JP2022079873A - 情報取得システムおよび情報取得方法 - Google Patents

Abstract

【課題】作業機械に関する情報を、簡便な作業でより正確に取得する。【解決手段】情報取得システムは、油圧ショベル１００と、ターゲット部４０と、位置計測部５０と、情報取得部６０とを備えている。油圧ショベル１００は、旋回体３と、旋回体３に対して相対移動可能な作業機２とを有している。ターゲット部４０は、作業機２に取り付けられている。位置計測部５０は、作業機２の旋回体３に対する相対移動に伴って移動するターゲット部４０の位置を連続して計測する。情報取得部６０は、計測から得られるターゲット部４０の軌跡から、油圧ショベル１００に関する三次元情報を取得する。【選択図】図２

Description

本開示は、作業機械に関する情報を取得するための情報取得システムおよび情報取得方法に関する。

情報化施工とは、建設土木事業における施工において、情報通信技術（ＩＣＴ）の活用により、高効率かつ高精度な施工を実現するものである。情報化施工技術の一例として、トータルステーションまたはＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite Systems：全地球航法衛星システム）などの位置計測装置を用いて作業機械の位置を取得し、施工箇所の設計データと現況地形データとの差分に関する情報を作業機械の運転席モニタへ提供する、マシンガイダンス技術が提案されている。

作業機械の一つに油圧ショベルがある。油圧ショベルは、ブーム、アーム、及びバケットから構成される作業機を備えてよい。ブーム、アーム、及びバケットは、順にピンにより回動可能に支持されてよい。マシンガイダンス技術を用いた施工に関し、非特許文献１には、ＩＣＴ油圧ショベルのアーム寸法など各可動部のピン間の寸法およびバケット寸法を測定することが記載されている。

国土交通省近畿地方整備局近畿技術事務所「マシンガイダンス技術（バックホウ編）の手引書」、２０１４年３月、ｐ．２９

トータルステーションなどを用いて作業機械における作業機の各ピンの位置をそれぞれ測定した結果からピン間の寸法を算出するには、各ピンの位置に測量ターゲットを取り付ける必要がある。この測量ターゲットの取付作業が煩雑な上、各ピンに手作業で測量ターゲットを取り付けるため取付精度が担保されていない。

本開示では、情報化施工のための作業機械に関する情報を、簡便な作業でより正確に取得できる、情報取得システムおよび情報取得方法が提案される。

本開示に従うと、情報取得システムが提案される。情報取得システムは、作業機械と、ターゲット部と、位置計測部と、情報取得部とを備えている。作業機械は、ベース部と、ベース部に対して相対移動可能な可動部とを有している。ターゲット部は、可動部に取り付けられている。位置計測部は、可動部のベース部に対する相対移動に伴って移動するターゲット部の位置を連続して計測する。情報取得部は、計測から得られるターゲット部の軌跡から、作業機械に関する三次元情報を取得する。

本開示に従うと、作業機械に関する三次元情報を取得する情報取得方法が提案される。作業機械は、ベース部と、ベース部に対して相対移動可能な可動部とを有している。作業機械の可動部に、ターゲット部が取り付けられる。情報取得方法は、以下の処理を備えている。第１の処理は、可動部をベース部に対して相対移動させることである。第２の処理は、可動部のベース部に対する相対移動に伴って移動するターゲット部の位置を連続して計測することである。第３の処理は、計測から得られるターゲット部の軌跡から、作業機械に関する三次元情報を取得することである。

本開示に係る情報取得システムおよび情報取得方法によれば、作業機械に関する情報を、簡便な作業でより正確に取得することができる。

油圧ショベルの外観図である。 実施形態に基づく情報取得システムの概略構成を示す模式図である。 情報取得システムの機能的構成を示すブロック図である。 油圧ショベルに関する三次元情報を取得する処理の流れを示すフロー図である。 旋回体の旋回を示す平面模式図である。 旋回平面の傾斜角および慣性計測装置の取付誤差を示す側面模式図である。 作業機動作平面の導出時のブームの動作を示す側面模式図である。 バケット寸法の導出時のバケットの動作を示す側面模式図である。 アーム寸法の導出時のアームの動作を示す側面模式図である。 ブーム寸法の導出時のブームの動作を示す側面模式図である。

以下、実施形態について図に基づいて説明する。以下の説明では、同一部品には、同一の符号を付している。それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰り返さない。

図１は、実施形態に基づく情報取得システムおよび情報取得方法によって情報が取得される作業機械の一例としての、油圧ショベル１００の外観図である。実施形態においては、作業機械として、油圧ショベル１００を例に挙げて説明する。

図１に示されるように、油圧ショベル１００は、本体１と、油圧により作動する作業機２とを有している。本体１は、旋回体３と、走行体５とを有している。走行体５は、一対の履帯５Ｃｒと、走行モータ５Ｍとを有している。走行モータ５Ｍは、走行体５の駆動源として設けられている。走行モータ５Ｍは、油圧により作動する油圧モータである。

油圧ショベル１００の動作時には、走行体５、より具体的には履帯５Ｃｒが、地面に接触している。走行体５は、履帯５Ｃｒの回転により地面を走行可能である。なお、走行体５が履帯５Ｃｒの代わりに車輪（タイヤ）を有していてもよい。

