(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シャーシ、前記シャーシと結合された運転台、前記運転台と結合されたブーム、前記ブーム及び前記運転台に結合され前記ブームを前記運転台に対して動かすように作動可能な第１のアクチュエータ、前記ブームに結合されたアーム、前記アーム及び前記ブームに結合され前記アームを前記ブームに対して運かすように作動可能な第２のアクチュエータ、ペイロードを受け入れるように作動可能で前記アームに結合されたバケット、及び、前記バケット及び前記アームに結合され前記バケットを前記アームに対して動かすように作動可能な第３のアクチュエータを有する、作業機械のペイロードの質量を求める装置であって、
前記ブームに結合され、前記作業機械のブーム角の関数としてブーム角信号を発信するように作動可能な第１の感知装置と、
前記アームに結合され、前記作業機械のアーム角の関数としてアーム角信号を発信するように作動可能な第２の感知装置と、
前記バケットに結合され、前記作業機械のバケット角の関数としてバケット角信号を発信するように作動可能な第３の感知装置と、
前記第１のアクチュエータに結合され、前記第１のアクチュエータに働く第１の力の関数として第１のアクチュエータ力信号を発信するように作動可能な第４の感知装置と、
前記第２のアクチュエータに結合され、前記第２のアクチュエータに働く第２の力の関数として第２のアクチュエータ力信号を発信するように作動可能な第５の感知装置と、
前記第３のアクチュエータに結合され、前記第３のアクチュエータに働く第３の力の関数として第３のアクチュエータ力信号を発信するように作動可能な第６の感知装置と、
前記第１、第２、及び、第４から第６までの感知装置に結合されて少なくとも２つの時点でそれぞれの発信信号を受信し、前記第３の感知装置に結合されて少なくとも１つの時点で前記バケット角信号を受信して、前記受信信号と、前記バケットが前記アームに対して相対的に静止している間に予め測定された前記作業機械の複数の物理的特性との関数として前記バケット及びペイロードの質量を求めるように作動可能な処理装置と、
を含むことを特徴とする装置。
【請求項２】
前記処理装置は、前記バケット及びペイロードの質量を解析的手法により求めるように作動可能であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記処理装置は、前記バケット及びペイロードの質量を経験に基づく手法によらずに求めるように作動可能であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記処理装置は、前記ブーム及び前記アームのうちの少なくとも１つが動いている間に前記バケット及びペイロードの質量を求めるように作動可能であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記処理装置は、最小二乗法を使用して前記バケット及びペイロードの質量を求めるように作動可能であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記複数の物理的特性は、
前記運転台の質量、
前記ブームの質量、
前記アームの質量、
前記バケットの質量、
前記運転台の質量中心の位置、
前記ブームの質量中心の位置、
前記アームの質量中心の位置、
前記バケットの質量中心の位置、
前記運転台の慣性モーメント、
前記ブームの慣性モーメント、
前記アームの慣性モーメント、
前記バケットの慣性モーメント、及び、
前記作業機械の複数の形状寸法、
の複数のものを含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記処理装置は、更に、前記作業機械の前記所定の物理的特性の関数として前記ペイロードの質量を求めるように作動可能であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記第１、第２、及び、第３のアクチュエータの各々は、油圧シリンダを含み、
前記第４、第５、及び、第６の感知装置の各々は、
前記それぞれの第１、第２、及び、第３シリンダにおいて前記シリンダのヘッド側及びロッド側のうちの一方にある第１の位置における各第１圧力の関数として各第１圧力信号を発信するように作動可能な各第１圧力センサと、
前記それぞれの第１、第２、及び、第３シリンダにおいて前記シリンダの前記ヘッド側及びロッド側のうちの他の一方にある第２の位置における各第２圧力の関数として各第２圧力信号を発信するように作動可能な各第２圧力センサと、
前記それぞれの第１及び第２圧力センサと結合され前記それぞれの第１及び第２圧力信号を受信して、前記各第１及び第２圧力信号の関数として前記それぞれの第１、第２、及び、第３のアクチュエータ力信号を発信するように作動可能な各センサ処理回路と、
を含む、
ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記それぞれの第１、第２、及び、第３アクチュエータに作用する前記第１、第２、及び、第３の力は、これらアクチュエータの各々に作用する力の総和であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記第１、第２、及び、第３のアクチュエータは、
油圧シリンダ、及び、
モータ、
のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記作業機械の傾斜角の関数として傾斜角信号を発信するように作動可能な第７の感知装置を更に含み、前記処理装置が前記傾斜角信号を受信して前記傾斜角信号の更なる関数として前記バケット及びペイロードの質量を求めるように作動可能であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記作業機械のヨー角の関数としてヨー角信号を発信するように作動可能な第８の感知装置を更に含み、前記処理装置が前記第８の感知装置に結合されて少なくとも２つの時点で前記ヨー角信号を受信し、前記ヨー角信号の関数として前記バケット及びペイロードの質量を求めるように更に作動可能であり、
前記作業機械の前記運転台は、前記シャーシに関して回転するように作動可能である、
ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記処理装置は、前記運転台が前記シャーシに対して運いている間、前記バケット及びペイロードの質量を求めるように更に作動可能であることを特徴とする請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
シャーシ、前記シャーシと結合された運転台、前記運転台と結合されたブーム、前記ブーム及び前記運転台と結合され前記ブームを前記運転台に対して動かすように作動可能な第１のアクチュエータ、前記ブームに結合されたアーム、前記アーム及び前記ブームに結合され前記アームを前記ブームに対して動かすように作動可能な第２のアクチュエータ、ペイロードを受け入れるように作動可能で前記アームに結合されたバケット、及び、前記バケット及び前記アームに結合され前記バケットを前記アームに対して動かすように作動可能な第３のアクチュエータを有する作業機械のペイロードの質量を求める方法であって、
少なくとも２つの時点で前記運転台に対する前記ブームの第１の連結角を求める段階と、
少なくとも２つの時点で前記ブームに対する前記アームの第２の連結角を求める段階と、
少なくとも１つの時点で前記アームに対する前記バケットの第３の連結角を求める段階と、
少なくとも２つの時点で前記第１のアクチュエータに働く第１のアクチュエータ力を求める段階と、
少なくとも２つの時点で前記第２のアクチュエータに働く第２のアクチュエータ力を求める段階と、
少なくとも２つの時点で前記第３のアクチュエータに働く第３のアクチュエータ力を求める段階と、
前記作業機械の複数の物理的特性を求める段階と、
