(57)【要約】【課題】  作業工具を制御する方法およびシステムを提供する。【解決手段】  作業工具の運動を制御するための方法が開示される。本方法は、予め規定された掘削境界を識別するステップを含む。作業工具の現在の位置が決定される。作業工具の位置を変更するために、制御信号が生成される。本方法はまた、制御信号に基づき作業工具に対する要求動作ベクトルを決定することを含む。決定された力が生成され、作業工具に印加される。決定された力は要求動作ベクトルに基づき、かつ予め規定された掘削境界に作業工具が交差することを防止するようにスケーリングされる垂直成分を有する。【選択図】  図４
2005180170.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
作業工具の運動を制御するための方法であって、
予め規定された掘削境界を識別するステップと、
作業工具の現在の位置を決定するステップと、
制御信号を生成して作業工具の位置を変更するステップと、
制御信号に基づき作業工具に対する要求動作ベクトルを決定するステップと、
決定された力を生成して作業工具に印加するステップであって、決定された力が要求動作ベクトルに基づき、かつ予め規定された掘削境界に作業工具が交差することを防止するようにスケーリングされる垂直成分を有する、ステップと
を含む方法。
【請求項２】
作業工具に対する現在の力を決定するステップと、
予め規定された掘削境界の少なくとも一部分に対し略垂直である現在の力の成分の大きさを決定するステップと、
スケーリングされた垂直成分に対応するように現在の力の垂直成分の大きさを変更するために必要な作業工具の必要な動作を計算するステップと
をさらに含み、
予め規定された掘削境界に作業工具が交差することを防止するように、スケーリングされた垂直成分の大きさが低減される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
作業工具組立体の作業器具用の制御システムであって、
作業器具組立体と関連付けられ、かつ作業工具の現在の位置を示すパラメータを感知するように適合された少なくとも１つのセンサと、
制御信号を生成して作業工具の位置を変更するように動作可能な入力装置と、
予め規定された掘削境界を記憶するように適合されたメモリを有する制御モジュールであって、作業工具の現在の位置を決定するように、入力装置から制御信号を受信するように、また入力装置から受信された制御信号に基づき作業工具に対する要求動作ベクトルを決定するように適合された制御モジュールと
を備え、
制御モジュールが、決定された力を生成して作業工具に印加するようにさらに適合され、決定された力が要求動作ベクトルに基づき、かつ予め規定された掘削境界に作業工具が交差することを防止するようにスケーリングされる垂直成分を有する、制御システム。
【請求項４】
作業工具を有する作業器具組立体用の装置であって、
作業工具の現在の位置を決定するための手段と、
制御信号を生成して作業工具の位置を変更するための手段と、
決定された力を生成して作業工具に印加するための手段であって、決定された力が、作業工具の現在の位置および制御信号から決定される要求動作ベクトルに基づき、決定された力が、予め規定された掘削境界に作業工具が交差することを防止するようにスケーリングされる垂直成分を有する手段と
を備える装置。
【請求項５】
作業機械であって、
作業工具と、作業器具組立体と動作可能に関連付けられた一連の油圧アクチュエータとを含む作業器具組立体と、
作業器具組立体と関連付けられ、かつ作業工具の現在の位置を示すパラメータを感知するように適合された少なくとも１つのセンサと、
作業器具組立体と関連付けられ、かつ作業工具に働いている現在の力を示すパラメータを感知するように適合された少なくとも１つのセンサと、
制御信号を生成して作業器具組立体の位置を変更するように動作可能な入力装置と、
予め規定された掘削境界を記憶するように適合されたメモリを有する制御モジュールであって、作業工具の現在の位置を決定するように、入力装置から制御信号を受信するように、また入力装置から受信された制御信号に基づき作業工具に対する要求動作ベクトルを決定するように適合された制御モジュールと
を備え、
