JP2020133225A - 安全装置及び建設機械 - Google Patents

Abstract

【課題】法面の傾斜した路肩上で作業する建設機械の転倒を未然に防止する。【解決手段】形状データから法面の建設機械の接地面に対する傾斜角度である第１法面角度を算出する第１法面角度算出部と、水平面に対する接地面の傾斜角度である接地面角度を検出する傾斜センサと、接地面角度に第１法面角度を加算し、水平面に対する法面の傾斜角度である第２法面角度を算出する第２法面角度算出部と、第２法面角度に応じて作業装置の先端位置の高さ制限値を設定する設定部と、先端位置が高さ制限値以下になるように前記作業装置の動作を制限する制限部とを備える。【選択図】図２

Description

本発明は、建設機械の安全装置及びその安全装置を備える建設機械に関するものである。

近年、油圧ショベルなどの建設機械では周囲の地面の形状を検出し、検出した形状から建設機械の安定度を判定し、転倒を未然に防ぐ機能を備えるものが知られている。

例えば、特許文献１には、ショベルの現在位置及び向きに関する情報と、掘削アタッチメントの現在の姿勢と、作業対象地面の現在の形状に関する情報と、作業者の操作内容とに基づいて所定時間後のショベル姿勢を予測して、ショベル安定度を算出し、安定度が所定値以下の場合にアタッチメントの動きを鈍化又は停止させるショベルが開示されている。

特開２０１６−１７２９６３号公報

ところで、法面は不安定であるため、建設機械が法面の路肩上で作業している場合、建設機械が備える作業装置の先端位置を高位置から低位置に向けて勢いよく振り降ろす動作を行うと、作業装置の慣性が大きいために建設機械全体の姿勢が不安定になり、転倒する可能性がある。しかし、特許文献１では、この課題について何ら考慮されていない。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、法面の傾斜した路肩上で作業する建設機械の転倒を未然に防止する安全装置及び建設機械を提供することを目的とする。

本発明者は、法面の傾斜した路肩上で作業する建設機械の転倒の可能性について検討しており、下記の知見が得られた。建設機械が路肩上で作業装置を振り降ろす動作を行うと、作業装置の慣性によって下部走行体の法面側の荷重が過大になって路肩が崩れ、建設機械が転倒する可能性が高まる。このような事態を未然に防止するには、法面の傾斜角度に応じて作業装置の先端位置の高さを制限すればよい。

ここで、路肩が傾斜している場合、路肩に対する傾斜角度は緩慢な法面であっても、路肩の水平面に対する傾斜角度が急峻であれば、法面の水平面に対する傾斜角度は急峻になるため、路肩は崩れる可能性が高い。

しかし、このような路肩上で建設機械が作業を行う場合、建設機械に取り付けられた形状センサが検出する形状データは水平面基準ではなく建設機械の接地面を基準にして計測されたものである。そのため、形状センサが検出した形状データが示す法面の傾斜角度は緩やかな傾斜角度を示し、これでは、法面の傾斜角度を正確に評価できず、適切な高さ制限値を設定することができない。

一方、路肩が傾斜した法面で作業をしている場合、作業装置の先端位置を高位置に位置決めする作業が行われるケースは少ないため、高さ制限を行っても作業効率に与える影響は小さい。本発明者は、これらの知見に着目し、本発明を想到するに至った。

本発明の一態様は、下部走行体と、前記下部走行体に対して旋回可能に構成された上部旋回体と、前記上部旋回体に回動可能に構成された作業装置とを備える建設機械の安全装置であって、
前記建設機械の周囲の地形の形状を示す形状データを取得する取得部と、
前記形状データから前記建設機械の接地面に対する法面の傾斜角度である第１法面角度を算出する第１法面角度算出部と、
水平面に対する前記接地面の傾斜角度である接地面角度を検出する傾斜センサと、
前記接地面角度に前記第１法面角度を加算することで、前記水平面に対する前記法面の傾斜角度である第２法面角度を算出する第２法面角度算出部と、
前記第２法面角度に応じて前記作業装置の先端位置の高さ制限値を設定する設定部と、
前記先端位置が前記高さ制限値以下になるように前記作業装置の動作を制限する制限部とを備える。

本構成によれば、水平面に対する法面の傾斜角度である第２法面角度に応じて作業装置の先端位置の高さ制限値が設定され、作業装置の先端位置が高さ制限値を超えないように作業装置の動作が制限される。そのため、法面の傾斜した路肩上で作業している建設機械が作業装置を振り降ろす動作を行ったとしても、下部走行体の法面側の荷重が過大になって路肩が崩れ、建設機械が転倒することを未然に防止できる。また、法面の路肩で作業している場合、作業装置の先端位置を高位置に位置決めする作業が行われるケースは少ないため、高さ制限を行っても作業効率に与える影響は小さい。

上記態様において、前記設定部は、前記第２法面角度が増大するにつれて前記高さ制限値を減少させることが好ましい。

本構成によれば、第２法面角度が増大するにつれて高さ制限値が減少されるため、作業装置を振り降ろした際の建設機械の転倒をより確実に防止できる。

上記態様において、前記制限部は、前記法面までの距離が所定距離未満になった場合に前記作業装置の動作制限を開始することが好ましい。

建設機械から法面までの距離が離れている場合、路肩の崩れは生じにくいため、動作制限をする必要性は低い。本構成によれば、法面までの距離が所定距離未満になったときに動作制限が開始されるため、不必要に動作制限が行われることを防止し、作業効率を高めることができる。

