特開 2024-70484 ショベル支援装置及びショベル

(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】P2024070484

(43)【公開日】2024-05-23

(54)【発明の名称】ショベル支援装置及びショベル

(51)【国際特許分類】

   E02F 9/26 20060101AFI20240516BHJP

   E02F 3/43 20060101ALI20240516BHJP

【ＦＩ】

E02F9/26 B

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 2022181005

(22)【出願日】2022-11-11

(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】100105887

【弁理士】

【氏名又は名称】来山 幹雄

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 貴俊

【テーマコード（参考）】

2D003

2D015

【Ｆターム（参考）】

2D003AA01

2D003AB04

2D003BA02

2D003BA03

2D003BA04

2D003BA06

2D003CA02

2D003DA04

2D015HA03

(57)【要約】

【課題】作業の困難性を軽減させることが可能なショベル支援装置を提供する。
【解決手段】表示装置に画像が表示される。制御装置が、ショベルの周囲の土壌の水分量の分布を、ショベルの現在位置と関連付けて表示装置に表示する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

画像を表示する表示装置と、
ショベルの周囲の土壌の水分量の分布を、前記ショベルの現在位置と関連付けて前記表示装置に表示する制御装置と
を備えたショベル支援装置。

【請求項2】

前記制御装置は、前記ショベルの周囲の土壌の水分量の分布に応じて、進入禁止区域を決定し、前記進入禁止区域の範囲を前記表示装置に表示する請求項１に記載のショベル支援装置。

【請求項3】

前記表示装置は、前記ショベルを遠隔から操作するショベル遠隔操作装置のオペレータが視認することができる位置に配置されている請求項１または２に記載のショベル支援装置。

【請求項4】

さらに、前記ショベルの周囲の土壌の水分量を測定する水分量測定装置を備えた請求項１または２に記載のショベル支援装置。

【請求項5】

アクチュエータと、
周囲の土壌の水分量の分布を表す分布情報、及びオペレータの操作に基づいてまたは自動で、前記アクチュエータの動作内容を決めるルールが記憶された記憶装置と、
前記アクチュエータを制御する制御装置と
を備え、
前記制御装置は、前記記憶装置に記憶された前記分布情報に基づいて、前記記憶装置に記憶された前記ルールを修正して前記アクチュエータを制御するショベル。

【請求項6】

ショベルの周囲の土壌の水分量の分布を表す分布情報、及び作業計画を定義する情報が記憶された記憶装置と、
前記記憶装置に記憶された前記作業計画に基づいて、自律的にアクチュエータを制御して作業を行う制御装置と
を備え、
前記制御装置は、前記分布情報に基づいて、前記記憶装置に記憶された前記作業計画を修正して前記アクチュエータを制御するショベル。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ショベル支援装置及びショベルに関する。

【背景技術】

【0002】

気象情報データベースから作業エリアの気象条件を表す作業参考情報を生成し、ショベル遠隔操作装置に作業参考情報を出力する遠隔作業支援サーバが公知である（特許文献１）。この作業参考情報から、作業エリアにおける地盤の本来的な性質にどのような影響を及ぼしているかを、オペレータに推定させることができる。地盤の本来的な性質からの変化を推定することにより、作業の困難性の軽減させることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２１－１７９８２６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

気象条件等から、掘削箇所の土壌の性質の変化をある程度推測することが可能である。ところが、気象条件から土壌の性質の変化を精度よく推定することは困難である。土壌の性質の推定に誤差が生じると、作業の困難性を軽減させる効果が得られない。本発明の目的は、作業の困難性を軽減させることが可能なショベル支援装置及びショベルを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明の一観点によると、
画像を表示する表示装置と、
ショベルの周囲の土壌の水分量の分布を、前記ショベルの現在位置と関連付けて前記表示装置に表示する制御装置と
を備えたショベル支援装置が提供される。

