特許 6238294 積載部の外力算出方法およびその装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6238294

(24)【登録日】2017年11月10日

(45)【発行日】2017年11月29日

(54)【発明の名称】積載部の外力算出方法およびその装置

(51)【国際特許分類】

   E02F 9/20 20060101AFI20171120BHJP

   G01G 19/16 20060101ALI20171120BHJP

【ＦＩ】

   E02F9/20 M

   G01G19/16

【請求項の数】4

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2014-32033(P2014-32033)

(22)【出願日】2014年2月21日

(65)【公開番号】特開2015-158049(P2015-158049A)

(43)【公開日】2015年9月3日

【審査請求日】2016年11月14日

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 発行者名 一般社団法人日本機械学会 刊行物名 ダイナミクス アンド デザイン カンファレンス ２０１３ および 第１３回「運動と振動の制御」シンポジウム ＵＳＢ論文集 発行日 平成２５年８月２６日 ［刊行物等］ 集会名 ダイナミクス アンド デザイン カンファレンス ２０１３ および 第１３回「運動と振動の制御」シンポジウム 開催日 平成２５年８月２８日 ［刊行物等］ ウェブサイトのアドレス ｈｔｔｐ：／／ｐａｐｅｒｓ．ｓａｅ．ｏｒｇ／２０１３−０１−２４１０／ 掲載日 平成２５年９月２４日 ［刊行物等］ 集会名 エスエーイー ２０１３ コマーシャル ビークル エンジニアリング コングレス 開催日 平成２５年１０月１日

(73)【特許権者】

【識別番号】505236469

【氏名又は名称】キャタピラー エス エー アール エル

(73)【特許権者】

【識別番号】503027931

【氏名又は名称】学校法人同志社

(74)【代理人】

【識別番号】100062764

【弁理士】

【氏名又は名称】樺澤 襄

(74)【代理人】

【識別番号】100092565

【弁理士】

【氏名又は名称】樺澤 聡

(74)【代理人】

【識別番号】100112449

【弁理士】

【氏名又は名称】山田 哲也

(72)【発明者】

【氏名】中本 洋造

(72)【発明者】

【氏名】吉田 達哉

(72)【発明者】

【氏名】辻内 伸好

(72)【発明者】

【氏名】小泉 孝之

【審査官】 岡村 典子

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００２−１２９５９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１１−５０５５０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００８／０３１９７１０（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｅ０２Ｆ ３／４２，３／４３，３／８４，３／８５

Ｅ０２Ｆ ９／２０，９／２２

Ｇ０１Ｇ １７／００，１７／０４，１９／１０，１９／１６

Ｂ２５Ｊ ９／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の可動部材と、これら可動部材をそれぞれ動作させる複数の流体圧シリンダと、いずれかの流体圧シリンダの動力を最も先端側の可動部材に伝達するリンクとをそれぞれ関節部により連結した作業装置の最も先端側の可動部材を荷の積載部とするとともに、この積載部に積載する荷によりこの積載部に加わる外力を算出する積載部の外力算出方法であって、
各可動部材についての動力学方程式をそれぞれ導出し、
これら動力学方程式を仮想仕事の原理に基づく各流体圧シリンダの仕事の式に用いて各流体圧シリンダについての運動方程式をそれぞれ導出し、
これら運動方程式を各流体圧シリンダに関する検出値に基づいて解くことで積載部に外力が作用しないときのシリンダ発生力を算出し、
このシリンダ発生力と、実測のシリンダ発生力との差に基づいて積載部に加わる外力を算出する
ことを特徴とした積載部の外力算出方法。

