JP2022026596A - 作業機械および施工支援システム - Google Patents

Abstract

【課題】仮置きした土砂の掘削に伴う元の地面の荒れを抑制することができる作業機械および施工支援システムを提供すること。【解決手段】予め定めた作業目標面上でフロント作業機１１０が動くように領域制限制御を行うメインコントローラ１６２を備えた油圧ショベル１００において、油圧ショベル１００の周囲の地形を計測する地形計測装置１７９をさらに備え、メインコントローラ１６２は、上部旋回体１３１及びフロント作業機１１０の姿勢に関する情報である姿勢情報および上部旋回体１３１の位置及び向きに関する情報である機械位置情報に基づいてフロント作業機１１０により放土作業を行った位置を含む放土作業範囲を特定し、放土作業範囲の放土作業が行われる前の地形を作業目標面として設定する。【選択図】 図６

Description

本発明は、作業機械および施工支援システムに関する。

例えば、特許文献１には、作業機を有する作業車両の制御システムであって、コントローラを備え、前記コントローラは、作業対象の現況面を示す現況地形データを取得し、前記現況面を基準として目標設計面を鉛直方向に変位させる、ようにプログラムされている、作業車両の制御システムが開示されている。

国際公開第２０１８／１５９４３５号

施工現場において、油圧ショベルなどの作業機械で法面整形や溝掘りなどの掘削作業を行った際に生じる土砂は、ダンプトラックなどを用いて掘削作業場所から異なる場所に搬送される。掘削作業時にダンプトラックが待機している場合には、掘削された土砂はダンプトラックの荷台に直接積載される。また、ダンプトラックが不在の場合であっても掘削作業は中断されずに掘削された土砂は作業機械の周辺の地面に仮置きされ、ダンプトラックが積載場所に来た際に掘削作業が中断され、仮置きされた土砂が掘削されてダンプトラックの荷台に積載される。その際、施工現場全体の作業環境の管理や最終的な仕上がりの質などを考慮して、土砂の仮置き前の元の地面が荒らされないようにする必要がある。

例えば、上記従来技術を用いて掘削作業を補助することで、元の地面の荒れの抑制を図ることが考えられる。しかしながら、上記従来技術においては、土砂の仮置き場所に最終設計面が設定されていない場合には、土砂を掘削することができない。また、土砂の仮置き場所に最終設計面が設定されている場合であっても、仮置き場所が施工途中（施工前）である場合には、元の地形は最終設計面と異なるため、掘削によって元の地面を荒らしてしまう虞がある。

本発明は上記に鑑みてなされたものであり、仮置きした土砂の掘削に伴う元の地面の荒れを抑制することができる作業機械および施工支援システムを提供することを目的とする。

本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、下部走行体と、前記下部走行体に対して旋回可能に設けられた上部旋回体と、前記上部旋回体に取り付けられ、回動可能に連結された複数のフロント部材からなる多関節型のフロント作業機と、駆動信号に基づいて前記複数のフロント部材をそれぞれ駆動する複数のアクチュエータと、前記上部旋回体及び前記フロント作業機の姿勢に関する情報である姿勢情報を検出する姿勢情報検出装置と、前記上部旋回体の位置及び向きに関する情報である機械位置情報を検出する機械位置情報検出装置と、前記姿勢情報検出装置で検出された姿勢情報、及び、前記機械位置情報検出装置で検出された機械位置情報に基づいて、予め定めた作業目標面上で前記フロント作業機が動くように、前記複数のアクチュエータの少なくとも１つに前記駆動信号を出力するか、又は前記複数のアクチュエータの少なくとも１つに出力された前記駆動信号を補正する領域制限制御を行うコントローラとを備えた作業機械において、無線通信を行うための無線通信装置を備え、前記コントローラは、前記無線通信装置を介して前記作業機械の周囲の地形を計測する地形計測装置から地形の情報を取得するとともに、前記姿勢情報および前記機械位置情報に基づいて前記フロント作業機により放土作業を行った位置を含む放土作業範囲を特定し、前記放土作業範囲の前記放土作業が行われる前の地形を前記作業目標面として設定するものとする。

本発明によれば、仮置きした土砂の掘削に伴う元の地面の荒れを抑制することができる。

作業機械の一例である油圧ショベルの外観を模式的に示す図である。 油圧ショベルの制御システムを関連構成とともに抜き出して示す図である。 車体座標系を示す図である。 車体座標系、センサ座標系、及び、サイト座標系の関係を示す図である。 第１の実施の形態における情報コントローラの処理内容を示す機能ブロック図である。 情報コントローラによる処理の内容を示すフローチャートである。 第１の実施の形態における油圧ショベルの動作の様子を模式的に示す図である。 第２の実施の形態における情報コントローラの処理内容を示す機能ブロック図である。 第２の実施の形態における油圧ショベルの動作の様子を模式的に示す図である。 油圧ショベルが周囲の地形の情報を取得する様子を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。なお、本実施の形態では、作業機械の一例として、フロント作業機を備える油圧ショベルを例示して説明するが、これに限られず、施工現場で土砂の掘削に関わる他の作業機械においても本発明を適用することも可能である。

＜第１の実施の形態＞
本発明の第１の実施の形態を図１～図７を参照しつつ説明する。

図１は、本実施の形態に係る作業機械の一例である油圧ショベルの外観を模式的に示す図である。また、図２は、油圧ショベルの制御システムを関連構成とともに抜き出して示す図である。

