特開 2023-88646 バケットに保持された掘削物の安息角を算出するための方法、バケットに保持された掘削物の安息角を算出するためのシステム、及び積込機械

(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】P2023088646

(43)【公開日】2023-06-27

(54)【発明の名称】バケットに保持された掘削物の安息角を算出するための方法、バケットに保持された掘削物の安息角を算出するためのシステム、及び積込機械

(51)【国際特許分類】

   E02F 3/34 20060101AFI20230620BHJP

【ＦＩ】

E02F3/34

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021203509

(22)【出願日】2021-12-15

(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）】

2D012

【Ｆターム（参考）】

2D012DB03

(57)【要約】

【課題】安息角を容易に算出すること。
【解決手段】バケットに保持された掘削物の安息角を算出するための方法であって、バケットに保持された掘削物の表面の傾斜が維持された状態における、水平面に対するバケットの角度を示すバケット角を算出するステップと、掘削物の重量を計測するステップと、バケットの形状データと、バケット角と、計測した重量を含む掘削物のデータとから、掘削物の安息角を算出するステップとを備える。
【選択図】図６

【特許請求の範囲】

【請求項1】

バケットに保持された掘削物の安息角を算出するための方法であって、
前記バケットに保持された前記掘削物の表面の傾斜が維持された状態における、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算出するステップと、
前記掘削物の重量を計測するステップと、
前記バケットの形状データと、前記バケット角と、計測した前記重量を含む前記掘削物のデータとから、前記掘削物の前記安息角を算出するステップと、
を備える方法。

【請求項2】

前記バケットは、刃先端部と、前記刃先端部と向かい合う上端部と、前記刃先端部と前記上端部との間に規定される開口部と、を含み、
前記安息角は、前記掘削物の前記開口部に露出した表面の、前記刃先端部を起点とした傾斜の角度である
請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記バケットの前記角度は、作業機を支持する車体の傾斜を示す角度の検出データと前記作業機の角度の検出データとに基づいて算出する、
請求項１または２に記載の方法。

【請求項4】

前記バケットに前記掘削物を満載にした後、前記バケットに保持された前記掘削物の一部を排出し、前記掘削物の表面の傾斜が維持された状態とするステップを含む、
請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。

【請求項5】

前記掘削物のデータは、前記掘削物の密度を含む
請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。

【請求項6】

バケットに保持された掘削物の安息角を算出するためのシステムであって、
プロセッサを備え、
前記プロセッサは、
前記バケットに保持された前記掘削物の表面の傾斜が維持された状態における、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算出し、
前記掘削物の重量を計測し、
前記バケットの形状データと、前記バケット角と、計測した前記重量を含む前記掘削物のデータとから、前記掘削物の安息角を算出する、
システム。

【請求項7】

積込機械であって、
バケットと、
プロセッサと、
を備え、
前記プロセッサは、
前記バケットに保持された掘削物の表面の傾斜が維持された状態における、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算出し、
前記掘削物の重量を計測し、
前記バケットの形状データと、前記バケット角と、計測した前記重量を含む前記掘削物のデータとから、前記掘削物の安息角を算出する、
積込機械。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、バケットに保持された掘削物の安息角を算出するための方法、バケットに保持された掘削物の安息角を算出するためのシステム、及び積込機械に関する。

【背景技術】

【0002】

作業機を有す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に、移送される積荷材料の重量を求めることが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２００２－１９５８７０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

積込機械の積込作業を最適化するためには、例えば、作業機で掘削された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、掘削物を適切な重量に調整して積み込むことが望ましい。そこで、安息角を用いれば、掘削前に作業機によって保持される掘削物の重量を予測することができる。したがって、安息角を容易に算出することが望まれる。

【0005】

本開示は、安息角を容易に算出することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示に係るバケットに保持された掘削物の安息角を算出するための方法は、バケットに保持された掘削物の表面の傾斜が維持された状態における、水平面に対するバケットの角度を示すバケット角を算出するステップと、掘削物の重量を計測するステップと、バケットの形状データと、バケット角と、計測した重量を含む掘削物のデータとから、掘削物の安息角を算出するステップとを備える。

