最初に、図1を参照し、本発明の実施例に係る建設機械としてのショベルについて説明する。なお、図1は、本発明の実施例に係るショベルの側面図である。図1に示すショベルの下部走行体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の先端にはバケット6が取り付けられる。作業要素としてのブーム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する。なお、アタッチメントは、床堀アタッチメント、均しアタッチメント、浚渫アタッチメント等の他のアタッチメントであってもよい。また、ブーム4、アーム5、及びバケット6は、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。また、上部旋回体3にはキャビン10が設けられ、エンジン11等の動力源が搭載される。また、上部旋回体3には通信装置M1、測位装置M2、及び姿勢検出装置M3が取り付けられる。
通信装置M1は、ショベルと外部との間の通信を制御する装置である。本実施例では、通信装置M1は、GNSS(Global Navigation Satellite System)測量システムとショベルとの間の無線通信を制御する。具体的には、通信装置M1は、例えば1日1回の頻度で、ショベルの作業を開始する際に作業現場の地形情報を取得する。GNSS測量システムは、例えばネットワーク型RTK−GNSS測位方式を採用する。
測位装置M2は、ショベルの位置及び向きを測定する装置である。本実施例では、測位装置M2は、電子コンパスを組み込んだGNSS受信機であり、ショベルの存在位置の緯度、経度、高度を測定し、且つ、ショベルの向きを測定する。
姿勢検出装置M3は、アタッチメントの姿勢を検出する装置である。本実施例では、姿勢検出装置M3は、掘削アタッチメントの姿勢を検出する装置である。
図2は、図1のショベルに搭載される姿勢検出装置M3を構成する各種センサの出力内容の一例を示すショベルの側面図である。具体的には、姿勢検出装置M3は、ブーム角度センサM3a、アーム角度センサM3b、バケット角度センサM3c、及び車体傾斜センサM3dを含む。
ブーム角度センサM3aは、ブーム角度θ1を取得するセンサであり、例えば、ブームフートピンの回転角度を検出する回転角度センサ、ブームシリンダ7のストローク量を検出するストロークセンサ、ブーム4の傾斜角度を検出する傾斜(加速度)センサ等を含む。ブーム角度θ1は、XZ平面において、ブームフートピン位置P1とアーム連結ピン位置P2とを結ぶ線分の水平線に対する角度である。
アーム角度センサM3bは、アーム角度θ2を取得するセンサであり、例えば、アーム連結ピンの回転角度を検出する回転角度センサ、アームシリンダ8のストローク量を検出するストロークセンサ、アーム5の傾斜角度を検出する傾斜(加速度)センサ等を含む。アーム角度θ2は、XZ平面において、アーム連結ピン位置P2とバケット連結ピン位置P3とを結ぶ線分の水平線に対する角度である。
バケット角度センサM3cは、バケット角度θ3を取得するセンサであり、例えば、バケット連結ピンの回転角度を検出する回転角度センサ、バケットシリンダ9のストローク量を検出するストロークセンサ、バケット6の傾斜角度を検出する傾斜(加速度)センサ等を含む。バケット角度θ3は、XZ平面において、バケット連結ピン位置P3とバケット爪先位置P4とを結ぶ線分の水平線に対する角度である。
車体傾斜センサM3dは、ショベルのY軸回りの傾斜角θ4、及び、ショベルのX軸回りの傾斜角θ5(図示せず。)を取得するセンサであり、例えば2軸傾斜(加速度)センサ等を含む。なお、図2のXY平面は水平面である。
次に、図3を参照してショベルの基本システムについて説明する。ショベルの基本システムは、主に、エンジン11、メインポンプ14、パイロットポンプ15、コントロールバルブ17、操作装置26、コントローラ30、及びエンジン制御装置(ECU)74等を含む。
エンジン11はショベルの駆動源であり、例えば、所定の回転数を維持するように動作する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の入力軸に接続される。
メインポンプ14は、高圧油圧ライン16を介して作動油をコントロールバルブ17に供給する油圧ポンプであり、例えば、斜板式可変容量型油圧ポンプである。メインポンプ14は、斜板の角度(傾転角)を変更することでピストンのストローク長を調整し、吐出流量、すなわち、ポンプ出力を変化させることができる。メインポンプ14の斜板は、レギュレータ14aにより制御される。レギュレータ14aは、電磁比例弁(不図示)に対する制御電流の変化に対応して、斜板の傾転角を変化させる。例えば、制御電流を増加させることにより、レギュレータ14aは、斜板の傾転角を大きくして、メインポンプ14の吐出流量を多くする。また、制御電流を減少させることにより、レギュレータ14aは、斜板の傾転角を小さくして、メインポンプ14の吐出流量を少なくする。
