JP6826062B2 - 計測治具 - Google Patents

Description

本発明は計測治具に関する。

近年，ＩＣＴ（Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ：情報通信技術）を建設施工に適用して，多様な情報を効率的に活用して施工の合理化を図る情報化施工の普及が進められている。作業機械である油圧ショベルには，多関節型のフロント作業装置を構成するバケットの実際の位置と角度を計測し，その計測結果を反映したバケットの画像を予め入力した設計図（目標施工面）とともにキャブ内の表示装置に並列表示することで，オペレータの操作を誘導するマシンガイダンスシステムを搭載したものがある。また，予め入力した設計データと計測したバケットの実際の位置と角度を制御装置（コントローラ）に入力し，バケット先端が目標施工面に近づくと，所定の距離以上は近接しないようにフロント作業装置の動作を制限制御するマシンコントロールシステムを搭載したものがある。

このような情報化施工で使用される作業機械には，車体本体の位置，姿勢，向きの情報や，フロント作業装置の各部材の角度の情報を用いて，基準となる座標系におけるフロント作業装置の各部（例えばバケット爪先）の位置を推定する機能がある。情報化施工が正しく実施されるためには，この位置推定機能が高精度である必要がある。位置推定機能の精度を向上するためには，位置推定に用いる演算パラメータを設定し，その演算パラメータが適切か否かを確認する較正作業を事前に実施する必要がある。演算パラメータの設定および確認には，作業機械上の所望の計測点の位置をトータルステーションと呼ばれる測量機器で求め，その位置が利用される。トータルステーションによる位置計測を効率よく行うためには作業機械上の所望の計測点にプリズムミラーと呼ばれる計測ターゲットを適切に取付ける必要がある。

このような計測ターゲットを作業機械に取付ける治具として，特許文献１にあるような治具が知られている。特許文献１に記載の治具は，プリズムミラーと，プリズムミラーを被取付け部（例えばバケット爪先）に取付ける取付け部材とを備えている。取付け部材には，取付け部材と被取付け部との当接位置を視認可能にする開口部が設けられ，正しく取付けられているかの確認が可能となっている。また，プリズムミラーは取付け部材に対し回動自在かつ着脱自在な支持手段で支持され，プリズムミラーの回動点とミラー中心および計測点とが一致している。これにより，トータルステーションに対してプリズムミラーを正対させる必要が無く，また治具を取付けた後にトータルステーションからミラー中心が視認できないような場合でも，プリズムミラーを回動させることで計測可能となる。そして，取付け部材と被取付け部の固定に磁石を用いることにより設置作業が迅速になること，またプリズムミラーの支持手段と取付け部材との取付け位置を長穴およびボルトにより調整可能となることが例示されている。

国際公開第２０１５／０４０７２６号パンフレット

トータルステーションを用いてフロント作業装置上の計測点の位置を計測するにあたり，計測点は様々な種類のフロント作業装置上の様々な位置に割り当てられる。例えば，バケットの先端位置に計測点が割り当てられることが一般的であるが，バケットの先端形状は使用するバケットの種類によって様々な形状を取り得る。また，バケットの先端に限らず，例えばブームとアームを連結するピンの位置が計測点となることもある。このように，様々な計測点にプリズムミラーを取付ける必要がある。

例えば，バケットの先端に計測点を割り当てた場合，フロント作業装置に種々の姿勢をとらせてトータルステーションで計測点（バケット先端）の位置を計測することがある。この場合，計測作業の効率化の観点からは，バケット先端に計測治具を介してプリズムミラーを取付けたままフロント作業装置を動作できることが好ましい。すなわちフロント作業装置の動作時に生じる振動や加速度を受けてもプリズムミラーの位置ズレや脱落が生じない計測治具が好ましい。この点に関し，特許文献１の治具の取付け部材は，Ｌ字型の部材であり，その上面に取付けた複数の磁石を介してバケットの爪（被取付け部材）の背面に結合されているのみである。そのため，フロント作業装置を動作させた際に生じる力（例えば遠心力）で取付け部材が容易に位置ズレしたり脱落したりする虞がある。

その一方で，プリズムミラーを爪先に取付けた状態で地面などの障害物に誤って爪先を接触させてしまう可能性もある。この場合，プリズムミラーと爪先の結合が強固過ぎると障害物と爪の接触時の衝撃荷重がダイレクトにプリズムミラーに作用して容易に破損する可能性がある。すなわちプリズムミラーと爪先の結合を単純に強化するだけでなく，このような場合にプリズムミラーが破損する可能性を低減する仕組みが必要である。

本発明の目的は，プリズムミラーの取付け対象（計測対象物）が動作してもプリズムミラーの位置ズレや脱落がし難く，かつ，取付け対象に衝撃荷重が作用した際のプリズムミラーの破損の可能性を低減できる計測治具を提供することにある。

本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが，その一例を挙げるならば，単一平面上で動作する計測対象物に取付けられ，トータルステーションとともに計測点の位置計測に用いられる計測治具において，前記トータルステーションからの投射光を反射するプリズムミラーを保持し，前記プリズムミラーの軸方向におけるミラー頂点側に配置され凸部が設けられた第１面を有するターゲット部材と，前記凸部に係合される凹部が設けられた第２面を有する取付け部材と，前記単一平面と前記第２面が平行に配置されるように前記取付け部材を前記計測対象物に固定する固定部材と，前記第１面と前記第２面を隣接して対向配置させて前記凸部を前記凹部に係合させた状態で前記ターゲット部材を前記取付け部材に対して着脱可能に結合する結合部材とを備えることを特徴とする。

本発明によれば，プリズムミラーの取付け対象が動作してもプリズムミラーの位置ズレや脱落がし難く，また，取付け対象に衝撃荷重が作用した際のプリズムミラーの破損の可能性を低減できる。

