JP2019525039A - 掘削器具の機首方位制御 - Google Patents

掘削器具の機首方位制御 Download PDF

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Abstract

掘削機は、シャーシ、器具、制御アーキテクチャ、および、シャーシと共にまたはシャーシに対して相対的にスイングするためのアセンブリを含み、ブーム、ブームに対して相対的にカールしたスティック、および、器具とスティックとの間のカプラを含む。器具は、先端部ＬＥが機首方位を定めるように、軸Ｒ周りに回転する。制御アーキテクチャは、センサ、アクチュエータ、およびコントローラを含み、センサ信号を用いて、参照データおよび地図情報に基づいて、参照に対して相対的な先端部ＬＥ位置を生成し、センサ器具縁部信号、参照に対して相対的な掘削機位置、および地図情報を用いて、参照に対して相対的な先端部ＬＥの最接近器具縁部ＮＩＥ位置を示す最接近器具縁部（ＮＩＥ）信号を生成し、を調節するために、アクチュエータを用いて、最接近器具縁部ＮＩＥと参照との実際のまたは推定される重なりから離れる迂回回転を構成するよう、軸Ｒ周りの器具の迂回回転を行わせる。

Description

関連出願の相互参照
本願は、２０１６年７月２７日に出願された米国特許出願第１５／２２１，１８８号による利益を主張するものであり、これを参照して本明細書に組み込む。
本開示は、本願の範囲を定義および記述する目的で、掘削機ブームおよび掘削機スティック、またはスイングおよびカールの動きを実行するための他の類似の構成要素を補助として、スイングおよびカール制御を受ける掘削器具を含む掘削機に関する。
限定するものではない例として、多くのタイプの掘削機は油圧式または空気圧式で制御される掘削器具を含み、これは、掘削機の掘削リンケージアセンブリのスイング機能およびカール機能を制御することによって操作され得る。掘削機技術は、例えば、センサに基づく掘削機の自動制御方法を開示している特許文献１（キャタピラー・トリンブル・コントロール・テクノロジーズ社に譲渡されている）、掘削機のバケットの切刃を垂直方向の高精度でガイドするよう構成された掘削機３Ｄレーザシステムおよび無線位置ガイドシステムを開示している特許文献２（キャタピラー・トリンブル・コントロール・テクノロジーズ社に譲渡されている）、および、掘削機制御システム用の、例えば傾斜地にある掘削機の向きを決定する方法を開示している特許文献３（キャタピラー・トリンブル・コントロール・テクノロジーズ社に譲渡されている）の開示によってよく表されている。
米国特許第８，６８９，４７１号明細書 米国特許出願第２００８／００４７１７０号明細書 米国特許出願第２００８／００００１１１号明細書
本開示の主題によれば、掘削機は、機体シャーシ、掘削リンケージアセンブリ、回転掘削器具、および制御アーキテクチャを含む。掘削リンケージアセンブリは、掘削機ブーム、掘削機スティック、および器具カプラを含む。掘削リンケージアセンブリは、機体シャーシと共にまたは機体シャーシに対して相対的にスイングするよう構成される。掘削機スティックは、掘削機ブームに対して相対的にカールするよう構成される。回転掘削器具は、器具カプラによって掘削機スティックに機械的に結合されており、回転掘削器具の先端部が器具機首方位
Figure 2019525039
を定めるように、回転軸Ｒ周りに回転するよう構成される。制御アーキテクチャは、１以上の動的センサ、１以上のリンケージアセンブリアクチュエータ、および１以上のコントローラを含む。１以上のコントローラは、動的センサからの位置信号を用いて、傾斜制御データベースからの障害物参照データおよび傾斜制御データベースからの地図情報に少なくとも部分的に基づいて、障害物参照に対して相対的な回転掘削器具の先端部の位置を生成する工程と、動的センサからの器具縁部信号、障害物参照に対して相対的な掘削機の位置、および地図情報を用いて、障害物参照に対して相対的な回転掘削器具の先端部の最接近器具縁部の位置を示す最接近器具縁部信号を生成する工程と、器具機首方位
Figure 2019525039
を調節するために、リンケージアセンブリアクチュエータを用いて、回転掘削器具を回転軸Ｒ周りに迂回回転させる工程とを行うための、機械可読指示を実行するようプログラムされる。回転軸Ｒ周りの迂回回転の程度は、最接近器具縁部と障害物参照との実際のまたは推定される重なりの略全てから離れる迂回回転を構成するのに十分なものである。
