JP7281975B2 - 作業機械、システムおよび作業機械の制御方法 - Google Patents

Description

本開示は、作業機械、システムおよび作業機械の制御方法に関する。

油圧ショベルなどの作業機械において、バケットに荷を入れてダンプトラック待ちなどする際にバケットが自然落下する場合がある。バケットの自然落下は、バケットの自重、荷の重量、メインバルブ内部でのスプール周辺の隙間からの作動油のリーク、シリンダ内部からの作動油の漏れなどにより生じる。このバケットの自然落下を防止するために、ブームシリンダの作動回路にパイロット操作チェック弁を用いることが、特開平２－８８８２５号公報（特許文献１参照）に記載されている。

特開平２－８８８２５号公報

しかしながら特許文献１に記載の技術では、油圧ショベルがバケットに荷を入れた状態でダンプトラックなどの被積込機械の到着を待っている場合、バケットの自然落下を完全に防止することはできない。バケットの自然落下が生じると、被積込機械の進入時にバケットが被積込機械に干渉する可能性がある。

本開示の目的は、被積込機械の進入時にバケットが被積込機械に干渉することを避けられる作業機械、システムおよび作業機械の制御方法を提供することである。

本開示の作業機械は、被積込機械に荷を積み込む作業機械であって、作業機と、コントローラとを備えている。作業機は、バケットを有する。コントローラは、作業機械が被積込機械の進入を待機している待機状態におけるバケットの自然降下量を検知し、自然降下量に基づいてバケットが上昇するように作業機を制御する。

本開示によれば、被積込機械の進入時にバケットが被積込機械に干渉することを避けられる作業機械、システムおよび作業機械の制御方法を実現することができる。

本開示の一実施の形態における作業機械の構成を概略的に示す図である。 本開示の一実施の形態における作業機械が被積込機械の進入を待機している状態を示す図である。 図１に示す作業機械の油圧回路と操作装置とを示すブロック図である。 図３に示すコントローラ内の機能ブロックを示す図である。 本開示の一実施の形態における作業機械の制御方法を示す第１フロー図である。 本開示の一実施の形態における作業機械の制御方法を示す第２フロー図である。

以下、本開示の実施の形態について図に基づいて説明する。
明細書および図面において、同一の構成要素または対応する構成要素には、同一の符号を付し、重複する説明を繰り返さない。また、図面では、説明の便宜上、構成を省略または簡略化している場合もある。

本開示では、作業機械として油圧ショベルを例に挙げて説明するが、本開示は油圧ショベル以外にバケットを有する作業機械であれば適用可能である。本開示は、たとえばクレーン、油圧で駆動しない超大型のロープショベル、電動モータで駆動する超大型電気式ショベルなどにも適用可能である。以下の説明において、「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」とは、運転室２ａ内の運転席２ｂに着座したオペレータを基準とした方向である。

＜作業機械の構成＞
図１は、本開示の一実施の形態における作業機械の一例としての油圧ショベルの構成を概略的に示す側面図である。図１に示されるように、本実施の形態の油圧ショベル１００は、走行体１と、旋回体２と、作業機３とを主に有している。走行体１と旋回体２とにより作業機械本体が構成されている。

走行体１は左右一対の履帯装置１ａを有している。この左右一対の履帯装置１ａの各々は履帯を有している。左右一対の履帯が回転駆動されることにより油圧ショベル１００が自走する。

旋回体２は走行体１に対して旋回自在に設置されている。この旋回体２は、運転室（キャブ）２ａと、運転席２ｂと、エンジンルーム２ｃと、カウンタウェイト２ｄとを主に有している。運転室２ａは、旋回体２のたとえば前方左側（車両前側）に配置されている。運転室２ａの内部空間には、オペレータが着座するための運転席２ｂが配置されている。

エンジンルーム２ｃおよびカウンタウェイト２ｄの各々は、運転室２ａに対して旋回体２の後方側（車両後側）に配置されている。エンジンルーム２ｃは、エンジンユニット（エンジン、排気処理構造体など）を収納している。エンジンルーム２ｃの上方はエンジンフードにより覆われている。カウンタウェイト２ｄは、エンジンルーム２ｃの後方に配置されている。

作業機３は、旋回体２の前方側であって運転室２ａのたとえば右側にて支持されている。作業機３は、たとえばブーム３ａ、アーム３ｂ、バケット３ｃ、ブームシリンダ４ａ、アームシリンダ４ｂ、バケットシリンダ４ｃなどを有している。ブーム３ａの基端部は、ブームフートピン５ａにより旋回体２に回転可能に連結されている。またアーム３ｂの基端部は、ブーム先端ピン５ｂによりブーム３ａの先端部に回転可能に連結されている。バケット３ｃは、ピン５ｃによりアーム３ｂの先端部に回転可能に連結されている。

ブーム３ａは、ブームシリンダ４ａにより駆動可能である。この駆動により、ブーム３ａは、ブームフートピン５ａを中心に旋回体２に対して上下方向に回動可能である。アーム３ｂは、アームシリンダ４ｂにより駆動可能である。この駆動により、アーム３ｂは、ブーム先端ピン５ｂを中心にブーム３ａに対して上下方向に回動可能である。バケット３ｃは、バケットシリンダ４ｃにより駆動可能である。この駆動によりバケット３ｃは、ピン５ｃを中心にアーム３ｂに対して上下方向に回動可能である。このように作業機３は駆動可能である。

作業機３は、バケットリンク３ｄを有している。バケットリンク３ｄは、第１リンク部材３ｄａと、第２リンク部材３ｄｂとを有している。第１リンク部材３ｄａの先端と第２リンク部材３ｄｂの先端とは、バケットシリンダトップピン３ｄｃを介して、相対回転可能に連結されている。バケットシリンダトップピン３ｄｃは、バケットシリンダ４ｃの先端に連結されている。したがって第１リンク部材３ｄａおよび第２リンク部材３ｄｂは、バケットシリンダ４ｃにピン連結されている。

第１リンク部材３ｄａの基端は、第１リンクピン３ｄｄによりアーム３ｂに回転可能に連結されている。第２リンク部材３ｄｂの基端は、第２リンクピン３ｄｅによりバケット３ｃの根元部分のブラケットに回転可能に連結されている。

