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

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 Download PDF

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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。
特開2012−202061号公報
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
本発明の実施形態に係る作業機械の斜視図。 前記実施形態における作業機械の模式側面図。 前記実施形態における作業機械の模式背面図。 前記実施形態における作業機械の模式平面図。 前記実施形態における作業機械の制御ブロック図。 前記実施形態における第1エンコーダの取り付け位置を表す側面図。 前記実施形態における第1エンコーダの構造を表す斜視図。 前記実施形態における磁力センサの構造を表す模式図。 前記実施形態における作業機械のブームの側面図。 前記実施形態における作業機械のアームの側面図。 前記実施形態における作業機械のアーム及びバケットの側面図。 前記実施形態における作業機械のバケットの側面図。 前記実施形態における作業機械のシリンダの側面図。 前記実施形態における作業機械の較正装置の機能ブロック図。 前記実施形態における外部計測装置による作業機械の計測手順を表すフローチャート。 前記実施形態における作業機械のブームピン位置の計測方法を説明するための模式図。 前記実施形態における作業機械のバケットピン位置の計測方法を説明するための模式図。 前記実施形態における作業機械のバケットの刃先位置の計測方法を説明するための模式図。 前記実施形態の作用を説明するためのフローチャート。 前記実施形態の効果を説明するための模式図。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
[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。
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。
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。
・・・(1)
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。
・・・(2)
但し、ω、φ、κは以下の式(3)のように表される。
・・・(3)
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。
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、
・・・(4)
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。
・・・(5)
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。
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。
・・・(6)
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、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。
・・・(7)
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。
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。
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。
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。
[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。
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)。
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。
[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。
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。
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。
・・・(8)
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J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J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J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。
[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。
[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。
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)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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。
  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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