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(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】P2024143790
(43)【公開日】2024-10-11
(54)【発明の名称】作業機械の制御装置
(51)【国際特許分類】
E02F 9/22 20060101AFI20241003BHJP
E02F 9/20 20060101ALI20241003BHJP
【ＦＩ】
E02F9/22 C
E02F9/20 M
E02F9/22 Q
【審査請求】未請求
【請求項の数】6
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023056670
(22)【出願日】2023-03-30
(71)【出願人】
【識別番号】000005522
【氏名又は名称】日立建機株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110002365
【氏名又は名称】弁理士法人サンネクスト国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】斉藤 裕保
(72)【発明者】
【氏名】小川 雄一
(72)【発明者】
【氏名】山本 慎二郎
(72)【発明者】
【氏名】井村 進也
【テーマコード（参考）】
2D003
【Ｆターム（参考）】
2D003AA01
2D003AB02
2D003BA02
2D003CA02
2D003DA04
2D003DB02
2D003DB03
2D003DB04
2D003DB05
(57)【要約】
【課題】作業機械において効率の良い作業を実現する。
【解決手段】制御装置２０は、油圧ショベルの作業装置が掘削する掘削対象物（土砂）の状態に関する状態情報を取得し、この状態情報に基づいて土砂の状態を推定する土砂状態推定部２１と、土砂状態推定部２１により推定された土砂の状態に基づいて、油圧ショベルの旋回時の角速度上限値および角加速度上限値をそれぞれ設定する動作制限判定部２２と、油圧ショベルの姿勢に関する姿勢情報を取得し、この姿勢情報と、動作制限判定部２２により設定された角速度上限値および角加速度上限値とに基づいて、油圧ショベルの旋回動作に対する動作指示を制限する動作演算部２３と、を備える。
【選択図】図２
【解決手段】制御装置２０は、油圧ショベルの作業装置が掘削する掘削対象物（土砂）の状態に関する状態情報を取得し、この状態情報に基づいて土砂の状態を推定する土砂状態推定部２１と、土砂状態推定部２１により推定された土砂の状態に基づいて、油圧ショベルの旋回時の角速度上限値および角加速度上限値をそれぞれ設定する動作制限判定部２２と、油圧ショベルの姿勢に関する姿勢情報を取得し、この姿勢情報と、動作制限判定部２２により設定された角速度上限値および角加速度上限値とに基づいて、油圧ショベルの旋回動作に対する動作指示を制限する動作演算部２３と、を備える。
【選択図】図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
作業装置を備え、旋回動作を含む作業機械の動作を制御する作業機械の制御装置であって、
前記作業装置が掘削する掘削対象物の状態に関する状態情報を取得し、前記状態情報に基づいて前記掘削対象物の状態を推定する状態推定部と、
前記状態推定部により推定された前記掘削対象物の状態に基づいて、前記作業機械の旋回時の角速度上限値および角加速度上限値をそれぞれ設定する動作制限判定部と、
前記作業機械の姿勢に関する姿勢情報を取得し、前記姿勢情報と、前記動作制限判定部により設定された前記角速度上限値および前記角加速度上限値とに基づいて、前記作業機械の旋回動作に対する動作指示を制限する動作演算部と、を備えることを特徴とする作業機械の制御装置。
前記作業装置が掘削する掘削対象物の状態に関する状態情報を取得し、前記状態情報に基づいて前記掘削対象物の状態を推定する状態推定部と、
前記状態推定部により推定された前記掘削対象物の状態に基づいて、前記作業機械の旋回時の角速度上限値および角加速度上限値をそれぞれ設定する動作制限判定部と、
前記作業機械の姿勢に関する姿勢情報を取得し、前記姿勢情報と、前記動作制限判定部により設定された前記角速度上限値および前記角加速度上限値とに基づいて、前記作業機械の旋回動作に対する動作指示を制限する動作演算部と、を備えることを特徴とする作業機械の制御装置。
【請求項2】
請求項１に記載の作業機械の制御装置において、
前記角速度上限値および前記角加速度上限値に基づく速度ベクトルを所定の演算周期ごとに算出し、算出した前記速度ベクトルに基づいて前記作業機械が前記掘削対象物を運搬する際の経路を生成する経路生成部を備え、
前記動作演算部は、前記経路生成部により生成された前記経路に基づいて前記作業機械の動作量を演算することを特徴とする作業機械の制御装置。
前記角速度上限値および前記角加速度上限値に基づく速度ベクトルを所定の演算周期ごとに算出し、算出した前記速度ベクトルに基づいて前記作業機械が前記掘削対象物を運搬する際の経路を生成する経路生成部を備え、
前記動作演算部は、前記経路生成部により生成された前記経路に基づいて前記作業機械の動作量を演算することを特徴とする作業機械の制御装置。
【請求項3】
請求項２に記載の作業機械の制御装置において、
前記作業機械が前記掘削対象物を運搬しているときに前記作業機械の旋回半径が変化する場合、前記動作制限判定部は、前記演算周期ごとに前記角速度上限値および前記角加速度上限値をそれぞれ変更し、
前記経路生成部は、前記演算周期ごとに変更された前記角速度上限値および前記角加速度上限値に基づいて前記速度ベクトルを算出することを特徴とする作業機械の制御装置。
前記作業機械が前記掘削対象物を運搬しているときに前記作業機械の旋回半径が変化する場合、前記動作制限判定部は、前記演算周期ごとに前記角速度上限値および前記角加速度上限値をそれぞれ変更し、
前記経路生成部は、前記演算周期ごとに変更された前記角速度上限値および前記角加速度上限値に基づいて前記速度ベクトルを算出することを特徴とする作業機械の制御装置。
【請求項4】
請求項２に記載の作業機械の制御装置において、
前記経路生成部により生成された前記経路における前記作業機械の作業効率を演算する作業効率演算部を備え、
前記経路生成部は、前記掘削対象物の掘削量が互いに異なる複数の前記経路を生成し、
前記作業効率演算部は、複数の前記経路に対して前記作業効率をそれぞれ演算するとともに、複数の前記経路の中で前記作業効率が最も高い経路を選択し、
前記動作演算部は、前記作業効率演算部により選択された前記経路に基づいて、前記作業機械の動作量を演算することを特徴とする作業機械の制御装置。
前記経路生成部により生成された前記経路における前記作業機械の作業効率を演算する作業効率演算部を備え、
前記経路生成部は、前記掘削対象物の掘削量が互いに異なる複数の前記経路を生成し、
前記作業効率演算部は、複数の前記経路に対して前記作業効率をそれぞれ演算するとともに、複数の前記経路の中で前記作業効率が最も高い経路を選択し、
前記動作演算部は、前記作業効率演算部により選択された前記経路に基づいて、前記作業機械の動作量を演算することを特徴とする作業機械の制御装置。
【請求項5】
請求項４に記載の作業機械の制御装置において、
前記状態推定部は、前記掘削対象物の状態が所定の流動性以上を有する高流動性状態に該当するか否かを推定し、
前記状態推定部により前記掘削対象物の状態が前記高流動性状態に該当すると推定された場合、前記経路生成部は、前記掘削対象物の掘削量を所定値以下に制限して複数の前記経路を生成することを特徴とする作業機械の制御装置。
前記状態推定部は、前記掘削対象物の状態が所定の流動性以上を有する高流動性状態に該当するか否かを推定し、
前記状態推定部により前記掘削対象物の状態が前記高流動性状態に該当すると推定された場合、前記経路生成部は、前記掘削対象物の掘削量を所定値以下に制限して複数の前記経路を生成することを特徴とする作業機械の制御装置。
【請求項6】
請求項１に記載の作業機械の制御装置において、
前記状態推定部により推定された前記掘削対象物の状態に基づいて、前記作業機械が前記掘削対象物を掘削する際の掘削方法と、前記作業機械が前記掘削対象物を運搬した後に所定の放出場所へ放出する際の放出方法と、の少なくとも一方を決定する動作方法決定部を備えることを特徴とする作業機械の制御装置。
