JP2020169496A

JP2020169496A - 杭打機の制御装置

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Publication number: JP2020169496A
Application number: JP2019071479A
Authority: JP
Inventors: 英樹丹羽; Hideki Niwa; 忠臣米山; Tadaomi Yoneyama
Original assignee: Nippon Sharyo Ltd
Current assignee: Nippon Sharyo Ltd
Priority date: 2019-04-03
Filing date: 2019-04-03
Publication date: 2020-10-15
Anticipated expiration: 2039-04-03
Also published as: JP7423729B2; JP7178316B2; JP2022191514A

Abstract

【課題】施工現場の多様な環境において、杭芯位置合わせを容易に行うことが可能な杭打機の制御装置を提供する。【解決手段】杭打機１１に備わる制御装置は、施工現場７１における杭の埋設予定位置７２，７３，７４を設定した施工計画情報を記憶する記憶部と、杭打機の車体位置情報を取得する受信部と、車体周囲に存在する障害物の位置を検出する障害物センサとを有して構成され、走行操作装置の操作によって下部走行体の走行をオペレータが手動で制御する通常走行モードと、施工計画情報と車体位置情報とに基づいて設定された移動経路を倣いながら、杭の埋設予定位置に向かうように下部走行体の走行を自動で制御する杭埋設位置誘導モードとを選択的に実行可能であり、杭埋設位置誘導モードは、障害物センサの検出結果に基づいて、設定された移動経路を、障害物を回避するための新たな移動経路として再設定する経路補正処理がなされて実行される。【選択図】図４

Description

本発明は、杭打機の制御装置に関し、詳しくは、施工の一部の動作を自動運転によって行う杭打機の制御装置に関する。

従来から、鋼管杭の埋設や地盤改良などが行われる施工現場では、あらかじめ測量によって施工位置となる杭芯（杭の中心軸）位置を決定しておき、施工時に、杭打機などの建設機械がオペレータの運転操作によって杭芯位置へ移動される。この杭芯位置合わせは、一般に、左右のクローラで構成した下部走行体を駆動させて杭打機の位置及び方向を調整することによって行われている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２０１１−６８８０号公報

しかし、杭打機を杭芯位置へ移動させるには、オペレータは、基本的に、誘導員の指示に従って運転操作を行えばよいが、３点式杭打機のような大型のものは、その特有の形状から、特に周囲に死角ができ易く、誘導員がいる場合であっても、より広い視界を確保することが必要であった。また、杭打機の周囲に建築資材などの障害物があるような現場では、運転操作に一層集中する必要があることから、オペレータの経験やスキルも要求されていた。

そこで本発明は、施工現場の多様な環境において、杭芯位置合わせを容易に行うことが可能な杭打機の制御装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明の杭打機の制御装置は、左右一対のクローラを備えた下部走行体及び該下部走行体の上部に旋回可能に設けられた上部旋回体からなるベースマシンと、前記上部旋回体の前部に複数のリーダ部材を互いに着脱可能に連結して起伏可能に設けられたリーダと、該リーダを前記上部旋回体の後部から支持する左右一対のバックステーと、前記リーダの前面に沿って昇降可能に設けられたオーガとを備え、前記上部旋回体に前記下部走行体を走行させる操作及び前記オーガを作動させる操作がなされる運転室が設置され、該運転室に設けられた走行操作装置からの操作信号を受けて前記下部走行体の走行を制御する杭打機の制御装置において、施工現場における杭の埋設予定位置を設定した施工計画情報を記憶する記憶部と、前記杭打機の車体位置情報を取得する受信部と、車体周囲に存在する障害物の位置を検出する障害物センサとを有して構成され、前記走行操作装置の操作によって前記下部走行体の走行をオペレータが手動で制御する通常走行モードと、前記施工計画情報と前記車体位置情報とに基づいて設定された移動経路を倣いながら、前記杭の埋設予定位置に向かうように前記下部走行体の走行を自動で制御する杭埋設位置誘導モードとを選択的に実行可能であり、前記杭埋設位置誘導モードは、前記障害物センサの検出結果に基づいて、前記設定された移動経路を、前記障害物を回避するための新たな移動経路として再設定する経路補正処理がなされて実行されることを特徴としている。

また、前記上部旋回体に設けられた車体傾斜センサと、前記リーダに設けられたリーダ傾斜センサとを備え、前記杭埋設位置誘導モードは、前記受信部で取得した前記車体位置情報と、前記車体傾斜センサ及び前記リーダ傾斜センサのそれぞれの検出結果とから求まる杭芯位置を、前記杭の埋設予定位置に一致させるように前記下部走行体の走行を制御することを特徴としている。さらに、前記リーダ傾斜センサは、前記複数のリーダ部材同士の分解及び組立に伴って前記リーダに着脱可能になっており、前記リーダ傾斜センサの配線接続がなされていないときに、前記杭埋設位置誘導モードの実行を規制するデバイス監視部を備えていることを特徴としている。

また、前記バックステーの下端部には、前記リーダを傾動させるための伸縮可能なバックステーシリンダが設けられ、前記リーダ傾斜センサの検出結果に基づいて、前記リーダを鉛直状態に保持するように前記バックステーシリンダの伸縮動作を自動で制御するリーダ鉛直度保持モードを実行可能であり、該リーダ鉛直度保持モードは、前記通常走行モードが選択されているときには前記オペレータの選択により指定して実行され、前記杭埋設位置誘導モードが選択されているときには前記オペレータの選択の有無にかかわらず実行されることを特徴としている。

