作業機械的製作方法

2023-12-12 21:55:47 2

專利名稱：作業機械的製作方法
技術領域：
本發明涉及作業機械，特別涉及用於建築施工，拆除施工，土木施工等的作業機械。
背景技術：
作為用於建築施工，拆除施工，土木施工等的作業機械，已知在下部行駛體上以自由旋轉的方式安裝上部旋轉體，在該上部旋轉體上以上下自由擺動的方式安裝多關節型的作業前部的機械。作為這種作業機械的一個例子，有以液壓挖掘機為基礎的拆除作業機械。在這種作業機械中，在上部旋轉體上藉助於關節以上下自由搖動的方式連接由起重臂以及臂構成的作業前部，而且在上述臂的前端藉助於關節安裝有抓斗、鏟鬥、破碎機、 碎石機等，進行構造物拆除施工、廢棄物拆除施工等的作業。這種作業機械進行的作業是在將構成作業前部的起重臂、臂、作業工具(以鏟鬥為代表)向上部旋轉體的外方突出的狀態改變各種姿勢來進行的。因此，在進行了不合理操作的情況下，存在作業機械跌倒的情況。作為該問題所涉及的現有技術，例如，提示有專利文獻1。在專利文獻1所示的技術中，在作業機械的起重臂以及臂上分別安裝角度傳感器，而且在作業機械上設置控制裝置，向控制裝置輸入來自上述角度傳感器的檢測信號。控制裝置基於上述檢測信號，對作業機械整體的重心位置和下部行駛體的接地面中的穩定支點的支撐力進行運算，並將基於該運算結果的穩定支點中的支撐力值顯示在顯示裝置中。而且，在作業機械的後方穩定支點中的支撐力為安全作業確保上的極限值以下時，發出警報。作為其他的例子，例如提示專利文獻2。在專利文獻2所示的技術中，具備檢測作業機械的起重臂角、臂角、鏟鬥角、上部旋轉體的旋轉角的角度傳感器以及檢測車體的前後方向的傾斜的傾斜角傳感器，以這些各角度傳感器以及車體的規定部分的尺寸為基礎，對作業機械的靜態跌倒力矩進行運算。另外，使用上部旋轉體的旋轉角速度對由上部旋轉體的旋轉的離心力產生的動態跌倒力矩進行運算，而且，使用旋轉的最大角加速度對上部旋轉體的緊急停止時產生的動態跌倒力矩進行運算。並且，將這些動態跌倒力矩的一方或較大方加到靜態跌倒力矩上，其大小作為跌倒的判定條件，根據上述判定條件的成立控制旋轉角速度。另外，作為其他的例子，例如提示專利文獻3。在專利文獻3所示的技術中，具備檢測主體的姿勢、動作以及作業負荷的傳感器，基於這些傳感器的檢測值，參照資料庫，構築表現與建築機械主體的姿勢相關的現在以及未來的力學舉動的模型，判別建築機械主體是否跌倒。並且，在預知了跌倒的情況下，停止執行中的作業動作，而且開始用於避免跌倒的動作來防止跌倒，並且在預知了跌倒的情況下，將其意思通知給操作員。專利文獻1 日本專利第觀71105號說明書專利文獻2 日本特開平7-180192號公報專利文獻3 日本特開平5-319785號公報
鑑於作業機械的實際的作業，在作業中，因作業前部的運動或作業機械自身的運動產生慣性力，該慣性力與作業機械的穩定性非常相關。另外，在作業機械中，其動作時刻變化，伴隨該變化穩定性也變化。因此，需要時刻進行穩定性的評價，並將其結果不延遲地通知給操作者(操作員)。另外，作業機械用於各種作業，例如有使作業前部的前端按壓地面使主體起重的起重動作等、因動作而使與地表面接地狀況變化的情況。在該情況下，為了準確判別穩定性，需要經常檢測接地狀況，根據其變化進行穩定性的判定。但是，在現有技術中，還未提示時刻對考慮了慣性カ的作業機械的穩定性進行計算、判定的判定単元。而且，也未進行針對推土鏟的接地狀態、起重狀態等的作業機械和地表面的接地點變化的動作的考察。