パイロットポンプ15は、パイロットライン25を介して各種油圧制御機器に作動油を供給するための油圧ポンプであり、例えば、固定容量型油圧ポンプである。
コントロールバルブ17は、林業機械における油圧システムを制御する油圧制御バルブである。コントロールバルブ17は、後述するレバー又はペダル26A〜26Cの操作方向及び操作量に応じた圧力変化に応じて、例えば、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、走行用油圧モータ1A(左用)、走行用油圧モータ1B(右用)、及び旋回用油圧モータ2Aのうちの一又は複数のものに対し、メインポンプ14から高圧油圧ライン16を通じて供給された作動油を選択的に供給する。なお、以下の説明では、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、走行用油圧モータ1A(左用)、走行用油圧モータ1B(右用)、及び旋回用油圧モータ2Aを集合的に「油圧アクチュエータ」と称する。
操作装置26は、操作者が油圧アクチュエータの操作のために用いる装置である。操作装置26は、パイロットライン25を介してパイロットポンプ15から供給された作動油をパイロットライン25aを通じて、油圧アクチュエータのそれぞれに対応する流量制御弁のパイロットポートに供給する。なお、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は、油圧アクチュエータのそれぞれに対応するレバー又はペダル26A〜26Cの操作方向及び操作量に応じた圧力とされる。
コントローラ30は、ショベルを制御するための制御装置であり、例えば、CPU、RAM、ROM等を備えたコンピュータで構成される。コントローラ30のCPUは、ショベルの動作や機能に対応するプログラムをROMから読み出してRAMにロードしながらプログラムを実行することで、それらプログラムのそれぞれに対応する処理を実行させる。
コントローラ30は、メインポンプ14の吐出流量の制御を行う。例えば、ネガコン弁(不図示)のネガコン圧に応じて上記制御電流を変化させ、レギュレータ14aを介してメインポンプ14の吐出流量を制御する。
エンジン制御装置(ECU)74は、エンジン11を制御する装置である。例えば、コントローラ30からの指令に基づき、後述するエンジン回転数調整ダイヤル75により操作者が設定したエンジン回転数(モード)に応じてエンジン11の回転数を制御するための燃料噴射量等をエンジン11に出力する。
エンジン回転数調整ダイヤル75は、キャビン10内に設けられるエンジンの回転数を調整するためのダイヤルであり、本実施形態ではエンジン回転数を5段階で切り換えできるようにする。即ち、エンジン回転数調整ダイヤル75により、Rmax、R4、R3、R2及びR1の5段階でエンジン回転数を切り換えることができるようにする。なお、図3は、エンジン回転数調整ダイヤル75でR4が選択された状態を示す。
Rmaxは、エンジン11の最高回転数であり、作業量を優先したい場合に選択される。R4は、二番目に高いエンジン回転数であり、作業量と燃費を両立させたい場合に選択される。R3及びR2は、三番目及び四番目に高いエンジン回転数であり、燃費を優先させながら低騒音でショベルを稼働させたい場合に選択される。R1は、最も低いエンジン回転数(アイドリング回転数)であり、エンジン11をアイドリング状態にしたい場合に選択されるアイドリングモードにおけるエンジン回転数である。例えば、Rmax(最高回転数)を2000rpm、R1(アイドリング回転数)を1000rpmとし、その間を250rpm毎に、R4(1750rpm)、R3(1500rpm)、R2(1250rpm)と多段階に設定してよい。そして、エンジン11は、エンジン回転数調整ダイヤル75で設定されたエンジン回転数で一定に回転数制御される。なお、ここでは、エンジン回転数調整ダイヤル75による5段階でのエンジン回転数調整の事例を示したが、5段階には限られず何段階であってもよい。
また、ショベルには、運転者による運転を補助するために画像表示装置40をキャビン10の運転席の近傍に配置する。運転者は画像表示装置40の入力部42を利用して情報や指令をコントローラ30に入力できる。また、ショベルの運転状況や制御情報を画像表示装置40の画像表示部41に表示させることで、運転者に情報を提供できる。
画像表示装置40は、画像表示部41及び入力部42を含む。画像表示装置40は、運転席内のコンソールに固定される。なお、一般的に、運転席に着座した運転者からみて右側にブーム4が配置されており、運転者はブーム4の先端に取り付けられたアーム5、バケット6を視認しながらショベルを運転することが多い。キャビン10の右側前方のフレームは運転者の視界の妨げとなる部分であるが、本実施形態では、この部分を利用して画像表示装置40を設けている。これにより、もともと視界の妨げとなっていた部分に画像表示装置40が配置されるので、画像表示装置40自体が運転者の視界を大きく妨げることは無い。フレームの幅にもよるが、画像表示装置40全体がフレームの幅に入るように、画像表示装置40は、画像表示部41が縦長となるように構成されてもよい。
