JP2024083065A - ショベル、及び作業機械 - Google Patents

Abstract

【課題】処理負担を軽減する。
【解決手段】本開示の一態様に係るショベルは、上部旋回体と、上部旋回体から移動可能に設けられたアタッチメントと、アタッチメントで施工された後の施工対象の表面形状を多角形の集合で示した形状情報を記憶する記憶部と、形状情報で示された表面形状から、アタッチメントが移動可能な空間に含まれている多角形を抽出し、抽出された多角形で表される三次元形状に基づいて制御を行うように構成されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、ショベル、及び作業機械に関する。

従来から、油圧ポンプから供給される作動油によって、ショベルの各構成を動作させる油圧回路を備えるショベルが知られている。近年、当該ショベルが施工を行うためにコンピュータを用いて支援する技術が提案されている。

例えば、特許文献１では、バケットの速度制御を行うための掘削対象の目標形状を、バケットの現在位置に近い面に制限することで、処理負担を軽減している。

特開２０１３－２１７１３８号公報

しかしながら、バケットの現在位置に近い面が、バケットの掘削対象とは限らない。例えば、バケットの現在位置に近い面であっても、アタッチメントを駆動させた際に当該面がバケットの移動可能な範囲に含まれていない場合、施工対象とはならない。さらに、施工対象とならないにもかかわらず、バケットの現在に近い面の形状が細かすぎる場合に処理負担が大きくなる。

上述に鑑み、ショベルのアタッチメントの移動可能な空間に含まれている三次元形状を抽出し、抽出された三次元形状を用いることで、処理負担の軽減を実現する技術を提供する。

本発明の一態様に係るショベルは、上部旋回体と、上部旋回体から移動可能に設けられたアタッチメントと、アタッチメントで施工された後の施工対象の表面形状を多角形の集合で示した形状情報を記憶する記憶部と、形状情報で示された表面形状から、アタッチメントが移動可能な空間に含まれている多角形を抽出し、抽出された多角形で表される三次元形状に基づいて制御を行うように構成されている。

本発明の一態様によれば、アタッチメントが移動可能な空間に含まれる、三次元形状を用いることで、処理負担の軽減を実現する。

図１は、第１の実施形態に係るショベル（掘削機）を示す側面図である。 図２は、第１の実施形態に係るショベルの駆動制御系の構成例を示す図である。 図３は、第１の実施形態に係るショベルのショベルコントローラの構成例を示す機能ブロック図である。 図４は、第１の実施形態に係る領域特定部により特定されたバケットの移動可能空間を示した図である。 図５は、第１の実施形態に係る設計情報で示された施工後の物体の表面形状を示した図である。 図６は、第１の実施形態に係る設計情報で示された施工後の物体の表面形状の一部領域を示した図である。 図７は、第１の実施形態に係る設計情報で示された施工後の物体の表面形状の一部領域に対して、移動可能空間を重畳した図である。 図８は、第１の実施形態に係るショベルコントローラがバケットを移動させるための半自動制御を示したフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。また、以下で説明する実施形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施形態に記述される全ての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。なお、各図面において同一の又は対応する構成には同一の又は対応する符号を付し、説明を省略することがある。

（第１の実施形態）
次に、図１を参照して、本実施形態に係るショベル１００の概要について説明する。図１は、第１の実施形態に係る掘削機としてのショベル１００の側面図である。ショベル１００の下部走行体１には旋回機構２を介して上部旋回体３が旋回可能に搭載される。上部旋回体３にはブーム４が取り付けられる。ブーム４の先端にはアーム５が取り付けられ、アーム５の先端にはエンドアタッチメントとしてのバケット６が取り付けられる。エンドアタッチメントは、法面用バケット又は浚渫用バケット等であってもよい。

ブーム４、アーム５、及びバケット６は、アタッチメントの一例である掘削アタッチメントを構成し、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９によりそれぞれ油圧駆動される。ブーム４にはブーム角度センサＳ１が取り付けられ、アーム５にはアーム角度センサＳ２が取り付けられ、バケット６にはバケット角度センサＳ３が取り付けられる。掘削アタッチメントには、バケットチルト機構が設けられていてもよい。

ブーム角度センサＳ１はブーム４の回動角度を検出する。本実施形態では、ブーム角度センサＳ１は加速度センサであり、上部旋回体３に対するブーム４の回動角度であるブーム角度を検出できる。ブーム角度は、例えば、ブーム４を最も下げたときに最小角度となり、ブーム４を上げるにつれて大きくなる。

アーム角度センサＳ２はアーム５の回動角度を検出する。本実施形態では、アーム角度センサＳ２は加速度センサであり、ブーム４に対するアーム５の回動角度であるアーム角度を検出できる。アーム角度は、例えば、アーム５を最も閉じたときに最小角度となり、アーム５を開くにつれて大きくなる。

バケット角度センサＳ３はバケット６の回動角度を検出する。本実施形態では、バケット角度センサＳ３は加速度センサであり、アーム５に対するバケット６の回動角度であるバケット角度を検出できる。バケット角度は、例えば、バケット６を最も閉じたときに最小角度となり、バケット６を開くにつれて大きくなる。

ブーム角度センサＳ１、アーム角度センサＳ２、及びバケット角度センサＳ３は、可変抵抗器を利用したポテンショメータ、対応する油圧シリンダのストローク量を検出するストロークセンサ、又は、連結ピン回りの回動角度を検出するロータリエンコーダ等であってもよい。ブーム角度センサＳ１、アーム角度センサＳ２、及びバケット角度センサＳ３は、掘削アタッチメントの姿勢を検出する姿勢センサを構成する。

上部旋回体３には、運転室としてのキャビン１０、エンジン１１、機体傾斜センサＳ４、旋回角速度センサＳ５、撮像装置Ｓ６、空間認識装置Ｓ７、測位装置Ｓ８、及び通信装置Ｔ１等が搭載されている。

