JP2022111341A - 積込機械の制御装置、制御方法、および遠隔操作システム - Google Patents

Abstract

【課題】自動積込制御において排土操作を受け付け、かつ積込対象から土砂がこぼれることを防ぐ。【解決手段】制御装置は、積込指示信号を受け付けると、作業機を積込点へ移動させるための作業機および旋回体の操作信号を出力する。制御装置は、旋回体が向く方位が、積込指示信号を受け付けたときに旋回体が向く方位である起点方位から、所定の基準方位までの第１領域に含まれる場合においてバケットに排土をさせるための排土操作信号を受け付けたときに、排土操作信号を出力しない。制御装置は、旋回体が向く方位が、基準方位から作業機が積込点に位置するときに旋回体が向く方位である終点方位までの第２領域に含まれる場合において排土操作信号を受け付けたときに、排土操作信号を出力する。【選択図】図３

Description

本発明は、積込機械の制御装置および制御方法に関する。

特許文献１には、積込機械の自動積込制御に関する技術が開示されている。自動積込制御とは、制御装置が積込機械のオペレータ等から積込点の指定を受け付け、制御装置が積込機械および作業機の動作を制御することで、バケットを積込点へ移動させる制御である。特許文献１に記載の技術によれば、制御装置は、予め作業機の位置の時系列を記憶しておき、当該時系列に従って作業機を作動させる。

特開平０９－２５６４０７号公報

特許文献１に記載の技術によれば、作業機は予め記憶された積込点まで自動的に移動し、積込点において排土がなされる。一方で、サイクルタイムの短縮のため、バケットが積込点に達する前に排土操作を開始したいという要望がある。この場合に、バケットが積込対象の上にないときに排土操作がなされ、土砂が積込対象からこぼれてしまうことを防止することが好ましい。
本発明の目的は、自動積込制御においてオペレータによる排土操作を受け付けることができ、かつ積込対象から土砂がこぼれることを防ぐことができる積込機械の制御装置および制御方法を提供することにある。

本発明の第１の態様によれば、制御装置は、旋回中心回りに旋回する旋回体と、前記旋回体に取り付けられバケットを有する作業機とを備える積込機械を制御する制御装置であって、オペレータから前記バケットに排土させるための排土操作信号および積込指示信号の入力を受け付ける操作信号入力部と、前記積込指示信号を受け付けた場合に、前記バケットを積込点へ移動させるための前記作業機および前記旋回体の操作信号を出力し、前記旋回体が向く方位が、前記積込指示信号を受け付けたときに前記旋回体が向く方位である起点方位から、所定の基準方位までの第１領域に含まれる場合において、前記排土操作信号を受け付けたときに、前記排土操作信号の出力を禁止し、前記旋回体が向く方位が、前記基準方位から前記作業機が前記積込点に位置するときに前記旋回体が向く方位である終点方位までの第２領域に含まれる場合において前記排土操作信号を受け付けたときに、前記排土操作信号を出力する操作信号出力部を備える。

上記態様によれば、積込機械の制御装置は、自動積込制御において排土操作を受け付けることができ、かつ積込対象から土砂がこぼれることを防ぐことができる。

第１の実施形態に係る積込機械の構成を示す概略図である。 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の実施形態に係るバケットの経路の例を示す図である。 第１の実施形態に係る自動積込制御方法を示すフローチャートである。 第１の実施形態に係る自動積込制御方法を示すフローチャートである。

以下、図面を参照しながら実施形態について詳しく説明する。
〈第１の実施形態〉
《積込機械の構成》
図１は、第１の実施形態に係る積込機械の構成を示す概略図である。
積込機械１００は、土砂を運搬車両などの積込点へ積込を行う作業機械である。第１の実施形態に係る積込機械１００は、油圧ショベルである。なお、他の実施形態に係る積込機械１００は、油圧ショベル以外の積込機械であってもよい。また図１に示す積込機械１００はフェイスショベルであるが、バックホウショベルやロープショベルであってもよい。
積込機械１００は、走行体１１０と、走行体１１０に支持される旋回体１２０と、油圧により作動し旋回体１２０に支持される作業機１３０とを備える。旋回体１２０は、旋回中心を中心として旋回自在に支持される。

作業機１３０は、ブーム１３１と、アーム１３２と、クラムバケット１３３と、ブームシリンダ１３４と、アームシリンダ１３５と、バケットシリンダ１３６と、クラムシリンダ１３７と、ブーム角度センサ１３８と、アーム角度センサ１３９と、バケット角度センサ１４０とを備える。

ブーム１３１の基端部は、旋回体１２０にピンを介して取り付けられる。
アーム１３２は、ブーム１３１とクラムバケット１３３とを連結する。アーム１３２の基端部は、ブーム１３１の先端部にピンを介して取り付けられる。
クラムバケット１３３は、アーム１３２の先端部にピンを介して取り付けられるバックオール１３３１と、土砂などを掘削するための刃を有するクラムシェル１３３２とを有する。バックオール１３３１とクラムシェル１３３２とはピンを介して開閉可能に連結される。バックオール１３３１とクラムシェル１３３２とが閉じているとき、バックオール１３３１およびクラムシェル１３３２は、掘削した土砂を収容するための容器として機能する。他方、バックオール１３３１とクラムシェル１３３２とが開くことで、収容した土砂を排土することができる。

ブームシリンダ１３４は、ブーム１３１を作動させるための油圧シリンダである。ブームシリンダ１３４の基端部は、旋回体１２０に取り付けられる。ブームシリンダ１３４の先端部は、ブーム１３１に取り付けられる。
アームシリンダ１３５は、アーム１３２を駆動するための油圧シリンダである。アームシリンダ１３５の基端部は、ブーム１３１に取り付けられる。アームシリンダ１３５の先端部は、アーム１３２に取り付けられる。
バケットシリンダ１３６は、クラムバケット１３３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１３６の基端部は、ブーム１３１に取り付けられる。バケットシリンダ１３６の先端部は、クラムバケット１３３のバックオール１３３１に取り付けられる。
クラムシリンダ１３７は、バックオール１３３１とクラムシェル１３３２とを開閉するための油圧シリンダである。クラムシリンダ１３７の基端部は、バックオール１３３１に取り付けられる。クラムシリンダ１３７の先端部は、クラムシェル１３３２に取り付けられる。

