JP2021085179A - 計測装置、操作支援システム、及び建設機械 - Google Patents

Abstract

【課題】容器の掬い動作の実行中において容器が収容する収容物の体積を正確に算出する。【解決手段】計測装置は、第１時点において、空状態の容器の第１形状データを算出し、容器の掬い動作の実行中の第２時点において、収容物の表面形状を示す第２形状データを算出し、第２時点における作業装置４の第２姿勢データと第１時点における作業装置４の第１姿勢データとの差を示す差分情報に基づいて、第２形状データを回転させ、掬い動作の実行中において容器に収容された収容物の表面形状を補間するための補間形状データと回転された第２形状データと第１形状データとによって囲まれる領域を特定し、特定した領域に基づいて、容器の収容物の体積を示す第１体積を算出する。【選択図】図３

Description

本発明は、腕部材に対して回転可能に取り付けられた容器の収容物の体積を計測する技術に関するものである。

油圧ショベルにおいては、作業当日の作業量を把握するために、バケットが掘削した掘削物の体積が計算される。また、油圧ショベルが掘削物をダンプカーに積み込む作業を行うに場合、掘削物の体積がダンプカーの上限積載量を超えないように掘削物の体積が計算される。このように、掘削物の体積は、種々の用途に適用可能であるため、高精度に計算されることが望ましい。掘削物の体積を計算する技術として、下記の特許文献１、２が知られている。

特許文献１には、掘削物が入った状態でバケットの開口面から掘削物表面までの長さと、バケットが空の時のバケットの底からバケットの開口面までの長さとを足すことにより、バケットの底から掘削物の表面までの長さを求め、この長さに基づいて掘削物の体積を計算する技術が開示されている。

特許文献２には、距離計測装置の出力に基づいてバケットが掘削している地面の土砂の形状を算出し、バケットの爪先位置を算出し、地面の土砂の形状と爪先位置とに基づいてバケット内からバケット外に及ぶ土砂山の推定負荷土砂の推定体積を算出する技術が開示されている。

国際公開第２０１６／０９２６８４号 特開２０１７−１７２３１６号公報

特許文献１の技術では、バケットの底から掘削物の表面の長さに基づいて掘削物の体積が求められているに過ぎず、バケットの一部が土中にある掘削動作中において掘削物の体積を求めることは何ら開示されていない。そのため、特許文献１の技術は、掘削動作中にバケットが収容する掘削物の体積を正確に算出できない。

特許文献２で算出される推定体積は推定負荷土砂の体積である。この推定負荷土砂の体積には、掘削動作を完了したときにバケットから溢れ出る土砂の体積も含まれている。そのため、特許文献２の技術は、掘削動作中にバケットが収容する正味の掘削物の体積を正確に算出することはできない。特許文献２の技術のそもそもの課題は、ショベルに加わる負荷を推定し、その推定結果から警告又は負荷の軽減動作制御を行うことである。掘削動作の実行中におけるショベルの負荷は、バケットが収容する掘削物の体積のみならず、その掘削物の周囲の土砂の体積も含まれる。そのため、特許文献２で算出される推定体積には、バケットから溢れ出る土砂の体積も含まれているのである。

特許文献１、２に見られる通り、掘削動作中においてバケットが収容する収容物の体積を算出することは従来行われておらず、この課題自体は新規である。

さらに、このような課題は建設機械の技術分野に留まらず、粒状物を掬う動作を行うロボットの技術分野においても同様に生じる課題である。

本発明の目的は、容器の掬い動作の実行中において容器が収容する収容物の体積を正確に算出する技術を提供することである。

本発明の一態様に係る計測装置は、本体部に対して起伏可能に取り付けられた腕部材であって、当該腕部材の姿勢の変更を可能にする１以上の関節を含む腕部材と、前記腕部材に対して回転可能に取り付けられる容器であって、当該容器に対する収容物の出入を許容する開口をもつ容器と、を含む作業装置において、前記容器の収容物の体積を計測する計測装置であって、前記腕部材又は前記本体部に取り付けられ、物体の距離を示す計測データを計測する測距センサと、前記作業装置の姿勢を示す姿勢データを計測する姿勢センサと、前記測距センサにより計測された空状態の前記容器の前記計測データである第１計測データに基づいて前記容器の輪郭形状を示す第１形状データを算出する第１形状算出部と、前記第１計測データが計測された第１時点における前記姿勢データである第１姿勢データと前記第１形状データとを対応づけて記憶するメモリと、前記第１時点より後に実行される前記容器の掬い動作の実行中の第２時点において、前記測距センサにより計測された前記容器が収容する前記収容物の前記計測データである第２計測データに基づいて前記収容物の表面形状を示す第２形状データを算出する第２形状算出部と、前記第２時点において前記姿勢センサにより計測された前記姿勢データである第２姿勢データと前記第１姿勢データとの差を示す差分情報を算出する差分情報算出部と、前記第２時点における前記測距センサから前記容器までの前記作業装置の姿勢が前記第１時点における前記測距センサから前記容器までの前記作業装置の姿勢に一致するように、前記差分情報に基づいて前記第２形状データを前記測距センサの３次元座標空間内で回転させる回転処理部と、前記掬い動作の実行中において前記容器に収容された収容物の表面形状を補間するための補間形状データと回転された前記第２形状データと前記第１形状データとによって囲まれる領域を特定し、特定した前記領域に基づいて、前記第２時点における前記容器の前記収容物の体積を示す第１体積を算出する体積算出部とを備える。

メモリには、第１時点における第１形状データと第１時点における空状態のバケットの第１姿勢データとが対応づけて記憶されている。第１時点より後の容器の掬い動作の実行中の第２時点において計測された第２計測データに基づいて収容物の表面形状を示す第２形状データが算出される。第２時点における作業装置の第２姿勢データと第１時点における作業装置の第１姿勢データとの差を示す差分情報が算出される。第２形状データは、第２時点における測距センサから容器までの作業装置の姿勢が第１時点における測距センサから容器までの作業装置の姿勢に一致するように、前記測距センサの３次元座標空間内で回転される。これにより、回転後の第２形状データは、第１時点における容器と同じ姿勢で計測された形状データとなる。

掬い動作の実行中には、容器の先端側が掬い上げられる物質群に進入しているため、測距センサは容器の収容物の輪郭形状の全てを計測できない。そこで、本構成は、掬い動作の実行中において容器に収容された収容物の表面形状を補間するための補間形状データと回転された第２形状データと第１形状データとによって囲まれる領域を特定し、その領域に基づいて容器の収容物の体積を算出する。これにより、本構成は、容器の掬い動作の実行中において容器が収容する収容物の体積を正確に算出できる。

また、本構成は、上記メモリを備えているため、１度、空状態のバケットの第１形状データを算出すれば、以後、作業装置を所定の姿勢にしなくても、第２形状データから第２時点における収容物の体積が算出可能となる。その結果、収容物が収容される毎に作業装置を所定に姿勢にする必要がなくなり、作業効率の低下を防止できる。さらに、本構成は、上記メモリを備えているため、第２形状データを算出する毎に収容物の体積を算出することが可能となり、この体積の算出処理をリアルタイムで実行できる。

上記計測装置において、前記作業装置の状態を検出する状態センサと、前記状態センサの検出結果に基づいて前記掬い動作の実行中であるか否かを判定する動作判定部をさらに備えることが好ましい。

本構成によれば、掬い動作の実行中であるか否かを正確に判断できる。

本発明の別の一態様に係る操作支援システムは、上記計測装置と、前記作業装置に対するオペレータの操作が入力される操作器と、前記第１体積が閾値を超えたか否かを判定し、前記第１体積が前記閾値を超えたと判定した場合、前記掬い動作から前記容器に前記収容物を持ち上げさせる持ち上げ動作に前記作業装置の動作を切り替えるための前記オペレータの操作支援を実行する操作支援部とを備えることが好ましい。

本構成によれば、掬い動作の実行中に収容物の体積である第１体積が閾値を超えた場合、作業装置の動作を掬い動作から持ち上げ動作へ切り替えるための操作支援が行われる。そのため、この切り替えにおけるオペレータの操作負担が軽減される。

上記操作支援システムにおいて、前記操作支援部は、前記第１体積が前記閾値を超えたと判定した場合、前記掬い動作から前記持ち上げ動作に自動的に切り替えることが好ましい。

