JP7286874B2 - 作業機械の運転支援システム - Google Patents

Description

本発明は、作業機械の運転支援システムに関する。

油圧ショベルのような作業機を有する作業機械において、作業機械が周辺の作業者や障害物に接触することを予防するために、作業機械周辺の作業者や障害物を検知して、オペレータに報知したり、作業機の動作を減速停止させたりする運転支援機能が知られている（特許文献１）。

また、作業機械において、予め設定した高さや深さ、旋回角度などの作業領域から作業機が逸脱しないように作業機を制御する作業支援機能も知られている（特許文献２）。

このような作業支援機能を用いることで、作業機が電線や埋設物に接触して破壊してしまうことを防止でき、作業効率の向上につながる。また、旋回方向の領域を制限した場合は、道路の路側等での作業において、作業機が道路にはみ出すことを防止可能である。

特開２００６－２５７７２４号公報 特開平９－７１９６５号公報

しかしながら、前述した運転支援機能と作業支援機能の両方を搭載した作業機械を考えた場合、運転支援機能の領域と作業支援機能の領域（作業領域）はそれぞれ別々に設定される必要があり、オペレータなどが領域を設定する際に煩わしさを感じる恐れがある。また、作業領域の内側に運転支援機能の領域を設定した場合や運転支援機能を有効にし忘れた場合、オペレータが作業領域内に侵入してきた物体に気が付かずに、作業機械を物体に衝突させてしまう可能性がある。

本発明の目的は、運転支援機能と作業支援機能の両方を備えた作業機械の運転支援システムにおいて、オペレータなどが運転支援機能の領域と作業支援機能の領域を設定する際の煩わしさを低減するとともに、作業領域内での作業機械と物体との衝突を防止することが可能な作業機械の運転システムを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の作業機械の運転支援システムは、作業機を有する作業機械の周囲の物体を検知する検知装置の検知情報に基づいて、あらかじめ設定された停止領域内に物体が検知された場合に、前記作業機械を停止させる運転支援機能と、前記作業機械の姿勢情報に基づいて、あらかじめ設定された作業領域外に前記作業機械が逸脱することを防止する作業支援機能とを有する作業機械の運転支援システムであって、前記運転支援システムは、前記運転支援機能と前記作業支援機能とはそれぞれ有効と無効とを切り替え可能となっており、前記作業支援機能が有効であり、かつ、前記作業領域が前記停止領域の外側を囲んで設定されている場合、前記停止領域を拡張させて前記作業領域と重なるようにして前記作業領域を前記停止領域として設定するとともに、前記運転支援機能が無効である場合には、前記運転支援機能を自動的に有効にすることを特徴とする。

本発明によれば、オペレータなどが運転支援機能の領域と作業支援機能の領域を設定する際の煩わしさを低減するとともに、作業領域内での作業機械と物体との衝突を防止することが可能である。

上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

第１の実施形態に係る油圧ショベルの側面図である。 第１の実施形態に係る油圧ショベルの上面図である。 第１の実施形態に係る油圧ショベルのシステム構成を表す図である。 油圧ショベルの姿勢情報を表す側面図である。 油圧ショベルの姿勢情報を表す上面図である。 運転支援機能の各領域を表す図である。 運転支援機能の各領域における報知音量を表す表である。 運転支援機能の油圧ショベルと検知物との距離と油圧ショベルの減速係数との関係を表す図である。 運転支援機能の構成を表すブロック図である。 運転支援機能のフローチャートである。 作業支援機能の車体水平方向に対する作業領域を表す図である。 作業支援機能の車体鉛直方向に対する作業領域を表す図である。 作業支援機能の作業領域の設定画面を表す図である。 作業支援機能の制御点と作業領域外縁との距離を表す図である。 作業支援機能の油圧ショベルの減速係数を表す図である。 作業支援機能の構成を表すブロック図である。 作業支援機能のフローチャートである。 第１の実施形態に係る運転支援機能の各領域を表す図である。 第１の実施形態に係る運転支援機能の構成を表すブロック図である。 第２の実施形態に係る施工現場を表す図である。 第２の実施形態に係る油圧ショベルのシステム構成を表す図である。 第２の実施形態に係る運転支援機能の領域（その１）を表す図である。 第２の実施形態に係る運転支援機能の領域（その２）を表す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。各図において、同一の機能を有する部分には同一の符号を付して繰り返し説明を省略する場合がある。なお、本実施形態は、作業機械の一例として、油圧ショベルを例示して説明するが、運転支援機能と作業支援機能の両方を搭載可能であれば、油圧ショベルに限定されず、ホイールローダやクレーン、ブルドーザ、ダンプ、道路機械といった作業機械全般に適用可能であることは勿論である。

［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係る作業機械の一例である油圧ショベル１の側面図である。油圧ショベル１は、左右側部のそれぞれに設けられる履帯を駆動させて走行する走行体２と、走行体２上に旋回可能に設けられる旋回体３とを備えている。

旋回体３は、運転室４、機械室５、カウンタウェイト６を有する。運転室４は、旋回体３の前部の左側部に設けられている。機械室５は、運転室４の後方に設けられている。カウンタウェイト６は、機械室５の後方、すなわち旋回体３の後端に設けられている。