前記第１連結角、前記第２連結角、前記第３連結角、前記第１アクチュエータ力、前記第２アクチュエータ力、前記第３アクチュエータ力、及び、前記バケットが前記アームに関して相対的に静止している間に予め測定された前記複数の物理的特性の関数として前記バケット及びペイロードの質量のうちの１つを求める段階と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１５】
前記バケット及びペイロードの質量を求める段階は、前記ペイロードの質量を解析的手法により求める段階を含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記バケット及びペイロードの質量を求める段階は、前記ペイロードの質量を経験に基づく手法によらずに求める段階を含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記バケット及びペイロードの質量を求める段階は、前記ブーム及び前記アームのうちの少なくとも１つが動いている間に起こることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
前記バケット及びペイロードの質量を求める段階は、前記ペイロードの質量を最小二乗法を使用して求める段階を含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１９】
前記複数の所定の物理的特性は、
前記運転台の質量、
前記ブームの質量、
前記アームの質量、
前記バケットの質量、
前記運転台の質量中心の位置、
前記ブームの質量中心の位置、
前記アームの質量中心の位置、
前記バケットの質量中心の位置、
前記運転台の慣性モーメント、
前記ブームの慣性モーメント、
前記アームの慣性モーメント、
前記バケットの慣性モーメント、及び、
前記作業機械の複数の形状寸法、
の複数のものを含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項２０】
前記ペイロードの質量を前記作業機械の前記所定の物理的特性の関数として求める段階を更に含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項２１】
前記第１、第２、及び、第３アクチュエータの各々は、油圧シリンダを含み、
前記アクチュエータに働く前記第１、第２、及び、第３の力を求める段階は、
それぞれの第１の圧力を、前記それぞれの第１、第２、及び、第３シリンダにおいて前記シリンダのヘッド側及びロッド側のうちの一方である第１の位置でのそれぞれの第１圧力の関数として求める段階と、
それぞれの第２の圧力を、前記それぞれの第１、第２、及び、第３シリンダにおいて前記シリンダの前記ヘッド側又はロッド側のうちの他の一方である第２の位置でのそれぞれの第２圧力の関数として求める段階と、
それぞれの第１、第２、及び、第３アクチュエータ力を、前記それぞれの第１及び第２圧力の関数として求める段階と、
を含む、
ことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項２２】
前記第１、第２、及び、第３アクチュエータに作用するそれぞれの前記第１、第２、及び、第３の力は、これらアクチュエータの各々に作用する力の総和であることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項２３】
前記作業機械の傾斜角を求める段階を更に含み、
前記バケット及びペイロードの質量を求める段階は、更に、前記傾斜角の関数である、
ことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項２４】
少なくとも２つの時点で、前記バケット及びペイロードの質量を求める段階が更にその関数となる、前記作業機械のヨー角を求める段階を更に含み、
前記作業機械の前記運転台は、前記シャーシに関して回転するように作動可能である、
ことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項２５】
前記ペイロードの質量を求める段階は、前記運転台が前記シャーシに対して動いている間に前記バケット及びペイロードの質量を求める段階を含むことを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
シャーシ、前記シャーシと結合された運転台、前記運転台と結合されたブーム、前記ブーム及び前記運転台に結合され前記ブームを前記運転台に対して動かすように作動可能な第１のアクチュエータ、前記ブームに結合されたアーム、前記アーム及び前記ブームに結合され前記アームを前記ブームに対して運かすように作動可能な第２のアクチュエータ、ペイロードを受け入れるように作動可能で前記アームに結合されたバケット、及び、前記バケット及び前記アームに結合され前記バケットを前記アームに対して動かすように作動可能な第３のアクチュエータを有する、作業機械のペイロードの質量を求める装置であって、
前記ブームに結合され、前記作業機械のブーム角の関数としてブーム角信号を発信するように作動可能な第１の感知装置と、
前記アームに結合され、前記作業機械のアーム角の関数としてアーム角信号を発信するように作動可能な第２の感知装置と、
前記バケットに結合され、前記作業機械のバケット角の関数としてバケット角信号を発信するように作動可能な第３の感知装置と、
前記第１のアクチュエータに結合され、前記第１のアクチュエータに働く第１の力の関数として第１のアクチュエータ力信号を発信するように作動可能な第４の感知装置と、
前記第２のアクチュエータに結合され、前記第２のアクチュエータに働く第２の力の関数として第２のアクチュエータ力信号を発信するように作動可能な第５の感知装置と、
前記第３のアクチュエータに結合され、前記第３のアクチュエータに働く第３の力の関数として第３のアクチュエータ力信号を発信するように作動可能な第６の感知装置と、
前記第１から第６までの感知装置に結合されて少なくとも２つの時点でそれぞれの発信信号を受信して、前記受信信号と、前記作業機械の所定の複数の物理的特性との関数として前記バケット及びペイロードの質量を求めるように作動可能な処理装置と、
を含むことを特徴とする装置。
【請求項２７】
シャーシ、前記シャーシと結合された運転台、前記運転台と結合されたブーム、前記ブーム及び前記運転台と結合され前記ブームを前記運転台に対して動かすように作動可能な第１のアクチュエータ、前記ブームに結合されたアーム、前記アーム及び前記ブームに結合され前記アームを前記ブームに対して運かすように作動可能な第２のアクチュエータ、ペイロードを受け入れるように作動可能で前記アームに結合されたバケット、及び、前記バケット及び前記アームに結合され前記バケットを前記アームに対して運かすように作動可能な第３のアクチュエータを有する作業機械のペイロードの質量を求める方法であって、
少なくとも２つの時点で前記運転台に対する前記ブームの第１の連結角を求める段階と、
少なくとも２つの時点で前記ブームに対する前記アームの第２の連結角を求める段階と、
少なくとも２つの時点で前記アームに対する前記バケットの第３の連結角を求める段階と、
少なくとも２つの時点で前記第１のアクチュエータに働く第１のアクチュエータ力を求める段階と、
少なくとも２つの時点で前記第２のアクチュエータに働く第２のアクチュエータ力を求める段階と、
少なくとも２つの時点で前記第３のアクチュエータに働く第３のアクチュエータ力を求める段階と、
前記作業機械の複数の物理的特性を求める段階と、
前記第１連結角、前記第２連結角、前記第３連結角、前記第１アクチュエータ力、前記第２アクチュエータ力、前記第３アクチュエータ力、及び前記複数の所定の物理的特性の関数として前記バケット及びペイロードの質量のうちの１つを求める段階と、
を含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に作業機械のバケット内の負荷の重量を求めることに関し、より詳細には、多くの自由度を有する作業機械のバケット内の負荷の重量を求めることに関する。