前記状態推定部により推定された前記掘削対象物の状態に基づいて、前記作業機械が前記掘削対象物を掘削する際の掘削方法と、前記作業機械が前記掘削対象物を運搬した後に所定の放出場所へ放出する際の放出方法と、の少なくとも一方を決定する動作方法決定部を備えることを特徴とする作業機械の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、作業機械の動作を制御する作業機械の制御装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、土木建設業界において、バケットの荷こぼれを推定しオペレータへ通知するシステムが知られている。例えば特許文献１には、作業対象物の荷重値、作業機の姿勢、及び作業機の運動状態の相互関係で規定された荷こぼれ基準値が記憶された荷こぼれ基準記憶部と、作業機の運動状態を示す物理量に基づいて、作業機が作業対象物の運搬中に荷こぼれを発生したか否かを推定する荷こぼれ推定部を備え、荷こぼれ推定部で荷こぼれが発生したと判定された旨をモニタで報知する作業機械が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０１９－１５７３６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、特許文献１に記載の作業機械は、荷こぼれが発生したか否かを推定し、発生したと推定した場合に報知を行うものであり、運搬前に荷こぼれが発生しそうな動作を予測するものではないため、荷こぼれを事前に防止することはできない。したがって、例えば流動性の高い土砂を運搬する場合などのように荷こぼれが起きやすい状況では、作業機械のオペレータは荷こぼれを防ぐために作業機械の操作を慎重に行う必要があり、その結果、作業機械の動作速度が著しく制限されてしまって作業効率が低下するおそれがある。また、オペレータの習熟度が低い場合には、慎重に操作したにも関わらず荷こぼれを起こしてしまう可能性もある。このように、従来の作業機械では効率の良い作業の実現に関してさらなる改善の余地がある。
【0005】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、作業機械において効率の良い作業を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明による作業機械の制御装置は、作業装置を備え、旋回動作を含む作業機械の動作を制御する装置であって、前記作業装置が掘削する掘削対象物の状態に関する状態情報を取得し、前記状態情報に基づいて前記掘削対象物の状態を推定する状態推定部と、前記状態推定部により推定された前記掘削対象物の状態に基づいて、前記作業機械の旋回時の角速度上限値および角加速度上限値をそれぞれ設定する動作制限判定部と、前記作業機械の姿勢に関する姿勢情報を取得し、前記姿勢情報と、前記動作制限判定部により設定された前記角速度上限値および前記角加速度上限値とに基づいて、前記作業機械の旋回動作に対する動作指示を制限する動作演算部と、を備える。
【発明の効果】
【0007】
本発明によれば、作業機械において効率の良い作業を実現できる。
【0008】
なお、本発明に関連する更なる特徴は、本明細書の記述、添付図面から明らかになるものである。また、上記した以外の、課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】本発明の一実施形態に係る作業機械の一例である油圧ショベルの概略図。
【図2】本発明の第１の実施形態に係る制御システムの機能ブロック図。
【図3A】距離センサを土砂状態検出部として用いた場合の土砂状態の検出方法の説明図。
【図3B】圧力センサを土砂状態検出部として用いた場合の土砂状態の検出方法の説明図。
【図3C】撮影装置を土砂状態検出部として用いた場合の土砂状態の検出方法の説明図。
【図4A】距離センサを土砂状態検出部に用いて得られた時系列データを参照情報と比較する場合の土砂状態の推定方法の説明図。
【図4B】圧力センサを土砂状態検出部に用いて得られた時系列データを参照情報と比較する場合の土砂状態の推定方法の説明図。
【図4C】撮影装置を土砂状態検出部に用いて得られた時系列データを参照情報と比較する場合の土砂状態の推定方法の説明図。
【図5】本発明の第１の実施形態に係る制御システムの処理の流れを示すフローチャート。
【図6】本発明の第２の実施形態に係る制御システムの機能ブロック図。
【図7】本発明の第２の実施形態に係る制御システムの処理の流れを示すフローチャート。
【図8】本発明の第３の実施形態に係る制御システムの機能ブロック図。
【図9】掘削経路生成部において設定される上限掘削量の一例を示す図。
【図10】本発明の第３の実施形態に係る制御システムの処理の流れを示すフローチャート。
【図11】本発明の第４の実施形態に係る制御システムの機能ブロック図。
【図12】掘削方法決定部において決定される掘削方法の一例を示す図。
【図13】放土方法決定部において決定される放土方法の一例を示す図。
【図14】本発明の第４の実施形態に係る制御システムの処理の流れを示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、本発明による作業機械および情報提示方法の実施例について、図面を参照しながら説明する。
【0011】
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の一実施形態に係る作業機械の一例である油圧ショベル１の概略図である。油圧ショベル１では、下部走行体１４に旋回機構１６を介して上部旋回体１５が搭載されている。旋回機構１６は油圧モータを含み、油圧モータを回転駆動させることで、ｚ軸に並行な旋回中心１７を中心に、上部旋回体１５を時計回り、または反時計回りに旋回させることができる。
図１は、本発明の一実施形態に係る作業機械の一例である油圧ショベル１の概略図である。油圧ショベル１では、下部走行体１４に旋回機構１６を介して上部旋回体１５が搭載されている。旋回機構１６は油圧モータを含み、油圧モータを回転駆動させることで、ｚ軸に並行な旋回中心１７を中心に、上部旋回体１５を時計回り、または反時計回りに旋回させることができる。
【0012】
上部旋回体１５には、ブーム８が取り付けられている。ブーム８は、油圧駆動されるブームシリンダ５により、ｙ軸に平行な揺動中心１９を中心に、上部旋回体１５に対して上下方向に揺動する。
【0013】
ブーム８の先端には、アーム９が取り付けられている。アーム９は、油圧駆動されるアームシリンダ６により、ブーム８に対して前後方向に揺動する。
【0014】
アーム９の先端には、バケット１０が取り付けられている。バケット１０は、油圧駆動されるバケットシリンダ７により、アーム９に対して揺動する。
【0015】
なお本明細書において、ブーム８、アーム９、及びバケット１０をまとめて、作業装置と称することがある。この作業装置は、上部旋回体１５と共に、旋回中心１７を中心に旋回する。旋回中心１７から作業装置の先端部分までの距離は、ブーム８、アーム９、バケット１０をそれぞれ揺動させることによって変動する。
【0016】
上部旋回体１５には、さらにオペレータを収容するキャビン２や、不図示の油圧ポンプを駆動するエンジン４、重量バランスを調整するためのカウンタウェイト１１などが搭載されている。下部走行体１４には、履帯１２や、履帯１２を駆動する走行装置３などが搭載されている。
【0017】
上部旋回体１５において、キャビン２の付近には、油圧ショベル１が掘削を行う掘削対象物の状態を検出し、この状態に基づいて油圧ショベル１の動作を制御する制御システム１００が搭載されている。この制御システム１００の詳細については後述する。
【0018】
なお、油圧ショベル１において、ブーム８の揺動中心１９は、上部旋回体１５の旋回中心１７から外れた地点に配置されていることが好ましい。ただし、旋回中心１７と揺動中心１９とが交差するような構造としても良い。
【0019】
次に、本実施形態に係る制御システム１００の詳細について説明する。図２は、本発明の第１の実施形態に係る制御システム１００の機能ブロック図である。図２に示すように、制御システム１００は、制御装置２０と、制御装置２０の入力側を構成する土砂状態検出部３１、姿勢検出部３２および動作入力部３３と、制御装置２０の出力側を構成するアクチュエータ動作部４０と、を有している。
【0020】
土砂状態検出部３１は、油圧ショベル１の掘削対象物である土砂の状態を検出し、その検出結果に応じた情報を、土砂の状態に関する状態情報として制御装置２０へ出力する。土砂状態検出部３１は、例えば、土砂を撮影可能なカメラ等の撮影装置、土砂の表面形状（凹凸状態）を検出可能な赤外線センサやＬｉＤＡＲ（Light Detection And Ranging）等の距離センサ、作業装置を駆動する各アクチュエータ（ブームシリンダ５、アームシリンダ６およびバケットシリンダ７）に取り付けられている圧力センサ等を用いて、油圧ショベル１が掘削を行う土砂の状態を検出し、その検出結果を示す画像データ、形状データ、圧力データ等の各種情報を、土砂の状態に関する状態情報として制御装置２０へ送信する。なお、土砂状態検出部３１による土砂状態の具体的な検出方法については後述する。
【0021】
姿勢検出部３２は、掘削作業中における各アクチュエータの動作状態に応じた油圧ショベル１の姿勢を検出し、その検出結果に応じた情報を、油圧ショベル１の姿勢に関する姿勢情報として制御装置２０へ出力する。姿勢検出部３２は、例えば各アクチュエータに設置されたストロークセンサや、作業装置の各部に設置されたＩＭＵ（Inertial Measurement Unit）等を用いて、油圧ショベル１におけるブーム８、アーム９およびバケット１０の姿勢をそれぞれ検出し、これらの検出結果を示す信号を、油圧ショベル１の姿勢に関する姿勢情報として制御装置２０へ送信する。
【0022】
動作入力部３３は、オペレータもしくはその他コントローラからの動作指示に基づく動作指示情報を制御装置２０へ送信する。動作入力部３３は、例えばオペレータがキャビン２に設置されたレバーを操作すると、そのレバー操作量に相当する動作入力値を表す動作指示情報を制御装置２０へ送信する。
【0023】