本発明の実施形態に係る計測治具が適用される油圧ショベルの外観を示す図である。 コントローラによるバケット先端の位置推定に用いられる要素と，車体座標系（ＸＹＺ座標系）及びトータルステーションの座標系（ＵＶＷ座標系）を説明する図である。 本発明の実施形態に係る計測治具の斜視図である。 ターゲット部材５０の端面５６側の平面図である。 図４中のＶ断面におけるターゲット部材５０の断面図である。 プリズムミラー５１の構造の説明図である。 プリズムミラーの入射面に対し垂直に入射する光線とその反射の特性を説明する図である。 プリズムミラーの入射面に対し斜めに入射する光線とその反射の特性を説明する図である。 バケット先端に取付けられる取付け部材６０と高さ調整シム７２の一例を示す図である。 バケット先端に取付けられるクランプ７１の一例を示す図である。 取付け部材６０の位置合わせの説明図である。 フロント作業装置１Ａを回動させた時にターゲット部材５０に掛かり得る力の説明図である。 フロント作業装置１Ａを回動させた時にターゲット部材５０に掛かり得る力の説明図である。 ブームフートピン用の取付け部材６０Ａ及び固定部材７０Ａの斜視図である。 図１４中の矢印ＸＶ方向における取付け部材６０Ａと固定部材７０Ａの矢視断面図である。 ブームフートピン用の取付け部材６０Ｂの斜視図である。 取付け部材６０Ｂを用いてブームフートピン３５にターゲット部材５０を取り付けた状態における取付け部材６０Ｂとターゲット部材５０の断面図である。

以下，本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお，以下では，作業装置の先端の作業具（アタッチメント）としてバケット１０を備える油圧ショベルを例示するが，バケット以外のアタッチメントを備える作業機械で本発明を適用しても構わない。さらに，単一平面上で動作する複数のフロント部材（アタッチメント，アーム，ブーム等）を連結して構成される多関節型の作業装置を有するものであれば油圧ショベル以外の作業機械への適用も可能である。

以下の説明では，同一の構成要素が複数存在する場合，符号（数字）の末尾にアルファベットを付すことがあるが，当該アルファベットを省略して当該複数の構成要素をまとめて表記することがある。例えば，２つのポンプ２ａ，２ｂ，が存在するとき，これらをまとめてポンプ２と表記することがある。

＜油圧ショベル＞
図１は本発明の実施形態に係る計測治具が取付けられる油圧ショベルの構成図である。図１において，油圧ショベル１は，多関節型のフロント作業装置１Ａと，車体１Ｂで構成されている。車体１Ｂは，左右の走行油圧モータ３ａ（図示せず），３ｂにより走行する下部走行体１１と，下部走行体１１の上に取付けられ，旋回油圧モータ４により旋回する上部旋回体１２とからなる。

フロント作業装置１Ａは，それぞれ回動する複数のフロント部材（ブーム８，アーム９及びバケット１０）を連結して構成されている。ブーム８，アーム９及びバケット１０は，ブーム８，アーム９及びバケット１０の車体１Ｂの幅方向における中心を通過する同一平面上でそれぞれ回動動作する。本稿ではこの平面を動作平面と称することがある。これにより上部旋回体１２の旋回角を固定した場合，フロント作業装置１Ａ上の任意の点は，フロント作業装置１Ａを動作させることで単一の平面上を移動することとなる。

ブーム８の基端は上部旋回体１２の前部においてブームフートピン（ブームピン）を介して回動可能に支持されている。ブーム８の先端にはアームピン（ブーム先端ピン）を介してアーム９が回動可能に連結されており，アーム９の先端にはバケットピン（アーム先端ピン）を介してバケット１０が回動可能に連結されている。これら複数のフロント部材８，９，１０は複数の油圧アクチュエータである油圧シリンダ５，６，７によって駆動される。具体的には，ブーム８はブームシリンダ５によって駆動され，アーム９はアームシリンダ６によって駆動され，バケット１０はバケットシリンダ７によって駆動される。

ブーム８，アーム９，バケット１０の姿勢に関する物理量である回動角度α，β，γ（図２参照）を測定可能なように，ブーム８にブーム角度センサ３０，アーム９にアーム角度センサ３１，バケットリンク１３にバケット角度センサ３２が取り付けられ，上部旋回体１２には基準面（例えば水平面）に対する上部旋回体１２（車体１Ｂ）の傾斜角θ（図２参照）を検出する車体傾斜角センサ３３が取付けられている。なお，本実施形態の角度センサ３０，３１，３２は慣性計測装置（ＩＭＵ）であるが，それぞれロータリーポテンショメータや重力方向に対する傾斜角を検出する傾斜角センサなどに代替可能である。また，車体傾斜角センサ３３についても重力方向に対する傾斜角を検出可能なセンサに代替しても良い。

上部旋回体１２に設けられた運転室内には，走行右油圧モータ３ａ（下部走行体１１）を操作する走行右レバー２３ａと，走行左油圧モータ３ｂ（下部走行体１１）を操作するための走行左レバー２３ｂと，ブームシリンダ５（ブーム８）及びバケットシリンダ７（バケット１０）を操作するための操作右レバー１ａと，アームシリンダ６（アーム９）及び旋回油圧モータ４（上部旋回体１２）を操作するための操作左レバー１ｂが設置されている。以下では，走行右レバー２３ａ，走行左レバー２３ｂ，操作右レバー１ａおよび操作左レバー１ｂを操作レバー１，２３と総称することがある。

上部旋回体１２に搭載された原動機であるエンジン１８は，油圧ポンプ２ａ，２ｂとパイロットポンプ（図示せず）を駆動する。油圧ポンプ２ａ，２ｂはレギュレータによって容量が制御される可変容量型ポンプであり，パイロットポンプは固定容量型ポンプである。油圧ポンプ２およびパイロットポンプはタンク（図示せず）より作動油を吸引する。

油圧ポンプ２から吐出された圧油は，流量制御弁（図示せず）を介して走行右油圧モータ３ａ，走行左油圧モータ３ｂ，旋回油圧モータ４，ブームシリンダ５，アームシリンダ６，バケットシリンダ７に供給される。供給された圧油によってブームシリンダ５，アームシリンダ６，バケットシリンダ７が伸縮して，ブーム８，アーム９，バケット１０がそれぞれ回動し，バケット１０の位置及び姿勢が変化する。また，供給された圧油によって旋回油圧モータ４が回転して，下部走行体１１に対して上部旋回体１２が旋回する。そして，供給された圧油によって走行右油圧モータ３ａ，走行左油圧モータ３ｂが回転して，下部走行体１１が走行する。