本開示の一実施形態によれば、掘削機の回転掘削器具のチルトおよび回転を自動化する方法は、機体シャーシ、掘削リンケージアセンブリ、回転掘削器具、および制御アーキテクチャを含み得る掘削機掘削機であって、制御アーキテクチャが、１以上の動的センサ、１以上のリンケージアセンブリアクチュエータ、および１以上のコントローラを含む、掘削機を設ける工程を含む。掘削リンケージアセンブリは、掘削機ブーム、掘削機スティック、および器具カプラを含む。掘削リンケージアセンブリは、掘削機のスイング軸Ｓ周りに、機体シャーシと共にまたは機体シャーシに対して相対的にスイングするよう構成される。掘削機スティックは、掘削機ブームに対して相対的にカールするよう構成される。回転掘削器具は、器具カプラによって掘削機スティックに機械的に結合されており、回転掘削器具の先端部が器具機首方位
Figure 2019525039
を定めるように、回転軸Ｒ周りに回転するよう構成される。本方法は、動的センサからの位置信号を用いて、傾斜制御データベースからの障害物参照データおよび傾斜制御データベースからの地図情報に少なくとも部分的に基づいて、障害物参照に対して相対的な回転掘削器具の先端部の位置を生成する工程と、動的センサからの器具縁部信号、障害物参照に対して相対的な掘削機の位置、および地図情報を用いて、障害物参照に対して相対的な回転掘削器具の先端部の最接近器具縁部の位置を示す最接近器具縁部信号を生成する工程と、器具機首方位
Figure 2019525039
を調節するために、リンケージアセンブリアクチュエータを用いて、回転掘削器具を回転軸Ｒ周りに迂回回転させる工程とを含む。回転軸Ｒ周りの迂回回転の程度は、最接近器具縁部と障害物参照との実際のまたは推定される重なりの略全てから離れる迂回回転を構成するのに十分なものである。
本開示の別の実施形態によれば、傾斜制御システムは、掘削機および傾斜制御データベースを含む。傾斜制御データベースは、地図情報と、障害物参照を含む障害物参照データとを含む。掘削機は、機体シャーシ、掘削リンケージアセンブリ、回転掘削器具、および制御アーキテクチャを含む。掘削リンケージアセンブリは、掘削機ブーム、掘削機スティック、および器具カプラを含む。掘削リンケージアセンブリは、機体シャーシと共にまたは機体シャーシに対して相対的にスイングするよう構成される。掘削機スティックは、掘削機ブームに対して相対的にカールするよう構成される。回転掘削器具は、器具カプラによって掘削機スティックに機械的に結合されており、回転掘削器具の先端部が器具機首方位
Figure 2019525039
を定めるように、回転軸Ｒ周りに回転するよう構成される。制御アーキテクチャは、１以上の動的センサ、１以上のリンケージアセンブリアクチュエータ、および１以上のコントローラを含む。１以上のコントローラは、動的センサからの位置信号を用いて、傾斜制御データベースからの障害物参照および地図情報に対して相対的な回転掘削器具の先端部の位置を生成する工程と、動的センサからの器具縁部信号、障害物参照に対して相対的な掘削機の位置、および地図情報を用いて、障害物参照に対して相対的な回転掘削器具の先端部の最接近器具縁部の位置を示す最接近器具縁部信号を生成する工程と、器具機首方位
Figure 2019525039
を調節するために、リンケージアセンブリアクチュエータを用いて、回転掘削器具を回転軸Ｒ周りに迂回回転させる工程とを行うための、機械可読指示を実行するようプログラムされる。回転軸Ｒ周りの迂回回転の程度は、最接近器具縁部と障害物参照との実際のまたは推定される重なりの略全てから離れる迂回回転を構成するのに十分なものである。
本明細書では、本開示の概念を、主に図１に示されている掘削機を参照して説明するが、本概念は、具体的な機械的構成に関係無く、任意のタイプの掘削機に対する適用可能性を有すると考えられる。限定するものではない例として、本概念は、バックホーリンケージを含むバックホーローダーに対する適用可能性を有し得る。
本開示の態様を組み込んだ掘削機を示す 回転掘削器具の等角図 本開示の様々な概念による、制御アーキテクチャによって実施される指示を示すフローチャート 本開示の様々な概念による、障害物参照に対する掘削機の回転掘削器具の異なる回転位置を示す、掘削機の上面図 本開示の様々な概念による、障害物参照に対する掘削機の回転掘削器具の異なる回転位置を示す、掘削機の上面図
以下の本開示の具体的な実施形態の説明は、添付の図面と共に読めば、最もよく理解できる。図面中、類似の参照番号は類似の構造を示す。
まず、掘削機１００を示している図１を参照すると、本開示による掘削機１００は、典型的には、機体シャーシ１０２、掘削リンケージアセンブリ１０４、回転掘削器具１１４（例えば、切刃を有する回転バケット）、および制御アーキテクチャ１０６を含む。掘削リンケージアセンブリ１０４は、掘削機ブーム１０８、掘削機スティック１１０、および器具カプラ１１２を含み得る。限定するものではない例として、器具カプラ１１２は、チルト回転子アタッチメント（例えば、スウェーデン国ビンデルンに所在するIndexator社によって販売されているRototilt（登録商標）ＲＴ６０Ｂカプラ等）を含み得るものであり、掘削機ブーム１０８は、角度可変掘削機ブームを含み得ることが考えられる。掘削リンケージアセンブリ１０４は、パワーリンク操舵アームおよびアイドラーリンク操舵アームを更に含み得る。
