WO2022070852A1 - 掘削位置決定システム、掘削制御システムおよび作業機械 - Google Patents

掘削位置決定システム、掘削制御システムおよび作業機械 Download PDF

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WO2022070852A1
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excavation
bucket
start position
position determination
determination system
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PCT/JP2021/033480
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龍之介 宮嵜
大輔 野田
耕治 山下
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コベルコ建機株式会社
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    • E02F9/26—Indicating devices
    • E02F9/264—Sensors and their calibration for indicating the position of the work tool
    • E02F9/265—Sensors and their calibration for indicating the position of the work tool with follow-up actions (e.g. control signals sent to actuate the work tool)

Definitions

  • the present invention relates to an excavation position determination system, an excavation control system and a work machine for a mountain-shaped excavation object excavated by a work machine.
  • Patent Document 1 describes conventional excavation control by a work machine.
  • the boom angle, the arm angle, and the turning angle are calculated so that the coordinates of the arm tip of the hydraulic backhoe and each excavation position match.
  • the angles of the boom, the arm, and the vehicle body are controlled so as to match each calculated value. It is stated that by shifting the excavation position in the turning direction, it is possible to easily and efficiently automatically excavate a section wider than the bucket width.
  • the tip of the arm is aligned with the excavation position set in advance, and excavation is performed in a predetermined order.
  • the shape of the excavated object may change each time depending on the excavation situation. Therefore, in the excavation control described in Patent Document 1, the excavation position cannot be appropriately determined according to the shape of the excavation object.
  • An object of the present invention is to provide an excavation position determination system capable of appropriately determining an excavation start position according to the shape of an excavation object.
  • the excavation position determination system is an excavation position determination system used for a work machine having a machine body and a bucket that can move relative to the machine body and capable of excavating a mountain-shaped excavation object. ..
  • the excavation position determination system includes an image pickup device capable of imaging the excavation object and the bucket, and a start position determination unit capable of determining the excavation start position of the bucket with respect to the excavation object. ..
  • the start position determining unit exposes one part of the bucket to the machine side and the bucket is one of the buckets. The position of the bucket is determined as the excavation start position so that the other part different from the part of the above is hidden by the excavation object.
  • an excavation control system in which the excavation control system is determined by the excavation position determination system described above and the start position determination unit of the excavation position determination system.
  • a signal input unit for inputting a drive command signal to the work machine is provided so that the excavation operation of the excavation object by the bucket is started from the start position.
  • the work machine includes a machine body, a bucket that can move relative to the machine body, a drive unit that can drive the bucket, and the above-mentioned.
  • the excavation control system described in 1. The signal input unit sends a drive command signal to the drive unit so that the excavation operation of the excavation object by the bucket is started from the excavation start position determined by the start position determination unit of the excavation position determination system. Enter.
  • FIG. 1 is a side view showing a hydraulic excavator which is an example of a working machine according to the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram of a system including an excavation position determination system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3A is a diagram for explaining a process of determining an excavation start position.
  • FIG. 3B is a diagram for explaining a process of determining the excavation start position.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining one process of determining the first excavation start position and the second excavation start position.
  • FIG. 5 is a plan view for explaining how the excavation start position is gradually shifted in the turning direction.
  • FIG. 6 is a plan view for explaining how the excavation start position is gradually shifted in the turning direction.
  • the controller counts the number of excavations, and the excavation No.
  • FIG. 8A is a diagram for explaining a process of a modification for determining an excavation start position.
  • FIG. 8B is a diagram for explaining a process of a modification for determining the excavation start position.
  • the hydraulic excavator 1 can excavate a mountain-shaped excavation object, for example.
  • the hydraulic excavator 1 is a machine that works with the attachment 4, and is supported by the lower traveling body 2 and the lower traveling body 2 so as to be able to turn around a turning center axis extending in the vertical direction.
  • the upper swivel body 3 and the attachment 4 are provided.
  • the lower traveling body 2 is a portion on which the hydraulic excavator 1 travels, and has a crawler 5 capable of traveling on the ground.
  • the upper swivel body 3 is mounted on the lower traveling body 2 so as to be swivelable via the swivel device 6.
  • the upper swing body 3 has a cab 7 which is a driver's cab in the front portion thereof.
  • the lower traveling body 2 and the upper turning body 3 constitute the airframe of the present invention.
  • the attachment 4 is attached to the upper swivel body 3 so as to be undulating (rotatable in the vertical direction).
  • the attachment 4 has a boom 10, an arm 11, and a bucket 12.
  • the base end of the boom 10 is attached to the upper swing body 3.
  • the base end of the arm 11 is attached to the tip of the boom 10.
  • the bucket 12 is attached to the tip of the arm 11.
  • the bucket 12 is a tip attachment for excavating, leveling, and scooping a mountain-shaped excavation object such as the earth and sand mountain 100 (see FIG. 3A and the like). At this time, the bucket 12 is movable relative to the aircraft.
  • the hydraulic excavator 1 further includes a boom cylinder 13, an arm cylinder 14, and a bucket cylinder 15 that drive the boom 10, the arm 11, and the bucket 12, respectively (driving unit).
  • the boom cylinder 13, the arm cylinder 14, and the bucket cylinder 15 are all hydraulic actuators.
  • the boom cylinder 13 drives the boom 10 in the upward direction and the downward direction by its expansion and contraction, respectively.
  • Each of the above cylinders (driving unit) can drive the bucket 12 relative to the upper swing body 3.
  • the hydraulic excavator 1 further includes a turning angle sensor 16, a boom angle sensor 17, an arm angle sensor 18, and a bucket angle sensor 19.
  • the turning angle sensor 16 detects the turning angle of the upper turning body 3 with respect to the lower traveling body 2.
  • the turning angle sensor 16 for example, an encoder, a resolver or a gyro sensor is used.
  • the boom angle sensor 17 is attached to the boom 10 and detects the posture of the boom 10.
  • the boom angle sensor 17 is a sensor that acquires the inclination angle of the boom 10 with respect to the horizon.
  • the boom angle sensor 17 may detect the posture of the boom 10 by detecting the rotation angle of the boom foot pin 10a (boom base end portion). Further, the boom angle sensor 17 may detect the posture of the boom 10 by detecting the stroke amount of the boom cylinder 13.
  • the arm angle sensor 18 is attached to the arm 11 and detects the posture of the arm 11.
  • the arm angle sensor 18 is a sensor that acquires the tilt angle of the arm 11 with respect to the horizon.
  • an inclination sensor or an acceleration sensor is used as the arm angle sensor 18, for example.
  • the arm angle sensor 18 may detect the posture of the arm 11 by detecting the rotation angle of the arm connecting pin 11a (arm base end portion). Further, the arm angle sensor 18 may detect the posture of the arm 11 by detecting the stroke amount of the arm cylinder 14.
  • the bucket angle sensor 19 is attached to the link member 21 for driving the bucket 12, and detects the posture of the bucket 12.
  • the bucket angle sensor 19 is a sensor that acquires the tilt angle of the bucket 12 with respect to the horizon.
  • the bucket angle sensor 19 may detect the posture of the bucket 12 by detecting the rotation angle of the bucket connecting pin 12a (bucket base end portion). Further, the bucket angle sensor 19 may detect the posture of the bucket 12 by detecting the stroke amount of the bucket cylinder 15.
  • the mobile terminal 22 shown in FIG. 1 is an external terminal operated by a worker at a work site, and is, for example, a tablet terminal.
  • the mobile terminal 22 can communicate with the controller 8 (start position determining unit) described later.
  • the mobile terminal 22 can be arranged outside the hydraulic excavator 1 (a position away from the hydraulic excavator 1).
  • the mobile terminal 22 can form a part of the excavation position determination system of the present invention.
  • An image pickup device 9 is attached to the hydraulic excavator 1. Further, the hydraulic excavator 1 is equipped with a controller 8. In the present embodiment, the image pickup apparatus 9 is attached to the front surface of the upper swing body 3. The controller 8 and the image pickup device 9 form a part of the excavation position determination system of the present invention.
  • the image pickup device 9 is a device capable of taking an image of the earth and sand mountain 100 (excavation target) and the bucket 12.
  • the image pickup device 9 is attached to the hydraulic excavator 1, but the image pickup device 9 may not be attached to the hydraulic excavator 1. That is, the image pickup device 9 may be installed at a position where the sediment mountain 100 and the bucket 12 can be imaged, such as around the hydraulic excavator 1 and around the place where the sediment mountain 100 is piled up.
  • a lidar for example, a lidar, a laser radar, a millimeter wave radar, or a stereo camera is used.
  • a combination of a rider and a camera may be used.
  • the image pickup device 9 is not limited to the earth and sand mountain 100 and the bucket 12, but can capture various objects.
  • the controller 8 is a computer that inputs / outputs signals, performs calculations such as determination and calculation, and stores information. As shown in FIG. 2, signals from the image pickup device 9, the boom angle sensor 17, the arm angle sensor 18, the bucket angle sensor 19, and the swivel angle sensor 16 are input to the controller 8. The controller 8 outputs a control signal to the boom operation device 23, the arm operation device 24, the bucket operation device 25, and the turning operation device 26.
