特許 7481422 積込機械の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】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-04-30

(45)【発行日】2024-05-10

(54)【発明の名称】積込機械の制御装置および制御方法

(51)【国際特許分類】

   E02F 3/43 20060101AFI20240501BHJP

   E02F 9/20 20060101ALI20240501BHJP

【ＦＩ】

E02F3/43 A

E02F9/20 Q

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2022200374

(22)【出願日】2022-12-15

(62)【分割の表示】P 2018163417の分割

【原出願日】2018-08-31

(65)【公開番号】P2023021362

(43)【公開日】2023-02-10

【審査請求日】2023-01-13

(73)【特許権者】

【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】根田 知樹

(72)【発明者】

【氏名】畠 一尋

【審査官】彦田 克文

(56)【参考文献】

【文献】特開昭５２－０６４１０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６４－０９０３２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０９－１９５３２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－１７９００８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－１２３４７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－２２７０１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１９／１８１８７２（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｅ０２Ｆ ３／４３

Ｅ０２Ｆ ９／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

旋回中心回りに旋回する旋回体と、バケットを有し前記旋回体に取り付けられた作業機とを備える積込機械の制御装置であって、
前記バケットを積込対象の上方へ移動させる自動積込制御で、前記バケットが前記積込対象の上方に達する前に、前記バケットに排土させるための排土操作信号を出力する操作信号出力部
を備える積込機械の制御装置。

【請求項2】

前記操作信号出力部は、前記バケットを前記積込対象であるダンプトラックのベッセル、または積込対象であるホッパの開口の上方へ移動させる前記自動積込制御で、前記バケットが前記ベッセルまたは開口の上方に達する前に、前記排土操作信号を出力する
請求項１に記載の積込機械の制御装置。

【請求項3】

前記操作信号出力部は、旋回中に前記排土操作信号を出力する
請求項１に記載の積込機械の制御装置。

【請求項4】

前記操作信号出力部は、前記バケットが前記積込対象の上方に達したときに向く方位より旋回方向手前側の方位において前記バケットに排土させるための前記排土操作信号を出力する
請求項１または請求項２に記載の積込機械の制御装置。

【請求項5】

前記積込対象の位置と前記旋回体の旋回速度とに基づいて前記バケットに排土させる方位を算出する排土開始方位算出部を備える
請求項４に記載の積込機械の制御装置。

【請求項6】

前記排土操作信号を出力する方位は、あらかじめ定められた方位である
請求項４または請求項５に記載の積込機械の制御装置。

【請求項7】

前記バケットの向く方位が、排土操作を実行しない第１領域と排土操作を実行する第２領域のいずれにあるかを判定する領域判定部を備える
請求項４から請求項６の何れか１項に記載の積込機械の制御装置。

【請求項8】

前記領域判定部によって前記バケットの向く方位が前記第２領域に含まれると判定された場合、前記操作信号出力部は前記バケットを排土させるための前記排土操作信号を出力する
請求項７に記載の積込機械の制御装置。

【請求項9】

旋回中心回りに旋回する旋回体と、バケットを有し前記旋回体に取り付けられた作業機とを備える積込機械の制御方法であって、
前記バケットを積込対象の上方へ移動させる自動積込制御で、前記バケットが前記積込対象の上方に達する前に、前記バケットに排土させるための排土操作信号を出力するステップ
を備える積込機械の制御方法。

【請求項10】

旋回中心回りに旋回する旋回体と、バケットを有し前記旋回体に取り付けられた作業機とを備える積込機械の遠隔制御システムであって、
前記バケットを積込対象の上方へ移動させる自動積込制御で、前記バケットが前記積込対象の上方に達する前に、前記バケットに排土させるための排土操作信号を出力する操作信号出力部
を備える積込機械の遠隔制御システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、積込機械の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、積込機械の自動積込制御に関する技術が開示されている。自動積込制御とは、制御装置が積込機械のオペレータ等から積込点の指定を受け付け、制御装置が積込機械および作業機の動作を制御することで、バケットを積込点へ移動させる制御である。特許文献１に記載の技術によれば、制御装置は、予め作業機の位置の時系列を記憶しておき、当該時系列に従って作業機を作動させる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開平０９－２５６４０７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に記載の技術によれば、作業機は予め記憶された積込点まで自動的に移動し、積込点において排土がなされる。一方で、自動積込においてサイクルタイムを短縮したいという要望がある。
本発明の目的は、自動積込制御においてサイクルタイムを短縮することができる積込機械の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、積込機械の制御装置は、旋回中心回りに旋回する旋回体と、バケットを有し前記旋回体に取り付けられた作業機とを備える積込機械の制御装置であって、オペレータから積込指示信号の入力を受け付ける操作信号入力部と、前記積込指示信号を受け付けた場合に、前記バケットを積込対象の上方の積込位置へ移動させるための前記作業機および前記旋回体の操作信号を出力し、前記旋回体が、前記作業機が前記積込位置に位置するときに前記旋回体が向く方位である終点方位より旋回方向手前側の排土開始方位を向くときに、前記バケットに排土させるための排土操作信号を出力する操作信号出力部と、を備える。

【発明の効果】

【0006】

上記態様によれば、積込機械の制御装置は、自動積込制御においてサイクルタイムを短縮することができる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】第１の実施形態に係る積込機械の構成を示す概略図である。

【図2】第１の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１の実施形態に係るバケットの経路の例を示す図である。

