JPH0618253A - 土砂の形状測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 衝撃に強い構造とすることができ、且つ、安
価な装置コストで土砂の形状を測定することができる土
砂の形状測定装置を提供する。 【構成】 パワーショベル１のバケット１５の外面１５
１に超音波センサ１８を設け、旋回台１２、第１，第２
アーム１３，１４、及びバケット１５の回動をコントロ
ールボックス１７内の主制御装置及び駆動制御装置で制
御して、超音波センサ１８により土砂２の上方を一定の
高さで縦断及び横断方向にスキャンさせ、超音波センサ
１８からの超音波が照射された土砂２の上端２１と、該
超音波センサ１８が設けられたバケット１５の外面１５
１との間の距離を主制御装置で測距し、この測距結果に
基づいて土砂２の３次元形状を認識するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、移送すべき土砂が存す
る箇所の形状を測定する土砂の形状測定装置に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】近年、建設現場における各種作業の自動
化が推進されており、その１つとして、一箇所に集積さ
れた堆積土砂等をトラックへ積み込む際や、現場外から
トラックで運ばれた埋立用土砂等を現場内搬送用の搬送
機械へ積み替える際の、堆積土砂の移送作業がある。

【０００３】堆積土砂の移送作業を自動的に効率よく行
うには、パワーショベルやブルドーザ等が堆積土砂を効
率的にすくい取ることや、トラック等の搬送機械を土砂
の堆積箇所に誘導することが肝要となり、そのために、
あらかじめ堆積された土砂の形状を認識しておくことが
重要となる。そして、従来は、テレビカメラで撮像した
堆積土砂の画像を画像処理したり、角度センサが設けら
れた駆動部に保持されたレーザ測距装置を用い、レーザ
光源の向き及び高さを一定に保ちながら該レーザ光源か
らの測距用レーザ光で堆積土砂をスキャンして堆積土砂
の形状認識を行っていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、レーザ
測距装置による形状認識は、レーザ光源が衝撃に弱く、
また、レーザ光源を一定の向き及び高さに保持するのに
必要な駆動部も衝撃に弱いため、建設現場等の振動が多
い使用環境では、振動による衝撃で故障を起こし易いと
いう不具合があり、また、駆動部が必要な分だけ装置コ
ストがかさんでしまう不具合があった。一方、画像処理
による形状認識も、画像処理用のコンピュータ等が必要
となるので、やはり装置コストがかさんでしまう不具合
があった。

【０００５】本発明は前記事情に鑑みてなされたもの
で、衝撃に強い構造とすることができ、且つ、安価な装
置コストで形状測定することができる土砂の形状測定装
置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に本発明は、移送すべき土砂が存する箇所の形状を測定
する装置であって、土砂移送用のアームと、前記アーム
を駆動する駆動手段と、前記アームの先端に設けられ、
該アームの先端箇所とこの下方に位置する前記土砂の上
端箇所との距離を測距する測距手段と、前記測距手段が
前記土砂の上方で該土砂が存する面に平行な平面内を２
次元方向に移動するように前記駆動手段を制御する制御
手段と、前記平面内で前記測距手段を２次元方向に移動
させた際の該測距手段の測距結果に基づいて前記移送す
べき土砂が存する箇所の３次元形状を認識する形状認識
手段とを備えることを特徴とする。また、本発明は、前
記アームの先端には揺動可能にバケットが枢着され、前
記測距手段は前記バケットの外面で前記枢着箇所の近傍
に設けられているものとした。さらに、本発明は、前記
測距手段は超音波測距計であるものとした。

【０００７】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図１は本発明の一実施例による土砂の形状測定装
置の外観図、図２は同じく概略構成を示すブロック図で
ある。

