JP2019100111A - 建設機械の制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】熟練した操縦技術が必要とされている面整形作業を、操縦経験の浅い操縦者でも容易に行うことができる建設機械の制御システムを提供すること。【解決手段】建設機械の制御システムは、上部旋回体１に設けられたＧＮＳＳアンテナ１６、基準点位置算出部３１、バケット位置算出部３２、角度誤差算出部３３、および旋回制御部３５を少なくとも有する。角度誤差算出部３３は、基準点の目標位置とバケット先端位置の目標位置とを結ぶ第１仮想線Ｌ２と、基準点位置算出部３１およびバケット位置算出部３２で算出された結果に基づく第２仮想線Ｌとの間の角度θを算出する。旋回制御部３５は、角度誤差算出部３３で算出された角度θが、所定の閾値角度θthよりも大きい場合、前記角度θが小さくなるように上部旋回体１を旋回させる。【選択図】図２

Description

本発明は、ブーム、アーム、およびバケットを上部旋回体に備える建設機械の制御システムに関する。

この種の技術として、例えば、特許文献１に記載のものがある。特許文献１に記載の発明は、建設機械の制御システムおよび制御方法に関する発明であって、当該特許文献１には、バケットの刃先が、掘削対象の目標形状を示す設計面に沿って動くように、ブーム、アーム、およびバケットを備える作業機の侵入不可領域を設定し、バケットがこの侵入不可領域の境界線に達した際、違和感なく設計面を侵食しないようにブームの速度を制限する制御方法が記載されている。

特許第５６５４１４４号公報

ここで、従来、バケットの幅を超える大きさの面の整形をショベルで行う際、操縦者は、１バケット幅分の整形作業（掘削作業）を行った後、左右のクローラを操作して、バケットの幅分の距離だけショベルが横に進むようにクローラを切り返した後、再び１バケット幅分の整形作業（掘削作業）を行うということを繰り返していた。そのため、ショベルの操縦経験が浅い操縦者では、作業の効率が低下するという問題があった。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、熟練した操縦技術が必要とされている面整形作業を、操縦経験の浅い操縦者でも容易に行うことができる建設機械の制御システムを提供することである。

本発明に係る建設機械の制御システムは、ブーム、アーム、およびバケットが上部旋回体に取り付けられた建設機械の制御システムであって、前記上部旋回体に設けられ、衛星測位システムの電波を受信するセンサと、前記センサのグローバル位置情報に基づいて前記上部旋回体に設定された基準点の位置を算出する基準点位置算出部と、前記グローバル位置情報、ならびに、前記ブーム、前記アーム、および前記バケットの姿勢に基づいて前記バケットの先端位置を算出するバケット位置算出部と、前記バケットの幅方向に前記建設機械が前記バケットの幅分正確に移動したと仮定したときの、前記基準点の目標位置と前記先端位置の目標位置と、を結ぶ第１仮想線と、前記バケットの幅方向に前記建設機械が前記バケットの幅分実際に移動したときの、前記基準点位置算出部で算出された前記基準点の実際位置と前記バケット位置算出部で算出された前記先端位置の実際位置と、を結ぶ第２仮想線と、の間の角度を算出する角度誤差算出部と、前記上部旋回体の旋回動作を制御する旋回制御部と、を備える。前記旋回制御部は、前記角度誤差算出部で算出された前記角度が、所定の閾値角度よりも大きい場合、前記角度が小さくなるように前記上部旋回体を旋回させる。

この構成によると、操縦者は、切り返し運転を特に行うことなく、バケットの方向を目標とする方向に自動で調整することができる。すなわち、操縦経験の浅い操縦者でも、熟練を要する面整形作業を容易に行うことができる。

本発明において、前記基準点が、ブームフットピンの位置に設定されていることが好ましい。この構成によると、１バケット幅分の移動という僅かな時間ではあるが、バケットの幅方向に油圧ショベルをバケットの幅分移動させる途中に、ブームなどを操縦者が操作して、バケットの先端位置が変化しても、角度誤差算出部における前記角度の算出に、当該操作は影響を与えない。

