JP7706901B2 - 転倒評価システム、転倒評価方法及び作業機械 - Google Patents

Description

本開示は、転倒評価システム、転倒評価方法及び作業機械に関する。

特許文献１には、作業機械のＺＭＰ（Zero Moment Point）を算出し、転倒の可能性に関する情報をオペレータに通知する技術が開示されている。ＺＭＰとは、ピッチ軸及びロール軸方向のモーメントがゼロになる点である。作業機械と接地点を凹にならないように結んだ支持多角形の辺上あるいはその内側にＺＭＰが存在する場合に、作業機械は安定して接地していることがわかる。

国際公開第２０１１／１４８９４６号

特許文献１に記載される演算方法は、作業機械自身の慣性力によって機体の浮き上がりが生じた場合に、転倒可能性が高いと判断する可能性がある。そのため、ＺＭＰに代えて、エネルギー安定余裕を用いて転倒可能性を評価する手法が用いられることがある。エネルギー安定余裕とは、ある姿勢状態において転倒するまでに必要なエネルギーをいう。

ところで、作業機械は、作業状態によって支持多角形が変化する場合がある。例えば、油圧ショベルにおいては、下部走行体に対して上部旋回体が旋回するため、旋回に伴って支持多角形に対する重心の位置が変化する。

本開示の目的は、旋回動作と転倒方向との関係に鑑みて作業機械の転倒の可能性を評価することができる転倒評価システム、転倒評価方法及び掘削機械を提供することにある。

本発明の第１の態様によれば、転倒評価システムは、作業機を有する作業機械の転倒評価システムであって、プロセッサを備え、前記プロセッサは、前記作業機械の支持多角形の複数の辺それぞれについて、前記辺を回転軸とする場合における前記作業機械が転倒するために必要なエネルギー量を算出するエネルギー算出部と、算出された前記辺それぞれに対する前記エネルギー量に基づいて、前記作業機械の転倒の可能性を評価する評価部とを備える。

本発明の第２の態様によれば、転倒評価方法は、作業機を有する作業機械の支持多角形の複数の辺それぞれについて、前記辺を回転軸とする場合における前記作業機械が転倒するために必要なエネルギー量を算出するステップと、算出された前記辺それぞれに対する前記エネルギー量に基づいて、前記作業機械の転倒の可能性を評価するステップとを備える。

本発明の第３の態様によれば、作業機械は、走行体と、前記走行体に回動可能に支持される旋回体と、前記旋回体に取付けられた作業機と、プロセッサと、を備え、前記プロセッサは、前記作業機械の重心位置を算出する重心位置計算部と、前記走行体の支持多角形の複数の辺それぞれについて、前記作業機械の重心位置に基づいて前記辺を回転軸とする場合における前記作業機械が転倒するために必要なエネルギー量を算出するエネルギー算出部と、算出された前記辺それぞれに対する前記エネルギー量に基づいて、前記作業機械の転倒の可能性を評価する評価部とを備える。

上記態様によれば、旋回動作と転倒方向との関係に鑑みて作業機械の転倒の可能性を評価することができる。

第１の実施形態に係る作業機械の構成を示す概略図である。 第１の実施形態に係る制御装置の構成を示す概略ブロック図である。 エネルギー安定余裕を説明するための図である。 エネルギー安定余裕と、重心の位置との関係を示す図である。 第１の実施形態に係る転倒リスクの標示の例を示す図である。 第１の実施形態に係る制御装置の動作を示すフローチャートである。 第２の実施形態に係る制御装置の構成を示す概略ブロック図である。

〈第１の実施形態〉
《作業機械１００の構成》
以下、図面を参照しながら実施形態について詳しく説明する。
図１は、第１の実施形態に係る作業機械の構成を示す概略図である。第１の実施形態に係る作業機械は、例えば油圧ショベルである。作業機械１００は、走行体１１０、旋回体１３０、作業機１５０、運転室１７０、制御装置１９０を備える。

走行体１１０は、作業機械１００を走行可能に支持する。走行体１１０は、例えば左右１対の無限軌道である。１対の無限軌道は、進行方向に伸びる直線に対して平行に、かつ線対象に設けられる。したがって、第１の実施形態に係る走行体１１０の接地点に係る凸包によって表される支持多角形は長方形となる。凸包とは、特定の点をすべて包含する最小の凸多角形をいう。特定の点とは、例えば履帯と地面とが接する点である。以下、走行体１１０の接地点に係る凸包である長方形を支持長方形Ｒという。

旋回体１３０は、走行体１１０に旋回中心回りに旋回可能に支持される。
作業機１５０は、旋回体１３０の前部に上下方向に駆動可能に支持される。作業機１５０は、油圧により駆動する。作業機１５０は、ブーム１５１、アーム１５２、およびバケット１５３を備える。ブーム１５１の基端部は、旋回体１３０に回動可能に取り付けられる。アーム１５２の基端部は、ブーム１５１の先端部に回動可能に取り付けられる。バケット１５３の基端部は、アーム１５２の先端部に回動可能に取り付けられる。ここで、旋回体１３０のうち作業機１５０が取り付けられる部分を前部という。また、旋回体１３０について、前部を基準に、反対側の部分を後部、左側の部分を左部、右側の部分を右部という。

運転室１７０は、旋回体１３０の前部に設けられる。運転室１７０内には、オペレータが作業機械１００を操作するための操作装置、および、オペレータに転倒リスクを報知するための警報装置が設けられる。第１の実施形態に係る警報装置は、スピーカ及び表示装置によって転倒リスクを報知する。

