JPH0849265A

JPH0849265A - 自動掘削制御装置および方法

Info

Publication number: JPH0849265A
Application number: JP7143512A
Authority: JP
Inventors: David J Rocke; ジェイロークディヴィッド; Lonnie J Devier; ジェイデヴィアロニー; Dale B Herget; ビーハーゲトデイル
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1994-06-15
Filing date: 1995-06-09
Publication date: 1996-02-20
Anticipated expiration: 2020-10-12
Also published as: US5493798A; DE19521722A1; JP3706171B2; DE19521722B4

Abstract

(57)【要約】【目的】掘削作業サイクルの始めから終わりまで掘削
機械のフロントアタッチメントを自動的に制御する装置
を提供する。【構成】フロントアタッチメントはそれぞれが少なく
とも１個の油圧シリンダで動かされるブーム、ステッ
キ、バケットから成る。制御装置は油圧シリンダの１つ
の所望の速度を表すオペレータ制御信号を発生するオペ
レータ制御要素を有する。電子油圧弁は制御信号に応じ
て所定の油圧シリンダを作動させ、作業サイクルを実行
する。センサは少なくとも１個の油圧シリンダに関する
力を表す信号を発生する。論理手段はオペレータ制御信
号の大きさと所定の制御信号の大きさとを比較し、作業
サイクルの所定の部分に関する動作パラメータを決定す
る。論理手段はオペレータ制御信号と力信号を受け取
り、それに応じて電子油圧弁へ指令信号を送り、決定し
た動作パラメータに従ってその後の作業サイクルを自動
的に実行させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、一般には自動掘削の分
野、より詳細にはオペレータが定めた掘削機械の作業サ
イクルを学習する自動掘削制御装置および制御方法に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】掘削作業には、掘削機、バックホウ、フ
ロントショベルなどの掘削機械が使用される。これらの
掘削機械はブーム、ステッキ、およびバケットのリンケ
ージから成るフロントアタッチメントを備えている。ブ
ームは一端が掘削機械本体に旋回自在に取り付けられ、
他端がステッキに旋回自在に取り付けられている。バケ
ットはステッキの自由端に旋回自在に取り付けられてい
る。フロントアタッチメントを構成する各リンケージは
対応する少なくとも１個の油圧シリンダで制御自在に動
かされ、垂直面内で動く。オペレータは一般にフロント
アタッチメントを巧みに操作して全掘削作業サイクルを
構成する一連の個別機能を実行する。

【０００３】典型的な作業サイクルの場合、オペレータ
は最初にフロントアタッチメントを掘削位置に置き、バ
ケットが土壌に進入するまでフロントアタッチメントを
下げる。次にオペレータはバケットを掘削機械本体に向
けて動かす掘削行程を実行する。続いてオペレータはバ
ケットを屈曲させて土壌をすくい込む。すくい込んだ土
壌すなわち荷重をダンプするため、オペレータはフロン
トアタッチメントを持ち上げ、決められたダンプ位置ま
で横に旋回させ、ステッキのリーチを広げ、バケットを
まっすぐに伸ばすことによって荷重を放出する。そのあ
とオペレータは作業サイクルを再び開始するためフロン
トアタッチメントを掘削位置へ戻す。以下の説明におい
て、上記の諸動作をそれぞれ「ブームダウン」、「掘削
行程」、「すくい込み」、「旋回」、「ダンプ」、およ
び「復帰」と呼ぶことにする。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】土ならし作業の分野で
は、幾つかの理由で掘削機械の作業サイクルを自動化す
ることを要望する声が高まってきた。人間のオペレータ
と異なり、自動化した掘削機械は環境条件や長い作業時
間に関係なく生産性が一貫して変わらない。また自動化
した掘削機械は環境条件が人間にとって危険であるか、
適切でないか、あるいは望ましくない作業に理想的であ
る。また自動化した掘削機械はオペレータの未熟な技能
を補って、より正確に掘削することができる。

【０００５】従って、自動制御が掘削作業サイクルを実
行することができるように、オペレータが定めた作業サ
イクルを自動制御に「教える」ことが望ましい。しか
し、単に作業サイクルを繰り返すのでなく、掘削を効率
的に行うため掘削環境の変化に応じて作業サイクルを修
正することがたぶん望ましいであろう。

【０００６】本発明は、上に述べた１つまたはそれ以上
の問題を解決することを目的とするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は第１の態様とし
て、掘削作業サイクルの始めから終わりまで掘削機械の
フロントアタッチメントを自動的に制御する制御装置を
提供する。フロントアタッチメントは少なくとも１個の
油圧シリンダによって制御自在に動かされるブーム、ス
テッキ、およびバケットを有する。制御装置は油圧シリ
ンダの所望の速度を表すオペレータ制御信号を発生する
ように構成されたオペレータ制御要素を有する。電子油
圧弁は制御信号に応じて所定の油圧シリンダを作動させ
て掘削作業サイクルを行わせる。センサは少なくとも１
個の油圧シリンダに関する力を表す信号を発生する。論
理手段はオペレータ制御信号を受け取り、制御信号の大
きさと所定の制御信号の大きさとを比較し、作業サイク
ルの所定の部分に関する動作パラメータを決定する。最
後に、論理手段はオペレータ制御信号と力信号を受け取
り、それに応じて電子油圧弁に対する指令信号を発生
し、決定した動作パラメータに従ってその後の作業サイ
クルを自動的に実行させる。

【０００８】以下、添付図面を参照して、本発明を詳し
く説明する。

【０００９】

【実施例】図１に、掘削機、バックホウローダー、およ
びフロントショベルの機能に類似した掘削機能または積
込み機能を実行する掘削機械のフロントアタッチメント
１００の側面図を示す。

【００１０】掘削機械には掘削機、パワーショベル、ホ
ィールローダー、または同種の機械が含まれる。フロン
トアタッチメント１００はブーム１１０、ステッキ１１
５、およびバケット１２０を含むことがある。ブーム１
００は掘削機械本体１０５に旋回自在に取り付けられて
いる。ステッキ１１５はブーム１１０の自由端に旋回自
在に連結されている。バケット１２０はステッキ１１５
に旋回自在に取り付けられている。バケット１２０は湾
曲部分１３０、床面部分、および先端部分を有する。

【００１１】図１に示した水平基準軸Ｒは掘削機械本体
１０５とフロントアタッチメント１００の種々の位置の
相対的な角度関係を測定するために使用される。

【００１２】ブーム１１０、ステッキ１１５、およびバ
ケット１２０は直線的に伸縮可能な油圧シリンダによっ
て個別に、制御自在に動かされる。ブーム１１０は少な
くとも１個のブームシリンダ１４０によって動かされ、
ステッキ１１５を上下に動かす。ブームシリンダ１４０
は掘削機械本体１０５とブーム１１０の間に連結されて
いる。ステッキ１１５は少なくとも１個のステッキシリ
ンダ１４５によって動かされ、バケット１２０を縦およ
び水平に動かす。ステッキシリンダ１４５はブーム１１
０とステッキ１１５と間に連結されている。バケット１
２０はバケットシリンダ１５０によって動かされ、半径
運動範囲を有する。バケットシリンダ１５０はステッキ
１１５とリンケージ１５５に連結されている。リンケー
ジ１５５はステッキ１１５とバケット１２０に連結され
ている。簡潔に示すため、図１にはブームシリンダ１４
０、ステッキシリンダ１４５、およびバケットシリンダ
１５０をそれぞれ１個だけ示してある。

【００１３】フロントアタッチメント１００とシリンダ
１４０，１４５，１５０の動作の理解を確実にするた
め、以下の関係に注目されたい。ブームシリンダ１４０
を伸長させると、ブーム１１０は引き起こされる。同シ
リンダ１４０を引っ込めると、ブーム１１０は下げられ
る。またステッキシリンダ１４５を引っ込めると、ステ
ッキ１１５は掘削機械本体１０５から離れる方向に動か
される。同シリンダ１４５を伸長させると、ステッキ１
１５は掘削機械本体１０５に向けて動かされる。最後
に、バケットシリンダ１５０を引っ込めると、バケット
１２０は掘削機械本体１０５から離れる方向に回転す
る。同シリンダ１５０を伸長させると、バケット１２０
は掘削機械本体１０５へ近づく方向に回転する。

