(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
教示された掘削から放土までの一連の動作を再生操作により繰り返し動作する自動運転ショベルにおいて、
機械待機位置を設定する手段と、旋回動作が可能かどうか判定する判定手段と、機械待機時、前記判定手段で旋回動作が可能と判定されたとき、前記機械待機位置を設定する手段で設定された機械待機位置と、現在の自動運転ショベルの停止位置とに基づいて、前記機械待機位置を設定する手段で設定された機械待機位置への旋回方向を判定して旋回動作を指令する手段とを備えることを特徴とする自動運転ショベル。
【請求項２】
教示された掘削から放土までの一連の動作を再生操作により繰り返し動作する自動運転ショベルにおいて、
自動運転ショベルのフロントの侵入不可領域を設定する手段と、機械待機位置を設定する手段と、旋回動作が可能かどうか判定する判定手段と、機械待機時、前記判定手段で旋回動作が可能と判定されたとき、前記フロントの侵入不可領域を設定する手段で設定されたフロント侵入不可領域と、前記機械待機位置を設定する手段で設定された機械待機位置と、現在の自動運転ショベルの停止位置とに基づいて、前記機械待機位置を設定する手段で設定された機械待機位置への旋回方向を判定して旋回動作を指令する手段とを備えることを特徴とする自動運転ショベル。
【請求項３】
請求項１または２記載の自動運転ショベルにおいて、画像表示される当該自動運転ショベルの旋回中心の周囲に、放土開始位置、掘削開始位置、機械待機位置、および旋回方向を画像表示するとともに、フロント侵入不可領域の画像表示が可能な表示手段をさらに備えることを特徴とする自動運転ショベル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動運転ショベルに係わり、特に、機械待機位置の設定機能を備え、異常事態発生時等の機械待機位置への移動時、設定された機械待機位置への旋回方向を判定して旋回移動する機能を備えた自動運転ショベルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、砕石現場等において、油圧ショベル等の建設機械によるダンプトラックやクラッシャ等への積み込み作業は、ある決まった場所から土石を掘削し、ダンプトラックのベッセルや砕石機のホッパ等の決まった場所へ放土するという単調な繰り返し作業である。このような単調な繰り返し作業は、オペレータにとって苦痛であり、人手を介在せずに自動的に行わせるという要求が高まっている。従来、このような積み込み作業の自動化方法の一つとして、例えば、特開平９−１９５３２１号公報には、教示された動作を繰り返して、油圧ショベルに掘削から放土までの一連の作業を自動的に行わせる技術が開示されている。
【０００３】
また、特公平２−５８４１１号には、予め作業部材の作業範囲を設定し、作業部材の姿勢信号と作業範囲信号とを対比して作業部材を作業範囲内で動作するように制御して作業部材の衝突を防止する技術が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来、掘削から放土までの一連の作業を自動的に行わせる自動運転ショベルにおいて、現場作業の安全性の確保やバケットからの土石落下による周辺装置への破損を回避させる点については特に考慮されていなかった。
【０００５】
本発明の目的は、上記の問題点に鑑みて、自動運転ショベルの待機位置を設定する機能を備え、自動運転時における自動運転ショベルの作業安全性の確保や土石落下などによる周辺装置の破損を回避することを可能にした自動運転ショベルを提供することにある。
【０００６】
さらに、本発明の他の目的は、自動運転時において異常事態の発生時等には、フロントの旋回方向を適正に判定して所定の待機位置に待機させることのできる自動運転ショベルを提供することにある。
【０００７】
さらに、本発明の他の目的は、教示操作の過程や結果を表示装置に表示させて一目のうちにそれらを把握し理解することのできる自動運転ショベルを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を解決するために、次のような手段を採用した。
【０００９】
