JP6918716B2

JP6918716B2 - 建設機械

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Publication number: JP6918716B2
Application number: JP2018015779A
Authority: JP
Inventors: 直裕原; 洋平友保; 明典橋本
Original assignee: Yanmar Co Ltd
Current assignee: Yanmar Co Ltd
Priority date: 2018-01-31
Filing date: 2018-01-31
Publication date: 2021-08-11
Anticipated expiration: 2038-01-31
Also published as: JP2019132062A

Description

本発明は、主として、掘削具によって掘削を行う建設機械に関する。

従来から、建築機械を操作して掘削を行うオペレータに対して、掘削の対象となる対象領域を把握させるための機能を備えた建設機械が知られている。特許文献１から３は、この種の建設機械を開示する。

特許文献１の建設機械は、ラインレーザ照射部とステレオカメラを備えている。建設機械は、ラインレーザ照射部により対象領域（作業部位）にレーザを照射した状態で、ステレオカメラにより対象領域の３次元座標を取得する。これにより、対象領域の現在の断面形状（現況）が求められる。また、建設機械には、掘削により得るべき最終の断面形状（施工データ）が記憶されている。特許文献１では、この現況と施工データとを合わせて表示装置に表示することが記載されている。

特許文献２の建設機械は、二次元走査型距離計測装置と表示装置とを備えている。二次元走査型距離計測装置は、建設機械の周囲の現在の地形を取得する。表示装置は、現在の地形と、予め記憶された目標地形と、を並べて表示する。また、表示装置には、掘削直前及び掘削毎に現在の地形が表示される。

特許文献３では、対象領域（掘削予定地）の両側にレーザスキャニング装置を配置して建設機械により掘削を行う掘削方法が開示されている。建設機械のアームは、レーザスキャニング装置が照射したレーザ光線を受光可能なレーザ受光器を備えている。オペレータは、建設機械を操作して地面を下方へ掘削していき、レーザ受光器がレーザ光を受光したら、下方への掘削を横方向の掘削へ切り替えるように操作を行う。これにより、対象領域を正確な深度で掘削することができる。また、特許文献３には、レーザスキャニング装置が幅方向の中央だけにレーザ光を照射することで、横方向の掘削位置を正確にすることも記載されている。

特許第５７５９７９８号公報特開２０１６−８４８４号公報特開平６−１４６３３４号公報

特許文献１及び２の建設機械では、対象領域の施工データ又は目標地形をオペレータに把握させる機能を有するにとどまるため、オペレータは施工データ又は目標地形に合うように掘削具を操作して掘削を行う必要がある。しかし、掘削具を操作して把握した通りに掘削を行うためには、オペレータに高い習熟度が要求される。また、特許文献３は、特定の一方向のアームの位置のみを正確に合わせることは可能であるが、複数の方向の位置を同時に合わせることは記載されていない。また、アームの位置を正確にしただけでは、建設機械又はアームの姿勢によっては、対象領域が過剰に掘削される可能性もある。

本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、その主要な目的は、オペレータの習熟度にかかわらず、対象領域が過剰に掘削されることを防止できる建設機械を提供することにある。

課題を解決するための手段及び効果

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段とその効果を説明する。

本発明の観点によれば、以下の構成の建設機械が提供される。即ち、建設機械は、掘削具によって対象領域の掘削を行う。建設機械は、撮影装置と、表示装置と、候補画像作成部と、ガイド選択部と、ガイド画像作成部と、干渉判定部と、掘削具調整部と、を備える。前記撮影装置は、前記対象領域を撮影する。前記候補画像作成部は、予め作成された複数の仮想ガイドを、オペレータの選択候補として示す候補画像を前記表示装置に表示する。前記ガイド選択部は、前記候補画像から、前記オペレータの操作に応じた前記仮想ガイドを選択する。前記ガイド画像作成部は、前記撮影装置が撮影した画像の前記対象領域上に、前記ガイド選択部が選択した前記仮想ガイドが重畳された画像であるガイド画像を前記表示装置に表示する。前記干渉判定部は、前記掘削具の現在の位置及び姿勢、又は、前記掘削具の将来の位置及び姿勢を算出する処理を行って、当該算出された位置及び姿勢の前記掘削具と、前記対象領域上に配置された前記仮想ガイドと、が干渉するか否かを判定する。掘削具調整部は、前記掘削具と、前記対象領域上に配置された前記仮想ガイドとが干渉すると前記干渉判定部が判定した場合に、前記掘削具の位置及び姿勢の少なくとも一方を調整することで、前記掘削具と前記仮想ガイドとの干渉を解消又は予防する。

これにより、掘削具と現在の仮想ガイドとが干渉しているか否か、又は、掘削具と仮想ガイドに将来的に干渉するか否かが判定されるので、このような干渉が生じた場合に、例えば掘削具の動作を停止又は制限したり、警告を行ったりすることができる。そのため、オペレータの習熟度にかかわらず、対象領域が過剰に掘削されることを防止でき、オペレータが容易に掘削を行うことが可能となる。また、撮影装置が撮影した画像上に仮想ガイドが表示されるため、オペレータは直感的に掘削領域を把握することができる。また、掘削具と仮想ガイドとが干渉している又は干渉が予測される場合であっても、当該干渉が自動的に解消又は予防されるので、対象領域が過剰に掘削されることをより確実に防止することができ、オペレータは一層容易に掘削を行うことが可能となる。