また本発明において、前記ブーム、前記アーム、および前記バケットの動作を制御する掘削動作制御部を備え、前記掘削動作制御部は、前記ブーム、前記アーム、および前記バケットのうちのいずれかが操作されたとき、掘削対象の目標とする施工面に沿って前記バケットの先端位置が動くように、前記ブーム、前記アーム、および前記バケットの全てを制御することが好ましい。

この構成によると、操縦者は、ブーム、アーム、およびバケットのうちのいずれか１つを操作することで、目標とする施工面に沿ってバケットの先端位置を動かすことができるので、操縦者は、熟練を要する面整形作業をより容易に行うことができる。

また本発明において、前記建設機械の走行動作を制御する走行制御部を備え、前記走行制御部は、前記掘削動作制御部による掘削動作が終了したら、前記グローバル位置情報をもとに、前記バケットの幅方向に前記建設機械を前記バケットの幅分移動させることが好ましい。

この構成によると、繰り返し行うバケット幅分の整形作業をより自動化することができる。また、操縦者は、バケットの幅分、建設機械を容易に移動させることができる。

本発明によれば、熟練した操縦技術が必要とされている面整形作業を、操縦経験の浅い操縦者でも容易に行うことができる建設機械の制御システムを提供することができる。

油圧ショベル（建設機械）の側面図である。 図１に示す油圧ショベルの制御システムの一構成例を示すブロック図である。 図１に示す油圧ショベルが、バケットの幅分正確に移動したと仮定したときの、移動前後の当該油圧ショベルを比較して示す平面図である。 図１に示す油圧ショベルが、バケットの幅分実際に移動したときの、移動前後の当該油圧ショベルを比較して示す平面図である（実際の移動の一例）。 図３Ａおよび図３３Ｂに示す点Ｏ１、Ｐ１、Ｏ２、Ｐ２、Ｏ、およびＰをまとめて示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。

（油圧ショベルの構成）
まず、図１、２に基づいて、油圧ショベル（建設機械）の構成について説明する。油圧ショベル１００は、ブーム６、アーム７、およびバケット８が取り付けられた上部旋回体１と、上部旋回体１を支持する下部走行体２とを備える。

下部走行体２は、左右一対のクローラ５（５ａ、５ｂ）を備える。各クローラ５ａ、５ｂは、それぞれ、走行モータ１０ａ、１０ｂ（油圧モータ、図２参照）で駆動される。下部走行体２と、上部旋回体１との連結部には、旋回モータ９（油圧モータ、図２参照）が配置されおり、旋回モータ９が駆動されることにより、上部旋回体１は下部走行体２に対して旋回する。

上部旋回体１は、上部フレーム３、および上部フレーム３の上に配置されたキャビン４（運転室）などから構成される。この上部旋回体１には、ブーム６、アーム７、およびバケット８が、この順で取り付けられる。ブーム６の基端部は、ブームフットピン６ｂを介して上部フレーム３に取り付けられる。ブーム６の先端部には、アーム７の基端部が取り付けられ、アーム７の先端部には、バケット８が取り付けられる。これらブーム６、アーム７、およびバケット８は、それぞれ、ブームシリンダ６ａ、アームシリンダ７ａ、およびバケットシリンダ８ａ（いずれも油圧シリンダ）によって駆動される。

ブームシリンダ６ａ、アームシリンダ７ａ、およびバケットシリンダ８ａには、それぞれ、ストロークセンサ１７、１８、および１９が取り付けられている（図２参照）。ストロークセンサ１７は、ブームシリンダ６ａのストローク長を検出するセンサであり、ストロークセンサ１７からの信号に基づいて、上部旋回体１に対するブーム６の角度（姿勢）を演算により求めることができる。ストロークセンサ１８は、アームシリンダ７ａのストローク長を検出するセンサであり、ストロークセンサ１８からの信号に基づいて、ブーム６に対するアーム７の角度（姿勢）を演算により求めることができる。また、ストロークセンサ１９は、バケットシリンダ８ａのストローク長を検出するセンサであり、ストロークセンサ１９からの信号に基づいて、アーム７に対するバケット８の角度（姿勢）を演算により求めることができる。