制御装置２０は、土砂状態検出部３１、姿勢検出部３２および動作入力部３３からそれぞれ入力される情報に基づき、油圧ショベル１において作業装置の駆動や上部旋回体１５の旋回動作に用いられる各アクチュエータ（ブームシリンダ５、アームシリンダ６、バケットシリンダ７および旋回機構１６）に対する指令値を演算して、アクチュエータ動作部４０へ出力する。
【0024】
アクチュエータ動作部４０は、制御装置２０から送信された指令値をもとに、油圧ショベル１の各アクチュエータを動作させる。これにより、油圧ショベル１において作業装置や旋回機構１６が駆動され、土砂の掘削作業が行われる。
【0025】
制御装置２０は、土砂状態推定部２１、動作制限判定部２２、動作演算部２３および記憶部２４を備える。記憶部２４には、土砂の土質（土、砂利、砂、泥、泥水等）ごとに予め設定された画像データ、形状データ、圧力データ等の参照情報や、土砂の土質および旋回半径ごとに予め設定された旋回角速度および旋回角加速度の上限値を表すテーブルデータなどが記憶されている。
【0026】
土砂状態推定部２１は、土砂状態検出部３１から土砂の状態情報を取得し、この状態情報に基づいて土砂の状態を推定する。そして、得られた土砂状態の推定結果を動作制限判定部２２に送信する。土砂状態推定部２１は、例えば土砂の状態情報として土砂状態検出部３１から取得した画像データ、形状データ、圧力データ等の状態情報を、記憶部２４に記憶されている土質ごとの参照情報と照合することで、得られた状態情報に最も類似する参照情報を特定し、その参照情報が表す土質を土砂状態の推定結果として取得する。これにより、土砂状態推定部２１において土砂の状態を推定することができる。
【0027】
動作制限判定部２２は、土砂状態推定部２１により推定された土砂の状態に基づいて、油圧ショベル１の旋回時の角速度上限値および角加速度上限値をそれぞれ設定する。動作制限判定部２２は、例えば記憶部２４に記憶されたテーブルデータから、土砂状態推定部２１により推定された土砂の土質に対応する旋回半径と旋回角速度および旋回角加速度の上限値との関係を抽出し、これに基づいて、土砂状態に応じた旋回半径ごとの角速度上限値および角加速度上限値を設定する。動作制限判定部２２により設定された角速度上限値および角加速度上限値は、動作演算部２３へ送信される。
【0028】
動作演算部２３は、動作入力部３３からの動作指示情報に応じて、油圧ショベル１の各アクチュエータの動作量を演算し、その演算結果に応じた指令値を生成してアクチュエータ動作部４０へ送信することで、油圧ショベル１に対する動作指示を行う。このとき動作演算部２３は、姿勢検出部３２から油圧ショベル１の姿勢情報を取得し、この姿勢情報と、動作制限判定部２２により設定された角速度上限値および角加速度上限値とに基づいて、旋回動作に対する動作量の制限を必要に応じて行う。これにより、土砂の状態に応じて、油圧ショベル１の旋回動作に対する動作指示を制限する。
【0029】
動作演算部２３は、旋回角速度制限部２３１と、旋回角加速度制限部２３２と、を有する。旋回角速度制限部２３１は、姿勢検出部３２から取得した姿勢情報から旋回半径を算出し、この旋回半径の値と、動作制限判定部２２から送信される土砂状態に応じた旋回半径ごとの角速度上限値とに基づいて、現在の油圧ショベル１の姿勢に応じた旋回角速度の上限値を決定する。そして、動作入力部３３からの動作指示情報に基づいて演算された動作量における旋回角速度の値がこの上限値を超過してる場合には、旋回角速度が上限値以下となるように動作量を制限して、アクチュエータ動作部４０への指令値を生成する。
【0030】
旋回角加速度制限部２３２は、姿勢検出部３２から取得した姿勢情報から旋回半径を算出し、この旋回半径の値と、動作制限判定部２２から送信される土砂状態に応じた旋回半径ごとの角加速度上限値とに基づいて、現在の油圧ショベル１の姿勢に応じた旋回角加速度の上限値を決定する。そして、動作入力部３３からの動作指示情報に基づいて演算された動作量における旋回角加速度の値がこの上限値を超過してる場合には、旋回角加速度が上限値以下となるように動作量を制限して、アクチュエータ動作部４０への指令値を生成する。
【0031】
なお、土砂の運搬時に旋回半径が変化する場合、動作制限判定部２２は、各時点での旋回半径の値に応じて、角速度上限値および角加速度上限値を所定の演算周期ごとにそれぞれ変更する。動作演算部２３は、動作制限判定部２２によって演算周期ごとに設定される角速度上限値および角加速度上限値に基づき、動作入力部３３からの動作指示に応じた旋回動作に対する動作量がこれらの上限値を超過している場合には、動作量を制限してアクチュエータ動作部４０に指令値を出力する。
【0032】
【0033】
図３Ａは、赤外線センサやＬｉＤＡＲ等の距離センサを土砂状態検出部３１として用いた場合の土砂状態の検出方法の説明図である。この場合、油圧ショベル１において土砂状態検出部３１は、掘削対象物である土砂５１の表面のある一点を測定対象点として、その測定対象点までの距離を検出しやすい位置、例えばキャビン２前方の上部などに設置されている。なお、土砂状態検出部３１は必ずしも油圧ショベル１に車載されている必要はなく、施工現場に配置されていても良い。この場合、土砂状態検出部３１から制御装置２０への状態情報の出力は、有線もしくは無線の外部接続によって実現しても良い。
【0034】
図３Ａの場合に土砂状態検出部３１は、掘削前、もしくは掘削後の土砂５１の表面における凹凸状態の変化を、例えばグラフ５２に示すような時系列データとして取得することができる。グラフ５２において、横軸は時間を表し、縦軸は土砂状態検出部３１から土砂５１の測定対象点までの距離を表している。なお、掘削前であれば、土砂５１の測定対象点はバケット１０が土砂５１に接触する際の接触位置付近に設定されることが好ましく、掘削後であれば、土砂５１の測定対象点はバケット１０内の土砂５１に対して設定されることが好ましい。ただし、掘削時のバケット１０の動きに影響されて土砂５１の表面に生じる凹凸状態の変化を土砂状態検出部３１が適切に計測可能な位置であれば、土砂５１の表面上の任意の位置を測定対象点に設定することができる。また、測定対象点は一点に限らず、複数点としても良い。
【0035】
例えば土砂５１の土質が水や泥等の流動性の高い土質であれば、掘削時に土砂５１の表面が波打つことによって、土砂状態検出部３１から測定対象点までの距離が周期的に変動する。その結果、土砂状態検出部３１では、例えばグラフ５２に示すように、時間経過に対する距離の変化が周期性を持ち、かつそのピーク値が次第に減衰する時系列データが得られる。一方、土砂５１の土質が砂や土等の流動性の少ない土質であれば、掘削時の崩落等による表面形状の変化に応じた距離の変化が多少は生じる可能性があるものの、流動性の高い土質の場合と比べて、距離が周期的に変化せず、またピーク値の減衰もない時系列データが得られる。
【0036】
図３Ｂは、作業装置を駆動する各アクチュエータに取り付けられている圧力センサを土砂状態検出部３１として用いた場合の土砂状態の検出方法の説明図である。赤外線センサやＬｉＤＡＲ等の距離センサを油圧ショベル１に搭載するのが困難な場合には、ブームシリンダ５、アームシリンダ６およびバケットシリンダ７の各シリンダ圧力を測定する圧力センサを、土砂状態検出部３１として用いることができる。
【0037】
図３Ｂの場合に土砂状態検出部３１は、掘削時における各シリンダ圧力状態の変化を、例えばグラフ５３に示すような時系列データとして取得することができる。グラフ５３において、横軸は時間を表し、縦軸はシリンダ圧力を表している。
【0038】
例えば土砂５１の土質が水や泥等の流動性の高い土質であれば、掘削時に土砂５１から受ける掘削反力は、流動性の少ない砂利や土などと比べて相対的に小さくなる。その結果、土砂状態検出部３１では、例えばグラフ５３に示すように、時間経過に対するシリンダ圧力の変化やそのピーク値が相対的に小さい時系列データが得られる。一方、土砂５１の土質が砂利や土等の流動性の少ない土質であれば、その土質が固くなるほど、時間経過に対するシリンダ圧力の変化やそのピーク値が相対的に大きい時系列データが得られる。
【0039】
図３Ｃは、カメラ等の撮影装置を土砂状態検出部３１として用いた場合の土砂状態の検出方法の説明図である。この場合、油圧ショベル１において土砂状態検出部３１は、掘削対象物である土砂５１の表面を撮影しやすい位置、例えば図３Ａと同様のキャビン２前方の上部などに設置されている。
【0040】
図３Ｃの場合に土砂状態検出部３１は、掘削前、もしくは掘削後の土砂５１の表面を所定の撮影間隔、例えば数ｍｓごとに撮影する。その結果、例えば画像５４に示すような撮影画像を連続的に取得し、これらの撮影画像間の時系列的な変化の様子を、土砂５１の流動性や形状を表す情報として取得することができる。あるいは、土砂５１の流動性や形状を表す情報として、連続的な撮影画像の代わりに映像を取得しても良い。
【0041】
例えば土砂５１の土質が水や泥のように流動性の高い土質であれば、掘削後にバケット１０内に存在する土砂５１の高さは、バケット１０の水平面と同等かそれ以下となる。また、例えば画像５４の符号５５（２箇所）に示すように、土砂５１の表面において波打ちが生じる。一方、土砂５１の土質が砂や土等の流動性の少ない土質であれば、掘削後のバケット１０内での土砂５１の高さは、バケット１０の水平面と同等かそれ以上となり、表面に波打ちが生じることもない。したがって、撮影画像または映像の時系列的な変化からこれらの状況を観測することで、土砂５１の流動性を判断できる。
