JP2010168885A

JP2010168885A - 掘削支援装置および掘削支援方法

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Publication number: JP2010168885A
Application number: JP2009146121A
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Inventors: Naomasa Nitta; 尚正新田
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Filing date: 2009-06-19
Publication date: 2010-08-05
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Abstract

【課題】建設機械による直線掘削を簡便に且つ精度良く行うことができる掘削支援装置を提供する。
【解決手段】建設機械を用いた掘削作業を支援する装置であって、掘削箇所近傍に設置され、レーザ光を基準面Ｓに沿って出射する投光器２と、レーザ光を受光する受光部を長手方向に沿って複数有し、アーム４に取り付けられる受光器１１と、アーム４の傾斜角度を検知する傾斜センサ１２と、受光器１１及び傾斜センサ１２の検出信号に基づいて基準面Ｓからバケット３先端までの実際の掘削深さＨ１を演算し、これを予め設定された指定掘削深さＨ３と比較して掘削誤差Ｈ２を求める制御部とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、掘削支援装置および掘削支援方法に関し、より詳しくは、バックホウ等の建設機械を用いた掘削作業を支援する掘削支援装置および掘削支援方法に関する。

バックホウ等の建設機械による作業は、ダンプトラック等への積み込み作業、掘削作業、盛土整形および整地作業に大きく分類される。積み込み作業は、資材、砕石、土などを掬ったバケットをトラック等の荷台で返すことにより積み込む作業であり、オペレータに対して特段の技術は必要とされない。

これに対し、水路、管路、土留めコンクリートなどを設置するために地面を掘り下げる掘削作業については、特に直線掘削においてかなりの熟練が必要とされる。すなわち、掘削作業は、掘削床付けを行うまでは積み込み作業と同じ作業であるが、掘削床付けは、水平または勾配を有する掘削面に対して、オペレータがアームレバーを操作しながらブームレバーを操作して、バケットの刃先を直線状に動かす必要があるため、経験の少ないオペレータでは、このような直線掘削ができずに床付面が波打ったり段差が生じたりするおそれがある。更に、熟練したオペレータであっても、下水工事のように掘削深さが深い場合には、床付面を見る位置がかなり上方となるため、アーム操作に対するブーム操作の勘が狂いやすく、水平掘削ができずに勾配を生じることがある。

図１４は、５トンクラスのバックホウを用いて、バックホウとほぼ同じ高さの地盤を直線掘削する場合の、バケット刃先水平移動距離とブーム上昇量との関係を示すグラフであり、水平方向に対するアームの角度が４２度から９０度までの場合に対応している。掘削深さが一定となるように直線掘削を行うためには、図１４のドット状曲線Ａの関係を維持するようにアームおよびブームの操作が必要となるが、目視のみによってこのような関係を維持することは、熟練者でも困難である。このため、実際の作業においては、図１４に近似直線Ｂで示すように掘削誤差を含んだ操作が一般的であり、正確な掘削は困難であった。

また、盛土整形や整地作業においては、ブルドーザを用いる代わりに、バックホウで土を盛ってバケットの動きで水平に整地することがある。したがって、この場合も直線掘削を行うことができる熟練者が必要である。

このような直線掘削作業を容易にするため、例えば特許文献１には、パワーショベルの掘削深さを検知する装置が開示されている。この装置は、図１５に示すように、パワーショベルのアーム５４に長手方向に沿って２つの受光器６０，６１を設け、掘削地面に設置した投光器６２から出射したレーザ光を各受光器６０，６１が受光する際の受光位置の差によって、設定掘削深さと実際の掘削深さとの誤差を算出し、表示部６３に表示するように構成されている。

実開平５−２２６５９号公報

ところが、上記従来の装置によれば、２つの受光器６０，６１を、投光器６２からのレーザ光がそれぞれの原点位置に投光されるようにアーム５４に取り付ける必要があるため、まず、アーム５４を長手方向が掘削地面に対して鉛直方向となるように駆動した後、２つの受光器６０，６１を正確に高さ調節する必要があり、掘削前の事前作業が繁雑であるという問題があった。

そこで、本発明は、建設機械による直線掘削を簡便に且つ精度良く行うことができる掘削支援装置および掘削支援方法の提供を目的とする。

本発明の前記目的は、運転室を備える上部旋回体に対して上下方向に回動可能に設けられたブームと、前記ブームに対して上下方向に回動可能に設けられたアームと、前記アームに支持されたバケットとを備え、前記ブーム及びアームの駆動操作により前記バケットで土砂を掘削する建設機械を用いた掘削作業を支援する装置であって、掘削箇所近傍に設置され、レーザ光を基準面に沿って出射する投光器と、レーザ光を受光する受光部を長手方向に沿って複数有し、前記アームに取り付けられる受光器と、前記アームの傾斜角度を検知する傾斜センサと、前記受光器及び傾斜センサの検出信号に基づいて前記基準面から前記バケット先端までの実際の掘削深さを演算し、これを予め設定された指定掘削深さと比較して掘削誤差を求める制御部とを備えることを特徴とする掘削支援装置により達成される。

この掘削支援装置は、掘削条件を入力するための入力部と、前記制御部による演算結果を表示する出力部とを更に備えることが可能であり、前記制御部は、前記入力部から入力された、前記バケット先端から前記受光器までの距離及び前記指定掘削深さに基づいて、前記掘削誤差を算出し、前記出力部に表示することができる。

