JP2013515886A - オペレータによる器具の制御を制限するためのシステムおよび方法 - Google Patents

オペレータによる器具の制御を制限するためのシステムおよび方法 Download PDF

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Abstract

開示は、一態様において、器具に動作的に接続されたコントローラを含む器具制御システムを記載している。コントローラは、オペレータにより所望される器具の移動を示す信号を入力装置から受信するとともに、自動的に決定された器具の移動を示す自動的に生成された信号を受信するように適合されている。コントローラは、さらに、入力装置の信号または自動的に生成された信号に基づいて器具を移動させるかを判定するように適合されている。コントローラは、器具の部分が所望される切断面の上方にあるときに入力装置の信号に基づいて器具を移動させる制御信号を生成するように適合されている。

Description

本特許開示は、一般に、器具制御システムに関し、より具体的には、オペレータによる器具の制御を制限するためのシステムおよび方法に関する。
軌道式トラクタ、モータグレーダ、ローダ、およびスクレーパなどの土木機械は、ドーザブレードまたはバケットなどの器具を有し、かかる器具は、土地の区画の地形または地勢を変更するために工事現場で用いられる。器具は、土木機械が工事現場を移動しながら工事現場における工事を行うため、オペレータまたは制御システムにより制御することができる。
特に最終的な表面の輪郭または勾配を達成するための、器具の位置決めは、専門技能と勤勉さとを要求する複雑で時間がかかる仕事である可能性がある。従って、オペレータの制御を簡略化するため、器具の自律的制御を提供することが望ましいことが多い。しかし、既知の自律的システムは、オペレータが器具の主たる制御者であるとともに制御システムがオペレータの命令を制限する機能を提供するモードを有しない。
開示のシステムおよび方法は、上記の問題の1つ以上を克服することを対象とするものである。
開示は、一態様において、器具に動作的に接続されたコントローラを含む器具制御システムを記載している。コントローラは、オペレータにより所望される器具の移動を示す信号を入力装置から受信するとともに、自動的に決定された器具の移動を示す自動的に生成された信号を受信するように適合されている。コントローラは、さらに、入力装置の信号または自動的に生成された信号に基づいて器具を移動させるかを判定するように適合されている。コントローラは、器具の部分が所望される切断面の上方にあるときに入力装置の信号に基づいて器具を移動させる制御信号を生成するように適合されている。
本開示の例示的実施形態による器具制御システムを有する機械を概略的に示す。 本開示の例示的実施形態による器具制御システムを概略的に示す。 本開示の例示的実施形態による器具制御システムを概略的に示す。 本開示の例示的実施形態による器具制御プロセスの一実施形態を示すフロー図である。 本開示の例示的実施形態による器具制御プロセスの一実施形態を示すフロー図である。
本開示は、オペレータによる器具の制御を制限するためのシステムおよび方法に関する。機械100の例示的実施形態を図1に概略的に示す。機械100は、採鉱、建設、農業、輸送、または当該技術において既知の他のいずれかの産業等の産業に関連付けられた何らかの種類の作業を行う移動車両であってもよい。例えば、機械100は、図1に示すトラクタもしくはドーザ、モータグレーダ、ローダ、スクレーパ、または地形もしくは地勢を変更する当該技術において既知の他のいずれかの車両もしくは機械であってもよい。
機械100は、動力源102と、例えば機械100を推進させるまたは他の機械のコンポーネントを制御するための1つ以上の入力装置106など、機械100を操作するために必要な制御装置を含むオペレータステーションまたは運転室104とを含む。機械100は、さらに、例えば土を移動させるためのブレードなどの工事用具または器具108を含む。1つ以上の入力装置106は、運転室104内に配設された1つ以上のジョイスティック、レバー、ボタン、および他のアクチュエータを含んでもよく、所望される器具108の移動を示すオペレータからの入力を受信するように適合されてもよい。簡略化を目的として、ジョイスティックの形をとった1つの入力装置106のみを検討し、図面に示す。
