回转作业机械及回转作业机械的控制方法
【专利摘要】本发明提供一种回转作业机械及回转作业机械的控制方法。附属装置被安装成能够相对于基体进行回转。回转机构使附属装置回转。控制装置控制回转机构。进入物检测装置检测向作业区域内进入的进入物的位置。控制装置根据与附属装置的当前的角速度及附属装置的当前的惯性力矩中的至少一个有关的第1物理量、及由进入物检测装置检测出的进入物的位置，控制附属装置的回转动作。
【专利说明】回转作业机械及回转作业机械的控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种具有相对于基体进行回转的附属装置的回转作业机械及其控制方法。
【背景技术】
[0002]在具有安装成能够相对于行走体(基体)进行回转的附属装置的回转作业机械中，若检测出进入物进入到了禁止进入区域，则进行强制停止回转动作的控制。提出了通过进入物的种类例如进行特定作业的作业者、一般作业者等，改变禁止进入区域的技术。
[0003]以往技术文献
[0004]专利文献
[0005]专利文献1:日本特开2003-105807号公报
[0006]发明的概要
[0007]发明要解决的技术课题
[0008]附属装置接触的可能性高的范围根据回转作业机械的当前的动作而不同。例如，以较快的回转速度进行回转时，在停止动作开始后，附属装置接触的可能性高的范围较广，静止时附属装置接触的可能性高的范围较窄。因此，若不依赖于当前的动作而是相同地决定禁止进入区域的大小，则即使在附属装置接触的可能性低时，回转动作有时也会停止。相反，在附属装置接触的可能性高时，回转动作有时也会不停止。
[0009]本发明的目的在于，提供一种能够根据附属装置接触的可能性的高低来进行适当的控制的回转作业机械、及回转作业机械的控制方法。
[0010]用于解决技术课题的手段
[0011]根据本发明的一观点，提供一种回转作业机械，其具备:
[0012]附属装置，安装成能够相对于基体进行回转；
[0013]回转机构，使所述附属装置回转；
[0014]控制装置，控制所述回转机构；及
[0015]进入物检测装置，检测向作业区域内进入的进入物的位置，
[0016]所述控制装置根据与所述附属装置的当前的角速度及所述附属装置的当前的惯性力矩中的至少一个有关的第I物理量、及由所述进入物检测装置检测出的进入物的位置，控制所述附属装置的回转动作。
[0017]根据本发明的另一观点，提供一种回转作业机械的控制方法，其具有以下工序:
[0018]检测向具有能够回转的附属装置的回转作业机械的作业范围内进入的进入物的位置的工序；及
[0019]根据与所述附属装置的当前的角速度及所述附属装置的当前的惯性力矩中的至少一个有关的第I物理量、及所述进入物的位置，控制所述附属装置的回转动作的工序。
[0020]发明效果
[0021]对于附属装置的回转动作的控制，通过参酌第I物理量，使得与附属装置接触的可能性的高低对应的控制成为可能。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1是实施例的回转作业机械的侧视图。
[0023]图2A是表示实施例的回转作业机械、作业者、自卸车的平面配置的俯视图，图2B是表示监视区域的立体图。
[0024]图3是表示实施例的回转作业机械、作业者、自卸车的高度方向及横向的位置关系的概要图。
[0025]图4是实施例的回转作业机械的框图。
[0026]图5是附属装置的示意图。
[0027]图6是实施例的回转作业机械及监视区域的俯视图。
[0028]图7A是表示角速度与监视角度上限值之间的关系的曲线图，图7B是表示附属装置长度与监视角度上限值之间的关系的曲线图。
[0029]图8-1的图8A及图8B是实施例的回转作业机械及监视区域的俯视图。
