JP2020084614A

JP2020084614A - 除雪機

Info

Publication number: JP2020084614A
Application number: JP2018221817A
Authority: JP
Inventors: 藤井　大介; Daisuke Fujii; 大介藤井; 信栗原; Makoto Kurihara; サイフバドシャ; Badshah Saif-Ul; 勝己中川; Katsumi Nakagawa
Original assignee: Fujii Corp Co Ltd
Current assignee: Fujii Corp Co Ltd
Priority date: 2018-11-28
Filing date: 2018-11-28
Publication date: 2020-06-04
Anticipated expiration: 2038-11-28
Also published as: JP7235938B2

Abstract

【課題】単純なバックオートリフトダウンの自動制御だけでは満足には達成できなかった、「誰にでも容易に楽に操縦可能」を完全に実現し、操縦操作性と除雪作業能率を飛躍的に向上させた優れた除雪機を提供する。【解決手段】後進後の再除雪開始するときの除雪部の下降高さ位置を、作業者が手動操作で設定しなおしたときの、再除雪開始時の除雪部高さ位置を除雪部の昇降を制御するオーガＥＣＵ（Ｕ１）に記憶し、次の除雪開始除雪部高さ設定値の決定に反映させるようにし、且つ、その繰り返しをオーガＥＣＵ（Ｕ１）に機械学習させ、作業者の意図する除雪開始の除雪部高さ位置に、作業回数を経るに従い限りなく漸近していくよう学習制御させるように特化型ＡＩ制御した。【選択図】図８

Description

本発明は主に、個人、農家、店舗、事務所、中小事業所などで使用される小形歩行型除雪機で、その操縦操作性の向上と除雪作業能率の向上に関するものである。

小型歩行型除雪機は国や県が管理する公道、公共設備などで使用される大型乗用除雪機とは別に、雪国地域の前記個別小口用に今では広く普及している。特に大型機の入っていけない山間地や山麓地などでは、現在では雪国の必需品並に需要が高い。この除雪機による除雪作業は、従来、成人男子の仕事というのが通念だったが、少子高齢化へと時代の推移とともに、体力、腕力の無い高齢者や女性でも熟練男子相当に行えるよう、製造メーカーにおいて操作性の様々な工夫と改善がされてきた。本出願人も除雪部の自動水平制御（ローリング制御）、自動昇降制御（ピッチング制御）（特許第６３０７７３１）、後進時自動上昇制御（バックオートリフト）などを製品化し、誰にでも容易に楽に作業できる除雪機を目指し雪国地域に貢献してきている。

特開２００４−２７８０５２特許第６０４０１３９実用新案公告昭６１−１１２９４

しかし「誰にでも容易に楽に」は製造側の手前勝手な期待を込めた思いいれでしかなく、本当にそのような機械を実現しようとするなら、困難な究極の壁を乗り越えなければならない。それは使う人さまざまだということである。ある作業者（例えば熟練者）にとっては使いよくとも、別の作業者（例えば初心者、高齢者）にとっては使いづらい。またある作業者（女性）にとっては快い操作感であっても、別の作業者（男性）にとってはもどかしい。とかの個人差が必ず存在する。これは量産製品の限界ともいえる。製造品質を追求し機能性能にバラツキなく製造される製品の宿命でもある。除雪機においても、その操作性を容易にしようとする製造側の数々の工夫も全てのユーザーに対応しているわけではない。

除雪部制御の一つである後進時自動昇降制御（バックオートリフトダウン制御）についても同様である。これはバックオートリフト制御を発展させたもので、除雪前進後、後進し除雪開始位置に戻り、再び除雪前進を開始する片方向除雪の連続作業に効果的な機能で、後進時、除雪部を設定位置まで自動的に上昇させ、再び除雪前進を開始すると自動的に後進前の除雪していた除雪部の高さ位置へ自動的に下降させる機能で、（特許文献１）比較的除雪作業条件の良い平坦地での連続除雪作業に非常に有効な機能であり、現在ではほとんどの機種に搭載されている。しかし出始めの頃は便利機能として好評だったが、当たり前のようにになってくると、人によりもどかしさが感じられるようになってきた。後進後、再び除雪を開始するとき、除雪部高さ位置を後進前の除雪高さ位置より上下に微妙に再調整する必要があるからである。特に熟練作業者ほどこの調整を意識する。平坦とはいっても、傾斜有り、凹凸有り、雪上沈み込みありなどで、機体姿勢がその都度変化するからである。