【０００２】
【従来の技術】
作業機械のバケット内のペイロードの重量を求める様々な従来的方法がある。しかし、その過程の複雑さのために、これらの多くの方法には固有の限界が内在している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
例えば、いくつかの方法は、フロント・ローダなどの２つの自由度しかないバケットを有する作業機械に限られる。この手法は、より多くの自由度を有する機械、例えば掘削機には使用できないであろう。他の方法は、ペイロードが静止している間のみ、又は、所定の位置のみで作業機械が測定を実行することを必要とする。これは、操作員が各掘削サイクルに余分な時間をかけて機械を操作する必要があるという点で問題がある。更に別の方法では、既知の負荷を使用する測定装置の較正を必要とするか、又は、曲線当てはめなどの類似な形態を有する異なる（ベースライン）機械の作動に基づいてペイロードの重量を近似的に求める。前者は、そうでなければ掘削に費やすことができる余計な時間を機械の操作にかける可能性があり、他方、後者は、作業機械とベースライン機械との間にずれがほとんど無いか全く無いことを仮定しており、これは、しばしば誤りである。
【０００４】
【問題を解決するための手段】
本発明は、作業機械のペイロードの質量を求める方法及び装置を提供する。作業機械は、シャーシ、シャーシと結合した運転台、及び、運転台と結合したブームを有する。第１のアクチュエータは、ブーム及び運転台に結合され、運転台に対してブームを動かす。作業機械は、ブームに結合されたアームを有し、アーム及びブームに結合された第２のアクチュエータは、アームをブームに対して動かす。作業機械はまた、ペイロードを受け入れるように機能するバケットを有する。バケットはアームと結合され、第３のアクチュエータは、バケット及びアームに結合されてバケットをアームに対して動かす。運転台に対するブームの第１の連結角は、時間的に少なくとも２つの時点で測定される。ブームに対するアームの第２の連結角も、時間的に少なくとも２つの時点で測定される。アームに対するバケットの第３の連結角は、時間的に少なくとも１つの時点で測定される。第１のアクチュエータに作用する第１のアクチュエータ力は、少なくとも２つの時点で測定される。第２のアクチュエータに作用する第２のアクチュエータ力も、少なくとも２つの時点で測定される。第３のアクチュエータに作用する第３のアクチュエータ力も、少なくとも２つの時点で測定される。更に、作業機械の複数の物理的特性が測定される。バケット及びペイロードの質量は、第１連結角、第２連結角、第３連結角、第１アクチュエータ力、第２アクチュエータ力、第３アクチュエータ力、及び、バケットがアームに対して比較的静止している間に予め測定された複数の物理的特性の関数として判断される。
【０００５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の１つの実施形態による掘削機１０などの作業機械の表象的側面図である。例えばバックホウローダ又はフロントショベルなど、当業者に公知の他の適切な作業機械を使用しても良い。掘削機１０は、地面に留まるシャーシ１２、及び、シャーシ１２に結合され、必ずしもそうではないが通常はシャーシ１２に対して可動である運転台１４を含む。ブーム１６などの第１の結合アームは、運転台１４に結合され、それと相対的に可動である。アーム１８などの第２の結合アームは、ブーム１６に結合され、それと相対的に可動である。バケット２０などのペイロードを収容する装置は、アーム１８に結合され、それと相対的に可動である。バケット２０は、本発明の１つの実施形態に従って質量又は重量を求めることができるペイロード（図示しない）を受け入れる。
【０００６】
第Ｉ部  運動学的解析
Ａ．問題記述
図２は、固定基準座標系（ＸＹ）と、本発明の１つの実施形態に従って運転台に取り付けられた付加的座標系（ｘｙ）を示す。運転台座標系の原点は、第１の回転軸上において運転台座標系のｘ軸もまた第２の回転軸と交わるような地点に位置する。固定座標系の原点はｘｙ座標系の原点と一致し、Ｙ軸は垂直方向（重力の方向と平行）であり、Ｘ軸は水平方向で「最も急な上り坂方向」を指す。
図３は、本発明の１つの実施形態に従って運転台１４に取り付けられたｘｙ座標系と、ブーム１６（ｓｔ）、アーム１８（ｕｖ）、及び、バケット２０（ｐｑ）に取り付けられた付加的座標系とを示す。掘削機１０は、ブーム１６、アーム１８、及び、バケット２０のほか、これらのリンクを作動する３つの線形油圧シリンダ２２、２４、及び、２６の中心線がｘｙ平面にあるようにモデル化されている。図４（表１）は、本発明の１つの実施形態に従ってキャタピラー３２５型掘削機の定数機構パラメータを列挙している。異なる特性を有する作業機械のパラメータは、当業者に公知の方法によって測定されてもよい。
【０００７】
ここで、問題記述が以下のように述べられる。
与えられる事項：
・定数機構パラメータ（図４を参照されたい）
・傾斜角ξ（図２を参照されたい）
・連結角パラメータψ、θ1、θ2、θ3（図２及び図３を参照されたい）のほか、掘削機リンク１４、１６、１８、及び、２０がある軌道に沿って動く時、各時点におけるそれらの時間に関する１次及び２次微分
・掘削機リンク１６、１８、及び、２０がある軌道に沿って動く時、各時点における油圧シリンダ２０、２２、及び、２４に沿うアクチュエータ力ｆ1、ｆ2、及び、ｆ3
求める事項：バケット及び負荷の質量（又は重量）
解析は、掘削機シャーシ１２が地面に固定して付帯していることを仮定している。また、第１の連結軸線周りのアクチュエータトルクがこの解析において不要であることに注意することは無駄ではない。
【０００８】
Ｂ：位置解析
掘削機１０に対する力学的運動方程式は、図２及び図３に示すｘｙ座標系と同時に同じ向きに並ぶ固定座標系を用いて生み出されることになる。この固定座標系による重力ベクトルの方向は、傾斜角ξ及び回転角ψを用いて次のように容易に決めることができる。
0004943601.tif 000002
これ以降、運転台座標系であることがはっきりと述べられない限り、ｘｙ座標系は、固定基準フレームを意味するものとする。
【０００９】
ブーム１６、アーム１８、及び、バケット２０における点の座標をｘｙ座標系に変換することは、回転角θ1、θ2、及び、θ3が既知量であるから簡単なことである。点Ｈの座標は、平面４本バー機構Ｇ−Ｈ−Ｉ−Ｒ3の解析から決めることができる。これらの変換方程式はまだここに示されていないが、これ以降、図３に示す全ての点の座標は、点Ｍ（バケット及び負荷の質量中心の位置）を除けば固定ｘｙ座標系を用いて既知であると仮定される。
【００１０】
Ｃ．速度解析
物体ｉに対して測定される物体ｊの速度状態は、次のように書かれることになる。
0004943601.tif 000003
ここで、iωjは、物体ｉに対して測定された物体ｊの角速度であり、ivjooは、基準点ＯＯ（図３）と同時に一致する物体ｊにおける点の線速度である。一旦物体の速度状態が分かれば、物体内の任意の点Ｐの速度は次式から計算し得る。
0004943601.tif 000004
ここで、項ivjpは、物体ｉに対して測定された物体ｊにおける点Ｐの速度を表す。項ｒoo→pは、基準点ＯＯから点Ｐへと向かうベクトルである。
【００１１】
物体ｉに対する物体ｋの速度状態は、物体ｊに対する物体ｋの速度状態及び物体ｉに対する物体ｊの速度状態を用いて次式により判断できることを証明することができる。
0004943601.tif 000005
これ以降、地面は物体０、運転台１４は物体１、ブーム１６は物体２、アーム１８は物体３、そして、バケット２０は物体４として参照するものとする。これらの各物体の速度状態は、こうして固定ｘｙ基準フレームを用いて判断されることになる。
【００１２】
関節によって結合された２つの物体に対して、速度状態は、結合部に関する角速度の大きさと結合部軸線の結合プラッカ座標との積に等しくなることを示すことができる。