或いは、前記制御部は、算出した掘削誤差に基づき前記ブームの駆動を制御するように構成してもよい。

また、本発明の前記目的は、運転室を備える上部旋回体に対して上下方向に回動可能に設けられたブームと、前記ブームに対して上下方向に回動可能に設けられたアームと、前記アームに支持されたバケットとを備え、前記ブーム及びアームの駆動操作により前記バケットで土砂を掘削する建設機械を用いた掘削作業を支援する装置であって、掘削箇所近傍に設置され、レーザ光を基準面に沿って出射する第１の投光部と前記第１の投光部の上方または下方に配置され前記基準面に平行なレーザ光を出射する第２の投光部とを有する投光器と、前記アームに取り付けられ、レーザ光を受光する受光部を長手方向に沿って複数有する受光器と、各投光部から出射されたレーザ光の前記受光器における受光位置間の距離に基づき掘削作業中の前記アームの傾斜角度を検出し、前記アームの傾斜角度と前記受光器における前記第１の投光部からのレーザ光の受光位置とに基づいて前記基準面から前記バケット先端までの実際の掘削深さを演算し、これを予め設定された指定掘削深さと比較して掘削誤差を求める制御部とを備えることを特徴とする掘削支援装置により達成される。

また、本発明の前記目的は、運転室を備える上部旋回体に対して上下方向に回動可能に設けられたブームと、前記ブームに対して上下方向に回動可能に設けられたアームと、前記アームに対して上下方向に回動可能に支持されたバケットとを備え、前記ブーム及びアームの駆動操作により前記バケットで土砂を掘削する建設機械を用いた掘削作業を支援する方法であって、基準面に沿ってレーザ光を出射するように、投光器を掘削箇所近傍に設置すると共に、長手方向に沿って複数の受光部を有する受光器を、前記レーザ光が受光できるように前記アームに取り付けるステップと、掘削作業中の前記アームの傾斜角度を傾斜センサにより検知して、前記受光器及び傾斜センサの検出信号に基づいて前記基準面から前記バケット先端までの実際の掘削深さを演算し、これを予め設定された指定掘削深さと比較して掘削誤差を求めるステップとを備える掘削支援方法により達成される。

本発明の好ましい実施態様においては、前記受光器の長手方向に沿った軸線上に前記バケットの先端を位置させるステップをさらに備え、バケットの先端から受光器の受光位置までの距離および前記アームの傾斜角度に基づいて前記基準面から前記バケット先端までの実際の掘削深さを演算することを特徴としている。

本発明の他の好ましい実施態様においては、前記バケットの先端と前記アームの先端に設けられるバケットの回動軸とを結ぶ線と前記受光器の長手方向に沿った軸線とがなすバケットの回転角度を検出するステップをさらに備え、バケットの先端からバケットの回動軸までの距離、前記バケットの回転角度、バケットの回動軸から受光器の受光位置までの距離、および前記アームの傾斜角度に基づいて前記基準面から前記バケット先端までの実際の掘削深さを演算することを特徴としている。

また、本発明の前記目的は、運転室を備える上部旋回体に対して上下方向に回動可能に設けられたブームと、前記ブームに対して上下方向に回動可能に設けられたアームと、前記アームに対して上下方向に回動可能に支持されたバケットとを備え、前記ブーム及びアームの駆動操作により前記バケットで土砂を掘削する建設機械を用いた掘削作業を支援する方法であって、基準面に沿ってレーザ光を出射する第１の投光部と前記第１の投光部の上方または下方に配置され前記基準面に平行なレーザ光を出射する第２の投光部とを有する投光器を、掘削箇所近傍に設置すると共に、長手方向に沿って複数の受光部を有する受光器を、前記レーザ光が受光できるように前記アームに取り付けるステップと、掘削作業中の前記アームの傾斜角度を各投光部から出射されたレーザ光の前記受光器における受光位置間の距離に基づき検知して、前記傾斜角度及び前記受光器における前記第１の投光部からのレーザ光の受光位置に基づいて前記基準面から前記バケット先端までの実際の掘削深さを演算し、これを予め設定された指定掘削深さと比較して掘削誤差を求めるステップとを備える掘削支援方法により達成される。

本発明の掘削支援装置および掘削支援方法によれば、建設機械による直線掘削を簡便に且つ精度良く行うことが可能になる。また、従来の装置のように、アームに対する受光器の取り付け位置について、正確な高さ調節をする必要もないので、高さ調節のためにバックホウの作業が停止することがなくなって作業時間の短縮が可能となり、その分省エネにもつながる。

本発明の一実施形態に係る掘削支援装置の要部をバックホウに取り付けた状態を示す斜視図である。前記掘削支援装置の要部を示す断面図である。前記掘削支援装置の他の要部を示す平面図である。前記掘削支援装置の概略構成を示すブロック図である。前記掘削支援装置の更に他の要部を示す側面図である。前記掘削支援装置を用いた掘削作業の一工程を説明するための側面図である。本発明の他の実施形態に係る掘削支援装置の概略構成を示すブロック図である。掘削作業の変形例を説明するための図である。他の実施形態に係る掘削支援装置の要部をバックホウに取り付けた状態を示す斜視図である。前記掘削支援装置の更に他の要部を示す側面図である。バケット開度検出機構の構成を示す側面図である。バケットの傾斜角度を算出する方法を説明するための図である。他の実施形態に係る掘削支援装置の要部を示す側面図である直線掘削におけるバケットの移動とブームの上昇との関係を示す図である。従来の掘削支援装置を示す全体図である。