また、旋回体３は、作業機７を装備している。作業機７は、運転室４の右側方であって旋回体３の前部の中央に設けられている。作業機７は、ブーム８と、アーム９と、バケット１０と、ブームシリンダ１１と、アームシリンダ１２と、バケットシリンダ１３とを有する。ブーム８の基端部は、ブームピンを介して、旋回体３の前部に回動可能に取り付けられている。アーム９の基端部は、アームピンを介して、ブーム８の先端部に回動可能に取り付けられている。バケット１０の基端部は、バケットピンを介して、アーム９の先端部に回動可能に取り付けられている。また、ブームシリンダ１１と、アームシリンダ１２と、バケットシリンダ１３とはそれぞれ作動油によって駆動される油圧シリンダである。ブームシリンダ１１はブーム８を駆動する。アームシリンダ１２はアーム９を駆動する。バケットシリンダ１３はバケット１０を駆動する。これにより、施工現場で掘削作業や積載作業などを行うことが可能である。

旋回体３の中央には旋回モータ１４が設置されており、旋回モータ１４を駆動することにより、走行体２に対して旋回体３を回転させることが可能である。

また、走行体２には左走行モータ１５aと右走行モータ１５bが設置されており、左走行モータ１５aと右走行モータ１５bを駆動することにより、左右の履帯を駆動させて走行することが可能である。

以下、ブーム駆動用のブームシリンダ１１、アーム駆動用のアームシリンダ１２、バケット駆動用のバケットシリンダ１３、旋回動作用の旋回モータ１４、走行動作用の左走行モータ１５aと右走行モータ１５bを、油圧ショベル１のアクチュエータと称する場合がある。また、走行体２と旋回体３を纏めて、油圧ショベル１の車体と称する場合がある。

機械室５の内部には油圧ポンプ１６とエンジン（原動機）１７が設置されている（図３参照）。

運転室４の内部には車体傾斜センサ１８、ブーム８にはブーム傾斜センサ１９、アーム９にはアーム傾斜センサ２０、バケット１０にはバケット傾斜センサ２１が取り付けられている。例えば、車体傾斜センサ１８、ブーム傾斜センサ１９、アーム傾斜センサ２０、バケット傾斜センサ２１はＩＭＵ（Inertial Measurement Unit）であり、車体傾斜センサ１８は、車体の対地角度を、ブーム傾斜センサ１９は、ブーム８の対地角度を、アーム傾斜センサ２０は、アーム９の対地角度を、バケット傾斜センサ２１は、バケット１０の対地角度を計測する。また、旋回体３の後方部の左右に第一GNSSアンテナ２３と第二GNSSアンテナ２４が取り付けられている。第一GNSSアンテナ２３と第二GNSSアンテナ２４から得られる信号により車体の位置情報を取得可能である。

図２は油圧ショベル１の上面図である。旋回体３には旋回角センサ２２が取り付けられている。旋回角センサ２２の信号により走行体２に対する旋回体３の相対角を計算可能である。旋回角センサ２２、GNSSアンテナ（２３、２４）、傾斜センサ（１８、１９、２０、２１）は油圧ショベル１の姿勢センサ３０（図３）を構成する。この旋回角センサ２２などからなる姿勢センサ３０から得られる信号により車体の姿勢情報を取得可能である（後で説明）。

また、旋回体３には検知装置２５が取り付けられている。検知装置２５は、油圧ショベル１の周囲の物体（障害物）を検知する。本例では、前方の障害物を検知する前方検知装置２５a、右側方の障害物を検知する右側方検知装置２５b、後方の障害物を検知する後方検知装置２５c、左側方の障害物を検知する左側方検知装置２５dの４つの検知装置２５が設置されている。また、図２中の２６（２６a、２６b、２６c、２６d）はそれぞれの検知装置２５（２５a、２５b、２５c、２５d）の検知範囲を示している。

検知装置２５は例えばステレオカメラであり、油圧ショベル１と障害物（検知物）との距離を計算することが可能である。また、検知装置２５はミリ波レーダーやレーザーレーダー、磁場を使用した装置など、検知物の距離を計測可能であればどのような装置でも構わない。

図３に油圧ショベル１のシステム構成図を示す。

油圧ショベル１では、エンジン１７によって駆動された油圧ポンプ１６から吐出された作動油がアクチュエータ（１１、１２、１３、１４、１５a、１５b）に供給されることによって駆動する。アクチュエータに供給される油の量と方向は、流量制御弁ユニット３３内の流量制御弁を駆動することによって制御可能である。

例えば旋回流量制御弁３４は旋回モータ１４へ供給する油の量を制御する流量制御弁である。旋回流量制御弁３４が図中左側へ移動すると、旋回モータ１４が左回転するように油が供給される。旋回モータ１４の回転速度は旋回流量制御弁３４の移動量によって制御可能である。また、旋回流量制御弁３４が図中右側へ移動すると、旋回モータ１４が右回転するように油が供給される。

旋回流量制御弁３４の制御は、電磁比例減圧弁ユニット３５内の電磁比例減圧弁を制御して行われる。電磁比例減圧弁は、コントローラ２７からの指令に応じてパイロットポンプ３７から供給された油を減圧して流量制御弁に供給する。

例えば旋回左電磁比例減圧弁３６aを駆動すると旋回流量制御弁３４が図中左に移動するように圧油が供給され、旋回右電磁比例減圧弁３６bを駆動すると旋回流量制御弁３４が図中右に移動するように圧油が供給される。

コントローラ２７は、図示は省略するが、各種演算を行うＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＣＰＵによる演算を実行するためのプログラムを格納するＲＯＭ（Read Only Memory）やＨＤＤ（Hard Disk Drive）などの記憶装置、ＣＰＵがプログラムを実行する際の作業領域となるＲＡＭ（Random Access Memory）などを含むコンピュータとして構成されている。コントローラ２７の各機能は、ＣＰＵが、記憶装置に格納された各種プログラムをＲＡＭにロードして実行することにより、実現される。