【請求項2】

各可動部材についての動力学方程式を、ニュートン・オイラー法により導出する
ことを特徴とした請求項１記載の積載部の外力算出方法。

【請求項3】

複数の可動部材と、これら可動部材をそれぞれ動作させる複数の流体圧シリンダと、いずれかの流体圧シリンダの動力を最も先端側の可動部材に伝達するリンクとをそれぞれ関節部により連結した作業装置の最も先端側の可動部材を荷の積載部とするとともに、この積載部に積載する荷によりこの積載部に加わる外力を算出する積載部の外力算出装置であって、
各可動部材についての動力学方程式をそれぞれ導出する第１方程式導出手段と、
この第１方程式導出手段により導出した動力学方程式を仮想仕事の原理に基づく各流体圧シリンダの仕事の式に用いて各流体圧シリンダについての運動方程式をそれぞれ導出する第２方程式導出手段と、
この第２方程式導出手段により導出した運動方程式を各流体圧シリンダに関する検出値に基づいて解くことで積載部に外力が作用しないときのシリンダ発生力を算出する発生力算出手段と、
各流体圧シリンダのシリンダ発生力を実測する検出手段と、
発生力算出手段で算出したシリンダ発生力と、検出手段で実測したシリンダ発生力との差に基づいて積載部に加わる外力を算出する外力算出手段とを備えた
ことを特徴とした積載部の外力算出装置。

【請求項4】

第１方程式導出手段は、各可動部材についての動力学方程式を、ニュートン・オイラー法により導出する
ことを特徴とした請求項３記載の積載部の外力算出装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、作業装置の最も先端側の可動部材である積載部に積載される荷により積載部に加わる外力を算出する積載部の外力算出方法およびその装置に関する。

【背景技術】

【0002】

油圧ショベルなどの作業機械に搭載された作業装置は、機体に基端が軸連結されたブームと、このブームの先端に軸連結されたスティック（アーム）と、このスティックの先端に軸連結されたバケットとを、それぞれブームシリンダ、スティック（アーム）シリンダおよびバケットシリンダの伸縮によって回動させるように構成されている。

【0003】

このような作業機械においては、例えば土砂などの運搬作業の生産性（作業効率）の尺度として、１回の作業当たりのバケットの運搬量すなわちペイロード、換言すればバケット外力を算出する場合がある。バケット外力の算出方法としては、例えばブーム、スティックおよびバケットのそれぞれの運動方程式を導出し、それら運動方程式を、各種センサなどを用いて実測したシリンダ長さ、シリンダ圧などに基づいて求めた角運動量、角速度および角加速度などに基づいて解く方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００２−１２９５９８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、上記特許文献１記載の方法では、各シリンダの質量、およびバケットシリンダ先端部とスティックおよびバケットとの間に連結される各リンクの質量をそれぞれ考慮に入れていないため、算出精度が良好とは言えない。

【0006】

特に、この方法では、静止時と比較して慣性力の影響がさらに大きい動作時に適用した場合の算出精度に課題が生じ、また、機体質量（機体サイズ）が大きい大型の作業機械の場合には、考慮に入れない各シリンダおよび各リンクの質量および慣性モーメントがさらに大きくなり、大型であるほど算出精度が低下することとなる。

【0007】

本発明は、このような点に鑑みなされたもので、機体サイズ、および静止時あるいは動作時に拘らず、積載する荷により積載部に加わる外力を精度よく算出できる積載部の外力算出方法およびその装置を提供することを目的とするものである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

請求項１記載の発明は、複数の可動部材と、これら可動部材をそれぞれ動作させる複数の流体圧シリンダと、いずれかの流体圧シリンダの動力を最も先端側の可動部材に伝達するリンクとをそれぞれ関節部により連結した作業装置の最も先端側の可動部材を荷の積載部とするとともに、この積載部に積載する荷によりこの積載部に加わる外力を算出する積載部の外力算出方法であって、各可動部材についての動力学方程式をそれぞれ導出し、これら動力学方程式を仮想仕事の原理に基づく各流体圧シリンダの仕事の式に用いて各流体圧シリンダについての運動方程式をそれぞれ導出し、これら運動方程式を各流体圧シリンダに関する検出値に基づいて解くことで積載部に外力が作用しないときのシリンダ発生力を算出し、このシリンダ発生力と、実測のシリンダ発生力との差に基づいて積載部に加わる外力を算出するものである。

