JPH093959A - 複数タンデム連結部材を有する油圧操作建設機械の制御 - Google Patents

複数タンデム連結部材を有する油圧操作建設機械の制御

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JPH093959A
JPH093959A JP8114066A JP11406696A JPH093959A JP H093959 A JPH093959 A JP H093959A JP 8114066 A JP8114066 A JP 8114066A JP 11406696 A JP11406696 A JP 11406696A JP H093959 A JPH093959 A JP H093959A
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arm
control
bucket
lever
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JP8114066A
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Timothy E Steenwyk
イー ステイーンウイツク テイモシイ
Eric J Walstra
ジエイ ワルストラ エリツク
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Abstract

(57)【要約】 複数のタンデム連結部材を有する油圧操作建設機械を制
御するための装置と方法であって、前記部材を所定の形
態で動作するために、部材の１つの動作が部材のもう１
つの部材の動作に反応して制御されるような方法で部材
の制御が行われる。部材は、他の部材の予想される将来
の動きに反応して制御される。例えば他の部材の予想さ
れる将来の動きは、他の部材の現在ポジションと速度
と、他の部材の動作のシステム遅延との関数として求め
られる。他の部材が手動油圧制御弁に結合した運転者の
制御レバーによって手動操作されるとき、予想される将
来の動きを制御レバーの作動モニタによって求めること
ができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】発明は概して油圧操作機械、
特に部材の内の１つの部材の所望の動作を行わせるため
に協働する複数タンデム連結部材を有する機械に関す
る。発明は、特に油圧掘削機のような油圧制御の建設装
置の使用に適合している。
【０００２】
【従来の技術】典型的な油圧制御の掘削機は、トラック
またはキャタピラユニットに枢着して装着された垂直回
転軸周囲を回転するボディまたはキャブと、キャブに枢
着して装着されたブームと、ブームの末端部に枢着して
装着されたスティックまたはアームと、アームの末端部
に枢着して装着されたバケットとを含む。キャブとブー
ムとの間に取り付けられた油圧シリンダはブームの枢着
運動を制御する。ブームとアームとの間の油圧シリンダ
はアームの枢着運動を制御し、アームとバケットとの間
の油圧シリンダはバケットの枢着運動を制御する。手動
制御の掘削機内には、バケットの切断エッジを所望の方
法で操作する目的で前記のすべてのシリンダを操作する
ために、操縦捍またはレバーのような運転者用の独立し
た制御メカニズムが備えられている。このような手動メ
カニズムの難点は、特に例えば地盤または下水管用の用
地をならすために地面下を掘削するとき、運転者にとっ
てバケット切断エッジを水平面に沿って動かすことが困
難なことである。このような難点を克服するために、バ
ケットの切断エッジが固定面に沿って動くように掘削機
に行わせるような自動制御システムを設けることによっ
て、運転者を補助することが既知である。このような１
つの制御方法は、１９８９年５月９日公布の油圧掘削機
制御のための装置と方法に関するエドワードＧ．ニール
センとティモティーＥ．スティーンワイクの米国特許第
４，８２９，４１８号に開示されており、この特許は本
出願に共通に組み込まれている。ニールセン等の特許に
おける制御方法では、回転レーザビーコンが利用され、
掘削機が掘削する建設地点に所望の傾斜で設置される。
レーザセンサは、掘削中にレーザビームが通過するよう
にスティックのような可動部材の１つに取り付けられ
る。制御パネル内に運転者が入力したレーザ面の高さに
関し所望の深さで、回転レーザ面に関してバケットの切
断エッジが所望の深さを維持するように、制御システム
によって制御される。このようなブームの動作を制御す
る制御システムによって、運転者はスティックおよび／
またはバケットの動作に対する制御を維持することがで
きる。ブームは、バケットとスティックの動作にもかか
わらずバケットの切断エッジを所望の深さに維持するよ
うな方法で制御される。運転者のスティックの動作に反
応して掘削機のブーム動作を自動的に制御する１つの難
点は、システムの実行命令に対する油圧システムの反応
遅延によって、あらゆる条件下でバケットの切断エッジ
を正確に所望の深さに維持することが制御システムにと
って困難になることである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】発明の目的は、建設機
械のあらゆる運転条件下で切断エッジの高さを所望の深
さに制御するために、部材を制御する油圧システムの特
性ならびに部材の動的運動を考慮しつつ、タンデム連結
部材を有する油圧掘削機のような油圧操作の建設機械を
制御するための方法と装置を提供することである。発明
によれば、部材の内の少なくとも１つの部材の予想され
る動きが求められる。予想される部材の将来の動きが、
部材の動作を制御するために利用される。
【０００４】
【課題を解決するための手段】発明のより詳細な観点に
よれば、油圧掘削機は、所望の切断深さのユーザ入力選
択を受信することによって制御される。バケット、アー