【図4】第１の実施形態に係る自動積込制御方法を示すフローチャートである。

【図5】第１の実施形態に係る自動積込制御方法を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、図面を参照しながら実施形態について詳しく説明する。
〈第１の実施形態〉
《積込機械の構成》
図１は、第１の実施形態に係る積込機械の構成を示す概略図である。
積込機械１００は、土砂を運搬車両などの積込点へ積込を行う作業機械である。第１の実施形態に係る積込機械１００は、油圧ショベルである。なお、他の実施形態に係る積込機械１００は、油圧ショベル以外の積込機械であってもよい。また図１に示す積込機械１００はバックホウショベルであるが、フェイスショベルやロープショベルであってもよい。
積込機械１００は、走行体１１０と、走行体１１０に支持される旋回体１２０と、油圧により作動し旋回体１２０に支持される作業機１３０とを備える。旋回体１２０は、旋回中心回りに旋回自在に支持される。

【0009】

作業機１３０は、ブーム１３１と、アーム１３２と、バケット１３３と、ブームシリンダ１３４と、アームシリンダ１３５と、バケットシリンダ１３６と、ブーム角度センサ１３８と、アーム角度センサ１３９と、バケット角度センサ１４０とを備える。

【0010】

ブーム１３１の基端部は、旋回体１２０にピンを介して取り付けられる。
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の先端部にピンを介して取り付けられる。
バケット１３３は、土砂などを掘削するための刃と掘削した土砂を搬送するための容器とを備える。バケット１３３の基端部は、アーム１３２の先端部にピンを介して取り付けられる。

【0011】

ブームシリンダ１３４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１３４の基端部は、旋回体１２０に取り付けられる。ブームシリンダ１３４の先端部は、ブーム１３１に取り付けられる。
アームシリンダ１３５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１３５の基端部は、ブーム１３１に取り付けられる。アームシリンダ１３５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１３６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１３６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１３６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。

【0012】

ブーム角度センサ１３８は、ブームシリンダ１３４のストローク量を計測する。ブームシリンダ１３４のストローク量は、旋回体１２０に対するブーム１３１の傾斜角に換算可能である。以下、旋回体１２０に対する傾斜角を、絶対角度ともいう。つまり、ブームシリンダ１３４のストローク量は、ブーム１３１の絶対角度に換算可能である。
アーム角度センサ１３９は、アームシリンダ１３５のストローク量を計測する。アームシリンダ１３５のストローク量は、ブーム１３１に対するアーム１３２の傾斜角に換算可能である。以下、ブーム１３１に対するアーム１３２の傾斜角を、アーム１３２の相対角度ともいう。
バケット角度センサ１４０は、バケットシリンダ１３６のストローク量を計測する。バケットシリンダ１３６のストローク量は、アーム１３２に対するバケット１３３の傾斜角に換算可能である。以下、アーム１３２に対するバケット１３３の傾斜角をバケット１３３の相対角度ともいう。
なお、他の実施形態に係る積込機械１００は、ブーム角度センサ１３８、アーム角度センサ１３９、およびバケット角度センサ１４０に代えて、地平面に対する傾斜角または旋回体１２０に対する傾斜角を検出する角度センサを備えてもよい。

【0013】

旋回体１２０には、運転室１２１が設けられる。運転室１２１の内部には、オペレータが着座するための運転席１２２、積込機械１００を操作するための操作装置１２３、検出方向に存在する対象物の３次元位置を検出するための検出装置１２４が設けられる。操作装置１２３は、オペレータの操作に応じて、ブーム１３１の上げ操作信号および下げ操作信号、アーム１３２の押し操作信号および引き操作信号、バケット１３３のダンプ操作信号および掘削操作信号、旋回体１２０の左右への旋回操作信号を生成し、制御装置１２８に出力する。また操作装置１２３は、オペレータの操作に応じて作業機１３０に自動積込制御を開始させるための積込指示信号を生成し、制御装置１２８に出力する。操作装置１２３は、例えばレバー、スイッチおよびペダルにより構成される。積込指示信号は自動制御用のスイッチの操作により生成される。例えば、スイッチがＯＮになったときに、積込指示信号が出力される。操作装置１２３は、運転席１２２の近傍に配置される。操作装置１２３は、オペレータが運転席１２２に座ったときにオペレータの操作可能な範囲内に位置する。
検出装置１２４の例としては、ステレオカメラ、レーザスキャナ、ＵＷＢ（Ultra Wide Band）測距装置などが挙げられる。検出装置１２４は、例えば検出方向が積込機械１００の運転室１２１の前方を向くように設けられる。検出装置１２４は、対象物の３次元位置を、検出装置１２４の位置を基準とした座標系で特定する。
なお、第１の実施形態に係る積込機械１００は、運転席１２２に着座するオペレータの操作に従って動作するが、他の実施形態においてはこれに限られない。例えば、他の実施形態に係る積込機械１００は、積込機械１００の外部で操作するオペレータの遠隔操作によって操作信号や積込指示信号が送信され動作するものであってもよい。

【0014】

積込機械１００は、位置方位演算器１２５、傾斜計測器１２６、油圧装置１２７、制御装置１２８を備える。

【0015】

位置方位演算器１２５は、旋回体１２０の位置および旋回体１２０が向く方位を演算する。位置方位演算器１２５は、ＧＮＳＳを構成する人工衛星から測位信号を受信する２つの受信器を備える。２つの受信器は、それぞれ旋回体１２０の異なる位置に設置される。位置方位演算器１２５は、受信器が受信した測位信号に基づいて、現場座標系における旋回体１２０の代表点（ショベル座標系の原点）の位置を検出する。
位置方位演算器１２５は、２つの受信器が受信した各測位信号を用いて、一方の受信器の設置位置に対する他方の受信器の設置位置の関係として、旋回体１２０の向く方位を演算する。旋回体１２０が向く方位とは、旋回体１２０の正面方向であって、作業機１３０のブーム１３１からバケット１３３へ伸びる直線の延在方向の水平成分に等しい。

