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4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4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、及び吐出量調整装置50L、50Rを含む。
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。
吐出量調整装置50L、50Rは、メインポンプ14L、14Rの吐出量を調整する機能要素である。本実施例では、吐出量調整装置50Lはレギュレータであり、コントローラ30からの制御指令に応じてメインポンプ14Lの斜板傾転角を増減させてメインポンプ14Lの押し退け容積を増減させることでメインポンプ14Lの吐出量を調整する。具体的には、吐出量調整装置50Lは、コントローラ30が出力するポンプ電流が大きくなるにつれて斜板傾転角を増大させて押し退け容積を増大させることでメインポンプ14Lの吐出量を増大させる。吐出量調整装置50Rによるメインポンプ14Rの吐出量の調整についても同様である。
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。
動作制限部E1はアタッチメント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の吐出量を調整する吐出量調整装置50を含む。本実施例では、動作制限部E1は吐出量調整装置50を含む。
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、及び掘削反力導出部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掘削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が把握している掘削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掘削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掘削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掘削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。
掘削反力導出部34は、バケット6と地面とが接触しているかを判定し、接触していると判定した場合にその接触状態に基づいて掘削反力を導き出す。そして、導出した掘削反力に基づいて動作制限部E1を制御する。本実施例では、掘削反力導出部34は、掘削反力と許容最大掘削反力を導出し、導出した掘削反力と許容最大掘削反力に基づく閾値とを用いてコントローラ30を介して動作制限部E1を制御する。また、掘削反力導出部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掘削アタッチメントの姿勢とに基づいてそれぞれの重心位置を導き出す。
許容最大掘削反力は、ショベルの姿勢バランスを安定した状態で維持できる範囲内の掘削反力の最大値であり、掘削アタッチメントの姿勢に基づいて導出される。また、掘削反力が許容最大掘削反力を上回った状態はショベルの姿勢バランスが不安定な状態にあることを表し、例えば、ショベルの後部が浮き上がってショベルが前のめりに転倒するおそれがある状態を表す。
具体的には、掘削反力導出部34は、掘削アタッチメントの姿勢と、作業対象地面の現在の形状に関する情報とに基づいて掘削反力と許容最大掘削反力の推移を導出する。掘削アタッチメント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によって取得される。そして、所定時間後(例えば1秒後)の掘削反力と所定の閾値とを比較して掘削反力が閾値を上回るか否かを判定する。所定の閾値はショベルの姿勢バランスが不安定であるかを判定するための値である。本実施例では、所定の閾値は許容最大掘削反力に基づいて設定され、例えば、許容最大掘削反力から予め登録された値を差し引いた値に設定される。なお、所定の閾値は許容最大掘削反力であってもよい。そして、掘削反力が閾値を上回ると判定した場合に、動作制限部E1としての吐出量調整装置50に対するポンプ電流を低減させる。吐出量調整装置50はポンプ電流の低減にしたがってメインポンプ14の吐出量を低減させることで掘削アタッチメントの動きを鈍化させる。その結果、掘削反力が許容最大掘削反力を上回る状況が発生するのを防止し、ショベルの後部が浮き上がるのを防止する。
