(57)【要約】【課題】機体サイズ、および静止時あるいは動作時に拘らず、積載する荷により積載部に加わる外力を精度よく算出できるバケットの外力算出方法およびその装置を提供する。【解決手段】各可動部材についての動力学方程式をそれぞれ導出する。動力学方程式を仮想仕事の原理に基づく各シリンダの仕事の式に用いて各シリンダについての運動方程式をそれぞれ導出する。運動方程式を各シリンダに関する検出値に基づいて解くことでバケットに外力が作用しないときのシリンダ発生力を算出する。外力が作用しないときのシリンダ発生力と、実測のシリンダ発生力との差に基づいてバケットに加わる外力を算出する。【選択図】図１
2015158049.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の可動部材と、これら可動部材をそれぞれ動作させる複数の流体圧シリンダと、いずれかの流体圧シリンダの動力を最も先端側の可動部材に伝達するリンクとをそれぞれ関節部により連結した作業装置の最も先端側の可動部材を荷の積載部とするとともに、この積載部に積載する荷によりこの積載部に加わる外力を算出する積載部の外力算出方法であって、
各可動部材についての動力学方程式をそれぞれ導出し、
これら動力学方程式を仮想仕事の原理に基づく各流体圧シリンダの仕事の式に用いて各流体圧シリンダについての運動方程式をそれぞれ導出し、
これら運動方程式を各流体圧シリンダに関する検出値に基づいて解くことで積載部に外力が作用しないときのシリンダ発生力を算出し、
このシリンダ発生力と、実測のシリンダ発生力との差に基づいて積載部に加わる外力を算出する
ことを特徴とした積載部の外力算出方法。
【請求項２】
各可動部材についての動力学方程式を、ニュートン・オイラー法により導出する
ことを特徴とした請求項１記載の積載部の外力算出方法。
【請求項３】
複数の可動部材と、これら可動部材をそれぞれ動作させる複数の流体圧シリンダと、いずれかの流体圧シリンダの動力を最も先端側の可動部材に伝達するリンクとをそれぞれ関節部により連結した作業装置の最も先端側の可動部材を荷の積載部とするとともに、この積載部に積載する荷によりこの積載部に加わる外力を算出する積載部の外力算出装置であって、
各可動部材についての動力学方程式をそれぞれ導出する第１方程式導出手段と、
この第１方程式導出手段により導出した動力学方程式を仮想仕事の原理に基づく各流体圧シリンダの仕事の式に用いて各流体圧シリンダについての運動方程式をそれぞれ導出する第２方程式導出手段と、
この第２方程式導出手段により導出した運動方程式を各流体圧シリンダに関する検出値に基づいて解くことで積載部に外力が作用しないときのシリンダ発生力を算出する発生力算出手段と、
各流体圧シリンダのシリンダ発生力を実測する検出手段と、
発生力算出手段で算出したシリンダ発生力と、検出手段で実測したシリンダ発生力との差に基づいて積載部に加わる外力を算出する外力算出手段とを備えた
ことを特徴とした積載部の外力算出装置。
【請求項４】
第１方程式導出手段は、各可動部材についての動力学方程式を、ニュートン・オイラー法により導出する
ことを特徴とした請求項３記載の積載部の外力算出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、作業装置の最も先端側の可動部材である積載部に積載される荷により積載部に加わる外力を算出する積載部の外力算出方法およびその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
油圧ショベルなどの作業機械に搭載された作業装置は、機体に基端が軸連結されたブームと、このブームの先端に軸連結されたスティック（アーム）と、このスティックの先端に軸連結されたバケットとを、それぞれブームシリンダ、スティック（アーム）シリンダおよびバケットシリンダの伸縮によって回動させるように構成されている。
【０００３】