制御モジュールが、決定された力を生成して作業工具に印加するようにさらに適合され、決定された力が要求動作ベクトルに基づき、かつ予め規定された掘削境界に作業工具が交差することを防止するようにスケーリングされる垂直成分を有する、作業機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、作業工具の運動を制御するためのシステムおよび方法、より詳しくは、予め規定された掘削境界に沿って作業工具の運動を制御するためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
所望の構造を獲得するために作業機械で作業現場を掘削することは、複雑なプロセスである場合が多い。所望の表面構造は、例えば、対称または非対称の壁、床、ランプ、または曲面を有する境界面を含む場合がある。操作者は、作業機械の動作を制御して、境界面によって画定された容積を刻み出すことが可能である。掘削場所の性質に左右され、作業機械の作業器具組立体で忠実にこれらの境界面に追従することは困難な場合がある。したがって、このような境界面を有する掘削場所を順調かつ正確に掘り出すことができる熟練した操作者が必要である。
【０００３】
いくつかの作業機械は、所望の境界面を予め規定された掘削境界として記憶できるコンピュータシステムを有する。コンピュータシステムは作業器具組立体の位置を監視し、かつ予め規定された掘削境界を作業器具組立体が通過しないように作業器具組立体の運動を制限することが可能である。このように行うことによって、操作者は、掘削境界を掘り進むことなく、作業器具組立体で一層容易に掘削境界に追随することが可能である。
【０００４】
作業機械の作業器具組立体の運動を制限できる１つの作業機械が、モトムラ（Ｍｏｔｏｍｕｒａ）らに付与された米国特許公報（特許文献１）に記載されている。この作業機械は、高さ限界位置、到達距離限界位置、および深さ限界位置を含むようにプログラミングし得る。作業器具組立体がこれらの限界位置に移動されると、作業器具組立体を制御する弁は、さらなる運動を防止するために自動的に閉じられる。したがって、作業器具組立体は、確立された限界位置を越えて延在できない。
【０００５】
予め指定された限界を越えて作業器具組立体が通過しないことを保証するには有用であるが、米国特許公報（特許文献１）に記載されているような制御システムを含む先行技術の作業機械は、予め指定された限界位置の近くで作業工具が動作しているときに作業機械の効率を低くする可能性がある。作業工具が所定の限界位置に接近して、弁が閉じられるとき、操作者は新しい入力指示を行って作業現場の掘削を継続しなければならない場合がある。したがって、これらの種類の制御システムは操作者の作業を中断し、作業工具が限界位置または境界に沿って容易に移動することを妨げる可能性がある。
【０００６】
【特許文献１】米国特許第６，４１５，６０４号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、先行技術の１つ以上の不都合を克服する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
一形態では、本発明の明細書は、作業工具の運動を制御するための方法に関する。本方法は、予め規定された掘削境界を識別し、また作業工具の現在の位置を決定するステップを含む。作業工具の位置を変更するために制御信号が生成される。作業工具に対する要求動作ベクトルは制御信号に基づき決定される。決定された力が生成されて作業工具に印加される。決定された力は要求動作ベクトルに基づき、かつ予め規定された掘削境界に作業工具が交差することを防止するようにスケーリングされる垂直成分を有する。
【０００９】
他の形態では、本発明の明細書は、作業器具組立体の作業工具用の制御システムに関する。システムは、作業器具組立体と関連付けられ、かつ作業工具の現在の位置を示すパラメータを感知するように適合された少なくとも１つのセンサを含む。入力装置は、制御信号を生成して作業工具の位置を変更するように動作可能である。制御モジュールは、予め規定された掘削境界を記憶するように適合されたメモリを有する。制御モジュールは、作業工具の現在の位置を決定するように、入力装置から制御信号を受信するように、また入力装置から受信された制御信号に基づき作業工具に対する要求動作ベクトルを決定するように適合される。制御モジュールは、決定された力を生成して作業工具に印加するようにさらに適合される。決定された力は要求動作ベクトルに基づき、かつ予め規定された掘削境界に作業工具が交差することを防止するようにスケーリングされる垂直成分を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１は、作業機械１００の関連部分の例示的な実施形態を示している。多種多様な土工および建設用途のために、作業機械１００を使用することが可能である。作業機械１００はバックホーローダとして示されているが、他のタイプの作業機械１００、例えば、エキスカベータ、フロントショベル、材料ハンドラ等を、開示したシステムの実施形態に使用し得ることが指摘される。
