JP2012031635A

JP2012031635A - 作業機の干渉防止装置

Info

Publication number: JP2012031635A
Application number: JP2010171987A
Authority: JP
Inventors: Takashi Yoneda; 敬米田; Nobuaki Matoba; 信明的場
Original assignee: Caterpillar SARL
Current assignee: Caterpillar SARL
Priority date: 2010-07-30
Filing date: 2010-07-30
Publication date: 2012-02-16

Abstract

【課題】昇降キャブと多関節の作業アームを備える作業機における、干渉防止装置の制御演算を簡単にする。
【解決手段】キャブ最下位置と最上位置とによって予め設定した制限域である、円弧状制限域（ＬＭＮ）または直線状制限域（ＰＱＨＩＭＮ）をもとに作業アームの動きを制限する。
【選択図】図５

Description

本発明は、作業機の干渉防止装置、さらに詳しくは、昇降キャブと多関節の作業アームを備えた作業機の、キャブと作業アームの干渉防止装置に関する。

昇降作動を自在に取付けたキャブと上下方向に揺動作動を自在に取付けた多関節の作業アームを備えた例えば油圧ショベルのような作業機がある。キャブは昇降用の油圧シリンダの伸縮によって昇降され、作業に応じた高さに調整することができる。作業アームは、機体に揺動自在に取付けたブームと、ブームの先端に揺動自在に取付けたアームを備え、アームの先端に作業用のアタッチメントが取付けられている。

この昇降キャブと作業アームを備える作業機には、キャブと作業アームの先端部との干渉を防止するための干渉防止装置が用意されている（例えば、特許文献１参照）。この干渉防止装置は、多関節の作業アームの屈折状態を検出してアーム先端部の位置を求めるとともに、キャブの昇降位置を検出して昇降位置によって作業アームの動きを制限する制限域を補正し、作業アームとキャブの干渉防止制御を行っている。

特開平８−３５２３９号公報（図１−図８）

上述したとおりの作業機の干渉防止装置には、次のとおりの解決すべき課題がある。

すなわち、この干渉防止装置は、昇降キャブの位置を検出して制限域を補正し干渉防止制御を行うため、制御演算が複雑になる。また、作業アームのブームとアームの作動が同時に制限されるため、作業性が悪くなる。

本発明は上記事実に鑑みてなされたもので、その主たる技術的課題は、昇降キャブと多関節の作業アームを備える作業機における、干渉防止装置の制御演算を簡単にすることである。他の技術的課題は、昇降キャブと多関節の作業アームを備える作業機における、作業アームのブームとアームの作動が同時に制限されることによる作業性の悪化を改善することである。

本発明によれば上記の主たる技術的課題を解決するために、昇降作動を自在に取付けられたキャブと上下方向に揺動作動を自在に取付けられた多関節の作業アームとを備える作業機のキャブとキャブ前方に位置する作業アーム先端部との干渉防止装置であって、キャブ最下位置と最上位置とによって予め設定した制限域をもとに作業アームの動きを制限する、ことを特徴とする作業機の干渉防止装置が提供される。

該制限域として、キャブが昇降する円弧状軌跡に沿って設けた円弧状制限域を備えている。

制限域の他の例として、キャブの最下位置と最上位置の前面を結んだ直線に沿って設けた直線状制限域を備えている。

好適実施形態においては、該制限域として、切換スイッチによって選択自在に切換えられる、キャブが昇降する円弧状軌跡に沿って設けた円弧状制限域およびキャブの最下位置と最上位置の前面を結んだ直線に沿って設けた直線状制限域を備えている。

他の技術的課題を解決するために、作業アームは、機体に上下方向に揺動作動を自在に取付けられたブームおよびブームの先端に上下方向に揺動作動を自在に取付けられたアームを備え、干渉防止装置は、機体に対するブームの揺動角度を検出するブーム角センサと、ブームに対するアームの揺動角度を検出するアーム角センサと、ブーム角センサおよびアーム角センサの出力に基づいてアームの先端部位置を演算し該制限域をもとにブームの上げ操作およびアームの下げ操作を個々に制限するコントローラと、を備えている。