教示された掘削から放土までの一連の動作を再生操作により繰り返し動作する自動運転ショベルにおいて、機械待機位置を設定する手段と、旋回動作が可能かどうか判定する判定手段と、機械待機時、前記判定手段で旋回動作が可能と判定されたとき、前記機械待機位置を設定する手段で設定された機械待機位置と、現在の自動運転ショベルの停止位置とに基づいて、前記機械待機位置を設定する手段で設定された機械待機位置への旋回方向を判定して旋回動作を指令する手段とを備えることを特徴とする。
【００１０】
また、教示された掘削から放土までの一連の動作を再生操作により繰り返し動作する自動運転ショベルにおいて、自動運転ショベルのフロントの侵入不可領域を設定する手段と、機械待機位置を設定する手段と、旋回動作が可能かどうか判定する判定手段と、機械待機時、前記判定手段で旋回動作が可能と判定されたとき、前記フロントの侵入不可領域を設定する手段で設定されたフロント侵入不可領域と、前記機械待機位置を設定する手段で設定された機械待機位置と、現在の自動運転ショベルの停止位置とに基づいて、前記機械待機位置を設定する手段で設定された機械待機位置への旋回方向を判定して旋回動作を指令する手段とを備えることを特徴とする。
【００１１】
さらに、画像表示される当該自動運転ショベルの旋回中心の周囲に、放土開始位置、掘削開始位置、機械待機位置、および旋回方向を画像表示するとともに、フロント侵入不可領域の画像表示が可能な表示手段を備えることを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の一実施形態を図１〜図７を用いて説明する。
【００１３】
図１は本実施形態に係わる自動運転される油圧ショベル（以下自動運転ショベルという）の全体構成およびその作業形態を示す図である。
【００１４】
同図において、１は図示されていない土石貯留所に貯留された土石を掘削して後述する砕石機２に放出する自動運転ショベル本体、２は自動運転ショベル本体１から投下された土石を砕石する砕石機、３は自動運転ショベル本体１の再生操作を行うのに適した任意の場所に設置される操作ボックスである。
【００１５】
自動運転ショベル本体１は、走行体１０と、走行体１０上に旋回可能に設けられた旋回体１１と、旋回体１１に俯仰動可能に設けられたブーム１２と、ブーム１２の先端に回動可能に設けられたアーム１３と、アーム１３の先端に回動可能に設けられたバケット１４と、ブーム１２，アーム１３，バケット１４をそれぞれ俯仰動作するためのシリンダ１５，１６，１７と、旋回体１１に設けられた運転室１８と、操作ボックス３との間で信号の送受信を行うアンテナ１９とから構成されている。
【００１６】
さらに、自動運転ショベル本体１には、旋回体１１の旋回角を検出する角度センサ１１１、旋回体１１とブーム１２との俯仰角を検出する角度センサ１１２と、ブーム１２とアーム１３の回動角を検出する角度センサ１１３、アーム１３とバケット１４との回動角を検出する角度センサ１１４が設けられている。
【００１７】
また、砕石機２は、走行体２０と、ホッパ２１と、ホッパ２１の下方に設けられた砕石部２２と、砕石部２２の下方に設けられたコンベア２３とから構成されており、２４は砕石機２によって粉砕された土石を示す。
【００１８】
また、操作ボックス３は、支持台３０と、支持台３０に固定された教示再生操作装置３１とから構成され、教示再生操作装置３１には、再生起動釦３１１と、再生停止釦３１２と、非常停止釦３１３と、教示再生操作装置３１本体と機械的かつ電気的に接続可能に設けられ、教示時に操作される教示操作部３１４’と、教示結果を表示する表示部３１４１と、自動運転ショベル本体１のアンテナ１９との間で信号の送受信を行うアンテナ３１５とを備えている。
【００１９】
図２は、本実施形態に係わる自動運転ショベルの制御機構の概要を示すブロック図である。
【００２０】
なお、同図において、図１に示した符号と同一符号の箇所は同一の部分を示す。
【００２１】
同図において、３１６は再生時に操作される再生操作部、３１７は教示操作部３１４´および再生操作部３１６から出力される信号を後述する自動運転コントローラ５０に出力するための所定の信号を生成するため車外信号生成部、３１８および５４はそれぞれ教示再生操作装置３１と自動運転コントローラ５０間のデータを送受信するための車外無線装置および車内無線装置である。