当業者に公知の方法により４つの結合軸線のプラッカ線座標をｘｙ座標系を用いて計算すると、掘削機アームの各物体の速度状態は、物体０（地面）に対して次式で判断し得る。
0004943601.tif 000006
0004943601.tif 000007
0004943601.tif 000008
0004943601.tif 000009
ここで、
0004943601.tif 000010
ここで、
0004943601.tif 000011
0004943601.tif 000012
これらの方程式において、ｓ1、ｃ1、ｓ2、及び、ｃ2は、角θ1及び角θ2の正弦及び余弦を各々表す。更に、項ｓ1+2及びｃ1+2は、合計θ1＋θ2の正弦及び余弦を表している。
【００１３】
Ｄ．部分速度スクリュー
移動する剛体１から４の各々の速度状態は、方程式（５）から（８）で表される。これらの速度状態の各々は、ここで次の公式に因数分解されることになる。
0004943601.tif 000013
0004943601.tif 000014
【００１４】
（５）から次式は明らかであり、
0004943601.tif 000015
0004943601.tif 000016
0004943601.tif 000017
0004943601.tif 000018
0004943601.tif 000019
0004943601.tif 000020
0004943601.tif 000021
【００１５】
Ｅ．各点の部分角速度及び部分速度
各点の部分角速度及び部分速度の概念は、当業者には公知であり、マグロー・ヒルから１９８５年に出版されたＴ．ケーン及びＤ．レビンソン著の「力学：理論と応用」において見出すことができ、ケーンの力学方程式を導く際に使用される。諸量は、Ｄ節で導かれた部分速度スクリューから直接に導くことができ、部分速度スクリューは、本質的に２つの部分から成っている。すなわち、
（ｉ）各単位方向ベクトルは、ケーンの部分角速度に相当する、そして、
（ｉｉ）各モーメントベクトルは、本明細書の基準点ＯＯと一致する物体の点のケーンの部分速度に相当する。
従って、各点のケーンの部分角速度及び部分速度は、実際にはベクトルである。ケーンの表記法は、力学的運動方程式を導く際に以下で使用されることになる通りにここで導入される。
【００１６】
一般化座標ψによる点ＯＯの部分角速度及び部分速度は、物体１（運転台１４）に対して（１３）から次式のように表すことができる。
0004943601.tif 000022
一般化座標θ1、θ2、及び、θ3による物体０（地面）に対する物体１（運転台１４）の任意の点の部分角速度及び部分速度は、これらの一般化座標が物体１（運転台１４）の「下流」にあるため、全てゼロである。従って、
0004943601.tif 000023
【００１７】
物体２（ブーム１６）に関して、一般化座標ψ及びθ1による点ＯＯの部分角速度及び部分速度は、（１４）から次式のようになる。
0004943601.tif 000024
一般化座標θ2及びθ3による物体２（ブーム１６）の全ての点の部分角速度及び部分速度はゼロである。従って、
0004943601.tif 000025
【００１８】
物体３（アーム１８）に関して、一般化座標ψ、θ1、θ2、及び、θ3による点ＯＯの部分角速度及び部分速度は、（１５）から次式のようになる。
0004943601.tif 000026
物体４（バケット２０及び負荷）に関して、一般化座標ψ、θ1、θ2、及び、θ3による点ＯＯの部分角速度及び部分速度は、（１６）から次式のようになる。
0004943601.tif 000027
0004943601.tif 000028
0004943601.tif 000029
一般化座標λによる物体ｉの任意の点Ｐの部分速度に対する一般方程式は、次式で表すことができる。
0004943601.tif 000030
すなわち、（２５）を使用して任意の一般化座標に対する掘削機アームの任意の点の部分速度を得ることができる。
【００１９】
しかし、物体４（バケット２０及び負荷）に関する質量中心点の部分速度は、そのためにここで拡張されることになるが、理由は、質量中心点の位置が未知のパラメータｐM及びｑMによって表されるからである。バケット２０及び負荷の質量中心の座標は、ｘｙ座標系を用いて次のように表してもよい。
ｘG4＝ｐMｃ1+2+3−ｑMｓ1+2+3＋ａ23ｃ1+2＋ａ12ｃ1＋ｘO、
ｙG4＝ｐMｓ1+2+3＋ｑMｃ1+2+3＋ａ23ｓ1+2＋ａ12ｓ1．        （２６）
（２２）から（２５）までの式から、４つの一般化座標ψ、θ1、θ2、及び、θ3の各々に関するこの質量中心点の部分速度は、次式で表すことができる。
0004943601.tif 000031
0004943601.tif 000032
0004943601.tif 000033
0004943601.tif 000034
更に、物体４の質量中心の全体速度は、次式で表すことができる。
0004943601.tif 000035
この方程式から、バケット２０及び負荷の質量中心の速度は、未知のパラメータｐM及びｑMを用いて次式で表すことができる。
0004943601.tif 000036
ここで、
0004943601.tif 000037
【００２０】
Ｆ．加速度解析
0004943601.tif 000038
0004943601.tif 000039
ここで、0αi及び0ωiは、各々、物体０に関する剛体ｉの角加速度及び角速度であり、0aioo及び0viooは、各々、物体０の基準点ＯＯに一致する物体ｉの点の加速度及び速度である。
【００２１】
加速度状態はまた、異なる基準点を用いて表されてもよい。例えば、剛体ｉの加速度状態は、原点が点Ｇi（物体ｉの質量中心）にある物体０に取り付けられた基準フレームに関する物体ｉの加速度状態は、次式で表すことができる。
0004943601.tif 000040
0004943601.tif 000041
0004943601.tif 000042
（３４）及び（３５）を（３６）に代入し、質量中心点の加速度0aiGiについて解くと、次式が得られる。
0004943601.tif 000043
従って、一旦物体０に対する物体ｉの速度状態及び加速度状態が分かると、物体ｉの任意の点（特に、質量中心点Ｇi）の加速度は、（３７）から決めることができる。これで物体１から物体４までの加速度状態が測定されることになる。
【００２２】
（３４）から物体１（運転台１４）の加速度状態は、次式で表すことができる。
0004943601.tif 000044
（３７）から物体１（運転台１４）の質量中心の加速度は、次式で計算することができる。
0004943601.tif 000045
物体１（運転台１４）に対する物体２（ブーム１６）の加速度状態は、基準点ＯＯに関して次式で表すことができる。
0004943601.tif 000046
物体２（ブーム１６）は単に点Ｏに関して回転するように制限されるので、この加速度は、次式のように変形されることになる。
0004943601.tif 000047
0004943601.tif 000048
【００２３】
0004943601.tif 000049
0004943601.tif 000050
0004943601.tif 000051
リー・ブラケットの拡張は、２つの速度スクリュー（両方とも同じ基準点ＯＯに関して表される）の一般的な場合に対して、次式のように定義される。
0004943601.tif 000052
【００２４】
（４３）を使用して（４２）を拡張すると次式が得られる。
0004943601.tif 000053
物体２（ブーム１６）の質量中心の加速度について解くと、次式が得られる。
0004943601.tif 000054
ここで、
0004943601.tif 000055
0004943601.tif 000056
0004943601.tif 000057
同様な手順により物体３（アーム１８）の加速度状態は、次式で値を求めることができる。
