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1. (WO2017010212) WORK MACHINE MANIPULATING SYSTEM, AND WORK MACHINE EQUIPPED WITH WORK MACHINE MANIPULATING SYSTEM
Document

明 細 書

発明の名称 作業機械の操作システムおよび作業機械の操作システムを備えた作業機械

技術分野

0001  

背景技術

0002  

先行技術文献

特許文献

0003  

発明の概要

発明が解決しようとする課題

0004   0005   0006   0007  

課題を解決するための手段

0008   0009  

発明の効果

0010  

図面の簡単な説明

0011  

発明を実施するための形態

0012   0013   0014   0015   0016   0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032   0033   0034   0035   0036   0037   0038   0039   0040   0041  

符号の説明

0042  

請求の範囲

1   2   3  

図面

1   2   3   4   5   6  

明 細 書

発明の名称 : 作業機械の操作システムおよび作業機械の操作システムを備えた作業機械

技術分野

[0001]
本発明は、作業機械の操作システムおよび作業機械の操作システムを備えた作業機械に関する。

背景技術

[0002]
 容器内の積載物の形状を推定する技術の一例として、特許文献1には以下のように記載されている。容器内の理想的な積載構成を示す積載マップをグリッド状の部分に分割し、グリッド状の部分における物質の理想的なレベルの高さを示す値を計算する。

先行技術文献

特許文献

[0003]
特許文献1 : 特開平11-310389号公報

発明の概要

発明が解決しようとする課題

[0004]
 油圧ショベルなどの作業機械がダンプトラック等の運搬機械の積込対象物に積載物を積込む際、積込まれた積載物の形状あるいは重心位置が運搬機械への過負荷防止や高寿命化に影響する。このため、作業機械の積込作業には積込対象物への理想の積載物形状あるいは理想の重心位置があり、これを実現するために作業機械に自動で精度よく積込作業をさせる操作システムが考えられる。
[0005]
 作業機械による積載物の積込み作業を自動で精度よく行うためには、積込対象物中で目標となる積載物の形状となるように、積載物の積込み作業を計画する必要がある。積載物の種類、粘度、粧度など、積載物の環境によっては、積載物が積込対象物にこぼれ落ちる形状が変わる場合があるため、目標となる積載物の形状を実現するには、ある時点の積載物の形状の把握および油圧ショベルのバケットなど作業機械が積載物を運ぶ容器からどのように積載物がこぼれ落ちるかの推定が必要となる。
[0006]
 特許文献1では、積載物の環境を考慮していないため、作業機械による積載物の積込動作を、積込後の積載物が目標形状となるよう精度よく計画することが難しい。
[0007]
 本発明は、作業機械による積載物の積込動作を、積込後の積載物が目標形状となるよう精度よく計画することを目的とする。

課題を解決するための手段

[0008]
 上記課題を解決するための本発明の特徴は、例えば以下の通りである。
[0009]
 バケット15を有する作業機械の操作システム100であって、積載物42がバケット15から荷台41に積込まれるときの油圧ショベル1の積込動作を記録する動作記録部51と、積込動作をした後の、荷台41に積込まれた積載物42の形状を取得する形状取得部52と、積込動作および積載物の形状の相関関係を演算する相関関係演算部53と、相関関係と積載物42の目標形状とに基づき、積込動作を演算する積込動作演算部54と、を備える作業機械の操作システム100。

発明の効果

[0010]
 本発明によれば、作業機械による積載物の積込動作を、積込後の積載物が目標形状となるよう精度よく計画することができる。上記した以外の課題、構成及び効果は以下の実施形態の説明により明らかにされる。

図面の簡単な説明

[0011]
[図1] 本発明の一実施形態における、油圧ショベルとダンプトラックの側面図
[図2] 本発明の一実施形態における、演算装置周辺の構成のブロック図
[図3] 本発明の一実施形態における、演算装置の構成のブロック図
[図4] 本発明の一実施形態における、油圧ショベルの積込動作の側面図
[図5] 本発明の一実施形態における、積込動作を定義するパラメータを示す図
[図6] 本発明の一実施形態における、パラメータの相関関係を学習する方法