【0007】

本開示に係るバケットに保持された掘削物の安息角を算出するためのシステムは、プロセッサを備える。プロセッサは、バケットに保持された掘削物の表面の傾斜が維持された状態における、水平面に対するバケットの角度を示すバケット角を算出し、掘削物の重量を計測し、バケットの形状データと、バケット角と、計測した重量を含む掘削物のデータとから、掘削物の安息角を算出する。

【0008】

本開示に係る積込機械は、プロセッサを備える。プロセッサは、バケットに保持された掘削物の表面の傾斜が維持された状態における、水平面に対するバケットの角度を示すバケット角を算出し、掘削物の重量を計測し、バケットの形状データと、バケット角と、計測した重量を含む掘削物のデータとから、掘削物の安息角を算出する。

【発明の効果】

【0009】

本開示によれば、安息角を容易に算出することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【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、実施形態に係るバケットを示す斜視図である。

【図3】図３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4】図４は、実施形態に係る作業機の動作を説明する図である。

【図5】図５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6】図６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7】図７は、実施形態に係る積込機械のコントローラを示すブロック図である。

【図8】図８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安息角を説明する図である。

【図10】図１０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11】図１１は、積込機械の他の例を示す概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

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。

【0012】

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、ローカル座標系を用いて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の車幅方向である左右方向に沿った第１軸をＸ軸とし、積込機械１の前後方向に沿った第２軸をＹ軸とし、積込機械１の上下方向に沿った第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。

【0013】

＜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。実施形態に係る積込機械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。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。

【0014】

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。キャブ４の内部には、後述する作業機操作装置２４が配置される。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。図１では、左側の前輪５Ｆ及び後輪５Ｒのみが図示されている。

【0015】

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とは平行となる。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。Ｚ軸は、地面２００と接触する前輪５Ｆの接地面と直交する。

【0016】

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。

【0017】

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。

【0018】

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。

【0019】

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。

【0020】

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。

【0021】

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。リフトシリンダ１８に対して、ブーム１２が回動軸ＡＸｅを中心に回動する。

【0022】

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。バケットシリンダ１９に対して、ベルクランク１４が回動軸ＡＸｆを中心に回動する。

【0023】

図２は、実施形態に係るバケット１３を示す斜視図である。図３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、掘削した掘削対象を保持する。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の先端部には刃先端部１３Ａが設けられる。刃先端部１３Ａには、刃先又は刃が取り付けられる。上板部１３３の先端部は、上端部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、左右方向に沿って延びている。上端部１３Ｂは、左右方向に沿って延びている。右端部１３Ｃは、上下方向又は前後方向に沿って延びている。左端部１３Ｄは、上下方向又は前後方向に沿って延びている。実施形態において、刃先端部１３Ａと上端部１３Ｂとは、平行である。右端部１３Ｃと左端部１３Ｄとは、平行である。刃先端部１３Ａと上端部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。言い換えると、バケット１３の開口部１３６は、刃先端部１３Ａと上端部１３Ｂと右端部１３Ｃと左端部１３Ｄとによって規定される。

【0024】

実施形態において、ＹＺ平面における開口部１３６の寸法、すなわち、ＹＺ平面において刃先端部１３Ａと上端部１３Ｂとを結ぶ直線の寸法を、長さＬとする。左右方向における開口部１３６の寸法を、幅Ｈとする。ＹＺ平面においてバケット１３の断面積をＡｂｋとする。ＹＺ平面において底板部１３１の内面と刃先端部１３Ａと上端部１３Ｂを結ぶ直線とがなす角度を、刃先側開口角θａｐとする。ＹＺ平面において底板部１３１の内面と、上板部１３３の内面とがなす角度を、上部側開口角θｓｐとする。

【0025】

＜作業機の動作＞
図４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。リフトシリンダ１８が伸縮することによって、ブーム１２が上げ動作又は下げ動作する。バケットシリンダ１９が伸縮することによって、バケット１３がチルト動作又はダンプ動作する。

【0026】

ブーム１２の上げ動作とは、ブーム１２の先端部が地面２００から離れるように、ブーム１２が回動軸ＡＸａを中心に回動する動作である。本実施形態では、リフトシリンダ１８が伸びると、ブーム１２が上げ動作する。

【0027】

ブーム１２の下げ動作とは、ブーム１２の先端部が地面２００に近づくように、ブーム１２が回動軸ＡＸａを中心に回動する動作である。本実施形態では、リフトシリンダ１８が縮むと、ブーム１２が下げ動作する。