なお、ブーム６、アーム７、およびバケット８の角度（姿勢）を求めるのに、ストロークセンサ１７〜１９に代えて、角度センサが用いられてもよい。

前記した走行モータ１０ａ、１０ｂ、旋回モータ９、ブームシリンダ６ａ、アームシリンダ７ａ、およびバケットシリンダ８ａは、エンジン１１（図２参照）により駆動される油圧モータ１２からの圧油で駆動され、駆動の方向・速度などは、制御弁１３で制御される。

ここで、上部旋回体１には、衛星測位システムの電波を受信するセンサが取り付けられる。本実施形態では、上部旋回体１の後部の上面に、衛星測位システムの電波を受信するセンサとしてＧＮＳＳアンテナ１６が取り付けられている。衛星測位システムの電波を受信するセンサは、ＧＮＳＳアンテナ１６に限られることはなく、ＧＰＳアンテナなどであってもよい。また、当該センサの設置場所は、上部旋回体１の後部の上面に限られることはなく、例えば、キャビン４の上などであってもよい。ただし、当該センサの設置場所は、旋回する上部旋回体１のいずれかの場所である必要があり、上部旋回体１とは座標系が異なる下部走行体２にセンサを取り付けてはいけない。

キャビン４の中には、操作レバー１４、１５が配置されている（図２参照）。操作レバー１４、１５は、それぞれ、前後左右の４方向に操作可能なものであり、例えば、操作レバー１４の４つの操作方向のうちの２つは、ブーム６の上げ操作と下げ操作とに割り当てられ、残りの２つは、バケット８の上げ操作と下げ操作とに割り当てられる。また、操作レバー１５の４つの操作方向のうちの２つは、アーム７の上げ操作と下げ操作とに割り当てられ、残りの２つは、旋回モータ９の右旋回操作と左旋回操作とに割り当てられる。なお、操作レバー１４、１５への操作の割り当ては、上記の割り当てに限られるものではない。

なお、ブーム６、アーム７、およびバケット８は、上下方向には回動するが、上部旋回体１から見た場合、その旋回方向（左右方向）には移動しない。

（面整形作業の制御構成）
図２に示すように、油圧ショベル１００のコントローラ３０には、ＧＮＳＳアンテナ１６からの信号（ＧＮＳＳアンテナ１６のグローバル位置情報）、各操作レバー１４、１５からの信号、および各ストロークセンサ１７〜１９からの信号が入力される。また、コントローラ３０からは、制御弁１３へ制御信号が出力される。

ここで、コントローラ３０は、基準点位置算出部３１、バケット位置算出部３２、および角度誤差算出部３３という演算部、ならびに、走行制御部３４、旋回制御部３５、および掘削動作制御部３６を備える。走行制御部３４は、油圧ショベル１００の走行動作を制御する制御部（走行モータ１０ａ、１０ｂの制御部）であり、旋回制御部３５は、上部旋回体１の旋回動作を制御する制御部（旋回モータ９の制御部）であり、掘削動作制御部３６は、ブーム６、アーム７、およびバケット８の動作を制御する制御部（シリンダ６ａ〜８ａの制御部）である。

＜基準点位置算出部＞
基準点位置算出部３１は、ＧＮＳＳアンテナ１６のグローバル位置情報（例えば、図１に示す点Ｓのグローバル位置情報）に基づいて上部旋回体１に設定された基準点の位置を算出するように構成される。基準点は、例えば、ブームフットピン６ｂの位置とされる。上部旋回体１の各部寸法は、コントローラ３０に格納（入力）されている。基準点位置算出部３１は、点Ｓのグローバル位置情報、およびコントローラ３０に格納されている上部旋回体１の各部寸法に基づいて、ブームフットピン６ｂの位置を算出する。