また、いくつかの実施形態において、運転室104は、オペレータに情報を伝えるディスプレイを有するユーザインタフェース110を含んでもよく、キーボード、タッチスクリーン、または機械100、器具108、および/もしくは他の機械のコンポーネントを制御もしくは操作するためにオペレータからの入力を受信するためのいずれかの好適な機構を含んでもよい。代替としてまたは加えて、オペレータは、運転室の外側の場所および/または機械100からある距離だけ離れた場所にいて、その場所から遠隔的に機械100、器具108、および/または他の機械のコンポーネントを制御してもよい。
器具108は、工事現場111の表面に係合し、その表面を切断し、または貫通するとともに、所定の仕事を遂行するために土を移動させるように適合されてもよい。工事現場111は、例えば採鉱現場、埋立地、採石場、建設現場、または他のいずれかの種類の工事現場を含んでもよい。土の移動は、工事現場111における地形の変更に関連付けられてもよく、所定の仕事は、例えばグレーディング作業、スクレーピング作業、レベリング作業、バルク材除去作業、または工事現場111における他のいずれかの種類の地形変更作業を含んでもよい。
図示の実施形態において、器具108は、第1端114と第2端116との間に延在する切断縁112を含む。器具108の切断縁116の第1端114は、器具108の右先端または右縁を表してもよく、器具108の切断縁112の第2端114は、器具108の左先端または左縁を表してもよい。器具108は、運転室104における入力装置106に動作的に接続された1つ以上の油圧機構により移動可能であってもよい。
油圧機構は、例えば器具108を上げる、器具108を下げる、器具108を左もしくは右に傾ける、または器具108を前もしくは後に傾けるなど、器具108を様々な位置に移動させるための1つ以上の油圧リフトアクチュエータ118と1つ以上のチルトアクチュエータ120とを含んでもよい。いくつかの実施形態において、機械100は、器具108の各側に1つの油圧リフトアクチュエータ118と1つの油圧チルトアクチュエータ120とを含む。図示の実施形態において、2つの油圧リフトアクチュエータ118が示されているが、2つの油圧チルトアクチュエータ120の一方のみが示されている(すなわち、機械の片側のみが示されている)。
動力源102は、機械100を支持するように適合された地面係合機構122に動力を提供するためのエンジンの形をとってもよく、機械100を操舵するとともに推進させるように機能する。動力源102は、例えばディーゼルエンジン、ガソリンエンジン、ガス燃料エンジン、または当該技術において既知の他のいずれかの種類の燃焼エンジンなどのエンジンの形をとってもよい。動力源102は、代替として、例えば燃料電池、電力貯蔵装置、または別の好適な動力源など、非燃焼動力源(図示せず)の形をとってもよい。動力源102は、機械100、器具108、およびその他の機械100のコンポーネントに動力を提供するための油圧動力に変換されてもよい機械的または電気的な動力出力を発生させてもよい。
機械100は、さらに、入力装置106と器具108の移動を制御するための油圧機構118、120とに動作的に接続された器具制御システム124を含む。図2Aおよび図2Bに示すように、器具制御システム124は、現場設計126と、勾配制御システム128と、入力装置106からの入力および勾配制御システム128からの入力を受信するように適合されるとともに入力装置106および/または勾配制御システム128からの入力に基づいて器具108の移動を制御するように適合されたコントローラ130とを含む。一実施形態において、器具制御システム124は、1つ以上のコントローラ130を含んでもよい。しかし、簡略化を目的として、1つのコントローラ130のみを検討し、図面に示す。
コントローラ130は、オペレータにより所望される器具108の移動を表す位置を示す入力装置106から受信した入力信号に応答して、所定または目標位置に移動するように器具108に指示してもよい。オペレータにより所望される器具108の移動を示す位置信号は、器具下降および器具上昇などの昇降信号を含んでもよい。また、オペレータにより所望される器具108の移動を示す位置信号は、左チルトまたは右チルトなどのチルト信号を含んでもよい。
