(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ブーム、ステッキ、およびバケットを含み、該ブーム、ステッキ、およびバケットが加圧作動油で作動する少なくとも１個の油圧シリンダによってそれぞれ制御自在に作動するようになった掘削機械のフロントアタッチメントを掘削作業サイクルの中に自動的に制御する装置であって、
前記油圧シリンダの１つの所望の速度を表すオペレータ制御信号を発生するオペレータ制御要素、
前記オペレータ制御信号に応じて、掘削作業サイクルを実行するため所定の油圧シリンダを制御自在に作動させる作動手段、
少なくとも１個の油圧シリンダに関する力を表す力信号を発生する手段、
前記オペレータ制御信号を受け取り、該オペレータ制御信号の大きさと所定の制御信号の大きさとを比較し、作業サイクルの所定の部分に関係する動作パラメータを決定する手段、および
前記オペレータ制御信号と前記力信号を受け取り、それに応じて前記力信号の関数として指令信号を発生し、決定した動作パラメータに従ってその後の作業サイクルを自動的に実行させる手段、
から成ることを特徴とする制御装置。
【請求項２】
複数の土壌状態設定に関する複数の指令信号の大きさに対応する複数の制御曲線を保存する記憶手段を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
【請求項３】
作業サイクルの掘削部分の間に発生した平均ステッキシリンダ力とバケットシリンダに関する平均指令信号の決定に応じて、掘削する土壌の状態を推定し、推定した土壌状態に応じて制御曲線の１つを選択する手段を含んでいることを特徴とする請求項２に記載の制御装置。
【請求項４】
前記動作パラメータが複数の位置設定点と圧力設定点を含んでおり、制御装置がさらに、
ブーム、ステッキ、およびバケットの位置に応じてそれぞれの位置信号を発生する位置検出手段、
前記位置信号を受け取り、ブーム、ステッキ、およびバケット位置信号の少なくとも１つと、複数の位置設定点の所定の１つとを比較する手段、
ブーム、ステッキ、およびバケットシリンダのうちの少なくとも１つに関する油圧に応じて、それぞれの圧力信号を発生する圧力検出手段、
圧力信号を受け取り、ブーム、ステッキ、およびバケット圧力のうちの少なくとも１つと複数の圧力設定点のうちの所定の１つとを比較する手段、および
圧力および位置の比較に応じて指令信号を発生する手段、
を含んでいることを特徴とする請求項３に記載の制御装置。
【請求項５】
その後の作業サイクルの実行に応じて、位置設定点を修正する手段を含んでいることを特徴とする請求項４に記載の制御装置。
【請求項６】
ブーム、ステッキ、およびバケットを含み、該ブーム、ステッキ、およびバケットが加圧作動油により作動する少なくとも１個の油圧シリンダによってそれぞれ制御自在に作動するようになった、掘削機械のフロントアタッチメントを掘削作業サイクルの中に自動的に制御する方法であって、
油圧シリンダの１つの所望の速度を表すオペレータ制御信号を発生し、
前記オペレータ制御信号に応じて、掘削作業サイクルを実行するため所定の油圧シリンダを制御自在に作動させ、
少なくとも１個の油圧シリンダに関する力を表す力信号を発生し、
前記オペレータ制御信号を受け取り、該オペレータ制御信号の大きさと所定の制御信号の大きさとを比較し、作業サイクルの所定の部分に関係する動作パラメータを決定し、
前記オペレータ制御信号と前記力信号を受け取り、それに応じて前記力信号の関数として指令信号を発生し、決定した動作パラメータに従ってその後の作業サイクルを自動的に実行させること、
の諸ステップから成ることを特徴とする方法。
【請求項７】
複数の土壌状態設定に関する複数の指令信号の大きさに対応する複数の制御曲線を保存するステップを含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
作業サイクルの掘削部分の間に発生した平均ステッキシリンダ力とバケットシリンダに関する平均指令信号の決定に応じて、掘削する土壌の状態を推定し、推定した土壌状態に応じて制御曲線の１つを選択するステップを含んでいることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記動作パラメータが複数の位置設定点と圧力設定点を含んでおり、
ブーム、ステッキ、およびバケットの位置に応じてそれぞれの位置信号を発生し、
前記位置信号を受け取り、ブーム、ステッキ、およびバケット位置信号の少なくとも１つと、複数の位置設定点の所定の１つとを比較し、
ブーム、ステッキ、およびバケット位置信号の少なくとも１つに関する油圧に応じて、それぞれの圧力信号を発生し、
前記圧力信号を受け取り、ブーム、ステッキ、およびバケット圧力の少なくとも１つと複数の圧力設定点の所定の１つとを比較し、
圧力および位置の比較に応じて指令信号を発生すること、
の諸ステップを含んでいることを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
その後の作業サイクルの実行に応じて、位置設定点を修正するステップを含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、一般には自動掘削の分野、より詳細にはオペレータが定めた掘削機械の作業サイクルを学習する自動掘削制御装置および制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
掘削作業には、掘削機、バックホウ、フロントショベルなどの掘削機械が使用される。これらの掘削機械はブーム、ステッキ、およびバケットのリンケージから成るフロントアタッチメントを備えている。ブームは一端が掘削機械本体に旋回自在に取り付けられ、他端がステッキに旋回自在に取り付けられている。バケットはステッキの自由端に旋回自在に取り付けられている。フロントアタッチメントを構成する各リンケージは対応する少なくとも１個の油圧シリンダで制御自在に動かされ、垂直面内で動く。オペレータは一般にフロントアタッチメントを巧みに操作して全掘削作業サイクルを構成する一連の個別機能を実行する。
【０００３】
典型的な作業サイクルの場合、オペレータは最初にフロントアタッチメントを掘削位置に置き、バケットが土壌に進入するまでフロントアタッチメントを下げる。次にオペレータはバケットを掘削機械本体に向けて動かす掘削行程を実行する。続いてオペレータはバケットを屈曲させて土壌をすくい込む。すくい込んだ土壌すなわち荷重をダンプするため、オペレータはフロントアタッチメントを持ち上げ、決められたダンプ位置まで横に旋回させ、ステッキのリーチを広げ、バケットをまっすぐに伸ばすことによって荷重を放出する。そのあとオペレータは作業サイクルを再び開始するためフロントアタッチメントを掘削位置へ戻す。以下の説明において、上記の諸動作をそれぞれ「ブームダウン」、「掘削行程」、「すくい込み」、「旋回」、「ダンプ」、および「復帰」と呼ぶことにする。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
土ならし作業の分野では、幾つかの理由で掘削機械の作業サイクルを自動化することを要望する声が高まってきた。人間のオペレータと異なり、自動化した掘削機械は環境条件や長い作業時間に関係なく生産性が一貫して変わらない。また自動化した掘削機械は環境条件が人間にとって危険であるか、適切でないか、あるいは望ましくない作業に理想的である。また自動化した掘削機械はオペレータの未熟な技能を補って、より正確に掘削することができる。