【００２２】
なお、車外信号生成部３１７は、マイクロコンピュータを使用した一般的なコントローラで構成され、入力した信号に相当する指令コードを生成する機能を有する。
【００２３】
５は車内搭載装置を示し、５０は自動運転コントローラ、５１は自動運転コントローラ５０から出力される駆動電流によって駆動される補助制御弁、５２は、補助制御弁５１から出力される油圧信号により制御され、アクチュエータに流入する油量または油圧を制御する主制御弁、５３は図１に示す自動運転ショベル本体１の各部を作動するためのシリンダ１５，１６，１７等のアクチュエータ、３１４は教示操作部、５５は教示操作の過程や教示操作の結果を画像表示する表示装置である。なお、表示装置５５は教示操作専用のものに限られず、他の用途に用いられている表示装置を切り換え表示させてもよい。
【００２４】
この自動運転ショベルは以下のように教示および再生動作する。
【００２５】
教示時は、通常、運転室１８内に装着される教示操作部３１４からの操作によって教示が行われ、自動運転コントローラ５０はその操作に従って、各角度センサ１１１〜１１４からの検出データを入力して演算し、後に説明するように所定の記憶領域に教示位置データおよび教示コマンドとして記憶する。なお、同図において、教示操作部３１４’は、運転室１８内の教示操作部３１４から外されて教示再生操作装置３１に装着されている時の状態を示す。
【００２６】
再生時は、再生操作部３１６から再生起動釦３１１をオンすることによって、車外信号生成部３１７において生成された所定の信号が無線装置３１５，１９を介して自動運転コントローラ５０に送信され、再生処理が開始される。自動運転コントローラ５０において再生処理が開始されると、記憶されている教示位置データが呼び出され、角度センサ１１１〜１１４から得られた現在位置情報と対比されて、この教示位置データに合致するように、旋回体１１、ブーム１２、アーム１３、バケット１４をそれぞれ作動するために補助制御弁５１に駆動電流が出力される。補助制御弁５１からさらに主制御弁５２を介して各アクチュエータ５３の油圧を制御して自動運転ショベル本体１の自動運転が行われる。
【００２７】
図３は、主として本実施形態に係わる自動運転コントローラ５０の詳細な構成を示すブロック図である。
【００２８】
なお、同図において、図１および図２に示す符号と同一符号の箇所は同一部分を示す。
【００２９】
５０１は角度センサ１１１〜１１４において検出された角度信号を現在の位置データに演算する現在位置演算部、５０２は、教示時、教示操作部３１４または３１４’からの操作により、教示コマンドを設定して教示コマンド格納部５０３に格納するとともに、自動運転時に再生される掘削から放土までの教示位置データを教示位置格納部５０４に格納し、さらに、異常時等のフロントの機械待機位置データおよび自動運転時のフロント侵入不可領域データを旋回角度・旋回動作フラグ格納部５１０に格納する教示処理部、５０３は教示コマンドを格納する教示コマンド格納部、５０４は教示位置データを格納する教示位置格納部、５０５は、再生操作部３１６からの起動信号により起動された時、教示コマンド格納部５０３に格納されている教示コマンドを逐次解釈して教示位置格納部５０４から所定の教示位置データの出力を指示するコマンドインタプリタ部、５０６はコマンドインタプリタ部５０５からの指令に応じて教示位置格納部５０４から教示位置データを出力処理する教示位置出力処理部、５０７は、自動運転ショベル本体１が各教示位置間を円滑に動作するように、教示位置出力処理部５０６から出力された教示位置データから教示位置データ間に演算によって補間された教示位置データを作成し出力するサーボ前処理部、５０８はサーボ前処理部５０７から出力された補間された教示位置データと現在位置演算部５０１から出力される現在位置データとを対比して自動運転ショベル本体１の各部を所定の位置に制御するための駆動電流を出力するサーボ制御部、５０９は、異常事態の発生時等の機械待機位置への旋回必要時、自動運転ショベル本体１を左右いずれの方向に旋回して所定の機械待機位置に到達すべきかを判定し待機動作指令をコマンドインタプリタ部５０５に出力する待機方向判定部、５１０は待機位置データおよびフロント侵入不可領域データに係わるデータを格納する旋回角度および旋回動作フラグ格納部、５１１は自動運転ショベルの異常事態を検出するセンサである。