ブームシリンダ４ａのヘッド側には、圧力センサ６ａが取り付けられている。圧力センサ６ａは、ブームシリンダ４ａのシリンダヘッド側油室４０Ａ内の作動油の圧力（ヘッド圧）を検出することができる。ブームシリンダ４ａのボトム側には、圧力センサ６ｂが取り付けられている。圧力センサ６ｂは、ブームシリンダ４ａのシリンダボトム側油室４０Ｂ内の作動油の圧力（ボトム圧）を検出することができる。

ブームシリンダ４ａ、アームシリンダ４ｂおよびバケットシリンダ４ｃのそれぞれには、ストロークセンサ（検知部）７ａ、７ｂ、７ｃが取り付けられている。

ブームシリンダ４ａにおけるシリンダ４ａａに対するシリンダロッド４ａｂの変位量からブーム角θｂを算出することができる。またアームシリンダ４ｂにおけるシリンダロッドの変位量からアーム角θａを算出することができる。またバケットシリンダ４ｃにおけるシリンダロッドの変位量からバケット角θｋを算出することができる。

またブームフートピン５ａ、ブーム先端ピン５ｂおよびピン５ｃのそれぞれの周囲には、ポテンショメータ９ａ、９ｂ、９ｃが取り付けられていてもよい。ポテンショメータ９ａの測定値からブーム角θｂを算出することができる。またポテンショメータ９ｂの測定値からアーム角θａを算出することができる。またポテンショメータ９ｃの測定値からバケット角θｋを算出することができる。

また旋回体２、ブーム３ａ、アーム３ｂおよび第１リンク部材３ｄａのそれぞれには、ＩＭＵ（Inertial Measurement Unit：慣性計測装置）８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄが取り付けられていてもよい。ＩＭＵ８ａは、前後方向、左右方向および上下方向における旋回体２の加速度と、前後方向、左右方向および上下方向まわりの旋回体２の角速度とを計測する。ＩＭＵ８ｂ、８ｃ、８ｄのそれぞれは、前後方向、左右方向および上下方向におけるブーム３ａ、アーム３ｂ、バケット３ｃの加速度と、前後方向、左右方向および上下方向まわりのブーム３ａ、アーム３ｂ、バケット３ｃの角速度とを計測する。

ブーム角θｂ、アーム角θａ、バケット角θｋのそれぞれは、ＩＭＵ８ｂ、８ｃ、８ｄで算出されてもよい。ブーム角θｂ、アーム角θａ、バケット角θｋ、ブーム長さ、アーム長さなどから作業機の姿勢を知ることができる。

油圧ショベル１００は、計測装置１０と、受信部１１と、旋回角度検知センサ１３とを有している。計測装置１０は、３次元距離センサであり、被積込機械５０の高さを計測するために用いられる。計測装置１０は、たとえばステレオカメラなどの撮像装置であってもよく、またＬＩＤＡＲ（Laser Imaging Detection And Ranging）であってもよい。

受信部１１は、被積込機械５０の送信部からの信号を受信する。受信部１１が受信する信号には、被積込機械５０の高さ情報が含まれる。旋回角度検知センサ１３は、走行体１に対する旋回体２の相対旋回角度を検知する。旋回角度検知センサ１３は、たとえばスイングモータに設けられたセンサ、スイングマシナリの歯を検出するセンサ、またはＩＭＵ８ａである。

＜作業機械の待機状態を含む動作＞
次に、作業機械の待機状態を含む動作について図２を用いて説明する。

図２は、本開示の一実施の形態における作業機械である油圧ショベルが被積込機械の進入を待機している状態（待機状態）を示す図である。なお被積込機械５０はたとえばダンプトラックであるが、これに限定されるものではなく土砂などの荷を積載可能で、かつ走行可能であればよい。被積込機械５０は、たとえばダンプトラック、自走式破砕機、ベルトコンベア式機械などの単独、または任意の組合せであってもよい。

図２に示されるように、作業機械である油圧ショベル１００は、掘削をすることによりバケット３ｃ内に土砂などの荷を抱え込む。油圧ショベル１００が掘削後にホイスト旋回することにより、油圧ショベル１００のバケット３ｃが被積込機械５０への積込み設定位置に到達する。

バケット３ｃが設定高さに位置した状態で、油圧ショベル１００は被積込機械５０が積込み場へ進入してくるまで待機する。この待機状態におけるバケット３ｃの設定高さは、予め定められた一定の高さであってもよい。

また待機状態におけるバケット３ｃの設定高さは、油圧ショベル１００と被積込機械５０との間の車々間通信により得られた被積込機械５０の高さに基づいて算出された高さであってもよい。また待機状態におけるバケット３ｃの設定高さは、油圧ショベル１００が計測（撮像または測定）した被積込機械５０の高さに基づいて算出された高さであってもよい。

本実施の形態の油圧ショベル１００においては、上記のように、待機状態におけるバケット３ｃの設定高さが車々間通信などにより得られた被積込機械５０の高さに基づいて算出される。これにより被積込機械５０毎の適切な設定高さでバケット３ｃが待機できるため、バケット３ｃが被積込機械５０と干渉することが避けられる。

また待機状態においてバケット３ｃは、バケット３ｃの自重とバケット３ｃ内の荷の重量とにより自然降下する。待機状態においてバケット３ｃが自然降下すると、バケット３ｃと積込み場へ進入してきた被積込機械５０とが干渉する可能性がある。

本実施の形態の油圧ショベル１００においては、バケット３ｃの自然降下が検知される。その自然降下量が所定値以上の場合には、バケット３ｃが上昇するように作業機３が制御される。これにより待機状態にあるバケット３ｃが被積込機械５０と干渉することが避けられる。

被積込機械５０が積込み場に進入すると、バケット３ｃ内の荷がバケット３ｃ内から排出され被積込機械５０に積込まれる。バケット３ｃ内の荷が排出された後、油圧ショベル１００はダウン旋回することにより、油圧ショベル１００のバケット３ｃが次回掘削位置に到達する。バケット３ｃが次回掘削位置に到達した後、次回の掘削が行われる。この後、上記と同様の動作が繰り返される。