【０００５】
従って、自動制御が掘削作業サイクルを実行することができるように、オペレータが定めた作業サイクルを自動制御に「教える」ことが望ましい。しかし、単に作業サイクルを繰り返すのでなく、掘削を効率的に行うため掘削環境の変化に応じて作業サイクルを修正することがたぶん望ましいであろう。
【０００６】
本発明は、上に述べた１つまたはそれ以上の問題を解決することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は第１の態様として、掘削作業サイクルの始めから終わりまで掘削機械のフロントアタッチメントを自動的に制御する制御装置を提供する。フロントアタッチメントは少なくとも１個の油圧シリンダによって制御自在に動かされるブーム、ステッキ、およびバケットを有する。制御装置は油圧シリンダの所望の速度を表すオペレータ制御信号を発生するように構成されたオペレータ制御要素を有する。電子油圧弁は制御信号に応じて所定の油圧シリンダを作動させて掘削作業サイクルを行わせる。センサは少なくとも１個の油圧シリンダに関する力を表す信号を発生する。論理手段はオペレータ制御信号を受け取り、制御信号の大きさと所定の制御信号の大きさとを比較し、作業サイクルの所定の部分に関する動作パラメータを決定する。最後に、論理手段はオペレータ制御信号と力信号を受け取り、それに応じて電子油圧弁に対する指令信号を発生し、決定した動作パラメータに従ってその後の作業サイクルを自動的に実行させる。
【０００８】
以下、添付図面を参照して、本発明を詳しく説明する。
【０００９】
【実施例】
図１に、掘削機、バックホウローダー、およびフロントショベルの機能に類似した掘削機能または積込み機能を実行する掘削機械のフロントアタッチメント１００の側面図を示す。
【００１０】
掘削機械には掘削機、パワーショベル、ホィールローダー、または同種の機械が含まれる。フロントアタッチメント１００はブーム１１０、ステッキ１１５、およびバケット１２０を含むことがある。ブーム１００は掘削機械本体１０５に旋回自在に取り付けられている。ステッキ１１５はブーム１１０の自由端に旋回自在に連結されている。バケット１２０はステッキ１１５に旋回自在に取り付けられている。バケット１２０は湾曲部分１３０、床面部分、および先端部分を有する。
【００１１】
図１に示した水平基準軸Ｒは掘削機械本体１０５とフロントアタッチメント１００の種々の位置の相対的な角度関係を測定するために使用される。
【００１２】
ブーム１１０、ステッキ１１５、およびバケット１２０は直線的に伸縮可能な油圧シリンダによって個別に、制御自在に動かされる。ブーム１１０は少なくとも１個のブームシリンダ１４０によって動かされ、ステッキ１１５を上下に動かす。ブームシリンダ１４０は掘削機械本体１０５とブーム１１０の間に連結されている。ステッキ１１５は少なくとも１個のステッキシリンダ１４５によって動かされ、バケット１２０を縦および水平に動かす。ステッキシリンダ１４５はブーム１１０とステッキ１１５と間に連結されている。バケット１２０はバケットシリンダ１５０によって動かされ、半径運動範囲を有する。バケットシリンダ１５０はステッキ１１５とリンケージ１５５に連結されている。リンケージ１５５はステッキ１１５とバケット１２０に連結されている。簡潔に示すため、図１にはブームシリンダ１４０、ステッキシリンダ１４５、およびバケットシリンダ１５０をそれぞれ１個だけ示してある。
【００１３】
フロントアタッチメント１００とシリンダ１４０，１４５，１５０の動作の理解を確実にするため、以下の関係に注目されたい。ブームシリンダ１４０を伸長させると、ブーム１１０は引き起こされる。同シリンダ１４０を引っ込めると、ブーム１１０は下げられる。またステッキシリンダ１４５を引っ込めると、ステッキ１１５は掘削機械本体１０５から離れる方向に動かされる。同シリンダ１４５を伸長させると、ステッキ１１５は掘削機械本体１０５に向けて動かされる。最後に、バケットシリンダ１５０を引っ込めると、バケット１２０は掘削機械本体１０５から離れる方向に回転する。同シリンダ１５０を伸長させると、バケット１２０は掘削機械本体１０５へ近づく方向に回転する。
【００１４】
図２に、本発明に関する電子油圧装置２００のブロック図を示す。手段２０５は、フロントアタッチメント１００の位置に応じて位置信号を発生する。手段２０５はブーム、ステッキ、およびバケットシリンダ１４０，１４５，１５０のシリンダ伸長量をそれぞれ検出する変位センサ２１０，２１５，２２０を含んでいる。変位センサとして米国特許第４，７３７，７０５号（１９８８年４月１２日発行）に記載されている無線周波数ベースセンサを使用することができる。
【００１５】
またフロントアタッチメント１００の位置はフロントアタッチメントのジョイント角を測定しても得られることは明らかである。フロントアタッチメント位置信号を発生する代替装置として、例えばブーム１１０、ステッキ１１５、およびバケット１２０間の角度を測定するロータリポテンショメータなどの回転角センサがある。フロントアタッチメント１００の位置はシリンダ伸長量またはジョイント角を測定して三角法によって計算することができる。バケットの位置を決定する上記の方法は、この分野では周知であり、例えば米国特許第３，９９７，０７１号（１９７６年１２月１４日発行）や同第４，３７７，０４３号（１９８３年３月２２日発行）に記載されている。
【００１６】
手段２２５は、フロントアタッチメント１００に作用する力に応じて圧力信号を発生する。手段２２５はブーム、ステッキ、およびバケットシリンダ１４０，１４５，１５０内の油圧を測定する圧力センサ２３０，２３５，２４０を含んでいる。各圧力センサ２３０，２３５，２４０は対応するシリンダ１４０，１４５，１５０の圧力に相当する信号を発生する。例えば、圧力センサ２３０，２３５，２４０はそれぞれブーム、ステッキ、およびバケットシリンダヘッド圧力とロッドエンド圧力を測定する。適当な圧力センサとして、例えば Precise Sensors, Inc. (米国) から販売されている Series ５５５ Pressure Transducer  がある。
【００１７】
フロントアタッチメント旋回点１８０に設置した旋回角センサ２４３（例えば、ロータリポテンショメータ）は、掘削位置に対する旋回軸まわりのフロントアタッチメントの回転量に相当する角度信号を発生する。
【００１８】
これらの位置信号と圧力信号は信号調整器２４５へ送られる。信号調整器２４５は通常の信号励起とフィルタリングを行なう。調整された位置信号と圧力信号は論理手段２５０へ送られる。論理手段２５０は演算装置を使用してソフトウェアプログラムに従ってプロセスを制御するマイクロプロセッサベース装置である。一般に、ソフトウェアプログラムはＲＯＭ、ＲＡＭ、または同種のデバイスに格納されている。ソフトウェアプログラムは後で種々のフローチャートを参照して説明する。
【００１９】
論理手段２５０は２つの他の出所、すなわち複数のジョイスティック形制御レバー２５５とオペレータインタフェース２６０から入力を受け取る。制御レバー２５５はフロントアタッチメント１００を手動で制御するためのものである。制御レバー２５５は油圧シリンダ１４０，１４５，１５０，１８５の方向と速度を表すオペレータ制御信号を発生する。オペレータ制御信号は論理手段２５０によって受け取られる。オペレータ制御信号の大きさはそれぞれのオペレータ制御レバーの変位量に比例する。従って、制御レバーの変位が大きければ大きいほど、オペレータ制御信号の大きさ（油圧シリンダの速度がより大きいことを表す）が大きい。また、制御信号の極性は油圧シリンダの動作方向を示す。例えば、制御信号は−１００％〜＋１００％の範囲の値を持つことがある。
