最初に、図1及び図2を参照して、本発明の実施形態に係る掘削機としてのショベル100について説明する。図1はショベル100の側面図であり、図2はショベル100の上面図である。
本実施形態では、ショベル100の下部走行体1は被駆動体としてのクローラ1Cを含む。クローラ1Cは、下部走行体1に搭載されている走行用油圧モータ2Mによって駆動される。但し、走行用油圧モータ2Mは、電動アクチュエータとしての走行用電動発電機であってもよい。具体的には、クローラ1Cは左クローラ1CL及び右クローラ1CRを含む。左クローラ1CLは左走行用油圧モータ2MLによって駆動され、右クローラ1CRは右走行用油圧モータ2MRによって駆動される。下部走行体1は、クローラ1Cによって駆動されるため、被駆動体として機能する。
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ている。被駆動体としての旋回機構2は、上部旋回体3に搭載されている旋回用油圧モータ2Aによって駆動される。但し、旋回用油圧モータ2Aは、電動アクチュエータとしての旋回用電動発電機であってもよい。上部旋回体3は、旋回機構2によって駆動されるため、被駆動体として機能する。
上部旋回体3には被駆動体としてのブーム4が取り付けられている。ブーム4の先端には被駆動体としてのアーム5が取り付けられ、アーム5の先端に被駆動体及びエンドアタッチメントとしてのバケット6が取り付けられている。バケット6は、法面バケット又は浚渫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する。ブーム4はブームシリンダ7で駆動され、アーム5はアームシリンダ8で駆動され、バケット6はバケットシリンダ9で駆動される。
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が取り付けられている。
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はそれぞれ、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、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、ジャイロセンサ、加速度センサとジャイロセンサの組み合わせ等であってもよい。
上部旋回体3には、運転室としてのキャビン10が設けられ、且つ、エンジン11等の動力源が搭載されている。また、上部旋回体3には、コントローラ30、物体検知装置70、撮像装置80、向き検出装置85、機体傾斜センサS4、旋回角速度センサS5等が取り付けられている。キャビン10の内部には、操作装置26等が設けられている。なお、本書では、便宜上、上部旋回体3における、ブーム4が取り付けられている側を前方とし、カウンタウェイトが取り付けられている側を後方とする。
コントローラ30は、ショベル100を制御するための制御装置である。本実施形態では、コントローラ30は、CPU、RAM、NVRAM、ROM等を備えたコンピュータで構成されている。そして、コントローラ30は、各機能要素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、対応する処理をCPUに実行させる。
物体検知装置70は、ショベル100の周囲に存在する物体を検知するように構成されている。また、物体検知装置70は、物体検知装置70又はショベル100から認識された物体までの距離を算出するように構成されていてもよい。物体は、例えば、人、動物、車両、建設機械、建造物、又は穴等である。物体検知装置70は、例えば、超音波センサ、ミリ波レーダ、ステレオカメラ、LIDAR、距離画像センサ、又は赤外線センサ等である。本実施形態では、物体検知装置70は、キャビン10の上面前端に取り付けられたLIDARである前方センサ70F、上部旋回体3の上面後端に取り付けられたLIDARである後方センサ70B、上部旋回体3の上面左端に取り付けられたLIDARである左方センサ70L、及び、上部旋回体3の上面右端に取り付けられたLIDARである右方センサ70Rを含む。
物体検知装置70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、人と人以外の物体とを区別できるように構成されていてもよい。
撮像装置80は、ショベル100の周囲を撮像するように構成されている。本実施形態では、撮像装置80は、上部旋回体3の上面後端に取り付けられた後方カメラ80B、上部旋回体3の上面左端に取り付けられた左方カメラ80L、及び、上部旋回体3の上面右端に取り付けられた右方カメラ80Rを含む。撮像装置80は、前方カメラを含んでいてもよい。
後方カメラ80Bは後方センサ70Bに隣接して配置され、左方カメラ80Lは左方センサ70Lに隣接して配置され、且つ、右方カメラ80Rは右方センサ70Rに隣接して配置されている。前方カメラは、前方センサ70Fに隣接して配置されていてもよい。
撮像装置80が撮像した画像は、キャビン10内に設置されている表示装置DSに表示される。撮像装置80は、俯瞰画像等の視点変換画像を表示装置DSに表示できるように構成されていてもよい。俯瞰画像は、例えば、後方カメラ80B、左方カメラ80L及び右方カメラ80Rのそれぞれが出力する画像を合成して生成される。
撮像装置80は、物体検知装置として機能してもよい。この場合、物体検知装置70は省略されてもよい。
この構成により、ショベル100は、物体検知装置70が検知した物体の画像を表示装置DSに表示できる。そのため、ショベル100の操作者は、被駆動体の動作が制限或いは禁止された場合、表示装置DSに表示されている画像を見ることで、その原因となった物体が何であるかをすぐに確認できる。
向き検出装置85は、上部旋回体3の向きと下部走行体1の向きとの相対的な関係に関する情報(以下、「向きに関する情報」とする。)を検出するように構成されている。例えば、向き検出装置85は、下部走行体1に取り付けられた地磁気センサと上部旋回体3に取り付けられた地磁気センサの組み合わせで構成されていてもよい。或いは、向き検出装置85は、下部走行体1に取り付けられたGNSS受信機と上部旋回体3に取り付けられたGNSS受信機の組み合わせで構成されていてもよい。旋回用電動発電機で上部旋回体3が旋回駆動される構成では、向き検出装置85は、レゾルバで構成されていてもよい。向き検出装置85は、例えば、下部走行体1と上部旋回体3との間の相対回転を実現する旋回機構2に関連して設けられるセンタージョイントに配置されていてもよい。
機体傾斜センサS4は、所定の平面に対するショベル100の傾斜を検出する。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の前後軸の傾斜角及び左右軸の傾斜角を検出する加速度センサである。加速度センサとジャイロセンサの組み合わせで構成されていてもよい。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。本実施形態では、ジャイロセンサである。レゾルバ、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。
以下では、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、機体傾斜センサS4及び旋回角速度センサS5の任意の組み合わせは、集合的に姿勢センサとも称される。
次に、図3を参照し、ショベル100に搭載される基本システムについて説明する。図3は、ショベル100に搭載される基本システムの構成例を示す。図3において、機械的動力伝達ラインは二重線、作動油ラインは太実線、パイロットラインは破線、電力ラインは細実線、電気制御ラインは一点鎖線でそれぞれ示されている。
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ユニット17、操作装置26、操作圧センサ29、コントローラ30、警報装置49、制御弁60、物体検知装置70、エンジンコントロールユニット(ECU74)、エンジン回転数調整ダイヤル75、及び撮像装置80等を含む。
エンジン11は、負荷の増減にかかわらずエンジン回転数を一定に維持するアイソクロナス制御を採用したディーゼルエンジンである。エンジン11における燃料噴射量、燃料噴射タイミング、ブースト圧等は、ECU74により制御される。エンジン11は油圧ポンプとしてのメインポンプ14及びパイロットポンプ15のそれぞれに接続されている。メインポンプ14は作動油ラインを介してコントロールバルブユニット17に接続されている。
コントロールバルブユニット17は、ショベル100の油圧系の制御を行う油圧制御装置である。コントロールバルブユニット17は、左走行用油圧モータ2ML、右走行用油圧モータ2MR、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、旋回用油圧モータ2A等の油圧アクチュエータに接続されている。具体的には、コントロールバルブユニット17は、各油圧アクチュエータに対応する複数のスプール弁を含む。各スプール弁は、PCポートの開口面積及びCTポートの開口面積を増減できるように、パイロット圧に応じて変位可能に構成されている。PCポートは、メインポンプ14と油圧アクチュエータとを連通させるポートである。CTポートは、油圧アクチュエータと作動油タンクとを連通させるポートである。
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。本実施形態では、操作装置26は、油圧式操作装置であり、パイロットラインを介して、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内の対応するスプール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、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。操作装置26は、例えば、左操作レバー、右操作レバー及び走行操作装置を含む。走行操作装置は、例えば、走行レバー及び走行ペダルを含む。操作装置26は、電気式操作装置であってもよい。
吐出圧センサ28は、メインポンプ14の吐出圧を検出する。本実施形態では、吐出圧センサ28は、検出した値をコントローラ30に対して出力する。
操作圧センサ29は、操作者による操作装置26の操作の内容を検出する。本実施形態では、操作圧センサ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圧力(操作圧)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。操作装置26の操作内容は、操作圧センサ以外の他のセンサを用いて検出されてもよい。
警報装置49は、ショベル100の作業に携わる人の注意を喚起できるように構成されている。警報装置49は、例えば、室内警報装置及び室外警報装置の組み合わせで構成されていてもよい。室内警報装置は、キャビン10内にいるショベル100の操作者の注意を喚起できるように構成されている。室内警報装置は、例えば、キャビン10内に設けられた音出力装置AD、振動発生装置及び発光装置の少なくとも1つを含む。室内警報装置は、表示装置DSであってもよい。室外警報装置は、ショベル100の周囲で作業する作業者の注意を喚起できるように構成されている。室外警報装置は、例えば、キャビン10の外に設けられた音出力装置AD及び発光装置の少なくとも1つを含む。室外警報装置としての音出力装置ADは、例えば、上部旋回体3の底面に取り付けられている走行アラーム装置であってもよい。室外警報装置は、上部旋回体3上に設けられる発光装置であってもよい。但し、室外警報装置は省略されてもよい。警報装置49は、例えば、物体検知装置70が物体を検知した場合に、ショベル100の作業に携わる人にその旨を報知してもよい。
