JP2021055360A - 作業機械 - Google Patents

Abstract

【課題】旋回動作を考慮してオペレータの意図に適合した操作補助を行うことが可能な作業機械を提供する。【解決手段】制御装置８０は、記憶装置８１と中央処理装置８２とを含む。記憶装置８１は、作業装置１０による施工目標情報と、旋回装置３０の操作量に基づく作業装置１０の作業内容の判定基準情報とが記憶されている。中央処理装置８２は、センサ６０によって検出された作業装置１０の位置および姿勢と、操作量検出装置によって検出された旋回装置３０の操作量と、記憶装置８１に記憶された判定基準情報とに基づいて、作業装置１０の作業内容を判定し、判定した作業内容に基づいて施工目標情報の補正値を算出し、施工目標情報および補正値に基づいて駆動装置５０を制御してオペレータの操作を補助する。【選択図】図１

Description

本開示は、作業機械に関する。

従来から作業機械の制御装置に関する発明が知られている（下記特許文献１を参照）。この従来の作業機械の制御装置は、施工対象を施工するために作業機械が有する作業機を制御する装置において、作業機が有する作業具が予め定められた目標の形状に侵入しないように作業機を制御する制御部と、施工対象の仕上がりの目標となる形状である目標施工地形に対する作業具の姿勢に基づいて、目標の形状を、目標施工地形から予め定められた距離だけ離れたオフセット地形または目標施工地形とする切替部と、を含む（同文献、要約等を参照）。

上記作業機械の制御装置において、切替部は、目標施工地形と油圧ショベルのバケットの底面とのなす角度の大きさに基づいて、介入制御における目標の形状を、オフセット地形と目標施工地形とに切り替える（同文献、第００７５段落等を参照）。前記角度の絶対値が予め定められた閾値の絶対値よりも大きい場合、切替部は、介入制御における目標の形状を、オフセット地形とする。角度の絶対値が予め定められた閾値の絶対値以下である場合、切替部は、介入制御における目標の形状を、目標施工地形とする（同文献、第００７６段落等を参照）。

このような処理によって、介入制御における目標の形状は、表土の掘削時と仕上げ時とで自動的に切り替わる。その結果、法面の形成において、オペレータは表土の掘削時と施工対象の仕上げ時とでオフセット量を設定し直す必要がなくなるので、法面を形成する場合においてオペレータの作業が煩雑になることが抑制される（同文献、第００７７段落等を参照）。

国際公開第２０１６／１２９７０８号

作業機械による施工には、旋回動作をともなうものがある。しかしながら、前記従来の作業機械の制御装置では、旋回動作をともなう施工が考慮されていない。そのため、旋回動作をともなう施工において、オペレータの意図に反してオフセット地形と目標施工地形とが切り替わるおそれがある。

本開示は、旋回動作を考慮してオペレータの意図に適合した操作補助を行うことが可能な作業機械を提供する。

本開示の一態様は、作業を行う作業装置と、前記作業装置が取り付けられた旋回体と、前記旋回体を旋回させる旋回装置と、前記旋回装置を介して前記旋回体を支持して走行させる走行装置と、前記作業装置、前記旋回装置および前記走行装置を駆動する駆動装置と、前記作業装置の位置および姿勢を検出する位置・姿勢検出装置と、前記作業装置、前記旋回装置および前記走行装置の操作を指示する操作装置と、前記操作装置の操作量を検出する操作量検出装置と、前記操作量と前記作業装置の位置および姿勢に基づいて前記駆動装置を制御する制御装置と、を備えた作業機械であって、前記制御装置は、記憶装置と中央処理装置とを含み、前記記憶装置は、前記作業装置による施工目標情報と、前記旋回装置の前記操作量に基づく前記作業装置の作業内容の判定基準情報とが記憶され、前記中央処理装置は、前記位置・姿勢検出装置によって検出された前記作業装置の位置および姿勢と、前記操作量検出装置によって検出された前記旋回装置の前記操作量と、前記判定基準情報とに基づいて、前記作業装置の作業内容を判定し、判定した前記作業内容に基づいて前記施工目標情報の補正値を算出し、前記施工目標情報および前記補正値に基づいて前記駆動装置を制御してオペレータの操作を補助することを特徴とする作業機械である。

本開示の上記一態様によれば、旋回動作を考慮してオペレータの意図に適合した操作補助を行うことが可能な作業機械を提供することができる。

本開示の作業機械の実施形態１を示す概略図。 図１に示す作業機械の機能ブロック図。 図１に示す作業機械の制御装置の機能ブロック図。 図３の作業内容判定機能の詳細を示す機能ブロック図。 図３の施工目標補正機能の詳細を示す機能ブロック図。 図２の表示装置に表示される画像の一例を示す画像図。 図２の表示装置に表示される画像の一例を示す画像図。 本開示の作業機械の実施形態２に係る作業内容判定機能の機能ブロック図。 本開示の作業機械の実施形態３に係る作業内容判定機能の機能ブロック図。 本開示の作業機械の実施形態４に係る作業内容判定機能の機能ブロック図。

以下、図面を参照して本開示の作業機械の実施形態を説明する。

［実施形態１］
図１は、本開示の作業機械の実施形態１を示す概略図である。図２は、図１に示す作業機械１の機能ブロック図である。本実施形態の作業機械１は、たとえば、情報化施工を補助するシステムを備えた油圧ショベルである。情報化施工は、たとえば資源採掘や建設工事の現場などでの施工において、情報通信技術を活用し、各プロセスから得られる電子情報をやり取りして、高効率、高精度の施工を実現する。詳細については後述するが、本実施形態の作業機械１は、主に、次のような構成を特徴としている。

作業機械１は、作業を行う作業装置１０と、その作業装置１０が取り付けられた旋回体２０と、その旋回体２０を旋回させる旋回装置３０と、その旋回装置３０を介して旋回体２０を支持して走行させる走行装置４０と、を備えている。また、作業機械１は、作業装置１０、旋回装置３０および走行装置４０を駆動する駆動装置５０と、作業装置１０の位置および姿勢を検出する位置・姿勢検出装置としてのセンサ６０と、作業装置１０、旋回装置３０および走行装置４０の操作を指示する操作装置７０と、その操作装置７０の操作量を検出する操作量検出装置と、を備えている。さらに、作業機械１は、操作装置７０の操作量と作業装置１０の位置および姿勢に基づいて駆動装置５０を制御する制御装置８０を備えている。

