WO2024075650A1 - 作業機械 - Google Patents

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WO2024075650A1
WO2024075650A1 PCT/JP2023/035693 JP2023035693W WO2024075650A1 WO 2024075650 A1 WO2024075650 A1 WO 2024075650A1 JP 2023035693 W JP2023035693 W JP 2023035693W WO 2024075650 A1 WO2024075650 A1 WO 2024075650A1
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WO
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mode
operation mode
control
work machine
state
Prior art date
Application number
PCT/JP2023/035693
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
哲平 齋藤
匡士 小谷
理優 成川
英史 石本
英明 伊東
慧 佐藤
Original Assignee
日立建機株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 日立建機株式会社 filed Critical 日立建機株式会社
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02F—DREDGING; SOIL-SHIFTING
    • E02F9/00—Component parts of dredgers or soil-shifting machines, not restricted to one of the kinds covered by groups E02F3/00 - E02F7/00
    • E02F9/20—Drives; Control devices
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02F—DREDGING; SOIL-SHIFTING
    • E02F9/00—Component parts of dredgers or soil-shifting machines, not restricted to one of the kinds covered by groups E02F3/00 - E02F7/00
    • E02F9/26—Indicating devices

Definitions

  • the present invention relates to a work machine.
  • Patent Document 1 describes an excavator with automatic driving functions and its teaching system.
  • a work machine such as an excavator must work in coordination with other vehicles such as a dump truck without delay. Therefore, if it is necessary to change the operation of the automatic driving in response to the ever-changing site conditions and changes in the topography, as in the above-mentioned conventional technology, it becomes difficult to implement coordination between an excavator and other vehicles without delay. For example, a delay in coordination between an excavator and a dump truck may increase the downtime of the dump truck, decreasing the productivity of the entire work site. In addition, it is expected that the work burden and fatigue of the operator will be reduced without decreasing productivity, not only in excavators but also in work machines that perform various tasks.
  • the present invention has been made in consideration of the above, and aims to provide a work machine that can change the automatic operation operation more easily and accurately to suit the situation at the work site, and can reduce operator fatigue while suppressing a decrease in productivity.
  • the present application includes multiple means for solving the above problem, but one example is a work machine equipped with a work device that operates in response to the operation of an operating device, and a controller that controls the operation of the work device, and is equipped with a state recognition sensor that detects the state of the work device, and the controller predicts the current operation mode and next operation mode of the work machine from multiple operation modes that indicate pre-classified types of operation of the work machine in response to the detection result of the state recognition sensor, and when the work machine is in a state where it is transitioning from the current operation mode to the next operation mode, switches the control mode that indicates the type of operation control of the work machine to a control mode that corresponds to the next operation mode from among a manual operation mode in which the work device is operated in response to the operation of the operating device, and an automatic operation mode in which the work device is operated without the operation of the operating device, and starts operational control of the work machine.
  • the present invention makes it possible to more easily and accurately change the operation of automated driving in accordance with the conditions at the work site, thereby reducing operator fatigue while preventing a decline in productivity.
  • FIG. 1 is a side view showing a schematic external appearance of a hydraulic excavator as an example of a work machine.
  • FIG. 2 is a functional block diagram showing the processing contents of a vehicle body control device in the first embodiment.
  • FIG. 13 is a diagram showing an example of a setting screen for preset information in the preset device.
  • 11 is a diagram showing an example of state transition information indicating a relationship between operation mode transition information and state transition conditions;
  • FIG. FIG. 11 is a diagram illustrating an example of a state transition condition.
  • FIG. 2 is a diagram showing a display example of a display device. 4 is a flowchart showing the processing contents of a vehicle body control device.
  • FIG. 11 is a functional block diagram showing the processing contents of a vehicle body control device in a second embodiment.
  • FIG. 1 is a side view showing a schematic view of the exterior of a hydraulic excavator as an example of a work machine according to this embodiment.
  • FIG. 2 is a functional block diagram showing the processing contents of the vehicle body control device.
  • a large hydraulic excavator 1 (working machine) is equipped with a lower running body 2, an upper rotating body 3 that is rotatably mounted on the upper part of the lower running body 2, and a work device 4 that is mounted in front of the upper rotating body 3.
  • the lower traveling body 2 is configured to travel using a pair of left and right traveling hydraulic motors 2a (only one is shown in Figure 1), which are hydraulic actuators.
  • the upper rotating body 3 is rotated by a hydraulic motor (not shown) which is a hydraulic actuator.
  • a hydraulic motor (not shown) which is a hydraulic actuator.
  • a prime mover such as a diesel engine
  • a hydraulic pump driven by the prime mover and a control valve that controls the flow rate and direction of the pressurized oil discharged from the hydraulic pump and supplied to each hydraulic actuator (travel hydraulic motor 2a, swing hydraulic motor, boom cylinder 14a, arm cylinder 14b, bucket cylinder 14c, etc.), all of which are not shown.
  • the upper rotating body 3 is also provided with a vehicle body control device 6 (controller) that generates operation signals for controlling the operation of each hydraulic actuator in response to the operation of operating devices such as the operating lever 7a and switch 7b, as a controller for controlling the operation of the hydraulic excavator 1, and a hydraulic circuit control device 5 that generates control signals for controlling the control valves, etc. in response to the operation signals from the vehicle body control device 6.
  • a vehicle body control device 6 controller
  • a hydraulic circuit control device 5 that generates control signals for controlling the control valves, etc. in response to the operation signals from the vehicle body control device 6.
  • the working device 4 is roughly composed of a boom 4a connected to the front of the upper rotating body 3 so as to be rotatable in the vertical direction, an arm 4b connected to the tip of the boom 4a so as to be rotatable in the vertical direction, a bucket 4c connected to the tip of the arm 4b so as to be rotatable in the vertical direction, a boom cylinder 14a that drives the boom 4a to rotate relative to the upper rotating body 3, an arm cylinder 14b that drives the arm 4b to rotate relative to the boom 4a, and a bucket cylinder 14c that drives the bucket to rotate relative to the arm 4b.
  • the condition recognition sensor 9 is a sensor for recognizing the posture and surrounding conditions of each part of the hydraulic excavator 1.
  • the condition recognition sensors 9 include, for example, a boom angle sensor that detects the rotation angle of the boom 4a, an arm angle sensor that detects the rotation angle of the arm 4b, a bucket angle sensor that detects the rotation angle of the bucket 4c, an inclination angle sensor that detects the inclination angle of the upper rotating body 3 with respect to a reference plane such as a horizontal plane, a rotation angle sensor that detects the rotation angle, which is the relative angle of the upper rotating body 3 with respect to the lower running body 2, and a 3D-LiDAR (Light Detection And Ranging) as an external environment recognition sensor.
  • a boom angle sensor that detects the rotation angle of the boom 4a
  • an arm angle sensor that detects the rotation angle of the arm 4b
  • a bucket angle sensor that detects the rotation angle of the bucket 4c
  • an inclination angle sensor that detects the inclination angle of the
  • a cab 3a Beside the working device in front of the upper rotating body 3, there is provided a cab 3a where an operator sits and operates the hydraulic excavator 1.
  • an operating lever 7a is installed as an operating device for operating each hydraulic actuator.
  • the operating lever 7a is, for example, a left and right travel lever for operating the left and right travel hydraulic motors, respectively, and a work operating lever for operating each of the hydraulic actuators 14a, 14b, 14c and the swing hydraulic motor of the working device 4.
  • a switch 7b horn switch for sounding a horn provided on the hydraulic excavator 1.
  • the vehicle control device 6 includes a manual operation unit 6a, an automatic control command generation unit 6b (assist control unit 6c, automatic driving unit 6d), a control mode selection unit 6e, and an operation mode prediction unit 10.
  • the manual operation unit 6a receives a signal (operation signal) indicating the amount and direction of lever operation by the operator at the operation lever 7a, and generates a control signal for driving the hydraulic excavator 1 in accordance with the received operation signal.
  • the assist control unit 6c generates a control signal for assisting control of the operation of the hydraulic excavator 1 by the operator, based on the operation signal from the operation lever 7a, the operation signal from the switch 5b (horn switch), and information from the state recognition sensor 9.
  • An example of assist control is a system that automatically generates a control signal for at least one of two operations, the rotation operation of the upper rotating body 3 and the raising operation of the working device 4, which are necessary for loading operations into a dump truck, which is a transport vehicle for transporting soil and sand, and generates a control signal for the other operation according to the operation signal.
  • the operator when the raising operation of the working device 4 is automatically performed, the operator only needs to operate the operation lever 7a related to the rotation operation, and the raising operation of the working device 4 is performed to the extent necessary for the loading operation into the dump truck, and the loading operation can be performed semi-automatically.
  • the automatic driving unit 6d generates a control signal for driving the hydraulic excavator 1 without the operation of an operator, based on the operation signal of the switch 5b and information from the status recognition sensor 9. That is, the automatic driving unit 6d generates a control signal for automatic driving according to the status of the hydraulic excavator 1 and its surrounding conditions recognized by the status recognition sensor 9, and the operation signal of the switch 5b.
