油圧ショベルの作業可能範囲表示装置とその制御方法
【課題】本発明の課題は、車両本体の姿勢が傾いていても適切な作業可能範囲を表示することができる油圧ショベルの作業可能範囲表示装置を提供することにある。
【解決手段】油圧ショベルの作業可能範囲表示装置において、演算部は、到達可能範囲から車両下部領域を除いた作業可能範囲を算出する。到達可能範囲は、作業機が届くことができる範囲を示す。車両下部領域は、車両本体の下方に位置する領域である。表示部は、作業可能範囲を表示する。演算部は、車両本体の傾きに応じて作業可能範囲と車両下部領域との境界線を設定する。
【解決手段】油圧ショベルの作業可能範囲表示装置において、演算部は、到達可能範囲から車両下部領域を除いた作業可能範囲を算出する。到達可能範囲は、作業機が届くことができる範囲を示す。車両下部領域は、車両本体の下方に位置する領域である。表示部は、作業可能範囲を表示する。演算部は、車両本体の傾きに応じて作業可能範囲と車両下部領域との境界線を設定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、油圧ショベルの作業可能範囲表示装置とその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、作業機が届くことができる範囲を表示する作業可能範囲表示装置が知られている。例えば、特許文献１には、掘削作業ガイダンス装置が開示されている。このガイダンス装置では、油圧ショベルと、作業対象である設計地形の断面との側面図が画面上に表示される。また、バケットの動作範囲を示す作業可能範囲が画面上に表示される。
【０００３】
一方、特許文献２には、掘削用建設機械の安全装置が開示されている。この安全装置では、特許文献１のガイダンス装置と同様に、バケットの作業可能範囲が算出される。また、履帯の下方の領域が、バケット先端の侵入を禁止する警報領域として算出される。そして、バケットが警報領域に侵入すると、警報が鳴らされると共に、作業機が停止するように油圧シリンダが制御される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−９８５８５号公報
【特許文献２】実公平２−３０５２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献２の安全装置では、作業可能範囲と警報領域との境界線が、車両の鉛直方向に延びる直線で示されている。この安全装置では、作業可能範囲は油圧ショベルを基準として一義的に定められている。すなわち、油圧ショベルを基準とした車両本体座標系において作業可能範囲が算出されている。従って、警報領域も車両本体座標系において算出されている。このため、図１５に示すように、車両本体が前傾している場合には、車両本体と同様の角度で傾いた境界線が算出されることになる。この場合、車両下部領域の一部３００が、作業可能範囲２００に含まれてしまう。
【０００６】
本発明の課題は、車両本体の姿勢が傾いていても適切な作業可能範囲を表示することができる油圧ショベルの作業可能範囲表示装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の態様に係る油圧ショベルの作業可能範囲表示装置は、作業機と車両本体とを有する油圧ショベルの作業可能範囲表示装置であって、演算部と表示部とを備える。演算部は、到達可能範囲から車両下部領域を除いた作業可能範囲を算出する。到達可能範囲は、作業機が届くことができる範囲を示す。車両下部領域は、車両本体の下方に位置する領域である。表示部は、作業可能範囲を表示する。演算部は、車両本体の傾きに応じて作業可能範囲と車両下部領域との境界線を設定する。
【０００８】
本発明の第２の態様に係る油圧ショベルの作業可能範囲表示装置は、第１の態様に係る油圧ショベルの作業可能範囲表示装置において、演算部は、車両本体が水平な場合には、作業可能範囲と車両下部領域との境界線をグローバル座標系における鉛直方向に設定する。
【０００９】
本発明の第３の態様に係る油圧ショベルの作業可能範囲表示装置は、第１の態様に係る油圧ショベルの作業可能範囲表示装置において、演算部は、車両本体が前傾している場合には、作業可能範囲と車両下部領域との境界線をグローバル座標系における鉛直方向に維持するように設定する。
【００１０】
本発明の第４の態様に係る油圧ショベルの作業可能範囲表示装置は、第１の態様に係る油圧ショベルの作業可能範囲表示装置において、演算部は、車両本体が後傾している場合には、車両本体が載置される地盤面と境界線とのなす角が９０度以上になるように、作業可能範囲と車両下部領域との境界線を補正する。
【００１１】
本発明の第５の態様に係る油圧ショベルの作業可能範囲表示装置は、第１から第４の態様のいずれかの油圧ショベルの作業可能範囲表示装置において、境界線は、車両本体の走行装置の履帯の前端を通る。
【００１２】
本発明の第６の態様に係る油圧ショベルの作業可能範囲表示装置は、第１から第４の態様のいずれかの油圧ショベルの作業可能範囲表示装置において、境界線は、車両本体の走行装置の履帯の前端から所定距離だけ前方の位置を通る。
【００１３】
本発明の第７の態様に係る油圧ショベルの作業可能範囲表示装置の制御方法は、作業機と車両本体とを有する油圧ショベルの作業可能範囲表示装置の制御方法であり、次のステップを備える。ステップ１は、作業機が届くことができる範囲を示す到達可能範囲から車両本体の下方に位置する車両下部領域を除いた作業可能範囲を算出する。ステップ２は、作業可能範囲を表示する。また、作業可能範囲を算出するステップにおいて、車両本体の傾きに応じて作業可能範囲と車両下部領域との境界線を設定する。
【００１４】
本発明の第８の態様に係る油圧ショベルの作業可能範囲表示装置の制御方法は、第７の態様に係る油圧ショベルの作業可能範囲表示装置の制御方法において、作業可能範囲を算出するステップにおいて、車両本体が水平な場合には、作業可能範囲と車両下部領域との境界線をグローバル座標系における鉛直方向に設定する。
【００１５】
本発明の第９の態様に係る油圧ショベルの作業可能範囲表示装置の制御方法は、第７の態様に係る油圧ショベルの作業可能範囲表示装置の制御方法において、作業可能範囲を算出するステップにおいて、車両本体が前傾している場合には、作業可能範囲と車両下部領域との境界線をグローバル座標系における鉛直方向に維持するように設定する。
【００１６】
本発明の第１０の態様に係る油圧ショベルの作業可能範囲表示装置の制御方法は、第７の態様に係る油圧ショベルの作業可能範囲表示装置の制御方法において、作業可能範囲を算出するステップにおいて、車両本体が後傾している場合には、車両本体が載置される地盤面と境界線とのなす角が９０度以上になるように、作業可能範囲と車両下部領域との境界線を補正する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明では、本発明車両本体の姿勢が傾いていても適切な作業可能範囲を表示することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】油圧ショベルの斜視図。
【図２】油圧ショベルの構成を模式的に示す図。
【図３】油圧ショベルが備える制御系の構成を示すブロック図。
【図４】設計地形データによって示される設計地形を示す図。
【図５】案内画面を示す図。
【図６】バケットの先端の現在位置を求める方法を示す図。
【図７】最大リーチ姿勢での作業機を模式的に示す図。
【図８】最小リーチ姿勢での作業機を模式的に示す図。
【図９】作業可能範囲の算出処理を示すフローチャート。
【図１０】到達可能範囲の一例を示す図。
【図１１】車両本体が水平であるときの作業可能範囲の一例を示す図。
【図１２】車両本体が前傾しているときの作業可能範囲の一例を示す図。
【図１３】車両本体が後傾しているときの作業可能範囲の一例を示す図。
【図１４】他の実施形態における作業可能範囲の一例を示す図。
【図１５】従来技術における車両本体が前傾しているときの作業可能範囲の一例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
１．構成
１−１．油圧ショベルの全体構成
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態に係る油圧ショベルの作業可能範囲表示装置について説明する。図１は、作業可能範囲表示装置が搭載される油圧ショベル１００の斜視図である。油圧ショベル１００は、車両本体１と作業機２とを有する。車両本体１は、上部旋回体３と運転室４と走行装置５とを有する。上部旋回体３は、図示しないエンジンや油圧ポンプなどの装置を収容している。運転室４は上部旋回体３の前部に載置されている。運転室４内には、後述する表示入力装置３８及び操作装置２５が配置される（図３参照）。走行装置５は履帯５ａ，５ｂを有しており、履帯５ａ，５ｂが回転することにより油圧ショベル１００が走行する。