制御弁60は、操作装置26の有効状態と無効状態とを切り換えできるように構成されている。操作装置26の有効状態は、操作者が操作装置26を用いて油圧アクチュエータを操作できる状態である。操作装置26の無効状態は、操作者が操作装置26を用いて油圧アクチュエータを操作できない状態である。本実施形態では、制御弁60は、コントローラ30からの指令に応じて動作するように構成されているゲートロック弁である。具体的には、制御弁60は、パイロットポンプ15と操作装置26とを繋ぐパイロットラインに配置され、コントローラ30からの指令に応じてパイロットラインの遮断・連通を切り換えできるように構成されている。操作装置26は、例えば、不図示のゲートロックレバーが引き上げられてゲートロック弁が開かれたときに有効状態となり、ゲートロックレバーが押し下げられてゲートロック弁が閉じられたときに無効状態となる。
ECU74は、冷却水温等、エンジン11の状態に関するデータをコントローラ30に向けて出力する。メインポンプ14のレギュレータ13は、斜板傾転角に関するデータをコントローラ30に向けて出力する。吐出圧センサ28は、メインポンプ14の吐出圧に関するデータをコントローラ30に向けて出力する。作動油タンクとメインポンプ14との間の管路に設けられた油温センサ14cは、その管路を流れる作動油の温度に関するデータをコントローラ30に向けて出力する。操作圧センサ29は、操作装置26が操作されたときに生成されるパイロット圧に関するデータをコントローラ30に向けて出力する。コントローラ30は一時記憶部(メモリ)にこれらのデータを蓄積しておき、必要なときに表示装置DSに向けて出力できる。
エンジン回転数調整ダイヤル75は、エンジン11の回転数を調整するためのダイヤルである。エンジン回転数調整ダイヤル75は、エンジン回転数の設定状態に関するデータをコントローラ30に向けて出力する。エンジン回転数調整ダイヤル75は、SPモード、Hモード、Aモード及びアイドリングモードの4段階でエンジン回転数を切り換えできるように構成されている。SPモードは、作業量を優先したい場合に選択される回転数モードであり、最も高いエンジン回転数を利用する。Hモードは、作業量と燃費を両立させたい場合に選択される回転数モードであり、二番目に高いエンジン回転数を利用する。Aモードは、燃費を優先させながら低騒音でショベル100を稼働させたい場合に選択される回転数モードであり、三番目に高いエンジン回転数を利用する。アイドリングモードは、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回転数モードであり、最も低いエンジン回転数を利用する。エンジン11は、エンジン回転数調整ダイヤル75で設定された回転数モードに対応するエンジン回転数で一定となるように制御される。
表示装置DSは、制御部DSa、画像表示部DS1、及び、入力部としてのスイッチパネルDS2を有する。制御部DSaは、画像表示部DS1に表示される画像を制御できるように構成されている。本実施形態では、制御部DSaは、CPU、RAM、NVRAM、ROM等を備えたコンピュータで構成されている。この場合、制御部DSaは、各機能要素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、対応する処理をCPUに実行させる。但し、各機能要素は、ハードウェアで構成されていてもよく、ソフトウェアとハードウェアの組み合わせで構成されていてもよい。また、画像表示部DS1に表示される画像は、コントローラ30又は撮像装置80によって制御されてもよい。
スイッチパネルDS2は、ハードウェアスイッチを含むパネルである。スイッチパネルDS2は、タッチパネルであってもよい。表示装置DSは、蓄電池BTから電力の供給を受けて動作する。蓄電池BTは、例えば、オルタネータ11aで発電した電気で充電される。蓄電池BTの電力は、コントローラ30等に供給されてもよい。エンジン11のスタータ11bは、例えば、蓄電池BTからの電力で駆動され、エンジン11を始動する。
レバーボタンLBは、操作装置26に設けられたボタンである。本実施形態では、レバーボタンLBは、操作装置26としての操作レバーの先端に設けられたボタンである。ショベル100の操作者は、操作レバーを操作しながらレバーボタンLBを操作できる。操作者は、例えば、操作レバーを手で握った状態でレバーボタンLBを親指で押すことができる。
次に、図4を参照し、ショベル100に搭載される油圧システムの構成例について説明する。図4は、ショベル100に搭載される油圧システムの構成例を示す図である。図4は、機械的動力伝達系、作動油ライン、パイロットライン、及び電気制御系を、それぞれ二重線、実線、破線、及び点線で示している。
ショベル100の油圧システムは、主に、エンジン11、レギュレータ13、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ユニット17、操作装置26、吐出圧センサ28、操作圧センサ29、コントローラ30、及び制御弁60等を含む。
図4において、油圧システムは、エンジン11によって駆動されるメインポンプ14から、センターバイパス管路40又はパラレル管路42を経て作動油タンクまで作動油を循環させている。
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、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のそれぞれの入力軸に連結されている。
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。本実施形態では、メインポンプ14は、斜板式可変容量型油圧ポンプである。
レギュレータ13は、メインポンプ14の吐出量を制御する。本実施形態では、レギュレータ13は、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の斜板傾転角を調節することによってメインポンプ14の吐出量を制御する。
パイロットポンプ15は、パイロットラインを介して操作装置26を含む油圧制御機器に作動油を供給す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、パイロットポンプ15は、省略されてもよい。この場合、パイロットポンプ15が担っていた機能は、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、コントロールバルブユニット17に作動油を供給する機能とは別に、絞り等により作動油の圧力を低下させた後で操作装置26等に作動油を供給する機能を備えていてもよい。
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。制御弁175は制御弁175L及び制御弁175Rを含み、制御弁176は制御弁176L及び制御弁1756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。制御弁171~176は、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、左走行用油圧モータ2ML、右走行用油圧モータ2MR及び旋回用油圧モータ2Aを含む。
メインポンプ14は、左メインポンプ14L及び右メインポンプ14Rを含む。そして、左メインポンプ14Lは、左センターバイパス管路40L又は左パラレル管路42Lを経て作動油タンクまで作動油を循環させ、右メインポンプ14Rは、右センターバイパス管路40R又は右パラレル管路42Rを経て作動油タンクまで作動油を循環させる。
左センターバイパス管路40Lは、コントロールバルブユニット17内に配置された制御弁171、173、175L及び176Lを通る作動油ラインである。右センターバイパス管路40Rは、コントロールバルブユニット17内に配置された制御弁172、174、175R及び176Rを通る作動油ラインである。
制御弁171は、左メインポンプ14Lが吐出する作動油を左走行用油圧モータ2MLへ供給し、且つ、左走行用油圧モータ2MLが吐出する作動油を作動油タンクへ排出するために作動油の流れを切り換えるスプール弁である。
制御弁172は、右メインポンプ14Rが吐出する作動油を右走行用油圧モータ2MRへ供給し、且つ、右走行用油圧モータ2MRが吐出する作動油を作動油タンクへ排出するために作動油の流れを切り換えるスプール弁である。
制御弁173は、左メインポンプ14Lが吐出する作動油を旋回用油圧モータ2Aへ供給し、且つ、旋回用油圧モータ2Aが吐出する作動油を作動油タンクへ排出するために作動油の流れを切り換えるスプール弁である。
制御弁174は、右メインポンプ14Rが吐出する作動油をバケットシリンダ9へ供給し、且つ、バケットシリンダ9内の作動油を作動油タンクへ排出するために作動油の流れを切り換えるスプール弁である。
制御弁175Lは、左メインポンプ14Lが吐出する作動油をブームシリンダ7へ供給するために作動油の流れを切り換えるスプール弁である。制御弁175Rは、右メインポンプ14Rが吐出する作動油をブームシリンダ7へ供給し、且つ、ブームシリンダ7内の作動油を作動油タンクへ排出するために作動油の流れを切り換えるスプール弁である。
制御弁176Lは、左メインポンプ14Lが吐出する作動油をアームシリンダ8へ供給し、且つ、アームシリンダ8内の作動油を作動油タンクへ排出するために作動油の流れを切り換えるスプール弁である。
制御弁176Rは、右メインポンプ14Rが吐出する作動油をアームシリンダ8へ供給し、且つ、アームシリンダ8内の作動油を作動油タンクへ排出するために作動油の流れを切り換えるスプール弁である。
左パラレル管路42Lは、左センターバイパス管路40Lに並行する作動油ラインである。左パラレル管路42Lは、制御弁171、173、175Lの何れかによって左センターバイパス管路40Lを通る作動油の流れが制限或いは遮断された場合に、より下流の制御弁に作動油を供給できる。右パラレル管路42Rは、右センターバイパス管路40Rに並行する作動油ラインである。右パラレル管路42Rは、制御弁172、174、175Rの何れかによって右センターバイパス管路40Rを通る作動油の流れが制限或いは遮断された場合に、より下流の制御弁に作動油を供給できる。
レギュレータ13は、左レギュレータ13L及び右レギュレータ13Rを含む。左レギュレータ13Lは、左メインポンプ14Lの吐出圧に応じて左メインポンプ14Lの斜板傾転角を調節することによって、左メインポンプ14Lの吐出量を制御する。具体的には、左レギュレータ13Lは、例えば、左メインポンプ14Lの吐出圧の増大に応じて左メインポンプ14Lの斜板傾転角を調節して吐出量を減少させる。右レギュレータ13Rについても同様である。吐出圧と吐出量との積で表されるメインポンプ14の吸収馬力がエンジン11の出力馬力を超えないようにするためである。
操作装置26は、左操作レバー26L、右操作レバー26R及び走行レバー26Dを含む。走行レバー26Dは、左走行レバー26DL及び右走行レバー26DRを含む。
左操作レバー26Lは、旋回操作とアーム5の操作に用いられる。左操作レバー26Lは、前後方向に操作されると、パイロットポンプ15が吐出する作動油を利用し、レバー操作量に応じた制御圧を制御弁176のパイロットポートに導入させる。また、左右方向に操作されると、パイロットポンプ15が吐出する作動油を利用し、レバー操作量に応じた制御圧を制御弁173のパイロットポートに導入させる。
具体的には、左操作レバー26Lは、アーム閉じ方向に操作された場合に、制御弁176Lの右パイロットポートに作動油を導入させ、且つ、制御弁176Rの左パイロットポートに作動油を導入させる。また、左操作レバー26Lは、アーム開き方向に操作された場合には、制御弁176Lの左パイロットポートに作動油を導入させ、且つ、制御弁176Rの右パイロットポートに作動油を導入させる。また、左操作レバー26Lは、左旋回方向に操作された場合に、制御弁173の左パイロットポートに作動油を導入させ、右旋回方向に操作された場合に、制御弁173の右パイロットポートに作動油を導入させる。