本開示の概念を実施すればわかるように、本開示は、掘削機用の３Ｄ自動傾斜制御技術と共に用いられ得ることが考えられる。限定するものではない例として、本開示は、３Ｄ技術を組み込んだＡｃｃｕＧｒａｄｅ（商標）傾斜制御システム、３Ｄ技術を組み込んだＧＣＳ９００（商標）傾斜制御システム、２Ｄ＋全地球測位システム（ＧＰＳ）技術を組み込んだＧＣＳＦｌｅｘ（商標）傾斜制御システムを用いる掘削機と共に用いられ得る（上記の各システムは、トリンブル・ナビゲーション社および／またはキャタピラー社から、アドオンまたは工場出荷時インストール済みの掘削機機能として入手可能である）。
掘削リンケージアセンブリ１０４は、機体シャーシ１０２と共に、または機体シャーシ１０２に対して相対的に、掘削機１００のスイング軸Ｓ周りにスイングするよう構成され得る。掘削機スティック１１０は、掘削機１００のカール軸Ｃ周りに、掘削機ブーム１０８に対して相対的にカールするよう構成され得る。掘削リンケージアセンブリ１０４は、カール軸Ｃに対して垂直な基準平面Ｐと位置合わせされたリンケージアセンブリ機首方位
Figure 2019525039
を定めるよう構成され得る。
図１に示されている掘削機１００の掘削機ブーム１０８および掘削機スティック１１０は、掘削機スティック１１０が掘削機ブーム１０８に対して相対的に１回転自由度で動くことを可能にする単純な機械的カプラによってリンクされる。これらのタイプの掘削機では、リンケージアセンブリ機首方位
Figure 2019525039
は、掘削機ブーム１０８の機首方位に対応する。しかし、本開示は、例えば、オフセットブーム等の角度可変掘削機ブームを備えた掘削機を用いることも考えており、この場合、掘削機ブーム１０８と掘削機スティック１１０とは、１より高い回転自由度での動きを可能にする多次元カプラによってリンクされる。例えば、米国特許第７，８６９，９２３号明細書（「Slewing Controller, Slewing Control Method, and Construction Machine」）に示されている掘削機を参照されたい。オフセットブームを有する掘削機の場合には、リンケージアセンブリ機首方位
Figure 2019525039
は、掘削機スティック１１０の機首方位に対応する。複数の実施形態において、掘削機ブーム１０８と掘削機スティック１１０とは多次元カプラによってリンクされ、掘削機スティック１１０が、平面Ｐに沿って掘削機ブーム１０８と掘削機スティック１１０との間のカプラと交差する回転軸周りに、回転するようになっていてもよい。
回転掘削器具１１４は、器具カプラ１１２を介して掘削機スティック１１０に機械的に結合され、回転軸Ｒ周りに回転するよう構成され得る。回転軸Ｒは、器具カプラ１１２によって、または、掘削機ブーム１０８と掘削機スティック１１０とを接合するカプラによって、回転掘削器具１１４の先端部Ｌが器具機首方位
Figure 2019525039
を定めるように定められ得る。
制御アーキテクチャ１０６は、１以上の動的センサ４０、４５、１以上のリンケージアセンブリアクチュエータ、および１以上のコントローラを含み得る。図１に示されている１以上の動的センサ４０、４５は、掘削機スティック１１０上および回転掘削器具１１４上にそれぞれ設けられている。しかし、本明細書に記載される１以上の動的センサ４０、４５は、掘削機１００の別の位置（例えば、掘削機ブーム１０８上および／または機体シャーシ１０２上等）に設けられてもよく、更に詳細に後述するように、チルトおよび／または回転角度センサを含んでもよい。１以上のリンケージアセンブリアクチュエータは、手動で作動される掘削機制御システムまたは部分的にもしくは完全に自動化された掘削機制御システムのいずれかにおいて、掘削リンケージアセンブリ１０４の動きを容易にし得る。考えられるアクチュエータは、例えば、油圧式シリンダアクチュエータ、空気圧式シリンダアクチュエータ、電気式アクチュエータ、機械式アクチュエータ、またはそれらの組合せを含む、従来のまたは今後開発される任意の掘削機アクチュエータを含む。
本開示の一実施形態において、機械可読指示を実行するようプログラムされた１以上のコントローラを含む制御アーキテクチャ１０６は、図３に示されているような制御スキーム３００（例えば、工程３０１において掘削機１００による掘削を開始する等）に従う。制御アーキテクチャ１０６は、機械可読指示を含む非一過性のコンピュータ可読記憶媒体を含み得る。
考えられる実施形態において、器具機首方位
Figure 2019525039
は、回転掘削器具１１４の機首方位ベクトルとカール軸Ｃに対して垂直な基準平面Ｐとの間において測定される、器具機首方位角度θＩを定め得る。更に、図３〜図５を参照すると、制御アーキテクチャ１０６の１以上のコントローラは、動的センサ４０、４５からの位置信号を用いて、傾斜制御データベース３１０からの障害物参照１４０および地図情報３１２に対して相対的な掘削機１００および／または掘削機の構成要素（例えば、回転掘削器具１１４の先端部Ｌ等）の位置を生成するための機械可読指示を実行するようプログラムされ得る。障害物参照１４０は、傾斜制御データベース３１０からの障害物参照データ３１４に少なくとも部分的に基づき得る。
