JP2016061054A - ショベル及びショベルの支援装置 - Google Patents

Abstract

【課題】操作者に作業場所を継続的に視認させながらショベルの運転支援に関する情報を視認させることができるショベルを提供すること。
【解決手段】本発明の実施例に係るショベルは、下部走行体１と、下部走行体１に搭載される上部旋回体３と、上部旋回体３に設けられる運転室１０と、上部旋回体３に取り付けられる掘削アタッチメントと、上部旋回体３の旋回操作及び掘削アタッチメントの操作に用いる操作装置２６と、運転室１０内の操作者が着用する頭部搭載型表示装置Ｄ１に画像信号を送信するコントローラ３０とを備える。コントローラ３０は、操作装置２６の出力に基づいて掘削アタッチメントのその後の位置及び姿勢を予測し、且つ、その予測結果に基づいて画像信号を生成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、頭部搭載型表示装置を着用する操作者が操作するショベル及びショベルの支援装置に関する。

ショベルの運転室に設置された表示器にショベルの運転支援に関する情報を表示する構成が知られている（特許文献１参照。）。

特開２０１１−１５７７８９号公報

しかしながら、特許文献１に記載の構成は、バケットの先端周辺等の実際の作業場所から操作者が一時的に目を離してショベルの運転室に設置された表示器に視線を移すこと、すなわち作業現場から目を離すことを前提としている。そのため、バケットとその周辺の物体との衝突の回避に関する情報、バケットの位置決めに関する情報等を操作者に見せる用途には必ずしも適しているとはいえない。

上述に鑑み、操作者に作業場所を継続的に視認させながらショベルの運転支援に関する情報を視認させることができるショベル及びショベルの支援装置を提供することが望まれる。

本発明の実施例に係るショベルは、下部走行体と、前記下部走行体に搭載される上部旋回体と、前記上部旋回体に設けられる運転室と、前記上部旋回体に取り付けられるアタッチメントと、前記上部旋回体の旋回操作及び前記アタッチメントの操作に用いる操作装置と、前記運転室内の操作者が着用する頭部搭載型表示装置に画像信号を送信する制御装置と、を備えるショベルであって、前記制御装置は、少なくとも前記操作装置の出力に基づいて前記アタッチメントのその後の位置及び姿勢を予測し、且つ、該予測結果に基づいて前記画像信号を生成する。

また、本発明の実施例に係るショベルの支援装置は、下部走行体と、前記下部走行体に搭載される上部旋回体と、前記上部旋回体に設けられる運転室と、前記上部旋回体に取り付けられるアタッチメントと、前記アタッチメントの位置及び姿勢を検出するアタッチメント位置姿勢検出センサと、前記上部旋回体の旋回操作及び前記アタッチメントの操作に用いる操作装置と、前記ショベルの駆動制御を行う制御装置と、を備えるショベルに搭載される支援装置であって、前記アタッチメント位置姿勢検出センサの出力と前記操作装置の出力とに基づいて前記アタッチメントのその後の位置及び姿勢を予測し、該予測結果に基づいて画像信号を生成し、前記運転室内の操作者が着用する頭部搭載型表示装置に前記画像信号を送信する。

上述の手段により、操作者に作業場所を継続的に視認させながらショベルの運転支援に関する情報を視認させることができるショベル及びショベルの支援装置が提供される。

本発明の実施例に係るショベルの側面図である。 図１のショベルに搭載される駆動系の構成例を示す図である。 操作者の目の位置を基準とする座標系と上部旋回体上の一点を基準とする座標系との関係を示す図である。 コントローラの構成例を示す機能ブロック図である。 ショベルが操作されていないときに頭部搭載型表示装置を着用する操作者が見る光景の一例を説明する図である。 上部旋回体の左旋回操作が行われているときに頭部搭載型表示装置を着用する操作者が見る光景の一例を説明する図である。 上部旋回体の左旋回操作が行われているときに頭部搭載型表示装置を着用する操作者が見る光景の別の一例を説明する図である。

図１は、本発明の実施例に係る建設機械の一例であるショベルの側面図である。ショベルの下部走行体１には旋回機構２を介して上部旋回体３が搭載される。上部旋回体３にはブーム４が取り付けられる。ブーム４の先端にはアーム５が取り付けられ、アーム５の先端にはエンドアタッチメントとしてのバケット６が取り付けられる。

ブーム４、アーム５、及びバケット６は、アタッチメントの一例である掘削アタッチメントを構成し、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９によりそれぞれ油圧駆動される。また、ブーム４にはブーム角度センサＳ１が取り付けられ、アーム５にはアーム角度センサＳ２が取り付けられ、バケット６にはバケット角度センサＳ３が取り付けられる。