【0042】
【0043】
前述のように、記憶部２４には、あらかじめ作業前に取得しておいた画像データ、形状データ、圧力データ等の情報が、例えば水、泥、土、砂などの土質ごとに参照情報として保存されている。土砂状態推定部２１は、記憶部２４に保存されている土質ごとの参照情報のうち、土砂状態検出部３１で得られた図３Ａ～図３Ｃのような時系列データと類似するものを探索し、最も類似する参照情報に対応する土質を、土砂５１に対する土質の推定結果として選択する。これにより、土砂５１の土質を推定することができる。
【0044】
図４Ａは、赤外線センサやＬｉＤＡＲ等の距離センサを土砂状態検出部３１に用いて得られた時系列データを記憶部２４内の参照情報と比較する場合の土砂状態の推定方法の説明図である。この場合、図３Ａで説明したグラフ５２に示すような時系列データが、土砂状態検出部３１から土砂状態推定部２１に入力されると、土砂状態推定部２１は、取得したグラフ５２の時系列データを、例えばグラフ６１，６２にそれぞれ示すような、記憶部２４に参照情報として格納されている各種土質の形状データと比較する。
【0045】
具体的には、まず、土砂状態推定部２１は、グラフ５２の時系列データから、例えば最大値と最小値の差分である振幅値ｈ０と、最大値が現れる時間間隔であるサイクルタイムｔ０とを算出する。この振幅値ｈ０およびサイクルタイムｔ０を、記憶部２４に参照情報として格納されたグラフ６１，６２における振幅値ｈ１，ｈ２およびサイクルタイムｔ１，ｔ２とそれぞれ比較する。そして、記憶部２９内の参照情報の中で振幅値とサイクルタイムの値がそれぞれｈ０，ｔ０に最も近い参照情報を選択し、その参照情報に対応する土質を、土砂状態の推定結果として取得する。図４Ａの例では、グラフ６１の振幅値ｈ１およびサイクルタイムｔ１よりも、グラフ６２の振幅値ｈ２およびサイクルタイムｔ２の方が、グラフ５２の振幅値ｈ０およびサイクルタイムｔ０にそれぞれ近い。そのため、グラフ６２が選択され、グラフ６２に対応する土質が、土砂状態検出部３１により検出された土砂５１の土質として推定される。
【0046】
なお、土砂５１の流動性が低く、そのため土砂状態検出部３１から出力される測定対象点の時系列データに変化が見られない場合は、測定対象物までの距離をメッシュ状に取得可能な距離センサ（例えばＬｉＤＡＲ等）を用いて各点の位置関係と距離を測定し、その測定結果から土砂５１表面の凹凸状態を検出しても良い。この場合、土砂状態推定部２１は、土砂状態検出部３１から土砂５１の表面における凹凸の深さ、高さ、横幅、奥行きなどのデータを取得して、記憶部２９内の参照情報と照合し、最も近い参照情報を選択することで土砂５１の土質を推定する。その際、距離センサで取得するデータのメッシュサイズが細かいほど、より厳密な推定結果を得ることが可能である。
【0047】
図４Ｂは、作業装置を駆動する各アクチュエータに取り付けられている圧力センサを土砂状態検出部３１に用いて得られた時系列データを記憶部２４内の参照情報と比較する場合の土砂状態の推定方法の説明図である。この場合、図３Ｂで説明したグラフ５３に示すような時系列データが、土砂状態検出部３１から土砂状態推定部２１に入力されると、土砂状態推定部２１は、取得したグラフ５３の時系列データを、例えばグラフ６３，６３にそれぞれ示すような、記憶部２４に参照情報として格納されている各種土質の圧力データと比較する。
【0048】
具体的には、まず、土砂状態推定部２１は、グラフ５３の時系列データを所定数の区間（例えば４区間）に区切ったときの各区間での代表圧力値Ｐ０１～Ｐ０４を取得する。この代表圧力値Ｐ０１～Ｐ０４を、記憶部２４に参照情報として格納されたグラフ６３，６４における代表圧力値Ｐ１１～Ｐ１４およびＰ２１～Ｐ２４とそれぞれ比較する。そして、記憶部２９内の参照情報の中で各区間の代表圧力値がそれぞれＰ０１～Ｐ０４に最も近い参照情報を選択し、その参照情報に対応する土質を、土砂状態の推定結果として取得する。図４Ｂの例では、グラフ６４の代表圧力値Ｐ２１～Ｐ２４よりも、グラフ６３の代表圧力値Ｐ１１～Ｐ１４の方が、グラフ５３の代表圧力値Ｐ０１～Ｐ０４にそれぞれ近い。そのため、グラフ６３が選択され、グラフ６３に対応する土質が、土砂状態検出部３１により検出された土砂５１の土質として推定される。
【0049】
図４Ｃは、カメラ等の撮影装置を土砂状態検出部３１に用いて得られた画像データもしくは映像データを記憶部２４内の参照情報と比較する場合の土砂状態の推定方法の説明図である。この場合、図３Ｃで説明した画像５４に示すような画像データもしくは映像データが、土砂状態検出部３１から土砂状態推定部２１に入力されると、土砂状態推定部２１は、取得した画像５４に対して周知の画像処理技術を適用することで、土砂５１の色、表面の凹凸状態、砂利の大きさ等を判別し、例えば画像６５，６６にそれぞれ示すような、記憶部２４に参照情報として格納されている各種土質の画像データと比較する。
【0050】
具体的には、まず、土砂状態推定部２１は、例えばディープラーニング等の画像処理技術を用いて、画像５４の中で土質の特徴に応じた特徴点６７（図４Ｃの例では２箇所）を抽出する。この特徴点６７に類似する画像部分を、記憶部２４に参照情報として格納された画像６５，６６からそれぞれ探索する。そして、記憶部２９内の参照情報の中で特徴点６７に類似する画像部分が最も多く探索された参照情報を選択し、その参照情報に対応する土質を、土砂状態の推定結果として取得する。図４Ｃの例では、画像６５からは特徴点６７に類似する画像部分６８が２箇所探索されているのに対して、画像６６からは一つも探索されていない。そのため、画像６５が選択され、画像６６に対応する土質が、土砂状態検出部３１により検出された土砂５１の土質として推定される。なお、特徴点６７を抽出するための情報は、砂利等の固形物の大きさや土砂５１の色などを基に、あらかじめ学習させておくことが好ましい。
【0051】
以上説明したように、土砂状態推定部２１では、土砂状態検出部３１で取得した土砂５１の状態情報をあらかじめ記憶部２４内に記憶されているデータと比較することで、土砂５１の特性を推定することができる。こうして土砂状態推定部２１により推定された土砂５１の特性に応じて、動作演算部２３により油圧ショベル１の動作を制御することが可能となる。なお、土砂状態推定部２１における土砂状態の推定では、単一の方法よりも複数の方法を併用した方が、より高い精度で推定結果を得ることができる。
【0052】
次に、記憶部２４内に保存されている旋回角速度および旋回角加速度の上限値のテーブルデータについて説明する。
【0053】
まず、旋回半径と旋回角速度の関係について説明する。油圧ショベル１の旋回時にバケット１０に加わる遠心力は、以下の式（１）で表される。
Ｆｒ＝ｍｒω２ ・・・（１）
式（１）において、Ｆｒは遠心力、ｍはバケット１０（土砂を含む）の重量、ωは旋回角速度、ｒは旋回半径（旋回中心地点からバケット１０の中心地点までの距離）である。
Ｆｒ＝ｍｒω２ ・・・（１）
式（１）において、Ｆｒは遠心力、ｍはバケット１０（土砂を含む）の重量、ωは旋回角速度、ｒは旋回半径（旋回中心地点からバケット１０の中心地点までの距離）である。
【0054】
ここで、式（１）において土砂を含むバケット１０の重量ｍを一定値とした場合、旋回時の遠心力Ｆｒの影響を小さくするためには、旋回半径ｒと旋回角速度ωのどちらか、またはその両方を低減することが効果的であることが分かる。遠心力Ｆｒが大きいと、旋回時にバケット１０内の土砂がこぼれる可能性が高くなる。
【0055】
続いて、旋回半径と旋回角加速度の関係について説明する。油圧ショベル１の旋回時にバケット１０において接線方向にかかる力は、以下の式（２）で表される。
Ｆａ＝ｍａ ・・・（２）
式（２）において、Ｆａは接線方向の力、ｍはバケット１０（土砂を含む）の重量、ａは接線方向の加速度（接線加速度）である。式（２）の接線加速度ａは、旋回角速度αと旋回半径ｒを用いて、以下の式（３）で表される。
ａ＝αｒ ・・・（３）
Ｆａ＝ｍａ ・・・（２）
式（２）において、Ｆａは接線方向の力、ｍはバケット１０（土砂を含む）の重量、ａは接線方向の加速度（接線加速度）である。式（２）の接線加速度ａは、旋回角速度αと旋回半径ｒを用いて、以下の式（３）で表される。
ａ＝αｒ ・・・（３）
【0056】
つまり、バケット１０にかかる接線加速度ａが小さくなると、旋回時にバケット１０にかかる接線方向の力Ｆａも減少するため、旋回半径ｒと接線加速度ａのどちらか、またはその両方を低減することが効果的であることが分かる。接線方向の力Ｆａが大きいと、旋回時にバケット１０内の土砂がこぼれる可能性が高くなる。
【0057】
しかしながら、油圧ショベル１では作業上の都合から、旋回後の目標地点に合わせて姿勢を合わせる必要があるため、旋回半径ｒを極端に短縮しながら旋回すると、作業性が著しく悪化してしまう可能性がある。そのことから、旋回半径ｒの変動は最小限に抑える必要がある。したがって、旋回時にバケット１０内の土砂がこぼれることを抑制するためには、運搬動作にかかわる旋回角速度および旋回角加速度を制御する必要がある。これを実現するために、記憶部２４では、土質ごとに旋回半径と旋回角速度の関係、および旋回半径と旋回角加速度の関係が、テーブルデータとしてあらかじめ登録されている。
【0058】
