特開 2024-172293 制御装置および制御方法

(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】P2024172293

(43)【公開日】2024-12-12

(54)【発明の名称】制御装置および制御方法

(51)【国際特許分類】

   E02F 3/43 20060101AFI20241205BHJP

【ＦＩ】

E02F3/43 E

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023089903

(22)【出願日】2023-05-31

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）令和四年度国土交通省「デジタルツイン技術を活用した、月面環境に適応する建設機械実現のための研究開発」委託研究開発、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(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】110001634

【氏名又は名称】弁理士法人志賀国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】菊池 直彦

(72)【発明者】

【氏名】杉村 俊輔

【テーマコード（参考）】

2D003

【Ｆターム（参考）】

2D003AA01

2D003AB04

2D003BA03

2D003DB04

(57)【要約】

【課題】作業機械の姿勢の変化が生じても適切に自動掘削を行う。
【解決手段】制御装置は、作業機械の傾きの計測データを取得する。制御装置は、掘削の目標軌跡に従って作業機の操作信号を出力する自動掘削制御を開始する。制御装置は、自動掘削制御中における計測データの変化に応じて目標軌跡を変更する。
【選択図】図８

【特許請求の範囲】

【請求項1】

作業機を備える作業機械の制御装置であって、
作業機械の傾きの計測データを取得し、
掘削の目標軌跡に従って前記作業機の操作信号を出力する自動掘削制御を開始し、
前記自動掘削制御中における前記計測データの変化に応じて掘削動作を変更する
制御装置。

【請求項2】

前記掘削動作の変更は、前記計測データの変化に応じて前記目標軌跡を変更することによってなされる
請求項１に記載の制御装置。

【請求項3】

前記自動掘削制御中における前記計測データの変化が、前記作業機械が後傾していることを表す場合に、最下点が浅くなるように前記目標軌跡を変更する
請求項２に記載の制御装置。

【請求項4】

前記自動掘削制御中における前記計測データの変化が、前記作業機械が後傾していることを表す場合に、弧長が長くなるように前記目標軌跡を変更する
請求項３に記載の制御装置。

【請求項5】

前記自動掘削制御中における前記計測データの変化が、前記作業機械が後傾していないことを表す場合に、最下点が深くなるように前記目標軌跡を変更する
請求項２に記載の制御装置。

【請求項6】

前記自動掘削制御中における前記計測データの変化が、前記作業機械が後傾していないことを表す場合に、弧長が短くなるように前記目標軌跡を変更する
請求項５に記載の制御装置。

【請求項7】

前記掘削動作の変更に伴って、次回の目標軌跡を決定する
請求項１から請求項６の何れか１項に記載の制御装置。

【請求項8】

前記作業機は刃先を有する作業具を備え、
前記自動掘削制御において、前記刃先の角度が前記目標軌跡の接線に基づいて決定される目標角度に従うように前記操作信号を生成し、
前記作業具を目標角度にすると前記刃先が前記目標軌跡の始点に到達しない場合に、前記始点における前記接線に対する前記刃先の角度を前記目標角度より大きくする
請求項１から請求項６の何れか１項に記載の制御装置。

【請求項9】

前記作業機は、刃先と、土砂を取り込むための開口部とを有する作業具を備え、
前記自動掘削制御において、前記刃先の角度が前記目標軌跡の接線に基づいて決定される目標角度に従うように前記操作信号を生成し、前記刃先が前記目標軌跡の終点に到達した場合または到達する前に、前記開口部が水平に近づくように前記操作信号を生成する
請求項１から請求項６の何れか１項に記載の制御装置。

【請求項10】

作業機を備える作業機械の制御方法であって、
作業機械の傾きの計測データを取得するステップと、
掘削の目標軌跡に従って前記作業機の操作信号を出力する自動掘削制御を開始するステップと、
前記自動掘削制御中における前記計測データの変化に応じて掘削動作を変更するステップと
を有する制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、制御装置および制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、作業機械による掘削において、地面の硬さに応じてバケットの刃先の角度を制御する技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】国際公開第２０１９／００９３４１号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

地面の硬さや足場の不安定さなどの要因により、掘削作業中に作業機械の姿勢が変化してしまうことがある。掘削作業の反力によって作業機械の姿勢が変化してしまう場合、バケットなどの作業具に適切に力が伝わらず、掘削効率が低下する。
作業機械による自動掘削制御は、所定の目標軌跡に沿ってバケットを移動させるように作業機を制御することでなされる。しかしながら、自動掘削制御において作業機械の姿勢が変化しても同じ目標軌跡に沿ってバケットを移動させようとすると、自動掘削が適切になされない可能性がある。
本開示の目的は、作業機械の姿勢の変化が生じても適切に自動掘削を行うことができる制御装置および制御方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明の第１の態様によれば、制御装置は、作業機を備える作業機械の制御装置であって、作業機械の傾きの計測データを取得し、掘削の目標軌跡に従って前記作業機の操作信号を出力する自動掘削制御を開始し、前記自動掘削制御中における前記計測データの変化に応じて掘削動作を変更する。

【発明の効果】

【0006】

上記態様によれば、作業機械の姿勢の変化が生じても適切に自動掘削を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】第一実施形態に係る作業機械の構成を示す概略図である。

