＭに格納するコンピュータプログラム及び周辺回路を有し、ＣＰＵ上でコンピュータプログラムを作動させて演算処理を行うように構成されている。コントローラ２４は、ＩＭＵ２５〜２８で構成される姿勢情報取得装置４１と、情報出力装置３１とに接続されている。また、コントローラ２４は、姿勢情報取得装置４１から入力する姿勢情報に基づいて、油圧ショベル１が接地している地盤の安定度を判定し、地盤の安定度が低いと判定した場合に、情報出力装置３１を用いて操作者に通知するように構成されている。
【００１９】
コントローラ２４では、コントローラ２４内部に記憶された下部走行体１０の寸法情報を用いて油圧ショベル１が平坦な地盤に正立している時の下部走行体１０と地表面３２との接地点で形成される支持範囲図形Ｌ（図４に示す）を演算する支持範囲演算部４２と、姿勢情報取得装置４１からの姿勢情報に基づいて、油圧ショベル１の動的重心位置７０（図４に示す）を推定する動的重心位置推定部４３と、支持範囲演算図形Ｌを構成する辺と動的重心位置７０の距離から油圧ショベル１の車体安定度を演算する車体安定度演算部４４と、姿勢情報取得装置４１の出力のうち上部旋回体１１の前後傾斜角及び左右傾斜角の時系列変化から、車体１０，１１の振幅を推定する振幅推定部４５と、車体安定度が所定の安定度よりも高く、振幅が所定の振幅よりも大きい場合に、地盤安定度が低いと判定する地盤安定度判定部４６とを備えている。ここで、車体安定度は、車体１０，１１の転倒し難さを表す指標であり、車体安定度が低いほど車体１０，１１が転倒する可能性が高いことを意味する。一方、地盤安定度は、油圧ショベル１の自重や作業の反動による地盤の変形のし難さを表す指標であり、地盤安定度が低いほど作業中の車体１０，１１の振動が大きくなることを意味する。
【００２０】
情報出力装置３１は、地盤安定度判定部４６で地盤安定度が低いと判定された時、油圧ショベル１の操作者に通知するように構成されている。通知する手段としては、例えば図示しない表示装置および音響装置の少なくとも一方を使用することが挙げられる。表示装置を用いる場合はメッセージ、図形の変化、点灯パターンの変更などの方法がある。また、音響装置を用いる場合は、音量、音程、音色の変化を用いる方法がある。
【００２１】
次に、コントローラ２４が行う各処理について、図３〜図６を用いて説明する。
［演算モデルの説明］
図３はコントローラ２４の各演算に用いられる油圧ショベル１の物理モデルを示す図である。コントローラ２４は、ワールド座標系（Ｏ−Ｘ’Ｙ’Ｚ’）と機械基準座標系（Ｏ−ＸＹＺ）の二つの座標系において演算を行う。
【００２２】
図３に示すようにワールド座標系（Ｏ−Ｘ’Ｙ’Ｚ’）は重力方向を基準とし、重力と逆方向をＺ軸としたものである。一方、機械基準座標系（Ｏ−ＸＹＺ）は下部走行体１０を基準としたものであり、原点を上部旋回体１１の旋回中心線１１ｃ上で、地表面３２と接する点Ｏとし、下部走行体１０の前後方向にＸ軸、左右方向にＹ軸、旋回中心線１１ｃ方向にＺ軸を設定する。ワールド座標系と機械基準座標系との関係は上述した車体ＩＭＵ２８を用いて検出する。
【００２３】
油圧ショベル１の物理モデルとしては、各構成部材の重心に質量が集中している集中質点モデルを用いる。
【００２４】
下部走行体１０、上部旋回体１１、ブーム１３、アーム１４、バケット１５のそれぞれの質点１０Ｐ，１１Ｐ，１３Ｐ，１４Ｐ，１５Ｐを各構成部材の重心位置に設定し、それぞれの質点の質量をｍ１０，ｍ１１，ｍ１３，ｍ１４，ｍ１５とする。そして、それぞれの質点の位置ベクトルをｒ１０，ｒ１１，ｒ１３，ｒ１４，ｒ１５、加速度ベクトルｒ´´１０，ｒ´´１１，ｒ´´１３，ｒ´´１４，ｒ´´１５とする。
【００２５】
なお、質点の設定方法はこの限りでなく、例えば質量が集中している部位（ブームシリンダ１６など）を追加してもよい。
【００２６】
