(57)【要約】      （修正有）【課題】建設機械の安定性を監視するためのシステムおよび方法を提供する。【解決手段】ジャイロスコープが、垂直軸に対する建設機械１０の傾き角を検出し、その傾き角を示す信号を発生させる。ジャイロスコープと操作可能に通信するプロセッサが、傾き角を受け取り、傾き角が所定の閾値を超えたときに警告信号を発生させる。プロセッサと操作可能に通信するアラーム装置４０が、傾き角が所定の閾値を超えたとき、建設機械の使用者に示すためにアラームを発生させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
建設機械（１０）のための安定性監視システムであって、
垂直軸（１０２）に対する前記建設機械（１０）の傾斜角（１００）を検出するように構成されたジャイロスコープ（４２）と、
前記ジャイロスコープ（４２）と作動可能に通信するプロセッサ（５０）であって、前記傾斜角を受け取り、前記傾斜角（１００）が所定の閾値を超えたときに、警告信号を発生させるように構成されたプロセッサ（５０）と、
前記プロセッサ（５０）と作動可能に通信するアラーム装置（４０）であって、前記傾斜角（１００）が所定の前記閾値を超えたときに、前記建設機械（１０）の使用者に知らせるために、アラームを発生させるアラーム装置（４０）と、
を備えるシステム。
【請求項２】
請求項１に記載のシステムであって、前記傾斜角（１００）は、前記垂直軸（１０２）と水平軸とにより画定される面内にあり、前記システムはさらに、前記プロセッサ（５０）と作動可能に通信する第２のジャイロスコープ（４４）を有し、前記第２のジャイロスコープ（４４）は、前記垂直軸に対する前記建設機械（１０）の第２の傾斜角（１０６）を検出するように構成され且つ前記第２の傾斜角（１０６）示す第２の傾斜信号を発生させ、前記プロセッサ（５０）は、さらに、前記第２の傾斜信号を受け取り、前記第２の傾斜角（１０６）が第２の所定の閾値を超えたときに、警告信号を発生させるように構成される、システム。
【請求項３】
建設機械（１０）を操作する方法であって、
前記建設機械（１０）のフレーム（１２）の傾斜角（１００）を検出するステップと、
前記傾斜角（１００）を示す傾斜信号を発生させるステップと、
前記傾斜角（１００）が所定の閾値を超えたときに、前記傾斜信号に基づいて警告信号を発生させるステップと、
を有する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概ね、クレーンなどの建設機械に関し、特に、建設機械の安定性を監視する装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
クレーン、バックホー、掘削機などの現代の建設機械は、しばしば、操作者の安定性を維持するための技能や経験に依存する。典型的には、機械そのものには、特定の荷重が持ち上げられまたは荷重が機械の一方の側から他方の側へ移動するときに（たとえば、機械の正面から機械の側部へ）、機械の安定性を維持することが可能であるかどうかを決定するための内蔵システムを持たない。しばしば、経験のある操作者は、予定している荷重を数インチ地面から持ち上げ、建設機械が傾むかどうかを確認する。このような操作者が過度の重量を感じたならば、操作者は、しばしば、機械が安全に持ち上げられるように予定の荷重を減少させる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従って、建設機械が不安定になったら操作者に警告するために、建設機械の安定性を監視するための方法およびシステムを提供することが望ましい。さらに、本発明の他の望ましい特徴や特性は、添付の図面および本発明の背景を考慮するとともに、本発明の以下の詳細な説明および添付の特許請求の範囲から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
建設機械のための安定性監視システムが提供される。この安定性監視システムは、垂直軸に対する建設機械の傾斜角を検出するように構成されたジャイロスコープと、ジャイロスコープに作動可能に通信するプロセッサであって、傾斜角を受け取り、傾斜角が所定の閾値を超えたときに、警告信号を発生させるように構成されたプロセッサと、プロセッサと作動可能に通信するアラーム装置であって、傾斜角が所定の閾値を超えたときに、建設機械の使用者に知らせるために、アラームを発生させるアラーム装置と、を備える。
【０００５】
建設機械が提供される。この建設機械は、フレーム、およびフレームに結合されたジャイロスコープを有し、このジャイロスコープは、実質的に垂直な軸に対するフレームの傾き角度を検出し、かつ、この傾き角度を示す傾斜信号を発生させるように構成され、建設機械はさらに、フレームに結合されかつジャイロスコープに動作可能に通信するプロセッサを備え、このプロセッサは、傾斜信号を受けとり、傾斜角度が所定の閾値を超えたときに警告信号を発生させるように構成される。
