JP7073232B2 - ショベル及びショベルの情報更新方法 - Google Patents

Description

本発明は、アタッチメントを備えたショベルに関する。

走行中に、油圧ポンプから走行装置の状態、車両の傾斜角、又は、油圧ポンプを駆動するエンジンの回転数に基づいて登坂状態又は降坂状態にあるか否かを判定するショベルが知られている（特許文献１参照。）。

特開平２－２１２６７４号公報

上述のショベルは車両の状態を検出するために傾斜センサ等を用いているが、作業現場におけるショベルの現在位置を把握することができない。

上述に鑑み、作業現場における現在位置を正確に把握できるショベルを提供することが望まれる。

本発明の実施例に係るショベルは、下部走行体と、前記下部走行体に搭載される上部旋回体と、前記上部旋回体に取り付けられ、先端に取り付けられたバケットを含むアタッチメントと、前記アタッチメントの姿勢を検出する姿勢検出装置と、制御装置と、を備えるショベルであって、前記制御装置は、ショベルから独立した撮像装置の出力に基づいてショベル周辺の作業現場の現在の地形情報を取得するとともに、ショベル周辺を撮像した前記撮像装置の出力に基づいて作業現場におけるショベルの位置情報を更新する。

上述の手段により、作業現場における現在位置を正確に把握できるショベルが提供される。

本発明の実施例に係るショベルの側面図である。 図１のショベルに搭載される姿勢検出装置を構成する各種センサの出力内容の一例を示すショベルの側面図である。 図１のショベルに搭載される基本システムの構成例を示す図である。 図１のショベルに搭載される駆動系の構成例を示す図である。 外部演算装置の構成例を示す機能ブロック図である。 地面形状情報取得部が取得する作業対象地面の現在の形状に関する情報の概念図である。 走行停止中のショベル安定度の説明図である。 走行中のショベル安定度の説明図である。 ショベル動作制限処理の流れを示すフローチャートである。 外部演算装置の構成例を示す機能ブロック図である。 外部演算装置の構成例を示す機能ブロック図である。 外部演算装置の構成例を示す機能ブロック図である。 外部演算装置の構成例を示す機能ブロック図である。

最初に、図１を参照し、本発明の実施例に係る建設機械としてのショベルについて説明する。なお、図１は、本発明の実施例に係るショベルの側面図である。図１に示すショベルの下部走行体１には旋回機構２を介して上部旋回体３が搭載される。上部旋回体３にはブーム４が取り付けられる。ブーム４の先端にはアーム５が取り付けられ、アーム５の先端にはバケット６が取り付けられる。作業要素としてのブーム４、アーム５、及びバケット６は、アタッチメントの一例である掘削アタッチメントを構成する。なお、アタッチメントは、床堀アタッチメント、均しアタッチメント、浚渫アタッチメント等の他のアタッチメントであってもよい。また、ブーム４、アーム５、及びバケット６は、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９によりそれぞれ油圧駆動される。また、上部旋回体３にはキャビン１０が設けられ、エンジン１１等の動力源が搭載される。また、上部旋回体３には通信装置Ｍ１、測位装置Ｍ２、及び姿勢検出装置Ｍ３が取り付けられる。

通信装置Ｍ１は、ショベルと外部との間の通信を制御する装置である。本実施例では、通信装置Ｍ１は、ＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）測量システムとショベルとの間の無線通信を制御する。具体的には、通信装置Ｍ１は、例えば１日１回の頻度で、ショベルの作業を開始する際に作業現場の地形情報を取得する。ＧＮＳＳ測量システムは、例えばネットワーク型ＲＴＫ－ＧＮＳＳ測位方式を採用する。

測位装置Ｍ２は、ショベルの位置及び向きを測定する装置である。本実施例では、測位装置Ｍ２は、電子コンパスを組み込んだＧＮＳＳ受信機であり、ショベルの存在位置の緯度、経度、高度を測定し、且つ、ショベルの向きを測定する。

姿勢検出装置Ｍ３は、アタッチメントの姿勢を検出する装置である。本実施例では、姿勢検出装置Ｍ３は、掘削アタッチメントの姿勢を検出する装置である。

図２は、図１のショベルに搭載される姿勢検出装置Ｍ３を構成する各種センサの出力内容の一例を示すショベルの側面図である。具体的には、姿勢検出装置Ｍ３は、ブーム角度センサＭ３ａ、アーム角度センサＭ３ｂ、バケット角度センサＭ３ｃ、及び車体傾斜センサＭ３ｄを含む。

ブーム角度センサＭ３ａは、ブーム角度θ１を取得するセンサであり、例えば、ブームフートピンの回転角度を検出する回転角度センサ、ブームシリンダ７のストローク量を検出するストロークセンサ、ブーム４の傾斜角度を検出する傾斜（加速度）センサ等を含む。ブーム角度θ１は、ＸＺ平面において、ブームフートピン位置Ｐ１とアーム連結ピン位置Ｐ２とを結ぶ線分の水平線に対する角度である。

アーム角度センサＭ３ｂは、アーム角度θ２を取得するセンサであり、例えば、アーム連結ピンの回転角度を検出する回転角度センサ、アームシリンダ８のストローク量を検出するストロークセンサ、アーム５の傾斜角度を検出する傾斜（加速度）センサ等を含む。アーム角度θ２は、ＸＺ平面において、アーム連結ピン位置Ｐ２とバケット連結ピン位置Ｐ３とを結ぶ線分の水平線に対する角度である。

バケット角度センサＭ３ｃは、バケット角度θ３を取得するセンサであり、例えば、バケット連結ピンの回転角度を検出する回転角度センサ、バケットシリンダ９のストローク量を検出するストロークセンサ、バケット６の傾斜角度を検出する傾斜（加速度）センサ等を含む。バケット角度θ３は、ＸＺ平面において、バケット連結ピン位置Ｐ３とバケット爪先位置Ｐ４とを結ぶ線分の水平線に対する角度である。

車体傾斜センサＭ３ｄは、ショベルのＹ軸回りの傾斜角θ４、及び、ショベルのＸ軸回りの傾斜角θ５（図示せず。）を取得するセンサであり、例えば２軸傾斜（加速度）センサ等を含む。なお、図２のＸＹ平面は水平面である。