【0009】

請求項２記載の発明は、請求項１記載の積載部の外力算出方法において、各可動部材についての動力学方程式を、ニュートン・オイラー法により導出するものである。

【0010】

請求項３記載の発明は、複数の可動部材と、これら可動部材をそれぞれ動作させる複数の流体圧シリンダと、いずれかの流体圧シリンダの動力を最も先端側の可動部材に伝達するリンクとをそれぞれ関節部により連結した作業装置の最も先端側の可動部材を荷の積載部とするとともに、この積載部に積載する荷によりこの積載部に加わる外力を算出する積載部の外力算出装置であって、各可動部材についての動力学方程式をそれぞれ導出する第１方程式導出手段と、この第１方程式導出手段により導出した動力学方程式を仮想仕事の原理に基づく各流体圧シリンダの仕事の式に用いて各流体圧シリンダについての運動方程式をそれぞれ導出する第２方程式導出手段と、この第２方程式導出手段により導出した運動方程式を各流体圧シリンダに関する検出値に基づいて解くことで積載部に外力が作用しないときのシリンダ発生力を算出する発生力算出手段と、各流体圧シリンダのシリンダ発生力を実測する検出手段と、発生力算出手段で算出したシリンダ発生力と、検出手段で実測したシリンダ発生力との差に基づいて積載部に加わる外力を算出する外力算出手段とを備えたものである。

【0011】

請求項４記載の発明は、請求項３記載の積載部の外力算出装置において、第１方程式導出手段は、各可動部材についての動力学方程式を、ニュートン・オイラー法により導出するものである。

【発明の効果】

【0012】

請求項１記載の発明によれば、各可動部材についてそれぞれ導出した動力学方程式を仮想仕事の原理に基づく各流体圧シリンダの仕事の式に用いて各流体圧シリンダについての運動方程式をそれぞれ導出し、これら運動方程式を各流体圧シリンダに関する検出値に基づいて解くことで積載部に外力が作用しないときのシリンダ発生力を算出するとともに、このシリンダ発生力と実測のシリンダ発生力との差に基づいて積載部に加わる外力を算出することにより、全ての可動部材、関節部および流体圧シリンダを考慮して積載部に加わる外力を算出できる。したがって、機体サイズ、および静止時あるいは動作時に拘らず、積載する荷により積載部に加わる外力を精度よく算出できる。

【0013】

請求項２記載の発明によれば、各可動部材についての動力学方程式を、ニュートン・オイラー法により導出することで、演算量を抑制でき、高速処理が可能となる。

【0014】

請求項３記載の発明によれば、各可動部材についてそれぞれ導出した動力学方程式を仮想仕事の原理に基づく各流体圧シリンダの仕事の式に用いて各流体圧シリンダについての運動方程式をそれぞれ導出し、これら運動方程式を各流体圧シリンダに関する検出値に基づいて解くことで積載部に外力が作用しないときのシリンダ発生力を算出するとともに、このシリンダ発生力と実測のシリンダ発生力との差に基づいて積載部に加わる外力を算出することにより、全ての可動部材、関節部および流体圧シリンダを考慮して積載部に加わる外力を算出できる。したがって、機体サイズ、および静止時あるいは動作時に拘らず、積載する荷により積載部に加わる外力を精度よく算出できる。

【0015】

請求項４記載の発明によれば、各可動部材についての動力学方程式を、ニュートン・オイラー法により導出することで、演算量を抑制でき、高速処理が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明の積載部の外力算出方法の一実施の形態を示すフローチャートである。

【図2】同上外力算出方法が適用される作業機械の構成および検出手段の取付位置を示す説明図である。

【図3】同上外力算出方法を実施するための外力算出装置の構成を示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、本発明を、図１乃至図３に示された一実施の形態に基づいて詳細に説明する。

【0018】

図２は、作業機械の構成および検出手段の取付位置を示し、図３は、その外力算出装置の構成を示す。

【0019】

図２は、例えば油圧ショベルなどの作業機械を示し、下部走行体１に上部旋回体２が水平旋回自在に連結され、この上部旋回体２に作業装置としてのフロント作業装置３が上下方向揺動自在に取付けられ、このフロント作業装置３の最も先端側には可動部材としての荷の積載部であるバケット４が装着されている。このフロント作業装置３は、バケット４により掘削した土などの荷の荷重（ペイロード）によりバケット４に加わる外力（以下、バケット反力という）を演算しながらダンプトラックなどの運搬車へ荷を積載作業する機能を備えている。

