JPH10159123A

JPH10159123A - 建設機械の制御装置

Info

Publication number: JPH10159123A
Application number: JP8323161A
Authority: JP
Inventors: Shoji Tozawa; 祥二戸澤; Tomoaki Ono; 智昭小野
Original assignee: Caterpillar Mitsubishi Ltd; Shin Caterpillar Mitsubishi Ltd
Current assignee: Caterpillar Japan Ltd; Caterpillar Mitsubishi Ltd
Priority date: 1996-12-03
Filing date: 1996-12-03
Publication date: 1998-06-16
Also published as: CA2242755A1; KR19990081852A; WO1998024985A1; EP0900887A4; CN1210570A; EP0900887A1

Abstract

(57)【要約】【課題】地面を掘削する油圧ショベル等の建設機械の
制御装置に関し、コストを低く抑えながら、作業部材の
位置と姿勢を正確に且つ安定して制御しうることを目的
とする。【解決手段】建設機械本体１００と、建設機械本体１
００に一端部を枢着され他端側に作業部材４００を有す
るとともに関節部を介して相互に接続された少なくとも
一対のアーム部材２００，３００を有する関節式アーム
機構と、伸縮動作を行なうことによりアーム機構を駆動
する複数のシリンダ式アクチュエータ１２０〜１２２を
有するシリンダ式アクチュエータ機構と、アーム機構の
姿勢を角度情報で検出する角度検出手段２０〜２２と、
角度検出手段２０〜２２で得られた角度情報を対応する
シリンダ式アクチュエータ１２０〜１２２の伸縮変位情
報に変換する変換手段２６と、変換手段２６で変換され
たシリンダ式アクチュエータ１２０〜１２２の伸縮変位
情報に基づいてシリンダ式アクチュエータ１２０〜１２
２が所定の伸縮変位となるように制御する制御手段１と
をそなえるように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、地面を掘削する油
圧ショベル等の建設機械に関し、特にかかる建設機械の
制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】油圧ショベル等の建設機械は、図１２に
示すように、無限軌条部５００Ａを有する下部走行体５
００上に、運転操作室（キャビン）６００付きの上部旋
回体１００をそなえており、更にこの上部旋回体１００
に、ブーム２００，スティック３００，バケット４００
からなる関節式アーム機構を装備した構成となってい
る。

【０００３】そして、ストロークセンサ２１０，２２
０，２３０にて得られた、ブーム２００，スティック３
００，バケット４００の各伸縮変位情報に基づき、ブー
ム２００，スティック３００，バケット４００を適宜そ
れぞれ油圧シリンダ１２０，１２１，１２２で駆動し
て、バケットの進行方向或いはバケットの姿勢を一定に
保って掘削できるようになっており、これにより、バケ
ットのごとき作業部材の位置と姿勢の制御を正確に且つ
安定して行ない得るようになっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の油圧ショベルでは、ブーム２００，スティッ
ク３００，バケット４００の各伸縮変位を検出するため
のストロークセンサ２１０，２２０，２３０が高価であ
り、このため、全体としてコスト高を招くという課題が
ある。

【０００５】本発明は、このような課題に鑑み創案され
たもので、コストを低く抑えながら、作業部材の位置と
姿勢を正確に且つ安定して制御しうる、建設機械の制御
装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】このため、本発明の建設
機械の制御装置は、建設機械本体と、該建設機械本体に
一端部を枢着され他端側に作業部材を有するとともに、
関節部を介して相互に接続された少なくとも一対のアー
ム部材を有する関節式アーム機構と、伸縮動作を行なう
ことにより該アーム機構を駆動する複数のシリンダ式ア
クチュエータを有するシリンダ式アクチュエータ機構
と、該アーム機構の姿勢を角度情報で検出する角度検出
手段と、該角度検出手段で得られた角度情報を対応する
該シリンダ式アクチュエータの伸縮変位情報に変換する
変換手段と、該変換手段で変換された該シリンダ式アク
チュエータの伸縮変位情報に基づいて該シリンダ式アク
チュエータが所定の伸縮変位となるように制御する制御
手段とをそなえて構成されたことを特徴としている。

【０００７】なお、該関節式アーム機構を、該建設機械
本体に対して一端が回動可能に接続されるブームと、該
ブームに対して一端が該関節部を介して回動可能に接続
されるスティックとで構成し、該作業部材を、該スティ
ックに対して一端が関節部を介して回動可能に接続され
先端が地面を掘削し内部に土砂を収容可能なバケットと
して構成してもよい。

【０００８】また、該シリンダ式アクチュエータ機構
を、該建設機械本体と該ブームとの間に介装され端部間
の距離が伸縮することにより該ブームを該建設機械本体
に対して回転させるブーム油圧シリンダと、該ブームと
該スティックとの間に介装され端部間の距離が伸縮する
ことにより該スティックを該ブームに対して回転させる
スティック油圧シリンダと、該スティックと該バケット
との間に介装され端部間の距離が伸縮することにより該
バケットをスティックに対して回転させるバケット油圧
シリンダとで構成してもよい。

【０００９】さらに、該角度検出手段を、該ブームの姿
勢を検出する第１角度センサと、該スティックの姿勢を
検出する第２角度センサと、該バケットの姿勢を検出す
る第３角度センサとで構成してもよい。また、該変換手
段に、該角度検出手段で得られた角度情報から該角度情
報に対応する該シリンダ式アクチュエータの伸縮変位情
報を演算により求める演算手段をそなえたり、該角度検
出手段で得られた角度情報に対応する該シリンダ式アク
チュエータの伸縮変位情報を記憶する記憶手段をそなえ
たりしてもよい。

