JP6779759B2

JP6779759B2 - 建設機械

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Publication number: JP6779759B2
Application number: JP2016226255A
Authority: JP
Inventors: 秀一森木; 坂本　博史; 博史坂本; 枝村　学; 学枝村
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2016-11-21
Filing date: 2016-11-21
Publication date: 2020-11-04
Anticipated expiration: 2036-11-21
Also published as: US20190284783A1; EP3543409A1; CN109642409A; CN109642409B; KR20190032538A; JP2018084042A; WO2018092533A1; EP3543409B1; EP3543409A4; US11091900B2; KR102210871B1

Description

本発明は、建設機械に関し、特に、掘削作業においてオペレータの操作を支援する技術分野に関する。

建設機械によって元の地形を３次元の目標地形に施工する際、掘削作業において、オペレータの操作を支援する掘削支援装置が知られている。例えば、従来の施工に用いられていた丁張りに替えて、目標地形と作業機（例えばバケットなど）の位置関係をモニタ上に表示するマシンガイダンスや、目標地形と作業機の位置との偏差に応じて建設機械を半自動で制御するマシンコントロール等である。

これらの掘削支援装置は、作業機の寸法を基に、姿勢センサによって取得した作業機の姿勢に応じて作業機の作業点の位置を演算する。例えば図１に示すように、ブームフートピン位置を原点Ｏとし、車体に対して前方をｘ軸、上方をｚ軸として、作業要素である各リンク（ブーム、アーム、バケット）の角度θ_ＢＭ，θ_ＡＭ，θ_ＢＫに応じて、作業点であるバケットつめ先Wの位置（Ｗ_ｘ，Ｗ_ｚ）を演算する。

作業点の位置の演算精度は、機構ガタの影響を受ける。一般に各リンクの揺動中心にあるピンとピン穴の間にはクリアランスが設けられており、外力によってリンクの揺動中心が偏心することで機構ガタが生じる。例えば、姿勢センサとして、各リンクを駆動するアクチュエータのストロークを検出するストロークセンサを用いた場合、機構ガタの影響により、ストロークからリンク角度を求める演算に誤差が生じる。よって、作業点の位置を精度良く演算するためには、リンクの揺動中心に作用する負荷の方向から、偏心の方向を検出または演算する必要がある。

特許文献１には、姿勢センサに加えて負荷センサを備え、姿勢センサと負荷センサの信号に基づき作業点の位置を演算する制御システムが開示されている。特許文献１に記載の制御システムでは、揺動中心のクリアランスと、負荷センサの信号に基づき演算した負荷の方向とに応じて各リンクの相対角度を補正することで、作業点の位置の演算精度を向上させている。

米国特許第６９３４６１６号明細書

しかしながら、特許文献１に記載の制御システムでは、重力の方向が車体に対して下方であることを前提に各リンクに作用する外力を演算するため、例えば、車体が傾斜した場合には、負荷の方向に誤差が生じ、これによって作業点の位置の演算精度が低下するという課題がある。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、作業点の位置の演算精度が高い建設機械を提供することにある。

上記目的を達成するため、代表的な本発明は、車体と、前記車体に設けられ、揺動自在な複数の作業要素を有する作業機と、前記作業機を駆動する複数の油圧アクチュエータと、前記複数の作業要素の対地角度を検出する複数の対地角度センサと、オペレータの掘削作業を支援するための情報を生成する情報処理装置を含む掘削支援装置と、を備えた建設機械であって、前記複数の対地角度センサは、それぞれ少なくとも２軸の加速度センサを備え、前記情報処理装置は、前記複数の対地角度センサからの２次元の加速度情報に基づいて、前記複数の作業要素のうち少なくとも１つの作業要素の揺動中心における負荷方向を含む負荷情報を取得する負荷情報取得部と、前記複数の対地角度センサからの前記２次元の加速度情報と、前記負荷情報取得部で取得された負荷情報とに基づいて、前記作業機の作業点の位置を演算する作業点位置演算部と、前記複数の対地角度センサからの前記２次元の加速度情報に基づいて、前記複数の作業要素のそれぞれの前記対地角度を演算する角度演算部と、前記複数の作業要素のそれぞれの寸法情報を予め記憶する寸法記憶部と、を含み、前記作業点位置演算部は、前記負荷情報取得部からの前記負荷情報に加えて、前記寸法記憶部に記憶されている前記寸法情報と、前記角度演算部にて演算された前記対地角度とに基づいて、前記作業機の作業点の位置を演算することを特徴とする。