以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る掘削支援装置の要部をバックホウに取り付けた状態を示す斜視図である。本発明の掘削支援装置は、建設機械の中でも多く利用されるバックホウに好適に用いることができるが、例えば、ローディングショベルなどの他の重機に用いることも可能であり、図１５に示すように、下部走行体５１に回転可能に支持された運転室５２ａを有する上部旋回体５２に設けられたブーム５３と、ブーム５３に設けられたアーム５４と、アーム５４に設けられたバケット５５とを有し、ブーム５３、アーム５４およびバケット５５が、それぞれブームシリンダ５６、アームシリンダ５７およびバケットシリンダ５８により上下方向に回動可能に駆動される構成と同様の構成を有する各種建設機械に使用することができる。

図１に示すように、掘削支援装置は、長尺状（例えば、長さが８０〜１５０ｃｍ程度）の受光器１１と、この受光器１１をスライド可能に支持する取り付けレール１５と、レーザ光を照射する投光器（図１においては図示せず）とを備えており、受光器１１は、取り付けレール１５に沿った任意の位置で、固定ボルト１１ａにより固定される。投光器（図５に示す）は、掘削箇所の近傍における地面に三脚などを介して設置され、平面状の基準面に沿って回転することにより、全周３６０度にレーザ光を出射することができる。

図２は、受光器１１の断面図である。受光器１１は、樹脂製またはガラス製の透明パイプ１１ｂ内に収容された支持体１１ｃの前面および側面に、それぞれフォトダイオードなどの受光素子からなる受光部１６を備えている。受光部１６は、アーム４の長手方向（図面を貫通する方向）に沿って、所定の長さ範囲（例えば、約１．２ｍの長さを有する受光器１１の中）に等間隔に複数配置されており、投光器からのレーザ光を受けた受光部１６が固有の受光信号を出力することにより、受光器１１における長手方向の受光位置を特定することができる。各受光部１６の大きさは、例えば１０ｍｍ×１５ｍｍであり、前面および側面にそれぞれ８０個配置される。受光器１１の検出分解能は、測定対象が土や石などであることから例えば±２０ｍｍ程度でよく、受光器１１に配置された受光部１６の数を少なくして、低コスト化を図ることができる。また、アーム４を伸ばした状態では、受光部１６へのレーザ光の入射角度が水平面に対して４０度程度になるため、レーザ光の検出を確実にするために、指向特性が広い（例えば１２０度程度）受光素子を好ましく用いることができる。

取り付けレール１５は、鋼製のバンド１５ａを用いて、バックホウのアーム４に対して長手方向に沿って延びるように固定される。図１に示すバックホウは、図１５に示すパワーショベルと同様の基本構成を有するものであり、バケット３、アーム４及びブーム５が、それぞれバケットシリンダ３ａ、アームシリンダおよびブームシリンダ（図１においては図示せず）により上下方向に回動可能に駆動される。アーム４への取り付けレール１５の固定は、本実施形態のバンド１５ａ以外に、例えば、ネオジウム磁石などの強力な磁石を使用した着脱レバーを用いる方法であってもよい。このように、取り付けレール１５はアーム４に対して着脱容易であることが好ましく、作業内容や作業場所に応じて適宜選定されたバックホウに対して、作業現場で迅速に取り付けることができる。

図１に示すように、受光器１１には、アーム４の傾斜角度を検知するための傾斜センサ１２が固定されている。傾斜センサ１２としては、例えば、静電容量型など公知のものを使用することができ、傾斜角度に比例した大きさの信号を出力する。

また、本実施形態の掘削支援装置は、図３に示すように、掘削条件を入力するための入力部２０と、掘削誤差を算出する制御部２２と、掘削誤差を表示する出力部１３とを備えている。入力部２０は、テンキーや入力ボタンを備えており、バックホウの上部旋回体の運転室に設置される。テンキーからは、バケット先端（刃先）３０から受光器１１までの距離Ｌ１、レーザ光が出射される基準面と水平面とのなす角度θ１、基準面からの指定された深さである指定掘削深さＨ３などを入力することができ、入力された情報はウインドウ２１に表示される。また、入力ボタンとしては、投光器の電源スイッチＡ、受光器の電源スイッチＢ、ウインドウ２１の表示切り替え（デジタル表示またはランプ表示）スイッチＣなどを備えている。

制御部は、例えば上部旋回体の運転室に設置することができる。図４に示すように、制御部２２は、受光器１１、傾斜センサ１２および入力部２０から信号が入力されるように構成されており、入力された信号に基づいて、予め指定された掘削深さである指定掘削深さと実際の掘削深さとの差である掘削誤差を演算する。演算結果は出力部１３に表示される。

図１に示すように、出力部１３は、バックホウのアーム４の内面（後面）に設けられた表示パネルからなり、アーム４を操作するオペレータが容易に目視できる位置に配置されて、掘削誤差をデジタル表示または記号表示する。なお、図３に示すように、掘削誤差Ｈ２は、入力部２０のウインドウ２１にも表示される。

次に、本実施形態の掘削支援装置をバックホウに適用して掘削作業を行う方法を説明する。まず、図５に示すように、バックホウのアーム４における内側（後方側）の長手方向外縁の一点鎖線で示す延長線Ｔ上に、バケット３の先端（刃先）３０が一致するように、バケット３を回動させる。

バケット３の回動位置合わせは、図１に示すように、バケット３の軸受部およびアーム４の先端部にそれぞれ設けたアイマーク６，６を、バックホウの運転席から目視しながらバケットシリンダ３ａを駆動することにより、行うことができる。アイマーク６は、本実施形態では見易いようにリブ状としているが、図柄などであってもよい。また、アーム４に設けるアイマーク６は、バケット３の上記軸受部以外のリンク部が合致するような位置および形状であってもよい。アイマーク６は、掘削支援装置において必須のものではなく、例えば、下水工事などのように掘削深さが深い場合には、深く掘り下げた溝底に向けてアーム４を伸ばし、ブーム５を下げていく途中で、運転席からの視線の方向をアーム４の内側における長手方向外縁に沿う方向に略一致させることができるので、アイマークを用いることなく目視のみでバケット３の回動位置を調節することができる。また、バケット３を回動するバケットシリンダ３ａのストローク長を検出するためのバケットストロークセンサを備える場合には、このセンサの検出に基づき、バケット３の回動位置合わせを自動化することも可能である。