また、支持範囲演算部４２、動的重心位置推定部４３、車体安定度演算部４４における油圧ショベル１の安定度演算指標についてはＺＭＰ（Ｚｅｒｏ  Ｍｏｍｅｎｔ  Ｐｏｉｎｔ）とＺＭＰ安定判別規範に基づいて演算を行う。なお、ＺＭＰおよびＺＭＰ安定判別規範の概念については「ＬＥＧＧＥＤ  ＬＯＣＯＭＯＴＩＯＮ  ＲＯＢＯＴＳ：  Ｍｉｏｍｉｒ  Ｖｕｋｏｂｒａｔｏｖｉｃ著（「歩行ロボットと人工の足：  加藤一郎訳、日刊工業新聞社」）」に記載されている。
【００２７】
油圧ショベル１から地表面３２には重力、慣性力、外力およびこれらのモーメントが作用するが、ダランベールの原理によればこれらは地表面３２から油圧ショベル１への反作用としての床反力および床反力モーメントとつりあう。
【００２８】
したがって、油圧ショベル１が地表面３２に安定に接地している場合、油圧ショベル１と地表面３２との接地点を凹にならないように結んだ支持範囲図形Ｌの辺上あるいはその内側にピッチ軸およびロール軸方向のモーメントがゼロになる点（ＺＭＰ）が存在する。逆に言えば、ＺＭＰが支持範囲図形Ｌ内に存在し、油圧ショベル１から地表面３２に作用する力が地表面３２を押す向き、つまり床半力が正である場合、油圧ショベル１は安定に接地しているといえる。
【００２９】
つまり、ＺＭＰが支持範囲図形Ｌの中心に近いほど安定度は高く、支持範囲図形Ｌの内側にあれば油圧ショベル１は浮き上がりが発生することなく作業を行うことができる、一方、ＺＭＰが支持範囲図形Ｌの外側に存在する場合には油圧ショベル１は浮き上がりがおこる可能性がある。したがって、動的重心位置７０にＺＭＰを用いることで、油圧ショベル１と地表面３２との接地点で形成される支持範囲図形Ｌと、動的重心位置７０を比較することによって安定度を演算することができる。
［支持範囲図形演算］
支持範囲演算部４２は、予め登録された下部走行体１０の寸法情報に基づいて、油圧ショベル１と地表面３２との接地点を凹にならないように結んだ支持範囲図形Ｌを算出するように構成されている。
【００３０】
下部走行体１０が地表面３２に正立している場合、支持範囲図形Ｌは、下部走行体１０の平面形状と等しくなる。したがって、下部走行体１０の平面形状が矩形の場合、支持範囲図形Ｌは図４に示すように矩形となる。より具体的には、下部走行体１０としてクローラを有している場合の支持範囲図形Ｌは、左右のスプロケットの中心点を結んだ線を前方境界線、左右のアイドラの中心点を結んだ線を後方境界線、左右それぞれのトラックリンク外側端を左右の境界線とした四角形である。なお、前方および後方の境界は最も前方の下部ローラおよび最も後方の下部ローラの接地点としてもよい。
［動的重心位置推定］
動的重心位置推定部４３は、姿勢情報取得装置４１の出力から油圧ショベル１の動的重心位置７０を演算するように構成されている。
【００３１】
まず、姿勢情報取得装置４１の出力結果から、各リンクについて順次運動学計算を行う。そして、各質点１０Ｐ，１１Ｐ，１３Ｐ，１４Ｐ，１５Ｐの位置ベクトルｒ１０，ｒ１１，ｒ１３，ｒ１４，ｒ１５とその加速度ベクトルｒ´´１０，ｒ´´１１，ｒ´´１３，ｒ´´１４，ｒ´´１５を算出し、機械基準座標系（Ｏ−ＸＹＺ）を基準とした値に変換する。
【００３２】
ここで、運動学計算の方法は周知の方法を用いることができるが、例えば「ロボット制御基礎論：吉川恒夫著、コロナ社（１９８８）」に記載されている方法を用いることができる。
【００３３】
機械基準座標系（Ｏ−ＸＹＺ）に変換された各質点の位置ベクトル、加速度ベクトルを用いて動的重心位置７０を求めるために以下に示すＺＭＰ方程式を利用する。
【００３４】
【数１】
2019190089.tif 000003
【００３５】
ここで
ｒｚｍｐ  ：  動的重心位置ベクトル
ｍｉ  ：  ｉ番目の質点の質量
ｒｉ  ：  ｉ番目の質点の位置ベクトル
ｒ´´ｉ  ：  ｉ番目の質点に加わる加速度ベクトル（重力加速度含む）
Ｍｊ  ：  ｊ番目の外力モーメント
ｓｋ  ：  ｋ番目の外力作用点位置ベクトル
Ｆｋ  ：  ｋ番目の外力ベクトル
である。なお、ベクトルはＸ成分、Ｙ成分、Ｚ成分で構成される３次元ベクトルである。
【００３６】