また除雪方法には除雪部の浮き上がりや重負荷除雪の際、一旦前進を停止したり（断続除雪）、一旦バックして姿勢を立て直し再度切り込む方法（前後進除雪）もあり、後進とはいっても全てが後進走行の為の後進ではなく、その都度除雪部を同じように上昇させていたのでは作業が中断してしまう。また平坦積雪の同一除雪高さ面で整列的に横方向に順番に除雪するのか、積雪量の多い雪面を同一除雪方向ラインで上から順番に段階的に除雪するのか（段切り除雪）によっても除雪開始除雪部高さは異なる。さらには本来の後進後の再除雪の際の除雪部の高さ調整は自動下降が終わるまで待っていなければならない。（これを対策し下降速度を上げたものもある。特許文献２）これら設計側の意図とは別に、熟練作業者にとってはもどかしく、又初心者にとっては便利機能の割にはかえって戸惑うことにもなっていた。

本発明は、この今では一般的な標準装備機能であり制御の比較的単純なバックオートリフトダウンを最初に取り上げ、前記「誰にでも容易に楽に」を真にそれぞれのユーザーの身になって、それぞれのユーザーに応じたアシスト制御動作をさせることを除雪機で初めて試みたものである。これにより単純なバックオートリフトダウンの自動制御だけでは満足には達成できなかった、「誰にでも容易に楽に操縦可能」を完全に実現し、操縦操作性と除雪作業能率を飛躍的に向上させた優れた除雪機を提供する。

前記課題を解決するために本発明において講じた手段は、後進後の再除雪開始するときの除雪部の下降高さ位置を、作業者が手動操作で設定しなおしたときの、また設定し直さなかったときの自動下降位置も含めて、再除雪開始時の除雪部高さ位置を除雪部の昇降を制御するオーガＥＣＵ（Ｕ１）に記憶し、次の除雪開始除雪部高さ設定値の決定に反映させるようにし、且つ、その繰り返しをオーガＥＣＵ（Ｕ１）に機械学習させ、作業者の意図する除雪開始の除雪部高さ位置に、作業回数を経るに従い限りなく漸近していくよう学習制御させるようにバックオートリフトダウン機能に限って特化型のＡＩ制御したことである。

また除雪手法における除雪機の操作方法として、過負荷時の回転数ダウンを防ぐための前進停止または若干の後退（約０．５秒間）を行う「断続除雪」と、除雪姿勢立て直しのため一旦後進し（約３秒間）、再度除雪開始する「前後進除雪」と、除雪作業が順調にいっている場合の除雪開始位置まで後進し（３秒以上）除雪を再開する通常の「片方向除雪」との３ステップに分け、それぞれの除雪開始除雪部高さ位置を学習制御するようにした。さらに後進時のオートリフト量をそれぞれのステップでリフト高さ位置を設定し、即ち当然ながら後進時間に比例し高くなる、これもまた作業者が手動で再調整操作した場合、その繰り返しをオーガＥＣＵ（Ｕ１）に機械学習させ、後進時作業者の意図するオートリフト量に漸近していくようにし、３ステップのそれぞれの除雪作業におけるそれぞれのオートリフト量とオートダウン量（除雪開始除雪部高さ位置）を学習制御するようにＡＩ制御したことである。

本発明は上記手段を施したことにより以下の効果を有する。

除雪機が作業者の意図やクセを学習し、それぞれの作業者に応じた除雪開始除雪部高さ位置を設定するアシスト制御を行うため、除雪作業時間を経るに従い、作業者の微調整操作回数が減っていき、作業者の思う通りに除雪機が動作するようになり、作業性が飛躍的に向上する。