【００２０】
作業機２は、車両本体１の前部に取り付けられており、ブーム６とアーム７とバケット８とブームシリンダ１０とアームシリンダ１１とバケットシリンダ１２とを有する。ブーム６の基端部は、ブームピン１３を介して車両本体１の前部に揺動可能に取り付けられている。アーム７の基端部は、アームピン１４を介してブーム６の先端部に揺動可能に取り付けられている。アーム７の先端部には、バケットピン１５を介してバケット８が揺動可能に取り付けられている。
【００２１】
図２は、油圧ショベル１００の構成を模式的に示す図である。図２（ａ）は油圧ショベル１００の側面図であり、図２（ｂ）は油圧ショベル１００の背面図である。図２（ａ）に示すように、ブーム６の長さ、すなわち、ブームピン１３からアームピン１４までの長さは、Ｌ１である。アーム７の長さ、すなわち、アームピン１４からバケットピン１５までの長さは、Ｌ２である。バケット８の長さ、すなわち、バケットピン１５からバケット８のツースの先端までの長さは、Ｌ３である。
【００２２】
図１に示すブームシリンダ１０とアームシリンダ１１とバケットシリンダ１２とは、それぞれ油圧によって駆動される油圧シリンダである。ブームシリンダ１０はブーム６を駆動する。アームシリンダ１１は、アーム７を駆動する。バケットシリンダ１２は、バケット８を駆動する。ブームシリンダ１０、アームシリンダ１１、バケットシリンダ１２などの油圧シリンダと図示しない油圧ポンプとの間には、比例制御弁３７が配置されている（図３参照）。比例制御弁３７が後述する作業機コントローラ２６によって制御されることにより、油圧シリンダ１０−１２に供給される作動油の流量が制御される。これにより、油圧シリンダ１０−１２の動作が制御される。
【００２３】
図２（ａ）に示すように、ブーム６とアーム７とバケット８には、それぞれ第１〜第３ストロークセンサ１６−１８が設けられている。第１ストロークセンサ１６は、ブームシリンダ１０のストローク長さを検出する。後述する表示コントローラ３９（図３参照）は、第１ストロークセンサ１６が検出したブームシリンダ１０のストローク長さから、後述する車両本体座標系のＺａ軸（図６参照）に対するブーム６の傾斜角（以下、「ブーム角」と呼ぶ）θ１を算出する。第２ストロークセンサ１７は、アームシリンダ１１のストローク長さを検出する。表示コントローラ３９は、第２ストロークセンサ１７が検出したアームシリンダ１１のストローク長さから、ブーム６に対するアーム７の傾斜角（以下、「アーム角」と呼ぶ）θ２を算出する。第３ストロークセンサ１８は、バケットシリンダ１２のストローク長さを検出する。表示コントローラ３９は、第３ストロークセンサ１８が検出したバケットシリンダ１２のストローク長さから、アーム７に対するバケット８の傾斜角（以下、「バケット角」と呼ぶ）θ３を算出する。
【００２４】
車両本体１には、位置検出部１９が備えられている。位置検出部１９は、油圧ショベル１００の現在位置を検出する。位置検出部１９は、ＲＴＫ−ＧＮＳＳ（Real Time Kinematic - Global Navigation Satellite Systems、ＧＮＳＳは全地球航法衛星システムをいう。）用の２つのアンテナ２１，２２（以下、「ＧＮＳＳアンテナ２１，２２」と呼ぶ）と、３次元位置センサ２３と、傾斜角センサ２４とを有する。ＧＮＳＳアンテナ２１，２２は、後述する車両本体座標系Ｘａ−Ｙａ−ＺａのＹａ軸（図６参照）に沿って一定距離だけ離間して配置されている。ＧＮＳＳアンテナ２１，２２で受信されたＧＮＳＳ電波に応じた信号は３次元位置センサ２３に入力される。３次元位置センサ２３は、ＧＮＳＳアンテナ２１，２２の設置位置Ｐ１，Ｐ２の位置を検出する。図２（ｂ）に示すように、傾斜角センサ２４は、重力方向すなわちグローバル座標系における鉛直方向に対する車両本体１の車幅方向の傾斜角θ４（以下、「ロール角θ４」と呼ぶ）を検出する（図６（ｂ）参照）。また、傾斜角センサ２４は、グローバル座標系における鉛直方向に対する車両本体１の前後方向の傾斜角θ５（以下、「ピッチ角θ５」と呼ぶ）とを検出する（図１２参照）。
【００２５】
図３は、油圧ショベル１００が備える制御系の構成を示すブロック図である。油圧ショベル１００は、操作装置２５と、作業機コントローラ２６と、作業機制御装置２７と、作業可能範囲表示装置２８を備える。操作装置２５は、作業機操作部材３１と、作業機操作検出部３２と、走行操作部材３３と、走行操作検出部３４とを有する。作業機操作部材３１は、オペレータが作業機２を操作するための部材であり、例えば操作レバーである。作業機操作検出部３２は、作業機操作部材３１の操作内容を検出して、検出信号として作業機コントローラ２６へ送る。走行操作部材３３は、オペレータが油圧ショベル１００の走行を操作するための部材であり、例えば操作レバーである。走行操作検出部３４は、走行操作部材３３の操作内容を検出して、検出信号として作業機コントローラ２６へ送る。
【００２６】
作業機コントローラ２６は、ＲＡＭやＲＯＭなどの記憶部３５や、ＣＰＵなどの演算部３６を有している。作業機コントローラ２６は、主として作業機２の制御を行う。作業機コントローラ２６は、作業機操作部材３１の操作に応じて作業機２を動作させるための制御信号を生成して、作業機制御装置２７に出力する。作業機制御装置２７は比例制御弁３７を有しており、作業機コントローラ２６からの制御信号に基づいて比例制御弁３７が制御される。作業機コントローラ２６からの制御信号に応じた流量の作動油が比例制御弁３７から流出され、油圧シリンダ１０−１２に供給される。油圧シリンダ１０−１２は、比例制御弁３７から供給された作動油に応じて駆動される。これにより、作業機２が動作する。
【００２７】
１−２．作業可能範囲表示装置２８の構成
作業可能範囲表示装置２８は、案内画面上に油圧ショベル２の作業可能範囲７６を表示する装置である。案内画面は、作業エリア内の目標作業対象まで油圧ショベル１００を誘導するための画面である。作業可能範囲表示装置２８は、上述した第１〜第３ストロークセンサ１６−１８、３次元位置センサ２３、傾斜角センサ２４のほかに、表示入力装置３８と、表示コントローラ３９とを有している。
【００２８】
表示入力装置３８は、タッチパネル式の入力部４１と、ＬＣＤなどの表示部４２とを有する。表示入力装置３８は、作業エリア内の目標作業対象まで油圧ショベル１００を誘導するための案内画面を表示する。また、案内画面には、各種のキーが表示される。オペレータは、案内画面上の各種のキーに触れることにより、作業可能範囲表示装置２８の各種の機能を実行させることができる。案内画面については後に詳細に説明する。
【００２９】
表示コントローラ３９は、作業可能範囲表示装置２８の各種の機能を実行する。表示コントローラ３９は、ＲＡＭやＲＯＭなどの記憶部４３や、ＣＰＵなどの演算部４４を有している。記憶部４３は、作業機データを記憶している。作業機データは、上述したブーム６の長さＬ１、アーム７の長さＬ２、バケット８の長さＬ３を含む。また、作業機データは、ブーム角θ１、アーム角θ２、バケット角θ３のそれぞれの最小値及び最大値を含む。表示コントローラ３９と作業機コントローラ２６とは、無線あるいは有線の通信手段により互いに通信可能となっている。表示コントローラ３９の記憶部４３には、作業エリア内の３次元の設計地形の形状及び位置を示す設計地形データが予め作成されて記憶されている。表示コントローラ３９は、設計地形データや上述した各種のセンサからの検出結果などのデータに基づいて、案内画面を表示入力装置３８に表示させる。具体的には、図４に示すように、設計地形は、三角形ポリゴンによってそれぞれ表現される複数の設計面４５によって構成されている。なお、図４では複数の設計面のうちの１つのみに符号４５が付されており、他の設計面の符号は省略されている。目標作業対象は、これらの設計面４５のうちの１つ、或いは、複数の設計面である。オペレータは、これらの設計面４５のうちの１つ、或いは、複数の設計面を目標面７０として選択する。表示コントローラ３９は、油圧ショベル１００を目標面７０まで誘導するための案内画面を表示入力装置３８に表示させる。
【００３０】
２．案内画面
２−１．案内画面の構成
図５に案内画面５２を示す。案内画面５２は、上面図５２ａと側面図５２ｂとを含む。
【００３１】
上面図５２ａは、作業エリアの設計地形と油圧ショベル１００の現在位置とを示す。上面図５２ａは、複数の三角形ポリゴンによって上面視による設計地形を表現している。また、目標作業対象として選択された目標面７０は、他の設計地形と異なる色で表示される。なお、図５では、油圧ショベル１００の現在位置が上面視による油圧ショベルのアイコン６１で示されているが、他のシンボルによって示されてもよい。
