JP3426115B2 - 建設機械の作業機計測方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、建設機械における
作業機の姿勢を計測する建設機械の作業機計測方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】図４に示されるように、油圧ショベル
は、一対の履帯を有する下部走行体11に旋回装置12を介
して上部旋回体13が旋回可能に設けられ、この上部旋回
体13にキャブ14およびフロント作業機15が装着されてい
る。下部走行体11および上部旋回体13は車両本体16を形
成する。

【０００３】フロント作業機15は、上部旋回体13に設け
られたブーム用ブラケット21にブーム22の基端がブーム
フートピン23により回動自在に軸着され、ブーム22の先
端に設けられたピン24によりアーム25の基端側が回動自
在に軸着され、アーム25の先端にピン26によりバケット
27が回動自在に軸着されている。

【０００４】さらに、上部旋回体13にピン31によりブー
ムシリンダ32の基端が回動自在に軸着され、ブームシリ
ンダ32のピストンロッド先端がピン33によりブーム22の
中間部に回動自在に軸着され、ブーム22の背面にピン34
によりアームシリンダ35の基端が回動自在に軸着され、
アームシリンダ35のピストンロッド先端がピン36により
アーム25の基端に回動自在に軸着され、アーム25にピン
37によりバケットシリンダ38の基端が回動自在に軸着さ
れ、バケットシリンダ38のピストンロッド先端にピン39
により二つのリンク41，42が回動自在に軸着され、一方
のリンク41はピン43によりアーム25の先端側に回動自在
に軸着され、他方のリンク42はピン44によりバケット27
に回動自在に軸着されている。

【０００５】この油圧ショベルを斜面45に設置して、作
業目標とする法面（以下、この法面を「目標法面」とい
う）46を掘削する場合、この目標法面46上にレーザ照射
装置（レーザトランスミッタ）47を設置し、一方、油圧
ショベルのフロント作業機15のアーム25にレーザ受光器
（レーザレシーバ）48を取付けておく。

【０００６】このレーザ受光器48は、受光信号s1を出力
する下部の第１受光領域S1と、中心位置から一定範囲内
で受光信号s2を出力する中央部の第２受光領域S2と、受
光信号s3を出力する上部の第３受光領域S3とからなる。

【０００７】そして、油圧ショベルの車両本体16が斜面
45上を後進移動するたびに、レーザ照射装置47から目標
法面46に沿ってレーザ光線49を平行に照射し、このレー
ザ光線49をレーザ受光器48の第２受光領域S2により受光
したときに、アーム25の先端の高さ位置を計測する。

【０００８】すなわち、ブーム22の回動支軸であるブー
ムフートピン23およびアーム25の回動支軸であるピン24
には、それぞれ角度センサ（図示せず）が取付けられて
いるから、第２受光領域S2による受光時に、これらの角
度センサで検出されたブーム角度およびアーム角度と、
既知のブーム長さおよびアーム長さとを、油圧ショベル
に搭載されたコントローラに入力して演算すると、ブー
ムフートピン23を中心としたＸ−Ｙ座標におけるフロン
ト作業機15のアーム先端位置が算出される。コントロー
ラは、中央処理装置（ＣＰＵ）、メモリ（ＲＯＭ，ＲＡ
Ｍ）および入出力装置などにより構成されている。

【０００９】このようにして、油圧ショベルのレーザ光
線に対する高さ位置を計測確認しながら、アーム先端位
置に基づくバケット歯先27a の位置を制御し、目標法面
46を所定の目標法面角度αで掘削作業する。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかし、レーザ受光器
48の第２受光領域S2は、第１受光領域S1に近い第２受光
領域S2にレーザ光線49が当るリンケージ姿勢の場合と、
第３受光領域S3に近い第２受光領域S2にレーザ光線49が
当るリンケージ姿勢の場合とで、同一の受光信号s2を出
力する。すなわち、レーザ受光位置が一定範囲内で変化
しても、レーザ受光器48が出力する受光信号は変化しな
い。

