JP6314105B2

JP6314105B2 - 軌道生成装置および作業機械

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Publication number: JP6314105B2
Application number: JP2015043086A
Authority: JP
Inventors: 哲司中村; 柄川　索; 索柄川
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2015-03-05
Filing date: 2015-03-05
Publication date: 2018-04-18
Anticipated expiration: 2035-03-05
Also published as: US20160258128A1; JP2016160718A; US9752298B2

Description

本発明は、軌道生成装置および作業機械に関する。

一般に油圧ショベルに代表されるバケットが設けられた作業機械は、車体から順次連結される関節機構を駆動してバケットを掘削対象に貫入させることで土砂を掘削し、掘削した土砂を運搬機械へ積込み、これらの作業を交互に繰返して運搬機械を土砂で満杯にする掘削・積込作業を行う。

掘削・積込作業の効率は運搬機械を過不足なく満杯にするまでに要した作業時間で表される。このとき、バケットの貫入量が多い場合、掘削対象からバケットに加わる負荷が過大となり、作業機械の最大発生力を上回り掘削動作が途中で停止してしまう、または動作が遅くなることにより、作業時間が増大し作業効率が低下してしまうという問題があった。また、掘削対象が固く重い場合も同様に、作業機械の最大発生力を上回り掘削動作が停止してしまう、または動作が遅くなることにより作業効率が低下してしまうという問題があった。

これに対し、掘削作業中に動作の修正を行うことで負荷を低減する技術の開発も行われている。特許文献１には、作業機械のバケットの角度から作業中の負荷を演算し、上限を上回る場合は動作修正を判断して、作業機械のブームを上げる制御を実施する建設機械が開示されている。

特開２０１１‐２５２３３８号公報

特許文献１の建設機械は、負荷を減ずるようにブームを持上げる操作を行うため、十分な掘削量を得る前にブームを持ちあげた場合に掘削量が低下し、作業効率が低下するという問題があった。

本発明は、掘削量が一定に近づくような軌道を作りつつ、作業効率を上げることを目的とする。

上記課題を解決するための本発明の特徴は、例えば以下の通りである。

掘削中にバケット１５にかかる実負荷と基準負荷との差が所定値以上のときに軌道生成の指令を出力する軌道生成判断部６２と、前記指令が出力された後に作業量が一定に近づくような軌道を生成する候補軌道生成部７０と、を備える軌道生成装置である。

本発明によれば、掘削量が一定に近づくような軌道を作りつつ、作業効率を上げることができる。上記した以外の課題、構成及び効果は以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の一実施例を示す油圧ショベルの外観図である。本発明の一実施例を示す油圧ショベルを駆動する油圧駆動装置の回路図である。本発明の一実施例を示す油圧ショベルを駆動する制御装置のブロック図である。本発明の一実施例を示す油圧ショベルを駆動する軌道生成コントローラの機能の詳細を示すブロック図である。油圧ショベルのパラメータを示す側面図である。油圧ショベルによる掘削作業の一例を示す側面図であり、掘削中における複数の作業具位置を示す側面図である。作業具の軌道に関するパラメータを示す断面図である。作業具の軌道生成方法を示すフローチャートである。作業具の軌道追従制御方法を示すフローチャートである。作業具の軌道の生成が必要か否かを判定する方法と、負荷パラメータを更新する方法を示すフローチャートである。生成した作業具の軌道を示す断面図である。作業具の軌道位置に対する負荷の大きさを示すグラフであり、実負荷と負荷の予測の差が所定値以上となり、軌道の修正を実施する条件を示すグラフである。作業具の軌道位置に対する負荷の大きさを示すグラフであり、実負荷が所定値以上となり、軌道の修正を実施する条件を示すグラフである。

以下、発明の実施形態について図面を用いて説明する。以下の説明は本発明の内容の具体例を示すものであり、本発明がこれらの説明に限定されるものではなく、本明細書に開示される技術的思想の範囲内において当業者による様々な更新および修正が可能である。また、本発明を説明するための全図において、同一の機能を有するものは、同一の符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。

