JPH11158933A

JPH11158933A - 自動運転ショベル

Info

Publication number: JPH11158933A
Application number: JP32620697A
Authority: JP
Inventors: Hideto Ishibashi; 英人石橋; Tooru Kurenuma; 榑沼　　透; Seiji Yamashita; 誠二山下; Yoshiyuki Nagano; 好幸永野; Kazuhiro Sugawara; 一宏菅原
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 1997-11-27
Filing date: 1997-11-27
Publication date: 1999-06-15
Anticipated expiration: 2017-11-27
Also published as: JP3707921B2

Abstract

(57)【要約】【課題】自動運転ショベルにおいて、掘削制限深さ内に
おいて順次掘削深度を変更しながら掘削すること。【解決手段】油圧ショベルと、この油圧ショベルに内蔵
され、教示された掘削から放土までの一巡する動作を再
生操作により繰り返し行わせる自動運転コントローラ５
０と、を備える自動運転ショベルにおいて、前記自動運
転コントローラ５０は、掘削制限深さに対応して掘削深
度の異なる掘削繰り返し可能回数を設定する手段５０
４，５０９，５１０，５１１，５１２と、再生時に前記
一巡する動作毎に掘削深度を深めながら、前記一巡する
動作を前記設定された回数繰り返させる手段５１３と、
を備えていることを特徴とする。

Description

【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、所定の掘削制限深さ内において、順次
掘削深度を変更しながら掘削することを可能にした自動
運転ショベルに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、油圧ショベルにおける掘削および
掘削深さの制限方法としては、例えば、特公昭６３−３
７２１０号公報に示されるものが知られている。この掘
削制限方法は、目標とする掘削制限深さを設定し、ブー
ム、アーム、バケットの各回動角度を検出する角度検出
器を設けてそれぞれの回動角を検出し、その回動角を基
に実際の掘削深さを演算し、また、ブーム、アーム、バ
ケットをそれぞれ回動駆動する油圧シリンダの駆動方向
を検出し、この駆動方向と角度検出器の検出結果とから
ブーム、アーム、バケットのうちで下降駆動しているも
のを判定し、実際の掘削深さが設定した深さに達したと
きに、下降駆動している関節の駆動のみを停止させ、掘
削深さの制限を行うものである。

【０００３】

【発明か解決しようとする課題】しかし、上記従来技術
では、各関節の回動角を検出すると共に実際の掘削深さ
を逐次演算したり、また、各シリンダの駆動方向も検出
しなければならず、そのための検出装置や演算装置を設
けるため経済的負担が大きく、また検出したデータを処
理して所望のデータとするための処理負担も大きく実用
的でなかった。

【０００４】本発明の目的は、上記の問題点を考慮し
て、自動運転ショベルにおいて、処理負担の少ない簡便
な手段を用いることによって、掘削深さ制限を越えるこ
となく掘削深度を変更しながら掘削を可能にした自動運
転ショベルを提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の目的を
達成するために、次のような手段を採用した。

【０００６】油圧ショベルと、この油圧ショベルに内蔵
され、教示された掘削から放土までの一巡する動作を再
生操作により繰り返し行わせる自動運転コントローラ
と、を備える自動運転ショベルにおいて、前記自動運転
コントローラは、掘削制限深さに対応して掘削深度の異
なる掘削繰り返し可能回数を設定する手段と、再生時に
前記一巡する動作毎に掘削深度を深めながら、前記一巡
する動作を前記設定された回数繰り返させる手段と、を
備えていることを特徴とする。

【０００７】また、請求項１に記載の自動運転ショベル
において、前記自動運転コントローラは、前記一巡する
動作が前記設定された回数行われたとき、前記掘削深度
および前記掘削繰り返し回数のカウントを初期値に設定
する手段を備えていることを特徴とする。

【０００８】また、請求項１ないしは請求項２のいずれ
か１つの請求項記載の自動運転ショベルにおいて、前記
掘削制限深さに対応して掘削深度の異なる掘削繰り返し
可能回数を設定する手段は、任意に設定可能な掘削深度
のシフト量に応じて、前記回数を可変することのできる
シフト量設定手段を備えているとともに、前記再生時に
前記一巡する動作毎に掘削深度を深めながら、前記一巡
する動作を前記設定された回数繰り返させる手段は、前
記設定されたシフト量に応じて前記一巡する動作毎に掘
削深度を深めていくことを特徴とする。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の一実施形態を図
１〜図５を用いて説明する。

