JP6522441B2 - 作業機械の作業支援システム - Google Patents

Description

本発明は、自走可能な作業機械の作業位置決めを支援する作業機械の作業支援システムに関する。

油圧ショベル等の自走可能な作業機械と掘削対象の位置関係を提供して、作業機械の作業を支援するシステムが知られている。この種のシステムとして例えば特許５２０２６６７号（特許文献１）には、油圧ショベルの作業具が到達可能な範囲である作業可能範囲と目標作業面の形状に基づき、目標作業面と作業可能範囲の重なり面積が最大となる油圧ショベルの位置を最適作業位置として表示する油圧ショベルの位置誘導システムが開示されている。

特許第５２０２６６７号

ところで、油圧ショベルによる掘削作業には、油圧ショベルが掘削対象上に載り、掘削対象上面の端部からショベルの走行体よりも低い高さまで作業装置（作業腕）を伸ばして行う掘削動作と、掘削動作後のショベルの後退動作とを繰返す荒掘削を実施する場合がある。この場合にショベルが載る掘削対象の高さ（ベンチ高さ）は場所、状況及び作業の進捗等によって変化することがある。掘削対象の高さが異なっても１回の掘削動作による掘削量を保持して作業効率の維持を図ろうとすると、掘削対象の高さが低い場合の方が掘削対象上面の端部からショベルをより離した位置で掘削する必要がある。このように掘削対象の高さが低くなるほど最適な掘削位置は掘削対象上面の端部から離れることになるが、ショベル上からオペレータが掘削対象の高さを目視することが困難な場合や目視できても正確な高さ把握ができない場合が多く、掘削対象の高さ変化に応じて最適な掘削位置にショベルを停止しながら掘削を継続することは困難である。

なお、上記のような状況で行われる作業の具体例としては、露天掘り鉱山におけるベンチカット法（階段採掘法）による掘削が該当し、この場合の掘削対象は、１段以上の階段状に形成され、ベンチと呼ばれる。

この課題に関し、特許文献１の油圧ショベルの位置誘導システムは、目標作業面と作業可能範囲（作業具の可動範囲）の重なり面積が最大となる油圧ショベルの位置を最適作業位置とするため、上記のようにベンチカット法による掘削が実施される状況下で各掘削動作の掘削量を保持するのに適した位置を算出することは難しい。

本発明は、掘削対象上に載って作業を行う場合に掘削対象の高さが変化しても、作業量の保持に適した位置まで作業機械を誘導できる作業機械の作業支援システムの提供を目的とする。

このような課題を解決するために、本発明の作業機械の作業支援システムは、前記作業機械の１回の掘削動作による想定掘削量に基づいて、前記作業機械の１回の掘削動作により掘削対象から前記想定掘削量が得られる領域を掘削領域として決定し、当該掘削領域に基づいて次回の掘削動作を行う際の前記作業機械の作業位置を算出するように構成された制御装置と、前記作業位置に関する情報を表示する表示装置とを備え、前記掘削対象は、前記作業機械が掘削作業時に載る上面と、当該上面に接続する下り傾斜面である掘削面とを有し、前記制御装置は、前記上面の基準面からの高さと前記想定掘削量に基づいて前記掘削領域を決定し、前記上面と前記掘削面の境界部に定義された基準点から前記作業位置までの距離を前記掘削領域に基づいて算出し、前記距離に基づいて前記作業位置を算出するように構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、掘削量が保持されるように掘削対象の高さに合わせて停止位置が算出されるので、当該停止位置まで作業機械を容易に誘導でき、高作業効率を維持できる。

本発明を適用した油圧ショベルの構成例を示す外観図である。 本発明の第１実施形態に係る作業支援システムのシステム構成を示す概略図である。 コントローラ１８のハードウェア構成図である。 油圧ショベルの掘削作業の一例を示す俯瞰図であり、油圧ショベルが掘削対象 油圧ショベルの掘削作業の一例を示す俯瞰図であり、油圧ショベルが掘削終了後に旋回し運搬機械の荷台上にバケットを移動し、掘削物を放出している状態を示す俯瞰図である。 掘削領域を基準として作業位置を設定する方法を示す側方断面図である。 本発明の第１実施形態における作業位置を表示する方法を示すフローチャートである。 作業位置を示す表示画面例を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る作業支援システムのシステム構成を示す概略図である。 掘削対象の安定度を基準として作業位置を設定する方法を示す側方断面図である。 掘削対象の形状を取得する方法を示す側方断面図である。 掘削対象の形状を取得する異なる方法を示す側方断面図である。 掘削対象の高さに対する作業位置を示すグラフである。 本発明の第２実施形態における作業位置を表示する方法を示すフローチャートである。 本発明の第３実施形態における作業位置を表示する方法を示すフローチャートである。 本発明の第４実施形態における作業位置を表示する方法を示すフローチャートである。 作業機械の作業範囲を示す概略図である。 掘削対象端基準線と掘削対象端Ｐｂの関係を示す俯瞰図である。 掘削対象端基準線と掘削対象端Ｐｂの関係を示す上面図である。 他の掘削対象端Ｐｂの設定方法を示す上面図である。 ヘッドアップディスプレイを用いて作業位置を示す場合に操作室の内部から油圧ショベル前方を俯瞰した図である。

以下、発明の実施形態について図面を用いて説明する。

＜第１実施形態＞
図１及び図２を用いて、作業機械、および作業機械に備えられる作業支援システムの構成について説明する。

図１は自走可能な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の前方に回動可能に設けられたブーム１３と、ブーム１３の先端に回動可能に設けられたアーム１４と、アーム１４の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によって構成される多関節型のフロント作業装置（作業装置）１２と、操作者が乗り込みショベル１を操作する操作室１７と、操作室１７内に設けられ油圧ショベル１を操作するための操作レバー（操作装置）１９（図９参照）と、操作レバー１９の出力（油圧信号または電気信号）に基づいて油圧ショベル１の動作を制御するコントローラ１８によって構成されている。

