WO2023054615A1 - 作業機械を制御するためのシステム、方法およびプログラム - Google Patents

作業機械を制御するためのシステム、方法およびプログラム Download PDF

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WO2023054615A1
WO2023054615A1 PCT/JP2022/036525 JP2022036525W WO2023054615A1 WO 2023054615 A1 WO2023054615 A1 WO 2023054615A1 JP 2022036525 W JP2022036525 W JP 2022036525W WO 2023054615 A1 WO2023054615 A1 WO 2023054615A1
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bucket
axis
tilt
work machine
work implement
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PCT/JP2022/036525
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Inventor
光 鈴木
力 岩村
匠 野崎
竜二 神田
大司 岩永
友一 平尾
悠太 内田
佑基 島野
淳 佐々木
仁 北嶋
Original Assignee
株式会社小松製作所
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    • E02F9/265—Sensors and their calibration for indicating the position of the work tool with follow-up actions (e.g. control signals sent to actuate the work tool)
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    • B60Y—INDEXING SCHEME RELATING TO ASPECTS CROSS-CUTTING VEHICLE TECHNOLOGY
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    • B60Y2200/40—Special vehicles
    • B60Y2200/41—Construction vehicles, e.g. graders, excavators
    • B60Y2200/412—Excavators

Definitions

  • the present disclosure relates to systems, methods and programs for controlling work machines.
  • This application claims priority to Japanese Patent Application No. 2021-161174 filed in Japan on September 30, 2021, the contents of which are incorporated herein.
  • Patent Document 1 discloses a control system for a construction machine (work machine) having a tiltable tilt bucket. As described above, there is known a working machine that is equipped with a plurality of rotating mechanisms capable of rotating around different axes and that can rotate a working implement such as a bucket as desired.
  • a tilt rotator that supports an attachment of a work machine so that it can rotate around three mutually orthogonal axes. By attaching a tilt rotator to the work machine, the attachment can be oriented in any direction.
  • a working machine such as a hydraulic excavator
  • a hydraulic excavator when loading soil or the like onto the bed of a dump truck, there is a demand to avoid spilling the soil as much as possible in the process of moving the bucket onto the bed.
  • a hydraulic excavator equipped with a plurality of rotating mechanisms as described above if an attempt is made to move the bucket in a state in which the width direction of the bucket (the direction along the cutting edge) is not horizontal, the bucket may be loaded. Soil tends to spill out during transport to the dump truck bed. Therefore, when moving the bucket, it is preferable to horizontally adjust the width direction of the bucket.
  • An object of the present disclosure is to provide a work machine including a work implement supported by the work machine via a tiltrotator, without changing a first reference direction of the work implement (for example, an opening direction of a bucket), and a second reference direction. It is an object of the present invention to provide a system, method and program capable of simplifying an operation for aligning a direction (for example, the blade edge direction of a bucket) with a predetermined plane (for example, a vehicle body reference plane).
  • a system includes a work machine operably supported by a vehicle body, a tilt rotator attached to the tip of the work machine, and a tilt rotator mounted on the work machine on different planes via the tilt rotator.
  • a system for controlling a work machine comprising a work implement supported for rotation about three intersecting axes, the system comprising a processor.
  • a processor obtains measurements from multiple sensors.
  • a processor calculates a current attitude of the work implement based on the measurements.
  • the processor determines the virtual axis of rotation based on the calculated current attitude of the work implement when a predetermined control start condition is satisfied.
  • the processor generates a tiltrotator control signal for rotating the work implement about the virtual rotation axis by a predetermined amount from the current attitude to the target attitude.
  • the processor outputs the generated control signal.
  • the operation of aligning the second reference direction of the work implement with the predetermined plane without changing the first reference direction of the work implement. can be simplified.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a working machine 100 according to a first embodiment
  • FIG. 4 is a diagram showing the configuration of a tiltrotator 163 according to the first embodiment
  • FIG. It is a figure showing a drive system of work machine 100 concerning a 1st embodiment
  • 2 is a schematic block diagram showing the configuration of a control device 200 according to the first embodiment
  • FIG. 4 is a flow chart showing an angle adjustment function in the first embodiment; It is a figure which shows the detail of the operating device in 1st Embodiment. It is a figure which shows the effect by the angle adjustment function in 1st Embodiment. It is a figure which shows the effect by the angle adjustment function in 1st Embodiment.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a working machine 100 according to the first embodiment.
  • a working machine 100 according to the first embodiment is, for example, a hydraulic excavator.
  • the working machine 100 includes a traveling body 120 , a revolving body 140 , a working machine 160 , an operator's cab 180 and a control device 200 .
  • the work machine 100 according to the first embodiment controls the cutting edge of the bucket 164 so as not to exceed the design surface.
  • Traveling body 120 supports work machine 100 so that it can travel.
  • the traveling body 120 is, for example, a pair of left and right endless tracks.
  • the revolving body 140 is supported by the traveling body 120 so as to be able to revolve around the revolving center.
  • Work implement 160 is operably supported by revolving body 140 .
  • Work implement 160 is hydraulically driven.
  • the working machine 160 includes a boom 161, an arm 162, a tiltrotator 163, and a bucket 164 as a working implement.
  • a base end of the boom 161 is rotatably attached to the revolving body 140 .
  • a proximal end of the arm 162 is rotatably attached to a distal end of the boom 161 .
  • the tilt rotator 163 is rotatably attached to the tip of the arm 162 .
  • Bucket 164 is attached to tiltrotator 163 .
  • Bucket 164 is rotatably supported by tilt rotator 163 with respect to work implement 160 about three axes that intersect on different planes.
  • a portion of the revolving body 140 to which the work implement 160 is attached is referred to as a front portion.
  • the front portion is referred to as the rear portion
  • the left portion is referred to as the left portion
  • the right portion is referred to as the right portion.
  • FIG. 2 is a diagram showing the configuration of the tiltrotator 163 according to the first embodiment.
  • a tiltrotator 163 is attached to the tip of the arm 162 so as to support the bucket 164 .
  • the tilt rotator 163 has a mounting portion 1631 , a tilt portion 1632 and a rotation portion 1633 .
  • the attachment portion 1631 is attached to the tip of the arm 162 so as to be rotatable about an axis extending in the horizontal direction of the drawing.
  • the tilt part 1632 is attached to the attachment part 1631 so as to be rotatable around an axis extending in the longitudinal direction of the drawing.
  • the rotating portion 1633 is attached to the tilt portion 1632 so as to be rotatable around an axis extending vertically in the drawing.
  • the rotation axes of the attachment portion 1631, the tilt portion 1632, and the rotation portion 1633 are orthogonal to each other.
  • a base end portion of the bucket 164 is fixed to the rotating portion 1633 .
  • the bucket 164 can rotate about three axes perpendicular to each other with respect to the arm 162 .
  • the rotation axes of the mounting portion 1631, the tilt portion 1632, and the rotation portion 1633 include design errors and may not necessarily be orthogonal.
  • the operator's cab 180 is provided in the front part of the revolving body 140 . Inside the operator's cab 180, an operation device 271 for an operator to operate the work machine 100 and a monitor device 272 as a man-machine interface of the control device 200 are provided.
  • the operation device 271 controls the amount of operation of the travel motor 304, the amount of operation of the swing motor 305, the amount of operation of the boom cylinder 306, the amount of operation of the arm cylinder 307, the amount of operation of the bucket cylinder 308, the amount of operation of the tilt cylinder 309, and the input of the operation amount of rotary motor 310 .
  • the monitor device 272 receives an input for setting and canceling the bucket attitude holding mode from the operator.
  • the bucket attitude holding mode is a mode in which controller 200 automatically controls bucket cylinder 308, tilt cylinder 309, and rotary motor 310 to maintain the attitude of bucket 164 in the global coordinate system.
  • the monitor device 272 is realized by a computer having a touch panel, for example.
  • the control device 200 controls the traveling body 120, the revolving body 140, and the working machine 160 based on the operation of the operating device 271 by the operator.
  • the control device 200 is provided inside the cab 180, for example.
  • FIG. 3 is a diagram showing the drive system of the work machine 100 according to the first embodiment.
  • Work machine 100 includes a plurality of actuators for driving work machine 100 .
  • the work machine 100 includes an engine 301 , a hydraulic pump 302 , a control valve 303 , a pair of travel motors 304 , a swing motor 305 , a boom cylinder 306 , an arm cylinder 307 , a bucket cylinder 308 , a tilt cylinder 309 , a rotary motor 310 .
  • the work machine 100 includes an engine 301 , a hydraulic pump 302 , a control valve 303 , a pair of travel motors 304 , a swing motor 305 , a boom cylinder 306 , an arm cylinder 307 , a bucket cylinder 308 , a tilt cylinder 309 , a rotary motor 310 .
  • the engine 301 is a prime mover that drives the hydraulic pump 302 .
  • Hydraulic pump 302 is driven by engine 301 and supplies working oil to travel motor 304 , swing motor 305 , boom cylinder 306 , arm cylinder 307 and bucket cylinder 308 via control valve 303 .
  • Control valve 303 controls the flow rate of hydraulic oil supplied from hydraulic pump 302 to travel motor 304 , swing motor 305 , boom cylinder 306 , arm cylinder 307 and bucket cylinder 308 .
  • Traveling motor 304 is driven by hydraulic fluid supplied from hydraulic pump 302 to drive traveling body 120 .
  • the swing motor 305 is driven by hydraulic oil supplied from the hydraulic pump 302 to swing the swing body 140 with respect to the traveling body 120 .
  • Boom cylinder 306 is a hydraulic cylinder for driving boom 161 .
  • the base end of boom cylinder 306 is attached to rotating body 140 .
  • a tip of the boom cylinder 306 is attached to the boom 161 .
  • Arm cylinder 307 is a hydraulic cylinder for driving arm 162 .
  • a base end of the arm cylinder 307 is attached to the boom 161 .
  • a tip of the arm cylinder 307 is attached to the arm 162 .
  • Bucket cylinder 308 is a hydraulic cylinder for driving tiltrotator 163 and bucket 164 .
  • the proximal end of bucket cylinder 308 is attached to arm 162 .
  • a tip of the bucket cylinder 308 is attached to the tiltrotator 163 via a link member.
  • a tilt cylinder 309 is a hydraulic cylinder for driving the tilt section 1632 .
  • a proximal end portion of the tilt cylinder 309 is attached to the attachment portion 1631 .
  • the tip of the rod of the tilt cylinder 309 is attached to the tilt section 1632 .
  • the rotary motor 310 is a hydraulic motor for driving the rotating portion 1633 .
  • the bracket and stator of rotary motor 310 are fixed to tilt section 1632 .
  • the rotary shaft and rotor of the rotary motor 310 are provided so as to extend vertically in the drawing and are fixed to the rotating portion 1633 .
  • Work machine 100 includes a plurality of sensors for measuring the attitude, orientation, and position of work machine 100 .
  • work machine 100 includes tilt measuring instrument 401 , position and heading measuring instrument 402 , boom angle sensor 403 , arm angle sensor 404 , bucket angle sensor 405 , tilt angle sensor 406 and rotation angle sensor 407 .
  • the tilt measuring instrument 401 measures the attitude of the revolving body 140 .
  • the tilt measuring device 401 measures the tilt (for example, roll angle, pitch angle and yaw angle) of the revolving superstructure 140 with respect to the horizontal plane.
  • An example of the tilt measuring instrument 401 is an IMU (Inertial Measurement Unit).
  • the tilt measuring device 401 measures the acceleration and angular velocity of the revolving structure 140, and calculates the tilt of the revolving structure 140 with respect to the horizontal plane based on the measurement results.
  • the tilt measuring instrument 401 is installed, for example, below the driver's cab 180 .
  • the inclination measuring device 401 outputs the posture data of the revolving structure 140 as measured values to the control device 200 .
  • the position and orientation measuring device 402 measures the position of the representative point of the revolving superstructure 140 and the direction in which the revolving superstructure 140 faces by GNSS (Global Navigation Satellite System).
  • the position and orientation measuring device 402 includes, for example, two GNSS antennas (not shown) attached to the revolving body 140, and measures an orientation orthogonal to a straight line connecting the positions of the two antennas as the orientation of the work machine 100.