發明內容
本發明是鑑於這些問題而完成的，提供對考慮了時刻作用於作業機械的慣性力或外力的動態穩定性以及作業機械的接地狀況進行運算，能夠不延遲進行顯示以及警告的作業機械。本發明為了解決上述課題採用了如下方案。ー種具備行駛體、安裝在該行駛體上的作業機械主體、以在上下方向自由搖動的方式安裝在該作業機械主體上的作業前部、以及藉助於銷安裝在該作業前部的作業工具， 具備ZMP運算單元，分別使用包含上述作業前部的上述主體以及構成行駛體的各質點的位置矢量、加速度矢量以及外力矢量來計算ZMP的坐標；穩定性運算單元，計算出不凹地連接上述作業機械與地面的多個接地點形成的支撐多邊形，在上述ZMP包含在形成於上述支撐多邊形的周邊緣的內側的警告區域時發出跌倒警告，上述ZMP運算單元以及穩定性運算單元對上述ZMP以及包含上述警告區域的支撐多邊形進行運算並顯示。本發明的效果如下。在本發明中，由於具備以上的構成，因此能夠對考慮了作用於作業機械的慣性力或外力的動態穩定性以及接地狀況時刻進行運算，並不延遲地進行顯示。


圖1是表示第一實施方式的作業機械的概要側視圖。圖2是表示作業機械的控制系統構成的框圖。圖3是表示作業機械的運算用模型的概要側視圖。圖4是表示支撐多邊形的一個例子的圖。圖5是表示作業機械的運算用模型的概要俯視圖。圖6是表示跌倒警告區域的設定方法的一個例子的圖。圖7是表示跌倒警告區域的設定方法的一個例子的圖。圖8是表示推土鏟接地狀態中的支撐多邊形的一個例子的圖。圖9是表示起重狀態中的支撐多邊形的一個例子的圖。圖10是表示第二實施方式的作業機械的運算用模型的概要側視圖。圖11是表示作業機械的運算用模型的概要俯視圖。
圖12是作業機械所具備的控制裝置的概要構成圖。圖13是表示第三實施方式的作業機械的運算用模型的概要側視圖。圖14是表示作業機械的運算用模型的概要俯視圖。圖15是作業機械所具備的控制裝置的概要構成圖。圖16是表示第四實施方式的作業機械的概要側視圖。圖17是表示第四實施方式的支撐多邊形的一個例子的圖。
具體實施例方式第一實施方式以下，對本發明的第一實施方式進行說明。硬體構成主體圖1是顯示第一實施方式的作業機械的概要側視圖。在第一實施方式的作業機械 1中，在下部行駛體2上以能夠旋轉的方式安裝上部旋轉體3，上部旋轉體3由旋轉馬達7 旋轉驅動。在上部旋轉體3上安裝有駕駛室4、發動機5。而且，在上部旋轉體3的後方安裝有配重8。除此而外，具備控制作業機械1的整體的控制裝置60，構成作業機械1。作業前部在上部旋轉體3上以支點40為關節且以上下自由擺動的方式設置有起重臂10，在起重臂10的前端以支點41為關節且以自由擺動的方式設置有臂12。而且，在臂12的前端以支點42為關節且以自由轉動的方式設置有作為作業工具的鏟鬥23。此處，由上述起重臂 10、臂12構成作業前部6。動臂缸11是以使起重臂10繞支點40轉動的方式對起重臂10進行驅動的驅動器， 連接在上部旋轉體3和起重臂10上。臂缸13是以使臂12繞支點41轉動的方式對臂12進行驅動的驅動器，連接在起重臂10和臂12上。作業工具缸15是以使鏟鬥23繞支點42轉動的方式對鏟鬥23進行驅動的驅動器， 藉助於連杆16與鏟鬥23連接，藉助於連杆17與臂12連接。