  • the boom operating device 23 is a device that controls the boom cylinder 13.
  • the boom operating device 23 is, for example, a hydraulic control device, and is composed of a directional control valve, a pressure control valve, a flow rate control valve, and the like.
  • the arm operating device 24 is a device that controls the arm cylinder 14.
  • the arm operating device 24 is, for example, a hydraulic control device, and is composed of a directional control valve, a pressure control valve, a flow rate control valve, and the like.
  • the bucket operating device 25 is a device that controls the bucket cylinder 15.
  • the bucket operating device 25 is, for example, a hydraulic control device, and is composed of a directional control valve, a pressure control valve, a flow rate control valve, and the like.
  • the turning operation device 26 is a device that controls the turning device 6.
  • the swivel operation device 26 is, for example, a hydraulic control device, and is composed of a directional control valve, a pressure control valve, a flow rate control valve, and the like.
  • the controller 8 (start position determination unit) is configured to be able to determine the excavation start position of the bucket 12 with respect to the earth and sand mountain 100.
  • the excavation start position is a reference point at which the bucket 12 starts the excavation operation for the earth and sand mountain 100.
  • the boom 10 is driven in the downward direction from the state where the bucket 12 is arranged at the excavation start position.
  • the excavation position determination system includes an image pickup device 9 and a controller 8.
  • the controller 8 (object identification unit) can specify the bucket 12 and the earth and sand mountain 100 from the image pickup data of the image pickup device 9.
  • FIG. 3A is a diagram for explaining one process of determining the excavation start position of the bucket 12.
  • FIG. 3A is a view when the earth and sand mountain 100 is viewed from the hydraulic excavator 1.
  • the controller 8 moves the bucket 12 toward the earth and sand mountain 100 in the turning direction near the ground G.
  • the controller 8 swivels the upper swivel body 3.
  • the bucket 12 is positioned by the controller 8 behind the earth and sand pile 100 when viewed from the hydraulic excavator 1.
  • the position and posture of the bucket 12 can be calculated by the controller 8 from the signals from the angle sensors 16 to 19.
  • the controller 8 stores in advance the dimensional information of each member such as the upper swing body 3, the boom 10, the arm 11, and the bucket 12.
  • the controller 8 controls the position and orientation of the bucket 12.
  • the controller 8 sees the earth and sand mountain 100 from the hydraulic excavator 1 (aircraft) based on the detection data of the image pickup device 9, the bucket 12 is not completely hidden by the earth and sand mountain 100, and the earth and sand mountain 100 and the bucket 12
  • the position of the bucket 12 when partially overlapped is determined as the excavation start position of the bucket 12 with respect to the earth and sand mountain 100.
  • the excavation start position is different from the one part of the bucket 12 while the one part of the bucket 12 is exposed to the machine side when the bucket 12 is viewed from the machine body side.
  • the position of the bucket 12 is such that the portion of is hidden by the earth and sand mountain 100.
  • the controller 8 sees the earth and sand pile 100 from the hydraulic excavator 1, the portion of the bucket 12 that does not overlap with the earth and sand pile 100 with respect to the entire area of the bucket 12 (the above-mentioned one part).
  • the position of the bucket 12 such that the ratio of the area S of the above is equal to or less than a predetermined value (ratio) is determined as the excavation start position.
  • the total area of the bucket 12 is, for example, the point cloud data (detection data) of the bucket 12 acquired by the image pickup apparatus 9 when the bucket 12 is not hidden in the earth and sand mountain 100 (the bucket 12 shown by the alternate long and short dash line in FIG. 3A). Is calculated by the controller 8.
  • the predetermined value (ratio) is, for example, 30%.
  • the controller 8 (excavation position determination system)
  • the excavation start position according to the shape of the earth and sand mountain 100 can be automatically and appropriately determined. Then, in the subsequent excavation, it is possible to prevent the excavation residue from being generated, and it is possible to efficiently excavate the earth and sand mountain 100. Furthermore, if the bucket 12 is completely hidden by the earth and sand mountain 100, the amount of soil in the bucket 12 cannot be detected during excavation.
  • the amount of soil in the bucket 12 being excavated can be detected by the image pickup device 9 or the like. Therefore, when excavating a certain amount of earth and sand, the bucket 12 is scooped up. Therefore, unnecessary excavation operation can be prevented and earth and sand can be excavated efficiently.
  • the bucket 12 determines the excavation start position of the bucket 12 by using the ratio of the area S of the portion that does not overlap with the sediment mountain 100 of the bucket 12 to the total area of the bucket 12. It is possible to more reliably prevent the earth and sand mountain 100 and the bucket 12 from being completely hidden by the 100 and not overlapping with each other.
  • the predetermined value (ratio) of, for example, 30% may be directly input to the controller 8 by the operator, or may be input to the controller 8 from the mobile terminal 22. That is, the worker may be able to correct the excavation start position by changing the predetermined value (ratio) using the mobile terminal 22. If the excavation start position can be corrected from the mobile terminal 22, the operator can flexibly set the excavation start position from a place away from the hydraulic excavator 1.
  • the above controller 8 also functions as a signal input unit of the present invention.
  • the signal input unit gives a drive command to the drive unit (cylinder) of the hydraulic excavator 1 so that the excavation operation of the earth and sand mountain 100 by the bucket 12 is started from the excavation start position determined by the controller 8 (start position determination unit). Input the signal.
  • the image pickup device 9 and the controller 8 constitute the excavation control system of the present invention.
  • FIG. 3B is a diagram for explaining another process different from FIG. 3A for determining the excavation start position of the bucket 12.
  • FIG. 3B is a view when the earth and sand mountain 100 is viewed from the hydraulic excavator 1.
  • the controller 8 moves the bucket 12 toward the earth and sand mountain 100 in the turning direction near the ground G.
  • the controller 8 swivels the upper swivel body 3.
  • the bucket 12 is positioned behind the sediment mountain 100 by the controller 8.
  • the controller 8 sees the earth and sand mountain 100 from the hydraulic excavator 1, the end Pe of the earth and sand mountain 100 on the side closer to the bucket 12 in the direction in which the bucket 12 is brought closer to the earth and sand mountain 100, and the direction in which the bucket 12 is brought closer to the earth and sand mountain 100.
  • the position of the bucket 12 such that the distance Y1 (offset distance) between the end Pb1 of the bucket 12 and the end Pb1 of the bucket 12 in the opposite direction is equal to or less than a predetermined value (distance) is determined as the excavation start position.
  • the end Pe is a point in the lower corner of the point cloud data (detection data) of the earth and sand mountain 100 acquired by the image pickup apparatus 9 on the side close to the bucket 12. Further, the end Pb1 is a point in the lower corner portion on the side far from the earth and sand mountain 100 in the point cloud data (detection data) of the bucket 12 acquired by the image pickup apparatus 9.
  • the predetermined value (distance) is, for example, 200 mm.
  • the distance Y1 between the end Pe of the earth and sand mountain 100 on the side closer to the bucket 12 in the direction in which the bucket 12 is brought closer to the earth and sand mountain 100 and the end Pb1 of the bucket 12 in the direction opposite to the direction in which the bucket 12 is brought closer to the earth and sand mountain 100 ( By determining the excavation start position of the bucket 12 using the offset distance), it is more certain that the bucket 12 is completely hidden by the earth and sand mountain 100 or that the earth and sand mountain 100 and the bucket 12 do not overlap. Can be prevented.
  • the predetermined value (distance) of, for example, 200 mm may be directly input to the controller 8 by the operator, or may be input to the controller 8 from the mobile terminal 22. That is, the excavation start position may be corrected by changing the predetermined value (distance) from the mobile terminal 22. If the excavation start position can be corrected from the mobile terminal 22, the operator can flexibly set the excavation start position from a place away from the hydraulic excavator 1.
  • the controller 8 determines the excavation start position of the bucket 12 with respect to the earth and sand mountain 100 in the turning direction of the upper turning body 3 with respect to the lower traveling body 2.
  • FIG. 4 describes one process of determining the first excavation start position and the second excavation start position when excavating the earth and sand mountain 100 while gradually shifting the bucket 12 in the turning direction for each excavation. It is a figure for.
  • FIG. 5 is a plan view for explaining how the excavation start position is gradually shifted in the turning direction.
  • the upper diagram in FIG. 4 shows the first excavation start position of the bucket 12, which is the same diagram as in FIG. 3B.
  • the lower figure in FIG. 4 shows the second excavation start position of the bucket 12.
  • FIG. 5 shows a three-dimensional Cartesian coordinate system with reference to the hydraulic excavator 1.
  • the direction from the hydraulic excavator 1 toward the earth and sand mountain 100 is the X-axis direction (X-axis).
  • the Y-axis is an axis in the horizontal plane in the direction perpendicular to the X-axis
  • the Z-axis is an axis perpendicular to both the X-axis and the Y-axis.
  • the Z-axis is an axis that faces in the vertical direction.
