JP2014001596A - 建設機械の作業アタッチメント制御装置及び作業アタッチメントの干渉防止領域設定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】作業アタッチメントの干渉防止領域を適切に設定して、作業効率及び安全性を向上させる作業アタッチメント制御装置及び干渉防止領域設定方法の提供。
【解決手段】
アーム先端部２７ａが直線上に位置する複数の姿勢Ｐ１〜Ｐ３について、ブーム姿勢値及びアーム姿勢値を計測する。少なくともブーム１７の長さとアーム２７の長さとブーム姿勢値とアーム姿勢値とに基づき建設機械本体上の原点位置１７ａと前記直線との距離Ｌｘを求める等式において、複数の姿勢について計測されたブーム姿勢値及びアーム姿勢値とブーム１７の長さとをそれぞれ代入することによって得られる複数の等式から構成される連立方程式を解くことによって、少なくともアーム２７の長さと距離Ｌｘとを求める。求めた距離Ｌｘに基づき、アーム先端部２７ａが進入した場合に作業アタッチメント７の所定動作を停止させる干渉防止領域を設定する。
【選択図】図３

Description

本発明は、建設機械の作業アタッチメント制御装置及び作業アタッチメントの干渉防止領域設定方法に関する。

油圧ショベル等の建設機械において、作業アタッチメント（以下、単にアタッチメントとも言う）の仕様によってはキャブ（運転室）とアタッチメントとが干渉する構成となる場合がある。このため、アタッチメントの各関節部に角度センサを設けて、アタッチメントの姿勢を演算することにより、アタッチメントがキャブに干渉する前にアタッチメントを自動停止する技術が実施されている（例えば、特許文献１参照。）。

また、ブーム角度センサ、アーム角度センサ、コントローラ、モード切替スイッチ及び記憶指令スイッチを備えた油圧ショベルの制御装置において、コントローラは、初期調整モード設定状態で記憶スイッチが操作されたときに、ブーム角度センサ及びアーム角度センサの検出値をθｂ−θａ座標系の設定時検出点として記憶し、３つの設定時検出点に基づいて、安全領域と危険領域とを区画する停止曲線を算出する（例えば、特許文献２参照。）。

特開平３−１５６０３７号公報 特開２０１１−８４９１１号公報

特許文献１では、コントローラのメモリ内にアタッチメントの各部長さ及び危険域（停止領域）等のデータを予め記憶させている。そのため、メーカでのアーム、バケット等のアタッチメントの交換又は改造に対しては、メーカにてデータを記憶させることにより対応可能である。しかし、ユーザにてアームが交換又は改造される場合は対応が困難である。例えば、ユーザが数値をインプットする方法を実施する場合、アーム長さと引きエンド等規定姿勢でのアーム角度とをインプットする必要がある。設定値が増えるためインプット操作が複雑になるし、特に角度について実測することが困難である。

特許文献２では、初期設定において、アタッチメントが複数（３点）姿勢をとるように運転者に操作を行わせて、停止曲線を算出する。従って、アーム及びバケットが交換又は改造された場合でも対応可能である。しかし、この停止曲線は１本の曲線であり、必要とする作業領域を確保するのが難しい。

そこで本発明は、アーム等が交換又は改造された場合であっても、キャブに対する作業アタッチメントの干渉防止領域を適切に設定して、作業効率及び安全性を向上させることができる建設機械の作業アタッチメント制御装置及び作業アタッチメントの干渉防止領域設定方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、建設機械本体と、ブーム及びアームを有する作業アタッチメントとを備えた建設機械の作業アタッチメント制御装置であって、前記ブームの姿勢を示すブーム姿勢値を検出するブーム姿勢値検出手段と、前記アームの姿勢を示すアーム姿勢値を検出するアーム姿勢値検出手段と、アーム先端部が直線上に位置する複数の姿勢について、前記ブーム姿勢値及び前記アーム姿勢値を計測する計測手段と、少なくとも前記ブームの長さと前記アームの長さと前記ブーム姿勢値と前記アーム姿勢値とに基づき前記建設機械本体上の原点位置と前記直線との距離を求める等式において、前記複数の姿勢について計測された前記ブーム姿勢値及び前記アーム姿勢値と前記ブームの長さとをそれぞれ代入することによって得られる複数の等式から構成される連立方程式を解くことによって、少なくとも前記アームの長さと前記距離とを求める第一演算手段と、前記第一演算手段によって求めた前記距離に基づき、前記アーム先端部が進入した場合に前記作業アタッチメントの所定動作を停止させる干渉防止領域を設定する第一領域設定手段と、を備える建設機械の作業アタッチメント制御装置を提供している。

ここで、前記ブーム姿勢値検出手段は、前記建設機械本体を基準とする前記ブームの角度を検出するブーム角度センサであり、前記アーム姿勢値検出手段は、前記アームの角度センサ値を検出するアーム角度センサであり、前記計測手段は、前記アーム先端部が前記直線上に位置する複数の姿勢について、前記ブームの角度及び前記アームの角度センサ値を計測し、前記第一演算手段は、前記ブームの長さと前記アームの長さと前記ブームの角度と前記アームの角度センサ値と前記アームの角度センサ値から前記ブームに対する前記アームの実角度を求めるための補正値とに基づき前記距離を求める等式において、前記複数姿勢で計測された前記ブームの角度及び前記アームの角度センサ値と前記ブームの長さとをそれぞれ代入することによって得られる複数の等式から構成される連立方程式を解くことによって、前記アームの長さと前記距離と前記補正値とを求めるのが好ましい。

