JP5841300B1 - 作業機械の較正装置、及び作業機械の作業機パラメータの較正方法 - Google Patents
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Abstract
作業機械の較正装置は、第１駆動部及び第２駆動部を構成する部材の作業機パラメータを取得する作業機パラメータ取得部（８６）と、外部計測装置で計測された、作業機械本体、第１駆動部、及び第２駆動部の計測値を取得する計測値取得部（８３Ａ）と、計測値取得部（８３Ａ）で取得された第１駆動部の計測値に基づいて、作業機パラメータ取得部（８６）で取得された第１駆動部を構成する部材の作業機パラメータを較正する第１較正部（８８）と、第１較正部で較正された第１駆動部の作業機パラメータと、計測値取得部で取得された作業機械本体、第１駆動部、及び第２駆動部の基準点の計測値とに基づいて、第２駆動部を構成する部材の作業機パラメータを較正する第２較正部（８９）とを備える。
Description
本発明は、作業機械の較正装置、及び作業機械の作業機パラメータの較正方法に関する。
従来、作業機の作業点の現在位置を検出する位置検出装置を備える油圧ショベルが知られている。例えば、特許文献１に開示されている油圧ショベルでは、ＧＰＳアンテナからの位置情報に基づいて、バケットの刃先の位置座標が演算される。具体的には、ＧＰＳアンテナとブームピンとの位置関係、ブームとアームとバケットとのそれぞれの長さ、ブームと、アームとバケットとのそれぞれの方向角などのパラメータに基づいて、バケットの刃先の位置座標が演算される。ここで、アームとバケットの位置座標は、これらを回動させるシリンダにストロークセンサ等を設け、シリンダの伸張状態をセンサで取得して、センサ出力値に基づいて演算される。
このような技術は、バケットの刃先位置を油圧ショベルのコントローラで推定し、バケットの刃先を、設計上の掘削面に倣うように動作させることにより、バケットによる掘削面の侵食を防止して、効率的な掘削作業を実現することができる。
このため、バケットの刃先位置を油圧ショベルのコントローラで正確に把握することが重要であり、特許文献１に記載の技術では、例えば、作業機のバケットの刃先の５つの姿勢をトータルステーション等の外部計測装置により計測し、計測したバケットの刃先の計測値に基づいて油圧ショベルのコントローラでの刃先位置の計算に必要な作業機パラメータを較正している。
このため、バケットの刃先位置を油圧ショベルのコントローラで正確に把握することが重要であり、特許文献１に記載の技術では、例えば、作業機のバケットの刃先の５つの姿勢をトータルステーション等の外部計測装置により計測し、計測したバケットの刃先の計測値に基づいて油圧ショベルのコントローラでの刃先位置の計算に必要な作業機パラメータを較正している。
しかしながら、前記特許文献１に記載の技術では、バケットの刃先位置から、ブーム、アーム、バケットの全ての作業機パラメータを較正しているため、較正された作業機パラメータには、それぞれ真の値との誤差が発生してしまい、較正時の姿勢以外でのバケットの刃先位置の推定精度が、実際に計測されたバケットの刃先位置の計測値と比較して悪く、所定の誤差範囲内に収めることが困難であるという問題がある。
本発明の目的は、作業機械本体に回動自在に接続された第１駆動部と、第１駆動部に第２駆動部が回動自在に接続された第２駆動部とを備えた作業機において、第２駆動部の基準点の位置を高精度に推定することのできる作業機械の較正装置、及び作業機械の作業機パラメータの較正方法を提供することにある。
本発明の第１態様に係る作業機械の較正装置は、
作業機械本体と、
前記作業機械本体に回動自在に接続され、前記作業機械本体に設けられた第１油圧シリンダにより駆動される第１駆動部、及び、前記第１駆動部に回動自在に接続され、前記第１駆動部に設けられた第２油圧シリンダにより駆動される第２駆動部を備えた作業機と、
前記第１駆動部の回動角情報を検出する第１の回動角検出部と、
前記第２駆動部の回動角情報を検出する第２の回動角検出部と、
検出された第１駆動部及び第２駆動部の回動角情報に基づいて、前記第１駆動部及び前記第２駆動部の姿勢を演算する姿勢演算部と、
前記第１駆動部及び前記第２駆動部を構成する部材に設定された作業機パラメータと、前記姿勢演算部で演算された前記第１駆動部及び前記第２駆動部の姿勢とに基づいて、前記第１駆動部及び前記第２駆動部の基準点の推定位置を演算する推定位置演算部と、を備えた作業機械に装備され、前記作業機パラメータの較正を行う作業機械の較正装置であって、
外部計測装置で計測された、前記作業機械本体、前記第１駆動部、及び前記第２駆動部の基準点の計測値を取得する計測値取得部と、
前記推定位置演算部で用いる前記第１駆動部及び前記第２駆動部を構成する部材の作業機パラメータを取得する作業機パラメータ取得部と、
前記計測値取得部で計測された前記作業機械本体の基準点の計測値、及び前記第１駆動部の基準点の計測値に基づいて、前記第１駆動部を構成する部材の作業機パラメータを較正する第１較正部と、
前記第１較正部で較正された前記第１駆動部を構成する部材の作業機パラメータと、前記計測値取得部で取得された前記作業機械本体の基準点の計測値、前記第１駆動部の基準点の計測値、及び前記第２駆動部の基準点の計測値とに基づいて、前記第２駆動部を構成する部材の作業機パラメータを較正する第２較正部とを備えていることを特徴とする。
作業機械本体と、
前記作業機械本体に回動自在に接続され、前記作業機械本体に設けられた第１油圧シリンダにより駆動される第１駆動部、及び、前記第１駆動部に回動自在に接続され、前記第１駆動部に設けられた第２油圧シリンダにより駆動される第２駆動部を備えた作業機と、
前記第１駆動部の回動角情報を検出する第１の回動角検出部と、
前記第２駆動部の回動角情報を検出する第２の回動角検出部と、
検出された第１駆動部及び第２駆動部の回動角情報に基づいて、前記第１駆動部及び前記第２駆動部の姿勢を演算する姿勢演算部と、
前記第１駆動部及び前記第２駆動部を構成する部材に設定された作業機パラメータと、前記姿勢演算部で演算された前記第１駆動部及び前記第２駆動部の姿勢とに基づいて、前記第１駆動部及び前記第２駆動部の基準点の推定位置を演算する推定位置演算部と、を備えた作業機械に装備され、前記作業機パラメータの較正を行う作業機械の較正装置であって、
外部計測装置で計測された、前記作業機械本体、前記第１駆動部、及び前記第２駆動部の基準点の計測値を取得する計測値取得部と、
前記推定位置演算部で用いる前記第１駆動部及び前記第２駆動部を構成する部材の作業機パラメータを取得する作業機パラメータ取得部と、
前記計測値取得部で計測された前記作業機械本体の基準点の計測値、及び前記第１駆動部の基準点の計測値に基づいて、前記第１駆動部を構成する部材の作業機パラメータを較正する第１較正部と、
前記第１較正部で較正された前記第１駆動部を構成する部材の作業機パラメータと、前記計測値取得部で取得された前記作業機械本体の基準点の計測値、前記第１駆動部の基準点の計測値、及び前記第２駆動部の基準点の計測値とに基づいて、前記第２駆動部を構成する部材の作業機パラメータを較正する第２較正部とを備えていることを特徴とする。
本発明の第１の態様によれば、第１較正部により、予め第１駆動部を構成する部材の作業機パラメータを較正することができるため、第２較正部では、較正後の作業機パラメータと、第２駆動部の基準点の計測値とに基づいて、第２駆動部を構成する部材の作業機パラメータの較正を行うことができる。従って、第１駆動部を構成する部材の作業機パラメータの誤差を少なくした状態で、第２駆動部を構成する部材の作業機パラメータを高精度に較正することができる。
本発明の第２の態様に係る作業機械の較正装置は、第１の態様において、
前記第１の回動角検出部及び前記第２の回動角検出部は、前記第１油圧シリンダ及び前記第２油圧シリンダに設けられ、それぞれのストローク量を検出するストローク量検出部であることを特徴とする。
前記第１の回動角検出部及び前記第２の回動角検出部は、前記第１油圧シリンダ及び前記第２油圧シリンダに設けられ、それぞれのストローク量を検出するストローク量検出部であることを特徴とする。
本発明の第３の態様に係る作業機械の較正装置は、第２の態様において、
前記作業機械は、前記作業機械本体に対する前記第１駆動部の回動角を検出するエンコーダを備え、
前記姿勢演算部は、前記エンコーダで検出された前記第１駆動部の回動角の基準位置に基づいて、前記ストローク量検出部の基準位置の較正を行うことを特徴とする。
前記作業機械は、前記作業機械本体に対する前記第１駆動部の回動角を検出するエンコーダを備え、
前記姿勢演算部は、前記エンコーダで検出された前記第１駆動部の回動角の基準位置に基づいて、前記ストローク量検出部の基準位置の較正を行うことを特徴とする。
本発明の第４の態様に係る作業機械の較正装置は、第１の態様乃至第３の態様のいずれかの態様において、
前記第１較正部及び前記第２較正部は、前記第１駆動部及び前記第２駆動部を構成する部材の作業機パラメータと、前記第１駆動部及び前記第２駆動部の基準点の計測値とを含む数値解析式が、所定の誤差範囲に収束するまで収束演算を行うことにより較正し、
前記第２較正部の許容誤差範囲が、前記第１較正部の許容誤差範囲よりも大きいことを特徴とする。
前記第１較正部及び前記第２較正部は、前記第１駆動部及び前記第２駆動部を構成する部材の作業機パラメータと、前記第１駆動部及び前記第２駆動部の基準点の計測値とを含む数値解析式が、所定の誤差範囲に収束するまで収束演算を行うことにより較正し、
前記第２較正部の許容誤差範囲が、前記第１較正部の許容誤差範囲よりも大きいことを特徴とする。
本発明の第５の態様に係る作業装置は、第１の態様乃至第４の態様のいずれかの態様において、
前記第１駆動部は、前記作業機械本体にピンを介して回動自在に接続され、前記作業機械本体に設けられたブームシリンダにより駆動されるブームと、前記ブームの先端にピンを介して回動自在に接続され、前記ブームに設けられたアームシリンダにより駆動されるアームとを備え、
前記第２駆動部は、前記アームの先端にピンを介して接続される作業具であり、
前記第１駆動部の基準点は、前記アームの先端のピンであり、
前記第２駆動部の基準点は、前記作業具の作業方向先端であることを特徴とする。
前記第１駆動部は、前記作業機械本体にピンを介して回動自在に接続され、前記作業機械本体に設けられたブームシリンダにより駆動されるブームと、前記ブームの先端にピンを介して回動自在に接続され、前記ブームに設けられたアームシリンダにより駆動されるアームとを備え、
前記第２駆動部は、前記アームの先端にピンを介して接続される作業具であり、
前記第１駆動部の基準点は、前記アームの先端のピンであり、
前記第２駆動部の基準点は、前記作業具の作業方向先端であることを特徴とする。
本発明の第６の態様に係る作業機械の較正装置は、第５の態様において、
前記第１較正部は、前記作業機械の３姿勢に基づいて、前記第１駆動部を構成する部材の作業機パラメータを較正し、
前記第２較正部は、前記作業機械の２姿勢に基づいて、前記第２駆動部を構成する部材の作業機パラメータを較正することを特徴とする。
前記第１較正部は、前記作業機械の３姿勢に基づいて、前記第１駆動部を構成する部材の作業機パラメータを較正し、
前記第２較正部は、前記作業機械の２姿勢に基づいて、前記第２駆動部を構成する部材の作業機パラメータを較正することを特徴とする。
本発明の第７の態様に係る作業機の較正装置は、
作業機械本体と、
前記作業機械本体に回動自在に接続され、前記作業機械本体に設けられたブームシリンダにより駆動されるブーム、前記ブームに回動自在に接続され、前記ブームに設けられたアームシリンダにより駆動されるアーム、及び前記アームに回動自在に接続され、前記アームに設けられたバケットシリンダにより駆動されるバケットを備えた作業機と、