右操作レバー26Rは、ブーム4の操作とバケット6の操作に用いられる。右操作レバー26Rは、前後方向に操作されると、パイロットポンプ15が吐出する作動油を利用し、レバー操作量に応じた制御圧を制御弁175のパイロットポートに導入させる。また、左右方向に操作されると、パイロットポンプ15が吐出する作動油を利用し、レバー操作量に応じた制御圧を制御弁174のパイロットポートに導入させる。
具体的には、右操作レバー26Rは、ブーム下げ方向に操作された場合に、制御弁175Rの左パイロットポートに作動油を導入させる。また、右操作レバー26Rは、ブーム上げ方向に操作された場合には、制御弁175Lの右パイロットポートに作動油を導入させ、且つ、制御弁175Rの左パイロットポートに作動油を導入させる。また、右操作レバー26Rは、バケット閉じ方向に操作された場合に、制御弁174の右パイロットポートに作動油を導入させ、バケット開き方向に操作された場合に、制御弁174の左パイロットポートに作動油を導入させる。
走行レバー26Dは、クローラ1Cの操作に用いられる。具体的には、左走行レバー26DLは、左クローラ1CLの操作に用いられる。左走行ペダルと連動するように構成されていてもよい。左走行レバー26DLは、前後方向に操作されると、パイロットポンプ15が吐出する作動油を利用し、レバー操作量に応じた制御圧を制御弁171のパイロットポートに導入させる。右走行レバー26DRは、右クローラ1CRの操作に用いられる。右走行ペダルと連動するように構成されていてもよい。右走行レバー26DRは、前後方向に操作されると、パイロットポンプ15が吐出する作動油を利用し、レバー操作量に応じた制御圧を制御弁172のパイロットポートに導入させる。
吐出圧センサ28は、吐出圧センサ28L及び吐出圧センサ28Rを含む。吐出圧センサ28Lは、左メインポンプ14Lの吐出圧を検出し、検出した値をコントローラ30に対して出力する。吐出圧センサ28Rについても同様である。
操作圧センサ29は、操作圧センサ29LA、29LB、29RA、29RB、29DL、29DRを含む。操作圧センサ29LAは、操作者による左操作レバー26Lに対する前後方向への操作の内容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。操作内容は、例えば、レバー操作方向、レバー操作量(レバー操作角度)等である。
同様に、操作圧センサ29LBは、操作者による左操作レバー26Lに対する左右方向への操作の内容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。操作圧センサ29RAは、操作者による右操作レバー26Rに対する前後方向への操作の内容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。操作圧センサ29RBは、操作者による右操作レバー26Rに対する左右方向への操作の内容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。操作圧センサ29DLは、操作者による左走行レバー26DLに対する前後方向への操作の内容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。操作圧センサ29DRは、操作者による右走行レバー26DRに対する前後方向への操作の内容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。
コントローラ30は、操作圧センサ29の出力を受信し、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。
ここで、絞り18と制御圧センサ19を用いたネガティブコントロール制御について説明する。絞り18は左絞り18L及び右絞り18Rを含み、制御圧センサ19は左制御圧センサ19L及び右制御圧センサ19Rを含む。
左センターバイパス管路40Lには、最も下流にある制御弁176Lと作動油タンクとの間に左絞り18Lが配置されている。そのため、左メインポンプ14Lが吐出した作動油の流れは、左絞り18Lで制限される。そして、左絞り18Lは、左レギュレータ13Lを制御するための制御圧を発生させる。左制御圧センサ19Lは、この制御圧を検出するためのセンサであり、検出した値をコントローラ30に対して出力する。コントローラ30は、この制御圧に応じて左メインポンプ14Lの斜板傾転角を調節することによって、左メインポンプ14Lの吐出量を制御する。コントローラ30は、この制御圧が大きいほど左メインポンプ14Lの吐出量を減少させ、この制御圧が小さいほど左メインポンプ14Lの吐出量を増大させる。右メインポンプ14Rの吐出量も同様に制御される。
具体的には、図4で示されるようにショベル100における油圧アクチュエータが何れも操作されていない待機状態の場合、左メインポンプ14Lが吐出する作動油は、左センターバイパス管路40Lを通って左絞り18Lに至る。そして、左メインポンプ14Lが吐出する作動油の流れは、左絞り18Lの上流で発生する制御圧を増大させる。その結果、コントローラ30は、左メインポンプ14Lの吐出量を許容最小吐出量まで減少させ、吐出した作動油が左センターバイパス管路40Lを通過する際の圧力損失(ポンピングロス)を抑制する。一方、何れかの油圧アクチュエータが操作された場合、左メインポンプ14Lが吐出する作動油は、操作対象の油圧アクチュエータに対応する制御弁を介して、操作対象の油圧アクチュエータに流れ込む。そして、左メインポンプ14Lが吐出する作動油の流れは、左絞り18Lに至る量を減少或いは消失させ、左絞り18Lの上流で発生する制御圧を低下させる。その結果、コントローラ30は、左メインポンプ14Lの吐出量を増大させ、操作対象の油圧アクチュエータに十分な作動油を循環させ、操作対象の油圧アクチュエータの駆動を確かなものとする。なお、コントローラ30は、右メインポンプ14Rの吐出量も同様に制御する。
上述のような構成により、図4の油圧システムは、待機状態においては、メインポンプ14における無駄なエネルギ消費を抑制できる。無駄なエネルギ消費は、メインポンプ14が吐出する作動油がセンターバイパス管路40で発生させるポンピングロスを含む。また、図4の油圧システムは、油圧アクチュエータを作動させる場合には、メインポンプ14から必要十分な作動油を作動対象の油圧アクチュエータに確実に供給できる。
制御弁60は、操作装置26の有効状態と無効状態とを切り換えるように構成されている。本実施形態では、制御弁60は、スプール式電磁弁であり、コントローラ30からの電流指令に応じて動作するように構成されている。操作装置26の有効状態は、操作者が操作装置26を操作することで関連する被駆動体を動かすことができる状態であり、操作装置26の無効状態は、操作者が操作装置26を操作しても関連する被駆動体を動かすことができない状態である。
本実施形態では、制御弁60は、パイロットポンプ15と操作装置26とを繋ぐパイロットラインCD1の連通状態と遮断状態とを切り換え可能な電磁弁である。具体的には、制御弁60は、コントローラ30からの指令に応じてパイロットラインCD1の連通状態と遮断状態とを切り換えるように構成されている。より具体的には、制御弁60は、第1弁位置になったときにパイロットラインCD1を連通状態とし、第2弁位置になったときにパイロットラインCD1を遮断状態とする。図4は、制御弁60が第1弁位置となっていること、及び、パイロットラインCD1が連通状態となっていることを示している。
制御弁60は、不図示のゲートロックレバーに連動するように構成されていてもよい。具体的には、ゲートロックレバーが押し下げられたときにパイロットラインCD1を遮断状態にし、ゲートロックレバーが引き上げられたときにパイロットラインCD1を連通状態にするように構成されていてもよい。また、制御弁60は、複数の操作装置26のそれぞれの有効状態と無効状態とを別々に切り換えできるように構成されていてもよい。
次に、図5A~図5Dを参照し、コントローラ30がマシンコントロール機能によってアクチュエータを動作させるための構成について説明する。図5A~図5Dは、油圧システムの一部の図である。具体的には、図5Aは、アームシリンダ8の操作に関する油圧システムの一部の図であり、図5Bは、ブームシリンダ7の操作に関する油圧システムの一部の図である。図5Cは、バケットシリンダ9の操作に関する油圧システムの一部の図であり、図5Dは、旋回用油圧モータ2Aの操作に関する油圧システムの一部の図である。
図5A~図5Dに示すように、油圧システムは、比例弁31、シャトル弁32、及び比例弁33を含む。比例弁31は、比例弁31AL~31DL及び31AR~31DRを含み、シャトル弁32は、シャトル弁32AL~32DL及び32AR~32DRを含み、比例弁33は、比例弁33AL~33DL及び33AR~33DRを含む。
比例弁31は、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とシャトル弁32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、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、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及びシャトル弁32を介し、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。
シャトル弁32は、2つの入口ポートと1つの出口ポートを有する。2つの入口ポートのうちの1つは操作装置26に接続され、他方は比例弁31に接続されている。出口ポートは、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接続されている。そのため、シャトル弁32は、操作装置26が生成するパイロット圧と比例弁31が生成するパイロット圧のうちの高い方を、対応する制御弁のパイロットポートに作用させることができる。
比例弁33は、比例弁31と同様に、マシンコントロール用制御弁として機能する。比例弁33は、操作装置26とシャトル弁32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33は、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、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、操作装置26が吐出する作動油の圧力を減圧した上で、シャトル弁32を介し、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。
この構成により、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。また、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る場合であっても、その特定の操作装置26に対応する油圧アクチュエータの動作を強制的に停止させることができる。
例えば、図5Aに示すように、左操作レバー26Lは、アーム5を操作するために用いられる。具体的には、左操作レバー26Lは、パイロットポンプ15が吐出する作動油を利用し、前後方向への操作に応じたパイロット圧を制御弁176のパイロットポートに作用させる。より具体的には、左操作レバー26Lは、アーム閉じ方向(後方向)に操作された場合に、操作量に応じたパイロット圧を制御弁176Lの右側パイロットポートと制御弁176Rの左側パイロットポートに作用させる。また、左操作レバー26Lは、アーム開き方向(前方向)に操作された場合には、操作量に応じたパイロット圧を制御弁176Lの左側パイロットポートと制御弁176Rの右側パイロットポートに作用させる。
