ホーム > 特許ランキング > 国立大学法人広島大学
知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
▶ 国立大学法人広島大学の特許一覧 ▶ コベルコ建機株式会社の特許一覧
特開2021-134576作業機械の外力推定装置、当該外力推定装置を備える作業機械、作業装置のパラメータ推定装置、並びに作業機械の外力推定方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】特開2021-134576(P2021-134576A)
(43)【公開日】2021年9月13日
(54)【発明の名称】作業機械の外力推定装置、当該外力推定装置を備える作業機械、作業装置のパラメータ推定装置、並びに作業機械の外力推定方法
(51)【国際特許分類】
E02F 9/26 20060101AFI20210816BHJP
E02F 9/20 20060101ALI20210816BHJP
G01L 5/00 20060101ALI20210816BHJP
【ＦＩ】
E02F9/26 B
E02F9/20 M
G01L5/00 Z
【審査請求】未請求
【請求項の数】5
【出願形態】ＯＬ
【全頁数】23
(21)【出願番号】特願2020-31862(P2020-31862)
(22)【出願日】2020年2月27日
(71)【出願人】
【識別番号】504136568
【氏名又は名称】国立大学法人広島大学
(71)【出願人】
【識別番号】000246273
【氏名又は名称】コベルコ建機株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100115381
【弁理士】
【氏名又は名称】小谷 昌崇
(74)【代理人】
【識別番号】100067828
【弁理士】
【氏名又は名称】小谷 悦司
(74)【代理人】
【識別番号】100109058
【弁理士】
【氏名又は名称】村松 敏郎
(72)【発明者】
【氏名】菊植 亮
【テーマコード（参考）】
2D003
2D015
2F051
【Ｆターム（参考）】
2D003AA01
2D003AB04
2D003AC06
2D003BA07
2D003CA02
2D003CA10
2D003DA04
2D003DB01
2D003DB02
2D003DB04
2D003DB05
2D003FA02
2D015HA03
2D015HB01
2D015HB04
2D015HB05
2F051AA09
(57)【要約】
【課題】外部衝撃等に対して高い信頼性を担保し、かつ、作業機械の製造コストの上昇を抑えつつ、作業装置に作用する外力の方向及び大きさを推定することが可能な、作業機械の外力推定装置を得る。【解決手段】推定器１００は、アーム駆動力センサ７２及びアタッチメント駆動力センサ７３によって検出されたアーム駆動力ｆｃ２及びアタッチメント駆動力ｆｃ３と、アーム角センサ８２及びアタッチメント角センサ８３によって検出されたアーム角θａｂ及びアタッチメント角θｎとに基づいて、作業装置３に作用する外力の方向θｅ及び大きさＦを算出する。
【選択図】図５
【特許請求の範囲】
【請求項1】
本体部と、
ブーム回動軸によって前記本体部に回動可能に連結されたブームと、アーム回動軸によって前記ブームに回動可能に連結されたアームと、アタッチメント回動軸によって前記アームに回動可能に連結されたアタッチメントと、を有する作業装置と、
前記アームを駆動するアーム駆動手段、及び、前記アタッチメントを駆動するアタッチメント駆動手段と、
を備える作業機械において、前記作業装置に作用する外力を推定する、作業機械の外力推定装置であって、
前記アーム駆動手段によって発生されるアーム駆動力を検出するアーム駆動力センサ、及び、前記アタッチメント駆動手段によって発生されるアタッチメント駆動力を検出するアタッチメント駆動力センサと、
前記ブームに対する前記アームの角度であるアーム角を検出するアーム角センサ、及び、前記アームに対する前記アタッチメントの角度であるアタッチメント角を検出するアタッチメント角センサと、
前記作業装置に外力が作用していない状態で前記アタッチメントが駆動された際の、前記アタッチメント駆動力センサによって検出された前記アタッチメント駆動力と、前記アタッチメント角センサによって検出された前記アタッチメント角とに基づいて、前記アタッチメントに関する、アタッチメント回動軸まわりの慣性モーメント、質量、及び摩擦力の大きさを含むアタッチメントパラメータを算出するアタッチメントパラメータ算出部と、
前記作業装置に外力が作用していない状態で前記アームが駆動された際の、前記アーム駆動力センサによって検出された前記アーム駆動力と、前記アーム角センサによって検出された前記アーム角とに基づいて、前記アームに関する、アーム回動軸まわりの慣性モーメント、質量、及び摩擦力の大きさを含むアームパラメータを算出するアームパラメータ算出部と、
前記アタッチメントパラメータ算出部によって算出された前記アタッチメントパラメータと、前記作業装置に外力が作用している状態で前記アタッチメントが駆動された際の、前記アタッチメント駆動力センサによって検出された前記アタッチメント駆動力と、前記アタッチメント角センサによって検出された前記アタッチメント角とに基づいて、前記外力に起因する前記アタッチメントのトルクであるアタッチメントトルクを算出するアタッチメントトルク算出部と、
前記アームパラメータ算出部によって算出された前記アームパラメータと、前記作業装置に外力が作用している状態で前記アームが駆動された際の、前記アーム駆動力センサによって検出された前記アーム駆動力と、前記アーム角センサによって検出された前記アーム角とに基づいて、前記外力に起因する前記アームのトルクであるアームトルクを算出するアームトルク算出部と、
前記アタッチメントトルク算出部によって算出された前記アタッチメントトルクと、前記アームトルク算出部によって算出された前記アームトルクとに基づいて、前記外力の方向及び大きさを算出する外力算出部と、
を備える、作業機械の外力推定装置。
ブーム回動軸によって前記本体部に回動可能に連結されたブームと、アーム回動軸によって前記ブームに回動可能に連結されたアームと、アタッチメント回動軸によって前記アームに回動可能に連結されたアタッチメントと、を有する作業装置と、
前記アームを駆動するアーム駆動手段、及び、前記アタッチメントを駆動するアタッチメント駆動手段と、
を備える作業機械において、前記作業装置に作用する外力を推定する、作業機械の外力推定装置であって、
前記アーム駆動手段によって発生されるアーム駆動力を検出するアーム駆動力センサ、及び、前記アタッチメント駆動手段によって発生されるアタッチメント駆動力を検出するアタッチメント駆動力センサと、
前記ブームに対する前記アームの角度であるアーム角を検出するアーム角センサ、及び、前記アームに対する前記アタッチメントの角度であるアタッチメント角を検出するアタッチメント角センサと、
前記作業装置に外力が作用していない状態で前記アタッチメントが駆動された際の、前記アタッチメント駆動力センサによって検出された前記アタッチメント駆動力と、前記アタッチメント角センサによって検出された前記アタッチメント角とに基づいて、前記アタッチメントに関する、アタッチメント回動軸まわりの慣性モーメント、質量、及び摩擦力の大きさを含むアタッチメントパラメータを算出するアタッチメントパラメータ算出部と、
前記作業装置に外力が作用していない状態で前記アームが駆動された際の、前記アーム駆動力センサによって検出された前記アーム駆動力と、前記アーム角センサによって検出された前記アーム角とに基づいて、前記アームに関する、アーム回動軸まわりの慣性モーメント、質量、及び摩擦力の大きさを含むアームパラメータを算出するアームパラメータ算出部と、
前記アタッチメントパラメータ算出部によって算出された前記アタッチメントパラメータと、前記作業装置に外力が作用している状態で前記アタッチメントが駆動された際の、前記アタッチメント駆動力センサによって検出された前記アタッチメント駆動力と、前記アタッチメント角センサによって検出された前記アタッチメント角とに基づいて、前記外力に起因する前記アタッチメントのトルクであるアタッチメントトルクを算出するアタッチメントトルク算出部と、