制御装置８０は、記憶装置８１と中央処理装置８２とを含む。記憶装置８１は、作業装置１０による施工目標情報と、旋回装置３０の操作量に基づく作業装置１０の作業内容の判定基準情報とが記憶されている。中央処理装置８２は、センサ６０によって検出された作業装置１０の位置および姿勢と、操作装置７０の操作量を検出する操作量検出装置によって検出された旋回装置３０の操作量と、記憶装置８１に記憶された判定基準情報とに基づいて、作業装置１０の作業内容を判定する。また、中央処理装置８２は、判定した作業内容に基づいて施工目標情報の補正値を算出し、施工目標情報および補正値に基づいて駆動装置５０を制御してオペレータの操作を補助する。

以下、本実施形態の作業機械１の各部の構成を詳細に説明する。作業装置１０は、たとえば、作業機械１が掘削作業やならし作業などの作業を行うための作業装置である。作業装置１０は、たとえば、ブーム１１と、アーム１２と、バケット１３とを備えている。

ブーム１１の基端部は、たとえば、作業機械１の幅方向に平行な、図示を省略する回転軸を介して旋回体２０に連結されている。ブーム１１は、たとえば、駆動装置５０を構成するブームシリンダ５１によって駆動され、旋回体２０に取り付けられた図示を省略する回転軸を中心に所定の角度範囲で上下に回動する。

アーム１２の基端部は、たとえば、作業機械１の幅方向に平行な回転軸１２ａを介してブーム１１の先端部に連結されている。アーム１２は、たとえば、駆動装置５０を構成するアームシリンダ５２によって駆動され、ブーム１１に取り付けられた回転軸１２ａを中心に所定の角度範囲で回動する。

バケット１３の基端部は、たとえば作業機械１の幅方向に平行な回転軸１３ａ、およびリンク機構１３ｌを介して、アーム１２の先端部に連結されている。バケット１３は、たとえば、駆動装置５０を構成するバケットシリンダ５３によって駆動され、アーム１２に取り付けられた回転軸１３ａを中心に所定の角度範囲で回動する。

旋回体２０は、前部に作業装置１０が取り付けられ、後部にカウンターウェイト２１が設けられている。また、旋回体２０の前部には、旋回体２０の幅方向において作業装置１０に隣接して運転室２２が設けられている。旋回体２０は、旋回装置３０を介して走行装置４０に接続され、旋回装置３０を介して走行装置４０の上に支持されることで、作業機械１の上下方向に平行な回転軸を中心に走行装置４０に対して旋回可能に設けられている。旋回体２０は、たとえば、図示を省略する原動機、駆動装置５０を構成する油圧装置および旋回モータ５４、操作装置７０、操作量検出装置、制御装置８０、ならびに図２に示す入力装置９０および表示装置１００などを収容している。

旋回装置３０は、走行装置４０の上に取り付けられ、駆動装置５０によって駆動されることで、旋回体２０を走行装置４０に対して旋回させる。より具体的には、旋回装置３０は、駆動装置５０を構成する旋回モータ５４によって駆動され、作業機械１の上下方向に平行な回転軸を中心として、作業装置１０および旋回体２０を走行装置４０に対して旋回させる。

走行装置４０は、たとえば、無限軌道履帯を有する左右のクローラ４１と、図示を省略する左右の走行モータとを備えている。走行装置４０は、左右の走行モータによって左右のクローラ４１をそれぞれ駆動することで、作業機械１を走行させる。左右の走行モータは、たとえば、駆動装置５０を構成する油圧モータである。

駆動装置５０は、たとえば、ブームシリンダ５１、アームシリンダ５２、バケットシリンダ５３、旋回モータ５４、および前述の走行モータを含み、作業装置１０、旋回装置３０、および走行装置４０を駆動する。駆動装置５０は、たとえば油圧装置であり、原動機によって駆動される複数の油圧ポンプや、油圧ポンプに接続されて作動油の方向を切り替える複数の方向制御弁を備えている。また、駆動装置５０は、たとえば、図示を省略する圧力センサを備え、駆動装置５０を構成する各部の作動油の圧力情報を制御装置８０に出力する。

センサ６０は、作業装置１０の位置および姿勢を検出する。図１に示す例において、センサ６０は、作業装置１０の作業具であるバケット１３に取り付けられて、バケット１３の位置および姿勢を検出する。センサ６０としては、たとえば、ＧＰＳ（Global Positioning System）やＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）などの衛星測位システムを例示することができる。

なお、センサ６０は、バケット１３に取り付けられていなくてもよく、作業装置１０の位置および姿勢を検出できるものであれば特に限定されない。センサ６０は、たとえば、ブームシリンダ５１、アームシリンダ５２、およびバケットシリンダ５３のストロークを検出することで作業装置１０の位置および姿勢を算出可能な位置センサであってもよい。また、センサ６０は、たとえば、ブーム１１、アーム１２、およびバケット１３の回転角度を検出することで、作業装置１０の位置および姿勢を算出可能な角度センサであってもよい。

操作装置７０は、たとえば、旋回体２０の運転室２２に収容された操作レバーや操作ペダルを含んでいる。操作量検出装置は、たとえば、操作レバーの操作量や操作ペダルの操作量を含む操作装置７０の操作量を検出する。操作装置７０は、オペレータによって操作され、操作量検出装置は、オペレータによる操作装置７０の操作に基づいて、作業装置１０、旋回装置３０、および走行装置４０の操作量を検出する。

制御装置８０は、操作量検出装置によって検出された操作装置７０の操作量と、センサ６０によって検出された作業装置１０の位置および姿勢に基づいて、駆動装置５０を制御する。制御装置８０は、記憶装置８１と、中央処理装置８２と、を含んでいる。また、制御装置８０は、たとえば、入出力部を備え、駆動装置５０、センサ６０、操作装置７０、操作量検出装置、入力装置９０、および表示装置１００などに、情報通信可能に接続されている。

