JP7170084B2 - 作業機械制御システム - Google Patents

Description

本発明は、作業機械制御システムに関する。

作業装置を備えた作業機械において、作業を自動化することで生産性を向上させることが可能となる。特許文献１に記載の技術においては、作業機械が実行する一連の作業をタスクとして設定し、タスクに従って作業機械が稼働する。

特許第５１１０７４１号公報

しかしながら、従来の技術では、タスクを自動実行している作業機械の近傍で、作業員（手元作業者）が作業を行うのが困難であるという課題があった。

オペレータが搭乗して操作する作業機械においては、オペレータと手元作業者はコミュニケーションを取りながら作業を行う。しかしながら、特許文献１に記載されるような、タスクを自動で実行する作業機械では、手元作業者は機械とコミュニケーションを取ることができないため、機械がどのように動くかが分からず、近づいて作業を行いたくても近づくことができなくなり作業性が落ちてしまう可能性がある。また、手元作業員が思っていた動きとは異なる動きを作業機械が行った場合には手元作業員と作業機械が接触してしまうリスクもある。

本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、タスクを自動実行している作業機械の近傍で、作業員がより容易に作業を行えるようにする作業機械制御システムを提供することを目的とする。

本発明に係る作業機械制御システムの一例は、実行すべき作業としてのタスクを自動で実行する作業機械と、タスクの実行を制御するタスク制御装置とを備える、作業機械制御システムであって、前記作業機械は、タスクを実行するために用いられる油圧アクチュエータと車体制御装置とを有し、前記車体制御装置は、タスク内容情報の入力を受け付けるタスク内容入力部と、前記タスク内容情報に基づき、前記油圧アクチュエータの速度指令を演算する動作制御部と、タスク制御情報の入力を受け付けるタスク制御入力部を有する前記タスク制御装置から出力される前記タスク制御情報を受信する受信部と、前記タスク制御情報に基づいてタスクの実行を制御するタスク制御部とを備える。

本発明に係る作業機械制御システムによれば、タスクを自動実行している作業機械の近傍で、作業員がより容易に作業を行うことができる。たとえば、手元作業者が作業機械のタスクの実行をコントロールすることが可能となるため、作業機械に接近して作業を行うことができ生産性と安全性が向上する。

本発明の第１の実施形態による作業機械の外観を示す図。 本発明の第１の実施形態によるタスク制御装置の外観を示す図。 本発明の第１の実施形態によるシステム構成を示す図。 本発明の第１の実施形態による制御フローを示す図。 本発明の第２の実施形態によるシステム構成を示す図。 本発明の第２の実施形態による制御フローを示す図。 本発明の第３の実施形態によるシステム構成を示す図。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
［第１の実施形態］
図１～４を参照して、本発明による作業機械制御システムの第１の実施形態について説明する。

図１は、本発明による第１の実施形態による作業機械１の外観を示す図である。作業機械制御システムは作業機械１を備える。作業機械１は、タスクを実行することにより自動的に動作することができる。

作業機械１はフロント作業装置１ａと上部旋回体１ｂと下部走行体１ｃとを備える。フロント作業装置１ａは、ブーム２とアーム３とバケット４とを備える。ブーム２はブームシリンダ５により駆動され、アーム３はアームシリンダ６により駆動され、バケット４はバケットリンク２０を介してバケットシリンダ７により駆動されるようになっている。ブームシリンダ５、アームシリンダ６、バケットシリンダ７は、油圧アクチュエータの例である。作業機械１は、これら以外の油圧アクチュエータを備えてもよい。油圧アクチュエータは、タスクを実行するために用いられる。

上部旋回体１ｂは下部走行体１ｃに対して旋回可能に構成され、旋回装置８により旋回することができるようになっている。下部走行体１ｃの左右には無限軌道装置２１が設けられており、それぞれ走行装置９により駆動されるようになっている（左側のみ図示する）。

上部旋回体１ｂには、原動機１０と、原動機１０によって駆動される油圧ポンプ１１と、油圧ポンプ１１からの圧油をブームシリンダ５、アームシリンダ６、バケットシリンダ７、旋回装置８、走行装置９に分配する制御弁１２とが設けられている。

