JPH0617445A - 掘削装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 土砂の移送作業や掘削作業の効率化及び省略
化を図ることができる掘削装置を提供する。 【構成】 土砂２を移送するための第２アーム１４の先
端１４２に土砂掘削用のバケット１５が揺動可能に枢着
されたパワーショベル１に、掘削前における土砂２の３
次元形状データを記憶する記憶回路を設け、この記憶回
路に記憶された土砂２の３次元形状データに基づいて、
バケット１５により土砂２を効率的に掘削できるような
掘削箇所２２を主制御装置が決定するものとした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、土砂を掘削する際に用
いられる掘削装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、建設現場における各種作業の効率
化が推進されており、その例として、一箇所に集積され
た堆積土砂等をトラックへ積み込む際、或は、現場外か
らトラックで運ばれた埋立用土砂等を現場内搬送用の搬
送装置へ積み替える際の土砂の移送作業や、地山を造成
する際の土砂の掘削作業がある。

【０００３】そして、これらの作業を効率よく行うため
には、堆積土砂や地山の形状に応じてパワーショベルや
ブルドーザ等のバケットを動作させ、バケットが堆積土
砂や地山の土砂を効率的に掘削するようにすることが肝
要となる。このため、従来は、熟練したオペレータが、
開口を下方に向けたバケットを堆積土砂や地山の土砂に
接近させて、掘削動作したバケットがその容量いっぱい
に土砂を掘削するようにしていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このように従来は、土
砂の移送作業や掘削作業の効率化を図るために熟練した
オペレータが不可欠であったため、近年の労働者不足の
中で熟練したオペレータを確保するのに多大なコストを
要すると共に、作業の省力化の妨げとなる不具合があっ
た。

【０００５】本発明は前記事情に鑑みてなされたもの
で、土砂の移送作業や掘削作業の効率化及び省略化を図
ることができる掘削装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に本発明は、土砂を移送するためのアームと、前記アー
ムの先端に揺動可能に枢着された土砂掘削用のバケット
と、前記アーム及びバケットを駆動する駆動手段とを備
える掘削装置において、掘削前における前記土砂の３次
元形状データを記憶する記憶手段と、前記記憶手段に記
憶された前記土砂の３次元形状データに基づいて、前記
バケットによる掘削箇所を決定する制御手段とを設けた
ことを特徴とする。また、本発明は、前記掘削箇所を掘
削した後の土砂の３次元形状データをシミュレートする
シミュレート手段をさらに設け、前記制御手段は、前記
シミュレート手段によりシミュレートされた３次元形状
データに基づいて、前記バケットによる２回目以降の掘
削箇所を決定するものとした。

【０００７】さらに、本発明は、前記土砂の３次元形状
を測定する形状測定手段をさらに設け、前記記憶手段に
は、前記形状測定手段で測定された前記掘削前における
前記土砂の３次元形状データが記憶されるものとした。
加えて、本発明は、前記掘削箇所を掘削した後の土砂の
３次元形状データを前記形状測定手段により測定して前
記記憶手段に記憶させ、前記制御手段は、前記記憶手段
に記憶された前記掘削箇所を掘削した後の土砂の３次元
形状データに基づいて、前記バケットによる２回目以降
の掘削箇所を決定するものとした。

【０００８】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図１は本発明の一実施例によるパワーショベルと
これを用いて掘削する土砂とを示す側面図、図２は図１
のパワーショベルの概略構成を示すブロック図である。

【０００９】図１において１はパワーショベル（掘削装
置に相当）、２は堆積土砂、３は土砂２が堆積された地
面、４は土砂２の搬送を行うトラックである。パワーシ
ョベル１は、クローラ１１と、クローラ１１上に水平旋
回可能に設けられた旋回台１２と、旋回台１２の前部に
上下方向へ揺動可能に枢着された第１アーム１３と、第
１アーム１３の先端に上下方向へ揺動可能に枢着された
第２アーム１４と、第２アーム１４の先端１４２に上下
方向へ揺動可能に枢着されたバケット１５と、これらを
駆動するための駆動機構１６と、パワーショベル１全体
の動作を制御するコントロールボックス１７とを備えて
いる。

