JP7261111B2 - 作業機械、および作業機械の制御方法 - Google Patents

Description

本開示は、作業機械と、作業機械の制御方法とに関する。

ショベルに関し、特開２０１９－７１７３号公報（特許文献１）には、オペレータが意図しないショベルの動作として、オペレータによる走行体の操作が行なわれていないにも関わらず、掘削反力によりショベルが前方に引き摺られる前方引き摺り動作、および、均し作業における地面からの反力によりショベルが後方に引き摺られる後方引き摺り動作が例示されている。

特開２０１９－７１７３号公報

上記文献には、オペレータが意図しないショベルの動作は、アタッチメント、すなわちブーム、アーム、バケットの動作に起因しており、アタッチメントを制御することにより意図しない動作を抑制できると記載されている。具体的には、ブームを駆動する油圧アクチュエータであるブームシリンダの動作を補正することにより、ショベルの引き摺り動作を抑制できると記載されている。

走行体と、旋回可能に走行体に搭載される旋回体とを備えるショベルにおいては、旋回体が走行体に対して旋回するときの走行体のスリップの発生を抑制することが作業効率上望ましいが、上記文献にはこのような観点からの記載はない。

本開示では、旋回体の旋回によるスリップの発生を抑制できる、作業機械、および作業機械の制御方法が提供される。

本開示に従うと、走行体と、走行体に旋回可能に搭載された旋回体と、作業機械の動作を制御するコントローラとを備える、作業機械が提供される。コントローラは、作業機械の自動運転中に、旋回体の旋回動作時における走行体のスリップの発生を判断する。コントローラは、スリップが発生したと判断すると、旋回動作時に発生する回転慣性力を低減する処理を実行する。

本開示に従えば、旋回体の旋回によるスリップの発生を抑制することができる。

実施形態に基づく油圧ショベルの外観図である。 実施形態に基づく油圧ショベルのシステム構成の概略を示す図である。 旋回体の旋回を制御するための構成を示す図である。 実施形態に基づく油圧ショベルの一部電気的構成を示すブロック図である。 コントローラの機能的構成を表したブロック図である。 ダンプトラックへの排土のための油圧ショベルの旋回動作を示す模式図である。 旋回減速中の油圧ショベルのスリップの発生状況を示す模式図である。 旋回減速中の油圧ショベルにスリップが発生した場合の処理の流れを示すフロー図である。 旋回減速中に発生する回転慣性力を低減する第１の処理を説明するためのグラフである。 旋回減速中に発生する回転慣性力を低減する第２の処理を説明するための模式図である。 旋回減速中に発生する回転慣性力を低減する第３の処理を説明するための模式図である。 油圧ショベルを含むシステムの概略図である。

以下、実施形態について図に基づいて説明する。以下の説明では、同一部品には、同一の符号を付している。それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰り返さない。

図１は、実施形態に基づく油圧ショベル１００の外観図である。図１に示されるように、作業機械として、本例においては、主に油圧ショベル１００を例に挙げて説明する。

油圧ショベル１００は、本体１と、油圧により作動する作業機２とを有している。本体１は、旋回体３と、走行体５とを有している。走行体５は、一対の履帯５Ｃｒと、走行モータ５Ｍとを有している。走行モータ５Ｍは、走行体５の駆動源として設けられている。走行モータ５Ｍは、油圧により作動する油圧モータである。

油圧ショベル１００の動作時には、走行体５、より具体的には履帯５Ｃｒが、地面に接触している。走行体５は、履帯５Ｃｒの回転により地面を走行可能である。なお、走行体５が車輪（タイヤ）を有していてもよい。

旋回体３は、走行体５の上に配置され、かつ走行体５により支持されている。旋回体３は、旋回軸ＲＸを中心として走行体５に対して旋回可能に、走行体５に搭載されている。旋回体３は、キャブ４を有している。油圧ショベル１００の乗員（オペレータ）は、このキャブ４に搭乗して、油圧ショベル１００を操縦する。キャブ４には、オペレータが着座する運転席４Ｓが設けられている。オペレータは、キャブ４内において油圧ショベル１００を操作可能である。オペレータは、キャブ４内において、作業機２の操作が可能であり、走行体５に対する旋回体３の旋回操作が可能であり、また走行体５による油圧ショベル１００の走行操作が可能である。

旋回体３は、エンジンが収容されるエンジンルーム９と、旋回体３の後部に設けられるカウンタウェイトとを有している。エンジンルーム９には、後述するエンジン３１および油圧ポンプ３３などが配置されている。

旋回体３において、エンジンルーム９の前方に手すり１９が設けられている。手すり１９には、アンテナ２１が設けられている。アンテナ２１は、たとえばＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite Systems：全地球航法衛星システム）用のアンテナである。アンテナ２１は、車幅方向に互いに離れるように旋回体３に設けられた第１アンテナ２１Ａおよび第２アンテナ２１Ｂを有している。

作業機２は、旋回体３に搭載されており、旋回体３によって支持されている。作業機２は、ブーム６と、アーム７と、バケット８とを有している。ブーム６は、旋回体３に回転可能に連結されている。アーム７はブーム６に回転可能に連結されている。バケット８は、アーム７に回転可能に連結されている。バケット８は、複数の刃を有している。バケット８の先端部を、刃先８ａと称する。

