特開 2023-126041 制御システム、積込機械、及び制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023126041

(43)【公開日】2023-09-07

(54)【発明の名称】制御システム、積込機械、及び制御方法

(51)【国際特許分類】

   E02F 9/20 20060101AFI20230831BHJP

【ＦＩ】

E02F9/20 M

【審査請求】未請求

【請求項の数】12

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022030481

(22)【出願日】2022-02-28

(71)【出願人】

【識別番号】000001236

【氏名又は名称】株式会社小松製作所

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】大浅 貴央

(72)【発明者】

【氏名】菊地 正蔵

(72)【発明者】

【氏名】工藤 稜太

(72)【発明者】

【氏名】小野寺 由孝

(72)【発明者】

【氏名】小松 健浩

【テーマコード（参考）】

2D003

【Ｆターム（参考）】

2D003AA01

2D003AB04

2D003AC04

2D003BA02

2D003BA04

2D003CA02

2D003DA04

2D003DB02

2D003DB03

2D003DB04

2D003DB08

(57)【要約】

【課題】積込機械による積み込み作業を最適化すること。
【解決手段】バケットを有する作業機を備える積込機械の制御システムは、コントローラを備える。積込機械は前進しながらバケットで地面に置かれた土砂により構成される地山を掘削する。バケットに掘削され保持された地山である掘削物の表面は、前方に向かって上方に傾斜する第１表面と、第１表面の前端部と結ばれ前方に向かって下方に傾斜する第２表面と、を含む。コントローラは、掘削作業中に水平面に対するバケットの角度を示すバケット角を取得し、掘削作業が開始されてからのバケット角に基づいて、水平面に対する第１表面の角度を示す手前側積荷角を所定角度に決定する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

バケットを有する作業機を備える積込機械を制御するための制御システムであって、
コントローラを備え、
前記積込機械は前進しながら前記バケットで地面に置かれた土砂により構成される地山を掘削し、
前記バケットに掘削され保持された前記地山である掘削物の表面は、前方に向かって上方に傾斜する第１表面と、前記第１表面の前端部と結ばれ前方に向かって下方に傾斜する第２表面と、を含み、
前記コントローラは、
掘削作業中に水平面に対する前記バケットの角度を示すバケット角を取得し、
前記掘削作業が開始されてからの前記バケット角に基づいて、水平面に対する前記第１表面の角度を示す手前側積荷角を所定角度に決定する、
制御システム。

【請求項2】

前記バケットは、刃先端部と、前記刃先端部に対向するスピルガード端部と、を含み、
前記コントローラは、
前記バケットで掘削対象を掘削する掘削作業中に前記積込機械の牽引力を算出し、
前記牽引力に基づいて、前記バケットの内側における前記掘削対象の高さを示す積荷高さを算出し、
前記バケット角に基づいて変化する、前記スピルガード端部の高さと前記積荷高さとの差に基づいて、前記手前側積荷角を決定する、
請求項１に記載の制御システム。

【請求項3】

前記所定角度は、前記地面と前記地山の表面とがなす角度を示す地山角を含み、
前記コントローラは、
前記積荷高さが前記スピルガード端部の高さよりも高いか否かを判定し、
前記積荷高さが前記スピルガード端部の高さよりも高いと判定するまで、前記手前側積荷角を前記地山角に決定する、
請求項２に記載の制御システム。

【請求項4】

前記コントローラは、
前記積荷高さが前記スピルガード端部の高さよりも高いと判定した後、前記積荷高さが前記スピルガード端部の高さよりも高いと判定した時点からのバケット角増加量に基づいて、前記手前側積荷角を前記地山角よりも大きい角度に決定する、
請求項３に記載の制御システム。

【請求項5】

前記コントローラは、
前記地山角と前記バケット角増加量との和が前記土砂の安息角よりも小さい場合、前記手前側積荷角を前記地山角と前記バケット角増加量との和に決定する、
請求項４に記載の制御システム。

【請求項6】

前記コントローラは、
前記地山角と前記バケット角増加量との和が前記土砂の安息角よりも大きい場合、前記手前側積荷角を前記安息角に決定する、
請求項４又は請求項５に記載の制御システム。

【請求項7】

前記コントローラは、
前記地山の土圧係数を記憶し、
前記牽引力と前記土圧係数とに基づいて、前記積荷高さを算出する、
請求項２から請求項６のいずれか一項に記載の制御システム。

【請求項8】

前記コントローラは、
前記手前側積荷角と、水平面に対する前記第２表面の角度を示す刃先側積荷角とに基づいて、前記掘削物の重量を算出する、
請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の制御システム。

【請求項9】

前記コントローラは、
前記土砂の安息角を記憶し、
前記刃先側積荷角は、前記安息角を含む、
請求項８に記載の制御システム。

【請求項10】

前記コントローラは、
算出される前記重量が目標重量になるように、前記作業機の姿勢を制御する、
請求項８又は請求項９に記載の制御システム。

【請求項11】

請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載の制御システムを備える、
積込機械。

【請求項12】

バケットを有する作業機を備える積込機械を制御するための制御方法であって、
前記積込機械を前進させながら前記バケットで地面に置かれた土砂により構成される地山を掘削し、
前記バケットに掘削され保持された前記地山である掘削物の表面は、前方に向かって上方に傾斜する第１表面と、前記第１表面の前端部と結ばれ前方に向かって下方に傾斜する第２表面と、を含み、
掘削作業中に水平面に対する前記バケットの角度を示すバケット角を取得し、
前記掘削作業が開始されてからの前記バケット角に基づいて、水平面に対する前記第１表面の角度を示す手前側積荷角を所定角度に決定する、
制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書で開示する技術は、制御システム、積込機械、及び制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

作業機を備える積込機械に係る技術分野において、特許文献１に開示されているような、効率的な掘削動作を実施可能な積込機械が知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１９－２０３３８１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ある特定の作業サイクルによれば、積込機械は、作業機で掘削対象を掘削した後、掘削物を運搬車両に積み込む。掘削物を運搬車両に積み込むとき、積込機械は、運搬車両にとって最適な重量となるように、掘削物の重量を調整して積み込むことが望ましい。

【0005】

本明細書で開示する技術は、積込機械による積込作業を最適化することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本明細書は、積込機械の制御システムを開示する。積込機械は、バケットを有する作業機を備える。制御システムは、コントローラを備える。積込機械は前進しながらバケットで地面に置かれた土砂により構成される地山を掘削する。バケットに掘削され保持された地山である掘削物の表面は、前方に向かって上方に傾斜する第１表面と、第１表面の前端部と結ばれ前方に向かって下方に傾斜する第２表面と、を含む。コントローラは、掘削作業中に水平面に対するバケットの角度を示すバケット角を取得する。コントローラは、掘削作業が開始されてからのバケット角に基づいて、水平面に対する第１表面の角度を示す手前側積荷角を所定角度に決定する。

【発明の効果】

【0007】

本明細書で開示する技術によれば、積込機械による積込作業が最適化される。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１は、実施形態に係る積込機械を示す側面図である。

【図2】図２は、実施形態に係る積込機械を示す構成図である。

【図3】図３は、実施形態に係るバケットを示す斜視図である。

【図4】図４は、実施形態に係るバケットを模式的に示す側面図である。

【図5】図５は、実施形態に係る作業機の動作を説明する図である。

【図6】図６は、実施形態に係る積込機械の動作を説明する図である。

【図7】図７は、実施形態に係る積込機械の制御システムを示す機能ブロック図である。

【図8】図８は、実施形態に係る積込機械の制御装置を示すブロック図である。

【図9】図９は、実施形態に係るバケットに保持された掘削物の状態を説明する図である。

【図10】図１０は、実施形態に係る第１の算出方法に基づいて掘削物の重量を算出する方法を説明する模式図である。

【図11】図１１は、実施形態に係るバケットに保持された掘削物の状態を説明する図である。

【図12】図１２は、実施形態に係る牽引力と土圧との関係を示す図である。

【図13】図１３は、実施形態に係る第２の算出方法に基づいて掘削物の重量を算出する方法を説明する模式図である。

【図14】図１４は、実施形態に係る安息角及び地山角を説明する図である。

【図15】図１５は、実施形態に係る地山角と安息角との関係を示す図である。

【図16】図１６は、実施形態に係る掘削作業中のバケットと掘削物との関係を示す図である。

【図17】図１７は、実施形態に係るバケット角と手前側積荷角との関係を示す図である。

【図18】図１８は、実施形態に係るバケットに保持された掘削物の安息角を説明する図である。

【図19】図１９は、実施形態に係る安息角の算出方法を示すフローチャートである。

【図20】図２０は、実施形態に係る掘削方法を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、本開示に係る実施形態について図面を参照しながら説明するが、本開示は実施形態に限定されない。以下で説明する実施形態の構成要素は、適宜組み合わせることができる。また、一部の構成要素を用いない場合もある。