  • the control mode selection unit 6e selects a control signal to be output to the hydraulic circuit control device 5 from one of the manual operation unit 6a, the assist control unit 6c, and the automatic driving unit 6d based on the control mode information from the prediction unit 10e (described later) of the operation mode prediction unit 10, and outputs the selected control signal to the hydraulic circuit control device 5. For example, when the control mode information from the prediction unit 10e indicates the "manual driving mode", the control mode selection unit 6e selects the control signal generated by the manual operation unit 6a and outputs it to the hydraulic circuit control device 5. When the control mode information from the prediction unit 10e indicates the "assist mode”, the control mode selection unit 6e selects the control signal generated by the assist control unit 6c and outputs it to the hydraulic circuit control device 5. When the control mode information from the prediction unit 10e indicates the "automatic driving mode”, the control mode selection unit 6e selects the control signal generated by the automatic driving unit 6d and outputs it to the hydraulic circuit control device 5.
  • the hydraulic circuit control device 5 generates control signals for controlling control valves and the like in response to operation signals from the vehicle body control device 6. For example, when an operation signal generated by the manual operation unit 6a is selected in the control mode selection unit 6e, a control signal is generated so that each hydraulic actuator operates in response to the operation (amount and direction of operation) of the operation lever 7a by the operator. When an operation signal generated by the assist control unit 6c is selected in the control mode selection unit 6e, a control signal is generated so that at least some of the hydraulic actuators operate in response to the operation (amount and direction of operation) of the operation lever 7a by the operator, and the other hydraulic actuators operate automatically (i.e., to perform assist control). When an operation signal generated by the automatic driving unit 6d is selected in the control mode selection unit 6e, a control signal is generated so that each hydraulic actuator operates without the operation by the operator (i.e., to perform automatic driving).
  • the operation mode prediction unit 10 includes an operation mode storage unit 10a, an operation mode transition generation unit 10b, a transition condition generation unit 10c, a current operation mode estimation unit 10d, and a prediction unit 10e.
  • the operation mode storage unit 10a receives and stores the pre-setting information set by the pre-setting device 8.
  • FIG. 3 shows an example of a setting screen for pre-setting information in a pre-setting device.
  • the pre-setting device 8 is, for example, a touch panel display device, and the pre-setting information can be set by operating the displayed setting screen 11 on the screen.
  • the setting screen 11 shows the operation modes vertically and the control modes horizontally.
  • the operation mode indicates the type of work to be performed by the hydraulic excavator 1 (work machine), and defines an excavation operation mode (excavation), a loading operation mode (loading), an earth discharge operation mode (earth discharge), a return operation mode (return), a traveling operation mode (travel), a linked operation mode, etc.
  • the excavation operation mode is an operation mode in which the working device 4 performs an excavation operation to excavate the target soil at the excavation position.
  • the loading operation mode is an operation mode in which the working device 4 moves the soil excavated by the excavation operation to a predetermined discharge position for a dump truck (transport vehicle) that transports the target soil. In other words, the hydraulic excavator 1 digs up soil and moves it onto the dump truck through the excavation operation and loading operation.
  • the soil discharge operation mode is an operation mode in which soil is discharged from the working device 4 to a dump truck (transport vehicle) at the soil discharge position.
  • the return operation mode is an operation mode in which the working device 4 returns from the soil discharge position to the excavation position. In other words, the soil discharge operation and the return operation dump soil onto the vessel of the dump truck and then return to the excavation position.
  • the traveling operation mode is a work mode in which the position of the hydraulic excavator 1 (work machine) is moved and changed by driving the traveling hydraulic motor 2a (traveling device) of the lower traveling body 2.
  • the coordinated operation mode is an operation mode in which the hydraulic excavator 1 (work machine) and the dump truck (transport vehicle) perform coordinated operations. Coordination between the hydraulic excavator 1 and the dump truck is, for example, an operation in which the horn is sounded by the switch 5b to signal the dump truck operator.
  • the control mode indicates the type of operational control of the hydraulic excavator 1 (work machine), and defines the manual operation mode, assisted mode, automatic operation mode, etc.
  • the manual operation mode is a control mode in which the working device 4, etc. is operated in response to the operation (amount of operation, direction of operation) of the operating lever 7a (operating device).
  • the assist mode is a control mode in which the working device 4, etc. is operated semi-automatically by intervening in the operation of the working device 4 in response to the operation (amount of operation, direction of operation) of the operating lever 7a (operating device).
  • the automatic operation mode is a control mode in which the working device 4, etc. is operated without the operation of the operating lever 7a (operating device).
  • the setting screen 11 in FIG. 3 illustrates an example in which the excavation operation mode is set to the manual operation mode, the loading operation mode, the soil discharge operation mode, the traveling operation mode, and the linked operation mode are set to the automatic operation mode, and the return operation mode is set to the assist mode.
  • the presetting device 8 also sets operation information that triggers control execution in the automatic control command generation unit 6b.
  • An example of the operation information that serves as a trigger is information that the switch 5b has been operated (pressed) in the automatic operation mode (control mode), and operation is started in response to such operation information. Note that the setting on the setting screen 11 by the presetting device 8 may be possible even while the hydraulic excavator 1 is operating.
  • the operation mode transition generation unit 10b reads the setting information stored in the operation mode storage unit 10a, and generates transition information indicating the transition state of the operation mode based on the setting information.
  • the transition condition generation unit 10c sets state transition conditions between transition states based on the transition information generated by the operation mode transition generation unit 10b.
  • state transition information the information indicating the relationship between the transition information and state transition conditions in each operation mode is referred to as state transition information.
  • FIG. 4 shows an example of state transition information that indicates the relationship between operation mode transition information and state transition conditions.
  • the operation mode transition generating unit 10b generates, as transition states, a start state (Start) that is initiated by starting up the hydraulic excavator 1, and a manual operation state (S0), a dumping state (S1), a return state (S2), an excavation state (S3), a loading state (S4), a traveling state (S5), and a linked state (S6) that correspond to each operation mode. Also, in Fig. 4, state transition conditions (C0) to (C9) between the transition states (Start), (S0) to (S6) are generated by the transition condition generating unit 10c. In this way, Here, the state transition information (transition information and state transition conditions) illustrated in FIG. 4 will be described in detail.
  • Figure 5 shows an example of state transition conditions.
  • state transition conditions (C2) to (C5) in one cycle of work are illustrated, in which the state transitions are in the order of the dumping state (S1), the return state (S2), the excavation state (S3), and the loading state (S4), and then the state returns to the dumping state (S1).
  • the downward lines show schematic diagrams of the attitudes of the hydraulic excavator 1 and the dump truck 15 as viewed from the side and above, and the conditions that are the transition conditions.
  • the state transition condition (C2) for transitioning from the soil discharge state (S1) to the return state (S2) is, for example, when the position of the bucket 4c of the hydraulic excavator 1 moves to the outside of the dump truck 15 and the weight of soil in the bucket 4c is close to 0 (zero) tons (i.e., when the bucket 4c is empty).
  • a sensor for measuring the weight of soil in the bucket 4c is provided as the state recognition sensor 9.
  • the state transition condition (C3) for transitioning from the return state (S2) to the excavation state (S3) is, for example, when the tip of the bucket 4c moves into the range enclosed by the dashed line.
  • the position and posture of the bucket 4c may be determined, for example, to be the excavation start position of the bucket 4c that enables efficient excavation in the next transition state, the excavation state (S3).
  • the state transition condition (C4) for transitioning from the excavation state (S3) to the loading state (S4) is, for example, when the position and posture of the bucket 4c moves into the range enclosed by the dashed line, the position of the dump truck 15 has been properly detected by the state recognition sensor 9, and the weight of soil in the bucket 4c is equal to or greater than a predetermined threshold (i.e., when soil is loaded in the bucket 4c).
  • This condition is a position and posture that allows the bucket 4c to be moved safely and efficiently onto the dump truck 15 with the position of the dump truck 15, which is the loading target, properly detected by the state recognition sensor 9, and also a condition in which there is sufficient soil in the bucket 4c so that efficient loading can begin.
  • the state transition condition (C5) for transitioning from the loading state (S4) to the soil discharging state (S1) is, for example, when the position of the bucket 4c moves to a position where soil can be loaded onto the dump truck 15.
  • the state transition conditions (C0) to (C9) between the transition states (Start), (S0) to (S6) are defined as follows:
  • the state transition condition (C0) for transitioning from the start state (Start) to the manual operation state (S0) is, for example, when the key of the hydraulic excavator 1 is turned ON and the engine is started.
  • the state transition condition (C1) for transitioning from the manual operation state (S0) to the soil release state (S1) is, for example, when the same condition as the state transition condition (C5) is satisfied by manual operation.
  • the state transition condition (C6) for transitioning from the return state (S2) to the driving state (S5) is, for example, when the driving operation is performed with the operating lever 5a.
  • the state transition condition (C7) for transitioning from the traveling state (S5) to the excavation state (S3) is, for example, when the traveling operation with the operating lever 5a is stopped and the same condition as the transition condition (C3) is satisfied.
  • the state transition condition (C8) for transitioning from the soil discharge state (S1) to the linked state with the transport vehicle (S6) is, for example, when the load on the dump truck 15 reaches or exceeds a predetermined threshold (for example, when the load is close to being fully loaded).
