JP2008063775A - 建設機械の作業機姿勢特定装置および作業機姿勢特定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】位置移動（姿勢が変化）する作業機を撮影した撮影データを、効率的に画像処理することで少ない処理能力で処理することができ制御部の負担を少ないものとする上、処理速度も速く、コストも低くなる作業姿勢特定方法を提供する。
【解決手段】作業機姿勢特定方法は、記憶部１９に予め記憶した作業機５の指定部位を撮影装置１６ａ、１６ｂで撮影したときの作業姿勢に対応した位置データを、照合部２０で読み出すと共に、撮影装置１６ａ、１６ｂで現在撮影した作業機５の各マーカ１７ａ、１７ｂ、１７ｃの撮影データと照合させて作業機５の姿勢を特定するものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、油圧ショベル等の建設機械に関し、特にオフセット型の作業機、吊り作業用の作業機を有する建設機械の作業機姿勢特定装置および作業機姿勢特定方法の技術分野に属するものである。

一般に、油圧ショベル等の建設機械の中には、掘削作業を行うために機体本体に対して揺動自在な作業機が装着される。このようなもののなかには、例えば機体本体に上下左右に揺動自在なオフセット型の作業機を備えた油圧ショベルがあり、このものは、作業機の先端側に取り付けられるバケット等のアタッチメントが機体本体に干渉するおそれがあり、これを回避するため、アタッチメントの位置を検出し、アタッチメントが機体本体に近づくことを回避させた干渉回避制御をしたものがある。

ところで、このような干渉回避制御において、アタッチメントの位置の検出は、ポテンショメータ等の機械的な検知センサからなっているが、ポテンショメータである場合に、抵抗素子上を可動端子が摺動することで角度検知をする構成になっているが、アタッチメントを繰り返し揺動させると前記摺動部分が次第に磨耗していくため、長時間作業していくと正確な検出ができなくなるおそれがある。さらにポテンショメータは、検出した信号を制御部に入力するための電気配線を有しているが、該電気配線は、作業機の外側に配置されているため、作業中に小石や瓦礫に接触して破損するおそれがあり、メンテナンスを確実に行う必要がある。

そこで、作業機の姿勢を特定する方法として、機体本体に撮影装置を備え、該撮影装置で撮影した作業機の撮影データに基づいて作業機の姿勢を特定するようにしたものがある（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００５−１９４８２５号公報

ところでこのものは、作業機のある部分の実際の大きさ（寸法）と、該ある部分の撮影画像上の大きさについての距離との関係を演算するための関数情報とを予め記憶しておき、撮影映像に映ったある部分の大きさから作業機の位置を特定するものであるが、このものは、位置移動する作業機の撮影データを画像処理するものであるため膨大な処理能力を必要とすることとなって制御部の負担が大きい上、処理速度も遅く、コストも高くなるといった問題がある。

本発明は、上記の如き実情に鑑みこれらの課題を解決することを目的として創作されたものであって、請求項１の発明は、機体本体に揺動自在に装着した作業機と、機体本体に設置され作業機を撮影して撮影データを作成するための撮影装置とを備えた建設機械において、前記撮影データに基づいて作業機の姿勢を特定するための制御部を設けるにあたり、該制御部には、作業機の指定部位を撮影装置で撮影したときの作業機姿勢に対応した位置データを記憶する記憶手段と、撮影装置で現在撮影される指定部位の撮影データを記憶手段に記憶される位置データと照合して作業機姿勢を特定する姿勢特定手段とを有することを特徴とする建設機械の作業機姿勢特定装置である。
請求項２の発明は、前記指定部位には、目印になるマーカが備えられていることを特徴とする請求項１記載の建設機械の作業機姿勢特定装置である。
請求項３の発明は、作業機は、機体本体に上下揺動自在に軸支されるブーム、該ブームの先端部に前後揺動自在に軸支されるスティック、該スティックの先端部に取り付けられるアタッチメントを備え、前記ブームは、基端部が機体本体に上下揺動自在に軸支される第一ブームと、該第一ブームの先端部に左右揺動自在に軸支される第二ブームと、該第二ブームの先端部に左右揺動自在に左右揺動自在に軸支され、かつ、第一ブームにリングロッドを介して連結されて第一ブームに対して左右方向に平行移動する第三ブームとを備えたオフセット型のブームであることを特徴とする請求項１または２記載の建設機械の作業機姿勢特定装置である。
請求項４の発明は、前記マーカは、第一ブームを揺動させる第一ブームシリンダを軸支する第一ブーム６の軸支部と、スティックを揺動させるスティックシリンダのシリンダ筒先端側を軸支する第三ブーム軸支部と、スティックシリンダのロッド先端側を軸支するスティックの軸支部とに備えられていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一つ記載の建設機械の作業機姿勢特定装置である。
請求項５の発明は、機体本体に揺動自在に装着した作業機と、機体本体に設置され作業機を撮影して撮影データを作成するための撮影装置とを備えた建設機械において、前記撮影データに基づいて作業機の姿勢を特定するにあたり、作業機の指定部位を撮影装置で撮影したときの作業機姿勢に対応した位置データを記憶し、撮影装置で現在撮影される指定部位の撮影データを記憶手段に記憶される位置データと照合して作業機姿勢を特定することを特徴とする建設機械の作業機姿勢特定装置である。

