JP7395521B2 - ショベル、ショベルのシステム - Google Patents

Description

本開示は、ショベル等に関する。

近年、建設現場、土木現場における建設機械の情報技術（ＩＴ）化が進んでいる。例えば、掘削深さ、土塁の斜面の傾斜角等の様々な施工情報を、二次元的または三次元的にデータ化する。ショベル等の建設機械の表示画面に、データ化された施工情報が図形として表示される。オペレータは、表示画面に表示された施工情報を利用して、ショベル等の操作を行なうことができる。

下記の特許文献１に開示された技術では、表示画面に目標とする地形と、ショベルのバケットとが表示される。オペレータは、表示画面に表示された目標とする地形と、バケットの位置とを確認しながら、精度よく掘削作業を行なうことができる。

特開２００１－９８５８５号公報

本開示の目的は、表示装置に表示された図形を確認しながら行なう作業の操作性を高めることが可能なショベル等を提供することである。

本開示の一実施形態では、
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、
前記上部旋回体に搭載され、ブーム、アーム、及びバケットを含む作業要素と、
掘削対象物の目標形状と前記バケットとを、両者の相対位置関係を認識可能な態様で、表示画面に表示する表示装置と、
操作装置の操作量に応じて前記作業要素を動作させる制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記表示画面に表示されている、前記掘削対象物の前記目標形状と前記バケットとの相対位置関係を表す図形が拡大されると、前記操作装置の操作量に対する前記ブーム、前記アーム、及び前記バケットの動作の感度を低下させる、
ショベルが提供される。

また、本開示の他の実施形態では、
ショベルのブーム、アーム、及びバケットを含む作業要素による掘削対象物の目標形状と前記バケットとを、両者の相対位置関係を認識可能な態様で、表示画面に表示し、
前記表示画面に表示されている、前記掘削対象物の前記目標形状と前記バケットとの相対位置関係を表す図形が拡大されると、操作装置の操作量に対する前記ブーム、前記アーム、及び前記バケットの動作の感度を低下させる、
ショベルのシステムが提供される。

図形が拡大されると、操作装置の操作量に対する作業要素の動作の感度が低下するため、作業要素の位置決めが容易になり、作業性を高めることができる。

実施例によるショベルの側面図である。 実施例によるショベルの表示装置の正面図である。 表示装置の表示画面に表示されている拡大前の図形と、拡大後の図形とを示す図である。 実施例によるショベルのブロック図である。 図形の拡大率と、作業要素の動作の感度との関係の一例示すグラフである。 操作装置の操作量と、パイロット圧指令信号の指令値との関係の一例を示すグラフである。 図形拡大率と、エンジン回転数指令信号の指令値との関係の一例を示すグラフである。 図形拡大率と、メインポンプの１回転当たりの吐出量との関係の一例を示すグラフである。 他の実施例によるショベルにおける油圧アクチュエータのフィードバック制御を説明するためのブロック図である。 図９に示した実施例によるショベルの操作量と油圧アクチュエータの動作速度との関係の一例を示すグラフである。

図１～図８を参照して、実施例によるショベルについて説明する。

図１に、実施例によるショベルの側面図を示す。下部走行体１０に上部旋回体１１が旋回可能に搭載されている。上部旋回体１１に、掘削対象物を掘削する作業要素１５が搭載されている。作業要素１５は、上部旋回体１１に連結されたブーム１２、ブーム１２の先端に連結されたアーム１３、アーム１３の先端に連結されたバケット１４を含む。

ブーム１２は、ブームシリンダ１６によって上下方向に駆動される。アーム１３は、アームシリンダ１７によって駆動されることにより、ブーム１２に対して開閉動作を行う。バケット１４は、バケットシリンダ１８によって駆動されることにより、アーム１３に対して開閉動作を行う。ブームシリンダ１６、アームシリンダ１７、及びバケットシリンダ１８には、油圧アクチュエータ（油圧シリンダ）が用いられる。

