JP2023543984A - 作業機械のための仮想境界システム - Google Patents

Abstract

機械（１００）は、フレーム（１１０）と、フレーム（１１０）を支持する複数の牽引装置（１１６）と、フレーム（１１０）に取り付けられたエンジン（１１８）および運転者キャブ（１２０）と、作業ツール（１５０）を所望の位置に動かすように構成された器具システム（１３０）と、位置センサ（２３０）と、作業ツール（１５０）を所望の配向に動かすように構成された傾斜回転システム（１６０）と、配向センサ（２６０）と、運転者インターフェース（２２０）と、制御モジュール（２１０）とを含む。制御モジュール（２１０）は、作業ツール（１５０）のモデルを受信し、仮想境界（３００）を画定する境界入力（２５０）を受信し、位置センサ（２３０）および配向センサ（２６０）から信号を受信し、運転者インターフェース（２２０）から器具制御入力（２４０）を受信し、信号およびモデルに基づいて、作業ツール（１５０）の位置および配向を判定し、位置および配向、境界入力（２５０）、および器具制御入力（２４０）に基づいて、作業ツール（１５０）が仮想境界（３００）に近づいているかどうかを判定し、作業ツール（１５０）が仮想境界（３００）を越えることを自動的に防止するように構成される。【選択図】図２

Description

本開示は、概して作業機械に関し、より具体的には、作業ツールを有する作業機械に対する仮想境界を提供するための方法およびシステムに関する。

ショベルや他の類似の作業機械は、壁、電線、道路、および埋設されたユーティリティなどの障害物や危険物に近接して頻繁に動作しなければならない。これらの機械は、ショベル、ブルドーザー、トラクター、および類似のものに限定されるものではないが、これらを含む、これらの危険物と接触する可能性のある広範な可動範囲を有する作業ツールを有することが多い任意の数の建設、採掘、農業および産業作業機械を含み得る。制限領域内で作業する必要があることは、機械またはその周囲への損傷リスクの増大をもたらす。さらに、機械の動きを常時制限する必要があるため、運転者にも負担がかかる。

先行技術では、この問題に適切に対処できていない。Ｍｅｇｕｒｉｙａ等の米国特許第９，７２５，８７４号によって開示されるようなシステムは、何らかの形態の自動動き制限を提供するが、これらのシステムは、特定のグレードにおける基準面の作成の自動化に焦点が当てられている。さらに、それらは、作業ツールの三次元配向を考慮しないか、または複雑な三次元境界を許容しない。加えて、以前の境界システムは、作業ツールの球形状を想定することを必要とし、これは精度を制限する。

したがって、より改良された境界システムを有する作業機械に対するニーズがある。

本開示の一態様によれば、作業ツールを有する機械が開示されている。機械は、フレームと、フレームを支持する複数の牽引装置と、フレームに取り付けられたエンジンと、フレームに取り付けられた運転者キャブと、作業ツールを三次元の所望の位置に動かすように構成され、かつ複数の位置センサを有する器具システムと、作業ツールを三次元の所望の配向に動かし、かつ複数の配向センサを有する傾斜回転システムと、境界入力および器具制御入力を受信するように構成された運転者インターフェースと、制御モジュールとを含む。制御モジュールは、作業ツールの三次元モデルを受信し、運転者インターフェースから仮想境界を画定する境界入力を受信し、複数の位置センサおよび複数の配向センサから信号を受信し、運転者インターフェースから器具制御入力を受信し、信号およびモデルに基づいて、作業ツールの位置および配向を判定し、作業ツールの位置および配向、境界入力、および器具制御入力に基づいて、作業ツールが仮想境界に近づいているかどうかを判定し、作業ツールが仮想境界を越えることを自動的に防止するように構成される。

本開示の別の態様によれば、作業ツールを有する機械のための仮想境界システムが開示されている。システムは、作業ツールを三次元の所望の位置に動かすように構成され、かつ複数の位置センサを有する器具システムと、作業ツールを三次元の所望の配向に動かすための、かつ複数の配向センサを有する傾斜回転システムと、境界入力および器具制御入力を受信するように構成された運転者インターフェースと、制御モジュールとを含む。制御モジュールは、作業ツールの三次元モデルを受信し、運転者インターフェースから仮想境界を画定する境界入力を受信し、複数の位置センサおよび複数の配向センサから信号を受信し、運転者インターフェースから器具制御入力を受信し、信号およびモデルに基づいて、作業ツールの位置および配向を判定し、作業ツールの位置および配向、境界入力、および器具制御入力に基づいて、作業ツールが仮想境界に近づいているかどうかを判定し、作業ツールが仮想境界を越えることを自動的に防止するように構成される。