次に、図３を参照してショベルの基本システムについて説明する。ショベルの基本システムは、主に、エンジン１１、メインポンプ１４、パイロットポンプ１５、コントロールバルブ１７、操作装置２６、コントローラ３０、及びエンジン制御装置（ＥＣＵ）７４等を含む。

エンジン１１はショベルの駆動源であり、例えば、所定の回転数を維持するように動作するディーゼルエンジンである。エンジン１１の出力軸はメインポンプ１４及びパイロットポンプ１５の入力軸に接続される。

メインポンプ１４は、高圧油圧ライン１６を介して作動油をコントロールバルブ１７に供給する油圧ポンプであり、例えば、斜板式可変容量型油圧ポンプである。メインポンプ１４は、斜板の角度（傾転角）を変更することでピストンのストローク長を調整し、吐出流量、すなわち、ポンプ出力を変化させることができる。メインポンプ１４の斜板は、レギュレータ１４ａにより制御される。レギュレータ１４ａは、電磁比例弁（不図示）に対する制御電流の変化に対応して、斜板の傾転角を変化させる。例えば、制御電流を増加させることにより、レギュレータ１４ａは、斜板の傾転角を大きくして、メインポンプ１４の吐出流量を多くする。また、制御電流を減少させることにより、レギュレータ１４ａは、斜板の傾転角を小さくして、メインポンプ１４の吐出流量を少なくする。

パイロットポンプ１５は、パイロットライン２５を介して各種油圧制御機器に作動油を供給するための油圧ポンプであり、例えば、固定容量型油圧ポンプである。

コントロールバルブ１７は、林業機械における油圧システムを制御する油圧制御バルブである。コントロールバルブ１７は、後述するレバー又はペダル２６Ａ～２６Ｃの操作方向及び操作量に応じた圧力変化に応じて、例えば、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、バケットシリンダ９、走行用油圧モータ１Ａ（左用）、走行用油圧モータ１Ｂ（右用）、及び旋回用油圧モータ２Ａのうちの一又は複数のものに対し、メインポンプ１４から高圧油圧ライン１６を通じて供給された作動油を選択的に供給する。なお、以下の説明では、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、バケットシリンダ９、走行用油圧モータ１Ａ（左用）、走行用油圧モータ１Ｂ（右用）、及び旋回用油圧モータ２Ａを集合的に「油圧アクチュエータ」と称する。

操作装置２６は、操作者が油圧アクチュエータの操作のために用いる装置である。操作装置２６は、パイロットライン２５を介してパイロットポンプ１５から供給された作動油をパイロットライン２５ａを通じて、油圧アクチュエータのそれぞれに対応する流量制御弁のパイロットポートに供給する。なお、パイロットポートのそれぞれに供給される作動油の圧力は、油圧アクチュエータのそれぞれに対応するレバー又はペダル２６Ａ～２６Ｃの操作方向及び操作量に応じた圧力とされる。

コントローラ３０は、ショベルを制御するための制御装置であり、例えば、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等を備えたコンピュータで構成される。コントローラ３０のＣＰＵは、ショベルの動作や機能に対応するプログラムをＲＯＭから読み出してＲＡＭにロードしながらプログラムを実行することで、それらプログラムのそれぞれに対応する処理を実行させる。

コントローラ３０は、メインポンプ１４の吐出流量の制御を行う。例えば、ネガコン弁（不図示）のネガコン圧に応じて上記制御電流を変化させ、レギュレータ１４ａを介してメインポンプ１４の吐出流量を制御する。

エンジン制御装置（ＥＣＵ）７４は、エンジン１１を制御する装置である。例えば、コントローラ３０からの指令に基づき、後述するエンジン回転数調整ダイヤル７５により操作者が設定したエンジン回転数（モード）に応じてエンジン１１の回転数を制御するための燃料噴射量等をエンジン１１に出力する。

エンジン回転数調整ダイヤル７５は、キャビン１０内に設けられるエンジンの回転数を調整するためのダイヤルであり、本実施形態ではエンジン回転数を５段階で切り換えできるようにする。即ち、エンジン回転数調整ダイヤル７５により、Ｒｍａｘ、Ｒ４、Ｒ３、Ｒ２及びＲ１の５段階でエンジン回転数を切り換えることができるようにする。なお、図３は、エンジン回転数調整ダイヤル７５でＲ４が選択された状態を示す。

Ｒｍａｘは、エンジン１１の最高回転数であり、作業量を優先したい場合に選択される。Ｒ４は、二番目に高いエンジン回転数であり、作業量と燃費を両立させたい場合に選択される。Ｒ３及びＲ２は、三番目及び四番目に高いエンジン回転数であり、燃費を優先させながら低騒音でショベルを稼働させたい場合に選択される。Ｒ１は、最も低いエンジン回転数（アイドリング回転数）であり、エンジン１１をアイドリング状態にしたい場合に選択されるアイドリングモードにおけるエンジン回転数である。例えば、Ｒｍａｘ（最高回転数）を２０００ｒｐｍ、Ｒ１（アイドリング回転数）を１０００ｒｐｍとし、その間を２５０ｒｐｍ毎に、Ｒ４（１７５０ｒｐｍ）、Ｒ３（１５００ｒｐｍ）、Ｒ２（１２５０ｒｐｍ）と多段階に設定してよい。そして、エンジン１１は、エンジン回転数調整ダイヤル７５で設定されたエンジン回転数で一定に回転数制御される。なお、ここでは、エンジン回転数調整ダイヤル７５による５段階でのエンジン回転数調整の事例を示したが、５段階には限られず何段階であってもよい。

また、ショベルには、運転者による運転を補助するために画像表示装置４０をキャビン１０の運転席の近傍に配置する。運転者は画像表示装置４０の入力部４２を利用して情報や指令をコントローラ３０に入力できる。また、ショベルの運転状況や制御情報を画像表示装置４０の画像表示部４１に表示させることで、運転者に情報を提供できる。