機械基準座標系の原点Ｏを下部走行体１０と地表面３２の接する点に設定しているため、動的重心位置７０のＺ軸座標が地表面３２上にあると仮定すると、ｒｚｍｐｚ＝０である。また、負荷を伴わない作業に限定すれば外力についても無視できることから、外力Ｆｋ＝０、外力モーメントＭ＝０とみなす。このような条件のもとで式（１）を解き、動的重心位置７０のＸ座標ｒｚｍｐｘを以下のように算出する。
【００３７】
【数２】
2019190089.tif 000004
【００３８】
また、同様に式（１）を解き、動的重心位置７０のＹ座標ｒｚｍｐｙは以下のように算出する。
【００３９】
【数３】
2019190089.tif 000005
【００４０】
式（２）、（３）において、ｍは、図３に示す各質点１０Ｐ，１１Ｐ，１３Ｐ，１４Ｐ，１５Ｐの質量であり、各質点の質量ｍ１０，ｍ１１，ｍ１３，ｍ１４，ｍ１５を代入する。ｒ´´は各質点の加速度であり、各質点の加速度ｒ´´１０，ｒ´´１１，ｒ´´１３，ｒ´´１４，ｒ´´１５を代入する。
【００４１】
以上のように、油圧ショベル１の各部に設けた姿勢情報取得装置４１を用いることによって、推定された動的重心位置７０の座標を求めることができる。
［車体安定度演算］
図４は車体安定度演算部４４による車体安定度の演算方法を示す図である。
【００４２】
車体安定度演算部４４は、動的重心位置７０と支持範囲図形Ｌに基づいて車体安定度を演算するように構成されている。
【００４３】
図４（ａ）に示すように油圧ショベル１と地表面３２との接地点で形成される支持範囲図形Ｌの中心点Ｌｃ（Ｘｌｃ、Ｙｌｃ）から動的重心位置７０に向かって伸ばした半直線Ｌｚと、支持範囲図形Ｌの辺との交点Ｃ（Ｘｃ、Ｙｃ）を算出する。そして、車体安定度αを中心Ｌｃから交点Ｃまでの距離と中心Ｌｃから動的重心位置７０までの距離との比率を用いて以下式のように算出する。
【００４４】
【数４】
2019190089.tif 000006
【００４５】
車体安定度αは値が大きいほど動的重心位置７０が支持範囲図形Ｌの中心に近いことを示し、車体１０，１１が転倒し難いことを意味する。
【００４６】
より簡易な演算とする方法について図４（ｂ）を用いて説明する。この方法では、車体安定度αをＸ座標、Ｙ座標それぞれに対し支持範囲図形Ｌ内でとりうる最大値と動的重心位置７０との比率を評価する。このとき、Ｘ軸方向の比率
【００４７】
【数５】
2019190089.tif 000007
【００４８】
とＹ軸方向の比率
【００４９】
【数６】
2019190089.tif 000008
【００５０】
のうち小さい値を車体安定度αとして選定する。ここで、Ｘｍａｘは支持範囲図形Ｌ内で取りうるＸ座標の最大値であり、Ｙｍａｘは支持範囲図形Ｌ内で取りうるＹ座標の最大値である。
【００５１】
また、以上では、支持範囲図形Ｌの辺部と動的重心位置７０との距離の比率を用いて車体安定度αを算出する方法を示したが、距離の比率を対数で評価し、車体安定度αを算出してもよい。このようにすることで、支持範囲図形Ｌの辺近傍における安定度変化をより詳細に表現することができる。
［振幅推定］
図５は振幅推定部４５による車体１０，１１の振幅の推定方法を示す説明図である。
【００５２】
振幅推定部４５は姿勢情報取得装置４１の出力のうち、車体ＩＭＵ２８から取得した前後傾斜角と左右傾斜角を用いて車体１０，１１の振幅を推定するように構成されている。
【００５３】
図５に示すように、現在時刻ｔに対して、前後傾斜角と左右傾斜角がそれぞれの傾斜角波形ｆｘ（ｔ）、ｆｙ（ｔ）のように変化しているとする。
【００５４】
この現在時刻ｔまでにΔｔ秒のサンプリング周期で取得したｎ個のサンプリングデータから、前後方向傾斜振幅Ａｍｐｘを求める。具体的には、以下の標準偏差の式を用いて求める。
【００５５】
【数７】
2019190089.tif 000009
【００５６】
ここで
μｘ：取得したサンプリングデータｆｘ（Ｔ）の平均値
である。
【００５７】
次に、左右方向傾斜振幅Ａｍｐｙも同様に以下式で求める。
【００５８】
【数８】
2019190089.tif 000010
【００５９】
ここで
μｙ：取得したサンプリングデータｆｙ（Ｔ）の平均値
である。