初心者には除雪機の制御動作が先行動作となり、あたかも除雪指導する様に動作する為、初心者の習熟期間が短縮され早期に熟練作業者並になれるため、初心者、高齢者、女性でも除雪作業性が向上し、容易に楽に作業できるようになる。

後進時のオートリフト量が除雪作業に応じて最適且つ作業者の思うとおりに調整変化する為、最短時間で再除雪開始することが出来、作業の中断無く最短時間で且つ最大効率の除雪が出来る。

歩行型ロータリー除雪機を示す全体図である。歩行型ロータリー除雪機を示す右側面図である。オーガハウジンクへの傾斜センサの装着を示す図である。除雪部をリフトダウン（昇降）動作及びローリング動作させる油圧駆動機構を示す透視斜視図である。除雪機の押しボタン操作器と除雪機の操縦用操作パネルを示す図である。除雪部をリフトダウン（昇降）動作及びローリング動作させる油圧制御回路を示すブロック図である。除雪部をリフトダウン（昇降）動作及びローリング動作させる油圧制御回路を示す実体図である。バックオートリフトダウンＡＩ制御を示すブロック図である。バックオートリフトダウンＡＩ制御の作業者の操縦操作を学習するフローチャート図である。バックオートリフトダウンＡＩ制御の再除雪開始の時のオーガ高さ位置を学習制御するフローチャト図である。

本願のソフトウェアの開発に際し、ニューロンアルゴリズムの人工知能学習を使用したが、ＣＰＵのコストや応答速度（計算速度）などの問題から、少数層のパーセプトロンアルゴリズムを採用することにより実用的な学習制御を実現した。

本願発明の実施例を添付図面に基づいて説明する。図１は実施例１の除雪機で除雪部側（上図）と操縦側（下図）から見た斜視図である。除雪機は通常オーガ１１により積雪を掻き崩したり削雪したりして中央部に収集し取り込み、オーガ１１中央部奥にあるブロワ（図省略）で高速回転の上、ブロワ周速で吐出させ、シュータ３によって操縦者の意図する場所に投雪させる。除雪部１は手動操作の場合、操作パネル６上の除雪部クロスレバースイッチ６１でリフト位置と左右ローリング位置を操作する（図５）。投雪も同様にシュータクロスレバースイッチ６２で左右方向や投雪遠近を操作する。これらオーガ、ブロワ、シュータは他の制御部品や原動機（図省略）などと共に上部機体４に搭載される。これに対し除雪機の移動を行うクローラ５１や走行ミッション（図省略）などは下部機体５に搭載される。走行はＨＳＴレバー６４（図１、図５）で前後進とその速度を操縦する。

図２に除雪部１の昇降制御動作の様子を示す。除雪部１を含む上部機体４全体を支える上部フレーム４１と、走行部を構成する下部機体５を支える下部フレーム５３との間にはピッチングシリンダＨ３が軸支され、その伸縮動作で除雪部１を含む上部機体４全体は、上部フレーム４１の除雪部１支持側とは反対側でちょうどクローラ５１の駆動用スプロケット５２の軸を支軸心として上下に回動する。上図は上部機体のほぼ水平状態を、下図はピッチングシリンダＨ３が伸びリフトしている状態を示す。また一方で除雪部１はオーガケース１２の機体側と上部機体４の上部フレーム４１の先端部分とでメタル構成に支持され、その間にローリングシリンダＨ１が軸支され（図４）、その伸縮動作で除雪部１はメタル周りに除雪機進行方向に対し左右に回動する。ピッチングシリンダＨ３は使われ始めた初期の頃は、単動シリンダが使われたこともあったが、現在では段切り除雪機能の重要性から、水平より下側に、より積極的に押し下げる必要性から、現在ではほとんど復動シリンダが使用されている。即ち路面上で除雪部１を水平以下に降下させるとその分、走行部５の前方が上昇する。以上が現在広く普及している歩行型除雪機の一般的な構成であるが、小型機の場合は電動シリンダまたは電動油圧シリンダが使われる。この機構を最初に発案したのは本出願人でもある。（特許文献３）

