JP2006307436A - 旋回系作業機械 - Google Patents

Abstract

【課題】 油圧ショベルの機体本体１において、バケット６の先端が障害物に干渉しないよう制御する干渉回避避制御を、ナビゲーションシステム１１を用い、バケット６先端位置の上下変位だけでなく、上部旋回体３の旋回についても実行しようとするものである。
【解決手段】 機体本体１の現在位置、上部旋回体３の方位、ブーム４、アーム５、バケット６の回転角検知値からバケット先端位置の座標を演算し、該演算座標が、予め設定される干渉回避範囲に入った場合、バケット先端の上下方向および水平方向の移動速度を減速し、障害物から予め設定される距離に至ったら停止するように制御する。
【選択図】 図５

Description

本発明は旋回系作業機械の技術分野に属するものである。

一般に、油圧ショベル等の旋回系作業機械は、下部走行体に、バケット等の作業アタッチメントが変位自在に取付けられた上部旋回体を縦軸回りに旋回自在に設けて構成されている。そしてこのような作業機械を用いて作業する場合に、周囲にある障害物に干渉しないよう作業することが求められるが、これをオペレータの手動操作に頼って行うことには難しいものがある。そこでＧＰＳ（Ｇｒｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍの略：広域位置検出システム）を用いて作業機械の現在位置と方位とを検出し、該検出した現在位置を中心とする設備図面を記憶データから取得し、該図面を見ながら作業を行ったり、超音波を発受信して現在位置から設備までの距離を検出し、作業機検出位置での設備図面を作業用マップに表示し、これを見ながら作業をするようにしたものが知られている（例えば特許文献１参照）。
特開２００２−３３９４０７号公報

ところで前記従来のものは、モニターに表示される設備図面をオペレータが見ながらの作業であるため、オペレータの判断ミスによって設備に干渉してしまう惧れがあり、ここに本発明が解決すべき課題がある。

本発明は、上記の如き実情に鑑みこれらの課題を解決することを目的として創作されたものであって、請求項１の発明は、下部走行体に上部旋回体を縦軸回りに旋回自在に設け、該上部旋回体に対して変位自在な作業アタッチメントを設けた旋回系作業機械に、該旋回系作業機械の現在位置を検出するための現在位置検出手段と、上部旋回体の方位を検出するための方位検出手段と、作業アタッチメントの上部旋回体に対する変位量を検出するための変位量検出手段と、地図データに基づく建物や施設等の障害物に対応させた三次元の障害物座標を記憶する記憶手段と、前記検出した現在位置、方位、および作業アタッチメントの上部旋回体に対する変位量から作業アタッチメント位置の三次元座標を演算する作業アタッチメント位置演算手段と、該演算された作業アタッチメント位置座標が、前記記憶される障害物座標に基づいて設定される干渉回避範囲内にあるか否かの判定をする作業アタッチメント位置座標判定手段と、作業アタッチメント位置座標が干渉回避範囲内にある場合に作業アタッチメントの三次元方向の移動速度を設定するための移動速度設定手段と、該移動速度設定手段により設定された移動速度となるよう上部旋回体の旋回用アクチュエータおよび作業アタッチメント用アクチュエータの速度制御部に制御指令を出力する制御指令出力手段とが備えられていることを特徴とする旋回系作業機械である。
請求項２の発明は、請求項１において、移動速度設定手段で設定される移動速度は、作業アタッチメント位置座標が障害物座標に近づくほど減速し、作業アタッチメント位置座標が障害物座標から予め設定される近接位置になったとき停止するように設定されていることを特徴とする旋回系作業機械である。
請求項３の発明は、請求項２において、移動速度設定手段で設定される移動速度、停止する近接位置は調整自在に構成されていることを特徴とする旋回系作業機械である。
請求項４の発明は、請求項１乃至３の何れか一つにおいて、作業アタッチメントが障害物から離間する方向に移動しているときには減速制御の実行が禁止されることを特徴とする旋回系作業機械である。
請求項５の発明は、請求項１乃至４の何れか一つにおいて、作業アタッチメントの位置座標は、作業アタッチメント用アクチュエータが作動したときに設定される作業範囲全体の立体座標であり、制御指令出力手段は、該作業範囲の何れかが干渉回避範囲内に有ると判断された場合に、移動速度設定手段により設定された移動速度となるよう対応する速度制御部に制御指令を出力するようになっていることを特徴とする旋回系作業機械である。

