JP2021085213A - 作業機械の制御システム、作業機械、および作業機械の制御方法 - Google Patents

作業機械の制御システム、作業機械、および作業機械の制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】目標設計面に沿ってチルトバケットが移動するように、作業機を自動制御する。【解決手段】距離算出部は、バケット上の点である第１バケット点と掘削対象の目標形状を示す目標設計面との距離である第１距離を算出する。距離算出部は、第１バケット点を通りかつバケットの刃先に平行な直線上におけるバケット上の点である第２バケット点と目標設計面との距離である第２距離を算出する。チルト制御部は、第１距離と第２距離とを比較してバケットをチルト軸回りに回転させるチルト制御量を算出する。【選択図】図７

Description

本開示は、作業機械の制御システム、作業機械、および作業機械の制御方法に関する。
油圧ショベルに取り付けられるバケットとして、作業機の動作平面に対する角度を調整可能なチルトバケットが知られている（例えば、特許文献１を参照）チルトバケットは、動作平面に直交するバケット軸回りに回転可能、かつバケット軸に直交するチルト軸回りに回転可能に構成される。
特開２０１４−７４３１９号公報
ところで、油圧ショベルのような作業機械においては、掘削対象の目標形状を示す目標設計面に沿ってバケットが移動するように、作業機を自動制御する技術が知られている。特許文献１に開示されるチルトバケットにおいても、目標設計面に沿ってチルトバケットが移動するように、作業機を自動制御することが望まれている。
本開示の目的は、目標設計面に沿ってチルトバケットが移動するように、作業機を自動制御する作業機械の制御システム、作業機械、および作業機械の制御方法を提供することにある。
一の態様によれば、作業機械の制御システムは、ブーム軸回りに回転可能なブームと、前記ブーム軸と平行なアーム軸回りに回転可能なアームと、前記アーム軸と平行なバケット軸回りに回転可能かつ前記バケット軸と直交するチルト軸回りに回転可能なバケットと備える作業機械の制御システムであって、前記バケット上の点である第１バケット点と掘削対象の目標形状を示す目標設計面との距離である第１距離、および前記第１バケット点を通りかつ前記バケットの刃先に平行な直線上における前記バケット上の点である第２バケット点と前記目標設計面との距離である第２距離を算出する距離算出部と、前記第１距離と前記第２距離との少なくとも大きい方の値に基づいて前記バケットを前記チルト軸回りに回転させるチルト制御量を算出するチルト制御部とを備える。
上記態様によれば、作業機械の制御システムは、目標設計面に沿ってチルトバケットが移動するように、作業機を自動制御することができる。
作業機械および作業機の姿勢の例を示す図である。 第１の実施形態に係る作業機械の構成を示す概略図である。 第１の実施形態に係るバケットの構成を示す正面図である。 第１の実施形態に係る運転室の内部の構成を示す図である。 第１の実施形態に係る制御装置の構成を示す概略ブロック図である。 第１の実施形態に係る制御装置の動作を示すフローチャートである。 チルト自動制御における目標設計面と刃先上の点との関係を示す図である。 第１の実施形態に係るバケットの距離差とチルト角速度の目標値の関係を示すチルト関数の例を示す図である。
〈座標系〉
図１は、作業機械１００および作業機１５０の姿勢の例を示す図である。
以下の説明においては、三次元の現場座標系（Ｘｇ、Ｙｇ、Ｚｇ）および三次元の車体座標系（Ｘｍ、Ｙｍ、Ｚｍ）を規定して、これらに基づいて位置関係を説明する。
現場座標系は、施工現場に設けられたＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）基準局の位置を基準点として南北に伸びるＸｇ軸、東西に伸びるＹｇ軸、鉛直方向に伸びるＺｇ軸から構成される座標系である。ＧＮＳＳの例としては、ＧＰＳ（Global Positioning System）が挙げられる。なお、他の実施形態においては、現場座標系に代えて緯度および経度などで表されるグローバル座標系を用いてもよい。
車体座標系は、作業機械１００の旋回体１３０に規定された代表点Ｏを基準として、後述する運転室１７０内のオペレータの着座位置から見て前後に伸びるＸｍ軸、左右に伸びるＹｍ軸、上下に伸びるＺｍ軸から構成される座標系である。旋回体１３０の代表点Ｏを基準として前方を＋Ｘｍ方向、後方を−Ｘｍ方向、左方を＋Ｙｍ方向、右方を−Ｙｍ方向、上方向を＋Ｚｍ方向、下方向を−Ｚｍ方向とよぶ。
現場座標系と車体座標系とは、現場座標系における作業機械１００の位置および傾きを特定することで、互いに変換することができる。
〈第１の実施形態〉
《作業機械１００の構成》
図２は、第１の実施形態に係る作業機械１００の構成を示す概略図である。
作業機械１００は、施工現場にて稼働し、土砂などの掘削対象を施工する。第１の実施形態に係る作業機械１００は、油圧ショベルである。
作業機械１００は、走行体１１０、旋回体１３０、作業機１５０、運転室１７０、制御装置１９０を備える。
走行体１１０は、作業機械１００を走行可能に支持する。走行体１１０は、例えば左右１対の無限軌道である。旋回体１３０は、走行体１１０に旋回中心回りに旋回可能に支持される。作業機１５０は、油圧により駆動する。作業機１５０は、旋回体１３０の前部に上下方向に駆動可能に支持される。運転室１７０は、オペレータが搭乗し、作業機械１００の操作を行うためのスペースである。運転室１７０は、旋回体１３０の前部に設けられる。制御装置１９０は、オペレータの操作に基づいて、走行体１１０、旋回体１３０、および作業機１５０を制御する。制御装置１９０は、例えば運転室１７０の内部に設けられる。