ブーム８，アーム９及びバケット１０の姿勢とフロント作業装置１Ａの姿勢は図２の車体座標系（ローカル座標系）上に定義できる。図２の車体座標系（ＸＹＺ座標系）は，上部旋回体１２に設定された座標系であり，ブームフートピンの中心軸の中心を原点とし，ブームフートピンの中心軸に沿ったＹ軸，上部旋回体の旋回軸に沿ったＺ軸，これらＹ軸及びＺ軸に直交するＸ軸を持つ，右手直交系の座標系である。このときY軸は紙面から垂直に立ち上がる方向が正となる。Ｘ軸に対するブーム８の傾斜角をブーム角α，ブーム８に対するアーム９の傾斜角をアーム角β，アーム９に対するバケット爪先の傾斜角をバケット角γとした。重力方向に対する車体１Ｂ（上部旋回体１２）の傾斜角を傾斜角θとした。ブーム角αはブーム角度センサ３０により，アーム角βはアーム角度センサ３１により，バケット角γはバケット角度センサ３２により，傾斜角θは車体傾斜角センサ３３により検出される。図２中に規定したように，ブームフートピン中心とブーム先端ピン中心を結んだ線分の長さ，ブーム先端ピン中心とアーム先端ピン中心を結んだ線分の長さ，アーム先端ピン中心とバケット先端中央を結んだ線分の長さをそれぞれＬ１，Ｌ２，Ｌ３とすると，車体座標系におけるバケット爪先中央の位置座標，ブーム８，アーム９及びバケット１０の姿勢および作業装置１Ａの姿勢はＬ１，Ｌ２，Ｌ３，α，β，γで表現できる。

油圧ショベル１には，プロセッサ（ＣＰＵ等）と記憶装置（ＲＯＭ，ＲＡＭ等）を備えるコントローラ（図示せず）が搭載されている。コントローラは，各センサ３０，３１，３２の検出信号を入力して上記の角度α，β，γを演算し，その演算した角度α，β，γと寸法Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３から車体座標系におけるバケット爪先中央の位置座標を演算する位置推定機能を具備している。コントローラで算出された位置情報はマシンガイダンスシステムやマシンコントロールシステム等に利用される。なお，コントローラが演算する位置情報はバケット爪先中央に限らず，油圧ショベル１上の任意の点に設定可能である。

＜計測治具＞
図３は本発明の実施形態に係る計測治具４０の斜視図である。トータルステーションでバケット１０の爪先の位置を計測する場合（すなわち，計測対象物がバケット１０の爪先の場合），計測治具４０はバケット１０が有する複数のツース（爪）１０Ａ（図１参照）の先端に取付けることができる。図３は複数のツース１０Ａのうちトータルステーションに最も近いツース１０Ａの先端に計測治具４０が取付けられた状態を示している。

図３に示す計測治具４０は，トータルステーションからの投射光（例えばレーザー）を反射するプリズムミラー５１（図５参照）を内部に保持する略円筒状のターゲット部材５０と，ターゲット部材５０を取付けるための略Ｌ字型の板部材である取付け部材６０と，取付け部材６０を計測対象物（例えばツース１０Ａ）に固定するための固定部材７０（クランプ７１及び高さ調整シム７２）と，ターゲット部材５０を取付け部材６０に対して着脱可能に結合するための結合部材８０とを備えている。

ターゲット部材５０は略円筒状のケーシング５３を有する。ケーシング５３の軸方向における一方の端面５５にはプリズムミラー５１が収納される凹部（図５参照）がプリズムミラー５１の形状に合わせて形成されている。当該凹部に収納されたプリズムミラー５１はケーシング５３の端面５５の内側に嵌合されるリング状のフレーム５２（図５参照）により固定されている。

図４はケーシング５３の軸方向における他方の端面（第１面）５６の平面図である。図５はターゲット部材５０の断面図であり，図４中の矢印Ｖは図５の断面図の切断面を示している。図５に示すように，プリズムミラー５１は，その中心軸５１ｂがケーシング５３の端面５６と直交するようにケーシング５３内に保持されている。ケーシング５３の端面５６の中心にはプランジャ５４が設けられている。

プランジャ５４は，取付け部材６０に対するターゲット部材５０（すなわちプリズムミラー５１）の位置決めをするための部品である。本実施の形態のプランジャ５４は，いわゆるボールプランジャであり，ピン部材として球体のボール（凸部）５４ａと，ボール５４ａが収納される凹部５４ｃの軸方向にボール５４ａを進退可能に保持するスプリング（ばね部材）５４ｂを有している。凹部５４ｃはボール５４ａとスプリング５４ｂが収納される円筒状の溝である。ボール５４ａはスプリング５４ｂにより保持されている。スプリング５４ｂが自然長のとき，ボール５４ａは端面５６から一部が突出するように保持されており端面５６上の凸部となっている。端面５６からのボール５４ａの突出量はスプリング５４ｂにより調節可能である。円筒状の凹部５４ｃの中心軸はプリズムミラーの中心軸５１ｂと一致し，凹部５４ｃの中心軸上にはボール５４ａの中心が位置する。ボール５４ａの径と凹部５４ｃの径は略同じであり，ボール５４ａは自身の中心の位置を凹部５４ｃの中心軸上に保持しながら当該中心軸に沿って凹部５４ｃ内を摺動できる。ボール５４ａを凹部５４ｃの内部に押し込む方向の外力がボール５４ａに作用すると，スプリング５４ｂがボール５４ａを凹部５４ｃの外部に押し出す向きの復元力を発生する。

プランジャ５４の外周には４つの円盤状の永久磁石（例えばネオジム磁石）８０が等間隔で配置されている。本実施形態ではケーシング５３の端面５６に対向配置される取付け部材６０の材料が鉄，コバルト，ニッケル等の強磁性体となっており，この４つの磁石８０がターゲット部材５０と取付け部材６０の結合部材８０を構成している。各磁石８０はケーシング５３の端面５６に設けた略円盤状の凹部に収納されており，当該凹部に収納されたときの各磁石８０の上面（端面５６側の面）は端面５６とともに概略平面を形成している。なお，図示した磁石８０の形状や数は一例に過ぎず任意の形状や数を選択できる。