請求項１の発明とすることにより、上部旋回体の旋回も含めての干渉回避制御が自動的に実行できることになって、従来のようにモニター画面を見ての干渉回避作業をするようなことがなく、作業の確実性が向上する。
請求項２の発明とすることにより、作業アタッチメントが障害物に近づくほど減速し、そして障害物に干渉する前の近接位置で停止することになって障害物に作業アタッチメントが当たってしまうことを回避できる。
請求項３の発明とすることにより、オペレータの技量や周囲環境に対応させた速度設定、停止位置である近接位置の設定ができることになって作業性が向上する。
請求項４の発明とすることにより、作業アタッチメントが干渉回避範囲から離間する方向の移動は減速されないことになって、干渉回避範囲からの脱出が速やかに行えることになる。
請求項５の発明とすることにより、作業アタッチメントの先端位置の検知をしないでも干渉回避ができることになって、実作業位置に近い作業アタッチメントの位置検知センサを不要にできることになる。

次ぎに、本発明の実施の形態について図面に基づいて説明する。図中、１は旋回系作業機械の一例である油圧ショベルの機体本体であって、該機体本体１は、クローラ型の下部走行体２に、上部旋回体３を縦軸周りに旋回自在に設けたものであり、そして上部旋回体３の前部に、ブーム４の基端部が水平軸を介して揺動自在に軸支され、該ブーム４の先端部に水平軸を介してアーム５の基端部が揺動自在に軸支され、該アーム５の先端部に水平軸を介してバケット（本発明の「作業アタッチメント」に相当する）６が揺動自在に軸支されて構成したフロントアタッチメント７が設けられている。そして該フロントアタッチメント７は、対応する各油圧シリンダ（本発明の「作業アタッチメント用アクチュエータ」に相当する。）８、９、１０の伸縮作動によって必要な揺動作動を行い、バケット６による掘削等の作業ができるようになっていること等は何れも従来通りである。

前記上部旋回体３には、ナビゲーションシステム１１が搭載されているが、該ナビケーションシステム１１は、ＧＰＳ受信装置（本発明の「現在位置検出手段」に相当する。）１２、上部旋回体３の方位センサ（本発明の「方位検出手段」に相当する。）１３、操作スイッチ１４、ディスプレイ１５、通信装置１６、記憶装置１７、そしてこれらに接続され、マイクロコンピュータを用いたナビゲーション制御装置１８を用いて構成されている。

ＧＰＳ受信装置１２は、ＧＰＳ衛星１９から送信される位置信号に基づいて機体本体１の現在いる位置を絶対位置として検出できるようになっており、ナビケーション制御装置１８では、前記検出した現在位置を記憶装置（本発明の「記憶手段」に相当する。）１７で記憶する各種の三次元の地図データ（道路データ、地名、番地、地形、建物、施設等の各種データ）と重畳し、これを三次元画像としてディスプレイ１５に表示するように制御する。記憶装置１７には、記憶する三次元の地図データの建物や施設等の障害物に対応させて三次元の障害物座標が予め登録されており、ナビケーション制御装置１８は、これに基づいて後述する干渉回避制御を実行するようになっている。

さらにナビケーション制御装置１８は、例えば携帯電話で代表される通信装置１３により外部情報を入力できるが、外部情報としては、予め登録されている情報入出力手段（サーバーコンピュータ）２０から出力される情報、あるいは通信装置１３から情報入出力手段２０にアクセスして入力する情報等の各種の外部情報があり、これら入力した外部情報には、新たに設定された障害物や撤去された障害物等の各種の情報があり、これらの各種情報を一時登録、あるいは情報の書換えが記憶装置１７でできるようになっている。尚、通信装置１３としては、携帯電話に限定されず、ＰＨＳ、無線ＲＡＮ、さらには衛星通信等、各種の通信手段の一つあるいは複数を利用できることは言うまでも無い。