【００３０】
ここで、待機方向判定部５０９は、異常事態が発生したことを検出すると、掘削開始位置、放土開始位置、機械待機位置、およびフロントの旋回が許容されないフロント侵入不可領域の各設定データに基づいて、適切な旋回方向を判定して、コマンドインタプリタ部５０５に判定された旋回方向に旋回して待機動作するように待機指令を出力する。コマンドインタプリタ部５０５は待機指令を受けると、サーボ前処理部５０７を介して自動運転ショベル本体１を機械待機位置に駆動するように制御する。
【００３１】
図４は、教示時の教示処理部５０２における機械待機位置およびフロント侵入不可領域の設定処理に係わる処理手順を示すフローチャートである。
【００３２】
ステップ１において、教示操作部３１４より、「掘削開始」、「放土開始」、「機械待機」、「フロント侵入不可領域開始」、「フロント侵入不可領域終了」の各位置データが入力される。なお、フロント侵入不可領域を設定しないときは、「フロント侵入不可領域開始」および「フロント侵入不可領域終了」の位置データの入力は不要となる。次いで、ステップ２において、掘削開始位置を基準として、旋回角度を時計回りに＋θとして、掘削開始位置から放土開始位置までの旋回角度θ１および掘削開始位置から機械待機位置までの旋回角度θ４を算出する。ステップ３では、フロント侵入不可領域が設定されているか否かを判定し、設定されていないときは、ステップ４において、旋回動作フラグを「０」に設定し、自動運転時のフロントの旋回方向を、θ１＞１８０度のときは右旋回、θ１≦１８０度のときは左旋回に設定する。また、ステップ３において、フロント侵入不可領域が設定されていると判定されたときは、ステップ５において、掘削開始位置を基準として、旋回角度を時計回りに＋θとして、掘削開始位置からフロント侵入不可領域の開始位置までの旋回角度θ２およびフロント侵入不可領域内の旋回角度θ３を算出する。次いで、ステップ６において、自動運転時の旋回方向を、θ１≦θ２のときは右旋回と決定し旋回動作フラグ「１」を設定し、θ１＞θ２のときは左旋回と決定し旋回動作フラグ「２」を設定する。なお、ステップ４およびステップ６において決定された旋回方向は教示コマンド格納部５０３に、またステップ２、ステップ４〜ステップ６において算出および決定された各旋回角度θ１、θ２、θ３、θ４および旋回動作フラグは旋回角度および旋回動作フラグ格納部５１０に格納される。
【００３３】
図５は、待機方向判定部５０９における判定処理の処理手順を示すフローチャートである。
【００３４】
ステップ１１において、自動運転ショベル本体１を待機させるべき何等かの異常事態等が発生しそれを検出すると、ステップ１２において、自動運転ショベル本体１がその時点で、旋回動作が可能であるか否かを判定する。旋回動作ができないと判定されたときは、ステップ１３において、そのままの状態で自動運転ショベル本体１を停止する。旋回動作が可能である場合は、ステップ１４において、現在位置演算部５０１から現在の自動運転ショベル本体１の停止した位置の旋回角度データを取り込み、掘削開始位置を基準に時計方向に＋θに取り、機械停止位置の旋回角度θ５を算出する。次いで、ステップ１５において、旋回角度・旋回動作フラグ格納部５１０に格納されている旋回動作フラグが何であるかを判定する。旋回動作フラグが「０」のときは、ステップ１６において、機械停止位置から機械待機位置に至る左右の旋回角度を比較し、角度の小さい方へ旋回して機械待機位置に移動するようにコマンドインタプリタ部５０５に指令する。旋回動作フラグが「１」のときは、ステップ１７において、旋回角度・旋回動作フラグ格納部５１０に格納されている旋回角度θ１、θ２、θ３、θ４を読み出し、旋回角度θ５と比較する。θ４≦θ１であってかつθ５≦θ４であるときは、右旋回して機械待機位置に移動するように、θ４≦θ１であってかつθ５＞θ４であるときは、左旋回して機械待機位置に移動するようにコマンドインタプリタ部５０５に指令する。またθ１＜θ４＜θ２であるときは右旋回し、θ２＋θ３＜θ４＜２πであるときは左旋回して機械待機位置に移動するようにコマンドインタプリタ部５０５に指令する。旋回動作フラグが「２」のときは、ステップ１８において、同様に、旋回角度・旋回動作フラグ格納部５１０から旋回角度θ１、θ２、θ３、θ４を読み出し、旋回角度θ５と比較する。θ４≦θ２のときは右旋回し、θ２＋θ３＜θ４＜θ１であるときは左旋回して機械待機位置に移動するように、また、θ１≦θ４であってかつθ５≦θ４であるときは右旋回し、θ１≦θ４であってかつθ５＞θ４であるときは左旋回して機械待機位置に移動するようにコマンドインタプリタ部５０５に指令する。