ブーム１２、アーム１３、及びバケット１４に、それぞれ姿勢センサ２１、２２、及び２３が取り付けられている。姿勢センサ２１、２２、２３は、それぞれブーム１２、アーム１３、及びバケット１４の姿勢を検出する。一例として、姿勢センサ２１、２２、２３は、それぞれ水平面に対するブーム１２、アーム１３、バケット１４の角度を検出する。

その他の構成として、姿勢センサ２１が上部旋回体１１の旋回軸に対するブーム１２の角度を検出し、姿勢センサ２２がブーム１２に対するアーム１３の角度を検出し、姿勢センサ２３がアーム１３に対するバケット１４の角度を検出するようにしてもよい。さらに、その他の構成として、姿勢センサ２１、２２、２３が、それぞれブームシリンダ１６、アームシリンダ１７、及びバケットシリンダ１８の伸縮長を検出するようにしてもよい。

上部旋回体１１にキャビン３０が搭載されている。キャビン３０内に操作装置３１及び表示装置３２が配置されている。キャビン３０にオペレータが搭乗し、操作装置３１を操作して作業要素１５を動作させることにより、掘削作業等が行われる。表示装置３２は、掘削作業時に参照されるガイダンス情報を図形として表示する。

図２に、表示装置３２の正面図を示す。表示装置３２は、図形を表示する表示画面３３、及び表示画面３３に表示されている図形の拡大縮小の指示を入力する入力装置３４を含む。表示画面３３に、掘削対象物の目標形状３５と、作業要素１５とが、両者の相対位置関係を認識可能な態様で、図形として表示される。入力装置３４は、例えば、図形の拡大を指示する拡大ボタンと、図形の縮小を指示する縮小ボタンとで構成される。その他の構成として、表示画面３３にタッチパネルを用い、このタッチパネルを入力装置として使用してもよい。この場合、表示画面３３に拡大ボタンと縮小ボタンとを表示してもよいし、ピンチアウト操作とピンチイン操作とによって、拡大縮小を指示するようにしてもよい。

表示装置３２は、さらに、キャリブレーションボタン３６を有する。バケット１４（図１）の先端を掘削対象物の基準点に位置させた状態でキャリブレーションボタン３６を押すことにより、表示画面３３内の目標形状３５と作業要素１５との相対位置関係のキャリブレーションを行うことができる。

図３に、表示画面３３に表示されている拡大前の図形と、拡大後の図形とを示す。図３の上図に拡大前の画像が示されており、下図に拡大後の画像が示されている。図形を拡大する前の表示画面３３には、作業要素１５を含むショベル全体の図形と、目標形状３５とが表示されている。入力装置３４（図１）を操作して図形の拡大が指示されると、表示画面３３に表示されている図形が拡大されるとともに、バケット１４の先端が表示画面３３内に表示されるように、自動的に、拡大図形のパンニングが行われる。ここで、「パンニング」とは、表示画面３３に入りきらない大きな図形（または画像）を上下左右に移動させて、図形の特定部分を表示画面３３に表示することを意味する。

次に、図３に示した拡大前の図形から、図形拡大率を徐々に大きくする場合について説明する。拡大前の図形の中心位置が表示画面３３内で変位しない条件で図形が徐々に拡大されると、まず、ショベルの後端及びクローラの後輪が表示画面３３から外れる。このとき、バケット１４の先端は、表示画面３３内の周縁部に表示される。拡大前の図形の中心位置が変位しない条件で、さらに図形拡大率を大きくすると、バケット１４の先端が表示画面３３から外れてしまう。実施例においては、拡大された図形をパンニングすることにより、バケット１４の先端が表示画面３３に表示された状態が維持される。なお、図形拡大率を徐々に大きくする途中段階において、表示画面３３の中心を含むある領域（中心近傍領域）内にバケット１４の先端が継続して表示されるように、図形拡大率に応じて少しずつパンニングを行ってもよい。

