(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
掘削サイクルの間に掘削現場に置かれた掘削機械の、材料を取り込むためのバケットを有する作業器具をモニタするための方法において、
掘削現場の地形図を使用し、そして
いかなる時点にバケットが所要の容量になったかを決定すべくバケットの実際の軌道と掘削現場の形状に応じてバケットに収容された材料の量を推定する
各工程を含むことを特徴とするモニタ方法。
【請求項２】
推定工程が、
バケットにより移動された材料の量を推定する工程を
さらに含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
推定工程が、
バケットの軌道と、掘削現場との間の交点を推測しそして移動された容積を計算する工程を
さらに含むことを特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項４】
推定工程が、
図式的なユーザインターフェースを準備し、そして推定された材料の量を前記の図式的なユーザインターフェース上に表示する工程を
さらに含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項５】
推定工程が、
掘削サイクルの間に、いかなる量の材料が収容されたかを制御するために作業器具の制御を増大する工程を
さらに含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項６】
決定工程が、
掘削現場の形状を検知する決定工程を
さらに含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項７】
掘削作業サイクルの間、掘削現場に置かれた掘削機械の作業器具をモニタするための方法であって、前記作業器具がバケットを含むものにおいて、この方法が、
作業器具の動作開始に先立ち、掘削すべき掘削現場の地形図を作成する工程と、
バケットの取り込み容量を実際のバケットの軌跡と掘削現場の形状により推測する工程とを
含むことを特徴とするモニタ方法。
【請求項８】
推定工程が、
バケットにより移動された材料の量を推定する工程を
さらに含むことを特徴とする請求項７記載の方法。
【請求項９】
推定工程が、
バケットの軌道と掘削現場とが交差する個所を見出しそして移動される体積を計算する工程を
さらに含むことを特徴とする請求項７記載の方法。
【請求項１０】
推定工程が、
図形的なユーザインターフェースを用意し、図形的なユーザインターフェース上に推定される移動体積を表示する工程を
さらに含むことを特徴とする請求項７記載の方法。
【請求項１１】
推定工程が、
一作業サイクルの間にいかなる量の材料をすくい上げるかを制御するために作業器具の制御を増強する工程を
さらに含むことを特徴とする請求項７記載の方法。
【請求項１２】
地形図の作成工程が、
作業現場における土の形状を検知するためのセンサシステムを準備する工程をさらに含むことを特徴とする請求項７記載の方法。
【請求項１３】
地形図の作成工程が、
距離データを生成しそして距離データを掘削現場の地形図に変換する工程をさらに含むことを特徴とする請求項７記載の方法。
【請求項１４】
掘削サイクルの間に、掘削現場に設置された掘削機械の作業器具をモニタするための方法であって、作業器具がバケットを含むものにおいて、
初期の掘削現場の地形図を作成する工程と、
作業器具の位置を決定する工程と、
バケットがいつ所望の容量に達したかを判定するために、バケットの実際の軌道と掘削現場の形状に応じてバケットに収容された材料の容量を推定する工程とを
含むことを特徴とするモニタ方法。
【請求項１５】
材料の容量を推定する工程が、
すくい取られた材料の量を推定する工程を
さらに含むことを特徴とする請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
材料の容量を推定する工程が、
図形的なユーザインターフェースを準備し、バケットに収容された材料の推定収容量を表示する工程を
さらに含むことを特徴とする請求項１４記載の方法。
【請求項１７】
材料の収容量を推定する工程が、
バケットの軌道と掘削現場との交点を見出しそして移動された容積を計算する工程を
さらに含むことを特徴とする請求項１４記載の方法。
【請求項１８】
地形図を作成する工程が、
掘削現場の形状を検知するためのセンサシステムを用意する工程を
さらに含むことを特徴とする請求項１４記載の方法。
【請求項１９】
容量を推定する工程が、
一作業サイクルの間にいかなる量の材料をすくい上げるかを制御するために作業器具の制御を増大する工程を
さらに含むことを特徴とする請求項１４記載の方法。
【請求項２０】
地形図を作成する工程が、
距離のデータを作成しそして距離データを地形図に変換する工程を