前記作業機械本体に対する前記ブームの回動角情報を検出するブーム回動角検出部と、
前記ブームに対する前記アームの回動角情報を検出するアーム回動角検出部と、
前記アームに対する前記バケットの回動角情報を検出するバケット回動角検出部と、
前記ブーム回動角検出部、前記アーム回動角検出部、及び前記バケット回動角検出部で検出されたそれぞれの回動角情報に基づいて、前記ブーム、前記アーム、及び前記バケットの姿勢を演算する姿勢演算部と、
前記ブーム、前記アーム、前記バケットに設定された作業機パラメータと、前記姿勢演算部で演算された前記ブーム、前記アーム、及び前記バケットの姿勢とに基づいて、前記バケットの刃先の推定位置を演算する推定位置演算部と、を備えた作業機械に装備され、前記作業機パラメータの較正を行う作業機械の較正装置であって、
外部計測装置で計測された、前記作業機械本体の基準点の計測値、前記ブームの基準点の計測値、前記アームの基準点の計測値、及び前記バケットの基準点の計測値を取得する計測値取得部と、
前記推定位置演算部で用いる前記ブーム、前記アーム、及び前記バケットの作業機パラメータを取得する作業機パラメータ取得部と、
前記計測値取得部で取得された前記作業機械本体、前記ブーム、及び前記アームの基準点の計測値に基づいて、前記ブーム及び前記アームの作業機パラメータを較正する第１較正部と、
前記第１較正部で較正された前記ブーム及び前記アームの作業機パラメータと、前記計測値取得部で取得された、前記作業機械本体、前記ブーム、前記アーム、及び前記バケットの基準点の計測値とに基づいて、前記バケットの作業機パラメータを較正する第２較正部とを備えていることを特徴とする。
作業機械本体と、
前記作業機械本体に回動自在に接続され、前記作業機械本体に設けられたブームシリンダにより駆動されるブーム、前記ブームに回動自在に接続され、前記ブームに設けられたアームシリンダにより駆動されるアーム、及び前記アームに回動自在に接続され、前記アームに設けられたバケットシリンダにより駆動されるバケットを備えた作業機と、
前記作業機械本体に対する前記ブームの回動角情報を検出するブーム回動角検出部と、
前記ブームに対する前記アームの回動角情報を検出するアーム回動角検出部と、
前記アームに対する前記バケットの回動角情報を検出するバケット回動角検出部と、
前記ブーム回動角検出部、前記アーム回動角検出部、及び前記バケット回動角検出部で検出されたそれぞれの回動角情報に基づいて、前記ブーム、前記アーム、及び前記バケットの姿勢を演算する姿勢演算部と、
前記ブーム、前記アーム、前記バケットに設定された作業機パラメータと、前記姿勢演算部で演算された前記ブーム、前記アーム、及び前記バケットの姿勢とに基づいて、前記バケットの刃先の推定位置を演算する推定位置演算部と、を備えた作業機械に装備され、前記作業機パラメータの較正を行う作業機械の較正装置であって、
外部計測装置で計測された、前記作業機械本体の基準点の計測値、前記ブームの基準点の計測値、前記アームの基準点の計測値、及び前記バケットの基準点の計測値を取得する計測値取得部と、
前記推定位置演算部で用いる前記ブーム、前記アーム、及び前記バケットの作業機パラメータを取得する作業機パラメータ取得部と、
前記計測値取得部で取得された前記作業機械本体、前記ブーム、及び前記アームの基準点の計測値に基づいて、前記ブーム及び前記アームの作業機パラメータを較正する第１較正部と、
前記第１較正部で較正された前記ブーム及び前記アームの作業機パラメータと、前記計測値取得部で取得された、前記作業機械本体、前記ブーム、前記アーム、及び前記バケットの基準点の計測値とに基づいて、前記バケットの作業機パラメータを較正する第２較正部とを備えていることを特徴とする。
本発明の第８の態様に係る作業機械の作業機パラメータの較正方法は、
作業機械本体と、
前記作業機械本体に回動自在に接続され、前記作業機械本体に設けられた第１油圧シリンダにより駆動される第１駆動部、及び、前記第１駆動部に回動自在に接続され、前記第１駆動部に設けられた第２油圧シリンダにより駆動される第２駆動部を備えた作業機と、
前記第１駆動部の作業機械に対する回動角情報を検出する第１回動角検出部と、
前記第２駆動部の第１駆動部に対する回動角情報を検出する第２回動角検出部と、
検出された第１駆動部及び第２駆動部の回動角情報に基づいて、前記第１駆動部及び前記第２駆動部の姿勢を演算する姿勢演算部と、
前記第１駆動部及び前記第２駆動部を構成する部材に設定された作業機パラメータと、前記姿勢演算部で演算された前記第１駆動部及び前記第２駆動部の姿勢とに基づいて、前記第１駆動部及び前記第２駆動部の基準点の推定位置を演算する推定位置演算部と、を備えた作業機械で実施され、前記作業機パラメータを較正する作業機械の作業機パラメータの較正方法であって、
前記第１駆動部及び前記第２駆動部を構成する部材に設定された作業機パラメータを取得する手順と、
外部計測装置を用いて計測された、前記作業機械本体、前記第１駆動部、及び前記第２駆動部の基準点の計測値を取得する手順と、
前記作業機械本体及び前記第１駆動部の基準点の計測値に基づいて、前記第１駆動部を構成する部材の作業機パラメータを較正する手順と、
較正された前記第１駆動部を構成する部材の作業機パラメータと、前記作業機械本体、前記第１駆動部、及び前記第２駆動部の基準点の計測値とに基づいて、前記第２駆動部を構成する部材の作業機パラメータを較正する手順とを実施することを特徴とする。
作業機械本体と、
前記作業機械本体に回動自在に接続され、前記作業機械本体に設けられた第１油圧シリンダにより駆動される第１駆動部、及び、前記第１駆動部に回動自在に接続され、前記第１駆動部に設けられた第２油圧シリンダにより駆動される第２駆動部を備えた作業機と、
前記第１駆動部の作業機械に対する回動角情報を検出する第１回動角検出部と、
前記第２駆動部の第１駆動部に対する回動角情報を検出する第２回動角検出部と、
検出された第１駆動部及び第２駆動部の回動角情報に基づいて、前記第１駆動部及び前記第２駆動部の姿勢を演算する姿勢演算部と、
前記第１駆動部及び前記第２駆動部を構成する部材に設定された作業機パラメータと、前記姿勢演算部で演算された前記第１駆動部及び前記第２駆動部の姿勢とに基づいて、前記第１駆動部及び前記第２駆動部の基準点の推定位置を演算する推定位置演算部と、を備えた作業機械で実施され、前記作業機パラメータを較正する作業機械の作業機パラメータの較正方法であって、
前記第１駆動部及び前記第２駆動部を構成する部材に設定された作業機パラメータを取得する手順と、
外部計測装置を用いて計測された、前記作業機械本体、前記第１駆動部、及び前記第２駆動部の基準点の計測値を取得する手順と、
前記作業機械本体及び前記第１駆動部の基準点の計測値に基づいて、前記第１駆動部を構成する部材の作業機パラメータを較正する手順と、
較正された前記第１駆動部を構成する部材の作業機パラメータと、前記作業機械本体、前記第１駆動部、及び前記第２駆動部の基準点の計測値とに基づいて、前記第２駆動部を構成する部材の作業機パラメータを較正する手順とを実施することを特徴とする。
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態に係る油圧ショベルの較正装置及び較正方法について説明する。
［１］油圧ショベル１の全体構成
図１は、本実施形態に係る較正装置による較正が実施される油圧ショベル１の斜視図である。油圧ショベル１は、作業機械本体２と作業機３とを備える。
作業機械本体２は、下部走行体４と、上部旋回体５とを備え、上部旋回体５は、下部走行体４に旋回自在に設けられている。
上部旋回体５は、後述する油圧ポンプ５４や、エンジンなど５４Ａの装置を収容している。
上部旋回体５には、前部にキャブ６が設けられており、キャブ６内には、オペレータが着座するシートや、後述する表示入力装置７１及び操作装置５１が設けられる。
下部走行体４には、一対の走行装置４Ａが設けられ、走行装置４Ａは履帯４Ｂを有し、履帯４Ｂが回転することにより、油圧ショベル１が走行する。なお、本実施形態においては、シートに着座したときのオペレータの視線を基準として前後左右を規定する。
［１］油圧ショベル１の全体構成
図１は、本実施形態に係る較正装置による較正が実施される油圧ショベル１の斜視図である。油圧ショベル１は、作業機械本体２と作業機３とを備える。
作業機械本体２は、下部走行体４と、上部旋回体５とを備え、上部旋回体５は、下部走行体４に旋回自在に設けられている。
上部旋回体５は、後述する油圧ポンプ５４や、エンジンなど５４Ａの装置を収容している。
上部旋回体５には、前部にキャブ６が設けられており、キャブ６内には、オペレータが着座するシートや、後述する表示入力装置７１及び操作装置５１が設けられる。
下部走行体４には、一対の走行装置４Ａが設けられ、走行装置４Ａは履帯４Ｂを有し、履帯４Ｂが回転することにより、油圧ショベル１が走行する。なお、本実施形態においては、シートに着座したときのオペレータの視線を基準として前後左右を規定する。
作業機３は、作業機械本体２の前部に設けられ、ブーム３１、アーム３２、バケット３３、ブームシリンダ３４、アームシリンダ３５、及びバケットシリンダ３６を備える。尚、本発明における第１駆動部は、ブーム３１及びアーム３２で構成される部分であり、第２駆動部は、バケット３３、第１リンク部材４０（後述）、第２リンク部材４１（後述）を含む部分である。
ブーム３１の基端部は、ブームピン３７を介して作業機械本体２の前部に回動自在に取り付けられる。ブームピン３７は、ブーム３１の上部旋回体５に対する回動中心に相当する。
アーム３２の基端部は、アームピン３８を介してブーム３１の先端部に回動可能に取り付けられる。アームピン３８は、アーム３２のブーム３１に対する回動中心に相当する。
アーム３２の先端部には、バケットピン３９を介してバケット３３が回動可能に取り付けられる。バケットピン３９は、アーム３２の先端に設けられ、本発明の第１駆動部の基準点であり、バケット３３のアーム３２に対する回動中心に相当する。第１駆動部の基準点は、ブーム３１若しくはアーム３２の任意位置に設けてよい。
ブーム３１の基端部は、ブームピン３７を介して作業機械本体２の前部に回動自在に取り付けられる。ブームピン３７は、ブーム３１の上部旋回体５に対する回動中心に相当する。
アーム３２の基端部は、アームピン３８を介してブーム３１の先端部に回動可能に取り付けられる。アームピン３８は、アーム３２のブーム３１に対する回動中心に相当する。
アーム３２の先端部には、バケットピン３９を介してバケット３３が回動可能に取り付けられる。バケットピン３９は、アーム３２の先端に設けられ、本発明の第１駆動部の基準点であり、バケット３３のアーム３２に対する回動中心に相当する。第１駆動部の基準点は、ブーム３１若しくはアーム３２の任意位置に設けてよい。
ブームシリンダ３４、アームシリンダ３５、及びバケットシリンダ３６は、それぞれ油圧によって伸張縮退駆動される油圧シリンダである。なお、ブームシリンダ３４又はアームシリンダ３５は、本発明にいう第１油圧シリンダであり、バケットシリンダ３６は、本発明にいう第２油圧シリンダである。
ブームシリンダ３４の基端部は、ブームシリンダフートピン３４Ａを介して上部旋回体５に回動可能に取り付けられている。
また、ブームシリンダ３４の先端部は、ブームシリンダトップピン３４Ｂを介してブーム３１に回動可能に取り付けられている。ブームシリンダ３４は、油圧によって伸縮することによって、ブーム３１を駆動する。
ブームシリンダ３４の基端部は、ブームシリンダフートピン３４Ａを介して上部旋回体５に回動可能に取り付けられている。
