CN118007728A - 施工机械及信息处理装置 - Google Patents

Abstract

一种施工机械及信息处理装置，适当地对施工机械进行动作控制。挖土机(100)具备：车身(BD)，具有附属装置(AT)等工作要件；及控制器(30)，根据工作效率、能量消耗效率及金属疲劳损伤之间的优先程度来控制车身(BD)的动作。由此，除了工作效率和能量消耗效率以外，还能够考虑金属疲劳损伤，对挖土机(100)进行动作控制。因此，能够适当地对挖土机(100)进行动作控制。

Description

施工机械及信息处理装置

本申请主张基于2022年11月9日申请的日本专利申请第2022-179194号的优先权。该日本申请的全部内容通过参考援用于本说明书中。

技术领域

本发明涉及一种施工机械及信息处理装置。

背景技术

在专利文献1中记载了一种技术，其中，在挖土机等施工机械中，在通过设备控制功能自动进行挖掘动作的情况下，考虑工作效率与能量消耗效率之间的优先程度，设定铲斗的目标轨道。

专利文献1：日本特开2022-154722号公报

若在施工机械的动作控制中能够考虑金属疲劳损伤，则更有效。

发明内容

本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于适当地对施工机械进行动作控制。

本发明所涉及的施工机械具备：

机械主体，具有工作要件；及

控制部，根据工作效率、能量消耗效率及金属疲劳损伤之间的优先程度来控制所述机械主体的动作。

发明效果

根据本发明，能够适当地对施工机械进行动作控制。

附图说明

图1是本实施方式所涉及的挖土机的侧视图。

图2是本实施方式所涉及的挖土机的俯视图。

图3是表示本实施方式所涉及的挖土机的概略的控制结构的框图。

图4是表示本实施方式所涉及的动作控制处理的流程的流程图。

图5是表示本实施方式所涉及的动作控制处理中的显示装置的显示例的图。

图6是表示本实施方式所涉及的动作控制处理中的显示装置的显示例的图。

图中：100-挖土机(施工机械)，1-下部行走体，2-回转机构，3-上部回转体，4-动臂，5-斗杆，6-铲斗，30-控制器(控制部)，35-存储部，50-显示装置(显示单元)，51-设定画面，52-滑块，52a-第1滑块，52b-第2滑块，52c-第3滑块，55-实时显示画面，56-动作点，200-管理装置，300-终端装置(信息处理装置)，AT-附属装置(工作要件)，BD-车身(机械主体)。

具体实施方式

以下，参考附图，对本发明的实施方式详细地进行说明。

[挖土机的结构]

图1及图2是本实施方式所涉及的挖土机100的侧视图及俯视图。

如这些图所示，本实施方式所涉及的挖土机100为本发明所涉及的施工机械的一例，且具备：下部行走体1；上部回转体3，经由回转机构2回转自如地搭载于下部行走体1；附属装置AT，用于进行各种作业；及驾驶室10。

以下，在沿着上部回转体3的回转轴从正上方平面视(俯视)观察挖土机100时，挖土机100(上部回转体3)的前方与附属装置相对于上部回转体3延伸的方向对应。并且，挖土机100(上部回转体3)的左方及右方分别与从就坐于驾驶室10内的操作员座的操作者观察的左方及右方对应。

并且，以下，有时将下部行走体1、回转机构2、上部回转体3及附属装置AT称为挖土机100的车身BD(机械主体的一例)。

下部行走体1例如包括左右一对履带1C。下部行走体1通过各履带1C由行走液压马达液压驱动而使挖土机100行走。

上部回转体3通过回转机构2由回转液压马达液压驱动而相对于下部行走体1进行回转。

附属装置AT(工作要件的一例)包括动臂4、斗杆5及铲斗6。

动臂4以能够俯仰的方式安装于上部回转体3的前部中央，在动臂4的前端以能够上下转动的方式安装有斗杆5，在斗杆5的前端以能够上下转动的方式安装有铲斗6。

动臂4、斗杆5及铲斗6分别由作为液压致动器的动臂缸7、斗杆缸8及铲斗缸9液压驱动。

铲斗6是端接附属装置的一例。铲斗6例如用于挖掘作业等。并且，在斗杆5的前端，根据作业内容等，可以安装其他端接附属装置来代替铲斗6。其他端接附属装置例如可以是大型铲斗、斜坡用铲斗、疏浚用铲斗等其他类型的铲斗。并且，其他端接附属装置可以是搅拌机、破碎机、抓斗等除了铲斗以外类型的端接附属装置。