１以上のコントローラは、更に、工程３０２において、動的センサ４０、４５からの器具縁部信号を用いると共に、工程３０４において、障害物参照１４０および地図情報３１２に対して相対的な掘削機１００の位置を用いて、工程３０８において最接近器具縁部信号（「ＮＩＥ：Nearest Implement Edge」としても参照される）を生成するようプログラムされ得る。最接近器具縁部信号は、障害物参照１４０に対して相対的な回転掘削器具１１４の先端部Ｌの最接近器具縁部１２０の位置を示す。一実施形態において、工程３０８に進む前に、工程３０２〜３０４の後に工程３０６において状態の変化が見出されない場合には、制御スキーム３００は、状態の変化（工程３０２の器具縁部信号、工程３０４の掘削機１００の位置、またはそれらの両方において生じているような変化）が見出されるまで、工程３０８に進まない。
１以上のコントローラは、更に、器具機首方位
Figure 2019525039
を調節するために、リンケージアセンブリアクチュエータを用いて、回転掘削器具１１４を回転軸Ｒ周りに迂回回転させるようプログラムされ得る。回転軸Ｒ周りの迂回回転の程度は、最接近器具縁部１２０と障害物参照１４０との実際のまたは推定される重なりの略全てから離れる迂回回転を構成するのに十分なものである。最接近器具縁部１２０と障害物参照１４０との重なりの一例が、図４において、この重なりを示す重なり領域１３０によって示されている。そのような実際のまたは推定される重なりは、制御スキーム３００の工程３１６において決定され得る。工程３１６において、そのような実際のまたは推定される重なりが無いことが決定されたら、制御スキーム３００は工程３０２に戻る。しかし、工程３１６において、そのような実際のまたは推定される重なりが決定されたら、制御スキーム３００は工程３１８に進み、工程３０２に戻る前に、迂回回転を開始する。
一実施形態において、障害物参照１４０は、緩衝距離１５２において、障害物１４２から離間され得る。例えば、障害物参照１４０は、障害物の外周の周囲に設けられ、且つ、最接近器具縁部１２０が障害物１４２に接触する前にリンケージアセンブリアクチュエータが迂回回転を完了することを可能にするのに十分な緩衝距離１５２において、障害物１４２の外周から離間される。例えば、最接近器具縁部１２０が、障害物１４２に近づくために緩衝距離１５２を超えないようにして、障害物参照１４０に近づくことが可能である場合には、緩衝距離１５２は０インチ（０ｃｍ）であってもよい。限定するものではない別の例では、緩衝距離１５２は約１インチ（２．５４ｃｍ）から約６インチ（１５．２４ｃｍ）までの範囲内であり得る。緩衝距離１５２はカスタマイズ可能であり、ユーザ（例えば、オペレータ等）によって設定され得る。
一実施形態において、最接近器具縁部１２０は、障害物１４２と重なるまたは衝突することなく、障害物参照１４０と重なり得る。例えば、１以上のコントローラは、最接近器具縁部１２０が障害物参照１４０と重なったときに（且つ、障害物１４２からは依然として離間されているときに）、迂回回転が開始されるようプログラムされ得る。迂回回転は、最接近器具縁部１２０がもはや障害物参照１４０と重なっていないときに終了される。それに加えて、またはその代わりに、迂回回転は、最接近器具縁部１２０が障害物参照１４０から離れた所定の間隙距離１５０に到達したときに終了される。所定の間隙距離１５０は、例えば、約１インチ（２．５４ｃｍ）から約２インチ（５．０８ｃｍ）までの範囲内であり得る。所定の間隙距離１５０は、カスタマイズ可能であり得、ユーザによって定義され得る。更に、１以上のコントローラは、回転掘削器具１１４の迂回回転が回転軸Ｒ周りに約０度と約９０度との間であるようプログラムされ得る。
別の実施形態では、最接近器具縁部１２０は、障害物１４２は勿論のこと、障害物参照１４０、と重なることが防止されてもよい。例えば、障害物参照１４０は、障害物１４２自体を表してもよく、および／または、最接近器具縁部１２０が重なるまたは破壊するべきではない障害物１４２と関連づけられた選択された周辺領域を表してもよい。例えば、１以上のコントローラは、最接近器具縁部１２０が障害物参照１４０の所定の接近距離以内にあるときに、迂回回転が開始されるようプログラムされる。迂回回転は、最接近器具縁部１２０がもはや障害物参照１４０の所定の接近距離以内にないときに、終了され得る。それに加えて、またはその代わりに、迂回回転は、最接近器具縁部１２０が、障害物参照１４０から離間した所定の間隙距離１５０に到達したときに、終了される。所定の接近距離は、器具速度、器具機首方位
Figure 2019525039