《旋回体１３０の構成》
図２に示すように、旋回体１３０は、位置方位検出器１３１および傾斜検出器１３２を備える。
位置方位検出器１３１は、旋回体１３０の現場座標系における位置および旋回体１３０が向く方位を演算する。位置方位検出器１３１は、ＧＮＳＳを構成する人工衛星から測位信号を受信する２つのアンテナを備える。２つのアンテナは、それぞれ旋回体１３０の異なる位置に設置される。例えば２つのアンテナは、旋回体１３０のカウンターウェイト部に設けられる。位置方位検出器１３１は、２つのアンテナの少なくとも一方が受信した測位信号に基づいて、現場座標系における旋回体１３０の代表点Ｏの位置を検出する。位置方位検出器１３１は、２つのアンテナのそれぞれが受信した測位信号を用いて、現場座標系において旋回体１３０が向く方位を検出する。
傾斜検出器１３２は、旋回体１３０の加速度および角速度を計測し、計測結果に基づいて旋回体１３０の傾き（例えば、Ｘｍ軸に対する回転を表すロール、およびＹｍ軸に対する回転を表すピッチ）を検出する。傾斜検出器１３２は、例えば運転室１７０の下方に設置される。傾斜検出器１３２の例としては、ＩＭＵ（Inertial Measurement Unit：慣性計測装置）が挙げられる。
《作業機１５０の構成》
図２に示すように、作業機１５０は、ブーム１５１、アーム１５２、第１リンク１５３、第２リンク１５４、およびバケット１５５を備える。
ブーム１５１の基端部は、旋回体１３０にブームピンＰ１を介して取り付けられる。以下、ブームピンＰ１の中心軸をブーム軸Ｘ１とよぶ。
アーム１５２は、ブーム１５１とバケット１５５とを連結する。アーム１５２の基端部は、ブーム１５１の先端部にアームピンＰ２を介して取り付けられる。以下、アームピンＰ２の中心軸をアーム軸Ｘ２とよぶ。
第１リンク１５３の第１端は、アーム１５２の先端側の側面に第１リンクピンＰ３を介して取り付けられる。第１リンク１５３の第２端は、第２リンク１５４の第１端に、バケットシリンダピンＰ４を介して取り付けられる。
バケット１５５は、土砂などを掘削するための刃先と掘削した土砂を収容するための収容部とを備える。バケット１５５の基端部は、アーム１５２のアーム１５２の先端部にバケットピンＰ５を介して取り付けられる。以下、バケットピンＰ５の中心軸をバケット軸Ｘ３とよぶ。またバケット１５５の基端部は、第２リンク１５４の第２端に、第２リンクピンＰ６を介して取り付けられる。
ブーム軸Ｘ１、アーム軸Ｘ２、およびバケット軸Ｘ３は、互いに平行である。
作業機１５０は、動力を発生させるアクチュエータである複数の油圧シリンダを備える。具体的には、作業機１５０は、ブームシリンダ１５６、アームシリンダ１５７、およびバケットシリンダ１５８を備える。
ブームシリンダ１５６は、ブーム１５１を駆動させるための油圧シリンダである。ブームシリンダ１５６の基端部は、旋回体１３０に取り付けられる。ブームシリンダ１５６の先端部は、ブーム１５１に取り付けられる。ブームシリンダ１５６には、ブームシリンダ１５６のストローク量を検出するブームシリンダストロークセンサ１５６１が設けられる。
アームシリンダ１５７は、アーム１５２を駆動するための油圧シリンダである。アームシリンダ１５７の基端部は、ブーム１５１に取り付けられる。アームシリンダ１５７の先端部は、アーム１５２に取り付けられる。アームシリンダ１５７には、アームシリンダ１５７のストローク量を検出するアームシリンダストロークセンサ１５７１が設けられる。
バケットシリンダ１５８は、バケット１５５を駆動するための油圧シリンダである。バケットシリンダ１５８の基端部は、アーム１５２に取り付けられる。バケットシリンダ１５８の先端部は、第２リンクピンＰ６を介して第１リンク１５３の第２端および第２リンク１５４の第１端に取り付けられる。バケットシリンダ１５８には、バケットシリンダ１５８のストローク量を検出するバケットシリンダストロークセンサ１５８１が設けられる。
《バケット１５５の構成》
図３は、第１の実施形態に係るバケット１５５の構成を示す正面図である。
第１の実施形態に係るバケット１５５は、バケット軸Ｘ３に直交する軸であるチルト軸Ｘ４回りに回転可能なチルトバケットである。
図３に示すように、バケット１５５は、バケット本体１６１と、ジョイント１６２と、チルトシリンダ１６３とを備える。
ジョイント１６２の基端部には、バケットピンＰ５を介してアーム１５２を取り付けるための取付孔を有する前側ブラケット１６２１および第２リンクピンＰ６を介して第２リンク１５４を取り付けるための取付孔を有する後側ブラケット１６２２が設けられる。すなわち、前側ブラケット１６２１の取付孔は、バケット軸Ｘ３を通るように設けられる。
ジョイント１６２の先端部は、チルトピンＰ７を介してバケット本体１６１の基端部に取り付けられる。チルトピンＰ７は、バケット軸Ｘ３に直交するように設けられる。チルトピンＰ７の中心軸は、チルト軸Ｘ４をなす。
バケット本体１６１の基端部の一端（左端または右端）には、チルトシリンダ１６３を取り付けるためのチルトブラケット１６１１が設けられる。
