JP7392178B2 - 建設機械 - Google Patents

Description

本発明は、建設機械に関する。

近年、油圧ショベルなどの建設機械においては、オペレータによる搭乗や操作によらず、自律的に作業を行う無人ショベルの開発が進められている。無人ショベルには、実行すべき作業の内容をオペレータと同等の精度で判断することが求められる。連続する作業において次に行う作業を判断し選択するためには、無人ショベルの周辺環境や、それまで実行した作業内容などの情報が必要になる。このように、周辺環境や作業履歴から次に行う作業内容を決定するロジックを実現するアプローチの１つとして、オペレータの判断傾向を計測し、その判断傾向を模擬する方法がある。

例えば、特許文献１には、操作レバーの操作に応じて出力される物理量を検出する操作状態検出部と、前記物理量を時間積分した時間積分値を算出する時間積分部と、前記時間積分値と前記操作レバーの操作に伴う掘削積込機構部の所定動作角とを対応させておき、前記時間積分値が所定積分値以上となった場合に、前記操作レバーの操作が行われたと判定する判定部と、前記判定部によって判定された掘削積込機構部の各操作が所定の順序で行われた場合、該所定の順序で行われた一連の掘削積込機構部の操作を一回として該一連の掘削積込作業の回数を計数する計数手段と、を備え、前記一連の掘削積込機構部の操作は、掘削操作、行き旋回操作、排土操作、戻り旋回操作の順に行われる掘削積込操作であり、前記計数部は、前記一連の掘削積込機構部の操作の順序を停滞あるいは飛び越す特定状態が発生した場合、該特定状態に応じて前記一連の掘削積込作業の回数の計数処理を修正する作業機械が開示されている。

特開２０１４－１０１６９６号公報

上記従来技術においては、操作レバー入力の順番から掘削積込作業を判別し、掘削積込作業の実行回数を計測している。しかしながら、オペレータが選択し実行した作業内容の判別方法については言及しているものの、オペレータがその作業を選択した根拠となる情報の計測について言及されていない。実際にオペレータの判断傾向を模擬するためには、オペレータが判断した結果である作業内容とともに、例えば、ショベル周辺の環境に関する情報のような判断を行う根拠となる情報が必要である。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、建設機械の作業内容とオペレータの判断傾向の模擬に用いるデータとを効率的に収集することができる建設機械を提供することを目的とする。

本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、車体に設けられた作業腕を有する建設機械において、前記作業腕の負荷を検出する負荷情報検出装置と、オペレータによる操作状態に応じて、前記車体及び前記作業腕を駆動するための操作信号を出力する操作装置と、前記車体及び前記作業腕の姿勢情報を計測する姿勢情報計測装置と、前記建設機械の周辺環境を示す周辺環境情報として地形形状を計測する周辺環境情報計測装置と、前記周辺環境情報を記憶する記憶装置と、前記車体及び前記作業腕を制御する制御装置とを有し、前記制御装置は、前記姿勢情報計測装置からの計測結果に基づいて前記作業腕の動作軌跡を時系列で演算し、前記負荷情報検出装置で検出される前記作業腕の負荷を時系列で演算し、前記操作装置から出力される操作信号に基づいてオペレータによる前記建設機械の操作状態を時系列で検出し、前記作業腕の動作軌跡と、前記作業腕の負荷と、前記操作状態とに基づいて前記建設機械の作業パターンを判別し、予め定めた前記作業パターンの実行終了後に前記周辺環境情報計測装置による周辺環境情報の計測を実行するものとする。

本発明によれば、建設機械の作業内容とオペレータの判断傾向の模擬に用いるデータとを効率的に収集することができる。

建設機械の一例である油圧ショベルの外観を模式的に示す図である。 第１の実施の形態における建設機械の制御機能のうち、オペレータ判断計測装置の処理機能を関連構成とともに抜き出して示す図である。 施工現場における油圧ショベルの作業の一例として掘削積込作業の様子を例示す図であり、掘削動作直前の様子を示す図である。 施工現場における油圧ショベルの作業の一例として掘削積込作業の様子を例示す図であり、積込動作時の様子を示す図である。 第１の実施の形態におけるオペレータ判断計測装置の処理内容を示すフローチャートである。 作業判別部における作業内容の判別処理に用いる判別テーブルの一例を示す図である。 オペレータ判断計測装置の制御による周辺環境情報計測装置での計測およびデータ保存のタイミングを示す図である。 第２の実施の形態における建設機械の制御機能のうち、オペレータ判断計測装置の処理機能を関連構成とともに抜き出して示す図である。 第２の実施の形態における自動運転制御装置の処理内容を示すフローチャートである。

＜第１の実施の形態＞
以下、本発明の第１の実施の形態を図１～図７を参照しつつ説明する。なお、本実施の形態では、建設機械の一例として、多関節型のフロント作業機を搭載した油圧ショベルを例示して説明するが、フロント作業機を備える他の建設機械においても本発明を適用することも可能である。