驾驶室10为供操作者搭乘的座舱，例如搭载于上部回转体3的前部左侧。挖土机100根据搭乘于驾驶室10的操作者的操作而使致动器进行动作，驱动下部行走体1、上部回转体3、动臂4、斗杆5及铲斗6等被驱动要件。

另外，挖土机100可以是电驱动下部行走体1、上部回转体3、动臂4、斗杆5及铲斗6等被驱动要件的至少一部分的结构。即，挖土机100可以是被驱动要件的一部分由电动致动器驱动的混合式挖土机或电动挖土机等。

并且，挖土机100可以代替构成为能够由驾驶室10的操作者进行操作(或除此以外)而构成为能够从挖土机100的外部(例如，后述管理装置200或终端装置300)进行远程操作(遥控操作)。在挖土机100被远程操作的情况下，驾驶室10的内部可以为无人状态。

以下，在操作者的操作中包括由驾驶室10的操作者对操作装置45进行的操作及由外部的操作者进行的远程操作中的至少一种。

并且，挖土机100可以不依赖于操作员的操作的内容而自动使致动器动作。由此，挖土机100实现使下部行走体1、上部回转体3、动臂4、斗杆5及铲斗6等被驱动要件中的至少一部分自动进行动作的功能，即，所谓的“自动运行功能”或“设备控制功能”。

在自动运行功能中可以包括根据操作者对操作装置45的操作或远程操作而使除了操作对象的被驱动要件(致动器)以外的被驱动要件自动进行动作的功能，即，所谓的“半自动运行功能”或“操作辅助型设备控制功能”。并且，在自动运行功能中可以包括在没有操作者对操作装置45的操作或远程操作的前提下使多个被驱动要件中的至少一部分自动进行动作的功能，即，所谓的“全自动运行功能”或“全自动型设备控制功能”)。在挖土机100中，在全自动运行功能有效的情况下，驾驶室10的内部可以是无人状态。并且，在半自动运行功能或全自动运行功能等中可以包括按照预先规定的规则自动确定自动运行的对象的被驱动要件的动作内容的方式。并且，在半自动运行功能或全自动运行功能等中可以包括挖土机100自主地进行各种判断，并根据其判断结果，自主地确定自动运行的对象的被驱动要件(液压致动器)的动作内容的方式(所谓的“自主运行功能”)。

图3是表示挖土机100的概略的控制结构的框图。

如该图所示，挖土机100除了上述结构以外，还具备摄像装置40、距离传感器41、动作/姿势状态传感器42、位置传感器43、方位传感器44、操作装置45、显示装置50、声音输出装置60、通信设备80及控制器30。

摄像装置40对挖土机100的周边进行拍摄并将该图像输出到控制器30。摄像装置40例如包括对挖土机100的后方进行拍摄的后方摄像机、对左方进行拍摄的左方摄像机、对右方进行拍摄的右方摄像机。各摄像装置40以光轴朝向倾斜下方的方式设置，并具有包括从挖土机100附近的地面到挖土机100的远方为止的上下方向的摄像范围(视场角)。

距离传感器41为测定到挖土机100的周边物体的距离并获取该信息(二维或三维的距离信息)的测距单元，将所获取的信息输出到控制器30。距离传感器41例如与摄像装置40对应地设置成能够测量挖土机100的后方、左方、右方这3个方向。