図１乃至図４を用いて、作業機械、および作業機械に取り付けられた制御装置と軌道生成コントローラ（軌道生成装置）の構成について説明する。

図１は作業機械の一例である油圧ショベル１の外観図である。油圧ショベル１は下部走行体１０と、下部走行体を駆動する左走行モータ１７、右走行モータ１８と、下部走行体１０に旋回可能に設けられた上部旋回体１１と、上部旋回体１１を旋回させる旋回モータ１６と、上部旋回体１１に回動可能に設けられたブーム１３と、ブーム先端に回動可能に設けられたアーム１４と、アーム先端に回動可能に設けられたバケット１５と、ブーム１３、アーム１４、バケット１５をそれぞれ回動させるためのシリンダ１９乃至２１と、操作者が乗り込みショベルを操作する操作室２２と、操作室２２内に設けられた図示しない制御レバー２６と、図示しないオペレータインターフェース２７によって構成されている。フロント機構１２は、ブーム１３、アーム１４、バケット１５、シリンダ１９乃至２１によって構成されている。操作室２２の前方には掘削面３の形状を取得する測距カメラ３１が備えられている。また、ブーム１３、アーム１４、バケット１５は、それぞれの回動角を検出する角度センサ３０ｂ乃至３０ｄを備える。シリンダ１９乃至２１は、それぞれの圧力を検出する図示しない圧力センサ３６a乃至３６ｆを備える。油圧ショベル１は、制御レバー２６、角度センサ３０ｂ乃至３０ｄ、圧力センサ３６a乃至３６ｆから出力される情報に基づいてフロント機構１２の動作を生成する軌道生成コントローラ（軌道生成装置）２５を備えている。

図２は本実施例の一例を示す油圧ショベル１に搭載され、旋回モータ１６と走行モータ１７、１８とシリンダ１９乃至２１を駆動する油圧駆動装置の回路図である。油圧駆動装置４０は、エンジン２４によって駆動される油圧ポンプ４１と、油圧ポンプ４１から旋回モータ１６、走行モータ１７、１８、およびシリンダ１９乃至２１に供給する作動油の流れを制御する油圧制御弁４２と、戻り油を貯留するタンク４３を備えている。

油圧制御弁４２は軌道生成コントローラ２５と接続され、軌道生成コントローラ２５から出力される電気信号により各アクチュエータに供給する圧油の量を調整することが可能なように構成されている。

油圧ポンプ４１から吐出される圧油の油路には、リリーフ弁４４が接続されており、油路の最大圧力を調整することが可能なように構成されている。また、油圧制御弁４２とシリンダ１９乃至２１を接続する圧油の油路には、リリーフ弁４５a乃至４５ｆが接続されており、それぞれの油路の最大圧力を調整することが可能なように構成されており、リリーフ弁４５a乃至４５ｆの設定によりシリンダ１９乃至２１の最大発生力が定まる。

油圧制御弁４２とシリンダ１９乃至２１を接続する圧油の油路には圧力センサ３６a乃至３６ｆが取付けられ、シリンダ１９乃至２１内の圧力を計測することが可能なように構成されている。

図３は本実施例の一例を示す油圧ショベル１を駆動する制御装置のブロック図である。軌道生成コントローラ２５は測距カメラ３１の測距データ、およびオペレータインターフェース２７により与えられる設定値に基づいて掘削作業の候補軌道と生成軌道を生成するように構成される。また、軌道生成コントローラ２５はフロント機構の角度情報を角度センサ３０ｂ乃至３０ｄから取得し、生成した生成軌道に沿うように油圧制御弁４２を駆動し、シリンダ１９乃至２１を駆動するための指示を出すように構成される。さらに、軌道生成コントローラ２５はシリンダ１９乃至２１の圧力に関する情報を圧力センサ３６a乃至３６ｆから取得し、バケット１５の現在位置と、バケット１５に作用する負荷を演算することができるように構成される。