前記の建設機械においては、以下の構成とすることが好ましい。即ち、前記ガイド画像作成部は、前記仮想ガイドのうち、前記撮影装置が撮影した画像に含まれる表示物よりも当該撮影装置に近い側の部分である可視部分と、前記撮影装置が撮影した画像に含まれる表示物よりも当該撮影装置から遠い側の部分である不可視部分と、を区別して前記ガイド画像を作成する。

これにより、オペレータは、仮想ガイドの位置を一層容易に把握できる。

前記の建設機械においては、前記仮想ガイドの位置及び形状の少なくとも一方を、オペレータの操作に応じて変更するガイド変更部を更に備えることが好ましい。

これにより、対象領域等に応じて仮想ガイドの位置及び／又は形状を変更できるため、様々な作業に仮想ガイドを活用することができる。

前記の建設機械においては、前記対象領域の掘削完了部分及び未掘削部分の少なくとも何れかと、前記仮想ガイドの位置と、に基づいて、前記対象領域の掘削の進捗率を算出する進捗算出部を更に備えることが好ましい。

これにより、掘削の進捗率を明確なデータとして把握できる。

前記の建設機械においては、前記対象領域の掘削完了部分及び未掘削部分の少なくとも何れかと、前記仮想ガイドの位置と、掘削に掛かった時間と、に基づいて、前記対象領域の掘削完了時間を算出する完了時間算出部を更に備えることが好ましい。

本発明の一実施形態に係る建設機械の側面図。建設機械の制御ブロック図。仮想ガイドを設定する処理の流れを示すフローチャート。仮想ガイドテンプレートを選択して調整する様子を示す図。仮想ガイドの位置を設定する様子を示す図。仮想ガイドの長さ等を微調整する様子を示す図。ガイド画像を見ながら掘削作業を行う様子を示す図。バケットと仮想ガイドとの干渉を検出して、目標位置を調整する処理を説明する図。進捗率及び作業完了時間を算出する処理を説明する図。

次に、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る建設機械１の側面図である。図２は、建設機械１の制御ブロック図である。

建設機械１は、建設現場、解体現場、及び鉱山等で用いられ、土木作業及び建築作業を行う。建設機械１は、特に土砂等を掘削する掘削作業を主として行う。図１に示すように、建設機械１は、クローラ１１と、旋回体１２と、作業機１３と、を備える。

クローラ１１は、左右１対で配置されている。左右のクローラ１１は、オペレータの操作に応じて駆動される。これにより、建設機械１を走行させることができる。旋回体１２は、クローラ１１に支持されている。旋回体１２は、クローラ１１に対して鉛直方向（建設機械１の上下方向）を回転軸として旋回可能に構成されている。旋回体１２には、作業機１３が取り付けられている。作業機１３は、オペレータの操作に応じて上記の掘削作業を行う。作業機１３は、ブーム１４と、アーム１５と、バケット１６と、を備える。

ブーム１４は、細長い部材として構成されている。ブーム１４の一端部は、旋回体１２の前部に回転可能に取り付けられている。ブーム１４には油圧シリンダであるブームシリンダ１７が取り付けられており、ブームシリンダ１７が伸縮することでブーム１４を回転させることができる。また、建設機械１は、このブーム１４の回転角を検出するブーム角度センサ２０を備えている。

アーム１５は、ブーム１４と同様に細長い部材である。アーム１５の一端部は、ブーム１４の先端部に回転可能に支持されている。建設機械１は、アーム１５を回転させるためのアームシリンダ１８と、アーム１５の回転角度を検出するアーム角度センサ２１と、を備えている。

バケット１６は、容器状に形成された部材として構成されている。バケット１６の一端部は、アーム１５の先端部に回転可能に支持されている。建設機械１は、バケット１６を回転させるためのバケットシリンダ１９と、バケット１６の回転角度を検出するバケット角度センサ２２と、を備えている。ブーム１４及びアーム１５を回転させてバケット１６の位置を調整した状態で、バケット１６を回転させることで、バケット１６の姿勢が変化してすくい動作／ダンプ動作が行われる。これにより土砂が掘削される。

旋回体１２の上側には、オペレータが搭乗するためのキャビン３１が配置されている。キャビン３１の内部には、オペレータが着座するための運転座席３２と、作業機１３を操作するための操作レバー３３と、表示装置３４と、が配置されている。また、運転座席３２の周囲には、その他の操作具（例えば、建設機械１の走行を指示する走行レバー、及び、エンジンの回転数を上昇させるアクセルレバー等）も配置されている。なお、以下の説明では、運転座席３２に着座したオペレータが向く方向を前として前後方向及び左右方向を定義する。また、建設機械１の向きとは、クローラ１１ではなく旋回体１２の向き（即ち着座したオペレータの向き）を指すものと定義する。