いくつかの実施形態において、器具108の左チルトおよび右チルト移動は、1つ以上の入力装置106を用いて切断縁112の第1端114を独立して移動させる、または切断縁112の第2端116を独立して移動させることにより遂行してもよい。いくつかの実施形態において、第1端114の移動は、例えば右シリンダ高さレバー(図示せず)を用いるなど、1つ以上の入力装置106の1つを用いることにより遂行してもよく、第2端116の移動は、例えば左シリンダ高さレバー(図示せず)を用いるなど、1つ以上の入力装置106の別のものを用いることにより遂行してもよい。代替としてまたは加えて、第1端114の移動および第2端116の移動は、図1に示すジョイスティックにおいて具現化された、同じ入力装置106を用いることにより遂行してもよい。しかし、他の実施形態において、位置信号はチルト信号を含まない。
コントローラ130は、代替としてまたは加えて、自動的に決定された器具108の移動を示す勾配制御システム128から受信した入力信号に応答して、所定または目標位置に移動するように器具108に指示してもよい。自動的に決定された器具108の移動は、現場設計126からの入力に基づいてもよい。また、自動的な器具108の移動を示す位置信号は、器具下降および器具上昇などの昇降信号を含む。また、自動的な器具108の移動を示す位置信号は、上で詳細に検討したように、左チルトまたは右チルトなどのチルト信号を含んでもよいし、含まなくてもよい。
現場設計126は、工学的設計に基づく工事現場の建設表面に関するデータを含む。現場設計126において提供される建設表面は、不規則な三次元(3D)表面または平坦面を示すことが可能な地面プロファイルを表してもよい。図示の実施形態において、建設表面は、工事現場111について所望される切断面または所望される最終勾配を表す設計面132である。
いくつかの実施形態において、勾配制御システム128は、工事現場111における機械100の相対的な場所または位置を決定するように適合されてもよい。他の実施形態において、勾配制御システム128は、工事現場111内における機械100の場所または位置に基づく器具108の相対的な場所または位置を決定するように適合されてもよい。機械100および/または器具108の相対的な場所または位置は、当該技術において周知の1つ以上の位置センサ、GPS受信機、およびレーザシステムを用いて決定してもよい。
図示の実施形態において、勾配制御システム128は、工事現場111についての設計面132を示す現場設計126からの入力を受信し、設計面132に対する器具108の対応する目標位置を決定する。コントローラ130は、設計面132に対する器具108の相対位置に基づいて勾配制御システム128により生成された目標位置を示す、勾配制御システム128からの入力を受信する。目標位置は、設計面132を達成するために器具108が工事現場111の地勢に係合することが要求される器具108の位置を表す。
また、コントローラ130は、器具108を工事現場111の地勢に係合させるためのオペレータにより所望される器具108の位置を示す入力装置106からの入力を受信する。コントローラ130は、勾配制御システム128により生成された目標位置信号と入力装置106により生成された目標位置信号とを受信するとともに、設計面132に対する器具108の相対位置に基づいて対応する勾配制御システム128の目標位置または対応する入力装置106の目標位置に器具108を移動させる制御信号または命令を生成するように適合されている。器具108を移動させる制御信号は、器具108を対応する目標位置に移動させるように油圧機構118、120を作動させるように印加してもよい。
コントローラ130は、設計面132に対する器具108の切断縁112の部分の相対的な場所を比較することにより、器具108および設計面132の相対位置を評価するように適合されてもよい。図示の実施形態において、切断縁112の部分は、第1端114と第2端116との間の器具108の切断縁112の中心134の辺りに配設されている。コントローラ130は、部分134が設計面132の上方または設計面132上もしくはその下方のいずれにあるかを判定してもよい。コントローラ130は、中心134が設計面132の上方、設計面132上、または設計面132の下方のいずれにあるかに依存して、入力装置106からの入力または勾配制御システム128からの入力のいずれかに基づいて器具108の移動を制御するかを判定するように適合されてもよい。
他の実施形態において、コントローラ130は、設計面132に対する器具の切断縁112の複数の部分の相対的な場所を比較することにより、器具108および設計面132の相対位置を評価するように適合されてもよい。切断縁112の複数の部分は、切断縁112の中心134辺りに配設された部分と、第1端114の辺りおよび/または第2端116の辺りに配設された切断縁112の部分とを含んでもよい。