【００２０】
オペレータはオペレータインタフェース２６０を介して掘削深さや床面の傾きなどの掘削仕様を入力することができる。またオペレータインタフェース２６０は掘削機械のペイロードに関する情報を表示することができる。オペレータインタフェース２６０は英数字キーパッド付き液晶表示画面を装備することができる。またタッチ感知式画面はオペレータインタフェースに向いている。またオペレータインタフェース２６０はオペレータが種々の掘削状態を設定する複数のダイヤルと（または）スイッチを装備することができる。
【００２１】
論理手段２５０は位置信号を受け取り、それに応じて周知の微分法を用いてブーム１１０、ステッキ１１５、バケット１２０、および旋回装置１８５の速度を決定する。代わりに、個別の速度センサを使用して、ブーム、ステッキ、バケット、および旋回装置の速度を決定できることは明らかであろう。
【００２２】
論理手段２５０は、さらに、オペレータ制御信号の大きさの決定に応じて、ブーム、ステッキ、バケット、および旋回装置の速度を決定することができる。
【００２３】
論理手段２５０は、さらに、位置信号と圧力信号の情報に応じて、フロントアタッチメントのジオメトリ（幾何学的図形）と力を決定する。
【００２４】
例えば、論理手段２５０は圧力信号を受け取り、次式に従ってブーム、ステッキ、およびバケットシリンダの力を計算する。
シリンダの力＝（Ｐ2 ×Ａ2 ）−（Ｐ1 ×Ａ1 ）
ここで、Ｐ2 ，Ｐ1 は個々のシリンダ１４０，１４５，１５０のシリンダヘッドとロッドエンドにおける油圧であり、Ａ2 ，Ａ1 はそれぞれの端部の断面積である。
【００２５】
論理手段２５０はフロントアタッチメント１００を制御自在に動かす作動手段２６５へ送るブーム、ステッキ、およびバケットシリンダ指令信号を発生する。作動手段２６５は、それぞれのブーム、ステッキ、およびバケットシリンダ１４０，１４５，１５０への作動油の流れを制御する油圧制御弁２７０，２７５，２８０を含んでいる。作動手段２６５は、そのほかに、旋回装置１８５への作動油の流れを制御する油圧制御弁２８５を含んでいる。
【００２６】
図３〜図１１は、本発明のプログラム制御を示すフローチャートである。フローチャートに記述したプログラムは、適切などんなマイクロプロセッサシステムにも使用できるように構成されている。
【００２７】
次に、図１３〜図１６に示した複数の制御曲線について説明する。複数の制御曲線はブーム、ステッキ、およびバケットシリンダ１４０，１４５，１５０の動きを所望の速度で制御する指令信号を示す。制御曲線はマイクロプロセッサのメモリに格納されている２次元ルックアップテーブルまたは一組の方程式によって定義することができる。制御曲線は土壌の状態を表す土壌状態設定に応じて変わる。例えば、土壌状態設定１は土壌がさらさらの状態であることを示し、土壌状態設定９は土壌が固く締まった状態であることを示す。従って、中間の土壌状態設定２〜８はさらさらの土壌状態または軟らかい土壌状態から固い土壌状態までの連続する土壌状態を示す。制御曲線の数字が所望の制御特性に応じて変わることは理解されるであろう。
【００２８】
また土壌状態設定は、オペレータインタフェース２６０を介してオペレータが設定することもできるし、掘削状態に応じて論理手段２５０が設定することもできる。例えば、掘削行程機能に関する制御曲線の土壌状態設定（図１５，１６）をオペレータが手動で設定し、他のテーブルに関する土壌状態設定の残りの部分を論理手段２５０が自動的に設定することができる。これにより、作業サイクルのより重要な制御を熟練したオペレータが担当することができる。
【００２９】
図３は、自動化掘削作業サイクルの第１段階のフローチャートを示す。掘削機械１０５の作業サイクルは一般に６つの連続する別個の機能；ブームダウン機能３０５、予備掘削機能３０７、掘削行程機能３１０、すくい込み機能３１５、ダンプ機能３２０、および復帰機能３２３に分けることができる。掘削行程機能３１０は適応機能３２５を含んでいる。すくい込み機能３１５はブームアップ機能３３５と旋回機能３４０を含んでいる。ダンプ機能３２０はブームアップ機能と旋回機能を含んでいる。以下、各機能について詳しく説明する。
【００３０】
フローチャートに示すように、自動化掘削作業サイクルは繰り返して実行される。作業サイクルの実行にオペレータの介入は必要ないが、修正が最大深さまたは制限区域の仕様と矛盾しなければ、オペレータはフロントアタッチメント１００の動きを修正することができる。また機能が別個であるので、本発明の各機能は互いに独立して実行することができる。例えば、オペレータは、オペレータインタフェースによって、作業サイクルを実行するとき自動化する機能を事前に選択することができる。
【００３１】
図４に、ブームダウン機能３０５を示す。ブームダウン機能３０５はフロントアタッチメント１００を地面に向けて位置決めする。この機能は、ブロック４０５に示すように、バケット位置を計算することによって始まる。以下、用語「バケット位置」は、図１に示すように、バケット角φと共にバケット先端位置を言う。バケット位置は位置信号に応じて計算する。バケット位置は周知のいろいろな方法によって計算することができる。
【００３２】
次に判断ブロック４１０において、プログラム制御は、最初にＧＲＮＤ−ＥＮＧ＝１（フロントアタッチメント１００が地面に接触していることを示す）かどうか判断する。もし１でなければ、プログラム制御はブームシリンダ圧力と設定点Ａとを比較し、そしてバケットシリンダ圧力と設定点Ｂとを比較する。設定点Ａ，Ｂは、それぞれフロントアタッチメント１００が地面に接触したことを示すブームシリンダ圧力とバケットシリンダ圧力を表す。さらに、バケット先端１５の深さと設定点Ｃとを比較する。設定点Ｃはオペレータが指定した最大掘削深さを表す。
【００３３】
もし判断ブロック４１０のすべての条件が満たされなければ、制御はブロック４１５へ進み、ステッキシリンダ位置すなわちシリンダ伸長量と設定点Ｄとを比較する。設定点Ｄは所望の掘削位置を与えるステッキシリンダの最小伸長量を表す。もしステッキ油圧シリンダ位置が設定点Ｄに等しいか、それより大きければ、ブロック４２０において、ステッキシリンダ１４５（既に引っ込められている）を徐々に停止させる。しかし、もしステッキシリンダ位置が設定点Ｄより小さければ、ブロック４２５において、ステッキシリンダ１４５を所定の量だけ引っ込めて、ステッキを外側に広げる。そのあと、ブロック４２７において、ブーム１１０を地面に向けて下げる。従って、ブームシリンダ圧力とバケットシリンダ圧力が、フロントアタッチメント１００がまだ地面に接触しておらず、かつバケット１２０が最大深さを越えていないことを示している限り、ブーム１１０は続けて地面に向けて下げられる。
【００３４】
もし判断ブロック４１０の条件の１つが満たされれば、ブロック４２８において、ＧＲＮＤ−ＥＮＧ＝１にセットする。そのあと、プログラム制御は、ブロック４３０において、バケット角すなわち掘削角φと設定点Ｅとを比較する。設定点Ｅはバケット１２０の所定の掘削角である。設定点Ｅは図１２に示した曲線から決定することができる。この所定の切削角は土壌状態設定に応じて変わる。
【００３５】
