挖土机以及挖土机用的控制装置和挖土机的控制方法

摘要

本发明的一实施方式所涉及的挖土机具有：下部行走体(1)；上部回转体(3)，回转自如地搭载于下部行走体(1)；附件(15)，安装于上部回转体(3)且包括动臂(4)、斗杆(5)及铲斗(6)；端接附件位置检测部(S1、S2、S3、16)，检测铲斗(6)的位置；对象物检测装置(25)，检测自卸车(60)的位置；及控制器(30)，基于由端接附件位置检测部(S1、S2、S3、16)检测出的铲斗(6)的位置与由对象物检测装置(25)检测出的自卸车(60)的位置的相对位置关系来控制附件(15)及上部回转体(3)中的至少一方的动作。

说明书

本申请是申请号为201680076796.6、申请日为2016年12月27日、发明名称为“挖土机”的申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种挖土机。

背景技术

以往，操作挖土机等施工机械的操作员例如在进行挖掘/装载工作时进行将挖掘的挖掘土装载于自卸车上的挖掘/装载操作。在挖掘/装载操作中，操作员在动臂抬起回转时必须避免附件(铲斗)与自卸车等对象物的接触。

鉴于上述点，已知有如下挖土机：当检测出存在于工作区域内的对象物的位置并判定为附件与对象物接触的可能性高时，停止回转动作(例如，专利文献1)。

以往技术文献

专利文献

专利文献1：国际公开第2013/57758号

发明内容

发明要解决的技术课题

专利文献1的挖土机每当判定为接触的可能性高时停止回转动作。因此，操作员不得不每次都从最初开始重新进行挖掘/装载操作。因此，工作效率差，导致工作时间延长。

并且，在挖掘/装载操作中，若为了避免铲斗与自卸车的接触而过度抬起铲斗，则还存在排土时的挖掘土的分散范围变大的问题。

鉴于上述问题，期望提供一种能够提高作业效率的挖土机以及挖土机用的系统。

用于解决技术课题的手段

本发明的一实施方式所涉及的挖土机具有：下部行走体；上部回转体，回转自如地搭载于所述下部行走体；附件，安装于所述上部回转体；端接附件位置检测部，检测端接附件的位置；对象物检测装置，检测对象物的位置；及控制部，基于所述端接附件的挖掘完成位置与所述对象物的位置的相对位置关系来控制所述附件及所述上部回转体中的至少一方的动作。

发明效果

通过上述方案，可提供一种能够提高作业效率的挖土机以及挖土机用的系统。

附图说明

图1是挖土机的侧视图。

图2是表示搭载于挖土机的液压系统的结构例的示意图。

图3是表示挖土机与自卸车的高度方向及横向的位置关系的示意图。

图4是说明实施方式所涉及的挖土机的结构的框图。

图5是说明计算铲斗的位置的概念的附件的模式图。

图6是说明移动轨迹线的模式图。

图7是说明另一实施方式所涉及的挖土机的结构的框图。

图8是说明规定高度的模式图。

具体实施方式

图1是表示本发明的实施方式所涉及的液压挖土机的侧视图。

在液压挖土机中，在履带式下部行走体1上经由回转机构2回转自如地搭载有上部回转体3。

上部回转体3上安装有动臂4。在动臂4的顶端安装有斗杆5，在斗杆5的顶端安装有作为端接附件的铲斗6。由动臂4、斗杆5及铲斗6构成附件15。并且，动臂4、斗杆5、铲斗6通过动臂缸7、斗杆缸8、铲斗缸9分别被液压驱动。上部回转体3上设置有驾驶舱10，且搭载有引擎等动力源。在图1中示出了作为端接附件的铲斗6，铲斗6也可以由起重磁铁、破碎器、货叉等替换。

动臂4被支承为相对于上部回转体3能够上下旋转，在旋转支承部(关节)安装有作为端接附件位置检测部的动臂角度传感器S1。动臂角度传感器S1能够检测动臂4的旋转角度即动臂角度θ1(从动臂4最下降的状态上升的角度)。动臂4最上升的状态成为动臂角度θ1的最大值。

斗杆5被支承为相对于动臂4能够旋转，在旋转支承部(关节)安装有作为端接附件位置检测部的斗杆角度传感器S2。斗杆角度传感器S2能够检测斗杆5的旋转角度即斗杆角度θ2(从斗杆5最闭合的状态打开的角度)。斗杆5最打开的状态成为斗杆角度θ2的最大值。