【００３２】
上面図５２ａには、油圧ショベル１００を目標面７０まで誘導するための情報が表示される。具体的には、方位インジケータ７１が表示される。方位インジケータ７１は、油圧ショベル１００に対する目標面７０の方向を示すアイコンである。さらに、上面図５２ａは、目標作業位置を示す情報と、油圧ショベル１００を目標面７０に対して正対させるための情報をさらに含んでいる。目標作業位置は、油圧ショベル１００が目標面７０に対して掘削を行うために最適な位置であり、目標面７０の位置と後述する作業可能範囲７６とから算出される。目標作業位置は、上面図５２ａにおいて直線７２で示されている。油圧ショベル１００を目標面７０に対して正対させるための情報は、正対コンパス７３として表示される。正対コンパス７３は、目標面７０に対する正対方向と油圧ショベル１００を旋回させるべき方向とを示すアイコンである。オペレータは、正対コンパス７３により、目標面７０への正対度を確認することができる。
【００３３】
側面図５２ｂは、設計面線７４と、目標面線７９と、側面視による油圧ショベル１００のアイコン７５と、作業機２の作業可能範囲７６と、目標作業位置を示す情報を含む。設計面線７４は、目標面７０以外の設計面４５の断面を示す。目標面線７９は目標面７０の断面を示す。設計面線７４と目標面線７９とは、図４に示すように、バケット８の先端Ｐ３の現在位置を通る平面７７と設計地形との交線８０を算出することにより求められる。目標面線７９は、設計面線７４と異なる色で表示される。なお、図５では線種を変えて設計面線７４と目標面線７９とを表現している。作業可能範囲７６は、作業機２による作業が可能な車両本体１の周囲の範囲を示す。作業可能範囲７６は、上述した作業機データから算出される。作業可能範囲７６の算出方法については後に詳細に説明する。側面図５２ｂに示される目標作業位置は、上述した上面図５２ａに示される目標作業位置に相当し、三角形のアイコン８１で示される。また、油圧ショベル１００の基準位置も三角形のアイコン８２によって示される。オペレータは、基準位置のアイコン８２が目標作業位置のアイコン８１と合致するように油圧ショベル１００を移動させる。
【００３４】
以上のように、案内画面５２は、目標作業位置を示す情報と油圧ショベル１００を目標面７０に対して正対させるための情報とを含む。このため、オペレータは、案内画面５２により、目標面７０に対して、作業を行うために最適な位置及び方向に油圧ショベル１００を配置することができる。従って、案内画面５２は、主として油圧ショベル１００の位置決めを行うときに参照される。
【００３５】
２−２．バケット先端の現在位置の算出方法
上述したように、目標面線７９はバケット８の先端の現在位置から算出される。表示コントローラ３９は、３次元位置センサ２３、第１〜第３ストロークセンサ１６−１８、傾斜角センサ２４などからの検出結果に基づき、グローバル座標系｛Ｘ，Ｙ，Ｚ｝でのバケット８の先端Ｐ３の現在位置を算出する。具体的には、バケット８の先端Ｐ３の現在位置は、次のようにして求められる。
【００３６】
まず、図６に示すように、上述したＧＮＳＳアンテナ２１の設置位置Ｐ１を原点とする車両本体座標系｛Ｘａ，Ｙａ，Ｚａ｝を求める。図６（ａ）は油圧ショベル１００の側面図である。図６（ｂ）は油圧ショベル１００の背面図である。ここでは、油圧ショベル１００の前後方向すなわち車両本体座標系のＹａ軸方向がグローバル座標系のＹ軸方向に対して傾斜しているものとする。また、車両本体座標系でのブームピン１３の座標は（０，Ｌｂ１，−Ｌｂ２）であり、予め表示コントローラ３９の記憶部４３に記憶されている。
【００３７】
３次元位置センサ２３はＧＮＳＳアンテナ２１，２２の設置位置Ｐ１，Ｐ２を検出する。検出された座標位置Ｐ１、Ｐ２から以下の（１）式よってＹａ軸方向の単位ベクトルが算出される。
Ｙａ＝（Ｐ１−Ｐ２）／｜Ｐ１−Ｐ２｜・・・（１）
図６（ａ）に示すように、ＹａとＺの２つのベクトルで表される平面を通り、Ｙａと垂直なベクトルＺ’を導入すると、以下の関係が成り立つ。
（Ｚ’，Ｙａ）＝０・・・（２）
Ｚ’＝（１−ｃ）Ｚ＋ｃＹａ・・・（３）
ｃは定数である。
（２）式および（３）式より、Ｚ’は以下の（４）式のように表される。
Ｚ’＝Ｚ＋｛（Ｚ，Ｙａ）／（（Ｚ，Ｙａ）−１）｝（Ｙａ−Ｚ）・・・（４）
さらに、ＹａおよびＺ’と垂直なベクトルをＸ’とすると、Ｘ’は以下の（５）式のようのように表される。
Ｘ’＝Ｙａ⊥Ｚ’・・・（５）
図６（ｂ）に示すように、車両本体座標系は、これをＹａ軸周りに上述したロール角θ４だけ回転させたものであるから、以下の（６）式のように示される。
【００３８】
・・・（６）
また、第１〜第３ストロークセンサ１６−１８の検出結果から、上述したブーム６、アーム７、バケット８の現在の傾斜角θ１、θ２、θ３が算出される。車両本体座標系内でのバケット８の先端Ｐ３の座標（ｘａｔ、ｙａｔ、ｚａｔ）は、傾斜角θ１、θ２、θ３およびブーム６、アーム７、バケット８の長さＬ１、Ｌ２、Ｌ３を用いて、以下の（７）〜（９）式により算出される。
ｘａｔ＝０・・・（７）
ｙａｔ＝Ｌｂ１＋Ｌ１ｓｉｎθ１＋Ｌ２ｓｉｎ（θ１＋θ２）＋Ｌ３ｓｉｎ（θ１＋θ２＋θ３）・・・（８）
ｚａｔ＝−Ｌｂ２＋Ｌ１ｃｏｓθ１＋Ｌ２ｃｏｓ（θ１＋θ２）＋Ｌ３ｃｏｓ（θ１＋θ２＋θ３）・・・（９）
なお、バケット８の先端Ｐ３は、車両本体座標系のＹａ−Ｚａ平面上で移動するものとする。
そして、グローバル座標系でのバケット８の先端Ｐ３の座標が以下の（１０）式から求められる。
Ｐ３＝ｘａｔ・Ｘａ＋ｙａｔ・Ｙａ＋ｚａｔ・Ｚａ＋Ｐ１・・・（１０）
図４に示すように、表示コントローラ３９は、上記のように算出したバケット８の先端Ｐ３の現在位置と、記憶部４３に記憶された設計地形データとに基づいて、３次元設計地形とバケット８の先端Ｐ３を通るＹａ−Ｚａ平面７７との交線８０を算出する。そして、表示コントローラ３９は、この交線のうち目標面７０を通る部分を上述した目標面線７９として案内画面５２に表示する。
【００３９】
２−３．作業可能範囲７６の算出方法
まず、作業可能範囲７６の算出方法について説明する前に、作業機２の最大リーチ長さＬｍａｘと最小リーチ長さＬｍｉｎについて説明する。最大リーチ長さＬｍａｘは、作業機２を最大に伸ばした状態での作業機２のリーチ長さである。なお、作業機２のリーチ長さは、ブームピン１３とバケット８の先端Ｐ３との間の距離である。図７に、作業機２の長さが最大リーチ長さＬｍａｘとなるときの作業機２の姿勢（以下、「最大リーチ姿勢」と呼ぶ）を模式的に示す。図７に示す座標平面Ｙｂ−Ｚｂは、上述した車両本体座標系｛Ｘａ，Ｙａ，Ｚａ｝においてブームピン１３の位置を原点としたものである。最大リーチ姿勢では、アーム角θ２は最小値となる。また、バケット角θ３は、作業機２のリーチ長さが最大となるように、パラメータ最適化のための数値解析によって算出される。このときのバケット角θ３の値を以下、「最大リーチ角」と呼ぶ。
【００４０】
最小リーチ長さＬｍｉｎは、作業機２を最小に縮めた状態での作業機２のリーチ長さである。図８に、作業機２の長さが最小リーチ長さＬｍｉｎとなるときの作業機２の姿勢（以下、「最小リーチ姿勢」と呼ぶ）を模式的に示す。最小リーチ姿勢では、アーム角θ２は最大値となる。また、バケット角θ３は、作業機２のリーチ長さが最小となるように、パラメータ最適化のための数値解析によって算出される。このときのバケット角θ３の値を以下、「最小リーチ角」と呼ぶ。
【００４１】
次に、表示コントローラ３９によって実行される作業可能範囲７６の算出方法を示すフローを図９に示す。まず、ステップＳ１で現在位置が検出される。ここでは、位置検出部１９からの検出信号によって、車両本体１の現在位置が検出される。また、車両本体１の現在位置から、バケットピン１３の現在位置やバケット８の先端Ｐ３の現在位置が算出される。ステップＳ２では、傾斜角が検出される。ここでは、上述した傾斜角センサ２４からの検出信号によって、ピッチ角θ５が検出される。
【００４２】
ステップＳ３では、到達可能範囲８３が算出される。到達可能範囲８３は、図１０に示すように、作業機２が届くことができる範囲を示す。到達可能範囲８３は、上述した作業機データと車両本体１の現在位置とから算出される。到達可能範囲８３の境界線は、複数の円弧Ａ１−Ａ４を含む。例えば、到達可能範囲８３の境界線は、第１円弧Ａ１から第４円弧Ａ４を含む。第１円弧Ａ１は、アーム角θ２が最小値、バケット角θ３が最大リーチ角で、ブーム角θ１が最小値と最大値との間で変化するときのバケット８の先端が描く軌跡である。第２円弧Ａ２は、ブーム角θ１が最大、バケット角θ３が０°で、アーム角θ２が最小値と最大値との間で変化するときのバケット８の先端が描く軌跡である。第３円弧Ａ３は、アーム角θ２が最大値、バケット角θ３が最小リーチ角で、ブーム角θ１が最小値と最大値との間で変化するときのバケット８の先端が描く軌跡である。第４円弧Ａ４は、ブーム角θ１が最小値、バケット角θ３が０°で、アーム角θ２が最小値と最大値との間で変化するときのバケット８の先端が描く軌跡である。