図2Bに示すように、切断縁112の第2端116は、設計面132の下方にあり、切断縁112の第1端114と切断縁112の中心134との両方は、それぞれ設計面132の上方および設計面132上にある。コントローラ130は、中心134が設計面132の上方、設計面132上、もしくは設計面132の下方のいずれにあるかに依存して、および/または第1端および第2端114、116が設計面132の上方、設計面132上、もしくは設計面132の下方のいずれにあるかに依存して、入力装置106からの入力または勾配制御システム128からの入力のいずれかに基づいて器具108の移動を制御するかを判定するように適合されてもよい。
勾配制御システム128およびコントローラ130は、1つ以上の制御モジュール(例えばECM、ECU等)を含んでもよい。1つ以上の制御モジュールは、処理ユニット、メモリ、センサインタフェース、および/または制御信号インタフェース(信号を受信および送信するための)を含んでもよい。処理ユニットは、特定の通信、制御、および/または診断機能を行うために器具制御システム124により用いられる1つ以上の論理および/または処理コンポーネントを表してもよい。例えば、処理ユニットは、器具制御システム124内および/または外の装置間における情報のルーティングを実行するように適合されてもよい。
さらに、処理ユニットは、メモリなどの格納装置からの指令を実行するように適合されてもよい。1つ以上の制御モジュールは、1つ以上の汎用処理ユニットおよび/または専用ユニット(例えばASICS、FPGA等)などの複数の処理ユニットを含んでもよい。特定の実施形態において、処理ユニットの機能性は、一体化されたCPU、メモリ、および1つ以上の周辺装置を含む、一体化されたマイクロプロセッサまたはマイクロコンピュータ内において具現化されてもよい。メモリは、ランダムアクセスメモリ(RAM)、読み出し専用メモリ(ROM)、磁気および光学格納装置、ディスク、消去可能なプログラム可能読み取り専用メモリ(EPROM、EEPROM等)などのプログラム可能な消去可能コンポーネント、およびフラッシュメモリなどの不揮発性メモリを含むがそれらに限定されない、情報を格納可能な1つ以上の既知のシステムを表してもよい。
本明細書に記載のオペレータによる器具の制御を制限するためのシステムおよび方法の産業上の利用可能性は、上述の検討から容易に理解されよう。機械は、軌道式トラクタとして示したが、機械は、例えば採鉱、建設および他の産業アプリケーションに関連付けられた少なくとも1つの作業を行ういずれかの種類の機械であってもよい。その上、本明細書に記載のシステムおよび方法は、多様な機械および仕事に適合させることが可能である。例えば、バックホーローダ、スキッドステアローダ、ホイールローダ、モータグレーダ、スクレーパ、および他の多くの機械が、記載のシステムおよび方法から恩恵を得ることが可能である。従って、本開示は、多くの機械および多くの環境に適用可能である。
特定の実施形態によれば、器具制御システム124は、勾配制御システム128により生成された目標位置信号および入力装置106により生成された目標位置信号を比較するとともに、設計面132に対する器具108の相対位置に基づいて対応する勾配制御システム128の目標位置または対応する入力装置106の目標位置に器具108を移動させる制御信号を生成するように適合されている。
図3は、器具制御プロセスおよび器具制御システムの動作(200)の例示的実施形態を示す。コントローラ130は、オペレータにより所望される器具108の位置を示す入力装置106により生成された目標位置を受信するように適合されている(ステップ202)。コントローラ130は、さらに、設計面を達成するために工事現場111の地勢に係合するために要求される工具108の位置を示す、勾配制御システム128により生成された目標位置信号を受信するように適合されている(ステップ204)。コントローラは、相対的な入力装置106の目標位置信号を設計面132と比較し、入力装置106の目標位置信号が設計面132上もしくはその下方の相対位置または設計面132の上方の相対位置のいずれを表すかを判定する(ステップ206)。
図2Aに示すように相対的な入力装置106の目標位置信号が設計面132の上方にあれば(ステップ206:No)、コントローラ130は、入力装置106の目標位置信号を用いて(ステップ208)、オペレータにより所望される位置を示す目標位置に器具108を移動させる(ステップ210)。相対的な入力装置106の目標位置信号が設計面132上もしくはその下方にあれば(ステップ206:Yes)、コントローラ130は、勾配制御システム128の目標位置信号を用いて(ステップ212)、現場設計126から自動的に決定された器具108の移動を示す目標位置に器具108を移動させる(ステップ210)。