本実施形態では、画像表示装置40は、CAN、LIN等の通信ネットワークを介してコントローラ30に接続される。なお、画像表示装置40は、専用線を介してコントローラ30に接続されてもよい。
また、画像表示装置40は、画像表示部41上に表示する画像を生成する変換処理部40aを含む。本実施形態では、変換処理部40aは、撮像装置M5の出力に基づいて画像表示部41上に表示するカメラ画像を生成する。そのため、撮像装置M5は、例えば専用線を介して画像表示装置40に接続される。また、変換処理部40aは、コントローラ30の出力に基づいて画像表示部41上に表示する画像を生成する。
なお、変換処理部40aは、画像表示装置40が有する機能としてではなく、コントローラ30が有する機能として実現されてもよい。この場合、撮像装置M5は、画像表示装置40ではなく、コントローラ30に接続される。
また、画像表示装置40は、入力部42としてのスイッチパネルを含む。スイッチパネルは、各種ハードウェアスイッチを含むパネルである。本実施形態では、スイッチパネルは、ハードウェアボタンとしてのライトスイッチ42a、ワイパースイッチ42b、及びウインドウォッシャスイッチ42cを含む。ライトスイッチ42aは、キャビン10の外部に取り付けられるライトの点灯・消灯を切り換えるためのスイッチである。ワイパースイッチ42bは、ワイパーの作動・停止を切り換えるためのスイッチである。また、ウインドウォッシャスイッチ42cは、ウインドウォッシャ液を噴射するためのスイッチである。
また、画像表示装置40は、蓄電池70から電力の供給を受けて動作する。なお、蓄電池70はエンジン11のオルタネータ11a(発電機)で発電した電力で充電される。蓄電池70の電力は、コントローラ30及び画像表示装置40以外のショベルの電装品72等にも供給される。また、エンジン11のスタータ11bは、蓄電池70からの電力で駆動され、エンジン11を始動する。
エンジン11は、上述のとおり、エンジン制御装置(ECU)74により制御される。ECU74からは、エンジン11の状態を示す各種データ(例えば、水温センサ11cで検出される冷却水温(物理量)を示すデータ)がコントローラ30に常時送信される。したがって、コントローラ30は一時記憶部(メモリ)30aにこのデータを蓄積しておき、必要なときに画像表示装置40に送信することができる。
また、コントローラ30には以下のように各種のデータが供給され、コントローラ30の一時記憶部30aに格納される。
まず、可変容量式油圧ポンプであるメインポンプ14のレギュレータ14aから斜板の傾転角を示すデータがコントローラ30に供給される。また、メインポンプ14の吐出圧力を示すデータが、吐出圧力センサ14bからコントローラ30に送られる。これらのデータ(物理量を表すデータ)は一時記憶部30aに格納される。また、メインポンプ14が吸入する作動油が貯蔵されたタンクとメインポンプ14との間の管路には、油温センサ14cが設けられており、その管路を流れる作動油の温度を表すデータが、油温センサ14cからコントローラ30に供給される。
また、レバー又はペダル26A〜26Cを操作した際に、パイロットライン25aを通じてコントロールバルブ17に送られるパイロット圧が、油圧センサ15a、15bで検出され、検出したパイロット圧を示すデータがコントローラ30に供給される。
また、エンジン回転数調整ダイヤル75からは、エンジン回転数の設定状態を示すデータがコントローラ30に常時送信される。
外部演算装置30Eは、通信装置M1、測位装置M2、姿勢検出装置M3、撮像装置M5等の出力に基づいて各種演算を行い、演算結果をコントローラ30に対して出力する制御装置である。本実施例では、外部演算装置30Eは蓄電池70から電力の供給を受けて動作する。
図4は、図1のショベルに搭載される駆動系の構成例を示す図であり、機械的動力伝達ライン、高圧油圧ライン、パイロットライン、及び電気制御ラインをそれぞれ二重線、実線、破線、及び点線で示す。
ショベルの駆動系は、主に、エンジン11、メインポンプ14L、14R、パイロットポンプ15、コントロールバルブ17、操作装置26、操作内容検出装置29、コントローラ30、外部演算装置30E、及び切換弁50を含む。
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コントロールバルブ17は、メインポンプ14L、14Rが吐出する作動油の流れを制御する流量制御弁171〜176を含む。そして、コントロールバルブ17は、流量制御弁171〜176を通じ、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、走行用油圧モータ1A(左用)、走行用油圧モータ1B(右用)、及び旋回用油圧モータ2Aのうちの1又は複数のものに対しメインポンプ14L、14Rが吐出する作動油を選択的に供給する。