ムおよびブームの動きがモニタされる。ブームの予想さ
れるブーム目標ポジションが決定される。予想されるブ
ーム目標ポジションは、選択された所望の切断深さ、傾
斜とポジション、速度、各バケットとアームのシステム
遅延の関数として求められる。ブームは、予想されるブ
ーム目標ポジション方向に動くように制御される。
【０００５】ブームの制御は、ブーム誤差を求めるため
に予想されるブーム目標ポジション方向とブームポジシ
ョンとの比較によって行うことが好ましい。ブームは、
誤差の値、誤差の変化率および誤差の積分の関数として
動かされる。
【０００６】発明の他の観点によれば、アームの運転者
制御レバーはモニタされ、運転者がアームに動作命令を
行った事実が確認される。予想されるブーム目標ポジシ
ョンはこのような作動に反応して調整され、油圧遅延を
克服してブームとアームが協働するようにする。
【０００７】発明によって、油圧制御建設機械のために
特に反応の優れた制御が提供され、これによって運転者
は楽に機械を制御することができ、一方大きな過不足な
しに所望の深さと傾斜の掘削が提供される。この結果、
機械の性能に大きな影響を及ぼすことなく、異なった運
転者が用いる種々の掘削技術に対応することが可能にな
る。
【０００８】
【実施例】上記の目的および他の目的、利点および発明
の特徴を説明するために、次の実施例について図面を参
考にして記述する。
【０００９】掘削機２０のような油圧操作建設機械は、
一般に２２で示される複数のタンデム連結部材を含み、
これら部材は、レーザビーコン２８によって発生される
光の面２６と関係する面に沿って、切断エッジ２４のよ
うな１つの部材の部分を作動させるために協働する。光
と水平ポジション２６の面が水平であっても、掘削機２
０は水平面または傾斜上の面に対して掘削することがで
きる。このような掘削機の詳細は、１９８９年５月９日
公布の油圧掘削機制御のための装置と方法に関するエド
ワードＧ．ニールセンとティモティーＥ．スティーンワ
イクの米国特許第４，８２９，４１８号に開示されてお
り、この開示は本出願に参考として含まれている。掘削
機２０の詳細な操作はニールセン等に開示され、ここで
は繰り返さない。レーザセンサ、または部材２２の１つ
に取り付けられた受信器３０は、運転者が掘削機の動作
を制御するときレーザ面２６を時々通過すると述べてお
けば十分である。レーザセンサがレーザ面２６を通過す
るとき、正しい垂直高さと、切断エッジ２４の水平ポジ
ションとを確定するために、制御システムは常に較正さ
れる。制御システムは目標深さと目標傾斜に関するユー
ザの選択を受信し、手動制御部材の動作に関わらず、切
断エッジ２４を所望の深さに維持するために１つ以上の
タンデム連結部材２２の動作を制御する。特に、運転者
は手動油圧弁（図示せず）を制御し、これによってブー
ム３８に関してスティックまたはアームのポジションを
制御する油圧シリンダ３４への油圧液流が調整される。
エンコーダ４０は、ブーム３８に関するアーム３６の相
対的角度位置をモニタする。運転者は、アーム３６に関
してバケット４４を枢着するシリンダ４２を作動させる
追加手動制御弁（図示せず）を有している。バケットエ
ンコーダ４６は、アーム３６に関するバケットの相対的
角度位置をモニタする。ブーム３８の動作は、制御シス
テムの制御下にある油圧シリンダ４８によって制御され
る。ブームエンコーダ５０は、キャブ５２に関するブー
ムの相対的角度位置をモニタする。エンコーダ４０、４
６、５０はそれぞれの部材に作動接続されたロータリエ
ンコーダであることが可能であるか、またはニールセン
等’の４１８に開示されたようなそれぞれの部材を制御
する油圧シリンダ（３４、４２、４８）の延在長さに反
応する線形エンコーダであることが可能である。図示し
た実施例ではエンコーダ４０、４６、５０は、ドイツヘ
コン会社販売のモデル番号ＲＩ４１−０／３６００Ａ
Ｒ．１１ＫＢの市販の光学ロータリエンコーダである。
【００１０】運転中、アーム３６および／またはバケッ
ト３４を再配置するために運転者はシリンダ３４と４２
用の手動制御弁に結合された操縦捍を動かす。典型的な
動作は、切断エッジ２４を用いて掘削するためにバケッ
トをキャブ５２方向の平面に引きずることである。シリ
ンダ４８への油圧液流を制御しまたこれによってブーム
３８の動作を制御するために、制御システムはエンコー
ダ４０、４６、５０からの入力を含む種々の入力に反応
する。制御システムは、運転者が入力する目標深さと目
標傾斜とに切断エッジ２４の垂直深さを維持するような
方法でブームを動かす。かくして、アーム３６とバケッ
ト４４は運転者の操縦捍に反応して動く手動制御される
部材であり、またブーム３８はその動作がアームとバケ
ットの手動動作に反応する自動制御される部材であるこ
とが分かる。もちろんブーム３８とバケット４４が、自
動制御されるアーム３６付きの手動制御される部材であ
ることも可能であるが、このような構成は運転者にとっ
て直観的に認識される度合が低く、したがって好ましく
ない。
【００１１】このような掘削機制御のひとつの難しさ
は、図２を参考にして示される。曲線Ａによって示され
る信号は、アームに対する手動制御レバーまたは操縦捍
（図示せず）による運転者の操作に反応して、アーム３
６のような部材２２の１つに供給される油圧を示してい
る。曲線Ａから、制御シリンダ（３４、４２、４８）に
供給される油圧の急速な上昇がレバーの動きによって引
き起こされることが分かる。曲線Ｂは、曲線Ａによって
示される入力命令に反応する関連部材の動きを示してい
る。信号の比較によって、部材に対する運転者の動作命
令と実際の部材動作との間には１秒以下の遅延例えば３
５０ミリ秒の遅延があることが分かる。曲線Ｂに示した
関連部材の動作に比例して変化するエンコーダ（４０、
４６、５０）の出力のみに制御が反応するのであれば、
制御システムによって制御される部材のシリンダ（３
