作业机械的安全装置的制作方法

专利名称：作业机械的安全装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及作业机械的安全装置，尤其涉及在解体工程、建筑工程、土木工程等所使用的自行式作业机械中，将与机械的稳定性相关的信息报知给操作员的安全装置。
背景技术：
作为构造物解体工程、废弃物解体工程、土木建筑工程等所使用的作业机械，已知有如下技术在利用动力系统行驶的行驶体的上部回转自如地安装回转体，在回转体上安装多关节型的前部作业机构，该多关节型的前部作业机构上下摆动自如，并由驱动器进行驱动。作为这种作业机械的一个例子有以液压挖掘机为基本的解体作业机械。该解体作业机械在回转体以上下摆动自如的方式连结由起重臂、悬臂构成的前部作业机构，在悬臂的前端装配抓钩、铲斗、破碎机、破铁机(Wy ) Y)等作业工具，进行构造物解体工程、废弃物解体工程等的作业。这种作业机械以使构成前部作业机构的起重臂、悬臂、作业工具向回转体的外方突出的状态改变各种姿势进行作业，因而在进行过度的操作时存在作业机械失去平衡而倾翻的情况。因此，操作员必需准确地把握作业机械现在的稳定性或倾翻可能性来安全地进行作业。在此，稳定性是指作业机械不倾翻，能够稳定地在作业面上继续作业的程度。针对这种要求，例如在专利文献I中公开了如下技术，即、从设置在履带起重机的外伸托梁部上的吨位计和设置在履带上的倾斜计的输出值，算出履带起重机的重心位置及负载载荷，并且，判定所算出的重心位置是否位于预先设定的区域的任一个中，使用在每个区域规定的颜色，在监视器上显示重心位置。另外，作为其他例子，在专利文献2中公开了如下装置，S卩、具备外伸托梁伸出宽度传感器及外伸托梁反力传感器，从外伸托梁伸出宽度传感器的输出值算出倾翻限界，从外伸托梁反力传感器的输出值算出在前后左右的倾翻的危险度，并且，从外伸托梁伸出宽度传感器和外伸托梁反力传感器的输出值算出起重机的合成重心，并将其显示在显示装置上，在有倾翻的危险性时进行警告，并且通过固定外伸托梁的从动关节部来防止倾翻。现有技术文献专利文献专利文献I :日本特开昭61 - 287696号公报专利文献2 :日本特开平10 - 291779号公报

发明内容
发明所要解决的课题在此鉴于实际的作业，作业机械在各种作业中使用，存在需要快速动作的情况、或者发生动作的切换的情况。在这种作业中，由于前部作业机构的运动或作业机械自身的运动而产生惯性力，起重机作业等的动作比较受限制，与动作切换少的准静态的作业相比较，机械的动态(急速)的运动产生的惯性力给稳定性带来的影响较大。但是，在上述现有技术中，没有考虑这种动态的运动带来的影响。另外，在进行动态的运动的情况下，由于稳定性的变动大，因此不仅需要显示现在的重心位置，而且操作员必需一直注视显示画面，存在作业效率劣化的可能性。而且，存在操作员不能正确地确认稳定性的情况。本发明是鉴于上述问题点而提出的技术方案，目的在于提供一种在前部作业机构操作或包含回转的作业时，能够使操作员瞬时容易且准确地确认现在的稳定性的作业机械的安全装置。用于解决课题的方法本发明为了解决上述课题而采用如下方法。