特許 7084129 ショベル

(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】

(24)【登録日】2022-06-06

(45)【発行日】2022-06-14

(54)【発明の名称】ショベル

(51)【国際特許分類】

   E02F 9/24 20060101AFI20220607BHJP

   E02F 9/20 20060101ALI20220607BHJP

   E02F 9/22 20060101ALI20220607BHJP

【ＦＩ】

E02F9/24 B

E02F9/20 M

E02F9/22 E

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2017233759

(22)【出願日】2017-12-05

(65)【公開番号】P2018091131

(43)【公開日】2018-06-14

【審査請求日】2020-10-14

(31)【優先権主張番号】P 2016235602

(32)【優先日】2016-12-05

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000002107

【氏名又は名称】住友重機械工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105924

【弁理士】

【氏名又は名称】森下 賢樹

(74)【代理人】

【識別番号】100116274

【弁理士】

【氏名又は名称】富所 輝観夫

(72)【発明者】

【氏名】岡田 純一

(72)【発明者】

【氏名】小野寺 将

【審査官】三笠 雄司

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１４－１２２５１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６４－００６４２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６２－２４８７２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１６９５７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１２／１６９５３１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１６／０２８１３３５（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｅ０２Ｆ ３／００－３／９６

９／００－９／２８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ショベルであって、
走行体と、
前記走行体に回動自在に設けられる上部旋回体と、
ブーム、アーム、バケットを有し、前記上部旋回体に取り付けられたアタッチメントと、
前記走行体の浮き上がりが抑制されるように、前記アタッチメントの動作を補正する浮き上がり抑制部と、
を備え、
前記浮き上がり抑制部は、前記走行体の浮き上がりが生ずるたびに、浮き上がりの瞬間にブームシリンダが前記上部旋回体に及ぼす力Ｆ_{１＿ＩＮＩＴ}を取得し、力Ｆ_{１＿ＩＮＩＴ}にもとづいて転倒支点の位置情報を算出し、以降の作業中に前記転倒支点まわりに前記ブームシリンダが前記上部旋回体に及ぼす力Ｆ_１が前記転倒支点まわりの重力のトルクより小さくなるように、前記アタッチメントの動作を補正することを特徴とするショベル。

【請求項2】

ショベルであって、
走行体と、
前記走行体に回動自在に設けられる上部旋回体と、
ブーム、アーム、バケットを有し、前記上部旋回体に取り付けられたアタッチメントと、
前記走行体の浮き上がりが抑制されるように、前記アタッチメントの動作を補正する浮き上がり抑制部と、
前記走行体または前記上部旋回体に取り付けられた加速度センサおよびピッチ方向の回転情報を取得する回転センサと、
を備え、
前記浮き上がり抑制部は、前記走行体の浮き上がりが生ずるたびに、浮き上がりの瞬間における前記加速度センサの出力および前記回転センサの出力にもとづいて、転倒支点の位置情報を算出し、以降の作業中に前記転倒支点まわりにブームシリンダが前記上部旋回体に及ぼす力Ｆ_１が前記転倒支点まわりの重力のトルクより小さくなるように、前記アタッチメントの動作を補正することを特徴とするショベル。

【請求項3】

前記浮き上がり抑制部は、前記転倒支点の位置情報の算出に際して、前記加速度センサの出力から、重力加速度の影響を除去することを特徴とする請求項２に記載のショベル。

【請求項4】

前記回転センサは角速度センサであり、
前記角速度センサの出力が所定値を超えたとき、および前記角速度センサの出力の微分値が所定値を超えたときの少なくとも一方を、前記走行体の浮き上がりの瞬間とすることを特徴とする請求項２または３に記載のショベル。

【請求項5】

ショベルであって、
走行体と、
前記走行体に回動自在に設けられる上部旋回体と、
ブーム、アーム、バケットを有し、前記上部旋回体に取り付けられたアタッチメントと、
前記走行体の浮き上がりが抑制されるように、前記アタッチメントの動作を補正する浮き上がり抑制部と、
を備え、
前記浮き上がり抑制部は、
前記走行体の浮き上がりの瞬間を検出するセンサと、
ブームシリンダが前記上部旋回体に及ぼす力Ｆ_１とするとき、前記走行体の浮き上がりが生ずるたびに、前記浮き上がりの瞬間における力Ｆ_{１＿ＩＮＩＴ}を取得し、前記力Ｆ_{１＿ＩＮＩＴ}にもとづいて、転倒支点の位置と関連するパラメータを取得し、前記転倒支点まわりに前記ブームシリンダが前記上部旋回体に及ぼす力Ｆ_１が前記転倒支点まわりの重力のトルクより小さいことを規定する制御条件を設定する条件設定部と、
前記制御条件を満たすように、前記アタッチメントの動作を補正する補正部と、
を含むことを特徴とするショベル。

【請求項6】

前記ショベルの車体重心と前記走行体の転倒支点の間の距離をＤ_Ａ、前記ブームシリンダと前記上部旋回体との連結点と前記転倒支点の間の距離をＤ_Ｂ、車体重量をＭ、重力加速度をｇとするとき、前記条件設定部は、前記浮き上がりの瞬間に
Ｄ_ＢＦ_{１＿ＩＮＩＴ}＝Ｄ_ＡＭｇ
が成り立つものとして距離Ｄ_Ａ，Ｄ_Ｂを取得し、
Ｄ_ＢＦ_１＜Ｄ_ＡＭｇ
を前記制御条件に設定することを特徴とする請求項５に記載のショベル。