制御装置１９０は、オペレータによる操作装置の操作に基づいて、走行体１１０、旋回体１３０、および作業機１５０を制御する。制御装置１９０は、例えば運転室１７０の内部に設けられる。

作業機械１００は、作業機械１００の作業状態を検出するための複数のセンサを備える。具体的には、作業機械１００は、傾斜検出器１０１、旋回角センサ１０２、ブーム角センサ１０３、アーム角センサ１０４、バケット角センサ１０５、ペイロードメータ１０６を備える。

傾斜検出器１０１は、旋回体１３０の加速度および角速度を計測し、計測結果に基づいて旋回体１３０の水平面に対する傾き（例えば、ロール角およびピッチ角）を検出する。傾斜検出器１０１は、例えば運転室１７０の下方に設置される。傾斜検出器１０１の例としては、ＩＭＵ（Inertial Measurement Unit：慣性計測装置）が挙げられる。

旋回角センサ１０２は、旋回体１３０の旋回中心に設けられ、走行体１１０と旋回体１３０の旋回角度を検出する。旋回角センサ１０２の計測値は、走行体１１０と旋回体１３０の方向が一致しているときにゼロを示す。

ブーム角センサ１０３は、旋回体１３０に対するブーム１５１の回転角であるブーム角を検出する。ブーム角センサ１０３は、ブーム１５１に取り付けられたＩＭＵであってよい。この場合、ブーム角センサ１０３は、ブーム１５１の水平面に対する傾きと傾斜検出器１０１が計測した旋回体の傾きとに基づいて、ブーム角を検出する。ブーム角センサ１０３の計測値は、ブーム１５１の基端と先端とを通る直線の方向が旋回体１３０の前後方向と一致するときにゼロを示す。なお、他の実施形態係るブーム角センサ１０３は、ブームシリンダに取り付けられたストロークセンサであってもよい。また他の実施形態に係るブーム角センサ１０３は、旋回体１３０とブーム１５１とを接続するピンに設けられた角度センサであってもよい。

アーム角センサ１０４は、ブーム１５１に対するアーム１５２の回転角であるアーム角を検出する。アーム角センサ１０４は、アーム１５２に取り付けられたＩＭＵであってよい。この場合、アーム角センサ１０４は、アーム１５２の水平面に対する傾きとブーム角センサ１０３が計測したブーム角とに基づいて、アーム角を検出する。アーム角センサ１０４の計測値は、アーム１５２の基端と先端とを通る直線の方向がブーム１５１の基端と先端とを通る直線の方向と一致するときにゼロを示す。なお、他の実施形態に係るアーム角センサ１０４は、アームシリンダにストロークセンサを取付けて角度算出を行ってもよい。アーム角センサ１０４は、ブーム１５１とアーム１５２とを接続するピンに設けられた回転センサであってもよい。

バケット角センサ１０５は、アーム１５２に対するバケット１５３の回転角であるバケット角を検出する。バケット１５３を駆動させるためのバケットシリンダに設けられたストロークセンサであってよい。この場合、バケット角センサ１０５は、バケットシリンダのストローク量に基づいてバケット角を検出する。バケット角センサ１０５の計測値は、バケット１５３の基端と刃先とを通る直線の方向がアーム１５２の基端と先端とを通る直線の方向と一致するときにゼロを示す。なお、他の実施形態に係るバケット角センサ１０５は、アーム１５２とバケット１５３とを接続するピンに設けられた角度センサであってもよい。また、他の実施形態に係るバケット角センサ１０５は、バケット１５３に取付けられたＩＭＵであってもよい。

ペイロードメータ１０６は、バケット１５３に保持された積荷の重量を計測する。ペイロードメータ１０６は、例えばブーム１５１のシリンダのボトム圧を計測し、積荷の重量に換算する。また例えば、ペイロードメータ１０６は、ロードセルであってもよい。

《制御装置１９０の構成》
図２は、第１の実施形態に係る制御装置１９０の構成を示す概略ブロック図である。
制御装置１９０は、プロセッサ２１０、メインメモリ２３０、ストレージ２５０、インタフェース２７０を備えるコンピュータである。

ストレージ２５０は、一時的でない有形の記憶媒体である。ストレージ２５０の例としては、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、半導体メモリ等が挙げられる。ストレージ２５０は、制御装置１９０のバスに直接接続された内部メディアであってもよいし、インタフェース２７０または通信回線を介して制御装置１９０に接続される外部メディアであってもよい。ストレージ２５０は、作業機械１００を制御するためのプログラムを記憶する。

プログラムは、制御装置１９０に発揮させる機能の一部を実現するためのものであってもよい。例えば、プログラムは、ストレージ２５０に既に記憶されている他のプログラムとの組み合わせ、または他の装置に実装された他のプログラムとの組み合わせによって機能を発揮させるものであってもよい。なお、他の実施形態においては、制御装置１９０は、上記構成に加えて、または上記構成に代えてＰＬＤ（Programmable Logic Device）などのカスタムＬＳＩ（Large Scale Integrated Circuit）を備えてもよい。ＰＬＤの例としては、ＰＡＬ(Programmable Array Logic)、ＧＡＬ(Generic Array Logic)、ＣＰＬＤ(Complex Programmable Logic Device)、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）が挙げられる。この場合、プロセッサによって実現される機能の一部または全部が当該集積回路によって実現されてよい。