ディスプレイ１５は、現在位置を含めた周辺の地図と上部旋回体３が向く方位とを表示するが、後述するようにバケット先端位置と施設との関係を表示することから、例えば鳥瞰図のように三次元表示をするように設定することが好ましい。また、操作スイッチ１４としては、ディスプレイの縮尺変更、位置移動、各種設定の操作ができるものが実装されている。

さらに前記ナビゲーション制御装置１８は、マイクロコンピュータを用いて構成され、機体本体１の各種制御を実行するための主制御装置２１に接続されているが、該主制御装置２１には、ブーム４の回転角度を検出するブーム回転角検出センサ２２、アーム５の回転角度を検出するアーム角検出センサ２３、バケット６の回転角度を検出するバケット角検出センサ２４が接続されている（これらセンサ２２、２３、２４が本発明の「変位量検出手段」に相当する）。さらにまた、主制御装置２１には、油圧ショベル作動用の操作レバーや操作スイッチ等の各種の操作具の操作状態検知センサ２５が接続され、これらから各対応する信号が入力するようになっている。そして主制御装置２１は、これら入力した信号に基づいて後述するようにナビゲーション制御装置１８と共に干渉回避制御を実行し、対応する制御信号をブーム４、アーム５バケット６用の各油圧シリンダ８、９、１０を伸縮制御するための伸縮制御装置２６、２７、２８、並びに上部旋回体３の旋回制御をするための旋回用モータ（本発明の「旋回用アクチュエータ」に相当する。）２９ａの駆動制御装置２９（これら制御装置２６、２７、２８、２９が本発明の「速度制御部」に相当する）に出力するようになっている。

さらにまた、ナビゲーション制御装置１８には、干渉回避制御において障害物からどれだけ離れた距離（位置）で停止させるか、つまり検出される機体本体１の位置から最接近している障害物の位置座標（垂直方向と水平方向の座標Ｘ、Ｚ）から例えば５０ｃｍ離れた位置で停止させる、とする位置座標を設定するための停止距離設定器３０、干渉回避制御をする干渉回避範囲（例えば障害物から１．５ｍ離れた位置から前記停止位置までのあいだの位置座標）を設定するための干渉回避範囲設定器３１、干渉回避範囲内を移動して停止するまでの移動速度を設定するための移動速度設定器（本発明の「移動速度設定手段」に相当する。）３２が接続されているが、移動速度設定器３２で設定される移動速度は、図４に示すように、バケット先端の障害物に対する接近距離（バケット先端と停止位置とのあいだの距離）と変化速度（油圧シリンダや旋回モータへの圧油供給流量）との関係が予め複数設定されており、これら設定される複数の速度変化ラインの中から任意の一つを選択設定できるようになっている。
さらにナビゲーション制御装置１８は、バケット先端座標Ｘ、Ｚの移動変化からＸ方向、Ｚ方向のバケット先端の移動速度を演算できるようになっている。

次に、ナビゲーション制御装置１８、主制御装置２１を用いて実行される干渉回避制御の手順について図５のフローチャート図を用いて説明する。これら制御装置１８、２１は、エンジン始動がなされ初期設定がなされると、干渉回避制御ルーチンを含めた各種の制御ルーチンが実行されるが、干渉回避制御ルーチンでは、機体本体１の検出される現在位置、上部旋回体３の検出される方位、そして各回転角検出センサ２２、２３、２４のセンサ値（これらのセンサ値によりフロントアタッチメントの上下変位量が検出される）に基づいてバケット先端位置の現在位置座標（垂直方向の座標Ｘと水平方向の座標Ｚ）の演算（主制御装置２１で入力したセンサ値をナビゲーション制御装置１８に入力して演算してもよく、また主制御装置２１で演算したものを入力しても良く、本発明の「作業アタッチメント位置演算手段」に相当する先端位置演算手段Ａが、前者の場合にはナビゲーション制御装置１８側に設けられ、後者の場合には主制御装置２１側に設けられており、これらの例を図３、図４においてそれぞれ点線で示している。）を行い、該演算されたバケット先端位置の現在位置座標を出力する。そして該出力された現在位置座標が、障害物座標から演算される前記設定された干渉回避範囲に入っているか否かの判定（判断）をし、入っていないと判定された場合には、操作状態検出センサ２５で検出される操作具操作に対応した通常制御を実行すべく制御指令を主制御装置２１に出力する。主制御装置２１は、該制御指令を入力すると、各シリンダ伸縮制御装置２６、２７、２８およびモータ駆動制御装置２９（これら制御装置２６、２７、２８、２９が本発明の「速度制御部」に相当する）に対して各対応する制御指令を出力するようになっており、このようにして本発明の「制御指令出力手段」に相当する制御指令出力手段Ｂが構成されている。操作具操作に対応したバケット先端位置の移動、上部旋回体３の旋回が実行される。因みに、バケット先端位置の演算は、回転角検出に基づく演算でなく、シリンダ長検出に基づく演算によってもできることはいうまでもない。