【００１１】
作業機械１００は、本体１０１と、例えば、作業機械１００にすべて制御可能に取り付けられるブーム１０４、スティック１０６、伸長可能なスティック（Ｅ−スティック）１０８、および作業工具１１０を含むいくつかの構成部材を有する作業器具組立体１０２とを含む。公知のように、ブーム１０４は本体１０１に旋回可能に連結され、スティック１０６はブーム１０４に旋回可能に取り付けられ、Ｅ−スティック１０８はスティック１０６と摺動可能に関連付けられ、また作業工具１１０はＥ−スティック１０８に旋回可能に取り付けられる。作業器具組立体１０２は、本体１０１に対して略水平方向および略垂直方向に旋回することが可能である。
【００１２】
アクチュエータ１１２は、作業器具組立体１０２の構成部材のそれぞれの間に連結し得る。アクチュエータ１１２のそれぞれは、旋回可能におよび／または摺動可能に連結された構成部材の間で運動を行うように適合可能である。アクチュエータ１１２は、例えば油圧シリンダでもよい。当分野で公知のように、アクチュエータ１１２の運動は、アクチュエータ１１２への流体流の速度および方向を制御することによって制御し得る。
【００１３】
図２に示したように、油圧シリンダ弁２１４は、アクチュエータ１１２に通じる流体ラインに配置し得る。弁２１４は、アクチュエータへのまたそこからの流体流を制御するように適合可能である。流体流を調整して、関連アクチュエータ１１２および作業器具組立体１０２の構成部材の運動速度および運動方向を制御するために、弁２１４の位置を調整し得る。
【００１４】
図２は、作業器具組立体１０２の運動を制御するように適合された例示的な制御装置２００を示している。制御装置２００は、１つ以上の位置センサ２０２、１つ以上の力センサ２０４、入力装置２０６、および制御モジュール２０８を含み得る。制御装置２００は、当業者が容易に理解できるような他の構成部材を含んでもよい。
【００１５】
位置センサ２０２は、作業器具組立体１０２の構成部材の運動を感知するように構成可能である。これらの位置センサ１０２は、例えば、アクチュエータ１１２に動作可能に結合し得る。代わりに、位置センサ２０２は、作業器具組立体１０２の様々な構成部材を連結する継手に動作可能に結合してもよい。これらのセンサは、例えば、長さポテンショメータ、無線周波数共鳴センサ、ロータリポテンショメータ、角度位置センサ等でもよい。
【００１６】
力センサ２０４は、作業器具組立体１０２に印加される外部負荷を測定するように適合可能である。例示的な一実施形態では、力センサ２０４は、アクチュエータ１１２のすべての中の流体圧力を測定するための圧力センサであり得る。アクチュエータ１１２内の流体圧力は、印加される負荷の大きさを決定するために利用し得る。この例示的な実施形態では、力センサ２０４は、それぞれのアクチュエータ１１２と関連する２つの圧力センサから構成することが可能であり、１つの圧力センサは、アクチュエータ１１２のそれぞれの端部に位置決めされる。他の例示的な実施形態では、力センサ２０４は、それぞれのアクチュエータ１１２と直列の単一の歪みゲージロードセルであり得る。位置センサ２０２および力センサ２０４は、従来の信号励起スケーリングおよびフィルタリング用の信号コンディショナ（図示せず）と通信し得る。例示的な一実施形態では、それぞれの個々の位置センサおよび力センサ２０２、２０４はそのセンサハウジング内に信号コンディショナを収容してもよい。
【００１７】
制御装置２００はまた、情報または操作者指示を入力して、作業器具組立体１０２のような作業機械１００の構成部材を制御するために使用される入力装置２０６を含み得る。入力装置２０６は、例えば、作業器具組立体１０２の要求された動作を表す制御信号を生成するために使用し得る。入力装置２０６は、例えば、キーボード、ジョイスティック、キーパッド、マウス等を含む公知の任意の標準入力装置であり得る。