左操作レバー26LにはスイッチNSが設けられている。本実施形態では、スイッチNSは、左操作レバー26Lの先端に設けられた押しボタンスイッチである。操作者は、スイッチNSを押しながら左操作レバー26Lを操作できる。スイッチNSは、右操作レバー26Rに設けられていてもよく、キャビン10内の他の位置に設けられていてもよい。
操作圧センサ29LAは、操作者による左操作レバー26Lに対する前後方向への操作の内容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。
比例弁31ALは、コントローラ30が出力する電流指令に応じて動作する。そして、パイロットポンプ15から比例弁31AL及びシャトル弁32ALを介して制御弁176Lの右側パイロットポート及び制御弁176Rの左側パイロットポートに導入される作動油によるパイロット圧を調整する。比例弁31ARは、コントローラ30が出力する電流指令に応じて動作する。そして、パイロットポンプ15から比例弁31AR及びシャトル弁32ARを介して制御弁176Lの左側パイロットポート及び制御弁176Rの右側パイロットポートに導入される作動油によるパイロット圧を調整する。比例弁31AL、31ARは、制御弁176L、176Rを任意の弁位置で停止できるようにパイロット圧を調整可能である。
この構成により、コントローラ30は、操作者によるアーム閉じ操作とは無関係に、パイロットポンプ15が吐出する作動油を、比例弁31AL及びシャトル弁32ALを介し、制御弁176Lの右側パイロットポート及び制御弁176Rの左側パイロットポートに供給できる。すなわち、アーム5を閉じることができる。また、コントローラ30は、操作者によるアーム開き操作とは無関係に、パイロットポンプ15が吐出する作動油を、比例弁31AR及びシャトル弁32ARを介し、制御弁176Lの左側パイロットポート及び制御弁176Rの右側パイロットポートに供給できる。すなわち、アーム5を開くことができる。
比例弁33ALは、コントローラ30が出力する制御指令(電流指令)に応じて動作する。そして、パイロットポンプ15から左操作レバー26L、比例弁33AL、及びシャトル弁32ALを介して制御弁176Lの右側パイロットポート及び制御弁176Rの左側パイロットポートに導入される作動油によるパイロット圧を減圧する。比例弁33ARは、コントローラ30が出力する制御指令(電流指令)に応じて動作する。そして、パイロットポンプ15から左操作レバー26L、比例弁33AR、及びシャトル弁32ARを介して制御弁176Lの左側パイロットポート及び制御弁176Rの右側パイロットポートに導入される作動油によるパイロット圧を減圧する。比例弁33AL、33ARは、制御弁176L、176Rを任意の弁位置で停止できるようにパイロット圧を調整可能である。
この構成により、コントローラ30は、操作者によるアーム閉じ操作が行われている場合であっても、必要に応じて、制御弁176の閉じ側のパイロットポート(制御弁176Lの左側パイロットポート及び制御弁176Rの右側パイロットポート)に作用するパイロット圧を減圧し、アーム5の閉じ動作を強制的に停止させることができる。操作者によるアーム開き操作が行われているときにアーム5の開き動作を強制的に停止させる場合についても同様である。
或いは、コントローラ30は、操作者によるアーム閉じ操作が行われている場合であっても、必要に応じて、比例弁31ARを制御し、制御弁176の閉じ側のパイロットポートの反対側にある、制御弁176の開き側のパイロットポート(制御弁176Lの右側パイロットポート及び制御弁176Rの左側パイロットポート)に作用するパイロット圧を増大させ、制御弁176を強制的に中立弁位置に戻すことで、アーム5の閉じ動作を強制的に停止させてもよい。この場合、比例弁33ALは省略されてもよい。操作者によるアーム開き操作が行われている場合にアーム5の開き動作を強制的に停止させる場合についても同様である。
また、以下の図5B~図5Dを参照しながらの説明を省略するが、操作者によるブーム上げ操作又はブーム下げ操作が行われている場合にブーム4の動作を強制的に停止させる場合、操作者によるバケット閉じ操作又はバケット開き操作が行われている場合にバケット6の動作を強制的に停止させる場合、及び、操作者による旋回操作が行われている場合に上部旋回体3の旋回動作を強制的に停止させる場合についても同様である。また、操作者による走行操作が行われている場合に下部走行体1の走行動作を強制的に停止させる場合についても同様である。
また、図5Bに示すように、右操作レバー26Rは、ブーム4を操作するために用いられる。具体的には、右操作レバー26Rは、パイロットポンプ15が吐出する作動油を利用し、前後方向への操作に応じたパイロット圧を制御弁175のパイロットポートに作用させる。より具体的には、右操作レバー26Rは、ブーム上げ方向(後方向)に操作された場合に、操作量に応じたパイロット圧を制御弁175Lの右側パイロットポートと制御弁175Rの左側パイロットポートに作用させる。また、右操作レバー26Rは、ブーム下げ方向(前方向)に操作された場合には、操作量に応じたパイロット圧を制御弁175Rの右側パイロットポートに作用させる。
操作圧センサ29RAは、操作者による右操作レバー26Rに対する前後方向への操作の内容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。
比例弁31BLは、コントローラ30が出力する電流指令に応じて動作する。そして、パイロットポンプ15から比例弁31BL及びシャトル弁32BLを介して制御弁175Lの右側パイロットポート及び制御弁175Rの左側パイロットポートに導入される作動油によるパイロット圧を調整する。比例弁31BRは、コントローラ30が出力する電流指令に応じて動作する。そして、パイロットポンプ15から比例弁31BR及びシャトル弁32BRを介して制御弁175Lの左側パイロットポート及び制御弁175Rの右側パイロットポートに導入される作動油によるパイロット圧を調整する。比例弁31BL、31BRは、制御弁175L、175Rを任意の弁位置で停止できるようにパイロット圧を調整可能である。
この構成により、コントローラ30は、操作者によるブーム上げ操作とは無関係に、パイロットポンプ15が吐出する作動油を、比例弁31BL及びシャトル弁32BLを介し、制御弁175Lの右側パイロットポート及び制御弁175Rの左側パイロットポートに供給できる。すなわち、ブーム4を上げることができる。また、コントローラ30は、操作者によるブーム下げ操作とは無関係に、パイロットポンプ15が吐出する作動油を、比例弁31BR及びシャトル弁32BRを介し、制御弁175Rの右側パイロットポートに供給できる。すなわち、ブーム4を下げることができる。
また、図5Cに示すように、右操作レバー26Rは、バケット6を操作するためにも用いられる。具体的には、右操作レバー26Rは、パイロットポンプ15が吐出する作動油を利用し、左右方向への操作に応じたパイロット圧を制御弁174のパイロットポートに作用させる。より具体的には、右操作レバー26Rは、バケット閉じ方向(左方向)に操作された場合に、操作量に応じたパイロット圧を制御弁174の左側パイロットポートに作用させる。また、右操作レバー26Rは、バケット開き方向(右方向)に操作された場合には、操作量に応じたパイロット圧を制御弁174の右側パイロットポートに作用させる。
操作圧センサ29RBは、操作者による右操作レバー26Rに対する左右方向への操作の内容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。
比例弁31CLは、コントローラ30が出力する電流指令に応じて動作する。そして、パイロットポンプ15から比例弁31CL及びシャトル弁32CLを介して制御弁174の左側パイロットポートに導入される作動油によるパイロット圧を調整する。比例弁31CRは、コントローラ30が出力する電流指令に応じて動作する。そして、パイロットポンプ15から比例弁31CR及びシャトル弁32CRを介して制御弁174の右側パイロットポートに導入される作動油によるパイロット圧を調整する。比例弁31CL、31CRは、制御弁174を任意の弁位置で停止できるようにパイロット圧を調整可能である。
この構成により、コントローラ30は、操作者によるバケット閉じ操作とは無関係に、パイロットポンプ15が吐出する作動油を、比例弁31CL及びシャトル弁32CLを介し、制御弁174の左側パイロットポートに供給できる。すなわち、バケット6を閉じることができる。また、コントローラ30は、操作者によるバケット開き操作とは無関係に、パイロットポンプ15が吐出する作動油を、比例弁31CR及びシャトル弁32CRを介し、制御弁174の右側パイロットポートに供給できる。すなわち、バケット6を開くことができる。
また、図5Dに示すように、左操作レバー26Lは、旋回機構2を操作するためにも用いられる。具体的には、左操作レバー26Lは、パイロットポンプ15が吐出する作動油を利用し、左右方向への操作に応じたパイロット圧を制御弁173のパイロットポートに作用させる。より具体的には、左操作レバー26Lは、左旋回方向(左方向)に操作された場合に、操作量に応じたパイロット圧を制御弁173の左側パイロットポートに作用させる。また、左操作レバー26Lは、右旋回方向(右方向)に操作された場合には、操作量に応じたパイロット圧を制御弁173の右側パイロットポートに作用させる。
操作圧センサ29LBは、操作者による左操作レバー26Lに対する左右方向への操作の内容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。
比例弁31DLは、コントローラ30が出力する電流指令に応じて動作する。そして、パイロットポンプ15から比例弁31DL及びシャトル弁32DLを介して制御弁173の左側パイロットポートに導入される作動油によるパイロット圧を調整する。比例弁31DRは、コントローラ30が出力する電流指令に応じて動作する。そして、パイロットポンプ15から比例弁31DR及びシャトル弁32DRを介して制御弁173の右側パイロットポートに導入される作動油によるパイロット圧を調整する。比例弁31DL、31DRは、制御弁173を任意の弁位置で停止できるようにパイロット圧を調整可能である。
この構成により、コントローラ30は、操作者による左旋回操作とは無関係に、パイロットポンプ15が吐出する作動油を、比例弁31DL及びシャトル弁32DLを介し、制御弁173の左側パイロットポートに供給できる。すなわち、旋回機構2を左旋回させることができる。また、コントローラ30は、操作者による右旋回操作とは無関係に、パイロットポンプ15が吐出する作動油を、比例弁31DR及びシャトル弁32DRを介し、制御弁173の右側パイロットポートに供給できる。すなわち、旋回機構2を右旋回させることができる。
ショベル100は、下部走行体1を自動的に前進・後進させる構成を備えていてもよい。この場合、左走行用油圧モータ2MLの操作に関する油圧システム部分、及び、右走行用油圧モータ2MRの操作に関する油圧システム部分は、ブームシリンダ7の操作に関する油圧システム部分等と同じように構成されてもよい。
次に、図6を参照し、コントローラ30の機能について説明する。図6は、コントローラ30の機能ブロック図である。図6の例では、コントローラ30は、姿勢検出装置、操作装置26、物体検知装置70、向き検出装置85、情報入力装置72、測位装置73、及びスイッチNS等の少なくとも1つが出力する信号を受け、様々な演算を実行し、比例弁31、表示装置DS及び音出力装置AD等の少なくとも1つに制御指令を出力できるように構成されている。姿勢検出装置は、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、機体傾斜センサS4、及び旋回角速度センサS5を含む。コントローラ30は、位置算出部30A、軌道取得部30B、自律制御部30C、制御モード切換部30D、及び調整部30Eを機能要素として有する。各機能要素は、ハードウェアで構成されていてもよく、ソフトウェアで構成されていてもよい。