＜バケット位置算出部＞
バケット位置算出部３２は、ＧＮＳＳアンテナ１６のグローバル位置情報、ならびに、ブーム６、アーム７、およびバケット８の姿勢に基づいてバケット８の先端８ｂ位置を算出するように構成される。ブーム６、アーム７、およびバケット８の各部寸法は、コントローラ３０に格納（入力）されている。バケット位置算出部３２は、点Ｓのグローバル位置情報、ストロークセンサ１７〜１９で検出された各シリンダ６ａ〜８ａのストローク長、およびコントローラ３０に格納されているブーム６、アーム７、およびバケット８の各部寸法に基づいて、バケット８の先端８ｂ位置を算出する。

＜角度誤差算出部＞
図３Ａ、図３Ｂ、および図４を参照しつつ、角度誤差算出部３３で行われる演算について説明する。ここで、図３Ａは、図１に示す油圧ショベル１００が、掘削対象の目標とする施工面に沿って、バケット８の幅分正確に移動したと仮定したときの、移動前後の当該油圧ショベル１００を比較して示す平面図である。実線は、移動前の油圧ショベル１００を示し、点線は、移動後の油圧ショベル１００を示す。図３Ｂは、図１に示す油圧ショベル１００が、掘削対象の目標とする施工面に沿って、バケット８の幅分実際に移動したときの、移動前後の当該油圧ショベル１００を比較して示す平面図である（実際の移動の一例）。図３Ａと同様、実線は、移動前の油圧ショベル１００を示し、点線は、移動後の油圧ショベル１００を示す。また、図４は、図３Ａおよび図３３Ｂに示す点Ｏ１、Ｐ１、Ｏ２、Ｐ２、Ｏ、およびＰをまとめて示す図である。

図３Ｂにおいて点線で示す油圧ショベル１００のように、掘削対象の目標とする施工面に沿って、バケット８の幅分、油圧ショベル１００を移動させたつもりでも、左右のクローラ５ａ、５ｂの速度差や、地面の状態などによって、油圧ショベル１００（バケット８）の向きが、掘削対象の目標とする施工面に直交する方向からずれてしまう場合がある。

ここで、図３Ａ、図３Ｂ、および図４に示す点Ｏ１、点Ｏ２、および点Ｏは、基準点位置算出部３１により算出されたブームフットピン６ｂ（基準点）の位置である。点Ｏ１は、移動前の油圧ショベル１００におけるブームフットピン６ｂの位置であり、点Ｏ２は、バケット８の幅方向に、バケット８の幅分正確に油圧ショベル１００が移動したと仮定したときの、ブームフットピン６ｂの目標位置である。また、点Ｏは、バケット８の幅方向に、バケット８の幅分、油圧ショベル１００が実際に移動したときの、ブームフットピン６ｂの実際位置である。

また、図３Ａ、図３Ｂ、および図４に示す点Ｐ１、点Ｐ２、および点Ｐは、バケット位置算出部３２により算出されたバケット８の先端８ｂ位置である。点Ｐ１は、移動前の油圧ショベル１００におけるバケット８の先端８ｂ位置であり、点Ｐ２は、バケット８の幅方向に、バケット８の幅分正確に油圧ショベル１００が移動したと仮定したときの、バケット８の先端８ｂの目標位置である。また、点Ｐは、バケット８の幅方向に、バケット８の幅分、油圧ショベル１００が実際に移動したときの、バケット８の先端８ｂの実際位置である。

角度誤差算出部３３は、点Ｏ２と点Ｐ２とを結ぶ第１仮想線Ｌ２と、点Ｏと点Ｐとを結ぶ第２仮想線Ｌとの間の、平面における角度θを算出する。この角度θは、バケット８を向けるべき目標方向（点Ｏ２から点Ｐ２への方向）からの角度誤差である。

＜旋回制御部＞
ここで、旋回制御部３５は、角度誤差算出部３３で算出された上記角度θが、所定の閾値角度θthよりも大きい場合、角度θが小さくなるように上部旋回体１を旋回させる制御指令を制御弁１３に出すように構成される。なお、閾値角度θthは、旋回モータ９のもつ慣性特性に基づいて決められて、旋回制御部３５に入力されていることが好ましい。