前記アームパラメータ算出部によって算出された前記アームパラメータと、前記作業装置に外力が作用している状態で前記アームが駆動された際の、前記アーム駆動力センサによって検出された前記アーム駆動力と、前記アーム角センサによって検出された前記アーム角とに基づいて、前記外力に起因する前記アームのトルクであるアームトルクを算出するアームトルク算出部と、
前記アタッチメントトルク算出部によって算出された前記アタッチメントトルクと、前記アームトルク算出部によって算出された前記アームトルクとに基づいて、前記外力の方向及び大きさを算出する外力算出部と、
を備える、作業機械の外力推定装置。
【請求項2】
前記作業機械は、
前記ブームを駆動するブーム駆動手段
をさらに備え、
前記ブーム駆動手段によって発生されるブーム駆動力を検出するブーム駆動力センサと、
前記本体部に対する前記ブームの角度であるブーム角を検出するブーム角センサと、
前記作業装置に外力が作用していない状態で前記ブームが駆動された際の、前記ブーム駆動力センサによって検出された前記ブーム駆動力と、前記ブーム角センサによって検出された前記ブーム角とに基づいて、前記ブームに関する、ブーム回動軸まわりの慣性モーメント、質量、及び摩擦力の大きさを含むブームパラメータを算出するブームパラメータ算出部と、
前記ブームパラメータ算出部によって算出された前記ブームパラメータと、前記作業装置に外力が作用している状態で前記ブームが駆動された際の、前記ブーム駆動力センサによって検出された前記ブーム駆動力と、前記ブーム角センサによって検出された前記ブーム角とに基づいて、前記外力に起因する前記ブームのトルクであるブームトルクを算出するブームトルク算出部と、
をさらに備え、
前記外力算出部は、前記アタッチメントトルク算出部によって算出された前記アタッチメントトルクと、前記アームトルク算出部によって算出された前記アームトルクと、前記ブームトルク算出部によって算出された前記ブームトルクとに基づいて、前記外力の方向及び大きさを算出する、請求項１に記載の作業機械の外力推定装置。
前記ブームを駆動するブーム駆動手段
をさらに備え、
前記ブーム駆動手段によって発生されるブーム駆動力を検出するブーム駆動力センサと、
前記本体部に対する前記ブームの角度であるブーム角を検出するブーム角センサと、
前記作業装置に外力が作用していない状態で前記ブームが駆動された際の、前記ブーム駆動力センサによって検出された前記ブーム駆動力と、前記ブーム角センサによって検出された前記ブーム角とに基づいて、前記ブームに関する、ブーム回動軸まわりの慣性モーメント、質量、及び摩擦力の大きさを含むブームパラメータを算出するブームパラメータ算出部と、
前記ブームパラメータ算出部によって算出された前記ブームパラメータと、前記作業装置に外力が作用している状態で前記ブームが駆動された際の、前記ブーム駆動力センサによって検出された前記ブーム駆動力と、前記ブーム角センサによって検出された前記ブーム角とに基づいて、前記外力に起因する前記ブームのトルクであるブームトルクを算出するブームトルク算出部と、
をさらに備え、
前記外力算出部は、前記アタッチメントトルク算出部によって算出された前記アタッチメントトルクと、前記アームトルク算出部によって算出された前記アームトルクと、前記ブームトルク算出部によって算出された前記ブームトルクとに基づいて、前記外力の方向及び大きさを算出する、請求項１に記載の作業機械の外力推定装置。
【請求項3】
本体部と、
ブーム回動軸によって前記本体部に回動可能に連結されたブームと、アーム回動軸によって前記ブームに回動可能に連結されたアームと、アタッチメント回動軸によって前記アームに回動可能に連結されたアタッチメントと、を有する作業装置と、
前記アームを駆動するアーム駆動手段、及び、前記アタッチメントを駆動するアタッチメント駆動手段と、
請求項１又は２に記載の作業機械の外力推定装置と、
を備える、作業機械。
ブーム回動軸によって前記本体部に回動可能に連結されたブームと、アーム回動軸によって前記ブームに回動可能に連結されたアームと、アタッチメント回動軸によって前記アームに回動可能に連結されたアタッチメントと、を有する作業装置と、
前記アームを駆動するアーム駆動手段、及び、前記アタッチメントを駆動するアタッチメント駆動手段と、
請求項１又は２に記載の作業機械の外力推定装置と、
を備える、作業機械。
【請求項4】
本体部と、
ブーム回動軸によって前記本体部に回動可能に連結されたブームと、アーム回動軸によって前記ブームに回動可能に連結されたアームと、アタッチメント回動軸によって前記アームに回動可能に連結されたアタッチメントと、を有する作業装置と、
前記アームを駆動するアーム駆動手段、及び、前記アタッチメントを駆動するアタッチメント駆動手段と、
を備える作業機械において、前記作業装置のパラメータを推定する、作業装置のパラメータ推定装置であって、
前記アーム駆動手段によって発生されるアーム駆動力を検出するアーム駆動力センサ、及び、前記アタッチメント駆動手段によって発生されるアタッチメント駆動力を検出するアタッチメント駆動力センサと、
前記ブームに対する前記アームの角度であるアーム角を検出するアーム角センサ、及び、前記アームに対する前記アタッチメントの角度であるアタッチメント角を検出するアタッチメント角センサと、
前記作業装置に外力が作用していない状態で前記アタッチメントが駆動された際の、前記アタッチメント駆動力センサによって検出された前記アタッチメント駆動力と、前記アタッチメント角センサによって検出された前記アタッチメント角とに基づいて、前記アタッチメントに関する、アタッチメント回動軸まわりの慣性モーメント、質量、及び摩擦力の大きさ、のうちの少なくとも一つを含むアタッチメントパラメータを算出するアタッチメントパラメータ算出部と、
前記作業装置に外力が作用していない状態で前記アームが駆動された際の、前記アーム駆動力センサによって検出された前記アーム駆動力と、前記アーム角センサによって検出された前記アーム角とに基づいて、前記アームに関する、アーム回動軸まわりの慣性モーメント、質量、及び摩擦力の大きさ、のうちの少なくとも一つを含むアームパラメータを算出するアームパラメータ算出部と、
を備える、作業装置のパラメータ推定装置。
ブーム回動軸によって前記本体部に回動可能に連結されたブームと、アーム回動軸によって前記ブームに回動可能に連結されたアームと、アタッチメント回動軸によって前記アームに回動可能に連結されたアタッチメントと、を有する作業装置と、
前記アームを駆動するアーム駆動手段、及び、前記アタッチメントを駆動するアタッチメント駆動手段と、
を備える作業機械において、前記作業装置のパラメータを推定する、作業装置のパラメータ推定装置であって、
前記アーム駆動手段によって発生されるアーム駆動力を検出するアーム駆動力センサ、及び、前記アタッチメント駆動手段によって発生されるアタッチメント駆動力を検出するアタッチメント駆動力センサと、
前記ブームに対する前記アームの角度であるアーム角を検出するアーム角センサ、及び、前記アームに対する前記アタッチメントの角度であるアタッチメント角を検出するアタッチメント角センサと、
前記作業装置に外力が作用していない状態で前記アタッチメントが駆動された際の、前記アタッチメント駆動力センサによって検出された前記アタッチメント駆動力と、前記アタッチメント角センサによって検出された前記アタッチメント角とに基づいて、前記アタッチメントに関する、アタッチメント回動軸まわりの慣性モーメント、質量、及び摩擦力の大きさ、のうちの少なくとも一つを含むアタッチメントパラメータを算出するアタッチメントパラメータ算出部と、
前記作業装置に外力が作用していない状態で前記アームが駆動された際の、前記アーム駆動力センサによって検出された前記アーム駆動力と、前記アーム角センサによって検出された前記アーム角とに基づいて、前記アームに関する、アーム回動軸まわりの慣性モーメント、質量、及び摩擦力の大きさ、のうちの少なくとも一つを含むアームパラメータを算出するアームパラメータ算出部と、
を備える、作業装置のパラメータ推定装置。
【請求項5】
本体部と、