キャビン１０内には、ショベルコントローラ３０が設置される。また、キャビン１０内には、運転席及び操作装置等が設置されている。

ショベルコントローラ３０は、各種演算を実行する演算装置である。ショベルコントローラ３０は、例えば、キャビン１０内に設けられ、ショベル１００の駆動制御を行う。ショベルコントローラ３０は、その機能が任意のハードウェア、ソフトウェア、或いは、その組み合わせにより実現されてよい。例えば、ショベルコントローラ３０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等のメモリ装置、ＲＯＭ（Read Only Memory）等の不揮発性の補助記憶装置、及び各種入出力用のインターフェース装置等を含むマイクロコンピュータを中心に構成される。ショベルコントローラ３０は、例えば、不揮発性の補助記憶装置にインストールされる各種プログラムをＣＰＵ上で実行することにより各種機能を実現する。

エンジン１１は、ショベル１００の駆動源である。本実施形態では、エンジン１１は、ディーゼルエンジンである。エンジン１１の出力軸は、メインポンプ１４及びパイロットポンプ１５のそれぞれの入力軸に連結されている。

機体傾斜センサＳ４は、所定の平面に対する上部旋回体３の傾斜を検出するように構成されている。本実施形態では、機体傾斜センサＳ４は、水平面に関する上部旋回体３の前後軸回りの傾斜角及び左右軸回りの傾斜角を検出する加速度センサである。上部旋回体３の前後軸及び左右軸は、例えば、互いに直交してショベル１００の旋回軸上の一点であるショベル中心点を通る。

旋回角速度センサＳ５は、上部旋回体３の旋回角速度を検出するように構成されている。本実施形態では、旋回角速度センサＳ５は、ジャイロセンサである。旋回角速度センサＳ５は、レゾルバ又はロータリエンコーダ等であってもよい。旋回角速度センサＳ５は、旋回速度を検出してもよい。旋回速度は、旋回角速度から算出されてもよい。

撮像装置Ｓ６はショベル１００の周辺の画像を取得するように構成されている。本実施形態では、撮像装置Ｓ６は、ショベル１００の前方の空間を撮像する前カメラＳ６Ｆ、ショベル１００の左方の空間を撮像する左カメラＳ６Ｌ、ショベル１００の右方の空間を撮像する右カメラＳ６Ｒ、及びショベル１００の後方の空間を撮像する後カメラＳ６Ｂを含む。

撮像装置Ｓ６は、例えば、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の撮像素子を有する単眼カメラであり、撮像した画像を表示装置ＤＩに出力してもよい。

前カメラＳ６Ｆは、例えば、キャビン１０の屋根に取り付けられている。左カメラＳ６Ｌは、上部旋回体３の上面左端に取り付けられている。右カメラＳ６Ｒは、上部旋回体３の上面右端に取り付けられている。後カメラＳ６Ｂは、上部旋回体３の上面後端に取り付けられている。

本実施形態は、撮像装置Ｓ６を上述した配置に設けることで、ショベル１００の周辺に存在する物体を撮像できる。

空間認識装置Ｓ７は、ショベル１００の周囲の空間の状態を認識するように構成されている。空間認識装置Ｓ７は、ショベル１００の後方の空間の検知を行う後方空間認識装置Ｓ７Ｂ、ショベル１００の左方の空間の検知を行う左方空間認識装置Ｓ７Ｌ、ショベル１００の右方の空間の検知を行う右方空間認識装置Ｓ７Ｒ、及び、ショベル１００の前方の空間の検知を行う前方空間認識装置Ｓ７Ｆを含む。

空間認識装置Ｓ７は、ショベル１００の周辺に存在する物体を検出するためにＬＩＤＡＲを用いてもよい。ＬＩＤＡＲは、例えば、監視範囲内にある１００万点以上の点とＬＩＤＡＲとの間の距離を測定する。なお、本実施形態は、ＬＩＤＡＲを用いる手法に制限するものではなく、物体との間の距離を計測可能な空間認識装置であればよい。例えば、ステレオカメラを用いてもよいし、距離画像カメラ、又はミリ波レーダなどの測距装置を用いてもよい。空間認識装置Ｓ７としてミリ波レーダ等が利用される場合には、空間認識装置Ｓ７から多数の信号（レーザ光等）を物体に向けて発信し、その反射信号を受信することで、反射信号から物体の距離及び方向を導き出してもよい。

後方空間認識装置Ｓ７Ｂは、上部旋回体３の上面の後端に取り付けられる。左方空間認識装置Ｓ７Ｌは、上部旋回体３の上面の左端に取り付けられる。右方空間認識装置Ｓ７Ｒは、上部旋回体３の上面の右端に取り付けられる。前方空間認識装置Ｓ７Ｆは、キャビン１０の上面の前端に取り付けられる。

空間認識装置Ｓ７は、ショベル１００の周囲に設定された所定領域内の所定物体を検知するように構成されていてもよい。例えば、空間認識装置Ｓ７は、人と人以外の物体とを区別しながら人を検知できるように構成された人検知機能を有していてもよい。

測位装置Ｓ８は、ショベル１００の位置に関する情報を取得するように構成されている。本実施形態では、測位装置Ｓ８は、基準座標系におけるショベル１００の位置及び向きを測定するように構成されている。具体的には、測位装置Ｓ８は、電子コンパスを組み込んだＧＮＳＳ受信機であり、ショベル１００の現在位置の緯度、経度、及び高度を測定し、且つ、ショベル１００の向きを測定する。本実施形態に係る基準座標系とは、例えば、世界測地系である。世界測地系は、地球の重心に原点をおき、Ｘ軸をグリニッジ子午線と赤道との交点の方向に、Ｙ軸を東経９０度の方向に、そして、Ｚ軸を北極の方向にとる三次元直交ＸＹＺ座標系である。