本発明に従って構成された作業機の干渉防止装置は、キャブ最下位置と最上位置とによって予め設定した制限域をもとに作業アームの動きを制限する。また、作業アームの、ブームの上げ操作およびアームの下げ操作を個々に制限する。

したがって、昇降キャブの位置を検出して制限域を補正することなしに、予め設定した制限域をもとに作業アームの動きを制限するので、干渉防止装置の制御演算を簡単にすることができる。また、作業アームの、ブームの上げ操作およびアームの下げ操作を個々に制限するので、ブームとアームの作動が同時に制限されることによる作業性の悪化を改善することができる。

昇降キャブと作業アームの干渉防止装置を備えた作業機の側面図。干渉防止装置の概要説明図。干渉防止装置の角度センサの取付図。作業機の油圧システム図。干渉防止制限域の説明図。干渉防止装置のコントローラの説明図。ブーム制限角の演算説明図。アーム制限角の演算説明図。ブーム制限角の演算説明図。アーム制限角の演算説明図。

以下、本発明に従って構成された作業機の干渉防止装置について、好適実施形態を図示している添付図面を参照して、さらに詳細に説明する。

図１を参照して昇降キャブと多関節の作業アームを備えた作業機について説明する。全体を番号４０で示す作業機は、下部走行体１と、下部走行体１上に取付けられた上部旋回体２と、上部旋回体２に、昇降作動を自在に取付けられたキャブ８および上下方向に揺動作動を自在に取付けられた作業アーム３を備えている。

キャブ８は、上部旋回体２のサポート７に一対の平行なリンク９，１０、およびリンク９，１０を上下に動かすキャブ昇降油圧シリンダ１１を介して取付けられている。油圧シリンダ１１を伸縮させてキャブ８を昇降させ、キャブ８を最下位置（実線で示す）と最上位置（二点鎖線で示す）の間で、作業に応じた高さに調整することができる。

作業アーム３は、上部旋回体２に上下方向に揺動自在に取付けられたブーム４およびブーム４の先端に上下方向に揺動自在に取付けられたアーム５を備え、アーム５の先端に作業用のアタッチメント６が取付けられている。上部旋回体２とブーム４の間にはブーム作動油圧シリンダ４ａが、ブーム４とアーム５の間にはアーム作動油圧シリンダ５ａが取付けられている。

作業機４０は、キャブ８の最下位置と最上位置とによって予め設定した「制限域」をもとに作業アーム３の動きを制限し、キャブ８とキャブ８の前方に位置する作業アーム３先端部との干渉を防止する干渉防止装置を備えている。

図１とともに図２を参照してこの干渉防止装置について概要を説明する。干渉防止装置５０は、機体である上部旋回体２に対するブームの揺動角度を検出するブーム角センサ１２と、ブーム４に対するアーム５の揺動角度を検出するアーム角センサ１３を備え、ブーム角センサ１２およびアーム角センサ１３の出力に基づいてアーム５の先端部位置を演算し、予め設定した「制限域」をもとにブーム４の上げ操作およびアーム５の下げ操作を個々に、電磁比例減圧弁３０、３１によって制限するコントローラ３３を備えている。コントローラ３３には、後に述べる二種類の「制限域」を選択自在に切換える切換スイッチ３４が接続されている。

図３を参照してブーム角センサ１２およびアーム角センサ１３の取付けについて説明する。ブーム角センサ１２は、ブーム４の基部の回動中心に取付けられ、ブーム４の基部と先端のアーム回動中心とを結ぶ線と、水平線との間の角度をブーム角αとして検出する。アーム角センサ１３は、ブーム４の基部および先端のアーム回動中心を結ぶ線と、アーム回動中心およびアーム先端のアタッチメント回動中心を結ぶ線との間の角度をアーム角βとして検出する。

図４を参照して作業機４０の油圧システムについて説明する。ブームシリンダ４ａおよびアームシリンダ５ａは、エンジン１５により駆動される一対の油圧ポンプ１６Ｌ、１６Ｒの吐出油が、ブーム用流量制御弁２０，２１およびアーム用流量制御弁２２，２３によってそれぞれ制御され給排されて、伸縮作動される。

