JP2001323517A - 掘削機械のバケット内に取り込まれた材料の容積を推測するためのシステムならびに方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】掘削作業の間に掘削現場に設置される掘削機械
の作業器具をモニタするための方法を提供する。 【解決手段】材料を収容するためのバケットを備えるも
のにおいて、掘削現場の地形図を使用し、そしていかな
る時点にバケットが所要の収容量になったかを決定すべ
く、バケットの実際の軌道と掘削現場の地形とに応じて
バケットに収容された材料の量を推定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、一般的に掘削機械
のバケット内に収容された材料の量を推定するためのシ
ステムならびに方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】流体作動機械、穴掘り機、バックホーお
よびフロントショベルのような土木あるいは掘削機械
は、一般に建設、鉱山および掘削の領域で使用されてい
る。これらの掘削機械はブーム、スティックおよびバケ
ットリンクからなる作業器具を持つ。ブームは、その一
端で掘削機械に旋回可能に取りつけられそしてその他端
はスティックの自由端に旋回可能に取りつけられてい
る。各器具のリンクは、動作のため少なくとも１つの流
体シリンダにより操作される。作業器具は、完全な掘削
作業のサイクルを構成している一連の異なる動作を実行
するために操作される。特に代表的な掘削作業、即ち動
作サイクルは、大型の流体機械を用い、バケットを土の
ような材料で満たし、材料を収容したバケットをトラッ
クやコンベアベルトに運び、材料をトラックの荷台また
はベルト上に投下する工程からなっている。

【０００３】ある状況では、穴掘りないし掘削機械に付
属するバケットが、機械の効率を高いレベルに保つため
に、満杯であることを確認できると有利である。例え
ば、もしバケットが満杯ならば、地面を通るバケットの
いかなる付加的な動きも時間とエネルギーを無駄にし、
その結果機械の効率を低下することとなる。また、もし
バケットが満杯でないとしたなら、より一層の掘削作業
が要求されるので効率を低下させることになる。他の状
況において、特別な掘削機械の構造ないしは向きのため
に、機械のオペレータが、バケットが満杯になったのを
見ることができないこともある。この場合、バケットが
所望の収容量になったときにある表示をなし、もってオ
ペレータが掘削工程を終了すべきことを知れるようにす
るのが望ましい。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従って本発明の課題
は、上記の１つないしはそれ以上の問題点を解決するこ
とにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この課題は本発明によれ
ば請求項１，７，１４に記載の方法により解決される。
より具体的な解決手段は、これら請求項の従属請求項に
示されている。

【０００６】本発明の１つの実施例は掘削作業サイクル
の間に掘削現場に設置される掘削機械の作業器具をモニ
タするための方法であり、上記の作業器具は材料を収容
するためのバケットを含んでいる。この方法は、掘削現
場の地形の画像を使用し、そしていかなる時点にバケッ
トが所要の容量になったかを決定すべくバケットの実際
の軌道と掘削現場の形状に応じてバケットに収容された
材料の量を推定する工程を含んでいる。

【０００７】本発明の他の実施例は掘削作業サイクルの
間に掘削現場に設置される掘削機械の作業器具をモニタ
するための方法であり、上記の作業器具はバケットを含
んでいる。この方法は作業器具の動作開始に先立って、
掘削すべき掘削現場の地形図を作成し、バケットの取り
込み容量を実際のバケットの軌跡と掘削現場の形状によ
り推測する工程を含んでいる。

【０００８】本発明のさらに他の実施例は掘削作業サイ
クルの間に掘削現場に設置される掘削機械の作業器具を
モニタするための方法であり、上記の作業器具はバケッ
トを含んでいる。この方法は初期の掘削現場の地形図を
作成し、作業器具の位置を決定し、そしてバケットがい
つ所望の容量に達したかを判定するために、バケットに
収容された材料の容量を推定する工程を含んでいる。

