作業機械
【課題】角度検出器の破損を防止でき、しかも、アタッチメント姿勢を正確に演算することができる作業機械を提供する。
【解決手段】係合ピン（１５）と第２連結ピン（２２）と第４連結ピン（２４）とを直線で結んで形成される三角形の内角のうち、係合ピンを頂点とする内角θ１を検出する角度検出手段（１６）と、油圧シリンダ（９）のストローク位置が、前記三角形の第４連結ピンを頂点とする内角θ２が９０度となる閾値より伸長側にあるか、それとも収縮側にあるかを判定するシリンダ駆動方向判定手段（３１）と、前記内角θ１と、前記シリンダ駆動方向判定手段の判定結果とに基づいて、第１連結ピンと第２連結ピンと第３連結ピンと第４連結ピンとを直線で結んで形成される四角形の内角のうち、第１連結ピンを頂点とする内角θATTを演算するアタッチメント姿勢角度演算手段（３２）とを備えている。
【解決手段】係合ピン（１５）と第２連結ピン（２２）と第４連結ピン（２４）とを直線で結んで形成される三角形の内角のうち、係合ピンを頂点とする内角θ１を検出する角度検出手段（１６）と、油圧シリンダ（９）のストローク位置が、前記三角形の第４連結ピンを頂点とする内角θ２が９０度となる閾値より伸長側にあるか、それとも収縮側にあるかを判定するシリンダ駆動方向判定手段（３１）と、前記内角θ１と、前記シリンダ駆動方向判定手段の判定結果とに基づいて、第１連結ピンと第２連結ピンと第３連結ピンと第４連結ピンとを直線で結んで形成される四角形の内角のうち、第１連結ピンを頂点とする内角θATTを演算するアタッチメント姿勢角度演算手段（３２）とを備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、油圧ショベル等の作業機械に関し、特に、フロント作業機の一部であるアタッチメントの姿勢を演算する装置を備えた作業機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
油圧ショベルに代表される作業機械にあっては、しばしば重量物をある個所から別の個所へと移送する作業を行う。このような作業において、これら重量物の荷重を計測するために荷重計測装置が使われている。また、油圧ショベルは、一般に、ブーム、アーム、およびアタッチメント（例えば、バケット）で構成されたフロント作業機を備えており、このフロント作業機を自動的に制御する制御装置を搭載しているものもある。この制御装置は、例えば、油圧シリンダの駆動速度を制御して、人間による操作では困難なアタッチメント先端が直線軌道を描く動作を実現している。また、油圧ショベルには、フロント作業機とキャブの接触を回避するための安全装置（運転監視装置）が設けられており、フロント作業機の先端がキャブ付近に近づくと安全装置が作動して警報が鳴り、さらに危険な状態になるとフロント作業機の動作が停止するようになっている。
【０００３】
また、ブーム、アーム、およびアタッチメントにはそれぞれ角度検出器（例えば、ポテンショメータ）が取り付けられおり、制御装置は、これら角度検出器からの入力値に基づいて各種演算等を行うことにより、フロント作業機の動作を制御したり警報を発したりしていた。これらの角度検出器は、従来、ブーム、アーム、アタッチメントそれぞれの基部に配置されていた。しかし、特にアタッチメント姿勢の計測において、土砂等の作業対象物との接触によりアタッチメント基部に配置された角度検出器が破損する虞がある。例えば、アタッチメントとしてバケットを備えた油圧ショベルによる掘削作業では、バケット角度を検出する角度検出器が土砂や岩石と接触すると、破損につながることとなる。
【０００４】
そこで、角度検出器をバケットシリンダ（油圧シリンダ）の駆動をアタッチメントに伝達する４節リンク機構付近に配置してアタッチメント基部から離すことで、破損を防ぐ角度検出器の配置が考案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】実用新案登録第３１５１０１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の角度検出器の配置では、４節リンク機構やバケットシリンダ先端が地表面より下方に埋没するような深い掘削作業や、フロントが上向きになる建物の解体作業では、土砂と接触したり、建物の破片がアタッチメントやアームを伝わって降り注いだりすることで、４節リンク機構またはバケットシリンダ先端付近に取り付けられた角度検出器が破損する虞がある。また、角度検出器が破損すると、各種演算を正確に行うことが困難になるといった課題もあった。
【０００７】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、角度検出器の破損を防止でき、しかも、アタッチメント姿勢を正確に演算することができる作業機械を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するために、本発明は、アームと、このアームの先端部に４節リンク機構を介して取り付けられたアタッチメントと、このアタッチメントを駆動する油圧シリンダと、この油圧シリンダに駆動指令を出力する操作装置と、を備え、前記４節リンク機構は、前記アームの先端部に設けられ、前記アタッチメントの回転中心となる第１連結ピンと、この第１連結ピンより後端側の前記アームに設けられた第２連結ピンと、一端が前記第１連結ピンと連結し、他端が前記第２連結ピンと対角の位置にある第３連結ピンと連結する前側リンクと、一端が前記第２連結ピンと連結し、他端が前記第１連結ピンと対角の位置にある第４連結ピンと連結する後側リンクと、一端が前記第３連結ピンと連結し、他端が前記第４連結ピンと連結する上側リンクとにより構成され、前記油圧シリンダは、その先端部が前記第４連結ピンと回動自在に連結すると共に、後端部が前記アームの後端部に設けられた係合ピンと回動自在に連結しており、前記油圧シリンダの伸縮動作に伴って前記第４連結ピンが可動することにより、前記アタッチメントが前記第１連結ピン回りに回動する作業機械において、前記係合ピンと前記第２連結ピンと前記第４連結ピンとを直線で結んで形成される三角形の内角のうち、前記係合ピンを頂点とする内角θ1を前記アームと前記油圧シリンダとの相対角度として検出する角度検出手段と、前記油圧シリンダのストローク位置が、前記三角形の前記第４連結ピンを頂点とする内角θ2が９０度となる閾値より伸長側にあるか、それとも収縮側にあるかを判定するシリンダ駆動方向判定手段と、前記角度検出手段が検出した前記内角θ1と、前記シリンダ駆動方向判定手段の判定結果とに基づいて、前記第１連結ピンと前記第２連結ピンと前記第３連結ピンと前記第４連結ピンとを直線で結んで形成される四角形の内角のうち、前記第１連結ピンを頂点とする内角θATTを前記アタッチメントの前記アームに対する姿勢角度として演算するアタッチメント姿勢角度演算手段と、を備えたことを特徴としている。
【０００９】
本発明によれば、アタッチメント姿勢角度演算手段がアタッチメントのアームに対する姿勢角度としての角度θATTを演算するにあたって、シリンダ駆動方向判定手段の判定結果を考慮しているから、油圧シリンダの伸縮動作に応じて正しいアタッチメントの姿勢角度を演算することができる。さらに、本発明では、内角θ1を入力できさえすれば、角度検出手段が設置される位置はどこであっても、アタッチメント姿勢角度θATTを演算することができる。よって、角度検出手段をアタッチメントから遠ざけた位置に取り付けることが可能となるから、作業機械が掘削作業等を行っていても、その作業中に角度検出器が破損する心配はなくなる。加えて、角度検出器の破損がなくなることにより、長期間に亘ってアタッチメントの姿勢角度を正しく測定することができる。
【００１０】
また、上記構成において、前記シリンダ駆動方向判定手段は、前記油圧シリンダのロッド室およびボトム室のそれぞれに対応するパイロット圧を検出するための圧力センサから入力されたそれぞれの圧力値から、前記油圧シリンダのストローク位置が前記閾値より前記伸長側にあるか、それとも前記収縮側にあるかを判定するように構成すると良い。
【００１１】
また、上記構成において、前記シリンダ駆動方向判定手段は、前記操作装置の操作レバーの角度を検出するための操作レバー角度検出手段から入力された前記操作レバーの傾斜角度に基づいて、前記油圧シリンダのストローク位置が前記閾値より前記伸長側にあるか、それとも前記収縮側にあるかを判定するように構成することもできる。この構成によれば、圧力センサを設ける必要がないといった利点がある。
【００１２】
また、上記構成において、前記シリンダ駆動方向判定手段は、前記油圧シリンダのロッド室およびボトム室の各室内の作動油圧力を検出するための圧力センサから入力されたそれぞれの圧力値と、前記各室のシリンダ受圧面積との積から前記各室におけるシリンダ推力を演算し、その演算結果に基づいて、前記油圧シリンダのストローク位置が前記閾値より前記伸長側にあるか、それとも前記収縮側にあるかを判定するように構成しても構わない。