【0010】

実施形態においては、積込機械１にローカル座標系を設定し、ローカル座標系を参照しながら各部の位置関係について説明する。ローカル座標系において、積込機械１の左右方向（車幅方向）に延伸する第１軸をＸ軸とし、積込機械１の前後方向に延伸する第２軸をＹ軸とし、積込機械１の上下方向に延伸する第３軸をＺ軸とする。Ｘ軸とＹ軸とは直交する。Ｙ軸とＺ軸とは直交する。Ｚ軸とＸ軸とは直交する。＋Ｘ方向は右方向であり、－Ｘ方向は左方向である。＋Ｙ方向は前方向であり、－Ｙ方向は後方向である。＋Ｚ方向は上方向であり、－Ｚ方向は下方向である。

【0011】

［積込機械］
図１は、実施形態に係る積込機械１を示す側面図である。実施形態において、積込機械１は、例えばホイールローダである。以下の説明において、積込機械１を適宜、ホイールローダ１、と称する。

【0012】

図１に示すように、ホイールローダ１は、車体２と、キャブ４と、車輪５と、作業機６とを備える。

【0013】

車体２は、作業機６を支持する。キャブ４は、車体２に支持される。実施形態において、キャブ４は、車体２の上部に配置される。車輪５は、車体２を支持する。車輪５は、前輪５Ｆと、後輪５Ｒとを含む。

【0014】

前輪５Ｆは、回転軸ＣＸｆを中心に回転可能である。後輪５Ｒは、回転軸ＣＸｒを中心に回転可能である。ホイールローダ１が直進状態で走行するとき、前輪５Ｆの回転軸ＣＸｆと後輪５Ｒの回転軸ＣＸｒとが平行になる。実施形態において、Ｘ軸は、前輪５Ｆの回転軸ＣＸｆと平行である。

【0015】

作業機６は、所定の作業を実施する。作業機６は、車体２に支持される。作業機６は、車体２に連結される。作業機６は、ブーム１２と、バケット１３と、ベルクランク１４と、バケットリンク１５と、リフトシリンダ１８と、バケットシリンダ１９とを有する。

【0016】

ブーム１２の基端部は、車体２に回動可能に連結される。ブーム１２は、車体２に対して回動軸ＡＸａを中心に回動する。ブーム１２の中間部にブラケット１６が固定される。

【0017】

バケット１３の基端部は、ブーム１２の先端部に回動可能に連結される。バケット１３は、ブーム１２に対して回動軸ＡＸｂを中心に回動する。バケット１３は、前輪５Ｆよりも前方に配置される。バケット１３の一部にブラケット１７が固定される。

【0018】

ベルクランク１４の中間部は、ブラケット１６に回動可能に連結される。ベルクランク１４は、ブラケット１６に対して回動軸ＡＸｃを中心に回動する。ベルクランク１４の下端部は、バケットリンク１５の基端部に回動可能に連結される。

【0019】

バケットリンク１５の先端部は、ブラケット１７に回動可能に連結される。バケットリンク１５は、ブラケット１７に対して回動軸ＡＸｄを中心に回動する。ベルクランク１４は、バケットリンク１５を介してバケット１３に連結される。

【0020】

リフトシリンダ１８は、ブーム１２を動作させる。リフトシリンダ１８の基端部は、車体２に連結される。リフトシリンダ１８の先端部は、ブーム１２に連結される。ブーム１２は、リフトシリンダ１８に対して回動軸ＡＸｅを中心に回動する。

【0021】

バケットシリンダ１９は、バケット１３を動作させる。バケットシリンダ１９の基端部は、車体２に連結される。バケットシリンダ１９の先端部は、ベルクランク１４の上端部に連結される。ベルクランク１４は、バケットシリンダ１９に対して回動軸ＡＸｆを中心に回動する。

【0022】

図２は、実施形態に係る積込機械１を示す構成図である。積込機械１は、動力源３と、パワーテイクオフ８（ＰＴＯ：Power Take Off）と、動力伝達装置９と、油圧ポンプ２０と、制御弁２１と、コントローラ５０とを備える。

【0023】

動力源３は、ホイールローダ１を動作させるための駆動力を生成する。動力源３は、例えばディーゼルエンジンである。

【0024】

パワーテイクオフ８は、動力源３からの駆動力を動力伝達装置９と油圧ポンプ２０とに分配する。動力源３の駆動力は、パワーテイクオフ８を介して動力伝達装置９及び油圧ポンプ２０のそれぞれに伝達される。

【0025】

動力伝達装置９は、動力源３からの駆動力が入力される入力軸と、入力軸に入力された駆動力を変速して出力する出力軸とを有する。動力伝達装置９の入力軸は、パワーテイクオフ８に接続される。動力伝達装置９の出力軸は、前輪５Ｆ及び後輪５Ｒのそれぞれに接続される。動力源３の駆動力は、動力伝達装置９を介して前輪５Ｆ及び後輪５Ｒのそれぞれに伝達される。動力伝達装置９は、アクスル装置又はデファレンシャル装置を含んでもよい。

【0026】

油圧ポンプ２０は、作動油を吐出する。油圧ポンプ２０は、可変容量型油圧ポンプである。油圧ポンプ２０は、動力源３の駆動力に基づいて駆動する。油圧ポンプ２０から吐出された作動油は、制御弁２１を介してリフトシリンダ１８及びバケットシリンダ１９に供給される。

【0027】

制御弁２１は、リフトシリンダ１８及びバケットシリンダ１９のそれぞれに供給される作動油の流量及び方向を制御する。作業機６は、制御弁２１を介して油圧ポンプ２０から供給される作動油により動作する。

【0028】

コントローラ５０は、ホイールローダ１を制御する。コントローラ５０は、コンピュータシステムを含む。

【0029】

［バケット］
図３は、実施形態に係るバケット１３を示す斜視図である。図４は、実施形態に係るバケット１３を模式的に示す側面図である。バケット１３は、掘削対象を掘削する作業部材である。バケット１３は、掘削物３００を保持する。掘削物３００は、バケット１３に掘削され保持された掘削対象である。

【0030】

バケット１３は、底板部１３１と、背板部１３２と、上板部１３３と、右板部１３４と、左板部１３５とを含む。底板部１３１の先端部は、刃先端部１３Ａである。刃先端部１３Ａに刃先又は刃が取り付けられる。上板部１３３の先端部は、スピルガード端部１３Ｂである。右板部１３４の先端部は、右端部１３Ｃである。左板部１３５の先端部は、左端部１３Ｄである。刃先端部１３Ａは、左右方向に延伸する。スピルガード端部１３Ｂは、左右方向に延伸する。右端部１３Ｃは、上下方向又は前後方向に延伸する。左端部１３Ｄは、上下方向又は前後方向に延伸する。刃先端部１３Ａとスピルガード端部１３Ｂとは、対向する。右端部１３Ｃと左端部１３Ｄとは、対向する。刃先端部１３Ａとスピルガード端部１３Ｂとは、平行である。右端部１３Ｃと左端部１３Ｄとは、平行である。

【0031】

刃先端部１３Ａとスピルガード端部１３Ｂと右端部１３Ｃと左端部１３Ｄとの間に、バケット１３の開口部１３６が規定される。開口部１３６は、刃先端部１３Ａと、スピルガード端部１３Ｂと、右端部１３Ｃと、左端部１３Ｄとにより規定される。

【0032】

実施形態において、上下方向又は前後方向における開口部１３６の寸法、すなわち、ＹＺ平面において刃先端部１３Ａとスピルガード端部１３Ｂとを結ぶ直線の寸法を、バケット長さＬとする。左右方向における開口部１３６の寸法を、バケット幅Ｂとする。ＹＺ平面と平行なバケット１３の断面積を、バケット断面積Ａｂｋとする。ＹＺ平面において底板部１３１の内面と刃先端部１３Ａとスピルガード端部１３Ｂを結ぶ直線とがなす角度を、刃先側開口角θ３とする。ＹＺ平面において底板部１３１の内面に平行な平面と上板部１３３の内面とがなす角度を、上部側開口角θｓｐとする。

【0033】

［作業機の動作］
図５は、実施形態に係る作業機６の動作を説明する図である。実施形態において、作業機６は、掘削作業においてバケット１３の開口部１３６が前方を向くフロントローディング方式の作業機である。

【0034】

ブーム１２の上げ動作とは、ブーム１２の先端部が地面２００から離隔するようにブーム１２が回動軸ＡＸａを中心に回動する動作をいう。リフトシリンダ１８が伸びることによってブーム１２が上げ動作する。