表示装置３４は、後述の図４に示すように、表示部３５と、操作キー３６と、を備える。表示部３５は、液晶ディスプレイ又は有機ＥＬディスプレイ等であり、様々な情報を表示することができる。操作キー３６は、表示部３５の近傍に配置されたハードウェアキーである。操作キー３６には、押圧して操作するプッシュキー及び回転して操作するダイヤルキーが含まれている。なお、表示部３５と操作キー３６は同じ筐体に設けられている必要はなく、それぞれが離れた位置に配置されていてもよい。また、操作キー３６に加えて又は代えて、オペレータが画面に触れて操作を行うタッチパネルを設けてもよい。

また、表示装置３４は、運転座席３２に対向するように配置されている。言い換えれば、運転座席３２に着座して前方を見たオペレータの視界に入る位置に配置されている。例えば、表示装置３４は、表示部３５の表示面が、前後方向に対して略垂直となるように配置されている。なお、本実施形態では、オペレータの視界のうち下部に表示装置３４が配置されているが、オペレータの視界の上部に表示装置３４が配置されていてもよい。詳細は後述するが、表示装置３４には、前方を撮影した映像に情報を付加したものが表示される。従って、上記の位置に表示装置３４を配置することで、オペレータは、運転座席３２から前方を直接見た光景と、表示装置３４の映像と、を見比べ易くなる。

建設機械１は、周囲の情報を取得する情報取得装置として、３次元計測センサ４１と、撮影装置４２と、ＧＮＳＳアンテナ４３と、方位センサ４４と、を備える。また、これらが取得した情報は、制御装置５０へ出力される。

３次元計測センサ４１は、前方に対して３次元計測を行って、前方に存在する物体及び地形等の位置及び形状を取得する。３次元計測センサ４１は、例えばステレオカメラである。ステレオカメラは、互いに適宜の距離だけ離して配置された１対の撮像素子（例えばＣＣＤ）を備える。それぞれの撮像素子で取得された映像を比較することで、取得した映像に含まれる物体等の位置を算出できる。また、３次元計測センサ４１として、３次元ＬＩＤＡＲ（ＬａｓｅｒＩｍａｇｉｎｇＤｅｔｅｃｔｉоｎａｎｄＲａｎｇｉｎｇ）を用いてもよい。ＬＩＤＡＲとは、電波を照射するとともに、当該電波の反射波を受信するまでの時間を計測することで、周囲の物体等の位置及び形状を取得する技術である。

撮影装置４２は、前方を撮影して映像（連続した複数枚の画像）を取得するカメラである。本実施形態では、３次元計測センサ４１及び撮影装置４２の両方が、運転座席３２よりも高い位置であって、運転座席３２によりも前方に配置されている。これに代えて、３次元計測センサ４１及び撮影装置４２の少なくとも一方が異なる位置に配置されていてもよい。ただし、オペレータは、撮影装置４２が撮影した映像を確認しながら作業を行うことがあるため、オペレータが直接前方を見る視点と、撮影装置４２の視点と、が近似していることが好ましい。例えば、撮影装置４２の左右方向の位置は、運転座席３２の左右方向の位置と、重なっていることが好ましい。

また、３次元計測センサ４１で得られた情報と、撮影装置４２で得られた画像とは、対応付けて用いられる。そのため、３次元計測センサ４１で得られた情報の位置（建設機械１が原点の３次元座標、以下単に３次元座標）と、撮影装置４２の画像の位置（画像座標）と、の対応関係が予め作成されて制御装置５０に記憶されている。また、３次元計測センサ４１及び撮影装置４２の３次元座標における設置位置についても記憶されている。

ＧＮＳＳアンテナ４３は、ＧＰＳ等の衛星測位システムを構成する測位衛星からの信号を受信する。ＧＮＳＳアンテナ４３によって受信された測位信号は、制御装置５０又は図略の受信部に入力され、測位演算が行われる。測位演算を行うことで、建設機械１の位置情報（特にＧＮＳＳアンテナ４３の位置情報）が例えば緯度・経度情報として算出される。本実施形態ではＧＮＳＳ−ＲＴＫ法を利用した高精度の衛星測位システムが用いられているが、これに限られるものではなく、高精度の位置座標が得られる限りにおいて他の測位システムを用いてもよい。例えば、相対測位方式（ＤＧＰＳ）、又は静止衛星型衛星航法補強システム（ＳＢＡＳ）を使用することが考えられる。

方位センサ４４は、旋回体１２に配置されている。そのため、クローラ１１が停止した状態で旋回体１２が旋回した場合であっても、当該旋回体１２の向く方位を検出できる。方位センサ４４としては、例えば磁気センサ又はジャイロセンサを用いることができる。