ブーム回動軸によって前記本体部に回動可能に連結されたブームと、アーム回動軸によって前記ブームに回動可能に連結されたアームと、アタッチメント回動軸によって前記アームに回動可能に連結されたアタッチメントと、を有する作業装置と、
前記アームを駆動するアーム駆動手段、及び、前記アタッチメントを駆動するアタッチメント駆動手段と、
を備える作業機械において、前記作業装置に作用する外力を推定する、作業機械の外力推定方法であって、
（Ａ）前記アーム駆動手段によって発生されるアーム駆動力を検出するステップと、
（Ｂ）前記アタッチメント駆動手段によって発生されるアタッチメント駆動力を検出するステップと、
（Ｃ）前記ブームに対する前記アームの角度であるアーム角を検出するステップと、
（Ｄ）前記アームに対する前記アタッチメントの角度であるアタッチメント角を検出するステップと、
（Ｅ）前記作業装置に外力が作用していない状態で前記アタッチメントが駆動された際の、前記ステップ（Ｂ）によって検出された前記アタッチメント駆動力と、前記ステップ（Ｄ）によって検出された前記アタッチメント角とに基づいて、前記アタッチメントに関する、アタッチメント回動軸まわりの慣性モーメント、質量、及び摩擦力の大きさを含むアタッチメントパラメータを算出するステップと、
（Ｆ）前記作業装置に外力が作用していない状態で前記アームが駆動された際の、前記ステップ（Ａ）によって検出された前記アーム駆動力と、前記ステップ（Ｃ）によって検出された前記アーム角とに基づいて、前記アームに関する、アーム回動軸まわりの慣性モーメント、質量、及び摩擦力の大きさを含むアームパラメータを算出するステップと、
（Ｇ）前記ステップ（Ｅ）によって算出された前記アタッチメントパラメータと、前記作業装置に外力が作用している状態で前記アタッチメントが駆動された際の、前記ステップ（Ｂ）によって検出された前記アタッチメント駆動力と、前記ステップ（Ｄ）によって検出された前記アタッチメント角とに基づいて、前記外力に起因する前記アタッチメントのトルクであるアタッチメントトルクを算出するステップと、
（Ｈ）前記ステップ（Ｆ）によって算出された前記アームパラメータと、前記作業装置に外力が作用している状態で前記アームが駆動された際の、前記ステップ（Ａ）によって検出された前記アーム駆動力と、前記ステップ（Ｃ）によって検出された前記アーム角とに基づいて、前記外力に起因する前記アームのトルクであるアームトルクを算出するステップと、
（Ｉ）前記ステップ（Ｇ）によって算出された前記アタッチメントトルクと、前記ステップ（Ｈ）によって算出された前記アームトルクとに基づいて、前記外力の方向及び大きさを算出するステップと、
を備える、作業機械の外力推定方法。
ブーム回動軸によって前記本体部に回動可能に連結されたブームと、アーム回動軸によって前記ブームに回動可能に連結されたアームと、アタッチメント回動軸によって前記アームに回動可能に連結されたアタッチメントと、を有する作業装置と、
前記アームを駆動するアーム駆動手段、及び、前記アタッチメントを駆動するアタッチメント駆動手段と、
を備える作業機械において、前記作業装置に作用する外力を推定する、作業機械の外力推定方法であって、
（Ａ）前記アーム駆動手段によって発生されるアーム駆動力を検出するステップと、
（Ｂ）前記アタッチメント駆動手段によって発生されるアタッチメント駆動力を検出するステップと、
（Ｃ）前記ブームに対する前記アームの角度であるアーム角を検出するステップと、
（Ｄ）前記アームに対する前記アタッチメントの角度であるアタッチメント角を検出するステップと、
（Ｅ）前記作業装置に外力が作用していない状態で前記アタッチメントが駆動された際の、前記ステップ（Ｂ）によって検出された前記アタッチメント駆動力と、前記ステップ（Ｄ）によって検出された前記アタッチメント角とに基づいて、前記アタッチメントに関する、アタッチメント回動軸まわりの慣性モーメント、質量、及び摩擦力の大きさを含むアタッチメントパラメータを算出するステップと、
（Ｆ）前記作業装置に外力が作用していない状態で前記アームが駆動された際の、前記ステップ（Ａ）によって検出された前記アーム駆動力と、前記ステップ（Ｃ）によって検出された前記アーム角とに基づいて、前記アームに関する、アーム回動軸まわりの慣性モーメント、質量、及び摩擦力の大きさを含むアームパラメータを算出するステップと、
（Ｇ）前記ステップ（Ｅ）によって算出された前記アタッチメントパラメータと、前記作業装置に外力が作用している状態で前記アタッチメントが駆動された際の、前記ステップ（Ｂ）によって検出された前記アタッチメント駆動力と、前記ステップ（Ｄ）によって検出された前記アタッチメント角とに基づいて、前記外力に起因する前記アタッチメントのトルクであるアタッチメントトルクを算出するステップと、
（Ｈ）前記ステップ（Ｆ）によって算出された前記アームパラメータと、前記作業装置に外力が作用している状態で前記アームが駆動された際の、前記ステップ（Ａ）によって検出された前記アーム駆動力と、前記ステップ（Ｃ）によって検出された前記アーム角とに基づいて、前記外力に起因する前記アームのトルクであるアームトルクを算出するステップと、
（Ｉ）前記ステップ（Ｇ）によって算出された前記アタッチメントトルクと、前記ステップ（Ｈ）によって算出された前記アームトルクとに基づいて、前記外力の方向及び大きさを算出するステップと、
を備える、作業機械の外力推定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、作業機械の外力推定装置、当該外力推定装置を備える作業機械、作業装置のパラメータ推定装置、並びに作業機械の外力推定方法に関する。
【背景技術】
【0002】
下部走行体及び上部旋回体を有する本体部と、本体部に対して姿勢変更可能に取り付けられた作業装置とを備えた作業機械において、作業装置に作用する外力を特定するための技術が知られている。
【0003】
下記特許文献１には、２つの回動軸を介して連結されたアーム及びアタッチメントを有する作業装置を備えた作業機械において、当該２つの回動軸の各々にひずみゲージ等を用いたロードセルを配置し、各ロードセルから出力されるひずみ検出結果に基づいて、アタッチメントに作用する外力の方向及び大きさを計測する外力計測装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開２０１０−２４９５８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
上記特許文献１に開示された外力計測装置によると、アタッチメントに作用する外力を計測するためにロードセルを追加実装する必要があるため、作業機械の製造コストが上昇する。また、一般的に、ひずみゲージ等を用いたロードセルは外部衝撃等に対して脆弱である。従って、建設現場等の衝撃の大きい環境下での作業が想定される作業機械にロードセルを実装したのでは、十分な信頼性を担保できないため、ロードセルを用いない他の手法の実現が望まれる。
【0006】