コントローラ２７は、操作レバー３２からの信号とモニタ３１からの信号と検知装置２５からの信号（検知情報）と旋回角センサ２２などからなる姿勢センサ３０からの信号（姿勢情報）とスイッチ２９からの信号とから、電磁比例減圧弁ユニット３５と油圧ポンプ１６とブザー２８とへの制御信号を演算して出力する。

操作レバー３２、モニタ３１、スイッチ２９はそれぞれ運転室４の内部に設置されてオペレータなどが操作可能である。操作レバー３２は、各アクチュエータ（１１、１２、１３、１４、１５a、１５b）に対する操作量をコントローラ２７へ指示する。モニタ３１は、作業支援機能の作業領域の設定と、運転支援機能の停止領域と減速領域と報知領域の設定と、運転支援機能の有効と無効とを切り替えるために使用される。すなわち、モニタ３１は、本実施形態において運転支援機能の有効と無効とを切り替える切り替え装置として機能する。スイッチ２９は、作業支援機能の有効と無効とを切り替えるために使用される。すなわち、スイッチ２９は、本実施形態において作業支援機能の有効と無効とを切り替える切り替え装置として機能する。ブザー（報知装置）２８は、検知装置２５が障害物を検知した場合にオペレータなどに音（報知音）により報知するために使用される。

図４は油圧ショベル１の姿勢情報を表す側面図である。油圧ショベル１の位置情報（車体位置ともいう）P０は第一GNSSアンテナ２３と第二GNSSアンテナ２４との情報から求めることが可能である。

また、図４に示すように、油圧ショベル１の位置情報P０からブームピンP１までの距離はL０であり、車体上方とブームピンP１方向とのなす角はθ０である。また、ブーム８の長さ、つまり、ブームピンP１からアームピンP２までの長さはL１である。また、アーム９の長さ、つまり、アームピンP２からバケットピンP３までの長さはL２である。また、バケット１０の長さ、つまり、バケットピンP３からバケット先端P４までの長さはL３である。また、グローバル座標系に対する車体傾斜、つまり、水平面鉛直方向に対する車体鉛直方向のなす角度がθ４である。以下、車体前後傾斜θ４という。ブームピンP１とアームピンP２を結んだ線分と車体鉛直方向のなす角度がθ１である。以下、ブーム角度θ１という。アームピンP２とバケットピンP３を結んだ線分と、ブームピンP１とアームピンP２からなる直線とのなす角度がθ２である。以下、アーム角度θ２という。バケットピンP３とバケット先端P４を結んだ線分と、アームピンP２とバケットピンP３からなる直線とのなす角度がθ３である。以下、バケット角度θ３という。

例えば、車体位置P０に対する作業支援機能の制御対象となり得る点であるバケット先端P４の座標は、車体位置P０とブームピンP１との距離L０、車体位置P０とブームピンP１とのなす角θ０、車体前後傾斜θ４、ブーム長さL１、ブーム角度θ１、アーム長さL２、アーム角度θ２、バケット長さL３、バケット角度θ３から三角関数によって求めることが可能である。

また、その他の制御点、例えばアームシリンダ１２のロッド側のピンP５の座標は、前述した寸法に加えてアームピンP２とアームシリンダ１２のロッド側のピンP５との距離L５とブームピンP１からアームピンP２の方向とアームピンP２からアームシリンダ１２のロッド側のピンP５の方向とのなす角θ５とを用いて三角関数により求めることが可能である。

前述の油圧ショベル１の角度情報である車体前後傾斜θ４、ブーム角度θ１、アーム角度θ２、バケット角度θ３などは、車体傾斜センサ１８、ブーム傾斜センサ１９、アーム傾斜センサ２０、バケット傾斜センサ２１の情報などから求めることが可能である。

図５は油圧ショベル１の姿勢情報を表す上面図である。走行体２の中心位置に対して前進方向をx、左右方向をyとしている。油圧ショベル１の旋回角θswはx方向に対して油圧ショベル１の作業機７の方向がなす角であり、反時計回りを正としている。

例えば、車体座標におけるバケット先端（爪先位置）P４の座標は、車体位置P０とバケット先端P４との距離Lと旋回角θswとの三角関数によって求められる。車体位置P０とバケット先端P４との距離Lは、前述した油圧ショベル１の姿勢情報を用いた三角関数によって計算可能である。旋回角θswは、旋回角センサ２２の情報などから求めることが可能である。

このように、旋回角センサ２２、GNSSアンテナ（２３、２４）、傾斜センサ（１８、１９、２０、２１）からなる姿勢センサ３０で求められる情報（詳しくは、制御点位置情報）が、車体の姿勢情報としてコントローラ２７へ入力される。

（運転支援機能）
図６～図１０を参照して、油圧ショベル１のコントローラ２７が備える運転支援機能を概説する。運転支援機能は、基本的に油圧ショベル１の周囲の物体（障害物）を検知する検知装置２５からの検知情報に基づき動作する。

図６は運転支援機能の各領域を表す図である。図６の四角い枠で囲われた領域３８は報知領域であり、この領域３８内で検知物が検知された場合は、ブザー２８からオペレータなどに向けて報知音が発せられる。

点線で囲われた領域３９は減速領域であり、この領域３９内で検知物が検知された場合は、油圧ショベル１の動作が減速させられるとともにブザー２８から報知音が発せられる。

斜線で囲われた領域４０は停止領域であり、この領域４０内で検知物が検知された場合は、油圧ショベル１の動作は停止させられるとともにブザー２８から報知音が発せられる。

図６に示す例では、報知領域３８の内側に減速領域３９、減速領域３９の内側に停止領域４０がある。言い換えれば、停止領域４０の外側に減速領域３９、減速領域３９の外側に報知領域３８がある。ただし、運転支援機能の各領域の位置は任意に設定可能である。また、運転支援機能の各領域の形状は矩形でなくてもよく、任意に設定可能である。