【0016】

傾斜計測器１２６は、旋回体１２０の加速度および角速度を計測し、計測結果に基づいて旋回体１２０の姿勢（例えば、ロール角およびピッチ角）を検出する。傾斜計測器１２６は、例えば旋回体１２０の下面に設置される。傾斜計測器１２６は、例えば、慣性計測装置（ＩＭＵ：Inertial Measurement Unit）を用いることができる。

【0017】

油圧装置１２７は、作動油タンク、油圧ポンプ、および流量制御弁を備える。油圧ポンプは、図示しないエンジンの動力で駆動し、流量制御弁を介して走行体１１０を走行させる図示しない走行油圧モータ、旋回体１２０を旋回させる図示しない旋回油圧モータ、ブームシリンダ１３４、アームシリンダ１３５、およびバケットシリンダ１３６に作動油を供給する。流量制御弁はロッド状のスプールを有し、スプールの位置によって走行油圧モータ、旋回油圧モータ、ブームシリンダ１３４、アームシリンダ１３５、およびバケットシリンダ１３６に供給する作動油の流量を調整する。スプールは、制御装置１２８から受信する制御指令に基づいて駆動される。つまり、走行油圧モータ、旋回油圧モータ、ブームシリンダ１３４、アームシリンダ１３５、およびバケットシリンダ１３６に供給される作動油の量は、制御装置１２８によって制御される。上記のとおり、ブームシリンダ１３４、アームシリンダ１３５、およびバケットシリンダ１３６は共通の油圧装置１２７から供給される作動油によって駆動する。なお、走行油圧モータまたは旋回油圧モータが斜板式可変容量モータである場合、制御装置１２８は斜板の傾転角により回転速度を調整してもよい。

【0018】

制御装置１２８は、操作装置１２３から操作信号を受信する。制御装置１２８は、受信した操作信号に基づいて、作業機１３０、旋回体１２０、または走行体１１０を駆動させる。

【0019】

《制御装置の構成》
図２は、第１の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。
制御装置１２８は、プロセッサ１１００、メインメモリ１２００、ストレージ１３００、インタフェース１４００を備えるコンピュータである。ストレージ１３００は、プログラムを記憶する。プロセッサ１１００は、プログラムをストレージ１３００から読み出してメインメモリ１２００に展開し、プログラムに従った処理を実行する。

【0020】

ストレージ１３００の例としては、ＨＤＤ、ＳＳＤ、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭ等が挙げられる。ストレージ１３００は、制御装置１２８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１４００を介して制御装置１２８に接続される外部メディアであってもよい。ストレージ１３００は、一時的でない有形の記憶媒体である。

【0021】

プロセッサ１１００は、プログラムの実行により、車両情報取得部１１０１、検出情報取得部１１０２、操作信号入力部１１０３、バケット位置特定部１１０４、積込位置特定部１１０５、回避位置特定部１１０６、移動処理部１１０７、排土開始方位算出部１１０８、領域判定部１１０９、操作信号出力部１１１０を備える。

【0022】

車両情報取得部１１０１は、旋回体１２０の旋回速度、位置および方位、ブーム１３１、アーム１３２およびバケット１３３の傾斜角、ならびに旋回体１２０の姿勢を取得する。以下、車両情報取得部１１０１が取得する積込機械１００に係る情報を車両情報とよぶ。

【0023】

検出情報取得部１１０２は、検出装置１２４から３次元位置情報を取得し、積込対象２００（例えば、運搬車両やホッパ）の位置および形状を特定する。

【0024】

操作信号入力部１１０３は、操作装置１２３から操作信号の入力を受け付ける。操作信号にはブーム１３１の上げ操作信号および下げ操作信号、アーム１３２の押し操作信号および引き操作信号、バケット１３３のダンプ操作信号および掘削操作信号、旋回体１２０の旋回操作信号、走行体１１０の走行操作信号、ならびに積込機械１００の積込指示信号が含まれる。バケット１３３のダンプ操作信号は、排土操作信号の一例である。

【0025】

バケット位置特定部１１０４は、車両情報取得部１１０１が取得した車両情報に基づいて、ショベル座標系におけるアーム１３２の先端部の位置Ｐおよびアーム１３２の先端からバケット１３３の最下通過点までの高さＨｂを特定する。バケット１３３の最下通過点とは、バケット１３３のダンプ操作の間に刃先と地表面との距離が最も短くなるときに刃先が位置する点をいう。すなわち、アーム１３２の先端からバケット１３３の最下通過点までの高さＨｂは、バケット１３３の基端部のピンから刃先までの長さと一致する。
また、バケット位置特定部１１０４は、積込指示信号の入力を受け付けたときのアーム１３２の先端部の位置Ｐを掘削完了位置Ｐ１０として特定する。図３は、第１の実施形態に係るバケットの経路の例を示す図である。