ブーム角度センサ１３８は、ブーム１３１に取り付けられ、ブーム１３１の傾斜角を検出する。
アーム角度センサ１３９は、アーム１３２に取り付けられ、アーム１３２の傾斜角を検出する。
バケット角度センサ１４０は、クラムバケット１３３のバックオール１３３１に取り付けられ、クラムバケット１３３の傾斜角を検出する。
第１の実施形態に係るブーム角度センサ１３８、アーム角度センサ１３９、およびバケット角度センサ１４０は、地平面に対する傾斜角を検出する。なお、他の実施形態に係る角度センサはこれに限られず、他の基準面に対する傾斜角を検出してもよい。例えば、他の実施形態においては、角度センサは、ブーム１３１、アーム１３２およびクラムバケット１３３の基端部に設けられたポテンショメータによって相対回転角を検出してもよいし、ブームシリンダ１３４、アームシリンダ１３５およびバケットシリンダ１３６のシリンダ長さを計測し、シリンダ長さを角度に変換することで傾斜角を検出するものであってもよい。

旋回体１２０には、運転室１２１が設けられる。運転室１２１の内部には、オペレータが着座するための運転席１２２、積込機械１００を操作するための操作装置１２３、検出方向に存在する対象物の３次元位置を検出するための検出装置１２４が設けられる。操作装置１２３は、オペレータの操作に応じて、ブーム１３１の回動操作信号、アーム１３２の回動操作信号、クラムバケット１３３の回動操作信号、クラムバケット１３３の開閉操作信号、旋回体１２０の左右への旋回操作信号を生成し、制御装置１２８に出力する。クラムバケット１３３の開閉操作信号は、バケットに排土をさせるための排土操作信号の一例である。開閉操作信号は開操作信号と閉操作信号を含む。また操作装置１２３は、オペレータの操作に応じて作業機１３０に自動積込制御を開始させるための積込指示信号を生成し、制御装置１２８に出力する。操作装置１２３は、例えばレバー、スイッチおよびペダルにより構成される。積込指示信号はスイッチの操作により生成される。例えば、スイッチがＯＮになったときに、積込指示信号が出力される。操作装置１２３は、運転席１２２の近傍に配置される。操作装置１２３は、オペレータが運転席１２２に座ったときにオペレータの操作可能な範囲内に位置する。
検出装置１２４の例としては、ステレオカメラ、レーザスキャナ、ＵＷＢ（Ultra Wide Band）測距装置などが挙げられる。検出装置１２４は、例えば検出方向が積込機械１００の運転室１２１の前方を向くように設けられる。検出装置１２４は、対象物の３次元位置を、検出装置１２４の位置を基準とした座標系で特定する。
なお、第１の実施形態に係る積込機械１００は、運転席１２２に着座するオペレータの操作に従って動作するが、他の実施形態においてはこれに限られない。例えば、他の実施形態に係る積込機械１００は、積込機械１００の外部で操作するオペレータの遠隔操作によって操作信号や積込指示信号が送信され動作するものであってもよい。

積込機械１００は、位置方位演算器１２５、傾斜計測器１２６、油圧装置１２７、制御装置１２８を備える。

位置方位演算器１２５は、旋回体１２０の位置および旋回体１２０が向く方位を演算する。位置方位演算器１２５は、ＧＮＳＳを構成する人工衛星から測位信号を受信する２つの受信器を備える。２つの受信器は、それぞれ旋回体１２０の異なる位置に設置される。位置方位演算器１２５は、受信器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１２０の代表点（ショベル座標系の原点）の位置を検出する。
位置方位演算器１２５は、２つの受信器が受信した各測位信号を用いて、一方の受信器の設置位置に対する他方の受信器の設置位置の関係として、旋回体１２０の向く方位を演算する。旋回体１２０が向く方位とは、旋回体１２０の正面に直交する方向であって、作業機１３０のブーム１３１からクラムバケット１３３へ伸びる直線の延在方向の水平成分に等しい。

傾斜計測器１２６は、旋回体１２０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１２０の姿勢（例えば、ロール角、ピッチ角、ヨー角）を検出する。傾斜計測器１２６は、例えば旋回体１２０の下面に設置される。傾斜計測器１２６は、例えば、慣性計測装置（ＩＭＵ：Inertial Measurement Unit）を用いることができる。

油圧装置１２７は、作動油タンク、油圧ポンプ、および流量制御弁を備える。油圧ポンプは、図示しないエンジンの動力で駆動し、流量制御弁を介して走行体１１０を走行させる図示しない走行油圧モータ、旋回体１２０を旋回させる図示しない旋回油圧モータ、ブームシリンダ１３４、アームシリンダ１３５、バケットシリンダ１３６、およびクラムシリンダ１３７に作動油を供給する。流量制御弁はロッド状のスプールを有し、スプールの位置によって走行油圧モータ、旋回油圧モータ、ブームシリンダ１３４、アームシリンダ１３５、バケットシリンダ１３６、およびクラムシリンダ１３７に供給する作動油の流量を調整する。スプールは、制御装置１２８から受信する制御指令に基づいて駆動される。つまり、走行油圧モータ、旋回油圧モータ、ブームシリンダ１３４、アームシリンダ１３５、バケットシリンダ１３６、およびクラムシリンダ１３７に供給される作動油の量は、制御装置１２８によって制御される。上記のとおり、ブームシリンダ１３４、アームシリンダ１３５、バケットシリンダ１３６、およびクラムシリンダ１３７は共通の油圧装置１２７から供給される作動油によって駆動する。

