(57)【要約】  本発明の実施形態に係るショベル（１００）は、下部走行体（１）と、下部走行体（１）に旋回可能に搭載される上部旋回体（３）と、上部旋回体（３）に取り付けられる掘削アタッチメントと、コントローラ（３０）と、を備えている。コントローラ（３０）は、掘削が開始される前の地形に関する情報と目標掘削体積とに基づいてバケット（６）の爪先が辿る軌道である目標軌道を設定する設定部（３４）を有する。
2019189260.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部走行体と、
前記下部走行体に旋回可能に搭載される上部旋回体と、
前記上部旋回体に取り付けられる掘削アタッチメントと、
制御装置と、を備え、
前記制御装置は、掘削が開始される前の地形に関する情報と目標掘削体積とに基づいて前記掘削アタッチメントにおける所定部位が辿る軌道である目標軌道を設定する設定部を有する、
ショベル。
【請求項２】
前記制御装置は、前記目標掘削体積を目標掘削重量と土質情報とに基づいて算出する、
請求項１に記載のショベル。
【請求項３】
前記制御装置は、
ダンプトラックの最大積載量に関する情報を取得する第１情報取得部と、
前記掘削アタッチメントの掘削動作で掘削される被掘削物の重量である掘削重量に関する情報を取得する第２情報取得部と、
前記最大積載量に関する情報と前記掘削重量に関する情報とに基づいて目標掘削重量を算出する算出部と、を有する、
請求項１に記載のショベル。
【請求項４】
前記第１情報取得部は、前記ダンプトラックの識別情報を取得し、該識別情報に基づいて前記最大積載量に関する情報を取得するように構成されている、
請求項３に記載のショベル。
【請求項５】
前記第１情報取得部は、カメラ、レーダ及びＬＩＤＡＲの少なくとも１つの出力に基づいて前記最大積載量に関する情報を取得する、
請求項３に記載のショベル。
【請求項６】
前記設定部は、所定の掘削対象範囲内で前記目標軌道を設定するように構成されている、
請求項１に記載のショベル。
【請求項７】
入力装置を備え、
前記掘削対象範囲は、前記上部旋回体の周囲にある領域であり、前記入力装置を用いて設定される、
請求項６に記載のショベル。
【請求項８】
前記制御装置は、前記目標軌道を適切に設定できないと判定した場合、その旨を報知するように構成されている、
請求項１に記載のショベル。
【請求項９】
前記第２情報取得部は、前記掘削アタッチメントの掘削動作で掘削される被掘削物の密度に関する情報を取得し、
前記設定部は、積み込み残重量と前記密度とに基づいて積み込み残体積を算出し、該積み込み残体積に相当する体積の前記被掘削物が１回の掘削動作で掘削されるように、前記目標軌道を設定するように構成されている、
請求項３に記載のショベル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、ショベルに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、バケット内の土砂の重量を算出できるように構成されたショベルが知られている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平６−１０３７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述のショベルは、ブームシリンダのボトム側油室における作動油の圧力に基づいてバケット内の土砂の重量を算出している。すなわち、バケットを地面から持ち上げたときに初めて土砂の重量を算出できる。これは、バケットが地面に接している限り、バケット内の土砂の重量を算出できないことを意味する。そのため、必要以上に土砂をバケット内に取り込んでしまうおそれがある。【０００５】
そこで、土砂等の被掘削物が必要以上にバケット内に取り込まれてしまうのを防止できるショベルを提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の実施形態に係るショベルは、下部走行体と、前記下部走行体に旋回可能に搭載される上部旋回体と、前記上部旋回体に取り付けられる掘削アタッチメントと、制御装置と、を備え、前記制御装置は、掘削が開始される前の地形に関する情報と目標掘削体積とに基づいて前記バケットにおける所定部位が辿る軌道である目標軌道を設定する設定部を有する。
【発明の効果】
【０００７】
上述の手段により、土砂等の被掘削物が必要以上にバケット内に取り込まれてしまうのを防止できるショベルが提供され得る。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態に係るショベルの側面図である。
【図２】図１のショベルの駆動系の構成例を示すブロック図である。
【図３】ショベルの側面図である。
【図４】ショベルの側面図である。
【図５】掘削対象範囲を設定する際に表示される設定画面の構成例を示す図である。
【図６】ショベルの上面図である。
【図７】自律制御機能の構成例を示すブロック図である。
【図８】目標軌道に関する画像の表示例を示す図である。
【図９】自律制御機能の構成例を示すブロック図である。
【図１０】自律制御機能の別の構成例を示すブロック図である。
【図１１】電気式操作システムの構成例を示す図である。
【図１２】ショベルの管理システムの構成例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１は本発明の実施形態に係る掘削機としてのショベル１００の側面図である。ショベル１００の下部走行体１には旋回機構２を介して上部旋回体３が旋回可能に搭載されている。上部旋回体３にはブーム４が取り付けられ、ブーム４の先端にはアーム５が取り付けられ、アーム５の先端にはエンドアタッチメントとしてのバケット６が取り付けられている。
【００１０】
ブーム４、アーム５、及びバケット６は、アタッチメントの一例としての掘削アタッチメントを構成している。ブーム４はブームシリンダ７で駆動され、アーム５はアームシリンダ８で駆動され、バケット６はバケットシリンダ９で駆動される。ブーム４にはブーム角度センサＳ１が取り付けられ、アーム５にはアーム角度センサＳ２が取り付けられ、バケット６にはバケット角度センサＳ３が取り付けられている。
【００１１】
ブーム角度センサＳ１はブーム４の回動角度を検出する。本実施形態では、ブーム角度センサＳ１は加速度センサであり、上部旋回体３に対するブーム４の回動角度（以下、「ブーム角度」とする。）を検出できる。ブーム角度は、例えば、ブーム４を最も下げたときに最小角度となり、ブーム４を上げるにつれて大きくなる。
【００１２】
アーム角度センサＳ２はアーム５の回動角度を検出する。本実施形態では、アーム角度センサＳ２は加速度センサであり、ブーム４に対するアーム５の回動角度（以下、「アーム角度」とする。）を検出できる。アーム角度は、例えば、アーム５を最も閉じたときに最小角度となり、アーム５を開くにつれて大きくなる。
【００１３】
バケット角度センサＳ３はバケット６の回動角度を検出する。本実施形態では、バケット角度センサＳ３は加速度センサであり、アーム５に対するバケット６の回動角度（以下、「バケット角度」とする。）を検出できる。バケット角度は、例えば、バケット６を最も閉じたときに最小角度となり、バケット６を開くにつれて大きくなる。
【００１４】
ブーム角度センサＳ１、アーム角度センサＳ２、及びバケット角度センサＳ３はそれぞれ、可変抵抗器を利用したポテンショメータ、対応する油圧シリンダのストローク量を検出するストロークセンサ、連結ピン回りの回動角度を検出するロータリエンコーダ、ジャイロセンサ、又は、加速度センサとジャイロセンサの組み合わせ等であってもよい。
【００１５】
ブームシリンダ７にはブームロッド圧センサＳ７Ｒ及びブームボトム圧センサＳ７Ｂが取り付けられている。アームシリンダ８にはアームロッド圧センサＳ８Ｒ及びアームボトム圧センサＳ８Ｂが取り付けられている。バケットシリンダ９にはバケットロッド圧センサＳ９Ｒ及びバケットボトム圧センサＳ９Ｂが取り付けられている。ブームロッド圧センサＳ７Ｒ、ブームボトム圧センサＳ７Ｂ、アームロッド圧センサＳ８Ｒ、アームボトム圧センサＳ８Ｂ、バケットロッド圧センサＳ９Ｒ、及びバケットボトム圧センサＳ９Ｂは、集合的に「シリンダ圧センサ」とも称される。
【００１６】
ブームロッド圧センサＳ７Ｒはブームシリンダ７のロッド側油室の圧力（以下、「ブームロッド圧」とする。）を検出し、ブームボトム圧センサＳ７Ｂはブームシリンダ７のボトム側油室の圧力（以下、「ブームボトム圧」とする。）を検出する。アームロッド圧センサＳ８Ｒはアームシリンダ８のロッド側油室の圧力（以下、「アームロッド圧」とする。）を検出し、アームボトム圧センサＳ８Ｂはアームシリンダ８のボトム側油室の圧力（以下、「アームボトム圧」とする。）を検出する。バケットロッド圧センサＳ９Ｒはバケットシリンダ９のロッド側油室の圧力（以下、「バケットロッド圧」とする。）を検出し、バケットボトム圧センサＳ９Ｂはバケットシリンダ９のボトム側油室の圧力（以下、「バケットボトム圧」とする。）を検出する。
【００１７】
上部旋回体３には運転室であるキャビン１０が設けられ且つエンジン１１等の動力源が搭載されている。また、上部旋回体３には、コントローラ３０、表示装置４０、入力装置４２、音出力装置４３、記憶装置４７、向き検出装置Ｄ１、測位装置Ｐ１、機体傾斜センサＳ４、旋回角速度センサＳ５、撮像装置Ｓ６、及び通信装置Ｔ１が取り付けられている。上部旋回体３には、電力を供給する蓄電部、及び、エンジン１１の回転駆動力を用いて発電する電動発電機等が搭載されていてもよい。蓄電部は、例えば、キャパシタ又はリチウムイオン電池等である。電動発電機は、発電機として機能して電気負荷に電力を供給してもよく、電動機として機能してエンジン１１の回転をアシストしてもよい。
【００１８】
コントローラ３０は、ショベル１００の駆動制御を行う主制御部として機能する。本実施形態では、コントローラ３０は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、及びＲＯＭ等を含むコンピュータで構成されている。コントローラ３０の各種機能は、例えば、ＲＯＭに格納されたプログラムをＣＰＵが実行することで実現される。各種機能は、例えば、操作者によるショベル１００の手動操作をガイド（案内）するマシンガイダンス機能、及び、操作者によるショベル１００の手動操作を自律的に支援するマシンコントロール機能等を含んでいてもよい。
【００１９】
表示装置４０は、各種情報を表示するように構成されている。表示装置４０は、ＣＡＮ等の通信ネットワークを介してコントローラ３０に接続されていてもよく、専用線を介してコントローラ３０に接続されていてもよい。
【００２０】
入力装置４２は、操作者が各種情報をコントローラ３０に入力できるように構成されている。入力装置４２は、例えば、キャビン１０内に設置されたタッチパネル、マイクロフォン、ノブスイッチ、及びメンブレンスイッチ等の少なくとも１つを含んでいてもよい。
【００２１】
音出力装置４３は、音を出力するように構成されている。音出力装置４３は、例えば、コントローラ３０に接続されるスピーカであってもよく、ブザー等の警報器であってもよい。本実施形態では、音出力装置４３は、コントローラ３０からの音声出力指令に応じて各種情報に関する音又は音声を出力するように構成されている。
【００２２】
