JP2022160163A - 作業機械 - Google Patents

Abstract

【課題】積込対象の定点に運搬物を積み込むことが可能な作業機械を提供する。
【解決手段】荷台５６の上方に設定された目標積込ポイントＰにおいて、ブーム、アーム３２、および、バケット３３を駆動させることで、バケット３３が保持する土砂を放出する動作を自動で行わせるコントローラを有する。コントローラは、目標積込ポイントＰにおいて、バケット３３の開口面が鉛直になるようにバケット３３を回動させた後は、機械本体に対する位置であってバケット３３の先端の前後方向の位置Ｔを維持しながら、バケット３３の開口面が下を向くように、ブーム、アーム３２、および、バケット３３を駆動させる。
【選択図】図５Ｃ

Description

本発明は、バケットが保持する運搬物を放出する動作を自動で行う作業機械に関する。

特許文献１には、積込位置で停止している運搬車両に対して、油圧ショベルを自動で制御して排土させるシステムが開示されている。特許文献１では、カメラが撮影する画像から、運搬車両の荷台の位置を検出して、自動排土を実行している。

特開２０２０－２０１５５号公報

ところで、運搬物（土砂など）を放出する際に、バケットだけを回動させたのでは、積込対象（運搬車両の荷台など）に運搬物が積み込まれる位置にばらつきが生じる。例えば、土砂の土質に応じて、回動の初期で土砂が放出されたり、回動の後期で土砂が放出されたりするため、土砂の積載位置にばらつきが生じる。そこで、積込対象の定点に運搬物を積み込みできることが望まれる。

本発明の目的は、積込対象の定点に運搬物を積み込むことが可能な作業機械を提供することである。

本発明は、機械本体と、上下方向に回動可能に前記機械本体に取り付けられたブームと、上下方向に回動可能に前記ブームに取り付けられたアームと、前記アームに前後方向に回動可能に取り付けられたバケットと、積込対象の上方に設定された目標積込ポイントにおいて、前記ブーム、前記アーム、および、前記バケットを駆動させることで、前記バケットが保持する運搬物を放出する動作を自動で行わせるコントローラと、を有し、前記コントローラは、前記目標積込ポイントにおいて、前記バケットの開口面が鉛直になるように前記バケットを回動させた後は、前記機械本体に対する位置であって前記バケットの先端の前記前後方向の位置を維持しながら、前記バケットの前記開口面が下を向くように、前記ブーム、前記アーム、および、前記バケットを駆動させることを特徴とする。

本発明によると、目標積込ポイントにおいて、バケットの開口面が鉛直になるようにバケットが回動された後は、機械本体に対する位置であってバケットの先端の前後方向の位置が維持されながら、バケットの開口面が下を向くように、ブーム、アーム、および、バケットが駆動される。機械本体に対するバケットの先端の位置を維持しながら、バケットの開口面を下に向かせることで、バケットの回動の初期から後期にわたって、運搬物が放出される位置をほぼ同じにすることができる。これにより、積込対象の定点に運搬物を積み込むことができる。

作業機械の側面図である。 輸送車の側面図である。 作業機械および携帯端末の回路図である。 作業機械および輸送車の上面図である。 アームおよびバケットの側面図であり、バケットで土砂を保持した状態を示す図である。 アームおよびバケットの側面図であり、バケットの開口面が鉛直にされた状態を示す図である。 アームおよびバケットの側面図であり、バケットの開口面が下を向くように、ブーム、アーム、および、バケットが駆動されている状態を示す図である。 アームおよびバケットの側面図であり、バケットの開口面が下に向けられた状態を示す図である。

以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。

（作業機械の構成）
本発明の実施形態による作業機械は、バケットが保持する運搬物を放出する動作を自動で行うものである。作業機械１の側面図である図１に示すように、作業機械１は、アタッチメント３０で作業を行う機械であり、例えば油圧ショベルである。作業機械１は、下部走行体２１と上部旋回体２２とを備えた機械本体２４と、アタッチメント３０と、シリンダ４０と、を有している。