【００１４】図２に、本発明に関する電子油圧装置２０
０のブロック図を示す。手段２０５は、フロントアタッ
チメント１００の位置に応じて位置信号を発生する。手
段２０５はブーム、ステッキ、およびバケットシリンダ
１４０，１４５，１５０のシリンダ伸長量をそれぞれ検
出する変位センサ２１０，２１５，２２０を含んでい
る。変位センサとして米国特許第４，７３７，７０５号
（１９８８年４月１２日発行）に記載されている無線周
波数ベースセンサを使用することができる。

【００１５】またフロントアタッチメント１００の位置
はフロントアタッチメントのジョイント角を測定しても
得られることは明らかである。フロントアタッチメント
位置信号を発生する代替装置として、例えばブーム１１
０、ステッキ１１５、およびバケット１２０間の角度を
測定するロータリポテンショメータなどの回転角センサ
がある。フロントアタッチメント１００の位置はシリン
ダ伸長量またはジョイント角を測定して三角法によって
計算することができる。バケットの位置を決定する上記
の方法は、この分野では周知であり、例えば米国特許第
３，９９７，０７１号（１９７６年１２月１４日発行）
や同第４，３７７，０４３号（１９８３年３月２２日発
行）に記載されている。

【００１６】手段２２５は、フロントアタッチメント１
００に作用する力に応じて圧力信号を発生する。手段２
２５はブーム、ステッキ、およびバケットシリンダ１４
０，１４５，１５０内の油圧を測定する圧力センサ２３
０，２３５，２４０を含んでいる。各圧力センサ２３
０，２３５，２４０は対応するシリンダ１４０，１４
５，１５０の圧力に相当する信号を発生する。例えば、
圧力センサ２３０，２３５，２４０はそれぞれブーム、
ステッキ、およびバケットシリンダヘッド圧力とロッド
エンド圧力を測定する。適当な圧力センサとして、例え
ば Precise Sensors, Inc. (米国) から販売されている
Series ５５５ Pressure Transducer がある。

【００１７】フロントアタッチメント旋回点１８０に設
置した旋回角センサ２４３（例えば、ロータリポテンシ
ョメータ）は、掘削位置に対する旋回軸まわりのフロン
トアタッチメントの回転量に相当する角度信号を発生す
る。

【００１８】これらの位置信号と圧力信号は信号調整器
２４５へ送られる。信号調整器２４５は通常の信号励起
とフィルタリングを行なう。調整された位置信号と圧力
信号は論理手段２５０へ送られる。論理手段２５０は演
算装置を使用してソフトウェアプログラムに従ってプロ
セスを制御するマイクロプロセッサベース装置である。
一般に、ソフトウェアプログラムはＲＯＭ、ＲＡＭ、ま
たは同種のデバイスに格納されている。ソフトウェアプ
ログラムは後で種々のフローチャートを参照して説明す
る。

【００１９】論理手段２５０は２つの他の出所、すなわ
ち複数のジョイスティック形制御レバー２５５とオペレ
ータインタフェース２６０から入力を受け取る。制御レ
バー２５５はフロントアタッチメント１００を手動で制
御するためのものである。制御レバー２５５は油圧シリ
ンダ１４０，１４５，１５０，１８５の方向と速度を表
すオペレータ制御信号を発生する。オペレータ制御信号
は論理手段２５０によって受け取られる。オペレータ制
御信号の大きさはそれぞれのオペレータ制御レバーの変
位量に比例する。従って、制御レバーの変位が大きけれ
ば大きいほど、オペレータ制御信号の大きさ（油圧シリ
ンダの速度がより大きいことを表す）が大きい。また、
制御信号の極性は油圧シリンダの動作方向を示す。例え
ば、制御信号は−１００％〜＋１００％の範囲の値を持
つことがある。

【００２０】オペレータはオペレータインタフェース２
６０を介して掘削深さや床面の傾きなどの掘削仕様を入
力することができる。またオペレータインタフェース２
６０は掘削機械のペイロードに関する情報を表示するこ
とができる。オペレータインタフェース２６０は英数字
キーパッド付き液晶表示画面を装備することができる。
またタッチ感知式画面はオペレータインタフェースに向
いている。またオペレータインタフェース２６０はオペ
レータが種々の掘削状態を設定する複数のダイヤルと
（または）スイッチを装備することができる。

【００２１】論理手段２５０は位置信号を受け取り、そ
れに応じて周知の微分法を用いてブーム１１０、ステッ
キ１１５、バケット１２０、および旋回装置１８５の速
度を決定する。代わりに、個別の速度センサを使用し
て、ブーム、ステッキ、バケット、および旋回装置の速
度を決定できることは明らかであろう。

【００２２】論理手段２５０は、さらに、オペレータ制
御信号の大きさの決定に応じて、ブーム、ステッキ、バ
ケット、および旋回装置の速度を決定することができ
る。

【００２３】論理手段２５０は、さらに、位置信号と圧
力信号の情報に応じて、フロントアタッチメントのジオ
メトリ（幾何学的図形）と力を決定する。

【００２４】例えば、論理手段２５０は圧力信号を受け
取り、次式に従ってブーム、ステッキ、およびバケット
シリンダの力を計算する。シリンダの力＝（Ｐ₂×
Ａ₂）−（Ｐ₁×Ａ₁）ここで、Ｐ₂，Ｐ₁は個々のシ
リンダ１４０，１４５，１５０のシリンダヘッドとロッ
ドエンドにおける油圧であり、Ａ₂，Ａ₁はそれぞれの
端部の断面積である。

【００２５】論理手段２５０はフロントアタッチメント
１００を制御自在に動かす作動手段２６５へ送るブー
ム、ステッキ、およびバケットシリンダ指令信号を発生
する。作動手段２６５は、それぞれのブーム、ステッ
キ、およびバケットシリンダ１４０，１４５，１５０へ
の作動油の流れを制御する油圧制御弁２７０，２７５，
２８０を含んでいる。作動手段２６５は、そのほかに、
旋回装置１８５への作動油の流れを制御する油圧制御弁
２８５を含んでいる。

【００２６】図３〜図１１は、本発明のプログラム制御
を示すフローチャートである。フローチャートに記述し
たプログラムは、適切などんなマイクロプロセッサシス
テムにも使用できるように構成されている。

【００２７】次に、図１３〜図１６に示した複数の制御
曲線について説明する。複数の制御曲線はブーム、ステ
ッキ、およびバケットシリンダ１４０，１４５，１５０
の動きを所望の速度で制御する指令信号を示す。制御曲
線はマイクロプロセッサのメモリに格納されている２次
元ルックアップテーブルまたは一組の方程式によって定
義することができる。制御曲線は土壌の状態を表す土壌
状態設定に応じて変わる。例えば、土壌状態設定１は土
壌がさらさらの状態であることを示し、土壌状態設定９
は土壌が固く締まった状態であることを示す。従って、
中間の土壌状態設定２〜８はさらさらの土壌状態または
軟らかい土壌状態から固い土壌状態までの連続する土壌
状態を示す。制御曲線の数字が所望の制御特性に応じて
変わることは理解されるであろう。

【００２８】また土壌状態設定は、オペレータインタフ
ェース２６０を介してオペレータが設定することもでき
るし、掘削状態に応じて論理手段２５０が設定すること
もできる。例えば、掘削行程機能に関する制御曲線の土
壌状態設定（図１５，１６）をオペレータが手動で設定
し、他のテーブルに関する土壌状態設定の残りの部分を
論理手段２５０が自動的に設定することができる。これ
により、作業サイクルのより重要な制御を熟練したオペ
レータが担当することができる。

【００２９】図３は、自動化掘削作業サイクルの第１段
階のフローチャートを示す。掘削機械１０５の作業サイ
クルは一般に６つの連続する別個の機能；ブームダウン
機能３０５、予備掘削機能３０７、掘削行程機能３１
０、すくい込み機能３１５、ダンプ機能３２０、および
復帰機能３２３に分けることができる。掘削行程機能３
１０は適応機能３２５を含んでいる。すくい込み機能３
１５はブームアップ機能３３５と旋回機能３４０を含ん
でいる。ダンプ機能３２０はブームアップ機能と旋回機
能を含んでいる。以下、各機能について詳しく説明す
る。