さらに、前記リーダ鉛直度保持モードを実行しているときに、車体形状に関する情報、重量分布に関する情報、前記リーダの長さに関する情報及び前記オーガの昇降位置に関する情報と、前記車体傾斜センサ及び前記リーダ傾斜センサのそれぞれの検出結果に基づいて、車体に作用する転倒モーメントと安定に要する安定モーメントとを比較し、前記車体が不安定な状態であると判断すると、前記リーダ鉛直度保持モードの実行を停止する非常停止部を備えていることを特徴としている。

また、前記クローラは、前記下部走行体の両側に配置される走行フレームの前後両端部にそれぞれ設けられた駆動輪及び従動輪と、該駆動輪と従動輪との間の前記走行フレームの上部及び下部にそれぞれ設けられた複数の上部転輪及び下部転輪とに無端状に掛け回され、前記走行フレームに設けられた下部転輪の支持部に、該下部転輪にクローラシューから作用する荷重を検出する荷重センサが設けられており、該荷重センサで検出した荷重があらかじめ設定された基準値を下回ったときに、荷重低下警報を発生させる警報発生部を備えていることを特徴とし、さらに、前記上部旋回体に設けられて車体周囲の画像情報を取得するカメラと、前記運転室に設けられて前記カメラで取得した前記画像情報を表示するディスプレイとを備えていることを特徴とし、加えて、前記杭埋設位置誘導モードを実行しているときに、前記走行操作装置からの操作信号を受けることにより、前記杭埋設位置誘導モードから前記通常走行モードに切り替えるモード切替部を備えていることを特徴としている。

また、前記杭埋設位置誘導モードは、前記杭打機が前記杭の埋設予定位置の近傍領域に到達すると、前記左右一対のクローラを異なる向きあるいは異なる速度で駆動して旋回走行させることにより、あらかじめ設定された進入角度で前記近傍領域に進入させ、該近傍領域内では、前記左右一対のクローラを同一速度で駆動して直進走行させるように前記下部走行体の走行を制御することを特徴としている。

さらに、前記下部走行体に対する前記上部旋回体の旋回角度を検出する旋回角度センサを備え、前記杭埋設位置誘導モードは、前記旋回角度センサの検出結果に基づいて、あらかじめ設定された前記ベースマシンの外形を新たな外形として再設定する外形補正処理がなされて実行されることを特徴としている。

本発明によれば、杭打機の制御装置が、制御方式の一つとして、施工計画情報と車体位置情報とに基づいて移動経路を設定するとともに、該移動経路を倣いながら杭の埋設予定位置に向かうように下部走行体の走行を自動で制御し、さらには障害物センサの検出結果に基づいて移動経路を再設定して実行する杭埋設位置誘導モードを選択可能になっているので、杭埋設位置誘導モードを選択するだけの簡単な操作で自動運転が可能となり、たとえ運転室から広い視界を確保することができない状況や、周囲に障害物があるような状況であっても、オペレータの経験や高いスキルを要することなく、杭打機の誘導や杭芯位置合わせを容易に行うことができる。

また、杭埋設位置誘導モードの実行によって、車体位置情報と、車体傾斜センサ及びリーダ傾斜センサのそれぞれの検出結果とから求まる杭芯位置を、杭の埋設予定位置に一致させるようにして、さらにはリーダ鉛直度保持モードの実行によってリーダを鉛直状態に保ちながら下部走行体の走行が制御されるので、施工現場の地形や杭打機の可動部の動きによって生じる車体位置情報の誤差を排除することが可能となり、杭の埋設予定位置への誘導を正確に行うことができる。また、傾斜地のある現場であっても移動時に転倒するおそれがなくなり、さらに、非常時には、リーダ鉛直度保持モードの実行を停止して、安全を確実なものとすることができる。

本発明の杭打機の制御装置を適用した一形態例を示す杭打機の側面図である。同じく杭打機の要部側面図である。同じく杭打機の制御装置の構成図である。同じく杭埋設位置誘導モードの実行による杭打機の動作を示す説明図である。

図１乃至図４は、本発明を大型の杭打機に適用した一形態例を示すもので、杭打機１１は、図１に示すように、走行装置として左右一対のクローラ１２を備えた下部走行体１３と、該下部走行体１３の上部に旋回可能に設けられた上部旋回体１４とからなるベースマシン１５と、該上部旋回体１４の前部に複数のリーダ部材１６ａを互いに着脱可能に連結して起伏可能に設けられたリーダ１６と、該リーダ１６を上部旋回体１４の後部から支持するとともに、下端部に設けられたバックステーシリンダ１７ａの伸縮動作によってリーダ１６を傾動させる左右一対のバックステー１７と、上部旋回体１４の前後左右にそれぞれ設けられたジャッキ装置１８とを備えている。さらに、上部旋回体１４には、運転室１４ａや機器室１４ｂ、ガントリ１４ｃ、カウンタウエイト１４ｄや複数のウインチ（図示せず）などが設置されており、リーダ１６の前面には、オーガスクリュー１９を回転駆動するオーガ２０がリーダ１６に沿って昇降可能に設けられている。

クローラ１２は、図２に示すように、クローラガイド部材として、下部走行体１３のボディ両側にそれぞれ配置される走行フレーム２１の前後両端部にそれぞれ設けられた駆動輪２２及び従動輪２３と、該駆動輪２２と従動輪２３との間の前記走行フレーム２１の上部及び下部にそれぞれ設けられた複数の上部転輪２４、上部ガイド２５及び下部転輪２６とを備えており、複数のクローラシュー２７を連結して駆動輪２２、従動輪２３、上部転輪２４、上部ガイド２５及び下部転輪２６とに無端状に掛け回されている。