下部走行体２１は、作業機械１を走行させる部分であり、例えばクローラを備える。上部旋回体２２は、下部走行体２１の上部に旋回装置２５を介して旋回可能に取り付けられる。上部旋回体２２の前部には、キャブ（運転室）２３が設けられている。

アタッチメント３０は、上下方向に回動可能に上部旋回体２２に取り付けられる。アタッチメント３０は、ブーム３１と、アーム３２と、バケット３３と、を備える。ブーム３１は、上下方向に回動可能（起伏可能）に上部旋回体２２に取り付けられる。アーム３２は、上下方向に回動可能にブーム３１に取り付けられる。バケット３３は、前後方向に回動可能にアーム３２に取り付けられる。バケット３３は、土砂（運搬物）の、掘削、均し、すくい、などの作業を行う部分である。なお、運搬物は土砂に限定されず、石でもよく、廃棄物（産業廃棄物など）でもよい。

シリンダ４０は、アタッチメント３０を油圧で回動させることが可能である。シリンダ４０は、油圧式の伸縮シリンダである。シリンダ４０は、ブームシリンダ４１と、アームシリンダ４２と、バケットシリンダ４３と、を備える。

ブームシリンダ４１は、上部旋回体２２に対してブーム３１を回動させる。ブームシリンダ４１の基端部は、上部旋回体２２に回動可能に取り付けられる。ブームシリンダ４１の先端部は、ブーム３１に回動可能に取り付けられる。

アームシリンダ４２は、ブーム３１に対してアーム３２を回動させる。アームシリンダ４２の基端部は、ブーム３１に回動可能に取り付けられる。アームシリンダ４２の先端部は、アーム３２に回動可能に取り付けられる。

バケットシリンダ４３は、アーム３２に対してバケット３３を回動させる。バケットシリンダ４３の基端部は、アーム３２に回動可能に取り付けられる。バケットシリンダ４３の先端部は、バケット３３に回動可能に取り付けられたリンク部材３４に、回動可能に取り付けられる。

また、作業機械１は、角度センサ５２と、傾斜角センサ６０と、を有している。

角度センサ５２は、下部走行体２１に対する上部旋回体２２の旋回角度を検出する。角度センサ５２は、例えば、エンコーダ、レゾルバ、又は、ジャイロセンサである。本実施形態では、上部旋回体２２の前方が下部走行体２１の前方と一致するときの上部旋回体２２の旋回角度を０°としている。

傾斜角センサ６０は、アタッチメント３０の姿勢を検出する。傾斜角センサ６０は、ブーム傾斜角センサ６１と、アーム傾斜角センサ６２と、バケット傾斜角センサ６３と、を備える。

ブーム傾斜角センサ６１は、ブーム３１に取り付けられ、ブーム３１の姿勢を検出する。ブーム傾斜角センサ６１は、水平線に対するブーム３１の傾斜角度を取得するセンサであり、例えば傾斜（加速度）センサ等である。なお、ブーム傾斜角センサ６１は、ブームフットピン（ブーム基端）の回転角度を検出する回転角度センサや、ブームシリンダ４１のストローク量を検出するストロークセンサであってもよい。

アーム傾斜角センサ６２は、アーム３２に取り付けられ、アーム３２の姿勢を検出する。アーム傾斜角センサ６２は、水平線に対するアーム３２の傾斜角度を取得するセンサであり、例えば傾斜（加速度）センサ等である。なお、アーム傾斜角センサ６２は、アーム連結ピン（アーム基端）の回転角度を検出する回転角度センサや、アームシリンダ４２のストローク量を検出するストロークセンサであってもよい。

バケット傾斜角センサ６３は、リンク部材３４に取り付けられ、バケット３３の姿勢を検出する。バケット傾斜角センサ６３は、水平線に対するバケット３３の傾斜角度を取得するセンサであり、例えば傾斜（加速度）センサ等である。なお、バケット傾斜角センサ６３は、バケット連結ピン（バケット基端）の回転角度を検出する回転角度センサや、バケットシリンダ４３のストローク量を検出するストロークセンサであってもよい。