0004943601.tif 000058
物体３（アーム１８）の質量中心の加速度は、次式で与えられる。
0004943601.tif 000059
ここで、
0004943601.tif 000060
0004943601.tif 000061
0004943601.tif 000062
【００２５】
最後に、物体４（バケット２０）の加速度状態は、次式で計算される。
0004943601.tif 000063
ここで、
0004943601.tif 000064
0004943601.tif 000065
0004943601.tif 000066
ここで、
ａG4x＝ｐMＡ10＋ｑMＡ11＋Ａ12
ａG4y＝ｐMＡ13＋ｑMＡ14＋Ａ15                    （５７）
ａG4z＝ｐMＡ16＋ｑMＡ17＋Ａ18
であり、また項Ａ10からＡ18までは、次式のように定義される。
0004943601.tif 000067
0004943601.tif 000068
0004943601.tif 000069
項ａ4x、ａ4y、及び、ａ4zは（５５）で定義され、項Ａ1からＡ9までは（３３）で定義される。
運転台１４、ブーム１６、及び、アーム１８の質量中心の直線加速度は、所定のパラメータを用いて決められた。しかし、バケット２０の質量中心の直線加速度は、ｐｑ座標系におけるバケット質量中心点の位置を指定する未知のパラメータｐM及びｑMを用いて表される。
【００２６】
第ＩＩ部  力学的解析
Ａ．序論
ここでは、ケーンによって開発された多体系の力学的解析について簡単な説明が与えられる。本発明の１つの実施形態による連続チェーン３０が図５に示されている。図６は、本発明の１つの実施形態によるリンクｉと、それに作用する力及びトルクとを示す。これらの力及びトルクは、Ｒi-1、i、Ｒi+1、i、Ｆp1、Ｆp2、．．．、Ｔi、及び、Ｍiｇなどの外力として分類することができ、ここで、ｇは重力による力、また慣性力はダランベール力としても知られている。
【００２７】
当業者に公知のニュートン・オイラーの方程式から次式が得られる。
0004943601.tif 000070
項ΣFiEXTは、リンクｉに加えられる外力の合計に等しく、項ΣTiEXTは、点Ｇiに関する外力のモーメントの合計に等しい。ここで、更に項Fi*及びTi*が導入されて、リンクｉの運動による慣性力（ダランベールの力）、及び、リンクｉの運動による慣性トルク（ダランベールのトルク）を表す。すなわち、
0004943601.tif 000071
が得られ、方程式（６１）及び（６２）は、次式で表すことができる。
0004943601.tif 000072
【００２８】
多体系は多くの自由度を有するが、この序論では簡単のためこれらの自由度のうちの１つのみ、すなわちチェーンの回転対偶の１つの回転θを考察することにする。ここで、θは一般化座標と呼ばれ、更に角速度ωは次式で与えられる。
0004943601.tif 000073
これにより、慣性基準フレーム０に対するリンクｉに固定された任意の点Ｐの速度は、次式で与えられ、
0004943601.tif 000074
慣性基準フレームに対するリンクｉの角速度は、次式で与えられる。
0004943601.tif 000075
ベクトル0UiPは、一般化座標θに対してリンクｉに固定された点Ｐの部分速度と呼ばれ、他方、ベクトル0Uiは、一般化座標θに対するリンクｉの部分角速度と呼ばれる。方程式（６８）及び（６９）の和における残りの項は、系の他の一般化座標の時間微分を乗じた部分速度及び部分角速度を表すことになる。
【００２９】
一般化座標θに関してリンクｉに付随する作用力は、次式で定義され、
0004943601.tif 000076
一般化座標θに関してリンクｉに付随する慣性力は、次式で定義される。
0004943601.tif 000077
次に、一般化座標θに付随する連続チェーンの力学的方程式は、次式で与えられる。
0004943601.tif 000078
ここで、ｉ＝１、２、．．．、ｎは、連続チェーンのｎ個のリンクの各々を表す。
【００３０】
ケーンの方法によると、一般化座標ψ、θ1、θ2、及び、θ3の各々に付随する力学的運動方程式がある。（７２）から、これらの方程式は次式の形で表すことができる。
0004943601.tif 000079
ここで、項Ｆ及びＦ*は、次節で導かれる作用力及び慣性力である。（７３）を展開すると、方程式（７４）から（７６）までを使用しても除去することができないバケットの不要で未知の慣性項が（７３）に包含されていることが示されることになる。この理由から、この方程式を使用することにはならないので、その展開をこれ以上進めることはしない。
【００３１】
Ｂ．一般化慣性力
ケーンによって発展させられた表記法では、項Fn*及びTn*は、地面（物体０）に対して測定される物体ｎの慣性力及び慣性トルクにとして各々定義される。これらの項は次式で表される。
0004943601.tif 000080
0004943601.tif 000081
ここで、Ｍnは物体の質量、0anGnは質量中心点の加速度、及び、0ωn及びoαnは地面に対して測定される物体の角速度及び角加速度である。Inは、この物体に対する慣性ダイアディックであり、次式で表すことができる。
0004943601.tif 000082
角速度及び角加速度は、次式で表すことができる。
0004943601.tif 000083
0004943601.tif 000084
0004943601.tif 000085
0004943601.tif 000086
0004943601.tif 000087
0004943601.tif 000088
0004943601.tif 000089
（８２）及び（８４）を（７８）に代入すると、次式が得られる。
0004943601.tif 000090
【００３２】
Ｂ．１  物体１すなわち運転台に対する一般化慣性力
一般化座標ψに関する物体１の慣性力はゼロにはならないであろうが、方程式（７３）が使用されないので、この項の値は、本明細書では求められないことになる。残りの一般化座標θ1、θ2、及び、θ3に関する物体１の部分角速度及び部分線速度は全てゼロに等しいので、これらの一般化座標に関する物体１の慣性力もまた全てゼロに等しくなる。従って、
0004943601.tif 000091
【００３３】
Ｂ．２  物体２すなわちブームに対する一般化慣性力
一般化座標θ1に関する物体２（ブーム１６）の慣性力は、次式で与えられる。
0004943601.tif 000092
項T2*は、（８５）から得ることができる。しかし、各瞬間における慣性モーメントがｘｙｚ座標系に平行で原点が物体２の質量中心と一致する座標系を用いて表される必要があることにここで注意することは重要である。しかし、物体２の慣性モーメントの項は、原点が質量中心に位置するｓｔ座標系に平行な座標系を用いて与えられていた。ｓｔ座標系は、ｚ軸に関して−θ1の角度だけ回転することによりｘｙ座標系と平行に持ってくることができる。ｓｔ座標系から点をｘｙ座標系へ変換する回転マトリックスは、xsytRと呼ばれ、次式で表すことができる。
0004943601.tif 000093
このマトリックスは、ｓｔ座標系による慣性テンソルすなわちIstzをｘｙ座標系による慣性テンソルすなわちIxyzに以下の関係式に従って変換するのに使用することができる。
0004943601.tif 000094
このマトリックス積を展開すると、次式が得られる。
Ｉxx＝Ｉssｃｏｓ2θ1＋Ｉttｓｉｎ2θ1−２ｓｉｎθ1ｃｏｓθ1Ｉst、（９０）
Ｉyy＝Ｉssｓｉｎ2θ1＋Ｉttｃｏｓ2θ1＋２ｓｉｎθ1ｃｏｓθ1Ｉst、（９１）
Ｉxy＝（−Ｉtt＋Ｉss）ｓｉｎθ1ｃｏｓθ1＋Ｉst（ｃｏｓ2θ1−ｓｉｎ2θ1）、                    （９２）Ｉxz＝Ｉszｃｏｓθ1−Ｉtzｓｉｎθ1，                （９３）Ｉyz＝Ｉszｓｉｎθ1＋Ｉtzｃｏｓθ1.                 （９４）慣性モーメントの項ＩZZはそのままで変化しない。