本構成によれば、収容物の第１体積が閾値を超えた場合、掬い動作から持ち上げ動作への切り替えが自動的に行われる。そのため、オペレータは掬い動作から持ち上げ動作に切り替える指示を入力することなく、自動的に持ち上げ動作を開始できる。さらに、収容物の体積が適切な値になったときに掬い動作を終了させて持ち上げ動作を開始させることが可能となる。

上記操作支援システムにおいて、前記操作支援部は、前記第１体積が前記閾値を超えたと判定した場合、前記掬い動作から前記持ち上げ動作への切り替えタイミングを報知することが好ましい。

本構成によれば、収容物の第１体積が閾値を超えた場合、掬い動作から持ち上げ動作への切り替えが報知されるため、オペレータは、この切り替えの操作を適切なタイミングで入力できる。

上記操作支援システムにおいて、前記体積算出部は、前記持ち上げ動作の実行中に前記容器が収容する前記収容物の体積を示す第２体積をさらに算出し、前記第２体積が前記閾値の現在値を下回る場合、前記第２体積と前記現在値との差分を算出し、前記差分を前記現在値に加算し、新たな閾値を設定する閾値管理部をさらに備えることが好ましい。

持ち上げ動作の実行中に容器に収容された収容物の第２体積が閾値を下回るということは、掬い動作の実行中に容器が収容する収容物の体積にまだ余裕があることを示している。本構成では、第２体積が閾値を下回る場合、第２体積と閾値との差分だけ閾値が増大される。そのため、適切な閾値を設定することができる。

本発明のさらに別の一態様に係る建設機械は、本体部に対して起伏可能に取り付けられた腕部材であって、当該腕部材の姿勢の変更を可能にする１以上の関節を含む腕部材と、前記腕部材に対して回転可能に取り付けられるバケットとを含む作業装置と、前記腕部材又は前記本体部に取り付けられ、物体の距離を示す計測データを計測する測距センサと、前記作業装置の姿勢を示す姿勢データを計測する姿勢センサと、前記測距センサにより計測された空状態の前記バケットの前記計測データである第１計測データに基づいて前記バケットの輪郭形状を示す第１形状データを算出する第１形状算出部と、前記第１計測データが計測された第１時点における前記姿勢データである第１姿勢データと、前記第１形状データとを対応づけて記憶するメモリと、前記第１時点より後に実行される掘削動作の実行中の第２時点において、前記測距センサにより計測された前記バケットが収容する土砂の前記計測データである第２計測データに基づいて前記土砂の表面形状を示す第２形状データを算出する第２形状算出部と、前記第２時点において前記姿勢センサにより計測された前記姿勢データである第２姿勢データと前記第１姿勢データとの差を示す差分情報を算出する差分情報算出部と、前記第２時点における前記測距センサから前記バケットまでの前記作業装置の姿勢が前記第１時点における前記測距センサから前記バケットまでの作業装置の姿勢に一致するように、前記差分情報に基づいて、前記第２形状データを前記測距センサの３次元座標空間内で回転させる回転処理部と、前記掘削動作の実行中において前記容器に収容された収容物の表面形状を補間するための補間形状データと回転された前記第２形状データと前記第１形状データとによって囲まれる領域を特定し、特定した前記領域に基づいて、前記第２時点における前記バケットの前記土砂の第１体積を算出する体積算出部とを備える。

本構成によれば、掘削動作の実行中にバケットが収容する収容物の体積を正確に算出できる建設機械を提供できる。

本発明によれば、容器の掬い動作の実行中において容器が収容する収容物の体積を正確に算出できる。

油圧ショベルの外観構成の一例を示す図である。 油圧ショベルの構成の一例を示すブロック図である。 第２コントローラに着目した場合の油圧ショベルの構成の一例を示すブロック図である。 計測モードにおける油圧ショベルの処理の一例を示すフローチャートである。 基準バケット角度を説明する図である。 測距センサが計測した第１計測データの一例を示す図である。 バケット領域に設定された平面に含まれる画素データの一例を示す図である。 油圧ショベルにおけるオペレータの操作を支援する処理の一例を示すフローチャートである。 第１形状データと第２形状データと補間形状データとが重畳される処理の説明図である。 掘削動作の実行中における作業装置の状態を説明する図である。 断面積の算出処理の説明図である。 第１体積の算出処理の説明図である。

以下、本実施の形態に係る計測装置及び計測装置を備える操作支援システムが説明される。以下の例では操作支援システムが油圧ショベルに実装された例が説明される。なお、計測装置及び操作支援システムは、一部の構成要素が油圧ショベルに実装され、残りの構成要素が外部装置に実装されてもよい。外部装置としては、例えばクラウドサーバが採用される。計測装置は油圧ショベル１以外の建設機械に搭載されてもよい。さらに、計測装置及び操作支援システムは建設機械以外の作業機械に搭載されてもよい。この作業機械としては、容器を用いて物体を収容する機械であればどのような機械であってもよい。この作業機械の一例は、一以上の関節を含み姿勢が変更可能に構成された腕部材と、腕部材の先端部に回転可能に取り付けられた容器とを備える作業機械である。この容器は、開口を含み、土砂、パーティクルなどの収容物を収容するために用いられる。

図１は、油圧ショベル１の外観構成の一例を示す図である。油圧ショベル１は、下部走行体２、上部旋回体３、及び作業装置４を含む。下部走行体２は、例えば、地面に対して走行可能に構成されたクローラである。上部旋回体３は、下部走行体２の上部に設けられ、下部走行体２に対して鉛直軸回りに旋回可能に構成されている。上部旋回体３は、表示部８０及びコントローラ９０などが搭載されている。上部旋回体３は本体部の一例である。表示部８０は、操縦席に設けられ、オペレータに種々の情報を表示する。コントローラ９０は、油圧ショベル１の全体制御を司る。

作業装置４は、例えば掘削作業などの作業を行うために用いられる。作業装置４は、ブーム４０１、アーム４０２、及びバケット４０３を含む。ブーム４０１は、上部旋回体３の前端に対して起伏可能に取り付けられている。アーム４０２は、ブーム４０１の先端部において水平軸回りに回転可能に取付けられている。バケット４０３は、アーム４０２の先端部において回動可能に取付けられる。バケット４０３は、収容物を収容する容器の一例である。ブーム４０１及びアーム４０２は腕部材の一例である。バケット４０３は、開口４０３ａを含む。バケット４０３は、掘削作業によって開口４０３ａから進入する土砂を収容する。収容物の一例は、土砂である。

油圧ショベル１は、さらにブームシリンダ２１、アームシリンダ３１、及びバケットシリンダ４１を含む。

ブームシリンダ２１は、上部旋回体３とブーム４０１との間に介在する。ブームシリンダ２１は、伸縮することによりブーム４０１を起伏させる。

アームシリンダ３１は、ブーム４０１とアーム４０２との間に介在する。アームシリンダ３１は、伸縮することで、アーム４０２を回転させる。

バケットシリンダ４１は、アーム４０２とバケット４０３との間に介在する。バケットシリンダ４１は、伸縮することで、バケット４０３を回動させる。

油圧ショベル１は、さらにブーム角度センサ５１、アーム角度センサ５２、及びバケット角度センサ５３を含む。

ブーム角度センサ５１は、上部旋回体３に対するブーム４０１の起伏角度であるブーム角度を検出する。ブーム角度センサ５１は、例えばブーム４０１の根元側に設けられている。

アーム角度センサ５２は、ブーム４０１に対するアーム４０２の回転角度であるアーム角度を検出する。アーム角度センサ５２は、例えばアームの４０２の根元側に設けられている。バケット角度センサ５３は、アーム４０２に対するバケット４０３の回動角度であるバケット角度を検出する。バケット角度センサ５３は、例えばアーム４０２の先端部に設けられている。

測距センサ６０は、作業装置４に設けられ、物体の距離を示す計測データを計測する。測距センサ６０の一例は、ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）センサ又はステレオカメラなどの複数の画素単位で深度が計測可能なセンサである。測距センサ６０はＬＩＤＡＲであってもよい。