【０００８】図１において１はパワーショベル、２は堆
積された土砂、３はが土砂２が堆積された地面（土砂が
存する面に相当）、４はの搬送を行うトラックである。
パワーショベル１は、クローラ１１と、クローラ１１上
に水平旋回可能に設けられた旋回台１２と、旋回台１２
の前部に上下方向へ回動可能に枢着された第１アーム１
３と、第１アーム１３の先端に上下方向へ回動可能に枢
着された第２アーム１４と、第２アーム１４の先端に上
下方向へ回動可能に枢着されたバケット１５と、これら
を駆動するための駆動機構１６と、パワーショベル１全
体の動作を制御するコントロールボックス１７とを備え
ている。

【０００９】さて、クローラ１１には、クローラ１１に
対する旋回台１２の旋回角及び旋回時の角速度を検出す
る旋回角センサ１１１が設けられている。旋回台１２に
は、パワーショベル１の傾斜の度合を検出する傾斜角セ
ンサ１２１と、パワーショベル１の前方を撮像するテレ
ビカメラ１２２と、旋回台１２に対する第１アーム１３
の回動角及び回動時の角速度を検出する第１アーム角度
センサ１２３とが設けられている。

【００１０】また、第１アーム１３には、第１アーム１
３に対する第２アーム１４の回動角及び回動時の角速度
を検出する第２アーム角度センサ１３１が設けられ、第
２アーム１４には、第２アーム１４に対するバケット１
５の回動角及び回動時の角速度を検出するバケット角度
センサ１４１が設けられている。さらに、バケット１５
の外面１５１で前記第２アーム１４の先端への枢着箇所
の近傍には超音波センサ１８（超音波測距計に相当）が
設けられている。

【００１１】一方、駆動機構１６は図２に示すように油
圧ポンプ１６１とディーゼルエンジン１６２とを備えて
おり、クローラ１１、旋回台１２、及び第１，第２アー
ム１３，１４には、油圧ポンプ１６１からの圧油を受け
て旋回台１２、第１，第２アーム１３，１４、及びバケ
ット１５を旋回、回動させるための、旋回用油圧モータ
（以下、油圧モータと略記する）１６３や回動用油圧シ
リンダ１６４（以下、油圧シリンダと略記する）が、駆
動機構１６の一部として設けられている。そして、油圧
ポンプ１６１と、油圧モータ１６３及び油圧シリンダ１
６４との間は、トルク調整用の比例制御弁１６５を介し
て、油圧回路１６６により接続されている。また、クロ
ーラ１１とディーゼルエンジン１６２との間は、変速機
構１６８及び操舵機構１６９を備える動力伝達機構１６
７により接続されている。

【００１２】コントロールボックス１７には図２に示す
ように、主制御装置１７１と駆動制御装置１７２とが設
けられており、主制御装置１７１には、前記旋回角セン
サ１１１、傾斜角センサ１２１、第１アーム角度センサ
１２３、第２アーム角度センサ１３１、バケット角度セ
ンサ１４１、超音波センサ１８、記憶回路１７３、及び
キーボード１７４が接続されている。

【００１３】記憶回路１７３には、主制御装置１７１の
制御プログラムや、旋回台１２、第１，第２アーム１
３，１４、及びバケット１５に設けられた油圧モータ１
６３及び油圧シリンダ１６４の、後述する形状測定時に
おける動作パターンデータ等が格納されている。また、
駆動制御装置１７２には、油圧ポンプ１６１と前記油圧
回路１６６に介設された比例制御弁１６５とが接続され
ており、さらに、ディーゼルエンジン１６２の駆動、停
止や、変速機構１６８によるクローラ１１の速度調整や
操舵機構１６９によるクローラ１１の操舵等を含む動力
伝達機構１６７による動力伝達を制御する運転制御回路
１７５が接続されている。

【００１４】尚、本実施例では、土砂移送用のアームが
第１，第２アーム１３，１４で構成され、駆動手段が駆
動機構１６により構成され、測距手段が超音波センサ１
８で構成されていると共に、制御手段が旋回角センサ１
１１、第１アーム角度センサ１２３、第２アーム角度セ
ンサ１３１、バケット角度センサ１４１、主制御装置１
７１、駆動制御装置１７２、及び記憶回路１７３で構成
され、形状認識手段が主制御装置１７１で構成されてい
る。