【請求項7】

前記条件設定部は、前記アタッチメントの姿勢が変化すると、前記制御条件に含まれる前記Ｄ_Ｂを変化させることを特徴とする請求項６に記載のショベル。

【請求項8】

ショベルであって、
走行体と、
前記走行体に回動自在に設けられる上部旋回体と、
ブーム、アーム、バケットを有し、前記上部旋回体に取り付けられたアタッチメントと、
前記走行体の浮き上がりが抑制されるように、前記アタッチメントの動作を補正する浮き上がり抑制部と、
を備え、
前記浮き上がり抑制部は、前記走行体の浮き上がりが生ずるたびに、浮き上がりの瞬間にブームシリンダが前記上部旋回体に及ぼす力Ｆ_{１＿ＩＮＩＴ}を取得し、以降の作業中に、前記ブームシリンダが前記上部旋回体に及ぼす力Ｆ_１が力Ｆ_{１＿ＩＮＩＴ}より小さくなるように、前記アタッチメントの動作を補正することを特徴とするショベル。

【請求項9】

前記センサは角速度センサであり、
前記角速度センサの出力が所定値を超えたとき、および前記角速度センサの出力の微分値が所定値を超えたときの少なくとも一方を、前記走行体の浮き上がりの瞬間とすることを特徴とする請求項５から７のいずれかに記載のショベル。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ショベルに関する。

【背景技術】

【0002】

ショベルは、主として走行体（クローラ、ロワーともいう）、上部旋回体、アタッチメントを備える。上部旋回体は走行体に対して回動自在に取り付けられており、旋回モータによって位置が制御される。アタッチメントは上部旋回体に取り付けられており、作業時に使用される。

【0003】

オペレータは、作業内容に応じて、アタッチメントのブーム、アーム、バケットを制御するが、このとき、車体（すなわち走行体、上部旋回体）はアタッチメントからの反力を受ける。反力が加わる向きと、車体の姿勢、地面の状況によって、ショベルの本体が浮き上がってしまう場合がある。

【0004】

特許文献１には、ブームシリンダの収縮側（ロッド側）の圧力を抑制することにより、車体の浮き上がり、ひいては転倒を防止する技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２０１４－１２２５１０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ショベルの浮き上がり防止のためには、ショベルの転倒支点の位置情報が必要となる。転倒支点は、上部旋回体の回転角（方向）や地面の状況に応じて変化する。一方、従来のショベルでは、汎用性を考慮して固定的な転倒支点を定めておき、ショベルの使用状況にかかわらず、常に同じ制御条件を用いて浮き上がり防止の制御が行われていた。

【0007】

本発明は係る課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、ショベルの使用状況に動的に対応した浮き上がりの抑制機構を備えたショベルの提供にある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明のある態様はショベルに関する。ショベルは、走行体と、走行体に回動自在に設けられる上部旋回体と、ブーム、アーム、バケットを有し、上部旋回体に取り付けられたアタッチメントと、走行体の浮き上がりが抑制されるように、アタッチメントの動作を補正する浮き上がり抑制部と、を備える。浮き上がり抑制部における制御条件は、走行体の浮き上がりの瞬間において取得した情報にもとづいて設定される。

【0009】

浮き上がりの瞬間は、アタッチメントが車体を傾けようとする力と、それに抗う重力がバランスした状態と近似できる。したがって、浮き上がりの瞬間を検出し、そのときのショベルの状態を監視することにより、浮き上がりを抑制するための制御条件を適応的に設定でき、様々な使用状況下において浮き上がりを適切に抑制できる。

【0010】

浮き上がり抑制部は、走行体の浮き上がりの瞬間において取得した情報にもとづいて、転倒支点の位置情報を取得し、当該位置情報にもとづいて、制御条件を規定してもよい。

【0011】

走行体の浮き上がりの瞬間において取得される情報は、ブームシリンダが前記上部旋回体に及ぼす力Ｆ_{１＿ＩＮＩＴ}を含んでもよい。

【0012】

ショベルは、走行体または上部旋回体に取り付けられた加速度センサおよびピッチ方向の回転情報を取得する回転センサをさらに備えてもよい。浮き上がり抑制部は、加速度センサの出力および回転センサの出力にもとづいて、転倒支点の位置情報を取得してもよい。

【0013】

浮き上がり抑制部は、加速度センサの出力から、重力加速度の影響を除去してもよい。

【0014】

回転センサは角速度センサであってもよい。角速度センサの出力が所定値を超えたとき、および角速度センサの出力の微分値が所定値を超えたときの少なくとも一方を、走行体の浮き上がりの瞬間としてもよい。

【0015】

本発明の別の態様もまた、ショベルである。このショベルは、走行体と、走行体に回動自在に設けられる上部旋回体と、ブーム、アーム、バケットを有し、上部旋回体に取り付けられたアタッチメントと、走行体の浮き上がりが抑制されるように、アタッチメントの動作を補正する浮き上がり抑制部と、を備える。浮き上がり抑制部は、走行体の浮き上がりの瞬間を検出するセンサと、ブームシリンダが上部旋回体に及ぼす力Ｆ_１とするとき、浮き上がりの瞬間における力Ｆ_{１＿ＩＮＩＴ}を取得し、力Ｆ_{１＿ＩＮＩＴ}にもとづいて、転倒支点の位置と関連するパラメータを取得し、当該パラメータにもとづいて、制御条件を設定する条件設定部と、制御条件にもとづいて、アタッチメントの動作を補正する補正部と、を含む。

【0016】

ショベルの車体重心と走行体の転倒支点の間の距離をＤ_Ａ、ブームシリンダと上部旋回体との連結点と転倒支点の間の距離をＤ_Ｂ、車体重量をＭ、重力加速度をｇとするとき、条件設定部は、浮き上がりの瞬間に、
Ｄ_ＢＦ_{１＿ＩＮＩＴ}＝Ｄ_ＡＭｇ
が成り立つものとして、距離Ｄ_Ａ，Ｄ_Ｂを取得し、
Ｄ_ＢＦ_１＜Ｄ_ＡＭｇ
を制御条件に設定してもよい。