ストレージ２５０には、走行体１１０、旋回体１３０、ブーム１５１、アーム１５２及びバケット１５３の寸法及び重心位置を表すジオメトリデータ、並びに走行体１１０、旋回体１３０、ブーム１５１、アーム１５２及びバケット１５３の重量が記録される。ジオメトリデータは、所定の座標系における物体の位置を表すデータである。第１の実施形態に係る座標系は、ワールド座標系とローカル座標系とが存在する。ワールド座標系は、鉛直方向に伸びるＺ_ｗ軸と、Ｚ_ｗ軸に直交するＸ_ｗ軸及びＹ_ｗ軸で表される直交座標系である。ローカル座標系は、ある物体の基準点を原点とする直交座標系である。

走行体１１０のジオメトリデータは、ローカル座標系である走行体座標系における走行体１１０の重心位置（ｘ_{ｔｂ＿ｃｏｍ}、ｙ_{ｔｂ＿ｃｏｍ}、ｚ_{ｔｂ＿ｃｏｍ}）、並びに無限軌道の長さＬ、幅ｗ及び高さｈを示す。走行体座標系は、走行体１１０の旋回中心を基準として前後方向に伸びるＸ_ｔｂ軸、左右方向に伸びるＹ_ｔｂ軸、上下方向に伸びるＺ_ｔｂ軸から構成される座標系である。

旋回体１３０のジオメトリデータは、ローカル座標系である旋回体座標系における旋回体１３０のブーム１５１を支持するピンの位置（ｘ_ｂｍ、ｙ_ｂｍ、ｚ_ｂｍ）、走行体座標系の原点の位置（ｘ_ｔｂ、ｙ_ｔｂ、ｚ_ｔｂ）及び旋回体１３０の重心位置（ｘ_{ｓｂ＿ｃｏｍ}、ｙ_{ｓｂ＿ｃｏｍ}、ｚ_{ｓｂ＿ｃｏｍ}）を示す。旋回体座標系は、旋回体１３０の旋回中心を基準として前後方向に伸びるＸ_ｓｂ軸、左右方向に伸びるＹ_ｓｂ軸、上下方向に伸びるＺ_ｓｂ軸から構成される座標系である。

ブーム１５１のジオメトリデータは、ローカル座標系であるブーム座標系におけるアーム１５２を支持するピンの位置（ｘ_ａｍ、ｙ_ａｍ、ｚ_ａｍ）及びブーム１５１の重心位置（ｘ_{ｂｍ＿ｃｏｍ}、ｙ_{ｂｍ＿ｃｏｍ}、ｚ_{ｂｍ＿ｃｏｍ}）を示す。ブーム座標系は、ブーム１５１と旋回体１３０とを接続するピンの位置を基準として、長手方向に伸びるＸ_ｂｍ軸、ピンが伸びる方向に伸びるＹ_ｂｍ軸、Ｘ_ｂｍ軸とＹ_ｂｍ軸に直交するＺ_ｂｍ軸から構成される座標系である。

アーム１５２のジオメトリデータは、ローカル座標系であるアーム座標系におけるバケット１５３を支持するピンの位置（ｘ_ｂｋ、ｙ_ｂｋ、ｚ_ｂｋ）及びアーム１５２の重心位置（ｘ_{ａｍ＿ｃｏｍ}、ｙ_{ａｍ＿ｃｏｍ}、ｚ_{ａｍ＿ｃｏｍ}）を示す。アーム座標系は、アーム１５２とブーム１５１とを接続するピンの位置を基準として、長手方向に伸びるＸ_ａｍ軸、ピンが伸びる方向に伸びるＹ_ａｍ軸、Ｘ_ａｍ軸とＹ_ａｍ軸に直交するＺ_ａｍ軸から構成される座標系である。

バケット１５３のジオメトリデータは、ローカル座標系であるバケット座標系におけるバケット１５３の刃先位置（ｘ_ｅｄ、ｙ_ｅｄ、ｚ_ｅｄ）、バケット１５３の重心位置（ｘ_{ｂｋ＿ｃｏｍ}、ｙ_{ｂｋ＿ｃｏｍ}、ｚ_{ｂｋ＿ｃｏｍ}）、及び積荷の重心位置（ｘ_{ｐｌ＿ｃｏｍ}、ｙ_{ｐｌ＿ｃｏｍ}、ｚ_{ｐｌ＿ｃｏｍ}）を示す。バケット座標系は、バケット１５３とアーム１５２とを接続するピンの位置を基準として、刃先の方向に伸びるＸ_ｂｋ軸、ピンが伸びる方向に伸びるＹ_ｂｋ軸、Ｘ_ｂｋ軸とＹ_ｂｋ軸に直交するＺ_ｂｋ軸から構成される座標系である。

《ソフトウェア構成》
プロセッサ２１０は、プログラムを実行することで、取得部２１１、位置特定部２１２、重心計算部２１３、エネルギー計算部２１４、正規化部２１５、評価部２１６、出力部２１７として機能する。

取得部２１１は、傾斜検出器１０１、旋回角センサ１０２、ブーム角センサ１０３、アーム角センサ１０４、バケット角センサ１０５及びペイロードメータ１０６から、それぞれ計測値を取得する。

位置特定部２１２は、取得部２１１が取得した各種計測値とストレージ２５０に記録されたジオメトリデータとに基づいて、作業機械１００のパーツ別の重心位置を特定する。具体的には、位置特定部２１２は、以下の手順で、走行体１１０、旋回体１３０、ブーム１５１、アーム１５２、バケット１５３及び積荷のワールド座標系における重心位置を特定する。

位置特定部２１２は、取得部２１１が取得したピッチ角θ_ｐ及びロール角θ_ｒの計測値に基づいて、下記式（１）により、旋回体座標系からワールド座標系へ変換するための旋回体－ワールド変換行列Ｔ^ｓｂ _ｗを生成する。旋回体－ワールド変換行列Ｔ^ｓｂ _ｗは、Ｙ_ｓｂ軸回りにピッチ角θ_ｐだけ回転させる回転行列と、Ｘ_ｓｂ軸回りにロール角θ_ｒだけ回転させる回転行列との積によって表される。