測距センサ６０は、アーム４０２の裏面４０２ａに設けられている。測距センサ６０はセンサ面６０ａがバケット４０３側に向けられている。これにより、測距センサ６０は、バケット４０３の内面及びバケット４０３に収容された土砂の形状データが計測可能である。裏面４０２ａは、バケット４０３の開口４０３ａと対向する対向面である。

測距センサ６０は、裏面４０２ａに対して取り外し可能に構成されてもよい。これにより、既存の油圧ショベル１に対して本実施の形態に係る作業装置を実装できる。この場合、測距センサ６０が取り付けられる度に、後述する計測モードが実行され、後述する第１形状データと姿勢データとがメモリに記憶される。さらに、この計測モードは、測距センサ６０が取り付けられた後、バケット４０３が交換された場合に実行されてもよい。さらに、測距センサ６０は、油圧ショベル１がデフォルトで備えるものであってもよい。この場合、この計測モードは、例えばバケット４０３が交換される都度、実行される。

本実施の形態では、油圧ショベル１は、オペレータのアーム４０２に対する操作によって、掘削動作と持ち上げ動作とを半自動的行う半自動運転モードを備える。掘削動作は掬い動作の一例である。この半自動運転モードにおいて、オペレータはアーム操作器を操作するだけで済む。アーム操作器の操作が開始されると、コントローラ９０は、作業装置４に掘削動作を開始させる。掘削動作では、バケット４０３を地面に進入させた状態で、バケット４０３の先端部を地面と平行に移動させる動作が自動的に行われる。掘削動作によりバケット４０３に土砂が収容されると、持ち上げ動作が開始される。持ち上げ動作では、土砂を収容したバケット４０３が持ち上げられ、上部旋回体３が旋回され、所定位置においてバケット４０３が開かれて土砂が排土される一連の動作が自動的に行われる。

なお、掘削動作中において、アーム操作器がオペレータの操作によって中立位置に戻されると、コントローラ９０は、掘削動作を途中で停止させる。このことは、持ち上げ動作においても同じである。掘削動作及び持ち上げ動作中におけるバケット４０３の移動速度はアーム操作器に入力された操作量に応じた値に設定される。

このように、半自動運転モードでは、オペレータはアーム４０２の操作のみを行えば、後はコントローラ９０により自動的に掘削動作及び持ち上げ動作が行われる。したがって、油圧ショベル１に対する操縦経験が浅いオペレータであっても掘削動作及び持ち上げ動作を円滑に行うことができる。

図２は、油圧ショベル１の構成の一例を示すブロック図である。油圧ショベル１は、図１に示すコントローラ９０、測距センサ６０、及び表示部８０の他、アーム操作器１０、ブーム駆動回路２０、アーム駆動回路３０、バケット駆動回路４０、姿勢センサ５０、及びスイッチ７０を含む。図２のブロック図は、半自動運転モードを実行する上で必要なブロックのみが示されており、手動モードを実行する上で必要なブロックは図示が省略されている。

手動モードとは、コントローラ９０のアシストなしで、オペレータの操作のみに基づいて掘削動作及び持ち上げ動作などの動作を油圧ショベル１が行うモードである。なお、本発明においては、掘削動作及び持ち上げ動作は半自動運転モードによる実行に限定されず、手動モードで実行されてもよいし、完全自動運転モードで実行されてもよい。完全自動モードとは、オペレータにアーム４０２の操作を課すことなく、掘削動作及び持ち上げ動作を自動的に実行するモードである。この完全自動モードにおいては、オペレータは、例えば掘削開始ボタンを入力する操作を行うだけでよい。後は、コントローラ９０が、バケット４０３の移動速度を所定の速度に設定し、掘削動作及び持ち上げ動作を自動的に実行する。

アーム操作器１０は、アーム４０２を動かすためのアーム操作がオペレータにより入力される。アーム操作には、アーム４０２の先端部を上部旋回体３側に移動させるアーム引き操作及びアーム４０２の先端部を上部旋回体３の反対側に移動させるアーム押し操作が含まれる。

アーム駆動回路３０は、アーム４０２を駆動するための油圧回路である。アーム駆動回路３０は、図１に示すアームシリンダ３１の他、アームコントロールバルブ３２、アーム引きパイロット圧センサ３３、及びアームリモコン弁３４を含む。

アームシリンダ３１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。

アームコントロールバルブ３２は、アーム引きパイロットポート及びアーム押しパイロットポートを有するパイロット操作式の３位置方向切換弁で構成されている。アームコントロールバルブ３２は、アーム引きパイロットポートに入力されたアーム引きパイロット圧に対応するストロークで開弁する。この開弁により、アームシリンダ３１に供給される作動油の流量及び方向が制御され、アーム４０２の速度及び方向が制御され、アーム４０２はアーム引き動作を行う。アームコントロールバルブ３２は、アーム押しパイロットポートに入力されたアーム押しパイロット圧に対応するストロークで開弁する。この開弁により、アームシリンダ３１に供給される作動油の流量及び方向が制御され、アーム４０２の速度及び方向が制御され、アーム４０２はアーム押し動作を行う。

アーム引きパイロット圧センサ３３は、アームコントロールバルブ３２のアーム引きパイロットポートに入力されるアーム引きパイロット圧を検出し、コントローラ９０に入力する。

アームリモコン弁３４は、アーム操作器１０に入力されたアーム引き操作の操作量に対応した大きさのアーム引きパイロット圧をアームコントロールバルブ３２のアーム引きパイロットポートに入力する。アームリモコン弁３４は、アーム操作器１０に入力されたアーム押し操作の操作量に対応した大きさのアーム押しパイロット圧をアームコントロールバルブ３２のアーム押しパイロットポートに入力する。

ブーム駆動回路２０は、ブーム４０１を駆動するための油圧回路である。ブーム駆動回路２０は、図１に示すブームシリンダ２１の他、ブームコントロールバルブ２２、ブーム上げ流量操作弁２３を含む。

ブームシリンダ２１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。

ブームコントロールバルブ２２は、ブーム引きパイロットポート及びブーム押しパイロットポートを有するパイロット操作式の３位置方向切換弁で構成されている。ブームコントロールバルブ２２は、ブーム上げパイロットポートに入力されたブーム上げパイロット圧に対応するストロークで開弁する。この開弁により、ブームシリンダ２１に供給される作動油の流量及び方向が制御され、ブーム４０１の速度及び方向が制御され、ブーム４０１はブーム上げ動作を行う。ブームコントロールバルブ２２は、ブーム下げパイロットポートに入力されたブーム下げパイロット圧に対応するストロークで開弁する。この開弁により、ブームシリンダ２１に供給される作動油の流量及び方向が制御され、ブーム４０１の速度及び方向が制御され、ブーム４０１はブーム下げ動作を行う。

ブーム上げ流量操作弁２３は、パイロット油圧源（図略）からブーム上げパイロットポートに入力されるパイロット圧をコントローラ９０から入力されるブーム流量指令信号に応じて減圧する。これにより、コントローラ９０は、ブーム上げパイロットポートに入力されるパイロット圧をブーム上げ流量操作弁２３を通じて自動操作する。

バケット駆動回路４０は、バケット４０３を駆動するための油圧回路である。バケット駆動回路４０は、図１に示すバケットシリンダ４１の他、バケットコントロールバルブ４２、バケット掬い流量操作弁４３を含む。

バケットシリンダ４１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。

バケットコントロールバルブ４２は、バケット掬いパイロットポート及びバケット開きパイロットポートを有するパイロット操作式の３位置方向切換弁で構成されている。バケットコントロールバルブ４２は、バケット掬いパイロットポートに入力されたバケット掬いパイロット圧に対応するストロークで開弁する。この開弁により、バケットシリンダ４１に供給される作動油の流量及び方向が制御され、バケット４０３の速度及び方向が制御され、バケット４０３はバケット掬い動作を行う。バケットコントロールバルブ４２は、バケット開きパイロットポートに入力されたバケット開きパイロット圧に対応するストロークで開弁する。この開弁により、バケットシリンダ４１に供給される作動油の流量及び方向が制御され、バケット４０３の速度及び方向が制御され、バケット４０３はバケット開き動作を行う。

バケット掬い流量操作弁４３は、パイロット油圧源（図略）からバケット掬いパイロットポートに入力されるパイロット圧をコントローラ９０から入力されるバケット流量指令信号に応じて減圧する。これにより、コントローラ９０は、バケット掬いパイロットポートに入力されるパイロット圧をバケット掬い流量操作弁４３を通じて自動操作する。