これに対し、現在位置座標Ｘ、Ｚが干渉回避範囲に入っていると判定された場合、操作状態検知センサ２５による操作状態の検出信号が、干渉回避範囲から離脱する方向の操作信号であるか否かの判断がなされ、離脱する方向の操作であると判断された場合、前記通常制御が実行される。これに対し、干渉回避範囲を向く方向、つまり障害物に近接する方向の操作具操作がなされていると判断された場合、さらにバケット先端の移動速度が、前記移動速度設定器３２で設定される速度よりも速いか否かの判断がなされる。そして速くないと判断された場合、前記操作具操作量に対応した通常制御が実行されるが、速いと判断された場合、バケット先端の移動速度が操作具操作量に関係なく移動速度設定器３２で設定される速度になるよう各シリンダ伸縮制御装置２６、２７、２８（座標Ｘ成分の速度制御）、並びに旋回用モータ駆動制御装置２９（座標Ｚ成分の速度制御）に制御指令を出力するようになっている。

叙述の如く構成された本発明の実施の形態において、障害物が周囲にある現場でバケット作業をする場合に、機体本体１の検出現在位置、上部旋回体３の検出方位および各回転角検出センサ２２、２３、２４のセンサ値から演算されるバケット先端座標Ｘ、Ｚが、予め設定される干渉回避範囲内であると判定された場合、障害物に近づくほどバケット６の先端の移動速度が減速され、そして停止距離設定器３０で設定される停止位置に至ると上部旋回体３の旋回およびフロントアタッチメントの上下動が停止制御されて、バケット６の先端が障害物に干渉してしまうことの回避が自動的にできることになって、オペレータがいちいちディスプレイを見ながら干渉回避作業を実行するような面倒がない。

しかもこの自動的に実行される干渉回避制御は、干渉回避範囲、障害物からの停止位置、干渉回避範囲に入ったときの減速速度を必要において調整できるため、オペレータの技量や障害物周囲の環境に合わせた干渉回避制御ができることになって作業性、操作性が向上する。

しかもまた前記干渉回避制御は、バケット先端が障害物から離間する方向の操作具操作がなされていると判断される場合には、干渉回避制御が解除されることになって干渉回避範囲からの速やかな脱出ができ、操作性がさらに向上する。

尚、本発明は前記実施の形態に限定されないものであることは勿論であって、例えば前記実施の形態では作業アタッチメントであるバケット６の先端、つまり歯先位置を各角検出センサ２２、２３、２４のセンサ値に基づいて演算していたが、バケット角センサ２４は、実作業位置に近い部位に設けられるため、物に当たったりして故障しやすいことが想定され、そこでバケット角検出センサはないものとし、そして図６に示すように、バケット用油圧シリンダ１０の伸縮ストロークにより設定されるバケット６の作動範囲Ｐ全体を立体座標として演算（本発明の「作業アタッチメント位置演算手段」に相当する。）し、該演算された立体座標のどこかが干渉回避範囲Ｑに干渉していると判断される場合、干渉する可能性があると判断して前記のような干渉回避制御を実行するようにしても本発明を実行することができる。