【００６０】
上記方法では、過去の一定区間における傾斜角波形の標準偏差を用いて傾斜振幅を推定したが、過去一定区間における傾斜角波形のＰｅａｋ  ｔｏ  Ｐｅａｋ値を用いて傾斜振幅を推定してもよい。
【００６１】
なお、Δｔとサンプリング数ｎについては、サンプリング数ｎが標準偏差の９５％信頼区間のｔ値が大よそ収束する１０以上かつ、ｎΔｔが油圧ショベル１が振動する際の振動周期の２周期以上に設定されることが望ましい。
【００６２】
次に、以下式によって車体１０，１１の振幅Ａｍｐを求める。
【００６３】
【数９】
2019190089.tif 000011
【００６４】
なお、振幅Ａｍｐは、以上の求め方に限られず、前後傾斜角と左右傾斜角を用いて、座標変換による合成によって求めてもよい。
［地盤安定度判定］
図６は、地盤安定度判定部４６による地盤安定度の判定方法を示したフローチャートである。地盤安定度判定部４６は図６に示すフローを所定の周期で繰り返し実行する。
【００６５】
ステップＳ１００では、車体安定度αが予め設定された車体安定度閾値より高いと判定した場合は、ステップＳ１０１に進み、そうでない場合は地盤安定度判定を行わず、ステップＳ１００に戻る。
【００６６】
ステップＳ１０１では、振幅Ａｍｐが予め設定された振幅閾値より高いと判定した場合は、ステップＳ１０２に進み、そうでない場合はステップＳ１０３に進む。ここで、振幅閾値は要求する振幅上限値に設定されている。
【００６７】
次に、ステップＳ１０２では地盤安定度が低いと判定し、ステップＳ１０３では地盤安定度が高いと判定する。ステップＳ１０２又はＳ１０２続き、ステップＳ１０４で地盤安定度判定を出力して終了する。ここで、車体安定度閾値は、車体の浮き上がりが伴う振動は０以下の場合に発生することから０が設定される。ただし、使用するセンサの精度、モデル化誤差等を考慮して、安全率を設定し０より大きな値を設定してもよい（たとえば０．２）。また、振幅上限値については、計測装置の誤差による誤検知を防ぐため、傾斜角度計測値の誤差によって定義される。例えば、所定時間、車体が停止している時の標準偏差によって定義される。もし、計測値の標準偏差が０．５度であった場合、その３倍の１．５度と設定する。なお、振幅閾値は前記方法に限らず、所定時間車体が停止している時の、傾斜角の最大振幅を用いたり、センサの仕様値を用いる場合や、前記方法を含めた少なくとも２つ以上の組み合わせにおける最大値を用いて設定する構成にしてもよい。
［情報出力装置］
図７は本実施例における情報出力装置３１の外観図である。
【００６８】
情報出力装置３１は、モニタ表示部３１ａと発光部３１ｂとを有する。モニタ表示部３１ａには地盤安定度判定出力部６０が配置されている。地盤安定度判定出力部６０は、地盤安定度が低いと判定された時、一定時間、作業中の地盤が不安定であることを示すメッセージを表示する。
【００６９】
なお、出力方法は図７に示したメッセージ方式に限らず、アイコン、図形の点灯に変えても良いし、発光部３１ｂの点灯、点滅によって出力されてもよい。また、音響装置によるブザー音の音程変化、音量変化、出力パターン変化などによって出力するように構成されてもよい。また、モニタ表示部３１ａ、発光部３１ｂ、音響装置の何れか少なくとも２つを組み合わせて出力するように構成してもよい。出力を継続する時間は、操作者が出力を認識できる程度の時間を設定すればよく、例えば１秒以上に設定する。また、出力を組み合わせる場合、組み合わせた時間が合計１秒以上になるよう設定する。
［作用・効果］