姿勢センサ５０は、図１に示すブーム角度センサ５１、アーム角度センサ５２、及びバケット角度センサ５３を含む。

ブーム角度センサ５１、アーム角度センサ５２、及びバケット角度センサ５３は、それぞれ、例えば所定の演算周期でブーム角度、アーム角度、及びバケット角度をコントローラ９０に入力する。

測距センサ６０は、所定の演算周期で計測した計測データをコントローラ９０に入力する。計測データは、測距センサ６０の視野内にある物体の深度を複数の画素毎に示す距離画像データで構成されている。

スイッチ７０は、油圧ショベル１のモードを切り替えるためのオペレータからの操作が入力されるスイッチである。スイッチ７０は、操縦席に設けられた物理的なスイッチであってもよいし、表示部８０に表示されるグラフィカルユーザインターフェースであっってもよい。

コントローラ９０は、ＣＰＵ及びメモリを含むコンピュータまたは専用の電気回路で構成されている。コントローラ９０は、第１コントローラ１１０及び第２コントローラ１２０を含む。

第１コントローラ１１０は、半自動運転モードにおける油圧ショベル１の制御を司る。第１コントローラ１１０は、バケット位置演算部１１１、掘削動作制御部１１２、目標速度演算部１１３、及び持ち上げ動作制御部１１４を含む。

バケット位置演算部１１１は、ブーム角度センサ５１、アーム角度センサ５２、及びバケット角度センサ５３により計測されたブーム角度、アーム角度、及びバケット角度に基づいて、バケット４０３の特定部位の位置を算出する。この特定部位の一例は、バケット４０３の先端位置である。この特定部位の位置は、例えば既知のブーム長、アーム長、及びバケット長と、計測されたブーム角度、アーム角度、及びバケット角度とに基づく幾何演算により算出される。この先端位置は、例えば、所定の演算周期で算出される。

さらに、目標速度演算部１１３は、アーム引きパイロット圧センサ３３により計測されたアーム引きパイロット圧と、バケット位置演算部１１１により算出されたバケット４０３の特定部位の位置とに基づいて、ブーム４０１及びバケット４０３のそれぞれの目標速度を算出する。

掘削動作中におけるブーム４０１の目標速度は、例えば予め定められた目標施工面に施工面を近づけるためのブーム４０１の上げ方向の目標速度である。掘削動作中におけるバケット４０３の目標速度は、アーム引き動作に従って、バケット４０３の特定部位を目標施工面に沿って自動的に平行移動させるためのバケット４０３の目標速度である。

持ち上げ動作中におけるブーム４０１の目標速度は、例えば掘削動作終了後にバケット４０３を予め定められた排土位置に移動させるための、ブーム４０１の上げ方向の目標速度である。持ち上げ動作中におけるバケット４０３の目標速度は、例えば掘削動作終了後にバケット４０３を予め定められた排土位置に移動させるためのバケット４０３の掬い方向の目標速度である。

掘削動作制御部１１２は、目標速度演算部１１３によって算出された掘削動作におけるブーム４０１及びバケット４０３のそれぞれの目標速度で、ブーム４０１及びバケット４０３のそれぞれが動作するように、ブーム上げ流量操作弁２３及びバケット掬い流量操作弁４３のそれぞれを制御する。この制御により掘削動作の半自動運転が実現される。

持ち上げ動作制御部１１４は、目標速度演算部１１３によって算出された持ち上げ動作におけるブーム４０１及びバケット４０３のそれぞれの目標速度で、ブーム４０１及びバケット４０３のそれぞれが動作するように、ブーム上げ流量操作弁２３及びバケット掬い流量操作弁４３のそれぞれを制御する。この制御により持ち上げ動作の半自動運転が実現される。

本実施の形態では、掘削動作から持ち上げ動作の切り替えは後述する第２コントローラ１２０の操作支援部１３１が行う。

第２コントローラ１２０は、バケット４０３が収容する土砂の体積である第１体積を算出し、この第１体積に基づいてオペレータの操作を支援する。図３は、第２コントローラ１２０に着目した場合の油圧ショベル１の構成の一例を示すブロック図である。

第２コントローラ１２０は、第１形状算出部１２１、第２形状算出部１２２、姿勢データ取得部１２３、メモリ１２４、差分情報算出部１２５、回転処理部１２６、体積算出部１２７、動作判定部１３０、操作支援部１３１、及び閾値管理部１３２を含む。

第１形状算出部１２１は、測距センサ６０により計測された空状態のバケット４０３の計測データである第１計測データに基づいてバケット４０３の輪郭形状を示す第１形状データを算出する。第１形状算出部１２１の処理の詳細は、例えば以下の通りである。まず、第１形状算出部１２１は、第１計測データに含まれる複数の画素データのうち深度が閾値以下の画素データを抽出する。この閾値は、第１計測データに含まれる油圧ショベル１の画素データを、油圧ショベル１の背景となる画素データと区別するために予め定められた値を持つ。これにより、第１計測データから空状態のバケット４０３を示す画素データが抽出される。次に、第１形状算出部１２１は、抽出された複数の画素データのそれぞれを測距センサ６０の３次元座標空間に配置する３次元座標変換を行う。次に、第１形状算出部１２１は、３次元座標空間に配置された画素データのうち、バケット４０３の長手方向に対して平行な平面上に位置する画素データを第１形状データとして抽出する。これにより、前記平面に投影されたバケット４０３の輪郭形状を示す第１形状データが得られる。バケット４０３の長手方向に対して平行な平面とは、アーム４０２に対するバケット４０３の回転軸に直交する平面である。

姿勢データ取得部１２３は、第１計測データが計測される第１時点における姿勢データである第１姿勢データと、第１形状算出部１２１により算出された第１形状データとを対応づけてメモリ１２４に記憶させる。以下の説明では、第１姿勢データは、第１時点におけるバケット角度であるものとする。但し、これに限定されず、第１姿勢データには、第１時点におけるアーム角度、及びブーム角度が含まれてもよい。

本実施の形態では、計測モードにおいて、オペレータの操作によってバケット４０３の姿勢が予め定められた基準バケット角度になった時点が第１時点とされる。この場合、姿勢データ取得部１２３は、姿勢センサ５０が計測した計測データをモニタし、バケット角度が基準バケット角度になったことを検出した場合に、第１形状算出部１２１により算出された第１形状データを基準バケット角度と対応づけてメモリ１２４に記憶させればよい。但し、これは一例であり、油圧ショベル１の稼働中において、例えばオペレータがスイッチ７０に計測指示を入力した時点が第１時点として採用されてもよい。この場合、姿勢データ取得部１２３は、第１時点において姿勢センサ５０により計測されたバケット角度を第１形状データと対応づけてメモリ１２４に記憶させればよい。

さらに、姿勢データ取得部１２３は、第１時点より後に実行される掘削動作の実行中の第２時点において、姿勢センサ５０により計測される第２姿勢データを取得する。以下の説明では、第２姿勢データは、第２時点におけるバケット角度であるものとする。但し、これに限定されず、第２姿勢データには、第２時点におけるアーム角度及びブーム角度が含まれていてもよい。

メモリ１２４は、例えばソリッドステートドライブ及びフラッシュメモリなどの不揮発性の記憶装置で構成される。メモリ１２４は、第１形状データ及び第１姿勢データを対応づけて記憶する。

第２形状算出部１２２は、動作判定部１３０により掘削動作の実行中と判定された場合、掘削動作の実行中の第２時点において、測距センサ６０により計測されたバケット４０３が収容する土砂の計測データである第２計測データに基づいて土砂の表面形状を示す第２形状データを算出する。第２時点は、例えば掘削動作期間を所定の演算周期で区切ったサンプリング時点を示す。第２形状算出部１２２の処理の詳細は、例えば以下の通りである。まず、第２形状算出部１２２は、第２計測データに含まれる複数の画素データのうち深度が閾値以下の画素データを抽出する。この閾値は、第１形状算出部１２１が使用した上述の閾値と同じである。これにより、第２計測データからバケット４０３に収容された土砂を開口４０３ａから見たときの画素データが抽出される。抽出される画素データにはバケット４０３の縁の画素データが含まれていてもよい。次に、第２形状算出部１２２は、抽出された複数の画素データのそれぞれを測距センサ６０の３次元座標空間に配置する３次元座標変換を行う。次に、第２形状算出部１２２は、３次元座標空間に配置された画素データのうち、バケット４０３の長手方向に対して平行な平面上に位置する画素データを第２形状データとして抽出する。これにより、前記平面に投影された土砂の輪郭形状を示す第２形状データが得られる。第２形状データは、掘削動作の実行中において所定の演算周期で繰り返し算出される。