【0020】

フロント作業装置３は、上部旋回体２の図示されないブラケットに可動部材としてのブーム５のフート部が上下方向回動自在に取付けられ、このブーム５の先端部に可動部材としてのスティック（アーム）６が回動自在に取付けられ、このスティック６の先端部にバケット４が回動自在に取付けられ、ブーム５は、流体圧シリンダとしてのブームシリンダ７により作動され、スティック６は、流体圧シリンダとしてのスティックシリンダ（アームシリンダ）８により作動され、バケット４は、流体圧シリンダとしてのバケットシリンダ９およびリンク10，11により作動される。

【0021】

ブーム５、スティック６およびバケット４は、関節部としてのピン12，13，14により順次連結され、さらに、リンク10，11は関節部としてのピン15，16によりスティック６およびバケット４に連結され、バケットシリンダ９の動力をバケット４に伝達している。

【0022】

さらに、ブームシリンダ７は、基端であるヘッドが関節部としてのピン17aにより上部旋回体２に連結され、先端であるロッドが関節部としてのピン17bによりブーム５下部に連結されている。また、スティックシリンダ８は、基端であるヘッドが関節部としてのピン18aによりブーム５上部に連結され、先端であるロッドが関節部としてのピン18bによりスティック６に連結されている。そして、バケットシリンダ９は、基端であるヘッドが関節部としてのピン19aによりスティック６上部に連結され、先端であるロッドが関節部としてのピン19bによりリンク10，11に連結されている。

【0023】

したがって、ブーム５の基端がピン（ブームフートピン）12を介して上部旋回体２に軸連結され、ブーム５の先端とスティック６の基端とがピン（ブーム先端ピン）13を介して互いに軸連結され、スティック６の先端とバケット４の基端とがピン（アーム先端ピン）14を介して互いに軸連結されているとともに、ブームシリンダ７のヘッドがピン17aを介して上部旋回体２に軸連結され、ブームシリンダ７のロッドおよびブーム５がピン17bを介して互いに軸連結され、スティックシリンダ８のヘッドおよびブーム５がピン18aを介して互いに軸連結され、スティックシリンダ８のロッドおよびスティック６がピン18bを介して互いに軸連結され、バケットシリンダ９のヘッドおよびスティック６がピン19aを介して互いに軸連結され、バケットシリンダ９のロッドおよびリンク10，11の基端がピン19bを介して互いに軸連結され、リンク10の先端およびスティック６の先端上部がピン15を介して互いに軸連結され、かつ、リンク11の先端およびバケット４の背面がピン16を介して互いに軸連結されている。

【0024】

このフロント作業装置３において、各シリンダ７，８，９には、それらのシリンダ変位（シリンダ長さ）を検出する変位センサ21，22，23と、それらの発生力（シリンダ圧）を検出する圧力センサ25，26，27とがそれぞれ取付けられている。変位センサ21，22，23は、例えば各シリンダ７，８，９の変位を、水平方向（Ｘ方向）および垂直方向（Ｙ方向）にそれぞれ検出する。また、圧力センサ25，26，27は、例えば各シリンダ７，８，９のヘッド圧およびロッド圧を検出する。そして、これらセンサ21〜27により、検出手段29が構成されている。

【0025】

図３に示されるように、検出手段29（センサ21〜27）は、コントローラ31の入力側に接続され、この検出手段29の検出信号は、コントローラ31に入力される。

【0026】

このコントローラ31は、中央処理装置（ＣＰＵ）および記憶装置（各種メモリ）を備え、演算機能を有する。そして、このコントローラ31は、オペレータからの入力操作を受ける図示しない操作レバーやインターフェースと接続されているとともに、後述する第１方程式導出工程を行う第１方程式導出手段、第２方程式導出工程を行う第２方程式導出手段、第１算出工程を行う第１算出手段、第２算出工程を行う第２算出手段、発生力算出工程を行う発生力算出手段および外力算出工程を行う外力算出手段のそれぞれの機能を有している。なお、このコントローラ31の出力側には、前記検出信号から演算して求めたバケット反力を表示するモニタなどの外力表示手段が接続されていてもよい。