制御装置１２８は、操作装置１２３から操作信号を受信する。制御装置１２８は、受信した操作信号に基づいて、作業機１３０、旋回体１２０、または走行体１１０を駆動させる。

《制御装置の構成》
図２は、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。
制御装置１２８は、プロセッサ１１００、メインメモリ１２００、ストレージ１３００、インタフェース１４００を備えるコンピュータである。ストレージ１３００は、プログラムを記憶する。プロセッサ１１００は、プログラムをストレージ１３００から読み出してメインメモリ１２００に展開し、プログラムに従った処理を実行する。

ストレージ１３００の例としては、ＨＤＤ、ＳＳＤ、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭ等が挙げられる。ストレージ１３００は、制御装置１２８の共通通信線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１４００を介して制御装置１２８に接続される外部メディアであってもよい。ストレージ１３００は、一時的でない有形の記憶媒体である。

プロセッサ１１００は、プログラムの実行により、車両情報取得部１１０１、検出情報取得部１１０２、操作信号入力部１１０３、バケット位置特定部１１０４、積込位置特定部１１０５、回避位置特定部１１０６、移動処理部１１０７、領域判定部１１０８、操作信号出力部１１０９を備える。

車両情報取得部１１０１は、旋回体１２０の旋回速度、位置および方位、ブーム１３１、アーム１３２およびクラムバケット１３３の傾斜角、走行体１１０の走行速度、ならびに旋回体１２０の姿勢を取得する。以下、車両情報取得部１１０１が取得する積込機械１００に係る情報を車両情報とよぶ。

検出情報取得部１１０２は、検出装置１２４から３次元位置情報を取得し、積込対象２００（例えば、運搬車両やホッパ）の位置および形状を特定する。

操作信号入力部１１０３は、操作装置１２３から操作信号の入力を受け付ける。ブーム１３１の回動操作信号、アーム１３２の回動操作信号、クラムバケット１３３の回動操作信号、クラムバケット１３３の開閉操作信号、旋回体１２０の旋回操作信号、走行体１１０の走行操作信号、ならびに積込機械１００の積込指示信号が含まれる。

バケット位置特定部１１０４は、車両情報取得部１１０１が取得した車両情報に基づいて、ショベル座標系におけるアーム１３２の先端の位置Ｐおよびアーム１３２の先端からクラムバケット１３３の最下点までの高さＨｂを特定する。クラムバケット１３３の最下点とは、クラムバケット１３３の外形のうち地表面からの距離が最も短い点をいう。特に、バケット位置特定部１１０４は、積込指示信号の入力を受け付けたときのアーム１３２の先端の位置Ｐを掘削完了位置Ｐ１０として特定する。図３は、第１の実施形態に係るバケットの経路の例を示す図である。具体的には、バケット位置特定部１１０４は、ブーム１３１の傾斜角と既知のブーム１３１の長さ（基端部のピンから先端部のピンまでの距離）とに基づいて、ブーム１３１の長さの垂直方向成分および水平方向成分を求める。同様に、バケット位置特定部１１０４は、アーム１３２の長さの垂直方向成分および水平方向成分を求める。バケット位置特定部１１０４は、積込機械１００の位置から、積込機械１００の方位および姿勢から特定される方向に、ブーム１３１およびアーム１３２の長さの垂直方向成分の和および水平方向成分の和だけ離れた位置を、アーム１３２の先端の位置Ｐ（図１に示すアーム１３２の先端部のピンの位置Ｐ）として特定する。また、バケット位置特定部１１０４は、クラムバケット１３３の傾斜角と既知のクラムバケット１３３の形状とに基づいて、クラムバケット１３３の鉛直方向の最下点を特定し、アーム１３２の先端から最下点までの高さＨｂを特定する。

積込位置特定部１１０５は、操作信号入力部１１０３に積込指示信号が入力された場合に、検出情報取得部１１０２が特定した積込対象２００の位置および形状に基づいて、積込位置Ｐ１３を特定する。積込位置特定部１１０５は、車両情報取得部１１０１が取得した旋回体１２０の位置、方位および姿勢に基づいて積込対象２００の位置情報が示す積込点Ｐ２１を現場座標系からショベル座標系に変換する。積込位置特定部１１０５は、特定した積込点Ｐ２１から、積込機械１００の旋回体１２０の向く方向にクラムバケット１３３の中心からアーム１３２の先端までの距離Ｄ１だけ離れた位置を、積込位置Ｐ１３の平面位置として特定する。つまり、アーム１３２の先端が積込位置Ｐ１３に位置するとき、クラムバケット１３３の中心は積込点Ｐ２１に位置することとなる。したがって、制御装置１２８は、アーム１３２の先端が積込位置Ｐ１３へ移動するように制御することで、クラムバケット１３３の中心を積込点Ｐ２１に移動させることができる。積込位置特定部１１０５は、積込対象２００の高さＨｔに、バケット位置特定部１１０４が特定したアーム１３２の先端からクラムバケット１３３最下点までの高さＨｂと、クラムバケット１３３の制御余裕分の高さとを加算することで、積込位置Ｐ１３の高さを特定する。なお、他の実施形態においては、積込位置特定部１１０５は、制御余裕分の高さを加算せずに積込位置Ｐ１３を特定してもよい。すなわち、積込位置特定部１１０５は、高さＨｔに高さＨｂを加算することで、積込位置Ｐ１３の高さを特定してもよい。