旋回体３は、走行体５の上に配置され、かつ走行体５により支持されている。旋回体３は、走行体５に対して相対移動可能である。旋回体３は、旋回軸ＲＸを中心として走行体５に対して旋回可能に、走行体５に搭載されている。旋回体３は、走行体５上に、旋回サークル部を介して取り付けられている。旋回サークル部は、平面視した本体１の略中央部に配置されている。旋回サークル部は、円環状の概略形状を有しており、内周面に旋回用の内歯を有している。この内歯と噛み合うピニオンが、図示しない旋回モータに装着されている。旋回モータから駆動力が伝達されて旋回サークル部が回転することにより、旋回体３が走行体５に対して相対回転可能とされている。

旋回体３は、キャブ４を有している。油圧ショベル１００の乗員（オペレータ）は、このキャブ４に搭乗して、油圧ショベル１００を操縦する。キャブ４には、オペレータが着座する運転席４Ｓが設けられている。オペレータは、キャブ４内において油圧ショベル１００を操作可能である。オペレータは、キャブ４内において、作業機２の操作が可能であり、走行体５に対する旋回体３の旋回操作が可能であり、また走行体５による油圧ショベル１００の走行操作が可能である。本開示では油圧ショベル１００はキャブ４内から操作されるが、油圧ショベル１００から離れた場所から無線により遠隔操作されてもよい。

実施形態においては、キャブ４内の運転席４Ｓに着座したオペレータを基準として、油圧ショベル１００の旋回体３における各部の位置関係について説明する。前後方向とは、運転席４Ｓに着座したオペレータの前後方向をいう。運転席４Ｓに着座したオペレータに正対する方向が前方向であり、運転席４Ｓに着座したオペレータの背後方向が後方向である。左右方向とは、運転席４Ｓに着座したオペレータの左右方向をいう。運転席４Ｓに着座したオペレータが正面に正対したときの右側、左側がそれぞれ右方向、左方向である。上下方向とは、運転席４Ｓに着座したオペレータの上下方向をいう。運転席４Ｓに着座したオペレータの足元側が下側、頭上側が上側である。

前後方向において、旋回体３から作業機２が突き出している側が前方向であり、前方向と反対方向が後方向である。前方向を視て左右方向の右側、左側がそれぞれ右方向、左方向である。上下方向において地面のある側が下側、空のある側が上側である。

旋回体３は、エンジンが収容されるエンジンルーム９と、旋回体３の後部に設けられるカウンタウェイトとを有している。エンジンルーム９には、駆動力を発生するエンジン、エンジンの発生する駆動力を受けて油圧アクチュエータに作動油を供給する油圧ポンプなどが配置されている。

旋回体３において、エンジンルーム９の前方に手すり１９が設けられている。手すり１９には、アンテナ２１が設けられている。アンテナ２１は、たとえばＧＮＳＳ用のアンテナである。アンテナ２１は、左右方向に互いに離れるように旋回体３に設けられた第１アンテナ２１Ａおよび第２アンテナ２１Ｂを有している。

作業機２は、旋回体３に搭載されており、旋回体３によって支持されている。作業機２は、ブーム６と、アーム７と、バケット８とを有している。ブーム６は、旋回体３に回転可能に連結されている。アーム７は、ブーム６に回転可能に連結されている。バケット８は、アーム７に回転可能に連結されている。バケット８は、複数の刃を有している。バケット８の先端部を、刃先８ａと称する。

なお、バケット８は、刃を有していなくてもよい。バケット８の先端部は、ストレート形状の鋼板で形成されていてもよい。

ブーム６の基端部は、ブームフートピン１３（以下、ブームピンという）を介して旋回体３に連結されている。アーム７の基端部は、アーム連結ピン１４（以下、アームピンという）を介してブーム６の先端部に連結されている。バケット８は、バケット連結ピン１５（以下、バケットピンという）を介してアーム７の先端部に連結されている。ブームピン１３、アームピン１４およびバケットピン１５は、略左右方向に延びている。

ブーム６は、旋回体３に対して相対移動可能である。ブーム６は、ブームピン１３を中心に、旋回体３に対して相対回転可能である。アーム７は、ブーム６に対して相対移動可能である。アーム７は、アームピン１４を中心に、ブーム６に対して相対回転可能である。バケット８は、アーム７に対して相対移動可能である。バケット８は、バケットピン１５を中心に、アーム７に対して相対回転可能である。

アーム７およびバケット８は、バケット８がアーム７に対して相対回転しない状態で、一体的にブーム６に対して相対移動可能、具体的には相対回転可能である。ブーム６、アーム７およびバケット８は、バケット８がアーム７に対して相対回転せず、かつアーム７がブーム６に対して相対回転しない状態で、一体的に旋回体３に対して相対移動可能、具体的には相対回転可能である。作業機２および旋回体３は、作業機２が旋回体３に対して相対回転しない状態で、一体的に走行体５に対して相対移動可能、具体的には相対回転可能である。

作業機２は、ブームシリンダ１０と、アームシリンダ１１と、バケットシリンダ１２とを有している。ブームシリンダ１０は、ブーム６を駆動する。アームシリンダ１１は、アーム７を駆動する。バケットシリンダ１２は、バケット８を駆動する。ブームシリンダ１０、アームシリンダ１１、およびバケットシリンダ１２のそれぞれは、作動油によって駆動される油圧シリンダである。

バケットシリンダ１２は、アーム７に取り付けられている。バケットシリンダ１２が伸縮することにより、アーム７に対してバケット８が回転する。作業機２は、バケットリンクを有している。バケットリンクは、バケットシリンダ１２とバケット８とを連結している。