制御装置５０は、コンピュータとして構成されており、ＣＰＵ（演算部）、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備える。また、前記ＲＯＭには、建設機械１の各部を制御データに基づいて動作させるための適宜の動作プログラムが記憶されている。このソフトウェアとハードウェアとの協働により、制御装置５０を、図２に示す自己位置認識部５１、候補画像作成部５２、ガイド選択部５３、ガイド変更部５４、ガイド位置特定部５５、ガイド画像作成部５６、干渉判定部５７、掘削具調整部５８、進捗算出部５９、及び完了時間算出部６０として機能させることができる。これにより、撮影装置４２が撮影した映像上であって掘削の対象となる対象領域に仮想ガイドを重畳させることができる。例えば、地面を掘削して穴を形成する場合は、当該地面のうち、穴の形成予定箇所だけでなくその周囲を含めた箇所（地面）が対象領域となる。以下、この処理について具体的に説明する。

初めに、制御装置５０の自己位置認識部５１が行う自己位置認識処理について説明する。自己位置認識処理とは、建設機械１の位置及び方位を認識するための処理である。具体的には、３次元計測センサ４１が計測して得られた、前方に存在する物体及び地形等の位置及び形状に基づいて、ＳＬＡＭ（ＳｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓＬｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎａｎｄＭａｐｐｉｎｇ）処理を行うことで、周囲の物体や地形の位置関係を示す周囲地図を作成し、更に、当該周囲地図上の建設機械１の位置及び方位を特定することができる。

また、自己位置認識処理において、ＧＮＳＳアンテナ４３の検出結果である建設機械１の絶対位置と、方位センサ４４の検出結果である建設機械１が向いている方位とを用い、更に、絶対位置毎の物体や地形等が記憶されたデータを用いることで、建設機械１の周囲の物体や地形等との位置関係を特定できる。そのため、３次元計測センサ４１だけでなくＧＮＳＳアンテナ４３及び方位センサ４４の検出結果を用いることで、３次元計測センサ４１に基づく自己位置認識の精度を向上させることができる。

建設機械１が移動又は旋回した場合、建設機械１の自己位置が変化する。従って、自己位置認識部５１は所定のタイミングで新たに建設機械１の位置及び方位を求めて、自己位置を更新する。

次に、制御装置５０の候補画像作成部５２と、ガイド選択部５３と、ガイド変更部５４と、ガイド位置特定部５５と、ガイド画像作成部５６と、で行われる仮想ガイドの設定について、図３のフローチャートに沿って説明する。

候補画像作成部５２は、作業中に表示する仮想ガイドであって、オペレータの選択候補である複数の仮想ガイドテンプレートを並べた画像（図４に示すテンプレート候補画像７１、候補画像）を作成して表示部３５に表示する。仮想ガイドテンプレートとは、仮想ガイドを作成するための基となる形状（データ）である。仮想ガイドテンプレートは予め作成されて、制御装置５０のＲＯＭ等に記憶されている。図４に示す例では、鉛直方向に平行な鉛直面、水平方向に平行な水平面、及びそれらを組み合わせた形状の仮想ガイドテンプレートが表示されている。なお、鉛直面及び水平面以外の平面を含む仮想ガイドテンプレートを表示することもできる。オペレータは、操作キー３６を操作して、目標の形状の仮想ガイドテンプレート、あるいは目標の形状に近い仮想ガイドテンプレートを選択する。これにより、ガイド選択部５３は、選択された仮想ガイドテンプレートを特定する（Ｓ１０１）。

ガイド変更部５４は、オペレータの操作に応じて、仮想ガイドテンプレートの形状を変更して仮想ガイドを作成する（Ｓ１０２）。具体的には、図４に示す表示部３５の右側には、テンプレート候補画像７１で選択された仮想ガイドテンプレートの形状を変更するためのテンプレート変更画像７２が表示されている。テンプレート変更画像７２には、選択された仮想ガイドテンプレートと、地表の位置を示す地表線と、形状を変更する方向等を示すマークと、が表示されている。オペレータは、例えば変更する仮想平面及びその変更方向を選択して、ダイヤルキー等を回すことで、仮想ガイドテンプレートの形状を変更することができる。また、地表線の位置についても変更可能である。なお、この段階では、仮想ガイドの大まかな形状を特定することを目的としている。従って、例えば仮想ガイドを構成する仮想平面の種類、仮想平面の数、及び各仮想平面の大まかな縦横比等が設定可能であればよい。

なお、本実施形態では、テンプレート候補画像７１とテンプレート変更画像７２とが同時に表示部３５に表示されている。これに代えて、初めにテンプレート候補画像７１を表示し、仮想ガイドテンプレートの選択が確定した後に、テンプレート変更画像７２を表示することもできる。