  • the state transition condition (C9) for transitioning from the linked state (S6) with the transport vehicle to the return state (S2) is, for example, when the dump truck 15 moves away from the hydraulic excavator 1 (for example, when it moves out of the dump detection range of the hydraulic excavator 1).
  • the current operation mode estimation unit 10d of the operation mode prediction unit 10 estimates the corresponding operation mode from the operation currently being performed by the hydraulic excavator 1 based on the posture information from the state recognition sensor 9, and outputs the estimated operation mode.
  • the prediction unit 10e predicts the next operation mode based on the estimated current operation mode and state transition information (transition information and state transition conditions).
  • the prediction unit 10e also outputs information on the control mode set as the current operation mode by the presetting device 8 to the control mode selection unit 6e, and outputs information on the control mode corresponding to the predicted operation mode to the display device 13.
  • the display device 13 is a monitor or the like installed in the driver's cab 3a or the like, and is a device for providing information such as images to the operator.
  • the display device 13 receives information on the control mode corresponding to the current operation mode predicted by the prediction unit 10e.
  • FIG. 6 shows an example of the display on the display device.
  • the display device 13 shows an example in which it displays a machine state area 13a showing the current state and control mode 13d of the hydraulic excavator 1, a trigger operation display area 13b showing the predicted next operation mode for the operator and the operator operation required in the control mode set for the operation mode, and a transition condition area 13c showing unfulfilled state transition conditions.
  • FIG. 6 shows an example in which the state transition condition (C4) to the loading state (S4) shown in FIG. 5 and the control mode set for the loading state (S4) are assist control.
  • the left rotation operation of the operating lever 7a is used as a trigger operation to start assist control, and the rotation operation of the upper rotating body 3 of the hydraulic excavator 1 and the lifting of the work equipment 4 are semi-automatically controlled.
  • the trigger operation display area 13b for example, the operating direction of the operating lever 7a to be operated may be displayed pictorially.
  • FIG. 7 is a flowchart showing the processing performed by the vehicle control device.
  • step S100 when the vehicle control device 6 starts up, it first stores the setting information set by the presetting device 8 in the operation mode storage unit 10a (step S100).
  • the operation mode transition generation unit 10b generates information (transition information) regarding the transition state of each operation mode (step S110).
  • the transition condition generation unit 10c sets state transition conditions based on the generated transition information (step S120).
  • the current operation mode estimation unit 10d estimates the current operation mode of the hydraulic excavator 1 based on information from the state recognition sensor 9 (step S130).
  • the state transition condition (C0) becomes true, and the state automatically transitions from the start state (Start) to the manual operation state (S0).
  • step S140 it is determined whether the state transition condition determined by the state recognition sensor 9 is true (step S140). If the determination result is NO, that is, if the state transition condition is not satisfied, the current operation mode is maintained (step S141), and the process returns to the determination process of step S140. For example, if the operation mode is the soil release state (S1), and the state transition conditions (C2) and (C8) are not satisfied, the current operation mode is maintained as the soil release state (S1), and the process returns to the determination process of step S140.
  • step S140 determines whether the state transition condition is satisfied. If the determination result in step S140 is YES, that is, if the state transition condition is satisfied, the operation mode transitions to the next operation mode that satisfies the state transition condition (step S150), and the current operation mode estimation unit 10d updates the operation mode to the current operation mode (step S160). For example, in the manual operation state (S0), the operator operates the operation lever 7a or switch 7b to satisfy the state transition condition (C1). Also, for example, according to the setting information shown in FIG.
  • step S170 it is determined whether the current control mode is automatic operation and the operation lever 7a has been operated for a predetermined period of time or more (step S170). If the determination result in step S170 is YES, the control mode set in the current operation mode is overwritten to the manual operation mode (corresponding to "manual (or remote)" in FIG. 3), output to the control mode selection unit 6e (step S171), and the process returns to step S140. For example, when the transition state is the return state (S2) and the control mode is the automatic operation mode, if the operator operates the operation lever 7a for a certain period of time or more, the control mode set in the current operation mode is switched to the manual operation mode (corresponding to "manual (or remote)" in FIG.
  • step S170 if the judgment result in step S170 is NO, that is, if it is judged that there is no operation intervention by the operator in the automatic operation mode, the prediction unit 10e outputs the control mode set to the next operation mode to the display device 13 (step S180), outputs the control mode set to the current operation mode to the control mode selection unit 6e (step S190), and returns to the processing of step S130.
  • the prediction unit 10e transmits and displays the operation information in the manual operation mode, which is the control mode set to the excavation state (S3), which is the next operation mode of the return state (S2), and information on the state transition condition (C3) to the excavation state (S3), to the display device 13, and notifies the operator. Also, the prediction unit 10e outputs information on the automatic operation mode, which is the control mode set to the return state (S2), which is the transition state of the current operation mode, to the control mode selection unit 6e.
  • the control mode selection unit 6e Based on the received information on the automatic operation mode, the control mode selection unit 6e outputs the control signal for the hydraulic excavator 1 calculated by the automatic operation unit 6d to the hydraulic circuit control device 5. As a result, the hydraulic excavator 1 automatically performs an operation to return to the return state (S2), which is the current operation mode.
  • the current operation mode and the next operation mode of the hydraulic excavator 1 are predicted according to the detection result of the state recognition sensor, and the control mode is selectively switched according to the predicted current and next operation modes.
  • the selectively switchable control modes include a manual operation mode in which the working device 4 is operated according to the operation of the operating lever 7a (operating device), an assist mode in which the working device 4 is operated semi-automatically by intervening in the operation of the working device 4 according to the operation of the operating lever 7a (operating device), and an automatic operation mode in which the working device 4 is operated without the operation of the operating lever 7a (operating device).
  • the automatic operation operation can be changed more easily and accurately according to the situation at the work site, and the fatigue of the operator can be reduced while suppressing a decrease in productivity, so that productivity can be stabilized at a high level for a long time.
  • tasks that have a large impact on productivity can be performed by the operator, while other tasks that have a small impact on productivity (such as loading and returning) can be automated or semi-automated.
  • tasks such as loading which can be very tiring to operate remotely, can be automated or semi-automated to reduce fatigue. This makes it possible to utilize the advanced judgment of the operator for digging and dumping, while automating other tasks to some extent, thereby maintaining a high level of productivity while reducing operator fatigue.
  • manual operation can be set for tasks where the operator's planning contributes to productivity, and other tasks can be performed automatically or semi-automatically.
  • the excavation state control mode can be switched from automatic to manual operation. In other words, the control mode can be changed appropriately to an appropriate mode for maintaining productivity.
  • control mode can be changed to one appropriate for maintaining productivity, raising the overall productivity of the work site.
  • high productivity can be achieved by setting a higher proportion of manual operation (manual operation mode).
  • productivity can be improved by setting a higher proportion of automatic/semi-automatic operation (assisted mode, automatic operation mode).
  • the automated function can be easily improved by updating the software of the vehicle body control device 6 and changing the control mode setting for that operation mode from manual driving mode to automatic driving mode. In other words, the development costs of the machine can be reduced.
  • the display device 13 is configured to display information about the control mode, the operator can seamlessly perform operations in accordance with the transitions between the series of excavation and loading operation modes. For example, in an excavation and loading operation in which automatic and manual operation modes are mixed as the operation modes, an operation corresponding to the next operation mode is required immediately after a state transition condition is satisfied.
  • the display device 13 displays information about the state transition conditions and the operation in the next operation mode to notify the operator, so that the operator can check the trigger even if he or she does not know the trigger corresponding to the operation mode, thereby suppressing delays in the start of the next operation and suppressing declines in productivity.
  • the system will quickly switch the control mode to manual operation mode so that the hydraulic excavator does not perform operations that differ significantly from the operator's intentions, even when the excavator is in automated operation, thereby minimizing any decline in productivity.
  • control modes are defined: manual driving mode, assist mode, and automatic driving mode, and an example is given of switching between these control modes; however, this is not limited to this, and for example, at least two control modes, manual driving mode and automatic driving mode, may be defined and switched between these two control modes.
  • the state transition information (transition information and state transition conditions) generated by the operation mode transition generation unit 10b and the transition condition generation unit 10c is updated based on information from the operating lever 7a and the state recognition sensor 9.
  • FIG. 8 is a functional block diagram showing the processing performed by the vehicle control device in this embodiment.
  • the vehicle control device 6A includes a manual operation unit 6a, an automatic control command generation unit 6b (assist control unit 6c, automatic driving unit 6d), a control mode selection unit 6e, and an operation mode prediction unit 10A.
  • the operation mode prediction unit 10 includes an operation mode storage unit 10a, an operation mode transition generation unit 10b, a transition condition generation unit 10c, a current operation mode estimation unit 10d, a prediction unit 10e, and an operation mode transition update unit 10f.
  • the operation mode transition update unit 10f receives signals from the operation lever 7a and the state recognition sensor 9, and updates the transition information generated by the operation mode transition generation unit 10b.
  • the operation mode transition generation unit 10b reads the setting information stored in the operation mode storage unit 10a, and generates transition information indicating the transition state of the operation mode based on the setting information. It also updates the transition information according to the operation mode transition information newly generated by the operation mode transition update unit 10f.