フロント作業装置１ａの姿勢を検知するため、ブーム２にはブーム角度センサ３０が設けられ、アーム３にはアーム角度センサ３１が設けられ、バケットリンク２０にはバケット角度センサ３２が設けられている。

上部旋回体１ｂには、上部旋回体１ｂの傾斜角を検知するための車体傾斜角センサ３３と、上部旋回体１ｂと下部走行体１ｃの相対角度を検知するための旋回角度センサ３４と、上部旋回体１ｂの位置と向きを検知するためのＧＮＳＳアンテナ３５とが設けられている。

図２は本発明による第１の実施形態によるタスク制御装置の外観を示す図である。タスク制御装置４０はタスクの実行を制御する装置である。作業機械制御システムはタスク制御装置４０を備える。

タスク制御装置４０は、タスクの開始指示の入力を受け付ける開始指示入力装置４１と、タスクの停止指示の入力を受け付ける停止指示入力装置４２と、タスクの速度指示の入力を受け付ける速度指示入力装置４３と、タスクを切り替えるタスク切替指示の入力を受け付けるタスク切替入力装置４４と、を備える。タスク切替入力装置４４は、順方向切替ボタン４４ａおよび逆方向切替ボタン４４ｂを備える。

開始指示入力装置４１と停止指示入力装置４２とタスク切替入力装置４４とは、たとえば押しボタンであり、ＯＮ／ＯＦＦで入力できるようになっている。速度指示入力装置４３は、たとえばスライド式のレバーとなっており、任意の値を入力できるようになっている。

図３は本発明による第１の実施形態によるシステム構成を示す図である。タスク制御装置４０は、開始指示入力装置４１と停止指示入力装置４２と速度指示入力装置４３とタスク切替入力装置４４とから、タスク制御情報の入力を受け付ける、タスク制御入力部４６と、タスク制御入力部４６に入力されたタスク制御情報を送信する、送信部４７と、を備える。

タスク制御情報は、上述の、タスクの開始指示、タスクの停止指示、タスクの速度指示、タスク切替指示、等を含むことができる。

作業機械１は、図３に示す車体制御装置５０と、車体位置検出装置５７と、作業装置姿勢検出装置５８と、電磁比例弁６１とを備える。また、作業機械１に関連して、外部システム５３が設けられる。

車体制御装置５０には、タスク制御装置４０から送信（出力）されたタスク制御情報を受信する受信部５１と、受信部５１で受信したタスク制御情報に基づいてタスクの実行を制御するタスク制御部５２とが備えられている。

車体制御装置５０は位置姿勢演算部５９を備える。位置姿勢演算部５９には、車体位置検出装置５７と作業装置姿勢検出装置５８とが接続される。位置姿勢演算部５９は、作業機械１の位置および姿勢を演算する。

車体制御装置５０は、さらに、タスク内容入力部５４と、動作計画部５５と、動作制御部５６と、電磁比例弁制御部６０とを備える。タスク内容入力部５４は、外部システム５３と接続されており、タスクの内容を表すタスク内容情報の入力を受け付ける。動作計画部５５は、タスク内容情報に基づいて車体の動作を計画し、動作計画情報を生成する。

動作制御部５６は、動作計画情報と、位置姿勢演算部５９で演算された車体の位置および姿勢とに基づいて、油圧アクチュエータの速度指令を演算する。ここで、上述のように動作計画情報はタスク内容情報に基づいて生成されるので、動作制御部５６は、タスク内容情報に基づいて油圧アクチュエータの速度指令を演算するということができる。

電磁比例弁制御部６０は、動作制御部５６からの速度指令に従って電磁比例弁６１を制御する。電磁比例弁制御部６０は電磁比例弁６１に接続されており、電磁比例弁６１を制御することによって作業機械１をタスクに応じて動作できるようになっている。なお、電磁比例弁６１は、油圧アクチュエータの制御に用いられる。