【0026】

具体的には、バケット位置特定部１１０４は、以下の手順でアーム１３２の先端部の位置Ｐを特定する。バケット位置特定部１１０４は、ブームシリンダ１３４のストローク量から求められるブーム１３１の絶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、ブーム１３１の先端部の位置を求める。バケット位置特定部１１０４は、ブーム１３１の絶対角度と、アームシリンダ１３５のストローク量から求められるアーム１３２の相対角度とに基づいて、アーム１３２の絶対角度を求める。バケット位置特定部１１０４は、ブーム１３１の先端部の位置と、アーム１３２の絶対角度と、既知のアーム１３２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、アーム１３２の先端部の位置Ｐを求める。

【0027】

積込位置特定部１１０５は、操作信号入力部１１０３に積込指示信号が入力された場合に、検出情報取得部１１０２が特定した積込対象２００の位置および形状に基づいて、積込位置Ｐ１３を特定する。積込位置特定部１１０５は、車両情報取得部１１０１が取得した旋回体１２０の位置、方位および姿勢に基づいて積込対象２００の位置情報が示す積込点Ｐ２１を現場座標系からショベル座標系に変換する。積込位置特定部１１０５は、特定した積込点Ｐ２１を、積込位置Ｐ１３の平面位置として特定する。つまり、アーム１３２の先端が積込位置Ｐ１３に位置するとき、アーム１３２の先端は積込点Ｐ２１の上方に位置することとなる。積込点Ｐ２１の例としては、積込対象２００がダンプトラックの場合におけるベッセルの中心点、および積込対象２００がホッパの場合における開口の中心点が挙げられる。積込位置特定部１１０５は、積込対象２００の高さＨｔに、バケット位置特定部１１０４が特定したアーム１３２の先端からバケット１３３最下点までの高さＨｂと、バケット１３３の制御余裕分の高さとを加算することで、積込位置Ｐ１３の高さを特定する。なお、他の実施形態においては、積込位置特定部１１０５は、制御余裕分の高さを加算せずに積込位置Ｐ１３を特定してもよい。すなわち、積込位置特定部１１０５は、高さＨｔに高さＨｂを加算することで、積込位置Ｐ１３の高さを特定してもよい。なお、第１の実施形態に係る高さＨｔは、地面からベッセルの上面までの高さである。

【0028】

回避位置特定部１１０６は、積込位置特定部１１０５が特定した積込位置Ｐ１３と、車両情報取得部１１０１が取得した積込機械１００の位置と、検出情報取得部１１０２が特定した積込対象２００の位置および形状に基づいて、作業機１３０と積込対象２００とが上方からの平面視において干渉しない点である干渉回避位置Ｐ１２を特定する。干渉回避位置Ｐ１２は、積込位置Ｐ１３と同じ高さを有し、かつ旋回体１２０の旋回中心からの距離が、当該旋回中心から積込位置Ｐ１３までの距離と等しく、かつ下方に積込対象２００が存在しない位置である。回避位置特定部１１０６は、例えば、旋回体１２０の旋回中心を中心とし、当該旋回中心と積込位置Ｐ１３との距離を半径とする円を特定し、当該円上の位置のうち、バケット１３３の外形が上方からの平面視で積込対象２００と干渉せず、かつ積込位置Ｐ１３に最も近い位置を、干渉回避位置Ｐ１２と特定する。回避位置特定部１１０６は、積込対象２００の位置および形状、ならびにバケット１３３の既知の形状に基づいて、積込対象２００とバケット１３３とが干渉するか否かを判定することができる。ここで、「同じ高さ」、「距離が等しい」とは、必ずしも高さまたは距離が完全に一致するものに限られず、多少の誤差やマージンが許容されるものとする。

【0029】

移動処理部１１０７は、操作信号入力部１１０３が積込指示信号の入力を受け付けた場合に、積込位置特定部１１０５が特定した積込位置Ｐ１３、回避位置特定部１１０６が特定した干渉回避位置Ｐ１２に基づいて、バケット１３３を積込位置Ｐ１３まで移動させるための回動操作信号を生成する。すなわち、移動処理部１１０７は、掘削完了位置Ｐ１０から、旋回開始位置Ｐ１１および干渉回避位置Ｐ１２を経由して、積込位置Ｐ１３に到達するように、回動操作信号を生成する。また、移動処理部１１０７は、ブーム１３１およびアーム１３２が駆動してもバケット１３３の対地角度が変化しないように、バケット１３３の回動操作信号を生成する。移動処理部１１０７が生成する操作信号は、最大の操作量で操作装置１２３のレバーまたはペダルを操作したときに操作信号入力部１１０３に入力される操作信号に係る駆動量での駆動を指示する信号である。駆動量は、例えば作動油の油量またはスプールの開度である。
なお、積込機械１００が遠隔操作によって駆動する場合、移動処理部１１０７が生成する操作信号は、最大の操作量に係る駆動量より大きい駆動量での駆動を指示する信号であってよい。これは、有人運転に係る積込機械１００は、オペレータの乗り心地のために操作装置１２３の最大操作量が制限されるところ、遠隔操作に係る積込機械１００は、オペレータの乗り心地による制限がないためである。