記憶装置４７は、各種情報を記憶するように構成されている。記憶装置４７は、例えば、半導体メモリ等の不揮発性記憶媒体であってもよい。記憶装置４７は、ショベル１００の動作中に各種機器が出力する情報を記憶してもよく、ショベル１００の動作が開始される前に各種機器を介して取得する情報を記憶してもよい。記憶装置４７は、例えば、通信装置Ｔ１等を介して取得されるデータを記憶していてもよい。
【００２３】
向き検出装置Ｄ１は、上部旋回体３の向きと下部走行体１の向きとの相対的な関係に関する情報を検出するように構成されている。向き検出装置Ｄ１は、例えば、下部走行体１に取り付けられた地磁気センサと上部旋回体３に取り付けられた地磁気センサとの組み合わせで構成されていてもよい。或いは、向き検出装置Ｄ１は、下部走行体１に取り付けられたＧＮＳＳ受信機と上部旋回体３に取り付けられたＧＮＳＳ受信機との組み合わせで構成されていてもよい。向き検出装置Ｄ１は、ロータリエンコーダ又はロータリポジションセンサ等であってもよい。旋回電動発電機で上部旋回体３が旋回駆動される構成では、向き検出装置Ｄ１は、レゾルバで構成されていてもよい。向き検出装置Ｄ１は、例えば、下部走行体１と上部旋回体３との間の相対回転を実現する旋回機構２に関連して設けられるセンタージョイントに取り付けられていてもよい。
【００２４】
向き検出装置Ｄ１は、上部旋回体３に取り付けられたカメラで構成されていてもよい。この場合、向き検出装置Ｄ１は、例えば、上部旋回体３に取り付けられているカメラが撮像した画像（入力画像）に既知の画像処理を施す。入力画像に含まれる下部走行体１の画像を認識するためである。そして、向き検出装置Ｄ１は、既知の画像認識技術を用いて下部走行体１の画像を認識することで、下部走行体１の長手方向を特定する。そして、向き検出装置Ｄ１は、上部旋回体３の前後軸の方向と下部走行体１の長手方向との間に形成される角度を導き出す。上部旋回体３の前後軸の方向は、カメラの取り付け位置から導き出される。特に、下部走行体１を構成するクローラは上部旋回体３から突出しているため、向き検出装置Ｄ１は、クローラの画像を検出することで下部走行体１の長手方向を特定できる。このようにして、向き検出装置Ｄ１は、上部旋回体３の向きと下部走行体１の向きとの相対的な関係に関する情報を検出する。この場合、向き検出装置Ｄ１は、コントローラ３０に統合されていてもよい。
【００２５】
測位装置Ｐ１は、上部旋回体３の位置を測定するように構成されている。測位装置Ｐ１は、上部旋回体３の向きを追加的に測定するように構成されていてもよい。本実施形態では、測位装置Ｐ１は、ＧＮＳＳコンパスであり、上部旋回体３の位置及び向きを検出し、検出値をコントローラ３０に対して出力する。そのため、測位装置Ｐ１は、上部旋回体３の向きを検出する向き検出装置としても機能し得る。
【００２６】
機体傾斜センサＳ４は、例えば、所定の平面に対する上部旋回体３の傾斜を検出するように構成されている。本実施形態では、機体傾斜センサＳ４は、水平面に対する上部旋回体３の前後軸回りの傾斜角及び左右軸回りの傾斜角を検出する加速度センサである。上部旋回体３の前後軸及び左右軸は、例えば、ショベル１００の旋回軸上の一点であるショベル中心点で互いに直交する。
【００２７】
旋回角速度センサＳ５は、上部旋回体３の旋回角速度を検出するように構成されている。旋回角速度センサＳ５は、上部旋回体３の旋回角度を検出するように構成されていてもよい。本実施形態では、旋回角速度センサＳ５は、ジャイロセンサである。旋回角速度センサＳ５は、レゾルバ又はロータリエンコーダ等であってもよい。
【００２８】
撮像装置Ｓ６はショベル１００の周辺の画像を取得するように構成されている。本実施形態では、撮像装置Ｓ６は、ショベル１００の前方の空間を撮像する前カメラＳ６Ｆ、ショベル１００の左方の空間を撮像する左カメラＳ６Ｌ、ショベル１００の右方の空間を撮像する右カメラＳ６Ｒ、及び、ショベル１００の後方の空間を撮像する後カメラＳ６Ｂを含む。
【００２９】
周囲監視装置としての撮像装置Ｓ６は、例えば、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の撮像素子を有する単眼カメラであり、撮像した画像を表示装置４０に出力する。周囲監視装置としての撮像装置Ｓ６は、ＬＩＤＡＲ、ステレオカメラ、又は距離画像カメラ等であってもよい。また、撮像装置Ｓ６は、撮像装置Ｓ６又はショベル１００から認識された物体までの距離を算出するように構成されていてもよい。周囲監視装置としてミリ波レーダ、超音波センサ、又はレーザレーダ等が利用される場合には、ショベル１００は、撮像した画像を利用するだけでなく、周囲監視装置から多数の信号（レーザ光等）を物体に向けて発信し、その反射信号を受信することで、反射信号から物体の距離及び方向を導き出してもよい。
【００３０】
前カメラＳ６Ｆは、例えば、キャビン１０の天井、すなわちキャビン１０の内部に取り付けられている。但し、キャビン１０の屋根又はブーム４の側面等、キャビン１０の外部に取り付けられていてもよい。左カメラＳ６Ｌは、上部旋回体３の上面左端に取り付けられ、右カメラＳ６Ｒは、上部旋回体３の上面右端に取り付けられ、後カメラＳ６Ｂは、上部旋回体３の上面後端に取り付けられている。
【００３１】
通信装置Ｔ１は、ショベル１００の外部にある外部機器との通信を制御するように構成されている。本実施形態では、通信装置Ｔ１は、衛星通信網、携帯電話通信網、及びインターネット網等の少なくとも１つを介した外部機器との通信を制御する。
【００３２】
図２は、ショベル１００の駆動系の構成例を示すブロック図であり、機械的動力伝達系、作動油ライン、パイロットライン、及び電気制御系をそれぞれ二重線、実線、破線、及び点線で示している。
【００３３】
ショベルの駆動系は、主に、エンジン１１、レギュレータ１３、メインポンプ１４、パイロットポンプ１５、コントロールバルブ１７、操作装置２６、吐出圧センサ２８、操作圧センサ２９、コントローラ３０、燃料タンク５５、及びエンジンコントローラユニット（ＥＣＵ７４）等を含む。
【００３４】
エンジン１１は、ショベルの駆動源である。本実施形態では、エンジン１１は、例えば、所定の回転数を維持するように動作するディーゼルエンジンである。また、エンジン１１の出力軸は、メインポンプ１４及びパイロットポンプ１５のそれぞれの入力軸に連結されている。
【００３５】
メインポンプ１４は、作動油ラインを介して作動油をコントロールバルブ１７に供給するように構成されている。本実施形態では、メインポンプ１４は、斜板式可変容量型油圧ポンプである。
【００３６】
レギュレータ１３は、メインポンプ１４の吐出量を制御するように構成されている。本実施形態では、レギュレータ１３は、コントローラ３０からの制御指令に応じてメインポンプ１４の斜板傾転角を調節することによって１回転当たりの押し退け容積を増減させてメインポンプ１４の吐出量を制御する。例えば、コントローラ３０は、操作圧センサ２９等の出力を受信し、必要に応じてレギュレータ１３に対して制御指令を出力し、メインポンプ１４の吐出量を変化させる。
【００３７】
パイロットポンプ１５は、パイロットラインを介して操作装置２６を含む各種油圧制御機器に作動油を供給するように構成されている。本実施形態では、パイロットポンプ１５は、固定容量型油圧ポンプである。但し、パイロットポンプ１５は、省略されてもよい。この場合、パイロットポンプ１５が担っていた機能は、メインポンプ１４によって実現されてもよい。すなわち、メインポンプ１４は、コントロールバルブ１７に作動油を供給する機能とは別に、絞り等により作動油の圧力を低下させた後で操作装置２６等に作動油を供給する機能を備えていてもよい。
【００３８】
コントロールバルブ１７は、ショベルにおける油圧システムを制御する油圧制御装置である。コントロールバルブ１７は、制御弁１７１〜１７６を含む。コントロールバルブ１７は、制御弁１７１〜１７６を通じ、メインポンプ１４が吐出する作動油を１又は複数の油圧アクチュエータに選択的に供給できる。制御弁１７１〜１７６は、メインポンプ１４から油圧アクチュエータに流れる作動油の流量、及び、油圧アクチュエータから作動油タンクに流れる作動油の流量を制御する。油圧アクチュエータは、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、バケットシリンダ９、左側走行用油圧モータ１Ｌ、右側走行用油圧モータ１Ｒ、及び旋回用油圧モータ２Ａを含む。旋回用油圧モータ２Ａは、電動アクチュエータとしての旋回用電動発電機であってもよい。この場合、旋回用電動発電機は、蓄電部又は電動発電機から電力の供給を受けてもよい。
【００３９】
操作装置２６は、操作者がアクチュエータの操作のために用いる装置である。アクチュエータは、油圧アクチュエータ及び電動アクチュエータの少なくとも一方を含む。本実施形態では、操作装置２６は、パイロットラインを介して、パイロットポンプ１５が吐出する作動油を、コントロールバルブ１７内の対応する制御弁のパイロットポートに供給する。パイロットポートのそれぞれに供給される作動油の圧力（パイロット圧）は、原則として、油圧アクチュエータのそれぞれに対応する操作装置２６の操作方向及び操作量に応じた圧力である。
【００４０】
吐出圧センサ２８は、メインポンプ１４の吐出圧を検出するように構成されている。本実施形態では、吐出圧センサ２８は、検出した値をコントローラ３０に対して出力する。
【００４１】
操作圧センサ２９は、操作装置２６を用いた操作者の操作内容を検出するように構成されている。本実施形態では、操作圧センサ２９は、アクチュエータのそれぞれに対応する操作装置２６の操作方向及び操作量を圧力の形で検出し、検出した値をコントローラ３０に対して出力する。操作装置２６の操作内容は、操作圧センサ以外の他のセンサを用いて検出されてもよい。
【００４２】
燃料タンク５５は、燃料を収容する容器である。燃料タンク５５に収容されている燃料の残量状態は、燃料残量センサ５５ａによって検出される。燃料残量センサ５５ａは、燃料の残量状態に関する情報をコントローラ３０に対して出力する。
【００４３】
ＥＣＵ７４は、エンジン１１を制御する装置である。本実施形態では、ＥＣＵ７４は、エンジン１１における燃料噴射量、燃料噴射タイミング、及びブースト圧等を制御する。また、ＥＣＵ７４は、エンジン１１に関する情報をコントローラ３０に対して出力する。
【００４４】
次に、コントローラ３０が有する機能要素について説明する。本実施形態では、コントローラ３０は、第１情報取得部３１、第２情報取得部３２、算出部３３、設定部３４、及び自律制御部３５を機能要素として有している。
【００４５】
第１情報取得部３１は、ダンプトラックの最大積載量に関する情報を取得するように構成されている。ダンプトラックは、ショベル１００が掘削した土砂等の被掘削物を運搬する機械の一例であり、荷台に積載可能な被掘削物の最大限度重量である最大積載量が個別に設定されている。本実施形態では、第１情報取得部３１は、撮像装置Ｓ６が取得したダンプトラックの画像に既知の画像処理を施してダンプトラックのサイズを識別してそのダンプトラックの最大積載量を導き出す。第１情報取得部３１は、例えば、ダンプトラックの後面にある最大積載量表示、車種名、及びナンバー等の少なくとも１つを認識してそのダンプトラックの最大積載量を導き出してもよい。
【００４６】
第１情報取得部３１は、通信装置Ｔ１を通じてダンプトラックから識別情報を受信することでそのダンプトラックの最大積載量を導き出してもよい。識別情報は、例えば、ダンプトラックに搭載されているＧＮＳＳ受信機の識別番号である。この場合、第１情報取得部３１は、例えば、識別情報と最大積載量との対応関係を記憶している探索テーブルを参照して識別情報から最大積載量を導き出してもよい。探索テーブルは、ショベルの不揮発性記憶媒体に記憶されていてもよく、管理センタ等の外部施設に設置されたサーバ等に記憶されていてもよい。