【００１５】次に、土砂２の形状測定動作について説明
する。まず、土砂２の上方にバケット１５乃至超音波セ
ンサ１８が臨むようにパワーショベル１を位置させて、
超音波センサ１８のスキャン動作に必要な設定値をキー
ボード１７４から入力する。

【００１６】ここで、キーボード１７４から入力する設
定値について、図３を参照して説明する。土砂２の形状
測定動作に必要な設定値としては、土砂２を縦断する方
向（以下、縦断方向と略記する）及び横断する方向（以
下、横断方向と略記する）のスキャン範囲と、スキャン
高さとがある。そこで、本実施例の形状測定装置では、
ホームポジションとしての超音波センサ１８の基準位置
Ｐから旋回台１２の旋回中心点Ｏまでの距離ｒと、スキ
ャン高さｈとを設定し、さらに、基準位置Ｐ或は旋回中
心点Ｏを基準とした縦断及び横断方向のスキャン範囲を
規定することとしている。

【００１７】縦断方向のスキャン範囲については、縦断
方向のスキャン開始点Ａから旋回台１２の旋回中心点Ｏ
までの距離Ｌ１と、同縦断方向のスキャン終了点Ｂから
旋回中心点Ｏまでの距離Ｌ２とをキーボード１７４から
入力設定する。横断方向のスキャン範囲については、基
準位置Ｐから横断方向のスキャン開始点Ｃ及びスキャン
終了点Ｄまでの旋回台１２の旋回角ｔを設定する。尚、
本実施例では、Ｌ１＝３．０ｍ、Ｌ２＝３．８５ｍ、ｈ
＝１．５ｍ、ｔ＝５０°、ｒ＝４．０ｍとしている。

【００１８】これらの設定値がキーボード１７４から入
力設定されると、主制御装置１７１は記憶回路１７３を
検索し、入力された設定値により規定されたスキャン範
囲に対応する、クローラ１１、旋回台１２、及び第１，
第２アーム１３，１４に設けられた油圧モータ１６３及
び油圧シリンダ１６４の動作パターンデータを取り出
す。

【００１９】この動作パターンデータは縦断動作パター
ンデータと横断動作パターンデータとからなり、縦断動
作パターンデータは、縦断方向へのスキャン動作中に超
音波センサ１８を高さｒに常に維持し、且つ、超音波セ
ンサ１８の指向方向を地面３に垂直な方向に常に維持す
るための、第１，第２アーム１３，１４、及びバケット
１５の回動パターンを規定するものである。また、横断
動作パターンデータは、超音波センサ１８を旋回台１２
の旋回中心点Ｏから距離ｒの位置に置き、この状態で旋
回台１２を左右に旋回角ｔで旋回させて、横断方向への
スキャン範囲をカバーするように超音波センサ１８を略
円弧状の軌跡で移動させるための、旋回台１２の旋回パ
ターンを規定するものである。

【００２０】つまり、縦断動作パターンデータは、第
１，第２アーム１３，１４、及びバケット１５の回動に
関与する、旋回台１２及び第１，第２アーム１３，１４
に設けられた油圧シリンダ１６４への、油圧ポンプ１６
１からの圧油供給パターンに関するデータである。そし
て、この縦断動作パターンデータは、キーボード１７４
から入力された設定値のうち、縦断方向のスキャン開始
点Ａから旋回台１２の旋回中心点Ｏまでの距離Ｌ１と、
同縦断方向のスキャン終了点Ｂから旋回中心点Ｏまでの
距離Ｌ２と、スキャン高さｈと、超音波センサ１８の基
準位置Ｐから旋回台１２の旋回中心点Ｏまでの距離ｒと
に基づいて検索される。

【００２１】また、横断動作パターンデータは、旋回台
１２の旋回に関与する、クローラ１１に設けられた油圧
モータ１６３への、油圧ポンプ１６１からの圧油供給パ
ターンに関するデータであり、キーボード１７４から入
力された設定値のうち、基準位置Ｐから横断方向のスキ
ャン開始点Ｃ及びスキャン終了点Ｄまでの旋回台１２の
旋回角ｔに基づいて検索される。