本実施の形態はベンチカット法による掘削を想定しており、油圧ショベル１の掘削対象は階段状に形成されたベンチである。ベンチは、油圧ショベル１が掘削作業時に載る平面であるベンチ上面（フロア）８５と、ベンチ上面８５に接続する下り傾斜面（ベンチ側面）である掘削面４を備えている。図１のベンチでは、ベンチ上面８５と掘削面４の境界部にエッジ８６が表れている。掘削作業に際し、油圧ショベル１は、エッジ８６がショベル前方に位置するようにベンチの上面８５に載り、その位置からフロント作業装置１２を適宜伸縮させて掘削面４を掘削する。

操作室１７の前方には、周囲物体までの距離を測定する距離センサであって、主として掘削対象（ベンチ）の表面形状を検出するための形状検出装置であるレーザー距離計２４がショベル接地面８５に対して所定の角度（レーザー距離計取り付け角度）ａｄ（図１１参照）で固定されている。操作室１７の内部には、モニタ２１と、設定入力装置２０と、作業位置表示スイッチ２７（いずれも後述）が備えられている。また、上部旋回体１１には外部の機器やコンピュータと通信を行うための通信装置である無線装置２６と、油圧ショベル１に関する各種情報処理を実行するように構成されたコンピュータ（例えばマイクロコンピュータ）であるコントローラ（制御装置）１８が備えられている。

図２は油圧ショベル１に搭載され、作業位置を表示する作業機械の作業支援システムのシステム構成を示す概観図である。先の図と同じ部分には同じ符号を付して説明を省略することがある（後の図も同様とする）。

作業支援システムは、作業支援システムの各種設定を変更するための入力装置（キーボード、マウス、複数のボタン、タッチパネルなど）である設定入力装置２０と、コントローラ１８内でプログラムとして構成され、次回の掘削動作を行う際の油圧ショベル１の停止位置（「作業位置」と称することがある）を算出する作業位置算出部３０と、作業位置Ｐｗ（後述の図６参照）または作業位置Ｐｗに関する情報（例えば下部走行体１０の先端Ｃｆ（図６参照）から作業位置Ｐｗまでの水平距離Ｌｗ（図６参照）等）を表示するモニタ（表示装置）２１と、モニタ２１への作業位置の表示のＯＮ／ＯＦＦ（作業位置算出部３０による作業位置算出のＯＮ／ＯＦＦでも良い）を択一的に切換指示する作業位置表示スイッチ２７とを備えている。

図３にコントローラ１８のハードウェア構成を示す。コントローラ１８は、入力部９１と、プロセッサである中央処理装置（ＣＰＵ）９２と、記憶装置であるリードオンリーメモリ（ＲＯＭ）９３及びランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）９４と、出力部９５とを有している。入力部９１は、外部装置（例えば、設定入力装置２０、レーザー距離計２４および作業位置表示スイッチ２７）からの情報や信号を入力し、必要に応じてＡ／Ｄ変換を行う。ＲＯＭ９３は、プログラム等が記憶された記録媒体であり、ＣＰＵ９２は、ＲＯＭ９３に記憶されたプログラムに従って入力部９１及びメモリ９３，９４から取り入れた信号に対して所定の演算処理を行う。出力部９５は、ＣＰＵ９２での演算結果に応じた出力用の信号を作成し、その信号を外部装置（例えば、モニタ２１）に出力する。なお、図３のコントローラ１８は、記憶装置としてＲＯＭ９３及びＲＡＭ９４という半導体メモリを備えているが、ハードディスクドライブ等の磁気記憶装置を備え、これにプログラムを記憶しても良い。

図２に戻り、作業位置算出部３０は、地形データ取得部３１と、掘削領域決定部３２と、作業位置演算部３４を備えている。

地形データ取得部３１は、レーザー距離計２４から出力される距離情報に基づいて、ベンチ上面８５のエッジ８６上の点である掘削対象端Ｐｂ（図６参照）の位置と、掘削基準面８２からのベンチ上面８５の高さＨ（図６参照）を取得する部分である。掘削対象端Ｐｂは、作業位置Ｐｗを算出する際の基準点であり、ベンチ上面８５と掘削面４の境界部に定義すれば良く、図６等のように必ずしもエッジ８６上に定義する必要は無い（詳細は後述の図１９，２０参照）。

本実施の形態では、「掘削対象端Ｐｂ」を、ショベル１の旋回中心と作業装置１２の中心を通過する面がベンチ上面８５のエッジ８６と交差する点とし、「基準面８２」を、ショベル１が載っているベンチ上面８５より一段下のベンチ上面又は最下段のベンチの底面とした。

掘削領域決定部３２は、地形データ取得部３１の取得結果に基づいて、ショベル１の１回の掘削動作（後述）により掘削対象から想定掘削量（後述）が得られる掘削対象における領域（「掘削領域Ｓ」と称することがある）を決定する部分である。詳細は後述するが、本実施の形態では、ベンチ上面８５の高さＨと、想定掘削量から導出できる面積ｓｂ（後述）に基づいて掘削領域Ｓを決定している。

本稿における「１回の掘削動作」とは、ベンチの掘削に際して、バケット１５の爪先が掘削面４に触れた状態からバケット１５の爪先の高さがベンチ上面８５に達した状態までの間に行われる一連の動作のことを言う。

また、「想定掘削量」は、バケット１５の容量（バケット容量）を基準に設定されている。バケット容量は油圧ショベル１の機種により異なる。具体的な想定掘削量としては、例えば、バケットの上縁で擦り切りで掘削物を入れたときの容量（平積み容量）や、掘削物を平積みにした状態のバケットに対して掘削物をさらに山状に盛り上げたときの容量（山積み容量）が利用できる。作業効率を最大化する観点からは山積み容量を想定掘削量として採用することが好ましいが、想定掘削量に特に限定は無く最大容量以下の任意の値が採用できる。本実施の形態では山積み容量を想定掘削量とする。

作業位置演算部３４は、掘削領域決定部３２の決定した掘削領域Ｓに基づいて次回の掘削動作を行う際の油圧ショベル１の作業位置（停止位置）を算出する部分である。詳細は後述するが、本実施の形態では、ベンチ上面８５と掘削面４の境界部に定義された基準点（掘削対象端Ｐｂ）から作業位置Ｐｗまでの距離Ｌｗを掘削領域Ｓに基づいて算出し、距離Ｌｗに基づいて作業位置Ｐｗを算出している。

