WO2004027164A1 - 建設機械の掘削作業教示装置 - Google Patents

Abstract

本発明の目的は、複雑な3次元地形における法面形成作業に於いても、目標とする適切な掘削面の把握が容易であり、かつ掘削時の作業効率の向上した建設機械の掘削作業教示装置を提供することにある。表示装置(46)には、3次元目標地形を構成する多数の小平面Gと、建設機械の本体S及び作業機の先端掘削部のバケットBのイラストを第1画面(46a)として表示する。かつその第1画面において、3次元目標地形を構成する多数の小平面のうちその法線方向が作業機の動作面と許容誤差の範囲内で平行であるものを掘削可能な小平面である目標掘削面TGとして識別表示する。パネルコンピュータ(45)は、3次元目標地形を構成する複数の構成面の内の目標掘削面の法線の投影線と現在向いている建設機械の作業機の動作する方向とを表示装置(46)に表示するとともに、建設機械の車体と作業機の位置と目標地形との相対関係を表示する。

Description

建設機械の掘削作業教示装置 技術分野

本発明は油圧ショベル等の建設機械の掘削作業教示装置に係り、 特に、 バケツ トなどの掘削用作業機を動作させて 3次元の目標地形に関する掘削作業を行う際 に目標とする掘削作業位置を教示するに好適な建設機械の掘削作業教示装置に関 する。 明

細

背景技術

山間部などの傾斜地に道路を構築する際、 まず油圧ショベルやブルドーザなど の建設機械を用いて最初に切土または盛土などの作業を行って必要な地盤を形成 し、 その周囲には地面の崩壊を防ぐため油圧ショベルなどを用いて法面を形成す る。 この法面形成作業は高精度な掘削成形作業であり、 熟練を要する。 特に、 目 標の掘削面の下まで過剰に掘削を行うと、 単なる埋め戻しでは足りず、 コンパク 夕などの機械を用いて地山と同等の強度となるよう締め固めを行う必要となり、 作業効率が大幅に低下する。 そこで、 オペレータは目標の掘削面を掘りすぎない よう、 丁寧に法面の形成作業を行っている。

一方、 目標掘削面をオペレータに教示する手段としては、 現在原地形の測量を 行った結果から、 多数の代表位置に掘削の目標となる数値、 例えば法面勾配及び その深さに関する数値を記した杭や板を設置する （丁張り作業)。 オペレータはこ の丁張りを見て、 目標の法面を形成するよう油圧ショベルの作業機を動作させる。 しかし、 山間部などの傾斜地など複雑な地形に法面を形成する場合、 複雑な 3次 元地形に沿って目標となる杭や板を多数設置する必要があり、 そのための測量作 業や設置作業に多大な時間を必要としていた。

そこで、 例えば、 特開 2 0 0 1— 9 8 5 8 5号公報に記載されているように、 油圧ショベルなどの建設機械の 3次元位置及び作業機の方向と 3次元の目標地形 とを比較し、 作業機の向いている方向を通過する縦断面の平面と 3次元の目標地 形との 3次元上の交線を演算し、 その交線を本体と作業機のイラストとともに運 転室内に設置した表示装置に同一画面上に表示することにより、 目標の掘削面を ガイダンスする装置が知られている。

また、 例えば、 （株） トプコンの 3 D— M C G P Sショベルでは、 3次元の地 形を構成する三角形ポリゴンを運転室内に設置した夕ツチパネル式の表示装置に 表示し、 表示された三角形ポリゴンのうち目標の掘削面に相当するポリゴンを表 示装置上で直接夕ツチして教示することにより目標の掘削面の色を変えて表示す る装置が知られている。 発明の開示

しかしながら、 特開 2 0 0 1— 9 8 5 8 5号公報に記載された装置では、 作業 機の向いている方向を通過する縦断面の平面と 3次元の目標地形とめ 3次元上の 交線を演算し、 その交線を運転室内に設置した表示装置に本体と作業機のィラス 卜とともに同一画面上に表示することにより、 確かにその油圧ショベルが現在い る位置において掘削すべき面はわかるが、 作業機の動作する方向が目標の法面の 法線方向に向いていないと、 バケツトの幅の分が目標面に対して食い込んでしま うことになる。 そこで、 実際に法面形成作業を行う際は、 作業機の幅を考慮して 作業機の動作する方向を目標の法面の法線方向に向けるという合わせ作業が必要 であり、 作業が複雑となるという第 1の問題があった。

また、 （株） トプコンの 3 D—M C G P Sショベルでは、 作業機の動作する方 向と目標の法面の法線方向との角度を本体と 3次元目標地形との同一画面上に別 枠で表示しており、 オペレータはこの角度が 0となるように本体を旋回または走 行させるのであるが、 目標掘削面を設定する度にこの合わせ作業が必要であり、 特に小さな領域に多数の小平面が存在する場合、 最終的にその全てを教示しなけ ればならず、 作業が非常に煩雑になるという第 2の問題があった。

