JP2011514456A - 半自律的掘削制御システム - Google Patents

Abstract

機械（１０）用の掘削制御システム（５０）が開示される。掘削制御システムは、用具（１６）と、用具の移動の手動制御を可能にするように構成された少なくとも１つのオペレータ入力装置（４８）と、少なくとも１つのオペレータ入力装置と通信するコントローラ（６０）とを有し得る。コントローラは、オペレータの所望する用具位置に関する入力を受け取り、オペレータの所望する用具位置に向かう用具の移動をオペレータが手動で制御していると判断するように構成することができる。コントローラは、その判断に基づいて、オペレータの所望する用具位置に向かう用具の移動の制御を自動的に引き継ぐようにさらに構成することができる。

Description

本開示は、概略的には掘削制御システムに関し、より詳細には、半自律的掘削制御システムに関する。

掘削機械の制御は、オペレータを疲労させることなく、生産的にかつ効率的に行うのが困難な作業となることがある。そのような制御は、すべてのオペレータが持っているとは限らない何年もの経験と、高いレベルのスキルとを必要とすることがある。オペレータの経験が浅くても、またはスキルが低くても、掘削機械の最適性能を確保するために、一般的には自動掘削システムが利用される。自動掘削システムは、通常は人間のオペレータが行う反復操作の多くを自動化する。

掘削機械の典型的なサイクルには、掘削セグメント、旋回してトラックに至るセグメント、放出セグメント、および旋回して溝に至るセグメントがある。これらのセグメントの中には、オペレータが行うのが最良のものがあり、その他のセグメントは、オペレータの疲労を軽減するために、かつ／またはオペレータが持っていなければならないスキルまたは経験のレベルを下げるために、自律的に行われることがある。例えば、掘削および放出セグメントは、通常、人間のオペレータが行うのが最良であり、一方、旋回セグメントは、自律的にかまたは半自律的に行うことができる。自動掘削システムがオペレータに利益をもたらすためには、システムの作動は簡単でなければならず、掘削サイクルにあまり支障をきたしてはならない。

自動掘削システムの一例が、１９８３年３月２２日にイヌイ（Ｉｎｕｉ）らに付与された（特許文献１）に開示されている。（特許文献１）は、放出段階の終了後、バケットを元の掘削姿勢に戻す場合に、アーム角およびバケット角を自動的に制御できる半自動油圧掘削機を開示している。半自動油圧掘削機は、手動−自動切換スイッチを含む。放出段階の完了後にこのスイッチが入れられたときであり、バケットを掘削位置に（すなわち、溝内に）戻すために、オペレータがブームシリンダを制御しているときに、アームシリンダおよびブームシリンダが自動的に制御されて、バケットが掘削位置に到達する前にバケットを次の掘削段階に適応させる。したがって、ブームシリンダは（ほかに旋回シリンダおよびバケット開放シリンダも）手動で制御され、一方、バケットシリンダおよびアームシリンダは、ブームシリンダの動きに対応して自動的に制御される。このように、掘削機械の手動制御が単純化される。

米国特許第４，３７７，０４３号明細書

（特許文献１）の半自動油圧掘削機は、その手動制御を単純化できるが、利益が限定されることがある。すなわち、オペレータは、掘削サイクルの自律部分中でさえ、まだ多くの作業（例えば、ブームの持ち上げおよびブームの旋回）を手動で完了しなければならない。また、半自律的制御を実施するために、各サイクル中にオペレータがスイッチを余分に入れなくてはならないので、掘削サイクルが周期的に中断することがある。

開示される制御システムは、上記の問題の１つまたは複数を解決するよう対処する。

本開示の１つの態様は掘削制御システムに関する。掘削制御システムは、用具と、用具の移動の手動制御を可能にするように構成された少なくとも１つのオペレータ入力装置と、少なくとも１つのオペレータ入力装置と通信するコントローラとを含むことができる。コントローラは、オペレータの所望する用具位置に関する入力を受け取り、オペレータの所望する用具位置に向かう用具の移動を、オペレータが手動で制御していると判断するように構成することができる。コントローラは、その判断に基づいて、オペレータの所望する用具位置に向かう用具の移動の制御を自動的に引き継ぐようにさらに構成することができる。