【００１３】
また、上記構成において、前記シリンダ駆動方向判定手段は、前記油圧シリンダのロッド室およびボトム室の各室内に流れ込む作動油流量を検出するための流量計から入力されたそれぞれの流量値に基づいて、前記油圧シリンダのストローク位置が前記閾値より前記伸長側にあるか、それとも前記収縮側にあるかを判定するように構成することもできる。この構成によれば、圧力センサを設ける必要がないといった利点がある。
【００１４】
また、上記構成において、前記アタッチメント姿勢角度演算手段は、前記内角θ1と内角θATTとが予め対応付けられて記憶されたデータテーブルを備え、前記データテーブルは、前記内角θ1が所定の角度範囲にある場合には、１つの前記内角θ1に対して前記シリンダ駆動方向判定手段の判定結果のそれぞれに対応する２つの前記内角θATTが記憶されて構成されるものであり、前記アタッチメント姿勢角度演算手段は、前記データテーブルを参照して、前記内角θ1と前記油圧シリンダのストローク位置とに対応する前記内角θATTを決定する構成としても良い。この構成によれば、予めデータテーブルを作成しておくだけで、アタッチメントの姿勢角度θATTを求めることができるため、演算処理が簡単になるといった利点がある。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、上記の構成を採用することにより、角度検出器の破損を防止できるうえ、アタッチメントの姿勢を長期間に亘って正確に演算することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態例に係る油圧ショベルの側面図である。
【図２】図１に示す油圧ショベルのフロント作業機の要部拡大図である。
【図３】図１に示す油圧ショベルの電気的構成を示すブロック図である。
【図４】図２に示すフロント作業機の要部をモデル化した図である。
【図５】図４に示す角度θ1と角度θATTとの関係を示す図である。
【図６】図３に示す制御装置が行う演算処理の手順を示すフローチャートである。
【図７】図５に示す角度θ1と角度θATTとの関係をデータテーブル化した変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態例を、図面を参照して説明する。本発明に係る作業機械の一実施形態である油圧ショベルは、走行体１と、この走行体１上に配置される旋回体２と、この旋回体２に上下方向の回動可能に取付けられ、掘削作業等を行なうことができるフロント作業機３とを備えている。フロント作業機３は、旋回体２に俯仰動可能に取付けられるブーム４と、このブーム４の先端にピン１７を介して回動可能に取り付けられるアーム５と、このアーム５の先端に４節リンク機構２０を介して回動可能に取り付けられるバケット（アタッチメント）６と、ブーム４を駆動するブームシリンダ７と、アーム５を駆動するアームシリンダ８と、バケット６を駆動するバケットシリンダ（油圧シリンダ）９と、を備えている。バケットシリンダ９は、その先端部が４節リンク機構２０と連結され、その後端部がアーム５の後端部に設けられた係合ピン１５と連結されている。
【００１８】
また、この係合ピン１５には、バケットシリンダ９とアーム５との相対角度を検出するためのポテンショメータ（角度検出手段）１６が取り付けられている。このポテンショメータ１６は、より詳細に言えば、係合ピン１５と第２連結ピン２２と第４連結ピン２４とを直線で結んで形成される三角形の内角のうち、係合ピン１５を頂点とする内角θ１を検出している（図４参照）。
【００１９】
キャブ１０は、壁に囲まれたボックス形状をなしており、前側には走行操作レバー・ペダル（図示せず）、中央にはオペレータが着座する運転席（図示せず）、この運転席の両サイドには操作装置１１が設けられている。この操作装置１１は、コンソールボックス（図示せず）で覆われたユニット構造を成しており、そのコンソールボックス内には、操作レバー１２の操作に応じて制御弁にパイロット圧を出力するパイロット弁（図示せず）、パイロット圧を検知する圧力センサ１３，１４などが収納されている。そして、操作装置１１は、複数のパイロットホース（図示せず）によって制御弁（図示せず）と接続されており、操作レバー１２を操作するとこの制御弁を介してフロント作業機３が作動するようになっている。なお、図１の圧力センサ１３は、バケットシリンダ９のボトム室に対応するパイロット圧を検出するためのものであり、圧力センサ１４は、バケットシリンダ９のロッド室に対応するパイロット圧を検出するためのものである。
【００２０】
４節リンク機構２０は、図２に示すように、アーム５の先端部５ｂに設けられた第１連結ピン２１と、アーム５の先端部５ｂで、第１連結ピン２１よりややアーム５の後端側の位置に設けられた第２連結ピン２２と、一端が第１連結ピン２１と連結し、他端が第３連結ピン２３と連結する前側リンク２５と、一端が第２連結ピン２２と連結し、他端が第４連結ピン２４と連結する後側リンク２６と、一端が第３連結ピン２３と連結し、他端が第４連結ピン２４と連結する上側リンク２７とにより構成されている。つまり、４節リンク機構２０は、アーム５の先端部５ｂと、リンク２５，２６，２７と、連結ピン２１，２２，２３，２４と、をその構成要素としている。
【００２１】
なお、図２から明らかなように、第１連結ピン２１と第４連結ピン２４とは対角の位置にあり、第２連結ピン２２と第３連結ピン２３とは対角の位置にある。また、バケット６は、第１連結ピン２１および第３連結ピン２３と連結しており、バケットシリンダ９の先端部は、４節リンク機構２０の第４連結ピン２４と連結している。
【００２２】
そして、バケットシリンダ９が伸縮動作すると、その動作に伴って、後側リンク２６が第２連結ピン２２回りに回動し、上側リンク２７はバケットシリンダ９が伸張する方向または収縮する方向へ変位し、前側リンク２５は第１連結ピン２１回りに回動する。これにより、バケット６は、第１連結ピン２１を中心として回動することとなる。なお、この動作原理については周知であるため、これ以上の詳しい説明は省略する。
【００２３】
次に、バケット６の姿勢角度θATT（図４参照）を演算するための制御装置３０について説明する。制御装置３０は、キャブ１０の室内に設置されており、ポテンショメータ１６からの入力に基づいてバケット６の姿勢角度θATTを演算し、その演算結果を運転監視装置４０に出力している。なお、運転監視装置４０は、入力された角度θATTや、ブーム４やアーム５の角度等を用いて、バケット６がキャブ１０に干渉しないか否か等の安全面の監視を行っている。
【００２４】
制御装置３０は、図３に示すように、バケット姿勢角度演算部（アタッチメント姿勢角度演算手段）３２とシリンダ駆動方向判定部（シリンダ駆動方向判定手段）３１とを備えて構成されている。
【００２５】
シリンダ駆動方向判定部３１は、バケットシリンダ９のストローク位置が、三角形ＡＢＣ（図４参照）のうち、第４連結ピン２４を頂点とする内角θ2が９０度となる閾値より伸長側にあるか、それとも収縮側にあるかの判定を行うものである。より具体的には、シリンダ駆動方向判定部３１は、バケットシリンダ９のストローク位置が、内角θ2＝９０度となる閾値と一致する時、圧力センサ１３からの入力値と圧力センサ１４からの入力値を比較し、高い方の入力値が予め定めた閾値以上であるか否かを判断する。そして、入力値が閾値以上となった場合には、その入力値が圧力センサ１３からのものであるか、それとも圧力センサ１４からのものであるかを判断する。
【００２６】
圧力センサ１３からの入力である場合には、圧力センサ１３はバケットシリンダ９のボトム室に対応するパイロット圧を検出しているので、シリンダ駆動方向判定部３１は、バケットシリンダ９のストローク位置が伸長側にあると判断する。これとは反対に、閾値以上となった入力値が圧力センサ１４からの入力である場合には、圧力センサ１４はバケットシリンダ９のロッド室に対応するパイロット圧を検出しているので、シリンダ駆動方向判定部３１は、バケットシリンダ９のストローク位置が収縮側にあると判断する。このように、本実施形態では、シリンダ駆動方向判定部３１は、操作レバー１２の操作に基づく操作指令として出力されるパイロット圧から、バケットシリンダ９のストローク位置を判断している。
【００２７】
続いて、バケット姿勢角度演算部３２が行う演算処理について、詳しく説明する。バケット姿勢角度演算部３２は、ポテンショメータ１６が検出した内角θ1と、シリンダ駆動方向判定部３１の判定結果とに基づいて、第１連結ピン２１と第２連結ピン２２と第３連結ピン２３と第４連結ピン２４とを直線で結んで形成される四角形の内角のうち、第１連結ピン２１を頂点とする内角θATTを演算する処理を行っている。以下、この演算方法について、詳述する。
