JP7726762B2 - 作業機械 - Google Patents

Description

本発明は、作業機械に関する。

油圧アクチュエータにより駆動されるフロント作業装置（例えばブーム、アーム、及び、バケット等のアタッチメント）等を有する多関節型の作業機械（例えば油圧ショベル）が知られている。この種の作業機械は、掘削した土砂等の対象物を運搬機械（例えば、ダンプトラック等）の被積込機械に向けて運搬する運搬動作と、運搬動作により運搬された対象物を被積込機械に放出する放出動作（例えば放土動作）とを行って、対象物の被積込機械への積込作業を行う。

例えば、バケット（作業具）を備えた油圧ショベル（作業機械）によってダンプトラック（被積込機械）に土砂を積み込む積込作業を行う場合、ダンプトラックに対してバケットの位置が低い状態で旋回してバケットの移動を行うと、バケットがダンプトラックと干渉することが考えられる。一方で、ダンプトラックに対してバケットの位置が過度に高い状態で土砂の放土作業を行うと、土砂の落下による衝撃でダンプトラックがダメージを受けてしまうことが考えられる。そのため、積込作業を行う際、油圧ショベルのオペレータは、ダンプトラックの位置とバケットの位置とを確認しつつ干渉の発生や放土高さ等に気を配り、上部旋回体の旋回動作とフロント作業装置の動作とを連動させる必要がある。したがって、このような作業を行うオペレータには、技能の習熟、或いは、支援装置等による支援が必要とされる。

積込作業を支援する従来技術としては、例えば、特許文献１に記載のものがある。特許文献１には、旋回中心回りに旋回する旋回体と、前記旋回体に取り付けられバケットを有する作業機とを備える積込機械を制御する制御装置であって、積込対象より高くかつ下方に前記積込対象が存在しないバケット位置である干渉回避位置を特定する回避位置特定部と、前記旋回中心から前記作業機へ伸びる直線と前記旋回中心から前記干渉回避位置へ伸びる直線とが上方からの平面視においてなす残り旋回角度と、前記干渉回避位置の高さとに基づいて、旋回開始タイミングを決定するタイミング決定部と、前記旋回開始タイミングに至っていない場合に、前記作業機の操作信号を出力し、前記旋回開始タイミングに至った場合に、前記旋回開始タイミングに至っていないときより速い旋回速度で前記旋回体を旋回させる操作信号および前記作業機の操作信号を出力する操作信号出力部と、を備える制御装置が開示されている。

特開２０１９－１３２０６４号公報

上記従来技術においては、積込作業を行う場合において、干渉回避位置の高さにバケットが到達するための到達時間が、干渉回避位置までの残り旋回角度だけ旋回するために必要な必要旋回時間を下回った場合に旋回開始タイミングに至ったと判断する。しかしながら、このような制御では、積込み動作の開始位置によらず、高さ方向及び旋回方向について、干渉回避位置に同時に達するように動作するため、オペレータによる操作と実際の動作が乖離することにより、オペレータが違和感を覚えることが懸念される。

干渉回避位置に到達する直前で積込動作を停止させる場合についても同様である。積込動作を停止させる場合、バケットの高さ方向への動作が停止するまでの時間に対して旋回動作が停止するまでの時間の方が長くなる。このため、上記従来技術においては、積込動作を途中で停止させる場合であっても、被積込機械とバケットとの干渉を防止するためにバケットの高さ方向への動作を継続させる必要がある。すなわち、オペレータによる操作と実際の動作が乖離することにより、オペレータが違和感を覚えることが懸念される。

本発明は上記に鑑みてなされたものであり、積込動作およびその途中停止時において、干渉防止を実現しつつ、オペレータの違和感を低減することができる作業機械を提供することを目的とする。

本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、下部走行体と、前記下部走行体上に旋回可能に取り付けられた上部旋回体と、前記上部旋回体に取り付けられた、ブーム、アーム及び作業具を有する多関節型のフロント作業装置と、前記上部旋回体及び前記フロント作業装置の姿勢を検出する姿勢検出装置と、前記フロント作業装置で掘削した掘削対象物を積み込んで運搬する被積込機械の位置を検出する被積込機械位置検出装置と、掘削対象物の掘削位置及び前記掘削対象物の前記被積込機械への放土位置に関する情報に応じて、前記掘削対象物を前記被積込機械に積み込む積込動作に係る前記上部旋回体及び前記フロント作業装置の動作の少なくとも一部の動作を制御する制御装置とを備えた作業機械において、前記制御装置は、前記掘削位置、前記放土位置、及び前記被積込機械の位置に基づいて、前記積込動作において、前記作業具が前記掘削位置から前記被積込機械への接触を回避しつつ前記放土位置に至るために前記作業具を通過させる通過位置の鉛直方向の位置である高さ位置及び旋回方向の位置である旋回位置を演算し、前記作業具が上昇動作のみを行った後に前記上部旋回体の旋回動作が開始されて、前記作業具が前記通過位置の前記高さ位置に到達するまで上昇及び旋回した後に、前記作業具が前記通過位置の前記旋回位置に到達するまで旋回のみを行って前記通過位置を通過するように、前記上部旋回体及び前記フロント作業装置の動作を制御するものとする。

本発明によれば、積込動作およびその途中停止時において、干渉防止を実現しつつ、オペレータの違和感を低減することができる。

作業機械の一例として示す油圧ショベルの外観を模式的に示す側面図である。 油圧ショベルの油圧システム及び制御システムを関連構成とともに抜き出して示す機能ブロック図である。 制御装置の処理機能を関連構成とともに抜き出して示す機能ブロック図である。 基準座標系を油圧ショベルとともに示す側面図である。 基準座標系を油圧ショベルとともに示す上面図である。 運搬動作における処理内容を示すフローチャートである。 運搬動作における処理内容を示すフローチャートである。 旋回動作とフロント作業機の動作との組み合わせによってバケットを被積込機械上に移動させる動作の一例を示す側面図である。 旋回動作とフロント作業機の動作との組み合わせによってバケットを被積込機械上に移動させる動作の一例を示す上面図である。 第２の実施の形態に係る制御装置の処理機能を関連構成とともに抜き出して示す機能ブロック図である。 第２の実施の形態に係る運搬動作における処理内容を示すフローチャートの一部を抜き出して示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