（輸送車の構成）
輸送車３の側面図である図２に示すように、輸送車３は、積込対象である荷台５６を有する車両である。輸送車３は、作業機械１によって積み込まれた土砂（積載物）を輸送するための車両であり、ダンプカーでもよく、トラックでもよい。

輸送車３は、本体部５５と、荷台５６と、を備える。本体部５５は、走行可能であり、荷台５６を支持する。本体部５５は、運転室５７を備える。荷台５６は、運転室５７よりも、輸送車３における後側に配置されている。

以下では、輸送車３に関する方向について、運転室５７から荷台５６に向かう側を「輸送車後側」、荷台５６から運転室５７に向かう側を「輸送車前側」という。

荷台５６は、蓋を有しておらず、例えば箱形などである。荷台５６は、床面５６ａと、後部あおり板面５６ｂと、側部あおり板面５６ｃと、鳥居面５６ｄと、を備える。床面５６ａは、荷台５６の底面（下側の面）である。後部あおり板面５６ｂは、荷台５６の輸送車後側の面であり、床面５６ａの輸送車後側の部分から上に突出する。側部あおり板面５６ｃは、荷台５６の左右の面であり、床面５６ａの左右の端部から上に突出する。鳥居面５６ｄは、荷台５６の輸送車前側の面であり、床面５６ａの輸送車前側の部分から上に突出する。鳥居面５６ｄは、側部あおり板面５６ｃよりも上に突出し、後部あおり板面５６ｂよりも上に突出する。

荷台５６は、土砂（積載物）を収容する。荷台５６は、本体部５５に対して可動でもよく、本体部５５に固定されてもよい。なお、作業機械１が積込作業（排土作業）を行う積込対象は、輸送車３の荷台５６でなくてもよく、例えば地面などに直接置かれた容器などであってもよい。

（携帯端末の構成）
図１に示すように、携帯端末５は、作業現場にいる作業者により操作される端末であり、例えばタブレット端末である。携帯端末５は、作業機械１と相互に通信可能である。なお、携帯端末５は、スマートフォン等であってもよい。

（作業機械および携帯端末の回路構成）
作業機械１および携帯端末５の回路図である図３に示すように、作業機械１は、コントローラ１１と、作業機械側通信装置１２と、記憶装置１３と、を有している。

コントローラ１１は、作業機械１を自動制御する。コントローラ１１は、土砂の掘削から排土までの一連の動作を作業機械１に自動で行わせる。つまり、作業機械１は自動運転される。具体的には、コントローラ１１は、角度センサ５２および傾斜角センサ６０の検出値に基づいて、旋回装置２５およびアタッチメント３０を自動で動作させる。

作業機械側通信装置１２は、携帯端末５の後述する携帯端末側通信装置１６と通信可能である。記憶装置１３は、後述する目標積込ポイントを記憶可能である。

携帯端末５は、携帯端末側コントローラ１５と、携帯端末側通信装置１６と、ディスプレイ１７と、タッチパネル１８と、を有している。

携帯端末側通信装置１６は、作業機械１の作業機械側通信装置１２と通信可能である。携帯端末側コントローラ１５は、携帯端末側通信装置１６を介して、作業機械１からアーム３２の先端（バケット３３の基端）の位置の情報を受信する。

ここで、作業機械１および輸送車３の上面図である図４に示すように、土砂の掘削から排土までの一連の動作は、作業機械１の上部旋回体２２の旋回方向に輸送車３の長手方向が沿うようにして、輸送車３が停止された状態で行われる。つまり、土砂溜まり７０からバケット３３で土砂を掬った後に、上部旋回体２２を旋回させて、輸送車３の荷台５６の上方にバケット３３を位置させる。そして、荷台５６の中に排土した後に、上部旋回体２２を先ほどとは逆方向に旋回させて、土砂溜まり７０の上方にバケット３３を位置させる。これを自動で繰り返させる。土砂溜まり７０は、土砂ピットや土砂山である。