【００１０】さらに、該変換手段を、該第１角度センサ
で得られた角度情報を該ブーム油圧シリンダの伸縮変位
情報に変換し、該第２角度センサで得られた角度情報を
該スティック油圧シリンダの伸縮変位情報に変換し、該
第３角度センサで得られた角度情報を該バケット油圧シ
リンダの伸縮変位情報に変換するように構成にしてもよ
い。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、図面により、本発明の実施
の形態について説明する。本実施形態にかかる建設機械
としての油圧ショベルは、図１に示すように、左右に無
限軌条部５００Ａを有する下部走行体５００上に、運転
操作室６００付き上部旋回体（建設機械本体）１００が
水平面内で回転自在に設けられている。

【００１２】そして、この上部旋回体１００に対して、
一端が回動可能に接続されるブーム（アーム部材）２０
０が設けられ、更にブーム２００に対して、一端が関節
部を介して回動可能に接続されるスティック（アーム部
材）３００が設けられている。さらに、スティック３０
０に対して、一端が関節部を介して回動可能に接続さ
れ、先端が地面を掘削し内部に土砂を収容可能なバケッ
ト（作業部材）４００がが設けられている。

【００１３】このように、ブーム２００，スティック３
００，バケット４００で、上部旋回体１００に一端部を
枢着され他端側にバケット４００を有するとともに、関
節部を介して相互に接続された一対のアーム部材として
のブーム２００，スティック３００を少なくとも有する
関節式アーム機構が構成される。また、シリンダ式アク
チュエータとしてのブーム油圧シリンダ１２０，スティ
ック油圧シリンダ１２１，バケット油圧シリンダ１２２
（以下、ブーム油圧シリンダ１２０をブームシリンダ１
２０又は単にシリンダ１２０ということがあり、スティ
ック油圧シリンダ１２１をスティックシリンダ１２１又
は単にシリンダ１２１ということがあり、バケット油圧
シリンダ１２２をバケットシリンダ１２２又は単にシリ
ンダ１２２ということがある）が設けられている。

【００１４】ここで、ブームシリンダ１２０は、上部旋
回体１００に対して一端が回動可能に接続されるととも
に、ブーム２００に対して他の一端が回動可能に接続さ
れ、即ち上部旋回体１００とブーム２００との間に介装
されて、端部間の距離が伸縮することにより、ブーム２
００を上部旋回体１００に対して回動させることができ
るものである。

【００１５】また、スティックシリンダ１２１は、ブー
ム２００に対して一端が回動可能に接続されるととも
に、スティック３００に対して他の一端が回動可能に接
続され、即ちブーム２００とスティック３００との間に
介装されて、端部間の距離が伸縮することにより、ステ
ィック３００をブーム２００に対して回動させることが
できるものである。

【００１６】さらに、バケットシリンダ１２２は、ステ
ィック３００に対して一端が回動可能に接続されるとと
もに、バケット４００に対して他の一端が回動可能に接
続され、即ちスティック３００とバケット４００との間
に介装されて、端部間の距離が伸縮することにより、バ
ケット４００をスティック３００に対して回動させるこ
とができるものである。なお、バケット油圧シリンダ１
２２の先端部には、リンク機構１３０が設けられてい
る。

【００１７】このように上記の各シリンダ１２０〜１２
２で、伸縮動作を行なうことによりアーム機構を駆動す
る複数のシリンダ式アクチュエータを有するシリンダ式
アクチュエータ機構が構成される。なお、図示しない
が、左右の無限軌条部５００Ａをそれぞれ駆動する油圧
モータや、上部旋回体１００を旋回駆動する旋回モータ
も設けられている。

【００１８】ところで、図２に示すように、シリンダ１
２０〜１２２や上記の油圧モータや旋回モータのための
油圧回路が設けられており、この油圧回路には、エンジ
ンＥによって駆動されるポンプ５１，５２，主制御弁１
３，１４，１５等が介装されている。また、主制御弁１
３，１４，１５を制御するために、パイロット油圧回路
が設けられており、このパイロット油圧回路には、エン
ジンＥによって駆動されるパイロットポンプ５０，電磁
比例弁３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，電磁切替弁４Ａ，４Ｂ，４
Ｃ，セレクタ弁１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃ等が介装されて
いる。

【００１９】ところで、電磁比例弁３Ａ，３Ｂ，３Ｃを
介して、主制御弁１３，１４，１５を制御することによ
り、制御したいモードに応じて、ブーム２００，スティ
ック３００，バケット４００が所望の伸縮変位となるよ
うに制御するコントローラ（制御手段）１が設けられて
いる。なお、このコントローラ１は、マイクロプロセッ
サ，ＲＯＭやＲＡＭ等のメモリ，適宜の入出力インタフ
ェースなどで構成される。

【００２０】そして、このコントローラ１へは種々のセ
ンサからの検出信号（設定信号を含む）が入力されるよ
うになっており、コントローラ１は、これらのセンサか
らの検出信号に基づき、上記の制御を実行するようにな
っている。なお、このようなコントローラ１による制御
を半自動制御というが、この半自動掘削モードにおいて
も、掘削中に手動にてバケット角及び目標法面高さの微
調整は可能である。