運転室１４ａ内には、走行や旋回、ウインチ、オーガ２０などの操作を行うための複数の操作レバーや操作ペダル、押しボタンスイッチやディスプレイなどの機器が、操作性を考慮して運転席の近傍に集約的に配置されており、さらに、これらの機器と電気的に接続されて、データ処理や判定などの各種演算処理を行うコントローラ（ＣＰＵ）を中心に構成された制御装置が設けられている。また、機器室１４ｂ内には、制御装置によって制御されるエンジンや油圧回路が設けられている。

制御装置４１は、図３に示すように、各種制御プログラムを記憶したＦＬＡＳＨＲＯＭや処理中のデータを一時的に記憶するＲＡＭなどで構成される記憶部４２と、オペレータが、施工に関する制御プログラムの処理結果を確認したり、データ入力などを行うタッチパネル式のディスプレイ４３と、メモリカードなどによるデータの取り込みや保存が可能なインターフェース（図示せず）とを備えている。

また、制御装置４１は、制御方式（モード）の一つとして、走行操作装置である操作レバー４４の傾動操作によって下部走行体１３の走行をオペレータが手動で制御する通常走行モードと、後述する施工計画情報と車体位置情報とに基づいて設定された移動経路を倣いながら、施工位置に、すなわち、杭の埋設予定位置に向かうように下部走行体１３の走行を自動で制御する杭埋設位置誘導モードとを選択的に実行可能になっている。制御装置４１による下部走行体１３の自動制御は、運転室１４ａ内に設けられた切替スイッチ４５を操作することによって行われる。具体的には、走行操作装置である操作ペダル４６を踏み込んでモードを切り替え可能な状態とし、切替スイッチ４５を操作して自動運転を選択する。これにより、モード切替部４７では通常走行モードから杭埋設位置誘導モードに切り替える処理が行われる。そして、操作ペダル４６から足を離して安全装置を解除すると、杭埋設位置誘導モードが実行され、走行制御部４８によって生成された制御信号を受けて、エンジンコントローラ４９や、可変容量型油圧ポンプ５０、制御バルブ５１による油圧の制御が行われる。こうして、左右の走行用油圧モータ５２，５３及び減速機（図示せず）を介して駆動力が左右の駆動輪２２に伝達されることにより、クローラ１２が駆動される。

こうして、杭打機１１は、設定された移動経路を倣いながら、杭の埋設予定位置に向かうようにして、下部走行体１３の走行が制御される。具体的には、走行制御部４８によって左右のクローラ１２の回転方向及び回転速度を調節することで、前進又は後進の直進走行（左右のクローラを同一速度で駆動させる走行）、スラローム旋回走行（左右のクローラを同一方向に異なる速度で駆動させて走行方向を変える走行）、ピボット旋回走行（片側のクローラを停止させた状態で反対側のクローラを駆動させて旋回させる走行）及びスピン旋回走行（左右のクローラを逆方向に駆動して旋回させる走行）を行わせるように制御される。

ここで、前記モード切替部４７は、埋設位置誘導モードを実行しているときに、操作レバー４４の傾動操作や、操作ペダル４６の踏み込み操作による操作信号を受けることで、杭埋設位置誘導モードから通常走行モードへの切り替えを行う。これにより、必要時に、オペレータの主観的な意志決定に基づいて杭打機１１の移動経路を選択することが可能になっている。

さらに、制御装置４１には、杭打機１１の動作状態を検出する各種センサから信号が入力される。センサには、例えば、上部旋回体１４に設けられた車体傾斜センサ５４や旋回角度センサ５５、障害物センサ５６、カメラ５７、さらにはリーダ１６に設けられたリーダ傾斜センサ５８、下部走行体１３に設けられた荷重センサ５９などが挙げられる。各種センサは、デバイス監視部６０によってセンサ本体の故障や配線不良などの状態が監視されており、例えば、配線接続がなされていない場合には、デバイス監視部６０から未接続状態である信号が出力される。この出力結果に基づいて、ディスプレイ４３にはセンサの接続状態が不良（エラー）であるメッセージが表示されるとともに、各種制御プログラムの実行が規制され、配線作業に起因するトラブルの防止が図られている。

また、制御装置４１は、前記通常走行モード及び杭埋設位置誘導モードの機能的価値を高める制御方式の一つとして、リーダ傾斜センサ５８の検出結果に基づいて、リーダ１６を鉛直状態に保持するようにバックステーシリンダ１７ａの伸縮動作を自動で制御するリーダ鉛直度保持モードを実行可能になっている。リーダ鉛直度保持モードは、通常走行モードが選択されているときには、切替スイッチ４５の操作でオペレータの任意の選択により指定して実行され、前記杭埋設位置誘導モードが選択されているときにはオペレータの選択の有無にかかわらず実行されるようになっており、傾斜制御部６１によって生成された制御信号を受けて、制御バルブ６２による油圧の制御が行われる。こうして、バックステーシリンダ１７ａの伸縮動作を受けてバックステー１７による押し引きがなされることにより、リーダ１６の前後左右の振れが修正されて鉛直度が保持される。