而且，鏟鬥23能夠與抓斗、刀具、破碎機等的其他的作業工具交換。駕駛室在上部旋轉體3上具備操作作業機械1的操作員用的駕駛室4，在駕駛室4中設有用於輸入來自操作員的對各驅動器的動作的指示的操作裝置50 ；顯示後述的支撐多邊形和/或ZMP坐標等的顯示裝置(顯示単元)61 ；發出作業機械1的跌倒警告音等的警報裝置(警報単元)63 ；以及用於操作員進行各種設定的用戶設定輸入裝置55等。推土鏟在下部行駛體2的前面以上下自由擺動的方式設置有推土鏟18，推土鏟18被推土鏟缸19驅動。傳感器姿勢傳感器在上部旋轉體3上設置有用於檢測機械基準坐標系相對於以與後述的重力相反方向為Z軸的通用坐標系的傾斜的姿勢傳感器3b。姿勢傳感器北例如是傾斜角傳感器，通過檢測上部旋轉體3的傾斜角，從而檢測機械基準坐標系相對於通用坐標系的傾斜。角度傳感器在上部旋轉體3的旋轉中心線3c上設置有用於檢測下部行駛體2和上部旋轉體 3的旋轉角度的旋轉角度傳感器3s。在上部旋轉體3和起重臂10的支點40上設有用於測量起重臂10的轉動角度的起重臂角度傳感器(角度傳感器)40a。在起重臂10和臂12的支點41上設有用於測量臂12的轉動角度的臂角度傳感器 (角度傳感器)41a。在臂12和鏟鬥ぬ的支點42上設有用於測量鏟鬥ぬ的轉動角度的鏟鬥角度傳感器4加。加速度傳感器在下部行駛體2、上部旋轉體3、起重臂10以及臂12的重心附近分別設有下部行駛體加速度傳感器2a、上部旋轉體加速度傳感器3a、起重臂加速度傳感器10a、臂加速度傳感器Ua。銷カ傳感器在連接臂12和鏟鬥23的銷43、連接連杆16和鏟鬥23的銷44上分別設置有銷カ 傳感器43a、44a。銷カ傳感器43a、Ma例如通過在圓筒狀的內部插入應變儀，測量在該應變儀上產生的應變，檢測施加在銷43、44上的力(外力)的大小和方向。壓カ傳感器使上部旋轉體3旋轉的旋轉馬達7具備對驅動旋轉馬達7的液壓的吸入側壓カ以及噴出側壓カ進行檢測的旋轉馬達壓カ傳感器7i以及70。而且，推土鏟缸19具備對驅動推土鏟缸19的液壓的吸入側壓カ以及噴出側壓カ進行檢測的推土鏟缸壓力傳感器19i以及 19ο。控制裝置圖2是作業機械1所具備的控制裝置的概要構成圖。控制裝置60具備輸入來自安裝在作業機械1的各部的各傳感器的信號的輸入部60h ；接收輸入到輸入部60h的信號進行規定的運算的運算部60g ；接收來自運算部60g的輸出信號輸出作業機械1(參照圖1) 的穩定性信息以及跌倒警告信息的輸出部60i。此處，顯示部61顯示作業機械1的穩定性信息以及跌倒警告信息，警報裝置63發出與跌倒相關的警報。運算部60g由以未圖示的CPU (中央處理器)、ROM (只讀存儲器)、RAM4 (隨機存取存儲器)以及快閃記憶體器等構成的存儲部，以及具備這些存儲部的微型計算機以及未圖示的周邊電路等構成，例如根據存儲在ROM中的程序動作。基準坐標系圖3是表示具有控制裝置的ZMP運算用作業機械模型的概要側視圖。如圖3所示那樣設定以重力方向為基準，以與重力相反方向為Z軸的通用坐標系(O-XYZ)、和以下部行駛體2為基準的機械基準坐標系(O-XH)。機械基準坐標系屬於下部行駛體2，如圖3所示，將機械基準坐標系原點設為在上部旋轉體3的旋轉中心線3c上且與地表面30接地的點0，將X軸設定成下部行駛體2的前後方向，將Y軸設定成左右方向，將Z軸設定成垂直方向。