なお、以下では、作業装置（フロント作業装置２）の先端の作業具（アタッチメント）としてバケット１０を備える油圧ショベル１を作業機械として例示するが、バケット以外のアタッチメントを備える他の作業機械に本発明を適用してもよい。また、旋回可能な構造物の上に、複数のフロント部材（作業具、ブーム、アーム等）を連結して構成される多関節型の作業装置を有するものであれば、油圧ショベル以外の作業機械への適用も可能である。

また、以下の説明では、同一の構成要素が複数存在する場合、符号（数字）の末尾にアルファベットを付すことがあるが、当該アルファベットを省略して当該複数の構成要素をまとめて表記することがある。すなわち、例えば、複数の電磁比例弁５１ａ，・・・，５１ｌが存在するとき、これらをまとめて電磁比例弁５１と表記することがある。また、説明により接続関係が明らかな信号線等については簡単のために図示を省略することがある。

＜第１の実施の形態＞
本発明の第１の実施の形態を図１～図９を参照しつつ詳細に説明する。

図１は、本実施の形態に係る作業機械の一例として示す油圧ショベルの外観を模式的に示す側面図である。

図１において、作業機械の一例である油圧ショベル１は、地面等の掘削対象面を掘削する掘削作業と、掘削された土砂等、掘削対象物などの対象物を、ダンプトラック（後の図８参照）をはじめとする運搬機械等の被積込機械２００に積み込む積込作業とを行うものである。油圧ショベル１は、この積込作業において上記の運搬動作と放出動作とを行う。油圧ショベル１は、対象物を保持して上下方向又は前後方向に回動する多関節型のフロント作業装置２（作業装置）と、フロント作業装置２を搭載する機械本体３とを備える。

機械本体３は、下部走行体５の右部及び左部に設けられた走行右油圧モータ４ａ及び走行左油圧モータ４ｂにより走行する下部走行体５と、下部走行体５の上部に旋回装置を介して取り付けられ、旋回装置の旋回油圧モータ６により下部走行体５に対して旋回する上部旋回体７とを備える。なお、本実施形態では、走行右油圧モータ４ａ及び走行左油圧モータ４ｂを総称して、単に、走行油圧モータ４（又は、走行油圧モータ４ａ，４ｂ）と称することもある。

フロント作業装置２は、上部旋回体７の前部に取り付けられた複数のフロント部材によって構成された多関節型の作業装置である。上部旋回体７は、フロント作業装置２を搭載して旋回する。フロント作業装置２は、上部旋回体７の前部に上下方向に回動可能に連結されたブーム８と、ブーム８の先端部に上下方向に回動可能に連結されたアーム９と、アーム９の先端部に上下方向に回動可能に連結されたバケット１０とを備える。

ブーム８は、ブームピン８ａによって上部旋回体７に連結され、ブームシリンダ１１の伸縮によって回動する。アーム９は、アームピン９ａによってブーム８の先端部に連結され、アームシリンダ１２の伸縮によって回動する。バケット１０は、バケットピン１０ａ及びバケットリンク１６によってアーム９の先端部に連結され、バケットシリンダ１３の伸縮によって回動する。

ブームピン８ａには、機械本体３（つまり、上部旋回体７）に対するブーム８の回動角度を検出するブーム角度センサ１４が取り付けられている。アームピン９ａには、ブーム８に対するアーム９の回動角度を検出するアーム角度センサ１５が取り付けられている。バケットリンク１６には、アーム９に対するバケット１０の回動角度を検出するバケット角度センサ１７が取り付けられている。

なお、ブーム８、アーム９及びバケット１０の各回動角度は、水平面等の基準面に対するブーム８、アーム９及びバケット１０の各角度を慣性計測装置（ＩＭＵ： Inertial Measurement Unit）により検出し、各回動角度に換算することによって取得されてもよい。また、ブーム８、アーム９及びバケット１０の各回動角度は、ブームシリンダ１１、アームシリンダ１２及びバケットシリンダ１３の各ストロークをストロークセンサにより検出し、各回動角度に換算することによって取得されてもよい。

上部旋回体７には、水平面等の基準面に対する機械本体３の傾斜角を検出する傾斜角センサ１８が取り付けられている。下部走行体５と上部旋回体７との間の旋回装置には、下部走行体５に対する上部旋回体７の旋回角度を検出する旋回角度センサ１９が取り付けられている。上部旋回体７には、上部旋回体７の旋回角速度を検出する角速度センサ２０が取り付けられている。

ここで、ブーム角度センサ１４、アーム角度センサ１５、バケット角度センサ１７、傾斜角センサ１８及び旋回角度センサ１９は、フロント作業装置２の各回動角度及び上部旋回体７の旋回角度等を検出する姿勢検出装置５３を構成している。

上部旋回体７に設けられた運転室７１内には、複数の油圧アクチュエータ４ａ，４ｂ，６，１１，１２，１３を操作する操作装置が設置されている。具体的には、操作装置は、走行右油圧モータ４ａを操作するための走行右レバー２３ａと、走行左油圧モータ４ｂを操作するための走行左レバー２３ｂと、ブームシリンダ１１及びバケットシリンダ１３を操作するための操作右レバー２２ａと、アームシリンダ１２及び旋回油圧モータ６を操作するための操作左レバー２２ｂとを備える。なお、本実施形態では、走行右レバー２３ａ、走行左レバー２３ｂ、操作右レバー２２ａ及び操作左レバー２２ｂを総称して操作レバー２２，２３と称する。操作レバー２２，２３は、例えば、電気レバー方式である。また、操作レバー２２には、自動の運搬動作の実行を指令するためのスイッチ２４が備えられる。