軌道生成コントローラ２５には制御レバー２６が接続され、オペレータによりフロント機構１２を直接駆動することが可能なようにも構成されている。

図４は本実施例の一例を示す軌道生成コントローラ２５の機能の詳細を示すブロック図である。軌道生成コントローラ２５は、オペレータインターフェース２７によりオペレータが入力した軌道生成に関する設定値を格納する設定値格納部５１と、角度センサ３０ｂ乃至３０ｄから出力されるフロント機構１２の角度情報に基づいてバケット１５の現在位置を検出するバケット位置検出部５３と、圧力センサ３６ａ乃至３６ｆから出力されるシリンダ１９乃至２１の圧力情報とバケット位置検出部５３から出力されるバケット位置に基づいてバケット１５に作用する負荷を検出する負荷検出部６０を備えている。図４では、角度センサ３０ｂ乃至３０ｄをまとめて角度センサ３０、圧力センサ３６ａ乃至３６ｆをまとめて圧力センサ３６と表記している。本実施例ではバケット１５の現在位置は、バケット１５の先端の現在位置として説明する。

また、軌道生成コントローラ２５は、設定値格納部５１から出力される設定値と測距カメラ３１から出力される測距データとバケット位置検出部５３と後述する軌道生成判断部６２の軌道生成（再計画）判断とに基づいて作業中のバケット１５の現在位置を始点とした、作業量が一定に近づくような複数の候補軌道を生成する候補軌道生成部７０と、後述する負荷パラメータ更新部６４から出力される負荷パラメータと候補軌道生成部７０から出力される複数の候補軌道とに基づいて複数の候補軌道の推定負荷を演算する推定負荷演算部６３と、推定負荷演算部６３から出力される複数の候補軌道の推定負荷に基づいて複数の候補軌道の評価量を演算する軌道評価部７１と、軌道評価部７１から出力される複数の候補軌道の評価量に基づいて複数の候補軌道の中から最適な評価量を有する生成軌道を選択する軌道選択部７２と、軌道選択部７２で選択された生成軌道を格納する軌道格納部７３を備えている。

また、軌道生成コントローラ２５は、制御レバー２６から出力されるオペレータの制御指令とオペレータインターフェース２７の設定値とに基づいて操作を自動で行うか手動で行うかを判断しレバー操作量の出力を調整する操作切替部５４と、軌道格納部７３から出力される生成軌道とバケット位置検出部５３から出力されるバケット現在位置と操作切替部５４から出力されるレバー操作量とに基づいてバケット１５の駆動操作量を演算する軌道追従制御部８０を備えている。軌道追従制御部８０は、軌道格納部７３から出力される生成軌道とバケット位置検出部５３から出力されるバケット現在位置との差である位置差量を演算する位置差演算部８１と、位置差演算部８１から出力される位置差量と操作切替部５４から出力されるレバー操作量とに基づいてシリンダ１９乃至２１の制御量を演算しシリンダ１９乃至２１を駆動する油圧制御弁４２の操作量を出力する操作量演算部８２により構成される。つまり、軌道追従制御部８０はシリンダ１９乃至２１を駆動する油圧制御弁４２の操作量を出力することで、軌道選択部７２で選択された生成軌道に沿ってバケット１５を制御する。

また、軌道生成コントローラ２５は、負荷検出部６０から出力されたバケット１５に作用する実負荷に基づいて推定負荷の演算に用いる負荷パラメータを更新する負荷パラメータ更新部６４と、前述した推定負荷演算部６３で演算され前述した軌道選択部７２で選択された生成軌道における推定負荷を格納する推定負荷格納部６５と、負荷検出部６０から出力される実負荷と推定負荷格納部６５から出力される推定負荷との差である負荷差を演算する負荷差演算部６１と、負荷差演算部６１から出力されるバケット１５に作用する負荷の負荷差と所定値に基づいて候補軌道の生成が必要か否かを掘削最中に判断し候補軌道生成部７０に候補軌道の生成を行うように指令を出力する軌道生成判断部６２を備えている。つまり、軌道生成判断部６２の指令が出力された後に、作業量が一定に近づくような候補軌道を候補軌道生成部７０が生成する。軌道生成判断部６２は負荷差に基づいて候補軌道の生成が必要か否かを判断するだけでなく、実負荷と所定値に基づいて判断を行ってもよい。負荷パラメータ更新部６４は、軌道生成判断部６２が軌道生成を行うと判断した後に負荷パラメータの更新を行っても良い。