発明を実施するための形態

[0012]
 以下、図面等を用いて、本発明の実施形態について説明する。以下の説明は本発明の内容の具体例を示すものであり、本発明がこれらの説明に限定されるものではなく、本明細書に開示される技術的思想の範囲内において当業者による様々な変更および修正が可能である。また、本発明を説明するための全図において、同一の機能を有するものは、同一の符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。
[0013]
 本発明の操作システムには複数の手順を順番に記載してある。しかし、その記載の順番は、複数の手順を実行する順番を限定するものではない。このため、本発明の操作システムを実施するときには、その複数の手順の順番は内容的に支障しない範囲で変更できる。
[0014]
 さらに、本発明の操作システムの複数の手順は個々に相違するタイミングで実行されることに限定されない。このため、或る手順の実行中に他の手順が発生すること、或る手順の実行タイミングと他の手順の実行タイミングとの一部乃至全部が重複していること、等を許容する。
[0015]
 図1は、本発明の一実施形態における、操作システムを備えた油圧ショベルとダンプトラックの側面図である。以下、図1から図6までを用いて、容器を有する作業機械としてバケットを有する油圧ショベルを例にとり、操作システムついて説明する。なお、本発明における作業機械は油圧ショベルに限定するものではなく、例えばホイールローダなど他の作業機械にも適用可能である。
[0016]
 油圧ショベル1は、一般的な油圧ショベルと同様に、上部旋回体11、クローラを含む下部走行体12、掘削などの作業を行うフロント部を構成するブーム13、アーム14、バケット15、ブーム13を駆動するブームシリンダ16、アーム14を駆動するアームシリンダ17、バケット15を駆動するバケットシリンダ18などから構成されている。上部旋回体11は下部走行体12に回転可能に支持されており、図示していない旋回モータによって上部旋回体11は下部走行体12に対して相対的に回転駆動される。ブーム13の一端は上部旋回体11に回転可能に支持されており、ブームシリンダ16の伸縮に応じてブーム13が上部旋回体11に対して相対的に回転駆動される。アーム14の一端はブーム13へ回転可能に支持されており、アームシリンダ17の伸縮に応じてアーム14がブーム13に対して相対的に回転駆動される。バケット15はアーム14へ回転可能に支持されており、バケットシリンダ18の伸縮に応じてバケット15がアーム14に対して相対的に回転駆動される。このような構成である油圧ショベル1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を適切に駆動することにより、バケット15を任意の位置、姿勢に制御し、所望の作業を行うことができる。
[0017]
 油圧ショベル1は、これらの構成以外に、ブーム13の回転姿勢を取得するブーム傾斜センサ21と、アーム14の回転姿勢を取得するアーム傾斜センサ22と、バケット15の回転姿勢を取得するバケット傾斜センサ23と、上部旋回体11に配設され積込対象物及び積込対象物に積込まれた積載物42の形状を取得するステレオカメラ25と、演算装置26とを備えている。ブームシリンダ16と、アームシリンダ17と、バケットシリンダ18とは、演算装置26によって制御されている。ステレオカメラ25は、二台以上の複数のカメラから成り、複数のカメラで撮影した撮影画像に基づいて、被写体からステレオカメラ25までの距離を測定する装置である。なお、ステレオカメラ25の代わりに、ステレオカメラ25と同等の効果を発揮するセンサを1つ以上備えてもよい。例えば、ステレオカメラ25は、レーザセンサやTOF(Time of Flight)方式の距離画像カメラなどで代替することも可能である。
[0018]
 本発明の一実施形態においては、積込対象物をダンプトラック4の荷台41とし、積載物42は荷台41に積込まれた掘削物とする。なお、積込対象物は、ダンプトラック4の荷台41に限られなく、例えば地面などでも良い。この場合は、積載物42は地面上に積載された掘削物である。
[0019]
 図2と図3とを用いて、本発明の一実施形態における、操作システムの構成を説明する。図2は、演算装置周辺の構成のブロック図である。演算装置26は、ブーム傾斜センサ21と、アーム傾斜センサ22と、バケット傾斜センサ23とから、ブーム13と、アーム14と、バケット15とのそれぞれの回転姿勢を取得する。加えて、演算装置26は、ステレオカメラ25から荷台41または積載物42の形状を取得する。そして、演算装置26は、取得した回転姿勢や形状などの相関関係を求める演算を行い、その相関関係に基づいて掘削物の積込動作を計画し、各シリンダ20に指示を与える。