画像表示装置４０は、画像表示部４１及び入力部４２を含む。画像表示装置４０は、運転席内のコンソールに固定される。なお、一般的に、運転席に着座した運転者からみて右側にブーム４が配置されており、運転者はブーム４の先端に取り付けられたアーム５、バケット６を視認しながらショベルを運転することが多い。キャビン１０の右側前方のフレームは運転者の視界の妨げとなる部分であるが、本実施形態では、この部分を利用して画像表示装置４０を設けている。これにより、もともと視界の妨げとなっていた部分に画像表示装置４０が配置されるので、画像表示装置４０自体が運転者の視界を大きく妨げることは無い。フレームの幅にもよるが、画像表示装置４０全体がフレームの幅に入るように、画像表示装置４０は、画像表示部４１が縦長となるように構成されてもよい。

本実施形態では、画像表示装置４０は、ＣＡＮ、ＬＩＮ等の通信ネットワークを介してコントローラ３０に接続される。なお、画像表示装置４０は、専用線を介してコントローラ３０に接続されてもよい。

また、画像表示装置４０は、画像表示部４１上に表示する画像を生成する変換処理部４０ａを含む。本実施形態では、変換処理部４０ａは、撮像装置Ｍ５の出力に基づいて画像表示部４１上に表示するカメラ画像を生成する。そのため、撮像装置Ｍ５は、例えば専用線を介して画像表示装置４０に接続される。また、変換処理部４０ａは、コントローラ３０の出力に基づいて画像表示部４１上に表示する画像を生成する。

なお、変換処理部４０ａは、画像表示装置４０が有する機能としてではなく、コントローラ３０が有する機能として実現されてもよい。この場合、撮像装置Ｍ５は、画像表示装置４０ではなく、コントローラ３０に接続される。

また、画像表示装置４０は、入力部４２としてのスイッチパネルを含む。スイッチパネルは、各種ハードウェアスイッチを含むパネルである。本実施形態では、スイッチパネルは、ハードウェアボタンとしてのライトスイッチ４２ａ、ワイパースイッチ４２ｂ、及びウインドウォッシャスイッチ４２ｃを含む。ライトスイッチ４２ａは、キャビン１０の外部に取り付けられるライトの点灯・消灯を切り換えるためのスイッチである。ワイパースイッチ４２ｂは、ワイパーの作動・停止を切り換えるためのスイッチである。また、ウインドウォッシャスイッチ４２ｃは、ウインドウォッシャ液を噴射するためのスイッチである。

また、画像表示装置４０は、蓄電池７０から電力の供給を受けて動作する。なお、蓄電池７０はエンジン１１のオルタネータ１１ａ（発電機）で発電した電力で充電される。蓄電池７０の電力は、コントローラ３０及び画像表示装置４０以外のショベルの電装品７２等にも供給される。また、エンジン１１のスタータ１１ｂは、蓄電池７０からの電力で駆動され、エンジン１１を始動する。

エンジン１１は、上述のとおり、エンジン制御装置（ＥＣＵ）７４により制御される。ＥＣＵ７４からは、エンジン１１の状態を示す各種データ（例えば、水温センサ１１ｃで検出される冷却水温（物理量）を示すデータ）がコントローラ３０に常時送信される。したがって、コントローラ３０は一時記憶部（メモリ）３０ａにこのデータを蓄積しておき、必要なときに画像表示装置４０に送信することができる。

また、コントローラ３０には以下のように各種のデータが供給され、コントローラ３０の一時記憶部３０ａに格納される。

まず、可変容量式油圧ポンプであるメインポンプ１４のレギュレータ１４ａから斜板の傾転角を示すデータがコントローラ３０に供給される。また、メインポンプ１４の吐出圧力を示すデータが、吐出圧力センサ１４ｂからコントローラ３０に送られる。これらのデータ（物理量を表すデータ）は一時記憶部３０ａに格納される。また、メインポンプ１４が吸入する作動油が貯蔵されたタンクとメインポンプ１４との間の管路には、油温センサ１４ｃが設けられており、その管路を流れる作動油の温度を表すデータが、油温センサ１４ｃからコントローラ３０に供給される。

また、レバー又はペダル２６Ａ～２６Ｃを操作した際に、パイロットライン２５ａを通じてコントロールバルブ１７に送られるパイロット圧が、油圧センサ１５ａ、１５ｂで検出され、検出したパイロット圧を示すデータがコントローラ３０に供給される。

また、エンジン回転数調整ダイヤル７５からは、エンジン回転数の設定状態を示すデータがコントローラ３０に常時送信される。

外部演算装置３０Ｅは、通信装置Ｍ１、測位装置Ｍ２、姿勢検出装置Ｍ３、撮像装置Ｍ５等の出力に基づいて各種演算を行い、演算結果をコントローラ３０に対して出力する制御装置である。本実施例では、外部演算装置３０Ｅは蓄電池７０から電力の供給を受けて動作する。

図４は、図１のショベルに搭載される駆動系の構成例を示す図であり、機械的動力伝達ライン、高圧油圧ライン、パイロットライン、及び電気制御ラインをそれぞれ二重線、実線、破線、及び点線で示す。

ショベルの駆動系は、主に、エンジン１１、メインポンプ１４Ｌ、１４Ｒ、パイロットポンプ１５、コントロールバルブ１７、操作装置２６、操作内容検出装置２９、コントローラ３０、外部演算装置３０Ｅ、及び切換弁５０を含む。

コントロールバルブ１７は、メインポンプ１４Ｌ、１４Ｒが吐出する作動油の流れを制御する流量制御弁１７１～１７６を含む。そして、コントロールバルブ１７は、流量制御弁１７１～１７６を通じ、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、バケットシリンダ９、走行用油圧モータ１Ａ（左用）、走行用油圧モータ１Ｂ（右用）、及び旋回用油圧モータ２Ａのうちの１又は複数のものに対しメインポンプ１４Ｌ、１４Ｒが吐出する作動油を選択的に供給する。

操作装置２６は、操作者が油圧アクチュエータの操作のために用いる装置である。本実施例では、操作装置２６は、パイロットライン２５を通じ、パイロットポンプ１５が吐出する作動油を油圧アクチュエータのそれぞれに対応する流量制御弁のパイロットポートに供給する。