【００１１】よって、レーザ受光器48の第２受光領域S2
がレーザ光線49を受光した状態でも、リンケージ姿勢が
正確には異なる場合が多く、レーザ光線49とアーム25の
先端との距離が一定でない。このため、計測精度および
再現性が良くない。

【００１２】本発明は、このような点に鑑みなされたも
ので、建設機械の作業機の位置を、基準となる光線と作
業機に取付けられた受光器とにより計測する方法におい
て、計測精度および再現性の向上を図ることを目的とす
る。

【００１３】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載された発
明は、目標とする作業面に沿って基準となる光線を照射
し、この光線を建設機械の作業機に取付けられた、受光
信号の異なる複数の受光領域を上下方向に有する受光器
により受光して、作業機の姿勢を計測する建設機械の作
業機計測方法であって、作業機を上下方向に動かすこと
により受光器で光線を受光する受光領域を変化させ、こ
の受光領域が変化したときの作業機の姿勢から光線上に
受光器の中心が位置するときの作業機の姿勢を求める建
設機械の作業機計測方法である。

【００１４】そして、作業機を上下方向に動かし、受光
器が光線を受光する複数の受光領域の境界で受光信号を
変化させることにより、受光器の正確な中心を求め、こ
の受光器の中心が光線上に位置したときの作業機の姿勢
を求める。

【００１５】請求項２に記載された発明は、目標とする
作業面に沿って基準となるレーザ光線を照射し、このレ
ーザ光線を油圧ショベルのフロント作業機に取付けられ
た、受光信号の異なる第１受光領域と第２受光領域と第
３受光領域とを上下方向に順次配列したレーザ受光器に
より受光して、フロント作業機の姿勢を計測する建設機
械の作業機計測方法であって、フロント作業機を上下方
向に移動し、レーザ受光器の第１受光領域と第２受光領
域とでそれぞれ検出される受光信号が切換わった時点で
フロント作業機の第１リンケージ姿勢を記憶し、レーザ
受光器の第２受光領域と第３受光領域とでそれぞれ検出
される受光信号が切換わった時点でフロント作業機の第
２リンケージ姿勢を記憶し、第１リンケージ姿勢と第２
リンケージ姿勢との平均値からレーザ光線上にレーザ受
光器の中心が位置するときのフロント作業機のリンケー
ジ姿勢を求めることを特徴とする建設機械の作業機計測
方法である。

【００１６】そして、油圧ショベルのフロント作業機を
上方または下方に移動することにより、レーザ光線がレ
ーザ受光器の第１受光領域と第２受光領域との境界に位
置するときのフロント作業機の第１リンケージ姿勢を記
憶し、レーザ光線がレーザ受光器の第２受光領域と第３
受光領域との境界に位置するときのフロント作業機の第
２リンケージ姿勢を記憶し、第１および第２リンケージ
姿勢の平均値からレーザ光線上にレーザ受光器の中心が
正確に位置するときのフロント作業機のリンケージ姿勢
を求める。

【００１７】請求項３に記載された発明は、請求項２記
載の建設機械の作業機計測方法において、第１リンケー
ジ姿勢と第２リンケージ姿勢との平均値から求めたレー
ザ光線上にレーザ受光器の中心が位置するときのフロン
ト作業機のリンケージ姿勢、および油圧ショベルの車両
本体の姿勢に基いて、目標とする作業面に対する、車両
本体にフロント作業機を枢着するピンの高さ位置および
この位置を原点とするフロント作業機の先端位置を演算
する方法である。

【００１８】そして、第１リンケージ姿勢と第２リンケ
ージ姿勢との平均値から求めたレーザ光線上にレーザ受
光器の中心が位置するときの、油圧ショベルの車両本体
の機体傾斜角度や、フロント作業機のリンケージ姿勢に
基いて、目標とする作業面に対する、フロント作業機枢
着用のピンの高さ位置や、このピン位置を原点とするフ
ロント作業機の先端位置すなわちバケット歯先位置を演
算する。