図５は油圧ショベル１の長さと角度に関するパラメータを示す側面図である。ブーム１３は、ブーム１３の回転支点Ｐ２とアーム１４の回転支点Ｐ３間の線分ａ２として表される。同様にアーム１４は、アーム１４の回転支点Ｐ３とバケット１５の回転支点Ｐ４間の線分ａ３、バケット１５はバケット１５の回転支点Ｐ４とバケット１５の先端位置Ｐｔ間の線分ａ４として表される。

ブーム角度θ２はブーム１３の回転支点Ｐ２と水平面が成す角度として表され、同様にアーム角度θ３はａ２の延長とａ３が成す角度、バケット角度θ４はａ３の延長とａ４が成す角度、バケット姿勢角θはａ４と水平面が成す角度として表される。

ブームシリンダ推力をＦ２、ブーム１３の回転支点Ｐ２とブーム１３におけるブームシリンダ１９の支点Ｐ２１間の線分をｌ２１、支点Ｐ２１と上部旋回体１１におけるブームシリンダ１９の支点Ｐ２２間の線分をｌ２２、ｌ２１とｌ２２が成す角度をφ２とすると、ブーム１３の回転支点Ｐ２に作用するブームトルクτ２はτ２＝Ｆ２×ｌ２１×ｓｉｎ（φ２）として表される。同様にアームトルクτ３、バケットトルクτ４はアームシリンダ推力Ｆ３、アームシリンダ推力Ｆ４の関数として表される。なおシリンダ推力Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４はシリンダ圧力とシリンダの受圧面積の積として表される。

バケット１５の先端位置Ｐｔの座標はフロント機構の幾何学的関係から表すことができる。

バケット１５の先端に作用する掘削負荷Ｆｒはトルクτ２乃至τ４とフロント機構の幾何学的関係を逆変換した結果を用いて表すことができる。

図６は油圧ショベルによる掘削作業の一例を示す側面図であり、掘削中における複数の作業具位置を示す側面図である。通常油圧ショベル１は、掘削面３の掘削開始点Ｐｓから掘削終了点Ｐｅまでを円弧状の掘削軌道６に沿って連続的にバケット１５を駆動し、掘削作業を行う。

通常油圧ショベル１は、例えばダンプといった運搬機械が満杯になるまで掘削作業と積込作業を交互に繰返す。このとき運搬機械を満杯にする作業の効率を向上させるためには、掘削作業において積込作業の回数を少なくし、かつ過剰な掘削量による掘削時間の増大を防ぐために過不足のない適切な量を可能な限り早く掘削することが望ましい。

次に本発明の実施形態の一例である油圧ショベル１が作業を更新する方法、および作業を修正する方法を図７乃至図１０を用いて説明する。

図７はバケット１５の掘削軌道６に関するパラメータを示す断面図である。油圧ショベル１における掘削量は、掘削面３上の掘削開始点Ｐｓから掘削終了点Ｐｅまでの表面形状と掘削軌道６によって囲まれる通過面積Ｓの関数として表すことができる。本実施例では通過面積Ｓとバケット１５の幅Ｗとの積で掘削量を算出する。