[0030]图8-2的图8C及图8D是实施例的回转作业机械及监视区域的俯视图。
[0031]图9A是表示角速度的时间履历的曲线图，图9B是表示监视角度上限的时间履历的曲线图。
[0032]图1OA及图1OB是实施例的回转作业机械及监视区域的俯视图。
[0033]图11是实施例的控制方法的流程图。
【具体实施方式】
[0034]图1表示实施例的挖掘机(回转作业机械)的侧视图。在下部行走体(基体)1上经由回转机构2搭载有上部回转体3。回转机构2包括电动机(马达)，且使上部回转体3以顺时针方向或逆时针方向回转。在上部回转体3上安装有动臂4。动臂4通过被液压驱动的动臂缸7,相对于上部回转体3向上下方向摆动。在动臂4的前端安装有斗杆5。斗杆5通过被液压驱动的斗杆缸8，相对于动臂4向前后方向摆动。在斗杆5的前端安装有铲斗6。韦产斗6通过被液压驱动的伊斗缸9,相对于斗杆5进行摆动。在上部回转体3上还搭载有容纳驾驶员的驾驶室10。本说明书中，将动臂4、斗杆5及铲斗6统称为“附属装置” 15。
[0035]图2A中示出实施例的回转作业机械及其周围的作业者、自卸车的平面配置图。在基体I上搭载有上部回转体3。上部回转体3以回转中心11为中心，相对于基体I进行回转。在上部回转体3上安装有附属装置15。附属装置15与上部回转体3 —同以回转中心11为中心进行回转。
[0036]回转角传感器16检测上部回转体3相对于基体I的自基准方位的回转角度。例如，将基体I的行走方向的前方设为基准方位。回转角度at被定义为基准方位与附属装置15从回转中心11延伸的方位所呈的角度。
[0037]将基体I载置于基准水平面上时，在基准水平面内定义如下xyz正交坐标系:将从回转中心11朝向附属装置15的前端的方位设为X轴，将与其正交的方位设为y轴，并将回转中心11设为Z轴。图2A中，作为xyz正交坐标,采用左手系。
[0038]通过以回转中心11 (z轴)为中心的扇形来划定监视区域18。监视区域18在平面观察时关于附属装置15的中心线而线对称。将监视区域18的中心角的1/2称作“监视角度上限值” a do
[0039]从回转中心11 (z轴)至附属装置15的前端为止的距离R通过使动臂4、斗杆5、铲斗6摆动而发生变动。在此，距离R意味着朝向基准水平面(xy面)的投影长度。将该距离R称作“附属装置长度”。监视区域18的半径与附属装置长度R相等。
[0040]在上部回转体3上安装有多个例如4个进入物检测装置25。在作业者20的安全帽、自卸车21等上安装有发信器26。例如，自卸车21进入作业现场内时，在入口处，发信器26被安装于自卸车21的预定位置。当从作业现场退出时，发信器26从自卸车21上被卸下。作为一例，在自卸车21的货架(货斗)的最后方、回转作业机械一侧的角上安装发信器26。另外，可在自卸车21上安装多个发信器26。
[0041]发信器26中使用例如全方位标记发光器。进入物检测装置25中使用例如获取发信器26的图像的CXD摄像机。通过以多个进入物检测装置25对I个发信器26进行拍摄，能够计算发信器26的位置。进入物检测装置25被安装于上部回转体3，因此所计算出的发信器26的位置作为相对于上部回转体3的相对位置而被检测出。
[0042]图2B中示出监视区域18及进入物26的三维立体图。监视区域18为具有扇形底面的直柱体。监视区域18的高度与附属装置15的最高到达高度H2相等。扇形的半径与附属装置长度R相等。发信器26的位置用以X轴为基准的方位角aa、自z轴起的距离r、及自xy面起的高度h来表示。
[0043]图3中示出附属装置15、作业者20及自卸车21的高度方向及横向的位置关系。作业者20所戴的安装帽上安装有发信器26。在自卸车21的货架的最高位置上安装有发信器26。