  • Position and orientation measuring device 402 outputs position data and orientation data of revolving structure 140 , which are measured values, to control device 200 .
  • a boom angle sensor 403 measures the boom angle, which is the angle of the boom 161 with respect to the revolving body 140 .
  • Boom angle sensor 403 may be an IMU attached to boom 161 .
  • the boom angle sensor 403 measures the boom angle based on the tilt of the boom 161 with respect to the horizontal plane and the tilt of the revolving body measured by the tilt measuring device 401 .
  • the measured value of the boom angle sensor 403 indicates zero, for example, when the direction of a straight line passing through the base end and the tip end of the boom 161 coincides with the longitudinal direction of the revolving structure 140 .
  • the boom angle sensor 403 according to another embodiment may be a stroke sensor attached to the boom cylinder 306 .
  • the boom angle sensor 403 may be a rotation sensor provided on a joint shaft that rotatably connects the revolving body 140 and the boom 161 .
  • Boom angle sensor 403 outputs boom angle data, which is a measured value, to control device 200 .
  • the arm angle sensor 404 measures the arm angle, which is the angle of the arm 162 with respect to the boom 161.
  • Arm angle sensor 404 may be an IMU attached to arm 162 .
  • the arm angle sensor 404 measures the arm angle based on the tilt of the arm 162 with respect to the horizontal plane and the boom angle measured by the boom angle sensor 403 .
  • the measured value of the arm angle sensor 404 indicates zero when, for example, the direction of the straight line passing through the proximal end and the distal end of the arm 162 matches the direction of the straight line passing through the proximal end and the distal end of the boom 161 .
  • the arm angle sensor 404 may calculate the angle by attaching a stroke sensor to the arm cylinder 307 .
  • the arm angle sensor 404 may be a rotation sensor provided on a joint shaft that rotatably connects the boom 161 and the arm 162 .
  • Arm angle sensor 404 outputs arm angle data, which is a measured value, to control device 200 .
  • a bucket angle sensor 405 measures the bucket angle, which is the angle of the tiltrotator 163 with respect to the arm 162 .
  • Bucket angle sensor 405 may be a stroke sensor provided on bucket cylinder 308 .
  • the bucket angle sensor 405 measures the bucket angle based on the stroke amount of the bucket cylinder 308 .
  • the measured value of the bucket angle sensor 405 indicates zero, for example, when the direction of the straight line passing through the proximal end and the cutting edge of the bucket 164 matches the direction of the straight line passing through the proximal end and the distal end of the arm 162 .
  • the bucket angle sensor 405 may be a rotation sensor provided on a joint shaft that rotatably connects the arm 162 and the mounting portion 1631 of the tiltrotator 163 .
  • Bucket angle sensor 405 may also be an IMU attached to bucket 164 .
  • Bucket angle sensor 405 outputs bucket angle data, which is a measured value, to control device 200 .
  • the tilt angle sensor 406 measures the tilt angle, which is the angle of the tilt portion 1632 with respect to the mounting portion 1631 of the tilt rotator 163 .
  • the tilt angle sensor 406 may be a rotation sensor provided on a joint shaft that rotatably connects the attachment portion 1631 and the tilt portion 1632 .
  • the measured value of the tilt angle sensor 406 indicates zero when, for example, the rotation axis of the arm 162 and the rotation axis of the rotating portion 1633 are orthogonal.
  • the tilt angle sensor 406 may calculate the angle by attaching a stroke sensor to the tilt cylinder 309 .
  • Tilt angle sensor 406 outputs tilt angle data, which is a measured value, to control device 200 .
  • the rotation angle sensor 407 measures the rotation angle, which is the angle of the rotation portion 1633 with respect to the tilt portion 1632 of the tiltrotator 163 .
  • the rotation angle sensor 407 may be a rotation sensor provided on the rotary motor 310 .
  • the measured value of tilt angle sensor 406 indicates zero when, for example, the blade edge direction of bucket 164 and the plane of operation of work implement 160 are perpendicular to each other.
  • Rotation angle sensor 407 outputs rotation angle data, which is a measured value, to control device 200 .
  • FIG. 4 is a schematic block diagram showing the configuration of the control device 200 according to the first embodiment.
  • the control device 200 is a computer that includes a processor 210 , main memory 230 , storage 250 and interface 270 .
  • Control device 200 is an example of a control system.
  • Control device 200 receives measurements from tilt measuring instrument 401 , position and heading measuring instrument 402 , boom angle sensor 403 , arm angle sensor 404 , bucket angle sensor 405 , tilt angle sensor 406 and rotation angle sensor 407 .
  • the storage 250 is a non-temporary tangible storage medium. Examples of the storage 250 include magnetic disks, optical disks, magneto-optical disks, semiconductor memories, and the like.
  • the storage 250 may be an internal medium directly connected to the bus of the control device 200, or an external medium connected to the control device 200 via the interface 270 or communication line.
  • An operating device 271 and a monitor device 272 are connected to the processor 210 via an interface 270 .
  • the storage 250 stores control programs for controlling the work machine 100.
  • the control program may be for realizing part of the functions that the control device 200 is caused to exhibit.
  • the control program may function in combination with another program already stored in the storage 250 or in combination with another program installed in another device.
  • the control device 200 may include a custom LSI (Large Scale Integrated Circuit) such as a PLD (Programmable Logic Device) in addition to or instead of the above configuration.
  • PLDs include PAL (Programmable Array Logic), GAL (Generic Array Logic), CPLD (Complex Programmable Logic Device), and FPGA (Field Programmable Gate Array). In this case, part or all of the functions implemented by the processor may be implemented by the integrated circuit.
  • the storage 250 records geometry data representing the dimensions and center-of-gravity positions of the revolving structure 140 , the boom 161 , the arm 162 and the bucket 164 .
  • Geometry data is data representing the position of an object in a predetermined coordinate system.
  • the storage 250 also records design plane data, which is three-dimensional data representing the shape of the design plane of the construction site in the global coordinate system.
  • the global coordinate system is a coordinate system composed of the Xg - axis extending in the latitude direction, the Yg - axis extending in the longitude direction, and the Zg - axis extending in the vertical direction.
  • the design plane data is represented by TIN (Triangular Irregular Networks) data, for example.
  • the processor 210 obtains an operation signal acquisition unit 211, an input unit 212, a display control unit 213, a measurement value acquisition unit 214, a position/orientation calculation unit 215, an intervention determination unit 216, a control signal output unit 218, A target attitude determination unit 219 and a rotation amount calculation unit 220 are provided.
  • the operation signal acquisition unit 211 acquires an operation signal indicating the operation amount of each actuator from the operation device 271 .
  • the input unit 212 receives operation inputs from the operator through the monitor device 272 .
  • the display control unit 213 outputs screen data to be displayed on the monitor device 272 to the monitor device 272 .
  • the measured value acquisition unit 214 acquires measured values from the tilt measuring device 401 , the position and heading measuring device 402 , the boom angle sensor 403 , the arm angle sensor 404 , the bucket angle sensor 405 , the tilt angle sensor 406 and the rotation angle sensor 407 .
  • the position/orientation calculation unit 215 calculates the position of the work machine 100 in the global coordinate system and the vehicle body coordinate system based on the various measurement values acquired by the measurement value acquisition unit 214 and the geometry data recorded in the storage 250 . For example, the position/posture calculation unit 215 calculates the position of the cutting edge of the bucket 164 in the global coordinate system and the vehicle body coordinate system.
  • the vehicle body coordinate system is an orthogonal coordinate system whose origin is a representative point of the revolving body 140 (for example, a point passing through the center of revolving). Calculations by the position/orientation calculation unit 215 will be described later.
  • Intervention determination unit 216 determines whether to limit the speed of work implement 160 based on the positional relationship between the position of the cutting edge of bucket 164 calculated by position/orientation calculation unit 215 and the design surface indicated by the design surface data. .
  • the restriction of the speed of work implement 160 by control device 200 is also referred to as intervention control.
  • intervention determination unit 216 obtains the shortest distance between the design surface and bucket 164 , and determines that work implement 160 should be subjected to intervention control when the shortest distance is equal to or less than a predetermined distance.
  • the intervention determination unit 216 rotates and translates the design surface data recorded in the storage 250 based on the measured values of the tilt measuring device 401 and the position/orientation measuring device 402, so that the data in the global coordinate system is Transform the position of the represented design plane into a position in the body coordinate system.
  • the intervention determination unit 216 identifies the contour point of the bucket 164 that is closest to the design surface as the control point.
  • the intervention determination unit 216 identifies a plane (polygon) located vertically below the control point in the design plane data.
  • the intervention determination unit 216 calculates a first design line that is a line of intersection between a plane parallel to the X bk -Z bk plane of the bucket coordinate system passing through the control point and the identified plane.
  • the intervention determination unit 216 determines whether or not the distance between the control point and the first design line is equal to or less than the intervention threshold.
  • the control signal output unit 218 controls each actuator (the bucket cylinder 308, the tilt cylinder 309, and the rotary motor 310) according to the operation amount acquired by the operation signal acquisition unit 211 or the target value calculated by the rotation amount calculation unit 220.
  • a signal is output to the control valve 303 .
  • the position/orientation calculation unit 215 calculates the positions of the points of the outer shell based on the various measurement values acquired by the measurement value acquisition unit 214 and the geometry data recorded in the storage 250 .
  • Storage 250 records geometry data representing the dimensions of revolving structure 140, boom 161, arm 162, tiltrotator 163 (mounting portion 1631, tilting portion 1632 and rotating portion 1633), and bucket 164.
  • the geometry data of the revolving superstructure 140 indicates the center positions (x bm , y bm , z bm ) of the joint axes by which the revolving super structure 140 supports the boom 161 in the vehicle body coordinate system, which is the local coordinate system.
  • the vehicle body coordinate system is a coordinate system composed of the X sb axis extending in the front-rear direction, the Y sb axis extending in the left-right direction, and the Z sb axis extending in the up-down direction with reference to the turning center of the turning body 140 .
  • the vertical direction of the revolving body 140 does not necessarily match the vertical direction.
  • the geometry data of the boom 161 indicates the joint axis positions (x am , y am , z am ) at which the boom 161 supports the arm 162 in the boom coordinate system, which is the local coordinate system.
  • the boom coordinate system has an Xbm axis extending in the longitudinal direction, a Ybm axis extending in the direction in which the joint axis extends, and an Xbm axis and a Ybm axis, with reference to the central position of the joint axis connecting the revolving body 140 and the boom 161. is a coordinate system composed of the Zbm axis orthogonal to .
  • the geometry data of the arm 162 indicates the positions (x t1 , y t1 , z t1 ) of the joint axes at which the arm 162 supports the mounting portion 1631 of the tiltrotator 163 in the arm coordinate system, which is the local coordinate system.
  • the arm coordinate system is based on the center position of the joint axis connecting the boom 161 and the arm 162, the X am axis extending in the longitudinal direction, the Y am axis extending in the direction in which the joint axis extends, and the X am axis and the Yam axis. It is a coordinate system composed of orthogonal Z am axes.
  • the geometry data of the mounting portion 1631 of the tiltrotator 163 is the position (x t2 , y t2 , z t2 ) of the joint axis by which the mounting portion 1631 supports the tilt portion 1632 in the first tilt-rotate coordinate system, which is the local coordinate system.
  • the tilt of the joint axis ( ⁇ t ) is shown.
  • the inclination ⁇ t of the joint axis is an angle related to the design error of the tiltrotator 163 and is obtained by calibration of the tiltrotator 163 or the like.
  • the first tilt-rotate coordinate system is based on the central position of the joint axis connecting the arm 162 and the mounting portion 1631, the Yt1 axis extending in the direction in which the joint axis connecting the arm 162 and the mounting portion 1631 extends, and the mounting portion It is a coordinate system composed of the Zt1 axis extending in the direction in which the joint axis connecting 1631 and the tilt part 1632 extends, and the Xt1 axis perpendicular to the Yt1 axis and the Zt1 axis.
  • the geometry data of the tilt portion 1632 of the tiltrotator 163 is the tip position (x t3 , y t3 , z t3 ) of the rotary shaft of the rotary motor 310 and the inclination ( ⁇ r ).