プリズムミラー５１は，プリズムミラー５１の中心軸５１ｂ上においてミラー頂点５１ａと対向する面を入射面５１ｃとし，その入射面５１ｃに入射した光線を，入射した方向に反射する特性を持つ光学機器である。本実施形態のプリズムミラー５１は，３枚の平面を互いに直角に組み合わせたコーナーキューブプリズムであり，当該３枚の平面の交点がミラー頂点５１ａとなっている。プリズムミラー５１の中心軸５１ｂはミラー頂点５１ａを通る。プリズムミラー５１の内部はガラスで充填されている。

プリズムミラー５１のミラー頂点５１ａ側の部分は，図６に示すように，前述の３枚の平面の内壁がミラー状になった立方体の１つの角を切り取ったような形状（コーナーキューブ）をしている。ただし，本実施形態では，円筒状のケーシング５３内に収納するためにコーナーキューブの底面側（入射面５１ｃ側）の側面を円筒状に切削しているため，図６のような４面体形状とはなっていない（図５参照）。

図７に図６のコーナーキューブをミラー頂点と中心軸を通過する面で切断した断面図を示す。図７において，入射光線と反射光線のそれぞれの光路は平行であるが，光路間の距離は入射光線の入射位置によって異なり，反射点がミラー頂点に近いほど入射光線と反射光線の光路が近くなる。一方で，プリズムミラーがガラスで充填されていることから，トータルステーションからの入射光線が入射面に斜めに入射した場合，光線の屈折が生じる。すなわち，図８のように，入射面に対する入射光線の入射角が大きくなるほど，ミラー頂点で反射する場合の光線の見かけの光路が実際の光路から離れるため，トータルステーションがみかけのミラー頂点の方向にミラー頂点があると判断してしまい，ミラー頂点の座標値について計測誤差が発生する。

油圧ショベルの計測点（例えばツース１０Ａの先端）は所定の動作平面上に限定されるものの一般的に広い領域内を動き得る。そのため，トータルステーションからの入射光がプリズムミラーの入射面に常に垂直に入射するようトータルステーション及びプリズムミラーを配置することは非常に手間のかかる作業となる。

このような入射角の問題に対し，様々な入射角でミラー頂点に向かって入射した光線の見かけの光路が集中するミラー中心（図８参照）と呼ばれる点が存在することが知られており，このミラー中心の位置を計測するように調整する機能がトータルステーションに備えられている。従って，ミラー頂点ではなくミラー中心を計測することで，プリズムミラーの入射面に対するトータルステーションからの入射光の入射角度がトータルステーションの座標計測結果に与える影響を低減することが可能となる。これにより，トータルステーションとプリズムミラーを組み合わせて迅速かつ正確に計測可能となる。ただし，ミラー中心はプリズムミラーの内部に存在するため，フロント作業装置１Ａの外縁部に割り当てられた計測点にミラー中心を直接設置することは不可能である。しかし，後述するような座標変換を行うことでミラー中心の問題は解消される。

取付け部材６０は，図９に示すような所定の厚みの長方形状の板部材をその長軸方向の途中で９０度折り曲げたようなＬ字型の板部材（例えば鉄製）であり，固定部材７０（クランプ７１及び高さ調整シム７２）による固定時にフロント作業装置１Ａの動作平面に沿って配置される縦板部６０ａと，縦板部６０ａに略直角で交わる横板部６０ｂとから成る。固定部材７０による固定時，縦板部６０ａの外側面（第２面）６０ａ１はターゲット部材５０の端面５６と隣接して対向配置され，縦板部６０ａの内側面６０ａ２はツース１０Ａの幅方向に配置される２つの側面のうち一方の側面と隣接して対向配置される。

縦板部６０ａにはターゲット部材５０のプランジャ５４の固定溝となる貫通孔（凹部）６１が設けられている。貫通孔６１は縦板部６０ａの外側面６０ａ１上にプランジャ５４のボール５４ａが係合される円形の輪郭を形成している。当該円形の径はボール５４ａの径より小さく設定されている。本実施形態の貫通孔６１は円筒状に形成されており外側面６０ａ１に現れる円形と同一の径を軸方向に有している。ボール５４ａが係合される固定溝（凹部）の機能のみを具備する観点に基づけば貫通孔６１は有底状の凹部に代替可能である。ただし，プランジャ５４用の固定溝を貫通孔６１とすると，当該貫通孔６１の中心に計測点（例えばツース１０Ａの先端）が位置するように取付け部材６０を計測対象物に固定することが容易となり，その結果プリズムミラー５１の中心軸５１ｂを当該計測点と同一直線上に配置することが容易となる。

本実施形態の固定部材７０はクランプ７１と高さ調整シム７２である。
図３，９に示した高さ調整シム７２は，計測対象物の厚み（例えばツース１０Ａの先端の厚み）と，横板部６０ｂの内側面６０ｂ２から貫通孔６１の中心までの距離を考慮して，取付け部材６０を測定対象物に固定した場合に計測点が貫通孔６１の中心に位置するように設定された所定の厚み及び形状を有する板部材である。図示した高さ調整シム７２は一例に過ぎずその厚みや形状は計測対象物に応じて変更することできる。図示の例では高さ調整シム７２をツース１０Ａと取付け部材６０の間に配置しているが，取付け部材６０のみで計測点が貫通孔６１の中心に配置できる場合には高さ調整シム７２は省略可能である。

図１０はクランプ７１の概略構成図である。図示のクランプ７１は，略Ｃ字型に屈曲したクランプ本体７１ａと，クランプ本体７１ａにおける上側の先端部に設けられた孔であって当該孔の内側にねじ溝が切られている雌ねじ部７１ｂと，雌ねじ部７１ｂに挿入される雄ねじであって軸部の外周面上にねじ溝が切られた締め付けネジ７１ｃと，締め付けネジ７１ｃの軸方向における一方側の端部（すなわち下端）に設けられた可動口金部７１ｄと，締め付けネジ７１ｃの軸方向における他方側の端部（すなわち上端）に設けられた貫通孔７１ｅに挿入されたハンドル部７１ｆと，クランプ本体７１ａにおける下側の先端部に設けられた固定口金部７１ｇを備えている。

可動口金部７１ｄと固定口金部７１ｇは互いに対向する面がそれぞれ平坦面となっている。可動口金部７１ｄは締め付けネジ７１ｃのネジ先に対して揺動自在に取付けても良い。貫通孔７１ｅは締め付けネジ７１ｃの軸方向に直交する方向を軸方向とする円筒状の孔である。貫通孔７１ｅに挿入されたハンドル部７１ｆを締め付けネジ７１ｃの周方向に回転させると締め付けネジ７１ｃがその軸方向に沿って進退して可動口金部７１ｄと固定口金部７１ｇの距離が増減される。