通信装置Ｔ１は、ショベル１００の外部にある機器との通信を制御するように構成されている。本実施形態では、通信装置Ｔ１は、無線通信網を介し、通信装置Ｔ１とショベル１００の外部にある機器との間の通信を制御するように構成されている。通信装置Ｔ１は、例えば、ＬＴＥ（Long Term Evolution）、４Ｇ（4th Generation）、５Ｇ（5th Generation）等の移動体通信規格に対応する移動体通信モジュールや衛星通信網に接続するための衛星通信モジュール等を含む。

また、通信装置Ｔ１は、例えば、外部のＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）測量システムとショベル１００との間の無線通信を制御する。

図２は、図１のショベル１００の駆動制御系の構成例を示す図である。図２において、機械的動力伝達系は二重線、作動油ラインは太実線、パイロットラインは破線、電気駆動・制御系は点線でそれぞれ示される。

本実施形態に係るショベル１００の駆動系は、エンジン１１と、レギュレータ１３と、メインポンプ１４と、コントロールバルブユニット１７を含む。また、本実施形態に係るショベル１００の油圧駆動系は、上述の如く、下部走行体１、上部旋回体３、ブーム４、アーム５、及びバケット６のそれぞれを油圧駆動する走行油圧モータ１Ｌ，１Ｒ、旋回油圧モータ２Ａ、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９等の油圧アクチュエータを含む。

エンジン１１は、油圧駆動系におけるメイン動力源であり、例えば、上部旋回体３の後部に搭載される。具体的には、エンジン１１は、後述するショベルコントローラ３０による直接或いは間接的な制御下で、予め設定される目標回転数で一定回転し、メインポンプ１４及びパイロットポンプ１５を駆動する。エンジン１１は、例えば、軽油を燃料とするディーゼルエンジンである。

レギュレータ１３は、メインポンプ１４の吐出量を制御する。例えば、レギュレータ１３は、ショベルコントローラ３０からの制御指令に応じて、メインポンプ１４の斜板の角度（傾転角）を調節する。

メインポンプ１４は、例えば、エンジン１１と同様、上部旋回体３の後部に搭載され、高圧油圧ラインを通じてコントロールバルブユニット１７に作動油を供給する。メインポンプ１４は、上述の如く、エンジン１１により駆動される。メインポンプ１４は、例えば、可変容量式油圧ポンプであり、上述の如く、ショベルコントローラ３０による制御下で、レギュレータ１３により斜板の傾転角が調節されることでピストンのストローク長が調整され、吐出流量（吐出圧）が制御される。

コントロールバルブユニット１７は、ショベル１００における油圧システムを制御する油圧制御装置である。本実施形態では、コントロールバルブユニット１７は、制御弁１７１～１７６を含む。コントロールバルブユニット１７は、制御弁１７１～１７６を通じ、メインポンプ１４が吐出する作動油を１又は複数の油圧アクチュエータに選択的に供給できるように構成されている。制御弁１７１～１７６は、例えば、メインポンプ１４から油圧アクチュエータに流れる作動油の流量、及び、油圧アクチュエータから作動油タンクに流れる作動油の流量を制御する。油圧アクチュエータは、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、バケットシリンダ９、走行油圧モータ１Ｌ、１Ｒ、及び旋回油圧モータ２Ａを含む。より具体的には、制御弁１７１は、左走行油圧モータ１Ｌに対応し、制御弁１７２は、右走行油圧モータ１Ｒに対応し、制御弁１７３は、旋回油圧モータ２Ａに対応する。また、制御弁１７４は、バケットシリンダ９に対応し、制御弁１７５は、ブームシリンダ７に対応し、制御弁１７６は、アームシリンダ８に対応する。

パイロットポンプ１５は、パイロット圧生成装置の一例であり、パイロットラインを介して油圧制御機器に作動油を供給できるように構成されている。本実施形態では、パイロットポンプ１５は、固定容量型油圧ポンプである。但し、パイロット圧生成装置は、メインポンプ１４によって実現されてもよい。すなわち、メインポンプ１４は、作動油ラインを介して作動油をコントロールバルブユニット１７に供給する機能に加え、パイロットラインを介して各種油圧制御機器に作動油を供給する機能を備えていてもよい。この場合、パイロットポンプ１５は、省略されてもよい。

操作装置２６は、操作者がアクチュエータの操作のために用いる装置である。アクチュエータは、油圧アクチュエータ及び電動アクチュエータの少なくとも一方を含む。

吐出圧センサ２８は、メインポンプ１４の吐出圧を検出するように構成されている。本実施形態では、吐出圧センサ２８は、検出した値をショベルコントローラ３０に対して出力する。

操作センサ２９は、操作装置２６を用いた操作者の操作内容を検出するように構成されている。本実施形態では、操作センサ２９は、アクチュエータのそれぞれに対応する操作装置２６の操作方向及び操作量を検出し、検出した値をショベルコントローラ３０に対して出力する。本実施形態では、ショベルコントローラ３０は、操作センサ２９の出力に応じて比例弁３１の開口面積を制御する。そして、ショベルコントローラ３０は、パイロットポンプ１５が吐出する作動油を、コントロールバルブユニット１７内の対応する制御弁のパイロットポートに供給する。パイロットポートのそれぞれに供給される作動油の圧力（パイロット圧）は、原則として、油圧アクチュエータのそれぞれに対応する操作装置２６の操作方向及び操作量に応じた圧力である。このように、操作装置２６は、パイロットポンプ１５が吐出する作動油を、コントロールバルブユニット１７内の対応する制御弁のパイロットポートに供給できるように構成されている。

マシンコントロール用制御弁として機能する比例弁３１は、パイロットポンプ１５とコントロールバルブユニット１７内の制御弁のパイロットポートとを接続する管路に配置され、その管路の流路面積を変更できるように構成されている。本実施形態では、比例弁３１は、ショベルコントローラ３０が出力する制御指令に応じて動作する。そのため、ショベルコントローラ３０は、操作者による操作装置２６の操作とは無関係に、パイロットポンプ１５が吐出する作動油を、比例弁３１を介し、コントロールバルブユニット１７内の制御弁のパイロットポートに供給できる。