本発明はかかる事情に鑑みて成されたものであり、外部衝撃等に対して高い信頼性を担保し、かつ、作業機械の製造コストの上昇を抑えつつ、作業装置に作用する外力の方向及び大きさを推定することが可能な、作業機械の外力推定装置、当該外力推定装置を備える作業機械、作業装置のパラメータ推定装置、並びに作業機械の外力推定方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の一態様に係る作業機械の外力推定装置は、本体部と、ブーム回動軸によって前記本体部に回動可能に連結されたブームと、アーム回動軸によって前記ブームに回動可能に連結されたアームと、アタッチメント回動軸によって前記アームに回動可能に連結されたアタッチメントと、を有する作業装置と、前記アームを駆動するアーム駆動手段、及び、前記アタッチメントを駆動するアタッチメント駆動手段と、を備える作業機械において、前記作業装置に作用する外力を推定する、作業機械の外力推定装置であって、前記アーム駆動手段によって発生されるアーム駆動力を検出するアーム駆動力センサ、及び、前記アタッチメント駆動手段によって発生されるアタッチメント駆動力を検出するアタッチメント駆動力センサと、前記ブームに対する前記アームの角度であるアーム角を検出するアーム角センサ、及び、前記アームに対する前記アタッチメントの角度であるアタッチメント角を検出するアタッチメント角センサと、前記作業装置に外力が作用していない状態で前記アタッチメントが駆動された際の、前記アタッチメント駆動力センサによって検出された前記アタッチメント駆動力と、前記アタッチメント角センサによって検出された前記アタッチメント角とに基づいて、前記アタッチメントに関する、アタッチメント回動軸まわりの慣性モーメント、質量、及び摩擦力の大きさを含むアタッチメントパラメータを算出するアタッチメントパラメータ算出部と、前記作業装置に外力が作用していない状態で前記アームが駆動された際の、前記アーム駆動力センサによって検出された前記アーム駆動力と、前記アーム角センサによって検出された前記アーム角とに基づいて、前記アームに関する、アーム回動軸まわりの慣性モーメント、質量、及び摩擦力の大きさを含むアームパラメータを算出するアームパラメータ算出部と、前記アタッチメントパラメータ算出部によって算出された前記アタッチメントパラメータと、前記作業装置に外力が作用している状態で前記アタッチメントが駆動された際の、前記アタッチメント駆動力センサによって検出された前記アタッチメント駆動力と、前記アタッチメント角センサによって検出された前記アタッチメント角とに基づいて、前記外力に起因する前記アタッチメントのトルクであるアタッチメントトルクを算出するアタッチメントトルク算出部と、前記アームパラメータ算出部によって算出された前記アームパラメータと、前記作業装置に外力が作用している状態で前記アームが駆動された際の、前記アーム駆動力センサによって検出された前記アーム駆動力と、前記アーム角センサによって検出された前記アーム角とに基づいて、前記外力に起因する前記アームのトルクであるアームトルクを算出するアームトルク算出部と、前記アタッチメントトルク算出部によって算出された前記アタッチメントトルクと、前記アームトルク算出部によって算出された前記アームトルクとに基づいて、前記外力の方向及び大きさを算出する外力算出部と、を備えることを特徴とするものである。
【0008】
この態様に係る作業機械の外力推定装置によれば、作業装置に作用する外力の方向及び大きさを、アタッチメント駆動力、アタッチメント角、アーム駆動力、及びアーム角の検出結果に基づいて推定できる。従って、外力計測のためのロードセルを追加実装する必要がないため、外部衝撃等に対して高い信頼性を担保し、かつ、作業機械の製造コストの上昇を抑えつつ、作業装置に作用する外力の方向及び大きさを推定することが可能となる。また、作業機械においてアタッチメント及びアームが同時に駆動された場合であっても、作業装置に作用する外力の方向及び大きさを適切に推定することが可能となる。
【0009】
上記態様に係る作業機械の外力推定装置において、前記作業機械は、前記ブームを駆動するブーム駆動手段をさらに備え、前記ブーム駆動手段によって発生されるブーム駆動力を検出するブーム駆動力センサと、前記本体部に対する前記ブームの角度であるブーム角を検出するブーム角センサと、前記作業装置に外力が作用していない状態で前記ブームが駆動された際の、前記ブーム駆動力センサによって検出された前記ブーム駆動力と、前記ブーム角センサによって検出された前記ブーム角とに基づいて、前記ブームに関する、ブーム回動軸まわりの慣性モーメント、質量、及び摩擦力の大きさを含むブームパラメータを算出するブームパラメータ算出部と、前記ブームパラメータ算出部によって算出された前記ブームパラメータと、前記作業装置に外力が作用している状態で前記ブームが駆動された際の、前記ブーム駆動力センサによって検出された前記ブーム駆動力と、前記ブーム角センサによって検出された前記ブーム角とに基づいて、前記外力に起因する前記ブームのトルクであるブームトルクを算出するブームトルク算出部と、をさらに備え、前記外力算出部は、前記アタッチメントトルク算出部によって算出された前記アタッチメントトルクと、前記アームトルク算出部によって算出された前記アームトルクと、前記ブームトルク算出部によって算出された前記ブームトルクとに基づいて、前記外力の方向及び大きさを算出することが望ましい。
【0010】
この態様に係る作業機械の外力推定装置によれば、作業機械においてアタッチメント、アーム、及びブームが同時に駆動された場合であっても、作業装置に作用する外力の方向及び大きさを適切に推定することが可能となる。
【0011】
本発明の一態様に係る作業機械は、本体部と、ブーム回動軸によって前記本体部に回動可能に連結されたブームと、アーム回動軸によって前記ブームに回動可能に連結されたアームと、アタッチメント回動軸によって前記アームに回動可能に連結されたアタッチメントと、を有する作業装置と、前記アームを駆動するアーム駆動手段、及び、前記アタッチメントを駆動するアタッチメント駆動手段と、上記態様に係る作業機械の外力推定装置と、を備えることを特徴とするものである。
【0012】
この態様に係る作業機械によれば、作業装置に作用する外力の方向及び大きさを、アタッチメント駆動力、アタッチメント角、アーム駆動力、及びアーム角の検出結果に基づいて推定できる。従って、外力計測のためのロードセルを追加実装する必要がないため、作業機械の製造コストの上昇を抑え、かつ、外部衝撃等に対して高い信頼性を担保しつつ、作業装置に作用する外力の方向及び大きさを推定することが可能となる。
【0013】
本発明の一態様に係る作業装置のパラメータ推定装置は、本体部と、ブーム回動軸によって前記本体部に回動可能に連結されたブームと、アーム回動軸によって前記ブームに回動可能に連結されたアームと、アタッチメント回動軸によって前記アームに回動可能に連結されたアタッチメントと、を有する作業装置と、前記アームを駆動するアーム駆動手段、及び、前記アタッチメントを駆動するアタッチメント駆動手段と、を備える作業機械において、前記作業装置のパラメータを推定する、作業装置のパラメータ推定装置であって、前記アーム駆動手段によって発生されるアーム駆動力を検出するアーム駆動力センサ、及び、前記アタッチメント駆動手段によって発生されるアタッチメント駆動力を検出するアタッチメント駆動力センサと、前記ブームに対する前記アームの角度であるアーム角を検出するアーム角センサ、及び、前記アームに対する前記アタッチメントの角度であるアタッチメント角を検出するアタッチメント角センサと、前記作業装置に外力が作用していない状態で前記アタッチメントが駆動された際の、前記アタッチメント駆動力センサによって検出された前記アタッチメント駆動力と、前記アタッチメント角センサによって検出された前記アタッチメント角とに基づいて、前記アタッチメントに関する、アタッチメント回動軸まわりの慣性モーメント、質量、及び摩擦力の大きさ、のうちの少なくとも一つを含むアタッチメントパラメータを算出するアタッチメントパラメータ算出部と、前記作業装置に外力が作用していない状態で前記アームが駆動された際の、前記アーム駆動力センサによって検出された前記アーム駆動力と、前記アーム角センサによって検出された前記アーム角とに基づいて、前記アームに関する、アーム回動軸まわりの慣性モーメント、質量、及び摩擦力の大きさ、のうちの少なくとも一つを含むアームパラメータを算出するアームパラメータ算出部と、を備えることを特徴とするものである。
【0014】
この態様に係る作業装置のパラメータ推定装置によれば、アタッチメントに関する、アタッチメント回動軸まわりの慣性モーメント、質量、及び摩擦力の大きさを含むアタッチメントパラメータと、アームに関する、アーム回動軸まわりの慣性モーメント、質量、及び摩擦力の大きさを含むアームパラメータとを、簡易に推定することが可能となる。
【0015】