なお、バケット８は、刃を有していなくてもよい。バケット８の先端部は、ストレート形状の鋼板で形成されていてもよい。

ブーム６の基端部は、ブームピン１３を介して旋回体３に連結されている。アーム７の基端部は、アームピン１４を介してブーム６の先端部に連結されている。バケット８は、バケットピン１５を介してアーム７の先端部に連結されている。

なお本実施形態においては、作業機２を基準として、油圧ショベル１００の各部の位置関係について説明する。

作業機２のブーム６は、旋回体３に対して、ブーム６の基端部に設けられたブームピン１３を中心に回転する。旋回体３に対して回転するブーム６の特定の部分、たとえばブーム６の先端部が移動する軌跡は円弧状であり、その円弧を含む平面が特定される。油圧ショベル１００を平面視した場合に、当該平面は直線として表される。この直線の延びる方向が、油圧ショベル１００の本体１の前後方向、または旋回体３の前後方向であり、以下では単に前後方向ともいう。油圧ショベル１００の本体１の左右方向（車幅方向）、または旋回体３の左右方向とは、平面視において前後方向と直交する方向であり、以下では単に左右方向ともいう。車両本体の上下方向、または旋回体３の上下方向とは、前後方向および左右方向によって定められる平面に直交する方向であり、以下では単に上下方向ともいう。

前後方向において、油圧ショベル１００の本体１から作業機２が突き出している側が前方向であり、前方向と反対方向が後方向である。前方向を視て左右方向の右側、左側がそれぞれ右方向、左方向である。上下方向において地面のある側が下側、空のある側が上側である。

前後方向とは、キャブ４内の運転席４Ｓに着座したオペレータの前後方向である。運転席４Ｓに着座したオペレータに正対する方向が前方向であり、運転席４Ｓに着座したオペレータの背後方向が後方向である。左右方向とは、運転席４Ｓに着座したオペレータの左右方向である。運転席４Ｓに着座したオペレータが正面に正対したときの右側、左側がそれぞれ右方向、左方向である。上下方向とは、運転席４Ｓに着座したオペレータの上下方向である。運転席４Ｓに着座したオペレータの足元側が下側、頭上側が上側である。

ブーム６は、ブームピン１３を中心に回転可能である。アーム７は、アームピン１４を中心に回転可能である。バケット８は、バケットピン１５を中心に回転可能である。アーム７およびバケット８のそれぞれは、ブーム６の先端側で移動可能な可動部材である。ブームピン１３、アームピン１４およびバケットピン１５は、すなわち左右方向に延びている。

作業機２は、ブームシリンダ１０と、アームシリンダ１１と、バケットシリンダ１２とを有している。ブームシリンダ１０は、ブーム６を駆動する。アームシリンダ１１は、アーム７を駆動する。バケットシリンダ１２は、バケット８を駆動する。ブームシリンダ１０、アームシリンダ１１、およびバケットシリンダ１２のそれぞれは、作動油によって駆動される油圧シリンダである。

バケットシリンダ１２は、アーム７に取り付けられている。バケットシリンダ１２が伸縮することにより、アーム７に対してバケット８が回転する。作業機２は、バケットリンクを有している。バケットリンクは、バケットシリンダ１２とバケット８とを連結している。

油圧ショベル１００には、コントローラ２６が搭載されている。コントローラ２６は、油圧ショベル１００の動作を制御する。コントローラ２６の詳細は後述する。

図２は、実施形態に基づく油圧ショベル１００のシステム構成を示すブロック図である。図２に示されるように、油圧ショベル１００は、コントローラ（メインコントローラ）２６と、エンジン３１と、油圧ポンプ３３と、タンク３５と、メインバルブ４０と、旋回モータ３Ｍとを備えている。

図２に示されるシステムは、油圧ポンプ３３がエンジン３１によって駆動され、油圧ポンプ３３から吐出された作動油がメインバルブ４０を介して各種の油圧アクチュエータに供給されるように、構成されている。油圧アクチュエータへの油圧の供給および排出が制御されることにより、作業機２の動作、旋回体３の旋回、および走行体５の走行動作が制御される。油圧アクチュエータは、ブームシリンダ１０、アームシリンダ１１、バケットシリンダ１２および旋回モータ３Ｍと、図１に示される走行モータ５Ｍとを含んでいる。旋回モータ３Ｍは、旋回体３を旋回させる駆動源として設けられている。

エンジン３１は、たとえばディーゼルエンジンである。エンジンコントローラ３６は、エンジン３１の動作を制御する。エンジン３１への燃料の噴射量がエンジンコントローラ３６によって制御されることにより、エンジン３１の出力が制御される。エンジン３１は、油圧ポンプ３３に連結するための駆動軸を有している。

油圧ポンプ３３は、作業機２の駆動および旋回体３の旋回に用いる作動油を供給する。油圧ポンプ３３は、エンジン３１の駆動軸に連結されている。エンジン３１の回転駆動力が油圧ポンプ３３に伝達されることにより、油圧ポンプ３３が駆動される。油圧ポンプ３３は、斜板を有し、斜板の傾転角が変更されることにより吐出容量を変化させる可変容量型の油圧ポンプである。