本開示の別の態様は、掘削サイクル中に、用具を自動的に移動させる方法に関する。その方法は、オペレータの所望する用具位置に関する入力を受け取り、オペレータの所望する用具位置に向かう用具の移動を、オペレータが手動で制御していると判断することを含むことができる。方法は、その判断に基づいて、オペレータの所望する用具位置に向かう用具の移動の制御を自動的に引き継ぎ、用具がオペレータの所望する用具位置に到達した後、用具の移動の自動制御をオペレータに引き渡すことをさらに含むことができる。

開示される例示的な機械の概略図である。 図１の機械とともに使用できる開示される例示的な制御システムの概略図である。

図１は、協同して掘削し、土物質を近くにある運搬車両１２に積み込む複数のシステムおよび構成要素を有する例示的な機械１０を示している。一例として、機械１０は油圧掘削機で具現化することができる。ただし、その機械１０は、バックホー、フロントショベル、ホイールローダ、または他の同様の機械などの別のタイプの掘削機械で具現化することができると考えられる。機械１０は、とりわけ、掘削位置１８と運搬車両１２上の放出位置２０との間で作業用具１６を移動させるように構成された用具システム１４と、用具システム１４を手動制御するためのオペレータステーション２２とを含むことができる。

用具システム１４は、流体アクチュエータによって作動されて作業用具１６を移動させるリンク構造を含むことができる。具体的には、用具システム１４は、隣接する一対の複動式油圧シリンダ２８（図１には１つだけを示す）により、作業面２６に対して垂直な方向に回動するブーム部材２４を含むことができる。用具システム１４はまた、単一の複動式油圧シリンダ３６により、水平軸３２のまわりを垂直方向に回動するスティック部材３０を含むことができる。用具システム１４はさらに、作業用具１６に動作可能に連結されて、作業用具１６を水平回動軸４０のまわりに垂直方向に回動させる、単一の複動式油圧シリンダ３８をさらに含むことができる。ブーム部材２４は、機械１０のフレーム４２に回動可能に連結することができる。フレーム４２は、車台部材４４に回動可能に連結することができ、旋回モータ４９により垂直軸４６のまわりに動くことができる。スティック部材３０は、回動軸３２、４０を用いて、ブーム部材２４を作業用具１６に回動可能に連結することができる。必要に応じて、数量がさらに多いか、または少ない流体アクチュエータを用具システム１４内に含むことができ、上記以外の態様で流体アクチュエータを連結することができると考えられる。

各油圧シリンダ２８、３６、３８は、２つの独立した圧力チャンバを形成するように構成されたチューブおよびピストンアセンブリ（図示せず）を含むことができる。圧力チャンバに加圧流体を選択的に供給し、圧力チャンバから加圧流体を排出して、ピストンアセンブリをチューブ内で移動させ、それによって、油圧シリンダ２８、３６、３８の有効長さを変えることができる。圧力チャンバに出入りする流体の流量は、油圧シリンダ２８、３６、３８の速度に関係することができ、一方、２つの圧力チャンバ間の圧力差は、油圧シリンダ２８、３６、３８から付与され、関連するリンク部材に作用する力に関係することができる。油圧シリンダ２８、３６、３８の伸長および後退は、作業用具１６の移動の助けとなるように機能することができる。

油圧シリンダ２８、３６、３８と同様に、旋回モータ４９を流体の圧力差によって駆動することができる。具体的には、旋回モータ４９は、インペラ（図示せず）の両側に配置された第１および第２のチャンバ（図示せず）を含むことができる。第１のチャンバが加圧流体を充填され、第２のチャンバが流体を排出されると、インペラを第１の方向に回転させることができる。反対に、第１のチャンバが流体を排出され、第２のチャンバが加圧流体を充填されると、インペラを反対方向に回転させることができる。第１および第２のチャンバに出入りする流体の流量により、旋回モータ４９の回転速度が決まり、一方、インペラの前後の圧力差により、旋回モータの出力トルクが決まる。

多数の異なる作業用具１６を単一の機械１０に取り付けることができ、オペレータステーション２２から制御することができる。作業用具１６には、例えば、バケット、フォーク装置、ブレード、ショベル、または当技術分野で公知の他の任意の作業実行装置などの、特定の作業を行うのに使用される任意の装置を含めることができる。作業用具１６は、図１の実施形態において、機械１０に対して回動するように連結されているが、代替案として、またはそれに加えて、当技術分野で公知の他の任意の態様で、回転、スライド、揺動、上昇、または移動が可能である。