【００３０】フローチャートに示すように、自動化掘削
作業サイクルは繰り返して実行される。作業サイクルの
実行にオペレータの介入は必要ないが、修正が最大深さ
または制限区域の仕様と矛盾しなければ、オペレータは
フロントアタッチメント１００の動きを修正することが
できる。また機能が別個であるので、本発明の各機能は
互いに独立して実行することができる。例えば、オペレ
ータは、オペレータインタフェースによって、作業サイ
クルを実行するとき自動化する機能を事前に選択するこ
とができる。

【００３１】図４に、ブームダウン機能３０５を示す。
ブームダウン機能３０５はフロントアタッチメント１０
０を地面に向けて位置決めする。この機能は、ブロック
４０５に示すように、バケット位置を計算することによ
って始まる。以下、用語「バケット位置」は、図１に示
すように、バケット角φと共にバケット先端位置を言
う。バケット位置は位置信号に応じて計算する。バケッ
ト位置は周知のいろいろな方法によって計算することが
できる。

【００３２】次に判断ブロック４１０において、プログ
ラム制御は、最初にＧＲＮＤ−ＥＮＧ＝１（フロントア
タッチメント１００が地面に接触していることを示す）
かどうか判断する。もし１でなければ、プログラム制御
はブームシリンダ圧力と設定点Ａとを比較し、そしてバ
ケットシリンダ圧力と設定点Ｂとを比較する。設定点
Ａ，Ｂは、それぞれフロントアタッチメント１００が地
面に接触したことを示すブームシリンダ圧力とバケット
シリンダ圧力を表す。さらに、バケット先端１５の深さ
と設定点Ｃとを比較する。設定点Ｃはオペレータが指定
した最大掘削深さを表す。

【００３３】もし判断ブロック４１０のすべての条件が
満たされなければ、制御はブロック４１５へ進み、ステ
ッキシリンダ位置すなわちシリンダ伸長量と設定点Ｄと
を比較する。設定点Ｄは所望の掘削位置を与えるステッ
キシリンダの最小伸長量を表す。もしステッキ油圧シリ
ンダ位置が設定点Ｄに等しいか、それより大きければ、
ブロック４２０において、ステッキシリンダ１４５（既
に引っ込められている）を徐々に停止させる。しかし、
もしステッキシリンダ位置が設定点Ｄより小さければ、
ブロック４２５において、ステッキシリンダ１４５を所
定の量だけ引っ込めて、ステッキを外側に広げる。その
あと、ブロック４２７において、ブーム１１０を地面に
向けて下げる。従って、ブームシリンダ圧力とバケット
シリンダ圧力が、フロントアタッチメント１００がまだ
地面に接触しておらず、かつバケット１２０が最大深さ
を越えていないことを示している限り、ブーム１１０は
続けて地面に向けて下げられる。

【００３４】もし判断ブロック４１０の条件の１つが満
たされれば、ブロック４２８において、ＧＲＮＤ−ＥＮ
Ｇ＝１にセットする。そのあと、プログラム制御は、ブ
ロック４３０において、バケット角すなわち掘削角φと
設定点Ｅとを比較する。設定点Ｅはバケット１２０の所
定の掘削角である。設定点Ｅは図１２に示した曲線から
決定することができる。この所定の切削角は土壌状態設
定に応じて変わる。

【００３５】もしバケット角φが設定点Ｅより大きけれ
ば、予備掘削機能３０７によってバケット１２０を最大
速度で屈曲させてバケットを所定の切削角に迅速に位置
決めする。例えば、予備掘削機能３０７はフロントアタ
ッチメント１００を所望の開始位置に位置決めする。

【００３６】次にブロック４４０，４４５，４５０にお
いて、それぞれシリンダ１４０，１４５，１５０を伸長
させることによって、ブーム１１０を引き起こし、ステ
ッキ１１５を掘削機械本体１０５に向けて動かし、バケ
ット１２０を屈曲させる。図１３に、ブームシリンダ１
４０に対する指令レベルを示す。この指令レベルはバケ
ットシリンダ１５０にかかる圧力すなわち力に応じて変
わる。制御曲線は土壌状態設定に応じて変わる。図１４
に、ステッキシリンダ１４５に対する指令レベルを示
す。この指令レベルは、ステッキシリンダ１４５にかか
る圧力すなわち力に応じて変わる。この場合には、１本
の曲線ですべての土壌状態設定が満たされる。バケット
１２０は最大速度に近い速度で屈曲され、所定の掘削角
に迅速に位置決めされる。以上のことから、予備掘削機
能の間に、バケット深さと掘削角φを調整して掘削の準
備ができるように、フロントアタッチメント１００が位
置決めされることがわかる。

【００３７】しかし、もしバケット角φが設定点Ｅに等
しいかそれより小さければ、プログラム制御はフローチ
ャートのセクションＢへ進み、掘削行程機能３１０を開
始する（図５参照）。

【００３８】掘削行程機能３１０はバケット１２０を地
面に沿って掘削機械本体１０５に向けて動かす。掘削行
程機能は、ブロック５０５において、バケット位置を計
算することによって始まる。例えば、掘削サイクルが続
くと、バケット１２０が地面により深く進入することが
ある。従って、プログラム制御は、ブロック５１０にお
いて、バケット１２０が地面により深く進入したときの
バケット１２０の位置を記録する。次に判断ブロック５
１５において、ブームシリンダ圧力と設定点Ｆとを比較
する。もしブームシリンダ圧力が設定点Ｆより大きけれ
ば、掘削機械は不安定になって倒れてしまうことがあ
る。従って、もしブームシリンダ圧力が設定点Ｆより大
きければ、ブロック５２０において、プログラム制御は
終了する。もし大きくなければ、制御は判断ブロック５
２５へ進む。設定点Ｆの値は、フロントアタッチメント
１００のいろいろなジオメトリに関する掘削機械の不安
定度を表す複数の値に対応する圧力値の表から得られる
ことに留意されたい。

【００３９】掘削機械１０５は、バケット１２０を掘削
機械本体に向けて動かすことにより掘削行程すなわち作
業サイクルの掘削部分を実行する。判断ブロック５２５
は掘削行程が終了したときを指示する。最初に、バケッ
ト角φと設定点Ｇとを比較する。設定点Ｇは所望のバケ
ット積込み量に関する所定のバケット屈曲を表す。第２
に、バケット力の角度βと設定点Ｈとを比較する。設定
点Ｈは角度値（一般に零である）を表す。例えば、もし
βが設定点Ｈより小さければ、バケットはヒーリングし
ている（かかとをつけている）と言われる。ヒーリング
はバケットにかかる正味の力がバケットの下側に加わる
と起こり、バケットが土壌をこれ以上すくい込むことが
できないことを示す。バケットのヒーリングの詳細は、
係属中の米国特許出願（Atty. Docket No. 93-326 ；
発明の名称“System and Methodfor Determining the C
ompletion of a Digging Portion of an Excavation Wo
rk Cycle ” )を参照されたい。第３に、ステッキシリ
ンダの位置と掘削行程の完了を示す設定点Ｉ（掘削行程
の完了を示す）とを比較する。設定点Ｉは掘削するため
の最大ステッキシリンダ伸長量を示す。最後に、プログ
ラム制御は、オペレータが例えばオペレータインタフェ
ース２６０を通じて掘削の中止を指示したかどうか判断
する。もしこれらの条件のうちどれか１つが起きれば、
掘削機械１０５は掘削を完了し、プログラム制御はフロ
ーチャートのセクションＣへ進み、荷重のすくい込みを
開始する。

【００４０】もし掘削が完了していないことが判れば、
ブロック５４０，５４５，５５０において、シリンダ１
４０，１４５，１５０を伸長させることにより、ブーム
１１０を引き起こし、ステッキ１１５を掘削機械本体に
向けて動かし、バケット１２０を屈曲させる。

【００４１】図１５に、ブームシリンダ１４０に対する
指令レベルを示す。この指令レベルはステッキシリンダ
１４５にかかる圧力すなわち力に応じて変わる。図１５
の制御曲線は土壌状態設定に応じて変わる。ステッキシ
リンダ１４５は最大速度のほぼ１００％の速度で伸長
し、ステッキ１１５を掘削機械本体に向けて迅速に動か
す。バケット１２０は図１７の曲線で示した速度で屈曲
する。この指令レベルはバケットシリンダ圧力すなわち
力に応じて変わる。曲線の形状で示されるように、土壌
状態設定が大きければ大きいほど、バケット１２０と比
べて、ステッキ１１５によって実行される作業の割合が
多くなる。油圧装置が過荷重になることを防止するた
め、図１６の曲線が先細になっていることに注目された
い。