図１は、本実施の形態に係る建設機械の一例である油圧ショベルの外観を模式的に示す図である。また、図２は、建設機械の制御機能のうち、オペレータ判断計測装置の処理機能を関連構成とともに抜き出して示す図である。

図１において、油圧ショベル１００は、クローラ式の走行装置８を装備した下部走行体１０１と、下部走行体１０１上に旋回装置７を介して旋回可能に取り付けられた上部旋回体１０２と、上部旋回体１０２の前部に上下方向に回動可能に取り付けられたフロント作業装置１０３（作業腕）とを備えている。上部旋回体１０２上には、有人作業時にオペレータが搭乗するキャブ１０４が設けられている。

フロント作業装置１０３は互いに回動可能に設けられた複数のフロント部材から構成されている。すなわち、フロント作業装置１０３は、上部旋回体１０２の前部に上下方向に回動可能に取り付けられたブーム２と、ブーム２の先端部に上下または前後方向に回動可能に連結されたアーム４と、アーム４の先端部に上下または前後方向に回動可能に連結されたバケット６とから構成されている。また、フロント作業装置１０３には、ブーム２を駆動するブームシリンダ１と、アーム４を駆動するアームシリンダ３と、バケット６を駆動するバケットシリンダ５とが備えられている。油圧ショベル１００は、バックホウショベルであり、アームシリンダ３またはバケットシリンダ５を伸長させることにより、バケット６が後方に引き戻されるように構成されている。

ブームシリンダ１、アームシリンダ３、バケットシリンダ５、旋回装置７、及び下部走行体１０１には、それぞれの負荷に係る情報を検出する負荷情報検出装置として複数の圧力センサ３６（図２参照）が設けられている。ブームシリンダ１、アームシリンダ３、及びバケットシリンダ５には、圧力センサ３６（図２参照）がボトム側とロッド側の少なくとも一方に設けられている。同様に、旋回装置７、及び下部走行体１０１には、旋回装置７及び下部走行体１０１を駆動する圧油の圧力を検出する圧力センサ３６が設けられている。なお、図２においては、複数の圧力センサのうちの１つを代表して図示する。

ブーム２、アーム４、バケット６、及び上部旋回体１０２には、それぞれの姿勢に関する情報である姿勢情報を検出する姿勢情報計測装置としての慣性計測装置（ＩＭＵ: Inertial Measurement Unit）１２，１４，１６，１７が配置されている。慣性計測装置１２，１４，１６，１７の各部材に対する相対的な取り付け位置は設計情報などから求められるので、慣性計測装置１２，１４，１６，１７の検出結果（角速度と加速度）に基づいて、ブーム２、アーム４、バケット６、及び、上部旋回体１０２の相対的な回動角度（下部走行体１０１に対する上部旋回体１０２の旋回角度を含む）を推定することができる。

なお、本実施の形態においては、姿勢情報計測装置として慣性計測装置を用いる場合を例示して説明したが、作業腕（フロント作業装置１０３の複数のフロント部材の相対角を検出する角度センサを姿勢情報計測装置として用いても良い。

キャブ１０４の内部には、オペレータによる操作状態に応じて、車体（下部走行体１０１、上部旋回体１０２）及び作業腕を駆動するための駆動信号を出力する操作装置３２（図２参照）と、油圧ショベル１００の全体の動作を制御する制御装置であるコントローラと、種々の情報を記憶する記憶装置３４と、オペレータに提示する情報を表示するとともに、オペレータの操作による情報の入力を行うための表示入力装置とが配置されている。ここで、コントローラの機能の少なくとも一部は、後述するオペレータ判断計測装置３０を構成し、表示入力装置の機能の少なくとも一部は後述する計測環境条件入力装置３３を構成している。

操作装置３２は、例えば、それぞれ前後左右に揺動可能な２つの操作レバー（図示せず）によって構成されており、操作レバーのそれぞれについて、前後左右方向の計４軸の揺動の操作量を入力可能に構成されている。操作レバーの揺動操作により操作量に応じて生成される操作信号に基づいて、コントローラで駆動信号を生成することにより、操作レバーにおける操作に対応して、ブームシリンダ１、アームシリンダ３、バケットシリンダ５、及び旋回装置７をそれぞれ駆動することができる。

コントローラは中央演算装置（ＣＰＵ）、メモリ、インタフェースによって構成され、メモリ内に予め保存されているプログラムを中央演算装置（ＣＰＵ）で実行し、メモリ内に保存されている設定値とインタフェースから入力された信号に基づいて中央演算装置（ＣＰＵ）が処理を行い、インタフェースから信号を出力する。

表示入力装置（計測環境条件入力装置３３）は、例えば、タッチパネル等のポインティングデバイスであり、画面上に表示されるグラフィカルユーザインターフェース（ＧＵＩ）により情報の表示と操作者からの指示を入力する構成となっている。

上部旋回体１０２の上部左右には、油圧ショベル１００の周辺環境を示す周辺環境情報として地形形状を計測する周辺環境情報計測装置２０ａ，２０ｂが配置されている。周辺環境情報計測装置２０ａ，２０ｂは、例えば、ＬＩＤＡＲ（Light Detection and Ranging、Laser Imaging Detection and Ranging）などの３次元走査センサである。