次に、ガイド位置特定部５５は、ステップＳ１０２で作成された仮想ガイドの位置を特定する処理を行う（Ｓ１０３）。本実施形態では、図５に示すように、障害物８１の手前に、掘削の対象である対象領域が存在するものとする。表示装置３４には、作成された仮想ガイド７５及びその基準点７６が表示される。基準点７６は、仮想ガイド７５の位置を特定するための位置を示す点である。また、オペレータは、この基準点の位置を指定する。本実施形態では、レーザポインタ８２を用いて、仮想ガイド７５の基準点７６を合わせたい位置（表示部３５ではなく作業現場）にレーザ照射点８３を合わせる。この状態において、撮影装置４２で撮影を行って、撮影した画像座標上におけるレーザ照射点８３の位置を特定する。上述のように画像座標と３次元座標の対応関係は予め作成されているため、レーザ照射点８３の３次元座標を特定できる。従って、オペレータの指示通りに仮想ガイド７５を設置できる。

なお、レーザポインタ８２で基準点７６を指示する構成に代えて、目印物体を作業現場に配置することもできる。この場合、レーザ照射点８３と同様に１つの目印物体を配置する構成であってもよい、複数の目印物体を配置する構成であってもよい。複数の目印物体を配置する場合、例えば、仮想ガイド７５の水平面の４隅に合わせて目印物体を配置することで、仮想ガイド７５の位置及び大きさを簡単にかつ正確に合わせることができる。

次に、ガイド変更部５４は、オペレータの操作に応じて、ステップＳ１０３で位置が特定された仮想ガイド７５の位置及び形状の変更を行う（Ｓ１０４）。ステップＳ１０２では仮想ガイド７５の大まかな形状が変更可能であるのに対し、ステップＳ１０４では仮想ガイド７５の詳細な形状及び位置が変更可能である。仮想ガイド７５の形状を変更する操作はステップＳ１０２と同様である。また、仮想ガイド７５の位置を変更する操作は、例えば基準点７６及びその移動方向を選択してダイヤルキーを回す等の操作で変更させることができる。

ステップＳ１０４の処理は、表示部３５に仮想ガイド７５のみを表示して行うこともできるが、図６に示すように、表示部３５に撮影装置４２が撮影した映像と仮想ガイド７５とを重畳して表示した状態で行うこともできる。これにより、仮想ガイド７５の位置及び形状をより分かり易く調整することができる。以下、撮影装置４２が撮影した映像上に仮想ガイド７５を重畳した画像（以下、ガイド画像７３）を作成する処理について説明する。

具体的には、仮想ガイド７５の設置位置の３次元座標を画像座標に変換する。次に、仮想ガイド７５の３次元モデルを画像座標に変換する。これにより、撮影装置４２を視点としたときの仮想ガイド７５の位置及び形状を得ることができる。従って、撮影装置４２が撮影した映像上に、仮想ガイド７５を適切な位置及び形状で重畳してガイド画像７３を作成できる。

また、本実施形態では、３次元計測センサ４１の計測結果と仮想ガイド７５の３次元座標とに基づいて、画像座標系において、撮影装置４２が撮影した画像の表示物（特に地表）と、仮想ガイド７５と、の何れが手前側（即ち、撮影装置４２に近い側）に表示されているかを特定できる。そして、図６に示すように、仮想ガイド７５のうち、表示物よりも撮影装置４２に近い側を可視部分７５ａとして描画し、表示物よりも撮影装置４２から遠い側の部分（例えば地表に埋まっている部分）を不可視部分７５ｂとして描画する。そして、可視部分７５ａと不可視部分７５ｂとを区別してガイド画像７３を作成する。

可視部分７５ａと不可視部分７５ｂとを区別する方法としては、例えば可視部分７５ａよりも不可視部分７５ｂの透明度（後方の映像が透過される度合い）を高くすることが考えられる。あるいは、可視部分７５ａと不可視部分７５ｂとで描画色を異ならせてもよい。また、可視部分７５ａ及び不可視部分７５ｂの一方を枠線のみで表示してもよい。これにより、オペレータは、ガイド画像７３において仮想ガイド７５が設置されている位置が分かり易くなるため、掘削すべき対象領域に簡単かつ正確に仮想ガイド７５を合わせることができる。

以上により、仮想ガイド７５に関する設定が完了する。この仮想ガイド７５は、図７に示すように、作業機１３を操作して掘削を行う際にも表示される。従って、オペレータは、ガイド画像７３を確認しながら作業機１３を操作することで、仮想ガイド７５に合わせて掘削を行うことができる。なお、建設機械１の位置及び向きが変化した場合であっても、上述のように自己位置認識等の処理が新たに行われて情報が更新されるため、位置及び向きの変化に応じて仮想ガイド７５の表示位置及び形状を変化させることができる。また、掘削作業を進めることで地表の位置が下がった場合、３次元計測センサ４１が取得する情報が変化するため、それに応じて不可視部分７５ｂであった部分が可視部分７５ａとして表示される処理が行われる。不可視部分７５ｂが可視部分７５ａに変化した部分を掘削が完了した領域（掘削完了部分）とし、当該掘削完了部分の深さ、奥行き、及び幅の絶対値の少なくとも１つをリアルタイムで表示する処理が行われてもよい。掘削完了部分の深さ、奥行き、及び幅の絶対値は、３次元計測センサ４１及び撮影装置４２の３次元座標における設置位置からの距離情報に基づいて算出することができる。掘削完了部分の深さ、奥行き、及び幅の絶対値は、表示部３５に表示されるもののうち、例えばバケット１６の幅等、形状が変化することのない部分の寸法の絶対値によって補正されることが好ましい。これにより、算出精度を向上することができる。また、作業中のガイド画像７３は、図略の無線装置を介して外部（例えば共同作業者又は管理者の情報処理装置等）へ送信することもできる。