もしバケット角φが設定点Ｅより大きければ、予備掘削機能３０７によってバケット１２０を最大速度で屈曲させてバケットを所定の切削角に迅速に位置決めする。例えば、予備掘削機能３０７はフロントアタッチメント１００を所望の開始位置に位置決めする。
【００３６】
次にブロック４４０，４４５，４５０において、それぞれシリンダ１４０，１４５，１５０を伸長させることによって、ブーム１１０を引き起こし、ステッキ１１５を掘削機械本体１０５に向けて動かし、バケット１２０を屈曲させる。図１３に、ブームシリンダ１４０に対する指令レベルを示す。この指令レベルはバケットシリンダ１５０にかかる圧力すなわち力に応じて変わる。制御曲線は土壌状態設定に応じて変わる。図１４に、ステッキシリンダ１４５に対する指令レベルを示す。この指令レベルは、ステッキシリンダ１４５にかかる圧力すなわち力に応じて変わる。この場合には、１本の曲線ですべての土壌状態設定が満たされる。バケット１２０は最大速度に近い速度で屈曲され、所定の掘削角に迅速に位置決めされる。以上のことから、予備掘削機能の間に、バケット深さと掘削角φを調整して掘削の準備ができるように、フロントアタッチメント１００が位置決めされることがわかる。
【００３７】
しかし、もしバケット角φが設定点Ｅに等しいかそれより小さければ、プログラム制御はフローチャートのセクションＢへ進み、掘削行程機能３１０を開始する（図５参照）。
【００３８】
掘削行程機能３１０はバケット１２０を地面に沿って掘削機械本体１０５に向けて動かす。掘削行程機能は、ブロック５０５において、バケット位置を計算することによって始まる。例えば、掘削サイクルが続くと、バケット１２０が地面により深く進入することがある。従って、プログラム制御は、ブロック５１０において、バケット１２０が地面により深く進入したときのバケット１２０の位置を記録する。次に判断ブロック５１５において、ブームシリンダ圧力と設定点Ｆとを比較する。もしブームシリンダ圧力が設定点Ｆより大きければ、掘削機械は不安定になって倒れてしまうことがある。従って、もしブームシリンダ圧力が設定点Ｆより大きければ、ブロック５２０において、プログラム制御は終了する。もし大きくなければ、制御は判断ブロック５２５へ進む。設定点Ｆの値は、フロントアタッチメント１００のいろいろなジオメトリに関する掘削機械の不安定度を表す複数の値に対応する圧力値の表から得られることに留意されたい。
【００３９】
掘削機械１０５は、バケット１２０を掘削機械本体に向けて動かすことにより掘削行程すなわち作業サイクルの掘削部分を実行する。判断ブロック５２５は掘削行程が終了したときを指示する。最初に、バケット角φと設定点Ｇとを比較する。設定点Ｇは所望のバケット積込み量に関する所定のバケット屈曲を表す。第２に、バケット力の角度βと設定点Ｈとを比較する。設定点Ｈは角度値（一般に零である）を表す。例えば、もしβが設定点Ｈより小さければ、バケットはヒーリングしている（かかとをつけている）と言われる。ヒーリングはバケットにかかる正味の力がバケットの下側に加わると起こり、バケットが土壌をこれ以上すくい込むことができないことを示す。バケットのヒーリングの詳細は、係属中の米国特許出願（Atty. Docket No. 93-326 ；  発明の名称“System and Method for Determining the Completion of a Digging Portion of an Excavation Work Cycle ” )を参照されたい。第３に、ステッキシリンダの位置と掘削行程の完了を示す設定点Ｉ（掘削行程の完了を示す）とを比較する。設定点Ｉは掘削するための最大ステッキシリンダ伸長量を示す。最後に、プログラム制御は、オペレータが例えばオペレータインタフェース２６０を通じて掘削の中止を指示したかどうか判断する。もしこれらの条件のうちどれか１つが起きれば、掘削機械１０５は掘削を完了し、プログラム制御はフローチャートのセクションＣへ進み、荷重のすくい込みを開始する。
【００４０】
もし掘削が完了していないことが判れば、ブロック５４０，５４５，５５０において、シリンダ１４０，１４５，１５０を伸長させることにより、ブーム１１０を引き起こし、ステッキ１１５を掘削機械本体に向けて動かし、バケット１２０を屈曲させる。
【００４１】
図１５に、ブームシリンダ１４０に対する指令レベルを示す。この指令レベルはステッキシリンダ１４５にかかる圧力すなわち力に応じて変わる。図１５の制御曲線は土壌状態設定に応じて変わる。ステッキシリンダ１４５は最大速度のほぼ１００％の速度で伸長し、ステッキ１１５を掘削機械本体に向けて迅速に動かす。バケット１２０は図１７の曲線で示した速度で屈曲する。この指令レベルはバケットシリンダ圧力すなわち力に応じて変わる。曲線の形状で示されるように、土壌状態設定が大きければ大きいほど、バケット１２０と比べて、ステッキ１１５によって実行される作業の割合が多くなる。油圧装置が過荷重になることを防止するため、図１６の曲線が先細になっていることに注目されたい。
【００４２】
点Ｃにおいて、プログラム制御は図６へ進み、適応機能３２５を開始する。適応機能３２５は、掘削サイクルの間に効率よく掘削を行うために設定点を修正する。ブロック６０５において、最後に記録したバケット１２０の深さに応じて、設定点Ｄ（掘削前の所望のステッキシリンダ伸長量）を所定量だけ増分する。例えば、効率よく掘削を行なうために、バケットが地面により深く進入したとき、ステッキを外側へ増分的に広げることが望ましい。
【００４３】
ブロック６１０において、最後に記録したバケット深さに応じてダンプ角を所定の量だけ増分する。例えば、バケットが地面により深く進入すると、地面からより多量の土壌が取り出される。従って、バケットから地面に土壌をダンプしたとき生じる堆積物が各パスに共に増大するであろう。従って、バケットが地面により深く進入したとき、堆積物が穴の中に崩落しないように、ダンプ角を増分することが望ましい。「ダンプ角」は掘削位置から所望のダンプ位置までのフロントアタッチメントの所望の角回転量であると定義する。ダンプ角は、後で旋回機能３４０に関連して説明する。
【００４４】
最後に、ブロック６１５において、最後に記録したバケット深さに応じて設定点Ｌを増分する。この設定点Ｌはダンプする際の所望のブーム高さに相当する所望のブームシリンダ伸長量を表す。例えば、ダンプ堆積物がより大きくなるにつれて、各パスのときバケットが堆積物を確実にクリヤするように、ブーム高さを増分する。設定点Ｌは、後でブームアップ機能３３５に関連して説明する。
【００４５】
適応機能は値を図１７の曲線に従って直線的に増分することができる。修正を行なったあと、プログラム制御はセクションＤへ進み、すくい込み機能３１５を開始する（図７）。
【００４６】
すくい込み機能３１５は、土壌をすくい込むようにフロントアタッチメント１００を位置決めする。すくい込み機能３１５は、ブロック７０５において、バケット角φと設定点Ｋとを比較することによって始まる。設定点Ｋは一杯に入ったバケット荷重を保持するバケット角を表す。もし現在のバケット角φが設定点Ｋより小さければ、プログラム制御はセクションＥへ進み、ブームアップ機能３３５（後で説明する）を呼び出す。次にプログラム制御はセクションＦへ進み、旋回機能３４０（同様に後で説明する）を呼び出す。次にブロック７１０において、ステッキシリンダ１４５（前に伸長していた）を徐々に停止させる。次にブロック７１５において、バケット１２０を屈曲させる。バケットは、バケット角φが設定点Ｋより大きくなるまで屈曲し続けることは明らかである。バケット角φが設定点Ｋより大きくなると、プログラム制御はセクションＧへ進み、ダンプ機能３２０（後で説明する）を呼び出す。