さらに、 （株） トプコンの 3 D— M C G P Sショベルでは、 作業機の動作する 方向と目標の法面の垂線方向との角度を車体と 3次元目標地形との同一画面上に 別枠で表示しており、 オペレータはこの角度が 0となるように車体を旋回または 走行させるのであるが、 実際にどちらの方向に車体を動作させればよいかの具体 的な案内はなく、 車体の動作方向はオペレータが自身で判断して動作する必要が あり、 不慣れなオペレータは車体の位置決めを容易に行えないという第 3の問題 があった。

本発明の第 1の目的は、 上記第 1および第 2の問題を解決し、 複雑な 3次元地 形における法面形成作業においても、 目標とする適切な掘削面の把握が容易であ り、 かつ掘削時の作業効率の向上した建設機械の掘削作業教示装置を提供するこ とにある。

本発明の第 2の目的は、 上記第 1および第 3の問題を解決し、 複雑な 3次元地 形における法面形成作業においても、 目標とする適切な掘削面の把握が容易であ り、 かつ掘削時の車体の位置決めが容易で、 作業効率の向上した建設機械の掘削 作業教示装置を提供することにある。

なお、 本願明細書中において、 「3次元空間の絶対位置」 とは、 走行式建設機械 の外部に設定された座標系により表現した位置のことであり、 例えば 3次元位置 計測装置として G P Sを用いる場合は、 G P Sで高さの基準として用いる準拠楕 円体に固定した座標系により表現した位置のことである。 また、 本願明細書では、 この準拠楕円体に設定した座標系をグロ一バル座標系と呼ぶ。

また、 平面直角座標系とは、 測量法に定められたものであり、 日本全土を 1 9 0地域に区分し、 それぞれの地域内を平面とみなした直角座標系であり、 それぞ れの分割領域の特定の場所に原点を持つ 3次元直角座標系である。 本明細書中に おける 3次元の目標地形の画像データは平面直角座標系の値として作成されたも のである。

( 1 ) 上記目的を達成するために、 本発明は、 掘削用の作業機を動作させて 3 次元の地形を 3次元の目標地形にする掘削作業を行う建設機械の掘削作業教示装 置において、 前記建設機械の作業機の 3次元位置を計測する位置計測手段と、 こ の位置計測手段の計測結果に応じて前記 3次元目標地形と前記作業機の位置関係 を表示する表示手段とを備え、 前記表示手段は、 前記 3次元目標地形を構成する 多数の小平面と、 前記建設機械の本体及び少なくとも前記作業機の先端部を含む 前記建設機械の全体または一部分のイラストを第 1画面として表示し、 かつその. 第 1画面において、 前記 3次元目標地形を構成する多数の小平面のうちその法線 方向が前記作業機の動作面と許容誤差の範囲内で平行であるものを目標掘削面と して識別表示するものである。

このように建設機械が移動するに応じて掘削すべき地形の形状が変化する複雑 な 3次元地形であっても、 3次元目標地形を構成する多数の小平面のうちその法 線方向が前記作業機の動作面と許容誤差の範囲内で平行であるものを目標掘削面 として識別表示するため、 オペレータは現在の建設機械の位置に応じた前記目標 掘削面を容易に把握でき、 掘削時の作業効率を向上することができる。

( 2 ) 上記 （1 ) において、 好ましくは、 前記表示手段は、 前記作業機の動作 面と前記多数の小平面との交線、 前記建設機械の全体または一部分のイラストを 前記作業機の動作面における断面図である第 2画面として、 前記第 1画面と同時 に表示するようにしている。

( 3 ) 上記 （1 ) において、 好ましくは、 前記表示手段は、 前記目標掘削面が 複数あるときは、 それらの法線方向が前記作業機の動作面に最も近い距離にある ものを識別表示するようにしている。

( 4 ) 上記 （1 ) において、 好ましくは、 前記表示手段は、 前記目標掘削面が 複数あるときは、 それらの法線方向が前記作業機の動作面に最も近い距離にある ものから順番に色調を変えて表示するようにしている。

( 5 ) 上記 （1 ) において、 好ましくは、 前記目標掘削面の選択を自動設定モ ードから手動設定モードに切り換える切換手段を更に備え、 前記表示手段は、 前 記切換手段により手動設定モードに切り換えられると、 オペレ一夕が選択した小 平面を識別表示するようにしている。

( 6 ) 上記 （1 ) において、 好ましくは、 前記表示手段は、 前記 3次元目標地 形を構成する多数の小平面のうち前記建設機械から所定距離の範囲内にあるもの について識別表示するようにしている。

( 7 ) 上記 （1 ) において、 好ましくは、 前記表示手段は、 前記 3次元目標地 形を構成する多数の小平面のうちその法線方向が前記作業機の動作面と許容誤差 の範囲内で平行になるものが存在しない場合は、 その旨を表示するようにしてい る。

( 8 ) 上記 （1 ) において、 好ましくは、 前記表示手段は、 前記 3次元目標地 形を構成する多数の小平面と、 少なくとも前記作業機の先端部を含む前記建設機 械の全体または一部分のイラストを第 1画面として表示し、 かつその第 1画面に おいて、 前記 3次元目標地形を構成する複数の小平面の内の目標掘削面の法線の 水平面への投影線と現在向いている前記建設機械の作業機の動作する方向とを表 示するようにしたものである。