回避位置特定部１１０６は、積込位置特定部１１０５が特定した積込位置Ｐ１３と、車両情報取得部１１０１が取得した積込機械１００の位置と、検出情報取得部１１０２が特定した積込対象２００の位置および形状に基づいて、作業機１３０と積込対象２００とが上方からの平面視において干渉しない点である干渉回避位置Ｐ１２を特定する。干渉回避位置Ｐ１２は、積込位置Ｐ１３と同じ高さを有し、かつ旋回体１２０の旋回中心からの距離が、当該旋回中心から積込位置Ｐ１３までの距離と等しく、かつ下方に積込対象２００が存在しない位置である。回避位置特定部１１０６は、例えば、旋回体１２０の旋回中心を中心とし、当該旋回中心と積込位置Ｐ１３との距離を半径とする円を特定し、当該円上の位置のうち、クラムバケット１３３の外形が上方からの平面視で積込対象２００と干渉せず、かつ積込位置Ｐ１３に最も近い位置を、干渉回避位置Ｐ１２と特定する。回避位置特定部１１０６は、積込対象２００の位置および形状、ならびにクラムバケット１３３の既知の形状に基づいて、積込対象２００とクラムバケット１３３とが干渉するか否かを判定することができる。ここで、「同じ高さ」、「距離が等しい」とは、必ずしも高さまたは距離が完全に一致するものに限られず、多少の誤差やマージンが許容されるものとする。

移動処理部１１０７は、操作信号入力部１１０３が積込指示信号の入力を受け付けた場合に、積込位置特定部１１０５が特定した積込位置Ｐ１３、回避位置特定部１１０６が特定した干渉回避位置Ｐ１２に基づいて、クラムバケット１３３を積込位置Ｐ１３まで移動させるための回動操作信号を生成する。すなわち、移動処理部１１０７は、掘削完了位置Ｐ１０から、旋回開始位置Ｐ１１および干渉回避位置Ｐ１２を経由して、積込位置Ｐ１３に到達するように、回動操作信号を生成する。また、移動処理部１１０７は、ブーム１３１およびアーム１３２が駆動してもクラムバケット１３３の対地角度が変化しないように、クラムバケット１３３の回動操作信号を生成する。

領域判定部１１０８は、旋回体１２０の向く方位が、排土操作を許可しない第１領域Ｒ１または排土操作を許可する第２領域Ｒ２のいずれにあるかを判定する。第１領域Ｒ１は、積込指示信号の入力を受け付けたときに旋回体１２０が向く方位（起点方位）から作業機１３０が干渉回避位置Ｐ１２に位置するときに旋回体１２０が向く方位（基準方位）までの領域である。第２領域Ｒ２は、基準方位から作業機１３０が積込位置Ｐ１３に位置するときに旋回体１２０が向く方位（終点方位）までの領域である。

操作信号出力部１１０９は、操作信号入力部１１０３に入力された操作信号、または移動処理部１１０７が生成した操作信号を出力する。具体的には、操作信号出力部１１０９は、自動積込制御中である場合に、移動処理部１１０７が生成した操作信号を出力し、自動積込制御中でない場合に、操作信号入力部１１０３に入力された操作信号を出力する。また、操作信号出力部１１０９は、自動積込制御中である場合であっても、旋回体１２０が第２領域Ｒ２に含まれる方位を向く場合、操作信号入力部１１０３に入力されたクラムバケット１３３の開操作信号を出力する。

《動作》
積込機械１００のオペレータは、積込機械１００と積込対象２００とが積込処理可能な位置関係にあると判断すると、操作装置１２３のスイッチをＯＮにする。これにより、操作装置１２３は、積込指示信号を生成し出力する。

図４－図５は、第１の実施形態に係る自動積込制御方法を示すフローチャートである。制御装置１２８は、オペレータから積込指示信号の入力を受け付けると、図４－図５に示す自動積込制御を実行する。

車両情報取得部１１０１は、旋回体１２０の位置および方位、ブーム１３１、アーム１３２およびクラムバケット１３３の傾斜角、ならびに旋回体１２０の姿勢を取得する（ステップＳ１）。車両情報取得部１１０１は、取得した旋回体１２０の位置および方位に基づいて、旋回体１２０の旋回中心の位置を特定する（ステップＳ２）。また検出情報取得部１１０２は、検出装置１２４から、積込対象２００の３次元位置情報を取得し、３次元位置情報から積込対象２００の位置および形状を特定する（ステップＳ３）。

バケット位置特定部１１０４は、車両情報取得部１１０１が取得した車両情報に基づいて、積込指示信号の入力時のアーム１３２の先端の位置Ｐ、およびアーム１３２の先端からクラムバケット１３３の最下点までの高さを特定する（ステップＳ４）。バケット位置特定部１１０４は、当該位置Ｐを掘削完了位置Ｐ１０と特定する。

積込位置特定部１１０５は、ステップＳ１で取得した旋回体１２０の位置、方位および姿勢に基づいて検出情報取得部１１０２が取得した積込対象２００の位置情報を現場座標系からショベル座標系に変換する。積込位置特定部１１０５は、検出情報取得部１１０２が特定した積込対象２００の位置および形状に基づいて、積込位置Ｐ１３の平面位置を特定する（ステップＳ５）。このとき、積込位置特定部１１０５は、積込対象２００の高さＨｔに、ステップＳ４で特定したアーム１３２の先端からクラムバケット１３３の最下点までの高さＨｂと、クラムバケット１３３の制御余裕分の高さとを加算することで、積込位置Ｐ１３の高さを特定する（ステップＳ６）。

回避位置特定部１１０６は、車両情報取得部１１０１が取得した旋回体１２０の位置および方位に基づいて、旋回体１２０の旋回中心の位置を特定する（ステップＳ７）。回避位置特定部１１０６は、旋回中心から特定した平面距離だけ離れた位置であって、クラムバケット１３３の外形が平面視で積込対象２００と干渉せず、かつ積込位置Ｐ１３から最も近い位置を、干渉回避位置Ｐ１２として特定する（ステップＳ８）。