次に本発明の実施形態の一例である作業機械の作業支援システムが作業位置を設定する手順と作業位置の表示例を図４乃至図８を用いて説明する。

図４は油圧ショベル１の作業の一例を示す概観図であり、油圧ショベル１が１回の掘削動作により掘削面４の掘削を終了しバケット１５内部に掘削物５を積載している状態を示す概観図である。図５は油圧ショベル１が１回の掘削動作終了後に旋回し運搬機械（ダンプトラック）２の荷台上にバケット１５を移動し、掘削物５を放出している状態を示す概観図である。通常、油圧ショベル１は運搬機械２の荷台が満杯になるまで図４、図５に示す掘削作業と積込作業を交互に繰返す。また、油圧ショベル１の前方でエッジ８６の方向に亘って存在する前後方向掘削幅Ｗｄの領域の掘削作業が完了すると、油圧ショベル１は後退し、再度掘削作業と積込作業を繰り返す。このとき、各掘削動作で所定の掘削量を保持しようとする場合、油圧ショベル１と掘削対象端７の位置が近いと、１度の掘削動作終了時のバケット１５の位置が油圧ショベル１の足場に及ぶことを防ぐために、当該所定の掘削量を確保できないことがある。

図６は油圧ショベル１と掘削面４の位置関係を示す側方断面図（油圧ショベル１の旋回中心と作業装置１２の中心を通過する面によるベンチ断面図）である。図７は作業位置算出部３０の処理を示すフローチャートである。次に、図６を参照しながら図７を用いて作業位置Ｐｗまでの距離Ｌｗをモニタ２１に表示する手順について説明する。

図７の処理が開始されると、作業位置算出部３０は、まずステップＳ１００にて作業位置表示スイッチ２７がＯＮとなっているか判定する。作業位置表示スイッチ２７がＯＮではない場合、モニタ２１に何も表示せず処理を終了する。

一方、作業位置表示スイッチ２７がＯＮの場合、ステップ１０１にて掘削領域決定部３２は地形データ取得部３１から高さＨおよび掘削対象端Ｐｂの位置を取得し、ステップ１０２に進む。

ステップ１０２では、まず、掘削領域決定部３２が、図６の側方断面図における掘削領域Ｓの面積ｓｂと、地形データ取得部３１で取得される高さＨとに基づいて掘削領域Ｓを決定して、これにより掘削量設定距離Ｌｓが算出される。本実施の形態では、掘削領域Ｓを、図６に示すように、掘削面４に関連する２点Ｐｂ，Ｐｕを通過し、面積ｓｂが一定の平行四辺形状として単純化している。掘削領域Ｓの面積ｓｂは想定掘削量から決定され、高さＨの値に応じて平行四辺形の左上の頂点Ｐａの位置（換言すれば平行四辺形の上辺及び底辺の長さ）が変化する。そのため、平行四辺形状の掘削領域Ｓの上辺及び底辺の長さである掘削量設定距離Ｌｓは、下記式（１）によりｓｂとＨから算出できる。
Ｌｓ＝ｓｂ／Ｈ…式（１）

つぎに、作業位置演算部３４は、下記式（２）により掘削対象端Ｐｂから作業位置Ｐｗまでの距離Ｗｄ（「前後方向掘削幅」と称することがある）を算出する。さらに作業位置演算部３４は、距離Ｗｄと掘削対象端Ｐｂの位置から作業位置Ｐｗを算出する。式（２）におけるＬｍはマージン距離である。本実施の形態の作業位置演算部３４では、作業位置Ｐｗを点Ｐａではなく、設定入力装置２０によって設定されたマージン距離Ｌｍを点Ｐａから油圧ショベル１側に移動した位置として演算している。
Ｗｄ＝Ｌｓ＋Ｌｍ…式（２）

さらに、作業位置演算部３４は、油圧ショベル１の下部走行体１０の先端Ｃｆから作業位置Ｐｗまでの水平距離である作業位置距離Ｌｗを演算する。作業位置距離Ｌｗは、油圧ショベル１の下部走行体１０の先端Ｃｆから掘削対象端Ｐｂまでの距離Ｌｂ（「掘削対象端距離」と称することがある）を用いて下記式（３）により表される。距離Ｌｂは、レーザー距離計２４又は無線装置２６を介して地形データ取得部３１により取得する。
Ｌｗ＝Ｌｂ−Ｗｄ…式（３）

上記のように掘削領域Ｓを平行四辺形に設定すると、掘削対象端Ｐｂの位置と高さＨの値が取得できれば、作業位置Ｐｗの特定と作業位置距離Ｌｗの算出が可能であるというメリットがある。

なお、前後方向掘削幅Ｗｄは上述の算出方法に限定されるものではなく、設定入力装置２０によって異なる計算式に基づいて設定されるように構成しても良い。

作業位置算出部３０は、最後にステップ１０３にて距離Ｌｗをモニタ２１に出力して処理を終了する。

図８は操作室１７の内部に備え付けられたモニタ２１における作業位置Ｐｗまでの距離Ｌｗの表示例の１つを示した図である。図８を用いて、作業位置Ｐｗの表示方法について説明する。

図８に示したモニタ２１の画面には表示領域としてモニタ上部２２とモニタ下部２３が設けられている。

モニタ上部２２には、図７で説明した作業位置算出部３０の出力に基づいて、下部走行体１０の先端から作業位置までの作業位置距離Ｌｗが数値として表示される。図８の例における「前端まで」という文字列の右側に表示された数値（−０．５ｍ）が作業位置Ｐｗまでの距離Ｌｗを示している。

図８の例では、距離Ｌｗは負の値になっている。図８の例のように距離Ｌｗが負であるということは、下部走行体１０の先端Ｃｆが作業位置Ｐｗを越えており、油圧ショベル１を後退すべきことを示す。反対に距離Ｌｗが正の場合には、下部走行体１０の先端Ｃｆが作業位置Ｐｗまで達しておらず、油圧ショベル１を前進すべきことを示す。距離Ｌｗが負の場合には、図８に示すように警告画像４２を画面上に表示してオペレータに注意喚起することが好ましい。警告画像４２に代えて警告メッセージを表示しても良い。また、同様の場合に警告画像４２に代えて警告音又は警告音声を出力する音声出力装置を追加設置しても良い。