【0006】

本発明の他の観点によると、
アクチュエータと、
周囲の土壌の水分量の分布を表す分布情報、及びオペレータの操作に基づいてまたは自動で、前記アクチュエータの動作内容を決めるルールが記憶された記憶装置と、
前記アクチュエータを制御する制御装置と
を備え、
前記制御装置は、前記記憶装置に記憶された前記分布情報に基づいて、前記記憶装置に記憶された前記ルールを修正して前記アクチュエータを制御するショベルが提供される。

【0007】

本発明のさらに他の観点によると、
ショベルの周囲の土壌の水分量の分布を表す分布情報、及び作業計画を定義する情報が記憶された記憶装置と、
前記記憶装置に記憶された前記作業計画に基づいて、自律的にアクチュエータを制御して作業を行う制御装置と
を備え、
前記制御装置は、前記分布情報に基づいて、前記記憶装置に記憶された前記作業計画を修正して前記アクチュエータを制御するショベルが提供される。

【発明の効果】

【0008】

オペレータは、ショベルの周囲の土壌の水分量の分布に基づいて、ショベルの操作内容や走行経路等を決定することができる。これにより、作業効率の低下を抑制することができる。オペレータの操作に基づいてまたは自動で、アクチュエータの動作内容を決めるルールを、水分量の分布に基づいて修正することにより、作業効率の低下を抑制することができる。水分量の分布に基づいて作業計画を修正することにより、作業効率の低下を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、一実施例によるショベル支援装置の概略図である。

【図2】図２Ａ及び図２Ｂは、土壌の水分量を測定する方法を説明するための概略図である。

【図3】図３は、ショベル支援装置の機能を有するショベル遠隔操作装置の概略図及びブロック図である。

【図4】図４は、他の実施例によるショベルの機能の一部を示すブロック図である。

【図5】図５は、図４に示した実施例によるショベルで掘削作業の操作が行われたときのアクチュエータの制御の手順を示すフローチャートである。

【図6】図６は、ルール修正前及び修正後のそれぞれのバケットの移動の軌跡の一例を示す模式図である。

【図7】図７は、さらに他の実施例によるショベル支援装置による作業を説明するための模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

図１～図３を参照して、一実施例によるショベル支援装置について説明する。
図１は、ショベル支援装置２０の概略図及びブロック図である。ショベル支援装置２０は、表示装置２１、制御装置２２、及び水分量測定装置２３を含む。水分量測定装置２３は、ショベルの周囲の土壌の水分量を測定する。

【0011】

土壌の水分量の測定は、例えばレーザ測器による測定方法を用いることができる。この測定方法は、湿潤状態の土壌にレーザ光線を入射させるとレーザ光線が散乱してしまい、反射が弱まる傾向を示すという性質を利用している。例えば、レーザ測器を利用した土壌水分マップを作成する技術が、株式会社つうけんアドバンスシステムズの小林による「航空レーザ計測データを用いた土壌水分マップ」（https://www.google.com/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=&cad=rja&uact=8&ved=2ahUKEwjd3qbNw_D4AhXpS2wGHUW9AxUQFnoECAQQAQ&url=http%3A%2F%2Fwww.hamanasu-info.co.jp%2Fwp-content%2Fuploads%2F2019%2F04%2FPDF4.pdf&usg=AOvVaw1aIzPdqUQylCQuHhUpECuu）に開示されている。

【0012】

その他に、遠赤外線カメラを用いて、土壌の加熱冷却の経時変化を観測することによっても、土壌の水分量を測定することができる。この技術は、奈良先端技術大学の福井らによる「遠赤外カメラを用いた加熱冷却の経時変化の観測に基づく含水状態推定」（http://omilab.naist.jp/~mukaigawa/papers/SI2021-SoilMoisture.pdf）に開示されている。

【0013】

制御装置２２は、水分量測定装置２３の測定結果を取り込み、水分量の分布を、ショベル１０の現在位置と関連付けて表示装置２１に画像として表示する。例えば、表示装置２１に、地面の平面画像を表示し、観測エリア内の土壌の水分量の多少に応じて、色分けして、または濃淡をつけて表示する。また、ショベルの位置に、ショベルのアイコン１０Ａを表示する。