位置特定部２１２は、取得部２１１が取得した走行体１１０と旋回体１３０の旋回角度θ_ｓの計測値と、旋回体１３０のジオメトリデータとに基づいて、下記式（２）により、走行体座標系から旋回体座標系へ変換するための走行体－旋回体変換行列Ｔ^ｔｂ _ｓｂを生成する。走行体－旋回体変換行列Ｔ^ｔｂ _ｓｂは、Ｚ_ｔｂ軸回りにピッチ角θ_ｐだけ回転させ、かつ旋回体座標系の原点と走行体座標系の原点の偏差（ｘ_ｔｂ、ｙ_ｔｂ、ｚ_ｔｂ）だけ平行移動させる行列である。また、位置特定部２１２は、旋回体－ワールド変換行列Ｔ^ｓｂ _ｗと走行体－旋回体変換行列Ｔ^ｔｂ _ｓｂの積を求めることで、走行体座標系からワールド座標系へ変換するための走行体－ワールド変換行列Ｔ^ｔｂ _ｗを生成する。

位置特定部２１２は、取得部２１１が取得したブーム角θ_ｂｍの計測値と、旋回体１３０のジオメトリデータとに基づいて、下記式（３）により、ブーム座標系から旋回体座標系へ変換するためのブーム－旋回体変換行列Ｔ^ｂｍ _ｓｂを生成する。ブーム－旋回体変換行列Ｔ^ｂｍ _ｓｂは、Ｙ_ｂｍ軸回りにブーム角θ_ｂｍだけ回転させ、かつ旋回体座標系の原点とブーム座標系の原点の偏差（ｘ_ｂｍ、ｙ_ｂｍ、ｚ_ｂｍ）だけ平行移動させる行列である。また、位置特定部２１２は、旋回体－ワールド変換行列Ｔ^ｓｂ _ｗとブーム－旋回体変換行列Ｔ^ｂｍ _ｓｂの積を求めることで、ブーム座標系からワールド座標系へ変換するためのブーム－ワールド変換行列Ｔ^ｂｍ _ｗを生成する。

位置特定部２１２は、取得部２１１が取得したアーム角θ_ａｍの計測値と、ブーム１５１のジオメトリデータとに基づいて、下記式（４）により、アーム座標系からブーム座標系へ変換するためのアーム－ブーム変換行列Ｔ^ａｍ _ｂｍを生成する。アーム－ブーム変換行列Ｔ^ａｍ _ｂｍは、Ｙ_ａｍ軸回りにアーム角θ_ａｍだけ回転させ、かつブーム座標系の原点とアーム座標系の原点の偏差（ｘ_ａｍ、ｙ_ａｍ、ｚ_ａｍ）だけ平行移動させる行列である。また、位置特定部２１２は、ブーム－ワールド変換行列Ｔ^ｂｍ _ｗとアーム－ブーム変換行列Ｔ^ａｍ _ｂｍの積を求めることで、アーム座標系からワールド座標系へ変換するためのアーム－ワールド変換行列Ｔ^ａｍ _ｗを生成する。

位置特定部２１２は、取得部２１１が取得したバケット角θ_ｂｋの計測値と、アーム１５２のジオメトリデータとに基づいて、下記式（５）により、バケット座標系からアーム座標系へ変換するためのバケット－アーム変換行列Ｔ^ｂｋ _ａｍを生成する。バケット－アーム変換行列Ｔ^ｂｋ _ａｍは、Ｙ_ｂｋ軸回りにバケット角θ_ｂｋだけ回転させ、かつアーム座標系の原点とバケット座標系の原点の偏差（ｘ_ｂｋ、ｙ_ｂｋ、ｚ_ｂｋ）だけ平行移動させる行列である。また、位置特定部２１２は、アーム－ワールド変換行列Ｔ^ａｍ _ｗとバケット－アーム変換行列Ｔ^ｂｋ _ａｍの積を求めることで、バケット座標系からワールド座標系へ変換するためのバケット－ワールド変換行列Ｔ^ｂｋ _ｗを生成する。

