JP2022161283A - 位置推定システム、位置推定ユニット、作業機械、およびエクステンションユニット - Google Patents

Abstract

【課題】作業による影響を受け難い位置推定システムを提供すること。【解決手段】位置推定システム５０は、バケット角センサ６６と、コントローラ５４と、を備える。第１作業機２５は、アーム１１、バケット１３およびバケット１３を駆動するバケットシリンダ２１を有し、車両本体２に対して揺動可能である。エクステンションアーム１２は、バケットシリンダ２１の駆動をバケット１３に伝達するリンク機構３２を有し、アーム１１とバケット１３の間に装着可能である。バケット角センサ６６は、リンク機構３２に配置可能である。コントローラ５４は、第１作業機２５の形状データと、エクステンションアーム１２の形状データと、第１作業機２５の姿勢に関する情報と、バケット角センサ６６による検出値に基づいてバケット１３の刃先１３ｐの位置を推定する。【選択図】図２

Description

本開示は、位置推定システム、位置推定ユニット、作業機械、およびエクステンションユニットに関する。

作業機を有する作業機械において、バケットの刃先の位置を算出する技術が、知られている。例えば、特許文献１の作業機械は、車両本体と作業機とを備えている。車両本体には、車体の位置を検出するために、例えばGNSS（Global Navigation Satellite System）のアンテナが設けられている。また、車両本体には、例えばIMU（Inertial Measurement Unit）が配置されている。IMUは、車両本体のロール角、及び、ピッチ角などを検出する。作業機は、ブームと、アームと、バケットと、それらを駆動する油圧シリンダとを有している。作業機械のコントローラは、車両本体の位置と姿勢、作業機の各部分の寸法、及び、作業機の各部分が揺動する角度などから、バケットの刃先位置を算出する。

特許文献１には、作業機の各部分が揺動する角度を検出する際に、各作業機の揺動部に角度センサを取り付けることが記載されている。

また、作業範囲を拡大するためにエクステンションアームが装着された場合には、エクステンションアームの各部分の寸法を入力することによって補正を行い、バケットの刃先位置を算出している。

再表２０１６／０５６６７６号公報

しかしながら、エクステンションアームを装着して浚渫作業等を行う場合にも、バケットやバケットピンに角度センサを取り付けていると、角度センサを配置した部分が水没する可能性があるため、角度センサの破損可能性が高く、破損を防ぐためには強固に保護を行う必要があった。

本開示は、作業による影響を受けにくい位置推定システム、位置推定ユニット、作業機械、およびエクステンションユニットを提供することを目的とする。

本開示の第１の態様に係る位置推定システムは、作業機械本体と、アーム、バケットおよびバケットを駆動するバケットシリンダを有し、作業機械本体に対して揺動可能な第１作業機と、バケットシリンダの駆動をバケットに伝達するリンク機構を有し、アームとバケットの間に装着可能な第２作業機と、を備えた作業機械のバケットの位置に関する情報を推定する位置推定システムであって、第１姿勢検出器と、コントローラと、を備える。第１姿勢検出器は、リンク機構に配置可能である。コントローラは、第１作業機の形状に関するデータと、第２作業機の形状に関するデータと、第１作業機の姿勢に関する情報と、第１姿勢検出器による検出値に基づいて作業機械に対するバケットの位置に関する情報を推定する。第２作業機は、バケットと接続可能な第１端部とアームと接続可能な第２端部と、を含むエクステンション部を有する。リンク機構は、第１リンク部と、第２リンク部と、第３リンク部と、を有する。第１リンク部は、エクステンション部と第１連結部を介して接続され、バケットに接続されたバケットリンク部と第２連結部を介して接続可能である。第２リンク部は、第１リンク部に第２連結部を介して接続され、第２端部側に向かって延びる。第３リンク部は、第１リンク部よりも第２端部側に配置され、エクステンション部と第３連結部を介して接続され、第２リンク部と第４連結部を介して接続されている。

本開示の第２の態様に係る位置推定ユニットは、作業機械本体と、アーム、バケットおよびバケットを駆動するバケットシリンダを有し、作業機械本体に対して揺動可能な第１作業機と、バケットシリンダの駆動を前記バケットに伝達するリンク機構を有し、アームとバケットの間に装着可能な第２作業機と、を備えた作業機械のバケットの位置に関する情報を推定する位置推定ユニットであって、第１姿勢検出器と、検出器コントローラと、を備える。第１姿勢検出器は、リンク機構に配置可能である。検出器コントローラは、第１姿勢検出器による検出値を取得し、検出値に基づいた情報を作業機械本体に送信する。第２作業機は、バケットと接続可能な第１端部とアームと接続可能な第２端部と、を含むエクステンション部を有する。リンク機構は、第１リンク部と、第２リンク部と、第３リンク部と、を有する。第１リンク部は、エクステンション部と第１連結部を介して接続され、バケットに接続されたバケットリンク部と第２連結部を介して接続可能である。第２リンク部は、第１リンク部に第２連結部を介して接続され、第２端部側に向かって延びる。第３リンク部は、第１リンク部よりも第２端部側に配置され、エクステンション部と第３連結部を介して接続され、第２リンク部と第４連結部を介して接続されている。

本開示の第３の態様に係る作業機械は、作業機本体と、第１作業機と、第２作業機と、第１姿勢検出器と、コントローラと、を備える。第１作業機は、アーム、バケットおよびバケットを駆動するバケットシリンダを有し、作業機械本体に対して揺動可能である。第２作業機は、バケットシリンダの駆動をバケットに伝達するリンク機構を有し、アームとバケットの間に装着可能である。第１姿勢検出器は、リンク機構に配置されている。コントローラは、第１作業機の形状に関するデータと、第２作業機の形状に関するデータと、第１作業機の姿勢に関する情報と、第１姿勢検出器による検出値に基づいてバケットの位置に関する情報を推定する。第２作業機は、バケットと接続可能な第１端部とアームと接続可能な第２端部と、を含むエクステンション部を有する。リンク機構は、第１リンク部と、第２リンク部と、第３リンク部と、を有する。第１リンク部は、エクステンション部と第１連結部を介して接続され、バケットに接続されたバケットリンク部と第２連結部を介して接続可能である。第２リンク部は、第１リンク部に第２連結部を介して接続され、第２端部側に向かって延びる。第３リンク部は、第１リンク部よりも第２端部側に配置され、エクステンション部と第３連結部を介して接続され、第２リンク部と第４連結部を介して接続されている。