拡大図形のパンニングを行うことにより、図形拡大時、及び拡大途中段階にも、オペレータは、バケット１４の先端と目標形状３５との相対位置関係を視認することができる。これにより、バケット１４の先端と目標形状３５との相対位置関係を確認しながら掘削作業を行うことができる。

図４に、実施例によるショベルのブロック図を示す。エンジン６８から出力される動力により、メインポンプ６９が駆動される。メインポンプ６９から吐出された作動油が、コントロールバルブ７０に供給される。コントロールバルブ７０は、制御装置５０からの指令に基づいて、作動油を、複数の油圧アクチュエータに分配する。複数の油圧アクチュエータには、ブームシリンダ１６、アームシリンダ１７、バケットシリンダ１８、旋回油圧モータ８０、右走行油圧モータ８１、左走行油圧モータ８２が含まれる。旋回油圧モータ８０は、上部旋回体１１（図１）を旋回させる。右走行油圧モータ８１及び左走行油圧モータ８２は、それぞれ下部走行体１０の右及び左のクローラを駆動する。

操作装置３１から操作装置３１の操作量を表す信号Ｓ１が、制御装置５０の操作量検出部５１に入力される。信号Ｓ１は、電気信号であってもよいし、油圧信号であってもよい。操作量検出部５１は、入力された信号Ｓ１に基づいて操作量データＤ１を生成する。

図形表示感度生成部５２が、制御装置５０の記憶装置に予め記憶されている施工データ５３に基づいて、掘削対象物の目標形状３５（図２）を求め、表示装置３２の表示画面３３に表示する。さらに、ショベルの現在位置情報に基づいて、作業要素１５（図１）を含むショベルの図形を表示画面３３に表示する。

姿勢センサ２１、２２、２３の検出値Ｓ２が、制御装置５０の図形表示感度生成部５２に入力される。図形表示感度生成部５２は、姿勢センサ２１、２２、２３の検出値Ｓ２に基づいて作業要素１５の現時点の姿勢を算出する。表示画面３３に表示されるショベルの作業要素１５の図形には、現時点の作業要素１５の姿勢が反映される。

バケット１４の先端の位置を掘削対象物の基準点に合わせた状態で、キャリブレーションボタン３６（図２）を操作することにより、目標形状３５と作業要素１５との相対位置関係を較正してもよい。

図形表示感度生成部５２は、さらに、現時点の図形の拡大率に基づいて、作業要素の動作の感度データＤ２を生成する。ここで、「作業要素の動作の感度」とは、操作装置３１の操作量の変化に対する作業要素１５の先端（バケット１４の先端）の移動の度合いを意味する。作業要素１５の動作の感度データＤ２が大きい場合には、小さい場合に比べて、操作量の変化が小さくても作業要素１５の先端の移動量が大きくなる。逆に、作業要素１５の動作の感度データＤ２が小さい場合には、大きい場合に比べて、操作量の変化が大きくても作業要素１５の先端の移動量が小さくなる。

図５に、図形の拡大率と作業要素の動作の感度との関係を定義するグラフの一例を示す。横軸は図形拡大率を表し、縦軸は作業要素の動作の感度を表す。図形拡大率が大きくなるに従って作業要素の動作の感度が低下する。

制御装置５０（図４）のパイロット圧指令生成部５４が、操作量データＤ１と感度データＤ２とに基づいて、パイロット圧指令信号Ｓ３を生成する。パイロット圧指令信号Ｓ３は、油圧アクチュエータごとに生成される。

パイロット圧制御弁６０が、パイロット圧指令信号Ｓ３を受けて、１次側パイロット圧（パイロットポンプの吐出圧）を２次側パイロット圧に変換することにより、油圧信号Ｐ３を生成する。制御回路６１が、油圧信号Ｐ３に基づいて、コントロールバルブ７０の開度を制御する。これにより、各油圧アクチュエータに供給される作動油の流量が制御される。