図１及び図２において、油圧ショベル１００は、垂直方向にそれぞれ回動する複数の被駆動部材（ブーム１１１、アーム１１２、バケット１１３）を連結して構成された多関節型のフロント作業機１１０と、車体１３０を構成する上部旋回体１３１及び下部走行体１３２とを備え、上部旋回体１３１は下部走行体１３２に対して旋回可能に設けられている。また、フロント作業機１１０のブーム１１１の基端は上部旋回体１３１の前部に垂直方向に回動可能に支持されており、アーム１１２の一端はブーム１１１の基端とは異なる端部（先端）に垂直方向に回動可能に支持されており、アーム１１２の他端にはバケット１１３が垂直方向に回動可能に支持されている。ブーム１１１、アーム１１２、バケット１１３、上部旋回体１３１、及び下部走行体１３２は、油圧アクチュエータであるブームシリンダ１２１、アームシリンダ１２２、バケットシリンダ１２３、旋回モータ１２４、及び左右の走行モータ１２５，１２６（図１では一方のみを図示し、他方については符号のみを括弧書きで示す）によりそれぞれ駆動される。

上部旋回体１３１の上部前方には、オペレータが搭乗する運転室１５１が配置されている。運転室１５１には、油圧アクチュエータ１２１～１２６を操作するための操作信号を出力する複数の操作レバー１５２が設けられている。なお、図２においては、複数の操作レバー１５２のうちの１つのみを代表して図示している。複数の操作レバー１５２には、油圧アクチュエータ１２１～１２６の操作がそれぞれ割り当てられている。例えば、油圧アクチュエータ１２１～１２４の操作には左右一対の操作レバーが割り当てられ、それぞれ前後左右に傾倒可能であり、操作信号であるレバーの傾倒量、すなわちレバー操作量を電気的に検知する図示しない検出装置を含み、検出装置が検出したレバー操作量を油圧ショベル１００の制御システムを構成するメインコントローラ１６２に電気配線を介して出力する。また、同様に、油圧アクチュエータ１２５，１２６の操作にも他の左右一対の操作レバーが割り当てられている。

なお、操作レバー１５２は油圧パイロット方式であってもよく、オペレータにより操作される操作レバー１５２の操作方向及び操作量に応じたパイロット圧をコントロールバルブ１４１に駆動信号として供給し、油圧アクチュエータ１２１～１２６を駆動するように構成しても良い。

また、運転室１５１には、オペレータに情報を通知するための表示装置としての機能と、オペレータによる情報の入力を可能とする入力装置としての機能を有するモニタ１５３や、警告音や音声などによってオペレータに種々の状態を報知するブザー１５４などが配置されている。モニタ１５３の画面には、例えば、タッチパネルが表層に形成されており、このタッチパネルの機能によりオペレータからの入力を受け付けることができる。

ブームシリンダ１２１、アームシリンダ１２２、バケットシリンダ１２３、旋回モータ１２４及び左右の走行モータ１２５，１２６の動作制御は、エンジン１４３などの原動機によって駆動される油圧ポンプ１４２から各油圧アクチュエータ１２１～１２６に供給される作動油の方向及び流量をコントロールバルブ１４５で制御することにより行う。コントロールバルブ１４５は、図示しないパイロットポンプから出力される圧油をメインコントローラ１６２からの駆動信号に基づいて生成したパイロット圧により駆動される。操作レバー１５２からの操作信号に基づいてメインコントローラ１６２でパイロット圧を生成することにより、各油圧アクチュエータ１２１～１２６の動作が制御される。

上部旋回体１３１の上部の後方には、２つのＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System)受信機１７１，１７２が左右に並べて配置されている。以降、これらのＧＮＳＳ受信機１７１，１７２を区別する場合は、左側に配置されているものを左ＧＮＳＳ受信機１７２、右側に配置されているものを右ＧＮＳＳ受信機１７１と称する。ＧＮＳＳ受信機１７１，１７２は、はるか上空を飛行しているＧＮＳＳ衛星から出力される測位信号を受信し、受信した測位信号に基づいて油圧ショベル１００の地球座標系における位置を演算して位置情報として出力する位置演算機能を有している。また、ＧＮＳＳ受信機１７１，１７２の上部旋回体１３１に対する相対位置は固定であるので、２つのＧＮＳＳ受信機１７１，１７２で計測される位置情報の偏差から、上部旋回体１３１の向きを算出することができる。

ここで、ＧＮＳＳ受信機１７１，１７２は、作業機械である油圧ショベル１００の施工現場における位置を計測し、計測結果を位置情報として出力する位置計測装置を構成している。

上部旋回体１３１とブーム１１１、ブーム１１１とアーム１１２、アーム１１２とバケット１１３、及び下部走行体１３２と上部旋回体１３１の連結部には、それぞれ、回動角（回転角）を検出する角度検出器１８１～１８４が設けられている。以降、これらの角度検出器１８１～１８４を区別する必要が有る場合は、それぞれ、ブーム角度検出器１８１、アーム角度検出器１８２、バケット角度検出器１８３、及び、旋回体角度検出器１８４と称する。

また、上部旋回体１３１には、重力方向に対する油圧ショベル１００の傾斜角度を姿勢情報として検出する慣性計測装置（IMU: Inertial Measurement Unit）１７３が配置されている。

慣性計測装置（IMU: Inertial Measurement Unit）１７３は、角速度及び加速度を計測するものであり、角度検出器１８１～１８４に代えて、被駆動部材１１１～１１３に設けた慣性計測装置を用いても良い。例えば、慣性計測装置が配置された被駆動部材１１１～１１３及び上部旋回体１３１が静止している場合を考えると、慣性計測装置に設定されたＩＭＵ座標系における重力加速度の方向（つまり、鉛直下向き方向）と、慣性計測装置の取り付け状態（つまり、慣性計測装置と被駆動部材１１１～１１３や上部旋回体１３１との相対的な位置関係）とに基づいて、被駆動部材１１１～１１３及び上部旋回体１３１の向き（対地角度）を姿勢情報として検出することができる。そして、慣性計測装置の検出結果から被駆動部材１１１～１１３及び上部旋回体１３１のそれぞれの相対角度を算出することができる。また、上部旋回体に設けた慣性計測装置で検出される角速度に基づいて上部旋回体１３１の旋回角度を検出するように構成してもよい。