【００１０】さて、クローラ１１には、クローラ１１に
対する旋回台１２の旋回角及び旋回時の角速度を検出す
る旋回角センサ１１１が設けられている。旋回台１２に
は、パワーショベル１の傾斜の度合を検出する傾斜角セ
ンサ１２１と、パワーショベル１の前方を撮像するテレ
ビカメラ１２２と、旋回台１２に対する第１アーム１３
の揺動角及び揺動時の角速度を検出する第１アーム角度
センサ１２３とが設けられている。

【００１１】また、第１アーム１３には、第１アーム１
３に対する第２アーム１４の揺動角及び揺動時の角速度
を検出する第２アーム角度センサ１３１が設けられ、第
２アーム１４には、第２アーム１４に対するバケット１
５の揺動角及び揺動時の角速度を検出するバケット角度
センサ１４１が設けられている。さらに、バケット１５
の外面１５１で前記第２アーム１４の先端への枢着箇所
の近傍には超音波センサ１８が設けられている。

【００１２】一方、駆動機構１６は図２に示すように油
圧ポンプ１６１とディーゼルエンジン１６２とを備えて
おり、クローラ１１、旋回台１２、及び第１，第２アー
ム１３，１４には、油圧ポンプ１６１からの圧油を受け
て旋回台１２、第１，第２アーム１３，１４、及びバケ
ット１５を旋回、揺動させるための、旋回用油圧モータ
（以下、油圧モータと略記する）１６３や揺動用油圧シ
リンダ１６４（以下、油圧シリンダと略記する）が、駆
動機構１６の一部として設けられている。そして、油圧
ポンプ１６１と、油圧モータ１６３及び油圧シリンダ１
６４との間は、トルク調整用の比例制御弁１６５を介し
て、油圧回路１６６により接続されている。また、クロ
ーラ１１とディーゼルエンジン１６２との間は、変速機
構１６８及び操舵機構１６９を備える動力伝達機構１６
７により接続されている。

【００１３】コントロールボックス１７には図２に示す
ように、主制御装置１７１と駆動制御装置１７２とが設
けられており、主制御装置１７１には、前記旋回角セン
サ１１１、傾斜角センサ１２１、第１アーム角度センサ
１２３、第２アーム角度センサ１３１、バケット角度セ
ンサ１４１、超音波センサ１８、記憶回路１７３、及び
キーボード１７４が接続されている。

【００１４】記憶回路１７３には、主制御装置１７１の
制御プログラムや、掘削前の土砂２の３次元形状デー
タ、旋回台１２、第１，第２アーム１３，１４、及びバ
ケット１５に設けられた油圧モータ１６３及び油圧シリ
ンダ１６４の、後述する形状測定時や掘削動作時におけ
る動作パターンデータ等が格納されている。また、駆動
制御装置１７２には、油圧ポンプ１６１と前記油圧回路
１６６に介設された比例制御弁１６５とが接続されてお
り、さらに、ディーゼルエンジン１６２の駆動、停止
や、変速機構１６８によるクローラ１１の速度調整や操
舵機構１６９によるクローラ１１の操舵等を含む動力伝
達機構１６７による動力伝達を制御する運転制御回路１
７５が接続されている。

【００１５】尚、本実施例では、土砂を移送するための
アームが第１，第２アーム１３，１４で構成され、駆動
手段が駆動機構１６により構成され、形状測定手段が超
音波センサ１８及び主制御装置１７１で構成されている
と共に、制御手段が旋回角センサ１１１、第１アーム角
度センサ１２３、第２アーム角度センサ１３１、バケッ
ト角度センサ１４１、主制御装置１７１、駆動制御装置
１７２、及び記憶回路１７３で構成されている。