油圧ショベル１００には、コントローラ２６が搭載されている。コントローラ２６は、油圧ショベル１００の動作を制御する。

図２は、実施形態に基づく情報取得システムの概略構成を示す模式図である。油圧ショベル１００には、ターゲット部４０が取り付けられている。ターゲット部４０は、油圧ショベル１００の一箇所に取り付けられている。図２に示される例では、バケット８の刃先８ａに、ターゲット部４０が取り付けられている。

情報取得システムは、位置計測部５０を備えている。位置計測部５０は、ターゲット部４０の位置を計測する。位置計測部５０は、たとえばレーザトラッカであり、この場合、ターゲット部４０は、ターゲットリフレクタである。

レーザトラッカは、ターゲットリフレクタに向かってレーザ光Ｌを照射する。ターゲットリフレクタは、レーザ光Ｌが照射されると、照射された方向と同じ方向に光を反射する。その反射光は、レーザトラッカに戻ることになる。レーザトラッカは、ターゲットリフレクタからレーザ光Ｌが戻ってきた時間より、レーザトラッカとターゲットリフレクタとの距離を求めることができる。またレーザトラッカは、レーザ光Ｌを照射した方向を自身で把握している。レーザトラッカは、レーザ光Ｌを照射した方向と、ターゲットリフレクタまでの距離とから、ターゲットリフレクタの三次元位置を求めることができる。

レーザトラッカは、移動するターゲットリフレクタの三次元位置を、高サンプリングレートで連続的に計測できる。レーザトラッカは、ターゲットリフレクタの移動を自動的に追尾して、三次元位置を連続的に取得できる。これによりレーザトラッカは、移動中のターゲットリフレクタの軌跡を取得することができる。高サンプリングレートで連続的に計測されたターゲットリフレクタの三次元位置は、ターゲットリフレクタの軌跡として処理することができる。

位置計測部５０は、ターゲット部４０の三次元位置を取得できるものであればよく、レーザトラッカに限られない。たとえば位置計測部５０は、ターゲット部４０の追尾機能を備えたトータルステーションであってもよい。またたとえば位置計測部５０は、ステレオカメラに代表される撮像装置であってもよく、この場合、ターゲット部４０は、撮像画像中におけるターゲット部４０の位置の認識を容易にするためのマーカであってもよい。またたとえば位置計測部５０は、任意の角度計と距離計との組み合わせによって実現されてもよい。

情報取得システムは、情報取得部６０を備えている。情報取得部６０は、たとえば油圧ショベル１００の外部に設けられている。情報取得部６０は、無線または有線の通信手段を介して、位置計測部５０と通信可能とされている。情報取得部６０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、不揮発性メモリ、タイマなどを含んで構成されるコンピュータである。

情報取得部６０は、移動するターゲット部４０の軌跡から、油圧ショベル１００に関する三次元情報を取得する。情報取得部６０により取得される油圧ショベル１００に関する三次元情報は、たとえば、油圧ショベル１００の作業機２の寸法、旋回体３に対して相対回転する作業機２の軌跡が描く平面、走行体５に対して相対回転する旋回体３の軌跡が描く平面などを含む。油圧ショベル１００に関する三次元情報は、三次元空間における油圧ショベル１００の所定部位の位置座標情報、２つの所定部位間の距離情報、油圧ショベル１００の形状・姿勢等により規定される平面の情報などであってよい。三次元空間の座標系は、ＩＴＲＦ（International Terrestrial Reference Frame）座標系であってよい。

図３は、情報取得システムの機能的構成を示すブロック図である。油圧ショベル１００は、図１を参照して説明した旋回体３、ブーム６、アーム７、バケット８およびコントローラ２６に加えて、慣性計測装置（ＩＭＵ）３０を備えている。慣性計測装置３０は、油圧ショベル１００の傾きを検出する。慣性計測装置３０は、前後方向、左右方向および上下方向に対する、油圧ショベル１００の傾斜角度を検出する。慣性計測装置３０は、油圧ショベル１００が位置する地面の傾斜角度を検出する、実施形態の傾斜センサに相当する。慣性計測装置３０は、図２に示すように旋回体３の前部左右方向中央の位置に取り付けられている。

ターゲット部４０は、油圧ショベル１００のうち、旋回体３または作業機２（ブーム６、アーム７、バケット８）のいずれかの一箇所に取り付けられる。位置計測部５０は、旋回体３、ブーム６、アーム７またはバケット８に取り付けられたターゲット部４０の、三次元位置を計測する。

情報取得部６０は、入力部６１と、旋回平面導出部６２と、車載ＩＭＵアライメント誤差演算部６３と、作業機動作平面導出部６４と、回転半径演算部６５と、ベクトル処理部６６と、出力部６７とを備えている。

図４は、油圧ショベル１００に関する三次元情報を取得する処理の流れを示すフロー図である。図３に示される情報取得部６０の各機能ブロックの機能と、各機能ブロックによって実現される、油圧ショベル１００に関する三次元情報を取得する処理との詳細について、以下に説明する。以下の処理によって取得される油圧ショベル１００に関する三次元情報は、情報化施工を実施するに当たり、バケット８の刃先８ａの位置を正確に導出して、作業機２の位置の演算の精度を向上するために必要なパラメータである。

まず、ステップＳ１～Ｓ６の処理において、油圧ショベル１００の旋回体３に搭載された慣性計測装置３０の取付誤差に対する較正値を求め、水平面に対する旋回体３の傾きを正確に認識できるようにする。ステップＳ１において、旋回体３の旋回時の、車体の任意の位置の軌跡ＴＲを測量する。