チルトシリンダ１６３は、チルト軸Ｘ４回りにバケット本体１６１を回転するための油圧シリンダである。チルトシリンダ１６３の基端部は、チルトシリンダエンドピンＰ８を介してチルトブラケット１６１１に取り付けられる。チルトシリンダ１６３の先端部は、チルトシリンダトップピンＰ９を介してジョイント１６２に取り付けられる。チルトシリンダエンドピンＰ８およびチルトシリンダトップピンＰ９は、それぞれチルトピンＰ７と平行に設けられる。これにより、バケット本体１６１は、チルトシリンダ１６３の駆動によってチルト軸Ｘ４回りに回転する。
チルトシリンダ１６３には、チルトシリンダ１６３のストローク量を検出するチルトシリンダストロークセンサ１６３１が設けられる。
《運転室１７０の構成》
図４は、第１の実施形態に係る運転室の内部の構成を示す図である。
図４に示すように、運転室１７０内には、運転席１７１、操作装置１７２および制御装置１９０が設けられる。
操作装置１７２は、オペレータの手動操作によって走行体１１０、旋回体１３０および作業機１５０を駆動させるためのインタフェースである。操作装置１７２は、左操作レバー１７２１、右操作レバー１７２２、左フットペダル１７２３、右フットペダル１７２４、左走行レバー１７２５、右走行レバー１７２６を備える。
左操作レバー１７２１は、運転席１７１の左側に設けられる。右操作レバー１７２２は、運転席１７１の右側に設けられる。
左操作レバー１７２１は、旋回体１３０の旋回動作、ならびに、アーム１５２の引き動作および押し動作を行うための操作機構である。具体的には、オペレータが左操作レバー１７２１を前方に倒すと、アームシリンダ１５７が駆動し、アーム１５２が押し動作する。また、オペレータが左操作レバー１７２１を後方に倒すと、アームシリンダ１５７が駆動し、アーム１５２が引き動作する。また、オペレータが左操作レバー１７２１を右方向に倒すと、旋回体１３０が右旋回する。また、オペレータが左操作レバー１７２１を左方向に倒すと、旋回体１３０が左旋回する。
右操作レバー１７２２は、バケット１５５の掘削動作およびダンプ動作、ならびに、ブーム１５１の上げ動作および下げ動作を行うための操作機構である。具体的には、オペレータが右操作レバー１７２２を前方に倒すと、ブームシリンダ１５６が駆動し、ブーム１５１の下げ動作が実行される。また、オペレータが右操作レバー１７２２を後方に倒すと、ブームシリンダ１５６が駆動し、ブーム１５１の上げ動作が実行される。また、オペレータが右操作レバー１７２２を右方向に倒すと、バケットシリンダ１５８が駆動し、バケット１５５のダンプ動作が行われる。また、オペレータが右操作レバー１７２２を左方向に倒すと、バケットシリンダ１５８が駆動し、バケット１５５の掘削動作が行われる。
なお、左操作レバー１７２１および右操作レバー１７２２の操作方向と、作業機１５０の動作方向および旋回体１３０の旋回方向の関係は、上述の関係でなくてもよい。
また、右操作レバー１７２２の上部には、図示しないチルト操作ボタンが設けられる。具体的には、オペレータがチルト操作ボタンを左方向にスライドさせると、チルトシリンダ１６３が駆動し、オペレータから見て左方向にバケット１５５のチルト回転動作が行われる。オペレータがチルト操作ボタンを右方向にスライドさせると、チルトシリンダ１６３が駆動し、オペレータから見て右方向にバケット１５５のチルト回転動作が行われる。なお、チルト操作ボタンは、左右方向に回転させる構成であってもよい。また、チルト操作は、オペレータの図示しないペダルによる操作で実現されてもよい。
左フットペダル１７２３は、運転席１７１の前方の床面の左側に配置される。右フットペダル１７２４は、運転席１７１の前方の床面の右側に配置される。左走行レバー１７２５は、左フットペダル１７２３に軸支され、左走行レバー１７２５の傾斜と左フットペダル１７２３の押し下げが連動するように構成される。右走行レバー１７２６は、右フットペダル１７２４に軸支され、右走行レバー１７２６の傾斜と右フットペダル１７２４の押し下げが連動するように構成される。
左フットペダル１７２３および左走行レバー１７２５は、走行体１１０の左側履帯の回転駆動に対応する。具体的には、走行体１１０の駆動輪が後方にある場合、オペレータが左フットペダル１７２３または左走行レバー１７２５を前方に倒すと、左側履帯は前進方向に回転する。また、オペレータが左フットペダル１７２３または左走行レバー１７２５を後方に倒すと、左側履帯は後進方向に回転する。
右フットペダル１７２４および右走行レバー１７２６は、走行体１１０の右側履帯の回転駆動に対応する。具体的には、走行体１１０の駆動輪が後方にある場合、オペレータが右フットペダル１７２４または右走行レバー１７２６を前方に倒すと、右側履帯は前進方向に回転する。また、オペレータが右フットペダル１７２４または右走行レバー１７２６を後方に倒すと、右側履帯は後進方向に回転する。
《制御装置１９０の構成》
制御装置１９０は、施工現場において設定された目標設計面にバケット１５５が侵入しないようにバケット１５５が掘削対象に接近する方向の動作を制限する。目標設計面は、掘削対象の目標形状を示す。制御装置１９０が目標設計面に基づいてバケット１５５の動作を制限することを介入制御ともいう。
オペレータがアーム１５２の引き操作のみを行って施工現場の整地作業を行う場合の介入制御について説明する。制御装置１９０は、バケット１５５と目標設計面との距離が所定の介入制御距離未満になった場合に、アーム１５２の移動に伴うバケット１５５の刃先と目標設計面との距離に応じて、目標設計面にバケット１５５が侵入しないように、ブームシリンダ１５６の操作信号を生成する。これにより、オペレータがアーム１５２の動作を操作するだけで、制御装置１９０がブームシリンダ１５６の操作信号を生成して自動的にブーム１５１を上昇させることでバケット１５５の動作を制限し、設計面へのバケット１５５の刃先の侵入を自動的に防止する。