【0027】

次に、この作業機械に用いられた外力算出方法の原理を説明する。

【0028】

フロント作業装置３を駆動するためのシリンダ７，８，９のシリンダ発生力（ベクトル）τ_dは、バケット反力ｆが作用しないときのフロント作業装置３の慣性力などの影響により生じる動的なシリンダ発生力（ベクトル）τ_d1と、バケット反力ｆの影響による静的なシリンダ発生力（ベクトル）τ_Sとの和である（τ_d＝τ_d1＋τ_S）。そこで、本実施の形態では、シリンダ７，８，９のシリンダ発生力τ_dを圧力センサ25，26，27により検出（実測）するとともに、動的なシリンダ発生力τ_d1を、ニュートン・オイラー法および仮想仕事の原理を用いて算出し、これらの差である静的なシリンダ発生力τ_Sからバケット反力ｆを求める。

【0029】

具体的に、この外力算出方法のコントローラ31による処理手順を、図１に示されたフローチャートも参照しながら説明する。なお、図中の丸数字は、ステップ番号を表わす。

【0030】

まず、検出手段29の変位センサ21，22，23および圧力センサ25，26，27により検出したフロント作業装置３の各シリンダ７，８，９のシリンダ変位ｑ_dおよびシリンダ発生力（ベクトル）τ_dを読込む（ステップ１（検出工程））。なお、シリンダ発生力τ_dについては、後のステップで演算に必要なタイミングにおいて読込むこともできる。

【0031】

次いで、これら読込んだシリンダ変位ｑ_dおよびシリンダ発生力τ_dに対してフィルタ処理を行い、不要なノイズ成分を除去する（ステップ２（フィルタリング工程））。

【0032】

さらに、コントローラ31は、ステップ２を経たシリンダ変位ｑ_dを時間微分して、シリンダ７，８，９の速度ｖ_d（＝d(ｑ_d)/dt）および加速度ａ_d(＝d²(ｑ_d)/dt²)を算出する（ステップ３（第１算出工程））。

【0033】

この後、各ピン12，13，14，15，16，17a，17b，18a，18b，19a，19bのそれぞれの変位ｑ_a、角速度ω_aおよび角加速度α_aを算出する（ステップ４（第２算出工程））。このとき、変位ｑ_aは、ステップ３で演算したシリンダ変位ｑ_dの関数（ｑ_a＝ｑ_a(ｑ_d)）、角速度ω_aはステップ３で演算したシリンダ速度ｖ_dの関数（ω_a＝Ｑｖ_d）、角加速度α_aはステップ３で演算したシリンダ速度ｖ_dおよびシリンダ加速度ａ_dの関数（α_a＝Ｑａ_d＋(dＱ/dt)ｖ_d）として演算される。ここで、Ｑはヤコビ行列（Ｑ＝∂ｑ_a/∂ｑ_d）である。

【0034】

そして、このステップ４で演算した変位ｑ_a、角速度ω_aおよび角加速度α_aに基づき、全ての可動部材であるブーム５、スティック６、バケット４（および上部旋回体２）、およびシリンダ７，８，９、リンク10，11のそれぞれについての動力学方程式を導出する（ステップ５（第１方程式導出工程））。これら動力学方程式を導出する際には、ピン15，16，17b，18b，19bにおいては、拘束が存在せずモーメントが働かない（仮定１）、および、ピン12，13，14，17a，18a，19a，19bが仮想的なアクチュエータを有する（仮定２）との各仮定の下で、ニュートン・オイラー法を用いて動力学方程式をそれぞれ構築する。このとき、ピン12，13，14，17a，18a，18b，19a，19bでの仮想的なアクチュエータの発生力とシリンダの力（ベクトル）τ_aは、
τ_a＝Ｍ(ｑ_a)α_a＋ｈ(ｑ_a，ω_a)＋ｇ(ｑ_a) …（数式１）
と表せる。