  • the method of determining the first excavation start position of the bucket 12 and the method of determining the second excavation start position of the bucket 12 are the same.
  • the controller 8 moves the bucket 12 toward the earth and sand mountain 100 in the turning direction in the vicinity of the ground G. Based on the detection data of the image pickup apparatus 9, the controller 8 determines the position of the bucket 12 with respect to the sediment mountain 100 when the bucket 12 is not completely hidden by the sediment mountain 100 and the sediment mountain 100 and the bucket 12 partially overlap each other. It is determined as the first excavation start position of the bucket 12 (upper view in FIG. 4).
  • the controller 8 starts the second and subsequent excavations so that the bucket 12 is not completely hidden by the sediment mountain 100 and the sediment mountain 100 and the bucket 12 partially overlap each other. Determine the position (lower figure in FIG. 4).
  • the controller 8 is such that one part of the bucket 12 is exposed to the machine body side and the other part of the bucket 12 is hidden by the earth and sand mountain 100.
  • the position is determined as the excavation start position.
  • the controller 8 shifts the second and subsequent excavation start positions in the turning direction (Y-axis direction) of the bucket 12 from the previous excavation start position.
  • the shape of the earth and sand mountain 100 changes each time according to the excavation situation. According to this configuration, not only in the first excavation but also in the second and subsequent excavations, the excavation start position according to the shape of the earth and sand mountain 100 can be automatically and appropriately determined.
  • both the first excavation start position and the second and subsequent excavation start positions are the same as in FIG.
  • the excavation start position of the bucket 12 is determined using the distance Y1 (offset distance) between the end Pe of the earth and sand mountain 100 and the end Pb1 of the bucket 12 in the direction opposite to the direction in which the bucket 12 is brought closer to the earth and sand mountain 100. are doing.
  • the controller 8 uses the ratio of the area S of the portion of the bucket 12 that does not overlap with the sediment pile 100 to the total area of the bucket 12 to excavate each of the buckets 12.
  • the starting position may be determined.
  • the end Pb1 is a point in the lower corner of the point cloud data (detection data) of the bucket 12 acquired by the image pickup apparatus 9 on the side far from the earth and sand mountain 100. This end Pb1 may not be detected by the sediment deposited on the ground G.
  • the controller 8 calculates the coordinates of the end Pb1 from the end Pb4 at the upper corner of the bucket 12, which is above the end Pb1 and using the dimensions of the bucket 12 stored in the controller 8. be able to.
  • the controller 8 may shift the excavation start position for the second and subsequent excavations by a predetermined angle in the turning direction of the bucket 12 for each excavation round.
  • This predetermined angle is a fixed value determined by the worker and input to the controller 8 without being based on the detection data of the image pickup device 9. Even in the case of such a fixed value, it is possible to prevent the bucket 12 from completely hiding in the earth and sand pile 100. Therefore, in the subsequent excavation, the earth and sand mountain 100 can be excavated efficiently. The calculation load of the controller 8 can be suppressed.
  • FIG. 5 is a plan view for explaining how the excavation start position is gradually shifted in the turning direction.
  • the excavation direction is the X-axis direction, but the excavation direction is, to be exact, the direction toward the base end portion of the boom 10 of the hydraulic excavator 1.
  • FIG. 6 is a plan view for explaining a state in which the excavation start position is gradually shifted in the turning direction.
  • the controller 8 counts the number of excavations, and the excavation No. It is a flowchart for demonstrating the processing flow which changes the excavation start position according to.
  • the entire excavation range of the earth and sand mountain 100 in the turning direction is in the range of -20 ° to 20 ° when viewed from the hydraulic excavator 1.
  • the controller 8 may be able to shift the second and subsequent excavation start positions in the turning direction of the bucket 12 according to the number of excavations input to the controller 8.
  • the number "5" is input to the controller 8 as the number of excavations N, for example, as to how many excavations the entire range (total excavation range) of the earth and sand mountain 100 in the turning direction is excavated. And. That is, it is assumed that the entire range of the earth and sand mountain 100 in the turning direction is excavated by excavating a total of 5 times.
  • the controller 8 moves the bucket 12 toward the earth and sand mountain 100 in the turning direction. Based on the detection data of the image pickup apparatus 9, the controller 8 determines the position of the bucket 12 with respect to the sediment mountain 100 when the bucket 12 is not completely hidden by the sediment mountain 100 and the sediment mountain 100 and the bucket 12 partially overlap each other. It is determined as the first excavation start position of the bucket 12 (step S2).
  • controller 8 controls the boom 10, the arm 11, and the bucket 12 to excavate the earth and sand mountain 100 (step S3).
  • step S4 the controller 8 is the excavation No. 1 is added to (step S4), and the excavation No. If does not exceed 5, (No in step S5), the process returns to step S2.
  • excavation No. Is more than 5, that is, N + 1 or more the controller 8 determines that the excavation is completed (step S6), and the excavation is completed.
  • the second and subsequent excavation start positions are determined, for example, as follows.
  • the controller 8 divides the range remaining in the first excavation of the entire excavation range (-20 ° to 20 °) of the earth and sand mountain 100 evenly in the turning direction, and at equal intervals in the turning direction in the second and subsequent excavations (20 ° to 20 °).
  • the number of excavations is determined by the operator on the condition that the excavation range of the nth bucket and the excavation range of the n + 1th bucket partially overlap, and the operator inputs the determined excavation number to the controller 8. May be good. That is, the controller 8 can accept the input of the number of excavations for the earth and sand mountain 100, and the predetermined angle according to the input number of excavations so that the second and subsequent excavation start positions move in the turning direction. It is possible to set.
  • the operator may re-enter the number of excavations in the controller 8.
  • the operator may input the number of excavations from the mobile terminal 22 to the controller 8. That is, it may be possible to correct the excavation start position by changing the number of excavations from the mobile terminal 22.
  • the mobile terminal 22 can input a signal for correcting the excavation start position to the controller 8.
  • the controller 8 can shift the excavation start position in the turning direction of the bucket 12 according to the input number of excavations, the operator can shift the excavation start position according to the shape of the earth and sand mountain 100. Since the number of excavations can be changed by re-inputting the number of excavations in, the hydraulic excavator 1 can flexibly perform excavation according to the shape of the earth and sand mountain 100.
  • FIG. 8A is a diagram for explaining one process of a modification in which the excavation start position is determined in the present invention.
  • the controller 8 has been described in a mode in which the bucket 12 is moved toward the earth and sand mountain 100 in the turning direction in the vicinity of the ground G.
  • the controller 8 lowers the bucket 12 from above the earth and sand mountain 100 to the rear side of the earth and sand mountain 100, and arranges the bucket 12 at the excavation start position. In this case, the controller 8 moves the arm 11 in the lowering direction.
  • the controller 8 sees the sediment mountain 100 from the hydraulic excavator 1 based on the detection data of the image pickup device 9, the area S of the portion of the portion that does not overlap with the sediment mountain 100 of the bucket 12 with respect to the total area of the bucket 12.
  • the position of the bucket 12 such that the ratio is equal to or less than a predetermined value (ratio) is determined as the excavation start position.
  • the predetermined value (ratio) is, for example, 30%.
  • the controller 8 shifts the excavation start position from the second time onward to the lower side than the previous excavation start position.
  • FIG. 8B is a modification of the present invention for determining the excavation start position, and is a diagram for explaining a process different from that of FIG. 8A.
  • the controller 8 has been described in a mode in which the bucket 12 is moved toward the earth and sand mountain 100 in the turning direction in the vicinity of the ground G.
  • the controller 8 lowers the bucket 12 from above the earth and sand mountain 100 to the rear side of the earth and sand mountain 100, and arranges the bucket 12 at the excavation start position. Also in this case, the controller 8 moves the arm 11 in the lowering direction.
  • the controller 8 sees the earth and sand mountain 100 (bucket 12) from the hydraulic excavator 1 (aircraft) based on the detection data of the image pickup device 9, the controller 8 is on the side closer to the bucket 12 in the direction of bringing the bucket 12 closer to the earth and sand mountain 100.
  • the distance Z1 (offset distance) between the end Pm of the earth and sand mountain 100 and the end Pb3 of the bucket 12 in the direction opposite to the direction in which the bucket 12 is brought closer to the earth and sand mountain 100 is equal to or less than a predetermined value (distance).
  • the position of the bucket 12 is determined as the excavation start position.
  • the predetermined value (distance) is, for example, 200 mm.
  • the controller 8 shifts the excavation start position from the second time onward to the lower side than the previous excavation start position.
  • the controller 8 determines the excavation start position of the bucket 12 with respect to the earth and sand mountain 100 in the undulating direction of the attachment 4 with respect to the upper swivel body 3.
  • the mountain-shaped excavation target may be a crushed stone mountain, a scrap mountain, a rubber mountain, or the like, instead of the earth and sand mountain 100.