本開示の第４の態様に係るエクステンションユニットは、エクステンションアームと、第１姿勢検出器と、を備える。エクステンションアームは、エクステンション部と、リンク機構と、を有する。エクステンション部は、バケットと接続可能な第１端部およびアームと接続可能な第２端部と、を含む。リンク機構は、バケットシリンダの駆動をバケットに伝達する。リンク機構は、第１リンク部と、第２リンク部と、第３リンク部と、を含む。第１リンク部は、エクステンション部と第１連結部を介して接続され、バケットに接続されたバケットリンク部と第２連結部を介して接続可能である。第２リンク部は、第１リンク部と第２連結部を介して接続され、アーム側に向かって延びる。第３リンク部は、第１リンク部よりも第２端部側に配置され、エクステンション部と第３連結部を介して接続され、第２リンク部と第４連結部を介して接続される。

本開示によれば、作業による影響を受けにくい位置推定システム、位置推定ユニット、作業機械、およびエクステンションユニットを提供することができる。

本開示にかかる実施の形態における作業機械の斜視図。 本開示にかかる実施の形態における作業機の側面図。 本開示にかかる実施の形態における作業機の平面図。 （ａ）本開示にかかる実施の形態におけるバケットの側面図、（ｂ）図４（ａ）のバケットから紙面手前側の側面部を取り除いた状態を示す図。 本開示にかかる実施の形態における位置推定システムの構成を示すブロック図。 作業機械の構成を模式的に示す図である。 ガイド画面の一例を示す図である。 本開示にかかる実施の形態の作業機において第３リンク部を除くエクステンションアームを取り外した状態の第１作業機を示す側面図。 （ａ）～（ｃ）本開示に係る他の実施の形態の位置推定ユニットから車両本体に送信する情報を示す図。 本開示に係る他の実施の形態のリンク機構を有するエクステンションアームを示す側面図。 （ａ）本開示にかかる他の実施の形態のバケット角センサの第３リンク部への配置状態を示す平面図、（ｂ）本開示にかかる他の実施の形態のバケット角センサの第３リンク部への配置状態を示す側面図。

以下、図面を参照して、本開示の一実施形態に係る位置推定システム、作業機械、およびエクステンションユニットについて説明する。

（作業機械１の概要）
図１は、実施形態に係る作業機械１の斜視図である。

作業機械１は、車両本体２（作業機械本体の一例）と、作業機３と、位置推定システム５０（図５参照）と、を主に有する。車両本体２は、旋回体４と走行装置５とを有する。旋回体４は、走行装置５に対して旋回可能に支持されている。旋回体４には、運転室６が配置されている。走行装置５は履帯５ａ，５ｂを含む。履帯５ａ，５ｂが回転することにより作業機械１が走行する。

（作業機３）
作業機３は、車両本体２に取り付けられている。作業機３は、第１作業機２５とエクステンションアーム１２（第２作業機の一例）とを含む。エクステンションアーム１２は、第１作業機２５に着脱可能に構成されている。

第１作業機２５は、ブーム１０と、アーム１１と、バケット１３とを含む。

ブーム１０の基端部は、ブームピン１４を介して車両本体２に回転可能に取り付けられている。アーム１１の基端部は、アームピン１５を介してブーム１０の先端部に回転可能に取り付けられている。エクステンションアーム１２の基端部は、２つの連結ピン１６、１７を介してアーム１１の先端部に取り付けられている。バケット１３は、バケットピン１８を介して、エクステンションアーム１２の先端部に回転可能に取り付けられている。

作業機３は、一対のブームシリンダ１９と、アームシリンダ２０と、バケットシリンダ２１とを含む。ブームシリンダ１９と、アームシリンダ２０と、バケットシリンダ２１とは、それぞれ油圧シリンダである。

一対のブームシリンダ１９は、ブーム１０を挟んで配置されている。各々のブームシリンダ１９のボトム側の端は、ブームシリンダフートピン１９ａを介して旋回体４に回転可能に取り付けられている。各々のブームシリンダ１９のロッド側の端は、ブームシリンダトップピン１９ｂを介してブーム１０に回転可能に取り付けられている。

アームシリンダ２０のボトム側の端は、アームシリンダフートピン（図示せず）を介して、ブーム１０に取り付けられている。アームシリンダ２０のロッド側の端は、アームシリンダトップピン２０ｂを介してアーム１１に取り付けられている。

バケットシリンダ２１のボトム側の端は、バケットシリンダフートピン２１ａを介してアーム１１に取り付けられている。バケットシリンダ２１のロッド側の端は、第３リンクピン３８（後述する）を介して、エクステンションアーム１２に取り付けられている。

ブームシリンダ１９が伸縮することで、ブーム１０が動作する。アームシリンダ２０が伸縮することで、アーム１１およびエクステンションアーム１２が動作する。バケットシリンダ２１が伸縮することで、バケット１３が動作する。

（エクステンションアーム１２）
図２は、作業機３を示す側面図である。図３は、図２の平面図である。

エクステンションアーム１２は、エクステンション部３１と、リンク機構３２と、を備える。

エクステンション部３１は、アーム１１とバケット１３の間に取り付けられる。エクステンション部３１は、アーム１１に装着される基端部３１ｂ（第２端部の一例）と、バケット１３が装着される先端部３１ａ（第１端部の一例）とを有する。

エクステンション部３１は、基端部３１ｂにおいて、連結ピン１６、１７を介してアーム１１に取り付けられている。連結ピン１６と連結ピン１７は、アーム１１の長手方向に沿って並んで配置されている。連結ピン１６は、連結ピン１７よりもアーム１１の基端側に配置されている。

エクステンション部３１には、先端部３１ａにおいて、バケットピン１８を介してバケット１３が取り付けられている。

リンク機構３２は、バケットシリンダ２１の伸縮をバケット１３に伝達する。リンク機構３２は、エクステンション部３１に取り付けられている。リンク機構３２は、第１リンク部３３と、第２リンク部材３４（第２リンク部の一例）と、第３リンク部３５と、を有する。