作業機械１のコントローラ１１は、荷台５６の上方に目標積込ポイントＰを設定する。目標積込ポイントＰは、作業機械１が輸送車３に対して積込作業（排土作業）を行う目標位置である。積込作業は、バケット３３が保持する土砂を荷台５６に放出する作業である。目標積込ポイントＰの設定は、所謂ティーチングにより行われる。

ティーチングは、以下のようにして行われる。まず、オペレータによるマニュアル操作で、アーム３２の先端（バケット３３の基端）を、荷台５６の上方に位置させる。この位置を、携帯端末５を所持する作業者が確認して、問題なければ、タッチパネル１８を操作して位置を確定する。この情報が、作業機械１のコントローラ１１に送信され、このときのアーム３２の先端の位置が、目標積込ポイントＰとして設定されて、記憶装置１３に記憶される。

ティーチングにより、目標積込ポイントＰは、荷台５６の長手方向に複数設定される。目標積込ポイントＰは、荷台５６の長手方向および鉛直方向にそれぞれ直交する方向（短手方向）における荷台５６の幅の中央部に設定される。

コントローラ１１は、自身が設定した目標積込ポイントＰに対して積込作業を行わせる。このとき、コントローラ１１は、目標積込ポイントＰにおいて、バケット３３の開口面が鉛直になるようにバケット３３を回動させた後は、機械本体２４に対する位置であってバケット３３の先端の前後方向の位置を維持しながら、バケット３３の開口面が下を向くように、ブーム３１、アーム３２、および、バケット３３を駆動させる。

具体的には、アーム３２およびバケット３３の側面図である図５Ａ～図５Ｄに示すように、ブーム３１、アーム３２、および、バケット３３が駆動される。まず、図５Ａに示すように、バケット３３で土砂を保持した状態で、アーム３２の先端が目標積込ポイントＰに位置され、そこでブーム３１、アーム３２、および、バケット３３が停止される。このとき、バケット３３の開口面は水平である。

次に、図５Ｂに示すように、バケット３３の開口面が鉛直になるようにバケット３３が回動される。これにより、バケット３３に保持されている土砂の一部が荷台５６の上に落ちる。

次に、図５Ｃに示すように、機械本体２４に対する位置であってバケット３３の先端の前後方向の位置Ｔを維持しながら、バケット３３の開口面が下を向くように、ブーム３１、アーム３２、および、バケット３３を駆動させる。具体的には、バケット３３の開口面が下を向くようにブーム３１が回動されるとともに、アーム３２が上部旋回体２２の方に移動される（アーム引きされる）。ブーム３１の回動に伴って、バケット３３内の土砂が荷台５６の上に落ちる。

そして、図５Ｄに示すように、バケット３３の開口面が下に向けられる。これにより、バケット３３に保持されていた土砂のほとんどすべてが荷台５６の上に落ちる。

機械本体２４に対するバケット３３の先端の位置Ｔを維持しながら、バケット３３の開口面を下に向かせることで、バケット３３の回動の初期から後期にわたって、土砂が放出される位置をほぼ同じにすることができる。これにより、荷台５６の定点に土砂を積み込むことができる。

また、荷台５６の短手方向における荷台５６の中央部に設定された目標積込ポイントＰにおいて、土砂を放出する動作を行わせることで、荷台５６から土砂がこぼれるのを抑制することができる。

なお、バケット３３の開口面が水平の状態（図５Ａに示す状態）から、バケット３３の開口面が下を向いた状態（図５Ｄに示す状態）にわたって、バケット３３の先端の位置Ｔを維持するように、ブーム３１、アーム３２、および、バケット３３を駆動させることが考えられる。しかし、この場合、アーム３２の先端よりもバケット３３の先端の方が上部旋回体２２に近いため、バケット３３を回動させると、上部旋回体２２側においてバケット３３が荷台５６からはみ出して、荷台５６の外に土砂がこぼれる恐れがある。そこで、バケット３３が荷台５６からはみ出さないように、バケット３３の先端を目標積込ポイントＰに位置させることが考えられる。しかし、この場合、アーム３２の先端が上部旋回体２２から遠くになりすぎて、アタッチメント３０の構造上、バケット３３の開口面を水平に保てなくなる恐れがある。