さらに、前記杭埋設位置誘導モードは、施工計画情報に含まれる杭打機１１の形状情報から、ベースマシン１５を囲う平面状の輪郭を抽出して設定された車体外形情報に基づいて実行されるようになっている。ベースマシン１５の外形は、下部走行体１３に対する上部旋回体１４の旋回角度の変化に伴って変化することから、旋回角度センサ５５の検出結果に基づいて、連続的に形状情報を更新させながら、つまりベースマシン１５の外形を新たな外形として再設定する外形補正処理を行いながら実行される。これにより、上部旋回体１４の向き（旋回位置）を考慮しつつ、安定した自動運転が行われるように下部走行体１３の走行が制御される。

ところで、大型の杭打機は、一般的なクローラクレーンやトラッククレーンなどに比べて重心位置が高くなるため、僅かな傾斜でも車体が不安定になり易い。そのため、制御装置４１には、車体形状や重量分布に関する情報及びリーダ１６の長さやオーガ２０の昇降位置に関する情報と、車体傾斜センサ５４やリーダ傾斜センサ５８からの信号を受けて演算を行うことにより、車体に作用する転倒モーメントが安定に要する安定モーメントを超えて転倒することを防止するための安定度計算プログラムを実装している。特に、リーダ１６の高さが３０ｍを超えるような大型の杭打機は、重心が高いだけでなく、重量もあることから、地盤の異常などで移動中に傾斜が生じると、その状態で停止させても傾斜の進行が止まらず、より不安定な状態におかれる。そこで、杭打機１１は、クローラ１２の走行フレーム２１に設けられた複数の下部転輪２６を支持する支持部材（図示せず）のうち、左右の各走行フレーム２１の前端部及び後端部に配置された少なくとも４箇所の支持部材にクローラシュー２７から作用する荷重を検出するためのピン型の荷重センサ（ロードセル）５９が設けられ、制御装置４１には、荷重センサ５９で検出した荷重があらかじめ設定された基準値を下回ったときに、荷重低下警報を発生させる警報発生部６３を備えている。

各荷重センサ５９で検出した各下部転輪２６に作用している荷重は、制御装置４１に取り込まれ、あらかじめ設定されている基準値と比較される。基準値には、リーダ１６の長さやオーガスクリュー１９の長さ、カウンタウエイト１４ｄの質量などから求められた機械総質量から算出した基準値や、平坦面に杭打機を設置したときの各荷重センサ５９の荷重データに基づいて算出した基準値が用いられている。これにより、走行中に車体が不安定な状態におかれたとしても、警報発生部６３によって、いち早く警報作動がなされ、あるいは、各種制御プログラムの実行が規制され、杭打機１１が使用される現場の環境などに起因するトラブルの防止が図られている。

また、前記安定度計算プログラムは、リーダ鉛直度保持モードの機能とは独立して機能するようになっている。リーダ鉛直度保持モードを実行しているときに、車体傾斜センサ５４及びリーダ傾斜センサ５８のそれぞれの検出結果に基づいて、車体に作用する転倒モーメントと安定に要する安定モーメントとを比較して求めた安定度の結果から、車体が不安定な状態であると判断すると、非常停止部６４からリーダ鉛直度保持モードの実行を停止させる信号が出力される。こうして、非常停止部６４によって生成された制御信号を受けて制御バルブ６２あるいは安全弁などによる油圧の制御が行われ、バックステーシリンダ１７ａの伸縮動作が規制される。ここで、車体が不安定な状態とは、センサ類の断線や故障などといった、電気的な要因でリーダ鉛直度保持モードの実行が正常に行えない状態や、制御バルブ６２の切り替え不良に起因して作動遅れ（追従性の低下）が生じたりするなどの機械的な要因で不具合が生じることにより、安定度が低下するおそれのある状態を意味するものである。これにより、杭打機１１の動作に不測の事態が生じたとしても、迅速かつ確実に停止させ、安全が確保されるようになっている。

さらに、制御装置４１は、通信部６５との接続によって制御プログラムや、前記施工計画情報である施工計画データなどのダウンロードが可能に構成されている。施工計画データは、施工現場の位置や土質などを調べて作成された施工計画書に基づいて、あらかじめ、事務所内のコンピュータに入力されるもので、杭番号の他、該杭番号に紐付けられた深度やフィード速度、回転数、セメントミルク流量などの各種の施工目標値が含まれる。施工計画データの入力作業は、施工図面と対比して杭位置データを入力することによって行われ、具体的には、杭の埋設予定位置を、座標上の原点からの相対的位置（距離）として二次元座標で指定することになる。また、各杭番号には、杭の埋設順序を考慮して、埋設位置に杭打機１１が近づく際の進入角度が関連付けられている。そして、作成された施工計画データは、施工現場の住所の位置情報や施工する杭打機１１の号機情報、車体外形情報などが付加されて、ネットワーク６６上のデータサーバ６７にアップロードされる。また、施工計画データに基づいて実施される工法、例えば、既製杭工法、場所打ち杭工法又は地盤改良工法のための施工管理プログラムや、該施工管理プログラムの設定パラメータのデータも作成され、同様にして、データサーバ６７へアップロードされる。

前記車体位置情報は、周知のＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）技術を用いて取得され、例えば、杭打機１１の上部旋回体１４の前後端部に互いに離して設けられた第１受信部６８及び第２受信部６９を備え、ＧＮＳＳ衛星からの電波を受信しながら、杭打機１１の走行や旋回などに伴って変化するアンテナの位置情報を取得する。制御装置４１では、２本のアンテナの位置関係から、演算によって上部旋回体１４の位置及び向きを求め、さらには車体傾斜センサ５４及びリーダ傾斜センサ５８のそれぞれで取得した傾斜情報（姿勢）を加味して、地面におけるオーガスクリュー１９の中心軸の位置、すなわち、杭芯位置Ｃの特定を行う（図２）。そして、設定された移動経路を倣いながら、杭の埋設予定位置に向かうとともに、杭芯位置合わせを行うように、つまり杭芯位置Ｃを杭の埋設予定位置に一致させるように下部走行体１３の走行が制御される。