４、４２、４８）に供給される制御信号は、手動操作さ
れる部材のシリンダ（３４、４２、４８）に供給される
操作信号に、主要な分数単位秒以上遅れる可能性があ
る。このような遅延は、切断エッジ２４の不安定な動作
をもたらすおそれがある。さらに部材２２が動作を開始
すると、制御システムが切断エッジ２４を所望の深さに
維持しようとするので、部材の慣性ならびに油圧制御シ
ステムの操作における前記の遅延は、切断エッジ２４の
動作不安定をもたらすおそれがある。
【００１２】このような難点を克服する目的で、所望の
深さと他の関連パラメータのユーザ入力選択を受信する
ために、ならびに種々の情報（図３）に関する視覚的フ
ィードバックを運転者に提供するために、制御パネル５
４を含む革新的制御システム３２が提供される。さらに
スティック３６用の制御弁（図示せず）に関する運転者
動作をモニタするために、制御システム３２は一般に５
６で示されるモニタを含む。モニタ５６は、アームを内
部に動かす制御レバーの動作を示すパイロット圧力をモ
ニタする圧力変換器５８と、アームを外側に動かすよう
な方法で運転者が制御レバーを動かしたことを確認する
ためにモニタする圧力変換器６０とを含む。圧力変換器
５８と６０は類似装置であり、これら装置によって制御
レバーの操作量を示す出力が発生され、これによってア
ーム内の予想される動作の大きさが示される。しかし、
レバーが動かされたこと、またどの方向に動かされたか
について２進法表示のみを供給する変換器を使用するこ
とも可能であろう。モニタ５６は一対の圧力変換器とし
て図示されているが、運転者のレバー操作を確認するた
めに運転者によって操作されるレバーまたは操縦捍に電
位差計または符号化装置のような類似装置を直接取り付
けることも可能であろう。さらに制御システム３２は、
ブーム動作のためにパイロット圧力を加えるレバー（図
示せず）を運転者が動かしたときに出力を発生するブー
ム圧力スイッチ６２を含む。
【００１３】圧力スイッチ６２は、ブームシリンダ４８
を手動作動させるレバー（図示せず）の運転者操作をモ
ニタするために設けられる。ブーム用運転者レバーをモ
ニタする目的は、運転者がブームを手動で相当程度動か
そうとするとき、ブームに対する自動制御を取り外すよ
うに制御システム３２に実施させることである。これに
よって、ブーム動作を制御しようとする自動システムと
手動システム間の「闘争」が防止される。好適な実施例
では、ニールセン等の’４１８に開示されているよう
に、制御システム３２の不可欠な正確性を提供するため
にクリノメータ６４がキャブ５２に取り付けられる。
【００１４】さらに、シリンダ４８の動作に対して自動
制御を行うために制御システム３２は油圧弁６６を含
む。従来技術のように、シリンダ３４、４２、４８の動
作を行うために掘削機２０は約５，０００ｐｓｉの範囲
で作動する一次油圧制御システムを含み、また一次シス
テム内の制御部材を動作させるために用いられる制御レ
バーからユーザ手動入力を受信するために、５００ｐｓ
ｉのようなより低い圧力で作動するパイロットシステム
を含む。発明では電磁作動油圧弁６６が利用され、この
油圧弁は図１１のように平行バイパス構成内のマニホル
ド６７を通して掘削機の一次油圧システムの手動操作弁
６８と接続される。一次油圧制御システムレベルで制御
を行うことによって、自動制御システム３２が、パイロ
ットシステムの制御によって生じるかもしれない遅延を
除去することが発見されている。発明に従ってこのよう
な遅延を補整することが可能であったであろうが、この
ような遅延を除去することによって、より優れた制御が
可能であることが発見された。図示した実施例の油圧弁
６６は、ドイツボッシュ有限会社販売のモデル番号０８
１１−４０４−０８０である。
【００１５】図示した実施例では、自動制御システム３
２はニールセン等の’４１８に記述されているようなレ
ーザビーコン２８によって発生されるレーザ面２６か、
またはセットスイッチ６８を含む手動較正される制御シ
ステムに反応する。スイッチ６８を使用して制御システ
ム３２を較正するために、運転者は切断エッジ２４を所
望の掘削深さに置き、次にスイッチ６８を作動させる。
掘削機は、切断エッジの較正深さのレベルまたは傾斜面
まで掘り抜く。代替的に、下水管パイプ等を敷設するた
めに運転者は切断エッジ２４を以前に敷設された部分パ
イプの頂部に置き、スイッチ６８を作動させ、次に１２
インチ程度のオフセットを切断エッジ２４に入力するこ
とができるであろう。掘削機は、較正された切断エッジ
ポジションから入力値だけずれた面にまで掘り抜く。自
動／手動スイッチ７０によって、運転者は掘削機２０の
自動および手動操作の間でスイッチ操作することができ
る。掘削機の制御システムを較正しまたその部材の動作
をモニタするために利用されるいかなる技術について
も、発明の原理が利用可能であることを指摘する。
【００１６】タンデム連結部材２２の動作を予想するよ
うな方法で切断エッジ２４のポジションを制御するため
に、制御アルゴリズムが利用される（図４）。制御アル
ゴリズムは、モニタ５６で示されているように運転者の
アーム操縦捍の作用位置と方向をモニタし、エンコーダ
４０によって示されているようにアームの相対的な実際
ポジションをモニタし、エンコーダ４６によって示され
ているようにバケットの相対的な実際ポジションをモニ
タし、また制御パネル５４に入力された目標高さと傾斜
をモニタする。さらに、制御アルゴリズムはエンコーダ
５０によって示されような相対的な実際のブームポジシ
ョンの情報を利用する。制御アルゴリズムは７１におい
て、モニタ５６の出力を微分することによって運転者の
アーム操縦捍の動きにより要求されるアームの動作速度
を求め、また速度に一定の時間単位を乗じ（７３）、速
度を位置単位に変換する。結果値は７５において実際の
操縦捍ポジションに加算され、操縦捍作動に基づくアー
ム速度７７が得られる。制御アルゴリズム７２は７４に
