特開 2024-172570 作業機械の制御装置

(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】P2024172570

(43)【公開日】2024-12-12

(54)【発明の名称】作業機械の制御装置

(51)【国際特許分類】

   E02F 9/26 20060101AFI20241205BHJP

   E02F 9/20 20060101ALI20241205BHJP

   E02F 3/43 20060101ALN20241205BHJP

【ＦＩ】

E02F9/26 B

E02F9/20 N

E02F3/43 B

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023090364

(22)【出願日】2023-05-31

(71)【出願人】

【識別番号】000002107

【氏名又は名称】住友重機械工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】西牧 潤

(72)【発明者】

【氏名】平沼 一則

【テーマコード（参考）】

2D003

2D015

【Ｆターム（参考）】

2D003AA01

2D003AB03

2D003AB04

2D003BA02

2D003BA03

2D003CA02

2D003DA04

2D003DB01

2D003DB02

2D003DB03

2D003DB04

2D015HA03

2D015HB00

(57)【要約】

【課題】作業具に積載された物の重量の計測を安定させる。
【解決手段】作業機械の制御装置は、下部走行体と、下部走行体に旋回自在の搭載される上部旋回体と、上部旋回体に取り付けられるアタッチメントと、アタッチメントの先端に設けられる作業具と、を有する作業機械を制御するように構成される制御部を、有し、制御部は、作業具に積載された積載物を所定の対象物に積込むために生成された移動軌道に従って作業具が移動している間に、積載物の重量計測を行うためにアタッチメントに所定の動作を行わせる動作指令を生成するように構成されている。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

下部走行体と、前記下部走行体に旋回自在の搭載される上部旋回体と、前記上部旋回体に取り付けられるアタッチメントと、前記アタッチメントの先端に設けられる作業具と、を有する作業機械を制御するように構成される制御部を、有し、
前記制御部は、前記作業具に積載された積載物を所定の対象物に積込むために生成された移動軌道に従って前記作業具が移動している間に、前記積載物の重量計測を行うために前記アタッチメントに所定の動作を行わせる動作指令を生成するように構成されている、
作業機械の制御装置。

【請求項2】

前記制御部は、前記所定の動作として、前記積載物の重量計測を行っている間、前記作業具が移動している加速度を所定の加速度より小さくさせる前記動作指令を生成する、
請求項１に記載の作業機械の制御装置。

【請求項3】

前記制御部は、前記積載物の重量計測を行っている間、水平面に対する前記作業具の開口面の傾きが所定の閾値より小さくなった状態を維持するような前記移動軌道を生成する、
請求項１に記載の作業機械の制御装置。

【請求項4】

前記制御部は、前記積載物の重量計測を行っている間、前記上部旋回体の旋回動作が抑制された前記移動軌道を生成する、
請求項１に記載の作業機械の制御装置。

【請求項5】

前記制御部は、前記積載物の重量計測を行った後、操作者に前記アタッチメントの操作を受け渡し可能な前記移動軌道を生成する、
請求項１乃至４のいずれか一つに記載の作業機械の制御装置。

【請求項6】

前記制御部は、前記積載物を前記所定の対象物に積み込みが完了するまでの前記移動軌道を生成する、
請求項１乃至４のいずれか一つに記載の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、作業機械の制御装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、ショベルがダンプトラックの荷台等に、土砂などの物を積み込むために様々な技術が提案されている。

【0003】

例えば、特許文献１に記載された技術では、土砂等の積載物が必要以上に作業具に積載されないように、土砂等を掘削する際の作業具の移動軌道を設定している。これにより、特許文献１に記載された技術では、ダンプトラックの荷台に適切な重量の物を積載することを可能としている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】国際公開第２０１９／１８９２６０号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、特許文献１は、掘削する土砂の量を調整するための技術であって、作業具に積載された物の重量を計測するための技術ではない。このため、作業具に積載された物の重量を計測する際に値が安定しない可能性がある。

【0006】

本発明の一態様は、作業具に積載された物の重量の計測を安定させる技術を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一態様に係る作業機械の制御装置は、下部走行体と、下部走行体に旋回自在の搭載される上部旋回体と、上部旋回体に取り付けられるアタッチメントと、アタッチメントの先端に設けられる作業具と、を有する作業機械を制御するように構成される制御部を、有し、制御部は、作業具に積載された積載物を所定の対象物に積込むために生成された移動軌道に従って作業具が移動している間に、積載物の重量計測を行うためにアタッチメントに所定の動作を行わせる動作指令を生成するように構成されている。

【発明の効果】

【0008】

本発明の一態様によれば、作業具の積載物の重量の検出する際に所定の動作を行わせることで、重量の計測精度を安定させる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、実施形態に係るショベルの側面図である。

【図2】図２は、実施形態に係るショベルの駆動系の構成例を示すブロック図である。

【図3】図３は、掘削対象範囲を設定する際に表示装置に表示される設定画面の構成例を示した図である。

【図4】図４は、設定画面で設定された掘削対象範囲にある掘削対象物を掘削するショベルの上面図である。

【図5】図５は、実施形態に係る自律制御機能の構成例を示すブロック図である。

【図6】図６は、実施形態に係る、各種指令値を算出する機能要素の構成例を示すブロック図である。

【図7】図７は、実施形態に係る自律制御機能の別の構成例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の爪先が移動する軌跡を示した図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。また、以下で説明する実施形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施形態に記述される全ての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。なお、各図面において同一の又は対応する構成には同一の又は対応する符号を付し、説明を省略することがある。

【0011】

［ショベルの概要］
最初に、図１を参照して、本実施形態に係るショベル１００の概要について説明する。図１は、本実施形態に係る掘削機としてのショベル１００の側面図である。

【0012】

ショベル１００の下部走行体１には旋回機構２を介して上部旋回体３が旋回可能に搭載されている。上部旋回体３にはブーム４が取り付けられ、ブーム４の先端にはアーム５が取り付けられ、アーム５の先端にはエンドアタッチメントとしてのバケット６が取り付けられている。

【0013】

ブーム４、アーム５、及びバケット６は、アタッチメントの一例としての掘削アタッチメントを構成している。ブーム４はブームシリンダ７で駆動され、アーム５はアームシリンダ８で駆動され、バケット６はバケットシリンダ９で駆動される。ブーム４にはブーム角度センサＳ１が取り付けられ、アーム５にはアーム角度センサＳ２が取り付けられ、バケット６にはバケット角度センサＳ３が取り付けられている。

【0014】

ブーム角度センサＳ１はブーム４の回動角度を検出する。本実施形態では、ブーム角度センサＳ１は加速度センサであり、上部旋回体３に対するブーム４の回動角度（以下、「ブーム角度」とする。）を検出できる。ブーム角度は、例えば、ブーム４を最も下げたときに最小角度となり、ブーム４を上げるにつれて大きくなる。

【0015】

アーム角度センサＳ２はアーム５の回動角度を検出する。本実施形態では、アーム角度センサＳ２は加速度センサであり、ブーム４に対するアーム５の回動角度（以下、「アーム角度」とする。）を検出できる。アーム角度は、例えば、アーム５を最も閉じたときに最小角度となり、アーム５を開くにつれて大きくなる。

【0016】

バケット角度センサＳ３はバケット６の回動角度を検出する。本実施形態では、バケット角度センサＳ３は加速度センサであり、アーム５に対するバケット６の回動角度（以下、「バケット角度」とする。）を検出できる。バケット角度は、例えば、バケット６を最も閉じたときに最小角度となり、バケット６を開くにつれて大きくなる。

【0017】

ブーム角度センサＳ１、アーム角度センサＳ２、及びバケット角度センサＳ３はそれぞれ、可変抵抗器を利用したポテンショメータ、対応する油圧シリンダのストローク量を検出するストロークセンサ、連結ピン回りの回動角度を検出するロータリエンコーダ、ジャイロセンサ、又は、加速度センサとジャイロセンサの組み合わせ等であってもよい。

【0018】

ブームシリンダ７にはブームロッド圧センサＳ７Ｒ及びブームボトム圧センサＳ７Ｂが取り付けられている。アームシリンダ８にはアームロッド圧センサＳ８Ｒ及びアームボトム圧センサＳ８Ｂが取り付けられている。バケットシリンダ９にはバケットロッド圧センサＳ９Ｒ及びバケットボトム圧センサＳ９Ｂが取り付けられている。ブームロッド圧センサＳ７Ｒ、ブームボトム圧センサＳ７Ｂ、アームロッド圧センサＳ８Ｒ、アームボトム圧センサＳ８Ｂ、バケットロッド圧センサＳ９Ｒ、及びバケットボトム圧センサＳ９Ｂは、集合的に「シリンダ圧センサ」とも称される。