タスクとは、たとえば作業機械１が実行すべき作業をいう。具体例として、「土を掘削する」、「目的地まで走行して移動する」、等が挙げられる。タスク内容情報は、このような作業を特定する情報、作業対象となる地点を表す情報、等を含む。タスク内容情報は、複数のタスクに関する情報を含んでもよい。

動作計画情報とは、タスクを実行するための具体的な作業機械の各部の動作をいう。たとえば「土を掘削する」というタスクに関連する動作計画情報は、掘削した土をバケットに入れるためのバケットの動作を示す情報を含む。また、たとえば、「目的地まで走行して移動する」というタスクに関連する動作計画情報は、走行のための走行装置９の動作を示す情報を含む。

上記は例であり、当業者はタスク内容情報および動作計画情報の内容および形式を任意に定義することができる。なお、本実施形態ではタスク内容情報に基づいて動作計画情報が生成されるが、タスク内容情報と動作計画情報とが明確に区別される必要はない。たとえば、タスク内容情報が作業機械の各部の動作を示す情報を含んでいる場合には、タスク内容情報の一部または全部をそのまま動作計画情報として用いることができる。

タスク制御部５２は動作制御部５６に接続される。動作制御部５６は、動作計画部５５からの指示に従って電磁比例弁制御部６０に指令を出す際に、タスク制御部５２からのタスク制御情報を参照し、タスクの実行に関わる設定を変更できるようになっている。

図４は本発明による第１の実施形態による制御フローを示す図である。この制御フローは、たとえば車体制御装置５０によって実行される。

図４の処理において、Ｓ１０１で外部システム５３からタスク内容情報が入力されているかを確認する。タスク内容情報が入力されていなければ処理を終了する。タスク内容情報が入力されていた場合は、Ｓ１０２でタスク内容情報に基づいた車体の動作計画情報を生成する。

Ｓ１０３ではタスク制御装置４０からタスクの開始指示が受信されているかを確認する。開始指示が受信されていない場合には、図４の処理を終了する。開始指示が受信されていた場合は、タスク制御部５２がタスクの実行を開始する。本実施形態において、タスクを実行するとは、たとえば、動作計画情報によって表される作業機械の各部の動作を実行することをいう。

タスクの実行が開始された後、Ｓ１０４でタスクの速度指示が受信されているかを確認する。

速度指示が受信されていた場合はＳ１０５にて速度指示に従ってタスクを実行する。すなわち、タスク制御部５２は、実行中のタスクについて、速度指示に基づいてタスクの実行速度を制御する。速度指示が受信されていなかった場合には、Ｓ１０５は実行されない。

タスクの実行速度の実現方法は、当業者が適宜設計可能であるが、たとえば、ブーム２、アーム３およびバケット４の移動速度を変更することによってタスクの実行速度を変更することができる。

Ｓ１０６ではタスク制御装置４０からタスク切替指示が受信されているかを確認する。タスク切替指示が受信されていた場合は、Ｓ１０７で、タスク制御部５２がタスク切替指示に従ってタスクを切替える。たとえば、複数のタスクをタスク識別番号で互いに区別することができ、タスク切替指示が順方向切替ボタン４４ａの操作を示すものである場合には、現在実行中のタスクの実行を停止するとともに、それよりタスク識別番号が１つ大きいタスクの実行を開始する。同様に、タスク切替指示が逆方向切替ボタン４４ｂの操作を示すものである場合には、現在実行中のタスクの実行を停止するとともに、それよりタスク識別番号が１つ小さいタスクの実行を開始する。

タスクを切り替える際に必要な制御（その時点で実行中である動作の扱い等）については、当業者が適宜設計することができる。なお、タスク切替指示が受信されていなかった場合には、Ｓ１０７は実行されない。

Ｓ１０８では、タスク制御装置４０からタスクの停止指示が受信されているかを確認する。停止指示が受信されていた場合は、Ｓ１０９でタスク制御部５２がタスクの実行を停止し、図４の処理を終了する。タスクの実行を停止するとは、たとえば作業機械１におけるすべての油圧アクチュエータの動作を停止することを意味する。停止指示が受信されていなかった場合には、処理はＳ１０４に戻り、タスクの実行が継続される。