この構成により、ショベルコントローラ３０は、特定の操作装置２６に対する操作が行われていない場合であっても、その特定の操作装置２６に対応する油圧アクチュエータを動作させることができる。

例えば、ショベルコントローラ３０は、操作者等の所定操作により予め設定される作業モード等に基づき、目標回転数を設定し、エンジン１１を一定回転させる駆動制御を行う。

また、例えば、ショベルコントローラ３０は、必要に応じてレギュレータ１３に対して制御指令を出力し、メインポンプ１４の吐出量を変化させる。

また、例えば、ショベルコントローラ３０は、例えば、操作者による操作装置２６を通じたショベル１００の手動操作をガイド（案内）するマシンガイダンス機能に関する制御を行う。また、ショベルコントローラ３０は、例えば、操作者による操作装置２６を通じたショベル１００の手動操作を自動的に支援するマシンコントロール機能に関する制御を行う。

なお、ショベルコントローラ３０の機能の一部は、他のコントローラ（制御装置）により実現されてもよい。即ち、ショベルコントローラ３０の機能は、複数のコントローラにより分散される態様で実現されてもよい。例えば、マシンガイダンス機能及びマシンコントロール機能は、専用のコントローラ（制御装置）により実現されてもよい。

＜ショベルコントローラのブロック構成＞
図３は、本実施形態に係るショベル１００のショベルコントローラ３０の構成例を示す機能ブロック図である。

ショベルコントローラ３０は、アタッチメント処理部３１０と、補助記憶装置３２０と、を有している。

補助記憶装置３２０は、ショベルコントローラ３０内に設けられ、設計情報記憶部３２１と、ショベル情報記憶部３２２と、を備える。

設計情報記憶部３２１は、ショベル１００が作業現場で作業を行うための設計情報（形状情報の一例）を記憶する。設計情報とは、作業現場に存在する土砂等の施工後の形状を表した３次元データとする。設計情報は、施工後の物体の３次元形状及び位置を、上述した基準座標系で表現されている。

本実施形態に係る設計情報は、いわゆるＴＩＮ形式のデータであって、ショベル１００の施工後の物体の３次元形状の表面を、三角形の集合で表したデジタルデータである。

本実施形態に係る設計情報に含まれる三角形の各頂点は、上述した基準座標系における位置情報で示されている。

換言すると、設計情報は、基準座標系において施工後の物体の表面上に多数の点を付与し、付与された点同士を直線でつないで三角形の集合として表された情報である。任意の情報処理装置が、設計情報を読み込んで、当該三角形の面をレンダリングすることで、施工後の物体の表面を、三次元的な形状として視覚化できる。

設計情報は、例えば、施工後の物体の３次元形状の表面をＴＩＮ形式で含んだＬａｎｄＸＭＬデータでもよい。設計情報は、本実施形態で示したデジタルデータに制限するものではなく、施工後の物体の３次元形状の表面を、多角形の集合で表したデジタルデータであればよい。

ショベル情報記憶部３２２は、ショベル１００の寸法に関する情報を記憶する。例えば、ショベル情報記憶部３２２は、ショベル１００に設けられたバケット６（作業具）の形状を示した情報を記憶する。具体的には、ショベル情報記憶部３２２は、ショベル１００に設けられたバケット６の車幅方向の長さを示す情報を記憶する。

本実施形態では、ショベル１００にバケット６が設けられた場合について説明する。ショベル１００に設けられるバケット６の種類は、設計情報に従ってショベル１００が施工可能なバケットであればよく、例えば、法面バケットが装着されてもよい。

本実施形態に係るショベル１００では、ショベル１００のキャビン１０に搭乗している操作者の操作に従ってショベルコントローラ３０が半自動制御を行う例とする。

半自動制御としては、例えば、操作センサ２９が、操作者から操作装置２６に対してブーム４の下げ操作を受け付けた場合に、ショベルコントローラ３０は、バケット６の底面が、設計情報で示された施工後の物体の表面に沿うように、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９の油圧駆動の制御を行う。

当該半自動制御を行うためには、ショベルコントローラ３０は、バケット６と、設計情報で示された施工後の物体の表面と、の位置関係を認識する必要がある。しかしながら、設計情報で示された施工後の物体の表面全てを演算に用いる場合、ショベルコントローラ３０の演算負荷が大きくなる。

そこで、本実施形態に係るショベルコントローラ３０のアタッチメント処理部３１０が、ショベル１００の現在位置及び上部旋回体３の現在の旋回角で、バケット６が移動可能な空間（以下、移動可能空間）を特定する。そして、アタッチメント処理部３１０は、ＴＩＮ形式の設計情報に含まれている、施工後の物体の表面を構成する三角形の集合から、移動可能空間に含まれている三角形を抽出する。そして、アタッチメント処理部３１０は、抽出された三角形の組み合わせた三次元形状に基づいて制御を行うように構成されている次に、アタッチメント処理部３１０の具体的な構成について説明する。

アタッチメント処理部３１０は、ショベルコントローラ３０内のＣＰＵが、補助記憶装置内のプログラムを読み出すことで実現された機能であって、取得部３１１と、領域特定部３１２と、抽出部３１３と、経路生成部３１４と、制御部３１５と、を備える。

取得部３１１は、ショベル１００内の各種構成の信号を取得する。例えば、取得部３１１は、測位装置Ｓ８から、ショベル１００の現在位置の緯度、経度、及び高度、並びにショベル１００の向きを示した測定結果を取得する。また、取得部３１１は、各種センサ（例えば、ブーム角度センサＳ１、アーム角度センサＳ２、バケット角度センサＳ３、及び旋回角速度センサＳ５）からの検出結果を取得する。また、取得部３１１は、補助記憶装置３２０から情報の読み出しを行う。