【0019】

ブームロッド圧センサＳ７Ｒはブームシリンダ７のロッド側油室の圧力（以下、「ブームロッド圧」とする。）を検出し、ブームボトム圧センサＳ７Ｂはブームシリンダ７のボトム側油室の圧力（以下、「ブームボトム圧」とする。）を検出する。アームロッド圧センサＳ８Ｒはアームシリンダ８のロッド側油室の圧力（以下、「アームロッド圧」とする。）を検出し、アームボトム圧センサＳ８Ｂはアームシリンダ８のボトム側油室の圧力（以下、「アームボトム圧」とする。）を検出する。バケットロッド圧センサＳ９Ｒはバケットシリンダ９のロッド側油室の圧力（以下、「バケットロッド圧」とする。）を検出し、バケットボトム圧センサＳ９Ｂはバケットシリンダ９のボトム側油室の圧力（以下、「バケットボトム圧」とする。）を検出する。

【0020】

上部旋回体３には運転室であるキャビン１０が設けられ且つエンジン１１等の動力源が搭載されている。また、上部旋回体３には、コントローラ３０、表示装置４０、入力装置４２、音出力装置４３、記憶装置４７、向き検出装置Ｄ１、測位装置Ｐ１、機体傾斜センサＳ４、旋回角速度センサＳ５、撮像装置Ｓ６、及び通信装置Ｔ１が取り付けられている。上部旋回体３には、電力を供給する蓄電部、及び、エンジン１１の回転駆動力を用いて発電する電動発電機等が搭載されていてもよい。蓄電部は、例えば、キャパシタ又はリチウムイオン電池等である。電動発電機は、発電機として機能して電気負荷に電力を供給してもよく、電動機として機能してエンジン１１の回転をアシストしてもよい。

【0021】

コントローラ３０は、ショベル１００の駆動制御を行う主制御部として機能する。本実施形態では、コントローラ３０は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、及びＲＯＭ等を含むコンピュータで構成されている。コントローラ３０の各種機能は、例えば、ＲＯＭに格納されたプログラムをＣＰＵが実行することで実現される。各種機能は、例えば、操作者によるショベル１００の手動操作をガイド（案内）するマシンガイダンス機能、及び、操作者によるショベル１００の手動操作を自律的に支援するマシンコントロール機能等を含んでいてもよい。

【0022】

表示装置４０は、各種情報を表示するように構成されている。表示装置４０は、ＣＡＮ等の通信ネットワークを介してコントローラ３０に接続されていてもよく、専用線を介してコントローラ３０に接続されていてもよい。

【0023】

入力装置４２は、操作者が各種情報をコントローラ３０に入力できるように構成されている。入力装置４２は、例えば、キャビン１０内に設置されたタッチパネル、マイクロフォン、ノブスイッチ、及びメンブレンスイッチ等の少なくとも１つを含んでいてもよい。

【0024】

音出力装置４３は、音を出力するように構成されている。音出力装置４３は、例えば、コントローラ３０に接続されるスピーカであってもよく、ブザー等の警報器であってもよい。本実施形態では、音出力装置４３は、コントローラ３０からの音声出力指令に応じて各種情報に関する音又は音声を出力するように構成されている。

【0025】

記憶装置４７は、各種情報を記憶するように構成されている。記憶装置４７は、例えば、半導体メモリ等の不揮発性記憶媒体であってもよい。記憶装置４７は、ショベル１００の動作中に各種機器が出力する情報を記憶してもよく、ショベル１００の動作が開始される前に各種機器を介して取得する情報を記憶してもよい。記憶装置４７は、例えば、通信装置Ｔ１等を介して取得されるデータを記憶していてもよい。

【0026】

向き検出装置Ｄ１は、上部旋回体３の向きと下部走行体１の向きとの相対的な関係に関する情報を検出するように構成されている。向き検出装置Ｄ１は、例えば、下部走行体１に取り付けられた地磁気センサと上部旋回体３に取り付けられた地磁気センサとの組み合わせで構成されていてもよい。或いは、向き検出装置Ｄ１は、下部走行体１に取り付けられたＧＮＳＳ受信機と上部旋回体３に取り付けられたＧＮＳＳ受信機との組み合わせで構成されていてもよい。向き検出装置Ｄ１は、ロータリエンコーダ又はロータリポジションセンサ等であってもよい。旋回電動発電機で上部旋回体３が旋回駆動される構成では、向き検出装置Ｄ１は、レゾルバで構成されていてもよい。向き検出装置Ｄ１は、例えば、下部走行体１と上部旋回体３との間の相対回転を実現する旋回機構２に関連して設けられるセンタージョイントに取り付けられていてもよい。

【0027】

向き検出装置Ｄ１は、上部旋回体３に取り付けられたカメラで構成されていてもよい。この場合、向き検出装置Ｄ１は、例えば、上部旋回体３に取り付けられているカメラが撮像した画像（入力画像）に既知の画像処理を施す。入力画像に含まれる下部走行体１の画像を認識するためである。そして、向き検出装置Ｄ１は、既知の画像認識技術を用いて下部走行体１の画像を認識することで、下部走行体１の長手方向を特定する。そして、向き検出装置Ｄ１は、上部旋回体３の前後軸の方向と下部走行体１の長手方向との間に形成される角度を導き出す。上部旋回体３の前後軸の方向は、カメラの取り付け位置から導き出される。特に、下部走行体１を構成するクローラは上部旋回体３から突出しているため、向き検出装置Ｄ１は、クローラの画像を検出することで下部走行体１の長手方向を特定できる。このようにして、向き検出装置Ｄ１は、上部旋回体３の向きと下部走行体１の向きとの相対的な関係に関する情報を検出する。この場合、向き検出装置Ｄ１は、コントローラ３０に統合されていてもよい。

【0028】

測位装置Ｐ１は、上部旋回体３の位置を測定するように構成されている。測位装置Ｐ１は、上部旋回体３の向きを追加的に測定するように構成されていてもよい。本実施形態では、測位装置Ｐ１は、ＧＮＳＳコンパスであり、上部旋回体３の位置及び向きを検出し、検出値をコントローラ３０に対して出力する。そのため、測位装置Ｐ１は、上部旋回体３の向きを検出する向き検出装置としても機能し得る。

【0029】

機体傾斜センサＳ４は、例えば、所定の平面に対する上部旋回体３の傾斜を検出するように構成されている。本実施形態では、機体傾斜センサＳ４は、水平面に対する上部旋回体３の前後軸回りの傾斜角及び左右軸回りの傾斜角を検出する加速度センサである。上部旋回体３の前後軸及び左右軸は、例えば、ショベル１００の旋回軸上の一点であるショベル中心点で互いに直交する。

【0030】

旋回角速度センサＳ５は、上部旋回体３の旋回角速度を検出するように構成されている。旋回角速度センサＳ５は、上部旋回体３の旋回角度を検出するように構成されていてもよい。本実施形態では、旋回角速度センサＳ５は、ジャイロセンサである。旋回角速度センサＳ５は、レゾルバ又はロータリエンコーダ等であってもよい。

【0031】

撮像装置Ｓ６はショベル１００の周辺の画像を取得するように構成されている。本実施形態では、撮像装置Ｓ６は、ショベル１００の前方の空間を撮像する前カメラＳ６Ｆ、ショベル１００の左方の空間を撮像する左カメラＳ６Ｌ、ショベル１００の右方の空間を撮像する右カメラＳ６Ｒ、及び、ショベル１００の後方の空間を撮像する後カメラＳ６Ｂを含む。

【0032】

周囲監視装置としての撮像装置Ｓ６は、例えば、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の撮像素子を有する単眼カメラであり、撮像した画像を表示装置４０に出力する。周囲監視装置としての撮像装置Ｓ６は、ＬＩＤＡＲ、ステレオカメラ、又は距離画像カメラ等であってもよい。また、撮像装置Ｓ６は、撮像装置Ｓ６又はショベル１００から認識された物体までの距離を算出するように構成されていてもよい。周囲監視装置としてミリ波レーダ、超音波センサ、又はレーザレーダ等が利用される場合には、ショベル１００は、撮像した画像を利用するだけでなく、周囲監視装置から多数の信号（レーザ光等）を物体に向けて発信し、その反射信号を受信することで、反射信号から物体の距離及び方向を導き出してもよい。

【0033】

前カメラＳ６Ｆは、例えば、キャビン１０の天井、すなわちキャビン１０の内部に取り付けられている。但し、キャビン１０の屋根又はブーム４の側面等、キャビン１０の外部に取り付けられていてもよい。左カメラＳ６Ｌは、上部旋回体３の上面左端に取り付けられ、右カメラＳ６Ｒは、上部旋回体３の上面右端に取り付けられ、後カメラＳ６Ｂは、上部旋回体３の上面後端に取り付けられている。