上記態様において、前記動作制限の開始時に前記先端位置の高さが前記高さ制限値を超えている場合、前記作業装置の速度を制限しながら前記先端位置が前記高さ制限値以下になるように前記作業装置を制御することが好ましい。

作業態様によっては、動作制限の開始時に既に作業装置の先端位置の高さが高さ制限値を超えていることもあり、この場合、作業装置を振り降ろす動作が行われると、建設機械が転倒する可能性がある。本態様は、動作制限の開始時に既に先端位置の高さが高さ制限値を超えている場合、作業装置の速度が制限されつつ、先端位置が高さ制限値以下に位置決めされるように作業装置が制御される。そのため、建設機械の転倒をより確実に防止できる。

上記態様において、前記取得部は、前記作業装置又は前記上部旋回体に配置され、前記形状データを取得する形状センサであり、前記形状データの座標系を前記作業装置又は前記上部旋回体の座標系から前記建設機械の座標系に変換し、前記座標系が変換された形状データから前記法面の傾斜方向に沿った複数の点を抽出し、前記複数の点から前記法面の傾斜を示す直線を算出し、前記直線の傾きに基づいて前記第１法面角度を算出することが好ましい。

本構成によれば、作業装置又は上部旋回体を基準とする座標系で得られた形状データの座標系が建設機械の座標系に変換され、変換後の形状データにおいて法面の傾斜方向に沿った複数の点が抽出され、複数の点から法面の傾斜を示す直線が算出され、この直線から第１法面角度が算出される。そのため、第１法面角度を正確に算出できる。

本発明によれば、法面の傾斜した路肩上で作業する建設機械の姿勢が不安定になり、建設機械が転倒することを未然に防止できる。

本発明の実施の形態に係る安全装置が搭載される建設機械の例である油圧ショベルを示す図である。 図１に示す油圧ショベルのブロック図である。 第１法面角度が算出される様子の一例を示す図である。 第１法面角度が算出される様子の他の一例を示す図である。 路肩で作業する油圧ショベルの一例を示す図である。 作業装置の動作制限の一例を示す図である。 高さ制限値を設定する際に用いられる高さ制限値マップの一例を示すグラフである。 動作制限の開始時に先端位置が高さ制限値よりも上側に位置している状況を説明する図である。 図２に示す油圧ショベルの動作を示すフローチャートである。

本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る安全装置が搭載される建設機械の例である油圧ショベル１を示す図である。この油圧ショベル１は、地面Ｇの上を走行可能な下部走行体１０と、下部走行体１０に搭載される上部旋回体１２と、上部旋回体１２に搭載される作業装置１４とを備える。ここでは、安全装置が油圧ショベル１に適用される構成を例示するが、本発明はこれに限定されない。例えば、安全装置は、油圧クレーン等の下部走行体、上部旋回体、及び作業装置を備える建設機械であれば、どのような建設機械に適用されてもよい。

また、本実施の形態において、地面Ｇに直行する上側の方向を上方、下側の方向を下方と呼び、上方及び下方を総称して上下方向と呼ぶ。また、上部旋回体１２を基準に正面の方向を前方、前方の反対方向を後方と呼び、前方及び後方を総称して前後方向と呼ぶ。また、上下方向及び前後方向のそれぞれに直行する方向を左右方向と呼ぶ。また、後方から前方に見て左右方向の左側を左方、右側を右方と呼ぶ。

下部走行体１０及び上部旋回体１２は、作業装置１４を支持する機体を構成する。上部旋回体１２は、旋回フレーム１６と、その上に搭載される複数の要素とを有する。当該複数の要素は、エンジンを収容するエンジンルーム１７及び運転室であるキャブ１８を含む。下部走行体１０は、一対のクローラで構成されている。上部旋回体１２は下部走行体に対して旋回可能に取り付けられている。

作業装置１４は、掘削作業その他の必要な作業のための動作を行うことが可能であり、ブーム２１、アーム２２、及びバケット２３を含む。ブーム２１は、旋回フレーム１６の前端に起伏可能すなわち水平軸回りに回動可能に支持される基端部と、その反対側の先端部とを有する。アーム２２は、ブーム２１の先端部に水平軸回りに回動可能に取付けられる基端部と、その反対側の先端部とを有する。バケット２３は、アーム２２の先端部に回動可能に取付けられる。

ブーム２１、アーム２２、及びバケット２３のそれぞれには、複数の伸縮可能な油圧シリンダであるブームシリンダＣ１、アームシリンダＣ２、及びバケットシリンダＣ３が取り付けられている。

ブームシリンダＣ１は、上部旋回体１２とブーム２１との間に介在し、ブーム２１に起伏動作を行わせるように伸縮する。アームシリンダＣ２は、ブーム２１とアーム２２との間に介在し、アーム２２に回動動作を行わせるように伸縮する。バケットシリンダＣ３は、アーム２２とバケット２３との間に介在し、バケット２３に回動動作を行わせるように伸縮する。

図２は、図１に示す油圧ショベル１のブロック図である。油圧ショベル１は、コントローラ１００、形状センサ１０１、傾斜センサ１０２、姿勢センサ１０３、ブーム操作装置１０５、アーム操作装置１０６、バケット操作装置１０７、旋回操作装置１０８、走行操作装置１０９、及び油圧回路２００を備える。