ついで、取り付けレール１５を、長手方向の破線で示す延長線Ｕ上にバケット３の先端（刃先）３０が一致するように、アーム４に固定する。そして、この取り付けレール１５に、受光器１１および傾斜センサ１２をスライド可能に支持する。

次に、掘削箇所近傍の地表面Ｇに三脚等を用いて投光器２を設置する。目標掘削面Ｄが水平である場合、投光器２からの全周レーザ光の出射面に一致する基準面Ｓも水平となるように、投光器２の姿勢を決定する。受光器１１は、アーム４およびブーム５の駆動により高さが変化しても投光器２からのレーザ光を常時受光できるように、取り付けレール１５に対して位置調整を行ってから固定する。

５トンクラスのバックホウを用いる場合を例に説明すると、図６（ａ）に示すように、掘削箇所近傍の地表面Ｇに対する掘削深さが浅く、地表面Ｇと目標掘削面Ｄとがほぼ同じ高さである場合、まず、受光器１１、傾斜センサ１２および取り付けレール１５を、バケット３の先端３０から受光器１１までの距離Ｌ１が１．２ｍとなるように、アーム４に取り付ける。このとき、目標掘削面Ｄからレーザ光の基準面Ｓまでの高さは、掘削作業によりアーム４に上下動が生じてもレーザ光を受光器１１で確実に検出できるように、約１．４ｍであることが好ましい。

目標掘削面Ｄの高さは地表面Ｇの高さに略一致するため、投光器２を、地表面Ｇから約１．４ｍの高さとなるように地表面Ｇに設置し、投光器２から出射したレーザ光により測量して指定掘削深さＨ３を求める。この値が約１．４ｍであれば、得られた指定掘削深さＨ３を入力部２０に入力する。一方、この値が１．４ｍから大きくずれた場合には、投光器２を支持するエレベータ式三脚の脚長さを調整する等して、指定掘削深さＨ３が約１．４ｍとなるように投光器２の高さ調整を行い、調整後の指定掘削深さＨ３を入力部２０に入力する。

また、図６（ｂ）に示すように、掘削箇所近傍の地表面Ｇに対する目標掘削面Ｄの深さが１ｍ程度の場合、上記と同様に、指定掘削深さＨ３が約１．４ｍとなるように投光器２を地表面Ｇに設置しようとすると、地表面Ｇから投光器２までの高さが約４０ｃｍとなり、三脚などを用いた設置は低すぎて困難になる。そこで、受光器１１を取り付けレール１５に沿って上方に約５０ｃｍスライドさせ、地表面Ｇから投光器２までの高さＨを約９０ｃｍにする。そして、指定掘削深さＨ３を測量により求め、得られた約１．９ｍの指定掘削深さＨ３を入力部２０に入力する。５トンクラスのバックホウの場合は、指定掘削深さＨ３が概ね１．４ｍ〜１．９ｍの範囲となるように、投光器２の高さ位置を設定することが好ましく、エレベータ式三脚を使用すると高さ設定がしやすい。掘削深さがより深い場合には、地表面Ｇから掘り下げた位置に投光器２を設置することができる。

上記の実施例において、投光器２の設置高さＨ（図6（ｂ）参照）は、バックホウの大きさによって決まる数値であり、５トンクラスのバックホウの場合には、１．４ｍ程度である。この設置高さＨは、バックホウが大きくなるほど高く、バックホウが小さくなるほど低い値に設定される。設置高さＨを求めるためには、まずバックホウのアーム４に取り付けレール１５および受光器１１を取り付け、バケット３をアイマーク６により所定位置に合わせた状態で、アーム４を地面に対してほぼ垂直に合わせる。そして、バケット３の先端３０から受光器１１までの距離Ｌ１に検出余裕値を加えた距離を、投光器２の設置高さＨとして設定する。すなわち、投光器２の高さ位置は、目標掘削面Ｄから投光器２の設置高さＨだけ上方に設定される。上記の検出余裕値は、掘削作業中にアーム４の角度が変化しても、投光器２からのレーザ光を受光器１１で確実に検出するためのものであり、本実施例では、検出余裕値を２０ｃｍとしている。これにより、アーム４を伸ばして水平面との角度が４０度の場合に、下方へ１３ｃｍ、上方へ６３ｃｍのアーム移動範囲でレーザ光を受光することができ、アーム４を手前に引いて水平面との角度が９０度の場合に、下方へ１ｍ、上方へ２０ｃｍのアーム移動範囲でレーザ光を検出することができる。このように、アーム４の角度に拘わらず、レーザ光の受光を広範囲で行うことができ、オペレータの熟練度が低い場合にも、レーザ光を簡単に捕捉することができる。