本実施の形態においては、コントローラの機能により実現されるオペレータ判断計測装置３０が関連構成とともに動作することにより、油圧ショベル１００（建設機械）の作業内容とオペレータの判断傾向の模擬に用いるデータ（周辺環境情報）とを効率的に収集する。

図２において、オペレータ判断計測装置３０は、予め定めた作業パターンの実行終了後に周辺環境情報計測装置２０ａ，２０ｂ（３次元走査センサ）による周辺環境情報の計測を実行し、計測した周辺環境情報を作業パターンの情報とともに時系列で記憶装置３４に記憶するものであり、オペレータの操作による油圧ショベル１００の作業パターンを判別する作業判別部３１を有している。ここで、作業パターンとは、油圧ショベル１００による作業内容であり、施工現場における土砂などの掘削を行う掘削動作、掘削動作などでバケット６内に収容した土砂などをトラックの荷台上に移動する運搬動作、運搬動作により移動したバケット６内の土砂などを放土する放土動作、放土動作後のバケット６を掘削位置などの作業姿勢にもどす戻り動作、下部走行体１０１や旋回装置７によって油圧ショベル１００やフロント作業装置１０３の移動を行う移動動作などがある。

作業判別部３１は、慣性計測装置１２，１４，１６，１７（姿勢情報計測装置）からの計測結果に基づいてフロン作業装置１０３（作業腕）の動作軌跡を時系列で演算する動作軌跡演算部３１ａと、圧力センサ３６からの計測結果に基づいてフロント作業装置１０３（作業腕）の負荷を時系列で演算する車体負荷演算部３１ｂと、操作装置３２から出力される操作信号に基づいてオペレータによる油圧ショベル１００（建設機械）の操作状態（操作方向および操作量）を時系列で検出する操作入力検出部３１ｃとを有している。動作軌跡演算部３１ａの演算結果、車体負荷演算部３１ｂの演算結果、及び操作入力検出部３１ｃの検出結果は、時系列で記憶装置３４に記憶される。作業判別部３１は、記憶装置３４に記憶された、動作軌跡演算部３１ａの演算結果であるフロント作業装置１０３の動作軌跡と、車体負荷演算部３１ｂの演算結果であるフロント作業装置１０３の負荷（負荷情報）と、操作入力検出部の検出結果である操作状態とに基づいて油圧ショベル１００の作業パターンを判別し、時系列で記憶装置３４に記憶する。

計測環境条件入力装置３３（表示入力装置）は、計測時の環境や条件を入力するための入力機能と、入力された情報を記憶装置３４に保存する記録機能とを有している。計測環境条件入力装置３３には、オペレータ判断計測装置３０によるデータ収集動作の条件が入力される。オペレータ判断計測装置３０に入力される条件としては、例えば、オペレータの情報、実施作業内容、掘削対象物の情報、使用したショベルの型式、バケットの種類などがある。

以上のように構成したオペレータ判断計測装置３０の動作について説明する。

図３及び図４は、施工現場における油圧ショベルの作業の一例として掘削積込作業の様子を例示す図であり、図３は掘削動作直前の様子を、図４は積込動作時の様子をそれぞれ示す図である。図３及び図４においては、施工現場の掘削対象である掘削面３００の上部に油圧ショベル１００を配置し、上部旋回体１０２の旋回動作によってフロント作業装置１０３が到達可能な位置（例えば、上部旋回体１０２が掘削面３００方向を向いたときの左側側方）に荷台に土砂を積載して運搬可能なトラック２００を配置する場合を例示している。

図３に示すように、掘削作業においては、油圧ショベル１００は、まず、下部走行体１０１の走行装置８及び車体の旋回装置７の動作により掘削面３００の上部に移動して停車する（移動動作）。ことのき、上部旋回体１０２の上部左側に配置された周辺環境情報計測装置２０ａは、上部旋回体１０２の左下方（トラック２００の方向）の３次元形状（地形形状）を計測可能である。

続いて、オペレータによる操作装置３２の操作に応じたフロント作業装置１０３の動作の動作により、バケット６で掘削面３００の土砂などの掘削を行う（掘削動作）。

続いて、図４に示すように、オペレータによる操作装置３２の操作に応じたフロント作業装置１０３の動作の動作、及び、上部旋回体１０２の旋回により、掘削動作によってバケット６内に収容した土砂などをトラック２００の荷台上方に移動する（運搬動作）。ことのき、上部旋回体１０２の上部右側に配置された周辺環境情報計測装置２０ｂは、上部旋回体１０２の右下方（掘削面３００の方向）の３次元形状（地形形状）を計測可能であり、計測した周辺環境情報（地形形状）を時系列で記憶装置３４に記憶する。