ブーム角度センサＳ１は、アタッチメント位置姿勢検出センサの１つであり、ブーム４の回動角度を検出する。本実施例では、上部旋回体３とブーム４とを連結するブームフートピン回りのブーム４の回動角度を検出するロータリエンコーダである。アーム角度センサＳ２は、アタッチメント位置姿勢検出センサの１つであり、アーム５の回動角度を検出する。本実施例では、ブーム４とアーム５とを連結する連結ピン回りのアーム５の回動角度を検出するロータリエンコーダである。バケット角度センサＳ３は、アタッチメント位置姿勢検出センサの１つであり、バケット６の回動角度を検出する。本実施例では、アーム５とバケット６を連結する連結ピン回りのバケット６の回動角度を検出するロータリエンコーダである。なお、ブーム角度センサＳ１、アーム角度センサＳ２、及びバケット角度センサＳ３の少なくとも１つは、可変抵抗器を利用したポテンショメータ、対応する油圧シリンダのストローク量を検出するストロークセンサ、水平面に対する傾斜を検出する加速度センサ等であってもよい。

上部旋回体３には運転室１０が設けられ且つエンジン１１等の動力源が搭載される。また、運転室１０内には、コントローラ３０及び頭部位置姿勢検出センサＳ４が搭載される。

コントローラ３０は、ショベルの駆動制御を行う制御装置である。本実施例では、コントローラ３０は、ＣＰＵ及び内部メモリを含む演算処理装置で構成される。そして、コントローラ３０の各種機能は、ＣＰＵが内部メモリに格納されたプログラムを実行することで実現される。

頭部位置姿勢検出センサＳ４は、操作者の頭部の位置及び姿勢を検出するセンサである。本実施例では、運転室１０内を撮像するカメラであり、取得した画像情報をコントローラ３０に対して出力する。コントローラ３０は、頭部位置姿勢検出センサＳ４が出力する画像情報に基づいて頭部搭載型表示装置Ｄ１上の少なくとも２つの特徴点の位置を導き出すことで頭部搭載型表示装置Ｄ１ひいては操作者の頭部の位置及び姿勢を導き出す。なお、頭部位置姿勢検出センサＳ４は、赤外線カメラであってもよい。この場合、コントローラ３０は、頭部位置姿勢検出センサＳ４が出力する画像情報に基づいて操作者の両目の瞳孔の位置を検出して操作者の頭部の位置及び姿勢を導き出す。

頭部搭載型表示装置Ｄ１は、運転室１０内の操作者が着用する表示装置である。本実施例では、非透過型片眼式眼鏡ディスプレイであり、コントローラ３０からの信号を無線で受信し、各種情報を眼鏡レンズ上に表示する。なお、頭部搭載型表示装置Ｄ１は、非透過型両眼式眼鏡ディスプレイ、透過型片眼式眼鏡ディスプレイ、又は透過型両眼式眼鏡ディスプレイであってもよい。また、頭部搭載型表示装置Ｄ１は、ヘルメット型ディスプレイ等の他のタイプのヘッドマウントディスプレイであってもよい。また、頭部搭載型表示装置Ｄ１は、コントローラ３０に有線接続されてもよい。なお、非透過型の場合、頭部搭載型表示装置Ｄ１は、その前方を撮像するカメラを前部に搭載し、そのカメラが撮像した画像を表示領域に表示させる。

図２は、図１のショベルの駆動系の構成例を示すブロック図である。図２において、機械的動力系は二重線、高圧油圧ラインは太実線、パイロットラインは破線、電気駆動・制御系は細実線でそれぞれ示される。

エンジン１１はショベルの動力源である。本実施例では、エンジン１１は、エンジン負荷の増減にかかわらずエンジン回転数を一定に維持するアイソクロナス制御を採用するディーゼルエンジンである。

エンジン１１と電動発電機１２は変速機１３の２つの入力軸にそれぞれ接続される。変速機１３の出力軸には油圧ポンプとしてのメインポンプ１４及びパイロットポンプ１５が接続される。メインポンプ１４には高圧油圧ライン１６を介してコントロールバルブ１７が接続される。

コントロールバルブ１７は、ショベルの油圧系の制御を行う油圧制御装置である。右側走行用油圧モータ１Ａ、左側走行用油圧モータ１Ｂ、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、バケットシリンダ９等の油圧アクチュエータは、高圧油圧ラインを介してコントロールバルブ１７に接続される。

電動発電機１２にはインバータ１８を介してキャパシタ１９を含む蓄電系１２０が接続される。また、蓄電系１２０にはインバータ２０を介して旋回用電動機２１が接続される。旋回用電動機２１の回転軸２１Ａには、レゾルバ２２、メカニカルブレーキ２３、及び旋回変速機２４が接続される。また、パイロットポンプ１５にはパイロットライン２５を介して操作装置２６が接続される。

