(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下に、本発明の第1の実施形態を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下で説明する実施形態により、本発明が限定されるものではない。
【0010】
(第1の実施形態)
本第1の実施形態に係るスクレーパ車両20は、大型トラックやその他の牽引車両1により牽引される被牽引車として利用される。
【0011】
図1は、本第1の実施形態の駆動車両である牽引車両1とスクレーパ車両20とを示す概要図である。
図1に示すように、牽引車両1は、スクレーパ車両20を牽引するものであり、連結装置であるヒッチ21によりスクレーパ車両20と連結されている。ヒッチ21は、牽引車両1から着脱可能であり、牽引車両1側の一端に設けられたフレキシブルなボールジョイント22と、スクレーパ車両20側の他端に設けられた不図示のフレキシブルなボールジョイントとを有している。
【0012】
(スクレーパ車両)
図2は本第1の実施形態のスクレーパ車両20の主要部のブロック図であり、以下、
図1、
図2を用いてスクレーパ車両20の構成につき説明を続ける。
スクレーパ車両20は、前述のヒッチ21およびボールジョイント22に加えて、フレーム23と、ボウル24と、スクレーパ(scraper)25と、車軸26と、車輪27と、歪ゲージ28と、加速度計29と、ロードセル30と、各種データを記憶しているメモリ31と、通信装置32と、スクレーパ車両20全体を制御する制御装置33と、を有している
【0013】
フレーム23はボウル24などの構造物を支持する金属製のフレームであり、ボウル24は上面が開放されており、スクレーパ25が掘削した土砂などの掘削物を収容するものである。
スクレーパ25は、地表等の走行面の土砂を削り取るための刃状或いはへら状の部材であり、本実施形態では、ボウル24の底部にボウル24と一体的に設けられている。
ボウル24とスクレーパ25とは一体的に設けられているので、不図示の油圧シリンダによりボウル24を地面に向けて傾斜させることにより、スクレーパ25が地面に食い込んで土砂を掘削することができる。また、ボウル24の前側(
図1の紙面左側)には不図示の開口部が設けられており、ボウル24が地面に向けて傾斜した状態(ボウル24の前側が地面に近づくように傾いた状態)では、スクレーパ25が掘削した掘削物が不図示の開口部からボウル24に収容される。
【0014】
スクレーパ25による掘削が終了すると、不図示の油圧シリンダによりボウル24を地上に向けて傾斜させる(ボウル24の前側を地面から遠ざけるように傾ける)ことにより、スクレーパ25が地面から離れた状態となる。スクレーパ25が地面から離れた状態になると、ボウル24に収納された掘削物の荷重は、ボールジョイント22と、車軸26の荷重を受ける後述のピローブロック35とに作用することになる。
【0015】
車軸26は牽引車両1の牽引力により回転し、車輪27は車軸26の両端に接続されており、車軸の回転に伴い回転する一対の従動輪である。なお、車輪27はスクレーパ車両20の前後に設けて前輪および後輪としてもよい。
【0016】
歪ゲージ28は、金属の抵抗体であり、電気絶縁物を介して被測定物であるヒッチ21の下方に例えば接着されている。歪ゲージ28は、ヒッチ21に加わる力に比例して金属が伸縮し抵抗値が変化することにより、歪を測定している。スクレーパ25が掘削した掘削物がボウル24に収容されることにより、ボウル24にこの掘削物による荷重が加わる。ボウル24の荷重は、フレキシブルなボールジョイント22と、車輪27とに分離して加わる。フレキシブルなボールジョイント22によりボウル24の荷重の一部を支持しているので、ヒッチ21の下方には引っ張り応力が作用する。歪ゲージ28は、ヒッチ21の引っ張り応力に起因する抵抗値の変化を測定し、制御装置33は、歪ゲージ28が検出した抵抗値からボウル24の掘削物の重量を計測することができる。