【００４７】
第１情報取得部３１は、通信装置Ｔ１を通じてショベル１００の周囲に存在する複数のダンプトラックのそれぞれから位置情報を受信し、表示装置４０に表示された地図画像上に各ダンプトラックを表す図形を重畳表示させてもよい。この場合、入力装置４２を通じてダンプトラックの図形の１つが操作者によって選択されると、第１情報取得部３１は、そのダンプトラックの最大積載量を取得できる。ダンプトラックの図形の１つは、例えば、最も近くに存在するダンプトラックに関する図形であってもよい。この場合、ダンプトラックに関する図形は、自動的に選択されてもよい。
【００４８】
第２情報取得部３２は、掘削アタッチメントの掘削動作で掘削される被掘削物の重量である掘削重量に関する情報を取得するように構成されている。本実施形態では、第２情報取得部３２は、情報取得装置の出力に基づいて掘削重量に関する情報を取得するように構成されている。情報取得装置は、向き検出装置Ｄ１、ブーム角度センサＳ１、アーム角度センサＳ２、バケット角度センサＳ３、機体傾斜センサＳ４、旋回角速度センサＳ５、撮像装置Ｓ６、ブームロッド圧センサＳ７Ｒ、ブームボトム圧センサＳ７Ｂ、アームロッド圧センサＳ８Ｒ、アームボトム圧センサＳ８Ｂ、バケットロッド圧センサＳ９Ｒ、バケットボトム圧センサＳ９Ｂ、吐出圧センサ２８、及び操作圧センサ２９等のうちの少なくとも１つを含む。
【００４９】
第２情報取得部３２は、例えば、図３に示すように、撮像装置Ｓ６としての３次元距離画像センサＳ６Ａが撮像したショベル１００の前方の空間に関する距離画像に基づき、掘削アタッチメントによって掘削された土砂等の被掘削物の重量を掘削重量として算出する。図３の太線ＧＳは、３次元距離画像センサＳ６Ａの撮像範囲の一部を表している。３次元距離画像センサＳ６Ａは、例えば、レーザで地形を計測する３次元レーザスキャナである。但し、３次元距離画像センサＳ６Ａは、例えば、ＬＩＤＡＲであってもよく、ステレオカメラであってもよい。具体的には、第２情報取得部３２は、掘削動作が始まる前に撮像された距離画像と、掘削動作が終了した後に撮像された距離画像とに基づき、その１回の掘削動作で掘削された被掘削物の体積である掘削体積を算出する。そして、第２情報取得部３２は、掘削体積に密度を乗じて掘削重量を算出する。密度は予め設定されている値であってもよく、入力装置４２等を介して動的に設定される値であってもよい。
【００５０】
このようにして、第２情報取得部３２は、掘削前の地形と掘削後の地形とを比較し、その変化に基づいて１回の掘削動作による掘削重量を算出できる。１回の掘削動作は、バケット６内に被掘削物を取り込む動作であり、例えば、被掘削物を取り込んでいないバケット６が地面に接触したときに始まったと判定され、被掘削物を取り込んだバケット６が地面から離れたときに終了したと判定される。但し、掘削動作が始まったと判定するための条件、及び、掘削動作が終了したと判定するための条件は、任意に設定され得る。第２情報取得部３２は、例えば、操作圧センサ２９及びシリンダ圧センサ等の少なくとも１つの出力に基づき、掘削動作が始まったか否か、及び、掘削動作が終了したか否かを判定してもよい。
【００５１】
第２情報取得部３２は、掘削アタッチメントの姿勢を検出する姿勢センサの出力に基づき、掘削動作が始まったか否か、及び、掘削動作が終了したか否かを判定してもよい。姿勢センサは、例えば、ブーム角度センサＳ１、アーム角度センサＳ２、及びバケット角度センサＳ３を含む。姿勢センサは、ブームシリンダストロークセンサ、アームシリンダストロークセンサ、及びバケットシリンダストロークセンサの組み合わせであってもよい。
【００５２】
この構成により、コントローラ３０は、所定時間内に行われた１回又は複数回の掘削動作のそれぞれに関する被掘削物の重量の積算値を所定時間における累積掘削重量として算出できる。
【００５３】
第２情報取得部３２は、姿勢センサ及びシリンダ圧センサ等の出力に基づいて１回の掘削動作による掘削重量を算出してもよい。例えば、第２情報取得部３２は、被掘削物を取り込んだバケット６が空中に持ち上げられているときの掘削アタッチメントの姿勢とブームボトム圧とに基づき、１回の掘削動作で掘削された被掘削物の重量を掘削重量として算出してもよい。
【００５４】
第２情報取得部３２は、図４に示すように、バケット６の所定部位の位置の時間的推移に基づいて掘削重量を算出してもよい。バケット６の所定部位は、例えば、バケット６の爪先である。第２情報取得部３２は、例えば、ブーム４、アーム５、及びバケット６のそれぞれの回動角度に基づいて作業部位としてのバケット６の爪先の位置を算出する。
【００５５】
この場合、第２情報取得部３２は、例えば、飛行体が搭載している３次元距離画像センサが生成したショベル１００の前方の空間に関する距離画像に基づき、掘削動作が始まる前の地形を導き出す。飛行体が搭載している３次元距離画像センサは、３次元レーザスキャナ、ステレオカメラ、及びＬＩＤＡＲ等のうちの何れであってもよい。飛行体は、例えば、マルチコプタ又は飛行船等であり、距離画像の位置及び向きを特定できるように測位装置を搭載している。また、飛行体は、ショベル１００との通信を可能にする通信装置を搭載している。
【００５６】
第２情報取得部３２は、例えば、通信装置Ｔ１を介して、飛行体に取り付けられているステレオカメラが生成した距離画像を受信し、その距離画像に基づいて掘削動作が始まる前の地形を導き出す。第２情報取得部３２は、通信装置Ｔ１を介して、ステレオカメラが撮像した画像を受信し、その画像から距離画像を生成し、その距離画像に基づいて掘削動作が始まる前の地形を導き出すように構成されていてもよい。
【００５７】
その後、第２情報取得部３２は、例えば、算出したバケット６の爪先の位置の軌道（図４の点線Ｌ１参照。）と、掘削動作が始まる前の地形（図４の一点鎖線Ｌ２参照。）とに基づいて掘削体積を算出してもよい。第２情報取得部３２は、例えば、バケット６の左端面を含む平面と、バケット６の右端面を含む平面と、一点鎖線Ｌ２を含む上面と、点線Ｌ１を含む下面とで囲まれた空間の体積を掘削体積として算出してもよい。
【００５８】
第２情報取得部３２は、前カメラＳ６Ｆが撮像したショベル１００の前方の空間に関する画像に基づいて１回の掘削動作による掘削重量を算出してもよい。この場合、前カメラＳ６Ｆは、単眼カメラであってもよく、ステレオカメラであってもよく、３次元距離画像センサであってもよい。
【００５９】
第２情報取得部３２は、例えば、単眼カメラとしての前カメラＳ６Ｆが撮像したバケット６に関する画像から掘削体積を算出してもよい。具体的には、第２情報取得部３２は、被掘削物を取り込んだバケット６が空中に持ち上げられているときに前カメラＳ６Ｆが撮像したバケット６に関する画像に各種画像処理を施すことでバケット６内の被掘削物の画像を認識する。そして、第２情報取得部３２は、被掘削物の画像の大きさ等に基づいて掘削体積を導き出す。第２情報取得部３２は、掘削体積を導き出すために、姿勢センサ等の他の情報取得装置の出力を追加的に利用してもよい。
【００６０】
或いは、第２情報取得部３２は、ステレオカメラとしての前カメラＳ６Ｆを用い、掘削動作が開始される前に取得した地形に関する情報と、その掘削動作が終了した後で取得した地形に関する情報とに基づいて１回の掘削動作による掘削重量を算出してもよい。
【００６１】
第２情報取得部３２は、掘削アタッチメントの掘削動作で掘削される被掘削物の密度に関する情報を取得するように構成されていてもよい。この場合、第２情報取得部３２は、掘削体積と掘削重量とに基づいて密度を算出してもよい。掘削体積は、例えば、掘削動作が始まる前の地形と掘削動作が終了した後の地形とに基づいて算出されてもよい。掘削重量は、例えば、シリンダ圧センサの出力に基づいて算出されてもよく、姿勢センサの出力とシリンダ圧センサの出力とに基づいて算出されてもよい。
【００６２】
算出部３３は、最大積載量に関する情報と掘削重量に関する情報とに基づいて積み込み残重量を算出するように構成されている。積み込み残重量は、ダンプトラックに積み込むことができる被掘削物の重量を意味する。例えば、最大積載量が１０トンのダンプトラックの荷台に既に５トンの被掘削物が積み込まれている場合、掘削動作でバケット６に取り込むべき被掘削物の重量である目標掘削重量としての積み込み残重量は５トンとなる。本実施形態では、算出部３３は、第１情報取得部３１が取得したダンプトラックの最大積載量に関する情報と、第２情報取得部３２が取得した掘削重量に関する情報とに基づいて積み込み残重量を算出する。そして、算出部３３は、積み込み残重量と土質情報とに基づき、目標掘削体積を算出する。土質情報は、例えば、被掘削物の密度、種類、又は硬さ等に関する情報である。土質情報は、記憶装置４７に予め記憶されている情報であってもよい。その後、算出部３３は、掘削が開始される前の地形に関する情報と目標掘削体積とに基づいて掘削軌道を導き出す。
【００６３】
設定部３４は、バケット６における所定部位が辿る軌道である目標軌道を設定するように構成されている。バケット６における所定部位は、例えば、バケット６の爪先である。本実施形態では、設定部３４は、積み込み残重量が所定重量未満となった場合に、目標軌道を設定するように構成されている。目標軌道は、例えば、等距離間隔で配置される複数の３次元座標点で構成されていてもよい。所定重量は、例えば、１回の掘削動作で掘削可能な被掘削物の最大重量（以下、「最大掘削重量」とする。）であり、不揮発性記憶媒体等に予め記憶されていてもよく、動的に設定されてもよい。設定部３４は、例えば、１回の掘削動作による掘削重量と積み込み残重量とが等しくなるように目標軌道を設定する。１回の掘削動作は、典型的には、１台のダンプトラックの荷台に最大積載量となるまで被掘削物を積み込むために複数回の掘削動作が行われる場合の最後の掘削動作である。最後の掘削動作による被掘削物がダンプトラックに積み込まれたときに、ダンプトラックに積み込まれた被掘削物の総重量が最大積載量にほぼ等しくなるようにするためである。図４の点線Ｌ１で示す軌道は、目標軌道の一例を示している。この目標軌道を辿るようにして行われた掘削動作によってバケット６内に取り込まれた被掘削物ＥＸの重量である掘削重量は、積み込み残重量にほぼ等しい。そのため、被掘削物ＥＸがダンプトラックＤＴに積み込まれると、ダンプトラックＤＴに積み込まれた被掘削物ＥＸの総重量は最大積載量とほぼ等しくなる。このように、設定部３４は、積み込み残重量が最大掘削重量を下回る場合には、掘削重量が制限されるように目標軌道を設定する。
【００６４】
具体的には、設定部３４は、最後の掘削動作を行う前の地形に基づいて複数の掘削軌道を生成する。そして、設定部３４は、最後の掘削動作を行う前の地形と複数の掘削軌道とに基づき、複数の掘削軌道のそれぞれについて、最後の掘削動作による掘削重量を算出する。設定部３４は、算出された掘削重量が最後の掘削動作において必要な残重量と等しくなる掘削軌道を、複数の掘削軌道から選択する。このようにして、設定部３４は、選択された掘削軌道を目標軌道として設定できる。
【００６５】