また、上部旋回体７の、例えば、運転室７１の上部には、作業機械である油圧ショベル１の周辺に存在する物体の種別及びその位置を検出する物体検出装置５４が取り付けられている。物体検出装置５４は、例えば、ＬｉＤＡＲ（Light Detection And Ranging）であってもよいし、ステレオカメラであってもよい。物体検出装置５４は、油圧ショベル１が積込作業を行う被積込機械２００を検出するとともに、被積込機械２００の物体検出装置５４に対する相対位置を検出する。物体検出装置５４は、油圧ショベル１に複数取り付けられていてもよい。また、作業現場において管理事務所等のサーバで取得されている被積込機械２００の位置情報を通信装置を介して取得するように構成しても良い。

図２は、油圧ショベルの油圧システム及び制御システムを関連構成とともに抜き出して示す機能ブロック図である。

図２に示すように、上部旋回体７に搭載された原動機であるエンジン１０３は、油圧ポンプ１０２とパイロットポンプ１０４とを駆動する。制御装置４０は、オペレータによる操作レバー２２，２３の操作情報（操作量及び操作方向）に応じて、フロント作業装置２の回動動作、下部走行体５の走行動作、及び、上部旋回体７の旋回動作を制御する。具体的には、制御装置４０は、オペレータによる操作レバー２２，２３の操作情報（操作量及び操作方向）をロータリエンコーダ又はポテンショメータ等のセンサ５２ａ～５２ｆにより検出し、検出された操作情報に応じた制御指令を電磁比例弁５１ａ～５１ｌに出力する。電磁比例弁５１ａ～５１ｌは、パイロットライン１００に設けられており、制御装置４０からの制御指令が入力されると作動し、流量制御弁１０１にパイロット圧を出力して、流量制御弁１０１を作動させる。なお、本実施形態では、オペレータによる操作レバー２２，２３の操作情報を、「オペレータの操作指示」ともいう。本実施形態では、この操作情報を検出するセンサ５２ａ～５２ｆと、自動の運搬動作を指令するためのスイッチ２４を検出するセンサ５２ｇを総称して、操作検出装置５２と称する。

流量制御弁１０１は、旋回油圧モータ６、アームシリンダ１２、ブームシリンダ１１、バケットシリンダ１３、走行右油圧モータ４ａ及び走行左油圧モータ４ｂのそれぞれに対して油圧ポンプ１０２から供給される圧油を、電磁比例弁５１ａ～５１ｌからのパイロット圧に応じて制御する。なお、電磁比例弁５１ａ，５１ｂは、旋回油圧モータ６に供給される圧油を制御するためのパイロット圧を流量制御弁１０１に出力する。電磁比例弁５１ｃ，５１ｄは、アームシリンダ１２に供給される圧油を制御するためのパイロット圧を流量制御弁１０１に出力する。電磁比例弁５１ｅ，５１ｆは、ブームシリンダ１１に供給される圧油を制御するためのパイロット圧を流量制御弁１０１に出力する。電磁比例弁５１ｇ，５１ｈは、バケットシリンダ１３に供給される圧油を制御するためのパイロット圧を流量制御弁１０１に出力する。電磁比例弁５１ｉ，５１ｊは、走行右油圧モータ４ａに供給される圧油を制御するためのパイロット圧を流量制御弁１０１に出力する。電磁比例弁５１ｋ，５１ｌは、走行左油圧モータ４ｂに供給される圧油を制御するためのパイロット圧を流量制御弁１０１に出力する。

ブームシリンダ１１、アームシリンダ１２及びバケットシリンダ１３は、それぞれ、供給された圧油によって伸縮し、ブーム８、アーム９及びバケット１０を回動させる。これにより、バケット１０の位置及び姿勢が変化する。旋回油圧モータ６は、供給された圧油によって回転し、上部旋回体７を旋回させる。走行右油圧モータ４ａ及び走行左油圧モータ４ｂは、供給された圧油によって回転し、下部走行体５を走行させる。なお、本実施形態では、走行油圧モータ４ａ，４ｂ、旋回油圧モータ６、ブームシリンダ１１、アームシリンダ１２及びバケットシリンダ１３を総称して、油圧アクチュエータ４ａ，４ｂ，６，１１，１２，１３と称する。加えて、オペレータによる操作レバー２２，２３の操作が無い場合であっても、制御装置４０からの指令によって電磁比例弁５１ａ～５１ｌを作動させ、流量制御弁１０１を作動させることによって、油圧アクチュエータ４ａ，４ｂ，６，１１，１２，１３を駆動させることが可能である。

図３は、制御装置の処理機能を関連構成とともに抜き出して示す機能ブロック図である。また、図４は、基準座標系を油圧ショベルとともに示す側面図であり、図５は上面図である。また、図８及び図９は、旋回動作とフロント作業機の動作との組み合わせによってバケットを被積込機械上に移動させる動作の一例を示す図であり、図８は側面図、図９は上面図である。

制御装置４０は、図示を省略するが、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、および外部Ｉ／Ｆ（Interface）などがバスにより互いに接続されたコンピュータである。制御装置４０の外部Ｉ／Ｆには、操作検出装置５２、姿勢検出装置５３、物体検出装置５４および図示しない記憶装置（例えば、ハードディスクドライブや大容量フラッシュメモリなど）が接続されている。

図３において、制御装置４０は、姿勢演算部４１と、被積込機械位置演算部４２と、積込目標位置演算部４３と、旋回動作予測部４４と、作業装置動作予測部４５と、動作判断部４６と、動作指令演算部４７とを含んでいる。

制御装置４０には、油圧ショベル１の構成要素の位置及び姿勢を特定する基準座標系が予め設定される。本実施形態の基準座標系は、図４及び図５に示すように、旋回中心１２０の軸のうち下部走行体５と地面Ｇとが接する点を原点とする右手座標系として定義されている。基準座標系は、下部走行体５の前進方向をＸ軸の正方向として定義されている。本実施形態の基準座標系は、旋回中心１２０が上方に延びる方向をＺ軸の正方向として定義されている。本実施形態の基準座標系は、Ｘ軸及びＺ軸のそれぞれに直交し、左方をＹ軸の正方向として定義されている。本実施形態の基準座標系において、ＸＹ平面は、地面Ｇに固定されている。