位置特定部２１２は、走行体１１０のジオメトリデータが示す走行体１１０の重心の相対位置（ｘ_{ｔｂ＿ｃｏｍ}、ｙ_{ｔｂ＿ｃｏｍ}、ｚ_{ｔｂ＿ｃｏｍ}）を、走行体－ワールド変換行列Ｔ^ｔｂ _ｗを用いて絶対位置Ｔ^{ｔｂ＿ｃｏｍ} _ｗに変換する。位置特定部２１２は、旋回体１３０のジオメトリデータが示す旋回体１３０の重心の相対位置（ｘ_{ｓｂ＿ｃｏｍ}、ｙ_{ｓｂ＿ｃｏｍ}、ｚ_{ｓｂ＿ｃｏｍ}）を、旋回体－ワールド変換行列Ｔ^ｓｂ _ｗを用いて絶対位置Ｔ^{ｓｂ＿ｃｏｍ} _ｗに変換する。位置特定部２１２は、ブーム１５１のジオメトリデータが示すブーム１５１の重心の相対位置（ｘ_{ｂｍ＿ｃｏｍ}、ｙ_{ｂｍ＿ｃｏｍ}、ｚ_{ｂｍ＿ｃｏｍ}）を、ブーム－ワールド変換行列Ｔ^ｂｍ _ｗを用いて絶対位置Ｔ^{ｂｍ＿ｃｏｍ} _ｗに変換する。位置特定部２１２は、アーム１５２のジオメトリデータが示すアーム１５２の重心の相対位置（ｘ_{ａｍ＿ｃｏｍ}、ｙ_{ａｍ＿ｃｏｍ}、ｚ_{ａｍ＿ｃｏｍ}）を、アーム－ワールド変換行列Ｔ^ａｍ _ｗを用いて絶対位置Ｔ^{ａｍ＿ｃｏｍ} _ｗに変換する。位置特定部２１２は、バケット１５３のジオメトリデータが示すバケット１５３の重心の相対位置（ｘ_{ｂｋ＿ｃｏｍ}、ｙ_{ｂｋ＿ｃｏｍ}、ｚ_{ｂｋ＿ｃｏｍ}）を、バケット－ワールド変換行列Ｔ^ｂｋ _ｗを用いて絶対位置Ｔ^{ｂｋ＿ｃｏｍ} _ｗに変換する。位置特定部２１２は、バケット１５３のジオメトリデータが示す積荷の重心の相対位置（ｘ_{ｐｌ＿ｃｏｍ}、ｙ_{ｐｌ＿ｃｏｍ}、ｚ_{ｐｌ＿ｃｏｍ}）を、バケット－ワールド変換行列Ｔ^ｂｋ _ｗを用いて絶対位置Ｔ^{ｐｌ＿ｃｏｍ} _ｗに変換する。

重心計算部２１３は、位置特定部２１２が特定したパーツ別の重心位置とパーツ別の重さに基づいて、作業機械１００全体の重心位置を算出する。具体的には、重心計算部２１３は、既知の走行体１１０の重量ｍ_ｔｂ、旋回体１３０の重量ｍ_ｓｂ、ブーム１５１の重量ｍ_ｂｍ、アーム１５２の重量ｍ_ａｍ及びバケット１５３の重量ｍ_ｂｋと、ペイロードメータ１０６の計測値ｍ_ｐｌに基づいて、以下の式（６）によりアフィン行列Ｔ^ｃｏｍ _ｗ´を求め、アフィン行列Ｔ^ｃｏｍ _ｗ´から作業機械１００全体の重心位置Ｔ^ｃｏｍ _ｗを算出する。

式（６）の計算により、重心計算部２１３は、以下の式（７）に示すような４×４のアフィン行列Ｔ^ｃｏｍ _ｗ´を得る。

重心計算部２１３は、得られたアフィン行列Ｔ^ｃｏｍ _ｗ´の並進成分を抽出することで、すなわちアフィン行列Ｔ^ｃｏｍ _ｗ´の回転成分を単位行列に置き換えることで、式（８）に示すように作業機械１００全体の重心位置Ｔ^ｃｏｍ _ｗを算出する。

エネルギー計算部２１４は、重心計算部２１３が算出した重心位置に基づいて、作業機械１００が転倒するために必要なエネルギー量であるエネルギー安定余裕を、回転軸ごとに算出する。エネルギー安定余裕は、式（９）によって表される量である。図３は、エネルギー安定余裕を説明するための図である。

すなわち、エネルギー安定余裕は、作業機械１００の重心の高さｚ^ｃｏｍ _ｗと作業機械１００の重心が回転軸の直上に位置するときの重心の高さｚ^{ｒ＿ｃｏｍ} _ｗとの差Ｑと、作業機械１００の重量Ｍと、重力加速度ｇを乗算することで得られる。
エネルギー計算部２１４は、走行体１１０の接地点を包含する支持長方形Ｒの各辺を回転軸ａｘ１－ａｘ４として、エネルギー安定余裕を求める。

回転軸をＸ_ａｘ軸、鉛直方向に伸びる軸をＺ_ａｘ軸、Ｘ_ａｘ軸及びＺ_ａｘ軸に直交する軸をＹ_ａｘ軸とする回転軸座標系を考える場合に、回転軸座標系からワールド座標系へ変換するための回転軸－ワールド変換行列Ｔ^ａｘ１ _ｗ～Ｔ^ａｘ４ _ｗは、走行体１１０の無限軌道の長さＬ、無限軌道の高さｈ及び無限軌道の幅ｗを用いて、式（１０）のように表される。

エネルギー計算部２１４は、式（１０）で得られる回転軸－ワールド変換行列Ｔ^ａｘ _ｗに基づいて、地表の回転軸ａｘ回りの傾斜角θ^ｇｎｄ _ａｘを算出する。また、エネルギー計算部２１４は、回転軸－ワールド変換行列Ｔ^ａｘ _ｗの逆行列と、作業機械１００全体の重心位置Ｔ^ｃｏｍ _ｗとの積により、回転軸座標系における作業機械１００の重心の相対位置Ｔ^ｃｏｍ _ａｘを算出する。エネルギー計算部２１４は、式（１１）に示すように重心の相対位置Ｔ^ｃｏｍ _ａｘのＺ_ａｘ軸並進成分ｚ^ｃｏｍ _ａｘとＹ_ａｘ軸並進成分ｙ^ｃｏｍ _ａｘとに基づいて、回転軸から見た重心の仰角θ^ｃｏｍ _ａｘを算出する。

なお、式（１１）におけるａｔａｎ２（ｘ，ｙ）は、直交座標系における位置（ｘ，ｙ）の偏角を求める関数である。

エネルギー計算部２１４は、式（１２）に示すように、傾斜角θ^ｇｎｄ _ａｘと重心の仰角θ^ｃｏｍ _ａｘとに基づいて、作業機械１００全体の重心が回転軸の直上に位置するために必要な回転角θ^ｓｕｐ _ａｘを算出する。