【0017】

条件設定部は、アタッチメントの姿勢が変化すると、制御条件に含まれるＤ_Ｂを変化させてもよい。

【0018】

本発明の別の態様もまた、ショベルである。ショベルは、走行体と、走行体に回動自在に設けられる上部旋回体と、ブーム、アーム、バケットを有し、上部旋回体に取り付けられたアタッチメントと、転倒支点の位置に応じた制御条件を設定し、設定した制御条件にもとづいて走行体の浮き上がりが抑制されるように、アタッチメントの動作を補正する浮き上がり抑制部と、を備える。

【0019】

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

【0020】

さらに、この課題を解決するための手段の記載は、すべての欠くべからざる特徴を説明するものではなく、したがって、記載されるこれらの特徴のサブコンビネーションも、本発明たり得る。

【発明の効果】

【0021】

本発明によれば、ショベルの走行体の浮き上がりを抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】第１の実施の形態に係る建設機械の一例であるショベルの外観を示す斜視図である。

【図2】前方浮き上がりに関連するショベルの力学的なモデルを示す図である。

【図3】ショベルの作業中に発生する後方浮き上がりの一例を説明する図である。

【図4】後方浮き上がりに関連するショベルの力学的なモデルを示す図である。

【図5】ショベルの電気系統および油圧系統のブロック図である。

【図6】図６（ａ）～（ｃ）は、転倒支点Ｐと旋回体の向きθの関係を示す図である。

【図7】転倒支点Ｐと地面の状態の関係を示す図である。

【図8】浮き上がり抑制部の制御ブロック図である。

【図9】浮き上がり抑制部の動作を説明するフローチャートである。

【図10】第１構成例に係るショベルの浮き上がり抑制部およびその周辺のブロック図である。

【図11】第２構成例に係るショベルの浮き上がり抑制部およびその周辺のブロック図である。

【図12】第２の実施の形態に係るショベルを示す図である。

【図13】転倒支点の位置取得の原理を説明する図である。

【図14】位置情報を得るための処理を示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

【0024】

本明細書において、「部材Ａが、部材Ｂと接続された状態」とは、部材Ａと部材Ｂが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Ａと部材Ｂが、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

【0025】

１． 第１の実施の形態
図１は、第１の実施の形態に係る建設機械の一例であるショベル１の外観を示す斜視図である。ショベル１は、主として走行体（ロワー、クローラともいう）２と、走行体２の上部に旋回装置３を介して回動自在に搭載された上部旋回体４と、を備えている。

【0026】

上部旋回体４には、アタッチメント１２が取り付けられる。アタッチメント１２は、ブーム５と、ブーム５の先端にリンク接続されたアーム６と、アーム６の先端にリンク接続されたバケット１０とが取り付けられている。バケット１０は、土砂、鋼材などの吊荷を捕獲するための手段である。ブーム５、アーム６およびバケット１０は、それぞれブームシリンダ７、アームシリンダ８およびバケットシリンダ９によって油圧駆動される。また、上部旋回体４には、バケット１０の位置や励磁動作および釈放動作を操作するオペレータ（運転者）を収容するための運転室４ａや、油圧を発生するためのエンジン１１といった動力源が設けられている。

【0027】

続いて、ショベル１の浮き上がりについて説明する。

【0028】

図２は、前方浮き上がりに関連するショベルの力学的なモデルを示す図である。
たとえばショベル１は、地面５０の掘削作業を行っている。ブーム５が固定され、アーム閉じ動作（あるいはバケット閉じ動作）を行うと、その反力としてブームシリンダ７のロッドを上に引き上げる力が発生し、ブームシリンダ７を介して車体の前方を上に引き上げる力が発生する。Ｆ_１はブームシリンダ７が上部旋回体４に及ぼす力を表している。

【0029】

Ｄ_１は、ショベルの車体重心Ｐ_３と、走行体２の後方の転倒支点Ｐ_１の間の距離を表す。転倒支点Ｐ_１は、走行体２の有効接地領域５２のうち、アタッチメント１２が延びる方向（旋回体４の向き）における最後端とみなすことができる。またＤ_３は、ブームシリンダ７の延長線ｌ_２と、転倒支点Ｐ_１の間の距離を表す。Ｍは車体重量、ｇは重力加速度である。このとき、転倒支点Ｐ_１まわりに車体前方を持ち上げようとするトルクτ_１は、式（１）で表される。
τ_１＝Ｄ_３×Ｆ_１ …（１）

【0030】

一方、重力が転倒支点Ｐ_１まわりに車体を地面に抑え付けようとするトルクτ_２は、式（２）で表される。
τ_２＝Ｄ_１Ｍｇ …（２）

【0031】

車体の前方が浮き上がらずに安定する条件は、
τ_１＜τ_２ …（３）
であり、式（１）、（２）を代入すると、安定条件として不等式（４）を得る。
Ｄ_３Ｆ_１＜Ｄ_１Ｍｇ …（４）
となる。すなわち制御条件として不等式（４）が成り立つように、アタッチメント１２の動作を補正すれば、前方の浮き上がりを防止できる。

【0032】

作業内容によっては、ショベルの後方が浮き上がる場合もある。図３は、ショベルの作業中に発生する後方浮き上がりの一例を説明する図である。ショベル１は、地面５０の掘削作業を行っている。バケット１０が斜面５１を掘り込むように力Ｆ_２が発生しており、またブーム５がバケット１０を斜面５１に抑え付けるように力Ｆ_３が発生している。このときブームシリンダ_７のロッドを引き上げる力Ｆ_１が発生し、この力Ｆ_１が、ショベル１の車体（走行体２、旋回装置３、旋回体４）を傾けるよう作用する。この力Ｆ_１が、重力にもとづく車体を地面に抑え付けようとする力（トルク）を上回ると、車体の後方が浮き上がってしまう。