油圧回路２００は、図１に示すブームシリンダＣ１〜バケットシリンダＣ３に加え、旋回モータＭ１、走行モータＭ２Ｌ，Ｍ２Ｒ、一対のブーム電磁弁Ｖ１、一対のアーム電磁弁Ｖ２、一対のバケット電磁弁Ｖ３、一対の旋回電磁弁Ｖ４、左の一対の走行電磁弁Ｖ５Ｌ、右の一対の走行電磁弁Ｖ５Ｒ、ブーム制御弁Ｖ６、アーム制御弁Ｖ７、バケット制御弁Ｖ８、旋回制御弁Ｖ９、左右一対の走行制御弁Ｖ１０Ｌ，Ｖ１０Ｒを含む。さらに、油圧回路２００は、図示しないエンジンの動力により駆動され、各アクチュエータに作動油を供給する油圧ポンプおよび各切換弁のパイロットポートに対してパイロットラインを介してパイロット圧を送るパイロットポンプを含む。

ブームシリンダＣ１は、油圧ポンプからの作動油の供給を受けることにより伸縮し、これによりブーム上げ動作とブーム下げ動作とを行わせる。

アームシリンダＣ２は、油圧ポンプからの作動油の供給を受けることにより伸縮し、これによりアーム引き動作とアーム押し動作とを行わせる。

バケットシリンダＣ３は、油圧ポンプからの作動油の供給を受けることにより伸縮し、これによりバケット掬い動作とバケット開き動作とを行わせる。

旋回モータＭ１は、油圧ポンプからの作動油の供給を受けることにより双方向に回転動作するモータ出力軸を有し、当該モータ出力軸に連結された上部旋回体１２に左旋回動作または右旋回動作を行わせる。

走行モータＭ２Ｌ及び走行モータＭ２Ｒは、それぞれ、油圧ポンプからの作動油の供給を受けることにより双方向に回転動作するモータ出力軸を有し、当該モータ出力軸に連結された下部走行体１０に前進走行動作または後進走行動作を行わせる。走行モータＭ２Ｌ及び走行モータＭ２Ｒは、同一速度で回転することで、下部走行体１０は前進又は後進する。一方、走行モータＭ２Ｌ及び走行モータＭ２Ｒが異なる速度で回転することで、下部走行体１０は旋回する。

ブーム制御弁Ｖ６は、一対のブームパイロットポートを有する油圧パイロット切換弁からなり、当該一対のブームパイロットポートのいずれかにブームパイロット圧が入力されることにより、そのブームパイロットポートに対応した方向にそのブームパイロット圧の大きさに対応したストロークで開弁し、これにより、ブーム２１に対する作動油の供給の方向及び流量を変化させる。

アーム制御弁Ｖ７は、一対のアームパイロットポートを有する油圧パイロット切換弁からなり、当該一対のアームパイロットポートのいずれかにアームパイロット圧が入力されることにより、そのアームパイロットポートに対応した方向にそのアームパイロット圧の大きさに対応したストロークで開弁し、これにより、アーム２２に対する作動油の供給の方向及び流量を変化させる。

バケット制御弁Ｖ８は、一対のバケットパイロットポートを有する油圧パイロット切換弁からなり、当該一対のバケットパイロットポートのいずれかにバケットパイロット圧が入力されることにより、そのバケットパイロットポートに対応した方向にそのバケットパイロット圧の大きさに対応したストロークで開弁し、これにより、バケット２３に対する作動油の供給の方向及び流量を変化させる。

旋回制御弁Ｖ９は、一対の旋回パイロットポートを有する油圧パイロット切換弁からなり、当該一対の旋回パイロットポートのいずれかに旋回パイロット圧が入力されることにより、その旋回パイロットポートに対応した方向にその旋回パイロット圧の大きさに対応したストロークで開弁し、これにより、旋回モータＭ１に対する作動油の供給の方向及び流量を変化させる。

走行制御弁Ｖ１０Ｌ，Ｖ１０Ｒは、それぞれ、一対の走行パイロットポートを有する油圧パイロット切換弁からなり、当該一対の走行パイロットポートのいずれかに走行パイロット圧が入力されることにより、その走行パイロットポートに対応した方向にその走行パイロット圧の大きさに対応したストロークで開弁し、これにより、走行モータＭ２Ｌ，Ｍ２Ｒに対する作動油の供給の方向及び流量を変化させる。

一対のブーム電磁弁Ｖ１は、パイロットポンプとブーム制御弁Ｖ６の一対のブームパイロットポートとの間にそれぞれ介在する電磁弁であり、電気信号であるブーム指令信号の入力を受けて開閉動作を行う。一対のブーム電磁弁Ｖ１は、ブーム指令信号の入力を受けるとそのブーム指令信号に応じた度合いに前記ブームパイロット圧を調節する。

一対のアーム電磁弁Ｖ２は、パイロットポンプとアーム制御弁Ｖ７の一対のアームパイロットポートとの間にそれぞれ介在する電磁弁であり、電気信号であるアーム指令信号の入力を受けて開閉動作を行う。一対のアーム電磁弁Ｖ２は、アーム指令信号の入力を受けるとそのアーム指令信号に応じた度合いに前記アームパイロット圧を調節する。

一対のバケット電磁弁Ｖ３は、パイロットポンプとバケット制御弁Ｖ８の一対のアームパイロットポートとの間にそれぞれ介在する電磁弁であり、電気信号であるバケット指令信号の入力を受けて開閉動作を行う。一対のバケット電磁弁Ｖ３は、バケット指令信号の入力を受けるとそのバケット指令信号に応じた度合いに前記バケットパイロット圧を調節する。

一対の旋回電磁弁Ｖ４は、パイロットポンプと旋回制御弁Ｖ９の一対の旋回パイロットポートとの間にそれぞれ介在する電磁弁であり、電気信号である旋回指令信号の入力を受けて開閉動作を行う。旋回電磁弁Ｖ４は、旋回指令信号の入力を受けるとその旋回指令信号に応じた度合いに前記旋回パイロット圧を調節する。