ここで、図7〜図10を参照し、掘削反力導出部34が掘削反力を導出し、導出した掘削反力に基づいてショベルの後部が浮き上がるおそれがあると判定した場合に掘削アタッチメントの動きを制限する処理(以下、「動作制限処理」)について説明する。なお、図7は、掘削対象地面の深さと基準面との関係を示す図である。基準面は、掘削対象地面の深さを定める基準となる平面である。本実施例では、基準面はショベルの中心点Rが位置する水平面であり、中心点Rはショベルの旋回軸と下部走行体1の接地面との交点である。
具体的には、図7の一点鎖線で示す掘削アタッチメントは、一点鎖線で示す基準面と同じ深さの掘削対象地面を掘削する際の掘削アタッチメントの姿勢を表す。この場合、掘削対象地面の深さDは基準面の深さD0(=0)と同じである。なお、掘削対象地面の深さDは、地面形状情報取得部33が取得した掘削対象地面の現在の形状に関する情報に基づいて導き出される。また、掘削対象地面の深さDは、姿勢検出装置M3が検出した掘削アタッチメントの現在の姿勢に基づいて導き出されてもよい。
また、図7の破線で示す掘削アタッチメントは、破線で示す掘削対象地面を掘削する際の掘削アタッチメントの姿勢を表す。この場合、掘削対象地面の深さDは深さD1(>D0)で表される。
また、図7の実線で示す掘削アタッチメントは、実線で示す掘削対象地面を掘削する際の掘削アタッチメントの姿勢を表す。この場合、掘削対象地面の深さDは深さD2(>D1)で表される。
なお、掘削対象地面は基準面よりも高い位置にあってもよい。この場合、掘削対象地面の深さDは負の値で表されてもよい。
図8は、バケット角度θ3と掘削反力Fとの関係を示す図である。具体的には、図8(A)は、バケット6をバケット角度30°からバケット角度180°まで閉じる際のバケット6の姿勢の推移を示す。なお、図8(A)の破線で示すバケット6はバケット角度30°のときの姿勢を表し、図8(A)の実線で示すバケット6はバケット角度180°のときの姿勢を表す。
図8(B)は、掘削対象地面の深さDと所定のバケット閉じ操作が行われる場合の掘削反力Fの大きさの推移又はピーク値との対応関係を予め記憶する対応テーブルの内容の一例を示す。具体的には、図8(B)は、バケット角度30°からバケット角度180°までバケット6を閉じる際のバケット角度θ3に対する掘削反力Fの大きさの推移を示す。なお、対応テーブルは、実測データの分析に基づいて生成されるデータテーブルであり、例えば不揮発性メモリに予め登録されている。
また、図8(B)の線分LSは、掘削反力Fの鉛直成分が上向きから下向きに切り替わるときの境界を表す。具体的には、線分LSは、バケット角度θ3が略90°未満のところでは掘削反力Fの鉛直成分が上向き(掘削アタッチメントを上方に押し上げようとする向き)であり、バケット角度θ3が略90°のところでゼロとなり、バケット角度θ3が略90°を超えると掘削反力Fの鉛直成分が下向き(掘削アタッチメントを下方に引き下げようとする向き)になることを表す。
また、図8(C)はバケット角度θ3の時間的推移を示し、図8(D)は図8(B)の対応テーブルを用いて導出される掘削反力Fの大きさの時間的推移を示す。なお、図8(C)及び図8(D)のそれぞれの時間軸(横軸)は共通である。
また、図8(C)は時刻t1においてバケット角度θ3が略90°に達することを表し、図8(D)は時刻t1において掘削反力Fの鉛直成分が上向きから下向きに切り替わることを表す。
また、図8(B)及び図8(D)の一点鎖線で示す推移は、掘削対象地面の深さDが深さD0のときの推移を表す。また、破線で示す推移は、掘削対象地面の深さDが深さD1のときの推移を表し、実線で示す推移は、掘削対象地面の深さDが深さD2のときの推移を表す。
図8(A)及び図8(C)に示すようなバケット角度30°から180°までのバケット閉じ操作が行われた場合、掘削反力Fの大きさは、図8(B)及び図8(D)に示すように、バケット角度θ3がある角度(例えば100°)に至るまで増大した後で減少に転じ、バケット角度θ3が180°に達したときにゼロに至る。この傾向は、掘削対象地面の深さDにかかわらず同じである。但し、掘削反力Fの大きさのピーク値は、掘削対象地面の深さDの変化に応じて変化する。図8(B)及び図8(D)は、掘削対象地面の深さDが深くなるほど掘削反力Fの大きさのピーク値が大きくなる傾向を一例として示す。