第１リンク部３３は、エクステンション部３１の先端部３１ａに配置されている。第１リンク部３３は、図３に示すように、エクステンション部３１を挟んで配置された一対の第１リンク部材３３ａを有している。各々の第１リンク部材３３ａの一端は、図２に示すように、バケットピン１８よりも基端部３１ｂ側において、第１リンクピン３６（第１連結部の一例）を介してエクステンション部３１の側面に回転可能に接続されている。各々の第１リンク部材３３ａの他端は、バケット１３に回転可能に接続されているバケットリンク部材４７ａと第２リンクピン３７（第２連結部の一例）を介して回転可能に接続されている。

第２リンク部材３４の一端は、一対の第１リンク部材３３ａの他端と第２リンクピン３７を介して回転可能に接続されている。第２リンク部材３４は、第２リンクピン３７が配置されている部分から基端部３１ｂ側に向かって延びるように形成された部材である。第２リンク部材３４の他端は、第３リンクピン３８を介してバケットシリンダ２１のロッド側の先端と回転可能に接続されている。

第３リンク部３５は、第１リンク部３３よりもアーム１１側（基端部３１ｂ側）に配置されている。本実施の形態では、第３リンク部３５は、基端部３１ｂに配置されている。第３リンク部３５は、図３に示すように、エクステンション部３１を挟んで配置された一対の第３リンク部材３５ａを有している。各々の第３リンク部材３５ａの一端は、第３リンクピン３８（第４連結部の一例）を介して第２リンク部材３４の他端およびバケットシリンダ２１のロッド側の先端と回転可能に接続されている。各々の第３リンク部材３５ａの他端は、連結ピン１６（第３連結部の一例）を介してエクステンション部３１の側面に回転可能に接続されている。

本実施の形態では、連結ピン１６と第３リンクピン３８を結ぶ線分Ｌ２と、第１リンクピン３６と第２リンクピン３７を結ぶ線分Ｌ４の長さが異なっており、Ｌ２がＬ４よりも長くなっている。このため、リンク機構３２は、第１リンクピン３６、第２リンクピン３７、第３リンクピン３８、および連結ピン１６を節とする４節リンクを構成するが、平行リンクではない。

（バケット１３）
図４（ａ）は、バケット１３の側面図である。バケット１３は、バケット本体４１と、接続部４２と、ティース４３とを含む。接続部４２は、バケット本体４１に接続されており、エクステンションアーム１２に取り付けられる部分を含む。

ティース４３は、バケット本体４１に接続されている。バケット１３の刃先１３ｐは、ティース４３の先端に位置する。バケット本体４１は、主に、底面部４１ａと、背面部４１ｂと、一対の側壁部４１ｃと、を有する。図４（ｂ）は、図４（ａ）のバケット１３の紙面手前側の側壁部４１ｃを取り除いた状態を示す図である。

底面部４１ａは、側面視において湾曲した形状を有する。背面部４１ｂは、底面部４１ａと位置４１ｐにおいて繋がっている。一対の側壁部４１ｃは、互いに対向して配置されており、底面部４１ａと背面部４１ｂによって囲まれた空間の側方を覆う。底面部４１ａと背面部４１ｂと一対の側壁部４１ｃによって囲まれた空間の外部空間への開口が開口部１３ａとして示されている。

底面部４１ａは、図４（ｂ）に示すように、フロントリップ４１ｄと、前面部４１ｅと、湾曲部４１ｆと、を有する。前面部４１ｅは、平坦な板状の部分であり、側面視において直線状の形状を有する。湾曲部４１ｆは、湾曲した板状の部分であり、側面視においてバケット本体４１の外側に向けて凸に湾曲した形状を有する。湾曲部４１ｆは、位置４１ｑにおいて前面部４１ｅに繋がっている。
フロントリップ４１ｄは、平坦な板状の部材であり、側面視において直線状の形状を有する。フロントリップ４１ｄは、前面部４１ｅの位置４１ｑと反対側の端に固定されている。フロントリップ４１ｄの厚さは、前面部４１ｅの厚さよりも大きい。フロントリップ４１ｄは、ティース４３が固定される部材である。
背面部４１ｂは、第１部材４１ｇと、第２部材４１ｈと、を有する。第１部材４１ｇは、板状であり、底面部４１ａの湾曲部４１ｆに位置４１ｐで繋がっている。第２部材４１ｈは、第１部材４１ｇの外側に配置されており、外側に向かって凸に湾曲した部分を有する。
接続部４２は、背面部４１ｂに配置されている。接続部４２は、一対のブラケット４２ａを含む（図１参照）。一対のブラケット４２ａは、幅方向に対向して配置されている。ブラケット４２ａは、図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、背面部４１ｂに固定されている。ブラケット４２ａは、背面部４１ｂから外側に向かって立設している。各々のブラケット４２ａは、第１孔４２ｂと第２孔４２ｃとを含む。開口部１３ａ側の第１孔４２ｂには、図２に示すようにバケットピン１８が挿入される。底面部４１ａ側の第２孔４２ｃには、バケット１３をバケットリンク部４７に取り付けるためのバケットリンクピン４６が通される。

なお、バケットリンク部４７は、図１に示すように、一対のバケットリンク部材４７ａを有している。各々のバケットリンク部材４７ａの一端が、バケットリンクピン４６を介してブラケット４２ａに回転可能に接続されている。各々のバケットリンク部材４７ａの他端が、第２リンクピン３７を介して、第１リンク部材３３ａおよび第２リンク部材３４に回転可能に接続されている。ティース４３は、底面部４１ａの背面部４１ｂとは反対側の先端に配置されている。

（位置推定システム５０）
図５は、位置推定システム５０の構成を示すブロック図である。

位置推定システム５０は、図５に示すように、入力装置５２と、ディスプレイ５３と、コントローラ５４と、記憶装置５５と、位置センサ５６（状態検出器の一例）と、姿勢センサ５７と、を備える。