本発明によれば、作業点の位置の演算精度が高い建設機械を提供することができる。なお、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。

各リンクの角度とバケットのつめ先位置との関係を説明する図である。本発明の第１実施形態に係る建設機械を示す斜視図である。図２に示す建設機械に搭載された掘削支援装置を示す構成図である。図３に示す情報処理装置の詳細構成を示すブロック図である。ブームに作用する外力の演算を説明するための図である。アームに作用する外力の演算を説明するための図である。バケットの回転方向の演算を説明する図である。本発明の第２実施形態に係る建設機械に搭載された掘削支援装置の情報処理装置の詳細構成を示すブロック図である。図８に示す寸法設定部が行う演算処理の手順を示すフローチャートである。本発明と従来技術との作業点の演算精度の違いを説明するための図である。

＜第１実施形態＞
以下、本発明に係る建設機械の実施形態を、図面を用いて説明する。図２は本発明の第１実施形態に係る建設機械を示す斜視図である。図２に示すように、本実施形態に係る建設機械は、車体である下部走行体９及び上部旋回体１０と、作業機１５とを備えている。下部走行体９は左右のクローラ式走行装置を有し、左右の走行油圧モータ３ｂ、３ａ（左側３ｂのみ図示）により駆動される。上部旋回体１０は下部走行体９上に旋回可能に搭載され、旋回油圧モータ４により旋回駆動される。上部旋回体１０には、原動機としてのエンジン１４と、エンジン１４により駆動される油圧ポンプ装置２とを備えている。

作業機１５は、上部旋回体１０の前部に揺動可能に取り付けられている。上部旋回体１０には運転室が備えられ、運転室内には走行用右操作レバー装置１ａ、走行用左操作レバー装置１ｂ、作業機１５の動作及び上部旋回体１０の旋回動作を指示するための右操作レバー装置１ｃ、左操作レバー装置１ｄ等の操作装置が配置されている。

作業機１５は、揺動自在な作業要素であるブーム１１、アーム１２、バケット８を有する多関節構造であり、ブーム１１はブームシリンダ５の伸縮により上部旋回体１０に対して上下方向に揺動し、アーム１２はアームシリンダ６の伸縮によりブーム１１に対して上下及び前後方向に揺動し、バケット８はバケットシリンダ７の伸縮によりアーム１２に対して上下及び前後方向に揺動する。また、ブームシリンダ５には、ブームシリンダ５のボトム側圧力を検出するブームボトム圧力センサ１７ａと、ブームシリンダ５のロッド側圧力を検出するブームロッド圧力センサ１７ｂと、が備えられている。また、アームシリンダ６には、アームシリンダ６のボトム側圧力を検出するアームボトム圧力センサ１７ｃが備えられている。

作業機１５の任意の点の位置を算出するために、建設機械は、上部旋回体１０とブーム１１との連結部近傍に設けられ、ブーム１１の水平面に対する角度（ブーム角度）を検出する第１対地角度センサ１３ａと、ブーム１１とアーム１２との連結部近傍に設けられ、アーム１２の水平面に対する角度（アーム角度）を検出する第２対地角度センサ１３ｂと、アーム１２とバケット８とを連結するバケットリンク８ａに設けられ、バケットリンク８ａの水平面に対する角度（バケット角度）を検出する第３対地角度センサ１３ｃと、水平面に対する上部旋回体１０の傾斜角度（ロール角、ピッチ角）を検出する車体対地角度センサ１３ｄと、を備えている。

姿勢センサの一例である対地角度センサ１３ａ〜１３ｄは、それぞれ少なくとも２軸の加速度センサを備えており、対地角度と負荷の方向を検出することができる。これらの対地角度センサ１３ａ〜１３ｄが検出した姿勢センサ信号と、圧力センサの一例である前述のブームボトム圧力センサ１７ａ、ブームロッド圧力センサ１７ｂ、アームボトム圧力センサ１７ｃの信号とは、後述する情報処理装置１００に入力されている。なお、対地角度センサ１３ａ〜１３ｄから出力される各姿勢センサ信号は少なくとも２次元の加速度ベクトルである。