また、ブームシリンダ３４の先端部は、ブームシリンダトップピン３４Ｂを介してブーム３１に回動可能に取り付けられている。ブームシリンダ３４は、油圧によって伸縮することによって、ブーム３１を駆動する。
アームシリンダ３５の基端部は、アームシリンダフートピン３５Ａを介してブーム３１に回動可能に取り付けられている。
また、アームシリンダ３５の先端部は、アームシリンダトップピン３５Ｂを介してアーム３２に回動可能に取り付けられている。アームシリンダ３５は、油圧によって伸縮することによって、アーム３２を駆動する。
バケットシリンダ３６の基端部は、バケットシリンダフートピン３６Ａを介してアーム３２に回動可能に取り付けられている。
また、バケットシリンダ３６の先端部は、バケットシリンダトップピン３６Ｂを介して、第１リンク部材４０の一端及び第２リンク部材４１の一端に回動可能に取り付けられている。
第１リンク部材４０の他端は、第１リンクピン４０Ａを介してアーム３２の先端部に回動自在に取り付けられている。
第２リンク部材４１の他端は、第２リンクピン４１Ａを介してバケット３３に回動自在に取り付けられている。バケットシリンダ３６は、油圧によって伸縮することによって、バケット３３を駆動する。
また、アームシリンダ３５の先端部は、アームシリンダトップピン３５Ｂを介してアーム３２に回動可能に取り付けられている。アームシリンダ３５は、油圧によって伸縮することによって、アーム３２を駆動する。
バケットシリンダ３６の基端部は、バケットシリンダフートピン３６Ａを介してアーム３２に回動可能に取り付けられている。
また、バケットシリンダ３６の先端部は、バケットシリンダトップピン３６Ｂを介して、第１リンク部材４０の一端及び第２リンク部材４１の一端に回動可能に取り付けられている。
第１リンク部材４０の他端は、第１リンクピン４０Ａを介してアーム３２の先端部に回動自在に取り付けられている。
第２リンク部材４１の他端は、第２リンクピン４１Ａを介してバケット３３に回動自在に取り付けられている。バケットシリンダ３６は、油圧によって伸縮することによって、バケット３３を駆動する。
図２は、油圧ショベル１の構成を模式的に示す図である。図２Ａは油圧ショベル１の側面図である。図２Ｂは油圧ショベル１の背面図である。図２Ｃは油圧ショベル１の平面図である。図２Ａに示すように、ブーム３１の長さ、すなわち、ブームピン３７とアームピン３８との間の長さは、Ｌ１である。アーム３２の長さ、すなわち、アームピン３８とバケットピン３９との間の長さは、Ｌ２である。バケット３３の長さ、すなわち、バケットピン３９とバケット３３の刃先Ｐとの間の長さは、Ｌ３である。なお、バケット３３の刃先Ｐは、本発明の第２駆動部の基準点である。第２駆動部の基準点は、バケット３３上の任意の位置に設けてもよい。
ブームシリンダ３４とアームシリンダ３５とバケットシリンダ３６には、それぞれ、回動角検出部であるブームシリンダストロークセンサ４２、アームシリンダストロークセンサ４３、及びバケットシリンダストロークセンサ４４が設けられている。
各シリンダストロークセンサ４２〜４４は、油圧シリンダ３４〜３６の側方に設置されるシリンダのストロークを検出するストロークセンサであり、回動角情報である各油圧シリンダ３４〜３６のストローク長さを検出することにより、後述する表示コントローラ７２の姿勢演算部７２Ｃにて、作業機械本体２に対するブーム３１の回動角と、ブーム３１に対するアーム３２の回動角と、アーム３２に対するバケット３３の回動角とを演算可能とする。なお、回動角検出部は各作業機の回動部に取り付ける角度センサによる回動角情報の検出を代用してもよい。
各シリンダストロークセンサ４２〜４４は、油圧シリンダ３４〜３６の側方に設置されるシリンダのストロークを検出するストロークセンサであり、回動角情報である各油圧シリンダ３４〜３６のストローク長さを検出することにより、後述する表示コントローラ７２の姿勢演算部７２Ｃにて、作業機械本体２に対するブーム３１の回動角と、ブーム３１に対するアーム３２の回動角と、アーム３２に対するバケット３３の回動角とを演算可能とする。なお、回動角検出部は各作業機の回動部に取り付ける角度センサによる回動角情報の検出を代用してもよい。
具体的には、後述する表示コントローラ７２内の姿勢演算部７２Ｃは、ブームシリンダストロークセンサ４２が検出したブームシリンダ３４のストローク長さから、図２Ａに示すように、後述する車体座標系のｚ軸に対するブーム３１の回動角αを演算する。
表示コントローラ７２内の姿勢演算部７２Ｃは、アームシリンダストロークセンサ４３が検出したアームシリンダ３５のストローク長さから、ブーム３１に対するアーム３２の回動角βを演算する。
表示コントローラ７２内の姿勢演算部７２Ｃは、バケットシリンダストロークセンサ４４が検出したバケットシリンダ３６のストローク長さから、アーム３２に対するバケット３３の回動角γを演算する。回動角α、β、γの演算方法については後に詳細に説明する。
表示コントローラ７２内の姿勢演算部７２Ｃは、アームシリンダストロークセンサ４３が検出したアームシリンダ３５のストローク長さから、ブーム３１に対するアーム３２の回動角βを演算する。
表示コントローラ７２内の姿勢演算部７２Ｃは、バケットシリンダストロークセンサ４４が検出したバケットシリンダ３６のストローク長さから、アーム３２に対するバケット３３の回動角γを演算する。回動角α、β、γの演算方法については後に詳細に説明する。
また、ブームピン３７の位置には、第１エンコーダ４２Ａが設けられ、アームピン３８の位置には、第２エンコーダ４３Ａが設けられている。
第１エンコーダ４２Ａは、ブーム３１の回動域内の所定の角度位置を基準位置として、パルス信号を表示コントローラ７２の姿勢演算部７２Ｃに出力する。
第２エンコーダ４３Ａは、アーム３２の回動域内の所定の角度位置を基準位置として、パルス信号を表示コントローラ７２の姿勢演算部７２Ｃに出力する。
姿勢演算部７２Ｃでは、第１エンコーダ４２Ａから出力されたパルス信号に基づいて、ブームシリンダストロークセンサ４２の基準位置の較正を行い、第２エンコーダ４３Ａから出力されたパルス信号に基づいて、アームシリンダストロークセンサ４３の較正を行う。
つまり、第１エンコーダ４２Ａ及び第２エンコーダ４３Ａは、ブームシリンダストロークセンサ４２及びアームシリンダストロークセンサ４３のリセットセンサとして機能する。
これにより、シリンダストロークセンサ４２、４３の検出結果から得られるストローク位置を、基準位置にリセットして誤差を低減し、アーム３２の先端のバケットピン３９の位置を高精度に推定することができる。
第１エンコーダ４２Ａは、ブーム３１の回動域内の所定の角度位置を基準位置として、パルス信号を表示コントローラ７２の姿勢演算部７２Ｃに出力する。
第２エンコーダ４３Ａは、アーム３２の回動域内の所定の角度位置を基準位置として、パルス信号を表示コントローラ７２の姿勢演算部７２Ｃに出力する。
姿勢演算部７２Ｃでは、第１エンコーダ４２Ａから出力されたパルス信号に基づいて、ブームシリンダストロークセンサ４２の基準位置の較正を行い、第２エンコーダ４３Ａから出力されたパルス信号に基づいて、アームシリンダストロークセンサ４３の較正を行う。
つまり、第１エンコーダ４２Ａ及び第２エンコーダ４３Ａは、ブームシリンダストロークセンサ４２及びアームシリンダストロークセンサ４３のリセットセンサとして機能する。
これにより、シリンダストロークセンサ４２、４３の検出結果から得られるストローク位置を、基準位置にリセットして誤差を低減し、アーム３２の先端のバケットピン３９の位置を高精度に推定することができる。
具体的には、図４に示されるように、ブームシリンダストロークセンサ４２は、ブームシリンダ３４のシリンダチューブ３４１の先端に設けられ、ピストン３４２のストローク量を検出する。第１エンコーダ４２Ａは、ブーム３１の回動位置に設けられ、ブームシリンダストロークセンサ４２の較正を行う。この第１エンコーダ４２Ａは、図５に示されるように、発光部４２Ａ１と、円盤部４２Ａ２と、受光部４２Ａ３とを備えている。
発光部４２Ａ１は、受光部４２Ａ３に対して光線を照射する発光素子を備えている。
円盤部４２Ａ２は、回転可能に保持され、この円盤部４２Ａ２には、円周方向に沿って所定ピッチで複数の透孔４２Ａ４が形成され、その内側には、透孔４２Ａ５が一箇所形成されている。透孔４２Ａ５は、ブーム３１の回動域内の基準位置に応じた位置に形成され、例えば、ブーム３１の回動域の略中央である。
受光部４２Ａ３は、発光部４２Ａ１に応じた位置に複数の受光素子４２Ａ６を備え、受光素子４２Ａ６が光を受光するとパルス信号を出力するようになっている。
発光部４２Ａ１は、受光部４２Ａ３に対して光線を照射する発光素子を備えている。
円盤部４２Ａ２は、回転可能に保持され、この円盤部４２Ａ２には、円周方向に沿って所定ピッチで複数の透孔４２Ａ４が形成され、その内側には、透孔４２Ａ５が一箇所形成されている。透孔４２Ａ５は、ブーム３１の回動域内の基準位置に応じた位置に形成され、例えば、ブーム３１の回動域の略中央である。
受光部４２Ａ３は、発光部４２Ａ１に応じた位置に複数の受光素子４２Ａ６を備え、受光素子４２Ａ６が光を受光するとパルス信号を出力するようになっている。
このような第１エンコーダ４２Ａは、ブーム３１の回動に応じて円盤部４２Ａ２が回動する。円盤部４２Ａ２の回動により、透孔４２Ａ５が発光部４２Ａ１の下部を通過すると、発光部４２Ａ１から照射された光が透孔４２Ａ５を介して、受光部４２Ａ３の受光素子４２Ａ６で受光される。光を受光した受光素子４２Ａ６は、姿勢演算部７２Ｃにパルス信号を出力する。なお、アームピン３８に設けられる第２エンコーダ４３Ａも前記と同様の構造及び作用である。
姿勢演算部７２Ｃは、パルス信号が入力した際、ブームシリンダストロークセンサ４２の信号値を読み取り、基準位置の較正を行う。
姿勢演算部７２Ｃは、パルス信号が入力した際、ブームシリンダストロークセンサ４２の信号値を読み取り、基準位置の較正を行う。
一方、バケット３３は、耐水環境の面で使用に問題があるため、エンコーダを使用できない。このため、バケットシリンダ３６には、磁力センサ４４Ａが設けられ、バケットシリンダ３６に設置した磁石の通過を検出することにより、基準位置の通過を検出する。
磁力センサ４４Ａは、図６に示されるように、バケットシリンダ３６のシリンダチューブ３６１の外部に取り付けられている。磁力センサ４４Ａは、ピストン３６２の直動方向に沿って、所定距離離間されて配置された２個のセンサ４４Ｂ、４４Ｃを有している。
センサ４４Ｂ、４４Ｃは、既知の基準位置に設けられており、ピストン３６２には、磁力線を生成する磁石４４Ｄが設けられている。センサ４４Ｂ、４４Ｃは、磁石４４Ｄで生成された磁力線を透過して、磁力（磁束密度）を検出し、磁力（磁束密度）に応じた電気信号（電圧）を出力する。
磁力センサ４４Ａは、図６に示されるように、バケットシリンダ３６のシリンダチューブ３６１の外部に取り付けられている。磁力センサ４４Ａは、ピストン３６２の直動方向に沿って、所定距離離間されて配置された２個のセンサ４４Ｂ、４４Ｃを有している。
センサ４４Ｂ、４４Ｃは、既知の基準位置に設けられており、ピストン３６２には、磁力線を生成する磁石４４Ｄが設けられている。センサ４４Ｂ、４４Ｃは、磁石４４Ｄで生成された磁力線を透過して、磁力（磁束密度）を検出し、磁力（磁束密度）に応じた電気信号（電圧）を出力する。
センサ４４Ｂ、４４Ｃで検出された信号は、表示コントローラ７２に出力され、この表示コントローラ７２では、センサ４４Ｂ、４４Ｃの検出結果に基づいて、バケットシリンダストロークセンサ４４の検出結果から得られるストローク位置を、基準位置にリセットする処理が行われる。
磁力センサ４４Ａは、磁力により基準位置を検出しているため、バケット３３のストローク精度にバラつきを生じ易く、エンコーダ４２Ａ、４３Ａをリセットセンサとしたブーム３１やアーム３２の場合よりも、検出ストローク値の誤差が大きくなる。