[0020]
 図3は、演算装置26の構成のブロック図である。演算装置26は、油圧ショベル1を自動で動作させるための操作信号を生成する自動制御コントローラ24と、車体コントローラ19とを有している。自動制御コントローラ24は、操作システム100と、積込動作指示部55とを有している。操作システム100は、動作記録部51と、形状取得部52と、相関関係演算部53と、積込動作演算部54とを有している。図3を用いて、荷台41が平らの場合、つまり荷台41に積載物42が積載されていない場合の、演算装置26の処理について説明する。
[0021]
 動作記録部51は、前述した回転姿勢を取得する。そして、取得した回転姿勢に基づいて、バケット爪先の水平方向位置とバケット爪先の水平方向の速度と、バケット15の回転姿勢であるバケット回転姿勢を求め、記録する。つまり、動作記録部51は、掘削物がバケット15から荷台41に積込まれるときの、油圧ショベル1の積込動作を記憶する。形状取得部52は、積込動作をした後の、荷台41に積込まれた積載物42の形状を取得する。相関関係演算部53は、積込動作を成すバケット爪先の水平方向位置とバケット爪先の水平方向の速度とバケット回転姿勢と、形状取得部52で取得した積載物42の形状とに基づいて、積込動作と積載物形状との相関関係を演算する。
[0022]
 以上の構成により、掘削物の種類や粘度などの環境が変わるような場合でも、最適な積込動作を計画するための情報を得ることができる。そして、この相関関係を用いることで、最適な積込動作を計画できる。なお、荷台41の形状が平らではない場合や、荷台41に積載物42が積載されている場合は、形状取得部52で積込動作前の積載物形状と積込動作後の積載物形状との2つの積載物形状を取得し、相関関係演算部53で積込動作と積込動作前の積載物形状と積込動作後の積載物形状とに基づいて相関関係を求めてもよい。この相関関係を用いることで、より最適な積込動作を計画できる。なお、荷台41が平らの場合においても、形状取得部52で積込動作前の積載物形状と積込動作後の積載物形状との2つの積載物形状を取得し、その積載物形状に基づいて相関関係を求めても良い。以降の説明では、形状取得部52で積込動作前の積載物形状と積込動作後の積載物形状との2つの積載物形状を取得した場合を説明する。
[0023]
 積込動作演算部54は、相関関係演算部53で演算した相関関係と、荷台41に積込む積載物42の目標形状とに基づき、油圧ショベル1の積込動作を演算する。相関関係演算部53で演算した相関関係に加えて目標形状にも基づくことで、目標形状となるような積込動作を演算できる。そして、積込動作指示部55は、積込動作演算部54で演算された積込動作となるような操作信号を、車体コントローラ19へ送る。
[0024]
 車体コントローラ19は、積込動作指示部55から送られた操作信号に基づいて、ブームシリンダ16と、アームシリンダ17と、バケットシリンダ18とに指示を与える。これにより、ブーム13、アーム14、バケット15を任意の回転姿勢に制御できる。また、ブーム13、アーム14、バケット15の回転姿勢を逐次変化させることで、ブーム13、アーム14、バケット15に対して時間で変化する任意の動作を行わせることができる。なお、同じ軌道、つまり同じ積込動作で掘削物を荷台41に放出した場合、荷台41中の一部の場所のみに積載物42が積込まれ、ダンプトラック4の重心バランスを損ねる可能性がある。よって、バケット15が荷台41を沿うような軌道を描きながら、バケット15の回転姿勢を制御し、積載物形状が均一となるような積込動作を計画するのが望ましい。
[0025]
 以上の構成により、積込後の積載物形状が目標形状となるような油圧ショベル1の積込動作を行うことができる。なお、演算装置26はCPU(Central Processing Unit)、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、その他周辺回路などを備えており、例えば動作記録部51や相関関係演算部54といった各部をROMに保存しておき、RAMを用いてCPUで実行することが考えられる。
[0026]
 図4は、油圧ショベル1の積込動作においてバケット15の動作に着目して、バケット15の側面から見た図である。ダンプトラック4の荷台41は、輪郭のみを図示している。また、積込動作中のバケット15を、時系列順にバケット姿勢15a、バケット姿勢15b、バケット姿勢15c、バケット姿勢15dと抜き出して図示している。バケット爪先は、バケット爪先移動軌跡31に沿って動き、掘削物を荷台41に放出する。以降は説明のため、油圧ショベル1のブーム13、アーム14、バケット15が動作可能な平面をXZ平面とし、図4に示すとおり水平方向をX軸、垂直方向をZ軸とする。