掘削軌道６は掘削量と掘削開始点Ｐｓ、掘削終了点Ｐｅとオペレータインターフェース２７で設定する複数の設定値をパラメータとする関数で表現することができる。本実施例では掘削軌道６を、掘削開始点Ｐｓと、掘削終了点Ｐｅと、測距カメラ３１から出力された掘削面３の形状と平行に最大掘削深さＨｍａｘだけシフトした形状上の点の３点を結ぶ曲線として表す。この曲線は、例えば真円の円弧や楕円の円弧、３点を用いたベジェ曲線などが考えられる。このとき、掘削開始点Ｐｓを固定し通過面積Ｓを一定にする制約を与えると、最大掘削深さＨｍａｘに対応した掘削終了点Ｐｅを一意に得ることができる。

バケット１５の先端に作用する掘削負荷Ｆｒのうち、バケット１５の先端に実際に作用している掘削負荷Ｆｒを実負荷Ｆｒ２、掘削深さＨを用いて掘削負荷関数として表した掘削負荷Ｆｒを推定負荷Ｆｒ１とする。掘削負荷関数の数式は実測のデータを回帰することにより求められた関数であり、本実施例では、掘削対象の負荷パラメータＣ１、Ｃ２を用いてＦｒ１＝Ｃ１×ｆ（Ｈ）＋Ｃ２と表す。このｆ（Ｈ）は候補軌道であり、掘削開始点Ｐｓの位置、通過面積Ｓ、仮の最大掘削深さＨｍａｘに基づいて掘削深さＨを与えた軌道である。

図８は軌道生成コントローラ２５において作業具の軌道生成方法を示すフローチャートである。

＜Ｓ１００＞
軌道生成が開始されると、設定値格納部５１から出力される軌道生成に用いるパラメータである掘削開始点Ｐｓの位置、通過面積Ｓを取得する。

＜Ｓ１０１＞
次に、バケット位置検出部５３から出力されるバケット１５の先端位置Ｐｔの座標を取得する。

＜Ｓ１０２＞
次に、測距カメラ３１から出力された掘削面３の形状を取得する。

＜Ｓ１０３＞
次に、負荷パラメータ更新部６４で出力された負荷パラメータＣ１、Ｃ２を取得する。負荷パラメータＣ１、Ｃ２の初期値は設定器を用いて予め設定する。

＜Ｓ１０４＞
次に、取得した設定パラメータである掘削開始点Ｐｓの位置、通過面積Ｓ、仮の最大掘削深さＨｍａｘに基づいて掘削深さＨを与えた複数の候補軌道を生成する。

＜Ｓ１０５＞
複数の候補軌道の推定負荷Ｆｒ１を負荷パラメータＣ１、Ｃ２に基づいてそれぞれ演算する。

＜Ｓ１０６＞
次に、複数の候補軌道の推定負荷Ｆｒ１の積分であるバケット１５の仕事量をそれぞれ演算し、仕事量を候補軌道の評価量として出力する。

＜Ｓ１０７＞
次に、Ｓ１０６で得られた複数の評価量の中から評価量が最小の軌道を選択する。この評価量が最小の軌道を生成軌道とする。

＜Ｓ１０８＞
次に、評価量が最小の軌道を軌道格納部７３へ格納し、同時にＳ１０５で評価が最小の軌道における推定負荷Ｆｒ１を推定負荷格納部６５へ格納する。

図８では１度に複数の候補軌道を求め、その中から評価量が最小の軌道を選択するフローを示した。しかし、複数ではなく１つの候補軌道を生成して評価量を求め、評価量が最小の軌道が求まるまで候補軌道を生成する方法も考えられる。例えば、生成された１つの候補軌道の評価量演算をＳ１０６で行い、評価量が最小ではない場合にＳ１０４に戻り新たな候補軌道を生成し、評価量を求める方法が考えられる。評価量が最小の軌道を選択することで、負荷を減じた適切な軌道を選択することができる。