一対の走行電磁弁Ｖ５Ｌは、パイロットポンプと走行制御弁Ｖ１０Ｌの一対の走行パイロットポートとの間にそれぞれ介在する電磁弁であり、電気信号である旋回指令信号の入力を受けて開閉動作を行う。一対の走行電磁弁Ｖ５Ｌは、走行指令信号の入力を受けるとその走行指令信号に応じた度合いに前記走行パイロット圧を調節する。

一対の走行電磁弁Ｖ５Ｒは、パイロットポンプと走行制御弁Ｖ１０Ｒの一対の走行パイロットポートとの間にそれぞれ介在する電磁弁であり、電気信号である旋回指令信号の入力を受けて開閉動作を行う。一対の走行電磁弁Ｖ５Ｒは、走行指令信号の入力を受けるとその走行指令信号に応じた度合いに前記走行パイロット圧を調節する。

形状センサ１０１（取得部の一例）は、油圧ショベル１の周囲の地形の距離分布を示す形状データを検出する。形状センサ１０１は、例えば、ＬＩＤＡＲ（ｌｉｇｈｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｒａｎｇｉｎｇ）などの３次元の測距センサを含む。形状センサ１０１はＬＩＤＡＲの他、赤外線を用いた測距センサ及び超音波を用いた測距センサなど、距離分布を計測できるセンサであれば、どのようなセンサを含んでいてもよい。本実施の形態では、形状センサ１０１は、例えば上部旋回体１２、又は作業装置１４において、画角の中心線が下斜め前方を向くように取り付けられている。以下の説明では、形状センサ１０１は、図３に示すように作業装置１４の下面に取り付けられているものとして説明する。形状データは、例えば形状センサ１０１から地形までの深度を示す深度データがマトリックス状に配列された距離画像データである。

傾斜センサ１０２は、下部走行体１０の接地面の水平面に対する傾斜角度である接地面角度を検出する。傾斜センサ１０２は、例えば加速度センサ及び角速度センサの機能を有する慣性センサを含む。傾斜センサ１０２は、慣性センサの検出信号に基づいてストラップダウン方式などにより接地面角度を検出する。

姿勢センサ１０３は、作業装置１４の姿勢を検出する。姿勢センサ１０３は、図１に示すブーム角度センサ６１、アーム角度センサ６２、及びバケット角度センサ６３を含む。ブーム角度センサ６１は、上部旋回体１２に対するブーム２１の回転角を検出する。アーム角度センサ６２は、ブーム２１に対するアーム２２の回転角を検出する。バケット角度センサ６３は、アーム２２に対するバケット２３の回転角を検出する。ブーム角度センサ６１〜バケット角度センサ６３は、それぞれ、レゾルバ又はロータリーエンコーダなどで構成される。

ブーム操作装置１０５は、いわゆる電気レバー装置で構成され、ブーム上げ動作又はブーム下げ動作のためのオペレータからの操作を受け付けるブーム操作レバーと、ブーム操作レバーの操作量を電気信号であるブーム操作信号に変換してコントローラ１００に入力する操作信号生成部とを含む。

アーム操作装置１０６は、いわゆる電気レバー装置で構成され、アーム引き動作又はアーム押し動作のためのオペレータからの操作を受け付けるアーム操作レバーと、アーム操作レバーの操作量を電気信号であるアーム操作信号に変換してコントローラ１００に入力する操作信号生成部とを含む。

バケット操作装置１０７は、いわゆる電気レバー装置で構成され、バケット掬い動作又はバケット開き動作のためのオペレータからの操作を受け付けるバケット操作レバーと、バケット操作レバーの操作量を電気信号であるバケット操作信号に変換してコントローラ１００に入力する操作信号生成部とを含む。

旋回操作装置１０８は、いわゆる電気レバー装置で構成され、上部旋回体１２を右旋回又は左旋回させるためのオペレータからの操作を受け付ける旋回操作レバーと、旋回操作レバーの操作量を電気信号である旋回操作信号に変換してコントローラ１００に入力する操作信号生成部とを含む。

走行操作装置１０９は、いわゆる電気レバー装置で構成され、下部走行体１０を前進又は後進させるためのオペレータからの操作を受け付ける走行操作レバーと、走行操作レバーの操作量を電気信号である走行操作信号に変換してコントローラ１００に入力する操作信号生成部とを含む。

コントローラ１００は、例えばマイクロコンピュータからなり、演算部１１０及び指令部１２０を備える。演算部１１０は、油圧ショベル１が不安定状態にあるか否かの判定を行う機能を担う。指令部１２０は、油圧回路２００に含まれる各要素の作動を制御する機能を担う。

指令部１２０は、ブーム指令部１２１、アーム指令部１２２、バケット指令部１２３、旋回指令部１２４、及び走行指令部１２５を備える。ブーム指令部１２１は、ブーム操作装置１０５の操作量に応じた値のブーム指令信号を一対のブーム電磁弁Ｖ１に入力することで該ブーム操作装置１０５の操作量に応じた開度にブーム電磁弁Ｖ１の開度を設定する。

アーム指令部１２２は、アーム操作装置１０６の操作量に応じた値のアーム指令信号を一対のアーム電磁弁Ｖ２に入力ことで該アーム操作装置１０６の操作量に応じた開度にアーム電磁弁Ｖ２の開度を設定する。