図５は、旋回体３の旋回を示す平面模式図である。上述した通り、旋回モータの発生する駆動力を受けて、旋回体３は走行体５に対して旋回する。なお、油圧ショベル１００は、ブーム６を上げながら旋回体３が旋回するホイスト旋回、ブーム６を下げながら旋回体３が旋回するダウン旋回が可能であるが、図５に示される旋回中は、旋回体３に対する作業機２の相対位置は一定のままとされる。静止部位である走行体５をベース部、ベース部に対して相対的に回転動作する旋回体３及び作業機２を可動部とする。

ターゲット部４０は、作業機２または旋回体３の任意の位置に取り付けられる。ターゲット部４０はたとえば、ブーム６の先端、典型的にはアームピン１４の位置に取り付けられる。この状態で、走行体５に対して旋回体３が旋回する。走行体５を静止するベース部とし、旋回体３を可動部として旋回させる。典型的には、走行体５に対して、旋回体３が１８０°回転する。作業機２および旋回体３の走行体５に対する相対回転に伴って移動するターゲット部４０の位置を、位置計測部５０が計測する。位置計測部５０は、ターゲット部４０の三次元位置を連続的に取得し、取得したターゲット部４０の三次元位置情報（位置信号）を情報取得部６０の入力部６１に出力する。

旋回平面導出部６２は、連続的に取得されたターゲット部４０の三次元位置から、ターゲット部４０の軌跡を取得し、これを軌跡ＴＲとする。

ステップＳ２において、旋回平面導出部６２は、ステップＳ１で得られた軌跡ＴＲから、最小自乗法により、旋回平面ＰＲの方程式を導出する。平面を傾けていって、ターゲット部４０の軌跡ＴＲ上の点群との誤差が最も小さくなる平面を求め、求められた平面を旋回平面ＰＲとする。

連続的に取得されたターゲット部４０の三次元位置から最小自乗法によって平面の方程式を導出する方法については、たとえば、下記のＷｅｂサイトで解説されている。
”エスオーエル株式会社メールマガジン「知って得する干渉計測定技術！」２００９年２月１０日号ＶＯＬ．００１”、［令和２年１０月２７日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：https://www.sol-j.co.jp/mailmag/d-0001.html＞
ステップＳ３において、車載ＩＭＵアライメント誤差演算部６３は、ステップＳ２で得られた旋回平面ＰＲの方程式から、旋回平面ＰＲの水平面からの傾斜角ＡＩＤを演算する。

図６は、旋回平面ＰＲの水平面Ｈからの傾斜角ＡＩＤおよび慣性計測装置３０の取付誤差βを示す側面模式図である。ターゲット部４０は、ブーム６の先端のアームピン１４の位置に取り付けられている。慣性計測装置３０は、内蔵されるセンサの座標系の原点ＯＰを基準として油圧ショベル１００の本体１の姿勢情報（角度信号）を出力する。車載ＩＭＵアライメント誤差演算部６３は、旋回体３が走行体５に対して旋回するときのターゲット部４０の軌跡ＴＲから、最小自乗法によって、旋回平面ＰＲを導出する。車載ＩＭＵアライメント誤差演算部６３は、水平面Ｈに対する旋回平面ＰＲの傾斜角ＡＩＤを演算する。

ステップＳ４において、油圧ショベル１００に搭載された慣性計測装置３０の計測結果情報（ＩＭＵ出力信号）が、情報取得部６０の入力部６１に入力される。車載ＩＭＵアライメント誤差演算部６３は、慣性計測装置３０の出力から、車体姿勢、すなわち水平面Ｈに対する油圧ショベル１００の本体１の傾斜角ＡＩを取得する。

ステップＳ５において、車載ＩＭＵアライメント誤差演算部６３は、ステップＳ３で演算された旋回平面ＰＲの傾斜角ＡＩＤと、ステップＳ４で取得された油圧ショベル１００の本体１の傾斜角ＡＩとを比較する。車載ＩＭＵアライメント誤差演算部６３は、傾斜角ＡＩＤと傾斜角ＡＩとが等しくないか否か、すなわち、傾斜角ＡＩＤに対する傾斜角ＡＩの誤差が存在するか否かを判断する。

傾斜角ＡＩＤと傾斜角ＡＩとが等しくないと判断されると（ステップＳ５においてＹＥＳ）、ステップＳ６に進み、車載ＩＭＵアライメント誤差演算部６３は、傾斜角ＡＩＤと傾斜角ＡＩとの差分により、慣性計測装置３０のアライメント誤差（取付誤差）を較正する。図６に示されるように、車載ＩＭＵアライメント誤差演算部６３は、旋回平面ＰＲの傾斜角ＡＩＤと、慣性計測装置３０の認識した角度である傾斜角ＡＩとの差分として、ＩＭＵ取付誤差βを演算する。より詳細には、車載ＩＭＵアライメント誤差演算部６３は、以下のようにＩＭＵ取付誤差βを算出する。

ステップＳ２において、旋回平面ＰＲの方程式が、高さをｚ、面の縦横方向をｘ，ｙとしたとき、ｚ＝ａ＋ｂｘ＋ｃｙのように求められたとする。この場合、旋回平面ＰＲの傾きを示す旋回平面ＰＲの法線ベクトルは、（ｂ，ｃ，１）となる。また、慣性計測装置３０により計測される車体の傾斜角ＡＩの角度ベクトルを（Ａ，Ｂ，Ｃ）とすると、旋回平面ＰＲの傾斜角ＡＩＤと車体の傾斜角ＡＩとの差分ベクトルは（Ａ－ｂ，Ｂ－ｃ，Ｃ－１）となる。この差分ベクトルが、ＩＭＵ取付誤差βとなる。