請求項１または５の発明とすることにより、撮影データは、作業機の指定部位のデータであり、画像処理に膨大な処理能力を必要とするものではなく、撮影データを予め記憶させておいた位置データと照合して現在の姿勢を特定する簡易なものであるため、制御部の負担が少なくなる上、処理速度を早くすることができ、その分、制御部のコストを低減することもできる。
請求項２の発明とすることにより、画像処理を容易なものとすることができる。
請求項３の発明とすることにより、特に、姿勢を特定する必要があるオフセット型の作業機を備えた建設機械に使用することができる。
請求項４の発明とすることにより、マーカを、機体本体から見たときに視認しやすい位置に備えることができる。

次に、本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。図面において、１は油圧ショベルであって、該油圧ショベル１は、クローラ式の下部旋回体２と、該下部旋回体２に旋回自在に備えられる上部旋回体３と、該上部旋回体３に設けられるキャブ４と、上部旋回体３に揺動自在に軸支される作業機５とを有して構成されている。そして、作業機５は、基端部が上部旋回体３に上下揺動自在に軸支される第一ブーム６と、該第一ブーム６の先端に基端が左右揺動自在に軸支される第二ブーム７と、該第二ブーム７の先端に基端が左右揺動自在に軸支され、かつ、第一ブーム６にリンクロッド８を介して左右揺動自在に軸支された第三ブーム９と、該第三ブーム９の先端に基端が前後揺動自在に軸支されたスティック１０と、該スティック１０の先端に上下揺動自在に軸支された作業アタッチメントとしてのバケット１１とを備えて構成されている。

また、１２は第一ブーム６を揺動するための第一ブームシリンダであり、１３は第二、第三ブーム７、８を左右揺動するためのオフセットシリンダであり、１４はスティック１０を前後揺動するためのトラニオン形のスティックシリンダであり、１５はバケット１１を揺動するためのバケットシリンダである。

１６ａ、１６ｂは、作業機５を撮影するための撮影装置であって、該撮影装置１６ａ、１６ｂは、作業機５を撮影し易い位置、角度に固定して設置されていることが好ましく、本実施の形態では、キャブ４に設置された撮影装置１６ａと、上部旋回体３の第一ブーム６を挟んだキャブ４の反対側縁に設置される撮影装置１６ｂとからなっており、図３に示すように、作業機５がオフセットして死角ができる場合、少なくとも一方から撮影できるように、二つの視点から作業機５を撮影している。また、撮影装置１６ａ、１６ｂは、作業機５の作業範囲が広範に及ぶことから、例えば、魚眼レンズ、光学レンズ等からなる広角レンズを有する構成とすることが好ましい。

作業機５には、指定部位に目印となるマーカ１７ａ、１７ｂ、１７ｃが備えられており、該マーカ１７ａ、１７ｂ、１７ｃは、作業機の指定部位の位置を特定し易いように配色されていたり、発光ダイオード等の発光体を配すること等で構成できるものである。本実施の形態の指定部位は、第一ブームシリンダ１２の先端を軸支する第一ブーム６の軸支部６ａ、トラニオン形のスティックシリンダ１４のシリンダ筒１４ｂの先端側を軸支する第三ブーム９の軸支部９ａ、スティックシリンダ１４のロッド１４ａの先端を軸支するスティック１０の軸支部１０ａであり、マーカ１７ａが軸支部６ａの左右側に備えられ、マーカ１７ｂが軸支部９ａの左右側に備えられ、マーカ１７ｃが軸支部１０ａの左右側に備えられている。そして、マーカ１７ａ、１７ｂ、１７ｃは、撮影装置１６ａに作業機５の左側から撮影され、撮影装置１６ｂに作業機５の右側から撮影される。