さらに含むことを特徴とする請求項１４記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的に掘削機械のバケット内に収容された材料の量を推定するためのシステムならびに方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
流体作動機械、穴掘り機、バックホーおよびフロントショベルのような土木あるいは掘削機械は、一般に建設、鉱山および掘削の領域で使用されている。これらの掘削機械はブーム、スティックおよびバケットリンクからなる作業器具を持つ。ブームは、その一端で掘削機械に旋回可能に取りつけられそしてその他端はスティックの自由端に旋回可能に取りつけられている。各器具のリンクは、動作のため少なくとも１つの流体シリンダにより操作される。作業器具は、完全な掘削作業のサイクルを構成している一連の異なる動作を実行するために操作される。特に代表的な掘削作業、即ち動作サイクルは、大型の流体機械を用い、バケットを土のような材料で満たし、材料を収容したバケットをトラックやコンベアベルトに運び、材料をトラックの荷台またはベルト上に投下する工程からなっている。
【０００３】
ある状況では、穴掘りないし掘削機械に付属するバケットが、機械の効率を高いレベルに保つために、満杯であることを確認できると有利である。例えば、もしバケットが満杯ならば、地面を通るバケットのいかなる付加的な動きも時間とエネルギーを無駄にし、その結果機械の効率を低下することとなる。また、もしバケットが満杯でないとしたなら、より一層の掘削作業が要求されるので効率を低下させることになる。他の状況において、特別な掘削機械の構造ないしは向きのために、機械のオペレータが、バケットが満杯になったのを見ることができないこともある。この場合、バケットが所望の収容量になったときにある表示をなし、もってオペレータが掘削工程を終了すべきことを知れるようにするのが望ましい。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従って本発明の課題は、上記の１つないしはそれ以上の問題点を解決することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この課題は本発明によれば請求項１，７，１４に記載の方法により解決される。より具体的な解決手段は、これら請求項の従属請求項に示されている。
【０００６】
本発明の１つの実施例は掘削作業サイクルの間に掘削現場に設置される掘削機械の作業器具をモニタするための方法であり、上記の作業器具は材料を収容するためのバケットを含んでいる。この方法は、掘削現場の地形の画像を使用し、そしていかなる時点にバケットが所要の容量になったかを決定すべくバケットの実際の軌道と掘削現場の形状に応じてバケットに収容された材料の量を推定する工程を含んでいる。
【０００７】
本発明の他の実施例は掘削作業サイクルの間に掘削現場に設置される掘削機械の作業器具をモニタするための方法であり、上記の作業器具はバケットを含んでいる。この方法は作業器具の動作開始に先立って、掘削すべき掘削現場の地形図を作成し、バケットの取り込み容量を実際のバケットの軌跡と掘削現場の形状により推測する工程を含んでいる。
【０００８】
本発明のさらに他の実施例は掘削作業サイクルの間に掘削現場に設置される掘削機械の作業器具をモニタするための方法であり、上記の作業器具はバケットを含んでいる。この方法は初期の掘削現場の地形図を作成し、
作業器具の位置を決定し、そしてバケットがいつ所望の容量に達したかを判定するために、バケットに収容された材料の容量を推定する工程を含んでいる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図を参照するに、図１および図２は作業現場２０における土塊１８から材料１６を掘削するために使用されるバケット１４を備えた作業器具１２の一部を示す。作業器具１２は、掘削機械２２により制御されるか、該機械の一部をなす。掘削機械２２はセンサシステム２４を装備しており、該センサは１個あるいは複数個の、レーザあるいはレーダのようなスキャニングレンジファインダから成っており、作業現場２０において掘削作業を実行するに先立って土塊１８の形状に関する情報を提供するために使用される。センサシステム２４は、掘削機械２２の一部として示されているが、掘削機械２２から分離したセンサシステム２４を設けることも可能である。
【００１０】
図１および２に示すバケット１４は、土面１８を通って動く。バケット１４が動くと、バケット１４の先端上の全ての土ないし材料１６は土面１８から切り取られそしてバケット１４内の収容物に加わる。材料１６の掘削に先立って、センサシステム２４が土面１８の形態を判定するために使用される。バケット１４が土ないし材料１６を通過すると、バケット１４の先端により掻き取られた体積が連続的に計算されあるいは推定される。この過程は次の工程ないし方法により行われる。作業器具１２が掘削ストロークの間に移動すると、土面１８の推定された形状に対するバケット１４の位置ならびに向きが、運動学的な変換により計算される。バケット１４の軌跡と土面１８との交点は、掘削時に移動せしめられる土ないし材料の量を決定すべく計算される。一度バケット１４が所望の収容量に達した、例えばバケット１４が満杯になったと判定されると、掘削機械２２は掘削を停止しそして収容した材料を移動させる。図１および２において、領域２６，２８のハッチングを付した部分ないし領域は、それぞれ移動されたと推定される土を示す。