【0028】

バケット１３のチルト動作とは、バケット１３の開口部１３６が上方を向いた状態で刃先端部１３Ａが地面２００から離れるように、バケット１３が回動軸ＡＸｂを中心に回動する動作である。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。このようにバケット１３をチルト動作させることにより、掘削対象がバケット１３によってすくい取られ、バケット１３に掘削対象が保持される。

【0029】

バケット１３のダンプ動作とは、バケット１３の開口部１３６が下方を向いた状態で刃先端部１３Ａが地面２００に近づくように、バケット１３が回動軸ＡＸｂを中心に回動する動作である。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。このようにバケット１３をダンプ動作させることにより、バケット１３に保持されている掘削対象がバケット１３から排出される。

【0030】

＜ホイールローダの動作＞
図５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。掘削対象は、例えば、地山、岩山、石炭、飼料、及び壁面の少なくとも一つである。地山は、土砂により構成される山であり、岩山は、岩又は石により構成される山である。本実施形態では、掘削対象は、地面上の地山２１０である。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、及びクラッシャの少なくとも一つである。本実施形態では、積込対象は、地面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。所定の作業は、掘削作業及び積込作業を含む。ホイールローダ１は、作業機６のバケット１３で掘削対象を掘削する掘削作業を実施する。ホイールローダ１、掘削作業によりバケット１３で掘削した掘削物を積込対象に積み込む積込作業を実施する。積込作業は、掘削物を排出する排出作業を含む概念である。

【0031】

掘削作業において、ホイールローダ１は、図５の矢印Ｍ１で示すように、バケット１３に掘削物が保持されていない状態で、地山２１０に向かって前進する。オペレータは、ホイールローダ１を地山２１０に近づくように前進させる。ホイールローダ１は、バケット１３に掘削物を保持するため、バケット１３を地山２１０に突入させた状態でチルト動作させることにより掘削作業を行う。オペレータは、バケット１３で地山２１０が掘削されるように、作業機６を操作する。地山２１０がバケット１３により掘削され、掘削物がバケット１３にすくい取られる。

【0032】

次に、ホイールローダ１は、掘削物がバケット１３に保持されている状態で、図５の矢印Ｍ２で示すように、地山２１０から離れるように後進する。オペレータは、ホイールローダ１を地山２１０から離れるように後進させる。

【0033】

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、掘削物がバケット１３に保持されている状態で、図５の矢印Ｍ３で示すように、運搬車両２２０に向かって前進する。オペレータは、ホイールローダ１を旋回させながら運搬車両２２０に近づくように前進させる。ホイールローダ１が運搬車両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を運搬車両２２０のダンプボディ２３０の上方に配置させるようにブーム１２の上げ動作を行う。オペレータは、ブーム１２が上げ動作をするように、作業機６を操作する。ブーム１２が上げ動作し、バケット１３が運搬車両２２０のダンプボディ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内の掘削物を排出するため、バケット１３をダンプ動作させることにより積込作業を行う。オペレータは、バケット１３がダンプ動作するように、作業機６を操作する。ダンプ動作されたバケット１３から掘削物が排出され、運搬車両２２０のダンプボディ２３０に積み込まれる。

【0034】

掘削物が運搬車両２２０のダンプボディ２３０に積み込まれた後、ホイールローダ１は、バケット１３に掘削物が保持されていない状態で、図５の矢印Ｍ４で示すように、運搬車両２２０から離れるように後進する。オペレータは、ホイールローダ１を旋回させながら運搬車両２２０から離れるように後進させる。

【0035】

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。

【0036】

＜制御システム＞
図６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７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。制御システム４０は、ホイールローダ１の各種制御を行う。制御システム４０は、作業機操作装置２４と、制御弁２５と、オペレータ指令装置２６と、傾斜計測器３０と、ブーム角センサ３１と、バケット角センサ３２と、重量計測装置３３と、コントローラ５０とを備える。

【0037】

作業機操作装置２４は、キャブ４の内部に配置される。作業機操作装置２４は、オペレータにより操作される。作業機操作装置２４は、作業機６を動作させるための操作信号を生成する。オペレータは、作業機操作装置２４を操作して、作業機６を動作させる。作業機操作装置２４は、例えば、ブーム操作部２４１と、バケット操作部２４２とを含む。