【００１６】次に、土砂２の掘削動作について説明す
る。まず、バケット１５に設けられた超音波センサ１８
を用いて、掘削前における土砂２の３次元形状を測定す
る。この測定に際しては、土砂２の上方にバケット１５
乃至超音波センサ１８が臨むようにパワーショベル１を
位置させて、超音波センサ１８のスキャン動作に必要な
設定値をキーボード１７４から入力する。

【００１７】ここで、キーボード１７４から入力する設
定値について、図３を参照して説明する。土砂２の形状
測定動作に必要な設定値としては、土砂２を縦断する方
向（以下、縦断方向と略記する）及び横断する方向（以
下、横断方向と略記する）のスキャン範囲と、スキャン
高さとがある。そこで、本実施例の形状測定装置では、
ホームポジションとしての超音波センサ１８の基準位置
Ｐから旋回台１２の旋回中心点Ｏまでの距離ｒと、スキ
ャン高さｈとを設定し、さらに、基準位置Ｐ或は旋回中
心点Ｏを基準とした縦断及び横断方向のスキャン範囲を
規定することとしている。

【００１８】縦断方向のスキャン範囲については、縦断
方向のスキャン開始点Ａから旋回台１２の旋回中心点Ｏ
までの距離Ｌ１と、同縦断方向のスキャン終了点Ｂから
旋回中心点Ｏまでの距離Ｌ２とをキーボード１７４から
入力設定する。横断方向のスキャン範囲については、基
準位置Ｐから横断方向のスキャン開始点Ｃ及びスキャン
終了点Ｄまでの旋回台１２の旋回角ｔを設定する。尚、
本実施例では、Ｌ１＝３．０ｍ、Ｌ２＝３．８５ｍ、ｈ
＝１．５ｍ、ｔ＝５０°、ｒ＝４．０ｍとしている。

【００１９】これらの設定値がキーボード１７４から入
力設定されると、主制御装置１７１は記憶回路１７３を
検索し、入力された設定値により規定されたスキャン範
囲に対応する、クローラ１１、旋回台１２、及び第１，
第２アーム１３，１４に設けられた油圧モータ１６３及
び油圧シリンダ１６４の動作パターンデータを取り出
す。

【００２０】この動作パターンデータは縦断動作パター
ンデータと横断動作パターンデータとからなり、縦断動
作パターンデータは、縦断方向へのスキャン動作中に超
音波センサ１８を高さｒに常に維持し、且つ、超音波セ
ンサ１８の指向方向を地面３に垂直な方向に常に維持す
るための、第１，第２アーム１３，１４、及びバケット
１５の揺動パターンを規定するものである。また、横断
動作パターンデータは、超音波センサ１８を旋回台１２
の旋回中心点Ｏから距離ｒの位置に置き、この状態で旋
回台１２を左右に旋回角ｔで旋回させて、横断方向への
スキャン範囲をカバーするように超音波センサ１８を略
円弧状の軌跡で移動させるための、旋回台１２の旋回パ
ターンを規定するものである。

【００２１】つまり、縦断動作パターンデータは、第
１，第２アーム１３，１４、及びバケット１５の揺動に
関与する、旋回台１２及び第１，第２アーム１３，１４
に設けられた油圧シリンダ１６４への、油圧ポンプ１６
１からの圧油供給パターンに関するデータである。そし
て、この縦断動作パターンデータは、キーボード１７４
から入力された設定値のうち、縦断方向のスキャン開始
点Ａから旋回台１２の旋回中心点Ｏまでの距離Ｌ１と、
同縦断方向のスキャン終了点Ｂから旋回中心点Ｏまでの
距離Ｌ２と、スキャン高さｈと、超音波センサ１８の基
準位置Ｐから旋回台１２の旋回中心点Ｏまでの距離ｒと
に基づいて検索される。