[0044]动臂4以平行于y轴的摆动中心12为中心，上下摆动。在动臂4的前端安装有斗杆5，在斗杆5的前端安装有铲斗6。在动臂4`的基部、动臂4与斗杆5的连接部、及斗杆5与铲斗6的连接部上，分别安装有倾角传感器17A、17B、17C。倾角传感器17A测定动臂4的长边方向与基准水平面(xy面)所呈的角度β?。倾角传感器17Β测定动臂4的长边方向与斗杆5的长边方向所呈的角度δ I。倾角传感器17C测定斗杆5的长边方向与铲斗6的长边方向所呈的角度S2。在此，动臂4的长边方向是指在垂直于摆动中心12的面内(ζχ面内)通过摆动中心12、及动臂4与斗杆5的连接部的直线的方向。斗杆5的长边方向是指在ζχ面内通过动臂4与斗杆5的连接部、及斗杆5与伊斗6的连接部的直线的方向。伊斗6的长边方向是指在ζχ面内通过斗杆5与铲斗6的连接部、及铲斗6的前端的直线的方向。
[0045]摆动中心12配置于从回转中心11 (ζ轴)偏离的位置。另外，可设为回转中心11与摆动中心12交叉的结构。
[0046]图4中示出回转作业机械的框图。进入物检测装置25对发信器26进行拍摄。由进入物检测装置25拍摄的图像数据、回转角传感器16的测定结果、及倾角传感器17的测定结果被输入到控制装置30。控制装置30包括进入物种类识别块30Α、进入物位置运算块30Β、角速度运算块30C、铲斗高度运算块30D、附属装置长度运算块30Ε、监视区域决定块30F、及判定块30G。这些各块的功能通过计算机程序实现。
[0047]进入物种类识别块30Α通过分析从进入物检测装置25输入的图像数据来指定进入物的种类。例如，来自安装于作业者的发信器26的光的颜色和来自安装于自卸车的发信器26的光的颜色不同。通过识别发信器26的图像的颜色，作业者能够识别是否为自卸车。
[0048]进入物位置运算块30B通过分析从进入物检测装置25输入的图像数据来计算进入物的位置。具体而言，计算图2B中所示出的发信器26的坐标(aa、r、h)。
[0049]角速度运算块30C根据从回转角传感器16输入的回转角的变动来计算附属装置15的角速度ω。
[0050]铲斗高度运算块30D根据从倾角传感器17输入的测定结果来计算铲斗6的前端的高度Hb。附属装置长度运算块30E根据从倾角传感器17输入的测定结果来计算附属装置长度R。
[0051]参考图5，对铲斗高度Hb及附属装置长度R的计算方法进行说明。将动臂4、斗杆5及铲斗6的长度分别设为L1、L2、L3。基准水平面(xy面)和动臂4的长边方向所呈的角度β I通过倾角传感器17Α (图3)来测定。动臂4与斗杆5所呈的角度δ I (图3)、及斗杆5与铲斗6所呈的角度δ2 (图3)分别通过倾角传感器17B、17C来测定。从xy面至摆动中心12为止的高度HO已预先求出。并且，从回转中心11 (z轴)至摆动中心12为止的距离LO也已预先求出。
[0052]根据角度β I及角度δ I能够计算xy面与斗杆5的长边方向所呈的角度β 2。根据角度β 1、角度S 1、δ 2能够计算xy面与铲斗6的长边方向所呈的角度β 3。铲斗高度Hb及附属装置长度R能够通过下式来计算。
[0053][式I]
[0054]Hb=HO+LI.sin β 1+L2.sin β 2+L3.sin β 3
[0055]R=L0+L1.cos β 1+L2.cos β 2+L3.cos β 3
[0056]如上所述，根据由倾角传感器17Α、17Β、17C测定的物理量，能够求出附属装置长度R及铲斗高度Hb。铲斗高度Hb相当于将xy面设为基准高度时的附属装置15的前端的高度。可以说，以倾角传感器17A、17B、17C测定的角度是与附属装置15的前端的高度有关的物理量(第2物理量)。