ここで、杭埋設位置誘導モードによる杭打機１１の自動運転について、図４を参照しながら説明する。まず、大型の杭打機では、輸送時に重量制限があるため、構成部品であるリーダ１６やオーガ２０、カウンタウエイト１４ｄなどを上部旋回体１４から分離して別々に輸送し、現場でこれらを組み立てて使用している。施工現場７１に杭打機１１が搬入されると、例えば、リーダ１６は、複数のリーダ部材１６ａ同士が連結されて、上部旋回体１４の前部に起伏可能に装着される。ここで、リーダ傾斜センサ５８がリーダ１６の下部に取り付けられるとともに、リーダ傾斜センサ５８及び制御装置４１間の配線接続がなされる。

杭打機１１の組み立てが完了し、エンジンをかけて、制御装置４１の電源が投入されると、基本プログラムの起動実行後に、デバイス監視部６０によって各種センサの状態が監視される。このとき、例えば、リーダ傾斜センサ５８の配線接続がなされていない場合には、デバイス監視部６０からリーダ傾斜センサ５８の未接続状態である信号が出力される。この出力結果に基づいて、ディスプレイ４３にはリーダ傾斜センサ５８の接続状態が不良（エラー）であるメッセージが表示される。ここで、制御装置４１の起動直後は、通常走行モードに設定されているが、配線接続に不良が生じている状態では、デバイス監視部６０から規制信号が出力されることにより、杭埋設位置誘導モードへの切り替えが規制される。

各種センサの監視が正常に行われると、第１受信部６８及び第２受信部６９で杭打機１１の現在の車体位置情報が取得されるとともに、演算によって杭芯位置Ｃの特定がなされる。また、杭打機１１が存在する施工現場に対応して、施工計画データのダウンロードが自動的に行われて、各杭番号の位置情報や車体外形情報などの各種情報が取得される。ここで、操作ペダル４６を踏み込んでモードを切り替え可能な状態とし、切替スイッチ４５を操作して自動運転を選択すると、通常走行モードから杭埋設位置誘導モードに切り替えられ、上部旋回体１４の旋回角度に基づいて、ベースマシン１５の外形を新たな外形として再設定する外形補正処理が実行される。そして、操作ペダル４６から足を離して安全装置を解除することにより、杭埋設位置誘導モードが実行される。

自動運転が開始されると、図４の矢印Ｘ１で示すように、最初の杭番号の杭位置データと車体位置データとに基づいて、杭の埋設予定位置７２に向かう最短移動経路が設定され、この最短移動経路を倣うようにして左右のクローラ１２が駆動される。すなわち、制御装置４１は、杭打機１１の移動に伴って変化する車体位置情報を更新させながら、設定された最短移動経路で、杭の埋設予定位置７２に向かうように下部走行体１３の走行を制御する。

ところで、施工現場７１は、一般に、盛土７５によって地形や土質が変化していたり、地盤改良材を製造するプラントや各種資材などの置き場７６が設けられていたり、さらには、作業員７７や他の建設機械といった移動する障害物も数多く存在する。そこで、障害物センサ５６によって車体周囲に存在する障害物の位置を、例えば、作業員７７の位置を検出し、その検出結果に基づいて、杭埋設位置誘導モードは、図４の矢印Ｘ２で示すように、最短移動経路を作業員７７を回避するための新たな迂回移動経路として再設定する経路補正処理がなされて実行される。これにより、杭打機１１は、緩やかなスラローム旋回走行によって走行速度を一定に保ちながら杭の埋設予定位置７２に向かう。

また、杭埋設位置誘導モードの実行中は、基本的には、オペレータによる操作を必要としないが、ディスプレイ４３に表示されたカメラ５７の画像情報（車体周囲の状況）に基づいて、必要時に、手動操作による走行が可能になっている。この場合、操作レバー４４の傾動操作や、操作ペダル４６の踏み込み操作が行われることで、杭埋設位置誘導モードから通常走行モードに切り替えられる。これにより、オペレータの任意の操作がなされることで、通常の走行が行えるようになる。

自動運転によって、杭打機１１が杭の埋設予定位置７２の近傍領域に、例えば、杭の埋設予定位置７２を中心として、あらかじめ設定された円形領域に近づくと、徐々に走行速度を低下させ、円形領域の境界線Ｓに到達することで、一旦停止が行われる。そして、上部旋回体１４の旋回動作を行って下部走行体の向きに対応させた後、スピン旋回走行によって車体の前後方向を境界線Ｓの円弧に一致させるように向きが変更されるとともに、図４の矢印Ｘ３で示すように、スラローム旋回走行によって境界線Ｓを倣いながら低速で設定進入角度の進入開始地点Ｐまで移動される。すなわち、杭打機１１は、ベースマシン１５の外形補正処理が実行された後、境界線Ｓを外さないように低速で旋回走行が行われ、さらには周辺の障害物と衝突しないように空間認知をしながら進入開始地点Ｐまで移動される。