【００１８】
位置センサ２０２、力センサ２０４、および入力装置２０６は、制御モジュール２０８と電気通信し得る。制御モジュール２０８は作業機械１００に配置し得るか、あるいは代わりに、作業機械１００から遠隔にあり、リモートリンクを介して作業機械１００と通信してもよい。
【００１９】
制御モジュール２０８は、プロセッサ２１０およびメモリ２１２を収容することが可能である。公知のように、プロセッサはマイクロプロセッサまたは他のプロセッサでもよく、またコンピュータで読み取り可能なコードまたはコンピュータプログラミングを行使して、機能を実行するように構成可能である。メモリ２１２はプロセッサ２１０と通信することが可能であり、作業器具組立体１０２の公知の仕様に対応するアルゴリズムおよびデータを含むコンピュータプログラムおよび行使可能なコードの記憶を行い得る。
【００２０】
例示的な一実施形態では、メモリ２１２は、予め規定された掘削境界を記憶するように適合される。予め規定された掘削境界は掘削地点の所望の構造を表すことが可能であり、平坦な境界、または任意に賦形された表面であり得る。予め規定された掘削境界は、例えば、設計図から獲得して制御モジュール２０８内にプログラミングし、グラフィックインタフェースを介して形成するか、あるいはＣＡＤ／ＣＡＭ等のプログラムによって生成されたデータから獲得し得る。
【００２１】
さらに、メモリ２１２は、しきい値境界を記憶するように適合可能である。しきい値境界を制御モジュール２０８内にプログラミングして、予め規定された掘削境界から指定距離だけオフセットされる境界を提供することが可能である。以下により詳細に記載するように、作業工具１１０がしきい値境界内にあり、かつ予め規定された掘削境界に近接した位置にあるとき、作業器具組立体１０２の制御を変更してもよい。
【００２２】
制御モジュール２０８は、位置センサ２０２および力センサ２０４によって獲得された情報を処理して、作業工具１１０の現在の位置およびそれに対し印加される現在の力を決定するように構成可能である。制御モジュールはまた、予め規定された掘削境界に対し略垂直かつ略平行の現在の垂直力および現在の平行力をそれぞれ含む成分に、現在の力を変換するように構成可能である。制御モジュール２０８は、標準運動学または逆運動学の分析を利用して、作業工具１１０の位置およびそれに対する力を決定し得る。
【００２３】
制御モジュール２０８はまた、作業器具組立体１０２の運動を要求する入力装置２０６から制御信号を受信かつ解釈するように適合可能である。制御信号が動作速度に対する要求である場合、制御モジュール２０８はこれらの速度を距離に変換するように適合可能である。これらの制御信号に基づき、制御モジュール２０８は、入力装置２０６からの制御信号に基づき、作業器具組立体１０２に対する要求動作ベクトルを決定し得る。同様に、制御モジュール２０８は、要求動作ベクトルを要求垂直成分および要求平行成分に変換するように構成可能である。これらの成分は、それぞれ、予め規定された掘削境界に対し垂直および平行であり得る。
【００２４】
例示的な一実施形態では、制御モジュール２０８は、要求垂直成分をスケーリングして、予め規定された掘削境界に対する修正またはスケーリングされた垂直力を生成し得る。要求垂直成分の大きさは、作業工具１１０が掘削境界に近接して追随することを保証するようにスケーリング可能である。スケーリングの大きさは、作業工具１１０に対する掘削境界の近さに基づいてもよく、入力装置２０６からの制御信号によってさらに規定し得る。制御モジュールは、現在の垂直力が時間の経過につれ変化して、スケーリングされた垂直力に一層密接に整合するように、作業工具１１０に対する力を調整するために必要な力を表す必要垂直力を計算するように適合可能である。
【００２５】
制御モジュール２０８は、センサ２０２、２０４から獲得された情報、入力装置２０６からの制御信号、および動作要求を生成するための要求動作ベクトルを処理するように適合可能である。動作要求は、弁２１４に送信してアクチュエータ１１２を移動し得る処理後の制御信号を表すことが可能である。
【００２６】