  • the transition condition generation unit 10c sets state transition conditions between transition states based on the transition information generated by the operation mode transition generation unit 10b.
  • state transition information (transition information and state transition conditions) is updated in response to changes in the work environment.
  • the operation mode transition update unit 10f collects operation history information of the operating lever 5a during manual operation by the operator and work information of the hydraulic excavator 1 from the state recognition sensor 9 at that time.
  • the operation mode transition update unit 10f classifies the time series data of the collected work information and generates a new operation mode.
  • a classification method for example, a statistical clustering algorithm such as Support Vector Machine can be used.
  • a state transition condition corresponding to the newly generated transition state information (transition information) of the operation mode is set based on the information of the state recognition sensor 9.
  • the operation mode set by the presetting device 8 and the initial information of the state transition information generated by the operation mode transition generating unit 10b are those previously set in the vehicle control device 6.
  • the environments in which the hydraulic excavator 1 operates are diverse, if the state transition information is left as the initial information while operations are performed, it is possible that the excavator 1 will not be able to adequately respond to the work environment when the control mode becomes the automatic operation mode.
  • the work information of the hydraulic excavator 1 is analyzed based on the operation history information of the operating lever 7a during manual operation by the operator and the detection results of the state recognition sensor 9 at that time, and the operation mode transition update unit 10f is configured to add or modify an operation mode suitable for the work environment and update the state transition information.
  • the operation mode transition generation unit 10b generates appropriate transition information for an operation mode suitable for the work environment, and can update the state transition information including the state transition conditions generated by the transition condition generation unit 10c.
  • a hydraulic excavator was used as an example of a work machine, but the present invention is not limited to this, and can also be applied to an electrically driven work machine driven by an electric motor or the like.
  • control lever 7a, switch 7b, presetting device 8, display device 13, etc. which are components related to the operation of the hydraulic excavator 1 (work machine) by the operator, are arranged in the cab 3a, and the vehicle body control device 6, 6A is provided with the automatic control command generation unit 6b (assist control unit 6c, automatic driving unit 6d), control mode selection unit 6e, operation mode prediction unit 10, 10A, etc., which are functional units related to the control of automatic and semi-automatic driving.
  • the configuration related to the operation of the hydraulic excavator 1 (work machine) and the functional units related to the control of automatic and semi-automatic driving may be arranged in a remote control room provided outside the hydraulic excavator 1, and configured to be able to communicate with the hydraulic excavator 1 by a wireless device.
  • the present invention is not limited to having all of the configurations described in the above embodiments, but also includes configurations in which some of the configurations are omitted.
  • each of the above configurations, functions, etc. may be realized in part or in whole by designing, for example, an integrated circuit.
  • each of the above configurations, functions, etc. may be realized in software by a processor interpreting and executing a program that realizes each function.

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Abstract

状態認識センサの検出結果に応じて現在の動作モードと次の動作モードとを予測し、現在の動作モードから次の動作モードに遷移する状態にある場合、作業機械の動作制御の種類を示す制御モードを、操作装置の操作に応じて作業装置を動作させる手動運転モードと、操作装置の操作によらずに作業装置を動作させる自動運転モードと、の中から次の動作モードに対応する制御モードに切り替えて作業機械の動作制御を開始する。これにより、作業現場の状況に合わせて自動運転の動作をより容易かつ的確に変更することができ、生産性の低下を抑制しつつオペレータの疲労を軽減することができる。

Description

作業機械
　本発明は、作業機械に関する。