ブーム用流量制御弁２０，２１およびアーム用流量制御弁２２，２３は、パイロット圧力源２４の圧油が、それぞれ操縦者が操作するブーム上げリモコン弁２６、ブーム下げリモコン弁２７、アーム上げリモコン弁２８、アーム下げリモコン弁２９によって、制御され給排されて操作される。

ブーム上げリモコン弁２６とブーム用流量制御弁２０，２１を結ぶ管路に、ブーム上げ作動を制限する前記の電磁比例減圧弁３０が、アーム下げリモコン弁２９とアーム用流量制御弁２２，２３を結ぶ管路に、アーム下げ作動を制限する前記の電磁比例減圧弁３１が取付けられている。

図５を参照して「制限域」について説明する。「制限域」としては、切換スイッチ３４によって選択自在に切換えられる、キャブ８が昇降する円弧状軌跡に沿って設けた「円弧状制限域」およびキャブ８の最下位置と最上位置の前面を結んだ直線に沿って設けた「直線状制限域」を備えている。

「円弧状制限域」は、リンク９の取付ピンＣを中心とした半径Ｒ０の上方から下方に伸びる円弧ＬＭと下端のＭから内方に水平に伸びる直線ＭＮによる線ＬＭＮによって規定されている。半径Ｒ０は、キャブ８が昇降した時にピンＣから最も離れたキャブの前面までの半径Ｒ０’に、図３に示すアーム先端からアタッチメント６の可動半径ｒに余裕値Δｒを足したものである。

「直線状制限域」は、「円弧状制限域」の線ＬＭＮの円弧ＬＭの部分を、キャブ８側に、キャブ８の上部にｒ＋Δｒ離して水平に伸びる直線ＱＰ、およびキャブ８の前方にｒ＋Δｒ離して上下に伸びる直線ＨＩによって狭めた線ＰＱＨＩＭＮによって規定されている。

作業機４０によるアタッチメント６（図３）を用いての作業を能率よく遂行できるように、キャブ８から離して設けた「円弧状制限域」を「通常時用」とし、キャブ８により近く設けた「直線状制限域」を「非常時用」として、切換スイッチ３４により適宜に選択することができる。

図６を参照してコントローラ３３について説明する。コントローラ３３は、アーム角センサ１３のアーム角βを入力して、「円弧状制限域」のブーム制限角を出力するブーム制限角設定器４０、「直線状制限域」のブーム制限角を出力するブーム制限角設定器４１、この制限角設定器４０，４１の出力を切換スイッチ３４によって切換える信号選択器４２、信号選択器４２から出力されるブーム制限角とブーム角センサ１２のブーム角αの偏差を求める減算器４３、減算器４３で求めた角度偏差に基づいて操作制限を行うためのパイロット圧を設定するブーム操作圧設定器４４、およびブーム操作圧設定器４４の出力圧を電磁比例弁３０の駆動信号に変換するドライバー４５を備えている。

コントローラ３３はまた、ブーム角センサ１２のブーム角αを入力して、「円弧状制限域」のアーム制限角を出力するアーム制限角設定器４６、「直線状制限域」のアーム制限角を出力するアーム制限角設定器４７、この制限角設定器４６，４７の出力を切換スイッチ３４によって切換える信号選択器４８、信号選択器４８から出力されるアーム制限角とアーム角センサ１３のアーム角βの偏差を求める減算器４９、減算器４９で求めた角度偏差に基づいて操作制限を行うためのパイロット圧を設定するアーム操作圧設定器５０、およびアーム操作圧設定器５０の出力圧を電磁比例弁３１の駆動信号に変換するドライバー５１を備えている。

次に、「円弧状制限域」のブーム制限角の計算式およびアーム制限角の計算式、「直線状制限域」のブーム制限角の計算式およびアーム制限角の計算式について説明する。

（１）「円弧状制限域」のブーム制限角α_ＬＴ１の計算式について図７を参照して説明する。

ブーム取付ピンＯからアーム先端ピンＡまでの距離Ｒ１は、△ＯＢＡから次式で与えられる。
[数１]