【0035】

ブーム１２の下げ動作とは、ブーム１２の先端部が地面２００に接近するようにブーム１２が回動軸ＡＸａを中心に回動する動作をいう。リフトシリンダ１８が縮むことによってブーム１２が下げ動作する。

【0036】

バケット１３のチルト動作とは、バケット１３の刃先端部１３Ａが地面２００から離隔するようにバケット１３が回動軸ＡＸｂを中心に回動する動作をいう。バケットシリンダ１９が伸びると、ベルクランク１４の上端部が前方に移動し、ベルクランク１４の下端部が後方に移動するように、ベルクランク１４が回動する。ベルクランク１４の下端部が後方に移動すると、バケット１３は、バケットリンク１５により後方に引かれ、チルト動作する。バケット１３がチルト動作することにより、掘削対象がバケット１３によって掬い取られ、バケット１３に掘削物３００が保持される。

【0037】

バケット１３のダンプ動作とは、バケット１３の刃先端部１３Ａが地面２００に接近するようにバケット１３が回動軸ＡＸｂを中心に回動する動作をいう。バケットシリンダ１９が縮むと、ベルクランク１４の上端部が後方に移動し、ベルクランク１４の下端部が前方に移動するように、ベルクランク１４が回動する。ベルクランク１４の下端部が前方に移動すると、バケット１３は、バケットリンク１５により前方に押され、ダンプ動作する。バケット１３がダンプ動作することにより、バケット１３に保持されている掘削物３００がバケット１３から排出される。

【0038】

［積込機械の動作］
図６は、実施形態に係るホイールローダ１の動作を説明する図である。ホイールローダ１は、作業現場において作業対象に対して所定の作業を実施する。作業対象は、掘削対象及び積込対象を含む。所定の作業は、掘削作業及び積込作業を含む。

【0039】

掘削対象は、例えば、地山、岩山、石炭、飼料、又は壁面である。地山は、地面２００に置かれた土砂により構成される山である。岩山は、地面２００に置かれた岩又は石により構成される山である。実施形態において、掘削対象は、地山２１０である。掘削物３００は、バケット１３に掘削され保持された地山２１０である。

【0040】

積込対象は、例えば、運搬車両、作業現場の所定エリア、ホッパ、ベルトコンベヤ、又はクラッシャである。実施形態において、積込対象は、地面２００を走行可能な運搬車両２２０のダンプボディ２３０である。運搬車両２２０は、例えばダンプトラックである。

【0041】

ホイールローダ１は、バケット１３で地山２１０を掘削する掘削作業を実施する。ホイールローダ１は、地山２１０に向かって前進しながらバケット１３で地山２１０を掘削する。ホイールローダ１は、掘削作業によりバケット１３に保持された掘削物３００をダンプボディ２３０に積み込む積込作業を実施する。積込作業は、掘削物３００を排出する排出作業を含む概念である。

【0042】

掘削作業において、ホイールローダ１は、図６の矢印Ｍ１で示すように、バケット１３に掘削物３００が保持されていない状態で地山２１０に向かって前進する。ホイールローダ１は、バケット１３を地山２１０に挿入した状態でチルト動作させることにより掘削作業を実施する。バケット１３のチルト動作により、地山２１０がバケット１３により掘削され、バケット１３に掘削物３００が保持される。

【0043】

次に、ホイールローダ１は、バケット１３に掘削物３００が保持されている状態で、図６の矢印Ｍ２で示すように、地山２１０から離隔するように後進する。

【0044】

次に、積込作業が実施される。積込作業において、ホイールローダ１は、バケット１３に掘削物３００が保持されている状態で、図６の矢印Ｍ３で示すように、運搬車両２２０に向かって旋回しながら前進する。運搬車両２２０に向かって前進している状態において、ホイールローダ１は、バケット１３がダンプボディ２３０の上方に配置されるようにブーム１２の上げ動作を実施する。ブーム１２が上げ動作し、バケット１３がダンプボディ２３０の上方に配置された後、ホイールローダ１は、バケット１３をダンプ動作させることにより積込作業を実施する。バケット１３のダンプ動作により、バケット１３に保持されている掘削物３００がバケット１３から排出され、ダンプボディ２３０に積み込まれる。

【0045】

掘削物３００がダンプボディ２３０に積み込まれた後、ホイールローダ１は、バケット１３に掘削物３００が保持されていない状態で、図６の矢印Ｍ４で示すように、運搬車両２２０から離隔するように旋回しながら後進する。

【0046】

ホイールローダ１は、運搬車両２２０のダンプボディ２３０に掘削物３００が満載されるまで、又は地山２１０の掘削が完了するまで、上述の動作を繰り返す。

【0047】

［制御システム］
図７は、実施形態に係るホイールローダ１の制御システム４０を示す機能ブロック図である。図８は、実施形態に係るホイールローダ１のコントローラ５０を示すブロック図である。

【0048】

ホイールローダ１は、制御システム４０を備える。制御システム４０は、制御弁２１と、操作装置２２と、オペレータ指令装置２３と、傾斜センサ３１と、ブーム角センサ３２と、バケット角センサ３３と、重量センサ３４と、回転数センサ３５と、ポンプ圧センサ３７と、ポンプ容量センサ３８と、コントローラ５０とを有する。

【0049】

操作装置２２は、キャブ４の内部に配置される。操作装置２２は、オペレータにより操作される。操作装置２２は、動力源３、動力伝達装置９、及び作業機６のそれぞれを動作させるための操作信号を生成する。コントローラ５０は、操作装置２２により生成された操作信号に基づいて、動力源３及び動力伝達装置９を制御する。コントローラ５０は、操作装置２２により生成された操作信号に基づいて、制御弁２１を制御する。

【0050】

オペレータ指令装置２３は、キャブ４の内部に配置される。オペレータ指令装置２３は、例えばスイッチボタンを含む。オペレータ指令装置２３は、オペレータにより操作される。オペレータ指令装置２３は、後述する安息角θｒの算出を実施するための指令信号を生成する。コントローラ５０は、オペレータ指令装置２３により生成された操作信号に基づいて、安息角θｒの算出を実施する。

【0051】

傾斜センサ３１は、車体２の傾きを検出する。より詳しくは、傾斜センサ３１は、水平面に対する車体２の傾斜角度を示す車体傾斜角θａを検出する。傾斜センサ３１は、車体２の少なくとも一部に配置される。傾斜センサ３１は、例えば慣性計測装置（ＩＭＵ：Inertial Measurement Unit）である。傾斜センサ３１により検出された車体傾斜角θａの検出データは、コントローラ５０に送信される。

【0052】

ブーム角センサ３２は、ブーム１２の角度を検出する。より詳しくは、ブーム角センサ３２は、ローカル座標系における車体２に対するブーム１２の角度を示すブーム角θｂを検出する。ブーム角センサ３２は、例えば車体２とブーム１２との連結部に配置される角度センサである。実施形態において、ブーム角θｂは、回動軸ＡＸａと回動軸ＡＸｂとを結ぶ線と、回転軸ＣＸｆと回転軸ＣＸｒとを結ぶ線とがなす角度である。ブーム角センサ３２により検出されたブーム角θｂの検出データは、コントローラ５０に送信される。なお、ブーム角センサ３２は、リフトシリンダ１８のストロークを検出するストロークセンサでもよい。

【0053】

バケット角センサ３３は、バケット１３の角度を検出する。より詳しくは、バケット角センサ３３は、ローカル座標系におけるブーム１２に対するベルクランク１４の角度を示すベルクランク角θｃを検出する。バケット角センサ３３は、例えばブーム１２とベルクランク１４との連結部に配置される角度センサである。実施形態において、ベルクランク角θｃは、回動軸ＡＸｃと回動軸ＡＸｆとを結ぶ線と、回動軸ＡＸａと回動軸ＡＸｂとを結ぶ線とがなす角度である。ローカル座標系におけるブーム１２に対するバケット１３の角度とベルクランク角θｃとは、１対１で対応する。ベルクランク角θｃが検出されることにより、ローカル座標系におけるブーム１２に対するバケット１３の角度が検出される。バケット角センサ３３により検出されたベルクランク角θｃの検出データは、コントローラ５０に送信される。なお、バケット角センサ３３は、バケットシリンダ１９のストロークを検出するストロークセンサでもよい。

【0054】

重量センサ３４は、バケット１３に保持された掘削対象である掘削物３００の重量Ｗａを検出する。重量センサ３４は、例えば、リフトシリンダ１８の作動油の圧力を検出する圧力センサ、又はバケットシリンダ１９の作動油の圧力を検出する圧力センサである。掘削物３００がバケット１３に保持されている状態と保持されていない状態とで、作業機６に掛かる負荷が変化する。重量センサ３４は、作業機６に掛かる負荷の変化を検出することによって、バケット１３に保持された掘削物３００の重量Ｗａを検出する。重量センサ３４により検出された掘削物３００の重量Ｗａの検出データは、コントローラ５０に送信される。なお、重量センサ３４は、作業機６の少なくとも一部に配置された荷重計でもよい。重量センサ３４は、掘削物３００の重量Ｗａを直接的に検出してもよい。