【0034】

通信装置Ｔ１は、ショベル１００の外部にある外部機器との通信を制御するように構成されている。本実施形態では、通信装置Ｔ１は、衛星通信網、携帯電話通信網、及びインターネット網等の少なくとも１つを介した外部機器との通信を制御する。

【0035】

図２は、ショベル１００の駆動系の構成例を示すブロック図である。図２においては、機械的動力伝達系、作動油ライン、パイロットライン、及び電気制御系をそれぞれ二重線、実線、破線、及び点線で示している。

【0036】

ショベルの駆動系は、主に、エンジン１１、レギュレータ１３、メインポンプ１４、パイロットポンプ１５、コントロールバルブ１７、操作装置２６、吐出圧センサ２８、操作圧センサ２９、コントローラ３０、燃料タンク５５、及びエンジンコントローラユニット（ＥＣＵ７４）等を含む。

【0037】

エンジン１１は、ショベルの駆動源である。本実施形態では、エンジン１１は、例えば、所定の回転数を維持するように動作するディーゼルエンジンである。また、エンジン１１の出力軸は、メインポンプ１４及びパイロットポンプ１５のそれぞれの入力軸に連結されている。

【0038】

メインポンプ１４は、作動油ラインを介して作動油をコントロールバルブ１７に供給するように構成されている。本実施形態では、メインポンプ１４は、斜板式可変容量型油圧ポンプである。

【0039】

レギュレータ１３は、メインポンプ１４の吐出量を制御するように構成されている。本実施形態では、レギュレータ１３は、コントローラ３０からの制御指令に応じてメインポンプ１４の斜板傾転角を調節することによって１回転当たりの押し退け容積を増減させてメインポンプ１４の吐出量を制御する。例えば、コントローラ３０は、操作圧センサ２９等の出力を受信し、必要に応じてレギュレータ１３に対して制御指令を出力し、メインポンプ１４の吐出量を変化させる。

【0040】

パイロットポンプ１５は、パイロットラインを介して操作装置２６を含む各種油圧制御機器に作動油を供給するように構成されている。本実施形態では、パイロットポンプ１５は、固定容量型油圧ポンプである。但し、パイロットポンプ１５は、省略されてもよい。この場合、パイロットポンプ１５が担っていた機能は、メインポンプ１４によって実現されてもよい。すなわち、メインポンプ１４は、コントロールバルブ１７に作動油を供給する機能とは別に、絞り等により作動油の圧力を低下させた後で操作装置２６等に作動油を供給する機能を備えていてもよい。

【0041】

コントロールバルブ１７は、ショベルにおける油圧システムを制御する油圧制御装置である。コントロールバルブ１７は、制御弁１７１～１７６を含む。コントロールバルブ１７は、制御弁１７１～１７６を通じ、メインポンプ１４が吐出する作動油を１又は複数の油圧アクチュエータに選択的に供給できる。制御弁１７１～１７６は、メインポンプ１４から油圧アクチュエータに流れる作動油の流量、及び、油圧アクチュエータから作動油タンクに流れる作動油の流量を制御する。油圧アクチュエータは、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、バケットシリンダ９、左側走行用油圧モータ１Ｌ、右側走行用油圧モータ１Ｒ、及び旋回用油圧モータ２Ａを含む。旋回用油圧モータ２Ａは、電動アクチュエータとしての旋回用電動発電機であってもよい。この場合、旋回用電動発電機は、蓄電部又は電動発電機から電力の供給を受けてもよい。

【0042】

操作装置２６は、操作者がアクチュエータの操作のために用いる装置である。アクチュエータは、油圧アクチュエータ及び電動アクチュエータの少なくとも一方を含む。本実施形態では、操作装置２６は、パイロットラインを介して、パイロットポンプ１５が吐出する作動油を、コントロールバルブ１７内の対応する制御弁のパイロットポートに供給する。パイロットポートのそれぞれに供給される作動油の圧力（パイロット圧）は、原則として、油圧アクチュエータのそれぞれに対応する操作装置２６の操作方向及び操作量に応じた圧力である。

【0043】

吐出圧センサ２８は、メインポンプ１４の吐出圧を検出するように構成されている。本実施形態では、吐出圧センサ２８は、検出した値をコントローラ３０に対して出力する。

【0044】

操作圧センサ２９は、操作装置２６を用いた操作者の操作内容を検出するように構成されている。本実施形態では、操作圧センサ２９は、アクチュエータのそれぞれに対応する操作装置２６の操作方向及び操作量を圧力の形で検出し、検出した値をコントローラ３０に対して出力する。操作装置２６の操作内容は、操作圧センサ以外の他のセンサを用いて検出されてもよい。

【0045】

燃料タンク５５は、燃料を収容する容器である。燃料タンク５５に収容されている燃料の残量状態は、燃料残量センサ５５ａによって検出される。燃料残量センサ５５ａは、燃料の残量状態に関する情報をコントローラ３０に対して出力する。

【0046】

ＥＣＵ７４は、エンジン１１を制御する装置である。本実施形態では、ＥＣＵ７４は、エンジン１１における燃料噴射量、燃料噴射タイミング、及びブースト圧等を制御する。また、ＥＣＵ７４は、エンジン１１に関する情報をコントローラ３０に対して出力する。

【0047】

次に、コントローラ３０が有する機能要素について説明する。本実施形態では、コントローラ３０は、取得部３１、軌道生成部３２、自律制御部３３、及び算出部３４を機能要素として有している。本実施形態にかかるコントローラ３０（制御部の一例）は、ショベル１００全体を制御するように構成されている。

【0048】

取得部３１は、ショベルに設けられている各種センサ（Ｓ１～Ｓ６、２８、２９、５５ａ）からの信号を取得する。例えば、取得部３１は、撮像装置Ｓ６によりショベル１００周辺を撮像した画像を取得する。

【0049】

軌道生成部３２は、バケット６（作業具の一例）に積載された積載物を、ダンプトラック（所定の対象物の一例）に積込むために、バケット６（作業具の一例）の所定部位が辿る目標軌道（移動軌道の一例）を生成する。本実施形態に係るバケット６の所定部位は、バケット６の構成であればよく、例えば、バケット６の爪先とする。

【0050】

本実施形態に係る軌道生成部３２が生成する目標軌道は、バケット６の積載物の重量を検出するために適した、バケット６の所定部位の移動軌道とする。

【0051】

具体的な例としては、本実施形態に係る軌道生成部３２は、バケット６に積載物が搭載された後、上部旋回体３の旋回動作を抑制して、鉛直上方向にブーム４を持ち上げるような目標軌道を生成する。つまり、本実施形態では、バケット６の積載物の重量を算出する間、上部旋回体３の旋回を抑制することで、旋回による重量の計測誤差が生じるのを抑制できる。

【0052】

さらに、本実施形態に係る軌道生成部３２は、鉛直上方向にブーム４を持ち上げている間、水平面とバケット６の開口面が略水平（例えば、水平面に対する開口面の傾きが、５度以下）となった状態を維持するような目標軌道を生成する。本実施形態では、ブーム４を持ち上げている間、バケット６の開口面が略水平の状態を維持することで、バケット６から積載物がこぼれ落ちることを抑制できる。

【0053】

本実施形態に係る軌道生成部３２が生成する目標軌道の終点は、積載物の重量の検出が完了した後の位置であればよい。例えば、軌道生成部３２は、ブーム４上げが完了するまでの軌道であって、ブーム４上げが完了した後のアタッチメントの操作を操作者に受け渡し可能な目標軌道を生成してもよい。計測が完了した後、操作者が所望する操作を行うことができるので、作業効率の向上を実現できる。

【0054】

また、軌道生成部３２は、ダンプトラックへの積み込みが完了するまでの目標軌道を生成してよい。当該目標軌道を生成するために、軌道生成部３２は、取得部３１が取得したショベル１００周辺を撮像した画像から、ダンプトラックの位置及び高さを抽出してもよい。そして、軌道生成部３２は、抽出したダンプトラックの位置及び高さに基づいて、バケット６の積載物を、ダンプトラックに積み込みが完了するまでの目標軌道を生成してもよい。この場合、操作者による積み込むための操作負担を軽減できる。