【図2】第一実施形態に係る制御装置の構成を示す概略ブロック図である。

【図3】第一実施形態に係る目標軌跡の例を示す図である。

【図4】第一実施形態に係る自動掘削制御方法を示すフローチャート（パート１）である。

【図5】第一実施形態に係る自動掘削制御方法を示すフローチャート（パート２）である。

【図6】第一実施形態に係る自動掘削制御方法を示すフローチャート（パート３）である。

【図7】第一実施形態に係る掘削軌跡の生成例を示す図である。

【図8】第一実施形態に係る目標軌跡の変更の例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

〈第一実施形態〉
《作業機械１００の構成》
図１は、第一実施形態に係る作業機械１００の構成を示す概略図である。
作業機械１００は、施工現場にて稼働し、土砂などの施工対象を掘削する。第一実施形態に係る作業機械１００は、図示しない上位装置の指示に従って自律制御する。上位装置は、作業機械１００の位置および姿勢に基づいて作業機械１００を制御するための信号を自動的に生成し、作業機械に当該信号を出力する。なお、他の実施形態においては、作業機械１００はオペレータによって直接操作または遠隔操作されるものであってもよい。この場合、直接操作に係る作業機械１００に設けられた操作装置や、遠隔操作に係る作業機械１００を操作するための遠隔操作装置が上位装置に対応する、
自律制御は、所定の動作を実現するために作業機械１００が自律的に作業機１３０の駆動を制御することである。第一実施形態に係る作業機械１００は、掘削対象を作業機１３０で掘削する掘削動作を自律的に行う。自律制御の詳細は後述する。

【0009】

作業機械１００の例としては、フェイスショベル、バックホウショベル、ロープショベルなどが挙げられる。また作業機械１００は電動駆動するものであってもよいし、油圧駆動するものであってもよい。第一実施形態に係る作業機械１００は、バックホウショベルである。作業機械１００は、走行体１１０、旋回体１２０および作業機１３０を備える。

【0010】

走行体１１０は、作業機械１００を走行可能に支持する。走行体１１０は、左右に設けられた２つの無限軌道１１１と、各無限軌道１１１を駆動するための２つの走行モータ１１２を備える。走行体１１０は、支持部の一例である。
旋回体１２０は、走行体１１０に旋回中心回りに旋回可能に支持される。
作業機１３０は、油圧により駆動する。なお、他の実施形態では作業機１３０は、電動駆動するものであってよい。作業機１３０は、旋回体１２０の前部に上下方向に駆動可能に支持される。
ここで、旋回体１２０のうち作業機１３０が取り付けられる部分を前部という。また、旋回体１２０について、前部を基準に、反対側の部分を後部、左側の部分を左部、右側の部分を右部という。

【0011】

《旋回体１２０の構成》
旋回体１２０は、エンジン１２１、油圧ポンプ１２２、コントロールバルブ１２３、旋回モータ１２４を備える。
エンジン１２１は、油圧ポンプ１２２を駆動する原動機である。エンジン１２１は、動力源の一例である。
油圧ポンプ１２２は、エンジン１２１により駆動される可変容量ポンプである。油圧ポンプ１２２は、コントロールバルブ１２３を介して各アクチュエータ（ブームシリンダ１３１Ｃ、アームシリンダ１３２Ｃ、バケットシリンダ１３３Ｃ、走行モータ１１２、及び旋回モータ１２４）に作動油を供給する。
コントロールバルブ１２３は、油圧ポンプ１２２から供給される作動油の流量を制御する。
旋回モータ１２４は、コントロールバルブ１２３を介して油圧ポンプ１２２から供給される作動油によって駆動し、旋回体１２０を旋回させる。

【0012】

《作業機１３０の構成》
作業機１３０は、ブーム１３１、アーム１３２、作業具としての刃先を有するバケット１３３、ブームシリンダ１３１Ｃ、アームシリンダ１３２Ｃ、及びバケットシリンダ１３３Ｃを備える。作業具の他の例として、クラムバケット、チルトバケット、チルトローテートバケットなどの先端アタッチメントが挙げられる。

【0013】

ブーム１３１の基端部は、旋回体１２０にブームピンを介して回転可能に取り付けられる。なお、図１に示す作業機械１００においては、ブーム１３１が旋回体１２０の正面中央部分に設けられるが、これに限られず、ブーム１３１は左右方向にオフセットして取り付けられたものであってもよい。この場合、旋回体１２０の旋回中心は作業機１３０の動作平面上に位置しない。
アーム１３２は、ブーム１３１とバケット１３３とを連結する。アーム１３２の基端部は、ブーム１３１の先端部にアームピンを介して回転可能に取り付けられる。
バケット１３３は、アーム１３２の先端部にピンを介して回転可能に取り付けられる。バケット１３３は、掘削した土砂を収容するための容器として機能する。バケット１３３は、開口が旋回体１２０側（後方）を向くように取り付けられる。つまり、バックホウショベルである作業機械１００は、バケット１３３を旋回体１２０の手前側に引き寄せることで掘削を行う。