操作内容検出装置２９は、操作装置２６を用いた操作者の操作内容を検出する装置である。本実施例では、操作内容検出装置２９は、油圧アクチュエータのそれぞれに対応する操作装置２６のレバー又はペダルの操作方向及び操作量を圧力の形で検出し、検出した値をコントローラ３０に対して出力する。なお、操作装置２６の操作内容は、ポテンショメータ等、圧力センサ以外の他のセンサの出力を用いて導き出されてもよい。

エンジン１１によって駆動されるメインポンプ１４Ｌ、１４Ｒは、センターバイパス管路４０Ｌ、４０Ｒのそれぞれを経て作動油タンクまで作動油を循環させる。

センターバイパス管路４０Ｌは、コントロールバルブ１７内に配置された流量制御弁１７１、１７３、及び１７５を通る高圧油圧ラインであり、センターバイパス管路４０Ｒは、コントロールバルブ１７内に配置された流量制御弁１７２、１７４、及び１７６を通る高圧油圧ラインである。

流量制御弁１７１、１７２、１７３は、走行用油圧モータ１Ａ（左用）、走行用油圧モータ１Ｂ（右用）、旋回用油圧モータ２Ａに流出入する作動油の流量及び流れ方向を制御するスプール弁である。

また、流量制御弁１７４、１７５、１７６は、バケットシリンダ９、アームシリンダ８、ブームシリンダ７に流出入する作動油の流量及び流れ方向を制御するスプール弁である。

切換弁５０は、操作装置２６と流量制御弁１７１～１７６のそれぞれのパイロットポートとの間の連通・遮断を切り替える弁である。本実施例では、切換弁５０はコントローラ３０からの制御指令に応じて弁位置を切り換える電磁切換弁である。具体的には、切換弁５０は、コントローラ３０から遮断指令を受けた場合に操作装置２６と各パイロットポートとの間の連通を部分的に或いは完全に遮断し、連通指令を受けた場合に操作装置２６と各パイロットポートとの間を連通させる。

次に、図５を参照して外部演算装置３０Ｅの機能について説明する。なお、図５は、外部演算装置３０Ｅの構成例を示す機能ブロック図である。本実施例では、外部演算装置３０Ｅは、通信装置Ｍ１、測位装置Ｍ２、姿勢検出装置Ｍ３、操作装置２６の出力を受けて各種演算を実行し、その演算結果をコントローラ３０に対して出力する。コントローラ３０は、例えば、その演算結果に応じた制御指令を動作制限部Ｅ１に対して出力する。なお、外部演算装置３０Ｅは、操作内容検出装置２９を介して操作装置２６の出力を受ける。

動作制限部Ｅ１はショベルの動きを制限するための機能要素であり、例えば、パイロット圧を調整する減圧弁、メインポンプ１４からコントロールバルブ１７への作動油の流れを遮断可能な切換弁を含む。本実施例では、動作制限部Ｅ１として切換弁５０が採用される。

また、動作制限部Ｅ１は、ショベルの操作者に対して警告を出力する警告出力装置を含む。警告出力装置は、例えば、音声出力装置、警告ランプ等を含む。

具体的には、外部演算装置３０Ｅは、主に、地形データベース更新部３１、位置座標更新部３２、地面形状情報取得部３３、及び安定度算出部３４を含む。

地形データベース更新部３１は、作業現場の地形情報を参照可能に体系的に記憶する地形データベースを更新する機能要素である。本実施例では、地形データベース更新部３１は、例えばショベルの起動時に通信装置Ｍ１を通じて作業現場の地形情報を取得して地形データベースを更新する。地形データベースは不揮発性メモリ等に記憶される。また、作業現場の地形情報は、例えば世界測位系に基づく３次元地形モデルで記述される。

位置座標更新部３２は、ショベルの現在位置を表す座標及び向きを更新する機能要素である。本実施例では、位置座標更新部３２は、測位装置Ｍ２の出力に基づいて世界測位系におけるショベルの位置座標及び向きを取得し、不揮発性メモリ等に記憶されるショベルの現在位置を表す座標及び向きに関するデータを更新する。

地面形状情報取得部３３は、作業対象の地面の現在の形状に関する情報を取得する機能要素である。本実施例では、地面形状情報取得部３３は、地形データベース更新部３１が更新した地形情報と、位置座標更新部３２が更新したショベルの現在位置を表す座標及び向きと、姿勢検出装置Ｍ３が検出した掘削アタッチメントの姿勢の過去の推移とに基づいて作業対象地面の現在の形状に関する情報を取得する。また、上述の実施例では、外部演算装置３０Ｅはコントローラ３０の外部にある別の演算装置として説明されたが、コントローラ３０に一体的に統合されてもよい。

ここで、図６を参照し、地面形状情報取得部３３が掘削動作後の地面形状に関する情報を取得する処理について説明する。図６は、掘削動作後の地面形状に関する情報の概念図である。なお、図６の破線で示す複数のバケット形状は、前回の掘削動作の際のバケット６の軌跡を表す。バケット６の軌跡は、姿勢検出装置Ｍ３が過去に検出した掘削アタッチメントの姿勢の推移から導き出される。また、図６の太実線は、地面形状情報取得部３３が把握している作業対象地面の現在の断面形状を表し、太点線は、地面形状情報取得部３３が把握している前回の掘削動作が行われる前の作業対象地面の断面形状を表す。すなわち、地面形状情報取得部３３は、前回の掘削動作が行われる前の作業対象地面の形状から、前回の掘削動作の際にバケット６が通過した空間に対応する部分を取り除くことで作業対象地面の現在の形状を導き出す。このようにして、地面形状情報取得部３３は、掘削動作後の地面形状を推定できる。また、図６の一点鎖線で示すＺ軸方向に伸びる各ブロックは３次元地形モデルの各要素を表す。各要素は例えばＸＹ平面に平行な単位面積の上面と－Ｚ方向に無限大の長さを有するモデルで表現される。なお、３次元地形モデルは３次元メッシュモデルで表現されてもよい。