続いて、オペレータによる操作装置３２の操作に応じたフロント作業装置１０３の動作の動作により、バケット６内の土砂などをトラック２００の荷台に放土する（放土動作）。

続いて、オペレータによる操作装置３２の操作に応じたフロント作業装置１０３の動作、及び、上部旋回体１０２の旋回により、放土動作後のバケット６を掘削位置などの作業姿勢にもどす（戻り動作）
また、必要に応じて、下部走行体１０１の走行装置８や車体の旋回装置７によって油圧ショベル１００やフロント作業装置１０３の移動を行う（移動動作）。

図５は、オペレータ判断計測装置の処理内容を示すフローチャートである。

図５において、オペレータ判断計測装置３０は、計測が開始されると、まず、計測環境条件入力装置３３（表示入力装置）により、計測時の環境や条件の入力を油圧ショベル１００のオペレータに要求する（ステップＳ１００）。

続いて、周辺環境情報計測装置２０ａ，２０ｂ（３次元走査センサ）により、油圧ショベル１００の周辺環境情報（地形形状）を計測し、記憶装置３４に記憶する（ステップＳ１１０）。

続いて、作業判別部３１により、油圧ショベル１００が実行する作業内容を判別し、記憶装置３４に記憶する（ステップＳ１２０）。

続いて、作業判別部３１で判別された油圧ショベルの作業内容が予め設定した任意の作業に一致したか否か、及び、その作業が完了したか否かを判定する（ステップＳ１３０）。

ステップＳ１３０での判定結果がＹＥＳの場合には、ステップＳ１１０に戻る。また、ステップＳ１３０での判定結果がＮＯの場合には、ステップＳ１２０に戻る。

図６は、作業判別部における作業内容の判別処理に用いる判別テーブルの一例を示す図である。

本実施の形態では、作業の完了を操作レバーの入力から自動で判断するが、予め定めた任意の作業の完了を油圧ショベル１００のオペレータに入力させてもよい。自動で判断する場合，オペレータの入力忘れを防ぐことができる。オペレータに作業完了を入力してもらう場合は，オペレータの意図を確実に計測することができる。

図６に示すように、作業判別部３１は、操作入力検出部３１ｃで、ブーム２の操作レバー（ブームレバー）によるブームシリンダ１を伸長させブーム２を上げる入力（ブーム上げの入力）と、アーム４の操作レバー（アームレバー）によるアームシリンダ３を伸長させアーム４を油圧ショベル１００の車体に引き寄せる入力（アーム引きの入力）と、バケット６の操作レバー（バケットレバー）によるバケットシリンダ５を伸長させバケット６を抱え込む入力（バケットクラウドの入力）とを検出し、車体負荷演算部３１ｂがブームシリンダ１の圧力センサに基づき計算される推力が閾値を越えたことと、アームシリンダ３の圧力センサに基づき計算される推力が閾値を越えたことと、バケットシリンダ５の圧力センサに基づき計算される推力が閾値を越えたこととを検出した場合に、油圧ショベル１００の作業内容を掘削と判断する。

また、作業判別部３１は、操作入力検出部３１ｃで、ブーム２の操作レバー（ブームレバー）によるブームシリンダ１を伸長させブーム２を上げる（ブーム上げの入力）入力と、旋回装置７の操作レバー（旋回レバー）による上部旋回体１０２を左方向に旋回する入力（左旋回の入力）とを検出し、車体負荷演算部３１ｂがブームシリンダ１の圧力センサに基づき計算される推力が予め定めた閾値を越えたことを検出し、動作軌跡演算部３１ａが旋回速度が発生していることとを検出した場合に、油圧ショベル１００の作業内容を運搬と判断する。

また、作業判別部３１は、操作入力検出部３１ｃで、アーム４の操作レバー（アームレバー）によるアームシリンダ３を収縮させアーム４を油圧ショベル１００の車体前方へ押し出す入力（アーム押しの入力）と、バケット６の操作レバー（バケットレバー）によるバケットシリンダ５を収縮させバケット６の開口面を地面側に向ける入力（バケットダンプの入力）とを検出した場合に、油圧ショベル１００の作業内容を放土と判断する。

また、作業判別部３１は、操作入力検出部３１ｃで、ブーム２の操作レバー（ブームレバー）によるブームシリンダ１を収縮させブーム２を下げる入力（ブーム下げの入力）と、アーム４の操作レバー（アームレバー）によるアームシリンダ３を収縮させアーム４を油圧ショベル１００の車体前方へ押し出す入力（アーム押しの入力）と、バケット６の操作レバー（バケットレバー）によるバケットシリンダ５を収縮させバケット６の開口面を地面側に向ける入力（バケットダンプの入力）と、旋回装置７の操作レバー（旋回レバー）による上部旋回体１０２を右方向に旋回する入力（右旋回の入力）とを検出し、動作軌跡演算部３１ａが旋回速度が発生していることを検出した場合に、油圧ショベル１００の作業内容を戻りと判断する。

また、作業判別部３１は、操作入力検出部３１ｃで、走行装置８の操作レバー（走行レバー）による入力（走行レバーのＯＮ状態）を検出した場合に、油圧ショベル１００の作業内容を移動と判断する。