車載ＩＭＵアライメント誤差演算部６３は、旋回平面ＰＲの傾斜角ＡＩＤに対する、慣性計測装置３０の認識した角度である傾斜角ＡＩの差分を取得する。車載ＩＭＵアライメント誤差演算部６３は、この差分から、慣性計測装置３０により検出される傾斜角ＡＩに対する較正値を取得する。出力部６７は、この較正値情報（較正値信号）を、油圧ショベル１００に搭載されたコントローラ２６に出力する。

ステップＳ５の判断において傾斜角ＡＩＤと傾斜角ＡＩとが等しいと判断されると（ステップＳ５においてＮＯ）、慣性計測装置３０により検出される傾斜角ＡＩに対する較正の必要がないため、ステップＳ６の処理は行われずに、直接ステップＳ７に進む。

次に、ステップＳ７～Ｓ８の処理において、作業機２の移動する平面を求め、左右方向における刃先８ａの位置のずれを正確に認識できるようにする。ステップＳ７において、作業機動作平面導出部６４は、作業機２のブーム６のみを動作させるときの、ブーム６の先端のアームピン１４の軌跡ＴＢを測量する。

図７は、作業機動作平面ＰＩ（図５参照）の導出時のブーム６の動作を示す側面模式図である。ターゲット部４０は、ブーム６の先端の、アームピン１４の位置に取り付けられる。この状態で、旋回体３に対してブーム６が回転する。油圧ショベル１００の本体１をベース部とし、ブーム６を可動部として回動させる。典型的には、ブームシリンダ１０が縮み側のストロークエンドにあるブーム６が最も振り上げられた位置から、作業機２が地面に接触する直前の位置まで、ブーム６が振り下ろされる。このとき、ブーム６に対するアーム７およびバケット８の相対位置は一定のままとされる。

このとき、アームシリンダ１１が伸び側のストロークエンドにあって、アーム７が掘削方向（アーム７がブーム６に近づく方向。図７においてはアームピン１４まわりの時計回り方向）に移動可能な極限の位置にあってもよい。バケットシリンダ１２が伸び側のストロークエンドにあって、バケット８が掘削方向（バケット８がアーム７に近づく方向。図７においてはバケットピン１５まわりの時計回り方向）に移動可能な極限の位置にあってもよい。このようにアーム７およびバケット８の位置を定めることで、図７に示されるように作業機２が最も折り畳まれた姿勢になるため、ブーム６を振り下ろせる距離がより大きくなる。

ブーム６の旋回体３に対する相対回転に伴って移動するターゲット部４０の位置を、位置計測部５０が計測する。位置計測部５０は、ターゲット部４０の三次元位置を連続的に取得し、取得したターゲット部４０の三次元位置情報（位置信号）を情報取得部６０の入力部６１に出力する。

作業機動作平面導出部６４は、連続的に取得されたターゲット部４０の三次元位置から、ターゲット部４０の軌跡を取得し、これを軌跡ＴＢとする。

ステップＳ８において、作業機動作平面導出部６４は、ステップＳ７で得られた軌跡ＴＢから、最小自乗法により、作業機動作平面ＰＩの方程式を導出する。作業機動作平面ＰＩの方程式の導出は、ステップＳ２における旋回平面ＰＲの方程式の導出と同様に、行うことができる。

出力部６７は、求められた作業機動作平面ＰＩの方程式の情報（方程式信号）を、油圧ショベル１００に搭載されたコントローラ２６に出力する。

次に、ステップＳ９～Ｓ１８の処理において、ブーム６、アーム７、およびバケット８の正確な寸法を求める。ステップＳ９において、回転半径演算部６５は、作業機２のバケット８のみを動作させるときの、バケット８の刃先８ａの軌跡ＴＢｋを測量する。

図８は、バケット８の寸法を導出するときのバケット８の動作を示す側面模式図である。ターゲット部４０は、バケット８の刃先８ａの位置に取り付けられる。この状態で、バケットピン１５を中心として、アーム７に対してバケット８が回転する。本体１とブーム６とアーム７とをベース部とし、バケット８を可動部として回動させる。図８に示されるように、バケット８はダンプ方向（バケット８が車体から離れる方向。図８においてはバケットピン１５まわりの反時計回り方向）に移動してもよい。このとき、ブーム６およびアーム７は静止したままとされる。

バケット８のアーム７に対する相対回転に伴って移動するターゲット部４０の位置を、位置計測部５０が計測する。位置計測部５０は、ターゲット部４０の三次元位置を連続的に取得し、取得したターゲット部４０の三次元位置情報（位置信号）を情報取得部６０の入力部６１に出力する。

回転半径演算部６５は、連続的に取得されたターゲット部４０の三次元位置から、ターゲット部４０の軌跡を取得し、これを軌跡ＴＢｋとする。

ステップＳ１０において、回転半径演算部６５は、ステップＳ９で得られた軌跡ＴＢｋから、最小自乗法により、バケットピン１５の座標と、バケットピン１５とターゲット部４０の取り付けられたバケット８の刃先８ａとの間の距離とを演算する。バケットピン１５を中心として回転するターゲット部４０の軌跡ＴＢｋ上の点群から、仮決めした円弧の中心までの半径誤差を最小化するように計算し、計算された中心をバケットピン１５の座標とする。