オペレータステーション２２は、所望する作業用具の移動を示す、機械オペレータからの入力を受け取るように構成することができる。具体的には、オペレータステーション２２は、オペレータの座席（図示せず）の近くに配置された単軸または多軸ジョイスティックとして具現化される１つまたは複数のオペレータ入力装置４８を含むことができる。オペレータ入力装置４８は、特定の方向の所望する作業用具速度および／または力を示す作業用具位置信号を生成することによって、作業用具１６を位置決めする、および／またはこれの向きを合わせるように構成された比例タイプのコントローラとすることができる。代替案として、またはそれに加えて、例えば、ホイール、ノブ、プッシュプル装置、スイッチ、ペダル、および当技術分野で公知の他のオペレータ入力装置などの様々なオペレータ入力装置をオペレータステーション２２内に含むことができると考えられる。

図２に示すように、機械１０は、複数の流体部品を有する油圧制御システム５０を含むことができ、これらの流体部品は、オペレータ入力装置４８から受け取った入力に応じて、作業用具１６（図１を参照のこと）を協同して移動させる。特に、油圧制御システム５０は、加圧流体の流れを生成し、配給するように構成された１つまたは複数の流体回路（図示せず）を含むことができる。ブーム制御弁５２、スティック制御弁５４、バケット制御弁５６、および旋回制御弁５８は、加圧流体の流れを受け入れ、それぞれの油圧シリンダ２８、３６、３８、および旋回モータ４９に出入りする流体を選択的に調整して、それらの油圧シリンダの動作を調整するように置くことができる。具体的には、ブーム制御弁５２は、ブーム部材２４に連結された油圧シリンダ２８の動作を制御する、オペレータ入力に応じて移動可能な要素を有することができ、バケット制御弁５６は、作業用具１６に連結された油圧シリンダ３８の動作を制御する移動可能な要素を有することができ、スティック制御弁５４は、スティック部材３０に連結された油圧シリンダ３６の動作を制御する移動可能な要素を有することができ、スティック制御弁５８は、フレーム４２の旋回動作を制御する移動可能な要素を有することができる。

ブーム制御弁５２、バケット制御弁５６、スティック制御弁５４、および旋回制御弁５８の要素は同様とすることができ、関連した態様で機能できるので、この開示では、ブーム制御弁５２の動作のみを説明する。一例として、ブーム制御弁５２は、第１のチャンバ供給要素（図示せず）、第１のチャンバ排出要素（図示せず）、第２のチャンバ供給要素（図示せず）、および第２のチャンバ排出要素（図示せず）を含むことができる。油圧シリンダ２８を伸長させるために、第１のチャンバ供給要素は、加圧流体が油圧シリンダ２８の第１のチャンバを加圧流体で満たすのを可能にするように移動することができ、一方、第２のチャンバ排出要素は、油圧シリンダ２８の第２のチャンバから流体を排出するように移動することができる。油圧シリンダ２８を反対の方向に移動させるために、第２のチャンバ供給要素は、油圧シリンダ２８の第２のチャンバを加圧流体で満たすように移動することができ、一方、第１のチャンバ排出要素は、油圧シリンダ２８の第１のチャンバから流体を排出するように移動することができる。必要であれば、代替案として、供給および排出機能は共に、第１のチャンバに接続された単一要素と、第２のチャンバに接続された単一要素とによってか、または、充填および排出機能をすべて制御する単一弁によって行うことができると考えられる。

供給および排出要素は、コマンドに応答して、スプリングによる付勢力に抗して移動できるソレノイドとすることができる。特に、油圧シリンダ２８〜３６および旋回モータ４９は、第１および第２のチャンバに出入りする流体の流量に対応する速度と、流体の圧力に対応する力とでもって移動することができる。入力装置の位置信号によって示された、オペレータの所望する速度および／または力を達成するために、想定した、または測定した圧力に基づくコマンドを供給および排出要素のソレノイド（図示せず）に送ることができ、このコマンドにより、供給および排出要素が、必要な流量に対応する量だけ開く。コマンドは、流量コマンドまたは弁要素位置コマンドの形態とすることができる。供給および排出要素は、必要であれば、代替案としてパイロット動作式とすることができるとも考えられる。