動作制限判定部２２は、土砂状態推定部２１で推定された土砂５１の状態に最も類似する土質に該当するテーブルデータを記憶部２４内で探索し、このテーブルデータから、旋回半径ごとの角速度上限値および角加速度上限値を設定して、動作演算部２３へ送信する。これにより、土砂５１をこぼすことなく、油圧ショベル１の動作を制御して作業を実施することが可能となる。
【0059】
図５は、本発明の第１の実施形態に係る制御システム１００の処理の流れを示すフローチャートである。
【0060】
ステップＳ１０１において、姿勢検出部３２は、油圧ショベル１の姿勢を検出し、姿勢情報を制御装置２０へ出力する。
【0061】
ステップＳ１０２において、土砂状態検出部３１は、油圧ショベル１の掘削対象物である土砂の状態を検出し、状態情報を制御装置２０へ出力する。ここでは、例えば図３Ａ～図３Ｃで説明した方法により、土砂状態を検出することができる。
【0062】
ステップＳ１０３において、土砂状態推定部２１は、ステップＳ１０２で土砂状態検出部３１から送信された状態情報を記憶部２４のデータと照合して、土砂状態を推定する。ここでは、例えば図４Ａ～図４Ｃで説明した方法により、土砂状態を推定することができる。
【0063】
ステップＳ１０４において、動作制限判定部２２は、ステップＳ１０３で土砂状態推定部２１により推定された土砂状態に基づいて、これに最も類似する土質のテーブルデータを記憶部２４から取得する。そして、取得したテーブルデータに基づいて、旋回半径ごとの角速度上限値および角加速度上限値を設定する。
【0064】
ステップＳ１０５において、動作演算部２３は、動作入力部３３からの動作指示情報を取得し、これに基づいて油圧ショベル１の車体の動作を入力する。
【0065】
ステップＳ１０６において、動作演算部２３は、ステップＳ１０５で入力された車体動作のうち旋回動作に対する入力値が、ステップＳ１０４で設定した角速度上限値および角加速度上限値をそれぞれ超えているかを判定する。旋回動作の入力値が角速度上限値および角加速度上限値の少なくとも一方を超えている場合はステップＳ１０７へ進み、両方とも下回っている場合はステップＳ１０８へ進む。
【0066】
ステップＳ１０７において、動作演算部２３は、ステップＳ１０５の入力値における角速度および／または角加速度の値を、ステップＳ１０４で設定した角速度上限値および／または角加速度上限値以下に制限して、油圧ショベル１の各アクチュエータの動作量を演算する。そして、演算された動作量に応じた指令値を生成してアクチュエータ動作部４０へ送信し、各アクチュエータを動作させる。
【0067】
ステップＳ１０８において、動作演算部２３は、ステップＳ１０５の入力値に基づいて油圧ショベル１の各アクチュエータの動作量を演算し、演算された動作量に応じた指令値を生成してアクチュエータ動作部４０へ送信して、各アクチュエータを動作させる。
【0068】
ステップＳ１０７またはＳ１０８でアクチュエータの動作を実施したら、図５のフローチャートに示す処理を終了する。
【0069】
このように、土砂の状態に応じて旋回角加速度および旋回角速度を制限することにより、油圧ショベル１において、バケット１０から土砂がこぼれる可能性を低減しながら、効率よく作業を実施することができる。
【0070】
【0071】
第１の実施形態では、土砂の状態に応じて旋回角速度および旋回角加速度の上限値を設定することで、土砂をこぼすことなく作業を実施する例を説明した。本実施形態では、現地点から指定された放土地点までの運搬経路を設定し、この運搬経路に従ってアクチュエータの動作量を演算する際に、旋回角速度および旋回角加速度の上限値を設定する例を説明する。
【0072】
図６は、本発明の第２の実施形態に係る制御システム１００Ａの機能ブロック図である。図６に示す制御システム１００Ａは、第１の実施形態で説明した制御システム１００と比べて、制御装置２０の代わりに制御装置２０Ａを有する点と、この制御装置２０Ａの入力側に、放土地点入力部３４をさらに有する点とが異なっている。
【0073】
放土地点入力部３４は、オペレータもしくはその他コントローラからの入力指示に基づいて、放土地点におけるバケット１０の座標（例えば爪先座標）を設定し、その座標値の情報を制御装置２０Ａへ送信する。ここで、放土地点の設定は、例えばオペレータがタッチモニタ等のデバイスにて数値を入力しても良いし、あるいは、オペレータが油圧ショベル１を操作して実際にバケット１０を放土地点まで移動させ、その地点に該当する座標を記憶することで行っても良い。これ以外にも、任意の方法を用いて放土地点を設定し、その放土地点に対応する座標を設定することが可能である。
【0074】
制御装置２０Ａは、第１の実施形態で説明した土砂状態推定部２１、動作制限判定部２２および記憶部２４に加えて、動作演算部２３に替わる動作演算部２３Ａと、経路生成部２５とを備える。
【0075】
経路生成部２５は、運搬経路生成部２５１を有する。運搬経路生成部２５１は、放土地点入力部３４から送信される放土地点の座標値と、姿勢検出部３２から送信される姿勢情報とに基づいて、バケット１０の現在位置（初期位置）から指定された放土地点までの運搬経路を生成する。具体的には、例えば初期位置から放土地点の間をなめらかなスプラインで接続する運搬経路を生成することができる。運搬経路生成部２５１で生成された運搬経路の情報は、動作演算部２３Ａへ送信される。
【0076】
動作演算部２３Ａは、第１の実施形態で説明した旋回角速度制限部２３１および旋回角加速度制限部２３２に加えて、動作量演算部２３３をさらに備える。動作量演算部２３３は、動作入力部３３からの動作指示情報に基づき、油圧ショベル１の各アクチュエータに対して、運搬経路生成部２５１で生成された運搬経路に沿ってバケット１０を移動させるための動作量を演算する。
【0077】
本実施形態の動作演算部２３Ａは、動作量演算部２３３によって得られた動作量に応じた指令値を生成してアクチュエータ動作部４０へ送信することで、油圧ショベル１に対する動作指示を行う。このとき動作演算部２３Ａは、第１の実施形態における動作演算部２３と同様に、姿勢検出部３２から油圧ショベル１の車体の姿勢情報を取得し、この姿勢情報と、動作制限判定部２２により設定された角速度上限値および角加速度上限値とに基づいて、旋回動作に対する動作量の制限を必要に応じて行う。これにより、土砂の状態に応じて、油圧ショベル１の旋回動作に対する動作指示を制限する。
【0078】
ここで、本実施形態の動作演算部２３Ａにおける油圧ショベル１への動作指示方法について説明する。まず、経路生成部２５内の運搬経路生成部２５１では、例えば旋回経路を主として、バケット１０の角度を水平に保ちながら放土地点まで移動可能な経路を生成する。次に、動作演算部２３Ａ内の動作量演算部２３３では、動作入力部３３から入力された旋回角速度等の旋回指令を基に、各制御周期における旋回動作後のバケット１０の移動地点を予測し、事前に運搬経路生成部２５１で計画した経路と比較する。
【0079】
その結果、入力された旋回指令通りの動作によって事前に計画した経路上をバケット１０が移動可能と予測した場合、動作量演算部２３３は、入力された旋回指令に応じた動作量を演算する。その際、旋回角速度制限部２３１と旋回角加速度制限部２３２によってそれぞれ設定される角速度上限値および角加速度上限値に基づき、必要に応じて動作量の制限を行う。
【0080】
一方、入力された旋回指令通りの動作では事前に計画した経路上をバケット１０が移動できないと予測した場合、動作量演算部２３３は、現在の制御周期におけるバケット１０の速度ベクトルを算出し、次の制御周期においてバケット１０が経路上を通過するように速度ベクトルを補正する。この補正後の速度ベクトルを実現するため、動作量演算部２３３では、ブームシリンダ５、アームシリンダ６、バケットシリンダ７および旋回機構１６の各アクチュエータの動作量を演算し、その演算結果に応じた指令値をアクチュエータ動作部４０へ出力する。この際にも、旋回角速度制限部２３１と旋回角加速度制限部２３２によってそれぞれ設定される角速度上限値および角加速度上限値に基づき、必要に応じて動作量の制限を行う。
【0081】
本実施形態の制御システム１００Ａでは、以上説明したように、初期地点から放土地点までの経路を生成し、旋回動作の入力に応じて、バケット１０を水平に保ちながら経路上を移動するためのアクチュエータの動作量を演算する。これにより、土砂をこぼすことなく油圧ショベル１の動作を制御して作業を実施することが可能となる。
【0082】
図７は、本発明の第２の実施形態に係る制御システム１００Ａの処理の流れを示すフローチャートである。
【0083】
ステップＳ２０１では、第１の実施形態で説明した図５のステップＳ１０１と同様に、姿勢検出部３２により油圧ショベル１の姿勢を検出し、姿勢情報を制御装置２０Ａへ出力する。
【0084】
ステップＳ２０２において、放土地点入力部３４は、放土地点の座標を入力し、その座標値の情報を制御装置２０Ａへ送信する。
【0085】
ステップＳ２０３において、経路生成部２５は、運搬経路生成部２５１により、ステップＳ２０１で姿勢検出部３２から送信された姿勢情報と、ステップＳ２０２で放土地点入力部３４から送信された放土地点の座標値とに基づいて、バケット１０の現在位置から放土地点までの運搬経路を生成する。ここでは、例えば姿勢情報に基づいてバケット１０の現在位置を計算し、その位置から放土地点までを結ぶ運搬経路を生成する。
【0086】
ステップＳ２０４～Ｓ２０７では、図５のステップＳ１０２～Ｓ１０５とそれぞれ同様の処理を実施する。