本発明の一態様に係る作業機械の外力推定方法は、本体部と、ブーム回動軸によって前記本体部に回動可能に連結されたブームと、アーム回動軸によって前記ブームに回動可能に連結されたアームと、アタッチメント回動軸によって前記アームに回動可能に連結されたアタッチメントと、を有する作業装置と、前記アームを駆動するアーム駆動手段、及び、前記アタッチメントを駆動するアタッチメント駆動手段と、を備える作業機械において、前記作業装置に作用する外力を推定する、作業機械の外力推定方法であって、（Ａ）前記アーム駆動手段によって発生されるアーム駆動力を検出するステップと、（Ｂ）前記アタッチメント駆動手段によって発生されるアタッチメント駆動力を検出するステップと、（Ｃ）前記ブームに対する前記アームの角度であるアーム角を検出するステップと、（Ｄ）前記アームに対する前記アタッチメントの角度であるアタッチメント角を検出するステップと、（Ｅ）前記作業装置に外力が作用していない状態で前記アタッチメントが駆動された際の、前記ステップ（Ｂ）によって検出された前記アタッチメント駆動力と、前記ステップ（Ｄ）によって検出された前記アタッチメント角とに基づいて、前記アタッチメントに関する、アタッチメント回動軸まわりの慣性モーメント、質量、及び摩擦力の大きさを含むアタッチメントパラメータを算出するステップと、（Ｆ）前記作業装置に外力が作用していない状態で前記アームが駆動された際の、前記ステップ（Ａ）によって検出された前記アーム駆動力と、前記ステップ（Ｃ）によって検出された前記アーム角とに基づいて、前記アームに関する、アーム回動軸まわりの慣性モーメント、質量、及び摩擦力の大きさを含むアームパラメータを算出するステップと、（Ｇ）前記ステップ（Ｅ）によって算出された前記アタッチメントパラメータと、前記作業装置に外力が作用している状態で前記アタッチメントが駆動された際の、前記ステップ（Ｂ）によって検出された前記アタッチメント駆動力と、前記ステップ（Ｄ）によって検出された前記アタッチメント角とに基づいて、前記外力に起因する前記アタッチメントのトルクであるアタッチメントトルクを算出するステップと、（Ｈ）前記ステップ（Ｆ）によって算出された前記アームパラメータと、前記作業装置に外力が作用している状態で前記アームが駆動された際の、前記ステップ（Ａ）によって検出された前記アーム駆動力と、前記ステップ（Ｃ）によって検出された前記アーム角とに基づいて、前記外力に起因する前記アームのトルクであるアームトルクを算出するステップと、（Ｉ）前記ステップ（Ｇ）によって算出された前記アタッチメントトルクと、前記ステップ（Ｈ）によって算出された前記アームトルクとに基づいて、前記外力の方向及び大きさを算出するステップと、を備えることを特徴とするものである。
【0016】
この態様に係る作業機械の外力推定方法によれば、作業装置に作用する外力の方向及び大きさを、アタッチメント駆動力、アタッチメント角、アーム駆動力、及びアーム角の検出結果に基づいて推定できる。従って、外力計測のためのロードセルを追加実装する必要がないため、外部衝撃等に対して高い信頼性を担保し、かつ、作業機械の製造コストの上昇を抑えつつ、作業装置に作用する外力の方向及び大きさを推定することが可能となる。また、作業機械においてアタッチメント及びアームが同時に駆動された場合であっても、作業装置に作用する外力の方向及び大きさを適切に推定することが可能となる。
【発明の効果】
【0017】
本発明によれば、外部衝撃等に対して高い信頼性を担保し、かつ、作業機械の製造コストの上昇を抑えつつ、作業装置に作用する外力の方向及び大きさを推定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【図1】本発明の実施の形態に係る作業機械の構成を模式的に示す図である。
【図2A】推定器の接続構成を簡略化して示すブロック図である。
【図2B】コントローラの接続構成を簡略化して示すブロック図である。
【図3】作業装置の簡略化モデルを示す図である。
【図4】アーム及びアタッチメントの簡略化モデルを示す図である。
【図5】推定器が有する機能を示すブロック図である。
【図6】推定器によって実行される外力算出処理の流れを示すフローチャートである。
【図7】変形例に係る推定器が有する機能を示すブロック図である。
【図8】変形例に係る推定器によって実行される外力算出処理の流れを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0019】
図１は、本発明の実施の形態に係る作業機械１の構成を模式的に示す図である。本実施の形態の例において、作業機械１は、交換可能なアタッチメント３３としてバケットが装着された建設機械である。但し、バケットに限らず、ニブラ又はブレーカ等の他のアタッチメントが装着されても良い。また、建設機械に限らず、任意のアタッチメントが装着される農業機械又は工業機械等の他の作業機械であっても良い。
【0020】
図１に示すように、作業機械１は、クローラ式の下部走行体２２と、下部走行体２２上に旋回可能に配置された上部旋回体２１と、上部旋回体２１に取り付けられた作業装置３とを備えている。下部走行体２２及び上部旋回体２１は、作業機械１の本体部２を構成する。
【0021】
作業装置３は、ブームフットピン６１（ブーム回動軸）によって上部旋回体２１に対し回動可能に連結されたブーム３１と、アームフットピン６２（アーム回動軸）によってブーム３１に対し回動可能に連結されたアーム３２と、アームトップピン６３（アタッチメント回動軸）によってアーム３２に対し回動可能に連結されたアタッチメント３３とを備えている。
【0022】
作業機械１は、上部旋回体２１に対しブーム３１を起伏させるブームシリンダ４１と、ブーム３１に対しアーム３２を揺動させるアームシリンダ４２と、アーム３２に対しアタッチメント３３を揺動させるアタッチメントシリンダ４３とを備えている。なお、ブーム３１、アーム３２、及びアタッチメント３３を駆動するための駆動手段としては、シリンダの代わりに油圧モータ等の他のアクチュエータを使用しても良い。
【0023】
アタッチメントシリンダ４３のシリンダロッドの先端は、回動可能なアタッチメントロッドピン６５によって、アイドラリンク５１の一端及びアタッチメントリンク５２の一端に接続されている。アイドラリンク５１の他端は、回動可能なアイドラリンクピン６４によって、アーム３２に接続されている。アタッチメントリンク５２の他端は、回動可能なアタッチメントリンクピン６６によって、アタッチメント３３に接続されている。
【0024】
また、作業機械１は、ブーム駆動力センサ７１、アーム駆動力センサ７２、及びアタッチメント駆動力センサ７３を備えている。ブーム駆動力センサ７１は、ブームシリンダ４１の内部圧力を検出し、その圧力検出値とブームシリンダ４１の内部断面積とを乗算することにより、ブームシリンダ４１が発生するブーム駆動力ｆｃ１を検出する。ブーム駆動力センサ７１は、検出したブーム駆動力ｆｃ１を示すブーム駆動力データを出力する。アーム駆動力センサ７２は、アームシリンダ４２の内部圧力を検出し、その圧力検出値とアームシリンダ４２の内部断面積とを乗算することにより、アームシリンダ４２が発生するアーム駆動力ｆｃ２を検出する。アーム駆動力センサ７２は、検出したアーム駆動力ｆｃ２を示すアーム駆動力データを出力する。アタッチメント駆動力センサ７３は、アタッチメントシリンダ４３の内部圧力を検出し、その圧力検出値とアタッチメントシリンダ４３の内部断面積とを乗算することにより、アタッチメントシリンダ４３が発生するアタッチメント駆動力ｆｃ３を検出する。アタッチメント駆動力センサ７３は、検出したアタッチメント駆動力ｆｃ３を示すアタッチメント駆動力データを出力する。
【0025】
上部旋回体２１の内部には、作業機械１の全体の制御を司るコントローラ３００が配置されている。作業機械１のオペレータのレバー操作に伴うコントローラ３００の油圧制御によって、上部旋回体２１に対するブーム３１の角度（ブーム角）、ブーム３１に対するアーム３２の角度（アーム角）、及び、アーム３２に対するアタッチメント３３の角度（アタッチメント角）がそれぞれ変更されることにより、作業装置３の姿勢が変更される。また、上部旋回体２１の内部には、推定器１００が配置されている。推定器１００の接続構成及び処理内容については後述する。
【0026】