【0033】

図３に示すように、バケット１０が地面や対象物に接触し、引っかかったり、あるいは、めり込んでいる場合、ブーム５に力が作用してもブーム５は動かず、したがってブームシリンダ７のロッドは変位しない。ロッド側油室の圧力が大きくなるとブームシリンダ７自体を持ち上げる力Ｆ_１、すなわち車体を前方に傾けようとする力が大きくなる。

【0034】

このようなケースは、バケット１０が車体（走行体２）よりも下方に位置する深掘りや、図３に示すように前方斜面の整地作業で起こりえる。また、ブーム自体を操作した場合に限らず、アームやバケットを操作した場合にも生じうる。

【0035】

図４は、後方浮き上がりに関連するショベルの力学的なモデルを示す図である。
Ｄ_２は、ショベルの車体重心Ｐ_３と、走行体２の前方の転倒支点Ｐ_１の間の距離を表す。転倒支点Ｐ_１は、走行体２の有効接地領域５２のうち、アタッチメント１２が延びる方向（旋回体４の向き）における最先端とみなすことができる。またＤ_４は、ブームシリンダ７の延長線ｌ_２と、転倒支点Ｐ_１の間の距離を表す。Ｆ_１はブームシリンダ７が上部旋回体４に及ぼす力であり、Ｍは車体重量、ｇは重力加速度である。このとき、転倒支点Ｐ_１まわりに車体を前方に傾けようとするトルクτ_１は、式（５）で表される。
τ_１＝Ｄ_４×Ｆ_１ …（５）

【0036】

一方、重力が転倒支点Ｐ_１まわりに車体を地面に抑え付けようとするトルクτ_２は、式（６）で表される。
τ_２＝Ｄ_２Ｍｇ …（６）

【0037】

車体の後方が浮き上がらずに安定する条件は、
τ_１＜τ_２ …（７）
であり、式（５）、（６）を代入すると、安定条件として不等式（８）を得る。
Ｄ_４Ｆ_１＜Ｄ_２Ｍｇ …（８）
となる。すなわち制御条件として不等式（８）が成り立つように、アタッチメント１２の動作を補正すれば、後方の浮き上がりを防止できる。

【0038】

なお距離Ｄ_１，Ｄ_２をＤ_Ａ，距離Ｄ_２，Ｄ_４をＤ_Ｂとおいて、転倒支点Ｐ_１を前後で入れ換えれば、前方の浮き上がりと後方の浮き上がりの制御条件は、以下のようにまとめることができる。
Ｄ_ＢＦ_１＜Ｄ_ＡＭｇ

【0039】

続いて、前方あるいは後方の浮き上がりを抑制可能なショベル１の具体的な構成を説明する。図５は、ショベル１の電気系統および油圧系統のブロック図である。なお、図５では、機械的に動力を伝達する系統を二重線で、油圧系統を太い実線で、操縦系統を破線で、電気系統を細い実線でそれぞれ示している。なおここでは油圧ショベルについて説明するが、旋回に電動機を用いるハイブリッドショベルにも本発明は適用可能である。

【0040】

エンジン１１は、メインポンプ１４及びパイロットポンプ１５に接続されている。メインポンプ１４には、高圧油圧ライン１６を介してコントロールバルブ１７が接続されている。なお、油圧アクチュエータに油圧を供給する油圧回路は２系統設けられることがあり、その場合にはメインポンプ１４は２つの油圧ポンプを含む。本明細書では理解の容易化のため、メインポンプが１系統の場合を説明する。

【0041】

コントロールバルブ１７は、ショベル１における油圧系の制御を行う装置である。コントロールバルブ１７には、図１に示した走行体２を駆動するための走行油圧モータ２Ａ及び２Ｂの他、ブームシリンダ７、アームシリンダ８およびバケットシリンダ９が高圧油圧ラインを介して接続されており、コントロールバルブ１７は、これらに供給する油圧（制御圧）をオペレータの操作入力に応じて制御する。

【0042】

また、旋回装置３を駆動するための旋回油圧モータ２１がコントロールバルブ１７に接続される。旋回油圧モータ２１は、旋回コントローラの油圧回路を介してコントロールバルブ１７に接続されるが、図５には旋回コントローラの油圧回路は示されず、簡略化されている。

【0043】

パイロットポンプ１５には、パイロットライン２５を介して操作装置２６（操作手段）が接続されている。操作装置２６は、走行体２、旋回装置３、ブーム５、アーム６およびバケット１０を操作するための操作手段であり、オペレータによって操作される。操作装置２６には、油圧ライン２７を介してコントロールバルブ１７が接続され、また、油圧ライン２８を介して圧力センサ２９が接続される。

【0044】

たとえば操作装置２６は、油圧パイロット式の操作レバー２６Ａ～２６Ｄを含む。操作レバー２６Ａ～２６Ｄはそれぞれ、ブーム軸、アーム軸、バケット軸および旋回軸に対応する操作レバーである。実際には、操作レバーは二個設けられ、一方の操作レバーの縦方向、横方向に２軸が、残りの操作レバーの縦方向、横方向に残りの２軸が割り当てられる。また操作装置２６は、走行軸を制御するためのペダル（不図示）を含む。