【００１１】
図３には、本発明の方法のブロック図が示されている。この方法は第１工程８０で開始し、土面１８の形状を判定すべくセンサシステム２４が作業現場２０をスキャンするために使用される第２工程８２に続く。一度、掘削すべき土面１８の形態についての地形図を製作する工程を含んで、土塊１８の形状が製作されると、工程８４に示すように地面にバケット１４が押し込まれる。工程８２において、測定データを土塊１８の形態の地形図に変換することも可能である。高さの視野を描写するための２次元アレイを使用することもできる。工程８６により示すとおり、作業器具１２が、掘削行程の間に土塊１８の推定された形態に関連してバケット１４の位置と向きとが運動学的な変換を経て計算される。バケット１４の軌跡が土面１８と交差することにより、掘削の間に移動された土ないし材料１６の量を計算すべく三次元（３Ｄ）積分を使用する。一例としてガウシアン二次積分（Gaussian  quadrature  integration）が体積を計算するために使用可能である。この方法において、バケット１４内の材料の体積を推定しあるいは計算することが可能である。
【００１２】
掘削工程が完了したと判定されると、掻き取り物の積載工程８８が実行されそして掻き取り物がそれから積載物投下工程９０により、例えばトラック内に投下される。一度積載物が投下されると、この方法は掘削への戻り工程９２に見られるように、掘削に戻る。
【００１３】
かかる方法は、充分な量の材料をバケット１４で掘削しならびに過剰でない土ないし材料１６を掘削することを保証する。なぜならあらゆるバケットが有限の容積を有しているからである。掘削される体積の大きさは、自動制御のような、現存する制御において、作業器具１２の軌跡を、より一層地面内に向かって掘削するかあるいは掘削を停止すべく変更するために利用される。オペレータが機械２２から離れた個所におり、そして掘削面あるいはバケット１４を見ることができない手動操作型の機械においては、スクリーンあるいはモニターのような画像ユーザインターフェースがいかなる量の土が既に掘削されたかを表示するためにあるいは材料の推定された体積を表示するために使用可能である。ディスプレイは、バケット１４内にいかなる量の材料がすくい取られたか、バケット容量のパーセントととして表示することもできる。
【００１４】
付加的に可聴のアラームのような可聴の表示装置も、バケットが所要の容量に達した時点を表示するために使用可能である。
【００１５】
上記の方法とシステムは、種々のタイプの掘削機に使用可能である。特に、図４は、掘削および積載作業を行う作業器具１１４を含む掘削機械１１２を示す。作業器具１１４は、ブーム１１６、スティック１１８およびバケット１２０を含んでいる。ブーム１１６は、ブームピボットピン１２２により、掘削機械１１２に旋回可能なように取り付けられている。スティック１１８は、スティックピボットピン１２６の個所でブーム１１６の自由端１２４に旋回可能に取り付けられている。バケット１２０もまた、バケットピボットピン１２８の個所でスティック１１８に取り付けられている。バケット１２０は、湾曲部１３０、床１３２および先端部１３４を備える。ブーム１１６、スティック１１８およびバケット１２０は、個別的にそして制御可能に、直線的に伸縮可能な流体シリンダ１３６，１３８および１４０によってそれぞれ操作される。特に、ブーム１１６は、スティック１１８の上方および下方への運動のための流体シリンダ１３６により操作される。ブーム用の流体シリンダ１３６は、機械１１２とブーム１１６間に、一対のピン１４２および１４４で結合されている。スティック１１８は、バケット１２０の長手水平方向の運動のためのスティック流体シリンダ１３８により操作される。スティック流体シリンダ１３８は、一対のピン１４６および１４８により、ブーム１１６とスティック１１８の間に結合されている。バケット１２０はバケット流体シリンダ１４０により操作され、そしてバケットピボットピン１２８を中心とする放射範囲の動きを持っている。バケット流体シリンダ１４０は、スティック１１８にピン１５０で結合されそしてリンク機構１５２に結合されている。リンク機構１５２は、ピン１５４でスティック１１８にそしてピン１５６でバケット１２０に結合されている。
【００１６】
作業器具１１４および流体シリンダ１３６，１３８ならびに１４０の動作は、次のような関係を含んでいる。ブーム１１６は、ブーム流体シリンダ１３６の伸張により上昇し、シリンダ１３６の短縮により降下する。スティック流体シリンダ１３８の短縮により、スティック１１８は掘削機械１１２から遠ざかりそしてシリンダ１３８の伸張により、スティック１１８は機械１１２に向かって動く。最終的に、バケット１２０は、バケット流体シリンダ１４０が短縮しそして流体シリンダ１４０の伸張によりバケット１２０が機械１１２に向かって回転したときに常に、掘削機械１１２から遠ざかるように回転する。