【０００６】
建設機械の操作方法が提供される。建設機械のフレームの傾斜角度が検出される。傾斜角度を示す傾斜信号が発生される。傾斜角度が所定の閾値を超えたときに、傾斜信号に基づいて警告信号が発生される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明は、以下、添付図面とともに説明される。添付図面において、同様の符号は同様の要素を示す。
以下の詳細な説明は、本質的に単なる例示であり、本発明を限定することを意図するものではなく、また、本発明の応用および使用を限定することを意図するものではない。さらに、前述の技術分野、背景技術、解決手段または以下の詳細な説明において明示的または黙示的に示されるいかなる理論によって限定する意図は全くない。ここに示される特定の実施形態は、本発明およびその最良の実施形態の説明であり、いかなる意味でも本願発明を限定するものではないことを理解されたい。また、図１−８は、単なる説明であり、寸法どおりに描かれていないことを理解されたい。さらに、様々な実施形態によるいくつかの図において、部品の相対的な配置を明らかにするために、ｘ、ｙ、ｚ軸または方向を含む、デカルト座標系が示される。しかし、この座標系は、本発明の様々な側面を説明するのを助けることを意図するものであり、限定的に解釈されるべきものではない。
【０００８】
図１−８は、クレーンのような建設機械の安定性を監視するためのシステムおよび方法を示している。実質的に垂直な軸に対する建設機械のフレームの傾き角度を検出するように構成されたジャイロスコープが提供される。ジャイロスコープと操作可能に通信するプロセッサが、ジャイロスコープからの信号を受け取り、また、傾き角度が所定値を超えたら警告信号を生成するように構成される。プロセッサと操作可能に通信するアラーム装置が、傾き角度が所定値を超えたことを建設機械の使用者に示すアラームを生成するように構成される。このアラームは視覚的、音響的なアラームでもよく、あるいは、建設機械の持ち上げ機構の操作を中断させるものでもよい。
【０００９】
図１は、本発明の一実施形態による建設機械１０を示すブロック図であり、図２は、より詳細な、図示の建設機械の側面図である。建設装置１０は移動クレーンであり、移動クレーンは、フレーム１２、移動システム１４、持ち上げシステム１６、運転台１８、安定性監視システム２０、および電子制御システム２２を含む。図示の実施形態において、移動システム１２は、一般に知られているように、フレーム１２の底部付近でフレーム１２に結合される一連のキャタピラを備える。持ち上げシステム１６は、持ち上げ機構２４および駆動システム２６を備える。特に図２を参照すると、持ち上げ機構２４は、複数のフック３０を備える張出し棒２８を含み、駆動システム２６は、ケーブル３４を介して張出し棒２８およびフック３０に結合され、張出し棒２８およびフック３０を上げ下げするための複数のウィンチ３２を含む。また、図２を参照すると、張出し棒２８およびウィンチ３２は、上部すなわちタレット３６に接続される。タレット３６は、回転ベアリング３８を介して移動システム１４に結合されており、また運転台１８を収容する。詳細には図示しないが、運転台１８は、建設機械１０の操作制御をするために使用者が専有するのに適した区画である。ここで、使用者は、様々なユーザー入力機構（図示せず）を用いて、建設機械を操作制御する。また、運転台１８は、以下でより詳細に説明される指示パネル４０（図１）を備える。指示パネルは安定性監視システム２０の一部とみることもできる。
【００１０】
図３は、安定性監視システム２０をより詳細に示している。このシステム２０は、第１のジャイロスコープ４２、第２のジャイロスコープ４４、重力センサ４６、センサ電子機器４８、マイクロコントローラシステム５０、電源５２、電池５４、主電源インターフェース５６、および指示パネル４０を含む。各ジャイロスコープ４２および４６は、実質的に垂直方向における建設機械１０の傾き（または回転）を検出するように構成される。より詳細には、図２および３を参照し、第１のジャイロスコープ４２は、図２に示されるｘ軸に沿う方向における建設機械１０の傾き（すなわちｙ軸を中心とする傾き、またはｘ軸およびｚ軸に画定される面内での傾き）を検出するように構成される。第２のジャイロスコープ４４は、図２に示されるｙ軸に沿う方向における建設機械１０の傾き（すなわち、ｘ軸を中心とする傾き、またはｙ軸およびｚ軸により画定される面内での傾き）を検出するように構成される。
【００１１】