【0030】

排土開始方位算出部１１０８は、積込対象２００の位置と、旋回体１２０の旋回速度と、バケット１３３のダンプ操作指示の出力時刻から土砂が排出され始める時刻までの排土遅れ時間とに基づいて、排土開始方位Ｄ０を算出する。排土開始方位Ｄ０とは、旋回体１２０の旋回中において旋回体１２０が当該方位を向くときにダンプ操作指示を出力した場合に、土砂がこぼれることなく積込対象２００に排出される方位である。なお、バケット１３３の排土遅れ時間は、積込機械１００の機種ごとに既知である。
例えば、排土開始方位算出部１１０８は、以下の手順で排土開始方位Ｄ０を算出する。排土開始方位算出部１１０８は、バケット１３３の最下点から積込対象２００までの距離に基づいて、土砂がバケット１３３から積込対象２００に到達するまでの土砂到達時間を算出する。排土開始方位算出部１１０８は、旋回速度に排土遅れ時間と土砂到達時間の和を乗算することで、排土旋回角度θを算出する。排土開始方位算出部１１０８は、上方からの平面視において、バケット１３３の刃先の幅の全体が積込対象２００と重なるときに旋回体１２０が向く方位Ｄ１から、旋回方向手前側へ排土旋回角度θだけ回転した方位を、排土開始方位Ｄ０として算出する。

【0031】

領域判定部１１０９は、旋回体１２０の向く方位が、排土操作を実行しない第１領域Ｒ１または排土操作を実行する第２領域Ｒ２のいずれにあるかを判定する。第１領域Ｒ１は、積込指示信号の入力を受け付けたときに旋回体１２０が向く方位（起点方位）から、排土開始方位Ｄ０までの領域である。第２領域Ｒ２は、排土開始方位Ｄ０から作業機１３０が積込位置Ｐ１３に位置するときに旋回体１２０が向く方位（終点方位）までの領域である。なお、排土開始方位Ｄ０は、常に終点方位より旋回方向手前側に位置する。

【0032】

操作信号出力部１１１０は、操作信号入力部１１０３に入力された操作信号、または移動処理部１１０７が生成した操作信号を出力する。具体的には、操作信号出力部１１１０は、自動積込制御中である場合に、移動処理部１１０７が生成した自動制御に係る操作信号を出力し、自動積込制御中でない場合に、操作信号入力部１１０３に入力されたオペレータの手動操作に係る操作信号を出力する。

【0033】

《動作》
積込機械１００のオペレータは、積込機械１００と積込対象２００とが積込処理可能な位置関係にあると判断すると、操作装置１２３の自動制御用のスイッチをＯＮにする。これにより、操作装置１２３は、積込指示信号を生成し出力する。

【0034】

図４－図５は、第１の実施形態に係る自動積込制御方法を示すフローチャートである。制御装置１２８は、オペレータから積込指示信号の入力を受け付けると、図４－図５に示す自動積込制御を実行する。

【0035】

車両情報取得部１１０１は、旋回体１２０の位置および方位、ブーム１３１、アーム１３２およびバケット１３３の傾斜角、ならびに旋回体１２０の姿勢を取得する（ステップＳ１）。車両情報取得部１１０１は、取得した旋回体１２０の位置および方位に基づいて、旋回体１２０の旋回中心の位置を特定する（ステップＳ２）。また検出情報取得部１１０２は、検出装置１２４から、積込対象２００の３次元位置情報を取得し、３次元位置情報から積込対象２００の位置および形状を特定する（ステップＳ３）。

【0036】

バケット位置特定部１１０４は、車両情報取得部１１０１が取得した車両情報に基づいて、積込指示信号の入力時のアーム１３２の先端部の位置Ｐ、およびアーム１３２の先端からバケット１３３の最下通過点までの高さＨｂを特定する（ステップＳ４）。バケット位置特定部１１０４は、当該位置Ｐを掘削完了位置Ｐ１０と特定する。

【0037】

積込位置特定部１１０５は、ステップＳ１で取得した旋回体１２０の位置、方位および姿勢に基づいて検出情報取得部１１０２が取得した積込対象２００の位置情報を現場座標系からショベル座標系に変換する。積込位置特定部１１０５は、検出情報取得部１１０２が特定した積込対象２００の位置および形状に基づいて、積込位置Ｐ１３の平面位置を特定する（ステップＳ５）。このとき、積込位置特定部１１０５は、積込対象２００の高さＨｔに、ステップＳ４で特定したアーム１３２の先端部からバケット１３３の最下点までの高さＨｂと、バケット１３３の制御余裕分の高さとを加算することで、積込位置Ｐ１３の高さを特定する（ステップＳ６）。

【0038】

回避位置特定部１１０６は、ステップＳ２で特定した旋回体１２０の旋回中心の位置から積込位置Ｐ１３の平面位置までの平面距離を特定する（ステップＳ７）。回避位置特定部１１０６は、旋回中心から特定した平面距離だけ離れた位置であって、バケット１３３の外形が平面視で積込対象２００と干渉せず、かつ積込位置Ｐ１３から最も近い位置を、干渉回避位置Ｐ１２として特定する（ステップＳ８）。

【0039】

移動処理部１１０７は、アーム１３２の先端部の位置Ｐが積込位置Ｐ１３に至ったか否かを判定する（ステップＳ９）。アーム１３２の先端部の位置Ｐが積込位置Ｐ１３に至っていない場合（ステップＳ９：ＮＯ）、移動処理部１１０７は、アーム１３２の先端部の位置Ｐが干渉回避位置Ｐ１２の近傍にあるか否かを判定する（ステップＳ１０）。例えば、移動処理部１１０７は、アーム１３２の先端の高さと干渉回避位置Ｐ１２の高さとの差が所定の閾値未満であり、または旋回体１２０の旋回中心からアーム１３２の先端までの平面距離と旋回中心から干渉回避位置Ｐ１２までの平面距離との差が所定の閾値未満であるか否かを判定する（ステップＳ１０）。アーム１３２の先端部の位置Ｐが干渉回避位置Ｐ１２の近傍にない場合（ステップＳ１０：ＮＯ）、移動処理部１１０７は、ブーム１３１およびアーム１３２を干渉回避位置Ｐ１２の高さまで上昇させる操作信号を生成する（ステップＳ１１）。このとき、移動処理部１１０７は、ブーム１３１およびアーム１３２の位置および速度に基づいて、操作信号を生成する。