ここで、角度検出器１８１～１８４及び慣性計測装置１７３は、作業機械である油圧ショベル１００の姿勢に関する情報を検出し、検出結果を姿勢情報として出力する姿勢情報検出装置を構成している。

上部旋回体１３１の、例えば、運転室１５１の上部には、油圧ショベル１００の周囲の地形を計測し、計測結果を地形データとして出力する地形計測装置１７０が配置されている。地形計測装置１７０は、例えば、ステレオカメラ、レーザスキャナ、ミリ波レーダ等の外界センサである。地形計測装置１７０から出力される地形データは、例えば、車体１３０（上部旋回体１３１）に対して固定で設定される車体座標系（後述）における地形を示す点群データである。地形計測装置１７０は、例えば、周期的に油圧ショベル１００の周囲の地形を自動で計測し、地形データとして出力する。なお、地形計測装置１７０の搭載位置は上記に限定されるものではなく、油圧ショベル１００の周囲の地形の計測が十分に行える位置および姿勢で配置すれば良い。また、地形計測装置１７０による計測タイミング等についても上記に限定されるものではなく、例えば、油圧ショベル１００が決められた姿勢をとったタイミングや、オペレータが指示したタイミングで地形計測を行ってもよい。

油圧ショベル１００の制御システムは、油圧ショベル１００の全体の動作を制御するメインコントローラ１６２のほかに、油圧ショベル１００に関する情報を制御する情報コントローラ１６１を備えている。図示しないが、メインコントローラ１６２は、処理装置（例えばＣＰＵ）と、処理装置が実行するプログラム、及びそのプログラムの実行に必要なデータ等が格納される記憶装置（例えばＲＯＭ、ＲＡＭ等の半導体メモリ）を有するコンピュータ相当のハードウェアである。同様に、情報コントローラ１６１は、処理装置としてのＣＰＵ（Central Processing Unit）１６１１と、ＣＰＵ１６１１が実行するプログラム、及びそのプログラムの実行に必要なデータ等が格納される記憶装置（例えばＲＯＭ１６１３やＲＡＭ１６１２の半導体メモリ）と、外部インタフェース１６１４とがバス１６１５により接続されたコンピュータ相当のハードウェアである。尚、情報コントローラ１６１がＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＦＰＧＡ（field-programmable gate array）などの集積回路を用いて構成されている場合、情報コントローラ１６１の機能の一部または全部は、これら集積回路によって実現されてもよい。

また、油圧ショベル１００の制御システムは、種々の情報を記憶する記憶媒体１５５や、外部との通信を行う無線通信装置１５７などを有している。記憶媒体１５５は、例えば、ハードディスクドライブや大容量フラッシュメモリなどで構成されており、施工現場の完成形状を表す設計データなどが記憶されている。無線通信装置１５７は、例えば、無線ＬＡＮ（Local Area Network）やＷｉ－Ｆｉ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、携帯回線などと接続するための通信機器である。

情報コントローラ１６１は、外部インタフェース１６１４を介して、メインコントローラ１６２、ＧＮＳＳ受信機１７１，１７２、慣性計測装置１７３，１８１～１８４、モニタ１５３、ブザー１５４、記憶媒体１５５、及び、無線通信装置１５７と接続されている。

メインコントローラ１６２は、情報コントローラ１６１からの情報に基づいて、予め定めた設計面（作業目標面）上および作業目標面に対する一方の領域内でフロント作業機１１０が動くように、複数の油圧アクチュエータ１２１～１２６の少なくとも１つに駆動信号を出力するか、又は複数の油圧アクチュエータ１２１～１２６の少なくとも１つに出力された駆動信号を補正する領域制限制御を行う。また、メインコントローラ１６２は、バケット１１３による不用意な掘り過ぎを防止するために、情報コントローラ１６１から送信される作業目標面とバケット１１３の爪先位置との偏差が小さいほど、ブームシリンダ１２１、アームシリンダ１２２及びバケットシリンダ１２３の動作速度を制限するように制御信号を調整する制御を行う。

ここで、本実施の形態で用いる車体座標系、センサ座標系、サイト座標系、及び、これらの座標系の関係について説明する。

図３は、車体座標系を示す図である。また、図４は、車体座標系、センサ座標系、及び、サイト座標系の関係を示す図である。

図３において、車体座標系９００は、車体１３０に対して固定で設定される座標系であり、油圧ショベル１００の旋回中心軸と下部走行体１３２の下部の地面とが交わる点を原点とし、旋回中心軸に垂直となる左右方向に右方向を正とするＸ軸を、旋回中心軸に垂直となる前後方向に前方を正とするＹ軸を取り、旋回中心軸に沿う方向に上方を正とするＺ軸を取る直交座標系である。

図４において、センサ座標系９１０は、地形計測装置１７０に相対的に固定されて設定される座標系であり、例えば、前方を正とするＹ軸と、右方向を正とするＸ軸と、上方を正とするＺ軸とからなる直行座標系である。同様に、サイト座標系９３０は、施工現場内に設けられた基準点を原点として設定される座標系であり、水平面上に原点を通るようにＹ軸をとり、原点からＸ軸の正方向を見て水平面上の左右方向に右方向を正とするＸ軸を、鉛直方向に上方向を正とするＺ軸をとる直行座標系である。

図４において、ある計測点９２０を考えると、計測点９２０はセンサ座標系９１０上でＰｓ（ｘｓ，ｙｓ，ｚｓ）と表される。また、計測点９２０は、車体座標系９００上ではＰｖ（ｘｖ，ｙｖ，ｚｙ）と表される。つまり、車体座標系９００とセンサ座標系９１０の関係は、下記の（式１）～（式３）で表される。