また、作業機械１は、ブーム角センサ８１、アーム角センサ８２、及びアタッチメント角センサ８３を備えている。これらの角度センサは、ポテンショメータ又はロータリエンコーダ等によって構成される。ブーム角センサ８１は、ブームフットピン６１の回転角度を検出することによってブーム角θｂを検出し、検出したブーム角θｂを示すブーム角データを出力する。アーム角センサ８２は、アームフットピン６２の回転角度を検出することによってアーム角θａｂを検出し、検出したアーム角θａｂを示すアーム角データを出力する。アタッチメント角センサ８３は、アームトップピン６３の回転角度を検出することによってアタッチメント角θｎを検出し、検出したアタッチメント角θｎを示すアタッチメント角データを出力する。
【0027】
図２Ａは、推定器１００の接続構成を簡略化して示すブロック図である。ブーム駆動力センサ７１、アーム駆動力センサ７２、及びアタッチメント駆動力センサ７３は、有線の通信路によって推定器１００に接続されている。ブーム駆動力データ、アーム駆動力データ、及びアタッチメント駆動力データは、当該通信路を介して推定器１００に入力される。同様に、ブーム角センサ８１、アーム角センサ８２、及びアタッチメント角センサ８３は、有線の通信路によって推定器１００に接続されている。ブーム角データ、アーム角データ、及びアタッチメント角データは、当該通信路を介して推定器１００に入力される。なお、通信路は無線であっても良く、その場合、推定器１００は無線通信を介して作業機械１の外部に配置されていても良い。
【0028】
図２Ｂは、コントローラ３００の接続構成を簡略化して示すブロック図である。コントローラ３００は、制御信号Ｓ１９によってアクチュエータ駆動回路２００を制御する。アクチュエータ駆動回路２００は、アクチュエータとしてのブームシリンダ４１、アームシリンダ４２、及びアタッチメントシリンダ４３を駆動する。アクチュエータ駆動回路２００には、動力源としてのエンジンによって駆動される油圧ポンプ、油圧ポンプから各アクチュエータへの作動油の供給量を調整するためのコントロールバルブ、及び、コントロールバルブを制御するためのパイロット圧を発生させる操作レバー等が含まれる。作業機械１のオペレータによって操作レバーが操作されると、その操作量に応じて変動するパイロット圧によってコントロールバルブが制御され、パイロット圧に応じた吐出量の作動油が各アクチュエータに供給され、作動油の油圧によって各アクチュエータが動作する。これにより、オペレータのレバー操作に従って、作業装置３が所望の動作を実行することとなる。
【0029】
図３は、作業装置３の簡略化モデルを示す図である。図３に示す第１要素Ｗ１、第２要素Ｗ２、第３要素Ｗ３は、図１に示したブーム３１、アーム３２、アタッチメント３３にそれぞれ対応する。図３には、第１要素Ｗ１の重心Ｐｇ１、第２要素Ｗ２の重心Ｐｇ２、及び第３要素Ｗ３の重心Ｐｇ３を示している。図３に示す点Ｘ０，Ｘ１，Ｘ２は、図１に示したブームフットピン６１、アームフットピン６２、アームトップピン６３にそれぞれ対応する。点Ｘ３は、アタッチメント３３の先端を示す。
【0030】
第１要素Ｗ１に関し、鉛直上向き方向と、点Ｘ０及び点Ｘ１を結ぶ線分との成す角は、ブーム角θｂである。
【0031】
第２要素Ｗ２に関し、鉛直上向き方向と、点Ｘ１及び点Ｘ３を結ぶ線分との成す角は、角度θｔ３である。鉛直上向き方向と、点Ｘ１及び重心Ｐｇ３を結ぶ線分との成す角は、角度θｇ３２である。点Ｘ０及び点Ｘ１を結ぶ線分の延長線と、点Ｘ１及び点Ｘ２を結ぶ線分との成す角は、アーム角θａｂである。また、点Ｘ１及び点Ｘ３を結ぶ線分の長さはｌｔ３であり、点Ｘ１及び重心Ｐｇ３を結ぶ線分の長さはｌｇ３２であり、点Ｘ１及び重心Ｐｇ２を結ぶ線分の長さはｌｇ２である。
【0032】
アタッチメントＷ３に関し、鉛直上向き方向と、点Ｘ２及び点Ｘ３を結ぶ線分との成す角は、角度θｔ３３である。鉛直上向き方向と、点Ｘ２及び重心Ｐｇ３を結ぶ線分との成す角は、角度θｇ３３である。点Ｘ１及び点Ｘ２を結ぶ線分の延長線と、点Ｘ２及び重心Ｐｇ３を結ぶ線分との成す角は、アタッチメント角θｎである。また、点Ｘ２及び点Ｘ３を結ぶ線分の長さはＢｕＲ２であり、点Ｘ２及び重心Ｐｇ３を結ぶ線分の長さはＢｕＧＲである。
【0033】
図４は、アーム３２及びアタッチメント３３の簡略化モデルを示す図である。図４に示す点Ｙ１は、図１に示したアタッチメントシリンダ４３とアーム３２との連結点を示す。図４に示す点Ｙ２，Ｙ３，Ｙ４は、図１に示したアイドラリンクピン６４、アタッチメントロッドピン６５、アタッチメントリンクピン６６にそれぞれ対応する。点Ｙ１及び点Ｙ３を結ぶ線分の長さはＣＹＬ３であり、アタッチメントシリンダ４３のシリンダ長に対応する。点Ｙ１及び点Ｙ２を結ぶ線分と、点Ｙ２及び点Ｙ３を結ぶ線分との成す角は、角度ｄである。また、点Ｙ１及び点Ｙ２を結ぶ線分の長さはＲ２であり、点Ｙ２及び点Ｙ３を結ぶ線分の長さはＣＬ２である。
【0034】
図５は、推定器１００が有する機能を示すブロック図である。推定器１００は、ＣＰＵ等の情報処理装置と、当該情報処理装置が参照可能なＲＯＭ及びＲＡＭ等の記憶装置とを備えて構成されている。本実施の形態に係る推定器１００は、ブーム３１を静止させた状態でアーム３２及びアタッチメント３３を動作させて作業装置３に所定の作業を実行させた際に、作業装置３（具体的にはアタッチメント３３）に作用する外力を推定する外力推定装置として機能する。
【0035】
図２Ａに示したように、推定器１００は、推定した外力の方向θｅ及び大きさＦを示す信号Ｓ１８を出力する。第１の例として、信号Ｓ１８は、作業機械１の操縦席に配置された表示装置（図略）に入力される。これにより、推定された外力に関する情報を図形情報としてオペレータに提示することができる。第２の例として、信号Ｓ１８は、作業機械１に搭載されているハードディスク又はフラッシュメモリ等の記憶装置（図略）に入力される。これにより、推定された外力に関する情報を時系列データとして作業履歴情報に含めて保存することができる。第３の例として、信号Ｓ１８は、コントローラ３００に入力される。これにより、コントローラ３００は、推定された外力に応じて適切な動作を行うことができる。
【0036】
図５の接続関係で示すように推定器１００は、アタッチメントパラメータ算出部１０１、アームパラメータ算出部１０２、パラメータ保持部１０３、アタッチメントトルク算出部１０４、アームトルク算出部１０５、及び外力算出部１０６を備えている。
【0037】
図６は、推定器１００によって実行される外力算出処理の流れを示すフローチャートである。
【0038】
まずステップＳＰ１１において推定器１００は、作業装置３に外力が作用していない状態（即ちアタッチメント３３の無負荷状態）で、ブーム３１及びアーム３２を動作させずにアタッチメント３３だけを動作させる。その状態でアタッチメントパラメータ算出部１０１は、アタッチメント角センサ８３及びアタッチメント駆動力センサ７３から所定のサンプリング間隔で逐次入力されるアタッチメント角データ（アタッチメント角θｎ，ｋ）及びアタッチメント駆動力データ（アタッチメント駆動力ｆｃ３，ｋ）に基づいて、アタッチメント３３に関する所定のアタッチメントパラメータを算出する。なお、添え字の「ｋ」は時刻を意味し、具体的には、サンプリング周期Ｔを用いたｋＴによって時刻が表される。サンプリング周期Ｔは、例えば、０．００１秒から０．０３秒までの間の適切な値である。当該アタッチメントパラメータには、アームトップピン６３まわりのアタッチメント３３の慣性モーメントＩｊ３、アタッチメント３３の質量Ｍ３、アタッチメント３３のクーロン摩擦力の大きさＮ３、及びアタッチメント３３の粘性摩擦力の大きさＢ３が含まれる。なお、図中の記号「＾」は推定値を意味し、明細書中ではその呼称を用いて＜ハット＞と表記する。これらのアタッチメントパラメータ＜ハット＞Ｉｊ３，＜ハット＞Ｍ３，＜ハット＞Ｎ３，＜ハット＞Ｂ３は、パラメータ保持部１０３によって保持される。
【0039】
アタッチメントパラメータ算出部１０１による演算処理について説明する。
【0040】
アタッチメントシリンダ４３が発生するアタッチメント駆動力ｆｃ３をトルクτ３に変換するための変換係数Ｊ（θｎ）を式（１）に示す。
【0041】
【数1】
【0042】
アームトップピン６３まわりの運動方程式を式（２）に示す。
【0043】
【数2】
【0044】
式（２）において、角度θｇ３３の１階微分は角速度、２階微分は角加速度を表し、微小時間の差分値として求められる。また、角度θｇ３３は、ブーム角θｂ、アーム角θａｂ、及びアタッチメント角θｎに基づいて幾何学的に算出できる。