図４は、第１のジャイロスコープ４２（および／または第２のジャイロスコープ４４）をより詳細に示している。一実施形態において、第１のジャイロスコープ４２は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ジャイロスコープである。図４は、チューニングフォークジャイロスコープとしてＭＥＭＳジャイロスコープ４２を示しているが、角速度検知ジャイロスコープのような、コリオリ加速を用いる他のＭＥＭＳ振動性ジャイロスコープを用いることもできる。ＭＥＭＳジャイロスコープ４２は、基板５８上に形成することができ、校正おもり６０および６２、複数（たとえば８個）の支持梁６４、交差梁６６および６８、モータ駆動櫛７０および７２、モータピックオフ櫛７４および７６、感知プレート７８および８０、およびアンカー８２および８４を含むことができる。
【００１２】
校正おもり６０および６２は、ＭＥＭＳジャイロスコープシステムの使用に好適な任意のおもりでよい。好ましい実施形態として、校正おもり６０および６２はシリコンプレートである。また、微小加工技術に適合する他の材料を用いることもできる。図４では、２つの校正おもりを示したが、他の数の校正おもりを用いてもよい。校正おもり６０および６２は、実質的に、それぞれ、モータ駆動櫛７０および７２とモータピックオフ櫛７４および７６との間に位置する。校正おもり６０および６２は、モータ駆動櫛７０および７２並びにモータピックオフ櫛７４および７６に向かって延びる複数（たとえば１０個）の櫛状電極を備える。一実施形態において、校正おもり６０および６２は、感知プレート７８および８０上に支持梁６４により支持される。
【００１３】
支持梁６４は、シリコンウェハから微小加工することができ、また、校正おもり６０および６２が駆動プレート（ｘ軸）および感知プレート（ｚ軸）内で移動することを可能にするようなばねとして機能することができる。支持梁６４は交差梁６６および６８に接続される。交差梁６６および６８は、アンカー８２および８４に接続され、アンカー８２および８４は基板５８に接続されるので、交差梁６６および６８はＭＥＭＳジャイロスコープ４２の支持を提供する。
【００１４】
モータ駆動櫛７０および７２は、校正おもり６０および６２に向かって延びる複数の櫛状電極を備える。モータ駆動櫛７０および７２上の電極の数は、校正おもり６０および６２上の電極の数により決定することができる。
【００１５】
校正おもり６０および６２の櫛状電極とモータ駆動櫛７０および７２とは、共同でコンデンサを形成することができる。モータ駆動櫛７０および７２は、駆動電子機器（図４には示されない）に接続され、駆動電子機器は、電極により形成されたコンデンサを用いて駆動面（ｘ軸）に沿って校正おもり６０および６２を振動させる。
【００１６】
モータピックオフ櫛７４および７６は、校正おもり６０および６２に向かって延びる複数の櫛状電極を含む。モータピックオフ櫛７４および７６の電極の数は、校正おもり６０および６２上の電極の数により決定することができる。校正おもり６０および６２の櫛状電極とモータピックオフ櫛７４および７６の櫛状電極とは、共同でコンデンサを形成し、これによりＭＥＭＳジャイロスコープ４２が駆動面（ｘ軸）での運動を感知することができる。
【００１７】
感知プレート７８および８０は、校正おもり６０および６２とともに平行なコンデンサを形成することができる。ＭＥＭＳジャイロスコープ４２にｙ軸を中心とする角速度が入力されたら、校正おもり６０および６２はｘ軸に沿って振動し、平行コンデンサによりｚ軸での変位または運動としてコリオリ力が検出される。ＭＥＭＳジャイロスコープ４２の出力は、容量の変化に比例する信号となり得る。感知バイアス電圧が感知プレート７８および８０に付与されているなら、この信号は電流である。感知プレート７８および８０は、感知電子機器に接続され、感知電子機器は、校正おもり６０および６２が感知プレート７８および８０に向かっておよび／またはそこから離れるように運動することから、容量の変化を検出する。
【００１８】
再び図３を参照すると、第２のジャイロスコープ４４は第１のジャイロスコープ４２に類似するが、ｘ軸についての回転を検出するように配置されている。重力センサ４６は、従来から知られているように、建設機械に対する所定方向の重力の大きさを測定することにより、建設機械１０が実質的に水平向き（すなわち地面に平行）であるときに検出することができる装置である。重力センサ４６は、適当な電子機器とともにばねおよびおもり構成を含むことができ、これらは、建設機械１０が地面に平行であるときに、ばねが実質的に垂直に向くことからばねに相対的に最大の力が加わるように配置される。センサ電子機器４８は、センサ（すなわちジャイロスコープ４２および４４、重力センサ４６）およびマイクロコントローラ５０と作動的に通信可能であり、これらのセンサから信号を受け取るのに好適な回路構成を備え、これらのセンサとマイクロコントローラ５０との間のインターフェースとして機能する。