設定部３４は、積み込み残重量が所定重量未満であるか否かにかかわらず目標軌道を設定するように構成されていてもよい。この場合、設定部３４は、必要に応じて、各回の掘削動作による掘削重量が所定重量未満となるように、各回の掘削動作が行われる前に目標軌道を設定し直してもよい。これは、例えば、盛土等の掘削対象物の形状の変化に応じた適切な掘削動作が行われるようにするためである。具体的には、仮に各回の掘削動作による掘削重量ができるだけ大きくなるように各回の掘削動作が無制限に行われてしまった場合には、各回の掘削動作による掘削重量のバラツキが大きくなるおそれがあるので、そのような無制限な掘削動作が行われてしまうのを防止するためである。或いは、場合によっては、ダンプトラックＤＴの荷台への１回の排土動作が行われる前に複数回の掘削動作による被掘削物の集積が行われる必要が生じてしまうおそれがあるので、そのような無制限な掘削動作が行われてしまうのを防止するためである。そのため、設定部３４は、各回の掘削動作による掘削重量のバラツキができるだけ小さくなるように、或いは、平均掘削重量ができるだけ大きくなるように、各回の掘削動作が行われる前に目標軌道を設定し直してもよい。
【００６６】
設定部３４は、第２情報取得部３２が取得した被掘削物ＥＸの密度に関する情報と積み込み残重量とに基づいて積み込み残体積を算出し、その積み込み残体積と同じ掘削体積の被掘削物ＥＸが最後の１回の掘削動作で掘削されるように目標軌道を設定してもよい。このように、設定部３４は、積み込み残体積が最大掘削体積を下回る場合には、掘削体積が制限されるように目標軌道を設定してもよい。なお、最大掘削体積は、１回の掘削動作で掘削可能な被掘削物の最大体積である。
【００６７】
自律制御部３５は、アクチュエータを自律的に動作させることで操作者によるショベル１００の手動操作を自律的に支援するように構成されている。例えば、自律制御部３５は、操作者が手動でアーム閉じ操作を行っている場合に、バケット６の爪先の軌道が目標軌道と一致するようにブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９の少なくとも１つを自律的に伸縮させてもよい。この場合、操作者は、例えば、アーム操作レバーを閉じ方向に操作するだけで、バケット６の爪先の軌道を目標軌道に一致させながら、アーム５を閉じることができる。この自律制御は、入力装置４２の１つである所定のスイッチが押下されたときに実行されるように構成されていてもよい。所定のスイッチは、例えば、マシンコントロールスイッチ（以下、「ＭＣスイッチ」とする。）であり、ノブスイッチとして操作装置２６の先端に配置されていてもよい。
【００６８】
本実施形態では、自律制御部３５は、各アクチュエータに対応する制御弁に作用するパイロット圧を個別に且つ自律的に調整することで各アクチュエータを自律的に動作させることができる。
【００６９】
次に、図５及び図６を参照し、コントローラ３０が１回の掘削動作による掘削重量を制御する処理について説明する。図５は、掘削対象範囲Ｒ１を設定する際に表示装置４０に表示される設定画面ＧＭの構成例を示す。図６は、設定画面ＧＭで設定された掘削対象範囲Ｒ１にある掘削対象物ＢＫを掘削するショベル１００の上面図である。図６では、ショベル１００は、掘削対象物ＢＫを掘削してバケット６内に取り込んだ被掘削物をダンプトラックＤＴの荷台に積み込んでいる。ダンプトラックＤＴの荷台に積み込まれている被掘削物ＥＸ１は１回目の掘削動作で掘削された被掘削物に対応し、被掘削物ＥＸ２は２回目の掘削動作で掘削された被掘削物に対応している。
【００７０】
掘削対象範囲Ｒ１は、ショベル１００の周囲に設定される範囲である。掘削対象範囲Ｒ１は、例えば、深さ制限のある立体的な範囲である。掘削アタッチメントによる掘削の対象である掘削対象物ＢＫは、例えば、地山、盛土、表土、又は堆積物等の地物である。掘削対象物ＢＫは、ダンプトラックＤＴへの積み込みのために寄せ集められた被掘削物ＥＸによって形成される土砂山であってもよい。反対に、掘削対象範囲Ｒ１の外側にある地物は、掘削アタッチメントによる掘削の対象とはならない。そのため、自律制御部３５によって掘削アタッチメントが動かされるときに、掘削対象範囲Ｒ１の外にある地物が掘削されることはない。
【００７１】
掘削対象範囲Ｒ１が設定される実施形態では、設定部３４は、掘削対象範囲Ｒ１内で目標軌道を設定するように構成されている。そのため、コントローラ３０は、情報取得装置の出力に基づいて掘削対象範囲Ｒ１内の地形を検出する。図５及び図６に示す例では、カメラ、レーダ、及びＬＩＤＡＲ等の少なくとも１つの出力に基づいて掘削対象範囲Ｒ１内の地形を検出する。
【００７２】
コントローラ３０は、例えば、ＭＣスイッチが押下されたときに、図５に示す設定画面ＧＭを表示装置４０に表示させる。設定画面ＧＭは、ショベル図形Ｇ１及びダンプ図形Ｇ２を含む
ショベル図形Ｇ１は、上部旋回体３の位置及び向きを表す図形である。ダンプ図形Ｇ２は、ダンプトラックＤＴの位置及び向きを表す図形である。コントローラ３０は、例えば、向き検出装置Ｄ１、測位装置Ｐ１、及び撮像装置Ｓ６等の出力に基づいてショベル１００とダンプトラックＤＴとの位置関係を把握し、その位置関係に対応するようにショベル図形Ｇ１及びダンプ図形Ｇ２を表示させる。
【００７３】
ショベル図形Ｇ１の周囲には周囲画像が表示されていてもよい。図５の例では、周囲画像は、後カメラＳ６Ｂ、前カメラＳ６Ｆ、左カメラＳ６Ｌ、及び右カメラＳ６Ｒのそれぞれが撮像した画像に視点変換処理を施して生成される合成画像としての俯瞰画像である。但し、周囲画像は、コンピュータグラフィックスであってもよい。
【００７４】
ショベル１００の操作者は、設定画面ＧＭを見ながら、入力装置４２を用いて掘削対象範囲Ｒ１を設定してもよい。図５の例では、操作者は、入力装置４２としてのタッチパネルを用い、ショベル図形Ｇ１の左側に範囲図形Ｇ３を設定している。範囲図形Ｇ３は、掘削対象範囲Ｒ１を表す図形である。具体的には、操作者は、ピンチアウト操作によって所望のサイズの範囲図形Ｇ３を設定している。操作者は、タップ操作によって範囲図形Ｇ３を設定してもよい。この場合、範囲図形Ｇ３は、例えば、タップ操作された点を中心とする所定サイズの範囲として設定される。
【００７５】
図５の例では、範囲図形Ｇ３は、矩形であるが、円形又は楕円形等の他の形状であってもよい。また、範囲図形Ｇ３は、複雑な輪郭を有する図形であってもよい。この場合、操作者は、例えば、タッチパネル上で所望の範囲の輪郭をなぞることでその範囲に対応する範囲図形Ｇ３を設定してもよい。
【００７６】
操作者は、設定画面ＧＭに予め表示されている複数の範囲図形から１つの範囲図形を選択してもよい。また、操作者は、互いに独立している複数の掘削対象範囲に対応する複数の範囲図形を選択してもよい。この場合、掘削対象範囲内の掘削対象物は、選択された順で掘削されていてもよい。例えば、最初に選択された範囲図形に対応する掘削対象範囲内にある掘削対象物が最初に掘削されてもよい。
【００７７】
コントローラ３０は、例えば、ＭＣスイッチが押下される度に、上述のようにして設定された掘削対象範囲Ｒ１内で目標軌道を設定し、バケット６の爪先を掘削開始地点の上に移動させる。そして、コントローラ３０は、アーム操作レバーが手動で操作されると、バケット６の爪先が描く軌道が目標軌道に沿うようにブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９の少なくとも１つを伸縮させる。
【００７８】
図６の例では、コントローラ３０は、掘削対象範囲Ｒ１の地面と、ショベル１００が位置する平面を含む仮想平面とが面一となるように目標軌道を設定する。但し、コントローラ３０は、ショベル１００が位置する平面を含む仮想平面に対して掘削対象範囲Ｒ１の地面の深さが所定の深さとなるように目標軌道を設定してもよい。また、コントローラ３０は、ショベル１００が位置する平面を含む仮想平面に対する掘削対象範囲Ｒ１の地面の傾斜角度が所定角度となるように目標軌道を設定してもよい。
【００７９】
このように、本発明の実施形態に係るショベル１００は、下部走行体１と、下部走行体１に旋回可能に搭載される上部旋回体３と、上部旋回体３に取り付けられる掘削アタッチメントと、制御装置としてのコントローラ３０と、を備えている。コントローラ３０は、掘削が開始される前の地形に関する情報と目標掘削体積とに基づいて掘削アタッチメントにおける所定部位が辿る軌道である目標軌道を設定する設定部３４を有する。この構成により、ショベル１００は、例えば、土砂等の被掘削物が必要以上にバケット内に取り込まれてしまうのを防止できる。なお、コントローラ３０は、目標掘削体積を目標掘削重量と土質情報とに基づいて算出してもよい。
【００８０】
また、コントローラ３０は、ダンプトラックＤＴの最大積載量に関する情報を取得する第１情報取得部３１と、掘削アタッチメントの掘削動作で掘削される土砂等の被掘削物の重量である掘削重量に関する情報を取得する第２情報取得部３２と、最大積載量に関する情報と掘削重量に関する情報とに基づいて積み込み残重量を算出する算出部３３と、を有していてもよい。この構成により、ショベル１００は、例えば、複数回の掘削動作による掘削重量の合計がダンプトラックＤＴの最大積載量となるように１回の掘削動作による掘削重量を適切に調整できる。そのため、ショベル１００は、ダンプトラックＤＴへの積み込みに関する掘削作業の効率を高めることができる。また、ショベル１００は、過積載及び過小積載を防止できる。また、ショベル１００は、ショベル１００の操作者の作業負荷を軽減できる。
【００８１】
また、ショベル１００は、例えば、１回の掘削動作による掘削重量が積み込み残重量を超えないように目標軌道を設定することで、被掘削物が必要以上にバケット６内に取り込まれてしまうのを防止できる。すなわち、ショベル１００の操作者は、被掘削物を取り込んだ状態のバケット６が空中に持ち上げられる前に掘削重量を調整できるため、バケット６が持ち上げられた後で且つダンプトラックＤＴの荷台に排土される前に被掘削物の一部を地面に落として掘削重量を調整する必要がない。そのため、ショベル１００の操作者は、ダンプトラックＤＴの荷台に積み込まれる被掘削物の総重量が最大積載量を超えないよう、バケット６内に取り込まれた被掘削物の一部を地面に捨てるといった余分な操作を行う必要がない。
【００８２】
第１情報取得部３１は、ダンプトラックＤＴの識別情報を取得し、その識別情報に基づいてダンプトラックＤＴの最大積載量に関する情報を取得するように構成されていてもよい。第１情報取得部３１は、例えば、カメラ、レーダ、及びＬＩＤＡＲ等の少なくとも１つの出力に基づいてダンプトラックの最大積載量に関する情報を取得するように構成されていてもよい。この構成により、ショベル１００は、ダンプトラックＤＴに関する被掘削物の過積載をより確実に防止できる。
【００８３】
設定部３４は、所定の掘削対象範囲Ｒ１内で目標軌道を設定するように構成されていてもよい。掘削対象範囲Ｒ１は、典型的には、上部旋回体３の周囲にある領域である。そして、掘削対象範囲Ｒ１は、入力装置４２を用いて設定されてもよい。この構成により、ショベル１００の操作者は、所望の掘削対象範囲を指定でき、コントローラ３０は、所望の掘削対象物が掘削されるように掘削アタッチメントを制御できる。
【００８４】
コントローラ３０は、目標軌道を適切に設定できないと判定した場合、その旨を報知するように構成されていてもよい。コントローラ３０は、例えば、掘削対象範囲Ｒ１内の地面が平坦になるまで掘削対象範囲Ｒ１内で掘削動作を行ったとしてもダンプトラックＤＴに積み込まれる被掘削物の総重量が最大積載量に達しないと判定した場合に目標軌道を適切に設定できないと判定してもよい。この場合、コントローラ３０は、ダンプトラックＤＴに積み込まれる被掘削物の総重量が最大積載量に達しない旨を伝える情報を表示装置４０に表示させてもよく、その旨を伝える音又は音声を音出力装置４３から出力させてもよい。