おいてアーム３６の動作速度を求め、エンコーダ４０の
出力を微分する。次にその値は７６においてアーム速度
７７に合成され、また位置単位で出力を発生するため
に、アーム動作のシステム遅延を示す時間値７８が乗じ
られる。これによって得られるポジション値は、想定ア
ームポジション８０を発生するために７９において実際
のアームポジションに加算される。
【００１７】同様にして、バケットの動作速度が８２に
おいてエンコーダ４６の出力を微分することによって求
められ、８４においてバケット動作のシステム遅延を示
す時間価値がそれに乗じられ、８６において実際のバケ
ットポジションに加算されるポジション値を導出する。
その結果は、想定されるバケットポジションパラメータ
８８である。７８と８４において使用される時間遅延値
は、油圧遅延と他の遅延係数から生じるそれぞれの部材
の動作時の遅延関数である。
【００１８】計算上の想定アーム角度８０と、８８にお
ける計算上の想定バケット角度８０と、運転者によって
制御パネル５４から入力される目標高さと勾配パラメー
タは、関数式ｆ（ａ、ｂ、ｃ）に従って９０において合
成される。関数式ｆ（ａ、ｂ、ｃ）によって、切断エッ
ジ２４を所望の高さと傾斜に配置するようなブーム角度
は、部材２２の長さおよび予想されるアームとバケット
角度（８０、８８）の関数として求められる。図によれ
ば、切断エッジ２４が傾斜上にある場合、 Ｆ（ｘ）＝０＝Ｈａ＋Ｈｂ＋Ｈｃ−Ｈｄｅｓｉｒｅｄ （１） この場合、Ｈａ、Ｈｂ、Ｈｃは各部材２２の切断エッジ
高さに対する寄与であり、Ｈｄｅｓｉｒｅｄは、運転者
パネル５４に入力される目標高さと傾斜から求められ
る。等式（１）は次の式と同等である： Ｆ（ｘ）＝０＝ｆ１（ＬＡ、ＬＢ、ＬＣ、θＢ、θｃ）ｃｏｓ（ブーム角度） ＋ （２） ｆ２（ＬＡ、ＬＢ、ＬＣ、θＢ、θｃ）ｓｉｎ（ブーム角度）−Ｈｄｅｓｉｒｅｄ この場合、ｆ１（ＬＡ、ＬＢ、Ｌｃ、θＢ、θｃ）とｆ
２（ＬＡ、ＬＢ、Ｌｃ、θＢ、θｃ）は、アームとバケ
ットの長さと角度から求められる関数である。「ブーム
角度」は、９２において予想されるブーム目標角度出力
である。
【００１９】等式（２）はいくつかの反復方法によって
解かれる。好適な実施例では、等式（２）はニュートン
の連続近似計算の方法を用いて解かれる。
【００２０】予想ブーム目標９２は、アームとバケット
の予想ポジションならびに切断エッジ２４の所望の目標
高さと傾斜を考慮した予想ブーム目標角度を示す。アー
ムとバケットの速度が相対的に小さい場合、９２におけ
る予想目標ブーム値は、アームとバケットの実際ポジシ
ョンによって示される値、ならびに運転者によって入力
される所望の高さに接近する。しかし部材が相対的に高
速度で移動する場合、９２おける予想目標ブームの値は
調整され、制御システム３２が所望の高さで過不足なし
に切断エッジ２４を移動させるようにする。予想ブーム
目標値は、実際のブーム目標の下かまたは上にある可能
性があり、例によって一定に変化する。したがって、予
想ブーム目標はブームが目標に達する前に変化してしま
っているかもしれない。
【００２１】アルゴリズム７２は、９４において９２に
おける目標ブームパラメータと実際のブーム入力（５
０）との間の差をとり、９６におけるブーム誤差パラメ
ータを発生する。ブーム誤差の速度は、値を微分するこ
とによって９８において求められる。１００において速
度値に定数Ｋｄが乗じられ、１０４において定数Ｋｐ
（１０２）を乗じたブーム誤差と加算され、またブーム
誤差の積分が１０１において得られ、１０３において定
数Ｋｉがそれに乗じられる。これらの値は、出力信号１
０６を求めるために１０４において加算される。出力信
号１０６はブームを動かす命令であり、弁６６を作動す
るために印加される。定数Ｋｄ、Ｋｐ、Ｋｉは付属機能
１６４（図９）で選択され、また部材２２の相対ポジシ
ョンと速度ならびに掘削機２０の特別な物理的実施例に
関連する。
【００２２】制御アルゴリズム７２は第２の制御ルーチ
ン１０８（図５−１０）で実施される。ルーチンが１１
０において開始された後、図６に詳細に図示された方法
で制御部によって掘削機２０の１１２における形状が求
められる。これはブーム、アームおよびバケットの長さ
ならびに以前に入力した他の種々のパラメータを確認す
ることを含む。次に制御部がレーザモードにあることを
前提として、レーザ面２６がレーザセンサ３０に達した
かどうかが、１１４において制御部によって確認され
る。達した場合には、制御部によって１１６におけるレ
ーザ衝突の形状が確認され、またニールセン等の’４１
８でより詳細に記述された方法で、１１８における回転
位置上のレーザ高さが計算される。その後、ニールセン
等の’４１８でより詳細に記述された方法で、制御部に
よって１２０における所望の掘削深さが計算される。
【００２３】次に、「将来のアーム角度確認」ルーチン
１２２が実行される（図７）。将来のアーム角度を確認
するために、モニタ５６（１２４、１２６、１２８、１
３０）を調べることによって、制御部により予想される
アームの動作速度が、運転者の制御レバーまたは操縦捍
のポジションと動作速度に基づき求められる。運転者の
操縦捍のポジションによって示されるアームの予想速度
がゼロでないことが１３２において確認されると、付属
機能はアーム速度が現在すでに発生しつつあることを前
提とするような方法で応答する。１３４において付属機
能は、アームが動き始めたことをアームエンコーダ４０
が表示するかどうかを確認する。アームが１３４におい
て動いていることが確認されると、１３６においてブー
ムがすでに動き始めたかどうかが確認される。動き始め
ていないと、１３８において制御部によって、運転者の
操縦捍作動から生じる予想速度にアーム速度がほぼ等し
いかどうかが確認される。ほぼ等しければ、現在のアー
ム角度、システム遅延およびエンコーダ速度に基づき将