【0055】

自律制御部３３は、アクチュエータを自律的に動作させることで操作者によるショベル１００の手動操作を自律的に支援するために、ショベル１００の各構成を制御する動作指令を生成し、生成した動作指令を出力する。例えば、自律制御部３３は、操作者が手動でアーム閉じ操作を行っている場合に、バケット６の爪先の軌道が目標軌道と一致するようにブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９の少なくとも１つを自律的に伸縮させるような動作指令を出力する。この場合、操作者は、例えば、ブーム操作レバーを開き方向に操作するだけで、バケット６の爪先の軌道を目標軌道に一致させながら、爪先の移動速度を所定速度に制限して、ブーム４の持ち上げ制御が可能となる。これら自律制御するための動作指令の出力は、入力装置４２の１つである所定のスイッチが押下された場合に出力されるように構成されていてもよい。所定のスイッチは、例えば、マシンコントロールスイッチ（以下、「ＭＣスイッチ」とする。）であり、ノブスイッチとして操作装置２６の先端に配置されていてもよい。なお、所定速度は、バケット６の積載物の重量計測を行うために適切な速度として、実施態様に応じて定められた速度とする。

【0056】

本実施形態では、自律制御部３３は、動作指令を出力して、各アクチュエータに対応する制御弁に作用するパイロット圧を個別に且つ自律的に調整することで各アクチュエータを自律的に動作させることができる。

【0057】

本実施形態に係る自律制御部３３は、目標軌道に従ってバケット６の爪先が移動している間に、バケット６の積載物の重量計測を行うためにアタッチメントに所定の動作を行わせる動作指令を生成する。

【0058】

本実施形態における、アタッチメントに行わせる所定の動作としては、例えば、ブーム４の持ち上げが開始されてから、バケット６の積載物の重量計測が終了するまで、バケット６の爪先の移動速度が、所定速度を維持させる動作とする。つまり、自律制御部３３は、移動速度を所定速度に制限するような動作指令を生成することで、重量計測が終了するまでの間、バケット６の状態を安定させることができる。

【0059】

つまり、バケット６の爪先の移動速度を、所定速度に維持させる動作指令を生成することで、バケット６の爪先の加速度が、所定の加速度より小さくさせた状態が維持される。これにより、加速度による重量の計測誤差が生じるのを抑制される。さらに、重量の計測を行う際に、シリンダ圧センサの出力により、実際のアタッチメントで加減速が生じているか検出を行ってもよい。例えば、積載物の重量を計測する際に、バケット６を移動させているブーム４及びアーム５各々の加速度が、所定の角加速度（例えば±0.07rad/sec2）より小さいか否かの判定を行ってもよい。当該判定条件を満たした場合に、積載物の重量を計測することで計測誤差が生じることを抑制できる。なお、所定の加速度、及び所定の角加速度は、実施態様に応じて定められる値であって、当該実施態様において重量の計測誤差が含まれないような値であればよい。

【0060】

算出部３４は、ブーム４の持ち上げによってバケット６の爪先が所定速度で目標軌道を移動している間に、シリンダ圧センサの出力に基づき、バケット６に取り込まれた積載物の重量を算出する。積載物の重量を算出するタイミングは、ブーム４の持ち上げによってバケット６が所定速度で移動している間であればよく、例えば、バケット６が地面から離れて、所定の高さにたどり着いたタイミングであってもよい。

【0061】

次に、図３及び図４を参照し、コントローラ３０が１回の掘削動作による掘削重量を制御する処理について説明する。図３は、掘削対象範囲Ｒ１を設定する際に表示装置４０に表示される設定画面ＧＭの構成例を示す。図４は、設定画面ＧＭで設定された掘削対象範囲Ｒ１にある掘削対象物ＢＫを掘削するショベル１００の上面図である。図４では、ショベル１００は、掘削対象物ＢＫを掘削してバケット６内に取り込んだ被掘削物をダンプトラックＤＴの荷台に積み込んでいる。ダンプトラックＤＴの荷台に積み込まれている被掘削物ＥＸ１は１回目の掘削動作で掘削された被掘削物に対応し、被掘削物ＥＸ２は２回目の掘削動作で掘削された被掘削物に対応している。

【0062】

掘削対象範囲Ｒ１は、ショベル１００の周囲に設定される範囲である。掘削対象範囲Ｒ１は、例えば、深さ制限のある立体的な範囲である。掘削アタッチメントによる掘削の対象である掘削対象物ＢＫは、例えば、地山、盛土、表土、又は堆積物等の地物である。掘削対象物ＢＫは、ダンプトラックＤＴへの積み込みのために寄せ集められた被掘削物ＥＸによって形成される土砂山であってもよい。反対に、掘削対象範囲Ｒ１の外側にある地物は、バケット６（掘削アタッチメントの一例）による掘削の対象とはならない。そのため、自律制御部３３によってバケット６が動かされるときに、掘削対象範囲Ｒ１の外にある地物が掘削されることはない。

【0063】

掘削対象範囲Ｒ１が設定される実施形態では、軌道生成部３２が、掘削対象範囲Ｒ１内の位置を始点として目標軌道を生成するように構成されている。そのため、コントローラ３０は、情報取得装置の出力に基づいて掘削対象範囲Ｒ１内の地形を検出する。図３及び図４に示す例では、カメラ、レーダ、及びＬＩＤＡＲ等の少なくとも１つの出力に基づいて掘削対象範囲Ｒ１内の地形を検出する。

【0064】

コントローラ３０は、例えば、ＭＣスイッチが押下されたときに、図３に示す設定画面ＧＭを表示装置４０に表示させる。設定画面ＧＭは、ショベル図形Ｇ１及びダンプ図形Ｇ２を含む。

【0065】

ショベル図形Ｇ１は、上部旋回体３の位置及び向きを表す図形である。ダンプ図形Ｇ２は、ダンプトラックＤＴの位置及び向きを表す図形である。コントローラ３０は、例えば、向き検出装置Ｄ１、測位装置Ｐ１、及び撮像装置Ｓ６等の出力に基づいてショベル１００とダンプトラックＤＴとの位置関係を把握し、その位置関係に対応するようにショベル図形Ｇ１及びダンプ図形Ｇ２を表示させる。

【0066】

ショベル図形Ｇ１の周囲には周囲画像が表示されていてもよい。図３の例では、周囲画像は、後カメラＳ６Ｂ、前カメラＳ６Ｆ、左カメラＳ６Ｌ、及び右カメラＳ６Ｒのそれぞれが撮像した画像に視点変換処理を施して生成される合成画像としての俯瞰画像である。但し、周囲画像は、コンピュータグラフィックスであってもよい。

【0067】

ショベル１００の操作者は、設定画面ＧＭを見ながら、入力装置４２を用いて掘削対象範囲Ｒ１を設定してもよい。図３の例では、操作者は、入力装置４２としてのタッチパネルを用い、ショベル図形Ｇ１の左側に範囲図形Ｇ３を設定している。範囲図形Ｇ３は、掘削対象範囲Ｒ１を表す図形である。具体的には、操作者は、ピンチアウト操作によって所望のサイズの範囲図形Ｇ３を設定している。操作者は、タップ操作によって範囲図形Ｇ３を設定してもよい。この場合、範囲図形Ｇ３は、例えば、タップ操作された点を中心とする所定サイズの範囲として設定される。

【0068】

図３の例では、範囲図形Ｇ３は、矩形であるが、円形又は楕円形等の他の形状であってもよい。また、範囲図形Ｇ３は、複雑な輪郭を有する図形であってもよい。この場合、操作者は、例えば、タッチパネル上で所望の範囲の輪郭をなぞることでその範囲に対応する範囲図形Ｇ３を設定してもよい。

【0069】

操作者は、設定画面ＧＭに予め表示されている複数の範囲図形から１つの範囲図形を選択してもよい。また、操作者は、互いに独立している複数の掘削対象範囲に対応する複数の範囲図形を選択してもよい。この場合、掘削対象範囲内の掘削対象物は、選択された順で掘削されていてもよい。例えば、最初に選択された範囲図形に対応する掘削対象範囲内にある掘削対象物が最初に掘削されてもよい。

【0070】

コントローラ３０は、例えば、ＭＣスイッチが押下される度に、上述のようにして設定された掘削対象範囲Ｒ１内で目標軌道を設定し、バケット６の爪先を掘削開始地点の上に移動させる。そして、コントローラ３０は、アーム操作レバーが手動で操作されると、バケット６の爪先が土砂等をバケット内に収納するようにブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９の少なくとも１つを伸縮させる。

【0071】

また、軌道生成部３２は、バケット６の爪先が土砂等をバケット内に収納するような目標軌道を生成してもよい。図４の例では、軌道生成部３２は、掘削対象範囲Ｒ１の地面と、ショベル１００が位置する平面を含む仮想平面とが面一となるように目標軌道を生成する。但し、軌道生成部３２は、ショベル１００が位置する平面を含む仮想平面に対して掘削対象範囲Ｒ１の地面の深さが所定の深さとなるように目標軌道を生成してもよい。また、軌道生成部３２は、ショベル１００が位置する平面を含む仮想平面に対する掘削対象範囲Ｒ１の地面の傾斜角度が所定角度となるように目標軌道を設定してもよい。