なお、他の実施形態においては、制御装置１９０は、介入制御においてアームシリンダ１５７の制御指令またはバケットシリンダ１５８の制御指令を生成してもよい。つまり、他の実施形態においては、介入制御においてアーム１５２を上昇させることでバケット１５５の速度を制限してもよいし、バケット１５５の速度を直接制限してもよい。
また、制御装置１９０は、バケット１５５と目標設計面との距離が所定のチルト制御距離未満になった場合に、バケット１５５の刃先と目標設計面とが平行になるように、バケット１５５をチルト軸Ｘ４回りに回転させる。制御装置１９０が目標設計面に基づいてバケット１５５をチルト軸Ｘ４回りに回転させることを自動チルト制御ともいう。
図５は、第１の実施形態に係る制御装置１９０の構成を示す概略ブロック図である。
制御装置１９０は、プロセッサ２１０、メインメモリ２３０、ストレージ２５０、インタフェース２７０を備えるコンピュータである。
ストレージ２５０は、一時的でない有形の記憶媒体である。ストレージ２５０の例としては、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、半導体メモリ等が挙げられる。ストレージ２５０は、制御装置１９０のバスに直接接続された内部メディアであってもよいし、インタフェース２７０または通信回線を介して制御装置１９０に接続される外部メディアであってもよい。ストレージ２５０は、作業機械１００を制御するためのプログラムを記憶する。
プログラムは、制御装置１９０に発揮させる機能の一部を実現するためのものであってもよい。例えば、プログラムは、ストレージ２５０に既に記憶されている他のプログラムとの組み合わせ、または他の装置に実装された他のプログラムとの組み合わせによって機能を発揮させるものであってもよい。なお、他の実施形態においては、制御装置１９０は、上記構成に加えて、または上記構成に代えてＰＬＤ（Programmable Logic Device）などのカスタムＬＳＩ（Large Scale Integrated Circuit）を備えてもよい。ＰＬＤの例としては、ＰＡＬ(Programmable Array Logic)、ＧＡＬ(Generic Array Logic)、ＣＰＬＤ(Complex Programmable Logic Device)、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）が挙げられる。この場合、プロセッサによって実現される機能の一部または全部が当該集積回路によって実現されてよい。
ストレージ２５０には、予め目標設計面を示す設計面データが記憶される。設計面データは、現場座標系で表される三次元データであって、複数の三角形ポリゴンによって表される。設計面データを構成する三角形ポリゴンは、それぞれ隣接する他の三角形ポリゴンと共通の辺を有する。つまり、設計面データは、複数の平面から構成される連続した平面を表す。なお、他の実施形態においては、設計面データが三角形ポリゴン以外の多角形面によって構成されてもよく、また点群データなどの他の形式で表されてもよい。
なお、本実施形態では、設計面データはストレージ２５０に記憶されるとしたが、これに限られない。設計面データは、外部メモリや、図示しないサーバから図示しない通信回線を介して、ダウンロードされてもよい。
プロセッサ２１０は、プログラムを実行することで、検出値取得部２１１、バケット位置特定部２１２、目標平面決定部２１３、距離算出部２１４、操作量取得部２１５、介入制御部２１６、チルト制御部２１７、出力部２１８として機能する。
検出値取得部２１１は、ブームシリンダストロークセンサ１５６１、アームシリンダストロークセンサ１５７１、バケットシリンダストロークセンサ１５８１、チルトシリンダストロークセンサ１６３１、位置方位検出器１３１、および傾斜検出器１３２のそれぞれの検出値を取得する。つまり、検出値取得部２１１は、旋回体１３０の現場座標系における位置、旋回体１３０が向く方位、旋回体１３０の傾き、ブームシリンダ１５６のストローク長、アームシリンダ１５７のストローク長、バケットシリンダ１５８のストローク長、およびチルトシリンダ１６３のストローク長を取得する。
バケット位置特定部２１２は、検出値取得部２１１が取得した検出値に基づいて、バケット１５５の刃先上の複数の点の位置を特定する。例えば、バケット位置特定部２１２は、バケット１５５の刃先を４等分する５つの点の位置をそれぞれ特定する。バケット１５５の刃先の位置の特定方法は後述する。
目標平面決定部２１３は、チルト制御の対象とする目標平面を決定する。目標平面は、目標設計面を構成する複数の三角形ポリゴンの少なくとも１つを通る平面である。具体的には、目標平面決定部２１３は、以下の手順で目標平面を決定する。目標平面決定部２１３は、設計面データとバケット位置特定部２１２が特定した複数の点の位置とに基づいて、当該複数の点それぞれについて、目標設計面を構成する三角形ポリゴンのうち当該点に対向するものと当該点との間の距離を算出する。このとき、複数の点は、それぞれ異なる三角形ポリゴンと対向し得る。目標平面決定部２１３は、最も短い距離に係る三角形ポリゴンを特定し、当該三角形ポリゴンを通る平面を、目標平面に決定する。
距離算出部２１４は、バケット位置特定部２１２が特定した複数の点の位置と目標平面決定部２１３が決定した目標平面とに基づいて、複数の点と目標平面との間の距離を算出する。