次に、干渉判定部５７で行われる干渉判定及び掘削具調整部５８で行われる調整処理について、図８を参照して説明する。図８は、バケット１６と仮想ガイド７５との干渉を検出して、目標位置を調整する処理を説明する図である。

本実施形態では、干渉判定部５７は、バケット１６と仮想ガイド７５が干渉するか否かを判定する。バケット１６と仮想ガイド７５の干渉とは、バケット１６と仮想ガイド７５とが重なっている状態を意味する。従って、バケット１６と仮想ガイド７５とが接触しており、かつ、重なっていない状態は、厳密には干渉には該当しない。そして、現在又は将来において干渉が生じると干渉判定部５７が判定した場合は、掘削具調整部５８が作業機１３を制御して、干渉が生じないようにする。以下、詳細に説明する。

建設機械１を基準としたバケット１６の位置及び姿勢は、ブーム１４の形状及び角度と、アーム１５の形状及び角度と、バケット１６の形状及び角度と、に基づいて算出することができる。作業機１３の各部の角度は、上記のように角度センサ２０〜２２で検出されている。また、作業機１３の各部の形状は、予め制御装置５０に記憶されている。従って、干渉判定部５７は、角度センサ２０〜２２の検出結果に基づいて、バケット１６の現在の位置及び姿勢を算出できる。

また、オペレータが操作レバー３３を所定の傾倒角度にした状態において、この操作レバー３３の操作状態に基づいて、所定時間後に作業機１３がどのような位置及び姿勢になるかは算出可能である。従って、干渉判定部５７は、バケット１６の現在の位置及び姿勢を算出できるだけでなく、バケット１６の将来の位置及び姿勢を算出できる。

また、上述のように仮想ガイド７５の３次元座標における位置は既に得られている。干渉判定部５７は、バケット１６の位置及び姿勢を算出して、更にバケット１６の形状を用いて、バケット１６を３次元座標に配置することで、３次元座標においてバケット１６が占める部分を算出できる。従って、現在又は将来においてバケット１６が占める部分と、仮想ガイド７５が占める部分と、を比較することで、バケット１６が仮想ガイド７５に干渉するか否かを判定できる（図８を参照）。

掘削具調整部５８は、バケット１６が将来的に仮想ガイド７５に干渉すると干渉判定部５７が判定した場合、以下の処理を行う。初めに、掘削具調整部５８は、将来のバケット１６が占める部分の各点のうち、仮想ガイド７５を超えている長さが最も長い点（以下、点Ｂ１）の座標を特定する。例えば、仮想ガイド７５を超えている各点から仮想ガイド７５に対して垂線を引き、この垂線の長さが最も長い点を点Ｂ１とする。また、現在のバケット１６における点Ｂ１と同じ箇所を点Ａと称する。

次に、掘削具調整部５８は、点Ｂ１から仮想ガイド７５へ引いた垂線と仮想ガイド７５の交点である点Ｂ２の座標を求める。掘削具調整部５８は、点Ａが点Ｂ２に移動するように、作業機１３（詳細にはシリンダ１７，１８，１９）を制御する。このとき、掘削具調整部５８は、ブーム１４、アーム１５、及びバケット１６の回転角度の変化量が最も小さくなるように、作業機１３を制御する。これにより、バケット１６をスムーズに移動させることができる。なお、上記とは異なる計算方法で点Ｂ２を求めることもできる。

以上の処理を行うことで、仮にバケット１６が仮想ガイド７５に干渉するような操作がオペレータにより行われた場合であっても、当該干渉を予防しつつ、仮想ガイド７５を超えないように（仮想ガイド７５に沿って）バケット１６の位置及び姿勢を変化させることができる。

なお、干渉判定部５７がバケット１６と仮想ガイド７５の干渉を検出した場合、作業機１３を停止させることで、この干渉を予防する構成であってもよい。また、警告音を発したり又は警告を表示したりすることで、オペレータに干渉の可能性を通知する構成であってもよい。

また、本実施形態では、仮想ガイド７５は、バケット１６と、仮想ガイド７５と、が将来的に干渉するか否かを判定する。これに代えて、干渉判定部５７が、現在のバケット１６と、仮想ガイド７５と、が干渉しているか否かを判定する構成であってもよい。この構成によれば、干渉していると判定された時点で作業機１３の動作を止めても、バケット１６が仮想ガイド７５を超えてしまうが、例えば仮想ガイド７５が余裕をもって設定されている場合、又は、仮想ガイド７５に沿った厳密な掘削までは求められていない場合は有効である。また、既に干渉が生じている場合は、干渉を予防する処理ではなく、干渉を解消する処理が行われる。例えば、仮想ガイド７５を超えた領域の掘削量が最も少なくなるようにバケット１６の位置及び姿勢を変化させる制御が行われる。