【0045】

操作装置２６は、パイロットライン２５を通じて供給される油圧（１次側の油圧）をオペレータの操作量に応じた油圧（２次側の油圧）に変換して出力する。操作装置２６から出力される２次側の油圧（制御圧）は、油圧ライン２７を通じてコントロールバルブ１７に供給されるとともに、圧力センサ２９によって検出される。すなわち圧力センサ２９の検出値は、操作レバー２６Ａ～２６Ｄそれぞれに対するオペレータの操作入力θ_ＣＮＴを示す。なお図５において油圧ライン２７は１本で描かれているが、実際には左走行油圧モータ、右走行油圧モータ、旋回それぞれの制御指令値の油圧ラインが存在する。

【0046】

コントローラ３０は、ショベルの駆動制御を行う主制御部である。コントローラ３０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）および内部メモリを含む演算処理装置で構成され、ＣＰＵがメモリにロードされた駆動制御用のプログラムを実行することにより実現される。

【0047】

さらにショベル１は、浮き上がり抑制部６００を備える。浮き上がり抑制部６００は、走行体２の前方のおよび／または後方の浮き上がりが抑制されるように、アタッチメント１２の動作を補正する。浮き上がり抑制部６００の主要部は、コントローラ３０の一部として構成することができる。

【0048】

上述のように、前方浮き上がり、後方浮き上がりが発生しない制御条件は、不等式（４）、式（８）であった。不等式（４）、（８）は、距離Ｄ_１，Ｄ_２，Ｄ_３，Ｄ_４をパラメータとしており、これらの距離は、転倒支点Ｐ_１に依存する。

【0049】

転倒支点Ｐ_１は、旋回体４の向きや地面の状態に応じて移動する。図６（ａ）～（ｃ）は、転倒支点Ｐ_１と旋回体の向き（旋回角度θ）の関係を示す図である。ここでは後方の浮き上がりを考慮して、転倒支点が車体前方に位置するものとしている。ｌ_１は、アタッチメントが延びる方向（旋回体４の向き）と直交しており、かつ有効接地領域５２のうちアタッチメント１２が延びる方向における最先端を通る線を表している。転倒支点Ｐ_１は、この線ｌ_１上に位置する。図６（ａ）～（ｃ）に示すように、転倒支点Ｐ_１が移動すると、距離Ｄ_２も変化する。同様に、距離Ｄ_４も、転倒支点Ｐ_１の移動にともなって変化する。

【0050】

図７は、転倒支点Ｐ_１と地面（作業フィールド）の状態の関係を示す図である。実線は堅い地面５０を、一点鎖線は柔かい地面５０’を表す。堅い地面５０の上では、転倒支点Ｐ_１は、実線三角の位置に存在する。柔らかい地面５０’の上では、転倒支点Ｐ_１’は一点鎖線の三角の位置に存在しうる。そのほか、転倒支点Ｐ_１の近傍に堅い障害物が存在していたり、走行体２が障害物に乗り上げたりしている場合には、転倒支点Ｐ_１はさらに移動しうる。

【0051】

転倒支点Ｐ_１の移動は、距離Ｄ_１～Ｄ_４に影響を与え、したがって車体が転倒しない力学的な安定条件に影響を及ぼす。そこで浮き上がり抑制部６００は、転倒支点Ｐ_１の位置に応じた制御条件を設定し、設定した制御条件にもとづいて走行体の浮き上がりが抑制されるように、アタッチメント１２の動作を補正する。

【0052】

以下、浮き上がり抑制部６００における制御を説明する。浮き上がり抑制部６００は、走行体の姿勢を監視しており、走行体２の前方（あるいは後方）が浮き上がった瞬間を検出する。そしてアタッチメント１２の動作を補正する際の制御条件（上述の安定条件、一例として不等式（４）、（８））を、走行体２の浮き上がりの瞬間におけるショベル１の状態にもとづいて動的に変化させる。

【0053】

浮き上がりの瞬間は、アタッチメント１２が車体を傾けようとする力（トルクτ_１）と、それに抗う重力（トルクτ_２）がバランスした状態と近似できる。したがって、浮き上がりの瞬間を検出し、ショベル１の状態を監視することにより、浮き上がりを抑制するための制御条件を適応的に設定でき、様々な使用状況下において浮き上がりを適切に抑制できる。

【0054】

図８は、浮き上がり抑制部６００の制御ブロック図である。
浮き上がり抑制部６００は、センサ６１０、条件設定部６２０、補正部６３０を備える。センサ６１０は、走行体の浮き上がりの瞬間を検出する。センサ６１０は、姿勢センサ、ジャイロセンサや加速度センサを用いることができ、ピッチ軸周りの回転を検出してもよい。

【0055】

センサ６１０によって、前回りの角加速度（あるいは角速度）が検出されると、後方浮き上がりを抑制するための制御条件が設定される。反対に、後回りの角加速度（あるいは角速度）が検出されると、前方浮き上がりを抑制するための制御条件が設定される。

【0056】

ブームシリンダが上部旋回体に及ぼす力Ｆ_１とする。条件設定部６２０は、センサ６１０が検出した浮き上がりの瞬間における力Ｆ_{１＿ＩＮＩＴ}を取得し、取得した力Ｆ_{１＿ＩＮＩＴ}にもとづいて、転倒支点Ｐ_１の位置と関連するパラメータを取得し、当該パラメータにもとづいて、制御条件を設定する。

【0057】

前方浮き上がりを抑制する制御条件として、
Ｄ_３Ｆ_１＜Ｄ_１Ｍｇ …（４）
を用いるとする。センサ６１０により、後ろ回りのピッチングが検出されたとする。浮き上がりの瞬間においてトルクτ_１とτ_２が釣り合うから、
Ｄ_３Ｆ_{１＿ＩＮＩＴ}＝Ｄ_１Ｍｇ …（９）
が成り立つ。Ｆ_{１＿ＩＮＩＴ}，Ｍｇは既知であるから、式（９）は現在のショベル１の使用状況において、Ｄ_１とＤ_３が満たすべき関係式である。