【００１０】図１は、本実施形態に関わる自動運転ショ
ベルの作業形態の一例を示す図である。

【００１１】図において、１は掘削から放土までの一連
の動作を教示されて、再生操作時には、ストックヤード
２に貯留された土石を掘削して旋回し、後述するクラッ
シヤ３に放土して再び旋回して掘削する一巡する作業を
自動的に行う自動運転ショベル、３は自動運転ショベル
１から放土された土石を砕石するクラッシャ、４は自動
運転ショベル１の再生操作を行うのに適した任意の場所
に設置された教示再生装置である。

【００１２】自動運転ショベル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に回動可能に設けられたブーム１２と、ブーム１
２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ツト１４と、ブ
ーム１２，アーム１３，バケット１４とをそれぞれ回動
動作するためのシリンダ１５，１６，１７と、旋回体１
１に設けられた運転室１８と、教示再生装置４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。

【００１３】また、自動運転ショベル１には、旋回体１
１の旋回角を検出する角度センサ１１１、旋回体１１と
ブーム１２との回動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と、アーム１３とバケツト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。

【００１４】また、クラッシャ３は、走行体３０と、ホ
ッパ３１と、砕石部３２と、コンベア３３とから構成さ
れており、３４はクラッシャ３によって砕かれた土石を
示す。

【００１５】また、教示再生装置４は、支持台４０と、
支持台４０に固定された教示再生装置４１とから構成さ
れ、自動運転ショベル１のアンテナ１９との間で、信号
の送受信を行うアンテナ４１５とを備えている。なお、
教示再生装置４１は、起動ボタン４１１、停止ボタン４
１２、非常停止ボタン４１３、教示時に操作される教示
操作部４１４、および教示結果を表示する表示部４１４
０を備え、教示再生装置４１本体は教示再生装置４と機
械的かつ電気的に接続可能に設けられる。

【００１６】次に、本実施形態に関わる自動運転ショベ
ルの制御機構を図２に示すブロツク図を用いて説明す
る。

【００１７】図において、４１６は再生時に操作される
再生操作部、４１７は教示操作部４１４または再生操作
部４１６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に生成するた
めのコマンド生成部、４１８および５４はそれぞれ教示
再生装置４１と自動運転コントローラ５０間の信号を送
受信するための無線装置である。

【００１８】なお、コマンド生成部４１７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。

【００１９】５は自動運転ショベルに搭載される車内搭
載装置を示し、５０は自動運転を行うための種々の演算
処理を行う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
る比例電磁弁、５２は比例電磁弁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コントロールバルブ、５３は図１
に示す自動運転ショベル１の各部を作動するためのシリ
ンダ１５、１６、１７等のアクチユエータ、４１４’は
教示操作部である。なお、図２において、図１に示すも
のと同一符号のものは説明を省略する。

【００２０】教示時は、通常、運転室１８内に装着され
る教示操作部４１４’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からの検出値を入力して演算
し、後に説明するように所定の記憶量域に教示位置デー
タおよび教示コマンドとして記憶する。なお、図におい
て、教示操作部４１４は、運転室１８内の教示操作部４
１４’からはずされて、教示再生操作装置４１に装着さ
れているときの状態を示す。再生時は、再生操作部４１
６から起動ボタン４１１をオンすることによって、コマ
ンド生成部４１７において生成された所定の信号をアン
テナ４１５および１９を介して自動運転コントローラ５
０に送信し、再生処理を開始する。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
る教示位置デ一夕が逐次呼び出され、角度センサ１１１
〜１１４から得られた現在位置情報と対比しながら、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
ための比例電磁弁５１に駆動電流を出力する。比例電磁
弁５１から出力された信号はさらにコントロールバルブ
５２を介して、各アクチユエータ５３を制御して自動運
転ショベル１の自動運転が行われる。