【0045】
式（２）は式（３）〜（６）のように変形できる。例えば式（４）において、イコールの上に三角印を付した記号は、定義を意味する。
【0046】
【数3】
【0047】
【数4】
【0048】
【数5】
【0049】
【数6】
【0050】
式（３）において、τ３，ｋ及びψ３，ｋを既知、θ３を未知として扱うことにより、逐次入力される複数のτ３，ｋ及びψ３，ｋに基づいてθ３を推定することができる。推定には、例えば、忘却因子付き逐次最小二乗法を用いることができる。但し、カルマンフィルタを用いても良い。
【0051】
忘却因子の設定値に基づく重みをｗ３，ｋ，ｉとすると、式（３）から二乗誤差は式（７）〜（１０）のように表される。
【0052】
【数7】
【0053】
【数8】
【0054】
【数9】
【0055】
【数10】
【0056】
ここで、ｉ０は計算を開始する時刻を意味する。リアルタイム演算においては、Ｒ３，ｋ及びｑ３，ｋは式（１１）（１２）に基づいて計算される。
【0057】
【数11】
【0058】
【数12】
【0059】
Ｒｍ，ｋが逆行列を持つ場合、式（１３）に基づいて推定値＜ハット＞θｍ，ｋを算出することができる。なお、添え字の「ｍ」は、アタッチメント３３に関しては「３」、アーム３２に関しては「２」、ブーム３１に関しては「１」となる。
【0060】
【数13】
【0061】
以上のように、アタッチメントパラメータ算出部１０１は、アタッチメント角センサ８３及びアタッチメント駆動力センサ７３から逐次入力されるアタッチメント角データ（アタッチメント角θｎ，ｋ）及びアタッチメント駆動力データ（アタッチメント駆動力ｆｃ３，ｋ）に基づいて、式（５）のθ３に相当するアタッチメントパラメータ＜ハット＞Ｉｊ３，＜ハット＞Ｍ３，＜ハット＞Ｎ３，＜ハット＞Ｂ３を算出することができる。
【0062】
図６のフローチャートを参照して、次にステップＳＰ１２において推定器１００は、アタッチメント３３の無負荷状態で、ブーム３１及びアタッチメント３３を動作させずにアーム３２だけを動作させる。その状態でアームパラメータ算出部１０２は、アーム角センサ８２及びアーム駆動力センサ７２から所定のサンプリング間隔で逐次入力されるアーム角データ（アーム角θａｂ，ｋ）及びアーム駆動力データ（アーム駆動力ｆｃ２，ｋ）に基づいて、アーム３２に関する所定のアームパラメータを算出する。当該アームパラメータには、アームフットピン６２まわりのアーム３２の慣性モーメントの推定値＜ハット＞Ｉｊ２、アタッチメント３３及びアーム３２の合計質量の推定値＜ハット＞Ｍ２３、アーム３２のクーロン摩擦力の大きさの推定値＜ハット＞Ｎ２、及びアーム３２の粘性摩擦力の大きさの推定値＜ハット＞Ｂ２が含まれる。これらのアームパラメータ＜ハット＞Ｉｊ２，＜ハット＞Ｍ２３，＜ハット＞Ｎ２，＜ハット＞Ｂ２は、パラメータ保持部１０３によって保持される。
【0063】
アームパラメータ算出部１０２による演算処理について説明する。
【0064】
アームフットピン６２まわりの運動方程式を式（１４）〜（１７）に示す。
【0065】
【数14】
【0066】
【数15】
【0067】
【数16】
【0068】
【数17】
【0069】
ここで、角度θｇ３２は、ブーム角θｂ及びアーム角θａｂに基づいて幾何学的に算出できる。
【0070】
式（１４）は式（１８）〜（２０）のように変形できる。
【0071】
【数18】
【0072】
【数19】
【0073】
【数20】
【0074】
上記と同様に、τ２，ｋ及びψ２，ｋを既知、θ２を未知として扱い、逐次入力される複数のτ２，ｋ及びψ２，ｋに基づいてθ２を推定する。
【0075】
以上のように、アームパラメータ算出部１０２は、アーム角センサ８２及びアーム駆動力センサ７２から逐次入力されるアーム角データ（アーム角θａｂ，ｋ）及びアーム駆動力データ（アーム駆動力ｆｃ２，ｋ）に基づいて、式（１９）のθ２に相当するアームパラメータ＜ハット＞Ｉｊ２，＜ハット＞Ｍ２３，＜ハット＞Ｎ２，＜ハット＞Ｂ２を算出することができる。
【0076】
図６のフローチャートを参照して、次にステップＳＰ１３において推定器１００は、作業装置３（具体的にはアタッチメント３３の先端）に対して所定の外力が作用している状態（即ちアタッチメント３３の有負荷状態）で、ブーム３１及びアーム３２を動作させずにアタッチメント３３だけを動作させる。ここで、外力の大きさはＦであり、鉛直上向き方向に対する外力の作用方向はθｅである。その状態でアタッチメントトルク算出部１０４は、時刻ｌにおいてアタッチメント角センサ８３及びアタッチメント駆動力センサ７３から入力されたアタッチメント角データ（アタッチメント角θｎ，ｌ）及びアタッチメント駆動力データ（アタッチメント駆動力ｆｃ３，ｌ）と、パラメータ保持部１０３から入力されたアタッチメントパラメータ＜ハット＞Ｉｊ３，＜ハット＞Ｍ３，＜ハット＞Ｎ３，＜ハット＞Ｂ３とに基づいて、外力に起因して生じるアームトップピン６３まわりのトルクであるアタッチメントトルクの推定値＜ハット＞τｅ３，ｌを算出する。なお、添え字の「ｌ」は、時刻ｌ（エル）における値であることを意味する。
【0077】
次にステップＳＰ１４において推定器１００は、アタッチメント３３の有負荷状態で、ブーム３１及びアタッチメント３３を動作させずにアーム３２だけを動作させる。その状態でアームトルク算出部１０５は、時刻ｌにおいてアーム角センサ８２及びアーム駆動力センサ７２から入力されたアーム角データ（アーム角θａｂ，ｌ）及びアーム駆動力データ（アーム駆動力ｆｃ２，ｌ）と、パラメータ保持部１０３から入力されたアームパラメータ＜ハット＞Ｉｊ２，＜ハット＞Ｍ２３，＜ハット＞Ｎ２，＜ハット＞Ｂ２とに基づいて、外力に起因して生じるアームフットピン６２まわりのトルクであるアームトルクの推定値＜ハット＞τｅ２，ｌを算出する。
【0078】
アタッチメントトルク算出部１０４及びアームトルク算出部１０５による演算処理について説明する。
【0079】
アタッチメント３３の重心Ｐｇ３まわりの慣性モーメントの推定値＜ハット＞Ｉ３は、式（２１）で表される。
【0080】
【数21】
【0081】
アーム３２の質量の推定値＜ハット＞Ｍ２は、式（２２）で表される。
【0082】
【数22】
【0083】
アーム３２の重心Ｐｇ２まわりの慣性モーメントの推定値＜ハット＞Ｉ２は、式（２３）で表される。
【0084】
【数23】
【0085】
アタッチメントトルク算出部１０４及びアームトルク算出部１０５が使用する摩擦モデルのアルゴリズムを、式（２４）〜（２７）に示す。
【0086】
【数24】
【0087】
【数25】
【0088】
【数26】
【0089】
【数27】
【0090】
ここで、Ｋ及びＢは定数であり、例えば、Ｋ＝１０７［Ｎｍ／ｒａｄ］、Ｂ＝１０５［Ｎｍｓ／ｒａｄ］である。
【0091】
アームフットピン６２まわりの慣性モーメントＩｊ２は、アームフットピン６２からアタッチメント３３の重心Ｐｇ３までの距離ｌｇ３２によって変化する。よって、時刻ｌにおけるＩｊ２の推定値＜ハット＞Ｉｊ２，ｌは、式（２８）で表すことができる。
【0092】
【数28】
【0093】
アームトルク算出部１０５は、外力に起因するアームトルクの推定値＜ハット＞τｅ２，ｌを、式（２９）によって算出する。
【0094】
【数29】
【0095】
ここで、τ２，ｌは、時刻ｌにおいてアーム駆動力センサ７２から入力されたアーム駆動力データ（アーム駆動力ｆｃ２，ｌ）に対応するトルク（即ち無負荷状態のトルクと外力起因のトルクとの合計）である。
【0096】
アタッチメントトルク算出部１０４は、外力に起因するアタッチメントトルクの推定値＜ハット＞τｅ３，ｌを、式（３０）によって算出する。
【0097】
【数30】
【0098】
ここで、τ３，ｌは、時刻ｌにおいてアタッチメント駆動力センサ７３から入力されたアタッチメント駆動力データ（アタッチメント駆動力ｆｃ３，ｌ）に対応するトルク（即ち無負荷状態のトルクと外力起因のトルクとの合計）である。
【0099】