  • the inclination ⁇ r of the rotation axis is an angle related to the design error of the tiltrotator 163 and is obtained by calibration of the tiltrotator 163 or the like.
  • the second tilt-rotate coordinate system is based on the central position of the joint axis connecting the mounting portion 1631 and the tilting portion 1632, and the Xt2 axis extending in the direction in which the joint shaft connecting the mounting portion 1631 and the tilting portion 1632 extends.
  • the geometry data of the rotating portion 1633 of the tiltrotator 163 indicates the center position (x t4 , y t4 , z t4 ) of the attachment surface of the bucket 164 in the third tilt-rotate coordinate system, which is the local coordinate system.
  • the third tilt-rotate coordinate system is composed of the Z t3- axis extending in the direction in which the rotation axis of the rotary motor 310 extends, and the X t3- axis and the Yt3 - axis orthogonal to the rotation axis, with the center position of the mounting surface of the bucket 164 as a reference. It is a coordinate system that The bucket 164 is attached to the rotating portion 1633 so that the cutting edge is parallel to the Yt3 axis.
  • the geometry data of bucket 164 indicates the locations (x bk , y bk , z bk ) of contour points of bucket 164 in the third tilt-rotate coordinate system.
  • contour points include the ends and center of the cutting edge of the bucket 164 , the ends and center of the bottom of the bucket 164 , and the ends and center of the butt of the bucket 164 .
  • the position/orientation calculation unit 215 converts the boom coordinate system to the vehicle body coordinate system using the following equation (1).
  • the boom-body transformation matrix T bm sb is rotated about the Y bm axis by the boom angle ⁇ bm and translated by the deviation (x bm , y bm , z bm ) between the origin of the body coordinate system and the origin of the boom coordinate system. is a matrix that
  • the position/orientation calculation unit 215 converts the arm coordinate system into the boom coordinate system using the following equation (2) based on the measurement value of the arm angle ⁇ am acquired by the measurement value acquisition unit 214 and the geometry data of the boom 161. Generate an arm-to-boom transformation matrix T am bm for The arm-boom transformation matrix T am bm is rotated about the Y am axis by the arm angle ⁇ am and translated by the deviation (x am , y am , z am ) between the origin of the boom coordinate system and the origin of the arm coordinate system.
  • the position/orientation calculation unit 215 obtains the product of the boom-body transformation matrix T bm sb and the arm-boom transformation matrix T am bm to obtain an arm-body transformation matrix for transforming from the arm coordinate system to the vehicle body coordinate system. Generate T am sb .
  • the position/orientation calculation unit 215 calculates arm coordinates from the first tilt-rotate coordinate system using the following equation (3). Generate a first tilt-to-arm transformation matrix T t1 am for transforming to the system.
  • the first tilt-arm transformation matrix T t1 am is rotated by the bucket angle ⁇ bk about the Y t1 axis, and the deviation between the origin of the arm coordinate system and the origin of the first tilt-rotate coordinate system (x t1 , y t1 , z t1 ), and further tilts the joint axis of the tilt unit 1632 by the tilt ⁇ t .
  • the position/orientation calculation unit 215 obtains the product of the arm-body transformation matrix T am sb and the first tilt-arm transformation matrix T t1 am to obtain a value for transforming from the first tilt-rotate coordinate system to the vehicle body coordinate system. Generate a first tilt-to-body transformation matrix T t1 sb .
  • the position/orientation calculation unit 215 calculates the first tilt-rotate coordinate system from the first tilt-rotate coordinate system using the following equation (4).
  • a second tilt-first tilt transformation matrix T t2 t1 for transformation to the two-tilt-rotate coordinate system is generated.
  • the second tilt-first tilt transformation matrix T t2 t1 is rotated by the tilt angle ⁇ t around the X t2 axis, and the deviation between the origin of the first tilt rotated coordinate system and the origin of the second tilt rotated coordinate system (x t2 , y t2 , z t2 ) and further tilted by the tilt ⁇ r of the rotation axis of the rotating unit 1633 . Further, the position/orientation calculation unit 215 obtains the product of the first tilt-to-vehicle transformation matrix T t1 sb and the second tilt-to-first tilt transformation matrix T t2 t1 , thereby shifting from the second tilt-rotate coordinate system to the vehicle body coordinate system. Generate a second tilt-to-body transformation matrix T t2 sb for transformation.
  • the position/orientation calculation unit 215 calculates the second tilt-rotate coordinate system from the second tilt-rotate coordinate system using the following equation (5).
  • a third tilt-second tilt transformation matrix T t3 t2 for transformation to the three-tilt-rotate coordinate system is generated.
  • the third tilt-second tilt transformation matrix T t3 t2 is rotated by the rotation angle ⁇ r about the Z t3 axis, and the deviation (x t3 , y t3 , z t3 ).
  • the position/orientation calculation unit 215 obtains the product of the second tilt-to-vehicle transformation matrix T t2 sb and the third tilt-to-second tilt transformation matrix T t3 t2 , thereby shifting from the third tilt-rotate coordinate system to the vehicle body coordinate system. Generate a third tilt-to-body transformation matrix T t3 sb for transformation.
  • the position/orientation calculation unit 215 calculates the center position (x t4 , y t4 , z t4 ) of the mounting surface of the bucket 164 and the positions (x bk , y bk , z bk ) and the third tilt-to-body transformation matrix T bk sb , the positions of contour points of the bucket 164 in the body coordinate system can be determined.
  • the angle of the cutting edge of bucket 164 with respect to the ground plane of work machine 100 that is, the angle formed by the X sb -Y sb plane of the vehicle body coordinate system and the Y t3 axis of the third tilt-rotate coordinate system is the boom angle ⁇ bm , the arm It is determined by the angle ⁇ am , bucket angle ⁇ bk , tilt angle ⁇ t and rotate angle ⁇ r . Therefore, as shown in FIG. 1 , the position/orientation calculation unit 215 identifies a bucket coordinate system whose starting point is the base end of the bucket 164 , that is, the central position of the mounting surface of the bucket 164 on the tiltrotator 163 .
  • the bucket coordinate system includes an X bk axis that extends in the direction in which the blade edge of bucket 164 faces, a Y bk axis that is orthogonal to the X bk axis and extends along the blade edge of bucket 164, and a Z bk axis that is orthogonal to the X bk axis and the Y bk axis.
  • It is a Cartesian coordinate system composed of axes.
  • the Xbk axis is also referred to as the bucket tilt axis
  • the Ybk axis as the bucket pitch axis
  • the Zbk axis as the bucket rotation axis.
  • the bucket tilt axis X bk , the bucket pitch axis Y bk and the bucket rotation axis Z bk are virtual axes and are different from the joint axes of the tiltrotator 163 . Note that when the tilt of the rotating shaft of the rotary motor 310 is zero, the bucket coordinate system and the third tilt-rotate coordinate system match.
  • the position/orientation calculation unit 215 calculates a bucket-third tilt conversion matrix T bk t3 for converting from the third tilt-rotate coordinate system to the bucket coordinate system using the following equation (6). Generate.
  • the bucket-third tilt transformation matrix T bk t3 is a matrix that rotates about the Y t3 axis by the inclination ⁇ r of the rotation axis.
  • angle adjustment refers to rotating the bucket 164 around the bucket tilt axis ( Xbk axis) to align the blade edge direction (bucket pitch axis ( Ybk axis)) of the bucket 164 with respect to the vehicle body reference plane. It means the operation to make it a predetermined angle.
  • the vehicle body reference plane is an X sb axis-Y sb axis plane (see FIG. 1) in the vehicle body coordinate system.
  • the predetermined angle is an angle at which the cutting edge and the vehicle body reference plane are parallel.
  • the cutting edge can be made parallel to the vehicle body reference plane without changing the opening direction (bucket tilt axis direction) of the bucket 164 .
  • the predetermined angle is not limited to the angle at which the cutting edge and the vehicle body reference plane are parallel, and may be an angle arbitrarily determined by the operator.
  • the operation signal acquisition unit 211 acquires an operation signal for a dedicated operation reception unit (hereinafter also referred to as an angle adjustment operation reception unit) for using the angle adjustment function in the operation device 271. do.
  • a dedicated operation reception unit hereinafter also referred to as an angle adjustment operation reception unit
  • the target attitude determination unit 219 determines a target attitude, which is an attitude obtained by rotating the bucket 164 about the virtual rotation axis from the current attitude by a predetermined amount.
  • a virtual rotation axis is a virtual rotation axis that faces the opening direction of the bucket 164 .
  • the bucket tilt axis ( Xbk axis, see FIG. 1) in the bucket coordinate system described above is determined as the virtual rotation axis.
  • the target posture is a posture in which a reference axis perpendicular to the virtual axis of rotation forms a predetermined angle with respect to a predetermined plane.
  • the reference axis is an axis extending along the cutting edge of the bucket 164, and in this embodiment, it is the bucket pitch axis ( Ybk axis, see FIG. 1) in the bucket coordinate system described above.
  • the predetermined plane is a vehicle body reference plane.
  • the rotation amount calculator 220 calculates the amount of rotation required for each of the plurality of rotating mechanisms to match the current attitude of the bucket 164 with the target attitude.
  • the plural rotating mechanisms in this embodiment are the bucket cylinder 308 , the tilt cylinder 309 and the rotary motor 310 .
  • the bucket cylinder 308 rotates the bucket 164 about the Yt1 axis.
  • the tilt cylinder 309 rotates the bucket 164 around the Xt2 axis.
  • the rotary motor 310 rotates the bucket 164 around the Zt3 axis.
  • FIG. 5 is a flow chart showing the angle matching function in the first embodiment.
  • control device 200 When an operator of work machine 100 starts operating work machine 100, control device 200 performs the following control at predetermined control intervals (for example, 1000 milliseconds).
  • the measured value acquiring unit 214 acquires the measured values of the tilt measuring device 401, the position and heading measuring device 402, the boom angle sensor 403, the arm angle sensor 404, the bucket angle sensor 405, the tilt angle sensor 406, and the rotation angle sensor 407. (Step S101).
  • the position/posture calculation unit 215 calculates the posture of the bucket in the vehicle body coordinate system based on the measurement values acquired in step S101 (step S102).
  • the posture of the bucket in the vehicle body coordinate system is represented by a posture matrix R cur that indicates the direction of each axis (X bk , Y bk , Z bk ) of the bucket coordinate system in the vehicle body coordinate system. All translation components of the attitude matrix R cur representing the attitude of the bucket 164 are set to zero.
  • the operation signal acquisition unit 211 acquires an operation signal from the angle adjustment operation reception unit by the operator (step S103).
  • the operating device 271 comprises, for example, two levers 2710, 2711 as shown in FIG.
  • the operator tilts the two levers 2710 and 2711 in the front-rear direction and the left-right direction to operate the revolving body 140 and adjust the boom angle ⁇ as in a normal work machine.
  • bm , arm angle ⁇ am and bucket angle ⁇ bk can be manipulated independently.
  • the operator operates the operation reception units (buttons, slide switches, dials, proportional roller switches) provided on the upper surfaces of the levers 2710 and 2711 to change the tilt angle ⁇ t through the tilt rotator 163. and the rotation angle ⁇ r can be individually controlled.
  • the operating device 271 has an angle adjustment operation receiving portion 2710b on the lever 2710.
  • the angle adjustment operation reception unit 2710b is, for example, a press-type mechanical switch. By pressing the switch, the operator can execute angle adjustment control at a desired timing.
  • the processor acquires the signal from the angle adjustment operation reception unit 2710b, it determines that the predetermined control start condition is satisfied, and proceeds to the process of step S104.
  • the target posture determination unit 219 determines the bucket tilt axis X bk as the virtual rotation axis, and specifies the target value ⁇ bk_t_tgt of the angular velocity around the bucket tilt axis X bk (step S104).
  • the target value ⁇ bk_t_tgt may be a preset fixed value. It should be noted that specifying the target value ⁇ bk_t_tgt of the angular velocity about the bucket tilt axis Xbk is synonymous with determining the target attitude of the bucket 164 that should be after the elapse of the unit time from the current time.
  • the rotation amount calculation unit 220 calculates the rotation amount of each of the plurality of rotating mechanisms required to match the current attitude of the bucket 164 with the target attitude.