上記動作の繰り返しにより被積込機械５０の荷台に荷が満載となると、被積込機械５０は積込み場から荷の排出場所まで走行する。

上記の掘削、ホイスト旋回、待機、荷の排出、およびダウン旋回からなる一連の動作は自動制御モードでオペレータの操作なしに行なわれてもよい。また上記一連の動作はオペレータの操作により行なわれてもよい。

＜作業機械の油圧回路と操作装置＞
次に、作業機械の油圧回路と操作装置とについて図３を用いて説明する。

図３は、図１に示す作業機械の油圧回路と操作装置とを示すブロック図である。図３に示されるように、エンジン４２は、たとえばディーゼルエンジンである。エンジン４２への燃料の噴射量が制御されることにより、エンジン４２の出力が制御される。

油圧ポンプ４３は、エンジン４２に連結されている。エンジン４２の回転駆動力が油圧ポンプ４３に伝達されることにより、油圧ポンプ４３が駆動される。油圧ポンプ４３は、たとえば斜板を有し、斜板の傾転角が変更されることにより吐出容量を変化させる可変容量型の油圧ポンプである。

油圧ポンプ４３から吐出された油の一部は、作動油としてメインバルブ４１に供給される。また油圧ポンプ４３から吐出された油の残りは、自己圧減圧弁４５によって一定の圧力に減圧されて、パイロット用として供給される。自己圧減圧弁４５によって一定の圧力に減圧された油は、ＥＰＣ（Electromagnetic Proportional Control）弁４６を介してメインバルブ４１へ供給される。

ＥＰＣ弁４６は、コントローラ２０からの電流指令を受ける。ＥＰＣ弁４６は、電流指令の電流値に応じたパイロット圧を発生する。ＥＰＣ弁４６は、パイロット圧によってメインバルブ４１のスプールを駆動する。

メインバルブ４１には、油圧アクチュエータとして、ブームシリンダ４ａと、アームシリンダ４ｂと、バケットシリンダ４ｃと、旋回モータ４４とが接続されている。旋回モータ４４は、走行体１に対して旋回体２を相対的に回転させる。メインバルブ４１のスプールが軸方向に移動することにより、油圧アクチュエータ４ａ、４ｂ、４ｃ、４４の各々に対する作動油の供給量が調整される。これにより、作業機３の動作および旋回体２の旋回が制御される。

なお、本例においては、油圧アクチュエータ４ａ、４ｂ、４ｃ、４４を作動するために、その油圧アクチュエータ４ａ、４ｂ、４ｃ、４４に供給される油は作動油と称される。また、メインバルブ４１を作動するためにメインバルブ４１に供給される油はパイロット油と称される。また、パイロット油の圧力はＰＰＣ圧（パイロット油圧）と称される。

油圧ポンプ４３は、上記のように作動油とパイロット油との両方を送出するものであってもよい。また油圧ポンプ４３は、作動油を送出する油圧ポンプ（メイン油圧ポンプ）と、パイロット油を送出する油圧ポンプ（パイロット油圧ポンプ）とを別々に有してもよい。

油圧ショベル１００が自動制御モードの状態にある場合、操作装置２５からの操作指令なしでコントローラ２０からの指令によりＥＰＣ弁４６が制御されることにより油圧アクチュエータ４ａ、４ｂ、４ｃ、４４の各々に対する作動油の供給量が調整される。これにより油圧ショベル１００が自動制御モードの状態にある場合、操作装置２５からの操作指令なしで、上記の掘削、ホイスト旋回、待機、荷の排出、およびダウン旋回からなる一連の動作が行なわれる。

一方、油圧ショベル１００が自動制御モードの状態にない場合、操作装置２５からの操作指令に基づくコントローラ２０からの指令によりＥＰＣ弁４６が制御される。これにより操作装置２５の操作に基づいて、上記の掘削、ホイスト旋回、待機、荷の排出、およびダウン旋回からなる一連の動作が行なわれる。

操作装置２５は、運転室２ａ（図１）内に配置されている。操作装置２５は、オペレータにより操作される。操作装置２５は、作業機３を駆動するオペレータ操作を受け付ける。また操作装置２５は、旋回体２を旋回させるオペレータ操作を受け付ける。

操作装置２５は、第１操作レバー２５Ｒと、第２操作レバー２５Ｌとを有している。第１操作レバー２５Ｒは、たとえば運転席２ｂ（図１）の右側に配置されている。第２操作レバー２５Ｌは、たとえば運転席２ｂの左側に配置されている。第１操作レバー２５Ｒおよび第２操作レバー２５Ｌでは、前後左右の動作が２軸の動作に対応する。

第１操作レバー２５Ｒにより、たとえばブーム３ａおよびバケット３ｃが操作される。第１操作レバー２５Ｒの前後方向の操作は、たとえばブーム３ａの操作に対応し、前後方向の操作に応じてブーム３ａが上昇する動作および下降する動作が実行される。第１操作レバー２５Ｒの左右方向の操作は、たとえばバケット３ｃの操作に対応し、左右方向の操作に応じてバケット３ｃの上下方向への動作が実行される。

第２操作レバー２５Ｌにより、たとえばアーム３ｂおよび旋回体２が操作される。第２操作レバー２５Ｌの前後方向の操作は、たとえばアーム３ｂの操作に対応し、前後方向の操作に応じてアーム３ｂの上下方向への動作が実行される。第２操作レバー２５Ｌの左右方向の操作は、たとえば旋回体２の旋回に対応し、左右方向の操作に応じて旋回体２の右旋回動作および左旋回動作が実行される。

なお、第１操作レバー２５Ｒの左右方向の操作がブーム３ａの操作に対応し、前後方向の操作がバケット３ｃの操作に対応してもよい。また第２操作レバー２５Ｌの前後方向が旋回体２の操作に対応し、左右方向の操作がアーム３ｂの操作に対応してもよい。

操作装置２５は、オペレータ操作に応じた操作信号を出力する。操作装置２５から出力された操作信号に基づいて、操作量センサ２６により操作量が検知される。操作量センサ２６は、たとえばポテンショメータ、ホール素子などである。操作量センサ２６により検知された操作量の信号がコントローラ２０に入力される。コントローラ２０は、上記のように操作装置２５からの操作指令に基づいてＥＰＣ弁４６を制御する。