【００４２】点Ｃにおいて、プログラム制御は図６へ進
み、適応機能３２５を開始する。適応機能３２５は、掘
削サイクルの間に効率よく掘削を行うために設定点を修
正する。ブロック６０５において、最後に記録したバケ
ット１２０の深さに応じて、設定点Ｄ（掘削前の所望の
ステッキシリンダ伸長量）を所定量だけ増分する。例え
ば、効率よく掘削を行なうために、バケットが地面によ
り深く進入したとき、ステッキを外側へ増分的に広げる
ことが望ましい。

【００４３】ブロック６１０において、最後に記録した
バケット深さに応じてダンプ角を所定の量だけ増分す
る。例えば、バケットが地面により深く進入すると、地
面からより多量の土壌が取り出される。従って、バケッ
トから地面に土壌をダンプしたとき生じる堆積物が各パ
スに共に増大するであろう。従って、バケットが地面に
より深く進入したとき、堆積物が穴の中に崩落しないよ
うに、ダンプ角を増分することが望ましい。「ダンプ
角」は掘削位置から所望のダンプ位置までのフロントア
タッチメントの所望の角回転量であると定義する。ダン
プ角は、後で旋回機能３４０に関連して説明する。

【００４４】最後に、ブロック６１５において、最後に
記録したバケット深さに応じて設定点Ｌを増分する。こ
の設定点Ｌはダンプする際の所望のブーム高さに相当す
る所望のブームシリンダ伸長量を表す。例えば、ダンプ
堆積物がより大きくなるにつれて、各パスのときバケッ
トが堆積物を確実にクリヤするように、ブーム高さを増
分する。設定点Ｌは、後でブームアップ機能３３５に関
連して説明する。

【００４５】適応機能は値を図１７の曲線に従って直線
的に増分することができる。修正を行なったあと、プロ
グラム制御はセクションＤへ進み、すくい込み機能３１
５を開始する（図７）。

【００４６】すくい込み機能３１５は、土壌をすくい込
むようにフロントアタッチメント１００を位置決めす
る。すくい込み機能３１５は、ブロック７０５におい
て、バケット角φと設定点Ｋとを比較することによって
始まる。設定点Ｋは一杯に入ったバケット荷重を保持す
るバケット角を表す。もし現在のバケット角φが設定点
Ｋより小さければ、プログラム制御はセクションＥへ進
み、ブームアップ機能３３５（後で説明する）を呼び出
す。次にプログラム制御はセクションＦへ進み、旋回機
能３４０（同様に後で説明する）を呼び出す。次にブロ
ック７１０において、ステッキシリンダ１４５（前に伸
長していた）を徐々に停止させる。次にブロック７１５
において、バケット１２０を屈曲させる。バケットは、
バケット角φが設定点Ｋより大きくなるまで屈曲し続け
ることは明らかである。バケット角φが設定点Ｋより大
きくなると、プログラム制御はセクションＧへ進み、ダ
ンプ機能３２０（後で説明する）を呼び出す。

【００４７】次に図８を参照してブームアップ機能３３
５について説明する。ブームアップ機能３３５は、ブロ
ック８０５において、ブームシリンダの伸長量が設定点
Ｌより小さいかどうか判断することによって始まる。前
に述べたように、設定点Ｌは、フロントアタッチメント
１００がダンプ堆積物をクリヤするブームシリンダ伸長
量を表す。もしブームシリンダ伸長量が設定点Ｌより小
さければ、ブロック８１０において、ブームシリンダの
伸長を徐々に停止させる。もしブームシリンダ伸長量が
設定点Ｌより大きければ、所定の速度（一般に、最大速
度の１００％）でブームシリンダ１４０を伸長させ、ブ
ームを迅速に引き起こす。そのあとプログラム制御は前
にブームアップ機能３３５を呼び出した機能へ戻る。

【００４８】次に図９を参照して旋回機能３４０につい
て説明する。掘削作業サイクルを始める前に、ダンプ位
置と掘削位置、およびそれらの対応する横断角を指定
し、記録することができることに留意されたい。例え
ば、フロントアタッチメント１００を所望の掘削位置に
位置決めすることによって掘削角を設定することができ
る。同様に、フロントアタッチメント１００を所望のダ
ンプ位置へ旋回すなわち回転させることによってダンプ
角を設定することができる。そのあと所望のダンプ角と
掘削角は制御装置によって保存される。代わりに、オペ
レータが掘削角とダンプ角に対応する所望の横断角をオ
ペレータインタフェースに入力してもよい。

【００４９】旋回機能３４０は、最初に、ブロック９０
５において、ＳＷＩＮＧ＝１に設定されているかどうか
判断する。もしＳＷＩＮＧ＝０であれば、プログラム制
御はブロック９１５へ進み、可変ＳＷＧ−ＭＯＤＥの値
を判断する。可変ＳＷＧ−ＭＯＤＥは掘削のタイプを表
し、オペレータによって設定される。例えば、０のＳＷ
Ｇ−ＭＯＤＥは、掘削機械が溝または穴から横に投下し
ていることを示す。１のＳＷＧ−ＭＯＤＥは、掘削機械
が運搬トラックなど１か所へダンプしていることを表
す。オペレータは、オペレータインタフェース２５０に
よって、キャタピラーの底部分から延びた水平面に対す
るトラック床面の高さを入力する。２のＳＷＧ−ＭＯＤ
Ｅは、掘削機械が大規模な掘削場所から横に投下してい
ることを表す。プログラム制御は、ブロック９２５にお
いて、所望のダンプ場所で荷重をダンプするためフロン
トアタッチメントの位置を計算する。

【００５０】もしＳＷＧ−ＭＯＤＥが２に設定されてい
れば、プログラム制御はブロック９２５へ進み、掘削ス
パンに従ってダンプ角を修正する。より完全に理解でき
るように、図１８に、大規模な掘削を行なっている掘削
機械の平面図を示す。最初にオペレータが掘削スパン、
ダンプスパン、およびデルタ値δの角度値を入力する。
次にプログラム制御は掘削スパンとダンプスパンをそれ
ぞれ掘削経路とダンプ経路にマップする。従って、掘削
機械は、例えば経路“１”で掘削行程を実行し、経路
“１′”でダンプを実行する。各パスのあと、プログラ
ム制御は次式に従ってダンプ角を修正する。ダンプ角＝位置Ｃ−ダンプスパン＋〔（掘削位置−（位
置Ｃ＋δ）） ×ダンプスパン／掘削スパン〕−掘削位置従って、掘削機械が経路１を完了したあと、プログラム
制御は経路“２”で掘削を始めるため掘削場所を増分す
ることができる。代わりに、経路“１”で掘削が完了し
たあと、プログラム制御はフロントアタッチメントを経
路“２”に位置決めするためオペレータに支援を与える
ことができる。この代替例の場合、プログラム制御はオ
ペレータが選択した最後の掘削場所を思い出すであろ
う。従って、オペレータがフロントアタッチメントを現
在の掘削場所から新しい掘削場所へ位置決めできるよう
に、プログラム制御は掘削場所に関するすべての許容誤
差を緩和するであろう。

【００５１】図９に戻って、プログラム制御はブロック
９３０へ進み、バケット１２０が地面に達する時間を推
定する。この推定時間はバケットの位置と速度に従って
計算される。推定時間を計算したあと、推定時間と設定
点Ｍとを比較する。この設定点Ｍは電子油圧式旋回装置
の時間遅れを表す。もし推定時間が設定点Ｍより小さけ
れば、ブロック９４０において、ＳＷＩＮＧ＝１に設定
する。しかし、推定時間が設定点Ｍより大きければ、ブ
ロック９４５において、ＳＷＩＮＧ＝０に設定する。

【００５２】次にプログラム制御はブロック９４７へ進
み、旋回角を計算する。「旋回角」は掘削場所に対する
フロントアタッチメントの角回転量と定義する。旋回角
センサ２４３は掘削場所に対するフロントアタッチメン
トの回転量に相当する角度信号を発生する。ブロック９
５０において、プログラム制御はＳＷＩＮＧ＝１に設定
されたかどうか判断する。もしＳＷＩＮＧ＝０に設定さ
れていれば、プログラム制御は前に旋回機能３４０を呼
び出した機能へ戻る。