安定度算出部３４は、所定時間後のショベルの姿勢（以下、「ショベル姿勢」とする。）を予測し、そのショベル姿勢に基づいてショベルの安定度（以下、「ショベル安定度」とする。）を算出し、そのショベル安定度に基づいて動作制限部Ｅ１を制御する機能要素である。

ショベル安定度は、ショベルの転倒し易さを表す指標であり、ショベル安定度が低いほどショベルが転倒する可能性が高いことを表す。

本実施例では、安定度算出部３４は、掘削アタッチメントの現在の姿勢と、作業対象地面の現在の形状に関する情報と、操作者の操作内容とに基づいて所定時間（例えば１秒間）後のショベル姿勢を予測する。掘削アタッチメントの現在の姿勢は姿勢検出装置Ｍ３によって検出され、作業対象地面の現在の形状に関する情報は地面形状情報取得部３３によって取得され、操作装置２６を用いた操作者の操作内容は操作内容検出装置２９によって検出される。

その後、安定度算出部３４は、予測したショベル姿勢に基づいてショベル安定度を算出する。

図７は走行停止中のショベル安定度の説明図である。なお、図７では＋Ｘ方向を前方とし－Ｘ方向を後方とする。

図７に示すようにショベルが走行していない場合、安定度算出部３４は、作業対象地面の現在の形状に関する情報と、ショベルの現在位置及び向きに関する情報と、所定のクローラ長ＣＬとに基づいて転倒軸（支点）ＴＡを導き出す。転倒軸ＴＡは、ショベルが転倒する際の軸であり、例えば、クローラと地面が接触する部分の右前端座標点と左前端座標点とを通る軸、右前端座標点と右後端座標点とを通る軸、右後端座標点と左後端座標点とを通る軸、及び、左前端座標点と左後端座標点とを通る軸等を含む。

また、安定度算出部３４は、地面形状情報取得部３３により更新された最新の地面形状からショベル本体の傾きを推定し、推定されたショベル本体の傾きと、アタッチメントの姿勢と、操作内容検出装置２９が検出する操作装置２６を用いた操作者の操作内容とに基づき、所定時間後のショベルの重心ＧＣの位置、転倒軸ＴＡの位置、並びに、クローラと地面が接する部分の前端座標点及び後端座標点を導き出す。

その上で、安定度算出部３４は、ショベルの重心ＧＣと転倒軸ＴＡとの間の水平距離Ｄ１と、ショベルの中心から見て転倒軸ＴＡの外側に突出したクローラの最大突出長さＤ２とに基づいてショベル安定度を算出する。ショベル安定度は水平距離Ｄ１が小さいほど小さくなるように算出される。なお、水平距離Ｄ１はショベルの重心ＧＣが上面視で転倒軸ＴＡよりもショベルの中心点から遠い位置にある場合に負値となる。また、ショベル安定度は最大突出長さＤ２が大きいほど小さくなるように算出される。また、安定度算出部３４は、複数の転倒軸のそれぞれに関してショベル安定度を算出し、複数のショベル安定度のうちの最小値を最終的なショベル安定度として選択する。

なお、転倒軸ＴＡ周りの力のモーメント（トルク）のつり合いは以下の式（１）で表される。m₀は掘削アタッチメントを除くショベルの質量を表し、gは重力加速度を表す。また、L₀は掘削アタッチメントを除くショベルの重心GC₀に作用する重力m₀・gの作用線の転倒軸TAからの距離を表し、水平距離Ｄ１に相当する。また、m₁、m₂、m₃は、ブーム４、アーム５、バケット６の質量を表し、L₁、L₂、L₃はブーム４、アーム５、バケット６の重心GC₁、GC₂、GC₃に作用する重力m₁・g、m₂・g、m₃・gの作用線の転倒軸TAからの距離を表す。なお、バケット６の質量はバケット６に積載された積載物の質量を含んでいてもよい。

式（１）は図７のショベルを転倒軸TAに関して反時計回りに回転させようとする力のモーメント（トルク）の合計を左辺に記述し、ショベルを転倒軸TAに関して時計回りに回転させようとする力のモーメント（トルク）の合計を右辺に記述する。そして、式（１）は左辺の大きさが右辺の大きさ以下の場合にショベルの姿勢バランスが安定した状態（ショベルの後部が浮き上がらない状態）にあることを表す。また、式（１）は左辺の大きさが右辺の大きさより大きい場合にショベルの姿勢バランスが不安定な状態（ショベルの後部が浮き上がる状態）にあることを表す。すなわち、以下の式（２）の関係を満たす場合に、ショベルの姿勢バランスが安定した状態（ショベルの後部が浮き上がらない状態）にあるといえる。

なお、図７は、ブーム下げ、アーム開き、バケット開きの複合操作が行われて重心ＧＣが＋Ｘ方向に移動することで水平距離Ｄ１が減少して転倒軸ＴＡに関するショベル安定度が小さくなる様子を示す。

また、安定度算出部３４は、算出したショベル安定度に基づいて動作制限部Ｅ１を制御する。本実施例では、安定度算出部３４は、ショベル安定度が、転倒軸ＴＡから重心ＧＣまでの水平距離Ｄ１に基づいて決定される所定の閾値以下の場合にショベルの転倒のおそれがあると判定し、その判定結果をコントローラ３０に対して出力する。その判定結果を受けたコントローラ３０は動作制限部Ｅ１としての切換弁５０に対して遮断指令を出力する。遮断指令を受けた切換弁５０は操作装置２６と各パイロットポートとの間の連通を部分的に或いは完全に遮断してショベルの動きを鈍化させ或いは停止させる。望ましくは、ショベルの動きを徐々に鈍化させて停止させる。急停止を避けることで急停止に起因する衝撃によりショベルのバランスが大きく崩れるのを防止するためである。

なお、安定度算出部３４は、ショベル安定度が所定の第１閾値以下の場合にコントローラ３０から動作制限部Ｅ１としての音声出力装置に対して警告指令を出力させ、ショベル安定度が所定の第２閾値（≦第１閾値）以下の場合にコントローラ３０から動作制限部Ｅ１としての切換弁５０に対して遮断指令を出力させてもよい。