【0017】
本実施形態においては、ボウル24に加わる荷重Wがボールジョイント22と、ピローブロック35と、にどのように分離されるかを事前に検出しておく。一例を挙げると、ボールジョイント22には荷重Wの40%が作用し、ピローブロック35には荷重Wの60%が作用するとする。この場合、制御装置33は、歪ゲージ28が測定した抵抗値が荷重Wの40%であるため100%となるように換算してボウル24に加わる荷重Wを演算することができる。
また、本実施形態において、ボウル24が空の状態やボウル24に100Kgの荷重がかかった状態の歪ゲージ28の抵抗値を測定しておき、メモリ31にテーブルとして記憶させておいてもよい。ボウル24が空の状態は、スクレーパ車両20の荷重のみが作用している状態であり、この状態からの変化量がボウル24に収容された掘削物の重量となる。
また、メモリ31に記憶されるテーブルには、ボウル24に複数の荷重(例えば、200Kg、300Kg)がかかった際の歪ゲージ28の抵抗値を記憶させてもよい。なお、
図1において、3つの歪ゲージ28を図示しているが1つでもよく、その数は限定されるものではない。なお、ヒッチ21の左右方向であるX方向の中心の歪量が一番大きいので、ヒッチ21の左右方向の中心であって、ヒッチ21の上下方向であるZ方向の下方に歪ゲージ28を設けることが好ましい。
【0018】
加速度計29は、本実施形態ではスクレーパ車両20に作用する加速度を検出するものであり、機械式、光学式、半導体式などのいかなる方式を用いることができる。本実施形態では、加速度計29は、歪ゲージ28近傍のZ軸方向の加速度を検出するものとするが、これに限定されるものではなく、X軸方向、Y軸方向の加速度を検出してもよい。また、加速度計29を設ける数は、1つでもよく、スクレーパ車両20の複数個所にそれぞれ少なくとも1個ずつ設けてもよい。この場合、加速度計29は、ロードセル30が設けられる近傍に設けてもよく、牽引車両1に設けてもよい。牽引車両1に加速度計29を設ける場合には、ボールジョイント22の近傍に設けることが好ましい。
【0019】
本実施形態では、制御装置33は、加速度計29の出力が閾値よりも小さいときに歪ゲージ28が検出した歪量に基づいて、ボウル24に収納された土砂などの掘削物の量を演算するものとする。これに代えて、制御装置33は、加速度計29の出力が小さいものN個(Nは自然数)の歪ゲージ28の出力からボウル24に収納された土砂などの掘削物の量を演算してもよく、加速度計29の出力が小さいときに歪ゲージ28の出力に重みづけをするように演算してもよい。なお、本第1の実施形態において、メモリ31に加速度計29の出力に応じた歪ゲージ28の出力の補正値を記憶させておけば、制御装置33は、メモリ31に記憶された補正値により、歪ゲージ28の出力を補正することができる。このように、制御装置33は、加速度計29の出力を用いて歪ゲージ28の検出結果を加工したり、選択したりしている。
【0020】
図3は本実施形態の車軸26の下方に設けられたロードセル30を示す図である。
図3に示すように、車軸26は回転可能に軸受け34により支持され、軸受け34は軸受け台であるピローブロック35により保持されている。
ロードセル30は、車輪27に作用するボウル24の掘削物の荷重を検出できるように、ピローブロック35の下方に設けられている。
ロードセル30は、圧電型ロードセルや歪型ロードセルなど各種のロードセル30を用いることができる。
図3では2つのロードセル30を図示しているが、ロードセル30の数は1つでもよく、3つ以上でもよい。
【0021】