动作/姿势状态传感器42为检测挖土机100的动作状态或姿势状态的传感器，将检测结果输出到控制器30。动作/姿势状态传感器42包括动臂角度传感器、斗杆角度传感器、铲斗角度传感器、三轴惯性传感器(IMU：Inertial Measurement Unit：惯性测量单元)、回转角度传感器及加速度传感器。

这些传感器可以由动臂等缸体的冲程传感器、回转式编码器等获取旋转信息的传感器构成，也可以被由IMU获取的加速度(可以包括速度、位置)代替。

斗杆角度传感器检测以动臂4为基准的斗杆5的转动角度(以下，称为“斗杆角度”)。

铲斗角度传感器检测以斗杆5为基准的铲斗6的转动角度(以下，称为“铲斗角度”)。

IMU分别安装于动臂4及斗杆5，检测动臂4及斗杆5沿着规定的三个轴的加速度、以及动臂4及斗杆5围绕规定的三个轴的角加速度。

回转角度传感器检测上部回转体3的以规定的角度方向为基准的回转角度。但是，并不限于此，也可以根据设置于上部回转体3的GPS或IMU传感器来检测回转角度。

加速度传感器安装于与上部回转体3的回转轴分开的位置，检测上部回转体3在该位置处的加速度。由此，根据加速度传感器的检测结果，能够判别上部回转体3是否正在回转、或者下部行走体1是否正在行走等。

位置传感器43为获取挖土机100的位置(当前位置)的信息的传感器，在本实施方式中为GPS(Global Positioning System：全球定位系统)接收机。位置传感器43从GPS卫星接收包含挖土机100的位置的信息的GPS信号，并将所获取的挖土机100的位置信息输出到控制器30。另外，位置传感器43只要能够获取挖土机100的位置的信息，则可以不是GPS接收机，例如也可以利用除了GPS以外的卫星定位系统。

方位传感器44为获取挖土机100所朝向的方位(方向)的信息的传感器，例如为地磁传感器。方位传感器44获取挖土机100的方位信息，并输出到控制器30。另外，方位传感器44只要能够获取挖土机100的方位信息即可，该传感器种类等并无特别限定。例如可以设置2个GPS接收机，根据其位置信息的差异来获取方位信息。

操作装置45设置于驾驶室10的操作员座附近，且为操作者进行各被驱动要件(下部行走体1、上部回转体3、动臂4、斗杆5及铲斗6等)的操作的操作单元。换句话说，操作装置45为进行驱动各被驱动要件的每个液压致动器的操作的操作单元。操作装置45例如包括操纵杆或踏板、各种按钮等，将与它们的操作内容相对应的操作信号输出到控制器30。

并且，操作装置45也是进行摄像装置40、距离传感器41、动作/姿势状态传感器42、位置传感器43、方位传感器44、显示装置50、声音输出装置60、通信设备80等的操作的操作单元，将针对这些各部的操作指示输出到控制器30。

显示装置50设置于驾驶室10内的操作员座的周边，在基于控制器30的控制下，显示通知操作者的各种图像信息。显示装置50例如为液晶显示器或有机EL(Electroluminescence：电致发光)显示器，也可以是兼作操作装置45的至少一部分的触控面板式。

声音输出装置60设置于驾驶室10内的操作员座的周边，在基于控制器30的控制下，输出通知操作者的各种声音信息。声音输出装置60例如为扬声器或蜂鸣器等。

通信设备80为根据规定的无线通信规格通过规定的通信网络NW与远程外部设备或其他挖土机100等收发各种信息的通信器件。在通信网络NW中例如可以包括以基站作为终端的移动体通信网、利用上空的通信卫星的卫星通信网、遵照无线网络(WiFi)或蓝牙(注册商标)等协议的近距离通信网、互联网通信网等。

控制器30为控制挖土机100各部的动作并进行挖土机100的驱动控制的控制装置。控制器30搭载于驾驶室10内。控制器30的功能可以由任意硬件、软件或其组合实现，例如以包括CPU、RAM、ROM、I/O等的微型计算机为中心构成。控制器30除了这些以外，还可以构成为包括例如FPGA或ASIC等。