铲斗6被支承相对于斗杆5能够旋转，在旋转支承部(关节)安装有作为端接附件位置检测部的铲斗角度传感器S3。铲斗角度传感器S3能够检测铲斗6的旋转角度即铲斗角度θ3(从铲斗6最闭合的状态打开的角度)。铲斗6最打开的状态成为铲斗角度θ3的最大值。

在图1的实施方式中，作为端接附件位置检测部的动臂角度传感器S1、斗杆角度传感器S2及铲斗角度传感器S3分别由加速度传感器与陀螺仪传感器的组合构成。但是，也可以仅由加速度传感器构成。并且，动臂角度传感器S1、斗杆角度传感器S2、铲斗角度传感器S3可以为安装于动臂缸7、斗杆缸8、铲斗缸9的冲程传感器，也可以为旋转编码器、电位计等。

上部回转体3上设置有对象物检测装置25。对象物检测装置25检测挖土机与对象物的距离和对象物的高度。对象物检测装置25例如可以为摄像机，也可以为毫米波雷达。并且，也可以为摄像机与毫米波雷达的组合。对象物检测装置25配置成能够进行挖土机的前方180度或周围360度内的对象物的检测。对象物检测装置25的数量并没有特别限定。在本实施方式中，对象物为自卸车，但也可以为墙壁、栅栏等障碍物。

上部回转体3上具备检测上部回转体3从基准方位的回转角度的作为端接附件位置检测部的回转角传感器16。基准方位由操作员设定。回转角传感器16能够计算从基准方位的相对角度。回转角传感器16可以为陀螺仪传感器。

图2是表示搭载于本实施方式所涉及的液压挖土机的液压系统的结构例的示意图，分别以双重线、实线、虚线及点线来表示机械动力系统、液压管路、先导管路及电力驱动/控制系统。

液压系统使工作油从被引擎11驱动的作为液压泵的主泵12L、12R经过中间旁通管路40L、40R循环至工作油罐。

中间旁通管路40L为使配置于控制阀内的流量控制阀151、153、155及157连通的液压管路，中间旁通管路40R为使配置于控制阀内的流量控制阀150、152、154、156及158连通的液压管路。

流量控制阀153、154为为了向动臂缸7供给主泵12L、12R所吐出的工作油且向工作油罐排出动臂缸7内的工作油而切换工作油的流动的滑阀。

流量控制阀155、156为为了向斗杆缸8供给主泵12L、12R所吐出的工作油且向工作油罐排出斗杆缸8内的工作油而切换工作油的流动的滑阀。

流量控制阀157为为了使主泵12L所吐出的工作油在回转用液压马达21中循环而切换工作油的流动的滑阀。

流量控制阀158为为了向铲斗缸9供给主泵12R所吐出的工作油且向工作油罐排出铲斗缸9内的工作油而切换工作油的流动的滑阀。

调节器13L、13R通过根据主泵12L、12R的吐出压调节主泵12L、12R的斜板偏转角(例如，通过全马力控制)来控制主泵12L、12R的吐出量。

动臂操作杆16A为用于操作动臂4的抬起放下的操作装置，利用先导泵14所吐出的工作油将与杆操作量相应的控制压导入动臂流量控制阀154的左右先导端口中的某一先导端口。由此，可控制动臂流量控制阀154内的阀芯的冲程，并可控制向动臂缸7供给的流量。

压力传感器17A以压力的形式检测操作员对动臂操作杆16A的操作内容，并对作为控制部的控制器30输出检测出的值。操作内容例如为杆操作方向及杆操作量(杆操作角度)。

回转操作杆19A为驱动回转用液压马达21而使回转机构2动作的操作装置，利用先导泵14所吐出的工作油将与杆操作量相应的控制压导入回转流量控制阀157的左右先导端口中的某一先导端口。由此，可控制回转流量控制阀157内的阀芯的冲程，并可控制向回转用液压马达21供给的流量。

压力传感器20A以压力的形式检测操作员对回转操作杆19A的操作内容，并对作为控制部的控制器30输出检测出的值。

左右行走杆(或踏板)、斗杆操作杆、铲斗操作杆(均未图示)分别为用于操作下部行走体1的行走、斗杆5的开闭、铲斗6的开闭的操作装置。与动臂操作杆16A同样地，这些操作装置利用先导泵14所吐出的工作油将与杆操作量(或踏板操作量)相应的控制压导入与液压驱动器的各自相对应的流量控制阀的左右先导端口中的某一先导端口。并且，与压力传感器17A同样地，通过相对应的压力传感器以压力的形式检测操作员对这些操作装置各自的操作内容，并对控制器30输出检测值。