[0027]
 油圧ショベル1は、バケット姿勢15aからバケット姿勢15dに示すように、バケット15が荷台41の上をX軸方向に進みながら、バケット回転姿勢を逐次変化させる積込動作を行う。つまり、ブーム13やアーム14の回転姿勢を逐次変化させる動作を行いながら、バケット回転姿勢を逐次変化させる動作を行う。
[0028]
 動作記録部51で取得したバケット姿勢15aからバケット姿勢15dまでのバケット回転姿勢を、それぞれバケット回転姿勢33aからバケット回転姿勢33dとする。バケット15の開口面とX軸とが並行の場合の、バケット回転姿勢を0°とする。図4では、バケット回転姿勢33aを0°とする。図4において時計回りを正の方向とすると、バケット回転姿勢は、積込動作中に0°付近から正の方向に変化し、バケット15内の掘削物を荷台41に放出する。
[0029]
 荷台41内には、荷台41に積込まれた積載物42の輪郭42aと輪郭42bとが図示されている。輪郭42aは、あるときの積込動作によって積込まれた積載物42のXZ平面上の積載物形状であり、輪郭42bは、その次の積込動作によって積込まれた積載物42のXZ平面上の積載物形状である。なお、積載物42のXZ平面上の輪郭は、三次元形状をXZ平面に投影したものの平均でもよいし、XZ平面に並行な任意の平面上の輪郭でもよい。一般的に油圧ショベル1の積込動作は、同一のダンプトラック4に対して複数回行われることから、積載物42の積載物形状は複数存在する。
[0030]
 次に、相関関係演算部53で相関関係を求めるために用いる、バケット爪先の水平方向位置と、バケット爪先の水平方向の速度と、バケット回転姿勢と、積込動作前の積載物形状と、積込動作後の積載物形状との取得方法に関して説明する。
[0031]
 動作記録部51は、積込動作前に、荷台41に積込まれている積載物42の三次元形状を、ステレオカメラ25から取得する。次に、取得した三次元形状から、積載物42のXZ平面上の輪郭(例えば42a)を抽出する。更に、積込動作後に、積込動作前と同様にステレオカメラ25によって積載物42の三次元形状を取得し、XZ平面上の輪郭(例えば42b)を抽出する。
[0032]
 バケット姿勢15aからバケット姿勢15dまでのバケット爪先の速度ベクトルを、それぞれ速度ベクトル32aから速度ベクトル32dとする。形状取得部52は、積込動作中のバケット15の回転姿勢(例えばバケット回転姿勢33b)と、バケット爪先の水平方向の速度(例えば速度ベクトル32bのX軸方向成分)と、バケット爪先の水平方向位置とを記録する。バケット回転姿勢は、バケット傾斜センサ23から得られる。バケット爪先の水平方向位置は、ブーム傾斜センサ21、アーム傾斜センサ22、バケット傾斜センサ23から得られるブーム13、アーム14、バケット15のそれぞれの回転姿勢と、予め保有しているブーム13、アーム14、バケット15の幾何学関係とに基づいて得られる。バケット爪先の水平方向速度は、異なる時刻におけるバケット爪先の水平方向位置に基づいて得られる。
[0033]
 以上のように、自動制御コントローラ24は、積込動作前の積載物形状と、時系列のバケット回転姿勢と、時系列のバケット爪先の水平方向位置と、時系列のバケット爪先の水平方向の速度と、積込動作後の積載物形状との5つの情報を一回の積込動作毎に取得する。これらの情報を基に、積込動作と積載物形状との相関関係を演算することで、目標の積載物形状となるような、積載物の環境を考慮した最適な積込動作を計画できる。積載物の環境とは例えば、積載物の種類や粘度などが挙げられる。例えば、掘削物に水分が大量に含まれている場合と含まれていない場合とでは、双方の場合で同様の積込動作を行うと、異なる積載物形状となる。そこで、積載物形状と積込動作の相関関係を求め、その相関関係に基づいて積込動作を計画することで、精度良く目標形状を実現することができる。
[0034]
 図5を用いて、積込動作を定義するパラメータの演算方法を説明する。時系列のバケット回転姿勢とバケット爪先の水平方向位置から、水平方向位置に対するバケット回転姿勢を演算し、バケット回転姿勢を水平方向位置の三次関数に近似する。この場合のバケット爪先の水平方向位置をX、バケット回転姿勢をθ とする。同様に、バケット爪先の水平方向速度を水平方向位置Xの三次関数として近似する。この場合のバケット爪先の水平方向速度をV とする。積載物形状を水平方向位置Xの三次関数として近似し、K回目の積込による積載物形状をZ 、K+1回目の積込による積載物形状をZ k+1とする。これらの4つの三次関数は、以下の式(1)のように表される。
[0035]
[数1]