【００２１】次に、本実施形態に関わる自動運転ショベ
ルにおける機能構成を図３に示すブロック図を用いて説
明する。

【００２２】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４１４また
は４１４’からの操作により、教示コマンドと、現在位
置演算部５０１から得られた自動運転ショベル１の現在
位置を、教示位置データとして出力する教示処理部、５
０３は教示処理部５０２から出力された教示コマンドを
格納する教示コマンド格納部、５０４は教示処理部５０
２から出力された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４１６からの起動信号により
起動されたとき、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５
０４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５
０５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部、５０７は自
動運転ショベル１が各教示位置間を円滑に動作するよう
に、教示位置出力部５０６の教示位置データから、教示
位置データ間の補間し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１サ
イクルの動作の終了後に、ブーム下げ等によってフロン
トを下方にシフトさせて、前回よりも下方を掘削するた
めのフロントのシフト量αが記億されるシフト量格納
部、５１０は掘削の制限深さＨを設定するための制限深
さ設定部、５１１は教示位置格納部５０４のからの教示
された掘削位置データとシフト量格納部５０９のシフト
量αと制限深さ設定部５１０からの掘削制限深Ｈとか
ら、何サイクルの掘削動作が可能かを演算する掘削回数
演算部、５１２は掘削回数演算部５１１によって演算さ
れた掘削繰り返し可能回数Ｎを記憶する掘削回数格納
部、５１３は、教示位置格納部５０４からの掘削位置デ
ータ、シフト量格納部５０９からのシフト量α、および
掘削回数格納部５１２に記憶された掘削繰り返し可能回
数Ｎに基づいて各サイクルにおけるフロント角度を演算
するとともに、掘削位置において何サイクルの掘削動作
を行ったかをカウントし判定するフロント角度演算およ
び掘削回数判定部である。

【００２３】次に、本実施形態の自動運転ショベルの動
作を図３に基づいて説明する。

【００２４】教示操作は、教示操作部４１４または４１
４’から操作される。通常は、教示操作部４１４’が自
動運転ショベル１の運転室１８内に装着され、運転室か
ら教示操作か行われる。教示操作部４１４’が運転室１
８に装着され、教示操作が行われると、その指令は教示
処理部５０２に入力され、教示処理部５０２で現在位置
演算部５０１から現在位置データを入力して、各教示点
に対応する教示コマンドと教示位置データを生成する。
生成された教示コマンドと教示位置データはそれぞれ、
教示コマンド格納部５０３と教示位置格納部５０４に格
納される。

【００２５】ここで、教示コマンドとは、例えば、ｖ＝
０．７のような速度の指令命令、ｍｏｖｅＰ１、ｍｏｖ
ｅＰ２、・・・ｍｏｖｅＰｎのような位置の動作命令か
ら構成される。ここでｖは速度を表すコマンド、ｍｏｖ
ｅは動作を表すコマンド、Ｐ１・・Ｐｎはラベルを表
す。

【００２６】これらの教示コマンドのパラメータは、自
動運転ショベルの各部の関節の角度情報を示すラベルに
相当し、そのラベル情報は、教示位置データとして教示
位置格納部５０４に格納される。

【００２７】また、この教示の際に、掘削深さ設定部５
１０において掘削制限深さＨを予め設定する。これによ
り、掘削深さ設定部５１０に記憶されている掘削制限深
さＨと、教示位置格納部５０４に記憶されている掘削位
置データと、シフト量格納部５０９に記憶されているシ
フト量αとを基に、繰り返し掘削可能な回数Ｎを掘削回
数演算部５１１において演算し、得られた結果を掘削回
数格納部５１２に格納する。

【００２８】再生処理は、起動ボタン４１１をオンする
ことによって、コマンドインタプリタ部５０５が、起動
命令により教示コマンド格納部５０３に格納されている
教示コマンドを順次読み出し実行する。教示コマンドが
ｍｏｖｅ命令の場合には、教示位置出力部５０６に、教
示位置格納部５０４から該当するパラメータを出力し、
サーボ前処理部５０７に転送する。サーボ前処理部５０
７は、コマンドインタプリタ部５０５から与えられた目
標速度で各関節が動作するように角度の補間計算を行
い、サーボ制御部５０８に角度目標値を出力する。

【００２９】掘削位置におけるフロント各部の角度は、
フロント角度演算および掘削回数判定部５１３において
演算されたフロント角度が教示位置出力部５０６に出力
される。

【００３０】サーボ制御部５０８は、現在位置演算部５
０１で演算された現在位置を基に、一般的なフィードバ
ック制御を行い、比例電磁弁５１を駆動するための駆動
電流を出力する。これによりコントロールバルブ５２が
制御されてアクチュエータ５３に所定の圧油を供給し、
自動運転ショベル１の各関節を駆動する。

【００３１】また、１サイクルの掘削動作が終了する毎
に、フロント角度演算および掘削回数判定部５１３で
は、掘削回数をカウントし、今回の掘削動作時のフロン
ト角度を設定するためにシフト量αを加算する演算を行
い、前回よりも下方の掘削動作を行えるようにする。ま
た、掘削回数をカウントして、繰り返し掘削可能回数よ
りも少ない場合は、シフト量を加算して掘削深度を深め
ていく。掘削回数が繰り返し掘削回数に達すると、掘削
回数を初期値にセットするとともにフロント角度も初期
値にセットする。この結果、自動運転における掘削制限
深さＨ以上に掘削するのを防止することができる。