エネルギー計算部２１４は、式（１３）に示すように、重心の相対位置Ｔ^ｃｏｍ _ａｘと回転角θ^ｓｕｐ _ａｘと回転軸－ワールド変換行列Ｔ^ａｘ _ｗとに基づいて、作業機械１００を回転角θ^ｓｕｐ _ａｘだけ回転させたときの作業機械１００全体の重心の絶対位置Ｔ^{ｒ＿ｃｏｍ} _ｗを算出する。

エネルギー計算部２１４は、回転後の重心の絶対位置Ｔ^{ｒ＿ｃｏｍ} _ｗのＺ_ｗ軸並進成分ｚ^{ｒ＿ｃｏｍ} _ｗと、回転前の重心の絶対位置Ｔ^ｃｏｍ _ｗのＺ_ｗ軸並進成分ｚ^ｃｏｍ _ｗの差Ｑを、エネルギー安定余裕として算出する。なお、ここで得られるエネルギー安定余裕は、エネルギーを長さの単位に正規化したものと等しい。なお、式（７）に示すように、回転後の重心の絶対位置Ｔ^{ｒ＿ｃｏｍ} _ｗと、回転前の重心の絶対位置Ｔ^ｃｏｍ _ｗのＺ_ｗ軸並進成分の差Ｑに、作業機械１００の重量と重力加速度を乗算すると、正規化されないエネルギー安定余裕が得られる。したがって、回転後の重心の絶対位置Ｔ^{ｒ＿ｃｏｍ} _ｗと、回転前の重心の絶対位置Ｔ^ｃｏｍ _ｗのＺ_ｗ軸並進成分の差Ｑを算出することは、エネルギー安定余裕を算出することと等価である。

正規化部２１５は、エネルギー計算部２１４が算出したエネルギー安定余裕を、回転軸に係る辺に直交する他の辺の長さで除算することで、正規化余裕（正規化値）を求める。正規化余裕は無次元量であり、作業機械１００が回転軸回りの回転に対し最も安定している状態との近似度を示す。例えば、正規化部２１５は、無限軌道の側端回り（回転軸ａｘ２又はａｘ４回り）に回転するときのエネルギー安定余裕を、無限軌道の幅ｗで除算することで、正規化余裕を求める。また例えば、正規化部２１５は、一対の無限軌道の前端又は後端を結ぶ直線回り（回転軸ａｘ１又はａｘ３回り）に回転するときのエネルギー安定余裕を、無限軌道の長さＬで除算することで、正規化余裕を求める。

図４は、エネルギー安定余裕と、重心の位置との関係を示す図である。図４に示すように、式（７）で演算されるエネルギー安定余裕は、重心の位置が低いほど高く、また回転軸と重心との距離が遠いほど高くなる。つまり、ある回転軸について作業機械１００がとるエネルギー安定余裕は、重心が支持長方形Ｒ上かつ回転軸から最も遠い点に位置するときに最大となる。したがって、エネルギー計算部２１４が算出したエネルギー安定余裕を、回転軸に係る辺に直交する他の辺の長さで除算することで、エネルギー安定余裕を無次元化することができる。

評価部２１６は、正規化部２１５が算出した正規化余裕に基いて作業機械１００の転倒リスクを評価する。具体的には、評価部２１６は、各回転軸に対する正規化余裕の大きさが閾値を超えるか否かを判定する。閾値としては、注意閾値ｔｈ_ｃ、警告閾値ｔｈ_ｗが挙げられる。ただし、注意閾値ｔｈ_ｃは、警告閾値ｔｈ_ｗより大きい。また各閾値は０より大きく１より小さい。

出力部２１７は、評価部２１６の評価結果に基づいて警報装置の表示装置に表示させる作業機械の転倒リスクを示す標示を生成する。図５は、第１の実施形態に係る転倒リスクの標示の例を示す図である。転倒リスクの標示には、走行体１１０のアイコンＩ１、旋回体１３０のアイコンＩ２、及び複数のインジケータマークＩ３が表示される。旋回体１３０のアイコンＩ２は、常に正面（前方）を上方向に向けて表示される。走行体１１０のアイコンＩ１は、旋回角度θ_ｓに応じて傾斜して表示される。複数のインジケータマークＩ３は、旋回体１３０のアイコンＩ２を囲うように表示される。図５に示す例では、転倒リスクの標示には１２個のインジケータマークＩ３が、アイコンＩ２を中心とする円上に、等間隔に並べられている。インジケータマークＩ３は、色を変化させることで、インジケータマークＩ３が表す方向の転倒リスクの高さを示す。例えば、インジケータマークＩ３は、転倒リスクが注意レベルである場合に黄色くなり、転倒リスクが警告レベルである場合に赤くなる。

出力部２１７は、評価部２１６の評価結果を警報装置へ出力する。出力部２１７は、生成した作業機械の転倒リスクを示す標示を警報装置へ出力する。また出力部２１７は、少なくとも１つの回転軸についての正規化余裕が警告閾値を一定時間以上下回る場合に、警報装置に警報音の発報指示を出力する。

《制御装置１９０の動作》
図６は、第１の実施形態に係る制御装置１９０の動作を示すフローチャートである。
制御装置１９０が起動し、プログラムを実行すると、一定時間ごとに以下の処理を実行する。
取得部２１１は、傾斜検出器１０１、旋回角センサ１０２、ブーム角センサ１０３、アーム角センサ１０４、バケット角センサ１０５及びペイロードメータ１０６から、それぞれ計測値を取得する（ステップＳ１）。位置特定部２１２は、ステップＳ１で取得した各種計測値とストレージ２５０に記録されたジオメトリデータとに基づいて、走行体１１０、旋回体１３０、ブーム１５１、アーム１５２、バケット１５３及び積荷の重心の絶対位置を特定する（ステップＳ２）。