コントロールバルブ２０は、油圧ポンプ装置２から上述した旋回油圧モータ４、ブームシリンダ５、アームシリンダ６、バケットシリンダ７、及び左右の走行油圧モータ３ｂ、３ａ等の油圧アクチュエータのそれぞれに供給される圧油の流れ（流量と方向）を制御するものである。なお、本実施形態では、ブームシリンダ５、アームシリンダ６に圧力センサ１７ａ〜１７ｃを備える構成として説明するが、コントロールバルブ２０やコントロールバルブ２０とそれぞれのシリンダ５、６の途中の配管に圧力センサ１７ａ〜１７ｃを設けても良い。

[建設機械の掘削支援装置]
図３は図２に示す建設機械に搭載された掘削支援装置を示す構成図である。図３において、建設機械の掘削支援装置４００は、オペレータの掘削作業を支援するための情報を生成する情報処理装置１００と、オペレータに掘削作業の支援情報を表示する、例えば液晶パネルなどの表示装置２００とを含む。情報処理装置１００は、例えば図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit）と、ＣＰＵによる処理を実行するための各種プログラムを格納するＲＯＭ（Read Only Memory）やＨＤＤ（Hard Disc Drive）などの記憶装置と、ＣＰＵがプログラムを実行する際の作業領域となるＲＡＭ（Random Access Memory）と、を含むハードウェアを用いて構成されている。

情報処理装置１００は、第１対地角度センサ１３ａ、第２対地角度センサ１３ｂ、第３対地角度センサ１３ｃ、及び車体対地角度センサ１３ｄからそれぞれ第１姿勢センサ信号、第２姿勢センサ信号、第３姿勢センサ信号、及び車体姿勢センサ信号を受信し、ブームボトム圧力センサ１７ａ、ブームロッド圧力センサ１７ｂからそれぞれブームボトム圧、ブームロッド圧を受信し、アームボトム圧力センサ１７ｃからアームボトム圧を受信し、設計データ入力装置１８から設計面情報を受信し、演算結果を表示装置２００へ送信する。なお、情報処理装置１００で行う演算の詳細は後述するが、表示装置２００で行う演算は従来技術と同様であるため、その詳細な説明を省略する。

[情報処理装置]
図４は、図３に示す情報処理装置１００の詳細構成を示すブロック図である。図４に示すように、情報処理装置１００は、寸法記憶部１１０と、角度演算部１２０と、負荷情報取得部１３０と、目標面情報設定部１４０と、作業点位置演算部１５０と備えている。

寸法記憶部１１０は、作業機１５の寸法情報Ｌ、∠、及び作業機１５の各揺動中心の偏心量情報δを予め記憶しており、負荷情報取得部１３０と、作業点位置演算部１５０とに情報Ｌ、∠、δを出力する。

角度演算部１２０は、各対地角度センサ１３ａ〜１３ｄからの各姿勢センサ信号ａを入力し、ブーム１１、アーム１２、バケットリンク８ａ、及び上部旋回体１０の対地角度θを負荷情報取得部１３０と作業点位置演算部１５０へ出力する。角度演算部１２０において、対地角度θを演算するため、例えば式（１）を用いる。
ここで、ｉ＝１、２、３はそれぞれブーム１１、アーム１２、及びバケット８であり、ａ_ｉｘ、ａ_ｉｚはそれぞれの加速度ベクトル成分である。なお、対地角度θの演算方法はこれに限らず、対地角度センサとしてジャイロを備えたものを用いて、公知のセンサフュージョンなどにより対地角度θを演算してもよい。

負荷情報取得部１３０は、各対地角度センサ１３ａ〜１３ｄからの各姿勢センサ信号ａと、圧力センサ１７ａ〜１７ｃからの圧力センサ信号Ｐと、寸法記憶部１１０からの寸法情報Ｌ、∠と、角度演算部１２０からのブーム１１、アーム１２、及びバケットリンク８ａの対地角度θと、目標面情報設定部１４０からの目標面情報Ｌs、θsを入力し、ブーム１１、アーム１２、及びバケット８に作用する負荷情報Ｆを作業点位置演算部１５０へ出力する。負荷情報取得部１３０で行う演算の詳細は後述する。