本実施例に係る油圧ショベル１は、車体１０，１１と、車体１０，１１に取り付けられた作業機１２と、車体１０，１１および作業機１２の姿勢情報を取得する姿勢情報取得装置４１と、情報出力装置３１と、情報出力装置３１を制御するコントローラ２４とを備え、コントローラ２４は、前記姿勢情報に基づいて油圧ショベル１の動的重心位置７０を推定する動的重心位置推定部４３と、車体１０，１１の寸法情報に基づいて車体１０，１１の接地点で構成される支持範囲図形Ｌを演算する支持範囲演算部４２と、動的重心位置７０と前記支持範囲図形Ｌを構成する辺との距離に応じて油圧ショベル１の車体安定度αを演算する車体安定度演算部４４と、車体１０，１１の姿勢情報に基づいて車体１０，１１の振幅Ａｍｐを推定する振幅推定部４５と、車体安定度αが所定の安定度（車体安定度閾値）よりも高くかつ振幅Ａｍｐが所定の振幅（振幅閾値）よりも大きい場合に車体１０，１１が接地している地盤の安定度である地盤安定度が低いと判定し、車体安定度αが所定の安定度よりも高くかつ振幅Ａｍｐが所定の振幅以下の場合は地盤安定度が高いと判定し、判定結果を情報出力装置３１に出力する地盤安定度判定部４６とを有する。
【００７０】
以上のように構成した本実施例に係る油圧ショベル１によれば、車体安定度αが所定の安定度よりも高い状態で、車体の振幅Ａｍｐに基づいて地盤安定度が判定され、判定結果が情報出力装置３１を介して操作者に通知される。これにより、車体１０，１１が接地している地盤の安定度を操作者が作業中に把握することができるため、作業効率や施工品質のばらつきを抑えることが可能となる。
【実施例２】
【００７１】
本発明の第２の実施例に係る油圧ショベル１について、第１の実施例との相違点を中心に説明する。
［システムの構成］
図８は、本実施例に係る油圧ショベル１に搭載された地盤安定度通知システムのブロック図である。
【００７２】
本実施例に係る油圧ショベル１は、操作レバー２３から出力される操作情報のうち、走行情報を伝達する油圧信号を取得する走行圧センサ２３ａで構成された走行状態取得装置４７を更に備えている。走行状態取得装置４７はコントローラ２４に接続されている。また、走行状態取得装置４７の出力は地盤安定度判定部４６に入力され、地盤安定度の判定に用いられる。また、情報出力装置３１は、地盤安定度が低いと判定されてから一定時間、通知する出力方法に代わり、地盤安定度が低いと判定されている間、常に通知するように構成されている。
［地盤安定度判定］
図９は、本実施例における地盤安定度判定部４６による地盤安定度の判定方法を示すフローチャートである。地盤安定度判定部４６は図９に示すフローを所定の周期で繰り返し実行する。
【００７３】
ステップＳ２００では走行状態取得装置４７の出力から、走行状態であるか否かを判定し、走行状態であればステップＳ２０４に進み、地盤安定度が高いと判定し、ステップＳ２０５に進んで地盤安定度判定を出力して終了する。また、走行状態でなければステップＳ２０１に進む。ここで、走行状態取得装置４７が走行圧センサ２３ａである場合、走行状態は、圧力値が走行を始める値を超えている間を走行中、そうでない場合に停止中として判定する。
【００７４】
ステップＳ２０１では、車体安定度αが予め設定された車体安定度閾値より高く、安定であるならば、ステップＳ２０２に進み、そうでなければ地盤安定度の判定を更新せず、ステップＳ２０５に進んで地盤安定度判定を出力して終了する。ここで、車体安定度閾値の設定方法は第１の実施例と同じである。
【００７５】
ステップＳ２０２では、振幅Ａｍｐが予め設定された振幅閾値より高く、振動していると判定した場合は、ステップＳ２０３に進み、そうでない場合は地盤安定度の判定を更新せず、ステップＳ２０５に進んで地盤安定度判定を出力して終了する。ここで、振幅閾値の設定方法は第１の実施例と同じである。
【００７６】
最後に、ステップＳ２０３では地盤安定度が低いと判定し、ステップＳ２０５に進んで地盤安定度判定を出力して終了する。
【００７７】
情報出力装置３１は、地盤安定度が低いと判定されている間、つまり、不安定な地盤で作業を継続する間、常に通知を出力する。また、出力するメッセージやアイコンを、油圧ショベル１の移動や下部走行体１０の向きの変更を推奨する通知を出力する。
［作用・効果］
本実施例に係る油圧ショベル１は、車体１０，１１の走行状態を取得する走行状態取得装置４７を更に備え、地盤安定度判定部４６は、前記走行状態に基づいて車体１０，１１が走行中か否かを判定し、車体１０，１１が走行中でない場合にのみ地盤安定度の判定を行い、車体１０，１１が走行を開始するまで判定結果を保持する。