図９は軌道追従制御部８０において作業具の軌道追従制御方法を示すフローチャートである。

＜Ｓ２００＞
軌道追従制御が開始されると、軌道格納部７３に格納している生成軌道を取得する。

＜Ｓ２０１＞
次に、軌道追従制御のためにバケット１５の先端位置Ｐｔを取得する。

＜Ｓ２０２＞
次に、バケット位置検出部５３から出力されるバケット１５の先端位置Ｐｔと生成軌道の位置差を演算する。

＜Ｓ２０３＞
次に、設定値格納部５１で設定したオペレータによる制御の受付手法の指令と操作切替部５４から出力される操作指示量を取得する。

＜Ｓ２０４＞
次に、軌道の位置差とオペレータによる制御の受付手法の指令と操作指示量とに基づいて油圧制御弁４２への操作量を演算する。これにより、取得した生成軌道に沿ってバケット１５が駆動するように、フィードバック制御を行うことができる。

＜Ｓ２０５＞
次に、油圧制御弁４２へ操作量を出力し、油圧駆動装置４０により作業具を駆動する。

＜Ｓ２０６＞
次に、掘削作業が終了しているか否かを判定し、作業が終了していると判定された場合は軌道追従制御を終了する。作業が終了していないと判定された場合は、負荷検出セクションＡへ進む。

＜Ｓ２０７＞
負荷検出セクションＡから復帰すると、負荷検出セクションＡにおいて軌道生成の指示が出力されているか否かを判定する。軌道生成が指示されていないと判定された場合はＳ２０１へ戻り、生成軌道の追従を続行する。軌道生成が指示されていると判定された場合はＳ２００へ戻り、新たな生成軌道を取得し軌道の追従を続行する。

負荷検出セクションＡが終了するタイミングは図９のＳ２０２より前でもよく、負荷検出セクションＡの計算量によっては、例えばＳ２０５直後などいつでも良い。

図１０は負荷検出セクションＡのフローチャートであり、軌道生成コントローラ２５において軌道の生成が必要か否かを判定する方法と、負荷パラメータを更新する方法を示すフローチャートである。

＜Ｓ３００＞
まず、圧力センサ３６の出力に基づいてシリンダの圧力情報を取得する。

＜Ｓ３０１＞
次に、シリンダの圧力情報に基づいてシリンダ推力Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４を演算し、シリンダ推力Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４とバケット位置検出部５３から出力されるバケット１５の位置に基づいて、バケット１５の先端に作用する実負荷Ｆｒ２を演算する。

＜Ｓ３０２＞
次に、負荷差演算部６１で求めた実負荷Ｆｒ２と基準負荷である推定負荷Ｆｒ１との差である負荷差Ｆｅｒｒｏｒが、所定値Ｆｔｈｒｅｓｈｏｌｄ以上か否かを軌道生成判断部６２で判定する。つまり軌道生成判断部６２は、掘削中に実負荷Ｆｒ２と基準負荷である推定負荷Ｆｒ１との差が所定値Ｆｔｈｒｅｓｈｏｌｄ以上のときに軌道生成の指令を出力する。所定値Ｆｔｈｒｅｓｈｏｌｄは、例えば推定負荷Ｆｒ１の最大値の０．２倍以上０．４倍以下として設定する。

＜Ｓ３０３＞
ＦｅｒｒｏｒがＦｔｈｒｅｓｈｏｌｄより小さいと判定された場合は、実負荷Ｆｒ２と基準負荷である所定の許容負荷Ｆｍａｘの差が、所定値以上か否かを軌道生成判断部６２で判定する。つまり軌道生成判断部６２は、掘削中に実負荷Ｆｒ２と基準負荷である許容負荷Ｆｍａｘとの差が所定値以上のときに軌道生成の指令を出力する。本実施例では、所定値の値は０としている。Ｆｒ２がＦｍａｘより小さい場合は軌道追従制御部８０へ復帰する。このように、軌道生成判断部６２は、掘削中に実負荷Ｆｒ２と基準負荷との差が所定値以上のときに軌道生成の指令を出力する。

＜Ｓ３０４＞
負荷差Ｆｅｒｒｏｒが所定値Ｆｔｈｒｅｓｈｏｌｄ以上と判定された場合、または実負荷Ｆｒ２が許容負荷Ｆｍａｘ以上と判定された場合は、掘削対象の負荷パラメータを更新する。負荷パラメータＣ１とＣ２は、実負荷Ｆｒ２の推移と掘削深さＨの推移に基づいて最小二乗法により演算することができる。