また、前記計測手段は、前記アーム先端部が鉛直線上に位置する複数の姿勢について、前記ブーム姿勢値及び前記アーム姿勢値を計測し、前記第一演算手段は、少なくとも前記ブームの長さと前記アームの長さと前記ブーム姿勢値と前記アーム姿勢値とに基づき前記建設機械本体上の原点位置と前記鉛直線との前後方向距離を求める等式において、前記複数の姿勢について計測された前記ブーム姿勢値及び前記アーム姿勢値と前記ブームの長さとをそれぞれ代入することによって得られる複数の等式から構成される連立方程式を解くことによって、少なくとも前記アームの長さと前記前後方向距離とを求め、前記第一領域設定手段は、前記第一演算手段によって求めた前記前後方向距離に基づき、前記アーム先端部が進入した場合に前記作業アタッチメントの所定動作を停止させる干渉防止領域を前記建設機械本体の前面に設定するのが好ましい。

更に、少なくとも前記ブームの長さと前記アームの長さと前記ブーム姿勢値と前記アーム姿勢値とに基づき前記原点位置と前記アーム先端部との鉛直方向距離を求める等式において、少なくとも前記ブーム姿勢値と前記アーム姿勢値と前記ブームの長さと前記第一演算手段によって求めた前記アームの長さとを代入することによって前記鉛直方向距離を求める第二演算手段と、前記第二演算手段によって求めた前記鉛直方向距離に基づき、前記アーム先端部が進入した場合に前記作業アタッチメントの所定動作を停止させる干渉防止領域を前記建設機械本体の上面及び下面の少なくとも一方に設定する第二領域設定手段と、を更に備えるのが好ましい。

また、標準の作業アタッチメントに対する干渉防止領域を規定する標準停止線を予め記憶する記憶手段と、前記第一領域設定手段によって設定された前記干渉防止領域を規定する停止線のうち前面部分と前記標準停止線のうち前面部分との差である移動距離を算出する移動距離算出手段と、前記標準停止線のうち前記前面部分とは異なる所定部分について、前記所定部分に対して垂直方向に前記移動距離だけ移動した位置に、新たに停止線を設定する追加停止線設定手段と、を更に備えるのが好ましい。

また本発明は、建設機械本体と、ブーム及びアームを有する作業アタッチメントと、前記ブームの姿勢を示すブーム姿勢値を検出するブーム姿勢値検出手段と、前記アームの姿勢を示すアーム姿勢値を検出するアーム姿勢値検出手段とを備えた建設機械において作業アタッチメントの干渉防止領域を設定する方法であって、（ａ）アーム先端部が直線上に位置する複数の姿勢について、前記ブーム姿勢値及び前記アーム姿勢値を計測するステップと、（ｂ）少なくとも前記ブームの長さと前記アームの長さと前記ブーム姿勢値と前記アーム姿勢値とに基づき前記建設機械本体上の原点位置と前記直線との距離を求める等式において、前記複数の姿勢について計測された前記ブーム姿勢値及び前記アーム姿勢値と前記ブームの長さとをそれぞれ代入することによって得られる複数の等式から構成される連立方程式を解くことによって、少なくとも前記アームの長さと前記距離とを求めるステップと、（ｃ）前記ステップ（ｂ）で求めた前記距離に基づき、前記アーム先端部が進入した場合に前記作業アタッチメントの所定動作を停止させる干渉防止領域を設定するステップと、を備える作業アタッチメントの干渉防止領域設定方法を提供している。

請求項１記載の建設機械の作業アタッチメント制御装置及び請求項５記載の作業アタッチメントの干渉防止領域設定方法によれば、先端アタッチメント及びアームがユーザにより改造又は交換された場合であっても、複数の姿勢についてブーム姿勢値及びアーム姿勢値を計測して連立方程式を解くことによってアームの長さと原点位置とアーム先端部との距離を算出する。そして、当該距離に基づき、作業アタッチメントの所定動作を停止させる干渉防止領域を設定する。従って、ユーザによる改造又は交換に容易に対応して、作業アタッチメントがキャブに干渉するのを防止する制御を行い、作業効率及び安全性を向上させることができる。

請求項２記載の建設機械の作業アタッチメント制御装置によれば、ブーム姿勢値検出手段及びアーム姿勢値検出手段としてそれぞれブーム角度センサ及びアーム角度センサを用い、アームの長さと前記距離とブームに対するアームの実角度を求めるための補正値とを算出する。ここで、ユーザによってアームが交換されるとアーム角度センサも変更される場合が多いが、この場合、アーム角度センサ値は、ブームに対するアームの実際の角度を示さない。しかし、本発明によれば、アーム角度センサの補正値を未知数とする連立方程式から当該補正値を算出するため、アーム角度センサが変更された場合にも対応することができる。

請求項３記載の建設機械の作業アタッチメント制御装置によれば、アーム先端部が鉛直線上に位置する複数の姿勢についてブーム姿勢値及びアーム姿勢値を計測し、原点位置と当該鉛直線との前後方向距離を求める。アーム先端部が鉛直線上に位置する複数の姿勢をとるように運転者に操作を行わせることは比較的容易であるため、初期設定の操作を容易にしつつ、干渉防止領域を正確に設定することができる。

請求項４記載の建設機械の作業アタッチメント制御装置によれば、キャブの前面に加えて上面及び／又は下面についても作業アタッチメントの干渉防止領域を設定することができる。よって、キャブの上面及び／又は下面においても作業アタッチメントがキャブに干渉するのを防止する制御が可能となる。