来のアーム角度が１４０において計算される。１３８に
おいてアーム速度が予想速度にほぼ等しくないことが確
認されると、操縦捍作動ポジションと速度によって示さ
れる予想速度をさらに含む係数に基づき将来のアーム角
度が計算される。１３６においてブームが動き始めたこ
とが確認されると、１４４において制御部は、システム
によって考慮される静的値から動的値までの遅れを調整
する。
【００２４】１３４においてアームが動いていないこと
が確認されると、静的で非動的な状態に従って油圧遅れ
システム遅延値が１４６において調整される。次に、１
４８においてブームが動いているかどうかが確認され
る。動いていないと、予想アーム角度が、操縦捍の作動
から生じる予想アーム速度を含む情報に基づき１５０に
おいて計算される。１４８においてアームが動いている
ことが確認されると、１５２において静的値から動的値
へ油圧遅れがゆっくりと調整される。１３２において運
転者が操縦捍を動かしていないことが確認されると、将
来のアーム角度が１５０において現在のアーム角度によ
って平均化され、ルーチンから抜ける。
【００２５】制御ループ１０８（図５）に戻って、将来
のアーム角度が確認された後（１２２）、制御部は図８
に示されているように将来のバケット角度を１５６にお
いて求める。将来バケット角度確認付属機能１５６は、
バケット動作内の珍しくはない小さな、高速振動をフィ
ルタ処理するための行程を含む。将来のアーム角度と将
来のバケット角度の確認後（１２２、１５６）、ブーム
誤差９６は図４に示されているようにアルゴリズム７２
を用いて計算される（１６０）。次に制御部は１６２に
おいてブーム角度誤差の積分と導関数を計算し、さらに
図９に示されているように１６４においてＰＩＤ（比例
積分導関数）コントローラの定数を確認する。次に、１
６６において制御部はブームシリンダ速度を計算し、１
６８において弁駆動装置（１０６）の出力を計算する。
次に、さらに図１０に示されているように、１７０にお
いて弁出力が可変弁出力遅延ルーチンを通じて送られ
る。
【００２６】次に１７２において制御部は、切断エッジ
２４が制御パネル５４内に運転者が入力する制御領域内
にあるか、または該領域外にあるかを求める。切断エッ
ジが制御領域内にあれば、弁出力は１７４において制御
弁６６に送られる。切断エッジ２４が制御領域内になけ
れば、弁６６の供給は１７６において遮断される。
【００２７】かくして、所望の深さに切断エッジ２４を
作動させるタンデム連結部材２２の動作を予想する制御
が発明によって創出される。システム遅延を含むシステ
ムの物理的制約を予想する方法で、この制御は創出され
る。この方法によって、運転者は大型の掘削機２０を楽
に操作することができ、また制御システム３２の制御下
のもとで所望の深さと傾斜で掘削することができる。好
適な実施例では、部材２２の速度は最大の所定速度に制
限される。さらに制御システムの反応時間を改善するた
めに、一次油圧システムは最大ポンプ出力圧力で運転さ
れる。これは圧力調整弁の制御ポートと油圧タンクとの
接続技術を含む種々の技術によって達成することが可能
である。これはシステムの継続的高圧運転を招き、反応
時間を増すことになる。発明を具体化する制御は、少な
くとも２つの異なった設計による油圧掘削機に搭載され
てきた。両方の掘削機は、実際の運転条件に従ってテス
トしたとき、大きな行き過ぎまたは振動なしに満足のゆ
く掘削を示した。
【００２８】当業者には発明の他の実施例が考えられる
であろう。例えば、運転者の制御レバー操作とアーム作
動との間に遅延を入れることができるかもしれない。こ
れはアームとブーム制御に等しく遅延をもたらすであろ
う。同等の原則を含む特許法の原則に従って解釈される
ように、添付クレームの範囲のみによって限定される発
明の原理から逸脱することなしに、具体的に記述した実
施例の変更と修正を行うことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】発明により制御される油圧掘削機の側面図であ
る。
【図２】部材用制御レバーの動きに対する油圧的に制御
される部材の反応を示したグラフである。
【図３】発明による制御システムのブロック図である。
【図４】発明において応用される制御理論を示した制御
ブロック図である。
【図５】油圧制御弁に命令を供給するための一次制御ル
ープのフローチャートである。
【図６】「形状確認」付属機能のフローチャートであ
る。
【図７】「将来のアーム角度確認」付属機能のフローチ
ャートである。
【図８】「将来のバケット角度確認」付属機能のフロー
チャートである。
【図９】「ＰＩＤコントローラの定数確認」付属機能の
フローチャートである。
【図１０】「可変弁出力遅延」付属機能のフローチャー
トである。
【図１１】発明で使用される制御弁の接続を示した油圧
概略図である。
【符号の説明】
２０ 掘削機 ２２ タンデム連結部材 ２４ 切断エッジ ２６ レーザ光面 ２８ レーザビーコン ３２ 制御システム ３４ 油圧シリンダ ３６ アーム ３８ ブーム ４０ エンコーダ ４２ シリンダ ４４ バケット ４６ バケットエンコーダ ４８ シリンダ ５０ ブームエンコーダ ５２ キャブ ５４ 制御パネル ５６ モニタ ５８ 圧力変換器 ６０ 圧力変換器 ６２ ブーム圧力スイッチ ６４ クリノメータ ６６ 油圧弁 ６８ 手動操作弁 ７０ 自動／手動スイッチ ７２ 制御アルゴリズム
フロントページの続き (72)発明者 エリツク ジエイ ワルストラ アメリカ合衆国 ミシガン州 49508 グ ランドラピツズ サウス イースト ブロ ーネル 941

Claims (39)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 複数のタンデム連結部材を有する油圧
    操作建設機械を制御する方法であって、前記部材を所定
    の形態で動作させ、前記部材の第１の部材の動作は前記