このような作業機械においては、例えば土砂などの運搬作業の生産性（作業効率）の尺度として、１回の作業当たりのバケットの運搬量すなわちペイロード、換言すればバケット外力を算出する場合がある。バケット外力の算出方法としては、例えばブーム、スティックおよびバケットのそれぞれの運動方程式を導出し、それら運動方程式を、各種センサなどを用いて実測したシリンダ長さ、シリンダ圧などに基づいて求めた角運動量、角速度および角加速度などに基づいて解く方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−１２９５９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１記載の方法では、各シリンダの質量、およびバケットシリンダ先端部とスティックおよびバケットとの間に連結される各リンクの質量をそれぞれ考慮に入れていないため、算出精度が良好とは言えない。
【０００６】
特に、この方法では、静止時と比較して慣性力の影響がさらに大きい動作時に適用した場合の算出精度に課題が生じ、また、機体質量（機体サイズ）が大きい大型の作業機械の場合には、考慮に入れない各シリンダおよび各リンクの質量および慣性モーメントがさらに大きくなり、大型であるほど算出精度が低下することとなる。
【０００７】
本発明は、このような点に鑑みなされたもので、機体サイズ、および静止時あるいは動作時に拘らず、積載する荷により積載部に加わる外力を精度よく算出できる積載部の外力算出方法およびその装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１記載の発明は、複数の可動部材と、これら可動部材をそれぞれ動作させる複数の流体圧シリンダと、いずれかの流体圧シリンダの動力を最も先端側の可動部材に伝達するリンクとをそれぞれ関節部により連結した作業装置の最も先端側の可動部材を荷の積載部とするとともに、この積載部に積載する荷によりこの積載部に加わる外力を算出する積載部の外力算出方法であって、各可動部材についての動力学方程式をそれぞれ導出し、これら動力学方程式を仮想仕事の原理に基づく各流体圧シリンダの仕事の式に用いて各流体圧シリンダについての運動方程式をそれぞれ導出し、これら運動方程式を各流体圧シリンダに関する検出値に基づいて解くことで積載部に外力が作用しないときのシリンダ発生力を算出し、このシリンダ発生力と、実測のシリンダ発生力との差に基づいて積載部に加わる外力を算出するものである。
【０００９】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の積載部の外力算出方法において、各可動部材についての動力学方程式を、ニュートン・オイラー法により導出するものである。
【００１０】
請求項３記載の発明は、複数の可動部材と、これら可動部材をそれぞれ動作させる複数の流体圧シリンダと、いずれかの流体圧シリンダの動力を最も先端側の可動部材に伝達するリンクとをそれぞれ関節部により連結した作業装置の最も先端側の可動部材を荷の積載部とするとともに、この積載部に積載する荷によりこの積載部に加わる外力を算出する積載部の外力算出装置であって、各可動部材についての動力学方程式をそれぞれ導出する第１方程式導出手段と、この第１方程式導出手段により導出した動力学方程式を仮想仕事の原理に基づく各流体圧シリンダの仕事の式に用いて各流体圧シリンダについての運動方程式をそれぞれ導出する第２方程式導出手段と、この第２方程式導出手段により導出した運動方程式を各流体圧シリンダに関する検出値に基づいて解くことで積載部に外力が作用しないときのシリンダ発生力を算出する発生力算出手段と、各流体圧シリンダのシリンダ発生力を実測する検出手段と、発生力算出手段で算出したシリンダ発生力と、検出手段で実測したシリンダ発生力との差に基づいて積載部に加わる外力を算出する外力算出手段とを備えたものである。
【００１１】
請求項４記載の発明は、請求項３記載の積載部の外力算出装置において、第１方程式導出手段は、各可動部材についての動力学方程式を、ニュートン・オイラー法により導出するものである。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１記載の発明によれば、各可動部材についてそれぞれ導出した動力学方程式を仮想仕事の原理に基づく各流体圧シリンダの仕事の式に用いて各流体圧シリンダについての運動方程式をそれぞれ導出し、これら運動方程式を各流体圧シリンダに関する検出値に基づいて解くことで積載部に外力が作用しないときのシリンダ発生力を算出するとともに、このシリンダ発生力と実測のシリンダ発生力との差に基づいて積載部に加わる外力を算出することにより、全ての可動部材、関節部および流体圧シリンダを考慮して積載部に加わる外力を算出できる。したがって、機体サイズ、および静止時あるいは動作時に拘らず、積載する荷により積載部に加わる外力を精度よく算出できる。