図７は、オペレータ判断計測装置の制御による周辺環境情報計測装置での計測およびデータ保存のタイミングを示す図である。なお、図７では、図５のステップＳ１３０における任意作業として、放土動作と戻り動作とを設定する。

図７に示すように、掘削動作（時刻ｔ１～ｔ２）及び運搬動作（時刻ｔ２～ｔ３）に続く放土動作（時刻ｔ３～ｔ４）の実行後は、フロント作業装置１３０がトラック２００方向を向くため（図４参照）、放土動作後に周辺環境情報計測装置２０ｂ（３次元走査センサ）によって周辺環境情報（地形形状）、すなわち、掘削面３００の地形形状を計測することができる（時刻ｔ４～ｔ５）。

時刻ｔ０から時刻ｔ１において、掘削動作の開始前に周辺環境情報計測装置２０ａ，２０ｂにより油圧ショベル１００周辺の地形形状を計測し、記憶装置３４に保存する。

続いて、時刻ｔ１から時刻ｔ２において、油圧ショベル１００のオペレータは操作装置３２の操作により掘削動作を実行し、作業判別部３１は操作装置３２からの操作信号により作業内容を掘削動作と判断して、判断結果を記憶装置３４に保存する。

続いて、時刻ｔ２から時刻ｔ３において、油圧ショベル１００のオペレータは操作装置３２の操作により運搬動作を実行し、作業判別部３１は操作装置３２からの操作信号と姿勢情報計測装置１７からの計測結果（旋回速度）により作業内容を運搬動作と判断して、判断結果を記憶装置３４に保存する。

続いて、時刻ｔ３から時刻ｔ４において、油圧ショベル１００のオペレータは操作装置３２の操作により放土動作を実行し、作業判別部３１は操作装置３２からの操作信号により作業内容を放土動作と判断して、判断結果を記憶装置３４に存する。

続いて、時刻ｔ４から時刻ｔ５、すなわち、作業判別部３１が作業内容を予め設定した放土動作と判断した後において、操作装置３２からの操作信号が無くなり、かつ、姿勢情報計測装置１７からの計測結果（旋回速度）が０（ゼロ）となった場合には、オペレータ判断計測装置３０は周辺環境情報計測装置２０ａ，２０ｂにより油圧ショベル１００周辺の地形形状を計測し、記憶装置３４に保存する。

また、図７に示すように、周辺環境情報（地形形状）の計測動作（時刻ｔ４～ｔ５）及び移動動作（時刻ｔ５～ｔ６）に続く戻り動作（時刻ｔ６～ｔ７）の実行後は、上部旋回体１０２の下部走行体１０１に対する角度が図２（ａ）に示す通りとなるため、戻り動作後に周辺環境情報を計測することにより、周辺環境情報計測装置２０ａでトラック２００の積込範囲の地形を計測可能である（時刻ｔ７～ｔ８）。

時刻ｔ５から時刻ｔ６において、油圧ショベル１００のオペレータは操作装置３２の操作により移動動作を実行し、作業判別部３１は操作装置３２からの操作信号により作業内容を移動動作と判断して、判断結果を記憶装置３４に保存する。

続いて、時刻ｔ６から時刻ｔ７において、油圧ショベル１００のオペレータは操作装置３２の操作により戻り動作を実行し、作業判別部３１は操作装置３２からの操作信号と姿勢情報計測装置１７からの計測結果（旋回速度）により作業内容を戻り動作と判断して、判断結果を記憶装置３４に保存する。

続いて、時刻ｔ７から時刻ｔ８、すなわち、作業判別部３１が作業内容を予め設定した戻り動作と判断した後において、操作装置３２からの操作信号が無くなり、かつ、姿勢情報計測装置１７からの計測結果（旋回速度）が０（ゼロ）となった場合には、オペレータ判断計測装置３０は周辺環境情報計測装置２０ａ，２０ｂにより油圧ショベル１００周辺の地形形状を計測し、記憶装置３４に保存する。

続いて、時刻ｔ８以降は、時刻ｔ１～時刻ｔ８までの処理を繰り返す。

以上のように構成した本実施の形態における効果を説明する。

従来技術においては、操作レバー入力の順番から掘削積込作業を判別し、掘削積込作業の実行回数を計測している。しかしながら、オペレータが選択し実行した作業内容の判別方法については言及しているものの、オペレータがその作業を選択した根拠となる情報の計測について言及されていない。実際にオペレータの判断傾向を模擬するためには、オペレータが判断した結果である作業内容とともに、例えば、ショベル周辺の環境に関する情報のような判断を行う根拠となる情報が必要である。