記憶装置８１は、たとえば、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）などによって構成され、種々の情報やコンピュータープログラムなどが記憶される。より具体的には、記憶装置８１は、作業装置１０による施工目標情報と、旋回装置３０の操作量に基づく作業装置１０の作業内容の判定基準情報が記憶されている。これら、施工目標情報および判定基準情報については、後述する。

中央処理装置８２は、たとえば、記憶装置８１に記憶された種々の情報やコンピュータープログラムを読み込んで様々な処理を実行する。具体的には、中央処理装置８２は、たとえば、操作量検出装置によって検出された操作装置７０の操作量に応じた操作信号と、記憶装置８１に記憶された施工目標情報と、センサ６０によって検出された作業装置１０の位置および姿勢に基づいて、駆動装置５０に動作指令を出力する。

また、中央処理装置８２は、センサ６０によって検出された作業装置１０の位置および姿勢と、操作量検出装置によって検出された旋回装置３０の操作量と、記憶装置８１に記憶された判定基準情報とに基づいて、作業装置１０の作業内容を判定する。また、中央処理装置８２は、判定した作業内容に基づいて施工目標情報の補正値を算出し、施工目標情報および補正値に基づいて駆動装置５０を制御してオペレータの操作を補助する。

入力装置９０は、たとえば旋回体２０の運転室２２内に設けられ、オペレータが情報を入力可能な構成を備えている。具体的には、入力装置９０は、たとえば、キーボード、ボタン、タッチパネルなどの入力装置を備え、オペレータが入力した情報を制御装置８０へ出力する。

表示装置１００は、たとえば、旋回体２０の運転室２２内に設けられ、オペレータが視認可能な位置に配置されている。表示装置１００は、たとえば、液晶表示装置や有機ＥＬ表示装置によって構成され、制御装置８０の制御の下、後述する施工目標情報と、作業装置１０の位置および姿勢と、作業装置１０の作業内容と、補正値とに基づく画像Ｉａ，Ｉｂを表示する（図６Ａおよび図６Ｂを参照）。

図３は、図１に示す作業機械１の制御装置８０の機能ブロック図である。制御装置８０は、たとえば、操作量演算機能Ｆ１と、作業内容判定機能Ｆ２と、施工目標補正機能Ｆ３と、操作補助機能Ｆ４と、を備えている。これらの機能は、たとえば、制御装置８０に入力される情報、ならびに、記憶装置８１に記憶された情報、およびコンピュータープログラムを用い、中央処理装置８２によって実現することができる。

操作量演算機能Ｆ１において、中央処理装置８２は、たとえば、操作量検出装置によって検出したオペレータによる操作装置７０の操作量に基づいて、作業装置１０、旋回装置３０、および走行装置４０の操作量を演算する。操作量検出装置によって検出したオペレータによる操作装置７０の操作量は、たとえば、右レバー操作量と、左レバー操作量とを含む。操作量演算機能Ｆ１において算出される作業装置１０、旋回装置３０、および走行装置４０の操作量は、たとえばオペレータが要求する速度など、駆動装置５０の動作の目標値である。すなわち、操作量演算機能Ｆ１において、中央処理装置８２は、操作量検出装置によって検出された操作装置７０の操作量に基づいて、駆動装置５０の動作目標値を算出する。

図４は、図３の作業内容判定機能Ｆ２の詳細を示す機能ブロック図の一例である。作業内容判定機能Ｆ２において、中央処理装置８２は、センサ６０によって検出された作業装置１０の位置および姿勢と、操作量検出装置によって検出された旋回装置３０の操作量と、記憶装置８１に記憶された判定基準情報Ｄ１とに基づいて、作業装置１０の作業内容を判定する。より詳細には、作業内容判定機能Ｆ２は、たとえば、角速度演算機能Ｆ２１と、旋回速度演算機能Ｆ２２と、旋回作業判定機能Ｆ２３とを含む。

角速度演算機能Ｆ２１において、中央処理装置８２は、たとえば、記憶装置８１に記憶されたグラフＧ１に基づいて、作業装置１０の角速度を予測または算出する。より具体的には、中央処理装置８２は、旋回装置３０が走行装置４０に対して旋回体２０と作業装置１０を旋回させたときの、作業装置１０のバケット１３の角速度を、グラフＧ１に基づいて予測または算出する。グラフＧ１は、たとえば、操作量検出装置によって検出された旋回装置３０の操作量と、旋回装置３０によって旋回させられるバケット１３の角速度との関係を示している。

図４に示す例において、グラフＧ１は、操作量検出装置で検出された旋回装置３０の操作量が所定の値ａを超えるまで作業装置１０が旋回せず、作業装置１０の角速度がゼロであることを示している。これは、たとえば、操作装置７０の操作レバーや操作ペダルのあそび、すなわち、操作レバーや操作ペダルが操作されても、駆動装置５０によって旋回装置３０が駆動されない領域（不感帯）が存在する場合に、それに合わせるためである。

また、図４に示す例において、グラフＧ１は、旋回装置３０の操作量が所定の値ａを超えると、旋回装置３０の操作量と、旋回装置３０によって旋回させられる作業装置１０の角速度との関係が、正比例の関係にあることを示している。さらに、図４に示す例において、グラフＧ１は、作業装置１０の旋回半径に応じて、旋回装置３０の操作量と作業装置１０の角速度との関係を表す直線の傾きが異なることを示している。

すなわち、角速度演算機能Ｆ２１において、中央処理装置８２は、たとえば、センサ６０によって検出された作業装置１０の位置および姿勢に基づいて、作業装置１０の旋回半径、たとえばバケット１３の爪先の旋回半径を予測または算出する。ここで、中央処理装置８２が算出した旋回半径が、たとえば、第１のしきい値よりも小さかったとする。この場合、中央処理装置８２は、たとえば、グラフＧ１の最も傾きが大きい直線と、旋回装置３０の操作量とに基づいて、作業装置１０の角速度を予測または算出する。