  • FIG. 3A and the like it is shown that the bucket 12 is moved in the turning direction toward the earth and sand mountain 100 in the vicinity of the ground G to determine the excavation start position of the bucket 12 with respect to the earth and sand mountain 100. Instead, the bucket 12 is positioned above the ground G at a height not exceeding the height of the apex of the earth and sand mountain 100, and the bucket 12 is moved from that position toward the earth and sand mountain 100 in the turning direction. The excavation start position of the bucket 12 with respect to the earth and sand mountain 100 may be determined.
  • an excavation position determination system used for a work machine having an airframe and a bucket that can move relative to the airframe and capable of excavating a mountain-shaped excavation object.
  • the excavation position determination system includes an image pickup device capable of imaging the excavation object and the bucket, and a start position determination unit capable of determining the excavation start position of the bucket with respect to the excavation object. ..
  • the start position determining unit exposes one part of the bucket to the machine side and the bucket is one of the buckets. The position of the bucket is determined as the excavation start position so that the other part different from the part of the above is hidden by the excavation object.
  • the start position determining unit when the bucket is viewed from the aircraft, the start position determining unit has a ratio of the area of the one portion of the bucket exposed to the aircraft side to the total area of the bucket. , The position of the bucket so as to be equal to or less than a predetermined value may be determined as the excavation start position.
  • the start position determining unit when the bucket is viewed from the airframe, includes the end of the excavation object on the side closer to the bucket in the direction of bringing the bucket closer to the excavation object, and the bucket.
  • the position of the bucket so that the distance between the bucket and the end of the bucket in the direction opposite to the direction of approaching the excavation object is equal to or less than a predetermined value may be determined as the excavation start position.
  • the start position determining unit exposes one part of the bucket to the machine body side and the bucket.
  • the position of the bucket so that the other part is hidden by the excavation object is determined as the first excavation start position, and one part of the bucket is exposed to the machine body side and the other part of the bucket is exposed.
  • the position of the bucket that is hidden by the excavation object may be determined as the excavation start position for the second and subsequent times.
  • the start position determining unit is provided with one part of the bucket exposed to the machine body side.
  • the position of the bucket so that the other part of the bucket is hidden by the excavation object is determined as the first excavation start position, and the excavation start position is shifted by a predetermined angle from the second and subsequent excavation start positions. It may determine the position.
  • the start position determining unit can receive an input of the number of excavations for the excavation object, and the input excavation so that the second and subsequent excavation start positions move in the turning direction. It may be possible to set the predetermined angle according to the number of times.
  • an external terminal that can be arranged at a position away from the work machine and can communicate with the start position determination unit is further provided, and the external terminal is the excavation start position with respect to the start position determination unit. It may be possible to input a signal for correcting the above.
  • an excavation control system wherein the excavation control system is the excavation start position determined by the excavation position determination system described above and the start position determination unit of the excavation position determination system.
  • a signal input unit for inputting a drive command signal to the work machine is provided so that the excavation operation of the excavation object by the bucket is started.
  • the work machine includes a machine body, a bucket that can move relative to the machine body, a drive unit that can drive the bucket, and the above-mentioned.
  • the excavation control system described in the above is provided.