差分情報算出部１２５は、第２時点において姿勢センサ５０により計測された姿勢データである第２姿勢データと第１姿勢データとの差を示す差分情報を算出する。本実施の形態では、測距センサ６０はアーム４０２に取り付けられているため、差分情報算出部１２５は、第２時点において姿勢センサ５０により計測されたバケット角度と、メモリ１２４に記憶されたバケット角度との差分角度を差分情報として算出する。

回転処理部１２６は、第２時点における測距センサ６０からバケット４０３までの作業装置４の姿勢が第１時点における測距センサ６０からバケット４０３までの作業装置４の姿勢に一致するように、差分情報に基づいて、第２形状データを、測距センサ６０の３次元座標空間内で回転させる。本実施の形態では、測距センサ６０はアーム４０２に取り付けられている。そのため、回転処理部１２６は、第１時点における測距センサ６０からバケット４０３までの作業装置４の姿勢と、第２時点における測距センサ６０からバケット４０３までの作業装置４の姿勢とが一致するように、第２形状データを回転させる。具体的には、回転処理部１２６は、第２時点におけるバケット角度と第２時点におけるバケット角度とが一致するように第２形状データを差分角度回転させる。

例えば、差分角度Δθが第２時点のバケット角度から第１時点のバケット角度を減じた値であるとすると、回転処理部１２６は、前記平面において第２形状データを−Δθ回転させる行列演算を行うことによって第２形状データを回転させればよい。

測距センサ６０からのバケット４０３の内面の見え方は、バケット角度に応じて異なるが、第２形状データをこのように回転させることで、第２形状データを第１時点のバケット角度と同じバケット角度で計測された形状データにすることができる。

体積算出部１２７は、掘削動作の実行中においてバケット４０３に収容された土砂の表面形状を補間するための補間形状データと回転処理部１２６によって回転された第２形状データと、メモリ１２４に記憶された第１形状データとによって囲まれる領域を特定し、特定した領域に基づいて、第２時点においてバケット４０３が収容する土砂の体積である第１体積を算出する。具体的には、体積算出部１２７は、前記領域の面積をバケット４０３が収容する土砂の断面積として算出し、この断面積にバケット４０３の横幅を乗じることで第１体積を算出すればよい。

ここで、体積算出部１２７は、前記領域を複数の台形に区画し、各台形の面積を積算することで前記断面積を算出すればよい。

体積算出部１２７は、持ち上げ動作の実行中にバケット４０３が収容する収容物の体積を示す第２体積を算出する。第２体積の算出において、第２形状算出部１２２、回転処理部１２６、及び体積算出部１２７の処理の詳細は、第１体積を算出する処理と同じである。

動作判定部１３０は、姿勢データ取得部１２３が取得した姿勢データに基づいて油圧ショベル１が掘削動作を実行しているか否かを判定する。例えば、ブーム角度、アーム角度、及びバケット角度のそれぞれが、予め定められた掘削姿勢条件を満たす場合に、動作判定部１３０は、掘削動作の実行中であると判定する。掘削姿勢条件としては、ブーム角度、アーム角度、及びバケット角度のそれぞれに対する角度範囲が採用される。この角度範囲は、作業装置４が掘削姿勢をとっていることが推定される角度範囲が採用される。

操作支援部１３１は、体積算出部１２７により算出された第１体積が閾値を超えたか否かを判定し、第１体積が閾値を超えたと判定した場合、掘削動作から、バケット４０３を持ち上げる持ち上げ動作に作業装置４の動作を切り替えるためのオペレータの操作支援を実行する。閾値は、例えば掘削動作によって満杯にされたバケット４０３が収容する土砂の体積を見積もった値に設定されている。閾値はメモリ１２４に記憶されている。

本実施の形態では、油圧ショベル１は半自動運転モードに設定されているため、操作支援は、掘削動作から持ち上げ動作への自動切り替えであるものとする。但し、これは一例である。例えば、油圧ショベル１の動作モードが手動モードに設定されている場合においては、操作支援は、掘削動作から持ち上げ動作への切り替えタイミングの報知であってもよい。この場合、操作支援部１３１は、第１体積が閾値を超えたことを検知すると、持ち上げ動作に切り替えることを示すメッセージを表示部８０に表示させる。操作支援部１３１は、このメッセージを示す音声をスピーカから出力してもよい。この出力される音声は、メッセージではなくブザー音であってもよい。

閾値管理部１３２は、第２体積がメモリ１２４に記憶された閾値の現在値を下回る場合、第２体積と閾値の現在値との差分を算出し、差分を閾値の現在値に加算し、新たな閾値を設定する。

スイッチ７０は、半自動運転モード、手動モード、又は完全自動モードで油圧ショベル１を駆動させるオペレータの指示を受け付ける。さらに、スイッチ７０は、油圧ショベル１の動作モードを上述した計測モードにするためのオペレータの指示又は第１時点を指定するための計測指示を受け付ける。

表示部８０は、手動運転モードが設定されている場合、掘削動作から持ち上げ動作への切り替えタイミングを報知するメッセージを表示する。表示部８０は、体積算出部１２７が算出した体積を示す画像を表示してもよい。表示される体積は１回の掘削動作により掘削された土砂の体積であってもよい。

次に、計測モードにおける処理について説明する。図４は、計測モードにおける油圧ショベル１の処理の一例を示すフローチャートである。計測モードは、例えば油圧ショベル１の動作モードを計測モードにするためのオペレータの指示がスイッチ７０に入力されたときに開始される。

ステップＳ１では、測距センサ６０は、オペレータの操作によって基準バケット角度に位置決めされたバケット４０３の計測データを第１計測データとして計測する。図５は、基準バケット角度θｒｅｆを説明する図である。図５の例では、横方向から見たときのアーム４０２及びバケット４０３が示されている。横方向とは、バケット４０３の回転軸と平行な方向である。長手方向Ｌ１はブーム４０１の先端部４０１ｂとアーム４０２の先端部４０２ｂとを繋ぐ直線の方向である。

図５の例では、バケット角度θは、バケット４０３の長手方向Ｌ２と基準方向Ｌｒｅｆとのなす角度である。長手方向Ｌ２は、アーム４０２の先端部４０２ｂとバケット４０３の先端部４０３ｂとを繋ぐ直線の方向である。基準方向Ｌｒｅｆは、長手方向Ｌ１と長手方向Ｌ２とが１直線に揃ったときの長手方向Ｌ２である。バケット角度θは、基準方向Ｌｒｅｆに対して先端部４０３ｂがアーム４０２の裏面４０２ａに近づく回転方向（図５の例では反時計回りの回転方向）がプラスであり、先端部４０３ｂが裏面４０２ａから離れる回転方向（図８の例では時計回りの回転方向）がマイナスである。このプラスとマイナスの関係は逆であってもよい。

基準バケット角度θｒｅｆの一例は、１２０度である。なお、基準バケット角度θｒｅｆは、測距センサ６０の視野内にバケット４０３の内面の全域が入る角度であればどのような角度が採用されてもよい。

第２コントローラ１２０は、計測モードの開始時に、空状態のバケット４０３のバケット角度を基準バケット角度にするための操作をオペレータに促す映像を表示部８０に表示してもよい。

図４に参照を戻す。ステップＳ２では、第１形状算出部１２１は、ステップＳ１で計測された第１計測データを３次元座標空間に配置する３次元座標変換を行う。

ステップＳ３では、第１形状算出部１２１は、３次元座標空間に配置された画素データのうち、バケット４０３の長手方向に対して平行な平面上に位置する画素データを第１形状データとして算出する。