モニタ下部２３には、図６と同様の油圧ショベル１の側方断面図の画像（掘削対象の表面形状画像）が表示されている。モニタ下部２３の表示では、作業位置算出部３０の出力に基づいて、作業位置Ｐｗを示す作業位置表示線８４と、掘削領域Ｓと、油圧ショベル１の画像が側方断面図の画像に重ねて表示されている。側方断面図の画像は、レーザー距離計２４により検出された掘削対象の表面形状に基づいてコントローラ１８により作成されている。モニタ下部２３上における油圧ショベルの画像位置及び作業装置の画像の姿勢は、実機の位置及び姿勢に連動するように構成することが好ましい。

このように作業位置Ｐｗと油圧ショベル１の画像を表示すると、両者の位置関係を容易に把握することができる。また、掘削領域Ｓを表示すると、次回の掘削動作時のバケット１５の爪先の目標軌道が把握できるので、掘削容量の最大化と高作業効率維持に寄与する。

上記のように、本実施の形態に係る作業機械の作業支援システムは、複数回の掘削動作のそれぞれで掘削される領域の断面積ｓｂが一定に保持されるように、ベンチ高さＨおよび想定掘削量に基づいて掘削領域Ｓを決定し、次回の掘削動作で掘削するのに適したショベル１の位置を掘削領域Ｓに基づいて作業位置Ｐｗとして算出するように構成した。そして、油圧ショベル１の下部走行体１０の最前端Ｃｆから作業位置Ｐｗまでの距離Ｌｗを算出してモニタ２１に表示することとした。このように距離Ｌｗを表示すると、ベンチ高さＨに適した作業位置と油圧ショベル１の位置関係をオペレータが容易に把握できる。これにより、ベンチ高さが変化しても、掘削量の保持に適した位置まで油圧ショベル１を誘導できるので高作業効率を維持できる。

なお、掘削領域Ｓの形状は図６に示した平行四辺形に限定されるものではなく、設定入力装置２０によって他の形状に変更可能に構成しても良い。この場合には掘削量設定距離Ｌｓを上記式（１）以外の式で算出することとなるが、掘削領域Ｓの形状が予め決定していれば面積ｓｂ（想定掘削量）と掘削対象の形状からＬｓは算出可能である。例えば、ショベル接地面８５の一部を上底、基準面８２の一部を下底とし、ショベル接地面８５に対する垂線と掘削面４を脚とする台形を掘削領域Ｓとして設定するように構成してもよい。また、断面積がｓｂとなる領域を１回の掘削動作で掘削する際のバケット１５の爪先の移動軌跡のひな形を高さＨごとに記憶しておき、当該移動軌跡のひな形及び高さＨに基づいて掘削領域Ｓの形状を適宜選択するように構成しても良い。

上記では、掘削面４の下端に位置する点Ｐｕにバケット１５の爪先を当てて掘削動作が開始することを想定して説明したが、ベンチ高さＨが高く点Ｐｕがバケット１５の可動範囲外に位置する場合には、バケット１５の可動範囲の最大範囲と掘削面４の交点が掘削動作の開始点となるように掘削領域Ｓを設定するものとする。つまり、本実施の形態はバケット１５の爪先が点Ｐｕに到達しない場合にも適用可能である。

掘削面４の具体的な表面形状が把握可能な場合（レーザー距離計２４等でその場で把握可能な場合や、施工図等の情報から事前に把握可能な場合）には、掘削領域Ｓの推定と作業位置Ｐｗを算出に際し、当該表面形状を掘削面４の形状として利用しても良い。この場合には掘削領域Ｓの推定精度が向上するため、作業位置Ｐｗの精度も向上する。また、モニタ下部２３に表示する側方断面図の精度を向上できる。

掘削対象の形状を取得する装置はレーザー距離計２４に限定されるものではなく、掘削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、測距カメラや超音波センサによる代用が可能である。また、無線装置２６を介して外部のコンピュータから取得した地形データを利用して作業位置設定を行うように構成しても良い。例えば、高さＨの取得に際して、現場管理者から取得した作業計画に基づいて高さＨを設定するように構成しても良く、また運搬機械２で掘削対象の下方から高さＨを計測し油圧ショベル１に送信するように構成してもよい。さらに、油圧ショベル１の爪先軌跡から次回掘削時の掘削面４の形状を推定するように構成しても良い。

前後方向掘削幅Ｗｄ（作業位置Ｐｗ）の算出に際し、マージン距離Ｌｍは、必ずしも設定する必要は無く、ゼロに設定しても良い。マージン距離Ｌｍがゼロの場合、掘削対象端Ｐｂと作業位置Ｐｗの距離は掘削量設定距離Ｌｓに一致し最小となる。

モニタ２１への表示は、先述した内容に限定されるものではなく、例えばモニタ下部２３に掘削面４及び接地面８５を含む掘削対象と油圧ショベル１の上面図を表示し、これに作業位置Ｐｗ，Ｐｗｓを重ねて表示するように構成しても良い。

＜第２実施形態＞
図９は油圧ショベル１に搭載され、作業位置を表示する作業機械の作業支援システムの他の構成を示す概観図である。この図の作業位置算出部３０は、図２に示した作業位置算出部３０が備える構成に加えて、安定領域設定部３３と、走行判定部３５と、表示更新部３６を備えている。

地形データ取得部３１は、レーザー距離計２４から出力される距離情報又は無線装置２６によりもたらされる地形データに基づいて掘削対象の形状を取得し、さらに掘削対象の高さＨと掘削対象端Ｐｂの位置と掘削面４の形状等を取得する部分である。安定領域設定部３３は、掘削対象の表面形状及び安定角ａｓ（図１０参照）に基づいて、掘削対象の上面において油圧ショベル１が安定して掘削作業を実施可能な領域（「安定領域」と称することがある）を算出する部分である。作業位置演算部３４は、油圧ショベル１の作業位置（Ｐｗ又はＰｗｓ）を演算する部分である。走行判定部３５は、操作レバー（操作装置）１９の出力に基づいて油圧ショベル１に対して走行指示がされたか否か判定する部分である。表示更新部３６は、走行判定部３５の判定に基づいて作業位置演算部３４から出力され、モニタ２１に表示される作業位置（Ｐｗ又はＰｗｓ）と掘削領域に関する情報（例えば、作業位置Ｐｗまでの距離Ｌｗ、作業位置Ｐｗｓまでの距離Ｌｗｓ）を更新する部分である。