入力装置５２と、ディスプレイ５３とは、運転室６に配置されている。入力装置５２は、作業機械１の制御の設定を行うためのオペレータによる操作を受け付け、操作に応じた操作信号を出力する。入力装置５２は、例えばタッチスクリーンである。或いは、入力装置５２は、レバー、スイッチを含んでもよい。オペレータは、入力装置５２を用いて、車両本体２および作業機３の形状データを入力することができる。例えば、新たなエクステンションアーム１２を装着する場合には、入力装置５２を用いてエクステンションアーム１２の形状データを入力することができる。

ディスプレイ５３は、入力装置５２に入力される指令信号に応じた画像を表示する。ディスプレイ５３は、作業機械１による作業を補助するためのガイド画面を表示する。
ガイド画面として、ディスプレイ５３は、例えば、地形データと、現在のバケット１３の刃先１３ｐの位置（バケットの位置に関する情報の一例）を表示する。

コントローラ５４は、取得したデータに基づいて、バケット角θ３を算出し、ディスプレイ５３に、地形データとバケット１３の刃先１３ｐの位置を表示する。

コントローラ５４は、CPU（Central Processing Unit）などのプロセッサと、RAM（Random Access Memory）、及びROM（Read Only Memory）などのメモリとを含む。記憶装置５５は、半導体メモリ、或いはハードディスクなどを含む。記憶装置５５は、非一時的な（non-transitory）コントローラ５４で読み取り可能な記録媒体の一例である。記憶装置５５は、プロセッサによって実行可能でありバケット１３の刃先１３ｐの位置を推定し、刃先１３ｐの位置の表示を行うためのコンピュータ指令を記録している。

位置センサ５６は、作業機械１の位置を測定する。位置センサ５６は、車両本体２に配置されている。位置センサ５６は、GNSS(Global Navigation Satellite System)レシーバ６１と、アンテナ６２と、IMU６３とを備える。GNSSレシーバ６１は、例えばGPS（Global Positioning System）用の受信機である。GNSSレシーバ６１は、衛星より測位信号を受信し、測位信号によりアンテナ６２の位置を演算して車体位置データを生成する。コントローラ５４は、GNSSレシーバ６１から車体位置データ（位置に関する情報の一例）を取得する。IMU６３は、慣性計測装置（Inertial Measurement Unit）である。IMU６３は、傾斜角データ（傾斜に関する情報の一例）を取得する。傾斜角データは、車両前後方向の水平に対する角度（ピッチ角）、および車両横方向の水平に対する角度（ロール角）を含む。

姿勢センサ５７は、作業機３の姿勢を示す姿勢データを検出する。姿勢センサ５７は、ブーム角センサ６４（第３姿勢検出器の一例）と、アーム角センサ６５（第２姿勢検出器の一例）と、バケット角センサ６６（第１姿勢検出器の一例）と、を含む。ブーム角センサ６４は、ブーム角θ１を検出する。図６は、作業機械１の構成を模式的に示す図である。図５に示すように、ブーム角θ１は、車両本体２におけるブーム１０の傾斜角を示す。アーム角センサ６５は、アーム角θ２を検出する。アーム角θ２は、ブーム１０に対するアーム１１の傾斜角を示す。

ブーム角センサ６４は、例えばIMUであり、ブーム１０に配置されている。ブーム角センサ６４は、ブーム角度を示す検出信号をコントローラ５４に出力する。コントローラ５４は、車両本体２の傾斜角データと検出信号からブーム角θ１を算出する。
アーム角センサ６５は、例えば、IMUであり、アーム１１に配置されている。アーム角センサ６５は、アーム角度を示す検出信号をコントローラ５４に出力する。コントローラ５４は、車両本体２の傾斜角データとブーム角θ１と検出信号からアーム角θ２を算出する。
なお、ブーム角センサ６４およびアーム角センサ６５は、シリンダのストロークを検出するセンサであってもよく、この場合、シリンダストロークに基づいて、コントローラ５４がブーム角θ１とアーム角θ２を算出する。

バケット角センサ６６は、IMUである。図２および図３に示すように、バケット角センサ６６は、第３リンク部材３５ａの外側の側面３５ｂ（外側面の一例）に取り付けられている。バケット角センサ６６は、収納ケース６８の内側に収納されている。側面視において、アームピン１５と連結ピン１６を結ぶ直線をＬ１とし、第３リンク部材３５ａの中心を通る線分（連結ピン１６と第３リンクピン３８を結ぶ線分）をＬ２とすると、バケット角センサ６６の検出値に基づいて、直線Ｌ１（第３直線の一例）と線分Ｌ２の形成する角度Φ１を検出することができる。

バケット角センサ６６の検出値は、車両本体２に配置されたコントローラ５４にハーネス６７を介して送信される。ハーネス６７は、収納ケース６８から出て、第３リンク部材３５ａおよびアーム１１の側面に沿って車両本体２に向かって延びている。ハーネス６７は、防水である方が好ましい。ハーネス６７を通じてバケット角センサ６６に電力が供給される。

記憶装置５５は、車両本体２と、作業機３の形状データとを記憶している。車両本体２の形状データは、車両本体２の形状を示す。車両本体２の形状データは、アンテナ６２と車両本体２における基準位置との位置関係を示す。車両本体２の形状データは、車両本体２における基準位置と、ブームピン１４との位置関係を示す。

作業機３の形状データは、作業機３の各部の形状を示す。作業機３の形状データは、第１作業機２５の形状データ（第１作業機の形状に関するデータの一例）とエクステンションアーム１２の形状データ（第２作業機の形状に関するデータの一例）とを含む。
形状データは、ブーム長Ｌ１１と、アーム長Ｌ１２と、バケット長Ｌ１３とを含む。ブーム長Ｌ１１は、ブームピン１４からアームピン１５までの長さである。アーム長Ｌ１２は、アームピン１５からバケットピン１８までの長さである。バケット長Ｌ１３は、バケットピン１８からバケット１３の刃先１３ｐまでの長さである。

また、エクステンションアーム１２の形状データは、アームピン１５に対する連結ピン１６、バケットピン１８、および第１リンクピン３６の位置関係、第１リンクピン３６から第２リンクピン３７までの長さ、連結ピン１６から第３リンクピン３８までの長さ、並びに、第２リンクピン３７から第３リンクピン３８までの長さを含む。

