イノベーション

Technology Preview

日立建機グループの技術研究・先行開発の取り組みや将来の施工現場を見据えたコンセプトを紹介しています。

最新の取り組み

スマートな製品開発を実現するシミュレーション技術

建設機械は、世界中のさまざまな環境で、大きな負荷が掛かる作業を行っています。日立建機は、建設機械の試作機での実験技術にシミュレーション技術を融合することで、短期間での的確な製品の開発評価を可能にしました。安全性や耐久性などを向上した、より高い性能を持つ製品をお客さまへ迅速に提供していきます。

Simulation Technology to Achieve Smart Product Development

FEMを用いた強度解析

Strength analysis on the frame of the upper structure of a hydraulic excavator (evaluation of standalone component)

日立建機では、長年にわたりFEM(Finite Element Method:有限要素法)を用いた強度解析を製品開発に活用しています。
強度解析技術の進歩は非常に早く、現在では、より緻密でより大規模なシミュレーションが可能となっています。
日立建機では、部品単体での評価だけでなく、複数の部品を組み立てた状態での評価を行い、製品の信頼性の向上を図っています。また、異なる二つの物理現象を、それぞれの相互作用を踏まえて解析する連成解析など、その用途はますます拡大しています。

図. 油圧ショベル上部旋回体のフレームにおける強度解析(部品単体での評価)

Strength analysis on a planetary reduction gear (evaluation of assembled state)

部品を組み立てた状態での解析では、無負荷の状態では存在していた部品と部品の隙間が、負荷を掛けることで生じた変形により無くなり、接触してしまう場合があります。
接触を伴うシミュレーションには、挙動の把握に多数の特別な設定が必要で、解析規模が膨大になります。そのため、HPC(High Performance Computing)技術を取り入れることで、短時間でより高精度な解析を実現し、製品の開発期間の短縮に貢献しています。

図. 遊星歯車減速機の強度解析(組み立て状態での評価)

Digital twin of ultra-large hydraulic excavator

現実の事象を、リアルタイムでサイバー空間上に再現するデジタルツイン技術を用いた解析に注力しています。
この技術は製品開発だけでなく、例えば、お客さまの機械から得た稼働情報を基に、サイバー上で機械の動きや負荷を再現し、機械の適切な保守・メンテナンス時期を提案することにも応用しています。
製品開発時に行う解析技術を、サービス事業にも活用することで、燃費やメンテナンス費用などのライフサイクルコストの低減に貢献しています。

図. 超大型油圧ショベルのデジタルツイン

振動解析技術

Human behavioral analysis via motion capture

さまざまな環境下で、オペレータの作業性を向上させ、快適な乗り心地を追求するため、振動現象の分析・解析技術を構築し、製品を開発しています。
モーションキャプチャと機構解析の導入により、建設機械特有のオペレータへの大変位の運動などに対する分析・解析技術をさらに向上させています。

図. モーションキャプチャによる人体挙動分析

Vibration analysis on the frame of the upper structure of a hydraulic excavator

また近年は、ICT建機をはじめとする建設機械の急速な情報化に伴い、多種多様な電子デバイスが車体に搭載されています。これまで培ってきた防振設計技術を活用することで、それらデバイスの耐震性を確保するとともに、耐久性のさらなる向上を図っています。

図. 上部旋回体のフレームにおける振動モード分析
左:シミュレーション結果 右:実機測定結果

周囲騒音解析技術

Visualization of noise around a vehicle

建設機械が発する騒音レベルには、周囲環境を保持するための規制があります。それに対応するため、建設機械が周囲に放射する音の大きさを解析し、開発前の事前評価を行っています。
また、音を実測する調査方法の1つとして、ビームフォーミング法による音の可視化を採用しています。車体周囲における音圧分布の解析結果と、実際に測定・分析した結果の比較検証から、より正確な評価を実現しています。