図８は走行中のショベル安定度の説明図である。具体的には、図８（Ａ）はショベルが前進する場合のショベル安定度の説明図であり、図８（Ｂ）はショベルが後進する場合のショベル安定度の説明図である。なお、図８（Ａ）及び図８（Ｂ）では＋Ｘ方向を前方とし－Ｘ方向を後方とする。

図８（Ａ）に示すようにショベルが前進している場合、地面形状情報取得部３３は、作業対象地面の現在の形状に関する情報に基づいて作業対象地面の鉛直断面における地表を表す線ＧＬを導き出す。そして、安定度算出部３４は、線ＧＬと、ショベルの現在位置を表す座標及び向きに関するデータと、所定のクローラ長（クローラの直線部分の長さ）ＣＬとに基づいて所定時間後にクローラと地面が接する部分の前端座標点Ｐｆ及び後端座標点Ｐｒを導き出す。なお、線ＧＬは凹点及び凸点を含む曲線で表される。また、前端座標点Ｐｆ及び後端座標点Ｐｒのうち低い方が転倒軸ＴＡとなる。図８（Ａ）の場合、後端座標点Ｐｒが転倒軸ＴＡとなる。

そして、安定度算出部３４は、前端座標点Ｐｆと後端座標点Ｐｒとを結ぶ線分の水平線に対する角度αを導き出す。角度αは水平線に対して時計回りに正値をとり、水平線に対して反時計回りに負値をとる。その上で、安定度算出部３４は、アタッチメントの姿勢と角度αとに基づいてショベル安定度を算出する。ショベル安定度は、アタッチメントの姿勢が一定であれば、角度αの絶対値が大きいほど小さくなるように算出される。

したがって、図８（Ａ）は、前進が継続されると角度α（正値）が大きくなることでショベル安定度が小さくなる様子を示す。

同様に、図８（Ｂ）に示すようにショベルが後進している場合、安定度算出部３４は、線ＧＬと、ショベルの現在位置を表す座標及び向きに関するデータと、所定のクローラ長ＣＬとに基づいて所定時間後の前端座標点Ｐｆ及び後端座標点Ｐｒを導き出す。

そして、安定度算出部３４は、前端座標点Ｐｆと後端座標点Ｐｒとを結ぶ線分の水平線に対する角度βを導き出す。角度βは水平線に対して反時計回りに正値をとり、水平線に対して時計回りに負値をとる。その上で、安定度算出部３４は、アタッチメントの姿勢と角度βとに基づいてショベル安定度を算出する。ショベル安定度は、アタッチメントの姿勢が一定であれば、角度βの絶対値が大きいほど小さくなるように算出される。

したがって、図８（Ｂ）は、後進が継続されると角度β（正値）が大きくなることでショベル安定度が小さくなる様子を示す。なお、前端座標点Ｐｆ及び後端座標点Ｐｒのうち低い方が転倒軸ＴＡとなる。図８（Ｂ）の場合、前端座標点Ｐｆが転倒軸ＴＡとなる。

このように、安定度算出部３４は、車体傾斜センサＭ３ｄの出力ではなく、ショベルの現在位置及び向きに関する情報と、掘削アタッチメントの現在の姿勢と、作業対象地面の現在の形状に関する情報と、操作者の操作内容とに基づいて所定時間後のショベル姿勢を予測してショベル安定度を算出する。但し、安定度算出部３４は、車体傾斜センサＭ３ｄの出力を追加的に考慮してショベル姿勢を予測しながらショベル安定度を算出してもよい。

次に、図９を参照し、安定度算出部３４がショベル安定度に基づいてショベルの動きを制限するか否かを判定する処理（以下、「ショベル動作制限処理」とする。）について説明する。図９は、ショベル動作制限処理の流れを示すフローチャートである。安定度算出部３４は所定の制御周期で繰り返しこのショベル動作制限処理を実行する。

最初に、安定度算出部３４は、所定時間後のショベル姿勢を予測する（ステップＳ１１）。本実施例では、安定度算出部３４は、ショベルの現在位置及び向きに関する情報と、掘削アタッチメントの現在の姿勢と、作業対象地面の現在の形状に関する情報と、操作者の操作内容とに基づいて所定時間（例えば１秒間）後のショベル姿勢を予測する。

その後、安定度算出部３４は、予測したショベル姿勢でのショベル安定度を算出する（ステップＳ１２）。本実施例では、安定度算出部３４は、ショベルが前進している場合には角度αに基づいてショベル安定度を算出し（図８（Ａ）参照。）、ショベルが後進している場合には角度βに基づいてショベル安定度を算出する（図８（Ｂ）参照。）。また、ショベルが走行していない場合にはショベルの重心ＧＣに基づいてショベル安定度を算出する（図７参照。）。

その後、安定度算出部３４は、ショベル安定度が閾値以下であるかを判定する（ステップＳ１３）。本実施例では、安定度算出部３４は、算出したショベル安定度と、ＲＯＭ等に予め登録された所定の閾値とを比較し、ショベル安定度が閾値以下であるか否かを判定する。

ショベル安定度が所定値以下であると判定した場合（ステップＳ１３のＹＥＳ）、安定度算出部３４は、ショベルの動きを制限する（ステップＳ１４）。本実施例では、ショベル安定度が所定値以下であると判定した場合、安定度算出部３４は、ショベルの転倒のおそれがあると判定し、コントローラ３０から動作制限部Ｅ１としての切換弁５０に対して遮断指令を出力させる。遮断指令を受けた切換弁５０は操作装置２６と各パイロットポートとの間の連通を部分的に或いは完全に遮断してショベルの動きを鈍化させ或いは停止させる。

ショベル安定度が所定値より大きいと判定した場合（ステップＳ１３のＮＯ）、安定度算出部３４は、ショベルの動きを制限することなくその動きを継続させる。本実施例では、ショベル安定度が所定値より大きいと判定した場合、安定度算出部３４は、ショベルの転倒のおそれがないと判定し、コントローラ３０から動作制限部Ｅ１としての切換弁５０に対して遮断指令を出力させることなく、今回のショベル動作制限処理を終了させる。