本開示のさらに別の態様によれば、作業ツールを制御する方法が開示されている。方法は、作業ツールの三次元モデルを受信することと、仮想境界を画定する境界入力を受信することと、複数の位置センサおよび複数の配向センサから信号を受信することと、運転者インターフェースから器具制御入力を受信することと、信号およびモデルに基づいて、作業ツールの位置および配向を判定することと、作業ツールの位置および配向、境界入力、および器具制御入力に基づいて、作業ツールが仮想境界に近づいているかどうかを判定することと、作業ツールが仮想境界を越えることを自動的に防止することとを含む。

本開示のこれらおよびその他の態様および特徴は、添付図面と併せて以下の詳細な説明を読み取った後により容易に理解されるであろう。

図１は、本開示の態様による作業機械の斜視図である。 図２は、本開示の一態様による、仮想境界システムのブロック図である。 図３は、本開示の一態様による、ショベルの作業ツールおよび仮想境界のクローズアップである。 図４は、本開示の一態様による、ショベルおよび仮想境界の側面図である。 図５は、本開示の一態様による、作業機械および仮想境界の側面図である。 図６は、本開示の一態様による、作業機械および仮想境界の上面図である。 図７は、本開示の一態様による、作業機械および仮想境界の斜視図である。 図８は、本開示の一態様による、作業機械および仮想境界の上面図である。 図９は、本開示の一態様による、作業機械および仮想境界の側面図である。 図１０は、本開示の一態様による、作業機械および仮想境界の斜視図である。 図１１は、本開示の一態様による、作業ツールの動きを制限する方法の流れ図である。

ここで図面を参照すると、特に図１を参照すると、本開示による例示的な作業機械は、参照符号１００で言及されている。具体的には、図１はショベルを示すが、作業機械１００はまた、バックホー、フロントショベル、ホイールローダー、または別の類似の機械ならびに材料運搬装置などの他のタイプの建設機械または採掘機械であってもよい。図１に示すように、機械１００は、下部セクション１１２および上部セクション１１４を有するフレーム１１０を含む。下部セクション１１２は、トラック、ホイール、または類似のものであり得る地面係合装置１１６によって支持される。エンジン１１８および運転者キャブ１２０は、上部セクション１１４上に取り付けられる。

さらに、機械１００は、作業ツール１５０を動かして機械１００の作業を実施するように構成された、器具システム１３０を有する。器具システム１３０は、ブーム１３２およびスティック１３４を含み得る。ブーム１３２は、フレーム１１０の上部セクション１１４に接続され、かつフレーム１００に対して垂直に枢動可能である第一の端部１３３を有する。ブーム１３２の第二の端部１３５は、スティック１３４に接続され、同じく垂直に枢動可能である。ブーム１３２およびスティック１３４は、必要に応じて、油圧シリンダ１３６、または部品を動かすことができる任意の他の機構によって位置付けられてもよい。器具システム１３０はまた、器具システム１３０のフレーム１１０の周りを回転する動きを可能にする旋回システム１４０（図示せず）を含んでもよい。旋回システム１４０は、下部セクション１１２に対してフレーム１１０の上部セクション１１４を回転させるように構成される。これにより、上部セクション１１４が器具システム１３０を必要な角度まで回転させる間に、フレーム１１０の下部セクション１１２が安定した基部を維持することが可能になる。旋回システム１４０はまた、油圧装置１３６によって動作されてもよい。

器具システム１３０は、複数の位置センサ２３０をさらに含む。位置センサ２３０は、油圧シリンダ上の変位センサ、ピボットジョイントにおける角度センサ、傾斜計、ジャイロセンサ、傾斜センサ、地球基準センサ、または作業ツールの位置の判定に寄与し得る任意の他のセンサを含んでもよい。位置センサ２３０は、制御モジュール２１０に信号を提供する（図２を参照）。

作業ツール１５０は、作業ツール１５０を複数の次元で傾斜および回転させることを可能にするように構成された傾斜回転システム１６０を介して、スティック１３４のブーム１３２から最遠の端部に取り付けられる。図に示す作業ツール１５０は、バケットであるが、別の方法として、フォーク配置、ブレード、ショベル、または任意の他の作業実施装置に限定されるものではないが、これらを含む、特定の作業を実施するために使用される任意の装置であってもよい。傾斜回転システム１６０は、少なくとも回転センサ２５２および傾斜センサ２５４を含む、複数の配向センサ２６０をさらに含む。配向センサ２６０は、油圧シリンダ上の変位センサ、ピボットジョイントにおける角度センサ、傾斜計、ジャイロセンサ、傾斜センサ、または作業ツール１５０の配向の判定に寄与し得る任意の他のセンサを含んでもよい。