【００２１】上記の半自動制御モードとしては、バケッ
ト角制御モード（図７参照），法面掘削モード（バケッ
ト歯先直線掘削モード又はレイキングモード）（図８参
照），法面掘削モードとバケット角制御モードとを組み
合わせたスムージングモード（図９参照），バケット角
自動復帰モード（オートリターンモード）（図１０参
照）等がある。

【００２２】ここで、バケット角制御モードは、図７に
示すように、スティック３００及びブーム２００を動か
してもバケット４００の水平方向（垂直方向）に対する
角度（バケット角）が常に一定に保たれるモードで、こ
のモードは、モニタパネル１０上のバケット角制御スイ
ッチをＯＮにすると、実行される。なお、バケット４０
０が手動にて動かされた時、このモードは解除され、バ
ケット４００が止まった時点でのバケット角が新しいバ
ケット保持角として記憶される。

【００２３】法面掘削モードは、図８に示すように、バ
ケット４００の歯先１１２が直線的に動くモードであ
る。但し、バケットシリンダ１２２は動かない。また、
バケット４００の移動に伴いバケット角φが変化する。
法面掘削モード＋バケット角制御モード（スムージング
モード）は、図９に示すように、バケット４００の歯先
１１２が直線的に動くモードであり、バケット角φも掘
削中一定に保たれる。

【００２４】バケット自動復帰モードは、図１０に示す
ように、バケット角が予め設定された角度に自動的に復
帰するモードであり、復帰バケット角はモニタパネル１
０によって設定される。このモードはバケット操作レバ
ー６上のバケット自動復帰スタートスイッチ７をＯＮに
することで始動する。バケット４００が予め設定された
角度まで復帰した時点でこのモードは解除される。

【００２５】さらに、上記の法面掘削モード，スムージ
ングモードは、モニタパネル１０上の半自動制御スイッ
チをＯＮにし、かつ、スティック操作レバー８上の法面
掘削スイッチ９をＯＮにし、スティック操作レバー８と
ブーム操作レバー６の両方又はどちらか一方が動かされ
た時に、これらのモードに入るようになっている。な
お、目標法面角はモニタパネル１０上のスイッチ操作に
て設定される。

【００２６】また、法面掘削モード，スムージングモー
ドでは、スティック操作レバー８の操作量が目標法面角
に対して平行方向のバケット歯先移動速度を与え、ブー
ム操作レバー６の操作量が垂直方向のバケット歯先移動
速度を与えるようになっている。従って、スティック操
作レバー８を動かすと、目標法面角に沿って、バケット
歯先１１２が直線移動を開始し、掘削中にブーム操作レ
バー６を動かすことによって、手動による目標法面高さ
の微調整が可能となる。

【００２７】また、法面掘削モード，スムージングモー
ドでは、バケット操作レバー６を操作することによって
掘削中のバケット角を微調整するほか、目標法面高さも
変更することができる。なお、このシステムでは、手動
モードも可能であるが、この手動モードでは、従来の油
圧ショベルと同等の操作が可能となるほかに、バケット
歯先１１２の座標表示が可能である。

【００２８】また、半自動システム全体のサービス・メ
ンテナンスを行なうためのサービスモードも用意されて
おり、このサービスモードはコントローラ１に外部ター
ミナル２を接続することによって行なわれる。そして、
このサービスモードによって、制御ゲインの調整や各セ
ンサの初期化等が行なわれる。ところで、コントローラ
１に接続される各種センサとして、図２に示すように、
圧力スイッチ１６，圧力センサ１９，２８Ａ，２８Ｂ，
レゾルバ（角度センサ）２０〜２２，傾斜角センサ２４
等が設けられており、更にコントローラ１には、エンジ
ンポンプコントローラ２７，ＯＮ−ＯＦＦスイッチ７，
９，目標法面角設定器付きモニタパネル１０が接続され
ている。なお、外部ターミナル２は、制御ゲインの調整
や各センサの初期化時等に、コントローラ１に接続され
る。

【００２９】なお、エンジンポンプコントローラ２７
は、エンジン回転数センサ２３からのエンジン回転数情
報を受けてエンジンＥを制御するもので、コントローラ
１との間で協調情報を遣り取りできるようになってい
る。又、レゾルバ２０〜２２での検出信号は、信号変換
器（変換手段）２６を介してコントローラ１へ入力され
るようになっている。

【００３０】圧力センサ１９は、スティック３００の伸
縮用，ブーム２００の上下用の各操作レバー６，８から
主制御弁１３，１４，１５に接続されているパイロット
配管に取り付けられて、パイロット配管内のパイロット
油圧を検出するものであるが、かかるパイロット配管内
のパイロット油圧は、操作レバー６，８の操作量によっ
て変化するため、この油圧を計測することで操作レバー
６，８の操作量を推定できるようになっている。

【００３１】圧力センサ２８Ａ，２８Ｂはブームシリン
ダ１２０，スティックシリンダ１２１の伸長伸縮状態を
検出するものである。なお、スティック操作レバー８は
設定された掘削斜面に対して平行方向のバケット歯先移
動速度を決定するものとして使用され、ブーム操作レバ
ー６は設定斜面に対して垂直方向のバケット歯先移動速
度を決定するものとして使用される。従って、スティッ
ク操作レバー８とブーム操作レバー６の同時操作時は設
定斜面に対して平行及び垂直方向の合成ベクトルにてバ
ケット歯先の移動方向とその速度が決定されることにな
る。