本発明の実施形態による作業アタッチメント制御装置を搭載した油圧ショベルを示す側面図。 作業アタッチメント制御装置を示すブロック図。 初期設定時の油圧ショベルの動作を示す模式図。 作業アタッチメント制御装置による停止領域の設定のための計算に用いる概念図。 作業アタッチメント制御装置による初期設定動作を示すフローチャートの一部。 図５のフローチャートの続き。 作業アタッチメント制御装置により前面、上面及び下面の停止線を設定した状態を示す模式図。 図７の停止線に加えて、前面斜め上方及び前面斜め下方の停止線を設定した状態を示す模式図。

本発明の第１の実施形態による建設機械の作業アタッチメント制御装置及び作業アタッチメントの干渉防止領域設定方法について図１から図８に基づき説明する。

図１及び図２に示すように、油圧ショベル３は、ショベル本体５と、作業アタッチメント７と、制御装置（作業アタッチメント制御装置）１とを備えている。

ショベル本体５は、クローラ２５ａを装着した下部走行体２５と、下部走行体２５の上部に旋回自在に搭載されるとともにキャブ（運転室）１５ａが設けられた上部旋回体１５とを有している。

作業アタッチメント７は、上部旋回体１５におけるキャブ１５ａの右側に配置されており、上部旋回体１５に対してブームフットピン１７ａ（図３参照）を介して起伏可能に連結されるブーム１７と、ブーム１７の先端部にブームトップピン１７ｂを介して回動可能に取り付けられるアーム２７と、アーム２７の先端部にアームトップピン２７ａ（アーム先端部）を介して回動可能に取り付けられるバケット３７とを有している。

ブーム１７は、ブームシリンダ１９の伸縮に伴って、ブームフットピン１７ａを中心として起伏動作（上げ下げ）を行う。アーム２７は、アームシリンダ２９の伸縮に伴って、ブームトップピン１７ｂを中心として回動する。バケット３７は、バケット３７とアーム２７とに回動可能に連結されるバケットシリンダ３９の伸縮に伴って、アームトップピン２７ａを中心として回動する。

ブームフットピン１７ａにはブーム角度センサ１１（図２）が設けられている。一方、ブーム１７の先端部のブームトップピン１７ｂにはアーム角度センサ１３が設けられている。ブーム角度センサ１１は、ブームシリンダ１９の伸縮に伴ってブーム１７が動く度に、ブーム１７の角度を検出し、当該角度に対応する電圧値をコントローラ９に入力する。アーム角度センサ１３は、アームシリンダ２９の伸縮に伴ってアーム２７が動く度に、アーム２７の角度を検出し、当該角度に対応する電圧値をコントローラ９に入力する。

ここで、ブーム角度センサ１１は、ショベル本体５に対するブーム１７の実際の角度を検出する。以下、ブーム角度センサ１１の検出値をθｂｉ（ｉは自然数）と表す。一方、本実施形態ではアーム角度センサ１３が交換された場合を想定するため、一般的には、アーム角度センサ１３の検出値は、ブーム１７に対するアーム２７の実際の角度（実角度）を示さない。以下、アーム角度センサ１３の検出値をθｐｏｔａｉ（ｉは自然数）と表す。

制御装置１は、図２に示すように、ブーム角度センサ１１及びアーム角度センサ１３に加えて、コントローラ９と、油圧ショベル３を作業モードと初期調整モードとに切り換えるためのモード切換スイッチ２１と、コントローラ９に検出値を記憶させるための記憶指令スイッチ２３と、ブーム１７の動きを制御するためのブーム上げ電磁比例弁３１と、アーム２７の動きを制御するためのアーム引き電磁比例弁３３と、ディスプレイを備えた表示装置３５と、キャブ１５ａ内の運転者に音声で情報を伝えるスピーカ４１とを備えている。

ブーム上げ電磁比例弁３１は、当該ブーム上げ電磁比例弁３１に供給される電流値とその二次圧とが比例するタイプのものであり、二次圧でブームシリンダ１９用のコントロールバルブのスプール（図示せず）を中立位置から移動させることによってブーム１７の動きを制御する。同様に、アーム引き電磁比例弁３３も当該アーム引き電磁比例弁３３に供給される電流値と二次圧とが比例するタイプのものであり、二次圧でアームシリンダ２９用のコントロールバルブのスプール（図示せず）を中立位置から移動させることによってアーム２７の動きを制御する。

モード切換スイッチ２１は、油圧ショベル３を掘削作業等の通常作業を行う作業モードと、バケット３７のキャブ１５ａに対する停止位置の初期設定を行う初期調整モードとを切り換えるためのスイッチである。運転者によってモード切換スイッチ２１が操作されると、モード切換スイッチ２１からの信号を受けたコントローラ９が、作業モードと初期調整モードとを切り換える。

コントローラ９は、センサ及びスイッチからの信号を入力し、各種の演算処理を実行し、電磁比例弁等に信号を出力する。また、コントローラ９は、検出点の座標を記憶可能であり、初期調整モードに設定された状態で記憶指令スイッチ２３が操作されると、当該操作時の検出点が設定時検出点としてコントローラ９に記憶される。詳しくは後述する。