バケット指令部１２３は、バケット操作装置１０７の操作量に応じた値のバケット指令信号を一対のバケット電磁弁Ｖ３に入力することで該バケット操作装置１０７の操作量に応じた開度にバケット電磁弁Ｖ３の開度を設定する。

旋回指令部１２４は、旋回操作装置１０８の操作量に応じた値の旋回指令信号を旋回電磁弁Ｖ４に入力することで該旋回操作装置１０８の操作量に応じた開度に旋回電磁弁Ｖ４の開度を設定する。

走行指令部１２５は、走行操作装置１０９の操作量に応じた値の走行指令信号を一対の走行電磁弁Ｖ５Ｌ及び一対の走行電磁弁Ｖ５Ｒに入力することで該走行操作装置１０９の操作量に応じた開度に一対の走行電磁弁Ｖ５Ｌ及び一対の走行電磁弁Ｖ５Ｒそれぞれの開度を設定する。

演算部１１０は、第１法面角度算出部１１１、第２法面角度算出部１１２、設定部１１３、及び制限部１１４を含む。第１法面角度算出部１１１は、形状センサ１０１が検出した形状データに基づいて第１法面角度を算出する。

図３は、第１法面角度θ１が算出される様子の一例を示す図である。まず、第１法面角度算出部１１１は、形状センサ１０１で検出された形状データを油圧ショベル１の座標系５００に変換する。座標系５００は、例えば、油圧ショベル１の重心を原点とする３次元の直行座標系であり、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸を備える。Ｘ軸は前後方向の座標軸であり、Ｙ軸は上下方向の座標軸であり、Ｚ軸は左右方向の座標軸である。ここでは、座標系５００は、上部旋回体１２が基準とされている。形状センサ１０１は作業装置１４に取り付けられているため、座標系５００における形状センサ１０１の位置は作業装置１４の姿勢に応じて変化する。

そこで、第１法面角度算出部１１１は、姿勢センサ１０３の検出信号を用いて、座標系５００における形状センサ１０１の位置を算出し、この位置から形状センサ１０１の座標系と座標系５００との相対的な位置関係を特定し、特定した相対的な位置関係に基づいて形状データの座標系を座標系５００に変換する。

なお、形状センサ１０１が上部旋回体１２に配置されている場合、形状センサ１０１の座標系５００における位置は一定であるため、形状データを座標系５００に変換するに際して姿勢センサ１０３の検出信号は不要である。

次に、第１法面角度算出部１１１は、座標系５００に変換した形状データから第１法面角度θ１を算出する。この場合、第１法面角度算出部１１１は、変換後の形状データから油圧ショベル１の前方にある法面３０１の傾斜方向Ｌ１と特定し、特定した傾斜方向Ｌ１と平行な１ラインのデータ群を形状データから抽出する。 この場合、第１法面角度算出部１１１は、例えば、座標系５００の原点を通り、傾斜方向Ｌ１と平行な１ラインのデータ群を抽出すればよい。

次に、第１法面角度算出部１１１は、抽出した１ラインのデータ群から法面３０１の傾斜を示す回帰直線Ｙ１を算出し、Ｘ−Ｚ平面、すなわち接地面ＳＡに対する回帰直線Ｙ１の角度を第１法面角度θ１として算出する。

なお、油圧ショベル１と法面３０１までの距離によっては形状センサ１０１の画角内に路肩３０２が含まれることもある。この場合、抽出した１ラインのデータ群を１つの直線で近似して回帰直線Ｙ１を求めると、路肩３０２の傾斜を示すデータ群の影響により法面３０１の傾斜を正確に示す回帰直線Ｙ１が得られない可能性がある。

そこで、第１法面角度算出部１１１は、抽出した１ラインのデータ群を２つの直線で近似することで、法面３０１の傾斜を示す回帰直線Ｙ１と、路肩３０２の傾斜を示す回帰直線Ｙ２とを求めてもよい。この場合、第１法面角度算出部１１１は、Ｘ軸に対する回帰直線Ｙ１の角度、或いは回帰直線Ｙ２に対する回帰直線Ｙ１の角度を、第１法面角度θ１として算出してもよい。

このとき、第１法面角度算出部１１１は、回帰直線Ｙ１の決定係数が所定の値以下であれば、形状データには法面３０１は含まれていないと判定し、回帰直線Ｙ１の決定係数が所定の値より大きければ、形状データには法面３０１が含まれていると判定してもよい。

また、第１法面角度算出部１１１は、傾斜方向Ｌ１に平行な複数ラインのデータ群を抽出し、複数ラインのそれぞれについて回帰直線Ｙ１、Ｙ２を求めてもよい。この場合、第１法面角度算出部１１１は、複数の回帰直線のそれぞれについて第１法面角度θ１を算出し、各第１法面角度θ１の平均値を最終的に求める第１法面角度θ１として算出してもよい。

図４は、第１法面角度θ１が算出される様子の他の一例を示す図である。図４では、接地面ＳＡの前方に法面３０１が存在していない。そのため、形状データから抽出した１ラインのデータ群に対して回帰直線を求めると、接地面ＳＡの傾斜を示す１つの回帰直線Ｙ３が得られる。ここで、接地面ＳＡはＸ軸と平行である。そのため、Ｘ軸に対する回帰直線Ｙ３の角度は０度となり、第１法面角度θ１は０度となり、法面３０１は存在しない。