【００３２】圧力スイッチ１６は、ブーム２００，ステ
ィック３００，バケット４００のための操作レバー６，
８用のパイロット配管にセレクタ１７等を介して取り付
けられて、操作レバー６，８が中立か否かを検出するた
めに使用される。即ち、操作レバー６，８が中立状態の
時、圧力スイッチ１６の出力がＯＦＦとなり、操作レバ
ー６，８が使用されると、圧力スイッチ１６の出力がＯ
Ｎとなる。なお、中立検出用圧力スイッチ１６は上記圧
力センサ１９の異常検出及び手動／半自動モードの切替
用としても利用される。

【００３３】レゾルバ２０は、ブーム２００の姿勢をモ
ニタしうるブーム２００の建設機械本体１００への枢着
部（関節部）に設けられてブーム２００の姿勢を検出す
る第１角度センサとして機能するものであり、レゾルバ
２１は、スティック３００の姿勢をモニタしうるスティ
ック３００のブーム２００への枢着部（関節部）に設け
られてスティック３００の姿勢を検出する第２角度セン
サとして機能するものである。また、レゾルバ２２は、
バケット４００の姿勢をモニタしうるリンク機構枢着部
に設けられてバケット４００の姿勢を検出する第３角度
センサとして機能するもので、これらのレゾルバ２０〜
２２で、アーム機構の姿勢を角度情報で検出する角度検
出手段を構成する。

【００３４】信号変換器（変換手段）２６は、レゾルバ
２０で得られた角度情報をブームシリンダ１２０の伸縮
変位情報に変換し、レゾルバ２１で得られた角度情報を
スティックシリンダ１２１の伸縮変位情報に変換し、レ
ゾルバ２２で得られた角度情報をバケットシリンダ１２
２の伸縮変位情報に変換するもの、即ち、レゾルバ２０
〜２２で得られた角度情報を対応するシリンダ１２０〜
１２２の伸縮変位情報に変換するもので、このため、こ
の信号変換器２６は、各レゾルバ２０〜２２からの信号
を受ける入力インタフェース２６Ａ，各レゾルバ２０〜
２２で得られた角度情報に対応するシリンダ１２０〜１
２２の伸縮変位情報を記憶するルークアップテーブル２
６Ｂ−１を含むメモリ２６Ｂ，各レゾルバ２０〜２２で
得られた角度情報に対応するシリンダ１２０〜１２２の
伸縮変位情報を求めシリンダ伸縮変位情報をコントロー
ラ１に通信しうる主演算装置（ＣＰＵ）２６Ｃ，主演算
装置（ＣＰＵ）２６Ｃからのシリンダ伸縮変位情報を送
出する出力インタフェース２６Ｄ等をそなえて構成され
ている。

【００３５】ところで、各レゾルバ２０〜２２で得られ
た角度情報θbm，θst，θbkに対応するシリンダ１２０
〜１２２の伸縮変位情報λbm，λst，λbkは余弦定理を
用いて次式で求めることができる。 λbm＝（Ｌ₁₀₁₁₀₂ ²＋Ｌ₁₀₁₁₁₁ ² −２Ｌ₁₀₁₁₀₂・Ｌ₁₀₁₁₁₁ｃｏｓ( θbm＋Ａxbm ））^1/2 ・・（１） λst＝（Ｌ₁₀₃₁₀₄ ²＋Ｌ₁₀₄₁₀₅ ²−２Ｌ₁₀₃₁₀₄・Ｌ₁₀₄₁₀₅ｃｏｓθst）^1/2 ・・（２） λbk＝（Ｌ₁₀₆₁₀₇ ²＋Ｌ₁₀₇₁₀₉ ²−２Ｌ₁₀₆₁₀₇・Ｌ₁₀₇₁₀₉ｃｏｓθbk）^1/2 ・・（３）ここで、上式において、Ｌ_ijは固定長、Ａxbm は固定角
を表し、Ｌの添字ｉｊは節点ｉ，ｊ間の情報を有する。
例えばＬ₁₀₁₁₀₂は節点１０１と節点１０２との距離を表
す。尚、節点１０１をｘｙ座標の原点とする（図６参
照）。

【００３６】もちろん、各レゾルバ２０〜２２で角度情
報θbm，θst，θbkが得られる毎に、上式を演算手段
（例えばＣＰＵ２６Ｃ）で演算してもよい。この場合
は、ＣＰＵ２６Ｃが、各レゾルバ２０〜２２で得られた
角度情報から角度情報に対応するシリンダ１２０〜１２
２の伸縮変位情報を演算により求める演算手段を構成す
ることになる。

【００３７】なお、信号変換器２６で変換された信号
は、半自動制御時のフィードバック制御用に利用される
ほか、バケット歯先の位置計測／表示用座標を計測する
ためにも利用される。また、半自動システムにおけるバ
ケット歯先位置は油圧ショベルの上部旋回体１００のあ
る１点を原点として演算されるが、上部旋回体１００が
フロントリンケージ方向に傾斜した時、制御演算上の座
標系を車両傾斜分だけ回転することが必要になる。傾斜
センサ２４はこの座標系の回転分を補正するために使用
される。