【００８５】
第２情報取得部３２は、掘削アタッチメントの掘削動作で掘削される被掘削物の密度に関する情報を取得するように構成されていてもよい。この場合、設定部３４は、密度に関する情報と積み込み残重量とに基づいて積み込み残体積を算出し、その積み込み残体積に相当する体積の被掘削物が１回の掘削動作で掘削されるように目標軌道を設定してもよい。この構成により、ショベル１００は、１回の掘削動作による掘削重量及び掘削体積をより正確に調整できる。
【００８６】
以上、本発明の好ましい実施形態について詳説した。しかしながら、本発明は、上述した実施形態に制限されることはない。上述した実施形態は、本発明の範囲を逸脱することなしに、種々の変形又は置換等が適用され得る。また、別々に説明された特徴は、技術的な矛盾が生じない限り、組み合わせが可能である。
【００８７】
例えば、ショベル１００は、以下に示すような自律制御機能を実行して掘削動作等の複合操作を自律的に実行してもよい。図７は、自律制御機能の構成例を示すブロック図である。図７の例では、コントローラ３０は、自律制御の実行に関する機能要素ＦＡ〜ＦＬ及びＦ１〜Ｆ６を有する。機能要素は、ソフトウェアで構成されていてもよく、ハードウェアで構成されていてもよく、ソフトウェアとハードウェアの組み合わせで構成されていてもよい。
【００８８】
機能要素ＦＡは、地形を計測するように構成されている。図７の例では、機能要素ＦＡは、周囲監視装置としての撮像装置Ｓ６が撮像した画像に基づき、ショベル１００の周囲にある地形の最新の状態を計測する。
【００８９】
周囲監視装置は、ショベル１００の周囲に存在する物体を検知するように構成されている。物体は、例えば、人、動物、車両、建設機械、建造物、壁、柵、穴、ヘルメット、安全ベスト、作業服、又は、ヘルメットにおける所定のマーク等である。周囲監視装置は、ミリ波レーダ、超音波センサ、又はレーザレーダ等であってもよい。
【００９０】
周囲監視装置は、ショベル１００の周囲に設定された所定領域内の所定物体を検知するように構成されていてもよい。すなわち、周囲監視装置は、物体の種類、位置、及び形状等の少なくとも１つを識別できるように構成されていてもよい。例えば、周囲監視装置は、人と人以外の物体とを区別できるように構成されていてもよい。また、周囲監視装置は、周囲監視装置又はショベル１００から認識された物体までの距離を算出するように構成されてもよい。
【００９１】
機能要素ＦＢは、掘削体積を算出するように構成されている。図７の例では、機能要素ＦＢは、撮像装置Ｓ６が撮像した画像に基づき、１回の掘削動作で実際に掘削された被掘削物の体積を掘削体積として算出する。
【００９２】
機能要素ＦＣは、各種の異常の有無を判定するように構成されている。図７の例では、機能要素ＦＣは、撮像装置Ｓ６が撮像した画像に基づいて撮像装置Ｓ６の異常の有無を判定するように構成されている。そして、機能要素ＦＣは、撮像装置Ｓ６の状態が異常であると判定した場合、後述の機能要素Ｆ４に対して指令を出力し、ショベル１００の動きを減速させ或いは停止させる。
【００９３】
機能要素ＦＤは、ダンプトラックＤＴを検知するように構成されている。図７の例では、機能要素ＦＤは、撮像装置Ｓ６が撮像した画像に基づいてダンプトラックＤＴを検知する。
【００９４】
機能要素ＦＥは、機能要素ＦＤが検知したダンプトラックＤＴの最大積載量を導き出すように構成されている。図７の例では、機能要素ＦＥは、撮像装置Ｓ６が撮像した画像に基づいてダンプトラックＤＴの最大積載量を導き出す。機能要素ＦＥは、例えば、ダンプトラックＤＴが１０トントラックであるか否かを識別することで、ダンプトラックＤＴの最大積載量を導き出す。
【００９５】
機能要素ＦＦは、ブーム４の状態を判定するように構成されている。図７の例では、機能要素ＦＦは、被掘削物を取り込んだバケット６が地面から離れる高さまでブーム４が上昇したか否かを判定する。掘削動作が終了したことを検知するためである。
【００９６】
具体的には、機能要素ＦＦは、後述の機能要素Ｆ２によって算出されるバケット６の現在の爪先位置に基づき、被掘削物を取り込んだバケット６が地面から離れる高さまでブーム４が上昇したか否かを判定する。機能要素ＦＦは、撮像装置Ｓ６が撮像した画像に基づき、被掘削物を取り込んだバケット６が地面から離れる高さまでブーム４が上昇したか否かを判定してもよい。
【００９７】
機能要素ＦＧは、バケット６に取り込まれた被掘削物の重量を算出するように構成されている。図７の例では、機能要素ＦＧは、被掘削物を取り込んだバケット６が地面から離れる高さまでブーム４が上昇したと機能要素ＦＦが判定した場合、シリンダ圧センサの出力に基づき、バケット６に取り込まれた被掘削物の重量を算出する。機能要素ＦＧは、後述の機能要素Ｆ２によって算出される掘削アタッチメントの姿勢と、シリンダ圧センサの出力とに基づき、バケット６に取り込まれた被掘削物の重量を算出してもよい。
【００９８】
機能要素ＦＨは、ダンプトラックＤＴに積み込まれた被掘削物の総重量を算出するように構成されている。図７の例では、機能要素ＦＨは、機能要素ＦＧによって算出された、各回の掘削動作によって掘削された被掘削物の重量を積算することで、ダンプトラックＤＴの荷台に既に積み込まれている被掘削物の総重量を算出する。
【００９９】
機能要素ＦＩは、積み込み残重量を算出するように構成されている。図７の例では、機能要素ＦＩは、機能要素ＦＥが導き出した最大積載量から、機能要素ＦＨが算出した被掘削物の総重量を差し引くことで、積み込み残重量を算出する。例えば、最大積載量が１０トンで、ダンプトラックＤＴの荷台に既に積み込まれている被掘削物の総重量が６トンである場合、機能要素ＦＨは、積み込み残重量として４トンを算出する。
【０１００】
機能要素ＦＪは、次の掘削動作でバケット６に取り込むべき被掘削物の重量である目標掘削重量を取得し、必要に応じてその取得した値を制限するように構成されている。図７の例では、機能要素ＦＪは、１回の掘削動作で掘削可能な被掘削物の最大値である最大掘削重量を、記憶装置４７から読み出して取得する。そして、機能要素ＦＪは、機能要素ＦＩが算出した積み込み残重量が最大掘削重量より大きい場合、目標掘削重量を最大掘削重量で制限する。機能要素ＦＪは、例えば、積み込み残重量が４トンであっても、最大掘削重量が３トンである場合には、目標掘削重量として３トンを出力する。なお、最大掘削重量は、動的に入力され或いは算出される値であってもよい。
【０１０１】
機能要素ＦＫは、目標掘削体積を算出するように構成されている。図７の例では、機能要素ＦＫは、機能要素ＦＪが出力する目標掘削重量と、入力装置４２を介して入力された土質情報とに基づき、目標掘削体積を算出する。機能要素ＦＫは、例えば、目標掘削重量と被掘削物の密度とに基づいて目標掘削体積を算出する。機能要素ＦＫは、例えば、目標掘削重量である３トンに対応する目標掘削体積を算出する。基本的には、目標掘削重量が３トンであっても、被掘削物の密度が小さいほど、目標掘削体積は大きくなる。
【０１０２】
機能要素ＦＬは、目標掘削体積を制限するように構成されている。図７の例では、機能要素ＦＬは、機能要素ＦＫが算出した目標掘削体積が最大掘削体積より大きい場合、目標掘削体積を最大掘削体積で制限する。機能要素ＦＬは、例えば、目標掘削体積が３立方メートルであっても、最大掘削体積が２立方メートルである場合には、目標掘削体積として２立方メートルを出力する。このように、コントローラ３０は、バケット６内に取り込まれた被掘削物がその後の旋回動作等の際にこぼれ落ちてしまうのを防止するために、必要に応じて目標掘削体積を制限する。なお、最大掘削体積は、動的に入力され或いは算出される値であってもよい。
【０１０３】
機能要素Ｆ１は、目標軌道を生成するように構成されている。図７の例では、機能要素Ｆ１は、入力装置４２を介して入力された掘削に関する情報と、機能要素ＦＡが計測した現在の地形と、機能要素ＦＢが算出した過去の掘削動作による実際の掘削体積と、機能要素ＦＬが出力する目標掘削体積とに基づいてバケット６の爪先が辿るべき軌道を目標軌道として生成する。掘削に関する情報は、例えば、予め設定されている掘削条件に関する情報である。掘削条件は、例えば、深め又は浅め等である。
【０１０４】
機能要素Ｆ１は、典型的には、各回の掘削動作が開始される前に、目標軌道を算出するように構成されている。すなわち、目標軌道は、典型的には、各回の掘削動作が開始される前に更新される。具体的には、目標軌道の始点である掘削開始位置の座標、及び、目標軌道の終点である掘削終了位置の座標は、各回の掘削動作が開始される前に更新される。
【０１０５】
機能要素Ｆ１は、生成した目標軌道に関する画像を表示装置４０に表示させるように構成されていてもよい。図８は、機能要素Ｆ１によって表示装置４０に表示される目標軌道に関する画像Ｇｘの表示例を示す。画像Ｇｘは、掘削動作の際に表示される画像であり、図形Ｇ１１〜Ｇ２３を含む。図形Ｇ１１は、掘削動作が開始される前の現在の掘削アタッチメントの状態を表す。図形Ｇ１２は、掘削動作が終了した後の将来の掘削アタッチメントの状態を表す。図形Ｇ１３は、目標軌道を表す線分であり、図形Ｇ１３Ａ及び図形Ｇ１３Ｂを含む。図形Ｇ１３Ａは、目標軌道の始点である掘削開始位置を表す。図形Ｇ１３Ｂは、目標軌道の終点である掘削終了位置を表す。図８の例では、掘削終了位置は、バケット６が地面から離れた後の爪先の位置である。図形Ｇ１４は、目標軌道に沿って動くバケット６を表す。図８の例では、図形Ｇ１４は、２つの図形Ｇ１４Ａ及び図形Ｇ１４Ｂを含む。図形Ｇ１４としてのバケット６を表す図形の数は、１つであってもよく、３つ以上であってもよい。図形Ｇ１５は、今回の掘削動作によって掘削される穴の長さを表す両矢印である。図形Ｇ１６は、今回の掘削動作によって掘削される穴の深さを表す両矢印である。図８の例では、画像Ｇｘは、長さＸＸメートル、深さＹＹメートルの穴が形成されることを表している。ショベル１００の操作者は、画像Ｇｘを見ることで、掘削動作がどのように実行されるのかを容易に把握できる。
【０１０６】
図形Ｇ１７は、現在実行中の掘削動作でバケット６内に取り込まれている被掘削物の現在の重量（現重量）を表す。図８の例では、図形Ｇ１７は、現重量が「＊＊＊ｋｇ」であることを表している。図形Ｇ１８は、ダンプトラックＤＴの荷台に積み込まれた被掘削物の累積重量を表す。図８の例では、図形Ｇ１８は、累積重量が「○○○○ｋｇ」であることを表している。図形Ｇ１９は、積み込み残重量を表す。図８の例では、図形Ｇ１９は、積み込み残重量（残重量）が「×××ｋｇ」であることを表している。図形Ｇ２０は、今回の掘削動作でバケット６内に取り込むべき被掘削物の重量である目標掘削重量を表す。図８の例では、図形Ｇ２０は、目標掘削重量（目標重量）が「□□□ｋｇ」であることを表している。図形Ｇ２１は、今回の掘削動作でバケット６内に取り込むべき被掘削物の体積である目標掘削体積を表す。図８の例では、図形Ｇ２１は、目標掘削体積（目標体積）が「△△△ｍ３」であることを表している。図形Ｇ２２は、被掘削物の性質に関する情報である土質情報を表す。図８の例では、図形Ｇ２２は、被掘削物の密度が「○○ｋｇ／ｍ３」であること、及び、被掘削物の種類が「＊＊」であることを表している。図形Ｇ２３は、ソフトウェアボタンとしての累積Ｒｅｓｅｔボタンを表している。累積リセットボタンは、操作されたときに累積重量をリセットするように構成されている。累積重量は、通常、被掘削物の積み込み対象であるダンプトラックＤＴが別のダンプトラックに入れ替わったことが検知されたときに自動的にリセットされる。しかしながら、操作者は、累積Ｒｅｓｅｔボタンを操作することにより、任意のタイミングで累積重量をリセットできる。