[0057]根据由角速度运算块30C求出的附属装置15的角速度ω、由铲斗高度运算块30D求出的铲斗高度Hb、及由附属装置长度计算块30E求出的附属装置长度R，监视区域决定块30F决定监视区域18的大小。如图2A及图2B所示，监视区域18能够根据附属装置长度R、附属装置15的最高到达高度H2、及监视角度上限值ad来定义。附属装置长度R已经求出。最高到达高度H2为作业机械固有的值且已预先求出。以下，参考图6、图7A、图7B对监视角度上限值ad的求出方法进行说明。
[0058]如图6所示，设当前的附属装置15的角速度为ω，附属装置长度为R。实施例中，监视角度上限值ad依存于角速度ω及附属装置长度R而发生变化。从使用于停止回转的制动器作动的时刻起至附属装置15停止为止的回转角度(制动角度)依存于附属装置15的角速度ω。若角速度ω变大，则制动角度变大，因此优选将监视角度上限值ad设定为较大。相反，角速度ω较小时，也可使监视角度上限值ad较小。
[0059]制动角度还依存于附属装置15的惯性力矩。惯性力矩依存于附属装置长度R，随着附属装置长度R变长，惯性力矩也变大。即，附属装置长度R是与附属装置的惯性力矩有关的物理量(第I物理量)。由此，附属装置长度R较长时，优选将监视角度上限值ad设定为较大。相反，附属装置长度R较短时，也可使监视角度上限值ad较小。[0060]图7A中，将附属装置长度R作为参数来示出角速度ω和监视角度上限值ad之间的关系。图7B中，将角速度ω作为参数来示出附属装置长度R与监视角度上限值ad之间的关系。附属装置长度R恒定时，设定为监视角度上限值ad随着角速度ω的增大而变大。角速度ω恒定时，设定为监视角度上限值ad随着附属装置长度R的增长而变大。
[0061]角速度ω、附属装置长度R及监视角度上限值a d的关系已预先决定，并存储于监视区域决定块30F。它们的关系可以以表格形式存储，也可以函数形式存储。以表格形式存储时，通过进行适当的插值运算，能够根据角速度ω与附属装置长度R来求出监视角度上限值ad。以函数形式存储时，能够根据角速度ω和附属装置长度R来直接计算监视角度上限值a d。
[0062]参考图8A~图9B，对于从附属装置15开始回转的时刻起至停止的时刻为止的监视角度上限值a d的变动的一例进行说明。
[0063]图9A中示出经过时间与角速度ω之间的关系。在时刻t0回转动作开始，角速度ω缓慢上升。在时刻tl成为角速度ω?，在时刻t2达到至最大角速度ω2。之后，角速度ω变慢，并在时刻t3停止。
[0064]图9B中示出经过时间与监视角度上限值a d之间的关系。在时刻t0及t3时即角速度ω为O时，监视角度上限值a d为a d0。时刻tl及时刻t2时的监视角度上限值a d分别为a dl、a d2。这些监视角度上限值的大小关系成为a d0 < a dl < a d2。
[0065]图8A、图8B、图8C、图8D中分别示出时刻t0、tl、t2、t3时的回转作业机械及监视区域18的俯视图。监 视区域18的中心角随着角速度ω加快而变大。
[0066]在图1OA及图1OB中，分别示出附属装置长度R为R8及R9 (R8 < R9)时的监视区域18。若附属装置长度R从R8变长至R9，则监视区域18的扇形的半径也从R8变长至R9。而且，监视区域18的中心角的一半(监视角度上限值)也从adS变大至ad9。
[0067]回到图4继续进行说明。根据由进入物种类识别块30A决定的进入物的种类、由进入物位置运算块30B决定的进入物的位置、及由监视区域决定块30F决定的监视区域18的大小，判定块30G判定是否为接触可能性高的状态。关于判定方法，之后参考图11的流程图进行说明。
[0068]判定为接触可能性为高的状态时，进行第I控制；判定为接触可能性低时，进行第2控制。例如，在第I控制中，指令回转机构2停止回转动作。回转机构2包括例如逆变器2A与电动机2B。回转动作的停止通过发送至逆变器2A的控制信号而被指令。而且，从警报发出装置28发出警报音和光等警报。在第2控制中，继续附属装置15的回转动作。