【００２８】
図４に示すように、Ａをバケットシリンダ９の基部、即ち、係合ピン１５の位置、Ｂを後側リンク１５とアーム５の先端部５ａの結合点、即ち、第２連結ピン２２の位置、Ｃをバケットシリンダ９と後側リンク２６と上側リンク２７との結合点、即ち、第４連結ピン２４の位置、Ｄをアーム５の先端部５ａとバケット６の結合点、即ち、第１連結ピン２１の位置、Ｅをバケット６と上側リンク２７と前側リンク２５との結合点、即ち、第３連結ピン２３の位置、Ｆをブーム４とアーム５の結合点であるブーム先端、即ち、ピン１７の位置とする。
【００２９】
また、図４に示すように、l1をＢＣの長さ、l2をＡＢの長さ、l3をＢＤの長さ、l5をＤＥの長さ、l6をＣＥの長さとする。なお、l1、l2、l3、l5、l6は設計により予め定められた数値（寸法値）である。また、l4をＣＤ間の距離とする。なお、l4は、バケットシリンダ９の伸縮動作によって変化する値である。さて、バケット６とアーム５のなす角ＢＤＥ、即ち、バケット姿勢角度をθATTとおくと、θATTは、式（１）で表すことができる。
【数１】
【００３０】
また、アーム５とバケットシリンダ９のなす角ＢＡＣをθ1とおくと、θ1はポテンショメータ１６により検出される角度であり、θATTをθ1から一意に求められれば、バケットシリンダ９の基部に配置したポテンショメータ１６の検出値からバケット６の姿勢角度を演算により求めることができる。
【００３１】
三角形ＡＢＣについて、正弦定理より、式（２）が成り立つ。
【数２】
【００３２】
ここで、ポテンショメータ１６により検出される角度θ1に対応する角度θ2は、三角形の１つの角であるから、角度θ2は、式（３）の関係にある。
【数３】
また、式（２）より、以下の式（４）の関係が成り立つ。
【数４】
【００３３】
式（３）、（４）より、ポテンショメータ１６により検出される角度θ1に対応する角度θ2の候補は、θ2が９０度となる場合を除いて、０＜θ2＜π／２の範囲およびπ／２＜θ2＜πの範囲にそれぞれ１つずつ存在することになる。θ2がそれぞれの範囲に１つずつ存在するということは、角度θ1が同じであっても、求められる角度θATTが２つ存在する場合があるということになる。
【００３４】
これについて、図５を参照しながら説明を補足する。図５は、油圧ショベルにおいて想定されるバケットシリンダ９の伸縮動作の範囲内において、角度θ1と角度θATTとの関係を示したものであり、横軸が角度θ1、縦軸が角度θATTである。この図５から明らかなように、角度θ1が範囲Ｒの外にある場合には、１つの角度θ1に対して１つの角度θATTしか存在しないが、角度θ1が範囲Ｒ内にある場合には、θ1＝ｘ13の場合を除いて、１つの角度θ1に対して２つの角度θATTが存在することとなる。例えば、θ1＝ｘ11の場合には、θATT＝ｙ11およびｙ15の２つの値が存在する。このことは、油圧ショベルにおいて、バケットシリンダ９とアーム５との間の相対角度が同じであっても、バケットシリンダ９のストローク位置如何で、バケット６の姿勢が異なる場合があるということである。
【００３５】
したがって、角度θ1から最終的にバケット６の姿勢角度としてθATTを一意に求めるためには、θ2が存在する範囲が０＜θ2＜π／２およびπ／２＜θ2＜πのどちらであるかを明らかにする必要がある。
【００３６】
そこで、本実施形態では、シリンダ駆動方向判定部３１によって判定されるバケットシリンダ９のストローク位置から、θ2が存在する範囲を明らかにしているのである。具体的には、バケットシリンダ９のストローク位置が、θ2＝π／２となる位置より伸長側にある場合には、θ2はπ／２より小さくなるため、θ2は０＜θ2＜π／２の範囲に存在するということが明らかになる。一方、バケットシリンダ９のストローク位置が、θ2＝π／２となる位置より収縮側にある場合には、θ2はπ／２より大きくなるため、θ2はπ／２＜θ2＜πの範囲に存在するということが明らかになる。このように、バケットシリンダ９のストローク位置を判定することで、角度θ1に対応するθ2が一意に決まるのである。
【００３７】
また、θ3については、式（５）から求めることができる。
【数５】
さらに、角ＡＢＤは、設計によって決まる既知の値αであるから、θ4は、式（６）から求めることができる。
【数６】
【００３８】
θ2がθ1から一意に決まることから、式（５）により、θ3もθ1から一意に決まる。同様に、θ3がθ1から一意に決まることから、式（６）により、θ4もθ1から一意に決まる。
【００３９】
また、三角形ＢＣＤについて、余弦定理より、式（７）の関係が成り立つ。
【数７】
【００４０】
また、θ5は、式（８）から求めることができる。
【数８】
【００４１】
また、三角形ＣＤＥについて、余弦定理より、θ6は、式（９）で表すことができる。
【数９】
【００４２】
θ4がθ1から一意に決まることから、式（７）により、l4もθ1から一意に決まる。また、l4がθ1から一意に決まることから、式（８）により、θ5もθ1から一意に決まる。同様に、式（９）により、θ6もθ1から一意に決まる。さらに、式（１）により、θATTがθ5およびθ6によって決まることから、θATTもポテンショメータ１６により検出される角度θ1から求めることができる。このように、本実施形態では、バケットシリンダ９の基部に配置したポテンショメータ１６の検出値と、設計によって予め定められた各要素の寸法値とから演算によってバケット６の姿勢角度θATTを求めることができるのである。
【００４３】
これらの演算の手順を示したフローチャートが図６である。図６に示すように、バケット６の姿勢角度θATTの演算処理が開始されると、まず、ステップＳ１にて、バケット姿勢角度演算部３２が、ポテンショメータ１６からθ1の入力値を取得すると共に、シリンダ駆動方向判定部３１に対してシリンダ駆動方向の判定処理を要求する。判定処理の要求を受けたシリンダ駆動方向判定部３１は、ステップＳ２にて、圧力センサ１３および圧力センサ１４からそれぞれパイロット圧の入力値を取得する。そして、ステップＳ３に進んで、シリンダ駆動方向判定部３１は、バケットシリンダ９のストローク位置を判定する。具体的には、上述したように、シリンダ駆動方向判定部３１は、取得したパイロット圧の入力値を比較し、高い方の入力値が予め定めた閾値以上であるか否かを判断する。そして、その入力値が閾値以上となった場合には、その入力値が圧力センサ１３，１４の何れのものかによって、バケットシリンダ９のストローク位置が伸長側にあるか、それとも収縮側にあるかを判断する。
【００４４】
次いで、ステップＳ４にて、シリンダ駆動方向判定部３１は、バケットシリンダ９のストローク位置が伸長側にあると判断した場合には、角度θ2の範囲を「θ2＜π／２」と判定し、バケットシリンダ９のストローク位置が収縮側にある場合には、角度θ2の範囲を「θ2＞π／２」と判定し、その判定結果をバケット姿勢角度演算部３２に出力する。角度θ2の範囲の判定結果を受けたバケット姿勢角度演算３２は、ステップＳ５にて、その判定結果と、ステップＳ１で取得した角度θ1の入力値とに基づいて、バケット６の姿勢角度θATTを演算する。
【００４５】
以上、説明したように、本実施形態によれば、ポテンショメータ１６は、バケット６からかなり離れた位置、即ち、バケットシリンダ９の基部にある係合ピン１５に設けているので、掘削作業を行ってもポテンショメータ１６が土砂等により破損することは殆どない。しかも、シリンダ駆動方向判定部３１がバケットシリンダ９のストローク位置から角度θ2の範囲を判定しているから、バケット姿勢角度演算部３２が、ポテンショメータ１６にて検出した角度θ1の値に基づいて、バケット６の姿勢角度θATTを正しく求めることができる。そして、この姿勢角度θATTを運転監視装置４０が監視することにより、油圧ショベルを安全に運転することができるのである。ここで、ポテンショメータ１６を係合ピン１５の近傍位置に設けても、ポテンショメータ１６の破損防止になることは言うまでもない。
【００４６】
なお、本発明に係る作業機械は、上述した実施の形態例の他に、種々の変形が可能である。
＜変形例１＞
例えば、操作装置１１の操作レバー１２の角度を検出するためにポテンショメータ（操作レバー角度検出手段）を設けておき、このポテンショメータから入力される操作レバー１２の傾斜角度の値に基づいて、シリンダ駆動方向判定部３１が、バケットシリンダ９のストローク位置が予め定めた閾値（θ2＝π／２）より伸長側にあるか、それとも収縮側にあるかを判定するようにすることもできる。この変形例１によれば、圧力センサ１３，１４を設ける必要がないといった利点がある。特に、操作レバーが電気式の場合には、そもそも操作レバーの傾斜角度の情報は出力されているので、その情報を流用すれば、別途ポテンショメータを設けなくともバケット６の姿勢角度θATTを求めることができる。