【０００９】

【発明の実施の形態】図を参照するに、図１および図２
は作業現場２０における土塊１８から材料１６を掘削す
るために使用されるバケット１４を備えた作業器具１２
の一部を示す。作業器具１２は、掘削機械２２により制
御されるか、該機械の一部をなす。掘削機械２２はセン
サシステム２４を装備しており、該センサは１個あるい
は複数個の、レーザあるいはレーダのようなスキャニン
グレンジファインダから成っており、作業現場２０にお
いて掘削作業を実行するに先立って土塊１８の形状に関
する情報を提供するために使用される。センサシステム
２４は、掘削機械２２の一部として示されているが、掘
削機械２２から分離したセンサシステム２４を設けるこ
とも可能である。

【００１０】図１および２に示すバケット１４は、土面
１８を通って動く。バケット１４が動くと、バケット１
４の先端上の全ての土ないし材料１６は土面１８から切
り取られそしてバケット１４内の収容物に加わる。材料
１６の掘削に先立って、センサシステム２４が土面１８
の形態を判定するために使用される。バケット１４が土
ないし材料１６を通過すると、バケット１４の先端によ
り掻き取られた体積が連続的に計算されあるいは推定さ
れる。この過程は次の工程ないし方法により行われる。
作業器具１２が掘削ストロークの間に移動すると、土面
１８の推定された形状に対するバケット１４の位置なら
びに向きが、運動学的な変換により計算される。バケッ
ト１４の軌跡と土面１８との交点は、掘削時に移動せし
められる土ないし材料の量を決定すべく計算される。一
度バケット１４が所望の収容量に達した、例えばバケッ
ト１４が満杯になったと判定されると、掘削機械２２は
掘削を停止しそして収容した材料を移動させる。図１お
よび２において、領域２６，２８のハッチングを付した
部分ないし領域は、それぞれ移動されたと推定される土
を示す。

【００１１】図３には、本発明の方法のブロック図が示
されている。この方法は第１工程８０で開始し、土面１
８の形状を判定すべくセンサシステム２４が作業現場２
０をスキャンするために使用される第２工程８２に続
く。一度、掘削すべき土面１８の形態についての地形図
を製作する工程を含んで、土塊１８の形状が製作される
と、工程８４に示すように地面にバケット１４が押し込
まれる。工程８２において、測定データを土塊１８の形
態の地形図に変換することも可能である。高さの視野を
描写するための２次元アレイを使用することもできる。
工程８６により示すとおり、作業器具１２が、掘削行程
の間に土塊１８の推定された形態に関連してバケット１
４の位置と向きとが運動学的な変換を経て計算される。
バケット１４の軌跡が土面１８と交差することにより、
掘削の間に移動された土ないし材料１６の量を計算すべ
く三次元（３Ｄ）積分を使用する。一例としてガウシア
ン二次積分（Gaussian quadrature integration）が
体積を計算するために使用可能である。この方法におい
て、バケット１４内の材料の体積を推定しあるいは計算
することが可能である。

【００１２】掘削工程が完了したと判定されると、掻き
取り物の積載工程８８が実行されそして掻き取り物がそ
れから積載物投下工程９０により、例えばトラック内に
投下される。一度積載物が投下されると、この方法は掘
削への戻り工程９２に見られるように、掘削に戻る。

【００１３】かかる方法は、充分な量の材料をバケット
１４で掘削しならびに過剰でない土ないし材料１６を掘
削することを保証する。なぜならあらゆるバケットが有
限の容積を有しているからである。掘削される体積の大
きさは、自動制御のような、現存する制御において、作
業器具１２の軌跡を、より一層地面内に向かって掘削す
るかあるいは掘削を停止すべく変更するための利用され
る。オペレータが機械２２から離れた個所におり、そし
て掘削面あるいはバケット１４を見ることができない手
動操作型の機械においては、スクリーンあるいはモニタ
ーのような画像ユーザインターフェースがいかなる量の
土が既に掘削されたかを表示するためにあるいは材料の
推定された体積を表示するために使用可能である。ディ
スプレイは、バケット１４内にいかなる量の材料がすく
い取られたか、バケット容量のパーセントととして表示
することもできる。