【００１３】
請求項２記載の発明によれば、各可動部材についての動力学方程式を、ニュートン・オイラー法により導出することで、演算量を抑制でき、高速処理が可能となる。
【００１４】
請求項３記載の発明によれば、各可動部材についてそれぞれ導出した動力学方程式を仮想仕事の原理に基づく各流体圧シリンダの仕事の式に用いて各流体圧シリンダについての運動方程式をそれぞれ導出し、これら運動方程式を各流体圧シリンダに関する検出値に基づいて解くことで積載部に外力が作用しないときのシリンダ発生力を算出するとともに、このシリンダ発生力と実測のシリンダ発生力との差に基づいて積載部に加わる外力を算出することにより、全ての可動部材、関節部および流体圧シリンダを考慮して積載部に加わる外力を算出できる。したがって、機体サイズ、および静止時あるいは動作時に拘らず、積載する荷により積載部に加わる外力を精度よく算出できる。
【００１５】
請求項４記載の発明によれば、各可動部材についての動力学方程式を、ニュートン・オイラー法により導出することで、演算量を抑制でき、高速処理が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の積載部の外力算出方法の一実施の形態を示すフローチャートである。
【図２】同上外力算出方法が適用される作業機械の構成および検出手段の取付位置を示す説明図である。
【図３】同上外力算出方法を実施するための外力算出装置の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明を、図１乃至図３に示された一実施の形態に基づいて詳細に説明する。
【００１８】
図２は、作業機械の構成および検出手段の取付位置を示し、図３は、その外力算出装置の構成を示す。
【００１９】
図２は、例えば油圧ショベルなどの作業機械を示し、下部走行体１に上部旋回体２が水平旋回自在に連結され、この上部旋回体２に作業装置としてのフロント作業装置３が上下方向揺動自在に取付けられ、このフロント作業装置３の最も先端側には可動部材としての荷の積載部であるバケット４が装着されている。このフロント作業装置３は、バケット４により掘削した土などの荷の荷重（ペイロード）によりバケット４に加わる外力（以下、バケット反力という）を演算しながらダンプトラックなどの運搬車へ荷を積載作業する機能を備えている。
【００２０】
フロント作業装置３は、上部旋回体２の図示されないブラケットに可動部材としてのブーム５のフート部が上下方向回動自在に取付けられ、このブーム５の先端部に可動部材としてのスティック（アーム）６が回動自在に取付けられ、このスティック６の先端部にバケット４が回動自在に取付けられ、ブーム５は、流体圧シリンダとしてのブームシリンダ７により作動され、スティック６は、流体圧シリンダとしてのスティックシリンダ（アームシリンダ）８により作動され、バケット４は、流体圧シリンダとしてのバケットシリンダ９およびリンク10，11により作動される。
【００２１】
ブーム５、スティック６およびバケット４は、関節部としてのピン12，13，14により順次連結され、さらに、リンク10，11は関節部としてのピン15，16によりスティック６およびバケット４に連結され、バケットシリンダ９の動力をバケット４に伝達している。
【００２２】
さらに、ブームシリンダ７は、基端であるヘッドが関節部としてのピン17aにより上部旋回体２に連結され、先端であるロッドが関節部としてのピン17bによりブーム５下部に連結されている。また、スティックシリンダ８は、基端であるヘッドが関節部としてのピン18aによりブーム５上部に連結され、先端であるロッドが関節部としてのピン18bによりスティック６に連結されている。そして、バケットシリンダ９は、基端であるヘッドが関節部としてのピン19aによりスティック６上部に連結され、先端であるロッドが関節部としてのピン19bによりリンク10，11に連結されている。
【００２３】