制御モジュール２０８は、入力装置２０６からの制御信号に基づき制御信号を異なって処理するように適合可能である。例えば、制御モジュール２０８は、調整モードによる動作時に最初に制御信号を処理することが可能であり、調整モードで動作しないときに異なる方法で制御信号を処理し得る。言い換えれば、調整モードの作動または非作動により、制御信号の処理方法の変更が可能である。例示的な一実施形態では、調整モードは、要求垂直成分をスケーリングして、スケーリングされた垂直力を生成するスケーリング特徴部を作動および非作動にするために使用し得る。入力装置２０６は、例えば、ボタン、トリガ、および／またはスライダによって生成された信号により、調整モード、またはスケーリング特徴部を作動し得る。例示的な一実施形態では、調整モードは、入力装置２０６の親指ボタンが押される限りにおいてのみアクティブである。調整モードを制御するプログラミングまたは行使可能なコードは、メモリ２１２に記憶して、プロセッサ２１０によって処理し得る。
【００２７】
例示的な一実施形態では、制御装置２００はまた、作業器具組立体１０２と関連付けられた速度トランスデューサを含むことが可能である。本実施形態では、制御モジュール２０８は速度運動学分析を利用して、作業器具組立体１０２の構成部材の速度を制御し、これによって作業工具１１０の運動を制御し得る。
【００２８】
図３は、作業器具組立体１０２の運動を制御するための方法を示している。図３は、制御装置２００によって実行されるステップを有するフローチャート３００を示している。図４は、予め規定された掘削境界に沿って移動する作業器具組立体１０２の例示的な実施形態を示している。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
以下の説明は、作業工具１１０を制御するための上述のシステムの動作および機能性を記載している。図３は、ステップ３０２で開始するフローチャート３００を示している。開始ステップ３０２は、上述のように、境界しきい値と共に、予め規定された掘削境界を制御モジュール２０８内に記憶することを含み得る。開始ステップ３０２はまた、作業機械１００の動力供給を含み得るか、あるいは代わりに、作業機械１００の制御モジュール２０８のメモリ２１２内に記憶されたある動作モードまたは予めプログラミングされたシーケンスへの切り換えを含んでもよい。
【００３０】
ステップ３０４において、制御モジュール２０８は、位置センサ２０２および／または力センサ２０４を用いて、アクチュエータ１１２の位置および作業工具１１０に印加される力を監視する。センサ２０２、２０４は制御モジュール２０８と電子通信し、測定された情報を表す信号を送信する。ステップ３０６では、制御モジュール２０８は、位置センサ２０２および力センサ２０４から受信された信号と、記憶された幾何学計算および運動学計算とに基づき、作業工具１１０の現在の位置および現在の作業工具力として作業工具１１０に印加される現在の力を決定する。ステップ３０７では、制御モジュールは、現在の作業工具力を、予め規定された掘削境界に対する現在の垂直力および現在の平行力に変換する。現在の垂直力は、予め規定された掘削境界に対し垂直を指す現在の作業工具力の成分であり、一方、現在の平行力は、予め規定された掘削境界に対し平行の方向を指す現在の作業工具力の成分である。
【００３１】
ステップ３０８において、作業機械１００の操作者は入力装置２０６を操作して、入力装置２０６から制御モジュール２０８に送信される制御信号を生成する。制御信号は、例えば、作業器具組立体１０２を現在の位置から新しい位置に移動させるような作業器具組立体１０２に対する動作の要求を表し得る。入力装置２０６は、ゼロ信号から最大制御信号の範囲の制御信号を供給するように適合可能である。制御信号は、３００ｍｍ／秒のような要求速度を表すことが可能であり、次に、この要求速度は、制御モジュール２０８によって、位置の変更、すなわち、フローチャート３００の１つの計算サイクルで達成し得る小さな動作に変換することが可能である。例えば、３００ｍｍ／秒の運動に対する要求は、０．０１秒の計算サイクル時間で３ｍｍに対する要求に変換し得る。
【００３２】
ステップ３１０において、制御モジュール２０８は、入力装置２０６から送信された制御信号に基づき要求動作ベクトルを計算する。要求動作ベクトルは、制御信号によって示される大きさおよび方向を有する。例えば、入力装置２０６の小さな運動により、小さな大きさを有する要求動作ベクトルが得られ、一方、入力装置２０６の比較的大きな運動により、比較的大きな大きさを有する要求動作ベクトルが得られる。制御モジュール２０８は、要求動作ベクトルをさらに処理して、予め規定された掘削境界に対する要求垂直成分および要求平行成分に変換する。要求垂直成分は、予め規定された掘削境界に対し垂直を指す要求動作ベクトルの成分であり、一方、要求平行成分は、予め規定された掘削境界に対し平行の方向を指す要求動作ベクトルの成分である。