【００２２】また、横断動作パターンデータは、旋回台
１２の旋回に関与する、クローラ１１に設けられた油圧
モータ１６３への、油圧ポンプ１６１からの圧油供給パ
ターンに関するデータであり、キーボード１７４から入
力された設定値のうち、基準位置Ｐから横断方向のスキ
ャン開始点Ｃ及びスキャン終了点Ｄまでの旋回台１２の
旋回角ｔに基づいて検索される。

【００２３】そして、主制御装置１７１は、記憶回路１
７３から取り出したこれらの動作パターンデータに基づ
いて、油圧モータ１６３及び油圧シリンダ１６４への圧
油の供給パターンを駆動制御装置１７２に転送し、駆動
制御装置１７２は、転送された圧油の供給パターン通り
に油圧ポンプ１６１から油圧モータ１６３及び油圧シリ
ンダ１６４へ圧油が供給されるように、油圧回路１６６
系を制御する。尚、旋回台１２、第１，第２アーム１
３，１４、及びバケット１５の旋回及び揺動は、旋回角
センサ１１１、第１アーム角度センサ１２３、第２アー
ム角度センサ１３１、及びバケット角度センサ１４１の
検出結果に基づいて、主制御装置１７１乃至駆動制御装
置１７２によりフィードバック制御される。

【００２４】このようにして、超音波センサ１８が地面
３から高さｈの位置で土砂２の上方を縦断及び横断方向
にスキャンすると、超音波センサ１８からある程度の広
がりを持って出射された超音波が土砂２の上端２１（図
１，図３）に照射され、その反射波が超音波センサ１８
で受波されて、超音波が照射された土砂２の上端２１
と、該超音波センサ１８が設けられたバケット１５の外
面１５１との間の距離が、一般的な超音波測距法に従っ
て測距され、その結果が主制御装置１７１により検出さ
れる。

【００２５】そして、主制御装置１７１では、縦断及び
横断方向の所定ピッチ毎に測距結果をサンプリングし
て、各サンプリング点における地面３から土砂２の上端
２１までの高さを検出し、これに基づいて土砂２の３次
元形状を認識する。認識された土砂２の３次元形状のデ
ータは記憶回路１７３に記憶される。

【００２６】記憶回路１７３に土砂２の３次元形状デー
タが記憶回路１７３に記憶されると、土砂２の掘削動作
に移り、主制御装置１７１は、記憶回路１７３に記憶さ
れた掘削前の土砂２の３次元形状データを検索する。そ
して、主制御装置１７１は、検索した３次元形状データ
に基づいて、土砂２を効率的に掘削できるような第１回
目の掘削箇所２２（図４）を決定し、その掘削箇所２２
をバケット１５により掘削させるための、第１，第２ア
ーム１３，１４及びバケット１５の動作パターンデータ
を記憶回路１７３から取り出す。

【００２７】この動作パターンデータは、次に述べる６
つの動作パターンのそれぞれにおける、旋回台１２、第
１，第２アーム１３，１４、及びバケット１５の揺動に
関与する、クローラ１１、旋回台１２及び第１，第２ア
ーム１３，１４に設けられた油圧モータ１６３、油圧シ
リンダ１６４への、油圧ポンプ１６１からの圧油供給パ
ターンに関するデータである。

【００２８】まず、第１動作パターンは、図４に示すよ
うな、旋回台１２の回転中心点Ｏから距離Ｌの初期位置
にあるバケット１５を旋回、揺動させ、バケット１５の
開口１５２を下に向けて第２アーム１４の先端１４２を
土砂２の上端２１に位置させるためのものである。第２
動作パターンは、第２アーム１４の先端１４２を土砂２
の上端２１に位置させた状態から、バケット１５をその
開口１５２が上向きとなるように揺動させ、掘削箇所２
２の土砂２をバケット１５で掘削させるためのものであ
る。第３動作パターンは、掘削箇所２２の土砂２を掘削
した状態から上述の初期位置にバケット１５の位置を戻
すためのものである。