図６は、測距センサ６０が計測した第１計測データの一例を示す図である。図６に示すように、第１計測データには、開口４０３ａ側から見たバケット４０３の内面を示す画素データからなるバケット領域５０１と、バケット４０３の背景とが含まれていることが分かる。ここでは、説明の便宜上、バケット領域５０１の濃度は一定で表されているが、実際にはこの濃度は測距センサ６０とバケット４０３との距離に応じた濃淡で表される。さらに、背景の濃度は白一色で表されているが、実際には、この濃度はバケット４０３の周囲にある物体（例えば、地面）と測距センサ６０との距離に応じた濃淡で表される。

第１形状算出部１２１は、図６に示されるような第１計測データから深度が閾値以下の画素データを抽出し、３次元座標空間に配置する。これにより、バケット領域５０１を構成する画素データが３次元座標空間に配置される。

第１形状算出部１２１は、３次元座標空間に配置された画素データに平面５０２を設定する。この平面５０２は、バケット４０３の長手方向Ｌ２と平行且つバケット４０３の開口面と直交する平面である。さらに、この平面５０２は、バケット４０３の横方向のほぼ中央に設定されている。次に、第１形状算出部１２１は、バケット領域５０１の画素データのうち、平面５０２に含まれる画素データを抽出する。

図７は、バケット領域５０１に設定された平面５０２に含まれる画素データの一例を示す図である。平面５０２は縦方向にＹ軸、横方向にＺ軸が設定されている。Ｙ軸は測距センサ６０の３次元座標空間における高さ方向を示す。Ｚ軸はこの３次元座標空間における奥行き方向を示す。なお、この３次元座標空間は、Ｘ、Ｙ、Ｚの３軸からなる３次元直交座標系の空間である。Ｘ軸は油圧ショベル１の横方向を示す。

平面５０２には、空状態のバケット４０３の内面を示す複数の画素データ６０２が配置されている。第１形状データ６０１は、これら複数の画素データ６０２により構成される。以上により第１形状データ６０１が算出される。

図４に参照を戻す。ステップＳ４では、姿勢データ取得部１２３は、第１形状データと基準バケット角度とを対応づけてメモリ１２４に記憶する。

以上により計測モードの処理が終了される。続いて、オペレータの操作を支援する処理が説明される。図８は、油圧ショベル１におけるオペレータの操作を支援する処理の一例を示すフローチャートである。

ステップＳ１１では、掘削動作制御部１１２は、掘削動作を開始させる。掘削動作は例えばオペレータがアーム操作器１０を操作したことをトリガーに開始される。

ステップＳ１２では、測距センサ６０は、第２時点における計測データである第２計測データを計測する。ステップＳ１３では、姿勢データ取得部１２３は、第２時点において姿勢センサ５０により計測されたバケット角度を取得する。

ステップＳ１４では、第２形状算出部１２２は、第２計測データから深度が閾値以下の画素データを抽出し、抽出した画素データを３次元座標空間に配置する。

ステップＳ１５では、第２形状算出部１２２は、３次元座標空間に配置された画素データのうち平面５０２にある画素データを抽出することで第２形状データを算出する。これにより、第２時点においてバケット４０３が収容する土砂の表面の輪郭形状を示す第２形状データが得られる。

ステップＳ１６では、差分情報算出部１２５は、ステップＳ１３で取得されたバケット角度と、メモリ１２４に記憶された基準バケット角度との差分角度を算出する。

ステップＳ１７では、回転処理部１２６は、ステップＳ１５で算出された第２形状データをステップＳ１６で算出された差分角度、回転させる。回転処理の詳細は上述したため、ここでは説明が省略される。

ステップＳ１８では、体積算出部１２７は、第１形状データと、ステップＳ１６で回転された第２形状データとを平面５０２に重畳する。ステップＳ１９では、体積算出部１２７は、平面５０２に対してさらに補間形状データを重畳する。

図９は、第１形状データ６０１と第２形状データ９０１と補間形状データ１００１とが重畳される処理の説明図である。図９において左図はメモリ１２４に記憶された第１形状データ６０１を示し、中図は第１形状データ６０１と回転後の第２形状データとが平面５０２で重畳された状態を示し、右図は中図の状態に対してさらに補間形状データ１００１が重畳された状態を示している。

中図に示されるように回転処理により、第２形状データ９０１は、基準バケット角度と同じバケット角度で計測された形状データにされている。これにより、第２形状データ９０１はバケット４０３を第１形状データ６０１と同じ姿勢にしたときに計測された形状データとなる。図１０は、掘削動作の実行中における作業装置４の状態を説明する図である。掘削動作の実行中はバケット４０３の先端部４０３ｂは測距センサ６０から見ると地面Ｇに進入しているため、測距センサ６０はバケット４０３が収容する土砂の表面形状の全てを計測できない。この場合、図９の中図に示されるように、第１形状データ６０１と第２形状データ９０１とによって取り囲まれた領域が形成されず、体積算出部１２７はバケット４０３が収容する土砂の体積を算出できない。

そこで、本実施の形態では、図９の右図に示されるように、体積算出部１２７は、掘削動作によって満杯にされたバケット４０３が収容する土砂の表面形状を近似する補間形状データ１００１を平面５０２に重畳する。

掘削動作において土砂でバケット４０３を満杯にし、持ち上げ動作に移行した場合、バケット４０３が収容する土砂の表面形状は、開口４０３ａに対して上に凸の曲線形状になる。そこで、本実施の形態では、補間形状データ１００１は、この曲線形状を近似する例えば二次曲線で構成されている。なお、補間形状データ１００１は二次曲線に限定されず、ガウス曲線又はスプライン曲線など、土砂の曲線形状が近似可能な曲線であればどのような曲線で構成されていてもよい。補間形状データ１００１は、バケット４０３のサイズなどに応じて予め作成されたデータであり、メモリ１２４に記憶されている。

補間形状データ１００１は一方の端部が第１形状データ６０１の先端部４０３ｂに位置し、他方の端部が第１形状データ６０１の後端部４０３ｃに位置するように、第１形状データ６０１及び第２形状データ９０１に重畳される。これにより、第１形状データ６０１と第２形状データ９０１と補間形状データ１００１とによって取り囲まれる領域１００２が形成され、掘削動作中においてバケット４０３が収容する土砂の第１体積が算出可能となる。

図８に参照を戻す。ステップＳ２０では、体積算出部１２７は、バケット４０３に収容された土砂の断面積を算出する。まず、図９の右図に示されるように、体積算出部１２７は、第１形状データ６０１と、回転された第２形状データ９０１と、補間形状データ１００１とによって取り囲まれる領域１００２を抽出する。ここでは、斜線で示す領域が領域１００２として抽出されている。次に、体積算出部１２７は領域１００２の断面積を以下のようにして算出する。図１１は、断面積の算出処理の説明図である。

領域１００２を抽出した体積算出部１２７は、領域１００２をＹ軸と平行な複数の直線１００４で区切り、各直線１００４と第１形状データ６０１との交点、並びに各直線１００４と第２形状データ９０１との交点を求める。交点を求めた体積算出部１２７は、隣接する交点同士を直線でつなぐ。これにより、領域１００２は、長手方向がＹ軸と平行であり、Ｚ軸方向に配列された複数の台形１００３に区画される。この区画が終了した体積算出部１２７は、各台形１００３の面積を求め、求めた面積を積算する。これにより、台形近似により領域１００２の面積、すなわち、土砂の断面積が算出される。

図８に参照を戻す。ステップＳ２１では、体積算出部１２７は、ステップＳ２０で算出した土砂の断面積にバケット４０３の横幅を乗じることで、バケット４０３が収容する土砂の第１体積Ｖ１を算出する。図１２は、第１体積Ｖ１の算出処理の説明図である。図１２に示すように、第１体積Ｖ１は、ステップＳ２０で算出された土砂の断面積に予め定められたバケット４０３の横幅１１０１を乗じることで算出される。横幅１１０１は、例えばメモリ１２４に記憶されている。以上により、掘削動作中の第２時点における第１体積Ｖ１が算出される。

図８に参照を戻す。ステップＳ２２では、操作支援部１３１は、第１体積Ｖ１が閾値ＶＦ以上であるか否かを判定する。第１体積Ｖ１が閾値ＶＦ未満の場合（ステップＳ２２でＮＯ）、処理はステップＳ１２に戻される。以降、第１体積Ｖ１が閾値ＶＦ以上になるまで、ステップＳ１２〜Ｓ２２の処理が繰り返され、所定の演算周期で第１体積Ｖ１が繰り返し算出される。