またはそれらの組合せの関数であり得る。
一実施形態において、１以上のコントローラは、迂回回転が、障害物参照１４０から離れた所定の間隙距離１５０を超えたときに、器具機首方位
Figure 2019525039
を調節するために、リンケージアセンブリアクチュエータを用いて、回転掘削器具１１４を回転軸Ｒ周りに修正逆回転させるための機械可読指示を実行するようプログラムされる。
障害物１４２は、掘削機が動作する動作地帯内における高度変化、配置された物体、またはそれらの組合せを含み得る。例えば、高度変化は、動作地帯のスロープ、盛り土、溝、または類似のタイプの高度変化であり得る。更に、配置された物体は、例えば、擁壁、マンホールの入口、歩道、またはそれらの組合せを含み得る。
再び図３を参照すると、１以上のコントローラは、更に、動的センサ４０、４５からの位置信号を用いて、リンケージアセンブリ機首方位
Figure 2019525039
を表す信号を生成し、リンケージアセンブリ機首方位
Figure 2019525039
および器具機首方位
Figure 2019525039
に基づいて、器具機首方位角度θＩを表す信号を生成するための機械可読指示を実行するようプログラムされ得るものであり、この場合、例えば、迂回回転による器具機首方位
Figure 2019525039
の調節は、例えば、器具機首方位角度θＩを調節するものである。
考えられる別の実施形態では、制御アーキテクチャ１０６は、リンケージアセンブリ機首方位
Figure 2019525039
を生成するよう構成された機首方位センサを含み得る。動的センサ４０、４５は、ＧＰＳセンサ、全地球的航法衛星システム（ＧＮＳＳ）受信器、ユニバーサルトータルステーション（ＵＴＳ）およびマシンターゲット、レーザスキャナ、レーザ受信器、慣性計測装置（ＩＭＵ）、傾斜計、加速度計、ジャイロスコープ、角速度センサ、磁場センサ、方位磁針、回転位置センサ、位置検出シリンダ、重力に基づく角度センサ、インクリメンタルエンコーダ、またはそれらの組合せを含み得る。本開示の概念を実施すればわかるように、考えられる掘削機は、従来のまたは今後開発される様々な動的センサのうちの１以上を用い得る。
限定するものではない一例として、動的センサは、リンケージアセンブリ機首方位
Figure 2019525039
器具機首方位
Figure 2019525039
またはそれらの両方を生成するよう構成された機首方位センサを含み得るものであり、機首方位センサは、ＧＮＳＳ受信器、ＵＴＳおよびマシンターゲット、ＩＭＵ、傾斜計、加速度計、ジャイロスコープ、磁場センサ、またはそれらの組合せを含み得る。機首方位センサは、例えば、三次元空間内のそれぞれの所定の参照地点またはベクトルに対して相対的な、掘削機１００の構成要素（例えば、掘削機ブーム１０８、掘削機スティック１１０、および／または回転掘削器具１１４等）の機首方位を表す信号を生成するのに適した、従来のまたは今後開発される任意のセンサを含み得ることが考えられる。本明細書に記載されるセンサのいずれも、スタンドアロンセンサであってもよく、複合センサユニットの一部であってもよく、および／または、１以上の他のセンサからの読取値に基づいて測定値を生成するものであってもよいことが考えられる。
考えられる一実施形態において、動的センサは、回転掘削器具１１４の回転角度を表す信号を生成するよう構成された回転角度センサを含み得る。回転角度センサは、基準平面Ｐに対して相対的な回転掘削器具１１４の回転の程度を表す信号を生成するのに適した、従来のまたは今後開発される任意のセンサを含み得ることが考えられる。限定するものではない例として、動的センサ４０、４５は、掘削機ブーム１０８、掘削機スティック１１０、器具カプラ１１２、および回転掘削器具１１４の先端部のうちの少なくとも一対の、互いに関する、ベンチマーク基準点に関する、またはそれらの両方に関する角度および位置を計算するよう構成されるのに適した、従来のまたは今後開発される任意のセンサであり得る。
考えられる別の実施形態において、器具カプラ１１２は、回転掘削器具１１４の回転およびチルトを可能にするよう構造的に構成されたチルト回転子アタッチメントを含み得る。例えば、図２を参照すると、回転掘削器具１１４の回転の回転軸Ｒは、器具カプラ１１２を二等分しており、回転掘削器具１１４のカールの器具カール軸ＣＩおよび回転掘削器具１１４のチルトの器具チルト軸Ｔも同様である。