目標面情報設定部１４０は、設計データ入力装置１８からの設計面情報と、作業点位置演算部１５０からの作業点Ｗの位置情報を入力し、複数ある設計面のうち、作業点Ｗに最も近い設計面を目標面として抽出し、車体の基準点（例えば旋回中心のブームフートピン高さを示す点）に対する目標面の距離Ｌsと角度θsを目標面情報として、負荷情報取得部１３０と表示装置２００へ出力する。

作業点位置演算部１５０は、寸法記憶部１１０からの作業機１５の寸法情報Ｌ、∠及び偏心量情報δと、角度演算部１２０からのブーム１１、アーム１２、バケットリンク８ａ、及び上部旋回体１０の対地角度θと、負荷情報取得部１３０からのブーム１１、アーム１２、及びバケット１３に作用する負荷情報Ｆと、を入力し、作業点Ｗの位置を演算し、表示装置２００と目標面情報設定部１４０へ出力する。作業点位置演算部１５０で行う演算の詳細は後述する。

[負荷情報取得部]
負荷情報取得部１３０で行う演算を図５〜７を用いて説明する。図５はブーム１１に作用する外力の演算を説明するための図、図６はアーム１２に作用する外力を説明するための図、図７はバケット８の回転方向の演算を説明するための図である。図５に示す矢印は、ブーム１１に作用する外力を表している。Ｇ１はブーム１１の重心位置であり、Ｇ１には重力Ｆ_Ｇ１が作用する。重力Ｆ_Ｇ１は、姿勢センサ信号ａである加速度ベクトルａ_Ｇ１にブーム１１の質量をかけて演算する。Ｆ_ｂｍ、Ｆ_ａｍはそれぞれブームシリンダ５、アームシリンダ６の推力であり、各圧力センサ信号Ｐと各シリンダ５、６の有効面積をかけて演算する。

なお、本実施形態では、アームクラウドによる掘削時のみを演算の対象とし、アームシリンダ６のロッド圧は０として演算するが、アームダンプ時も演算の対象とする場合は、アームシリンダ６のロッド圧を取得するのが良い。Ｆ_Ｂ、Ｆ_Ｅはそれぞれブーム１１の揺動中心Ｂ、アーム１２の揺動中心Ｅに作用する外力である。点Ｂを原点、点ＢからＥへの方向をｘ軸としたときのこれらの力のつり合いは式（２）で表される。

ここで、各外力の上付きの添え字は、座標系のｘ軸を表す。

また、点Ｂ周りのモーメントのつり合いは式（３）で表される。

Ｆ_Ｂ、Ｆ_Ｅは未知数であり、式（２）、（３）だけでは演算することができない。そこで、アーム１２に作用する外力も合わせて演算する。図６に示す矢印は、アーム１２に作用する外力を表している。Ｇ２はアーム１２の重心位置であり、Ｇ２には重力Ｆ_Ｇ２が作用する。重力Ｆ_Ｇ２は、姿勢センサ信号ａである加速度ベクトルａ_Ｇ２にアーム１２の質量をかけて求める。Ｆ_Ｅ、Ｆ_Ｋは、それぞれアーム１２の揺動中心Ｅ、バケット８の揺動中心Ｋに作用する外力である。点Ｅを原点、点ＦからＥへの方向をｘ軸としたときのこれらの力のつり合いは式（４）で表される。

また、点Ｅ周りのモーメントのつり合いは次式で表される。
ここで、Ｆ_Ｅはブーム１１とアーム１２とに相互に作用する外力であり、互いに逆方向に作用する。

点Ｂを原点とする座標系と点Ｅを原点とする座標系との間でのＦ_Ｅの座標変換は式（６）で表される。

式（４）（５）及び式（６）のｚ成分を合わせて整理すると式（７）となる。

ここで、右辺のＦ^ＢＥ _Ｅｚは式（３）を変形して、Ｍ_ａｍＧは式（５）の左辺第１項から第３項であることから、それぞれ式（８）、（９）を用いて演算できる。

以上により、式（７）から外力Ｆ_Ｅ、Ｆ_Ｋを演算した後、式（２）を用いて、Ｆ_Ｂを演算することでブーム１１、アーム１２、及びバケット８の揺動中心に作用する外力が分かる。なお、本実施形態では、姿勢センサ信号ａである加速度ベクトルを基に重力Ｆ_Ｇ１、Ｆ_Ｇ２を演算するので、車体（すなわち、下部走行体９及び上部旋回体１０）が傾斜した場合であっても、ブーム１１、アーム１２、及びバケット８の揺動中心に作用する外力を精度良く演算できる。