操作装置26は、操作者が油圧アクチュエータの操作のために用いる装置である。本実施例では、操作装置26は、パイロットライン25を通じ、パイロットポンプ15が吐出する作動油を油圧アクチュエータのそれぞれに対応する流量制御弁のパイロットポートに供給する。
操作内容検出装置29は、操作装置26を用いた操作者の操作内容を検出する装置である。本実施例では、操作内容検出装置29は、油圧アクチュエータのそれぞれに対応する操作装置26のレバー又はペダルの操作方向及び操作量を圧力の形で検出し、検出した値をコントローラ30に対して出力する。なお、操作装置26の操作内容は、ポテンショメータ等、圧力センサ以外の他のセンサの出力を用いて導き出されてもよい。
エンジン11によって駆動されるメインポンプ14L、14Rは、センターバイパス管路40L、40Rのそれぞれを経て作動油タンクまで作動油を循環させる。
センターバイパス管路40Lは、コントロールバルブ17内に配置された流量制御弁171、173、及び175を通る高圧油圧ラインであり、センターバイパス管路40Rは、コントロールバルブ17内に配置された流量制御弁172、174、及び176を通る高圧油圧ラインである。
流量制御弁171、172、173は、走行用油圧モータ1A(左用)、走行用油圧モータ1B(右用)、旋回用油圧モータ2Aに流出入する作動油の流量及び流れ方向を制御するスプール弁である。
また、流量制御弁174、175、176は、バケットシリンダ9、アームシリンダ8、ブームシリンダ7に流出入する作動油の流量及び流れ方向を制御するスプール弁である。
切換弁50は、操作装置26と流量制御弁171〜176のそれぞれのパイロットポートとの間の連通・遮断を切り替える弁である。本実施例では、切換弁50はコントローラ30からの制御指令に応じて弁位置を切り換える電磁切換弁である。具体的には、切換弁50は、コントローラ30から遮断指令を受けた場合に操作装置26と各パイロットポートとの間の連通を部分的に或いは完全に遮断し、連通指令を受けた場合に操作装置26と各パイロットポートとの間を連通させる。
次に、図5を参照して外部演算装置30Eの機能について説明する。なお、図5は、外部演算装置30Eの構成例を示す機能ブロック図である。本実施例では、外部演算装置30Eは、通信装置M1、測位装置M2、姿勢検出装置M3、操作装置26の出力を受けて各種演算を実行し、その演算結果をコントローラ30に対して出力する。コントローラ30は、例えば、その演算結果に応じた制御指令を動作制限部E1に対して出力する。なお、外部演算装置30Eは、操作内容検出装置29を介して操作装置26の出力を受ける。
動作制限部E1はショベルの動きを制限するための機能要素であり、例えば、パイロット圧を調整する減圧弁、メインポンプ14からコントロールバルブ17への作動油の流れを遮断可能な切換弁を含む。本実施例では、動作制限部E1として切換弁50が採用される。
また、動作制限部E1は、ショベルの操作者に対して警告を出力する警告出力装置を含む。警告出力装置は、例えば、音声出力装置、警告ランプ等を含む。
具体的には、外部演算装置30Eは、主に、地形データベース更新部31、位置座標更新部32、地面形状情報取得部33、及び安定度算出部34を含む。
地形データベース更新部31は、作業現場の地形情報を参照可能に体系的に記憶する地形データベースを更新する機能要素である。本実施例では、地形データベース更新部31は、例えばショベルの起動時に通信装置M1を通じて作業現場の地形情報を取得して地形データベースを更新する。地形データベースは不揮発性メモリ等に記憶される。また、作業現場の地形情報は、例えば世界測位系に基づく3次元地形モデルで記述される。
位置座標更新部32は、ショベルの現在位置を表す座標及び向きを更新する機能要素である。本実施例では、位置座標更新部32は、測位装置M2の出力に基づいて世界測位系におけるショベルの位置座標及び向きを取得し、不揮発性メモリ等に記憶されるショベルの現在位置を表す座標及び向きに関するデータを更新する。
地面形状情報取得部33は、作業対象の地面の現在の形状に関する情報を取得する機能要素である。本実施例では、地面形状情報取得部33は、地形データベース更新部31が更新した地形情報と、位置座標更新部32が更新したショベルの現在位置を表す座標及び向きと、姿勢検出装置M3が検出した掘削アタッチメントの姿勢の過去の推移とに基づいて作業対象地面の現在の形状に関する情報を取得する。また、上述の実施例では、外部演算装置30Eはコントローラ30の外部にある別の演算装置として説明されたが、コントローラ30に一体的に統合されてもよい。