  • the signal input unit sends a drive command signal to the drive unit so that the excavation operation of the excavation object by the bucket is started from the excavation start position determined by the start position determination unit of the excavation position determination system. Enter.
  • the machine body includes a lower traveling body, an upper rotating body supported by the lower traveling body so as to be able to turn around a turning center axis extending in the vertical direction, and the bucket, and the upper turning body.
  • the start position determining unit determines the excavation start position of the bucket with respect to the excavation object in the turning direction of the upper swivel body with respect to the lower traveling body. But it may be.
  • the machine body includes a lower traveling body, an upper turning body supported by the lower traveling body so as to be able to turn around a turning center axis extending in the vertical direction, and the bucket, and the upper turning body.
  • the start position determination unit may determine the excavation start position of the bucket with respect to the excavation object in the undulation direction of the attachment with respect to the upper swivel body. ..

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Abstract

掘削対象物の形状に応じた掘削開始位置を適切に決定することができる掘削位置決定システムを提供する。掘削位置決定システムは、山形状の掘削対象物（１００）および作業機械が有するバケット（１２）を撮像する撮像装置（９）と、掘削対象物に対するバケットの掘削開始位置を決定することが可能な開始位置決定部（８）と、を備える。開始位置決定部は、撮像装置の検出データに基づいて、作業機械の機体からバケットを見たときに、バケットが掘削対象物に完全に隠れずに、掘削対象物とバケットとが一部重なるときのバケットの位置を前記掘削開始位置として決定する。

Description

掘削位置決定システム、掘削制御システムおよび作業機械
　本発明は、作業機械により掘削される山形状の掘削対象物に対する掘削位置の決定システム、掘削制御システムおよび作業機械に関する。
　例えば特許文献１には、作業機械による従来の掘削制御が記載されている。特許文献１では、油圧バックホーのアーム先端の座標と各掘削位置とが一致するように、ブーム角度、アーム角度、および旋回角度が算出される。そして、各算出値に一致するようにブーム、アーム、および車体の角度が制御される。掘削位置を旋回方向にずらすことで、バケット幅より広範囲の区画を容易に且つ効率よく自動掘削することができると記載されている。
特開昭５４－１２３２０２号公報
　特許文献１に記載された掘削制御では、事前に設定した掘削位置にアーム先端を合わせ、定められた順番の通りに掘削が行われる。
　しかしながら、掘削対象物は、その掘削状況に応じて形状が都度変化することがある。このため、特許文献１に記載された掘削制御では、掘削対象物の形状に応じて掘削位置を適切に決めることはできない。
　本発明の目的は、掘削対象物の形状に応じて掘削開始位置を適切に決定することができる掘削位置決定システムを提供することにある。
　本発明に係る掘削位置決定システムは、機体と前記機体に対して相対移動可能なバケットとを有し山形状の掘削対象物を掘削することが可能な作業機械に用いられる掘削位置決定システムである。当該掘削位置決定システムは、前記掘削対象物および前記バケットを撮像することが可能な撮像装置と、前記掘削対象物に対する前記バケットの掘削開始位置を決定することが可能な開始位置決定部とを備える。前記開始位置決定部は、前記撮像装置の検出データに基づいて、前記機体から前記バケットを見たときに、前記バケットのうちの一の部分が前記機体側に露出するとともに前記バケットのうち前記一の部分とは異なる他の部分が前記掘削対象物に隠れるような前記バケットの位置を前記掘削開始位置として決定する。
　また、本発明によって提供されるのは掘削制御システムであって、当該掘削制御システムは、上記に記載の掘削位置決定システムと、前記掘削位置決定システムの前記開始位置決定部によって決定された前記掘削開始位置から前記バケットによる前記掘削対象物の掘削動作が開始されるように、前記作業機械に駆動指令信号を入力する信号入力部と、を備える。
　また、本発明によって提供されるのは作業機械であって、当該作業機械は、機体と、前記機体に対して相対移動可能なバケットと、前記バケットを駆動することが可能な駆動部と、上記に記載の掘削制御システムと、を備える。前記信号入力部は、前記掘削位置決定システムの前記開始位置決定部によって決定された前記掘削開始位置から前記バケットによる前記掘削対象物の掘削動作が開始されるように、前記駆動部に駆動指令信号を入力する。
図１は、本発明に係る作業機械の一例である油圧ショベルを示す側面図である。 図２は、本発明の一実施形態に係る掘削位置決定システムを含むシステムのブロック図である。 図３Ａは、掘削開始位置を決定する一プロセスを説明するための図である。 図３Ｂは、掘削開始位置を決定する一プロセスを説明するための図である。 図４は、１回目の掘削開始位置、２回目の掘削開始位置を決定する一プロセスを説明するための図である。 図５は、掘削開始位置を旋回方向に徐々にずらす様子を説明するための平面図である。 図６は、掘削開始位置を旋回方向に徐々にずらす様子を説明するための平面図である。 図７は、コントローラが掘削回数をカウントし、掘削Ｎｏ．に応じて掘削開始位置を変更するコントローラの処理フローを説明するためのフローチャートである。 図８Ａは、掘削開始位置を決定する変形例の一プロセスを説明するための図である。 図８Ｂは、掘削開始位置を決定する変形例の一プロセスを説明するための図である。
　以下、本発明の一実施形態について図面を参照しつつ説明する。以下の説明では、作業機械として油圧ショベル１を例にとって説明する。
　油圧ショベル１は、たとえば山形状の掘削対象物を掘削することが可能である。図１に示すように、油圧ショベル１は、アタッチメント４で作業を行う機械であり、下部走行体２と、上下方向に延びる旋回中心軸回りに旋回可能なように下部走行体２に支持された上部旋回体３と、前記アタッチメント４とを備える。
　下部走行体２は、油圧ショベル１を走行させる部分であり、地面を走行可能なクローラ５を有する。上部旋回体３は、下部走行体２の上に旋回装置６を介して旋回可能に取り付けられる。上部旋回体３は、その前部に運転室であるキャブ７を有する。下部走行体２および上部旋回体３は、本発明の機体を構成する。
　アタッチメント４は、起伏可能（上下方向へ回動可能）に上部旋回体３に取り付けられる。アタッチメント４は、ブーム１０と、アーム１１と、バケット１２とを有する。ブーム１０は、その基端部が上部旋回体３に取り付けられる。アーム１１は、その基端部がブーム１０の先端部に取り付けられる。バケット１２は、アーム１１の先端部に取り付けられる。バケット１２は、土砂山１００（図３Ａ等参照）などの山形状の掘削対象物の掘削、ならし、すくいなどの作業を行う先端のアタッチメントである。この際、バケット１２は、前記機体に対して相対移動可能とされる。
　油圧ショベル１は、ブーム１０、アーム１１およびバケット１２をそれぞれ駆動する、ブームシリンダ１３、アームシリンダ１４およびバケットシリンダ１５を更に備える（駆動部）。ブームシリンダ１３、アームシリンダ１４およびバケットシリンダ１５は、いずれも油圧アクチュエータである。例えばブームシリンダ１３は、その伸長および収縮によりブーム１０を上げ方向および下げ方向にそれぞれ駆動する。上記の各シリンダ（駆動部）は、バケット１２を上部旋回体３に対して相対的に駆動することが可能である。
　油圧ショベル１は、旋回角度センサ１６、ブーム角度センサ１７、アーム角度センサ１８およびバケット角度センサ１９を更に備える。
　旋回角度センサ１６は、下部走行体２に対する上部旋回体３の旋回角度を検出する。旋回角度センサ１６として、例えば、エンコーダ、レゾルバまたはジャイロセンサが用いられる。
　ブーム角度センサ１７は、ブーム１０に取り付けられ、ブーム１０の姿勢を検出する。ブーム角度センサ１７は、水平線に対するブーム１０の傾斜角度を取得するセンサである。ブーム角度センサ１７として、例えば、傾斜センサまたは加速度センサが用いられる。なお、ブーム角度センサ１７は、ブームフットピン１０ａ（ブーム基端部）の回転角度を検出することで、ブーム１０の姿勢を検出してもよい。また、ブーム角度センサ１７は、ブームシリンダ１３のストローク量を検出することで、ブーム１０の姿勢を検出してもよい。
　アーム角度センサ１８は、アーム１１に取り付けられ、アーム１１の姿勢を検出する。アーム角度センサ１８は、水平線に対するアーム１１の傾斜角度を取得するセンサである。アーム角度センサ１８として、例えば、傾斜センサ、または加速度センサが用いられる。なお、アーム角度センサ１８は、アーム連結ピン１１ａ（アーム基端部）の回転角度を検出することで、アーム１１の姿勢を検出してもよい。また、アーム角度センサ１８は、アームシリンダ１４のストローク量を検出することで、アーム１１の姿勢を検出してもよい。
　バケット角度センサ１９は、バケット１２を駆動するためのリンク部材２１に取り付けられ、バケット１２の姿勢を検出する。バケット角度センサ１９は、水平線に対するバケット１２の傾斜角度を取得するセンサである。バケット角度センサ１９として、例えば、傾斜センサ、または加速度センサが用いられる。なお、バケット角度センサ１９は、バケット連結ピン１２ａ（バケット基端部）の回転角度を検出することで、バケット１２の姿勢を検出してもよい。また、バケット角度センサ１９は、バケットシリンダ１５のストローク量を検出することで、バケット１２の姿勢を検出してもよい。