バケットピン１５を中心として回転移動するターゲット部４０の三次元位置から最小自乗法によって回転中心の座標と回転半径とを導出する方法については、たとえば、下記のＷｅｂサイトで解説されている。
”最小二乗法による球の推定”、［令和２年１０月２７日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：https://qiita.com/yujikaneko/items/955b4474772802b055bc＞
ステップＳ１１において、ベクトル処理部６６は、バケットピン１５と、バケット８の刃先８ａとの間のベクトルＶｂを生成する。図８に示されるように、ベクトルＶｂは、作業機２を側方から見た場合に、バケットピン１５を始点としバケット８の刃先８ａを終点とするベクトルである。

ステップＳ１２において、回転半径演算部６５は、作業機２のアーム７を動作させるときの、バケット８の刃先８ａの軌跡ＴＡを測量する。

図９は、アーム７の寸法を導出するときのアーム７の動作を示す側面模式図である。ターゲット部４０は、バケット８の刃先８ａの位置に取り付けられる。この状態で、アームピン１４を中心として、ブーム６に対してアーム７およびバケット８が回転する。本体１とブーム６とをベース部とし、アーム７を可動部として回動させる。図９に示されるように、アーム７はダンプ方向（アーム７が車体から離れる方向。図９においてはアームピン１４まわりの反時計回り方向）に移動してもよい。このとき、アーム７に対するバケット８の相対位置は一定のままとされる。バケットシリンダ１２が、伸び側または縮み側のいずれか一方のストロークエンドに位置していてもよい。また、ブーム６は静止したままとされる。

ブーム６に対するアーム７およびバケット８の相対回転に伴って移動するターゲット部４０の位置を、位置計測部５０が計測する。位置計測部５０は、ターゲット部４０の三次元位置を連続的に取得し、取得したターゲット部４０の三次元位置情報（位置信号）を情報取得部６０の入力部６１に出力する。

回転半径演算部６５は、連続的に取得されたターゲット部４０の三次元位置から、ターゲット部４０の軌跡を取得し、これを軌跡ＴＡとする。

ステップＳ１３において、回転半径演算部６５は、ステップＳ１２で得られた軌跡ＴＡから、最小自乗法により、アームピン１４の座標と、アームピン１４とバケット８の刃先８ａとの間の距離とを演算する。この演算は、ステップＳ１０における回転中心の座標と回転半径との導出と同様に、行うことができる。

ステップＳ１４において、ベクトル処理部６６は、アームピン１４と、バケット８の刃先８ａとの間のベクトルＶａ’を生成する。図９に示されるように、ベクトルＶａ’は、作業機２を側方から見た場合に、アームピン１４を始点としバケット８の刃先８ａを終点とするベクトルである。

ステップＳ１５において、回転半径演算部６５は、作業機２のブーム６を動作させるときの、バケット８の刃先８ａの軌跡ＶＢを測量する。

図１０は、ブーム６の寸法を導出するときのブーム６の動作を示す側面模式図である。ターゲット部４０は、バケット８の刃先８ａの位置に取り付けられる。この状態で、ブームピン１３を中心として、旋回体３に対してブーム６、アーム７およびバケット８が回転する。本体１をベース部とし、ブーム６を可動部として回動させる。図１０に示されるように、ブーム６はブーム上げ方向（図１０においてはブームピン１３まわりの反時計回り方向）に移動してもよい。このとき、アーム７に対するバケット８の相対位置は一定のままとされる。バケットシリンダ１２が、伸び側または縮み側のいずれか一方のストロークエンドに位置していてもよい。かつ、ブーム６に対するアーム７の相対位置は一定のままとされる。アームシリンダ１１が、伸び側または縮み側のいずれか一方のストロークエンドに位置していてもよい。

旋回体３に対するブーム６、アーム７およびバケット８の相対回転に伴って移動するターゲット部４０の位置を、位置計測部５０が計測する。位置計測部５０は、ターゲット部４０の三次元位置を連続的に取得し、取得したターゲット部４０の三次元位置情報（位置信号）を情報取得部６０の入力部６１に出力する。

回転半径演算部６５は、連続的に取得されたターゲット部４０の三次元位置から、ターゲット部４０の軌跡を取得し、これを軌跡ＶＢとする。

ステップＳ１６において、回転半径演算部６５は、ステップＳ１５で得られた軌跡ＶＢから、最小自乗法により、ブームピン１３の座標と、ブームピン１３とバケット８の刃先８ａとの間の距離とを演算する。この演算は、ステップＳ１０における回転中心の座標と回転半径との導出と同様に、行うことができる。

ステップＳ１７において、ベクトル処理部６６は、ブームピン１３と、バケット８の刃先８ａとの間のベクトルＶｓ’を生成する。図１０に示されるように、ベクトルＶｓ’は、作業機２を側方から見た場合に、ブームピン１３を始点としバケット８の刃先８ａを終点とするベクトルである。

ステップＳ１８において、ベクトル処理部６６は、ベクトルＶｂの大きさを求め、これをバケット８の刃先８ａとバケットピン１５との間の距離、すなわちバケット８の寸法とする。ベクトル処理部６６は、ベクトルＶａ’からベクトルＶｂを引いた差であるベクトルＶａ（図９）の大きさを求め、これをアームピン１４とバケットピン１５との間の距離、すなわちアーム７の寸法とする。ベクトル処理部６６は、ベクトルＶｓ’からベクトルＶａとベクトルＶｂとの和を引いた差であるベクトルＶｓ（図１０）の大きさを求め、これをブームピン１３とアームピン１４との間の距離、すなわちブーム６の寸法とする。