【００４７】
＜変形例２＞
パイロット圧を測定する代わりに、例えば、バケットシリンダ９のロッド室およびボトム室の各室内の作動油圧力を検出するための圧力センサを設けておき、これらの圧力センサから入力された作動油圧力の値と、各室のシリンダ受圧面積との積から各室におけるシリンダ推力を演算するようにする。そして、その演算結果に基づいて、シリンダ駆動方向判定部３１が、バケットシリンダ９のストローク位置が予め定めた閾値（θ2＝π／２）より伸長側にあるか、それとも収縮側にあるかを判定するようにすることもできる。
【００４８】
＜変形例３＞
圧力を測定する代わりに、例えば、バケットシリンダ９のロッド室およびボトム室の各室内に流れ込む作動油流量を検出するための流量計を設けておき、この流量計から入力された各室における流量値に基づいて、シリンダ駆動方向判定部３１が、バケットシリンダ９のストローク位置が予め定めた閾値（θ2＝π／２）より伸長側にあるか、それとも収縮側にあるかを判定するようにすることもできる。圧力センサを操作レバー１２の周辺に設けるとなると、操作装置１１が大型化するため設計が大変であるが、この変形例３によれば、操作レバー１２の周辺に圧力センサを設けなくても良いので、操作装置１１の構成を複雑にしなくて済むといった利点がある。
【００４９】
＜変形例４＞
例えば、図５に示すθ1とθATTとの関係を示す曲線を、図７に示すように予めデータテーブル３３として用意しておき、このデータテーブル３３をバケット姿勢角度演算部３２の記憶領域に記憶しておく。そして、バケット姿勢角度演算部３２は、θ1の値がポテンショメータ１６から入力されると、データテーブル３３を参照して、そのθ1の値に対応するθATTの値を選択するように構成しても良い。
【００５０】
このデータテーブル３３は、図７に示す通り、ｘ1に対応するθATTはｙ1、ｘ2に対応するθATTはｙ2といったように、ｘ1〜ｘ13のそれぞれのθ1の値に対して、ｙ1〜ｙ16までの各θATTの値がそれぞれ割り当てられたテーブル構成となっている。ただし、上述したように、θ1の値が範囲Ｒ内にある場合には、１つのθ1の値に対してθATTの値は２つ存在するため、θ1がｘ10〜ｘ12の場合には、それぞれθATTの値が２つ規定されている。そして、θ1がｘ10〜ｘ12の場合には、バケット姿勢角度演算部３２は、シリンダ駆動方向判定部３１による判定結果に従って、２つの値のうち一方のθATTをバケット６の姿勢角度として求める。
【００５１】
この変形例４の構成を採用すると、バケット姿勢角度演算部３２は、複雑な演算を実行しなくてもθATTを求めることができるため、制御装置３０の制御負担が軽減されるといった利点がある。
【００５２】
なお、上記した実施の形態例では、ポテンショメータ１６をバケットシリンダ９の後端部にある係合ピン１５に直接取り付けたが、バケットシリンダ９の後端部近傍の位置に取り付けることもできる。この場合であっても、ポテンショメータ１６の破損を防止することができる。
【００５３】
また、上記の実施の形態例では、アタッチメントとしてバケット６を装着したフロント作業機３を有する油圧ショベルを用いたが、装着されるアタッチメントはこの限りではなく、例えばフォークグラップルやリフティングマグネットなどの、４節リンク機構を介してバケットシリンダ９の駆動により姿勢が制御されるアタッチメントであれば、その姿勢の計測を行うことが可能である。
【００５４】
なお、上記の実施の形態例で示した、アーム５とバケットシリンダ９の相対角度θ1からバケット６の姿勢角度θATTを計測する手法は、ブーム４やアーム５の姿勢等を計測する場合にも応用が可能である。
【符号の説明】
【００５５】
１…走行体、２…旋回体、３…フロント作業機、４…ブーム、５…アーム、５ｂ…アームの先端部、６…バケット（アタッチメント）、７…ブームシリンダ、８…アームシリンダ、９…バケットシリンダ（油圧シリンダ）、１０…キャブ、１１…操作装置、１２…操作レバー、１３，１４…圧力センサ、１５…係合ピン、１６…ポテンショメータ（角度検出手段）、１７…ピン、２０…４節リンク機構、２１…第１連結ピン、２２…第２連結ピン、２３…第３連結ピン、２４…第４連結ピン、２５…前側リンク、２６…後側リンク、２７…上側リンク、３０…制御装置、３１…シリンダ駆動方向判定部（シリンダ駆動方向判定手段）、３２…バケット姿勢角度演算部（アタッチメント姿勢角度演算手段）、４０…運転監視装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、油圧ショベル等の作業機械に関し、特に、フロント作業機の一部であるアタッチメントの姿勢を演算する装置を備えた作業機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
油圧ショベルに代表される作業機械にあっては、しばしば重量物をある個所から別の個所へと移送する作業を行う。このような作業において、これら重量物の荷重を計測するために荷重計測装置が使われている。また、油圧ショベルは、一般に、ブーム、アーム、およびアタッチメント（例えば、バケット）で構成されたフロント作業機を備えており、このフロント作業機を自動的に制御する制御装置を搭載しているものもある。この制御装置は、例えば、油圧シリンダの駆動速度を制御して、人間による操作では困難なアタッチメント先端が直線軌道を描く動作を実現している。また、油圧ショベルには、フロント作業機とキャブの接触を回避するための安全装置（運転監視装置）が設けられており、フロント作業機の先端がキャブ付近に近づくと安全装置が作動して警報が鳴り、さらに危険な状態になるとフロント作業機の動作が停止するようになっている。
【０００３】
また、ブーム、アーム、およびアタッチメントにはそれぞれ角度検出器（例えば、ポテンショメータ）が取り付けられおり、制御装置は、これら角度検出器からの入力値に基づいて各種演算等を行うことにより、フロント作業機の動作を制御したり警報を発したりしていた。これらの角度検出器は、従来、ブーム、アーム、アタッチメントそれぞれの基部に配置されていた。しかし、特にアタッチメント姿勢の計測において、土砂等の作業対象物との接触によりアタッチメント基部に配置された角度検出器が破損する虞がある。例えば、アタッチメントとしてバケットを備えた油圧ショベルによる掘削作業では、バケット角度を検出する角度検出器が土砂や岩石と接触すると、破損につながることとなる。
【０００４】
そこで、角度検出器をバケットシリンダ（油圧シリンダ）の駆動をアタッチメントに伝達する４節リンク機構付近に配置してアタッチメント基部から離すことで、破損を防ぐ角度検出器の配置が考案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】実用新案登録第３１５１０１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の角度検出器の配置では、４節リンク機構やバケットシリンダ先端が地表面より下方に埋没するような深い掘削作業や、フロントが上向きになる建物の解体作業では、土砂と接触したり、建物の破片がアタッチメントやアームを伝わって降り注いだりすることで、４節リンク機構またはバケットシリンダ先端付近に取り付けられた角度検出器が破損する虞がある。また、角度検出器が破損すると、各種演算を正確に行うことが困難になるといった課題もあった。
【０００７】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、角度検出器の破損を防止でき、しかも、アタッチメント姿勢を正確に演算することができる作業機械を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するために、本発明は、アームと、このアームの先端部に４節リンク機構を介して取り付けられたアタッチメントと、このアタッチメントを駆動する油圧シリンダと、この油圧シリンダに駆動指令を出力する操作装置と、を備え、前記４節リンク機構は、前記アームの先端部に設けられ、前記アタッチメントの回転中心となる第１連結ピンと、この第１連結ピンより後端側の前記アームに設けられた第２連結ピンと、一端が前記第１連結ピンと連結し、他端が前記第２連結ピンと対角の位置にある第３連結ピンと連結する前側リンクと、一端が前記第２連結ピンと連結し、他端が前記第１連結ピンと対角の位置にある第４連結ピンと連結する後側リンクと、一端が前記第３連結ピンと連結し、他端が前記第４連結ピンと連結する上側リンクとにより構成され、前記油圧シリンダは、その先端部が前記第４連結ピンと回動自在に連結すると共に、後端部が前記アームの後端部に設けられた係合ピンと回動自在に連結しており、前記油圧シリンダの伸縮動作に伴って前記第４連結ピンが可動することにより、前記アタッチメントが前記第１連結ピン回りに回動する作業機械において、前記係合ピンと前記第２連結ピンと前記第４連結ピンとを直線で結んで形成される三角形の内角のうち、前記係合ピンを頂点とする内角θ1を前記アームと前記油圧シリンダとの相対角度として検出する角度検出手段と、前記油圧シリンダのストローク位置が、前記三角形の前記第４連結ピンを頂点とする内角θ2が９０度となる閾値より伸長側にあるか、それとも収縮側にあるかを判定するシリンダ駆動方向判定手段と、前記角度検出手段が検出した前記内角θ1と、前記シリンダ駆動方向判定手段の判定結果とに基づいて、前記第１連結ピンと前記第２連結ピンと前記第３連結ピンと前記第４連結ピンとを直線で結んで形成される四角形の内角のうち、前記第１連結ピンを頂点とする内角θATTを前記アタッチメントの前記アームに対する姿勢角度として演算するアタッチメント姿勢角度演算手段と、を備えたことを特徴としている。