油圧制御システム５０はまた、上記に説明した供給および排出要素の移動を命令するために、オペレータ入力装置と通信するコントローラ６０を含むことができる。コントローラ６０は、油圧制御システム５０の動作を制御する手段を含む単一のマイクロプロセッサか、または複数のマイクロプロセッサで具現化することができる。コントローラ６０の機能を実行するように市販の様々なマイクロプロセッサを構成することができる。当然のことながら、コントローラ６０は、多数の機械機能を制御できる一般機械用のマイクロプロセッサで容易に具現化することができる。コントローラ６０は、メモリ、補助記憶装置、プロセッサ、およびアプリケーションを実行するための他の任意の部品を含むことができる。電源回路、信号調整回路、ソレノイド駆動回路、および他のタイプの回路など様々な他の回路をコントローラ６０に接続することができる。

入力装置の位置信号、所望のアクチュエータ速度または力、関連する流量および圧力、ならびに／あるいは油圧シリンダ２８〜３６および旋回モータ４９の移動に関係する弁要素の位置、の関係を示す１つまたは複数のマップをコントローラ６０のメモリ内に保存することができる。これら各マップは、テーブル、グラフ、および／または式の形態のデータの集合体を含むことができる。一例として、所望の速度および目標流量は、上記の第１および第２のチャンバ供給要素を制御するための２次元表の座標軸を形成することができる。流体アクチュエータを所望の速度で動かすのに必要な目標流量と、適切な供給要素の対応する弁要素位置とは、別の独立した２次元マップか、または所望の速度が加わった単一の３次元マップで関係を示すことができる。所望のアクチュエータ速度は、単一の２次元マップで弁要素位置に直接関係付けることができるとも考えられる。流体アクチュエータの動作に影響を及ぼすために、機械１０のオペレータがこれらのマップを直接修正すること、および／またはコントローラ６０のメモリに保存された、利用できる関係マップから特定のマップを選択することを可能にするようにコントローラ６０を構成することができる。必要であれば、それに加えて、または代替案として、マップは、機械の動作モードに基づいて、自動的に選択可能とすることができると考えられる。

コントローラ６０は、入力装置４８から入力を受け取り、その入力に応じて、かつ上記の関係マップに基づいて、制御弁５２〜５８の動作を命令するように構成することができる。具体的には、コントローラ６０は、所望の速度または力を示す入力装置位置信号を受け取り、流量値および／または制御弁５２〜５８内の各供給および排出要素の関連位置を求めるために、選択したおよび／または修正した、コントローラ６０のメモリに保存されている関係マップを参照することができる。次いで、作業用具を所望どおりに移動させる速度で、第１または第２のチャンバに充填するために、適切な供給および排出要素に対して流量また位置を命令することができる。

状況によっては、作業用具１６の移動を自律的に制御するのが望ましいことがある。例えば、通常の掘削サイクル（掘削、旋回してトラックに至る、放出、旋回して溝に至る）中に、オペレータが、手動制御を必要とするサイクルのセグメントを完了した後、コントローラ６０が弁５２〜５８の全制御を引き継いで、サイクルの１つまたは複数の自律的セグメントを完了することができる。一実施形態において、掘削および放出セグメントについては手動で完了することができ、一方、旋回セグメント（すなわち、旋回してトラックに至る、および／または旋回して溝に至るセグメント）については自律的に完了することができる。自律的制御を開始するために、オペレータにスイッチ６２を用意することができる。

スイッチ６２を使用して、掘削サイクルの一部中に、自律的制御が望ましいことを示すことができる。すなわち、作業の移行開始時にオペレータがスイッチ６２を入れると、コントローラ６０は、その後スイッチ６２が切られるまで、各掘削サイクルの旋回セグメント中に自律的制御を担うことができる。この態様では、オペレータがサイクルの手動セグメントを完了すると、コントローラ６０は、オペレータによるそれ以上の介入なしに、または掘削作業を中断することなしに、弁５２〜５８の動作を自動的に制御することができる。旋回セグメントを完了後、コントローラ６０は、自動的に制御をオペレータに戻すことができる。