【００１９】
マイクロコントローラ５０は、多くの多用途マイクロプロセッサ８６（あるいは所定の用途に特化したプロセッサ）のうちの任意のものを備えることができ、マイクロプロセッサ８６は、プログラムの命令およびメモリ８８に応じて作動する。メモリ８８は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）および／またはリードオンリーメモリ（ＲＯＭ）を含むことができ、以下に説明するプロセスおよび方法を実行するための命令をメモリ（あるいは他のコンピュータ読取り可能な媒体）に備える。マイクロコントローラ５０は、プログラム可能なプロセッサに加えて、様々な他の回路を用いて実装することができる。たとえば、デジタル論理回路およびアナログ信号処理回路を用いることができる。マイクロコントローラ５０は、センサ電子機器４８、電源５２および指示パネル４０に作動的に通信可能である。
【００２０】
前述したように、指示パネル４０は運転台１８内に取り付けられ、視覚アラーム装置９０および音響アラーム装置９２を含む。一実施形態において、視覚アラーム装置９０は、建設機械の操作者がはっきりと視認できる光であり、音響アラーム装置９２はスピーカである。電源５２は、電池５４および／または建設機械１０の主電力バスに結合された主電力インターフェース５６から、図３に示される他の部品に電力を供給する。
【００２１】
再び図１を参照すると、電子制御システム２２は、運転台１８（図示しない）内のユーザー入力装置と同様に、移動システム１４、持ち上げシステム１６、および安定性監視システム２０と作動的に通信できる。図２に示されるマイクロコントローラ５０と同様に、電子制御システム２２は、１つまたはそれ以上のプロセッサおよび、以下に説明される建設機械１０の操作のための命令が格納されたメモリを備えることができる。
【００２２】
図２、５、６を参照すると、建設機械１０は、動作中、移動システム１４を利用して移動する。ある動作モードにおいて、建設機械は第１の縦軸９６に整合する持ち上げシステム２４とともに動く。第１の縦軸９６は、ｘ軸に平行であり且つ第２の縦軸９８（ｙ軸に平行な軸）に垂直である。張り出し棒２８および／またはフック３０は、ウィンチ３２により下げられ、フック３０が物体９４に結合される。ウィンチ３２は、張り出し棒２８および／またはフック３０を物体９４とともに持ち上げるために用いられる。
【００２３】
ウィンチ３２は物体９４を持ち上げるように駆動すると、建設機械１０は、しばしば、垂直軸１０２と建設機械１０の横軸１０４との間の測定される傾斜角度１００から傾くことがある。この垂直軸１０２は、重力に平行であり、横軸１０４は、図５および図６に示される縦軸９６および９８に垂直な方向を示す。すなわち、横軸１０４は、建設機械１０のフレームに対して垂直な軸である。
【００２４】
一実施形態において、安定性監視システム２０は、縦軸９６および９８（および／またはｘ軸およびｙ軸）の両方に沿う傾斜角１００を監視するために用いられる。図２とともに図５を参照すると、縦軸９６および９８のいずれかに沿う傾斜角１００が所定の閾値を超えると、アラームまたは警告が発され、操作者に建設機械１０が安定性を失い、建設機械が倒れる危険な角度に近づいていることを知らせる。なお、縦軸９６および９８のいずれかに沿う傾斜角１００が所定の閾値を超えるかどうかは、第１および第２のジャイロスコープ４２、４４および／またはマイクロコントローラ５０（図３）により決定される。一実施形態体において、アラームは、危険な角度より約２０％小さい角度において発される。
【００２５】
一実施形態において、アラームは、視覚アラーム装置９０により発される視覚アラームであるか、あるいは、音響アラーム装置９２により発される音響アラームである。他の実施形態において、アラームは、装置９０および９２により発される視覚アラームおよび音響アラームの組み合わせである。さらに、別の実施形態では、マイクロコントローラ５０からの「カットオフ」信号であり（あるいは他のアラームと組み合わせてもよい）、この信号は少なくとも部分的にあるいは一時的に持ち上げシステム１６を動作不能にする。カットオフ信号は、持ち上げシステム１６が下がることのみを許可するようにしてもよく、および／または使用者に差し迫った問題を知らせるために所定時間、持ち上げシステム１６を完全に使用不能にしてもよい。
【００２６】