移動処理部１１０７は、アーム１３２の先端の位置が積込位置Ｐ１３に至ったか否かを判定する（ステップＳ９）。アーム１３２の先端の位置が積込位置Ｐ１３に至っていない場合（ステップＳ９：ＮＯ）、移動処理部１１０７は、アーム１３２の先端の位置が干渉回避位置Ｐ１２の近傍にあるか否かを判定する（ステップＳ１０）。例えば、移動処理部１１０７は、アーム１３２の先端の高さと干渉回避位置Ｐ１２の高さとの差が所定の閾値未満であり、または旋回体１２０の旋回中心からアーム１３２の先端までの平面距離と旋回中心から干渉回避位置Ｐ１２までの平面距離との差が所定の閾値未満であるか否かを判定する（ステップＳ１０）。アーム１３２の先端の位置が干渉回避位置Ｐ１２の近傍にある場合（ステップＳ１０：ＹＥＳ）、移動処理部１１０７は、ブーム１３１およびアーム１３２を干渉回避位置Ｐ１２の高さまで上昇させる操作信号を生成する（ステップＳ１１）。このとき、移動処理部１１０７は、ブーム１３１およびアーム１３２の位置および速度に基づいて、操作信号を生成する。

また移動処理部１１０７は、生成したブーム１３１およびアーム１３２の操作信号に基づいてブーム１３１およびアーム１３２の角速度の和を算出し、当該角速度の和と同じ速度でクラムバケット１３３を回動させる操作信号を生成する（ステップＳ１２）。これにより、移動処理部１１０７は、クラムバケット１３３の対地角を保持する操作信号を生成することができる。なお、他の実施形態においては、移動処理部１１０７は、ブーム角度センサ１３８、アーム角度センサ１３９およびバケット角度センサ１４０の検出値より算出されるクラムバケット１３３の対地角度が、自動制御開始時の対地角度と等しくなるようにクラムバケット１３３を回動させる操作信号を生成してもよい。

アーム１３２の先端の位置が干渉回避位置Ｐ１２の近傍にない場合（ステップＳ１０：ＮＯ）、移動処理部１１０７は、ブーム１３１、アーム１３２およびクラムバケット１３３の操作信号を生成しない。つまり、アーム１３２の先端の位置が干渉回避位置Ｐ１２の近傍にない場合、移動処理部１１０７は、作業機１３０を積込点へ移動させるための作業機１３０の操作信号の出力を禁止する。

移動処理部１１０７は、車両情報取得部１１０１が取得した車両情報に基づいて、旋回体１２０の旋回速度が所定速度未満であるか否かを判定する（ステップＳ１３）。すなわち、移動処理部１１０７は、旋回体１２０が旋回中であるか否かを判定する。
旋回体１２０の旋回速度が所定速度未満である場合（ステップＳ１３：ＹＥＳ）、移動処理部１１０７は、クラムバケット１３３の高さが掘削完了位置Ｐ１０の高さから干渉回避位置Ｐ１２の高さに至るまでの時間である上昇時間を特定する（ステップＳ１４）。移動処理部１１０７は、クラムバケット１３３の上昇時間に基づいて、現在時刻から旋回操作信号を出力した場合に、アーム１３２の先端が干渉回避位置Ｐ１２または干渉回避位置Ｐ１２より高い点を通過することになるか否かを判定する（ステップＳ１５）。現在時刻から旋回操作信号を出力した場合に、アーム１３２の先端が干渉回避位置Ｐ１２または干渉回避位置Ｐ１２より高い点を通過することになる場合（ステップＳ１５：ＹＥＳ）、移動処理部１１０７は、旋回操作信号を生成する（ステップＳ１６）。
現在時刻から旋回操作信号を出力した場合に、アーム１３２の先端が干渉回避位置Ｐ１２より低い点を通過することになる場合（ステップＳ１５：ＮＯ）、移動処理部１１０７は、旋回操作信号を生成しない。つまり、アーム１３２の先端が干渉回避位置Ｐ１２より低い点を通過することになる場合、移動処理部１１０７は、旋回操作信号の出力を禁止する。

旋回体１２０の旋回速度が所定速度以上である場合（ステップＳ１３：ＮＯ）、移動処理部１１０７は、現在時刻から旋回操作信号の出力を停止した場合に、アーム１３２の先端が積込位置Ｐ１３に到達するか否かを判定する（ステップＳ１７）。なお、旋回体１２０は、旋回操作信号の出力の停止後、減速しながらも慣性により旋回し続け、その後停止する。現在時刻から旋回操作信号の出力を停止した場合に、アーム１３２の先端が積込位置Ｐ１３に到達する場合（ステップＳ１７：ＹＥＳ）、移動処理部１１０７は、旋回操作信号を生成しない。つまり、現在時刻から旋回操作信号の出力を停止した場合に、アーム１３２の先端が積込位置Ｐ１３に到達する場合、移動処理部１１０７は、旋回操作信号の出力を禁止する。これにより、旋回体１２０は減速を始める。
他方、現在時刻から旋回操作信号の出力を停止した場合に、アーム１３２の先端が積込位置Ｐ１３より手前で停止することになる場合（ステップＳ１７：ＮＯ）、移動処理部１１０７は、旋回操作信号を生成する（ステップＳ１８）。

ステップＳ９からステップＳ１８の処理でブーム１３１、アーム１３２およびクラムバケット１３３の回動操作信号、並びに旋回体１２０の旋回操作信号の少なくともいずれか１つを生成すると、操作信号出力部１１０９は、生成した操作信号を油圧装置１２７に出力する（ステップＳ１９）。