コントローラ６０は、機械１０の特定の動作パラメータが１つまたは複数のしきい値と概ね一致する場合に、掘削サイクルの手動セグメントが完了したと判断することができる。一例として、動作パラメータは、油圧シリンダ２８および／または旋回モータ４９の速度および／または移動方向に関連することができる。すなわち、オペレータが掘削サイクルの掘削セグメントを完了したとき、オペレータは、自律的制御が存在しない場合と同様に、旋回してトラックに至るセグメントを開始することができる。したがって、オペレータは、ブーム部材２４を上方に向けて、掘削位置１８から遠ざかる方向に回動させるようにオペレータ入力装置４８を動かして、待機している運搬車両１２上の放出位置２０に向かって、水平方向に作業用具１６を旋回させ始めることができる。また、それに伴い上方に伸長する油圧シリンダ２８の速度が第１のしきい値速度を超え、旋回モータ４９の速度が第２のしきい値速度を超えると、コントローラ６０は、掘削サイクルの手動セグメントが完了したと結論を下し、それに応じて、旋回してトラックに至るセグメントを途切れることなく完了することができる。一例として、第１のしきい値速度は、掘削サイクル間で実質的に一定とすることができる。具体的には、角速度は約５°／秒とすることができる。第２のしきい値速度は掘削サイクル間で変わることがあり、前に完了した、旋回してトラックに至るセグメント中に達した最大旋回速度によって決まる。具体的には、第２のしきい値速度は、最大旋回速度に対して所定のパーセント、例えば、約２０％とすることができる。したがって、ブーム部材２４が５°／秒以上の速度で回動していて、それと同時に、前の最大旋回速度の２０％以上で旋回している場合、コントローラ６０は、弁５２〜５８の制御を担い、旋回してトラックに至るセグメントを完了することができる。作業用具１６が運搬車両１２上の放出位置２０に入ると、旋回してトラックに至るセグメントを完了することができる。

コントローラ６０は、各旋回してトラックに至るセグメントごとに異なる位置で、作業用具１６の移動の制御を引き継ぐことができる。すなわち、コントローラ６０は、速度に基づいてのみ制御を引き継ぐことができるので、コントローラ６０が制御を引き継ぐ位置は常に異なっていてもよい。例えば、掘削セグメントの完了直後にオペレータが入力装置４８を高速位置に素速く移動させた場合、ブーム部材２４は直ちに加速されて、必要とされる速度しきい値を超えることができる。その結果として、コントローラ６０は、掘削を行った場所のすぐ近くで制御を引き継ぐことができる。それに対して、オペレータが入力装置４８を高速位置にゆっくりと移動させた場合、油圧シリンダ２８および／または旋回モータ４９は、ブーム部材２４をゆっくりと加速することができる。その結果として、コントローラ６０は、放出位置２０に近接して制御を引き継ぐことができる。状況によっては、旋回してトラックに至るセグメント中に、オペレータが、ブーム部材２４の持ち上げおよび旋回速度をしきい値速度を超えて増速させるほど十分に、入力装置４８を移動させないことがあると考えられる。これらの状況では、決して自律的に完了することができない（すなわち、旋回してトラックに至るセグメントは手動で完了することができる）。

コントローラ６０は、各掘削サイクルごとにほぼ同じ位置で作業用具１６の移動の制御をやめることができる。すなわち、コントローラ６０は、速度には関係なく、作業用具１６が前もって設定した放出位置２０に達するとすぐに制御をやめることができる。したがって、自律的制御が掘削位置１８の近くで始まったか、または放出位置２０の近くで始まったかにかかわらず、作業用具１６が放出位置２０への仮想の境界を越えるとすぐに自律的制御をやめることができる。

放出位置２０は、オペレータが設定した仮想３次元領域とすることができる。放出領域２０は、機械１０を操作中にコントローラ６０のメモリにプログラムで設定する、利用できる位置のリストから選択する、および／または機械１０を操作中にコントローラ６０に教示することができる。コントローラ６０に教示するために、機械１０のオペレータは、作業用具１６を所望の放出位置２０に置き、かつ／またはその向きを合わせることができ、次いで、現在の位置が所望の放出位置２０であることを指定するスイッチ（例えば、スイッチ６２、またはオペレータステーション２２内に配置された同様の他のスイッチ）として有効にすることができる。次いで、コントローラ６０は、所望の放出位置２０として、現在位置および現在位置の周囲の概略領域を記録することができる。概略領域の大きさは、コントローラ６０のメモリに前もってプログラムで設定してよいし、または、必要に応じて、オペレータが設定してもよい。