【００１９】請求項４に記載された発明は、請求項１記
載の建設機械の作業機計測方法において、油圧ショベル
のフロント作業機を上下方向に動かすことにより、レー
ザ受光器の二つの受光領域の間でレーザ光線が変化した
ときのフロント作業機の角度データを取込み、二つの受
光領域の境界をレーザ受光器の中心として、このレーザ
受光器の中心がレーザ光線上に位置するときのフロント
作業機の姿勢を求める建設機械の作業機計測方法であ
る。

【００２０】そして、この方法は、二つの受光領域しか
有さないレーザ受光器を用いることも可能とする。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図１乃至図３に示
された実施の一形態を参照しながら説明する。なお、建
設機械としての油圧ショベルの構造は、既に図４に基づ
いて説明したので、同一符号を付して説明は省略する。

【００２２】図３に示されるように、油圧ショベルの車
両本体16が斜面45上を後進移動するたびに、レーザ照射
装置47から目標とする作業面としての目標法面46に沿っ
て、基準となるレーザ光線49を平行に照射し、このレー
ザ光線49を油圧ショベルのフロント作業機15に取付けら
れたレーザ受光器48により受光しながら掘削作業する。

【００２３】その際に、図１（Ａ）に示されるように、
フロント作業機15のブーム22を低速で下降させて、レー
ザ受光器48の第１受光領域S1から、この第１受光領域S1
に隣接する第２受光領域S2へと、それぞれの受光領域で
検出される受光信号s1，s2が切換わった時点でのフロン
ト作業機15のリンケージ姿勢すなわち第１リンケージ姿
勢を記憶する。

【００２４】さらに、図１（Ｂ）に示されるように、フ
ロント作業機15のブーム22を引続き低速で下降させて、
レーザ受光器48の第２受光領域S2から、この第２受光領
域S2に隣接する第３受光領域S3へと、それぞれの受光領
域で検出される受光信号s2，s3が切換わった時点でのフ
ロント作業機15のリンケージ姿勢すなわち第２リンケー
ジ姿勢を記憶する。

【００２５】この手順は逆でも良い。すなわち、フロン
ト作業機15のブーム22を低速で上昇させて、レーザ受光
器48の第３受光領域S3から第２受光領域S2へと、それぞ
れでの受光信号s3，s2が切換わった時点でのフロント作
業機15の第１リンケージ姿勢を記憶し、第２受光領域S2
から第１受光領域S1へと、それぞれでの受光信号s2，s1
が切換わった時点でのフロント作業機15の第２リンケー
ジ姿勢を記憶するようにしても良い。

【００２６】そして、いずれの場合も、フロント作業機
15のリンケージ姿勢は、角度センサにより検出されたブ
ーム角度、アーム角度などの数値で得られるから、第１
リンケージ姿勢と第２リンケージ姿勢との平均値をとる
ことで、レーザ光線49上にレーザ受光器48の基準点とし
ての中心すなわち第２受光領域S2の中心が位置するとき
のフロント作業機15のリンケージ姿勢を求め、推測する
ことができる。

【００２７】次に、図２に示されたフローチャートに基
づき、このレーザ光線49による計測方法を説明する。な
お、図２中の丸数字は処理手順を示すステップ番号を示
す。

【００２８】アーム25に取付けられたレーザ受光器48に
レーザ光線49を照射して、レーザ計測モードを開始する
と（ステップ１）、先ず、レーザ光線49がレーザ受光器
48の第２受光領域S2に当って受光信号s2が出力されてい
るか否かが判断され（ステップ２）、受光信号s2が出力
されている場合は（ステップ２でYES ）、ブームシリン
ダ32を伸張させてブーム22を上げる制御が開始される
（ステップ３）。

【００２９】また、受光信号s2が出力されていない場合
は（ステップ２でNO）、レーザ光線49がレーザ受光器48
の第３受光領域S3に当って受光信号s3が出力されている
か否かが判断され（ステップ４）、ステップ４で受光信
号s3が出力されている場合は（ステップ４でYES ）、ブ
ームシリンダ32を伸張させてブーム22を上げる制御が開
始される（ステップ５）。

【００３０】一方、ステップ４で受光信号s3が出力され
ていない場合は（ステップ４でNO）、受光信号s2，s3が
共に出力されていないので、すなわちレーザ光線49が第
１受光領域S1に当っているので、ブームシリンダ32を収
縮させてブーム22を下げる制御が開始される（ステップ
６）。