動的センサ４０、４５は、回転掘削器具１１４のチルト角度を表す信号を生成するよう構成されたチルト角度センサを含み得る。更に、傾斜制御システムは、掘削機１００と、地図情報３１２および（障害物参照１４０を含む）障害物参照データ３１４を含む傾斜制御データベース３１０とを含み得る。制御アーキテクチャ１０６は、動的センサ４０、４５によって生成される信号に応答し得るものであり、傾斜制御システム内に格納されている最終的な傾斜面のスロープの設計に従うように、チルト回転子アタッチメントを介して回転掘削器具１１４のチルト角度を制御するための、機械可読指示を実行するよう構成され得る。バケットが回転される際、システムは、バケットのチルト角度を、傾斜制御システム内において定められている目標スロープと比較し、チルト回転子アタッチメントに、設計面に一致するバケットチルト角度を生じる方向にバケットをチルトするよう自動的にコマンドする。限定するものではない例として、適切な傾斜制御システムは、キャタピラー社に譲渡されている、掘削機用の傾斜制御システムを開示している米国特許第７，２９３，３７６号明細書に示されている。
本開示の実施形態は、部分的にまたは完全に自動化され得る掘削器具の機首方位制御を提供することにより、オペレータの疲労を低減することを補助し得ると共に、更に、例えば、オペレータおよびマシンの生産性を向上し、燃料消費量を低減し、効率的なマシンの使用によってマシンの摩耗および破損を低減し、選択された物体が、動作中の掘削機器具とぶつかる可能性を低減し得ることが考えられる。
なお、本発明を記載および定義する目的で、本明細書において、パラメータまたは別の変数に「基づく」変数を参照している場合、その変数が、挙げられているパラメータまたは変数に排他的に基づくことは意図しない。むしろ、本明細書において、挙げられているパラメータに「基づく」変数を参照している場合、その変数は、単一のパラメータに基づいてもよく、または、複数のパラメータに基づいてもよいというように、限定されないことが意図される。更に、信号は、センサを用いてまたは用いずに、直接的または間接的な計算または測定によって「生成され」得る。
なお、本明細書における、特定の特性を具現化するために、または、特定の方法で機能するために、特定の方法で「構成された」または「プログラムされた」本開示の構成要素の記載は、意図される用途の記載ではなく、構造的な記載である。より具体的には、本明細書における、構成要素が「構成される」または「プログラムされる」方法の参照は、その構成要素の既存の物理的条件を示すものであり、従って、その構成要素の構造的特徴の明確な記載として解釈されるべきである。
なお、本明細書において用いられる「好ましくは」、「通常」、および「典型的には」のような用語は、特許請求される発明の範囲を限定するために用いられるものではなく、特定の特徴が、特許請求される発明の構造または機能にとって必須、本質的、または重要であることを意味するものでもない。むしろ、これらの用語は、単に、本開示の実施形態の特定の態様を識別すること、または、本開示の特定の実施形態において用いられてもよく、用いられなくてもよい、代わりのもしくは更なる特徴を強調することを意図したものである。
なお、本発明を記載および定義する目的で、本明細書において用いられる「略」および「約」という用語は、何らかの量的比較、値、測定、または他の表現に起因し得る、固有の不確実性の程度を表すものである。例えば、或る角度は、約０度（０°）または０度より大きい別の数値（例えば、４５°等）であり得る。また、本明細書において用いられる「略」および「約」という用語は、或る量的表現が、問題となっている主題の基本的機能に変化を生じることなく、述べられている基準から変化し得る程度を表すものである。
本開示の主題を、具体的な実施形態を参照して詳細に説明したが、本明細書において開示された様々な詳細は、たとえ本明細書に添付されている各図面に具体的な要素が示されている場合であっても、これらの詳細が、本明細書に記載された様々な実施形態の必須の構成要素である要素に関係することを意味すると解釈されるべきではない。更に、添付の特許請求の範囲において定義されている実施形態を含むがそれらに限定されない本開示の範囲から逸脱することなく、変更および変形が可能であることは自明である。より具体的には、本開示の一部の態様は、本明細書において、好ましいまたは特に有利なものとして識別されているが、本開示は、これらの態様に必ずしも限定されないと考えられる。
なお、以下の請求項のうちの１以上は、移行句として「wherein」という用語を用いている。本発明を定義する目的で、この用語は、構造の一連の特徴の記載を組み込むために用いられる非限定的移行句として請求項に組み込まれているものであり、より一般的に用いられる非限定的な前置きの用語である「comprising」のように解釈されるべきであることを留意されたい。
動的センサ
４０、４５ １００ 掘削機
１０２ 機体シャーシ
１０４ 掘削リンケージアセンブリ
１１４ 回転掘削器具
１０６ 制御アーキテクチャ
１０８ 掘削機ブーム
１１０ 掘削機スティック
１１２ 器具カプラ
１１４ 回転掘削器具
１３０ 重なった領域
１４０ 障害物参照
１４２ 障害物
１５０ 所定の間隙距離
１５２ 緩衝距離
３１０ 傾斜制御データベース
３１４ 障害物参照データ

Claims (20)

  1. 機体シャーシ、掘削リンケージアセンブリ、回転掘削器具、および制御アーキテクチャを含む掘削機であって、