【００２９】第４動作パターンは、掘削箇所２２の土砂
２を掘削して初期位置に戻ったたバケット１５を、トラ
ック４の荷台等あらかじめ定められた移送先、例えばト
ラック４の荷台４１上に移動させるためのものであり、
第５動作パターンは荷台４１上でバケット１５内の土砂
２を排出させるためのものであり、さらに、第６動作パ
ターンは、荷台４１上で土砂２を排出した後のバケット
１５を図４の初期位置に戻すためのものである。

【００３０】そして、これら第１乃至第６動作パターン
に関する油圧モータ１６３、油圧シリンダ１６４への、
油圧ポンプ１６１からの圧油供給パターンを規定した動
作パターンデータは、主制御装置１７１から駆動制御装
置１７２に転送され、駆動制御装置１７２は、転送され
た圧油の供給パターン通りに油圧ポンプ１６１から油圧
モータ１６３及び油圧シリンダ１６４へ圧油が供給され
るように、油圧回路１６６系を制御する。

【００３１】尚、旋回台１２、第１，第２アーム１３，
１４、及びバケット１５の旋回及び揺動中、主制御装置
１７１は、旋回角センサ１１１、第１アーム角度センサ
１２３、第２アーム角度センサ１３１、及びバケット角
度センサ１４１により検出された各部の角速度を監視
し、角速度が鈍った旋回、揺動箇所については、その旋
回、揺動に関与する油圧回路１６６系の油圧力が増大さ
れるように、比例制御弁１６５の弁開度の調節を行う。

【００３２】以上の動作により第１回目の掘削動作が行
われると、先に述べた手順で掘削後の土砂２の形状測定
が再び行われ、これにより得られた、第１回目の掘削動
作後の土砂２の３次元形状データが記憶回路１７３に記
憶される。主制御装置１７１は、記憶回路１７３に新た
に記憶された第１回目の掘削動作後の土砂２の３次元形
状データに基づいて、土砂２を効率的に掘削できるよう
な第２回目の掘削箇所（図示せず）を決定し、その掘削
箇所をバケット１５により掘削させるための、第１，第
２アーム１３，１４及びバケット１５の動作パターンデ
ータを記憶回路１７３から取り出す。そして、以後、上
述と同様の動作により、第２回目以降の掘削箇所の掘削
と、掘削された土砂２の荷台４１上への移動、荷台４１
上での土砂２の排出、及び初期位置へのバケット１５の
戻しの各動作が行われる。

【００３３】尚、掘削箇所における土砂２の地面３から
の高さがバケット１５の長さより短い場合には、バケッ
ト１５が地面３に接触して掘削動作に支障が生じないよ
うに、第１動作パターン時に主制御装置１７１が、両者
の差の分だけ第２アーム１４の先端１４２を土砂２の上
端２１から上方にずらして位置させる。

【００３４】このように、本実施例の掘削装置では、記
憶回路１７３に記憶された掘削土砂２の３次元形状デー
タに基づいて主制御装置１７１が、土砂２を効率的に掘
削できるような掘削箇所を決定するものとしたので、熟
練したオペレータが行う掘削動作を同等の掘削動作を無
人で行うことができ、よって、土砂の移送作業や掘削作
業の効率化及び省略化を図ることができる。

【００３５】尚、本実施例では、掘削土砂２の３次元形
状をバケット１５の外面１５１に設けた超音波センサ１
８で測定し、その測定により得られた３次元形状データ
を記憶回路１７３に記憶させるものとしたが、パワーシ
ョベル１とは別体の他の測定手段により掘削土砂２の３
次元形状を測定し、その測定データを記憶装置１７３に
記憶させるようにしてもよい。そして、上述した他の測
定手段により測定されて記憶装置１７３に記憶された測
定データに基づいて、第１回目の掘削箇所を決定し、第
２回目以降の掘削箇所の決定は、記憶装置１７３に記憶
された前記測定データと、主制御装置１７１が記憶回路
１７３から取り出した動作パターンデータとに基づい
て、主制御装置１７１内でシミュレートした、掘削後の
土砂２の３次元形状データに基づいて行うようにしても
よい。この場合には、主制御装置１７１がシミュレート
手段に相当する。