【００３２】次に、図３に示す掘削回数演算部５１１に
おける繰り返し掘削可能な回数の演算方法を、図４を用
いて説明する。

【００３３】図において、Ｇは自動運転ショベル１の接
地面、Ｌ０は接地面Ｇからブーム１２の回転中心まての
距離、Ｌ１はブーム長さ、Ｌ２はアーム長さ、Ｌ３はバ
ケツト長さ、また、θ１は水平軸（ｘ）とブーム１２と
のなす角度、θ２はブーム１２とアーム１３とのなす角
度、θ３はアーム１３とバケット１４とのなす角度であ
る。また、Ｈは制限深さ設定部５１０によって設定され
る掘削制限深さであり、掘削軌跡１は教示操作によって
得られた自動運転における１サイクル目の掘削軌跡、掘
削軌跡２および掘削軌跡３はそれぞれ、１サイクルの終
了後シフト量格納部５０９に記憶されているシフト量α
のフロントの下げ動作（ここではブーム下げを例とす
る）を行って、前回よりも下方に掘削する場合の掘削軌
跡を示す。

【００３４】掘削軌跡１におけるバケット先端Ｃの座標
（ｘ，ｙ）は、教示位置格納部５０４に記憶されている
教示位置データと、フロント各部の寸法を基に（１）お
よび（２）式の演算によって求めることができる。

【００３５】ｘ＝Ｌ１ｃｏｓ（θ１）＋Ｌ２ｃｏｓ（θ１＋θ２）＋Ｌ３ｃｏｓ（θ１＋θ２＋θ３）（１）ｙ＝Ｌ１ｓｉｎ（θ１）＋Ｌ２ｓｉｎ（θ１＋θ２）＋Ｌ３ｓｉｎ（θ１＋θ２＋θ３）（２）また、掘削軌跡２および掘削軌跡３におけるバケット先
端Ｃの座標（ｘ，ｙ）は、掘削軌跡１におけるブーム角
度θ１にシフト量αを順次足し合わせることによって、
それぞれ（３）、（４）式および（５）、（６）式のよ
うに求めることができる。

【００３６】ｘ＝Ｌ１ｃｏｓ（θ１＋α）＋Ｌ２ｃｏｓ（θ１＋α＋θ２）＋Ｌ３ｃｏｓ（θ１＋α＋θ２＋θ３）（３）ｙ＝Ｌ１ｓｉｎ（θ１＋α）＋Ｌ２ｓｉｎ（θ１＋α＋θ２）＋Ｌ３ｓｉｎ（θ１＋α＋θ２＋θ３）（４）ｘ＝Ｌ１ｃｏｓ（θ１＋２α）＋Ｌ２ｃｏｓ（θ１＋２α＋θ２）＋Ｌ３ｃｏｓ（θ１＋２α＋θ２＋θ３）（５）ｙ＝Ｌ１ｓｉｎ（θ１＋２α）＋Ｌ２ｓｉｎ（θ１＋２α＋θ２）＋Ｌ３ｓｉｎ（θ１＋２α＋θ２＋θ３）（６）ここで、図に示すように、掘削軌跡１および掘削軌跡２
ては掘削軌跡全域においてｙ＋Ｌ０＞Ｈであるので、掘
削制限深さＨ以上の掘削を行うことがない。

【００３７】ところが、掘削軌跡３では、ｙ−Ｌ０＞Ｈ
となり、掘削制限深さＨよりも深く掘削を行ってしまう
ことになる。従って、この場合の繰り返し掘削可能な回
数は２回と求めることができる。