情報入力装置72は、ショベルの操作者がコントローラ30に対して情報を入力できるように構成されている。本実施形態では、情報入力装置72は、表示装置DSの画像表示部DS1に近接して設置されるスイッチパネルDS2である。但し、情報入力装置72は、キャビン10内に配置されているマイクロフォン等の音入力装置であってもよい。
測位装置73は、上部旋回体3の位置を測定するように構成されている。本実施形態では、測位装置73は、GNSS受信機であり、上部旋回体3の位置を検出し、検出値をコントローラ30に対して出力する。測位装置73は、GNSSコンパスであってもよい。この場合、測位装置73は、上部旋回体3の位置及び向きを検出できる。
位置算出部30Aは、測位対象の位置を算出するように構成されている。本実施形態では、位置算出部30Aは、作業部位の基準座標系における座標点を算出する。作業部位は、例えば、バケット6、バケット6の爪先6T(図7参照。)、又は、バケット6の背面6S(図7参照。)等である。図7は、図1における矢印AR1に示す方向から見たバケット6の背面6Sを示す図である。図7は、バケット6の背面6Sを細かいドットパターンで表している。基準座標系の原点は、例えば、旋回軸とショベル100の接地面との交点である。位置算出部30Aは、例えば、ブーム4、アーム5、及びバケット6のそれぞれの回動角度からバケット6の爪先6Tの座標点を算出する。位置算出部30Aは、図7に示すように、バケット6の爪先6Tの中央6TCの座標点だけでなく、バケット6の爪先6Tの左端6TLの座標点、及び、バケット6の爪先6Tの右端6TRの座標点等を算出してもよい。この場合、位置算出部30Aは、機体傾斜センサS4の出力を利用してもよい。また、位置算出部30Aは、バケット6の形状に関する情報に基づき、バケット6の背面6Sの中央6SCの座標点、及び、バケット6の背面6Sの後端6SEの座標点等を算出してもよい。バケット6の形状に関する情報は、バケット6の種類に対応するように、事前にコントローラ30における不揮発性記憶装置等に登録されていてもよい。
軌道取得部30Bは、ショベル100を自律的に動作させるときに作業部位が辿る軌道である目標軌道を取得するように構成されている。本実施形態では、軌道取得部30Bは、自律制御部30Cがショベル100を自律的に動作させるときに利用する目標軌道を取得する。具体的には、軌道取得部30Bは、不揮発性記憶装置に記憶されている目標面に関するデータに基づいて目標軌道を導き出す。目標面は、ショベル100によって形成される作業対象物の表面を意味する。作業対象物は、ダンプトラックの荷台に積み込まれた土砂、平らな地面、又は傾斜した地面等である。目標面は、典型的には、目標施工面である。目標施工面は、例えば、法面仕上げ作業によって形成される作業完了時の法面(以下、「目標法面」とする。)、又は、均し作業によって形成される作業完了時の平坦面(以下、「目標平坦面」とする。)等である。目標施工面に関する情報は、典型的には、不揮発性記憶装置に予め記憶されている。
軌道取得部30Bは、物体検知装置70が認識したショベル100の周囲の地形に関する情報に基づいて目標軌道を導き出してもよい。或いは、軌道取得部30Bは、揮発性記憶装置に記憶されている姿勢検出装置の過去の出力からバケット6の爪先6Tの過去の軌跡に関する情報を導き出し、その情報に基づいて目標軌道を導き出してもよい。或いは、軌道取得部30Bは、作業部位の現在位置と目標面に関するデータとに基づいて目標軌道を導き出してもよい。
自律制御部30Cは、ショベル100を自律的に動作させるように構成されている。本実施形態では、自律制御部30Cは、所定の開始条件が満たされた場合に、軌道取得部30Bが取得した目標軌道に沿って作業部位を移動させるように構成されている。具体的には、自律制御部30Cは、スイッチNSが押されている状態で操作装置26が操作されたときに、作業部位が目標軌道に沿って移動するように、ショベル100を自律的に動作させる。
本実施形態では、自律制御部30Cは、アクチュエータを自律的に動作させることで操作者によるショベルの手動操作を支援するように構成されている。例えば、自律制御部30Cは、操作者がスイッチNSを押しながら手動でアーム閉じ操作を行っている場合に、目標軌道とバケット6の爪先6Tの位置とが一致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の少なくとも1つを自律的に伸縮させてもよい。この場合、操作者は、例えば、左操作レバー26Lをアーム閉じ方向に操作するだけで、バケット6の爪先6Tを目標軌道に一致させながら、アーム5を閉じることができる。この例では、主な操作対象であるアームシリンダ8は「主要アクチュエータ」と称される。また、主要アクチュエータの動きに応じて動く従動的な操作対象であるブームシリンダ7及びバケットシリンダ9は「従属アクチュエータ」と称される。
本実施形態では、自律制御部30Cは、比例弁31に電流指令を与えて各アクチュエータに対応する制御弁に作用するパイロット圧を個別に調整することで各アクチュエータを自律的に動作させることができる。例えば、右操作レバー26Rが操作されたか否かにかかわらず、ブームシリンダ7及びバケットシリンダ9の少なくとも1つを動作させることができる。
制御モード切換部30Dは、制御モードを切り換えることができるように構成されている。制御モードは、自律制御部30Cがショベル100を自律的に動作させるときにコントローラ30が利用可能なアクチュエータの制御方法であり、例えば、通常制御モード及び低速制御モードを含む。通常制御モードは、例えば、操作装置26の操作量に対する作業部位の移動速度が比較的大きくなるように設定された制御モードであり、低速制御モードは、例えば、操作装置26の操作量に対する作業部位の移動速度が比較的小さくなるように設定された制御モードである。制御モードは、アーム優先モード及びブーム優先モードを含んでいてもよい。
制御モードは何れも、スイッチNSが押された状態で操作装置26が操作されたときに利用される。例えば、アーム優先モードは、主要アクチュエータとしてアームシリンダ8が選択され、従属アクチュエータとしてブームシリンダ7及びバケットシリンダ9が選択された制御モードである。アーム優先モードでは、例えば、左操作レバー26Lがアーム閉じ方向に操作されると、コントローラ30は、左操作レバー26Lの操作量に応じた速度でアームシリンダ8を能動的に伸長させる。その上で、コントローラ30は、バケット6の爪先6Tが目標軌道に沿って移動するように、ブームシリンダ7及びバケットシリンダ9の少なくとも1つを受動的に伸縮させる。ブーム優先モードは、主要アクチュエータとしてブームシリンダ7が選択され、従属アクチュエータとしてアームシリンダ8及びバケットシリンダ9が選択された制御モードである。ブーム優先モードでは、例えば、左操作レバー26Lがアーム閉じ方向に操作されると、コントローラ30は、左操作レバー26Lの操作量に応じた速度でブームシリンダ7を能動的に伸縮させる。その上で、コントローラ30は、バケット6の爪先6Tが目標軌道に沿って移動するように、アームシリンダ8を受動的に伸長させ、必要に応じてバケットシリンダ9を受動的に伸縮させる。なお、制御モードは、バケット優先モードを含んでいてもよい。バケット優先モードは、主要アクチュエータとしてバケットシリンダ9が選択され、従属アクチュエータとしてブームシリンダ7及びアームシリンダ8が選択された制御モードである。バケット優先モードでは、例えば、左操作レバー26Lがアーム閉じ方向に操作されると、コントローラ30は、左操作レバー26Lの操作量に応じた速度でバケットシリンダ9を能動的に伸縮させる。その上で、コントローラ30は、バケット6の爪先6Tが目標軌道に沿って移動するように、アームシリンダ8を受動的に伸長させ、必要に応じてブームシリンダ7を受動的に伸縮させる。
制御モード切換部30Dは、所定条件が満たされた場合に、制御モードを自動的に切り換えるように構成されていてもよい。所定条件は、例えば、目標軌道の形状、埋設物の存否、ショベル100の周囲における物体の存否等に基づいて設定されていてもよい。
コントローラ30は、例えば、自律制御が開始されると、最初に第1制御モードを採用する。第1制御モードは、例えば、通常制御モードである。そして、第1制御モードを採用した自律制御の実行中に所定条件が満たされたと判定すると、制御モード切換部30Dは、制御モードを第1制御モードから第2制御モードに切り換える。第2制御モードは、例えば、低速制御モードである。この場合、コントローラ30は、第1制御モードを採用した自律制御を終了させ、第2制御モードを採用した自律制御を開始させる。この例では、コントローラ30は、2つの制御モードのうちの1つを選択して自律制御を実行しているが、3つ以上の制御モードのうちの1つを選択して自律制御を実行してもよい。
調整部30Eは、所定条件が満たされた場合に、バケット6の回動角度を自動的に調整する調整処理を実行するように構成されている。所定条件は、例えば、スイッチNSが押された状態で操作装置26が操作されて掘削アタッチメントが動き、バケット6と目標面との距離が所定距離DT以下となった場合を含む。なお、スイッチNSは押されていなくてもよい。以下では、この所定条件は「調整開始条件」とも称される。調整部30Eは、調整開始条件が満たされたと判定した場合、バケット6の背面6Sを含む仮想平面(以下、「バケット背面」とする。)と基準面との間の角度θが目標角度θmに近いか否かを判定する。すなわち、調整部30Eは、ショベル100の操作者が角度θを目標角度θmに合わせようとしているか否かを判定する。基準面は、例えば、仮想水平面である。目標角度θmは、例えば、不揮発性記憶装置等に予め記憶されている角度である。但し、目標角度θmは、動的に設定されてもよい。例えば、コントローラ30は、作業部位として設定された座標点において、バケット6の外形形状に対応するように目標面に対する目標角度θmを算出することができる。そして、コントローラ30は、バケット6の外形形状によって決まる角度(例えば、外形形状を構成する線又は面と目標面との間の角度)が目標角度θmとなるようにバケット角度を制御する。バケット6の外形形状は、コントローラ30へ事前に、バケット6の種類に対応して登録されていてもよい。例えば、コントローラ30は、バケット6の種類に対応付けて不揮発性記憶装置等に予め記憶されているバケット6の外形形状に関する情報に基づき、アーム5の先端に取り付けられている現在のバケット6の形状に対応した目標角度θmを算出し、上記角度が目標角度θmとなるようにバケット角度を制御する。標準的なタイプのバケット6が別のタイプのバケット6に取り換えられたとしても、上記角度が、取り換え後のバケット6に対応する目標角度θmに一致するように、バケット角度は制御される。このようにして、コントローラ30は、バケット6の種類の変更(バケット6の取り換え)に伴うバケット6の外形形状の変更が生じても、取り換え後の現在のバケット6の外形形状に対応する目標角度θmに上記角度が一致するように、バケット角度を制御できる。そのため、コントローラ30は、現在のバケット6が特殊なタイプであったとしても、その特殊なタイプのバケット6における作業部位の目標面に対する上記角度が、その特殊なタイプのバケット6の外形形状に対応する目標角度となるようにバケット角度の自動調整を行うことができる。
調整部30Eは、例えば、角度θと目標角度θmとの差Δθが所定角度θt以下の場合に、角度θが目標角度θmに近いと判定する。