これに対して本実施の形態においては、車体（例えば、下部走行体１０１、上部旋回体１０２）に設けられた作業腕（例えば、フロント作業装置１０３）を有する建設機械（例えば、油圧ショベル１００）において、前記作業腕の負荷を検出する負荷情報検出装置（例えば、圧力センサ３６）と、オペレータによる操作状態に応じて、車体及び作業腕を駆動するための操作信号を出力する操作装置３２と、車体及び作業腕の姿勢情報を計測する姿勢情報計測装置（例えば、慣性計測装置１２，１４，１６，１７）と、建設機械の周辺環境を示す周辺環境情報として地形形状を計測する周辺環境情報計測装置２０ａ，２０ｂと、周辺環境情報を記憶する記憶装置３４と、前記車体及び前記作業腕を制御する制御装置（例えば、オペレータ判断計測装置３０）とを有し、制御装置は、姿勢情報計測装置からの計測結果に基づいて作業腕の動作軌跡を時系列で演算し、前記負荷情報検出装置で検出される作業腕の負荷を時系列で演算し、操作装置から出力される操作信号に基づいてオペレータによる建設機械の操作状態を時系列で検出し、作業腕の動作軌跡と、作業腕の負荷と、操作状態とに基づいて建設機械の作業パターンを判別し、予め定めた作業パターンの実行終了後に周辺環境情報計測装置による周辺環境情報の計測を実行するように構成したので、建設機械の作業内容とオペレータの判断傾向の模擬に用いるデータとを効率的に収集することができる。

また、操作レバー入力がなく旋回速度が検出されないような油圧ショベル１００が静止した状態で周辺環境情報（地形形状）を計測することにより、油圧ショベル１００が動作中に計測する場合と比較して、地形形状の計測精度を向上することができる。

また、周辺環境情報計測装置２０ａ，２０ｂによる計測においては、計測点数が増えるとデータ容量が増えるが、本実施の形態においては、計測するタイミングを限定することにより、記憶装置３４のデータ保存領域を節約することができる。

また、周辺環境情報計測装置２０ａ，２０ｂを油圧ショベル１００の周辺に配置する場合に、周辺環境情報計測装置２０ａ，２０ｂによる計測および記憶装置３４へのデータ保存のタイミングを任意の作業完了後に設定することができるので、例えば、計測およびデータ保存を放土動作後に設定することにより、周辺環境情報計測装置２０ａ，２０ｂによる地形形状の計測が油圧ショベル１００のブーム２、アーム４、バケット６等に遮蔽されないように設定することができ、掘削面３００の形状を精度良く計測することができる。

なお、本実施の形態において、車体負荷演算部３１ｂは圧力センサ３６の検出結果に応じて負荷を演算する場合を例示して説明したが、例えば、油圧ショベル１００の燃料消費量を計測しデータを保存する手段を設けても良い。この場合、オペレータの判断傾向のデータ計測後の分析を行う際に、特定の作業内容に対して燃料消費量が低い場合のオペレータの判断傾向のデータを抽出することができる。

また、本実施の形態においては、周辺環境情報計測装置２０ａ，２０ｂとしてＬＩＤＡＲを用いる場合を例示して説明したが、視差画像を利用するステレオカメラ等を用いても良い。

また、本実施の形態においては、周辺環境情報計測装置２０ａ，２０ｂを油圧ショベル１００上に設置する場合を例示して説明したが、油圧ショベル１００の周辺に配置してもよい。

＜第２の実施の形態＞
本発明の第２の実施の形態を図８及び図９を参照しつつ説明する。

本実施の形態は、第１の実施の形態で記憶装置に記憶した情報をサーバに格納し、また、サーバに格納された情報を読み出して用いることで建設機械の自動運転を実現するものである。なお、本実施の形態においては、図面等における第１の実施の形態と同様の部材には同じ符号を用いるものとし、適宜説明を省略する。

図８は、建設機械の制御機能のうち、オペレータ判断計測装置の処理機能を関連構成とともに抜き出して示す図である。

図８において、オペレータ判断計測装置３０は、予め定めた作業パターンの実行終了後に周辺環境情報計測装置２０ａ，２０ｂ（３次元走査センサ）による周辺環境情報の計測を実行し、計測した周辺環境情報を作業パターンの情報とともに時系列で記憶装置３４に記憶するものであり、オペレータの操作による油圧ショベル１００の作業パターンを判別する作業判別部３１を有している。ここで、作業パターンとは、油圧ショベル１００による作業内容であり、施工現場における土砂などの掘削を行う掘削動作、掘削動作などでバケット６内に収容した土砂などをトラックの荷台上に移動する運搬動作、運搬動作により移動したバケット６内の土砂などを放土する放土動作、放土動作後のバケット６を掘削位置などの作業姿勢にもどす戻り動作、下部走行体１０１や旋回装置７によって油圧ショベル１００やフロント作業装置１０３の移動を行う移動動作などがある。