【0058】

式（９）が既知であれば、距離Ｄ_１，Ｄ_３は幾何学的に一意に定まる。そこで条件設定部６２０は、式（９）および、アタッチメント１２の姿勢にもとづいて、現在の距離Ｄ_{１＿ＤＥＴ}，Ｄ_{３＿ＤＥＴ}を取得する。なお距離Ｄ_１を取得することは、転倒支点Ｐ_１の位置情報を取得することと等価である。なぜなら、車体重心Ｐ_３の位置は不変であるから、距離Ｄ_１が求まれば、転倒支点Ｐ_１の位置は一意に定まるからである。そしてそれ以降の制御条件を、Ｄ_{３＿ＤＥＴ}Ｆ_１＜Ｄ_{１＿ＤＥＴ}Ｍｇに設定する。補正部６３０は、設定された制御条件にもとづいてアタッチメント１２の動作を補正する。

【0059】

一度取得した距離Ｄ_１は、旋回体４の方向を変化させず、また地面状況が変化しない限り、同じ値を用いることができる。一方、距離Ｄ_３は、ブーム５の上げ、下げに応じて変化する。そこで、条件設定部６２０は、ブーム５の角度が変化すると、それに応じて距離Ｄ_３を変化させ、制御条件に反映させる。

【0060】

後方浮き上がりに関しても同じ制御が行われる。後方浮き上がりを抑制する制御条件として、不等式（８）を用いるとする。
Ｄ_４Ｆ_１＜Ｄ_２Ｍｇ …（８）
センサ６１０により、前回りのピッチングが検出されたとする。浮き上がりの瞬間においてトルクτ_１とτ_２が釣り合うから、
Ｄ_４Ｆ_{１＿ＩＮＩＴ}＝Ｄ_２Ｍｇ …（１０）
が成り立つ。Ｆ_{１＿ＩＮＩＴ}，Ｍｇは既知であるから、式（１０）は現在のショベル１の使用状況において、Ｄ_２とＤ_４が満たすべき関係式である。

【0061】

条件設定部６２０は、式（１０）および、アタッチメント１２の姿勢にもとづいて、現在の距離Ｄ_{２＿ＤＥＴ}，Ｄ_{４＿ＤＥＴ}を取得してもよい。なお距離Ｄ_２を取得することと、転倒支点Ｐ_１の位置情報を取得することは等価である。そしてそれ以降の制御条件を、Ｄ_{２＿ＤＥＴ}Ｆ_１＜Ｄ_{４＿ＤＥＴ}Ｍｇに設定する。補正部６３０は、設定された制御条件にもとづいてアタッチメント１２の動作を補正する。

【0062】

一度取得した距離Ｄ_２は、旋回体４の方向を変化させず、また地面状況が変化しない限り、同じ値を用いることができる。一方、距離Ｄ_４は、ブーム５の上げ、下げに応じて変化する。そこで、条件設定部６２０は、ブーム５の角度が変化すると、それに応じて距離Ｄ_４を変化させ、制御条件に反映させる。

【0063】

図９は、浮き上がり抑制部６００の動作を説明するフローチャートである。はじめに、アタッチメント１２を使用した掘削作業中か否かが判定される（Ｓ１００）。アタッチメント１２を使用した掘削作業中であることの判定条件は、たとえば、走行中でなく、かつ、旋回中でなく、アタッチメント１２のブームシリンダ７、アームシリンダ８およびバケットシリンダ９の少なくともひとつに圧力が立っていることであってもよい。掘削作業中でない場合（Ｓ１００のＮ）、元に戻る。なお掘削作業には、均し作業や埋め戻し作業なども含まれる。

【0064】

掘削作業中と判定されると（Ｓ１００のＹ）、センサ６１０により浮き上がりが監視される（Ｓ１０２）。浮き上がりが検出されると（Ｓ１０２のＹ）、浮き上がりの瞬間におけるショベルの状態が取得される（Ｓ１０４）。ショベルの状態は、たとえば上述の力Ｆ_{１＿ＩＮＩＴ}である。そしてステップＳ１０４で取得したショベルの状態にもとづいて、転倒支点Ｐ_１に応じたパラメータ（たとえばＤ_１～Ｄ_４）が算出され、制御条件が設定される（Ｓ１０６）。以降、補正部６３０により、設定された制御条件にもとづいて、アタッチメント１２の動作が補正される。

【0065】

ブームの姿勢の変化が検出されると（Ｓ１０８のＹ）、距離Ｄ_３，Ｄ_４が変化するため、制御条件が修正される（Ｓ１１０）。作業が終了していなければ（Ｓ１１２のＮ）、引き続きブームの姿勢が監視される。作業が終了していれば（Ｓ１１２のＹ）、スタートに戻る。

【0066】

なお、制御条件を設定する前のステップＳ１０２においては、車体は一瞬、浮き上がることになる。プロセッサとソフトウェアプログラムの適切な組み合わせを使用すれば、浮き上がりの検出後、ステップＳ１０２における１回目の浮き上がりが大きな車体の傾きに発展する前に、きわめて短時間で制御条件を設定し、アタッチメント１２の動作補正を開始することが可能である。

【0067】

続いて、浮き上がり抑制部６００によるアタッチメント１２の補正を説明する。

【0068】

１．１ 第１構成例
図１０は、第１構成例に係るショベル１の浮き上がり抑制部６００およびその周辺のブロック図である。圧力センサ５１０，５１２はそれぞれ、ブームシリンダ７のロッド側油室の圧力（ロッド圧）Ｐ_Ｒ、ボトム側油室の圧力（ボトム圧）Ｐ_Ｂを測定する。測定された圧力Ｐ_Ｒ，Ｐ_Ｂは、浮き上がり抑制部６００（コントローラ３０）に入力される。