操作装置２５の操作によって調整され、操作量センサ２６によって検知される操作量は本実施の形態における操作指令値に相当する。

本例においては、操作装置２５は、たとえば電気方式の操作装置であるが、パイロット油圧方式の操作装置であってもよい。操作装置２５がパイロット油圧方式である場合には、操作装置２５の操作量はたとえば油の圧力を検知する圧力センサによって検知される。

＜コントローラ２０内の機能ブロック＞
次に、図３に示されたコントローラ２０内の機能ブロックについて図４を用いて説明する。

図４は、図３に示すコントローラ内の機能ブロックを示す図である。図４に示されるように、コントローラ２０は、記憶部２３と、操作指令値取得部３１と、荷重値算出部３２と、旋回角度取得部３３と、作業機姿勢検知部３４と、待機状態判定部３５と、バケット高さ検知部３６と、自然降下量算出部３７と、自然降下量判定部３８と、バケット高さ調整指令部３９とを有している。

記憶部２３には、待機状態におけるバケット３ｃの設定高さ、自然降下量のしきい値、付加高さなどが記憶されている。これらの記憶情報は、油圧ショベル１００の出荷時に予め記憶部２３に記憶されていてもよく、また出荷後に記憶部２３に記憶されてもよい。

操作指令値取得部３１は、操作装置２５における操作量の信号を操作指令値として操作量センサ２６から取得する。操作指令値取得部３１は取得した操作指令値を待機状態判定部３５へ出力する。

荷重値算出部３２は、バケット３ｃ内の荷重値を算出するために必要な情報の信号を荷重値検知センサ１２から取得する。荷重値算出部３２は、取得した情報に基づいてバケット３ｃ内の荷重値を算出する。荷重値算出部３２は、算出した荷重値を待機状態判定部３５へ出力する。

なお荷重値検知センサ１２は、バケット３ｃ内の荷重値を算出するために必要な情報を検知する。バケット３ｃ内の荷重値は、たとえばブームフートピン５ａ回りのブーム３ａ、アーム３ｂ、バケット３ｃの各モーメントの釣り合いから算出される。この荷重値の算出には、ブームフートピン５ａからブーム３ａの重心までの距離、ブームフートピン５ａからアーム３ｂの重心までの距離、ブームフートピン５ａからバケット３ｃの重心までの距離、ブーム３ａの重量、アーム３ｂの重量、バケット３ｃの重量、ブームシリンダ４ａのヘッド圧とボトム圧などが用いられる。よって荷重値検知センサ１２には、上記距離を取得するためのストロークセンサ７ａ～７ｃ（またはポテンショメータ９ａ～９ｃ、ＩＭＵ８ａ～８ｃ）、ブームシリンダ４ａのヘッド圧とボトム圧とを測定する圧力センサ６ａ、６ｂなどが該当する。

旋回角度取得部３３は、走行体１に対する旋回体２の旋回角度の検知信号を旋回角度検知センサ１３から取得する。旋回角度取得部３３は取得した旋回角度の検知信号を待機状態判定部３５へ出力する。

作業機姿勢検知部３４は、作業機３の姿勢を求めるために必要な情報の信号を作業機姿勢検知センサ１４から取得する。作業機姿勢検知部３４は、取得した情報に基づいて作業機３の姿勢を検知する。作業機姿勢検知部３４は、検知した作業機３の姿勢の情報を待機状態判定部３５へ出力する。

なお作業機姿勢検知センサ１４は、作業機３の姿勢を求めるために必要な情報を検知する。作業機３の姿勢は、たとえばストロークセンサ７ａ～７ｃ（またはポテンショメータ９ａ～９ｃ、ＩＭＵ８ａ～８ｃ）などから求めることができる。このため作業機姿勢検知センサ１４には、たとえばストロークセンサ７ａ～７ｃ（またはポテンショメータ９ａ～９ｃ、ＩＭＵ８ａ～８ｃ）が該当する。また作業機姿勢検知センサ１４は、視覚センサ（ステレオカメラ、３Ｄスキャナ）などであってもよい。

待機状態判定部３５は、油圧ショベル１００が待機状態にあるか否かを判定する。待機状態とは、被積込機械５０が積込み場へ進入してくるまで油圧ショベル１００が動作を停止して待機している状態である。

待機状態判定部３５は、たとえば油圧ショベル１００がホイスト旋回をすることによりバケット３ｃが目標バケット排出位置に到達したことにより待機状態になったと判定する。

ホイスト旋回の判定は、バケット３ｃが荷を抱えた状態で旋回体２が走行体１に対して旋回していることを検知することにより可能である。このため待機状態判定部３５は、荷重値算出部３２からの荷重値情報、旋回角度取得部３３からの旋回角度情報などから油圧ショベル１００がホイスト旋回を行なっているか否かを判定することができる。

バケット３ｃが目標バケット排出位置に到達したことの判定は、作業機３の姿勢、旋回体２の走行体１に対する旋回角度などを検知することにより可能である。このため待機状態判定部３５は、作業機姿勢検知部３４からの作業機３の姿勢情報、旋回角度取得部３３からの旋回角度情報などから、バケット３ｃが目標バケット排出位置に到達したか否かを判定することができる。

待機状態判定部３５は、待機状態の判定時において油圧ショベル１００が停止していることを判定してもよい。油圧ショベル１００が自動制御モードにない場合、油圧ショベル１００が停止しているか否かは、操作装置２５の第１操作レバー２５Ｒおよび第２操作レバー２５Ｌが中立状態にあるか否かを検知することにより可能である。このため待機状態判定部３５は、操作指令値取得部３１からの操作指令値情報などから、油圧ショベル１００が停止していることを判定することができる。また油圧ショベル１００の停止は、たとえばメインバルブに搭載されている各軸のスプールストロークセンサにおけるスプールストローク量の計測値がスプール不感帯に入っていることにより判定することもできる。また油圧ショベル１００の停止は、たとえばＭＳ（Mechatro Smart）シリンダとＩＭＵとから取得できる各軸シリンダ速度情報と旋回速度情報とから判定することもできる。

油圧ショベル１００が待機状態にあると待機状態判定部３５が判定した場合、その判定信号はバケット高さ検知部３６に出力される。

バケット高さ検知部３６は、待機状態判定部３５から待機状態の信号を受けると、作業機姿勢検知センサ１４からの情報に基づいてバケット３ｃにおける現在の高さを検知する。バケット高さ検知部３６は、検知したバケット３ｃにおける現在の高さの信号を自然降下量算出部３７へ出力する。