【００３８】前述のごとく、コントローラ１からの電気
信号によって、電磁比例弁３Ａ〜３Ｃはパイロットポン
プ５０から供給される油圧を制御し、制御された油圧を
切替弁４Ａ〜４Ｃ又はセレクタ弁１８Ａ〜１８Ｃを通し
て主制御弁１３，１４，１５に作用させることにより、
シリンダ目標速度が得られるように、主制御弁１３，１
４，１５のスプール位置を制御することが行なわれる
が、切替弁４Ａ〜４Ｃを手動モード側にすれば、手動に
てシリンダを制御することができる。

【００３９】なお、スティック合流調整比例弁１１は目
標シリンダ速度に応じた油量を得るために２つのポンプ
５１，５２の合流度合を調整するものである。また、ス
ティック操作レバー８には、ＯＮ−ＯＦＦスイッチ（法
面掘削スイッチ）９が取り付けられており、オペレータ
がこのスイッチを操作することによって、半自動モード
が選択又は非選択される。そして、半自動モードが選択
されると、バケット歯先を直線的に動かすことができる
ようになる。

【００４０】さらに、バケット操作レバー６には、ＯＮ
−ＯＦＦスイッチ（バケット自動復帰スタートスイッ
チ）７が取り付けられており、オペレータがこのスイッ
チ７をＯＮすることによって、バケット４００を予め設
定された角度に自動復帰させることができるようになっ
ている。安全弁５は電磁比例弁３Ａ〜３Ｃに供給される
パイロット圧を断続するためのもので、この安全弁５が
ＯＮ状態の時のみパイロット圧が電磁比例弁３Ａ〜３Ｃ
に供給されるようになっている。従って、半自動制御
上、何らかの故障があった場合等は、この安全弁５をＯ
ＦＦ状態にすることにより、速やかにリンケージの自動
制御を停止することができる。

【００４１】また、エンジンＥの回転速度はオペレータ
が設定したエンジンスロットルの位置によって異なり、
更にエンジンスロットルが一定であっても負荷によって
エンジン回転速度は変化する。ポンプ５０，５１，５２
はエンジンＥに直結されているので、エンジン回転速度
が変化すると、ポンプ吐出量も変化するため、主制御弁
１３，１４，１５のスプール位置が一定であっても、シ
リンダ速度はエンジン回転速度の変化に応じて変化して
しまう。これを補正するためにエンジン回転速度センサ
２３が取り付けられているのである。すなわち、エンジ
ン回転速度が低い時は、バケット歯先の目標移動速度を
遅くするようになっている。

【００４２】目標法面角設定器付きモニタパネル１０
（以下モニタパネルと呼ぶ場合がある）は、目標法面角
α（図６，１１参照），バケット復帰角の設定器として
使用されるほか、バケット歯先４００の座標や計測され
た法面角あるいは計測された２点座標間距離の表示器と
しても使用されるようになっている。なお、このモニタ
パネル１０は、操作レバー６，８とともに運転操作室６
００内に設けられる。

【００４３】すなわち、本実施形態にかかるシステムに
おいては、従来のパイロット油圧ラインに圧力センサ１
９及び圧力スイッチ１６を組込み、操作レバー６，８の
操作量を検出し、レゾルバ２０，２１，２２を用いてフ
ィードバック制御を行ない、制御は各シリンダ１２０，
１２１，１２２毎に独立した多自由度フィードハック制
御ができるような構成となっている。これにより、圧力
補償弁等の油器の追加が不要となる。また、車両傾斜角
センサ２４を用いて、上部旋回体１００の傾斜による影
響を補正し、コントローラ１からの電気信号にて、シリ
ンダ１２０，１２１，１２２を駆動するために電磁比例
弁３Ａ〜３Ｃを利用した構成にもなっている。なお、手
動／半自動モード切替スイッチ９によりオペレータは任
意にモードを選択できるようになっているほか、目標法
面角を設定することもできるようになっているのであ
る。

【００４４】つぎに、コントローラ１にて行なわれる半
自動システムの制御アルゴリズムについて述べるが、こ
のコントローラ１にて行なわれる半自動制御モード（バ
ケット自動復帰モードを除く）の制御アルゴリズムは概
略図４に示すようになっている。すなわち、最初に、バ
ケット歯先１１２の移動速度及び方向を、目標法面設定
角，スティックシリンダ１２１及びブームシリンダ１２
０を制御するパイロット油圧，車両傾斜角，エンジン回
転速度の情報より求める。次に、その情報を基に各シリ
ンダ１２０，１２１，１２２の目標速度を演算する。こ
の時、エンジン回転速度の情報はシリンダ速度の上限を
決定するとき必要となる。

【００４５】また、コントローラ１は、図３，４に示す
ように、各シリンダ１２０，１２１，１２２毎に独立し
た制御部１Ａ，１Ｂ，１Ｃをそなえており、各制御は、
図４に示すように、独立した制御フィードバックループ
として構成され、互いに干渉し合うことがないようにな
っている。また、閉ループ制御（図４参照）内の補償構
成は、各制御部１Ａ，１Ｂ，１Ｃ（図３，４参照）と
も、図５に示すように、変位，速度についてのフィード
バックループとフィードフォワードループの多自由度構
成となっている。