ここで、図6を参照し、地面形状情報取得部33が掘削動作後の地面形状に関する情報を取得する処理について説明する。図6は、掘削動作後の地面形状に関する情報の概念図である。なお、図6の破線で示す複数のバケット形状は、前回の掘削動作の際のバケット6の軌跡を表す。バケット6の軌跡は、姿勢検出装置M3が過去に検出した掘削アタッチメントの姿勢の推移から導き出される。また、図6の太実線は、地面形状情報取得部33が把握している作業対象地面の現在の断面形状を表し、太点線は、地面形状情報取得部33が把握している前回の掘削動作が行われる前の作業対象地面の断面形状を表す。すなわち、地面形状情報取得部33は、前回の掘削動作が行われる前の作業対象地面の形状から、前回の掘削動作の際にバケット6が通過した空間に対応する部分を取り除くことで作業対象地面の現在の形状を導き出す。このようにして、地面形状情報取得部33は、掘削動作後の地面形状を推定できる。また、図6の一点鎖線で示すZ軸方向に伸びる各ブロックは3次元地形モデルの各要素を表す。各要素は例えばXY平面に平行な単位面積の上面と−Z方向に無限大の長さを有するモデルで表現される。なお、3次元地形モデルは3次元メッシュモデルで表現されてもよい。
安定度算出部34は、所定時間後のショベルの姿勢(以下、「ショベル姿勢」とする。)を予測し、そのショベル姿勢に基づいてショベルの安定度(以下、「ショベル安定度」とする。)を算出し、そのショベル安定度に基づいて動作制限部E1を制御する機能要素である。
ショベル安定度は、ショベルの転倒し易さを表す指標であり、ショベル安定度が低いほどショベルが転倒する可能性が高いことを表す。
本実施例では、安定度算出部34は、掘削アタッチメントの現在の姿勢と、作業対象地面の現在の形状に関する情報と、操作者の操作内容とに基づいて所定時間(例えば1秒間)後のショベル姿勢を予測する。掘削アタッチメントの現在の姿勢は姿勢検出装置M3によって検出され、作業対象地面の現在の形状に関する情報は地面形状情報取得部33によって取得され、操作装置26を用いた操作者の操作内容は操作内容検出装置29によって検出される。
その後、安定度算出部34は、予測したショベル姿勢に基づいてショベル安定度を算出する。
図7は走行停止中のショベル安定度の説明図である。なお、図7では+X方向を前方とし−X方向を後方とする。
図7に示すようにショベルが走行していない場合、安定度算出部34は、作業対象地面の現在の形状に関する情報と、ショベルの現在位置及び向きに関する情報と、所定のクローラ長CLとに基づいて転倒軸(支点)TAを導き出す。転倒軸TAは、ショベルが転倒する際の軸であり、例えば、クローラと地面が接触する部分の右前端座標点と左前端座標点とを通る軸、右前端座標点と右後端座標点とを通る軸、右後端座標点と左後端座標点とを通る軸、及び、左前端座標点と左後端座標点とを通る軸等を含む。
また、安定度算出部34は、地面形状情報取得部33により更新された最新の地面形状からショベル本体の傾きを推定し、推定されたショベル本体の傾きと、アタッチメントの姿勢と、操作内容検出装置29が検出する操作装置26を用いた操作者の操作内容とに基づき、所定時間後のショベルの重心GCの位置、転倒軸TAの位置、並びに、クローラと地面が接する部分の前端座標点及び後端座標点を導き出す。
その上で、安定度算出部34は、ショベルの重心GCと転倒軸TAとの間の水平距離D1と、ショベルの中心から見て転倒軸TAの外側に突出したクローラの最大突出長さD2とに基づいてショベル安定度を算出する。ショベル安定度は水平距離D1が小さいほど小さくなるように算出される。なお、水平距離D1はショベルの重心GCが上面視で転倒軸TAよりもショベルの中心点から遠い位置にある場合に負値となる。また、ショベル安定度は最大突出長さD2が大きいほど小さくなるように算出される。また、安定度算出部34は、複数の転倒軸のそれぞれに関してショベル安定度を算出し、複数のショベル安定度のうちの最小値を最終的なショベル安定度として選択する。
なお、転倒軸TA周りの力のモーメント(トルク)のつり合いは以下の式(1)で表される。m0は掘削アタッチメントを除くショベルの質量を表し、gは重力加速度を表す。また、L0は掘削アタッチメントを除くショベルの重心GC0に作用する重力m0・gの作用線の転倒軸TAからの距離を表し、水平距離D1に相当する。また、m1、m2、m3は、ブーム4、アーム5、バケット6の質量を表し、L1、L2、L3はブーム4、アーム5、バケット6の重心GC1、GC2、GC3に作用する重力m1・g、m2・g、m3・gの作用線の転倒軸TAからの距離を表す。なお、バケット6の質量はバケット6に積載された積載物の質量を含んでいてもよい。
式(1)は図7のショベルを転倒軸TAに関して反時計回りに回転させようとする力のモーメント(トルク)の合計を左辺に記述し、ショベルを転倒軸TAに関して時計回りに回転させようとする力のモーメント(トルク)の合計を右辺に記述する。そして、式(1)は左辺の大きさが右辺の大きさ以下の場合にショベルの姿勢バランスが安定した状態(ショベルの後部が浮き上がらない状態)にあることを表す。また、式(1)は左辺の大きさが右辺の大きさより大きい場合にショベルの姿勢バランスが不安定な状態(ショベルの後部が浮き上がる状態)にあることを表す。すなわち、以下の式(2)の関係を満たす場合に、ショベルの姿勢バランスが安定した状態(ショベルの後部が浮き上がらない状態)にあるといえる。