本実施形態において、前述したようにボウル24が空の状態やボウル24に100Kgの荷重がかかった状態のロードセル30の測定値(抵抗値)をメモリ31にテーブルとして記憶させておいてもよい。この場合、複数の荷重(例えば、200Kg、300kg)におけるロードセル30の測定値(抵抗値)を記憶させておくことが望ましい。ボウル24の積載状態を変えて歪ゲージ28およびロードセル30による計測を行うキャリブレーションを行うことにより、ボールジョイント22に加わる荷重と、ピローブロック35に加わる荷重との比率を演算することができ、この比率はメモリ31に記憶される。なお、このキャリブレーションは、牽引車両1およびスクレーパ車両20が静止した状態で行うことが好ましいが、スクレーパ車両20が牽引車両1により牽引された状態で行ってもよく、静止状態および牽引状態で行ってもよい。
【0022】
なお、キャリブレーションは、1回だけ行ってもよく、定期的に行ってもよく、車輪27を交換したときや、車輪27の空気圧を調整した後に行うようにしてもよい。また、キャリブレーションは、牽引車両1の車輪を交換したときや、車輪の空気圧を調整した後に行ってもよい。2回目以降のキャリブレーションは、ボウル24が空の状態だけで行ったり、100Kgの荷重で行うなど1回目のキャリブレーションよりも計測項目や計測回数を減らして行ったりしてもよい。
【0023】
ロードセル30による荷重計測は、前述のキャリブレーションの際に用いるのに加えて、スクレーパ25が掘削した掘削物がボウル24に収容された際にも行ってもよい。この場合も、加速度計29の出力が閾値よりも小さいときにロードセル30が検出した荷重に基づいて、ボウル24に収納された土砂などの掘削物の量を演算するものとする。これに代えて、制御装置33は、加速度計29の出力が小さいものN個(Nは自然数)のロードセル30の出力からボウル24に収納された土砂などの掘削物の量を演算してもよく、加速度計29の出力が小さいときにロードセル30の出力に重みづけをするように演算してもよい。
このように、制御装置33は、加速度計29の出力を用いてロードセル30の検出結果を加工したり、選択したりしている。
【0024】
メモリ31は、どのようなタイプのメモリを用いてもよく、本実施形態では不揮発性の半導体メモリ(例えば、フラッシュメモリ)を用いるものとする。メモリ31は、スクレーパ車両20を駆動するための各種プログラムや、歪ゲージ28や加速度計29やロードセル30が計測した計測結果や、制御装置33が演算した演算結果などを記憶するものである。
通信装置32は、基地局の通信装置や、荷降ろし場所(土砂集積場所)に設けられた通信装置や、牽引車両1側の通信装置と通信を行うものである。通信装置32の通信方法としては、どのような通信方式を採用してもよいが、本実施形態ではWi−Fi(登録商標)のような無線LANを用いて無線でボウル24の重量に関するデータ通信をするものとする。
なお、牽引車両1側の通信装置(不図示)は、牽引車両1に加速度計29が設けられた場合に、加速度計29が検出した加速度を通信装置32に通信する。
【0025】
制御装置33は、CPU(Central Processing Unit)を備え、スクレーパ車両20全体を制御するものであり、本実施形態では、ボウル24に収容された掘削物の重量計測に関する制御を行うものである。
図4は、本第1の実施形態の制御装置33により実行されるフローチャートを示す図であり、以下、
図4に沿って説明を続ける。なお、
図4のフローチャートは、ボウル24が地面に向けて傾斜した状態(ボウル24の前側が地面に近づくように傾いた状態)でスクレーパ25が土砂を掘削している状態であるものとする。
【0026】
(フローチャートの説明)
制御装置33は、ボウル24に所定量の掘削物が収容されて、スクレーパ車両20の操縦者がボウル24を地上に向けて傾斜させる(ボウル24の前側を地面から遠ざけるように傾ける)ことにより、スクレーパ25が地面から離れたかどうかを検出する(ステップS1)。
制御装置33は、スクレーパ25が地面から離れるまでステップS1を繰り返し、スクレーパ25が地面から離れたと判断するとステップS2へと進む。なお、スクレーパ25が地面から離れた状態は、スクレーパ車両20が荷降ろし場所(土砂集積場所)に向けて移動中であることを意味する。
【0027】