【００４７】
次に図８を参照してブームアップ機能３３５について説明する。ブームアップ機能３３５は、ブロック８０５において、ブームシリンダの伸長量が設定点Ｌより小さいかどうか判断することによって始まる。前に述べたように、設定点Ｌは、フロントアタッチメント１００がダンプ堆積物をクリヤするブームシリンダ伸長量を表す。もしブームシリンダ伸長量が設定点Ｌより小さければ、ブロック８１０において、ブームシリンダの伸長を徐々に停止させる。もしブームシリンダ伸長量が設定点Ｌより大きければ、所定の速度（一般に、最大速度の１００％）でブームシリンダ１４０を伸長させ、ブームを迅速に引き起こす。そのあとプログラム制御は前にブームアップ機能３３５を呼び出した機能へ戻る。
【００４８】
次に図９を参照して旋回機能３４０について説明する。掘削作業サイクルを始める前に、ダンプ位置と掘削位置、およびそれらの対応する横断角を指定し、記録することができることに留意されたい。例えば、フロントアタッチメント１００を所望の掘削位置に位置決めすることによって掘削角を設定することができる。同様に、フロントアタッチメント１００を所望のダンプ位置へ旋回すなわち回転させることによってダンプ角を設定することができる。そのあと所望のダンプ角と掘削角は制御装置によって保存される。代わりに、オペレータが掘削角とダンプ角に対応する所望の横断角をオペレータインタフェースに入力してもよい。
【００４９】
旋回機能３４０は、最初に、ブロック９０５において、ＳＷＩＮＧ＝１に設定されているかどうか判断する。もしＳＷＩＮＧ＝０であれば、プログラム制御はブロック９１５へ進み、可変ＳＷＧ−ＭＯＤＥの値を判断する。可変ＳＷＧ−ＭＯＤＥは掘削のタイプを表し、オペレータによって設定される。例えば、０のＳＷＧ−ＭＯＤＥは、掘削機械が溝または穴から横に投下していることを示す。１のＳＷＧ−ＭＯＤＥは、掘削機械が運搬トラックなど１か所へダンプしていることを表す。オペレータは、オペレータインタフェース２５０によって、キャタピラーの底部分から延びた水平面に対するトラック床面の高さを入力する。２のＳＷＧ−ＭＯＤＥは、掘削機械が大規模な掘削場所から横に投下していることを表す。プログラム制御は、ブロック９２５において、所望のダンプ場所で荷重をダンプするためフロントアタッチメントの位置を計算する。
【００５０】
もしＳＷＧ−ＭＯＤＥが２に設定されていれば、プログラム制御はブロック９２５へ進み、掘削スパンに従ってダンプ角を修正する。より完全に理解できるように、図１８に、大規模な掘削を行なっている掘削機械の平面図を示す。最初にオペレータが掘削スパン、ダンプスパン、およびデルタ値δの角度値を入力する。次にプログラム制御は掘削スパンとダンプスパンをそれぞれ掘削経路とダンプ経路にマップする。従って、掘削機械は、例えば経路“１”で掘削行程を実行し、経路“１′”でダンプを実行する。各パスのあと、プログラム制御は次式に従ってダンプ角を修正する。
0003706171.tif 000002
従って、掘削機械が経路１を完了したあと、プログラム制御は経路“２”で掘削を始めるため掘削場所を増分することができる。代わりに、経路“１”で掘削が完了したあと、プログラム制御はフロントアタッチメントを経路“２”に位置決めするためオペレータに支援を与えることができる。この代替例の場合、プログラム制御はオペレータが選択した最後の掘削場所を思い出すであろう。従って、オペレータがフロントアタッチメントを現在の掘削場所から新しい掘削場所へ位置決めできるように、プログラム制御は掘削場所に関するすべての許容誤差を緩和するであろう。
【００５１】
図９に戻って、プログラム制御はブロック９３０へ進み、バケット１２０が地面に達する時間を推定する。この推定時間はバケットの位置と速度に従って計算される。推定時間を計算したあと、推定時間と設定点Ｍとを比較する。この設定点Ｍは電子油圧式旋回装置の時間遅れを表す。もし推定時間が設定点Ｍより小さければ、ブロック９４０において、ＳＷＩＮＧ＝１に設定する。しかし、推定時間が設定点Ｍより大きければ、ブロック９４５において、ＳＷＩＮＧ＝０に設定する。
【００５２】
次にプログラム制御はブロック９４７へ進み、旋回角を計算する。「旋回角」は掘削場所に対するフロントアタッチメントの角回転量と定義する。旋回角センサ２４３は掘削場所に対するフロントアタッチメントの回転量に相当する角度信号を発生する。ブロック９５０において、プログラム制御はＳＷＩＮＧ＝１に設定されたかどうか判断する。もしＳＷＩＮＧ＝０に設定されていれば、プログラム制御は前に旋回機能３４０を呼び出した機能へ戻る。
【００５３】
もしＳＷＩＮＧ＝１に設定されていれば、プログラム制御はブロック９５５へ進み、フロントアタッチメント１００の計算値と設定点Ｎとを比較する。設定点Ｎは所望のダンプ位置からのフロントアタッチメント位置の所定の範囲を表す。もし計算したフロントアタッチメント位置が設定点Ｎによって定義された範囲内にあれば、フロントアタッチメント１００はダンプ位置の近くにある。従って、ブロック９６０において、現在、ダンプ場所へ向かって回転しているフロントアタッチメント１００に逆方向に回転して掘削場所へ戻るように命令する。例えば、フロントアタッチメントがダンプ位置の近くにあるので、フロントアタッチメントを掘削場所に向けて逆駆動して、電子油圧式旋回装置の時間遅れを考慮に入れる。この結果、フロントアタッチメントが実際に逆方向に回転し始める頃には、フロントアタッチメントは既にダンプ位置に達しているであろう。
【００５４】
もしフロントアタッチメント１００が設定点Ｎによって定義された範囲に達していなかったならば、ブロック９６５において、旋回角とダンプ角とを比較する。もし旋回角がダンプ角に等しければ、フロントアタッチメントは所望のダンプ場所に達している。従って、ブロック９７０において、フロントアタッチメント１００の回転を停止させる。もし等しくなければ、ブロック９７５において、フロントアタッチメント１００を最大速度の１００％で回転させてフロントアタッチメント１００をダンプ場所へ向けて迅速に回転させる。次に、プログラム制御は前に旋回機能３４０を呼び出した機能へ戻る。
【００５５】
次に図１０を参照してダンプ機能３２０について説明する。プログラム制御は、ブロック１００５において、ＲＥＴＵＲＮ−ＴＯ−ＤＩＧ＝１かどうか判断することによって始まる。もしＲＥＴＵＲＮ−ＴＯ−ＤＩＧ＝０であれば、掘削機械は荷重をダンプし続けるべきである。従って、プログラム制御はセクションＥへ進み、ブームアップ機能３３５を呼び出し、次にセクションＦへ進み、旋回機能３４０を呼び出す。
【００５６】
次にプログラム制御は判断ブロック１０１０へ進み、ステッキシリンダ１４５を引っ込めてステッキ１１５をさらに掘削機械本体からより外側に広げるべきかどうか判断する。この判断は以下の３つの基準に基づいて行う。
（１）旋回角がダンプ角の所定の範囲内にあるか、および
（２）ブームシリンダ位置が設定点Ｏより大きいか、および
（３）ステッキシリンダ位置が設定点Ｐより大きいか、
ここで、設定点Ｏはダンプするためステッキシリンダが引っ込みを開始するブームシリンダ位置を表す。設定点Ｏの値は、一般に、設定点Ｌで表されたブームシリンダ伸長量より小さい所定のブームシリンダ伸長量を表す。設定点Ｐはダンプするための最終ステッキシリンダ位置を表す。
【００５７】