　図１に示す携帯端末２２は、作業現場にいる作業者により操作される外部端末であって、例えばタブレット端末である。携帯端末２２は、後述するコントローラ８（開始位置決定部）と相互に通信可能である。携帯端末２２は、油圧ショベル１の外部（油圧ショベル１から離れた位置）に配置可能である。携帯端末２２は、本発明の掘削位置決定システムの一部を構成することができる。
　油圧ショベル１には、撮像装置９が取り付けられている。また、油圧ショベル１にはコントローラ８が搭載されている。本実施形態では、撮像装置９は上部旋回体３の正面に取り付けられている。コントローラ８および撮像装置９は、本発明の掘削位置決定システムの一部を構成する。
　撮像装置９は、土砂山１００（掘削対象物）およびバケット１２を撮像することが可能な装置である。本実施形態では、油圧ショベル１に撮像装置９が取り付けられているが、撮像装置９は油圧ショベル１に取り付けられていなくてもよい。すなわち、撮像装置９は、油圧ショベル１の周辺や、土砂山１００が積まれる場所の周辺など、土砂山１００およびバケット１２を撮像可能な位置に設置されてもよい。
　撮像装置９として、例えば、ライダ（ＬＩＤＡＲ）、レーザレーダ、ミリ波レーダ、またはステレオカメラが用いられる。撮像装置９として、ライダとカメラとを組み合わせたものが用いられてもよい。
　なお、撮像装置９は、土砂山１００およびバケット１２に限らず、様々なものを撮像することができる。
　コントローラ８は、信号の入出力、判定や算出などの演算、情報の記憶などを行うコンピュータである。図２に示すように、撮像装置９、ブーム角度センサ１７、アーム角度センサ１８、バケット角度センサ１９および旋回角度センサ１６からの信号は、コントローラ８に入力される。コントローラ８は、ブーム操作装置２３、アーム操作装置２４、バケット操作装置２５および旋回操作装置２６に制御信号を出力する。
　ブーム操作装置２３は、ブームシリンダ１３を制御する装置である。ブーム操作装置２３は、例えば油圧制御装置であって、方向制御弁、圧力制御弁、流量制御弁などから構成される。
　アーム操作装置２４は、アームシリンダ１４を制御する装置である。アーム操作装置２４は、例えば油圧制御装置であって、方向制御弁、圧力制御弁、流量制御弁などから構成される。
　バケット操作装置２５は、バケットシリンダ１５を制御する装置である。バケット操作装置２５は、例えば油圧制御装置であって、方向制御弁、圧力制御弁、流量制御弁などから構成される。
　旋回操作装置２６は、旋回装置６を制御する装置である。旋回操作装置２６は、例えば油圧制御装置であって、方向制御弁、圧力制御弁、流量制御弁などから構成される。
　コントローラ８（開始位置決定部）は、土砂山１００に対するバケット１２の掘削開始位置を決定することが可能に構成される。なお、掘削開始位置は、バケット１２が土砂山１００に対する掘削動作を開始する基準点であり、一例として、バケット１２が掘削開始位置に配置された状態から、ブーム１０が下げ方向に駆動されるとともにアーム１１が引き方向に駆動されると、バケット１２が土砂山１００の土砂に接触する。前述のように、本発明に係る掘削位置決定システムは、撮像装置９と、コントローラ８とを有する。コントローラ８（対象物特定部）は、撮像装置９の撮像データから、バケット１２および土砂山１００を特定することができる。
　図３Ａは、バケット１２の掘削開始位置を決定する一プロセスを説明するための図である。図３Ａは、油圧ショベル１から土砂山１００を見たときの図である。
　コントローラ８は、地面Ｇ近傍においてバケット１２を土砂山１００へ向けて旋回方向に移動させる。コントローラ８は上部旋回体３を旋回させる。バケット１２はコントローラ８によって油圧ショベル１から見て土砂山１００の後側に位置させられる。なお、バケット１２の位置および姿勢は、各角度センサ１６～１９からの信号からコントローラ８が算出できる。コントローラ８には、上部旋回体３、ブーム１０、アーム１１、バケット１２などの各部材の寸法の情報が予め格納されている。コントローラ８は、バケット１２の位置および姿勢を制御する。
　コントローラ８は、撮像装置９の検出データに基づいて、油圧ショベル１（機体）から土砂山１００を見たときに、バケット１２が土砂山１００に完全に隠れずに、土砂山１００とバケット１２とが一部重なるときのバケット１２の位置を土砂山１００に対するバケット１２の掘削開始位置として決定する。換言すれば、掘削開始位置は、前記機体側からバケット１２を見た場合に、バケット１２のうちの一の部分が前記機体側に露出するとともに、バケット１２のうち前記一の部分とは異なる他の部分が土砂山１００に隠れるようなバケット１２の位置である。
　図３Ａに示す例では、コントローラ８は、油圧ショベル１から土砂山１００を見たときに、バケット１２の全体の面積に対する、バケット１２のうち土砂山１００と重なっていない部分（前記一の部分）の面積Ｓの割合が、所定の値（割合）以下となるようなバケット１２の位置を掘削開始位置として決定する。
　バケット１２の全体面積は、例えば、土砂山１００にバケット１２が隠れていないときの（図３Ａに二点鎖線でしめすバケット１２）撮像装置９により取得されたバケット１２の点群データ（検出データ）からコントローラ８によって算出される。上記所定の値（割合）は、例えば、３０％である。
　バケット１２が土砂山１００に完全に隠れてしまうと掘削残しが生じる。一方、土砂山１００とバケット１２とが重ならなかったら掘削がなされない。上記コントローラ８（掘削位置決定システム）によると、土砂山１００の形状に応じた掘削開始位置を自動で適切に決定することができる。そして、その後の掘削においては、掘削残しが生じることを防止でき、効率よく土砂山１００を掘削することができる。さらには、バケット１２が土砂山１００に完全に隠れてしまうと、掘削中にバケット１２内の土量を検出することができない。コントローラ８により決定された掘削位置においては、掘削中のバケット１２内の土量を撮像装置９等で検出することができるため、一定量以上の土砂を掘削した場合にバケット１２をすくい上げ操作することで、無駄な掘削動作を防止し、効率よく土砂を掘削することができる。
　また、バケット１２の全体の面積に対する、バケット１２の土砂山１００と重なっていない部分の面積Ｓの割合を用いて、コントローラ８がバケット１２の掘削開始位置を決定することで、バケット１２が土砂山１００に完全に隠れてしまったり、土砂山１００とバケット１２とが重ならなかったりすることをより確実に防止することができる。
　なお、例えば３０％とされる上記所定の値（割合）は、作業者によってコントローラ８に直接入力されてもよいし、携帯端末２２からコントローラ８に入力されてもよい。すなわち、作業者は、携帯端末２２を用いて上記所定の値（割合）を変更することによって、掘削開始位置の補正が可能とされていてもよい。携帯端末２２からの掘削開始位置の補正が可能であると、作業者は、油圧ショベル１から離れた場所から、臨機応変に掘削開始位置の設定を行うことができる。
　なお、上記のコントローラ８は、本発明の信号入力部としても機能する。信号入力部は、コントローラ８（開始位置決定部）によって決定された掘削開始位置からバケット１２による土砂山１００の掘削動作が開始されるように、油圧ショベル１の駆動部（各シリンダ）に駆動指令信号を入力する。この場合、撮像装置９およびコントローラ８は、本発明の掘削制御システムを構成する。
　図３Ｂは、バケット１２の掘削開始位置を決定する図３Ａとはまた別の一プロセスを説明するための図である。図３Ｂは、油圧ショベル１から土砂山１００を見たときの図である。
　コントローラ８は、地面Ｇ近傍においてバケット１２を土砂山１００へ向けて旋回方向に移動させる。コントローラ８は上部旋回体３を旋回させる。バケット１２はコントローラ８によって土砂山１００の後側に位置させられる。
　コントローラ８は、油圧ショベル１から土砂山１００を見たときに、バケット１２を土砂山１００に近づける方向におけるバケット１２に近い側の土砂山１００の端Ｐｅと、バケット１２を土砂山１００に近づける方向とは反対方向におけるバケット１２の端Ｐｂ１との間の距離Ｙ１（オフセット距離）が、所定の値（距離）以下となるようなバケット１２の位置を掘削開始位置として決定する。
　端Ｐｅは、撮像装置９により取得された土砂山１００の点群データ（検出データ）のうちのバケット１２に近い側の下角部の点である。また、端Ｐｂ１は、撮像装置９により取得されたバケット１２の点群データ（検出データ）のうちの土砂山１００から遠い側の下角部の点である。上記所定の値（距離）は、例えば、２００ｍｍである。
　バケット１２を土砂山１００に近づける方向におけるバケット１２に近い側の土砂山１００の端Ｐｅと、バケット１２を土砂山１００に近づける方向とは反対方向のバケット１２の端Ｐｂ１との間の距離Ｙ１（オフセット距離）を用いて、バケット１２の掘削開始位置を決定することで、バケット１２が土砂山１００に完全に隠れてしまったり、土砂山１００とバケット１２とが重ならなかったりすることをより確実に防止することができる。
　なお、例えば２００ｍｍとされる上記所定の値（距離）は、作業者によってコントローラ８に直接入力されてもよいし、携帯端末２２からコントローラ８に入力されてもよい。すなわち、携帯端末２２から、上記所定の値（距離）の変更による掘削開始位置の補正が可能とされていてもよい。携帯端末２２からの掘削開始位置の補正が可能であると、作業者は、油圧ショベル１から離れた場所から、臨機応変に掘削開始位置の設定を行うことができる。
　なお、図３Ａ、図３Ｂのいずれの場合においても、コントローラ８は、下部走行体２に対する上部旋回体３の旋回方向において、土砂山１００に対するバケット１２の掘削開始位置を決定する。
　図４は、掘削毎にバケット１２を旋回方向へ徐々にずらしていきながら、土砂山１００を掘削する場合の、１回目の掘削開始位置、２回目の掘削開始位置を決定する一プロセスを説明するための図である。図５は、掘削開始位置を旋回方向に徐々にずらす様子を説明するための平面図である。
　なお、図４中の上側の図は、バケット１２の１回目の掘削開始位置を示し、図３Ｂと同じ図である。図４中の下側の図は、バケット１２の２回目の掘削開始位置を示す。
　図５中の符号Ｂ１～Ｂ４を付した○印部分は、それぞれ、バケット１２の１回目～４回目の掘削開始位置を示す。符号（１）～（４）でそれぞれ示す旋回方向で相互に重なった二点鎖線の長方形は、１回目～４回目のバケット１２による掘削範囲を示す。また、図５に、油圧ショベル１を基準とする三次元の直交座標系を記載している。油圧ショベル１から土砂山１００に向かう方向がＸ軸方向（Ｘ軸）である。Ｙ軸は、水平面においてＸ軸に垂直な方向の軸であり、Ｚ軸は、Ｘ軸およびＹ軸のいずれにも垂直な軸である。Ｚ軸は、鉛直方向を向く軸である。