次に、進捗算出部５９で行われる進捗算出処理、及び、完了時間算出部６０で行われる完了時間算出処理について、図９を参照して説明する。図９は、進捗率及び作業完了時間を算出する処理を説明する図である。

本実施形態では、３次元計測センサ４１の計測結果により地表の３次元座標が取得される。また、仮想ガイド７５の３次元座標が設定される。従って、図９の上側の図に示すように、掘削の開始前の地表の位置と、仮想ガイド７５の位置と、に基づいて、掘削すべき領域（未掘削部分）の体積を算出できる。また、図９の下側の図に示すように、掘削の開始前の地表の位置と、掘削の途中の地表の位置と、仮想ガイド７５の位置と、に基づいて、掘削完了部分又は未掘削部分の体積を算出できる。従って、進捗算出部５９は、現在の掘削完了部分の体積を、掘削開始前の未掘削部分の体積（即ち、掘削すべき範囲の全体の体積）で除することで、掘削作業の進捗率を算出する。

算出された進捗率は、ガイド画像７３上に表示される。また、進捗率としては、掘削が完了した割合ではなく、掘削が残っている割合を算出及び表示することもできる。

また、掘削が進められることで、未掘削部分が掘削完了部分に変化していく。ここで、所定時間における未掘削部分から掘削完了部分の変化量を算出することで、掘削速度（単位時間あたりに掘削される体積）を把握することができる。従って、未掘削部分を掘削速度で除することで、掘削作業が完了するまでの時間（掘削完了時間）を推測することができる。この掘削の完了時間もガイド画像７３上に表示される。なお、進捗率と掘削完了時間の何れか一方のみをガイド画像７３に表示することもできる。

また、建設機械１が備える撮影装置４２を用いて、施工記録を作成することもできる。例えば、掘削作業の開始前、掘削作業中、及び完了後において、撮影装置４２が撮影した画像を制御装置５０に記憶するか、外部へ送信する。これにより、施工記録の作成が容易となる。また、建設機械１を移動させる場合は、その旨の情報を付して画像を撮影して制御装置５０に記憶するか、外部へ送信する。これにより、掘削作業の中断時の記録も自動的に作成できる。

以上に説明したように、上記実施形態の建設機械１は、撮影装置４２と、表示装置３４と、候補画像作成部５２と、ガイド選択部５３と、ガイド画像作成部５６と、干渉判定部５７と、を備える。撮影装置４２は、対象領域を撮影する。候補画像作成部５２は、予め作成された複数の仮想ガイド７５を、オペレータの選択候補として示すテンプレート候補画像７１を表示装置３４に表示する。ガイド選択部５３は、テンプレート候補画像７１から、オペレータの操作に応じた仮想ガイド７５を選択する。ガイド画像作成部５６は、撮影装置４２が撮影した画像の対象領域上に、ガイド選択部５３が選択した仮想ガイド７５が重畳された画像であるガイド画像７３を表示装置３４に表示する。干渉判定部５７は、バケット１６の現在の位置及び姿勢、又は、前記掘削具の将来の位置及び姿勢を算出する処理を行って、当該算出された位置及び姿勢のバケット１６と、対象領域上に配置された仮想ガイド７５と、が干渉するか否かを判定する。

これにより、バケット１６が現在の仮想ガイド７５に干渉しているか否か、又は、バケット１６が仮想ガイド７５に将来的に干渉するか否かが判定されるので、このような干渉が生じた場合に、例えばバケット１６の動作を停止又は制限したり、警告を行ったりすることができる。そのため、オペレータの習熟度にかかわらず、対象領域が過剰に掘削されることを防止でき、オペレータが容易に掘削を行うことが可能となる。また、撮影装置４２が撮影した画像上に仮想ガイド７５が表示されるため、オペレータは直感的に掘削領域を把握することができる。

また、上記実施形態の建設機械１においては、対象領域上に配置された仮想ガイド７５とバケット１６とが干渉すると干渉判定部５７が判定した場合に、バケット１６の位置及び姿勢の少なくとも一方を調整することで、バケット１６と仮想ガイド７５との干渉を解消又は予防する掘削具調整部５８を更に備える。

これにより、バケット１６と仮想ガイド７５が干渉している又は干渉が予測される場合であっても、当該干渉が自動的に解消又は予防されるので、対象領域が過剰に掘削されることをより確実に防止することができ、オペレータは一層容易に掘削を行うことが可能となる。

また、上記実施形態の建設機械１においては、ガイド画像作成部５６は、仮想ガイド７５のうち、撮影装置４２が撮影した画像に含まれる表示物よりも当該撮影装置４２に近い側の部分である可視部分７５ａと、撮影装置４２が撮影した画像に含まれる表示物よりも当該撮影装置４２から遠い側の部分である不可視部分７５ｂと、を区別してガイド画像７３を作成する。