磁力センサ４４Ａは、磁力により基準位置を検出しているため、バケット３３のストローク精度にバラつきを生じ易く、エンコーダ４２Ａ、４３Ａをリセットセンサとしたブーム３１やアーム３２の場合よりも、検出ストローク値の誤差が大きくなる。
図２Ａに示すように、作業機械本体２は、位置検出部４５を備え、この位置検出部４５は、油圧ショベル１の作業機械本体２の現在位置を検出する。位置検出部４５は、図１に示すＲＴＫ−ＧＮＳＳ（Real Time Kinematic-Global Navigation Satellite Systems：ＧＮＳＳは全地球航法衛星システムをいう）用の２つのアンテナ４６、４７と、図２Ａに示す位置演算器４８とを有する。なお、アンテナ４６、４７は、上部旋回体５の上部にハンドレールを設け、ハンドレールに設置してもよい。
アンテナ４６、４７は、後述する車体座標系ｘ−ｙ−ｚの原点Ｏを基準とし、ｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸（図２Ａ〜図２Ｃ参照）に沿って一定距離（それぞれLbdx、Lbdy、Lbdz）だけ離間して配置されている。
アンテナ４６、４７で受信されたＧＮＳＳ電波に応じた信号は、位置演算器４８に入力される。位置演算器４８は、アンテナ４６、４７のグローバル座標系における現在位置を検出する。なお、グローバル座標系はＸ−Ｙ−Ｚで表記し、水平面をＸＹ、鉛直方向をＺとする。また、グローバル座標系は、ＧＮＳＳによって計測される座標系であり、地球に固定された原点を基準とした座標系である。
アンテナ４６、４７は、後述する車体座標系ｘ−ｙ−ｚの原点Ｏを基準とし、ｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸（図２Ａ〜図２Ｃ参照）に沿って一定距離（それぞれLbdx、Lbdy、Lbdz）だけ離間して配置されている。
アンテナ４６、４７で受信されたＧＮＳＳ電波に応じた信号は、位置演算器４８に入力される。位置演算器４８は、アンテナ４６、４７のグローバル座標系における現在位置を検出する。なお、グローバル座標系はＸ−Ｙ−Ｚで表記し、水平面をＸＹ、鉛直方向をＺとする。また、グローバル座標系は、ＧＮＳＳによって計測される座標系であり、地球に固定された原点を基準とした座標系である。
これに対して、後述する車体座標系は、作業機械本体２(具体的には上部旋回体５)に固定された原点Ｏを基準とする座標系である。
アンテナ４６(以下、「基準アンテナ４６」と呼んでもよい)は、作業機械本体２の現在位置を検出するためのアンテナである。アンテナ４７(以下、「方向アンテナ４７」と呼んでもよい)は、作業機械本体２(具体的には上部旋回体５)の向きを検出するためのアンテナである。位置検出部４５は、基準アンテナ４６と方向アンテナ４７との位置によって、後述する車体座標系のｘ軸のグローバル座標系での方向角を検出する。なお、アンテナ４６、４７は、ＧＰＳ用のアンテナであってもよい。
図２に示すように、作業機械本体２は、車体の傾斜角を計測するＩＭＵ４９（Inertial Measurement Unit）を備え、このＩＭＵ４９により、Ｙ方向のロール角（θ1：図２Ｂ参照）及びＸ方向のピッチ角（θ2：図２Ｃ参照）の角速度と加速度を出力する。
アンテナ４６(以下、「基準アンテナ４６」と呼んでもよい)は、作業機械本体２の現在位置を検出するためのアンテナである。アンテナ４７(以下、「方向アンテナ４７」と呼んでもよい)は、作業機械本体２(具体的には上部旋回体５)の向きを検出するためのアンテナである。位置検出部４５は、基準アンテナ４６と方向アンテナ４７との位置によって、後述する車体座標系のｘ軸のグローバル座標系での方向角を検出する。なお、アンテナ４６、４７は、ＧＰＳ用のアンテナであってもよい。
図２に示すように、作業機械本体２は、車体の傾斜角を計測するＩＭＵ４９（Inertial Measurement Unit）を備え、このＩＭＵ４９により、Ｙ方向のロール角（θ1：図２Ｂ参照）及びＸ方向のピッチ角（θ2：図２Ｃ参照）の角速度と加速度を出力する。
図３は、油圧ショベル１の制御系の構成を示すブロック図である。
油圧ショベル１は、操作装置５１と、作業機コントローラ５２と、油圧制御回路５３と、油圧ポンプ５４と、油圧モータ６１と、エンジン５４Ａと、表示システム７０とを備える。
操作装置５１は、作業機操作レバー５５と、作業機操作検出部５６とを備える。
作業機操作レバー５５は、左右の操作レバー５５Ｌ、５５Ｒを備える。左操作レバー５５Ｌの左右の操作で上部旋回体５の左右の旋回指令を行い、左操作レバー５５Ｌの前後の操作でアーム３２のダンプ・掘削を指令する。右操作レバー５５Ｒの左右の操作でバケット３３の掘削・ダンプを指令し、右操作レバー５５Ｒの前後の操作でブーム３１の下げ・上げを指令する。
作業機操作検出部５６Ｌ、５６Ｒは、作業機操作レバー５５の操作内容を検出して、検出信号として作業機コントローラ５２へ出力する。作業機操作レバー５５からの油圧制御回路５３への操作指令は、パイロット油圧方式でも電気レバー方式でもどちらでもよい。電気レバー方式の場合は、操作指令をポテンショメータ等で電気信号に変換し、作業機コントローラ５２に入力する。パイロット油圧方式の場合は、レバー操作によって生成されるパイロット油圧で比例弁を駆動し、作動油の流量を調整する。また、パイロット圧力を圧力センサで検出し、電気信号に変換して作業機コントローラ５２に入力する。
走行操作レバー５９は、オペレータが油圧ショベル１の走行を操作するための部材である。走行操作検出部６０、走行操作レバー５９の操作内容に基づき下部走行体４の油圧モータ６１へ油圧の供給を行う。
油圧ショベル１は、操作装置５１と、作業機コントローラ５２と、油圧制御回路５３と、油圧ポンプ５４と、油圧モータ６１と、エンジン５４Ａと、表示システム７０とを備える。
操作装置５１は、作業機操作レバー５５と、作業機操作検出部５６とを備える。
作業機操作レバー５５は、左右の操作レバー５５Ｌ、５５Ｒを備える。左操作レバー５５Ｌの左右の操作で上部旋回体５の左右の旋回指令を行い、左操作レバー５５Ｌの前後の操作でアーム３２のダンプ・掘削を指令する。右操作レバー５５Ｒの左右の操作でバケット３３の掘削・ダンプを指令し、右操作レバー５５Ｒの前後の操作でブーム３１の下げ・上げを指令する。
作業機操作検出部５６Ｌ、５６Ｒは、作業機操作レバー５５の操作内容を検出して、検出信号として作業機コントローラ５２へ出力する。作業機操作レバー５５からの油圧制御回路５３への操作指令は、パイロット油圧方式でも電気レバー方式でもどちらでもよい。電気レバー方式の場合は、操作指令をポテンショメータ等で電気信号に変換し、作業機コントローラ５２に入力する。パイロット油圧方式の場合は、レバー操作によって生成されるパイロット油圧で比例弁を駆動し、作動油の流量を調整する。また、パイロット圧力を圧力センサで検出し、電気信号に変換して作業機コントローラ５２に入力する。
走行操作レバー５９は、オペレータが油圧ショベル１の走行を操作するための部材である。走行操作検出部６０、走行操作レバー５９の操作内容に基づき下部走行体４の油圧モータ６１へ油圧の供給を行う。
作業機コントローラ５２は、ＲＡＭやＲＯＭなどの記憶部５２Ａ、及びＣＰＵなどの演算部５２Ｂを備える。作業機コントローラ５２は、主として作業機３の動作制御を行う。作業機コントローラ５２は、作業機操作レバー５５の操作に応じて作業機３を動作させるための制御信号を生成して、油圧制御回路５３に出力する。
油圧制御回路５３は、比例制御弁、ＥＰＣ弁などの油圧制御機器を備え、作業機コントローラ５２からの制御信号に基づいて、油圧ポンプ５４から油圧シリンダ３４〜３６に供給される作動油の流量を制御する。
油圧シリンダ３４〜３６は、油圧制御回路５３から供給された作動油に応じて駆動され、これにより、作業機３が動作する。
また、旋回操作レバーの操作に基づき比例制御弁が駆動され、これにより、油圧モータ６１が駆動され、上部旋回体５が旋回する。なお、上部旋回体５を駆動する旋回モータは油圧駆動でなく、電動式を使用してもよい。
油圧制御回路５３は、比例制御弁、ＥＰＣ弁などの油圧制御機器を備え、作業機コントローラ５２からの制御信号に基づいて、油圧ポンプ５４から油圧シリンダ３４〜３６に供給される作動油の流量を制御する。
油圧シリンダ３４〜３６は、油圧制御回路５３から供給された作動油に応じて駆動され、これにより、作業機３が動作する。
また、旋回操作レバーの操作に基づき比例制御弁が駆動され、これにより、油圧モータ６１が駆動され、上部旋回体５が旋回する。なお、上部旋回体５を駆動する旋回モータは油圧駆動でなく、電動式を使用してもよい。
油圧ショベル１には、表示システム７０が搭載されている。表示システム７０は、作業エリア内の地面を掘削して後述する設計面のような形状に形成するための情報をオペレータに提供するためのシステムである。表示システム７０は、表示入力装置７１と、表示コントローラ７２と、較正部８０とを備える。なお、表示システム７０の各機能は、個別のコントローラとしてもよい。
表示入力装置７１は、タッチパネル式の入力部７１Ａと、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）などの表示部７１Ｂとを備える。表示入力装置７１は、掘削を行うための情報を提供するための案内画面を表示する。また、案内画面には、各種のキーが表示され、オペレータは、案内画面上の各種のキーに触れることにより、表示システム７０の各種の機能を実行させることができる。
入力部７１Ａは、オペレータが計測値等の種々の情報を入力する部分であり、キーボード、タッチパネル等で構成される。
入力部７１Ａは、オペレータが計測値等の種々の情報を入力する部分であり、キーボード、タッチパネル等で構成される。
表示コントローラ７２は、表示システム７０の各種の機能を実行する。表示コントローラ７２と作業機コントローラ５２とは、無線あるいは有線の通信手段により互いに通信可能となっている。表示コントローラ７２は、ＲＡＭ、ＲＯＭなど既知の手段による記憶部７２Ａと、ＣＰＵ等の位置演算部７２Ｂと、姿勢演算部７２Ｃとを備える。
位置演算部７２Ｂは、記憶部７２Ａに記憶されている各種のデータと、位置検出部４５の検出結果とに基づいて、案内画面を表示するための各種の演算を実行する。
姿勢演算部７２Ｃは、シリンダストロークセンサ４２〜４４の検出値に基づき、ブーム３１、アーム３２、バケット３３に設けられるそれぞれのシリンダストロークセンサ４２〜４４によって検出されるシリンダストロークより姿勢角であるブーム３１の回動角α、アーム３２の回動角β、バケット３３の回動角γを演算する。また、姿勢演算部７２Ｃは、エンコーダ４２Ａ、４３Ａ、磁力センサ４４Ａにおいて、各油圧シリンダ３４〜３６のシリンダストロークセンサ４２〜４４で取得したストローク値のリセットを行う。そして、姿勢演算部７２Ｃは、ＩＭＵ４９の角速度、加速度より、油圧ショベル１のロール角θ1、ピッチ角θ2を演算する。
位置演算部７２Ｂは、記憶部７２Ａに記憶されている各種のデータと、位置検出部４５の検出結果とに基づいて、案内画面を表示するための各種の演算を実行する。
姿勢演算部７２Ｃは、シリンダストロークセンサ４２〜４４の検出値に基づき、ブーム３１、アーム３２、バケット３３に設けられるそれぞれのシリンダストロークセンサ４２〜４４によって検出されるシリンダストロークより姿勢角であるブーム３１の回動角α、アーム３２の回動角β、バケット３３の回動角γを演算する。また、姿勢演算部７２Ｃは、エンコーダ４２Ａ、４３Ａ、磁力センサ４４Ａにおいて、各油圧シリンダ３４〜３６のシリンダストロークセンサ４２〜４４で取得したストローク値のリセットを行う。そして、姿勢演算部７２Ｃは、ＩＭＵ４９の角速度、加速度より、油圧ショベル１のロール角θ1、ピッチ角θ2を演算する。