そして、調整部30Eは、角度θと目標角度θmとの差Δθが所定角度θt以下であると判定した場合、すなわち、角度θが所定の角度範囲内に含まれると判定した場合、ショベル100の操作者が角度θを目標角度θmに合わせようとしていると判定する。この場合、所定の角度範囲は、目標角度θm±所定角度θtである。そして、調整部30Eは、ショベル100の操作者が角度θを目標角度θmに合わせようとしていると判定した場合、角度θと目標角度θmとの差Δθがゼロになるようにバケット6を自動的に開閉させる。このとき、調整部30Eは、バケット6を開閉させるための操作者による右操作レバー26Rの手動操作が行われている場合には、その手動操作を無効にするように構成されている。但し、右操作レバー26Rのレバー操作量が所定値以上の場合には、調整部30Eは、バケット6の自動調整を無効にしてもよい。すなわち、バケット6は、手動操作に応じて開閉してもよい。操作者の意思を優先させるためである。
本実施形態では、調整部30Eは、例えば法面仕上げ作業の際に、バケット6の回動角度を自動的に調整する。この場合、目標角度θmは、法面角度である。具体的には、調整部30Eは、調整開始条件が満たされたと判定した場合で、且つ、角度θと法面角度との差Δθが所定角度θt以下であると判定した場合、差Δθがゼロになるようにバケット6を自動的に開閉させる。調整部30Eは、調整開始条件が満たされたと判定した場合、バケット背面と目標法面との間の角度θsが所定角度θst以下であるか否かを判定してもよい。そして、調整部30Eは、角度θsが所定角度θst以下であると判定した場合、角度θsがゼロになるようにバケット6を自動的に開閉させてもよい。
上述の油圧システムを利用し、コントローラ30は、必要に応じてショベル100の駆動部の制動を自動的に実行できるように構成されていてもよい。駆動部の制動を自動的に実行することは、例えば、その駆動部に関する操作装置26が操作されている場合であっても、その駆動部の動きを強制的に減速させ或いは停止させることを含んでいてもよい。
コントローラ30は、例えば、物体検知装置70が物体を検知した場合に、駆動部の制動を自動的に実行できるように構成されていてもよい。この場合、駆動部は、例えば、旋回用油圧モータ2A及び走行用油圧モータ2Mの少なくとも1つを含んでいてもよい。駆動部の制動は、例えば、操作装置26が操作されている状態で、制御弁60によってパイロットラインCD1を連通状態から遮断状態に切り換えることで実現される。操作されている状態の操作装置26に対応する制御弁が中立弁位置に戻るためである。なお、駆動部の制動は、駆動部の動作速度を低下させること、及び、駆動部の動きを停止させることの少なくとも1つを含んでいてもよい。
コントローラ30は、駆動部の制動を実行している場合に、所定の条件が満たされたときに、駆動部の制動を解除できるように構成されていてもよい。
「駆動部の制動を実行している場合」は、例えば、駆動部の動作速度を低下させている場合、駆動部の動きを停止させた場合、及び、駆動部の停止を維持している場合を含んでいてもよい。具体的には、「駆動部の制動を実行している場合」は、制御弁60が第1弁位置と第2弁位置の間に位置している場合、及び、制御弁60が第2弁位置に位置している場合を含んでいてもよい。但し、駆動部の動作速度を低下させている場合、すなわち、制御弁60が第1弁位置と第2弁位置の間に位置している場合は除かれてもよい。
「所定の条件が満たされたとき」は、例えば、操作者が操作継続の意思を有すると判定したときであってもよい。コントローラ30は、例えば、走行レバー26Dが後進方向に操作されているときに走行用油圧モータ2Mを制動させたケースでは、走行レバー26Dが後進方向に再操作されたときに、操作者が操作継続の意思を有すると判定してもよい。この場合、「再操作」は、走行レバー26Dを中立位置に戻した後で再び後進方向に操作することであってもよく、中立位置を超えて走行レバー26Dを前進方向に操作した後で再び後進方向に操作することであってもよく、走行レバー26Dを中立位置の方向に操作した後で再び後進方向に操作することであってもよい。
この場合、コントローラ30は、操作圧センサ29の出力に基づいて操作装置26の再操作が行われたか否かを判定してもよい。或いは、コントローラ30は、キャビン10内の操作者を撮像する室内撮像装置等の操作圧センサ29以外の他の装置の出力に基づいて操作装置26の再操作が行われたか否かを判定してもよい。
或いは、コントローラ30は、制動の対象となった駆動部に関する操作装置26が所定の操作方法で操作されたときに、操作者が操作継続の意思を有すると判定してもよい。コントローラ30は、例えば、左操作レバー26Lが右旋回方向に操作されているときに旋回用油圧モータ2Aを制動させたケースでは、左操作レバー26Lを左右に2往復操作されたときに、操作者が操作継続の意思を有すると判定してもよい。具体的には、左旋回方向、右旋回方向、左旋回方向及び右旋回方向の順で左操作レバー26Lが操作されたときに、左操作レバー26Lが所定の操作方法で操作されたとして、操作者が操作継続の意思を有すると判定してもよい。
或いは、コントローラ30は、制動の対象となった駆動部に関する操作装置26に設けられているレバーボタンLBが押された状態でその操作装置26が再操作されたときに、操作者が操作継続の意思を有すると判定してもよい。コントローラ30は、例えば、右操作レバー26Rがブーム下げ方向に操作されているときにブームシリンダ7を制動させたケースでは、右操作レバー26Rに設けられたレバーボタンLBが押された状態で右操作レバー26Rがブーム下げ方向に再操作されたときに、操作者が操作継続の意思を有すると判定してもよい。
なお、上述の実施形態では、油圧式パイロット回路を備えた油圧式操作システムが開示されている。例えば、左操作レバー26Lに関する油圧式パイロット回路では、パイロットポンプ15から左操作レバー26Lへ供給される作動油が、左操作レバー26Lのアーム開き方向への操作によって開閉されるリモコン弁の開度に応じた流量で、制御弁176のパイロットポートへ伝達される。或いは、右操作レバー26Rに関する油圧式パイロット回路では、パイロットポンプ15から右操作レバー26Rへ供給される作動油が、右操作レバー26Rのブーム上げ方向への操作によって開閉されるリモコン弁の開度に応じた流量で、制御弁175のパイロットポートへ伝達される。
但し、このような油圧式パイロット回路を備えた油圧式操作システムではなく、電気式パイロット回路を備えた電気式操作システムが採用されてもよい。この場合、電気式操作システムにおける電気式操作レバーのレバー操作量は、例えば、電気信号としてコントローラ30へ入力される。また、パイロットポンプ15と各制御弁のパイロットポートとの間には電磁弁が配置される。電磁弁は、コントローラ30からの電気信号に応じて動作するように構成される。この構成により、電気式操作レバーを用いた手動操作が行われると、コントローラ30は、レバー操作量に対応する電気信号によって電磁弁を制御してパイロット圧を増減させることで各制御弁を移動させることができる。なお、各制御弁は電磁スプール弁で構成されていてもよい。この場合、電磁スプール弁は、電気式操作レバーのレバー操作量に対応するコントローラ30からの電気信号に応じて動作する。
図8は、電気式操作システムの構成例を示す。具体的には、図8の電気式操作システムは、ブーム操作システムの一例であり、主に、パイロット圧作動型のコントロールバルブユニット17と、電気式操作レバーとしてのブーム操作レバー26Bと、コントローラ30と、ブーム上げ操作用の電磁弁61と、ブーム下げ操作用の電磁弁62とで構成されている。図8の電気式操作システムは、アーム操作システム、バケット操作システム、走行操作システム、及び旋回操作システム等にも同様に適用され得る。
パイロット圧作動型のコントロールバルブユニット17は、図4に示すように、左走行用油圧モータ2MLに関する制御弁171、右走行用油圧モータ2MRに関する制御弁172、及び、旋回用油圧モータ2Aに関する制御弁173、バケットシリンダ9に関する制御弁174、ブームシリンダ7に関する制御弁175、及び、アームシリンダ8に関する制御弁176等を含む。電磁弁61は、パイロットポンプ15と制御弁175の上げ側パイロットポートとを繋ぐ管路の流路面積を調節できるように構成されている。電磁弁62は、パイロットポンプ15と制御弁175の下げ側パイロットポートとを繋ぐ管路の流路面積を調節できるように構成されている。
手動操作が行われる場合、コントローラ30は、ブーム操作レバー26Bの操作信号生成部が出力する操作信号(電気信号)に応じてブーム上げ操作信号(電気信号)又はブーム下げ操作信号(電気信号)を生成する。ブーム操作レバー26Bの操作信号生成部が出力する操作信号は、ブーム操作レバー26Bの操作量及び操作方向に応じて変化する電気信号である。
具体的には、コントローラ30は、ブーム操作レバー26Bがブーム上げ方向に操作された場合、レバー操作量に応じたブーム上げ操作信号(電気信号)を電磁弁61に対して出力する。電磁弁61は、ブーム上げ操作信号(電気信号)に応じて流路面積を調節し、制御弁175の上げ側パイロットポートに作用するパイロット圧を制御する。同様に、コントローラ30は、ブーム操作レバー26Bがブーム下げ方向に操作された場合、レバー操作量に応じたブーム下げ操作信号(電気信号)を電磁弁62に対して出力する。電磁弁62は、ブーム下げ操作信号(電気信号)に応じて流路面積を調節し、制御弁175の下げ側パイロットポートに作用するパイロット圧を制御する。
自律制御を実行する場合、コントローラ30は、例えば、ブーム操作レバー26Bの操作信号生成部が出力する操作信号の代わりに、補正操作信号(電気信号)に応じてブーム上げ操作信号(電気信号)又はブーム下げ操作信号(電気信号)を生成する。補正操作信号は、コントローラ30が生成する電気信号であってもよく、コントローラ30以外の外部の制御装置等が生成する電気信号であってもよい。
次に、図9を参照し、調整部30Eによる調整処理の一例について説明する。図9は、法面仕上げ作業が行われているときの掘削アタッチメントの右側面図である。図9(A)は、バケット6と目標法面TSとの間の距離が所定距離DTになったときの掘削アタッチメントの右側面図であり、調整部30Eによる調整処理が行われる直前の状態を示す。図9(B)は、バケット6の背面6Sを作業対象物である斜面に接触させる直前の掘削アタッチメントの右側面図であり、調整部30Eによってバケット6が自動的に閉じられたときの状態を示す。図9(C)は、バケット6の背面6Sを作業対象物である斜面に接触させる直前の掘削アタッチメントの右側面図であり、調整部30Eによってバケット6が自動的に開かれたときの状態を示す。図9(B)及び図9(C)における点線で表される掘削アタッチメントは、バケット6と目標法面TSとの間の距離が所定距離DTになったときの掘削アタッチメントの状態を示している。
本実施形態では、調整部30Eは、図9(A)に示すように、バケット6(この例ではバケット6の爪先6T)と目標法面TSとの間の距離が所定距離DT以下になったと判定した場合、このままアーム閉じを継続させたときのバケット背面BSと目標法面TSとの間の角度θs1が所定角度θst以下であるか否かを判定する。図9(B)における一点鎖線で表されるバケット6は、点線で表されるバケット6の状態から、バケット6を開閉させずに、図9(B)の矢印AR2で示すようにアーム5を閉じてバケット6の爪先6Tを目標法面TSに位置付けた場合のバケット6の仮想的な状態を示している。すなわち、図9(B)は、仮にこのままアーム閉じを継続させた場合には、バケット6の爪先6Tが最初に目標法面TSに達し、そのときのバケット背面BSと目標法面TSとの間の角度が角度θs1になることを示している。調整部30Eは、各種情報に基づいてこの仮想的な状態における角度θs1を算出する。そして、調整部30Eは、角度θs1が所定角度θst以下であると判定した場合、ショベル100の操作者がバケット背面BSを目標法面TSに合わせようとしている、或いは、操作者が法面仕上げ作業を行おうとしていると判定する。