もしこれらすべての条件が満たされれば、プログラム制御はジャーク（急にぐいと動かすこと）機能を表すブロック１０１５へ進む。例えば、もしオペレータが湿潤土壌を表す土壌状態設定を選択していれば、湿潤土壌をバケット１２０から放出するためにステッキ１１５をジャークさせることが望ましい。もしステッキシリンダの伸長量がステッキ１１５をジャークさせる望ましい範囲内にあると判ったならば、ブロック１０２０において、ステッキシリンダ１４５をジャークさせる。しかしステッキがジャークさせる所望の範囲内になければ、ブロック１０２５において、ステッキシリンダを一定速度で所定量だけ引っ込める。
【００５８】
次にプログラム制御はブロック１０３０へ進み、バケットシリンダ１５０を引っ込めてバケット１２０を逆方向に屈曲させるべきかどうか判断する。ブロック１０３０の判断は次の４つの基準によって決まる。
（１）旋回角がダンプ角の所定の範囲内にあるか、
（２）ブームシリンダ位置が設定点Ｌより大きいか、
（３）ステッキシリンダ位置が設定点Ｑより大きいか、および
（４）バケットシリンダ位置が設定点Ｒより大きいか、
ここで、設定点Ｑはダンプする際にバケット１２０が逆方向に屈曲を始めるべきステッキシリンダ位置を表す。設定点Ｑの値は、一般に、設定点Ｐより大きな所定の値である。設定点Ｒはダンプするための最終バケットシリンダ位置である。
【００５９】
設定点Ｐと設定点Ｒは、図１２に示したそれぞれの曲線から決定する。図示のように、これらの設定点の実際の値は土壌状態設定に応じて変わる。これにより、ダンピングが完了したあと掘削が始まるとき、ステッキのリーチとバケットの屈曲が最適な位置に置かれる。例えば、軟らかい土壌状態の場合、掘削行程においてバケット１２０は容易に一杯になるので、ステッキシリンダの伸長量を相対的に短くする必要がある。しかし、土壌がより固くなると、土壌への進入が難しいためにバケット１２０を一杯にするためにより長い掘削行程が必要となるので、長い行程が望ましい。
【００６０】
もしブロック１０３０のすべての条件が満たされれば、制御はブロック１０３５へ進み、バケットシリンダ１５０を引っ込める。もし満たされなければ、制御はブロック１０４０へ進み、荷重が完全にダンプされたかどうか判断する。ブロック１０４０では、ブーム、ステッキ、およびバケットシリンダ位置と設定点Ｌ、Ｑ、およびＲとをそれぞれ比較して、すくい込んだ荷重が完全にダンプされたかどうか判断する。もしシリンダ位置が対応する設定点の所定の範囲内であれば、荷重は完全にダンプされたと言える。すなわち、ブーム１１０が引き起こされ、ステッキ１１５が外側に広げられ、バケット１２０が逆方向に回転される。もし範囲内になければ、制御はブロック１００５へ戻り、ダンピング・サイクルを仕上げる。
【００６１】
しかし、もし荷重がダンプされたならば、制御はブロック１０４５へ進み、オペレータが自動回転の使用を望んでいるかどうか判断する。オペレータはオペレータインタフェース２６０を通じてそのことを指示することができる。もし自動回転の使用を望んでいれば、ブロック１０５０において、ＲＥＴＵＲＮ−ＴＯ−ＤＩＧ＝１に設定し、制御はブロック１００５へ戻る。もし望んでいなければ、ＲＥＴＵＲＮ−ＴＯ−ＤＩＧ＝０に設定し、プログラム制御はセクションＡのブームダウン機能３０５へ戻り、サイクルを続行する。
【００６２】
ブロック１０５０に戻って、もしＲＥＴＵＲＮ−ＴＯ−ＤＩＧ＝１であれば、すくい込んだ荷重はダンプされているので、フロントアタッチメント１００は掘削場所へ戻される。従って、プログラム制御はセクションＨへ進み、復帰機能３２３を実行する。次に図１１を参照して復帰機能３２３について説明する。
【００６３】
制御は、ブロック１１０５において、旋回角の計算を始める。次に制御はセクションＩへ進み、調整機能３３０（あとで説明する）を実行する。
【００６４】
次に制御はブロック１１１０へ進み、旋回速度を計算する。例えば、旋回角を数値的に微分することによってフロントアタッチメント１００の回転速度を計算することができる。次に制御は、ブロック１１１５において、フロントアタッチメント１００の回転位置が掘削場所の所定の範囲内にあるかどうか、そしてフロントアタッチメント１００の回転速度が所定の値より小さいかどうか判断する。例えば、旋回角と掘削角とを比較し、そして旋回速度と設定点Ｓ（比較的遅い回転速度を表す）とを比較する。もしフロントアタッチメント１００が掘削場所の所定の範囲内にあり、そして回転速度が比較的遅ければ、フロントアタッチメントはセクションＡのブームダウン機能３０５で始まる掘削を再開する。従って、ブロック１１２０において、ＲＥＴＵＲＮ−ＴＯ−ＤＩＧ＝０に設定する。
【００６５】
しかし、もしフロントアタッチメント１００が掘削場所の所定の範囲内になければ、ブロック１１２５において、停止角を計算する。「停止角」は電子油圧式駆動装置がフロントアタッチメントを掘削場所へ向けて回転させることを停止させなければならない角度である。停止角は旋回速度に応じて変わり、回転しているフロントアタッチメントの運動量を考慮に入れるために計算される。停止角を計算したあと、制御はブロック１１３０へ進み、旋回角と停止角とを比較する。もし旋回角が停止角より大きければ、ブロック１１３５において、電子油圧式駆動装置はフロントアタッチメントを掘削場所に向けて回転させ続ける。しかし、もし旋回角が停止角より小さければ、ブロック１１４０において、電子油圧式駆動装置はフロントアタッチメントを逆方向に駆動し、その回転を迅速に停止させる。
【００６６】
ブロック１１４５において、ブームを地面より下に下げる。次に、ブロック１１４７において、旋回角と掘削場所とを比較する。もし旋回角が掘削場所の所定の範囲内にあれば、制御はブロック１１５０へ進む。ブロック１１５０では、ステッキシリンダ位置と設定点Ｄとを比較し、ステッキ１１５が適切なリーチを有するかどうか判断する。もしステッキシリンダ位置が設定点Ｄより小さければ、ブロック１１５５において、ステッキシリンダ１４５を所定の量だけ引っ込めて、ステッキ１１５の外側リーチを増加させる。もし設定点Ｄより大きければ、ブロック１１６０において、ステッキシリンダ１４５の引っ込みを徐々に停止させる。
【００６７】
次に学習機能１９００について説明する。学習機能は、論理手段２５０がオペレータの定めた掘削作業サイクルの作業包絡線を学習し、作業サイクルの自動制御を実行する方法である。例えば、作業包絡線は掘削作業サイクルの所定の設定点によって定義される。また論理手段２５０は、掘削機械が作業サイクルを実行するとき作業環境の変化に対し作業サイクルを連続的に適応させる。詳しく述べると、論理手段２５０は位置信号と圧力信号を受け取り、作業サイクルの所定の部分に関する所定の動作パラメータを決定し、作動手段２６５に対する指令信号を発生して作業サイクルを自動的に実行させる。
【００６８】
図１９および図２０に、学習機能１９００のプログラム制御のフローチャートを示す。図１９および図２０の各判断ブロックにおいて、プログラム制御はバケット位置と、油圧シリンダ１４０，１４５，１５０内の圧力と力を計算することがあることに留意されたい。「バケット位置」とはバケット角φと共にバケット先端位置を言う。バケット位置は位置信号に応じて周知のやり方で計算される。この説明では、特に言及しない限り、以下の設定点は正の値をもつものと仮定する。
【００６９】