自然降下量算出部３７は、バケット高さ検知部３６から取得した現在の高さと記憶部２３に記憶された待機状態におけるバケット３ｃの設定高さとに基づいて待機状態におけるバケット３ｃの自然降下量を算出する。具体的には、バケット３ｃの設定高さからバケット３ｃの現在の高さを減ずることにより、自然降下量（（設定高さ）－（現在の高さ））が算出される。

また自然降下量は、たとえば待機状態に遷移した瞬間のバケット３ｃの高さ・姿勢情報をたとえば記憶部２３に記憶保持した後に、その記憶保持したバケット３ｃの高さから現在のバケットの高さを減ずることによっても算出され得る。

自然降下量算出部３７は、上記により算出した自然降下量の信号を自然降下量判定部３８へ出力する。

自然降下量判定部３８は、自然降下量算出部３７から取得した自然降下量と、記憶部２３に記憶された自然降下量のしきい値とを対比する。自然降下量判定部３８は、待機状態におけるバケット３ｃの自然降下量が上記しきい値を超えたか否かを判定する。

自然降下量算出部３７は、上記判定の結果、自然降下量がしきい値を超えていると判定した場合、その判定信号をバケット高さ調整指令部３９へ出力する。

バケット高さ調整指令部３９は、自然降下量判定部３８の判定信号に基づいて、作業機３の油圧アクチュエータ４ａ、４ｂ、４ｃを駆動制御する。具体的には、自然降下量がしきい値を超えていると自然降下量判定部３８が判定した場合、自然降下量の高さ分だけバケット３ｃが上昇するようにバケット高さ調整指令部３９は油圧アクチュエータ４ａ、４ｂ、４ｃを駆動制御する。

作業機３の駆動制御時には、たとえばシリンダ４ａ～４ｃの各シリンダ長が自然降下する前のシリンダ４ａ～４ｃの各シリンダ長に戻るように作業機３が駆動制御されてもよい。また作業機３の駆動制御時には、たとえばバケット３ｃが自然降下した高さ分だけ単独のブーム上げ動作が行なわれてもよい。また作業機３の駆動制御時には、たとえばブーム３ａ、アーム３ｂ、バケット３ｃの各々が自然降下前の作業機角度に戻るように駆動されてもよい。

以上によりバケット３ｃの自然降下が検知され、自然降下量が所定値以上の場合には、バケット３ｃが上昇するように作業機３が制御される。

コントローラ２０は、被積込機械高さ検知部２１と、バケット設定高さ決定部２２とを有している。被積込機械高さ検知部２１は、計測装置１０または受信部１１からの情報を取得して、被積込機械５０の高さを検知する。計測装置１０は、上記のとおり３次元距離センサであり、たとえばステレオカメラなどの撮像装置またはＬＩＤＡＲである。計測装置１０がステレオカメラの場合には計測装置１０は被積込機械５０の画像を撮像する。計測装置１０がＬＩＤＡＲの場合には計測装置１０は被積込機械５０にパルス状に発光するレーザーを照射し、その散乱光を測定する。被積込機械５０の高さは、ＵＷＢ（Ultra Wide Band）測位により検知されてもよい。計測装置１０が計測（撮像または測定）した情報は、被積込機械高さ検知部２１へ出力される。

受信部１１は、上記のとおり被積込機械５０の送信部５３からの信号を受信する。受信部１１と送信部５３との間で直接通信を行なうことにより、油圧ショベル１００と被積込機械５０との間で車々間通信が行なわれる。

また管理装置６０（たとえば管理サーバ）経由で受信部１１と送信部５３との間で通信が行なわれてもよい。この場合、受信部１１および管理装置６０の間の通信と、送信部５３および管理装置６０の間の通信との各々は、図示しないアクセスポイントを介して無線で行なわれる。

受信部１１が受信する信号には、被積込機械５０の高さ情報が含まれる。被積込機械５０の高さ情報は、たとえば被積込機械５０の記憶部５２に記憶されている。また受信部１１が受信する信号には、被積込機械５０が配置された地面（積込み場における地面）の高さ情報が含まれる。被積込機械５０が配置された地面の高さは、たとえば被積込機械５０のＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite Systems）用のアンテナ５１から取得される。受信部１１が受信した信号は、被積込機械高さ検知部２１へ出力される。

被積込機械高さ検知部２１は、計測装置１０または受信部１１から取得した情報に基づいて被積込機械５０の高さを検知する。被積込機械高さ検知部２１は、検知した被積込機械５０の高さの信号をバケット設定高さ決定部２２へ出力する。

バケット設定高さ決定部２２は、被積込機械５０の高さを取得して、その被積込機械５０の高さに基づいてバケット３ｃの設定高さＨ２を算出する。図２に示されるように、バケット３ｃの設定高さＨ２は、被積込機械５０の高さＨ１に、マージンとしての付加高さＨＡを追加した高さ（（被積込機械５０の高さＨ１）＋（付加高さＨＡ））である。付加高さＨＡは記憶部２３に記憶されている。

バケット設定高さ決定部２２は、算出した設定高さの信号をバケット高さ調整指令部３９へ出力する。

バケット高さ調整指令部３９は、バケット設定高さ決定部２２から取得した設定高さの信号に基づいて、作業機３の油圧アクチュエータ４ａ、４ｂ、４ｃを駆動制御する。具体的には、バケット３ｃが設定高さとなるように、バケット高さ調整指令部３９は油圧アクチュエータ４ａ、４ｂ、４ｃを駆動制御する。

以上により待機状態におけるバケット３ｃの設定高さＨ２を、油圧ショベル１００と被積込機械５０との間の通信により得られた被積込機械５０の高さに基づいて算出された高さとすることができる。また待機状態におけるバケット３ｃの設定高さＨ２を、油圧ショベル１００が計測（撮像または測定）した被積込機械５０の高さに基づいて算出された高さとすることができる。