【００４６】すなわち、目標速度が与えられると、フィ
ードバックループ処理に関しては、目標速度と速度フィ
ードバック情報との偏差に所定のゲインＫｖｐ（符号６
２参照）を掛けるルートと、目標速度を一旦積分して
（図５の積分要素６１参照）、この目標速度積分情報と
変位フィードバック情報との偏差に所定のゲインＫｐｐ
（符号６３参照）を掛けるルートと、上記目標速度積分
情報と変位フィードバック情報との偏差に所定のゲイン
Ｋｐｉ（符号６４参照）を掛け更に積分（符号６６参
照）を施すルートによる処理がなされ、更にフィードフ
ォワードループ処理に関しては、目標速度に所定のゲイ
ンＫｆ（符号６５参照）を掛けるルートによる処理がな
されるようになっている。

【００４７】なお、上記のゲインＫｖｐ，Ｋｐｐ，Ｋｐ
ｉ，Ｋｆの値は、ゲインスケジューラ７０によって可変
しうるようになっている。また、非線形除去テーブル７
１が、電磁比例弁３Ａ〜３Ｃや主制御弁１３〜１５等の
非線形性を除去するために設けられているが、この非線
形除去テーブル７１を用いた処理は、テーブルルックア
ップ手法を用いることにより、コンピュータにて高速に
行なわれるようになっている。

【００４８】このような構成により、油圧ショベルを用
いて、図１１に示すような目標法面角αの法面掘削作業
を半自動で行なう際に、本発明によるシステムでは、従
来の手動制御のシステムに比し、ブーム２００及びステ
ィック３００の合成移動量を掘削速度に合わせて自動調
整する電子油圧システムにより、上記のような半自動制
御機能を実現することができる。即ち、油圧ショベルに
搭載されたコントローラ１へ種々のセンサからの検出信
号（目標法面角の設定情報を含む）が入力され、このコ
ントローラ１が、これらのセンサからの検出信号（信号
変換器２６を介したレゾルバ２０〜２２での検出信号も
含む）に基づき、電磁比例弁３Ａ，３Ｂ，３Ｃを介し
て、主制御弁１３，１４，１５を制御することにより、
ブーム２００，スティック３００，バケット４００が所
望の伸縮変位となるような制御を施して、上記のような
半自動制御を実行するのである。そして、この半自動制
御に際しては、まず、バケット歯先１１２の移動速度及
び方向を、目標法面設定角，スティックシリンダ１２１
及びブームシリンダ１２０を制御するパイロット油圧，
車両傾斜角，エンジン回転速度の情報より求め、その情
報を基に各シリンダ１２０，１２１，１２２の目標速度
を演算するのである。この時エンジン回転速度の情報は
シリンダ速度の上限を決定する時必要となる。また、制
御は、各シリンダ１２０，１２１，１２２毎に独立した
フィードバックループとしており、互いに干渉し合うこ
とはない。

【００４９】なお、この半自動システムにおける目標法
面角の設定は、モニタパネル１０上のスイッチによる数
値入力による方法，２点座標入力法，バケット角度によ
る入力法によりなされ、同じく半自動システムにおける
バケット復帰角の設定は、モニタパネル１０上のスイッ
チによる数値入力による方法，バケット移動による方法
によりなされるが、いずれも公知の手法が用いられる。

【００５０】また、上記各半自動制御モードとその制御
法は、レゾルバ２０〜２２で検出された角度情報を信号
変換器２６でシリンダ伸縮変位情報に変換したものに基
づいて、次のようにして行なわれる。まず、バケット角
度制御モードでは、バケット４００とｘ軸となす角（バ
ケット角）φを任意の位置で一定となるように、バケッ
トシリンダ１２２長さを制御する。このとき、バケット
シリンダ長さλbkは、ブームシリンダ長さλbm，スティ
ックシリンダ長さλst及び上記の角度φが決まると求め
られる。

【００５１】スムージングモードでは、バケット角度φ
は一定に保たれるから、バケット歯先位置１１２と節点
１０８は平行に移動する。まず、節点１０８がｘ軸に対
して平行に移動する場合（水平掘削）を考えると、次の
ようになる。すなわち、この場合は、掘削を開始するリ
ンケージ姿勢における節点１０８の座標を（ｘ₁₀₈，ｙ
₁₀₈）とし、この時のリンケージ姿勢におけるブームシ
リンダ１２０とスティックシリンダ１２１のシリンダ長
さを求め、ｘ₁₀₈が水平に移動するようにブーム２００
とスティック３００の速度を求める。なお、節点１０８
の移動速度はスティック操作レバー８の操作量によって
決定される。

【００５２】また、節点１０８の平行移動を考えた場
合、微小時間Δｔ後の節点１０８の座標は（ｘ₁₀₈＋Δ
ｘ，ｙ₁₀₈）で表わされる。Δｘは移動速度によって決
まる微小変位である。従って、ｘ₁₀₈にΔｘを考慮する
ことで、Δｔ後の目標ブーム及びスティックシリンダの
長さが求められる。法面掘削モードでは、スムージング
モードと同様の要領の制御でよいが、移動する点が節点
１０８からバケット歯先位置１１２へ変更され、更にバ
ケットシリンダ長さが固定されることを考慮した制御と
なる。