図. 車体周囲に生じる騒音の可視化
左:シミュレーション結果、右:ビームフォーミング法による実測結果

熱流体解析技術

Engine room cooling air simulation

建設機械のエンジン室内は、エンジン稼働時に発生する熱で高温となります。そのため、冷却ファンにより、空気を取り込み、熱交換器とエンジン室内の温度を下げる必要があります。日立建機では、熱流体解析によって、熱交換に十分な風量が供給されていることや、エンジン室内の必要な場所に風が流れることを事前評価しています。
また、エンジン停止時には冷却ファンも停止するため、エンジン室内の温度が上昇し、機器類の許容温度を超えることが懸念されます。そのような現象も事前評価し、吸気開口位置や開口面積を変更して改善を図っています。

図. エンジン室内冷却風のシミュレーション

VR技術の活用

Using VR technology to evaluate ease of maintenance

建設機械の組み立てやメンテナンス時の作業性を、VR技術を用いて、開発設計段階で事前検証しています。部品の付け外しやメンテナンスのしやすさなどを、サイバー空間上で実寸大の工具を持ちながら評価することが可能です。今後もVR技術の活用により、お客さまやサービス員のメンテナンス時の疲労を軽減する「人にやさしい機械」をスピーディーに開発、提供していきます。

図. VR技術を用いた整備性の検討

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土工用振動ローラ自律転圧システムの開発

日立建機グループは、施工現場の安全性と生産性の向上を図るためのICT・IoTシステムや、人と協調して作業する自律型建設機械の開発に取り組んでいます。そのひとつとして、土工用振動ローラによる自律転圧システムを開発中です。
道路は、大きく分けて路床、路盤、基層、表層の4つの層から成り立ちます。土工用振動ローラは、土台となる路床の締固めで活用します。また、ダムや空港、宅地造成などの整備でも使用します。強靭なインフラを構築するためには、荷重を十分支持できるだけの強度を備えた土台を形成する必要があり、均一に踏み残しが無いよう機械を何度も往復移動させる必要があります。そのため、自律運転には高い走行精度が要求されます。

土工用振動ローラ プロトタイプ機

自律型建設機械向けシステムプラットフォーム「ZCORE®」を適用したプロトタイプ機で、実用化に向けた実証実験を行っています。プロトタイプ機には運転席がありません。施工ポイントまでの機械の移動は、オペレーターが搭乗せずに無線操作で行い、施工ポイントに到着後、モードを切り替え自律運転を開始します。自律運転中は、設定した経路を自動で走行、転圧し、経路上に障害物があれば自動で停止します。また、機械自身の動作状態や健康状態をLEDパネルでの表示やフラッシュライトの点灯、ブザー音などで周囲に知らせ、機械周囲の作業者と協調して施工を行います。

転圧管理システム

施工する転圧領域の設定と、機械の走行経路、転圧実施回数を管理・表示するシステムです。オペレーターは、無線LANを介して機械と接続したタブレット端末により、リアルタイムで転圧状況を確認できます。衛星測位システムを活用して機械の走行データを記録し、転圧回数を色の違いで表示できるため、踏み残しや転圧が不足している箇所も一目で確認できます。また、転圧記録をクラウドから取り出すことで、過去の作業内容の確認や、作業履歴の帳票を作成することも可能です。

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鉱山現場の自律型オペレーションの実現に向けて

鉱山現場は、機械や機器が24時間365日稼働し、私たちの生活を支える資源を供給しています。
日立建機は、ICTとIoT技術を活用し、超大型油圧ショベルの長距離遠隔操作や自律運転の技術開発とともに、ダンプトラックの自律走行システムの開発を推進することで、世界中のお客さまの⾃律型オペレーションの実現に寄与し、鉱山運営の生産性と安全性の向上をめざしています。