表示コントローラ７２の記憶部７２Ａには、設計地形データが予め作成されて記憶されている。設計地形データは、３次元の設計地形の形状及び位置に関する情報である。設計地形は、作業対象となる地面の目標形状を示す。表示コントローラ７２は、設計地形データや上述した各種のセンサからの検出結果などのデータに基づいて、案内画面を表示入力装置７１に表示させる。
また、記憶部７２Ａは、作業機パラメータを記憶する。
また、記憶部７２Ａは、作業機パラメータを記憶する。
［３］バケット３３の刃先Ｐの位置の演算方法
次に、上述したバケット３３の刃先Ｐの位置の演算方法について詳細に説明する。表示コントローラ７２の姿勢演算部７２Ｃは、位置検出部４５の検出結果、及び、記憶部７２Ａに記憶されている複数のパラメータに基づいて、バケット３３の刃先Ｐの推定位置を演算する。
パラメータは、作業機パラメータと、アンテナパラメータとを含む。作業機パラメータは、ブーム３１とアーム３２とバケット３３との寸法と回動角とを示す複数のパラメータを含む。アンテナパラメータは、アンテナ４６、４７とブーム３１との位置関係を示す複数のパラメータを含む。
次に、上述したバケット３３の刃先Ｐの位置の演算方法について詳細に説明する。表示コントローラ７２の姿勢演算部７２Ｃは、位置検出部４５の検出結果、及び、記憶部７２Ａに記憶されている複数のパラメータに基づいて、バケット３３の刃先Ｐの推定位置を演算する。
パラメータは、作業機パラメータと、アンテナパラメータとを含む。作業機パラメータは、ブーム３１とアーム３２とバケット３３との寸法と回動角とを示す複数のパラメータを含む。アンテナパラメータは、アンテナ４６、４７とブーム３１との位置関係を示す複数のパラメータを含む。
図３に示すように、表示コントローラ７２の位置演算部７２Ｂは、第１推定位置演算部７２Ｄと、第２推定位置演算部７２Ｅとを備える。第１推定位置演算部７２Ｄは、作業機パラメータに基づいて、バケット３３の刃先Ｐの車体座標系における推定位置を演算する。
第２推定位置演算部７２Ｅは、アンテナパラメータと、位置検出部４５が検出したアンテナ４６、４７のグローバル座標系における推定位置と、第１推定位置演算部７２Ｄが演算したバケット３３の刃先Ｐの車体座標系における推定位置とから、バケット３３の刃先Ｐのグローバル座標系における推定位置を演算する。具体的には、バケット３３の刃先Ｐの推定位置は、次のように求められる。
第２推定位置演算部７２Ｅは、アンテナパラメータと、位置検出部４５が検出したアンテナ４６、４７のグローバル座標系における推定位置と、第１推定位置演算部７２Ｄが演算したバケット３３の刃先Ｐの車体座標系における推定位置とから、バケット３３の刃先Ｐのグローバル座標系における推定位置を演算する。具体的には、バケット３３の刃先Ｐの推定位置は、次のように求められる。
まず、図２に示すように、上部旋回体５の旋回中心を原点Ｏとする車体座標系ｘ−ｙ−ｚを設定する。なお、車体座標系は車体前後方向をｘ軸、車体左右方向をｙ軸、車体鉛直方向をｚ軸とする。
また、以下の説明においてブームピン３７を油圧ショベル１の基準位置とする。ブームピン３７の位置は、ブームピン３７の車幅方向における中点の位置を意味するものとするが、実際は車体座標系に対するブームピン３７の位置の座標を与えている。油圧ショベル１の基準位置は、上部旋回体５上に任意に設定されてよい。
各シリンダストロークセンサ４２、４３、４４の検出結果から、上述したブーム３１、アーム３２、バケット３３の現在の回動角α、β、γが演算される。
車体座標系でのバケット３３の刃先Ｐの座標（ｘ，ｙ，ｚ）は、ブーム３１、アーム３２、バケット３３の回動角α、β、γと、作業パラメータであるブーム３１、アーム３２、バケット３３の長さＬ１、Ｌ２、Ｌ３とを用いて、以下の式（１）により演算される。
また、以下の説明においてブームピン３７を油圧ショベル１の基準位置とする。ブームピン３７の位置は、ブームピン３７の車幅方向における中点の位置を意味するものとするが、実際は車体座標系に対するブームピン３７の位置の座標を与えている。油圧ショベル１の基準位置は、上部旋回体５上に任意に設定されてよい。
各シリンダストロークセンサ４２、４３、４４の検出結果から、上述したブーム３１、アーム３２、バケット３３の現在の回動角α、β、γが演算される。
車体座標系でのバケット３３の刃先Ｐの座標（ｘ，ｙ，ｚ）は、ブーム３１、アーム３２、バケット３３の回動角α、β、γと、作業パラメータであるブーム３１、アーム３２、バケット３３の長さＬ１、Ｌ２、Ｌ３とを用いて、以下の式（１）により演算される。
また、式（１）から求められた車体座標系でのバケット３３の刃先Ｐの座標（ｘ，ｙ，ｚ）は、以下の式（２）により、グローバル座標系での座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）に変換される。
但し、ω、φ、κは以下の式（３）のように表される。
ここで、上述したとおり、θ1はロール角である。θ2はピッチ角である。また、図２（Ｃ）に示されるように、θ3は、ヨー角であり、上述した車体座標系のｘ軸のグローバル座標系での方向角である。従って、ヨー角θ3は、位置検出部４５によって検出された基準アンテナ４６と方向アンテナ４７との位置に基づいて演算される。（Ａ，Ｂ，Ｃ）は、車体座標系の原点のグローバル座標系での座標である。
前述したアンテナパラメータは、アンテナ４６、４７と車体座標系の原点との位置関係、すなわち、アンテナ４６、４７とブームピン３７の車幅方向における中点との位置関係を示す。
具体的には、図２Ｂ及び図２Ｃに示すように、アンテナパラメータは、ブームピン３７と基準アンテナ４６との間の車体座標系のｘ軸方向の距離Lbbxと、ブームピン３７と基準アンテナ４６との間の車体座標系のｙ軸方向の距離Lbbyと、ブームピン３７と基準アンテナ４６との間の車体座標系のz軸方向の距離Lbbzとを含む。また、アンテナパラメータは、ブームピン３７と方向アンテナ４７との間の車体座標系のｘ軸方向の距離Lbdxと、ブームピン３７と方向アンテナ４７との間の車体座標系のｙ軸方向の距離Lbdyと、ブームピン３７と方向アンテナ４７との間の車体座標系のｚ軸方向の距離Lbdzとを含む。
（Ａ，Ｂ，Ｃ）は、アンテナ４６、４７が検出したグローバル座標系におけるアンテナ４６、４７の座標と、アンテナパラメータとに基づいて、演算される。
前述したアンテナパラメータは、アンテナ４６、４７と車体座標系の原点との位置関係、すなわち、アンテナ４６、４７とブームピン３７の車幅方向における中点との位置関係を示す。
具体的には、図２Ｂ及び図２Ｃに示すように、アンテナパラメータは、ブームピン３７と基準アンテナ４６との間の車体座標系のｘ軸方向の距離Lbbxと、ブームピン３７と基準アンテナ４６との間の車体座標系のｙ軸方向の距離Lbbyと、ブームピン３７と基準アンテナ４６との間の車体座標系のz軸方向の距離Lbbzとを含む。また、アンテナパラメータは、ブームピン３７と方向アンテナ４７との間の車体座標系のｘ軸方向の距離Lbdxと、ブームピン３７と方向アンテナ４７との間の車体座標系のｙ軸方向の距離Lbdyと、ブームピン３７と方向アンテナ４７との間の車体座標系のｚ軸方向の距離Lbdzとを含む。
（Ａ，Ｂ，Ｃ）は、アンテナ４６、４７が検出したグローバル座標系におけるアンテナ４６、４７の座標と、アンテナパラメータとに基づいて、演算される。
表示コントローラ７２は、前記のように演算したバケット３３の刃先Ｐの現在位置と、記憶部７２Ａに記憶された設計地形データとに基づいて、３次元設計地形とバケット３３の刃先Ｐの距離を演算する。この距離を表示部７１Ｂに表示したり、掘削制御を行う時のパラメータとして使用したりすることができる。
次に、シリンダストロークセンサ４２、４３、４４の検出結果から、ブーム３１、アーム３２、バケット３３の現在の回動角α、β、γを演算する方法について説明する。
図７は、ブーム３１の側面図である。ブーム３１の回動角αは、図７に示されている作業機パラメータを用いて、以下の式（４）によって表される、
図７は、ブーム３１の側面図である。ブーム３１の回動角αは、図７に示されている作業機パラメータを用いて、以下の式（４）によって表される、
図７に示すように、ブーム３１の作業機パラメータであるLboom2_xは、ブームシリンダフートピン３４Ａとブームピン３７との間の、ブーム３１が取り付けられる作業機械本体２の水平方向（すなわち車体座標系のｘ軸方向に相当する）の距離である。ブーム３１の作業機パラメータであるLboom2_zは、ブームシリンダフートピン３４Ａとブームピン３７との間の、ブーム３１が取り付けられる作業機械本体２の鉛直方向（すなわち車体座標系のｚ軸方向に相当する）の距離である。ブーム３１の作業機パラメータであるLboom1は、ブームシリンダトップピン３４Ｂとブームピン３７との間の距離である。ブーム３１の作業機パラメータであるLboom2は、ブームシリンダフートピン３４Ａとブームピン３７との間の距離である。ブーム３１の作業機パラメータであるboom_cylは、ブームシリンダフートピン３４Ａとブームシリンダトップピン３４Ｂとの間の距離である。ブーム３１の作業機パラメータであるLboom1_zは、ブームシリンダトップピン３４Ｂとブームピン３７との間のzboom軸方向の距離である。なお、側面視においてブームピン３７とアームピン３８とを結ぶ方向をxboom軸とし、xboom軸に垂直な方向をzboom軸とする。ブーム３１の作業機パラメータであるLboom1_xは、ブームシリンダトップピン３４Ｂとブームピン３７との間のxboom軸方向の距離である。
図８は、アーム３２の側面図である。アーム３２の回動角βは、図７及び図８に示されている作業機パラメータを用いて、以下の式（５）によって表される。
図８に示すように、ブーム３１の作業機パラメータであるLboom3_zは、アームシリンダフートピン３５Ａとアームピン３８との間のzboom軸方向の距離である。ブーム３１の作業機パラメータであるLboom3_xは、アームシリンダフートピン３５Ａとアームピン３８との間のxboom軸方向の距離である。ブーム３１の作業機パラメータであるLboom3は、アームシリンダフートピン３５Ａとアームピン３８との間の距離である。図８に示すように、アーム３２の作業機パラメータであるLarm2は、アームシリンダトップピン３５Ｂとアームピン３８との間の距離である。図７に示すように、アーム３２の作業機パラメータであるarm_cylは、アームシリンダフートピン３５Ａとアームシリンダトップピン３５Ｂとの間の距離である。
図８に示すように、アーム３２の作業機パラメータであるLarm2_xは、アームシリンダトップピン３５Ｂとアームピン３８との間のxarm2軸方向の距離である。アーム３２の作業機パラメータであるLarm2_zは、アームシリンダトップピン３５Ｂとアームピン３８との間のzarm2軸方向の距離である。
尚、側面視においてアームシリンダトップピン３５Ｂとバケットピン３９とを結ぶ方向をxarm2軸とし、xarm2軸に垂直な方向をzarm2軸とする。アーム３２の作業機パラメータであるLarm1_xは、アームピン３８とバケットピン３９との間のxarm2軸方向の距離である。アーム３２の作業機パラメータであるLarm1_zは、アームピン３８とバケットピン３９との間のzarm2軸方向の距離である。また、側面視においてアームピン３８とバケットピン３９とを結ぶ方向をxarm1軸とする。アーム３２の回動角βは、xboom軸とxarm1軸との間のなす角である。