【００５３】もしＳＷＩＮＧ＝１に設定されていれば、
プログラム制御はブロック９５５へ進み、フロントアタ
ッチメント１００の計算値と設定点Ｎとを比較する。設
定点Ｎは所望のダンプ位置からのフロントアタッチメン
ト位置の所定の範囲を表す。もし計算したフロントアタ
ッチメント位置が設定点Ｎによって定義された範囲内に
あれば、フロントアタッチメント１００はダンプ位置の
近くにある。従って、ブロック９６０において、現在、
ダンプ場所へ向かって回転しているフロントアタッチメ
ント１００に逆方向に回転して掘削場所へ戻るように命
令する。例えば、フロントアタッチメントがダンプ位置
の近くにあるので、フロントアタッチメントを掘削場所
に向けて逆駆動して、電子油圧式旋回装置の時間遅れを
考慮に入れる。この結果、フロントアタッチメントが実
際に逆方向に回転し始める頃には、フロントアタッチメ
ントは既にダンプ位置に達しているであろう。

【００５４】もしフロントアタッチメント１００が設定
点Ｎによって定義された範囲に達していなかったなら
ば、ブロック９６５において、旋回角とダンプ角とを比
較する。もし旋回角がダンプ角に等しければ、フロント
アタッチメントは所望のダンプ場所に達している。従っ
て、ブロック９７０において、フロントアタッチメント
１００の回転を停止させる。もし等しくなければ、ブロ
ック９７５において、フロントアタッチメント１００を
最大速度の１００％で回転させてフロントアタッチメン
ト１００をダンプ場所へ向けて迅速に回転させる。次
に、プログラム制御は前に旋回機能３４０を呼び出した
機能へ戻る。

【００５５】次に図１０を参照してダンプ機能３２０に
ついて説明する。プログラム制御は、ブロック１００５
において、ＲＥＴＵＲＮ−ＴＯ−ＤＩＧ＝１かどうか判
断することによって始まる。もしＲＥＴＵＲＮ−ＴＯ−
ＤＩＧ＝０であれば、掘削機械は荷重をダンプし続ける
べきである。従って、プログラム制御はセクションＥへ
進み、ブームアップ機能３３５を呼び出し、次にセクシ
ョンＦへ進み、旋回機能３４０を呼び出す。

【００５６】次にプログラム制御は判断ブロック１０１
０へ進み、ステッキシリンダ１４５を引っ込めてステッ
キ１１５をさらに掘削機械本体からより外側に広げるべ
きかどうか判断する。この判断は以下の３つの基準に基
づいて行う。（１）旋回角がダンプ角の所定の範囲内にあるか、およ
び（２）ブームシリンダ位置が設定点Ｏより大きいか、
および（３）ステッキシリンダ位置が設定点Ｐより大き
いか、ここで、設定点Ｏはダンプするためステッキシリ
ンダが引っ込みを開始するブームシリンダ位置を表す。
設定点Ｏの値は、一般に、設定点Ｌで表されたブームシ
リンダ伸長量より小さい所定のブームシリンダ伸長量を
表す。設定点Ｐはダンプするための最終ステッキシリン
ダ位置を表す。

【００５７】もしこれらすべての条件が満たされれば、
プログラム制御はジャーク（急にぐいと動かすこと）機
能を表すブロック１０１５へ進む。例えば、もしオペレ
ータが湿潤土壌を表す土壌状態設定を選択していれば、
湿潤土壌をバケット１２０から放出するためにステッキ
１１５をジャークさせることが望ましい。もしステッキ
シリンダの伸長量がステッキ１１５をジャークさせる望
ましい範囲内にあると判ったならば、ブロック１０２０
において、ステッキシリンダ１４５をジャークさせる。
しかしステッキがジャークさせる所望の範囲内になけれ
ば、ブロック１０２５において、ステッキシリンダを一
定速度で所定量だけ引っ込める。

【００５８】次にプログラム制御はブロック１０３０へ
進み、バケットシリンダ１５０を引っ込めてバケット１
２０を逆方向に屈曲させるべきかどうか判断する。ブロ
ック１０３０の判断は次の４つの基準によって決まる。（１）旋回角がダンプ角の所定の範囲内にあるか、
（２）ブームシリンダ位置が設定点Ｌより大きいか、
（３）ステッキシリンダ位置が設定点Ｑより大きいか、
および（４）バケットシリンダ位置が設定点Ｒより大き
いか、ここで、設定点Ｑはダンプする際にバケット１２
０が逆方向に屈曲を始めるべきステッキシリンダ位置を
表す。設定点Ｑの値は、一般に、設定点Ｐより大きな所
定の値である。設定点Ｒはダンプするための最終バケッ
トシリンダ位置である。

【００５９】設定点Ｐと設定点Ｒは、図１２に示したそ
れぞれの曲線から決定する。図示のように、これらの設
定点の実際の値は土壌状態設定に応じて変わる。これに
より、ダンピングが完了したあと掘削が始まるとき、ス
テッキのリーチとバケットの屈曲が最適な位置に置かれ
る。例えば、軟らかい土壌状態の場合、掘削行程におい
てバケット１２０は容易に一杯になるので、ステッキシ
リンダの伸長量を相対的に短くする必要がある。しか
し、土壌がより固くなると、土壌への進入が難しいため
にバケット１２０を一杯にするためにより長い掘削行程
が必要となるので、長い行程が望ましい。

【００６０】もしブロック１０３０のすべての条件が満
たされれば、制御はブロック１０３５へ進み、バケット
シリンダ１５０を引っ込める。もし満たされなければ、
制御はブロック１０４０へ進み、荷重が完全にダンプさ
れたかどうか判断する。ブロック１０４０では、ブー
ム、ステッキ、およびバケットシリンダ位置と設定点
Ｌ、Ｑ、およびＲとをそれぞれ比較して、すくい込んだ
荷重が完全にダンプされたかどうか判断する。もしシリ
ンダ位置が対応する設定点の所定の範囲内であれば、荷
重は完全にダンプされたと言える。すなわち、ブーム１
１０が引き起こされ、ステッキ１１５が外側に広げら
れ、バケット１２０が逆方向に回転される。もし範囲内
になければ、制御はブロック１００５へ戻り、ダンピン
グ・サイクルを仕上げる。

【００６１】しかし、もし荷重がダンプされたならば、
制御はブロック１０４５へ進み、オペレータが自動回転
の使用を望んでいるかどうか判断する。オペレータはオ
ペレータインタフェース２６０を通じてそのことを指示
することができる。もし自動回転の使用を望んでいれ
ば、ブロック１０５０において、ＲＥＴＵＲＮ−ＴＯ−
ＤＩＧ＝１に設定し、制御はブロック１００５へ戻る。
もし望んでいなければ、ＲＥＴＵＲＮ−ＴＯ−ＤＩＧ＝
０に設定し、プログラム制御はセクションＡのブームダ
ウン機能３０５へ戻り、サイクルを続行する。

【００６２】ブロック１０５０に戻って、もしＲＥＴＵ
ＲＮ−ＴＯ−ＤＩＧ＝１であれば、すくい込んだ荷重は
ダンプされているので、フロントアタッチメント１００
は掘削場所へ戻される。従って、プログラム制御はセク
ションＨへ進み、復帰機能３２３を実行する。次に図１
１を参照して復帰機能３２３について説明する。

【００６３】制御は、ブロック１１０５において、旋回
角の計算を始める。次に制御はセクションＩへ進み、調
整機能３３０（あとで説明する）を実行する。

【００６４】次に制御はブロック１１１０へ進み、旋回
速度を計算する。例えば、旋回角を数値的に微分するこ
とによってフロントアタッチメント１００の回転速度を
計算することができる。次に制御は、ブロック１１１５
において、フロントアタッチメント１００の回転位置が
掘削場所の所定の範囲内にあるかどうか、そしてフロン
トアタッチメント１００の回転速度が所定の値より小さ
いかどうか判断する。例えば、旋回角と掘削角とを比較
し、そして旋回速度と設定点Ｓ（比較的遅い回転速度を
表す）とを比較する。もしフロントアタッチメント１０
０が掘削場所の所定の範囲内にあり、そして回転速度が
比較的遅ければ、フロントアタッチメントはセクション
Ａのブームダウン機能３０５で始まる掘削を再開する。
従って、ブロック１１２０において、ＲＥＴＵＲＮ−Ｔ
Ｏ−ＤＩＧ＝０に設定する。