さらに、取得部３１１は、空間認識装置Ｓ７から、ショベル１００の周囲に存在する物体の測定結果を示した情報を取得する。また、取得部３１１は、撮像装置Ｓ６からショベル１００の周囲を撮像した結果を示した画像情報を取得する。

さらに、取得部３１１は、操作センサ２９から、操作信号を取得する。これにより、ショベルコントローラ３０は、操作装置２６を用いた操作者の操作内容を認識できる。

また、取得部３１１は、通信装置Ｔ１を介して、外部装置からの通信情報を取得する。

領域特定部３１２は、ショベル１００のバケット６の移動可能空間を特定する。

図４は、本実施形態に係る領域特定部３１２により特定されたバケット６の移動可能空間を示した図である。図４に示される移動可能空間１４０１は、ショベル１００の中心位置を基準とした機体座標系における、ショベル１００のアタッチメントに対する駆動制御によってバケット６が移動可能な空間を示している。なお、図４で示される機体座標系では、ショベル１００の進行方向をＸ軸方向とし、ショベル１００の車幅方向をＹ軸方向とし、ショベル１００の高さ方向をＺ軸方向とする。そして、ショベル１００の中心位置（基準点の一例）１４１１を含んだ、ショベル１００の進行方向（Ｘ軸方向）及び高さ方向（Ｚ軸方向）に延長した無限平面とした中心面１４０２を表す。

移動可能空間１４０１の＋Ｙ軸方向に存在する左側面１４０３は、バケット６の左側面をショベル１００の進行方向（Ｘ軸方向）及び高さ方向（Ｚ軸方向）に延長した無限平面とする。

移動可能空間１４０１の―Ｙ軸方向の右側面１４０４は、バケット６の右側面をショベル１００の進行方向（Ｘ軸方向）及び高さ方向（Ｚ軸方向）に延長した無限平面とする。

左側面１４０３と右側面１４０４との間のＹ軸方向の距離は、バケット６のＹ軸方向（車幅方向）の長さに対応している。そこで本実施形態では、移動可能空間１４０１内であれば、バケット６で施工可能な領域として処理する。

このように、移動可能空間１４０１を構成する対向した２つの面は、バケット６の側面を、バケット６が移動可能な直交する２軸方向（Ｘ軸方向及びＺ軸方向）に延長した無限平面（平面の一例）である。そして２つの面の間の距離は、Ｙ軸方向におけるバケット６の幅となる。換言すれば、移動可能空間１４０１のＹ軸方向（車幅方向）の幅の長さは、ショベル１００のＹ軸方向（車幅方向）におけるバケット６の長さに対応している。このため、設計情報に表されている、施工後の表面形状を形成している三角形の集合の各々が、移動可能空間１４０１に含まれているか否かに応じて、バケット６で施工可能な位置に存在するか否かを判断できる。つまり当該判断によって、バケット６で施工可能な空間に存在する三角形を抽出できる。そして、バケット６との位置関係の演算には、抽出した三角形を用いればよいので負担の軽減が可能となる。

図４に示される移動可能空間１４０１は、ショベル１００の中心位置１４１１を基準とした機体座標系で示された空間である。これに対して、設計情報で示される、施工後の物体の３次元形状の表面は、基準座標系で示されている。そこで、領域特定部３１２は、取得部３１１が取得したショベル１００の現在位置及び向きに基づいて、移動可能空間１４０１の位置及び向き等を基準座標系に変換する。基準座標系は上述した通りとして説明を省略する。したがって、ショベルコントローラ３０は、移動可能空間１４０１と、設計情報に示された施工後の物体の表面形状を形成している三角形の集合と、の位置関係を認識できる。

移動可能空間１４０１は、ショベル１００によるアタッチメントの駆動制御で、バケット６が移動しても変化しないように定められた空間であるが、ショベル１００の上部旋回体３が旋回した場合、又はショベル１００の下部走行体１で移動した場合には変化する領域である。つまり、ショベル１００が現在の状況で施工が完了するまで、同一の移動可能空間１４０１を用いて判定を行い、ショベルが現在の状況における施工が完了し、上部旋回体３が旋回した場合、又はショベル１００の下部走行体１で移動した場合に、領域特定部３１２が、移動可能空間１４０１の更新を行ってもよい。

さらには、領域特定部３１２が、ショベルコントローラ３０の処理を行うサイクル（例えば数十ｍｓ）毎に、移動可能空間１４０１の更新を行ってもよい。

抽出部３１３は、設計情報（形状情報の一例）で示された施工後の物体の表面形状を構成する三角形の集合から、移動可能空間１４０１に含まれている、三角形を抽出する。抽出された三角形の組み合わせで表される三次元形状は、ショベル１００の現在位置及び上部旋回体３の現在の旋回角度における、バケット６による施工後の形状として用いられる。

図５は、本実施形態に係る設計情報で示された施工後の物体の表面形状を示した図である。図５は、設計情報で示された施工後の物体の表面形状１５０１は、上述した基準座標系１５１１で示されている例とする。

さらに、図５に示される例では、ショベル１００の中心位置１４１１'が示されている。当該中心位置１４１１'は、機体座標系の原点であるとともに、取得部３１１が取得したショベル１００の基準座標系の現在位置でもある。したがって、機体座標系の原点を、図５に示される基準座標系の位置として、中心位置１４１１'に変換できる。したがって、機体座標系の位置及び向きを、基準座標系の位置及び向きに変換できる。

図５で示される施工後の物体の表面形状１５０１は、実際には、図５で示した三角形よりも細かい三角形の集合で実現されている。そこで、表面形状１５０１の一部領域１５２１について説明する。

図６は、施工後の物体の表面形状１５０１の一部領域１５２１を示した図である。図６に示されるように、表面形状１５０１の一部領域１５２１は、ＴＩＮ形式で形成されているため、三角形の集合で表されている。