最後に、（８７）を展開すると次式が得られることになる。
0004943601.tif 000095
【００３４】
Ｂ．３  物体３すなわちアームの一般化慣性力
前節の場合と同様に、ｕｖ座標系によって与えられる物体３（アーム１８）の慣性モーメントの項は、ｘｙ座標系を用いて求める必要がある。これは、前記と同様の方法で達成され、今度はｕｖ座標系をｚ軸に関して−（θ1＋θ2）の角度だけ回転することによりｘｙ座標系と平行に持ってくることができる。
一般化座標θ1に関する物体３の慣性力について解くことにより、次式が得られる。
0004943601.tif 000096
一般化座標θ2に関する物体３の慣性力は、次式で与えられる。
0004943601.tif 000097
ここで、aG3x及びaG3yは、（５１）及び（５２）で与えられる。
最後に、θ3に関する質量中心の部分角速度及び部分速度は共にゼロに等しいので、一般化座標θ3に関する物体３の慣性力はゼロに等しくなることになる。従って、
0004943601.tif 000098
【００３５】
Ｂ．４  物体４すなわちバケットの一般化慣性力
物体２及び物体３に対して使用されたのと同様な手順をここでも利用して、一般化座標系θ1、θ2、及び、θ3に関する物体４（バケット２０）の慣性力が得られる。この手順の結果は、ここで以下のように表される。
0004943601.tif 000099
0004943601.tif 000100
0004943601.tif 000101
これらの方程式において、項ｐM及びｑMは、ｐｑ座標系を用いて測定されたバケット２０及び負荷の質量中心の未知の位置を表している。項Ａ10からＡ15までは、（５８）及び（５９）によって定義される。最後に、物体４（バケット２０）の慣性モーメントは、ｐｑ座標系において未知であり、従って、ｘｙ座標系においても未知であることに注意することは重要である。
【００３６】
Ｃ．一般化作用力
一般化座標λに関する物体ｎの一般化作用力は、力の作用線上の点の部分線速度（一般化座標λに関する）上に投影された外力の各々の合計として得ることができる。例えば、もし物体ｎが各々点Ａ及び点Ｂを通過する２つの外力F1及びF2を受けていたのであれば、一般化座標λに関する物体ｎの一般化作用力は、次式で表すことができたであろう。
0004943601.tif 000102
ここで、ovnAλ及びovnBλは、一般化座標λに関する物体ｎの点Ａ及び点Ｂの部分線速度である。一般化座標θ1、θ2、及び、θ3に関する掘削機の物体１から物体４までの作用力は、これで測定されることになる。
【００３７】
Ｃ．１  物体１すなわち運転台の一般化作用力
一般化座標θ1、θ2、及び、θ3に関する物体１（運転台１４）の部分角速度及び部分線速度は、全てゼロである。このような理由から、一般化作用力もまたゼロに等しいことになる。従って、
Ｆ1θ1＝Ｆ1θ2＝Ｆ1θ3＝０．                （１０３）
【００３８】
Ｃ．２  物体２すなわちブームの一般化作用力
３つの外力が物体２（ブーム１６）に作用している。これらは、点Ｊ（点Ｇ2とも呼ばれる）を通過する物体２の重量、点Ａ及び点Ｂの間に加わるアクチュエータ力、及び、点Ｄ及び点Ｅの間に加わるアクチュエータ力である。従って、一般化座標θ1に関する物体２の一般化作用力は、次式で表すことができる。
0004943601.tif 000103
ここで、W2は物体２（ブーム１６）の重量であり、F2B及びF2Dはシリンダの力であり、そして、ov2G2θi、ov2Bθi、及び、ov2Dθiは、一般化座標θ1に関する点Ｇ2、Ｂ、及び、Ｄの部分速度である。一般化座標θ1に関する得られた一般化作用力は、ここで次式のように表される。
0004943601.tif 000104
ここで、ｇは重力の加速度である。一般化座標θ2及びθ3に関する物体２（ブーム１６）の部分速度スクリューはゼロに等しいので、これらの座標に関する物体２の一般化作用力もまたゼロに等しいことになる。従って、
Ｆ2θ2＝Ｆ2θ3＝０．                      （１０６）
【００３９】
Ｃ．３  物体３すなわちアームの一般化作用力
４つの外力が物体３（アーム１８）に作用している。これらは、点Ｋ（点Ｇ3とも呼ばれる）を通過する物体３の重量、点Ｄ及び点Ｅの間に加わるアクチュエータ力、点Ｆ及び点Ｈの間に加わるアクチュエータ力、及び、点Ｇ及び点Ｈの間のリンクに沿う力である。従って、一般化座標θ1に関する物体３（アーム１８）の一般化作用力は、次式で表すことができる。
0004943601.tif 000105
ここで、W3は物体３（アーム１８）の重量であり、F3E及びF3Fはシリンダ力であり、F3GはリンクＧＨに沿う力であり、そして、ov3G3θi、ov3Eθi、ov3Fθi、及び、ov3Gθiは、一般化座標θ1に関する点Ｇ3、Ｅ、Ｆ、及び、Ｇの部分速度である。一般化座標θ1及びθ2に関する得られた一般化作用力は、ここで次式のように表される。
0004943601.tif 000106
θ3に関する物体３の部分速度スクリューがゼロに等しいので、θ3に関する物体３の一般化作用力もまた０に等しいことになる。従って、
Ｆ3θ3＝０．                          （１１０）
【００４０】
Ｃ．３  物体４すなわちバケットの一般化作用力
２つの外力が物体４（バケット２０）に作用している。これらは、点Ｍ（点Ｇ4とも呼ばれる）を通過する物体４の重量、及び、点Ｈ及び点Ｉの間のリンクに沿う力である。従って、一般化座標θ1に関する物体４の一般化作用力は、次式で表すことができる。
0004943601.tif 000107
ここで、W4は物体４の重量であり、F31はリンクＨＩに沿う力であり、そして、ov4G4θi及びov4Iθiは、一般化座標θ1に関する点Ｇ4及び点Ｉの部分速度である。一般化座標θ1、θ2、及び、θ3に関する得られた一般化作用力は、ここで次式のように表される。
Ｆ4θ1＝Ｍ4ｇ［（ｐMｓ1+2+3＋ｑMｃ1+2+3＋ａ23ｓ1+2＋ａ12ｓ1）ｓｉｎξｃｏｓψ−（ｐMｃ1+2+3−ｑMｓ1+2+3＋ａ23ｃ1+2＋ａ12ｃ1）ｃｏｓξ］＋ＦHI［−ｙIｕHIx＋（ｘI−ｘO）ｕHIy］、(１１２)
Ｆ4θ2＝Ｆ4θ1−Ｍ4ｇ［ａ12ｓ1ｓｉｎξｃｏｓψ−ａ12ｃ1ｃｏｓξ］
＋ＦHI（ａ12ｓ1ｕHIx−ａ12ｃ1ｕHIy）                      （１１３）
Ｆ4θ3＝Ｆ4θ2−Ｍ4ｇ［ａ23ｓ1+2ｓｉｎξｃｏｓψ−ａ23ｃ1+2ｃｏｓξ］
＋ＦHI（ａ23ｓ1+2ｕHIx−ａ23ｃ1+2ｕHIy）．                （１１４）
として表される。
【００４１】
Ｄ．運動方程式の定式化
方程式（７３）から（７６）までは、掘削機アームの運動方程式を表した。これらの方程式の１番目は、バケット２０に関する多くの未知の慣性モーメント項を包含するので使用しないことになる。残る３つの方程式は、ゼロ値をとる一般化慣性力及び作用力を代入した後、次のように表すことができる。
0004943601.tif 000108
0004943601.tif 000109
0004943601.tif 000110
方程式（１１５）から（１１７）までをバケット２０の重量について解くために、（１１５）から（１１６）を引き、（１１６）から（１１７）を引く形を作ってバケット２０及び負荷の未知の慣性項、すなわちI4xx、I4xy、I4xz、I4yy 、I4yz及び、I4zzを消去することになり、次式を得る。
0004943601.tif 000111
0004943601.tif 000112
問題のこの大きな単純化なしでは、実行可能な解法は不可能に思われ、単純化が本質的に発生するのは、第２、第３、及び、第４の結合軸線が全て平行であるからである。これは、最初には明らかでなかったことである。
【００４２】