操作量取得部２１５は、操作装置１７２から操作量を示す操作信号を取得する。操作量取得部２１５は、少なくともブーム１５１の上げ操作および下げ操作に係る操作量、アーム１５２の押し操作および引き操作に係る操作量、並びにバケット１５５の掘削操作、ダンプ操作およびチルト操作に係る操作量を取得する。
介入制御部２１６は、操作量取得部２１５が取得した操作装置１７２の操作量と、距離算出部２１４が算出した距離のうち最も短いものとに基づいて、作業機１５０の介入制御を行う。
チルト制御部２１７は、距離算出部２１４が算出した距離のうち、バケット１５５の刃先の左端から目標平面までの距離である第１距離と、バケット１５５の刃先の右端から目標平面までの距離である第２距離との差に基づいて、自動チルト制御を行う。バケット１５５の刃先の左端および右端は、それぞれ第１バケット点および第２バケット点の一例である。なお、他の実施形態においては、第１バケット点および第２バケット点は、バケット１５５上の他の点であってもよい。ただし、第２バケット点は、第１バケット点を通りかつバケット１５５の刃先に平行な直線上に存在するという条件を満たす必要がある。すなわち、他の実施形態においては、第１バケット点および第２バケット点は、底面上の点など、必ずしも刃先上の点でなくてもよい。
出力部２１８は、操作量取得部２１５が取得した操作量、およびチルト制御部２１７によって算出されるチルト制御量に基づいて、各アクチュエータに制御信号を出力する。
《バケット１５５の刃先位置の特定方法》
ここで、図１および図３を参照しながら、バケット位置特定部２１２によるバケット１５５の刃先の位置の特定方法について説明する。車体座標系におけるバケット１５５の刃先の位置は、ブーム長Ｌ１、アーム長Ｌ２、ジョイント長Ｌ３、バケット長Ｌ４、ブーム相対角α、アーム相対角β、バケット相対角γ、チルト角η、車体座標系におけるブームピンＰ１の位置、および現場座標系における代表点Ｏの位置に基づいて特定することができる。
ブーム長Ｌ１は、ブームピンＰ１からアームピンＰ２までの既知の長さである。
アーム長Ｌ２は、アームピンＰ２からバケットピンＰ３までの既知の長さである。
ジョイント長Ｌ３は、バケットピンＰ３からチルトピンＰ７までの既知の長さである。
バケット長Ｌ４は、チルトピンＰ７からバケット１５５の刃先の中心点までの既知の長さである。
ブーム相対角αは、ブームピンＰ１から旋回体１３０の上方向（＋Ｚｍ方向）に伸びる半直線と、ブームピンＰ１からアームピンＰ２へ伸びる半直線とがなす角によって表される。なお、図１に示すように、旋回体１３０の傾きθによって、旋回体１３０の上方向（＋Ｚｍ方向）と鉛直上方向（＋Ｚｇ方向）は必ずしも一致しない。
アーム相対角βは、ブームピンＰ１からアームピンＰ２へ伸びる半直線と、アームピンＰ２からバケットピンＰ３へ伸びる半直線とがなす角によって表される。
バケット相対角γは、アームピンＰ２からバケットピンＰ３へ伸びる半直線と、バケットピンＰ３からチルトピンＰ７へ伸びる半直線とがなす角によって表される。
チルト角ηは、チルトピンＰ７から、バケットピンＰ３およびチルトピンＰ７に直交する方向へ伸びる半直線と、チルトピンＰ７からバケット１５５の刃先の中心点へ伸びる半直線とがなす角によって表される。
バケット１５５の刃先の現場座標系における位置は、例えば以下の手順で特定される。バケット位置特定部２１２は、車体座標系におけるブームピンＰ１の位置とブーム相対角αとブーム長さＬ１とに基づいて、車体座標系におけるアームピンＰ２の位置を特定する。バケット位置特定部２１２は、車体座標系におけるアームピンＰ２の位置とアーム相対角βとアーム長Ｌ２とに基づいて、車体座標系におけるバケットピンＰ３の位置を特定する。バケット位置特定部２１２は、車体座標系におけるバケットピンＰ３の位置と、バケット相対角γと、ジョイント長Ｌ３とに基づいて、車体座標系におけるチルトピンＰ７の位置を特定する。バケット位置特定部２１２は、車体座標系におけるチルトピンＰ７の位置と、チルト角ηと、バケット長Ｌ４とに基づいて、車体座標系におけるバケット１５５の刃先の中心点の位置を特定する。また、バケット位置特定部２１２は、刃先の中心点から刃先の任意の点までの距離を特定し、刃先の中心点の位置から、チルト角ηの方向に、刃先の中心点から任意の点までの距離だけずらした位置を計算することで、刃先の任意の点の位置を特定することができる。例えば、バケット位置特定部２１２は、刃先の中心点の位置から、チルト角ηの正負の方向にそれぞれ刃先の幅方向の長さの１／２だけずらした位置を計算することで、刃先の両端の位置を特定することができる。
ブーム相対角α、アーム相対角β、バケット相対角γ、およびチルト角ηは、それぞれ、ブームシリンダストロークセンサ１５６１の検出値、アームシリンダストロークセンサ１５７１の検出値、バケットシリンダストロークセンサ１５８１の検出値、およびチルトシリンダストロークセンサ１６３１の検出値によって特定される。バケット位置特定部２１２は、旋回体１３０の現場座標系における位置、旋回体１３０が向く方位、および旋回体１３０の姿勢に基づいて、車体座標系におけるバケット１５５の刃先の位置を、現場座標系における位置に変換する。
なお、ブーム相対角α、アーム相対角β、バケット相対角γ、およびチルト角ηの検出は、シリンダストロークセンサによって行うものに限られず、角度センサやＩＭＵによって行ってもよい。
《制御装置１９０の動作》
図６は、第１の実施形態に係る制御装置１９０の動作を示すフローチャートである。図７は、チルト自動制御における目標設計面と刃先上の点との関係を示す図である。