なお、本実施形態では説明を簡略化するため、バケット８に作用する外力を合わせて演算しなかったが、バケットシリンダ７に圧力センサを備えて、バケットシリンダ７の推力も考慮して、バケット８に作用する外力を合わせて演算してもよい。

次に図７を用いて、負荷情報取得部１３０で行うバケット８の回転方向の演算を説明する。図７に示す一点鎖線は目標面を示し、点線矢印は機構ガタによって意図せず生じるバケット８の回転方向を示す。図７（ａ）に示すように、バケット８の揺動中心Ｋから目標面に下ろした垂線と目標面との交点Ｑよりも、作業点Ｗがアーム揺動中心Ｅから遠ければダンプ方向にバケット８が回転していると判断する。また、図７（ｂ）に示すように、バケット８の揺動中心Ｋから目標面に下ろした垂線と目標面との交点Ｑよりも、作業点Ｗがアーム揺動中心Ｅから近ければクラウド方向にバケット８が回転していると判断する。

以上により、バケットシリンダ７に圧力センサを備えていない場合であっても、目標面の角度に基づき、バケット８の回転方向を簡易的に演算することができる。

[作業点位置演算部]
作業点位置演算部１５０では、角度演算部１２０からのブーム１１、アーム１２、バケットリンク８ａ、及び上部旋回体１０の対地角度θに基づき、作業点Ｗの位置を演算する。ここで、本実施形態では、対地角度センサ１３ａ、１３ｂ、１３ｄを用いて、直接、ブーム１１、アーム１２、及び上部旋回体１０の対地角度θを検出しているため、これらの角度は機構ガタによる影響を受けない。一方で、バケット１３の角度は、バケットリンク８ａの対地角度θを基に演算するため、機構ガタによる影響を受ける。そこで、まず、角度演算部１２０からのバケットリンク８ａの対地角度θ_ｂｋｌと、負荷情報取得部１３０からの機構ガタによるバケット８の回転方向とから、式（１０）を用いてバケット８の対地角度θ_ｂｋを演算する。

ただし、δ_Ｉ、δ_Ｊはそれぞれバケットリンク８ａの揺動中心Ｉ、Ｊ（図７参照）の偏心量であり、機構ガタによるバケット８の回転方向がクラウド方向である場合には正、ダンプ方向である場合には負の値を入力して演算する。これにより、機構ガタによるバケット８の対地角度θ_ｂｋへの変換誤差が補正される。

次に、角度演算部１２０からのブーム１１、アーム１２の対地角度θ_ｂｍ、θ_ａｍと、負荷情報取得部１３０からの負荷情報であるブーム１１、アーム１２、及びバケット８の揺動中心に作用する外力Ｆ_Ｂ、Ｆ_Ｅ、Ｆ_Ｋ、及び機構ガタによるバケット８の回転方向から、式（１１）を用いて作業点Ｗの位置を演算する。
ただし、上付きの添え字Ｂｏｄｙは上部旋回体１０を基準とした座標系を表す。また、δ_Ｂ、δ_Ｅ、δ_Ｋは寸法記憶部１１０から入力されたそれぞれブーム１１、アーム１２、及びバケット８の揺動中心Ｂ、Ｅ、Ｋの偏心量である。

また、θ_Ｂ、θ_Ｅ、θ_Ｋはブーム１１、アーム１２、及びバケット８の揺動中心Ｂ、Ｅ、Ｋに作用する外力の上部旋回体１０を基準にした方向を表しており、これらと逆方向に偏心量を足すことで、機構ガタによる並進方向の移動量を補正し、作業点Ｗの位置の演算精度を向上できる。