本実施形態では、バケット３３の開口面を水平にした状態で、アーム３２の先端を目標積込ポイントＰに位置させ、バケット３３の開口面を鉛直にした後は、機械本体２４に対するバケット３３の先端の位置Ｔを維持しながら、バケット３３を回動させることで、バケット３３の開口面を水平に保ったり、バケット３３が荷台５６からはみ出さないようにしたりすることができる。

（効果）
以上に述べたように、本実施形態に係る作業機械１によれば、目標積込ポイントＰにおいて、バケット３３の開口面が鉛直になるようにバケット３３が回動された後は、機械本体２４に対する位置であってバケット３３の先端の前後方向の位置Ｔが維持されながら、バケット３３の開口面が下を向くように、ブーム３１、アーム３２、および、バケット３３が駆動される。機械本体２４に対するバケット３３の先端の位置を維持しながら、バケット３３の開口面を下に向かせることで、バケット３３の回動の初期から後期にわたって、土砂が放出される位置をほぼ同じにすることができる。これにより、荷台５６の定点に土砂を積み込むことができる。

また、目標積込ポイントＰは、荷台５６の長手方向および鉛直方向にそれぞれ直交する方向における荷台５６の中央部に設定されている。このような目標積込ポイントＰにおいて、土砂を放出する動作を行わせることで、荷台５６から土砂がこぼれるのを抑制することができる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、具体例を例示したに過ぎず、特に本発明を限定するものではなく、具体的構成などは、適宜設計変更可能である。また、発明の実施の形態に記載された、作用及び効果は、本発明から生じる最も好適な作用及び効果を列挙したに過ぎず、本発明による作用及び効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。

１ 作業機械
３ 輸送車
５ 携帯端末
１１ コントローラ
１２ 作業機械側通信装置
１３ 記憶装置
１５ 携帯端末側コントローラ
１６ 携帯端末側通信装置
１７ ディスプレイ
１８ タッチパネル
２１ 下部走行体
２２ 上部旋回体
２３ キャブ
２４ 機械本体
２５ 旋回装置
３０ アタッチメント
３１ ブーム
３２ アーム
３３ バケット
３４ リンク部材
４０ シリンダ
４１ ブームシリンダ
４２ アームシリンダ
４３ バケットシリンダ
５２ 角度センサ
５５ 本体部
５６ 荷台（積込対象）
５７ 運転室
６０ 傾斜角センサ
６１ ブーム傾斜角センサ
６２ アーム傾斜角センサ
６３ バケット傾斜角センサ

Claims (2)

1. 機械本体と、
   上下方向に回動可能に前記機械本体に取り付けられたブームと、
   上下方向に回動可能に前記ブームに取り付けられたアームと、
   前記アームに前後方向に回動可能に取り付けられたバケットと、
   積込対象の上方に設定された目標積込ポイントにおいて、前記ブーム、前記アーム、および、前記バケットを駆動させることで、前記バケットが保持する運搬物を放出する動作を自動で行わせるコントローラと、
   を有し、
   前記コントローラは、前記目標積込ポイントにおいて、前記バケットの開口面が鉛直になるように前記バケットを回動させた後は、前記機械本体に対する位置であって前記バケットの先端の前記前後方向の位置を維持しながら、前記バケットの前記開口面が下を向くように、前記ブーム、前記アーム、および、前記バケットを駆動させることを特徴とする作業機械。
2. 前記目標積込ポイントは、前記積込対象の長手方向および鉛直方向にそれぞれ直交する方向における前記積込対象の中央部に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の作業機械。

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