　近年、ショベルやブルドーザなどの作業機械においては、オペレータの特定の操作に対して制御システムが介入し、半自動的に作業機械の動作を行う、すなわち、一部の作業を自動化する部分自動運転機能が開発されている。また、作業機械による一連の作業を自動化して、オペレータの操作を不要とする自動運転機能も開発されている。このように、作業機械の一部または一連の作業を自動運転とすることでオペレータの操作量が減少するため、オペレータの負担を軽減することができる。一方で、作業機械で行う作業は多種に渡るため、部分自動運転や自動運転が可能な作業の種類を増やすことが期待される。
　自動運転機能を備えた作業機械に関する従来技術として、例えば、特許文献１には、自動運転機能を備えたショベルとそのティーチングシステムが記載されている。
特開２０２１－５０５７６号公報
　上記従来技術においては、作業機械であるショベルに新しい作業をティーチング（教示）させるために、オペレータが教示したい動作でショベルを一度動かし、その時動作したショベルの姿勢情報等を時系列的にショベルに記憶させ、記憶した姿勢情報を携帯端末でティーチングポイントとして表示して、携帯端末での姿勢情報を編集可能とする。ショベルは携帯端末で編集された姿勢情報に従って自動運転する。すなわち、ティーチングポイントは携帯端末で変更可能であるため、作業変更のたびにオペレータがショベルを再運転させて教示する必要がなくなり、作業効率の向上が期待される。
　しかしながら、実際の作業現場においては、ショベルなどの作業機械はダンプトラックなどの他車両と遅延なく連携作業を行わなければならない。したがって、上記従来技術のように、時々刻々と変わる現場の状況や地形変化に対応して自動運転の動作を逐次変更する必要があると、ショベルと他車両との連携を遅延なく実施することは困難となる。例えば、ショベルとダンプトラックとの連携が遅延することによって、ダンプトラックの停車時間が増加し、作業現場全体の生産性が低下することが考えられる。また、ショベルに限らず、種々の作業を行う作業機械において、生産性の低下を招くことなくオペレータへの作業負担及び疲労を軽減することが期待されている。
　本発明は上記に鑑みてなされたものであり、作業現場の状況に合わせて自動運転の動作をより容易かつ的確に変更することができ、生産性の低下を抑制しつつオペレータの疲労を軽減することができる作業機械を提供することを目的とする。
　本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、操作装置の操作に応じて動作する作業装置、及び前記作業装置の動作を制御するコントローラを備えた作業機械において、前記作業装置の状態を検出する状態認識センサを備え、前記コントローラは、前記状態認識センサの検出結果に応じて、前記作業機械における予め分類された動作の種類を示す複数の動作モードから、前記作業機械の現在の動作モードと次の動作モードとを予測し、前記作業機械が現在の動作モードから前記次の動作モードに遷移する状態にある場合、前記作業機械の動作制御の種類を示す制御モードを、前記操作装置の操作に応じて前記作業装置を動作させる手動運転モードと、前記操作装置の操作によらずに前記作業装置を動作させる自動運転モードと、の中から前記次の動作モードに対応する制御モードに切り替えて前記作業機械の動作制御を開始するものとする。
　本発明によれば、作業現場の状況に合わせて自動運転の動作をより容易かつ的確に変更することができ、生産性の低下を抑制しつつオペレータの疲労を軽減することができる。
作業機械の一例として示す油圧ショベルの外観を模式的に示す側面図である。 第１の実施の形態における車体制御装置の処理内容を示す機能ブロック図である。 事前設定装置における事前設定情報の設定画面の一例を示す図である。 動作モードの遷移情報および状態遷移条件の関係を示す状態遷移情報の一例を示す図である。 状態遷移条件の一例を示す図である。 表示装置の表示例を示す図である。 車体制御装置の処理内容を示すフローチャートである。 第２の実施の形態における車体制御装置の処理内容を示す機能ブロック図である。
　以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。なお、本発明の実施の形態においては、作業機械として油圧ショベルを例示して説明するが、ホイールローダーやクレーンのように作業装置を備える他の作業機械においても本発明を適用することが可能である。
　＜第１の実施の形態＞
  本発明の第１の実施の形態を図１～図７を参照しつつ詳細に説明する。
　図１は、本実施の形態に係る作業機械の一例として示す油圧ショベルの外観を模式的に示す側面図である。また、図２は、車体制御装置の処理内容を示す機能ブロック図である。
　図１において、大型の油圧ショベル１（作業機械）は、下部走行体２と、下部走行体２の上部に旋回可能に設けられた上部旋回体３と、上部旋回体３の前方に設けられた作業装置４とを備えている。
　下部走行体２は、油圧アクチュエータである左右一対の走行油圧モータ２ａ（図１では一方のみを図示）により走行可能に構成されている。
　上部旋回体３は、油圧アクチュエータである旋回油圧モータ（図示せず）によって旋回駆動される。上部旋回体３の内部には、図示しないが、ディーゼルエンジンなどの原動機、原動機により駆動される油圧ポンプ、油圧ポンプから吐出されて各油圧アクチュエータ（走行油圧モータ２ａ、旋回油圧モータ、ブームシリンダ１４ａ、アームシリンダ１４ｂ、バケットシリンダ１４ｃ、など）に供給される圧油の流量および方向を制御するコントロールバルブなどが配置されている。また、上部旋回体３には、油圧ショベル１の動作を制御するコントローラとして、操作レバー７ａやスイッチ７ｂなどの操作装置の操作に応じて各油圧アクチュエータの動作を制御するための操作信号を生成する車体制御装置６（コントローラ）と、車体制御装置６からの操作信号に応じてコントロールバルブなどを制御する制御信号を生成する油圧回路制御装置５とが設けられている。
　作業装置４は、上部旋回体３の前部に上下方向に回動可能に連結されたブーム４ａと、ブーム４ａの先端部に上下方向に回動可能に連結されたアーム４ｂと、アーム４ｂの先端部に上下方向に回動可能に連結されたバケット４ｃと、上部旋回体３に対してブーム４ａを回動駆動するブームシリンダ１４ａと、ブーム４ａに対してアーム４ｂを回動駆動するアームシリンダ１４ｂと、アーム４ｂに対してバケットを回動駆動するバケットシリンダ１４ｃとから概略構成されている。
　状態認識センサ９は、油圧ショベル１の各部の姿勢や周辺状況を認識するためのセンサである。状態認識センサ９としては、図示しないが、例えば、ブーム４ａの回動角度を検出するブーム角度センサ、アーム４ｂの回動角度を検出するアーム角度センサ、バケット４ｃの回動角度を検出するバケット角度センサ、水平面等の基準面に対する上部旋回体３の傾斜角を検出する傾斜角センサ、下部走行体２に対する上部旋回体３の相対的な角度である旋回角度を検出する旋回角度センサ、外界認識センサとしての３Ｄ－ＬｉＤＡＲ（Light Detection And Ranging）などが設けられている。
　上部旋回体３前方の作業装置の横には、オペレータが搭乗して油圧ショベル１の操作を行う運転室３ａが設けられている。運転室３ａ内には、各油圧アクチュエータを操作するための操作装置として操作レバー７ａが設置されている。操作レバー７ａは、例えば、左右の走行油圧モータをそれぞれ操作するための左右の走行レバーや、作業装置４の各油圧アクチュエータ１４ａ，１４ｂ，１４ｃや旋回油圧モータを操作するための作業操作レバーなどである。また、運転室３ａ内には、油圧ショベル１に設けられたホーンを鳴動させるスイッチ７ｂ（ホーンスイッチ）が配置されている。
　図２において、車体制御装置６は、手動操作部６ａ、自動制御指令生成部６ｂ（アシスト制御部６ｃ、自動運転部６ｄ）、制御モード選択部６ｅ、及び、動作モード予測部１０を備えている。
　手動操作部６ａは、操作レバー７ａにおけるオペレータのレバー操作量および操作方向の信号（操作信号）を受信し、油圧ショベル１を受信した操作信号に応じて駆動させるための制御信号を生成する。
　アシスト制御部６ｃは、操作レバー７ａからの操作信号、スイッチ５ｂ（ホーンスイッチ）の操作信号、及び、状態認識センサ９からの情報に基づいて、オペレータによる油圧ショベル１の操作のアシスト制御を行う制御信号を生成する。アシスト制御としては、例えば、土砂等を運搬する運搬車両であるダンプトラックへの積込動作に必要な上部旋回体３の旋回動作と作業装置４の上げ動作の２つの動作を行う操作のうち、少なくとも一方の操作の制御信号の生成を自動的に行い、他の操作については操作信号に応じた制御信号を生成するものがある。すなわち、例えば、積込動作のアシスト制御において、作業装置４の上げ動作を自動的に行う場合には、オペレータは旋回動作に関する操作レバー７ａの操作を行うだけで、ダンプトラックへの積込動作に必要な程度に作業装置４の上げ動作が行われ、積込動作を半自動的に行うことができる。
　自動運転部６ｄは、スイッチ５ｂの操作信号、及び、状態認識センサ９からの情報に基づいて、オペレータの操作なしで油圧ショベル１を駆動する制御信号を生成する。すなわち、自動運転部６ｄでは、状態認識センサ９によって認識した油圧ショベル１の状態とその周辺状況と、スイッチ５ｂの操作信号とに応じて自動運転の制御信号を生成する。
　制御モード選択部６ｅは、動作モード予測部１０の予測部１０ｅ（後述）からの制御モードの情報に基づいて、油圧回路制御装置５に出力する制御信号を、手動操作部６ａ、アシスト制御部６ｃ、自動運転部６ｄのいずれか１つで生成されたものを選択し、油圧回路制御装置５に出力する。例えば、制御モード選択部６ｅは、予測部１０ｅからの制御モードの情報が「手動運転モード」を示すものである場合には、手動操作部６ａで生成された制御信号を選択して油圧回路制御装置５に出力する。また、制御モード選択部６ｅは、予測部１０ｅからの制御モードの情報が「アシストモード」を示すものである場合には、アシスト制御部６ｃで生成された制御信号を選択して油圧回路制御装置５に出力する。また、制御モード選択部６ｅは、予測部１０ｅからの制御モードの情報が「自動運転モード」を示すものである場合には、自動運転部６ｄで生成された制御信号を選択して油圧回路制御装置５に出力する。
