JP2023065962A - 作業機械 - Google Patents

Abstract

【課題】作業の対象物の上層部分と下層部分とを入れ替えることが可能な作業機械を提供する。
【解決手段】アタッチメント３０で土砂を掘削する掘削動作と、掘削した土砂を排土する排土動作とを含む一連の動作を上部旋回体２２およびアタッチメント３０が行うように、上部旋回体２２およびアタッチメント３０を制御する制御手段と、一連の動作による作業が所定段階に達した際に、次の一連の動作における、掘削動作による掘削位置７１および排土動作による排土位置７２を移動させる位置移動手段と、を有する。位置移動手段は、先の一連の動作における掘削位置７１に後の一連の動作における排土位置７２が重なるように、掘削位置７１および排土位置７２をそれぞれ共通の所定方向に移動させる。
【選択図】図５

Description

本発明は、自動運転される作業機械に関する。

特許文献１には、土砂の掘削から排土までを自動で行う自動運転ショベルが開示されている。特許文献１では、ある掘削位置において掘削深さが設定値に達した場合に、上部旋回体の旋回方向に次の掘削位置を移動させている。

特開２００１－１２３４７９号公報

しかしながら、特許文献１では、掘削位置を移動させているが、排土位置は不変である。そのため、排土位置に土砂が積もっていくだけである。一方、土砂の表層と深層とを入れ替える、いわゆる天地返しが、農地などで行われている。天地返しを行うには、先の掘削位置を新たな排土位置として、新たな掘削位置から掘削した土砂をこの排土位置に排土する必要がある。つまり、排土位置を変更する必要がある。

本発明の目的は、作業の対象物の上層部分と下層部分とを入れ替えることが可能な作業機械を提供することである。

本発明は、下部走行体と、前記下部走行体の上部に旋回可能に取り付けられた上部旋回体と、前記上部旋回体に回動可能に取り付けられたアタッチメントと、前記アタッチメントで対象物を確保する確保動作と、確保した前記対象物を放出する放出動作とを含む一連の動作を前記上部旋回体および前記アタッチメントが行うように、前記上部旋回体および前記アタッチメントを制御する制御手段と、前記一連の動作による作業が所定段階に達した際に、次の前記一連の動作における、前記確保動作による確保位置および前記放出動作による放出位置を移動させる位置移動手段と、を有し、前記位置移動手段は、先の前記一連の動作における前記確保位置に後の前記一連の動作における前記放出位置が重なるように、前記確保位置および前記放出位置をそれぞれ共通の所定方向に移動させることを特徴とする。

本発明によると、一連の動作による作業が所定段階に達した際に、次の一連の動作における、確保動作による確保位置および放出動作による放出位置が移動される。このとき、先の一連の動作における確保位置に後の一連の動作における放出位置が重なるように、確保位置および放出位置がそれぞれ共通の所定方向に移動される。先の一連の動作における確保位置に、後の一連の動作における放出位置が重なることで、先に確保位置であった個所に対象物を放出することができる。よって、現在の確保位置の上層にある対象物を、先の確保位置の下層に放出し、現在の確保位置の下層にある対象物を、先の確保位置の上層に放出することができる。これにより、作業の対象物の上層部分と下層部分とを入れ替えることができる。

作業機械の側面図である。 作業機械の回路図である。 作業機械の上面図であり、上部旋回体の初期姿勢における、掘削動作の掘削位置と排土動作の排土位置とを示す図である。 作業機械の上面図であり、掘削動作による掘削位置および排土動作による排土位置をそれぞれ上部旋回体の旋回方向の一方に移動させた状態を示す図である。 作業機械の上面図であり、掘削動作による掘削位置および排土動作による排土位置をそれぞれ上部旋回体の旋回方向の一方にさらに移動させた状態を示す図である。 作業機械の上面図であり、下部走行体を移動させた前後の状態を示す図である。 動作制御処理のフローチャートである。