図１０は第２実施形態における油圧ショベル１と掘削面４の位置関係を示す側方断面図である。安定領域に基づいて決定される第２の作業位置Ｐｗｓを算出する方法について図１０を用いて説明する。

掘削面４の下側のエッジ上に位置する第２の掘削対象端Ｐｕは地形データ取得部３１によって取得される。次に、地形データ取得部３１が第２の掘削対象端Ｐｕを含む掘削面４の表面形状を取得する方法について図１１を用いて説明する。

図１１は油圧ショベル１とレーザー距離計２４と掘削面４の位置関係を示す側方断面図である。レーザー距離計２４は掘削面４を点群に分割し、各点のレーザー距離計２４に対する相対水平距離である点郡相対水平距離Ｌｎと点郡相対鉛直距離Ｈｎを出力する。地形データ取得部３１は、レーザー距離計２４のレーザー距離計取り付け長さＬｄと、ショベル接地面８５に対するレーザー距離計取り付け高さＨｄと、ショベル接地面８５に対するレーザー距離計取り付け角度ａｄを記憶している。地形データ取得部３１は、レーザー距離計２４の取り付け位置情報（長さＬｄ、高さＨｄ及び角度ａｄ）に基づいて、レーザー距離計２４の出力（点郡相対水平距離Ｌｎと点郡相対鉛直距離Ｈｎ）を下部走行体１０の先端Ｃｆに対する点郡水平距離Ｌｎ’と点郡鉛直距離Ｈｎ’に変換する。Ｌｎ’とＨｎ’は回転行列を用いて以下の（７）式によって変換される。
Ｌｎ’＝Ｌｎ×ｃｏｓ（ａｄ）−Ｈｎ×ｓｉｎ（ａｄ）−Ｌｄ
Ｈｎ’＝Ｌｎ×ｓｉｎ（ａｄ）＋Ｈｎ×ｃｏｓ（ａｄ）−Ｈｄ ・・・（７）

同様の計算を点群に含まれる全ての点について行うことにより下部走行体１０の先端Ｃｆに対する掘削対象の表面形状を取得する。なお、図１１を用いた説明では掘削面４の形状を側方断面における２次元形状として説明しているが、３次元の回転行列を用いることにより掘削対象の３次元形状に変換しても良い。

地形データ取得部３１は掘削面４を構成する点郡のうち、隣接する２点群間の傾きを全て計算し、傾きが急激に変化する点ＰｔｏｐとＰｂｔｍを検出する。ＰｔｏｐとＰｂｔｍはその点の標高に基づいて、標高が高い点Ｐｔｏｐを掘削対象端Ｐｂ、標高が低いＰｂｔｍを第２の掘削対象端Ｐｕとして出力・記憶する。また、点ＰｔｏｐとＰｂｔｍの標高の差分を高さＨとして出力・記憶する。

次に掘削対象端Ｐｂと第２の掘削対象端Ｐｕの位置を取得する他の方法について図１２を用いて説明する。図１２は掘削作業におけるバケット１５の爪先軌跡に基づいて掘削対象端Ｐｂ，Ｐｕの位置を取得する方法を示す側方断面図である。

フロント作業装置１２には、ブーム１３、アーム１４、バケット１５の回動角度を測定するブーム角度センサ２８−１（図示せず）、アーム角度センサ２８−２及びバケット角度センサ２８−３と、アームシリンダ１６内の圧力を計測するアームシリンダ圧力センサ２９が備えられている。また、コントローラ１８はブーム１３、アーム１４およびバケット１５の寸法を記憶しており、これらの寸法と角度センサ２８−１，２８−２，２８−３の出力に基づいてバケット１５の爪先位置を演算可能なように構成されている。

掘削対象端Ｐｂと第２の掘削対象端Ｐｕの位置取得に際して、まず、コントローラ１８は圧力センサ２９の出力を監視し、アームシリンダ１６の負荷が増大し、所定値より大きくなった時を掘削開始と判断し、その時のバケット１５の爪先位置を第２の掘削対象端Ｐｕとして設定する。続いて、コントローラ１８は掘削開始後のバケット１５の爪先位置を監視し、バケット１５の爪先の高さがショベル設置面８５の高さより高くなった時を掘削終了と判断し、その時のバケット１５の爪先位置を掘削対象端Ｐｂとして設定する。

図１０に戻り、安定角（安息角）ａｓは、ベンチの掘削面４が自発的に崩れることなく安定する掘削面４の最大傾斜角度であり、第２の掘削対象端Ｐｕに設定される。安定角ａｓの値は、ベンチの土質によって異なり、設定入力装置２０等を介してコントローラ１８内の記憶装置に予め格納されている。安定領域設定部３３は、第２の掘削対象端Ｐｕから掘削対象が安定となる位置Ｐｗｓまでの水平距離Ｌｓｔ（「掘削対象安定距離」と称することがある）を安定角度ａｓと高さＨを利用して下記式（４）に基づいて算出する。
Ｌｓｔ＝Ｈ／ｔａｎ（ａｓ）…式（４）

続いて作業位置演算部３４は、下部走行体１０の先端Ｃｆから第２の作業位置Ｐｗｓまでの水平距離Ｌｗｓ（「第２の作業位置距離」と称することがある）を算出する。第２の作業位置距離Ｌｗｓは、下部走行体１０の先端Ｃｆから第２の掘削対象端Ｐｕまでの水平距離Ｌｕを用いて下記式（５）で表される。なお、水平距離Ｌｕは、レーザー距離計２４又は無線装置２６を介して地形データ取得部３１により取得する。
Ｌｗｓ＝Ｌｕ−Ｌｓｔ…式（５）

このとき、掘削対象端Ｐｂから第２の作業位置Ｐｗｓまでの水平距離Ｗｄｓ（「第２の前後方向掘削幅」と称することがある）は油圧ショベル１の下部走行体１０の先端Ｃｆから掘削対象端Ｐｂまでの水平距離Ｌｂ（「掘削対象端距離」と称することがある）を用いて、下記式（６）で表される。
Ｗｄｓ＝Ｌｂ−Ｌｗｓ…式（６）