【００３８】次に、図３に示すフロント角度演算および
掘削回数判定部５１３における処理手順を図５に示すフ
ローチヤートを用いて説明する。

【００３９】図５において点線５１３に示す範囲がフロ
ント角度演算および掘削回数判定部５１３における処理
を表す。

【００４０】ここで、ｎは現在の掘削の繰り返し回数、
Ｎは図３に示す掘削回数格納部５１２に記億されている
掘削繰り返し可能回数を表す。

【００４１】まず、自動運転開始時には、ステップ１に
おいて現在の掘削繰り返し回数ｎを１、ブーム角度θ１
を教示位置格納部から入手した教示位置データに基づい
てθ１にセットする。次に、ステップ２において、掘削
繰り返し回数ｎが掘削繰り返し可能回数Ｎに達してしる
か否かを判断し、今の場合、掘削繰り返し回数ｎ＝１で
あるので、ステップ３において、ブーム角度はθ１、そ
の他のフロント各部はそれぞれ教示位置格納部５０４に
格納されている教示位置データに基づく角度で掘削を行
う。次いで教示位置格納部５０４から教示位置データを
逐次読み出し、ステップ４でホッパ３１に放土するため
に旋回（旋回１）し、ステップ５でホッパ３１に放土
し、ステップ６では再び掘削するために旋回（旋回２）
する。次に、自動運転の一巡後、ステップ７で掘削回数
をカウントするために掘削繰り返し回数ｎに１を加算す
る。次いで、ステップ８において、掘削深度を深めて掘
削するためにブーム角度θ１にシフト量αを加算する。
そして再びステップ２からの処理を繰り返す。ステップ
２で、掘削繰り返し回数ｎが掘削繰り返し可能回数Ｎよ
り大きくなった場合、ステップ１に戻り、再び、掘削繰
り返し回数ｎを１に、またブーム角度θ１をθ１にセッ
トし、再び、ステップ２以降の処理を繰り返す。

【００４２】上記のごとく、本実施形態によれば、前も
って、掘削制限深さＨに相当する制限量を掘削繰り返し
可能回数Ｎとして設定しておくことができるので、自動
運転中に複雑な判定処理を行うこと無しに簡便な手段を
もちいることによって、掘削深さの制限を行うことがで
き、自動運転ショベルの信頼性を向上させることができ
る。またそれとともに、シフト量αを任意に設定するこ
とができるので、掘削深さの制限内で掘削繰り返し可能
回数Ｎを任意に設定することができ、自動運転における
効率の良い掘削を行うことができる。

【００４３】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、掘削制
限深さに対応して掘削深度の異なる掘削の繰り返し可能
回数を設定する手段を設けたので、掘削制限深さに相当
する制限量を掘削繰り返し可能回数として設定しておく
ことができるので、自動運転中に複雑な判定処理を行う
こと無しに簡便な手段を用いて掘削深さの制限を行うこ
とができ、自動運転ショベルの信頼性を向上させること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係わる自動運転ショ
ベルの作業形態の一例を示す図である。

【図２】本実施形態に係わる自動運転ショベルの制御機
構を示すブロック図である。

【図３】本実施形態に係わる自動運転ショベルの機能構
成を示すブロック図である。

【図４】本実施形態に係わる図３に示す掘削回数演算部
５１１における演算方法を説明するための図である。

【図５】本実施形態に係わる自動運転コントローラ５０
における処理手順を示すフローチャートである。

【符号の説明】

１自動運転ショベル３クラッシャ４教示再生装置５車内搭載装置５０自動運転コントローラ１１１〜１１４角度センサ４１４，４１４’ 教示操作部４１６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５０６教示位置出力部５０７サーボ前処理部５０８サーボ制御部５０９シフト量格納部５１０制限深さ設定部５１１掘削回数演算部５１２掘削回数格納部５１３フロント角度演算および掘削回数判定部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者永野好幸茨城県土浦市神立町650番地日立建機株式会社土浦工場内 (72)発明者菅原一宏茨城県土浦市神立町650番地日立建機株式会社土浦工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】油圧ショベルと、この油圧ショベルに内蔵され、教示された掘削から放土
までの一巡する動作を再生操作により繰り返し行わせる
自動運転コントローラと、を備える自動運転ショベルにおいて、前記自動運転コントローラは、掘削制限深さに対応して
掘削深度の異なる掘削繰り返し可能回数を設定する手段
と、再生時に前記一巡する動作毎に掘削深度を深めなが
ら、前記一巡する動作を前記設定された回数繰り返させ
る手段と、を備えていることを特徴とする自動運転ショ
ベル。
【請求項２】請求項１の記載において、前記自動運転コントローラは、前記一巡する動作が前記
設定された回数行われたとき、前記掘削深度および前記
掘削繰り返し回数のカウントを初期値に設定する手段を
備えてい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ないしは請求項２のいずれか１
つの請求項記載において、前記掘削制限深さに対応して掘削深度の異なる掘削繰り
返し可能回数を設定する手段は、任意に設定可能な掘削
深度のシフト量に応じて、前記回数を可変することので
きるシフト量設定手段を備えているとともに、前記再生時に前記一巡する動作毎に掘削深度を深めなが
ら、前記一巡する動作を前記設定された回数繰り返させ
る手段は、前記設定されたシフト量に応じて前記一巡す
る動作毎に掘削深度を深めていくことを特徴とする自動
運転ショベル。