以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。

（作業機械の構成）
本発明の実施形態による作業機械は、自動運転される。作業機械１の側面図である図１に示すように、作業機械１は、アタッチメント３０で作業を行う機械であり、例えば油圧ショベルである。作業機械１は、下部走行体２１と上部旋回体２２とを備えた機械本体２５と、アタッチメント３０と、シリンダ４０と、を有している。

下部走行体２１は、作業機械１を走行させる部分であり、例えばクローラを備える。上部旋回体２２は、下部走行体２１の上部に旋回装置２４を介して旋回可能に取り付けられる。上部旋回体２２の前部には、キャブ（運転室）２３が設けられている。

アタッチメント３０は、上下方向に回動可能に上部旋回体２２に取り付けられる。アタッチメント３０は、ブーム３１と、アーム３２と、バケット３３と、を備える。ブーム３１は、上下方向に回動可能（起伏可能）に上部旋回体２２に取り付けられる。アーム３２は、上下方向に回動可能にブーム３１に取り付けられる。バケット３３は、アタッチメント３０の先端部である先端アタッチメントであり、前後方向に回動可能にアーム３２に取り付けられる。バケット３３は、土砂の、掘削、均し、すくい、などの作業を行う部分である。なお、バケット３３が保持する作業対象物は、土砂に限定されず、石でもよく、廃棄物（産業廃棄物など）でもよい。また、先端アタッチメントは、バケット３３に限られず、グラップルやリフティングマグネット等であってもよい。

シリンダ４０は、アタッチメント３０を油圧で回動させることが可能である。シリンダ４０は、油圧式の伸縮シリンダである。シリンダ４０は、ブームシリンダ４１と、アームシリンダ４２と、バケットシリンダ４３と、を備える。

ブームシリンダ４１は、上部旋回体２２に対してブーム３１を回動させる。ブームシリンダ４１の基端部は、上部旋回体２２に回動可能に取り付けられる。ブームシリンダ４１の先端部は、ブーム３１に回動可能に取り付けられる。

アームシリンダ４２は、ブーム３１に対してアーム３２を回動させる。アームシリンダ４２の基端部は、ブーム３１に回動可能に取り付けられる。アームシリンダ４２の先端部は、アーム３２に回動可能に取り付けられる。

バケットシリンダ４３は、アーム３２に対してバケット３３を回動させる。バケットシリンダ４３の基端部は、アーム３２に回動可能に取り付けられる。バケットシリンダ４３の先端部は、バケット３３に回動可能に取り付けられたリンク部材３４に、回動可能に取り付けられる。

また、作業機械１は、角度センサ５２と、傾斜角センサ６０と、を有している。

角度センサ５２は、下部走行体２１に対する上部旋回体２２の旋回角度を検出する。角度センサ５２は、例えば、エンコーダ、レゾルバ、又は、ジャイロセンサである。本実施形態では、上部旋回体２２の前方が下部走行体２１の前方と一致するときの上部旋回体２２の旋回角度を０°としている。

傾斜角センサ６０は、ブーム傾斜角センサ６１と、アーム傾斜角センサ６２と、バケット傾斜角センサ６３と、を備える。

ブーム傾斜角センサ６１は、ブーム３１に取り付けられ、ブーム３１の姿勢を検出する。ブーム傾斜角センサ６１は、水平線に対するブーム３１の傾斜角度を取得するセンサであり、例えば傾斜（加速度）センサ等である。なお、ブーム傾斜角センサ６１は、ブームフットピン（ブーム基端）の回転角度を検出する回転角度センサや、ブームシリンダ４１のストローク量を検出するストロークセンサであってもよい。

アーム傾斜角センサ６２は、アーム３２に取り付けられ、アーム３２の姿勢を検出する。アーム傾斜角センサ６２は、水平線に対するアーム３２の傾斜角度を取得するセンサであり、例えば傾斜（加速度）センサ等である。なお、アーム傾斜角センサ６２は、アーム連結ピン（アーム基端）の回転角度を検出する回転角度センサや、アームシリンダ４２のストローク量を検出するストロークセンサであってもよい。