こうして、バケット先端（刃先）３０から受光器１１までの距離Ｌ１、レーザ光が出射される基準面Ｓと水平面とのなす角度θ１、指定掘削深さＨ３を、それぞれ入力部２０から入力することにより、掘削作業の準備が完了する。なお、角度θ１については、水平掘削が一般的であることから、特に入力がない限り０度が設定されるようにしてもよい。制御部２２は、これらの入力情報と、受光器１１及び傾斜センサ１２の検出信号に基づいて、基準面Ｓからの実際の掘削深さＨ１と、入力された指定掘削深さＨ３との差である掘削誤差Ｈ２を算出する。すなわち、基準面Ｓからの実際の掘削深さＨ１は、図５を参照して、バケット３の先端３０から受光器１１の検出位置までの距離をＬとし、水平面とアーム４とがなす角度をθとすると、Ｈ１＝Ｌ×ｓｉｎθと表すことができる。ここで、Ｌの値は、入力部２０で入力されたＬ１と、受光器１１の端部から受光位置までの距離であるＬ２とを加えた値であり、θの値は傾斜センサ１２により検出されるから、Ｈ１の値は演算で求めることができる。一方、指定掘削深さＨ３は、入力部２０で入力された既知の値であるから、掘削誤差Ｈ２は、Ｈ２＝Ｈ３−Ｈ１で求めることができる。

制御部２２は、上記の演算を行うことにより、掘削誤差Ｈ２を出力部１３にデジタルまたは記号でリアルタイムに表示する。バックホウのオペレータは、掘削誤差Ｈ２を確認しながら、バケット５は操作せずに、アーム３及びブーム４を操作することにより、バケット３の刃先３０の高さを一定に維持しながら直線掘削を行うことができる。

上記のように、本実施形態の掘削支援装置によれば、投光器と受光器との位置合わせを行う際に、従来のように建設機械のアームを鉛直姿勢にする必要がなく、更に、受光器の原点位置をピンポイントで合わせる必要もないため、掘削前の事前作業を迅速容易に行うことができる。また、アームの角度に拘わらず、受光器の検出位置と傾斜センサの検出角度のみで掘削誤差を算出できるため、測定誤差を低減して掘削作業を正確に行うことができる。また、指定掘削深さを変更する場合には、オペレータによる入力部の入力操作により容易に対応することができ、レーザ光を受光できる限り投光器および受光器の高さ調整は必要にならないため、作業の効率良く行うことができる。

以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明の具体的な態様は上記実施形態に限定されない。例えば、本実施形態においては、算出した掘削誤差を出力部に表示し、オペレータが出力部を見ながらアームおよびブームを操作することで、直線掘削を可能にしているが、測定誤差に基づいてブームの駆動を自動制御することにより、オペレータがアームの操作のみを行うように構成してもよい。

図７に示す制御部２２１は、図４に示す制御部２２と同様に、受光器１１、傾斜センサ１２および入力部２０から入力された信号に基づいて掘削誤差を演算するように構成されている。そして、演算結果を出力部１３に表示すると共に、ブームシリンダ５ａの駆動を制御する電磁比例制御弁５ｂの開度を、掘削誤差の大きさに応じて調整する。これにより、算出された測定誤差が大きい場合には、これを修正するようにブーム５が高速で上昇または下降し、測定誤差が小さい場合には、これを修正するようにブーム５が低速で上昇または下降するように、ブーム５の駆動が自動制御される。したがって、オペレータは、ブーム５およびバケット３は操作せずにアーム４を操作するだけで良く、直線掘削をより容易且つ正確に行うことができる。

具体的な操作の一例を挙げると、掘削深さが目標掘削面に近づくまでは、オペレータが通常の掘削作業を行い、目標掘削面から１０〜２０ｃｍ程度まで掘削した時点で、入力部２０に設けた制御ボタンを押す。これにより、図７に示す制御部２２１が、掘削誤差に基づいてブーム５の駆動制御を開始する。この結果、オペレータのアーム引き込み動作に応じてブーム５を自動的に下降させ、指定掘削深さで直線掘削することができる。オペレータが、引き込んだアーム４を奥に戻す操作をすると、制御部２２１は、前回の引き込み操作前のブーム位置よりも僅かに（例えば１０ｃｍ程度）上方にブーム５を位置させて、オペレータの再度の引き込み操作に応じてブーム５を下降させ、掘削を行う。整地鋤とり作業は、旋回操作とアーム操作のみであるため、オペレータは左手のみの作業でよく、作業負荷を軽減することができる。ブーム５の自動制御の解除は、例えば、バケットレバーまたはブームレバーの操作と連動させることができる。

また、本実施形態においては、目標掘削面が水平である場合を例に説明したが、図８に示すように、目標掘削面Ｄが勾配を有する場合であっても、本発明の適用が可能である。この場合は、投光器２から出射されるレーザ光の基準面Ｓを、目標掘削面Ｄと平行になるように水平面に対して傾斜させ、これと垂直方向にアーム４を動作させることで、目標掘削面が水平な場合と同様に直線掘削を行うことができる。

すなわち、バケット３の先端３０から受光器１１の検出位置までの距離をＬ、目標掘削面Ｄの法線とアーム４とがなす角度をθ２とすると、実際の掘削深さＨ１は、Ｈ１＝Ｌ×ｓｉｎθ２で表すことができる。θ２の値は、傾斜センサの検出角度をθ、基準面Ｓと水平面Ｐとがなす投光角度をθ１とすると、θ２＝θ−θ１となり、θおよびθ１はいずれも測定可能であるから、θ２の値に基づいて実際の掘削深さＨ１を求めることができる。したがって、この実際の掘削深さＨ１と、入力された指定掘削深さＨ３とから、掘削誤差Ｈ２を算出することができる。なお、実際の掘削深さＨ１、掘削誤差Ｈ２および指定掘削深さＨ３は、いずれも目標掘削面Ｄに対して垂直方向の深さである。