＜干渉防止領域設定のための計算について＞
次に、干渉防止領域（停止線の内側の領域）設定のための計算について説明する。図３は、初期設定時の油圧ショベル３の動作を示す模式図であり、図４は、作業アタッチメント制御装置による干渉防止領域の設定のための計算に用いる概念図である。ブームフットピン１７ａの位置を原点Ｏとする。ブーム１７の長さ（ブームフットピン１７ａとブームトップピン１７ｂとを結ぶ長さ）をＬｂとし、アーム２７の長さ（ブームトップピン１７ｂとアームトップピン２７ａとを結ぶ長さ）をＬａとする。また、アームトップピン２７ａの原点Ｏからのｘ軸方向（前後方向）距離をＬｘとし、ｙ軸方向（鉛直方向）距離をＬｙとする。アームトップピン２７ａとキャブ１５ａ前面との距離をｌとする。

ｘ軸に対してブーム１７が成す角度をθｂとする。ここで、ショベル本体５に対してブーム１７を最大まで起こした角度（設計値）は既知である。この角度とこの姿勢でのブーム角度センサ１１のセンサ値とから、補正値（実際の角度と検出値との差）が分かる。よって、ブーム角度センサ１１のセンサ値から、ブーム１７の実際の角度θｂが得られる。

図４に示すように、ブーム１７に対するアーム２７の実際の角度をθａとする。本実施形態では、ユーザによってアーム２７が交換され、更にアーム角度センサ１３も交換された場合を想定している。この場合、一般的には、アーム角度センサ１３は、ブーム１７に対するアーム２７の実際の角度を示さない。即ち、アーム角度センサ１３のセンサ値をθｐｏｔａとし、補正値をαとすると、ブーム１７に対するアーム２７の実際の角度は、θａ＝（θｐｏｔａ＋α）と表される。

ここで、原点Ｏを基準とするアームトップピン２７ａのｘ軸方向位置Ｌｘについて、以下の等式
Ｌｘ＝Ｌｂ・ｃｏｓ（θｂ）−Ｌａ・ｃｏｓ（θａ−θｂ）
即ち
Ｌｘ＝Ｌｂ・ｃｏｓ（θｂ）−Ｌａ・ｃｏｓ（θｐｏｔａ＋α−θｂ） ・・・式（１）
が成り立つ。

式（１）において、Ｌｂはブームの長さであるから設計値であり既知である。Ｌａはアームの長さであるが、交換されているため未知である。アーム角度センサ１３も交換されているから、アーム角度センサの補正値αも未知である。ｘ軸方向距離Ｌｘも未知である。
ここで、図３に示す３つの姿勢Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３においてブーム角度θｂ及びアーム角度センサ値θｐｏｔａの組（θｂ１，θｐｏｔａ１），（θｂ２，θｐｏｔａ２），（θｂ３，θｐｏｔａ３）を検出してそれぞれ式（１）に代入することにより、以下のような３個の等式を得る。
Ｌｘ＝Ｌｂ・ｃｏｓ（θｂ１）−Ｌａ・ｃｏｓ（θｐｏｔａ１＋α−θｂ１） ・・・式（１−１）
Ｌｘ＝Ｌｂ・ｃｏｓ（θｂ２）−Ｌａ・ｃｏｓ（θｐｏｔａ２＋α−θｂ２） ・・・式（１−２）
Ｌｘ＝Ｌｂ・ｃｏｓ（θｂ３）−Ｌａ・ｃｏｓ（θｐｏｔａ３＋α−θｂ３） ・・・式（１−３）

上記のとおり、未知数はＬａ、α、Ｌｘの３個であるから、３個の式（１−１）〜（１−３）を連立方程式として解くことにより、これらの未知数の値を算出することができる。なお、この連立方程式を一般的に解く必要はなく、未知数Ｌａ、α、Ｌｘの値を数値的に求めれば十分である。

そして、ブームフットピン１７ａ（原点Ｏ）とキャブ１５ａ前面との距離をｌｃ（図３）とすると、アームトップピン２７ａとキャブ１５ａ前面との距離ｌは、以下の等式
ｌ＝Ｌｘ−ｌｃ ・・・式（２）
によって求められる。

更に、原点Ｏを基準とするアームトップピン２７ａのｙ軸方向位置Ｌｙについて、以下の等式
Ｌｙ＝Ｌｂ・ｓｉｎ（θｂ）−Ｌａ・ｓｉｎ（θｐｏｔａ＋α−θｂ） ・・・式（３）
が成り立つ。上記の式（１−１）〜（１−３）を解いたことにより未知数Ｌａ、αの値が既に求められているから、ブーム角度θｂ及びアーム角度センサ値θｐｏｔａが検出されれば、Ｌｙの値が算出される。また、式（１）により、Ｌｘの値も算出される。以上により、ブーム角度センサ１１及びアーム角度センサ１３の各検出値に基づき、アームトップピン２７ａの位置（Ｌｘ，Ｌｙ）が算出可能となる。

＜初期調整モード＞
次に、制御装置１の初期設定モードにおける動作について、図５及び６のフローチャートに基づき説明する。

まずＳ１では、モード切換スイッチ２１の操作によって、作業アタッチメント７の停止位置に関する初期設定を行う初期調整モードが選択されたか否かを判定する。掘削作業等の通常作業を行う作業モードが選択されたと判定されたときは（Ｓ１：Ｎｏ）、そのまま本フローチャートの処理を終了する。

一方、初期調整モードが選択されたと判定されたときは（Ｓ１：Ｙｅｓ）、Ｓ２に進む。Ｓ２で、コントローラ９は、初期調整モードに入ったことを表示装置３５のディスプレイに表示して、Ｓ３に進む。Ｓ３では、表示装置３５のディスプレイに「調整１」と表示することにより運転者に必要な操作を促してＳ４に進む。