　図４に示す例では、バケット１２の１回目の掘削開始位置の決定方法も、バケット１２の２回目の掘削開始位置の決定方法も同じである。
　すなわち、コントローラ８は、地面Ｇ近傍においてバケット１２を土砂山１００へ向けて旋回方向に移動させる。コントローラ８は、撮像装置９の検出データに基づいて、バケット１２が土砂山１００に完全に隠れずに、土砂山１００とバケット１２とが一部重なるときのバケット１２の位置を、土砂山１００に対するバケット１２の１回目の掘削開始位置として決定する（図４中の上側の図）。
　同様に、コントローラ８は、撮像装置９の検出データに基づいて、バケット１２が土砂山１００に完全に隠れずに、土砂山１００とバケット１２とが一部重なるように、２回目以降の掘削開始位置を決定する（図４中の下側の図）。
　すなわち、上記の１回目、２回目のいずれにおいても、コントローラ８は、バケット１２の一の部分が前記機体側に露出するとともに、バケット１２の他の部分が土砂山１００に隠れるようなバケット１２の位置を掘削開始位置として決定する。なお、コントローラ８は、２回目以降の掘削開始位置を一つ前の掘削開始位置よりもバケット１２の旋回方向（Ｙ軸方向）へずらしていく。
　土砂山１００は、その掘削状況に応じて形状が都度変化するものである。この構成によると、１回目の掘削だけでなく、２回目以降の掘削においても、土砂山１００の形状に応じた掘削開始位置を自動で適切に決定することができる。
　図４および図５に示す例では、１回目の掘削開始位置も２回目以降の掘削開始位置も、図３Ｂと同じく、コントローラ８は、バケット１２を土砂山１００に近づける方向におけるバケット１２に近い側の土砂山１００の端Ｐｅと、バケット１２を土砂山１００に近づける方向とは反対方向におけるバケット１２の端Ｐｂ１との間の距離Ｙ１（オフセット距離）を用いて、バケット１２の掘削開始位置を決定している。
　これに代えて、図３Ａに示したように、コントローラ８は、バケット１２の全体の面積に対する、バケット１２の土砂山１００と重なっていない部分の面積Ｓの割合を用いて、バケット１２の各掘削開始位置を決定してもよい。
　なお、上記の端Ｐｂ１は、撮像装置９により取得されたバケット１２の点群データ（検出データ）のうちの土砂山１００から遠い側の下角部の点である。この端Ｐｂ１は、地面Ｇの上に堆積した土砂で検知できない場合があり得る。この場合、端Ｐｂ１よりも上方であって、且つバケット１２の上角部の端Ｐｂ４から、コントローラ８に格納されているバケット１２の寸法を用いて、端Ｐｂ１の座標をコントローラ８にて算出することができる。
　また、２回目以降の掘削開始位置の決定に関し、コントローラ８は、２回目以降の掘削開始位置を掘削回毎にバケット１２の旋回方向へ所定の角度ずつずらしていってもよい。この所定の角度は、撮像装置９の検出データに基づくことなく、作業員が決め、コントローラ８に入力した固定値である。このような固定値の場合であっても、バケット１２が土砂山１００に完全に隠れないようにし得る。そのため、その後の掘削において、効率よく土砂山１００を掘削することができる。コントローラ８の演算負荷を抑えることができる。
　コントローラ８は、１回目の掘削開始位置Ｂ１（図５参照）を決定すると、ブーム１０、アーム１１およびバケット１２を制御して１回目の掘削を行う。１回目の掘削および排土が終わったら、バケット１２を旋回方向に移動させて２回目の掘削開始位置Ｂ２を決定し２回目の掘削を行う。コントローラ８は、掘削開始位置を掘削回毎に徐々に旋回方向へずらしていく。図５は、掘削開始位置を旋回方向に徐々にずらす様子を説明するための平面図である。図５では、掘削方向は、Ｘ軸方向となっているが、掘削方向は、正確には油圧ショベル１のブーム１０の基端部に向かう方向となる。
　図６は、掘削開始位置を旋回方向に徐々にずらす場合の様子を説明するための平面図である。図７は、コントローラ８が掘削回数をカウントし、掘削Ｎｏ．に応じて掘削開始位置を変更する処理フローを説明するためのフローチャートである。
　図６に示すように、例えば、旋回方向における土砂山１００の全掘削範囲が、油圧ショベル１から視て－２０°～２０°の範囲であったとする。
　コントローラ８は、２回目以降の掘削開始位置を、コントローラ８に入力された掘削回数に応じてバケット１２の旋回方向へずらすことが可能であってもよい。
　ここで、旋回方向における土砂山１００の全範囲（全体の掘削範囲）を、何回の掘削回数で掘削するかについて、例えば、掘削回数Ｎとして「５」という数字がコントローラ８に入力されているとする。すなわち、合計５回の掘削で、旋回方向における土砂山１００の全範囲を掘削するとする。
　図７に示すように、コントローラ８は、掘削Ｎｏ．＝１とする（ステップ１、図７においてＳ１と表示、他のステップについても同様の表示とする）。
　コントローラ８は、バケット１２を土砂山１００へ向けて旋回方向に移動させる。コントローラ８は、撮像装置９の検出データに基づいて、バケット１２が土砂山１００に完全に隠れずに、土砂山１００とバケット１２とが一部重なるときのバケット１２の位置を、土砂山１００に対するバケット１２の１回目の掘削開始位置として決定する（ステップＳ２）。
　次に、コントローラ８は、ブーム１０、アーム１１、バケット１２を制御して土砂山１００の掘削を行う（ステップＳ３）。
　次に、コントローラ８は、掘削Ｎｏ．に１を足し（ステップＳ４）、掘削Ｎｏ．が５を超えていない場合は（ステップＳ５にてＮｏ）、ステップＳ２に戻る。一方、掘削Ｎｏ．が５を超えている、すなわち、Ｎ＋１以上の場合（ステップＳ５にてＹｅｓ）、掘削終了とコントローラ８が判断し（ステップＳ６）、掘削終了となる。
　上記において、２回目以降の掘削開始位置は、例えば、次のようにして決定される。土砂山１００の全掘削範囲（－２０°～２０°）のうちの１回目の掘削で残った範囲を、コントローラ８は旋回方向において均等割りし、２回目以降の掘削において旋回方向へ等間隔（所定の角度、等位相差）に掘削開始位置を徐々にずらしていく。すなわち、コントローラ８は、１回目の掘削で残った範囲を、残りの掘削回数＝４で旋回方向において均等割りする。
　なお、掘削回数は、ｎ回目のバケットの掘削範囲とｎ＋１回目のバケットの掘削範囲とが一部重なることを条件として作業者が決定し、決定した掘削回数を作業者がコントローラ８に入力してもよい。すなわち、コントローラ８は、土砂山１００に対する掘削回数の入力を受け付けることが可能であり、２回目以降の掘削開始位置が旋回方向に移動するように前記入力された掘削回数に応じて前記所定の角度を設定することが可能とされている。
　なお、掘削回数を変更したい場合、換言すれば、掘削開始位置の補正を行いたい場合は、作業者は、コントローラ８に掘削回数を入力し直してもよい。なお、作業者は、携帯端末２２からコントローラ８に掘削回数を入力してもよい。すなわち、携帯端末２２から、掘削回数の変更による掘削開始位置の補正が可能であってもよい。この場合、携帯端末２２は、コントローラ８に対して掘削開始位置を補正する信号を入力することが可能とされている。
　上記のように、コントローラ８が、入力された掘削回数に応じてバケット１２の旋回方向へ掘削開始位置をずらすことが可能である場合、作業者は、土砂山１００の形状に応じて、コントローラ８に掘削回数を入力し直して、掘削回数を変更することができるため、土砂山１００の形状に応じた掘削を臨機応変に油圧ショベル１に行わせることができる。
　図８Ａは、本発明において、掘削開始位置を決定する変形例の一プロセスを説明するための図である。
　図３Ａに示す例では、コントローラ８は、地面Ｇ近傍においてバケット１２を土砂山１００へ向けて旋回方向に移動させる態様にて説明した。これに対して、図８Ａに示す例では、コントローラ８は、土砂山１００の上方から土砂山１００の後側へバケット１２を下ろして、バケット１２を掘削開始位置に配置させる。この場合、コントローラ８はアーム１１を下げ方向へ移動させる。
　コントローラ８は、撮像装置９の検出データに基づいて、油圧ショベル１から土砂山１００を見たときに、バケット１２の全体の面積に対する、バケット１２の土砂山１００と重なっていない部分の面積Ｓの割合が、所定の値（割合）以下となるようなバケット１２の位置を掘削開始位置として決定する。
　上記所定の値（割合）は、例えば、３０％である。なお、コントローラ８は、２回目以降の掘削開始位置を、一つ前の掘削開始位置よりも下方へずらしていく。
　図８Ｂは、本発明において、掘削開始位置を決定する変形例であって図８Ａとは別の一プロセスを説明するための図である。
　図３Ｂに示す例では、コントローラ８は、地面Ｇ近傍においてバケット１２を土砂山１００へ向けて旋回方向に移動させる態様にて説明した。これに対して、図８Ｂに示す例では、コントローラ８は、土砂山１００の上方から土砂山１００の後側へバケット１２を下ろし、バケット１２を掘削開始位置に配置させる。この場合も、コントローラ８はアーム１１を下げ方向へ移動させる。
　コントローラ８は、撮像装置９の検出データに基づいて、油圧ショベル１（機体）から土砂山１００（バケット１２）を見たときに、バケット１２を土砂山１００に近づける方向におけるバケット１２に近い側の土砂山１００の端Ｐｍと、バケット１２を土砂山１００に近づける方向とは反対方向のバケット１２の端Ｐｂ３との間の距離Ｚ１（オフセット距離）が、所定の値（距離）以下となるようなバケット１２の位置を掘削開始位置として決定する。
　上記所定の値（距離）は、例えば、２００ｍｍである。なお、コントローラ８は、２回目以降の掘削開始位置を、一つ前の掘削開始位置よりも下方へずらしていく。
　上記の図８Ａ、図８Ｂのいずれの場合においても、コントローラ８は、上部旋回体３に対するアタッチメント４の起伏方向において、土砂山１００に対するバケット１２の掘削開始位置を決定する。
　以上、本発明の一実施形態および変形例について説明した。なお、上記の実施形態、変形例は更に次のように変更することが可能である。
　山形状の掘削対象物は、土砂山１００ではなく、砕石の山、スクラップの山、ゴム山などであってもよい。
　図３Ａ等において、バケット１２を地面Ｇ近傍において土砂山１００へ向けて旋回方向に移動させ、土砂山１００に対するバケット１２の掘削開始位置を決定することを示した。これに代えて、土砂山１００の頂点の高さを越えない高さで、バケット１２を地面Ｇよりも上方に位置させ、その位置からバケット１２を土砂山１００へ向けて旋回方向に移動させ、土砂山１００に対するバケット１２の掘削開始位置を決定してもよい。
　油圧ショベル１に搭載されたコントローラ８に、土砂山１００に対するバケット１２の掘削開始位置を決定する演算システムを格納しておく必要は必ずしもない。例えば、コントローラ８と通信可能な、コントローラ８とは別の油圧ショベル１の外部に設けられるコントローラ（不図示）に、土砂山１００に対するバケット１２の掘削開始位置を決定する演算システムが格納されてもよい。