進入開始地点Ｐにおいて、一旦停止が行われた杭打機１１は、スピン旋回走行によって車体の前後方向を、杭の埋設予定位置７２に向かう方向に、つまり進行方向を９０度変えて、リーダ鉛直度保持モードの実行によってリーダ１６の鉛直性が保たれた状態で、図４の矢印Ｘ４で示すように、車体を円形領域内に進入させる。円形領域内では、杭の埋設予定位置７２に向かうように低速で直進走行が行われる。さらに、杭芯位置合わせの段階に入ると、制御バルブ５１の開度を調節してクローラ１２を微速駆動させながら、杭芯位置Ｃを杭の埋設予定位置７２に一致させる。このとき、走行の停止が行われるとともに、杭埋設位置誘導モードが解除されることによって自動運転が終了する。ここで、杭打機１１は、停止位置において、車体傾斜センサ５４及びリーダ傾斜センサ５８のそれぞれで取得した傾斜情報（姿勢）を加味して杭芯位置Ｃが特定されていることから、掘削開始時にリーダ１６の傾斜を微調整する操作がなされたとしても、これに伴って杭芯位置Ｃと、杭の埋設予定位置７２とが互いに一致する方向に調整されるので、杭芯ずれが生じることはない。

最初の杭番号についての施工は、施工管理プログラムの実行によって、施工データを取得しながら自動で行われている。そして、施工が完了すると、オペレータは所定の切替操作を行って再び自動運転を開始させる。ここで、杭打機１１は、最初の杭番号に対応する円形領域内から直進走行によって退避する方向に移動し、境界線Ｓに到達することで、一旦停止が行われる。そして、制御装置４１では、次の杭番号の杭位置データと車体位置データとに基づいて、次の杭の埋設予定位置７３に向かう最短移動経路が設定される。これにより、次の杭の埋設予定位置７３に向かって走行が行われるとともに、次の杭の埋設予定位置７３に対応した円形領域の境界線Ｔに到達することで、一旦停止が行われる。そして、境界線Ｔを倣って走行させながら車体の進入角度を調整し、上述したように円形領域内での走行制御と同様の手順で、次の杭の杭芯位置合わせが行われ、以降の杭の埋設予定位置、例えば、埋設予定位置７４に対しても同様にして杭芯位置合わせが行われる。こうして、計画された杭の埋設順序に従って杭芯位置合わせと施工とが繰り返し行われる。

ところで、杭の埋設予定位置７２，７３，７４の近傍領域内では、多くの作業員が存在し、持ち込まれる関連装置などが周辺に置かれて込み入った環境となっている。そこで、モードを通常の走行（通常走行モード）に選択すると作業工程において便利である場合がある。このような通常の走行が行われる場合、杭打機１１を敷鉄板上で前進させているときに、万一、オペレータの不注意や地震や大雨などの影響で発生した軟弱地盤にクローラ１２の一部分、例えば、左前部側が進入すると、この部分に対応するクローラシュー２７が、敷鉄板上に位置する他のクローラシュー２７に比べて沈み込む状態になるため、クローラシュー２７から下部転輪２６に作用する荷重が減少する。この荷重の減少の程度が基準値を下回ると、警報発生部６３によって荷重低下警報が発生され、杭打機１１が軟弱地盤に進入してしまったことを、例えば、音声によってオペレータに知らせる。

このように、杭打機１１の制御装置４１が、制御方式の一つとして、施工計画情報と車体位置情報と車体外形情報とに基づいて移動経路を設定するとともに、該移動経路を倣いながら杭の埋設予定位置７２，７３，７４に向かうように下部走行体１３の走行を自動で制御し、さらには障害物センサ５６の検出結果に基づいて移動経路を再設定して実行する杭埋設位置誘導モードを選択可能になっているので、杭埋設位置誘導モードを選択するだけの簡単な操作で自動運転が可能となり、たとえ運転室１４ａから広い視界を確保することができない状況や、周囲に作業員７７や建築資材などの障害物があるような状況であっても、オペレータの経験や高いスキルを要することなく、杭打機１１の誘導や杭芯位置合わせを容易に行うことができる。

また、杭埋設位置誘導モードの実行によって、車体位置情報と、車体傾斜センサ５４及びリーダ傾斜センサ５８のそれぞれの検出結果とから求まる杭芯位置Ｃを、杭の埋設予定位置７２，７３，７４に一致させるようにして、さらにはリーダ鉛直度保持モードの実行によってリーダ１６を鉛直状態に保ちながら下部走行体１３の走行が制御されるので、施工現場７１の地形や杭打機１１の可動部の動きによって生じる車体位置情報の誤差を排除することが可能となり、杭の埋設予定位置７２，７３，７４への誘導を正確に行うことができる。また、傾斜地のある現場であっても移動時に転倒するおそれがなくなり、さらに、非常時には、リーダ鉛直度保持モードの実行を停止して、安全を確実なものとすることができる。

また、制御装置４１が、リーダ１６に取り付けられたリーダ傾斜センサ５８の配線接続がなされていないときに、杭埋設位置誘導モードの実行を規制するデバイス監視部６０を備えているので、杭打機１１の現場移動のたびに配線接続の解除と復元が繰り返されても、杭埋設位置誘導モードによる自動運転を安定した状態で行うことができる。特に、大型の杭打機１１の使用に耐え得る構成であることから、ハードウェア的にもソフトウェア的にも堅牢なシステムを構築できる。

さらに、クローラ１２には、下部転輪２６にクローラシュー２７から作用する荷重を検出する荷重センサ５９が設けられ、制御装置４１には、この荷重センサ５９で検出した荷重が、あらかじめ設定された基準値を下回ったときに、荷重低下警報を発生させる警報発生部６３を備えているので、各種走行モードの実行中に杭打機１１の転倒につながるような事態を事前に回避することができ、安全性がより高まる。