【0014】

ブームシリンダ１３１Ｃは、ブーム１３１を作動させるための油圧シリンダである。ブームシリンダ１３１Ｃの基端部は、旋回体１２０に取り付けられる。ブームシリンダ１３１Ｃの先端部は、ブーム１３１に取り付けられる。
アームシリンダ１３２Ｃは、アーム１３２を駆動するための油圧シリンダである。アームシリンダ１３２Ｃの基端部は、ブーム１３１に取り付けられる。アームシリンダ１３２Ｃの先端部は、アーム１３２に取り付けられる。
バケットシリンダ１３３Ｃは、バケット１３３を駆動するための油圧シリンダである。バケットシリンダ１３３Ｃの基端部は、アーム１３２に取り付けられる。バケットシリンダ１３３Ｃの先端部は、バケット１３３を回動させるリンク機構に取り付けられる。リンク機構は、バケットシリンダ１３３Ｃの先端部とアーム１３２とを回転可能に接続するアイドラリンクと、バケットシリンダ１３３Ｃの先端部とバケット１３３の背面とを回転可能に接続するバケットリンクとを有する。

【0015】

《計測系の構成》
図１に示すように、作業機械１００は、空間計測器１５１、傾斜計測器１５２、ブームストロークセンサ１５３、アームストロークセンサ１５４、バケットストロークセンサ１５５を備える。

【0016】

空間計測器１５１は、作業機械１００の正面の空間に存在する物体の位置を計測する。空間計測器１５１の例としては、ステレオカメラ、ＬｉＤＡＲ、レーザスキャナなどが挙げられる。空間計測器１５１は、計測範囲に少なくとも掘削可能範囲の地表面が写るように設置される。空間計測器１５１は、対象物の３次元位置を、空間計測器１５１の位置を基準とした三次元直交座標系で特定する。

【0017】

傾斜計測器１５２は、旋回体１２０の加速度及び角速度を計測し、計測結果に基づいて旋回体１２０の姿勢（例えば、ロール角、ピッチ角、ヨー角）および旋回速度を検出する。傾斜計測器１５２は、例えば旋回体１２０の下面に設置される。傾斜計測器１５２は、例えば、慣性計測装置（ＩＭＵ：Inertial Measurement Unit）を用いることができる。

【0018】

ブームストロークセンサ１５３は、ブームシリンダ１３１Ｃに取り付けられ、ブームシリンダ１３１Ｃのシリンダ長を検出する。ブームシリンダ１３１Ｃのシリンダ長は、旋回体１２０に対するブーム１３１の相対角度に換算可能である。
アームストロークセンサ１５４は、アームシリンダ１３２Ｃに取り付けられ、アームシリンダ１３２Ｃのシリンダ長を検出する。アームシリンダ１３２Ｃのシリンダ長は、ブーム１３１に対するアーム１３２の相対角度に換算可能である。
バケットストロークセンサ１５５は、バケットシリンダ１３３Ｃに取り付けられ、バケットシリンダ１３３Ｃのシリンダ長を検出する。バケットシリンダ１３３Ｃのシリンダ長は、アーム１３２に対するバケット１３３の相対角度に換算可能である。
第一実施形態に係る作業機械１００は、ブームストロークセンサ１５３、アームストロークセンサ１５４、及びバケットストロークセンサ１５５を用いて作業機１３０の各リンク部品の角度を特定するが、他の実施形態においてはこれに限られない。例えば、他の実施形態においては、ストロークセンサに代えて、リンク部品の相対回転角を検出するポテンショメータを備えてもよいし、各リンク部品の対地角を検出する傾斜センサを備えてもよい。

【0019】

《制御装置１６０の構成》
図２は、第一実施形態に係る制御装置１６０の構成を示す概略ブロック図である。
作業機械１００は、制御装置１６０を備える。制御装置１６０は、上位装置から指示信号を受信し、指示信号に基づく自律制御により作業機１３０、旋回体１２０及び走行体１１０を駆動させる。

【0020】

制御装置１６０は、プロセッサ６１０、メインメモリ６３０、ストレージ６５０、インタフェース６７０を備えるコンピュータである。ストレージ６５０は、プログラムを記憶する。プロセッサ６１０は、プログラムをストレージ６５０から読み出してメインメモリ６３０に展開し、プログラムに従った処理を実行する。

【0021】

ストレージ６５０の例としては、半導体メモリ、磁気ディスク、光磁気ディスク、光ディスク等が挙げられる。ストレージ６５０は、制御装置１６０の共通通信線に直接接続された内部メディアであってもよいし、インタフェース６７０を介して制御装置１６０に接続される外部メディアであってもよい。メインメモリ６３０及びストレージ６５０は、一時的でない有形の記憶媒体である。

【0022】

プロセッサ６１０は、プログラムの実行により、計測データ取得部６１１、指示信号受信部６１２、姿勢特定部６１３、軌跡生成部６１４、移動処理部６１５を備える。

【0023】

計測データ取得部６１１は、作業機械１００の計測系による計測データを取得する。具体的には、計測データ取得部６１１は、空間計測器１５１、傾斜計測器１５２、ブームストロークセンサ１５３、アームストロークセンサ１５４およびバケットストロークセンサ１５５から計測データを取得する。計測データ取得部６１１は、空間計測器１５１の計測データを用いたＳＬＡＭ処理によって、車体座標系における環境マップを生成してもよい。

【0024】

指示信号受信部６１２は、上位装置から作業を指示する指示信号を受信する。指示信号の一つとして、掘削指示信号がある。制御装置１６０は、掘削指示信号を受信すると、作業機１３０を駆動させ、掘削対象の掘削制御を実行する。

【0025】

姿勢特定部６１３は、計測データ取得部６１１が取得した計測データに基づいて、旋回体１２０を基準とする車体座標系における作業機１３０の姿勢を特定する。具体的には、姿勢特定部６１３は、ブーム１３１、アーム１３２およびバケット１３３の角度および先端の位置を特定する。