掘削サイクルの、旋回して溝に至るセグメントは、旋回してトラックに至るセグメントと同様の態様で自律的に完了できるが、異なる動作パラメータに基づいて始動することができる。すなわち、機械１０のオペレータが放出セグメントを完了した後、オペレータは、掘削位置１８に向かって運搬車両１２から遠ざかる方向に作業用具１６を旋回させ始めることができる。機械１０の動作パラメータが１つまたは複数のしきい値に概ね一致すると、コントローラ６０は、手動セグメントが完了したと結論を下し、弁５２〜５８の制御を途切れることなく引き継いで、その後の、旋回して溝に至るセグメントを完了することができる。一例として、旋回して溝に至るセグメントのしきい値は、旋回速度およびブーム移動方向に関するものすることができる。すなわち、ブーム部材２４が作業面２６に向かって下がり、旋回速度が、前の、旋回して溝に至るセグメント中の最大旋回速度の約２０％を超えさえすれば、ブームの速度に関係なく、コントローラ６０は、現在の、旋回して溝に至るセグメントを自律的に完了することができる。典型的なオペレータは通常、かなりの速度でブーム部材２４を下げるよりむしろ、運搬車１２から離れる方向に旋回させるので、旋回して溝に至るセグメント中に、ブーム速度を考慮してはならない。したがって、ブーム部材２４が（速度に関係なく）下方に回動していて、旋回速度がしきい値を超えさえすれば、セグメントの自律的完了が始動することができる。

旋回してトラックに至るセグメントと同様に、コントローラ６０は、旋回して溝に至るセグメント中に、様々な位置で作業用具１６の移動の制御を引き継ぐことができる。すなわち、コントローラ６０は、ブームの移動方向および旋回速度に基づいてのみ制御を引き継ぐことができるので、コントローラ６０が制御を引き継ぐ位置は、常に異なっていてもよい。

コントローラ６０は、各旋回して溝に至るセグメントごとにほぼ同じ位置で作業用具１６の移動の制御をやめることができる。すなわち、コントローラ６０は、作業用具１６が掘削位置１８に入るとすぐに制御をやめることができる。したがって、自律的制御が放出位置２０の近くで始まったか、または掘削位置１８の近くで始まったかにかかわらず、作業用具１６が掘削位置１８への仮想の境界を越えるとすぐに自律的制御をやめることができる。

掘削位置１８は、オペレータが設定した仮想３次元領域とすることができる。掘削位置１８は、機械１０を操作中にコントローラ６０のメモリにプログラムで設定する、利用できる位置のリストから選択する、および／または機械１０を操作中にコントローラ６０に教示することができる。コントローラ６０に教示するために、機械１０のオペレータは、作業用具１６を所望の位置に置き、および／またはこれの向きを合わせ、次いで、現在の位置が所望する掘削位置１８であることを指定するスイッチ（例えば、スイッチ６２、またはオペレータステーション２２内に配置された同様の他のスイッチ）を有効にする。次いで、コントローラ６０は、所望の掘削位置１８として、現在位置および現在位置の周囲の概略領域を記録することができる。概略領域の大きさは、コントローラ６０のメモリに前もってプログラムで設定してよいし、または、必要に応じて、オペレータが設定してもよい。

コントローラ６０が作業用具１６の移動の制御を引き継ぐと、コントローラ６０は、最大速度で、かつ円滑に途切れのない態様で、作業用具１６を所望の掘削位置１８および／または放出位置２０に移動させることができる。最大速度は、用具システム１４の部品にとって可能な最大速度か、または機械１０のオペレータが設定した速度とすることができる。円滑で途切れのない移動を行うために、コントローラ６０は、自律的制御を担う位置と目標用具位置（すなわち、掘削位置１８または放出位置２０）との間の曲線軌道を設定しなければならないことがある。この場合に、コントローラ６０は、作業用具１６が軌道に沿って移動するように、油圧シリンダ２８、３６、３８および／または旋回モータ５８をいくつでも同時に制御することができる。このように、作業用具１６は、可能な限り速くかつ効率的に、引き継ぎ位置から目標位置に移動することができる。