控制器30接收动臂角度传感器S1、斗杆角度传感器S2、铲斗角度传感器S3、压力传感器17A、20A、动臂缸压传感器18a、吐出压传感器18b、负控压传感器(未图示)等其他传感器的输出，并对引擎11、调节器13R、13L等适当地输出控制信号。

控制器30向减压阀50L输出控制信号并调整向回转流量控制阀157的控制压来控制上部回转体3的回转动作。并且，控制器30向减压阀50R输出控制信号并调整向动臂流量控制阀154的控制压来控制动臂4的动臂抬起动作。

如此，控制器30通过减压阀50L、50R并基于铲斗6与自卸车的相对位置关系来调整与动臂流量控制阀154和回转流量控制阀157有关的控制压。这是为了适当地支援基于杆操作的动臂抬起回转动作。减压阀50L、50R可以为电磁比例阀。

在此，参考图3对附件15与自卸车60的高度方向及横向的位置关系进行说明。

动臂4以与y轴平行的摆动中心J为中心上下摆动。在动臂4的顶端安装有斗杆5，在斗杆5的顶端安装有铲斗6。在动臂4的基部P1、动臂4与斗杆5的连接部P2及斗杆5与铲斗6的连接部P3分别安装有动臂角度传感器S1、斗杆角度传感器S2、铲斗角度传感器S3。动臂角度传感器S1测定动臂4的长边方向与基准水平面(xy面)之间的角度β1。斗杆角度传感器S2测定动臂4的长边方向与斗杆5的长边方向之间的角度δ1。铲斗角度传感器S3测定斗杆5的长边方向与铲斗6的长边方向之间的角度δ2。在此，动臂4的长边方向是指在与摆动中心J垂直的面内(zx面内)通过摆动中心J和连接部P2的直线的方向。斗杆5的长边方向是指在zx面内通过连接部P2和连接部P3的直线的方向。铲斗6的长边方向是指在zx面内通过连接部P3和铲斗6的顶端P4的直线的方向。摆动中心J配置于偏离回转中心K(z轴)的位置。摆动中心J也可以配置成回转中心K与摆动中心J交叉。

挖土机上安装有对象物检测装置25。对象物检测装置25测定挖土机与自卸车60的距离Ld和自卸车60的高度Hd。

图4中示出本实施方式的挖土机的功能框图。对象物检测装置25的检测结果(图像数据等)、回转角传感器16的测定结果、以及动臂角度传感器S1、斗杆角度传感器S2及铲斗角度传感器S3的测定结果输入至作为控制部的控制器30。

控制器30包括对象物种类识别部30A、对象物位置运算部30B、角速度运算部30C、铲斗高度运算部30D、附件长度运算部30E、端接附件状态运算部30F及轨迹生成控制部30G。这些各部的功能由计算机程序来实现。

对象物种类识别部30A通过分析从对象物检测装置25输入的例如图像数据来确定对象物的种类。

对象物位置运算部30B通过分析从对象物检测装置25输入的例如图像数据及毫米波数据等来计算对象物的位置。具体而言，计算图3所示的自卸车60的坐标(Ld，Hd)。

角速度运算部30C基于从回转角传感器16输入的回转角的变动来计算绕回转轴的附件15的角速度ω。

铲斗高度运算部30D基于从动臂角度传感器S1、斗杆角度传感器S2、铲斗角度传感器S3输入的检测结果来计算铲斗6的顶端的高度Hb。附件长度运算部30E基于从动臂角度传感器S1、斗杆角度传感器S2、铲斗角度传感器S3输入的检测结果来计算附件长度R。

参考图5对铲斗高度Hb及附件长度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。角度β1通过动臂角度传感器S1进行测定。角度δ1、角度δ2通过斗杆角度传感器S2、铲斗角度传感器S3进行测定。预先求出从xy面至摆动中心J为止的高度H0。并且，还预先求出从回转中心K(z轴)至摆动中心J为止的距离L0。

由角度β1及角度δ1计算xy面与斗杆5的长边方向之间的角度β2。由角度β1、角度δ1及角度δ2计算xy面与铲斗6的长边方向之间的角度β3。利用以下式计算铲斗高度Hb及附件长度R。

Hb＝H0+L1·sinβ1+L2·sinβ2+L3·sinβ3

R＝L0+L1·cosβ1+L2·cosβ2+L3·cosβ3

如上所述，基于由动臂角度传感器S1、斗杆角度传感器S2、铲斗角度传感器S3测定出的检测值计算附件长度R及铲斗高度Hb。铲斗高度Hb相当于将xy面设为高度的基准时的附件15的顶端的高度。