操作装置２６は、油圧アクチュエータ及び旋回用電動機２１を含む各種操作対象の操作に用いる装置であり、レバー及びペダルを含む。本実施例では、操作装置２６は、ブーム４の上げ下げ、アーム５の開閉、バケット６の開閉、上部旋回体３の旋回を操作するための左右一対のレバーと、下部走行体１の走行を操作するペダルとを含む。また、操作装置２６は、油圧ライン２７を介してコントロールバルブ１７に接続される。また、操作装置２６は、油圧ライン２８を介して圧力センサ２９に接続される。

圧力センサ２９は、操作装置２６の操作内容を圧力の形で検出するセンサであり、検出値をコントローラ３０に対して出力する。

なお、図２では、ショベルの駆動系は電動発電機１２、インバータ１８、及び蓄電系１２０を搭載する構成であるが、電動発電機１２、インバータ１８、及び蓄電系１２０は省略されてもよい。また、ショベルの駆動系は旋回用電動機２１を搭載する構成であるが、旋回用電動機２１の代わりにコントロールバルブ１７を介して制御される旋回用油圧モータを搭載してもよい。

次に、図３を参照し、操作者の目の位置を基準とする第１座標系と上部旋回体３上の一点を基準とする第２座標系との関係について説明する。図３は、第１座標系と第２座標系との関係を示す図である。本実施例では、第１座標系は、頭部搭載型表示装置Ｄ１としての眼鏡を着用する操作者の目の位置Ｒ１を原点とする３次元直交座標系であり、眼鏡の前後方向に伸びるＵ軸、眼鏡の幅方向に伸びるＶ軸、及び、Ｕ軸とＶ軸に直交するＷ軸を有する。なお、片眼（左目）式眼鏡ディスプレイの場合、操作者の目の位置Ｒ１としては、例えば操作者の左目の位置が採用される。また、両眼式眼鏡ディスプレイの場合、操作者の目の位置Ｒ１としては、例えば、操作者の左右の目の中間点が採用される。また、第２座標系は、上部旋回体３上の点Ｒ２を原点とする３次元直交座標系であり、掘削アタッチメントの前後方向に伸びるＸ軸、掘削アタッチメントの幅方向に伸びるＹ軸、及び、Ｘ軸とＹ軸に直交するＺ軸を有する。なお、図３では、点Ｒ２は旋回軸上の点であり、ＸＹ平面は水平面であり、Ｚ軸は鉛直軸である。

本実施例では、ブーム角度センサＳ１は、ブーム角度θ１をコントローラ３０に対して出力する。ブーム角度θ１は、ＸＺ平面において、ブームフートピン位置Ｐ１とアーム連結ピン位置Ｐ２とを結ぶ線分のＸ軸（水平線）に対する角度である。

また、アーム角度センサＳ２は、アーム角度θ２をコントローラ３０に対して出力する。アーム角度θ２は、ＸＺ平面において、アーム連結ピン位置Ｐ２とバケット連結ピン位置Ｐ３とを結ぶ線分のＸ軸（水平線）に対する角度である。

また、バケット角度センサＳ３は、バケット角度θ３をコントローラ３０に対して出力する。バケット角度θ３は、ＸＺ平面において、バケット連結ピン位置Ｐ３とバケット爪先位置Ｐ４とを結ぶ線分のＸ軸（水平線）に対する角度である。

また、頭部位置姿勢検出センサＳ４は、運転室１０内を撮像することで取得した画像情報をコントローラ３０に対して出力する。コントローラ３０は、頭部位置姿勢検出センサＳ４が出力する画像情報に各種画像処理を施し、点Ｒ１の第２（ＸＹＺ）座標系における座標を導き出す。また、コントローラ３０は、第２（ＸＹＺ）座標系の３軸を第１（ＵＶＷ）座標系の３軸に一致させるために必要な第２（ＸＹＺ）座標系の３軸回りの回転角度を導き出す。このようにして、コントローラ３０は頭部搭載型表示装置Ｄ１の位置及び向きを導き出すことができる。また、頭部搭載型表示装置Ｄ１の向きは、頭部搭載型表示装置Ｄ１に取り付けられた加速度センサ（図示せず。）の出力に基づいて導き出されてもよい。なお、第２（ＸＹＺ）座標系における頭部位置姿勢検出センサＳ４の位置及び姿勢、並びに、頭部位置姿勢検出センサＳ４（眼鏡）の大きさ及び形状は既知である。そのため、コントローラ３０は、頭部位置姿勢検出センサＳ４の撮像画像における頭部搭載型表示装置Ｄ１の画像又は操作者の頭部画像から第２（ＸＹＺ）座標系における第１（ＵＶＷ）座標系の原点Ｒ１の位置及び３軸回りの回転角度を導き出すことができる。