( 9 ) 上記 （8 ) において、 好ましくは、 前記表示手段は、 前記第 1画面に、 前記建設機械の車体の中心位置を同時に表示するようにしたものである。

( 1 0 ) 上記 （8 ) .において、 好ましくは、 前記表示手段は、 前記作業機の動 作面と前記多数の小平面との交線、 前記建設機械の全体または一部分のィラスト を前記作業機の動作面における断面図である第 2画面として、 前記第 1画面と同 時に表示するようにしたものである。

( 1 1 ) 上記 （8 ) において、 好ましくは、 前記表示手段は、 前記第 1画面に、 前記建設機械の走行体の移動する方向線を同時に表示するようにしたものである。

( 1 2 ) また、 上記目的を達成するために、 本発明は、 掘削用の作業機を作動 させて 3次元の地形を 3次元の目標地形にする掘削作業を行う建設機械の掘削作 業教示装置において、 前記建設機械の作業機の 3次元位置を計測する位置計測手 段と、 この位置計測手段の計測結果に応じて前記 3次元目標地形と前記作業機の 位置関係を表示する表示手段とを備え、 前記表示手段は、 前記 3次元目標地形を 構成する多数の小平面と、 少なくとも前記作業機の先端部を含む前記建設機械の 全体または一部分のィラストを第 1画面として表示し、 かつその第 1画面におい て、 前記 3次元目標地形を構成する複数の小平面の内の目標掘削面の法線の水平 面への投影線と現在向いている前記建設機械の作業機の動作する方向とを表示す るようにしたものである。

このように建設機械が移動するに応じて掘削すべき地形の形状が変化する複雑 な三次元地形であっても、 目標掘削面の法線の投影線と現在向いている前記建設 機械の作業機の動作する方向とを同一の画面に表示するため、 目標掘削面を掘削 するに好適な建設機械の設置位置を直感的に容易に把握でき、 掘削時の作業効率 を向上することができる。

( 1 3 ) 上記 （1 2 ) において、 好ましくは、 前記表示手段は、 前記第 1画面 に、 前記建設機械の車体の中心位置を同時に表示するようにしたものである。

( 1 4 ) 上記 （1 2 ) において、 好ましくは、 前記表示手段は、 前記作業機の 動作面と前記多数の小平面との交線、 前記建設機械の全体または一部分のィラス トを前記作業機の動作面における断面図である第 2画面として、 前記第 1画面と 同時に表示するようにしたものである。

( 1 5 ) 上記 （1 2 ) において、 好ましくは、 前記表示手段は、 前記第 1画面 に、 前記建設機械の走行体の移動する方向線を同時に表示するようにしたもので ある。 図面の簡単な説明

図 1は、 本発明の一実施の形態による建設機械の掘削作業教示装置を用いた作 業位置計測システムの構成を示すブロック図である。

図 2は、 本発明の一実施の形態に係わる作業位置計測システムを搭載した油圧 ショベルの外観を示す図である。

図 3は、 G P S基準局としての役割を持つ事務所側システムの構成を示すプロ ック図である。

図 4は、 バケツトの先端の 3次元空間での絶対位置を演算するために使用する 座標系を示す図である。

図 5は、 グローバル座標系の概要を説明する図である。

図 6は、 3次元位置演算処理手順を示すフローチヤ一トである。

図 7は、 表示装置の表示部に表示される第 1の位置表示例を示している。 図 8は、 表示装置の表示部に表示される第 2の位置表示例を示している。 図 9は、 表示装置の表示部に表示される第 3の位置表示例を示している。 図 1 0は、 表示装置の表示部に表示される第 4の位置表示例を示している。 図 1 1は、 表示装置の表示部に表示される第 5の位置表示例を示している。 図 1 2は、 本発明の一実施の形態に用いる設定器の外観斜視図である。