作業判別部３１は、慣性計測装置１２，１４，１６，１７（姿勢情報計測装置）からの計測結果に基づいてフロン作業装置１０３（作業腕）の動作軌跡を時系列で演算する動作軌跡演算部３１ａと、圧力センサ３６からの計測結果に基づいてフロント作業装置１０３（作業腕）の負荷を時系列で演算する車体負荷演算部３１ｂと、操作装置３２から出力される操作信号に基づいてオペレータによる油圧ショベル１００（建設機械）の操作状態（操作方向および操作量）を時系列で検出する操作入力検出部３１ｃとを有している。動作軌跡演算部３１ａの演算結果、車体負荷演算部３１ｂの演算結果、及び操作入力検出部３１ｃの検出結果は、時系列で記憶装置３４に記憶される。作業判別部３１は、記憶装置３４に記憶された、動作軌跡演算部３１ａの演算結果であるフロント作業装置１０３の動作軌跡と、車体負荷演算部３１ｂの演算結果であるフロント作業装置１０３の負荷（負荷情報）と、操作入力検出部の検出結果である操作状態とに基づいて油圧ショベル１００の作業パターンを判別し、時系列で記憶装置３４に記憶する。

計測環境条件入力装置３３（表示入力装置）は、計測時の環境や条件を入力するための入力機能と、入力された情報を記憶装置３４に保存する記録機能とを有している。計測環境条件入力装置３３には、オペレータ判断計測装置３０によるデータ収集動作の条件が入力される。オペレータ判断計測装置３０に入力される条件としては、例えば、オペレータの情報、実施作業内容、掘削対象物の情報、使用したショベルの型式、バケットの種類などがある。

記憶装置３４に記憶された各種情報は、図示しない通信装置などによって油圧ショベル１００の外部（例えば、作業現場に設けられた管理事務所内）に設置されたサーバ３７に送信し格納される。

油圧ショベル４００は、油圧ショベル１００とは異なる他の建設機械であり、種々の情報や指令に応じて油圧ショベル４００の自動運転動作を行う自動運転制御装置３８と、油圧ショベル４００の周辺環境情報（地形形状）を計測する周辺環境情報計測装置２０ｃ，２０ｄとを少なくとも有している。

周辺環境情報計測装置２０ｃ，２０ｄは、油圧ショベル１００の周辺環境情報計測装置２０ａ，２０ｂ（３次元走査センサ）と同様の構成を有するものである。すなわち、周辺環境情報計測装置２０ｃ，２０ｄは、油圧ショベル４００の上部旋回体の上部左右に配置され、油圧ショベル４００の周辺環境を示す周辺環境情報として地形形状を計測するものであり、例えば、ＬＩＤＡＲ（Light Detection and Ranging、Laser Imaging Detection and Ranging）などの３次元走査センサである。

自動運転制御装置３８は、サーバ３７に格納された情報、すなわち、周辺環境情報と作業パターンとが時系列で記憶された情報を読み出し、読みだした情報を用いて油圧ショベル４００の自動運転を行う。

具体例には、自動運転制御装置３８は、実行するべき作業内容に応じた自動運転を行う際には、まず、周辺環境情報計測装置２０ｃ，２０ｄにより計測された周辺環境情報（地形形状）を入力し、その周辺環境情報に合致する（又は、類似する）周辺環境情報とともに時系列で記憶された作業パターンの情報をサーバ３７から選択して読み出して、読みだした作業パターンの動作を自動運転の動作として実行する。

なお、自動運転制御装置３８は、作業現場の設計情報や現状の周辺環境情報に応じて、関連すると予測される作業パターンの情報や周辺環境情報（地形形状）を複数事前にサーバ３７から読み出しておき、この情報の中から周辺環境情報（地形形状）に合致（類似）する作業パターンを選択して読み出すことで自動運転を行うようにしても良い。

図９は、本実施の形態における自動運転制御装置の処理内容を示すフローチャートである。

図９において、自動運転制御装置３８は、運転が開始されると、まず、計測環境条件入力装置３３（表示入力装置）により、自動運転時の環境や条件の入力を油圧ショベル４００の作業管理者（オペレータ等でも良い）に要求する（ステップＳ２００）。

続いて、周辺環境情報計測装置２０ａ，２０ｂ（３次元走査センサ）により、油圧ショベル１００の周辺環境（地形形状）を計測する（ステップＳ２１０）。

続いて、自動運転制御装置３８は、油圧ショベル４００が実行する作業内容（作業パターン）を選択し、実行する（ステップＳ２２０）。

続いて、自動運転制御装置３８により自動運転として油圧ショベル４００で実行された作業内容が予め設定した任意の作業に一致したか否か、及び、その作業が完了したか否かを判定する（ステップＳ２３０）。

ステップＳ２３０での判定結果がＹＥＳの場合には、ステップＳ２１０に戻る。また、ステップＳ２３０での判定結果がＮＯの場合には、ステップＳ２２０に戻る。

その他の構成は第１の実施の形態と同様である。

以上のように構成した本実施の形態においても第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

また、特定の地形形状に対するオペレータの実際の動作に則して、作業現場の地形形状に適した作業内容の自動運転を行うことができる。

なお、本実施の形態においては、自動運転制御装置３８を設けて自動運転を行う建設機械４００は、油圧ショベル１００とは異なる他の建設機械である場合を例示して説明したが、これに限られず、例えば、油圧ショベル１００に自動運転制御装置３８を設け、サーバ３７に格納された自身や他の建設機械により取得された情報（周辺環境情報と作業パターンの組情報）を取得し、周辺環境情報計測装置２０ａ，２０ｂにより取得した周辺環境情報（地形形状）と併せて用いることで自動運転を行うように構成してもよい。