このようにして安定度算出部３４は、現在の操作が継続されると所定時間経過後のショベル安定度が所定値以下になると判定した場合にショベルの動きを制限することでショベル姿勢が不安定になるのを未然に防止できる。

以上の構成により、コントローラ３０は、掘削動作後の地面形状に関する情報に基づいて作業対象の地面の現在の形状に関する情報を取得する。そして、取得した作業対象の地面の現在の形状に関する情報と、ショベルの現在位置及び向きに関する情報と、アタッチメントの現在の姿勢とに基づいて各種操作が行われたときの所定時間後のショベル安定度を算出する。そして、ショベル安定度が所定値以下のときにショベルの動きを制限する。その結果、コントローラ３０は、現在の操作が継続された場合にショベルの転倒のおそれがあることを事前に予測してショベルの動きを制限することでショベルの転倒を未然に防止できる。

キャビン１０内にいる操作者は、目線が高いところにあるため、前方の地面の凹凸の大きさ及びクローラの接地状態を正確に判断するのが困難な場合がある。また、死角領域にある側方及び後方の地面の凹凸の大きさ及びクローラの接地状態を判断できない場合がある。このような場合であっても、コントローラ３０はショベルの転倒のおそれがあることを事前に予測してショベルの動きを制限する。そのため、操作者は安心してショベルを動作させることができる。その結果、コントローラ３０はショベル操作性及び作業効率を向上させることができる。

また、コントローラ３０は、前進中又は後進中のショベルに関する所定時間後のショベル安定度を算出してショベルが転倒するおそれがあるか否かを判定する。そして、転倒のおそれがあると判定した場合に警報を出力し、さらには走行を鈍化させ或いは停止させる。そのため、コントローラ３０は、ショベルが急斜面、穴等に進入するのを未然に防止できる。なお、コントローラ３０は、ショベルの前進を停止させた場合であってもショベルの後進を禁止することはない。同様に、コントローラ３０は、ショベルの後進を停止させた場合であってもショベルの前進を禁止することはない。ショベル安定度を増大させる動きを妨げないようにするためである。但し、ショベル安定度を増大させる動きを許容する場合であっても、コントローラ３０は、望ましくは、急激な動作が生じないようにする。急発進に起因する衝撃によってショベルのバランスが大きく崩れてしまうのを防止するためである。

また、コントローラ３０は、走行を停止した状態でアタッチメント又は旋回機構を動作させているショベルに関する所定時間後のショベル安定度を算出してショベルが転倒するおそれがあるか否かを判定する。そして、転倒のおそれがあると判定した場合に警報を出力し、さらにはアタッチメント及び旋回機構の少なくとも一方の動きを鈍化させ或いは停止させる。そのため、コントローラ３０は、クローラの一部が地面から浮いた状態で作業しているショベルがバランスを崩して転倒するのを防止できる。なお、コントローラ３０は、アタッチメント及び旋回機構の少なくとも一方の動きを停止させた場合であってもショベル安定度を増大させる動きを禁止することはない。例えば、ブーム下げを停止させた場合であってもブーム上げを禁止することはなく、右旋回を停止させたとしても左旋回を禁止することはない。但し、ショベル安定度を増大させる動きを許容する場合であっても、コントローラ３０は、望ましくは、急激な動作が生じないようにする。急旋回等に起因する衝撃によってショベルのバランスが大きく崩れてしまうのを防止するためである。

また、上述の実施例では、コントローラ３０は、切換弁５０を作動させることでショベルの動作を制限するが、それ以外の方法でショベルの動作を制限してもよい。例えば、メインポンプ１４の斜板傾転角を変更することでポンプ馬力を低減させたり、エンジン回転数を低減することでメインポンプ１４のポンプ馬力を低減させたりしてショベルの動作を制限してもよい。

以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなしに上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。

例えば、上述の実施例では、地形データベース更新部３１は、ショベルの起動時に通信装置Ｍ１を通じて作業現場の地形情報を取得して地形データベースを更新する。しかしながら、本発明はこの構成に限定されるものではない。例えば、地形データベース更新部３１は、アタッチメントの姿勢の推移に関する情報を用いることなく、撮像装置が撮像したショベル周辺の画像に基づいて作業現場の地形情報を取得して地形データベースを更新してもよい。

図１０は、撮像装置Ｍ５に接続されるコントローラ３０の構成例を示す機能ブロック図である。図１０の構成は、通信装置Ｍ１の代わりに撮像装置Ｍ５が接続される点で、図５の構成と相違するがその他の点で共通する。そのため、共通部分の説明を省略し、相違部分を詳細に説明する。

撮像装置Ｍ５はショベルの周辺の画像を取得する装置である。本実施例では、撮像装置Ｍ５は、ショベルの上部旋回体３に取り付けられるカメラであり、撮像した画像に基づいてショベルの周囲の地面までの距離を認識して作業現場の地形情報を取得する。なお、撮像装置Ｍ５はステレオカメラ、距離画像カメラ、３次元レーザスキャナ等であってもよい。

また、撮像装置Ｍ５はショベルから独立していてもよい。この場合、コントローラ３０は、通信装置Ｍ１を介して撮像装置Ｍ５が出力する地形情報を取得してもよい。具体的には、撮像装置Ｍ５は、空撮用マルチコプタ、作業現場に設置された鉄塔等に取り付けられ、作業現場を上から見た画像に基づいて作業現場の地形情報を取得してもよい。また、撮像装置Ｍ５は、空撮用マルチコプタに取り付けられた場合、１時間に１回程度の頻度で或いはリアルタイムで、作業現場を上から見た画像を撮像して作業現場の地形情報を取得してもよい。撮像装置Ｍ５が取得した地形情報は地形データベースの更新に用いられる。その更新間隔は、地形情報の所得間隔が１時間以上の場合には、姿勢検出装置Ｍ３からの信号に基づく地形データベースの更新間隔よりも長い。