【０００９】
本発明によれば、アタッチメント姿勢角度演算手段がアタッチメントのアームに対する姿勢角度としての角度θATTを演算するにあたって、シリンダ駆動方向判定手段の判定結果を考慮しているから、油圧シリンダの伸縮動作に応じて正しいアタッチメントの姿勢角度を演算することができる。さらに、本発明では、内角θ1を入力できさえすれば、角度検出手段が設置される位置はどこであっても、アタッチメント姿勢角度θATTを演算することができる。よって、角度検出手段をアタッチメントから遠ざけた位置に取り付けることが可能となるから、作業機械が掘削作業等を行っていても、その作業中に角度検出器が破損する心配はなくなる。加えて、角度検出器の破損がなくなることにより、長期間に亘ってアタッチメントの姿勢角度を正しく測定することができる。
【００１０】
また、上記構成において、前記シリンダ駆動方向判定手段は、前記油圧シリンダのロッド室およびボトム室のそれぞれに対応するパイロット圧を検出するための圧力センサから入力されたそれぞれの圧力値から、前記油圧シリンダのストローク位置が前記閾値より前記伸長側にあるか、それとも前記収縮側にあるかを判定するように構成すると良い。
【００１１】
また、上記構成において、前記シリンダ駆動方向判定手段は、前記操作装置の操作レバーの角度を検出するための操作レバー角度検出手段から入力された前記操作レバーの傾斜角度に基づいて、前記油圧シリンダのストローク位置が前記閾値より前記伸長側にあるか、それとも前記収縮側にあるかを判定するように構成することもできる。この構成によれば、圧力センサを設ける必要がないといった利点がある。
【００１２】
また、上記構成において、前記シリンダ駆動方向判定手段は、前記油圧シリンダのロッド室およびボトム室の各室内の作動油圧力を検出するための圧力センサから入力されたそれぞれの圧力値と、前記各室のシリンダ受圧面積との積から前記各室におけるシリンダ推力を演算し、その演算結果に基づいて、前記油圧シリンダのストローク位置が前記閾値より前記伸長側にあるか、それとも前記収縮側にあるかを判定するように構成しても構わない。
【００１３】
また、上記構成において、前記シリンダ駆動方向判定手段は、前記油圧シリンダのロッド室およびボトム室の各室内に流れ込む作動油流量を検出するための流量計から入力されたそれぞれの流量値に基づいて、前記油圧シリンダのストローク位置が前記閾値より前記伸長側にあるか、それとも前記収縮側にあるかを判定するように構成することもできる。この構成によれば、圧力センサを設ける必要がないといった利点がある。
【００１４】
また、上記構成において、前記アタッチメント姿勢角度演算手段は、前記内角θ1と内角θATTとが予め対応付けられて記憶されたデータテーブルを備え、前記データテーブルは、前記内角θ1が所定の角度範囲にある場合には、１つの前記内角θ1に対して前記シリンダ駆動方向判定手段の判定結果のそれぞれに対応する２つの前記内角θATTが記憶されて構成されるものであり、前記アタッチメント姿勢角度演算手段は、前記データテーブルを参照して、前記内角θ1と前記油圧シリンダのストローク位置とに対応する前記内角θATTを決定する構成としても良い。この構成によれば、予めデータテーブルを作成しておくだけで、アタッチメントの姿勢角度θATTを求めることができるため、演算処理が簡単になるといった利点がある。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、上記の構成を採用することにより、角度検出器の破損を防止できるうえ、アタッチメントの姿勢を長期間に亘って正確に演算することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態例に係る油圧ショベルの側面図である。
【図２】図１に示す油圧ショベルのフロント作業機の要部拡大図である。
【図３】図１に示す油圧ショベルの電気的構成を示すブロック図である。
【図４】図２に示すフロント作業機の要部をモデル化した図である。
【図５】図４に示す角度θ1と角度θATTとの関係を示す図である。
【図６】図３に示す制御装置が行う演算処理の手順を示すフローチャートである。
【図７】図５に示す角度θ1と角度θATTとの関係をデータテーブル化した変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態例を、図面を参照して説明する。本発明に係る作業機械の一実施形態である油圧ショベルは、走行体１と、この走行体１上に配置される旋回体２と、この旋回体２に上下方向の回動可能に取付けられ、掘削作業等を行なうことができるフロント作業機３とを備えている。フロント作業機３は、旋回体２に俯仰動可能に取付けられるブーム４と、このブーム４の先端にピン１７を介して回動可能に取り付けられるアーム５と、このアーム５の先端に４節リンク機構２０を介して回動可能に取り付けられるバケット（アタッチメント）６と、ブーム４を駆動するブームシリンダ７と、アーム５を駆動するアームシリンダ８と、バケット６を駆動するバケットシリンダ（油圧シリンダ）９と、を備えている。バケットシリンダ９は、その先端部が４節リンク機構２０と連結され、その後端部がアーム５の後端部に設けられた係合ピン１５と連結されている。
【００１８】
また、この係合ピン１５には、バケットシリンダ９とアーム５との相対角度を検出するためのポテンショメータ（角度検出手段）１６が取り付けられている。このポテンショメータ１６は、より詳細に言えば、係合ピン１５と第２連結ピン２２と第４連結ピン２４とを直線で結んで形成される三角形の内角のうち、係合ピン１５を頂点とする内角θ１を検出している（図４参照）。
【００１９】
キャブ１０は、壁に囲まれたボックス形状をなしており、前側には走行操作レバー・ペダル（図示せず）、中央にはオペレータが着座する運転席（図示せず）、この運転席の両サイドには操作装置１１が設けられている。この操作装置１１は、コンソールボックス（図示せず）で覆われたユニット構造を成しており、そのコンソールボックス内には、操作レバー１２の操作に応じて制御弁にパイロット圧を出力するパイロット弁（図示せず）、パイロット圧を検知する圧力センサ１３，１４などが収納されている。そして、操作装置１１は、複数のパイロットホース（図示せず）によって制御弁（図示せず）と接続されており、操作レバー１２を操作するとこの制御弁を介してフロント作業機３が作動するようになっている。なお、図１の圧力センサ１３は、バケットシリンダ９のボトム室に対応するパイロット圧を検出するためのものであり、圧力センサ１４は、バケットシリンダ９のロッド室に対応するパイロット圧を検出するためのものである。
【００２０】
４節リンク機構２０は、図２に示すように、アーム５の先端部５ｂに設けられた第１連結ピン２１と、アーム５の先端部５ｂで、第１連結ピン２１よりややアーム５の後端側の位置に設けられた第２連結ピン２２と、一端が第１連結ピン２１と連結し、他端が第３連結ピン２３と連結する前側リンク２５と、一端が第２連結ピン２２と連結し、他端が第４連結ピン２４と連結する後側リンク２６と、一端が第３連結ピン２３と連結し、他端が第４連結ピン２４と連結する上側リンク２７とにより構成されている。つまり、４節リンク機構２０は、アーム５の先端部５ｂと、リンク２５，２６，２７と、連結ピン２１，２２，２３，２４と、をその構成要素としている。
【００２１】
なお、図２から明らかなように、第１連結ピン２１と第４連結ピン２４とは対角の位置にあり、第２連結ピン２２と第３連結ピン２３とは対角の位置にある。また、バケット６は、第１連結ピン２１および第３連結ピン２３と連結しており、バケットシリンダ９の先端部は、４節リンク機構２０の第４連結ピン２４と連結している。