  • a target value is calculated (step S105). Specifically, the rotation amount calculation unit 220 substitutes the angular velocity target value ⁇ bk_t_tgt into the following equation (7) to obtain a rotation matrix R bk_t bk representing rotation about the bucket tilt axis X bk in the bucket coordinate system. create.
  • the rotation amount calculation unit 220 calculates the target attitude R tgt of the bucket 164 after a unit time by multiplying the matrix R cur representing the current attitude of the bucket 164 by the rotation matrix R bk_p bk of Equation (7). . Based on the current attitude R cur of the bucket 164 and the target attitude R tgt of the bucket 164 after the unit time, the rotation amount calculation unit 220 calculates the bucket angle using the following equations (8), (9), and (10). Target values ( ⁇ bk_tgt , ⁇ t_tgt , ⁇ r_tgt ) of ⁇ bk , tilt angle ⁇ t , and rotation angle ⁇ r are obtained.
  • the target angular velocity ( ⁇ bk_t_tgt ) about one virtual rotation axis (bucket tilt axis) is converted to the target angular velocity ( ⁇ bk_tgt , ⁇ t_tgt , ⁇ r_tgt ).
  • control signal output unit 218 outputs each actuator ( bucket cylinder 308 , tilt A control signal for the cylinder 309 and the rotary motor 310) is generated, and a control signal for each actuator is output to the control valve 303 (step S106).
  • the attitude of the bucket 164 actually changes when the control signal output unit 218 outputs control signals for the respective actuators to the control valve 303 .
  • the target attitude determination unit 219 acquires the changed current attitude R cur and determines whether or not the bucket pitch axis is parallel to the vehicle body reference plane (step S107). If the bucket pitch axis (Y bk axis) is not parallel to the vehicle body reference plane (step S107; NO), the process returns to step S104 , and the angular velocity target value ( ⁇ bk_t_tgt ). As a result, the process of step S105 by the rotation amount calculation unit 220 and the process of step S106 by the control signal output unit 218 are executed again.
  • step S107 when the bucket pitch axis ( Ybk axis) becomes parallel to the vehicle body reference plane (step S107; YES), the target attitude determination unit 219, the rotation amount calculation unit 220, and the control signal output unit 218 terminate the processing. . This completes the automatic angle adjustment control by the control device 200 .
  • FIG. 7 and 8 show working machine 100 viewed from the same angle.
  • excavation is performed in a state in which the blade edge direction of the bucket 164 (bucket pitch axis (Y bk axis)) is inclined with respect to the vehicle body reference plane (X sb -Y sb plane). It shows the state immediately after The operator of work machine 100 loads the dump truck from this state.
  • the operator operates boom 161 and arm 162 to lift bucket 164 upward in order to load the scooped soil onto the dump truck.
  • the operator presses down the operation receiving portion 2710b (see FIG. 6) while operating the boom 161 and the arm 162 via the levers 2710 and 2711.
  • FIG. 6 the bucket 164 automatically rotates about the bucket tilt axis ( Xbk axis), and the bucket pitch axis ( Ybk axis) is controlled to be parallel to the vehicle body reference plane.
  • FIG. 8 shows the state immediately after the automatic angle adjustment control is completed.
  • the blade edge direction of the bucket 164 (bucket pitch axis ( Ybk axis)) is parallel to the vehicle body reference plane.
  • the opening direction of the bucket 164 (bucket tilt axis ( Xbk axis)) has not changed. Therefore, when the bucket 164 is returned to the excavation surface again after the earth is discharged to the dump truck, the state in which the opening surface is aligned with the excavation surface is maintained.
  • the work machine 100 including the work machine 160 in which the plurality of rotating mechanisms (the bucket cylinder 308, the tilt cylinder 309, and the rotary motor 310) and the bucket 164 are connected , the operation for making the direction of the cutting edge of the bucket 164 parallel to the vehicle body reference plane can be simplified.
  • the condition for starting control of the angle adjustment function was the operator's operation (button depression).
  • the control device 200 according to the modified example of the first embodiment may have the following functions.
  • the target attitude determination unit 219 starts the process of determining the target attitude when the bucket 164 is separated from the ground by a predetermined distance as a control start condition for the angle adjustment function.
  • the function of the intervention determination unit 216 described above can be used to determine whether the bucket 164 has left the ground by a predetermined distance. That is, the target attitude determination unit 219 constantly obtains the shortest distance between the position of the cutting edge of the bucket 164 and the design surface via the intervention determination unit 216 . Then, the target attitude determination unit 219 satisfies a predetermined control start condition when the shortest distance calculated momentarily becomes equal to or greater than a predetermined determination threshold value while the scooped bucket 164 is ascending. Then, the process of step S104 is started.
  • control device 200 may be configured by a single computer, or the configuration of the control device 200 may be divided into a plurality of computers, and the plurality of computers may cooperate with each other. may function as the control device 200. At this time, some of the computers constituting control device 200 may be mounted inside the work machine, and other computers may be provided outside the work machine.
  • the operation device 271 and the monitor device 272 are provided remotely from the work machine 100, and the configuration other than the measurement value acquisition unit 214 and the control signal output unit 218 of the control device 200 is provided in a remote server. may be
  • the work machine 100 according to the above-described embodiment is a hydraulic excavator, it is not limited to this.
  • the work machine 100 according to another embodiment may be a work machine fixed on the ground and not self-propelled.