以上説明したように、第１実施形態によれば、少なくとも２軸の加速度センサを備えた対地角度センサ１３ａ〜１３ｄを用いることで、重力の方向や大きさを検出し、重力に応じて作業機１５の揺動中心Ｂ、Ｅ、Ｋに作用する外力を演算するので、車体が傾斜した場合であっても、機構ガタに起因する作業点Ｗの位置の演算精度を向上できる。また、作業機１５を駆動する２つ以上の油圧アクチュエータ（具体的には、ブームシリンダ５及びアームシリンダ６）の圧力を検出することで、掘削反力の大きさと方向を演算し、掘削反力によって作業機１５の揺動中心Ｂ、Ｅ、Ｋに作用する外力を演算し、機構ガタに起因する作業点Ｗの位置の演算精度を向上できる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態に係る建設機械について、図面を用いて説明する。ただし、第１実施形態と同じ構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。図８は、本発明の第２実施形態に係る建設機械に搭載された掘削支援装置の情報処理装置の詳細構成を示すブロック図である。図８に示すように、第２実施形態における情報処理装置３００は、第１実施形態における寸法記憶部１１０が寸法設定部１６０に入れ替わっており、寸法設定部１６０は、外部計測値と、各対地角度センサ１３ａ〜１３ｄからの各姿勢センサ信号ａと、負荷情報取得部１３０からの負荷情報Ｆとを入力し、作業機１５の寸法情報Ｌ、∠、及び作業機１５の各揺動中心の偏心量情報δを演算し、演算結果を負荷情報取得部１３０と、作業点位置演算部１５０とへ出力する。

ただし、外部計測値は、トータルステーションなどを用いて計測されたブーム１１、アーム１２、及びバケット８の揺動中心の座標であり、これらが入力されたときのみ、寸法設定部１６０は、作業機１５の寸法情報Ｌ、∠と各揺動中心の偏心量情報δとを演算し、入力されていないときは、前回演算した値を出力し続ける。

寸法設定部１６０で行う演算を、図９を用いて説明する。図９は、図８に示す寸法設定部１６０が行う演算処理の手順を示すフローチャートである。図９に示す処理は、作業機１５のリンク毎に行うが、ここではブーム１１を例に説明する。この場合、外部計測値は、ブーム１１の揺動中心の座標（Ｅ_Ｘ、Ｅ_Ｚ）と、アーム１２の揺動中心の座標（Ｂ_Ｘ、Ｂ_Ｚ）である。

寸法設定部１６０は、前回の外部計測値があるか否かを判定し（Ｓ１６０１）、前回の外部計測値がある場合（Ｓ１６０１／ＹＥＳ）は、前回の外部計測値が入力されたときと今回の外部計測値が入力されたときのブーム１１の揺動中心の負荷方向を比較する（Ｓ１６０２）。それぞれの負荷方向が逆向きである場合（Ｓ１６０２／ＹＥＳ）に、寸法設定部１６０は、後述するブーム１１の寸法値Ｌ_ＢＥを設定し（Ｓ１６０５）、同じく後述するブーム１１の揺動中心の偏心量δ_Ｂを設定する（Ｓ１６０６）。

一方、前回の外部計測値がない場合（Ｓ１６０１／ＮＯ）または負荷方向が逆向きでない場合（Ｓ１６０２／ＮＯ）には、寸法設定部１６０は、今回の外部計測値を記憶し（Ｓ１６０３）、今回の外部計測値が入力されたときのブーム１１の揺動中心の負荷方向を記憶する（Ｓ１６０４）。

ステップＳ１６０５では、今回の外部計測値と前回の外部計測値とから、式（１２）を用いてブーム１１の寸法値Ｌ_ＢＥを演算する。
ただし、ブーム１１、アーム１２それぞれの揺動中心Ｅ、Ｂの上付きの添え字は外部計測値が入力されたタイミングを表し、ｉ＝１が前回値、ｉ＝２が今回の外部計測値を表す。

ステップＳ１６０６では、今回の外部計測値と前回の外部計測値とから、式（１３）を用いてブーム１１の揺動中心の偏心量δ_Ｂを演算する。

なお、寸法設定部１６０で行う演算はこれに限らず、負荷方向をｎ個に分割して、ｎ回分の外部計測値から寸法と偏心量を演算してもよく、その場合はそれぞれ式（１４）、（１５）を用いる。
すなわち、ｎ回分の外部計測値の平均値から寸法を、ばらつきから偏心量を演算する。なお、式（１２）では標準偏差の２倍を偏心量としたが、１倍ないし３倍としてもよい。