制御装置５０のエンジン回転数指令生成部５６に、スロットルボリューム３７の設定値が入力される。エンジン回転数指令生成部５６は、スロットルボリューム３７の設定値、操作量データＤ１、及び感度データＤ２に基づいて、エンジン回転数指令信号Ｓ４を生成する。エンジンコントロールユニット６７が、エンジン回転数指令信号Ｓ４を受けて、エンジン６８の回転数が指令値に近づくように、エンジン６８を制御する。

制御装置５０のポンプ馬力指令生成部５５が、操作量データＤ１と感度データＤ２とに基づいて、馬力制御信号Ｓ５を生成する。馬力制御弁６４が、馬力制御信号Ｓ５を受けて、１次側パイロット圧を２次側パイロット圧に変換することにより、メインポンプ６９の馬力制御に用いられる油圧信号Ｐ５を生成する。

制御回路６５が、油圧信号Ｐ５を受けて、メインポンプ６９の斜板傾転角を制御する。これにより、メインポンプ６９の１回転当たりの吐出量を増減させることができる。

次に、図６～図８を参照して、感度データＤ２に基づいて、作業要素１５の先端の移動の度合いを変化させる方法について、３種類の例を挙げて説明する。

図６に示した例では、パイロット圧指令生成部５４（図４）が生成するパイロット圧指令信号Ｓ３の指令値を感度データＤ２に応じて変化させることにより、作業要素１５の先端の移動の度合いを変化させる。

図６は、操作装置３１（図４）の操作量と、パイロット圧指令信号Ｓ３の指令値との関係の一例を示す。横軸は操作量を表し、縦軸はパイロット圧指令信号Ｓ３の指令値を表す。操作量とパイロット圧指令信号Ｓ３との関係が、図形の拡大率ごとに定義されている。操作量が不感帯の上限を超えると、操作量の増加に伴って、パイロット圧指令信号Ｓ３が増加する。図形の拡大率が大きくなると、操作量に対するパイロット圧指令信号Ｓ３の傾きが小さくなる。言い換えると、図形の拡大率が大きくなると、操作量の変動に対するパイロット圧指令信号Ｓ３の変動の割合が小さくなる。

パイロット圧指令信号Ｓ３の変動が小さくなると、油圧アクチュエータに供給される作動油の流量の変動も小さくなる。これにより、操作装置３１の操作量の変化に対する作業要素１５の先端の移動の度合いが小さくなる。言い換えると、作業要素１５の先端の移動の感度が低下する。

図７に示した例では、エンジン回転数指令生成部５６（図４）が生成するエンジン回転数指令信号Ｓ４の指令値を感度データＤ２に応じて変化させることにより、作業要素１５の先端の移動の度合いを変化させる。

図７は、図形の拡大率と、エンジン回転数指令の補正係数を単位「％」で表す。通常のショベルにおいて、エンジン回転数の指令値は、オペレータがスロットルボリューム３７（図４）を操作することにより設定される。スロットルボリューム３７で設定された指令値に一致するように、エンジン６８の回転数が制御される。

図７に示した例では、図形拡大率が最も小さいときのエンジン回転数の補正係数が１００％であり、図形拡大率が大きくなるに従って、エンジン回転数の補正係数が小さくなっている。エンジン回転数指令生成部５６（図４）は、スロットルボリューム３７で設定されたエンジン回転数の指令値に、図７から求まる補正係数を乗じることにより、エンジン回転数指令信号Ｓ４を生成する。このため、図形の拡大率が大きくなるに従って、エンジン回転数指令信号Ｓ４の指令値が低下する。その結果、メインポンプ６９（図４）からの作動油の吐出量が少なくなり、操作装置３１の操作量の変化に対する作業要素１５の先端の移動の度合いが小さくなる。言い換えると、作業要素１５の先端の移動の感度が低下する。