[0069]图11中示出实施例的回转作业机械的控制方法的流程图。若回转作业机械开始运行，则在步骤SI中，判定进入物是否进入到了作业区域内。该判定处理由判定块30G(图4)进行。例如，图2B所示的至进入物26为止的距离r短于附属装置长度R的最大值时，判定为进入物进入到了作业区域内。当进入物未进入到作业区域内时，返回到步骤SI。
[0070]当判定为进入物进入到了作业区域内时，在步骤S2中，求出附属装置15的延长的方位(X轴)与表示进入物的位置的方位所呈的角度(角度间隔)。具体而言，表示图2B中所示的进入物26的位置的方位角a a成为角度间隔。角度间隔的计算由判定块30G (图4)进行。
[0071]步骤S3中，根据附属装置长度R与角速度ω来决定监视区域18的大小。如此，附属装置长度R与角速度ω用作成为用于决定监视区域18的大小的基础的物理量(第I物理量)。监视区域18的大小的决定由监视区域决定块30F (图4)进行。监视区域18的大小由监视角度上限值ad及半径R (图2B)指定。
[0072]步骤S4中，判定是否有至少I个进入物进入到了监视区域18内。该判定及之后的步骤S5?S7由判定块30G (图4)进行。具体而言，X轴与进入物的角度间隔(表示进入物的位置的方位角a a)在监视角度上限值ad以下，且至进入物为止的距离r在附属装置长度R以下时，判定为进入物进入到了监视区域18内。
[0073]步骤S5中，判定进入物是否仅为自卸车。当进入物仅为自卸车时，在步骤S6中，将铲斗高度Hb与自卸车的高度进行比较。铲斗高度Hb高于自卸车的高度时，回到步骤SI。此时，接触可能性低，因此无需停止回转动作。例如，继续回转动作，使铲斗6向自卸车的货架上方移动，以此来进行将铲斗6的保持物移送至自卸车的作业。
[0074]铲斗高度Hb在自卸车的高度以下时、及在步骤S5中判定为进入物并非仅为自卸车时，执行步骤S7。步骤S7中，停止附属装置15的回转动作。由此，能够避免附属装置与进入物接触。
[0075]实施例的方法中，附属装置15的角速度ω较快时、及惯性力矩较大时，监视区域18设定为较广。因此，能够充裕地避免接触。相反，附属装置15的角速度ω较慢时、及惯性力矩较小时，监视区域18设定为较窄。因此，能够避免在接触可能性低时的不必要的作业停止。由此，能够防止作业效率的下降。
[0076]上述实施例中，根据附属装置15的角速度ω、及与惯性力矩有关的附属装置长度这两者来改变监视区域18的大小。在实际的控制中，也可以根据与任一个即附属装置的角速度及附属装置的惯性力矩中的至少一个有关的物理量(第I物理量)来改变监视区域18的大小。
[0077]上述实施例中，将从附属装置15的回转中心朝向附属装置15的前端的方位设为X轴，但作为xyz正交坐标系也可以使用其他坐标系。例如，可以将下部行走体I (图1、图2A)的前方方位定义为X轴。将进入物检测装置25安装于下部行走体I时，该坐标系较方便。并且，也可以利用地球基准坐标系(经度及纬度)来定义X轴及y轴。例如，可将北向定义为X轴。在以GPS测定进入物的位置时，该坐标系较方便。
[0078]以上根据实施例对本发明进行了说明，但本发明并不限定于此。例如，能够进行各种变更、改进、组合等，这是本领域技术人员已知的。
[0079]符号说明
[0080]1-行走体(基体),2_回转机构,3-上部回转体,4-动臂,5-斗杆,6-纟产斗,7-动臂缸，8-斗杆缸，9-铲斗缸，10-驾驶室，11-回转中心，12-摆动中心，15-附属装置，16-回转角传感器，17-倾角传感器，18-监视区域，20-作业者，21-自卸车，25-进入物检测装置(摄像机)，26-发送器(标记发光器)，28-警报发出装置。
【权利要求】