また、角速度演算機能Ｆ２１において、中央処理装置８２が算出した旋回半径が、たとえば、第１のしきい値よりも大きい第２のしきい値以上であったとする。この場合、中央処理装置８２は、たとえば、グラフＧ１の最も傾きが小さい直線と、旋回装置３０の操作量とに基づいて、作業装置１０の角速度を予測または算出する。

また、角速度演算機能Ｆ２１において、中央処理装置８２が算出した旋回半径が、たとえば、第１のしきい値以上であり、かつ、第２のしきい値よりも小さかったとする。この場合、中央処理装置８２は、たとえば、グラフＧ１の最も傾きが小さい直線と最も傾きが大きい直線との間の中間の傾きの直線と、旋回装置３０の操作量とに基づいて、作業装置１０の角速度を予測または算出する。

すなわち、図４に示す角速度演算機能Ｆ２１の一例において、中央処理装置８２が予測または算出する作業装置１０の角速度は、旋回装置３０の操作量がより大きくなるほど、より大きくなり、作業装置１０の旋回半径がより小さくなるほど、より大きくなる。

旋回速度演算機能Ｆ２２において、記憶装置８１は、たとえば、センサ６０によって検出された作業装置１０の位置および姿勢に基づいて、作業装置１０の旋回半径を算出する。また、旋回速度演算機能Ｆ２２において、記憶装置８１は、たとえば、算出した作業装置１０の旋回半径と、角速度演算機能Ｆ２１において予測または算出した作業装置１０の角速度とを掛け合わせて、作業装置１０の旋回速度を予測または算出する。

旋回作業判定機能Ｆ２３において、記憶装置８１は、たとえば、旋回速度演算機能Ｆ２２で予測または算出した作業装置１０の旋回速度と、記憶装置８１に記憶された施工目標情報とに基づいて、作業装置１０の作業内容を判定する。図４に示す例では、記憶装置８１は、記憶装置８１に記憶された判定基準情報Ｄ１に基づいて、作業装置１０の作業内容を判定する。ここで、中央処理装置８２は、たとえば、作業装置１０の旋回速度と、施工目標情報に含まれる施工目標の傾斜角度とに基づいて、作業装置１０の作業内容を判定する。

図４に示す例において、判定基準情報Ｄ１は、作業装置１０の旋回速度と施工目標情報とに応じて作業装置１０の作業内容が規定されたテーブルである。より詳細には、記憶装置８１には、たとえば、作業装置１０の旋回速度を低速、中速、または高速のいずれかに分類するための速度のしきい値と、施工目標情報に含まれる施工対象が平面であるか傾斜面であるかを判定するための角度のしきい値が記憶されている。中央処理装置８２は、これらのしきい値に基づいて、作業装置１０の旋回速度を「低速」、「中速」、または「高速」のいずれかに分類するとともに、施工目標情報に含まれる施工対象が「平面」であるか「傾斜面」であるかを判定する。

具体的には、判定基準情報Ｄ１に基づき、中央処理装置８２は、たとえば、作業装置１０の旋回速度が「低速」であれば、施工目標情報に含まれる施工対象が「平面」である場合も「傾斜面」である場合も、作業装置１０の作業内容を「仕上げ」と判定する。また、中央処理装置８２は、たとえば、作業装置１０の旋回速度が「中速」であり、かつ施工目標情報に含まれる施工対象が「平面」である場合に、作業装置１０の作業内容を「仕上げ」と判定する。また、中央処理装置８２は、たとえば、作業装置１０の旋回速度が「中速」であり、かつ施工目標情報に含まれる施工対象が「傾斜面」である場合に、作業装置１０の作業内容を「粗掘削」と判定する。また、中央処理装置８２は、たとえば、作業装置１０の旋回速度が「高速」であれば、施工目標情報に含まれる施工対象が「平面」である場合も「傾斜面」である場合も、作業装置１０の作業内容を「粗掘削」と判定する。

図５は、図３の施工目標補正機能Ｆ３の詳細を示す機能ブロック図の一例である。図３に示すように、施工目標補正機能Ｆ３において、中央処理装置８２は、作業内容判定機能Ｆ２で判定した作業装置１０の作業内容に基づいて、施工目標情報の補正値を算出する。図５に示すように、施工目標補正機能Ｆ３は、たとえば、補正値算出機能Ｆ３１と、施工目標補正機能Ｆ３２とを含む。

補正値算出機能Ｆ３１において、中央処理装置８２は、たとえば、作業内容判定機能Ｆ２で判定した作業装置１０の作業内容に基づいて、補正値を算出する。図５に示す例において、記憶装置８１には、たとえば、作業装置１０の作業内容に応じた補正値が規定されたテーブルＴ１が記憶されている。中央処理装置８２は、たとえば、作業内容判定機能Ｆ２で判定した作業装置１０の作業内容と、テーブルＴ１に基づいて、補正値を算出する。

具体的には、補正値算出機能Ｆ３１において、中央処理装置８２は、たとえば、作業内容判定機能Ｆ２で判定した作業装置１０の作業内容が「仕上げ」である場合、テーブルＴ１に基づいて、補正値として「０」を算出または設定する。また、中央処理装置８２は、たとえば、作業内容判定機能Ｆ２で判定した作業装置１０の作業内容が「粗掘削」である場合、テーブルＴ１に基づいて、補正値として「Ｚａｄ」を算出または設定する。なお、補正値Ｚａｄは、あらかじめ設定される任意の値であり、たとえば、施工目標である平面や傾斜面とバケット１３の爪先との間の距離である。

施工目標補正機能Ｆ３２において、中央処理装置８２は、たとえば、補正値算出機能Ｆ３１で算出または設定された補正値と、記憶装置８１に記憶された施工目標情報とを加算する。より具体的には、中央処理装置８２は、たとえば、記憶装置８１に記憶された施工目標情報に含まれる施工目標の高さに補正値を加算して、補正後の施工目標情報を出力する。ここで、補正値は、たとえば、施工目標である平面や傾斜面と、作業装置１０の一部であるバケット１３の爪先との間の鉛直方向の距離、すなわち高さである。