模型另外，在第一實施方式中，考慮安裝的簡易性作為用於運算ZMP70的模型，圖3所示的各構成部件使用質量集中於重心的集中質點模型。將下部行駛體2、上部旋轉體3、起重臂10、臂12的各自的質點2P、3P、10P、12P設定成各構成部件的重心位置，將各自的質點的質量設為m2、m3、ml0、ml2。並且將各自的質點的位置矢量設為r2、r3、rlO、rl2，將加速度矢量設為 r」 2、r」 3、r」 10、r」 12。而且，質點的設定方法並不限定於此，例如可以追加質量集中的部位(圖1所示的發動機5、配重8等)。另外，外力是通過利用鏟鬥23進行作業而施加在鏟鬥23的前端上的。由於鏟鬥 23藉助於銷43、44與作業前部6連接，因此，將鏟鬥23的重力以及慣性力和施加在鏟鬥23 上的X軸方向以及Z軸方向的外力的全部作為施加在銷43和銷44上的外力矢量F43和 F44進行計算，進行ZMP坐標的運算。此處，將作為外力作用點的銷43和銷44的位置矢量設為s43、s44。而且，將施加在鏟鬥23上的橫向(Y軸方向)的外力設為F46，將橫向外力的作用點46的位置矢量設為s46。穩定判別方式此處，在說明運算部60g的詳細內容之前，對第一實施方式中的穩定判別方式進行說明。ZMP穩定判別方式在第一實施方式中，為了判定作業機械1的穩定狀態，使用ZMP (零カ矩點)。ZMP 穩定判別規範基於達朗貝爾原理。而且，關於ZMP的概念以及ZMP穩定判別規範，記載在 "LEGGED LOCOMOTION ROBOTS =Miomir Vukobratovic 著(「步行機器人和人造腳加藤一郎譯，日刊エ業報社」)」。雖由作業機械1向地表面30作用重力、慣性力、外力以及這些カ的力矩，但根據達朗貝爾原理，其與作為由地表面30向作業機械1的反作用的地面反作用カ以及地面反作用力カ矩相平衡。 因此，在作業機械1與地表面30穩定接地的情況下，在將作業機械1和地表面30 的接地點以不凹的方式連接的支撐多邊形的邊上或在其內側存在間距軸以及輥軸方向的力矩變成零的點(ZMP)。反過來說，在ZMP存在幹支撐多邊形內，由作業機械1向地表面30 作用的カ按壓地表面30的朝向即地面反作用カ為正的情況下，可以說作業機械1穩定接地。S卩，ZMP越靠近支撐多邊形的中心穩定性越高，若在支撐多邊形的內側則作業機械 1便能不會跌倒地進行作業，另ー方面，在ZMP存在幹支撐多邊形上的情況下，作業機械1有開始跌倒的可能性。因此，通過對ZMP和作業機械1與地表面30形成的支撐多邊形進行比較能夠判定穩定性。ZMP方程式ZMP方程式是根據由重力、慣性力、外力產生的カ矩的平衡，如以下所示地導出的。式 1
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權利要求
1.一種作業機械，具備行駛體、安裝在該行駛體上的作業機械主體、以在上下方向自由搖動的方式安裝在該作業機械主體上的作業前部、以及安裝在該作業前部的前端的作業工具，其特徵在於，具備ZMP運算單元，分別使用包含上述作業前部的上述主體以及行駛體的各可動部的位置信息、加速度信息、外力信息來計算ZMP的坐標；以及穩定性運算單元，計算上述作業機械與地面的多個接地點形成的支撐多邊形，以上述計算出的ZMP坐標為基礎進行穩定判別，在上述ZMP包含在形成於上述支撐多邊形的周邊緣的內側的警告區域時發出跌倒警告，上述ZMP運算單元以及穩定性運算單元對上述ZMP以及包含上述警告區域的支撐多邊形進行運算並進行顯示或警報。