【００１７】
掘削機械１１２は、１つまたは複数のスキャニングレンジファインダからなり得るセンサシステム１５８を備え、該システムは掘削を行う前に土面の形状に関連した情報を提供すべく配置されている。センサシステム１５８により発生された距離データは、土面の地形図に変換される。二次元（２Ｄ）アレイをハイトフィールドの表示のために使用可能である。さらに作業器具１１４が移動すると、土塊の推定された形状に対する位置と向きとが運動学的な変換を通して計算される。センサシステム１５８は、図示しないコントロールシステム内に集積可能であり、該システムはセンサシステム１５８により得られたデータを受信し、処理しそして掘削現場の地形図を製作する。
【００１８】
掘削機械１１２のための代表的な掘削作業サイクルないし掘削工程は、５つの一連の工程に区分可能である。５つの工程とは、バケット１２０の地面ないし土内への位置決め、材料の採取、採取した負荷のトラックへの投下および掘削への戻りである。本発明の方法は、一度バケットが満杯である、即ち所要の容量に到達したと判定され、掘削作業または工程が停止される時点を決定するために使用される。付加的に、本発明の方法は、バケットが所望の容量に到達したとき、手動であるいは遠隔操作で動作する掘削機械のオペレータに指示するために用いられる。
【００１９】
本発明の動作について、掘削機、バックホーローダ、フロントショベルあるいはホイールローダのような土木機械ないし器具への使用に関連して説明した。土木機械は、動作サイクルの掘削部分を通して機械を制御するための手段を含むことができる。
【００２０】
動作サイクルの掘削部分の開始に先立って、土面の形状を捕捉するために、例えばレーザ測距システムを用いた幾つかの方法を使用することができる。土面の形状は、バケットの実際的な軌跡が定まっている場合に材料の掘削される量を推定するために利用される。この方法は、不正確さについての幾つかの原因を含むことが認識されている。例えば、不正確さの１つの原因は、画像の取り込みを行った時点から、バケットの先端が土面の下を通過する時点迄の間に土面が変化しないと言う仮定に起因している。他の原因は、バケットの先端上に位置する材料はバケット内に留まると言う仮定であろう。実際には、ある程度の土ないし材料が掘削を進める際にバケットの側方に落下してしまう。補償のために、バケットの収容量を多めに評価し、このこぼれを考慮に入れるだけで充分である。
【００２１】
付加的に、掘削面内の目視観測ができなくなった場合、収容量を加算するときに誤差が生じ得る。注意深く機械の位置を定めそして内挿法を実行することにより、これらの不正確さを最小化することができる。
【００２２】
土木機械、掘削機械あるいは穴掘り機械を用いるこの方法は、幾つかの応用が可能である。この方法は、人間の関与なしに掘削サイクルを自動的に実行することを可能とし、そしてその結果としていつサイクルを終了するかを指示するために使用される。代替的に、この方法は、バケットが所定の収容量に到達しそして掘削を終了すべき時点に、機械を直接にまたは遠隔的に操作しているオペレータに信号を与えることができる。
【００２３】
上記のとおり本発明は、掘削機、ホイールローダ、地固め機、ブルドーザならびに鉱山、探検ならびに農業用機械を含む、かかる機械と共に、土木現場において流体で駆動される他のタイプの機械のために利用可能である。
【００２４】
本発明の他の観点、目的および利点は、図面、発明の詳細な説明ならびに請求の範囲から読み取ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法において使用する作業器具の側面図。
【図２】図１に示す作業器具の掘削作業サイクルの終了時における状態を示す側面図。
【図３】本発明の方法のブロックダイアグラム。
【図４】本発明の方法において使用する掘削機械の側面図。
【符号の説明】
１２      作業器具
１４      バケット
１６      掘削材料
１８      土面
２０      作業現場
２２      掘削機械
２４      センサシステム
１１２    掘削機械
１１４    作業器具
１１６    ブーム
１１８    スティック
１２０    バケット
１２２    ブーム旋回ピン
１２６    スティック旋回ピン
１２８    バケット旋回ピン
１３６    流体シリンダ
１３８    流体シリンダ
１４０    流体シリンダ
１５８    センサシステム
【図１】
0004447734.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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