また、本実施形態の基準座標系において、上部旋回体７の旋回角度は、フロント作業装置２がＸ軸と平行となる状態を０度として定義されている。上部旋回体７の旋回角度が０度の状態において、フロント作業装置２の動作平面はＸＺ平面に平行であり、ブーム８の上げ動作方向はＺ軸の正方向であり、アーム９及びバケット１０のダンプ方向はＸ軸の正方向である。

姿勢演算部４１は、姿勢検出装置５３の検出信号から、基準座標系における油圧ショベル１の構成要素の姿勢等を演算する。具体的には、姿勢演算部４１は、ブーム角度センサ１４から出力されたブーム８の回動角度の検出信号から、Ｘ軸に対するブーム８の回動角度θｂｍを演算する。姿勢演算部４１は、アーム角度センサ１５から出力されたアーム９の回動角度の検出信号から、ブーム８に対するアーム９の回動角度θａｍを演算する。姿勢演算部４１は、バケット角度センサ１７から出力されたバケット１０の回動角度の検出信号から、アーム９に対するバケット１０の回動角度θｂｋを演算する。姿勢演算部４１は、旋回角度センサ１９から出力された上部旋回体７の旋回角度の検出信号から、Ｘ軸（下部走行体５）に対する上部旋回体７の旋回角度θｓｗを演算する。

さらに姿勢演算部４１は、演算されたフロント作業装置２の各回動角度θｂｍ，θａｍ，θｂｋ及び上部旋回体７の旋回角度θｓｗと、ブーム８の寸法Ｌｂｍ、アーム９の寸法Ｌａ及びバケット１０の寸法Ｌｂｋとに基づいて、ブーム８、アーム９及びバケット１０のそれぞれの平面位置と高さを演算する。なお、ブーム８の寸法Ｌｂｍは、ブームピン８ａからアームピン９ａまでの長さである。アーム９の寸法Ｌａｍは、アームピン９ａからバケットピン１０ａまでの長さである。バケット１０の寸法Ｌｂｋは、バケットピン１０ａからバケット１０の先端部（例えばツースの先端部）までの長さである。また、ブームピン８ａは、旋回角度をゼロとしたとき、旋回中心からＸ軸方向にＬｏｘ、Ｙ軸方向にＬｏｙだけオフセットしている。

さらに姿勢演算部４１は、傾斜角センサ１８から出力された機械本体３の傾斜角の検出信号から、基準面ＤＰに対する機械本体３（下部走行体５）の傾斜角θｇを演算する。基準面ＤＰは、例えば、重力方向に直交する水平面である。傾斜角θｇは、Ｙ軸周りの回転角であるピッチ角と、Ｘ軸周りの回転角であるロール角とを含む。姿勢演算部４１は、フロント作業装置２の各回動角度θｂｍ，θａｍ，θｂｋから、地面Ｇに対するバケット１０の角度である対地角γを演算する。バケット１０の対地角γは、バケット１０の先端部とバケットピン１０ａとを通る直線が地面Ｇに対して成す角度である。

被積込機械位置演算部４２は、物体検出装置５４により検出された被積込機械２００の位置から、当該被積込機械２００の基準座標系における位置を演算する。物体検出装置５４は、上部旋回体７に取り付けられる。よって、被積込機械位置演算部４２は、上部旋回体７の旋回角度θｓｗと、基準座標系に対する物体検出装置５４の取り付け位置とに基づいて、当該被積込機械２００の基準座標系における平面位置及び高さを演算することができる。

積込目標位置演算部４３は、被積込機械位置演算部４２の演算結果に基づいて、当該被積込機械２００への放土を行う放土位置Ｐ６（すなわち、被積込機械２００への土砂の積み込みを行う積込位置）の平面位置及び高さを特定する。例えば、Ｐ６の平面位置は，被積込機械２００を平面視した際の中心でも良い。Ｐ６の高さは，被積込機械２００の高さＨｖ（図８参照）にマージンＨｍを加算したものでよい。マージンＨｍは、例えば、バケット１０の寸法Ｌｂｋを加算したものでも良い。あるいは、バケットの底面までの寸法Ｌｂｋｂｃを加算したものでも良い。

積込目標位置演算部４３は、アーム９の先端が放土位置Ｐ６に到達するための制御目標旋回角度θｓｗｔｇｔを演算する。これは平面視において、ブームピン８ａからアーム９の先端に伸びる直線と、車体基準座標のＸ軸とがなす角度から特定できる。

積込目標位置演算部４３は、アーム９の先端が放土位置Ｐ６に到達するためのブーム８の目標角度θｂｍｔｇｔとアーム９の目標角度θａｍｔｇｔとを演算する。ブーム８の目標角度θｂｍｔｇｔとアーム９の目標角度θａｍｔｇｔは，ブームピン８ａから放土位置Ｐ６までの平面視の距離と、ブームピン８ａから放土位置Ｐ６までの高さとから演算することができる。

積込目標位置演算部４３は、通過位置Ｐ５を算出する。例えば、通過位置Ｐ５の高さは放土位置Ｐ６と等しい。通過位置Ｐ５の平面位置は、放土位置Ｐ６に到達するための制御目標旋回角度から所定のマージン分だけ自動運搬制御開始時の油圧ショベル１の方向へ旋回させた際のアーム９の先端の位置に相当する。つまり通過位置Ｐ５は、ブーム８とアーム９は目標角度で、旋回角度は制御目標旋回角度から所定のマージン分だけ制御開始方向に旋回させた際のアーム９の先端が通過する位置である。この所定のマージンは、例えば、平面視でベッセルとバケット１０が接触しないように定めても良い。通過位置Ｐ５をアーム９の先端が位置するときの旋回角度を、通過位置旋回角度とする。