作業機械１００のオペレータが作業機械１００の操作を開始すると、制御装置１９０は、所定の制御周期ごとに以下に示す制御を実行する。
操作量取得部２１５は、操作装置１７２からブーム１５１に係る操作量、アーム１５２に係る操作量、バケット１５５に係る操作量、チルトに係る操作量、および旋回体１３０の旋回に係る操作量を取得する（ステップＳ１）。検出値取得部２１１は、位置方位検出器１３１、傾斜検出器１３２、ブームシリンダストロークセンサ１５６１、アームシリンダストロークセンサ１５７１、バケットシリンダストロークセンサ１５８１、チルトシリンダストロークセンサ１６３１のそれぞれが検出した情報を取得する（ステップＳ２）。
バケット位置特定部２１２は、各油圧シリンダのストローク長からブーム相対角α、アーム相対角β、バケット相対角γ、およびチルト角ηを算出する（ステップＳ３）。またバケット位置特定部２１２は、ステップＳ２で取得した検出値、ステップＳ３で算出した角度、および既知の作業機１５０の長さパラメータに基づいて、バケット１５５の刃先を４等分する５つの点の現場座標系における位置を算出する（ステップＳ４）。以下、バケット１５５の刃先上の５つの点を、刃先の左端から順に、点ｐ１、点ｐ２、点ｐ３、点ｐ４、点ｐ５とよぶ。すなわち、点ｐ１は刃先の左端の点であり、点ｐ５は刃先の右端の点であり、点ｐ３は刃先の中心点である。
なお、角度センサやＩＭＵを用いて直接的に角度が検出される場合、ステップＳ３は省略されてもよい。
目標平面決定部２１３は、ストレージ２５０から設計面データを読み出し、点ｐ１−ｐ５それぞれについて、目標設計面との間の距離を算出する（ステップＳ５）。ステップＳ５において、目標平面決定部２１３は、点ｐ１−ｐ５のそれぞれについて、当該点から鉛直方向（Ｚｇ軸方向）に伸びる方向に対向する三角形ポリゴンとの距離を算出する。図７に示す例においては、目標平面決定部２１３は、点ｐ１−ｐ３と三角形ポリゴンｔ１との距離Ｌ１１−Ｌ１３、および点ｐ４−ｐ５と三角形ポリゴンｔ２との距離Ｌ１４−Ｌ１５を算出する。バケット１５５の刃先の位置を現場座標系で特定した場合は、現場座標系に基づく設計面データを用いる。バケット１５５の刃先の位置を車体座標系で特定した場合は、車体座標系に基づく設計面データを用いてもよい。例えば、車体座標系に基づく設計面データは、現場座標系に基づく設計面データを、位置方位検出器１３１および傾斜検出器１３２の検出値に基づいて車体座標系に変換したものであってよい。
次に、目標平面決定部２１３は、最も短い距離に係る三角形ポリゴンを特定し、当該三角形ポリゴンを通る平面を、目標平面ｇ１に決定する（ステップＳ６）。図７に示す例においては、距離Ｌ１１から距離Ｌ１５のうち、点ｐ３と三角形ポリゴンｔ１との距離Ｌ１３が最も短いため、目標平面決定部２１３は、三角形ポリゴンｔ１を通る平面を目標平面ｇ１に決定する。
距離算出部２１４は、ステップＳ４で算出した刃先両端の点ｐ１、ｐ５の位置と、ステップＳ６で決定した目標平面ｇ１とに基づいて、点ｐ１と目標平面ｇ１との間の距離Ｌ２１、および点ｐ５と目標平面ｇ１との間の距離Ｌ２２を算出する（ステップＳ７）。ステップＳ７において、目標平面決定部２１３は、点ｐ１および点ｐ５のそれぞれについて、目標平面ｇ１の法線方向における目標平面ｇ１との距離Ｌ２１、Ｌ２２を算出する。
次に、チルト制御部２１７は、ステップＳ１で取得した操作量に基づいて、オペレータによるチルト操作入力があるか否かを判定する（ステップＳ８）。例えば、チルト制御部２１７は、チルト操作量の絶対値が所定値未満である場合に、操作入力がないと判定する。チルト操作がない場合（ステップＳ８：ＮＯ）、チルト制御部２１７は、ステップＳ７で特定した点ｐ１と目標平面ｇ１との間の距離Ｌ２１、および点ｐ５と目標平面ｇ１との間の距離Ｌ２２の少なくとも一方が、チルト制御距離ｔｈ未満であるか否かを判定する（ステップＳ９）。
距離Ｌ２１および距離Ｌ２２の少なくとも一方がチルト制御距離ｔｈ未満である場合（ステップＳ９：ＹＥＳ）、チルト制御部２１７は、ステップＳ７で算出した距離Ｌ２１と距離Ｌ２２との差を算出する（ステップＳ１０）。次に、チルト制御部２１７は、距離Ｌ２１と距離Ｌ２２との差（距離差）に基づいて、チルト制御量を算出する（ステップＳ１１）。
図８は、第１の実施形態に係るバケットの距離差とチルト角速度の目標値の関係を示すチルト関数の例を示す図である。図８に示すバケットの距離差は、図７に示す距離Ｌ２１から距離Ｌ２２を減算して得られるものであって、図７における反時計回りの角速度を正とするものである。
ステップＳ１１において、チルト制御部２１７は、図８に示すような予め定められたチルト関数に距離差を代入することで、チルト角速度の目標値を決定する。チルト関数は、バケット１５５の距離差に基づいてチルト角速度の目標値を求める関数である。チルト関数において、チルト角速度の目標値は、バケット１５５の距離差に対して単調増加する。また、チルト関数において、チルト角速度の上限値および下限値が定められており、距離差の絶対値が所定値を超えるとチルト角速度の目標値は一定となる。また、チルト関数には不感帯（ヒステリシス）が設定されており、距離差がゼロの近傍の不感帯内にある場合に、チルト角速度の目標値がゼロとなる。すなわち、距離差がゼロの近傍の不感帯内にある場合、バケット１５５のチルト軸Ｘ４回りの回転が停止される。そして、チルト制御部２１７は、決定したチルト角速度の目標値に基づいて、チルト制御量を決定する。