リンク取付ピンＣを原点とし、ブーム取付ピンＯを通る直線をｘ軸、ｘ軸に垂直な軸をｙ軸とするローカル座標を設定する。リンク取付ピンＣを原点とした半径Ｒ０の円と、ブーム取付ピンＯを原点とした半径Ｒ１の円の交点Ｄからｘ軸に垂直な線の交点をＥとする。

[数２]

同様に、△ＯＤＥから次式が成り立つ。
[数３]

[数２]式から[数３]式を引いて、ｘ_ｄを求める式を導くと、
[数４]

[数５]

ローカル座標ｘ-ｙにおける交点Ｄの座標（ｘ_ｄ，ｙ_ｄ）を、次式を用いてグローバル座標Ｘ-Ｙに変換する。
[数６]

[数７]

一方、図７において∠ＡＯＢ＝α1とすると、
[数８]

但し、Ｌ_ｏｂはブーム長、Ｌ_ａｂはアーム長、また、Ｏ点の座標を（Ｘ_ｏ,Ｙ_ｏ）とすると、
[数９]

ブーム制限角α_ＬＴ１は、次式で与えられる。
[数１０]

上記の関係式を用いて、アーム角βを一定ピッチで増加させて、リンク９の取付ピンＣを中心とした半径Ｒ０の円弧とブーム取付ピンＯとアーム先端Ａを結ぶ半径Ｒ１の円弧の交点Ｄの座標（ｘ_ｄ，ｙ_ｄ）を求める。

次に、[数８]、[数９]、[数１０]式からブーム制限角α_ＬＴを求め、アーム角βとブーム制限角α_ＬＴ１の関数テーブルを作成する。

（２）「円弧状制限域」のアーム制限角β_ＬＴ１の計算式について図８を参照して説明する。

図８において、ブーム先端ピンＢの座標（Ｘ_ｂ，Ｙ_ｂ）は、次式で与えられる。
[数１１]

[数１２]

[数１３]

図８に示すように、リンク取付ピンＣを原点とし、ブーム先端ピンＢを通る直線をｘ軸、ｘ軸に垂直な軸をｙ軸とするローカル座標を設定する。

リンク取付ピンＣを原点とした半径Ｒ０の円と、ブーム先端ピンＢを原点としたアーム長さＲ２の円の交点Ｆからｘ軸に垂直な線の交点をＧとする。

[数１４]

同様に、△ＢＦＧから次式が成り立つ。
[数１５]

[数１４]式から[数１５]式を引いて、ｘ_ｆを求める式を導くと、
[数１６]

[数１７]

ローカル座標ｘ-ｙにおける交点Ｆの座標（ｘ_ｆ，ｙ_ｆ）をグローバル座標Ｘ−Ｙに変換する式は、
[数１８]

[数１９]

[数２０]

図８において∠ＯＢＦ＝β1とすると、
[数２１]

アーム制限角β_ＬＴは、次式で与えられる。
[数２２]

上記の関係式を用いて、ブーム角αを一定ピッチで増加させて、リンク９の取付ピンＣを中心とした半径Ｒ０の円弧とブーム先端ピンＢとアーム先端Ａを結ぶ半径Ｒ２の円弧の交点Fの座標（ｘ_ｆ，ｙ_ｆ）を求める。

次に、[数２０]、[数２１]、[数２２]式からアーム制限角β_ＬＴ１を求めて、ブーム角αとアーム制限角β_ＬＴ１の関数テーブルを作成する。

（３）「直線状制限域」のブーム制限角α_ＬＴ２の計算式について図９を参照して説明する。

図９において、ブーム取付ピンＯを原点とするローカル座標ｘ-ｙを設定する。

[数２３]

ブーム取付ピンOを原点とした半径Ｒ１の式は、
[数２４]

[数２３]式、[数２４]式から
[数２５]

係数を以下の式に置き換える。

[数２５]式は、次式で与えられる。
[数２６]

Ｂ_１ ^２−４Ａ_１Ｃ_１＞０の時は、次式で交点の座標ｘ_ｊが求まる。
[数２７]

[数２８]

ローカル座標ｘ-ｙにおける交点Jの座標（ｘ_ｊ，ｙ_ｊ）をグローバル座標Ｘ−Ｙに変換する式は、
[数２９]

[数３０]

一方、図９において∠ＡＯＢ＝α1とすると、
[数３１]

