JP3707921B2 - 自動運転ショベル - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動運転ショベルに係わり、特に、所定の掘削制限深さ内において、順次掘削深度を変更しながら掘削することを可能にした自動運転ショベルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、油圧ショベルにおける掘削および掘削深さの制限方法としては、例えば、特公昭６３−３７２１０号公報に示されるものが知られている。この掘削制限方法は、目標とする掘削制限深さを設定し、ブーム、アーム、バケットの各回動角度を検出する角度検出器を設けてそれぞれの回動角を検出し、その回動角を基に実際の掘削深さを演算し、また、ブーム、アーム、バケットをそれぞれ回動駆動する油圧シリンダの駆動方向を検出し、この駆動方向と角度検出器の検出結果とからブーム、アーム、バケットのうちで下降駆動しているものを判定し、実際の掘削深さが設定した深さに達したときに、下降駆動している関節の駆動のみを停止させ、掘削深さの制限を行うものである。
【０００３】
【発明か解決しようとする課題】
しかし、上記従来技術では、各関節の回動角を検出すると共に実際の掘削深さを逐次演算したり、また、各シリンダの駆動方向も検出しなければならず、そのための検出装置や演算装置を設けるため経済的負担が大きく、また検出したデータを処理して所望のデータとするための処理負担も大きく実用的でなかった。
【０００４】
本発明の目的は、上記の問題点を考慮して、自動運転ショベルにおいて、処理負担の少ない簡便な手段を用いることによって、掘削深さ制限を越えることなく掘削深度を変更しながら掘削を可能にした自動運転ショベルを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の目的を達成するために、次のような手段を採用した。
【０００６】
油圧ショベルと、この油圧ショベルに内蔵され、教示された掘削から放土までの一巡する動作を再生操作により繰り返し行わせる自動運転コントローラと、を備える自動運転ショベルにおいて、
前記自動運転コントローラは、掘削制限深さ、掘削位置データ及び任意に設定可能な掘削深度のシフト量を基に掘削深度の異なる掘削繰り返し可能回数を設定する手段と、
前記一巡する動作のうち、掘削動作の時には前記設定されたシフト量に応じて掘削深度を深めながら再生操作を行い、掘削動作以外の動作の時には前記掘削位置データに従い再生操作を行いながら前記一巡する動作を前記設定された回数繰り返させる手段と、を備えていることを特徴とする。
【０００７】
また、請求項１に記載の自動運転ショベルにおいて、
前記自動運転コントローラは、前記一巡する動作が前記設定された回数行われたとき、前記掘削深度および前記掘削繰り返し回数のカウントを初期値に設定する手段を備えていることを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の一実施形態を図１〜図５を用いて説明する。
【００１０】
図１は、本実施形態に関わる自動運転ショベルの作業形態の一例を示す図である。
【００１１】
図において、１は掘削から放土までの一連の動作を教示されて、再生操作時には、ストックヤード２に貯留された土石を掘削して旋回し、後述するクラッシヤ３に放土して再び旋回して掘削する一巡する作業を自動的に行う自動運転ショベル、３は自動運転ショベル１から放土された土石を砕石するクラッシャ、４は自動運転ショベル１の再生操作を行うのに適した任意の場所に設置された教示再生装置である。
【００１２】
自動運転ショベル１は、走行体１０と、走行体１０上に旋回可能に設けられた旋回体１１と、旋回体１１に回動可能に設けられたブーム１２と、ブーム１２の先端に回動可能に設けられたアーム１３と、アーム１３の先端に回動可能に設けられたバケツト１４と、ブーム１２，アーム１３，バケット１４とをそれぞれ回動動作するためのシリンダ１５，１６，１７と、旋回体１１に設けられた運転室１８と、教示再生装置４との間で信号の送受信を行うアンテナ１９とから構成されている。
【００１３】