【0014】

図２Ａは、土壌の水分量を測定する方法を説明するための概略図である。ショベル１０に水分量測定装置２３が取り付けられている。例えば、水分量測定装置２３は、ショベル１０のキャビンの上に取り付けられている。水分量測定装置２３は、ショベル１０の周囲の観測エリア３０内の土壌の水分量を測定する。測定結果が制御装置２２に取り込まれる。

【0015】

図２Ｂは、土壌の水分量を測定する他の方法を説明するための概略図である。水分量測定装置２３が、小型無人航空機２４（例えば、ドローン）に搭載されている。小型無人航空機２４は、オペレータの操縦により、または予め設定された飛行経路に沿って、ショベル１０が作業する予定の観測エリア３０の上空を飛行する。このとき、水分量測定装置２３が、観測エリア３０内の土壌の水分量を測定する。水分量測定装置２３による水分量の測定結果が制御装置２２に取り込まれる。

【0016】

図３は、ショベル支援装置２０の機能を有するショベル遠隔操作装置８０の概略図及びブロック図である。ショベル遠隔操作装置８０は、オペレータが着座する操作席８１、複数の操作レバー等の操作子８２、表示装置８４、制御装置８３、及び通信装置８６を含む。通信装置８６は、ショベル１０の通信装置６２とデータ通信を行う。制御装置８３は、ショベル支援装置２０の制御装置２２を兼ねる。表示装置８４の画面の一部の領域が、ショベル支援装置２０の表示装置２１として利用される。

【0017】

オペレータが操作席８１に着座して操作子８２を操作すると、制御装置８３が、操作子８２の操作内容に応じた動作指令を、通信装置８６を介してショベル１０に送信する。これにより、ショベル１０を遠隔操作することができる。表示装置８４は、操作席８１に着座したオペレータの視認可能な位置、例えばオペレータの正面に配置されている。表示装置８４として、例えば３行３列に配置された９個のモニタからなるマルチディスプレイが用いられる。表示装置８４には、ショベル１０に搭載されたカメラで撮影された画像、例えばショベル１０に搭乗したオペレータ視線で見た画像が映し出される。なお、表示装置８４の一部に、ショベル１０の周囲の俯瞰画像を表示するようにしてもよい。さらに、表示装置８４には、ショベル１０のアクチュエータの駆動情報や、オペレータに通知する種々のメッセージが表示される。

【0018】

制御装置８３は、さらに、水分量測定装置２３から取得した水分量分布情報に基づいて、図１に示したように、表示装置８４の画面の一部の領域に、水分量の分布を画像として表示する。オペレータは、表示装置２１に表示された水分量の分布を参考にしながら、ショベル１０を遠隔から操作する。

【0019】

次に、本実施例の優れた効果について説明する。
本実施例によると、ショベル１０を遠隔操作しているオペレータは、周囲の土壌の水分量に基づいて、より適切な操作を行うことができる。その結果、作業効率を高めることができる。

【0020】

例えば、水分量が多い地面を走行するとクローラが埋没し、走行不能な状態になる場合がある。オペレータは、水分量の多い場所を避けてショベル１０を走行させることにより、走行不能な状態に陥ることを回避することができる。制御装置８３は、土壌の水分量から、ショベル１０の進入禁止区域を決定し、進入禁止区域の範囲を表示装置２１に表示するようにするとよい。

【0021】

掘削対象の地面の硬さによって、バケットの先端を地面に接触させるときの好ましい角度が異なる。土壌の水分量は、地面の硬さを判断する重要な指標となる。掘削箇所の水分量に関する情報は、バケットを地面に挿入するときの好ましい角度を判断するための有益な情報になる。オペレータが、掘削箇所の水分量に応じてバケットの挿入角度を適切に調整して掘削作業を行うことにより、効率的な作業を行うことが可能になる。