１８はＣＰＵ（中央演算処理装置）等の各種電子電気機器を用いて構成されるマイクロコンピュータ等のコントローラであって、該コントローラ１８は、作業機５の作業姿勢に対応した位置データを記憶するための記憶部１９と、撮影装置１６ａ、１６ｂで現在撮影された撮影データを入力して該撮影データを、前記記憶部１９から読み出した位置データに照合する照合部２０とを有している。

前記記憶部１９は、作業機５の指定部位を撮影装置１６ａ、１６ｂで撮影したときの作業姿勢に対応した位置データを記憶しており、全ての作業姿勢に対応した位置データを記憶させることも可能であるが、予め、第一アーム６、第二アーム７等の部材の形状、長さ等のデータを記憶させたうえ、作業姿勢を特定したい位置データを入力することにより対応する作業姿勢を演算により特定することもできる。例えば、第一ブーム６は、図２に示すように、上部旋回体３側の上下揺動軸を原点Ｏとした場合、該原点Ｏを中心に機体に対して前後方向に軸回りするので、マーカ１７ａの位置データを入力すれば、原点Ｏとの関係から姿勢を特定することができる。尚、これに準じて第三ブーム９、スティック１０の姿勢も特定することができ、つまり、図示しないが、第三ブーム９は、第一ブーム６と第二ブーム７との軸部を原点とすると、該原点を軸として第一ブーム６に対して左右方向に揺動すると共に、部材方向が第一ブーム６と常に同じ方向であるので、前記原点についてのマーカ１７ｂの位置データを入力すれば、姿勢がわかる。また、同様に図示しないが、スティック１０は、第三ブーム９に対する前後揺動軸を原点とすれば、マーカ１７ｃの位置データを入力すれば、姿勢を特定することができる。第二ブーム７は、第一ブーム６と第三ブーム９とのあいだに備えられているので、第一ブーム６と、第三ブーム９の姿勢を特定することで、姿勢の特定することができる。

また照合部２０は、前記撮影データを入力するが、該撮影データは、撮影装置１６ａ、１６ｂで抽出されたマーカ１７ａ、１７ｂ、１７ｃの位置を示すデータ、または、撮影した画像の全体のデータであっても良いが、該全体のデータであった場合には、マーカ１７ａ、１７ｂ、１７ｃの位置を示すデータを照合部２０で抽出する必要がある。因みに、前記撮影データは、位置データの座標と同じ座標で表されており、つまり、マーカ１７ａの撮影データは、原点を第一ブーム６の機体側軸Ｏとしたものであり、１７ｂの位置データは、原点を第二ブーム７の第一ブーム６側軸を原点としたものであり、１７ｃの位置データは、原点をスティック１０の第三ブーム９側軸を原点としたものである。

そして、照合部２０は、撮影データのマーカ１７ａ、１７ｂ、１７ｃの位置を示すデータにそれぞれ相当する位置データを照合し、該位置データの組み合わせに対応する作業機５の姿勢を特定する。本実施の形態では、撮影装置１６ａ、１６ｂを採用して二視点からの撮影データを作成しており、撮影データは、合計６箇所の位置データと照合することになるが、例えば、図３に示すように、作業機５が左側にオフセットした場合、マーカ１７ａは、撮影装置１６ａで撮影するにあたり、第三ブーム９の死角（図３、二点鎖線参照。）になり、撮影することができないため、マーカ１７ａについては、撮影装置１６ｂからの撮影データのみが採用され、位置データと照合される。

叙述の如く構成された本発明の実施の形態において、作業機姿勢特定方法は、記憶部１９記憶した作業機５の指定部位を撮影装置１６ａ、１６ｂで撮影したときの作業姿勢に対応した位置データを、照合部２０で読み出すと共に、撮影装置１６ａ、１６ｂで現在撮影した作業機５の各マーカ１７ａ、１７ｂ、１７ｃの撮影データと照合させて作業機５の姿勢を特定するものであるため、撮影データを照合するにあたり、指定部位の撮影データを採用したため、従来のように、撮影データとして、膨大な処理能力を必要とすることの無いものとすることができる。