また、自動運転ショベル１には、旋回体１１の旋回角を検出する角度センサ１１１、旋回体１１とブーム１２との回動角を検出する角度センサ１１２と、ブーム１２とアーム１３の回動角を検出する角度センサ１１３と、アーム１３とバケツト１４との回動角を検出する角度センサ１１４が設けられている。
【００１４】
また、クラッシャ３は、走行体３０と、ホッパ３１と、砕石部３２と、コンベア３３とから構成されており、３４はクラッシャ３によって砕かれた土石を示す。
【００１５】
また、教示再生装置４は、支持台４０と、支持台４０に固定された教示再生装置４１とから構成され、自動運転ショベル１のアンテナ１９との間で、信号の送受信を行うアンテナ４１５とを備えている。なお、教示再生装置４１は、起動ボタン４１１、停止ボタン４１２、非常停止ボタン４１３、教示時に操作される教示操作部４１４、および教示結果を表示する表示部４１４０を備え、教示再生装置４１本体は教示再生装置４と機械的かつ電気的に接続可能に設けられる。
【００１６】
次に、本実施形態に関わる自動運転ショベルの制御機構を図２に示すブロツク図を用いて説明する。
【００１７】
図において、４１６は再生時に操作される再生操作部、４１７は教示操作部４１４または再生操作部４１６から出力される信号を、後述する自動運転コントローラ５０に出力するための所定の信号に生成するためのコマンド生成部、４１８および５４はそれぞれ教示再生装置４１と自動運転コントローラ５０間の信号を送受信するための無線装置である。
【００１８】
なお、コマンド生成部４１７は、マイクロコンピュータを使用した一般的なコントローラで構成され、入力した信号に相当する指令コードを生成する機能を有する。
【００１９】
５は自動運転ショベルに搭載される車内搭載装置を示し、５０は自動運転を行うための種々の演算処理を行う自動運転コントローラ、５１は自動運転コントローラ５０から出力される駆動電流によって駆動される比例電磁弁、５２は比例電磁弁５１から出力される油圧信号により制御され、アクチュエータに流入する油量または油圧を制御するコントロールバルブ、５３は図１に示す自動運転ショベル１の各部を作動するためのシリンダ１５、１６、１７等のアクチユエータ、４１４’は教示操作部である。なお、図２において、図１に示すものと同一符号のものは説明を省略する。
【００２０】
教示時は、通常、運転室１８内に装着される教示操作部４１４’からの操作によって教示が行われ、自動運転コントローラ５０はその操作に従って、各角度センサ１１１〜１１４からの検出値を入力して演算し、後に説明するように所定の記憶量域に教示位置データおよび教示コマンドとして記憶する。なお、図において、教示操作部４１４は、運転室１８内の教示操作部４１４’からはずされて、教示再生操作装置４１に装着されているときの状態を示す。再生時は、再生操作部４１６から起動ボタン４１１をオンすることによって、コマンド生成部４１７において生成された所定の信号をアンテナ４１５および１９を介して自動運転コントローラ５０に送信し、再生処理を開始する。自動運転コントローラ５０において再生処理が開始されると、記憶されている教示位置デ一夕が逐次呼び出され、角度センサ１１１〜１１４から得られた現在位置情報と対比しながら、この教示位置データに合致するように、旋回体１１、ブーム１２、アーム１３、バケット１４をそれぞれ作動するための比例電磁弁５１に駆動電流を出力する。比例電磁弁５１から出力された信号はさらにコントロールバルブ５２を介して、各アクチユエータ５３を制御して自動運転ショベル１の自動運転が行われる。
【００２１】
次に、本実施形態に関わる自動運転ショベルにおける機能構成を図３に示すブロック図を用いて説明する。
【００２２】