【００６５】しかし、もしフロントアタッチメント１０
０が掘削場所の所定の範囲内になければ、ブロック１１
２５において、停止角を計算する。「停止角」は電子油
圧式駆動装置がフロントアタッチメントを掘削場所へ向
けて回転させることを停止させなければならない角度で
ある。停止角は旋回速度に応じて変わり、回転している
フロントアタッチメントの運動量を考慮に入れるために
計算される。停止角を計算したあと、制御はブロック１
１３０へ進み、旋回角と停止角とを比較する。もし旋回
角が停止角より大きければ、ブロック１１３５におい
て、電子油圧式駆動装置はフロントアタッチメントを掘
削場所に向けて回転させ続ける。しかし、もし旋回角が
停止角より小さければ、ブロック１１４０において、電
子油圧式駆動装置はフロントアタッチメントを逆方向に
駆動し、その回転を迅速に停止させる。

【００６６】ブロック１１４５において、ブームを地面
より下に下げる。次に、ブロック１１４７において、旋
回角と掘削場所とを比較する。もし旋回角が掘削場所の
所定の範囲内にあれば、制御はブロック１１５０へ進
む。ブロック１１５０では、ステッキシリンダ位置と設
定点Ｄとを比較し、ステッキ１１５が適切なリーチを有
するかどうか判断する。もしステッキシリンダ位置が設
定点Ｄより小さければ、ブロック１１５５において、ス
テッキシリンダ１４５を所定の量だけ引っ込めて、ステ
ッキ１１５の外側リーチを増加させる。もし設定点Ｄよ
り大きければ、ブロック１１６０において、ステッキシ
リンダ１４５の引っ込みを徐々に停止させる。

【００６７】次に学習機能１９００について説明する。
学習機能は、論理手段２５０がオペレータの定めた掘削
作業サイクルの作業包絡線を学習し、作業サイクルの自
動制御を実行する方法である。例えば、作業包絡線は掘
削作業サイクルの所定の設定点によって定義される。ま
た論理手段２５０は、掘削機械が作業サイクルを実行す
るとき作業環境の変化に対し作業サイクルを連続的に適
応させる。詳しく述べると、論理手段２５０は位置信号
と圧力信号を受け取り、作業サイクルの所定の部分に関
する所定の動作パラメータを決定し、作動手段２６５に
対する指令信号を発生して作業サイクルを自動的に実行
させる。

【００６８】図１９および図２０に、学習機能１９００
のプログラム制御のフローチャートを示す。図１９およ
び図２０の各判断ブロックにおいて、プログラム制御は
バケット位置と、油圧シリンダ１４０，１４５，１５０
内の圧力と力を計算することがあることに留意された
い。「バケット位置」とはバケット角φと共にバケット
先端位置を言う。バケット位置は位置信号に応じて周知
のやり方で計算される。この説明では、特に言及しない
限り、以下の設定点は正の値をもつものと仮定する。

【００６９】図１９のブロック１９０５において、オペ
レータはフットスイッチまたは同種の装置を押すことに
よって学習機能を開始する。その結果、ブロック１９１
０において、可変ＭＯＤＥ＝ＡＰＰＲＯＡＣＨ（バケッ
ト１２０が地面に近づいていることを示す）に指定す
る。この時点で、オペレータは１つの全作業サイクルを
開始する。プログラム制御はブロック１９１５へ進み、
バケット位置と基準線Ｘとを比較することによって、バ
ケット位置が掘削機のキャタピラーより下にあるかどう
か判断する。基準線Ｘは掘削機のキャタピラーの底から
延びている基準線である。もしバケットがキャタピラー
より下にあることが判り、かつ判断ブロック１９１５の
その他の状態が起きれば、プログラム制御はブロック１
９２０へ進み、バケット１２０が地面に接触したかどう
か判断する。

【００７０】ブロック１９２０では、制御はブームシリ
ンダ圧力と設定点Ａとを、そしてバケットシリンダ圧力
と設定点Ｂとを比較する。設定点ＡとＢは、それぞれフ
ロントアタッチメント１００が地面に接触したことを示
すブームおよびバケットシリンダ圧力を表す。プログラ
ム制御がバケット１２０が地面に接触したと判断した
ら、ブロック１９２５において、フラグＩＮ−ＧＲＯＵ
ＮＤ＝ＴＲＵＥにに指定し、可変ＭＯＤＥ＝ＧＲＯＵＮ
Ｄに指定する。

【００７１】従って、制御はブロック１９３５へ進み、
オペレータ制御信号を監視することにより、オペレータ
が作業サイクルの掘削行程部分を開始しているかどうか
判断する。最初に、プログラム制御は、ステッキシリン
ダ１４５の動きに関するオペレータ制御信号と設定点Ａ
Ａとを比較する。設定点ＡＡは所定のステッキ速度に相
当する制御信号の大きさを表す。プログラム制御は、さ
らに、バケットおよびブームシリンダ１５０，１４０の
動きに関するオペレータ制御信号と設定点ＢＢとＣＣ，
ＣＣ′とをそれぞれ比較する。設定点ＢＢとＣＣ，Ｃ
Ｃ′はそれぞれ所定のバケット１２０の速度とブーム１
１０の速度に相当するオペレータ制御信号を表す。Ｃ
Ｃ′は下向きを表す負の値をもつことがあることに留意
されたい。これらの比較の結果は、オペレータがブーム
の動きをやや最小限度に保ちながら、ステッキ１１５を
掘削機本体１０５に向けて迅速に動かしていることを示
す。さらに、バケット角が掘削の用意ができたかどうか
判断するために、バケット屈曲速度が監視される。

【００７２】ブロック１９３５の条件が満たされたあ
と、制御は、ブロック１９４０において、設定点Ｅ＝バ
ケット角φに指定し、可変ＭＯＤＥ＝ＤＩＧに指定す
る。設定点Ｅは掘削の開始時のバケット１２０の掘削角
を表す。制御は、さらに、掘削場所に関係する旋回角を
決定する。

【００７３】次にプログラム制御はブロック１９４５へ
進み、フロントアタッチメント１００が掘削していると
きステッキシリンダ１４５に加わる平均的な力と、バケ
ットシリンダ１５０に関する指令信号の大きさの平均値
を決定する。例えば、バケット指令信号の大きさの平均
値はバケットの平均速度に一致しているもよい。

【００７４】プログラム制御は判断ブロック１９５０へ
進み、オペレータがフロントアタッチメント１００にブ
ームアップするように指令したかどうか判断することに
より、掘削すなわち作業サイクルの掘削行程部分が完了
したかどうか判断する。図示のように、制御はステッキ
シリンダ１４５に関するオペレータ制御信号と設定点Ｄ
Ｄとを比較する。設定点ＤＤは所定のステッキシリンダ
１４５の速度に対応するオペレータ制御信号の大きさを
表す。次に制御はブームシリンダ１４０に関するオペレ
ータ制御信号と設定点ＥＥとを比較する。設定点ＥＥは
所定のブームシリンダ１４０の速度に対応するオペレー
タ制御信号の大きさを表す。最後に、制御はバケットシ
リンダ１５０に関するオペレータ制御信号と設定点ＦＦ
とを比較する。設定点ＦＦは所定のバケットシリンダ１
５０の速度に相当するオペレータ制御信号の大きさを表
す。これらの比較の結果は、ステッキの動きが最小であ
るとき、ブームが迅速に持ち上げられ、バケット１２０
が屈曲して荷重をすくい込んでいることを示す。

【００７５】従って、プログラム制御は図２０のブロッ
ク１９５５へ進み、設定点Ｇ＝バケット角φに指定し、
可変ＭＯＤＥ＝ＢＯＯＭ−ＵＰに指定する。設定点Ｇは
掘削の終了時のバケット角を表す。