そこで、掘削反力導出部34は、地面形状情報取得部33が取得した掘削対象地面の現在の形状に関する情報に基づいて掘削対象地面の現在の深さDを導き出す。そして、掘削反力導出部34は、掘削対象地面の現在の深さDに応じて、所定のバケット閉じ操作が行われる場合の掘削反力Fの大きさのピーク値を推定する。その後、掘削反力導出部34は、推定した掘削反力Fの大きさのピーク値がその瞬間の許容最大掘削反力を上回るかを判定する。そして、上回ると判定した場合には、掘削アタッチメントの動きを制御してそのピーク値がその瞬間の許容最大掘削反力を超えないようにする。掘削アタッチメントを鉛直下方に引き下げようとする掘削反力Fの鉛直下向きの成分が大きくなり過ぎてショベルが前のめりになってショベルの後部が浮き上がるのを防止するためである。例えば、掘削反力導出部34は、メインポンプ14の吐出量を低減させることで掘削アタッチメントの動きを鈍化させ或いは停止させて掘削反力Fの大きさのピーク値がその瞬間の許容最大掘削反力を超えないようにする。具体的には、掘削反力導出部34は、吐出量調整装置50に対するポンプ電流を低減させてメインポンプ14の斜板傾転角(押し退け容積)を低減させることでメインポンプ14の吐出量を低減させて掘削アタッチメントの動きを鈍化させ或いは停止させる。
或いは、掘削反力導出部34は、操作者によるブーム上げ操作の有無にかかわらず、バケット閉じ動作中にブーム4を自動的に上昇させることで掘削反力Fの大きさのピーク値がその瞬間の許容最大掘削反力を超えないようにしてもよい。具体的には、掘削反力導出部34は、操作者が気付かない程度の上昇率(単位時間当たりのブーム4の回動角度)でブーム4を自動的に上昇させる。そのため、掘削反力導出部34は、ブーム4が自動的に上昇したことを操作者に気付かせずに掘削アタッチメントの動きを滑らかにすることができ、操作感を向上させることができる。なお、この場合の掘削反力導出部34の制御対象は、吐出量調整装置50ではなく流量制御弁176である。例えば、掘削反力導出部34は、推定した掘削反力Fのピーク値がその瞬間の許容最大掘削反力を上回るとの判定結果をコントローラ30に対して出力する。この判定結果を受けたコントローラ30は、流量制御弁176のパイロット圧を増減させる動作制限部E1としての電磁減圧弁(図示せず。)に対して制御指令を出力して流量制御弁176を自動的に移動させる。
なお、上述の実施例では、バケット閉じ操作が行われる場合の掘削反力Fの導出について説明したが、バケット開き操作、アーム操作、ブーム操作等が行われる場合の掘削反力Fの導出も同様に実行される。また、バケット操作、アーム操作、及びブーム操作のうちの少なくとも2つを含む所定の複合操作が行われる場合の掘削反力Fの導出も同様に実行される。
次に、図9を参照し、掘削反力導出部34が許容最大掘削反力に基づく閾値を導出する処理について説明する。なお、図9は、ショベルの後部が浮き上がるときの回転軸(転倒軸TA)回りのモーメントの説明図である。
掘削反力導出部34は、姿勢検出装置M3が検出した掘削アタッチメントの姿勢に基づいて許容最大掘削反力を導出する。本実施例では、掘削反力導出部34は、ショベルの後部が浮き上がるときの転倒軸TA回りのモーメントのつり合い式(以下の式(1)参照。)に基づいて許容最大掘削反力F0を導出する。なお、転倒軸TAの位置は地面形状情報取得部33が更新した地面形状の更新情報から導き出される。また、FEは掘削力を表し、Fは掘削反力を表し、LFはバケット6に作用する掘削反力Fの作用線の転倒軸TAからの距離を表す。また、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は重力加速度を表し、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からの距離を表す。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。
式(1)は図9のショベルを転倒軸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)の合計を左辺に記述し、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。
そこで、掘削反力導出部34は、以下の式(2)に示すように、式(1)の左辺の合計トルクが右辺の合計トルクと等しくなるときの掘削反力Fを許容最大掘削反力F0として導き出す。