また、バケット１３の形状データは、バケットピン１８とバケットリンクピン４６の位置関係、バケットリンクピン４６から第１リンクピン３６までの長さ、およびバケットピン１８と刃先１３ｐとの位置関係を含む。

コントローラ５４は、バケット角センサ６６の検出値から求められる角度Φ１に基づいて、図６に示すバケット角θ３を算出する。ここで、側面視においてアームピン１５とバケットピン１８を結ぶ直線をＬ３とし、第１リンク部材３３ａの中心を通る線分（第１リンクピン３６と第２リンクピン３７を結ぶ線分）をＬ４とする。

詳しく説明すると、コントローラ５４は、バケット角センサ６６によって検出された検出値と、傾斜角データ、ブーム角θ１およびアーム角θ２と、作業機３の形状データとエクステンションアーム１２の形状データに基づいて角度Φ１を算出し、さらに直線Ｌ３（第１直線の一例）と直線Ｌ４の成す角度Φ２を算出する。

コントローラ５４は、角度Φ２と作業機３の形状データとエクステンションアーム１２の形状データに基づいて、バケット角θ３を算出する。バケット角θ３は、側面視において、バケットピン１８と刃先１３ｐを結ぶ直線Ｌ５（第２直線の一例）と、直線Ｌ３の成す角度である。

このように、コントローラ５４は、ブーム角θ１、アーム角θ２、およびバケット角θ３を取得する。ブーム角θ１、アーム角θ２およびバケット角θ３は、姿勢データに含まれる。

コントローラ５４は、傾斜角データと、姿勢データと、形状データとに基づいて、位置センサ５６が検出した車体位置データから、バケット位置データを算出する。バケット位置データは、例えば、バケット１３の刃先１３ｐの位置を示す。バケット角θ３は、バケット位置データに含まれ得る。

記憶装置５５は、現況地形データと設計地形データとを記憶している。現況地形データは、作業現場の現況地形を示す。設計地形データは、作業現場の目標形状を示す。コントローラ５４は、現況地形データと、設計地形データと、形状データとに基づいて、図７に示すガイド画面７１をディスプレイ５３に表示する。図７に示すように、ガイド画面７１は、現況地形７２と、設計地形７３と、作業機械１との位置を示す。形状データは、バケット１３の形状を示すデータを含む。コントローラ５４は、バケット１３の形状データとバケット１３の刃先１３ｐ位置とに基づいて、現況地形７２及び設計地形７３に対するバケット１３の位置をガイド画面７１に示す。

作業機械１のオペレータは、ガイド画面７１によって、バケット１３と現況地形７２と設計地形７３との位置関係を把握することができる。

（特徴等）
（１）
上述した本実施の形態の位置推定システム５０は、車両本体２と、第１作業機２５と、エクステンションアーム１２と、を備えた作業機械１のバケット１３の位置に関する情報を推定する位置推定システムであって、バケット角センサ６６と、コントローラ５４と、を備える。第１作業機２５は、アーム１１、バケット１３およびバケット１３を駆動するバケットシリンダ２１を有し、車両本体２に対して揺動可能である。エクステンションアーム１２は、バケットシリンダ２１の駆動をバケット１３に伝達するリンク機構３２を有し、アーム１１とバケット１３の間に装着可能である。バケット角センサ６６は、リンク機構３２に配置可能である。コントローラ５４は、第１作業機２５の形状データと、エクステンションアーム１２の形状データと、第１作業機２５の姿勢に関する情報と、バケット角センサ６６による検出値に基づいて、作業機械１に対するバケット１３の刃先１３ｐの位置を推定する。図２に示すように、エクステンションアーム１２は、エクステンション部３１を有する。エクステンション部３１は、バケット１３と接続可能な先端部３１ａおよびアーム１１と接続可能な基端部３１ｂと、を含む。リンク機構３２は、第１リンク部３３と、第２リンク部材３４と、第３リンク部３５と、を有する。第１リンク部３３は、エクステンション部３１と第１リンクピン３６を介して接続され、バケット１３に接続されたバケットリンク部４７と第２リンクピン３７を介して接続可能である。第２リンク部材３４は、第１リンク部３３と第２リンクピン３７を介して接続され、基端部３１ｂ側に向かって延びる。第３リンク部３５は、第１リンク部３３よりも基端部３１ｂ側に配置され、エクステンション部３１と連結ピン１６を介して接続され、第２リンク部材３４と第３リンクピン３８を介して接続される。

このように、バケット角センサ６６をリンク機構３２に配置することによって、例えば浚渫作業における水没可能性を低減することができ、作業による影響を受け難くすることができる。

（２）
本実施の形態の位置推定システム５０では、バケット角センサ６６は、第３リンク部３５に配置されている。

このように、アーム１１寄りに配置されている第３リンク部３５にバケット角センサ６６を設けることにより、水没の可能性を更に低減することができる。また、収納ケース６８の防水性能を簡易にすることができる。

また、リンク機構３２の他の位置にバケット角センサ６６を設けるよりも、バケット角センサ６６から車両本体２に伸ばすハーネス６７の長さを短くすることができる。

また、第３リンク部３５を含むエクステンションアーム１２を取り外した後に、第３リンク部３５をアーム１１に接続してバケット１３をアーム１１に取り付けることによって、バケット角センサ６６やバケット角センサ６６から延びるハーネス６７等の付け替え作業が必要なくなるため、脱着の作業が容易となる。

図８は、第３リンク部３５を除くエクステンションアーム１２をバケット１３とアーム１１の間から取り外した状態を示す図である。図８に示す構成では、バケットリンク部材４７ａが第３リンクピン３８を介して第３リンク部材３５ａに回転可能に接続されている。バケットピン１８は、アーム１１の連結ピン１７が配置されていた部分に配置されており、バケットピン１８を介してバケット１３がアーム１１に回転可能に接続されている。このように、エクステンションアーム１２の脱着にかかわらず、第３リンク部３５にバケット角センサ６６を配置した状態が維持できるため、センサの付け替え作業等を行わなくてよく、簡便にエクステンションアーム１２の着脱を行うことができる。