＜Ｓ３０５＞
次に、候補軌道生成部７０へ候補軌道を新たに生成する指示を出力し、負荷検出セクションＡは終了する。

図１０ではＳ３０２の次にＳ３０３を行う例を挙げたが、Ｓ３０２とＳ３０３の順番は入れ替わっていても良い。他には、Ｓ３０２でＮｏの場合にＳ３０３に移行せずに軌道追従制御部８０へ復帰しても良い。つまり、Ｓ３０２またはＳ３０３の片方のステップのみで復帰しても良い。他には、Ｓ３０４とＳ３０５の順番は入れ替わっていても良い。

図１１乃至図１３を用いて作業の修正動作を説明する。

図１１は生成した作業具の軌道を示す断面図である。油圧ショベル１が掘削作業を実施し、掘削軌道６上の点Ｐｃで軌道の生成がなされると新たな生成軌道７へと遷移する。生成軌道７は、軌道選択部７２によって複数の候補軌道の中から選択された軌道である。このとき、掘削軌道６に沿って掘削を行った場合と生成軌道７に沿って掘削を行った場合の通過面積Ｓは、同じ値になるようにする。これにより、掘削量が一定に近づくような、望ましくは掘削量が一定である新たな生成軌道７に沿って掘削を行うことができる。

図１２は軌道位置に対する掘削負荷Ｆｒの変化を表すグラフである。バケット１５の位置が進むに連れて、つまり掘削が進行するに連れて、掘削深さＨは増大し、実負荷Ｆｒ２が増大する。軌道生成時の負荷パラメータＣ１とＣ２が小さいとき推定負荷Ｆｒ１は小さくなることから負荷差Ｆｅｒｒｏｒは増大する。軌道上の点Ｐｃ上で負荷差Ｆｅｒｒｏｒが所定値Ｆｔｈｒｅｓｈｏｌｄ以上となると、生成軌道７はバケット１５の先端にかかる負荷を正しく推定できていないと考えられる。そこで、負荷差Ｆｅｒｒｏｒが所定値Ｆｔｈｒｅｓｈｏｌｄ以上の場合、Ｓ３０４とＳ３０５（図１０参照）において負荷パラメータＣ１とＣ２の更新と軌道の生成指示が出力され新たな軌道を生成する。これにより、バケット１５の先端にかかる負荷を正しく推定した生成軌道７を生成することができる。新たな生成軌道７は負荷を減じて、かつ作業量が一定に近づくような、望ましくは作業量が一定である生成軌道７となることから、掘削の作業効率を上げることができる。

図１３は軌道位置に対する異なる掘削負荷Ｆｒの変化を表すグラフである。バケット１５の位置が進むに連れて、つまり掘削が進行するに連れて、掘削深さＨは増大し、実負荷Ｆｒ２が増大する。軌道上の点Ｐｃ上で実負荷Ｆｒ２が基準負荷である許容負荷Ｆｍａｘ以上となると、生成軌道７のバケット１５の先端に大きな負荷がかかっていると考えられ、例えば掘削速度が遅くなるなどして作業効率が低下する可能性がある。そこで、実負荷Ｆｒ２と基準負荷である許容負荷Ｆｍａｘとの差が所定値以上の場合、Ｓ３０４とＳ３０５（図１０参照）において負荷パラメータＣ１とＣ２の更新と軌道の生成指示が出力され新たな軌道を生成する。これにより、作業効率を低下させることなく、掘削作業を継続することができる。新たな軌道は負荷を減じて、かつ作業量が一定に近づくような、望ましくは作業量が一定である生成軌道７となることから、掘削の作用効率を低下させることなく掘削を行える。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、作業機械１は図１に示した形態に限定されるものではなく、ロボットマニピュレータなどに適用できる。