【0035】

ここで、Ｍ(ｑ_a)は１１×１１の正則対称行列である慣性行列（質量行列）であり、各ピン12，13，14，15，16，17a，17b，18a，18b，19a，19bの加速度によりそのピン12，13，14，15，16，17a，17b，18a，18b，19a，19b自体に発生するトルクならびに他のピン12，13，14，15，16，17a，17b，18a，18b，19a，19bの加速度によって発生する干渉トルクを示す。また、ｈ(ｑ_a，ω_a)は１１×１のベクトルであり、遠心力およびコリオリ力などの、各ピン12，13，14，15，16，17a，17b，18a，18b，19a，19bの速度により生じる遠心力およびコリオリ力の影響で生じるトルクを示す。そして、ｇ(ｑ_a)は１１×１の重力ベクトルであり、重力加速度の影響により発生するトルクを示す。これらＭ(ｑ_a)、ｈ(ｑ_a，ω_a)およびｇ(ｑ_a)は、それぞれ機構パラメータと各ピン12，13，14，15，16，17a，17b，18a，18b，19a，19bの位置および速度から算出できる。機構パラメータとは、各ピン12，13，14，15，16，17a，17b，18a，18b，19a，19bに接続される各可動部材、すなわちブーム５、スティック６、リンク10，11、バケット４（および上部旋回体２）、および、シリンダ７，８，９のそれぞれの質量（重量）、重心位置、慣性テンソル（慣性モーメント（イナーシャ））および長さを含む。これらのパラメータは、フロント作業装置３の機構やブーム５、スティック６、リンク10，11、バケット４（および上部旋回体２）、および、シリンダ７，８，９の形状や材質などに基づいて予め求めておくことが可能な既知の固定値であり、コントローラ31の記憶装置などに予め記憶しておくことができる。そして、これらの値に基づいたＭ(ｑ_a)、ｈ(ｑ_a，ω_a)およびｇ(ｑ_a)の算出方法は既知であるため、説明を省略する。

【0036】

続いて、ステップ５で算出した各動力学方程式を用いて、各シリンダ７，８，９の運動方程式を導出する（ステップ６（第２方程式導出工程））。このとき、まず、仮想仕事の原理に基づいて、シリンダ７，８，９およびステップ５で仮定した仮想的なアクチュエータのそれぞれの仕事の式を考える。すなわち、シリンダ７，８，９および仮想的なアクチュエータについては、ピン12，13，14，15，16，17a，17b，18a，18b，19a，19bの位置での仕事がそれぞれ０であるから、シリンダ７，８，９のそれぞれのシリンダ発生力（ベクトル）τ_d1および仮想的なアクチュエータの発生力τ_aについて、微小時間Δｔにおいて、
τ_d1^TΔｔｖ_d＝０ …（数式２）
τ_a^TΔｔω_a＝０ …（数式３）
がそれぞれ成り立つ。ここで、ステップ４で算出したように、ω_a＝Ｑｖ_dであるから、数式３に代入すると、
τ_a^TＱΔｔｖ_d＝０ …（数式４）
となる。したがって、数式２および数式４より、
τ_d1^TΔｔｖ_d＝τ_a^TＱΔｔｖ_d …（数式５）
となり、この数式５から、
τ_d1＝Ｑ^Tτ_a …（数式６）
が導かれる。そして、この数式６を、ステップ５で導出した動力学方程式（数式１）に代入して整理すると、運動方程式（動特性方程式）
τ_d1＝Ｑ^T{Ｍ(ｑ_a)α_a＋ｈ(ｑ_a，ω_a)＋ｇ(ｑ_a)} …（数式７）
が導かれる。

【0037】

このように、ステップ６で導出した各運動方程式（数式７）は、ピン12，13，14，15，16，17a，17b，18a，18b，19a，19bの変位ｑ_a、角速度ω_aおよび角加速度α_aの関数であり、これら変位ｑ_a、角速度ω_aおよび角加速度α_aはシリンダ７，８，９のシリンダ変位ｑ_d、速度ｖ_dおよび加速度ａ_dの関数であるから、上記各運動方程式は、シリンダ７，８，９に関する検出値であるこれらシリンダ変位ｑ_d、速度ｖ_dおよび加速度ａ_dが既知であればそれぞれ解くことができる（逆動力学計算ができる）。そこで、上記各運動方程式を解くことで、バケット反力ｆが作用しないときの動的なシリンダ発生力τ_d1を算出する（ステップ７（発生力算出工程））。

