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公開番号2021050551
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210401
出願番号2019174790
出願日20190925
発明の名称作業機械
出願人日立建機株式会社
代理人特許業務法人開知国際特許事務所
主分類E02F 9/20 20060101AFI20210305BHJP(水工;基礎;土砂の移送)
要約【課題】運搬機械から取り出した荷重の計測のための余分な動作を要さずに、積込み作業と取り出し作業を容易に区別し、積込量を正確に計測できる作業機械の提供。
【解決手段】油圧ショベルに搭載されたコントローラは、バケットが掘削作業を行っていると判定したときには、バケットが運搬作業を行っていると判定したときの姿勢センサの出力値と、記憶装置内に記憶された表面形状とに基づいて、バケットと表面形状との相対高さである掘削高さを演算し、掘削高さが第1閾値H1以下の場合には、演算した運搬対象物の荷重を積込量に加算し、掘削高さが第1閾値H1を超過する場合には、演算した運搬対象物の荷重を積込量から減算する。
【選択図】 図5
特許請求の範囲【請求項1】
複数の関節と先端に作業具を有する作業装置と、
前記作業装置に作用する負荷を検出する負荷センサと、
前記作業装置の姿勢を検出する姿勢センサと、
前記負荷センサと前記姿勢センサとの出力値に基づき前記作業装置により行われている作業を判定し、前記作業装置による運搬作業が行われていることを判定した場合には、前記負荷センサと前記姿勢センサとの出力値に基づき前記作業装置により運搬されている運搬対象物の荷重を演算し、前記作業装置による運搬作業が終了したことを判定した場合には、演算した前記運搬対象物の荷重を積算して運搬機械への積込量を演算するコントローラと、
前記コントローラで演算された前記運搬対象物の荷重と、前記コントローラで演算された前記運搬機械への積込量とを出力する出力装置と、
を備えた作業機械において、
前記コントローラは、
前記作業装置により掘削作業が行われていると判定した場合には、前記作業装置による運搬作業が行われていることを判定した場合の前記姿勢センサの出力値と、記憶装置内に記憶された前記運搬対象物の表面形状とに基づいて、前記作業装置と前記表面形状との相対高さである掘削高さを演算し、
前記掘削高さが所定の第1閾値H1以下の場合には、演算した前記運搬対象物の荷重を前記積込量に加算し、前記掘削高さが前記第1閾値H1を超過する場合には、演算した前記運搬対象物の荷重を前記積込量から減算する、
ことを特徴とする作業機械。
続きを表示(約 750 文字)【請求項2】
請求項1の作業機械において、
前記コントローラは、所定の時間内に前記作業装置により積込作業が行われたと判定した回数と、前記所定の時間内に前記作業装置により取り出し作業が行われた回数とを計数し、前記作業装置により取り出し作業が行われた頻度を演算し、
前記出力装置は、前記コントローラで演算された前記取り出し作業が行われた頻度をさらに出力する、
ことを特徴とする作業機械。
【請求項3】
請求項1の作業機械において、
前記コントローラは、演算した前記掘削高さが前記第1閾値H1より小さい所定の第2閾値H2より小さい場合には、前記記憶装置内に記憶された表面形状を最新の表面形状に更新する、
ことを特徴とする作業機械。
【請求項4】
請求項1の作業機械において、
前記第1閾値H1は、前記運搬機械が備えるベッセルにおける底面の最低部の高さである、
ことを特徴とする作業機械。
【請求項5】
請求項1の作業機械において、
前記運搬対象物の表面形状を取得する表面形状取得装置をさらに備え、
前記コントローラは、前記表面形状取得装置を介して取得された表面形状を前記記憶装置に記憶する、
ことを特徴とする作業機械。
【請求項6】
請求項3の作業機械において、
前記運搬対象物の表面形状を取得する表面形状取得装置をさらに備え、
前記コントローラは、演算した前記掘削高さが前記第2閾値H2より小さい場合には、前記表面形状取得装置を介して取得された表面形状を前記最新の表面形状として前記記憶装置に記憶する、
ことを特徴とする作業機械。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、特に運搬作業中に運搬対象物の荷重を計測する作業機械に関する。
続きを表示(約 8,200 文字)【背景技術】
【0002】