【００３３】
図４は、予め規定された掘削境界４０８に沿った作業器具組立体１０２の運動に対する要求動作ベクトル４０２を示している。上述のように、要求動作ベクトル４０２は、入力装置２０６からの制御信号に基づき生成される。制御モジュール２０８は要求動作ベクトル４０２を処理し、それを要求垂直成分４０４および要求平行成分４０６に変換する。同様に、しきい値境界４１０を制御モジュール２０８内にプログラミングし、予め規定された掘削境界４０８から指定距離だけオフセットされる境界を提供することが可能である。このしきい値境界距離は、予め規定された掘削境界４０８に対する作業工具１１０の近さの故に、作業器具組立体１０２の交互の制御を作動するために利用し得る。このようにして、制御モジュール２０８は、作業工具１１０が掘削境界４０８を通過しないことを保証し得る。
【００３４】
図３に戻ると、ステップ３１２において、制御モジュール２０８は、要求動作ベクトルが、予め規定された掘削境界に向かって指す要求垂直成分を含むかどうかを決定し得る。要求動作ベクトルが、予め規定された掘削境界に向かって指す垂直成分を含まない場合、要求動作は、予め規定された掘削境界に対し平行であるかまたはそこから離れている。作業工具１１０が、予め規定された掘削境界を通過する機会はないので、制御モジュール２０８は、ステップ３１４において、要求動作ベクトルに等しい動作要求を生成する。上述のように、動作要求は、弁２１４に送信してアクチュエータ１１２を移動し得る処理後の制御信号を表す。したがって、ステップ３１２において、要求動作ベクトルが、予め規定された掘削境界に対し垂直のおよびその中への成分を有しない場合、制御モジュール２０８から弁２１４に送信される動作要求は要求動作ベクトルと等価である。
【００３５】
ステップ３１２において、予め規定された掘削境界に向かって指す要求垂直成分を要求動作ベクトルが含む場合、制御モジュール２０８は、作業工具１１０の現在の位置が、しきい値境界４１０と予め規定された掘削境界４０８との間にあるかどうかをステップ３１６で質問する。図４を参照して上述したように、しきい値境界４１０は、予め規定された掘削境界４０８に対し平行のおよびそこからオフセットされた境界である。しきい値境界は、予め規定された掘削境界４０８に対する作業工具１１０の近さの故に、作業器具組立体１０２の交互の制御を作動するために利用し得る。
【００３６】
ステップ３１６において、作業工具１１０の現在の位置がしきい値境界と予め規定された掘削境界との間にある場合、制御モジュール２０８は、調整モードがアクティブであるかどうかをステップ３１８で質問する。上述のように、調整モードは、入力装置２０６からの制御信号をある方法で処理するための制御モジュール２０８内にプログラミングされたモードであり得る。例示的な一実施形態では、調整モードは、要求垂直成分をスケーリングして、スケーリングされた垂直力を生成するスケーリング特徴部を作動および非作動にするために使用し得る。例示的な一実施形態では、調整モードは、入力装置２０６の親指ボタンが押される限り作動される。
【００３７】
ステップ３１８において、調整モードがアクティブでない場合、制御モジュール２０８は、ステップ３２０において、作業器具組立体１０２の現在の位置に等しい動作要求を生成する。動作要求は現在の位置に等しいので、動作要求は、現在の位置からの移動要求を含まず、したがって作業工具１１０は現在の位置に留まる。これは、ゼロ動作要求と考えられる。このことは、予め規定された掘削境界を越えて作業工具１１０が通過しないことを制御モジュール２０８が保証することを可能にする。
【００３８】
ステップ３１８において、調整モードがアクティブである場合、制御モジュール２０８は、垂直成分スケーリング係数を用いて、要求動作ベクトルの要求垂直成分をステップ３２２のスケーリングされた垂直力にスケーリングすることによって、作業工具１１０に印加すべき力を決定し得る。スケーリングされた垂直力は、要求動作ベクトルの要求垂直成分の大きさに対応するように設定されるスケーリングされた力の大きさを表す。垂直成分スケーリング係数は、マップ式、線形式、または非線形式でもよく、予め規定された掘削境界からの作業工具１１０の距離に基づいてもよいことを留意すべきである。フローチャート３００の次の複数のステップ中に参照される実施例は、制御モジュール２０８による操作を示している。本実施例では、要求垂直成分は３ｍｍに等しく、垂直成分スケーリング係数は２００ポンド（ｌｂ）／ｍｍである。したがって、スケーリングされた垂直力は６００ポンド（ｌｂ）に等しい。