端接附件状态运算部30F基于由角速度运算部30C求出的附件15的角速度ω、由铲斗高度运算部30D求出的铲斗高度Hb及由附件长度运算部30E求出的附件长度R来运算铲斗6的状态。铲斗6的状态包括铲斗6的位置、速度、加速度、姿势。

轨迹生成控制部30G基于通过端接附件状态运算部30F运算出的与铲斗6的状态有关的信息和通过对象物位置运算部30B运算出的自卸车60的位置信息及高度信息来生成作为挖掘/装载操作时成为铲斗6的移动目标的目标线的移动轨迹线。移动轨迹线例如为铲斗6的顶端所追寻的轨迹。移动轨迹线也可以使用存储于轨迹生成控制部30G的运算表来生成。挖掘/装载操作为使铲斗6从挖掘完成位置向自卸车60的上方位置移动的操作，在该例子中为动臂抬起回转操作。

轨迹生成控制部30G向减压阀50L、50R输出控制信号，并以使铲斗6沿移动轨迹线的方式控制动臂4和上部回转体3的动作。此时，还可以适当控制斗杆5及铲斗6中的至少一方的动作。

当铲斗6进行不沿移动轨迹线的动作时，轨迹生成控制部30G向警报发出装置28输出控制信号使其发出警报。利用来自端接附件状态运算部30F的信息能够掌握铲斗6是否沿移动轨迹线移动。

接着，基于图6对轨迹生成控制部30G所生成的移动轨迹进行说明。

装有挖掘土的铲斗6在挖掘/装载操作中能够主要追寻2种图案的移动轨迹。

图案1为追寻移动轨迹线K1的移动轨迹。即，铲斗6从挖掘完成位置(A)经过铲斗位置(B)直至铲斗位置(C)为止，通过动臂4沿大致垂直方向被抬起。此时的铲斗位置(C)的高度高于自卸车60的高度。并且，铲斗6通过上部回转体3的回转而向装载位置(D)移动。此时，还适当进行斗杆5的开闭操作。在图案1中，铲斗6与自卸车60接触的风险少，但移动高度和移动距离中多余部分较多，燃料消耗率差。

图案2为追寻移动轨迹线K2的移动轨迹。移动轨迹线K2为使铲斗6以最短距离移动至装载位置(D)的轨迹线。具体而言，铲斗6从挖掘完成位置(A)通过动臂抬起回转经过铲斗位置(B)到达装载位置(D)。

在图6的例子中，挖掘完成位置(A)位于低于铲斗位置(B)的位置，即低于自卸车60所在的平面的位置。但是，挖掘完成位置(A)也可以为高于自卸车60所在的平面的位置。

以往，操作员欲使铲斗6沿着移动轨迹线K2移动时，铲斗6与自卸车60接触的可能性比较高，因此要求高操作性。因此，附件操作(动臂抬起、斗杆开闭等)、回转操作等变慢，装载工作的效率差。

轨迹生成控制部30G基于铲斗6的位置(姿势)与自卸车60的位置(距离Ld，高度Hd)的相对位置关系来生成移动轨迹线K2，并沿着移动轨迹线K2控制动臂4及上部回转体3。此时，也可以以斗杆5的动作适当变慢的方式控制斗杆5。并且，动臂操作杆16A及回转操作杆19A各自的杆操作量也可以为恒定。因此，操作员即使在将杆操作量保持为恒定的状态下也能够使铲斗6从挖掘完成位置(A)直至装载位置(D)为止以最短距离且无需进行不必要的减速而移动。

具体而言，轨迹生成控制部30G以使铲斗6的顶端沿移动轨迹线K2的方式控制动臂4及上部回转体3中的至少一方。例如，轨迹生成控制部30G根据动臂4的上升速度来半自动控制上部回转体3的回转速度。典型地，动臂4的上升速度越大，越加大上部回转体3的回转速度。在该情况下，动臂4以与基于操作员的手动操作的动臂操作杆16A的杆操作量相应的速度上升，但上部回转体3能够以不同于与基于手动操作的回转操作杆19A的杆操作量相应的速度的速度回转。

或者，轨迹生成控制部30G也可以根据上部回转体3的回转速度来半自动控制动臂4的上升速度。例如，上部回转体3的回转速度越大，越加大动臂4的上升速度。在该情况下，上部回转体3以与基于手动操作的回转操作杆19A的杆操作量相应的速度回转，但动臂4能够以不同于与基于手动操作的动臂操作杆16A的杆操作量相应的速度的速度上升。