（３）
本実施の形態の位置推定システム５０では、バケット角センサ６６は、第３リンク部３５の外側の側面３５ｂに配置される。

これにより、バケット角センサ６６のメンテナンスや交換を行い易くなる。

（４）
本実施の形態の位置推定システム５０では、バケット１３の位置に関する情報は、エクステンション部３１にバケット１３を連結するバケットピン１８とアーム１１の揺動支点であるアームピン１５とを結ぶ直線Ｌ３に対する、バケット１３の刃先１３ｐとバケットピン１８を結ぶ直線Ｌ５の角度であるバケット角θ３を含む。コントローラ５４は、バケット角センサ６６の検出値に基づいて、アーム１１にエクステンション部３１を連結する連結ピン１６とアームピン１５との間を結ぶ直線Ｌ１に対する第３リンク部３５の回転角度Φ１を算出し、第３リンク部３５の回転角度Φ１に基づいて、直線Ｌ３に対する第１リンク部３３の回転角度Φ２を算出し、第１リンク部３３の回転角度Φ２に基づいて、バケット角θ３を算出する。

このように、第３リンク部３５の回転角度Φ１に基づいて、第１リンク部３３の回転角度Φ２を算出することによって、バケット角θ３を推定することができる。

（５）
本実施の形態の位置推定システム５０では、第１作業機２５は、車両本体２とアーム１１に接続されたブーム１０を更に有する。位置推定システム５０は、アーム角センサ６５と、ブーム角センサ６４と、を更に備える。アーム角センサ６５は、アーム１１の姿勢を検出する。ブーム角センサ６４は、ブーム１０の姿勢を検出する。コントローラ５４は、推定したバケット角θ３と、アーム角センサ６５およびブーム角センサ６４の検出値とに基づいて、バケット１３の位置を推定する。

これにより、バケット角θ３を用いて、バケット１３の位置を推定することができる。

（６）
本実施の形態の位置推定システム５０は、位置センサ５６を更に備える。位置センサ５６は、車両本体２の位置および傾斜に関する情報を検出する。コントローラ５４は、作業機械１に対するバケット１３の位置に関する情報と、位置センサ５６の検出値に基づいて、バケット１３の位置を推定する。
これによって、バケット１３のグローバル座標系における位置を推定することができる。

（７）
本実施の形態の作業機械１は、車両本体２と、第１作業機２５と、エクステンションアーム１２と、バケット角センサ６６と、コントローラ５４と、を備える。第１作業機２５は、アーム１１、バケット１３およびバケット１３を駆動するバケットシリンダ２１を有し、車両本体２に対して揺動可能である。エクステンションアーム１２は、バケットシリンダ２１の駆動をバケット１３に伝達するリンク機構３２を有し、アーム１１とバケット１３の間に装着可能である。バケット角センサ６６は、リンク機構３２に配置されている。コントローラ５４は、第１作業機２５の形状データと、エクステンションアーム１２の形状データと、第１作業機２５の姿勢に関する情報と、バケット角センサ６６による検出値に基づいて車両本体２に対するバケット角θ３を推定する。エクステンションアーム１２は、エクステンション部３１を有する。エクステンション部３１は、バケット１３と接続可能な先端部３１ａおよびアーム１１と接続可能な基端部３１ｂと、を含む。リンク機構３２は、第１リンク部３３と、第２リンク部材３４と、第３リンク部３５と、を有する。第１リンク部３３は、エクステンション部３１と第１リンクピン３６を介して接続され、バケット１３に接続されたバケットリンク部４７と第２リンクピン３７を介して接続可能である。第２リンク部材３４は、第１リンク部３３と第２リンクピン３７を介して接続され、基端部３１ｂ側に向かって延びる。第３リンク部３５は、第１リンク部３３よりも基端部３１ｂ側に配置され、エクステンション部３１と連結ピン１６を介して接続され、第２リンク部材３４と第３リンクピン３８を介して接続される。

このように、バケット角センサ６６をリンク機構３２に配置することによって、例えば浚渫作業における水没可能性を低減することができ、作業による影響を受け難くすることができる。

（８）
本実施の形態のエクステンションユニットは、エクステンションアーム１２と、バケット角センサ６６と、を備える。エクステンションアーム１２は、車両本体２と、アーム１１、バケット１３およびバケット１３を駆動するバケットシリンダ２１を有し、車両本体２に対して揺動可能な第１作業機２５を備えた作業機械１のアーム１１とバケット１３の間に装着可能である。バケット角センサ６６は、エクステンションアーム１２に配置されている。エクステンションアーム１２は、エクステンション部３１と、リンク機構３２と、を有する。エクステンション部３１は、バケット１３と接続可能な先端部３１ａおよびアーム１１と接続可能な基端部３１ｂと、を含む。リンク機構３２は、バケットシリンダ２１の駆動をバケット１３に伝達する。リンク機構３２は、第１リンク部３３と、第２リンク部材３４と、第３リンク部３５と、を有する。第１リンク部３３は、エクステンション部３１と第１リンクピン３６を介して接続され、バケット１３に接続されたバケットリンク部４７と第２リンクピン３７を介して接続可能である。第２リンク部材３４は、第１リンク部３３に第２リンクピン３７を介して接続され、基端部３１ｂ側に向かって延びる。第３リンク部３５は、第１リンク部３３よりも基端部３１ｂ側に配置され、エクステンション部３１と連結ピン１６を介して接続され、第２リンク部材３４と第３リンクピン３８を介して接続されている。

これにより、リンク機構３２にバケット角センサ６６が配置されたエクステンションアーム１２を提供することができる。

（他の実施形態）
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

（Ａ）
上記実施の形態では、バケット角センサ６６が第３リンク部３５に配置され、バケット角センサ６６の検出値がコントローラ５４によって取得されるように予め設定されているが、エクステンションアームが装着可能な既存の作業機械に、バケット角センサ６６を後付けで装着してもよい。この場合、バケット角センサ６６と、ハーネス６７と、バケット角センサ６６を制御するセンサコントローラ８１（検出器コントローラの一例）と、を有する位置推定ユニット８０として既存の作業機械に提供することができる。