【００４３】
ステップＳ４では、境界線８４が算出される。具体的には、図１１に示すように、グローバル座標系における鉛直方向すなわちＺ軸に平行な境界線８４が算出される。従って、車両本体１が水平な場合には、境界線８４は車両本体座標系でのＺｂ軸と平行であり、履帯５ａ，５ｂの前端を通るように設定される。また、図１２に示すように、車両本体１が前傾している場合には、境界線８４は、車両本体座標系でのＺｂ軸に対してピッチ角θ５だけ傾くように設定される。
【００４４】
ステップＳ５では、車両本体１が水平又は前傾であるか否かが判定される。ここでは、上述した傾斜角センサ２４からの検出信号により、車両本体１が水平又は前傾であるか否かが判定される。車両本体１が水平又は前傾である場合にはステップＳ７に進む。車両本体１が水平又は前傾ではない場合には、ステップＳ６へ進む。すなわち、車両本体１が後傾している場合には、ステップＳ６へ進む。
【００４５】
ステップＳ６では、境界線８４が補正される。ここでは、図１３に示すように、車両本体１が載置される地盤面ＧＬと境界線８４とのなす角が９０度になるように、境界線８４が補正される。従って、境界線８４は、グローバル座標系でのＺ軸に対してピッチ角θ５だけ傾くように設定される。
【００４６】
ステップＳ７では、作業可能範囲７６が算出される。作業可能範囲７６は、到達可能範囲８３から車両本体１の下方に位置する車両下部領域８６を除いた範囲である。具体的には、到達可能範囲８３のうちステップＳ４又はステップＳ６で算出された境界線８４よりも後方に位置する部分が車両下部領域８６として到達可能範囲８３から除かれる。
【００４７】
３．特徴
本実施形態に係る油圧ショベル１００では、図１１に示すように、車両本体１が水平である場合には、作業可能範囲７６と車両下部領域８６との境界線８４がグローバル座標系における鉛直方向すなわちＺ軸に平行な方向に設定される。また、図１２に示すように、車両本体１が前傾している場合にも、境界線８４がグローバル座標系における鉛直方向に維持するように設定される。このため、車両本体１が前傾していても、車両本体１の下方に位置する領域が、作業可能範囲７６に含まれることが抑えられる。
【００４８】
一方、図１３に示すように、車両本体１が後傾している場合にも、境界線がグローバル座標系における鉛直方向に維持するように設定されると（図１３の二点差線８４’参照）、車両本体１が載置されている地盤面ＧＬと境界線８４’とのなす角が鋭角となる。このような作業可能範囲に従って掘削を行うと、掘削された地盤面ＧＬの先端部が崩れやすくなる。そこで、本実施形態に係る油圧ショベル１００では、車両本体１が後傾している場合には、車両本体１が載置される地盤面ＧＬと境界線８４とのなす角が９０度になるように、境界線８４が補正される。これにより、掘削された地盤面ＧＬの先端部が鋭角となることが抑えられる。以上より、本発明では、本発明車両本体１の姿勢が傾いていても適切な作業可能範囲７６を表示することができる。
【００４９】
５．他の実施形態
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、作業可能範囲表示装置２８の機能の一部、或いは、全てが、油圧ショベル１００の外部に配置されたコンピュータによって実行されてもよい。上記の実施形態では作業機２は、ブーム６、アーム７、バケット８を有しているが、作業機２の構成はこれに限られない。
【００５０】
上記の実施形態では、第１〜第３ストロークセンサ１６−１８によって、ブーム６、アーム７、バケット８の傾斜角を検出しているが、傾斜角の検出手段はこれらに限られない。例えば、ブーム６、アーム７、バケット８の傾斜角を検出する角度センサが備えられてもよい。
【００５１】
上記の実施形態では、車両本体１が後傾しているときには、車両本体１が載置される地盤面ＧＬと境界線８４とのなす角が９０度になるように、境界線８４が補正される。しかし、地盤面ＧＬと境界線８４とのなす角が９０度より大きい鈍角となるように、境界線８４が補正されてもよい。
【００５２】
上記の実施形態では、境界線８４は履帯５ａ，５ｂの前端を通るように設定されている。しかし、図１４に示すように、履帯５ａ，５ｂの前端から所定距離Ｄだけ前方の位置を通るように境界線８４が設定されてもよい。すなわち、本発明において、車両下部領域とは、車両本体の直下の領域のみに限らず、車両本体よりも前方に位置する領域を含んでもよい。また、車両下部領域は、車両本体の直下の領域を全て含むのではなく、その一部を含まないものであってもよい。すなわち、境界線は覆帯の先端よりも、多少、後方に位置していてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明は、車両本体の姿勢が傾いていても適切な作業可能範囲を表示することができる油圧ショベルの作業可能範囲表示装置を提供することができる。
【符号の説明】
【００５４】
１ 車両本体
２ 作業機
２８ 作業可能範囲表示装置
４２ 表示部
４４ 演算部
７６ 作業可能範囲
８４ 境界線
８６ 車両下部領域
１００ 油圧ショベル
【技術分野】
【０００１】
本発明は、油圧ショベルの作業可能範囲表示装置とその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、作業機が届くことができる範囲を表示する作業可能範囲表示装置が知られている。例えば、特許文献１には、掘削作業ガイダンス装置が開示されている。このガイダンス装置では、油圧ショベルと、作業対象である設計地形の断面との側面図が画面上に表示される。また、バケットの動作範囲を示す作業可能範囲が画面上に表示される。
【０００３】
一方、特許文献２には、掘削用建設機械の安全装置が開示されている。この安全装置では、特許文献１のガイダンス装置と同様に、バケットの作業可能範囲が算出される。また、履帯の下方の領域が、バケット先端の侵入を禁止する警報領域として算出される。そして、バケットが警報領域に侵入すると、警報が鳴らされると共に、作業機が停止するように油圧シリンダが制御される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−９８５８５号公報
【特許文献２】実公平２−３０５２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献２の安全装置では、作業可能範囲と警報領域との境界線が、車両の鉛直方向に延びる直線で示されている。この安全装置では、作業可能範囲は油圧ショベルを基準として一義的に定められている。すなわち、油圧ショベルを基準とした車両本体座標系において作業可能範囲が算出されている。従って、警報領域も車両本体座標系において算出されている。このため、図１５に示すように、車両本体が前傾している場合には、車両本体と同様の角度で傾いた境界線が算出されることになる。この場合、車両下部領域の一部３００が、作業可能範囲２００に含まれてしまう。
【０００６】
本発明の課題は、車両本体の姿勢が傾いていても適切な作業可能範囲を表示することができる油圧ショベルの作業可能範囲表示装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の態様に係る油圧ショベルの作業可能範囲表示装置は、作業機と車両本体とを有する油圧ショベルの作業可能範囲表示装置であって、演算部と表示部とを備える。演算部は、到達可能範囲から車両下部領域を除いた作業可能範囲を算出する。到達可能範囲は、作業機が届くことができる範囲を示す。車両下部領域は、車両本体の下方に位置する領域である。表示部は、作業可能範囲を表示する。演算部は、車両本体の傾きに応じて作業可能範囲と車両下部領域との境界線を設定する。
【０００８】
本発明の第２の態様に係る油圧ショベルの作業可能範囲表示装置は、第１の態様に係る油圧ショベルの作業可能範囲表示装置において、演算部は、車両本体が水平な場合には、作業可能範囲と車両下部領域との境界線をグローバル座標系における鉛直方向に設定する。
【０００９】
本発明の第３の態様に係る油圧ショベルの作業可能範囲表示装置は、第１の態様に係る油圧ショベルの作業可能範囲表示装置において、演算部は、車両本体が前傾している場合には、作業可能範囲と車両下部領域との境界線をグローバル座標系における鉛直方向に維持するように設定する。