図２に参照を戻す。第２法面角度算出部１１２は、第１法面角度算出部１１１で算出された第１法面角度θ１に傾斜センサ１０２で検出された接地面角度θ０を加算して第２法面角度θ２を算出する。図５は、路肩３０２で作業する油圧ショベル１の一例を示す図である。第２法面角度θ２は、水平面３０３に対する法面３０１の傾斜角度である。接地面角度θ０は、水平面３０３に対する接地面ＳＡ（路肩３０２）の傾斜角度である。一方、第１法面角度θ１は接地面ＳＡに対する法面３０１の傾斜角度である。したがって、第１法面角度θ１に接地面角度θ０を加算することで水平面３０３に対する法面３０１の傾斜角度である第２法面角度θ２が算出できる。

図２に参照を戻す。設定部１１３は、第２法面角度θ２に応じて作業装置１４の先端位置の高さ制限値を設定する。図７は、高さ制限値を設定する際に用いられる高さ制限値マップの一例を示すグラフである。高さ制限値マップは、例えば、コントローラ１００のメモリ（図略）に予め記憶されており、高さ制限値と第２法面角度θ２とを対応付けて記憶する。

高さ制限値マップにおいて、高さ制限値は、これ以上、先端位置Ｐ１が高くなると、作業装置１４を振り降ろす動作が行われた場合、油圧ショベル１が転倒する可能性が高くなる第２法面角度θ２に応じて予め定められた値が採用されている。

具体的には、高さ制限値は、第２法面角度θ２が０度からθ２＿１度までの範囲では最高値Ｍａｘを維持し、θ２＿１度からθ２＿２度までの範囲では第２法面角度θ２の増大に伴ってリニアに減少し、θ２＿２度より大きい範囲では最小値Ｍｉｎを維持している。

最高値Ｍａｘは油圧ショベルが物理的に位置決め可能な作業装置１４の先端位置Ｐ１の最大の高さを示している。したがって、θ２＿１度は、作業装置１４を最高値Ｍａｘから振り降ろす動作を行ったとしても、油圧ショベル１が転倒する可能性の低い第２法面角度θ２の最大値が採用されている。

第２法面角度θ２がθ２＿１度より大きくなると、第２法面角度θ２の増大に伴って、作業装置１４を振り降ろした際の油圧ショベル１が転倒する可能性は、先端位置Ｐ１が高くなるほど高くなる。そこで、第２法面角度θ２がθ２＿１度からθ２＿２度までの範囲では、高さ制限値は第２法面角度θ２の増大に伴ってリニアに減少されている。ここで、リニアに減少させることは一例であり、漸次に減少されるものであればリニア以外で減少されてもよい。

高さ制限値を過大に制限すると、油圧ショベル１は作業ができなくなる。そこで、図７の例では最小値Ｍｉｎを設け、第２法面角度θ２がθ２＿２度より大きい範囲では、高さ制限値が最小値Ｍｉｎより小さくならないようにしている。ここで、最小値Ｍｉｎは、油圧ショベル１が路肩３０２上で作業をするにあたり最低限確保する必要がある先端位置Ｐ１の高さ位置であって、作業装置１４の振り降ろしに伴う油圧ショベル１の転倒を可能な限り抑制できる高さ位置が採用される。

図２に参照を戻す。制限部１１４は、先端位置Ｐ１が高さ制限値以下になるように作業装置１４の動作を制限する。図６は、作業装置１４の動作制限の一例を示す図である。図６の例では、高さ制限値６０１は、法面３０１を基準に設定されているため、高さ制限値６０１を示す直線は法面３０１と平行な直線で示されている。

具体的には、制限部１１４は、姿勢センサ１０３の検出信号から先端位置Ｐ１を求める。先端位置Ｐ１は、例えば、ブーム２１、アーム２２、及びバケット２３のそれぞれの既知の長さと、ブーム角度センサ６１、アーム角度センサ６２、及びバケット角度センサ６３のそれぞれが検出したブーム角度、アーム角度、及びバケット角度とを用いた幾何演算により算出される。

そして、制限部１１４は、オペレータの操作によって先端位置Ｐ１が高さ制限値６０１より高くなったことを検出した場合、ブーム指令部１２１、アーム指令部１２２、及びバケット指令部１２３のそれぞれに停止指令を出力する。これにより、ブーム指令部１２１、アーム指令部１２２、及びバケット指令部１２３は、それぞれ、一対のブーム電磁弁Ｖ１、一対のアーム電磁弁Ｖ２、及びバケット電磁弁Ｖ３のそれぞれを閉弁させる。その結果、作業装置１４の動作が停止され、先端位置Ｐ１が高さ制限値６０１以内に収まるように先端位置Ｐ１の高さを制限できる。

具体的には、制限部１１４は、ブーム上げ動作、アーム押し動作、及びバケット開き動作の少なくとも１つの動作がオペレータの操作によって開始されると、先端位置Ｐ１が高さ制限値６０１より高くなったか否かをモニタする。そして、先端位置Ｐ１が高さ制限値６０１より高くなったことを検出した場合、制限部１１４は、停止指令を出力すればよい。

一方、上述のように先端位置Ｐ１の高さは制限されているため、オペレータの操作によって作業装置１４が振り降ろされる動作が行われたとしても、油圧ショベル１が転倒する可能性が低い。したがって、制限部１１４は、例えば、ブーム下げ動作、アーム引き動作、及びバケット掬い動作の少なくとも１つの動作がオペレータの操作によって行われた場合、動作制限は行わない。

ここで、高さ制限値６０１は、法面３０１を基準に設定されたが、本発明はこれに限定されず、接地面ＳＡを基準に設定されてもよいし、水平面３０３を基準に設定されてもよい。