作業位置演算部３４は、第２の前後方向掘削幅Ｗｄｓと前後方向掘削幅Ｗｄの大きさを比較し、大きい方を作業位置として設定する。例えば、第２の前後方向掘削幅が大きい場合は、第２の前後方向掘削幅Ｗｄｓを用いた位置Ｐｗｓを作業位置として設定する。

図１３は、高さＨに対する前後方向掘削幅Ｗｄ及び第２の前後方向掘削幅Ｗｄｓの値を示すグラフである。図１０を用いて高さＨにより、先述した方法に基づいて算出される前後方向掘削幅Ｗｄ及び第２の前後方向掘削幅Ｗｄｓの変化を説明する。

既述のとおり、高さＨが小さいほど、所定面積ｓｂを確保するために必要な作業位置距離Ｌｓが大きくなるので、前後方向掘削幅Ｗｄも同時に大きくなり、作業位置Ｐｗは掘削対象端Ｐｂから離れる。一方で、高さＨが大きいほど、所定面積ｓｂを確保するために必要な掘削量設定距離Ｌｓが小さくなり、前後方向掘削幅Ｗｄも同時に小さくなるので、作業位置Ｐｗは掘削対象端Ｐｂに近づく。

掘削対象安定距離Ｌｓｔは、高さＨが増大するにつれ増大するため、第２の前後方向掘削幅Ｗｄｓは高さＨが増大するにつれ増大する。作業位置演算部３４は、上述した前後方向掘削幅Ｗｄと第２の前後方向掘削幅Ｗｄｓを比較し、値の大きい方を作業位置とする。図１３に示すように、（Ａ）高さＨがＨ２より小さい領域では、前後方向掘削幅Ｗｄが大きいため、前後方向掘削幅Ｗｄを用いた作業位置Ｐｗが出力される。（Ｂ）高さＨがＨ２のときには、前後方向掘削幅Ｗｄと第２の前後方向掘削幅Ｗｄｓが一致するため、便宜的に前後方向掘削幅Ｗｄを用いた作業位置Ｐｗを出力する（第２の作業位置Ｐｗｓを出力しても良い）。（Ｃ）高さＨがＨ２より大きい領域では、第２の前後方向掘削幅Ｗｄｓが大きいため、第２の前後方向掘削幅Ｗｄｓを用いた第２の作業位置Ｐｗｓが出力される。

図１４は第２実施形態に係る作業位置算出部３０の処理を示すフローチャートである。図１４を用いて作業位置を表示する方法を説明する。先の図（図７）のフローチャートと同じ処理については同じ番号を付して説明を省略することがある（後続するフローチャートも同様とする。）。

作業位置表示スイッチ２７がＯＮの場合、ステップ１０１Ａにて掘削領域決定部３２と安定領域設定部３３はそれぞれ作業位置Ｐｗ，Ｐｗｓの決定と前後方向掘削幅Ｗｄ，Ｗｄｓの演算に必要な地形データ（例えば、高さＨ、掘削対象端Ｐｂ，Ｐｕの位置、水平距離Ｌｕ、掘削面４の形状）を地形データ取得部３１から取得する。

続いてステップ１０２Ａにて、掘削領域決定部３２は既述の方法により掘削領域Ｓを推定する。そして、作業位置演算部３４は、面積ｓｂ及び高さＨと上記式（１）を利用して掘削量設定距離Ｌｓを算出し、これにマージンＬｍを加算して前後方向掘削幅Ｗｄを算出する（上記式（２））。

また、安定領域設定部３３は、上記式（４）を利用して掘削対象安定距離Ｌｓｔを算出する。そして、作業位置演算部３４は、上記式（５）を利用して第２の作業位置距離Ｌｗｓを算出し、上記式（６）を利用して第２の前後方向掘削幅Ｗｄｓを算出する。

さらに、作業位置演算部３４は、２つの前後方向掘削幅Ｗｄ，Ｗｄｓの大小を比較し、大きい方に係る作業位置（Ｐｗ又はＰｗｓ）までの距離（Ｌｗ又はＬｗｓ）を演算し、これを表示更新部３６に出力する。

最後にステップ１０３Ａにて、表示更新部３６は、距離（Ｌｗ又はＬｗｓ）をモニタ２１に出力して処理を終了する。なお、モニタ２１への距離（Ｌｗ又はＬｗｓ）の表示形態は、図８に示したものと同じとし、説明は省略する。

上記のように、本実施の形態に係る作業機械の作業支援システムは、掘削領域Ｓに基づいて導出される前後方向掘削幅Ｗｄと、掘削対象の安定角ａｓに基づいて導出される第２の前後方向掘削幅Ｗｄの大小を比較し、大きい方に係る作業位置（ＰｗまたはＰｗｓ）までの距離（Ｌｗ又はＬｗｓ）をモニタ２１に表示することとした。このように構成すると、油圧ショベル１が常に安定領域内に配置されるので、安定した掘削作業の継続が確保される。

＜第３実施形態＞
本実施形態に係る作業機械の作業支援システムの構成は図９と同じとする。図１５は第３実施形態に係る作業位置算出部３０の処理を示すフローチャートである。

ステップ１０１Ａまでは先のフローチャートと同様である。ステップ１１２にて地形データ取得部３１はステップ１０１Ａで取得した地形データに基づいて掘削対象の表面形状が変化しているか否かを判定する。掘削対象の表面形状が変化していない場合はステップＳ１００に戻る。掘削対象の表面形状が変化した場合は、ステップ１０２Ａとステップ１０３Ａに進み、表示更新部３６が距離Ｌｗ又は距離Ｌｗｓをモニタ２１に表示して表示画面を更新する。モニタ２１の表示画面を更新した後はステップＳ１００に戻り、既述の各処理を繰り返す。

このように、本実施の形態に係る作業機械の作業支援システムでは、掘削対象の表面形状が変化したことが確認された場合に、次回の掘削動作における作業位置までの距離（Ｌｗ又はＬｗｓ）のモニタ表示を更新することとした。このようにシステムを構成すると、掘削対象の形状変化とともに作業位置までの距離が自動的に更新されるので、作業効率を向上できる。

＜第４実施形態＞
本実施形態に係る作業機械の作業支援システムの構成も図９と同じとする。図１６は第４実施形態に係る作業位置算出部３０の処理を示すフローチャートである。