【００２２】
そして、バケットシリンダ９が伸縮動作すると、その動作に伴って、後側リンク２６が第２連結ピン２２回りに回動し、上側リンク２７はバケットシリンダ９が伸張する方向または収縮する方向へ変位し、前側リンク２５は第１連結ピン２１回りに回動する。これにより、バケット６は、第１連結ピン２１を中心として回動することとなる。なお、この動作原理については周知であるため、これ以上の詳しい説明は省略する。
【００２３】
次に、バケット６の姿勢角度θATT（図４参照）を演算するための制御装置３０について説明する。制御装置３０は、キャブ１０の室内に設置されており、ポテンショメータ１６からの入力に基づいてバケット６の姿勢角度θATTを演算し、その演算結果を運転監視装置４０に出力している。なお、運転監視装置４０は、入力された角度θATTや、ブーム４やアーム５の角度等を用いて、バケット６がキャブ１０に干渉しないか否か等の安全面の監視を行っている。
【００２４】
制御装置３０は、図３に示すように、バケット姿勢角度演算部（アタッチメント姿勢角度演算手段）３２とシリンダ駆動方向判定部（シリンダ駆動方向判定手段）３１とを備えて構成されている。
【００２５】
シリンダ駆動方向判定部３１は、バケットシリンダ９のストローク位置が、三角形ＡＢＣ（図４参照）のうち、第４連結ピン２４を頂点とする内角θ2が９０度となる閾値より伸長側にあるか、それとも収縮側にあるかの判定を行うものである。より具体的には、シリンダ駆動方向判定部３１は、バケットシリンダ９のストローク位置が、内角θ2＝９０度となる閾値と一致する時、圧力センサ１３からの入力値と圧力センサ１４からの入力値を比較し、高い方の入力値が予め定めた閾値以上であるか否かを判断する。そして、入力値が閾値以上となった場合には、その入力値が圧力センサ１３からのものであるか、それとも圧力センサ１４からのものであるかを判断する。
【００２６】
圧力センサ１３からの入力である場合には、圧力センサ１３はバケットシリンダ９のボトム室に対応するパイロット圧を検出しているので、シリンダ駆動方向判定部３１は、バケットシリンダ９のストローク位置が伸長側にあると判断する。これとは反対に、閾値以上となった入力値が圧力センサ１４からの入力である場合には、圧力センサ１４はバケットシリンダ９のロッド室に対応するパイロット圧を検出しているので、シリンダ駆動方向判定部３１は、バケットシリンダ９のストローク位置が収縮側にあると判断する。このように、本実施形態では、シリンダ駆動方向判定部３１は、操作レバー１２の操作に基づく操作指令として出力されるパイロット圧から、バケットシリンダ９のストローク位置を判断している。
【００２７】
続いて、バケット姿勢角度演算部３２が行う演算処理について、詳しく説明する。バケット姿勢角度演算部３２は、ポテンショメータ１６が検出した内角θ1と、シリンダ駆動方向判定部３１の判定結果とに基づいて、第１連結ピン２１と第２連結ピン２２と第３連結ピン２３と第４連結ピン２４とを直線で結んで形成される四角形の内角のうち、第１連結ピン２１を頂点とする内角θATTを演算する処理を行っている。以下、この演算方法について、詳述する。
【００２８】
図４に示すように、Ａをバケットシリンダ９の基部、即ち、係合ピン１５の位置、Ｂを後側リンク１５とアーム５の先端部５ａの結合点、即ち、第２連結ピン２２の位置、Ｃをバケットシリンダ９と後側リンク２６と上側リンク２７との結合点、即ち、第４連結ピン２４の位置、Ｄをアーム５の先端部５ａとバケット６の結合点、即ち、第１連結ピン２１の位置、Ｅをバケット６と上側リンク２７と前側リンク２５との結合点、即ち、第３連結ピン２３の位置、Ｆをブーム４とアーム５の結合点であるブーム先端、即ち、ピン１７の位置とする。
【００２９】
また、図４に示すように、l1をＢＣの長さ、l2をＡＢの長さ、l3をＢＤの長さ、l5をＤＥの長さ、l6をＣＥの長さとする。なお、l1、l2、l3、l5、l6は設計により予め定められた数値（寸法値）である。また、l4をＣＤ間の距離とする。なお、l4は、バケットシリンダ９の伸縮動作によって変化する値である。さて、バケット６とアーム５のなす角ＢＤＥ、即ち、バケット姿勢角度をθATTとおくと、θATTは、式（１）で表すことができる。
【数１】
【００３０】
また、アーム５とバケットシリンダ９のなす角ＢＡＣをθ1とおくと、θ1はポテンショメータ１６により検出される角度であり、θATTをθ1から一意に求められれば、バケットシリンダ９の基部に配置したポテンショメータ１６の検出値からバケット６の姿勢角度を演算により求めることができる。
【００３１】
三角形ＡＢＣについて、正弦定理より、式（２）が成り立つ。
【数２】
【００３２】
ここで、ポテンショメータ１６により検出される角度θ1に対応する角度θ2は、三角形の１つの角であるから、角度θ2は、式（３）の関係にある。
【数３】
また、式（２）より、以下の式（４）の関係が成り立つ。
【数４】
【００３３】
式（３）、（４）より、ポテンショメータ１６により検出される角度θ1に対応する角度θ2の候補は、θ2が９０度となる場合を除いて、０＜θ2＜π／２の範囲およびπ／２＜θ2＜πの範囲にそれぞれ１つずつ存在することになる。θ2がそれぞれの範囲に１つずつ存在するということは、角度θ1が同じであっても、求められる角度θATTが２つ存在する場合があるということになる。
【００３４】
これについて、図５を参照しながら説明を補足する。図５は、油圧ショベルにおいて想定されるバケットシリンダ９の伸縮動作の範囲内において、角度θ1と角度θATTとの関係を示したものであり、横軸が角度θ1、縦軸が角度θATTである。この図５から明らかなように、角度θ1が範囲Ｒの外にある場合には、１つの角度θ1に対して１つの角度θATTしか存在しないが、角度θ1が範囲Ｒ内にある場合には、θ1＝ｘ13の場合を除いて、１つの角度θ1に対して２つの角度θATTが存在することとなる。例えば、θ1＝ｘ11の場合には、θATT＝ｙ11およびｙ15の２つの値が存在する。このことは、油圧ショベルにおいて、バケットシリンダ９とアーム５との間の相対角度が同じであっても、バケットシリンダ９のストローク位置如何で、バケット６の姿勢が異なる場合があるということである。
【００３５】
したがって、角度θ1から最終的にバケット６の姿勢角度としてθATTを一意に求めるためには、θ2が存在する範囲が０＜θ2＜π／２およびπ／２＜θ2＜πのどちらであるかを明らかにする必要がある。
【００３６】
そこで、本実施形態では、シリンダ駆動方向判定部３１によって判定されるバケットシリンダ９のストローク位置から、θ2が存在する範囲を明らかにしているのである。具体的には、バケットシリンダ９のストローク位置が、θ2＝π／２となる位置より伸長側にある場合には、θ2はπ／２より小さくなるため、θ2は０＜θ2＜π／２の範囲に存在するということが明らかになる。一方、バケットシリンダ９のストローク位置が、θ2＝π／２となる位置より収縮側にある場合には、θ2はπ／２より大きくなるため、θ2はπ／２＜θ2＜πの範囲に存在するということが明らかになる。このように、バケットシリンダ９のストローク位置を判定することで、角度θ1に対応するθ2が一意に決まるのである。
【００３７】
また、θ3については、式（５）から求めることができる。
【数５】
さらに、角ＡＢＤは、設計によって決まる既知の値αであるから、θ4は、式（６）から求めることができる。
【数６】
【００３８】
θ2がθ1から一意に決まることから、式（５）により、θ3もθ1から一意に決まる。同様に、θ3がθ1から一意に決まることから、式（６）により、θ4もθ1から一意に決まる。
【００３９】
また、三角形ＢＣＤについて、余弦定理より、式（７）の関係が成り立つ。
【数７】
【００４０】
また、θ5は、式（８）から求めることができる。
【数８】
【００４１】
また、三角形ＣＤＥについて、余弦定理より、θ6は、式（９）で表すことができる。
【数９】
【００４２】
θ4がθ1から一意に決まることから、式（７）により、l4もθ1から一意に決まる。また、l4がθ1から一意に決まることから、式（８）により、θ5もθ1から一意に決まる。同様に、式（９）により、θ6もθ1から一意に決まる。さらに、式（１）により、θATTがθ5およびθ6によって決まることから、θATTもポテンショメータ１６により検出される角度θ1から求めることができる。このように、本実施形態では、バケットシリンダ９の基部に配置したポテンショメータ１６の検出値と、設計によって予め定められた各要素の寸法値とから演算によってバケット６の姿勢角度θATTを求めることができるのである。
【００４３】