図３に除雪部１のリフト・ダウン角度を検知する傾斜センサＳ１の装着状態を示す。オーガハウジング１２の背面側にブラケット１２１を、除雪部１を水平にした時、水平になるよう固着し、その水平面に傾斜センサＳ１をボルト固定している。ブラケット１２１には他にシュータ３を旋回させるモータやギヤ減速機なども装着している。

図４に除雪部１をリフト・ダウン及びローリング動作させる機構を図６にその油圧回路を、図７にその実体図を示す。電磁弁Ｈ２の４方向出力はピッチングシリンダＨ３の伸・縮とローリングシリンダＨ１の伸・縮のそれぞれの入力ポートに連結している。除雪部１のローリングはシュータ３と単独で上部機体４の前方でローリング（回動）動作するのに対し、除雪部１のリフト・ダウンは、除雪部１を含む上部機体４全体が、スプロケット５２の軸を支軸心としてリフトダンプ（回動）動作する。除雪部１の基本動作は、油圧電磁弁Ｈ２の一組の２方向切替弁出力Ａ１、Ｂ１ポートから復動型のピッチングシリンダＨ３を伸縮動作させ除雪部１をリフト・ダウン（昇降）動作させる。一方、もう一組の２方向切替弁出力Ａ２、Ｂ２ポートからは復動型のローリングシリンダＨ１を伸縮動作させ除雪部１をローリング動作させる。以上の油圧４回路方向の手動切り替え操作に現在ではクロスレバースイッチ６１が使用されるのが普通である。油圧電磁弁Ｈ２が出力するのは４ポートの内いずれか一つであり、複数ポートが同時に出力することはできない。

以上が従来の一般的除雪部１の操作機構であり、除雪部１をクロスレバースイッチ６１で手動操作を、またはオーガＥＣＵＵ１（図２、図５、配線図省略）で自動制御する。この内、除雪部リフト・ダウンの自動制御の一つにバックオートリフトダウン制御が付いているのがほとんどである。従来からある制御は極めて単純で、バックオートリフトスイッチ６３１（図５）が押されている状態で、前後進とその速度を調整するＨＳＴレバー６４に連動する後進スイッチＳ２（図５、機構図省略）が入ったら、その時の除雪部傾斜角度（除雪部高さ位置）を傾斜センサＳ１で読み取り、後進スイッチＳ２が入っている間（後進中）除雪部１をあらかじめ設定していた高さまで上昇させ、後進スイッチＳ２が切れた時点で（前進再除雪開始）除雪部１を後進前の傾斜センサＳ１の読み取り値になるまで下降させるものである。前進後進を繰り返す連続除雪作業には便利なはずであったが、当たり前のようになってくると数々の欠点が目立つようになってきたのは前記の通りである。

図８に本出願バックオートリフトダウン機能に限った特化型ＡＩ制御のブロック図を、図９にＡＩ学習のフローチャートを、図１０にＡＩ制御のフローチャートを示す。基本的に制御要素と機構は従来のままであるが（図６、図７）、除雪部クロスレバースイッチ６１をＡＩ学習のニューロンパラメーターの一つに追加している。即ち後進し除雪部オートダウン後再除雪の際、作業者が除雪部高さ位置を再調整したか、その時の高さはとか、また再調整していないか、などを学習する為であり、従来の単純制御との相違点である。