次に、図４を参照し、コントローラ３０の構成例について説明する。なお、図４は、コントローラ３０の構成例を示すブロック図である。

本実施例では、コントローラ３０は、アタッチメント位置姿勢検出センサＳ１〜Ｓ３、頭部位置姿勢検出センサＳ４、圧力センサ２９等の出力を受け、掘削アタッチメントの現在の位置及び姿勢と掘削アタッチメントのその後（数秒後）の位置及び姿勢とを導き出す。このようにして、コントローラ３０は、掘削アタッチメントの予測位置と予測姿勢とを取得できる。また、掘削アタッチメントのその後の位置及び姿勢を視覚的に操作者に提示できるように頭部搭載型表示装置Ｄ１に対して画像信号を出力する。なお、コントローラ３０は、頭部位置姿勢演算部３１、運動予測演算部３２、順運動学演算部３３Ａ、順運動学演算部３３Ｂ、座標変換部３４Ａ、座標変換部３４Ｂ、及び画像生成部３５を含む。また、図４の破線矢印は掘削アタッチメントの現在の位置及び姿勢に関する情報の流れを表し、点線矢印は掘削アタッチメントのその後の位置及び姿勢に関する情報の流れを表す。

頭部位置姿勢演算部３１は、第２（ＸＹＺ）座標系における頭部搭載型表示装置Ｄ１の位置及び姿勢、操作者の頭部の位置及び姿勢、ひいては第１（ＵＷＶ）座標系の位置及び姿勢を導き出す機能要素である。本実施例では、頭部位置姿勢演算部３１は、頭部位置姿勢検出センサＳ４の撮像画像における頭部搭載型表示装置Ｄ１上の少なくとも２つの特徴点の位置を導き出すことで第２（ＸＹＺ）座標系における頭部搭載型表示装置Ｄ１の位置及び姿勢、操作者の頭部の位置及び姿勢、ひいては第１（ＵＶＷ）座標系の位置及び姿勢を導き出す。そして、頭部位置姿勢演算部３１は、第２（ＸＹＺ）座標系における第１（ＵＶＷ）座標系の位置及び姿勢に関する情報を座標変換部３４Ａ及び座標変換部３４Ｂのそれぞれに対して出力する。

運動予測演算部３２は、アタッチメントの動きを予測する機能要素である。本実施例では、運動予測演算部３２は、ブーム角度センサＳ１、アーム角度センサＳ２、バケット角度センサＳ３等のアタッチメント位置姿勢検出センサの出力と操作装置２６の操作内容を表す圧力センサ２９の出力とに基づいて所定時間経過後の予測ブーム角度θ１ｐ、予測アーム角度θ２ｐ、予測バケット角度θ３ｐを導き出す。そして、導き出した予測ブーム角度θ１ｐ、予測アーム角度θ２ｐ、予測バケット角度θ３ｐを順運動学演算部３３Ｂに対して出力する。

なお、運動予測演算部３２は、図示しないシリンダ圧センサ等の出力を追加的に考慮してアタッチメントの動きを予測してもよい。操作装置２６の操作内容が同じであってもバケット６内の土砂等の重量に応じてアタッチメントの動きが変動し得るためである。

また、運動予測演算部３２は、アタッチメント位置姿勢検出センサの出力を用いることなく、圧力センサ２９の出力、又は、圧力センサ２９とシリンダ圧センサの出力に基づいて所定時間経過後の予測ブーム角度偏差θ１ｄ、予測アーム角度偏差θ２ｄ、予測バケット角度偏差θ３ｄを導き出してもよい。なお、予測ブーム角度偏差θ１ｄは、現在のブーム角度と所定時間経過後のブーム角度との差を意味する。予測アーム角度偏差θ２ｄ及び予測バケット角度偏差θ３ｄについても同様である。

順運動学演算部３３Ａは、順運動学を用いてアタッチメントの現在の位置及び姿勢に関する情報を導き出す機能要素である。本実施例では、順運動学演算部３３Ａは、ブーム角度センサＳ１が出力するブーム角度θ１、アーム角度センサＳ２が出力するアーム角度θ２、及びバケット角度センサＳ３が出力するバケット角度θ３からバケット６の位置及び姿勢を導き出す。具体的には、順運動学演算部３３Ａは、第２（ＸＹＺ）座標系におけるバケット爪先位置Ｐ４等のバケット６上の複数点の座標を導き出し、それら複数点の座標を座標変換部３４Ａに対して出力する。

順運動学演算部３３Ｂは、順運動学を用いてアタッチメントのその後の位置及び姿勢に関する情報を導き出す機能要素である。本実施例では、順運動学演算部３３Ｂは、運動予測演算部３２が出力する予測ブーム角度θ１ｐ、予測アーム角度θ２ｐ、及び予測バケット角度θ３ｐから所定時間経過後のバケット６の位置及び姿勢を導き出す。具体的には、順運動学演算部３３Ｂは、第２（ＸＹＺ）座標系における所定時間経過後のバケット６上の複数点の座標を導き出し、それら複数点の座標を座標変換部３４Ｂに対して出力する。