    前記掘削リンケージアセンブリが、掘削機ブーム、掘削機スティック、および器具カプラを含み、
    前記掘削リンケージアセンブリが、前記機体シャーシと共にまたは前記機体シャーシに対して相対的にスイングするよう構成され、
    前記掘削機スティックが、前記掘削機ブームに対して相対的にカールするよう構成され、
    前記回転掘削器具が、前記器具カプラによって前記掘削機スティックに機械的に結合されており、前記回転掘削器具の先端部が器具機首方位
    Figure 2019525039
    を定めるように、回転軸Ｒ周りに回転するよう構成され、
    前記制御アーキテクチャが、１以上の動的センサ、１以上のリンケージアセンブリアクチュエータ、および１以上のコントローラを含み、
    前記１以上のコントローラが、
    前記動的センサからの位置信号を用いて、傾斜制御データベースからの障害物参照データおよび前記傾斜制御データベースからの地図情報に少なくとも部分的に基づいて、障害物参照に対して相対的な前記回転掘削器具の前記先端部の位置を生成する工程と、
    前記動的センサからの器具縁部信号、前記障害物参照に対して相対的な前記掘削機の前記位置、および前記地図情報を用いて、前記障害物参照に対して相対的な前記回転掘削器具の前記先端部の最接近器具縁部の位置を示す最接近器具縁部信号を生成する工程と、
    前記器具機首方位
    Figure 2019525039
    を調節するために、前記リンケージアセンブリアクチュエータを用いて、前記回転掘削器具を前記回転軸Ｒ周りに迂回回転させる工程であって、前記回転軸Ｒ周りの迂回回転の程度が、前記最接近器具縁部と前記障害物参照との実際のまたは推定される重なりの略全てから離れる迂回回転を構成するのに十分な、工程と
    を行うための機械可読指示を実行するようプログラムされた
    ことを特徴とする掘削機。
  2. 前記最接近器具縁部が前記障害物参照と重なるときに、前記迂回回転が開始されるよう、前記１以上のコントローラがプログラムされた、請求項１記載の掘削機。
  3. 前記最接近器具縁部がもはや前記障害物参照と重なっていないときに、前記迂回回転が終了される、請求項２記載の掘削機。
  4. 前記最接近器具縁部が、前記障害物参照から離れた所定の間隙距離に到達したときに、前記迂回回転が終了される、請求項２記載の掘削機。
  5. 前記所定の間隙距離が、約１インチ（２．５４ｃｍ）から約２インチ（５．０８ｃｍ）までを含み、ユーザによってカスタマイズ可能である、請求項４記載の掘削機。
  6. 前記回転掘削器具の迂回回転が、前記回転軸Ｒ周りに約０度と約９０度との間であるよう、前記１以上のコントローラがプログラムされた、請求項１記載の掘削機。
  7. 前記最接近器具縁部が前記障害物参照の所定の接近距離以内にあるときに、前記迂回回転が開始されるよう、前記１以上のコントローラがプログラムされた、請求項１記載の掘削機。
  8. 前記最接近器具縁部がもはや前記障害物参照の前記所定の接近距離以内にないときに、前記迂回回転が終了される、請求項７記載の掘削機。
  9. 前記最接近器具縁部が、前記障害物参照から離れた所定の間隙距離に到達したときに、前記迂回回転が終了される、請求項７記載の掘削機。
  10. 前記所定の接近距離が、器具速度、前記器具機首方位
    Figure 2019525039
    またはそれらの組合せの関数である、請求項７記載の掘削機。
  11. 前記迂回回転が前記障害物参照から離れた所定の間隙距離を超えたときに、前記器具機首方位
    Figure 2019525039
    を調節するために、前記リンケージアセンブリアクチュエータを用いて、前記回転掘削器具を前記回転軸Ｒ周りに修正逆回転させるための機械可読指示を実行するよう、前記１以上のコントローラがプログラムされた、請求項１記載の掘削機。
  12. 前記障害物参照が、障害物の外周の周囲に設けられ、且つ、前記最接近器具縁部が前記障害物に接触する前に前記リンケージアセンブリアクチュエータが前記迂回回転を完了するのを可能にするのに十分な緩衝距離において、前記障害物の前記外周から離間された、請求項１記載の掘削機。
  13. 前記緩衝距離がオペレータによってカスタマイズ可能であり、約１インチ（２．５４ｃｍ）から約６インチ（１５．２４ｃｍ）までを含む、請求項１２記載の掘削機。
  14. 前記障害物が、前記掘削機が動作する動作地帯内における高度変化、配置された物体、またはそれらの組合せを含む、請求項１２記載の掘削機。
  15. 前記配置された物体が、擁壁、マンホールの入口、歩道、またはそれらの組合せを含む、請求項１４記載の掘削機。
  16. 前記制御アーキテクチャが、前記機械可読指示を含む非一過性のコンピュータ可読記憶媒体を含む、請求項１記載の掘削機。