（１０５）、（９５）、（１０９）、（１１３）、（９７）、及び、（１００）を使用して（１１８）を展開し、（１０９）、（１０８）、（９７）、（９６）、及び、（１００）を使用して（１１９）を展開すると、３つの未知のパラメータＭ4、ｐM、及び、ｑMに関する次の２つの方程式が得られる。
Ｂ1Ｍ4＋Ｄ1Ｍ4ｐM＋Ｅ1Ｍ4ｑM＋Ｆ1＝０、          （１２０）
Ｂ2Ｍ4＋Ｄ2Ｍ4ｐM＋Ｅ2Ｍ4ｑM＋Ｆ2＝０．          （１２１）
ここで、（５８）から（６０）まで、及び、（３３）を係数に代入すると次式が得られる。
0004943601.tif 000113
0004943601.tif 000114
0004943601.tif 000115
0004943601.tif 000116
0004943601.tif 000117
0004943601.tif 000118
0004943601.tif 000119
0004943601.tif 000120
【００４３】
Ｅ．多重データセットからのバケット及び負荷の重量測定
（１２０）及び（１２１）全体をＭ4で割ることにより次式が得られる。
0004943601.tif 000121
0004943601.tif 000122
ｑMを消去して次式が得られる。
0004943601.tif 000123
ここで、
Ｈi＝Ｄ2Ｅ1−Ｄ1Ｅ2、  Ｊi＝Ｆ2Ｅ1−Ｆ1Ｅ2、
Ｋi＝Ｂ2Ｅ1−Ｂ1Ｅ2．                            （１２６）添字ｉを使用して多重データセット、すなわち各瞬間に集められたデータを表す。
方程式（１２５）は、次式のようにマトリックス形式で表してもよい。
A x =b ,                                        （１２７）
ここで、Aはｎ×２マトリックス、xは長さ２のベクトル、及び、bは長さｎのベクトルであり、以下の式で与えられる。
0004943601.tif 000124
【００４４】
マトリックスA、及び、ベクトルbは共に既知であり、最小二乗法を使用して長さｎの残差ベクトルrの成分の二乗の合計が最小になるように、xoptと呼ぶxに対する解を求めることになる。ここで、rは次式で定義される。
ｒ＝ｂ−Ａｘopt.          （１２９）
解は、次式で与えられる。
ｘopt＝（ＡTＡ）-1ＡTｂ.    （１３０）
0004943601.tif 000125
【００４５】
図１に戻って参照すると、掘削機１０は、通常、いくつかの装置を使用して上記で検討した適切な測定を行う。本発明の１つの実施形態において、第１の感知装置５０は、ブーム１６と結合し得る。第１の感知装置５０は、掘削機１０のブーム角θ1の関数としてブーム角信号を発信する。第１の感知装置５０は、回転位置センサ又はシリンダ伸張センサなど、当業者に公知である様々な適切な装置のどれであってもよい。
【００４６】
第２の感知装置５２は、アーム１８と結合し得る。第２の感知装置５２は、掘削機１０のアーム角θ2の関数としてアーム角信号を発信する。第２の感知装置５２もまた、回転位置センサ又はシリンダ伸張センサなど、当業者に公知である様々な適切な装置のどれであってもよい。
第３の感知装置５４は、バケット２０と結合し得る。第３の感知装置５４は、掘削機１０のバケット角θ3の関数としてバケット角信号を発信する。ここでもまた、第３の感知装置５４は、回転位置センサ又はシリンダ伸張センサなど、当業者に公知である様々な適切な装置のどれであってもよい。
【００４７】
第４の感知装置５６は、運転台１４をブーム１６に結合する油圧シリンダ２２に結合し得る。第４の感知装置５６は、油圧シリンダ２２に作用する第１の力の関数として第１のアクチュエータ力信号を発信する。第１の力は、通常、ブーム１６、アーム１８、及び、バケット２０、更にもしあればそのペイロードのほか、掘削機１０が平坦でない地面上にある場合の運転台１４の重量及び運動による正味の力である。
【００４８】
本発明の１つの実施形態において、第４の感知装置５６は、それぞれの感知圧力の関数としてそれぞれの圧力信号を発信する２つの圧力センサ５８及び６０を含む。圧力センサ５８及び６０の一方は、油圧シリンダ２２のロッド側に結合され、他方はヘッド側に結合される。油圧シリンダ２２のこれらの側の各圧力を求めることにより、正味の力の正確な測定が当業者に公知の方法によって為され得る。本発明の別の実施形態においては、たった１つのセンサが使用されてもよいが、通常、油圧シリンダ２２上の正味の力に対する精度の落ちる測定をもたらすことになる。
【００４９】
本発明の１つの実施形態において、第４の感知装置５６はまた、圧力センサ５８及び６０からそれぞれの圧力信号を受信して圧力信号の関数として第１のアクチュエータ力信号を発信するセンサ処理回路６１を含んでもよい。別の実施形態において、センサ処理回路６１は、下記で検討する処理装置７８に含まれてもよい。
第５の感知装置６２は、ブーム１６とアーム１８とを結合する油圧シリンダ２４に結合し得る。第５の感知装置６２は、第２のアクチュエータ力信号を油圧シリンダ２４に作用する第２の力の関数として発信する。第２の力は、通常、アーム１８及びバケット２０、更にもしあればそのペイロードのほか、掘削機１０が平坦でない地面上にある場合の運転台１４の重量及び運動による正味の力である。
【００５０】
本発明の１つの実施形態において、第５の感知装置６２は、それぞれの感知圧力の関数としてそれぞれの圧力信号を発信する２つの圧力センサ６４及び６６を含む。圧力センサ６４及び６６の一方は、油圧シリンダ２４のロッド側に結合され、他方はヘッド側に結合される。油圧シリンダ２４のこれらの側の各圧力を求めることにより、正味の力の正確な測定が当業者に公知の方法によって為され得る。本発明の別の実施形態においては、たった１つのセンサが使用されてもよいが、通常、油圧シリンダ２４上の正味の力に対する精度の落ちる測定をもたらすことになる。
【００５１】
本発明の１つの実施形態において、第５の感知装置６２はまた、上記のセンサ処理回路６１と類似のセンサ処理回路６７を含んでもよく、その説明は簡略のため繰り返さない。
第６の感知装置６８は、アーム１８とバケット２０とを結合する油圧シリンダ２６に結合し得る。第６の感知装置６８は、第３のアクチュエータ力信号を油圧シリンダ２６に作用する第３の力の関数として発信する。第３の力は、通常、バケット２０、及び、もしあればそのペイロードのほか、掘削機１０が平坦でない地面上にある場合の運転台１４の重量及び運動による正味の力である。
【００５２】
本発明の１つの実施形態において、第６の感知装置６８は、それぞれの感知圧力の関数としてそれぞれの圧力信号を発信する２つの圧力センサ７０及び７２を含む。圧力センサ７０及び７２の一方は、油圧シリンダ２６のロッド側に結合され、他方はヘッド側に結合される。油圧シリンダ２６のこれらの側の各圧力を求めることにより、正味の力の正確な測定が当業者に公知の方法によって為され得る。本発明の別の実施形態においては、たった１つのセンサが使用されてもよいが、通常、油圧シリンダ２６上の正味の力に対する精度の落ちる測定をもたらすことになる。
本発明の１つの実施形態において、第６の感知装置６８はまた、上記のセンサ処理回路６１と類似のセンサ処理回路７３を含んでもよく、その説明は簡略のため繰り返さない。
【００５３】
上記の検討においては油圧シリンダ２２、２４、及び、２６を使用してブーム１６、アーム１８、及び、バケット２０を作動するが、当業者に公知の他の種類のアクチュエータもまた使用することができるであろう。例えば、電気式、又は、空気式を含む油圧式モータなどの様々なモータとそれらに対する軸継手とを使用することができるであろう。更に、例えば圧力センサの代わりにトルクセンサを使用するなど、当業者に公知の適切な変更を一般に次に為すことができるであろう。
【００５４】
本発明の１つの実施形態において、第７の感知装置７４は、シャーシ１２又は運転台１４のいずれかに結合されてもよい。第７の感知装置７４は、掘削機の傾斜角ξの関数として傾斜角信号を発信する。