図 1 3は、 本発明の一実施の形態による掘削面教示装置としてのパネルコンビ ユー夕の処理機能を示すフローチャートである。

図 1 4は、 本発明の一実施の形態による掘削面教示装置としてのパネルコンビ ユー夕の処理機能を示すフローチャートである。

図 1 5は、 本発明の一実施の形態による掘削面教示装置としてのパネルコンビ ユー夕の処理機能を示すフローチヤ一トである。

図 1 6は、 本発明の一実施の形態による掘削面教示装置としてのパネルコンビ ユー夕の処理機能を示すフロ一チャートである。

図 1 7は、 表示装置の表示部に表示される第 1の表示例を示している。

図 1 8は、 表示装置の表示部に表示される第 2の表示例を示している。

図 1 9は、 本実施の形態に用いる設定器の外観斜視図である。

図 2 0は、 本実施の形態による掘削面教示装置としてのパネルコンピュータの 処理機能を示すフローチャートである。

図 2 1は、 表示装置の表示部に表示される第 3の表示例を示している。 発明を実施するための最良の形態

以下、 図 1〜図 1 3を用いて本発明の一実施の形態による建設機械の掘削作業 教示装置を油圧ショベルに適用した場合の例について説明する。

図 1は、 本発明の一実施の形態による建設機械の掘削作業教示装置を用いた作 業位置計測システムの構成を示すブロック図である。

作業位置計測システムは、 基準局からの補正データ （後述） をアンテナ 3 3， 3 4を介して受信する無線機 4 1， 4 2と、 この無線機 4 1， 4 2で受信した補 正データと G P Sアンテナ 3 1 , 3 2により受信される G P S衛星からの信号と に基づいて G P Sアンテナ 3 1 , 3 2の 3次元位置をリアルタイムに計測する G 3受信機4 3 , 4 4と、 この0 ? 3受信機4 3 , 4 4からの位置データと角度 センサ 2 1， 2 2 , 2 3や傾斜センサ 2 4や旋回角センサ 2 5などの各種センサ からの角度データとに基づき、 油圧ショベル 1のバケツト 7の先端 （モニタボイ ント） の位置を演算し、 さらに後述する 3次元目標地形を示すデータが所定のメ モリに記憶されているパネルコンピュータ 4 5と、 このパネルコンピュータ 4 5 により演算された位置データや 3次元目標地形をィラスト等を交えて表示する表 示装置 4 6と、 パネルコンピュータ 4 5により演算された位置デ一夕をアンテナ 3 5を介して送信するための無線機 4 7と、 パネルコンピュータ 4 5により選択 された小平面が複数のうち、 いずれの平面を目標とする掘削面とするかを設定指 示する設定器 4 8とを備えている。 G P Sアンテナ 3 1と G P S受信機 4 3 , G P Sアンテナ 3 2と G P S受信機 4 4はそれぞれ 1セットの G P S (Grobal Pos i t ioning Sys tem) を構成している。

図 2は、 本発明の実施の形態による建設機械の掘削作業教示装置を用いた油圧 ショベルの外観を示す図である。

油圧ショベル 1は下部走行体 2と、 下部走行体 2上に旋回可能に設けられ、 下 部走行体 2と共に本体を構成する上部旋回体 3と、 上部旋回体 3に設けられたフ ロント作業機 4とからなる。 フロント作業機 4は上部旋回体 3に上下方向に回転 可能に設けられたブーム 5と、 ブーム 5の先端に上下方向に回転可能に設けられ たアームらと、 アーム 6の先端に上下方向に回転可能に設けられたバケツト 7と で構成され、 それぞれ、 ブームシリンダ 8、 アームシリンダ 9、 バケットシリン ダ 1 0を伸縮することにより駆動される。 上部旋回体 3には運転室 1 1が設けら れている。

また、 油圧ショベル 1には、 上部旋回体 3とブーム 5との回転角 （ブーム角 度） を検出する角度センサ 2 1と、 ブーム 5とアーム 6との回転角 （アーム角 度） を検出する角度センサ 2 2と、 アーム 6とパケット 7との回転角 （バケツト 角度） を検出する角度センサ 2 3と、 上部旋回体 3の前後方向の傾斜角 （ピッチ 角度） を検出する傾斜センサ 2 4、 下部走行体 2と上部旋回体 3との回転角 （旋 回角） を検出する旋回角センサ 2 5とが設けられている。

更に、 油圧ショベル 1には、 G P S衛星からの信号を受信する 2個の G P Sァ ンテナ 3 1 , 3 2と、 基準局からの補正データ （後述） を受信するための無線ァ ンテナ 3 3， 3 4と、 位置デ一夕を送信する無線アンテナ 3 5が設けられている。 2個の G P Sアンテナ 3 1， 3 2は上部旋回体 3の旋回中心から外れた旋回体後 部の左おに設置されている。

図 3は、 G P S基準局としての役割を持つ事務所側システムの構成を示すプロ ック図である。

油圧ショベル 1やパケット 7等の位置や作業管理を行う事務所 5 1には、 G P S衛星からの信号を受信する G P Sァンテナ 5 2と、 補正データを油圧ショベル 1に送信する無線アンテナ 53と、 油圧ショベル 1から上述した油圧ショベル 1 やバケツト 7等の位置データを受信する無線アンテナ 54と、 予め計測された 3 次元位置デ一夕と GPSアンテナ 52により受信される GPS衛星からの信号と に基づき、 上述した油圧ショベル 1の GPS受信機 43， 44で RTK (リアル タイムキネマティック） 計測を行うための補正データを生成する GPS基準局と しての GPS受信機 55, GPS受信機 55で生成された補正データをアンテナ 53を介して送信するための無線機 56と、 アンテナ 54を介して位置データを 受信する無線機 57と、 無線機 57により受信した位置デ一夕に基づき油圧ショ ベル 1やバケツト 7の位置を表示 ·管理したり 3次元目標地形を示すデータを表 示するための演算を行うコンピュータ 58と、 このコンピュータ 58により演算 した位置データと管理データ、 3次元目標地形をィラスト等を交えて表示する表 示装置 59が設置されている。 GPSアンテナ 52と GPS受信機 55は 1セッ 卜の GPSを構成する。

次に、 本実施の形態に係わる作業位置計測システムの動作の概要を説明する。 本実施の形態では高精度での位置計測を行うため、 図 1に示した GP S受信機 4 3, 44でそれぞれ RTK計測を行う。 このためには先ず、 図 3に示した補正デ —タを生成する GP S基準局 55が必要となる。 0?3基準局55は、 上記のよ うに予め 3次元計測されたアンテナ 52の位置データとアンテナ 52により受信 される GP S衛星からの信号とに基づいて、 RTK計測のための補正データを生 成し、 生成された補正データは、 無線機 56によりアンテナ 53を介して一定周 期で送信される。