したがって、ブーム５の基端がピン（ブームフートピン）12を介して上部旋回体２に軸連結され、ブーム５の先端とスティック６の基端とがピン（ブーム先端ピン）13を介して互いに軸連結され、スティック６の先端とバケット４の基端とがピン（アーム先端ピン）14を介して互いに軸連結されているとともに、ブームシリンダ７のヘッドがピン17aを介して上部旋回体２に軸連結され、ブームシリンダ７のロッドおよびブーム５がピン17bを介して互いに軸連結され、スティックシリンダ８のヘッドおよびブーム５がピン18aを介して互いに軸連結され、スティックシリンダ８のロッドおよびスティック６がピン18bを介して互いに軸連結され、バケットシリンダ９のヘッドおよびスティック６がピン19aを介して互いに軸連結され、バケットシリンダ９のロッドおよびリンク10，11の基端がピン19bを介して互いに軸連結され、リンク10の先端およびスティック６の先端上部がピン15を介して互いに軸連結され、かつ、リンク11の先端およびバケット４の背面がピン16を介して互いに軸連結されている。
【００２４】
このフロント作業装置３において、各シリンダ７，８，９には、それらのシリンダ変位（シリンダ長さ）を検出する変位センサ21，22，23と、それらの発生力（シリンダ圧）を検出する圧力センサ25，26，27とがそれぞれ取付けられている。変位センサ21，22，23は、例えば各シリンダ７，８，９の変位を、水平方向（Ｘ方向）および垂直方向（Ｙ方向）にそれぞれ検出する。また、圧力センサ25，26，27は、例えば各シリンダ７，８，９のヘッド圧およびロッド圧を検出する。そして、これらセンサ21〜27により、検出手段29が構成されている。
【００２５】
図３に示されるように、検出手段29（センサ21〜27）は、コントローラ31の入力側に接続され、この検出手段29の検出信号は、コントローラ31に入力される。
【００２６】
このコントローラ31は、中央処理装置（ＣＰＵ）および記憶装置（各種メモリ）を備え、演算機能を有する。そして、このコントローラ31は、オペレータからの入力操作を受ける図示しない操作レバーやインターフェースと接続されているとともに、後述する第１方程式導出工程を行う第１方程式導出手段、第２方程式導出工程を行う第２方程式導出手段、第１算出工程を行う第１算出手段、第２算出工程を行う第２算出手段、発生力算出工程を行う発生力算出手段および外力算出工程を行う外力算出手段のそれぞれの機能を有している。なお、このコントローラ31の出力側には、前記検出信号から演算して求めたバケット反力を表示するモニタなどの外力表示手段が接続されていてもよい。
【００２７】
次に、この作業機械に用いられた外力算出方法の原理を説明する。
【００２８】
フロント作業装置３を駆動するためのシリンダ７，８，９のシリンダ発生力（ベクトル）τdは、バケット反力ｆが作用しないときのフロント作業装置３の慣性力などの影響により生じる動的なシリンダ発生力（ベクトル）τd1と、バケット反力ｆの影響による静的なシリンダ発生力（ベクトル）τSとの和である（τd＝τd1＋τS）。そこで、本実施の形態では、シリンダ７，８，９のシリンダ発生力τdを圧力センサ25，26，27により検出（実測）するとともに、動的なシリンダ発生力τd1を、ニュートン・オイラー法および仮想仕事の原理を用いて算出し、これらの差である静的なシリンダ発生力τSからバケット反力ｆを求める。
【００２９】
具体的に、この外力算出方法のコントローラ31による処理手順を、図１に示されたフローチャートも参照しながら説明する。なお、図中の丸数字は、ステップ番号を表わす。
【００３０】
まず、検出手段29の変位センサ21，22，23および圧力センサ25，26，27により検出したフロント作業装置３の各シリンダ７，８，９のシリンダ変位ｑdおよびシリンダ発生力（ベクトル）τdを読込む（ステップ１（検出工程））。なお、シリンダ発生力τdについては、後のステップで演算に必要なタイミングにおいて読込むこともできる。
【００３１】
次いで、これら読込んだシリンダ変位ｑdおよびシリンダ発生力τdに対してフィルタ処理を行い、不要なノイズ成分を除去する（ステップ２（フィルタリング工程））。
【００３２】
さらに、コントローラ31は、ステップ２を経たシリンダ変位ｑdを時間微分して、シリンダ７，８，９の速度ｖd（＝d(ｑd)/dt）および加速度ａd(＝d2(ｑd)/dt2)を算出する（ステップ３（第１算出工程））。
【００３３】