図３に示すように、操作補助機能Ｆ４において、中央処理装置８２は、施工目標情報および補正値に基づいて駆動装置５０を制御して、オペレータの操作を補助する。より具体的には、中央処理装置８２は、たとえば、操作量演算機能Ｆ１で算出した動作目標値と、施工目標補正機能Ｆ３で算出した補正後の施工目標情報と、センサ６０によって検出した作業装置１０の位置および姿勢とに基づいて、駆動装置５０に対する動作指令を出力する。これにより、制御装置８０は、オペレータの操作を補助する半自動制御を行う。

なお、センサ６０によって検出した作業装置１０の位置および姿勢は、たとえば、バケット１３の爪先の位置情報を含み、中央処理装置８２は、バケット１３の爪先の位置情報に基づいて、駆動装置５０に対する動作指令を出力する。また、操作量演算機能Ｆ１で算出した動作目標値は、たとえば、オペレータが意図するバケット１３の爪先の目標速度を含み、中央処理装置８２は、バケット１３の爪先の目標速度に基づいて、駆動装置５０に対する動作指令を出力する。

図６Ａおよび図６Ｂは、表示装置１００に表示される画像Ｉａ，Ｉｂの一例を示す画像図である。画像Ｉａ，Ｉｂには、それぞれ、バケット１３の爪先位置１３ｔを含む作業装置１０の位置および姿勢と、施工目標ＴＰと、作業内容ＷＤとが表示されている。また、図６Ａに示す画像Ｉａには、補正後施工目標ＯＴＰが表示されている。

表示装置１００は、たとえば、中央処理装置８２から出力された作業装置１０の位置および姿勢を画像Ｉａ，Ｉｂに表示する。また、表示装置１００は、中央処理装置８２から出力された施工目標情報に基づいて、施工目標ＴＰの位置および形状を画像Ｉａ，Ｉｂに表示する。また、表示装置１００は、中央処理装置８２から出力された作業装置１０の作業内容に基づいて、画像Ｉａ，Ｉｂに作業内容ＷＤを表示する。

また、表示装置１００は、中央処理装置８２から出力された補正後の施工目標情報に基づいて、補正後施工目標ＯＴＰの位置および形状を、図６Ａに示す画像Ｉａに表示する。なお、表示装置１００は、施工目標ＴＰと補正後施工目標ＯＴＰとを、異なる表示方法で表示させるようにしてもよい。具体的には、たとえば、施工目標ＴＰを実線で表示し、補正後施工目標ＯＴＰを破線で表示することができる。

以下、本実施形態の作業機械１の作用を説明する。

作業機械１の運転室２２に搭乗したオペレータは、たとえば、運転室２２内に配置された入力装置９０に必要な情報を入力して、記憶装置８１に施工目標情報を記憶させる。なお、記憶装置８１にあらかじめ複数の施工目標情報を記憶させておき、入力装置９０に必要な情報を入力して記憶装置８１に記憶された任意の施工目標情報を選択するようにしてもよい。また、無線通信や有線通信などの情報通信によって、記憶装置８１に施工目標情報を記憶させてもよい。施工目標情報は、たとえば地表などの施工対象の三次元形状や位置情報などを含む。

オペレータは、たとえば、運転室２２内の操作装置７０の操作レバーや操作ペダルを操作し、その操作方向や操作量によって、作業機械１の作業装置１０、旋回装置３０、および走行装置４０の動作方向および動作速度を決定する。操作量検出装置は、オペレータによる操作装置７０の操作に基づく操作量を検出して制御装置８０へ出力する。制御装置８０は、入力された操作量に基づき、中央処理装置８２により動作指令を算出して駆動装置５０へ出力する。

駆動装置５０は、入力された動作指令に応じて、ブームシリンダ５１、アームシリンダ５２、バケットシリンダ５３を伸縮させて、作業装置１０を駆動する。また、駆動装置５０は、入力された動作指令に応じて旋回モータ５４を回転させ、旋回装置３０を駆動して作業装置１０および旋回体２０を旋回させる。また、駆動装置５０は、入力された動作指令に応じて走行モータを回転させ、走行装置４０を駆動させて作業機械１を走行させる。

たとえば、作業装置１０の作業内容が、施工対象を施工目標の形状に近づける「粗掘削」である場合、オペレータは、旋回体２０および作業装置１０を比較的に高速で旋回させる傾向がある。一方、作業装置１０の作業内容が、施工対象を施工目標の形状に仕上げる「仕上げ」である場合、オペレータは、旋回体２０および作業装置１０を比較的に低速で旋回させる傾向がある。

また、施工目標の形状が平面または所定の傾斜角度よりも小さい傾斜面である場合、オペレータは、旋回体２０および作業装置１０を比較的に高速で旋回させる傾向がある。一方、施工目標の形状が所定の傾斜角度以上の傾斜面である場合、オペレータは、旋回体２０および作業装置１０を比較的に低速で旋回させる傾向がある。これは、施工目標の表面の傾斜角度が所定の傾斜角度以上である場合、施工目標の表面の傾斜角度が所定の傾斜角度よりも小さい場合と比較して、高度な操作技術が要求されるためである。

しかし、前記従来の作業機械の制御装置では、前述のように、旋回動作をともなう施工が考慮されていない。そのため、旋回動作をともなう施工において、オペレータの意図に反してオフセット地形と目標施工地形とが切り替わるおそれがある。これに対し、本実施形態の作業機械１は、前述のように、以下の構成を備えている。