また、カメラ５７で取得された車体周囲の画像情報を表示するディスプレイ４３を運転室１４ａに備えているので、各種走行モードの実行中に杭打機１１の車体周囲の状況を容易に把握することができる。しかも、制御装置４１に備わるモード切替部４７が、杭埋設位置誘導モードの実行中に、操作レバー４４や操作ペダル４６からの操作信号を受けることにより、杭埋設位置誘導モードから通常走行モードに切り替える制御が行われるので、例えば、ダンプなどの工事用車両が急接近してきたような緊急時に、いち早く手動操作に切り替えて障害物の回避走行が行える。これにより、操作の安全性や確実性が高まるだけでなく、運転室１４ａ内にいるオペレータに安心感を与えることもできる。

また、杭埋設位置誘導モードの実行中には、杭打機１１が杭の埋設予定位置７２の近傍領域の境界線Ｓに到達すると、左右のクローラ１２を異なる向きや異なる速度で駆動して旋回走行させ、設定された進入角度で杭の埋設予定位置７２へのアプローチが可能な進入開始地点Ｐに移動させた後、車体を近傍領域内に進入させ、さらには左右のクローラ１２を同一速度で駆動して直進走行させるように下部走行体１３の走行が制御されるので、杭の埋設予定位置７２の近傍領域において、安定した直進走行による誘導が行え、杭芯位置合わせをより正確に行うことができる。しかも、施工後に次の杭の埋設予定位置７３に誘導する際には、例えば、杭打機１１を一旦後退させた後、杭埋設位置誘導モードを実行させる所定の操作を行うだけで、次の杭の埋設予定位置７３に向かう自動運転が開始されるので、近傍領域内で旋回走行などの複雑な走行操作を必要とせずに、杭芯位置合わせを容易かつ迅速に行うことができる。とりわけ、複数の杭の埋設予定位置７２，７３，７４が連続して集中している施工現場では、従来から杭芯位置合わせを何回も繰り返すようなルーチンワークが行われているが、これを更に短く、わずかな時間でも短縮したいとのニーズがある。本発明は、このような杭打機１１が使用される施工現場の工数低減のニーズに応えることができる。

なお、本発明は、前記形態例に限定されるものでなく、杭の埋設と同様の作業を行う地盤改良にも適用することが可能であり、杭打機の形式や構造も任意である。また、通常走行モードは、杭埋設位置誘導モードに対応して表現上便宜的に設定されるモードであって、従来からこの種の操作装置として用いられる操作弁の切替操作によって実行される。通常走行モードによる走行操作は電気信号による切替方式や油圧パイロットによる切替方式などが採用できる。したがって、例えば、今まで使用していた杭打機の施工管理装置に、本制御装置をアドオンすれば、杭埋設位置誘導モードを選択して実行可能になる。さらに、通常走行モードを選択しているのであれば、リーダ鉛直度保持モードの実行は必須ではなく、現場の状況に応じて、適宜に指定して実行されてもよい。

また、各種モードの切り替え手順は任意で設定することができ、走行操作装置には２本レバーや１本レバー（ジョイスティック）が含まれることは勿論、ブレーキペダルやアクセルペダルなど、踏み込んで操作するものも含まれる。加えて、傾斜センサや、障害物センサ、カメラなどは一般的な検出手段として用いられている各種機器を利用することができ、設置数も任意である。また、旋回角度センサは複数のリミットスイッチを設置して構成してもよいが、給電用スリップリングや油圧スイベルジョイントと同軸上にポテンショメータ（回転型センサ）を備えて構成すればコンパクトに設置することができる。

また、下部走行体による走行は、直進性を確保することを目的として、例えば、左右の走行用油圧モータの駆動力を均等化するなど、種々の油圧制御方式を採用することができる。さらに、荷重センサで検出した荷重が基準値を下回ったときに、荷重低下警報を発生させるとともに、リーダ鉛直度保持モードを即座に実行可能な状態に、例えば、あらかじめ作動油を加圧して応答性を高める制御を行うことができる。加えて、非常時にリーダ鉛直度保持モードの実行を停止する場合には、油圧弁を切り替える制御の他、駆動源を停止させるなど種々の制御を行って安全措置を図ることができる。

１１…杭打機、１２…クローラ、１３…下部走行体、１４…上部旋回体、１４ａ…運転室、１４ｂ…機器室、１４ｃ…ガントリ、１４ｄ…カウンタウエイト、１４ｅ…ウインチ、１５…ベースマシン、１６…リーダ、１６ａ…リーダ部材、１７…バックステー、１７ａ…バックステーシリンダ、１８…ジャッキ装置、１９…オーガスクリュー、２０…オーガ、２１…走行フレーム、２２…駆動輪、２３…従動輪、２４…上部転輪、２５…上部ガイド、２６…下部転輪、２７…クローラシュー、４１…制御装置、４２…記憶部、４３…ディスプレイ、４４…操作レバー、４５…切替スイッチ、４６…操作ペダル、４７…モード切替部、４８…走行制御部、４９…エンジンコントローラ、５０…可変容量型油圧ポンプ、５１…制御バルブ、５２，５３…走行用油圧モータ、５４…車体傾斜センサ、５５…旋回角度センサ、５６…障害物センサ、５７…カメラ、５８…リーダ傾斜センサ、５９…荷重センサ、６０…デバイス監視部、６１…傾斜制御部、６２…制御バルブ、６３…警報発生部、６４…非常停止部、６５…通信部、６６…ネットワーク、６７…データサーバ、６８…第１受信部、６９…第２受信部、７１…施工現場、７２，７３，７４…埋設予定位置、７５…盛土、７６…置き場、７７…作業員