これらの演算の手順を示したフローチャートが図６である。図６に示すように、バケット６の姿勢角度θATTの演算処理が開始されると、まず、ステップＳ１にて、バケット姿勢角度演算部３２が、ポテンショメータ１６からθ1の入力値を取得すると共に、シリンダ駆動方向判定部３１に対してシリンダ駆動方向の判定処理を要求する。判定処理の要求を受けたシリンダ駆動方向判定部３１は、ステップＳ２にて、圧力センサ１３および圧力センサ１４からそれぞれパイロット圧の入力値を取得する。そして、ステップＳ３に進んで、シリンダ駆動方向判定部３１は、バケットシリンダ９のストローク位置を判定する。具体的には、上述したように、シリンダ駆動方向判定部３１は、取得したパイロット圧の入力値を比較し、高い方の入力値が予め定めた閾値以上であるか否かを判断する。そして、その入力値が閾値以上となった場合には、その入力値が圧力センサ１３，１４の何れのものかによって、バケットシリンダ９のストローク位置が伸長側にあるか、それとも収縮側にあるかを判断する。
【００４４】
次いで、ステップＳ４にて、シリンダ駆動方向判定部３１は、バケットシリンダ９のストローク位置が伸長側にあると判断した場合には、角度θ2の範囲を「θ2＜π／２」と判定し、バケットシリンダ９のストローク位置が収縮側にある場合には、角度θ2の範囲を「θ2＞π／２」と判定し、その判定結果をバケット姿勢角度演算部３２に出力する。角度θ2の範囲の判定結果を受けたバケット姿勢角度演算３２は、ステップＳ５にて、その判定結果と、ステップＳ１で取得した角度θ1の入力値とに基づいて、バケット６の姿勢角度θATTを演算する。
【００４５】
以上、説明したように、本実施形態によれば、ポテンショメータ１６は、バケット６からかなり離れた位置、即ち、バケットシリンダ９の基部にある係合ピン１５に設けているので、掘削作業を行ってもポテンショメータ１６が土砂等により破損することは殆どない。しかも、シリンダ駆動方向判定部３１がバケットシリンダ９のストローク位置から角度θ2の範囲を判定しているから、バケット姿勢角度演算部３２が、ポテンショメータ１６にて検出した角度θ1の値に基づいて、バケット６の姿勢角度θATTを正しく求めることができる。そして、この姿勢角度θATTを運転監視装置４０が監視することにより、油圧ショベルを安全に運転することができるのである。ここで、ポテンショメータ１６を係合ピン１５の近傍位置に設けても、ポテンショメータ１６の破損防止になることは言うまでもない。
【００４６】
なお、本発明に係る作業機械は、上述した実施の形態例の他に、種々の変形が可能である。
＜変形例１＞
例えば、操作装置１１の操作レバー１２の角度を検出するためにポテンショメータ（操作レバー角度検出手段）を設けておき、このポテンショメータから入力される操作レバー１２の傾斜角度の値に基づいて、シリンダ駆動方向判定部３１が、バケットシリンダ９のストローク位置が予め定めた閾値（θ2＝π／２）より伸長側にあるか、それとも収縮側にあるかを判定するようにすることもできる。この変形例１によれば、圧力センサ１３，１４を設ける必要がないといった利点がある。特に、操作レバーが電気式の場合には、そもそも操作レバーの傾斜角度の情報は出力されているので、その情報を流用すれば、別途ポテンショメータを設けなくともバケット６の姿勢角度θATTを求めることができる。
【００４７】
＜変形例２＞
パイロット圧を測定する代わりに、例えば、バケットシリンダ９のロッド室およびボトム室の各室内の作動油圧力を検出するための圧力センサを設けておき、これらの圧力センサから入力された作動油圧力の値と、各室のシリンダ受圧面積との積から各室におけるシリンダ推力を演算するようにする。そして、その演算結果に基づいて、シリンダ駆動方向判定部３１が、バケットシリンダ９のストローク位置が予め定めた閾値（θ2＝π／２）より伸長側にあるか、それとも収縮側にあるかを判定するようにすることもできる。
【００４８】
＜変形例３＞
圧力を測定する代わりに、例えば、バケットシリンダ９のロッド室およびボトム室の各室内に流れ込む作動油流量を検出するための流量計を設けておき、この流量計から入力された各室における流量値に基づいて、シリンダ駆動方向判定部３１が、バケットシリンダ９のストローク位置が予め定めた閾値（θ2＝π／２）より伸長側にあるか、それとも収縮側にあるかを判定するようにすることもできる。圧力センサを操作レバー１２の周辺に設けるとなると、操作装置１１が大型化するため設計が大変であるが、この変形例３によれば、操作レバー１２の周辺に圧力センサを設けなくても良いので、操作装置１１の構成を複雑にしなくて済むといった利点がある。
【００４９】
＜変形例４＞
例えば、図５に示すθ1とθATTとの関係を示す曲線を、図７に示すように予めデータテーブル３３として用意しておき、このデータテーブル３３をバケット姿勢角度演算部３２の記憶領域に記憶しておく。そして、バケット姿勢角度演算部３２は、θ1の値がポテンショメータ１６から入力されると、データテーブル３３を参照して、そのθ1の値に対応するθATTの値を選択するように構成しても良い。
【００５０】
このデータテーブル３３は、図７に示す通り、ｘ1に対応するθATTはｙ1、ｘ2に対応するθATTはｙ2といったように、ｘ1〜ｘ13のそれぞれのθ1の値に対して、ｙ1〜ｙ16までの各θATTの値がそれぞれ割り当てられたテーブル構成となっている。ただし、上述したように、θ1の値が範囲Ｒ内にある場合には、１つのθ1の値に対してθATTの値は２つ存在するため、θ1がｘ10〜ｘ12の場合には、それぞれθATTの値が２つ規定されている。そして、θ1がｘ10〜ｘ12の場合には、バケット姿勢角度演算部３２は、シリンダ駆動方向判定部３１による判定結果に従って、２つの値のうち一方のθATTをバケット６の姿勢角度として求める。
【００５１】
この変形例４の構成を採用すると、バケット姿勢角度演算部３２は、複雑な演算を実行しなくてもθATTを求めることができるため、制御装置３０の制御負担が軽減されるといった利点がある。
【００５２】
なお、上記した実施の形態例では、ポテンショメータ１６をバケットシリンダ９の後端部にある係合ピン１５に直接取り付けたが、バケットシリンダ９の後端部近傍の位置に取り付けることもできる。この場合であっても、ポテンショメータ１６の破損を防止することができる。
【００５３】
また、上記の実施の形態例では、アタッチメントとしてバケット６を装着したフロント作業機３を有する油圧ショベルを用いたが、装着されるアタッチメントはこの限りではなく、例えばフォークグラップルやリフティングマグネットなどの、４節リンク機構を介してバケットシリンダ９の駆動により姿勢が制御されるアタッチメントであれば、その姿勢の計測を行うことが可能である。
【００５４】
なお、上記の実施の形態例で示した、アーム５とバケットシリンダ９の相対角度θ1からバケット６の姿勢角度θATTを計測する手法は、ブーム４やアーム５の姿勢等を計測する場合にも応用が可能である。
【符号の説明】
【００５５】
１…走行体、２…旋回体、３…フロント作業機、４…ブーム、５…アーム、５ｂ…アームの先端部、６…バケット（アタッチメント）、７…ブームシリンダ、８…アームシリンダ、９…バケットシリンダ（油圧シリンダ）、１０…キャブ、１１…操作装置、１２…操作レバー、１３，１４…圧力センサ、１５…係合ピン、１６…ポテンショメータ（角度検出手段）、１７…ピン、２０…４節リンク機構、２１…第１連結ピン、２２…第２連結ピン、２３…第３連結ピン、２４…第４連結ピン、２５…前側リンク、２６…後側リンク、２７…上側リンク、３０…制御装置、３１…シリンダ駆動方向判定部（シリンダ駆動方向判定手段）、３２…バケット姿勢角度演算部（アタッチメント姿勢角度演算手段）、４０…運転監視装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アームと、このアームの先端部に４節リンク機構を介して取り付けられたアタッチメントと、このアタッチメントを駆動する油圧シリンダと、この油圧シリンダに駆動指令を出力する操作装置と、を備え、
前記４節リンク機構は、前記アームの先端部に設けられ、前記アタッチメントの回転中心となる第１連結ピンと、この第１連結ピンより後端側の前記アームに設けられた第２連結ピンと、一端が前記第１連結ピンと連結し、他端が前記第２連結ピンと対角の位置にある第３連結ピンと連結する前側リンクと、一端が前記第２連結ピンと連結し、他端が前記第１連結ピンと対角の位置にある第４連結ピンと連結する後側リンクと、一端が前記第３連結ピンと連結し、他端が前記第４連結ピンと連結する上側リンクとにより構成され、
前記油圧シリンダは、その先端部が前記第４連結ピンと回動自在に連結すると共に、後端部が前記アームの後端部に設けられた係合ピンと回動自在に連結しており、
前記油圧シリンダの伸縮動作に伴って前記第４連結ピンが可動することにより、前記アタッチメントが前記第１連結ピン回りに回動する作業機械において、