５０１は角度センサ１１１〜１１４において検出された角度信号を現在の位置データに演算する現在位置演算部、５０２は教示時、教示操作部４１４または４１４’からの操作により、教示コマンドと、現在位置演算部５０１から得られた自動運転ショベル１の現在位置を、教示位置データとして出力する教示処理部、５０３は教示処理部５０２から出力された教示コマンドを格納する教示コマンド格納部、５０４は教示処理部５０２から出力された教示位置データを格納する教示位置格納部、５０５は再生操作部４１６からの起動信号により起動されたとき、教示コマンド格納部５０３に格納されている教示コマンドを逐次解釈して、教示位置格納部５０４から所定の教示位置データの出力を指示するコマンドインタプリタ部、５０６はコマンドインタプリタ部５０５からの指令に応じて教示位置格納部５０４から教示位置データを出力処理する教示位置出力部、５０７は自動運転ショベル１が各教示位置間を円滑に動作するように、教示位置出力部５０６の教示位置データから、教示位置データ間の補間した教示位置データを作成し出力するサーボ前処理部、５０８はサーボ前処理部５０７から出力された、補間された教示位置データと、現在位置演算部５０１から出力される現在位置データとを対比して、自動運転ショベル１の各部を所定の位置に制御するための駆動電流を出力するサーボ制御部、５０９は１サイクルの動作の終了後に、ブーム下げ等によってフロントを下方にシフトさせて、前回よりも下方を掘削するためのフロントのシフト量αが記億されるシフト量格納部、５１０は掘削の制限深さＨを設定するための制限深さ設定部、５１１は教示位置格納部５０４のからの教示された掘削位置データとシフト量格納部５０９のシフト量αと制限深さ設定部５１０からの掘削制限深Ｈとから、何サイクルの掘削動作が可能かを演算する掘削回数演算部、５１２は掘削回数演算部５１１によって演算された掘削繰り返し可能回数Ｎを記憶する掘削回数格納部、５１３は、教示位置格納部５０４からの掘削位置データ、シフト量格納部５０９からのシフト量α、および掘削回数格納部５１２に記憶された掘削繰り返し可能回数Ｎに基づいて各サイクルにおけるフロント角度を演算するとともに、掘削位置において何サイクルの掘削動作を行ったかをカウントし判定するフロント角度演算および掘削回数判定部である。
【００２３】
次に、本実施形態の自動運転ショベルの動作を図３に基づいて説明する。
【００２４】
教示操作は、教示操作部４１４または４１４’から操作される。通常は、教示操作部４１４’が自動運転ショベル１の運転室１８内に装着され、運転室から教示操作か行われる。教示操作部４１４’が運転室１８に装着され、教示操作が行われると、その指令は教示処理部５０２に入力され、教示処理部５０２で現在位置演算部５０１から現在位置データを入力して、各教示点に対応する教示コマンドと教示位置データを生成する。生成された教示コマンドと教示位置データはそれぞれ、教示コマンド格納部５０３と教示位置格納部５０４に格納される。
【００２５】
ここで、教示コマンドとは、例えば、ｖ＝０．７のような速度の指令命令、ｍｏｖｅＰ１、ｍｏｖｅＰ２、・・・ｍｏｖｅＰｎのような位置の動作命令から構成される。ここでｖは速度を表すコマンド、ｍｏｖｅは動作を表すコマンド、Ｐ１・・Ｐｎはラベルを表す。
【００２６】
これらの教示コマンドのパラメータは、自動運転ショベルの各部の関節の角度情報を示すラベルに相当し、そのラベル情報は、教示位置データとして教示位置格納部５０４に格納される。
【００２７】
また、この教示の際に、掘削深さ設定部５１０において掘削制限深さＨを予め設定する。これにより、掘削深さ設定部５１０に記憶されている掘削制限深さＨと、教示位置格納部５０４に記憶されている掘削位置データと、シフト量格納部５０９に記憶されているシフト量αとを基に、繰り返し掘削可能な回数Ｎを掘削回数演算部５１１において演算し、得られた結果を掘削回数格納部５１２に格納する。
【００２８】
再生処理は、起動ボタン４１１をオンすることによって、コマンドインタプリタ部５０５が、起動命令により教示コマンド格納部５０３に格納されている教示コマンドを順次読み出し実行する。教示コマンドがｍｏｖｅ命令の場合には、教示位置出力部５０６に、教示位置格納部５０４から該当するパラメータを出力し、サーボ前処理部５０７に転送する。サーボ前処理部５０７は、コマンドインタプリタ部５０５から与えられた目標速度で各関節が動作するように角度の補間計算を行い、サーボ制御部５０８に角度目標値を出力する。
【００２９】
掘削位置におけるフロント各部の角度は、フロント角度演算および掘削回数判定部５１３において演算されたフロント角度が教示位置出力部５０６に出力される。
【００３０】