  • the working machine 100 according to another embodiment may be a working machine that does not have a revolving body.
  • Work machine 100 includes bucket 164 as an attachment for work machine 160, but is not limited to this.
  • work machine 100 may include a breaker, a fork, a grapple, etc. as attachments.
  • the control device 200 has the X bk axis extending in the direction in which the blade edge of the attachment faces, the Y bk axis extending in the direction along the blade edge, and the Z bk axis orthogonal to the X bk axis and the Y bk axis.
  • the tilt rotator 163 is controlled by a local coordinate system consisting of .
  • the axes of the tiltrotator 163 do not have to be orthogonal as long as they intersect on different planes.
  • the axis AX1 related to the joint shaft connecting the arm 162 and the mounting portion 1631 the axis AX2 related to the joint shaft connecting the mounting portion 1631 and the tilt portion 1632, and the rotation axis AX3 of the rotary motor 310.
  • a plane parallel to the axes AX1 and AX2 a plane parallel to the axes AX2 and AX3, and a plane parallel to the axes AX3 and AX1 are:
  • Each may be different.
  • control device 200 may not have a design setting function.
  • control device 200 can automatically control the tiltrotator 163 by performing bucket attitude retention control. For example, the operator can carry out simple leveling work without setting a design surface.
  • the operation of aligning the second reference direction of the work implement with the predetermined plane without changing the first reference direction of the work implement. can be simplified.
  • Control device 210 ... processor 211 ... operation signal acquisition section 212 ... input section 213 ... display control section 214 ... measurement value acquisition section 215 ... position and orientation calculation section 216 ... intervention determination section 218 ... control signal output section 219 ... target orientation determination section 220 ...
  • Rotation angle sensor 230 Main memory 250 Storage 270 Interface 271 Operating device 272 Monitoring device 301
  • Control valve 304 Traveling motor 305 Swing motor 306
  • Boom cylinder 307 Arm cylinder 308 Bucket Cylinder 309... Tilt cylinder 310...
  • Rotary motor 401 Inclination measuring instrument 402... Position and heading measuring instrument 403...
  • Boom angle sensor 404 Arm angle sensor 405... Bucket angle sensor 406... Tilt angle sensor 407... Rotation angle sensor

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Abstract

計測値取得部は、複数のセンサから計測値を取得する。位置姿勢算出部は、計測値に基づいて、作業器具の現在の姿勢を算出する。目標姿勢決定部は、所定の制御開始条件を満たした場合に、算出した作業器具の現在の姿勢に基づいて、仮想回転軸を決定する。回転量算出部は、作業器具を現在の姿勢から目標姿勢となるように仮想回転軸回りに所定量だけ回転させるためのチルトローテータの制御信号を生成する。制御信号出力部は、生成した制御信号を出力する。

Description

作業機械を制御するためのシステム、方法およびプログラム
　本開示は、作業機械を制御するためのシステム、方法およびプログラムに関する。
　本願は、２０２１年９月３０日に日本に出願された特願２０２１－１６１１７４号について優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　特許文献１には、チルト回転可能なチルトバケットを備えた建設機械（作業機械）の制御システムが開示されている。このように、互いに異なる軸回りに回動可能な複数の回動機構を搭載し、バケット等の作業器具を所望に回動可能な作業機械が知られている。
特開２０２０－１２５５９９号公報
　ところで、作業機械のアタッチメントを互いに直交する３つの軸回りに回転可能に支持するチルトローテータが知られている。作業機械にチルトローテータを取り付けることで、アタッチメントを任意の方向に向けることができる。一方、油圧ショベル等の作業機械において、ダンプトラックの荷台に土などを積み込むとき、バケットを荷台の上に移動させる過程でなるべく土をこぼしたくないという要望がある。しかし、上述のような、複数の回動機構を搭載した油圧ショベルにおいては、バケットの幅方向（刃先に沿う方向）が水平になっていない状態でバケットを移動させようとすると、バケットに積み込んだ土が、ダンプトラックの荷台に運ぶ途中でこぼれてしまいやすくなる。したがって、バケットを移動させる際は、バケットの幅方向を水平に調整しておくのが好ましい。
　一方で、チルトローテータを搭載する油圧ショベルにおいては、その回動機構を利用して、バケットの開口方向を掘削面に合わせ込むことが想定される。したがって、掘削作業の効率を考慮すると、ダンプトラックの積み込み操作の前後において、バケットの開口方向までは変えたくないという要望がある。
　本開示の目的は、チルトローテータを介して作業機に支持された作業器具を備える作業機械において、作業器具の第１の基準方向（例えば、バケットの開口方向）を変えずに、第２の基準方向（例えば、バケットの刃先方向）を所定面（例えば、車体基準面）に合わせる操作を簡素化できるシステム、方法およびプログラムを提供することにある。
　本開示の一態様によれば、システムは、車体に動作可能に支持された作業機と、作業機の先端に取り付けられたチルトローテータと、チルトローテータを介して作業機に対して互いに異なる平面で交差する３つの軸回りに回転可能に支持された作業器具とを備える作業機械を制御するためのシステムであって、プロセッサを備える。プロセッサは、複数のセンサから計測値を取得する。プロセッサは、計測値に基づいて、作業器具の現在の姿勢を算出する。プロセッサは、所定の制御開始条件を満たした場合に、算出した作業器具の現在の姿勢に基づいて、仮想回転軸を決定する。プロセッサは、作業器具を現在の姿勢から目標姿勢となるように仮想回転軸回りに所定量だけ回転させるためのチルトローテータの制御信号を生成する。プロセッサは、生成した制御信号を出力する。
　上記態様によれば、チルトローテータを介して作業機に支持された作業器具を備える作業機械において、当該作業器具の第１の基準方向を変えずに、第２の基準方向を所定面に合わせる操作を簡素化できる。
第１の実施形態に係る作業機械１００の構成を示す概略図である。 第１の実施形態に係るチルトローテータ１６３の構成を示す図である。 第１の実施形態に係る作業機械１００の駆動系を示す図である。 第１の実施形態に係る制御装置２００の構成を示す概略ブロック図である。 第１の実施形態における角度合わせ機能を示すフローチャートである。 第１の実施形態における操作装置の詳細を示す図である。 第１の実施形態における角度合わせ機能による作用効果を示す図である。 第１の実施形態における角度合わせ機能による作用効果を示す図である。
〈第１の実施形態〉
《作業機械の構成》
　以下、図面を参照しながら実施形態について詳しく説明する。
　図１は、第１の実施形態に係る作業機械１００の構成を示す概略図である。第１の実施形態に係る作業機械１００は、例えば油圧ショベルである。作業機械１００は、走行体１２０、旋回体１４０、作業機１６０、運転室１８０、制御装置２００を備える。第１の実施形態に係る作業機械１００は、バケット１６４の刃先が設計面を越えないように制御する。
　走行体１２０は、作業機械１００を走行可能に支持する。走行体１２０は、例えば左右１対の無限軌道である。
　旋回体１４０は、走行体１２０に旋回中心回りに旋回可能に支持される。
　作業機１６０は、旋回体１４０に動作可能に支持される。作業機１６０は、油圧により駆動する。作業機１６０は、ブーム１６１、アーム１６２、チルトローテータ１６３、および作業器具であるバケット１６４を備える。ブーム１６１の基端部は、旋回体１４０に回動可能に取り付けられる。アーム１６２の基端部は、ブーム１６１の先端部に回動可能に取り付けられる。チルトローテータ１６３は、アーム１６２の先端部に回動可能に取り付けられる。バケット１６４は、チルトローテータ１６３に取り付けられる。バケット１６４は、チルトローテータ１６３を介して作業機１６０に対して互いに異なる平面で交差する３つの軸回りに回転可能に支持される。ここで、旋回体１４０のうち作業機１６０が取り付けられる部分を前部という。また、旋回体１４０について、前部を基準に、反対側の部分を後部、左側の部分を左部、右側の部分を右部という。
　図２は、第１の実施形態に係るチルトローテータ１６３の構成を示す図である。チルトローテータ１６３は、バケット１６４を支持するようにアーム１６２の先端に取り付けられる。チルトローテータ１６３は、取付部１６３１、チルト部１６３２、回転部１６３３を備える。取付部１６３１は、図示左右方向に伸びる軸回りに回転可能にアーム１６２の先端に取り付けられる。チルト部１６３２は、図示前後方向に伸びる軸回りに回転可能に取付部１６３１に取り付けられる。回転部１６３３は、図示上下方向に伸びる軸回りに回転可能にチルト部１６３２に取り付けられる。理想的には、取付部１６３１、チルト部１６３２、回転部１６３３の回転軸は互いに直交する。バケット１６４の基端部は、回転部１６３３に固定される。これにより、バケット１６４は、アーム１６２に対して互いに直交する３軸を中心に回転することができる。ただし、実際には取付部１６３１、チルト部１６３２、回転部１６３３の回転軸は設計誤差を含み、必ずしも直交しない可能性がある。
　運転室１８０は、旋回体１４０の前部に設けられる。運転室１８０内には、オペレータが作業機械１００を操作するための操作装置２７１、および制御装置２００のマンマシンインタフェースであるモニタ装置２７２が設けられる。操作装置２７１は、オペレータからの走行モータ３０４の操作量、旋回モータ３０５の操作量、ブームシリンダ３０６の操作量、アームシリンダ３０７の操作量、バケットシリンダ３０８の操作量、チルトシリンダ３０９の操作量、および回転モータ３１０の操作量の入力を受け付ける。モニタ装置２７２は、オペレータからバケット姿勢保持モードの設定および解除の入力を受け付ける。バケット姿勢保持モードとは、制御装置２００が自動的にグローバル座標系におけるバケット１６４の姿勢を保持するためにバケットシリンダ３０８、チルトシリンダ３０９および回転モータ３１０を制御するモードである。モニタ装置２７２は、例えばタッチパネルを備えるコンピュータによって実現される。
　制御装置２００は、オペレータによる操作装置２７１の操作に基づいて、走行体１２０、旋回体１４０、および作業機１６０を制御する。制御装置２００は、例えば運転室１８０の内部に設けられる。
《作業機械１００の駆動系》
　図３は、第１の実施形態に係る作業機械１００の駆動系を示す図である。
　作業機械１００は、作業機械１００を駆動するための複数のアクチュエータを備える。具体的には、作業機械１００は、エンジン３０１、油圧ポンプ３０２、コントロールバルブ３０３、一対の走行モータ３０４、旋回モータ３０５、ブームシリンダ３０６、アームシリンダ３０７、バケットシリンダ３０８、チルトシリンダ３０９、回転モータ３１０を備える。
　エンジン３０１は、油圧ポンプ３０２を駆動する原動機である。