以上、第２実施形態によれば、第１実施形態と同様の作用効果を奏することに加えて、外部計測値を用いて寸法と偏心量を設定し直すことにより、摩耗などによって偏心量が変化した場合であっても、作業点Ｗの位置の演算精度を維持することができる。また、負荷方向が異なる場合の外部計測値を用いて演算することにより、外部計測値の偏りを回避し、寸法と偏心量を正確に設定できる。

ここで、対地角度センサ１３ａ〜１３ｄからの姿勢センサ信号ａが同一であるとき、本発明を適用して作業点Ｗの位置を演算した場合と、従来技術（対地角度センサのみ）を用いて作業点Ｗの位置を演算した場合との違いを、図１０を用いて説明する。図１０は、本発明と従来技術との作業点Ｗの演算精度の違いを説明するための図である。図中の一点鎖線は目標面、矢印は作業機１５の進行方向を表す。従来技術で演算した結果、図中Ａに示すように目標面に対してバケット８のつめ先（作業点Ｗ）が接触していても、掘削時には作業機１５の進行方向と逆側かつ目標面から遠ざかる方向へ掘削反力が生じるため、実際には機構ガタの影響により図中Ｂに示すように目標面にバケット８のつめ先（作業点Ｗ’）が届いていない場合がある。

このときの作業点Ｗと作業点Ｗ’の高さ方向における誤差δ_Sは式（１６）で表せられる。
なお、θ_0bkは式（１０）でδ_Ｉ、δ_Ｊ＝０として計算した場合のバケット対地角度である。

以上説明したように、本発明を適用すると、負荷方向に応じた機構ガタを考慮して作業点Ｗの位置を演算することができるため、掘削反力による影響を抑えることができ、誤差δ_Sを除去することができる。よって、作業点Ｗの位置の演算精度が向上し、オペレータの作業支援に大きく貢献することとなる。また、精度良く演算された作業点Ｗに基づく作業支援情報を表示装置２００に表示させることができるため、オペレータの作業効率を向上させることができる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定するものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上述した実施形態は本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定するものではない。

５ブームシリンダ（油圧アクチュエータ）
６アームシリンダ（油圧アクチュエータ）
７バケットシリンダ（油圧アクチュエータ）
８バケット（作業要素）
９下部走行体（車体）
１０上部旋回体（車体）
１１ブーム（作業要素）
１２アーム（作業要素）
１３ａ第１対地角度センサ（対地角度センサ）
１３ｂ第２対地角度センサ（対地角度センサ）
１３ｃ第３対地角度センサ（対地角度センサ）
１３ｄ車体対地角度センサ（対地角度センサ）
１７ａブームボトム圧力センサ（圧力センサ）
１７ｂブームロッド圧力センサ（圧力センサ）
１７ｃアームボトム圧力センサ（圧力センサ）
１５作業機
１００情報処理装置
１１０寸法記憶部
１２０角度演算部
１３０負荷情報取得部
１４０目標面情報設定部
１５０作業点位置演算部
１６０寸法設定部
２００表示装置
３００情報処理装置
４００掘削支援装置