なお、図7は、ブーム下げ、アーム開き、バケット開きの複合操作が行われて重心GCが+X方向に移動することで水平距離D1が減少して転倒軸TAに関するショベル安定度が小さくなる様子を示す。
また、安定度算出部34は、算出したショベル安定度に基づいて動作制限部E1を制御する。本実施例では、安定度算出部34は、ショベル安定度が、転倒軸TAから重心GCまでの水平距離D1に基づいて決定される所定の閾値以下の場合にショベルの転倒のおそれがあると判定し、その判定結果をコントローラ30に対して出力する。その判定結果を受けたコントローラ30は動作制限部E1としての切換弁50に対して遮断指令を出力する。遮断指令を受けた切換弁50は操作装置26と各パイロットポートとの間の連通を部分的に或いは完全に遮断してショベルの動きを鈍化させ或いは停止させる。望ましくは、ショベルの動きを徐々に鈍化させて停止させる。急停止を避けることで急停止に起因する衝撃によりショベルのバランスが大きく崩れるのを防止するためである。
なお、安定度算出部34は、ショベル安定度が所定の第1閾値以下の場合にコントローラ30から動作制限部E1としての音声出力装置に対して警告指令を出力させ、ショベル安定度が所定の第2閾値(≦第1閾値)以下の場合にコントローラ30から動作制限部E1としての切換弁50に対して遮断指令を出力させてもよい。
図8は走行中のショベル安定度の説明図である。具体的には、図8(A)はショベルが前進する場合のショベル安定度の説明図であり、図8(B)はショベルが後進する場合のショベル安定度の説明図である。なお、図8(A)及び図8(B)では+X方向を前方とし−X方向を後方とする。
図8(A)に示すようにショベルが前進している場合、地面形状情報取得部33は、作業対象地面の現在の形状に関する情報に基づいて作業対象地面の鉛直断面における地表を表す線GLを導き出す。そして、安定度算出部34は、線GLと、ショベルの現在位置を表す座標及び向きに関するデータと、所定のクローラ長(クローラの直線部分の長さ)CLとに基づいて所定時間後にクローラと地面が接する部分の前端座標点Pf及び後端座標点Prを導き出す。なお、線GLは凹点及び凸点を含む曲線で表される。また、前端座標点Pf及び後端座標点Prのうち低い方が転倒軸TAとなる。図8(A)の場合、後端座標点Prが転倒軸TAとなる。
そして、安定度算出部34は、前端座標点Pfと後端座標点Prとを結ぶ線分の水平線に対する角度αを導き出す。角度αは水平線に対して時計回りに正値をとり、水平線に対して反時計回りに負値をとる。その上で、安定度算出部34は、アタッチメントの姿勢と角度αとに基づいてショベル安定度を算出する。ショベル安定度は、アタッチメントの姿勢が一定であれば、角度αの絶対値が大きいほど小さくなるように算出される。
したがって、図8(A)は、前進が継続されると角度α(正値)が大きくなることでショベル安定度が小さくなる様子を示す。
同様に、図8(B)に示すようにショベルが後進している場合、安定度算出部34は、線GLと、ショベルの現在位置を表す座標及び向きに関するデータと、所定のクローラ長CLとに基づいて所定時間後の前端座標点Pf及び後端座標点Prを導き出す。
そして、安定度算出部34は、前端座標点Pfと後端座標点Prとを結ぶ線分の水平線に対する角度βを導き出す。角度βは水平線に対して反時計回りに正値をとり、水平線に対して時計回りに負値をとる。その上で、安定度算出部34は、アタッチメントの姿勢と角度βとに基づいてショベル安定度を算出する。ショベル安定度は、アタッチメントの姿勢が一定であれば、角度βの絶対値が大きいほど小さくなるように算出される。
したがって、図8(B)は、後進が継続されると角度β(正値)が大きくなることでショベル安定度が小さくなる様子を示す。なお、前端座標点Pf及び後端座標点Prのうち低い方が転倒軸TAとなる。図8(B)の場合、前端座標点Pfが転倒軸TAとなる。
このように、安定度算出部34は、車体傾斜センサM3dの出力ではなく、ショベルの現在位置及び向きに関する情報と、掘削アタッチメントの現在の姿勢と、作業対象地面の現在の形状に関する情報と、操作者の操作内容とに基づいて所定時間後のショベル姿勢を予測してショベル安定度を算出する。但し、安定度算出部34は、車体傾斜センサM3dの出力を追加的に考慮してショベル姿勢を予測しながらショベル安定度を算出してもよい。
次に、図9を参照し、安定度算出部34がショベル安定度に基づいてショベルの動きを制限するか否かを判定する処理(以下、「ショベル動作制限処理」とする。)について説明する。図9は、ショベル動作制限処理の流れを示すフローチャートである。安定度算出部34は所定の制御周期で繰り返しこのショベル動作制限処理を実行する。