なお、図４にはとくに示さないが、タスクに係る動作計画の実行が完了した場合には、図４の処理を終了してもよい。

上述した第１の実施形態の作業機械制御システムによれば、作業機械１は外部システム５３から入力されたタスクに従って自動で作業を行うことが可能となっているが、加えてタスク制御装置４０からのタスク制御情報に従ってタスクを実行させることができる。

作業機械１の近くで作業を行う手元作業員がタスク制御装置４０を所持することで、作業機械１がタスクの実行を開始するタイミング、タスクの実行速度、タスクの切替え、タスクの停止をリアルタイムに指示することが可能となる。これによって、手元作業員は作業機械１の動きをコントロールしながら作業機械１に接近することが可能となるので、手元作業員は安心して作業機械１に近づくことでき、作業の生産性も向上させることができる。このように、タスクを自動実行している作業機械１の近傍で、作業員がより容易に作業を行えるようになる。

［第２の実施形態］
図５および６を参照して、本発明による作業機械制御システムの第２の実施形態について説明する。第１の実施形態と共通する部分については、説明を省略する場合がある。

図５は、本発明による第２の実施形態によるシステム構成を示す図である。車体制御装置５０は、通信監視部６２およびモード切替部６３をさらに備える。

通信監視部６２は受信部５１に接続され、タスク制御情報の通信状況を監視し、タスク制御情報の通信状況を判定することができる。通信状況は、たとえば、通信に障害が発生しているか否かによって表される。障害の例は通信が途絶している状況である。また、通信監視部６２は、動作制御部５６にも接続され、動作制御部５６に通信状況を伝えることが可能となっており、タスク制御情報の通信に障害が発生していると判定された場合には、動作制御部５６はタスクの実行を停止する。

本実施形態では、作業機械１は複数の動作モードのいずれかで選択的に動作可能である。動作モードの１つはタスク制御動作モードであり、この動作モードにおいて、作業機械１はタスク制御情報に基づいて動作する。たとえば、タスクの開始指示に応じてタスクの実行を開始し、タスクの停止指示に応じてタスクの実行を停止する。

また、動作モードの１つは非タスク制御動作モードであってもよく、この動作モードにおいて、作業機械１はタスク制御情報に関わらず動作してもよい。たとえば、タスク内容情報が入力されることに応じてタスクの実行を開始し、タスクに係る動作計画の実行が完了することに応じてタスクの実行を停止する。

モード切替部６３は動作制御部５６に接続されており、タスク制御情報に従ってタスクを実行するタスク制御動作モードにするかどうかを切替えることができるようになっている。すなわち、モード切替部６３は、作業機械１の動作モードを、タスク制御動作モードおよび他のモードに切り替えることができる。モード切替部６３は、作業機械１に設けられるボタン等の入力装置を備えてもよい。

図６は本発明による第２の実施形態による制御フローを示す図である。図４（第１の実施形態）と比較すると、Ｓ１１０およびＳ１１１が追加されている。

Ｓ１０２の後、Ｓ１１０で、作業機械１の動作モードがタスク制御動作モードであるかどうかを確認する。タスク制御動作モードである場合にはＳ１０３に進み、そうでない場合には図６の処理を終了する。

Ｓ１０３の後、Ｓ１１１で、タスク制御装置４０との通信状況を確認する。タスク制御情報の通信に障害が発生していると判定された場合には、Ｓ１０９で、動作制御部５６はタスクの実行を停止する。そうでない場合には、処理はＳ１０４に進む。

上述した第２の実施形態の作業機械制御システムによれば、タスク制御装置４０と車体制御装置５０との通信状況を確認し、通信に障害が発生した場合にはタスクの実行を停止するため、通信途絶により作業機械１を止められなくなったり、作業機械１が意図しない動きをすることが無くなる。