【0040】

また移動処理部１１０７は、生成したブーム１３１およびアーム１３２の操作信号に基づいてブーム１３１およびアーム１３２の角速度の和を算出し、当該角速度の和と同じ速度でバケット１３３を回動させる操作信号を生成する（ステップＳ１２）。これにより、移動処理部１１０７は、バケット１３３の対地角を保持する操作信号を生成することができる。なお、他の実施形態においては、移動処理部１１０７は、ブーム角度センサ１３８、アーム角度センサ１３９およびバケット角度センサ１４０の検出値より算出されるバケット１３３の対地角度が、自動制御開始時の対地角度と等しくなるようにバケット１３３を回動させる操作信号を生成してもよい。

【0041】

アーム１３２の先端部の位置Ｐが干渉回避位置Ｐ１２の近傍にある場合（ステップＳ１０：ＹＥＳ）、移動処理部１１０７は、ブーム１３１、アーム１３２およびバケット１３３の操作信号を生成しない。つまり、アーム１３２の先端部の位置Ｐが干渉回避位置Ｐ１２の近傍にある場合、移動処理部１１０７は、作業機１３０を積込点へ移動させるための作業機１３０の操作信号の出力を禁止する。

【0042】

移動処理部１１０７は、車両情報取得部１１０１が取得した車両情報に基づいて、旋回体１２０の旋回速度が所定速度未満であるか否かを判定する（ステップＳ１３）。すなわち、移動処理部１１０７は、旋回体１２０が旋回中であるか否かを判定する。
旋回体１２０の旋回速度が所定速度未満である場合（ステップＳ１３：ＹＥＳ）、移動処理部１１０７は、バケット１３３の高さが掘削完了位置Ｐ１０の高さから干渉回避位置Ｐ１２の高さに至るまでの時間である上昇時間を特定する（ステップＳ１４）。移動処理部１１０７は、バケット１３３の上昇時間に基づいて、現在時刻から旋回操作信号を出力した場合に、アーム１３２の先端が干渉回避位置Ｐ１２または干渉回避位置Ｐ１２より高い点を通過することになるか否かを判定する（ステップＳ１５）。現在時刻から旋回操作信号を出力した場合に、アーム１３２の先端が干渉回避位置Ｐ１２または干渉回避位置Ｐ１２より高い点を通過することになる場合（ステップＳ１５：ＹＥＳ）、移動処理部１１０７は、旋回操作信号を生成する（ステップＳ１６）。
現在時刻から旋回操作信号を出力した場合に、アーム１３２の先端が干渉回避位置Ｐ１２より低い点を通過することになる場合（ステップＳ１５：ＮＯ）、移動処理部１１０７は、旋回操作信号を生成しない。つまり、アーム１３２の先端が干渉回避位置Ｐ１２より低い点を通過することになる場合、移動処理部１１０７は、旋回操作信号の出力を禁止する。

【0043】

旋回体１２０の旋回速度が所定速度以上である場合（ステップＳ１３：ＮＯ）、移動処理部１１０７は、現在時刻から旋回操作信号の出力を停止した場合に、アーム１３２の先端が積込位置Ｐ１３に到達するか否かを判定する（ステップＳ１７）。なお、旋回体１２０は、旋回操作信号の出力の停止後、減速しながらも慣性により旋回し続け、その後停止する。現在時刻から旋回操作信号の出力を停止した場合に、アーム１３２の先端が積込位置Ｐ１３に到達する場合（ステップＳ１７：ＹＥＳ）、移動処理部１１０７は、旋回操作信号を生成しない。つまり、現在時刻から旋回操作信号の出力を停止した場合に、アーム１３２の先端が積込位置Ｐ１３に到達する場合、移動処理部１１０７は、旋回操作信号の出力を禁止する。これにより、旋回体１２０は減速を始める。
他方、現在時刻から旋回操作信号の出力を停止した場合に、アーム１３２の先端が積込位置Ｐ１３より手前で停止することになる場合（ステップＳ１７：ＮＯ）、移動処理部１１０７は、旋回操作信号を生成する（ステップＳ１８）。

【0044】

ステップＳ９からステップＳ１８の処理でブーム１３１、アーム１３２およびバケット１３３の回動操作信号、並びに旋回体１２０の旋回操作信号の少なくともいずれか１つを生成すると、操作信号出力部１１１０は、生成した操作信号を油圧装置１２７に出力する（ステップＳ１９）。

【0045】

次に、排土開始方位算出部１１０８は、積込対象２００の位置と旋回体１２０の旋回速度と排土遅れ時間とに基づいて、排土開始方位Ｄ０を算出する（ステップＳ２０）。領域判定部１１０９は、旋回体１２０が向く方位が、排土開始方位Ｄ０から終点方位までの第２領域Ｒ２に含まれるか否かを判定する（ステップＳ２１）。旋回体１２０が向く方位が第１領域Ｒ１に含まれる場合（ステップＳ２１：ＮＯ）、操作信号出力部１１１０は、バケット１３３のダンプ操作信号を油圧装置１２７に出力しない。他方、旋回体１２０が向く方位が第２領域Ｒ２に含まれる場合（ステップＳ２１：ＹＥＳ）、操作信号出力部１１１０は、バケット１３３のダンプ操作信号を油圧装置１２７に出力する（ステップＳ２２）。