并且，控制器30包括EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-OnlyMemory：电可擦除可编程只读存储器)等内部存储器中所规定的作为存储区域的存储部35。

存储部35除了存储用于使挖土机100的各部进行动作的各种程序或各种数据等以外，还作为控制器30的作业区域发挥作用。本实施方式的存储部35预先存储有执行后述动作控制处理的程序。

并且，挖土机100能够通过规定的通信网NW与管理装置200及终端装置300相互进行通信。

管理装置200配置于与挖土机100及携带终端装置300的用户等在地理上分开的位置。管理装置200例如设置于在挖土机100进行作业的作业现场外设置的管理中心等，且为以一个或多个服务器计算机等为中心而构成的服务器装置。此时，服务器装置可以是由应用系统的运营商或与该运营商相关的相关运营商所运营的本公司服务器，也可以是租用服务器。并且，该服务器装置可以是所谓的云服务器。并且，管理装置200可以是配置于挖土机100的作业现场内的管理办公室等的服务器装置(所谓的边缘服务器)，也可以是固定式或便携式的通用计算机终端。

如上所述，管理装置200能够通过通信网NW分别与挖土机100及终端装置300相互进行通信。由此，管理装置200能够接收从挖土机100上传的各种信息并进行存储(累积)。并且，管理装置200能够根据来自终端装置300的请求，向终端装置300发送各种信息。并且，管理装置200将与多个挖土机100有关的信息和各挖土机100的ID信息建立对应关联等而进行了管理(存储)，以能够按每个挖土机100进行识别。另外，管理装置200可以是能够远程操作挖土机100。

终端装置300(信息处理装置的一例)为用户所利用的用户终端。用户例如可以包括作业现场的监督者、管理者、挖土机100的操作者、挖土机100的管理者、挖土机100的机修师、挖土机100的开发者等。终端装置300可以是能够远程操作挖土机100。终端装置300例如是用户所携带的膝上型计算机终端、平板终端、智能手机等通用的便携式终端。并且，终端装置300可以是台式计算机等固定式通用终端。并且，终端装置300可以是用于接受信息的提供的专用终端(便携式终端或固定式终端)。

并且，终端装置300能够通过通信网NW与管理装置200相互进行通信。由此，终端装置300能够接收从管理装置200发送的信息，并通过搭载于其上的显示装置向用户提供信息。并且，终端装置300可以构成为能够通过通信网络NW与挖土机100相互进行通信。

[动作控制处理]

接着，对控制挖土机100的动作的动作控制处理进行说明。

图4是表示动作控制处理的流程的流程图。图5及图6是表示动作控制处理中的显示装置50的显示例的图。

动作控制处理为根据操作者所设定的条件来控制挖土机100的动作的处理。动作控制处理例如通过控制器30根据操作者的操作来展开存储于存储部35的规定的程序来执行。

在此，作为挖土机100所进行的动作，设为自律地执行基于全自动型设备控制功能的规定的动作(例如挖掘动作)。

设备控制功能为一直以来公知的技术(例如，参考日本特开2022-154722号公报等)，因此省略详细说明，以下简单地进行说明。

例如，在操作者手动进行地面的挖掘操作或平整操作等的情况下，控制器30使动臂4、斗杆5及铲斗6中的至少一个自动进行动作，以使目标施工面与在附属装置AT的前端部、具体而言为铲斗6的作业部位设定的成为控制基准的位置(以下，简称为“控制基准”)一致。控制基准例如可以包括构成作为铲斗6的作业部位的铲尖的平面或曲面、在该平面或曲面上规定的线段、在该平面或曲面上规定的点等。并且，控制基准中例如可以包括构成作为铲斗6的作业部位的背面的平面或曲面、在该平面或曲面上规定的线段、在该平面或曲面上规定的点等。