本願発明のバックオートリフトダウンＡＩ制御について説明する。除雪が一区切り付き除雪開始位置に戻ろうと後進しようとしてＨＳＴレバー６４を後進側に倒し後進スイッチＳ２が入ると即、その時の傾斜センサＳ１値を読み取り除雪部１の上昇を開始し、後進中設定高さまで上げる。但し後進中の除雪部１の上昇高さ（オートリフト量）は後進時間を監視し、０〜約０．５と、約０．５〜約３秒と、約３秒以上の三つのステップに分け、それぞれ断続除雪、前後進除雪、通常の片方向除雪として除雪作業方法別に高さを設定している。これは後進終了から再除雪開始までの時間が異なることを考慮してのことである。後進開始時の傾斜センサＳ１値の読み取りもこの後進時間別に分けている。

後進し除雪開始位置に戻り（片方向除雪）、また除雪機姿勢を立て直し（前後進除雪）、また過負荷解除し（断続除雪）、ＨＳＴレバー６４を後進側から戻し、後進スイッチＳ２が切りになると、除雪部１は設定高さ位置に自動的に降下を開始する。この時、素早く除雪開始高さになるよう電磁弁Ｈ２のＰＷＭ制御により降下始めは最速に、設定高さに近づくと静かに静定するよう制御している。除雪部１のオートダウン後、再除雪開始するとき、作業者が除雪部クロスレバースイッチ６１を操作し除雪部１の高さを再調整した場合、カウントし且つその時の傾斜センサＳ１値を読み取る。また操作しない場合も無操作のカウントする。以上をそれまでのデータと合わせ、後進後の再除雪開始時のオートダウン量（除雪部高さ）の最適化を行い、連続除雪作業を作業者の意志に追従するようにアシスト制御する。

また３ステップの除雪作業における後進中の除雪部の上昇高さも、３ステップのそれぞれの後進時間に応じて設定し、即ち、断続除雪時は０か少々、前後進除雪時はわずかに、片方向除雪の場合は最上部付近になるように設定し、それぞれ無駄時間が生じないようにしている。そしてこれもまた作業者が手動操作で再設定したとき、無操作も含むその位置を除雪部の昇降を制御するオーガＥＣＵ（Ｕ１）に記憶し、次の後進時除雪部上昇高さ設定値の決定に反映させるようにし、且つ、その繰り返しをオーガＥＣＵ（Ｕ１）に機械学習させ、作業者の意図する後進時除雪部上昇高さ位置に、作業回数を経るに従い限りなく漸近していくよう学習制御させるようにし、後進時のオートリフト量（除雪部上昇高さ）の最適化を行い、連続除雪作業を作業者の意志に追従するようにアシスト制御する。
以上のバックオートリフトダウン機能のＡＩ制御フローチャートを図９、図１０に示す。

除雪作業方法で断続除雪、前後進除雪、通常片方向除雪の三つのステップに分けたが、常に三つの除雪作業が行われる訳ではない。雪の降り始めや厳冬期中の柔らかい雪質の時は断続除雪や前後進除雪を行う必要はなく、通常の片方向除雪で順調にいく場合が多い。本格的降積雪期に入り雪が降り続き積雪が締まってくるときから、春先の重い雪質になるに従い、断続除雪や前後進除雪のようなテクニックが必要になってくる。当然のことながら降雪時期によって作業者の除雪の仕方も変わっていくが、ＡＩ制御は常にそれを学習し作業者の意図に応じたアシスト制御を行なっていく為、積雪期シーズンを通して誰にでも使いやすく、除雪時期の終わる頃はそれぞれの作業者の完全なマイ除雪機になっている。

以上は除雪機を、ほとんどの場合がそうであるが、一人の作業者が使用し続けた場合の効果であるが、本出願人もそれを前提とした開発・発明だったが、複数人使用する場合でも、例えば家族交代で、とか、事業所、営業所など当番制交代でとかであっても、ＡＩの学習時間を調節することで効果は少しも変わることは無い。数分程度の極端な短時間交代でもない限り、１時間程でも除雪作業を続ければ、除雪機はほぼ完全にその作業者の癖を学習し作業者の意図に応じたアシスト制御をするようになる。除雪作業１時間当たりの前後進回数は初心者から熟練者まで２０〜５０回程になり（フィールドでの実測）、学習制御が静定するには十分である。