【0046】

なお、旋回体１２０が向く方位が第２領域Ｒ２に含まれる場合、アーム１３２の先端の高さは、干渉回避位置Ｐ１２以上の高さとなっている。これは、ステップＳ１５－Ｓ１６において、移動処理部１１０７が、アーム１３２の先端が上方向からの平面視において干渉回避位置Ｐ１２に位置するときにアーム１３２の先端の高さが干渉回避位置Ｐ１２以上の高さとなるように旋回操作信号を生成するためである。アーム１３２の先端が上方向からの平面視において干渉回避位置Ｐ１２に位置するときに旋回体１２０が向く方位は、排土開始方位Ｄ０より旋回方向手前側に位置する。
また、旋回体１２０が向く方位が第１領域Ｒ１に含まれる場合であっても、アーム１３２の先端の高さは、必ずしも干渉回避位置未満の高さであるとは限らない。例えば、アーム１３２の高さを干渉回避位置Ｐ１２以上の高さまで上昇させるために必要な時間が、アーム１３２の先端が上方向からの平面視において干渉回避位置Ｐ１２に位置するまで旋回体１２０を旋回させるために必要な時間より短い場合、アーム１３２の先端の高さが干渉回避位置Ｐ１２以上の高さまで上昇したときに、旋回体１２０が向く方位が第１領域Ｒ１に含まれる可能性がある。

【0047】

そして、車両情報取得部１１０１は、車両情報を取得する（ステップＳ２３）。これにより、車両情報取得部１１０１は、出力した操作信号によって作動した後の車両情報を取得することができる。制御装置１２８は、処理をステップＳ９に戻し、操作信号の生成を繰り返し実行する。

【0048】

他方、ステップＳ９にて、アーム１３２の先端部の位置Ｐが積込位置Ｐ１３に至った場合（ステップＳ９：ＹＥＳ）、制御装置１２８は、自動積込制御を終了する。

【0049】

ここで、図３を用いて、自動積込制御時の積込機械１００の動作について説明する。 自動積込制御が開始されると、ブーム１３１およびアーム１３２は、掘削完了位置Ｐ１０から旋回開始位置Ｐ１１へ向けて上昇する。このとき、バケット１３３は、掘削終了時の対地角度を維持するように駆動する。

【0050】

制御装置１２８は、アーム１３２の先端が旋回開始位置Ｐ１１に到達すると、旋回体１２０は積込位置Ｐ１３へ向けて旋回を開始する。このとき、アーム１３２の先端は干渉回避位置Ｐ１２の高さに至っていないため、ブーム１３１およびアーム１３２の上昇は継続される。アーム１３２の先端が旋回開始位置Ｐ１１から干渉回避位置Ｐ１２へ移動する途中で、アーム１３２の先端の高さが干渉回避位置Ｐ１２と等しくなるように、ブーム１３１、アーム１３２およびバケット１３３は減速する。

【0051】

アーム１３２の先端が干渉回避位置Ｐ１２に達すると、ブーム１３１およびアーム１３２の駆動は停止する。一方、旋回体１２０は旋回を継続する。すなわち、干渉回避位置Ｐ１２から積込位置Ｐ１３までの間、アーム１３２の先端は、ブーム１３１およびアーム１３２の駆動によらず、旋回体１２０の旋回のみにより移動する。アーム１３２の先端が旋回開始位置Ｐ１１から積込位置Ｐ１３へ移動する途中で、アーム１３２の先端部の位置Ｐが積込位置Ｐ１３と等しくなるように、旋回体１２０は減速する。

【0052】

アーム１３２の先端が旋回開始位置Ｐ１１から積込位置Ｐ１３へ移動する途中で、旋回体１２０が排土開始方位Ｄ０を向く。このとき、制御装置１２８は、バケット１３３にダンプ操作信号の出力を開始する。旋回体１２０は旋回を継続し、ダンプ操作信号の出力時刻から排土遅れ時間が経過したときに、バケット１３３がダンプ方向に回動し始め、バケット１３３から土砂が排出され始める。土砂が排出され始めたとき、旋回体１２０が向く方位は、バケット１３３の刃先の幅が積込対象２００と重なる方位Ｄ１より旋回方向手前側である。バケットから排出された土砂は、土砂到達時間後に積込対象２００の高さに到達する。積込機械１００は、旋回しながら土砂を排出するため、バケット１３３から排出された土砂は、旋回速度に応じた慣性により、接線方向の水平速度成分をもった放物線を描いて、排土開始点より旋回方向奥側へ落下する。つまり、排土開始方位Ｄ０はバケット１３３が積込対象２００の直上から外れた方位であるが、旋回体１２０が排土開始方位Ｄ０を向くときにダンプ操作信号の出力を開始すると、排土遅れ時間および土砂の水平速度成分のために、土砂は積込対象２００内に収まる。したがって、制御装置１２８は、旋回体１２０が排土開始方位Ｄ０を向くときにバケット１３３にダンプ操作信号の出力を開始することで、土砂をこぼすことなく積込対象２００に積み込むことができる。