またバケット設定高さ決定部２２は、算出した設定高さＨ２の信号を自然降下量算出部３７へ出力してもよい。この場合、自然降下量算出部３７は、バケット高さ検知部３６から取得した現在の高さと、バケット設定高さ決定部２２から取得した設定高さＨ２との差分である自然降下量（（設定高さ）－（現在の高さ））を算出してもよい。自然降下量算出部３７は、自然降下量と、記憶部２３に記憶されたしきい値とを対比し、待機状態におけるバケット３ｃの自然降下量がしきい値を超えているか否かを判定する。この判定結果に基づいて、上記と同様に、バケット高さ調整指令部３９は作業機３の油圧アクチュエータ４ａ、４ｂ、４ｃを駆動制御してもよい。具体的には、自然降下量がしきい値を超えていると自然降下量算出部３７が判定した場合、自然降下量の高さ分だけバケット３ｃが上昇するようにバケット高さ調整指令部３９は油圧アクチュエータ４ａ、４ｂ、４ｃを駆動制御する。

以上のようにコントローラ２０は、油圧ショベル１００が被積込機械５０の進入を待機している待機状態におけるバケット３ｃの自然降下量を検知し、その自然降下量に基づいてバケット３ｃが上昇するように作業機３を制御する。

またコントローラ２０は、作業機姿勢検知センサ１４（検知部）により検知されたバケット３ｃの現在の高さと、待機状態におけるバケット３ｃの設定高さＨ２とからバケット３ｃの自然降下量を検知する。

またコントローラ２０は、自然降下量の高さ分だけバケット３ｃが上昇するように作業機３を制御する。

またコントローラ２０は、高さ取得部（受信部１１、計測装置１０）により取得された被積込機械５０の高さＨ１（図２）の情報に基づいてバケット３ｃの高さを設定高さＨ２（図２）に調整するように作業機３を制御する。

コントローラ２０は、たとえばコンピュータ、サーバー、携帯端末などであり、ＣＰＵ（Central Processing Unit）であってもよい。コントローラ２０は、油圧ショベル１００に搭載されていてもよく、油圧ショベル１００から離れた遠隔地に設置されていてもよい。

管理装置６０は、遠隔運転室７０とネットワークを介して接続されていてもよい。遠隔運転室７０は、管理装置６０を介さずに上記アクセスポイントとは異なるアクセスポイントを介して油圧ショベルに無線接続されてもよい。この無線接続を通じて油圧ショベル１００は遠隔運転室７０により遠隔操作されてもよい。なお遠隔運転室７０は、作業現場から離れた地点に設けられる。

管理装置６０は、油圧ショベル１００および遠隔運転室７０から被積込機械５０の制御信号を受信して、これを無人走行する被積込機械５０に送信するものであってもよい。油圧ショベル１００および遠隔運転室７０から被積込機械５０へ送信される制御信号の例としては、進入指示信号、発進指示信号が挙げられる。進入指示信号は、被積込機械５０に積込み場まで進入することを指示する信号である。発進指示信号は、被積込機械５０に積込みの完了により積込み場を発進し積込み場からの退出を指示する信号である。

＜作業機械の制御方法＞
次に、バケット３ｃが待機状態において自然降下した場合にバケット３ｃを上昇させる制御について図５を用いて説明する。

図５は、本開示の一実施の形態における作業機械の制御方法を示す第１フロー図である。図５に示されるように、まず油圧ショベル１００が被積込機械５０の待機状態にあるか否かが判定される（ステップＳ１）。油圧ショベル１００が待機状態にあるか否かは、図４に示される操作量センサ２６、荷重値検知センサ１２、旋回角度検知センサ１３、作業機姿勢検知センサ１４などからの情報に基づいて行なわれる。

油圧ショベル１００が待機状態にないと判定された場合、引き続き油圧ショベル１００が待機状態になったか否かの判定が行なわれる（ステップＳ１：図５）。

一方、油圧ショベル１００が待機状態にあると判定された場合、バケット３ｃの自然降下量が検知される（ステップＳ２：図５）。バケット３ｃの自然降下量は、図４に示されるように、自然降下量算出部３７により算出される。自然降下量算出部３７は、バケット高さ検知部３６により検知されたバケット３ｃの現在の高さと、待機状態における設定高さとの差分（（設定高さ）－（現在の高さ））から自然降下量を算出する。

この設定高さとして、図４に示されるように記憶部２３に記憶された設定高さが用いられる。またこの設定高さとして、バケット設定高さ決定部において算出された設定高さが用いられてもよい。具体的には、送信部５３と受信部１１との間の車々間通信により得られた被積込機械５０の高さに基づく設定高さが用いられてもよい。またこの設定高さとして、油圧ショベル１００の計測装置１０が計測（撮像または測定）した被積込機械５０の高さに基づく設定高さが用いられてもよい。

バケット３ｃの自然降下量が検知された後、その自然降下量がしきい値を超えたか否かが判定される（ステップＳ３：図５）。図４に示されるように、自然降下量がしきい値を超えたか否かの判定は、自然降下量判定部３８により行なわれる。自然降下量がしきい値を超えていないと自然降下量判定部３８により判定された場合、引き続き自然降下量が検知される（ステップＳ２）。

一方、自然降下量がしきい値を超えていると自然降下量判定部３８により判定された場合、バケット３ｃの高さが上昇するように作業機３が制御される（ステップＳ４：図５）。バケット３ｃの高さ制御は、図４に示されるように、バケット高さ調整指令部３９により行なわれる。バケット高さ調整指令部３９は、自然降下量判定部３８の判定信号に基づいて作業機３の油圧アクチュエータ４ａ、４ｂ、４ｃを駆動制御する。これによりバケット３ｃの高さが上昇するように制御される。具体的には、自然降下量がしきい値を超えていると自然降下量算出部３７が判定した場合、自然降下量の高さ分だけバケット３ｃが上昇するようにバケット高さ調整指令部３９は油圧アクチュエータ４ａ、４ｂ、４ｃを駆動制御する。

この後、被積込機械５０による積込み場への進入が完了したか否かが判定される（ステップＳ５）。被積込機械５０による積込み場への進入が完了していないと判定された場合、引き続き自然降下量の検知が行なわれる（ステップＳ２）。

一方、被積込機械５０による積込み場への進入が完了したと判定された場合、バケット３ｃ内の荷が被積込機械５０の荷台に排出される（ステップＳ６）。この後、油圧ショベル１００はダウン旋回をして次回の掘削を行なうか、または掘削を終了する。