【0055】

回転数センサ３５は、動力源３の回転数を検出する。

【0056】

ポンプ圧センサ３７は、油圧ポンプ２０から吐出された作動油の圧力を示す吐出圧を検出する。

【0057】

ポンプ容量センサ３８は、油圧ポンプ２０の斜板角に基づいて油圧ポンプ２０の容量を検出する。

【0058】

コントローラ５０は、コンピュータシステムを含む。コントローラ５０は、ホイールローダ１を制御する制御指令を出力する。

【0059】

図８に示すように、コントローラ５０は、プロセッサ５１と、メインメモリ５２と、ストレージ５３と、インタフェース５４とを有する。プロセッサ５１は、コンピュータプログラムを実行することによって、作業機６の動作を演算処理する。プロセッサ５１として、ＣＰＵ（Central Processing Unit）又はＭＰＵ（Micro Processing Unit）が例示される。メインメモリ５２は、例えば不揮発性メモリ又は揮発性メモリである。不揮発性メモリは、例えばＲＯＭ（Read Only Memory）である。揮発性メモリは、例えばＲＡＭ（Random Access Memory）である。ストレージ５３は、一時的でない有形の記憶媒体である。ストレージ５３は、例えば、磁気ディスク、光磁気ディスク、又は半導体メモリである。ストレージ５３は、コントローラ５０のバスに直接接続された内部メディアでもよいし、インタフェース５４又は通信回線を介してコントローラ５０に接続される外部メディアでもよい。ストレージ５３は、作業機６を制御するためのコンピュータプログラムを記憶する。

【0060】

図７に示すように、コントローラ５０は、特性記憶部６１と、バケットデータ記憶部６２と、検出データ取得部７１と、バケット角算出部７２と、牽引力算出部７３と、重量算出部８１と、手前側積荷角決定部８２と、安息角算出部９１と、作業機制御部１００とを有する。コントローラ５０は、制御弁２１、操作装置２２、オペレータ指令装置２３、傾斜センサ３１、ブーム角センサ３２、バケット角センサ３３、重量センサ３４、回転数センサ３５、ポンプ圧センサ３７、及びポンプ容量センサ３８のそれぞれと通信する。

【0061】

＜特性記憶部＞
特性記憶部６１は、掘削対象の特性データを記憶する。掘削対象の特性データは、地面２００と地山２１０の表面とがなす角度を示す地山角θｇ、地山２１０を構成する土砂の安息角θｒ、地山２１０の密度ρ、及び地山２１０の土圧係数Ｋを含む。また、特性記憶部６１は、地山角θｇと安息角θｒとの関係を示す相関データを記憶する。

【0062】

＜バケットデータ記憶部＞
バケットデータ記憶部６２は、バケット１３の形状又は寸法を示すバケットデータを記憶する。バケットデータは、バケット長さＬ、バケット幅Ｂ、刃先側開口角θ３、上部側開口角θｓｐ、及びバケット断面積Ａｂｋを含む。バケットデータは、諸元データ又は設計データから導出される既知データである。

【0063】

＜検出データ取得部＞
検出データ取得部７１は、傾斜センサ３１、ブーム角センサ３２、バケット角センサ３３、重量センサ３４、回転数センサ３５、ポンプ圧センサ３７、及びポンプ容量センサ３８のそれぞれから検出データを取得する。検出データ取得部７１は、傾斜センサ３１から車体傾斜角θａを取得する。検出データ取得部７１は、ブーム角センサ３２からブーム角θｂを取得する。検出データ取得部７１は、バケット角センサ３３からベルクランク角θｃを取得する。検出データ取得部７１は、重量センサ３４から掘削物３００の重量Ｗａを取得する。検出データ取得部７１は、回転数センサ３５から動力源３の回転数を取得する。検出データ取得部７１は、ポンプ圧センサ３７から油圧ポンプ２０の吐出圧を取得する。検出データ取得部７１は、ポンプ容量センサ３８から油圧ポンプ２０の容量を取得する。

【0064】

＜バケット角算出部＞
バケット角算出部７２は、水平面に対するバケット１３の角度を示すバケット角θｂｋを算出する。

【0065】

バケット角算出部７２は、車体２の角度の検出データと、作業機６の角度の検出データとに基づいて、バケット角θｂｋを算出する。作業機６の角度の検出データは、ブーム角センサ３２により検出されるローカル座標系におけるブーム１２の角度を示すブーム角θｂの検出データと、バケット角センサ３３により検出されるローカル座標系におけるベルクランク１４の角度を示すベルクランク角θｃの検出データとを含む。バケット角算出部７２は、車体傾斜角θａの検出データ、ブーム角θｂの検出データ、及びベルクランク角θｃの検出データに基づいて、バケット角θｂｋを算出することができる。

【0066】

＜牽引力算出部＞
牽引力算出部７３は、検出データ取得部７１が取得した検出データに基づいて、ホイールローダ１の牽引力Ｆを算出する。牽引力算出部７３は、バケット１３で地山２１０を掘削する掘削作業中に、牽引力Ｆを算出する。

【0067】

例えば動力伝達装置９が無段変速機を有する場合、牽引力算出部７３は、以下の手順で牽引力Ｆを算出する。牽引力算出部７３は、回転数センサ３５の検出データを用いて、動力源３の出力トルクを算出する。また、牽引力算出部７３は、ポンプ圧センサ３７の検出データとポンプ容量センサ３８の検出データとに基づいて、油圧ポンプ２０の負荷トルクを算出する。牽引力算出部７３は、出力トルクから負荷トルクを減算することで得られる走行トルクに、動力伝達装置９の減速比及びトルク効率を乗算し、これを車輪の有効径で除算することで、牽引力Ｆを算出する。

【0068】

例えば動力伝達装置９がトルクコンバータを有する場合、牽引力算出部７３は、以下の手順で牽引力Ｆを算出する。牽引力算出部７３は、動力源３の回転数を１０００ｒｐｍで除算したものを二乗した値にトルクコンバータのプライマリトルク係数及びトルク比を乗算することで走行トルクを算出する。プライマリトルク係数及びトルク比は、トルクコンバータの入出力回転比によって定まる特性値である。牽引力算出部７３は、走行トルクに、動力伝達装置９の減速比及びトルク効率を乗算し、これを車輪５の有効径で除算することで、牽引力Ｆを算出する。

【0069】

＜重量算出部＞
重量算出部８１は、バケット１３に保持された掘削対象である掘削物３００の重量Ｗａを算出する。重量算出部８１は、バケット１３の内側が掘削物３００で満たされている場合、第１の算出方法に基づいて重量Ｗａを算出する。重量算出部８１は、バケット１３の内側の一部が掘削物３００で満たされ、バケット１３の内側の一部に空隙部３４０が形成されている場合、第２の算出方法に基づいて重量Ｗａを算出する。

【0070】

図９は、実施形態に係るバケット１３に保持された掘削物３００の状態を説明する図である。図９は、バケット１３の内側が掘削物３００で満たされ、掘削物３００の一部が開口部１３６よりもバケット１３の外側に配置されている状態を示す。以下の説明において、開口部１３６よりもバケット１３の外側に配置される掘削物３００を適宜、掘削物３００の露出部３３０、と称する。

【0071】

掘削物３００の表面は、第１表面３１０と第２表面３２０とを含む。第２表面３２０は、第１表面３１０よりも前方に配置される。第１表面３１０は、前方に向かって上方に傾斜する。第２表面３２０は、前方に向かって下方に傾斜する。第１表面３１０の後端部は、スピルガード端部１３Ｂと結ばれる。第２表面３２０の前端部は、刃先端部１３Ａと結ばれる。第２表面３２０の後端部は、第１表面３１０の前端部と結ばれる。回動軸ＡＸｂと直交する断面において、第１表面３１０と、第２表面３２０と、右端部１３Ｃ（左端部１３Ｄ）とにより、実質的に三角形が形成される。

【0072】

実施形態において、水平面に対する第１表面３１０の角度を適宜、手前側積荷角θ１、と称し、水平面に対する第２表面３２０の角度を適宜、刃先側積荷角θ２、と称する。

【0073】

手前側積荷角θ１は、掘削時のバケット角θｂｋに基づいて変化する。バケット角θｂｋが大きくなると、手前側積荷角θ１が大きくなる。バケット角θｂｋが小さくなると、手前側積荷角θ１が小さくなる。