図4は、開示された発明による、器具制御プロセスおよび器具制御システムの動作(300)の別の例示的実施形態を示す。コントローラ130は、オペレータにより所望される器具108の位置を示す入力装置106からの目標位置信号を受信するように適合されている(ステップ302)。コントローラ130は、さらに、現場設計126に従い勾配制御システム128により自動的に生成された目標位置信号を受信するように適合されている(ステップ304)。
コントローラ130は、オペレータの目標位置信号が、例えば器具下降信号または器具上昇信号などの昇降信号を表すかを判定する(ステップ306)。オペレータの目標位置信号が昇降信号であれば(ステップ306:Yes)、コントローラは、オペレータの目標位置信号を表す相対位置を設計面132と比較し、オペレータの目標位置信号が、器具108の中心部分134が設計面132上もしくはその下方または設計面132の上方のいずれにある相対位置を表すかを判定する(ステップ308)。
相対的なオペレータの目標位置信号を表す位置が設計面132の上方にあれば(ステップ308:Yes)、コントローラ130は、昇降信号を用いて、器具108をオペレータの目標位置信号を表す位置に移動させる(ステップ310)。しかし、相対的なオペレータの目標位置信号が、器具の中心部分134が設計面132上またはその下方にあれば(ステップ308:No)、コントローラは、昇降信号が器具下降信号であるかを判定する(ステップ312)。
昇降信号が器具下降信号でなければ、すなわち、器具上昇信号であれば(ステップ312:No)、コントローラ130は、昇降信号(器具上昇信号)を用いて、器具108をオペレータの目標位置信号を表す位置に移動させる(ステップ310)。しかし、昇降信号が器具下降信号であれば(ステップ312:Yes)、コントローラ130は、勾配制御システム128により生成された現場設計126の目標位置信号を用いて、器具を対応する位置に移動させる(ステップ314)。
しかし、オペレータの目標位置信号が昇降信号でなければ(ステップ306:No)、コントローラは、オペレータの目標位置信号が、例えば器具左チルト信号または器具右チルト信号などのチルト信号であるかを判定する(ステップ316)。オペレータの目標位置信号がチルト信号であれば(ステップ316:Yes)、コントローラ130は、相対的なオペレータの目標位置信号を設計面132と比較するとともに、オペレータの目標位置信号が、器具108の第1端114または第2端116が設計面132上またはその下方のいずれかにあるかを判定するように適合されている。
第1端114または第2端116が設計面132上またはその下方にあるかは、チルト信号が器具左チルト信号または器具右チルト信号であるかに対応する、または関連付けられる。しかし、第1端114または第2端116が設計面132上またはその下方にあるときであっても、コントローラ130は、器具チルト信号を用いて、器具を対応する位置に移動させる(ステップ318)。図2Bに示すように、左チルト信号に対応するまたは関連付けられた第2端116は、設計面132の下方に移動することが許される。しかし、中心部分134は、設計面132の上方に残らなければならない。このため、コントローラは、中心部分134が設計面の上方にあるかを監視し、設計面132に対する器具の中心部分の相対位置に基づいて器具108を制御する(すなわち、ステップ308に戻り、器具108の昇降移動に関する制御シーケンスを継続する)ように適合されている。
上述の説明は、開示のシステムおよび方法の例を提供していることが理解されよう。しかし、本開示の他の実装は、詳細において上述の例と異なり得ると考えられる。本開示または本開示の例へのすべての参照は、その時点で検討されている特定の例を参照することを意図するものであり、より一般的に本開示の範囲についての何らの限定も示唆することを意図するものではない。特定の特長を区別および批判するすべての文言は、それらの特長が好ましさに欠けることを示すことを意図するものであり、他に指定しない限り、かかる特長を本開示の範囲から完全に排除することを意図するものではない。
本明細書における値の範囲の記載は、本明細書において他に指定しない限り、その範囲に該当する各々の別々の値に個々に言及する簡略な方法として役立つことを単に意図するものであり、各々の別々の値は、本明細書において個々に記載されたかのように本明細書に組み込まれる。本明細書に記載のすべての方法は、本明細書において他に指定しない限り、またはその他文脈上明らかに矛盾しない限り、いずれの好適な順序でも行うことが可能である。