    部材の第２の部材の動作に反応して制御されるような方
    法において、 前記第２の部材の予想される将来の動きを求める方法
    と；前記第１と第２の部材の少なくとも１つの部材を、
    少なくとも前記第２の部材の前記予想される将来の動作
    の関数として制御する方法と；を含むことを特徴とする
    方法。
  2. 【請求項２】 前記第２の部材の前記予想される将来
    の動きが、少なくとも前記第２の部材の現在ポジション
    と速度と、前記第２の部材の動作におけるシステム遅延
    との関数であることを特徴とする請求項１に記載の方
    法。
  3. 【請求項３】 前記第２の部材が運転者の制御レバー
    によって制御され、また前記第２の部材の予想される将
    来の動きを求める方法が前記制御レバーのモニタ作動方
    法を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  4. 【請求項４】 前記制御レバーの前記モニタ作動方法
    が前記制御レバーの作動の大きさを求める方法を含むこ
    とを特徴とする請求項３に記載の方法。
  5. 【請求項５】 前記制御方法が、前記制御レバーの作
    動に反応して前記第１の部材の動作を開始する方法を含
    むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
  6. 【請求項６】 前記制御方法が、前記制御レバーの作
    動に反応して所定の遅延後に前記第２の部材の動作を開
    始する方法を含むことを特徴とする請求項３に記載の方
    法。
  7. 【請求項７】 さらに前記制御方法が現在ポジション
    と、前記第１と第２の部材の前記ポジションの導関数と
    積分との関数であることを特徴とする請求項１に記載の
    方法。
  8. 【請求項８】 直近端部でキャブに枢着接続されたブ
    ームと、直近端部で前記ブームの末端部に枢着接続され
    たアームと、直近端部で前記アームの末端部に枢着接続
    されたバケットと、切断エッジを画成する前記バケット
    の末端部と、前記キャブに関して前記ブームを枢着運動
    させるためのブーム油圧シリンダと、前記ブームに関し
    て前記アームを枢着運動させるためのアーム油圧シリン
    ダと、前記アームに関して前記バケットを枢着運動させ
    るためのバケット油圧シリンダと、前記油圧シリンダを
    作動させるための油圧制御システムとを有する油圧掘削
    機を制御する方法であって、前記油圧制御システムは前
    記ブームとアームの内の１つの油圧シリンダを作動させ
    るための運転者レバーを含み、前記ブームとアームの内
    の他方の油圧シリンダは前記ブームとアームの内の前記
    １つの動作に反応して自動的に制御されるような方法に
    おいて、 前記ブームとアームの内の前記１つの予想される将来の
    動きを求める方法と；前記ブームとアームの内の前記他
    方の油圧シリンダを少なくとも前記予想される将来の動
    きの関数として制御する方法と；を含むことを特徴とす
    る方法。
  9. 【請求項９】 前記ブームとアームの内の前記１つの
    前記予想される将来の動きが、少なくとも前記ブームと
    アームの内の前記１つの現在ポジションと速度と、前記
    ブームとアームの内の前記１つの動作におけるシステム
    遅延との関数であることを特徴とする請求項８に記載の
    方法。
  10. 【請求項１０】 前記ブームとアームの内の前記１つ
    の前記予想される将来の動きを求める方法が前記制御レ
    バーのモニタ作動方法を含むことを特徴とする請求項８
    に記載の方法。
  11. 【請求項１１】 前記制御レバーの前記モニタ作動方
    法が前記制御レバーの作動の大きさを求める方法を含む
    ことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
  12. 【請求項１２】 さらに前記制御方法が現在ポジショ
    ンと、前記ブームとアームの内の前記他方の前記ポジシ
    ョンの積分と導関数との関数であることを特徴とする請
    求項１に記載の方法。
  13. 【請求項１３】 前記バケットの前記予想される将来
    の動きを求める方法をさらに含み、また前記制御方法
    が、さらに前記バケットの前記予想される将来の動きの
    関数であることを特徴とする請求項８に記載の方法。
  14. 【請求項１４】 前記バケットの前記予想される将来
    の動きが、少なくとも前記バケットの現在ポジションと
    速度と、前記バケットの動作におけるシステム遅延との
    関数であることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
  15. 【請求項１５】 前記制御方法が目標高さと傾斜の内
    の少なくとも１つの関数であることを特徴とする請求項
    １３に記載の方法。
  16. 【請求項１６】 回転レーザ面を受信し、該受信中に
    前記切断エッジのポジションを求めることによって、前
    記バケット切断エッジを較正する方法をさらに含むこと
    を特徴とする請求項８に記載の方法。
  17. 【請求項１７】 前記受信方法が、前記ブームとアー
    ムの１つにレーザ受信機を設ける方法を含むことを特徴
    とする請求項１６に記載の方法。
  18. 【請求項１８】 前記切断エッジを基準データに配置
    し、該配置中に前記切断エッジポジションを決定するこ
    とによって、前記バケット切断エッジを較正する方法を
    さらに含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