なお、順運動学演算部３３Ｂは、運動予測演算部３２が出力する予測ブーム角度偏差θ１ｄ、予測アーム角度偏差θ２ｄ、及び予測バケット角度偏差θ３ｄから所定時間経過後のバケット６の位置及び姿勢の現在のバケット６の位置及び姿勢に対する変化量（並進量及び回転量）を導き出してもよい。この場合、順運動学演算部３３Ｂは、第２（ＸＹＺ）座標系における所定時間経過後のバケット６上の複数点の座標の現在のバケット６上の対応する複数点の座標に対する座標変化量（３軸方向の並進量及び３軸回りの回転量）を座標変換部３４Ｂに対して出力する。

座標変換部３４Ａは、アタッチメントの現在の位置及び姿勢を表す第２（ＸＹＺ）座標系上の座標を第１（ＵＶＷ）座標系上の座標に変換する機能要素である。本実施例では、座標変換部３４Ａは、頭部位置姿勢演算部３１が出力する第２（ＸＹＺ）座標系における第１（ＵＶＷ）座標系の位置及び姿勢に関する情報を取得する。また、座標変換部３４Ａは、順運動学演算部３３Ａが出力するアタッチメントの現在の位置及び姿勢に関する情報を取得する。その上で、座標変換部３４Ａは、取得した情報に基づいてアタッチメントの現在の位置及び姿勢を表す第２（ＸＹＺ）座標系上の座標を第１（ＵＶＷ）座標系上の座標に変換する。そして、アタッチメントの現在の位置及び姿勢を表す第１（ＵＶＷ）座標系上の座標を画像生成部３５に対して出力する。

座標変換部３４Ｂは、アタッチメントのその後の位置及び姿勢を表す第２（ＸＹＺ）座標系上の座標を第１（ＵＶＷ）座標系上の座標に変換する機能要素である。本実施例では、座標変換部３４Ｂは、頭部位置姿勢演算部３１が出力する第２（ＸＹＺ）座標系における第１（ＵＶＷ）座標系の位置及び姿勢に関する情報を取得する。また、座標変換部３４Ｂは、順運動学演算部３３Ｂが出力するアタッチメントのその後の位置及び姿勢に関する情報を取得する。その上で、座標変換部３４Ｂは、取得した情報に基づいてアタッチメントのその後の位置及び姿勢を表す第２（ＸＹＺ）座標系上の座標を第１（ＵＶＷ）座標系上の座標に変換する。そして、アタッチメントのその後の位置及び姿勢を表す第１（ＵＶＷ）座標系上の座標を画像生成部３５に対して出力する。

なお、座標変換部３４Ｂは、順運動学演算部３３Ｂが第２（ＸＹＺ）座標系における座標変化量（３軸方向の並進量及び３軸回りの回転量）を出力する場合、その第２（ＸＹＺ）座標系における座標変化量に対応する第１（ＵＶＷ）座標系における座標変化量を画像生成部３５に対して出力する。

画像生成部３５は、頭部搭載型表示装置Ｄ１に対して出力する画像情報を生成する機能要素である。本実施例では、画像生成部３５は、座標変換部３４Ａが出力するアタッチメントの現在の位置及び姿勢を表す第１（ＵＶＷ）座標系上の座標と、座標変換部３４Ｂが出力するアタッチメントのその後の位置及び姿勢を表す第１（ＵＶＷ）座標系上の座標とを取得する。その上で、画像生成部３５は、第１（ＵＶＷ）座標系上の座標を頭部搭載型表示装置Ｄ１の画像平面に投影する。そして、画像生成部３５は、第１（ＵＶＷ）座標系におけるバケット６の現在の位置及び姿勢を表す複数の（３次元）座標に対応する画像平面上の複数の（２次元）座標を特定することでバケット６の現在の位置及び姿勢を表す現バケット画像を画像平面上に生成する。また、画像生成部３５は、第１（ＵＶＷ）座標系におけるバケット６のその後の位置及び姿勢を表す複数の（３次元）座標に対応する画像平面上の複数の（２次元）座標を特定することでバケット６のその後の位置及び姿勢を表す予測バケット画像を画像平面上に生成する。現バケット画像及び予測バケット画像は、例えば、特定した複数の（２次元）座標を結ぶ線分で表される画像である。そして、画像生成部３５は、現バケット画像及び予測バケット画像に関する画像情報を頭部搭載型表示装置Ｄ１に対して出力する。

なお、画像生成部３５は、予測バケット画像のみを頭部搭載型表示装置Ｄ１上で表示させる場合、現バケット画像の生成を省略してもよい。

また、画像生成部３５は、座標変換部３４Ｂが第１（ＵＶＷ）座標系における座標変化量（３軸方向の並進量及び３軸回りの回転量）を出力する場合には、座標変換部３４Ａが出力するアタッチメントの現在の位置及び姿勢を表す第１（ＵＶＷ）座標系上の座標とその座標変化量とに基づいて予測バケット画像を画像平面上に生成する。