タンク３５は、油圧ポンプ３３が利用する油を蓄えるタンクである。タンク３５内に貯留された油が、油圧ポンプ３３の駆動によってタンク３５から吸い出され、作動油用油路４２を経由してメインバルブ４０に供給される。

メインバルブ４０は、ロッド状のスプールを動かして作動油が流れる方向を切り換えるスプール方式の弁である。メインバルブ４０は、ブームシリンダ１０、アームシリンダ１１、バケットシリンダ１２および旋回モータ３Ｍのそれぞれの作動油の供給量を調整するそれぞれのスプールを有している。各スプールが軸方向に移動することにより、油圧アクチュエータ、すなわちブームシリンダ１０、アームシリンダ１１、バケットシリンダ１２および旋回モータ３Ｍに対する作動油の供給量が調整される。作動油は、油圧アクチュエータを作動するために、その油圧アクチュエータに供給される油である。

油圧ポンプ３３から送出された油の一部は、作動油用油路４２から分岐してパイロット油路５０へ流入する。油圧ポンプ３３から送出された油の一部が自己圧減圧弁５２で減圧され、その減圧された油がパイロット油として使用される。パイロット油は、メインバルブ４０のスプールを作動するために、メインバルブ４０に供給される油である。

パイロット油路５０には、ＥＰＣ弁（電磁比例制御弁）５４が設けられている。ブームシリンダ１０、アームシリンダ１１、バケットシリンダ１２および旋回モータ３Ｍのそれぞれの作動油の供給量を調整するそれぞれのスプール毎に、それぞれのＥＰＣ弁５４が設けられている。ＥＰＣ弁５４は、コントローラ２６からの制御信号（ＥＰＣ電流）に基づいて、パイロット油の油圧（パイロット油圧）を調整する。ＥＰＣ弁５４は、コントローラ２６からの制御信号に基づいて制御される。

ＥＰＣ弁５４は、メインバルブ４０の一対の受圧室の各々に供給されるパイロット油のパイロット油圧を調整して、メインバルブ４０を経由して油圧アクチュエータに供給される作動油の供給量を調整する。各油圧アクチュエータに供給される作動油の流れ方向および流量がメインバルブ４０によって調整され、各油圧アクチュエータへの作動油の供給が制御されることにより、各油圧アクチュエータの出力が制御される。これにより、作業機２の動作および旋回体３の旋回動作が制御される。

図３は、旋回体３の旋回を制御するための構成を示す図である。走行体５に対する旋回体３の旋回に用いる作動油が流れる作動油用油路４２は、旋回モータ３Ｍへ供給される作動油が流れる供給油路４３と、旋回モータ３Ｍから排出される作動油が流れる排出油路４４とを有している。供給油路４３に、油圧ポンプ３３と、メータイン絞り６１とが設けられている。排出油路４４に、メータアウト絞り６２が設けられている。メータアウト絞り６２は、開口面積を変更可能である。メータアウト絞り６２の開口面積を変更することで、排出油路４４を流れる作動油の流量を制御可能である。

図３に示されるメインバルブ４０は、旋回モータ３Ｍに対する作動油の供給量を調整する旋回スプール４１を有している。メータイン絞り６１とメータアウト絞り６２とは、旋回スプール４１に含まれている。

旋回モータ３Ｍとメータアウト絞り６２との間の排出油路４４から分岐する分岐ラインに、リリーフ弁６６が設けられている。リリーフ弁６６の入力ポートは排出油路４４に接続されており、リリーフ弁６６の出力ポートはタンクに接続されている。旋回モータ３Ｍから流出して排出油路４４内を流れる作動油の圧力がリリーフ圧以上になると、リリーフ弁６６が開状態になって、排出油路４４内の作動油の一部がリリーフ弁６６を通過してタンクへ流れる。通常は、排出油路４４内の作動油の圧力がリリーフ圧よりも小さくなるように、作動油用油路４２内の作動油の流れが制御される。

旋回体３の旋回の減速度、すなわち、単位時間当たりの旋回速度の減少量は、メータアウト絞り６２を用いて制御される。コントローラ２６から制御信号を受けたＥＰＣ弁（図２）は、その開度を調整することにより、パイロット油圧を調整する。旋回スプール４１は、パイロット油圧に応じて軸方向に移動する。メータアウト絞り６２は、その旋回スプール４１の移動量に応じて、開口面積を変更する。

メータアウト絞り６２の開口面積を小さくすることにより、メータアウト側の排出油路４４内の作動油の圧力が高くなり、得られる制動力が大きくなる。これにより、旋回体３の減速度が大きくなり、旋回体３は短時間で急に減速する。メータアウト絞り６２の開口面積を大きくすることにより、メータアウト側の排出油路４４内の作動油の圧力が下がり、得られる制動力が小さくなる。これにより、旋回体３の減速度が小さくなり、旋回体３は緩やかに減速する。

図４は、実施形態に基づく油圧ショベル１００の一部電気的構成を示すブロック図である。図４に示されるように、コントローラ２６は、メモリ２６１を有している。メモリ２６１は、油圧ショベル１００の各種の動作を制御するためのプログラムを格納する。コントローラ２６は、メモリ２６１に格納されているプログラムに基づいて、油圧ショベル１００の動作を制御するための各種処理を実行する。メモリ２６１は、不揮発性のメモリであり、必要なデータを記憶する領域として設けられている。