また、運転支援機能の各領域は走行体２の座標P０に対して固定されており、油圧ショベル１が旋回動作をしたとしても各領域が動くことはない。油圧ショベル１が走行動作をした場合は、油圧ショベル１の移動に伴って、運転支援機能の各領域も同時に動くものとする。なお、運転支援機能の各領域はグローバル座標に対して定義されてもよく、その場合は油圧ショベル１が走行動作をした場合においても動くことはない。

図７は、運転支援機能の各領域で物体を検知した場合とブザー２８の報知音量との関係を表す表である。報知領域３８の外側で物体が検知された場合はブザー２８からの報知は無く、報知領域３８の内側で物体が検知された場合は、ブザー２８から小音量で報知される。また、減速領域３９の内側で物体が検知された場合は、ブザー２８から中音量で報知され、停止領域４０の内側で物体が検知された場合は、ブザー２８から大音量で報知される。このようにすることで検知物（検知された物体）がどの位置にあるのかをオペレータなどは直観的に理解することが可能である。

図８は、運転支援機能の油圧ショベル１と検知物との距離と油圧ショベル１の減速係数との関係を表す図である。減速領域および停止領域の内側で物体が検知された場合に、油圧ショベル１と検知物との距離に応じて減速係数を小さくすることによって油圧ショベル１と検知物が接触することを防止することが可能である。ここで減速係数とは、操作レバー３２の操作量によって決まるアクチュエータの要求速度をどの程度減速させるかの程度であり、アクチュエータの制限速度は、要求速度と減速係数の積で求められる。例えば、減速係数が１の場合はアクチュエータの要求速度は制限されず、減速係数が０の場合は制限速度が０となりアクチュエータの動作は停止する。

図９は、運転支援機能の構成を表すブロック図である。コントローラ２７内部の運転支援機能は、減速係数演算部４１と要求速度演算部４２と制限速度演算部４３と流量制御弁制御部４４とから構成される。

減速係数演算部４１は、検知装置２５からの検知情報とモニタ３１で設定された運転支援領域情報（運転支援機能の各領域の設定情報）とに基づいて減速係数を演算する（図８参照）。要求速度演算部４２は、操作レバー３２からの操作信号（操作量）に基づいて各アクチュエータの要求速度を演算する。制限速度演算部４３は、減速係数演算部４１が出力した減速係数と要求速度演算部４２が出力した要求速度とモニタ３１で設定された運転支援有効無効状態（運転支援機能の有効無効の状態）から、各アクチュエータの制限速度を演算して出力する。制限速度演算部４３は、運転支援機能が有効の場合は、要求速度演算部４２が出力した各アクチュエータの要求速度と減速係数演算部４１が出力した減速係数とを掛け合わせることで各アクチュエータの制限速度とする。また、制限速度演算部４３は、運転支援機能が無効の場合は、要求速度演算部４２が出力した各アクチュエータの要求速度をそのまま制限速度として出力する。流量制御弁制御部４４は、制限速度演算部４３が出力した制限速度に基づいて各アクチュエータの流量制御弁の制御量を演算し、各アクチュエータに対応した電磁比例減圧弁に制御指令を出力する。

このような構成とすることで、コントローラ２７の運転支援機能は、検知装置２５からの検知情報に基づいて、あらかじめ設定された運転支援機能の各領域内に物体が検知された場合に、油圧ショベル１の動作を減速ないし停止するよう各アクチュエータを制御することが可能である。

図１０は、運転支援機能のフローチャートである。ステップS１０１では検知装置２５からの出力があるかを判定する。ステップS１０１の結果がNoの場合は、運転支援機能は何もせずに終了する。ステップS１０１の結果がYesの場合は、ステップS１０２の処理に進み、ステップS１０２では検知物が報知領域内にあるかどうかを判定する。ステップS１０２の結果がNoの場合は、運転支援機能は何もせずに終了する。ステップS１０２の結果がYesの場合は、ステップS１０３の処理に進み、ステップS１０３では検知物が減速領域内にあるかどうかを判定する。ステップS１０３の結果がNoの場合は、ステップS１０４の処理に進み、ステップS１０４ではモニタ３１からの出力に基づいて運転支援機能が有効かどうかを判定する。ステップS１０４の判定がNoの場合は、運転支援機能は何もせずに終了する。ステップS１０４の判定がYesの場合は、ステップS１０５の処理に進み、ステップS１０５では報知領域の設定音量（図７）でブザー２８から報知音を出力して終了する。

ステップS１０３の結果がYesの場合は、ステップS１０６の処理に進み、ステップS１０６では検知物が停止領域内にあるかどうかを判定する。ステップS１０６の結果がNoの場合は、ステップS１０７の処理に進み、ステップS１０７では検知物の位置に応じてアクチュエータの減速係数を計算する。次に、ステップS１０８ではモニタ３１からの出力に基づいて運転支援機能が有効かどうかを判定する。ステップS１０８の判定がNoの場合は、ステップS１０９の処理に進み、ステップS１０９ではアクチュエータの要求速度をそのままアクチュエータの制限速度とし、アクチュエータに対応した電磁比例減圧弁に制御指令を出力して終了する。つまり、ステップS１０９では運転支援機能は何もせずに終了する。ステップS１０８の判定がYesの場合は、ステップS１１０の処理に進み、ステップS１１０ではアクチュエータの減速係数とアクチュエータの要求速度からアクチュエータの制限速度を計算し、アクチュエータに対応した電磁比例減圧弁に制御指令を出力する。次に、ステップS１１１で、減速領域での報知音量（図７）でブザー２８から報知音を出力して終了する。