ステップ１０１Ａまでは先のフローチャートと同様である。ステップ１２２にて、走行判定部３５は操作レバー１９を介して走行を指示するレバー（走行レバー）の入力があったか否かを判定する。走行レバーの入力（下部走行体１０による前進／後退の指示）がなかった場合は、次回の掘削動作における作業位置までの距離（Ｌｗ又はＬｗｓ）のモニタ２１への表示を維持した状態でステップＳ１００に戻る。走行レバーの入力があった場合は、ステップ１０２Ａとステップ１０３Ａに進み、表示更新部３６が距離Ｌｗ又は距離Ｌｗｓをモニタ２１に表示して表示画面を更新する。モニタ２１の表示画面を更新した後はステップＳ１００に戻り、既述の各処理を繰り返す。

このように、本実施の形態に係る作業機械の作業支援システムでは、走行レバーの入力がある間、次回の掘削動作における作業位置までの距離（Ｌｗ又はＬｗｓ）のモニタ表示を更新し続けることとした。このようにシステムを構成すると、走行レバーによる油圧ショベル１の移動とともに作業位置までの距離が自動的に更新されるので、作業効率を向上できる。

なお、本実施の形態では操作レバー１９のレバー入力の有無に基づいて距離を更新する構成を採用したが、油圧ショベル１の走行装置である下部走行体１０の動作を検出して距離を更新する構成を採用しても良い。また同様に下部走行体１０の駆動源（油圧モータまたは電動モータ）の動作を検出して距離を更新する構成を採用しても良い。また、例えば、運搬機械（ダンプトラック）の位置を監視し、運搬機械の移動開始が検出されたタイミングで更新してもよい。さらに表示更新のトリガーとなる動作は走行に限定されるものではなく、その他の動作を基準にしても良い。例えば、油圧ショベルの動作を掘削、旋回、積込に分類し、積込動作を検出した後に作業位置を更新するように構成しても良い。

上記の第３実施形態と第４実施形態は組み合わせることができる。つまり、掘削対象の表面形状が変化したとき、走行レバーの入力があったとき、及び、下部走行体１０が動作したとき（油圧ショベル１が動作したとき）のうち少なくとも１つが確認されたとき、次回の掘削動作における作業位置までの距離を改めて算出し、その算出結果をモニタ２１に表示する構成としても良い。

ところで掘削対象端Ｐｂ、Ｐｕの設定方法は上述の方法に限定されない。図１７乃至１９を用いて地形データ取得部３１が掘削対象端Ｐｂを設定する他の方法について説明する。図１７は油圧ショベル１と掘削面４に対する作業範囲を示す俯瞰図である。図１８は油圧ショベル１のショベル接地面８５に対して基準面（基準標高面）８２を設定した場合に、基準面８２と掘削面４の交差によって生成される掘削対象端基準線８３を示す俯瞰図である。図１９は油圧ショベル１と図１８で示した掘削対象端基準線８３と掘削対象端Ｐｂの関係を示す上面図である。

図１７に示すように、地形データ取得部３１は、設定入力装置２０の設定値に基づいて、油圧ショベル１が掘削面４の方向を向いたときの左右方向における７移動可能範囲を規定する作業範囲８１を互いに平行な２面で設定する。次に図１８に示すように、ショベル接地面８５を代替する面として、接地面８５の近傍の高さに掘削面４と交差するように水平面（基準面）８２を設定入力装置２０で設定する。そして、作業範囲８１を規定する２面の間に位置し、掘削面４と基準面８２が交差して生成される掘削対象端基準線８３を取得する。次に図１９に示すように油圧ショベル１の旋回中心Ｐｏを通り、作業範囲８１を規定する２面と平行な平面８９と、掘削対象端基準線８３の交点を掘削対象端Ｐｂとして設定する。

このように基準面８２を設定して掘削対象端Ｐｂを設定すると、例えば、レーザー距離計２４等ではベンチ上面のエッジ８６（図１参照）が検出できない場合（例えば接地面８５が掘削面４になだらかに移行している場合）にも掘削対象端Ｐｂを設定することができる。

また、掘削対象端Ｐｂは、図２０に示すように、掘削対象端基準線８３上の他の位置を用いて設定してもよい。図２０は異なる掘削対象端Ｐｂの設定方法を示す上面図である。この図の例では、地形データ取得部３１は、掘削対象端基準線８３上において下部走行体１０の先端Ｃｆからの水平距離（図２０中の上下方向距離）が最小となる点を掘削対象端Ｐｂとして設定している。図６及び図１０で述べた側方断面図は、図２０に示す油圧ショベル１の旋回中心Ｐｏと掘削対象端Ｐｂを通過する平面９０を用いるように構成してもよい。また、このように掘削対象端Ｐｂを設定した場合、距離Ｌｗではなく、距離Ｌｗ’をモニタ２１に表示するように構成しても良い。距離Ｌｗ’は、作業位置Ｐｗと下部走行体１０の先端Ｃｆの間の油圧ショベル１の正面方向における作業位置距離である。

また、掘削対象端Ｐｂは掘削対象端基準線８３の水平方向が最小となる位置とする構成に限定されるものではなく、例えば、先述した水平方向距離の平均や最大を取る位置を掘削対象端Ｐｂとする構成にしても良い。また、設定入力装置２０により上記の各方法を適宜組み合わせて適用できるように構成しても良い。また、第２の掘削対象端Ｐｕは、基準面８２と異なる基準面を設定し、当該異なる基準面を利用して掘削対象端Ｐｂと同様に定めるように構成しても良い。

作業位置算出部３０がモニタ２１に出力する作業位置は１つに限定されるものではなく、例えば、作業位置距離Ｌｗと、安定作業位置距離Ｌｗｓを同時に表示しても良い。

作業位置算出部３０は、油圧ショベル１に取付けられたコントローラでの実施に限定されるものではなく、油圧ショベル１の停止位置の算出・表示に必要名処理を外部のコンピュータで行い、結果を油圧ショベル１に無線装置２６を介して送信するように構成してもよい。また、設定入力装置２０は操作室１７内への取り付けに限定されるものではなく、作業現場の監督者等が携帯可能な携帯情報端末で構成し、無線装置２６を介して油圧ショベル１に各種情報を送信するように構成しても良い。