作業機械１は、作業を行う作業装置１０と、その作業装置１０が取り付けられた旋回体２０と、その旋回体２０を旋回させる旋回装置３０と、その旋回装置３０を介して旋回体２０を支持して走行させる走行装置４０と、作業装置１０、旋回装置３０および走行装置４０を駆動する駆動装置５０と、作業装置１０の位置および姿勢を検出する位置・姿勢検出装置としてのセンサ６０と、作業装置１０、旋回装置３０および走行装置４０の操作を指示する操作装置７０と、その操作装置７０の操作量を検出する操作量検出装置と、操作装置７０の操作量と作業装置１０の位置および姿勢に基づいて駆動装置５０を制御する制御装置８０と、を備えている。制御装置８０は、記憶装置８１と中央処理装置８２とを含む。記憶装置８１は、作業装置１０による施工目標情報と、旋回装置３０の操作量に基づく作業装置１０の作業内容の判定基準情報とが記憶されている。中央処理装置８２は、センサ６０によって検出された作業装置１０の位置および姿勢と、操作量検出装置によって検出された旋回装置３０の操作量と、記憶装置８１に記憶された判定基準情報とに基づいて、作業装置１０の作業内容を判定する。また、中央処理装置８２は、判定した作業内容に基づいて施工目標情報の補正値を算出し、施工目標情報および補正値に基づいて駆動装置５０を制御してオペレータの操作を補助する。

このような構成により、本実施形態の作業機械１は、制御装置８０により、オペレータによる操作装置７０の操作に応じた旋回装置３０の操作量に基づいて、作業装置１０の作業内容を判定することができる。具体的には、たとえば前述のように、中央処理装置８２により、旋回装置３０の操作量に応じた作業装置１０の旋回速度と、記憶装置８１に記憶された判定基準情報Ｄ１とに基づいて、作業装置１０の作業内容が「仕上げ」であるか「粗掘削」であるかを判定することができる。

さらに、中央処理装置８２によって、判定した作業内容に基づいて、施工目標情報の補正値を算出し、施工目標情報および補正値に基づいて駆動装置５０を制御して、オペレータの操作を補助することができる。具体的には、作業装置１０の作業内容が「仕上げ」である場合、中央処理装置８２は、たとえば前述のように、施工目標情報に対して補正値として「０」を加算し、施工対象の形状が施工目標の形状となるように、動作指令を出力して駆動装置５０を駆動させることができる。このように、本実施形態の作業機械１は、作業装置１０の旋回動作を考慮して、オペレータの意図に適合した作業内容である「仕上げ」の操作補助を行うことができる。

また、作業装置１０の作業内容が「粗掘削」である場合、中央処理装置８２は、たとえば前述のように、施工目標情報に対して所定の補正値Ｚａｄを加算し、施工対象の形状が補正後の施工目標の形状となるように、動作指令を出力して駆動装置５０を駆動させることができる。これにより、制御装置８０は、作業装置１０の旋回を含むオペレータの操作と施工目標情報と作業装置１０の位置および姿勢との関係に基づいて、施工目標を所定の高さだけ上方にオフセットさせ、施工対象の過剰な掘削を防止するように、作業機械１の半自動制御を行うことができる。このように、本実施形態の作業機械１は、作業装置１０の旋回動作を考慮して、オペレータの意図に適合した作業内容である「粗掘削」の操作補助を行うことができる。

また、本実施形態の作業機械１において、中央処理装置８２は、作業装置１０の位置および姿勢に基づいて作業装置１０の旋回半径を算出し、その旋回半径に基づいて作業装置１０の角速度を算出する。さらに、中央処理装置８２は、算出した旋回半径および角速度に基づいて作業装置１０の旋回速度を算出し、その旋回速度と、中央処理装置８２に記憶された施工目標情報に含まれる施工目標の傾斜角度とに基づいて、作業装置１０の作業内容を判定する。

この構成により、作業機械１は、前述のように、オペレータの操作に基づく旋回装置３０の操作量だけではなく、施工目標の傾斜および作業装置１０の姿勢をも考慮して、作業装置１０の作業内容を判定することができる。したがって、本実施形態の作業機械１によれば、よりオペレータの意図により適合した作業内容を判定することができ、よりオペレータの意図に適合した操作補助を行うことができる。

また、本実施形態の作業機械１は、前述のように、施工目標情報と、作業装置１０の位置および姿勢と、作業装置１０の作業内容と、施工目標情報の補正値とに基づく画像Ｉａ，Ｉｂを表示する表示装置１００を備えている。

この構成により、作業機械１のオペレータに作業機械１の状況を視認させることができる。すなわち、オペレータは、表示装置１００を目視することで、作業機械１が判定した作業装置１０の作業内容を確認することができる。これにより、オペレータは、作業機械１の制御装置８０による操作補助が、自らの意図に適合しているか否かを確認することが可能になる。

以上説明したように、本実施形態によれば、旋回動作を考慮してオペレータの意図に適合した操作補助を行うことが可能な作業機械１を提供することができる。

［実施形態２］
次に、図１から図３、図５および図６を援用し、図７を参照して、本開示に係る作業機械の実施形態２を説明する。

図７は、実施形態２の作業機械１における作業内容判定機能Ｆ２の詳細を示す機能ブロック図である。本実施形態の作業機械１は、図３に示す制御装置８０の作業内容判定機能Ｆ２が、図７に示す旋回制限判定機能Ｆ２４および角速度補正機能Ｆ２５を含む点で、前述の実施形態１の作業機械１と異なっている。本実施形態の作業機械１のその他の点は、前述の実施形態１の作業機械１と同様であるので、同一の部分には同一の符号を付して説明を省略する。

旋回制限判定機能Ｆ２４において、中央処理装置８２は、たとえば、油圧装置である駆動装置５０の作動油の圧力を検出する圧力センサから出力された圧力情報に基づいて、旋回装置３０の駆動力を算出する。記憶装置８１は、たとえば、旋回装置３０の駆動力のしきい値「ｂ」が記憶されている。図７に示す例では、記憶装置８１は、たとえば、旋回装置３０の駆動力と角速度補正値との関係を示すグラフＧ２が記憶されている。グラフＧ２は、たとえば、旋回装置３０の駆動力がしきい値「ｂ」を超えるまでは、角速度補正値が「１」であり、しきい値「ｂ」を超えると角速度補正値が急激に減少して「０」になることを示している。