また、本実施の形態においては、自動運転制御装置３８において、入力された周辺環境情報に合致（類似）する作業パターンを選択するように構成したが、これに限られず、入力された周辺環境情報とサーバ上に蓄積されたデータとに基づいてＡＩにより最も適した作業パターンを演算して実行する、すなわち、当該作業現場において油圧ショベルをどう動かすべきかをＡＩにより判断して自動運転を実行するように構成してもよい。

＜付記＞
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内の様々な変形例や実施の形態の組み合わせが含まれる。また、本発明は、上記の実施の形態で説明した全ての構成を備えるものに限定されず、その構成の一部を削除したものも含まれる。また、上記の各構成、機能等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等により実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、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。

１…ブームシリンダ、２…ブーム、３…アームシリンダ、４…アーム、５…バケットシリンダ、６…バケット、７…旋回装置、８…走行装置、１２，１４，１６，１７…慣性計測装置、２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ…周辺環境情報計測装置、３０…オペレータ判断計測装置、３１…作業判別部、３１ａ…動作軌跡演算部、３１ｂ…車体負荷演算部、３１ｃ…操作入力検出部、３２…操作装置、３３…計測環境条件入力装置、３４…記憶装置、３６…圧力センサ、３７…サーバ、３８…自動運転制御装置、１００，４００…油圧ショベル、１０１…下部走行体、１０２…上部旋回体、１０３…フロント作業装置、１０４…キャブ、１３０…フロント作業装置、２００…トラック、３００…掘削面

Claims (7)

1. 車体に設けられた作業腕を有する建設機械において、
   前記作業腕の負荷を検出する負荷情報検出装置と、
   オペレータによる操作状態に応じて、前記車体及び前記作業腕を駆動するための操作信号を出力する操作装置と、
   前記車体及び前記作業腕の姿勢情報を計測する姿勢情報計測装置と、
   前記建設機械の周辺環境を示す周辺環境情報として地形形状を計測する周辺環境情報計測装置と、
   前記周辺環境情報を記憶する記憶装置と、
   前記車体及び前記作業腕を制御する制御装置とを有し、
   前記制御装置は、
   前記姿勢情報計測装置からの計測結果に基づいて前記作業腕の動作軌跡を時系列で演算し、
   前記負荷情報検出装置で検出される前記作業腕の負荷を時系列で演算し、
   前記操作装置から出力される操作信号に基づいてオペレータによる前記建設機械の操作状態を時系列で検出し、
   前記作業腕の動作軌跡と、前記作業腕の負荷と、前記操作状態とに基づいて前記建設機械の作業内容が、堀削、運搬、放土、戻りを含む複数の作業内容のうち、いずれの作業内容であるかを時系列で判別し、
   時系列で判別した前記作業内容が予め定めた作業内容である場合に、予め定めた前記作業内容の実行終了後に前記周辺環境情報計測装置による周辺環境情報の計測を実行し、計測した前記周辺環境情報を前記作業内容の判別結果と共に時系列で前記記憶装置に記憶することを特徴とする建設機械。
2. 請求項１記載の建設機械において、
   前記制御装置は、予め定めた前記作業内容の実行終了後であって、前記建設機械の動作停止中に前記周辺環境情報計測装置による周辺環境情報の計測を実行することを特徴とする建設機械。
3. 請求項１に記載の建設機械において、
   前記車体は、下部走行体と、前記下部走行体に対して旋回可能な上部旋回体とを有し、
   前記制御装置は、予め定めた前記作業内容の実行終了後であって、前記下部走行体に対する前記上部旋回体の旋回動作の停止中に前記周辺環境情報計測装置による前記周辺環境情報の計測を実行することを特徴とする建設機械。
4. 請求項１に記載の建設機械において、
   前記制御装置は、予め定めた前記作業内容の実行終了後であって、前記作業腕による掘削動作の停止中に前記周辺環境情報計測装置による前記周辺環境情報の計測を実行することを特徴とする建設機械。
5. 請求項１に記載の建設機械において、
   前記姿勢情報計測装置は、前記作業腕を構成する複数のフロント部材の相対角を計測する角度センサであり、
   前記負荷情報検出装置は、前記操作装置からの操作信号に応じて前記作業腕を駆動する油圧アクチュエータの負荷圧を計測する圧力センサであることを特徴とする建設機械。
6. 請求項１に記載の建設機械において、
   前記周辺環境情報計測装置は、３次元走査センサであることを特徴とする建設機械。
7. 請求項１に記載の建設機械において、
   周辺環境情報の計測を実行した際のオペレータの情報と、周辺環境情報の計測を実行する直前の作業内容および作業対象物の情報とを入力可能な計測環境条件入力装置を有することを特徴とする建設機械。

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