重心計算部２１３は、ステップＳ２で特定したパーツ別の重心の絶対位置とストレージ２５０に記録されたパーツ別の重さに基づいて、作業機械１００全体の重心の絶対位置Ｔ^ｃｏｍ _ｗを算出する（ステップＳ３）。エネルギー計算部２１４は、ステップＳ３で算出した重心位置に基づいて、作業機械１００が転倒するために必要なエネルギー量であるエネルギー安定余裕に相当する高さＱを、作業機械１００の支持長方形Ｒの辺ごとに算出する（ステップＳ４）。

正規化部２１５は、ステップＳ４で算出した高さＱを、回転軸に係る辺に直交する他の辺の長さで除算することで、無次元の正規化余裕を求める（ステップＳ５）。評価部２１６は、ステップＳ５で算出した各辺の正規化余裕のそれぞれと、注意閾値ｔｈ_ｃ及び警告閾値ｔｈ_ｗとを比較する（ステップＳ６）。

出力部２１７は、ステップＳ１で取得した旋回角センサ１０２の計測値に基づいて、転倒リスクの標示の走行体１１０のアイコンＩ１の角度を決定する（ステップＳ７）。また出力部２１６は、ステップＳ６の比較結果に基づいて各インジケータマークＩ３の色を決定する（ステップＳ８）。具体的には、回転軸となる辺に対向するインジケータマークＩ３およびその両隣のインジケータマークＩ３の色を、当該回転軸に係る正規化余裕の比較結果に応じた色に決定する。

出力部２１７は、生成した転倒リスクの標示の表示指示を警報装置に出力する（ステップＳ９）。また出力部２１７は、ステップＳ６の比較結果に基づいて、少なくとも１つの回転軸についての正規化余裕が警告閾値ｔｈ_ｗを一定時間以上下回ったか否かを判定する（ステップＳ１０）。出力部２１７は、少なくとも１つの回転軸についての正規化余裕が警告閾値ｔｈ_ｗを一定時間以上下回った場合（ステップＳ１０：ＹＥＳ）、警報装置に警報音の発報指示を出力する（ステップＳ１１）。

《作用・効果》
このように、第１の実施形態に係る制御装置１９０は、作業機械１００の接地点に係る凸包によって表される支持長方形Ｒの各辺について、当該辺を回転軸とする場合における作業機械１００のエネルギー安定余裕と、支持長方形Ｒの辺の長さに基づいて、作業機械１００の転倒の可能性を評価する。これにより、制御装置１９０は、旋回動作に伴って転倒の可能性がある各転倒方向について、転倒の可能性を評価することができる。

なお、他の実施形態に係る制御装置１９０は、作業機械１００の接地点に係る凸包が長方形でない場合にも、回転軸から凸包の複数の頂点までの距離のうち最も長いものを用いることで、第１の実施形態と同様に転倒の可能性を評価することができる。

また、第１の実施形態に係る制御装置１９０は、エネルギー安定余裕を支持長方形Ｒの辺の長さで除算することで、正規化余裕を算出する。これにより、制御装置１９０は、各辺の転倒の可能性を、同一の閾値（注意閾値、警告閾値）によって評価することができる。正規化余裕は、無次元量であるため、制御装置１９０は、作業機械１００の個体差によらずに同一の閾値を用いて評価することができる。なお、他の実施形態に係る制御装置１９０は、支持長方形Ｒの辺の長さを乗算した閾値を用いることで、正規化されていないエネルギー安定余裕を評価してもよい。

〈第２の実施形態〉
図７は、第２の実施形態に係る制御装置１９０の構成を示す概略ブロック図である。
第２の実施形態に係る制御装置１９０は、第１の実施形態の出力部２１７に代えて、制限部２１８を備えるものである。また、第２の実施形態に係る評価部２１６は、転倒リスクの標示を生成しなくてよい。

制限部２１８は、評価部２１６の評価結果に基づいて、走行体１１０、旋回体１３０及び作業機１５０の動作を制限する。例えば、制限部２１８は、正規化余裕が一定時間以上警告閾値ｔｈ_ｗを下回った場合に、走行体１１０、旋回体１３０及び作業機１５０を停止させる。これにより、制御装置１９０は、作業機械１００の動作に伴う転倒の可能性を低減することができる。

なお、他の実施形態に係る制限部２１８は、走行体１１０、旋回体１３０及び作業機１５０の停止に代えて、動作速度を低下させることによって、動作を制限してもよい。また他の実施形態に係る制限部２１８は、走行体１１０、旋回体１３０及び作業機１５０の何れか１つ又は２つの動作を制限するものであってもよい。この場合、制限されない可動部の操作によって作業機械１００の転倒の可能性が低くなるように姿勢を変えることで正規化余裕が警告閾値ｔｈｗ以上となると、制限部２１８は動作の制限を解除する。

〈他の実施形態〉
以上、図面を参照して一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、様々な設計変更等をすることが可能である。すなわち、他の実施形態においては、上述の処理の順序が適宜変更されてもよい。また、一部の処理が並列に実行されてもよい。

上述した実施形態に係る制御装置１９０は、単独のコンピュータによって構成されるものであってもよいし、制御装置１９０の構成を複数のコンピュータに分けて配置し、複数のコンピュータが互いに協働することで制御装置１９０として機能するものであってもよい。このとき、制御装置１９０を構成する一部のコンピュータが作業機械１００の内部に搭載され、他のコンピュータが作業機械１００の外部に設けられてもよい。