図８に示した例では、ポンプ馬力指令生成部５５（図４）が生成する馬力制御信号Ｓ５の指令値を感度データＤ２に応じて変化させることにより、作業要素１５の先端の移動の度合いを変化させる。馬力制御信号Ｓ５の指令値が大きくなると、メインポンプ６９（図４）の１回転当たりの吐出量が多くなる。

図８は、図形拡大率と、メインポンプ６９の１回転当たりの吐出量との関係の一例を示す。横軸は図形の拡大率を表し、縦軸はメインポンプ６９の１回転当たりの吐出量を表す。操作量が同一であっても、図形の拡大率が大きくなるに従って、メインポンプ６９の１回転当たりの吐出量が少なくなる。その結果、操作装置３１の操作量の変化に対する作業要素１５の先端の移動の度合いが小さくなる。言い換えると、作業要素１５の先端の移動の感度が低下する。

次に、上記実施例の優れた効果について説明する。

表示画面３３（図３）に表示されている図形が拡大された状態でも、作業要素１５の動作の感度が不変である場合、操作装置３１の操作量がわずかであっても、バケット１４の先端が表示画面３３内で大きく移動してしまう。図形が拡大されたとき作業要素１５の動作の感度を低下させると、表示画面３３内におけるバケット１４の先端の移動量が小さくなる。このため、オペレータが表示画面３３を見ながら操作を行う場合に、図形の拡大時においてオペレータに与える違和感を軽減することができる。

オペレータがバケット１４の先端の位置精度を高めて作業を行いたい場合に、表示画面３３に表示されている図形を拡大すると考えられる。図形の拡大率が大きくなって作業要素１５の動作の感度が低下すると、バケット１４の先端を高精度に位置決めすることが容易になる。このため、オペレータの意図する通りの操作感が得られる。

図６に示したパイロット圧指令信号Ｓ３の指令値によって作業要素１５の動作の感度を調整する方法、図７に示したエンジン回転数指令信号Ｓ４の指令値によって作業要素１５の動作の感度を調整する方法、及び図８に示した馬力制御信号Ｓ５の指令値によって作業要素１５の動作の感度を調整する方法の３種類の方法を併用してもよい。

次に、図９及び図１０を参照して、他の実施例について説明する。以下、図１～図８に示した実施例との相違点について説明し、共通の構成については説明を省略する。図１～図８に示した実施例では、作業要素１５の制御に開ループ制御が適用される。これに対し、本実施例では、作業要素１５の制御に閉ループ制御が適用される。

図９に、本実施例によるショベルにおける油圧アクチュエータのフィードバック制御のブロック図を示す。図９では、油圧アクチュエータとしてブームシリンダ１６が示されているが、その他の油圧アクチュエータの制御も、ブームシリンダ１６の制御と同様である。

ブームシリンダ１６に供給される作動油の流路に流量センサ５７が取り付けられている。流量センサ５７の検出値が制御装置５０のパイロット圧指令生成部５４にフィードバックされる。パイロット圧指令生成部５４は、操作量データＤ１及び感度データＤ２に基づいてブームシリンダ１６の動作速度の目標値を算出する。操作量データＤ１と動作速度の目標値との関係は、予め対応表で定義しておいてもよいし、関数で定義しておいてもよい。

パイロット圧指令生成部５４は、ブームシリンダ１６に供給される作動油の流量に基づいて、ブームシリンダ１６の動作速度を算出する。動作速度の算出値が、動作速度の目標値に一致するように、パイロット圧指令信号Ｓ３の指令値が決定される。このように、閉ループ制御を行うことにより、オペレータは、油圧アクチュエータを意図したとおりの動作速度で動作させることができる。

図１０に、操作量と油圧アクチュエータの動作速度との関係の一例を示す。横軸は操作量を表し、縦軸は油圧アクチュエータの動作速度を表す。操作量が大きくなるにしたがって、油圧アクチュエータの動作速度が速くなる。図形の拡大率が大きくに従って、操作量に対する油圧アクチュエータの動作速度の傾きが小さくなる。操作量が同一である場合、図形の拡大率が大きい程、油圧アクチュエータの動作速度が遅くなる。その結果、操作装置３１の操作量の変化に対する作業要素１５の先端の移動の度合いが小さくなる。言い換えると、作業要素１５の先端の移動の感度が低下する。