【0038】

ブーム操作部２４１は、ブーム１２を動作させるためにオペレータによって操作される。コントローラ５０は、ブーム操作部２４１からの操作信号に基づいて、制御弁２５を制御する。制御弁２５が制御されることにより、リフトシリンダ１８が駆動し、ブーム１２が動作する。

【0039】

バケット操作部２４２は、バケット１３を動作させるためにオペレータによって操作される。コントローラ５０は、バケット操作部２４２が生成した操作信号に基づいて、制御弁２５を制御する。制御弁２５が制御されることにより、バケットシリンダ１９が駆動し、バケット１３が動作する。

【0040】

オペレータ指令装置２６は、後述する安息角θの算出処理を開始させるためにオペレータによって操作される。オペレータ指令装置２６は、例えば、作業機操作装置２４に設けられたスイッチである。オペレータ指令装置２６は、安息角θ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に出力する。

【0041】

傾斜計測器３０は、車体２の傾きを計測する。より詳しくは、傾斜計測器３０は、水平面に対する車体２の傾斜を示す車体傾斜角θａを計測する。傾斜計測器３０は、車体２の少なくとも一部に配置される。傾斜計測器３０は、例えば、慣性計測装置（ＩＭＵ：Inertial Measurement Unit）である。傾斜計測器３０は、計測値である車体傾斜角データをコントローラ５０へ出力する。

【0042】

ブーム角センサ３１は、ブーム１２の角度を計測する。より詳しくは、ブーム角センサ３１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を計測する。ブーム角センサ３１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３１は、リフトシリンダ１８のストロークを計測するストロークセンサでもよい。ブーム角センサ３１は、計測値であるブーム角データをコントローラ５０へ出力する。

【0043】

バケット角センサ３２は、バケット１３の角度を計測する。より詳しくは、バケット角センサ３２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を計測する。バケット角センサ３２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が計測されることにより、ローカル座標系におけるブーム１２に対するバケット１３の角度が算出される。バケット角センサ３２は、バケットシリンダ１９のストロークを計測するストロークセンサでもよい。バケット角センサ３２は、計測値であるベルクランク角データをコントローラ５０へ出力する。

【0044】

重量計測装置３３は、バケット１３に保持された掘削物３００の重量Ｗａを計測する。重量計測装置３３は、例えば、リフトシリンダ１８の作動油の圧力を計測する圧力センサ又はバケットシリンダ１９の作動油の圧力を計測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。重量計測装置３３は、作業機６に掛かる負荷の変化を計測することによって、バケット１３に保持された掘削物３００の重量Ｗａを計測する。重量計測装置３３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。重量計測装置３３は、掘削物３００の重量Ｗａを直接的に計測してもよい。重量計測装置３３は、計測値である掘削物３００の重量データをコントローラ５０へ出力する。

【0045】

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。図７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は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）又はＭＰＵ（Micro Processing Unit）である。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）が例示される。揮発性メモリとして、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、及び半導体メモリ等である。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。

【0046】

図６に示すように、コントローラ５０は、計測値取得部６０と、算出部７０と、目標重量設定部９０と、作業機制御部１００と、特性記憶部１２０と、バケットデータ記憶部１３０と、目標積載量記憶部１４０と、実積載量記憶部１５０とを有する。コントローラ５０は、作業機操作装置２４、制御弁２５、傾斜計測器３０、ブーム角センサ３１、バケット角センサ３２及び重量計測装置３３のそれぞれと通信する。

【0047】

計測値取得部６０は、傾斜計測器３０、ブーム角センサ３１、バケット角センサ３２及び重量計測装置３３から計測値を取得する。計測値取得部６０は、傾斜計測器３０から車体傾斜角θａを取得する。計測値取得部６０は、ブーム角センサ３１からブーム角θｂを取得する。計測値取得部６０は、バケット角センサ３２からベルクランク角θｃを取得する。計測値取得部６０は、重量計測装置３３から掘削物３００の重量Ｗａを取得する。

【0048】

算出部７０は、バケット１３に保持された掘削物３００の安息角θを算出する。算出部７０は、計測値取得部６０が取得した各種計測値と特性記憶部１２０に記憶されたデータとに基づいて、バケット１３に保持された掘削物３００の安息角θを算出する。算出部７０は、バケット角算出部７１と、安息角算出部７２とを有する。