【0087】
ステップＳ２０８において、動作演算部２３Ａは、ステップＳ２０３で生成された運搬経路に基づいて、旋回動作以外の各アクチュエータの動作量を演算する。ここでは、バケット１０の角度を水平に保ちつつ、バケット１０が現在位置から運搬経路に沿って移動するために必要な各アクチュエータの動作量を、旋回機構１６以外について算出する。
【0088】
ステップＳ２０９において、動作演算部２３Ａは、ステップＳ２０７で入力された車体動作のうち旋回動作に対する入力値が、ステップＳ２０６で設定した角速度上限値および角加速度上限値をそれぞれ超えているかを判定する。旋回動作の入力値が角速度上限値および角加速度上限値の少なくとも一方を超えている場合はステップＳ２１０へ進み、両方とも下回っている場合はステップＳ２１１へ進む。
【0089】
ステップＳ２１０において、動作演算部２３Ａは、図５のステップＳ１０７と同様に、ステップＳ２０７の入力値における角速度および／または角加速度の値を、ステップＳ２０６で設定した角速度上限値および／または角加速度上限値以下に制限して、旋回機構１６の動作量を演算する。こうして得られた旋回機構１６の動作量と、ステップＳ２０８で演算された旋回機構１６以外の各アクチュエータの動作量とについて、それぞれに応じた指令値を生成してアクチュエータ動作部４０へ送信し、各アクチュエータを動作させる。
【0090】
ステップＳ２１１において、動作演算部２３Ａは、ステップＳ２０７の入力値に基づいて旋回機構１６の動作量を演算する。こうして得られた旋回機構１６の動作量と、ステップＳ２０８で演算された旋回機構１６以外の各アクチュエータの動作量とについて、それぞれに応じた指令値を生成してアクチュエータ動作部４０へ送信し、各アクチュエータを動作させる。
【0091】
ステップＳ２１０またはＳ２１１でアクチュエータの動作を実施したら、図７のフローチャートに示す処理を終了する。
【0092】
このように、指定された放土地点までの運搬経路に従って油圧ショベル１を動作させる際に、土砂の状態に応じて旋回角加速度および旋回角速度を制限することにより、油圧ショベル１において、バケット１０から土砂がこぼれる可能性を低減しながら、効率よく作業を実施することができる。
【0093】
【0094】
第２の実施形態では、現地点から放土地点までの経路を生成し、旋回動作の入力に応じてバケット１０を水平に保ちながら経路上を移動するためのアクチュエータ動作量を演算するとともに、土砂の状態に応じて旋回角速度および旋回角加速度の上限値を設定することで、土砂をこぼすことなく作業を実施する例を説明した。本実施形態では、土砂の状態に応じて掘削量を決定するとともに、指定された掘削地点から放土地点までの経路を掘削量に応じて設定し、この経路に従ってアクチュエータの動作量を演算する際に、旋回角速度および旋回角加速度の上限値を設定しつつ、作業効率の向上を図る例を説明する。
【0095】
図８は、本発明の第３の実施形態に係る制御システム１００Ｂの機能ブロック図である。図８に示す制御システム１００Ｂは、第２の実施形態で説明した制御システム１００Ａと比べて、制御装置２０Ａの代わりに制御装置２０Ｂを有する点と、この制御装置２０Ｂの入力側に、動作入力部３３に替えて掘削地点入力部３５を有する点とが異なっている。
【0096】
掘削地点入力部３５は、オペレータもしくはその他コントローラからの入力指示に基づいて、掘削地点におけるバケット１０の座標（例えば爪先座標）を設定し、その座標値の情報を制御装置２０Ｂへ送信する。ここで、掘削地点の設定は、放土地点入力部３４における放土地点の設定と同様に、例えばオペレータがタッチモニタ等のデバイスにて数値を入力しても良いし、あるいは、オペレータが油圧ショベル１を操作して実際にバケット１０を掘削地点まで移動させ、その地点に該当する座標を記憶することで行っても良い。これ以外にも、任意の方法を用いて掘削地点を設定し、その掘削地点に対応する座標を設定することが可能である。
【0097】
制御装置２０Ｂは、第１の実施形態で説明した土砂状態推定部２１、動作制限判定部２２および記憶部２４に加えて、動作演算部２３に替わる動作演算部２３Ｂと、経路生成部２５に替わる経路生成部２５Ｂと、作業効率演算部２６とを備える。
【0098】
経路生成部２５Ｂは、第２の実施形態で説明した運搬経路生成部２５１に加えて、掘削経路生成部２５２および放土経路生成部２５３を有する。掘削経路生成部２５２は、掘削地点入力部３５から送信される掘削地点の座標値に基づいて、油圧ショベル１が土砂を掘削する際のバケット１０の動きに応じた掘削経路を生成する。この際、土砂状態推定部２１による土砂状態の推定結果を取得し、この土砂状態に応じて上限掘削量を設定する。具体的には、土砂の流動性が高いとの推定結果が得られた場合は上限掘削量を少なくし、反対に土砂の流動性が低いとの推定結果が得られた場合は上限掘削量を多くする。こうして設定した上限掘削量の範囲内で、掘削量を変化させた場合の掘削量ごとの掘削経路を生成する。
【0099】
放土経路生成部２５３は、放土地点入力部３４から送信される放土地点の座標値に基づいて、油圧ショベル１が土砂を放出する際のバケット１０の動きに応じた放土経路を生成する。この際、掘削経路生成部２５２により設定された掘削量ごとに、放土経路を生成する。
【0100】
経路生成部２５Ｂでは、運搬経路生成部２５１、掘削経路生成部２５２および放土経路生成部２５３でそれぞれ生成された運搬経路、掘削経路および放土経路を組み合わせることで、掘削から放土までの一連の動作におけるバケット１０の移動経路であって、土砂の掘削量が互いに異なる複数の経路を生成することができる。こうして生成される各経路では、掘削量の違いによってバケット１０内の土砂の量が異なっており、そのため旋回時の角速度と角加速度の上限値が掘削量ごとに異なっている。
【0101】
本実施形態では、記憶部２４において、上記のように掘削量ごとに異なる旋回時の角速度と角加速度の上限値が記憶されている。すなわち、記憶部２４内には、土砂の土質および旋回半径に加えて、さらに掘削量ごとに予め設定された旋回角速度および旋回角加速度の上限値を表すテーブルデータが記憶されている。動作制限判定部２２は、土砂状態推定部２１により推定された土砂の状態に基づき、この記憶部２４のテーブルデータを用いて、油圧ショベル１の旋回時における掘削量ごとの角速度上限値および角加速度上限値をそれぞれ設定することができる。
【0102】
作業効率演算部２６は、経路生成部２５Ｂで生成された各経路に従って油圧ショベル１を動作させた場合に、要求された作業量（土砂の総掘削量）を達成するまでの作業効率を演算する。そして、作業効率が最も高くなる経路を、油圧ショベル１の動作時に採用すべき経路として選択する。具体的には、例えば作業効率演算部２６は、各経路の所要時間を演算し、要求された作業量を達成するまでの合計時間が最も短くなる経路を、採用すべき経路として選択することができる。
【0103】
なお、作業効率演算部２６で各経路の所要時間を演算する際には、旋回時の角速度や角加速度の値が、旋回角速度制限部２３１と旋回角加速度制限部２３２によってそれぞれ設定される角速度上限値および角加速度上限値を超えないように、各地点でのバケット１０の速度ベクトルを定める。これにより、バケット１０の移動中に土砂がこぼれない範囲で各経路の所要時間を求めることができる。
【0104】
動作演算部２３Ｂは、動作量生成部２３４を有する。動作量生成部２３４は、油圧ショベル１の各アクチュエータに対して、作業効率演算部２６で選択された経路に沿ってバケット１０を移動させるための動作量を演算し、その演算結果に応じた指令値を生成してアクチュエータ動作部４０へ送信することで、油圧ショベル１に対する動作指示を行う。具体的には、動作量生成部２３４は、旋回角速度制限部２３１と旋回角加速度制限部２３２によってそれぞれ設定される角速度上限値および角加速度上限値に基づき、旋回時の角速度や角加速度がこれらの上限値を超えないように、各制御周期におけるバケット１０の速度ベクトルを演算する。この速度ベクトルの演算結果に応じて制御周期ごとの動作量を決定し、この動作量に対応する各アクチュエータの指令値を生成して、アクチュエータ動作部４０へ送信する。
【0105】
なお、経路の途中で旋回半径が変化する場合、旋回角速度制限部２３１と旋回角加速度制限部２３２では、各制御周期での旋回半径に応じて、角速度上限値と角加速度上限値の設定をそれぞれ制御周期ごとに変更することが好ましい。これにより、動作量生成部２３４において、制御周期ごとに最適な速度ベクトルを演算して、油圧ショベル１に対する動作指示を行うことが可能となる。
【0106】
図９は、掘削経路生成部２５２において設定される上限掘削量の一例を示す図である。掘削経路生成部２５２では前述のように、土砂の状態に応じて上限掘削量を設定し、この上限掘削量の範囲内で掘削量を変化させる。すなわち、流動性が高い土砂を掘削して運搬する場合、掘削量が多すぎると運搬時にこぼしてしまう可能性が高くなる。そのため、土砂の状態に応じて上限掘削量を設定することで、掘削量を制限してこぼれを防止する。
【0107】