なお、先端位置Ｐ１が高さ制限値６０１より高くなったときに停止指令を出力した場合、慣性によって作業装置１４は、先端位置Ｐ１が高さ制限値６０１の少し上側で停止する可能性がある。そこで、制限部１１４は、高さ制限値６０１よりも少し下側に予備高さ制限値を設け、先端位置Ｐ１が予備高さ制限値よりも大きくなったときに、停止指令を出力してもよい。これにより、先端位置Ｐ１が高さ制限値６０１を超えた位置で作業装置１４が停止することを防止できる。

図５を参照する。油圧ショベル１から法面３０１までの距離が所定距離以上であれば、路肩３０２は崩れる可能性は低く、油圧ショベル１が転倒する可能性は低い。そこで、制限部１１４は、油圧ショベル１から法面３０１までの距離を形状データから算出し、その距離が所定距離未満になった場合においてのみ、作業装置１４の動作制限を実施してもよい。この態様を採用する場合、油圧ショベル１の作業態様によっては、動作制限の開始時に既に先端位置Ｐ１が高さ制限値６０１よりも上側に位置している場合もある。

そこで、制限部１１４は、動作制限の開始時に先端位置Ｐ１の高さが高さ制限値６０１を超えている場合、作業装置１４の速度を制限しながら先端位置Ｐ１が高さ制限値６０１を下回る位置まで作業装置１４を移動させればよい。

図８は、動作制限の開始時に先端位置Ｐ１が高さ制限値６０１よりも上側に位置している状況を説明する図である。この場合、制限部１１４は、先端位置Ｐ１が所定の軌跡９０１に沿って所定の低速度で移動するように、ブーム指令部１２１、アーム指令部１２２、及びバケット指令部１２３のそれぞれにブーム指令信号、アーム指令信号、及びバケット指令信号を出力すればよい。図８の例では、軌跡９０１は、高さ制限値６０１を示す法面３０１と平行なラインに対して所定の角度αで交わる直線が採用されている。低速度は、例えば、ブームシリンダＣ１、アームシリンダＣ２、及びバケットシリンダＣ３が出力し得る速度のうち最低の速度、あるいは最低の速度の多少のマージンを加えた速度が採用できる。これにより、強制的に先端位置Ｐ１が高さ制限値６０１内に収められ、油圧ショベル１の転倒を未然に防止できる。

図９は、図２に示す油圧ショベル１の動作を示すフローチャートである。この処理は、油圧ショベル１の稼働中、所定の周期で繰り返し実行されるものとする。まず、傾斜センサ１０２は、接地面ＳＡの水平面３０３に対する傾斜角度である接地面角度θ０を検出する（Ｓ１）。次に、形状センサ１０１は、油圧ショベル１の周囲の地形の距離分布を示す形状データを取得する（Ｓ２）。次に、第１法面角度算出部１１１は、取得された形状データを形状センサ１０１の座標系から油圧ショベル１の座標系５００に変換する（Ｓ３）。

次に、第１法面角度算出部１１１は、下部走行体１０から法面３０１までの距離、すなわち、下部走行体１０から法面３０１までの距離が所定距離以下であるか否かを判定する（Ｓ４）。下部走行体１０から法面３０１までの距離が所定距離以下であれば（Ｓ４でＹＥＳ）、第１法面角度算出部１１１は、第１法面角度θ１を算出する（Ｓ５）。一方、下部走行体１０から法面３０１までの距離が所定距離より大きければ（Ｓ４でＮＯ）、処理を終了する。

次に、第２法面角度算出部１１２は、Ｓ１で検出された接地面角度θ０にＳ６で算出された第１法面角度θ１を加算し、第２法面角度θ２を算出する（Ｓ６）。次に、設定部１１３は、高さ制限値マップを参照して第２法面角度θ２に対応する高さ制限値を設定する（Ｓ７）。

次に、制限部１１４は、姿勢センサ１０３の検出信号から作業装置１４の先端位置Ｐ１を算出する（Ｓ８）。次に、制限部１１４は、先端位置Ｐ１が高さ制限値６０１以下に収まるように作業装置１４の動作制限を行い（Ｓ９）、処理を終了する。

図５に示すように、油圧ショベル１は路肩３０２で作業している。路肩３０２は水平面３０３に対して法面３０１側に傾斜している。この状況下で先端位置Ｐ１が高位置から低位置に移動するように作業装置１４を振り降ろす動作が行われると、下部走行体１０の先端側の荷重によって路肩３０２が崩れ、油圧ショベル１が法面３０１側に傾斜して転倒する可能性がある。

そこで、本実施の形態では、図６に示すように、第２法面角度θ２に応じた高さ制限値６０１を設定し、先端位置Ｐ１が高さ制限値６０１より上側に移動しないように作業装置１４の動作制限が行われている。これにより、作業装置１４を振り降ろす動作が行われたとしても、油圧ショベル１に作業装置１４の過大な慣性が作用せず、油圧ショベル１の転倒を未然に防止できる。

さらに、本実施の形態では、路肩３０２に対する法面３０１の傾斜角度である第１法面角度θ１ではなく、水平面３０３に対する法面３０１の傾斜角度である第２法面角度θ２に応じて高さ制限値が設定されている。そのため、路肩３０２に対する傾斜角度は緩慢であるが、路肩３０２の傾斜角度が急峻であるために水平面３０３に対する傾斜角度が急峻な法面３０１においても、法面３０１が油圧ショベル１の転倒の可能性を正確に評価することができ、適切な高さ制限値を設定できる。