バケット傾斜角センサ６３は、リンク部材３４に取り付けられ、バケット３３の姿勢を検出する。バケット傾斜角センサ６３は、水平線に対するバケット３３の傾斜角度を取得するセンサであり、例えば傾斜（加速度）センサ等である。なお、バケット傾斜角センサ６３は、バケット連結ピン（バケット基端）の回転角度を検出する回転角度センサや、バケットシリンダ４３のストローク量を検出するストロークセンサであってもよい。

以下、バケット３３で土砂を掘削する場合について説明する。

（作業機械の回路構成）
作業機械１の回路図である図２に示すように、作業機械１は、コントローラ１１と、記憶装置１３と、を有している。

コントローラ１１には、角度センサ５２が検出した、下部走行体２１に対する上部旋回体２２の旋回角度（姿勢）に関する情報が入力される。また、コントローラ１１には、ブーム傾斜角センサ６１が検出した、ブーム３１の姿勢に関する情報が入力される。また、コントローラ１１には、アーム傾斜角センサ６２が検出した、アーム３２の姿勢に関する情報が入力される。また、コントローラ１１には、バケット傾斜角センサ６３が検出した、バケット３３の姿勢に関する情報が入力される。

コントローラ１１は、作業機械１を自動制御する。コントローラ（制御手段）１１は、一連の動作を上部旋回体２２およびアタッチメント３０が行うように、上部旋回体２２およびアタッチメント３０を制御する。つまり、作業機械１は自動運転される。具体的には、コントローラ１１は、角度センサ５２および傾斜角センサ６０の検出値に基づいて、旋回装置２４およびアタッチメント３０を自動で動作させる。本実施の形態において、一連の動作は、土砂を掘削して排土する動作である。一連の動作には、バケット３３で土砂を掘削する掘削動作と、保持した土砂を排土（放出）する排土動作と、が含まれる。掘削動作は、アタッチメント３０で対象物を確保する確保動作の一例である。排土動作は、確保した対象物を放出する放出動作の一例である。

また、コントローラ（繰り返し手段）１１は、一連の動作を繰り返させる。コントローラ１１は、掘削動作時におけるバケット３３の先端の高さを変えながら、一連の動作を繰り返させる。これにより、同じ掘削個所において、土砂を掘削する深さを変えながら、土砂の掘削から排土までの一連の動作が繰り返されることになる。

記憶装置１３は、上記の一連の動作を記憶する。一連の動作は、例えば、作業者によるティーチングにより設定される。一連の動作により、アタッチメント３０の先端（バケット３３の先端）は所定の軌跡を描く。

作業機械１の上面図である図３に、上部旋回体２２の初期姿勢における、掘削動作の掘削位置７１と排土動作の排土位置７２とを示す。一連の動作は、掘削位置７１において土砂を掘削する掘削動作と、掘削位置７１から排土位置７２まで上部旋回体２２を旋回させる持ち上げ旋回動作と、排土位置７２において土砂を排土する排土動作と、排土位置７２から掘削位置７１まで上部旋回体２２を旋回させる復帰旋回動作と、を含む。

コントローラ（制限深さ設定手段）１１は、土砂を掘削する深さの制限深さを設定する。上述したように、土砂を掘削する深さを変えながら、土砂の掘削から排土までの一連の動作が繰り返される。

コントローラ１１は、掘削時の深さが制限深さに達した際に、一連の動作の繰り返しによる作業が所定段階に達したと判定する。コントローラ１１は、一連の動作の繰り返しによる作業が所定段階に達したと判定した場合に、同じ掘削個所での一連の動作の繰り返しを終了する。