本実施形態では、抽出部３１３が、表面形状１５０１を形成している三角形毎に、バケット６の半自動制御に必要か否かを判定する。本実施形態では、抽出部３１３は、表面形状１５０１を構成する当該三角形の各頂点のうちいずれか一つ以上が、移動可能空間１４０１に含まれるか否かに基づいて当該判定を行う。

図６に示される例では、一部領域１５２１に含まれる全ての三角形１６０１～１６１３の各頂点について、移動可能空間１４０１に含まれるか否かの判定が行われる。

図７は、施工後の物体の表面形状１５０１の一部領域１５２１に対して、移動可能空間１４０１を重畳した図である。図７に示される例では、移動可能空間１４０１として、中心面１４０２を基準として、幅ｗだけ離れた位置に側面１４０３、１４０４（端部の一例）が表されている。

例えば、一部領域１５２１の三角形１６０１の場合、抽出部３１３は、三角形１６０１の各頂点（ｐ₁，ｐ₂、ｐ₃）が移動可能空間１４０１に含まれるか否かを判定する。次に判定手法について説明する。式（１）、式（２）は、基準座標系における、移動可能空間１４０１内のショベル１００の中心位置（基準点）１４１１'を含むと共にバケット６が移動可能な２軸の方向を含む中心面１４０２を表した方程式である。変数ａ、ｂ、ｃ、ｄは、中心面１４０２上の座標をｘ、ｙ、ｚに代入した場合に式（１）を満足するように定められている。また、変数ａ、ｂ、ｃは、式（２）を満足するように（法線ベクトルが１になるように）定められている。

ａｘ＋ｂｙ＋ｃｚ＋ｄ＝０……（１）
ａ²＋ｂ²＋ｃ²＝１……（２）

そして、抽出部３１３は、式（１）で示される中心面１４０２と、三角形の各頂点ｐ_n＝［ｘ_n、ｙ_n、ｚ_n］（例えばｎ＝１，２，３）と、の間の距離ｄ_nを、下記の式（３）で算出する。

ｄ_n＝－（ａｘ_n＋ｂｙ_n＋ｃｚ_n＋ｄ）……（３）

そして、抽出部３１３は、式（３）で算出された三角形の各頂点ｐ_nの距離ｄ_nと移動可能空間１４０１の側面端までの幅ｗとの和及び差を算出する。算出には下の式（４）及び式（５）を用いる。三角形の頂点全てが式（４）又は式（５）を満足した（換言すれば、中心面１４０２から頂点までの距離が幅ｗよりも長い）場合に、当該三角形は、移動可能空間１４０１に含まれないので、半自動制御に必要のない面として、抽出部３１３による抽出対象から除かれる。

ｄ_n－ｗ≧０（ｎ＝１，２，３）……（４）
ｄ_n－ｗ≦０（ｎ＝１，２，３）……（５）

例えば、距離ｄ_１～ｄ₃は、式（４）を満足するので、頂点ｐ_１～ｐ₃は、移動可能空間１４０１に含まれない。したがって、三角形１６０１は、移動可能空間１４０１に含まれないので、抽出部３１３は、三角形１６０１を抽出しない。

一方、三角形の頂点のうちいずれか一つでも、式（４）及び式（５）を満足しない（換言すれば、中心面１４０２から頂点までの距離が幅ｗよりも短い）場合、当該頂点が、移動可能空間１４０１に含まれる。このため、当該頂点を含む三角形は、半自動制御に必要のある面として、抽出部３１３により抽出される。

抽出部３１３は、他の三角形１６０２～１６１３についても、三角形１６０１と同様の処理を行う。その結果、抽出部３１３は、半自動制御に必要な面として、三角形１６０３、１６０４、１６０５、１６０６、１６０９、１６１０、１６１１、１６１３を組み合わせた三次元形状を抽出する。本実施形態においては、式（３）、式（４）、式（５）を用いることで、三角形が抽出対象か否か、換言すれば現在のショベル１００の位置でバケット６の施工対象となるか否かの判定を容易に行うことができる。半自動制御では、バケット６との位置関係の演算に、抽出部３１３が抽出した三角形のみ用いればよいので、処理負担を軽減できる。

また、三角形の頂点が移動可能空間１４０１に含まれないにもかかわらず、三角形の一部が移動可能空間に含まれるのを抑制するために、全ての三角形の辺の長さが２ｗより長くならないように設計情報を生成してもよい。さらに、抽出部３１３は、三角形の頂点毎に算出された３個のｄ_nに正の値と負の値とが含まれているか否かに基づいて、移動可能空間１４０１に含まれるか否かの判定も行ってもよい。

図７で示される例では、ショベル１００が水平な地面上に存在する場合（中心面１４０２が垂直になる場合）について説明したが、ショベル１００の状況を制限するものではなく、ショベル１００が傾斜面状に存在する場合でも上述した演算によって、バケット６の半自動制御に必要な面を抽出可能である。

本実施形態においては、抽出部３１３は、設計情報に含まれる施工後の物体の表面を構成する全ての三角形について、当該三角形の各頂点が、移動可能空間１４０１に含まれるか否かを判定する。また、抽出部３１３は、上述した判定の対象を制限してもよい。例えば、抽出部３１３は、ショベル１００を基準に所定の範囲内（例えば、１０～１５ｍ以内）に存在する施工後の物体の表面を構成する三角形のみを判定の対象としてもよい。

そして、ショベルコントローラ３０は、抽出部３１３により抽出された三角形で表される３次元形状を、バケット６を移動させるための半自動制御に用いる。本実施形態においては、半自動制御として、バケット６の移動経路を生成し、当該移動経路に沿ってバケット６を移動させるための制御を行う例とする。本実施形態は、半自動制御の一例として移動経路を生成する例を示したものであって、実施される制御を制限するものではない。つまり、ショベルコントローラ３０が、抽出部３１３により抽出された三角形で表される三次元形状に基づいて、バケット６を移動させる制御であればよい。