2.根據權利要求1所述的作業機械，其特徵在於，具有檢測上述作業機械的動作角度的角度傳感器、檢測上述作業機械的動作加速度的加速度傳感器、檢測施加在連接上述作業前部和上述作業工具的銷上的外力的銷力傳感器的至少任一個，上述ZMP運算單元基於上述傳感器的輸出值，計算包含上述作業前部的上述主體以及構成行駛體的各可動部的位置矢量、加速度矢量以及外力矢量。
3.根據權利要求1所述的作業機械，其特徵在於，上述穩定性運算單元根據作業狀態、操作員的指示逐次變更上述支撐多邊形、上述警告區域以及穩定度。
4.根據權利要求3所述的作業機械，其特徵在於，具備 以上下自由搖動的方式連接在上述行駛體上的推土鏟； 驅動上述推土鏟的推土鏟缸；檢測驅動上述推土鏟缸的液壓的吸入側壓力以及噴出側壓力的推土鏟缸壓力傳感器；根據上述推土鏟缸壓力傳感器的吸入側壓力和噴出側壓力的壓力差，判定上述推土鏟的接地狀態的推土鏟接地判定單元，上述穩定性運算單元在上述推土鏟接地判定單元判定為上述推土鏟接地時，變更上述支撐多邊形的形狀。
5.根據權利要求3所述的作業機械，其特徵在於，具備起重判定單元，基於檢測施加在銷上的外力的銷力傳感器所檢測出的施加在上述銷上的外力和由檢測上述行駛體的傾斜角的姿勢傳感器得到的上述行駛體的傾斜角，判定有無利用作業前部進行的起重，其中，上述銷將作業工具安裝在作業前部上，上述穩定性判別單元在上述起重判定單元判定為起重狀態的情況下，變更上述支撐多邊形的形狀。
6.根據權利要求3所述的作業機械，其特徵在於，具有以上下自由搖動的方式安裝在上述行駛體上的起重臂；藉助於關節以自由搖動的方式與該起重臂連接的臂；檢測上述起重臂的動作速度的起重臂速度檢測單元以及檢測臂的動作速度的臂速度檢測單元；以及檢測上述下部行駛體的行駛速度的下部行駛體速度檢測單元， 上述穩定性運算單元基於預先給予的上述下部行駛體的質量、上述起重臂的質量、上述臂的質量、上述行駛體速度檢測單元檢測的上述行駛體的行駛速度、上述起重臂速度檢測單元檢測的上述起重臂的動作速度以及上述臂速度檢測單元檢測的上述臂的動作速度， 來變更上述警告區域的大小。
全文摘要
本發明提供作業機械，時刻對考慮到作用於該作業機械的慣性力或外力的動態穩定性以及作業機械的接地狀況進行運算並進行顯示、警告。該作業機械是具備行駛體、安裝在該行駛體上的作業機械主體、以在上下方向自由搖動的方式安裝在該作業機械主體上的作業前部、以及安裝在該作業前部的前端的作業工具的作業機械，具備ZMP運算單元，分別使用包含上述作業前部的上述主體以及行駛體的各部的位置信息、加速度信息、外力信息計算ZMP的坐標；穩定性運算單元，計算上述作業機械與地面的多個接地點形成的支撐多邊形，在上述ZMP包含在形成於上述支撐多邊形的周邊緣的內側的警告區域時發出跌倒警告，對上述ZMP以及包含上述警告區域的支撐多邊形進行運算並進行顯示或警報。
文檔編號B66C23/90GK102575457SQ20108004704
公開日2012年7月11日 申請日期2010年10月19日 優先權日2009年10月19日
發明者山口仁一, 水落麻裡子, 石井啟範 申請人:日立建機株式會社