ステップS１０６の結果がYesの場合は、ステップS１１２の処理に進み、ステップS１１２でアクチュエータの減速係数（ここでは、０）を計算する。次に、ステップS１１３ではモニタ３１からの出力に基づいて運転支援機能が有効かどうかを判定する。ステップS１１３の判定がNoの場合は、ステップS１１４の処理に進み、ステップS１１４ではアクチュエータの要求速度をそのままアクチュエータの制限速度とし、アクチュエータに対応した電磁比例減圧弁に制御指令を出力して終了する。つまり、ステップS１１４では運転支援機能は何もせずに終了する。ステップS１１３の判定がYesの場合は、ステップS１１５の処理に進み、ステップS１１５ではアクチュエータの減速係数とアクチュエータの要求速度からアクチュエータの制限速度を計算し、アクチュエータに対応した電磁比例減圧弁に制御指令を出力する。最後に、ステップS１１６に進み、ステップS１１６で、停止領域での報知音量（図７）でブザー２８から報知音を出力して終了する。

（作業支援機能）
図１１～図１７を参照して、油圧ショベル１のコントローラ２７が備える作業支援機能を概説する。運転支援機能は、基本的に旋回角センサ２２などからなる姿勢センサ３０からの油圧ショベル１の姿勢情報に基づき動作する。

図１１は作業支援機能の車体水平方向の作業領域を表す図である。車体位置P０を中心として、前方作業領域４５と右側方作業領域４６と後方作業領域４７と左側方作業領域４８とによって囲まれる斜線の領域５１が作業領域である。作業領域５１の外方に作業機械の制御点が逸脱しないようにアクチュエータが制御される。また、車体位置P０を中心としているため、油圧ショベル１が走行動作をした場合は、油圧ショベル１の移動に伴って作業領域も移動する。作業領域はグローバル座標で定義されてもよく、その場合は油圧ショベル１が走行動作によって移動した場合でも作業領域は動かない。

図１２は作業支援機能の車体鉛直方向の作業領域を表す図である。車体位置P０を中心として、上方作業領域４９と下方作業領域５０の内側にある斜線の領域５１が作業領域である。

図１３は作業支援機能の作業領域の設定画面を表す図である。例えば油圧ショベル１の運転室４の中にあるモニタ３１に図１３のような画面が表示される。モニタ３１では右側方作業領域４６と左側方作業領域４８と前方作業領域４５と後方作業領域４７と上方作業領域４９と下方作業領域５０の車体位置P０からの距離をそれぞれ設定・入力することが可能である。また、値を入力しない場合は設定領域は無限遠となり、値が入力されなかった方向に関しては制御されない。

なお、作業支援機能の作業領域の形状は矩形でなくてもよく、任意に設定可能であるし、作業支援機能の作業領域の設定方法も、図示例に限られない。

図１４は、作業支援機能の制御点と作業領域外縁との距離を表す図である。図１５は、作業支援機能の油圧ショベルの減速係数を表す図である。図１４に示すように、例えば、バケット先端P４が下方作業領域５０に接近する場合を考える。この時、バケット先端P４の座標は、前述した油圧ショベル１の姿勢情報の三角関数によって計算される。バケット先端P４のz座標と下方作業領域５０の設定距離との差がバケット先端P４と下方作業領域５０との距離Dになる。図１５に示すように、距離Dの値に応じて作業領域に接近する速度を減速する減速係数を計算し、減速係数を乗算した制限速度でアクチュエータを駆動することにより、制御点であるバケット先端P４が作業領域から逸脱することを防止可能である。また、例えば、上方作業領域４９に対してはアームシリンダ１２のロッド側のピンP５が制御点となり、バケット先端P４の場合と同様の計算で、制御点であるピンP５が作業領域からの逸脱を防止することが可能である。また、複数の制御点の動作が同時に制限された場合は、制限速度の小さい方にしたがってアクチュエータは制御される。

なお、アクチュエータ制御に用いる作業機械の制御点は、オペレータなどがあらかじめ設定してもよいし、油圧ショベル１の姿勢情報などを基にコントローラ２７が演算により設定してもよい。制御点としては、前述した点の他、旋回体３の後端、バケット１０の背面、コントローラ２７で演算可能な油圧ショベル１全体における端部などが考えられる。

図１６は、作業支援機能の構成を表すブロック図である。作業支援機能に関して、コントローラ２７は、距離演算部５２と減速係数演算部４１と要求速度演算部４２と制限速度演算部４３と流量制御弁制御部４４から構成される。

要求速度演算部４２は、操作レバー３２から出力された操作信号（操作量）に基づいて各アクチュエータの要求速度を演算する。距離演算部５２は、姿勢センサ３０から得られた制御点位置情報とモニタ３１で設定された作業領域情報（作業領域の設定情報）と要求速度演算部４２から出力された要求速度から、制御点と作業領域外縁との距離を演算する。ここで要求速度は制御点の移動方向を計算するために使用され、制御点の移動方向にある作業領域外縁との距離が演算される。減速係数演算部４１は、距離演算部５２から出力された距離に基づいてアクチュエータの減速係数を演算する（図１５参照）。制限速度演算部４３は、減速係数演算部４１から出力された減速係数と要求速度演算部４２から出力された要求速度とスイッチ２９からの出力である作業支援有効無効状態に基づいて、各アクチュエータの制限速度を演算して出力する。制限速度演算部４３は、作業支援機能が有効の場合は、要求速度演算部４２が出力した各アクチュエータの要求速度と減速係数演算部４１が出力した減速係数とを掛け合わせることで各アクチュエータの制限速度とする。また、制限速度演算部４３は、作業支援機能が無効の場合は、要求速度演算部４２が出力した各アクチュエータの要求速度をそのまま制限速度として出力する。流量制御弁制御部４４は、制限速度演算部４３から出力された制限速度に基づいて各アクチュエータに対応する流量制御弁の制御量を演算し、各アクチュエータに対応した電磁比例減圧弁に制御指令を出力する。