　油圧回路制御装置５は、車体制御装置６からの操作信号に応じてコントロールバルブなどを制御する制御信号を生成する。例えば、制御モード選択部６ｅにおいて、手動操作部６ａで生成された操作信号が選択された場合には、各油圧アクチュエータがオペレータによる操作レバー７ａの操作（操作量および操作方向）に応じた動作となるように、制御信号を生成する。また、制御モード選択部６ｅにおいて、アシスト制御部６ｃで生成された操作信号が選択された場合には、各油圧アクチュエータの少なくとも一部がオペレータによる操作レバー７ａの操作（操作量および操作方向）に応じて動作し、他の油圧アクチュエータが自動で動作するように（すなわち、アシスト制御を行うように）、制御信号を生成する。また、制御モード選択部６ｅにおいて、自動運転部６ｄで生成された操作信号が選択された場合には、各油圧アクチュエータがオペレータによる操作なしで動作するように（すなわち、自動運転を行うように）、制御信号を生成する。
　動作モード予測部１０は、動作モード保管部１０ａ、動作モード遷移生成部１０ｂ、遷移条件生成部１０ｃ、現動作モード推定部１０ｄ、及び、予測部１０ｅを備えている。
　動作モード保管部１０ａは、事前設定装置８で設定された事前設定情報を受信して保管する。
　図３は、事前設定装置における事前設定情報の設定画面の一例を示す図である。
　事前設定装置８は、例えば、タッチパネル式の表示装置であり、表示された設定画面１１を画面上で操作することによって事前設定情報を設定することができる。
　図３において、設定画面１１には、縦方向に動作モードが、横方向に制御モードがそれぞれ示されている。
　動作モードとは、油圧ショベル１（作業機械）における作業の種類を示すものであり、掘削動作モード（掘削）、積込動作モード（積込）、放土動作モード（放土）、戻り動作モード（戻り）、走行動作モード（走行）、連携動作モードなどを定義する。
　堀削動作モードは、掘削位置において作業装置４で対象物である土砂を掘削する掘削動作を行う動作モードである。また、積込動作モードは、対象物である土砂を運搬するダンプトラック（運搬車両）に対する所定の放土位置に、掘削動作によって掘削された土砂を作業装置４で移動させる動作モードである。すなわち、掘削動作および積込動作により、油圧ショベル１で土を掘り、ダンプトラックの上まで移動する。
　放土動作モードは、放土位置において作業装置４からダンプトラック（運搬車両）に土砂を放土する動作モードである。また、戻り動作モードは、作業装置４を放土位置から掘削位置に戻す動作モードである。すなわち、放土動作および戻り動作により、ダンプトラックのベッセル上に土を捨て、再び掘削位置まで戻る。
　走行動作モードは、下部走行体２の走行油圧モータ２ａ（走行装置）の駆動によって油圧ショベル１（作業機械）の位置を移動させて変更する作業モードである。
　連携動作モードは、油圧ショベル１（作業機械）とダンプトラック（運搬車両）との連携動作を行う動作モードである。油圧ショベル１とダンプトラックとの連携は、例えば、スイッチ５ｂによってホーンを鳴らし、ダンプトラックのオペレータに合図をする動作である。
　制御モードとは、油圧ショベル１（作業機械）の動作制御の種類を示すものであり、手動運転モード、アシストモード、自動運転モードなどを定義する。
　手動運転モードは、操作レバー７ａ（操作装置）の操作（操作量、操作方向）に応じて作業装置４等を動作させる制御モードである。また、アシストモードは、操作レバー７ａ（操作装置）の操作（操作量、操作方向）に応じた作業装置４の動作に介入して半自動的に作業装置４等を動作させる制御モードである。また、自動運転モードは、操作レバー７ａ（操作装置）の操作によらずに作業装置４等を動作させる制御モードである。
　設定画面１１では、各動作モードについて、３つの制御モードのうちのいずれか１つを選択的に設定することができる。図３の設定画面１１では、掘削動作モードは手動運転モードに、積込動作モード、放土動作モード、走行動作モード、及び、連携動作モードは自動運転モードに、戻り動作モードはアシストモードにそれぞれ設定されている場合を例示している。
　また、事前設定装置８では、自動制御指令生成部６ｂでの制御実行のトリガとなる操作情報も設定される。トリガとなる操作情報としては、例えば、自動運転モード（制御モード）において、スイッチ５ｂが操作（押下）された情報などであり、このような操作情報に応じて動作を開始する。なお、事前設定装置８による設定画面１１での設定は、油圧ショベル１が稼働している間でも可能としてもよい。
　動作モード遷移生成部１０ｂは、動作モード保管部１０ａに保管されている設定情報を読み込み、設定情報に基づいて動作モードの遷移状態を示す遷移情報を生成する。また、遷移条件生成部１０ｃは、動作モード遷移生成部１０ｂで生成された遷移情報に基づいて、遷移状態間での状態遷移条件を設定する。ここで、各動作モードにおける遷移情報および状態遷移条件の関係を示す情報を状態遷移情報と称する。
　図４は、動作モードの遷移情報および状態遷移条件の関係を示す状態遷移情報の一例を示す図である。
　図４においては、遷移状態として、油圧ショベル１の起動で開始される開始状態（Ｓｔａｒｔ）と、各動作モードに対応する手動操作状態（Ｓ０）、放土状態（Ｓ１）、戻り状態（Ｓ２）、掘削状態（Ｓ３）、積込状態（Ｓ４）、走行状態（Ｓ５）、及び、連携状態（Ｓ６）とが動作モード遷移生成部１０ｂにより生成されている。また、図４においては、遷移状態（Ｓｔａｒｔ），（Ｓ０）～（Ｓ６）間の状態遷移条件（Ｃ０）～（Ｃ９）が遷移条件生成部１０ｃにより生成されている。このように、
　ここで、図４に例示した状態遷移情報（遷移情報と状態遷移条件）について詳述する。
　図５は、状態遷移条件の一例を示す図である。
　図５においては、放土状態（Ｓ１）、戻り状態（Ｓ２）、掘削状態（Ｓ３）、積込状態（Ｓ４）の順に状態遷移し、再び放土状態（Ｓ１）に戻ってくる１サイクルの作業例における状態遷移条件（Ｃ２）～（Ｃ５）を例示している。図５では、下行に遷移条件とする油圧ショベル１とダンプトラック１５の姿勢を側面および上面から見た模式図と条件とを記載している。
　放土状態（Ｓ１）から戻り状態（Ｓ２）へ遷移するための状態遷移条件（Ｃ２）は、例えば、油圧ショベル１のバケット４ｃの位置がダンプトラック１５の外側へ移動し、かつ、バケット４ｃ内の土砂重量が０（ゼロ）トン付近である場合（すなわち、バケット４ｃが空状態である場合）としている。以降、状態認識センサ９としてバケット４ｃ内の土砂重量を計測するためのセンサを備える場合を考える。
　戻り状態（Ｓ２）から掘削状態（Ｓ３）へ遷移するための状態遷移条件（Ｃ３）は、例えば、バケット４ｃの爪先位置が一点鎖線が囲う範囲内へ移動した場合としている。バケット４ｃの位置姿勢は、例えば、次の遷移状態である掘削状態（Ｓ３）で効率的な掘削が可能なバケット４ｃの掘削開始位置となる姿勢とするよう定めても良い。
　掘削状態（Ｓ３）から積込状態（Ｓ４）へ遷移するための状態遷移条件（Ｃ４）は、例えば、バケット４ｃの位置姿勢が一点鎖線が囲う範囲内へ移動し、かつ、状態認識センサ９によりダンプトラック１５の位置を適切に検知済みであり、かつ、バケット４ｃ内の土砂重量が予め定めたしきい値以上である場合（すなわち、バケット４ｃに土砂が積載されている場合）とした。この条件は、状態認識センサ９によって積込目標であるダンプトラック１５の位置を適切に検出した状態で、バケット４ｃをダンプトラック１５の上に安全かつ効率的に移動させる事のできる位置姿勢であり、かつ、バケット４ｃ内に十分な土砂が入っており、効率的な積込が開始できる条件である。
　積込状態（Ｓ４）から放土状態（Ｓ１）へ遷移するための状態遷移条件（Ｃ５）は、例えば、バケット４ｃの位置がダンプトラック１５へ土砂を積込める位置へ移動した場合としている。
　また、図示しないが、遷移状態（Ｓｔａｒｔ），（Ｓ０）～（Ｓ６）間の状態遷移条件（Ｃ０）～（Ｃ９）のうち、状態遷移条件（Ｃ０），（Ｃ１），（Ｃ６）～（Ｃ９）については、以下のように定義する。
　開始状態（Ｓｔａｒｔ）から手動操作状態（Ｓ０）へ遷移するための状態遷移条件（Ｃ０）は、例えば、油圧ショベル１のキーＯＮ操作がなされ、エンジンが始動した場合とする。
　手動操作状態（Ｓ０）から放土状態（Ｓ１）へ遷移するための状態遷移条件（Ｃ１）は、例えば、手動操作により状態遷移条件（Ｃ５）と同じ条件を満たした場合とする。
　戻り状態（Ｓ２）から走行状態（Ｓ５）へ遷移するための状態遷移条件（Ｃ６）は、例えば、操作レバー５ａで走行の操作をした場合とする。
　走行状態（Ｓ５）から掘削状態（Ｓ３）へ遷移するための状態遷移条件（Ｃ７）は、例えば、操作レバー５ａでの走行操作を停止し、遷移条件（Ｃ３）と同じ条件を満たした場合とする。
　放土状態（Ｓ１）から運搬車両との連携状態（Ｓ６）へ遷移するための状態遷移条件（Ｃ８）は、例えば、ダンプトラック１５の積載量が予め定めたしきい値以上になった場合（例えば、満積載近い積載量となった場合など）とする。
　運搬車両との連携状態（Ｓ６）から戻り状態（Ｓ２）へ遷移するための状態遷移条件（Ｃ９）は、例えば、ダンプトラック１５が油圧ショベル１から離れて行った場合（例えば、油圧ショベル１のダンプ検知範囲から外れた場合）とする。
　図２に戻る。
　図２において、動作モード予測部１０の現動作モード推定部１０ｄは、状態認識センサ９からの姿勢情報等に基づいて、油圧ショベル１が現在行っている動作から対応する動作モードを推定し、推定した動作モードを出力する。
　予測部１０ｅは、推定された現在の動作モードと、状態遷移情報（遷移情報と状態遷移条件）とに基づいて、次に行われる動作モードを予測する。また、予測部１０ｅは、事前設定装置８によって現在の動作モードに設定されている制御モードの情報を制御モード選択部６ｅに出力するとともに、予測した動作モードに対応する制御モードの情報を表示装置１３に出力する。
　表示装置１３は、運転室３ａなどに設置されたモニタなどであり、オペレータに映像などの情報を提供するための装置である。表示装置１３は、予測部１０ｅで予測された現在の動作モードに対応する制御モードの情報を受信する。
　図６は、表示装置の表示例を示す図である。