第１体積Ｖ１が閾値ＶＦ以上の場合（ステップＳ２２でＹＥＳ）、操作支援部１３１は、掘削動作を終了し、持ち上げ動作を開始させる（ステップＳ２３）。この場合、操作支援部１３１は、例えば、掘削動作制御部１１２に掘削動作の終了コマンドを入力し、持ち上げ動作制御部１１４に持ち上げ動作の開始コマンドを入力すればよい。

ステップＳ２４では、ステップＳ１２〜Ｓ２０で示される処理Ａが実行される。これにより、持ち上げ動作中においてバケット４０３が収容する収容物の断面積を算出するための各種処理が実行され、当該断面積が算出される。

ステップＳ２５では、体積算出部１２７は、ステップＳ２４で算出された断面積に横幅１１０１を乗じることで第２体積Ｖ２を算出する。

ステップＳ２６では、体積算出部１２７は、第２体積Ｖ２が閾値ＶＦ以上であるか否かを判定する。第２体積Ｖ２が閾値ＶＦ以上の場合（ステップＳ２６でＹＥＳ）、閾値管理部１３２は、閾値ＶＦを変更しない（ステップＳ２７）。第２体積Ｖ２が閾値ＶＦ未満の場合（ステップＳ２６でＮＯ）、閾値管理部１３２は、閾値ＶＦを変更する（ステップＳ２８）。具体的には、閾値管理部１３２は、メモリ１２４に記憶されている閾値ＶＦの現在値をＶＦ１、変更後の閾値ＶＦをＶＦ２とすると、ＶＦ１−Ｖ２により差分を算出する。そして、閾値管理部１３２は、ＶＦ１＋（ＶＦ１−Ｖ２）により、変更後の閾値ＶＦ２を算出する。メモリ１２４に記憶されている現在値ＶＦ１は変更後の閾値ＶＦ２で更新される。これにより、掘削動作においてバケット４０３が収容可能な収容物に余裕がある場合に閾値ＶＦが増大され、閾値ＶＦが適切な値に設定される。

ステップＳ２７又はステップＳ２８の処理が終了すると処理はステップＳ１１に戻される。これにより、次の掘削動作が開始される。

以上説明したように、本実施の形態に係る油圧ショベル１は、掘削動作の実行中においてバケット４０３に収容された収容物の表面形状を補間するための補間形状データ１００１と回転された第２形状データ９０１と第１形状データ６０１とによって囲まれる領域１００２を特定し、その領域１００２に基づいて収容物の第１体積Ｖ１を算出する。これにより、油圧ショベル１は、掘削動作の実行中においてバケット４０３が収容する収容物の第１体積Ｖ１を正確に算出できる。

また、メモリ１２４を備えているため、１度、空状態のバケットの第１形状データ６０１を算出すれば、以後、作業装置４を所定の姿勢にしなくても、第２形状データ９０１から第２時点における収容物の第１体積Ｖ１が算出可能となる。その結果、収容物が収容される毎に作業装置４を所定に姿勢にする必要がなくなり、作業効率の低下を防止できる。さらに、メモリ１２４を備えているため、第２形状データ９０１を算出する毎に収容物の第１体積Ｖ１を算出することが可能となり、第１体積Ｖ１の算出処理をリアルタイムで実行できる。

本発明は、下記の変形例が採用できる。

（１）図７の例では、第１形状データ６０１は１枚の平面５０２に位置する画素データ６０２で構成されていたが、本発明はこれに限定されない。第１形状データ６０１は、Ｎ（２以上の整数）枚の平面５０２のそれぞれに配置された画素データで構成されてもよい。第２形状データも、第１形状データと同様、Ｎ枚の平面５０２のそれぞれに配置された画素データで構成されてもよい。

この場合、第２コントローラ１２０は下記の処理により第１体積Ｖ１を算出すればよい。まず、回転処理部１２６は、Ｎ枚の平面５０２のそれぞれに配置された第２形状データ９０１を差分角度回転させる。次に、体積算出部１２７は、回転後のＮ個の第２形状データ９０１と、Ｎ個の第２形状データ９０１に対応するＮ個の第１形状データ６０１とによって囲まれるＮ個の断面積を算出する。Ｎ個の第２形状データに対応するＮ個の第１形状データ６０１とは、例えば、１枚目の平面５０２に配置された第２形状データ９０１においては、１枚目の平面５０２に配置された第１形状データ６０１が該当し、例えば２枚目の平面５０２に配置された第２形状データ９０１においては、２枚目の平面５０２に配置された第１形状データ６０１が該当する。次に、体積算出部１２７は、Ｎ個の断面積の積算値を第１体積Ｖ１として算出する。この構成によれば、第１体積Ｖ１がより正確に算出される。このことは第２体積Ｖ２の算出についても同様に適用できる。

（２）図１の例では、測距センサ６０は、アーム４０２の裏面４０２ａに取り付けられていたが、本発明はこれに限定されない。測距センサ６０は、ブーム４０１の裏面４０１ａに取り付けられていてもよい。

この場合の第２コントローラ１２０の処理は、下記の通りである。姿勢データ取得部１２３は、第１時点におけるバケット角度及びアーム角度を第１姿勢データとして取得し、第１姿勢データを第１形状算出部１２１により算出された第１形状データ６０１と対応づけてメモリ１２４に記憶する。姿勢データ取得部１２３は、第２時点におけるバケット角度及びアーム角度を第２姿勢データとして取得する。差分情報算出部１２５は、第２時点におけるアーム角度と第１時点におけるアーム角度との差分角度であるアーム差分角度を算出する。差分情報算出部１２５は、第２時点におけるバケット角度と第１時点におけるバケット角度との差分角度であるバケット差分角度を算出する。回転処理部１２６は、第２時点におけるアーム４０２及びバケット４０３の姿勢が第１時点におけるアーム４０２及びバケット４０３の姿勢と一致するように、アーム差分角度とバケット差分角度とを用いて第２形状データ９０１を回転させる。

回転処理が終了すると、体積算出部１２７は、上記と同様に、回転後の第２形状データ９０１と第１形状データ６０１とを用いて第１体積Ｖ１を算出する。

この構成によれば、測距センサ６０がブーム４０１に取り付けられた場合においても、第１体積Ｖ１が算出可能となる。このことは、第２体積Ｖ２の算出についても適用可能である。

さらに、測距センサ６０は上部旋回体３の前面に取り付けられてもよい。この場合、第１時点におけるブーム角度、アーム角度、及びバケット角度と、第２時点におけるブーム角度、アーム角度、及びバケット角度とのそれぞれの差分角度である、ブーム差分角度、アーム差分角度、及びバケット差分角度を算出する。回転処理部１２６は、第２時点におけるブーム４０１、アーム４０２、及びバケット４０３の姿勢が第１時点におけるブーム４０１、アーム４０２、及びバケット４０３の姿勢と一致するように、ブーム差分角度とアーム差分角度とバケット差分角度とを用いて第２形状データ９０１を回転させる。

回転処理が終了すると、体積算出部１２７は、上記と同様に回転後の第２形状データ９０１と第１形状データとを用いて第１体積Ｖ１を算出する。この構成によれば、上部旋回体３に測距センサ６０が取り付けられている場合において、第１体積Ｖ１が算出可能となる。このことは、第２体積Ｖ２の算出についても適用可能である。

（３）上記実施の形態において、計測装置は油圧ショベル１に適用されたがこれに限定されない。計測装置は、油圧ショベル１などの建設機械以外の機械、例えばアームロボットに適用されてもよい。このアームロボットは、本体部と作業装置とを備えている。作業装置は本体部に対して回動自在に取り付けられた腕部材と、腕部材の先端に回動可能に取り付けられた容器とを含む。腕部材は１以上の関節を含みその姿勢が変更可能に構成されている。容器は、掬い動作により例えば収容物を収容し、特定の位置にて収容物を排出する。収容物は、例えばポップコーンのような粒状の食品であってもよいし、ビーズのような食品とは異なる物質であってもよいし、粉末薬品などであってもよい。この構成によれば、計測装置をアームロボットに適用した場合においても、容器が収容する収容物の第１体積Ｖ１及び第２体積Ｖ２が算出可能となる。