Claims

車体と、前記車体に設けられ、揺動自在な複数の作業要素を有する作業機と、前記作業機を駆動する複数の油圧アクチュエータと、前記複数の作業要素の対地角度を検出する複数の対地角度センサと、オペレータの掘削作業を支援するための情報を生成する情報処理装置を含む掘削支援装置と、を備えた建設機械であって、
前記複数の対地角度センサは、それぞれ少なくとも２軸の加速度センサを備え、
前記情報処理装置は、
前記複数の対地角度センサからの２次元の加速度情報に基づいて、前記複数の作業要素のうち少なくとも１つの作業要素の揺動中心における負荷方向を含む負荷情報を取得する負荷情報取得部と、
前記複数の対地角度センサからの前記２次元の加速度情報と、前記負荷情報取得部で取得された負荷情報とに基づいて、前記作業機の作業点の位置を演算する作業点位置演算部と、
前記複数の対地角度センサからの前記２次元の加速度情報に基づいて、前記複数の作業要素のそれぞれの前記対地角度を演算する角度演算部と、
前記複数の作業要素のそれぞれの寸法情報を予め記憶する寸法記憶部と、を含み、
前記作業点位置演算部は、前記負荷情報取得部からの前記負荷情報に加えて、前記寸法記憶部に記憶されている前記寸法情報と、前記角度演算部にて演算された前記対地角度とに基づいて、前記作業機の作業点の位置を演算することを特徴とする建設機械。
請求項１に記載の建設機械であって、
前記複数の油圧アクチュエータの圧力を検出する複数の圧力センサをさらに備え、
前記情報処理装置は、
外部から入力される設計面の情報と、前記作業点位置演算部により演算された前記作業機の作業点の位置とに基づき、前記車体に対する前記設計面の角度を含む目標面情報を設定する目標面情報設定部をさらに含み、
前記負荷情報取得部は、
前記複数の対地角度センサからの前記２次元の加速度情報に加えて、前記寸法記憶部に記憶されている前記寸法情報と、前記複数の圧力センサからの信号と、前記角度演算部にて演算された前記対地角度と、前記目標面情報設定部にて設定された前記目標面情報とに基づいて、前記負荷情報を取得することを特徴とする建設機械。
請求項２に記載の建設機械であって、
前記寸法記憶部は、前記寸法情報としての前記複数の作業要素のそれぞれの寸法及び揺動中心の偏心量を記憶し、
前記目標面情報設定部は、前記目標面情報としての前記車体の基準点に対する前記設計面の距離及び角度を設定することを特徴とする建設機械。
車体と、前記車体に設けられ、揺動自在な複数の作業要素を有する作業機と、前記作業機を駆動する複数の油圧アクチュエータと、前記複数の作業要素の対地角度を検出する複数の対地角度センサと、オペレータの掘削作業を支援するための情報を生成する情報処理装置を含む掘削支援装置と、を備えた建設機械であって、
前記複数の対地角度センサは、それぞれ少なくとも２軸の加速度センサを備え、
前記情報処理装置は、
前記複数の対地角度センサからの２次元の加速度情報に基づいて、前記複数の作業要素のうち少なくとも１つの作業要素の揺動中心における負荷方向を含む負荷情報を取得する負荷情報取得部と、
前記複数の対地角度センサからの前記２次元の加速度情報と、前記負荷情報取得部で取得された負荷情報とに基づいて、前記作業機の作業点の位置を演算する作業点位置演算部と、
前記複数の対地角度センサからの前記２次元の加速度情報に基づいて、前記複数の作業要素のそれぞれの前記対地角度を演算する角度演算部と、
前記複数の作業要素のそれぞれの寸法情報を、外部から入力される計測値と、前記複数の対地角度センサからの前記２次元の加速度情報と、前記負荷情報取得部からの前記負荷情報とに基づき演算により設定する寸法設定部と、を含み、
前記作業点位置演算部は、前記負荷情報取得部からの前記負荷情報に加えて、前記寸法設定部にて設定された前記寸法情報と、前記角度演算部にて演算された前記対地角度とに基づいて、前記作業機の作業点の位置を演算することを特徴とする建設機械。
請求項４に記載の建設機械であって、
前記複数の油圧アクチュエータの圧力を検出する複数の圧力センサをさらに備え、
前記情報処理装置は、
外部から入力される設計面の情報と、前記作業点位置演算部により演算された前記作業機の作業点の位置とに基づき、前記車体に対する前記設計面の角度を含む目標面情報を設定する目標面情報設定部をさらに含み、
前記負荷情報取得部は、
前記複数の対地角度センサからの前記２次元の加速度情報に加えて、前記寸法設定部にて設定された前記寸法情報と、前記複数の圧力センサからの信号と、前記角度演算部にて演算された前記対地角度と、前記目標面情報設定部にて設定された前記目標面情報とに基づいて、前記負荷情報を取得することを特徴とする建設機械。
請求項５に記載の建設機械であって、
前記寸法設定部は、前記寸法情報としての前記複数の作業要素のそれぞれの寸法及び揺動中心の偏心量を演算し、
前記目標面情報設定部は、前記目標面情報としての前記車体の基準点に対する前記設計面の距離及び角度を設定することを特徴とする建設機械。
請求項３または６に記載の建設機械であって、
前記掘削支援装置は、前記作業点位置演算部にて演算された前記作業機の作業点の位置と、前記目標面情報設定部にて設定された前記目標面情報とに基づく情報をオペレータに表示する表示装置をさらに含むことを特徴とする建設機械。