図６のフローチャートを参照して、次にステップＳＰ１５において外力算出部１０６は、アタッチメントトルク算出部１０４から入力されたアタッチメントトルクの推定値＜ハット＞τｅ３，ｌと、アームトルク算出部１０５から入力されたアームトルクの推定値＜ハット＞τｅ２，ｌとに基づいて、外力の方向の推定値＜ハット＞θｅ，ｌ及び大きさの推定値＜ハット＞Ｆｌを算出する。
【0100】
外力算出部１０６による演算処理について説明する。
【0101】
推定値＜ハット＞τｅ２，ｌ及び推定値＜ハット＞τｅ３，ｌは、外力の方向の推定値＜ハット＞θｅ，ｌ及び大きさの推定値＜ハット＞Ｆｌを用いて、式（３１）（３２）のように表される。
【0102】
【数31】
【0103】
【数32】
【0104】
よって、Ｅ２，ｌ及びＥ３，ｌを式（３３）（３４）のように定義すると、ｃｏｓ＜ハット＞θｅ，ｌ及びｓｉｎ＜ハット＞θｅ，ｌは、式（３５）で表される。
【0105】
【数33】
【0106】
【数34】
【0107】
【数35】
【0108】
関数ａｔａｎ２（ｙ，ｘ）の戻り値の範囲は［−π，π］であり、また、＜ハット＞θｅ，ｌの範囲は［０，２π］であるため、外力算出部１０６は、式（３６）によって＜ハット＞θｅ，ｌを算出することができ、式（３７）によって＜ハット＞Ｆｌを算出することができる。
【0109】
【数36】
【0110】
【数37】
【0111】
以上のように本実施の形態に係る作業機械１によれば、作業装置３に作用する外力の方向θｅ及び大きさＦを、アタッチメント駆動力ｆｃ３、アタッチメント角θｎ、アーム駆動力ｆｃ２、及びアーム角θａｂの検出結果に基づいて推定できる。従って、外力計測のためのロードセルを追加実装する必要がないため、外部衝撃等に対して高い信頼性を担保し、かつ、作業機械１の製造コストの上昇を抑えつつ、作業装置３に作用する外力の方向θｅ及び大きさＦを推定することが可能となる。また、作業機械１においてアタッチメント３３及びアーム３２が同時に駆動された場合であっても、作業装置３に作用する外力の方向θｅ及び大きさＦを適切に推定することが可能となる。
【0112】
＜変形例＞上記実施の形態では、推定器１００は、ブーム３１を静止させた状態でアーム３２及びアタッチメント３３を動作させた際の外力を算出したが、上記と同様のアルゴリズムをブーム３１にも拡張することにより、ブーム３１、アーム３２、及びアタッチメント３３の全てを同時に動作させた際の外力を推定器１００によって推定することもできる。
【0113】
図７は、本変形例に係る推定器１００が有する機能を示すブロック図である。図７の接続関係で示すように推定器１００は、図５に示した構成に対してブームパラメータ算出部１０７及びブームトルク算出部１０８をさらに備えている。
【0114】
図８は、本変形例に係る推定器１００によって実行される外力算出処理の流れを示すフローチャートである。
【0115】
まずステップＳＰ２１において推定器１００は、アタッチメント３３の無負荷状態で、ブーム３１及びアーム３２を動作させずにアタッチメント３３だけを動作させる。その状態でアタッチメントパラメータ算出部１０１は、アタッチメント角センサ８３及びアタッチメント駆動力センサ７３から逐次入力されるアタッチメント角データ（アタッチメント角θｎ，ｋ）及びアタッチメント駆動力データ（アタッチメント駆動力ｆｃ３，ｋ）に基づいて、アタッチメントパラメータ＜ハット＞Ｉｊ３，＜ハット＞Ｍ３，＜ハット＞Ｎ３，＜ハット＞Ｂ３を算出する。これらのアタッチメントパラメータは、パラメータ保持部１０３によって保持される。
【0116】
次にステップＳＰ２２において推定器１００は、アタッチメント３３の無負荷状態で、ブーム３１及びアタッチメント３３を動作させずにアーム３２だけを動作させる。その状態でアームパラメータ算出部１０２は、アーム角センサ８２及びアーム駆動力センサ７２から逐次入力されるアーム角データ（アーム角θａｂ，ｋ）及びアーム駆動力データ（アーム駆動力ｆｃ２，ｋ）に基づいて、アームパラメータ＜ハット＞Ｉｊ２，＜ハット＞Ｍ２３，＜ハット＞Ｎ２，＜ハット＞Ｂ２を算出する。これらのアームパラメータは、パラメータ保持部１０３によって保持される。
【0117】
次にステップＳＰ２３において推定器１００は、アタッチメント３３の無負荷状態で、アーム３２及びアタッチメント３３を動作させずにブーム３１だけを動作させる。その状態でブームパラメータ算出部１０７は、ブーム角センサ８１及びブーム駆動力センサ７１から逐次入力されるブーム角データ（ブーム角θｂ，ｋ）及びブーム駆動力データ（ブーム駆動力ｆｃ１，ｋ）に基づいて、ブームパラメータ＜ハット＞Ｉｊ１，＜ハット＞Ｍ１２３，＜ハット＞Ｎ１，＜ハット＞Ｂ１を算出する。これらのブームパラメータは、パラメータ保持部１０３によって保持される。
【0118】
次にステップＳＰ２４において推定器１００は、アタッチメント３３の有負荷状態で、ブーム３１及びアーム３２を動作させずにアタッチメント３３だけを動作させる。その状態でアタッチメントトルク算出部１０４は、時刻ｌにおいてアタッチメント角センサ８３及びアタッチメント駆動力センサ７３から入力されたアタッチメント角データ（アタッチメント角θｎ，ｌ）及びアタッチメント駆動力データ（アタッチメント駆動力ｆｃ３，ｌ）と、パラメータ保持部１０３から入力されたアタッチメントパラメータ＜ハット＞Ｉｊ３，＜ハット＞Ｍ３，＜ハット＞Ｎ３，＜ハット＞Ｂ３とに基づいて、外力に起因して生じるアームトップピン６３まわりのトルクであるアタッチメントトルクの推定値＜ハット＞τｅ３，ｌを算出する。
【0119】
次にステップＳＰ２５において推定器１００は、アタッチメント３３の有負荷状態で、ブーム３１及びアタッチメント３３を動作させずにアーム３２だけを動作させる。その状態でアームトルク算出部１０５は、時刻ｌにおいてアーム角センサ８２及びアーム駆動力センサ７２から入力されたアーム角データ（アーム角θａｂ，ｌ）及びアーム駆動力データ（アーム駆動力ｆｃ２，ｌ）と、パラメータ保持部１０３から入力されたアームパラメータ＜ハット＞Ｉｊ２，＜ハット＞Ｍ２３，＜ハット＞Ｎ２，＜ハット＞Ｂ２とに基づいて、外力に起因して生じるアームフットピン６２まわりのトルクであるアームトルクの推定値＜ハット＞τｅ２，ｌを算出する。
【0120】
次にステップＳＰ２６において推定器１００は、アタッチメント３３の有負荷状態で、アーム３２及びアタッチメント３３を動作させずにブーム３１だけを動作させる。その状態でブームトルク算出部１０８は、時刻ｌにおいてブーム角センサ８１及びブーム駆動力センサ７１から入力されたブーム角データ（ブームθｂ，ｌ）及びブーム駆動力データ（ブーム駆動力ｆｃ１，ｌ）と、パラメータ保持部１０３から入力されたブームパラメータ＜ハット＞Ｉｊ１，＜ハット＞Ｍ１２３，＜ハット＞Ｎ１，＜ハット＞Ｂ１とに基づいて、外力に起因して生じるブームフットピン６１まわりのトルクであるブームトルクの推定値＜ハット＞τｅ１，ｌを算出する。
【0121】
次にステップＳＰ２７において外力算出部１０６は、アタッチメントトルク算出部１０４から入力されたアタッチメントトルクの推定値＜ハット＞τｅ３，ｌと、アームトルク算出部１０５から入力されたアームトルクの推定値＜ハット＞τｅ２，ｌと、ブームトルク算出部１０８から入力されたブームトルクの推定値＜ハット＞τｅ１，ｌとに基づいて、外力の方向の推定値＜ハット＞θｅ，ｌ及び大きさの推定値＜ハット＞Ｆｌを算出する。
【0122】
本変形例に係る作業機械１によれば、作業機械１においてアタッチメント３３、アーム３２、及びブーム３１が同時に駆動された場合であっても、作業装置３に作用する外力の方向θｅ及び大きさＦを適切に推定することが可能となる。
【符号の説明】
【0123】
１ 作業機械２ 本体部
３ 作業装置
３１ ブーム
３２ アーム
３３ アタッチメント
４１ ブームシリンダ
４２ アームシリンダ
４３ アタッチメントシリンダ
７１ ブーム駆動力センサ
７２ アーム駆動力センサ
７３ アタッチメント駆動力センサ
８１ ブーム角センサ
８２ アーム角センサ
８３ アタッチメント角センサ
１００ 推定器
１０１ バケットパラメータ算出部
１０２ アームパラメータ算出部
１０４ バケットトルク算出部
１０５ アームトルク算出部
１０６ 外力算出部
１０７ ブームパラメータ算出部
１０８ ブームトルク算出部
３００ コントローラ