【0072】

このように、本実施形態に係るショベル１００は、下部走行体１と、下部走行体１に旋回可能に搭載される上部旋回体３と、上部旋回体３に取り付けられるアタッチメントと、制御装置としてのコントローラ３０と、を備えている。コントローラ３０は、掘削が開始される前の地形に関する情報に基づいてバケット６の所定部位が辿る軌道である目標軌道を設定する軌道生成部３２を有する。この構成により、ショベル１００は、例えば、土砂等の被掘削物をバケット６内に取り込むための操作負担を軽減できる。

【0073】

以上、実施形態について詳説した。しかしながら、上述した実施形態に制限されることはない。上述した実施形態は、本発明の範囲を逸脱することなしに、種々の変形又は置換等が適用され得る。また、別々に説明された特徴は、技術的な矛盾が生じない限り、組み合わせが可能である。

【0074】

例えば、ショベル１００は、以下に示すような自律制御機能を実行して掘削動作等の複合操作を自律的に実行してもよい。図５は、自律制御機能の構成例を示すブロック図である。図５の例では、コントローラ３０は、自律制御の実行に関する機能要素ＦＡ～ＦＤ及びＦ１～Ｆ６を有する。機能要素は、ソフトウェアで構成されていてもよく、ハードウェアで構成されていてもよく、ソフトウェアとハードウェアの組み合わせで構成されていてもよい。

【0075】

本実施形態においては、機能要素ＦＡ、ＦＢ、Ｆ１は、軌道生成部３２の一部機能とし、機能要素Ｆ３～Ｆ６は、自律制御部３３の一部機能とし、機能要素ＦＣ～ＦＥは、算出部３４の一部機能とする。

【0076】

機能要素ＦＡは、地形を計測するように構成されている。図５の例では、機能要素ＦＡは、周囲監視装置としての撮像装置Ｓ６が撮像した画像に基づき、ショベル１００の周囲にある地形の最新の状態を計測する。

【0077】

周囲監視装置は、ショベル１００の周囲に存在する物体を検知するように構成されている。物体は、例えば、人、動物、車両、建設機械、建造物、壁、柵、穴、ヘルメット、安全ベスト、作業服、又は、ヘルメットにおける所定のマーク等である。周囲監視装置は、ミリ波レーダ、超音波センサ、又はレーザレーダ等であってもよい。

【0078】

周囲監視装置は、ショベル１００の周囲に設定された所定領域内の所定物体を検知するように構成されていてもよい。すなわち、周囲監視装置は、物体の種類、位置、及び形状等の少なくとも１つを識別できるように構成されていてもよい。例えば、周囲監視装置は、人と人以外の物体とを区別できるように構成されていてもよい。また、周囲監視装置は、周囲監視装置又はショベル１００から認識された物体までの距離を算出するように構成されてもよい。

【0079】

機能要素ＦＢは、ダンプトラックＤＴを検知するように構成されている。図５の例では、機能要素ＦＢは、撮像装置Ｓ６が撮像した画像に基づいてダンプトラックＤＴを検知する。

【0080】

機能要素Ｆ１は、目標軌道を生成するように構成されている。図５の例では、機能要素Ｆ１は、入力装置４２を介して入力された自律動作に関する情報と、機能要素ＦＡが計測した現在の地形と、機能要素ＦＢが検知したダンプトラックＤＴの位置及び高さと、に基づいてバケット６の爪先が辿るべき軌道を目標軌道として生成する。自律動作に関する情報は、例えば、積載物の重量の検出が完了した後の自律制御を行うか否かに関する情報である。自律動作に関する情報は、例えば、積載物の重量の検出が完了した後の操作者に操作を受け渡す等とする。つまり、機能要素Ｆ１は、自律動作に関する情報に基づいて、積載物の重量の検出と共にブーム４上げが完了するまでの目標軌道を生成してもよいし、ダンプトラックＤＴに積載物を積み込むまでの目標軌道を生成してもよい。

【0081】

機能要素Ｆ１は、典型的には、各回の掘削動作が開始される前に、目標軌道を算出するように構成されている。すなわち、目標軌道は、典型的には、各回の掘削動作が開始される前に更新される。具体的には、目標軌道の始点である掘削開始位置の座標、及び、目標軌道の終点であるブーム４上げの完了位置の座標は、各回の掘削動作が開始される前に更新される。

【0082】

機能要素Ｆ１は、生成した目標軌道に関する画像を表示装置４０に表示させるように構成されていてもよい。ショベル１００の操作者は、ブーム４上げによる現在のバケット６の爪先の高さを見ることで、操作者に操作が受け渡される状態か否かを容易に把握できる。

【0083】

機能要素Ｆ１は、後方監視画像及び周囲監視画像の少なくとも一方とともに目標軌道に関する画像を表示装置４０に表示させてもよい。後方監視画像は、ショベル１００の後方を操作者が監視できるようにするための画像であり、例えば、後カメラＳ６Ｂが撮像した画像に基づいて生成される。周囲監視画像は、ショベル１００の周囲を操作者が監視できるようにするための画像であり、例えば、後カメラＳ６Ｂ、左カメラＳ６Ｌ、及び右カメラＳ６Ｒのそれぞれが撮像した画像を合成して生成される視点変換画像としての俯瞰画像である。俯瞰画像は、典型的には、ショベル１００の周囲を真上の仮想視点から見たときの様子を示す画像である。機能要素Ｆ１は、例えば、後方監視画像及び周囲監視画像の少なくとも一方に隣接するように目標軌道に関する画像を表示装置４０に表示させてもよい。

【0084】

或いは、機能要素Ｆ１は、エンジン回転数モード、走行モード、アタッチメントの種類、及びエンジン制御状態等の少なくとも１つに関する情報であるショベル１００の設定状態に関する情報とともに、目標軌道に関する画像を表示装置４０に表示させてもよい。或いは、機能要素Ｆ１は、尿素水残量、燃料残量、冷却水温、エンジン稼働時間、及び累積稼動時間等の少なくとも１つに関する情報であるショベルの運転状態に関する情報とともに、目標軌道に関する画像を表示装置４０に表示させてもよい。

【0085】

機能要素Ｆ２は、現在の爪先位置を算出するように構成されている。図５の例では、機能要素Ｆ２は、ブーム角度センサＳ１が検出したブーム角度β１と、アーム角度センサＳ２が検出したアーム角度β２と、バケット角度センサＳ３が検出したバケット角度β３と、旋回角速度センサＳ５が検出した旋回角度α１とに基づき、バケット６の爪先の座標点を現在の爪先位置として算出する。機能要素Ｆ２は、現在の爪先位置を算出する際に、機体傾斜センサＳ４の出力を利用してもよい。

【0086】

機能要素Ｆ３は、次の爪先位置を算出するように構成されている。図５の例では、機能要素Ｆ３は、操作圧センサ２９が出力する操作データと、機能要素Ｆ１が生成した目標軌道と、機能要素Ｆ２が算出した現在の爪先位置とに基づき、所定時間後の爪先位置を目標爪先位置として算出する。

【0087】

機能要素Ｆ３は、現在の爪先位置と目標軌道との間の乖離が許容範囲内に収まっているか否かを判定してもよい。図５の例では、機能要素Ｆ３は、現在の爪先位置と目標軌道との間の距離が所定値以下であるか否かを判定する。そして、機能要素Ｆ３は、その距離が所定値以下である場合、乖離が許容範囲内に収まっていると判定し、目標爪先位置を算出する。一方で、機能要素Ｆ３は、その距離が所定値を上回っている場合、乖離が許容範囲内に収まっていないと判定し、レバー操作量とは無関係に、アクチュエータの動きを減速させ或いは停止させる。

【0088】

機能要素Ｆ４は、爪先の速度に関する指令値を生成するように構成されている。図５の例では、機能要素Ｆ４は、機能要素Ｆ２が算出した現在の爪先位置と、機能要素Ｆ３が算出した次の爪先位置とに基づき、所定時間で現在の爪先位置を次の爪先位置に移動させるために必要な爪先の速度を爪先の速度に関する指令値として算出する。