目標掘削面が勾配を有する場合には、掘削面に対する垂直方向の掘削誤差が小さい場合でも、これを鉛直方向の誤差で表すと大きくなってしまうため、オペレータが掘削誤差を認識することがより困難になる。したがって、本発明の掘削支援装置がより有効なものとなる。

図９および図１０は、本発明の他の実施形態を示している。図示例の掘削支援装置も、基本的な構成は上記した実施形態の構成と同様であり、ここでは対応する構成に同一の符号を付することで説明を省略する。

上記した実施形態の掘削支援装置では、直線掘削を行う際に、図５に示すように、バケット３の先端（刃先）３０がバックホウのアーム４における内側（後方側）の長手方向外縁の延長線Ｔ上（受光器１１の長手方向の延長線Ｕ上）に位置するように、アイマーク６などによってバケット３の回動位置合わせをする必要がある。本実施形態の掘削支援装置は、このようなバケット３の回動位置合わせをしなくても直線掘削を可能とするために、バケット開度検出機構４０を備えている。

バケット開度検出機構４０は、バケット３の先端３０が前記延長線Ｕ上に位置するバケット回動位置（以下、「０角度位置」という。）からのバケット３の傾斜角度αを検出するためのものであり、本実施形態では、バケット開度検出機構４０として、図１１に示すように、バックホウのリンク部５０のリンク軸５１に、ロータリエンコーダ４１などの回転角度検出センサが取り付けられている。

なお、ここでリンク部５０とは、図９に示されているような、バケット３およびアーム４にそれぞれ前後して配置された左右一対のリンク板５２，５３と、各後方リンク板５３の下端部をアーム４に枢支してその上端部を揺動可能とするリンク軸５１と、各前方リンク板５３の下端部をアーム４の先端部に枢支してバケット３を回動可能とするバケット回転軸３２と、後方リンク板５３の上端部間に軸支されバケットシリンダ３ａのロッドが連結される軸部５５と、前方リンク版５２の上端部間に軸支された軸部５４と、各軸部５４，５５との間を連結する連結アーム５６とで構成されるものを指し、バケットシリンダ３ａの直線運動をバケット３の回転運動に変換するものである。

このロータリエンコーダ４１は、バケットシリンダ３ａの駆動によりバケット３を回動させる際に回転するリンク軸５１の回転角度Δφを検出してその値を前記制御部２２へ出力する。制御部２２では、ロータリエンコーダ４１により検出されたリンク軸５１の回転角度Δφに基づき、バケット３の前記０角度位置からの傾斜角度αを算出する（詳細は後述する）。

リンク軸５１へのロータリエンコーダ４１の固定は、例えば、ネオジウム磁石などの強力な磁石板４２をリンク軸５１の端面に取り付け、磁気吸着によりロータリエンコーダ４１をリンク軸５１に対して着脱可能とすることが好ましい。これにより、作業内容や作業場所に応じて適宜選定されたバックホウに対して、作業現場で迅速にロータリエンコーダ４１を取り付けることができる。

ロータリエンコーダ４１は、カバー４３によって外周全体が被覆されており、泥や砂、土、埃塵から保護されている。このカバー４３は、基端がピン４４により前記取り付けレール１５に、また先端がピン４５によりカバー４３に、それぞれ枢支された左右４本のアーム部材４６からなるリンク機構に連繋されており、ロータリエンコーダ４１から容易に取り外しが可能となっている。

次に、本実施形態の掘削支援装置をバックホウに適用して直線掘削を行う方法を説明する。まず、掘削作業を行う前に、バケット３が前記０角度位置にあるときを予め基準位置として設定しておく。そして、掘削深さが指定掘削深さＨ３の目標掘削面に近づくまでは、ブーム５、アーム４、およびバケット３を操作して通常の掘削作業を行うが、この掘削作業時にバケット３が前記０角度位置から回動している場合には、ロータリエンコーダ４１によってリンク軸５１の回転角度Δφを検出する。

目標掘削面近くまで掘削すると、オペレータはバケット５を操作することなく制御ボタン（図示せず）を押す。これにより、制御部２２は、ロータリエンコーダ４１によって検出されたリンク軸５１の回転角度Δφに基づき、バケット３の今現在の回動位置、つまり、前記０角度位置からの傾斜角度αを算出する。これは、例えば以下のような方法で実現される。

ここで、図１２においては、バケット３が前記０角度位置にあるときのリンク部５０の機略構成が実線で、バケット３が傾斜したときのリンク部５０の機略構成が２点鎖線で、それぞれ示されている。また、リンク部５０のリンク比率、すなわち、リンク部５０のバケット回転軸３２とリンク軸５１との距離と、前方リンク版５２における軸部５４とバケット回転軸３２との距離と、後方リンク板５３における軸部５５とリンク軸５１との距離と、各軸部５４，５５間の距離との比率をＡ：Ｂ：Ｃ：Ｄとしている。さらに、後方リンク板５３と前記延長線Ｕとのなす角をφ（前記０角度位置にあるときをφ_０と、傾斜したときをφ_１としている）とし、前方リンク板５２と前記延長線Ｕとのなす角をβ（前記０角度位置にあるときをβ_０と、傾斜したときをβ_１としている）とし、後方リンク板５３の軸部５５とバケット回転軸３２とを結ぶ線と前記延長線Ｕおよび前方リンク板５２とのなす角をそれぞれγ，σ（前記０角度位置にあるときをγ_０，σ_０と、傾斜したときをγ_１，σ_１とする）としている。