【0026】

具体的には、姿勢特定部６１３は、以下の手順で作業機１３０の姿勢を特定する。
姿勢特定部６１３は、ブームシリンダ１３１Ｃのシリンダ長から特定されるブーム１３１の相対角度と既知のブーム１３１の長さ（基端部のピンから先端部のピンまでの距離）とに基づいて、旋回体１２０を基準とするブーム１３１の先端の位置を特定する。なお、ブーム１３１の相対角度は、車体座標系におけるブーム１３１の傾きと等しい。
姿勢特定部６１３は、アームシリンダ１３２Ｃのシリンダ長から特定されるアーム１３２の相対角度と車体座標系におけるブーム１３１の傾きとに基づいて、車体座標系におけるアーム１３２の傾きを求める。姿勢特定部６１３は、ブーム１３１の先端の位置から、アーム１３２の傾きの方向に既知のアーム１３２の長さだけ離れた位置をアーム１３２の先端の位置として特定する。
姿勢特定部６１３は、バケットシリンダ１３３Ｃのシリンダ長から特定されるバケット１３３の相対角度と車体座標系におけるアーム１３２の傾きとに基づいて、車体座標系におけるバケット１３３の傾きを求める。ここで求められるバケット１３３の傾き、すなわちバケット１３３の基端部のピンから刃先へ伸びる直線の傾きは、バケット１３３の開口面の傾きとみなすことができる。姿勢特定部６１３は、アーム１３２の先端の位置から、バケット１３３の傾きの方向に既知のバケット１３３の基端部のピンから刃先までの長さだけ離れた位置をバケット１３３の刃先の位置として特定する。

【0027】

軌跡生成部６１４は、空間計測器１５１の計測データに基づいて、バケット１３３の目標軌跡Ｔを生成する。図３は、第一実施形態に係る目標軌跡の例を示す図である。第一実施形態に係る作業機械１００はバックホウショベルであるため、バケット１３３の目標軌跡Ｔは、前方から後方に向けて移動する円弧状の軌跡として描かれる。例えば、バケット１３３の目標軌跡Ｔは、自動掘削指示信号が入力されたときのバケット１３３の刃先の位置から掘削方向に向けて掘削対象を掘削するような刃先の軌跡として描かれる。目標軌跡Ｔは、掘削深さＤと掘削長さＬによって規定される。掘削長さＬは目標軌跡Ｔを表す円弧の弦（chord）の長さである。掘削深さＤは目標軌跡Ｔを表す円弧の中点から弦の中点までの距離である。なお、掘削深さＤと掘削長さＬが決まれば、計算によって円弧の半径を求めることができる。
軌跡生成部６１４は、目標軌跡Ｔに従って掘削したときの掘削量がバケット１３３の最大収容量に等しくなるように、目標軌跡Ｔを生成する。なお、他の実施形態に係る目標軌跡Ｔの形状は、楕円弧、放物線、および変曲点を有しないなだらかな曲線など、下に凸の形状を有する任意の曲線であってよい。

【0028】

軌跡生成部６１４は、掘削の自律制御中における作業機械１００の傾きの変化に応じて、目標軌跡Ｔを再設定する。具体的には、軌跡生成部６１４は、自律制御中に作業機械１００が後傾する場合、すなわち作業機械１００の浮きが生じた場合に、掘削深さＤを浅くし、掘削長さＬを長くする。作業機械１００の後傾は、作業機１３０の刃先に掛かる荷重に対して掘削対象が硬いために、または作業機械１００の足場が不安定であるために、掘削が進まないときに生じる。そのため、軌跡生成部６１４は掘削深さＤを浅くすることで、地面に対する反力の鉛直方向上向きの成分を小さくし、作業機械１００の後傾を防ぐ。また、軌跡生成部６１４は掘削長さＬを長くすることで掘削される土砂の量の減少を防ぐ。他方、軌跡生成部６１４は、自律制御中に作業機械１００の姿勢が安定している場合、すなわち作業機械１００が後傾しない場合に、掘削深さＤを深くし、掘削長さＬを短くする。これにより、軌跡生成部６１４は掘削効率の向上を図る。なお、掘削深さＤの変更、掘削長さＬの変更、目標軌跡Ｔの変更は、いずれも掘削動作の変更の一例である。

【0029】

移動処理部６１５は、バケット１３３の刃先を目標軌跡Ｔに沿って移動させるための作業機１３０の操作信号を生成し、当該操作信号をコントロールバルブ１２３に出力する。

【0030】

《動作》
図４は、第一実施形態に係る自動掘削制御方法を示すフローチャート（パート１）である。図５は、第一実施形態に係る自動掘削制御方法を示すフローチャート（パート２）である。図６は、第一実施形態に係る自動掘削制御方法を示すフローチャート（パート３）である。制御装置１６０は、上位装置から自動掘削指示信号の入力を受け付けると、図４に示す自動掘削制御を実行する。

【0031】

計測データ取得部６１１は、空間計測器１５１、傾斜計測器１５２、ブームストロークセンサ１５３、アームストロークセンサ１５４およびバケットストロークセンサ１５５から計測データを取得する（ステップＳ１）。計測データ取得部６１１は、空間計測器１５１から取得した計測データを用いたＳＬＡＭ処理により、車体座標系で地表面の形状を表す環境マップを生成する（ステップＳ２）。軌跡生成部６１４は、ステップＳ１で傾斜計測器１５２から取得した計測データが示す旋回体１２０の姿勢を表すピッチ角を、自動掘削開始時のピッチ角としてメインメモリ６３０に記録する（ステップＳ３）。例えば、旋回体１２０の姿勢を表すピッチ角は、作業機械１００のピッチ角に等しい。