【０１０７】
機能要素Ｆ１は、後方監視画像及び周囲監視画像の少なくとも一方とともに目標軌道に関する画像を表示装置４０に表示させてもよい。後方監視画像は、ショベル１００の後方を操作者が監視できるようにするための画像であり、例えば、後カメラＳ６Ｂが撮像した画像に基づいて生成される。周囲監視画像は、ショベル１００の周囲を操作者が監視できるようにするための画像であり、例えば、後カメラＳ６Ｂ、左カメラＳ６Ｌ、及び右カメラＳ６Ｒのそれぞれが撮像した画像を合成して生成される視点変換画像としての俯瞰画像である。俯瞰画像は、典型的には、ショベル１００の周囲を真上の仮想視点から見たときの様子を示す画像である。機能要素Ｆ１は、例えば、後方監視画像及び周囲監視画像の少なくとも一方に隣接するように目標軌道に関する画像を表示装置４０に表示させてもよい。
【０１０８】
或いは、機能要素Ｆ１は、エンジン回転数モード、走行モード、アタッチメントの種類、及びエンジン制御状態等の少なくとも１つに関する情報であるショベル１００の設定状態に関する情報とともに、目標軌道に関する画像を表示装置４０に表示させてもよい。或いは、機能要素Ｆ１は、尿素水残量、燃料残量、冷却水温、エンジン稼働時間、及び累積稼動時間等の少なくとも１つに関する情報であるショベルの運転状態に関する情報とともに、目標軌道に関する画像を表示装置４０に表示させてもよい。
【０１０９】
機能要素Ｆ２は、現在の爪先位置を算出するように構成されている。図７の例では、機能要素Ｆ２は、ブーム角度センサＳ１が検出したブーム角度β１と、アーム角度センサＳ２が検出したアーム角度β２と、バケット角度センサＳ３が検出したバケット角度β３と、旋回角速度センサＳ５が検出した旋回角度α１とに基づき、バケット６の爪先の座標点を現在の爪先位置として算出する。機能要素Ｆ２は、現在の爪先位置を算出する際に、機体傾斜センサＳ４の出力を利用してもよい。
【０１１０】
機能要素Ｆ３は、次の爪先位置を算出するように構成されている。図７の例では、機能要素Ｆ３は、操作圧センサ２９が出力する操作データと、機能要素Ｆ１が生成した目標軌道と、機能要素Ｆ２が算出した現在の爪先位置とに基づき、所定時間後の爪先位置を目標爪先位置として算出する。
【０１１１】
機能要素Ｆ３は、現在の爪先位置と目標軌道との間の乖離が許容範囲内に収まっているか否かを判定してもよい。図７の例では、機能要素Ｆ３は、現在の爪先位置と目標軌道との間の距離が所定値以下であるか否かを判定する。そして、機能要素Ｆ３は、その距離が所定値以下である場合、乖離が許容範囲内に収まっていると判定し、目標爪先位置を算出する。一方で、機能要素Ｆ３は、その距離が所定値を上回っている場合、乖離が許容範囲内に収まっていないと判定し、レバー操作量とは無関係に、アクチュエータの動きを減速させ或いは停止させる。
【０１１２】
機能要素Ｆ４は、爪先の速度に関する指令値を生成するように構成されている。図７の例では、機能要素Ｆ４は、機能要素Ｆ２が算出した現在の爪先位置と、機能要素Ｆ３が算出した次の爪先位置とに基づき、所定時間で現在の爪先位置を次の爪先位置に移動させるために必要な爪先の速度を爪先の速度に関する指令値として算出する。
【０１１３】
機能要素Ｆ５は、爪先の速度に関する指令値を制限するように構成されている。図７の例では、機能要素Ｆ５は、機能要素Ｆ２が算出した現在の爪先位置と、周囲監視装置としての撮像装置Ｓ６が撮像した画像とに基づき、爪先とダンプトラックＤＴ等の所定物体との間の距離が所定値未満であると判定した場合、爪先の速度に関する指令値を所定の上限値で制限する。このようにして、コントローラ３０は、爪先が所定物体に接近したときに爪先の速度を減速させる。機能要素Ｆ５は、バケット６内に取り込まれた被掘削物の重量に基づいて上限値を変更するように構成されていてもよい。或いは、機能要素Ｆ５は、掘削アタッチメントの旋回半径に基づいて上限値を変更するように構成されていてもよい。掘削アタッチメントの旋回半径は、機能要素Ｆ２で算出されてもよく、機能要素Ｆ２の出力に基づいて機能要素Ｆ５で算出されてもよい。
【０１１４】
機能要素Ｆ６は、アクチュエータを動作させるための指令値を算出するように構成されている。図７の例では、機能要素Ｆ６は、現在の爪先位置を目標爪先位置に移動させるために、機能要素Ｆ３が算出した目標爪先位置に基づき、ブーム角度β１に関する指令値β１ｒ、アーム角度β２に関する指令値β２ｒ、バケット角度β３に関する指令値β３ｒ、及び旋回角度α１に関する指令値α１ｒを算出する。機能要素Ｆ６は、ブーム４が操作されていないときであっても、必要に応じて指令値β１ｒを算出する。これは、ブーム４を自動的に動作させるためである。アーム５、バケット６、及び旋回機構２についても同様である。
【０１１５】
次に、図９を参照し、機能要素Ｆ６の詳細について説明する。図９は、各種指令値を算出する機能要素Ｆ６の構成例を示すブロック図である。
【０１１６】
コントローラ３０は、図９に示すように、指令値の生成に関する機能要素Ｆ１１〜Ｆ１３、Ｆ２１〜Ｆ２３、Ｆ３１〜Ｆ３３、及びＦ５０を更に有する。機能要素は、ソフトウェアで構成されていてもよく、ハードウェアで構成されていてもよく、ソフトウェアとハードウェアの組み合わせで構成されていてもよい。
【０１１７】
機能要素Ｆ１１〜Ｆ１３は、指令値β１ｒに関する機能要素であり、機能要素Ｆ２１〜Ｆ２３は、指令値β２ｒに関する機能要素であり、機能要素Ｆ３１〜Ｆ３３は、指令値β３ｒに関する機能要素であり、機能要素Ｆ４１〜Ｆ４３は、指令値α１ｒに関する機能要素である。
【０１１８】
機能要素Ｆ１１、Ｆ２１、Ｆ３１、及びＦ４１は、アクチュエータ制御機構に対して出力される電流指令を生成するように構成されている。本実施形態では、機能要素Ｆ１１は、ブーム制御機構３１Ｃに対してブーム電流指令を出力し、機能要素Ｆ２１は、アーム制御機構３１Ａに対してアーム電流指令を出力し、機能要素Ｆ３１は、バケット制御機構３１Ｄに対してバケット電流指令を出力し、機能要素Ｆ４１は、旋回制御機構３１Ｂに対して旋回電流指令を出力する。
【０１１９】
ブーム制御機構３１Ｃは、ブームシリンダパイロット圧指令に対応する制御電流に応じたパイロット圧をブーム制御弁としての制御弁１７５に対して作用させることができるように構成されている。
【０１２０】
アーム制御機構３１Ａは、アームシリンダパイロット圧指令に対応する制御電流に応じたパイロット圧をアーム制御弁としての制御弁１７６に対して作用させることができるように構成されている。
【０１２１】
バケット制御機構３１Ｄは、バケットシリンダパイロット圧指令に対応する制御電流に応じたパイロット圧をバケット制御弁としての制御弁１７４に対して作用させることができるように構成されている。
【０１２２】
旋回制御機構３１Ｂは、旋回用油圧モータパイロット圧指令に対応する制御電流に応じたパイロット圧を旋回制御弁としての制御弁１７３に対して作用させることができるように構成されている。
【０１２３】
機能要素Ｆ１２、Ｆ２２、Ｆ３２、及びＦ４２は、スプール弁を構成するスプールの変位量を算出するように構成されている。本実施形態では、機能要素Ｆ１２は、ブームスプール変位センサＳ７の出力に基づき、ブームシリンダ７に関する制御弁１７５を構成するブームスプールの変位量を算出する。機能要素Ｆ２２は、アームスプール変位センサＳ８の出力に基づき、アームシリンダ８に関する制御弁１７６を構成するアームスプールの変位量を算出する。機能要素Ｆ３２は、バケットスプール変位センサＳ９の出力に基づき、バケットシリンダ９に関する制御弁１７４を構成するバケットスプールの変位量を算出する。機能要素Ｆ４２は、旋回スプール変位センサＳ２Ａの出力に基づき、旋回用油圧モータ２Ａに関する制御弁１７３を構成する旋回スプールの変位量を算出する。なお、ブームスプール変位センサＳ７は、制御弁１７５を構成するスプールの変位量を検出するセンサである。アームスプール変位センサＳ８は、制御弁１７６を構成するスプールの変位量を検出するセンサである。バケットスプール変位センサＳ９は、制御弁１７４を構成するスプールの変位量を検出するセンサである。そして、旋回スプール変位センサＳ２Ａは、制御弁１７３を構成するスプールの変位量を検出するセンサである。
【０１２４】
機能要素Ｆ１３、Ｆ２３、Ｆ３３、及びＦ４３は、作業体の回動角度を算出するように構成されている。本実施形態では、機能要素Ｆ１３は、ブーム角度センサＳ１の出力に基づき、ブーム角度β１を算出する。機能要素Ｆ２３は、アーム角度センサＳ２の出力に基づき、アーム角度β２を算出する。機能要素Ｆ３３は、バケット角度センサＳ３の出力に基づき、バケット角度β３を算出する。機能要素Ｆ４３は、旋回角速度センサＳ５の出力に基づき、旋回角度α１を算出する。
【０１２５】
具体的には、機能要素Ｆ１１は、基本的に、機能要素Ｆ６が生成した指令値β１ｒと機能要素Ｆ１３が算出したブーム角度β１との差がゼロになるように、ブーム制御機構３１Ｃに対するブーム電流指令を生成する。その際に、機能要素Ｆ１１は、ブーム電流指令から導き出される目標ブームスプール変位量と機能要素Ｆ１２が算出したブームスプール変位量との差がゼロになるように、ブーム電流指令を調節する。そして、機能要素Ｆ１１は、その調節後のブーム電流指令をブーム制御機構３１Ｃに対して出力する。
【０１２６】
ブーム制御機構３１Ｃは、ブーム電流指令に応じて開口面積を変化させ、その開口面積の大きさに対応するパイロット圧を制御弁１７５のパイロットポートに作用させる。制御弁１７５は、パイロット圧に応じてブームスプールを移動させ、ブームシリンダ７に作動油を流入させる。ブームスプール変位センサＳ７は、ブームスプールの変位を検出し、その検出結果をコントローラ３０の機能要素Ｆ１２にフィードバックする。ブームシリンダ７は、作動油の流入に応じて伸縮し、ブーム４を上下動させる。ブーム角度センサＳ１は、上下動するブーム４の回動角度を検出し、その検出結果をコントローラ３０の機能要素Ｆ１３にフィードバックする。機能要素Ｆ１３は、算出したブーム角度β１を機能要素Ｆ４にフィードバックする。
【０１２７】
機能要素Ｆ２１は、基本的に、機能要素Ｆ６が生成した指令値β２ｒと機能要素Ｆ２３が算出したアーム角度β２との差がゼロになるように、アーム制御機構３１Ａに対するアーム電流指令を生成する。その際に、機能要素Ｆ２１は、アーム電流指令から導き出される目標アームスプール変位量と機能要素Ｆ２２が算出したアームスプール変位量との差がゼロになるように、アーム電流指令を調節する。そして、機能要素Ｆ２１は、その調節後のアーム電流指令をアーム制御機構３１Ａに対して出力する。
【０１２８】
アーム制御機構３１Ａは、アーム電流指令に応じて開口面積を変化させ、その開口面積の大きさに対応するパイロット圧を制御弁１７６のパイロットポートに作用させる。制御弁１７６は、パイロット圧に応じてアームスプールを移動させ、アームシリンダ８に作動油を流入させる。アームスプール変位センサＳ８は、アームスプールの変位を検出し、その検出結果をコントローラ３０の機能要素Ｆ２２にフィードバックする。アームシリンダ８は、作動油の流入に応じて伸縮し、アーム５を開閉させる。アーム角度センサＳ２は、開閉するアーム５の回動角度を検出し、その検出結果をコントローラ３０の機能要素Ｆ２３にフィードバックする。機能要素Ｆ２３は、算出したアーム角度β２を機能要素Ｆ４にフィードバックする。