制御装置33は、歪ゲージ28と、ボールジョイント22に設けられた加速度計29と、による測定を実施する(ステップS2)。制御装置33は、スクレーパ車両20の移動中に歪ゲージ28によりボールジョイント22に加わる荷重をボールジョイント22のZ方向に作用する加速度とともに計測する。
制御装置33は、ロードセル30と、ピローブロック35に設けられた加速度計29とによる測定を複数回実施してもよい。
なお、スクレーパ25に接触センサを設けてもよく、この場合、制御装置33は、スクレーパ25が地面に接触しているかどうかを判断し、スクレーパ25が地面に接触していない際にステップS2の測定を行うようにしてもよい。
【0028】
制御装置33は、ステップS2の測定に続いて、ボウル24に収容された掘削物の重量の演算を実施する(ステップS3)。本実施形態において、制御装置33は、ボールジョイント22に設けられた加速度計29の出力が閾値よりも小さいときに歪ゲージ28が検出した歪量に基づいて、ボウル24に収納された土砂などの掘削物の量を演算する。この際に、制御装置33は、ピローブロック35に設けられた加速度計29の出力が閾値よりも小さいときにロードセル30が検出した重量を用いるようにしてもよい。
【0029】
なお、制御装置33は、加速度計29の出力が小さいものN個(Nは自然数)の歪ゲージ28およびロードセル30の出力からボウル24に収納された土砂などの掘削物の重量を演算してもよく、加速度計29の出力が小さいときに歪ゲージ28およびロードセル30の出力に重みづけをするように演算してもよい。
【0030】
ヒッチ21は温度により歪が発生する場合もある。このため、掘削を行う際の温度に応じた補正係数をメモリ31に記憶させておいてもよい。この場合、前述のキャリブレーション時や
図4のステップS2における計測時の実測により補正係数を求めてもよく、ヒッチ21の材質の線膨張係数(熱膨張率)から補正係数を求めてもよい。また、ヒッチ21の熱歪を減少するために、歪ゲージ28を断熱材でカバーするようにしてもよい。
なお、ロードセル30が設けられるピローブロック35に関しても熱歪の補正係数を求めてメモリ31に記憶させてもよい。
【0031】
制御装置33は、ステップS3のボウル24に収納された掘削物の重量の演算が終了すると、この演算結果を通信装置32により基地局の通信装置に送信する(ステップS4)。なお、制御装置33は、この演算結果を荷降ろし場所(土砂集積場所)に設けられた通信装置に送信するようにしてもよい。
複数台のスクレーパ車両20により掘削を行う場合には、基地局の制御装置は、それぞれのスクレーパ車両20の通信装置32から受信した掘削物の重量から全体の掘削物の重量を演算することができる。
【0032】
本実施形態によれば、ヒッチ21の歪からボウル24に収容された掘削物の重量を検出しているので、簡単な構成で安価に掘削物の重量を検出することができる。また、スクレーパ車両20の移動中にボウル24に収容された掘削物の重量を検出しているので、効率的にボウル24に収容された掘削物の重量を検出することができる。
【0033】
(第2の実施形態)
以下、第2の実施形態について説明をするが、第1の実施形態と同じ構成については同じ符号を付し、その説明を省略する。
図5は本第2の実施形態のボールジョイント22の構成を示す図であり、
図5(a)は金属球に歪ゲージを設けた図であり、
図5(b)は受け部に歪ゲージを設けた図である。
ボールジョイント22は、回転可能な金属球22aと、ヒッチ21の重量の一部を支える受け部22bと、を有している。
本実施形態において、歪ゲージ28は、ヒッチ21の一端の重量を受ける場所に設ければよく、
図5(a)に示すように金属球22aの下側に設けてもよく、
図5(b)に示すように受け部22bの下側に設けてもよい。歪ゲージ28は、
図5(a)では2つ、
図5(b)では3つ設けられているが1つでもよく、4つ以上設けてもよい。
【0034】
第1の実施形態と第2の実施形態とは適宜組み合わせることができるとともに、適宜変形することができる。