すなわち、旋回制限判定機能Ｆ２４において、中央処理装置８２は、たとえば記憶装置８１に記憶されたグラフＧ２を参照し、駆動装置５０の圧力センサから出力される圧力情報に基づく旋回装置３０の駆動力と、旋回装置３０の駆動力のしきい値「ｂ」とを比較する。また、中央処理装置８２は、この比較に基づいて、圧力情報に基づく旋回装置３０の駆動力がしきい値「ｂ」以下であれば、旋回装置３０による旋回体２０の旋回動作の制限がないことを判定し、角速度補正値として「１」を出力する。一方、旋回装置３０の駆動力がしきい値「ｂ」より大であれば、中央処理装置８２は、グラフＧ２に基づいて、旋回装置３０による旋回体２０の旋回動作の制限があることを判定し、角速度補正値として「１」よりも小さい値、または「０」を出力する。

次いで、角速度補正機能Ｆ２５において、中央処理装置８２は、角速度演算機能Ｆ２１で算出した作業装置１０の角速度に対して、旋回制限判定機能Ｆ２４で判定した旋回動作の制限の有無に基づく角速度補正値を乗算して、角速度を補正する。これにより、旋回装置３０の駆動力がしきい値「ｂ」以下であれば、角速度演算機能Ｆ２１で算出した作業装置１０の角速度がそのまま旋回速度演算機能Ｆ２２の入力となる。一方、旋回装置３０の駆動力がしきい値「ｂ」より大であれば、角速度演算機能Ｆ２１で算出した作業装置１０の角速度が減少するか、または、０になるように補正される。

以上のように、本実施形態の作業機械１において、記憶装置８１は、駆動装置５０による旋回装置３０の駆動力のしきい値「ｂ」が記憶されている。また、中央処理装置８２は、駆動装置５０から出力される旋回装置３０の駆動力情報と旋回装置３０の駆動力のしきい値「ｂ」との比較に基づいて、旋回装置３０による旋回体２０の旋回動作の制限の有無を判定する。そして、中央処理装置８２は、旋回体２０の旋回動作の制限があると判定した場合に、角速度演算機能Ｆ２１で算出した角速度を補正する。

この構成により、たとえば、作業機械１の作業装置１０が障害物に接触して旋回が妨げられている場合などに、油圧装置である駆動装置５０の作動油の圧力が上限を超えることを防止して、作業機械１の信頼性を向上させることができる。したがって、本実施形態の作業機械１によれば、前述の実施形態１の作業機械１と同様に、旋回動作を考慮してオペレータの意図に適合した操作補助を行うことができるだけでなく、作業機械１の信頼性を向上させることができる。

［実施形態３］
次に、図１から図３、図５および図６を援用し、図８を参照して、本開示に係る作業機械の実施形態３を説明する。

図８は、実施形態３の作業機械１における作業内容判定機能Ｆ２の詳細を示す機能ブロック図である。本実施形態の作業機械１は、図３に示す制御装置８０の作業内容判定機能Ｆ２が、図８に示す角速度補正機能Ｆ２５と、角速度補正値算出機能Ｆ２６とを含む点で、前述の実施形態１の作業機械１と異なっている。本実施形態の作業機械１のその他の点は、前述の実施形態１の作業機械１と同様であるので、同一の部分には同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態の作業機械１において、記憶装置８１は、たとえば、作業装置１０の重量と、作業装置１０の重量に基づく角速度補正値が記憶されている。図８に示す例において、記憶装置８１には、作業装置１０の先端の作業具であるバケット１３の重量と、角速度補正値との関係を示すグラフＧ３が記憶されている。グラフＧ３は、作業具の重量がしきい値「ｃ１」以下のときに角速度補正値は「１」であることを示している。また、グラフＧ３は、作業具の重量がしきい値「ｃ１」より大きくしきい値「ｃ２」よりも小さいときに、作業具の重量と角速度補正値が反比例の関係にあり、角速度補正値が「１」よりも小さく所定の値「ｄ」よりも大きいことを示している。また、グラフＧ３は、作業具の重量がしきい値「ｃ２」以上のときに、角速度補正値が所定の値「ｄ」であることを示している。

角速度補正値算出機能Ｆ２６において、中央処理装置８２は、記憶装置８１に記憶された作業装置１０の重量、たとえば作業装置１０の作業具であるバケット１３の重量と、記憶装置８１に記憶されたグラフＧ３とに基づいて、角速度補正値を算出する。さらに、角速度補正機能Ｆ２５において、中央処理装置８２は、角速度演算機能Ｆ２１で算出した作業装置１０の角速度に対して、角速度補正値算出機能Ｆ２６で算出した角速度補正値を乗算して、角速度を補正する。

これにより、作業装置１０の重量、たとえば作業具であるバケット１３の重量がしきい値「ｃ１」以下であれば、角速度演算機能Ｆ２１で算出した作業装置１０の角速度がそのまま旋回速度演算機能Ｆ２２の入力となる。また、作業装置１０の重量、たとえば作業具であるバケット１３の重量がしきい値「ｃ１」より大でかつしきい値「ｃ２」より小であれば、作業装置１０の重量に反比例して、角速度演算機能Ｆ２１で算出した作業装置１０の角速度が減少する。また、作業装置１０の重量、たとえば作業具であるバケット１３の重量がしきいしきい値「ｃ２」以上であれば、「１」よりも小さく「０」よりも大きい角速度補正値の最小値「ｄ」が角速度演算機能Ｆ２１で算出した作業装置１０の角速度に乗算される。

以上のように、本実施形態の作業機械１において、記憶装置８１は、作業装置１０の重量に基づく角速度補正値が記憶され、中央処理装置８２は、角速度演算機能Ｆ２１で算出または推定した角速度を、角速度補正値に基づいて補正する。

これにより、作業装置１０の重量の増加にともなって旋回速度が制限される作業機械１の特性を、旋回作業判定機能Ｆ２３における作業内容の判定に反映させることができる。したがって、本実施形態の作業機械１によれば、前述の実施形態１の作業機械１と同様に、旋回動作を考慮してオペレータの意図に適合した操作補助を行うことができるだけでなく、作業機械１の特性を反映した操作補助を行うことができる。