上記の（式２）で示すＲｓｖは、センサ座標系９１０から車体座標系９００への回転行列であり、変数αｓ，βｓ，γｓは、それぞれセンサ座標系９１０と車体座標系９００のＸ軸同士、Ｙ軸同士、Ｚ軸同士がなす角である。地形計測装置１７０が油圧ショベル１００に固定されている場合、これらのなす角は一定となるので、例えば、予め車体座標系９００における地形計測装置１７０の姿勢を測定しておき、記憶媒体１５５に事前に保存しておくことで計算量を削減することができる。なお、地形計測装置１７０が油圧ショベル１００に対して姿勢を変化させながら地形計測を行う場合には、地形計測装置１７０に姿勢計測センサを備え付けるなどして、姿勢計測センサが検出した角度を用いて座標変換行列を算出してもよい。

上記の（式３）で示すＴｓｖは、車体座標系９００の原点からセンサ座標系９１０の原点への並進ベクトルである。すなわち、（ｘｔ，ｙｔ，ｚｔ）は、車体座標系９００におけるセンサ座標系９１０の原点位置の座標に等しい。地形計測装置１７０の取り付け位置は、油圧ショベル１００に対して固定されている場合が多い。このことから、本実施形態では、予め地形計測装置１７０の油圧ショベル１００への取り付け位置を計測しておき、この計測値を記憶媒体１５５に事前に保存しておく。

また、図４において、計測点９２０は、車体座標系９００上でＰｖ（ｘｖ，ｙｖ，ｚｖ）と表され、サイト座標系９３０上ではＰｇ（ｘｇ，ｙｇ，ｚｇ）と表される。つまり、車体座標系９００とサイト座標系９３０の関係は、下記の（式４）～（式６）で表される。

上記の（式５）で示すＲｖｇは、車体座標系９００からサイト座標系９３０への回転行列であり、変数θｒ，θｐ，θｙは、それぞれ車体座標系９００とサイト座標系９３０のＸ軸同士、Ｙ軸同士、Ｚ軸同士がなす角である。角度θｒ，θｐは、例えば、油圧ショベル１００に備え付けられた慣性計測装置１７３（姿勢情報検出装置）が出力した、油圧ショベル１００の姿勢情報を用いることで得られる。また、角度θｙは、例えば、油圧ショベル１００に備え付けられた右ＧＮＳＳ受信機１７１および左ＧＮＳＳ受信機１７２が受信した測位データから算出した油圧ショベル１００の向きを用いることで得られる。

上記の（式６）で示すＴｖｇは、サイト座標系９３０の原点から車体座標系９００の原点へのベクトルである。すなわち、（ｘ０，ｙ０，ｚ０）は、サイト座標系９３０における車体座標系９００の原点位置の座標に等しい。これらの値には、例えば、右ＧＮＳＳ受信機１７１および左ＧＮＳＳ受信機１７２が受信した測位データから算出した油圧ショベル１００の位置を用いる。

図５は、情報コントローラの処理内容を示す機能ブロック図である。図５においては、情報コントローラ１６１によって実行される各種演算処理を機能ブロックで示している。また、図６は情報コントローラによる処理の内容を示すフローチャートであり、図７は油圧ショベルの動作の様子を模式的に示す図である。

図５において、情報コントローラ１６１は、角度検出器１８１～１８４、慣性計測装置１７３及びＧＮＳＳ受信機１７１，１７２からの計測結果に基づいて、機械状態を取得する機械状態取得部５００と、機械状態取得部５００で取得された機械状態に基づいて、特定の作業（例えば、放土作業）を行った領域（例えば、図７の領域７２０）を作業領域として特定する作業領域特定部５０１と、地形計測装置１７０で取得された地形データと機械状態取得部５００で取得された機械状態とに基づいて、現況地形のデータを生成する現況地形生成部５０４と、現況地形生成部５０４で生成された現況地形のデータを順次記憶媒体１５５に記憶するとともに、作業領域特定部５０１で特定の作業（放土作業）が特定された場合に作業領域（領域７２０）を含む作業領域（放土作業領域）７０１を特定し、現況地形生成部５０４で生成されて記憶媒体１５５に記憶された現況地形のうち、特定の作業（放土作業）が行われる前の作業領域（放土作業領域）７０１の現況地形を抽出して記憶媒体１５５に記録する現況地形記録部５０２と、現況地形記録部５０２で記録された現況地形を設計面（作業目標面）７２１として設定し、メインコントローラ１６２に出力する設計面設定部５０３とを備えている。また、作業領域特定部５０１は、機械状態取得部５００で取得された機械状態から特定の作業（放土作業）が行われたことを識別する動作識別部５０１ａを有している。

図７に示すように、施工現場において、例えば、油圧ショベル１００が法面整形などの掘削作業を行う場合、法面７００の作業領域７１０を設計面７２０に基づき掘削作業を行い、掘削作業中に生じた土砂をダンプトラック１０１などを用いて掘削作業場所から異なる場所に搬送する。掘削作業時にダンプトラック１０１が土砂の積載場所（図７のダンプトラック１０１の位置）に待機している場合は、土砂をダンプトラック１０１の荷台に直接積載する。また、ダンプトラックが積載場所に不在の場合には、掘削作業を中断せずに土砂を油圧ショベル１００の周辺の地面（例えば、領域７２０）に仮置きし、ダンプトラック１０１が積載場所に来た際に掘削作業を中断して、領域７２０に仮置きした土砂を掘削してダンプトラック１０１の荷台に積載する。本実施の形態は、領域７２０に仮置きした土砂を掘削してダンプトラック１０１の荷台に積載する際、土砂の仮置き前の元の地面が荒れないように制御するものである。以下、このような作業を行う場合における本実施の形態における油圧ショベル１００の動作について説明する。