以上のように待機状態においてバケット３ｃが自然降下した場合にバケット３ｃを上昇させる制御が行なわれる。

次に、待機状態におけるバケット３ｃの高さを設定高さに調整する制御について図６を用いて説明する。

図６は、本開示の一実施の形態における作業機械の制御方法を示す第２フロー図である。図６に示されるように、油圧ショベル１００は、被積込機械５０の高さ情報を取得する（ステップＳ１１）。被積込機械５０の高さ情報は、図４に示されるように、計測装置１０が計測（撮像または測定）した情報および受信部１１が受信した情報の少なくとも１つの情報に基づいて被積込機械高さ検知部２１により検知される。

被積込機械５０の高さを検知する際には、被積込機械５０が配置された地面（積込み場における地面）の高さ情報が参照される。被積込機械５０が配置された地面の高さは、被積込機械５０のＧＮＳＳ用のアンテナ５１により取得され、送信部５３にて油圧ショベル１００の受信部に送信される。

上記において取得された被積込機械５０の高さ情報に基づいて、油圧ショベル１００が被積込機械５０に荷を積み込む際のバケット３ｃの設定高さが決定される（ステップＳ１２：図６）。バケット３ｃの設定高さは、図４に示されるように、バケット設定高さ決定部２２において、被積込機械５０の高さに、マージンとしての付加高さを追加することにより決定される。

バケット３ｃが上記設定高さとなるように、バケット３ｃの高さ位置が調整される（ステップＳ１３：図６）。バケット３ｃの高さ位置の調整は、図４に示されるように、バケット高さ調整指令部３９がバケット設定高さ決定部２２から取得した設定高さの信号に基づいて、作業機３の油圧アクチュエータ４ａ、４ｂ、４ｃを駆動制御することにより行なわれる。具体的には、バケット３ｃが設定高さとなるように、バケット高さ調整指令部３９は油圧アクチュエータ４ａ、４ｂ、４ｃを駆動制御する。

以上のように待機状態におけるバケット３ｃの高さを設定高さに調整する制御が行なわれる。

図５に示された自然降下量の検知（ステップＳ２）において、バケット３ｃの現在の高さと、待機状態における設定高さとの差分から自然降下量を求める際に、設定高さとして図６のステップＳ１２で決定されたバケット３ｃの設定高さが用いられてもよい。

＜作用効果＞
次に、本実施の形態の作用効果について説明する。

本実施の形態においては、図２に示されるように油圧ショベル１００が被積込機械５０の進入を待機している待機状態において、図４に示されるようにコントローラ２０がバケット３ｃの自然降下量を検知し、自然降下量に基づいてバケット３ｃが上昇するように作業機３を制御する。このため、被積込機械５０が積込み場に進入してきた際に、バケット３ｃが被積込機械５０に干渉することが避けられる。

また自然降下量に基づいてバケット３ｃが上昇する。このため自然降下に伴ってバケット３ｃの角度が排土方向に変化することが抑制され、そのバケット３ｃの角度の変化に伴ってバケット３ｃ内から荷がこぼれ落ちることが抑制される。

また本実施の形態によれば図４に示されるように、油圧ショベル１００は、待機状態におけるバケット３ｃの現在の高さを検知する作業機姿勢検知センサ１４（検知部）を有している。コントローラ２０は、作業機姿勢検知センサ１４により検知されたバケット３ｃの現在の高さと、待機状態におけるバケット３ｃの設定高さとからバケット３ｃの自然降下量を検知する。これにより待機状態においてバケット３ｃの自重とバケット３ｃ内の荷重とによりバケット３ｃが降下した高さ分を検知することができる。

また本実施の形態によれば図４に示されるように、コントローラ２０は、自然降下量の高さ分だけバケット３ｃが上昇するように作業機を制御する。これによりバケット３ｃを設定高さに維持するよう制御することができる。

また本実施の形態によれば図４に示されるように、油圧ショベル１００は、被積込機械５０から送信された情報および被積込機械５０を計測した情報の少なくとも１つの情報に基づいて被積込機械５０の高さ情報を取得する被積込機械高さ検知部２１（高さ取得部）を有している。コントローラ２０は、被積込機械高さ検知部２１により取得された被積込機械５０の高さ情報に基づいてバケット３ｃの高さを上記設定高さに調整するように作業機３を制御する。これにより被積込機械５０毎の高さを検知することができる。このため異なる被積込機械５０が積込み場に進入する場合でも、バケット３ｃが被積込機械５０に干渉することを確実に避けることができる。またバケット３ｃが自然降下していなくても、被積込機械５０が積込み場へ進入する際にバケット３ｃに干渉しそうなときにバケット３ｃの高さを調整することができる。これにより、たとえば地形認識の計測誤差、作業機制御の停止誤差などの影響でバケット３ｃを正しい目標待機姿勢にできないことにより被積込機械５０の進入時にバケット３ｃが干渉するというリスクを減らすことができる。

また本実施の形態によれば図４に示されるように、油圧ショベル１００は、被積込機械５０から送信された情報を受信する受信部１１を有している。これにより油圧ショベル１００と被積込機械５０との間の車々間通信が可能となり、油圧ショベル１００は被積込機械５０が持っている情報（たとえばその被積込機械５０の高さ情報）を取得することができる。これにより複数の被積込機械５０毎にバケット３ｃを適切な高さに調整することが可能となる。よって、異なる被積込機械５０が積込み場に進入する場合でもバケット３ｃが被積込機械５０に干渉することを確実に避けることができる。

また本実施の形態によれば図４に示されるように、油圧ショベル１００は、被積込機械５０を計測する計測装置１０を有している。この計測装置１０により被積込機械５０毎に、その高さを計測することが可能となる。これにより複数の被積込機械５０毎にバケット３ｃを適切な高さに調整することが可能となる。よって、異なる被積込機械５０が積込み場に進入する場合でもバケット３ｃが被積込機械５０に干渉することを確実に避けることができる。

また本実施の形態によれば図４に示されるように、被積込機械５０は、油圧ショベル１００の被積込機械高さ検知部２１（高さ取得部）にて取得される被積込機械５０の高さ情報を油圧ショベル１００へ送信する送信部５３を有している。これにより油圧ショベル１００と被積込機械５０との間の車々間通信が可能となり、油圧ショベル１００は被積込機械５０が持っている被積込機械５０の高さ情報を取得することができる。