　以上、本発明の実施形態について説明した。なお、その他に、当業者が想定できる範囲で種々の変更を行うことは勿論可能である。本発明に係る掘削位置決定システム、掘削制御システムは、そのすべてが油圧ショベル１（作業機械）に含まれる必要はない。たとえば、油圧ショベル１の作業現場から離れた位置にある遠隔管理センターに含まれるサーバがコントローラ８の機能を担ってもよい。
　本発明によって提供されるのは、機体と前記機体に対して相対移動可能なバケットとを有し山形状の掘削対象物を掘削することが可能な作業機械に用いられる掘削位置決定システムである。当該掘削位置決定システムは、前記掘削対象物および前記バケットを撮像することが可能な撮像装置と、前記掘削対象物に対する前記バケットの掘削開始位置を決定することが可能な開始位置決定部とを備える。前記開始位置決定部は、前記撮像装置の検出データに基づいて、前記機体から前記バケットを見たときに、前記バケットのうちの一の部分が前記機体側に露出するとともに前記バケットのうち前記一の部分とは異なる他の部分が前記掘削対象物に隠れるような前記バケットの位置を前記掘削開始位置として決定する。
　上記の構成において、前記開始位置決定部は、前記機体から前記バケットを見たときに、前記バケットの全体の面積に対する、前記バケットのうち前記機体側に露出する前記一の部分の面積の割合が、所定の値以下となるような前記バケットの位置を前記掘削開始位置として決定するものでもよい。
　上記の構成において、前記開始位置決定部は、前記機体から前記バケットを見たときに、前記バケットを前記掘削対象物に近づける方向における前記バケットに近い側の前記掘削対象物の端と、前記バケットを前記掘削対象物に近づける方向とは反対方向における前記バケットの端との間の距離が、所定の値以下となるような前記バケットの位置を前記掘削開始位置として決定するものでもよい。
　上記の構成において、前記作業機械が前記掘削対象物に対して複数回の掘削作業を実行する場合に、前記開始位置決定部は、前記バケットの一の部分が前記機体側に露出するとともに前記バケットの他の部分が前記掘削対象物に隠れるような前記バケットの位置を１回目の前記掘削開始位置と決定し、前記バケットの一の部分が前記機体側に露出するとともに前記バケットの他の部分が前記掘削対象物に隠れるような前記バケットの位置を２回目以降の前記掘削開始位置として決定するものでもよい。
　上記の構成において、前記作業機械が前記掘削対象物に対して複数回の掘削作業を実行する場合に、前記開始位置決定部は、前記バケットのうちの一の部分が前記機体側に露出するとともに前記バケットの他の部分が前記掘削対象物に隠れるような前記バケットの位置を１回目の前記掘削開始位置として決定し、２回目以降の前記掘削開始位置が所定の角度ずつずれるように前記掘削開始位置を決定するものでもよい。
　上記の構成において、前記開始位置決定部は、前記掘削対象物に対する掘削回数の入力を受け付けることが可能であり、２回目以降の前記掘削開始位置が旋回方向に移動するように前記入力された掘削回数に応じて前記所定の角度を設定することが可能とされているものでもよい。
　上記の構成において、前記作業機械から離れた位置に配置可能であり、前記開始位置決定部と通信可能な外部端末を更に備え、前記外部端末は、前記開始位置決定部に対して前記掘削開始位置を補正する信号を入力することが可能とされているものでもよい。
　本発明によって提供されるのは掘削制御システムであって、当該掘削制御システムは、上記に記載の掘削位置決定システムと、前記掘削位置決定システムの前記開始位置決定部によって決定された前記掘削開始位置から前記バケットによる前記掘削対象物の掘削動作が開始されるように、前記作業機械に駆動指令信号を入力する信号入力部とを備える。
　また、本発明によって提供されるのは作業機械であって、当該作業機械は、機体と、前記機体に対して相対移動可能なバケットと、前記バケットを駆動することが可能な駆動部と、上記に記載の掘削制御システムとを備える。前記信号入力部は、前記掘削位置決定システムの前記開始位置決定部によって決定された前記掘削開始位置から前記バケットによる前記掘削対象物の掘削動作が開始されるように、前記駆動部に駆動指令信号を入力する。
　上記の構成において、前記機体は、下部走行体と、上下方向に延びる旋回中心軸回りに旋回可能なように前記下部走行体に支持された上部旋回体と、前記バケットを含むとともに前記上部旋回体に起伏可能に支持されたアタッチメントと、を備え、前記開始位置決定部は、前記下部走行体に対する前記上部旋回体の旋回方向において、前記掘削対象物に対する前記バケットの前記掘削開始位置を決定するものでもよい。
　上記の構成において、前記機体は、下部走行体と、上下方向に延びる旋回中心軸回りに旋回可能なように前記下部走行体に支持された上部旋回体と、前記バケットを含むとともに前記上部旋回体に起伏可能に支持されたアタッチメントと、を備え、前記開始位置決定部は、前記上部旋回体に対する前記アタッチメントの起伏方向において、前記掘削対象物に対する前記バケットの前記掘削開始位置を決定するものでもよい。

 

Claims (11)

  1. 　機体と前記機体に対して相対移動可能なバケットとを有し山形状の掘削対象物を掘削することが可能な作業機械に用いられる掘削位置決定システムであって、
    　前記掘削対象物および前記バケットを撮像することが可能な撮像装置と、
    　前記掘削対象物に対する前記バケットの掘削開始位置を決定することが可能な開始位置決定部と、
    　を備え、
    　前記開始位置決定部は、前記撮像装置の検出データに基づいて、前記機体から前記バケットを見たときに、前記バケットのうちの一の部分(one part)が前記機体側に露出するとともに前記バケットのうち前記一の部分とは異なる他の部分(other part)が前記掘削対象物に隠れるような前記バケットの位置を前記掘削開始位置として決定する、
    　掘削位置決定システム。
  2. 　請求項１に記載の掘削位置決定システムにおいて、
    　前記開始位置決定部は、前記機体から前記バケットを見たときに、前記バケットの全体の面積に対する、前記バケットのうち前記機体側に露出する前記一の部分の面積の割合が、所定の値以下となるような前記バケットの位置を前記掘削開始位置として決定する、
    　掘削位置決定システム。
  3. 　請求項１に記載の掘削位置決定システムにおいて、
    　前記開始位置決定部は、前記機体から前記バケットを見たときに、前記バケットを前記掘削対象物に近づける方向における前記バケットに近い側の前記掘削対象物の端と、前記バケットを前記掘削対象物に近づける方向とは反対方向における前記バケットの端との間の距離が、所定の値以下となるような前記バケットの位置を前記掘削開始位置として決定する、
    　掘削位置決定システム。
  4. 　請求項１～３のいずれか１項に記載の掘削位置決定システムにおいて、
    　前記作業機械が前記掘削対象物に対して複数回の掘削作業を実行する場合に、前記開始位置決定部は、前記バケットの一の部分が前記機体側に露出するとともに前記バケットの他の部分が前記掘削対象物に隠れるような前記バケットの位置を１回目の前記掘削開始位置と決定し、前記バケットの一の部分が前記機体側に露出するとともに前記バケットの他の部分が前記掘削対象物に隠れるような前記バケットの位置を２回目以降の前記掘削開始位置として決定する、
    　掘削位置決定システム。
  5. 　請求項１～３のいずれか１項に記載の掘削位置決定システムにおいて、
    　前記作業機械が前記掘削対象物に対して複数回の掘削作業を実行する場合に、前記開始位置決定部は、前記バケットのうちの一の部分が前記機体側に露出するとともに前記バケットの他の部分が前記掘削対象物に隠れるような前記バケットの位置を１回目の前記掘削開始位置として決定し、２回目以降の前記掘削開始位置が所定の角度ずつずれるように前記掘削開始位置を決定する、
    　掘削位置決定システム。
  6. 　請求項５に記載の掘削位置決定システムにおいて、
    　前記開始位置決定部は、前記掘削対象物に対する掘削回数の入力を受け付けることが可能であり、２回目以降の前記掘削開始位置が旋回方向に移動するように前記入力された掘削回数に応じて前記所定の角度を設定することが可能とされている、
    　掘削位置決定システム。
  7. 　請求項１～６のいずれか１項に記載の掘削位置決定システムにおいて、
    　前記作業機械から離れた位置に配置可能であり、前記開始位置決定部と通信可能な外部端末を更に備え、
    　前記外部端末は、前記開始位置決定部に対して前記掘削開始位置を補正する信号を入力することが可能とされている、
    　掘削位置決定システム。
  8. 　請求項１乃至７のいずれか１項に記載の掘削位置決定システムと、
    　前記掘削位置決定システムの前記開始位置決定部によって決定された前記掘削開始位置から前記バケットによる前記掘削対象物の掘削動作が開始されるように、前記作業機械に駆動指令信号を入力する信号入力部と、
    　を備える、掘削制御システム。
  9. 　作業機械であって、
    　機体と、
    　前記機体に対して相対移動可能なバケットと、
    　前記バケットを駆動することが可能な駆動部と、
    　請求項８に記載の掘削制御システムと、
    　を備え、
    　前記信号入力部は、前記掘削位置決定システムの前記開始位置決定部によって決定された前記掘削開始位置から前記バケットによる前記掘削対象物の掘削動作が開始されるように、前記駆動部に駆動指令信号を入力する、作業機械。
  10. 　請求項９に記載の作業機械であって、
    　前記機体は、
    　　下部走行体と、
    　　上下方向に延びる旋回中心軸回りに旋回可能なように前記下部走行体に支持された上部旋回体と、
    　　前記バケットを含むとともに前記上部旋回体に起伏可能に支持されたアタッチメントと、
    　を備え、
    　前記開始位置決定部は、前記下部走行体に対する前記上部旋回体の旋回方向において、前記掘削対象物に対する前記バケットの前記掘削開始位置を決定する、作業機械。
  11. 　請求項９に記載の作業機械であって、
    　前記機体は、
    　　下部走行体と、
    　　上下方向に延びる旋回中心軸回りに旋回可能なように前記下部走行体に支持された上部旋回体と、
    　　前記バケットを含むとともに前記上部旋回体に起伏可能に支持されたアタッチメントと、
    　を備え、
    　前記開始位置決定部は、前記上部旋回体に対する前記アタッチメントの起伏方向において、前記掘削対象物に対する前記バケットの前記掘削開始位置を決定する、作業機械。
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