具体而言，若操作者进行规定的斗杆操作，则控制器30根据由操作者进行的斗杆5的操作，使动臂4、斗杆5及铲斗6自动进行动作，以使目标施工面与铲斗6的控制基准一致。由此，操作者能够通过简单的操作，使挖土机100执行沿着目标施工面的挖掘作业或平整作业等。

铲斗6的作业部位例如可以根据由操作者等进行的设定输入来设定，也可以根据挖土机100的作业内容来自动设定。具体而言，关于铲斗6的作业部位，在挖土机100的作业内容为挖掘作业等的情况下，可以设定在铲斗6的铲尖，在挖土机100的作业内容为平整作业或碾压作业等的情况下，可以设定在铲斗6的背面。此时，挖土机100的作业内容可以根据摄像装置40的摄像图像等来自动判定，也可以通过操作者等进行选择或输入来设定。

如图4所示，若执行动作控制处理，则首先控制器30根据操作者的操作，设定工作效率、能量消耗效率(在本实施方式中为油耗率)及金属疲劳损伤之间的优先级(优先程度)(步骤S1)。

工作效率例如相当于挖土机100完成规定的单位作业所需的作业时间。能量消耗效率例如相当于发动机11的燃料消耗率(油耗率)。金属疲劳损伤(以下，简称为“疲劳损伤”。)为在挖土机100的构成要件持续(或重复)受到机械应力的情况下累积的强度的降低程度。另外，不仅可以包括金属，也可以包括树脂或陶瓷等的疲劳损伤。

具体而言，例如，如图5所示，控制器30使显示装置50显示设定3个参数(工作效率、能量消耗效率(油耗率)、疲劳损伤)之间的优先级的设定画面51。然后，控制器30根据操作者对设定画面51的设定操作，设定3个参数之间的优先级。在图5的例子中，在设定画面51中显示接受操作者的操作的3个滑块52。3个滑块52为设定疲劳损伤与油耗率之间的优先级的第1滑块52a、设定工作效率与油耗率之间的优先级的第2滑块52b、设定疲劳损伤与工作效率之间的优先级的第3滑块52c。

但是，3个参数不是相互独立的，若设定其中的1个或2个，则确定剩余的参数。例如，在工作效率与油耗率之间成立权衡关系。并且，结构物的疲劳强度具有变动荷载越小则疲劳损伤越不易积存的特性。例如，与以10次挖掘10t沙土相比，以20次挖掘能够减小总疲劳损伤。但是，认为工作效率或油耗率会变差。另外，3个参数之间的各优先级能够设定极限值(上限或下限)。

接着，控制器30根据在步骤S1中设定的优先级，控制车身BD的动作(步骤S2)。

在此，车身BD的动作包括挖掘动作、行走动作、冲击动作(G动作)。其中，“挖掘动作”是指“挖掘、提升、回转、排土”这一系列的动作。“冲击动作”是指从稍高的位置落下等、冲击作用于车身BD的动作(挖掘动作及行走动作除外)。

在该步骤中，控制器30根据3个参数之间的优先级，确定挖土机100的动作内容。然后，控制器30通过设备控制功能来控制挖土机100的动作，以实现该动作内容。例如，控制器30在挖土机100进行挖掘时，根据3个参数之间的相对的优先级，设定铲斗6的作业部位的目标轨道及铲斗6相对于基准面(例如，地面)的姿势角度等。然后，控制器30沿着所设定的铲斗6的目标轨道及铲斗6相对于地面的姿势角度等，控制附属装置AT的动作等。

此时，疲劳损伤根据动作而累积的疲劳部位不同。例如，挖掘动作时的主要疲劳部位为附属装置AT，行走动作及冲击动作时的主要疲劳部位为下部行走体1。控制器30对于与动作建立对应关联的、疲劳累积最多的疲劳部位，计算并求出由该动作引起的疲劳损伤。但是，也可以追加除了疲劳累积最多的疲劳部位以外的部位的疲劳损伤。具体的疲劳损伤的计算方法能够使用一直以来公知的方法。