  17. 前記１以上の動的センサが、全地球的航法衛星システム（ＧＮＳＳ）受信器、ユニバーサルトータルステーション（ＵＴＳ）およびマシンターゲット、慣性計測装置（ＩＭＵ）、傾斜計、加速度計、ジャイロスコープ、角速度センサ、回転位置センサ、位置検出シリンダ、重力に基づく角度センサ、インクリメンタルエンコーダ、またはそれらの組合せを含む、請求項１記載の掘削機。
  18. 前記１以上の動的センサが、前記回転掘削器具の回転角度を表す信号を生成するよう構成された回転角度センサを含む、請求項１記載の掘削機。
  19. 掘削機の回転掘削器具のチルトおよび回転を自動化する方法において、
    機体シャーシ、掘削リンケージアセンブリ、回転掘削器具、および制御アーキテクチャを含む掘削機であって、前記制御アーキテクチャが、１以上の動的センサ、１以上のリンケージアセンブリアクチュエータ、および１以上のコントローラを含む、掘削機を設ける工程であって、
    前記掘削リンケージアセンブリが、掘削機ブーム、掘削機スティック、および器具カプラを含み、
    前記掘削リンケージアセンブリが、前記掘削機のスイング軸Ｓ周りに、前記機体シャーシと共にまたは前記機体シャーシに対して相対的にスイングするよう構成され、
    前記掘削機スティックが、前記掘削機ブームに対して相対的にカールするよう構成され、
    前記回転掘削器具が、前記器具カプラによって前記掘削機スティックに機械的に結合されており、前記回転掘削器具の先端部が器具機首方位
    Figure 2019525039
    を定めるように、回転軸Ｒ周りに回転するよう構成された、
    掘削機を設ける工程と、
    前記動的センサからの位置信号を用いて、傾斜制御データベースからの障害物参照データおよび前記傾斜制御データベースからの地図情報に少なくとも部分的に基づいて、障害物参照に対して相対的な前記回転掘削器具の前記先端部の位置を生成する工程と、
    前記動的センサからの器具縁部信号、前記障害物参照に対して相対的な前記掘削機の前記位置、および前記地図情報を用いて、前記障害物参照に対して相対的な前記回転掘削器具の前記先端部の最接近器具縁部の位置を示す最接近器具縁部信号を生成する工程と、
    前記器具機首方位
    Figure 2019525039
    を調節するために、前記リンケージアセンブリアクチュエータを用いて、前記回転掘削器具を前記回転軸Ｒ周りに迂回回転させる工程であって、前記回転軸Ｒ周りの迂回回転の程度が、前記最接近器具縁部と前記障害物参照との実際のまたは推定される重なりの略全てから離れる迂回回転を構成するのに十分な、工程と
    を含むことを特徴とする方法。
  20. 掘削機および傾斜制御データベースを含む傾斜制御システムにおいて、
    前記傾斜制御データベースが、地図情報と、障害物参照を含む障害物参照データとを含み、
    前記掘削機が、機体シャーシ、掘削リンケージアセンブリ、回転掘削器具、および制御アーキテクチャを含み、
    前記掘削リンケージアセンブリが、掘削機ブーム、掘削機スティック、および器具カプラを含み、
    前記掘削リンケージアセンブリが、前記機体シャーシと共にまたは前記機体シャーシに対して相対的にスイングするよう構成され、
    前記掘削機スティックが、前記掘削機ブームに対して相対的にカールするよう構成され、
    前記回転掘削器具が、前記器具カプラによって前記掘削機スティックに機械的に結合されており、前記回転掘削器具の先端部が器具機首方位
    Figure 2019525039
    を定めるように、回転軸Ｒ周りに回転するよう構成され、
    前記制御アーキテクチャが、１以上の動的センサ、１以上のリンケージアセンブリアクチュエータ、および１以上のコントローラを含み、
    前記１以上のコントローラが、
    前記動的センサからの位置信号を用いて、前記傾斜制御データベースからの前記障害物参照および前記地図情報に対して相対的な前記回転掘削器具の前記先端部の位置を生成する工程と、
    前記動的センサからの器具縁部信号、前記障害物参照に対して相対的な前記掘削機の前記位置、および前記地図情報を用いて、前記障害物参照に対して相対的な前記回転掘削器具の前記先端部の最接近器具縁部の位置を示す最接近器具縁部信号を生成する工程と、
    前記器具機首方位
    Figure 2019525039
    を調節するために、前記リンケージアセンブリアクチュエータを用いて、前記回転掘削器具を前記回転軸Ｒ周りに迂回回転させる工程であって、前記回転軸Ｒ周りの迂回回転の程度が、前記最接近器具縁部と前記障害物参照との実際のまたは推定される重なりの略全てから離れる迂回回転を構成するのに十分な、工程と
    を行うための機械可読指示を実行するようプログラムされた
    ことを特徴とするシステム。
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