なお、閾値は許容最大掘削反力F
0に基づいて設定される。このように、閾値は、ショベルの姿勢、転倒軸TA、重心位置GC
0、GC
1、GC
2、GC
3に基づいて求められる。掘削反力導出部34は、図8で説明したように導出される掘削反力と図9で説明したように求められる閾値とを比較してショベルの後部が浮き上がるおそれがあるか否かを判定する。
次に、図10を参照し、動作制限処理の流れについて説明する。図10は、動作制限処理の流れを示すフローチャートである。コントローラ30は、ショベル稼働中、所定の制御周期で繰り返しこの動作制限処理を実行する。
最初に、コントローラ30は、掘削操作が行われたかを判定する(ステップS11)。本実施例では、コントローラ30は、操作内容検出装置29の出力に基づいてブーム操作、アーム操作、及びバケット操作の少なくとも1つが行われたかを判定する。
そして、掘削操作が行われたと判定した場合(ステップS11のYES)、コントローラ30は、外部演算装置30Eの演算結果に基づいて掘削アタッチメントと地面が接触しているかを判定する(ステップS12)。本実施例では、外部演算装置30Eは、姿勢検出装置M3の出力から導き出されるバケット6の爪先の現在位置と、地面形状情報取得部33が取得した掘削対象地面の現在の形状に関する情報とに基づいてバケット6の爪先が地面に接触しているか否かを判定する。
そして、掘削アタッチメントと地面が接触していると判定した場合(ステップS12のYES)、外部演算装置30Eの掘削反力導出部34は、掘削反力Fを導出する(ステップS13)。本実施例では、掘削反力導出部34は、地面形状情報取得部33が取得した掘削対象地面の現在の形状に関する情報に基づいて掘削対象地面の現在の深さDを導き出す。そして、掘削反力導出部34は、掘削対象地面の現在の深さDに応じて所定の掘削操作(例えばバケット閉じ操作)が行われる場合の掘削反力Fのピーク値を推定する。具体的には、掘削反力導出部34は、図8(B)のところで説明したような対応テーブルを参照して掘削対象地面の現在の深さDに対応する掘削反力Fのピーク値を導き出す。また、掘削反力導出部34は、掘削対象地面の現在の深さDに基づいて所定の掘削操作が行われる場合の掘削反力Fのピーク値をリアルタイムで算出してもよい。
また、掘削反力導出部34は、掘削反力Fを導出する際に掘削深さを考慮してもよい。掘削深さは掘削の際の掘削アタッチメントの地中進入深さに相当する。本実施例では、掘削反力導出部34は、掘削アタッチメントと地面が接触したと判定したときのバケット6の爪先の高さ(掘削開始深さ)と掘削作業中のバケット6の爪先の高さ(掘削途中深さ)との差として掘削深さを算出する。そして、掘削反力導出部34は、掘削深さと補正係数K1とを対応付ける掘削深さ補正テーブルを参照し、掘削深さから補正係数K1を導き出す。そして、その補正係数K1を掘削反力Fに乗じて最終的な掘削反力Fを導出する。
また、掘削反力導出部34は、掘削反力Fを導出する際に土砂密度等の土砂特性を考慮してもよい。土砂特性は、車載入力装置(図示せず。)を通じて操作者が入力する値であってもよく、シリンダ圧センサ等の各種センサの出力に基づいて自動的に算出される値であってもよい。具体的には、掘削反力導出部34は、土砂特性と補正係数K2とを対応付ける土砂特性テーブルを参照し、土砂特性から補正係数K2を導き出す。そして、その補正係数K2を掘削反力Fに乗じて最終的な掘削反力Fを導出する。
その後、掘削反力導出部34は許容最大掘削反力を導出する(ステップS14)。本実施例では、掘削反力導出部34は姿勢検出装置M3が検出した掘削アタッチメントの姿勢に基づいて許容最大掘削反力を導出する。具体的には、上述の式(2)を用いて深さDのところで所定の掘削操作(バケット閉じ操作)が行われる場合の許容最大掘削反力のピーク値を導出する。
その後、掘削反力導出部34は閾値F0を設定する(ステップS15)。閾値F0は、ショベルの後部が浮き上がるおそれがあるか否かを判定するための閾値である。本実施例では、導出した許容最大掘削反力のピーク値を閾値F0として設定する。なお、掘削反力導出部34は許容最大掘削反力とは無関係に閾値F0を設定してもよい。例えば、掘削反力導出部34は、掘削対象地面の現在の深さDに基づいて閾値F0を設定してもよい。
その後、掘削反力導出部34は、導出した掘削反力Fが閾値F0を上回るかを判定する(ステップS16)。本実施例では、掘削反力導出部34は、掘削反力Fのピーク値が閾値F0を上回るか否かを判定する。