このような構成とすることで、コントローラ２７の作業支援機能は、油圧ショベル１の姿勢情報（制御点位置情報）に基づいて、あらかじめ設定された作業支援機能の作業領域外に油圧ショベル１の制御点が逸脱することを防止するよう各アクチュエータを制御することが可能である。

図１７は、作業支援機能のフローチャートである。ステップS２０１では制御点位置情報を取得する。ステップS２０２では作業領域情報を取得する。ステップS２０３では操作レバー３２からの操作信号（操作量）を取得する。ステップS２０４では操作信号（操作量）に基づいて各アクチュエータの要求速度を計算する。ステップS２０５では制御点と要求速度方向の作業領域外縁との距離を計算する。ステップS２０６では計算された距離に基づいてアクチュエータの減速係数を計算する。ステップS２０７ではスイッチ２９からの出力に基づいて作業支援機能が有効かどうかを判定する。ステップS２０７の判定がYesの場合は、ステップS２０８の処理に進み、ステップS２０８ではアクチュエータの減速係数とアクチュエータの要求速度からアクチュエータの制限速度を計算して出力する。ステップS２０７の判定がNoの場合は、ステップS２０９の処理に進み、ステップS２０９ではアクチュエータの要求速度をそのままアクチュエータの制限速度として出力する。最後に、ステップS２１０では、出力された速度に基づいてアクチュエータに対応した電磁比例減圧弁の制御指令を計算して出力する。

（第１の実施形態に係る運転支援機能の特徴構成）
図１８、図１９を参照して、油圧ショベル１のコントローラ２７が備える運転支援機能の特徴構成を説明する。運転支援機能と作業支援機能が個別に搭載されている場合、各機能は上述のように動作し得るが、油圧ショベル１のコントローラ２７に運転支援機能と作業支援機能の両方を搭載している場合においては、オペレータなどが運転支援機能の領域と作業支援機能の領域を設定する際の煩わしさを低減するとともに、作業領域内での作業機械と物体との衝突を防止するため、以下のような構成および動作が付加されている。

図１８は、第１の実施形態に係る運転支援機能の各領域を表す図である。図１８の左図において、四角で囲まれた領域４０は、モニタ３１で設定された運転支援機能の停止領域であり、四角で囲まれた領域５１は、これからモニタ３１で設定しようとしている作業支援機能の作業領域である。

スイッチ２９を介して作業支援機能が有効であり、モニタ３１を介して作業領域５１が設定された場合、停止領域４０は左図の領域から右図の斜線の領域に拡張され、作業領域５１と停止領域４０が重なるように設定される。言い換えれば、モニタ３１を介して設定された作業領域５１を停止領域４０として設定する。さらに言い換えれば、モニタ３１を介して設定された作業領域５１に合わせて停止領域４０を設定（拡張）する。このとき、運転支援機能が無効であれば、運転支援機能を（自動的に）有効にし、運転支援機能の停止領域４０を有効なものとして、前述のように、作業領域５１と停止領域４０が重なるように、換言すれば、作業領域５１を停止領域４０として設定する。また、運転支援機能の報知領域３８と減速領域３９を設定した場合は、前述のように設定（拡張）された停止領域４０の外側にさらに設定される。

図１９は、第１の実施形態に係る運転支援機能の構成を表すブロック図である。運転支援機能の領域設定に関して、コントローラ２７は、作業領域決定部５３と、運転支援有効無効判断部５４と、運転支援領域決定部５５とから構成される。

作業領域決定部５３は、モニタ３１で設定された作業領域入力とスイッチ２９の入力情報である作業支援有効無効入力から、作業領域を設定する。作業領域決定部５３は、作業支援機能が有効の場合は、モニタ３１で設定された作業領域入力を作業領域情報として出力する。運転支援有効無効判断部５４は、モニタ３１で設定された運転支援有効無効入力（運転支援機能の有効無効設定）と作業領域決定部５３から出力された作業領域情報とに基づいて、運転支援機能の有効と無効とを切り替える。具体的には、運転支援有効無効判断部５４は、運転支援機能の設定が無効であっても、作業領域決定部５３からの出力がある場合は、運転支援機能を有効にして出力する。運転支援有効無効判断部５４は、作業領域決定部５３からの出力がない場合は、モニタ３１で設定された運転支援機能の設定をそのまま出力する。運転支援領域決定部５５は、モニタ３１からの運転支援領域入力（運転支援機能の各領域の設定情報）と作業領域決定部５３から出力された作業領域情報と運転支援有効無効判断部５４から出力された運転支援有効無効状態とから、図１８などを用いて説明したように運転支援機能の各領域を演算して出力する。

運転支援領域決定部５５から出力された運転支援領域情報と運転支援有効無効判断部５４から出力された運転支援有効無効状態は、図９などに基づき説明した運転支援機能の演算処理に用いられる。作業領域決定部５３から出力された作業領域情報は、図１６などに基づき説明した作業支援機能の演算処理に用いられる。

なお、上述した実施形態においては、運転支援機能の有効と無効とを切り替える切り替え装置としてのモニタ３１を有し、運転支援機能の有効と無効とを切り替え可能となっており、作業支援機能の有効と無効とを切り替える切り替え装置としてのスイッチ２９を有し、作業支援機能の有効と無効とを切り替え可能となっている場合において、コントローラ２７（の運転支援機能）は、作業支援機能が有効であり、かつ、作業領域５１が設定されている場合、（運転支援機能が無効であっても）運転支援機能を有効にし、作業領域５１を停止領域４０として設定する。