次に、操作信号入力部１１０３は、操作装置１２３からクラムバケット１３３の開操作信号の入力を受け付けたか否かを判定する（ステップＳ２０）。操作装置１２３からクラムバケット１３３の開操作信号の入力を受け付けていない場合（ステップＳ２０：ＮＯ）、操作信号出力部１１０９は、開操作信号を出力しない。
他方、操作装置１２３からクラムバケット１３３の開操作信号の入力を受け付けた場合（ステップＳ２０：ＹＥＳ）、領域判定部１１０８は、旋回体１２０が向く方位が、基準方位から終点方位までの第２領域Ｒ２に含まれるか否かを判定する（ステップＳ２１）。旋回体１２０が向く方位が第１領域Ｒ１に含まれる場合（ステップＳ２１：ＮＯ）、操作信号出力部１１０９は、入力された開操作信号を油圧装置１２７に出力しない。つまり、旋回体１２０が向く方位が第１領域Ｒ１に含まれる場合、操作信号出力部１１０９は、開操作信号の出力を禁止する。他方、旋回体１２０が向く方位が第２領域Ｒ２に含まれる場合（ステップＳ２１：ＹＥＳ）、操作信号出力部１１０９は、入力された開操作信号を油圧装置１２７に出力する（ステップＳ２２）。

なお、旋回体１２０が向く方位が第２領域Ｒ２に含まれる場合、アーム１３２の先端の高さは、干渉回避位置Ｐ１２以上の高さとなっている。これは、ステップＳ１５－Ｓ１６において、移動処理部１１０７が、アーム１３２の先端が上方向からの平面視において干渉回避位置Ｐ１２に位置するときにアーム１３２の先端の高さが干渉回避位置Ｐ１２以上の高さとなるように旋回操作信号を生成するためである。アーム１３２の先端が上方向からの平面視において干渉回避位置Ｐ１２に位置するときに旋回体１２０が向く方位は、基準方位と等しい。
また、旋回体１２０が向く方位が第１領域Ｒ１に含まれる場合であっても、アーム１３２の先端の高さは、必ずしも干渉回避位置未満の高さであるとは限らない。例えば、アーム１３２の高さを干渉回避位置Ｐ１２以上の高さまで上昇させるために必要な時間が、アーム１３２の先端が上方向からの平面視において干渉回避位置Ｐ１２に位置するまで旋回体１２０を旋回させるために必要な時間より短い場合、アーム１３２の先端の高さが干渉回避位置Ｐ１２以上の高さまで上昇したときに、旋回体１２０が向く方位が第１領域Ｒ１に含まれる可能性がある。

そして、車両情報取得部１１０１は、車両情報を取得する（ステップＳ２３）。これにより、車両情報取得部１１０１は、出力した操作信号によって作動した後の車両情報を取得することができる。制御装置１２８は、処理をステップＳ９に戻し、操作信号の生成を繰り返し実行する。

他方、ステップＳ９にて、アーム１３２の先端の位置が積込位置Ｐ１３に至っている場合（ステップＳ９：ＹＥＳ）、移動処理部１１０７は、クラムバケット１３３を開く操作信号を生成する（ステップＳ２４）。操作信号出力部１１０９は、生成した操作信号を油圧装置１２７に出力する（ステップＳ２５）。そして、制御装置１２８は、自動積込制御を終了する。

ここで、図３を用いて、自動積込制御時の積込機械１００の動作について説明する。 自動積込制御が開始されると、ブーム１３１およびアーム１３２は、掘削完了位置Ｐ１０から旋回開始位置Ｐ１１へ向けて上昇する。このとき、クラムバケット１３３は、掘削終了時の対地角度を維持するように駆動する。また、このとき旋回体１２０が向く方位は第１領域Ｒ１に含まれるため、操作装置１２３にクラムバケット１３３の開閉操作信号が入力されても、当該開閉操作信号は油圧装置１２７に出力されない。これにより、制御装置１２８は、積込対象の外に誤って土砂を排土してこぼれることを防ぐことができる。

制御装置１２８は、アーム１３２の先端が旋回開始位置Ｐ１１に到達すると、旋回体１２０は積込位置Ｐ１３へ向けて旋回を開始する。このとき、アーム１３２の先端は干渉回避位置Ｐ１２の高さに至っていないため、ブーム１３１およびアーム１３２の上昇は継続される。アーム１３２の先端が旋回開始位置Ｐ１１から干渉回避位置Ｐ１２へ移動する途中で、アーム１３２の先端の高さが干渉回避位置Ｐ１２と等しくなるように、ブーム１３１、アーム１３２およびクラムバケット１３３は減速する。また、このとき旋回体１２０が向く方位は第１領域Ｒ１に含まれるため、操作装置１２３にクラムバケット１３３の開閉操作信号が入力されても、当該開閉操作信号は油圧装置１２７に出力されない。これにより、制御装置１２８は、積込対象の外に誤って土砂を排土してこぼれることを防ぐことができる。

アーム１３２の先端が干渉回避位置Ｐ１２にくると、作業機１３０の駆動は停止する。一方、旋回体１２０は旋回を継続する。すなわち、干渉回避位置Ｐ１２から積込位置Ｐ１３までの間、アーム１３２の先端は、作業機１３０の駆動によらず、旋回体１２０の旋回のみにより移動する。アーム１３２の先端が旋回開始位置Ｐ１１から積込位置Ｐ１３へ移動する途中で、アーム１３２の先端の位置が積込位置Ｐ１３と等しくなるように、旋回体１２０は減速する。このとき旋回体１２０が向く方位は第２領域Ｒ２に含まれるため、操作装置１２３にクラムバケット１３３の開閉操作信号が入力されると、当該開閉操作信号に応じてクラムバケット１３３が開く。これにより、オペレータは、サイクルタイムの短縮を図ってクラムバケット１３３が積込位置Ｐ１３に達する前に排土操作を行うことができる。

アーム１３２の先端が積込位置Ｐ１３にくると、作業機１３０および旋回体１２０の駆動は停止する。その後、開閉操作信号の入力の有無に関わらずクラムバケット１３３が開く。