【００５３】また、車両傾斜センサ２４による仕上げ傾
斜角の補正については、フロントリンケージ位置の演算
は図６における節点１０１を原点としたｘｙ座標系で行
なわれる。従って、車両本体がｘｙ平面に対して傾斜し
た場合、上記ｘｙ座標が回転し、地面に対する目標傾斜
角が変化してしまう。これを補正するため、車両に傾斜
角センサ２４を取り付け、この傾斜角センサ２４によっ
て、車両本体がｘｙ平面に対してβだけ回転しているこ
とが検出された場合、βだけ加算した値と置き直すこと
によって補正すればよい。

【００５４】エンジン回転速度センサ２３による制御精
度悪化の防止については、以下のとおりである。即ち、
目標バケット歯先速度の補正については、目標バケット
歯先速度はスティック及びブーム操作レバー６，８の位
置とエンジン回転速度で決定される。また、油圧ポンプ
５１，５２はエンジンＥに直結されているため、エンジ
ン回転速度が低い時、ポンプ吐出量も減少し、シリンダ
速度が減少してしまう。そのため、エンジン回転速度を
検出し、ポンプ吐出量の変化に合うように目標バケット
歯先速度を算出しているのである。

【００５５】また、目標シリンダ速度の最大値の補正に
ついては、目標シリンダ速度はリンケージの姿勢及び目
標法面傾斜角によって変化することと、ポンプ吐出量が
エンジン回転速度の低下に伴い減少する場合、最大シリ
ンダ速度も減少させる必要があることとを考慮した補正
が行なわれる。なお、目標シリンダ速度が最大シリンダ
速度を超えた時は、目標バケット歯先速度を減少して、
目標シリンダ速度が最大シリンダ速度を超えないように
する。

【００５６】以上、種々の制御モードとその制御法につ
いて説明したが、いずれもシリンダ伸縮変位情報に基づ
いて行なう手法で、この手法による制御内容については
公知である。すなわち、本実施形態にかかるシステムで
は、レゾルバ２０〜２２で角度情報を検出したのちに、
角度情報を信号変換器２６でシリンダ伸縮変位情報に変
換しているので、以降は公知の制御手法を使用できるの
である。

【００５７】このようにして、コントローラ１にて、各
種の制御がなされるが、本実施形態にかかるシステムで
は、レゾルバ２０〜２２で検出された角度情報信号が、
信号変換器２６で、シリンダ変位情報に変換されて、コ
ントローラ１へ入力されているので、従来のように、ブ
ーム２００，スティック３００，バケット４００用シリ
ンダの各伸縮変位を検出するための高価なストロークセ
ンサを使用しなくても、従来の制御系で使用していたシ
リンダ伸縮変位を用いた制御を実行することができる。
これにより、コストを低く抑えながら、バケット４００
の位置と姿勢を正確に且つ安定して制御しうるシステム
を提供しうるのである。

【００５８】また、フィードバック制御ループが各シリ
ンダ１２０，１２１，１２２毎に独立しており、制御ア
ルゴリズムが変位、速度およびフィードフォワードの多
自由制御としているので、制御系を簡素化できるほか、
油圧機器の非線型性をテーブルルックアップ手法により
高速に線形化することができるので、制御精度の向上に
も寄与している。

【００５９】さらに、車両傾斜センサ２４により車両傾
斜の影響を補正したり、エンジン回転速度を読み込むこ
とにより、エンジンスロットルの位置及び負荷変動によ
る制御精度の悪化を補正しているので、より正確な制御
の実現に寄与している。また、外部ターミナル２を用い
てゲイン調整等のメインテナンスもできるので、調整等
が容易であるという利点も得られる。

【００６０】さらに、圧力センサ１９等を用いてパイロ
ット圧の変化により、操作レバー７，８の操作量を求
め、更に従来のオープンセンタバルブ油圧システムをそ
のまま利用しているので、圧力補償弁等の追加を必要と
しない利点があるほか、目標法面角設定器付モニタ１０
でバケット歯先座標をリアルタイムに表示することもで
きる。また、安全弁５を用いた構成により、システムの
異常時におけるシステム異常動作も防止できる。

【００６１】なお、本発明は上記した実施形態に限定さ
れるものではなく、本発明とその趣旨を逸脱しない範囲
で種々変形して実施することができる。

【００６２】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明の建設機械
の制御装置によれば、アーム機構の姿勢を角度情報で検
出する角度検出手段と、この角度検出手段で得られた角
度情報を対応するシリンダ式アクチュエータの伸縮変位
情報に変換する変換手段と、この変換手段で変換された
シリンダ式アクチュエータの伸縮変位情報に基づいてシ
リンダ式アクチュエータが所定の伸縮変位となるように
制御する制御手段が設けられているので、角度検出手段
で検出された角度情報が、変換手段で、伸縮変位情報に
変換されて、制御手段へ入力され、これにより、従来の
ように、各アクチュエータの伸縮変位を検出するための
高価なストロークセンサを使用しなくても、従来の制御
系で使用していたアクチュエータの伸縮変位を使用した
制御を実行することができる。これにより、コストを低
く抑えながら、バケットの位置と姿勢を正確に且つ安定
して制御しうるシステムを提供しうるのである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態にかかる制御装置を搭載し
た油圧ショベルの模式図である。