【００２２】そして、主制御装置１７１は、記憶回路１
７３から取り出したこれらの動作パターンデータに基づ
いて、油圧モータ１６３及び油圧シリンダ１６４への圧
油の供給パターンを駆動制御装置１７２に転送し、駆動
制御装置１７２は、転送された圧油の供給パターン通り
に油圧ポンプ１６１から油圧モータ１６３及び油圧シリ
ンダ１６４へ圧油が供給されるように、油圧回路１６６
系を制御する。尚、旋回台１２、第１，第２アーム１
３，１４、及びバケット１５の旋回及び回動は、旋回角
センサ１１１、第１アーム角度センサ１２３、第２アー
ム角度センサ１３１、及びバケット角度センサ１４１の
検出結果に基づいて、主制御装置１７１乃至駆動制御装
置１７２によりフィードバック制御される。

【００２３】このようにして、超音波センサ１８が地面
３から高さｈの位置で土砂２の上方を縦断及び横断方向
にスキャンすると、超音波センサ１８からある程度の広
がりを持って出射された超音波が土砂２の上端２１（図
１，図３）に照射され、その反射波が超音波センサ１８
で受波されて、超音波が照射された土砂２の上端２１
と、該超音波センサ１８が設けられたバケット１５の外
面１５１との間の距離が、一般的な超音波測距法に従っ
て測距され、その結果が主制御装置１７１により検出さ
れる。

【００２４】そして、主制御装置１７１では、縦断及び
横断方向の所定ピッチ毎に測距結果をサンプリングし
て、各サンプリング点における地面３から土砂２の上端
２１までの高さを検出し、これに基づいて土砂２の３次
元形状を認識する。尚、認識された土砂２の３次元形状
のデータは、バケット１５による土砂２のすくい取り動
作の制御等に反映されるほか、モニタへの表示等も可能
である。

【００２５】このように、本実施例の形状測定装置によ
れば、パワーショベル１のバケット１５の外面１５１に
超音波センサ１８を設け、旋回台１２、第１，第２アー
ム１３，１４、及びバケット１５の回動を主制御装置１
７１乃至駆動制御装置１７２で制御して、超音波センサ
１８により土砂２の上方を一定の高さで縦断及び横断方
向にスキャンさせるものとした。そして、超音波センサ
１８の縦断及び横断方向のスキャンにより、超音波セン
サ１８からの超音波が照射された土砂２の上端２１と、
該超音波センサ１８が設けられたバケット１５の外面１
５１との間の距離を測距し、この測距結果に基づいて主
制御装置１７１が土砂２の３次元形状を認識するように
した。

【００２６】このため、超音波センサ１８の保持及びス
キャン移動用の駆動部として、振動等による衝撃に対し
て強いパワーショベル１の駆動部分を用い、装置全体を
衝撃に対して強い構造とすることができると共に、専用
の駆動部を不要とすることができ、よって、建設現場等
の振動が多い使用環境でも故障を起こすことなく土砂の
形状測定を安価で行うことができる。

【００２７】尚、本実施例では、パワーショベル１のバ
ケット１５の外面１５１に超音波センサ１８を設けるも
のとしたが、第２アーム１４の先端に超音波センサを吊
り下げるように設けてもよい。また、バケット１５の外
面１５１と土砂２の上端２１との間の距離は、超音波セ
ンサに限らずレーザ測距装置等を用いて測距してもよい
が、超音波センサを用いれば、レーザ測距装置等に比べ
て重量を軽くすることができるので、形状測定装置の耐
衝撃性をさらに向上させることができる。

【００２８】さらに、本実施例では、超音波センサ１８
による横断方向へのスキャン動作の際に、超音波センサ
１８を旋回台１２の旋回中心点Ｏから距離ｒの位置に置
き、この状態で旋回台１２を左右に旋回角ｔで旋回させ
て、超音波センサ１８を略円弧状の軌跡で移動させるも
のとしたが、旋回台１２の旋回動作に第１，第２アーム
１３，１４の回動動作を加えて、横断方向の直線上を超
音波センサ１８が移動するようにしてもよい。