本発明の１つの実施形態において、第８の感知装置７６は、運転台１４に結合されてもよい。第８の感知装置は、例えばシャーシ１２に対する運転台１４の位置などの掘削機のヨー角の関数としてヨー角信号を発信する。
【００５５】
処理装置７８は、感知装置５０、５２、５４、５６、６２、６８、７４，及び、７６に結合され、それらの各信号を受信する。処理装置は、第１から第６までの感知装置５０、５２、５４、５６、６２、及び、６８から少なくとも２つの時点で信号を受信し、上記で説明した方法を使用して、受信信号と掘削機１０の所定の物理的特性との関数としてバケット２０とその中の任意のペイロードとの質量又は重量を求める。
【００５６】
本発明の１つの実施形態において、処理装置７８は、バケット及びペイロードの測定質量及び重量からバケット（負荷なし）の既知質量及び重量を減算するなどによりペイロード単独の質量を求める。処理装置はまた、質量に重力加速度を乗算するなどによりペイロードの重量を測定してもよい。
本発明の１つの実施形態において、傾斜角、及び／又は、ヨー角が必要ない場合があり、本発明のそれらに関する部分が除かれるか無視されてもよい。例えば掘削機１０が実質的に平坦な地面にある場合、傾斜角は無視し得る。関節部がヨー角を持たないような方法で結合される作業機械にすることもまた可能である。この場合、明らかにヨー角部分は無視し得る。
【００５７】
本発明の別の実施形態において、ホイールローダなどの自由度のより少ない作業機械は、バケットの質量及び重量を求めるのに上記の技術を使用してもよい。同様に、他の結合アームに対して相対速度ゼロである１つ又はそれ以上の結合アームを有する掘削機１０はまた、上記の技術を使用してもよい。これらの場合、静止又は存在しない結合アームに関する適当な変数は、ゼロにするか又は無視してもよく、これらの項にデータを供給する適当なセンサは、それらが例えば位置などの他の項にとって必要なければ除外してもよい。
【００５８】
例えば、バケット２０がアーム１８に対して静止している時、バケット２０及びペイロードの質量及び重量を求めることが必要な場合がある。すなわち、バケット２０に対するいかなる相対速度又は相対加速度の項もゼロにするか又は無視してよく、方程式が簡単になる。本発明の１つの実施形態において、バケット２０に対する相対速度及び相対加速度の項を供給するセンサ５４などの装置は、他の装置や方法が利用できない限り、バケット２０の位置を求めるのにやはり必要であろう。
【００５９】
上記のバケット２０及びペイロードの質量及び重量の測定は、例えば静的又は動的のいずれかの場合である、ブーム１６、アーム１８、及び、バケット２０のうちの１つ又は全てが運動している間に為されるか、又は、それらが静止している間に為されてもよい。更に、バケット２０及びペイロードの質量及び重量の測定は、掘削機のアームが所定の位置にあることには関係しない。すなわち、バケット２０及びペイロードの質量及び重量の測定が為される一方で、通常の経路に沿って掘削及びダンプするなど、掘削機１０は通常に作動し得る。
【００６０】
更に、本発明の１つの実施形態において、バケット２０及びペイロードの質量及び重量の測定は解析的であり、例えば非経験的である。既知の負荷を使用して力や角度を測定し、次に、未知の負荷を用いて曲線の当てはめを行うなどの掘削機１０の較正を実行する必要はない。
更に、上記の方法は、本質的にトルクを使用してバケット２０及びペイロードの質量及び重量の測定を行っている。すなわち、アクチュエータに関する結合点が異なるか変更された場合、上記で検討した方程式の他の部分を変更することなく、基本的なトルク方程式のわずかな修正が為されることが可能であろう。
最後に、本発明の１つの実施形態において、バケット及び負荷の質量は、バケット及び負荷の慣性特性のいかなる知識も用いることなく計算し得る。
【００６１】
図７は、本発明の１つの実施形態による掘削機１０のバケット２０及びペイロードの質量を求めるアルゴリズム９０の流れ図である。ブロック９２で掘削機１０の所定の物理的特性がメモリのデータセットにアクセスするなどして決められる。
アルゴリズムのブロック９４は、実際には適切な数のデータサンプル（１を超える）が読み取られることを確実にするカウンタやポインタである。ブロック９６で例えば掘削機アームに作用する上記の位置及び力などのデータサンプルが読み取られる。
ブロック９８において、データは、当業者に公知の方法により適切な状態に調整される、及び／又は、フィルタにかけられる。適切な場合には、このブロックは除外してもよい。
【００６２】
ブロック１００でデータが記憶される。データサンプルが更に必要であるか又は希望される場合、制御は、ブロック９４又はブロック９６に分岐してもよい。
ブロック１０２において、運転台１４、ブーム１６、アーム１８、及び、バケット２０の角速度及び角加速度は、適切であれば、上記でサンプリングされた位置の関数として決められる。
ブロック１０４において、バケットペイロードの質量及び重量が上記の通り決められる。
ブロック１０６において、バケットペイロードの質量や重量は、表示装置（図示しない）又は所定の時間に亘ってバケットペイロードの全質量や全重量の記録を保つアナログ加算器（図示しない）などの装置に出力される。
【００６３】
上記でアルゴリズム９０の１つの流れ図を検討したが、様々な同等な流れ図もまた使用可能であろう。例えば、ブロック９４をブロック１００の次にくるように移動させて、ブロック１００が常に制御をブロック９４に渡すようにすることもできる。ブロック９４において、ｎ個のサンプルが読み取られた場合、制御はブロック１０２に渡されるであろう。そうでない場合、制御はブロック９６に分岐することになる。
【００６４】
産業上の利用可能性
本発明は、掘削機１０の操作員によりバケット２０のペイロードの重量を求めるのに使用されてもよい。操作員は、通常の掘削経路を使用してバケット２０に積載する。バケットがトラック上方などのその積み降ろし地点に向かって旋回される時、ペイロードの重量が測定され、目に見えるように表示されてもよい。操作員は、掘削機アームの運動を止める必要はなく、それが所定の形態や位置に入るようにする必要もない。
本明細書において例証的な目的のために本発明の特定な実施形態が説明されたが、本発明の精神又は範囲を逸脱することなく様々な変更を為し得ることが以上の説明から理解されるであろう。従って、本発明は、添付請求項以外によっては制限されていない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１つの実施形態による作業機械の表象的側面図である。
【図２】固定基準座標系と、本発明の１つの実施形態に従って運転台に取り付けられた付加的座標系とを示す図である。
【図３】本発明の１つの実施形態に従って、運転台に取り付けられたｘｙ座標系と、ブーム、アーム、及び、バケットに取り付けられた付加的座標系とを示す図である。
【図４】本発明の１つの実施形態によるキャタピラー３２５型掘削機に対する定数機構パラメータを列挙した表である。
【図５】本発明の１つの実施形態による連続チェーンを示す図である。
【図６】本発明の１つの実施形態に従って、連続チェーンのリンクｉと、それに作用する力及びトルクとを示す図である。
【図７】本発明の１つの実施形態に従って、掘削機のバケット及びペイロードの質量を求めるアルゴリズムに関する流れ図である。
【符号の説明】
１０  掘削機
１２  シャーシ
１４  運転台
１６  ブーム
１８  アーム
２０  バケット
２２、２４、２６  油圧シリンダ
５０  第１の感知装置
５２  第２の感知装置
５４  第３の感知装置
５６  第４の感知装置
５８、６０、６４、６６、７０、７２  圧力センサ
６１、６７、７３  センサ処理回路
６２  第５の感知装置
６８  第６の感知装置
７４  第７の感知装置
７６  第８の感知装置
７８  処理装置
【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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