図９（ａ）に示すように、センサコントローラ８１がバケット角センサ６６の検出値Vdを取得し、ハーネス６７を介して車両本体２のコントローラ５４に検出値Vd（検出値に基づいた情報の一例）を送信してもよい。コントローラ５４は、検出値Vdから、バケット角度θ３を算出する。
図９（ｂ）に示すように、センサコントローラ８１がバケット角センサ６６の検出値Vdを取得し、検出値Vdから、傾斜角データと、ブーム角θ１およびアーム角θ２と、作業機３の形状データと、エクステンションアーム１２の形状データに基づいて角度Φ１を算出してもよい。センサコントローラ８１からハーネス６７を介して角度Φ１のデータ（検出値に基づいた情報の一例）が車両本体２のコントローラ５４に送信される。コントローラ５４は、角度Φ１のデータから、バケット角度θ３を算出する。この場合、センサコントローラ８１は、角度Φ１を算出するためにデータを取得する。

また、図９（ｃ）に示すように、センサコントローラ８１が、バケット角センサ６６から取得した検出値Vdから、傾斜角データと、ブーム角θ１およびアーム角θ２と、作業機３の形状データとエクステンションアーム１２の形状データに基づいて角度Φ２を算出してもよい。センサコントローラ８１からハーネス６７を介して角度Φ２のデータ（検出値に基づいた情報の一例）が車両本体２のコントローラ５４に送信される。コントローラ５４は、角度Φ２のデータから、バケット角度θ３を算出する。この場合、センサコントローラ８１は、角度Φ２を算出するためのデータを取得する。
さらに、センサコントローラ８１が、バケット角センサ６６の検出値からバケット角度θ３を求め、バケット角度θ３のデータ（検出値に基づいた情報の一例）を車両本体２のコントローラ５４に送信してもよい。

なお、センサコントローラ８１は、CPU（Central Processing Unit）などのプロセッサと、RAM（Random Access Memory）、及びROM（Read Only Memory）などのメモリや記憶装置を含む。記憶装置は、半導体メモリ、或いはハードディスクなどを含む。記憶装置は、非一時的な（non-transitory）センサコントローラ８１で読み取り可能な記録媒体の一例である。記憶装置は、プロセッサによって実行可能であり上述した制御を実行するためのコンピュータ指令を記録している。

これにより、既存の作業機械にエクステンションアーム１２を装着した場合であっても後付けで位置推定ユニット８０を作業機械に取り付けることによって、バケット１３の刃先１３ｐの位置を取得することができる。

（Ｂ）
上記実施の形態のエクステンションアーム１２のリンク機構３２は、第１リンクピン３６から第２リンクピン３７までの線分Ｌ４の長さと、連結ピン１６から第３リンクピン３８までの線分Ｌ２の長さが異なっているが、同じであってもよい。

図１０は、平行リンクであるリンク機構３２´を有するエクステンションアーム１２´を示す図である。なお、図１０では、ハーネス６７は省略している。

図１０に示すエクステンションアーム１２´では、第３リンク部３５´の第３リンク部材３５ａ´の長さが、第１リンク部３３´の第１リンク部材３３ａ´の長さと同じであり、第１リンクピン３６から第２リンクピン３７までの線分Ｌ４´の長さと、連結ピン１６から第３リンクピン３８までの線分Ｌ２´の長さが同じに構成されている。

この場合、角度Φ１と、角度Φ２は同じ値になるため、角度Φ１からバケット１３の形状データに基づいてバケット角θ３を算出することができる。

このため、角度Φ１から角度Φ２を演算によって推定する必要がないため、より精度よくバケット角θ３を推定することができる。

（Ｃ）
上記実施の形態では、バケット角センサ６６は、第３リンク部材３５ａの外側の側面３５ｂ（図３参照）に配置されているが、これに限らなくてもよい。

図１１（ａ）は、収納ケース６８と第３リンク部３５´´を示す平面図である。図１１（ｂ）は、収納ケース６８と第３リンク部３５´´を示す側面図である。

図に示すように、一対の第３リンク部材３５ａの間を接続する接続部分３５ｃが設けられており、接続部分３５ｃの上面にバケット角センサ６６を収納された収納ケース６８が取り付けられている。このように、第３リンク部３５´´において、第３リンク部材３５ａの側面３５ｂ以外に配置されていてもよい。

（Ｄ）
上記実施の形態では、バケットの位置に関する情報として、バケット１３の刃先１３ｐの位置を推定しているが、刃先１３ｐの位置に限らなくてもよい。バケット１３の刃先１３ｐ以外の他の位置を推定してもよい。この位置とバケット１３の形状データから、ガイド画面７１にバケット１３の姿勢を表示することができる。

（Ｅ）
作業機械１は、上述した油圧ショベルに限らず、機械式ショベル、ロープショベル等の他の機械であってもよい。上記の実施形態に係る作業機械１は、いわゆるバックフォー型のショベルであるが、フェースショベルであってもよい。また、履帯式のショベルに限らず、ホイール式のショベルであってもよい。

本開示によれば、作業による影響を受けにくい位置推定システム、位置推定ユニット、作業機械、およびエクステンションユニットを提供することができる。

１１ アーム
１２ エクステンションアーム
１３ バケット
１３ｐ 刃先
２１ バケットシリンダ
２５ 第１作業機
３２ リンク機構
５０ 位置推定システム
５４ コントローラ
６６ バケット角センサ

Claims (11)