【００７６】次にプログラム制御はブロック１９７０へ
進み、オペレータがフロントアタッチメント１００を掘
削場所からダンプ場所へ旋回すなわち回転させているか
どうか判断する。ブロック１９７０では、制御は旋回装
置１８５に関するオペレータ制御信号と設定点ＧＧとを
比較する。設定点ＧＧは所定の旋回速度に相当するオペ
レータ制御信号の大きさを表す。この比較の結果は、オ
ペレータがフロントアタッチメント１００を掘削場所か
らダンプ場所へ旋回させていることを示す。ここでは、
正の値をもつオペレータ制御信号の大きさは時計方向に
回転しているフロントアタッチメントに関係しており、
負の値をもつオペレータ制御信号の大きさは反時計方向
に回転しているフロントアタッチメントに関係している
ことに留意されたい。さらに、例えば、フロントアタッ
チメントは掘削場所からダンプ場所へ時計方向に回転す
ると仮定する。

【００７７】プログラム制御は、オペレータがフロント
アタッチメント１００をダンプ場所へ回転させていると
判断したあと、ブロック１９８０へ進んで、オペレータ
がバケット１２０から荷重をダンプすることを始めたか
どうか判断する。ブロック１９８０では、制御は、旋回
装置に関するオペレータ制御信号と設定点ＨＨとを比較
する。設定点ＨＨは所定の旋回速度に対応するオペレー
タ制御信号の大きさを表す。この比較は、フロントアタ
ッチメント１００の回転が減速または停止されたことを
示す。

【００７８】制御は、さらに、バケットシリンダ１５０
に関するオペレータ制御信号の大きさと設定点ＩＩとを
比較する。設定点ＩＩは所定のバケット速度に対応する
オペレータ制御信号の大きさを表す。この比較はバケッ
ト１２０が開いて、バケット１２０から荷重がダンプさ
れていることを示す。設定点ＩＩは負の値（バケットシ
リンダが引っ込み中であることを示す）をもつことがあ
ることに留意されたい。

【００７９】次にプログラム制御はブロック１９８３へ
進み、設定点Ｋ＝ＢＯＯＭ−ＵＰモードまたはＳＷＧ−
ＴＯ−ＤＵＭＰモードのときに決定した最大バケット屈
曲量φに指定する。最大バケット屈曲量φは荷重をすく
い込むバケット角を表す。

【００８０】次にプログラム制御はブロック１９８５へ
進み、ダンプ場所を決定し、そして旋回角を計算する。
ダンプ場所はオペレータが荷重を堆積する区域と一致す
る。旋回角はフロントアタッチメントが掘削場所からダ
ンプ場所へ回転する角度量と定義する。

【００８１】最後にプログラム制御は判断ブロック１９
９０へ進み、作業サイクルのダンプ部分が完了したかど
うか判断する。ブロック１９９０において、制御は旋回
装置１８５に関するオペレータ制御信号の大きさと設定
点ＪＪとを比較する。設定点ＪＪは所定の旋回速度に対
応するオペレータ制御信号の大きさを表す。この比較は
フロントアタッチメント１００がダンプ場所から掘削場
所へ戻るため回転していることを表す。設定点ＪＪは負
の値をもつことがあることに留意されたい。制御は、さ
らに、バケットシリンダ１５０に関するオペレータ制御
信号と設定点ＫＫとを比較する。設定点ＫＫは所定のバ
ケットシリンダ速度に相当するオペレータ制御信号の大
きさを表す。この比較はオペレータが荷重のダンピング
を終了したことを示す。設定点ＫＫは負の値をもつこと
があることに留意されたい。

【００８２】次にプログラム制御はブロック１９９５へ
進み、設定点Ｌ＝現在のブームシリンダ位置に指定し、
設定点Ｐ＝現在ステッキシリンダ位置に指定する。設定
点Ｌはバケットがダンプ堆積物をクリヤするために必要
なブームシリンダ伸長量を表し、設定点Ｐはダンプする
ための最終ステッキ位置を表す。

【００８３】学習機能１９００が完了し、オペレータパ
ラメータが決定されたあと、すなわち設定点が指定され
たあと、ブロック１９４５において計算した平均ステッ
キシリンダ力とバケットシリンダ指令信号の大きさに応
じて、制御曲線を修正することができる。詳しく述べる
と、論理手段２５０はブロック１９４５の計算と図２
１，２２に示した二次元ルックアップテーブルの値とを
比較して、制御曲線の土壌状態設定を決定する。

【００８４】図２１に、複数の所定の土壌状態に対応す
る所定の力の値の表を示す。論理手段２５０は計算した
力の値と所定の力の値とを突き合わせて、図１３，図１
４，図１５の制御曲線と図１２の設定点Ｒの曲線の土壌
状態設定を図２１に示した土壌状態設定へセットする。

【００８５】図２２に、複数の所定の土壌状態に対応す
る所定のバケット指令信号の大きさの表を示す。論理手
段２５０は計算したバケット指令信号の大きさと所定の
指令信号の大きさとを突き合わせて、図１６の制御曲線
の土壌状態設定を図２２の表に示した土壌状態設定へセ
ットする。

【００８６】いろいろな設定点に対する値や、いろいろ
な図に示した曲線は、車両力学の分野の掘削工程に精通
した専門家によって日常的な実験で決定することができ
る。ここに示したどの値も単なる例示として記載したも
のである。

【００８７】

【作用】次に、掘削機、バックホウローダー、およびフ
ロントショベルなど、掘削または積込み機能を実行する
地ならし機に使用した場合について本発明の装置の作用
を詳しく説明する。図２３に、実例として油圧式掘削機
を示す。直線ＸとＹはそれぞれ水平方向と垂直方向の基
準線である。

【００８８】本発明の実施例では、掘削機のオペレータ
は２本のフロントアタッチメント制御レバーと、制御パ
ネルすなわちオペレータインタフェース２６０を自由に
使用することができる。一方の制御レバーがブーム１１
０とバケット１２０の動作を制御し、他方の制御レバー
がステッキ１１５と旋回の動作を制御することが好まし
い。オペレータは、オペレータインタフェース２６０に
よって操作オプションを選択し、かつ機能仕様を入力す
ることができる。例えば、所望の掘削深さを入力するよ
うプロンプトでオペレータに指示することができる。

【００８９】次に図２４に、掘削作業サイクルのいろい
ろな部分を示す。以下の説明は学習機能の作用に関する
ものである。最初に、論理手段２５０はオペレータが定
めた作業サイクルの作業包絡線を決定する。作業包絡線
は、オペレータ指令信号の大きさに基づいて作業サイク
ルに関する所定の設定点によって定義される。

【００９０】２３０５において、論理手段２５０は、バ
ケット１２０が地面に接触するまでオペレータがブーム
１１０を下降させると、それに応じて作業サイクルのブ
ームダウン部分の終了を決定する。次に論理手段２５０
は、２３１０において、作業サイクルの掘削行程部分の
開始時のバケット１２０の掘削角（設定点Ｅ）と掘削場
所に関係する旋回角を決定する。オペレータがバケット
１２０の屈曲、ステッキ１１５の引っ込め、およびブー
ム１１０の引起しを制御すると、論理手段２５０は、２
３１５において、作業サイクルの掘削行程部分の間の平
均ステッキ力と平均バケット指令信号の大きさを決定す
る。論理手段２５０は、オペレータが作業サイクルの荷
重すくい込み部分を始めている（従って、掘削行程部分
の終了を意味している）と決定したあと、２３２０にお
いて、掘削終了時のバケット角（設定点Ｇ）を決定す
る。次に、論理手段２５０は、２３２５において、オペ
レータが作業サイクルの荷重すくい込み部分を終了する
と、それに応じて荷重を一杯にすくい込むバケット角
（設定点Ｋ）を決定する。

【００９１】次に論理手段２５０は、２３３０におい
て、オペレータが作業サイクルの荷重ダンプ部分を実行
すると、すなわちオペレータがダンプ場所へのフロント
アタッチメント１００の旋回、ブーム１１０の引起し、
ステッキ１１５の伸長、およびバケット１２０の逆屈曲
を制御すると、それに応じてダンプ場所を決定する。オ
ペレータが荷重をダンプしたあと、論理手段２５０はブ
ームおよびステッキシリンダ位置（設定点Ｌ，Ｐ）をそ
れぞれ決定する。

【００９２】オペレータが作業サイクルを完了し、作業
包絡線が決定されたあと、論理手段２５０は自動掘削を
実行する準備が完了する。論理手段２５０は、最初に、
平均ステッキシリンダ力と平均バケット指令信号の大き
さを使用して、掘削する土壌状態を推定し、適切な制御
曲線を選択して作業包絡線に従ってフロントアタッチメ
ントを制御する。しかし、オペレータの作業サイクルを
単に繰り返すのでなく、論理手段２５０は変化する掘削
環境に作業サイクルを適応させて効率的な掘削を行う。