（変形例）
本発明は以下の変形例が採用できる。

（１）油圧ショベル１から法面３０１までの距離が所定距離より大きい場合であっても、形状センサ１０１の画角内に法面３０１が入っていれば、第２法面角度算出部１１２は、第２法面角度θ２を算出でき、設定部１１３は第２法面角度θ２に応じた高さ制限値を予測できる。この場合、制限部１１４は、先端位置Ｐ１が予測された高さ制限値より大きい場合、油圧ショベル１が法面３０１から前記所定距離に移動するまでに、先端位置Ｐ１が高さ制限値に位置するように、先端位置Ｐ１の高さを漸次低下させてもよい。

具体的には、制限部１１４は、高さ制限値が予測された場合、予測された高さ制限値よりも先端位置Ｐ１が高く、且つ、油圧ショベル１が法面３０１に向かって前進している操作が入力されている場合、予測された高さ制限値に向けて先端位置Ｐ１を徐々に下げていくブーム指令信号、アーム指令信号、及びバケット指令信号をそれぞれブーム電磁弁Ｖ１、アーム電磁弁Ｖ２、及びバケット電磁弁Ｖ３に出力すればよい。

（２）上記実施の形態では、ブーム操作装置１０５〜走行操作装置１０９として電気レバー装置が用いられているが本発明はこれに限定されず、操作量に応じたパイロット圧を出力する油圧レバー装置が用いられてもよい。以下、ブーム制御弁Ｖ６を例に挙げて説明する。

この場合、ブーム制御弁Ｖ６のパイロットポートに電磁切替弁を設ける。電磁切替弁は、通常動作時は、油圧レバー装置からのパイロット圧をブーム制御弁Ｖ６のパイロットポートに入力する。一方、電磁切換弁は、制限部１１４から停止指令が入力されると、パイロットポートへのパイロット圧の入力を遮断する。これにより、ブーム２１の動作が禁止される。

（３）上記実施の形態では、形状センサ１０１が検出した形状データを用いて法面３０１が検出されていたが、本発明はこれに限定されず、予め計測された形状データをメモリから取得する、或いは、外部サーバから通信により形状データを取得することで法面３０１を検出してもよい。この場合、第１法面角度算出部１１１は、図略のＧＰＳセンサから油圧ショベル１の現在位置を取得し、取得した形状データに油圧ショベル１の現在位置をプロットすることで、形状データから油圧ショベル１の周囲の法面３０１を検出すればよい。

（４）上記実施の形態では、下部走行体１０が法面３０１に向き合っているが、上部旋回体１２は旋回可能であるので作業装置１４の動作制限を行う基準である前方の向きが変化してしまう。そこで、本発明は油圧ショベル１の姿勢によって変更されない特定方向の傾斜に基づいて作業装置１４の動作制限を行うようにしてもよい。例えば、上部旋回体１２が法面３０１に対して向き合った状態を特定方向と定義すれば、油圧ショベル１がその場で旋回動作を行う場合であっても常に特定方向にある法面３０１の第２法面角度θ２に基づいて作業装置１４の動作制限を行うことができる。

１ ：油圧ショベル
１０ ：下部走行体
１２ ：上部旋回体
１４ ：作業装置
１００ ：コントローラ
１０１ ：形状センサ
１１０ ：演算部
１１１ ：第１法面角度算出部
１１２ ：第２法面角度算出部
１１３ ：設定部
１１４ ：制限部
１２０ ：指令部
２００ ：油圧回路
θ０ ：接地面角度
θ１ ：第１法面角度
θ２ ：第２法面角度

Claims (6)

1. 下部走行体と、前記下部走行体に対して旋回可能に構成された上部旋回体と、前記上部旋回体に回動可能に構成された作業装置とを備える建設機械の安全装置であって、
   前記建設機械の周囲の地形の形状を示す形状データを取得する取得部と、
   前記形状データから前記建設機械の接地面に対する法面の傾斜角度である第１法面角度を算出する第１法面角度算出部と、
   水平面に対する前記接地面の傾斜角度である接地面角度を検出する傾斜センサと、
   前記接地面角度に前記第１法面角度を加算することで、前記水平面に対する前記法面の傾斜角度である第２法面角度を算出する第２法面角度算出部と、
   前記第２法面角度に応じて前記作業装置の先端位置の高さ制限値を設定する設定部と、
   前記先端位置が前記高さ制限値以下になるように前記作業装置の動作を制限する制限部とを備える安全装置。
2. 請求項１記載の安全装置であって、
   前記設定部は、前記第２法面角度が増大するにつれて前記高さ制限値を減少させる安全装置。
3. 請求項１又は２記載の安全装置であって、
   前記制限部は、前記法面までの距離が所定距離未満になった場合に前記作業装置の動作制限を開始する安全装置。
4. 請求項３記載の安全装置であって、
   前記制限部は、前記動作制限の開始時に前記先端位置の高さが前記高さ制限値を超えている場合、前記作業装置の速度を制限しながら前記先端位置が前記高さ制限値以下になるように前記作業装置を制御する安全装置。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の安全装置であって、
   前記取得部は、前記作業装置又は前記上部旋回体に配置され、前記形状データを取得する形状センサであり、
   前記第１法面角度算出部は、前記形状データの座標系を前記作業装置又は前記上部旋回体の座標系から前記建設機械の座標系に変換し、前記座標系が変換された形状データから前記法面の傾斜方向に沿った複数の点を抽出し、前記複数の点から前記法面の傾斜を示す直線を算出し、前記直線の傾きに基づいて前記第１法面角度を算出する安全装置。
6. 下部走行体と、
   前記下部走行体に対して旋回可能に構成された上部旋回体と、
   前記上部旋回体に回動可能に構成された作業装置と、
   請求項１〜５のいずれかに記載の安全装置とを備える建設機械。

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