図１９のブロック１９０５において、オペレータはフットスイッチまたは同種の装置を押すことによって学習機能を開始する。その結果、ブロック１９１０において、可変ＭＯＤＥ＝ＡＰＰＲＯＡＣＨ（バケット１２０が地面に近づいていることを示す）に指定する。この時点で、オペレータは１つの全作業サイクルを開始する。プログラム制御はブロック１９１５へ進み、バケット位置と基準線Ｘとを比較することによって、バケット位置が掘削機のキャタピラーより下にあるかどうか判断する。基準線Ｘは掘削機のキャタピラーの底から延びている基準線である。もしバケットがキャタピラーより下にあることが判り、かつ判断ブロック１９１５のその他の状態が起きれば、プログラム制御はブロック１９２０へ進み、バケット１２０が地面に接触したかどうか判断する。
【００７０】
ブロック１９２０では、制御はブームシリンダ圧力と設定点Ａとを、そしてバケットシリンダ圧力と設定点Ｂとを比較する。設定点ＡとＢは、それぞれフロントアタッチメント１００が地面に接触したことを示すブームおよびバケットシリンダ圧力を表す。プログラム制御がバケット１２０が地面に接触したと判断したら、ブロック１９２５において、フラグＩＮ−ＧＲＯＵＮＤ＝ＴＲＵＥにに指定し、可変ＭＯＤＥ＝ＧＲＯＵＮＤに指定する。
【００７１】
従って、制御はブロック１９３５へ進み、オペレータ制御信号を監視することにより、オペレータが作業サイクルの掘削行程部分を開始しているかどうか判断する。最初に、プログラム制御は、ステッキシリンダ１４５の動きに関するオペレータ制御信号と設定点ＡＡとを比較する。設定点ＡＡは所定のステッキ速度に相当する制御信号の大きさを表す。プログラム制御は、さらに、バケットおよびブームシリンダ１５０，１４０の動きに関するオペレータ制御信号と設定点ＢＢとＣＣ，ＣＣ′とをそれぞれ比較する。設定点ＢＢとＣＣ，ＣＣ′はそれぞれ所定のバケット１２０の速度とブーム１１０の速度に相当するオペレータ制御信号を表す。ＣＣ′は下向きを表す負の値をもつことがあることに留意されたい。これらの比較の結果は、オペレータがブームの動きをやや最小限度に保ちながら、ステッキ１１５を掘削機本体１０５に向けて迅速に動かしていることを示す。さらに、バケット角が掘削の用意ができたかどうか判断するために、バケット屈曲速度が監視される。
【００７２】
ブロック１９３５の条件が満たされたあと、制御は、ブロック１９４０において、設定点Ｅ＝バケット角φに指定し、可変ＭＯＤＥ＝ＤＩＧに指定する。設定点Ｅは掘削の開始時のバケット１２０の掘削角を表す。制御は、さらに、掘削場所に関係する旋回角を決定する。
【００７３】
次にプログラム制御はブロック１９４５へ進み、フロントアタッチメント１００が掘削しているときステッキシリンダ１４５に加わる平均的な力と、バケットシリンダ１５０に関する指令信号の大きさの平均値を決定する。例えば、バケット指令信号の大きさの平均値はバケットの平均速度に一致しているもよい。
【００７４】
プログラム制御は判断ブロック１９５０へ進み、オペレータがフロントアタッチメント１００にブームアップするように指令したかどうか判断することにより、掘削すなわち作業サイクルの掘削行程部分が完了したかどうか判断する。図示のように、制御はステッキシリンダ１４５に関するオペレータ制御信号と設定点ＤＤとを比較する。設定点ＤＤは所定のステッキシリンダ１４５の速度に対応するオペレータ制御信号の大きさを表す。次に制御はブームシリンダ１４０に関するオペレータ制御信号と設定点ＥＥとを比較する。設定点ＥＥは所定のブームシリンダ１４０の速度に対応するオペレータ制御信号の大きさを表す。最後に、制御はバケットシリンダ１５０に関するオペレータ制御信号と設定点ＦＦとを比較する。設定点ＦＦは所定のバケットシリンダ１５０の速度に相当するオペレータ制御信号の大きさを表す。これらの比較の結果は、ステッキの動きが最小であるとき、ブームが迅速に持ち上げられ、バケット１２０が屈曲して荷重をすくい込んでいることを示す。
【００７５】
従って、プログラム制御は図２０のブロック１９５５へ進み、設定点Ｇ＝バケット角φに指定し、可変ＭＯＤＥ＝ＢＯＯＭ−ＵＰに指定する。設定点Ｇは掘削の終了時のバケット角を表す。
【００７６】
次にプログラム制御はブロック１９７０へ進み、オペレータがフロントアタッチメント１００を掘削場所からダンプ場所へ旋回すなわち回転させているかどうか判断する。ブロック１９７０では、制御は旋回装置１８５に関するオペレータ制御信号と設定点ＧＧとを比較する。設定点ＧＧは所定の旋回速度に相当するオペレータ制御信号の大きさを表す。この比較の結果は、オペレータがフロントアタッチメント１００を掘削場所からダンプ場所へ旋回させていることを示す。ここでは、正の値をもつオペレータ制御信号の大きさは時計方向に回転しているフロントアタッチメントに関係しており、負の値をもつオペレータ制御信号の大きさは反時計方向に回転しているフロントアタッチメントに関係していることに留意されたい。さらに、例えば、フロントアタッチメントは掘削場所からダンプ場所へ時計方向に回転すると仮定する。
【００７７】
プログラム制御は、オペレータがフロントアタッチメント１００をダンプ場所へ回転させていると判断したあと、ブロック１９８０へ進んで、オペレータがバケット１２０から荷重をダンプすることを始めたかどうか判断する。ブロック１９８０では、制御は、旋回装置に関するオペレータ制御信号と設定点ＨＨとを比較する。設定点ＨＨは所定の旋回速度に対応するオペレータ制御信号の大きさを表す。この比較は、フロントアタッチメント１００の回転が減速または停止されたことを示す。
【００７８】
制御は、さらに、バケットシリンダ１５０に関するオペレータ制御信号の大きさと設定点ＩＩとを比較する。設定点ＩＩは所定のバケット速度に対応するオペレータ制御信号の大きさを表す。この比較はバケット１２０が開いて、バケット１２０から荷重がダンプされていることを示す。設定点ＩＩは負の値（バケットシリンダが引っ込み中であることを示す）をもつことがあることに留意されたい。
【００７９】
次にプログラム制御はブロック１９８３へ進み、設定点Ｋ＝ＢＯＯＭ−ＵＰモードまたはＳＷＧ−ＴＯ−ＤＵＭＰモードのときに決定した最大バケット屈曲量φに指定する。最大バケット屈曲量φは荷重をすくい込むバケット角を表す。
【００８０】
次にプログラム制御はブロック１９８５へ進み、ダンプ場所を決定し、そして旋回角を計算する。ダンプ場所はオペレータが荷重を堆積する区域と一致する。旋回角はフロントアタッチメントが掘削場所からダンプ場所へ回転する角度量と定義する。
【００８１】
最後にプログラム制御は判断ブロック１９９０へ進み、作業サイクルのダンプ部分が完了したかどうか判断する。ブロック１９９０において、制御は旋回装置１８５に関するオペレータ制御信号の大きさと設定点ＪＪとを比較する。設定点ＪＪは所定の旋回速度に対応するオペレータ制御信号の大きさを表す。この比較はフロントアタッチメント１００がダンプ場所から掘削場所へ戻るため回転していることを表す。設定点ＪＪは負の値をもつことがあることに留意されたい。制御は、さらに、バケットシリンダ１５０に関するオペレータ制御信号と設定点ＫＫとを比較する。設定点ＫＫは所定のバケットシリンダ速度に相当するオペレータ制御信号の大きさを表す。この比較はオペレータが荷重のダンピングを終了したことを示す。設定点ＫＫは負の値をもつことがあることに留意されたい。
【００８２】
次にプログラム制御はブロック１９９５へ進み、設定点Ｌ＝現在のブームシリンダ位置に指定し、設定点Ｐ＝現在ステッキシリンダ位置に指定する。設定点Ｌはバケットがダンプ堆積物をクリヤするために必要なブームシリンダ伸長量を表し、設定点Ｐはダンプするための最終ステッキ位置を表す。
【００８３】