図９（ａ）は、例えば泥水のように最も流動性が高い土砂を掘削する場合の上限掘削量の例である。この場合、バケット１０の容積の上限値まで土砂５１を掘削すると、運搬時の動作によって土砂５１が波打ち、バケット１０からこぼれてしまう可能性が高い。そこで、このような場合は図９（ａ）に示すように、土砂状態推定部２１により推定された土砂５１の状態に基づいて土砂５１の流動性を予測し、この流動性の予測結果から、バケット１０が移動する際の土砂５１の波打ち度（振幅量）を算出する。これにより、土砂５１の上面７０がバケット１０内で波打ち度以下となるように上限掘削量を設定する。
【0108】
図９（ｂ）は、流動性が中程度の土砂を掘削する場合の上限掘削量の例である。土砂の流動性が低くなると、バケット１０が移動する際の土砂５１の波打ち度が小さくなる。そのため、この場合には図９（ｂ）に示すように、図９（ａ）の場合よりもバケット１０内での土砂５１の上面７０を上げることで、上限掘削量を多く設定することが可能となる。
【0109】
図９（ｃ）は、粘土質の土砂や岩のように流動性が低い土砂を掘削する場合の上限掘削量の例である。この場合には図９（ｃ）に示すように、バケット１０内での土砂５１の上面７０をバケット１０の容積以上とすることで、上限掘削量をさらに多く設定することが可能となる。
【0110】
図１０は、本発明の第３の実施形態に係る制御システム１００Ｂの処理の流れを示すフローチャートである。
【0111】
ステップＳ３０１では、第１の実施形態で説明した図５のステップＳ１０１と同様に、姿勢検出部３２により油圧ショベル１の姿勢を検出し、姿勢情報を制御装置２０Ｂへ出力する。
【0112】
ステップＳ３０２において、掘削地点入力部３５は、掘削地点の座標を入力し、その座標値の情報を制御装置２０Ｂへ送信する。
【0113】
ステップＳ３０３では、第２の実施形態で説明した図７のステップＳ２０２と同様に、放土地点入力部３４により放土地点の座標を入力し、その座標値の情報を制御装置２０Ｂへ送信する。
【0114】
ステップＳ３０４～Ｓ３０５では、図５のステップＳ１０２～Ｓ１０３とそれぞれ同様の処理を実施する。
【0115】
ステップＳ３０６において、動作制限判定部２２は、ステップＳ３０５で土砂状態推定部２１により推定された土砂状態に最も類似する土質のテーブルデータを記憶部２４から取得する。そして、取得したテーブルデータに基づいて、旋回半径および掘削量ごとの角速度上限値および角加速度上限値を設定する。
【0116】
ステップＳ３０７において、掘削経路生成部２５２は、ステップＳ３０５で土砂状態検出部３１から送信された状態情報に基づいて、土砂の流動性が高いか否かを判定する。状態情報が表す土砂の状態が、例えば泥水などのように流動性が高い土砂を表すものである場合には、土砂の流動性が高い、すなわち土砂が所定の流動性以上を有する高流動性状態に該当すると判定し、ステップＳ３０８へ進む。一方、そうでない場合は土砂の流動性が低く、高流動性状態には該当しないと判定してステップＳ３０９へ進む。
【0117】
ステップＳ３０８において、掘削経路生成部２５２は、掘削量がバケット１０の容積以下となるように上限掘削量を設定する。なお、ここで設定される上限掘削量は、ステップＳ３０８を実行しない場合に設定される規定の上限掘削量よりも少ない。ステップＳ３０８を実行したらステップＳ３０９へ進む。
【0118】
ステップＳ３０９において、経路生成部２５Ｂは、運搬経路生成部２５１、掘削経路生成部２５２および放土経路生成部２５３により、ステップＳ３０１で姿勢検出部３２から送信された姿勢情報と、ステップＳ３０２で掘削地点入力部３５から送信された掘削地点の座標値と、ステップＳ３０３で放土地点入力部３４から送信された放土地点の座標値とに基づいて、掘削量ごとの掘削経路、運搬経路および放土経路をそれぞれ作成する。これにより、掘削から運搬を経て放土まで至る複数の経路を、掘削量ごとに生成する。
【0119】
ステップＳ３１０において、作業効率演算部２６は、ステップＳ３０９で生成された各経路における掘削量ごとの作業効率を演算する。
【0120】
ステップＳ３１１において、動作演算部２３Ｂは、ステップＳ３０９で生成された複数の経路のうち、ステップＳ３１０で演算された作業効率が最も高い経路を選択し、この経路に基づいて、各アクチュエータの動作指令を生成する。
【0121】
ステップＳ３１２において、動作演算部２３Ｂは、ステップＳ３１１で生成した動作指令をアクチュエータ動作部４０へ送信し、各アクチュエータを動作させる。
【0122】
ステップＳ３１２でアクチュエータの動作を実施したら、図１０のフローチャートに示す処理を終了する。
【0123】
このように、指定された掘削地点から放土地点までの経路を掘削量に応じて複数設定し、その中で最も作業効率が高い経路に従って油圧ショベル１を動作させる際に、土砂の状態に応じて旋回角加速度および旋回角速度を制限することにより、油圧ショベル１において、バケット１０から土砂がこぼれる可能性を低減しながら、効率よく作業を実施することができる。
【0124】
【0125】
第３の実施形態では、指定された掘削地点から放土地点までの経路を掘削量に応じて複数設定し、この複数の経路の中で作業効率が最も高い経路に従ってアクチュエータの動作量を演算する例を説明した。本実施形態では、土砂の状態に応じて掘削方法と放土方法を変更する例を説明する。
【0126】
図１１は、本発明の第４の実施形態に係る制御システム１００Ｃの機能ブロック図である。図１１に示す制御システム１００Ｃは、第３の実施形態で説明した制御システム１００Ｂと比べて、制御装置２０Ｂの代わりに制御装置２０Ｃを有する点が異なっている。
【0127】
制御装置２０Ｃは、第１の実施形態で説明した土砂状態推定部２１、動作制限判定部２２および記憶部２４と、第２の実施形態で説明した動作演算部２３Ｂ、経路生成部２５Ｂおよび作業効率演算部２６とに加えて、動作方法決定部２７を備える。
【0128】
動作方法決定部２７は、掘削方法決定部２７１および放土方法決定部２７２を有する。掘削方法決定部２７１は、土砂状態推定部２１による土砂状態の推定結果を取得し、この土砂状態に応じて、油圧ショベル１が土砂を掘削する際の掘削方法を決定する。放土方法決定部２７２は、土砂状態推定部２１による土砂状態の推定結果を取得し、この土砂状態に応じて、油圧ショベル１が土砂を放出する際の放土方法を決定する。動作方法決定部２７は、掘削方法決定部２７１および放土方法決定部２７２によってそれぞれ決定された掘削方法および放土方法を、経路生成部２５Ｂへ出力する。
【0129】
経路生成部２５Ｂにおいて、掘削経路生成部２５２は、掘削方法決定部２７１により決定された掘削方法に従い、第３の実施形態と同様に、掘削量を変化させた場合の掘削量ごとの掘削経路を生成する。放土経路生成部２５３は、放土方法決定部２７２により決定された放土方法に従い、第３の実施形態と同様に、掘削量を変化させた場合の掘削量ごとの放土経路を生成する。
【0130】
図１２は、掘削方法決定部２７１において決定される掘削方法の一例を示す図である。
【0131】
図１２（ａ）は、例えば泥水のように流動性が高い土砂を掘削する場合の掘削軌跡の例である。この場合、通常の掘削方法では掘削時にバケット１０が土砂５１から受ける抵抗が弱いため、土砂５１がバケット１０の掘削方向に逃げてしまう。また、通常の掘削方法のようにバケット１０を返した状態から土砂５１を掘削する必要がないため、通常の掘削方法では掘削時にタイムロスが発生し、結果として作業時間が長くなってしまう。そこで、掘削方法決定部２７１では、流動性が高い土砂を掘削する場合は、例えば図１２（ａ）のように、水平状態のバケット１０に対してその上下方向に掘削軌跡８１を設定する。これにより、バケット１０を返さずに水平に近い状態のまま土砂５１に漬けて、流動性の高い土砂５１がバケット１０内に流れ込むように掘削を行うことができる。
【0132】
図１２（ｂ）は、流動性が低い土砂を掘削する場合の掘削軌跡の例である。この場合、掘削方法決定部２７１では、例えば図１２（ｂ）のように、バケット１０の角度を変化させつつ上下方向に動かすことで、バケット１０の爪先部分が略楕円軌道を描くように掘削軌跡８１を設定する。これにより、通常の土砂に適した掘削を行うことができる。
【0133】
図１３は、放土方法決定部２７２において決定される放土方法の一例を示す図である。
【0134】
図１３（ａ）は、例えば泥水のように流動性が高い土砂を放土する場合の放土軌跡の例である。この場合、通常の放土方法では放土時にバケット１０を完全に返してしまうことで、バケット１０内の土砂がバケット１０から勢い良く流れ出て周囲に飛び散るおそれがある。そこで、放土方法決定部２７２では、流動性が高い土砂を放土する場合は、例えば図１３（ａ）のように、バケット１０を少しずつ返すように放土軌跡８２を設定する。これにより、バケット１０から流れ出る土砂の勢いを弱めて、周囲への飛び散りを軽減するように放土を行うことができる。
【0135】
図１３（ｂ）は、流動性が低い土砂を放土する場合の放土軌跡の例である。この場合、放土方法決定部２７２では、例えば図１３（ｂ）のように、バケット１０が完全に返るように放土軌跡８２を設定する。これにより、通常の土砂に適した放土を行うことができる。なお、さらに粘度が高い土砂を放土する場合は、バケット１０を振動させてバケット１０にこびりついた土砂を振り落とすように放土軌跡８２を設定しても良い。
【0136】
本実施形態では、動作方法決定部２７において、上記のように土砂の状態に応じて掘削方法および放土方法をそれぞれ変更する。これにより、掘削時や放土時に土砂をこぼすことなく、効率的に動作することが可能となる。
【0137】