一方、 図 1に示した車載側の GPS受信機 43, 44は、 アンテナ 33， 34 を介して無線機 41， 42により受信される補正データと、 アンテナ 31， 32 により受信される GPS衛星からの信号に基づき、 アンテナ 31， 32の 3次元 位置を RTK計測する、 この RTK計測によって、 アンテナ 31, 32の 3次元 位置が約 ±1〜2 cmの精度で計測される。 そして、 計測された 3次元位置デ一 夕はパネルコンピュータ 45に入力される。

また、 傾斜センサ 24によって油圧ショベル 1のピッチ角度、 角度センサ 21 〜23によってそれぞれブーム 5、 アーム 6及びバケツト 7の各角度が計測され、 同様にパネルコンピュータ 4 5に入力される。

パネルコンピュータ 2 5は G P S受信機 4 3， 4 4からの位置データと、 各種 センサ 2 1〜2 4からの各角度データに基づき、 一般的なベクトル演算と座標変 換を行って、 パケット 7の先端の 3次元位置を演算する。

次に、 図 4〜図 6を用いてパネルコンピュータ 4 5における 3次元位置演算処 理について説明する。 図 4は、 パケット 7の先端の 3次元空間での絶対位置を演 算するために使用する座標系を示す図である。 図 4において、 ∑0は0 ? の準 拠楕円体の中心に原点 O 0を持つグロ一バル座標系、 ∑ 3は油圧ショベル 1の上 部旋回体 3に固定され、 旋回ベースフレームと旋回中心との交点に原点 O 0を持 つショベルベース座標系、 ∑ 0はバケツト 7に固定され、 バケツト 7の先端に中 心 O 7を持つバケツト先端座標系である。

ショベルベース座標系∑ 3の原点 （旋回ベースフレームと旋回中心との交点） 0 3に対する G P Sアンテナ 3 1， 3 2の位置関係し 1， L 2 , L 3は既知であ るので、 グロ一バル座標系∑ 0での G P Sアンテナ 3 1， 3 2の 3次元位置と油 圧ショベル 1のピッチ角度 0 2が分かれば、 グローバル座標系∑ 0でのショベル ベース座標系∑ 3の位置及び姿勢 （上部旋回体 3の方向） を求めることができる。 また、 ショベルベース座標系∑ 3の原点 （旋回べ一スフレームと旋回中心との交 点） 〇 3とブ一ム 5の基端との位置関係 α 3、 α 4及びアーム 5、 アーム 6、 ノ ケット 7の寸法 α 5， ひ 6， α 7が既知であるので、 ブーム角度 Θ 5、 アーム脅 度 0 6、 バケツト角度 S 7が分かれば、 ショベルべ一ス座標系∑ 3でのバケツト 先端座標系∑ 7の位置及び姿勢を求めることができる。 従って、 車載側の G P S 受信機 4 3， 4 4で求めた G P Sアンテナ 3 1 , 3 2の 3次元位置をグロ一バル 座標系∑ 0での値として求め、 角度センサ 2 4で油圧ショベル 1のピッチ角度 S 2を求め、 角度センサ 2 1〜2 3でブーム角度 0 5、 アーム角度 0 6、 バケツト 偶度 0 7を求め、 座標変換演算を行うことにより、 パケット 7の先端位置をグロ —バル座標系∑ 0の値で求めることができる。

図 5はグロ一バル座標系の概念を説明する図である。 図 5において、 Gは G P Sで用いる準拠楕円体であり、 グローバル座標系∑ 0の原点 0 0は準拠楕円体 G の中心に設定されている。 また、 グローバル座標系∑ 0の X 0軸方向は赤道 Αと 子午線 Bの交点 Cと準拠楕円体 Gの中心とを通る線上に位置し、 z 0軸方向は準 拠楕円体 Gの中心から南北に延ばした線上に位置し、 y 0軸方向は X 0軸と z 0 軸に直交する線上に位置している。 GPSでは、 地球上の位置を緯度及び経度と、 準拠楕円体 Gに対する高さ （深さ） で表現するので、 このようにグローバル座標 系∑ 0を設定することで、 G P Sの位置情報をグローバル座標系∑ 0の値に容易 に変換することができる。