尚、側面視においてアームシリンダトップピン３５Ｂとバケットピン３９とを結ぶ方向をxarm2軸とし、xarm2軸に垂直な方向をzarm2軸とする。アーム３２の作業機パラメータであるLarm1_xは、アームピン３８とバケットピン３９との間のxarm2軸方向の距離である。アーム３２の作業機パラメータであるLarm1_zは、アームピン３８とバケットピン３９との間のzarm2軸方向の距離である。また、側面視においてアームピン３８とバケットピン３９とを結ぶ方向をxarm1軸とする。アーム３２の回動角βは、xboom軸とxarm1軸との間のなす角である。
図９は、バケット３３及びアーム３２の側面図である。図１０は、バケット３３の側面図である。バケット３３の回動角γは、図７乃至から図１０に示されている作業機パラメータを用いて、以下の式（６）によって表される。
図８に示すように、アーム３２の作業機パラメータであるLarm3_z2は、第１リンクピン４０Ａとバケットピン３９との間のzarm2軸方向の距離である。アーム３２の作業機パラメータであるLarm3_x2は、第１リンクピン４０Ａとバケットピン３９との間のxarm2軸方向の距離である。
図１０に示すように、アーム３２の作業機パラメータであるLtmpは、バケットシリンダトップピン３６Ｂとバケットピン３９との間の距離である。アーム３２の作業機パラメータであるLarm4は、第１リンクピン４０Ａとバケットピン３９との間の距離である。バケット３３の作業機パラメータであるLbucket1は、バケットシリンダトップピン３６Ｂと第１リンクピン４０Ａとの間の距離である。バケット３３の作業機パラメータであるLbucket3は、バケットピン３９と第２リンクピン４１Ａとの間の距離である。バケット３３の作業機パラメータであるLbucket2は、バケットシリンダトップピン３６Ｂと第２リンクピン４１Ａとの間の距離である。
図１０に示すように、アーム３２の作業機パラメータであるLtmpは、バケットシリンダトップピン３６Ｂとバケットピン３９との間の距離である。アーム３２の作業機パラメータであるLarm4は、第１リンクピン４０Ａとバケットピン３９との間の距離である。バケット３３の作業機パラメータであるLbucket1は、バケットシリンダトップピン３６Ｂと第１リンクピン４０Ａとの間の距離である。バケット３３の作業機パラメータであるLbucket3は、バケットピン３９と第２リンクピン４１Ａとの間の距離である。バケット３３の作業機パラメータであるLbucket2は、バケットシリンダトップピン３６Ｂと第２リンクピン４１Ａとの間の距離である。
図１０に示すように、バケット３３の作業機パラメータであるLbucket4_xは、バケットピン３９と第２リンクピン４１Ａとの間のxbucket軸方向の距離である。バケット３３の作業機パラメータであるLbucket4_zは、バケットピン３９と第２リンクピン４１Ａとの間のzbucket軸方向の距離である。
なお、側面視においてバケットピン３９とバケット３３の刃先Ｐとを結ぶ方向をxbucket軸とし、xbucket軸に垂直な方向をzbucket軸とする。バケット３３の回動角γは、xbucket軸とxarm1軸との間のなす角である。上述したLtmpは以下の式（７）によって表される。
なお、側面視においてバケットピン３９とバケット３３の刃先Ｐとを結ぶ方向をxbucket軸とし、xbucket軸に垂直な方向をzbucket軸とする。バケット３３の回動角γは、xbucket軸とxarm1軸との間のなす角である。上述したLtmpは以下の式（７）によって表される。
なお、図８に示すように、アーム３２の作業機パラメータであるLarm3は、バケットシリンダフートピン３６Ａと第１リンクピン４０Ａとの間の距離である。アーム３２の作業機パラメータであるLarm3_x1は、バケットシリンダフートピン３６Ａとバケットピン３９との間のxarm2軸方向の距離である。アーム３２の作業機パラメータであるLarm3_z1は、バケットシリンダフートピン３６Ａとバケットピン３９との間のzarm2軸方向の距離である。
また、上述したboom_cylは、図１１に示すように、ブームシリンダストロークセンサ４２が検出したブームシリンダ３４のストローク長bssに、ブーム３１の作業機パラメータであるブームシリンダオフセット作業パラメータboftを加えた値である。同様に、arm_cylは、アームシリンダストロークセンサ４３が検出したアームシリンダ３５のストローク長assに、アーム３２の作業機パラメータであるアームシリンダオフセット作業機パラメータaoftを加えた値である。同様に、bucket_cylは、バケットシリンダストロークセンサ４４が検出したバケットシリンダ３６のストローク長bkssに、バケットシリンダ３６の最小距離を含んだバケット３３の作業機パラメータであるバケットシリンダオフセット作業機パラメータbkoftを加えた値である。
［４］較正部８０の構成
図３に示される較正部８０は、油圧ショベル１おいて、上述した回動角α、β、γの演算、及び、バケット３３の刃先Ｐの位置を演算するために必要な作業機パラメータを較正するための部分である。
較正部８０は、較正演算部８３を備え、油圧ショベル１及び外部計測装置８４と共に、上述した作業機パラメータを較正するための較正装置を構成する。外部計測装置８４は、バケット３３の刃先Ｐの位置を計測する装置であり、例えば、トータルステーションを用いることができる。また、較正部８０は、車内通信によって表示コントローラ７２とデータ通信を行うことができる。
図３に示される較正部８０は、油圧ショベル１おいて、上述した回動角α、β、γの演算、及び、バケット３３の刃先Ｐの位置を演算するために必要な作業機パラメータを較正するための部分である。
較正部８０は、較正演算部８３を備え、油圧ショベル１及び外部計測装置８４と共に、上述した作業機パラメータを較正するための較正装置を構成する。外部計測装置８４は、バケット３３の刃先Ｐの位置を計測する装置であり、例えば、トータルステーションを用いることができる。また、較正部８０は、車内通信によって表示コントローラ７２とデータ通信を行うことができる。
較正部８０を構成する後述する計測値取得部８３Ａは、車内通信によって外部計測装置８４とデータ通信を行うことができる。
較正演算部８３は、ＣＰＵ等で構成され、外部計測装置８４によって計測された計測値に基づいて作業機パラメータの較正を行う。作業機パラメータの較正は、例えば、油圧ショベル１の出荷時やメンテナンス後の初期設定において実行される。
作業パラメータの較正結果は、表示入力装置７１の表示部７１Ｂに表示され、オペレータは、この較正結果を確認することにより、較正がうまくいったか、再度較正しなければならないかを確認することができる。
較正演算部８３は、ＣＰＵ等で構成され、外部計測装置８４によって計測された計測値に基づいて作業機パラメータの較正を行う。作業機パラメータの較正は、例えば、油圧ショベル１の出荷時やメンテナンス後の初期設定において実行される。
作業パラメータの較正結果は、表示入力装置７１の表示部７１Ｂに表示され、オペレータは、この較正結果を確認することにより、較正がうまくいったか、再度較正しなければならないかを確認することができる。
具体的には、図１２の機能ブロック図に示されるように、較正演算部８３は、計測値取得部８３Ａと、座標系変換部８５と、作業機パラメータ取得部８６と、パラメータ較正部８７とを備える。
座標系変換部８５は、外部計測装置８４で計測された計測値を車体座標系に変換する部分である。具体的な車体座標系への変換は後述するが、車体座標系に変換された計測値は、パラメータ較正部８７に出力される。
作業機パラメータ取得部８６は、表示コントローラ７２の記憶部７２Ａに格納されたデフォルトの作業機パラメータを読み出す部分であり、読み出された作業機パラメータはパラメータ較正部８７に出力される。なお、デフォルトの作業機パラメータは図面値、寸法測定等で得られた値、前回の較正値を必要に応じ使用する。
座標系変換部８５は、外部計測装置８４で計測された計測値を車体座標系に変換する部分である。具体的な車体座標系への変換は後述するが、車体座標系に変換された計測値は、パラメータ較正部８７に出力される。
作業機パラメータ取得部８６は、表示コントローラ７２の記憶部７２Ａに格納されたデフォルトの作業機パラメータを読み出す部分であり、読み出された作業機パラメータはパラメータ較正部８７に出力される。なお、デフォルトの作業機パラメータは図面値、寸法測定等で得られた値、前回の較正値を必要に応じ使用する。
パラメータ較正部８７は、作業機パラメータ取得部８６から出力されたデフォルトの作業機パラメータを、座標系変換部８５で車体座標系に変換された計測値に基づいて、較正する部分であり、第１較正部８８及び第２較正部８９を備える。
第１較正部８８は、作業機パラメータ取得部８６で取得されたブーム３１及びアーム３２の作業機パラメータを較正する部分である。
第２較正部８９は、第１較正部８８で較正されたブーム３１及びアーム３２の作業機パラメータを用い、これに基づいて、バケット３３の作業機パラメータの較正する部分である。
パラメータ較正部８７の各較正部８８、８９は、較正されたブーム３１、アーム３２、及びバケット３３の作業機パラメータを表示部７１Ｂに出力する。
第１較正部８８は、作業機パラメータ取得部８６で取得されたブーム３１及びアーム３２の作業機パラメータを較正する部分である。
第２較正部８９は、第１較正部８８で較正されたブーム３１及びアーム３２の作業機パラメータを用い、これに基づいて、バケット３３の作業機パラメータの較正する部分である。
パラメータ較正部８７の各較正部８８、８９は、較正されたブーム３１、アーム３２、及びバケット３３の作業機パラメータを表示部７１Ｂに出力する。
［５］較正部８０による較正手順
［5-1］外部計測装置８４による計測
図１３は、計測者が較正時に行う作業手順を示すフローチャートである。
まず、計測者は、外部計測装置８４を、ブームピン３７の真横に所定の距離隔てて設置する（手順Ｓ１）。
次に、計測者は、バケット３３の外形輪郭点とバケット接続位置（バケットピン３９）との位置関係を示す角度等の作業機パラメータの計測を行う（手順Ｓ２）。バケット３３の作業機寸法測定は、外部計測装置８４を用いて計測してもよいが、外部計測装置８４を用いなくとも、メジャー等で直接計測し、計測者が表示入力装置７１の入力部７１Ａから手動で入力してもよい。
［5-1］外部計測装置８４による計測
図１３は、計測者が較正時に行う作業手順を示すフローチャートである。
まず、計測者は、外部計測装置８４を、ブームピン３７の真横に所定の距離隔てて設置する（手順Ｓ１）。
次に、計測者は、バケット３３の外形輪郭点とバケット接続位置（バケットピン３９）との位置関係を示す角度等の作業機パラメータの計測を行う（手順Ｓ２）。バケット３３の作業機寸法測定は、外部計測装置８４を用いて計測してもよいが、外部計測装置８４を用いなくとも、メジャー等で直接計測し、計測者が表示入力装置７１の入力部７１Ａから手動で入力してもよい。
計測者は、外部計測装置８４により、旋回面の測定を行う（手順Ｓ３）。トータルステーションで計測する場合、旋回面の測定は、旋回体を複数の旋回角（ヨー角θ3）を変化させながら旋回体の位置を計測する。旋回体の位置は、油圧ショベル１の作業機械本体２の後部のカウンタウェイト等にプリズム等のマーカーを装着し、トータルステーションから光波を射出し、プリズムの反射光を検出することにより、測定することができ、旋回軌道の３箇所測定すれば旋回面を計測することができる。
計測者は、外部計測装置８４により、図１４に示すブームピン３７の側面中心位置Ｐ１を計測する（手順Ｓ４）。
計測者は、外部計測装置８４により、図１４に示すブームピン３７の側面中心位置Ｐ１を計測する（手順Ｓ４）。