図１４は、本発明の第４の実施形態に係る制御システム１００Ｃの処理の流れを示すフローチャートである。
【0138】
ステップＳ４０１～Ｓ４０８では、図１０のステップＳ３０１～Ｓ３０８とそれぞれ同様の処理を実施する。
【0139】
ステップＳ４０９において、動作方法決定部２７は、ステップＳ４０５で土砂状態検出部３１から送信された状態情報に基づいて、掘削方法と放土方法を選択する。ここでは、掘削方法決定部２７１および放土方法決定部２７２により、それぞれ前述のような方法で土砂の流動性に応じた掘削方法と放土方法をそれぞれ決定する。なお、このとき掘削方法と放土方法の両方を必ずしも決定する必要はなく、いずれか一方のみを決定しても良い。
【0140】
ステップＳ４１０において、経路生成部２５Ｂは、運搬経路生成部２５１、掘削経路生成部２５２および放土経路生成部２５３により、ステップＳ４０１で姿勢検出部３２から送信された姿勢情報と、ステップＳ４０２で掘削地点入力部３５から送信された掘削地点の座標値と、ステップＳ４０３で放土地点入力部３４から送信された放土地点の座標値と、ステップＳ４０９で動作方法決定部２７により決定された掘削方法および放土方法とに基づいて、掘削量ごとの掘削経路、運搬経路および放土経路をそれぞれ作成する。これにより、第３の実施形態で説明した図１０のステップＳ３０９と同様に、掘削から運搬を経て放土まで至る複数の経路を、掘削量ごとに生成する。
【0141】
ステップＳ４１１～Ｓ４１３では、図１０のステップＳ３１０～Ｓ３１２とそれぞれ同様の処理を実施する。
【0142】
ステップＳ４１３でアクチュエータの動作を実施したら、図１４のフローチャートに示す処理を終了する。
【0143】
このように、指定された掘削地点から放土地点までの経路を掘削量に応じて複数設定し、その中で最も作業効率が高い経路に従って油圧ショベル１を動作させる際に、土砂の状態に応じて掘削方法および放土方法を選択するとともに、旋回角加速度および旋回角速度を制限することにより、油圧ショベル１において、バケット１０から土砂がこぼれる可能性を低減しながら、効率よく作業を実施することができる。
【0144】
なお、以上説明した各実施形態では、掘削対象物が土砂である場合の例をそれぞれ説明したが、例えば岩石、瓦礫、各種埋蔵物など、土砂以外の掘削対象物についても本発明を適用可能である。また、各実施形態では、土、砂利、砂、泥、泥水等の様々な土質のものをまとめて土砂として説明したが、掘削対象物の土砂はこれ以外のものを含んでも良い。このように、本発明は土砂を代表とした様々な掘削対象物について適用可能である。
【0145】
また、以上説明した各実施形態では、作業機械である油圧ショベル１に、制御装置２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃをそれぞれ含む制御システム１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃが搭載されている例を説明したが、これらの制御システムの少なくとも一部または全部は、必ずしも作業機械に搭載されている必要はない。例えば、制御装置２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃを油圧ショベル１から離れた場所に設置し、油圧ショベル１に搭載された各装置と無線通信を行うことにより、制御システム１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃを実現することもできる。また、制御装置２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃの機能を、例えばクラウドサービス上で実現することもできる。これ以外にも任意の形態により、本発明の制御システムを実現できる。
【0146】
以上説明した本発明の実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
【0147】
（１）制御装置２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃは、作業装置（ブーム８、アーム９、バケット１０）を備えた作業機械である油圧ショベル１の動作を制御する装置である。制御装置２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃは、作業装置が掘削する掘削対象物（土砂）の状態に関する状態情報を取得し、この状態情報に基づいて土砂の状態を推定する状態推定部（土砂状態推定部２１）と、土砂状態推定部２１により推定された土砂の状態に基づいて、油圧ショベル１の旋回時の角速度上限値および角加速度上限値をそれぞれ設定する動作制限判定部２２と、油圧ショベル１の姿勢に関する姿勢情報を取得し、この姿勢情報と、動作制限判定部２２により設定された角速度上限値および角加速度上限値とに基づいて、油圧ショベル１の旋回動作に対する動作指示を制限する動作演算部２３，２３Ａ，２３Ｂと、を備える。このようにしたので、作業機械において効率の良い作業を実現できる。
【0148】
（２）制御装置２０Ａ～２０Ｃは、角速度上限値および角加速度上限値に基づく速度ベクトルを所定の演算周期ごとに算出し、算出した速度ベクトルに基づいて油圧ショベル１が土砂を運搬する際の経路を生成する経路生成部２５，２５Ｂを備える。動作演算部２３Ａ，２３Ｂは、経路生成部２５，２５Ｂにより生成された経路に基づいて油圧ショベル１の動作量を演算する。このようにしたので、作業機械を適切な経路で動作させて効率の良い作業を実現できる。
【0149】
（３）油圧ショベル１が土砂を運搬しているときに油圧ショベル１の旋回半径が変化する場合、動作制限判定部２２は、所定の演算周期ごとに角速度上限値および角加速度上限値をそれぞれ変更する。また、経路生成部２５，２５Ｂは、所定の演算周期ごとに変更された角速度上限値および角加速度上限値に基づいて速度ベクトルを算出する。このようにしたので、作業中に旋回半径が変化する場合でも、土砂がこぼれる可能性を低減しつつ、効率の良い作業を実現できる。
【0150】
（４）制御装置２０Ｂ，２０Ｃは、経路生成部２５Ｂにより生成された経路における油圧ショベル１の作業効率を演算する作業効率演算部２６を備える。経路生成部２５Ｂは、土砂の掘削量が互いに異なる複数の経路を生成し、作業効率演算部２６は、この複数の経路に対して作業効率をそれぞれ演算するとともに、複数の経路の中で作業効率が最も高い経路を選択する。動作演算部２３Ｂは、作業効率演算部２６により選択された経路に基づいて、油圧ショベル１の動作量を演算する。このようにしたので、掘削対象物の状態に関わらず、効率の良い作業を確実に実現できる。
【0151】
（５）制御装置２０Ｂ，２０Ｃにおいて、土砂状態推定部２１は、土砂の状態が所定の流動性以上を有する高流動性状態に該当するか否かを推定する（ステップＳ３０７，Ｓ４０７）。土砂状態推定部２１により土砂の状態が高流動性状態に該当すると推定された場合（ステップＳ３０７，Ｓ４０７：Ｙｅｓ）、経路生成部２５Ｂは、土砂の掘削量を所定値以下に制限して複数の経路を生成する（ステップＳ３０８，Ｓ４０８）。このようにしたので、例えば泥水のように流動性が高い掘削対象物を掘削する場合でも、運搬時にその掘削対象物がこぼれてしまうのを防止して効率の良い作業を実現できる。
【0152】
（６）制御装置２０Ｃは、土砂状態推定部２１により推定された土砂の状態に基づいて、油圧ショベル１が土砂を掘削する際の掘削方法と、油圧ショベル１が土砂を運搬した後に所定の放出場所へ放出する際の放出方法と、の少なくとも一方を決定する動作方法決定部２７を備える。このようにしたので、掘削対象物の状態に応じた適切な掘削方法や放土方法を用いて、効率の良い作業を実現できる。
【0153】
以上、本発明の各実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、前記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。さらに、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【0154】
１：油圧ショベル、５：ブームシリンダ、６：アームシリンダ、７：バケットシリンダ、８：ブーム、９：アーム、１０：バケット、２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ：制御装置、２１：土砂状態推定部、２２：動作制限判定部、２３，２３Ａ，２３Ｂ：動作演算部、２４：記憶部、２５，２５Ｂ：経路生成部、２６：作業効率演算部、２７：動作方法決定部、３１：土砂状態検出部、３２：姿勢検出部、３３：動作入力部、３４：放土地点入力部、３５：掘削地点入力部、４０：アクチュエータ動作部、１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ：制御システム、２３１：旋回角速度制限部、２３２：旋回角加速度制限部、２３３：動作量演算部、２３４：動作量生成部、２５１：運搬経路生成部、２５２：掘削経路生成部、２５３：放土経路生成部、２７１：掘削方法決定部、２７２：放土方法決定部
【図1】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図3C】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】