［実施形態４］
次に、図１から図３、図５および図６を援用し、図９を参照して、本開示に係る作業機械の実施形態４を説明する。

図９は、実施形態４の作業機械１における作業内容判定機能Ｆ２の詳細を示す機能ブロック図である。本実施形態の作業機械１は、図３に示す制御装置８０の作業内容判定機能Ｆ２が、図９に示す判定基準変更機能Ｆ２７を含む点で、前述の実施形態１の作業機械１と異なっている。本実施形態の作業機械１のその他の点は、前述の実施形態１の作業機械１と同様であるので、同一の部分には同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態の作業機械１の記憶装置８１には、たとえば、判定基準変更機能Ｆ２７で選択される異なる複数の判定基準情報Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３が記憶されている。判定基準情報Ｄ１は、前述の実施形態１と同様である。判定基準情報Ｄ２は、作業装置１０の旋回速度が「中速」で施工目標情報に含まれる施工対象の形状が「平面」である場合の作業装置１０の作業内容が「粗掘削」と規定されている点で、判定基準情報Ｄ１と異なっている。判定基準情報Ｄ３は、作業装置１０の旋回速度が「中速」で施工目標情報に含まれる施工対象の形状が「傾斜面」である場合の作業装置１０の作業内容が「仕上げ」と規定されている点で、判定基準情報Ｄ１と異なっている。

入力装置９０は、たとえば、複数の判定基準情報Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３から一の判定基準情報を選択するための情報、たとえば、各判定基準情報に対応する番号や記号などの情報を入力可能に構成される。中央処理装置８２は、たとえば、入力装置９０に入力された入力情報に基づいて、複数の判定基準情報Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３から一の判定基準情報を選択し、その選択した判定基準情報を旋回作業判定機能Ｆ２３において使用する。

以上のように、本実施形態の作業機械１は、情報を入力可能な入力装置９０を備えている。また、記憶装置８１は、異なる複数の判定基準情報Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３が記憶されている。そして、中央処理装置８２は、入力装置９０に入力された入力情報に基づいて、複数の判定基準情報Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３から一の判定基準情報を選択し、選択した判定基準情報に基づいて作業装置１０の作業内容を判定する。

このような構成により、オペレータは、たとえば自らの技量や嗜好に応じて、複数の判定基準情報Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３の中から一の判定基準情報を選択することができる。したがって、本実施形態の作業機械１によれば、前述の実施形態１の作業機械１と同様に、旋回動作を考慮してオペレータの意図に適合した操作補助を行うことができるだけでなく、オペレータの技量や嗜好を反映した操作補助を行うことができる。

以上、図面を用いて本開示に係る作業機械の実施形態を詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本開示に含まれるものである。

１ 作業機械
１０ 作業装置
２０ 旋回体
３０ 旋回装置
４０ 走行装置
５０ 駆動装置
６０ センサ（位置・姿勢検出装置）
７０ 操作装置
８０ 制御装置
８１ 記憶装置
８２ 中央処理装置
９０ 入力装置
１００ 表示装置
Ｄ１ 判定基準情報
Ｄ２ 判定基準情報
Ｄ３ 判定基準情報

Claims (6)

1. 作業を行う作業装置と、前記作業装置が取り付けられた旋回体と、前記旋回体を旋回させる旋回装置と、前記旋回装置を介して前記旋回体を支持して走行させる走行装置と、前記作業装置、前記旋回装置および前記走行装置を駆動する駆動装置と、前記作業装置の位置および姿勢を検出する位置・姿勢検出装置と、前記作業装置、前記旋回装置および前記走行装置の操作を指示する操作装置と、前記操作装置の操作量を検出する操作量検出装置と、前記操作量と前記作業装置の位置および姿勢に基づいて前記駆動装置を制御する制御装置と、を備えた作業機械であって、
   前記制御装置は、記憶装置と中央処理装置とを含み、
   前記記憶装置は、前記作業装置による施工目標情報と、前記旋回装置の前記操作量に基づく前記作業装置の作業内容の判定基準情報とが記憶され、
   前記中央処理装置は、前記位置・姿勢検出装置によって検出された前記作業装置の位置および姿勢と、前記操作量検出装置によって検出された前記旋回装置の前記操作量と、前記判定基準情報とに基づいて、前記作業装置の作業内容を判定し、判定した前記作業内容に基づいて前記施工目標情報の補正値を算出し、前記施工目標情報および前記補正値に基づいて前記駆動装置を制御してオペレータの操作を補助することを特徴とする作業機械。
2. 前記中央処理装置は、
   前記作業装置の位置および姿勢に基づいて前記作業装置の旋回半径を算出し、
   前記旋回半径に基づいて前記作業装置の角速度を算出し、
   前記旋回半径および前記角速度に基づいて前記作業装置の旋回速度を算出し、
   前記旋回速度と、前記施工目標情報に含まれる施工目標の傾斜角度とに基づいて、前記作業内容を判定することを特徴とする請求項１に記載の作業機械。
3. 前記記憶装置は、前記駆動装置による前記旋回装置の駆動力のしきい値が記憶され、
   前記中央処理装置は、前記駆動装置から出力される前記旋回装置の駆動力情報と前記しきい値との比較に基づいて、前記旋回装置による前記旋回体の旋回動作の制限の有無を判定し、前記旋回動作の制限があると判定した場合に前記角速度を補正することを特徴とする請求項２に記載の作業機械。
4. 前記記憶装置は、前記作業装置の重量に基づく角速度補正値が記憶され、
   前記中央処理装置は、前記角速度を前記角速度補正値に基づいて補正することを特徴とする請求項２に記載の作業機械。
5. 情報を入力可能な入力装置を備え、
   前記記憶装置は、異なる複数の前記判定基準情報が記憶され、
   前記中央処理装置は、前記入力装置に入力された入力情報に基づいて一の前記判定基準情報を選択し、選択した前記判定基準情報に基づいて前記作業内容を判定することを特徴とする請求項２に記載の作業機械。
6. 前記施工目標情報と、前記作業装置の位置および姿勢と、前記作業装置の前記作業内容と、前記補正値とに基づく画像を表示する表示装置を備えることを特徴とする請求項１に記載の作業機械。

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