図 6は 3次元位置演算処理手順を示すフローチヤ一トである。 図 6において、 まず、 車載側の GPS受信機 43で求めた GPSアンテナ 31の 3次元位置 （緯 度、 経度、 高さ） を上記の考えに基づきグロ一バル座標系∑ 0の値 GP 1に変換 する （ステップ S 10)、 このための演算式は一般的によく知られているものなの で、 ここでは省略する。 同様に、 車載側の GPS受信機 44で求めた0 ァン テナ 32の 3次元位置をグローバル座標系∑0の値 GP 2に変換する （ステップ S 20)o 次いで、 傾斜センサ 24で計測したピッチ角度 02を入力し （ステップ S 30)、 ステップ S 10, 20で求めた GP Sアンテナ 31, 32のグローバル 座標系∑ 0での 3次元位置 GP 1， GP 2と、 そのピッチ角度 02と、 記憶装置 に記憶したショベルベース座標系∑ 3の原点 （旋回ベースフレームと旋回中心と の交点） 〇3に対する GPSアンテナ 31, 32の位置関係 L I, L 2, L 3と からショベルベース座標系∑ 3の位置及び姿勢 （上部旋回体 3の方向） をグロ一 バル座標系∑ 0の値 GPBで求める （ステップ S40)。 この演算は座標変換であ り、 一般的な数学的手法により行うことができる。 次いで、 角度センサ 21〜2 3で検出したブーム角度 05， アーム角度 06, バゲット角度 07を入力し、 こ れらの値と記憶装置に記憶したショベルベース座標系∑ 3の原点 （旋回べ一スフ レームと旋回中心との交点） 〇 3とブーム 5の基端との位置関係ひ 3， ひ 4及び アーム 5, アーム 6， バケツト 7の寸法 a 5， 6, ο; 7とからショベルべ一ス 座標系∑ 3でバケツト先端位置 ΒΡΒΚを求める （ステップ S 50)。 この演算も 座標変換であり、 一般的な数学的手法により行うことができる。 次いで、 ステツ プ S 40で求めたグロ一バル座標系∑ 0でのショベルべ一ス座標系∑ 3の値 GP Βとステップ S 50で求めたショベルベース座標系∑ 3でのバケツト先端位置 Β ΡΒΚとからグロ一バル座標系∑ 0でのバケツト先端位置 GPBKを求める （ス テツプ S 6 0 )。 そして、 このグロ一バル座標系∑ 0でのバケツト先端位置 G P B Kを平面直角座標系に変換する。 このための演算式は一般的によく知られている ものなので、 ここでは省略する。

以上のような演算を行うことによって、 バケツト 7の先端位置の 3次元空間で の絶対位置を求めることができる。

なお、 求めたバケツト先端の 3次元位置は無線機 4 7によりアンテナ 3 5を介 して送信する。 送信されたパケット 7の先端の位置デ一夕は、 アンテナ 5 4を介 して無線機 5 7により受信され、 コンピュータ 5 8に入力される。 コンピュータ 5 8は入力されたバケツト 7の先端の位置データを保存すると共に、 パネルコン ピュー夕 2 5と同様に表示装置 5 9のモニタ上に油圧ショベルの本体及びバケツ トのイラストを予め所定のメモリ一に記憶された 3次元目標地形上の 3次元位置 に表示する。 これにより事務所 5 1において油圧ショベル 1の作業状態を管理す ることができる。

次に図 7〜図 1 0に表示装置 4 6の表示部に表示される画面の表示例を示す。 図 7は、 表示装置 4 6の表示部に表示される第 1の位置表示例を示している。 表示装置 4 6には、 第 1画面 4 6 aと、 第 2画面 4 6 bが表示される。 第 1画面 6 aには、 パネルコンピュータ 4 5における 3次元位置演算処理により求めら れた 3次元位置を用いて、 図 7に示すように油圧ショベルの本体 S及び作業機の 先端掘削部であるバケツ卜 Bのイラストを予め所定のメモリーに記憶された 3次 元目標地形 G上の 3次元位置に表示する。 また、 本実施の形態の掘削作業教示装 置によって教示される目標掘削面 T G (図中、 斜線を施した面） は、 他の掘削面 に対して色を変えて表示する。 表示装置 4 8に表示される表示画面は、 設定器 4 8を操作して視点を任意に変えることが可能である。

また、 パネルコンピュータ 4 5は、 バゲットの向いている方向を通過する縦断 面の平面 （バケツ卜の動作面すなわちフロント作業機の動作に伴いバケツ卜が動 作する上部旋回体に固定された平面） と 3次元の前記目標掘削面との 3次元上の 交線を演算し、 第 2画面 4 6 bに、 その交線と本体 Sとバケツト Bとを表示して オペレータに作業状況を知らせる。

このように 3次元位置表示と断面表示を同時に表示することにより、 目標掘削 面 T Gに対する本体 Sやバケツト Bの位置関係を直感的に表示することができる。 図 8は、 表示装置 4 6の表示部に表示される第 2の位置表示例を示している。 第 1画面 4 6 aには、 視点を上面としたときの 2次元画像が表示される。 パネル コンピュータ 2 5は、 現在向いている油圧ショベルのバゲットの動作する方向 P L (バゲット動作面を真上から見た直線） と 3次元目標地形を構成する各小平面 の法線方向とが予め設定されたある範囲の誤差内で、 バケツトの動作方向 P Lと 小平面の法線方向の水平面への投影線 G Lとが略平行である小平面を選択し、 前 記小平面を目標掘削面 T Gとして自動的に選択設定し、 また、 表示する。 また画 面上には、 油圧ショベルの本体 Sの旋回中心〇も表示する。

図 9は、 表示装置 4 6の表示部に表示される第 3の位置表示例を示している。 バケツト動作面と 3次元目標地形を構成する各小平面の法線方向とが予め設定さ れたある範囲の誤差内で平行である小平面が存在しない場合、 パネルコンピュー 夕 2 5は掘削できる構成が存在しない旨の表示を表示装置 4 6の第 2画面 4 6 b に表示する。 また、 このとき、 目標掘削面は選択できないため、 第 1画面 4 6 a には、 図 7に示したような目標掘削面 T Gが表示されない。