【００１０】
本発明の第４の態様に係る油圧ショベルの作業可能範囲表示装置は、第１の態様に係る油圧ショベルの作業可能範囲表示装置において、演算部は、車両本体が後傾している場合には、車両本体が載置される地盤面と境界線とのなす角が９０度以上になるように、作業可能範囲と車両下部領域との境界線を補正する。
【００１１】
本発明の第５の態様に係る油圧ショベルの作業可能範囲表示装置は、第１から第４の態様のいずれかの油圧ショベルの作業可能範囲表示装置において、境界線は、車両本体の走行装置の履帯の前端を通る。
【００１２】
本発明の第６の態様に係る油圧ショベルの作業可能範囲表示装置は、第１から第４の態様のいずれかの油圧ショベルの作業可能範囲表示装置において、境界線は、車両本体の走行装置の履帯の前端から所定距離だけ前方の位置を通る。
【００１３】
本発明の第７の態様に係る油圧ショベルの作業可能範囲表示装置の制御方法は、作業機と車両本体とを有する油圧ショベルの作業可能範囲表示装置の制御方法であり、次のステップを備える。ステップ１は、作業機が届くことができる範囲を示す到達可能範囲から車両本体の下方に位置する車両下部領域を除いた作業可能範囲を算出する。ステップ２は、作業可能範囲を表示する。また、作業可能範囲を算出するステップにおいて、車両本体の傾きに応じて作業可能範囲と車両下部領域との境界線を設定する。
【００１４】
本発明の第８の態様に係る油圧ショベルの作業可能範囲表示装置の制御方法は、第７の態様に係る油圧ショベルの作業可能範囲表示装置の制御方法において、作業可能範囲を算出するステップにおいて、車両本体が水平な場合には、作業可能範囲と車両下部領域との境界線をグローバル座標系における鉛直方向に設定する。
【００１５】
本発明の第９の態様に係る油圧ショベルの作業可能範囲表示装置の制御方法は、第７の態様に係る油圧ショベルの作業可能範囲表示装置の制御方法において、作業可能範囲を算出するステップにおいて、車両本体が前傾している場合には、作業可能範囲と車両下部領域との境界線をグローバル座標系における鉛直方向に維持するように設定する。
【００１６】
本発明の第１０の態様に係る油圧ショベルの作業可能範囲表示装置の制御方法は、第７の態様に係る油圧ショベルの作業可能範囲表示装置の制御方法において、作業可能範囲を算出するステップにおいて、車両本体が後傾している場合には、車両本体が載置される地盤面と境界線とのなす角が９０度以上になるように、作業可能範囲と車両下部領域との境界線を補正する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明では、本発明車両本体の姿勢が傾いていても適切な作業可能範囲を表示することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】油圧ショベルの斜視図。
【図２】油圧ショベルの構成を模式的に示す図。
【図３】油圧ショベルが備える制御系の構成を示すブロック図。
【図４】設計地形データによって示される設計地形を示す図。
【図５】案内画面を示す図。
【図６】バケットの先端の現在位置を求める方法を示す図。
【図７】最大リーチ姿勢での作業機を模式的に示す図。
【図８】最小リーチ姿勢での作業機を模式的に示す図。
【図９】作業可能範囲の算出処理を示すフローチャート。
【図１０】到達可能範囲の一例を示す図。
【図１１】車両本体が水平であるときの作業可能範囲の一例を示す図。
【図１２】車両本体が前傾しているときの作業可能範囲の一例を示す図。
【図１３】車両本体が後傾しているときの作業可能範囲の一例を示す図。
【図１４】他の実施形態における作業可能範囲の一例を示す図。
【図１５】従来技術における車両本体が前傾しているときの作業可能範囲の一例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
１．構成
１−１．油圧ショベルの全体構成
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態に係る油圧ショベルの作業可能範囲表示装置について説明する。図１は、作業可能範囲表示装置が搭載される油圧ショベル１００の斜視図である。油圧ショベル１００は、車両本体１と作業機２とを有する。車両本体１は、上部旋回体３と運転室４と走行装置５とを有する。上部旋回体３は、図示しないエンジンや油圧ポンプなどの装置を収容している。運転室４は上部旋回体３の前部に載置されている。運転室４内には、後述する表示入力装置３８及び操作装置２５が配置される（図３参照）。走行装置５は履帯５ａ，５ｂを有しており、履帯５ａ，５ｂが回転することにより油圧ショベル１００が走行する。
【００２０】
作業機２は、車両本体１の前部に取り付けられており、ブーム６とアーム７とバケット８とブームシリンダ１０とアームシリンダ１１とバケットシリンダ１２とを有する。ブーム６の基端部は、ブームピン１３を介して車両本体１の前部に揺動可能に取り付けられている。アーム７の基端部は、アームピン１４を介してブーム６の先端部に揺動可能に取り付けられている。アーム７の先端部には、バケットピン１５を介してバケット８が揺動可能に取り付けられている。
【００２１】
図２は、油圧ショベル１００の構成を模式的に示す図である。図２（ａ）は油圧ショベル１００の側面図であり、図２（ｂ）は油圧ショベル１００の背面図である。図２（ａ）に示すように、ブーム６の長さ、すなわち、ブームピン１３からアームピン１４までの長さは、Ｌ１である。アーム７の長さ、すなわち、アームピン１４からバケットピン１５までの長さは、Ｌ２である。バケット８の長さ、すなわち、バケットピン１５からバケット８のツースの先端までの長さは、Ｌ３である。
【００２２】
図１に示すブームシリンダ１０とアームシリンダ１１とバケットシリンダ１２とは、それぞれ油圧によって駆動される油圧シリンダである。ブームシリンダ１０はブーム６を駆動する。アームシリンダ１１は、アーム７を駆動する。バケットシリンダ１２は、バケット８を駆動する。ブームシリンダ１０、アームシリンダ１１、バケットシリンダ１２などの油圧シリンダと図示しない油圧ポンプとの間には、比例制御弁３７が配置されている（図３参照）。比例制御弁３７が後述する作業機コントローラ２６によって制御されることにより、油圧シリンダ１０−１２に供給される作動油の流量が制御される。これにより、油圧シリンダ１０−１２の動作が制御される。
【００２３】
図２（ａ）に示すように、ブーム６とアーム７とバケット８には、それぞれ第１〜第３ストロークセンサ１６−１８が設けられている。第１ストロークセンサ１６は、ブームシリンダ１０のストローク長さを検出する。後述する表示コントローラ３９（図３参照）は、第１ストロークセンサ１６が検出したブームシリンダ１０のストローク長さから、後述する車両本体座標系のＺａ軸（図６参照）に対するブーム６の傾斜角（以下、「ブーム角」と呼ぶ）θ１を算出する。第２ストロークセンサ１７は、アームシリンダ１１のストローク長さを検出する。表示コントローラ３９は、第２ストロークセンサ１７が検出したアームシリンダ１１のストローク長さから、ブーム６に対するアーム７の傾斜角（以下、「アーム角」と呼ぶ）θ２を算出する。第３ストロークセンサ１８は、バケットシリンダ１２のストローク長さを検出する。表示コントローラ３９は、第３ストロークセンサ１８が検出したバケットシリンダ１２のストローク長さから、アーム７に対するバケット８の傾斜角（以下、「バケット角」と呼ぶ）θ３を算出する。
【００２４】
車両本体１には、位置検出部１９が備えられている。位置検出部１９は、油圧ショベル１００の現在位置を検出する。位置検出部１９は、ＲＴＫ−ＧＮＳＳ（Real Time Kinematic - Global Navigation Satellite Systems、ＧＮＳＳは全地球航法衛星システムをいう。）用の２つのアンテナ２１，２２（以下、「ＧＮＳＳアンテナ２１，２２」と呼ぶ）と、３次元位置センサ２３と、傾斜角センサ２４とを有する。ＧＮＳＳアンテナ２１，２２は、後述する車両本体座標系Ｘａ−Ｙａ−ＺａのＹａ軸（図６参照）に沿って一定距離だけ離間して配置されている。ＧＮＳＳアンテナ２１，２２で受信されたＧＮＳＳ電波に応じた信号は３次元位置センサ２３に入力される。３次元位置センサ２３は、ＧＮＳＳアンテナ２１，２２の設置位置Ｐ１，Ｐ２の位置を検出する。図２（ｂ）に示すように、傾斜角センサ２４は、重力方向すなわちグローバル座標系における鉛直方向に対する車両本体１の車幅方向の傾斜角θ４（以下、「ロール角θ４」と呼ぶ）を検出する（図６（ｂ）参照）。また、傾斜角センサ２４は、グローバル座標系における鉛直方向に対する車両本体１の前後方向の傾斜角θ５（以下、「ピッチ角θ５」と呼ぶ）とを検出する（図１２参照）。