【００１４】付加的に可聴のアラームのような可聴の表
示装置も、バケットが所要の容量に達した時点を表示す
るために使用可能である。

【００１５】上記の方法とシステムは、種々のタイプの
掘削機に使用可能である。特に、図４は、掘削および積
載作業を行う作業器具１１４を含む掘削機械１１２を示
す。作業器具１１４は、ブーム１１６、スティック１１
８およびバケット１２０を含んでいる。ブーム１１６
は、ブームピボットピン１２２により、掘削機械１１２
に旋回可能なように取り付けられている。スティック１
１８は、スティックピボットピン１２６の個所でブーム
１１６の自由端１２４に旋回可能に取り付けられてい
る。バケット１２０もまた、バケットピボットピン１２
８の個所でスティック１１８に取り付けられている。バ
ケット１２０は、湾曲部１３０、床１３２および先端部
１３４を備える。ブーム１１６、スティック１１８およ
びバケット１２０は、個別的にそして制御可能に、直線
的に伸縮可能な流体シリンダ１３６，１３８および１４
０によってそれぞれ操作される。特に、ブーム１１６
は、スティック１１６の上方および下方への運動のため
の流体シリンダ１３６により操作される。ブーム用の流
体シリンダ１３６は、機械１１２とブーム１１６間に、
一対のピン１４２および１４４で結合されている。ステ
ィック１１８は、バケット１２０の長手水平方向の運動
のためのスティック流体シリンダ１３８により操作され
る。スティック流体シリンダ１３８は、一対のピン１４
６および１４８により、ブーム１１６とスティック１１
８の間に結合されている。バケット１２０はバケット流
体シリンダ１４０により操作され、そしてバケットピボ
ットピン１２８を中心とする放射範囲の動きを持ってい
る。バケット流体シリンダ１４０は、スティック１１８
にピン１５０で結合されそしてリンク機構１５２に結合
されている。リンク機構１５２は、ピン１５４でスティ
ック１１８にそしてピン１５６でバケット１２０に結合
されている。

【００１６】作業器具１１４および流体シリンダ１３
６，１３８ならびに１４０の動作は、次のような関係を
含んでいる。ブーム１１６は、ブーム流体シリンダ１３
６の伸張により上昇し、シリンダ１３６の短縮により降
下する。スティック流体シリンダ１３８の短縮により、
スティック１１８は掘削機械１１２から遠ざかりそして
シリンダ１３８の伸張により、スティック１１８は機械
１１２に向かって動く。最終的に、バケット１２０は、
バケット流体シリンダ１４０が短縮しそして流体シリン
ダ１４０の伸張によりバケット１２０が機械１１２に向
かって回転したときに常に、掘削機械１１２から遠ざか
るように回転する。

【００１７】掘削機械１１２は、１つまたは複数のスキ
ャニングレンジファインダからなり得るセンサシステム
１５８を備え、該システムは掘削を行う前に土面の形状
に関連した情報を提供すべく配置されている。センサシ
ステム１５８により発生された距離データは、土面の地
形図に変換される。二次元（２Ｄ）アレイをハイトフィ
ールドの表示のために使用可能である。さらに作業器具
１１４が移動すると、土塊の推定された形状に対する位
置と向きとが運動学的な変換を通して計算される。セン
サシステム１５８は、図示しないコントロールシステム
内に集積可能であり、該システムはセンサシステム１５
８により得られたデータを受信し、処理しそして掘削現
場の地形図を製作する。

【００１８】掘削機械１１２のための代表的な掘削作業
サイクルないし掘削工程は、５つの一連の工程に区分可
能である。５つの工程とは、バケット１２０の地面ない
し土内への位置決め、材料の採取、採取した負荷のトラ
ックへの投下および掘削への戻りである。本発明の方法
は、一度バケットが満杯である、即ち所要の容量に到達
したと判定され、掘削作業または工程が停止される時点
を決定するために使用される。付加的に、本発明の方法
は、バケットが所望の容量に到達したとき、手動である
いは遠隔操作で動作する掘削機械のオペレータに指示す
るために用いられる。