上述の自動積込制御により、積込機械１００は、クラムバケット１３３がすくった土砂を積込対象２００に積込むことができる。オペレータは、作業機１３０による掘削と、積込指示信号の入力による自動積込制御とを、積込対象２００の積載量が最大積載量を超えない程度に繰り返し実行する。

《作用・効果》
第１の実施形態に係る積込機械１００の制御装置１２８は、自動積込制御中、旋回体１２０が向く方位が第１領域Ｒ１に含まれる場合においてクラムバケット１３３の開閉操作信号を受け付けたときであっても、開閉操作信号を油圧装置１２７に出力しない。これにより、制御装置１２８は、積込対象２００から土砂がこぼれることを防ぐことができる。 他方、制御装置１２８は、自動積込制御中、旋回体１２０が向く方位が第２領域Ｒ２に含まれる場合においてクラムバケット１３３の開閉操作信号を受け付けたときに、開閉操作信号を油圧装置１２７に出力する。これにより、オペレータは、サイクルタイムの短縮を図ってクラムバケット１３３が積込位置Ｐ１３に達する前に排土操作を行うことができる。

また、第１の実施形態において第１領域Ｒ１は、図３に示すように、上方からの平面視において作業機１３０と積込対象２００とが干渉しない領域である。これにより、制御装置１２８は、作業機１３０の下に積込対象２００がないときに、クラムバケット１３３に排土させることを防ぐことができる。なお、荷台上方ではない干渉回避位置Ｐ１２でクラムバケット１３３を開き始めても、積込対象２００から土砂がこぼれる可能性は低い。これは、クラムバケット１３３は荷台よりも高い軌跡で所定の速度で旋回中であり、かつ開操作信号が出力され実際にクラムバケット１３３が開き始めるのにタイムラグがあるため、土砂が干渉回避位置Ｐ１２よりも積込対象２００側の位置から旋回方向に放出されるためである。

また、第１の実施形態に係る制御装置１２８は、旋回体１２０が向く方位が第１領域Ｒ１にあるときに作業機１３０の上下操作信号を出力し、旋回体１２０が向く方位が第２領域Ｒ２にあるときに作業機１３０の上下操作信号を出力しない。つまり、制御装置１２８は、作業機１３０の上下操作信号を油圧装置１２７に出力している間、開閉操作信号を油圧装置１２７に出力しない。上述したように、ブームシリンダ１３４、アームシリンダ１３５、バケットシリンダ１３６、およびクラムシリンダ１３７は共通の油圧装置１２７から供給される作動油によって駆動する。したがって、ブームシリンダ１３４、アームシリンダ１３５、バケットシリンダ１３６、およびクラムシリンダ１３７に流すことができる最大の作動油の流量は油圧装置１２７の能力によって定められる。そのため、作業機１３０を上昇させているときにクラムシリンダ１３７が作動すると、ブームシリンダ１３４、アームシリンダ１３５、およびバケットシリンダ１３６に流れる作動油の流量が減少し、作業機１３０の上昇速度が低下する。作業機１３０の上昇速度が低下すると、作業機１３０が積込対象２００と干渉する可能性がある。
したがって、制御装置１２８は、作業機１３０の上下操作信号を油圧装置１２７に出力している間、開閉操作信号を油圧装置１２７に出力しないようにすることで、作業機１３０の上昇が遅れることを防ぐことができる。

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。
例えば、第１の実施形態においては、基準方位を、作業機１３０が干渉回避位置Ｐ１２に位置するときに旋回体１２０が向く方位としたが、これに限られない。例えば、他の実施形態においては、基準方位を、上方からの平面視においてアーム１３２の先端が積込対象２００に干渉する方位のうち、最も起点方位に近い方位としてもよい。また、他の実施形態においては、基準方位を、上方からの平面視においてアーム１３２の先端が積込対象２００に干渉する方位のうち、起点方位側の任意の方位に設定してもよい。また、他の実施形態においては、基準方位を、上方からの平面視においてアーム１３２の先端が積込対象２００に干渉しない方位のうち、終点方位側の任意の方位に設定してもよい。この場合、基準方位においてアーム１３２の先端は必ずしも干渉回避位置Ｐ１２の高さまで上がっていなくてもよい。つまり、基準方位は、干渉回避位置Ｐ１２の近傍の任意の位置に設定されてよい。

また、第１の実施形態に係る積込機械１００はクラムバケット１３３を備えるが、これに限られない。例えば、他の実施形態に係る積込機械１００は、バックオール１３３１とクラムシェル１３３２とが開閉しない一体型のバケットを備えるものであってもよい。この場合における排土操作信号は、バケットを背側へ（ダンプ方向へ）回動させる操作信号である。

また、第１の実施形態に係る自動積込制御は、ステップＳ２５でクラムバケット１３３を開く操作信号を出力して終了するが、これに限られない。例えば、他の実施形態に係る制御装置１２８は、ステップＳ２２またはステップＳ２５でクラムバケット１３３を開く操作信号を出力してからクラムバケット１３３に収容された土砂がすべて排土されるまでに要する時間が経過した後に、クラムバケット１３３を閉じる操作信号を出力してもよい。

また、第１の実施形態に係る積込機械１００は、オペレータが搭乗して操作する有人運転車両であるが、これに限られない。例えば、他の実施形態に係る積込機械１００は、遠隔の事務所にいるオペレータがモニタの画面を見ながら操作する遠隔操作装置から、通信により取得する操作信号によって作動する遠隔運転車両であってもよい。この場合、制御装置１２８の一部の機能が遠隔操作装置に設けられてもよい。