【０１２９】
機能要素Ｆ３１は、基本的に、機能要素Ｆ６が生成した指令値β３ｒと機能要素Ｆ３３が算出したバケット角度β３との差がゼロになるように、バケット制御機構３１Ｄに対するバケット電流指令を生成する。その際に、機能要素Ｆ３１は、バケット電流指令から導き出される目標バケットスプール変位量と機能要素Ｆ３２が算出したバケットスプール変位量との差がゼロになるように、バケット電流指令を調節する。そして、機能要素Ｆ３１は、その調節後のバケット電流指令をバケット制御機構３１Ｄに対して出力する。
【０１３０】
バケット制御機構３１Ｄは、バケット電流指令に応じて開口面積を変化させ、その開口面積の大きさに対応するパイロット圧を制御弁１７４のパイロットポートに作用させる。制御弁１７４は、パイロット圧に応じてバケットスプールを移動させ、バケットシリンダ９に作動油を流入させる。バケットスプール変位センサＳ９は、バケットスプールの変位を検出し、その検出結果をコントローラ３０の機能要素Ｆ３２にフィードバックする。バケットシリンダ９は、作動油の流入に応じて伸縮し、バケット６を開閉させる。バケット角度センサＳ３は、開閉するバケット６の回動角度を検出し、その検出結果をコントローラ３０の機能要素Ｆ３３にフィードバックする。機能要素Ｆ３３は、算出したバケット角度β３を機能要素Ｆ４にフィードバックする。
【０１３１】
機能要素Ｆ４１は、基本的に、機能要素Ｆ６が生成した指令値α１ｒと機能要素Ｆ４３が算出した旋回角度α１との差がゼロになるように、旋回制御機構３１Ｂに対する旋回電流指令を生成する。その際に、機能要素Ｆ４１は、旋回電流指令から導き出される目標旋回スプール変位量と機能要素Ｆ４２が算出した旋回スプール変位量との差がゼロになるように、旋回電流指令を調節する。そして、機能要素Ｆ４１は、その調節後の旋回電流指令を旋回制御機構３１Ｂに対して出力する。なお、機能要素Ｆ６が生成した指令値α１ｒと機能要素Ｆ４３が算出した旋回角度α１との差は、機能要素Ｆ４１に入力される前に、制限部Ｆ５０によって制限される場合がある。
【０１３２】
制限部Ｆ５０は、機能要素Ｆ１３が算出したブーム角度β１に基づき、ブーム４が所定の高さ（角度）まで上昇しているか否かを判定するように構成されている。そして、制限部Ｆ５０は、ブーム４が所定の高さ（角度）まで上昇していないと判定した場合、機能要素Ｆ４１に対して出力される差である指令値α１ｒと旋回角度α１との差を所定値以下に制限するように構成されている。ブーム４が十分に上昇していない段階で上部旋回体３が急旋回されてしまうのを防止するためである。
【０１３３】
旋回制御機構３１Ｂは、旋回電流指令に応じて開口面積を変化させ、その開口面積の大きさに対応するパイロット圧を制御弁１７３のパイロットポートに作用させる。制御弁１７３は、パイロット圧に応じて旋回スプールを移動させ、旋回用油圧モータ２Ａに作動油を流入させる。旋回スプール変位センサＳ２Ａは、旋回スプールの変位を検出し、その検出結果をコントローラ３０の機能要素Ｆ４２にフィードバックする。旋回用油圧モータ２Ａは、作動油の流入に応じて回転し、上部旋回体３を旋回させる。旋回角速度センサＳ５は、上部旋回体３の旋回角度を検出し、その検出結果をコントローラ３０の機能要素Ｆ４３にフィードバックする。機能要素Ｆ４３は、算出した旋回角度α１を機能要素Ｆ４にフィードバックする。
【０１３４】
上述のように、コントローラ３０は、作業体毎に、３段のフィードバックループを構成している。すなわち、コントローラ３０は、スプール変位量に関するフィードバックループ、作業体の回動角度に関するフィードバックループ、及び、爪先位置に関するフィードバックループを構成している。そのため、コントローラ３０は、自律制御の際に、バケット６の爪先の動きを高精度に制御できる。
【０１３５】
次に、図１０を参照し、自律制御機能の別の構成例について説明する。図１０は、自律制御機能の別の構成例を示すブロック図である。図１０に示す構成は、自動運転式の無人ショベルを動作させるための機能要素を含む点で、手動運転式の有人ショベルを動作させるための機能要素を含む図７に示す構成と異なる。具体的には、図１０に示す構成は、操作圧センサ２９の出力ではなく通信装置Ｔ１の出力に基づいて次の爪先位置を算出する点、及び、機能要素ＦＭ〜ＦＰを有する点で、図７に示す構成と異なる。そのため、以下では、図７に示す構成と共通する部分の説明が省略され、相違部分が詳説される。
【０１３６】
通信装置Ｔ１は、ショベル１００とショベル１００の外部にある外部機器との間の通信を制御するように構成されている。図１０の例では、通信装置Ｔ１は、外部機器から受信した信号に基づいて機能要素ＦＭに開始指令を出力するように構成されている。通信装置Ｔ１は、外部機器から受信した信号に基づいて機能要素ＦＭに操作データを出力するように構成されていてもよい。但し、通信装置Ｔ１は、ショベル１００に搭載されている入力装置４２であってもよい。
【０１３７】
機能要素ＦＭは、作業の開始を判定するように構成されている。図１０の例では、機能要素ＦＭは、通信装置Ｔ１から開始指令を受けた場合に、作業の開始が指示されたと判定し、機能要素ＦＮに対して開始指令を出力するように構成されている。機能要素ＦＭは、通信装置Ｔ１から開始指令を受けた場合、周囲監視装置としての撮像装置Ｓ６の出力に基づいてショベル１００の周囲に物体が存在しないと判定できたときに、機能要素ＦＮに対して開始指令を出力するように構成されていてもよい。機能要素ＦＭは、機能要素ＦＮに対して開始指令を出力する際に、パイロットポンプ１５とコントロールバルブ１７とを繋ぐパイロットラインに配置された電磁開閉弁に指令を出力し、そのパイロットラインを開通させてもよい。
【０１３８】
機能要素ＦＮは、動作の内容を判定するように構成されている。図１０の例では、機能要素ＦＮは、機能要素ＦＭから開始指令を受けた場合に、機能要素Ｆ２が算出した現在の爪先位置に基づき、掘削動作、ブーム上げ旋回動作、排土動作、及びブーム下げ旋回動作等の何れの動作が現在行われているか、或いは、何れの動作も行われていないかを判定するように構成されている。そして、機能要素ＦＮは、機能要素Ｆ２が算出した現在の爪先位置に基づいてブーム下げ旋回動作が終了したと判定した場合、機能要素ＦＯに対して開始指令を出力するように構成されている。
【０１３９】
機能要素ＦＯは、ショベル１００の動作条件を設定するように構成されている。図１０の例では、機能要素ＦＯは、機能要素ＦＮから開始指令を受けた場合に、自律制御による掘削動作が行われる際の掘削深さ（深め又は浅め）、掘削長さ等の動作条件を設定するように構成されている。そして、機能要素ＦＯは、動作条件を設定した後で、機能要素ＦＰに対して開始指令を出力するように構成されている。
【０１４０】
機能要素ＦＰは、所定動作の開始を判定するように構成されている。図１０の例では、機能要素ＦＰは、機能要素ＦＯから開始指令を受けた場合に、機能要素Ｆ２によって算出される現在のバケット６の爪先位置に基づき、掘削動作を開始させることができるか否かを判定する。具体的には、機能要素ＦＰは、現在の爪先位置に基づき、ブーム下げ旋回動作が終了しているか否か、及び、バケット６の爪先が掘削開始位置に達しているか否か等を判定する。そして、機能要素ＦＰは、ブーム下げ旋回動作が終了しており、且つ、バケット６の爪先が掘削開始位置に達していると判定した場合、掘削動作を開始させることができると判定する。そして、機能要素ＦＰは、掘削動作を開始させることができると判定した場合、自動運転式の無人ショベルにおいて自動的に生成される操作データが機能要素Ｆ３に入力されるようにする。
【０１４１】
この構成により、コントローラ３０は、自動運転式の無人ショベルにおいても、手動運転式の有人ショベルにおける場合と同様に、自律制御による掘削動作を実行できる。
【０１４２】
また、上述の実施形態では、油圧式パイロット回路を備えた油圧式操作システムが開示されている。具体的には、アーム操作レバーに関する油圧式パイロット回路では、パイロットポンプ１５からアーム操作レバーのリモコン弁へ供給される作動油が、アーム操作レバーの傾倒によって開閉されるリモコン弁の開度に応じた流量で、アーム制御弁としての制御弁１７６のパイロットポートへ伝達される。
【０１４３】
但し、このような油圧式パイロット回路を備えた油圧式操作システムではなく、電気式パイロット回路を備えた電気式操作レバーを含む電気式操作システムが採用されてもよい。この場合、電気式操作レバーのレバー操作量は、電気信号としてコントローラ３０へ入力される。また、パイロットポンプ１５と各制御弁のパイロットポートとの間には電磁弁が配置される。電磁弁は、コントローラ３０からの電気信号に応じて動作するように構成される。この構成により、電気式操作レバーを用いた手動操作が行われると、コントローラ３０は、レバー操作量に対応する電気信号によって電磁弁を制御してパイロット圧を増減させることで各制御弁をコントロールバルブ１７内で移動させることができる。なお、各制御弁は電磁スプール弁で構成されていてもよい。この場合、電磁スプール弁は、電気式操作レバーのレバー操作量に対応するコントローラ３０からの電気信号に応じて動作する。
【０１４４】
電気式操作レバーを含む電気式操作システムが採用された場合、コントローラ３０は、油圧式操作レバーを含む油圧式操作システムが採用される場合に比べ、自律制御機能を容易に実行できる。図１１は、電気式操作システムの構成例を示す。具体的には、図１１の電気式操作システムは、ブーム操作システムの一例であり、主に、パイロット圧作動型のコントロールバルブ１７と、電気式操作レバーとしてのブーム操作レバー２６Ａと、コントローラ３０と、ブーム上げ操作用の電磁弁６５と、ブーム下げ操作用の電磁弁６６とで構成されている。図１１の電気式操作システムは、アーム操作システム及びバケット操作システム等にも同様に適用され得る。
【０１４５】
パイロット圧作動型のコントロールバルブ１７は、ブームシリンダ７に関する制御弁１７５（図２参照。）、アームシリンダ８に関する制御弁１７６（図２参照。）、及び、バケットシリンダ９に関する制御弁１７４（図２参照。）等を含む。電磁弁６５は、パイロットポンプ１５と制御弁１７５の上げ側パイロットポートとを繋ぐ管路の流路面積を調節できるように構成されている。電磁弁６６は、パイロットポンプ１５と制御弁１７５の下げ側パイロットポートとを繋ぐ管路の流路面積を調節できるように構成されている。
【０１４６】
手動操作が行われる場合、コントローラ３０は、ブーム操作レバー２６Ａの操作信号生成部が出力する操作信号（電気信号）に応じてブーム上げ操作信号（電気信号）又はブーム下げ操作信号（電気信号）を生成する。ブーム操作レバー２６Ａの操作信号生成部が出力する操作信号は、ブーム操作レバー２６Ａの操作量及び操作方向に応じて変化する電気信号である。
【０１４７】
具体的には、コントローラ３０は、ブーム操作レバー２６Ａがブーム上げ方向に操作された場合、レバー操作量に応じたブーム上げ操作信号（電気信号）を電磁弁６５に対して出力する。電磁弁６５は、ブーム上げ操作信号（電気信号）に応じて流路面積を調節し、制御弁１７５の上げ側パイロットポートに作用する、ブーム上げ操作信号（圧力信号）としてのパイロット圧を制御する。同様に、コントローラ３０は、ブーム操作レバー２６Ａがブーム下げ方向に操作された場合、レバー操作量に応じたブーム下げ操作信号（電気信号）を電磁弁６６に対して出力する。電磁弁６６は、ブーム下げ操作信号（電気信号）に応じて流路面積を調節し、制御弁１７５の下げ側パイロットポートに作用する、ブーム下げ操作信号（圧力信号）としてのパイロット圧を制御する。