【００３１】ブーム下げ制御が開始されると、レーザ光
線49の受光領域は第１受光領域S1から第２受光領域S2に
変り、受光信号s1から受光信号s2に変化し、また、ブー
ム上げ制御が開始されると、レーザ光線49の受光領域は
第３受光領域S3から第２受光領域S2に変り、受光信号s3
から受光信号s2に変化する（ステップ７でYES ）。

【００３２】このように受光信号が最初に変化した時点
でのフロント作業機15のピン23，24回りのブーム角度お
よびアーム角度は、油圧ショベルに搭載されたコントロ
ーラのランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）に、第１リン
ケージ姿勢として記憶される（ステップ８）。

【００３３】さらに、ブーム下げ制御が進むと、レーザ
光線49の受光領域は第２受光領域S2から第３受光領域S3
に変り、受光信号s2から受光信号s3に変化し、また、ブ
ーム上げ制御が進むと、レーザ光線49の受光領域は第２
受光領域S2から第１受光領域S1に変り、受光信号s2から
受光信号s1に変化する（ステップ９でYES ）。

【００３４】このように受光信号が次に変化した時点で
のフロント作業機15のピン23，24回りのブーム角度およ
びアーム角度は、油圧ショベルに搭載されたコントロー
ラのランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）に、第２リンケ
ージ姿勢として記憶される（ステップ１０）。

【００３５】次に、ステップ８で得られた第１リンケー
ジ姿勢と、ステップ１０で得られた第２リンケージ姿勢
から、それらの平均値を算出することで、レーザ光線49
上にレーザ受光器48の中心すなわち第２受光領域S2の中
央が位置するときのフロント作業機15のリンケージ姿勢
を求めることができる（ステップ１１）。

【００３６】このようにして、リンケージ姿勢を求めた
ら、ブーム22の上げ制御または下げ制御を停止させ（ス
テップ１２）、レーザ計測モードを終了させる（ステッ
プ１３）。

【００３７】次に、レーザ受光器48の基準点としての中
心でレーザ光線49を受光したときのフロント作業機15の
姿勢に、車両本体16の姿勢などを考慮して、目標とする
作業面すなわち目標法面46に対する、車両本体16にフロ
ント作業機15を枢着するブームフートピン23の高さ位置
およびこの位置を原点とするフロント作業機15の先端位
置すなわちバケット歯先位置を演算する。

【００３８】その演算方法を、図３に基づき説明する。
この図３において、ブームフートピン23の中心を原点と
し、この原点を通り目標法面46と平行な方向をＸ軸と
し、原点を通り目標法面46と直交する方向をＹ軸とし、
また、原点を通り油圧ショベルの設置された斜面45と平
行な方向をＸbm軸とする。

【００３９】αは、水平面に対する目標法面46の角度、
Ｈは、目標法面46とこれに平行のレーザ光線49との距離
すなわちレーザ高さ値、Ｆは、ブーム先端のアーム軸支
ピン24からレーザ受光器48の中心までの距離である。こ
れらのα、ＨおよびＦは、予めコントローラに入力して
おく。

【００４０】先ず、アーム25に取付けられたレーザ受光
器48がレーザ光線49を垂直に受光した姿勢において、下
記の方法により、目標法面46からブームフートピン23ま
での高さBHを算出する。

【００４１】 BH＝Ｈ−Ｋ Ｋは、ブームフートピン23とレーザ光線49との間の距離
であり、次のように求める。

【００４２】 Ｋ＝Ｌ_23.24・sin θbm−Ｆ・sin θarm Ｌ_23.24は、ピン23，24の中心間の距離、θbmは、Ｘ軸
に対しピン23とピン24とを結ぶブーム軸線がなす角度、
θarm は、Ｘ軸に対しピン24とピン26とを結ぶアーム軸
線がなす角度である。