【0022】

掘削対象の地面の硬さによって、バケットが受ける反力が変わる。バケットが受ける反力が大きくなると、ショベル１０の浮き上がり等が発生し、挙動が不安定になる。掘削箇所の水分量は、バケットが受ける反力の大きさを推定する有益な情報になる。オペレータは、掘削箇所の水分量から反力を推定し、ショベル１０の挙動が不安定にならないようにショベル１０を遠隔操作することが可能になる。

【0023】

次に、本実施例の変形例によるショベル支援装置について説明する。
本実施例では、ショベル遠隔操作装置８０の表示装置８４に、土壌の水分量の分布を表す情報を表示しているが、ショベル１０のキャビン内の表示装置に表示してもよい。この場合には、ショベル支援装置２０の制御装置２２は、ショベル１０に搭載される。土壌の水分量の分布を表す情報をキャビン内の表示装置に表示すると、オペレータがキャビンに搭乗してショベル１０を直接操作する場合に、作業の効率性を高めることができる。

【0024】

次に、図４～図６を参照して、他の実施例によるショベルについて説明する。以下、図１～図３を参照して説明した上記実施例によるショベル支援装置と共通の構成については説明を省略する。

【0025】

図４は、本実施例によるショベル１０の機能の一部を示すブロック図である。図４において、機械的動力ラインを二重線で示し、高圧油圧ラインを太い実線で示し、パイロットラインを太い破線で示し、制御ラインを細い破線で示す。

【0026】

バッテリからの電力で駆動されるポンプ用電動機７５が、制御装置６０の制御下でメインポンプ７０及びパイロットポンプ７１を駆動する。なお、ポンプ用電動機７５に代えて、内燃機関、例えばディーゼルエンジン、ガソリンエンジン等を用いてもよい。

【0027】

メインポンプ７０は、高圧油圧ラインを通じてコントロールバルブ７３に作動油を供給する。パイロットポンプ７１は、パイロットラインを介して圧力制御弁７２（例えば、比例弁）にパイロット圧を供給する。圧力制御弁７２は、制御装置６０の制御下で、動作指令に応じたパイロット圧をコントロールバルブ７３に供給する。

【0028】

コントロールバルブ７３は、メインポンプ７０から供給される作動油を、圧力制御弁７２からのパイロット圧に応じて、複数の油圧アクチュエータに選択的に供給する。複数の油圧アクチュエータには、ブームシリンダ５０、アームシリンダ５１、バケットシリンダ５２、ブレードシリンダ５３、走行油圧モータ５４、５５、及び旋回油圧モータ５６が含まれる。例えば、コントロールバルブ７３は、メインポンプ７０から油圧アクチュエータのそれぞれに供給される作動油の流量と流れる方向とを制御する複数の油圧制御弁（方向切換弁）を含む。

【0029】

ブームシリンダ５０、アームシリンダ５１、バケットシリンダ５２は、それぞれショベル１０のブームを上下方向に揺動させ、アームを前後方向に揺動させ、バケットを開閉させる。ブレードシリンダ５３は、ショベル１０のブレードを上下方向に揺動させる。走行油圧モータ５４、５５は、それぞれショベル１０の左右のクローラを回転させる。旋回油圧モータ５６は、ショベル１０の上部旋回体を旋回させる。なお、旋回油圧モータ５６に代えて、旋回電動機を用いてもよい。

【0030】

操作装置６３が複数の操作レバー等の操作子を含む。ショベル１０のキャビンに搭乗したオペレータが操作子を操作すると、操作内容に応じた電気信号が制御装置６０に取り込まれる。

【0031】

ショベル１０は、さらに、記憶装置６１及び通信装置６２を含む。記憶装置６１には、制御装置６０が実行するプログラム、ショベル１０の制御に必要な種々のデータが格納されている。例えば、オペレータの操作に基づいてブームシリンダ５０等のアクチュエータの動作内容を決めるルールが、記憶装置６１記憶されている。制御装置６０は、操作装置６３の操作内容、及び記憶装置６１に格納されているルールに基づいて圧力制御弁７２を制御する。すなわち、ブームシリンダ５０等のアクチュエータを制御する。制御装置６０は、さらに、ショベル支援装置２０の制御装置２２（図１）の機能を実現する。通信装置６２は、例えばショベル遠隔操作装置８０（図３）とデータ通信を行う。