経路生成部３１４は、抽出部３１３により抽出された三角形で表される三次元形状に基づいて、バケット６の移動経路を生成する。

本実施形態に係る経路生成部３１４は、ブーム角度センサＳ１、アーム角度センサＳ２、及びバケット角度センサＳ３からの検出結果に基づいて、バケット６の位置を特定する。

例えば、特定されたバケット６の位置が抽出された面から離れている場合に、経路生成部３１４は、抽出された面にバケット６が接触するまでの移動経路を生成する。

バケット６が抽出された面に接触している場合、経路生成部３１４は、設計情報で示された、施工後の物体の３次元形状を形成するためのバケット６の移動経路を生成する。具体的には、経路生成部３１４は、設計情報と、空間認識装置Ｓ７により検出された現在の物体の形状と、に基づいて、どのようにバケット６が動いた場合に、施工後の土砂（物体の一例）の三次元形状が形成されるのかを推定し、当該推定結果に基づいて、抽出された三次元形状を形成するためのバケット６の移動経路を生成する。

制御部３１５は、経路生成部３１４によって生成された移動経路に沿ってバケット６が移動するような半自動制御を行う。例えば、操作センサ２９がブーム４の下げ操作を受け付けた場合に、制御部３１５が、移動経路に沿ってバケット６を移動させるように、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９を油圧駆動させる施工制御を行う。抽出部３１３で抽出された三角形で表される三次元形状には、バケット６が移動可能な面が全て含まれているので、当該面を考慮した施工制御を行うことで、設計情報で示された土砂（物体の一例）の３次元形状の形成を実現できる。

図８は、本実施形態に係るショベルコントローラ３０がバケット６を移動させるための半自動制御を示したフローチャートである。

まず、取得部３１１が、設計情報記憶部３２１に記憶されている設計情報、及びショベル情報記憶部３２２に記憶されているバケット６の車幅方向の長さを読み出す（Ｓ１８０１）。

次に、取得部３１１は、ショベル１００内の各種構成の信号を取得する（Ｓ１８０２）。例えば、取得部３１１は、測位装置Ｓ８により測定されたショベル１００の位置及び向き、並びに、ブーム角度センサＳ１、アーム角度センサＳ２、バケット角度センサＳ３及び旋回角速度センサＳ５の検出結果を取得する。

領域特定部３１２は、読み出されたバケット６の車幅方向の長さ、及びショベル１００の位置及び向きに基づいて、基準座標系におけるバケット６の移動可能空間を特定する（Ｓ１８０３）。

抽出部３１３は、設計情報（形状情報の一例）で示された施工後の物体の表面形状を構成する三角形の集合から、移動可能空間１４０１に含まれている三角形を抽出し、当該三角形を組み合わせた三次元形状を抽出する（Ｓ１８０４）。

経路生成部３１４は、バケット６の現在の位置と、抽出部３１３により抽出された三角形で表される三次元形状と、に基づいて、バケット６の移動経路を生成する（Ｓ１８０５）。

制御部３１５は、操作者の操作を受け付けた場合に、経路生成部３１４によって生成された移動経路に沿ってバケット６が移動するような半自動制御を行う（Ｓ１８０６）。

さらに、取得部３１１は、ショベル１００内の各種構成の信号を取得する（Ｓ１８０７）。例えば、取得部３１１は、測位装置Ｓ８により測定されたショベル１００の位置及び向き、並びに、ブーム角度センサＳ１、アーム角度センサＳ２、バケット角度センサＳ３及び旋回角速度センサＳ５の検出結果を取得する。

そして、領域特定部３１２は、取得した信号に基づいて、ショベル１００の上部旋回体３による旋回駆動、又は下部走行体１による移動が行われたか否かを判定する（Ｓ１８０８）。旋回駆動又は移動が行われたと判定した場合（Ｓ１８０８：ＹＥＳ）、再びＳ１８０３から処理を行う。

一方、領域特定部３１２が、旋回駆動及び移動が行われなかったと判定した場合（Ｓ１８０８：ＮＯ）、ショベルコントローラ３０は、設計情報に基づいた施工が終了したか否かを判定する（Ｓ１８０９）。施工が終了していないと判定した場合（Ｓ１８０９：ＮＯ）、再びＳ１８０５から処理を行う。

一方、ショベルコントローラ３０は、施工が終了したと判定した場合（Ｓ１８０９：ＹＥＳ）、処理を終了する。

上述した処理手順においては、バケット６の移動可能空間に含まれる三角形のみを組み合わせた三次元形状を用いて、バケット６の制御を行うので、演算負荷を軽減できる。上述した処理手順では、ショベル１００の現在の状況が変化する（例えば旋回又は移動する）毎に、バケット６の移動可能空間を特定する例について説明した。しかしながら、本実施形態は、バケット６の移動可能空間を特定するタイミングを制限するものではなく、ショベルコントローラ３０の処理サイクル（例えば数十ｍｓ）毎にバケット６の移動可能空間を特定してもよい。

本実施形態は、ショベル１００のキャビン１０に搭乗している操作者の操作に従ってショベルコントローラ３０が半自動制御を行う例について説明するが、半自動制御をキャビン１０に搭乗している操作者の操作に制限するものではなく、ショベル１００の通知な通信端末による遠隔操作を行う場合に適用してもよい。

（変形例）
上述した実施形態においては、ショベルコントローラ３０が、操作者から操作を受け付けた場合に、バケット６を経路に沿って移動させる半自動制御を行う例について説明した。しかしながら、上述した実施形態は、バケット６を移動させるために半自動制御を行う例に制限するものではない。変形例では、ショベルコントローラ３０が、操作を受け付けることなく、バケット６を経路に沿って移動させる自動制御を行う例とする。本変形例では、キャビン１０に操作者が搭乗してもよいし、搭乗していなくともよい。