次に、図５を参照し、ショベルが操作されていないときに頭部搭載型表示装置Ｄ１を着用する操作者が見る光景の一例について説明する。具体的には、図５（Ａ）はバケット爪先位置Ｐ４のＺ軸回りの回転角速度であるバケット移動角速度ωの時間的推移を示し、図５（Ｂ）はバケット爪先位置Ｐ４のＺ軸回りの回転角度であるバケット移動角度φを示す。また、図５（Ｃ）は頭部搭載型表示装置Ｄ１を着用する操作者が見る光景を示す。

図５（Ａ）は、現在時刻である時刻ｔ１において操作装置２６が何れも操作されていないため、バケット移動角速度ωがゼロであることを示す。また、図５（Ｂ）は時刻ｔ１においてバケット移動角度φが初期値φ０であることを示す。

この場合、所定時間Ｔ１経過後の時刻ｔ２におけるバケット移動角速度ωは図５（Ａ）に示すように依然としてゼロのままであると推定される。また、バケット移動角度φは図５（Ｂ）に示すように依然として初期値φ０のままであると推定される。なお、所定時間Ｔ１は、例えば内部メモリに予め登録された値である。

そのため、コントローラ３０は、所定時間Ｔ１経過後の時刻ｔ２における掘削アタッチメントの位置及び姿勢として現在の掘削アタッチメントの位置及び姿勢と同じ位置及び姿勢を導き出す。具体的には、コントローラ３０は、現在のバケット６上の複数点の座標をそのまま、所定時間Ｔ１経過後の時刻ｔ２におけるバケット６上の複数点の座標として導き出す。そして、コントローラ３０は、現バケット画像と同じ位置及び姿勢の予測バケット画像Ｇ１を生成し、予測バケット画像Ｇ１に関する画像情報を頭部搭載型表示装置Ｄ１に対して出力する。その結果、頭部搭載型表示装置Ｄ１は、図５（Ｃ）に示すように、操作者が眼鏡レンズを通して見る実際のバケット６の像に重なるように予測バケット画像Ｇ１を表示する。

次に、図６を参照し、上部旋回体３の左旋回操作が行われているときに頭部搭載型表示装置Ｄ１を着用する操作者が見る光景の一例について説明する。なお、図６は、図５で示す状態の後に続く状態である。また、バケット移動角速度ωは左旋回の場合に正値を示し、右旋回の場合に負値を示す。また、バケット移動角度φは左旋回の場合に増加し、右旋回の場合に減少する。

図６（Ａ）は、時刻ｔ２において左旋回操作が開始されたため、バケット移動角速度ωが時刻ｔ２で増加し始め、時刻ｔ３においてレバー操作量に対応する値ω１に達したことを示す。その後、左旋回操作が同じレバー操作量で継続されたため、バケット移動角速度ωが値ω１のまま推移し、現在時刻である時刻ｔ４においても値ω１となっていることを示す。

また、図６（Ｂ）は、時刻ｔ２においてバケット移動角度φが初期値φ０から増加し始め、時刻ｔ２から時刻ｔ３の間で変化率を増大させながら増加し、時刻ｔ３以降は一定の変化率で増加し、現在時刻である時刻ｔ４において値φ１に達したことを示す。

この場合、所定時間Ｔ１経過後の時刻ｔ５におけるバケット移動角速度ωは図６（Ａ）に示すように依然として値ω１のままであると推定される。また、バケット移動角度φは図６（Ｂ）に示すように一定の変化率で増加を継続して値φ２に至ると推定される。

そのため、コントローラ３０は、所定時間Ｔ１経過後の時刻ｔ５における掘削アタッチメントの位置及び姿勢として現在の掘削アタッチメントの位置及び姿勢から移動角度Δφ１だけ左旋回したときの掘削アタッチメントの位置及び姿勢を導き出す。具体的には、コントローラ３０は、現在のバケット６上の複数点の座標のそれぞれをＺ軸回りに移動角度Δφ１だけ回転させたときに得られる複数点の座標を、所定時間Ｔ１経過後の時刻ｔ５におけるバケット６上の複数点の座標として導き出す。そして、コントローラ３０は、それら複数点の座標に基づいて予測バケット画像Ｇ１を生成し、予測バケット画像Ｇ１に関する画像情報を頭部搭載型表示装置Ｄ１に対して出力する。その結果、頭部搭載型表示装置Ｄ１は、図６（Ｃ）に示すように、操作者が眼鏡レンズを通して見る実際のバケット６の像から移動角度Δφ１に対応する距離だけ左方向にずれた位置に予測バケット画像Ｇ１を表示する。操作者は、予測バケット画像Ｇ１を見ることで所定時間Ｔ１経過後のバケット６の位置及び姿勢を事前に把握できる。