上述した実施形態に係る作業機械１００は、警報装置としてスピーカ及び表示装置を備えるが、他の実施形態においては、これに限られず、スピーカ及び表示装置のいずれか一方のみを有していてもよい。また警報装置は、スピーカ及び表示装置に限られない。例えば、他の実施形態に係る警報装置は、操作装置に設けられたアクチュエータであってよい。アクチュエータは、オペレータによる操作装置の操作に対して反力を付与することでオペレータに警告するものであってよい。またアクチュエータは、操作装置に振動を発生させることでオペレータに警告するものであってよい。

上述した実施形態に係る作業機械１００は、油圧ショベルであるが、これに限られない。例えば、他の実施形態に係る作業機械１００は、ホイルローダーなど、無限軌道ではなくタイヤを備えるものであってもよい。また他の実施形態に係る作業機械１００は、走行機能を有しないものであってもよい。また、他の実施形態においては、支持多角形が長方形でなくてもよい。また、他の実施形態に係る作業機械１００は、バケット１５３に代えて、グラップラ、ブレーカ、クラッシャなどの他のアタッチメントを備えるものであってもよい。

１００…作業機械 １０１…傾斜検出器 １０２…旋回角センサ １０３…ブーム角センサ １０４…アーム角センサ １０５…バケット角センサ １０６…ペイロードメータ １１０…走行体 １３０…旋回体 １５０…作業機 １５１…ブーム １５２…アーム １５３…バケット １７０…運転室 １９０…制御装置 ２１０…プロセッサ ２１１…取得部 ２１２…位置特定部 ２１３…重心計算部 ２１４…エネルギー計算部 ２１５…正規化部 ２１６…評価部 ２１７…出力部 ２１８…旋回制限部 ２３０…メインメモリ ２５０…ストレージ ２７０…インタフェース

Claims (10)

1. 作業機を有する作業機械の転倒評価システムであって、
   プロセッサを備え、
   前記プロセッサは、
   前記作業機械の支持多角形の複数の辺それぞれについて、前記辺を回転軸とする場合における前記作業機械が転倒するために必要なエネルギー量を算出するエネルギー算出部と、
   算出された前記辺それぞれに対する前記エネルギー量に基づいて、前記作業機械の転倒の可能性を評価する評価部と
   を備える転倒評価システム。
2. 前記プロセッサは、前記作業機械の重心位置を算出する重心位置計算部をさらに備え、 前記エネルギー算出部は、前記作業機械の重心位置に基づいて前記作業機械が転倒するために必要なエネルギー量を算出する
   請求項１に記載の転倒評価システム。
3. 前記評価部は、接地点に係る凸包によって表される前記支持多角形の前記辺から前記凸包の複数の頂点までの距離のうち最も長いものに基づいて、前記作業機械の転倒の可能性を評価する
   請求項１又は請求項２に記載の転倒評価システム。
4. 前記支持多角形は長方形であって、
   前記評価部は、前記辺それぞれの前記エネルギー量及び前記辺に直交する辺の長さに基づいて、前記作業機械の転倒の可能性を評価する
   請求項１から請求項３の何れか１項に記載の転倒評価システム。
5. 前記評価部は、接地点に係る凸包によって表される前記支持多角形の前記辺それぞれに対する前記エネルギー量を前記辺から前記凸包の複数の頂点までの距離のうち最も長いもので除算した正規化値と閾値とを比較することで、前記作業機械の転倒の可能性を評価する
   請求項１から請求項４の何れか１項に記載の転倒評価システム。
6. 表示装置を備え、
   前記プロセッサは、出力部をさらに備え、
   前記出力部は、前記評価部による前記転倒の可能性の評価結果に基づいて前記作業機械の転倒リスクを示す標示を生成し、前記表示装置へ出力する
   請求項１から請求項５の何れか１項に記載の転倒評価システム。
7. 前記標示には、前記作業機械の外観を表すアイコンと、前記アイコンの周囲を囲うように設けられた複数のインジケータマークとが含まれ、
   前記出力部は、前記複数のインジケータマークのうち、前記評価部によって前記作業機械の転倒の可能性が高いと判定された辺に対応する位置に設けられたものの態様を、他のインジケータマークの態様と異ならせる
   請求項６に記載の転倒評価システム。
8. 前記プロセッサは、
   前記転倒の可能性の評価結果が、転倒の可能性が高いことを示す場合に、前記作業機械の動作を制限させる制限部
   を備える請求項１から請求項７の何れか１項に記載の転倒評価システム。
9. 作業機を有する作業機械の支持多角形の複数の辺それぞれについて、前記辺を回転軸とする場合における前記作業機械が転倒するために必要なエネルギー量を算出するステップと、
   算出された前記辺それぞれに対する前記エネルギー量に基づいて、前記作業機械の転倒の可能性を評価するステップと
   を備える転倒評価方法。
10. 作業機械であって、
    走行体と、
    前記走行体に回動可能に支持される旋回体と
    前記旋回体に取付けられた作業機と、
    プロセッサと、
    を備え、前記プロセッサは、
    前記作業機械の重心位置を算出する重心位置計算部と、
    前記走行体の支持多角形の複数の辺それぞれについて、前記作業機械の重心位置に基づいて前記辺を回転軸とする場合における前記作業機械が転倒するために必要なエネルギー量を算出するエネルギー算出部と、
    算出された前記辺それぞれに対する前記エネルギー量に基づいて、前記作業機械の転倒の可能性を評価する評価部と
    を備える作業機械。

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