【００９３】本発明のその他の特徴、目的、および利点
は、添付図面、発明の詳細な説明、および特許請求の範
囲を熟読することによって理解することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】掘削機械のフロントアタッチメントの略図であ
る。

【図２】掘削機械の制御装置のハードウェア・ブロック
図である。

【図３】本発明の実施例の第１段階のフローチャートで
ある。

【図４】ブームダウン機能の実施例の第２段階のフロー
チャートである。

【図５】掘削行程機能の実施例の第２段階のフローチャ
ートである。

【図６】適応機能の実施例の第２段階のフローチャート
である。

【図７】すくい込み機能の実施例の第２段階のフローチ
ャートである。

【図８】ブームアップ機能の実施例の第２段階のフロー
チャートである。

【図９】旋回機能の実施例の第２段階のフローチャート
である。

【図１０】ダンプ機能の実施例の第２段階のフローチャ
ートである。

【図１１】復帰機能の実施例の第２段階のフローチャー
トである。

【図１２】いろいろな設定点の値を示すグラフである。

【図１３】予備掘削機能中のブームシリンダ指令信号に
関する制御曲線を表すグラフである。

【図１４】予備掘削機能中ステッキシリンダ指令に関す
る制御曲線を示すグラフである。

【図１５】掘削行程機能中のブームシリンダ指令信号に
関する制御曲線を示すグラフである。

【図１６】掘削行程機能中のバケットシリンダ指令信号
に関する制御曲線を示すグラフである。

【図１７】適応機能に関する制御曲線を示すグラフであ
る。

【図１８】横に投下している掘削機械の平面図である。

【図１９】学習機能の実施例の第２段階のフローチャー
トの前半である。

【図２０】学習機能の実施例の第２段階のフローチャー
トの後半である。

【図２１】複数の所定の土壌状態設定に対応する複数の
ステッキ力の値を示す表である。

【図２２】複数の所定の土壌状態設定に対応する複数の
バケット指令信号の大きさを表す表である。

【図２３】掘削機械の側面図である。

【図２４】掘削作業サイクルのいろいろな部分中のフロ
ントアタッチメントのジオメトリを示す略図である。

【符号の説明】

１００フロントアタッチメント１０５掘削機械本体１１０ブーム１１５ステッキ１２０バケット１３０湾曲部分１４０ブームシリンダ１４５ステッキシリンダ１５０バケットシリンダ１５５リンケージ１８０フロントアタッチメント旋回点１８５旋回装置２００電子油圧装置２０５位置信号発生手段２１０，２１５，２２０変位センサ２２５圧力信号発生手段２３０，２３５，２４０圧力センサ２４３旋回角センサ２４５信号調整器２５０論理手段２５３メモリ２５５制御レバー２６０オペレータインタフェース２６５作動手段２７０，２７５，２８０，２８５油圧制御弁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ロニージェイデヴィアアメリカ合衆国イリノイ州 61525 ダンラップウェストティンバーデイルドライヴ 1613 (72)発明者デイルビーハーゲトアメリカ合衆国イリノイ州 61614 ピオーリアハイツノースヴィンセント 3823

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ブーム、ステッキ、およびバケットを含
み、該ブーム、ステッキ、およびバケットが加圧作動油
で作動する少なくとも１個の油圧シリンダによってそれ
ぞれ制御自在に作動するようになった掘削機械のフロン
トアタッチメントを掘削作業サイクルの中に自動的に制
御する装置であって、前記油圧シリンダの１つの所望の速度を表すオペレータ
制御信号を発生するオペレータ制御要素、前記オペレータ制御信号に応じて、掘削作業サイクルを
実行するため所定の油圧シリンダを制御自在に作動させ
る作動手段、少なくとも１個の油圧シリンダに関する力を表す力信号
を発生する手段、前記オペレータ制御信号を受け取り、該オペレータ制御
信号の大きさと所定の制御信号の大きさとを比較し、作
業サイクルの所定の部分に関係する動作パラメータを決
定する手段、および前記オペレータ制御信号と前記力信
号を受け取り、それに応じて指令信号を発生し、決定し
た動作パラメータに従ってその後の作業サイクルを自動
的に実行させる手段、から成ることを特徴とする制御装
置。
【請求項２】複数の土壌状態設定に関する複数の指令
信号の大きさに対応する複数の制御曲線を保存する記憶
手段を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の制
御装置。
【請求項３】作業サイクルの掘削部分の間に発生した
平均ステッキシリンダ力とバケットシリンダに関する平
均指令信号の決定に応じて、掘削する土壌の状態を推定
し、推定した土壌状態に応じて制御曲線の１つを選択す
る手段を含んでいることを特徴とする請求項２に記載の
制御装置。
【請求項４】前記動作パラメータが複数の位置設定点
と圧力設定点を含んでおり、制御装置がさらに、ブーム、ステッキ、およびバケットの位置に応じてそれ
ぞれの位置信号を発生する位置検出手段、前記位置信号を受け取り、ブーム、ステッキ、およびバ
ケット位置信号の少なくとも１つと、複数の位置設定点
の所定の１つとを比較する手段、ブーム、ステッキ、およびバケットシリンダのうちの少
なくとも１つに関する油圧に応じて、それぞれの圧力信
号を発生する圧力検出手段、圧力信号を受け取り、ブーム、ステッキ、およびバケッ
ト圧力のうちの少なくとも１つと複数の圧力設定点のう
ちの所定の１つとを比較する手段、および圧力および位
置の比較に応じて指令信号を発生する手段、を含んでい
ることを特徴とする請求項３に記載の制御装置。
【請求項５】その後の作業サイクルの実行に応じて、
位置設定点を修正する手段を含んでいることを特徴とす
る請求項４に記載の制御装置。
【請求項６】ブーム、ステッキ、およびバケットを含
み、該ブーム、ステッキ、およびバケットが加圧作動油
により作動する少なくとも１個の油圧シリンダによって
それぞれ制御自在に作動するようになった、掘削機械の
フロントアタッチメントを掘削作業サイクルの中に自動
的に制御する方法であって、油圧シリンダの１つの所望の速度を表すオペレータ制御
信号を発生し、前記オペレータ制御信号に応じて、掘削作業サイクルを
実行するため所定の油圧シリンダを制御自在に作動さ
せ、少なくとも１個の油圧シリンダに関する力を表す力信号
を発生し、前記オペレータ制御信号を受け取り、該オペレータ制御
信号の大きさと所定の制御信号の大きさとを比較し、作
業サイクルの所定の部分に関係する動作パラメータを決
定し、前記オペレータ制御信号と前記力信号を受け取り、それ
に応じて指令信号を発生し、決定した動作パラメータに
従ってその後の作業サイクルを自動的に実行させるこ
と、の諸ステップから成ることを特徴とする方法。
【請求項７】複数の土壌状態設定に関する複数の指令
信号の大きさに対応する複数の制御曲線を保存するステ
ップを含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】作業サイクルの掘削部分の間に発生した
平均ステッキシリンダ力とバケットシリンダに関する平
均指令信号の決定に応じて、掘削する土壌の状態を推定
し、推定した土壌状態に応じて制御曲線の１つを選択す
るステップを含んでいることを特徴とする請求項７に記
載の方法。
【請求項９】前記動作パラメータが複数の位置設定点
と圧力設定点を含んでおり、ブーム、ステッキ、およびバケットの位置に応じてそれ
ぞれの位置信号を発生し、前記位置信号を受け取り、ブーム、ステッキ、およびバ
ケット位置信号の少なくとも１つと、複数の位置設定点
の所定の１つとを比較し、ブーム、ステッキ、およびバケット位置信号の少なくと
も１つに関する油圧に応じて、それぞれの圧力信号を発
生し、前記圧力信号を受け取り、ブーム、ステッキ、およびバ
ケット圧力の少なくとも１つと複数の圧力設定点の所定
の１つとを比較し、圧力および位置の比較に応じて指令信号を発生するこ
と、の諸ステップを含んでいることを特徴とする請求項
８に記載の方法。
【請求項１０】その後の作業サイクルの実行に応じ
て、位置設定点を修正するステップを含むことを特徴と
する請求項９に記載の方法。