  19. 【請求項１９】 もう１つの運転者レバーを設け、前
    記ブームとアームの内の他方の油圧シリンダを作動さ
    せ、また前記もう１つの運転者レバーの主要な作動に反
    応して前記制御を阻止する方法を含むことを特徴とする
    請求項８に記載の方法。
  20. 【請求項２０】 前記制御方法が、一定の速度下で前
    記切断エッジの動きを限定する方法を含むことを特徴と
    する請求項８に記載の方法。
  21. 【請求項２１】 直近端部でキャブに枢着接続された
    ブームと、直近端部で前記ブームの末端部に枢着接続さ
    れたアームと、直近端部で前記アームの末端部に枢着接
    続されたバケットと、切断エッジを画成する前記バケッ
    トの末端部と、前記キャブに関して前記ブームを枢着運
    動させるためのブーム油圧シリンダと、前記ブームに関
    して前記アームを枢着運動させるためのアーム油圧シリ
    ンダと、前記アームに関して前記バケットを枢着運動さ
    せるためのバケット油圧シリンダと、前記油圧シリンダ
    を作動させるための油圧制御システムとを有する油圧掘
    削機を制御する方法であって、前記油圧制御システムは
    前記アームの油圧シリンダを作動させるための運転者レ
    バーを含み、前記ブームの油圧シリンダは前記アームの
    動作に反応して自動的に制御されるような方法におい
    て、 所望の切断深さのユーザ入力選択を受信する方法と；前
    記バケット、前記アーム、前記ブームの動きをモニタす
    る方法と；前記ブームの予想されるブーム目標ポジショ
    ンを、選択された所望の切断深さとポジション、速度お
    よび前記バケットと前記アームの各システム遅延の関数
    として求める方法と；前記予想されるブーム目標ポジシ
    ョンの方向に前記ブームを動かすように制御する方法
    と；を含むことを特徴とする方法。
  22. 【請求項２２】 前記制御方法が、ブーム誤差を求め
    るために前記ブームのポジションと前記予想されるブー
    ム目標ポジションとを比較し、前記ブーム誤差の値と、
    前記ブーム誤差の積分と導関数との関数として前記ブー
    ムを動かす方法を含むことを特徴とする請求項２１に記
    載の方法。
  23. 【請求項２３】 前記予想されるブーム目標ポジショ
    ンを求める前記方法が前記運転者レバーをモニタし、前
    記予想されるブーム目標ポジションをさらに前記運転者
    レバーの作動関数として求める方法を含むことを特徴と
    する請求項２１に記載の方法。
  24. 【請求項２４】 前記求める方法が、前記予想される
    ブーム目標ポジションを前記運転者レバーの作動の大き
    さの関数として求める方法を含むことを特徴とする請求
    項２３に記載の方法。
  25. 【請求項２５】 前記ブーム油圧シリンダを作動さ
    せ、また前記ブーム作動レバーの主要な作動に反応して
    前記制御を阻止するために、もう１つの運転者レバーを
    設ける方法を含むことを特徴とする請求項２１に記載の
    方法。
  26. 【請求項２６】 回転レーザ面を受信し、該受信中に
    前記切断エッジポジションを求めることによって、前記
    バケット切断エッジを較正する方法をさらに含むことを
    特徴とする請求項２１に記載の方法。
  27. 【請求項２７】 前記受信方法が、前記ブームと前記
    アームの１つにレーザ受信機を設ける方法を含むことを
    特徴とする請求項２６に記載の方法。
  28. 【請求項２８】 前記切断エッジを基準データに配置
    し、該配置中に前記切断エッジポジションを決定するこ
    とによって、前記バケット切断エッジを較正する方法を
    さらに含むことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
  29. 【請求項２９】 ボディと、該ボディから延在する複
    数のタンデム連結部材と、システム遅延に基づき互いに
    関して前記部材を動かすための油圧駆動システムと、所
    定の形態で前記部材を動作させる前記油圧駆動システム
    用の制御部とを有する油圧操作建設機械であって、前記
    部材の第１の部材の動作は前記部材の第２の部材の動作
    に反応して制御されるような油圧操作建設機械におい
    て、 前記第１と第２の部材上の前記第１と第２の部材のポジ
    ションをモニタするポジションエンコーダと；前記エン
    コーダに反応して前記第１の部材の予想される目標ポジ
    ションを、前記第２の部材のポジション、速度およびシ
    ステム遅延の関数として求めるようにプログラミングさ
    れた制御コンピュータであって、前記コンピュータはさ
    らにプログラミングされて、前記第１の部材のポジショ
    ンと前記予想される目標ポジションとを比較して前記第
    １の部材の動作を制御するような制御コンピュータと；
    を備えることを特徴とする油圧操作建設機械。
  30. 【請求項３０】 前記コンピュータが、前記比較値と
    前記比較の積分と導関数の関数として、前記第１の部材
    の動作を制御することを特徴とする請求項２９に記載の
    油圧操作建設機械。
  31. 【請求項３１】 前記制御レバーの作動に反応して、
    前記第２の部材の動作を手動制御するための運転者制御
    レバーと、前記制御レバー用のモニタとをさらに含み、
    前記コンピュータは前記モニタに反応するようにプログ
    ラミングされ、前記予想されるブーム目標ポジションを
    制御レバーの作動関数としても求めることを特徴とする
    請求項２９に記載の油圧操作建設機械。
  32. 【請求項３２】 前記モニタが、制御レバーの作動の