土木施工現場や、リサイクル資源処理現場、鉱山現場等では、油圧ショベルに代表される作業機械を用いて、運搬対象物(作業対象物や荷とも称する)をダンプトラックに代表される運搬機械へ積込む作業が行われている。このような作業において、管理者は出来高の管理や鉱物の生産量の管理を行うために、作業機械が運搬機械へ積込んだ運搬対象物の荷重の積算値(積込量)を計測する必要がある。運搬機械への積込量を計測する方法として、作業機械の作業装置で運搬した運搬対象物の荷重を作業機械側で計測しながら運搬機械へ積み込み、計測した荷重を積算することによって運搬機械に積載した積込量を演算する方法が知られている。
【0003】
ところで、オペレータの経験不足等によって運搬機械に荷を積載する際に目標積載量(目標積込量)より過剰に積載してしまうことがある。その場合は、運搬機械から荷を取り出して作業現場に戻すこととなる。積込量を正しく計測し生産量を管理するためには、積込み作業と取出し作業とを区別し、取り出し作業で運搬機械から取り出した荷重を積込量から減算する必要がある。
【0004】
積込量を計測する方法として特許文献1には、ダンプトラックの荷台の位置を基準とした放出範囲(放土範囲)をバケットの作業可能範囲に設定し、油圧ショベルが旋回してバケットが放出範囲に入る荷重と放出範囲から出る荷重の差分を積算して積込量を演算する作業量モニタ装置が開示されている。放出範囲から出る荷重が放出範囲に入る荷重より大きい場合には、2つの荷重の差分は負の値となり、その負の値を積算すると積込量が取り出した荷重の分だけ低減されることとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
特開2002−285589号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
特許文献1の作業量モニタ装置では、ダンプトラックから取り出した荷重を積込量から減算することは可能であるが、その取り出した荷重を計測するためには、旋回してバケットを放出範囲の枠外に一旦出す必要があり、取り出した荷重の演算に時間を要してしまう。
【0007】
本発明では、運搬機械から取り出した荷重の計測のための余分な動作を要さずに、積込み作業と取り出し作業を容易に区別し、積込量を正確に計測できる作業機械の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、複数の関節と先端に作業具を有する作業装置と、前記作業装置に作用する負荷を検出する負荷センサと、前記作業装置の姿勢を検出する姿勢センサと、前記負荷センサと前記姿勢センサとの出力値に基づき前記作業装置により行われている作業を判定し、前記作業装置による運搬作業が行われていることを判定した場合には、前記負荷センサと前記姿勢センサとの出力値に基づき前記作業装置により運搬されている運搬対象物の荷重を演算し、前記作業装置による運搬作業が終了したことを判定した場合には、演算した前記運搬対象物の荷重を積算して運搬機械への積込量を演算するコントローラと、前記コントローラで演算された前記運搬対象物の荷重と、前記コントローラで演算された前記運搬機械への積込量とを出力する出力装置と、備えた作業機械において、
前記コントローラは、前記作業装置により掘削作業が行われていると判定した場合には、前記作業装置による運搬作業が行われていることを判定した場合の前記姿勢センサの出力値と、記憶装置内に記憶された前記運搬対象物の表面形状とに基づいて、前記作業装置と前記表面形状との相対高さである掘削高さを演算し、前記掘削高さが所定の第1閾値H1以下の場合には、演算した前記運搬対象物の荷重を前記積込量に加算し、前記掘削高さが前記第1閾値H1を超過する場合には、演算した前記運搬対象物の荷重を前記積込量から減算することを特徴とする。
【発明の効果】
【0009】
本発明によれば、運搬機械から取り出した荷重の計測のための余分な動作を要さずに、積込み作業と取り出し作業を容易に区別でき、積込量を正確に計測できる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
作業機械に係る作業現場の全体構成を示す概略図である。
第1実施形態に係る油圧ショベルの側面図である。
第1実施形態に係る油圧ショベルの油圧回路の概略図である。
第1実施形態に係る荷重計測システムの概略構成図である。
第1実施形態に係るコントローラが行う処理のフローチャートである。
最新の現況表面形状データをサーバ6に格納する方法の一例の説明図である。
現況表面形状取得方法の一例を示す図である