また、タスク制御動作モードを切り替えることで、タスク制御情報に関わらず作業機械１を動作させることができる。たとえば、タスク制御装置からの指示が無くても、タスク内容情報の受信に基づいて作業機械１を動作させることができる。

［第３の実施形態］
図７を参照して、本発明による作業機械制御システムの第３の実施形態について説明する。第１または第２の実施形態と共通する部分については、説明を省略する場合がある。

第３の実施形態によるタスク制御装置４０は、図２と同様のものを用いることができる。作業機械１には、タスク制御装置指定装置４５を備える。タスク制御装置指定装置４５は、タスク制御の対象とするタスク制御装置４０を指定することができる。

また、本実施形態では、タスク制御情報は、タスク制御装置を識別するタスク制御装置識別情報を含む。たとえば、複数台のタスク制御装置がタスク制御装置識別情報により区別されている場合において、各タスク制御装置は、タスク制御情報に、当該タスク制御装置自身を特定するタスク制御装置識別情報を含めて送信する。作業機械は、特定のタスク制御装置によってのみ制御可能となるように構成することができる。

図７は、本発明による第３の実施形態によるシステム構成を示す図である。車体制御装置５０はタスク制御装置指定装置４５およびタスク制御装置識別部６４を備える。タスク制御装置指定装置４５およびタスク制御装置識別部６４はタスク制御部５２に接続されている。なお、図７の例は、第２の実施形態（図５）に変更を加えたものとなっているが、第１の実施形態（図３）に変更を加えたものとすることも可能である。

タスク制御装置指定装置４５およびタスク制御装置識別部６４は、特定のタスク制御装置４０を識別するタスク制御装置識別情報の入力を受け付ける。たとえば、タスク制御装置指定装置４５は、３台のタスク制御装置を選択できるように異なる番号が表示された３つのボタンが設けられており、タスク制御装置識別情報はこれらのボタンにそれぞれ表示された番号に対応する。

タスク制御装置指定装置４５は、タスク制御装置識別情報の入力を受け付けて、これをタスク制御装置識別部６４に送信する。タスク制御装置識別部６４はこれを受信し、タスク制御部５２に対してタスク制御装置４０を指定する。タスク制御部５２は、タスク制御装置識別部６４によって指定されたタスク制御装置４０からのタスク制御情報のみに従うようになっている。尚、タスク制御装置指定装置４５およびタスク制御装置識別部６４は特定のタスク制御装置４０を指定できるだけでなく、初めにタスク制御情報の送信を行ってきたタスク制御装置４０を、特定のタスク制御装置として自動的に指定するようにしても良い。

タスク制御部５２は、タスク制御情報に含まれるタスク制御装置識別情報と，タスク制御装置識別部６４から入力されたタスク制御装置識別情報とが整合しない場合には、タスクを実行させない。

タスク制御装置識別情報が整合する場合には、タスク制御部５２は、第１または第２の実施形態と同様の制御を行うことができる。

上述した第３の実施形態の作業機械制御システムによれば、１台のタスク制御装置４０で複数台の作業機械１にタスク制御を指示することが可能となるため、効率的に作業を行うことができる。また、複数のタスク制御装置４０から１台の作業機械１にタスク制御が送信された場合でも、特定のタスク制御装置４０のみのタスク制御に従って動作させることができるため、意図しない動きとなることがない。

上述の第１～第３の実施形態において、タスク制御装置４０は図示した入力装置をすべて備える必要はなく、いずれかまたは複数の入力装置を省略してもよい。たとえば、図２の開始指示入力装置４１、停止指示入力装置４２、速度指示入力装置４３、タスク切替入力装置４４のうちいずれかを省略してもよい。

１…作業機械
５…ブームシリンダ（アクチュエータ）
６…アームシリンダ（アクチュエータ）
７…バケットシリンダ（アクチュエータ）
４０…タスク制御装置
４１…開始指示入力装置
４２…停止指示入力装置
４３…速度指示入力装置
４４（４４ａ，４４ｂ）…タスク切替入力装置
４５…タスク制御装置指定装置
４６…タスク制御入力部
４７…送信部
５１…受信部
５２…タスク制御部
５４…タスク内容入力部
６２…通信監視部
６３…モード切替部
６４…タスク制御装置識別部