アンテナ２１は、受信した電波（ＧＮＳＳ電波）に応じた信号をグローバル座標演算部２３に出力する。グローバル座標演算部２３は、グローバル座標系におけるアンテナ２１の設置位置を検出する。グローバル座標系は、作業エリアに設置した基準位置を元にした３次元座標系である。基準位置は、作業エリアに設定された基準杭の先端の位置であってもよい。

ＩＭＵ（Inertial Measurement Unit）２４は、旋回体３に設けられている。本例においては、ＩＭＵ２４は、キャブ４の下部に配置されている。旋回体３において、キャブ４の下部に高剛性のフレームが配置されている。ＩＭＵ２４は、そのフレーム上に配置されている。なお、ＩＭＵ２４は、旋回体３の旋回軸ＲＸの側方（右側又は左側）に配置されてもよい。ＩＭＵ２４は、前後方向、左右方向および上下方向における旋回体３の加速度と、前後方向、左右方向および上下方向まわりの旋回体３の角速度とを計測する。

マンマシンインターフェース部２８は、入力部２８１と表示部（モニタ）２８２とを有している。入力部２８１は、オペレータによって操作される。入力部２８１は、表示部２８２の周囲に配置される操作ボタンを有している。入力部２８１は、タッチパネルを有していてもよい。入力部２８１の操作により生成された指令信号は、コントローラ２６に出力される。表示部２８２は、燃料残量および冷却水温度などの基本情報、および油圧ショベル１００の動作情報などを表示する。

コントローラ２６は、ＥＰＣ弁５４に、制御信号を送信する。ＥＰＣ弁５４は、コントローラ２６からの制御信号に基づいて制御される。ＥＰＣ弁５４は、コントローラ２６から入力された制御信号に基づいて、開度を調整して、メインバルブ４０の各スプールに供給されるパイロット油の圧力を調整する。各スプールがパイロット油圧に応じて軸方向に移動することにより、油圧アクチュエータ、すなわちブームシリンダ１０、アームシリンダ１１、バケットシリンダ１２および旋回モータ３Ｍに対する作動油の供給量が調整される。

旋回スプール４１に対応するＥＰＣ弁５４が、コントローラ２６から入力された制御信号に基づいて開度を調整することにより、旋回スプール４１に供給されるパイロット油圧が調整され、旋回スプール４１が軸方向に移動する。旋回スプール４１の移動量に投じて、メータアウト絞り６２は、作動油用油路４２（排出油路４４、図３）の開口面積を調整して、排出油路４４内の作動油の圧力を調整する。

コントローラ２６は、リリーフ弁６６に、制御信号を送信する。リリーフ弁６６は、コントローラ２６からの制御信号に基づいて制御される。コントローラ２６は、リリーフ弁６６に、リリーフ圧の設定値を指示する制御信号を出力する。

図５は、コントローラ２６の機能的構成を表したブロック図である。図５に示されるように、コントローラ２６は、旋回体位置取得部１０２と、旋回減速度設定部１０４と、目標掘削量設定部１０６と、旋回時作業機姿勢設定部１０８とを備えている。

旋回体位置取得部１０２は、アンテナ２１で受信したＧＮＳＳ電波に基づいてグローバル座標演算部２３が検出したグローバル座標系におけるアンテナ２１の設置位置の検出結果から、アンテナ２１が搭載されている旋回体３の基準位置に対する座標を取得する。典型的には、旋回体位置取得部１０２は、旋回軸ＲＸの座標を取得する。また旋回体位置取得部１０２は、ＩＭＵ２４による角速度の計測結果から、地面に対する旋回体３の旋回の角度を取得する。

旋回減速度設定部１０４は、旋回体３の旋回の減速度、すなわち単位時間当たりの旋回速度の減少量を設定する。コントローラ２６は、旋回減速度設定部１０４の設定した旋回の減速度に対応する制御信号を生成して、その制御信号をＥＰＣ弁５４に出力する。旋回スプール４１に供給されるパイロット油圧を調整して旋回スプール４１を軸方向に移動させることにより、メータアウト絞り６２の開口面積を調整する。

目標掘削量設定部１０６は、土砂などの掘削対象物を作業機２によって掘削する掘削量の目標値を設定する。この掘削量の目標値を、以下では目標掘削量と称する。目標掘削量設定部１０６は、掘削対象物の目標掘削量を設定する。コントローラ２６は、目標掘削量設定部１０６の設定した目標掘削量に対応する制御信号を生成して、その制御信号をＥＰＣ弁５４に出力して、バケット８に目標掘削量の掘削対象物が積載されるように、作業機２を制御する。

旋回時作業機姿勢設定部１０８は、旋回体３が旋回動作するときの、旋回体３に対する作業機２の相対位置を設定する。コントローラ２６は、旋回時作業機姿勢設定部１０８の設定した作業機２の姿勢に対応する制御信号を生成して、その制御信号をＥＰＣ弁５４に出力して、旋回時の作業機２が設定された姿勢をとるように、作業機２を制御する。