器具システムの動きは、運転者インターフェース２２０を通した運転者キャブ１２０内の運転者からの器具制御入力２４０に基づいて、制御モジュール２１０によって制御される。器具制御入力２４０は、ジョイスティック、ボタン、タッチインターフェース、または目的のために効果的な任意の他の装置によって提供され得る。

傾斜回転システム１６０の制御部および配向センサ２６０は、器具システム１３０と同じ制御モジュール２１０内に直接統合される。このように、作業ツール１５０の配向は、運転者インターフェース２２０への器具制御入力２４０および制御モジュール２１０を通して傾斜回転システム１６０によって制御される。一部の他のシステムでは、類似の傾斜回転システムは、レバーコマンドのパススルー装置である、一次機械制御モジュールと相互作用する別個の制御モジュールを含む。こうした別個の制御モジュールが故障した場合、機械はレバーコマンドを読み取らずにこれをパススルーするため、動作不能となる可能性がある。制御モジュール２１０内への傾斜回転システム１６０の統合は、センサ情報への直接アクセスを可能にし、遅延を防止し、エラーのより効果的な診断を可能にする。具体的には、統合により、機械全体の故障ではなく部分的な故障の場合に、部分的なシャットダウンおよび診断が可能となる。

器具システム１３０および傾斜回転システム１６０は共に、作業ツール１５０を三次元範囲内の任意の位置および配向に動かすことを可能にする。しかしながら、多くの用途では、その領域における障害物および危険物との間の損傷を防止するため、または他の理由のために、回避されるべきその範囲の一部分があり得る。仮想境界システム２００を使用して、作業ツールが少なくとも一つの仮想境界３００を有する所望の範囲を越えて動くことを自動的に制限することが可能である。図２に示す通り、仮想境界システム２００は、器具システム１３０の位置センサ２３０、傾斜回転システム１６０の配向センサ２６０、運転者インターフェース２２０、および制御モジュール２１０を含む。

作業を開始する前に、制御モジュール２１０は、作業ツール１５０の三次元モデルを受信する。モデルは、外部形状の詳細を含む、作業ツール１５０の寸法を含む。これにより、図３に示すように、システムは、近似値ではなく、その実際の形状に基づいて、作業ツール１５０が仮想境界３００に近づいているかどうかを判定することが可能になる。作業ツール１５０が、内部空間を有するバケットまたは類似のツールである場合、モデルが内部形状を含む必要はない。バケットの実施例では、システムは、歯の隅部、またはバケットの後部が仮想境界の近くにあるかどうかを判定し得る。

制御モジュール２１０はまた、仮想境界３００を画定する境界入力２５０を受信する。境界入力２５０は、運転者インターフェース２２０を介して提供されてもよい。仮想境界３００は、いくつかの方法で配向され得る平面として構成される。水平面は、図４に示すように、床として機械１００の下方にあってもよく、または天井として機械１００の上方にあってもよい（図５）。垂直面は、横向きの動きを防止するために、機械１００のブームおよびスティックと平行である（図６）、機械１００の前方にある（図７）、またはこうした実施形態の一つを図８に示す、側壁と前方壁との間に任意の角度にあってもよい。垂直面はまた、図９に示すように、運転者キャブ１２０を保護するのにも使用され得る。最後に、仮想境界３００は、垂直でも水平でもなく、代わりに、図１０に示すように、勾配を形成する平面であってもよい。湾曲した形状または他の複雑な形状を含み得る、他の境界３００が考案されてもよい。

仮想境界３００は、オフセット、勾配、および横断勾配を含む測定値を用いて手動で、またはバケットを一連の地点に配置し、それらの位置に対して平面を設定することによって、のいずれかで、境界入力として制御モジュール２１０内にプログラムされてもよい。当然のことながら、境界のパラメータを提供する他の方法が使用されてもよい。境界３００は、機械１００に対して、または地球基準として示されてもよい。地球基準は、ＧＮＳＳからの地球位置および配向、または、より少ない情報（例えば、コンパスからなどの、標高のみまたは進行方向のみ）を使用してもよい。作業領域を完全に画定するために、複数の境界が入力されてもよい。

機械１００が動作しているときに、制御モジュール２１０は、複数の位置センサ２３０および複数の配向センサ２６０から信号を受信する。これらの信号により、制御モジュール２１０は、作業ツール１５０の三次元の正確な位置および配向を判定することが可能になる。作業ツール１５０のモデルと組み合わせることにより、作業ツール１５０のすべての縁部および先端部の位置を正確に理解することが可能になる。