【００１９】本発明の動作について、掘削機、バックホ
ーローダ、フロントショベルあるいはホイールローダの
ような土木機械ないし器具への使用に関連して説明し
た。土木機械は、動作サイクルの掘削部分を通して機械
を制御するための手段を含むことができる。

【００２０】動作サイクルの掘削部分の開始に先立っ
て、土面の形状を捕捉するために、例えばレーザ測距シ
ステムを用いた幾つかの方法を使用することができる。
土面の形状は、バケットの実際的な軌跡が定まっている
場合に材料の掘削される量を推定するために利用され
る。この方法は、不正確さについての幾つかの原因を含
むことが認識されている。例えば、不正確さの１つの原
因は、画像の取り込みを行った時点から、バケットの先
端が土面の下を通過する時点迄の間に土面が変化しない
と言う仮定に起因している。他の原因は、バケットの先
端上に位置する材料はバケット内に留まると言う仮定で
あろう。実際には、ある程度の土ないし材料が掘削を進
める際にバケットの側方に落下してしまう。補償のため
に、バケットの収容量を多めに評価し、このこぼれを考
慮に入れるだけで充分である。

【００２１】付加的に、掘削面内の目視観測ができなく
なった場合、収容量を加算するときに誤差が生じ得る。
注意深く機械の位置を定めそして内挿法を実行すること
により、これらの不正確さを最小化することができる。

【００２２】土木機械、掘削機械あるいは穴掘り機械を
用いるこの方法は、幾つかの応用が可能である。この方
法は、人間の関与なしに掘削サイクルを自動的に実行す
ることを可能とし、そしてその結果としていつサイクル
を終了するかを指示するために使用される。代替的に、
この方法は、バケットが所定の収容量に到達しそして掘
削を終了すべき時点に、機械を直接にまたは遠隔的に操
作しているオペレータに信号を与えることができる。

【００２３】上記のとおり本発明は、掘削機、ホイール
ローダ、地固め機、ブルドーザならびに鉱山、探検なら
びに農業用機械を含む、かかる機械と共に、土木現場に
おいて流体で駆動される他のタイプの機械のために利用
可能である。

【００２４】本発明の他の観点、目的および利点は、図
面、発明の詳細な説明ならびに請求の範囲から読み取る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の方法において使用する作業器具の側面
図。

【図２】図１に示す作業器具の掘削作業サイクルの終了
時における状態を示す側面図。

【図３】本発明の方法のブロックダイアグラム。

【図４】本発明の方法において使用する掘削機械の側面
図。

【符号の説明】

１２ 作業器具 １４ バケット １６ 掘削材料 １８ 土面 ２０ 作業現場 ２２ 掘削機械 ２４ センサシステム １１２ 掘削機械 １１４ 作業器具 １１６ ブーム １１８ スティック １２０ バケット １２２ ブーム旋回ピン １２６ スティック旋回ピン １２８ バケット旋回ピン １３６ 流体シリンダ １３８ 流体シリンダ １４０ 流体シリンダ １５８ センサシステム

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 サンシブ シン アメリカ合衆国 15217 ペンシルバニア ピッツバーク ピーオーボックス 81003 Ｆターム(参考） 2D015 HA03 HB00