最初に、安定度算出部34は、所定時間後のショベル姿勢を予測する(ステップS11)。本実施例では、安定度算出部34は、ショベルの現在位置及び向きに関する情報と、掘削アタッチメントの現在の姿勢と、作業対象地面の現在の形状に関する情報と、操作者の操作内容とに基づいて所定時間(例えば1秒間)後のショベル姿勢を予測する。
その後、安定度算出部34は、予測したショベル姿勢でのショベル安定度を算出する(ステップS12)。本実施例では、安定度算出部34は、ショベルが前進している場合には角度αに基づいてショベル安定度を算出し(図8(A)参照。)、ショベルが後進している場合には角度βに基づいてショベル安定度を算出する(図8(B)参照。)。また、ショベルが走行していない場合にはショベルの重心GCに基づいてショベル安定度を算出する(図7参照。)。
その後、安定度算出部34は、ショベル安定度が閾値以下であるかを判定する(ステップS13)。本実施例では、安定度算出部34は、算出したショベル安定度と、ROM等に予め登録された所定の閾値とを比較し、ショベル安定度が閾値以下であるか否かを判定する。
ショベル安定度が所定値以下であると判定した場合(ステップS13のYES)、安定度算出部34は、ショベルの動きを制限する(ステップS14)。本実施例では、ショベル安定度が所定値以下であると判定した場合、安定度算出部34は、ショベルの転倒のおそれがあると判定し、コントローラ30から動作制限部E1としての切換弁50に対して遮断指令を出力させる。遮断指令を受けた切換弁50は操作装置26と各パイロットポートとの間の連通を部分的に或いは完全に遮断してショベルの動きを鈍化させ或いは停止させる。
ショベル安定度が所定値より大きいと判定した場合(ステップS13のNO)、安定度算出部34は、ショベルの動きを制限することなくその動きを継続させる。本実施例では、ショベル安定度が所定値より大きいと判定した場合、安定度算出部34は、ショベルの転倒のおそれがないと判定し、コントローラ30から動作制限部E1としての切換弁50に対して遮断指令を出力させることなく、今回のショベル動作制限処理を終了させる。
このようにして安定度算出部34は、現在の操作が継続されると所定時間経過後のショベル安定度が所定値以下になると判定した場合にショベルの動きを制限することでショベル姿勢が不安定になるのを未然に防止できる。
以上の構成により、コントローラ30は、掘削動作後の地面形状に関する情報に基づいて作業対象の地面の現在の形状に関する情報を取得する。そして、取得した作業対象の地面の現在の形状に関する情報と、ショベルの現在位置及び向きに関する情報と、アタッチメントの現在の姿勢とに基づいて各種操作が行われたときの所定時間後のショベル安定度を算出する。そして、ショベル安定度が所定値以下のときにショベルの動きを制限する。その結果、コントローラ30は、現在の操作が継続された場合にショベルの転倒のおそれがあることを事前に予測してショベルの動きを制限することでショベルの転倒を未然に防止できる。
キャビン10内にいる操作者は、目線が高いところにあるため、前方の地面の凹凸の大きさ及びクローラの接地状態を正確に判断するのが困難な場合がある。また、死角領域にある側方及び後方の地面の凹凸の大きさ及びクローラの接地状態を判断できない場合がある。このような場合であっても、コントローラ30はショベルの転倒のおそれがあることを事前に予測してショベルの動きを制限する。そのため、操作者は安心してショベルを動作させることができる。その結果、コントローラ30はショベル操作性及び作業効率を向上させることができる。
また、コントローラ30は、前進中又は後進中のショベルに関する所定時間後のショベル安定度を算出してショベルが転倒するおそれがあるか否かを判定する。そして、転倒のおそれがあると判定した場合に警報を出力し、さらには走行を鈍化させ或いは停止させる。そのため、コントローラ30は、ショベルが急斜面、穴等に進入するのを未然に防止できる。なお、コントローラ30は、ショベルの前進を停止させた場合であってもショベルの後進を禁止することはない。同様に、コントローラ30は、ショベルの後進を停止させた場合であってもショベルの前進を禁止することはない。ショベル安定度を増大させる動きを妨げないようにするためである。但し、ショベル安定度を増大させる動きを許容する場合であっても、コントローラ30は、望ましくは、急激な動作が生じないようにする。急発進に起因する衝撃によってショベルのバランスが大きく崩れてしまうのを防止するためである。