1. 作業機械本体と、アーム、バケットおよび前記バケットを駆動するバケットシリンダを有し、前記作業機械本体に対して揺動可能な第１作業機と、前記バケットシリンダの駆動を前記バケットに伝達するリンク機構を有し、前記アームと前記バケットの間に装着可能な第２作業機と、を備えた作業機械の前記バケットの位置に関する情報を推定する位置推定システムであって、
   前記リンク機構に配置可能な第１姿勢検出器と、
   前記第１作業機の形状に関するデータと、前記第２作業機の形状に関するデータと、前記第１作業機の姿勢に関する情報と、前記第１姿勢検出器による検出値に基づいて、前記作業機械に対する前記バケットの位置に関する情報を推定するコントローラと、を備え、
   前記第２作業機は、
   前記バケットと接続可能な第１端部と前記アームと接続可能な第２端部と、を含むエクステンション部を有し、
   前記リンク機構は、
   前記エクステンション部と第１連結部を介して接続され、前記バケットに接続されたバケットリンク部と第２連結部を介して接続可能な第１リンク部と、
   前記第１リンク部に前記第２連結部を介して接続され、前記第２端部側に向かって延びる第２リンク部と、
   前記第１リンク部よりも前記第２端部側に配置され、前記エクステンション部と第３連結部を介して接続され、前記第２リンク部と第４連結部を介して接続された第３リンク部と、を有する、
   位置推定システム。
2. 前記第１姿勢検出器は、前記第３リンク部に配置されている、
   請求項１に記載の位置推定システム。
3. 前記第１姿勢検出器は、前記第３リンク部の外側面に配置される、
   請求項２に記載の位置推定システム。
4. 前記バケットの位置に関する情報は、前記エクステンション部に前記バケットを連結するバケットピンと前記アームの揺動支点であるアームピンとを結ぶ第１直線に対する、前記バケットの刃先と前記バケットピンを結ぶ第２直線の角度であるバケット角を含み、
   前記コントローラは、
   前記第１姿勢検出器の検出値に基づいて、前記アームに前記エクステンション部を連結する連結ピンと前記アームピンとの間を結ぶ第３直線に対する前記第３リンク部の回転角度を算出し、
   前記第３リンク部の回転角度に基づいて、前記第２直線に対する前記第１リンク部の回転角度を算出し、
   前記第１リンク部の回転角度に基づいて、前記バケット角を算出する、
   請求項２に記載の位置推定システム。
5. 前記第１作業機は、前記作業機械本体と前記アームに接続されたブームを更に有し、
   前記アームの姿勢を検出する第２姿勢検出器と、
   前記ブームの姿勢を検出する第３姿勢検出器と、を更に備え、
   前記コントローラは、推定した前記バケット角と、前記第２姿勢検出器、および前記第３姿勢検出器の検出値に基づいて、前記バケットの位置を推定する、
   請求項４に記載の位置推定システム。
6. 前記リンク機構は、平行リンクである、
   請求項１～５のいずれか１項に記載の位置推定システム。
7. 前記作業機械本体の位置および傾斜を検出する状態検出器を更に備え、
   前記コントローラは、前記作業機械に対する前記バケットの位置に関する情報と、前記状態検出器の検出値に基づいて、前記バケットの位置を推定する、
   請求項１～６のいずれか１項に記載の位置推定システム。
8. 前記第１姿勢検出器は、IMU（Inertial Measurement Unit）である、
   請求項１～７のいずれか１項に記載の位置推定システム。
9. 作業機械本体と、アーム、バケットおよび前記バケットを駆動するバケットシリンダを有し、前記作業機械本体に対して揺動可能な第１作業機と、前記バケットシリンダの駆動を前記バケットに伝達するリンク機構を有し、前記アームと前記バケットの間に装着可能な第２作業機と、を備えた作業機械の前記バケットの位置に関する情報を推定する位置推定ユニットであって、
   前記リンク機構に配置可能な第１姿勢検出器と、
   前記第１姿勢検出器による検出値を取得し、前記検出値に基づいた情報を前記作業機械本体に送信する検出器コントローラと、を備え、
   前記第２作業機は、
   前記バケットと接続可能な第１端部と前記アームと接続可能な第２端部と、を含むエクステンション部を有し、
   前記リンク機構は、
   前記エクステンション部と第１連結部を介して接続され、前記バケットに接続されたバケットリンク部と第２連結部を介して接続可能な第１リンク部と、
   前記第１リンク部に前記第２連結部を介して接続され、前記第２端部側に向かって延びる第２リンク部と、
   前記第１リンク部よりも前記第２端部側に配置され、前記エクステンション部と第３連結部を介して接続され、前記第２リンク部と第４連結部を介して接続された第３リンク部と、を有する、
   位置推定ユニット。
10. 作業機械本体と、
    アーム、バケットおよび前記バケットを駆動するバケットシリンダを有し、前記作業機械本体に対して揺動可能な第１作業機と、
    前記バケットシリンダの駆動を前記バケットに伝達するリンク機構を有し、前記アームと前記バケットの間に装着可能な第２作業機と、
    前記リンク機構に配置された第１姿勢検出器と、
    前記第１作業機の形状に関するデータと、前記第２作業機の形状に関するデータと、前記第１作業機の姿勢に関する情報と、前記第１姿勢検出器による検出値に基づいて前記作業機械本体に対する前記バケットの位置に関する情報を推定するコントローラと、を備え、
    前記第２作業機は、
    前記バケットと接続可能な第１端部と前記アームと接続可能な第２端部と、を含むエクステンション部を有し、
    前記リンク機構は、
    前記エクステンション部と第１連結部を介して接続され、前記バケットに接続されたバケットリンク部と第２連結部を介して接続可能な第１リンク部と、
    前記第１リンク部に前記第２連結部を介して接続され、前記第２端部側に向かって延びる第２リンク部と、
    前記第１リンク部よりも前記第２端部側に配置され、前記エクステンション部と第３連結部を介して接続され、前記第２リンク部と第４連結部を介して接続された第３リンク部と、を有する、
    作業機械。
11. 作業機械本体と、アーム、バケットおよび前記バケットを駆動するバケットシリンダを有し、前記作業機械本体に対して揺動可能な第１作業機とを備えた作業機械の前記アームと前記バケットの間に装着可能なエクステンションアームと、
    前記エクステンションアームに配置された姿勢検出器と、を備え、
    前記エクステンションアームは、
    前記バケットと接続可能な第１端部および前記アームと接続可能な第２端部と、を含むエクステンション部と、
    前記バケットシリンダの駆動を前記バケットに伝達するリンク機構と、を有し、
    前記リンク機構は、
    前記エクステンション部と第１連結部を介して接続され、前記バケットに接続されたバケットリンク部と第２連結部を介して接続可能な第１リンク部と、
    前記第１リンク部に前記第２連結部を介して接続され、前記第２端部側に向かって延びる第２リンク部と、
    前記第１リンク部よりも前記第２端部側に配置され、前記エクステンション部と第３連結部を介して接続され、前記第２リンク部と第４連結部を介して接続された第３リンク部と、を含む、
    エクステンションユニット。

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