　油圧ポンプ３０２は、エンジン３０１により駆動され、コントロールバルブ３０３を介して走行モータ３０４、旋回モータ３０５、ブームシリンダ３０６、アームシリンダ３０７およびバケットシリンダ３０８に作動油を供給する。
　コントロールバルブ３０３は、油圧ポンプ３０２から走行モータ３０４、旋回モータ３０５、ブームシリンダ３０６、アームシリンダ３０７およびバケットシリンダ３０８へ供給される作動油の流量を制御する。
　走行モータ３０４は、油圧ポンプ３０２から供給される作動油によって駆動され、走行体１２０を駆動する。
　旋回モータ３０５は、油圧ポンプ３０２から供給される作動油によって駆動され、走行体１２０に対して旋回体１４０を旋回させる。
　ブームシリンダ３０６は、ブーム１６１を駆動するための油圧シリンダである。ブームシリンダ３０６の基端部は、旋回体１４０に取り付けられる。ブームシリンダ３０６の先端部は、ブーム１６１に取り付けられる。
　アームシリンダ３０７は、アーム１６２を駆動するための油圧シリンダである。アームシリンダ３０７の基端部は、ブーム１６１に取り付けられる。アームシリンダ３０７の先端部は、アーム１６２に取り付けられる。
　バケットシリンダ３０８は、チルトローテータ１６３およびバケット１６４を駆動するための油圧シリンダである。バケットシリンダ３０８の基端部は、アーム１６２に取り付けられる。バケットシリンダ３０８の先端部は、リンク部材を介してチルトローテータ１６３に取り付けられる。
　チルトシリンダ３０９は、チルト部１６３２を駆動するための油圧シリンダである。チルトシリンダ３０９の基端部は、取付部１６３１に取り付けられる。チルトシリンダ３０９のロッドの先端部は、チルト部１６３２に取り付けられる。
　回転モータ３１０は、回転部１６３３を駆動するための油圧モータである。回転モータ３１０のブラケットおよび固定子は、チルト部１６３２に固定される。回転モータ３１０の回転軸および回転子は、図示上下方向に伸びるように設けられ、回転部１６３３に固定される。
《作業機械１００の計測系》
　作業機械１００は、作業機械１００の姿勢、方位および位置を計測するための複数のセンサを備える。具体的には、作業機械１００は、傾斜計測器４０１、位置方位計測器４０２、ブーム角センサ４０３、アーム角センサ４０４、バケット角センサ４０５、チルト角センサ４０６、回転角センサ４０７を備える。
　傾斜計測器４０１は、旋回体１４０の姿勢を計測する。傾斜計測器４０１は、水平面に対する旋回体１４０の傾き（例えば、ロール角、ピッチ角およびヨー角）を計測する。傾斜計測器４０１の例としては、ＩＭＵ（Inertial Measurement Unit：慣性計測装置）が挙げられる。この場合、傾斜計測器４０１は、旋回体１４０の加速度および角速度を計測し、計測結果に基づいて旋回体１４０の水平面に対する傾きを算出する。傾斜計測器４０１は、例えば運転室１８０の下方に設置される。傾斜計測器４０１は、計測値である旋回体１４０の姿勢データを制御装置２００へ出力する。
　位置方位計測器４０２は、ＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）により旋回体１４０の代表点の位置および旋回体１４０が向く方位を計測する。位置方位計測器４０２は、例えば旋回体１４０に取り付けられた図示しない２つのＧＮＳＳアンテナを備え、２つのアンテナの位置を結ぶ直線に直交する方位を作業機械１００が向く方位として計測する。位置方位計測器４０２は、計測値である旋回体１４０の位置データおよび方位データを制御装置２００へ出力する。
　ブーム角センサ４０３は、旋回体１４０に対するブーム１６１の角度であるブーム角を計測する。ブーム角センサ４０３は、ブーム１６１に取り付けられたＩＭＵであってよい。この場合、ブーム角センサ４０３は、ブーム１６１の水平面に対する傾きと傾斜計測器４０１が計測した旋回体の傾きとに基づいて、ブーム角を計測する。ブーム角センサ４０３の計測値は、例えば、ブーム１６１の基端と先端とを通る直線の方向が旋回体１４０の前後方向と一致するときにゼロを示す。なお、他の実施形態係るブーム角センサ４０３は、ブームシリンダ３０６に取り付けられたストロークセンサであってもよい。また、他の実施形態に係るブーム角センサ４０３は、旋回体１４０とブーム１６１とを回転可能に接続する関節軸に設けられた回転センサであってもよい。ブーム角センサ４０３は、計測値であるブーム角データを制御装置２００へ出力する。
　アーム角センサ４０４は、ブーム１６１に対するアーム１６２の角度であるアーム角を計測する。アーム角センサ４０４は、アーム１６２に取り付けられたＩＭＵであってよい。この場合、アーム角センサ４０４は、アーム１６２の水平面に対する傾きとブーム角センサ４０３が計測したブーム角とに基づいて、アーム角を計測する。アーム角センサ４０４の計測値は、例えば、アーム１６２の基端と先端とを通る直線の方向がブーム１６１の基端と先端とを通る直線の方向と一致するときにゼロを示す。なお、他の実施形態に係るアーム角センサ４０４は、アームシリンダ３０７にストロークセンサを取付けて角度の算出を行ってもよい。また、他の実施形態に係るアーム角センサ４０４は、ブーム１６１とアーム１６２とを回転可能に接続する関節軸に設けられた回転センサであってもよい。アーム角センサ４０４は、計測値であるアーム角データを制御装置２００へ出力する。
　バケット角センサ４０５は、アーム１６２に対するチルトローテータ１６３の角度であるバケット角を計測する。バケット角センサ４０５は、バケットシリンダ３０８に設けられたストロークセンサであってよい。この場合、バケット角センサ４０５は、バケットシリンダ３０８のストローク量に基づいてバケット角を計測する。バケット角センサ４０５の計測値は、例えば、バケット１６４の基端と刃先とを通る直線の方向がアーム１６２の基端と先端とを通る直線の方向と一致するときにゼロを示す。なお、他の実施形態に係るバケット角センサ４０５は、アーム１６２とチルトローテータ１６３の取付部１６３１とを回転可能に接続する関節軸に設けられた回転センサであってもよい。また、他の実施形態に係るバケット角センサ４０５は、バケット１６４に取付けられたＩＭＵであってもよい。バケット角センサ４０５は、計測値であるバケット角データを制御装置２００へ出力する。
　チルト角センサ４０６は、チルトローテータ１６３の取付部１６３１に対するチルト部１６３２の角度であるチルト角を計測する。チルト角センサ４０６は、取付部１６３１とチルト部１６３２とを回転可能に接続する関節軸に設けられた回転センサであってよい。チルト角センサ４０６の計測値は、例えばアーム１６２の回転軸と回転部１６３３の回転軸とが直交するときにゼロを示す。なお、他の実施形態に係るチルト角センサ４０６は、チルトシリンダ３０９にストロークセンサを取付けて角度の算出を行ってもよい。チルト角センサ４０６は、計測値であるチルト角データを制御装置２００へ出力する。
　回転角センサ４０７は、チルトローテータ１６３のチルト部１６３２に対する回転部１６３３の角度である回転角を計測する。回転角センサ４０７は、回転モータ３１０に設けられた回転センサであってよい。チルト角センサ４０６の計測値は、例えばバケット１６４の刃先方向と作業機１６０の動作平面とが直交するときにゼロを示す。回転角センサ４０７は、計測値である回転角データを制御装置２００へ出力する。
《制御装置２００の構成》
　図４は、第１の実施形態に係る制御装置２００の構成を示す概略ブロック図である。
　制御装置２００は、プロセッサ２１０、メインメモリ２３０、ストレージ２５０、インタフェース２７０を備えるコンピュータである。制御装置２００は、制御システムの一例である。制御装置２００は、傾斜計測器４０１、位置方位計測器４０２、ブーム角センサ４０３、アーム角センサ４０４、バケット角センサ４０５、チルト角センサ４０６および回転角センサ４０７から計測値を受信する。
　ストレージ２５０は、一時的でない有形の記憶媒体である。ストレージ２５０の例としては、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、半導体メモリ等が挙げられる。ストレージ２５０は、制御装置２００のバスに直接接続された内部メディアであってもよいし、インタフェース２７０または通信回線を介して制御装置２００に接続される外部メディアであってもよい。操作装置２７１およびモニタ装置２７２は、インタフェース２７０を介してプロセッサ２１０に接続される。
　ストレージ２５０は、作業機械１００を制御するための制御プログラムを記憶する。制御プログラムは、制御装置２００に発揮させる機能の一部を実現するためのものであってもよい。例えば、制御プログラムは、ストレージ２５０に既に記憶されている他のプログラムとの組み合わせ、または他の装置に実装された他のプログラムとの組み合わせによって機能を発揮させるものであってもよい。なお、他の実施形態においては、制御装置２００は、上記構成に加えて、または上記構成に代えてＰＬＤ（Programmable Logic Device）などのカスタムＬＳＩ（Large Scale Integrated Circuit）を備えてもよい。ＰＬＤの例としては、ＰＡＬ(Programmable Array Logic)、ＧＡＬ(Generic Array Logic)、ＣＰＬＤ(Complex Programmable Logic Device)、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）が挙げられる。この場合、プロセッサによって実現される機能の一部または全部が当該集積回路によって実現されてよい。
　ストレージ２５０には、旋回体１４０、ブーム１６１、アーム１６２及びバケット１６４の寸法及び重心位置を表すジオメトリデータが記録される。ジオメトリデータは、所定の座標系における物体の位置を表すデータである。またストレージ２５０には、グローバル座標系における施工現場の設計面の形状を表す三次元データである設計面データが記録される。グローバル座標系は、緯線方向に伸びるＸｇ軸、経線方向に伸びるＹｇ軸、鉛直方向に伸びるＺｇ軸から構成される座標系である。設計面データは、例えばＴＩＮ（Triangular Irregular Networks）データによって表される。
《ソフトウェア構成》
　プロセッサ２１０は、制御プログラムを実行することで、操作信号取得部２１１、入力部２１２、表示制御部２１３、計測値取得部２１４、位置姿勢算出部２１５、介入判定部２１６、制御信号出力部２１８、目標姿勢決定部２１９および回転量算出部２２０を備える。
　操作信号取得部２１１は、操作装置２７１から各アクチュエータの操作量を示す操作信号を取得する。
　入力部２１２は、モニタ装置２７２からオペレータによる操作入力を受け付ける。
　表示制御部２１３は、モニタ装置２７２に表示させる画面データをモニタ装置２７２へ出力する。
　計測値取得部２１４は、傾斜計測器４０１、位置方位計測器４０２、ブーム角センサ４０３、アーム角センサ４０４、バケット角センサ４０５、チルト角センサ４０６および回転角センサ４０７から計測値を取得する。
　位置姿勢算出部２１５は、計測値取得部２１４が取得した各種計測値とストレージ２５０に記録されたジオメトリデータとに基づいて、グローバル座標系および車体座標系における作業機械１００の位置を算出する。例えば位置姿勢算出部２１５は、グローバル座標系および車体座標系におけるバケット１６４の刃先の位置を算出する。車体座標系とは、旋回体１４０の代表点（例えば、旋回中心を通る点）を原点とする直交座標系である。位置姿勢算出部２１５の計算については後述する。
　介入判定部２１６は、位置姿勢算出部２１５が算出したバケット１６４の刃先の位置と設計面データが示す設計面との位置関係に基づいて、作業機１６０の速度を制限するか否かを判定する。以下、制御装置２００が作業機１６０の速度を制限することを介入制御ともいう。具体的には、介入判定部２１６は、設計面とバケット１６４との最短距離を求め、当該最短距離が所定距離以下である場合に、作業機１６０について介入制御をすると判定する。具体的には、介入判定部２１６は、傾斜計測器４０１および位置方位計測器４０２の計測値に基づいて、ストレージ２５０に記録された設計面データを回転および平行移動させることで、グローバル座標系で表された設計面の位置を車体座標系の位置に変換する。介入判定部２１６は、バケット１６４の複数の輪郭点のうち、最も設計面との距離が近いものを制御点として特定する。介入判定部２１６は、設計面データにおいて制御点の鉛直下方に位置する面（ポリゴン）を特定する。介入判定部２１６は、制御点を通るバケット座標系のＸｂｋ－Ｚｂｋ平面に平行な面と、特定した面との交線である第１設計線を算出する。介入判定部２１６は、制御点と第１設計線との距離が介入閾値以下であるか否かを判定する。
　制御信号出力部２１８は、操作信号取得部２１１が取得した操作量、または回転量算出部２２０によって算出された目標値に応じた各アクチュエータ（バケットシリンダ３０８、チルトシリンダ３０９および回転モータ３１０）の制御信号をコントロールバルブ３０３に出力する。
　目標姿勢決定部２１９および回転量算出部２２０の機能については、後述の角度合わせ機能の説明にて詳しく説明する。
《位置姿勢算出部２１５の計算》
　ここで、位置姿勢算出部２１５による作業機械１００の外殻の点の位置の算出方法を説明する。位置姿勢算出部２１５は、計測値取得部２１４が取得した各種計測値とストレージ２５０に記録されたジオメトリデータとに基づいて外殻の点の位置を算出する。ストレージ２５０には、旋回体１４０、ブーム１６１、アーム１６２、チルトローテータ１６３（取付部１６３１、チルト部１６３２および回転部１６３３）およびバケット１６４の寸法を表すジオメトリデータが記録される。
　旋回体１４０のジオメトリデータは、ローカル座標系である車体座標系において、旋回体１４０がブーム１６１を支持する関節軸の中心位置（ｘｂｍ、ｙｂｍ、ｚｂｍ）を示す。車体座標系は、旋回体１４０の旋回中心を基準として前後方向に伸びるＸｓｂ軸、左右方向に伸びるＹｓｂ軸、上下方向に伸びるＺｓｂ軸から構成される座標系である。なお、旋回体１４０の上下方向は、必ずしも鉛直方向と一致しない。
　ブーム１６１のジオメトリデータは、ローカル座標系であるブーム座標系において、ブーム１６１がアーム１６２を支持する関節軸の位置（ｘａｍ、ｙａｍ、ｚａｍ）を示す。ブーム座標系は、旋回体１４０とブーム１６１とを接続する関節軸の中心位置を基準として、長手方向に伸びるＸｂｍ軸、関節軸が伸びる方向に伸びるＹｂｍ軸、Ｘｂｍ軸とＹｂｍ軸に直交するＺｂｍ軸から構成される座標系である。