出力部６７は、求められたブーム６、アーム７、およびバケット８の寸法の情報（寸法信号）を、油圧ショベル１００に搭載されたコントローラ２６に出力する。

このようにして、油圧ショベル１００に関する三次元情報を取得する一連の処理を終了する（図４のＥＮＤ）。

上述した説明と一部重複する記載もあるが、本実施形態の特徴的な構成および作用効果についてまとめて記載すると、以下の通りである。

図２に示されるように、位置計測部５０は、ターゲット部４０の位置を計測する。ターゲット部４０はたとえば、図６，７に示されるようにブーム６の先端に取り付けられており、旋回体３の走行体５に対する相対移動に伴って移動したり、ブーム６の旋回体３に対する相対移動に伴って移動したりする。またはターゲット部４０はたとえば、図８～１０に示されるようにバケット８の刃先８ａに取り付けられており、バケット８のアーム７に対する相対移動に伴って移動したり（図８）、アーム７のブーム６に対する相対移動に伴って移動したり（図９）、ブーム６の旋回体３に対する相対移動に伴って移動したりする（図１０）。

位置計測部５０は、移動するターゲット部４０の位置を連続して計測する。図３，４に示されるように、情報取得部６０は、計測から得られるターゲット部４０の軌跡から、油圧ショベル１００の作業機２の寸法、旋回体３に対して相対回転する作業機２の軌跡が描く平面、走行体５に対して相対回転する旋回体３の軌跡が描く平面などの、油圧ショベル１００に関する三次元情報を取得する。作業機２の寸法を算出するために各ピンの位置に測量ターゲットを取り付けて各ピンの位置を直接計測しなくてもよいため、短時間の簡便な作業で、情報をより正確に得ることができる。これらの情報に基づいて、バケット８の刃先８ａの位置を正確に導出することができるので、情報化施工における作業機２の位置の演算の精度を向上することができる。

図５に示されるように、旋回体３は、走行体５に対して相対回転可能である。図７，１０に示されるように、ブーム６は、旋回体３に対して相対回転可能である。図９に示されるように、アーム７は、ブーム６に対して相対回転可能である。図８に示されるように、バケット８は、アーム７に対して相対回転可能である。回転する機械部品にターゲット部４０を取り付けて、円弧状に移動するターゲット部４０の位置を計測することで、ターゲット部４０の円弧状の軌跡を測量できる。このターゲット部４０の円弧の軌跡から、油圧ショベル１００に関する三次元情報を取得することができる。

図４および図８～１０に示されるように、情報取得部６０は、回転する機械部品の回転の中心位置を取得する。情報取得部６０は、取得された回転の中心位置の情報から、機械部品の寸法を求めることができる。

図４，８に示されるように、バケット８はアーム７に対して相対回転し、バケット８の回転の中心位置がバケットピン１５の位置である。情報取得部６０は、バケットピン１５とターゲット部４０との距離を取得する。情報取得部６０は、取得された距離の情報から、バケット８の寸法を求めることができる。

図１に示されるように、アーム７は、アームピン１４を介してブーム６に接続されている。作業機２は、ブーム６とアーム７とがアームピン１４を介して接続され、アーム７とバケット８とがバケットピン１５を介して接続された、リンク機構を有している。図４，１０に示されるように、情報取得部６０は、旋回体３に対して回転するブーム６の回転の中心位置であるブームピン１３と、ブーム６とアーム７とを接続するアームピン１４との距離を取得する。情報取得部６０は、取得された距離の情報から、ブーム６の寸法を求めることができる。

図４，９に示されるように、情報取得部６０は、ブーム６とアーム７とを接続するアームピン１４と、アーム７とバケット８とを接続するバケットピン１５との距離を取得する。情報取得部６０は、取得された距離の情報から、アーム７の寸法を求めることができる。

図４，７に示されるように、情報取得部６０は、旋回体３に対するブーム６の相対回転により形成される作業機動作平面ＰＩの情報を取得する。取得された作業機動作平面ＰＩの情報に基づいて、左右方向における刃先８ａの位置のずれを正確に認識できるので、情報化施工におけるバケット８の刃先８ａの位置の演算の精度を向上することができる。

図４，６に示されるように、情報取得部６０は、走行体５に対する旋回体３の相対回転により形成される旋回平面ＰＲの情報を取得する。取得された旋回平面ＰＲの情報から、油圧ショベル１００が位置する地面の傾斜角度を正確に取得することができる。

図４，６に示されるように、情報取得部６０は、旋回平面ＰＲの水平面Ｈに対する傾斜角ＡＩＤを取得する。取得された傾斜角ＡＩＤの情報から、油圧ショベル１００が位置する地面の傾斜角度を正確に取得することができる。

図３に示されるように、油圧ショベル１００は、慣性計測装置３０を有している。慣性計測装置３０は、油圧ショベル１００が位置する地面の傾斜角度を示す傾斜角ＡＩを検出する。図４，６に示されるように、情報取得部６０は、傾斜角ＡＩＤに対する傾斜角ＡＩの差分であるＩＭＵ取付誤差βを取得する。取得されたＩＭＵ取付誤差βの情報から、慣性計測装置３０による検出結果が、油圧ショベル１００が位置する地面の傾斜角ＡＩＤに対してどの程度のずれを有しているかを認識することができる。