また、コントローラ30は、走行を停止した状態でアタッチメント又は旋回機構を動作させているショベルに関する所定時間後のショベル安定度を算出してショベルが転倒するおそれがあるか否かを判定する。そして、転倒のおそれがあると判定した場合に警報を出力し、さらにはアタッチメント及び旋回機構の少なくとも一方の動きを鈍化させ或いは停止させる。そのため、コントローラ30は、クローラの一部が地面から浮いた状態で作業しているショベルがバランスを崩して転倒するのを防止できる。なお、コントローラ30は、アタッチメント及び旋回機構の少なくとも一方の動きを停止させた場合であってもショベル安定度を増大させる動きを禁止することはない。例えば、ブーム下げを停止させた場合であってもブーム上げを禁止することはなく、右旋回を停止させたとしても左旋回を禁止することはない。但し、ショベル安定度を増大させる動きを許容する場合であっても、コントローラ30は、望ましくは、急激な動作が生じないようにする。急旋回等に起因する衝撃によってショベルのバランスが大きく崩れてしまうのを防止するためである。
また、上述の実施例では、コントローラ30は、切換弁50を作動させることでショベルの動作を制限するが、それ以外の方法でショベルの動作を制限してもよい。例えば、メインポンプ14の斜板傾転角を変更することでポンプ馬力を低減させたり、エンジン回転数を低減することでメインポンプ14のポンプ馬力を低減させたりしてショベルの動作を制限してもよい。
以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなしに上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。
例えば、上述の実施例では、地形データベース更新部31は、ショベルの起動時に通信装置M1を通じて作業現場の地形情報を取得して地形データベースを更新する。しかしながら、本発明はこの構成に限定されるものではない。例えば、地形データベース更新部31は、アタッチメントの姿勢の推移に関する情報を用いることなく、撮像装置が撮像したショベル周辺の画像に基づいて作業現場の地形情報を取得して地形データベースを更新してもよい。
図10は、撮像装置M5に接続されるコントローラ30の構成例を示す機能ブロック図である。図10の構成は、通信装置M1の代わりに撮像装置M5が接続される点で、図5の構成と相違するがその他の点で共通する。そのため、共通部分の説明を省略し、相違部分を詳細に説明する。
撮像装置M5はショベルの周辺の画像を取得する装置である。本実施例では、撮像装置M5は、ショベルの上部旋回体3に取り付けられるカメラであり、撮像した画像に基づいてショベルの周囲の地面までの距離を認識して作業現場の地形情報を取得する。なお、撮像装置M5はステレオカメラ、距離画像カメラ、3次元レーザスキャナ等であってもよい。
また、撮像装置M5はショベルから独立していてもよい。この場合、コントローラ30は、通信装置M1を介して撮像装置M5が出力する地形情報を取得してもよい。具体的には、撮像装置M5は、空撮用マルチコプタ、作業現場に設置された鉄塔等に取り付けられ、作業現場を上から見た画像に基づいて作業現場の地形情報を取得してもよい。また、撮像装置M5は、空撮用マルチコプタに取り付けられた場合、1時間に1回程度の頻度で或いはリアルタイムで、作業現場を上から見た画像を撮像して作業現場の地形情報を取得してもよい。撮像装置M5が取得した地形情報は地形データベースの更新に用いられる。その更新間隔は、地形情報の所得間隔が1時間以上の場合には、姿勢検出装置M3からの信号に基づく地形データベースの更新間隔よりも長い。
図11〜図13は、撮像装置M5に接続されるコントローラ30の別の構成例を示す機能ブロック図である。図11の構成は、地形データベース更新部31及び位置座標更新部32のそれぞれが撮像装置M5(特にショベルから独立している撮像装置M5)の出力を利用する点で、図5の構成と相違するがその他の点で共通する。図11の実施例では、地形データベース更新部31は、例えば、1日1回の頻度で通信装置M1を通じて作業現場の地形情報を取得し、且つ、1時間に1回の頻度で或いはリアルタイムで撮像装置M5を通じて作業現場の地形情報を取得して地形データベースを更新する。また、位置座標更新部32は、測位装置M2の出力と撮像装置M5の出力を併用してショベルの現在位置を表す座標及び向きに関するデータをリアルタイムで更新する。なお、位置座標更新部32は、撮像装置M5の出力のみに基づいてショベルの現在位置を表す座標及び向きに関するデータをリアルタイムで更新してもよい。
図12の構成は、位置座標更新部32が撮像装置M5の出力のみを利用し且つ測位装置M2が省略された点で図5の構成と相違するがその他の点で共通する。また、図13の構成は、地形データベース更新部31及び位置座標更新部32のそれぞれが撮像装置M5の出力のみを利用し且つ通信装置M1及び測位装置M2が省略された点で図5の構成と相違するがその他の点で共通する。
このように、コントローラ30は、撮像装置M5の出力に基づいて作業現場の地形情報を取得して地形データベースを更新してもよく、ショベルの現在位置を表す座標及び向きに関するデータをリアルタイムで更新してもよい。
また、上述の実施例では、外部演算装置30Eはコントローラ30の外部にある別の演算装置として説明されたが、コントローラ30に一体的に統合されてもよい。