これにより、オペレータは、仮想ガイド７５の位置を一層容易に把握できる。

また、上記実施形態の建設機械１においては、仮想ガイド７５の位置及び形状の少なくとも一方を、オペレータの操作に応じて変更するガイド変更部５４を更に備える。

これにより、対象領域等に応じて仮想ガイド７５の位置及び／又は形状を変更できるため、様々な作業に仮想ガイド７５を活用することができる。

また、上記実施形態の建設機械１においては、対象領域の掘削完了部分及び未掘削部分の少なくとも何れかと、仮想ガイド７５の位置と、に基づいて、対象領域の掘削の進捗率を算出する進捗算出部５９を更に備える。

また、上記実施形態の建設機械１においては、対象領域の掘削完了部分及び未掘削部分の少なくとも何れかと、仮想ガイド７５の位置と、掘削に掛かった時間と、に基づいて、対象領域の掘削完了時間を算出する完了時間算出部６０を更に備える。

以上に本発明の好適な実施の形態を説明したが、上記の構成は例えば以下のように変更することができる。

上記実施形態では、ステップＳ１０２とステップＳ１０４の両方において、仮想ガイド７５の形状を調整する処理を行うが、少なくとも一方を省略することもできる。例えば、仮想ガイド７５の形状の調整が不要な場合、ステップＳ１０２とステップＳ１０４の両方において、仮想ガイド７５の形状を調整する処理を省略できる。また、上記実施形態では、テンプレート候補画像７１に含まれる仮想ガイド７５の候補（仮想ガイドテンプレート）は、基本的には形状が変更されることが想定されている。これに代えて、形状の変更が想定されていない仮想ガイド７５のみをオペレータの選択候補として含んだ候補画像が表示装置３４に表示されてもよい。

上記実施形態では、ブームシリンダ１７等のシリンダとして油圧シリンダを用いる例を説明したが、例えば電動シリンダであってもよい。

上記実施形態では、掘削形状を規定するために仮想ガイド７５を用いたが、それに加えて、掘削具の浸入を禁止する範囲（例えば建造物等が配置されている範囲）に仮想ガイド７５を設置することもできる。

上記実施形態では、キャビン３１を備える建設機械１に本発明を適用したが、キャビン３１を備えずに運転座席３２が露出しているタイプの建設機械１にも本発明を適用できる。

１建設機械
１３作業機
１４ブーム
１５アーム
１６バケット（掘削具）
５０制御装置
７１テンプレート候補画像
７２テンプレート変更画像
７３ガイド画像
７５仮想ガイド

Claims

掘削具によって対象領域の掘削を行う建設機械において、
前記対象領域を撮影する撮影装置と、
表示装置と、
予め作成された複数の仮想ガイドを、オペレータの選択候補として示す候補画像を前記表示装置に表示する候補画像作成部と、
前記候補画像から、前記オペレータの操作に応じた前記仮想ガイドを選択するガイド選択部と、
前記撮影装置が撮影した画像の前記対象領域上に、前記ガイド選択部が選択した前記仮想ガイドが重畳された画像であるガイド画像を前記表示装置に表示するガイド画像作成部と、
前記掘削具の現在の位置及び姿勢、又は、前記掘削具の将来の位置及び姿勢を算出する処理を行って、当該算出された位置及び姿勢の前記掘削具と、前記対象領域上に配置された前記仮想ガイドと、が干渉するか否かを判定する干渉判定部と、
前記掘削具と、前記対象領域上に配置された前記仮想ガイドとが干渉すると前記干渉判定部が判定した場合に、前記掘削具の位置及び姿勢の少なくとも一方を調整することで、前記掘削具と前記仮想ガイドとの干渉を解消又は予防する掘削具調整部と、
を備えることを特徴とする建設機械。
請求項１に記載の建設機械であって、
前記ガイド画像作成部は、前記仮想ガイドのうち、前記撮影装置が撮影した画像に含まれる表示物よりも当該撮影装置に近い側の部分である可視部分と、前記撮影装置が撮影した画像に含まれる表示物よりも当該撮影装置から遠い側の部分である不可視部分と、を区別して前記ガイド画像を作成することを特徴とする建設機械。
請求項１又は２に記載の建設機械であって、
前記仮想ガイドの位置及び形状の少なくとも一方を、オペレータの操作に応じて変更するガイド変更部を更に備えることを特徴とする建設機械。
請求項１から３までの何れか一項に記載の建設機械であって、
前記対象領域の掘削完了部分及び未掘削部分の少なくとも何れかと、前記仮想ガイドの位置と、に基づいて、前記対象領域の掘削の進捗率を算出する進捗算出部を更に備えることを特徴とする建設機械。
請求項１から４までの何れか一項に記載の建設機械であって、
前記対象領域の掘削完了部分及び未掘削部分の少なくとも何れかと、前記仮想ガイドの位置と、掘削に掛かった時間と、に基づいて、前記対象領域の掘削完了時間を算出する完了時間算出部を更に備えることを特徴とする建設機械。