ブームピン３７の側面中心位置Ｐ１の計測が終了したら、オペレータは、図１５に示すようにブーム３１とアーム３２とを駆動し、複数の作業姿勢に変更する。計測者は、それぞれのアーム３２の先端のバケットピン３９の位置を計測する（手順Ｓ５）。バケットピン３９の位置の計測は、ブーム３１を最も上げた位置Ｐ２、ブーム３１を作業方向に延ばし、かつアーム３２を作業方向に延ばした位置Ｐ３、ブーム３１を作業方向に延ばし、かつアーム３２を引き寄せた位置Ｐ４の３姿勢で計測を行う。なお、バケットピン３９の位置の計測は、３姿勢に限らず任意に決めることができる。
次に、オペレータは、図１６に示すようにバケット３３を駆動し、複数のバケット姿勢に変更する。計測者は、バケット３３の刃先Ｐの位置を計測する（手順Ｓ６）。バケット３３の刃先Ｐの位置の計測は、バケット３３を延ばした位置Ｐ５と、バケット３３を引き込んだ位置Ｐ６の２姿勢で計測を行う。なお、バケット３３の計測姿勢は、２姿勢に限らず任意に決めることができる。
最後に計測者は、ＧＰＳ位置の測定を行う（手順Ｓ７）。
なお、以上で説明した手順Ｓ２〜手順Ｓ７で計測された各計測値は、計測される毎に、較正部８０の計測値取得部８３Ａに出力され、外部計測装置８４から入力された各計測値は、順次座標系変換部８５によってグローバル座標系から車体座標系への座標変換が行われる。
最後に計測者は、ＧＰＳ位置の測定を行う（手順Ｓ７）。
なお、以上で説明した手順Ｓ２〜手順Ｓ７で計測された各計測値は、計測される毎に、較正部８０の計測値取得部８３Ａに出力され、外部計測装置８４から入力された各計測値は、順次座標系変換部８５によってグローバル座標系から車体座標系への座標変換が行われる。
［5-2］較正部８０における較正処理
次に、較正部８０におけるパラメータの較正処理を図１７に示されるフローチャートに基づいて説明する。
作業機パラメータ取得部８６は、表示コントローラ７２の記憶部７２Ａから作業機パラメータの読み込みを行い、パラメータ較正部８７に出力する（手順Ｓ８）。
外部計測装置８４から出力された計測値は、計測値取得部８３Ａに入力される（手順Ｓ９）。座標系変換部８５は、計測値取得部８３Ａに入力された計測値を車体座標系に変換する（手順Ｓ１０）。
ここで、計測値を車体座標系に変換する方法は、図１５に示されるバケットピン３９の計測位置Ｐ２〜Ｐ４から作業機３の作業平面を求め、作業平面の法線単位ベクトルと重心座標を求め、図１４に示されるブームピン３７の計測位置Ｐ１を作業平面上に投影する。
次に、旋回面を求め、その法線単位ベクトルを求める。旋回面及び作業平面の２つの法線ベクトルの外積をとって、油圧ショベル１の前後方向のベクトルを求める。
次に、較正部８０におけるパラメータの較正処理を図１７に示されるフローチャートに基づいて説明する。
作業機パラメータ取得部８６は、表示コントローラ７２の記憶部７２Ａから作業機パラメータの読み込みを行い、パラメータ較正部８７に出力する（手順Ｓ８）。
外部計測装置８４から出力された計測値は、計測値取得部８３Ａに入力される（手順Ｓ９）。座標系変換部８５は、計測値取得部８３Ａに入力された計測値を車体座標系に変換する（手順Ｓ１０）。
ここで、計測値を車体座標系に変換する方法は、図１５に示されるバケットピン３９の計測位置Ｐ２〜Ｐ４から作業機３の作業平面を求め、作業平面の法線単位ベクトルと重心座標を求め、図１４に示されるブームピン３７の計測位置Ｐ１を作業平面上に投影する。
次に、旋回面を求め、その法線単位ベクトルを求める。旋回面及び作業平面の２つの法線ベクトルの外積をとって、油圧ショベル１の前後方向のベクトルを求める。
求められた前後方向のベクトルと、求められた作業平面とに基づいて、上下方向のベクトル（前後方向ベクトルに直交し、かつ作業平面内のベクトル）を求める。また、前後方向のベクトルと、求められた旋回面に基づいて、左右方向のベクトル（前後方向ベクトルに直交し、かつ旋回面内のベクトル）を求める。
これら前後、左右、上下方向に基づいて、計測値の座標系から車体座標系に変換する回転行列を求め、ブームピン３７を原点とした車体座標系の位置情報に変換する。
これら前後、左右、上下方向に基づいて、計測値の座標系から車体座標系に変換する回転行列を求め、ブームピン３７を原点とした車体座標系の位置情報に変換する。
次に、第１較正部８８は、計測位置Ｐ２〜Ｐ４の座標と、姿勢演算部７２Ｃで演算されたそのときの姿勢に基づいて、ブーム３１及びアーム３２の作業機パラメータを収束演算により求める。（手順Ｓ１１）。具体的には、以下の式（８）に示すように、最小二乗法により作業機パラメータの較正値の収束演算を行う。
上記のｋの値は、図１５における計測位置Ｐ２〜Ｐ４に相当する。従って、ｎ＝３である。（ｘ１，ｚ１）は、車体座標系での計測位置Ｐ２の座標である。（ｘ２，ｚ２）は、車体座標系での計測位置Ｐ３の座標である。（ｘ３，ｚ３）は、車体座標系での計測位置Ｐ４の座標である。この式（８）の関数Ｊ１が最小になる点を探索していることにより、作業機パラメータの較正値が演算される。
第１較正部８８は、式（８）の値が所定の許容範囲に入っているか否かを判定する（手順Ｓ１２）。
第１較正部８８は、誤差が所定の許容範囲内に入っていない場合、収束演算が所定回数以内であるかを判定する（手順Ｓ１３）。収束演算が所定回数（Ｎ）未満である場合、手順Ｓ１１に戻る。
収束演算が所定回数（Ｎ）に達した場合、較正作業が失敗した旨を表示部７１Ｂ上に表示させ、計測者は及びオペレータに認識させ、先の手順に進めないようにする（手順Ｓ１４）。
計測者及びオペレータは、手順Ｓ８に戻り、手順Ｓ８〜手順Ｓ１１を繰り返す。
第１較正部８８は、誤差が所定の許容範囲内に入っていると判定されたら、誤差が許容範囲内に収まったという情報を表示部７１Ｂ上に表示させ（手順Ｓ１４）、計測者及びオペレータに認識させ作業機パラメータの修正を行い（手順Ｓ１５）、第１較正部８８は、先の手順にすすむことを許可する。
第１較正部８８は、較正されたブーム３１及びアーム３２の作業機パラメータを、第２較正部８９に出力する。
第１較正部８８は、誤差が所定の許容範囲内に入っていない場合、収束演算が所定回数以内であるかを判定する（手順Ｓ１３）。収束演算が所定回数（Ｎ）未満である場合、手順Ｓ１１に戻る。
収束演算が所定回数（Ｎ）に達した場合、較正作業が失敗した旨を表示部７１Ｂ上に表示させ、計測者は及びオペレータに認識させ、先の手順に進めないようにする（手順Ｓ１４）。
計測者及びオペレータは、手順Ｓ８に戻り、手順Ｓ８〜手順Ｓ１１を繰り返す。
第１較正部８８は、誤差が所定の許容範囲内に入っていると判定されたら、誤差が許容範囲内に収まったという情報を表示部７１Ｂ上に表示させ（手順Ｓ１４）、計測者及びオペレータに認識させ作業機パラメータの修正を行い（手順Ｓ１５）、第１較正部８８は、先の手順にすすむことを許可する。
第１較正部８８は、較正されたブーム３１及びアーム３２の作業機パラメータを、第２較正部８９に出力する。
第２較正部８９は、第１較正部８８で較正された作業機パラメータと、計測位置Ｐ５、Ｐ６の複数の作業機姿勢をとったときの計測位置の計測値と、姿勢演算部７２Ｃで演算されたそのときの姿勢とに基づいて、バケット３３の作業機パラメータの較正値を収束演算により求める（手順Ｓ１６）。具体的には、第２較正部８９は、計測位置Ｐ５、計測位置Ｐ６の複数のバケット姿勢をとったときの計測位置の座標と、そのときのシリンダストローク長により、作業機パラメータを収束演算により求める。具体的には、下記式（９）に基づいて、作業機パラメータの較正値の収束演算を行う。
式（９）において、ｋの値は、図１６における計測位置Ｐ５、Ｐ６である。従って、ｎ＝２である。（ｘ４，ｙ４）は車体座標系での計測位置Ｐ５の座標である。（ｘ５，ｙ５）は車体座標系での計測位置Ｐ６の座標である。式（９）の関数Ｊ２が最小になる点を探索していることにより、作業機パラメータの較正値が演算される。
第２較正部８９は、式（９）のＪ２が所定の許容範囲内に入っているか否かを判定する（手順Ｓ１７）。
第２較正部８９は、誤差が所定の許容範囲内に入っていない場合、収束演算が所定回数以内であるかを判定する（手順Ｓ１８）。収束演算が所定回数（Ｎ）未満である場合、手順Ｓ１６に戻る。
収束演算が所定回数（Ｎ）に達した場合、較正作業が失敗した旨を表示部７１Ｂ上に表示させ、計測者は及びオペレータに認識させ、先の手順に進めないようにする（手順Ｓ１９）。
第２較正部８９は、誤差が所定の許容範囲内に入っていない場合、収束演算が所定回数以内であるかを判定する（手順Ｓ１８）。収束演算が所定回数（Ｎ）未満である場合、手順Ｓ１６に戻る。
収束演算が所定回数（Ｎ）に達した場合、較正作業が失敗した旨を表示部７１Ｂ上に表示させ、計測者は及びオペレータに認識させ、先の手順に進めないようにする（手順Ｓ１９）。
第２較正部８９は、誤差が所定の許容範囲内に入っていると判定されたら、誤差が許容範囲内に収まったという情報を表示部７１Ｂ上に表示させ、計測者及びオペレータに認識させる（手順Ｓ１９）。
パラメータ較正部８７は、較正された作業機パラメータを表示コントローラ７２に出力し、表示コントローラ７２の記憶部７２Ａに、新たな作業機ファイルのパラメータとして書き込む（手順Ｓ２０）。
なお、本実施形態では、第１較正部８８により設定する許容誤差は、第２較正部８９で設定する許容誤差より小さい誤差を設定している。許容誤差をこのように設定すると、バケット３３に対して作業機寸法の大きい第１駆動部（ブーム３１及びアーム３２）の誤差は、バケット３３の刃先Ｐの誤差の要因として、第２駆動部（バケット３３）の誤差より寄与が大きい。第１駆動部の作業機パラメータの誤差を小さくすることで刃先Ｐの誤差を小さくすることができる。
パラメータ較正部８７は、較正された作業機パラメータを表示コントローラ７２に出力し、表示コントローラ７２の記憶部７２Ａに、新たな作業機ファイルのパラメータとして書き込む（手順Ｓ２０）。
なお、本実施形態では、第１較正部８８により設定する許容誤差は、第２較正部８９で設定する許容誤差より小さい誤差を設定している。許容誤差をこのように設定すると、バケット３３に対して作業機寸法の大きい第１駆動部（ブーム３１及びアーム３２）の誤差は、バケット３３の刃先Ｐの誤差の要因として、第２駆動部（バケット３３）の誤差より寄与が大きい。第１駆動部の作業機パラメータの誤差を小さくすることで刃先Ｐの誤差を小さくすることができる。
［６］実施形態の効果
図１８に示されるように、油圧ショベル１の作業機３の稼働範囲内でバケット３３の刃先Ｐの位置を変化させ、外部計測装置８４による刃先Ｐの位置の計測値と、作業機パラメータに基づいて演算した刃先Ｐの位置の推定値との誤差を確認した。
従来の手法による刃先Ｐの位置を５姿勢で較正した場合、バケット３３の下方位置や、作業方向先端側で推定位置と計測位置の誤差が大きくでてしまった。
これに対して、本実施形態によれば、第１較正部８８で誤差の小さい第１駆動部を構成する部材のシリンダストロークを用いて、第１駆動部を較正する部材の作業機パラメータの較正を行うことにより、第１駆動部を構成する部材のパラメータが高精度に較正できるようになる。高精度に較正した第１駆動部を構成する部材の作業機パラメータを用いて、第２駆動部を構成する部材の作業機パラメータを較正することにより、第２駆動部を構成する部材の作業機パラメータの較正も従来より高精度に行うことができる。その結果、刃先Ｐの位置の計測位置と演算した刃先Ｐの位置の推定値の誤差も少なくなった。
これにより、作業機３の全動作領域において誤差が小さくなる。特に、作業機３の寸法が長くなる場合、誤差の改善は顕著である。
図１８に示されるように、油圧ショベル１の作業機３の稼働範囲内でバケット３３の刃先Ｐの位置を変化させ、外部計測装置８４による刃先Ｐの位置の計測値と、作業機パラメータに基づいて演算した刃先Ｐの位置の推定値との誤差を確認した。
従来の手法による刃先Ｐの位置を５姿勢で較正した場合、バケット３３の下方位置や、作業方向先端側で推定位置と計測位置の誤差が大きくでてしまった。