【0074】

刃先側積荷角θ２は、掘削物３００の安息角θｒ（停止安息角）を示す。掘削時のバケット角θｂｋが変化しても、刃先側積荷角θ２は、掘削後のバケット１３の抜去時に形成されるため、実質的に変化しない。刃先側積荷角θ２は、掘削物３００（地山２１０）の性状に基づいて一義的に定められる。掘削物３００の性状が一定である場合、掘削時のバケット角θｂｋが変化しても、刃先側積荷角θ２は、実質的に変化しない。

【0075】

掘削物３００の状態が図９に示す状態の場合、重量算出部８１は、第１の算出方法に基づいて、掘削物３００の重量Ｗａを算出する。重量算出部８１は、手前側積荷角θ１と、刃先側積荷角θ２と、バケット角θｂｋと、掘削物３００の密度ρと、バケットデータとに基づいて、バケット１３に保持された掘削物３００の重量Ｗａを算出する。

【0076】

図１０は、実施形態に係る第１の算出方法に基づいて掘削物３００の重量Ｗａを算出する方法を説明する模式図である。

【0077】

図１０に示すように、回動軸ＡＸｂと直交する露出部３３０の断面積を示す露出部断面積Ａ１は、以下の（１）式に基づいて算出される。

【0078】

【数1】

【0079】

回動軸ＡＸｂと直交するバケット１３の断面積を示すバケット断面積Ａｂｋは、バケットデータ記憶部６２に記憶されている。回動軸ＡＸｂと直交する掘削物３００の断面積を示す積荷断面積Ａａは、以下の（２）式に基づいて算出される。

【0080】

【数2】

【0081】

掘削物３００の体積Ｖａは、以下の（３）式に基づいて算出される。

【0082】

【数3】

【0083】

掘削物３００の密度ρは、特性記憶部６１に記憶されている。図９に示す状態の掘削物３００の重量Ｗａは、以下の（４）式に基づいて算出される。

【0084】

【数4】

【0085】

図１１は、実施形態に係るバケット１３に保持された掘削物３００の状態を説明する図である。図１１は、バケット１３の内側の一部が掘削物３００で満たされ、バケット１３の内側の一部に空隙部３４０が形成されている状態を示す。

【0086】

掘削物３００の状態が図１１に示す状態の場合、重量算出部８１は、第２の算出方法に基づいて、掘削物３００の重量Ｗａを算出する。重量算出部８１は、牽引力Ｆと、バケット角θｂｋと、掘削物３００の密度ρと、バケットデータとに基づいて、バケット１３に保持された掘削物３００の重量Ｗａを算出する。

【0087】

図１２は、実施形態に係る牽引力Ｆと土圧Ｐとの関係を示す図である。地山２１０に対するバケット１３の挿入量は、牽引力Ｆに基づいて決定される。また、バケット１３は、地山２１０からの掘削抵抗を示す土圧Ｐを受ける。掘削作業中のバケット１３の内側における刃先端部１３Ａを基点とする掘削対象の高さを積荷高さＨとした場合、土圧Ｐと積荷高さＨとの間には、クーロンの土圧式と呼ばれる以下の（５）式の関係が成立する。（５）式において、Ｋは土圧係数である。

【0088】

【数5】

【0089】

バケット１３を地山２１０に挿入したときにホイールローダ１が前進できずに停止する状態は、牽引力Ｆと土圧Ｐとが釣り合う状態である。牽引力Ｆと土圧Ｐとが釣り合う場合、以下の（６）式が成立する。

【0090】

【数6】

【0091】

重量算出部８１は、牽引力Ｆに基づいて、積荷高さＨを算出する。以下の（７）式に示すように、積荷高さＨは、牽引力Ｆと密度ρと土圧係数Ｋとに基づいて算出される。

【0092】

【数7】

【0093】

牽引力Ｆは、牽引力算出部７３により算出される。密度ρ及び土圧係数Ｋは、特性記憶部６１に記憶されている。したがって、重量算出部８１は、牽引力Ｆと密度ρと土圧係数Ｋとに基づいて、積荷高さＨを算出することができる。

【0094】

以下の説明において、バケット１３の内面と掘削物３００の上端部との境界を積荷接点１３Ｅとし、水平方向（前後方向）における積荷接点１３Ｅと刃先端部１３Ａとの距離を積荷深さｘとする。積荷深さｘは、積荷高さＨとバケット角θｂｋとバケットデータとに基づいて算出可能である。

【0095】

重量算出部８１は、牽引力Ｆ及び土圧係数Ｋに基づいて算出される積荷高さＨと、バケット角θｂｋと、バケットデータとに基づいて、掘削物３００の重量Ｗａを算出する。

【0096】

図１３は、実施形態に係る第２の算出方法に基づいて掘削物３００の重量Ｗａを算出する方法を説明する模式図である。

【0097】

図１３に示すように、空隙部断面積Ａ２と積荷形状部断面積Ａ３とが規定される。積荷接点１３Ｅと刃先端部１３Ａとを結びＹＺ平面に直交する第１平面と、開口部１３６により規定される第２平面との間を空隙空間とした場合、空隙部断面積Ａ２は、回動軸ＡＸｂと直交する空隙空間の断面積を示す。第１平面と第２平面との間に存在する掘削物３００を積荷形状空間とした場合、積荷形状部断面積Ａ３は、回動軸ＡＸｂと直交する積荷形状空間の断面積を示す。

【0098】

空隙部断面積Ａ２は、以下の（８）式に基づいて算出される。（８）式に示すように、重量算出部８１は、積荷高さＨと、バケット角θｂｋと、バケットデータとに基づいて、空隙部断面積Ａ２を算出する。

【0099】

【数8】

【0100】

積荷形状部断面積Ａ３は、以下の（９）式に基づいて算出される。（９）式に示すように、重量算出部８１は、積荷高さＨと、手前側積荷角θ１と、刃先側積荷角θ２とに基づいて、積荷形状部断面積Ａ３を算出する。

【0101】

【数9】

【0102】

積荷断面積Ａａは、以下の（１０）式に基づいて算出される。

【0103】

【数10】

【0104】

積荷断面積Ａａが算出されることにより、重量算出部８１は、（３）式及び（４）式に基づいて、重量Ｗａを算出することができる。

【0105】

＜手前側積荷角決定部＞
手前側積荷角決定部８２は、掘削作業が開始されてからのバケット角θｂｋの増加量を示すバケット角増加量Δθｂｋに基づいて、手前側積荷角θ１を所定角度に決定する。所定角度は、地山角θｇ、地山角θｇとバケット角増加量Δθｂｋとの和、及び安息角θｒの少なくとも一つを含む。

【0106】

図１４は、実施形態に係る安息角θｒ及び地山角θｇを説明する図である。

【0107】

安息角θｒは、土砂を積み上げたときに崩れること無く土砂の形状の安定が保たれているときの水平面に対する土砂の斜面の角度である。安息角θｒは、土砂の性状に基づいて一義的に定められる物性値である。地山２１０に挿入されたバケット１３を地山２１０から抜去した場合、刃先側積荷角θ２は、安息角θｒに等しくなる。

【0108】

地山角θｇは、地面２００と地面２００に置かれた土砂により構成される地山２１０の表面とがなす角度である。地山角θｇは、概ね安息角θｒと等しいものの、地山２１０の形成条件に基づいて変化する場合がある。地山２１０の形成条件は、地山２１０を形成するために地面２００に土砂を落下させるときの落下高さ及び土砂の量を含む。

【0109】

すなわち、安息角θｒは、水平面に土砂を静かに落下させることにより生成された土砂の表面の傾斜角であるのに対し、地山角θｇは、水平面に土砂を落下させたときに土砂が受ける衝撃や地山２１０の体積に基づいて変化する場合がある地山２１０の表面の傾斜角である。

【0110】

図１５は、実施形態に係る地山角θｇと安息角θｒとの関係を示す図である。図１５において、横軸は安息角θｒを示し、縦軸は地山角θｇを示す。例えば安息角θｒが小さい土砂の場合、土砂の安息角θｒとその土砂により構成される地山２１０の地山角θｇとはほぼ等しい。一方、安息角θｒが大きい土砂の場合、土砂の安息角θｒよりもその土砂により構成される地山２１０の地山角θｇが小さくなる可能性が高い。

【0111】

図１５に示すような、地山角θｇと安息角θｒとの関係を示す相関データは、特性記憶部６１に記憶されている。手前側積荷角決定部８２は、例えば安息角θｒと相関データとに基づいて、地山角θｇを算出することができる。