制御モジュール２１０はまた、運転者インターフェース２２０から器具制御入力２４０を受信する。これらの入力は、運転者が器具システム１３０および傾斜回転システム１６０に行うように指示する動作を表す。

次に、制御モジュールは、作業ツール１５０の判定された位置および配向、および境界入力２５０および器具制御入力２４０に基づいて、作業ツール１５０が仮想境界３００に近づいているかどうかを判定する。

最後に、作業ツール１５０は、仮想境界３００を越えることが自動的に防止される。これは、運転者によるその方向における任意のさらなる器具制御入力２４０にもかかわらず、器具システム１３０または傾斜回転システム１６０の動きを停止することによって達成される。仮想境界３００から離間する動きを指示する器具制御入力２４０は影響を受けない。

仮想境界システム２００は、作業ツール１５０が仮想境界３００の閾値距離内に近づいた場合の警報をさらに含んでもよい。この警報は、運転者キャブ１２０内の視覚または聴覚インジケータであってもよい。

ショベルやその他の土木機械や建設機械などの作業機械は、壁、電線、道路、埋設されたユーティリティなどの障害物や危険物に近接して頻繁に動作しなければならない。制限領域内で作業する必要があるため、機械の動きを常時監視しなければならない運転者に負担がかかる。さらに、これらの状態は、機械、その周囲、さらには見物人への損傷リスクの増大をもたらす。仮想境界システム２００は、作業ツールが制限された空間内で作業しなければならない任意の用途に有用であり得る。これには、建設、鉱業、農業、および類似の産業が含まれ得る。

仮想境界システム２００は、図１１に示す以下の方法４００を使用する。作業を開始する前に、制御モジュール２１０は、作業ツール１５０の三次元モデルを受信する（ブロック４１０）。モデルは、形状の詳細を含む作業ツールの寸法を含む。これにより、システムが、近似値ではなく、その実際の形状および三次元配向に基づいて、作業ツールがバリアに近づいているかどうかを判定することが可能になる。

制御モジュール２１０はまた、仮想境界３００を画定する運転者インターフェースから境界入力を受信する（ブロック４２０）。仮想境界３００は、測定値として手動で入力され得るオフセット、勾配、および横断勾配によって、または平面にわたる複数の地点に作業ツールを配置することによって、画定され得る。測定値は、機械１００に対して、または地球基準として画定されてもよい。仮想境界３００は、平面形状を有してもよい。

機械１００が動作しているときに、制御モジュール２１０は、複数の位置センサ２３０および複数の配向センサ２６０から信号を受信する（ブロック４３０）。制御モジュール２１０はまた、ブロック（４４０）に示すように、運転者インターフェース２２０から、器具制御入力を受信する。これらの入力は、運転者が器具システム１３０および傾斜回転システム１６０に行うように指示する動作を表す。

信号に基づいて、制御モジュール２１０は、作業ツール１５０の三次元の位置および配向を判定する（ブロック４５０）。次に、ブロック４６０に示すように、制御モジュールは、作業ツール１５０の位置および配向（ブロック４５０で判定される）、および境界入力および器具制御入力に基づいて、作業ツール１５０が仮想境界３００に近づいているかどうかを判定する。作業ツールが仮想境界に近づいている場合（ブロック４７０）、ブロック４８０に示すように、作業ツール１５０が仮想境界３００を越えることが自動的に防止される。これは、その方向における任意のさらなる運転者入力にもかかわらず、器具システム１３０または傾斜回転システム１６０の動きを停止することによって達成される。一方、作業ツールが仮想境界に近づいていない場合、機械１００の通常の動作が継続される（ブロック４９０）。仮想境界３００から離間する動きを指示する運転者入力は影響を受けない。

前述の本文は、数多くの異なる実施形態の詳細な説明を記載したが、当然のことながら、保護の法律上の範囲は、本特許の最後に記載した特許請求の範囲の文言によって規定される。詳細な説明は、単なる例示と解釈されるべきであり、全ての可能な実施形態を説明することは、不可能ではないにしても、非現実的であることから、全ての可能な実施形態を説明することはしない。現在の技術か、または本特許の出願日以降に開発された技術のいずれかを使用して、数多くの代替の実施形態を実施することができるが、これも、保護の範囲を規定する特許請求の範囲に含まれる。

Claims (15)