このため、本開示は、適用法により認められるように本明細書に付帯の請求項に記載の主題のすべての修正および均等物を含む。また、すべての可能な変形における上記の要素のいずれの組み合わせも、本明細書において他に指定しない限り、またはその他文脈上明らかに矛盾しない限り、本開示に含まれる。

Claims (10)

  1. 器具制御システム(124)であって:
    器具(108)に動作的に接続されたコントローラ(130);を備え、コントローラ(130)は:
    オペレータにより所望される器具の移動を示す信号を入力装置(106、110)から受信し;
    自動的に決定された器具の移動を示す自動的に生成された信号を受信し;
    入力装置の信号または自動的に生成された信号に基づいて器具(108)を移動させるかを判定し;
    器具(108)の部分(134)が所望される切断面(132)の上方にあるときに入力装置の信号に基づいて器具を移動させるように適合された制御信号を生成する;ように適合されている、器具制御システム(124)。
  2. 自動的に生成された信号は、器具(108)の部分(134)が所望される切断面(132)上またはその下方にあるときに器具(108)を移動させる、請求項1に記載の器具制御システム(124)。
  3. 入力装置の信号は、器具下降信号を表す、請求項2に記載の器具制御システム(124)。
  4. 入力装置の信号は、器具チルト信号を表し、コントローラ(130)は、器具の部分(134)が所望される切断面(132)上またはその下方にあるときであっても器具チルト信号に基づいて器具(108)を移動させるように適合されている、請求項2に記載の器具制御システム(124)。
  5. 器具(108)の部分(134)は、切断縁(112)の第1端(114)と第2端(116)との間に配設された器具(108)の切断縁(112)の中心辺りに配設された領域であり、コントローラ(130)は、切断縁(112)の中心(134)が所望される切断面(132)上またはその下方にあるときであっても器具チルト信号に基づいて器具を移動させるように適合されている、請求項4に記載の器具制御システム(124)。
  6. コントローラ(130)は、第1端(114)または第2端(116)のいずれかが所望される切断面(132)上またはその下方にあるときであっても器具チルト信号に基づいて器具(108)を移動させるように適合されている、請求項5に記載の器具制御システム(124)。
  7. 自動的に生成された信号は、器具下降信号、器具上昇信号、または器具チルト信号の少なくとも1つを表す、請求項3に記載の器具制御システム(124)。
  8. 機械(100)であって:
    器具(108)と;
    オペレータによる器具(108)の制御を制限するように構成された器具制御システム(124)とを備え、器具制御システム(124)は:
    器具(108)に動作的に接続されたコントローラ(130);を備え、コントローラ(130)は:
    オペレータにより所望される器具の移動を示す信号を入力装置(106、110)から受信し;
    自動的に決定された器具の移動を示す自動的に生成された信号を受信し;
    入力装置の信号または自動的に生成された信号に基づいて器具(108)を移動させるかを判定し;
    器具(108)の部分(134)が所望される切断面(132)の上方にあるときに入力装置の信号に基づいて器具(108)を移動させるように適合された制御信号を生成する;ように適合されている、機械(100)。
  9. 自動的に生成された信号は、器具(108)の部分(134)が所望される切断面(132)上またはその下方にあるときに器具(108)を移動させる、請求項18に記載の機械(100)。
  10. 入力装置の信号は、器具チルト信号を表し、コントローラ(130)は、器具の部分(134)が所望される切断面(132)上またはその下方にあるときであっても器具チルト信号に基づいて器具を移動させるように適合されている、請求項19に記載の機械(100)。
JP2012545952A 2009-12-23 2010-11-10 オペレータによる器具の制御を制限するためのシステムおよび方法 Active JP5894084B2 (ja)

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