【0112】

なお、地山角θｇが実測され、特性記憶部６１に記憶されてもよい。

【0113】

図１６は、実施形態に係る掘削作業中のバケット１３と掘削物３００との関係を示す図である。

【0114】

図１６に示す時点Ｔ１、Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４は、掘削作業が開始されてからのそれぞれの時点を示す。時点Ｔ１は、掘削作業の開始直後の時点である。時点Ｔ２は、時点Ｔ１よりも後の時点である。時点Ｔ３は、時点Ｔ２よりも後の時点である。時点Ｔ４は、時点Ｔ３よりも後の時点である。

【0115】

図１６に示すように、掘削作業中において、バケット角θｂｋは徐々に増加する。掘削作業の開始時点においては、バケット角θｂｋは、例えば０度である。掘削作業の開始時点は、バケット１３の刃先端部１３Ａが地山２１０に挿入された時点である。ホイールローダ１は、前進しながらバケット１３を地山２１０に挿入してバケット１３で地山２１０を掘削する。ホイールローダ１は、バケット１３を地山２１０に挿入した状態でバケット１３をチルト動作させる。バケット１３がチルト動作することにより、バケット角θｂｋが徐々に増加する。

【0116】

時点Ｔ１は、バケット１３が地山２１０に挿入された直後の時点である。時点Ｔ１においては、バケット角θｂｋは小さく、バケット１３の内側に空隙部３４０が形成される。時点Ｔ１における積荷高さＨは、第１の積荷高さＨ１である。

【0117】

時点Ｔ２におけるバケット角θｂｋは、時点Ｔ１におけるバケット角θｂｋよりも大きい。積荷高さＨが第１の積荷高さＨ１に維持されながらバケット角θｂｋが増加する。バケット角θｂｋの増加により、積荷接点１３Ｅがバケット１３のスピルガード端部１３Ｂに近付く。

【0118】

時点Ｔ３におけるバケット角θｂｋは、時点Ｔ２におけるバケット角θｂｋよりも大きい。積荷高さＨが第１の積荷高さＨ１に維持されながらバケット角θｂｋが増加する。バケット角θｂｋの増加により、積荷接点１３Ｅがバケット１３のスピルガード端部１３Ｂに到達する。すなわち、時点Ｔ３において、刃先端部１３Ａを基点とするスピルガード端部１３Ｂの高さと積荷高さＨとが一致する。バケット１３の内側は、掘削物３００で満たされる。

【0119】

時点Ｔ４におけるバケット角θｂｋは、時点Ｔ３におけるバケット角θｂｋよりも大きい。スピルガード端部１３Ｂの高さと積荷高さＨとが一致した後、バケット角θｂｋが更に増加すると、積荷高さＨが徐々に小さくなる。時点Ｔ４において、積荷高さＨは、第１の積荷高さＨ１よりも小さい第２の積荷高さＨ２になる。

【0120】

図１７は、実施形態に係るバケット角θｂｋと手前側積荷角θ１との関係を示す図である。図１７に示すように、バケット角θｂｋに基づいて、手前側積荷角θ１が変化する。

【0121】

積荷接点１３Ｅがスピルガード端部１３Ｂに到達する前の時点（例えば時点Ｔ１及び時点Ｔ２）においては、手前側積荷角θ１は、地山角θｇである。

【0122】

積荷接点１３Ｅがスピルガード端部１３Ｂに到達し、スピルガード端部１３Ｂの高さと積荷高さＨとが一致した時点Ｔ３においても、手前側積荷角θ１は、地山角θｇである。

【0123】

積荷接点１３Ｅがスピルガード端部１３Ｂに到達し、スピルガード端部１３Ｂの高さと積荷高さＨとが一致した時点Ｔ３の後、手前側積荷角θ１は、積荷高さＨがスピルガード端部１３Ｂの高さよりも高いと判定した時点からのバケット角増加量Δθｂｋに基づいて、地山角θｇよりも大きくなる。

【0124】

例えば、時点Ｔ３と時点Ｔ４との間においては、手前側積荷角θ１は、地山角θｇとバケット角増加量Δθｂｋとの和になる。例えば、時点Ｔ４の後においては、手前側積荷角θ１は、安息角θｒである。

【0125】

このように、積荷高さＨがスピルガード端部１３Ｂの高さよりも高いと判定した時点からのバケット角θｂｋの増加量を示すバケット角増加量Δθｂｋに基づいて、手前側積荷角θ１が変化する。手前側積荷角決定部８２は、バケット角増加量Δθｂｋに基づいて、手前側積荷角θ１を所定角度に決定する。

【0126】

手前側積荷角決定部８２は、バケット角θｂｋに基づいて変化する、スピルガード端部１３Ｂの高さと積荷高さＨとの差に基づいて、手前側積荷角θ１を決定する。

【0127】

手前側積荷角決定部８２は、積荷高さＨがスピルガード端部１３Ｂの高さよりも高いか否かを判定する。手前側積荷角決定部８２は、積荷高さＨがスピルガード端部１３Ｂの高さよりも高いと判定するまで、手前側積荷角θ１を地山角θｇに決定する。つまり、手前側積荷角決定部８２は、スピルガード端部１３Ｂの高さが積荷高さＨよりも高いと判定した場合、手前側積荷角θ１を地山角θｇに決定する。すなわち、バケット角θｂｋが時点Ｔ３よりも前の状態の場合、手前側積荷角決定部８２は、手前側積荷角θ１を地山角θｇに決定する。

【0128】

手前側積荷角決定部８２は、積荷高さＨがスピルガード端部１３Ｂの高さよりも高いと判定した後、バケット角増加量Δθｂｋに基づいて、手前側積荷角θ１を地山角θｇよりも大きい角度に決定する。

【0129】

手前側積荷角決定部８２は、地山角θｇとバケット角増加量Δθｂｋとの和が土砂の安息角θｒよりも小さい場合、手前側積荷角θ１を地山角θｇとバケット角増加量Δθｂｋとの和に決定する。例えば、バケット角θｂｋが時点Ｔ３と時点Ｔ４との間の状態の場合、手前側積荷角決定部８２は、手前側積荷角θ１を地山角θｇとバケット角増加量Δθｂｋとの和に決定する。

【0130】

手前側積荷角決定部８２は、地山角θｇとバケット角増加量Δθｂｋとの和が土砂の安息角θｒよりも大きい場合、手前側積荷角θ１を安息角θｒに決定する。すなわち、バケット角θｂｋが時点Ｔ４よりも後の状態の場合、手前側積荷角決定部８２は、手前側積荷角θ１を安息角θｒに決定する。

【0131】

＜安息角算出部＞
安息角算出部９１は、バケット１３に保持された掘削物３００に基づいて、土砂の安息角θｒを算出する。安息角算出部９１により算出された安息角θｒは、特性記憶部６１に記憶される。

【0132】

安息角θｒは、土砂の性状に基づいて定められる土砂の物性値である。例えば天候等に起因して土砂の性状が変化すると、安息角θｒが変化する可能性がある。例えば晴天時と雨天時とで安息角θｒが異なる可能性がある。安息角算出部９１は、安息角θｒを算出して、特性記憶部６１に記憶させる。

【0133】

安息角算出部９１は、バケットデータ記憶部６２に記憶されているバケットデータと、バケット角算出部７２により算出されたバケット角θｂｋと、重量センサ３４により検出された掘削物３００の重量Ｗａと、特性記憶部６１に記憶されている掘削物３００の密度ρとに基づいて、安息角θｒを算出する。

【0134】

図１８は、実施形態に係るバケット１３に保持された掘削物３００の安息角θｒを説明する図である。図１８に示すように、掘削物３００をバケット１３に満載にした状態からバケット１３をダンプ動作させてバケット１３の開口部１３６を前方へ傾けると、重力の作用により、掘削物３００の一部がバケット１３から排出される。掘削物３００の一部がバケット１３から排出されると、図１８に示すように、掘削物３００の表面は、刃先端部１３Ａを基点とした傾斜を形成する。安息角θｒは、刃先端部１３Ａを基点として掘削物３００の表面が滑り落ちることなく留まる傾斜の水平面に対する角度である。安息角θｒは、バケット１３の開口部１３６に露出し、刃先端部１３Ａを基点として掘削物３００の表面が形成する傾斜の水平面に対する角度である。

【0135】

安息角θｒの算出方法を詳しく説明する。バケット１３に掘削物３００を満載にした後、図１８に示すように、バケット１３に保持された掘削物３００の一部を排出する。バケット１３に保持された掘削物３００の一部を排出すると、掘削物３００の表面が滑り落ちることなく留まる傾斜を維持した状態、言い換えると、ＹＺ平面においてバケット１３に保持された掘削物３００の表面の傾斜が安息角θｒに維持された状態となる。この状態のバケット１３の未充填部３５０の未充填部断面積Ａ４は、バケットデータ記憶部６２に記憶されたバケット長さＬ、刃先側開口角θ３、バケット１３を水平にしたとき（以下、「バケット水平時」という。）の上部側開口角θｓｐを用いて、以下の（１１）式に基づいて算出される。