前記係合ピンと前記第２連結ピンと前記第４連結ピンとを直線で結んで形成される三角形の内角のうち、前記係合ピンを頂点とする内角θ1を前記アームと前記油圧シリンダとの相対角度として検出する角度検出手段と、
前記油圧シリンダのストローク位置が、前記三角形の前記第４連結ピンを頂点とする内角θ2が９０度となる閾値より伸長側にあるか、それとも収縮側にあるかを判定するシリンダ駆動方向判定手段と、
前記角度検出手段が検出した前記内角θ1と、前記シリンダ駆動方向判定手段の判定結果とに基づいて、前記第１連結ピンと前記第２連結ピンと前記第３連結ピンと前記第４連結ピンとを直線で結んで形成される四角形の内角のうち、前記第１連結ピンを頂点とする内角θATTを前記アタッチメントの前記アームに対する姿勢角度として演算するアタッチメント姿勢角度演算手段と、
を備えたことを特徴とする作業機械。
【請求項２】
請求項１の記載において、
前記シリンダ駆動方向判定手段は、前記油圧シリンダのロッド室およびボトム室のそれぞれに対応するパイロット圧を検出するための圧力センサから入力されたそれぞれの圧力値から、前記油圧シリンダのストローク位置が前記閾値より前記伸長側にあるか、それとも前記収縮側にあるかを判定するものであることを特徴とする作業機械。
【請求項３】
請求項１の記載において、
前記シリンダ駆動方向判定手段は、前記操作装置の操作レバーの角度を検出するための操作レバー角度検出手段から入力された前記操作レバーの傾斜角度に基づいて、前記油圧シリンダのストローク位置が前記閾値より前記伸長側にあるか、それとも前記収縮側にあるかを判定するものであることを特徴とする作業機械。
【請求項４】
請求項１の記載において、
前記シリンダ駆動方向判定手段は、前記油圧シリンダのロッド室およびボトム室の各室内の作動油圧力を検出するための圧力センサから入力されたそれぞれの圧力値と、前記各室のシリンダ受圧面積との積から前記各室におけるシリンダ推力を演算し、その演算結果に基づいて、前記油圧シリンダのストローク位置が前記閾値より前記伸長側にあるか、それとも前記収縮側にあるかを判定するものであることを特徴とする作業機械。
【請求項５】
請求項１の記載において、
前記シリンダ駆動方向判定手段は、前記油圧シリンダのロッド室およびボトム室の各室内に流れ込む作動油流量を検出するための流量計から入力されたそれぞれの流量値に基づいて、前記油圧シリンダのストローク位置が前記閾値より前記伸長側にあるか、それとも前記収縮側にあるかを判定するものであることを特徴とする作業機械。
【請求項６】
請求項１の記載において、
前記アタッチメント姿勢角度演算手段は、前記内角θ1と内角θATTとが予め対応付けられて記憶されたデータテーブルを備え、
前記データテーブルは、前記内角θ1が所定の角度範囲にある場合には、１つの前記内角θ1に対して前記シリンダ駆動方向判定手段の判定結果のそれぞれに対応する２つの前記内角θATTが記憶されて構成されるものであり、
前記アタッチメント姿勢角度演算手段は、前記データテーブルを参照して、前記内角θ1と前記油圧シリンダのストローク位置とに対応する前記内角θATTを決定するようにしたことを特徴とする作業機械。
【請求項１】
アームと、このアームの先端部に４節リンク機構を介して取り付けられたアタッチメントと、このアタッチメントを駆動する油圧シリンダと、この油圧シリンダに駆動指令を出力する操作装置と、を備え、
前記４節リンク機構は、前記アームの先端部に設けられ、前記アタッチメントの回転中心となる第１連結ピンと、この第１連結ピンより後端側の前記アームに設けられた第２連結ピンと、一端が前記第１連結ピンと連結し、他端が前記第２連結ピンと対角の位置にある第３連結ピンと連結する前側リンクと、一端が前記第２連結ピンと連結し、他端が前記第１連結ピンと対角の位置にある第４連結ピンと連結する後側リンクと、一端が前記第３連結ピンと連結し、他端が前記第４連結ピンと連結する上側リンクとにより構成され、
前記油圧シリンダは、その先端部が前記第４連結ピンと回動自在に連結すると共に、後端部が前記アームの後端部に設けられた係合ピンと回動自在に連結しており、
前記油圧シリンダの伸縮動作に伴って前記第４連結ピンが可動することにより、前記アタッチメントが前記第１連結ピン回りに回動する作業機械において、
前記係合ピンと前記第２連結ピンと前記第４連結ピンとを直線で結んで形成される三角形の内角のうち、前記係合ピンを頂点とする内角θ1を前記アームと前記油圧シリンダとの相対角度として検出する角度検出手段と、
前記油圧シリンダのストローク位置が、前記三角形の前記第４連結ピンを頂点とする内角θ2が９０度となる閾値より伸長側にあるか、それとも収縮側にあるかを判定するシリンダ駆動方向判定手段と、
前記角度検出手段が検出した前記内角θ1と、前記シリンダ駆動方向判定手段の判定結果とに基づいて、前記第１連結ピンと前記第２連結ピンと前記第３連結ピンと前記第４連結ピンとを直線で結んで形成される四角形の内角のうち、前記第１連結ピンを頂点とする内角θATTを前記アタッチメントの前記アームに対する姿勢角度として演算するアタッチメント姿勢角度演算手段と、
を備えたことを特徴とする作業機械。
【請求項２】
請求項１の記載において、
前記シリンダ駆動方向判定手段は、前記油圧シリンダのロッド室およびボトム室のそれぞれに対応するパイロット圧を検出するための圧力センサから入力されたそれぞれの圧力値から、前記油圧シリンダのストローク位置が前記閾値より前記伸長側にあるか、それとも前記収縮側にあるかを判定するものであることを特徴とする作業機械。
【請求項３】
請求項１の記載において、
前記シリンダ駆動方向判定手段は、前記操作装置の操作レバーの角度を検出するための操作レバー角度検出手段から入力された前記操作レバーの傾斜角度に基づいて、前記油圧シリンダのストローク位置が前記閾値より前記伸長側にあるか、それとも前記収縮側にあるかを判定するものであることを特徴とする作業機械。
【請求項４】
請求項１の記載において、
前記シリンダ駆動方向判定手段は、前記油圧シリンダのロッド室およびボトム室の各室内の作動油圧力を検出するための圧力センサから入力されたそれぞれの圧力値と、前記各室のシリンダ受圧面積との積から前記各室におけるシリンダ推力を演算し、その演算結果に基づいて、前記油圧シリンダのストローク位置が前記閾値より前記伸長側にあるか、それとも前記収縮側にあるかを判定するものであることを特徴とする作業機械。
【請求項５】
請求項１の記載において、
前記シリンダ駆動方向判定手段は、前記油圧シリンダのロッド室およびボトム室の各室内に流れ込む作動油流量を検出するための流量計から入力されたそれぞれの流量値に基づいて、前記油圧シリンダのストローク位置が前記閾値より前記伸長側にあるか、それとも前記収縮側にあるかを判定するものであることを特徴とする作業機械。
【請求項６】
請求項１の記載において、
前記アタッチメント姿勢角度演算手段は、前記内角θ1と内角θATTとが予め対応付けられて記憶されたデータテーブルを備え、
前記データテーブルは、前記内角θ1が所定の角度範囲にある場合には、１つの前記内角θ1に対して前記シリンダ駆動方向判定手段の判定結果のそれぞれに対応する２つの前記内角θATTが記憶されて構成されるものであり、
前記アタッチメント姿勢角度演算手段は、前記データテーブルを参照して、前記内角θ1と前記油圧シリンダのストローク位置とに対応する前記内角θATTを決定するようにしたことを特徴とする作業機械。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図６】
【図７】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図６】
【図７】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−７６２８６（Ｐ２０１３−７６２８６Ａ）
【公開日】平成２５年４月２５日（２０１３．４．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１７３２４（Ｐ２０１１−２１７３２４）
【出願日】平成２３年９月３０日（２０１１．９．３０）
【出願人】（０００００５５２２）日立建機株式会社 (2,611)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月２５日（２０１３．４．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月３０日（２０１１．９．３０）
【出願人】（０００００５５２２）日立建機株式会社 (2,611)
【Ｆターム（参考）】
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