【００３９】
ステップ３２３において、制御モジュール２０８は、スケーリングされた垂直力と、ステップ３０７で決定された現在の垂直力とを比較し得る。この比較は、スケーリングされた垂直力と現在の垂直力との間の差を確認することを含み得る。この例に続き、現在の垂直力が１００ポンド（ｌｂ）である場合、６００ポンド（ｌｂ）のスケーリングされた垂直力と１００ポンド（ｌｂ）の現在の垂直力とを比較することにより、５００ポンド（ｌｂ）の差が得られる。
【００４０】
次に、ステップ３２４において、制御モジュール２０８は必要な垂直動作を計算する。必要な垂直動作は、スケーリングされた垂直力に対応するように現在の垂直力を変更するための作業工具１１０の動作の大きさを表し得る。必要な垂直動作は、マップ式、線形式、または非線形式であり得る動作スケーリング係数に基づいてもよい。実施例を用いて、必要な垂直動作は、現在の垂直力を５００ポンド（ｌｂ）だけ増加するために必要な動作の大きさを表し、この結果、必要な垂直動作は、６００ポンド（ｌｂ）のスケーリングされた垂直力に対応する。本実施例では、動作スケーリング係数は０．００１である。したがって、現在の垂直力を５００ポンド（ｌｂ）だけ増加するために、制御モジュール２０８は０．５ｍｍの必要な垂直動作を計算する。スケーリングされた垂直力と現在の垂直力との差を変換するために利用される動作スケール係数は、要求垂直成分を許容可能な力要求に変換するために利用される垂直成分スケーリング係数の逆数よりも小さく、すなわち、例えば０．００１＜１／２００であることを留意すべきである。このことにより、予め規定された掘削境界を越えてシステムが作業工具１１０を過補正せず、また駆動しないことが保証される。作業工具１１０の現在の位置に応じて、制御モジュール２０８はまた、追加の補正値を適用して、予め規定された掘削境界を作業工具１１０が通過しないか、あるいは作業工具が境界を通過した場合、予め規定された掘削境界に戻ることを保証し得る。作業工具１１０が必要な垂直動作の距離を移動する前に、スケーリングされた垂直力に達する場合、現在の垂直力と要求垂直力との差はゼロになる。したがって、追加の垂直動作は要求されない。
【００４１】
ステップ３２５において、制御モジュールは、要求平行成分と必要な垂直動作との組み合わせに等しい動作要求を生成する。このようにして、動作要求は現在の垂直力をスケーリングされた垂直力に増加する。
【００４２】
ステップ３１６に戻って、作業工具１１０の現在の位置がしきい値境界と予め規定された掘削境界との間にない場合、ステップ３２６において、制御モジュール２０８は、調整モードがアクティブであるかどうかを質問する。ステップ３２６で調整モードがアクティブでない場合、制御モジュール２０８は、ステップ３１４の要求動作ベクトルに等しい動作要求を生成する。この理由は、作業工具１１０が、予め規定された掘削境界から相当離れていることがあり、作業工具１１０の運動の厳密な制御が必要とされないからである。したがって、作業器具組立体１０２の運動は完全に制約されない場合がある。
【００４３】
ステップ３２６において調整モードがアクティブである場合、制御モジュール２０８は、ステップ３２８の要求平行成分に等しい動作要求を生成し得る。したがって、ステップ３２８では、要求垂直成分を完全に消去することが可能であり、要求平行成分のみを残す。したがって、結果として得られた動作要求は、予め規定された掘削境界に対し平行に作業工具１１０を移動するための要求である。
【００４４】
ステップ３３０において、制御モジュール２０８は、要求動作ベクトルから変更されるかあるいは変更されないか否かにかかわらず、動作要求を作業工具１１０の新しい所望の位置に変換する。次に、制御モジュール２０８は、作業工具１１０の所望の位置を変換して、ステップ３３２でアクチュエータ１１２の延伸の必要な変更を行うことが可能である。この変換は、逆運動学式を用いて達成してもよい。延伸の必要な変更は、作業工具１１０を所望の位置に移動するために必要な変更である。ステップ３３４では、制御モジュール２０８は、弁２１４を操作してアクチュエータ１１２を移動するための閉ループ制御装置に延伸の必要な変更を出力する。ステップ３３６において、本方法は終了する。