【0136】

【数11】

【0137】

この状態における積荷断面積Ａａは、バケットデータ記憶部６２に記憶されたバケット断面積Ａｂｋと、バケット１３の未充填部３５０の未充填部断面積Ａ４とから、以下の（１２）式に基づいて算出される。

【0138】

【数12】

【0139】

掘削物３００の体積Ｖａは、（３）式に基づいて算出され、掘削物３００の重量Ｗａは、（４）式に基づいて算出される。

【0140】

また、（１１）式、（３）式、（４）式、及び（１２）式に基づいて、以下の（１３）式が成立する。安息角算出部９１は、（１３）式に基づいて、安息角θｒを算出する。

【0141】

【数13】

【0142】

＜作業機制御部＞
作業機制御部１００は、重量算出部８１により算出される重量Ｗａが目標重量Ｗｒになるように、作業機６の姿勢を制御する。作業機６の姿勢は、水平面に対するバケット１３の角度を示すバケット角θｂｋを含む。バケット角θｂｋが変化すると、手前側積荷角θ１が変化する。作業機制御部１００は、掘削作業中において、リフトシリンダ１８及びバケットシリンダ１９の少なくとも一方を制御して、バケット角θｂｋを調整する。バケット角θｂｋが調整されることにより、手前側積荷角θ１が調整される。手前側積荷角θ１が調整されることにより、掘削物３００の重量Ｗａが調整される。作業機制御部１００は、重量算出部８１により算出される重量Ｗａが目標重量Ｗｒになるように、バケット１３の姿勢を示すバケット角θｂｋを制御する。

【0143】

作業機制御部１００は、重量Ｗａが目標重量Ｗｒになったときの手前側積荷角θ１及びバケット角θｂｋを維持した状態で、バケット１３を地山２１０から抜去する。これにより、バケット１３に保持される掘削物３００の重量Ｗａと目標重量Ｗｒとの差が小さくなる。

【0144】

［安息角の算出方法］
図１９は、実施形態に係る安息角θｒの算出方法を示すフローチャートである。オペレータは、地山２１０の初回の掘削作業前に、コントローラ５０に安息角θｒの算出処理を開始させる。

【0145】

オペレータは、バケット１３で地山２１０を掘削し、掘削物３００を保持する（ステップＳＡ１）。より詳しくは、オペレータは、例えば図９に示したようにバケット１３の内側が掘削物３００で満載になるように地山２１０を掘削した後、バケット１３内に掘削物３００が保持されるようにバケット１３をチルト動作させる。

【0146】

次に、オペレータは、バケット１３から掘削物３００の一部を排出する（ステップＳＡ２）。より詳しくは、オペレータは、掘削物３００をバケット１３に満載にした状態から、掘削物３００がバケット１３から完全に排出されない程度にバケット１３をダンプ動作させる。オペレータは、例えば、ステップＳＡ１のチルト動作位置と、バケット角θｂｋが０度よりも大きい角度との間でダンプ動作させる。掘削物３００の一部がバケット１３から排出されると、図１８に示したように、バケット１３に保持された掘削物３００の表面は、刃先端部１３Ａを基点として滑ることなく所定の位置に留まる傾斜を維持する。バケット１３の掘削物３００の表面の角度は、安息角θｒを維持する。

【0147】

次に、オペレータは、ステップＳＡ２の状態において、安息角θｒの算出処理を開始させる指令をコントローラ５０へ送信する（ステップＳＡ３）。より詳しくは、オペレータがオペレータ指令装置２３を操作することによって、オペレータ指令装置２３は、安息角θｒの算出処理を開始させる操作指令信号をコントローラ５０へ出力する。

【0148】

検出データ取得部７１は、ＹＺ平面においてバケット１３に保持された掘削物３００の表面が安息角θｒを維持した状態における、車体傾斜角θａ、ブーム角θｂ、ベルクランク角θｃ、及び掘削物３００の重量Ｗａを取得する（ステップＳＡ４）。

【0149】

バケット角算出部７２は、検出データ取得部７１が取得した、車体傾斜角θａ、ブーム角θｂ、及びベルクランク角θｃに基づいて、バケット角θｂｋを算出する（ステップＳＡ５）。

【0150】

安息角算出部９１は、車体２の角度の検出データと、バケットデータ記憶部６２に記憶されたバケットデータと、ステップＳＡ４で取得した掘削物３００の重量Ｗａと、ステップＳＡ５で算出したバケット角θｂｋとに基づいて、安息角θｒを算出する（ステップＳＡ６）。

【0151】

特性記憶部６１は、安息角算出部９１により算出された安息角θｒを記憶する（ステップＳＡ７）。

【0152】

［掘削方法］
図２０は、実施形態に係る掘削方法を示すフローチャートである。

【0153】

掘削作業が開始され、バケット１３の少なくとも一部が地山２１０に挿入されると、作業機制御部１００は、バケット１３をチルト動作させる（ステップＳＣ１）。バケット１３がチルト動作することにより、バケット角θｂｋが変化する。

【0154】

牽引力算出部７３は、掘削作業中に牽引力Ｆを算出する（ステップＳＣ２）。

【0155】

重量算出部８１は、特性記憶部６１から、密度ρを取得する（ステップＳＣ３）。

【0156】

重量算出部８１は、特性記憶部６１から、土圧係数Ｋを取得する（ステップＳＣ４）。

【0157】

重量算出部８１は、（７）式に基づいて、積荷高さＨを算出する（ステップＳＣ５）。

【0158】

手前側積荷角決定部８２は、積荷高さＨがスピルガード端部１３Ｂの高さよりも高いか否かを判定する（ステップＳＣ６）。

【0159】

ステップＳＣ６において、積荷高さＨがスピルガード端部１３Ｂの高さよりも高いと判定した場合（ステップＳＣ６：Ｙｅｓ）、手前側積荷角決定部８２は、特性記憶部６１から安息角θｒを取得する（ステップＳＣ７）。

【0160】

手前側積荷角決定部８２は、ステップＳＣ６の時点におけるバケット角θｂｋ（θｂｋａ）を記憶する。手前側積荷角決定部８２は、掘削作業中にバケット角算出部７２により算出されたバケット角θｂｋ（θｂｋｂ）を取得する。手前側積荷角決定部８２は、バケット角θｂｋｂとバケット角θｂｋａとの差を示すバケット角増加量Δθｂｋをカウントする（ステップＳＣ８）。

【0161】

手前側積荷角決定部８２は、特性記憶部６１から、地山角θｇを取得する（ステップＳＣ９）。

【0162】

手前側積荷角決定部８２は、地山角θｇとバケット角増加量Δθｂｋとの和が安息角θｒよりも小さいか否かを判定する（ステップＳＣ１０）。

【0163】

ステップＳＣ１０において、地山角θｇとバケット角増加量Δθｂｋとの和が安息角θｒよりも小さいと判定した場合（ステップＳＣ１０：Ｙｅｓ）、手前側積荷角決定部８２は、手前側積荷角θ１を地山角θｇとバケット角増加量Δθｂｋとの和に決定する（ステップＳＣ１１）。

【0164】

ステップＳＣ１０において、地山角θｇとバケット角増加量Δθｂｋとの和が安息角θｒ以上であると判定した場合（ステップＳＣ１０：Ｎｏ）、手前側積荷角決定部８２は、手前側積荷角θ１を安息角θｒに決定する（ステップＳＣ１２）。

【0165】

ステップＳＣ６において、積荷高さＨがスピルガード端部１３Ｂ以下であると判定した場合（ステップＳＣ６：Ｎｏ）、手前側積荷角決定部８２は、特性記憶部６１から地山角θｇを取得した後、手前側積荷角θ１を地山角θｇに決定する（ステップＳＣ１３）。

【0166】

重量算出部８１は、掘削作業中にバケット角算出部７２により算出されたバケット角θｂｋを取得する（ステップＳＣ１４）。

【0167】

重量算出部８１は、バケットデータ記憶部６２から、バケットデータとして、バケット長さＬ、上部側開口角θｓｐ、及び刃先側開口角θ３を取得する（ステップＳＣ１５）。

【0168】

重量算出部８１は、ステップＳＣ５において算出された積荷高さＨと、ステップＳＣ１４において取得したバケット角θｂｋと、ステップＳＣ１５において取得したバケットデータとに基づいて、積荷深さｘを算出する（ステップＳＣ１６）。