【0032】

次に、ショベル支援装置２０としての機能について説明する。
制御装置６０は、水分量測定装置２３から水分量の分布の測定結果を取得し、記憶装置６１に格納する。制御装置６０が操作装置６３から操作内容を取り込むと、水分量の分布の情報に基づいて、記憶装置６１に予め格納されているルールを修正して、アクチュエータを駆動する。例えば、作業場所の水分量に応じてショベル１０が適切な動作を行うように、ルールを修正する。

【0033】

次に、図５及び図６を参照して、掘削作業のルールを修正する一例について説明する。
図５は、掘削作業の操作が行われたときのアクチュエータの制御の手順を示すフローチャートである。掘削作業時には、まず、バケットの爪先を地面の上方から地面に向かって下降させる。制御装置６０は一定の周期で、バケットの爪先から地面までの距離が、バケット高さの判定閾値以下か否かを判定する（ステップＳ１）。バケットの爪先から地面までの距離は、ブーム、アーム、及びバケットの姿勢を検出するセンサ、またはブームシリンダ、アームシリンダ、及びバケットシリンダの伸縮長を測定するセンサ等の測定結果を用いて計算することができる。

【0034】

バケットの爪先から地面までの距離が判定閾値より長い場合、処理を終了する。バケットの爪先から地面までの距離が判定閾値以下である場合、掘削箇所の土壌の水分量が、水分量の判定閾値以上か否かを判定する（ステップＳ２）。なお、バケットの爪先から地面までの距離が判定閾値以下になった場合、１回の掘削動作が終了するまで、ステップＳ１は実行しない。

【0035】

掘削箇所の土壌の水分量が、水分量の判定閾値以上である場合は、処理を終了する。すなわち、制御装置６０は、記憶装置６１に格納されているルールに基づいてアクチュエータを制御する。掘削箇所の土壌の水分量が、水分量の判定閾値未満である場合は、記憶装置６１に格納されているルール、例えばバケットの移動軌跡のルールを修正してアクチュエータを制御する（ステップＳ３）。

【0036】

図６は、ルール修正前及び修正後のそれぞれのバケットの位置及び移動の軌跡の一例を示す模式図である。図６において、ルール修正前のバケット１５の位置及び移動の軌跡を破線で示し、ルール修正後のバケット１５の位置及び移動の軌跡を実線で示す。ルール修正前においては、バケット１５が地面１６に対して角度α_Ｎを成す斜め方向から直線的に地面１６に近づく。バケット１５が地面に接触すると、地面１６に対してバケット１５の爪先のなす角度がα_Ｎの条件で地面１６に進入する。

【0037】

修正後のルールが適用された場合は、オペレータの操作が同一であっても、バケット１５が地面１６に対してほぼ垂直な角度α_Ｐを成す方向から地面１６に接近し、バケット１５が地面に接触すると、地面１６に対してバケット１５の爪先のなす角度がα_Ｐの条件で地面１６に進入するように、バケット１５の姿勢及び進入方向が修正される。

【0038】

次に、図６に示したようにバケット１５の軌跡を修正する効果について説明する。
掘削箇所の水分量が少なくなり、掘削対象表面が硬くなると、掘削反力が増大する。掘削反力は、掘削深さが同一である条件の下で、地面１６に対するバケット１５の爪先の角度が９０°のときに最小になる。掘削箇所の水分量が水分量の判定閾値未満の時に、オペレータが図６の破線で示した軌跡でバケット１５を移動させる操作を行っても、制御装置６０は、地面１６に対するバケット１５の爪先の角度を垂直に近づけるようにバケット１５を移動させる。これにより、掘削反力が小さくなり、ショベル１０の挙動の安定性を高めることができる。