この後、各ピン12，13，14，15，16，17a，17b，18a，18b，19a，19bのそれぞれの変位ｑa、角速度ωaおよび角加速度αaを算出する（ステップ４（第２算出工程））。このとき、変位ｑaは、ステップ３で演算したシリンダ変位ｑdの関数（ｑa＝ｑa(ｑd)）、角速度ωaはステップ３で演算したシリンダ速度ｖdの関数（ωa＝Ｑｖd）、角加速度αaはステップ３で演算したシリンダ速度ｖdおよびシリンダ加速度ａdの関数（αa＝Ｑａd＋(dＱ/dt)ｖd）として演算される。ここで、Ｑはヤコビ行列（Ｑ＝∂ｑa/∂ｑd）である。
【００３４】
そして、このステップ４で演算した変位ｑa、角速度ωaおよび角加速度αaに基づき、全ての可動部材であるブーム５、スティック６、バケット４（および上部旋回体２）、およびシリンダ７，８，９、リンク10，11のそれぞれについての動力学方程式を導出する（ステップ５（第１方程式導出工程））。これら動力学方程式を導出する際には、ピン15，16，17b，18b，19bにおいては、拘束が存在せずモーメントが働かない（仮定１）、および、ピン12，13，14，17a，18a，19a，19bが仮想的なアクチュエータを有する（仮定２）との各仮定の下で、ニュートン・オイラー法を用いて動力学方程式をそれぞれ構築する。このとき、ピン12，13，14，17a，18a，18b，19a，19bでの仮想的なアクチュエータの発生力とシリンダの力（ベクトル）τaは、
τa＝Ｍ(ｑa)αa＋ｈ(ｑa，ωa)＋ｇ(ｑa)      …（数式１）
と表せる。
【００３５】
ここで、Ｍ(ｑa)は１１×１１の正則対称行列である慣性行列（質量行列）であり、各ピン12，13，14，15，16，17a，17b，18a，18b，19a，19bの加速度によりそのピン12，13，14，15，16，17a，17b，18a，18b，19a，19b自体に発生するトルクならびに他のピン12，13，14，15，16，17a，17b，18a，18b，19a，19bの加速度によって発生する干渉トルクを示す。また、ｈ(ｑa，ωa)は１１×１のベクトルであり、遠心力およびコリオリ力などの、各ピン12，13，14，15，16，17a，17b，18a，18b，19a，19bの速度により生じる遠心力およびコリオリ力の影響で生じるトルクを示す。そして、ｇ(ｑa)は１１×１の重力ベクトルであり、重力加速度の影響により発生するトルクを示す。これらＭ(ｑa)、ｈ(ｑa，ωa)およびｇ(ｑa)は、それぞれ機構パラメータと各ピン12，13，14，15，16，17a，17b，18a，18b，19a，19bの位置および速度から算出できる。機構パラメータとは、各ピン12，13，14，15，16，17a，17b，18a，18b，19a，19bに接続される各可動部材、すなわちブーム５、スティック６、リンク10，11、バケット４（および上部旋回体２）、および、シリンダ７，８，９のそれぞれの質量（重量）、重心位置、慣性テンソル（慣性モーメント（イナーシャ））および長さを含む。これらのパラメータは、フロント作業装置３の機構やブーム５、スティック６、リンク10，11、バケット４（および上部旋回体２）、および、シリンダ７，８，９の形状や材質などに基づいて予め求めておくことが可能な既知の固定値であり、コントローラ31の記憶装置などに予め記憶しておくことができる。そして、これらの値に基づいたＭ(ｑa)、ｈ(ｑa，ωa)およびｇ(ｑa)の算出方法は既知であるため、説明を省略する。
【００３６】
続いて、ステップ５で算出した各動力学方程式を用いて、各シリンダ７，８，９の運動方程式を導出する（ステップ６（第２方程式導出工程））。このとき、まず、仮想仕事の原理に基づいて、シリンダ７，８，９およびステップ５で仮定した仮想的なアクチュエータのそれぞれの仕事の式を考える。すなわち、シリンダ７，８，９および仮想的なアクチュエータについては、ピン12，13，14，15，16，17a，17b，18a，18b，19a，19bの位置での仕事がそれぞれ０であるから、シリンダ７，８，９のそれぞれのシリンダ発生力（ベクトル）τd1および仮想的なアクチュエータの発生力τaについて、微小時間Δｔにおいて、
τd1TΔｔｖd＝０      …（数式２）
τaTΔｔωa＝０      …（数式３）
がそれぞれ成り立つ。ここで、ステップ４で算出したように、ωa＝Ｑｖdであるから、数式３に代入すると、
τaTＱΔｔｖd＝０      …（数式４）
となる。したがって、数式２および数式４より、
τd1TΔｔｖd＝τaTＱΔｔｖd      …（数式５）
となり、この数式５から、
τd1＝ＱTτa      …（数式６）