なお、コントローラ（回数設定手段）１１は、一連の動作を繰り返す回数を所定回数として設定しておき、一連の動作を所定回数繰り返した際に、一連の動作の繰り返しによる作業が所定段階に達したと判定してもよい。

コントローラ（位置移動手段）１１は、一連の動作の繰り返しによる作業が所定段階に達したと判定した際に、次の一連の動作における、掘削動作による掘削位置７１および排土動作による排土位置７２を共通の所定方向にそれぞれ移動させる。具体的には、作業機械１の上面図である図４に示すように、上部旋回体２２を旋回させることで、掘削動作による掘削位置７１および排土動作による排土位置７２をそれぞれ上部旋回体２２の旋回方向の一方に移動させる。

本実施形態では、上部旋回体２２を所定角度旋回させることで、掘削動作による掘削位置７１および排土動作による排土位置７２をそれぞれ所定角度移動させているが、掘削位置７１の移動角度と排土位置７２の移動角度とは別々であってもよい。

コントローラ１１は、掘削位置７１および排土位置７２をそれぞれ移動させた後に、上部旋回体２２およびアタッチメント３０に一連の動作を繰り返し行わせる。これにより、新たな掘削個所および新たな排土箇所において一連の動作が繰り返される。

図４において、一連の動作の繰り返しによる作業が所定段階に達すると、作業機械１の上面図である図５に示すように、上部旋回体２２がさらに所定角度旋回されることで、次の一連の動作における掘削位置７１および排土位置７２がそれぞれ移動される。その後、一連の動作が繰り返される。

ここで、コントローラ１１は、先の一連の動作における掘削位置７１に後の一連の動作における排土位置７２が重なるように、掘削位置７１および排土位置７２をそれぞれ上部旋回体２２の旋回方向の一方に移動させる。図５に示す排土位置７２は、図３において掘削位置７１であった個所である。このように、掘削位置７１および排土位置７２をそれぞれ移動させていくことで、先の掘削位置７１に、後の排土位置７２が重なる。これにより、先に掘削位置７１であった個所に土砂を放出することができる。よって、現在の掘削位置７１の上層にある土砂を、先の掘削位置７１の下層に放出し、現在の掘削位置７１の下層にある土砂を、先の掘削位置７１の上層に放出することができる。これにより、土砂の表層と深層とを入れ替えることができる。

図２に戻って、コントローラ（境界線設定手段）１１は、掘削位置７１の所定方向への移動限界を移動境界線７５として設定する。作業機械１の上面図である図６に移動境界線７５を示す。

掘削位置７１および排土位置７２を所定方向に移動させながら、一連の動作を繰り返し行っていくと、図６に示すように、掘削位置７１が移動境界線７５に達する。コントローラ（下部走行体移動手段）１１は、掘削位置７１が移動境界線７５に達した状態で、一連の動作の繰り返しによる作業が所定段階に達した際に（掘削時の深さが制限深さに達した際に）、下部走行体２１を移動させる。下部走行体２１の移動方向は、図６の右方向である。ここで、下部走行体２１の移動後の一連の動作による作業が、下部走行体２１の移動前の一連の動作による作業に連続するように、下部走行体２１が移動される。

コントローラ１１は、下部走行体２１を移動させた後に、上部旋回体２２を初期姿勢に戻して、上部旋回体２２およびアタッチメント３０に一連の動作を繰り返し行わせる。これにより、新たな掘削個所において一連の動作が繰り返される。このように、下部走行体２１を移動させることで、広範囲で作業を続けることができる。

（変形例）
ここで、上記では、上部旋回体２２を旋回させることで、掘削位置７１および排土位置７２を移動させていたが、下部走行体２１を移動させることで、掘削位置７１および排土位置７２を移動させてもよい。