再び図２、５、６、７を参照し、アラームが発される所定の傾斜角度は、第１の縦軸９６および第２の縦軸９８に沿って異なっていてもよい。たとえば、当業者は、第１の縦軸９６に沿う移動システム１４の「足跡」（または幅）が、第２の縦軸９８に沿うそれよりも大きいので、建設機械１０は、第１の縦軸９６に沿う方向の方が、第２の縦軸９８に沿う方向よりも安定性がある、と考えるであろう。それゆえ、持ち上げ機構２４が第２の縦軸９８に整合するようにタレット３６が調整されているときは、第２のより小さな傾斜角１０６がアラームを発生させる。なお、この第２のより小さな傾斜角１０６は、第２のジャイロスコープ４４（図３）により測定された垂直軸１０２と横軸１０４との間の角度である。つまり、一実施形態において、第２の縦軸９８に沿う安定性が減少するので、アラームを発生させるのに必要なｘ軸を中心とする傾き量あるいは回転量は、アラームを発生させるのに必要なｙ軸を中心とする回転よりも小さくなる。
【００２７】
上述の操作は、図３に示す安定性監視システム２０内の重力センサ４６の使用により補強することができる。重力センサ４６は、横軸１０４の垂直軸１０２に対する向きを調節するのに有効である。それにより、建設機械１０が平坦または水平でない地面にあるときに、傾き角を調整できる。たとえば図８に示されているように、単純に建設機械１０を十分に傾斜した地面に配置すると、傾斜角１０６が所定の閾値を超え、アラームが発生する。地面の傾斜がアラームを発させるのに十分出ない場合、物体９４の持ち上げによる追加の傾斜、がアラームを発生させる。これは図６に描かれている傾斜よりもかなり小さく、物体９４が、建設機械１０の「下り坂」に保持されている場合などが特にそうである。しかし、図示しないが、物体９４が建設機械の「登り坂」に保持されている場合、安定性監視装置２０は、重力センサ４６とともに、物体９４の持ち上げによる相当な傾斜を許容することができる。
【００２８】
上述のシステムの１つの利点は、建設機械が安定性を失ったときに、安定性監視システムが建設機械の操作者に警告を提供することである。他の利点は、少なくとも１つの実施形態において、ＭＥＭＳジャイロスコープが建設機械の傾斜角を測定するのに用いられるので、正確な測定ができる一方で安定性監視装置の製造コストを最小化できる。さらに、建設機械の主電気システムの最小限の構成により、建設機械が製造された後でも、安定性監視装置を建設機械に導入することができる。
【００２９】
他の実施形態では、安定性監視装置を、クレーン以外の固定および移動性の両方の建設機械に用いることができ、たとえば、空中作業台、アスファルト舗装機械、バックホー、ブームトラック、ブルドーザ、戦闘工兵車（ＣＥＶ）、小型掘削機、建設および採掘トラック、クレーン、救護車、浚渫機 、削岩機、掘削機、伐木機、フォークリフト、フレスノスクレーパ、フロントショベル、収穫機、流体力学作業機、ナックルブームローダー、モータ選別機、杭打機、配管工事機、ロードヘッダ、ロードローラ、ロータリチルタ、Ｓキッドステアローダ、スキッダ、スチームショベルストンパ、ステアスウィーパ、テレ巣子ピックハンドラ、トラクタ、トレンチャ、トンネル掘削機、地下採掘装置、ベンチュリ混合機、集材機などである。ＭＥＭＳジャイロスコープ以外の他の回転検出装置を用いてもよく、リングレーザージャイロスコープ、や干渉式光ファイバージャイロスコープ（ＩＦＯＧ）などを用いることができる。
【００３０】
上述のように、詳細な説明において少なくとも１つの実施形態を説明したが、数多くの変形形態が存在することに留意されたい。また、１つまたは複数の実施形態は、単なる例示に過ぎず、本発明の範囲、応用性、構成をいかなる意味でも限定することを意図するものではないことに留意されたい。むしろ、上述の詳細な説明は、当業者に、１つまたは複数の実施形態を実施するためのロードマップを提供するものである。要素の機能および配置は、添付の特許請求の範囲およびその法的均等物により特定される本発明の範囲から逸脱することなく変更することができることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の一実施形態による建設機械のブロック図である。
【図２】図１の建設機械の側面図である。
【図３】図１の建設機械内の安定性監視装置のブロック図である。
【図４】図３の安定性監視装置内のジャイロスコープの平面図である。
【図５】図２の建設機械の概略平面図である。
【図６】タレットが回転した後の、図２の建設機械の側面図である。
【図７】図６の建設機械の概略平面図である。
【図８】傾斜した地面に配置された図６の建設機械の側面図である。
【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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【外国語明細書】
2009137763000001.pdf