1. 機械（１００）であって、
   フレーム（１１０）と、
   前記フレーム（１１０）を支持する複数の牽引装置（１１６）と、
   前記フレーム（１１０）に取り付けられたエンジン（１１８）と、
   前記フレーム（１１０）に取り付けられた運転者キャブ（１２０）と、
   前記フレーム（１１０）に接続された器具システム（１３０）であって、作業ツール（１５０）を三次元の所望の位置に動かすように構成され、かつ複数の位置センサ（２３０）を有する、器具システム（１３０）と、
   傾斜回転システム（１６０）であって、前記作業ツール（１５０）を三次元の所望の配向に動かすように構成され、かつ複数の配向センサ（２６０）を有する、傾斜回転システム（１６０）と、
   境界入力（２５０）および器具制御入力（２４０）を受信するように構成された運転者インターフェース（２２０）と、
   制御モジュール（２１０）であって、
   前記作業ツール（１５０）の三次元モデルを受信し、
   前記運転者インターフェース（２２０）から仮想境界（３００）を画定する前記境界入力（２５０）を受信し、
   前記複数の位置センサ（２３０）および前記複数の配向センサ（２６０）から信号を受信し、
   前記運転者インターフェース（２２０）から前記器具制御入力（２４０）を受信し、
   前記信号および前記モデルに基づいて、前記作業ツール（１５０）の位置および配向を判定し、
   前記作業ツール（１５０）の前記位置および配向、前記境界入力（２５０）、および前記器具制御入力（２４０）に基づいて、前記作業ツール（１５０）が前記仮想境界（３００）に近づいているかどうかを判定し、
   前記作業ツール（１５０）が前記仮想境界（３００）を越えることを自動的に防止するように構成された、制御モジュール（２１０）と、を備える、機械（１００）。
2. 前記傾斜回転システム（１６０）の制御部およびセンサが前記制御モジュール（２１０）内に直接統合される、請求項１に記載の機械（１００）。
3. 複数の仮想境界（３００）が画定される、請求項１に記載の機械（１００）。
4. 前記仮想境界（３００）が平面形状である、請求項１に記載の機械（１００）。
5. 前記仮想境界（３００）が、オフセット、勾配、および横断勾配によって画定される、請求項１に記載の機械（１００）。
6. 前記仮想境界が前記機械に対して画定される、請求項１に記載の機械（１００）。
7. 前記仮想境界（３００）が、地球基準によって画定される、請求項１に記載の機械（１００）。
8. 作業ツール（１５０）を有する機械（１００）のための仮想境界システム（２００）であって、
   器具システム（１３０）であって、前記作業ツール（１５０）を三次元の所望の位置に動かすように構成され、かつ複数の位置センサ（２３０）を有する、器具システム（１３０）と、
   傾斜回転システム（１６０）であって、前記作業ツール（１５０）を三次元の所望の配向に動かすように構成され、かつ複数の配向センサ（２６０）を有する、傾斜回転システム（１６０）と、
   境界入力（２５０）および器具制御入力（２４０）を受信するように構成された運転者インターフェース（２２０）と、
   制御モジュール（２１０）であって、
   前記作業ツール（１５０）の三次元モデルを受信し、
   前記運転者インターフェース（２２０）から仮想境界（３００）を画定する前記境界入力（２５０）を受信し、
   前記複数の位置センサ（２３０）および前記複数の配向センサ（２６０）から信号を受信し、
   前記運転者インターフェース（２２０）から前記器具制御入力（２４０）を受信し、
   前記信号および前記モデルに基づいて、前記作業ツール（１５０）の位置および配向を判定し、
   前記作業ツール（１５０）の前記位置および配向、前記境界入力（２５０）、および前記器具制御入力（２４０）に基づいて、前記作業ツール（１５０）が前記仮想境界（３００）に近づいているかどうかを判定し、
   前記作業ツール（１５０）が前記仮想境界（３００）を越えることを自動的に防止するように構成された、制御モジュール（２１０）と、を備える、仮想境界システム（２００）。
9. 前記傾斜回転システム（１６０）の制御部およびセンサが前記制御モジュール（２１０）内に直接統合される、請求項８に記載のシステム（２００）。
10. 複数の仮想境界（３００）が画定される、請求項８に記載のシステム（２００）。
11. 前記仮想境界（３００）が平面形状である、請求項８に記載のシステム（２００）。
12. 前記仮想境界（３００）が、オフセット、勾配、および横断勾配によって画定される、請求項８に記載のシステム（２００）。
13. 前記仮想境界が、前記機械に対して画定される、請求項８に記載のシステム（２００）。
14. 前記仮想境界（３００）が、地球基準によって画定される、請求項８に記載のシステム（２００）。
15. 前記複数の配向センサ（２６０）が、傾斜センサおよび回転センサを含む、請求項８に記載のシステム（２００）。