以上、従来の後進時自動昇降（バックオートリフトダウン）機能について「誰にでも容易に楽に」を真に実現する為、そのＡＩ制御技術を完成した。熟練者にはより熟練度を高めるように、初心者には制御収束期間は熟練者より少しかかるが、習熟度を向上させるようにアシストし、連続除雪作業を従来より、誰にでもより容易に楽に出来るようになった。

除雪機の他の作業者の操作をアシストする自動制御機能に、また広くは人が作業を行う作業機械の全てに利用が可能である。

１除雪部
３シュータ
４上部機体
５下部機体
６操縦パネル
１１オーガ
１２オーガハウジング
４１上部フレーム
５１クローラ
６１除雪部クロスレバースイッチ
６２シュータクロスレバースイッチ
６３モニタ＆スイッチ操作パネル
６４ＨＳＴレバー
６３１バックオートリフトスイッチ
Ｓ１除雪部傾斜センサ
Ｓ２後進スイッチ
Ｈ２除雪部油圧電磁弁
Ｈ３除雪部ピッチングシリンダ
Ｕ１オーガ自動制御ユニット（オーガＥＣＵ）

Claims

原動機を搭載し、雪を削雪し収集するオーガと、雪を吐出させるブロワと、投雪方向を定めるシュータとによって除雪部を構成し、該除雪部をアクチュエータで駆動し、走行駆動軸を支軸に機体進行方向に対し上下に回動動作できるようにした除雪機で、除雪部または除雪部と同時昇降動作する機体のいずれかに、傾斜センサＳ１を配設し、該センサの信号により、前後進とその速度を操作するＨＳＴレバー６４が後進側に倒され連動する後進スイッチＳ２が入った時、後進するときの除雪部をあらかじめ設定した傾斜角位置（高さ位置）まで上昇させ、後進後、ＨＳＴレバー６４が戻され、後進スイッチＳ２が切られ、除雪前進するとき、除雪部を後進前の傾斜角位置（高さ位置）に下降させる後進時自動昇降機能を備えた除雪機において、後進後の再除雪前進するときの除雪部の下降高さ設定位置を、作業者が手動操作で再設定したとき、無操作も含むその位置を除雪部の昇降を制御するオーガＥＣＵ（Ｕ１）に記憶し、次の除雪開始除雪部高さ設定値の決定に反映させるようにし、且つ、その繰り返しをオーガＥＣＵ（Ｕ１）に機械学習させ、作業者の意図する除雪開始の除雪部高さ位置に、作業回数を経るに従い限りなく漸近していくよう学習制御させるようにした、除雪部後進時自動昇降機能のＡＩ制御方法。
前記後進時自動昇降機能の除雪開始の除雪部高さを設定するＡＩ制御を、後進時間で、略０．５秒以内（断続除雪作業）、略０．５秒〜略３秒（前後進除雪作業）、略３秒以上（通常片方向除雪作業）、の３ステップの除雪作業方法相当に分け、それぞれで行うようにした請求項１に記載する後進時自動昇降機能のＡＩ制御方法。
前記後進時自動昇降機能の、前記３ステップの除雪作業における後進中の除雪部の上昇高さを、３ステップのそれぞれの後進時間に応じて設定し、作業者が手動操作で再設定したとき、無操作も含むその位置を除雪部の昇降を制御するオーガＥＣＵ（Ｕ１）に記憶し、次の後進時除雪部上昇高さ設定値の決定に反映させるようにし、且つ、その繰り返しをオーガＥＣＵ（Ｕ１）に機械学習させ、作業者の意図する後進時除雪部上昇高さ位置に、作業回数を経るに従い限りなく漸近していくよう学習制御させるようにした請求項１または請求項２に記載する後進時自動昇降機能のＡＩ制御方法。
前記ＡＩ制御の為の機械学習アルゴリズムを単層パーセプトロン、または多層パーセプトロンとする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載する後進時自動昇降機能のＡＩ制御方法。