これに対して、本実施形態によれば、第１較正部８８で誤差の小さい第１駆動部を構成する部材のシリンダストロークを用いて、第１駆動部を較正する部材の作業機パラメータの較正を行うことにより、第１駆動部を構成する部材のパラメータが高精度に較正できるようになる。高精度に較正した第１駆動部を構成する部材の作業機パラメータを用いて、第２駆動部を構成する部材の作業機パラメータを較正することにより、第２駆動部を構成する部材の作業機パラメータの較正も従来より高精度に行うことができる。その結果、刃先Ｐの位置の計測位置と演算した刃先Ｐの位置の推定値の誤差も少なくなった。
これにより、作業機３の全動作領域において誤差が小さくなる。特に、作業機３の寸法が長くなる場合、誤差の改善は顕著である。
［６］実施形態の変形
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、前記実施形態では、油圧ショベル１を較正の対象としていたが、本発明はこれに限らず、ホイールローダーや他の作業機械に適用してもよい。
また、前記実施形態で行った外部計測装置８４による計測の手順は、これに限られず、他の順番でもよい。
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、前記実施形態では、油圧ショベル１を較正の対象としていたが、本発明はこれに限らず、ホイールローダーや他の作業機械に適用してもよい。
また、前記実施形態で行った外部計測装置８４による計測の手順は、これに限られず、他の順番でもよい。
１…油圧ショベル、２…作業機械本体、３…作業機、４…下部走行体、４Ａ…走行装置、４Ｂ…履帯、５…上部旋回体、６…キャブ、３１…ブーム、３２…アーム、３３…バケット、３４…ブームシリンダ、３４Ａ…ブームシリンダフートピン、３４Ｂ…ブームシリンダトップピン、３５…アームシリンダ、３５Ａ…アームシリンダフートピン、３５Ｂ…アームシリンダトップピン、３６…バケットシリンダ、３６Ａ…バケットシリンダフートピン、３６Ｂ…バケットシリンダトップピン、３７…ブームピン、３８…アームピン、３９…バケットピン、４０…第１リンク部材、４０Ａ…第１リンクピン、４１…第２リンク部材、４１Ａ…第２リンクピン、４２…ブームシリンダストロークセンサ、４２Ａ…第１エンコーダ、４２Ａ１…発光部、４２Ａ２…円盤部、４２Ａ３…受光部、４２Ａ４…透孔、４２Ａ５…透孔、４２Ａ６…受光素子、４３…アームシリンダストロークセンサ、４３Ａ…第２エンコーダ、４４…バケットシリンダストロークセンサ、４４Ａ…磁力センサ、４４Ｂ、４４Ｃ…センサ、４４Ｄ…磁石、４５…位置検出部、４６…基準アンテナ、４７…方向アンテナ、４８…位置演算器、４９…ＩＭＵ、５１…操作装置、５２…作業機コントローラ、５２Ａ…記憶部、５２Ｂ…演算部、５３…油圧制御回路、５４…油圧ポンプ、５４Ａ…エンジン、５５…作業機操作レバー、５５Ｌ…左操作レバー、５５Ｒ…右操作レバー、５６…作業機操作検出部、５９…旋回操作レバー、６０…旋回操作検出部、６１…油圧モータ、７０…表示システム、７１…表示入力装置、７１Ａ…入力部、７１Ｂ…表示部、７２…表示コントローラ、７２Ａ…記憶部、７２Ｃ…姿勢演算部、７２Ｄ…第１推定位置演算部、７２Ｅ…第２推定位置演算部、８０…較正装置、８１…入力部、８２…表示部、８３…較正演算部、８３Ａ…計測値取得部、８４…外部計測装置、８５…座標系変換部、８６…作業機パラメータ取得部、８７…パラメータ較正部、８８…第１較正部、８９…第２較正部、３４１…シリンダチューブ、３４２…ピストン、３６１…シリンダチューブ、３６２…ピストン、Ｐ…刃先、α…回動角、β…回動角、γ…回動角、θ1ロール角、θ2…ピッチ角、θ3…ヨー角
Claims (8)
- 作業機械本体と、
前記作業機械本体に回動自在に接続され、前記作業機械本体に設けられた第１油圧シリンダにより駆動される第１駆動部、及び、前記第１駆動部に回動自在に接続され、前記第１駆動部に設けられた第２油圧シリンダにより駆動される第２駆動部を備えた作業機と、
前記作業機械本体に対する前記第１駆動部の回動角情報を検出する第１回動角検出部と、
前記第１駆動部に対する前記第２駆動部の回動角情報を検出する第２回動角検出部と、
検出された第１駆動部及び第２駆動部の回動角情報に基づいて、前記第１駆動部及び前記第２駆動部の姿勢を演算する姿勢演算部と、
前記第１駆動部及び前記第２駆動部を構成する部材に設定された作業機パラメータと、前記姿勢演算部で演算された前記第１駆動部及び前記第２駆動部の姿勢とに基づいて、前記第１駆動部及び前記第２駆動部の基準点の推定位置を演算する推定位置演算部と、を備えた作業機械に装備され、前記作業機パラメータの較正を行う作業機械の較正装置であって、
外部計測装置で計測された、前記作業機械本体、前記第１駆動部、及び前記第２駆動部の基準点の計測値を取得する計測値取得部と、
前記推定位置演算部で用いる前記第１駆動部及び前記第２駆動部を構成する部材の作業機パラメータを取得する作業機パラメータ取得部と、
前記計測値取得部で取得された前記作業機械本体の基準点の計測値、及び前記第１駆動部の基準点の計測値に基づいて、前記第１駆動部を構成する部材の作業機パラメータを較正する第１較正部と、
前記第１較正部で較正された前記第１駆動部を構成する部材の作業機パラメータと、前記計測値取得部で取得された前記作業機械本体の基準点の計測値、前記第１駆動部の基準点の計測値、及び前記第２駆動部の基準点の計測値とに基づいて、前記第２駆動部を構成する部材の作業機パラメータを較正する第２較正部とを備えていることを特徴とする作業機械の較正装置。 - 請求項１に記載の作業機械の較正装置において、
前記第１回動角検出部及び前記第２回動角検出部は、前記第１油圧シリンダ及び前記第２油圧シリンダに設けられ、それぞれのストローク量を検出するストローク量検出部であることを特徴とする作業機械の較正装置。 - 請求項２に記載の作業機械の較正装置において、
前記作業機械は、前記作業機械本体に対する前記第１駆動部の回動角を検出するエンコーダを備え、
前記姿勢演算部は、前記エンコーダで検出された前記第１駆動部の回動角の基準位置に基づいて、前記ストローク量検出部の基準位置の較正を行うことを特徴とする作業機械の較正装置。 - 請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の作業機械の較正装置において、
前記第１較正部及び前記第２較正部は、前記第１駆動部及び前記第２駆動部を構成する部材の作業機パラメータと、前記第１駆動部及び前記第２駆動部の基準点の計測値とを含む数値解析式が、所定の誤差範囲に収束するまで収束演算を行うことにより較正し、
前記第２較正部の許容誤差範囲が、前記第１較正部の許容誤差範囲よりも大きいことを特徴とする作業機械の較正装置。 - 請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の作業機械の較正装置において、
前記第１駆動部は、前記作業機械本体にピンを介して回動自在に接続され、前記作業機械本体に設けられたブームシリンダにより駆動されるブームと、前記ブームの先端にピンを介して回動自在に接続され、前記ブームに設けられたアームシリンダにより駆動されるアームとを備え、
前記第２駆動部は、前記アームの先端にピンを介して接続されるバケットであり、
前記第１駆動部の基準点は、前記アームの先端のピンであり、
前記第２駆動部の基準点は、前記バケットの作業方向先端であることを特徴とする作業機械の較正装置。 - 請求項５に記載の作業機械の較正装置において、
前記第１較正部は、前記作業機械を異なる３姿勢としたときの前記第１駆動部の基準点の計測値に基づいて、前記第１駆動部を構成する部材の作業機パラメータを較正し、
前記第２較正部は、前記作業機械を異なる２姿勢としたときの前記第２駆動部の基準点の計測値に基づいて、前記第２駆動部を構成する部材の作業機パラメータを較正することを特徴とする作業機械の較正装置。 - 作業機械本体と、
前記作業機械本体に回動自在に接続され、前記作業機械本体に設けられたブームシリンダにより駆動されるブーム、前記ブームに回動自在に接続され、前記ブームに設けられたアームシリンダにより駆動されるアーム、及び前記アームに回動自在に接続され、前記アームに設けられたバケットシリンダにより駆動されるバケットを備えた作業機と、
前記作業機械本体に対する前記ブームの回動角情報を検出するブーム回動角検出部と、
前記ブームに対する前記アームの回動角情報を検出するアーム回動角検出部と、
前記アームに対する前記バケットの回動角情報を検出するバケット回動角検出部と、
前記ブーム回動角検出部、前記アーム回動角検出部、及び前記バケット回動角検出部で検出されたそれぞれの回動角情報に基づいて、前記ブーム、前記アーム、及び前記バケットの姿勢を演算する姿勢演算部と、
前記ブーム、前記アーム、前記バケットに設定された作業機パラメータと、前記姿勢演算部で演算された前記ブーム、前記アーム、及び前記バケットの姿勢とに基づいて、前記バケットの刃先の推定位置を演算する推定位置演算部と、を備えた作業機械に装備され、前記作業機パラメータの較正を行う作業機械の較正装置であって、
外部計測装置で計測された、前記作業機械本体の基準点の計測値、前記ブームの基準点の計測値、前記アームの基準点の計測値、及び前記バケットの基準点の計測値を取得する計測値取得部と、
前記推定位置演算部で用いる前記ブーム、前記アーム、及び前記バケットの作業機パラメータを取得する作業機パラメータ取得部と、
前記計測値取得部で取得された前記作業機械本体、前記ブーム、及び前記アームの基準点の計測値に基づいて、前記ブーム及び前記アームの作業機パラメータを較正する第１較正部と、
前記第１較正部で較正された前記ブーム及び前記アームの作業機パラメータと、前記計測値取得部で取得された、前記作業機械本体、前記ブーム、前記アーム、及び前記バケットの基準点の計測値とに基づいて、前記バケットの作業機パラメータを較正する第２較正部とを備えていることを特徴とする作業機械の較正装置。 - 作業機械本体と、
前記作業機械本体に回動自在に接続され、前記作業機械本体に設けられた第１油圧シリンダにより駆動される第１駆動部、及び、前記第１駆動部に回動自在に接続され、前記第１駆動部に設けられた第２油圧シリンダにより駆動される第２駆動部を備えた作業機と、
前記作業機械本体に対する前記第１駆動部の回動角情報を検出する第１回動角検出部と、
前記第１駆動部に対する前記第２駆動部の回動角情報を検出する第２回動角検出部と、
検出された第１駆動部及び第２駆動部の回動角情報に基づいて、前記第１駆動部及び前記第２駆動部の姿勢を演算する姿勢演算部と、
前記第１駆動部及び前記第２駆動部を構成する部材に設定された作業機パラメータと、前記姿勢演算部で演算された前記第１駆動部及び前記第２駆動部の姿勢とに基づいて、前記第１駆動部及び前記第２駆動部の基準点の推定位置を演算する推定位置演算部と、を備えた作業機械で実施され、前記作業機パラメータを較正する作業機械の作業機パラメータの較正方法であって、
前記第１駆動部及び前記第２駆動部を構成する部材に設定された作業機パラメータを取得する手順と、
外部計測装置を用いて計測された、前記作業機械本体、前記第１駆動部、及び前記第２駆動部の基準点の計測値を取得する手順と、
前記作業機械本体及び前記第１駆動部の基準点の計測値に基づいて、前記第１駆動部を構成する部材の作業機パラメータを較正する手順と、
較正された前記第１駆動部を構成する部材の作業機パラメータと、前記作業機械本体、前記第１駆動部、及び前記第２駆動部の基準点の計測値とに基づいて、前記第２駆動部を構成する部材の作業機パラメータを較正する手順とを実施することを特徴とする作業機械の作業機パラメータの較正方法。
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