図 1 0は、 表示装置 4 6の表示部に表示される第 4の位置表示例を示している。 バケツ卜動作面と 3次元目標地形を構成する各小平面の法線方向とが予め設定さ れたある範囲の誤差内で平行である小平面が複数存在するとき、 第 1画面 4 6 a には、 その複数の構成面 T G 1， T G 2を色を変えて表示する。 このとき、 本体 の位置からの距離に応じて、 色を変え、 例えば、 一番近い構成面 T G 1の色を、 それよりも遠い構成面 T G 2の色よりも濃くするなど色調を変えて、 いずれの構 成面が近いかを一目で識別可能に表示する。 ここでは、 複数の構成面が 2個の場 合を図示したが、 3個以上でも同様に色を変えて識別して表示することができる。 図 1 1は、 表示装置 4 6の表示部に表示される第 5の位置表示例を示している。 表示装置 4 6の表示部は、 左右に 2分割されており、 左側には、 第 1画面 4 6 a と、 第 2画面 4 6 bが設けられ、 右側には第 3画面 4 6 cが設けられている。 第 1画面 4 6 aには、 図 7と同様に、 パネルコンピュータ 4 5における 3次元位置 演算処理により求められた 3次元位置を用いて、 図 7に示すように油圧ショベル の本体 S及びバゲット Bのイラストを予め所定のメモリーに記憶された 3次元目 標地形 G上の 3次元位置に表示する。

また、 第 2画面 4 6 bには、 図 7と同様に、 バケツトの向いている方向を通過 する縦断面の平面と 3次元の前記目標掘削面との 3次元上の交線と本体 Sとバゲ ット Bとを表示する。

さらに、 第 3画面 4 6 cには、 図 8と同様に、 視点を上面としたときの 2次元 画像が表示される。

図 1 2は本実施の形態に用いる設定器 4 8の外観斜視図である。 設定器 4 8は、 表示装置 4 6への表示開始を O N/O F Fするスィッチ 4 8 aと、 目標掘削面を 自動教示するか手動で設定するかを切り替える自動/手動スィッチ 4 8 bと、 自 動教示時においてバゲットを掘削したい掘削面に移動してスィッチを押すことに よりダイレクトティーチ可能な目標掘削面選択スィッチ 4 8 cと、 手動設定時に 手動で目標掘削面を設定するための手動設定スィッチ 4 8 dと、 3次元表示の視 点を移動するためのジョイスティック 4 8 eと、 図 8に示した上から見た 2次元 表示に表示装置の画面を切り替えるための 2次元表示スィッチ 4 8 f とを備えて いる。 自動/手動スィッチ 4 8 bは、 1回押すと例えば自動教示が選択され L E D 4 8 gが点灯する。 さらにもう 1回押すと手動設定に切り替わり L E D 4 8 h が点灯する。

次に、 図 1 3〜図 1 6に示すフローチャートを用いて、 本実施の形態による掘 削面教示装置としてのパネルコンピュータ 4 5の処理機能について説明する。 パネルコンピュータ 4 5は、 図 7に示した油圧ショベルの本体及びバケツトの イラストを予め所定のメモリーに記憶された 3次元目標地形上の 3次元位置に表 示する際に、 現在向いている油圧ショベルのバケツ卜動作面と 3次元目標地形を 構成する各小平面の法線方向とが予め設定されたある範囲の誤差内で平行である 小平面を選択し、 前記小平面を目標の掘削面として自動的に選択設定する。

ある目標掘削面をバケツトを操作して掘削する際、 バケツトの横幅があるため バケツ卜の動作面と目標掘削面の垂線がほぼ平行の状態でなければバケツトのェ ッジが目標掘削面に食い込んだり、 目標掘削面から浮いてしまうことになる。 そ こで、 本発明では現在向いている油圧ショベルのバケツト動作面と 3次元目標地 形を構成する各小平面の法線方向とが予め設定されたある範囲の誤差内で平行で ある小平面、 すなわち現在の油圧ショベルの姿勢において掘削可能な面を自動的 に選択することにより、 ォペレ一夕が目標掘削面を設定する作業を省くことがで きる。

図 13において、 目標掘削面自動設定が選択されているかどうかを判定 ~る (ステップ S 90)。 図 11に示した設定器 48の自動/手動スィッチ 48 bの操 作により、 自動設定が選択されている場合には、 自動設定処理が実行される （ス テツプ S 100)。 自動設定処理の詳細については図 14を用いて後述する。 手設 定が選択されている場合には、 手動設定処理が実行される （ステップ S 300)。 手動設定処理の詳細については図 16を用いて後述する。

次に、 図 14を用いて目標掘削面の自動設定処理の内容について説明する。 図 14において、 パネルコンピュータ 45は、 3次元表示における視点を初期値に 設定する （ステップ S 105)。 次に設定器 48の 3次元表示開始スィッチ 48 a がオンか否かを判定し （ステップ S 1 10)、 オンであればステップ S 115に進 む。 パネルコンピュータ 45は、 GPS受信機 43， 44からアンテナ 31, 3 2の位置データを取得し、 図 4〜図 6にて説明した方法によりバケツト 7の先端 位置の 3次元座標を演算する （ステップ S 115)。 ステップ S 105， S 100 の詳細は、 図 6のステップ S 10〜S 70にて説明したとおりである。