ここで運転者は作業アタッチメント７を略コ字状に折り畳みながら、バケット３７をキャブ１５ａの前面に対して所定距離（通常作業時に作業アタッチメント７を自動停止させたい距離）まで接近させた後、作業アタッチメント７に第１姿勢Ｐ１（図３中でブーム１７が実線で描かれている姿勢）をとらせる。

Ｓ４で、コントローラ９は、記憶指令スイッチ２３が操作されたか否かを判定する。記憶指令スイッチ２３が操作されていないと判定された場合は（Ｓ４：Ｎｏ）、再度Ｓ４の判定を行う。記憶指令スイッチ２３が操作されたと判定された場合（Ｓ４：Ｙｅｓ）、Ｓ５に進んで、ブーム角度センサ１１及びアーム角度センサ１３によって検出された角度検出値を、設定時検出点（θｂ１，θｐｏｔａ１）として記憶し、Ｓ６に進む。

Ｓ６で、コントローラ９は、表示装置３５のディスプレイに「調整２」と表示することにより運転者に必要な操作を促してＳ７に進む。Ｓ７では、運転者にバケット３７の高さが第１姿勢Ｐ１と異なる第２姿勢Ｐ２（図３でブーム１７が第１姿勢Ｐ１の下に位置する姿勢）をとらせた後、記憶指令スイッチ２３が操作されたか否かを判定する。記憶指令スイッチ２３が操作されていないと判定された場合は（Ｓ７：Ｎｏ）、再度Ｓ７の判定を行う。記憶指令スイッチ２３が操作されたと判定された場合（Ｓ７：Ｙｅｓ）、Ｓ８に進んで、ブーム角度センサ１１及びアーム角度センサ１３によって検出された角度検出値を、設定時検出点（θｂ２，θｐｏｔａ２）として記憶し、Ｓ９に進む。

Ｓ９で、コントローラ９は、表示装置３５のディスプレイに「調整３」と表示することにより運転者に必要な操作を促してＳ１０に進む。Ｓ１０では、運転者にバケット３７の高さが第１姿勢Ｐ１及び第２姿勢Ｐ２と異なる第３姿勢Ｐ３（図３でブーム１７が第２姿勢Ｐ２の下に位置する姿勢）をとらせた後、記憶指令スイッチ２３が操作されたか否かを判定する。記憶指令スイッチ２３が操作されていないと判定された場合は（Ｓ１０：Ｎｏ）、再度Ｓ１０の判定を行う。記憶指令スイッチ２３が操作されたと判定された場合（Ｓ１０：Ｙｅｓ）、Ｓ１１に進んで、ブーム角度センサ１１及びアーム角度センサ１３によって検出された角度検出値を、設定時検出点（θｂ３，θｐｏｔａ３）として記憶し、Ｓ１２に進む。

Ｓ１２では、表示装置３５のディスプレイに「調整４」と表示することにより運転者に必要な操作を促してＳ１３に進む。Ｓ１３では、運転者がバケット３７をキャブ１５ａの上面に対して所定距離（作業時に作業アタッチメント７を自動停止させたい距離）まで接近させた後（第４姿勢Ｐ４、図３でブーム１７が最も起きた姿勢）、記憶指令スイッチ２３が操作されたか否かを判定する。記憶指令スイッチ２３が操作されていないと判定された場合は（Ｓ１３：Ｎｏ）、再度Ｓ１３の判定を行う。記憶指令スイッチ２３が操作されたと判定された場合（Ｓ１３：Ｙｅｓ）、Ｓ１４に進んで、ブーム角度センサ１１及びアーム角度センサ１３によって検出された角度検出値を、設定時検出点（θｂ４，θｐｏｔａ４）として記憶し、Ｓ１５に進む。

Ｓ１５では、表示装置３５のディスプレイに「調整５」と表示することにより運転者に必要な操作を促してＳ１６に進む。Ｓ１６では、運転者がバケット３７をキャブ１５ａの下面に対して所定距離（作業時に作業アタッチメント７を自動停止させたい距離）まで接近させた後（第５姿勢Ｐ５、図３でブーム１７が最も伏した姿勢）、記憶指令スイッチ２３が操作されたか否かを判定する。記憶指令スイッチ２３が操作されていないと判定された場合は（Ｓ１６：Ｎｏ）、再度Ｓ１６の判定を行う。記憶指令スイッチ２３が操作されたと判定された場合（Ｓ１６：Ｙｅｓ）、Ｓ１７に進んで、ブーム角度センサ１１及びアーム角度センサ１３によって検出された角度検出値を、設定時検出点（θｂ５，θｐｏｔａ５）として記憶し、Ｓ１８に進む。なお、図３では、第５姿勢Ｐ５におけるアームトップピン２７ａが、３つの姿勢Ｐ１〜Ｐ３でのアームトップピン２７ａが並ぶ鉛直線上に位置しているが、第５姿勢Ｐ５におけるアームトップピン２７ａは必ずしも当該鉛直線上にある必要はない。

Ｓ１８では、コントローラ９は、鉛直線上に位置し、且つ、それぞれバケット３７の高さが異なる３つの設定時検出点（θｂ１，θｐｏｔａ１），（θｂ２，θｐｏｔａ２），（θｂ３，θｐｏｔａ３）を用いて、上記式（１−１）〜（１−３）及び式（２）に基づき距離Ｌｘを算出する。そして、算出されたＬｘの位置に前面の停止線Ｔ１（図７）を設定する。