作業判定部の掘削作業の判定方法を示すグラフである。
掘削高さを表す概略図である。
上部旋回体の方位角の演算方法を示す投影図である。
掘削高さの演算方法を示す概略図である。
バケット先端の位置座標の演算方法を示す概略図である。
荷重の演算方法を示す側面図である。
作業判定部の運搬作業終了の判定方法を示す側面図である。
取り出し量の減算の必要性を表す概略図である。
出力装置であるモニタの表示画面の一例を示す図である。
作業機械が作業を行う作業現場の表面形状を生成する方法の一例である。
第2実施形態に係る荷重計測システムの概略構成図である。
第2実施形態に係るコントローラが行う処理のフローチャートである。
出力装置であるモニタの表示画面の一例を示す図である。
管理者用コンピュータのモニタの表示画面の一例を示す図である。
第3実施形態に係る荷重計測システムの概略構成図である。
第3実施形態に係るコントローラが行う処理のフローチャートである。
現況表面形状データ操作部の現況表面形状更新時期を示す概略図である。
第1閾値H1の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。以下では、作業機械の荷重計測システムを構成する積込機械として油圧ショベルを、運搬機械としてダンプトラックを利用する場合について説明する。
【0012】
本発明が対象とする作業機械(積込機械)は、アタッチメント(作業具)としてバケットを有する油圧ショベルに限られず、グラップルやリフティングマグネット等、運搬対象物の保持・解放が可能なものを有する油圧ショベルも含まれる。また、油圧ショベルのような旋回機能の無い作業装置を備えるホイールローダ等にも本発明は適用可能である。
【0013】
(第1実施形態)
以下、本実施形態に係る作業機械(油圧ショベル1)の構成の一例について図1乃至図4を用いて説明する。
【0014】
図1は本発明を適用した油圧ショベルに係る作業現場の全体構成を示す概略図である。作業現場は、掘削対象3を掘削する作業を行う油圧ショベル(作業機械)1と、運搬路面5を走行して油圧ショベル1により掘削された掘削物4を運搬するダンプトラック(運搬機械)2と、作業現場の事務所などに設置され油圧ショベル1と通信を行うサーバ(コンピュータ)6と、油圧ショベル1の位置座標演算(測位演算)に必要な情報を出力する複数の測位衛星(GNSS衛星)7と、油圧ショベル1の位置座標演算に必要な情報(補正情報)を出力する位置座標が既知の基地局8とによって構成されている。また、油圧ショベル1の上部には、油圧ショベル1以外の機械や基地局8と情報を送受信するための通信アンテナ33と、油圧ショベル1の位置座標演算に必要な衛星信号を測位衛星7から受信するための2つのGNSSアンテナ34(34a、34b)とを備えている。
【0015】
一般に油圧ショベル1は、(1)作業対象3を掘削してバケット15内部に掘削物4を積載する「掘削作業」と、(2)掘削作業の後に上部旋回体11を旋回して走行面5上のダンプトラック2の荷台上までバケット15を移動する「運搬作業」と、(3)運搬作業の後にバケット15をダンプ操作してバケット15内の掘削物4をダンプトラック2の荷台(ベッセル)に放出する「放出作業」(積込作業ともいう)と、(4)作業対象3の位置へバケット15を再び移動する「リーチング作業」とからなる4つの作業を繰返し実施し、目標積込量を満たすまでダンプトラック2の荷台へ掘削物(荷)4を積込む。一般に油圧ショベル1に搭載されたコントローラは、バケット15で掘削した掘削物4の荷重を運搬作業中に計測し、次の放出作業でダンプトラック2へ荷を積込み、計測した荷重を積算することによってダンプトラック2に積載した積込量を演算する。
【0016】
ここで、ダンプトラック2に荷を積載する際に、オペレータの経験不足等によって目標積載量より過剰に積載してしまうことがあり、積載量を調整するためにダンプトラック2から荷を取り出し、掘削した場所へ荷を戻す「取り出し作業」が行われることがある。
【0017】
図2は本発明の実施形態に係る油圧ショベル1の構成例を示す側面図である。油圧ショベル1は、下部走行体10と、下部走行体10の上方に左右方向に旋回可能に設けられた上部旋回体11と、複数の関節を有し先端にバケット(作業具)を有するフロント作業装置(作業装置)12と、上部旋回体11を回動する旋回モータ19と、オペレータが乗り込みショベルを操作する操作室20と、操作室20内に設けられた操作レバー22と、油圧ショベル1の動作を制御するコントローラ21によって構成されている。
【0018】