【0039】

次に、本実施例の変形例によるショベル支援装置について説明する。
図４～図６を参照して説明した実施例では、オペレータがショベル１０に搭乗して、ショベル１０のキャビン内の操作装置６３（図４）を操作する場合について説明したが、上記実施例による技術的思想は、ショベル遠隔操作装置８０（図３）からショベル１０を遠隔操作するときにも適用することができる。さらに、ショベル１０が、予め決められた作業計画に応じて、無人で自律運転される場合にも、上記実施例による技術的思想を適用することが可能である。

【0040】

次に、図７を参照して、さらに他の実施例によるショベルについて説明する。以下、図４～図６を参照して説明した実施例によるショベルと共通の構成については説明を省略する。

【0041】

図７は、本実施例によるショベル１０による作業を説明するための模式図である。ショベル１０が、仮置きの土砂９０をダンプトラック９１まで搬送する作業を、自律的に行う。土砂の搬送の作業計画が、記憶装置６１（図４）に格納されており、制御装置６０（図４）が、作業計画に基づいて自律的にブームシリンダ５０等のアクチュエータを制御する。

【0042】

一例として、作業計画では、仮置きの土砂９０を搬送する順序が、図７において土砂９０の山の左端から右端に向かうように設定されている。制御装置６０は、土砂９０の水分量の分布に基づいて、水分量が少ない箇所の土砂９０を優先的に搬送するように、作業計画を修正する。例えば、水分量測定装置２３（図４）による水分量分布の測定結果で、仮置きの土砂９０の水分量が、土砂９０の山の右端から左端に向かって多くなっている場合、土砂９０の搬送の順序を、土砂９０の山の右端から左端に向かうように作業計画を修正する。

【0043】

次に、本実施例の優れた効果について説明する。
土砂の水分量が多いと、単位体積当たりの土砂の重量が重くなる。重量が重い土砂をダンプトラック９１に積載することは好ましくないため、当初の作業計画通りに作業を進める場合には、土砂９０の左端の水分量が許容値以下になるまで、作業を開始することができない。これに対して本実施例では、作業開始まで待機することなく、水分量が相対的に少ない箇所の土砂から順番にダンプトラック９１に積み込むことができる。

【0044】

次に、本実施例の変形例によるショベル支援装置について説明する。
図７では、仮置きの土砂９０をダンプトラック９１に搬送する作業について説明したが、自律運転によるその他の作業にも、本実施例による技術的思想を適用することができる。例えば、広いエリア内の作業場所まで走行する場合に、当初の作業計画で設定されている走行ルートに土砂の水分量が多い場所が存在すると、水分量が多い場所を避けるように走行ルートを修正するとよい。これにより、ショベル１０がぬかるみにはまって走行不能になる事態を回避することができる。

【0045】

上述の各実施例は例示であり、異なる実施例で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもない。複数の実施例の同様の構成による同様の作用効果については実施例ごとには逐次言及しない。さらに、本発明は上述の実施例に制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

【符号の説明】

【0046】

１０ ショベル
１０Ａ ショベルのアイコン
１５ バケット
１６ 地面
２０ ショベル支援装置
２１ 表示装置
２２ 制御装置
２３ 水分量測定装置
２４ 小型無人航空機
３０ 観測エリア
５０ ブームシリンダ
５１ アームシリンダ
５２ バケットシリンダ
５３ ブレードシリンダ
５４、５５ 走行油圧モータ
５６ 旋回油圧モータ
６０ 制御装置
６１ 記憶装置
６２ 通信装置
６３ 操作装置
７０ メインポンプ
７１ パイロットポンプ
７２ 圧力制御弁
７３ コントロールバルブ
７５ ポンプ用電動機
８０ ショベル遠隔操作装置
８１ 操作席
８２ 操作子
８３ 制御装置
８４ 表示装置
８６ 通信装置
９０ 仮置きの土砂
９１ ダンプトラック

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】