【００４５】
本発明の方法は、作業機械の操作者が、予め規定された掘削境界に沿って容易に掘削することを可能にする。さらに、本発明は、操作者が、予め規定された掘削境界に所望の垂直力を印加することを可能にする。垂直力により、操作者は、スケーリングの設定に応じて、掘削境界に沿って地面を固めるか、あるいは掘削境界に沿って作業工具１１０を摺動することが可能である。したがって、操作者は、掘削境界を通過することなく掘削境界をきれいに掘削できる。
【００４６】
開示したシステムは、掘削工具以外の作業工具に使用することが可能である。例えば、開示したシステムは、表面を動力でブラッシングするかあるいは突き固めるときに使用することが可能であり、また本発明の明細書に記載したすべての構成部材を含まないかもしれない作業器具組立体に使用することが可能である。
【００４７】
さらに、開示したシステムは、バックホーに使用される作業器具組立体を有する作業機械を参照して記載されているが、本発明は、エキスカベータ、バックホー、ショベラ、ブルドーザ、ローダ、および他の作業機械を含むがそれらに限定されない、境界に沿って採掘または掘削するように構成された任意の作業機械に使用することが可能である。他の実施形態は、本明細書およびそれに開示したシステムの実施を考慮すれば当業者には明白であろう。明細書および実施例は例示的なものに過ぎないと考えるべきであり、本明細書の真の範囲は次の特許請求の範囲によって示されることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の使用に適した作業機械の部分の絵図である。
【図２】作業器具組立体を操作するための例示的な制御装置を示したブロックダイヤグラムである。
【図３】図１の作業機械の作業工具を制御するための例示的な方法を示したフローチャートである。
【図４】掘削境界に沿って移動する作業器具組立体の概略図である。
【符号の説明】
【００４９】
１００  作業機械
１０１  本体
１０２  作業器具組立体
１０４  ブーム
１０６  スティック
１０８  Ｅ−スティック
１１０  作業工具
１１２  アクチュエータ
２００  制御装置
２０２  位置センサ
２０４  力センサ
２０６  入力装置
２０８  制御モジュール
２１０  プロセッサ
２１２  メモリ
２１４  弁
３００  フローチャート
３０２  開始ステップ
３０４  アクチュエータ変位および力を監視するステップ
３０６  作業工具の現在の位置および力を決定するステップ
３０７  作業工具力を現在の垂直力および現在の平行力に変換するステップ
３０８  動作に対する要求を受信するステップ
３１０  要求動作ベクトルを計算して変換するステップ
３１２  要求動作ベクトルが掘削境界内への垂直成分を有するかどうかを決定するステップ
３１４  要求平行成分に等しい動作要求を設定するステップ
３１６  作業工具の現在の位置がしきい値境界と掘削境界との間にあるかどうかを決定するステップ
３１８  調整モードが作動されるかどうかを決定するステップ
３２０  現在の位置に等しい動作要求を設定するステップ
３２２  スケーリングされた垂直力に要求垂直成分をスケーリングするステップ
３２３  スケーリングされた垂直力と現在の垂直力とを比較するステップ
３２４  必要な垂直動作を計算するステップ
３２５  要求平行成分および必要な垂直動作に等しい動作要求を設定するステップ
３２６  調整モードが作動されるかどうかを決定するステップ
３２８  要求平行成分に等しい動作要求を設定するステップ
３３０  動作要求を所望の位置に転換するステップ
３３２  アクチュエータ延伸の必要な変更を決定するステップ
３３４  所望のアクチュエータ延伸を出力することのステップ
３３６  終了ステップ
４０２  要求動作ベクトル
４０４  要求垂直成分
４０６  要求平行成分
４０８  掘削境界
４１０  しきい値境界
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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