図６において、情報コントローラ１６１の機械状態取得部５００は、まず、機械情報として、油圧ショベル１００の車体１３０の位置情報及び姿勢情報と、フロント作業機１１０の姿勢情報、すなわち、角度検出器１８１～１８４、右ＧＮＳＳ受信機１７１、左ＧＮＳＳ受信機１７２及び姿勢検出装置１７３の検出結果（センサデータ）を取得する（ステップＳ６０１）。機械状態取得部５００は、取得したセンサデータに基づいて、車体座標系９００やサイト座標系９３０における上部旋回体１３１の位置や方位、フロント作業機１１０のブーム１１１、アーム１１２、バケット１１３の関節角度や関節位置及びバケット１１３の先端位置を算出する。

続いて、現況地形生成部５０４は、地形計測装置１７０の計測範囲１７１ａで得られる車体周囲の地形の計測点９２０を、機械状態取得部５００で得られる車体１３０の位置情報および姿勢情報に基づいて、車体座標系９００もしくはサイト座標系９３０に座標変換することで、車体１３０の周囲の現況地形情報を取得し、現況地形データを作成する（ステップＳ６０２）。現況地形データのデータ形式としては、多数の計測点９２０からなるポイントクラウド形式でも良いし、サイト座標系９３０のＸａ－Ｙａ平面を所定サイズの格子で離散化し、各格子に内包する計測点９２０のＺａ成分の統計値（平均値や中央値など）を記録した２次元グリッド形式でも良い。なお、本実施の形態においては、データ形式および２次元グリッドに記録する統計値は限定しない。作業機械（油圧ショベル１００）が可動している間、連続的に現況地形生成部５０４で現況地形データを生成することで、作業機械の周囲の地形を順次把握することができる。現況地形生成部５０４で作成された現況地形データは、現況地形記録部５０２に順次送信される。

続いて、作業領域特定部５０１の動作識別部５０１ａは、機械状態取得部５００で取得された上部旋回体１３１の位置や方位、フロント作業機１１０のブーム１１１、アーム１１２、バケット１１３の関節角度や関節位置及びバケット１１３の先端位置などの時系列データに基づいて、油圧ショベル１００の現在の動作の種類を識別し、特定の作業として放土作業が行われたかどうかを判定する（ステップＳ６０３）。動作識別部５０１ａは、油圧ショベル１００が掘削や盛土、放土などの施工作業を行っている際に機械状態取得部５００で取得された上部旋回体１３１の位置や方位、フロント作業機１１０のブーム１１１、アーム１１２、バケット１１３の関節角度や関節位置及びバケット１１３の先端位置の時系列データを教師データとして機械学習によって動作の識別が可能なように構築されている。

ステップＳ６０３での判定結果がＹＥＳの場合、すなわち、動作識別部５０１ａで放土作業が行われていると判定した場合には、作業領域特定部５０１は、機械状態取得部５００で得られた油圧ショベル１００の位置情報や方位、フロント作業機１１０の姿勢情報を基に、放土作業を行った場所の特定を行う（ステップＳ６０４）。

例えば、図７に示す場合において、動作識別部５０１ａは、油圧ショベル１００が法面７００の領域７１０で行っている作業を掘削作業であると識別し、領域７１０を掘削作業を行っている作業領域７１０として特定する。また、動作識別部５０１ａは、油圧ショベル１００が作業領域７２０で行っている作業を放土作業であると識別し、作業領域７２０を放土作業を行っている作業領域７２０として特定する。すなわち、動作識別部５０１ａは、油圧ショベル１００が法面７００の領域７１０における掘削作業と領域７２０への放土作業（仮置き）とを行っていることを識別する。

なお、作業領域を特定する方法は上記に限定されるものではなく、例えば、フロント作業機１１０の関節角に取り付けたトルクセンサやブーム１１１、アーム１１２、バケット１１３のシリンダ内の圧力変化に基づいて、掘削や盛土を行った際に生じる荷重変化や衝撃力を計測する事でどのような施工作業を行っているか判定しても良い。また、地形計測装置１７０から得られる現況地形のデータに基づいて、地形変化の状況から施工作業の種類と作業領域を特定してもよい。また、油圧ショベル１００のオペレータが操作レバー１５２やモニタ１５３などに設けたボタンなどを使用して作業内容を情報コントローラに通知し、その際のつめ先位置から作業領域を特定しても良い。また、上記の様々な方法の組み合わせで実現しても良い。

ステップＳ６０４において放土作業を行った場所が特定されると、続いて、現況地形記録部５０２は、放土作業を行った領域７２０を含む作業領域（放土作業領域７０１）を特定し、現況地形生成部５０４で順次生成されて記憶媒体１５５に記憶されている現況地形のデータから特定の作業（放土作業）が行われる前の作業領域（放土作業領域）７０１の現況地形を抽出して記憶媒体１５５に記録し、また、記録した旨を設計面設定部５０３に通知する（ステップＳ６０５）。現況地形記録部５０２は、放土作業を行った場所（領域７２０）を十分に含有する範囲を作業領域７０１として特定する。

ステップＳ６０３の判定結果がＮＯの場合、すなわち、放土作業が行われていないと判定された場合、又は、ステップＳ６０５の処理が終了した場合には、設計面設定部５０３は、記録された現況地形データがあるかどうか、すなわち、作業領域特定部５０１からの通知があるかどうかを判定し（ステップＳ６０６）、判定結果がＹＥＳの場合には、放土前地形データに基づき設計面（作業目標面）を設定する（ステップＳ６０７）。