＜確認作業＞
本実施形態の計測治具４０とトータルステーションを用いて，油圧ショベル１のコントローラによる位置推定機能が正しく機能しているかを確認する確認作業について説明する。

一般的なトータルステーションでは，任意の点を原点にでき，重力方向を軸の一つに持つ直交座標系（例えばグローバル座標系）が利用できる。トータルステーションから任意の計測点又はその近傍に取付けたプリズムミラー５１に向けてレーザー（投射光）を照射し，その反射光を利用してトータルステーションから見た当該計測点の距離と角度（鉛直角・水平角）を計測することで，当該座標系（例えばグローバル座標系）における計測点の座標値を算出することが可能である。

トータルステーション本体の向きを自動的に調整するサーボモータを搭載したトータルステーションでは，入射光と反射光の光路差を監視することで，入射光線がミラー頂点で反射する向きにレーザーを自動的に向けることができる。このようなトータルステーションを用いれば，例えば，フロント作業装置１Ａの姿勢，すなわち計測点であるツース１０Ａの位置が変わるごとにトータルステーションの向きを計測員が調節する必要が無くなるので，位置計測の効率が向上する。

一般に，トータルステーションの座標系は車体座標系とは一致しない。そのため，トータルステーションの計測結果と，車体座標系での推定位置とを比較するためには，適切な座標変換を行う必要がある。ここではトータルステーションの座標系をＵＶＷ座標系とする。ＵＶＷ座標系は，Ｕ軸，Ｖ軸及びＷ軸で定義される右手直交系の座標系である。Ｗ軸は重力方向と平行であり，Ｗ軸の負の方向を重力方向とする。このときＵ軸，Ｖ軸はともに水平面上に設定されるが更なる設定の詳細は後述する。

計測点の位置計測の準備として，まず，油圧ショベル１（下部走行体１１）を可能な限り平坦かつ硬い地面に置く。ただし，地面に傾斜角θがある場合には，上部旋回体１２の左右方向の傾斜，すなわち水平面（Ｕ−Ｖ平面）に対するＹ軸の傾斜が０度となる旋回角度まで上部旋回体１２を旋回させて静止する。このようにすることで，車体座標系のＹ軸が水平となり，座標変換が容易となる。

トータルステーションは，ブームフートピンの軸方向における端面が視認可能な位置，すなわち車体右側に設置する。

次に，図２に示すように，トータルステーションの座標系のＶ軸が車体座標系のＹ軸と平行になるように，トータルステーションの座標系（ＵＶＷ座標系）を設定する。なお，トータルステーションの座標系の原点は任意の点として良い。

以上のように２つの座標系（ＸＹＺ座標系，ＵＶＷ座標系）を設定することにより，フロント作業装置１Ａを動かした場合にフロント作業装置１Ａ上の任意の点が通り得るＸ−Ｚ平面はトータルステーションの座標系のＵ−Ｗ平面と平行になる。つまり，フロント作業装置１Ａを動かしてもフロント作業装置１Ａ上の任意の点のＶ軸方向の座標値が変化することが無いため，Ｖ軸方向に関する計測結果を無視でき，Ｕ−Ｗ平面上の計測結果のみに着目すれば良い。これによりトータルステーションの座標系と車体座標系との間の座標変換が原点の平行移動とＹ軸周りの角度θ分の回転移動のみで可能となる（図２参照）。

また，このとき，計測点とミラー中心のずれはＶ軸方向のみに制限される。計測点とミラー中心とのずれをＶ軸方向のみに制限しておけば，計測点とミラー中心のずれを無視してトータルステーションの計測結果と推定結果（すなわちコントローラによる演算結果）との比較を行うことが可能となる。

（プリズムミラー５１の中心軸５１ｂの計測点への固定方法）
本実施形態では計測点を，（１）車体右端に位置するツース１０Ａの先端におけるツース厚み方向の中心点ＴＭ（図１１参照）と，（２）ブームフートピンにおける車体右側端面の中心点に設定する。以下，計測治具４０を用いてプリズムミラー５１の中心軸５１ｂを計測点に固定する方法を説明する。

（ツース１０Ａへの固定）
ツース１０Ａの先端へのターゲット部材５０（プリズムミラー５１）の固定について説明する。まず，ツース１０Ａの先端への取付け部材６０の固定について説明する。図３に示すように，車体右端に位置するツース１０Ａの先端において，ツース１０Ａと取付け部材６０の間に適切な厚み及び形状を有する高さ調整シム７２を配置し，取付け部材６０の縦板部６０ａが車体右側に，横板部６０ｂがツース１０Ａ及び高さ調整シム７２の下方に位置するように取付け部材６０を配置する。この状態で，クランプ７１の可動口金部７１ｄをツース１０Ａの上方に，クランプ７１の固定口金部７１ｇを取付け部材６０の横板部６０ｂの下方に配置する。そして，可動口金部７１ｄと固定口金部７１ｇの距離が減少する方向にハンドル部７１ｆを回転し続けるとクランプ７１の発生する締め付け力により取付け部材６０がツース１０Ａの先端（すなわちバケット１０の先端）に強固に固定される。

この際，作業者は取付け部材６０の縦板部６０ａの外側面６０ａ１がＸ−Ｚ平面（すなわちフロント作業装置１Ａの動作平面）と平行に配置されるように取付け部材６０を固定する。これによりプリズムミラー５１の中心軸５１ｂがＸ−Ｚ平面とＵ−Ｗ平面に直交するように取付け部材６０を配置できる。また，作業者は取付け部材６０の貫通孔６１を介してツース１０Ａの中心点（すなわち計測点）ＴＭと貫通孔６１の中心ＨＭの位置関係を目視しながら，図１１に示すようにツース１０Ａの中心点ＴＭと貫通孔６１の中心ＨＭが一致するように取付け部材６０を固定する。これによりプリズムミラー５１の中心軸５１ｂがツース１０Ａの中心点ＴＭを通過する位置に取付け部材６０を配置できる。その結果，計測点ＴＭとミラー中心の位置ズレはＹ軸とＶ軸方向のみに制限できる。