次に、図７を参照し、上部旋回体３の左旋回操作が行われているときに頭部搭載型表示装置Ｄ１を着用する操作者が見る光景の別の一例について説明する。なお、図７は図６に対応し、バケット移動角速度ω及びバケット移動角度φは、現在時刻である時刻ｔ６までは図６の場合と同じ推移を辿る。

その後、時刻ｔ６において仮に左旋回操作が中止されて旋回操作レバーが中立位置に戻された場合、バケット移動角速度ωは、図７（Ａ）に示すように減速時間Ｔ２の経過後の時刻ｔ７においてゼロに至ると推定される。なお、減速時間Ｔ２は、そのときのバケット移動角速度ωの値ω１とバケット６内の土砂等の重量に応じて変化する慣性モーメントとに応じて変化する。また、バケット移動角度φは、図７（Ｂ）に示すように変化率を減少させながら増加し、時刻ｔ７で増加が止まるときには値φ４に至ると推定される。

そのため、コントローラ３０は、図示しないシリンダ圧センサ等の出力から上部旋回体３の慣性モーメントを導き出し、さらに、レゾルバ２２の出力に基づいて減速時間Ｔ２を導き出す。そして、コントローラ３０は、減速時間Ｔ２経過後の時刻ｔ７における掘削アタッチメントの位置及び姿勢として現在の掘削アタッチメントの位置及び姿勢から移動角度Δφ２だけ左旋回したときの掘削アタッチメントの位置及び姿勢を導き出す。具体的には、コントローラ３０は、現在のバケット６上の複数点の座標のそれぞれをＺ軸回りに移動角度Δφ２だけ回転させたときに得られる複数点の座標を、減速時間Ｔ２経過後の時刻ｔ７におけるバケット６上の複数点の座標として導き出す。そして、コントローラ３０は、それら複数点の座標に基づいて予測バケット画像Ｇ２を生成し、予測バケット画像Ｇ２に関する画像情報を頭部搭載型表示装置Ｄ１に対して出力する。その結果、頭部搭載型表示装置Ｄ１は、図７（Ｃ）に示すように、操作者が眼鏡レンズを通して見る実際のバケット６の像から移動角度Δφ２に対応する距離だけ左方向にずれた位置に予測バケット画像Ｇ２を表示する。操作者は、予測バケット画像Ｇ２を見ることで、現時点で旋回操作レバーを中立位置に戻したときの旋回停止時のバケット６の位置及び姿勢を事前に把握できる。

以上の構成により、コントローラ３０は、頭部搭載型表示装置Ｄ１を着用する操作者に掘削アタッチメントの数秒後の位置及び姿勢を視認させることができる。そのため、操作者は、作業場所から目を離すことなく作業場所を継続的に視認しながらショベルの運転支援に関する情報を視認できる。その結果、操作者は、掘削アタッチメントとその周辺の物体との衝突をより確実に回避でき、また、バケット６の位置決めをより正確に行うことができる。また、操作者は、掘削アタッチメントの数秒後の位置及び姿勢を把握することで、操作装置をどの程度操作すれば掘削アタッチメントをどの程度動かすことができるかといった掘削アタッチメントの操作感をより容易に掴むことができる。

また、コントローラ３０は、現時点で仮に旋回操作レバーが中立位置に戻された場合に掘削アタッチメントが停止するときの掘削アタッチメントの位置及び姿勢を事前に操作者に視認させることができる。このように、コントローラ３０は、特定の操作が仮に行われた場合のその後の掘削アタッチメントの位置及び姿勢を事前に操作者に視認させることができる。そのため、操作者は、掘削アタッチメントとその周辺の物体との衝突をより確実に回避でき、また、バケット６の位置決めをより正確に行うことができる。例えば、操作者は、旋回操作によって掘削アタッチメントを掘削対象地点の真上に移動させようとしている場合に、旋回操作レバーを中立位置に戻したときの掘削アタッチメントの位置及び姿勢を事前に把握できる。そのため、操作者は、バケット爪先位置を掘削対象地点の真上により正確に移動させることができ、掘削アタッチメントの位置を微調整するための旋回操作の繰り返しを回避できる。

以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなしに上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。

例えば、上述の実施例では、頭部位置姿勢演算部３１、運動予測演算部３２、順運動学演算部３３Ａ、順運動学演算部３３Ｂ、座標変換部３４Ａ、座標変換部３４Ｂ、及び画像生成部３５等の各種機能要素はコントローラ３０に含まれる。しかしながら、本発明はこの構成に限定されるものではない。例えば、それら各種機能要素は、コントローラ３０から独立した別の装置としてショベルに搭載されるショベル支援装置に含まれていてもよい。