作業対処の形状を検出は測距カメラ３１に限定されるものではなく、作業対象の形状を取得できる他の構成であっても良い。例えば、レーザーレンジファインダーや超音波センサによる代用が可能である。また、外部から地形データを取得した結果を利用して軌道生成を行うように構成しても良い。

実負荷Ｆｒ２の取得には必ずしも圧力センサ３６a乃至３６ｆを用いる必要はなく、ロードセルやひずみゲージに代表される異なる負荷の検出方法を用いても良い。

作業負荷を表現する関数の形態は本実施例の形態に限定されるものではなく、バケット姿勢角θや掘削開始点から現在位置までの距離の関数として表現しても良く、これらの変数を複数有した関数として表現しても良い。

軌道評価部７１における候補軌道の評価では、評価量は掘削量や仕事量に限定されるものではなく、例えば機構シミュレーションに基づいた作業時間の推定結果や、燃料消費量の推定結果などを用いてもよく、またこれらを組み合わせた評価量を用いても良い。

軌道生成判断部６２における軌道生成指示の判断は本実施例における負荷差や負荷の比較に限定されるものではなく、例えば負荷差の積分値や微分値を用いても良い。また、軌道生成指示の判断は作業具に作用する負荷に限定されるものではなく、アクチュエータ毎に作用する負荷の大きさを判断に用いても良い。

候補軌道生成部７０と軌道生成判断部６２による軌道の生成は必ずしも負荷の大きさによる判断で実施される必要はなく、一定周期毎に生成を繰返し、作業中常に軌道を生成し続けるように構成しても良い。

軌道生成コントローラ２５は油圧ショベル１に備わっている必要はなく、例えば複数の油圧ショベルを集中管理するシステムなど、油圧ショベル外に備わっていても良い。他には、集中管理するシステムと油圧ショベルの双方に跨って備わっていても良い。

１油圧ショベル、３掘削面、６掘削軌道、７生成軌道、１２フロント機構、１５バケット、２５軌道生成コントローラ、３０ｂ〜３０ｄ角度センサ、３１測距カメラ、３６ａ〜３６ｆ圧力センサ、４２油圧制御弁、６０負荷検出部、６２軌道生成判断部、６３推定負荷演算部、６４負荷パラメータ更新部、６５推定負荷格納部、７０候補軌道生成部、７１軌道評価部、７２軌道選択部、８０軌道追従制御部

Claims

掘削中にバケットにかかる実負荷と推定負荷との差が所定値以上のときに前記バケットの軌道生成の指令を出力する軌道生成判断部と、
前記指令が出力された後に掘削量が設定値に近づくような軌道を生成する候補軌道生成部と、
負荷パラメータを用いて複数の候補軌道の前記推定負荷を演算する推定負荷演算部と、
前記推定負荷の積分である前記バケットの仕事量として出力された前記複数の候補軌道の評価量の中から、前記評価量が最小の軌道を選択する軌道選択部と、
前記軌道選択部で選択された前記軌道に沿って前記バケットを制御する軌道追従制御部と、
前記実負荷の推移および掘削深さの推移を用いて、前記推定負荷の演算に用いる前記負荷パラメータを更新する負荷パラメータ更新部と、を備え、
前記推定負荷は、前記掘削深さを用いて掘削負荷関数として表した掘削負荷であり、
前記候補軌道は、前記バケットの軌道で最大深さを複数設定した候補であり、
前記負荷パラメータは、前記軌道生成時に前記軌道に係る変数に基づき推定する前記推定負荷の演算式のパラメータであり、
前記軌道生成判断部は、掘削中に前記実負荷と前記推定負荷との差が前記所定値以上のときに軌道生成の指令を出力し、
前記候補軌道生成部は、作業中の前記バケットの現在位置を始点とした、前記掘削量が一定に近づくような前記複数の候補軌道を生成し、
前記軌道生成判断部は、前記軌道生成時の前記推定負荷と前記実負荷との差が所定値以上か否かを掘削中に判断する軌道生成装置。
請求項１の軌道生成装置を備える作業機械。