油圧制御システム５０は、機械１０を制御するのに必要な１つまたは複数の感知要素６４を装備することができる。一例として、感知要素６４は、油圧シリンダ２８、３８、３６および／または旋回モータ４９のそれぞれに取り付けられた位置センサとすることができる。別の例では、センサ要素は、用具システム１４の回転軸に取り付けられた角度センサとすることができる。さらに別の例では、感知要素６４は、作業用具１６の局所座標および／またはグローバル座標を求めるために、外部装置（例えば、局所レーザシステム、レーダシステム、衛星など）と通信するように構成された局所位置センサおよび／またはグローバル位置センサとすることができる。コントローラ６０は、感知要素６４で生成された信号および機械１０の既知の運動に基づいて弁５２〜５８を制御して、オペレータが設定した掘削位置１８および放出位置２０に対して作業用具１６を位置決めするように構成することができる。さらに、必要に応じて、コントローラ６０は、感知要素６４で生成された信号に基づいて、用具システム１４の速度および加速度を求め、これらを記録することができる。このように、コントローラ６０は、通常はブーム速度と称するが、測定した、または求めたリンク部材速度、アクチュエータ速度、または用具速度に基づいて、自律的制御を担うことができる。

産業上の利用性
開示した油圧制御システムは、半自律的制御から恩恵を受ける任意の掘削機械に適用することができる。開示した油圧制御システムは、手動操作が完了したと認識したときに掘削機械の制御を引き継ぐことができ、機械の用具が、別の手動操作が行われる所望の目標位置に移動したときに、制御をオペレータに戻すことができる。油圧制御システム５０の動作を以下に説明する。

機械１０を操作中に、機械オペレータは、作業用具１６の２つの離間した目標位置を設定することができる。例えば、オペレータは、所望の掘削位置１８および所望の放出位置２０を設定することができる。なお、期間が経過すると、オペレータは、物質が掘削位置１８から取り除かれたのに対応して、また機械１０を掘削領域の周辺に移動させるために、これらの位置を再設定しなければならないことがある。掘削位置１８および放出位置２０を設定した後、オペレータは、スイッチ６２を切り換えることで、自律的制御を有効にすることができる。

スイッチ６２が自律的制御位置に切り換えられた後、オペレータは、入力装置４８を操作して、掘削位置で物質を手動で掘削し、それによって、掘削サイクルの掘削セグメントを完了することができる。作業用具１６が物質で十分に満たされると、オペレータは、入力装置４８を動かして、放出位置２０に向かうブーム部材２４の持ち上げおよび旋回を開始することができる。ブーム部材２４が、上に向かって掘削位置１８から遠ざかる方向に約５°／秒以上で回動し、前の、旋回してトラックに至るセグメント中に達した最大速度の約２０％で、車台部材４４に対して旋回すると、コントローラ６０は、オペレータが所望の目標位置に向かって作業用具１６を移動させていると判断し（すなわち、コントローラ６０は、手動制御が完了したと結論を下すことができ）、作業用具１６の移動の制御を引き継いで、旋回してトラックに至るセグメントを完了することができる。

作業用具１６が放出位置２０に到達した後、コントローラ６０は制御をオペレータに引き渡す。次いで、オペレータは、掘削サイクルの放出セグメントを完了し、作業用具１６を旋回させて掘削位置１８に向かって戻し始めることができる。オペレータが、しきい値速度を超える速度で、ブーム部材２４を運搬車両１２から離れる方向に旋回させ、作業用具１６を面２６に向かって下げると、コントローラ６０は再度制御を引き継ぎ、掘削サイクルの、旋回して溝に至るセグメントを完了することができる。作業用具１６が掘削位置１８に到達した後、コントローラ６０は、次の掘削サイクルに備えて、制御をオペレータに再度引き渡すことができる。

開示した掘削制御システムは、いくつかの利点を伴うことができる。第１に、コントローラ６０が、掘削サイクルの旋回セグメントに関連する作業をほとんどすべて完了できるので、オペレータが費やす労力を最小限にすることができる。その結果、オペレータはあまり疲労せずに、手動操作にいっそう集中することができる。第２に、自律的制御が非常に円滑であるので、掘削サイクルを実質的に中断させることなく行うことができる。実際上、自律的制御を使用することが、各サイクルの標準的な一部分となることができ、各サイクルのセグメントが自律的に完了しつつあることにオペレータが気付くこともない。