そして、調整部30Eは、ショベル100の操作者がバケット背面BSを目標法面TSに合わせようとしていると判定した場合、バケット6が作業対象物である斜面と接触する前に、バケット6を自動的に閉じる。具体的には、調整部30Eは、比例弁31CL(図5C参照。)に電流指令を出力してバケットシリンダ9を伸長させ、図9(B)の矢印AR3で示すように、角度θs1がゼロになるようにバケット6を閉じる。図9(B)における実線で表される掘削アタッチメントは、点線で表される状態から、バケット6を自動的に閉じ、且つ、図9(B)の矢印AR2で示すように操作者による手動操作に応じてアーム5を閉じた場合の掘削アタッチメントの状態を示している。すなわち、図9(B)における実線で表される掘削アタッチメントは、バケット6が斜面と接触する直前で、バケット背面BSと目標法面TSとがほぼ平行になることを表している。
その結果、ショベル100の操作者は、バケット6を微操作することなく、アーム閉じ操作を行うだけで、バケット6の背面6Sを目標法面TSに合わせることができ、更にアーム閉じ操作を行うだけで、バケット6の背面6Sを目標法面TSに沿って移動させることができる。
或いは、調整部30Eは、図9(A)に示すように、バケット6(この例ではバケット6の爪先6T)と目標法面TSとの間の距離が所定距離DT以下になったと判定した場合、このままアーム閉じを継続させたときのバケット背面BSと目標法面TSとの間の角度θs2が所定角度θst以下であるか否かを判定する。図9(C)における一点鎖線で表されるバケット6は、点線で表されるバケット6の状態から、バケット6を開閉させずに、図9(C)の矢印AR4で示すようにアーム5を閉じてバケット6の背面6Sの後端6SEを目標法面TSに位置付けた場合のバケット6の仮想的な状態を示している。すなわち、図9(C)は、仮にこのままアーム閉じを継続させた場合には、背面6Sの後端6SEが最初に目標法面TSに達し、そのときのバケット背面BSと目標法面TSとの間の角度が角度θs2になることを示している。調整部30Eは、各種情報に基づいてこの仮想的な状態における角度θs2を算出する。そして、調整部30Eは、角度θs2が所定角度θst以下であると判定した場合、ショベル100の操作者がバケット背面BSを目標法面TSに合わせようとしている、或いは、操作者が法面仕上げ作業を行おうとしていると判定する。
そして、調整部30Eは、ショベル100の操作者がバケット背面BSを目標法面TSに合わせようとしていると判定した場合、バケット6が作業対象物である斜面と接触する前に、バケット6を自動的に開く。具体的には、調整部30Eは、比例弁31CR(図5C参照。)に電流指令を出力してバケットシリンダ9を収縮させ、図9(C)の矢印AR5で示すように、角度θs2がゼロになるようにバケット6を開く。図9(C)における実線で表される掘削アタッチメントは、点線で表される状態から、バケット6を自動的に開き、且つ、図9(C)の矢印AR4で示すように操作者による手動操作に応じてアーム5を閉じた場合の掘削アタッチメントの状態を示している。すなわち、図9(C)における実線で表される掘削アタッチメントは、バケット6が斜面と接触する直前で、バケット背面BSと目標法面TSとがほぼ平行になることを表している。
その結果、ショベル100の操作者は、バケット6を微操作することなく、アーム閉じ操作を行うだけで、バケット6の背面6Sを目標法面TSに合わせることができ、更にアーム閉じ操作を行うだけで、バケット6の背面6Sを目標法面TSに沿って移動させることができる。
調整部30Eは、バケット6の背面6Sを目標法面TSに沿って移動させている際に、操作者によるバケット閉じ操作が行われた場合には、自律制御を解除するように構成されていてもよい。土砂等を掬い上げるための動作が、操作者の意思にしたがって実行されるようにするためである。
その一方で、調整部30Eは、バケット6の背面6Sを目標法面TSに沿って移動させている際に、操作者によるバケット開き操作が行われた場合には、自律制御を解除せず、その操作者によるバケット開き操作が無効になるように構成されている。例えば、調整部30Eは、比例弁31CR及び比例弁33CRに電流指令を出力して制御弁174を中立弁位置に戻すことで、操作者によるバケット開き操作を無効にする。このときのバケット開き操作が誤操作であると推定できるためである。
この構成により、調整部30Eは、バケット6の姿勢を、法面仕上げ作業に適した姿勢に自動的に調整できる。そのため、ショベル100の操作者は、バケット6を作業対象面である斜面に近づけるだけで、バケット6の背面6Sの勾配を目標法面TSの勾配に合わせることができる。すなわち、操作者は、バケット6の背面6Sの勾配を目標法面TSの勾配に合わせるために右操作レバー26Rをバケット開閉方向に微操作する必要がない。少なくともこの点において、調整部30Eは、ショベル100の操作性を向上させることができる。
次に、図10を参照し、調整部30Eによる調整処理の別の一例について説明する。図10は、均し作業が行われるときの掘削アタッチメントの左側面図である。図10(A)は、バケット6と目標平坦面TSaとの間の距離が所定距離DTになったときの掘削アタッチメントの左側面図であり、調整部30Eによる調整処理が行われる直前の状態を示す。図10(B)は、バケット6の爪先6Tを作業対象物である地面に接触させたときの掘削アタッチメントの左側面図であり、調整部30Eによってバケット6が自動的に閉じられた後の状態を示す。図10(C)は、バケット6の爪先6Tが目標平坦面TSaに沿ってキャビン10に近づくようにアーム閉じ操作が継続されたときの掘削アタッチメントの左側面図であり、自律制御部30Cによってブーム4が最も上昇させられるときの状態を示す。図10(D)は、バケット6の爪先6Tが目標平坦面TSaに沿ってキャビン10に近づくように更にアーム閉じ操作が継続されたときの掘削アタッチメントの左側面図であり、自律制御部30Cによってブーム4が下降させられるときの状態を示す。図10(A)における点線で表されるバケット6は、調整部30Eによって自動的に閉じられた後のバケット6の状態を示している。図10(C)における点線で表される掘削アタッチメントは、図10(B)に示す掘削アタッチメントの状態を示している。図10(D)における点線で表される掘削アタッチメントは、図10(C)に示す掘削アタッチメントの状態を示している。
図10(A)に示す状態では、操作者は、左操作レバー26Lをアーム閉じ方向に傾け、且つ、右操作レバー26Rをバケット閉じ方向又はバケット開き方向に傾けている。そのため、アーム5は、矢印AR11で示すように閉じられる。
調整部30Eは、図10(A)に示すように、バケット6(この例ではバケット6の爪先6T)と目標法面TSとの間の距離が所定距離DT以下になったと判定した場合、角度θと目標角度θmとの間の差Δθが所定角度θt以下であるか否かを判定する。ショベル100の操作者が角度θを目標角度θmに合わせようとしているか否かを判定するためである。
角度θは、バケット背面BSと基準面との間の角度である。図10の例では、基準面は、仮想水平面である。目標角度θmは、目標平坦面TSaに沿ってバケット6の爪先6Tを移動させる際の、バケット背面BSと基準面との間の角度であり、不揮発性記憶装置等に予め記憶されている。図10の例では、目標平坦面TSaは、仮想水平面である。所定角度θtは、操作者が均し作業を行う意思を有するか否かを判定するために用いられる閾値であり、不揮発性記憶装置等に予め記憶されている。図10の例では、操作者は、均し作業を行う前に、情報入力装置72を用いて目標角度θm及び所定角度θtを予め設定している。
なお、目標角度θmは、自律制御を開始させるときのバケット背面BSと基準面との間の角度であってもよい。すなわち、バケット背面BSと基準面との間の角度は、目標平坦面TSaに沿ってバケット6の爪先6Tを移動させる際には、目標角度θmと一致していなくてもよい。
調整部30Eは、ショベル100の操作者が角度θを目標角度θmに合わせようとしていると判定した場合、角度θと目標角度θmとの差Δθがゼロになるようにバケット6を自動的に開閉させる。図10(A)の例では、調整部30Eは、操作者による右操作レバー26Rに対する手動操作を無効にした上で、バケットシリンダ9を自動的に伸長させてバケット6を自動的に閉じる。
図10(A)における点線で表されるバケット6は、矢印AR12で示すように調整部30Eによってバケット6が自動的に閉じられた後のバケット6の状態を示している。
その結果、調整部30Eは、図10(B)に示すように、角度θを目標角度θmに一致させた状態で、バケット6を地面に接触させ、爪先6Tを目標平坦面TSaに合わせることができる。
その後、操作者は、スイッチNSを押しながら左操作レバー26Lをアーム閉じ方向に傾けるだけで、角度θを目標角度θmに一致させた状態で、バケット6の爪先6Tを目標平坦面TSaに沿って移動させることができる。具体的には、自律制御部30Cは、図10(C)の矢印AR13で示すようにアーム5が閉じられたときに、矢印AR14で示すようにバケット6を自動的に開き、且つ、矢印AR15で示すようにブーム4を自動的に上昇させることで、角度θを目標角度θmに一致させた状態で、バケット6の爪先6Tを目標平坦面TSaに沿って移動させることができる。また、自律制御部30Cは、図10(D)の矢印AR16で示すようにアーム5が更に閉じられたときに、矢印AR17で示すようにバケット6を自動的に開き、且つ、矢印AR18で示すようにブーム4を自動的に下降させることで、角度θを目標角度θmに一致させた状態で、バケット6の爪先6Tを目標平坦面TSaに沿って更に移動させることができる。
この構成により、調整部30Eは、バケット6の姿勢を、均し作業に適した姿勢に自動的に調整できる。そのため、ショベル100の操作者は、バケット6を地面に近づけるだけで、角度θを目標角度θmに合わせることができる。すなわち、操作者は、角度θを目標角度θmに合わせるために右操作レバー26Rをバケット開閉方向に微操作する必要がない。少なくともこの点において、調整部30Eは、ショベル100の操作性を向上させることができる。
自律制御部30Cは、自律制御によるブーム4の上昇から下降への切り換わりの際に、或いは、自律制御によるブーム4の下降から上昇への切り換わりの際に、操作者の注意を喚起するように構成されていてもよい。注意喚起は、例えば、表示装置DSに画像情報を表示させること、音出力装置ADに音情報を出力させること、及び、シートバイブレータ(図示せず。)を振動させること等の少なくとも1つによって実現される。例えば、自律制御部30Cは、表示装置DSに制御指令を出力し、ブーム4の上げ下げの切り換わりが起こることを知らせる画像情報を表示装置DSに表示させてもよい。図10示す例では、自律制御部30Cは、均し作業を行う際の自律制御によるブーム4の上昇から下降への切り換わりの直前に、音出力装置ADに制御指令を出力し、自律制御によるブーム4の動きが上昇から下降に切り換わることを操作者に知らせるようにする。この構成により、操作者は、自律制御によるブーム4の動きが上昇から下降に切り換わることを事前に認識できるため、予期しないブーム4の動きが発生したとして慌てることもない。したがって、この構成は、操作者の安全性及びショベル100の作業性(使いやすさ)を高めることができる。
自律制御部30Cは、自律制御を実行しているときに、その旨を操作者に伝えるように構成されていてもよい。例えば、自律制御部30Cは、操作者がスイッチNSを押しながら左操作レバー26Lをアーム閉じ方向に傾けている場合には、音出力装置ADに制御指令を出力し、自律制御中であることを示す音情報を音出力装置ADから出力させてもよい。
次に、図11を参照し、調整部30Eによる調整処理の更に別の一例について説明する。図11は、ダンプトラックTRの荷台に積み込まれた被掘削物としての土砂の凹凸を均すための均し作業が行われるときのダンプトラックTRの右側面図である。図11(A)は、バケット6の爪先6Tが目標軌道TPに近づくようにアーム開き操作が行われたときのダンプトラックTRの右側面図である。図11(A)は、調整部30Eによる調整処理が行われる直前の状態を示している。図11(B)は、バケット6の爪先6Tが目標軌道TPに沿ってキャビン10から遠ざかるようにアーム開き操作が継続されたときのダンプトラックTRの右側面図である。図11(B)は、自律制御部30Cによってブーム4及びバケット6が自律制御され、角度θと目標角度θmとが一致した状態で、バケット6の爪先6Tが目標軌道TPに沿って移動することを示している。