本変形例に係る抽出部３１３は、上述した実施形態と同様の手法を用いて、バケット６の施工対象として、移動可能空間に含まれる三角形のみを組み合わせた三次元形状を抽出する。

その後、経路生成部３１４は、上述した実施形態と同様に、抽出された三次元形状に基づいて、バケット６の移動経路を生成し、制御部３１５が、生成された移動経路に沿ってバケット６が移動するように、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９を油圧駆動させる制御を自動で行う。当該制御を行うことで、上述した実施形態と同様の効果を得られる。

＜作用＞
上述した実施形態及び変形例においては、施工後の物体の表面形状を構成する三角形の集合から、移動可能空間に頂点が含まれるか否かを判定し、判定結果に基づいて、移動可能空間に含まれる三角形を組み合わせた三次元形状を抽出する例について説明した。移動可能空間に三角形の頂点が含まれるか否かの判定は、その後の処理（例えば位置関係の認識処理）に比べると負荷が非常に少ない。このため、上述した実施形態及び変形例は、移動可能空間に含まれる、三角形を組み合わせた三次元形状を抽出することで、処理負担を軽減できる。

上述した実施形態及び変形例においては、ショベル１００の現在位置及び上部旋回体３の現在の旋回角で、バケット６が移動した場合に、当該バケット６が接触可能な三角形を抽出している。

つまり、従来の手法では、バケットの移動制御のために、バケットの近い物体の表面形状を抽出する際、当該表面形状がバケット近傍で複雑であれば、抽出される表面形状の情報量が大きくなる。抽出される表面形状の情報量が大きい場合、表面形状とバケットとの間の位置関係を認識するための演算負荷も大きくなる。

これに対して、上述した実施形態及び変形例においては、バケット６の近傍で表面形状が複雑な場合であっても、ショベル１００が現在の状態でバケット６が接触する可能性のない表面形状については抽出対象から除かれる。したがって、バケット６が接触する可能性のある表面形状を抽出する一方、バケット６が接触する可能性のない表面形状の抽出を抑制するので、接触する可能性、換言すれば施工対象となる表面形状とバケット６との間の位置関係を正確に認識できる。したがって、バケット６が移動可能な表面形状を施工対象から除くことなく、処理負担の軽減を実現する。

上述した実施形態及び変形例においては、ショベルコントローラ３０が、一般的な情報処理装置に搭載するＣＰＵと比べて演算性能が低い演算装置であっても、上述した処理を行うことで処理負担を軽減できるので、バケット６を移動させるための半自動制御又は全自動制御が容易になる。

上述した実施形態及び変形例においては、ショベルを用いた例について説明した。しかしながら、上述した実施形態及び変形例は、ショベルに制限するものではなく、ブルトーザーなどの地面の形状を形成可能な作業機械であれば適用可能とする。ブルトーザーの場合、ブルトーザーの本体から移動可能に設けられたバケットの移動可能空間に基づいて、上述した実施形態及び変形例と同様の処理を行う。

以上、本発明に係るショベルを含む作業機械の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態などに限定されない。特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更、修正、置換、付加、削除、及び組み合わせが可能である。それらについても当然に本発明の技術的範囲に属する。

１００ ショベル
１ 下部走行体
２ 旋回機構
３ 上部旋回体
４ ブーム
５ アーム
６ バケット
７ ブームシリンダ
８ アームシリンダ
９ バケットシリンダ
１１ エンジン
Ｓ１ ブーム角度センサ
Ｓ２ アーム角度センサ
Ｓ３ バケット角度センサ
Ｓ４ 機体傾斜センサ
Ｓ５ 旋回角速度センサ
Ｓ６ 撮像装置
Ｓ７ 空間認識装置
Ｓ８ 測位装置
Ｔ１ 通信装置
３０ ショベルコントローラ
３１０ アタッチメント処理部
３１１ 取得部
３１２ 領域特定部
３１３ 抽出部
３１４ 経路生成部
３１５ 制御部
３２０ 補助記憶装置
３２１ 設計情報記憶部
３２２ ショベル情報記憶部

Claims (6)

1. 上部旋回体と、
   前記上部旋回体から移動可能に設けられたアタッチメントと、
   前記アタッチメントで施工された後の施工対象の表面形状を多角形の集合で示した形状情報を記憶する記憶部と、
   前記形状情報で示された前記表面形状から、前記アタッチメントが移動可能な空間に含まれている前記多角形を抽出し、抽出された前記多角形で表される三次元形状に基づいて制御を行うように構成されている、
   ショベル。
2. 前記アタッチメントが移動可能な空間の幅の長さは、前記ショベルの車幅方向における前記アタッチメントの長さに対応している、
   請求項１に記載のショベル。
3. 前記アタッチメントが移動可能な空間を構成する対向した２つの面は、前記アタッチメントの車幅方向の側面を、前記アタッチメントが移動可能な方向に延長した平面である、
   請求項２に記載のショベル。
4. 前記移動可能な空間内に定められた基準点を含むと共に前記アタッチメントが移動可能な２軸の方向を含む平面と、前記表面形状を構成する前記多角形の各頂点と、の距離が、前記基準点から前記アタッチメントの前記車幅方向の端部までの距離より短いか否かに基づいて、前記多角形を抽出する、
   請求項２に記載のショベル。
5. 抽出された前記多角形で表される前記三次元形状を形成させるよう、前記アタッチメントを用いて施工制御を行うように構成されている、
   請求項１乃至４のいずれか一つに記載のショベル。
6. 当該作業機械の本体から移動可能に設けられたアタッチメントと、
   前記アタッチメントで施工された後の施工対象の表面形状を多角形の集合で示した形状情報を記憶する記憶部と、
   前記形状情報で示された前記表面形状から、前記アタッチメントの移動可能な空間に含まれている前記多角形を抽出し、抽出された前記多角形で表される三次元形状を、前記アタッチメントの施工に用いるように構成されている、
   作業機械。

Images