【0049】

バケット角算出部７１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。バケット角算出部７１は、車体傾斜角データと、ブーム角データと、ベルクランク角データとに基づいて、バケット角θｂｋを算出する。バケット角算出部７１は、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。

【0050】

安息角算出部７２は、刃先端部１３Ａを起点とした掘削物３００の表面の角度を示す安息角θを算出する。安息角算出部７２は、バケットデータ記憶部１３０に記憶されたバケット１３の形状データと、バケット角算出部７１により算出されたバケット角θｂｋと、計測した重量を含む掘削物のデータとから、掘削物の安息角を算出する。本実施形態では、安息角算出部７２は、バケットデータ記憶部１３０に記憶されたバケット１３の形状データと、バケット角算出部７１により算出されたバケット角θｂｋと、重量計測装置３３によって計測された掘削物３００の重量Ｗａ及び特性記憶部１２０に記憶された掘削物３００の密度ρを含む掘削物３００のデータとから、安息角θを算出する。

【0051】

目標重量設定部９０は、バケット１３に保持される掘削物３００の重量Ｗａの目標値を示す目標重量Ｗｒを設定する。ダンプボディ２３０に対する掘削物３００の目標積載量Ｔｒが目標積載量記憶部１４０に記憶されている。目標積載量Ｔｒは、運搬車両２２０に定められる固有の値である。目標重量設定部９０は、目標積載量記憶部１４０に記憶されている目標積載量Ｔｒに基づいて、目標重量Ｗｒを設定する。

【0052】

作業機制御部１００は、バケット１３が保持する掘削物３００の重量が目標重量Ｗｒになるように、バケット１３の姿勢を制御する。バケット１３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。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。

【0053】

特性記憶部１２０は、掘削物３００の特性データを記憶する。特性記憶部１２０は、特性データとして、あらかじめ掘削物３００の密度ρを記憶する。特性記憶部１２０は、特性データとして、安息角算出部７２により算出された掘削物３００の安息角θを記憶する。

【0054】

バケットデータ記憶部１３０は、バケット１３の形状データを記憶する。より詳しくは、バケットデータ記憶部１３０は、バケット１３の寸法を含むバケット１３の諸元データ又は設計データを記憶する。バケットデータ記憶部１３０は、例えば、バケット１３の断面積Ａｂｋ、長さＬ、幅Ｈ、刃先側開口角θａｐ及び上部側開口角θｓｐを含む。

【0055】

目標積載量記憶部１４０は、ダンプボディ２３０に対する掘削物３００の目標積載量Ｔｒを記憶する。

【0056】

実積載量記憶部１５０は、ダンプボディ２３０に積載された掘削物３００の実際の積載量を示す実積載量Ｔｐを記憶する。１台の運搬車両２２０に対して、掘削作業及び積込作業を含む所定の作業は、複数回実施される。重量算出部８４は、複数回の掘削作業のそれぞれにおいて算出した掘削物３００の重量Ｗｐを加算して、実積載量Ｔｐを実積載量記憶部１５０に記憶させる。

【0057】

図８は、実施形態に係るバケット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、実施形態に係るバケットに保持された掘削物３００の安息角を説明する図である。ホイールローダ１の各種制御は、安息角（停止安息角）を用いて行われる。安息角は、例えば、掘削対象を積み上げ自然に崩落が終了したときに観測することができる角度である。すなわち、安息角は、水平面に対して掘削対象が滑ることなく所定の位置に留まる傾斜角である。実施形態では、ホイールローダ１の制御システム４０は、バケット１３に保持された掘削物３００の安息角θを算出する。

【0058】

安息角θは、水平面に対する掘削物３００の表面の傾きである。安息角θは、例えば、天候などによる掘削対象の性状によって変化する。掘削対象の性状が一定である場合、水平面に対するバケット１３の角度を示すバケット角θｂｋが変化しても、安息角θは変化しない。掘削対象の性状が変化する場合、安息角θが変化する。例えば、天候が晴天から雨天へ変化すると、掘削対象の性状が変わって安息角θが変化する。

【0059】

図８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９に示すように、掘削物３００の表面は、刃先端部１３Ａを起点とした傾斜を形成する。安息角θは、刃先端部１３Ａを起点として掘削物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θは、バケット１３の開口部１３６に露出し、刃先端部１３Ａを起点として掘削物３００の表面が形成する傾斜の水平面に対する角度である。