【００２９】加えて、本実施例では、あらかじめ超音波
センサ１８のスキャン高さｈを決定して縦断及び横断方
向にスキャン動作させるものとしたが、次のようにして
もよい。例えば、まず、バケット１５乃至超音波センサ
１８を適当な高さに位置させて横断方向のスキャン動作
を開始させ、該横断方向へのスキャン動作中にバケット
１５が土砂２の上端２１に接触しそうなときには、超音
波センサ１８による測距結果に基づいて主制御装置１７
１の制御によりスキャン高さを上昇させる。

【００３０】続いて、横断方向へのスキャン動作の終了
と共に土砂２の上端２１の最も高い部分の高さを主制御
装置１７１で検出し、その検出された高さに所定のオフ
セット値を加えた高さで縦断方向のスキャン動作を行わ
せる。このようにすれば、あらかじめ超音波センサ１８
のスキャン高さｈを決定してキーボード１７４から入力
する必要をなくすことができる。

【００３１】そして、本実施例では、地面３上に堆積さ
れた土砂２の３次元形状を測定する場合について説明し
たが、トラック４の荷台等地面以外の面に堆積された土
砂の３次元形状を測定する場合や、地面に掘削された掘
削箇所の形状を測定する場合にも本発明の装置を適用で
きることはいうまでもない。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、土
砂移送用のアームの先端に、該アームの先端箇所とこの
下方に位置する前記土砂の上端箇所との距離を測距する
測距手段を設け、前記アームを駆動する駆動手段を制御
手段で制御して、前記測距手段を、前記土砂の上方の、
該土砂が堆積された面に平行な平面内で２次元方向に移
動させ、その際の測距手段による測距結果に基づいて、
形状認識手段が前記土砂の３次元形状を認識するものと
した。このため、衝撃に強い構造とすることができ、且
つ、安価な装置コストで堆積土砂の形状を測定すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による土砂の形状測定装置の
外観図である。

【図２】本発明の一実施例による土砂の形状測定装置の
概略構成を示すブロック図である。

【図３】図１及び図２に示す超音波センサのスキャン動
作に伴って入力する設定値を説明する説明図である。

【符号の説明】

２ 土砂 ２１ 土砂上端 ３ 地面（土砂が存する面） １１１ 旋回角センサ（制御手段） １２３ 第１アーム角度センサ（制御手段） １３ 第１アーム（アーム） １３１ 第２アーム角度センサ（制御手段） １４ 第２アーム（アーム） １４１ バケット角度センサ（制御手段） １５ バケット １５１ バケット外面 １６ 駆動機構（駆動手段） １７１ 主制御装置（制御手段、形状認識手段） １７２ 駆動制御装置（制御手段） １７３ 記憶回路（制御手段） １８ 超音波センサ（測距手段、超音波測距計）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 移送すべき土砂が存する箇所の形状を測
   定する装置であって、 土砂移送用のアームと、 前記アームを駆動する駆動手段と、 前記アームの先端に設けられ、該アームの先端箇所とこ
   の下方に位置する前記土砂の上端箇所との距離を測距す
   る測距手段と、 前記測距手段が前記土砂の上方で該土砂が存する面に平
   行な平面内を２次元方向に移動するように前記駆動手段
   を制御する制御手段と、 前記平面内で前記測距手段を２次元方向に移動させた際
   の該測距手段の測距結果に基づいて前記移送すべき土砂
   が存する箇所の３次元形状を認識する形状認識手段と、 を備えることを特徴とする土砂の形状測定装置。
2. 【請求項２】 前記アームの先端には揺動可能にバケッ
   トが枢着され、前記測距手段は前記バケットの外面で前
   記枢着箇所の近傍に設けられている請求項１記載の土砂
   の形状測定装置。
3. 【請求項３】 前記測距手段は超音波測距計である請求
   項１又は２記載の土砂の形状測定装置。