[数３２]

ブーム制限角α_ＬＴ２は、次式で与えられる。
[数３３]

上記の関係式を用いて、アーム角βを一定ピッチで増加させて、

を求める。

次に、[数３１]、[数３２]、[数３３]式からブーム制限角α_ＬＴ２を求め、アーム角βとブーム制限角α_ＬＴ２の関数テーブルを作成する。

（４）「直線状制限域」のアーム制限角β_ＬＴ２の計算式について図１０を参照して説明する。

図１０において、ブーム取付ピンＯを原点とするローカル座標ｘ-ｙを設定する。

[数３４]

図１０において、ブーム先端ピンＢの座標（ｘ_ｂ，ｘ_ｂ）は、次式で与えられる。
[数３５]

[数３６]

ブーム先端ピンＢを原点とした半径Ｒ２の式は、
[数３７]

[数３４]式、[数３７]式から
[数３８]

係数を以下の式に置き換える。

[数３８]式は、次式で与えられる。
[数３９]

Ｂ_２ ^２-４Ａ_２Ｃ_２＞０の時は、次式で交点の座標ｘ_ｋが求まる。
[数４０]

[数４１]

[数４２]

図１０において∠ＯＢＫ＝β2とすると、
[数４３]

アーム制限角β_ＬＴ２は、次式で与えられる。
[数４４]

上記の関係式を用いて、ブーム角αを一定ピッチで増加させて、

を求める。

次に、[数４２]、[数４３]、[数４４]式からアーム制限角β_ＬＴ２を求めて、ブーム角αとアーム制限角β_ＬＴ２の関数テーブルを作成する。

次に、干渉防止装置５０における干渉防止制御について図６を参照して説明する。

ブーム上げ操作の制限：
アーム角１３が「円弧状制限域」のブーム制限角を出力するブーム制限角設定器４０と、「直線状制限域」のブーム制限角を出力するブーム制限角設定器４１に入力され、各々のブーム制限角設定器４０，４１からブーム制限角が出力される。

ブーム制限角設定器４０は、前述のブーム制限角の計算式を用いて、制限域ＬＭＮにおけるアーム角βに対するブーム制限角を求めて作成した関数テーブルである。ブーム制限角設定器４１は、前述のブーム制限角の計算式を用いて、制限域ＰＱＨＩＭＮにおけるアーム角βに対するブーム制限角を求めて作成した関数テーブルである。

切換スイッチ３４によって信号選択器４２で前記の２つのブーム制限角設定器４０と４１を切換えて、ブーム制限角を出力する。減算器４３で、信号選択器４２から出力されるブーム制限角とブーム角１２の偏差を求める。減算器４３で求めた角度偏差は、ブーム操作圧設定器４４に入力され、ブーム上げ操作制限を行うためのパイロット圧を設定し、ドライバー４５で電磁比例弁３０の駆動信号に変換し、ブーム上げ操作を制限する。

アーム下げ操作の制限：
ブーム角１２が円弧状制限域のアーム制限角を出力するアーム制限角設定器４６と、直線状制限域のアーム制限角を出力するアーム制限角設定器４７に入力され、各々のアーム制限角設定器４６，４７からアーム制限角が出力される。

アーム制限角設定器４６は、上記のアーム制御角の計算式を用いて、制限域ＬＭＮにおけるブーム角αに対するアーム制限角を求めて作成した関数テーブルである。アーム制限角設定器４７は、上記のアーム制御角の計算式を用いて、制限域ＰＱＨＩＭＮにおけるブーム角αに対するアーム制限角を求めて作成した関数テーブルである。

切換スイッチ３４によって信号選択器４８で前記の２つのアーム制限角設定器４６と４７を切換えて、アーム制限角を出力する。減算器４９で信号選択器４８から出力されるアーム制限角とアーム角１３の偏差を求める。減算器４９で求めた角度偏差は、アーム操作圧設定器５０に入力され、アーム下げ操作制限を行うためのパイロット圧を設定し、ドライバー５１で電磁比例弁３１の駆動信号に変換し、アーム下げ操作を制限する。