図11(A)における一点鎖線で表されるバケット6は、ダンプトラックTRの荷台の上空に至る前のバケット6の状態を示している。図11(A)における点線で表されるバケット6は、調整部30Eによって自動的に開かれた後のバケット6の状態を示している。図11(B)における点線で表される2つのバケット6は、実線で表される1つのバケット6の過去の状態を示している。
図11に示す例では、軌道取得部30Bは、前方センサ70FとしてのLIDARの出力に基づき、ダンプトラックTRの荷台に積み込まれた土砂の凹凸を認識する。そして、軌道取得部30Bは、その凹凸を均すために適切な目標軌道TPを導き出す。図11における一点鎖線は、軌道取得部30Bが導き出した目標軌道TPを表している。
図11(A)に示す状態では、操作者は、左操作レバー26Lをアーム開き方向に傾け、或いは、右操作レバー26Rをブーム下げ方向に傾けている。そのため、バケット6は、矢印AR21で示すように、ダンプトラックTRの荷台に近づけられる。また、操作者は、右操作レバー26Rをバケット閉じ方向又はバケット開き方向に傾けている。角度θを目標角度θmに合わせるためである。
調整部30Eは、図11(A)に示すように、バケット6(この例ではバケット6の爪先6T)と目標軌道TPとの間の距離が所定距離DT以下になったと判定した場合、角度θと目標角度θmとの間の差Δθが所定角度θt以下であるか否かを判定する。ショベル100の操作者が角度θを目標角度θmに合わせようとしているか否かを判定するためである。
角度θは、バケット背面BSと基準面との間の角度である。図11の例では、基準面は、目標軌道TPを含む仮想平面である。目標角度θmは、例えば、目標軌道TPに沿ってバケット6の爪先6Tを移動させる際の、バケット背面BSと基準面との間の角度であり、不揮発性記憶装置等に予め記憶されている。所定角度θtは、操作者が均し作業を行う意思を有するか否かを判定するために用いられる閾値であり、不揮発性記憶装置等に予め記憶されている。図11の例では、操作者は、均し作業を行う前に、情報入力装置72を用いて目標角度θm及び所定角度θtを予め設定している。
なお、目標角度θmは、自律制御を開始させるときのバケット背面BSと基準面との間の角度であってもよい。すなわち、バケット背面BSと基準面との間の角度は、目標軌道TPに沿ってバケット6の爪先6Tを移動させる際には、目標角度θmと一致していなくてもよい。
調整部30Eは、ショベル100の操作者が角度θを目標角度θmに合わせようとしていると判定した場合、角度θと目標角度θmとの差Δθがゼロになるようにバケット6を自動的に開閉させる。図11(A)の例では、調整部30Eは、操作者によるバケット6に関する手動操作を無効にした上で、バケットシリンダ9を自動的に収縮させてバケット6を自動的に開く。
図11(A)における点線で表されるバケット6は、矢印AR22で示すように調整部30Eによってバケット6が自動的に開かれた後のバケット6の状態を示している。
その結果、調整部30Eは、図11(B)における点線で表される2つのバケット6のうちの左側のバケット6のように、角度θを目標角度θmに一致させた状態で、バケット6を土砂に接触させ、爪先6Tを目標軌道TPに合わせることができる。なお、調整部30Eによる自動調整は、自律制御部30Cによる自律制御が実行されているときに、すなわち、スイッチNSを押しながらアーム開き操作が行われているときに、実行されてもよい。
その後、操作者は、スイッチNSを押しながら左操作レバー26Lをアーム開き方向に傾けるだけで、自律制御によってバケット6の爪先6Tを目標軌道TPに沿って移動させることができる。具体的には、自律制御部30Cは、アーム5が開かれたときに、バケット6を自動的に閉じ、且つ、ブーム4を自動的に下降させることで、角度θを目標角度θmに一致させた状態で、矢印AR23で示すようにバケット6をダンプトラックTRの運転室側に移動させることができる。すなわち、自律制御部30Cは、バケット6の爪先6Tを目標軌道TPに沿って移動させることができる。
この構成により、調整部30Eは、バケット6の姿勢を、均し作業に適した姿勢に自動的に調整できる。そのため、ショベル100の操作者は、ダンプトラックTRの荷台に積み込まれている土砂にバケット6を近づけるだけで、角度θを目標角度θmに合わせることができる。すなわち、操作者は、角度θを目標角度θmに合わせるために右操作レバー26Rをバケット開閉方向に微操作する必要がない。少なくともこの点において、調整部30Eは、ショベル100の操作性を向上させることができる。
上述のように、本発明の実施形態に係るショベル100は、下部走行体1と、下部走行体1に旋回可能に搭載される上部旋回体3と、上部旋回体3に取り付けられるアタッチメントと、上部旋回体3に搭載される制御装置としてのコントローラ30と、を備えている。そして、コントローラ30は、アタッチメントの作業部位としてのバケット6が目標面に接近した際に、その目標面に対するバケット6の背面6Sの角度が目標角度になるように自動調整を行うように構成されている。
この構成により、ショベル100は、作業部位(例えばバケット6)の姿勢を、所望の作業に適した姿勢に自動的に調整できる。
例えば、コントローラ30は、図9(B)に示すように、バケット6が目標法面TSに接近した際に、目標法面TSに対するバケット6の背面6Sの角度θs1がゼロになるようにバケット6を自動的に閉じるように構成されていてもよい。
或いは、コントローラ30は、図9(C)に示すように、バケット6が目標法面TSに接近した際に、目標法面TSに対するバケット6の背面6Sの角度θs2がゼロになるようにバケット6を自動的に開くように構成されていてもよい。
或いは、コントローラ30は、図10(A)に示すように、バケット6が目標平坦面TSaに接近した際に、目標平坦面TSaに対するバケット6の背面6Sの角度θが目標角度θmになるようにバケット6を自動的に閉じるように構成されていてもよい。
或いは、コントローラ30は、図11(A)に示すように、バケット6が目標軌道TPに接近した際に、目標軌道TPを含む仮想平面に対するバケット6の背面6Sの角度θが目標角度θmになるようにバケット6を自動的に開くように構成されていてもよい。
コントローラ30は、角度θが所定角度範囲内のときに自動調整を行うように構成されていてもよい。すなわち、コントローラ30は、角度θが所定角度範囲外のときには自動調整を行わないように構成されていてもよい。所定角度範囲は、例えば、目標角度θm±所定角度θtである。この構成により、ショベル100は、操作者が角度θを目標角度θmに合わせようとしていることを確認した上で、バケット6を自動的に開閉させることができる。すなわち、ショベル100は、操作者が角度θを目標角度θmに合わせようとしていないことを確認した場合には、バケット6を自動的に開閉させないようにすることができる。そのため、ショベル100は、操作者の意思に反して自動調整が実行されてしまうのを防止できる。
コントローラ30は、作業部位が操作されたときに自律制御を中止するように構成されていてもよい。例えば、図9に示すような法面仕上げ作業の際に、操作者によるバケット閉じ操作が行われた場合には、コントローラ30は、自律制御部30Cによる自律制御を中止する。この場合、ショベル100は、操作者によるバケット閉じ操作に応じてバケット6が閉じるように動作する。操作者の意図に沿ってバケット6が閉じられるようにするためである。また、図9に示すような法面仕上げ作業の最中に、土砂を掬い上げるためにバケット6を閉じる操作は、誤操作でないと推定されるためである。
但し、図9に示すような法面仕上げ作業の際に、操作者によるバケット開き操作が行われた場合には、コントローラ30は、自律制御部30Cによる自律制御を中止せずに、操作者によるバケット開き操作を無効にするように構成されていてもよい。図9に示すような法面仕上げ作業の最中にバケット6が開かれると、バケット6が目標法面TSを超えて土中に侵入してしまうためである。すなわち、操作者によるバケット開き操作が誤操作であると推定されるためである。
目標面は、作業対象物の表面の形状等に基づいて自動的に生成されてもよい。作業対象物の表面の形状は、例えば、ダンプトラックTRの荷台に積み込まれた土砂の表面の形状である。例えば、図11に示すようにダンプトラックTRの荷台に積み込まれた土砂に対する均し作業が行われる場合、コントローラ30は、LIDARとしての前方センサ70Fの出力に基づき、目標軌道TPを生成してもよい。この構成により、コントローラ30は、予め設定されている目標面ばかりでなく、動的に設定される目標面に関しても、作業部位の自動調整を行うことができる。
コントローラ30は、自律制御中のブームの状態に応じて注意喚起を行うように構成されていてもよい。例えば、コントローラ30は、自律制御部30Cによる自律制御中に自動的に動かされるブーム4の動きが上昇から下降に切り換わるときに、或いは、下降から上昇に切り換わるときに、その切り換わりが起こることを操作者に伝えるように構成されていてもよい。例えば、図10(C)及び図10(D)に示すように、均し作業の際に自律制御によって自動的に動かされるブーム4の動きが上昇から下降に切り換わる直前に、コントローラ30は、その旨を表す音情報を音出力装置ADから出力させてもよい。この構成により、コントローラ30は、自律制御によるブーム4の動きが上昇から下降に切り換わることを操作者に事前に認識させることができるため、予期しないブーム4の動きが発生したとして操作者が慌ててしまうのを防止できる。
以上、本発明の好ましい実施形態について詳説した。しかしながら、本発明は、上述した実施形態に制限されることはない。上述した実施形態は、本発明の範囲を逸脱することなしに、種々の変形又は置換等が適用され得る。また、別々に説明された特徴は、技術的な矛盾が生じない限り、組み合わせが可能である。
例えば、図9に示す例では、コントローラ30は、下り勾配の法面の仕上げ作業のためにバケット6が作業対象物としての斜面に近づけられたときに、バケット背面BSと目標法面TSとが平行になるように、バケット6を自動的に開閉させている。しかしながら、コントローラ30は、上り勾配の法面の仕上げ作業のためにバケット6が作業対象物としての斜面に近づけられたときにも同様に、バケット背面BSと目標法面TSとが平行になるように、バケット6を自動的に開閉させてもよい。
また、図9に示す例では、コントローラ30は、アーム閉じ操作による法面仕上げ作業を開始させる前に、バケット背面BSと目標法面TSとが平行になるように、バケット6を自動的に開閉させている。しかしながら、コントローラ30は、アーム開き操作による法面仕上げ作業を開始させる前に、バケット背面BSと目標法面TSとが平行になるように、バケット6を自動的に開閉させてもよい。
また、図10に示す例では、コントローラ30は、アーム閉じ操作による均し作業を開始させる前に、角度θが目標角度θmとなるように、バケット6を自動的に開閉させている。しかしながら、コントローラ30は、アーム開き操作による均し作業を開始させる前に、角度θが目標角度θmとなるように、バケット6を自動的に開閉させてもよい。
同様に、図11に示す例では、コントローラ30は、アーム開き操作による、ダンプトラックTRの荷台に積み込まれた土砂に対する均し作業を開始させる前に、角度θが目標角度θmとなるように、バケット6を自動的に開閉させている。しかしながら、コントローラ30は、アーム閉じ操作による、ダンプトラックTRの荷台に積み込まれた土砂に対する均し作業を開始させる前に、角度θが目標角度θmとなるように、バケット6を自動的に開閉させてもよい。