また、撮影装置１６ａ、１６ｂの二つの視点から指定部位を撮影することができるので、一つの視点では撮影できない死角が生じる可能性のあるオフセット型の作業機５において、少なくとも左右一方からの視点から撮影データを作成することができるため、死角になるマーカを除いたマーカ１７ａ、１７ｂ、１７ｃで作業機５の姿勢を特定することができる。

さらに、マーカ１７ａは、機体本体に隠れ難い第一ブーム６の先端側に位置する軸支部６ａに備えられると共に、マーカ１７ｃは、スティック１０の姿勢を特定するにあたり、機体本体に近くを揺動する軸支部１０ａに備えられており、撮影装置１６ａ、１６ｂで撮影し易いようになっている。

尚、作業機５をオフセット型の構成としたものではなく、単に上部旋回体３に対して上下揺動する構成とした場合、作業機５の揺動方向と異なる方向を撮影方向とする撮影装置（図示せず）とすれば作業機５の位置を特定することができるため、本実施の形態のように撮影装置１６ａ、１６ｂを二つ設けて二つの視点から位置データを作成する必要の無いものとすることができる。また、撮影装置は、幾つ設置しても良いことはもちろんである。

油圧ショベルの右側面図である。 油圧ショベルの左側面図である。 油圧ショベルの平面図である。 制御部のブロック図である。

符号の説明

１ 油圧ショベル
３ 上部旋回体
５ 作業機
６ 第一ブーム
７ 第二ブーム
８ リングロッド
９ 第三ブーム
１０ スティック
１１ バケット
１２ａ、１２ｂ 撮影装置
１７ａ、１７ｂ、１７ｃ マーカ
１８ コントローラ
１９ 記憶部
２０ 照合部

Claims (5)

1. 機体本体に揺動自在に装着した作業機と、
   機体本体に設置され作業機を撮影して撮影データを作成するための撮影装置とを備えた建設機械において、
   前記撮影データに基づいて作業機の姿勢を特定するための制御部を設けるにあたり、
   該制御部には、作業機の指定部位を撮影装置で撮影したときの作業機姿勢に対応した位置データを記憶する記憶手段と、
   撮影装置で現在撮影される指定部位の撮影データを記憶手段に記憶される位置データと照合して作業機姿勢を特定する姿勢特定手段とを有することを特徴とする建設機械の作業機姿勢特定装置。
2. 前記指定部位には、目印になるマーカが備えられていることを特徴とする請求項１記載の建設機械の作業機姿勢特定装置。
3. 作業機は、機体本体に上下揺動自在に軸支されるブーム、該ブームの先端部に前後揺動自在に軸支されるスティック、該スティックの先端部に取り付けられるアタッチメントを備え、前記ブームは、基端部が機体本体に上下揺動自在に軸支される第一ブームと、該第一ブームの先端部に左右揺動自在に軸支される第二ブームと、該第二ブームの先端部に左右揺動自在に左右揺動自在に軸支され、かつ、第一ブームにリングロッドを介して連結されて第一ブームに対して左右方向に平行移動する第三ブームとを備えたオフセット型のブームであることを特徴とする請求項１または２記載の建設機械の作業機姿勢特定装置。
4. 前記マーカは、第一ブームを揺動させる第一ブームシリンダを軸支する第一ブーム６の軸支部と、スティックを揺動させるスティックシリンダのシリンダ筒先端側を軸支する第三ブーム軸支部と、スティックシリンダのロッド先端側を軸支するスティックの軸支部とに備えられていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一つ記載の建設機械の作業機姿勢特定装置。
5. 機体本体に揺動自在に装着した作業機と、
   機体本体に設置され作業機を撮影して撮影データを作成するための撮影装置とを備えた建設機械において、
   前記撮影データに基づいて作業機の姿勢を特定するにあたり、
   作業機の指定部位を撮影装置で撮影したときの作業機姿勢に対応した位置データを記憶し、撮影装置で現在撮影される指定部位の撮影データを記憶手段に記憶される位置データと照合して作業機姿勢を特定することを特徴とする建設機械の作業機姿勢特定装置。

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