一种作业机械的安全装置，具备行驶体、安装在该行驶体上的作业机械主体、在上下方向上摆动自如地安装在该作业机械主体上的前部作业机构、以及对上述各部分进行 控制的控制装置，上述控制装置具备ZMP算出单元，其分别使用包含上述前部作业机构在内的上述主体及行驶体的各可动部的位置信息、加速度信息、外力信息来算出ZMP的坐标；以及稳定性运算单元，其算出上述作业机械的与地面的多个接地点所形成的支撑多边形，在上述ZMP包含在上述支撑多边形的周缘内侧形成的警告区域中时发出倾翻警告，并具备显示装置，该显示装置显示作业机械的俯视图及作业机械相对于支撑多边形的ZMP位置，上述ZMP算出单元及稳定性运算单元对上述ZMP位置及包含上述警告区域在内的支撑多边形进行运算并显示，并且，在上述算出的ZMP位置包含在上述支撑多边形的周缘内侧形成的警告区域中时发出倾翻警告。本发明的效果如下。本发明由于具备以上的结构，因此能够提供一种在前部作业机构操作或包含回转的作业时，能够使操作员瞬时容易且准确地确认现在的稳定性的作业机械的安全装置。


图I是表示第一实施方式的作业机械的侧视图。图2是表示第一实施方式的作业机械的安全装置的方块图。图3是表示第一实施方式的作业机械的传感器结构的侧视图。图4是表示第一实施方式的ZMP运算用作业机械模式的侧视图。图5是表示第一实施方式的支撑多边形和倾翻警告区域的模式图。图6是表示第一实施方式的稳定性运算单元的判定方法的一个例子的流程图。图7是表示第一实施方式的稳定性算出方法的模式图。图8是表示第一实施方式的显示装置的一个例子的说明图。图9是表示第一实施方式的显示装置的一个例子的说明图。图10是表示第一实施方式的显示装置的一个例子的说明图。图11是表示第一实施方式的显示装置的一个例子的说明图。图12是表示第二实施方式的显示装置的说明图。图13是表示第三实施方式的作业机械的安全装置的方块图。图14是表示第三实施方式的稳定性运算单元的判定方法的流程图。图15是表示第三实施方式的显示装置的说明图。
图16是表示第四实施方式的作业机械的安全装置的方块图。图17是表示第四实施方式的作业机械的显示装置的说明图。图18是表示第四实施方式的作业机械的显示装置的说明图。
具体实施例方式(第一实施方式)以下，参照附图对本发明的第一实施方式进行说明。〈对象装置〉图I是适用本发明的作业机械的侧视图。作业机械I在行驶体2上部可回转地安装有回转体3，回转体3通过回转马达7以中心轴3c为中心被回转驱动。在回转体3上安 装有驾驶室4和构成动力系统的发动机5。另外，在回转体3的后方设有配重8。符号30是地表面。回转体3还具备对作业机械I的起动停止及全部动作进行控制的运转控制装置。在设置于作业机械I的前面的前部作业机构(front working mechanism)6,起重臂缸11是使起重臂10绕支点40进行转动的驱动器，与回转体3和起重臂10连结。悬臂缸13是使悬臂12绕支点41进行转动的驱动器，与起重臂10和悬臂12连结。作业工具缸15是使铲斗23绕支点42进行转动的驱动器，经由联杆16与铲斗23连结，经由联杆17与悬臂12连结。铲斗23可以任意地更换为抓钩、刀具、破碎机等的未图示的其它作业工具。在安装于回转体3上的、对作业机械I进行操作的操作员用的驾驶室4中设有用于操作员输入对各驱动器的动作指示的操作杆50 ;显示作业机械I的稳定性信息及倾翻警告信息等的显示装置61d ;发出作业机械I的倾翻警告声等的警报装置63d ;以及用于操作员进行安全装置的设定的用户设定输入单元55。〈安全装置〉图2是表示与安全装置相关的概略结构的方块图。安全装置具备为了检测作业机械I的姿势等而安装在作业机械I的各部上的状态量检测单元(传感器)49 ;用于操作员进行安全装置的设定的用户设定输入单元55 ;根据状态量检测单元49的检测值进行规定的运算的控制装置60 ;向操作员提示稳定性的信息的显示装置61d ;以及警报装置63d。控制装置60表示作业机械I的控制装置中特别是与安全装置相关的部分。