Claims (8)

1. 作業を特定する情報および作業対象となる地点を表す情報を含むタスク内容情報に基づき、作業機械の各部の動作を示す動作計画情報を生成し、この動作計画情報に基づき、実行すべき作業としてのタスクを自動で実行する作業機械と、前記作業機械の周囲で作業を行う作業員に所持され、自動で実行される前記タスクの実行を制御するタスク制御装置とを備える、作業機械制御システムであって、
   前記作業機械は、油圧アクチュエータと、タスクを実行するために用いられる車体制御装置とを有し、
   前記タスク制御装置は、前記タスクの開始指示、停止指示を含むタスク制御情報の入力を受け付けるタスク制御入力部と、前記タスク制御情報を前記車体制御装置へ送信する送信部とを有し、
   前記車体制御装置は、
   前記タスクを自動で実行するための前記動作計画情報を生成するために外部システムから前記タスク内容情報の入力を受け付けるタスク内容入力部と、
   前記タスク制御装置から送信される前記タスク制御情報を受信する受信部と、
   前記タスク制御情報に基づいて前記タスクの自動での実行の設定を変更可能なタスク制御部と、
   前記油圧アクチュエータを制御する電磁比例弁制御部と、
   前記動作計画情報に基づき前記油圧アクチュエータの速度指令を演算し、前記速度指令を前記電磁比例弁制御部に出力するとともに、前記タスク制御部からの前記タスク制御情報に基づき、前記電磁比例弁制御部に前記速度指令を出力する際に前記タスクの自動での実行に関わる設定を変更する動作制御部と、
   を備えることを特徴とする、作業機械制御システム。
2. 請求項１の作業機械制御システムであって、
   前記タスク制御装置は、
   前記開始指示の入力を受け付ける開始指示入力装置と、
   前記停止指示の入力を受け付ける停止指示入力装置と、
   を備えることを特徴とする、作業機械制御システム。
3. 請求項１に記載の作業機械制御システムであって、
   前記タスク制御情報は、タスクの速度指示を含み、
   前記タスク制御装置は、前記速度指示の入力を受け付ける速度指示入力装置を備える、
   ことを特徴とする、作業機械制御システム。
4. 請求項１に記載の作業機械制御システムであって、
   前記タスク内容情報は、複数のタスクに関する情報を含み、
   前記タスク制御情報は、タスクを切り替えるタスク切替指示を含み、
   前記タスク制御装置は、前記タスク切替指示の入力を受け付けるタスク切替入力装置を備える、
   ことを特徴とする、作業機械制御システム。
5. 請求項１に記載の作業機械制御システムであって、
   前記作業機械は、前記タスク制御部による制御に基づいて動作するタスク制御動作モードで動作可能であり、
   前記車体制御装置は、前記作業機械の動作モードを、前記タスク制御動作モードおよび他のモードに切り替えるモード切替部を備える、
   ことを特徴とする、作業機械制御システム。
6. 請求項１に記載の作業機械制御システムであって、
   前記車体制御装置は、
   前記タスク制御情報の通信状況を監視する通信監視部を備え、
   前記タスク制御情報の通信に障害が発生していると判定された場合に、前記動作制御部はタスクの実行を停止する、
   ことを特徴とする、作業機械制御システム。
7. 請求項１に記載の作業機械制御システムであって、
   前記タスク制御情報は、前記タスク制御装置を識別するタスク制御装置識別情報を含み、
   前記作業機械は、前記タスク制御装置識別情報の入力を受け付けるタスク制御装置識別部を備える、
   ことを特徴とする、作業機械制御システム。
8. 請求項７に記載の作業機械制御システムであって、
   前記タスク制御部は、前記タスク制御情報に含まれる前記タスク制御装置識別情報と，前記タスク制御装置識別部から入力された前記タスク制御装置識別情報とが整合しない場合には、タスクを実行させない、
   ことを特徴とする、作業機械制御システム。

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