【０１４８】
自律制御を実行する場合、コントローラ３０は、例えば、ブーム操作レバー２６Ａの操作信号生成部が出力する操作信号（電気信号）に応じる代わりに、補正操作信号（電気信号）に応じてブーム上げ操作信号（電気信号）又はブーム下げ操作信号（電気信号）を生成する。補正操作信号は、コントローラ３０が生成する電気信号であってもよく、コントローラ３０以外の外部の制御装置等が生成する電気信号であってもよい。
【０１４９】
図７及び図１０に示す実施形態では、コントローラ３０は、ダンプトラックＤＴへの最大積載量に基づいて目標掘削重量を算出し、目標掘削重量を目標掘削体積に変換した後で、目標軌道を生成するように構成されている。しかしながら、この構成の対象となる作業は、必ずしも、ダンプトラックＤＴへの積み込み作業に限定されない。コントローラ３０は、例えば、埋め戻し作業において、埋め戻し作業の対象となる穴等の開口部の体積に基づいて目標掘削体積を算出してもよい。この場合、コントローラ３０は、仮置きされている土砂を掬い取る際の軌道を目標軌道として算出してもよい。そして、コントローラ３０は、開口部の体積と、埋め戻した土砂の累積体積との差に基づいて目標掘削体積を算出してもよい。
【０１５０】
ショベル１００が取得する情報は、図１２に示すようなショベルの管理システムＳＹＳを通じ、管理者及び他のショベルの操作者等と共有されてもよい。図１２は、ショベルの管理システムＳＹＳの構成例を示す概略図である。管理システムＳＹＳは、１台又は複数台のショベル１００を管理するシステムである。本実施形態では、管理システムＳＹＳは、主に、ショベル１００、支援装置２００、及び管理装置３００で構成されている。管理システムＳＹＳを構成するショベル１００、支援装置２００、及び管理装置３００のそれぞれは、１台であってもよく、複数台であってもよい。図１２の例では、管理システムＳＹＳは、１台のショベル１００と、１台の支援装置２００と、１台の管理装置３００とを含む。
【０１５１】
支援装置２００は、典型的には携帯端末装置であり、例えば、施工現場にいる作業者等が携帯するノートＰＣ、タブレットＰＣ、又はスマートフォン等である。支援装置２００は、ショベル１００の操作者が携帯するコンピュータであってもよい。支援装置２００は、固定端末装置であってもよい。
【０１５２】
管理装置３００は、典型的には固定端末装置であり、例えば、施工現場外の管理センタ等に設置されるサーバコンピュータである。管理装置３００は、可搬性のコンピュータ（例えば、ノートＰＣ、タブレットＰＣ、又はスマートフォン等の携帯端末装置）であってもよい。
【０１５３】
支援装置２００及び管理装置３００の少なくとも一方は、モニタと遠隔操作用の操作装置とを備えていてもよい。この場合、操作者は、遠隔操作用の操作装置を用いつつ、ショベル１００を操作してもよい。遠隔操作用の操作装置は、例えば、無線通信ネットワーク等の通信ネットワークを通じ、コントローラ３０に接続される。以下では、ショベル１００と管理装置３００との間での情報のやり取りについて説明するが、以下の説明は、ショベル１００と支援装置２００との間での情報のやり取りについても同様に適用される。
【０１５４】
上述のようなショベル１００の管理システムＳＹＳでは、ショベル１００のコントローラ３０は、自律制御を開始或いは停止させたときの時刻及び場所、自律制御の際に利用された目標軌道、並びに、自律制御の際に所定部位が実際に辿った軌跡等の少なくとも１つに関する情報を管理装置３００に送信してもよい。その際、コントローラ３０は、例えば、周囲監視装置としての撮像装置Ｓ６が撮像した画像等を管理装置３００に送信してもよい。画像は、自律制御が実行された期間を含む所定期間中に撮像された複数の画像であってもよい。更に、コントローラ３０は、自律制御が実行された期間を含む所定期間におけるショベル１００の作業内容に関するデータ、ショベル１００の姿勢に関するデータ、及び掘削アタッチメントの姿勢に関するデータ等の少なくとも１つに関する情報を管理装置３００に送信してもよい。管理装置３００を利用する管理者が、作業現場に関する情報を入手できるようにするためである。ショベル１００の作業内容に関するデータは、例えば、排土動作が行われた回数である積み込み回数、ダンプトラックＤＴの荷台に積み込んだ土砂等の被掘削物に関する情報、積み込み作業に関するダンプトラックＤＴの種類、積み込み作業が行われたときのショベル１００の位置に関する情報、作業環境に関する情報、及び、積み込み作業が行われているときのショベル１００の動作に関する情報等の少なくとも１つである。被掘削物に関する情報は、例えば、各回の掘削動作で掘削された被掘削物の重量及び種類等、ダンプトラックＤＴに積み込まれた被掘削物の重量及び種類等、及び、１日の積み込み作業で積み込まれた被掘削物の重量及び種類等の少なくとも１つである。作業環境に関する情報は、例えば、ショベル１００の周囲にある地面の傾斜に関する情報、又は、作業現場の周辺の天気に関する情報等である。ショベル１００の動作に関する情報は、例えば、操作圧センサ２９の出力、及び、シリンダ圧センサの出力等の少なくとも１つである。
【０１５５】
また、上述の実施形態では、自律制御部３５は、操作者によるショベル１００の手動操作を自律的に支援するように構成されている。例えば、自律制御部３５は、操作者が手動でアーム閉じ操作を行っているときに、バケット６の爪先の軌道が目標軌道と一致するようにブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９の少なくとも１つを伸縮させる。しかしながら、本発明は、この構成に限定されない。自律制御部３５は、例えば、操作者が操作装置２６を操作していないときに、バケット６の爪先の軌道が目標軌道と一致するようにブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９の少なくとも１つを伸縮させてもよい。すなわち、自律制御部３５は、操作者による操作によらずに、掘削アタッチメントを自律的に動かしてもよい。
【０１５６】
また、上述の実施形態では、掘削動作の後のブーム上げ旋回動作及び排土動作は、ショベル１００の操作者による手動操作に応じて実行されるが、自律制御部３５によって実行されてもよい。排土動作の後のブーム下げ旋回動作についても同様である。
【０１５７】
本願は、２０１８年３月２７日に出願した日本国特許出願２０１８−０５９２７３号に基づく優先権を主張するものであり、この日本国特許出願の全内容を本願に参照により援用する。
【符号の説明】
【０１５８】
１・・・下部走行体  １Ｌ・・・左側走行用油圧モータ  １Ｒ・・・右側走行用油圧モータ  ２・・・旋回機構  ２Ａ・・・旋回用油圧モータ  ３・・・上部旋回体  ４・・・ブーム  ５・・・アーム  ６・・・バケット  ７・・・ブームシリンダ  ８・・・アームシリンダ  ９・・・バケットシリンダ  １０・・・キャビン  １１・・・エンジン  １３・・・レギュレータ  １４・・・メインポンプ  １５・・・パイロットポンプ  １７・・・コントロールバルブ  ２６・・・操作装置  ２８・・・吐出圧センサ  ２９・・・操作圧センサ  ３０・・・コントローラ  ４０・・・表示装置  ４２・・・入力装置  ４３・・・音出力装置  ４７・・・記憶装置  ５０・・・マシンガイダンス部  ５５・・・燃料タンク  ５５ａ・・・燃料残量センサ  ７４・・・エンジンコントローラユニット  １００・・・ショベル  １７１〜１７６・・・制御弁  Ｓ１・・・ブーム角度センサ  Ｓ２・・・アーム角度センサ  Ｓ３・・・バケット角度センサ  Ｓ４・・・機体傾斜センサ  Ｓ５・・・旋回角速度センサ  Ｓ６・・・撮像装置  Ｓ６Ａ・・・３次元距離画像センサ  Ｓ６Ｂ・・・後カメラ  Ｓ６Ｄ・・・ステレオカメラ  Ｓ６Ｆ・・・前カメラ  Ｓ６Ｌ・・・左カメラ  Ｓ６Ｒ・・・右カメラ  Ｓ７Ｂ・・・ブームボトム圧センサ  Ｓ７Ｒ・・・ブームロッド圧センサ  Ｓ８Ｂ・・・アームボトム圧センサ  Ｓ８Ｒ・・・アームロッド圧センサ  Ｓ９Ｂ・・・バケットボトム圧センサ  Ｓ９Ｒ・・・バケットロッド圧センサ  Ｐ１・・・測位装置  Ｔ１・・・通信装置
【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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【手続補正書】
【提出日】令和1年7月29日(2019.7.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部走行体と、
前記下部走行体に旋回可能に搭載される上部旋回体と、
前記上部旋回体に取り付けられる掘削アタッチメントと、
制御装置と、を備え、
前記制御装置は、掘削が開始される前の地形に関する情報と目標掘削体積とに基づいて前記掘削アタッチメントにおける所定部位が辿る軌道である目標軌道を設定する設定部を有する、
ショベル。
【請求項２】
前記制御装置は、前記目標掘削体積を目標掘削重量と土質情報とに基づいて算出する、
請求項１に記載のショベル。
【請求項３】
前記制御装置は、
ダンプトラックの最大積載量に関する情報を取得する第１情報取得部と、
前記掘削アタッチメントの掘削動作で掘削される被掘削物の重量である掘削重量に関する情報を取得する第２情報取得部と、
前記最大積載量に関する情報と前記掘削重量に関する情報とに基づいて目標掘削重量を算出する算出部と、を有する、
請求項１に記載のショベル。
【請求項４】
前記第１情報取得部は、前記ダンプトラックの識別情報を取得し、該識別情報に基づいて前記最大積載量に関する情報を取得するように構成されている、
請求項３に記載のショベル。
【請求項５】
前記第１情報取得部は、カメラ、レーダ及びＬＩＤＡＲの少なくとも１つの出力に基づいて前記最大積載量に関する情報を取得する、
請求項３に記載のショベル。
【請求項６】
前記設定部は、所定の掘削対象範囲内で前記目標軌道を設定するように構成されている、
請求項１に記載のショベル。
【請求項７】
入力装置を備え、
前記掘削対象範囲は、前記上部旋回体の周囲にある領域であり、前記入力装置を用いて設定される、
請求項６に記載のショベル。
【請求項８】
前記制御装置は、前記目標軌道を適切に設定できないと判定した場合、その旨を報知するように構成されている、
請求項１に記載のショベル。
【請求項９】
前記第２情報取得部は、前記掘削アタッチメントの掘削動作で掘削される被掘削物の密度に関する情報を取得し、
前記設定部は、積み込み残重量と前記密度とに基づいて積み込み残体積を算出し、該積み込み残体積に相当する体積の前記被掘削物が１回の掘削動作で掘削されるように、前記目標軌道を設定するように構成されている、
請求項３に記載のショベル。
【請求項１０】
前記目標軌道は、前記掘削アタッチメントの回動による曲線部を含む軌道である、
請求項１に記載のショベル。
【請求項１１】
前記目標軌道には、持ち上げ工程の軌道も含まれる、
請求項１に記載のショベル。
【請求項１２】
前記目標掘削体積は、開口部の体積に基づいて算出される、
請求項１に記載のショベル。
【請求項１３】
前記目標掘削体積は、開口部の体積と、埋め戻した土砂の累積体積との差に基づいて算出される、
請求項１に記載のショベル。
【国際調査報告】
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