図４，６に示されるように、情報取得部６０は、ＩＭＵ取付誤差βから、慣性計測装置３０により検出される傾斜角ＡＩに対する較正値を取得する。取得された較正値に従って慣性計測装置３０による検出結果を較正することで、施工時に、油圧ショベル１００が位置する地面の傾斜角度を、慣性計測装置３０の検出結果に基づいて正確に認識することができる。これにより、情報化施工におけるバケット８の刃先８ａの位置の演算の精度を向上することができる。

図２，６～１０に示されるように、ターゲット部４０は、作業機２の一箇所に取り付けられている。油圧ショベル１００に関する三次元情報を取得するために複数の測定ターゲットを取り付けなくてもよいので、作業を簡略化でき、かつ、取得する情報の精度を向上することができる。

図４に示されるように、油圧ショベル１００に関する三次元情報を取得する情報取得方法は、たとえば、バケット８をアーム７に対して相対移動させ、このバケット８の移動に伴って移動するターゲット部４０の位置を連続して計測するステップＳ９と、計測により得られるターゲット部４０の軌跡ＴＢｋから、バケットピン１５の座標と、バケットピン１５とバケット８の刃先８ａとの間の距離とを取得するステップＳ１０とを備えている。

短時間の簡便な作業で、油圧ショベル１００に関する三次元情報をより正確に得ることができ、これらの情報に基づいて、バケット８の刃先８ａの位置を正確に導出することができるので、情報化施工における作業機２の位置の演算の精度を向上することができる。

上記の実施形態では、作業機械の一例として油圧ショベル１００を挙げているが、油圧ショベル１００に限らず、ローディングショベル、機械式のロープショベル、電動ショベル、バケットクレーンなどの他の種類の作業機械にも適用可能である。

今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 本体、２ 作業機、３ 旋回体、５ 走行体、６ ブーム、７ アーム、８ バケット、８ａ 刃先、１０ ブームシリンダ、１１ アームシリンダ、１２ バケットシリンダ、１３ ブームフートピン、１４ アーム連結ピン、１５ バケット連結ピン、２６ コントローラ、３０ 慣性計測装置、４０ ターゲット部、５０ 位置計測部、６０ 情報取得部、６１ 入力部、６２ 旋回平面導出部、６３ 車載ＩＭＵアライメント誤差演算部、６４ 作業機動作平面導出部、６５ 回転半径演算部、６６ ベクトル処理部、６７ 出力部、１００ 油圧ショベル、ＡＩ，ＡＩＤ 傾斜角、Ｈ 水平面、Ｌ レーザ光、ＯＰ 原点、ＰＩ 作業機動作平面、ＰＲ 旋回平面、ＲＸ 旋回軸、ＴＡ，ＴＢｋ，ＴＲ，ＶＢ 軌跡、Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｓ ベクトル。

Claims (13)

1. ベース部と、前記ベース部に対して相対移動可能な可動部とを有する、作業機械と、
   前記可動部に取り付けられたターゲット部と、
   前記可動部の前記ベース部に対する相対移動に伴って移動する前記ターゲット部の位置を連続して計測する位置計測部と、
   前記計測から得られる前記ターゲット部の軌跡から、前記作業機械に関する三次元情報を取得する情報取得部と、を備える、情報取得システム。
2. 前記可動部は、前記ベース部に対して相対回転可能である、請求項１に記載の情報取得システム。
3. 前記ターゲット部の軌跡は円弧である、請求項２に記載の情報取得システム。
4. 前記三次元情報は、前記ベース部に対する前記可動部の相対回転の中心位置の情報である、請求項２または請求項３に記載の情報取得システム。
5. 前記三次元情報は、前記中心位置と前記ターゲット部との距離の情報である、請求項４に記載の情報取得システム。
6. 前記可動部は、複数のリンク部材が関節を介して接続されたリンク機構を有し、
   前記三次元情報は、前記中心位置と前記関節との距離の情報である、請求項４または請求項５に記載の情報取得システム。
7. 前記三次元情報は、複数の前記関節間の距離の情報である、請求項６に記載の情報取得システム。
8. 前記三次元情報は、前記ベース部に対する前記可動部の相対回転により形成される平面の情報である、請求項２から請求項７のいずれか１項に記載の情報取得システム。
9. 前記三次元情報は、前記平面の水平面に対する傾斜角度の情報である、請求項８に記載の情報取得システム。
10. 前記作業機械は、前記作業機械が位置する地面の傾斜角度を検出する傾斜センサをさらに有し、
    前記三次元情報は、前記平面の傾斜角度に対する前記地面の傾斜角度の差分の情報である、請求項９に記載の情報取得システム。
11. 前記情報取得部は、前記差分から、前記傾斜センサにより検出される前記地面の傾斜角度に対する較正値を取得する、請求項１０に記載の情報取得システム。
12. 前記ターゲット部は、前記可動部の一箇所に取り付けられている、請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の情報取得システム。
13. ベース部と、前記ベース部に対して相対移動可能な可動部とを有し、前記可動部にターゲット部が取り付けられる作業機械に関する三次元情報を取得する情報取得方法であって、
    前記可動部を前記ベース部に対して相対移動させることと、
    前記可動部の前記ベース部に対する相対移動に伴って移動する前記ターゲット部の位置を連続して計測することと、
    前記計測により得られる前記ターゲット部の軌跡から、前記三次元情報を取得することと、を備える、情報取得方法。

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