【0089】

機能要素Ｆ５は、爪先の速度に関する指令値を制限するように構成されている。図５の例では、機能要素Ｆ５は、算出された指令値で示された速度が、所定速度以上の場合には、所定速度になるよう指令値を制限する。機能要素Ｆ５は、機能要素ＦＥから積載物の重量の算出完了のする旨が入力された場合には、指令値の制限を終了する。このようにして、コントローラ３０は、積載物の重量の算出が完了するまで爪先の速度が所定速度に維持されるよう制御できる。さらに、爪先の速度が所定速度に維持されるので、爪先の加速度が所定の加速度以上になることが抑制される。つまり、図５に示される例では、機能要素Ｆ５が、操作者からの操作に従ってブーム４の持ち上げが開始されてから、バケット６の積載物の重量計測が終了するまで、バケット６の爪先の移動速度が、所定速度を維持させるよう半自動制御を行う。

【0090】

具体的には、機能要素Ｆ５は、ブーム４の持ち上げ時に、爪先の速度が所定速度以下になるように、ブーム４の回転速度を制御する。なお、機能要素Ｆ５は、ブーム４の回転速度の制御のみを制限するものではなく、アーム５の回転速度も、アーム５のために定められた速度以下になるように制御を行ってもよい。これによりアーム５の開閉によるダンプトラックＤＴへの当接を抑制できる。

【0091】

機能要素Ｆ６は、アクチュエータを動作させる動作指令の指令値を算出するように構成されている。図５の例では、機能要素Ｆ６は、現在の爪先位置を目標爪先位置に移動させるために、機能要素Ｆ３が算出した目標爪先位置に基づき、ブーム角度β１に関する指令値β１ｒ、アーム角度β２に関する指令値β２ｒ、バケット角度β３に関する指令値β３ｒ、及び旋回角度α１に関する指令値α１ｒを算出する。機能要素Ｆ６は、ブーム４が操作されていないときであっても、必要に応じて指令値β１ｒを算出する。これは、ブーム４を自動的に動作させるためである。アーム５、バケット６、及び旋回機構２についても同様である。

【0092】

機能要素ＦＣは、ブーム４の状態を判定するように構成されている。図５の例では、機能要素ＦＣは、積載物を積載したバケット６が地面から離れて所定の高さまでブーム４が上昇したか否かを判定する。

【0093】

具体的には、機能要素ＦＣは、後述の機能要素Ｆ２によって算出されるバケット６の現在の爪先位置に基づき、被掘削物を取り込んだバケット６が地面から離れて所定の高さまでブーム４が上昇したか否かを判定する。機能要素ＦＣは、撮像装置Ｓ６が撮像した画像に基づき、被掘削物を取り込んだバケット６が地面から離れて所定の高さまでブーム４が上昇したか否かを判定してもよい。

【0094】

機能要素ＦＤは、バケット６の速度、及び加速度の状態を判定するように構成されている。図５の例では、機能要素ＦＤは、シリンダ圧センサの出力に基づいて、アタッチメントの先端に設けてあるバケット６の爪先の速度が、所定速度以下であるか否かを判定する。さらに、機能要素ＦＤは、シリンダ圧センサの出力に基づいて、ブーム４及びアーム５各々の加速度が、所定の閾値（例えば±0.07rad/sec2）より小さいか否かを判定する。

【0095】

機能要素ＦＥは、バケット６に取り込まれた積載物の重量を算出するように構成されている。図５の例では、機能要素ＦＥは、積載物を取り込んだバケット６が地面から離れて所定の高さまでブーム４が上昇したと機能要素ＦＣが判定すると共に、バケット６の爪先の速度が所定速度以下であり且つブーム４及びアーム５各々の加速度が所定の閾値より小さいと機能要素ＦＤが判定した場合、シリンダ圧センサの出力に基づき、バケット６に取り込まれた積載物の重量を算出する。機能要素ＦＤは、後述の機能要素Ｆ２によって算出される掘削アタッチメントの姿勢と、バケット６の爪先の速度及びブーム４及びアーム５の加速度と、シリンダ圧センサの出力と、に基づき、バケット６に取り込まれた積載物の重量を算出してもよい。

【0096】

図５で示される例では、操作圧センサ２９が検出した操作装置２６の操作に従って、ブーム４上げの制御が行われている間に、バケット６の積載物の重量を検出する例について説明した。図５で示される例では、積載物の重量の検出が完了して、指令値の制限が終了した後に行われる制御は、どのような制御であってもよく、コントローラ３０は、操作者に操作を受け渡してもよいし、ダンプトラックＤＴに積載物を積み込むまで自律制御を行ってもよい。また、図５で示される例では、操作圧センサ２９が検出した操作装置２６の操作に制限するものではなく、通信装置Ｔ１を介して入力された操作に従って、ブーム４上げの制御が行われている間に、バケット６の積載物の重量を検出してもよい。このように、図５に示される構成を、遠隔操作に適用してもよい。

【0097】

次に、図６を参照し、機能要素Ｆ６の詳細について説明する。図６は、各種指令値を算出する機能要素Ｆ６の構成例を示すブロック図である。

【0098】

コントローラ３０は、図６に示すように、指令値の生成に関する機能要素Ｆ１１～Ｆ１３、Ｆ２１～Ｆ２３、Ｆ３１～Ｆ３３、及びＦ５０を更に有する。機能要素は、ソフトウェアで構成されていてもよく、ハードウェアで構成されていてもよく、ソフトウェアとハードウェアの組み合わせで構成されていてもよい。

【0099】

機能要素Ｆ１１～Ｆ１３は、指令値β１ｒに関する機能要素であり、機能要素Ｆ２１～Ｆ２３は、指令値β２ｒに関する機能要素であり、機能要素Ｆ３１～Ｆ３３は、指令値β３ｒに関する機能要素であり、機能要素Ｆ４１～Ｆ４３は、指令値α１ｒに関する機能要素である。

【0100】

機能要素Ｆ１１、Ｆ２１、Ｆ３１、及びＦ４１は、アクチュエータ制御機構に対して出力される電流指令を生成するように構成されている。本実施形態では、機能要素Ｆ１１は、ブーム制御機構３１Ｃに対してブーム電流指令を出力し、機能要素Ｆ２１は、アーム制御機構３１Ａに対してアーム電流指令を出力し、機能要素Ｆ３１は、バケット制御機構３１Ｄに対してバケット電流指令を出力し、機能要素Ｆ４１は、旋回制御機構３１Ｂに対して旋回電流指令を出力する。

【0101】

ブーム制御機構３１Ｃは、ブームシリンダパイロット圧指令に対応する制御電流に応じたパイロット圧をブーム制御弁としての制御弁１７５に対して作用させることができるように構成されている。

【0102】

アーム制御機構３１Ａは、アームシリンダパイロット圧指令に対応する制御電流に応じたパイロット圧をアーム制御弁としての制御弁１７６に対して作用させることができるように構成されている。

【0103】

バケット制御機構３１Ｄは、バケットシリンダパイロット圧指令に対応する制御電流に応じたパイロット圧をバケット制御弁としての制御弁１７４に対して作用させることができるように構成されている。

【0104】

旋回制御機構３１Ｂは、旋回用油圧モータパイロット圧指令に対応する制御電流に応じたパイロット圧を旋回制御弁としての制御弁１７３に対して作用させることができるように構成されている。

【0105】

機能要素Ｆ１２、Ｆ２２、Ｆ３２、及びＦ４２は、スプール弁を構成するスプールの変位量を算出するように構成されている。本実施形態では、機能要素Ｆ１２は、ブームスプール変位センサＳ７の出力に基づき、ブームシリンダ７に関する制御弁１７５を構成するブームスプールの変位量を算出する。機能要素Ｆ２２は、アームスプール変位センサＳ８の出力に基づき、アームシリンダ８に関する制御弁１７６を構成するアームスプールの変位量を算出する。機能要素Ｆ３２は、バケットスプール変位センサＳ９の出力に基づき、バケットシリンダ９に関する制御弁１７４を構成するバケットスプールの変位量を算出する。機能要素Ｆ４２は、旋回スプール変位センサＳ２Ａの出力に基づき、旋回用油圧モータ２Ａに関する制御弁１７３を構成する旋回スプールの変位量を算出する。なお、ブームスプール変位センサＳ７は、制御弁１７５を構成するスプールの変位量を検出するセンサである。アームスプール変位センサＳ８は、制御弁１７６を構成するスプールの変位量を検出するセンサである。バケットスプール変位センサＳ９は、制御弁１７４を構成するスプールの変位量を検出するセンサである。そして、旋回スプール変位センサＳ２Ａは、制御弁１７３を構成するスプールの変位量を検出するセンサである。

【0106】

機能要素Ｆ１３、Ｆ２３、Ｆ３３、及びＦ４３は、作業体の回動角度を算出するように構成されている。本実施形態では、機能要素Ｆ１３は、ブーム角度センサＳ１の出力に基づき、ブーム角度β１を算出する。機能要素Ｆ２３は、アーム角度センサＳ２の出力に基づき、アーム角度β２を算出する。機能要素Ｆ３３は、バケット角度センサＳ３の出力に基づき、バケット角度β３を算出する。機能要素Ｆ４３は、旋回角速度センサＳ５の出力に基づき、旋回角度α１を算出する。