フロント作業装置12は、上部旋回体11に回動可能に設けられたブーム13と、ブーム先端に回動可能に設けられたアーム14と、アーム先端に回動可能に設けられたバケット15と、ブーム13を駆動するブームシリンダ16と、アーム14を駆動するアームシリンダ17と、バケット15を駆動するバケットシリンダ18とを備えている。
【0019】
ブーム13、アーム14、バケット15の回動軸にはそれぞれブーム角度センサ24、アーム角度センサ25、バケット角度センサ26が取り付けられており、これらの角度センサ24、25、26によりブーム13、アーム14、バケット15それぞれの回動角度を取得できる。上部旋回体11には、上部旋回体11の旋回角速度が取得できる旋回ジャイロスコープ27と、上部旋回体11の前後左右方向の傾斜角度が取得できる傾斜センサ28とが取り付けられている。これら複数のセンサ24、25、26、27、28はフロント作業装置12の姿勢を検出する姿勢センサとして機能する。
【0020】
ブームシリンダ16には、ブームボトム圧センサ29と、ブームロッド圧センサ30とが取り付けられており、アームシリンダ17には、アームボトム圧センサ31と、アームロッド圧センサ32とが取り付けられている。これら複数のセンサ29、30、31、32は、各シリンダ16、17内部の圧力を取得することで、フロント作業装置12に作用する負荷を検出する負荷センサとして機能する。圧力センサ29、30、31、32の検出値からは各シリンダ16、17の推力、すなわちフロント作業装置12に与えられる駆動力を特定する駆動力情報や、各シリンダ16、17の負荷を特定する負荷情報を取得できる。なおバケットシリンダ18のボトム側とロッド側にも同様の圧力センサを設けてバケットシリンダ18の駆動力情報や負荷情報を取得することで各種制御に利用しても良い。
【0021】
操作室20の内部には油圧ショベル1の車体情報をはじめとする各種情報を出力する出力装置としてのモニタ(出力装置)23が備え付けられている。モニタ23には、コントローラ21で演算されたバケット15内の掘削物(運搬対象物)4の荷重や、コントローラ21で演算されたダンプトラック2への積込量が表示される。
【0022】
図3は本実施形態に係る油圧ショベル1の油圧回路の概略図である。ブームシリンダ16、アームシリンダ17、バケットシリンダ18、及び旋回モータ19は、メインポンプ39から吐出される作動油によって駆動される。各油圧アクチュエータ16−19へ供給される作動油の流量及び流通方向は、操作レバー22a、22bの操作方向及び操作量に応じてコントローラ21から出力される駆動信号によって動作するコントロールバルブ35、36、37、38によって制御される。
【0023】
操作レバー22a、22bは、その操作方向及び操作量に応じた操作信号を生成してコントローラ21に出力する。コントローラ21は、操作信号に対応した駆動信号(電気信号)を生成して、これを電磁比例弁であるコントロールバルブ35−38に出力することで、コントロールバルブ35−38を動作させる。
【0024】
操作レバー22a、22bの操作方向は油圧アクチュエータ16−19の動作方向を規定する。ブームシリンダ16を制御するコントロールバルブ35のスプールは、操作レバー22aが前方向に操作されると図2中の左側に移動してブームシリンダ16のボトム側に作動油を供給し、操作レバー22aが後方向に操作されると同右側に移動してブームシリンダ16のロッド側に作動油を供給する。アームシリンダ17を制御するコントロールバルブ36のスプールは、操作レバー22bが前方向に操作されると同左側に移動してアームシリンダ17のボトム側に作動油を供給し、操作レバー22bが後方向に操作されると同右側に移動してアームシリンダ17のロッド側に作動油を供給する。バケットシリンダ18を制御するコントロールバルブ37のスプールは、操作レバー22aが左方向に操作されると同左側に移動してバケットシリンダ18のボトム側に作動油を供給し、操作レバー22aが右方向に操作されると同右側に移動してバケットシリンダ18のロッド側に作動油を供給する。旋回モータ19を制御するコントロールバルブ38のスプールは、操作レバー22bが左方向に操作されると同左側に移動して旋回モータ19に同左側から作動油を供給し、操作レバー22bが右方向に操作されると同右側に移動して旋回モータ19に同右側から作動油を供給する。
【0025】