ところで、作業位置Ｐｗ，Ｐｗｓにショベル１を停止するための誘導表示装置は先述したモニタ２１に限定されるものではない。図２１は操作室１７の内部から油圧ショベル１の前方を俯瞰した図である。図２１を用いて、作業位置Ｐｗ，Ｐｗｓにショベル１を誘導するための他の方法について説明する。

図２１において、映像表示に関する制御処理を行うコンピュータを内蔵し、操作室１７の正面の風防ガラス６２に仮想映像を重ねて表示するヘッドアップディスプレイ２５が操作室１７の上部に取付けられている。地形データ取得部３１はショベル接地面８５のエッジ８６の形状をヘッドアップディスプレイ２５に出力する。ヘッドアップディスプレイ２５は地形データ取得部３１から出力されるエッジ８６の形状をショベル側に向かって作業位置距離Ｌｗ（又はＬｗｓ）だけオフセットした目標端形状８７を操作室１７の正面の風防ガラス６２に表示する。オペレータは正面の実象を目視しながら目標端形状８７と掘削面４のエッジ８６が一致するようにショベル１を移動して停止させる。これによりショベル１を作業位置Ｐｗ，Ｐｗｓに停止させることができる。

なお、作業位置Ｐｗ，Ｐｗｓにショベル１を誘導するための誘導表示装置はモニタ２１やヘッドアップディスプレイ２５に限定されるものではなく、オペレータが装着するヘッドマウントディスプレイや、風防ガラスをモニタに置き換えて外部カメラの映像と作業位置情報を合成して表示する装置など、その他の表示装置の利用が可能である。

ところで、上記では主に下部走行体１０の先端Ｃｆから作業位置までの距離Ｌｗ，Ｌｗｓをモニタ２１に表示する場合について説明したが、図２１に示した目標端形状８７の例も含め、作業位置に関する情報であれば他のものを表示しても良い。さらに、作業位置の出力結果は「表示」に限定されるものではなく、「操作の支援」に用いてもよい。例えば、作業位置に到達した場合、走行レバーの出力をカットするように構成してもよく、また、特定の入力を加えることで作業位置まで自動に移動するように構成しても良い。

なお、本発明は上記した各実施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が含まれる。例えば、油圧ショベル１は上部旋回体１１、ブーム１３、アーム１４、バケット１５を有しているが、作業装置の構成はこれに限らず、接地面よりも下方に位置する掘削対象を掘削可能な作業装置を備えるものであれば本実施の形態は適用可能である。また、本発明は、上記の各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、ある実施の形態に係る構成の一部を、他の実施の形態に係る構成に追加又は置換することが可能である。

上記のコントローラ１８に係る各構成や当該各構成の機能及び実行処理等は、それらの一部又は全部をハードウェア（例えば各機能を実行するロジックを集積回路で設計する等）で実現しても良い。また、設置される場所が同じ又は異なる複数のコンピュータで分散処理しても良い。また、上記のコントローラ１８に係る構成は、演算処理装置（例えばＣＰＵ）によって読み出し・実行されることで当該コントローラ１８の構成に係る各機能が実現されるプログラム（ソフトウェア）としてもよい。当該プログラムに係る情報は、例えば、半導体メモリ（フラッシュメモリ、ＳＳＤ等）、磁気記憶装置（ハードディスクドライブ等）及び記録媒体（磁気ディスク、光ディスク等）等に記憶することができる。

１…油圧ショベル、１０…下部走行体、１２…フロント作業装置、１７…操作室、１８…コントローラ（制御装置）、１９…制御レバー（操作装置）、２１…モニタ（表示装置）、２４…レーザー距離計（形状検出装置）、３０…作業位置算出部、３１…地形データ取得部、３２…掘削領域決定部、３４…作業位置演算部、３５…走行判定部、３６…表示更新部、８２…基準面、８３…掘削対象端基準線、８５…ベンチ上面（上面）、Ｈ…基準面８２からの高さ、ａｓ…安定角、Ｓ…掘削領域、Ｐｂ…掘削対象端（基準点）、Ｐｗ，Ｐｗｓ…作業位置、Ｌｗ，Ｌｗｓ…作業位置距離

Claims (4)

1. 自走可能な作業機械の作業支援システムにおいて、
   前記作業機械の１回の掘削動作による想定掘削量に基づいて、前記作業機械の１回の掘削動作により掘削対象から前記想定掘削量が得られる領域を掘削領域として決定し、当該掘削領域に基づいて次回の掘削動作を行う際の前記作業機械の作業位置を算出するように構成された制御装置と、
   前記作業位置に関する情報を表示する表示装置とを備え、
   前記掘削対象は、前記作業機械が掘削作業時に載る上面と、当該上面に接続する下り傾斜面である掘削面とを有し、
   前記制御装置は、前記上面の基準面からの高さと前記想定掘削量に基づいて前記掘削領域を決定し、前記上面と前記掘削面の境界部に定義された基準点から前記作業位置までの距離を前記掘削領域に基づいて算出し、前記距離に基づいて前記作業位置を算出するように構成されていることを特徴とする作業機械の作業支援システム。
2. 請求項１に記載の作業機械の作業支援システムにおいて、
   前記掘削対象の表面形状を検出する形状検出装置をさらに備え、
   前記制御装置は、前記形状検出装置により検出された前記表面形状に基づいて前記掘削対象の表面形状画像を作成するように構成されており、
   前記表示装置は、さらに、前記表面形状画像上に前記掘削領域を表示することを特徴とする作業機械の作業支援システム。
3. 請求項２に記載の作業機械の作業支援システムにおいて、
   前記制御装置は、前記作業機械が動作したとき、前記作業機械の操作装置に入力があったとき、及び、前記表面形状が変化したときの少なくとも１つが確認されたとき、前記作業機械の作業位置を改めて算出するように構成されており、
   前記表示装置は、前記改めて算出された作業位置に関する情報を表示することを特徴とする作業機械の作業支援システム。
4. 請求項３に記載の作業機械の作業支援システムにおいて、
   前記制御装置は、前記掘削対象の安定角に基づいて前記上面の上に前記作業機械の他の作業位置をさらに算出し、
   前記表示装置は、前記作業位置と前記他の作業位置のうち前記基準点からの距離が大きいほうに関する情報を表示することを特徴とする作業機械の作業支援システム。

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