前方リンク板５２と前記延長線Ｕとのなす角β_０ｏｒ１は、図１２を参照して、β_０ｏｒ１＝π−（γ_０ｏｒ１＋σ_０ｏｒ１）と表すことができる。また、角度γ_０ｏｒ１および角度σ_０ｏｒ１の値は、それぞれ余弦定理を用いた演算で求めることができ、それぞれ数式（１）および数式（２）によって表される。

ここで、リンク比率（Ａ：Ｂ：Ｃ：Ｄ）の値は既知の値であるとともに、角度φ_０の値は予め測定可能である。また、角度φ_１の値はロータリエンコーダ４１により検出されたリンク軸５１の回転角度Δφによってφ_１＝φ_０−Δφと表されるから、リンク比率（Ａ：Ｂ：Ｃ：Ｄ）、および、角度φ_０を、それぞれ前記入力部２０から入力することにより、前記傾斜角度αは、α＝β_１−β_２で求めることができる。

制御部２２は、図１０を参照して、演算した傾斜角度αと、予め入力されるバケット回転軸３２から受光器１１までの距離Ｌ４、バケット先端３０からバケット回転軸３２までの距離Ｌ３、レーザ光が出射される基準面Ｓと水平面とのなす角度θ１（水平掘削の場合は０度）および指定掘削深さＨ３と、受光器１１および傾斜センサ１２の検出信号とに基づいて、基準面Ｓからの実際の掘削深さＨ１と入力された指定掘削深さＨ３との差である掘削誤差Ｈ２を算出する。

すなわち、基準面Ｓからの実際の掘削深さＨ１は、バケット回転軸３２から受光器１１の検出位置までの距離をＬ´とし、水平面とアーム４とがなす角度をθとすると、Ｈ１＝Ｌ´×ｓｉｎθ＋Ｌ３×ｓｉｎ（θ＋α）と表すことができる。ここで、Ｌ´の値は、入力部２０で入力されたＬ４と、受光器１１の端部から受光位置までの距離であるＬ２とを加えた値であり、角度θの値は傾斜センサ１２により、傾斜角度αの値はロータリエンコーダ４１により、それぞれ検出されるから、Ｈ１の値は演算で求めることができる。

一方、指定掘削深さＨ３は、入力部２０で入力された既知の値であるから、掘削誤差Ｈ２は、Ｈ２＝Ｈ３−Ｈ１で求めることができる。この掘削誤差Ｈ２は、前記出力部１３にデジタルまたは記号でリアルタイムに表示され、バックホウのオペレータは、掘削誤差Ｈ２を確認しながら、バケット３は操作せずに、アーム４及びブーム５を操作することにより、バケット３の先端３０の高さを一定に維持して直線掘削を行うことができるようになる。

本実施形態の掘削支援装置によれば、掘削作業を行う前に、バケット３の回動位置を前記０角度位置に合わせる初期設定を行っていれば、直線掘削を行う際に、バケット３の位置調整を行う必要がないため、直線掘削を迅速容易に行うことができる。

なお、バックホウのリンク比率（Ａ：Ｂ：Ｃ：Ｄ）については、直線掘削を行う際に、入力部２０から適宜入力するようにしてもよいが、国内の主要メーカが提供する全てのバックホウのリンク比率をバックホウの機種に対応させて制御部２２のメモリに予め格納しておき、直線掘削を行う際に、バックホウの機種を選択することにより、リンク比率（Ａ：Ｂ：Ｃ：Ｄ）を呼び出すように構成するのが好ましい。

また、本実施形態では、ロータリエンコーダ４１をリンク軸５１に取り付けて、リンク軸５１の回転角度Δφから、バケット３の傾斜角度αを算出しているが、バケット回転軸３２にロータリエンコーダを取り付けて、バケット回転軸３２の回転角度に基づきバケット３の傾斜角度αを算出するように構成してもよい。

図１３、本発明の他の実施形態を示している。図示例の掘削支援装置は、基本的な構成は上記した実施形態の構成と同様であり、ここでは対応する構成に同一の符号を付することで説明を省略する。

本実施形態の掘削支援装置では、投光器２は、適当な距離Ｓ１を隔てて上下一列に配置されたダイオードレーザ（ＬＤ）などからなる２つの投光素子（図示せず）を有しており、投光器２からは互いに平行な上下２段のレーザ光ｌ１，ｌ２が出射されるようになっている。

本実施形態の掘削支援装置では、制御部２２により、受光器１１が投光器２から出射された下段のレーザ光ｌ２を受光する受光位置と上段のレーザ光ｌ１を受光する受光位置との間の距離Ｌ５が検出される。この距離Ｌ５と各レーザ光の間隔Ｓ１とから、アーム４の傾斜角度（水平面とアーム４とがなす角度）θを、ｓｉｎθ＝Ｓ１／Ｌ５で求めることができるので、制御部２２は、受光器１１における各レーザ光ｌ１，ｌ２の受光位置間の距離Ｌ５を検出した後、上記の演算に基づいてアーム４の傾斜角度θの値を算出することで、実際の掘削深さＨ１の値を演算し、指定掘削深さＨ３との差により、掘削誤差Ｈ２（Ｈ２＝Ｈ３−Ｈ１）を求めることが可能となる。

本実施形態の掘削支援装置によると、アーム４に傾斜センサ１２を設ける必要がないので構成を簡素化できるうえ、傾斜センサ１２を用いるよりもアーム４の傾斜角度θを素早く検出することができるようになるので、掘削支援装置の掘削誤差Ｈ２を、出力部１３に表示する演算周期を、例えば０．１秒に設定して連続して掘削誤差を表示すれば、それを見ながら掘削することによって、より一層早く掘削作業が可能になる。また、ブームシリンダの動作を自動制御する例においても、演算周期が早くなるのでより精度の高い掘削が可能になる。