換言すれば、通過位置Ｐ５は、例えば、アーム９が掘削位置Ｐ１から被積込機械２００への接触を回避しつつ放土位置Ｐ６に至るためにアーム６を通過させるべき高さ位置及び旋回位置を定めた仮想のポイントである。また、通過位置Ｐ５は、例えば、掘削位置Ｐ１及び放土位置Ｐ６（例えば掘削位置Ｐ１と放土位置Ｐ６との間の相対的な位置関係）、並びに被積込機械２００の位置に基づいて算出されることができる。また、通過位置Ｐ５は、例えば、フロント作業装置２の掘削位置Ｐ１での位置（例えば本実施例においてはアーム９の先端の位置）、フロント作業装置２の掘削位置Ｐ１及び放土位置Ｐ６での姿勢、被積込機械２００の外形形状、被積込機械２００上における既に積込まれていると掘削対象物の形状などを考慮して算出されることができる。

旋回動作予測部４４は、操作検出装置５２、姿勢演算部４１および積込目標位置演算部４３からの出力に基づいて、油圧ショベル１が自動で旋回動作を行う際の旋回動作の予測を行う。オペレータが運搬を指示した際の旋回角度（制御開始旋回角度）から通過位置Ｐ５で停止するとした場合に到達する旋回角度（通過位置旋回角度）までの動作の時刻歴を予測する。旋回が減速を開始する時刻Ｔ＿ｓｗｄｓを予測する時刻歴には、旋回動作を開始し旋回が加速する動作の予測と、通過位置旋回角度で停止するための減速する動作の予測とが含まれる。

加速する旋回動作の予測は、例えば、流量ｑに対する予測旋回角速度ωｓｗｐｒｅの関係を２次遅れ系で表す下記の（式１）で行うことができる。

ここで、上記の（式１）において、ｓはラプラス演算子、Ｋｓはゲイン、ωｎｓｗは固有角周波数、ζｎｓｗは減衰比を表す。

予測旋回角度θｓｗｐｒｅは、式１で算出される角速度を積分することで得られる。なお予測には、より詳細な油圧モデルを用いても良いし、実測した旋回角速度のデータを用いても良く、予測方法について限定しない。

旋回動作が減速し制御終了旋回角度で停止するための減速動作、すなわち、旋回動作が減速を開始してから停止するまでの旋回流れ角度θｓｗｄは、下記の（式２）で求めることができる。

ここで、上記の（式２）において、ωｓｗは旋回角速度、Ｄｌｉｍは、油圧ショベル１が旋回の減速において発生可能な減速度である。

上記の（式２）から、旋回流れ角度θｓｗｄと旋回角度θｓｗの和が通過位置旋回角度と等しくなった時に旋回動作が減速を開始することで、旋回動作が減速を開始するまでの時刻歴と、旋回動作を開始してから減速を開始する時刻を予測できる。なお、旋回動作が開始してから旋回動作が減速し始めるまでの予測時間をＴ＿ｓｗｄｓとする。

作業装置動作予測部４５は、操作検出装置５２、姿勢演算部４１および積込目標位置演算部４３からの出力に基づいて、油圧ショベル１が自動で運搬動作を行う際のフロント作業装置２の動作の予測を行う。フロント作業装置２の動作の予測は、旋回動作を開始した時点からの動作予測を行う。予測する時刻歴には、既に動作しているフロント作業装置２が旋回動作により減速する動作と、放土位置Ｐ６に至るために目標角度でブーム８及びアーム９を停止させるための減速動作の予測とが含まれる。これは、後述する制御フローにおいて、フロント作業装置２は旋回動作より先に動作を開始するため、旋回動作によってフロント作業装置２を駆動させるための作動油の供給量が減少し、フロント作業装置２の動作が減速する分を考慮するためである。

旋回動作によりフロント作業装置２が減速する分の予測は、例えば、流量ｑに対するシリンダ速度Ｖｃｙｌの関係を２次遅れ系で表す下記の（式３）で行うことができる。

ここで、上記の（式３）において、ｓはラプラス演算子、Ｋｆはゲイン、ωｎｆは固有角周波数、ζｎｆは減衰比を表す。

なお予測には、より詳細な油圧モデルを用いても良いし、あるいは，フロント作業装置２を単独で動作させた場合と、旋回動作と複合してフロント作業装置２を動作させた場合のシリンダ速度Ｖｃｙｌの関係を予め保持しておき、旋回動作による減速する分の予測に用いることもできる。

ブーム８及びアーム９の動作を減速させブーム８及びアーム９の目標角度で停止させるための減速動作も、旋回動作の減速と同様に予測することができる。つまり、ある特定の減速度で減速させた場合に停止するまでの角度の変化分と、予測のある時点での角度との和が、目標角度と等しくなった時に減速を開始することで、停止に至るまでの動作を予測できる。言い換えると、アーム９の先端が放土位置Ｐ６や通過位置Ｐ５に到達するまでのフロント動作の時刻歴と時刻を予測できる。なお、旋回動作が開始した時点からフロント動作が停止するまでの予測時間をＴ＿ｆｒとする。

掘削終了時の姿勢から、放土位置Ｐ６に至るまでに変化が必要なブーム８の角度とアーム９の角度とでは、ブーム８の角度の方が大きい場合が多い。そのため、作業装置動作予測部４５は、ブーム８の動作予測のみを行う構成としても良い。また、放土位置Ｐ６や通過位置Ｐ５に関しても、掘削終了時のアーム９の角度のまま、ブーム８の動作と旋回動作のみで被積込機械２００上に到達可能と判断されるのであれば、放土位置Ｐ６は被積込機械２００の中心に限る必要はない。その場合、作業装置動作予測部４５はブーム８の動作の予測のみを行えばよい。

動作判断部４６は、操作検出装置５２、旋回動作予測部４４及び作業装置動作予測部４５からの出力に基づいて、旋回動作を行うか否かを判断する。すなわち、動作判断部４６は、旋回動作予測部４４が予測した旋回開始から旋回が減速し始めるまでの予測時間Ｔ_ｓｗｄｓと、作業装置動作予測部４５が予測した、旋回を開始した時点から作業装置が停止に至るまでの予測時間Ｔ_ｆｒとから、旋回動作を行うか否かを判断する。