また、上述の実施例は、ショベルを操作する操作者に掘削アタッチメントの数秒後の位置及び姿勢を見せるための構成に関する。しかしながら、本発明はこの構成に限定されるものではない。例えば、本発明は、クレーンを操作する操作者にクレーンが吊り上げる物体の数秒後の位置及び姿勢を見せるためにクレーンに適用されてもよい。

１・・・下部走行体 １Ａ、１Ｂ・・・走行用油圧モータ ２・・・旋回機構 ３・・・上部旋回体 ４・・・ブーム ５・・・アーム ６・・・バケット ７・・・ブームシリンダ ８・・・アームシリンダ ９・・・バケットシリンダ １０・・・運転室 １１・・・エンジン １２・・・電動発電機 １３・・・変速機 １４・・・メインポンプ １５・・・パイロットポンプ １６・・・高圧油圧ライン １７・・・コントロールバルブ １８・・・インバータ １９・・・キャパシタ ２０・・・キャパシタ ２１・・・旋回用電動機 ２２・・・レゾルバ ２３・・・メカニカルブレーキ ２４・・・旋回変速機 ２５・・・パイロットライン ２６・・・操作装置 ２７、２８・・・油圧ライン ２９・・・圧力センサ ３０・・・コントローラ ３１・・・頭部位置姿勢演算部 ３２・・・運動予測演算部 ３３Ａ、３３Ｂ・・・順運動学演算部 ３４Ａ、３４Ｂ・・・座標変換部 ３５・・・画像生成部 １２０・・・蓄電系 Ｇ１、Ｇ２・・・バケット画像 Ｐ１・・・ブームフートピン位置 Ｐ２・・・アーム連結ピン位置 Ｐ３・・・バケット連結ピン位置 Ｐ４・・・バケット爪先位置 Ｒ１、Ｒ２・・・原点 Ｓ１・・・ブーム角度センサ Ｓ２・・・アーム角度センサ Ｓ３・・・バケット角度センサ Ｓ４・・・頭部位置姿勢検出センサ Ｄ１・・・等具搭載型表示装置

Claims (7)

1. 下部走行体と、
   前記下部走行体に搭載される上部旋回体と、
   前記上部旋回体に設けられる運転室と、
   前記上部旋回体に取り付けられるアタッチメントと、
   前記上部旋回体の旋回操作及び前記アタッチメントの操作に用いる操作装置と、
   前記運転室内の操作者が着用する頭部搭載型表示装置に画像信号を送信する制御装置と、を備えるショベルであって、
   前記制御装置は、少なくとも前記操作装置の出力に基づいて前記アタッチメントのその後の位置及び姿勢を予測し、且つ、該予測結果に基づいて前記画像信号を生成する、
   ショベル。
2. 前記制御装置は、アタッチメント位置姿勢検出センサの出力に基づいて前記アタッチメントの位置及び姿勢を導出し、該導出結果と前記操作装置の出力とに基づいて前記アタッチメントのその後の位置及び姿勢を予測し、且つ、該予測結果に基づいて前記画像信号を生成する、
   請求項１に記載のショベル。
3. 前記制御装置は、頭部位置姿勢検出センサの出力に基づいて前記頭部搭載型表示装置の位置及び姿勢を導出し、且つ、前記操作者の目の位置を原点とする第一座標系と前記上部旋回体上の一点を原点とする第二座標系との間のずれを補正して前記画像信号を前記第一座標系に適合させる、
   請求項１又は２に記載のショベル。
4. 前記制御装置は、前記アタッチメントの現在の位置及び姿勢を導出する演算系と、前記アタッチメントのその後の位置及び姿勢を予測する演算系とを別々に有する、
   請求項１乃至３の何れか一項に記載のショベル。
5. 前記アタッチメントのその後の位置及び姿勢は、前記アタッチメントの所定時間経過後の位置及び姿勢である、
   請求項１乃至４の何れか一項に記載のショベル。
6. 前記アタッチメントのその後の位置及び姿勢は、動作中の前記アタッチメントが停止したときの位置及び姿勢である、
   請求項１乃至４の何れか一項に記載のショベル。
7. ショベルの支援装置であって、
   前記ショベルは、下部走行体と、前記下部走行体に搭載される上部旋回体と、前記上部旋回体に設けられる運転室と、前記上部旋回体に取り付けられるアタッチメントと、前記アタッチメントの位置及び姿勢を検出するアタッチメント位置姿勢検出センサと、前記上部旋回体の旋回操作及び前記アタッチメントの操作に用いる操作装置と、前記ショベルの駆動制御を行う制御装置と、を備え、
   前記支援装置は、前記アタッチメント位置姿勢検出センサの出力と前記操作装置の出力とに基づいて前記アタッチメントのその後の位置及び姿勢を予測し、該予測結果に基づいて画像信号を生成し、前記運転室内の操作者が着用する頭部搭載型表示装置に前記画像信号を送信する、
   ショベルの支援装置。

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