旋回制御部３５は、操縦者の操作なしで、例えば、上記角度θがゼロとなるように、旋回モータ９の駆動・停止を制御する制御指令を制御弁１３に出す。

＜掘削動作制御部＞
なお、掘削動作制御部３６は、操縦者により（操作レバー１４や操作レバー１５により）、ブーム６、アーム７、およびバケット８のうちのいずれかが操作されたとき、掘削対象の目標とする施工面に沿ってバケット８の先端８ｂ位置が動くように、ブーム６、アーム７、およびバケット８の全てを制御するように制御構成されていることが好ましい。

掘削動作制御部３６は、例えば、操縦者のアーム７操作に応じて、ブーム６、アーム７、およびバケット８を駆動する各シリンダ６ａ〜８ａの目標速度を算出し、算出した目標速度を、制御弁１３への制御指令に変換し、そして、制御指令を制御弁１３に出す。

＜走行制御部＞
また、走行制御部３４に関しては、掘削動作制御部３６による掘削動作が終了したら、ＧＮＳＳアンテナ１６のグローバル位置情報をもとに、バケット８の幅方向に油圧ショベル１００をバケット８の幅分移動させるように制御構成されていることが好ましい。

この場合、走行制御部３４は、掘削動作制御部３６による掘削動作が終了したら、ＧＮＳＳアンテナ１６のグローバル位置情報を用いて、操縦者の操作なしで、バケット８の幅方向に油圧ショベル１００がバケット８の幅分だけ移動するように、走行モータ１０ａ、１０ｂの駆動・停止を制御する制御指令を制御弁１３に出す。

（面整形作業のフロー例）
操縦者は、掘削動作の開始前に、クローラ５ａ、５ｂを進行方向（掘削対象の目標とする施工面に平行な（沿う）方向）に向けておく。

その後、操縦者が、例えば、アーム７を操作すると、掘削動作制御部３６は、操縦者のアーム７操作に応じて、掘削対象の目標とする施工面に沿ってバケット８の先端８ｂ位置が動くように、ブーム６、アーム７、およびバケット８の全てを制御する（ステップ１）。

１バケット幅分の面整形作業が終わると、走行制御部３４は、ＧＮＳＳアンテナ１６のグローバル位置情報をもとに、バケット８の幅方向に油圧ショベル１００をバケット８の幅分移動させる制御を行う（ステップ２）。

バケット８の幅分、油圧ショベル１００が移動すると、角度誤差算出部３３は、前記した角度θを算出する（ステップ３）。旋回制御部３５は、算出された角度θが、閾値角度θthよりも大きいか否か判断し、当該角度θが閾値角度θthよりも大きい場合は、角度θがゼロとなるように、旋回モータ９の駆動・停止を制御する（ステップ４）。なお、角度θが閾値角度θth以下の場合は、当該制御は行われない。その後、ステップ１に戻り、再び１バケット幅分の面整形作業（掘削作業）が行われる。ステップ１〜４の一連のステップが、面整形作業が完了するまで、繰り返し行われる。

なお、１バケット幅分の移動という僅かな時間ではあるが、バケット８の幅方向に油圧ショベル１００がバケット８の幅分移動する際に、操縦者が、例えば、ブーム６を上げ操作するなどして、バケット８の先端８ｂ位置が変化してもかまわない。上部旋回体１の座標系において、平面視におけるバケット８の先端８ｂ位置が変化する方向は、当該先端８ｂ位置が、ブームフットピン６ｂ（基準点）に向かう方向、または１８０°反対のブームフットピン６ｂから遠ざかる方向のいずれかであり、これらの方向にバケット８の先端８ｂ位置が変化しても、角度誤差算出部３３における角度θの算出に影響はない。すなわち、基準点は、ブームフットピン６ｂの位置に設定されていることが好ましい。

なお、より広くとらえれば、上部旋回体１に設定する基準点は、油圧ショベル１００を上方から見たときの、バケット８の先端８ｂ位置とブームフットピン６ｂとを結んだ仮想線と重なる、上部旋回体１のいずれかの位置とされることである。