Claims

左右一対のクローラを備えた下部走行体及び該下部走行体の上部に旋回可能に設けられた上部旋回体からなるベースマシンと、前記上部旋回体の前部に複数のリーダ部材を互いに着脱可能に連結して起伏可能に設けられたリーダと、該リーダを前記上部旋回体の後部から支持する左右一対のバックステーと、前記リーダの前面に沿って昇降可能に設けられたオーガとを備え、前記上部旋回体に前記下部走行体を走行させる操作及び前記オーガを作動させる操作がなされる運転室が設置され、該運転室に設けられた走行操作装置からの操作信号を受けて前記下部走行体の走行を制御する杭打機の制御装置において、施工現場における杭の埋設予定位置を設定した施工計画情報を記憶する記憶部と、前記杭打機の車体位置情報を取得する受信部と、車体周囲に存在する障害物の位置を検出する障害物センサとを有して構成され、前記走行操作装置の操作によって前記下部走行体の走行をオペレータが手動で制御する通常走行モードと、前記施工計画情報と前記車体位置情報とに基づいて設定された移動経路を倣いながら、前記杭の埋設予定位置に向かうように前記下部走行体の走行を自動で制御する杭埋設位置誘導モードとを選択的に実行可能であり、前記杭埋設位置誘導モードは、前記障害物センサの検出結果に基づいて、前記設定された移動経路を、前記障害物を回避するための新たな移動経路として再設定する経路補正処理がなされて実行されることを特徴とする杭打機の制御装置。
前記上部旋回体に設けられた車体傾斜センサと、前記リーダに設けられたリーダ傾斜センサとを備え、前記杭埋設位置誘導モードは、前記受信部で取得した前記車体位置情報と、前記車体傾斜センサ及び前記リーダ傾斜センサのそれぞれの検出結果とから求まる杭芯位置を、前記杭の埋設予定位置に一致させるように前記下部走行体の走行を制御することを特徴とする請求項１記載の杭打機の制御装置。
前記リーダ傾斜センサは、前記複数のリーダ部材同士の分解及び組立に伴って前記リーダに着脱可能になっており、前記リーダ傾斜センサの配線接続がなされていないときに、前記杭埋設位置誘導モードの実行を規制するデバイス監視部を備えていることを特徴とする請求項２記載の杭打機の制御装置。
前記バックステーの下端部には、前記リーダを傾動させるための伸縮可能なバックステーシリンダが設けられ、前記リーダ傾斜センサの検出結果に基づいて、前記リーダを鉛直状態に保持するように前記バックステーシリンダの伸縮動作を自動で制御するリーダ鉛直度保持モードを実行可能であり、該リーダ鉛直度保持モードは、前記通常走行モードが選択されているときには前記オペレータの選択により指定して実行され、前記杭埋設位置誘導モードが選択されているときには前記オペレータの選択の有無にかかわらず実行されることを特徴とする請求項２又は３記載の杭打機の制御装置。
前記リーダ鉛直度保持モードを実行しているときに、車体形状に関する情報、重量分布に関する情報、前記リーダの長さに関する情報及び前記オーガの昇降位置に関する情報と、前記車体傾斜センサ及び前記リーダ傾斜センサのそれぞれの検出結果に基づいて、車体に作用する転倒モーメントと安定に要する安定モーメントとを比較し、前記車体が不安定な状態であると判断すると、前記リーダ鉛直度保持モードの実行を停止する非常停止部を備えていることを特徴とする請求項４記載の杭打機の制御装置。
前記クローラは、前記下部走行体の両側に配置される走行フレームの前後両端部にそれぞれ設けられた駆動輪及び従動輪と、該駆動輪と従動輪との間の前記走行フレームの上部及び下部にそれぞれ設けられた複数の上部転輪及び下部転輪とに無端状に掛け回され、前記走行フレームに設けられた下部転輪の支持部に、該下部転輪にクローラシューから作用する荷重を検出する荷重センサが設けられており、該荷重センサで検出した荷重があらかじめ設定された基準値を下回ったときに、荷重低下警報を発生させる警報発生部を備えていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の杭打機の制御装置。
前記上部旋回体に設けられて車体周囲の画像情報を取得するカメラと、前記運転室に設けられて前記カメラで取得した前記画像情報を表示するディスプレイとを備えていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載の杭打機の制御装置。
前記杭埋設位置誘導モードを実行しているときに、前記走行操作装置からの操作信号を受けることにより、前記杭埋設位置誘導モードから前記通常走行モードに切り替えるモード切替部を備えていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項記載の杭打機の制御装置。
前記杭埋設位置誘導モードは、前記杭打機が前記杭の埋設予定位置の近傍領域に到達すると、前記左右一対のクローラを異なる向きあるいは異なる速度で駆動して旋回走行させることにより、あらかじめ設定された進入角度で前記近傍領域に進入させ、該近傍領域内では、前記左右一対のクローラを同一速度で駆動して直進走行させるように前記下部走行体の走行を制御することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項記載の杭打機の制御装置。
前記下部走行体に対する前記上部旋回体の旋回角度を検出する旋回角度センサを備え、前記杭埋設位置誘導モードは、前記旋回角度センサの検出結果に基づいて、あらかじめ設定された前記ベースマシンの外形を新たな外形として再設定する外形補正処理がなされて実行されることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項記載の杭打機の制御装置。