【0169】

重量算出部８１は、（８）式に基づいて、空隙部断面積Ａ２を算出する（ステップＳＣ１７）。

【0170】

重量算出部８１は、特性記憶部６１から、安息角θｒを取得する。重量算出部８１は、刃先側積荷角θ２を安息角θｒに決定する。また、重量算出部８１は、ステップＳＣ６からステップＳＣ１３までの処理に基づいて手前側積荷角決定部８２により決定された手前側積荷角θ１を取得する（ステップＳＣ１８）。

【0171】

重量算出部８１は、（９）式に基づいて、積荷形状部断面積Ａ３を算出する（ステップＳＣ１９）。

【0172】

重量算出部８１は、（１０）式に基づいて、積荷断面積Ａａを算出する（ステップＳＣ２０）。

【0173】

重量算出部８１は、バケットデータ記憶部６２から、バケットデータとしてバケット幅Ｂを取得する（ステップＳＣ２１）。

【0174】

重量算出部８１は、特性記憶部６１から、密度ρを取得する（ステップＳＣ２２）。

【0175】

重量算出部８１は、ステップＳＣ２０において算出した積荷断面積Ａａと、ステップＳＣ２１において取得したバケット幅Ｂと、ステップＳＣ２２において取得した密度ρとに基づいて、重量Ｗａを算出する。すなわち、重量算出部８１は、ステップＳＣ２０において積荷断面積Ａａを算出した後、（３）式及び（４）式に基づいて、重量Ｗａを算出する（ステップＳＣ２３）。

【0176】

作業機制御部１００は、ステップＳＣ２３において算出された重量Ｗａと目標重量Ｗｒとの差が予め定められている閾値以下か否かを判定する（ステップＳＣ２４）。

【0177】

ステップＳＣ２４において、重量Ｗａと目標重量Ｗｒとの差が閾値以下であると判定した場合、すなわち、重量Ｗａと目標重量Ｗｒとが一致又は近似すると判定した場合（ステップＳＣ２４：Ｙｅｓ）、作業機制御部１００は、重量Ｗａと目標重量Ｗｒとの差が閾値以下であると判定したときのバケット角θｂｋを維持した状態で、バケット１３を地山２１０から抜去する（ステップＳＣ２５）。バケット１３が地山２１０から抜去された後、オペレータは、バケット１３に保持されている掘削物３００をダンプボディ２３０に積み込む。

【0178】

ステップＳＣ２４において、重量Ｗａと目標重量Ｗｒとの差が閾値以下でないと判定した場合、すなわち、重量Ｗａと目標重量Ｗｒとが異なると判定した場合（ステップＳＣ２４：Ｎｏ）、作業機制御部１００は、バケット１３のチルト動作を継続する（ステップＳＣ１）。

【0179】

［効果］
以上説明したように、実施形態においては、重量算出部８１は、牽引力Ｆと、バケット角θｂｋと、バケットデータとに基づいて、バケット１３に保持される掘削物３００の重量Ｗａを算出することができる。重量算出部８１は、掘削作業中において、掘削作業後にバケット１３に保持される掘削物３００の重量Ｗａを把握することができる。掘削作業中において掘削物３００の重量Ｗａが把握されることにより、作業機制御部１００は、重量Ｗａと目標重量Ｗｒとの差が小さくなるように、掘削作業中において作業機６を制御することができる。これにより、運搬車両２２０に対する掘削物３００の重量Ｗａが自動調整され、掘削物３００は、運搬車両２２０に目標積載量で積み込まれる。したがって、ホイールローダ１による積込作業が最適化される。

【0180】

手前側積荷角決定部８２は、バケット角θｂｋに基づいて、手前側積荷角θ１を所定角度に決定する。これにより、例えば手前側積荷角θ１を光学センサで検出することなく、手前側積荷角θ１が適切に決定される。重量算出部８１は、手前側積荷角決定部８２により決定された手前側積荷角θ１に基づいて、重量Ｗａを精度良く算出することができる。

【0181】

［その他の実施形態］
上述の実施形態においては、掘削物３００の重量Ｗａが、ホイールローダ１に設けられている重量センサ３４により計測されることとした。掘削物３００の重量Ｗａが、運搬車両２２０に設けられている重量センサにより検出されてもよい。バケット１３により掘削物３００がダンプボディ２３０に積み込まれることにより、運搬車両２２０に掛かる負荷が変化する。運搬車両２２０に設けられている重量センサは、掘削物３００がダンプボディ２３０に積み込まれる前に運搬車両２２０に掛かる第１負荷と、掘削物３００がダンプボディ２３０に積み込まれた後に運搬車両２２０に掛かる第２負荷とを検出する。運搬車両２２０に設けられている重量センサの検出データは、ホイールローダ１のコントローラ５０に送信される。バケット１３に保持された掘削物３００の重量Ｗａは、第１負荷と第２負荷との差に相当する。

【0182】

上述の実施形態において、安息角θｒは、バケット１３に保持された掘削物３００に基づいて算出されることとした。安息角θｒは、バケット１３に保持されない掘削物３００に基づいて算出されてもよい。例えば実験施設又は評価施設において、安息角θｒが算出されてもよい。また、安息角θｒが既知である場合、安息角θｒを算出する処理は省略されてもよい。掘削作業の前に、安息角θｒが特性記憶部６１に記憶されていればよい。

【0183】

上述した実施形態においては、積込機械１は、オペレータによって操作されるものとして説明したがこれに限定されない。積込機械１は、遠隔システムによって操作されてもよい。この場合、例えば、コントローラ５０の機能と、遠隔操作装置を有する装置が遠隔操作地に備えられる。

【0184】

上述の実施形態においては、積込機械１がホイールローダであることとした。積込機械１は、フロントローディング方式の作業機を有する油圧ショベルでもよい。積込機械１は、掘削作業においてバケットの開口部が後方を向くバックホー方式の作業機を有する油圧ショベルでもよい。

【符号の説明】

【0185】

１…ホイールローダ（積込機械）、２…車体、３…動力源、４…キャブ、５…車輪、５Ｆ…前輪、５Ｒ…後輪、６…作業機、８…パワーテイクオフ、９…動力伝達装置、１２…ブーム、１３…バケット、１３Ａ…刃先端部、１３Ｂ…スピルガード端部、１３Ｃ…右端部、１３Ｄ…左端部、１３Ｅ…積荷接点、１４…ベルクランク、１５…バケットリンク、１６…ブラケット、１７…ブラケット、１８…リフトシリンダ、１９…バケットシリンダ、２０…油圧ポンプ、２１…制御弁、２２…操作装置、２３…オペレータ指令装置、３１…傾斜センサ、３２…ブーム角センサ、３３…バケット角センサ、３４…重量センサ、３５…回転数センサ、３７…ポンプ圧センサ、３８…ポンプ容量センサ、４０…制御システム、５０…コントローラ、５１…プロセッサ、５２…メインメモリ、５３…ストレージ、５４…インタフェース、６１…特性記憶部、６２…バケットデータ記憶部、７１…検出データ取得部、７２…バケット角算出部、７３…牽引力算出部、８１…重量算出部、８２…手前側積荷角決定部、９１…安息角算出部、１００…作業機制御部、１３１…底板部、１３２…背板部、１３３…上板部、１３４…右板部、１３５…左板部、１３６…開口部、２００…地面、２１０…地山（掘削対象）、２２０…運搬車両、２３０…ダンプボディ（積込対象）、３００…掘削物、３１０…第１表面、３２０…第２表面、３３０…露出部、３４０…空隙部、３５０…未充填部、Ａ１…露出部断面積、Ａ２…空隙部断面積、Ａ３…積荷形状部断面積、Ａ４…未充填部断面積、Ａａ…積荷断面積、Ａｂｋ…バケット断面積、ＡＸａ…回動軸、ＡＸｂ…回動軸、ＡＸｃ…回動軸、ＡＸｄ…回動軸、ＡＸｅ…回動軸、ＡＸｆ…回動軸、Ｂ…バケット幅、ＣＸｆ…回転軸、ＣＸｒ…回転軸、Ｆ…牽引力、Ｈ…積荷高さ、Ｋ…土圧係数、Ｌ…バケット長さ、Ｍ１…矢印、Ｍ２…矢印、Ｍ３…矢印、Ｍ４…矢印、Ｐ…土圧、Ｔ１…時点、Ｔ２…時点、Ｔ３…時点、Ｔ４…時点、Ｖａ…体積、Ｗａ…重量、Ｗｒ…目標重量、ｘ…積荷深さ、θ１…手前側積荷角、θ２…刃先側積荷角、θ３…刃先側開口角、θａ…車体傾斜角、θｂ…ブーム角、θｂｋ…バケット角、θｃ…ベルクランク角、θｇ…地山角、θｒ…安息角、θｓｐ…上部側開口角、ρ…密度、Δθｂｋ…バケット角増加量。

【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】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】