　図６においては、表示装置１３は、油圧ショベル１の現在の状態と制御モード１３ｄとを示す機械状態領域１３ａ、オペレータへ予測した次の動作モードと動作モードに設定された制御モードで必要となるオペレータの操作を表示するトリガ操作表示領域１３ｂ、及び、未達成の状態遷移条件を示す遷移条件領域１３ｃを表示している場合を例示している。図６では、図５に示した積込状態（Ｓ４）への状態遷移条件（Ｃ４）と、積込状態（Ｓ４）に設定された制御モードがアシスト制御である場合の一例を示している。
　動作モードの積込状態Ｓ４の制御モードがアシスト制御に設定された場合、例えば、操作レバー７ａの左旋回操作をアシスト制御の開始のトリガ操作として、油圧ショベル１の上部旋回体３の旋回動作と作業装置４の上昇が半自動的に制御される。なお、トリガ操作表示領域１３ｂでは、例えば、操作する操作レバー７ａの操作方向を絵で表示してもよい。
　以上のように構成した本実施の形態における動作を説明する。
　図７は、車体制御装置の処理内容を示すフローチャートである。
　図７において、車体制御装置６が起動すると、まず、事前設定装置８で設定された設定情報を動作モード保管部１０ａに保存する（ステップＳ１００）。
　続いて、動作モード遷移生成部１０ｂは、各動作モードの遷移状態に関する情報（遷移情報）を生成する（ステップＳ１１０）。
　続いて、遷移条件生成部１０ｃは、生成された遷移情報に基づいて、状態遷移条件を設定する（ステップＳ１２０）。
　続いて、現動作モード推定部１０ｄは、状態認識センサ９からの情報に基づいて、油圧ショベル１の現在の動作モードを推定する（ステップＳ１３０）。図４に示した状態遷移では、車体制御装置６が起動すると状態遷移条件（Ｃ０）が真となり、開始状態（Ｓｔａｒｔ）から自動的に手動操作状態（Ｓ０）へと遷移する。
　続いて、状態認識センサ９による状態遷移条件は真か否かを判定する（ステップＳ１４０）。判定結果がＮＯの場合、すなわち、状態遷移条件を満たしていない場合には、現在の動作モードを保持し（ステップＳ１４１）、ステップＳ１４０の判定処理に戻る。例えば、動作モードが放土状態（Ｓ１）である場合に、状態遷移条件（Ｃ２），（Ｃ８）を満たさない場合には、現在の動作モードを放土状態（Ｓ１）のまま保持し、ステップＳ１４０の判定処理に戻る。
　また、ステップＳ１４０での判定結果がＹＥＳの場合、すなわち、状態遷移条件を満たした場合には、状態遷移条件を満たす次の動作モードに遷移し（ステップＳ１５０）、現動作モード推定部１０ｄは、遷移先の動作モードを現在の動作モードに更新する（ステップＳ１６０）。例えば、手動操作状態（Ｓ０）では、オペレータが操作レバー７ａやスイッチ７ｂを操作することで状態遷移条件（Ｃ１）を満たす。また、例えば、図２に示した設定情報によれば、動作モードの放土状態（Ｓ１）の制御モードは自動運転モードであるため、油圧ショベル１は自動で放土動作を行い、状態遷移条件（Ｃ２）を満たす姿勢に制御され、戻り状態（Ｓ２）に状態遷移する。
　続いて、現在の制御モードが自動運転であり、かつ、操作レバー７ａが予め定めた一定時間以上操作されたか否かを判定する（ステップＳ１７０）。ステップＳ１７０での判定結果がＹＥＳの場合には、現在の動作モードに設定された制御モードを手動運転モード（図３における「手動（ｏｒ遠隔）」に相当）に上書きし、制御モード選択部６ｅに出力し（ステップＳ１７１）、ステップＳ１４０の処理に戻る。例えば、遷移状態が戻り状態（Ｓ２）で制御モードが自動運転モードである場合に、オペレータが操作レバー７ａを一定時間以上操作した場合には、現在の動作モードに設定された制御モードを手動運転モード（図３における「手動（ｏｒ遠隔）」に相当）に切り替えて、オペレータの操作レバー７ａによる油圧ショベル１の制御を優先する。このとき、保存されている設定情報の動作モードである戻り状態（Ｓ２）の制御モードは自動運転モードから手動運転モードに上書きされる。
　また、ステップＳ１７０での判定結果がＮＯの場合、すなわち、自動運転モードにおいてオペレータによる操作介入が無いと判定された場合には、予測部１０ｅは、次の動作モードに設定された制御モードを表示装置１３に出力し（ステップＳ１８０）、現在の動作モードに設定された制御モードを制御モード選択部６ｅに出力して（ステップＳ１９０）、ステップＳ１３０の処理に戻る。例えば、動作モードの遷移状態が戻り状態（Ｓ２）で制御モードが自動運転モードである場合に、オペレータによる操作介入がない場合には、予測部１０ｅは戻り状態（Ｓ２）の次の動作モードである掘削状態（Ｓ３）に設定された制御モードである手動運転モードでの操作情報と掘削状態（Ｓ３）への状態遷移条件（Ｃ３）の情報を表示装置１３に送信して表示し、オペレータに報知する。また、現在の動作モードの遷移状態である戻り状態（Ｓ２）に設定された制御モードである自動運転モードの情報を制御モード選択部６ｅへ出力する。制御モード選択部６ｅは、受信した自動運転モードの情報に基づいて、自動運転部６ｄが算出した油圧ショベル１の制御信号を油圧回路制御装置５へと出力する。これにより、油圧ショベル１は、現在の動作モードである戻り状態（Ｓ２）への動作を自動で実行する。
　以上のように構成した本実施の形態における効果を説明する。
　油圧ショベル（作業機械）の主要な動作である掘削積込に関する生産性は、オペレータの段取り（掘削や放土の位置、作業の順番、掘削量の調整などの判断）が影響する。このようなオペレータの高度な判断力を必要とする作業を自動化するには、あらゆる作業環境に対応した適切な判断処理機能が必要となる。すなわち、自動化を行ったとしても、判断処理機能が対応できない作業環境が存在する場合には、油圧ショベルによる生産性の低下が懸念される。
　一方、オペレータは長時間連続的に作業する場合があり、時間経過に伴う疲労の蓄積によって生産性が低下することがある。また、油圧ショベルの遠隔操作などにおいて、オペレータはモニタなどに表示された映像を見ながら作業を行うが、モニタに表示される映像は遠近感が乏しくなる傾向にあるため、油圧ショベルによるダンプトラックへの土砂等の積込動作のように機械同士の接触リスクがある作業を行う場合には、オペレータは映像を注視しなければならず、油圧ショベルの運転室に搭乗して操作を行うよりも疲労が増加する。
　本実施の形態においては、状態認識センサの検出結果に応じて、油圧ショベル１（作業機械）の現在の動作モードと次の動作モードとを予測し、予測した現在および次の動作モードに応じて、制御モードを選択的に切り替えるように構成した。選択的に切り替える制御モードには、操作レバー７ａ（操作装置）の操作に応じて作業装置４を動作させる手動運転モードと、操作レバー７ａ（操作装置）の操作に応じた作業装置４の動作に介入して半自動的に作業装置４を動作させるアシストモードと、操作レバー７ａ（操作装置）の操作によらずに作業装置４を動作させる自動運転モードとを設定した。すなわち、本実施の形態によれば、作業現場の状況に合わせて自動運転の動作をより容易かつ的確に変更することができ、生産性の低下を抑制しつつオペレータの疲労を軽減することができるので、長時間生産性を高い水準で安定させる事ができる。
　例えば、生産性への影響度が大きい作業（例えば、掘削動作や放土動作）はオペレータが行い、それ以外の生産性への影響度が小さい作業（例えば、積込動作や戻り動作）は自動・半自動化できる。また、遠隔操作において操作の疲労度合いの大きい積込動作などの作業も自動・半自動化による疲労低減効果が見込まれる。これにより、掘削動作や放土動作はオペレータの高度な判断力を活用しつつ、他の作業を一部自動化できるため、高い水準での生産性維持とオペレータの疲労低減とを両立することができる。
　また、掘削積込以外の作業についても、オペレータの段取りが生産性に寄与する作業に対しては手動操作（手動運転モード）を設定し、それ以外の作業を自動・半自動で行うことが可能である。
　また、作業中に地形が大きく変わるような場合、すなわち、自動運転による掘削動作では作業効率に影響が出るような場合には、掘削状態の制御モードを自動運転モードから手動運転モードに切り換えることができる。すなわち、生産性を維持するのに適切な制御モードに適宜変更できる。
　また、オペレータの操作の熟練度に応じて、制御モードを生産性を維持するのに適切な制御モードに変えることができ、作業現場全体の生産性を底上げすることができる。例えば、熟練度が高いオペレータについては、手動操作（手動運転モード）の割合を多く設定することで、高い生産性が得られる。一方で、熟練度が比較的低いオペレータについては、自動・半自動（アシストモード、自動運転モード）の割合を多く設定することで、生産性を向上させるなどができる。
　また、例えば、オペレータの高度な判断力を必要とするため手動操作を行っていた動作モードについて、判断を代替できる自動化機能が得られた場合に、車体制御装置６のソフトウェアを更新し、当該動作モードに対する制御モードの設定を手動運転モードから自動運転モードに変更すれば、自動化機能を容易に向上することができる。すなわち、機械の開発コストを削減することができる。
　また、表示装置１３に制御モードの情報を表示するように構成したので、オペレータが掘削積込の一連の動作モードの遷移に応じてシームレスに操作を行うことができる。例えば、各動作モードとして自動運転モードと手動運転モードとが混在している掘削積込動作においては、状態遷移条件を満たした直後に次の動作モードに応じた操作を必要としている。本実施の形態においては、表示装置１３に状態遷移条件や次の動作モードにおける操作の情報を表示してオペレータに報知するので、オペレータが動作モードに応じたトリガを把握していなくてもトリガを確認できるため、次の動作の開始の遅れを抑制することができ、生産性の低下を抑制することができる。
　また、オペレータによる操作が一定時間以上行われた場合、すなわち、オペレータが意図する操作が明確である場合には、油圧ショベルが自動化作業中であってもオペレータの意図と大きく異なる動作を行わないように、速やかに制御モードを手動運転モードに切り替えるので、生産性の低下を抑制することができる。
　なお、本実施の形態においては、制御モードとして、手動運転モード、アシストモード、自動運転モードの３つを定義し、この中から制御モードを切り替える場合を例示して説明したが、これに限られず、例えば、少なくとも手動運転モードと自動運転モードの２つの制御モードを定義し、この２つの制御モードを切り替えるように構成しても良い。
　＜第２の実施の形態＞