また、上記では、一連の動作により土砂の掘削と排土とを行っていたが、対象物を確保して放出する動作を含んでいれば、一連の動作はこれに限定されない。

（作業機械の動作）
次に、動作制御処理のフローチャートである図７を参照して、作業機械１の動作を説明する。

まず、コントローラ１１は、移動境界線７５を設定する（ステップＳ１）。次に、コントローラ１１は、上部旋回体２２の姿勢を初期姿勢にする（ステップＳ２）。次に、コントローラ１１は、上部旋回体２２およびアタッチメント３０に一連の動作を行わせる（ステップＳ３）。次に、コントローラ１１は、掘削時の深さが制限深さに達したか否かを判定する（ステップＳ４）。

ステップＳ４において、掘削時の深さが制限深さに達していないと判定した場合には（Ｓ４：ＮＯ）、コントローラ１１は、掘削深さを変更する（ステップＳ５）。そして、ステップＳ３に戻る。これにより、掘削動作時におけるバケット３３の先端の高さを変えながら、一連の動作が繰り返される。

一方、ステップＳ４において、掘削時の深さが制限深さに達したと判定した場合には（Ｓ４：ＹＥＳ）、コントローラ１１は、掘削位置７１が移動境界線７５に到達しているか否かを判定する（ステップＳ６）。ステップＳ６において、掘削位置７１が移動境界線７５に到達していないと判定した場合には（Ｓ６：ＮＯ）、コントローラ１１は、上部旋回体２２を旋回させることで、掘削位置７１および排土位置７２を移動させる（ステップＳ７）。これにより、新たな掘削個所において一連の動作が繰り返されることになる。そして、先に掘削位置７１であった個所に土砂が放出されることになる。

一方、ステップＳ６において、掘削位置７１が移動境界線７５に到達していると判定した場合には（Ｓ６：ＹＥＳ）、コントローラ１１は、下部走行体２１を移動させる（ステップＳ８）。これにより、下部走行体２１の移動後の一連の動作による作業が、下部走行体２１の移動前の一連の動作による作業に連続して行われることになる。そして、ステップＳ２に戻る。

（効果）
以上に述べたように、本実施形態に係る作業機械１によれば、一連の動作による作業が所定段階に達した際に、次の一連の動作における、掘削動作による掘削位置７１および排土動作による排土位置７２が移動される。このとき、先の一連の動作における掘削位置７１に後の一連の動作における排土位置７２が重なるように、掘削位置７１および排土位置７２がそれぞれ共通の所定方向（上部旋回体２２の旋回方向の一方）に移動される。先の一連の動作における掘削位置７１に、後の一連の動作における排土位置７２が重なることで、先に掘削位置７１であった個所に土砂を放出することができる。よって、現在の掘削位置７１の上層にある土砂を、先の掘削位置７１の下層に放出し、現在の掘削位置７１の下層にある土砂を、先の掘削位置７１の上層に放出することができる。これにより、土砂の上層部分と下層部分とを入れ替えることができる。

また、掘削位置７１が移動境界線７５に達した状態で、一連の動作による作業が所定段階に達した際に、下部走行体２１が移動される。ここで、下部走行体２１の移動後の一連の動作による作業が、下部走行体２１の移動前の一連の動作による作業に連続するように、下部走行体２１が移動される。これにより、下部走行体２１の移動後の一連の動作による作業が、下部走行体２１の移動前の一連の動作による作業に連続する。このように、下部走行体２１を移動させることで、広範囲で作業を続けることができる。

また、掘削された土砂が排土される。掘削位置７１および排土位置７２をそれぞれ移動させていくことで、現在の掘削位置７１の上層にある土砂を、先の掘削位置７１の下層に排土し、現在の掘削位置７１の下層にある土砂を、先の掘削位置７１の上層に排土することができる。よって、土砂の表層と深層とを入れ替える、所謂天地返しを行うことができる。

また、掘削時の深さが制限深さに達した際に、次の一連の動作における掘削位置７１および排土位置７２がそれぞれ移動される。掘削時の深さに制限を設けることで、次の一連の動作にスムーズに移行することができる。