開示した掘削制御システムに対して、様々な修正および変更を行えることが当業者には分かるであろう。開示した掘削制御システムの仕様および実施を検討することで、他の実施形態が当業者に明らかになるであろう。例えば、必要に応じて、自動化された制御をいつ担うことができるかを判断するのに、油圧シリンダ位置情報（すなわち、伸長および／または後退位置）および／または用具位置（すなわち、掘削位置１８内か、放出位置２０内か、またはそれらの間の任意の位置か）をブーム持ち上げ速度および旋回速度と合わせて使用することができると考えられる。仕様および実施例を単なる例示とみなすことが意図され、真の範囲は、添付の特許請求の範囲およびそれらの等価物によって示される。

Claims (10)

1. 用具（１６）と、
   用具の移動の手動制御を可能にするように構成された少なくとも１つのオペレータ入力装置（４８）と、
   少なくとも１つのオペレータ入力装置と通信するコントローラ（６０）であって、
   オペレータの所望する用具位置（１８、２０）に関する入力を受け取り、
   オペレータの所望する用具位置に向かう用具の移動をオペレータが手動で制御していると判断し、
   その判断に基づいて、オペレータの所望する用具位置に向かう用具の移動の制御を自動的に引き継ぐ、
   ように構成されたコントローラ（６０）と、
   を含む掘削制御システム（５０）。
2. コントローラは、用具がオペレータの所望する用具位置に到達した後、用具の移動の自動制御をオペレータに引き渡すように構成される、請求項１に記載の掘削制御システム。
3. 自動制御を担う位置は、掘削サイクルの間で常に異なる、請求項１に記載の掘削制御システム。
4. 用具に連結された少なくとも１つのリンク部材（２４）と、
   オペレータ入力装置で制御できる、用具を移動させるための少なくとも１つのアクチュエータ（２８、４９）と、
   をさらに含み、コントローラは、少なくとも１つのアクチュエータの速度がしきい値速度を超えた場合に、オペレータが、所望の用具位置に向かう用具の移動を手動で制御していると判断する、請求項１に記載の掘削制御システム。
5. 少なくとも１つのアクチュエータは、少なくとも１つのリンク部材を第１の方向に回動させるように構成された第１のアクチュエータ（２８）と、少なくとも１つのリンク部材を第２の方向に旋回させるように構成された第２のアクチュエータ（４９）とを含み、
   コントローラは、第１のアクチュエータの第１の方向の回動速度が、第１のしきい値速度を超え、第２のアクチュエータの旋回速度が、第２のしきい値速度を超えた場合に、オペレータが、所望の用具位置に向かう用具の移動を手動で制御していると判断する、請求項４に記載の掘削制御システム。
6. 第１のしきい値速度は掘削サイクルの間で一定のままであり、
   第２のしきい値速度は、前の掘削サイクル中に達した最大旋回速度に基づいて変わる、請求項５に記載の掘削制御システム。
7. 掘削サイクル中に用具（１６）を自動的に移動させる方法であって、
   オペレータの所望する用具位置（１８、２０）に関する入力を受け取り、
   オペレータの所望する用具位置に向かう用具の移動をオペレータが手動で制御していると判断し、
   その判断に基づいて、オペレータの所望する用具位置に向かう用具の移動の制御を自動的に引き継ぎ、
   用具がオペレータの所望する用具位置に到達した後、用具の移動の自動制御をオペレータに引き渡す、
   ことを含む方法。
8. 制御を自動的に引き継ぐことには、最大速度で、かつ円滑な途切れのない軌道で、所望の用具位置に向かって用具を移動させることが含まれる、請求項７に記載の方法。
9. 判断することには、用具の第１の方向の回動速度が第１のしきい値速度を超え、用具の旋回速度が第２のしきい値速度を超えたことを検出することが含まれ、第１のしきい値速度は掘削サイクルの間で一定のままであり、第２のしきい値速度は、前の掘削サイクル中に達した最大旋回速度に基づいて変わる、請求項７に記載の方法。
10. フレーム（４４）と、
    フレームに連結されたブーム部材（２４）と、
    フレームに対してブーム部材を回動させるように構成された第１のブームアクチュエータ（２８）と、
    フレーム対してブーム部材を旋回させるように構成された第２のブームアクチュエータ（４９）と、
    第１および第２のブームアクチュエータの移動を選択的に制御するように構成された、請求項１〜３のいずれか一項に記載の掘削制御システム（５０）と、
    を含む機械（１０）。

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