１００…積込機械 １１０…走行体 １２０…旋回体 １３０…作業機 １３１…ブーム １３２…アーム １３３…クラムバケット １３４…ブームシリンダ １３５…アームシリンダ １３６…バケットシリンダ １３７…クラムシリンダ １２８…制御装置 １１０１…車両情報取得部 １１０２…検出情報取得部 １１０３…操作信号入力部 １１０４…バケット位置特定部 １１０５…積込位置特定部 １１０６…回避位置特定部 １１０７…移動処理部 １１０８…領域判定部 １１０９…操作信号出力部 ２００…積込対象 Ｐ１０…掘削完了位置 Ｐ１１…旋回開始位置 Ｐ１２…干渉回避位置 Ｐ１３…積込位置 Ｒ１…第１領域 Ｒ２…第２領域

本発明は、積込機械の制御装置、制御方法、および遠隔操作システムに関する。

特許文献１に記載の技術によれば、作業機は予め記憶された積込点まで自動的に移動し、積込点において排土がなされる。一方で、サイクルタイムの短縮のため、バケットが積込点に達する前に排土操作を開始したいという要望がある。この場合に、バケットが積込対象の上にないときに排土操作がなされ、土砂が積込対象からこぼれてしまうことを防止することが好ましい。
本発明の目的は、自動積込制御においてオペレータによる排土操作を受け付けることができ、かつ積込対象から土砂がこぼれることを防ぐことができる積込機械の制御装置、制御方法、および遠隔操作システムを提供することにある。

本発明の第１の態様によれば、制御装置は、走行体と、旋回中心回りに旋回する旋回体と、前記旋回体に取り付けられバケットを有する作業機とを備える積込機械を制御する制御装置であって、前記バケットに排土させるための排土操作信号の入力を受け付ける操作信号入力部と、前記バケットを積込点へ移動させるための前記作業機および前記旋回体の操作信号を自動的に出力する操作信号出力部と、前記旋回体が前記積込点に到達する前に前記バケットに排土させるための前記排土操作信号を受け付けた場合に、排土操作を許可するか否かを判定する判定部とを備え、前記操作信号出力部は、前記排土操作を許可すると判定された場合に前記排土操作信号を出力する。

Claims (6)

1. 旋回中心回りに旋回する旋回体と、前記旋回体に取り付けられバケットを有する作業機とを備える積込機械を制御する制御装置であって、
   オペレータから前記バケットに排土させるための排土操作信号および積込指示信号の入力を受け付ける操作信号入力部と、
   前記積込指示信号を受け付けた場合に、前記バケットを積込点へ移動させるための前記作業機および前記旋回体の操作信号を出力し、
   前記旋回体が向く方位が、前記積込指示信号を受け付けたときに前記旋回体が向く方位である起点方位から、所定の基準方位までの第１領域に含まれる場合において、前記排土操作信号を受け付けたときに、前記排土操作信号の出力を禁止し、
   前記旋回体が向く方位が、前記基準方位から前記作業機が前記積込点に位置するときに前記旋回体が向く方位である終点方位までの第２領域に含まれる場合において前記排土操作信号を受け付けたときに、前記排土操作信号を出力する
   操作信号出力部を備える制御装置。
2. 前記第１領域は、前記作業機と積込対象とが上方からの平面視において干渉しない領域である
   請求項１に記載の制御装置。
3. 前記操作信号出力部は、前記第１領域に含まれる場合に前記作業機を積込点へ移動させるための前記作業機の操作信号を出力し、前記第２領域に含まれる場合に前記作業機を積込点へ移動させるための前記作業機の操作信号の出力を禁止する
   請求項１または請求項２に記載の制御装置。
4. 旋回中心回りに旋回する旋回体と、前記旋回体に取り付けられバケットを有する作業機とを備える積込機械を制御する制御装置であって、
   オペレータから前記バケットに排土させるための排土操作信号および積込指示信号の入力を受け付ける操作信号入力部と、
   前記積込指示信号を受け付けた場合に、前記バケットを積込点へ移動させるための前記作業機および前記旋回体の操作信号を出力し、
   前記旋回体が向く方位が、前記積込指示信号を受け付けたときに前記旋回体が向く方位である起点方位から、所定の基準方位までの領域に含まれる場合において、前記排土操作信号を受け付けたときに、前記排土操作信号の出力を禁止する
   操作信号出力部を備える制御装置。
5. 旋回中心回りに旋回する旋回体と、前記旋回体に取り付けられバケットを有する作業機とを備える積込機械を制御する制御装置であって、
   オペレータから前記バケットに排土させるための排土操作信号および積込指示信号の入力を受け付ける操作信号入力部と、
   前記積込指示信号を受け付けた場合に、前記バケットを積込点へ移動させるための前記作業機および前記旋回体の操作信号を出力し、
   前記旋回体が向く方位が、所定の基準方位から前記作業機が前記積込点に位置するときに前記旋回体が向く方位である終点方位までの領域に含まれる場合において前記排土操作信号を受け付けたときに、前記排土操作信号を出力する
   操作信号出力部を備える制御装置。
6. 旋回中心回りに旋回する旋回体と、前記旋回体に取り付けられバケットを備える作業機とを備える積込機械の制御方法であって、
   オペレータから積込指示信号を受け付けるステップと、
   前記積込指示信号を受け付けたときに、前記作業機を積込点へ移動させるための前記作業機および前記旋回体の操作信号を出力するステップと、
   オペレータから前記バケットに排土させるための排土操作信号の入力を受け付けるステップと
   前記旋回体が向く方位が、前記積込指示信号を受け付けたときに前記旋回体が向く方位である起点方位から、所定の基準方位までの第１領域に含まれる場合において、前記排土操作信号を受け付けたときに、前記排土操作信号の出力を禁止し、前記旋回体が向く方位が、所定の基準方位から前記作業機が前記積込点に位置するときに前記旋回体が向く方位である終点方位までの第２領域に含まれる場合において前記排土操作信号を受け付けたときに、前記排土操作信号を出力するステップと
   を備える積込機械の制御方法。

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