【００２５】
図３は、油圧ショベル１００が備える制御系の構成を示すブロック図である。油圧ショベル１００は、操作装置２５と、作業機コントローラ２６と、作業機制御装置２７と、作業可能範囲表示装置２８を備える。操作装置２５は、作業機操作部材３１と、作業機操作検出部３２と、走行操作部材３３と、走行操作検出部３４とを有する。作業機操作部材３１は、オペレータが作業機２を操作するための部材であり、例えば操作レバーである。作業機操作検出部３２は、作業機操作部材３１の操作内容を検出して、検出信号として作業機コントローラ２６へ送る。走行操作部材３３は、オペレータが油圧ショベル１００の走行を操作するための部材であり、例えば操作レバーである。走行操作検出部３４は、走行操作部材３３の操作内容を検出して、検出信号として作業機コントローラ２６へ送る。
【００２６】
作業機コントローラ２６は、ＲＡＭやＲＯＭなどの記憶部３５や、ＣＰＵなどの演算部３６を有している。作業機コントローラ２６は、主として作業機２の制御を行う。作業機コントローラ２６は、作業機操作部材３１の操作に応じて作業機２を動作させるための制御信号を生成して、作業機制御装置２７に出力する。作業機制御装置２７は比例制御弁３７を有しており、作業機コントローラ２６からの制御信号に基づいて比例制御弁３７が制御される。作業機コントローラ２６からの制御信号に応じた流量の作動油が比例制御弁３７から流出され、油圧シリンダ１０−１２に供給される。油圧シリンダ１０−１２は、比例制御弁３７から供給された作動油に応じて駆動される。これにより、作業機２が動作する。
【００２７】
１−２．作業可能範囲表示装置２８の構成
作業可能範囲表示装置２８は、案内画面上に油圧ショベル２の作業可能範囲７６を表示する装置である。案内画面は、作業エリア内の目標作業対象まで油圧ショベル１００を誘導するための画面である。作業可能範囲表示装置２８は、上述した第１〜第３ストロークセンサ１６−１８、３次元位置センサ２３、傾斜角センサ２４のほかに、表示入力装置３８と、表示コントローラ３９とを有している。
【００２８】
表示入力装置３８は、タッチパネル式の入力部４１と、ＬＣＤなどの表示部４２とを有する。表示入力装置３８は、作業エリア内の目標作業対象まで油圧ショベル１００を誘導するための案内画面を表示する。また、案内画面には、各種のキーが表示される。オペレータは、案内画面上の各種のキーに触れることにより、作業可能範囲表示装置２８の各種の機能を実行させることができる。案内画面については後に詳細に説明する。
【００２９】
表示コントローラ３９は、作業可能範囲表示装置２８の各種の機能を実行する。表示コントローラ３９は、ＲＡＭやＲＯＭなどの記憶部４３や、ＣＰＵなどの演算部４４を有している。記憶部４３は、作業機データを記憶している。作業機データは、上述したブーム６の長さＬ１、アーム７の長さＬ２、バケット８の長さＬ３を含む。また、作業機データは、ブーム角θ１、アーム角θ２、バケット角θ３のそれぞれの最小値及び最大値を含む。表示コントローラ３９と作業機コントローラ２６とは、無線あるいは有線の通信手段により互いに通信可能となっている。表示コントローラ３９の記憶部４３には、作業エリア内の３次元の設計地形の形状及び位置を示す設計地形データが予め作成されて記憶されている。表示コントローラ３９は、設計地形データや上述した各種のセンサからの検出結果などのデータに基づいて、案内画面を表示入力装置３８に表示させる。具体的には、図４に示すように、設計地形は、三角形ポリゴンによってそれぞれ表現される複数の設計面４５によって構成されている。なお、図４では複数の設計面のうちの１つのみに符号４５が付されており、他の設計面の符号は省略されている。目標作業対象は、これらの設計面４５のうちの１つ、或いは、複数の設計面である。オペレータは、これらの設計面４５のうちの１つ、或いは、複数の設計面を目標面７０として選択する。表示コントローラ３９は、油圧ショベル１００を目標面７０まで誘導するための案内画面を表示入力装置３８に表示させる。
【００３０】
２．案内画面
２−１．案内画面の構成
図５に案内画面５２を示す。案内画面５２は、上面図５２ａと側面図５２ｂとを含む。
【００３１】
上面図５２ａは、作業エリアの設計地形と油圧ショベル１００の現在位置とを示す。上面図５２ａは、複数の三角形ポリゴンによって上面視による設計地形を表現している。また、目標作業対象として選択された目標面７０は、他の設計地形と異なる色で表示される。なお、図５では、油圧ショベル１００の現在位置が上面視による油圧ショベルのアイコン６１で示されているが、他のシンボルによって示されてもよい。
【００３２】
上面図５２ａには、油圧ショベル１００を目標面７０まで誘導するための情報が表示される。具体的には、方位インジケータ７１が表示される。方位インジケータ７１は、油圧ショベル１００に対する目標面７０の方向を示すアイコンである。さらに、上面図５２ａは、目標作業位置を示す情報と、油圧ショベル１００を目標面７０に対して正対させるための情報をさらに含んでいる。目標作業位置は、油圧ショベル１００が目標面７０に対して掘削を行うために最適な位置であり、目標面７０の位置と後述する作業可能範囲７６とから算出される。目標作業位置は、上面図５２ａにおいて直線７２で示されている。油圧ショベル１００を目標面７０に対して正対させるための情報は、正対コンパス７３として表示される。正対コンパス７３は、目標面７０に対する正対方向と油圧ショベル１００を旋回させるべき方向とを示すアイコンである。オペレータは、正対コンパス７３により、目標面７０への正対度を確認することができる。
【００３３】
側面図５２ｂは、設計面線７４と、目標面線７９と、側面視による油圧ショベル１００のアイコン７５と、作業機２の作業可能範囲７６と、目標作業位置を示す情報を含む。設計面線７４は、目標面７０以外の設計面４５の断面を示す。目標面線７９は目標面７０の断面を示す。設計面線７４と目標面線７９とは、図４に示すように、バケット８の先端Ｐ３の現在位置を通る平面７７と設計地形との交線８０を算出することにより求められる。目標面線７９は、設計面線７４と異なる色で表示される。なお、図５では線種を変えて設計面線７４と目標面線７９とを表現している。作業可能範囲７６は、作業機２による作業が可能な車両本体１の周囲の範囲を示す。作業可能範囲７６は、上述した作業機データから算出される。作業可能範囲７６の算出方法については後に詳細に説明する。側面図５２ｂに示される目標作業位置は、上述した上面図５２ａに示される目標作業位置に相当し、三角形のアイコン８１で示される。また、油圧ショベル１００の基準位置も三角形のアイコン８２によって示される。オペレータは、基準位置のアイコン８２が目標作業位置のアイコン８１と合致するように油圧ショベル１００を移動させる。
【００３４】
以上のように、案内画面５２は、目標作業位置を示す情報と油圧ショベル１００を目標面７０に対して正対させるための情報とを含む。このため、オペレータは、案内画面５２により、目標面７０に対して、作業を行うために最適な位置及び方向に油圧ショベル１００を配置することができる。従って、案内画面５２は、主として油圧ショベル１００の位置決めを行うときに参照される。
【００３５】
２−２．バケット先端の現在位置の算出方法
上述したように、目標面線７９はバケット８の先端の現在位置から算出される。表示コントローラ３９は、３次元位置センサ２３、第１〜第３ストロークセンサ１６−１８、傾斜角センサ２４などからの検出結果に基づき、グローバル座標系｛Ｘ，Ｙ，Ｚ｝でのバケット８の先端Ｐ３の現在位置を算出する。具体的には、バケット８の先端Ｐ３の現在位置は、次のようにして求められる。
【００３６】
まず、図６に示すように、上述したＧＮＳＳアンテナ２１の設置位置Ｐ１を原点とする車両本体座標系｛Ｘａ，Ｙａ，Ｚａ｝を求める。図６（ａ）は油圧ショベル１００の側面図である。図６（ｂ）は油圧ショベル１００の背面図である。ここでは、油圧ショベル１００の前後方向すなわち車両本体座標系のＹａ軸方向がグローバル座標系のＹ軸方向に対して傾斜しているものとする。また、車両本体座標系でのブームピン１３の座標は（０，Ｌｂ１，−Ｌｂ２）であり、予め表示コントローラ３９の記憶部４３に記憶されている。
【００３７】
３次元位置センサ２３はＧＮＳＳアンテナ２１，２２の設置位置Ｐ１，Ｐ２を検出する。検出された座標位置Ｐ１、Ｐ２から以下の（１）式よってＹａ軸方向の単位ベクトルが算出される。
Ｙａ＝（Ｐ１−Ｐ２）／｜Ｐ１−Ｐ２｜・・・（１）
図６（ａ）に示すように、ＹａとＺの２つのベクトルで表される平面を通り、Ｙａと垂直なベクトルＺ’を導入すると、以下の関係が成り立つ。
（Ｚ’，Ｙａ）＝０・・・（２）
Ｚ’＝（１−ｃ）Ｚ＋ｃＹａ・・・（３）
ｃは定数である。