【0069】

コントローラ３０は、力推定部６０２、センサ６１０、条件設定部６２０、補正部６３０を含む。
力Ｆ_１は圧力Ｐ_Ｒ，Ｐ_Ｂの関数ｆ（Ｐ_Ｒ，Ｐ_Ｂ）で表される。
Ｆ_１＝ｆ（Ｐ_Ｒ，Ｐ_Ｂ） …（５）
力推定部６０２は、ロッド圧Ｐ_Ｒおよびボトム圧Ｐ_Ｂにもとづいて、ブームシリンダ７が旋回体４に及ぼす力Ｆ_１を計算する。

【0070】

一例として、ロッド側の受圧面積をＡ_Ｒ、ボトム側の受圧面積をＡ_Ｂとするとき、
Ｆ_１＝Ａ_Ｒ・Ｐ_Ｒ－Ａ_Ｂ・Ｐ_Ｂ
と表すことができる。力推定部６０２はこの式にもとづいて力Ｆ_１を計算あるいは推定してもよい。

【0071】

条件設定部６２０は、センサ６１０の出力を受け、浮き上がりのタイミングを検出する。そして浮き上がりのタイミングにおける力Ｆ_１にもとづいて、パラメータＤ_１，Ｄ_３（あるいはＤ_２，Ｄ_４）を計算し、制御条件を設定する。条件設定部６２０は、ブーム角センサ５１４からブームの角度に関する情報を受け、制御条件（パラメータＤ_２，Ｄ_４）に反映させてもよい。補正部６３０は、力Ｆ_１が制御条件を満たすように、アタッチメント１２の動作を補正する。

【0072】

たとえば浮き上がり抑制部６００は、ブームシリンダ７の圧力を制御する。この構成例では、補正部６３０は、制御条件が成り立つようにブームシリンダ７のロッド圧Ｒ_Ｒを調節する。

【0073】

電磁比例リリーフ弁５２０は、ブームシリンダ７のボトム側油室とタンクの間に設けられる。補正部６３０は、制御条件が成り立つように、電磁比例リリーフ弁５２０を制御し、ブームシリンダ７のシリンダ圧をリリーフする。これによりロッド圧Ｐ_Ｒが低下し、したがってＦ_１が小さくなり、前方あるいは後方の浮き上がりを抑制することができる。

【0074】

なおブームシリンダ７を制御するコントロールバルブ１７のスプールの状態、言い換えればメインポンプ１４からブームシリンダ７に供給される圧油の向きは特に限定されず、アタッチメント１２の状態（作業内容）によっては、図１０のような順方向でなく、逆方向であったり、遮蔽状態であってもよい。

【0075】

１．２ 第２構成例
図１１は、第２構成例に係るショベル１の浮き上がり抑制部６００およびその周辺のブロック図である。図１１のショベル１は、図１０のショベル１の電磁比例リリーフ弁５２０に代えて、電磁比例制御弁５３０を備える。電磁比例制御弁５３０は、操作レバー２６Ａからコントロールバルブ１７へのパイロットライン２７Ａに設けられている。浮き上がり抑制部６００は、制御条件を満たすように電磁比例制御弁５３０への制御信号を変化させ、コントロールバルブ１７への圧力を変化させ、これによりブームシリンダ７のボトム室側の圧力およびロッド側油室の圧力を変化させる。

【0076】

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施の形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例を説明する。

【0077】

変形例１．１
実施の形態では、距離Ｄ_１～Ｄ_４を算出して制御条件を規定したがその限りではない。不等式（４）、（８）を変形すると、以下の不等式を得る。
Ｆ_１＜Ｄ_１／Ｄ_３×Ｍｇ …（４’）
Ｆ_１＜Ｄ_２／Ｄ_４×Ｍｇ …（８’）

【0078】

浮き上がりの瞬間において、
Ｆ_{１＿ＩＮＩＴ}＝Ｄ_１／Ｄ_３×Ｍｇ
Ｆ_{１＿ＩＮＩＴ}＝Ｄ_２／Ｄ_４×Ｍｇ
が成り立つ。したがって、条件設定部６２０は、浮き上がりの瞬間の力Ｆ_{１＿ＩＮＩＴ}を取得し、それ以降の制御条件を、
Ｆ_１＜Ｆ_{１＿ＩＮＩＴ}
に設定してもよい。この制御条件には、もちろん正しい転倒支点Ｐ_１の位置情報が反映されているが、距離Ｄ_１～Ｄ_４あるいは転倒支点Ｐ_１の位置が明示的に計算されないことに留意されたい。

【0079】

変形例１．２
実施の形態では、浮き上がりを防止するための制御条件に、力Ｆ_１が明示的に含まれるが、本発明はその限りではない。力Ｆ_１に代えて、力Ｆ_１と相関を有する別の力を使用して、制御条件を規定してもよい。

【0080】

変形例１．３
実施の形態では、ブームシリンダ７の圧力を制御することにより、浮き上がりを抑制したが、それに加えて、アームシリンダやバケットシリンダの圧力を制御してもよい。

【0081】

２． 第２の実施の形態
図１２は、第２の実施の形態に係るショベルを示す図である。ショベル１は、加速度センサ４０、回転センサ４２および浮き上がり抑制部５０を備える。加速度センサ４０および回転センサ４２は、旋回体４に取り付けられる。なお加速度センサ４０、回転センサ４２を走行体２に取り付けてもよい。加速度センサ４０は、車体の前後方向（Ｘ軸方向）および鉛直方向（Ｚ軸方向）の加速度Ａ_ｘ、Ａ_ｚを検出する。回転センサ４２は、ピッチ方向の回転情報を取得する。