【図２】本発明の一実施形態にかかる制御システム構成
を概略的に示す図である。

【図３】本発明の一実施形態にかかる制御装置の制御系
構成を概略的に示す図である。

【図４】本発明の一実施形態にかかる制御システムの全
体構成を示す図である。

【図５】本発明の一実施形態にかかる要部制御ブロック
図である。

【図６】本発明による油圧ショベルの動作部分の概略図
である。

【図７】本発明による油圧ショベルの動作を示す概略図
である。

【図８】本発明による油圧ショベルの動作を示す概略図
である。

【図９】本発明による油圧ショベルの動作を示す概略図
である。

【図１０】本発明による油圧ショベルの動作を示す概略
図である。

【図１１】本発明による油圧ショベルの動作を示す概略
図である。

【図１２】従来の油圧ショベルの概略構成を示す図であ
る。

【符号の説明】

１コントローラ（制御手段）１Ａ〜１Ｃ制御部２外部ターミナル３Ａ〜３Ｃ電磁比例弁４Ａ〜４Ｃ電磁切替弁５安全弁６ブーム，バケット操作レバー７バケット自動復帰スタートスイッチ８スティック操作レバー９法面掘削スイッチ１０目標法面角設定器付モニタパネル１１スティック合流比例弁１３ブーム用主制御弁１４スティック用主制御弁１５バケット用主制御弁１６圧力スイッチ１７セレクタ弁（操作レバー用）１８セレクタ弁（手動／半自動モード用）１９圧力センサ２０ブームシリンダ用レゾルバ（第１角度センサ）２１スティックシリンダ用レゾルバ（第２角度セン
サ）２２バケットシリンダ用レゾルバ（第３角度センサ）２３エンジン回転速度センサ２４傾斜角センサ２６信号変換器（変換手段）２６Ａ入力インタフェース２６Ｂメモリ２６Ｂ−１ルークアップテーブル２６Ｃ主演算装置（ＣＰＵ）２６Ｄ出力インタフェース２７エンジンポンプコントローラ２８Ａ，２８Ｂ圧力センサ５０パイロットポンプ５１，５２ポンプ１００上部旋回体（建設機械本体）１２０ブームシリンダ（シリンダ式アクチュエータ）１２１スティックシリンダ（シリンダ式アクチュエー
タ）１２２バケットシリンダ（シリンダ式アクチュエー
タ）１３０リンク機構２００ブーム３００スティック４００バケット５００下部走行体５００Ａ無限軌条部６００運転操作室Ｅエンジン

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】建設機械本体と、該建設機械本体に一端部を枢着され他端側に作業部材を
有するとともに、関節部を介して相互に接続された少な
くとも一対のアーム部材を有する関節式アーム機構と、伸縮動作を行なうことにより該アーム機構を駆動する複
数のシリンダ式アクチュエータを有するシリンダ式アク
チュエータ機構と、該アーム機構の姿勢を角度情報で検出する角度検出手段
と、該角度検出手段で得られた角度情報を対応する該シリン
ダ式アクチュエータの伸縮変位情報に変換する変換手段
と、該変換手段で変換された該シリンダ式アクチュエータの
伸縮変位情報に基づいて、該シリンダ式アクチュエータ
が所定の伸縮変位となるように制御する制御手段とをそ
なえて構成されたことを特徴とする、建設機械の制御装
置。
【請求項２】該関節式アーム機構が、該建設機械本体に対して、一端が回動可能に接続される
ブームと、該ブームに対して、一端が該関節部を介して回動可能に
接続されるスティックとをそなえて構成されるととも
に、該作業部材が、該スティックに対して、一端が関節部を
介して回動可能に接続され、先端が地面を掘削し内部に
土砂を収容可能なバケットとして構成されたことを特徴
とする、請求項１記載の建設機械の制御装置。
【請求項３】該シリンダ式アクチュエータ機構が、該建設機械本体と該ブームとの間に介装され、端部間の
距離が伸縮することにより、該ブームを該建設機械本体
に対して回転させる、ブーム油圧シリンダと、該ブームと該スティックとの間に介装され、端部間の距
離が伸縮することにより、該スティックを該ブームに対
して回転させる、スティック油圧シリンダと、該スティックと該バケットとの間に介装され、端部間の
距離が伸縮することにより、該バケットをスティックに
対して回転させる、バケット油圧シリンダとをそなえて
構成されたことを特徴とする、請求項２記載の建設機械
の制御装置。
【請求項４】該角度検出手段が、該ブームの姿勢を検出する第１角度センサと、該スティックの姿勢を検出する第２角度センサと、該バケットの姿勢を検出する第３角度センサとをそなえ
て構成されたことを特徴とする、請求項２記載の建設機
械の制御装置。
【請求項５】該変換手段が、該角度検出手段で得られ
た角度情報から該角度情報に対応する該シリンダ式アク
チュエータの伸縮変位情報を演算により求める演算手段
をそなえていることを特徴とする、請求項１記載の建設
機械の制御装置。
【請求項６】該変換手段が、該角度検出手段で得られ
た角度情報に対応する該シリンダ式アクチュエータの伸
縮変位情報を記憶する記憶手段をそなえていることを特
徴とする、請求項１記載の建設機械の制御装置。
【請求項７】該変換手段が、該第１角度センサで得ら
れた角度情報を該ブーム油圧シリンダの伸縮変位情報に
変換し、該第２角度センサで得られた角度情報を該ステ
ィック油圧シリンダの伸縮変位情報に変換し、該第３角
度センサで得られた角度情報を該バケット油圧シリンダ
の伸縮変位情報に変換するように構成されていることを
特徴とする、請求項３記載の建設機械の制御装置。