【0032】

姿勢特定部６１３は、ステップＳ１でブームストロークセンサ１５３、アームストロークセンサ１５４およびバケットストロークセンサ１５５から取得した計測データに基づいて、作業機１３０の姿勢を特定する（ステップＳ４）。

【0033】

軌跡生成部６１４は、メインメモリ６３０から掘削深さＤおよび掘削長さＬの初期値を読み出す（ステップＳ５）。軌跡生成部６１４は、掘削深さＤの値、掘削長さＬの値、既知のアーム１３２の長さおよびバケット１３３の長さに基づいて、目標軌跡Ｔを生成する（ステップＳ６）。例えば、軌跡生成部６１４は、以下の手順で目標軌跡Ｔを生成する。

【0034】

図７は、第一実施形態に係る掘削軌跡の生成例を示す図である。軌跡生成部６１４は、アーム１３１が最大の掘削力を発揮することができる姿勢である最大掘削力姿勢をとり、かつバケット１３３の刃先の角度を地表面より所定の干渉防止角度だけ傾けたときのバケット１３３の刃先からアーム１３２の基端部のピンまでの高さＨを求める。作業機械１００は、作業機１３０が最大掘削力姿勢をとるときに最大の力を発揮することができるように設計される。アーム１３１の最大掘削力姿勢は、例えば、アームシリンダ１３２Ｃとアーム１３２とがなす角が直角となる姿勢である。アームシリンダ１３２Ｃとアーム１３２とがなす角とは、アームシリンダ１３２Ｃの先端部とアームシリンダ１３２Ｃの基端部を結ぶ直線と、アームシリンダ１３２Ｃの先端部とブーム１３１の先端部にあるアームピンとを結ぶ直線とがなす角度である。なお、干渉防止角度は目標軌跡Ｔにバケット１３３の底面が干渉することを防ぐために予め定められた目標角度である。例えば、干渉防止角度は、バケット１３３の刃先が目標軌跡Ｔに接する点において、目標軌跡Ｔの接線とバケット１３３の刃先とバケット１３３の底面とがなす線とがなす角度であってもよい。なお、他の実施形態においては、高さＨは、アーム１３１およびバケット１３３が最大掘削力姿勢をとるときのバケット１３３の刃先からアーム１３２の基端部のピンまでの高さであってもよい。バケット１３３の最大掘削力姿勢は、例えばバケットシリンダとアイドラリンクとがなす角が垂直となる姿勢である。バケットシリンダ１３３Ｃとアイドラリンクとがなす角とは、バケットシリンダ１３３Ｃの先端部と、バケットシリンダ１３３Ｃの基端部を結ぶ直線と、アイドラリンクの延在方向に延びる線とがなす角度である。
軌跡生成部６１４は、ブーム１３１の基端のピンを中心とし、先端のピンを通る円弧Ａを特定する。円弧Ａは、ブーム１３１の先端の位置が取り得る点の集合Ａ１である。軌跡生成部６１４は、円弧Ａ上の点のうち、地表面までの距離が高さＨと掘削深さＤの差と等しくなる点Ｐ１を特定する。軌跡生成部６１４は、ブーム１３１の先端が点Ｐ１に位置するときに、アーム１３２およびバケット１３３を鉛直掘削姿勢にしたときのバケット１３３の先端が位置する点Ｐ２を特定する。軌跡生成部６１４は、特定した点Ｐ２に、目標軌跡Ｔを表す円弧の頂点（最下点）が位置するように目標軌跡Ｔを配置する。作業機械１００は、アーム１３２が鉛直掘削姿勢となるときに最大の力を発揮することができるため、点Ｐ２を目標軌跡Ｔの最下点とすることで、掘削効率を最大化することができる。

【0035】

軌跡生成部６１４が目標軌跡Ｔを生成すると、移動処理部６１５は、バケット１３３の刃先を目標軌跡Ｔの始点に位置させ、かつバケット１３３の刃先と目標軌跡Ｔの接線とがなす角が干渉防止角度となる、ブーム１３１およびアーム１３２の姿勢が存在するか否かを判定する（ステップＳ７）。例えば、バケット１３３の刃先とバケット底面とが通る線と、目標軌跡Ｔの接線とのなす角が、干渉防止角度となる姿勢が存在するか否かを判定する。刃先の角度が干渉防止角度となるブーム１３１およびアーム１３２の姿勢が存在する場合（ステップＳ７：ＹＥＳ）、移動処理部６１５は、ステップＳ７で特定した位置及び姿勢をブーム１３１、アーム１３２およびバケット１３３の目標位置および目標姿勢に決定する（ステップＳ８）。他方、刃先の角度が干渉防止角度となるブーム１３１およびアーム１３２の姿勢が存在しない場合（ステップＳ７：ＹＥＳ）、移動処理部６１５は、バケット１３３の刃先を目標軌跡Ｔの始点に位置させるためのブーム１３１、アーム１３２およびバケット１３３の目標位置および目標姿勢を決定する（ステップＳ９）。このときのバケット１３３の刃先と目標軌跡Ｔの接線とがなす角は、干渉防止角度より大きい角度となる。例えば、干渉防止角度より大きい角度になると、バケット１３３は排土姿勢へ回動する方向となる。例えば、目標軌跡Ｔの始点において、バケット１３３の刃先を立てる姿勢の場合に、干渉防止角度より大きい角度となる。