上部旋回体１に設定する基準点を、ブームフットピン６ｂ以外の位置（油圧ショベル１００を上方から見たときの、バケット８の先端８ｂ位置とブームフットピン６ｂとを結んだ仮想線と重ならない、上部旋回体１のいずれかの位置）に設定した場合には、バケット８の幅方向への油圧ショベル１００の１バケット幅分の移動前後において、バケット８の先端８ｂ位置を変化させない方が好ましい。

上記の面整形作業によると、操縦者は、クローラ５ａ、５ｂの切り返し運転を特に行うことなく、バケット８の方向を目標とする方向に自動で調整することができ、且つ、アーム７を操作するだけで、目標とする施工面に沿ってバケット８の先端８ｂ位置を動かすことができる。しかも、バケット８の幅方向に油圧ショベル１００をバケット８の幅分移動させるのも、操縦者は、自動で行うことができる。そのため、操縦経験の浅い操縦者でも、熟練を要する面整形作業を容易に行うことができる。

なお、ブーム６、アーム７、およびバケット８の操作に関しては、操縦者が、それぞれ自ら操作を行ってもよい。また、バケット８の幅方向への油圧ショベル１００の１バケット幅分の移動は、操縦者による操作で行われてもよい。

以上、本発明の実施形態の一例について説明したが、その他に、当業者が想定できる範囲で種々の変更を行えることは勿論である。

１：上部旋回体
６：ブーム
７：アーム
８：バケット
８ｂ：先端
１６：ＧＮＳＳアンテナ（センサ）
３１：基準点位置算出部
３２：バケット位置算出部
３３：角度誤差算出部
３４：走行制御部
３５：旋回制御部
３６：掘削動作制御部
１００：油圧ショベル（建設機械）
Ｌ２：第１仮想線
Ｌ：第２仮想線

Claims (4)

1. ブーム、アーム、およびバケットが上部旋回体に取り付けられた建設機械の制御システムであって、
   前記上部旋回体に設けられ、衛星測位システムの電波を受信するセンサと、
   前記センサのグローバル位置情報に基づいて前記上部旋回体に設定された基準点の位置を算出する基準点位置算出部と、
   前記グローバル位置情報、ならびに、前記ブーム、前記アーム、および前記バケットの姿勢に基づいて前記バケットの先端位置を算出するバケット位置算出部と、
   前記バケットの幅方向に前記建設機械が前記バケットの幅分正確に移動したと仮定したときの、前記基準点の目標位置と前記先端位置の目標位置と、を結ぶ第１仮想線と、前記バケットの幅方向に前記建設機械が前記バケットの幅分実際に移動したときの、前記基準点位置算出部で算出された前記基準点の実際位置と前記バケット位置算出部で算出された前記先端位置の実際位置と、を結ぶ第２仮想線と、の間の角度を算出する角度誤差算出部と、
   前記上部旋回体の旋回動作を制御する旋回制御部と、
   を備え、
   前記旋回制御部は、前記角度誤差算出部で算出された前記角度が、所定の閾値角度よりも大きい場合、前記角度が小さくなるように前記上部旋回体を旋回させる、
   建設機械の制御システム。
2. 請求項１に記載の建設機械の制御システムにおいて、
   前記基準点が、ブームフットピンの位置に設定されている、
   建設機械の制御システム。
3. 請求項１または２に記載の建設機械の制御システムにおいて、
   前記ブーム、前記アーム、および前記バケットの動作を制御する掘削動作制御部を備え、
   前記掘削動作制御部は、前記ブーム、前記アーム、および前記バケットのうちのいずれかが操作されたとき、掘削対象の目標とする施工面に沿って前記バケットの先端位置が動くように、前記ブーム、前記アーム、および前記バケットの全てを制御する、
   建設機械の制御システム。
4. 請求項３に記載の建設機械の制御システムにおいて、
   前記建設機械の走行動作を制御する走行制御部を備え、
   前記走行制御部は、前記掘削動作制御部による掘削動作が終了したら、前記グローバル位置情報をもとに、前記バケットの幅方向に前記建設機械を前記バケットの幅分移動させる、
   建設機械の制御システム。

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