[0036]
 式(1)において、a 11~a 14はバケット回転姿勢θ を表すパラメータであり、a 21~a 24はバケット爪先の水平方向速度V を表すパラメータであり、a 31~a 34は積載物形状Z k+1を表すパラメータであり、a 41~a 44は積載物形状Z を表すパラメータである。このように、バケット回転姿勢などのパラメータ化を行うことによって、それぞれの情報を4つのパラメータで一意に定めることが可能となる。そして、合計16個のパラメータの相関関係を学習することによって、目標の積載物形状となるような最適な積込動作を、精度よく計画できる。
[0037]
 図6を用いて、16個のパラメータの相関関係を学習する方法を説明する。本発明の一実施形態においては、3層のニューラルネットワークを用いた学習を行う。なお、相関関係の学習手法には様々な方法が存在し、どの方法を用いてもよい。
[0038]
 i からi 12までの12個のパラメータを入力信号、o からo までの4個のパラメータを出力信号とする。そして、出力信号を出力する3層のニューラルネットワークを構築する。中間層のニューロンは、数が多いほど学習の精度が向上する。しかし、数が多いほど演算時間が長くなることから、自動制御コントローラ24の演算能力と必要な精度の兼ね合いで、中間層のニューロンの数を決めるのが好ましい。本発明の一実施形態においては、中間層のニューロンの数をN個とした。一般的な誤差逆伝播法のニューラルネットワークと同様に、各ニューロンは重みと閾値を持ち、次の計算によって学習を行う。
[手順1]入力信号i から入力信号i 12に、パラメータa 21からパラメータa 44の12個のパラメータを入力する
[手順2]入力層から出力層に向けて、各ニューロンの出力を計算する
[手順3]教師信号t から教師信号t にパラメータa 11からパラメータa 14を与え、出力信号o からo と、教師信号t からt との差から、各ニューロンにおける誤差信号を計算する
[手順4]誤差信号を用いて、各ニューロンの重みと閾値を更新する
[手順5]手順2~4を、出力信号o ~o と教師信号t ~t の差が十分小さくなるまで繰り返す
 上記の学習により、パラメータa 21からパラメータa 44の12個のパラメータから、パラメータa 11からパラメータa 14を精度良く推定することができる。これが意味するのは、積込動作前の積載物形状Z と目標の積載物形状Z k+1、およびバケット爪先の水平方向速度V を入力すると、バケット回転姿勢θ が得られるということである。つまり、積込動作前の積載物形状と目標形状とが定まっている場合に、バケット爪先の水平方向速度を定めることで、目標の積載物形状となるようなバケット回転姿勢を得ることができる。なお、バケット爪先の水平方向速度とバケット回転姿勢が定まっている場合に、積込動作の初期位置を与えることで、ブーム13、アーム14、バケット15のそれぞれの積込動作は一意に定まる。
[0039]
 これらの構成により、操作システム100は、積込動作を繰り返すことにより環境を学習することで、異なる環境においても、目標の積載物形状となるような積込動作をより精度良く計画できる。なお、実際の作業の前に、実際の作業と同様の環境で、本実施の形態で述べたニューラルネットワークによる学習を複数回行い、学習の精度を上げておくことが望ましい。
[0040]
 なお、制御線や情報線は説明上好ましいと考えられるものを示しており、必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。
[0041]
 本発明の一実施形態では、動作記録部51と、形状取得部52と、相関関係演算部53と、積込動作演算部54とは、操作システム100の一部として記載した。しかし、操作システム100を構成する各部は、例えば相関関係演算部53の処理を演算装置26外で行うなど、各部が備わっている場所や、各部の処理が行われる場所は1つに限定されない。例えば、作業機械を集中管理する装置を作業機械とは別に設け、その装置に操作システム100を備えても良い。