図６は、ダンプトラック２００への排土のための油圧ショベル１００の旋回動作を示す模式図である。図６（Ａ）中の曲線矢印に示されるように、旋回体３は、旋回軸ＲＸ（図１）を中心として、走行体５に対して旋回する。旋回体３は、図６（Ｂ）に示されるように、ダンプトラック２００の荷台２０２に作業機２が向く姿勢となる位置で、旋回を停止する。この位置で、油圧ショベル１００は、バケット８に積載された土砂などの積載対象物を、ダンプトラック２００の荷台２０２に排土する。バケット８に積載された土砂などの積載対象物は、実施形態における作業機２が運搬する荷の一例である。

図７は、旋回減速中の油圧ショベル１００のスリップの発生状況を示す模式図である。図７（Ａ）には、図６（Ａ）と同様の、旋回軸ＲＸを回転中心とする旋回体３の旋回が示されている。旋回体３の旋回速度の減少時に、走行体５に、旋回する旋回体３の慣性モーメントによる回転慣性力が作用する。この回転慣性力が、地面に対する履帯５Ｃｒの最大静止摩擦力よりも大きいと、地面に対する走行体５のスリップが発生する。履帯５Ｃｒが接触している地面が雨で湿っている場合など、地面と履帯５Ｃｒとの間の摩擦抵抗が小さくなる場合に、走行体５のスリップが発生しやすくなる。

図７（Ｂ）に破線で示される接地面Ｇは、旋回体３の旋回前に走行体５が接触している地面を示す。図７（Ｂ）中の白抜き矢印に示されるように、走行体５のスリップが発生すると、履帯５Ｃｒは旋回体３の旋回方向に移動して、履帯５Ｃｒは接地面Ｇからずれる。接地面Ｇに対する走行体５のスリップが発生すると、油圧ショベル１００が全体として地面に対して移動し、ダンプトラック２００に対する作業機２の相対位置がずれることになる。

旋回体３の旋回後に作業機２がダンプトラック２００の荷台２０２から外れるほどにスリップによる油圧ショベル１００の位置ずれが大きくなると、ダンプトラック２００への排土位置がずれることによる荷こぼれが発生する可能性がある。荷こぼれを防止するために旋回体３を逆方向に旋回させる場合には、サイクルタイムが長くなる。このように、スリップが発生することにより、掘削積込作業の効率が低下することになる。

実施形態の油圧ショベル１００は、油圧ショベル１００からダンプトラック２００へ自動で積込を行なう自動運転中における、旋回体３の旋回時にこのような走行体５のスリップが発生した場合に、次回に旋回体３が旋回するときの走行体５のスリップの発生を抑制するものである。図８は、旋回減速中の油圧ショベル１００にスリップが発生した場合の処理の流れを示すフロー図である。

図８に示されるように、まずステップＳ１において、掘削を実行する。コントローラ２６は、ＥＰＣ弁５４に制御信号を送信することにより作業機２および旋回体３の動作を制御する。掘削作業を実行するための適切な位置にバケット８を移動させ、その位置で作業機２を適切に動作させることにより、バケット８によって土砂などの掘削対象物が掘削され、バケット８内に掘削対象物が積載される。

ステップＳ２において、旋回体３を旋回させる。コントローラ２６は、ＥＰＣ弁５４に制御信号を送信することにより、作業機２および旋回体３の動作を制御する。バケット８内に荷を積載したまま旋回体３に対する作業機２の相対位置を維持しながら、または、作業機２を上昇もしくは下降させながら、走行体５に対して旋回体３を所定の角度分旋回させる。旋回体３が旋回する角度は、掘削作業を実行した位置と、ダンプトラック２００の荷台２０２の位置とに基づいて、コントローラ２６が自動で設定する。

ステップＳ３において、旋回体３が旋回を停止した後の旋回体３の位置を取得する。コントローラ２６、具体的には旋回体位置取得部１０２（図５）は、アンテナ２１で受信したＧＮＳＳ電波、および／またはＩＭＵ２４による角速度の計測結果に基づいて、旋回体３が旋回を停止した後の旋回体３の位置を取得する。

ステップＳ４において、地面に対して走行体５（履帯５Ｃｒ）がスリップしているか否かを判断する。たとえば、走行体５を走行させる操作が行なわれておらず、ＥＰＣ弁５４に対して走行モータ５Ｍ（図１）を駆動させる信号は送信されず、したがって走行モータ５Ｍは停止したままであるにも関わらず、旋回の前後で旋回軸ＲＸの位置が変化している場合に、コントローラ２６は、走行体５が地面に対してスリップしていると判断する。

または、走行体５に対する旋回体３の旋回角度を旋回角センサで検出し、地面に対する旋回体３の旋回角度をＩＭＵ２４で検出し、検出された旋回角度の差分が所定の閾値以上である場合に、コントローラ２６は、走行体５が地面に対してスリップしていると判断する。または、掘削作業を実行した位置とダンプトラック２００の荷台２０２の位置とに基づいてコントローラ２６が自動で設定した旋回目標角度と、地面に対する旋回体３の旋回角度と、の差分が所定の閾値以上である場合に、コントローラ２６は、走行体５が地面に対してスリップしていると判断する。