或者，轨迹生成控制部30G也可以半自动控制上部回转体3的回转速度及动臂4的上升速度双方。在该情况下，上部回转体3能够以不同于与基于手动操作的回转操作杆19A的杆操作量相应的速度的速度回转。同样地，动臂4能够以不同于与基于手动操作的动臂操作杆16A的杆操作量相应的速度的速度上升。

轨迹生成控制部30G也可以生成多个移动轨迹线，并在搭载于驾驶舱10内的显示部显示多个移动轨迹线，让操作员选择适当的移动轨迹线。

并且，轨迹生成控制部30G也可以以若铲斗6进入移动轨迹线K2的最终位置范围K2

接着，对另一实施方式所涉及的挖土机进行说明。另一实施方式具有与上述实施方式相同的技术思想，以下仅对其不同点进行说明。图7是说明另一实施方式所涉及的挖土机的结构的框图。

图7所示的控制器30具有规定高度计算控制部30H来代替轨迹生成控制部30G，这一点与图4所示的控制器30不同。

规定高度计算控制部30H基于通过端接附件状态运算部30F运算出的与铲斗6的状态有关的信息和通过对象物位置运算部30B运算出的自卸车60的位置信息及高度信息来运算作为阈值的规定高度位置。规定高度位置也可以使用存储于规定高度计算控制部30H的运算表来进行运算。若铲斗6达到作为阈值的规定高度，则规定高度计算控制部30H以使动臂4及上部回转体3的移动变慢的方式进行控制。此时，也可以以使斗杆5的动作适当变慢的方式进行控制。并且，动臂操作杆16A及回转操作杆19A各自的杆操作量也可以为恒定。

图8表示规定高度计算控制部30H所计算的规定高度。首先，规定高度计算控制部30H计算规定高度位置H

例如若端接附件状态运算部30F判别出铲斗6位于挖掘完成位置(A)，则规定高度计算控制部30H计算规定高度位置H

若铲斗6从挖掘完成位置(A)移动至铲斗位置(B)而达到规定高度H

因此，作为控制部的控制器30能够提高使铲斗6从铲斗位置(B)向装载位置(D)移动时的操作性，避免自卸车60与铲斗6的接触，使铲斗6以最短距离向自卸车60的上方移动。此时，动臂操作杆16A及回转操作杆19A各自的杆操作量也可以为恒定。

接着，对规定高度计算控制部30H所计算的规定高度位置H

在挖掘/装载动作中，有时挖土机的位置和挖掘位置高于自卸车60的位置。此时，铲斗6存在于挖掘完成位置(E)。在该情况下，操作员使铲斗6从挖掘完成位置(E)移动至装载位置(D)后进行装载操作。

例如若端接附件状态运算部30F判别出铲斗6位于挖掘完成位置(E)，则规定高度计算控制部30H计算规定高度位置H

若铲斗6从挖掘完成位置(E)向下方移动而达到规定高度H

以上，对本发明的优选实施方式进行了详述，但本发明并不限定于上述特定的实施方式。上述实施方式在技术方案所记载的本发明宗旨的范围内能够适用各种变形、变更等。例如，可以进行基于移动轨迹线的控制与基于规定高度的控制的复合控制。

并且，本申请主张基于2015年12月28日申请的日本专利申请2015-257352号的优先权，并将该日本专利申请的所有内容通过参考援用于本申请中。

符号说明

1-下部行走体，2-回转机构，3-上部回转体，4-动臂，5-斗杆，6-铲斗(端接附件)，7-动臂缸，8-斗杆缸，9-铲斗缸，10-驾驶舱，11-引擎，12L、12R-主泵，13L、13R-调节器，14-先导泵，15-附件，16-回转角传感器，16A-动臂操作杆，17A-压力传感器，18a-动臂缸压传感器，18b-吐出压传感器，19A-回转操作杆，20A-压力传感器，20L、20R-行走用液压马达，21-回转用液压马达，25-对象物检测装置，28-警报发出装置，30-控制器(控制部)，30A-对象物种类识别部，30B-对象物位置运算部，30C-角速度运算部，30D-铲斗高度运算部，30E-附件长度运算部，30F-端接附件状态运算部，30G-轨迹生成控制部，30H-规定高度计算控制部，40L、40R-中间旁通管路，50L、50R-减压阀，150～158-流量控制阀，S1-动臂角度传感器，S2-斗杆角度传感器，S3-铲斗角度传感器，K1、K2-移动轨迹线(目标线)，H