また、コントロールバルブ35−38のバルブの開度は、対応する操作レバー22a、22bの操作量に応じて変化する。すなわち、操作レバー22a、22bの操作量は油圧アクチュエータ16−19の動作速度を規定する。例えば、操作レバー22a、22bの或る方向の操作量を増加すると、その方向に対応するコントロールバルブ35−38のバルブの開度が増加して、油圧アクチュエータ16−19に供給される作動油の流量が増加し、これにより油圧アクチュエータ16−19の速度が増加する。このように、操作レバー22a、22bで生成される操作信号は、対象の油圧アクチュエータ16−19に対する速度指令の側面を有している。そこで本稿では操作レバー22a、22bが生成する操作信号を、油圧アクチュエータ16−19(コントロールバルブ35−38)に対する速度指令と称することがある。
【0026】
メインポンプ39から吐出される作動油の圧力(作動油圧)は、リリーフ圧で作動油タンク41と連通するリリーフ弁40によって過大にならないように調整されている。油圧アクチュエータ16−19に供給された圧油がコントロールバルブ35−38を介して再度作動油タンク41に戻るように、コントロールバルブ35−38の戻り流路は作動油タンク41と連通している。
【0027】
(コントローラ21)
コントローラ21は、演算処理装置(例えばCPU)、記憶装置(例えば、ROM、RAM等の半導体メモリ)、インタフェース(入出力装置)によって構成されており、記憶装置内に予め保存されているプログラム(ソフトウェア)を演算処理装置で実行し、プログラム内で規定されている設定値とインタフェースから入力された信号等に基づいて演算処理装置が演算処理を行い、インタフェースから信号(演算結果)を出力する。
【0028】
コントローラ21は、ブーム角度センサ24、アーム角度センサ25、バケット角度センサ26、旋回角速度センサ27、傾斜角度センサ28と、ブームシリンダ16に取付けられたブームボトム圧センサ29とブームロッド圧センサ30と、アームシリンダ17に取付けられたアームボトム圧センサ31とアームロッド圧センサ32の信号が入力されるように構成されており、これらのセンサ信号を基にコントローラ21はフロント作業装置12が運搬するバケット一杯分の運搬対象物の荷重値(一杯荷重)と、ダンプトラック2への積込量とを演算し、それらの演算結果をモニタ23に表示するように構成されている。
【0029】
図4は本実施形態に係る荷重計測システムの概略構成図であり、コントローラ21の内部にコントローラ21の機能ブロック図を示している。コントローラ21はいくつかのプログラムを組み合わせて実行することで、インタフェースを介してセンサ24−32と通信アンテナ33とGNSSアンテナ34の信号を入力し、コントローラ21内部で運搬対象物の荷重や掘削高さ、積込量の演算を演算処理装置で実行し、モニタ23に目標積込量と積込量と荷重値を表示するように構成されている。
【0030】
(コントローラ21の機能ブロック)
コントローラ21は、負荷センサ29−32と姿勢センサ24−28との出力値に基づきバケット15が行っている作業(フロント作業装置12により行われている作業)が掘削作業、運搬作業、放出作業、及びリーチング作業のうちいずれの作業であるかを判定する作業判定部50と、作業判定部50が運搬作業中であると判定しているときに、負荷センサ29−32と姿勢センサ24−28との出力値に基づきバケット15が運搬している運搬対象物の荷重値(一杯荷重)を演算する荷重演算部51と、油圧ショベル1の周囲に位置する運搬対象物の現況の表面形状データ(現況表面形状データ)を通信アンテナ33を介して入力してコントローラ21内の記憶装置内に保持し、その更新時期を管理する現況表面形状データ管理部52と、作業判定部50が掘削作業中であると判定したときに、姿勢センサ24−28の出力値と現況表面形状データ管理部52が管理する現況表面形状とに基づいてバケット15と現況表面形状との相対高さである掘削高さを演算する掘削高さ演算部53と、掘削高さ演算部53で演算された掘削高さと予め設定されている取り出し判定高さ閾値H1(第1閾値H1)とに基づいて、荷重演算部51で演算された運搬対象物の荷重値をダンプトラック2への積込量から減算するか否かを判定する減算判定部54と、作業判定部50と荷重演算部51と減算判定部54の出力に基づいてダンプトラック2への積込量を演算する積込量演算部55と、荷重演算部51と減算判定部54と積込量演算部55の出力に基づいてモニタ23に表示する情報を生成する表示制御部56とによって構成されている。
(【0031】以降は省略されています)

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