【００４３】 θbm＝Ａ_33.23.31−Ａ_33.23.24−Ａ_31.23.Ｘbm−α−θ Ａ_33.23.31は、ピン33，23間の軸線とピン23，31間の軸
線とがなす挟角、θは、水平面に対する油圧ショベルの
設置された斜面45の角度であるとともに機体傾斜角度で
もある。これらの挟角および機体傾斜角度θは、車両本
体16内およびブームフートピン23にそれぞれ装着された
角度センサにより計測する。また、Ａ_33.23.24は、ピン
33，23間の軸線とピン23，24間の軸線とがなす挟角、Ａ
_31.23.Ｘbmは、ピン31，23間の軸線とＸbm軸とがなす挟
角であり、これらの挟角は既知の角度である。

【００４４】 θarm ＝Ａ_23.24.34＋Ａ_36.24.34＋Ａ_36.24.26−π−θ
bm Ａ_36.24.34は、ピン36，24間の軸線とピン24，34間の軸
線とがなす挟角であり、アーム25のピン24に装着された
角度センサにより計測する。また、Ａ_23.24.34は、ピン
23，24間の軸線とピン24，34間の軸線とがなす挟角、Ａ
_36.24.26は、ピン36，24間の軸線とピン24，26間の軸線
とがなす挟角であり、これらの挟角は既知の角度であ
る。

【００４５】そして、フロントリンケージを形成するピ
ン23，24に取付けられた角度センサから得られた情報
（ブーム角度およびアーム角度）、およびピン26に取付
けられた角度センサなどから得られた情報（バケット角
度θbkt ）から算出される、ブームフートピン23の中心
を原点とするバケット歯先27a の位置に、前記目標法面
46からブームフートピン23までの高さBHを加えること
で、目標法面46に対するバケット歯先位置が算出され
る。

【００４６】このように、前記BHの計測後は、任意のフ
ロントリンケージ姿勢にて目標法面46に対するバケット
歯先位置が求まる。

【００４７】次に、図示されない実施形態を説明する。

【００４８】図示された実施形態では、レーザ受光器48
が第１受光領域S1、第２受光領域S2および第３受光領域
S3の三つの受光領域を有する例で説明したが、例えば、
第１受光領域S1と第２受光領域S2との境界、または第２
受光領域S2と第３受光領域S3との境界をレーザ受光器48
の中心とすれば、二つの受光領域しか有さないレーザ受
光器を用いることも可能である。

【００４９】すなわち、フロント作業機15を上下方向に
動かすことにより、レーザ受光器48の二つの受光領域の
間でレーザ光線が変化したときの角度データなどを取込
み、二つの受光領域の境界をレーザ受光器48の中心とし
て、このレーザ受光器48の中心がレーザ光線49上に位置
するときのフロント作業機15の姿勢を求めるようにして
もよい。

【００５０】また、図示された実施形態では、油圧ショ
ベルのフロント作業機による法面の掘削作業を説明した
が、建設機械としてのブルドーザのブレード作業機によ
る水平面の整地作業などにも、この発明を適用すること
ができる。

【００５１】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、作業機を
上下方向に動かし、受光器が基準となる光線を受光する
複数の受光領域の境界で受光信号を変化させることによ
り、受光器の正確な中心を求め、この受光器の中心が光
線上に位置したときの作業機の姿勢を正確に求めること
ができるから、基準となる光線に沿って作業機を位置制
御する際の計測精度および再現性を向上できる。

【００５２】請求項２記載の発明によれば、油圧ショベ
ルのフロント作業機を上下方向に移動することにより、
レーザ光線がレーザ受光器の第１受光領域と第２受光領
域との境界に位置するときのフロント作業機の第１リン
ケージ姿勢を記憶し、レーザ光線がレーザ受光器の第２
受光領域と第３受光領域との境界に位置するときのフロ
ント作業機の第２リンケージ姿勢を記憶し、第１および
第２リンケージ姿勢の平均値からレーザ光線上にレーザ
受光器の中心が正確に位置するときのリンケージ姿勢を
求めるから、レーザ光線に沿って油圧ショベルのフロン
ト作業機を位置制御する際の計測精度および再現性を向
上できる。