続いて、設計面設定部５０３は、メインコントローラ１６２で使用できる形式の設計面（作業目標面）のデータとなるように、放土前の現況地形データを変換し、メインコントローラ１６２に送信し（ステップＳ６０８）、処理を終了する。また、ステップＳ６０６での判定結果がＮＯの場合には、処理を終了する。

設計面のデータ形式としては、地表面を３角形の集合で表現するＴＩＮ（Triangular Irregular Networks）が一般的に使用されるため、設計面設定部５０３では現況地形記録部５０２で保存した現況地形のデータ形式からＴＩＮに変換する。なお、設計面のデータ形式はＴＩＮ形式に限定されるものではなく、つめ先位置と設計面の偏差を計算できればどのような形式であっても良い。また、ポイントクラウド形式であってもよいし、２次元グリッド形式であってもよい。本実施形態では設計面のデータ形式は限定しない。

メインコントローラ１６２は、ダンプトラック１０１が積載場所に来た際に掘削作業を中断して、領域７２０に仮置きした土砂を掘削してダンプトラック１０１の荷台に積載する。この際、メインコントローラ１６２は、情報コントローラ１６１から送信された設計面、すなわち、土砂の仮置き前の地形を作業目標面とし、この作業目標面上および作業目標面に対する一方の領域内でフロント作業機１１０が動くように制御する領域制限制御を行うので、土砂の仮置き前の元の地面が荒れないようにダンプトラック１０１への土砂の積載作業を行うことができる。

以上のように構成した本実施の形態における効果を説明する。

施工現場において、油圧ショベルなどの作業機械で法面整形や溝掘りなどの掘削作業を行った際に生じる土砂は、ダンプトラックなどを用いて掘削作業場所から異なる場所に搬送される。掘削作業時にダンプトラックが待機している場合には、掘削された土砂はダンプトラックの荷台に直接積載される。また、ダンプトラックが不在の場合であっても掘削作業は中断されずに掘削された土砂は作業機械の周辺の地面に仮置きされ、ダンプトラックが積載場所に来た際に掘削作業が中断され、仮置きされた土砂が掘削されてダンプトラックの荷台に積載される。その際、施工現場全体の作業環境の管理や最終的な仕上がりの質などを考慮して、土砂の仮置き前の元の地面が荒らされないようにする必要がある。

本実施の形態においては、下部走行体１３２と、下部走行体１３２に対して旋回可能に設けられた上部旋回体１３１と、上部旋回体１３１に取り付けられ、回動可能に連結された複数のフロント部材（例えば、ブーム１１１、アーム１１２、バケット１１３）からなる多関節型のフロント作業機１１０と、駆動信号に基づいて複数のフロント部材をそれぞれ駆動する複数のアクチュエータ（例えば、ブームシリンダ１２１、アームリシンだ１２２、バケットシリンダ１２３）と、上部旋回体１３１及びフロント作業機１１０の姿勢に関する情報である姿勢情報を検出する姿勢情報検出装置（例えば、角度検出器１８１～１８４、慣性計測装置１７３）と、上部旋回体１３１の位置及び向きに関する情報である機械位置情報を検出する機械位置情報検出装置（例えば、ＧＮＳＳ受信機１７１，１７２）と、姿勢情報検出装置で検出された姿勢情報、及び、機械位置情報検出装置で検出された機械位置情報に基づいて、予め定めた作業目標面上および作業目標面に対する一方の領域内でフロント作業機１１０が動くように、複数のアクチュエータの少なくとも１つに前記駆動信号を出力するか、又は前記複数のアクチュエータの少なくとも１つに出力された前記駆動信号を補正する領域制限制御を行うコントローラ（例えば、メインコントローラ１６２）とを備えた作業機械（例えば、油圧ショベル１００）において、作業機械の周囲の地形を計測する地形計測装置をさらに備え、コントローラは、姿勢情報および機械位置情報に基づいてフロント作業機１１０により放土作業を行った位置を含む放土作業範囲（例えば、領域７０１）を特定し、放土作業範囲の放土作業が行われる前の地形を作業目標面として設定するように構成したので、仮置きした土砂の掘削に伴う元の地面の荒れを抑制することができる。

＜第２の実施の形態＞
本発明の第２の実施の形態を図８及び図９を参照しつつ説明する。

本実施の形態は、掘削作業および土砂の仮置きと、仮置き場所からダンプトラックへの土砂の積載とを異なる作業機械が行う場合を示すものである。

図８は、本実施の形態における情報コントローラの処理内容を示す機能ブロック図である。また、図９は、本実施の形態における油圧ショベルの動作の様子を模式的に示す図である。図中、第１の実施の形態と同様の部材には同じ符号を付し、説明を省略する。

図８において、情報コントローラ１６１Ａは、角度検出器１８１～１８４、慣性計測装置１７３及びＧＮＳＳ受信機１７１，１７２からの計測結果に基づいて、機械状態を取得する機械状態取得部５００と、機械状態取得部５００で取得された機械状態に基づいて、特定の作業（例えば、放土作業）を行った領域（例えば、図７の領域７２０）を作業領域として特定する作業領域特定部５０１と、地形計測装置１７０で取得された地形データと機械状態取得部５００で取得された機械状態とに基づいて、現況地形のデータを生成する現況地形生成部５０４と、現況地形生成部５０４で生成された現況地形のデータを順次記憶媒体１５５に記憶するとともに、作業領域特定部５０１で特定の作業（放土作業）が特定された場合に作業領域（領域７２０）を含む作業領域（放土作業領域）７０１を特定し、現況地形生成部５０４で生成されて記憶媒体１５５に記憶された現況地形のうち、特定の作業（放土作業）が行われる前の作業領域（放土作業領域）７０１の現況地形を抽出して記憶媒体１５５に記録する現況地形記録部５０２と、現況地形記録部５０２で記録された現況地形を設計面（作業目標面）７２１として設定し、メインコントローラ１６２に出力する設計面設定部５０３と、設計面設定部で設定された設計面（作業目標面）を無線通信装置１５７に出力し、他の作業機械（油圧ショベル１０２）に送信する無線通信部５０５とを備えている。また、作業領域特定部５０１は、機械状態取得部５００で取得された機械状態から特定の作業（放土作業）が行われたことを識別する動作識別部５０１ａを有している。