【0060】

安息角θ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９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の表面の傾斜が維持された状態となる。この状態における掘削物３００の断面積Ａは、バケットデータ記憶部１３０に記憶されたバケット１３の断面積Ａｂｋと、バケット１３の空隙１３Ｓの断面積Ａｓとから、以下の（１）式に基づいて算出される。

【0061】

【数1】

【0062】

ＹＺ平面においてバケット１３に保持された掘削物３００の表面の角度が安息角である状態で、掘削物３００の体積Ｖは、掘削物３００の断面積Ａと、バケットデータ記憶部１３０に記憶された開口部１３６の幅Ｈとから、以下の（２）式に基づいて算出される。

【0063】

【数2】

【0064】

掘削物３００の体積Ｖは、バケットデータ記憶部１３０に記憶されたバケット１３の長さＬ、幅Ｈ、刃先側開口角θａｐ、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、（１）式及び（２）式から以下の（３）式に基づいて算出される。

【0065】

【数3】

【0066】

掘削物３００の体積Ｖは、重量計測装置３３によって計測されたバケット１３に保持される掘削物３００の重量Ｗａと、特性記憶部１２０に記憶された掘削物３００の密度ρとを用いて、以下の（４）式に基づいて算出される。

【0067】

【数4】

【0068】

（３）式及び（４）式から、以下の（５）式が成り立つ。（５）式から、安息角θを算出する。

【0069】

【数5】

【0070】

＜安息角の算出方法＞
図１０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。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θの算出処理を開始させる。

【0071】

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ＳＰ１１）。より詳しくは、オペレータは、図８に示すように、バケット１３内が掘削物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。

【0072】

次に、オペレータは、バケット１３内の一部の掘削物３００を排出する（ステップＳＰ１２）。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ＳＰ１１のチルト動作位置と、バケット角θｂｋが０°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９に示すように、バケット１３内に保持された掘削物３００の表面は、刃先端部１３Ａを起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内の掘削物３００の表面の角度は、安息角を維持する。

【0073】

次に、オペレータは、ステップＳＰ１２の状態において、安息角θ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ＳＰ１３）。より詳しくは、オペレータがオペレータ指令装置２６を操作することによって、オペレータ指令装置２６は、安息角θ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。

【0074】

コントローラ５０は、複数のセンサから計測値を取得する（ステップＳＰ１４）。より詳しくは、計測値取得部６０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。

【0075】

コントローラ５０は、バケット角θｂｋを算出する（ステップＳＰ１５）。より詳しくは、バケット角算出部７１は、計測値取得部６０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。

【0076】

コントローラ５０は、安息角θを算出する（ステップＳＰ１６）。より詳しくは、安息角算出部７２は、車体２の角度の検出データと、バケットデータ記憶部１３０に記憶されたバケット１３の諸元データ又は設計データと、ステップＳＰ１４で取得した掘削物３００の重量Ｗａと、ステップＳＰ１５で算出したバケット角θｂｋとに基づいて、安息角θを算出する。

【0077】

コントローラ５０は、安息角θを記憶する（ステップＳＰ１７）。より詳しくは、特性記憶部１２０は、安息角算出部７２によって算出された安息角θを記憶する。

【0078】

このようにして算出された安息角θを用いて、ホイールローダ１の各種制御が行われる。

【0079】

＜効果＞
以上説明したように、実施形態においては、バケットデータ記憶部１３０に記憶されたバケット１３の形状データと、バケット角θｂｋと、重量計測装置３３によって計測された掘削物３００の重量Ｗ及び特性記憶部１２０に記憶された掘削物３００の密度ρを含む掘削物３００のデータとから、掘削物３００の安息角θを算出することができる。実施形態では、ホイールローダ１で所定の作業を実施するために設置されているセンサ以外のセンサを設けることなく、安息角θを算出することができる。

【0080】

実施形態においては、バケット１３の形状データは、バケット１３の長さＬ、幅Ｈ、刃先側開口角θａｐ及び上部側開口角θｓｐである。実施形態によれば、バケット１３の諸元データ又は設計データを用いて、安息角θを算出することができる。実施形態は、ホイールローダ１で所定の作業を実施するために記憶されているバケット１３の形状データを用いて、安息角θを算出することができる。