【００５３】請求項３記載の発明によれば、第１リンケ
ージ姿勢と第２リンケージ姿勢との平均値から求めたレ
ーザ光線上にレーザ受光器の中心が位置するときの、油
圧ショベルの車両本体の姿勢や、フロント作業機のリン
ケージ姿勢に基いて、目標とする作業面に対する、フロ
ント作業機枢着用のピンの高さ位置や、このピン位置を
原点とするフロント作業機の先端位置を演算するから、
レーザ光線の案内で、油圧ショベルのフロント作業機の
バケット歯先を、目標とする作業面に正確に位置制御で
きる。

【００５４】請求項４記載の発明によれば、二つの受光
領域しか有さないレーザ受光器を用いることも可能であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る建設機械の作業機計測方法の一実
施形態を示す説明図であり、（Ａ）はフロント作業機の
上げ状態を示し、（Ｂ）は下げ状態を示す。

【図２】同上作業機計測方法の処理手順を示すフローチ
ャートである。

【図３】同上作業機計測方法と関連してブームフートピ
ン高さを算出する方法を説明するための説明図である。

【図４】レーザ光線による案内で法面掘削作業を行う油
圧ショベルの説明図である。

【符号の説明】

15 フロント作業機 16 車両本体 46 目標とする作業面としての目標法面 48 レーザ受光器 49 レーザ光線 S1 第１受光領域 S2 第２受光領域 S3 第３受光領域

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01C 15/00 E02F 3/42

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 目標とする作業面に沿って基準となる光
   線を照射し、この光線を建設機械の作業機に取付けられ
   た、受光信号の異なる複数の受光領域を上下方向に有す
   る受光器により受光して、作業機の姿勢を計測する建設
   機械の作業機計測方法であって、 作業機を上下方向に動かすことにより受光器で光線を受
   光する受光領域を変化させ、 この受光領域が変化したときの作業機の姿勢から光線上
   に受光器の中心が位置するときの作業機の姿勢を求める
   ことを特徴とする建設機械の作業機計測方法。
2. 【請求項２】 目標とする作業面に沿って基準となるレ
   ーザ光線を照射し、このレーザ光線を油圧ショベルのフ
   ロント作業機に取付けられた、受光信号の異なる第１受
   光領域と第２受光領域と第３受光領域とを上下方向に順
   次配列したレーザ受光器により受光して、フロント作業
   機の姿勢を計測する建設機械の作業機計測方法であっ
   て、 フロント作業機を上下方向に移動し、 レーザ受光器の第１受光領域と第２受光領域とでそれぞ
   れ検出される受光信号が切換わった時点でフロント作業
   機の第１リンケージ姿勢を記憶し、 レーザ受光器の第２受光領域と第３受光領域とでそれぞ
   れ検出される受光信号が切換わった時点でフロント作業
   機の第２リンケージ姿勢を記憶し、 第１リンケージ姿勢と第２リンケージ姿勢との平均値か
   らレーザ光線上にレーザ受光器の中心が位置するときの
   フロント作業機のリンケージ姿勢を求めることを特徴と
   する建設機械の作業機計測方法。
3. 【請求項３】 第１リンケージ姿勢と第２リンケージ姿
   勢との平均値から求めたレーザ光線上にレーザ受光器の
   中心が位置するときのフロント作業機のリンケージ姿
   勢、および油圧ショベルの車両本体の姿勢に基いて、目
   標とする作業面に対する、車両本体にフロント作業機を
   枢着するピンの高さ位置およびこの位置を原点とするフ
   ロント作業機の先端位置を演算することを特徴とする請
   求項２記載の建設機械の作業機計測方法。
4. 【請求項４】 油圧ショベルのフロント作業機を上下方
   向に動かすことにより、レーザ受光器の二つの受光領域
   の間でレーザ光線が変化したときのフロント作業機の角
   度データを取込み、 二つの受光領域の境界をレーザ受光器の中心として、こ
   のレーザ受光器の中心がレーザ光線上に位置するときの
   フロント作業機の姿勢を求める ことを特徴とする請求項
   １記載の建設機械の作業機計測方法。