Ｓ１９では、コントローラ９は、第４姿勢Ｐ４での設定時検出点（θｂ４，θｐｏｔａ４）を上記式（３）に代入して距離Ｌｙを算出し、算出されたＬｙの位置に上面の停止線Ｔ２（図７）を設定する。

Ｓ２０では、コントローラ９は、第５姿勢Ｐ５での設定時検出点（θｂ５，θｐｏｔａ５）を上記式（３）に代入して距離Ｌｙを算出し、算出されたＬｙの位置に下面の停止線Ｔ３（図７）を設定する。これで、図７に示すように、キャブ１５ａの前面、上面及び下面に停止線Ｔ１〜Ｔ３が設定されたことになる。

更に、コントローラ９は、Ｓ２１で、キャブ１５ａの前面斜め上方及び前面斜め下方にそれぞれ停止線Ｔ４及びＴ５（図８）を設定する。より具体的に説明すると、図８に示すように、コントローラ９には、予め標準のアタッチメントに基づき設定された停止線Ｔ０１〜Ｔ０５（以下、標準停止線Ｔ０１〜Ｔ０５と呼ぶ。）が記憶されている。Ｓ１８で前面の停止線Ｔ１が算出されているので、これと前面の標準停止線Ｔ０１との差ΔＬ（移動距離）を算出する。即ち、図８の例では、新たに算出した停止線Ｔ１は、標準停止線Ｔ０１に対してΔＬだけ前方（キャブ１５ａに対して外側）へ移動していることになる。次に、前面斜め上方の標準停止線Ｔ０４に対して垂直方向にΔＬだけ外側へ移動した位置に、前面斜め上方の停止線Ｔ４を設定する。同様に、前面斜め下方の標準停止線Ｔ０５に対して垂直方向にΔＬだけ外側へ移動した位置に、前面斜め下方の停止線Ｔ５を設定する。

以上の動作により、交換されたアーム２７に対して新たに停止線Ｔ１〜Ｔ５が設定され、設定された停止線Ｔ１〜Ｔ５の位置情報（座標情報）がコントローラ９内に記憶される。キャブ１５ａに対して、停止線Ｔ１〜Ｔ５で囲まれる内側の領域が干渉防止領域（停止領域）となる。

Ｓ２２では、初期調整が終了したことを表示装置３５のディスプレイに表示し、本フローチャートの処理を終了する。

＜作業モード＞
モード切換スイッチ２１の操作によって、掘削作業等の通常作業を行う作業モードが選択された場合について説明する。作業者によってブーム１７及びアーム２７が操作されると、コントローラ９は、ブーム角度センサ１１及びアーム角度センサ１３によって、ブーム１７及びアーム２７の角度を検出する。検出値（θｂ，θｐｏｔａ）を式（１）及び式（３）に代入することにより、アームトップピン２７ａの位置（Ｌｘ，Ｌｙ）が算出される。

アームトップピン２７ａの位置（Ｌｘ，Ｌｙ）が停止線Ｔ１〜Ｔ５（図８）よりも内側（キャブ１５ａ側）にある場合、コントローラ９は、ブーム上げ電磁比例弁３１及びアーム引き電磁比例弁３３に対して、それぞれブーム上げ動作及びアーム引き動作を停止する信号を出力して、ブーム上げ動作及びアーム引き動作を停止させる。

また、アームトップピン２７ａの位置（Ｌｘ，Ｌｙ）が、停止線Ｔ１〜Ｔ５よりも外側（キャブ１５ａとは反対側）であって停止線Ｔ１〜Ｔ５から所定距離内にある場合、コントローラ９は、ブーム上げ電磁比例弁３１及びアーム引き電磁比例弁３３に対して、それぞれブーム上げ動作及びアーム引き動作を減速する信号を出力して、ブーム上げ動作及びアーム引き動作を減速させる。併せて、スピーカ４１から警報音を発する。なお、このような作業アタッチメントの停止又は減速処理については、上掲した特開平３−１５６０３７号公報、特開２０１１−８４９１１号公報にも記載されているため、詳細な説明を省略する。

本実施形態による作業アタッチメント制御装置１によれば、バケット３７（先端アタッチメント）及びアーム２７がユーザにより改造又は交換された場合であっても、複数点にてブーム姿勢値及びアーム姿勢値を計測して連立方程式を解くことによって、アームの長さとブームフットピン・アームトップピン間の前後方向距離を算出する。そして、当該前後方向距離に基づき、作業アタッチメント７の所定動作を停止させる干渉防止領域を設定する。従って、ユーザによる改造又は交換に容易に対応して、作業アタッチメント７がキャブ１５ａに干渉するのを防止する制御を行い、作業効率及び安全性を向上させることができる。

また、本実施形態による作業アタッチメント制御装置１によれば、ブーム姿勢値検出手段及びアーム姿勢値検出手段としてそれぞれブーム角度センサ１１及びアーム角度センサ１３を用い、アーム２７の長さと前後方向距離Ｌｘとブーム１７に対するアーム２７の実角度を求めるための補正値αとを算出する。ここで、ユーザによってアームが交換されるとアーム角度センサも変更される場合が多いが、この場合、アーム角度センサ値は、ブームに対するアームの実際の角度を示さない。しかし、本実施形態によれば、アーム角度センサの補正値αを未知数とする方程式から補正値αを算出するため、アーム角度センサが変更された場合にも対応することができる。