Claims (20)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】掘削サイクルの間に掘削現場に置かれた掘
   削機械の、材料を取り込むためのバケットを有する作業
   器具をモニタするための方法において、 掘削現場の地形図を使用し、そしていかなる時点にバケ
   ットが所要の容量になったかを決定すべくバケットの実
   際の軌道と掘削現場の形状に応じてバケットに収容され
   た材料の量を推定する各工程を含むことを特徴とするモ
   ニタ方法。
2. 【請求項２】推定工程が、 バケットにより移動された材料の量を推定する工程をさ
   らに含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 【請求項３】推定工程が、 バケットの軌道と、掘削現場との間の交点を推測しそし
   て移動された容積を計算する工程をさらに含むことを特
   徴とする請求項２記載の方法。
4. 【請求項４】推定工程が、 図式的なユーザインターフェースを準備し、そして推定
   された材料の量を前記の図式的なユーザインターフェー
   ス上に表示する工程をさらに含むことを特徴とする請求
   項１記載の方法。
5. 【請求項５】推定工程が、 掘削サイクルの間に、いかなる量の材料が収容されたか
   を制御するために作業器具の制御を増大する工程をさら
   に含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
6. 【請求項６】決定工程が、 掘削現場の形状を検知する決定工程をさらに含むことを
   特徴とする請求項１記載の方法。
7. 【請求項７】掘削作業サイクルの間、掘削現場に置かれ
   た掘削機械の作業器具をモニタするための方法であっ
   て、前記作業器具がバケットを含むものにおいて、この
   方法が、 作業器具の動作開始に先立ち、掘削すべき掘削現場の地
   形図を作成する工程と、 バケットの取り込み容量を実際のバケットの軌跡と掘削
   現場の形状により推測する工程とを含むことを特徴とす
   るモニタ方法。
8. 【請求項８】推定工程が、 バケットにより移動された材料の量を推定する工程をさ
   らに含むことを特徴とする請求項７記載の方法。
9. 【請求項９】推定工程が、 バケットの軌道と掘削現場とが交差する個所を見出しそ
   して移動される体積を計算する工程をさらに含むことを
   特徴とする請求項７記載の方法。
10. 【請求項１０】推定工程が、 図形的なユーザインターフェースを用意し、図形的なユ
    ーザインターフェース上に推定される移動体積を表示す
    る工程をさらに含むことを特徴とする請求項７記載の方
    法。
11. 【請求項１１】推定工程が、 一作業サイクルの間にいかなる量の材料をすくい上げる
    かを制御するために作業器具の制御を増強する工程をさ
    らに含むことを特徴とする請求項７記載の方法。
12. 【請求項１２】地形図の作成工程が、 作業現場における土の形状を検知するためのセンサシス
    テムを準備する工程をさらに含むことを特徴とする請求
    項７記載の方法。
13. 【請求項１３】地形図の作成工程が、 距離データを生成しそして距離データを掘削現場の地形
    図に変換する工程をさらに含むことを特徴とする請求項
    ７記載の方法。
14. 【請求項１４】掘削サイクルの間に、掘削現場に設置さ
    れた掘削機械の作業器具をモニタするための方法であっ
    て、作業器具がバケットを含むものにおいて、 初期の掘削現場の地形図を作成する工程と、 作業器具の位置を決定する工程と、 バケットがいつ所望の容量に達したかを判定するため
    に、バケットに収容された材料の容量を推定する工程と
    を含むことを特徴とするモニタ方法。
15. 【請求項１５】材料の容量を推定する工程が、 すくい取られた材料の量を推定する工程をさらに含むこ
    とを特徴とする請求項１４記載の方法。
16. 【請求項１６】材料の容量を推定する工程が、 図形的なユーザインターフェースを準備し、バケットに
    収容された材料の推定収容量を表示する工程をさらに含
    むことを特徴とする請求項１４記載の方法。
17. 【請求項１７】材料の収容量を推定する工程が、 バケットの軌道と掘削現場との交点を見出しそして移動
    された容積を計算する工程をさらに含むことを特徴とす
    る請求項１４記載の方法。
18. 【請求項１８】地形図を作成する工程が、 掘削現場の形状を検知するためのセンサシステムを用意
    する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１４記載
    の方法。
19. 【請求項１９】容量を推定する工程が、 一作業サイクルの間にいかなる量の材料をすくい上げる
    かを制御するために作業器具の制御を増大する工程をさ
    らに含むことを特徴とする請求項１４記載の方法。
20. 【請求項２０】地形図を作成する工程が、 距離のデータを作成しそして距離データを地形図に変換
    する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１４記載
    の方法。