学習機能１９００が完了し、オペレータパラメータが決定されたあと、すなわち設定点が指定されたあと、ブロック１９４５において計算した平均ステッキシリンダ力とバケットシリンダ指令信号の大きさに応じて、制御曲線を修正することができる。詳しく述べると、論理手段２５０はブロック１９４５の計算と図２１，２２に示した二次元ルックアップテーブルの値とを比較して、制御曲線の土壌状態設定を決定する。
【００８４】
図２１に、複数の所定の土壌状態に対応する所定の力の値の表を示す。論理手段２５０は計算した力の値と所定の力の値とを突き合わせて、図１３，図１４，図１５の制御曲線と図１２の設定点Ｒの曲線の土壌状態設定を図２１に示した土壌状態設定へセットする。
【００８５】
図２２に、複数の所定の土壌状態に対応する所定のバケット指令信号の大きさの表を示す。論理手段２５０は計算したバケット指令信号の大きさと所定の指令信号の大きさとを突き合わせて、図１６の制御曲線の土壌状態設定を図２２の表に示した土壌状態設定へセットする。
【００８６】
いろいろな設定点に対する値や、いろいろな図に示した曲線は、車両力学の分野の掘削工程に精通した専門家によって日常的な実験で決定することができる。ここに示したどの値も単なる例示として記載したものである。
【００８７】
【作用】
次に、掘削機、バックホウローダー、およびフロントショベルなど、掘削または積込み機能を実行する地ならし機に使用した場合について本発明の装置の作用を詳しく説明する。図２３に、実例として油圧式掘削機を示す。直線ＸとＹはそれぞれ水平方向と垂直方向の基準線である。
【００８８】
本発明の実施例では、掘削機のオペレータは２本のフロントアタッチメント制御レバーと、制御パネルすなわちオペレータインタフェース２６０を自由に使用することができる。一方の制御レバーがブーム１１０とバケット１２０の動作を制御し、他方の制御レバーがステッキ１１５と旋回の動作を制御することが好ましい。オペレータは、オペレータインタフェース２６０によって操作オプションを選択し、かつ機能仕様を入力することができる。例えば、所望の掘削深さを入力するようプロンプトでオペレータに指示することができる。
【００８９】
次に図２４に、掘削作業サイクルのいろいろな部分を示す。以下の説明は学習機能の作用に関するものである。最初に、論理手段２５０はオペレータが定めた作業サイクルの作業包絡線を決定する。作業包絡線は、オペレータ指令信号の大きさに基づいて作業サイクルに関する所定の設定点によって定義される。
【００９０】
２３０５において、論理手段２５０は、バケット１２０が地面に接触するまでオペレータがブーム１１０を下降させると、それに応じて作業サイクルのブームダウン部分の終了を決定する。次に論理手段２５０は、２３１０において、作業サイクルの掘削行程部分の開始時のバケット１２０の掘削角（設定点Ｅ）と掘削場所に関係する旋回角を決定する。オペレータがバケット１２０の屈曲、ステッキ１１５の引っ込め、およびブーム１１０の引起しを制御すると、論理手段２５０は、２３１５において、作業サイクルの掘削行程部分の間の平均ステッキ力と平均バケット指令信号の大きさを決定する。論理手段２５０は、オペレータが作業サイクルの荷重すくい込み部分を始めている（従って、掘削行程部分の終了を意味している）と決定したあと、２３２０において、掘削終了時のバケット角（設定点Ｇ）を決定する。次に、論理手段２５０は、２３２５において、オペレータが作業サイクルの荷重すくい込み部分を終了すると、それに応じて荷重を一杯にすくい込むバケット角（設定点Ｋ）を決定する。
【００９１】
次に論理手段２５０は、２３３０において、オペレータが作業サイクルの荷重ダンプ部分を実行すると、すなわちオペレータがダンプ場所へのフロントアタッチメント１００の旋回、ブーム１１０の引起し、ステッキ１１５の伸長、およびバケット１２０の逆屈曲を制御すると、それに応じてダンプ場所を決定する。オペレータが荷重をダンプしたあと、論理手段２５０はブームおよびステッキシリンダ位置（設定点Ｌ，Ｐ）をそれぞれ決定する。
【００９２】
オペレータが作業サイクルを完了し、作業包絡線が決定されたあと、論理手段２５０は自動掘削を実行する準備が完了する。論理手段２５０は、最初に、平均ステッキシリンダ力と平均バケット指令信号の大きさを使用して、掘削する土壌状態を推定し、適切な制御曲線を選択して作業包絡線に従ってフロントアタッチメントを制御する。しかし、オペレータの作業サイクルを単に繰り返すのでなく、論理手段２５０は変化する掘削環境に作業サイクルを適応させて効率的な掘削を行う。
【００９３】
本発明のその他の特徴、目的、および利点は、添付図面、発明の詳細な説明、および特許請求の範囲を熟読することによって理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】掘削機械のフロントアタッチメントの略図である。
【図２】掘削機械の制御装置のハードウェア・ブロック図である。
【図３】本発明の実施例の第１段階のフローチャートである。
【図４】ブームダウン機能の実施例の第２段階のフローチャートである。
【図５】掘削行程機能の実施例の第２段階のフローチャートである。
【図６】適応機能の実施例の第２段階のフローチャートである。
【図７】すくい込み機能の実施例の第２段階のフローチャートである。
【図８】ブームアップ機能の実施例の第２段階のフローチャートである。
【図９】旋回機能の実施例の第２段階のフローチャートである。
【図１０】ダンプ機能の実施例の第２段階のフローチャートである。
【図１１】復帰機能の実施例の第２段階のフローチャートである。
【図１２】いろいろな設定点の値を示すグラフである。
【図１３】予備掘削機能中のブームシリンダ指令信号に関する制御曲線を表すグラフである。
【図１４】予備掘削機能中ステッキシリンダ指令に関する制御曲線を示すグラフである。
【図１５】掘削行程機能中のブームシリンダ指令信号に関する制御曲線を示すグラフである。
【図１６】掘削行程機能中のバケットシリンダ指令信号に関する制御曲線を示すグラフである。
【図１７】適応機能に関する制御曲線を示すグラフである。
【図１８】横に投下している掘削機械の平面図である。
【図１９】学習機能の実施例の第２段階のフローチャートの前半である。
【図２０】学習機能の実施例の第２段階のフローチャートの後半である。
【図２１】複数の所定の土壌状態設定に対応する複数のステッキ力の値を示す表である。
【図２２】複数の所定の土壌状態設定に対応する複数のバケット指令信号の大きさを表す表である。
【図２３】掘削機械の側面図である。
【図２４】掘削作業サイクルのいろいろな部分中のフロントアタッチメントのジオメトリを示す略図である。
【符号の説明】
１００  フロントアタッチメント
１０５  掘削機械本体
１１０  ブーム
１１５  ステッキ
１２０  バケット
１３０  湾曲部分
１４０  ブームシリンダ
１４５  ステッキシリンダ
１５０  バケットシリンダ
１５５  リンケージ
１８０  フロントアタッチメント旋回点
１８５  旋回装置
２００  電子油圧装置
２０５  位置信号発生手段
２１０，２１５，２２０  変位センサ
２２５  圧力信号発生手段
２３０，２３５，２４０  圧力センサ
２４３  旋回角センサ
２４５  信号調整器
２５０  論理手段
２５３  メモリ
２５５  制御レバー
２６０  オペレータインタフェース
２６５  作動手段
２７０，２７５，２８０，２８５  油圧制御弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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