（４）図１の例では、第２コントローラ１２０は、油圧ショベル１に実装されたが、これに限定されない。第２コントローラ１２０は、油圧ショベル１に対してネットワークを介して接続されたサーバに実装されてもよい。この場合、サーバは、油圧ショベル１に実装された測距センサ６０及び姿勢センサ５０から姿勢データ及び計測データを取得すればよい。ネットワークは例えばローカルエリアネットワークであってもよいし、インターネット及び携帯電話通信網を含むワイドエリアネットワークであってもよい。

（５）体積算出部１２７は、例えば、算出した第１体積Ｖ１に予め定められた土砂の比重を乗じることで土砂の重量を算出し、表示部８０に表示させてもよい。この構成によれば、オペレータにバケット４０３が収容する土砂の重量が報知可能となる。このことは第２体積Ｖ２についても同様に適用される。さらに、体積算出部１２７は、算出した重量から油圧ショベル１の作業量を算出して表示部８０に表示してもよい。この場合、体積算出部１２７は、例えば１日あたり、１時間あたりなどの単位時間あたりの第２体積Ｖ２の合計値を算出し、この合計値に基づいて単位時間あたりの作業量を算出すればよい。

さらに、体積算出部１２７は、算出した第２体積Ｖ２の合計値が土砂の排土先となるダンプトラックの上限積載量以上になった場合、そのことを示す情報を表示部８０に表示させてもよい。

（６）動作判定部１３０は姿勢データに代えて、作業装置４に加わる荷重に基づいて掘削動作中であるか否かを判定してもよい。この場合、作業装置４に取り付けられた荷重センサの検出結果から動作判定部１３０は油圧ショベル１が掘削動作中であるか否かを判定すればよい。掘削動作中における作業装置４の荷重はある範囲内に収まることが想定されるため、この荷重から掘削動作中であるか否かの判定が可能となる。この場合の荷重センサは作業装置４の状態を計測する状態センサの一例である。また、図３に示す姿勢センサ５０も状態センサの一例である。

（７）上記実施の形態を手動モードに適用した場合、オペレータの操作にかかわらず、掘削動作時には掘削動作が、持ち上げ動作時には持ち上げ動作が維持されるように、掘削動作制御部１１２及び持ち上げ制御部１１４は作業装置４の動作を規制すればよい。

４ ：作業装置
５０ ：姿勢センサ
６０ ：測距センサ
９０ ：コントローラ
１１０ ：第１コントローラ
１１２ ：掘削動作制御部
１１４ ：持ち上げ動作制御部
１２０ ：第２コントローラ
１２１ ：第１形状算出部
１２２ ：第２形状算出部
１２３ ：姿勢データ取得部
１２４ ：メモリ
１２５ ：差分情報算出部
１２６ ：回転処理部
１２７ ：体積算出部
１３０ ：動作判定部
１３１ ：操作支援部
１３２ ：閾値管理部
５０２ ：平面
６０１ ：第１形状データ
６０２ ：画素データ
９０１ ：第２形状データ
１００１ ：補間形状データ
Ｖ１ ：第１体積
Ｖ２ ：第２体積
ＶＦ ：閾値

Claims (7)

1. 本体部に対して起伏可能に取り付けられた腕部材であって、当該腕部材の姿勢の変更を可能にする１以上の関節を含む腕部材と、前記腕部材に対して回転可能に取り付けられる容器であって、当該容器に対する収容物の出入を許容する開口をもつ容器と、を含む作業装置において、前記容器の収容物の体積を計測する計測装置であって、
   前記腕部材又は前記本体部に取り付けられ、物体の距離を示す計測データを計測する測距センサと、
   前記作業装置の姿勢を示す姿勢データを計測する姿勢センサと、
   前記測距センサにより計測された空状態の前記容器の前記計測データである第１計測データに基づいて前記容器の輪郭形状を示す第１形状データを算出する第１形状算出部と、
   前記第１計測データが計測された第１時点における前記姿勢データである第１姿勢データと前記第１形状データとを対応づけて記憶するメモリと、
   前記第１時点より後に実行される前記容器の掬い動作の実行中の第２時点において、前記測距センサにより計測された前記容器が収容する前記収容物の前記計測データである第２計測データに基づいて前記収容物の表面形状を示す第２形状データを算出する第２形状算出部と、
   前記第２時点において前記姿勢センサにより計測された前記姿勢データである第２姿勢データと前記第１姿勢データとの差を示す差分情報を算出する差分情報算出部と、
   前記第２時点における前記測距センサから前記容器までの前記作業装置の姿勢が前記第１時点における前記測距センサから前記容器までの前記作業装置の姿勢に一致するように、前記差分情報に基づいて前記第２形状データを前記測距センサの３次元座標空間内で回転させる回転処理部と、
   前記掬い動作の実行中において前記容器に収容された収容物の表面形状を補間するための補間形状データと回転された前記第２形状データと前記第１形状データとによって囲まれる領域を特定し、特定した前記領域に基づいて、前記第２時点における前記容器の前記収容物の体積を示す第１体積を算出する体積算出部とを備える、
   計測装置。
2. 前記作業装置の状態を検出する状態センサと、
   前記状態センサの検出結果に基づいて前記掬い動作の実行中であるか否かを判定する動作判定部をさらに備える、
   請求項１記載の計測装置。
3. 請求項１記載の計測装置と、
   前記作業装置に対するオペレータの操作が入力される操作器と、
   前記第１体積が閾値を超えたか否かを判定し、前記第１体積が前記閾値を超えたと判定した場合、前記掬い動作から前記容器に前記収容物を持ち上げさせる持ち上げ動作に前記作業装置の動作を切り替えるための前記オペレータの操作支援を実行する操作支援部とを備える、
   操作支援システム。
4. 前記操作支援部は、前記第１体積が前記閾値を超えたと判定した場合、前記掬い動作から前記持ち上げ動作に自動的に切り替える、
   請求項３記載の操作支援システム。
5. 前記操作支援部は、前記第１体積が前記閾値を超えたと判定した場合、前記掬い動作から前記持ち上げ動作への切り替えタイミングを報知する、
   請求項３記載の操作支援システム。
6. 前記体積算出部は、前記持ち上げ動作の実行中に前記容器が収容する前記収容物の体積を示す第２体積をさらに算出し、
   前記第２体積が前記閾値の現在値を下回る場合、前記第２体積と前記現在値との差分を算出し、前記差分を前記現在値に加算し、新たな閾値を設定する閾値管理部をさらに備える、
   請求項３〜５のいずれかに記載の操作支援システム。
7. 本体部に対して起伏可能に取り付けられた腕部材であって、当該腕部材の姿勢の変更を可能にする１以上の関節を含む腕部材と、前記腕部材に対して回転可能に取り付けられるバケットとを含む作業装置と、
   前記腕部材又は前記本体部に取り付けられ、物体の距離を示す計測データを計測する測距センサと、
   前記作業装置の姿勢を示す姿勢データを計測する姿勢センサと、
   前記測距センサにより計測された空状態の前記バケットの前記計測データである第１計測データに基づいて前記バケットの輪郭形状を示す第１形状データを算出する第１形状算出部と、
   前記第１計測データが計測された第１時点における前記姿勢データである第１姿勢データと、前記第１形状データとを対応づけて記憶するメモリと、
   前記第１時点より後に実行される掘削動作の実行中の第２時点において、前記測距センサにより計測された前記バケットが収容する土砂の前記計測データである第２計測データに基づいて前記土砂の表面形状を示す第２形状データを算出する第２形状算出部と、
   前記第２時点において前記姿勢センサにより計測された前記姿勢データである第２姿勢データと前記第１姿勢データとの差を示す差分情報を算出する差分情報算出部と、
   前記第２時点における前記測距センサから前記バケットまでの前記作業装置の姿勢が前記第１時点における前記測距センサから前記バケットまでの作業装置の姿勢に一致するように、前記差分情報に基づいて、前記第２形状データを前記測距センサの３次元座標空間内で回転させる回転処理部と、
   前記掘削動作の実行中において前記バケットに収容された収容物の表面形状を補間するための補間形状データと回転された前記第２形状データと前記第１形状データとによって囲まれる領域を特定し、特定した前記領域に基づいて、前記第２時点における前記バケットの前記土砂の第１体積を算出する体積算出部とを備える、
   建設機械。

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