動作判断部４６は、Ｔ_ｓｗｄｓがＴ_ｆｒと等しいか、或いは、Ｔ_ｓｗｄｓがＴ_ｆｒよりも大きい、すなわちアーム９の先端がＰ６に到達するまでの高さとリーチに至ったと同時か、あるいは至った後に、仮に旋回動作が減速を開始すると通過位置旋回角度で停止すると予測される場合に、旋回動作を開始するよう判断する。

動作指令演算部４７は、動作判断部４６の判断結果に基づいて、電磁比例弁５１への指令を出力する。具体的には、動作指令演算部４７は、油圧ショベル１が掘削した土砂の被積込機械２００への運搬をオペレータが指示すると、電磁比例弁５１にフロント作業装置２の油圧アクチュエータを動作させるよう指令する。また、動作判断部４６が旋回動作を開始するよう判断した場合は、旋回動作をさせるよう電磁比例弁５１に指令する。油圧ショベル１のオペレータは、油圧ショベル１が掘削しバケット１０内に保持された土砂の被積込機械２００への運搬を、操作レバー２２上のスイッチ２４を操作することで指示する。

図６及び図７は、運搬動作における処理内容を示すフローチャートである。

図６及び図７において、制御装置４０の被積込機械位置演算部４２は、オペレータのスイッチ２４の操作による自動運搬動作の指示を操作検出装置５２が検出すると、まず、物体検出装置５４からの情報に基づいて、被積込機械２００の位置を演算する（ステップＳ１０１）。

続いて、積込目標位置演算部４３は、放土位置Ｐ６を演算する（ステップＳ１０２）。

続いて、積込目標位置演算部４３は、アーム９の先端が放土位置Ｐ６に到達するために必要なブーム８の目標角度θｂｍｔｇｔ及びアーム９の目標角度θａｍｔｇｔを演算する（ステップＳ１０３）。

続いて、積込目標位置演算部４３は、アーム９の先端が放土位置Ｐ６に到達するために必要な旋回角度である目標旋回角度θｓｗｔｇｔを演算する（ステップＳ１０４）。

続いて、積込目標位置演算部４３は、通過位置Ｐ５と通過位置旋回角度を演算する（ステップＳ１０５）。

続いて、姿勢演算部４１は、姿勢検出装置５３からの情報に基づいて、ブーム８及びアーム９の角度と角速度、旋回角度と角速度を演算する（ステップＳ１０６）。

続いて、ブーム８及びアーム９の角度が、目標角度に到達しているか否かを判定する（ステップＳ１０７）。

ステップＳ１０７での判定結果がＮＯの場合、すなわち、目標角度に到達していないと判定した場合には、続いて、動作指令演算部４７は、ブーム８及びアーム９の角度が目標角度に到達するように電磁比例弁５１に指示を出す（ステップＳ１０８）。

ステップＳ１０７での判定結果がＹＥＳの場合、又は、ステップＳ１０８の処理が終了した場合、すなわち、目標角度に到達した場合には、続いて、旋回動作が開始しているか否かを判定する（ステップＳ１０９）。なお、旋回動作が開始しているかの判定は、姿勢演算部４１による旋回角速度の算出結果を用いても良いし、旋回の動作指令が行われたかを記憶することによって判定しても良い。

ステップＳ１０９での判定結果がＮＯの場合、すなわち、旋回動作が開始していないと判定した場合には、続いて、旋回動作予測部４４は、アーム９の先端が通過位置Ｐ５に到達するまでの旋回動作の時刻歴を予測する（ステップＳ１１０）。この旋回動作の予測には、旋回動作の開始から旋回動作の減速の開始までが少なくとも含まれる。旋回動作が減速し始める時間を旋回動作の開始からＴ＿ｓｗｄｓとし記憶する。

続いて、作業装置動作予測部４５は、旋回が開始する時間を初期値として，アーム９の先端が放土位置Ｐ６や通過位置Ｐ５に到達するまでのブーム８及びアーム９の動作の時刻歴、言い換えるとブーム８及びアーム９が目標角度に到達するまでの時刻歴を予測する（ステップＳ１１１）。この作業装置の動作の予測の初期値には、ステップＳ１０６で取得したブーム８及びアーム９の角度及び角速度を用いることができる。目標角度に到達すると予測された時間をＴ＿ｆｒとし記憶する。

続いて、動作判断部４６は、Ｔ＿ｓｗｄｓとＴ＿ｆｒとを比較し、Ｔ＿ｓｗｄｓがＴ＿ｆｒ以上であるか否か、すなわち、ブーム８とアーム９が目標角度に到達し、それと同時かその後に旋回動作が減速を開始すると通過位置Ｐ５で旋回が停止すると予測されるかを判断する（ステップＳ１１２）。

ステップＳ１１２での判定結果がＮＯの場合、すなわち、Ｔ＿ｓｗｄｓがＴ＿ｆｒ以上ではない場合には、判定結果がＹＥＳとなるまでステップＳ１０６～Ｓ１１１の処理を繰り返す。なお、ステップＳ１１１において、ステップＳ１１２の判定結果がＮＯの場合に生じるステップＳ１０６～Ｓ１１１繰り返し処理の最中にブーム８やアーム９のどちらか一方が目標角度に到達した場合には、まだ到達していない方の動作の予測のみを行えばよい。

また、ステップＳ１１２での判定結果がＹＥＳの場合、すなわち、Ｔ＿ｓｗｄｓがＴ＿ｆｒ以上である場合には、続いて、動作指令演算部４７は、旋回動作を指令する（ステップＳ１１３）。

続いて、ステップＳ１０９での判定結果がＹＥＳの場合、又は、ステップＳ１１３での処理が終了した場合、すなわち、旋回動作を開始している場合には、続いて、旋回動作の減速を始めた場合に目標旋回角度に到達するか否かを判定する（ステップＳ１１４）。