図９及び図１０に示した実施例においても、図１～図８に示した実施例と同様に、オペレータが表示画面３３を見ながら操作を行う場合に、オペレータに与える違和感を軽減することができるとともに、オペレータの意図する通りの操作感が得られる。

上記実施例では、表示画面３３（図２）に表示される目標形状３５が、掘削対象物の目標とする表面と、鉛直平面と交線で定義されていた。すなわち、鉛直平面内における二次元の図形で、目標形状３５が表示画面３３に表示されていた。

掘削対象物の目標形状を定義する施工データ５３（図４）は、本来三次元画像データである。表示画面３３に、この３次元画像データに基づいて、目標形状３５を三次元画像として表示してもよい。この場合に、三次元画像の拡大率に基づいて、作業要素の１５の動作の感度を調整してもよい。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

１０ 下部走行体
１１ 上部旋回体
１２ ブーム
１３ アーム
１４ バケット
１５ 作業要素
１６ ブームシリンダ
１７ アームシリンダ
１８ バケットシリンダ
２１、２２、２３ 姿勢センサ
３０ キャビン
３１ 操作装置
３２ 表示装置
３３ 表示画面
３４ 入力装置
３５ 掘削対象物の目標形状
３６ キャリブレーションボタン
３７ スロットルボリューム
５０ 制御装置
５１ 操作量検出部
５２ 図形表示感度生成部
５３ 施工データ
５４ パイロット圧指令生成部
５５ ポンプ馬力指令生成部
５６ エンジン回転数指令生成部
５７ 流量センサ
６０ パイロット圧制御弁
６１ 制御回路
６４ 馬力制御弁
６５ 制御回路
６７ エンジンコントロールユニット
６８ エンジン
６９ メインポンプ
７０ コントロールバルブ
８０ 旋回油圧モータ
８１ 右走行油圧モータ
８２ 左走行油圧モータ
Ｄ１ 操作量データ
Ｄ２ 感度データ
Ｐ３、Ｐ５ 油圧信号
Ｓ１ 操作量を表す信号
Ｓ２ 姿勢センサの検出値
Ｓ３ パイロット圧指令信号
Ｓ４ エンジン回転数指令信号
Ｓ５ 馬力制御信号

Claims (4)

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、
   前記上部旋回体に搭載され、ブーム、アーム、及びバケットを含む作業要素と、
   掘削対象物の目標形状と前記バケットとを、両者の相対位置関係を認識可能な態様で、表示画面に表示する表示装置と、
   操作装置の操作量に応じて前記作業要素を動作させる制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、前記表示画面に表示されている、前記掘削対象物の前記目標形状と前記バケットとの相対位置関係を表す図形が拡大されると、前記操作装置の操作量に対する前記ブーム、前記アーム、及び前記バケットの動作の感度を低下させる、
   ショベル。
2. 前記図形の拡大縮小の指示を入力するための入力装置を備え、
   前記入力装置は、ボタン又はタッチパネルである、
   請求項１に記載のショベル。
3. 前記制御装置は、前記バケットの先端が前記表示画面に表示される状態を維持するように前記図形を拡大する、
   請求項１又は２に記載のショベル。
4. ショベルのブーム、アーム、及びバケットを含む作業要素による掘削対象物の目標形状と前記バケットとを、両者の相対位置関係を認識可能な態様で、表示画面に表示し、
   前記表示画面に表示されている、前記掘削対象物の前記目標形状と前記バケットとの相対位置関係を表す図形が拡大されると、操作装置の操作量に対する前記ブーム、前記アーム、及び前記バケットの動作の感度を低下させる、
   ショベルのシステム。

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