超大型油圧ショベル自律運転に向けた開発

日立建機は、鉱山における超大型油圧ショベルの自律運転に向けたさまざまな技術の開発に取り組んでいます。
まず、さらなるオペレータの労働環境の改善と安全性の向上に貢献する、遠隔操作システムの高度化を進めています。
また、実際の鉱山では、オペレータのきめ細やかな確認と操作により、他の機械・車両との衝突や接触の回避、車体の安定が保たれています。遠隔操作でもそれらを保持するため、運転支援システムの開発を進めていきます。
さらに、掘削や積み込みなどの作業の一部を自動化し、オペレータ1人で複数の超大型油圧ショベルを遠隔操作できるシステムを開発する計画です。
これらの技術を組み合わせ、将来、自律運転機能を有する超大型油圧ショベルをお客さまに提供していきます。

ダンプトラック自律走行システム(Autonomous Haulage System:AHS)

日立建機のAHSを搭載したダンプトラックは、グループ会社のWenco International Mining Systems Ltd.(ウェンコ・インターナショナル・マイニング・システムズ社)の鉱山運行管理システムの指示に従い自律走行することで、効率的な配車が可能です。最大100台規模の車両を管制可能な拡張性を持っており、大規模鉱山における自律型オペレーションにも対応可能です。
近い将来、自律運転する超大型油圧ショベルやダンプトラックが他の機器や機械と情報をやりとりすることで、鉱山現場の自律型オペレーションを実現し、安全性と生産性の向上をめざします。

(写真︓遠隔操作実験中の超大型油圧ショベルと有人ダンプトラック)

arw_r ダンプトラック自律走行システム

開発試験場について(浦幌試験場)

超大型油圧ショベルの遠隔操作などの開発は、日立建機の浦幌試験場(北海道十勝郡浦幌町)で行っています。本試験場は、427haという広大な自社保有地内に位置し、昼夜実験可能な掘削と走行の試験場です。
24時間365日稼働する鉱山機械は、さまざまな環境下で稼働するため、時間や気候など環境を変えた試験を行っています。

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日立建機が思い描く将来の施工現場

施工現場内の「人、機械、現場環境」の情報を共有し、安全性と生産性を向上

日立建機が思い描くのは、「人、機械、現場環境」の情報を相互にやり取りすることで、安全性と生産性の向上を自律的に図ることができる施工現場の姿です。

施工現場内の情報連携

施工現場内の情報を連携させ、現場全体の安全性と生産性の向上を図ります。機械の位置・稼働の状況、作業員の位置・生体情報、作業が進むことによる地形の変化など、施工現場内のリアルタイムな情報を機械やセンシングシステムで収集。それらを蓄積したデータから施工現場内のリスクを分析し、その結果を共有することで安全性を高めます。また、気象予報などの外部情報も参照し、将来のリスクにも備えます。

自律型建設機械向けシステムプラットフォーム「ZCORE®

建設業においては、生産労働人口の減少や熟練技能者の高齢化を背景として、省人化による生産性の向上が課題となっています。その解決策のひとつとして、自律運転する建設機械や、遠隔操作による作業に期待が寄せられています。
これは、施工現場における機械へのニーズが、「人が思うように操縦する機械」から「人が思ったように作業してくれる機械」に変化していることを表しています。日立建機グループは、こうしたニーズの変化や現場の多種多様な要求への対応を目的として、現場でオペレータが作業時に行っている「認識・判断・実行」を、機械システムが行えるようにするためのシステムプラットフォーム「ZCORE®(ズィーコア)」を開発しました。

→ ニュースリリース

 

 

「協調安全」と「協調型建設機械」

「協調安全」とは、施工現場内の「人、機械、現場環境」の情報を共有することで、現場全体の安全性、生産性の向上を図るための概念です。人と機械の位置や状態を「見える化」するだけでなく、その情報に基づいて人に注意を促したり、建設機械の動きを制御することで、サイト全体を安全な方向に導きます。日立建機では、協調安全の実現に向けて、自律稼働する建設機械を「協調型建設機械」と呼び、次世代建設機械のモデルとして構想しています。
(写真は、ZCORE®を適用した協調型建設機械のプロトタイプ機です)

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