【００７８】
以上のように構成した油圧ショベル１によれば、作業中の地盤が不安定な場合に、油圧ショベル１の設置方向の変更や移動を促すことで、操作者が作業を改善することができる。
【実施例３】
【００７９】
本発明の第３の実施例に係る油圧ショベル１について、第２の実施例との相違点を中心に説明する。
［システムの構成］
図１０は、本実施例に係る油圧ショベル１に搭載された地盤安定度通知システムのブロック図である。
【００８０】
本実施例では、操作者が作業内容を選択することにより要求する地盤安定度を設定することができる、本実施例に係る油圧ショベル１は、許容振幅設定装置４８を更に備える。許容振幅設定装置４８はコントローラ２４に接続されている。許容振幅設定装置４８は、操作者が許容振幅を数値入力するための許容振幅入力部４９と、許容振幅入力部４９の入力値を記憶しコントローラ２４に送信する許容振幅記憶部５０とを有する。また、地盤安定度判定部４６は、予め設定された振幅閾値に代わり、許容振幅記憶部５０から入力された許容振幅を用いて地盤安定度を判定する。
［許容振幅設定装置］
許容振幅設定装置４８は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、及びフラッシュメモリ等の書換可能な不揮発性の記憶手段等からなるマイクロコンピュータ、並びにＲＯＭに格納するコンピュータプログラム及び周辺回路を有し、ＣＰＵ上でコンピュータプログラムを作動させて演算処理を行うように構成されている。
【００８１】
図１１は許容振幅設定装置４８の外観図である。許容振幅設定装置４８は、入力および表示を兼ねたＧＵＩ（Ｇｒａｐｈｉｃａｌ  Ｕｓｅｒ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）としてのタッチパネル４８ａを備えている。タッチパネル４８ａ上には、数値入力をするためのキーボード４９ａと、入力値を確認するための入力値表示部４９ｂとが配置されている。キーボード４９ａおよび入力値表示部４９ｂは許容振幅入力部４９を構成している。
［地盤安定度判定］
本実施例における地盤安定度判定部４６が実行するフローは第２の実施例（図９に示す）と同様であるが、ステップＳ２０２の振幅閾値として許容振幅設定装置４８で設定した許容振幅を用いる点で相違している。
［作用・効果］
本実施例に係る油圧ショベル１は、所定の振幅（振幅閾値）としての許容振幅を設定する許容振幅設定装置４８を更に備え、許容振幅設定装置４８は、前記許容振幅の数値を入力するための許容振幅入力部４９と、許容振幅入力部４９に入力された数値を前記許容振幅として記憶する許容振幅記憶部５０とを有する。
【００８２】
以上のように構成した油圧ショベル１によれば、単純掘削作業と仕上げ面の掘削など、作業内容毎に許容される振幅（許容振幅）が異なることを考慮し、許容振幅を変更できるようにすることで、地盤安定度の誤判定を低減し作業効率を低下させることなく適切な安定度の地盤で作業することができる。
【実施例４】
【００８３】
本発明の第４の実施例に係る油圧ショベル１について第３の実施例との相違点を中心に説明する。
［システムの構成］
図１２は、本実施例に係る油圧ショベル１に搭載された地盤安定度通知システムのブロック図である。
【００８４】
許容振幅設定装置４８に、操作者が作業内容を選択するための作業内容選択部５１と、前記作業内容に従って、予め作業内容に関連付けられて記録されている許容振幅を許容振幅設定部に入力する、許容振幅選択部５２とを更に備えるように構成する。
［許容振幅設定装置］
図１３は許容振幅設定装置４８の外観図である。タッチパネル４８ａ上には、作業内容選択部５１の作業内容リストが表示され、リストを選択することで作業内容を選択できるように構成されている。
【００８５】