取付け部材６０の固定が完了したら，取付け部材６０の外側面６０ａ１にターゲット部材５０を取付ける。その際，外側面６０ａ１に設けられた貫通孔（凹部）６１に対してプランジャ５４のボール５４ａを係合させながらターゲット部材５０の端面５６を外側面６０ａ１に当接させる。この貫通孔（凹部）６１とボール５４ａの係合により，ターゲット部材５０の外側面６０ａ１に沿った移動（すなわち，Ｘ−Ｚ平面とＵ−Ｗ平面に沿った移動）が拘束される。また，プランジャ５４のスプリング５４ｂの復元力とボール５４ａの凹部５４ｃの内壁面に沿った摺動の作用により貫通孔（凹部）６１とボール５４ａが係合を保持した状態で外側面６０ａ１と端面５６が当接される。これにより互いに充分に接近した取付け部材６０とターゲット部材５０は，ターゲット部材５０の端面５６に配置された４つの永久磁石８０の発生する磁力で結合される。この結果，貫通孔（凹部）６１の中心ＨＭとプリズムミラー５１のミラー頂点５１ａと中心軸５１ｂが同一直線上に配置される。すなわち貫通孔（凹部）６１の中心ＨＭと同軸上にプリズムミラー５１の中心軸５１ｂを容易に配置できる。またスプリング５４ｂの復元力の作用によりターゲット部材５０を取付け部材６０にガタつき等がなく安定した状態で取付けることができる。

なお，このようにフロント作業装置１Ａの外縁部にターゲット部材５０が取付けられる場合には，ターゲット部材５０の外周に，ミラー中心の計測が妨げられない程度の大きさの緩衝材を取付けることが好ましい。これによりフロント作業装置１Ａが地面等に接触した際のプリズムミラー５１の破損の可能性を低減できる。

（ブームフートピンへの固定）
次にブームフートピンにおける車体右側端面の中心点へのターゲット部材５０（プリズムミラー５１）の固定について説明する。図１６はブームフートピン３５へのターゲット部材５０の固定方法の一例を示す図であり，図１７はブームフートピン３５の中心軸３７を含む面によるブームフートピン周辺の断面図である。一般的に，フロント作業装置１Ａの各部を連結する各ピン（ブームフートピン，アームピン，バケットピン）は磁着可能な素材（すなわち強磁性体）でできている。また，ピン端面は極めて平坦かつピンの中心軸３７と直交しており，ピン端面の中心にはピンの加工に用いられるセンタ穴が凹部として残っていることが多い。そして，センタ穴にはピンの中心軸３７と同じ中心軸を有するネジ穴（雌ねじ部）３６が追加工されている場合があり（すなわちネジ穴３６はピン端面の中心に位置する），そのネジ穴３６の径がターゲット部材５０のボール５４ａの径より大きい場合がある。この場合のブームフートピン３５へのターゲット部材５０の固定方法としては，ブームフートピン３５に強磁性体からなる取り付け部材６０Ｂを介してターゲット部材５０を固定するものがある。取り付け部材６０Ｂは，ブームフートピン３５の軸方向端面（例えば車体右側端面）に当接される端面６０ａ２と，端面６０ａ２から突出して設けられたネジ部（雄ねじ部）６５と、ネジ部６５の中心軸と直交する平坦な面でありターゲット部材５０の端面５６が当接される端面６０ａ１と、ターゲット部材５０のプランジャ５４のボール５４ａが係合される円形の輪郭を端面６０ａ１上に有する凹部６１Ａを備えている。ネジ部６５と凹部６１Ａの中心軸は同一軸線上に配置されており，ネジ穴３６とネジ部６５を螺合させることで取り付け部材６０Ｂをブームフートピン３５に固定した状態ではブームフートピン３５の中心軸３７はネジ部６５と凹部６１Ａの中心軸と同一軸線上に配置される。取り付け部材６０Ｂがブームフートピン３５に固定された後，ターゲット部材５０のボール５４ａが凹部６１Ａに嵌まるようにターゲット部材５０が取り付け部材６０Ｂの端面６０ａ１に取付けられる。その際，プランジャ５４の機能によりターゲット部材５０を取付け部材６０Ｂにガタつき等がなく安定した状態で取付けることができるとともにプリズムミラー５１の中心軸５１ｂが動作平面に直交しかつ計測点を通過するように容易に位置決めできる。ブームフートピン３５の中心軸３７は車体座標系のＹ軸と一致し，ブームフートピン３５の中心軸３７とプリズムミラー５１の中心軸５１ｂが一致することで，ピン端面の計測点とミラー中心とのずれはＹ軸とＶ軸方向のみに制限される。なお、ブームフートピン３５の端面に設けられたセンタ穴やネジ穴３６がプランジャ５４のボール５４ａと係合可能な径を有する場合には，ブームフートピン３５における車体右側端面を取付け部材６０の外側面６０ａ１，同端面に残るセンタ穴又はネジ穴３６を取付け部材６０の貫通孔６１（凹部）とみなし，ターゲット部材５０のボール５４ａがセンタ穴又はネジ穴３６に嵌まるようにターゲット部材５０をブームフートピン３５の端面に取付けることができる。

（座標値の比較）
上記のようにターゲット部材５０をツース１０Ａの先端（バケット先端）とブームフートピン３５に固定し，それぞれの場合においてトータルステーションの座標系（ＵＶＷ座標系）におけるプリズムミラー５１のミラー中心の座標値をトータルステーションで計測する。ターゲット部材５０をツース１０Ａの先端に固定した場合にはフロント作業装置１Ａに所望の姿勢をとらせて座標値を計測する。ここでは計測したトータルステーションの座標系（ＵＶＷ座標系）におけるツース１０Ａの先端の座標を（Ｘｂｋ，Ｙｂｋ，Ｚｂｋ），ブームフートピン３５の端面の中心の座標を（Ｘｏ，Ｙｏ，Ｚｏ）と表記する。また，フロント作業装置１Ａが同じ姿勢のときにコントローラで演算した車体座標系（ＸＹＺ座標系）のＸ−Ｚ平面におけるバケット先端の推定位置を（ＸｂｋＥ，ＺｂｋＥ）と表記する。上部旋回体１２の前後方向の傾斜角（Ｘ−Ｚ平面における傾斜角）をθと表記する。なお，ブームフートピン３５の軸方向の中心は車体座標系（ＸＹＺ座標系）の原点に一致する。