さらにまた、本発明の作業アタッチメントの位置座標を演算する場合に用いる検知センサとしては角度検知をする角検知センサに限定されず、たとえば前記実施の形態において検知対象となる作業アタッチメント用アクチュエータが油圧シリンダである場合に、該油圧シリンダの伸長ストロークを検知するストローク検知センサであっても同様にして実施することができる。

また本発明は、フロントアタッチメントが左右オフセット式のものについても実施することができる。そしてこの場合には、左右オフラット量をオフセット量検知センサ（例えば、オフセット角検知センサやオフセット用シリンダのストローク検知センサ）を用いて検出し、そして演算される作業アタッチメントの三次元座標の演算はＸ、Ｙ、Ｚの三成分座標になる。

油圧ショベルの全体側面図である。 ナビゲーションシステムのブロック回路図である。 主制御装置のブロック回路図である。 干渉回避範囲で調整される設定速度のグラフ図である。 干渉回避制御のフローチャート図である。 第二の実施の形態を示すバケットの作業範囲と干渉回避範囲との関係を示す概略説明図である。

符号の説明

１ 機体本体
２ 下部走行体
３ 上部旋回体
６ バケット（作業アタッチメント）
８、９、１０ 油圧シリンダ（作業アタッチメント用アクチュエータ）
１２ ＧＰＳ受信装置（現在位置検出手段）
１３ 方位センサ（方位検出手段）
２２、２３、２４ ブーム、アーム、バケット角検知センサ（変位量検知手段）
２９ａ 旋回用モータ（旋回用アクチュエータ）
３２ 移動速度設定器（移動速度設定手段）
Ａ 先端位置演算手段（作業アタッチメント位置演算手段）
Ｂ 制御指令出力手段（制御指令出力手段）

Claims (5)

1. 下部走行体に上部旋回体を縦軸回りに旋回自在に設け、該上部旋回体に対して変位自在な作業アタッチメントを設けた旋回系作業機械に、該旋回系作業機械の現在位置を検出するための現在位置検出手段と、上部旋回体の方位を検出するための方位検出手段と、作業アタッチメントの上部旋回体に対する変位量を検出するための変位量検出手段と、地図データに基づく建物や施設等の障害物に対応させた三次元の障害物座標を記憶する記憶手段と、前記検出した現在位置、方位、および作業アタッチメントの上部旋回体に対する変位量から作業アタッチメント位置の三次元座標を演算する作業アタッチメント位置演算手段と、該演算された作業アタッチメント位置座標が、前記記憶される障害物座標に基づいて設定される干渉回避範囲内にあるか否かの判定をする作業アタッチメント位置座標判定手段と、作業アタッチメント位置座標が干渉回避範囲内にある場合に作業アタッチメントの三次元方向の移動速度を設定するための移動速度設定手段と、該移動速度設定手段により設定された移動速度となるよう上部旋回体の旋回用アクチュエータおよび作業アタッチメント用アクチュエータの速度制御部に制御指令を出力する制御指令出力手段とが備えられていることを特徴とする旋回系作業機械。
2. 請求項１において、移動速度設定手段で設定される移動速度は、作業アタッチメント位置座標が障害物座標に近づくほど減速し、作業アタッチメント位置座標が障害物座標から予め設定される近接位置になったとき停止するように設定されていることを特徴とする旋回系作業機械。
3. 請求項２において、移動速度設定手段で設定される移動速度、停止する近接位置は調整自在に構成されていることを特徴とする旋回系作業機械。
4. 請求項１乃至３の何れか一つにおいて、作業アタッチメントが障害物から離間する方向に移動しているときには減速制御の実行が禁止されることを特徴とする旋回系作業機械。
5. 請求項１乃至４の何れか一つにおいて、作業アタッチメントの位置座標は、作業アタッチメント用アクチュエータが作動したときに設定される作業範囲全体の立体座標であり、制御指令出力手段は、該作業範囲の何れかが干渉回避範囲内に有ると判断された場合に、移動速度設定手段により設定された移動速度となるよう対応する速度制御部に制御指令を出力するようになっていることを特徴とする旋回系作業機械。

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