図１２に戻り、作業内容選択部５１で選択された作業内容は、許容振幅設定装置４８の許容振幅選択部５２に送信される。許容振幅選択部５２では、予め設定された複数の作業内容とそれら作業内容に関連付けられた許容振幅とを記憶しており、作業内容選択部５１で選択された作業内容に関連付けられた許容振幅を検索して出力する。許容振幅記憶部５０は、許容振幅選択部５２から出力された許容振幅値を許容振幅設定値として記憶する。また、許容振幅記憶部５０は、作業内容選択部５１で作業内容が選択されず、許容振幅選択部５２から許容振幅値が出力されない場合は、許容振幅入力部４９で入力された数値を許容振幅設定値として設定する。
【００８６】
許容振幅は以下の判断基準によって基準値を設定する。
【００８７】
１．作業内容の関連規格において記載された基準値がある場合
２．油圧ショベル１の製造者が決定した各作業内容において使用する機能が使用可能な傾斜角度の基準値がある場合
３．各作業内容において要求される施工精度と油圧ショベル１の寸法情報から算出される傾斜角の基準値がある場合
４．１〜３の明確な基準値がない場合
例えば、図１３の作業内容選択部５１に表示されているクレーンモードは、関連する規格が存在することから判断基準１に従って、関連規格に定める走行時の傾斜角度１度を元に、許容振幅を１度と定義する。
【００８８】
荷重計測モードでは、荷重計測機能を行う場合に例えば±３度の振動まで許容できる機能を使用するので、判断基準２に従い、許容振幅を３度と定義する。
【００８９】
半自動掘削モード、半自動掘削モード（仕上げ）の場合は、施工精度と機械寸法によって基準値が変わるため、判断基準３の定義に従う。例えば、例えば爪先位置±１０ｃｍが要求され、油圧ショベル１のクラスが２０ｔであった場合、爪先の最大到達距離が１０ｍのため、Ａｒｃｔａｎ（１０ｍ，１０ｃｍ）≒０．６度から、許容振幅を０．６度と定義する。
【００９０】
通常掘削モードの場合、明確な基準値が存在しないため、判断基準４に従って定義される。判断基準４では、許容振幅選択部５２で許容振幅を選択せず、許容振幅入力部４９で入力された許容振幅を許容振幅記憶部５０に記憶させる。
【００９１】
なお、本発明は図１３に示した作業内容に限らず、様々な作業内容において上記の判断基準に従って基準値を許容振幅選択部５２に予め記憶させ、選択できるようにすることが可能である。
［作用・効果］
本実施例に係る油圧ショベル１は、所定の振幅（振幅閾値）としての許容振幅を設定する許容振幅設定装置４８を更に備え、許容振幅設定装置４８は、複数の作業内容のいずれかを選択するための作業内容選択部５１と、前記複数の作業内容のそれぞれに関連付けられた許容振幅の数値を記憶し、作業内容選択部５１で選択された作業内容に関連付けられた許容振幅の数値を選択する許容振幅選択部５２とを更に有し、許容振幅選択部５２で選択された数値を前記許容振幅として記憶する許容振幅記憶部５０とを有する。
【００９２】
以上のように構成した本実施例に係る油圧ショベル１によれば、作業内容に適した安定度を、作業内容から直感的に設定できるようになるため、設定値の入力ミスなどによる、作業内容に対して不適切な安定度を設定することを防止し、施工品質の低下を防ぐことができる。
＜その他＞
本発明は上記した実施例に限定するものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記実施例の説明に用いた油圧ショベル１は上部旋回体１１、ブーム１３、アーム１４、バケット１５を有しているが、作業機械の構成はこれに限らず、例えばバケット１５の代わりにリフティングマグネットやグラップルなどを備えた構成の作業機械にも本発明は適用可能である。
【００９３】
本発明の適用対象は油圧ショベルに限らず、移動式クレーンなど、移動体に対し作業機をとりつけた構成の作業機械に対し適用可能である。
【００９４】
上記では油圧シリンダを駆動する油圧ショベルを例に挙げて説明したが、水圧シリンダや空圧シリンダ等の流体圧シリンダで作業機を駆動する作業機械や、関節を電動モータなどによって駆動する作業機械に適用することも可能である。
【００９５】
コントローラ２４の各部は、図２のように１台のコンピュータに搭載する必要は無く、相互通信可能な複数のコンピュータに分散してもよい。この場合、コンピュータの設置場所は作業機械上に限定されない。