控制装置60还具备状态量检测单元49及输入用户设定输入单元55的信号的输入部60x ;接收输入到输入部60x的信号并进行ZMP位置70的算出的ZMP算出单元60f ;在规定的期间存储ZMP算出单元60f的算出结果的ZMP存储单元60g ;根据ZMP算出单元60f的算出结果进行稳定性的算出及倾翻可能性的判定的稳定性运算单元60d ;基于来自稳定性运算单元60d的输出信号来决定分别显示装置61d及警报装置63d的输出的表示控制单元61c及警报控制单元63c ;以及将来自表示控制单元61c及警报控制单元63c的输出信号分别输出到显示装置61d及警报装置63d的输出部60y。ZMP算出单元60f还具备联杆运算单元60a和ZMP运算单元60b。控制装置60具有微型计算机以及储存在ROM中的计算机程序及周边电路，该微型计算机具备由未图示的CPU、ROM、RAM及快速存储器等构成的存储部等，控制装置60使计算机程序在CPU上工作进行运算处理。本发明将由控制装置60运算的ZMP位置算出及稳定性判定的结果经由显示装置61d及警报装置63d进行提示以使操作员能够瞬时准确地确认，从而支援安全的作业。<状态量检测单元>参照图3对安装在作业机械I的各部的状态量检测单元(传感器)49进行说明。<姿势传感器> 在上部回转体3设有姿势传感器3b，该姿势传感器3b用于检测机械基准坐标系相对于后述的将与重力相反的方向作为Z轴的通用坐标系的斜度。姿势传感器3b例如是倾斜角传感器，通过检测上部回转体3的倾斜角，检测机械基准坐标系相对于通用坐标系的斜度。<角度传感器>·
在上部回转体3的回转中心线3c上设有用于检测下部行驶体2和上部回转体3的回转角度的回转角度传感器3s。在上部回转体3和起重臂10的支点40上设有用于计测起重臂10的转动角度的起重臂角度传感器(角度传感器)40a。在起重臂10和悬臂12的支点41上设有用于计测悬臂12的转动角度的悬臂角度传感器(角度传感器)41a。在悬臂12和铲斗23的支点42上设有用于计测铲斗23的转动角度的铲斗角度传感器42a。〈加速度传感器〉在下部行驶体2、上部回转体3、起重臂10、以及悬臂12的重心附近，分别设有下部行驶体加速度传感器2a、上部回转体加速度传感器3a、起重臂加速度传感器10a、悬臂加速度传感器12a。<销力传感器>在连结悬臂12和铲斗23的销43、连结联杆16和铲斗23的销44上分别设有销力传感器43a、44a。销力传感器43a、44a通过例如在圆筒状的内部插入应变仪，计测在应变仪发生的应变，来检测施加到销43、44的力(外力)的大小和方向。<坐标系的设定>图4表示ZMP算出用作业模式(侧面)、通用坐标系(O — V Y’ V )、机械基准坐标系(O —XYZ)。如图4所示，通用坐标系(O —X’ Y’ Z’)以重力方向为基准，将与重力相反的方向作为Z轴。另一方面，机械基准坐标系(O — XYZ)以下部行驶体2为基准，如图4所示，使原点为在上部回转体3的回转中心线3c上与地表面30相接的点O，在下部行驶体2的前后方向设定X轴、在左右方向设定Y轴、在回转中心线3c方向设定Z轴。通用坐标系和机械基准坐标系的关系使用上述的姿势传感器进行检测，在ZMP算出单元60f中基于机械基准坐标系进行运算。< 模式 >另外，在第一实施方式中，考虑到安装的简易性，作为用于对ZMP70进行运算的模式，使用质量集中于各构成部件的重心的集中质点模式。将下部行驶体2、上部回转体3、起重臂10、悬臂12的各自的质点2P、3P、10P、12P设定在各构成部件的重心位置，将各自的质点的质量设为m2、m3、ml0、ml2。并且，将各自的质点的位置矢量设为r2、r3、rl0、rl2，将加速度矢量设为r〃2、r〃3、r〃10、r〃12。