在执行步骤S2中的动作控制时，控制器30实时显示与3个参数(工作效率、油耗率、疲劳损伤)有关的当前的作业状态(步骤S3)。

具体而言，例如，如图6所示，控制器30使显示装置50显示实时显示画面55，该实时显示画面55显示与3个参数有关的挖土机100的动作点56(与上述优先级对应的点)。在图6的例子中，在油耗率和工作效率良好但是疲劳损伤大的状态下进行了作业。操作者确认实时显示画面55，并根据需要调整3个参数之间的优先级。

接着，控制器30判定是否结束动作控制处理(步骤S4)，在判定为不结束的情况下(步骤S4；“否”)，重复进行该步骤S4。

然后，例如在由于挖掘作业完成等而判定为结束动作控制处理的情况下(步骤S4；“是”)，控制器30结束动作控制处理。

[本实施方式的技术效果]

如上所述，根据本实施方式，根据工作效率、能量消耗效率及金属疲劳损伤之间的优先程度，控制具有附属装置AT的车身BD的动作。

由此，除了工作效率和能量消耗效率以外，还能够考虑金属疲劳损伤，对挖土机100进行动作控制。因此，能够适当地对挖土机100进行动作控制。

并且，根据本实施方式，在控制车身BD的动作的情况下，将当前的动作状态下的工作效率、油耗率及疲劳损伤之间的优先程度(动作点56)显示于显示装置50。

由此，操作者能够掌握与3个参数(工作效率、油耗率、疲劳损伤)有关的当前的作业状态，并能够根据需要来对其进行调整。

[其他]

以上，对本发明的实施方式进行了说明，但是本发明并不限于上述实施方式或其变形例。

例如，在上述实施方式中，根据3个参数之间的优先级，控制基于设备控制功能的规定的动作。但是，成为控制对象的挖土机100的动作不限定于基于设备控制功能等的全自动运行功能，包括所谓的半自动运行功能或(以实现所设定的优先级的方式)補助由操作者进行的手动运行的动作控制。

并且，在上述实施方式中，3个参数之间的优先级根据操作者的操作(影响优先级的值的操作)来设定。但是，该优先级例如可以由控制器30根据挖土机100的状态等自动设定。

或者，也可以不是由搭乘在挖土机100的操作者而是操作终端装置300的用户设定3个参数之间的优先级。

并且，本发明所涉及的施工机械不限定于挖土机，能够适当地应用于具有工作要件的施工机械整体。

此外，在实施方式中示出的详细结构能够在不脱离发明的主旨的范围内适当地变更。

Claims (7)

1.一种施工机械，其具备：

机械主体，具有工作要件；及

控制部，根据工作效率、能量消耗效率及金属疲劳损伤之间的优先程度来控制所述机械主体的动作。

2.根据权利要求1所述的施工机械，其中，

所述控制部根据用户操作来设定所述工作效率、所述能量消耗效率及所述金属疲劳损伤之间的优先程度。

3.根据权利要求1所述的施工机械，其中，

所述控制部计算与所述机械主体的动作对应的部位的值作为所述金属疲劳损伤。

4.根据权利要求1所述的施工机械，其中，

所述控制部在控制所述机械主体的动作的情况下，使显示单元显示当前的动作状态下的所述工作效率、所述能量消耗效率及所述金属疲劳损伤之间的优先程度。

5.根据权利要求1所述的施工机械，其中，

所述机械主体包括所述工作要件和行走体，

所述机械主体的动作包括作业动作、行走动作及冲击动作。

6.根据权利要求1所述的施工机械，其中，

所述工作要件为包括动臂、斗杆及铲斗的附属装置。

7.一种信息处理装置，其为能够与权利要求1所述的施工机械进行通信的信息处理装置，其中，

根据用户操作来设定所述工作效率、所述能量消耗效率及所述金属疲劳损伤之间的优先程度。