ステップＳ１１４での判定結果がＹＥＳの場合、すなわち、目標旋回角度に到達すると判定した場合には、続いて、旋回停止指令を出力する（ステップＳ１１５）。

また、ステップＳ１１４での判定結果がＮＯの場合、又は、ステップＳ１１５での処理が終了した場合には、続いて、旋回角度、ブーム８の角度、アーム９の角度が目標角度に到達しているか否かを判定する（ステップＳ１１６）。

ステップＳ１１６での判定結果がＮＯの場合、すなわち、目標角度に到達していないと判定した場合には、ステップＳ１０５の処理に戻る。

また、ステップＳ１１６での判定結果がＹＥＳの場合には、自動運搬動作の処理を終了する。

以上のように構成した本実施の形態における動作を説明する。

図８及び図９に示すように、掘削位置Ｐ１における掘削終了時のバケット１０の状態を状態Ｓ１とする。この時点で、オペレータが自動運搬動作を指示する。状態Ｓ１から状態Ｓ２の間は、ブーム８とアーム９のみが動作する。このときの処理状態は、図６のフローチャートにおいて、ステップＳ１１２でＴ＿ｓｗｄｓはＴ＿ｆｒ以上とならないと判断されてステップＳ１０６～Ｓ１１１の処理を繰り返し行っている場合に相当する。そのため、ブーム８とアーム９の動作のみで状態Ｓ１から状態Ｓ２へ移動する。

状態Ｓ２において、図６のフローチャートのステップＳ１１２でＴ＿ｓｗｄｓはＴ＿ｆｒ以上であると判定されると、旋回動作が開始され（図６のステップＳ１１３参照）、旋回動作とブーム８とアーム９が同時に動き、バケット１０は状態Ｓ２から状態Ｓ３へ移動する。

状態Ｓ３は、ブーム８とアーム９の動作の両方が完了した状態である。このときの処理状態は、図６のフローチャートのステップＳ１０７において、ブーム８とアーム９の角度が目標角度に到達したと判定された場合相当する。状態Ｓ３では，旋回動作はまだ減速が開始されていない。

状態Ｓ４は，旋回動作が減速を開始する時点である。このときの処理状態は、図７のフローチャートのステップＳ１１４において、旋回動作を減速し始めると目標旋回角度に到達すると判定され、旋回停止指令が出力された場合に相当する（図７のステップＳ１１５参照）。

状態Ｓ５は，旋回動作が減速しつつ放土位置Ｐ６に到達するための目標旋回角度に対して、所定の旋回角度分だけマージンを持たせた位置である通過位置Ｐ５をアーム９の先端が通過している状況である。

最終的に旋回動作が停止することで状態Ｓ６に至り、旋回動作は停止し、アーム９の先端は放土位置Ｐ６で停止する。

以上のように構成した本実施の形態における作用効果を説明する。

従来技術においては、ブーム８やアーム９といったフロント作業装置２の動作に対して、旋回動作は停止指令を受けてからも停止までに時間を要する。そのため、被積込機械２００の近傍でフロント作業装置２の上昇動作を終えるような自動運搬動作とした場合には、自動運搬動作中に動作の停止を指示しても、被積込機械２００との干渉を避けるために、フロント作業装置２を動作させ続ける必要がある。しかしながら、このような動作では、オペレータによる操作と実際の動作が著しく乖離することが考えられ、オペレータが違和感を覚えることが懸念される。このため、従来技術においては、積込動作を途中で停止させる場合であっても、被積込機械とバケットとの干渉を防止するためにバケットの高さ方向への動作を継続させる必要がある。すなわち、オペレータによる操作と実際の動作が乖離することにより、オペレータが違和感を覚えることが懸念される。

これに対して本実施の形態においては、旋回動作及びフロント作業装置の動作の予測結果に基づいて、作業具が上昇動作のみを行った後に上部旋回体の旋回動作が開始されて、作業具が通過位置の高さ位置に到達するまで上昇及び旋回した後に、作業具が通過位置の旋回位置に到達するまで旋回のみを行って通過位置を通過するように、上部旋回体及びフロント作業装置の動作を制御するように構成したので、積込動作およびその途中停止時において、干渉防止を実現しつつ、オペレータの違和感を低減することができる。

すなわち、本実施の形態においては、状態Ｓ１から状態Ｓ２への遷移中に自動運搬動作の停止を指示した場合、まだ旋回動作を開始していないため、ブーム８やアーム９の動作を即座に停止しても被積込機械２００と干渉の虞はない。また、状態Ｓ２から状態Ｓ３への遷移中に自動運搬動作の停止を指示した場合、その位置から旋回停止をすれば、被積込機械２００より手前の通過位置Ｐ５か通過位置Ｐ５に至る前の旋回角度で停止可能であるため、ブーム８やアーム９の動作を即座に停止しても、被積込機械２００との干渉の虞はない。さらに、状態Ｓ３以降で自動運搬動作の停止を指示した場合、すでに被積込機械２００と干渉しない高さまでバケット１０は上昇しているため、干渉の虞はない。

また、本実施の形態によれば、旋回動作とフロント作業装置２の動作を組み合わせて行う運搬動作において、フロント作業装置２の動作が先行して実施されるため、オペレータは被積込機械２００との干渉を気にすることなく自動運搬動作を指令することができる。

なお、旋回動作予測部４４が予測する通過位置Ｐ５で停止する場合の旋回の減速度と、図７のフローチャートのステップＳ１１４での目標旋回角度で旋回動作を停止させるための減速の判断に用いる旋回の減速度は、等しくても良いし、通過位置Ｐ５で停止する場合の減速度を大きな減速度となるように異なる値としても良い。例えば、通過位置Ｐ５で停止させる場合の減速度は油圧ショベル１が生じ得る最大の減速度とし、目標旋回角度で停止させる場合の減速度は，最大の減速度より小さな減速度としても良い。この場合には、実際の旋回動作を減速させる際は相対的に減速度を小さくすることで、オペレータへの違和感を低減することができる。