【0036】

移動処理部６１５は、特定したブーム１３１、アーム１３２、およびバケット１３３の目標位置および目標姿勢に基づいて操作信号を生成し、操作信号をコントロールバルブ１２３に出力する（ステップＳ１０）。これにより、バケット１３３の刃先が目標軌跡Ｔの始点に位置するように作業機１３０が移動する。例えば、目標軌跡Ｔの始点とは、掘削対象上の掘削を開始する点である。

【0037】

バケット１３３の刃先が目標軌跡Ｔの始点に到達すると、計測データ取得部６１１は、傾斜計測器１５２、ブームストロークセンサ１５３、アームストロークセンサ１５４およびバケットストロークセンサ１５５から計測データを取得する（ステップＳ１１）。姿勢特定部６１３は、ステップＳ１１でブームストロークセンサ１５３、アームストロークセンサ１５４およびバケットストロークセンサ１５５から取得した計測データに基づいて、作業機１３０の姿勢を特定する（ステップＳ１２）。

【0038】

軌跡生成部６１４は、ステップＳ１１で傾斜計測器１５２から取得した計測データが示す旋回体１２０の姿勢を表すピッチ角と、ステップＳ３でメインメモリ６３０に記録された自律制御の開始時の旋回体１２０の姿勢を表すピッチ角とに基づいて、作業機械１００が後傾によって浮きが生じているか否かを判定する（ステップＳ１３）。具体的には、軌跡生成部６１４は、自律制御の開始時のピッチ角から現在のピッチ角を減算して得られる偏差が安定角度閾値より小さいか否かを判定する。なお、ピッチ角は車体が後傾するほど大きくなる。安定角度閾値は、作業機械１００の車体が安定していると判断できる最大のピッチ角を表す。例えば、安定角度閾値は、掘削中の土砂からの反力による車体前方の浮き上がり、または掘削直後の車体揺動が発生しない角度である。掘削作業中、作業機械１００のピッチ角は変動するが、作業機械１００の浮きが生じない範囲においては、ピッチ角の変化量は安定角度閾値を超えない。

【0039】

作業機械１００に浮きが生じていると判定される場合（ステップＳ１３：ＹＥＳ）、軌跡生成部６１４は、ピッチ角の偏差に第一ゲインを乗じることで第一変更量を計算し、掘削深さＤを第一変更量だけ浅くする（ステップＳ１４）。なお、第一変更量はピッチ角の偏差に第一ゲインを乗じたものに限られない。例えば、他の実施形態においては、第一変更量はピッチ角の偏差に基づく積分制御によって求められてもよいし、定数であってもよい。軌跡生成部６１４は、目標軌跡ＴがステップＳ１２で特定した現在の刃先の位置を通り、かつ掘削深さが変更後の掘削深さＤとなるように、掘削長さＬを長くする（ステップＳ１５）。

【0040】

図８は、第一実施形態に係る目標軌跡Ｔの変更の例を示す図である。ある目標軌跡Ｔ１に従った自動掘削中に作業機械１００の浮きが生じた場合、軌跡生成部６１４は、目標軌跡Ｔ１の掘削深さＤ１を、より浅い掘削深さＤ２に変更する。軌跡生成部６１４は、掘削深さＤ２においてバケット１３３の刃先の位置を通るような掘削長さＬ２を算出することで、変更後の目標軌跡Ｔ２を求める。

【0041】

作業機械１００に浮きが生じず安定していると判定される場合（ステップＳ１３：ＮＯ）、軌跡生成部６１４は、ピッチ角の偏差に第二ゲインを乗じることで第二変更量を計算し、掘削深さＤを第二変更量だけ深くする（ステップＳ１６）。第二変更量はピッチ角の偏差に第二ゲインを乗じたものに限られない。例えば、他の実施形態においては、第二変更量はピッチ角の偏差に基づく積分制御によって求められてもよいし、定数であってもよい。なお、いずれの場合も第二ゲインは第一ゲインより小さい。軌跡生成部６１４は、目標軌跡ＴがステップＳ１２で特定した現在の刃先の位置を通り、かつ掘削深さが変更後の掘削深さＤとなるように、掘削長さＬを短くする（ステップＳ１７）。

【0042】

軌跡生成部６１４は、ステップＳ１４またはステップＳ１６で変更した掘削深さＤ、およびステップＳ１５またはステップＳ１７で変更した掘削長さＬを、メインメモリ６３０に記録する（ステップＳ１８）。これにより、次回の掘削開始時における掘削深さＤおよび掘削長さＬを変更することができる。なお、目標軌跡Ｔの始点は図８に示すように定められるため、掘削長さＬが長くなるほど、始点は作業機械１００の車体から離れた位置となる。つまり、軌跡生成部６１４は、掘削動作の変更に伴って、次回の目標軌跡を決定する。

【0043】

移動処理部６１５は、変更した目標軌跡ＴとステップＳ１２で特定したバケット１３３の刃先の位置とに基づいて、バケット１３３の刃先の目標位置およびバケット１３３の目標姿勢を決定する（ステップＳ１９）。例えば、移動処理部６１５は、現在の刃先の位置から、制御周期に係る時間の間にバケット１３３が移動可能な距離だけ離れた目標軌跡Ｔ上の点を、刃先の目標位置に決定する。また移動処理部６１５は、刃先の目標位置の接線に対して干渉防止角度だけ傾けた姿勢を、バケット１３３の目標姿勢に決定する。