此外，质点的设定方法并不限定于此，例如也可以追加质量集中的部位(图I所示的发动机5、配重8等)。另外，外力通过利用铲斗23进行作业而施加在铲斗23的前端。由于铲斗23经由销43、44与前部作业机构6连结，因此将铲斗23的重力及惯性力、施加在铲斗23上的X轴方向及Z轴方向的外力全部作为施加在销43和销44上的外力矢量F43和F44算出，进行ZMP坐标的运算。在此，将外力作用点即销43和销44的位置矢量设为s43、s44。<稳定性评价指标>在此，在对安全装置的各构成要素的详细内容进行说明之前，对本发明中的稳定性的评价方式进行说明。在第一实施方式中，作为用于判定作业机械I的稳定性的稳定性评价指标，使用 ZMP (Zero Moment Point)。
ZMP稳定判别规范基于达朗贝尔原理。此外，关于ZMP的概念及ZMP稳定判别规范，记载于 “LEGGED LOCOMOTION ROBOTS :MiomirVukobratovic 著(“步行机器人和人工的脚加藤一郎译、日刊工业新闻社”)。从图I所示的作业机械I向地表面30作用有重力、惯性力、外力以及这些力的力矩，根据达朗贝尔原理，它们与作为从地表面30向作业机械I的反作用的地面反力及地面反力力矩均衡。因此，在作业机械I与地表面30稳定地接触的情况下，在不使作业机械I和地表面30的接地点凹陷地连结的支撑多边形的边上或其内侧，存在间距轴及辊轴方向的力矩成为零的点(ZMP)。反过来说，ZMP存在于支撑多边形内，在从作业机械I作用于地表面30的力按压地表面30的方向、也就是地面反力为正的情况下，作业机械I稳定地接地。也就是，ZMP越靠近支撑多边形的中心稳定性越高，只要存在于支撑多边形的内侦牝作业机械I就能够进行作业，不会发生倾翻，另一方面，在ZMP存在于支撑多边形上的情况下，作业机械I有开始倾翻的可能性。因此，通过对ZMP与作业机械I和地表面30形成的支撑多边形进行比较，能够判定稳定性。< ZMP 方程式 >ZMP方程式由于由重力、惯性力、外力产生的力矩均衡因而如下导出。数学式I^^YdMrY(Sk-Fmp)XFk =0i j k· · · (I)在此，rzmp ZMP 位置矢量mi :第i个质点的质量ri :第i个质点的位置矢量r” i :施加在第i个质点上的加速度矢量(包含重力加速度)Mj :第j个外力力矩sk :第k个外力作用点位置矢量Fk:第k个外力矢量此外，矢量是由X成分、Y成分、Z成分构成的三维矢量。
上式(I)的左边第一项表示由在各质点mi施加的加速度成分(包含重力加速度)生成的ZMP70 (参照图3)周围(半径ri 一 rzmp)的力矩的总和。上式(I)的左边的第二项表示作用于作业机械I上的外力力矩Mj的总和。上式(I)的左边的第三项表示由外力Fk(将第k个外力矢量Fk的作用点设为sk)生成的ZMP70周围(半径sk - rzmp)的力矩的总和。并且，式(I)记述了由在各质点mi印加的加速度成分(包含重力加速度)生成的ZMP70周围(半径ri - rzmp)的力矩的总和、外力力矩Mj的总和、由外力Fk (将第k个外力Fk的作用点设为sk)生成的ZMP70周围(半径sk — rzmp)的力矩的总和均衡的情况。由式(I)所示的ZMP方程式能够算出地表面30中的ZMP70。在此，对象物停止，仅重力工作的情况的ZMP方程式使用重力加速度矢量g表示为 数学式2
^dml(rl-rzmp)xg = 0