ただし、例えば、作業支援機能の有効と無効とを切り替え可能となっていない場合には、コントローラ２７（の運転支援機能）は、作業領域５１が設定されている場合、（運転支援機能が無効であっても）運転支援機能を有効にし、作業領域５１を停止領域４０として設定してもよい。また、例えば、運転支援機能および作業支援機能の両方の有効と無効とを切り替え可能となっていない場合には、コントローラ２７（の運転支援機能）は、作業領域５１が設定されている場合、作業領域５１を停止領域４０として設定するようにしてもよい。

（効果）
以上で説明したように、第１の実施形態では、作業機７を有する油圧ショベル（作業機械）１の周囲の物体を検知する検知装置２５の検知情報に基づいて、あらかじめ設定された停止領域４０内に物体が検知された場合に、前記油圧ショベル（作業機械）１を停止させる運転支援機能と、前記油圧ショベル（作業機械）１の姿勢情報に基づいて、あらかじめ設定された作業領域５１外に前記油圧ショベル（作業機械）１が逸脱することを防止する作業支援機能とを有する作業機械の運転支援システムであって、前記運転支援システムは、前記作業支援機能および前記運転支援機能の両方の有効と無効とを切り替え可能となっており、前記作業支援機能が有効であり、かつ、前記作業領域５１が設定されている場合、前記運転支援機能を有効にし、前記作業領域５１を前記停止領域４０として設定する。

また、前記運転支援システムは、前記停止領域４０の外側に減速領域３９を設定し、前記検知装置２５の検知情報に基づいて前記減速領域３９内に物体が検知された場合に、前記油圧ショベル（作業機械）１を減速させる。

また、前記運転支援システムは、前記停止領域４０の外側に報知領域３８を設定し、前記検知装置２５の検知情報に基づいて前記報知領域３８内に物体が検知された場合に、前記運転支援システムに配設されたブザー（報知装置）２８から報知する。

第１の実施形態よれば、作業領域５１が設定されている場合、作業領域５１を停止領域４０として設定するので、運転支援機能と作業支援機能の両方を備えた作業機械の運転支援システムにおいて、オペレータなどが運転支援機能の領域と作業支援機能の領域（特に、運転支援機能の領域）を設定する際の煩わしさを低減するとともに、作業領域内での作業機械と物体との衝突を防止することが可能である。

［第２の実施形態］
図２０は、第２の実施形態に係る施工現場を表す図である。第１の実施形態では、基本的に関連する装置が油圧ショベル１に搭載された構成となっている。しかし、関連する装置の一部を油圧ショベル外に設置した構成としてもよい。

例えば、第１の実施形態の油圧ショベル１の構成に変えて、油圧ショベル１は、車体周囲の作業員５９の位置情報（検知情報）を車体外に設置された検知装置５８からの出力としてサーバ５６との通信を介して受け取ってもよい。また、油圧ショベル１は、当該油圧ショベル１の位置情報や姿勢情報を車体外に設置された検知装置（図示しない）からの出力としてサーバ５６との通信を介して受け取ってもよい。また、油圧ショベル１の作業支援機能の有効と無効とは、スイッチ２９ではなく、サーバ５６を介して車体外から設定してもよい。また、油圧ショベル１の作業支援機能の作業領域または運転支援機能の各領域、あるいは、油圧ショベル１の運転支援機能の有効と無効とは、モニタ３１ではなく、サーバ５６を介して車体外から設定してもよい。また、油圧ショベル１は、運転室４の内部に設置された操作レバー３２ではなく、サーバ５６を介して車体外（管制塔や操縦室）から遠隔操縦してもよい。また、作業支援機能の作業領域または運転支援機能の各領域と物体の検知情報に基づいて、サーバ５６が報知指令および電磁比例減圧弁の制御指令などを演算して油圧ショベル１に送信してもよい。また、報知領域３８内に作業員５９やダンプトラック６０を検知した場合、作業員５９が装着している報知装置（図示せず）や現場に設置されている報知装置５７、ダンプトラック６０内にある報知装置（図示せず）から、報知領域３８に侵入していることを知らせるための報知をしてもよい。また、サーバ５６を介さずに、直接油圧ショベル１と検知装置５８またはその他の装置が直接通信をしてもよい。

図２１は、第２の実施形態に係る油圧ショベルのシステム構成を表す図である。第１の実施形態のシステム構成に加えて、通信装置６１を追加で備えており、コントローラ２７は、通信装置６１を介して上述した外部のセンサやサーバ５６と情報の授受を行うことが可能である。

図２２および図２３は、第２の実施形態に係る運転支援機能の領域を表す図である。図２２および図２３において、四角く囲まれた領域６２は、検知装置５８が検知可能な範囲（領域）であり、四角く囲まれた領域５１は、これから設定しようとしている作業領域である。本実施形態において、図２２の左図のように検知可能範囲６２よりも外側の領域を作業領域５１として設定した場合、検知可能範囲６２外は物体検知不可であるため、図２２の右図のように作業領域５１は検知可能範囲６２まで縮小される。また、図２３の左図のように検知可能範囲６２よりも外側の領域を含む領域を作業領域５１として設定した場合、検知可能範囲６２外は物体検知不可であるため、図２３の右図のように作業領域５１は検知可能範囲６２と重なる領域まで縮小される。言い換えれば、検知装置５８の検知可能範囲６２外を含む領域を作業領域５１として設定した場合、検知可能範囲６２と作業領域５１として設定された領域との両方を同時に満たす領域を作業領域５１として設定する。また、既に説明したように、作業領域５１が設定されると、運転支援機能が有効になり、停止領域４０は作業領域５１と検知可能範囲６２と同じ領域に設定される。また、この場合は、減速領域３９と報知領域３８を設定していたとしても、それらは検知可能範囲６２の外側になるため、減速領域３９と報知領域３８の各領域は設定されない。