また、本実施の形態においては、ブーム８やアーム９の角度を制御する場合を例示して説明したが、これに限られず、例えば、オペレータにより自動運搬制御が指示された時のバケット１０の対地角度を自動運搬制御が実行中には保持するように制御しても良いし、オペレータによるバケット１０の操作指示を受け付けるように制御しても良い。

＜第２の実施の形態＞
本発明の第２の実施の形態を図１０及び図１１を参照しつつ説明する。図中、他の実施の形態と同様の部材には同じ符号を付し、説明を省略する。

図１０は、制御装置の処理機能を関連構成とともに抜き出して示す機能ブロック図である。また、図１１は、運搬動作における処理内容を示すフローチャートの一部を抜き出して示す図である。

図１０において、油圧ショベル１は、運搬物情報取得装置５５を備えている。運搬物情報取得装置５５は、バケット１０に格納された運搬物（例えば、掘削された土砂）の質量を算出するものである。制御装置の４０は、旋回動作予測部４４や作業装置動作予測部４５において、運搬物情報取得装置５５で得られた情報を用いて予測を行う。

図１１に示すフローチャートの図７に示すフローチャートとの相違点は、Ｓ１０６の処理の前に、バケット１０内の運搬物情報を取得する処理（ステップＳ２００）が追加されている点である。ステップＳ２００のように、バケット１０内の運搬物情報を用いることで、制御装置４０の旋回動作予測部４４や作業装置動作予測部４５はより精度の高い動作予測を行うことが可能となる。

その他の構成は第１の実施の形態と同様である。

以上のように構成した本実施の形態においても第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

また、制御装置４０はより精度の高い動作予測を行うことが可能となる。

＜付記＞
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内の様々な変形例や組み合わせが含まれる。また、本発明は、上記の実施の形態で説明した全ての構成を備えるものに限定されず、その構成の一部を削除したものも含まれる。また、上記の各構成、機能等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等により実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。

１…油圧ショベル、２…フロント作業装置、３…機械本体、４…走行油圧モータ、５…下部走行体、６…旋回油圧モータ、７…上部旋回体、８…ブーム、８ａ…ブームピン、９…アーム、９ａ…アームピン、１０…バケット、１０ａ…バケットピン、１１…ブームシリンダ、１２…アームシリンダ、１３…バケットシリンダ、１４…ブーム角度センサ、１５…アーム角度センサ、１６…バケットリンク、１７…バケット角度センサ、１８…傾斜角センサ、１９…旋回角度センサ、２０…角速度センサ、２２，２３…操作レバー、２４…スイッチ、４０…制御装置、４１…姿勢演算部、４２…被積込機械位置演算部、４３…積込目標位置演算部、４４…旋回動作予測部、４５…作業装置動作予測部、４６…動作判断部、４７…動作指令演算部、５１…電磁比例弁、５２…操作検出装置、５３…姿勢検出装置、５４…物体検出装置、５５…運搬物情報取得装置、７１…運転室、１００…パイロットライン、１０１…流量制御弁、１０２…油圧ポンプ、１０３…エンジン、１０４…パイロットポンプ、１２０…旋回中心、２００…被積込機械（ダンプトラック）

Claims (4)

1. 下部走行体と、
   前記下部走行体上に旋回可能に取り付けられた上部旋回体と、
   前記上部旋回体に取り付けられた、ブーム、アーム及び作業具を有する多関節型のフロント作業装置と、
   前記上部旋回体及び前記フロント作業装置の姿勢を検出する姿勢検出装置と、
   前記フロント作業装置で掘削した掘削対象物を積み込んで運搬する被積込機械の位置を検出する被積込機械位置検出装置と、
   掘削対象物の掘削位置及び前記掘削対象物の前記被積込機械への放土位置に関する情報に応じて、前記掘削対象物を前記被積込機械に積み込む積込動作に係る前記上部旋回体及び前記フロント作業装置の動作の少なくとも一部の動作を制御する制御装置とを備えた作業機械において、
   前記制御装置は、
   前記掘削位置、前記放土位置、及び前記被積込機械の位置に基づいて、前記積込動作において、前記作業具が前記掘削位置から前記被積込機械への接触を回避しつつ前記放土位置に至るために前記作業具を通過させる通過位置の鉛直方向の位置である高さ位置及び旋回方向の位置である旋回位置を演算し、
   前記作業具が上昇動作のみを行った後に前記上部旋回体の旋回動作が開始されて、前記作業具が前記通過位置の前記高さ位置に到達するまで上昇及び旋回した後に、前記作業具が前記通過位置の前記旋回位置に到達するまで旋回のみを行って前記通過位置を通過するように、前記上部旋回体及び前記フロント作業装置の動作を制御することを特徴とする作業機械。
2. 請求項１記載の作業機械において、
   前記制御装置は、
   前記作業具が最も早い速度で上昇動作を行う場合における前記作業具が上昇を開始してから前記通過位置の前記高さ位置に到達するまでの所要時間と、前記上部旋回体が最も速い速度で旋回する場合における前記上部旋回体が減速を開始してから停止に至るまでの所要時間とを予測し、
   前記所要時間に応じて、前記作業具が上昇する場合において前記上部旋回体及び前記フロント作業装置の自動制御を中断する信号を受信することによって前記作業具の上昇動作及び前記上部旋回体の旋回動作が停止し始めた場合に、前記作業具が前記通過位置の旋回位置に到達しない旋回位置で停止するように、制御することを特徴とする作業機械。
3. 請求項１記載の作業機械において、
   前記制御装置は、前記上部旋回体が減速を開始してから停止に至るまでの所要時間の予測に用いる前記上部旋回体の減速度として、前記上部旋回体が減速を開始してから前記放土位置で停止する際の減速度よりも大きい減速度を用いることを特徴とする作業機械。
4. 請求項１記載の作業機械において、
   前記制御装置は、前記作業具が保持する運搬物の情報を用いて、前記上部旋回体と、前記フロント作業装置の動作の予測を行うことを特徴とする作業機械。