図１１～図１３は、撮像装置Ｍ５に接続されるコントローラ３０の別の構成例を示す機能ブロック図である。図１１の構成は、地形データベース更新部３１及び位置座標更新部３２のそれぞれが撮像装置Ｍ５（特にショベルから独立している撮像装置Ｍ５）の出力を利用する点で、図５の構成と相違するがその他の点で共通する。図１１の実施例では、地形データベース更新部３１は、例えば、１日１回の頻度で通信装置Ｍ１を通じて作業現場の地形情報を取得し、且つ、１時間に１回の頻度で或いはリアルタイムで撮像装置Ｍ５を通じて作業現場の地形情報を取得して地形データベースを更新する。また、位置座標更新部３２は、測位装置Ｍ２の出力と撮像装置Ｍ５の出力を併用してショベルの現在位置を表す座標及び向きに関するデータをリアルタイムで更新する。なお、位置座標更新部３２は、撮像装置Ｍ５の出力のみに基づいてショベルの現在位置を表す座標及び向きに関するデータをリアルタイムで更新してもよい。

図１２の構成は、位置座標更新部３２が撮像装置Ｍ５の出力のみを利用し且つ測位装置Ｍ２が省略された点で図５の構成と相違するがその他の点で共通する。また、図１３の構成は、地形データベース更新部３１及び位置座標更新部３２のそれぞれが撮像装置Ｍ５の出力のみを利用し且つ通信装置Ｍ１及び測位装置Ｍ２が省略された点で図５の構成と相違するがその他の点で共通する。

このように、コントローラ３０は、撮像装置Ｍ５の出力に基づいて作業現場の地形情報を取得して地形データベースを更新してもよく、ショベルの現在位置を表す座標及び向きに関するデータをリアルタイムで更新してもよい。

また、上述の実施例では、外部演算装置３０Ｅはコントローラ３０の外部にある別の演算装置として説明されたが、コントローラ３０に一体的に統合されてもよい。

１・・・下部走行体 １Ａ・・・走行用油圧モータ（左用） １Ｂ・・・走行用油圧モータ（右用） ２・・・旋回機構 ２Ａ・・・旋回用油圧モータ ３・・・上部旋回体 ４・・・ブーム ５・・・アーム ６・・・バケット ７・・・ブームシリンダ ８・・・アームシリンダ ９・・・バケットシリンダ １０・・・キャビン １１・・・エンジン １１ａ・・・オルタネータ １１ｂ・・・スタータ １１ｃ・・・水温センサ １４Ｌ、１４Ｒ・・・メインポンプ １４ａ・・・レギュレータ １４ｂ・・・吐出圧力センサ １４ｃ・・・油温センサ １５・・・パイロットポンプ １５ａ、１５ｂ・・・油圧センサ １６・・・高圧油圧ライン １７・・・コントロールバルブ ２５、２５ａ・・・パイロットライン ２６・・・操作装置 ２６Ａ～２６Ｃ・・・レバー又はペダル ２９・・・操作内容検出装置 ３０・・・コントローラ ３０ａ・・・一時記憶部 ３０Ｅ・・・外部演算装置 ３１・・・地形データベース更新部 ３２・・・位置座標更新部 ３３・・・地面形状情報取得部 ３４・・・安定度算出部 ４０・・・画像表示装置 ４０ａ・・・変換処理部 ４０Ｌ、４０Ｒ・・・センターバイパス管路 ４１・・・画像表示部 ４２・・・入力部 ４２ａ・・・ライトスイッチ ４２ｂ・・・ワイパースイッチ ４２ｃ・・・ウインドウォッシャスイッチ ５０・・・切換弁 ７０・・・蓄電池 ７２・・・電装品 ７４・・・エンジン制御装置（ＥＣＵ） ７５・・・エンジン回転数調整ダイヤル １７１～１７６・・・流量制御弁 Ｅ１・・・動作制限部 Ｍ１・・・通信装置 Ｍ２・・・測位装置 Ｍ３・・・姿勢検出装置 Ｍ３ａ・・・ブーム角度センサ Ｍ３ｂ・・・アーム角度センサ Ｍ３ｃ・・・バケット角度センサ Ｍ３ｄ・・・車体傾斜センサ Ｍ５・・・撮像装置

Claims (7)

1. 下部走行体と、
   前記下部走行体に搭載される上部旋回体と、
   前記上部旋回体に取り付けられ、先端に取り付けられたバケットを含むアタッチメントと、
   前記アタッチメントの姿勢を検出する姿勢検出装置と、
   制御装置と、を備えるショベルであって、
   前記制御装置は、ショベルから独立した撮像装置の出力に基づいてショベル周辺の作業現場の現在の地形情報を取得するとともに、ショベル周辺を撮像した前記撮像装置の出力に基づいて作業現場におけるショベルの位置情報を更新する、
   ショベル。
2. 前記制御装置は、前記取得された作業現場の現在の地形情報に基づいてショベルの動作指令を生成する、
   請求項１に記載のショベル。
3. 前記制御装置は、ショベルが前進又は後進している場合に、ショベルの現在位置を表す座標及び向きに関するデータと前記取得された作業現場の現在の地形情報とに基づいてショベルの所定時間後の位置を導き出す、
   請求項１に記載のショベル。
4. 前記制御装置は、少なくともショベル周辺を撮像した前記撮像装置の出力に基づいて、作業現場における前記上部旋回体の向きを更新する、
   請求項１乃至３の何れかに記載のショベル。
5. 前記制御装置は、ショベル周辺を撮像した前記撮像装置の出力に基づいて、ショベルが不安定な状態になるおそれがあることを予測する、
   請求項１乃至４の何れかに記載のショベル。
6. 前記制御装置は、ショベルの重心を算出する、
   請求項１乃至５の何れかに記載のショベル。
7. 下部走行体と、前記下部走行体に搭載される上部旋回体と、前記上部旋回体に取り付けられ、先端に取り付けられたバケットを含むアタッチメントと、前記アタッチメントの姿勢を検出する姿勢検出装置と、を備えるショベルの情報更新方法であって、
   制御装置が、ショベルから独立した撮像装置の出力に基づいてショベル周辺の作業現場の現在の地形情報を取得するとともに、ショベル周辺を撮像した前記撮像装置の出力に基づいて作業現場におけるショベルの位置情報を更新するステップを有する、
   ショベルの情報更新方法。

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