【0081】

実施形態においては、バケット角θｂｋは、作業機６を支持するホイールローダ１の車体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算出することができる。

【0082】

実施形態は、バケット１３に掘削物３００を満載にした後、一部を排出することにより、バケット１３に保持された掘削物３００の表面の傾斜が維持された状態にする。実施形態は、ホイールローダ１が通常行う動作によって、掘削物３００の表面の角度が安息角である状態にすることができる。実施形態によれば、ホイールローダ１に通常と異なる動作などをさせずに、容易に安息角θを算出することができる。

【0083】

＜変形例１＞
図１１は、積込機械の他の例を示す概略図である。同じ作業現場において、複数の積込機械が作業する場合、安息角θの算出を親機である第１積込機械１Ｓで行って、算出した安息角θを子機である第２積込機械１Ｔへ通信システムを介して送信してもよい。通信システムは、例えば、インターネット（internet）、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ：Local Area Network）、携帯電話通信網、及び衛星通信網である。

【0084】

＜変形例２＞
上記の図１０において、ステップＳＰ１２とステップＳＰ１３とは順番が逆であってもよい。ステップＳＰ１１の後、オペレータは、安息角θ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。その後、ホイールローダ１は、自動でバケット１３内の一部の掘削物３００を排出してもよい。
＜その他の実施形態＞
上述の実施形態において、図１０に示すフローチャートのステップＳＰ１１、ステップＳＰ１２は、オペレータの操作によらず、積込機械１が自律して行ってもよい。

【0085】

上述した実施形態に係るオペレータ指令装置２６は、スイッチとしたがこれに限られない。オペレータ指令装置２６は、例えば、タッチスクリーンやマイクロホンであってもよい。タッチスクリーンは、ディスプレイと、タッチパネルとを含む。オペレータがタッチスクリーンを操作することによって、安息角θの算出処理を開始させる指令がコントローラ５０に出力されるように構成してもよい。あるいは、マイクロホンを介した音声入力に基づき、安息角θの算出処理を開始させる指令がコントローラ５０に出力されるように構成してもよい。

【0086】

また、上述した実施形態に係る積込機械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。安息角θの算出は、遠隔で行われてもよい。

【0087】

また、上述した実施形態の係るにおいては、積込機械１は、ホイールローダであることとしたが、これに限定されない。例えば、積込機械１は、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。また、積込機械１は、掘削作業においてバケット１３の開口部１３６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】

【0088】

１…ホイールローダ（積込機械）、２…車体、４…キャブ、５…車輪、５Ｆ…前輪、５Ｒ…後輪、６…作業機、１２…ブーム、１３…バケット、１３Ａ…刃先端部、１３Ｂ…上端部、１３Ｃ…右端部、１３Ｄ…左端部、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…動力源、２１…ＰＴＯ、２２…動力伝達装置、２３…油圧ポンプ、２４…作業機操作装置、２４１…ブーム操作部、２４２…バケット操作部、２５…制御弁、２６…オペレータ指令装置、３０…傾斜計測器、３１…ブーム角センサ、３２…バケット角センサ、３３…重量計測装置、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、７０…算出部、７１…バケット角算出部、７２…安息角算出部、９０…目標重量設定部、１００…作業機制御部、１２０…特性記憶部、１３０…バケットデータ記憶部、１３１…底板部、１３２…背板部、１３３…上板部、１３４…右板部、１３５…左板部、１３６…開口部、１４０…目標積載量記憶部、１５０…実積載量記憶部、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、Ａ…掘削物の断面積、Ａｂｋ…バケットの断面積、Ａｓ…空隙の断面積、ＡＸａ…回動軸、ＡＸｂ…回動軸、ＡＸｃ…回動軸、ＡＸｄ…回動軸、ＡＸｅ…回動軸、ＡＸｆ…回動軸、ＣＸｆ…回転軸、ＣＸｒ…回転軸、Ｈ…幅、Ｌ…長さ、Ｔｐ…実積載量、Ｔｒ…目標積載量、Ｖ…掘削物の体積、Ｗａ…重量、Ｗｒ…目標重量、θ…安息角、θａ…車体傾斜角、θｂ…ブーム角、θａｐ…刃先側開口角、θｂｋ…バケット角、θｃ…ベルクランク角、θｓｐ…上部側開口角、ρ…密度。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】