1.一种回转作业机械，其具有: 附属装置，安装成能够相对于基体进行回转； 回转机构，使所述附属装置回转； 控制装置，控制所述回转机构 '及 进入物检测装置，检测向作业区域内进入的进入物的位置， 所述控制装置根据与所述附属装置的当前的角速度及所述附属装置的当前的惯性力矩中的至少一个有关的第I物理量、及由所述进入物检测装置检测出的进入物的位置，控制所述附属装置的回转动作。
2.根据权利要求1所述的回转作业机械，其中， 所述控制装置根据所述第I物理量、及由所述进入物检测装置检测出的进入物的位置，判定接触可能性是否高，当判定为接触可能性高时，进行第I控制；当判定为接触可能性低时，进行与所述第I控制不同的第2控制。
3.根据权利要求1或2所述的回转作业机械，其中， 所述控制装置存储监视角度的上限值与所述第I物理量之间的关系， 所述控制装置将作为以所述附属装置的回转中心为基点的所述附属装置的当前方位和由所述进入物检测装置检测出的进入物的方位所呈的角度的角度间隔、与所述监视角度的上限值进行比较，当所述角度间隔小于所述监视角度的上限值时，停止所述附属装置的回转。·
4.根据权利要求3所述的回转作业机械，其中， 所述控制装置以使所述监视角度的上限值随着所述附属装置的当前的角速度的加快而变大的方式，决定所述监视角度的上限值。
5.根据权利要求3或4所述的回转作业机械，其中， 所述回转作业机械还具有测定与所述附属装置的前端的高度有关的第2物理量的传感器， 所述进入物检测装置识别并检测所检测的进入物为自卸车还是其他进入物， 由所述进入物检测装置检测出的进入物仅为自卸车，且所述附属装置的前端的高度高于检测出的自卸车的高度时，即使所述角度间隔在所述监视角度的上限值以下，所述控制装置仍允许所述附属装置的回转。
6.一种回转作业机械的控制方法，其具有以下工序: 检测向具有能够回转的附属装置的回转作业机械的作业范围内进入的进入物的位置的工序；及 根据与所述附属装置的当前的角速度及所述附属装置的当前的惯性力矩中的至少一个有关的第I物理量、及所述进入物的位置，控制所述附属装置的回转动作的工序。
7.根据权利要求6所述的回转作业机械的控制方法，其中， 在检测所述进入物的位置的工序中，求出以回转中心为基点的所述附属装置的当前的方位和检测出的进入物的方位所呈的角度作为角度间隔， 控制所述附属装置的回转动作的工序包括以下工序: 根据所述第I物理量，决定监视角度的上限值的工序； 将所述角度间隔与所述监视角度的上限值进行比较的工序；及根据所述角度间隔与所述监视角度的上限值的比较结果，控制所述附属装置的回转动作的工序。
8.根据权利要求7所述的回转作业机械的控制方法，其中， 在决定所述监视角度的上限值的工序中，以使所述监视角度的上限值随着所述附属装置的当前的角速度的加快而变大的方式，决定所述监视角度的上限值。
9.根据权利要求7或8所述的回转作业机械的控制方法，其中， 控制所述附属装置的回转动作的工序中，所述角度间隔在所述监视角度的上限值以下时，停止所述附属装置的回转动作。
10.根据权利要求9所述的回转作业机械的控制方法，其中， 控制所述附属装置的回转动作的工序还包括以下工序: 判定向所述作业范围内进入的进入物是否仅为自卸车的工序； 检测所述附属装置的前端的高度的工序；及 当所述附属装 置的前端的高度高于检测出的自卸车的高度，且所述进入物仅为自卸车时，即使所述角度间隔在所述监视角度的上限值以下，仍允许所述附属装置的回转动作的工序。
【文档编号】E02F9/24GK103857851SQ201180074054
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2011年10月19日 优先权日:2011年10月19日
【发明者】吴春男, 李世鹏 申请人:住友重机械工业株式会社