  本発明の第２の実施の形態を図８を参照しつつ説明する。本実施の形態において、第１の実施の形態と同様の部材には同じ符号を付し、説明を省略する。
　本実施の形態は、操作レバー７ａと状態認識センサ９からの情報に基づいて、動作モード遷移生成部１０ｂ及び遷移条件生成部１０ｃで生成される状態遷移情報（遷移情報および状態遷移条件）を更新するものである。
　図８は、本実施の形態における車体制御装置の処理内容を示す機能ブロック図である。
　図８において、車体制御装置６Ａは、手動操作部６ａ、自動制御指令生成部６ｂ（アシスト制御部６ｃ、自動運転部６ｄ）、制御モード選択部６ｅ、及び、動作モード予測部１０Ａを備えている。
　動作モード予測部１０は、動作モード保管部１０ａ、動作モード遷移生成部１０ｂ、遷移条件生成部１０ｃ、現動作モード推定部１０ｄ、予測部１０ｅ、及び、動作モード遷移更新部１０ｆを備えている。
　動作モード遷移更新部１０ｆは、操作レバー７ａと状態認識センサ９からの信号を受け取り、動作モード遷移生成部１０ｂが生成した遷移情報を更新する。
　動作モード遷移生成部１０ｂは、動作モード保管部１０ａに保管されている設定情報を読み込み、設定情報に基づいて動作モードの遷移状態を示す遷移情報を生成する。また、動作モード遷移更新部１０ｆで新たに生成された動作モードの遷移情報に応じて、遷移情報を更新する。
　遷移条件生成部１０ｃは、動作モード遷移生成部１０ｂで生成された遷移情報に基づいて、遷移状態間での状態遷移条件を設定する。
　このように、本実施の形態においては、作業環境の変化に応じて、状態遷移情報（遷移情報および状態遷移条件）が更新される。
　その他の構成は第１の実施の形態と同様である。
　以上のように構成した本実施の形態における作用効果を説明する。
　動作モード遷移更新部１０ｆは、オペレータの手動操作時の操作レバー５ａの操作履歴情報とその際の状態認識センサ９から油圧ショベル１の作業情報を収集する。動作モード遷移更新部１０ｆは、収集した作業情報の時系列データを分類し、新たな動作モードを生成する。分類方法としては、例えば、Ｓｕｐｐｏｒｔ　Ｖｅｃｔｏｒ　Ｍａｃｈｉｎｅなどの統計的なクラスタリングアルゴリズムを利用することができる。また、遷移情報の更新時に、状態認識センサ９の情報に基づいて、新たに生成した動作モードの遷移状態の情報（遷移情報）に対応した状態遷移条件を設定する。
　事前設定装置８で設定した動作モードや動作モード遷移生成部１０ｂが生成した状態遷移情報の初期情報は、車体制御装置６に予め設定されたものを使用する。しかしながら、油圧ショベル１が作業する環境は多種多様であるため、状態遷移情報が初期情報のままで作業を行う場合には、制御モードが自動運転モードとなった場合に、作業環境に十分対応ができなくなることが考えられる。
　そこで、本実施の形態においては、オペレータの手動操作時の操作レバー７ａの操作履歴情報とその際の状態認識センサ９の検出結果に基づいて油圧ショベル１の作業情報を分析し、動作モード遷移更新部１０ｆが作業環境に適した動作モードを追加・修正して状態遷移情報を更新するように構成した。すなわち、作業環境に適した動作モードに対し動作モード遷移生成部１０ｂは適切な遷移情報を生成し、遷移条件生成部１０ｃで生成される状態遷移条件を含む状態遷移情報を更新することができる。その結果、新たな作業環境においても十分適合した自動化・半自動動作を得ることができ、生産性とオペレータの疲労低減とを両立することができる。
　＜付記＞
  なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内の様々な変形例や組み合わせが含まれる。
　例えば、上記の実施の形態においては、作業機械として油圧ショベルを例示して説明したが、これに限られず、例えば、電気モータなどにより駆動される電気駆動方式の作業機械においても本発明を適用することができる。
　また、上記の実施の形態においては、表示装置１３への表示によってオペレータに情報を報知する場合を例示して説明したが、これに限られず、例えば、音声などのように表示以外の方法において情報をオペレータに報知する場合においても本発明を適用することができる。
　また、上記の実施の形態においては、運転室３ａに、オペレータによる油圧ショベル１（作業機械）の操作に係る構成である操作レバー７ａ、スイッチ７ｂ、事前設定装置８、表示装置１３などを配置し、車体制御装置６，６Ａに、自動運転・半自動運転の制御に係る機能部である自動制御指令生成部６ｂ（アシスト制御部６ｃ、自動運転部６ｄ）、制御モード選択部６ｅ、動作モード予測部１０，１０Ａなどを設けた場合を例示して説明したが、これに限られず、例えば、油圧ショベル１（作業機械）の操作に係る構成や自動運転・半自動運転の制御に係る機能部を油圧ショベル１の外部に設けられた遠隔操作室などに配置し、無線装置によって油圧ショベル１と通信可能に構成してもよい。
　また、本発明は、上記の実施の形態で説明した全ての構成を備えるものに限定されず、その構成の一部を削除したものも含まれる。また、上記の各構成、機能等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等により実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。
　１…油圧ショベル、２…下部走行体、２ａ…走行油圧モータ、３…上部旋回体、３ａ…運転室、４…作業装置、４ａ…ブーム、４ｂ…アーム、４ｃ…バケット、５…油圧回路制御装置、５ａ…操作レバー、５ｂ…スイッチ、６，６Ａ…車体制御装置、６ａ…手動操作部、６ｂ…自動制御指令生成部、６ｃ…アシスト制御部、６ｄ…自動運転部、６ｅ…制御モード選択部、７ａ…操作レバー、７ｂ…スイッチ、８…事前設定装置、９…状態認識センサ、１０，１０Ａ…動作モード予測部、１０ａ…動作モード保管部、１０ｂ…動作モード遷移生成部、１０ｃ…遷移条件生成部、１０ｄ…現動作モード推定部、１０ｅ…予測部、１０ｆ…動作モード遷移更新部、１１…設定画面、１３…表示装置、１３ａ…機械状態領域、１３ｂ…トリガ操作表示領域、１３ｃ…遷移条件領域、１３ｄ…制御モード、１４ａ…ブームシリンダ、１４ｂ…アームシリンダ、１４ｃ…バケットシリンダ、１５…ダンプトラック、Ｃ０～Ｃ９…状態遷移条件、Ｓ０…手動操作状態、Ｓ１…放土状態、Ｓ２…戻り状態、Ｓ３…掘削状態、Ｓ４…積込状態、Ｓ５…走行状態、Ｓ６…連携状態、Ｓｔａｒｔ…開始状態

Claims (9)

  1. 　操作装置の操作に応じて動作する作業装置、及び前記作業装置の動作を制御するコントローラを備えた作業機械において、
    　前記作業装置の状態を検出する状態認識センサを備え、
    　前記コントローラは、
    　前記状態認識センサの検出結果に応じて、前記作業機械における予め分類された動作の種類を示す複数の動作モードから、前記作業機械の現在の動作モードと次の動作モードとを予測し、
    　前記作業機械が前記現在の動作モードから前記次の動作モードに遷移する状態にある場合、前記作業機械の動作制御の種類を示す制御モードを、前記操作装置の操作に応じて前記作業装置を動作させる手動運転モードと、前記操作装置の操作によらずに自動的に前記作業装置を動作させる自動運転モードと、の中から前記次の動作モードに対応する制御モードに切り替えて前記作業機械の動作制御を開始することを特徴とする作業機械。
  2. 　請求項１記載の作業機械において、
    　前記コントローラは、前記制御モードを、前記手動運転モードと、前記自動運転モードと、前記操作装置の操作に応じつつ前記作業装置の動作に介入して半自動的に前記作業装置を動作させるアシストモードと、の中から切り替えることを特徴とする作業機械。
  3. 　請求項１記載の作業機械において、
    　走行可能に設けられた下部走行体と、
    　前記下部走行体の上部に旋回可能に設けられ、対象物の掘削および運搬を行う前記作業装置が設けられた上部旋回体とを備えたことを特徴とする作業機械。
  4. 　請求項２記載の作業機械において、
    　前記複数の動作モードは、
    　掘削位置において前記作業装置で対象物を掘削する掘削動作を行う堀削動作モードと、
    　対象物を運搬する運搬車両に対する所定の放土位置に、掘削動作によって掘削された対象物を前記作業装置で移動させる積込動作モードと、
    　放土位置において前記作業装置から前記運搬車両に対象物を放土する放土動作モードと、
    　前記作業装置を放土位置から掘削位置に戻す戻り動作モード、
    　走行装置によって前記作業機械の位置を変更する走行動作モードと、
    　前記作業機械と前記運搬車両との連携動作を行う連携動作モードと
    を含むことを特徴とする作業機械。
  5. 　請求項１記載の作業機械において、
    　前記コントローラは、オペレータからの入力によって前記複数の動作モードのそれぞれに対応する前記制御モードを予め設定し、設定内容と予測された前記動作モードとに応じて制御モードを切り替えることを特徴とする作業機械。
  6. 　請求項１記載の作業機械において、
    　オペレータに情報を提示する表示装置を備え、
    　前記コントローラは、
    　次の動作モードに移行するために必要な条件と、
    　次の動作モードおいてオペレータに要求される操作内容とを前記表示装置に表示させることを特徴とする作業機械。
  7. 　請求項１記載の作業機械において、
    　前記コントローラは、制御モードが自動運転モードの際に前記操作装置が操作された場合には、制御モードを現在の動作モードが次の動作モードに切り替わるまで自動運転モードから手動運転モードに切り替えることを特徴とする作業機械。
  8. 　請求項１記載の作業機械において、
    　前記状態認識センサは、姿勢センサと、車両検知センサと、前記作業装置が保持する物質の重量を計測するペイロードセンサとを含むことを特徴とする作業機械。
  9. 　請求項１記載の作業機械において、
    　前記コントローラは、過去の手動操作による作業を学習して、次の動作モードの予測に用いる情報を含む状態遷移設定を追加および上書きする機能を備えることを特徴とする作業機械。
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