i· · · (2)与静态重心的向地表面的投影点一致。因此，ZMP可以作为考虑了动态及静态的重心的投影点来处理，通过将ZMP作为指标来使用，能够对对象物静止的情况、和进行动作的情况这双方进行统一处理。另外，由于支撑多边形与作业机械的接地面形状一致，因此确保稳定性的区域和现在的稳定性(支撑多边形内的ZMP位置)能够表示在将作业机械的轮廓投影在地表面上的俯视图上，在视觉上容易明白。<用户设定输入单元>在图I中，用户设定输入单元55由多个输入按钮等构成，操作员通过用户设定输入单元55并根据作业内容及个人爱好进行警告方法、安全率等的设定。< ZMP算出单元>ZMP算出单元60f包括从状态量检测单元49的检测值算出以机械基准坐标系(O-XYZ)为基准的各质点的位置矢量、加速度矢量及外力矢量的联杆运算单元60a ;以及使用变换到机械基准坐标系的各质点的位置矢量、加速度矢量及外力矢量算出ZMP70a的ZMP运算单元60b。<联杆运算>在图3中，配置在作业机械I的各部的姿势传感器3b、回转角度传感器3s、起重臂角度传感器40a、悬臂角度传感器41a、铲斗角度传感器42a、行驶体加速度传感器2a、回转体加速度传感器3a、起重臂加速度传感器10a、悬臂加速度传感器12a、销力传感器43a、44a的检测值被输送到ZMP算出单元60f的联杆运算单元60a。在联杆运算单元60a，使用图3所示的设置在回转体3上的姿势传感器3b的值、和设置在作业机械I各部的回转角度传感器3s、起重臂角度传感器40a、悬臂角度传感器41a、铲斗角度传感器42a的检测值，对各联杆依次进行运动学计算。并且，将图4所示的各质点2P、3P、IOP, 12P的位置矢量r2、r3、rl0、rl2、以及从行驶体加速度传感器2a、回转体加速度传感器3a、起重臂加速度传感器10a、悬臂加速度传感器12a的检测结果算出的各质点的加速度矢量r〃2、r〃3、r〃10、r〃12、与销43、44相对的位置矢量s43、s44、作用于销43、44的各外力矢量F43、F44变换为以机械基准坐标系(O — XYZ)为基准的值。在此，运动学计算的方法能够使用众所周知的方法，例如能够使用“机器人控制基础论吉川恒夫著、- 口于社(1988)”中记载的方法。从联杆运算单元60a输送到ZMP运算单元60b的数据是以机械基准坐标系(O — XYZ)为基准的各质点的位置矢量、加速度矢量及外力矢量。<ZMP 运算 >在ZMP运算单元60b，使用变换到机械基准坐标系的各质点的位置矢量、加速度矢量及外力矢量算出ZMP70a，将ZMP70a作为ZMP位置70输出。在第一实施方式中，由于将机械基准坐标系的原点O设定为下部行驶体2和地表面30相接的点，因此在假定ZMP的Z轴坐标位于地表面30上时，则rzmpz = 0。另外，在作业机械I中，通常在铲斗23以外的部分几乎不作用外力或外力力矩，因此忽视其影响，看作外力力矩M = O。即使在这种条件下,也能解出式(1)，将ZMP70a的X坐标rzmpx如下算出。数学式3

权利要求
1.一种作业机械的安全装置，该作业机械具备行驶体；安装在该行驶体上的作业机械主体；在上下方向上摆动自如地安装在该作业机械主体上的前部作业机构；以及对上述各部分进行控制的控制装置，该作业机械的安全装置的特征在于， 上述控制装置具备ZMP算出单元，其分别使用包含上述前部作业机构在内的上述主体及行驶体的各可动部的位置信息、加速度信息、外力信息来算出ZMP的坐标；以及 稳定性运算单元，其算出上述作业机械的与地面的多个接地点所形成的支撑多边形，在上述ZMP包含在形成于上述支撑多边形的周缘内侧的警告区域中时发出倾翻警告， 具备显示装置，该显示装置显示作业机械的俯视图及作业机械相对于支撑多边形的ZMP位置， 上述ZMP算出单元及稳定性运算单元对上述ZMP位置及包含上述警告区域在内的支撑多边形进行运算并显示，并且， 在上述所算出的ZMP位置包含在形成于上述支撑多边形的周缘内侧的警告区域中时发出倾翻警告。