また、本実施形態による作業アタッチメント制御装置１によれば、キャブ１５ａの前面に加えて上面及び下面についても停止線を設定する。よって、キャブの上面及び下面においても作業アタッチメントがキャブに干渉するのを防止する干渉防止領域を設定することができる。更に、キャブ１５ａの前面斜め上方及び前面斜め下方にもそれぞれ停止線を設定するため、これらの方向において作業アタッチメント７の作業領域を確保することができる。

次に、本発明の第２の実施形態による作業アタッチメント制御装置及び作業アタッチメントの干渉防止領域設定方法について説明する。第２の実施形態は、油圧ショベル３のアーム２７は交換又は改造されているが、アーム角度センサ１３は交換されていない（メーカで取り付けられたものがそのまま付いている）場合に関する実施形態である。

この場合、アーム角度センサ１３は、ブーム１７に対するアーム２７の実際の角度θａを検出することができるため、第１の実施形態で用いた補正値αは不要である。従って、原点Ｏを基準とするアームトップピン２７ａのｘ軸方向位置Ｌｘについて、上掲の等式
Ｌｘ＝Ｌｂ・ｃｏｓ（θｂ）−Ｌａ・ｃｏｓ（θａ−θｂ） ・・・式（１’）
がそのまま成り立つ。

式（１’）において、未知数はアームの長さＬａ及びｘ軸方向距離Ｌｘの２つであるから、アームトップピン２７ａの位置が鉛直線上にある２つの姿勢においてブーム角度θｂ及びアーム角度θａの組（θｂ１，θａ１），（θｂ２，θａ２）を検出すればよい。これらをそれぞれ式（１’）に代入することにより、以下のような２個の等式を得る。
Ｌｘ＝Ｌｂ・ｃｏｓ（θｂ１）−Ｌａ・ｃｏｓ（θａ１−θｂ１） ・・・式（１’−１）
Ｌｘ＝Ｌｂ・ｃｏｓ（θｂ２）−Ｌａ・ｃｏｓ（θａ２−θｂ２） ・・・式（１’−２）

上記のとおり、未知数はＬａ、Ｌｘの２個であるから、２個の式（１’−１）、（１’−２）を連立方程式として解くことにより、これら未知数の値を得ることができる。

そして、第１の実施形態と同様に、アームトップピン２７ａとキャブ１５ａ前面との距離ｌ即ち干渉防止領域は、以下の等式
ｌ＝Ｌｘ−ｌｃ ・・・式（２）
によって求められる。

更に、原点Ｏを基準とするアームトップピン２７ａのｙ軸方向位置Ｌｙについては、以下の等式
Ｌｙ＝Ｌｂ・ｓｉｎ（θｂ）−Ｌａ・ｓｉｎ（θａ−θｂ） ・・・式（３’）
から求められる。

以上のように、アーム角度センサ１３が交換されていない場合は、等式２個からなる連立方程式を解けばよいため、計算が簡素化される。

本発明による建設機械の作業アタッチメント制御装置は上述した実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載した範囲で種々の変形や改良が可能である。

上述した実施形態では、作業アタッチメントの姿勢を検出する検出手段として、角度センサ（ブーム角度センサ１１、アーム角度センサ１３）を用いたが、このような実施形態に限られない。例えば、各シリンダの伸縮長さを検出するストロークセンサや、鉛直方向と基準方向との角度（傾き）を検出する傾斜センサを用いてもよい。ストロークセンサを用いる場合、従来より装備されている機器に内蔵することができるため専用のセンサを追加する必要がなく、また、外観を損なわずに設置可能である。傾斜センサを用いる場合、センサの取付位置に制限がないため自由なレイアウトが可能となる。

上述した実施形態では、図３のようにアームトップピン２７ａが鉛直線上に位置する複数の姿勢について、ブーム角度センサ１１及びアーム角度センサ１３によって角度を検出し、連立方程式を解くことによって前後方向距離Ｌｘを算出したが、このような実施形態に限られない。キャブ１５ａの上方においてアームトップピン２７ａが前後方向に位置する複数の姿勢について角度を検出し、連立方程式を解くことによって鉛直方向距離Ｌｙを算出してもよい。

上述した実施形態では、アーム先端部として、アームトップピン２７ａの位置を基準として距離を算出したが、必ずしもアームトップピン２７ａの位置を基準とする必要はなく、アーム先端部付近の他の位置を基準としてもよい。

上述した実施形態では、先端アタッチメントとしてバケットを備えた油圧ショベルの制御装置について説明したが、先端アタッチメントはバケットに限られない。先端アタッチメントとして圧砕機、ブレーカ等を備えた建設機械の制御装置に本発明を適用してもよい。

以上のように本発明にかかる建設機械の作業アタッチメント制御装置及び作業アタッチメントの干渉防止領域設定方法は、建設作業等に使用される油圧ショベル等の作業アタッチメント制御装置として有用である。

１ 制御装置、 ３ 油圧ショベル、 ５ ショベル本体、 ７ 作業アタッチメント、
９ コントローラ、 １１ ブーム角度センサ、 １３ アーム角度センサ、
１５ 上部旋回体、 １５ａ キャブ、 １７ ブーム、 １７ａ ブームフットピン、
１７ｂ ブームトップピン、 １９ ブームシリンダ、 ２１ モード切換スイッチ、
２３ 記憶指令スイッチ、 ２５ 下部走行体、 ２５ａ クローラ、 ２７ アーム、
２７ａ アームトップピン、 ２９ アームシリンダ、 ３１ ブーム上げ電磁比例弁、
３３ アーム引き電磁比例弁、 ３５ 表示装置、 ３７ バケット、
３９ バケットシリンダ、 ４１ スピーカ。