【0107】

具体的には、機能要素Ｆ１１は、基本的に、機能要素Ｆ６が生成した指令値β１ｒと機能要素Ｆ１３が算出したブーム角度β１との差がゼロになるように、ブーム制御機構３１Ｃに対するブーム電流指令を生成する。その際に、機能要素Ｆ１１は、ブーム電流指令から導き出される目標ブームスプール変位量と機能要素Ｆ１２が算出したブームスプール変位量との差がゼロになるように、ブーム電流指令を調節する。そして、機能要素Ｆ１１は、その調節後のブーム電流指令をブーム制御機構３１Ｃに対して出力する。

【0108】

ブーム制御機構３１Ｃは、ブーム電流指令に応じて開口面積を変化させ、その開口面積の大きさに対応するパイロット圧を制御弁１７５のパイロットポートに作用させる。制御弁１７５は、パイロット圧に応じてブームスプールを移動させ、ブームシリンダ７に作動油を流入させる。ブームスプール変位センサＳ７は、ブームスプールの変位を検出し、その検出結果をコントローラ３０の機能要素Ｆ１２にフィードバックする。ブームシリンダ７は、作動油の流入に応じて伸縮し、ブーム４を上下動させる。ブーム角度センサＳ１は、上下動するブーム４の回動角度を検出し、その検出結果をコントローラ３０の機能要素Ｆ１３にフィードバックする。機能要素Ｆ１３は、算出したブーム角度β１を機能要素Ｆ４にフィードバックする。

【0109】

機能要素Ｆ２１は、基本的に、機能要素Ｆ６が生成した指令値β２ｒと機能要素Ｆ２３が算出したアーム角度β２との差がゼロになるように、アーム制御機構３１Ａに対するアーム電流指令を生成する。その際に、機能要素Ｆ２１は、アーム電流指令から導き出される目標アームスプール変位量と機能要素Ｆ２２が算出したアームスプール変位量との差がゼロになるように、アーム電流指令を調節する。そして、機能要素Ｆ２１は、その調節後のアーム電流指令をアーム制御機構３１Ａに対して出力する。

【0110】

アーム制御機構３１Ａは、アーム電流指令に応じて開口面積を変化させ、その開口面積の大きさに対応するパイロット圧を制御弁１７６のパイロットポートに作用させる。制御弁１７６は、パイロット圧に応じてアームスプールを移動させ、アームシリンダ８に作動油を流入させる。アームスプール変位センサＳ８は、アームスプールの変位を検出し、その検出結果をコントローラ３０の機能要素Ｆ２２にフィードバックする。アームシリンダ８は、作動油の流入に応じて伸縮し、アーム５を開閉させる。アーム角度センサＳ２は、開閉するアーム５の回動角度を検出し、その検出結果をコントローラ３０の機能要素Ｆ２３にフィードバックする。機能要素Ｆ２３は、算出したアーム角度β２を機能要素Ｆ４にフィードバックする。

【0111】

機能要素Ｆ３１は、基本的に、機能要素Ｆ６が生成した指令値β３ｒと機能要素Ｆ３３が算出したバケット角度β３との差がゼロになるように、バケット制御機構３１Ｄに対するバケット電流指令を生成する。その際に、機能要素Ｆ３１は、バケット電流指令から導き出される目標バケットスプール変位量と機能要素Ｆ３２が算出したバケットスプール変位量との差がゼロになるように、バケット電流指令を調節する。そして、機能要素Ｆ３１は、その調節後のバケット電流指令をバケット制御機構３１Ｄに対して出力する。

【0112】

バケット制御機構３１Ｄは、バケット電流指令に応じて開口面積を変化させ、その開口面積の大きさに対応するパイロット圧を制御弁１７４のパイロットポートに作用させる。制御弁１７４は、パイロット圧に応じてバケットスプールを移動させ、バケットシリンダ９に作動油を流入させる。バケットスプール変位センサＳ９は、バケットスプールの変位を検出し、その検出結果をコントローラ３０の機能要素Ｆ３２にフィードバックする。バケットシリンダ９は、作動油の流入に応じて伸縮し、バケット６を開閉させる。バケット角度センサＳ３は、開閉するバケット６の回動角度を検出し、その検出結果をコントローラ３０の機能要素Ｆ３３にフィードバックする。機能要素Ｆ３３は、算出したバケット角度β３を機能要素Ｆ４にフィードバックする。

【0113】

機能要素Ｆ４１は、基本的に、機能要素Ｆ６が生成した指令値α１ｒと機能要素Ｆ４３が算出した旋回角度α１との差がゼロになるように、旋回制御機構３１Ｂに対する旋回電流指令を生成する。その際に、機能要素Ｆ４１は、旋回電流指令から導き出される目標旋回スプール変位量と機能要素Ｆ４２が算出した旋回スプール変位量との差がゼロになるように、旋回電流指令を調節する。そして、機能要素Ｆ４１は、その調節後の旋回電流指令を旋回制御機構３１Ｂに対して出力する。なお、機能要素Ｆ６が生成した指令値α１ｒと機能要素Ｆ４３が算出した旋回角度α１との差は、機能要素Ｆ４１に入力される前に、制限部Ｆ５０によって制限される場合がある。

【0114】

制限部Ｆ５０は、機能要素Ｆ１３が算出したブーム角度β１に基づき、ブーム４が所定の高さ（角度）まで上昇しているか否かを判定するように構成されている。そして、制限部Ｆ５０は、ブーム４が所定の高さ（角度）まで上昇していないと判定した場合、機能要素Ｆ４１に対して出力される差である指令値α１ｒと旋回角度α１との差を所定値以下に制限するように構成されている。ブーム４が十分に上昇していない段階で上部旋回体３が急旋回されてしまうのを防止するためである。

【0115】

旋回制御機構３１Ｂは、旋回電流指令に応じて開口面積を変化させ、その開口面積の大きさに対応するパイロット圧を制御弁１７３のパイロットポートに作用させる。制御弁１７３は、パイロット圧に応じて旋回スプールを移動させ、旋回用油圧モータ２Ａに作動油を流入させる。旋回スプール変位センサＳ２Ａは、旋回スプールの変位を検出し、その検出結果をコントローラ３０の機能要素Ｆ４２にフィードバックする。旋回用油圧モータ２Ａは、作動油の流入に応じて回転し、上部旋回体３を旋回させる。旋回角速度センサＳ５は、上部旋回体３の旋回角度を検出し、その検出結果をコントローラ３０の機能要素Ｆ４３にフィードバックする。機能要素Ｆ４３は、算出した旋回角度α１を機能要素Ｆ４にフィードバックする。

【0116】

上述のように、コントローラ３０は、作業体毎に、３段のフィードバックループを構成している。すなわち、コントローラ３０は、スプール変位量に関するフィードバックループ、作業体の回動角度に関するフィードバックループ、及び、爪先位置に関するフィードバックループを構成している。そのため、コントローラ３０は、自律制御の際に、バケット６の爪先の動きを高精度に制御できる。

【0117】

次に、図７を参照し、自律制御機能の別の構成例について説明する。図７は、自律制御機能の別の構成例を示すブロック図である。図７に示す構成は、自動運転式の無人ショベルを動作させるための機能要素を含む点で、手動運転式の有人ショベルを動作させるための機能要素を含む図５に示す構成と異なる。具体的には、図７に示す構成は、操作圧センサ２９の出力ではなく通信装置Ｔ１の出力に基づいて次の爪先位置を算出する点、及び、機能要素ＦＦ～ＦＩを有する点で、図５に示す構成と異なる。そのため、以下では、図５に示す構成と共通する部分の説明が省略され、相違部分が詳説される。

【0118】

通信装置Ｔ１は、ショベル１００とショベル１００の外部にある外部機器との間の通信を制御するように構成されている。図７の例では、通信装置Ｔ１は、外部機器から受信した信号に基づいて機能要素ＦＦに開始指令を出力するように構成されている。通信装置Ｔ１は、外部機器から受信した信号に基づいて機能要素ＦＦに操作データを出力するように構成されていてもよい。但し、通信装置Ｔ１は、ショベル１００に搭載されている入力装置４２であってもよい。