サーボ制御部５０８は、現在位置演算部５０１で演算された現在位置を基に、一般的なフィードバック制御を行い、比例電磁弁５１を駆動するための駆動電流を出力する。これによりコントロールバルブ５２が制御されてアクチュエータ５３に所定の圧油を供給し、自動運転ショベル１の各関節を駆動する。
【００３１】
また、１サイクルの掘削動作が終了する毎に、フロント角度演算および掘削回数判定部５１３では、掘削回数をカウントし、今回の掘削動作時のフロント角度を設定するためにシフト量αを加算する演算を行い、前回よりも下方の掘削動作を行えるようにする。また、掘削回数をカウントして、繰り返し掘削可能回数よりも少ない場合は、シフト量を加算して掘削深度を深めていく。掘削回数が繰り返し掘削回数に達すると、掘削回数を初期値にセットするとともにフロント角度も初期値にセットする。この結果、自動運転における掘削制限深さＨ以上に掘削するのを防止することができる。
【００３２】
次に、図３に示す掘削回数演算部５１１における繰り返し掘削可能な回数の演算方法を、図４を用いて説明する。
【００３３】
図において、Ｇは自動運転ショベル１の接地面、Ｌ０は接地面Ｇからブーム１２の回転中心まての距離、Ｌ１はブーム長さ、Ｌ２はアーム長さ、Ｌ３はバケツト長さ、また、θ１は水平軸（ｘ）とブーム１２とのなす角度、θ２はブーム１２とアーム１３とのなす角度、θ３はアーム１３とバケット１４とのなす角度である。また、Ｈは制限深さ設定部５１０によって設定される掘削制限深さであり、掘削軌跡１は教示操作によって得られた自動運転における１サイクル目の掘削軌跡、掘削軌跡２および掘削軌跡３はそれぞれ、１サイクルの終了後シフト量格納部５０９に記憶されているシフト量αのフロントの下げ動作（ここではブーム下げを例とする）を行って、前回よりも下方に掘削する場合の掘削軌跡を示す。
【００３４】
掘削軌跡１におけるバケット先端Ｃの座標（ｘ，ｙ）は、教示位置格納部５０４に記憶されている教示位置データと、フロント各部の寸法を基に（１）および（２）式の演算によって求めることができる。
【００３５】

また、掘削軌跡２および掘削軌跡３におけるバケット先端Ｃの座標（ｘ，ｙ）は、掘削軌跡１におけるブーム角度θ１にシフト量αを順次足し合わせることによって、それぞれ（３）、（４）式および（５）、（６）式のように求めることができる。
【００３６】
ｘ＝Ｌ１ｃｏｓ（θ１＋α）＋Ｌ２ｃｏｓ（θ１＋α＋θ２）
＋Ｌ３ｃｏｓ（θ１＋α＋θ２＋θ３） （３）
ｙ＝Ｌ１ｓｉｎ（θ１＋α）＋Ｌ２ｓｉｎ（θ１＋α＋θ２）
＋Ｌ３ｓｉｎ（θ１＋α＋θ２＋θ３） （４）
ｘ＝Ｌ１ｃｏｓ（θ１＋２α）＋Ｌ２ｃｏｓ（θ１＋２α＋θ２）
＋Ｌ３ｃｏｓ（θ１＋２α＋θ２＋θ３） （５）
ｙ＝Ｌ１ｓｉｎ（θ１＋２α）＋Ｌ２ｓｉｎ（θ１＋２α＋θ２）
＋Ｌ３ｓｉｎ（θ１＋２α＋θ２＋θ３） （６）
ここで、図に示すように、掘削軌跡１および掘削軌跡２では掘削軌跡全域においてｙ＋Ｌ０＜Ｈであるので、掘削制限深さＨ以上の掘削を行うことがない。
【００３７】
ところが、掘削軌跡３では、ｙ＋Ｌ０＞Ｈとなり、掘削制限深さＨよりも深く掘削を行ってしまうことになる。従って、この場合の繰り返し掘削可能な回数は２回と求めることができる。
【００３８】
次に、図３に示すフロント角度演算および掘削回数判定部５１３における処理手順を図５に示すフローチヤートを用いて説明する。
【００３９】
図５において点線５１３に示す範囲がフロント角度演算および掘削回数判定部５１３における処理を表す。
【００４０】
ここで、ｎは現在の掘削の繰り返し回数、Ｎは図３に示す掘削回数格納部５１２に記億されている掘削繰り返し可能回数を表す。
【００４１】