　アーム１６２のジオメトリデータは、ローカル座標系であるアーム座標系において、アーム１６２がチルトローテータ１６３の取付部１６３１を支持する関節軸の位置（ｘｔ１、ｙｔ１、ｚｔ１）を示す。アーム座標系は、ブーム１６１とアーム１６２とを接続する関節軸の中心位置を基準として、長手方向に伸びるＸａｍ軸、関節軸が伸びる方向に伸びるＹａｍ軸、Ｘａｍ軸とＹａｍ軸に直交するＺａｍ軸から構成される座標系である。
　チルトローテータ１６３の取付部１６３１のジオメトリデータは、ローカル座標系である第１チルトローテート座標系において、取付部１６３１がチルト部１６３２を支持する関節軸の位置（ｘｔ２、ｙｔ２、ｚｔ２）と関節軸の傾き（φｔ）を示す。関節軸の傾きφｔは、チルトローテータ１６３の設計誤差に係る角度であり、チルトローテータ１６３のキャリブレーション等によって求められる。第１チルトローテート座標系は、アーム１６２と取付部１６３１とを接続する関節軸の中心位置を基準として、アーム１６２と取付部１６３１とを接続する関節軸が伸びる方向に伸びるＹｔ１軸、取付部１６３１とチルト部１６３２とを接続する関節軸が伸びる方向に伸びるＺｔ１軸、およびＹｔ１軸とＺｔ１軸に直交するＸｔ１軸から構成される座標系である。
　チルトローテータ１６３のチルト部１６３２のジオメトリデータは、ローカル座標系である第２チルトローテート座標系における回転モータ３１０の回転軸の先端位置（ｘｔ３、ｙｔ３、ｚｔ３）と回転軸の傾き（φｒ）を示す。回転軸の傾きφｒは、チルトローテータ１６３の設計誤差に係る角度であり、チルトローテータ１６３のキャリブレーション等によって求められる。第２チルトローテート座標系は、取付部１６３１とチルト部１６３２とを接続する関節軸の中心位置を基準として、取付部１６３１とチルト部１６３２とを接続する関節軸が伸びる方向に伸びるＸｔ２軸、回転モータ３１０の回転軸が伸びる方向に伸びるＺｔ２軸、およびＸｔ２軸とＺｔ２軸に直交するＹｔ２軸から構成される座標系である。
　チルトローテータ１６３の回転部１６３３のジオメトリデータは、ローカル座標系である第３チルトローテート座標系におけるバケット１６４の取り付け面の中心位置（ｘｔ４、ｙｔ４、ｚｔ４）を示す。第３チルトローテート座標系は、バケット１６４の取り付け面の中心位置を基準として、回転モータ３１０の回転軸が伸びる方向に伸びるＺｔ３軸、回転軸に直交するＸｔ３軸およびＹｔ３軸から構成される座標系である。なお、バケット１６４は、刃先がＹｔ３軸と平行になるように回転部１６３３に取り付けられる。
　バケット１６４のジオメトリデータは、第３チルトローテート座標系におけるバケット１６４の複数の輪郭点の位置（ｘｂｋ、ｙｂｋ、ｚｂｋ）を示す。輪郭点の例としては、バケット１６４の刃先の両端および中央の位置、バケット１６４の底部の両端および中央の位置、ならびにバケット１６４の尻部の両端および中央の位置が挙げられる。
　位置姿勢算出部２１５は、計測値取得部２１４が取得したブーム角θｂｍの計測値と、旋回体１４０のジオメトリデータとに基づいて、下記式（１）により、ブーム座標系から車体座標系へ変換するためのブーム－車体変換行列Ｔｂｍ ｓｂを生成する。ブーム－車体変換行列Ｔｂｍ ｓｂは、Ｙｂｍ軸回りにブーム角θｂｍだけ回転させ、かつ車体座標系の原点とブーム座標系の原点の偏差（ｘｂｍ、ｙｂｍ、ｚｂｍ）だけ平行移動させる行列である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　位置姿勢算出部２１５は、計測値取得部２１４が取得したアーム角θａｍの計測値と、ブーム１６１のジオメトリデータとに基づいて、下記式（２）により、アーム座標系からブーム座標系へ変換するためのアーム－ブーム変換行列Ｔａｍ ｂｍを生成する。アーム－ブーム変換行列Ｔａｍ ｂｍは、Ｙａｍ軸回りにアーム角θａｍだけ回転させ、かつブーム座標系の原点とアーム座標系の原点の偏差（ｘａｍ、ｙａｍ、ｚａｍ）だけ平行移動させる行列である。また、位置姿勢算出部２１５は、ブーム－車体変換行列Ｔｂｍ ｓｂとアーム－ブーム変換行列Ｔａｍ ｂｍの積を求めることで、アーム座標系から車体座標系へ変換するためのアーム－車体変換行列Ｔａｍ ｓｂを生成する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　位置姿勢算出部２１５は、計測値取得部２１４が取得したバケット角θｂｋの計測値と、アーム１６２のジオメトリデータとに基づいて、下記式（３）により、第１チルトローテート座標系からアーム座標系へ変換するための第１チルト－アーム変換行列Ｔｔ１ ａｍを生成する。第１チルト－アーム変換行列Ｔｔ１ ａｍは、Ｙｔ１軸回りにバケット角θｂｋだけ回転させ、かつアーム座標系の原点と第１チルトローテート座標系の原点の偏差（ｘｔ１、ｙｔ１、ｚｔ１）だけ平行移動させ、さらにチルト部１６３２の関節軸の傾きφｔだけ傾ける行列である。また、位置姿勢算出部２１５は、アーム－車体変換行列Ｔａｍ ｓｂと第１チルト－アーム変換行列Ｔｔ１ ａｍの積を求めることで、第１チルトローテート座標系から車体座標系へ変換するための第１チルト－車体変換行列Ｔｔ１ ｓｂを生成する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　位置姿勢算出部２１５は、計測値取得部２１４が取得したチルト角θｔの計測値と、チルトローテータ１６３のジオメトリデータとに基づいて、下記式（４）により、第１チルトローテート座標系から第２チルトローテート座標系へ変換するための第２チルト－第１チルト変換行列Ｔｔ２ ｔ１を生成する。第２チルト－第１チルト変換行列Ｔｔ２ ｔ１は、Ｘｔ２軸回りにチルト角θｔだけ回転させ、かつ第１チルトローテート座標系の原点と第２チルトローテート座標系の原点の偏差（ｘｔ２、ｙｔ２、ｚｔ２）だけ平行移動させ、さらに回転部１６３３の回転軸の傾きφｒだけ傾ける行列である。また、位置姿勢算出部２１５は、第１チルト－車体変換行列Ｔｔ１ ｓｂと第２チルト－第１チルト変換行列Ｔｔ２ ｔ１の積を求めることで、第２チルトローテート座標系から車体座標系へ変換するための第２チルト－車体変換行列Ｔｔ２ ｓｂを生成する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　位置姿勢算出部２１５は、計測値取得部２１４が取得したローテート角θｒの計測値と、チルトローテータ１６３のジオメトリデータとに基づいて、下記式（５）により、第２チルトローテート座標系から第３チルトローテート座標系へ変換するための第３チルト－第２チルト変換行列Ｔｔ３ ｔ２を生成する。第３チルト－第２チルト変換行列Ｔｔ３ ｔ２は、Ｚｔ３軸回りに回転角θｒだけ回転させ、かつ第２チルトローテート座標系の原点と第３チルトローテート座標系の原点の偏差（ｘｔ３、ｙｔ３、ｚｔ３）だけ平行移動させる行列である。また、位置姿勢算出部２１５は、第２チルト－車体変換行列Ｔｔ２ ｓｂと第３チルト－第２チルト変換行列Ｔｔ３ ｔ２の積を求めることで、第３チルトローテート座標系から車体座標系へ変換するための第３チルト－車体変換行列Ｔｔ３ ｓｂを生成する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　位置姿勢算出部２１５は、バケット１６４の取り付け面の中心位置（ｘｔ４、ｙｔ４、ｚｔ４）とバケット１６４のジオメトリデータが示す第３チルトローテート座標系における複数の輪郭点の位置（ｘｂｋ、ｙｂｋ、ｚｂｋ）との和と、第３チルト－車体変換行列Ｔｂｋ ｓｂとの積を求めることで、車体座標系におけるバケット１６４の複数の輪郭点の位置を求めることができる。
　ところで、作業機械１００の接地面に対するバケット１６４の刃先の角度、すなわち車体座標系のＸｓｂ－Ｙｓｂ平面と第３チルトローテート座標系のＹｔ３軸とがなす角は、ブーム角θｂｍ、アーム角θａｍ、バケット角θｂｋ、チルト角θｔおよびローテート角θｒによって定まる。そこで、位置姿勢算出部２１５は、図１に示すように、バケット１６４の基端部、すなわちチルトローテータ１６３におけるバケット１６４の取り付け面の中心位置を起点とするバケット座標系を特定する。バケット座標系は、バケット１６４の刃先が向く方向に伸びるＸｂｋ軸、Ｘｂｋ軸に直交しかつバケット１６４の刃先に沿って伸びるＹｂｋ軸、ならびにＸｂｋ軸およびＹｂｋ軸に直交するＺｂｋ軸から構成される直交座標系である。以下、Ｘｂｋ軸をバケットチルト軸、Ｙｂｋ軸をバケットピッチ軸、Ｚｂｋ軸をバケット回転軸ともいう。バケットチルト軸Ｘｂｋ、バケットピッチ軸Ｙｂｋおよびバケット回転軸Ｚｂｋは仮想的な軸であり、チルトローテータ１６３の関節軸とは異なる。なお、回転モータ３１０の回転軸の傾きがゼロである場合、バケット座標系と第３チルトローテート座標系とは一致する。
　位置姿勢算出部２１５は、チルトローテータ１６３のジオメトリデータに基づいて、下記式（６）により、第３チルトローテート座標系からバケット座標系へ変換するためのバケット－第３チルト変換行列Ｔｂｋ ｔ３を生成する。バケット－第３チルト変換行列Ｔｂｋ ｔ３は、Ｙｔ３軸回りに回転軸の傾きφｒだけ回転させる行列である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
《角度合わせ機能》
　以下、図面を参照しながら、本実施形態に係る角度合わせ機能について詳しく説明する。ここで、「角度合わせ」とは、バケットチルト軸（Ｘｂｋ軸）回りにバケット１６４を回動させて、当該バケット１６４の刃先方向（バケットピッチ軸（Ｙｂｋ軸））を車体基準面に対して所定の角度にする操作を意味する。車体基準面とは、車体座標系におけるＸｓｂ軸－Ｙｓｂ軸平面（図１参照）である。本実施形態において、所定の角度とは、刃先と車体基準面とが平行となる角度である。この操作により、バケット１６４の開口方向（バケットチルト軸方向）を変化させることなく刃先を車体基準面と平行にすることができる。なお、所定の角度は、刃先と車体基準面とが平行となる角度に限らず、オペレータによって任意に決められた角度であってもよい。
　まず、図４における、操作信号取得部２１１、制御信号出力部２１８、目標姿勢決定部２１９および回転量算出部２２０について詳しく説明する。
　操作信号取得部２１１は、上述の機能に加え、操作装置２７１における、角度合わせ機能を使用するための専用の操作受付部（以下、角度合わせ操作受付部とも表記する。）への操作信号を取得する。
　目標姿勢決定部２１９は、操作受付部から角度合わせを行うための操作信号を受け付けた場合、バケット１６４を仮想回転軸回りに現在の姿勢から所定量だけ回転させた姿勢である目標姿勢を決定する。仮想回転軸とは、バケット１６４の開口方向を向く仮想の回転軸である。本実施形態においては、上述のバケット座標系におけるバケットチルト軸（Ｘｂｋ軸、図１参照）を仮想回転軸として決定する。目標姿勢とは、仮想回転軸に直交する基準軸が所定面に対して所定の角度となる姿勢である。基準軸とは、バケット１６４の刃先に沿って伸びる軸であって、本実施形態においては、上述のバケット座標系におけるバケットピッチ軸（Ｙｂｋ軸、図１参照）である。所定面とは、車体基準面である。
　回転量算出部２２０は、バケット１６４の現在姿勢を目標姿勢に合わせるために必要な、複数の回動機構ごとの回転量を算出する。ここで、本実施形態における複数の回動機構とは、バケットシリンダ３０８、チルトシリンダ３０９および回転モータ３１０である。図１～図２に示すように、バケットシリンダ３０８は、バケット１６４を、Ｙｔ１軸回りに回動させる。チルトシリンダ３０９は、バケット１６４を、Ｘｔ２軸回りに回動させる。また、回転モータ３１０は、バケット１６４を、Ｚｔ３軸回りに回動させる。
　次に、図５～図８を参照しながら、本実施形態の制御装置２００による角度合わせ機能の処理の流れについて説明する。
　図５は、第１の実施形態における角度合わせ機能を示すフローチャートである。作業機械１００のオペレータが作業機械１００の操作を開始すると、制御装置２００は、以下に示す制御を所定の制御周期（例えば、１０００ミリ秒）ごとに実行する。
　まず、計測値取得部２１４は、傾斜計測器４０１、位置方位計測器４０２、ブーム角センサ４０３、アーム角センサ４０４、バケット角センサ４０５、チルト角センサ４０６および回転角センサ４０７の計測値を取得する（ステップＳ１０１）。
　位置姿勢算出部２１５は、ステップＳ１０１で取得した計測値に基づいて車体座標系におけるバケットの姿勢を算出する（ステップＳ１０２）。車体座標系におけるバケットの姿勢は車体座標系におけるバケット座標系の各軸（Ｘｂｋ、Ｙｂｋ、Ｚｂｋ）の方向を示す姿勢行列Ｒｃｕｒによって表される。バケット１６４の姿勢を表す姿勢行列Ｒｃｕｒの平行移動成分はすべてゼロとする。
　操作信号取得部２１１は、オペレータによる、角度合わせ操作受付部からの操作信号を取得する（ステップＳ１０３）。
　本実施形態において、操作装置２７１は、例えば、図６に示すような二つのレバー２７１０、２７１１を備えている。本実施形態に係る作業機械１００は、通常の作業機械と同様に、オペレータは、２つのレバー２７１０、２７１１を前後方向、左右方向に傾倒させることで、旋回体１４０の旋回操作や、ブーム角θｂｍ、アーム角θａｍおよびバケット角θｂｋを個別に操作することができる。また、オペレータは、各レバー２７１０、２７１１の上面部に設けられた操作受付部（ボタン、スライドスイッチ、ダイヤル、プロポーショナルローラー式スイッチ）を操作することで、チルトローテータ１６３を介してのチルト角θｔおよび回転角θｒを個別に制御することができる。
　さらに、本実施形態に係る操作装置２７１は、レバー２７１０に、角度合わせ操作受付部２７１０ｂを有する。角度合わせ操作受付部２７１０ｂは、例えば、押下型の機械式スイッチである。オペレータは、当該スイッチを押下することで、所望のタイミングで角度合わせ制御を実行させることができる。プロセッサは、角度合わせ操作受付部２７１０ｂからの信号を取得した場合、所定の制御開始条件を満たしたと判定し、ステップＳ１０４の処理へ移行する。
　図９に戻り、次に、目標姿勢決定部２１９は、バケットチルト軸Ｘｂｋを仮想回転軸として決定し、バケットチルト軸Ｘｂｋ回りの角速度の目標値θｂｋ＿ｔ＿ｔｇｔを特定する（ステップＳ１０４）。なお、目標値θｂｋ＿ｔ＿ｔｇｔは、予め設定された固定値であってもよい。なお、バケットチルト軸Ｘｂｋ回りの角速度の目標値θｂｋ＿ｔ＿ｔｇｔを特定することは、現時点から単位時間経過後にあるべきバケット１６４の目標姿勢を決定することと同義である。