が導かれる。そして、この数式６を、ステップ５で導出した動力学方程式（数式１）に代入して整理すると、運動方程式（動特性方程式）
τd1＝ＱT{Ｍ(ｑa)αa＋ｈ(ｑa，ωa)＋ｇ(ｑa)}      …（数式７）
が導かれる。
【００３７】
このように、ステップ６で導出した各運動方程式（数式７）は、ピン12，13，14，15，16，17a，17b，18a，18b，19a，19bの変位ｑa、角速度ωaおよび角加速度αaの関数であり、これら変位ｑa、角速度ωaおよび角加速度αaはシリンダ７，８，９のシリンダ変位ｑd、速度ｖdおよび加速度ａdの関数であるから、上記各運動方程式は、シリンダ７，８，９に関する検出値であるこれらシリンダ変位ｑd、速度ｖdおよび加速度ａdが既知であればそれぞれ解くことができる（逆動力学計算ができる）。そこで、上記各運動方程式を解くことで、バケット反力ｆが作用しないときの動的なシリンダ発生力τd1を算出する（ステップ７（発生力算出工程））。
【００３８】
そして、このステップ７で算出したシリンダ発生力τd1と、ステップ１で検出手段29により実測したシリンダ発生力τd（ステップ２でフィルタリングされたシリンダ発生力τd）との差（τd−τd1）に基づいて、バケット反力ｆを算出する（ステップ８（外力算出工程））。このステップ８では、まず、シリンダ７，８，９の静的なシリンダ発生力τSに対して仮想仕事の原理に基づいて仕事の式を考える。シリンダ７，８，９のシリンダ発生力τSと、バケット反力ｆの仕事がそれぞれ０であるから、バケット４の先端の位置ベクトルをｑEとすると、微小時間Δｔにおいて、
τSTΔｔｖd＝０      …（数式８）
ｆTΔｔ(dｑE/dt)＝０      …（数式９）
がそれぞれ成り立つ。ここで、バケット４の先端の位置ベクトルｑEは、全てのピン12，13，14，15，16，17a，17b，18a，18b，19a，19bの変位ｑaの関数（ｑE＝ｑE(ｑa)）であるから、この位置ベクトルｑEの全微分dｑE/dtは、ヤコビアンをＪとすると、
dｑE/dt＝Ｊdｑa/dt＝Ｊωa      …（数式10）
となる。また、角速度ωaについては、ステップ４で算出したように、ωa＝Ｑｖdであるから、この関係を数式10に代入すると、
dｑE/dt＝ＪＱｖd      …（数式11）
となる。そこで、この数式11、数式８、数式９により、
τSTΔｔｖd＝ｆTΔｔ(dｑE/dt)＝ｆT(ＪＱ)Δｔｖd      …（数式12）
となり、この数式12を整理すると、
ｆ＝{(ＪＱ)T}-1τS      …（数式13）
が導かれる。ここで、τd＝τd1＋τSであるから、
τS＝τd−τd1      …（数式14）
となり、この数式14を数式13に代入すると、
ｆ＝{(ＪＱ)T}-1(τd−τd1)＝(ＪＱ)-T[τd−ＱT{Ｍ(ｑa)αa＋ｈ(ｑa，ωa)＋ｇ(ｑa)}]      …（数式15）
となる。
【００３９】
したがって、数式15に対して、ステップ７で求めた動的なシリンダ発生力τd1と、ステップ１で実測した最も先端側の流体圧シリンダであるバケットシリンダ９のシリンダ発生力τdとの差（τd−τd1）を代入して、この数式15を解くことにより、求めるべきバケット反力ｆが算出される。
【００４０】
そして、このステップ８で算出されたバケット反力のバケット４による掘削終了後の所定時間、例えば１〜２秒での平均値を、バケット反力であると推定する（ステップ９（外力推定工程））。
【００４１】
なお、推定したバケット反力に基づき、コントローラ31は所定の制御をする。例えば、コントローラ31は、バケット反力を記憶（格納）したり、外力表示手段によりバケット反力を表示したり、バケット反力に応じてフロント作業装置３（シリンダ７，８，９）の動作を制御したりできる。
【００４２】