【0038】

そして、このステップ７で算出したシリンダ発生力τ_d1と、ステップ１で検出手段29により実測したシリンダ発生力τ_d（ステップ２でフィルタリングされたシリンダ発生力τ_d）との差（τ_d−τ_d1）に基づいて、バケット反力ｆを算出する（ステップ８（外力算出工程））。このステップ８では、まず、シリンダ７，８，９の静的なシリンダ発生力τ_Sに対して仮想仕事の原理に基づいて仕事の式を考える。シリンダ７，８，９のシリンダ発生力τ_Sと、バケット反力ｆの仕事がそれぞれ０であるから、バケット４の先端の位置ベクトルをｑ_Eとすると、微小時間Δｔにおいて、
τ_S^TΔｔｖ_d＝０ …（数式８）
ｆ^TΔｔ(dｑ_E/dt)＝０ …（数式９）
がそれぞれ成り立つ。ここで、バケット４の先端の位置ベクトルｑ_Eは、全てのピン12，13，14，15，16，17a，17b，18a，18b，19a，19bの変位ｑ_aの関数（ｑ_E＝ｑ_E(ｑ_a)）であるから、この位置ベクトルｑ_Eの全微分dｑ_E/dtは、ヤコビアンをＪとすると、
dｑ_E/dt＝Ｊdｑ_a/dt＝Ｊω_a …（数式10）
となる。また、角速度ω_aについては、ステップ４で算出したように、ω_a＝Ｑｖ_dであるから、この関係を数式10に代入すると、
dｑ_E/dt＝ＪＱｖ_d …（数式11）
となる。そこで、この数式11、数式８、数式９により、
τ_S^TΔｔｖ_d＝ｆ^TΔｔ(dｑ_E/dt)＝ｆ^T(ＪＱ)Δｔｖ_d …（数式12）
となり、この数式12を整理すると、
ｆ＝{(ＪＱ)^T}^-1τ_S …（数式13）
が導かれる。ここで、τ_d＝τ_d1＋τ_Sであるから、
τ_S＝τ_d−τ_d1 …（数式14）
となり、この数式14を数式13に代入すると、
ｆ＝{(ＪＱ)^T}^-1(τ_d−τ_d1)＝(ＪＱ)^-T[τ_d−Ｑ^T{Ｍ(ｑ_a)α_a＋ｈ(ｑ_a，ω_a)＋ｇ(ｑ_a)}] …（数式15）
となる。

【0039】

したがって、数式15に対して、ステップ７で求めた動的なシリンダ発生力τ_d1と、ステップ１で実測した最も先端側の流体圧シリンダであるバケットシリンダ９のシリンダ発生力τ_dとの差（τ_d−τ_d1）を代入して、この数式15を解くことにより、求めるべきバケット反力ｆが算出される。

【0040】

そして、このステップ８で算出されたバケット反力のバケット４による掘削終了後の所定時間、例えば１〜２秒での平均値を、バケット反力であると推定する（ステップ９（外力推定工程））。

【0041】

なお、推定したバケット反力に基づき、コントローラ31は所定の制御をする。例えば、コントローラ31は、バケット反力を記憶（格納）したり、外力表示手段によりバケット反力を表示したり、バケット反力に応じてフロント作業装置３（シリンダ７，８，９）の動作を制御したりできる。