    大きさの可変表示を備えることを特徴とする請求項３１
    に記載の油圧操作建設機械。
  33. 【請求項３３】前記第２の部材の目標ポジションのユー
    ザ入力選択を受信するための運転者パネルをさらに含
    み、また前記制御パネル反応して、前記第１の部材の前
    記予想されるブーム目標ポジションを、選択目標ポジシ
    ョンの関数としても求めるように前記コンピュータがプ
    ログラミングされることを特徴とする請求項２９に記載
    の油圧操作建設機械。
  34. 【請求項３４】 直近端部でキャブに枢着接続された
    ブームと、直近端部で前記ブームの末端部に枢着接続さ
    れたアームと、直近端部で前記アームの末端部に枢着接
    続されたバケットと、切断エッジを画成する前記バケッ
    トの末端部と、前記キャブに関して前記ブームを枢着運
    動させるためのブーム油圧シリンダと、前記ブームに関
    して前記アームを枢着運動させるためのアーム油圧シリ
    ンダと、前記アームに関して前記バケットを枢着運動さ
    せるためのバケット油圧シリンダと、前記油圧シリンダ
    を作動させるための油圧制御システムとを有する油圧掘
    削機制御であって、前記油圧制御システムは、前記アー
    ムの油圧シリンダを操作するためのアーム運転者レバー
    と、バケットの油圧シリンダを操作するためのバケット
    操作レバーとを含み、前記ブームの油圧シリンダは前記
    アームとバケットの動作に反応して自動的に制御される
    ような油圧掘削機制御において、 前記ブーム、アームおよびバケットのポジションをモニ
    タするためのポジションエンコーダと；前記エンコーダ
    に反応するようにプログラミングされ、前記アームと前
    記バケットの各々のポジション、速度およびシステム遅
    延と、前記ブームのポジションとの関数として、前記ブ
    ームを作動させる命令を出力するような制御コンピュー
    タと；を備えることを特徴とする油圧掘削機制御。
  35. 【請求項３５】 前記コンピュータが、前記ブームポ
    ジションと予想されるブーム目標ポジション値とを比較
    することによってブーム誤差を求めるようにプログラミ
    ングされ、また前記ブーム誤差値と、前記ブーム誤差の
    積分と導関数の関数として命令を出力することを特徴と
    する請求項３４に記載の油圧掘削機制御。
  36. 【請求項３６】 前記制御レバー用のモニタをさらに
    含み、また前記コンピュータが前記モニタに反応するよ
    うにプログラミングされ、前記ブームを操作するような
    命令を出力することを特徴とする請求項３４に記載の油
    圧掘削機制御。
  37. 【請求項３７】 直近端部でキャブに枢着接続された
    ブームと、直近端部で前記ブームの末端部に枢着接続さ
    れたアームと、直近端部で前記アームの末端部に枢着接
    続されたバケットと、切断エッジを画成する前記バケッ
    トの末端部と、前記キャブに関して前記ブームを枢着運
    動させるためのブーム油圧シリンダと、前記ブームに関
    して前記アームを枢着運動させるためのアーム油圧シリ
    ンダと、前記アームに関して前記バケットを枢着運動さ
    せるためのバケット油圧シリンダと、前記油圧シリンダ
    を作動させるための油圧制御システムとを有する油圧掘
    削機制御であって、前記油圧制御システムは、前記アー
    ムの油圧シリンダを操作するためのアーム運転者レバー
    と、バケットの油圧シリンダを操作するためのバケット
    操作レバーとを含み、前記ブームの油圧シリンダは前記
    アームとバケットの動作に反応して自動的に制御される
    ような油圧掘削機制御において、 前記ブーム、アームおよびバケットのポジションをモニ
    タするためのポジションエンコーダと；前記アーム制御
    レバーの作動用の制御レバーモニタと；前記エンコーダ
    と前記モニタに反応するようにプログラミングされ、前
    記アームとバケットのポジションと、前記アーム制御レ
    バーの作動との関数として前記ブームを操作する命令を
    出力するような制御コンピュータと；を備えることを特
    徴とする油圧掘削機制御。
  38. 【請求項３８】 前記油圧制御システムが、高圧液を
    前記シリンダに供給するためのパイロット操作弁を含む
    一次操作システムと、低圧液を前記パイロット操作弁に
    供給するための前記アーム操作レバーを含むパイロット
    システムとを備え、また前記モニタが、前記制御レバー
    の前記パイロットシステムと接続自在な油圧センサであ
    ることを特徴とする請求項３７に記載の油圧掘削機制
    御。
  39. 【請求項３９】 前記ブームの前記パイロットと並列
    して油圧的に接続された電気制御弁を含み、また前記ブ
    ームを操作する前記命令が前記電気制御弁に供給される
    ことを特徴とする請求項３８に記載の油圧掘削機制御。
JP8114066A 1995-03-30 1996-04-01 複数タンデム連結部材を有する油圧操作建設機械の制御 Pending JPH093959A (ja)

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US08/414,991 US5572809A (en) 1995-03-30 1995-03-30 Control for hydraulically operated construction machine having multiple tandem articulated members

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