油圧ショベル１０２は、油圧ショベル１００と同様の基本構成を有しており、多関節型のフロント作業機、車体を構成する上部旋回体及び下部走行体とを備えている。また、油圧ショベル１０２全体の動作を制御するコントローラと、油圧ショベル１００の無線通信装置１５７から送信される設計面（作業目標面）を受信する無線通信装置とを備えている。油圧ショベル１０２のコントローラは、油圧ショベル１００の情報コントローラ１６１Ａに係る機能は有していないが、油圧ショベル１００から送信された設計面（作業目標面）上および作業目標面に対する一方の領域内でフロント作業機が動くように、フロント作業機を駆動する複数の油圧アクチュエータの少なくとも１つに駆動信号を出力するか、又は複数の油圧アクチュエータの少なくとも１つに出力された駆動信号を補正する領域制限制御を行う機能を有している。

図９に示すように、施工現場において、例えば、油圧ショベル１００が法面整形などの掘削作業を行う場合、法面７００の作業領域７１０を設計面７２０に基づき掘削作業を行い、掘削作業中に生じた土砂をダンプトラック１０１などを用いて掘削作業場所から異なる場所に搬送する。法面７００の作業領域７１０の掘削作業を行う油圧ショベル１００は、掘削作業により生じた土砂を油圧ショベル１００の周辺の地面（例えば、領域７２０）に仮置きする。ダンプトラック１０１が土砂の積載場所（図９のダンプトラック１０１の位置）に待機している場合、油圧ショベル１０２は、領域７２０の土砂を掘削してダンプトラック１０１の荷台に積載する。この際、油圧ショベル１０２は、土砂の仮置き前の地形を作業目標面とし、この作業目標面上および作業目標面に対する一方の領域内でフロント作業機が動くように制御する領域制限制御を行うので、土砂の仮置き前の元の地面が荒れないようにダンプトラック１０１への土砂の積載作業を行うことができる。

その他の構成は第１の実施の形態と同様である。

以上のように構成した本実施の形態においても第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

＜変形例＞
本発明の第１実施の形態の変形例を図１０を参照しつつ説明する。

本変形例は、油圧ショベル１００が油圧ショベル１００に搭載されているものとは異なる他の地形計測装置１７０で計測された地形の情報を無線通信装置１５７を介して取得する場合を示すものである。

図１０は、油圧ショベルが周囲の地形の情報を取得する様子を示す図である。図中、第１の実施の形態と同様の部材には同じ符号を付し、説明を省略する。

図１０に示すように、地形計測装置１７０Ａは、油圧ショベル１００の外部から、施工現場における油圧ショベル１００の周囲の地形情報を取得し、例えば、管理事務所８００などに設置されている管理サーバ８０１に送信する。管理サーバ８０１は、無線通信装置８０２を有しており、油圧ショベル１００の無線通信装置１５７を介して情報の授受を行うことができる。

油圧ショベル１００の現況地形記録部５０２は、作業領域特定部５０１で特定の作業（放土作業）が特定された場合に作業領域（領域７２０）を含む作業領域（放土作業領域）７０１を特定し、特定の作業（放土作業）が行われる前の作業領域（放土作業領域）７０１の現況地形を無線通信装置１５７を介して管理サーバ８０１から取得して記憶媒体１５５に記録する。設計面設定部５０３は、現況地形記録部５０２で記録された現況地形を設計面（作業目標面）７２１として設定し、メインコントローラ１６２に出力する。

その他の構成は第１の実施の形態と同様である。

以上のように構成した本実施の形態においても第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

また、油圧ショベル１００の現況地形データを順次記憶しておく必要がないので、地形データを計測する地形計測装置１７０を油圧ショベル１００の構成から省略できるほか、記憶媒体１５５に記憶する記憶容量を削減することができる。

＜付記＞
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内の様々な変形例や組み合わせが含まれる。

例えば、土砂の仮置き位置の情報を用いてダンプトラック１０１の停止位置を決定するように構成しても良い。また、土砂の仮置き場所を事前に決定してサーバ等に記憶しておき、油圧ショベル１００においてサーバから取得した土砂の仮置き場所の情報を用いて設計面（作業目標面）を設定するように構成してもよい。

また、土砂の仮置き場所をボタンやモニタ表示に対応する入力によって決定するように構成してもよい。すなわち、例えば、特定のボタンを押下したときのバケットの爪先の下方の点を含む一定範囲を土砂の仮置き場所として設定することが考えられる。また、例えば、タッチパネルなどの入力手段を用いて、モニタに表示された施工現場の映像や俯瞰図などに土砂の仮置き場所を入力するように構成しても良い。

また、本発明は、上記の実施の形態で説明した全ての構成を備えるものに限定されず、その構成の一部を削除したものも含まれる。また、上記の各構成、機能等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等により実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。