【0044】

移動処理部６１５は、刃先の目標位置およびバケット１３３の目標姿勢に基づいて、ブーム１３１およびアーム１３２の目標位置および目標姿勢を決定する（ステップＳ２０）。例えば、移動処理部６１５は、刃先の目標位置およびバケット１３３の目標姿勢から特定されるバケット１３３の基端部の位置と、既知のブーム１３１の基端部の位置との関係により、バケット１３３の刃先を目標位置に移動させるためのブーム１３１の先端部の位置すなわちアーム１３２の基端部の位置を特定することができる。

【0045】

移動処理部６１５は、特定したブーム１３１、アーム１３２、およびバケット１３３の目標位置および目標姿勢に基づいて操作信号を生成し、操作信号をコントロールバルブ１２３に出力する（ステップＳ２１）。

【0046】

移動処理部６１５は、バケット１３３の刃先が目標軌跡Ｔの終点近傍の所定の終了準備点に到達したか否かを判定する（ステップＳ２２）。終了準備点は、例えば目標軌跡Ｔの終点より所定の長さだけ手前の位置であってもよいし、目標軌跡Ｔの終点であってもよい。例えば、終了準備点とは、掘削した土砂等がバケット１３３からこぼれないように、バケット１３３の開口部を水平に近づける姿勢にする点であってもよい。バケット１３３の刃先が終了準備点に到達していない場合（ステップＳ２２：ＮＯ）、制御装置１６０は処理をステップＳ１１に戻し、目標軌跡Ｔに沿った掘削制御を継続する。

【0047】

他方、バケット１３３の刃先が終了準備点に到達した場合（ステップＳ２２：ＹＥＳ）、計測データ取得部６１１は、ブームストロークセンサ１５３、アームストロークセンサ１５４およびバケットストロークセンサ１５５から計測データを取得する（ステップＳ２３）。姿勢特定部６１３は、ステップＳ２３でブームストロークセンサ１５３、アームストロークセンサ１５４およびバケットストロークセンサ１５５から取得した計測データに基づいて、作業機１３０の姿勢を特定する（ステップＳ２４）。

【0048】

移動処理部６１５は、バケット１３３の目標姿勢をバケット１３３の開口面が水平となる姿勢に決定し、バケット１３３の刃先の目標位置を、決定した目標姿勢においてバケット１３３の底面が目標軌跡Ｔに沿う位置に決定する（ステップＳ２５）。移動処理部６１５は、刃先の目標位置およびバケット１３３の目標姿勢に基づいて、ブーム１３１およびアーム１３２の目標位置および目標姿勢を決定する（ステップＳ２６）。移動処理部６１５は、特定したブーム１３１、アーム１３２、およびバケット１３３の目標位置および目標姿勢に基づいて操作信号を生成し、操作信号をコントロールバルブ１２３に出力する（ステップＳ２７）。そして制御装置１６０は、自動掘削制御を終了する。

【0049】

《作用・効果》
このように、第一実施形態に係る作業機械１００の制御装置１６０は、以下の処理を行う。制御装置１６０は、作業機械１００の傾きの計測データを取得する。制御装置１６０は、掘削の目標軌跡Ｔに従って作業機１３０の操作信号を出力する自動掘削制御を開始する。制御装置１６０は、自動掘削制御中における計測データの変化に応じて目標軌跡Ｔを変更する。
これにより、作業機械１００は、掘削対象の硬さや足場の不安定さに応じて目標軌跡Ｔを変更しながら自動掘削制御を行うことができる。

【0050】

また第一実施形態に係る制御装置１６０は、自動掘削制御中における計測データの変化が、作業機械１００が後傾していることを表す場合に、掘削深さＤが浅くなるように目標軌跡Ｔを変更する。掘削深さＤが浅いほど、掘削対象の反力の上向き成分の大きさが小さくなる。したがって、これにより制御装置１６０は掘削対象の硬さや足場の不安定さにより作業機械１００が後傾する場合に、後傾を防ぎながら自動掘削制御を継続させることができる。

【0051】

さらに第一実施形態に係る制御装置１６０は、自動掘削制御中における計測データの変化が、作業機械１００が後傾していることを表す場合に、掘削長さＬが長くなるように目標軌跡Ｔを変更する。掘削深さＤが浅くなると、バケット１３３による掘削量が減少するため、制御装置１６０は掘削長さＬを長くすることで、後傾を防ぎながら掘削量の減少を防ぐことができる。

【0052】

第一実施形態に係る制御装置１６０は、自動掘削制御中における計測データの変化が、作業機械１００が後傾していないことを表す場合に、掘削深さＤが深くなるように目標軌跡Ｔを変更する。掘削深さＤが深いほど、掘削効率が高くなる。したがって、これにより制御装置１６０は作業機械１００が後傾しない範囲において自動掘削制御の効率を高めることができる。なお、他の実施形態に係る制御装置１６０は、作業機械１００が後傾しているときに掘削深さＤを浅くし、作業機械１００が後傾していないときに掘削深さＤを維持するものであってもよい。