今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 走行体、１ａ 履帯装置、２ 旋回体、２ａ 運転室、２ｂ 運転席、２ｃ エンジンルーム、２ｄ カウンタウェイト、３ 作業機、３ａ ブーム、３ｂ アーム、３ｃ バケット、３ｄ バケットリンク、３ｄａ 第１リンク部材、３ｄｂ 第２リンク部材、３ｄｃ バケットシリンダトップピン、３ｄｄ 第１リンクピン、３ｄｅ 第２リンクピン、４ａ ブームシリンダ、４ａ 油圧アクチュエータ、４ａａ シリンダ、４ａｂ シリンダロッド、４ｂ アームシリンダ、４ｃ バケットシリンダ、５ａ ブームフートピン、５ｂ ブーム先端ピン、５ｃ ピン、６ａ，６ｂ 圧力センサ、７ａ，７ｃ ストロークセンサ、９ａ，９ｂ，９ｃ ポテンショメータ、１０ 計測装置、１１ 受信部、１２ 荷重値検知センサ、１３ 旋回角度検知センサ、１４ 作業機姿勢検知センサ、２０ コントローラ、２１ 被積込機械高さ検知部、２２ バケット設定高さ決定部、２３，５２ 記憶部、２５ 操作装置、２５Ｌ 第２操作レバー、２５Ｒ 第１操作レバー、２６ 操作量センサ、３１ 操作指令値取得部、３２ 荷重値算出部、３３ 旋回角度取得部、３４ 作業機姿勢検知部、３５ 待機状態判定部、３６ バケット高さ検知部、３７ 自然降下量算出部、３８ 自然降下量判定部、３９ バケット高さ調整指令部、４１ メインバルブ、４２ エンジン、４３ 油圧ポンプ、４４ 旋回モータ、４５ 自己圧減圧弁、４６ ＥＰＣ弁、５０ 被積込機械、５１ アンテナ、５３ 送信部、６０ 管理装置、７０ 遠隔運転室、１００ 油圧ショベル。

Claims (10)

1. 被積込機械に荷を積み込む作業機械であって、
   バケットを有する作業機と、
   コントローラと、を備え、
   前記コントローラは、
   待機状態における前記バケットの現在の高さを検知する検知部と、
   前記検知部により検知された前記バケットの前記現在の高さと前記待機状態における前記バケットの設定高さとから前記作業機械が前記被積込機械の進入を待機している前記待機状態における前記バケットの自然降下量を算出する自然降下量算出部と、を有し、
   前記自然降下量算出部により算出された前記自然降下量に基づいて前記バケットが上昇するように前記作業機を制御する、作業機械。
2. 前記コントローラは、前記自然降下量の高さ分だけ前記バケットが上昇するように前記作業機を制御する、請求項１に記載の作業機械。
3. 前記コントローラは、前記被積込機械から送信された前記被積込機械の高さ情報を含む情報および前記被積込機械を計測した前記被積込機械の高さ情報を含む情報の少なくとも１つの情報に基づいて前記被積込機械の高さ情報を取得する高さ取得部をさらに備え、
   前記コントローラは、前記高さ取得部により取得された前記被積込機械の前記高さ情報に基づいて前記バケットの高さを前記設定高さに調整するように前記作業機を制御する、請求項１または請求項２に記載の作業機械。
4. 前記被積込機械から送信された情報を受信する受信部をさらに備えた、請求項３に記載の作業機械。
5. 前記被積込機械を計測する計測装置をさらに備えた、請求項３または請求項４に記載の作業機械。
6. 送信部を有する被積込機械に荷を積み込む作業機械であって、
   バケットを有する作業機と、
   前記被積込機械の前記送信部との間で他のアクセスポイントを介することなく直接通信を行う受信部と、
   コントローラと、を備え、
   前記コントローラは、前記被積込機械から送信された前記被積込機械の高さ情報を含む情報および前記被積込機械を計測した前記被積込機械の高さ情報を含む情報の少なくとも１つの情報に基づいて前記被積込機械の高さ情報を取得する高さ取得部を有し、
   前記コントローラは、前記高さ取得部にて取得された前記被積込機械の前記高さ情報に基づいて、前記高さ取得部にて取得された前記被積込機械の高さにマージンとしての付加高さを追加することにより、前記作業機械が前記被積込機械に荷を積み込む際の前記バケットの設定高さを決定し、決定された前記バケットの前記設定高さとなるように前記作業機を制御する、作業機械。
7. 請求項３から請求項５のいずれか１項に記載の作業機械と、
   前記作業機械の前記高さ取得部にて取得される前記被積込機械の前記高さ情報を前記作業機械へ送信する送信部とを有する、システム。
8. バケットを含む作業機を有し、被積込機械に荷を積み込む作業機械の制御方法であって、
   前記作業機械が前記被積込機械の進入を待機している待機状態における前記バケットの自然降下量を検知するステップと、
   検知された前記自然降下量に基づいて前記バケットが上昇するように前記作業機を制御するステップとを備えた、作業機械の制御方法。
9. 前記被積込機械から送信された情報および前記被積込機械を計測した情報の少なくとも１つの情報に基づいて前記被積込機械の高さ情報を取得するステップと、
   取得された前記被積込機械の前記高さ情報に基づいて前記バケットの高さを調整するステップとをさらに備えた、請求項８に記載の作業機械の制御方法。
10. バケットを含む作業機を有し、送信部を有する被積込機械に荷を積み込む作業機械の制御方法であって、
    前記被積込機械の前記送信部との間で他のアクセスポイントを介することなく直接通信を行うステップと、
    前記被積込機械から送信された前記被積込機械の高さ情報を含む情報および前記被積込機械を計測した前記被積込機械の高さ情報を含む情報の少なくとも１つの情報に基づいて前記被積込機械の高さ情報を取得するステップと、
    取得した前記被積込機械の前記高さ情報に基づいて、取得した前記被積込機械の高さにマージンとしての付加高さを追加することにより、前記作業機械が前記被積込機械に荷を積み込む際の前記バケットの設定高さを決定するステップと、
    決定された前記バケットの前記設定高さとなるように前記作業機を制御するステップとを備えた、作業機械の制御方法。

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