地面に対する旋回体３の旋回角度は、油圧ショベル１００に搭載している視覚センサで画像を取得し、スキャンマッチングで油圧ショベル１００の自己位置および姿勢を推定することにより、検出してもよい。旋回前のＧＮＳＳの方位角と旋回後のＧＮＳＳの方位角との差分から、地面に対する旋回体３の旋回角度を検出してもよい。

走行体５が地面に対してスリップしていると判断された場合（ステップＳ４においてＹＥＳ）、ステップＳ５に進み、スリップ発生と判断された回数が閾値未満であるか否かを判断する。コントローラ２６は、メモリ２６１に保存されている、直前のステップＳ４の判断よりも前にスリップ発生と判断された回数と、スリップ発生と判断された回数の閾値とを読み出す。コントローラ２６は、直前のステップＳ４の判断よりも前にスリップ発生と判断された回数に１を加算し、加算後の回数と閾値とを比較して、加算後の回数が閾値未満であるか否かを判断する。

加算後の回数が閾値未満であると判断された場合（ステップＳ５においてＹＥＳ）、ステップＳ６に進み、コントローラ２６は、次回に走行体５に対する旋回体３の旋回速度が減少するときに発生する回転慣性力を低減する処理を実行する。

図９は、旋回減速中に発生する回転慣性力を低減する第１の処理を説明するためのグラフである。図９には、スリップ発生時、および次回の、時間に対する旋回速度の変化を示すグラフが図示されている。グラフの横軸は時間を示し、グラフの縦軸は旋回速度を示す。

スリップ発生時には、時刻０から時刻Ｔ１まで旋回速度ωが維持されており、時刻Ｔ１で減速を開始し、時刻Ｔ２の時点で旋回速度０まで減速されたとする。この場合、次回の旋回時には、時刻０の時点で同じ旋回速度ωであれば、同じ時刻Ｔ２で旋回速度０まで減速して旋回体３を旋回目標角度分旋回させるために、減速を開始する時刻を、時刻Ｔ１よりも前の時刻Ｔ０と設定する。

スリップが発生したと判断された後の次回の旋回速度の減少時に、旋回減速を開始するタイミングを早めることで、単位時間当たりの旋回速度の減少量を、スリップ発生時よりも小さくする。旋回減速時の減速度を小さくすることにより、回転慣性力が低減される。旋回体３を緩やかに減速させることで、スリップの発生が抑制される。地面に対する履帯５Ｃｒの最大静止摩擦力よりも回転慣性力を小さくすることにより、スリップの発生を防止することができる。

旋回速度の減少量は、図３に示される、メインバルブ４０内の旋回スプール４１のメータアウト絞り６２を用いて、制御することができる。旋回モータ３Ｍとメータアウト絞り６２との間の排出油路４４内における作動油の圧力は、リリーフ弁６６のリリーフ圧手前で制御される。旋回モータ３Ｍの下流側の排出油路４４内の作動油の圧力が高いと、旋回モータ３Ｍの回転に対する抵抗が大きくなり、旋回モータ３Ｍの回転を止めるブレーキとして働く。

コントローラ２６でＥＰＣ弁５４の開度を制御することで、旋回スプール４１に供給されるパイロット油圧が調整され、メータアウト絞り６２の開口面積が変更される。メータアウト絞り６２を開く方向に制御することで、メータアウト絞り６２を通過する作動油の流れに対する抵抗が低下する。旋回モータ３Ｍとメータアウト絞り６２との間の排出油路４４内における、作動油の圧力が低くなる。

旋回モータ３Ｍの下流側の排出油路４４内の作動油の圧力を低くすることで、旋回モータ３Ｍに働くブレーキ力が小さくなり、旋回速度の減少量を小さくすることができる。したがって、メータアウト絞り６２を開くことにより、単位時間当たりの旋回速度の減少量を小さくすることができる。

または旋回速度の減少量は、図３に示されるリリーフ弁６６を用いて制御することができる。リリーフ弁６６のリリーフ圧の設定値を高く設定すると、旋回の減速度が大きくなる。リリーフ弁６６のリリーフ圧の設定値を低く設定すると、旋回の減速度が小さくなる。そこで、走行体５のスリップが発生すると、次回に走行体５に対する旋回体３の旋回速度が減少するときのリリーフ圧の設定値を低くするように、制御してもよい。

図１０は、旋回減速中に発生する回転慣性力を低減する第２の処理を説明するための模式図である。図１０には、バケット８と、バケット８によって運搬される荷、典型的には掘削作業時にバケット８内に積まれた土砂などの掘削対象物、とが図示されている。

スリップ発生時には、バケット８内に積載量Ｐ１の荷が積まれており、作業機２が運搬する荷の量は積載量Ｐ１であったとする。この場合、目標掘削量設定部１０６は、次回の目標掘削量を現在の目標掘削量よりも小さい量に設定変更する。作業機２が運搬する荷の量が、積載量Ｐ１よりも小さい積載量Ｐ２と設定される。作業機２が運搬する荷の量を小さくすることにより、旋回速度が減少するときの回転慣性力が低減される。これにより、スリップの発生が抑制される。地面に対する履帯５Ｃｒの最大静止摩擦力よりも回転慣性力を小さくすることにより、スリップの発生を防止することができる。