一例を挙げると、歪ゲージ28と、加速度計29との測定値からボウル24に収容された掘削物の質量を求めてもよい。歪ゲージ28による重量測定値をWとすると、
W=Fm+Fs+(m+s)・a (1)式
ここで、Fmはスクレーパ車両20の重量であり、mはスクレーパ車両20の質量、Fsは掘削物の重量であり、sは掘削物の質量、aはスクレーパ車両20の走行による垂直加速度、gは重力加速度である。
【0035】
(1)式は以下のように書き換えることができる。
W=m・g+s・g+(m+s)・a (2)式
この(2)式を整理すると、掘削物の質量sは以下のようになる。
s=W/(g+a)−m (3)式
スクレーパ車両20の質量mは既知であるため、歪ゲージ28と、加速度計29との測定値からボウル24に収容された掘削物の質量sを求めることができる。
【0036】
また、ボウル24の上方に超音波距離計、レーザ距離計などの非接触距離計を設けてボウル24が満杯かどうかを検出してもよく、これに代えて、ボウル24の上方に設けられたカメラが撮影した画像からボウル24が満杯かどうかを検出してもよい。制御装置33は、ボウル24が満杯であることに応じて、歪ゲージ28や加速度計29などによる測定を開始するようにしてもよい。
【0037】
また、スクレーパ車両20にGPS(Global Positioning System)を設けて、スクレーパ車両20が荷降ろし場所(土砂集積場所)に移動する途中で歪ゲージ28や加速度計29などによる測定を開始するようにしてもよい。この場合、地形データなどから平坦な場所を選択して、GPSがこの平坦な場所に到着したことを検出したのをトリガーにして歪ゲージ28や加速度計29などによる測定を開始することが好ましい。
なお、スクレーパ車両20による掘削作業のタクトタイムが決まっている場合には、スクレーパ車両20にタイマーを設けて、所定時間が経過した後に歪ゲージ28や加速度計29などによる測定を開始してもよい。
【0038】
以上で説明した実施形態は、本発明を説明するための例示に過ぎず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々変更を加えることは可能である。例えば、上述の実施形態では、駆動車両として牽引車両1を用いたが、スクレーパ車両20の後方からスクレーパ車両をプッシュするプッシュ型の駆動車両を用いてもよい。
また、スクレーパ車両20にコリオリの力から角速度を検出するジャイロセンサを設けて、スクレーパ車両20に作用する角速度が小さいときに、歪ゲージ28や、加速度計29や、ロードセル30による測定を行うようにしてもよい。
【0039】
なお、スクレーパ車両20が静止した状態で歪ゲージ28や、加速度計29や、ロードセル30による測定を行うようにしてもよい。また、スクレーパ車両20が静止した状態と、スクレーパ車両20が移動した状態とでボウル24に収容された掘削物の重量を検出し、静止状態の重量をリファレンスとして、移動状態での重量を補正し、この補正値をメモリ31に記憶してもよい。そして、次回以降の移動状態での重量の演算の際に、メモリ31に記憶された補正値により、演算した重量を補正してもよい。
また、加速度センサに代えて、もしくは加速度センサと併用してジャイロセンサを用いてもよい。
また、測位はGPSに限定されず、衛星測位システムであればどの測位システムを用いてもよい。
また、本願出願人が出願したPCT/JP2020/19097に記載されている補助駆動システムをスクレーパ車両20に搭載してもよい。この補助駆動システムとしては、油圧ポンプと、アキュームレータ(蓄圧器)と、油圧モータとを備えるシステムを適用することができる。
簡単な構成で安価に掘削物の重量を測定するため、スクレーパ車両(20)は、駆動車両(1)に連結される第1部分を有した連結装置(21)と、連結装置(21)の前記第1部分と、前記第1部分を支持する第1支持部材との少なくとも一方に設けられた前記第1部分の物理量の変化を検出する第1検出装置(28)と、を備えている。