チルト関数に不感帯が設けられることで、バケット１５５のチルト制御がオーバーシュートおよび過修正を繰り返すことを防ぐことができる。これにより、自動チルト制御によってバケット１５５のチルト角ηが制御される場合に、掘削面にがたつきが生じることを防ぐことができる。また、不感帯が目標施工面に対する許容誤差量によって規定されることで、目標施工面の掘削誤差を許容誤差量以内に抑えながら、掘削面のがたつきを防ぐことができる。
なお、チルト操作がなされている場合（ステップＳ８：ＹＥＳ）、または距離Ｌ２１および距離Ｌ２２の両方がチルト制御距離ｔｈ以上である場合（ステップＳ９：ＮＯ）、チルト制御部２１７は、チルト制御量を算出しない。
そして、出力部２１８は、作業機１５０に係る各操作量およびチルト制御部２１７によって算出されるチルト制御量に基づいて、各アクチュエータに制御信号を出力する（ステップＳ１２）。自動チルト制御を実行している場合、チルトシリンダ１６３は、チルト制御部２１７で生成された信号に従って駆動する。自動チルト制御を実行しない場合、チルトシリンダ１６３は、オペレータ操作量に基づく信号に従って駆動する。
《作用・効果》
このように、第１の実施形態に係る制御装置１９０によれば、バケット１５５上の第１バケット点ｐ１と目標設計面との距離である第１距離Ｌ２１、およびバケット１５５上の点である第２バケット点ｐ５と目標設計面との距離である第２距離Ｌ２２を算出し、第１距離Ｌ２１と第２距離Ｌ２２とを比較してバケット１５５をチルト軸Ｘ４回りに回転させるチルト制御量を算出する。これにより、制御装置１９０は、目標設計面に沿ってバケット１５５が移動するように、作業機１５０を自動制御することができる。
なお、第１の実施形態においては、第１バケット点ｐ１および第２バケット点ｐ５がバケット１５５の刃先の両端であるが、これに限られない。例えば、他の実施形態においては、点ｐ２および点ｐ４を、それぞれ第１バケット点および第２バケット点としてもよい。また、他の実施形態においては、制御装置１９０がバケット１５５のチルト角ηに基づいてチルト制御量を算出してもよい。一方で、バケット１５５の刃先の両端の距離差を用いることで、目標施工面に対する掘削誤差を容易に管理することができる。
例えば、制御装置１９０がバケット１５５のチルト角ηに基づいてチルト制御量を算出する場合、バケット１５５の刃先の長さによってチルト角ηの誤差によって発生する掘削誤差が変化する。これに対し、第１の実施形態のようにバケット１５５の両端と目標平面の距離差に基づいてチルト制御量を算出する場合、バケット１５５の刃先の長さによって掘削誤差が変化しない。
また、第１の実施形態においては、制御装置１９０は、第１距離Ｌ２１と第２距離Ｌ２２との差が不感帯以内である場合に、チルト軸Ｘ４回りの回転を停止させる。すなわち、第１の実施形態においては、制御装置１９０は、バケット１５５の刃先と目標設計面とのなす角が所定の閾値以下である場合に、チルト軸Ｘ４回りの回転を停止させる。これにより、バケット１５５のチルト制御がオーバーシュートおよび過修正を繰り返すことを防ぐことができる。またこの不感帯が目標施工面に対する許容誤差量によって規定されることで、目標施工面の掘削誤差を許容誤差量以内に抑えながら、掘削面のがたつきを防ぐことができる。
《他の実施形態》
以上、図面を参照して一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、様々な設計変更等をすることが可能である。すなわち、他の実施形態においては、上述の処理の順序が適宜変更されてもよい。また、一部の処理が並列に実行されてもよい。
上述した実施形態に係る制御装置１９０は、単独のコンピュータによって構成されるものであってもよいし、制御装置１９０の構成を複数のコンピュータに分けて配置し、複数のコンピュータが互いに協働することで制御システムとして機能するものであってもよい。このとき、制御装置１９０を構成する一部のコンピュータが作業機械１００の内部に搭載され、他のコンピュータが作業機械１００の外部に設けられてもよい。
上述した実施形態に係る制御装置１９０は、図７に示す基準に基づいて距離Ｌ１１−Ｌ１５ならびに距離Ｌ２１および距離Ｌ２２を求めるが、これに限られない。例えば、他の実施形態に係る制御装置１９０は、距離Ｌ１１−Ｌ１５を三角形ポリゴンの法線方向に対する距離として求めてもよいし、バケット１５５の刃先に直交する方向に対する距離として求めてもよい。また他の実施形態に係る制御装置１９０は、距離Ｌ２１および距離Ｌ２２を鉛直方向に対する距離として求めてもよいし、バケット１５５の刃先に直交する方向に対する距離として求めてもよい。また例えば、三角形ポリゴンｔ１、ｔ２は、バケット１５５の刃先を通り、チルト軸Ｘ４に直交するチルト動作平面と目標設計面との交線から選択されてもよい。
上述した実施形態に係る制御装置１９０は、第１距離Ｌ２１と第２距離Ｌ２２とを比較してバケット１５５をチルト軸Ｘ４回りに回転させるチルト制御量を算出するが、これに限られない。例えば、他の実施形態に係る制御装置１９０は、第１距離Ｌ２１と第２距離Ｌ２２の一方がチルト制御距離ｔｈ未満になった場合に、その時の第１距離Ｌ２１と第２距離Ｌ２２の他方に基づいて、チルト制御量を算出してもよい。例えば、制御装置１９０は、第１距離Ｌ２１がチルト制御距離ｔｈ未満になった場合に、その時の第２距離Ｌ２２の大きさに基づいてチルト制御量を算出してもよい。また例えば、制御装置１９０は、第１距離Ｌ２１と第２距離Ｌ２２の他方の距離が所定値以上である場合に、チルト軸Ｘ４回りの回転をさせないようにしてもよい。つまり、制御装置１９０は、第１距離Ｌ１と第２距離Ｌ２の少なくとも大きい方の値に基づいて、チルト制御量を算出する。