まず、自動運転開始時には、ステップ１において現在の掘削繰り返し回数ｎを１、ブーム角度θ１を教示位置格納部から入手した教示位置データに基づいてθ１にセットする。次に、ステップ２において、掘削繰り返し回数ｎが掘削繰り返し可能回数Ｎに達しているか否かを判断し、今の場合、掘削繰り返し回数ｎ＝１であるので、ステップ３において、ブーム角度はθ１、その他のフロント各部はそれぞれ教示位置格納部５０４に格納されている教示位置データ（掘削位置データ）に基づく角度で掘削を行う。次いで教示位置格納部５０４から教示位置データ（掘削位置データ）を逐次読み出し、ステップ４でホッパ３１に放土するために旋回（旋回１）し、ステップ５でホッパ３１に放土し、ステップ６では再び掘削するために旋回（旋回２）する。次に、自動運転の一巡後、ステップ７で掘削回数をカウントするために掘削繰り返し回数ｎに１を加算する。次いで、ステップ８において、掘削深度を深めて掘削するためにブーム角度θ１にシフト量αを加算する。そして再びステップ２からの処理を繰り返す。ステップ２で、掘削繰り返し回数ｎが掘削繰り返し可能回数Ｎより大きくなった場合、ステップ１に戻り、再び、掘削繰り返し回数ｎを１に、またブーム角度θ１をθ１にセットし、再び、ステップ２以降の処理を繰り返す。
【００４２】
上記のごとく、本実施形態によれば、前もって、掘削制限深さＨに相当する制限量を掘削繰り返し可能回数Ｎとして設定しておくことができるので、自動運転中に複雑な判定処理を行うこと無しに簡便な手段をもちいることによって、掘削深さの制限を行うことができ、自動運転ショベルの信頼性を向上させることができる。またそれとともに、シフト量αを任意に設定することができるので、掘削深さの制限内で掘削繰り返し可能回数Ｎを任意に設定することができ、自動運転における効率の良い掘削を行うことができる。
【００４３】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、掘削制限深さに対応して掘削深度の異なる掘削の繰り返し可能回数を設定する手段を設けたので、掘削制限深さに相当する制限量を掘削繰り返し可能回数として設定しておくことができるので、自動運転中に複雑な判定処理を行うこと無しに簡便な手段を用いて掘削深さの制限を行うことができ、自動運転ショベルの信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係わる自動運転ショベルの作業形態の一例を示す図である。
【図２】本実施形態に係わる自動運転ショベルの制御機構を示すブロック図である。
【図３】本実施形態に係わる自動運転ショベルの機能構成を示すブロック図である。
【図４】本実施形態に係わる図３に示す掘削回数演算部５１１における演算方法を説明するための図である。
【図５】本実施形態に係わる自動運転コントローラ５０における処理手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ 自動運転ショベル
３ クラッシャ
４ 教示再生装置
５ 車内搭載装置
５０ 自動運転コントローラ
１１１〜１１４ 角度センサ
４１４，４１４’ 教示操作部
４１６ 再生操作部
５０１ 現在位置演算部
５０２ 教示処理部
５０３ 教示コマンド格納部
５０４ 教示位置格納部
５０５ コマンドインタプリタ部
５０６ 教示位置出力部
５０７ サーボ前処理部
５０８ サーボ制御部
５０９ シフト量格納部
５１０ 制限深さ設定部
５１１ 掘削回数演算部
５１２ 掘削回数格納部
５１３ フロント角度演算および掘削回数判定部

Claims (2)

1. 油圧ショベルと、この油圧ショベルに内蔵され、教示された掘削から放土までの一巡する動作を再生操作により繰り返し行わせる自動運転コントローラと、を備える自動運転ショベルにおいて、
   前記自動運転コントローラは、掘削制限深さ、掘削位置データ及び任意に設定可能な掘削深度のシフト量を基に掘削深度の異なる掘削繰り返し可能回数を設定する手段と、
   前記一巡する動作のうち、掘削動作の時には前記設定されたシフト量に応じて掘削深度を深めながら再生操作を行い、掘削動作以外の動作の時には前記掘削位置データに従い再生操作を行いながら前記一巡する動作を前記設定された回数繰り返させる手段と、を備えていることを特徴とする自動運転ショベル。
2. 請求項１の記載において、
   前記自動運転コントローラは、前記一巡する動作が前記設定された回数行われたとき、前記掘削深度及び前記掘削繰り返し回数のカウントを初期値に設定する手段を備えていることを特徴とする自動運転ショベル。

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