【００３５】
図６は、図４に示すフローチャートのステップ６において、θ１≦θ２における自動運転時の旋回方向が右旋回であって旋回動作フラグが「１」に設定されている時の、自動運転ショベル本体１を中心とする掘削位置、放土位置、待機位置、フロント侵入不可領域の一例を示す図であり、図５に示すフローチャートのステップ１７の場合に対応する。
【００３６】
図６および図５のステップ１７に示すように、自動運転ショベル本体１のフロントの旋回方向は、異常事態が発生して現在停止しているフロントの位置（旋回角度θ５）、設定された機械待機位置Ａ〜Ｃ（旋回角度θ４）、およびフロント侵入不可領域（旋回角度θ２、θ３）との位置関係により旋回方向が異なる。
【００３７】
図７は、運転室内の教示操作部３１４の教示操作に応じて表示装置５５に表示される表示画面の一例を示す図であり、図７（ａ）はフロント侵入不可領域を設定しない場合の表示画面であり、図７（ｂ）はフロント侵入不可領域を設定した場合の表示画面である。
【００３８】
これらの図に示すように、運転室内の運転者は表示画面から、自動運転ショベル本体１の旋回中心を中心とする円周囲に設定された、放土開始位置、掘削開始位置、機械待機位置、フロント侵入不可領域、および再生動作時の旋回方向等を一目のうちに把握することができる。
【００３９】
【発明の効果】
以上のごとく、本発明の請求項１，２に係る発明によれば、自動運転ショベルにおいて異常事態等が発生したとき、適切な旋回方向を判定して自動運転ショベルを旋回させることができ、作業現場の状況に対応した作業安全性を確保できるとともに、周辺の設備機械・装置への破損を防止することができる。
【００４０】
さらに、本発明の請求項３に係る発明によれば、教示操作の過程や結果を表示装置に表示させることができるので、それらを一目のうちに把握し理解することができ、その後の自動運転ショベルの操作を容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係わる自動運転ショベルの全体構成およびその作業形態を示す図である。
【図２】本実施形態に係わる自動運転ショベルの制御機構の概要を示すブロック図である。
【図３】主として本実施形態に係わる自動運転コントローラ５０の詳細な構成を示すブロック図である。
【図４】本実施形態に係わる教示処理部５０２における機械待機位置およびフロント侵入不可領域の設定処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図５】本実施形態に係わる待機方向判定部５０９における判定処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図６】旋回動作フラグが「１」に設定されている時の、自動運転ショベル本体１を中心とする掘削位置、放土位置、待機位置、フロント侵入不可領域の一例を示す図である。
【図７】本実施形態に係わる教示操作部３１４に設けられる表示画面の一例を示す図である。
【符号の説明】
１  自動運転ショベル本体
２  砕石機
３  操作ボックス
３１  教示再生操作装置
５  車内搭載装置
５０  自動運転コントローラ
５５  表示装置
１１１〜１１４  角度センサ
３１４，３１４’  教示操作部
３１６  再生操作部
５０１  現在位置演算部
５０２  教示処理部
５０３  教示コマンド格納部
５０４  教示位置格納部
５０５  コマンドインタプリタ部
５０７  サーボ前処理部
５０８  サーボ制御部
５０９  待機方向判定部
５１０  旋回角度・旋回動作フラグ格納部
５１１  センサ
【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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