【００３６】さらに、本実施例では、形状測定手段に超
音波センサ１８を用いたが、それ以外の例えばレーザ測
距装置等を用いてもよい。加えて、本実施例では、地面
３上に堆積された土砂２の掘削箇所を決定する場合につ
いて説明したが、トラック４の荷台等地面以外の面に堆
積された土砂の掘削箇所を決定する場合や、地面に穴を
形成する際の掘削箇所を決定する場合にも本発明の装置
を適用できることはいうまでもない。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、土
砂を移送するためのアームの先端に土砂掘削用のバケッ
トが揺動可能に枢着され、このアーム及びバケットが駆
動手段により駆動手段される掘削装置に、掘削前におけ
る前記土砂の３次元形状データを記憶する記憶手段と、
前記記憶手段に記憶された前記土砂の３次元形状データ
に基づいて、前記バケットによる掘削箇所を決定する制
御手段とを設けたので、土砂の移送作業や掘削作業を効
率よく無人で行うことができ、作業の効率化及び省略化
を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例によるパワーショベルとこれ
を用いて掘削する土砂とを示す側面図である。

【図２】図１のパワーショベルの概略構成を示すブロッ
ク図である。

【図３】図１及び図２に示す超音波センサのスキャン動
作に伴って入力する設定値を説明する説明図である。

【図４】図１に示すパワーショベルによる土砂の掘削動
作を説明する説明図である。

【符号の説明】

１ パワーショベル（掘削装置） ２ 土砂 ２２ 掘削箇所 １３ 第１アーム（アーム） １４ 第２アーム（アーム） １４２ 第２アーム先端（アーム先端） １５ バケット １６ 駆動機構（駆動手段） １７１ 主制御装置（制御手段、シミュレート手段、形
状測定手段） １７２ 駆動制御装置（制御手段） １７３ 記憶回路（制御手段、記憶手段） １８ 超音波センサ（形状測定手段）

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 土砂を移送するためのアームと、 前記アームの先端に揺動可能に枢着された土砂掘削用の
   バケットと、 前記アーム及びバケットを駆動する駆動手段と、 を備える掘削装置において、 掘削前における前記土砂の３次元形状データを記憶する
   記憶手段と、 前記記憶手段に記憶された前記土砂の３次元形状データ
   に基づいて、前記バケットによる掘削箇所を決定する制
   御手段と、 を設けたことを特徴とする掘削装置。
2. 【請求項２】 前記掘削箇所を掘削した後の土砂の３次
   元形状データをシミュレートするシミュレート手段をさ
   らに設け、前記制御手段は、前記シミュレート手段によ
   りシミュレートされた３次元形状データに基づいて、前
   記バケットによる２回目以降の掘削箇所を決定する請求
   項１記載の掘削装置。
3. 【請求項３】 前記土砂の３次元形状を測定する形状測
   定手段をさらに設け、前記記憶手段には、前記形状測定
   手段で測定された前記掘削前における前記土砂の３次元
   形状データが記憶される請求項１記載の掘削装置。
4. 【請求項４】 前記掘削箇所を掘削した後の土砂の３次
   元形状データを前記形状測定手段により測定して前記記
   憶手段に記憶させ、前記制御手段は、前記記憶手段に記
   憶された前記掘削箇所を掘削した後の土砂の３次元形状
   データに基づいて、前記バケットによる２回目以降の掘
   削箇所を決定する請求項３記載の掘削装置。