２投光器
３バケット
４アーム
５ブーム
１１受光器
１２傾斜センサ
１３出力部
１５取り付けレール
１６受光部
２０入力部
２２制御部
Ｈ１実際の掘削深さ
Ｈ２掘削誤差
Ｈ３指定掘削深さ

Claims

運転室を備える上部旋回体に対して上下方向に回動可能に設けられたブームと、前記ブームに対して上下方向に回動可能に設けられたアームと、前記アームに支持されたバケットとを備え、前記ブーム及びアームの駆動操作により前記バケットで土砂を掘削する建設機械を用いた掘削作業を支援する装置であって、
掘削箇所近傍に設置され、レーザ光を基準面に沿って出射する投光器と、
レーザ光を受光する受光部を長手方向に沿って複数有し、前記アームに取り付けられる受光器と、
前記アームの傾斜角度を検知する傾斜センサと、
前記受光器及び傾斜センサの検出信号に基づいて前記基準面から前記バケット先端までの実際の掘削深さを演算し、これを予め設定された指定掘削深さと比較して掘削誤差を求める制御部とを備えることを特徴とする掘削支援装置。
掘削条件を入力するための入力部と、前記制御部による演算結果を表示する出力部とを更に備え、
前記制御部は、前記入力部から入力された、前記バケット先端から前記受光器までの距離及び前記指定掘削深さに基づいて、前記掘削誤差を算出し、前記出力部に表示する請求項１に記載の掘削支援装置。
前記制御部は、算出した掘削誤差に基づき前記ブームの駆動を制御する請求項１または２に記載の掘削支援装置。
運転室を備える上部旋回体に対して上下方向に回動可能に設けられたブームと、前記ブームに対して上下方向に回動可能に設けられたアームと、前記アームに支持されたバケットとを備え、前記ブーム及びアームの駆動操作により前記バケットで土砂を掘削する建設機械を用いた掘削作業を支援する装置であって、
掘削箇所近傍に設置され、レーザ光を基準面に沿って出射する第１の投光部と前記第１の投光部の上方または下方に配置され前記基準面に平行なレーザ光を出射する第２の投光部とを有する投光器と、
前記アームに取り付けられ、レーザ光を受光する受光部を長手方向に沿って複数有する受光器と、
各投光部から出射されたレーザ光の前記受光器における受光位置間の距離に基づき掘削作業中の前記アームの傾斜角度を検出し、前記アームの傾斜角度と前記受光器における前記第１の投光部からのレーザ光の受光位置とに基づいて前記基準面から前記バケット先端までの実際の掘削深さを演算し、これを予め設定された指定掘削深さと比較して掘削誤差を求める制御部とを備えることを特徴とする掘削支援装置。
運転室を備える上部旋回体に対して上下方向に回動可能に設けられたブームと、前記ブームに対して上下方向に回動可能に設けられたアームと、前記アームに対して上下方向に回動可能に支持されたバケットとを備え、前記ブーム及びアームの駆動操作により前記バケットで土砂を掘削する建設機械を用いた掘削作業を支援する方法であって、
基準面に沿ってレーザ光を出射するように、投光器を掘削箇所近傍に設置すると共に、長手方向に沿って複数の受光部を有する受光器を、前記レーザ光が受光できるように前記アームに取り付けるステップと、
掘削作業中の前記アームの傾斜角度を傾斜センサにより検知して、前記受光器及び傾斜センサの検出信号に基づいて前記基準面から前記バケット先端までの実際の掘削深さを演算し、これを予め設定された指定掘削深さと比較して掘削誤差を求めるステップとを備える掘削支援方法。
前記受光器の長手方向に沿った軸線上に前記バケットの先端を位置させるステップをさらに備え、バケットの先端から受光器の受光位置までの距離および前記アームの傾斜角度に基づいて前記基準面から前記バケット先端までの実際の掘削深さを演算することを特徴とする請求項５に記載の掘削支援方法。
前記バケットの先端と前記アームの先端に設けられるバケットの回動軸とを結ぶ線と前記受光器の長手方向に沿った軸線とがなすバケットの回転角度を検出するステップをさらに備え、バケットの先端からバケットの回動軸までの距離、前記バケットの回転角度、バケットの回動軸から受光器の受光位置までの距離、および前記アームの傾斜角度に基づいて前記基準面から前記バケット先端までの実際の掘削深さを演算することを特徴とする請求項５に記載の掘削支援方法。
運転室を備える上部旋回体に対して上下方向に回動可能に設けられたブームと、前記ブームに対して上下方向に回動可能に設けられたアームと、前記アームに対して上下方向に回動可能に支持されたバケットとを備え、前記ブーム及びアームの駆動操作により前記バケットで土砂を掘削する建設機械を用いた掘削作業を支援する方法であって、
基準面に沿ってレーザ光を出射する第１の投光部と前記第１の投光部の上方または下方に配置され前記基準面に平行なレーザ光を出射する第２の投光部とを有する投光器を、掘削箇所近傍に設置すると共に、長手方向に沿って複数の受光部を有する受光器を、前記レーザ光が受光できるように前記アームに取り付けるステップと、
掘削作業中の前記アームの傾斜角度を各投光部から出射されたレーザ光の前記受光器における受光位置間の距離に基づき検知して、前記傾斜角度及び前記受光器における前記第１の投光部からのレーザ光の受光位置に基づいて前記基準面から前記バケット先端までの実際の掘削深さを演算し、これを予め設定された指定掘削深さと比較して掘削誤差を求めるステップとを備える掘削支援方法。