また、一連の動作が所定回数繰り返された際に、次の一連の動作における掘削位置７１および排土位置７２がそれぞれ移動される。一連の動作を繰り返す回数を決めておくことで、掘削時の深さなどを検出するよりも容易に、次の一連の動作に移行することができる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、具体例を例示したに過ぎず、特に本発明を限定するものではなく、具体的構成などは、適宜設計変更可能である。また、発明の実施の形態に記載された、作用及び効果は、本発明から生じる最も好適な作用及び効果を列挙したに過ぎず、本発明による作用及び効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。

１ 作業機械
１１ コントローラ（制御手段、位置移動手段、境界線設定手段、下部走行体移動手段、繰り返し手段、制限深さ設定手段、回数設定手段）
１３ 記憶装置
２１ 下部走行体
２２ 上部旋回体
２３ キャブ
２４ 旋回装置
２５ 機械本体
３０ アタッチメント
３１ ブーム
３２ アーム
３３ バケット
３４ リンク部材
４０ シリンダ
４１ ブームシリンダ
４２ アームシリンダ
４３ バケットシリンダ
５２ 角度センサ
６０ 傾斜角センサ
６１ ブーム傾斜角センサ
６２ アーム傾斜角センサ
６３ バケット傾斜角センサ
７１ 掘削位置
７２ 排土位置
７５ 移動境界線

Claims (5)

1. 下部走行体と、
   前記下部走行体の上部に旋回可能に取り付けられた上部旋回体と、
   前記上部旋回体に回動可能に取り付けられたアタッチメントと、
   前記アタッチメントで対象物を確保する確保動作と、確保した前記対象物を放出する放出動作とを含む一連の動作を前記上部旋回体および前記アタッチメントが行うように、前記上部旋回体および前記アタッチメントを制御する制御手段と、
   前記一連の動作による作業が所定段階に達した際に、次の前記一連の動作における、前記確保動作による確保位置および前記放出動作による放出位置を移動させる位置移動手段と、
   を有し、
   前記位置移動手段は、先の前記一連の動作における前記確保位置に後の前記一連の動作における前記放出位置が重なるように、前記確保位置および前記放出位置をそれぞれ共通の所定方向に移動させることを特徴とする作業機械。
2. 前記確保位置の前記所定方向への移動限界を移動境界線として設定する境界線設定手段と、
   前記確保位置が前記移動境界線に達した状態で、前記一連の動作による作業が前記所定段階に達した際に、前記下部走行体を移動させる下部走行体移動手段と、
   を有し、
   前記下部走行体移動手段は、前記下部走行体の移動後の前記一連の動作による作業が、前記下部走行体の移動前の前記一連の動作による作業に連続するように、前記下部走行体を移動させることを特徴とする請求項１に記載の作業機械。
3. 前記確保動作は、前記アタッチメントで土砂を掘削する動作であり、
   前記放出動作は、前記アタッチメントが保持する前記土砂を排土する動作であることを特徴とする請求項１又は２に記載の作業機械。
4. 前記一連の動作を繰り返させる繰り返し手段を有し、
   前記繰り返し手段は、前記確保動作時における前記アタッチメントの先端の高さを変えながら、前記一連の動作を繰り返させ、
   土砂を掘削する深さの制限深さを設定する制限深さ設定手段を有し、
   前記位置移動手段は、掘削時の深さが前記制限深さに達した際に、次の前記一連の動作における前記確保位置および前記放出位置をそれぞれ移動させることを特徴とする請求項３に記載の作業機械。
5. 前記一連の動作を繰り返させる繰り返し手段を有し、
   前記一連の動作を繰り返す回数を所定回数として設定する回数設定手段を有し、
   前記位置移動手段は、前記一連の動作が前記所定回数繰り返された際に、次の前記一連の動作における前記確保位置および前記放出位置をそれぞれ移動させることを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の作業機械。

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