2.根据权利要求I所述的作业机械的安全装置，其特征在于， 上述控制装置具有存储在事先设定的规定期间的ZMP位置的记录的ZMP存储单元，并利用上述显示装置显示ZMP位置的记录。
3.根据权利要求I所述的作业机械的安全装置，其特征在于， 上述控制装置具有预测ZMP位置的变化的ZMP预测单元，并将上述ZMP预测单元的预测结果显示在上述显示装置上。
4.根据权利要求I所述的作业机械的安全装置，其特征在于， 上述控制装置具有存储在事先设定的规定期间的ZMP位置的记录的ZMP存储单元、和预测ZMP位置的变化的ZMP预测单元中的至少任意一个， 上述稳定性运算单元除了使用在上述ZMP算出单元算出的现在的ZMP位置以外，还使用在上述ZMP存储单元中存储的ZMP位置记录、和在上述ZMP预测单元算出的ZMP预测位置的至少任一个进行稳定性的判定。
5.根据权利要求I所述的作业机械的安全装置，其特征在于， 上述控制装置具有基于相对于支撑多边形的ZMP位置来算出作业机械的稳定度的稳定性运算单元，上述显示装置显示在上述稳定性运算单元中算出的稳定度。
6.根据权利要求I所述的作业机械的安全装置，其特征在于， 上述控制装置具有恢复动作算出单元，该恢复动作算出单元在由上述稳定性运算单元进行警告指令的情况下算出稳定性恢复的操作方法， 上述显示装置在由上述稳定性运算单元进行警告指令的情况下，显示上述恢复动作算出单元的算出结果。
7.根据权利要求I所述的作业机械的安全装置，其特征在于， 上述控制装置具有按规定时间存储由状态量检测单元检测出的对驱动器的指令值和上述ZMP位置并进行作业状况的再生的记录再生单元，记录再生单元在上述作业机械的作业状况再生时进行图示上述指令值的显示。
8.根据权利要求广7中任一项所述的作业机械的安全装置，其特征在于， 上述控制装置具有重心算出单元以取代上述ZMP算出单元，该重心算出单元根据包含上述前部作业机构在内的上述主体及行驶体的各可动部的位置信息、和事先给与的质量信息来算出作业 机械的质量中心，各单元使用质量中心取代ZMP。
全文摘要
本发明提供一种作业机械的安全装置。在前部作业机构操作以及包含回转的作业时，使操作员瞬时容易且准确地确认现在的稳定性。在作业机械的安全装置中，控制装置具备ZMP算出单元(60f)，其分别使用包含前部作业机构在内的主体及行驶体的各可动部的位置信息、加速度信息、外力信息来算出ZMP的坐标；以及稳定性运算单元(60d)，其算出上述作业机械的与地面的多个接地点所形成的支撑多边形，在上述ZMP包含在上述支撑多边形的周缘内侧所形成的警告区域中时发出倾翻警告，具备显示装置(61d)，该显示装置(61d)显示作业机械的俯视图及作业机械相对于支撑多边形的ZMP位置，上述ZMP算出单元及稳定性运算单元对上述ZMP及包含上述警告区域在内的支撑多边形进行运算并显示，并且在算出的ZMP位置包含在上述支撑多边形的周缘内侧所形成的警告区域中时发出倾翻警告。
文档编号E02F9/22GK102906347SQ201180024959
公开日2013年1月30日 申请日期2011年5月24日 优先权日2010年5月24日
发明者水落麻里子, 石井启范, 山口仁一 申请人:日立建机株式会社