この時，コントローラによるバケット先端の推定位置（ＸｂｋＥ，ＺｂｋＥ）は，次式によりトータルステーションの座標系のＵ−Ｗ平面上の点（ＸｂｋＥ’，ＺｂｋＥ’）に変換できる。

ＸｂｋＥ’＝ＸｂｋＥ×ＣＯＳ（θ）＋ＺｂｋＥ×ＳＩＮ（θ）＋Ｘｏ
ＺｂｋＥ’＝−ＸｂｋＥ×ＳＩＮ（θ）＋ＺｂｋＥ×ＣＯＳ（θ）＋Ｚｏ
トータルステーションの座標系のＵ−Ｗ平面において，バケット先端位置のトータルステーションによる計測結果（Ｘｂｋ，Ｚｂｋ）とコントローラによる推定結果（ＸｂｋＥ’，ＺｂｋＥ’）とを比較することで，コントローラの位置推定機能の正しさを確認することができる。

＜作用・効果＞
フロント作業装置１Ａに様々な姿勢をとらせてコントローラの推定機能の正しさを確認するにあたり，計測治具４０をフロント作業装置１Ａに取付けた状態のままフロント作業装置１Ａをその動作平面上（すなわち，車体座標系におけるＸ−Ｚ平面上）で回動動作させることがある。

（プリズムミラー５１の位置ズレ・脱落防止）
取付け部材６０については，クランプ７１によりツース１０Ａに強固に固定されているためフロント作業装置１Ａを回動動作させても動くことはない。

ターゲット部材５０については，図１２及び図１３に示すように，まず，フロント作業装置１Ａ（バケット１０）の回動動作によりＸ−Ｚ平面に平行な力９１が働く。このとき，取付け部材６０の外側面６０ａ１はクランプ７１によりＸ−Ｚ平面に平行に固定されているため，その力９１は外側面６０ａ１に平行な力としてターゲット部材５０に働く。しかし，プランジャ５４のボール５４ａと貫通孔６１の係合によりターゲット部材５０の外側面６０ａ１に沿った移動は拘束されている。そのため，作業装置１Ａの回動動作によりＸ−Ｚ平面に平行な力９１が作用してもプリズムミラー５１の位置がずれることがない。また，フロント作業装置１Ａの回動動作中，フロント作業装置１Ａの動作平面（Ｘ−Ｚ平面）に垂直な方向の力（Ｙ軸方向の力）９２，すなわち外側面６０ａ１に垂直な力はほとんど生じない。すなわち，結合部材である磁石８０が発生する結合力に抗してターゲット部材５０を取付け部材６０から離そうとする方向の力はほとんど生じないため，人力で着脱可能な磁力程度でも十分に固定でき，プリズムミラー５１の位置がずれることはない。したがって，本実施の形態の計測治具４０によれば，プリズムミラー５１の取付け対象（計測対象物）であるフロント作業装置１Ａが回動動作してもプリズムミラー５１の位置ズレや脱落の発生を防止できる。

（衝撃荷重作用時のプリズムミラー５１の破損可能性の軽減）
また，確認作業中にフロント作業装置１Ａを回動動作した際，バケット先端が誤って地面等の障害物に接触する虞がある。しかし，ターゲット部材５０については，結合部材である磁石８０により取付け部材６０と着脱可能に結合されている。そのため，バケット１０が地面等に接触するなどして大きな衝撃荷重が取付け部材６０に作用した場合には，取付け部材６０の変形や地面等から受ける力によりターゲット部材５０が取付け部材６０から脱落しやすい。これにより取付け部材とターゲット部材が着脱不能に構成されている場合と比較して，障害物との接触時に作用する衝撃が緩和されてプリズムミラー５１の破損の可能性を低減できる。

なお，取付け部材６０についてはクランプ７１によりバケット先端に強固に固定されているためバケット１０の障害物接触時の衝撃を受けて破損する可能性が高いものの，取付け部材６０自体は単純な構造であるため交換は容易であり経済的損失も少ない。

＜ブームフートピンに取付ける場合の計測治具の変形例＞
ブームフートピン３５の端面のすぐそばにカバー３９（図１４参照）等の障害物があり，取り付け部材６０Ｂを介してターゲット部材５０をブームフートピン３５（図１４参照）に取付けられない場合や，取付けられてもトータルステーションから視認できない場合等がある。そのような場合には，図１４に示すようなブームフートピン用の取付け部材６０Ａ及び固定部材７０Ａを別途用意することで対応可能となる。

図１４は取付け部材６０Ａと固定部材７０Ａの斜視図であり，図１５は図１４中の矢印ＸＶ方向における取付け部材６０Ａと固定部材７０Ａの矢視断面図である。本実施形態の計測治具は，ターゲット部材５０と，取付け部材６０Ａと，固定部材７０Ａと，ターゲット部材５０の端面５６に設けられた結合部材としての永久磁石８０（図示せず）を備える。このうちターゲット部材５０と磁石８０については先の実施形態と同じなので説明は省略する。

取付け部材６０Ａは，外側面６０ａ１を有する円盤状の板部材（例えば鉄製）であり，先の例の取付け部材６０と同様に固定部材７０Ａによりフロント作業装置１Ａの動作平面と平行に保持される。円盤状の取付け部材６０Ａの中心には貫通孔６１が設けられている。なお，本実施形態では計測点と貫通孔６１の中心の位置合わせは貫通孔６１の内部を目視して実施する必要は無いので，凹部で形成しても良い。

固定部材７０Ａは，ブームフートピン３５の軸方向端面にあるネジ穴３６に対し嵌合するネジ部６５を介して固定されるピン接合部７６と，ピン接合部７６との間に架け渡された回動軸７７ａを中心にブームフートピン３５の中心軸３７周りに滑らかに回動可能に構成された回動部材７７と，回動部材７７の中心軸（回動軸心）に直交する軸を共有し，回動部材７７の上下にそれぞれ取付けられた四角柱状の部材であるオフセット部材７５，７９と，オフセット部材７９の下端に取付けられたおもり７８を有する。