（２）式および（３）式より、Ｚ’は以下の（４）式のように表される。
Ｚ’＝Ｚ＋｛（Ｚ，Ｙａ）／（（Ｚ，Ｙａ）−１）｝（Ｙａ−Ｚ）・・・（４）
さらに、ＹａおよびＺ’と垂直なベクトルをＸ’とすると、Ｘ’は以下の（５）式のようのように表される。
Ｘ’＝Ｙａ⊥Ｚ’・・・（５）
図６（ｂ）に示すように、車両本体座標系は、これをＹａ軸周りに上述したロール角θ４だけ回転させたものであるから、以下の（６）式のように示される。
【００３８】
・・・（６）
また、第１〜第３ストロークセンサ１６−１８の検出結果から、上述したブーム６、アーム７、バケット８の現在の傾斜角θ１、θ２、θ３が算出される。車両本体座標系内でのバケット８の先端Ｐ３の座標（ｘａｔ、ｙａｔ、ｚａｔ）は、傾斜角θ１、θ２、θ３およびブーム６、アーム７、バケット８の長さＬ１、Ｌ２、Ｌ３を用いて、以下の（７）〜（９）式により算出される。
ｘａｔ＝０・・・（７）
ｙａｔ＝Ｌｂ１＋Ｌ１ｓｉｎθ１＋Ｌ２ｓｉｎ（θ１＋θ２）＋Ｌ３ｓｉｎ（θ１＋θ２＋θ３）・・・（８）
ｚａｔ＝−Ｌｂ２＋Ｌ１ｃｏｓθ１＋Ｌ２ｃｏｓ（θ１＋θ２）＋Ｌ３ｃｏｓ（θ１＋θ２＋θ３）・・・（９）
なお、バケット８の先端Ｐ３は、車両本体座標系のＹａ−Ｚａ平面上で移動するものとする。
そして、グローバル座標系でのバケット８の先端Ｐ３の座標が以下の（１０）式から求められる。
Ｐ３＝ｘａｔ・Ｘａ＋ｙａｔ・Ｙａ＋ｚａｔ・Ｚａ＋Ｐ１・・・（１０）
図４に示すように、表示コントローラ３９は、上記のように算出したバケット８の先端Ｐ３の現在位置と、記憶部４３に記憶された設計地形データとに基づいて、３次元設計地形とバケット８の先端Ｐ３を通るＹａ−Ｚａ平面７７との交線８０を算出する。そして、表示コントローラ３９は、この交線のうち目標面７０を通る部分を上述した目標面線７９として案内画面５２に表示する。
【００３９】
２−３．作業可能範囲７６の算出方法
まず、作業可能範囲７６の算出方法について説明する前に、作業機２の最大リーチ長さＬｍａｘと最小リーチ長さＬｍｉｎについて説明する。最大リーチ長さＬｍａｘは、作業機２を最大に伸ばした状態での作業機２のリーチ長さである。なお、作業機２のリーチ長さは、ブームピン１３とバケット８の先端Ｐ３との間の距離である。図７に、作業機２の長さが最大リーチ長さＬｍａｘとなるときの作業機２の姿勢（以下、「最大リーチ姿勢」と呼ぶ）を模式的に示す。図７に示す座標平面Ｙｂ−Ｚｂは、上述した車両本体座標系｛Ｘａ，Ｙａ，Ｚａ｝においてブームピン１３の位置を原点としたものである。最大リーチ姿勢では、アーム角θ２は最小値となる。また、バケット角θ３は、作業機２のリーチ長さが最大となるように、パラメータ最適化のための数値解析によって算出される。このときのバケット角θ３の値を以下、「最大リーチ角」と呼ぶ。
【００４０】
最小リーチ長さＬｍｉｎは、作業機２を最小に縮めた状態での作業機２のリーチ長さである。図８に、作業機２の長さが最小リーチ長さＬｍｉｎとなるときの作業機２の姿勢（以下、「最小リーチ姿勢」と呼ぶ）を模式的に示す。最小リーチ姿勢では、アーム角θ２は最大値となる。また、バケット角θ３は、作業機２のリーチ長さが最小となるように、パラメータ最適化のための数値解析によって算出される。このときのバケット角θ３の値を以下、「最小リーチ角」と呼ぶ。
【００４１】
次に、表示コントローラ３９によって実行される作業可能範囲７６の算出方法を示すフローを図９に示す。まず、ステップＳ１で現在位置が検出される。ここでは、位置検出部１９からの検出信号によって、車両本体１の現在位置が検出される。また、車両本体１の現在位置から、バケットピン１３の現在位置やバケット８の先端Ｐ３の現在位置が算出される。ステップＳ２では、傾斜角が検出される。ここでは、上述した傾斜角センサ２４からの検出信号によって、ピッチ角θ５が検出される。
【００４２】
ステップＳ３では、到達可能範囲８３が算出される。到達可能範囲８３は、図１０に示すように、作業機２が届くことができる範囲を示す。到達可能範囲８３は、上述した作業機データと車両本体１の現在位置とから算出される。到達可能範囲８３の境界線は、複数の円弧Ａ１−Ａ４を含む。例えば、到達可能範囲８３の境界線は、第１円弧Ａ１から第４円弧Ａ４を含む。第１円弧Ａ１は、アーム角θ２が最小値、バケット角θ３が最大リーチ角で、ブーム角θ１が最小値と最大値との間で変化するときのバケット８の先端が描く軌跡である。第２円弧Ａ２は、ブーム角θ１が最大、バケット角θ３が０°で、アーム角θ２が最小値と最大値との間で変化するときのバケット８の先端が描く軌跡である。第３円弧Ａ３は、アーム角θ２が最大値、バケット角θ３が最小リーチ角で、ブーム角θ１が最小値と最大値との間で変化するときのバケット８の先端が描く軌跡である。第４円弧Ａ４は、ブーム角θ１が最小値、バケット角θ３が０°で、アーム角θ２が最小値と最大値との間で変化するときのバケット８の先端が描く軌跡である。
【００４３】
ステップＳ４では、境界線８４が算出される。具体的には、図１１に示すように、グローバル座標系における鉛直方向すなわちＺ軸に平行な境界線８４が算出される。従って、車両本体１が水平な場合には、境界線８４は車両本体座標系でのＺｂ軸と平行であり、履帯５ａ，５ｂの前端を通るように設定される。また、図１２に示すように、車両本体１が前傾している場合には、境界線８４は、車両本体座標系でのＺｂ軸に対してピッチ角θ５だけ傾くように設定される。
【００４４】
ステップＳ５では、車両本体１が水平又は前傾であるか否かが判定される。ここでは、上述した傾斜角センサ２４からの検出信号により、車両本体１が水平又は前傾であるか否かが判定される。車両本体１が水平又は前傾である場合にはステップＳ７に進む。車両本体１が水平又は前傾ではない場合には、ステップＳ６へ進む。すなわち、車両本体１が後傾している場合には、ステップＳ６へ進む。
【００４５】
ステップＳ６では、境界線８４が補正される。ここでは、図１３に示すように、車両本体１が載置される地盤面ＧＬと境界線８４とのなす角が９０度になるように、境界線８４が補正される。従って、境界線８４は、グローバル座標系でのＺ軸に対してピッチ角θ５だけ傾くように設定される。
【００４６】
ステップＳ７では、作業可能範囲７６が算出される。作業可能範囲７６は、到達可能範囲８３から車両本体１の下方に位置する車両下部領域８６を除いた範囲である。具体的には、到達可能範囲８３のうちステップＳ４又はステップＳ６で算出された境界線８４よりも後方に位置する部分が車両下部領域８６として到達可能範囲８３から除かれる。
【００４７】
３．特徴
本実施形態に係る油圧ショベル１００では、図１１に示すように、車両本体１が水平である場合には、作業可能範囲７６と車両下部領域８６との境界線８４がグローバル座標系における鉛直方向すなわちＺ軸に平行な方向に設定される。また、図１２に示すように、車両本体１が前傾している場合にも、境界線８４がグローバル座標系における鉛直方向に維持するように設定される。このため、車両本体１が前傾していても、車両本体１の下方に位置する領域が、作業可能範囲７６に含まれることが抑えられる。
【００４８】
一方、図１３に示すように、車両本体１が後傾している場合にも、境界線がグローバル座標系における鉛直方向に維持するように設定されると（図１３の二点差線８４’参照）、車両本体１が載置されている地盤面ＧＬと境界線８４’とのなす角が鋭角となる。このような作業可能範囲に従って掘削を行うと、掘削された地盤面ＧＬの先端部が崩れやすくなる。そこで、本実施形態に係る油圧ショベル１００では、車両本体１が後傾している場合には、車両本体１が載置される地盤面ＧＬと境界線８４とのなす角が９０度になるように、境界線８４が補正される。これにより、掘削された地盤面ＧＬの先端部が鋭角となることが抑えられる。以上より、本発明では、本発明車両本体１の姿勢が傾いていても適切な作業可能範囲７６を表示することができる。
【００４９】
５．他の実施形態
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、作業可能範囲表示装置２８の機能の一部、或いは、全てが、油圧ショベル１００の外部に配置されたコンピュータによって実行されてもよい。上記の実施形態では作業機２は、ブーム６、アーム７、バケット８を有しているが、作業機２の構成はこれに限られない。
【００５０】
上記の実施形態では、第１〜第３ストロークセンサ１６−１８によって、ブーム６、アーム７、バケット８の傾斜角を検出しているが、傾斜角の検出手段はこれらに限られない。例えば、ブーム６、アーム７、バケット８の傾斜角を検出する角度センサが備えられてもよい。
【００５１】