【0119】

機能要素ＦＦは、作業の開始を判定するように構成されている。図７の例では、機能要素ＦＦは、通信装置Ｔ１から開始指令を受けた場合に、作業の開始が指示されたと判定し、機能要素ＦＧに対して開始指令を出力するように構成されている。機能要素ＦＦは、通信装置Ｔ１から開始指令を受けた場合、周囲監視装置としての撮像装置Ｓ６の出力に基づいてショベル１００の周囲に物体が存在しないと判定できたときに、機能要素ＦＧに対して開始指令を出力するように構成されていてもよい。機能要素ＦＦは、機能要素ＦＧに対して開始指令を出力する際に、パイロットポンプ１５とコントロールバルブ１７とを繋ぐパイロットラインに配置された電磁開閉弁に指令を出力し、そのパイロットラインを開通させてもよい。

【0120】

機能要素ＦＧは、動作の内容を判定するように構成されている。図７の例では、機能要素ＦＧは、機能要素ＦＦから開始指令を受けた場合に、機能要素Ｆ２が算出した現在の爪先位置に基づき、掘削動作、ブーム上げ旋回動作、排土動作、及びブーム下げ旋回動作等の何れの動作が現在行われているか、或いは、何れの動作も行われていないかを判定するように構成されている。そして、機能要素ＦＧは、機能要素Ｆ２が算出した現在の爪先位置に基づいてブーム下げ旋回動作が終了したと判定した場合、機能要素ＦＨに対して開始指令を出力するように構成されている。

【0121】

機能要素ＦＨは、ショベル１００の動作条件を設定するように構成されている。図１０の例では、機能要素ＦＨは、機能要素ＦＧから開始指令を受けた場合に、自律制御による掘削動作が行われる際の掘削深さ（深め又は浅め）、掘削長さ等の動作条件を設定するように構成されている。そして、機能要素ＦＨは、動作条件を設定した後で、機能要素ＦＩに対して開始指令を出力するように構成されている。

【0122】

機能要素ＦＩは、所定動作の開始を判定するように構成されている。図７の例では、機能要素ＦＩは、機能要素ＦＨから開始指令を受けた場合に、機能要素Ｆ２によって算出される現在のバケット６の爪先位置に基づき、掘削動作を開始させることができるか否かを判定する。具体的には、機能要素ＦＩは、現在の爪先位置に基づき、ブーム下げ旋回動作が終了しているか否か、及び、バケット６の爪先が掘削開始位置に達しているか否か等を判定する。そして、機能要素ＦＩは、ブーム下げ旋回動作が終了しており、且つ、バケット６の爪先が掘削開始位置に達していると判定した場合、掘削動作を開始させることができると判定する。そして、機能要素ＦＩは、掘削動作を開始させることができると判定した場合、自動運転式の無人ショベルにおいて自動的に生成される操作データが機能要素Ｆ３に入力されるようにする。

【0123】

そして、機能要素Ｆ３～Ｆ６は、掘削動作を開始した後、バケット６の爪先が目標軌道に沿って移動するように次の爪先位置を算出から、次の爪先位置まで移動させるための指令値の算出までを繰り返し行うことで、バケット６の積載物をダンプトラックＤＴに積み込むことができる。

【0124】

この構成により、コントローラ３０は、自動運転式の無人ショベルにおいても、手動運転式の有人ショベルにおける場合と同様に、自律制御による掘削動作及び積込動作を実行（いわゆる全自動制御を実現）できる。このように、コントローラ３０は、通信装置Ｔ１の出力に従うことで遠隔操作を行ってもよい。

【0125】

また、上述の実施形態では、油圧式パイロット回路を備えた油圧式操作システムが開示されている。具体的には、アーム操作レバーに関する油圧式パイロット回路では、パイロットポンプ１５からアーム操作レバーのリモコン弁へ供給される作動油が、アーム操作レバーの傾倒によって開閉されるリモコン弁の開度に応じた流量で、アーム制御弁としての制御弁１７６のパイロットポートへ伝達される。

【0126】

次に本実施形態に係るコントローラ３０によって制御されるバケット６が移動する軌跡について説明する。図８は、本実施形態に係るバケット６の爪先が移動する軌跡を示した図である。

【0127】

図８のバケット６Ａは、掘削が終了した後の位置を示している。バケット６Ａの開口面ＡＰ１は、掘削が終了した後に、地面ＧＲと略平行になるようにコントローラ３０によって制御される。

【0128】

そして、自律制御部３３が、バケット６Ａの爪先ＰＴ１が目標軌道ＴＲ１に沿って移動するように、ブーム４の上げ動作を行う。図８の目標軌道ＴＲ１に示されるように、自律制御部３３が、ブーム４の上げ動作を行っている間、上部旋回体３による旋回動作が抑制される。上部旋回体３による旋回動作の抑制は、少なくとも積載物の重量を検出するまで行われる。

【0129】

そして、自律制御部３３は、目標軌道ＴＲ１に沿ってバケット６Ｂの爪先ＰＴ２の位置までブーム４の上げ動作を行う。このように、自律制御部３３が、ブーム４の上げ動作を行っている間、開口面ＡＰ１、ＡＰ２が地面ＧＲと略平行な状態が維持するよう、バケット６を制御する。したがって、バケット６から積載物がこぼれ落ちることを抑制できる。

【0130】

本実施形態では、目標軌道ＴＲ１に沿ってバケット６Ｂの爪先が鉛直上方向に移動している間に、算出部３４が、シリンダ圧センサの出力に基づき、バケット６に取り込まれた積載物の重量を算出する。目標軌道ＴＲ１に沿ってバケット６Ｂの爪先が移動している間、所定速度で移動するように制御される。これにより、加速度及び左右方向の旋回に基づいた、積載物の重量の計測誤差が生じることを抑制できる。

【0131】

なお、ブーム４の上げ動作によるバケット６Ｂの到達点は、ダンプトラックＤＴの高さＨｄに応じて定められている。したがって、ブーム４の上げ動作が完了した後、上部旋回体３が旋回動作する場合、目標軌跡ＴＲ２に沿ってバケット６Ｃ、バケット６Ｄの順に移動していく。換言すれば、上部旋回体３が旋回動作することで、バケット６ＤはダンプトラックＤＴに積み込み可能な位置まで移動できる。

【0132】

上述した実施形態では、作業具として、バケット６を備えた例について説明した。しかしながら、上述した実施形態は、作業具をバケット６に制限するものではなく、物を積載可能な作業具であればよく、例えば、リフティングマグネットを用いてもよい。

【0133】

また、上述した実施形態は、作業機械としてショベル１００を用いた例について説明した。しかしながら、上述した実施形態は、作業機械をショベルに制限するものではなく、積載した物体を持ち上げ可能な作業機械であればよい。

【0134】

上述した実施形態では、コントローラ３０（制御装置の一例）による制御に従って、バケット６の積載物の重量を計測する場合について説明した。しかしながら、上述した実施形態は、制御を行うための制御装置をコントローラ３０に制限するものではない。例えば、クラウド（制御装置の一例）からの制御に従って、ショベル１００バケット６の積載物の重量を計測してもよい。このように、制御装置は、ショベル１００内に設ける手法に制限するものではなく、ショベル１００の外に設けてもよい。

【0135】

＜作用＞
上述した実施形態のショベル１００（作業機械の一例）によれば、軌道生成部３２が、バケット６に積載された積載物をダンプトラック（所定の対象物の一例）に積込む際に、バケット６が移動する目標軌道を生成する。

【0136】

上述した実施形態のショベル１００（作業機械の一例）によれば、自律制御部３３が、生成された目標軌道に従ってバケット６の爪先が移動している間に、積載物の重量計測を行うためにアタッチメントに所定の動作を行わせる動作指令を生成する。所定の動作は、上述した実施形態では、バケット６の爪先が所定速度で移動させる動作としたが、当該動作に制限するものではなく、予め設定された動作であればよい。つまり、積載物の重量を計測する際に所定の動作を行わせることで、計測する毎に異なる条件で計測されることを抑制して、安定した重量の計測を可能とする。

【0137】

上述した実施形態では、積載物の重量の計測が安定するので、計測誤差を抑制して、重量の計測精度の向上を実現できる。よって、ダンプトラックＤＴへの積み込まれた物の重量の測定精度を向上させることができる。したがって、作業効率の向上を実現できる。

【0138】

以上、本発明に係る作業機械の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態などに限定されない。特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更、修正、置換、付加、削除、及び組み合わせが可能である。それらについても当然に本発明の技術的範囲に属する。

【符号の説明】

【0139】

１００ ショベル
１ 下部走行体
２ 旋回機構
３ 上部旋回体
４ ブーム（アタッチメント）
５ アーム（アタッチメント）
６ バケット（作業具）
７ ブームシリンダ
８ アームシリンダ
９ バケットシリンダ
３０ コントローラ
３１ 取得部
３２ 軌道生成部
３３ 自律制御部
３４ 算出部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】