【0053】

さらに第一実施形態に係る制御装置１６０は、自動掘削制御中における計測データの変化が、作業機械１００が後傾していないことを表す場合に、掘削長さＬが短くなるように目標軌跡Ｔを変更する。掘削深さＤが深くなると、バケット１３３による掘削量が増加するため、制御装置１６０は掘削長さＬを短くすることで、掘削量が過剰となることを防ぐことができる。

【0054】

第一実施形態に係る制御装置１６０は、目標軌跡Ｔの変更に伴って、次回の目標軌跡Ｔを決定する。これにより、次回の自動掘削制御においてはじめから適切な目標軌跡Ｔを設定することができ、自動掘削制御の効率を適切にすることができる。特に第一実施形態によれば、作業機械１００は、アーム１３２が鉛直掘削姿勢となるときに最大の力を発揮することができるため、自動掘削制御において、鉛直掘削姿勢時にバケット１３３の刃先が位置する点を目標軌跡Ｔの最下点とすることで、掘削効率を最大化することができる。つまり、第一実施形態に係る制御装置１６０は、目標軌跡Ｔの掘削長さＬが長くなったら、これに応じて目標軌跡Ｔの始点を作業機械１００のより前方に変更することで、掘削効率を大きくすることができる。

【0055】

第一実施形態に係る制御装置１６０は、自動掘削制御において、刃先の角度が目標軌跡Ｔの接線に基づいて決定される目標角度に従うように操作信号を生成する。具体的には、刃先と接線とのなす角が干渉防止角度となるように操作信号を生成する。制御装置１６０は、バケット１３３の角度を干渉防止角度にすると刃先が目標軌跡Ｔの始点に到達しない場合に、始点における接線に対する刃先の角度を干渉防止角度より大きくする。これにより、目標軌跡Ｔの始点が遠い場合にも刃先を目標軌跡Ｔに合わせることができる。なお、他の実施形態に係る制御装置１６０は、バケット１３３の角度を干渉防止角度にしたときに刃先が目標軌跡Ｔの始点に到達するか否かに関わらず、始点における目標姿勢を干渉防止角度より大きくしてもよい。また他の実施形態に係る制御装置１６０は、刃先が目標軌跡Ｔの始点に到達しない場合、目標軌跡Ｔの掘削長さＬを短くしてもよいし、目標軌跡Ｔをより作業機械１００側へ近づけてもよい。

【0056】

第一実施形態に係る制御装置１６０は、バケット１３３の刃先が目標軌跡Ｔの終点近傍の終了準備点に到達したときに、バケット１３３の開口部が水平に近づくように操作信号を生成する。目標軌跡Ｔの終点における接線の傾きが小さい場合、目標軌跡Ｔの接線に沿って刃先を終点に合わせるとバケット１３３から土砂がこぼれる可能性がある。そのため、目標軌跡Ｔの終点近傍においてバケット１３３の開口部を水平に近づけるように制御することで、バケット１３３から土砂がこぼれることを防ぐことができる。なお、第一実施形態に係る制御装置１６０は、終了準備点において開口部を水平に近づける操作を開始するが、他の実施形態に係る制御装置１６０は、目標軌跡Ｔの終点において開口部を水平に近づける操作を開始してもよい。この場合にも制御装置１６０はバケット１３３から土砂がこぼれることを防ぐことができる。なお、他の実施形態においては、目標軌跡Ｔの終点における接線の傾きが所定の閾値より小さい場合にのみ、開口部を水平に近づけるように制御してもよい。また、他の実施形態においては、制御装置１６０は開口部を水平に近づけるように制御しなくてもよい。

【0057】

〈他の実施形態〉
以上、図面を参照して一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、様々な設計変更等をすることが可能である。すなわち、他の実施形態においては、上述の処理の順序が適宜変更されてもよい。また、一部の処理が並列に実行されてもよい。

【0058】

上述の実施形態に係る作業機械１００は陸上の掘削に用いられるが、これに限られず、水中の掘削に用いられてもよい。水中は作業機械１００に浮力が生じるため、陸上と比べ作業機械１００の浮きが生じやすい。

【0059】

上述の実施形態に係る作業機械１００は上位装置からの指示に従って自律運転するが、これに限られない。例えば、他の実施形態に係る作業機械１００はオペレータが搭乗する有人車両であってもよいし、遠隔操作されるものであってもよい。この場合、制御装置１６０はオペレータによるボタン操作等によって自動掘削指示を受け付けたときに、自動掘削制御を開始する。作業機械１００が遠隔操作される場合、制御装置１６０の一部の機能が遠隔操作装置に設けられてもよい。

【符号の説明】

【0060】

１００…作業機械 １１０…走行体 １１１…無限軌道 １１２…走行モータ １２０…旋回体 １２１…エンジン １２２…油圧ポンプ １２３…コントロールバルブ １２４…旋回モータ １３０…作業機 １３１…ブーム １３１Ｃ…ブームシリンダ １３２…アーム １３２Ｃ…アームシリンダ １３３…バケット １３３Ｃ…バケットシリンダ １５１…空間計測器 １５２…傾斜計測器 １５３…ブームストロークセンサ １５４…アームストロークセンサ １５５…バケットストロークセンサ １６０…制御装置 ６１０…プロセッサ ６１１…計測データ取得部 ６１２…指示信号受信部 ６１３…姿勢特定部 ６１４…軌跡生成部 ６１５…移動処理部 ６３０…メインメモリ ６５０…ストレージ ６７０…インタフェース Ｔ…目標軌跡

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】