Claims (5)

1. 建設機械本体と、ブーム及びアームを有する作業アタッチメントとを備えた建設機械の作業アタッチメント制御装置であって、
   前記ブームの姿勢を示すブーム姿勢値を検出するブーム姿勢値検出手段と、
   前記アームの姿勢を示すアーム姿勢値を検出するアーム姿勢値検出手段と、
   アーム先端部が直線上に位置する複数の姿勢について、前記ブーム姿勢値及び前記アーム姿勢値を計測する計測手段と、
   少なくとも前記ブームの長さと前記アームの長さと前記ブーム姿勢値と前記アーム姿勢値とに基づき前記建設機械本体上の原点位置と前記直線との距離を求める等式において、前記複数の姿勢について計測された前記ブーム姿勢値及び前記アーム姿勢値と前記ブームの長さとをそれぞれ代入することによって得られる複数の等式から構成される連立方程式を解くことによって、少なくとも前記アームの長さと前記距離とを求める第一演算手段と、
   前記第一演算手段によって求めた前記距離に基づき、前記アーム先端部が進入した場合に前記作業アタッチメントの所定動作を停止させる干渉防止領域を設定する第一領域設定手段と、を備えることを特徴とする建設機械の作業アタッチメント制御装置。
2. 前記ブーム姿勢値検出手段は、前記建設機械本体を基準とする前記ブームの角度を検出するブーム角度センサであり、
   前記アーム姿勢値検出手段は、前記アームの角度センサ値を検出するアーム角度センサであり、
   前記計測手段は、前記アーム先端部が前記直線上に位置する複数の姿勢について、前記ブームの角度及び前記アームの角度センサ値を計測し、
   前記第一演算手段は、前記ブームの長さと前記アームの長さと前記ブームの角度と前記アームの角度センサ値と前記アームの角度センサ値から前記ブームに対する前記アームの実角度を求めるための補正値とに基づき前記距離を求める等式において、前記複数姿勢で計測された前記ブームの角度及び前記アームの角度センサ値と前記ブームの長さとをそれぞれ代入することによって得られる複数の等式から構成される連立方程式を解くことによって、前記アームの長さと前記距離と前記補正値とを求めることを特徴とする請求項１記載の建設機械の作業アタッチメント制御装置。
3. 前記計測手段は、前記アーム先端部が鉛直線上に位置する複数の姿勢について、前記ブーム姿勢値及び前記アーム姿勢値を計測し、
   前記第一演算手段は、少なくとも前記ブームの長さと前記アームの長さと前記ブーム姿勢値と前記アーム姿勢値とに基づき前記建設機械本体上の原点位置と前記鉛直線との前後方向距離を求める等式において、前記複数の姿勢について計測された前記ブーム姿勢値及び前記アーム姿勢値と前記ブームの長さとをそれぞれ代入することによって得られる複数の等式から構成される連立方程式を解くことによって、少なくとも前記アームの長さと前記前後方向距離とを求め、
   前記第一領域設定手段は、前記第一演算手段によって求めた前記前後方向距離に基づき、前記アーム先端部が進入した場合に前記作業アタッチメントの所定動作を停止させる干渉防止領域を前記建設機械本体の前面に設定することを特徴とする請求項１又は２記載の建設機械の作業アタッチメント制御装置。
4. 少なくとも前記ブームの長さと前記アームの長さと前記ブーム姿勢値と前記アーム姿勢値とに基づき前記原点位置と前記アーム先端部との鉛直方向距離を求める等式において、少なくとも前記ブーム姿勢値と前記アーム姿勢値と前記ブームの長さと前記第一演算手段によって求めた前記アームの長さとを代入することによって前記鉛直方向距離を求める第二演算手段と、
   前記第二演算手段によって求めた前記鉛直方向距離に基づき、前記アーム先端部が進入した場合に前記作業アタッチメントの所定動作を停止させる干渉防止領域を前記建設機械本体の上面及び下面の少なくとも一方に設定する第二領域設定手段と、を更に備えることを特徴とする請求項３記載の建設機械の作業アタッチメント制御装置。
5. 建設機械本体と、ブーム及びアームを有する作業アタッチメントと、前記ブームの姿勢を示すブーム姿勢値を検出するブーム姿勢値検出手段と、前記アームの姿勢を示すアーム姿勢値を検出するアーム姿勢値検出手段とを備えた建設機械において作業アタッチメントの干渉防止領域を設定する方法であって、
   （ａ）アーム先端部が直線上に位置する複数の姿勢について、前記ブーム姿勢値及び前記アーム姿勢値を計測するステップと、
   （ｂ）少なくとも前記ブームの長さと前記アームの長さと前記ブーム姿勢値と前記アーム姿勢値とに基づき前記建設機械本体上の原点位置と前記直線との距離を求める等式において、前記複数の姿勢について計測された前記ブーム姿勢値及び前記アーム姿勢値と前記ブームの長さとをそれぞれ代入することによって得られる複数の等式から構成される連立方程式を解くことによって、少なくとも前記アームの長さと前記距離とを求めるステップと、
   （ｃ）前記ステップ（ｂ）で求めた前記距離に基づき、前記アーム先端部が進入した場合に前記作業アタッチメントの所定動作を停止させる干渉防止領域を設定するステップと、を備えることを特徴とする作業アタッチメントの干渉防止領域設定方法。
   

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