このように、全ての可動部材であるブーム５、スティック６、バケット４（および上部旋回体２）、およびシリンダ７，８，９、リンク10，11についてそれぞれ導出した動力学方程式を仮想仕事の原理に基づく各シリンダ７，８，９の仕事の式に用いて各シリンダ７，８，９についての運動方程式をそれぞれ導出し、これら運動方程式を各シリンダ７，８，９に関する検出値に基づいて解くことでバケット４に外力が作用しないときのシリンダ発生力τd1を算出するとともに、このシリンダ発生力τd1と検出手段29で実測したシリンダ発生力τdとの差に基づいてバケット４に加わる外力（バケット反力）を算出することにより、フロント作業装置３を構成する全ての可動部材であるブーム５、スティック６、バケット４、およびリンク10，11と、シリンダ７，８，９の質量（重量）や慣性モーメント（イナーシャ）などを予め考慮に入れた上で、フロント作業装置３の姿勢、各シリンダ７，８，９のシリンダ発生力（シリンダ推力）、フロント作業装置３の質量（重量）および慣性モーメントからバケット４に加わる外力を算出できる。したがって、機体サイズ、および静止時あるいは動作時に拘らず、すなわち、静止時と動作時とを区別することなく、積載する荷の荷重（ペイロード）によりバケット４に加わる外力（バケット反力）を精度よく算出できる。しかも、シリンダ７，８，９の速度が一定（加速度が０）でなくても、バケット反力を算出できる。
【００４３】
また、コントローラ31は、第１方程式導出工程においてニュートン・オイラー法を用いて全ての可動部材であるブーム５、スティック６、バケット４（および上部旋回体２）、およびシリンダ７，８，９、リンク10，11についての動力学方程式をそれぞれ導出するため、他の方法を用いる場合と比較して演算量を抑制でき、高速処理が可能となる。
【００４４】
また、角度センサなどを用いることなく、変位センサ21，22，23により実測したシリンダ変位のみを用いてピン12，13，14，15，16，17a，17b，18a，18b，19a，19bのそれぞれの変位、角速度および角加速度などを算出できるので、検出手段29の構成をより簡略化でき、作業機械をより安価に構成できる。
【００４５】
そして、フロント作業装置３の慣性力などの影響により生じる動的なシリンダ発生力τd1と、外力の影響によるシリンダ発生力τSとのそれぞれに対して仮想仕事の原理を用いて式を導出しているので、多数の可動部材（ブーム５、スティック６およびバケット４）およびシリンダ（シリンダ７，８，９）を連結した複雑な構造のフロント作業装置３においても式を導出でき、これらの式に基づいてバケット反力を確実に算出できる。
【００４６】
すなわち、本実施の形態では、ニュートン・オイラー法と、仮想仕事の原理とをそれぞれ用いて運動方程式を導出しているので、必要以上に複雑な演算をすることなくバケット反力を確実に算出できる。
【００４７】
なお、図示された実施の形態では、ブーム５、スティック６、バケット４の３つの可動部材を関節部（ピン12，13，14）により軸連結したフロント作業装置３について説明したが、２つ、あるいは４つ以上の可動部材を関節部により連結したフロント作業装置３としてもよい。
【００４８】
また、上記作業機械では、下部走行体１に対して上部旋回体２を回動可能に軸支しているため、例えば下部走行体１および上部旋回体２をそれぞれ可動部材とみなし、これら下部走行体１と上部旋回体２とを接続する旋回軸受を関節部とみなして、上記の式に含めてバケット反力を算出することで、さらに精度を向上することもできる。
【００４９】
さらに、作業機械として、油圧ショベルを例に挙げたが、例えばローダなどの作業機械に対しても好適に用いることができる。
【００５０】
また、バケット反力の推定は、作業機械の運転時に常時行ってもよいし、オペレータからの指令があったときなど、適宜の所定条件下において、所定時間のみ行ってもよい。
【００５１】
そして、上記の各工程をコントローラ31によりそれぞれ実行されるステップとしたプログラムを構成することもでき、そのプログラムは、例えば光学ディスクなどの記憶媒体に記憶してもよい。
【符号の説明】
【００５２】
３    作業装置としてのフロント作業装置
４    可動部材としての積載部であるバケット
５    可動部材としてのブーム
６    可動部材としてのスティック
７    流体圧シリンダとしてブームシリンダ
８    流体圧シリンダとしてのスティックシリンダ
９    流体圧シリンダとしてのバケットシリンダ
10，11    リンク
12，13，14，15，16，17a，17b，18a，18b，19a，19b    関節部としてのピン
29    検出手段
31    第１方程式導出手段、第２方程式導出手段、発生力算出手段および外力算出手段の機能を有するコントローラ
【図１】
2015158049.tif 000003
【図２】
2015158049.tif 000004
【図３】
2015158049.tif 000005