上記の実施形態では、車両本体１が後傾しているときには、車両本体１が載置される地盤面ＧＬと境界線８４とのなす角が９０度になるように、境界線８４が補正される。しかし、地盤面ＧＬと境界線８４とのなす角が９０度より大きい鈍角となるように、境界線８４が補正されてもよい。
【００５２】
上記の実施形態では、境界線８４は履帯５ａ，５ｂの前端を通るように設定されている。しかし、図１４に示すように、履帯５ａ，５ｂの前端から所定距離Ｄだけ前方の位置を通るように境界線８４が設定されてもよい。すなわち、本発明において、車両下部領域とは、車両本体の直下の領域のみに限らず、車両本体よりも前方に位置する領域を含んでもよい。また、車両下部領域は、車両本体の直下の領域を全て含むのではなく、その一部を含まないものであってもよい。すなわち、境界線は覆帯の先端よりも、多少、後方に位置していてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明は、車両本体の姿勢が傾いていても適切な作業可能範囲を表示することができる油圧ショベルの作業可能範囲表示装置を提供することができる。
【符号の説明】
【００５４】
１ 車両本体
２ 作業機
２８ 作業可能範囲表示装置
４２ 表示部
４４ 演算部
７６ 作業可能範囲
８４ 境界線
８６ 車両下部領域
１００ 油圧ショベル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
作業機と車両本体とを有する油圧ショベルの作業可能範囲表示装置であって、
前記作業機が届くことができる範囲を示す到達可能範囲から前記車両本体の下方に位置する車両下部領域を除いた作業可能範囲を算出する演算部と、
前記作業可能範囲を表示する表示部と、
を備え、
前記演算部は、前記車両本体の傾きに応じて前記作業可能範囲と前記車両下部領域との境界線を設定する、
油圧ショベルの作業可能範囲表示装置。
【請求項２】
前記演算部は、前記車両本体が水平な場合には、前記作業可能範囲と前記車両下部領域との境界線をグローバル座標系における鉛直方向に設定する、
請求項１に記載の油圧ショベルの作業可能範囲表示装置。
【請求項３】
前記演算部は、前記車両本体が前傾している場合には、前記作業可能範囲と前記車両下部領域との境界線をグローバル座標系における鉛直方向に維持するように設定する、
請求項１に記載の油圧ショベルの作業可能範囲表示装置。
【請求項４】
前記演算部は、前記車両本体が後傾している場合には、前記車両本体が載置される地盤面と前記境界線とのなす角が９０度以上になるように、前記作業可能範囲と前記車両下部領域との境界線を補正する、
請求項１に記載の油圧ショベルの作業可能範囲表示装置。
【請求項５】
前記境界線は、前記車両本体の走行装置の履帯の前端を通る、
請求項１から４のいずれかに記載の油圧ショベルの作業可能範囲表示装置。
【請求項６】
前記境界線は、前記車両本体の走行装置の履帯の前端から所定距離だけ前方の位置を通る、
請求項１から４のいずれかに記載の油圧ショベルの作業可能範囲表示装置。
【請求項７】
作業機と車両本体とを有する油圧ショベルの作業可能範囲表示装置の制御方法であって、
前記作業機が届くことができる範囲を示す到達可能範囲から前記車両本体の下方に位置する車両下部領域を除いた作業可能範囲を算出するステップと、
前記作業可能範囲を表示するステップと、
を備え、
前記作業可能範囲を算出するステップにおいて、前期車両本体の傾きに応じて前記作業可能範囲と前記車両下部領域との境界線を設定する、
油圧ショベルの作業可能範囲表示装置の制御方法。
【請求項８】
前記作業可能範囲を算出するステップにおいて、前記車両本体が水平な場合には、前記作業可能範囲と前記車両下部領域との境界線をグローバル座標系における鉛直方向に設定する、
請求項７に記載の油圧ショベルの作業可能範囲表示装置の制御方法。
【請求項９】
前記作業可能範囲を算出するステップにおいて、前記車両本体が前傾している場合には、前記作業可能範囲と前記車両下部領域との境界線をグローバル座標系における鉛直方向に維持するように設定する、
請求項７に記載の油圧ショベルの作業可能範囲表示装置の制御方法。
【請求項１０】
前記作業可能範囲を算出するステップにおいて、前記車両本体が後傾している場合には、前記車両本体が載置される地盤面と前記境界線とのなす角が９０度以上になるように、前記作業可能範囲と前記車両下部領域との境界線を補正する、
請求項７に記載の油圧ショベルの作業可能範囲表示装置の制御方法。
【請求項１】
作業機と車両本体とを有する油圧ショベルの作業可能範囲表示装置であって、
前記作業機が届くことができる範囲を示す到達可能範囲から前記車両本体の下方に位置する車両下部領域を除いた作業可能範囲を算出する演算部と、
前記作業可能範囲を表示する表示部と、
を備え、
前記演算部は、前記車両本体の傾きに応じて前記作業可能範囲と前記車両下部領域との境界線を設定する、
油圧ショベルの作業可能範囲表示装置。
【請求項２】
前記演算部は、前記車両本体が水平な場合には、前記作業可能範囲と前記車両下部領域との境界線をグローバル座標系における鉛直方向に設定する、
請求項１に記載の油圧ショベルの作業可能範囲表示装置。
【請求項３】
前記演算部は、前記車両本体が前傾している場合には、前記作業可能範囲と前記車両下部領域との境界線をグローバル座標系における鉛直方向に維持するように設定する、
請求項１に記載の油圧ショベルの作業可能範囲表示装置。
【請求項４】
前記演算部は、前記車両本体が後傾している場合には、前記車両本体が載置される地盤面と前記境界線とのなす角が９０度以上になるように、前記作業可能範囲と前記車両下部領域との境界線を補正する、
請求項１に記載の油圧ショベルの作業可能範囲表示装置。
【請求項５】
前記境界線は、前記車両本体の走行装置の履帯の前端を通る、
請求項１から４のいずれかに記載の油圧ショベルの作業可能範囲表示装置。
【請求項６】
前記境界線は、前記車両本体の走行装置の履帯の前端から所定距離だけ前方の位置を通る、
請求項１から４のいずれかに記載の油圧ショベルの作業可能範囲表示装置。
【請求項７】
作業機と車両本体とを有する油圧ショベルの作業可能範囲表示装置の制御方法であって、
前記作業機が届くことができる範囲を示す到達可能範囲から前記車両本体の下方に位置する車両下部領域を除いた作業可能範囲を算出するステップと、
前記作業可能範囲を表示するステップと、
を備え、
前記作業可能範囲を算出するステップにおいて、前期車両本体の傾きに応じて前記作業可能範囲と前記車両下部領域との境界線を設定する、
油圧ショベルの作業可能範囲表示装置の制御方法。
【請求項８】
前記作業可能範囲を算出するステップにおいて、前記車両本体が水平な場合には、前記作業可能範囲と前記車両下部領域との境界線をグローバル座標系における鉛直方向に設定する、
請求項７に記載の油圧ショベルの作業可能範囲表示装置の制御方法。
【請求項９】
前記作業可能範囲を算出するステップにおいて、前記車両本体が前傾している場合には、前記作業可能範囲と前記車両下部領域との境界線をグローバル座標系における鉛直方向に維持するように設定する、
請求項７に記載の油圧ショベルの作業可能範囲表示装置の制御方法。
【請求項１０】
前記作業可能範囲を算出するステップにおいて、前記車両本体が後傾している場合には、前記車両本体が載置される地盤面と前記境界線とのなす角が９０度以上になるように、前記作業可能範囲と前記車両下部領域との境界線を補正する、
請求項７に記載の油圧ショベルの作業可能範囲表示装置の制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１２−２１５０７０（Ｐ２０１２−２１５０７０Ａ）
【公開日】平成２４年１１月８日（２０１２．１１．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１７１８０１（Ｐ２０１２−１７１８０１）
【出願日】平成２４年８月２日（２０１２．８．２）
【分割の表示】特願２０１１−３６１９９（Ｐ２０１１−３６１９９）の分割
【原出願日】平成２３年２月２２日（２０１１．２．２２）
【出願人】（０００００１２３６）株式会社小松製作所 (1,686)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月８日（２０１２．１１．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年８月２日（２０１２．８．２）
【分割の表示】特願２０１１−３６１９９（Ｐ２０１１−３６１９９）の分割
【原出願日】平成２３年２月２２日（２０１１．２．２２）
【出願人】（０００００１２３６）株式会社小松製作所 (1,686)
【Ｆターム（参考）】
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