【0042】

このように、全ての可動部材であるブーム５、スティック６、バケット４（および上部旋回体２）、およびシリンダ７，８，９、リンク10，11についてそれぞれ導出した動力学方程式を仮想仕事の原理に基づく各シリンダ７，８，９の仕事の式に用いて各シリンダ７，８，９についての運動方程式をそれぞれ導出し、これら運動方程式を各シリンダ７，８，９に関する検出値に基づいて解くことでバケット４に外力が作用しないときのシリンダ発生力τ_d1を算出するとともに、このシリンダ発生力τ_d1と検出手段29で実測したシリンダ発生力τ_dとの差に基づいてバケット４に加わる外力（バケット反力）を算出することにより、フロント作業装置３を構成する全ての可動部材であるブーム５、スティック６、バケット４、およびリンク10，11と、シリンダ７，８，９の質量（重量）や慣性モーメント（イナーシャ）などを予め考慮に入れた上で、フロント作業装置３の姿勢、各シリンダ７，８，９のシリンダ発生力（シリンダ推力）、フロント作業装置３の質量（重量）および慣性モーメントからバケット４に加わる外力を算出できる。したがって、機体サイズ、および静止時あるいは動作時に拘らず、すなわち、静止時と動作時とを区別することなく、積載する荷の荷重（ペイロード）によりバケット４に加わる外力（バケット反力）を精度よく算出できる。しかも、シリンダ７，８，９の速度が一定（加速度が０）でなくても、バケット反力を算出できる。

【0043】

また、コントローラ31は、第１方程式導出工程においてニュートン・オイラー法を用いて全ての可動部材であるブーム５、スティック６、バケット４（および上部旋回体２）、およびシリンダ７，８，９、リンク10，11についての動力学方程式をそれぞれ導出するため、他の方法を用いる場合と比較して演算量を抑制でき、高速処理が可能となる。

【0044】

また、角度センサなどを用いることなく、変位センサ21，22，23により実測したシリンダ変位のみを用いてピン12，13，14，15，16，17a，17b，18a，18b，19a，19bのそれぞれの変位、角速度および角加速度などを算出できるので、検出手段29の構成をより簡略化でき、作業機械をより安価に構成できる。

【0045】

そして、フロント作業装置３の慣性力などの影響により生じる動的なシリンダ発生力τ_d1と、外力の影響によるシリンダ発生力τ_Sとのそれぞれに対して仮想仕事の原理を用いて式を導出しているので、多数の可動部材（ブーム５、スティック６およびバケット４）およびシリンダ（シリンダ７，８，９）を連結した複雑な構造のフロント作業装置３においても式を導出でき、これらの式に基づいてバケット反力を確実に算出できる。

【0046】

すなわち、本実施の形態では、ニュートン・オイラー法と、仮想仕事の原理とをそれぞれ用いて運動方程式を導出しているので、必要以上に複雑な演算をすることなくバケット反力を確実に算出できる。

【0047】

なお、図示された実施の形態では、ブーム５、スティック６、バケット４の３つの可動部材を関節部（ピン12，13，14）により軸連結したフロント作業装置３について説明したが、２つ、あるいは４つ以上の可動部材を関節部により連結したフロント作業装置３としてもよい。

【0048】

また、上記作業機械では、下部走行体１に対して上部旋回体２を回動可能に軸支しているため、例えば下部走行体１および上部旋回体２をそれぞれ可動部材とみなし、これら下部走行体１と上部旋回体２とを接続する旋回軸受を関節部とみなして、上記の式に含めてバケット反力を算出することで、さらに精度を向上することもできる。

【0049】

さらに、作業機械として、油圧ショベルを例に挙げたが、例えばローダなどの作業機械に対しても好適に用いることができる。

【0050】

また、バケット反力の推定は、作業機械の運転時に常時行ってもよいし、オペレータからの指令があったときなど、適宜の所定条件下において、所定時間のみ行ってもよい。

【0051】

そして、上記の各工程をコントローラ31によりそれぞれ実行されるステップとしたプログラムを構成することもでき、そのプログラムは、例えば光学ディスクなどの記憶媒体に記憶してもよい。

【符号の説明】

【0052】

３ 作業装置としてのフロント作業装置
４ 可動部材としての積載部であるバケット
５ 可動部材としてのブーム
６ 可動部材としてのスティック
７ 流体圧シリンダとしてブームシリンダ
８ 流体圧シリンダとしてのスティックシリンダ
９ 流体圧シリンダとしてのバケットシリンダ
10，11 リンク
12，13，14，15，16，17a，17b，18a，18b，19a，19b 関節部としてのピン
29 検出手段
31 第１方程式導出手段、第２方程式導出手段、発生力算出手段および外力算出手段の機能を有するコントローラ

【図1】

【図2】

【図3】