【００９６】
姿勢情報取得装置４１はＩＭＵを用いたが、シリンダのストロークを検出する測距センサや、関節の相対角を取得するポテンショメータやロータリエンコーダ、角速度や加速度を検出するジャイロセンサ、加速度センサ等、姿勢を検出することが可能なデバイスであればいずれを使用してもよく、これらを組み合わせて使用するように構成されてもよい。
【００９７】
動的重心位置推定部４３は姿勢情報取得装置４１の出力を用いていれば、他の車体情報取得装置からの情報を用いて動的重心位置７０を推定するように構成であってもよい。例えばピン３３，３４にそれぞれひずみゲージのような、ピン力センサをとりつけ、その外力情報と位置座標を式（１）に代入することにより動的重心位置７０を演算するように構成されていてもよい。また、外力としてシリンダ１６〜１８に圧力センサを取り付け、圧力情報と姿勢情報を用いて外力を演算し、式（１）に代入して動的重心位置７０を推定するように構成してもよい。
【００９８】
上記実施形態では、走行状態取得装置４７は、走行指令の圧力信号を用いたが、操作レバー２３が油圧式でなく電気式であれば、走行指令の電気信号を用いるように構成されてもよい。また、走行指令信号を用いず、車体ＩＭＵ２８の加速度を用いて移動中であるか否かを検出して代用してもよい。また、高精度なＧＰＳにより座標が変化したことを用いて走行の有無を判定するように構成してもよい。また、上記の何れかを組み合わせて走行状態を取得するように構成してもよい。
【００９９】
上記実施形態では許容振幅設定装置４８を独立した装置として構成したが、コントローラ２４と情報出力装置３１に分散して構成されてもよい。また、この時、追加でスイッチやポテンショメータなど、アナログ入力デバイスを入力装置としてコントローラ２４に接続し、タッチパネルの代替として入力できるように構成してもよい。
【０１００】
上記実施例では、操作者が油圧ショベル１上に備わる操作室２２に搭乗して、油圧ショベル１の操作を行うことを想定して説明した。然るに、油圧ショベル１の操作は無線等を用いた遠隔操作が行われるケースがある。遠隔操作時には、搭乗時に比べ作業機械の姿勢や地盤の安定度を正確に把握するのが困難であり、また、熟練した操作者でも地盤の安定度を感覚的に把握することが困難である。したがって、遠隔操作時においては、一層優れた効果を奏する。遠隔操作型の作業機械においては、操作者の操作場所付近に情報出力装置３１を設け、油圧ショベル１の情報を付加的に与えるように構成してもよい。
【符号の説明】
【０１０１】
１…油圧ショベル（作業機械）、１０…下部走行体（車体）、１１…上部旋回体（車体）、１２…作業フロント（作業機）、１３…ブーム、１４…アーム、１５…バケット、１６…ブームシリンダ、１７…アームシリンダ、１８…バケットシリンダ、１９，２０…リンク、２１…旋回モータ、２２…操作室、２３…操作レバー、２３ａ…走行圧センサ、２４…コントローラ、２５…ブームＩＭＵ、２６…アームＩＭＵ、２７…バケットＩＭＵ、２８…車体ＩＭＵ、３１…情報出力装置、３１ａ…モニタ表示部、３１ｂ…発光部、３２…地表面、３３，３４…ピン、４１…姿勢情報取得装置、４２…支持範囲演算部、４３…動的重心位置推定部、４４…車体安定度演算部、４５…振幅推定部、４６…地盤安定度判定部、４７…走行状態取得装置、４８…許容振幅設定装置、４８ａ…タッチパネル、４９…許容振幅入力部、４９ａ…キーボード、４９ｂ…入力値表示部、５０…許容振幅記憶部、５１…作業内容選択部、５２…許容振幅選択部、６０…地盤安定度判定出力部、７０…動的重心位置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2019190089.tif 000020
【図１０】
2019190089.tif 000021
【図１１】
2019190089.tif 000022
【図１２】
2019190089.tif 000023
【図１３】
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