【0053】

アーム１３２の先端が積込位置Ｐ１３に到達して、かつ、バケット１３３のダンプ操作が完了すると、作業機１３０および旋回体１２０の駆動は停止する。

【0054】

上述の自動積込制御により、積込機械１００は、バケット１３３がすくった土砂を積込対象２００に積込むことができる。オペレータは、作業機１３０による掘削と、積込指示信号の入力による自動積込制御とを、積込対象２００の積載量が最大積載量を超えない程度に繰り返し実行する。

【0055】

《作用・効果》
このように、第１の実施形態に係る積込機械１００の制御装置１２８は、自動積込制御中、旋回体１２０が終点方位より旋回方向手前側の排土開始方位Ｄ０を向くときに、バケット１３３のダンプ操作信号を油圧装置１２７に出力する。これにより、制御装置１２８は、バケット１３３が積込位置Ｐ１３に達する前から排土を開始することができ、積込処理のサイクルタイムを短縮することができる。なお、第１の実施形態に係る制御装置１２８は、旋回体の方位が第１領域に含まれるか第２領域に含まれるかに基づいてダンプ操作信号の出力の可否を決定するが、これに限られない。例えば、他の実施形態に係る制御装置１２８は、旋回体の方位が排土開始方位Ｄ０を超えたか否かに基づいてダンプ操作信号の出力の可否を決定してもよい。

【0056】

また、第１の実施形態に係る排土開始方位Ｄ０は、バケット１３３の刃先の幅と積込対象２００とが上方からの平面視において重なるときに旋回体１２０が向く方位Ｄ１より、旋回方向手前側の方位である。これにより、制御装置１２８は、ダンプ操作信号の出力開始タイミングを早め、サイクルタイムを短縮することができる。他方、他の実施形態においてはこれに限られず、制御装置１２８は、バケット１３３の刃先の幅と積込対象２００とが上方からの平面視において重なるときにダンプ操作信号の出力を開始してもよい。この場合、制御装置１２８は、土砂が積込対象２００からこぼれることを確実に防ぐことができる。

【0057】

また、第１の実施形態に係る制御装置１２８は、積込対象２００の位置と旋回体１２０の旋回速度とに基づいて排土開始方位Ｄ０を算出する。これにより、制御装置１２８は、旋回体１２０の旋回速度に応じて、ダンプ操作信号の出力開始タイミングを適切に決定することができる。なお、他の実施形態においてはこれに限られず、制御装置１２８は、あらかじめ定められた排土開始方位Ｄ０に基づいてダンプ操作信号の出力を開始してもよい。

【0058】

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。
例えば、第１の実施形態においては、排土開始方位Ｄ０を、積込対象２００の位置と旋回体１２０の旋回速度と排土遅れ時間と土砂到達時間とに基づいて算出した位置としたが、これに限られない。例えば、他の実施形態においては、排土開始方位Ｄ０は、排土遅れ時間または土砂到達時間を加味せずに算出したものであってもよい。また、他の実施形態においては、排土開始方位Ｄ０は、上方からの平面視においてアーム１３２の先端が積込対象２００に干渉する方位のうち、最も起点方位に近い方位であってもよい。また、他の実施形態においては、排土開始方位Ｄ０は、上方からの平面視においてアーム１３２の先端が積込対象２００に干渉する方位のうち、起点方位側の任意の方位に設定されてもよい。また、他の実施形態においては、排土開始方位Ｄ０は、上方からの平面視においてアーム１３２の先端が積込対象２００に干渉しない方位のうち、終点方位側の任意の方位に設定されてもよい。また他の実施形態においては、排土開始方位Ｄ０は、アーム１３２の先端が干渉回避位置Ｐ１２に位置するときに旋回体が向く方位に設定されてもよい。

【0059】

また、第１の実施形態に係る積込機械１００はバケット１３３を備えるが、これに限られない。例えば、他の実施形態に係る積込機械１００は、バックオールとクラムシェルとを開閉可能に備えるクラムバケットを備えるものであってもよい。この場合における排土操作信号は、クラムシェルを回動させる操作信号である。

【0060】

また、第１の実施形態に係る積込機械１００は、オペレータが搭乗して操作する有人運転車両であるが、これに限られない。例えば、他の実施形態に係る積込機械１００は、遠隔の事務所にいるオペレータがモニタの画面を見ながら操作する遠隔操作装置から、通信により取得する操作信号によって作動する遠隔運転車両であってもよい。この場合、制御装置１２８の一部の機能が遠隔操作装置に設けられてもよい。また、第１の実施形態に係る積込機械１００は、自動積込制御において、図４および図５に示す制御を行うが、これに限られない。例えば、他の実施形態に係る積込機械１００は、掘削作業と積込作業を繰り返し自動で行う自動掘削積込制御に図４および図５に示す制御がなされてもよい。

【符号の説明】

【0061】

１００…積込機械 １１０…走行体 １２０…旋回体 １３０…作業機 １３１…ブーム １３２…アーム １３３…バケット １３４…ブームシリンダ １３５…アームシリンダ １３６…バケットシリンダ １２８…制御装置 １１０１…車両情報取得部 １１０２…検出情報取得部 １１０３…操作信号入力部 １１０４…バケット位置特定部 １１０５…積込位置特定部 １１０６…回避位置特定部 １１０７…移動処理部 １１０８…排土開始方位算出部 １１０９…領域判定部 １１１０…操作信号出力部 ２００…積込対象 Ｐ１０…掘削完了位置 Ｐ１１…旋回開始位置 Ｐ１２…干渉回避位置 Ｐ１３…積込位置 Ｒ１…第１領域 Ｒ２…第２領域 Ｄ０…排土開始方位 θ…排土旋回角度

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】