上述した実施形態に係る制御装置１９０は、常に自動チルト制御を有効にしているが、これに限られない。他の実施形態に係る操作装置１７２は、自動チルト制御の有効／無効を切り替えるためのスイッチを備えていてもよい。この場合、制御装置１９０は、当該スイッチの状態に基づいて自動チルト制御を行うか否かを判断してもよい。すなわち、制御装置１９０は、スイッチがＯＮである場合において、チルト操作入力がなく（ステップＳ８：ＮＯ）、かつバケット１５５の刃先と目標平面ｇ１との間の距離がチルト制御距離ｔｈ未満である（ステップＳ９）場合に、自動チルト制御を行う。一方で、制御装置１９０は、スイッチがＯＦＦである場合には、チルト操作入力がなく、かつバケット１５５の刃先と目標平面ｇ１との間の距離がチルト制御距離ｔｈ未満であったとしても、自動チルト制御を行わない。当該スイッチはオペレータが操作できる態様であれば、図示しないモニタの機能として設けられてもよいし、操作レバーなどに配置されてもよい。
１００…作業機械 １１０…走行体 １３０…旋回体 １３１…位置方位検出器 １３２…傾斜検出器 １５０…作業機 １５１…ブーム １５２…アーム １５５…バケット １６１…バケット本体 １６２…ジョイント １６３…チルトシリンダ １９０…制御装置 ２１１…検出値取得部 ２１２…バケット位置特定部 ２１３…目標平面決定部 ２１４…距離算出部 ２１５…操作量取得部 ２１６…介入制御部 ２１７…チルト制御部 ２１８…出力部

Claims (9)

  1. ブーム軸回りに回転可能なブームと、前記ブーム軸と平行なアーム軸回りに回転可能なアームと、前記アーム軸と平行なバケット軸回りに回転可能かつ前記バケット軸と直交するチルト軸回りに回転可能なバケットと備える作業機械の制御システムであって、
    前記バケット上の点である第１バケット点と掘削対象の目標形状を示す目標設計面との距離である第１距離、および前記第１バケット点を通りかつ前記バケットの刃先に平行な直線上における前記バケット上の点である第２バケット点と前記目標設計面との距離である第２距離を算出する距離算出部と、
    前記第１距離と前記第２距離の少なくとも大きい方の値に基づいて前記バケットを前記チルト軸回りに回転させるチルト制御量を算出するチルト制御部と
    を備える作業機械の制御システム。
  2. 前記チルト制御部は、前記第１距離と前記第２距離との差が所定の閾値以下である場合に、前記チルト軸回りの回転を実施しない
    請求項１に記載の作業機械の制御システム。
  3. 前記第１バケット点および前記第２バケット点は、前記バケットの刃先の両端の点であり、
    前記閾値は、前記目標設計面に対する高さの許容誤差以下の値である
    請求項２に記載の作業機械の制御システム。
  4. 前記チルト制御部は、前記第１距離と前記第２距離との差に応じた角速度に係る前記チルト制御量を算出する
    請求項１から請求項３の何れか１項に記載の作業機械の制御システム。
  5. 前記目標設計面は、複数の多角形面によって構成され、
    前記距離算出部は、前記目標設計面のうち前記バケットに対向する２以上の多角形面が存在する場合に、前記２以上の多角形面のうち１つを通る平面を特定し、前記第１距離として前記平面と前記第１バケット点との距離を算出し、前記第２距離として前記平面と前記第２バケット点との距離を算出する
    請求項１から請求項４の何れか１項に記載の作業機械の制御システム。
  6. 前記平面は、前記２以上の多角形面のうち、前記バケットとの距離が最も近い多角形面を通る
    請求項５に記載の作業機械の制御システム。
  7. ブーム軸回りに回転可能なブームと、前記ブーム軸と平行なアーム軸回りに回転可能なアームと、前記アーム軸と平行なバケット軸回りに回転可能かつ前記バケット軸と直交するチルト軸回りに回転可能なバケットと備える作業機械の制御システムであって、
    前記バケットの刃先と掘削対象の目標形状を示す目標設計面とが平行に近づくように、前記バケットを前記チルト軸回りに回転させるチルト制御量を算出し、前記バケットの刃先と掘削対象の目標形状を示す目標設計面とのなす角が所定の閾値以下である場合に、前記チルト軸回りの回転を停止させるチルト制御部
    を備える作業機械の制御システム。
  8. ブーム軸回りに回転可能なブームと、
    前記ブーム軸と平行なアーム軸回りに回転可能なアームと、
    前記アーム軸と平行なバケット軸回りに回転可能かつ前記バケット軸と直交するチルト軸回りに回転可能なバケットと、
    請求項１から請求項７の何れか１項に記載の作業機械の制御システムと
    を備える作業機械。
  9. ブーム軸回りに回転可能なブームと、前記ブーム軸と平行なアーム軸回りに回転可能なアームと、前記アーム軸と平行なバケット軸回りに回転可能かつ前記バケット軸と直交するチルト軸回りに回転可能なバケットと備える作業機械の制御方法であって、
    前記バケット上の点である第１バケット点と掘削対象の目標形状を示す目標設計面との距離である第１距離、および前記第１バケット点を通りかつ前記バケットの刃先に平行な直線上における前記バケット上の点である第２バケット点と前記目標設計面との距離である第２距離を算出するステップと、
    前記第１距離と前記第２距離との少なくとも大きい方の値に基づいて前記バケットを前記チルト軸回りに回転させるチルト制御量を算出するステップと
    を備える作業機械の制御方法。
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