第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様、運転支援機能と作業支援機能の両方を備えた作業機械の運転支援システムにおいて、オペレータなどが運転支援機能の領域と作業支援機能の領域（特に、運転支援機能の領域）を設定する際の煩わしさを低減するとともに、作業領域内での作業機械と物体との衝突を防止することが可能である。

また、前記運転支援システムは、前記検知装置５８の検知可能範囲６２外を含む領域を前記作業領域５１として設定した場合、前記検知可能範囲６２と前記作業領域５１として設定された領域との両方を同時に満たす領域を作業領域５１として設定する。これにより、適切な作業領域５１ならびに停止領域４０を設定することが可能である。

なお、本発明は上記した実施形態に限られるものではなく、様々な変形形態が含まれる。上記した実施形態は本発明をわかり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

また、上記した実施形態のコントローラの各機能は、それらの一部または全部を、例えば集積回路で設計することによりハードウェアで実現してもよい。また、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、コントローラ内の記憶装置の他に、ハードディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の記録装置、または、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に置くことができる。

１ 油圧ショベル（作業機械）
２ 走行体
３ 旋回体
４ 運転室
５ 機械室
６ カウンタウェイト
７ 作業機
８ ブーム
９ アーム
１０ バケット
１１ ブームシリンダ
１２ アームシリンダ
１３ バケットシリンダ
１４ 旋回モータ
１５a 左走行モータ
１５b 右走行モータ
１６ 油圧ポンプ
１７ エンジン（原動機）
１８ 車体傾斜センサ
１９ ブーム傾斜センサ
２０ アーム傾斜センサ
２１ バケット傾斜センサ
２２ 旋回角センサ
２３ 第一GNSSアンテナ
２４ 第二GNSSアンテナ
２５ 検知装置
２５a 前方検知装置
２５b 右側方検知装置
２５c 後方検知装置
２５d 左側方検知装置
２６ 検知範囲
２６a 前方検知範囲
２６b 右側方検知範囲
２６c 後方検知範囲
２６d 左側方検知範囲
２７ コントローラ
２８ ブザー（報知装置）
２９ スイッチ
３０ 姿勢センサ
３１ モニタ
３２ 操作レバー
３３ 流量制御弁ユニット
３４ 旋回流量制御弁
３５ 電磁比例減圧弁ユニット
３６a 旋回左電磁比例減圧弁
３６b 旋回右電磁比例減圧弁
３７ パイロットポンプ
３８ 報知領域
３９ 減速領域
４０ 停止領域
４１ 減速係数演算部
４２ 要求速度演算部
４３ 制限速度演算部
４４ 流量制御弁制御部
４５ 前方作業領域
４６ 右側方作業領域
４７ 後方作業領域
４８ 左側方作業領域
４９ 上方作業領域
５０ 下方作業領域
５１ 作業領域
５２ 距離演算部
５３ 作業領域決定部
５４ 運転支援有効無効判断部
５５ 運転支援領域決定部
５６ サーバ
５７ 報知装置（現場設置用）
５８ 検知装置（現場設置用）
５９ 作業員
６０ ダンプトラック
６１ 通信装置
６２ 検知可能範囲

Claims (4)

1. 作業機を有する作業機械の周囲の物体を検知する検知装置の検知情報に基づいて、あらかじめ設定された停止領域内に物体が検知された場合に、前記作業機械を停止させる運転支援機能と、
   前記作業機械の姿勢情報に基づいて、あらかじめ設定された作業領域外に前記作業機械が逸脱することを防止する作業支援機能とを有する作業機械の運転支援システムであって、
   前記運転支援システムは、前記運転支援機能と前記作業支援機能とはそれぞれ有効と無効とを切り替え可能となっており、前記作業支援機能が有効であり、かつ、前記作業領域が前記停止領域の外側を囲んで設定されている場合、前記停止領域を拡張させて前記作業領域と重なるようにして前記作業領域を前記停止領域として設定するとともに、前記運転支援機能が無効である場合には、前記運転支援機能を自動的に有効にすることを特徴とする作業機械の運転支援システム。
2. 請求項１に記載の作業機械の運転支援システムにおいて、
   前記運転支援システムは、前記停止領域が拡張されて前記作業領域と重なるようにして前記作業領域が前記停止領域として設定されたときに、その設定された前記停止領域の外側に減速領域を設定し、前記検知装置の検知情報に基づいて前記減速領域内に物体が検知された場合に、前記作業機械を減速させることを特徴とする作業機械の運転支援システム。
3. 請求項１に記載の作業機械の運転支援システムにおいて、
   前記運転支援システムは、前記停止領域が拡張されて前記作業領域と重なるようにして前記作業領域が前記停止領域として設定されたときに、その設定された前記停止領域の外側に報知領域を設定し、前記検知装置の検知情報に基づいて前記報知領域内に物体が検知された場合に、前記運転支援システムに配設された報知装置から報知することを特徴とする作業機械の運転支援システム。
4. 請求項１に記載の作業機械の運転支援システムにおいて、
   前記運転支援システムは、前記検知装置の検知可能領域外を含む領域を前記作業領域として設定した場合、前記検知可能領域と前記作業領域として設定された領域との両方を同時に満たす領域を作業領域として設定することを特徴とする作業機械の運転支援システム。

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