そして、掘削反力Fが閾値F0を上回ると判定した場合(ステップS16のYES)、掘削反力導出部34は、メインポンプ14のポンプ吸収馬力を制限する(ステップS17)。本実施例では、掘削反力導出部34は、掘削反力Fのピーク値が閾値F0を上回ると判定した場合、コントローラ30に対してその判定結果を出力する。その判定結果を受けたコントローラ30は、吐出量調整装置50に対するポンプ電流を低減させる。吐出量調整装置50はポンプ電流の低減にしたがってメインポンプ14の吐出量を低減させることでメインポンプ14のポンプ吸収馬力を低減させる。その結果、掘削アタッチメントの動きが鈍化し、掘削反力が許容最大掘削反力を上回る状況が発生するのを防止し、ショベルの後部が浮き上がるのを防止する。
なお、掘削反力導出部34は、掘削反力Fのピーク値が閾値F0を上回ると判定した場合、バケット閉じ動作中に掘削アタッチメントの姿勢を自動的に調整してもよい。例えば、掘削反力導出部34は、操作者によるブーム上げ操作の有無にかかわらず、バケット閉じ動作中に自動的にアーム5を開きブーム4を下降させる。具体的には、バケット角度θ3の変化に応じた所定の動作パターンでアーム5を自動的に開き、且つ、ブーム4を自動的に下降させてもよい。また、バケット閉じ動作を中断させ、所定の角度だけ開くようにしてもよい。
また、掘削反力導出部34は、掘削反力Fのピーク値が所定値(<閾値F0)を上回ると判定した場合、警告出力装置で警報を出力させてもよい。ショベルの後部が浮き上がるおそれがあることを操作者に知らせるためである。
なお、掘削反力導出部34は、コントローラ30により掘削操作が行われていないと判定された場合(ステップS11のNO)、掘削アタッチメントと地面が接触していないと判定した場合(ステップS12のNO)、或いは、掘削反力Fのピーク値が閾値F0以下であると判定した場合には(ステップS16のNO)、ポンプ吸収馬力を制限することなく、今回の動作制限処理を終了する。
以上の構成により、外部演算装置30E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に基づいて掘削アタッチメントの動きを制限する。本実施例では、外部演算装置30Eは、バケット閉じ動作中に掘削反力Fのピーク値が閾値F0を超えないようにすることができる。そのため、掘削反力Fが過度に増大してショベルの後部が浮き上がるのを防止することができ、ショベルの操作性及び作業効率を向上させることができる。また、ショベルの転落、転倒を防止することができる。
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、コントローラ30は、リモート運転又は自動掘削運転(無人運転)の場合であっても、外部演算装置30Eにより掘削反力Fのピーク値が閾値F0を上回ると判定されたときにブーム4を自動的に上昇させてもよい。掘削反力Fを小さくして円滑な掘削作業を継続させるためである。
また、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11は、撮像装置M5に接続される外部演算装置30Eの構成例を示す機能ブロック図である。図11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はショベルの外部に取り付けられていてもよい。この場合、外部演算装置30E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12〜図14は、撮像装置M5に接続される外部演算装置30Eの別の構成例を示す機能ブロック図である。図12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(特にショベルの外部にある撮像装置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12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13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14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、外部演算装置30E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。