【0082】

たとえば回転センサ４２は、ジャイロセンサなどの角速度センサを用いることができる。この場合、回転センサ４２の出力は、ピッチ軸周りの角速度ω_ｐとなる。加速度センサ４０と回転センサ４２が一体となった市販のセンサを用いてもよい。

【0083】

浮き上がり抑制部５０は、走行体２の浮き上がりの瞬間において取得した加速度センサ４０の出力および回転センサ４２の出力にもとづいて、転倒支点の位置情報を取得する。

【0084】

浮き上がり抑制部５０は、回転センサ４２の出力である角速度ω_ｐが所定のしきい値を超えたときを、浮き上がりの発生タイミングと判定してもよい。あるいは浮き上がり抑制部５０は、回転センサ４２の出力である角速度ω_ｐを微分して得られる角加速度ω_ｐ’が所定のしきい値を超えたときを、浮き上がりの発生タイミングと判定してもよい。

【0085】

図１３は、転倒支点の位置取得の原理を説明する図である。加速度センサ４０と転倒支点Ｐ_１の距離をＬとする。ショベル１の転倒は、転倒支点Ｐ_１周りの回転運動と捉えることができる。そのときの回転方向の加速度はＬ（ω_ｐ）’、遠心力方向の角加速度はＬω_ｐ ^２である。なお、Ｌ＝√（ｘ^２＋ｚ^２）である。’は時間微分を表す。

【0086】

加速度センサ４０の出力を利用することにより、回転方向および遠心力方向（径方向）の加速度Ａ_θ、Ａ_ｒを取得することができる。そうすると、
Ａ_θ＝Ｌ（ω_ｐ）’
Ａ_ｒ＝Ｌω_ｐ ^２
が成り立つから、Ｌを計算することができる。Ａ_θ、Ａ_ｒからは重力加速度の影響は取り除かれている。なお、ｚは加速度センサ４０の取り付け高さであるから、既知のパラメータであり、Ｌが得られれば、ｘすなわち転倒支点Ｐ_１の位置情報を得ることができる。

【0087】

一実施例においては、以下の方法によって位置情報を取得してもよい。

【0088】

図１３の位置に加速度センサ４０を設けたとき、式（１１）を得る。

【数1】

【0089】

右辺第１項は、回転運動に関して成り立つ式であり、右辺第２項は重力の影響を示す項である。Ａ_ｘ、Ａ_ｚは加速度センサ４０の出力である。θ_ｐは回転角を、θ_ｐ’は回転角速度を、θ_ｐ”は回転角加速度を表す。なお、ジャイロセンサを用いた場合、ジャイロセンサの出力ω_ｐが、θ_ｐ’として利用できる。またジャイロセンサの出力ω_ｐの微分値を回転角加速度θ_ｐ”として、ジャイロセンサの出力ω_ｐの積分値を回転角θ_ｐとして用いることができる。

【0090】

式（１１）をｘを未知数として解くことにより、転倒支点Ｐ_１の位置情報を得ることができる。

【0091】

なお行列式（１１）は、単一の変数ｘに対して、ｘ方向に関する１行目の式と、ｚ方向に関する２行目の式を含んでおり冗長である。したがって、Ａ_ｘ，Ａ_ｚのいずれか一方のみを測定すれば、ｘを計算することができる。

【0092】

あるいは行列式（１１）を、ｘとｚを変数とする連立方程式として解いてもよい。

【0093】

図１４は、位置情報を得るための処理を示すブロック図である。なお、図中、様々な処理を行う機能ブロックとして記載される各要素は、ハードウェア的には、ＣＰＵ、メモリ、その他のＬＳＩで構成することができ、ソフトウェア的には、メモリにロードされたプログラムなどによって実現される。したがって、これらの機能ブロックがハードウェアのみ、ソフトウェアのみ、またはそれらの組み合わせによっていろいろな形で実現できることは当業者には理解されるところであり、いずれかに限定されるものではない。

【0094】

角速度センサの出力ω_ｐは積分器６０によって積分され、回転角θ_ｐが計算される。そして回転角θ_ｐにもとづく回転行列Ｒ（θ_ｐ）６２が生成され、乗算器６４によって回転行列Ｒ（θ_ｐ）に重力加速度ｇを掛け合わせることにより、式（１１）の右辺第２項が計算される。そして減算器６６において、加速度センサ４０により得られた加速度Ａ_ｘ，Ａ_ｚから、乗算器６４の出力を減ずることにより、重力の影響が除去される。

【0095】

微分器６８は、角速度センサの出力ω_ｐを微分し、角加速度θ_ｐ”を生成する。角速度ω_ｐ（θ_ｐ’）および角加速度θ_ｐ”は、演算器７０に入力される。演算器７０は、所定の計算式にもとづいて、座標ｘ（およびｚ）を計算する。

【0096】

なお、θ_ｐ”は、微分演算によって得られるため、ノイズの影響を受けやすい。そこで、式（１１）に含まれる２つの式を、ｚを既知の値として、ｘおよびθ_ｐ”を変数とする連立方程式として解いてもよい。

【0097】

実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

【符号の説明】

【0098】

１…ショベル、２…走行体、２Ａ，２Ｂ…走行油圧モータ、３…旋回装置、４…旋回体、４ａ…運転室、５…ブーム、６…アーム、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、１０…バケット、１１…エンジン、１２…アタッチメント、１４…メインポンプ、１５…パイロットポンプ、１７…コントロールバルブ、２１…旋回油圧モータ、２６…操作装置、２７…パイロットライン、３０…コントローラ、６００…浮き上がり抑制部、６０２…力推定部、６１０…センサ、６２０…条件設定部、６３０…補正部、５１０，５１２…圧力センサ、５２０…電磁比例リリーフ弁、５３０…電磁比例制御弁。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】