上述したとおりの作業機の干渉防止装置の効果について説明する。

本発明に従って構成された作業機の干渉防止装置５０は、キャブ８最下位置と最上位置とによって予め設定した制限域をもとに作業アーム３の動きを制限する。

したがって、昇降キャブ８の位置を検出して制限域を補正することなしに、予め設定した制限域をもとに作業アーム３の動きを制限するので、干渉防止装置５０の制御演算を簡単にすることができる。

制限域として、キャブ８が昇降する円弧状軌跡に沿って設けた円弧状制限域を備えている。あるいは、制限域の他の例として、キャブ８の最下位置と最上位置の前面を結んだ直線に沿って設けた直線状制限域を備えている。

したがって、キャブ８から離して設けた「円弧状制限域」、あるいはキャブ８により近く設けた「直線状制限域」を、作業機４０の作業に応じて予め設定すればよい。

また、制限域としてキャブ８が昇降する円弧状軌跡に沿って設けた円弧状制限域およびキャブ８の最下位置と最上位置の前面を結んだ直線に沿って設けた直線状制限域を、選択自在に切換える切換スイッチ３４を備えている。

したがって、キャブ８から離して設けた「円弧状制限域」を「通常時用」とし、キャブ８により近く設けた「直線状制限域」を「非常時用」として、切換スイッチ３４により適宜に選択することにより、作業機４０の作業の形態、アタッチメントの種類などに応じて作業を能率よく遂行できることができる。

干渉防止装置５０のコントローラ３３は、ブーム角センサ１２およびアーム角センサ１３の出力に基づいてアーム５の先端部位置を演算し制限域をもとにブーム４の上げ操作およびアーム５の下げ操作を個々に制限する。

したがって、作業アーム３の、ブーム４の上げ操作およびアーム５の下げ操作を個々に制限するので、ブーム４とアーム５の作動が同時に制限されることによる作業性の悪化を改善することができる。

以上、本発明を実施例に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記の実施例に限定されるものではなく、例えば下記のように、本発明の範囲内においてさまざまな変形あるいは修正ができるものである。

本発明の実施例においては、二つの制限域、円弧状制限域および直線状制限域を切換スイッチ３４によって選択自在に切換えるようにしたが、作業機の作業形態などに応じて、いずれか一方のみを備えるようにしてもよい。

２：上部旋回体（機体）
３：作業アーム
４：ブーム
５：アーム
１２：ブーム角センサ
１３：アーム角センサ
３３：コントローラ
３４：切換スイッチ
４０：作業機
５０：干渉防止装置

Claims

昇降作動を自在に取付けられたキャブと上下方向に揺動作動を自在に取付けられた多関節の作業アームとを備える作業機のキャブとキャブ前方に位置する作業アーム先端部との干渉防止装置であって、
キャブ最下位置と最上位置とによって予め設定した制限域をもとに作業アームの動きを制限する、
ことを特徴とする作業機の干渉防止装置。
該制限域として、
キャブが昇降する円弧状軌跡に沿って設けた円弧状制限域を備えている、
ことを特徴とする請求項１記載の作業機の干渉防止装置。
該制限域として、
キャブの最下位置と最上位置の前面を結んだ直線に沿って設けた直線状制限域を備えている、
ことを特徴とする請求項１記載の作業機の干渉防止装置。
該制限域として、
切換スイッチによって選択自在に切換えられる、キャブが昇降する円弧状軌跡に沿って設けた円弧状制限域およびキャブの最下位置と最上位置の前面を結んだ直線に沿って設けた直線状制限域を備えている、
ことを特徴とする請求項１記載の作業機の干渉防止装置。
作業アームが、機体に上下方向に揺動作動を自在に取付けられたブームおよびブームの先端に上下方向に揺動作動を自在に取付けられたアームを備え、
干渉防止装置が、
機体に対するブームの揺動角度を検出するブーム角センサと、
ブームに対するアームの揺動角度を検出するアーム角センサと、
ブーム角センサおよびアーム角センサの出力に基づいてアームの先端部位置を演算し該制限域をもとにブームの上げ操作およびアームの下げ操作を個々に制限するコントローラと、を備えている、
ことを特徴とする請求項１から４までのいずれかに記載の作業機の干渉防止装置。