図１１は、旋回減速中に発生する回転慣性力を低減する第３の処理を説明するための模式図である。図１１には、左方から見た油圧ショベル１００の模式図が図示されている。旋回体３は、旋回軸ＲＸを中心として旋回可能に、走行体５に搭載されている。作業機２は、旋回体３に対し相対移動可能に、旋回体３に取り付けられている。バケット８には、積荷Ｐが積載されている。

スリップ発生時における作業機２の姿勢と比較して、次回の旋回時には、作業機２が、旋回体３の旋回の中心である旋回軸ＲＸにより近づけられている。旋回体３の旋回時に作業機２を折り畳んだ姿勢にして、旋回軸ＲＸから作業機２までの距離、典型的には旋回軸ＲＸから積荷Ｐを積載するバケット８までの距離を小さくすることにより、旋回速度が減少するときの回転慣性力が低減される。これにより、スリップの発生が抑制される。地面に対する履帯５Ｃｒの最大静止摩擦力よりも回転慣性力を小さくすることにより、スリップの発生を防止することができる。

このように、地面（接地面Ｇ、図７）に対する走行体５のスリップが発生した場合に、次回に旋回体３の旋回速度が減少するときに、発生する回転慣性力を低減することで、旋回体３の旋回によるスリップの発生を抑制することができる。そして、処理を終了する（図８の「エンド」）。

図８のステップＳ５の判断において、スリップ発生と判断された回数が閾値以上であると判断された場合（ステップＳ５においてＮＯ）、ステップＳ７に進み、自動運転を停止する。ステップＳ６における回転慣性力を低減する処理を実行した後の次回の旋回時においても走行体５のスリップが発生する事象が繰り返され、当該事象が閾値回数に達したとき、コントローラ２６は、油圧ショベル１００の自動運転を停止する。度重なるスリップの発生によって、目標の作業効率が得られなかったり、油圧ショベル１００の姿勢が不安定になったりする不具合を回避するために、油圧ショベル１００の自動運転が停止される。そして、処理を終了する（図８の「エンド」）。

スリップ発生と判断された回数の閾値は、１以上の整数が設定される。この閾値は、メモリ２６１に予め保存されていてもよい。オペレータがマンマシンインターフェース部２８（図４）の入力部２８１を操作することにより、コントローラ２６に閾値の設定値が入力されてもよい。

ステップＳ４の判断において、走行体５が地面に対してスリップしていないと判断された場合（ステップＳ４においてＮＯ）、回転慣性力を低減する処理は行なわれず、自動運転を停止する処理も行なわれず、そのまま処理を終了する（図８の「エンド」）。

ステップＳ６において回転慣性力を低減する処理を実行したとき、および、ステップＳ７において自動運転を停止する処理を実行したとき、コントローラ２６は、これらの処理を実行したことをオペレータに通知してもよい。併せて、旋回体３の旋回時にスリップが発生したことをオペレータに通知し、スリップしにくい作業場所への移動をオペレータに促してもよい。この通知は、表示部２８２（図４）に通知表示を表示することにより行なわれてもよく、ランプなどのオペレータに視覚的に通知する他の装置を用いて行なわれてもよく、または、ブザーもしくはスピーカなどのオペレータに音声で通知する装置を用いてもよい。

上記のステップＳ７の説明では、自動運転を停止するか否かの判断に、スリップ発生と判断された回数が用いられる例について説明した。この例に替えて、スリップ量の閾値を超えると自動運転を停止するように、制御されてもよい。スリップ量が大きいと、１回のスリップの発生によって車体が不安定になる可能性がある。自動運転を停止するか否かの判断にスリップ量を用いて制御することにより、車体が不安定になる事象をより確実に回避することができる。

これまでの実施形態の説明では、油圧ショベル１００がコントローラ２６を備えており、油圧ショベル１００に搭載されているコントローラ２６が作業機２の動作を自動制御する例について説明した。作業機２の動作を制御するコントローラは、必ずしも油圧ショベル１００に搭載されていなくてもよい。

図１２は、油圧ショベル１００を含むシステムの概略図である。油圧ショベル１００に搭載されたコントローラ２６とは別に設けられた外部のコントローラ２６０が、作業機２の動作を制御するシステムを構成してもよい。コントローラ２６０は、油圧ショベル１００の作業現場に配置されてもよく、油圧ショベル１００の作業現場から離れた遠隔地に配置されてもよい。

実施形態においては、スリップが発生したときに、次回の旋回速度の減少時にスリップの発生を抑制する制御について説明した。図９を参照して説明した旋回減速時の減速度を小さくする制御、および図１１を参照して説明した作業機２を旋回軸に近づける制御は、次回の旋回減速時に限らず制御可能である。たとえば、自動旋回している間にスリップを検知すると、スリップを検知した直後に作業機２を旋回軸ＲＸに近づけたり、スリップを検知した直後に単位時間当たりの旋回速度の減少量を小さくして、回転慣性力を低減させてもよい。