ピン接合部７６は、ブームフートピン３５が結合される側に図１７の取り付け部材６０Ｂの端面６０ａ２と同様の端面を有し、ブームフートピン端面にあるネジ穴３６と嵌合可能なネジ部６５を備える。回動軸７７ａは，ピン接合部７６をブームフートピン３５に結合させた状態でブームフートピンの中心軸３７と回動軸７７ａの中心軸が一致するようにピン接合部７６によって保持されている。オフセット部材７５は，ブームフートピン３５の傍のカバー等の障害物３９より外側に取付け部材６０Ａが位置するような充分な軸方向長さを有しており，オフセット部材７５の上端には取付け部材６０Ａが取付けられている。取付け部材６０Ａの外側面６０ａ１は回動軸７７ａの中心軸と直交しており，貫通孔６１の中心軸は２つのオフセット部材７５，７９の中心軸と直交している。

おもり７８の重心はオフセット部材７５，７９の中心軸を通るよう取付けられている。また，ターゲット部材５０を取付け部材６０Ａに取付けたときのターゲット部材５０，取付け部材６０Ａ及び固定部材７０Ａからなる質点系の重心が回動軸７７ａの中心軸に対してターゲット部材５０の中心軸５１ｂと反対側に位置するようにおもり７８の重量及び形状が設定されている。これにより固定部材７０Ａはオフセット部材７５，７９の中心軸が鉛直に保持された状態で静止し，取付け部材６０Ａに取付けられたターゲット部材５０のプリズムミラー５１の中心軸がブームフートピンの中心軸３７の鉛直上方に常に位置することになる。

したがって，図１４，１５に示した計測治具を用いれば，ブームフートピン３５の中心軸３７を鉛直上方に一定距離だけオフセットした点の位置をトータルステーションにより計測可能となる。そして，その計測結果のＷ座標から貫通孔６１と回動軸７７ａの中心軸間の距離Ｄｗ（図１５参照）を減じることでブームフートピンの位置を容易に求めることができる。すなわち本実施形態の計測治具によれば，ブームフートピン３５の端面の近傍に障害物がある場合にもトータルステーションの座標系（ＵＶＷ座標系）におけるブームフートピンの位置を計測できる。

＜その他＞
ターゲット部材５０の周囲に，プリズムミラー５１のミラー中心の計測を遮らない程度の緩衝材を取付けても良い。これにより，ターゲット部材５０が地面等に衝突した際の衝撃を緩和し，プリズムミラー５１が破損する可能性を低減することができる。

取付け部材６０とターゲット部材５０を紐状の連結部材で連結しても良い。これにより，ターゲット部材５０が意図せず取付け部材６０から外れてしまった場合に，ターゲット部材５０が地面に落下してプリズムミラー５１が破損することを防ぐことができる。

本発明は，上記の実施形態に限定されるものではなく，その要旨を逸脱しない範囲内の様々な変形例が含まれる。例えば，本発明は，上記の実施形態で説明した全ての構成を備えるものに限定されず，その構成の一部を削除したものも含まれる。また，実施形態に係る構成の一部を他の構成に置換，または，他の構成を追加することも可能である。

上記の実施形態では，磁石８０をターゲット部材５０の端面５６に設けたが，この構成に代えて，磁石８０を取付け部材６０の外側面６０ａ１側に設けて，ターゲット部材５０の端面５６を強磁性体で構成しても良い。また，結合部材８０は，上記した永久磁石の他に，平面ファスナー，接着剤，両面テープ等でも代用できる。

１Ａ…フロント作業装置，８…ブーム，１０…バケット，１０Ａ…ツース，３５…ブームフートピン，３６…ネジ穴，４０…計測治具，５０…ターゲット部材，５１…プリズムミラー，５１ｂ…プリズムミラーの中心軸，５４…プランジャ，５４ａ…ボール（凸部），５６…ターゲット部材の一方の端面（第１面），６０，６０Ａ，６０Ｂ…取付け部材，６０ａ１…取付け部材の外側面（第２面），６１…貫通孔（凹部），６１Ａ…凹部，６５…ネジ部，７０，７０Ａ…固定部材，７１…クランプ（固定部材），７２…高さ調整シム（固定部材），７５…オフセット部材，７６…ピン接合部，７７…回動部材，７８…おもり，８０…永久磁石（結合部材）

Claims (5)

1. 単一平面上で動作する計測対象物に取付けられ，トータルステーションとともに計測点の位置計測に用いられる計測治具において，
   前記トータルステーションからの投射光を反射するプリズムミラーを保持し，前記プリズムミラーの軸方向におけるミラー頂点側に配置され凸部が設けられた第１面を有するターゲット部材と，
   前記凸部に係合される凹部が設けられた第２面を有する取付け部材と，
   前記単一平面と前記第２面が平行に配置されるように前記取付け部材を前記計測対象物に固定する固定部材と，
   前記第１面と前記第２面を隣接して対向配置させて前記凸部を前記凹部に係合させた状態で前記ターゲット部材を前記取付け部材に対して着脱可能に結合する結合部材とを備えることを特徴とする計測治具。
2. 請求項１の計測治具において，
   前記結合部材は磁石であることを特徴とする計測治具。
3. 請求項１の計測治具において，
   前記凹部は前記第２面上に形成された円形の輪郭を有しており，
   前記凸部は前記プリズムミラーの軸方向に進退可能に前記ターゲット部材に保持されたピン部材であり，
   前記ターゲット部材は，前記ピン部材の先端が前記プリズムミラーの中心軸上に位置するように前記プリズムミラーを保持していることを特徴とする計測治具。
4. 請求項３の計測治具において，
   前記凹部は貫通孔であることを特徴とする計測治具。
5. 請求項１の計測治具において，
   前記固定部材は，
   ネジ穴と嵌合可能なネジ部を有するピン接合部と，
   前記ピン接合部に対して所定の回動軸を中心に回転自在に保持された回動部材と，
   前記回動部材と前記取付け部材を連結するオフセット部材と，
   前記回動部材に取付けられたおもりとを備え，
   前記おもりの重量及び形状は、前記ターゲット部材を前記取付け部材に取り付けたときの前記ターゲット部材、前記取り付け部材及び前記固定部材からなる質点系の重心が、前記回動軸に対して前記ターゲット部材の中心軸と反対側に位置するように設定されていることを特徴とする計測治具。

Images