１００…油圧ショベル、１１０…フロント作業機、１１１…ブーム、１１２…アーム、１１３…バケット、１２１…ブームシリンダ、１２２…アームシリンダ、１２３…バケットシリンダ、１２４…旋回モータ、１２５…走行モータ、１２６…走行モータ、１３０…車体、１３１…上部旋回体、１３２…下部走行体、１４１…コントロールバルブ、１４２…油圧ポンプ、１４３…エンジン、１４５…コントロールバルブ、１５１…運転室、１５２…操作レバー、１５３…モニタ、１５４…ブザー、１５５…記憶媒体、１５７…無線通信装置、１６１…情報コントローラ、１６２…メインコントローラ、１７０…地形計測装置、１７１…右ＧＮＳＳ受信機、１７２…左ＧＮＳＳ受信機、１７３…慣性計測装置、１８１～１８４…角度検出器、５００…機械状態取得部、５０１…作業領域特定部、５０１ａ…動作識別部、５０２…現況地形記録部、５０３…設計面設定部、５０４…現況地形生成部、５０５…無線通信部、９００…車体座標系、９１０…センサ座標系、９２０…計測点、９３０…サイト座標系、１６１１…ＣＰＵ、１６１２…ＲＡＭ、１６１３…ＲＯＭ、１６１４…外部Ｉ／Ｆ、１６１５…バス

Claims (4)

1. 下部走行体と、
   前記下部走行体に対して旋回可能に設けられた上部旋回体と、
   前記上部旋回体に取り付けられ、回動可能に連結された複数のフロント部材からなる多関節型のフロント作業機と、
   駆動信号に基づいて前記複数のフロント部材をそれぞれ駆動する複数のアクチュエータと、
   前記上部旋回体及び前記フロント作業機の姿勢に関する情報である姿勢情報を検出する姿勢情報検出装置と、
   前記上部旋回体の位置及び向きに関する情報である機械位置情報を検出する機械位置情報検出装置と、
   前記姿勢情報検出装置で検出された姿勢情報、及び、前記機械位置情報検出装置で検出された機械位置情報に基づいて、予め定めた作業目標面上で前記フロント作業機が動くように、前記複数のアクチュエータの少なくとも１つに前記駆動信号を出力するか、又は前記複数のアクチュエータの少なくとも１つに出力された前記駆動信号を補正する領域制限制御を行うコントローラとを備えた作業機械において、
   前記作業機械の周囲の地形を計測する地形計測装置をさらに備え、
   前記コントローラは、前記姿勢情報および前記機械位置情報に基づいて前記フロント作業機により放土作業を行った位置を含む放土作業範囲を特定し、前記放土作業範囲の前記放土作業が行われる前の地形を前記作業目標面として設定することを特徴とする作業機械。
2. 請求項１記載の作業機械において、
   他の作業機械と無線通信を行うための無線通信装置を備え、
   前記コントローラは、前記放土作業範囲に設定した前記作業目標面を前記無線通信装置によって前記他の作業機械に送信することを特徴とする作業機械。
3. 下部走行体と、
   前記下部走行体に対して旋回可能に設けられた上部旋回体と、
   前記上部旋回体に取り付けられ、回動可能に連結された複数のフロント部材からなる多関節型のフロント作業機と、
   駆動信号に基づいて前記複数のフロント部材をそれぞれ駆動する複数のアクチュエータと、
   前記上部旋回体及び前記フロント作業機の姿勢に関する情報である姿勢情報を検出する姿勢情報検出装置と、
   前記上部旋回体の位置及び向きに関する情報である機械位置情報を検出する機械位置情報検出装置と、
   前記姿勢情報検出装置で検出された姿勢情報、及び、前記機械位置情報検出装置で検出された機械位置情報に基づいて、予め定めた作業目標面上で前記フロント作業機が動くように、前記複数のアクチュエータの少なくとも１つに前記駆動信号を出力するか、又は前記複数のアクチュエータの少なくとも１つに出力された前記駆動信号を補正する領域制限制御を行うコントローラとを備えた作業機械において、
   無線通信を行うための無線通信装置を備え、
   前記コントローラは、前記無線通信装置を介して前記作業機械の周囲の地形を計測する地形計測装置から地形の情報を取得するとともに、前記姿勢情報および前記機械位置情報に基づいて前記フロント作業機により放土作業を行った位置を含む放土作業範囲を特定し、前記放土作業範囲の前記放土作業が行われる前の地形を前記作業目標面として設定することを特徴とする作業機械。
4. 下部走行体と、
   前記下部走行体に対して旋回可能に設けられた上部旋回体と、
   前記上部旋回体に取り付けられ、回動可能に連結された複数のフロント部材からなる多関節型のフロント作業機と、
   駆動信号に基づいて前記複数のフロント部材をそれぞれ駆動する複数のアクチュエータと、
   前記上部旋回体及び前記フロント作業機の姿勢に関する情報である姿勢情報を検出する姿勢情報検出装置と、
   前記上部旋回体の位置及び向きに関する情報である機械位置情報を検出する機械位置情報検出装置と、
   前記姿勢情報検出装置で検出された姿勢情報、及び、前記機械位置情報検出装置で検出された機械位置情報に基づいて、予め定めた作業目標面上で前記フロント作業機が動くように、前記複数のアクチュエータの少なくとも１つに前記駆動信号を出力するか、又は前記複数のアクチュエータの少なくとも１つに出力された前記駆動信号を補正する領域制限制御を行うコントローラとをそれぞれ備えた複数の作業機械を有する施工支援システムにおいて、
   前記複数の作業機械は、他の作業機械と無線通信を行うための無線通信装置をそれぞれ備えるとともに、
   少なくとも１つの前記作業機械は、前記作業機械の周囲の地形を計測する地形計測装置を備え、
   少なくとも１つの前記作業機械の前記コントローラは、前記無線通信装置を介して前記作業機械の周囲の地形の情報を取得するとともに、他の作業機械が前記姿勢情報および前記機械位置情報に基づいて特定した、前記フロント作業機により放土作業を行った位置を含む放土作業範囲を取得し、前記放土作業範囲の前記放土作業が行われる前の地形を前記作業目標面として設定することを特徴とする施工支援システム。

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