　次に、回転量算出部２２０は、目標姿勢決定部２１９が特定した目標値θｂｋ＿ｔ＿ｔｇｔに基づいて、バケット１６４の現在姿勢を目標姿勢に合わせるために必要な複数の回動機構ごとの回転量の目標値を算出する（ステップＳ１０５）。
　具体的には、回転量算出部２２０は、下記式（７）に角速度の目標値θｂｋ＿ｔ＿ｔｇｔを代入することで、バケット座標系におけるバケットチルト軸Ｘｂｋ回りの回転を表す回転行列Ｒｂｋ＿ｔ ｂｋを作成する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　回転量算出部２２０は、現在のバケット１６４の姿勢を表す行列Ｒｃｕｒに、式（７）の回転行列Ｒｂｋ＿ｐ ｂｋを乗算することで、単位時間後のバケット１６４の目標姿勢Ｒｔｇｔを算出する。そして、回転量算出部２２０は、バケット１６４の現在の姿勢Ｒｃｕｒと単位時間後のバケット１６４の目標姿勢Ｒｔｇｔとに基づいて、下式（８）、（９）、（１０）によってバケット角θｂｋ、チルト角θｔおよび回転角θｒのそれぞれの目標値（θｂｋ＿ｔｇｔ，θｔ＿ｔｇｔ，θｒ＿ｔｇｔ）を求める。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
　以上のようにして、行列変換により、一つの仮想回転軸（バケットチルト軸）回りの角速度の目標値（θｂｋ＿ｔ＿ｔｇｔ）が、三つの機械軸回りの角速度の目標値（θｂｋ＿ｔｇｔ，θｔ＿ｔｇｔ，θｒ＿ｔｇｔ）に変換される。
　次に、制御信号出力部２１８は、バケット角θｂｋ、チルト角θｔおよび回転角θｒのそれぞれの目標値（θｂｋ＿ｔｇｔ，θｔ＿ｔｇｔ，θｒ＿ｔｇｔ）に応じた各アクチュエータ（バケットシリンダ３０８、チルトシリンダ３０９および回転モータ３１０）の制御信号を生成し、当該各アクチュエータの制御信号をコントロールバルブ３０３に出力する（ステップＳ１０６）。
　制御信号出力部２１８がコントロールバルブ３０３に各アクチュエータの制御信号を出力することで実際にバケット１６４の姿勢が変化する。このとき、目標姿勢決定部２１９は、変化後の現在姿勢Ｒｃｕｒを取得し、バケットピッチ軸が車体基準面と平行になっているかどうかを判定する（ステップＳ１０７）。
　バケットピッチ軸（Ｙｂｋ軸）が車体基準面と平行になっていない場合（ステップＳ１０７；ＮＯ）、ステップＳ１０４に戻り、再度、バケットチルト軸（Ｘｂｋ軸）回りの角速度の目標値（θｂｋ＿ｔ＿ｔｇｔ）を特定する。これにより、回転量算出部２２０によるステップＳ１０５の処理、および、制御信号出力部２１８によるステップＳ１０６の処理が再度実行される。
　一方、バケットピッチ軸（Ｙｂｋ軸）が車体基準面と平行になった場合（ステップＳ１０７；ＹＥＳ）、目標姿勢決定部２１９、回転量算出部２２０および制御信号出力部２１８は、処理を終了する。これにより、制御装置２００による自動の角度合わせ制御が完了する。
《作用・効果》
　次に、図７、図８を参照しながら、角度合わせ機能の作用効果について説明する。
　図７、図８は、作業機械１００を同じ角度から見た様子を示している。
　ここで、図７は、バケット１６４の刃先方向（バケットピッチ軸（Ｙｂｋ軸））が車体基準面（Ｘｓｂ－Ｙｓｂ平面）に対して傾斜している状態で掘削（すくい込み）を行った直後の状態を示している。作業機械１００のオペレータは、この状態からダンプトラックへの積み込みを行う。
　オペレータは、すくい込んだ土をダンプトラックへ積み込むために、ブーム１６１およびアーム１６２を操作してバケット１６４を上方に持ち上げる。しかし、バケット１６４の刃先方向が傾斜したままでは、すくい込んだ土の一部がバケット１６４からこぼれ落ちてしまう。そこで、オペレータは、レバー２７１０、２７１１を介してブーム１６１およびアーム１６２を操作しながら、操作受付部２７１０ｂ（図６参照）を押下する。そうすると、自動的にバケット１６４がバケットチルト軸（Ｘｂｋ軸）回りに回動して、バケットピッチ軸（Ｙｂｋ軸）が車体基準面と平行になるように制御される。
　図８は、自動の角度合わせ制御が完了した直後の状態を示している。図８に示すように、バケット１６４の刃先方向（バケットピッチ軸（Ｙｂｋ軸））は、車体基準面と平行になっている。その一方で、バケット１６４の開口方向（バケットチルト軸（Ｘｂｋ軸））は変化していない。そのため、ダンプトラックへの排土を行った後、再度バケット１６４を掘削面に帰還させた際に、その開口面が掘削面に合わせ込まれている状態が維持されることとなる。
　以上、第１の実施形態に係る制御装置２００によれば、複数の回動機構（バケットシリンダ３０８、チルトシリンダ３０９および回転モータ３１０）及びバケット１６４が連結されてなる作業機１６０を備える作業機械１００において、バケット１６４の刃先方向を車体基準面と平行にする操作を簡素化できる。
（第１の実施形態の変形例）
　上述した第１の実施形態では、オペレータが操作受付部２７１０ｂを押下することで、所望のタイミングで角度合わせ制御を開始することができるものとして説明した。つまり、第１の実施形態では、角度合わせ機能の制御開始条件が、オペレータによる操作（ボタンの押下）であった。しかし、他の実施形態においてはこの態様に限定されない。例えば、第１の実施形態の変形例に係る制御装置２００は、以下のような機能を有していてもよい。
　第１の実施形態の変形例に係る目標姿勢決定部２１９は、角度合わせ機能の制御開始条件として、バケット１６４が地面から所定の距離だけ離れた場合に、目標姿勢を決定する処理を開始する。
　バケット１６４が地面から所定の距離だけ離れたかどうかの判定は、例えば、上述の介入判定部２１６の機能を利用できる。即ち、目標姿勢決定部２１９は、介入判定部２１６を介して、バケット１６４の刃先の位置と設計面との最短距離を時々刻々と求めている。そして、目標姿勢決定部２１９は、すくい込みを行ったバケット１６４が上昇する最中において、時々刻々と算出している最短距離が所定の判定閾値以上となった時点で所定の制御開始条件を満たしたと判定し、ステップＳ１０４の処理を開始する。
　このようにすることで、角度合わせ制御を実行するにあたりオペレータによる操作を排することができ、荷台への積み込み作業の一層の簡便化を図ることができる。
〈他の実施形態〉
　以上、図面を参照して一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、様々な設計変更等をすることが可能である。すなわち、他の実施形態においては、上述の処理の順序が適宜変更されてもよい。また、一部の処理が並列に実行されてもよい。
　上述した実施形態に係る制御装置２００は、単独のコンピュータによって構成されるものであってもよいし、制御装置２００の構成を複数のコンピュータに分けて配置し、複数のコンピュータが互いに協働することで制御装置２００として機能するものであってもよい。このとき、制御装置２００を構成する一部のコンピュータが作業機械の内部に搭載され、他のコンピュータが作業機械の外部に設けられてもよい。例えば、他の実施形態においては操作装置２７１およびモニタ装置２７２が作業機械１００から遠隔に設けられ、制御装置２００のうち計測値取得部２１４および制御信号出力部２１８以外の構成が遠隔のサーバに設けられてもよい。
　また上述した実施形態に係る作業機械１００は油圧ショベルであるが、これに限られない。例えば、他の実施形態に係る作業機械１００は地上に固設された自走しない作業機械であってもよい。また他の実施形態に係る作業機械１００は旋回体を有しない作業機械であってもよい。
　上述した実施形態に係る作業機械１００は、作業機１６０のアタッチメントとしてバケット１６４を備えるが、これに限られない。例えば、他の実施形態に係る作業機械１００は、アタッチメントとしてブレーカ、フォーク、グラップルなどを備えてもよい。この場合も、制御装置２００はバケット座標系と同様にアタッチメントの刃先が向く方向に伸びるＸｂｋ軸と、刃先に沿う方向に伸びるＹｂｋ軸と、Ｘｂｋ軸およびＹｂｋ軸に直交するＺｂｋ軸とからなるローカル座標系によってチルトローテータ１６３を制御する。
　また他の実施形態において、チルトローテータ１６３の各軸は互いに異なる平面で交差するものであれば、直交していなくてもよい。具体的には、アーム１６２と取付部１６３１とを接続する関節軸に係る軸ＡＸ１、取付部１６３１とチルト部１６３２とを接続する関節軸に係る軸ＡＸ２、および回転モータ３１０の回転軸ＡＸ３について、チルトローテータ１６３のチルト角および回転角がゼロであるときに、軸ＡＸ１および軸ＡＸ２に平行な面と、軸ＡＸ２および軸ＡＸ３に平行な面と、軸ＡＸ３および軸ＡＸ１に平行な面とが、それぞれ異なるものであればよい。
　また、他の実施形態に係る制御装置２００は、設計面の設定機能を有しないものであってもよい。この場合にも、制御装置２００はバケット姿勢保持制御を行うことでチルトローテータ１６３を自動制御することができる。例えば、オペレータは、設計面を設定することなく簡易的な整地作業を実施することができる。
　上記態様によれば、チルトローテータを介して作業機に支持された作業器具を備える作業機械において、当該作業器具の第１の基準方向を変えずに、第２の基準方向を所定面に合わせる操作を簡素化できる。
１００…作業機械　１２０…走行体　１４０…旋回体　１６０…作業機　１６１…ブーム　１６２…アーム　１６３…チルトローテータ　１６３１…取付部　１６３２…チルト部　１６３３…回転部　１６４…バケット　１８０…運転室　２００…制御装置　２１０…プロセッサ　２１１…操作信号取得部　２１２…入力部　２１３…表示制御部　２１４…計測値取得部　２１５…位置姿勢算出部　２１６…介入判定部　２１８…制御信号出力部　２１９…目標姿勢決定部　２２０…回転量算出部　２３０…メインメモリ　２５０…ストレージ　２７０…インタフェース　２７１…操作装置　２７２…モニタ装置　３０１…エンジン　３０２…油圧ポンプ　３０３…コントロールバルブ　３０４…走行モータ　３０５…旋回モータ　３０６…ブームシリンダ　３０７…アームシリンダ　３０８…バケットシリンダ　３０９…チルトシリンダ　３１０…回転モータ　４０１…傾斜計測器　４０２…位置方位計測器　４０３…ブーム角センサ　４０４…アーム角センサ　４０５…バケット角センサ　４０６…チルト角センサ　４０７…回転角センサ

Claims (8)

  1. 　車体に動作可能に支持された作業機と、前記作業機の先端に取り付けられたチルトローテータと、前記チルトローテータを介して前記作業機に対して互いに異なる平面で交差する３つの軸回りに回転可能に支持された作業器具とを備える作業機械を制御するためのシステムであって、
    　プロセッサを備え、
    　前記プロセッサは、
    　複数のセンサから計測値を取得し、
    　前記計測値に基づいて、前記作業器具の現在の姿勢を算出し、
    　所定の制御開始条件を満たした場合に、算出した前記作業器具の前記現在の姿勢に基づいて、仮想回転軸を決定し、
    　前記作業器具を、前記現在の姿勢から目標姿勢となるように前記仮想回転軸回りに所定量だけ回転させるための前記チルトローテータの制御信号を生成し、
    　生成した前記制御信号を出力する、
    　システム。
  2. 　前記作業器具は刃先を有し、
    　前記仮想回転軸は、前記作業器具の前記刃先が向く方向に伸びる軸である、
    　請求項１に記載のシステム。
  3. 　前記プロセッサは、
    　前記仮想回転軸に直交し、かつ、前記作業器具の刃先に沿って伸びる基準軸を決定し、
    　前記基準軸と車体基準面とが平行となる姿勢を前記目標姿勢とする、
    　請求項２に記載のシステム。
  4. 　前記プロセッサは、
    　オペレータによる所定の操作信号を取得し、
    　前記制御開始条件として、前記所定の操作信号を受け付けた場合に、前記作業器具の前記現在の姿勢が前記目標姿勢となるように前記仮想回転軸回りに所定量だけ回転させるための前記チルトローテータの制御信号を生成する、
    　請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のシステム。
  5. 　前記プロセッサは、前記制御開始条件として、前記作業器具が地面から所定の距離だけ離れた場合に、前記目標姿勢を決定する、
    　請求項１または請求項４のいずれか一項に記載のシステム。
  6. 　前記仮想回転軸は、前記チルトローテータの関節軸とは異なる、
    　請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のシステム。
  7. 　車体に動作可能に支持された作業機と、前記作業機の先端に取り付けられたチルトローテータと、前記チルトローテータを介して前記作業機に対して互いに異なる平面で交差する３つの軸回りに回転可能に支持された作業器具とを備える作業機械を制御するための方法であって、
    　複数のセンサから計測値を取得するステップと、
    　前記計測値に基づいて、前記作業器具の現在の姿勢を算出するステップと、
    　所定の制御開始条件を満たした場合に、算出した前記作業器具の前記現在の姿勢に基づいて、仮想回転軸を決定するステップと、
    　前記作業器具を、前記現在の姿勢から目標姿勢となるように前記仮想回転軸回りに所定量だけ回転させるための前記チルトローテータの制御信号を生成するステップと、
    　生成した前記制御信号を出力するステップと、
    　を備える方法。
  8. 　車体に動作可能に支持された作業機と、前記作業機の先端に取り付けられたチルトローテータと、前記チルトローテータを介して前記作業機に対して互いに異なる平面で交差する３つの軸回りに回転可能に支持された作業器具とを備える作業機械の制御システムのコンピュータに、
    　複数のセンサから計測値を取得するステップと、
    　前記計測値に基づいて、前記作業器具の現在の姿勢を算出するステップと、
    　所定の制御開始条件を満たした場合に、算出した前記作業器具の前記現在の姿勢に基づいて、仮想回転軸を決定するステップと、
    　前記作業器具を、前記現在の姿勢から目標姿勢となるように前記仮想回転軸回りに所定量だけ回転させるための前記チルトローテータの制御信号を生成するステップと、
    　生成した前記制御信号を出力するステップと、
    　を実行させるプログラム。
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