実施形態においては、旋回体３の旋回減速時におけるスリップ対策について説明した。図１０を参照して説明したバケット８によって運搬される荷を減らす制御、および図１１を参照して説明した作業機２を旋回軸ＲＸに近づける制御は、旋回体３の旋回加速時に走行体５のスリップが発生した場合の対策としても、同様に有効である。したがって、旋回体３の旋回速度の変動時に走行体５のスリップが発生したときに、回転慣性力を低減する処理を実行することで、スリップの発生を抑制することができる。

実施形態においては、旋回体３の旋回速度の変動時におけるスリップ対策について説明した。図１０を参照して説明したバケット８によって運搬される荷を減らす制御、および図１１を参照して説明した作業機２を旋回軸ＲＸに近づける制御は、旋回体３が一定の旋回速度で旋回しているときに走行体５のスリップが発生した場合の対策としても、同様に有効である。したがって、旋回体３の旋回動作時に走行体５のスリップが発生したときに、回転慣性力を低減する処理を実行することで、スリップの発生を抑制することができる。

実施形態においては、作業機械の一例として油圧ショベル１００について説明したが、本開示の思想を適用可能な作業機械は、油圧で駆動しない機械式の超大型のロープショベル、電動モータで駆動する電動ショベルなどであってもよい。

今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 本体、２ 作業機、３ 旋回体、３Ｍ 旋回モータ、５ 走行体、５Ｃｒ 履帯、５Ｍ 走行モータ、６ ブーム、７ アーム、８ バケット、８ａ 刃先、９ エンジンルーム、１０ ブームシリンダ、１１ アームシリンダ、１２ バケットシリンダ、２１ アンテナ、２１Ａ 第１アンテナ、２１Ｂ 第２アンテナ、２３ グローバル座標演算部、２４ ＩＭＵ、２６，２６０ コントローラ、２８ マンマシンインターフェース部、３１ エンジン、３３ 油圧ポンプ、３５ タンク、３６ エンジンコントローラ、４０ メインバルブ、４１ 旋回スプール、４２ 作動油用油路、４３ 供給油路、４４ 排出油路、５０ パイロット油路、５２ 自己圧減圧弁、５４ ＥＰＣ弁、６１ メータイン絞り、６２ メータアウト絞り、６６ リリーフ弁、１００ 油圧ショベル、１０２ 旋回体位置取得部、１０４ 旋回減速度設定部、１０６ 目標掘削量設定部、１０８ 旋回時作業機姿勢設定部、２００ ダンプトラック、２０２ 荷台、２６１ メモリ、２８１ 入力部、２８２ 表示部、Ｇ 接地面、Ｐ 積荷、Ｐ１，Ｐ２ 積載量、ＲＸ 旋回軸。

Claims (6)

1. 作業機械であって、
   走行体と、
   前記走行体に旋回可能に搭載された旋回体と、
   前記旋回体に搭載され、かつ掘削対象物を掘削するバケットを有する、作業機と、
   前記作業機械の動作を制御し、かつ前記掘削対象物の目標掘削量を設定する目標掘削量設定部を有するコントローラとを備え、
   前記コントローラは、前記作業機械の自動運転中に、前記旋回体の旋回動作時における前記走行体のスリップの発生を判断し、スリップが発生したと判断すると、次回の前記目標掘削量を現在の前記目標掘削量よりも少ない量に設定変更することにより、次回の旋回動作時に発生する回転慣性力を低減する処理を実行する、作業機械。
2. 前記コントローラは、前記走行体に対して前記旋回体が旋回する旋回速度の変動時に、単位時間当たりの旋回速度の変動量を小さくすることにより、前記回転慣性力を低減する処理を実行する、請求項１に記載の作業機械。
3. 前記コントローラは、前記旋回体の旋回の中心に前記作業機を近づけることにより、前記回転慣性力を低減する処理を実行する、請求項１または２に記載の作業機械。
4. 前記コントローラは、前記回転慣性力を低減する処理を実行した後に前記走行体のスリップが発生したと判断すると、前記作業機械の自動運転を停止する、請求項１～３のいずれか１項に記載の作業機械。
5. 作業機械の制御方法であって、
   前記作業機械は、走行体と、前記走行体に旋回可能に搭載された旋回体と、前記旋回体に搭載され、かつ掘削対象物を掘削するバケットを有する、作業機とを含み、
   前記掘削対象物の目標掘削量を設定するステップと、
   前記作業機械の自動運転中に、前記旋回体の旋回動作時における前記走行体のスリップの発生を判断するステップと、
   前記判断するステップにおいてスリップが発生したと判断すると、次回の前記目標掘削量を現在の前記目標掘削量よりも少ない量に設定変更することにより、次回の旋回動作時に発生する回転慣性力を低減する処理を実行するステップとを備える、作業機械の制御方法。
6. 作業機械であって、
   走行体と、
   前記走行体に旋回可能に搭載された旋回体と、
   前記作業機械の動作を制御するコントローラとを備え、
   前記コントローラは、前記作業機械の自動運転中に、前記旋回体の旋回動作時における前記走行体のスリップの発生を判断し、スリップが発生したと判断すると、次回の、前記走行体に対して前記旋回体が旋回する旋回速度の減少時に、旋回減速を開始するタイミングを早め、単位時間当たりの旋回速度の減少量を小さくすることにより、旋回動作時に発生する回転慣性力を低減する処理を実行する、作業機械。

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