符号の説明

[0042]
1 油圧ショベル、11 上部旋回体、12 下部走行体、13 ブーム、14 アーム、15 バケット、15a~15d バケット姿勢、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、19 車体コントローラ、21 ブーム傾斜センサ、22 アーム傾斜センサ、23 バケット傾斜センサ、24 自動制御コントローラ、25 ステレオカメラ、26 演算装置、31 バケット爪先移動軌跡、32a~32d バケット爪先速度ベクトル、33a~33d バケット回転姿勢、4 ダンプトラック、41 荷台、42 積載物、51 動作記録部、52 形状取得部、53 相関関係演算部、54 積込動作演算部、55 積込動作指示部、100 操作システム

請求の範囲

[請求項1]
 容器を有する作業機械の操作システムであって、
 積載物が前記容器から積込対象物に積込まれるときの前記作業機械の積込動作を記録する動作記録部と、
 前記積込動作をした後の、前記積込対象物に積込まれた前記積載物の形状を取得する形状取得部と、
 前記積込動作および前記積載物の形状の相関関係を演算する相関関係演算部と、
 前記相関関係と前記積載物の目標形状とに基づき、前記積込動作を演算する積込動作演算部と、を備える作業機械の操作システム。
[請求項2]
 請求項1において、
 前記相関関係演算部は、前記積込動作と、前記積込動作をする前の前記積載物の形状と、前記積込動作をした後の前記積載物の形状との相関関係を演算する作業機械の操作システム。
[請求項3]
 請求項1の作業機械の操作システムを備えた作業機械。

図面

[ 図 1]

[ 図 2]

[ 図 3]

[ 図 4]

[ 図 5]

[ 図 6]