次に設定器 48のジョイスティック 48 eが操作されて視点が変更されたか否 かを判断し （ステップ S 120)、 変更された場合には変更された視点位置に対し て 3次元表示における視点の演算を行う （ステップ S 125)。 そして図 7に示し たように 3次元目標地形 Gと本体 Sとバケット Bを表示装置 48の表示部に 3元 表示する （ステップ S 130)。

次にバケツ卜の動作方向の演算を行う （ステップ S 135)。 次にバケツト動作 方向に対して、 ある範囲内に垂線を持つ 3次元目標地形の構成面を選択する （ス テツプ S 140)。 ステップ S 140の処理の詳細については、 図 15を用いて後 述する。

次にバケツト動作方向に対して、 ある範囲内に垂線を持つ 3次元目標地形の構 成面が 1個以上あるか否かを判定し （ステップ S 145)、 対応する構成面が一つ の場合にはその構成面を選択し、 また対応する構成面が複数ある場合には複数の 構成面に対して距離によって優先順位を付け、 最も近い構成面を選択し、 さらに、 選択した構成面を色を変えて表示する。 （ステップ S 1 5 0 )。

次に、 画面表示モードとして 2次元表示モードが選択されているか否かを判定 する （ステップ S 1 5 5 )。 図 1 2に示した操作器 4 8の 2次元表示スィッチ 4 8 ίが押されると、 図 8に示した 2次元表示モードで表示する （ステップ S 1 6

0 )。 そうでないときはステップ S 1 6 5に進む。

そして、 パケット動作方向と選択された構成面の 3次元上の交線を演算し （ス テツプ S 1 6 5 )、 図 1 0に示したように表示装置 4 6のサブ画面 4 6 bに本体'側 面から見た 3次元上の交線， 本体 S及びバケツト Bを表示する （ステップ S 7 6

0 )。

一方、 ステップ S 1 4 5において目標構成面が無い場合には、 図 9に示したよ うに現在の姿勢において掘削できる目標掘削地形の構成面は存在しない旨を表示 装置 4 6に表示する （ステップ S 1 7 5 )。

図 1 5はステップ S 1 4 0における目標構成面の選択処理の詳細を示すフロー チヤ一卜である。

図 1 5において、 最初に、 本体中心から所定の距離 （例えば、 パケットが届い て掘削可能な距離 （1 0 m) ) の範囲内にある構成面に対して、 変数 nとして、 「1」 〜 「N」 の番号を付与する。 次に、 変数 nに初期値として 「1」 を設定す る （ステップ S 2 1 0 )。 次にバケツトの動作方向と複数の構成面の内 n番目の構 成面 A nの法線方向とを比較して、 両者の角度がある範囲内にあるか否かを判定 する (ステップ S 2 2 0 )。 ある範囲内にあるときは、 この構成面が目標構成面に 前記当するとしてメモリ一内部に一時記憶する （ステップ S 2 3 0 )。 その後、 変 数 nを一つ増やす （ステップ S 2 4 0 )。 変数 nの値が構成面の総数 Nよりも大き いか否かを判定し （ステップ S 2 5 0 )、 小さい場合にはステップ S 2 1 0に戻り ステップ S 2 2 0〜S 2 5 0の処理を繰り返し、 大きくなるとメモリーに記憶さ れている構成面が前記当する構成面とする （ステップ S 2 6 0 )。

次に、 図 1 6を用いて目標掘削面の手動設定処理の内容について説明する。 ス テツプ S 3 0 5〜S 3 3 5及び S 3 5 0〜S 3 6 5の処理内容は、 図 1 4のステ ップ S 1 0 5〜S 1 3 5及び S 1 5 5〜S 1 7 0の処理内容と同様である。 オペレータが目標としたい掘削面の付近にバケツト先端を操作してもっていき、 設定器 4 8の手動選択スィッチ 4 8 dを押下することにより目標の掘削面をダイ レクトティーチすると （ステップ S 3 4 0 )、 この選択された掘削面を目標掘削面 として、 表示色を変更する （ステップ S 3 4 5 )。

なお、 以上の説明では、 通常表示装置 4 6には、 図 7に示したように、 バケツ トの向いている方向を通過する縦断面の平面と 3次元の目標地形との 3次元上の 交線を演算し、 その交線を前記表示装置に本体とパケットとを同一画面上に表示 するようにしている。 このとき、 オペレータが設定器 4 8のスィッチ 4 8 ίを押 下げることにより、 図 8に示したように、 3次元の目標地形と本体、 パケットを 同一画面上に上面から見下ろした表示を行うこともできる。 すなわち、 オペレー 夕は、 表示選択スィッチを適宜切り換えて目標掘削面の確認を行い作業を行う。 目標掘削面を設定したらオペレータは、 図 7に示したバケツトの向いている方 向を通過する縦断面の平面と 3次元の目標掘削面との 3次元上の交線と本体及び バケツ卜とを表示した画面を確認しながら、 目標掘削面を掘削作業することによ り、 複雑な 3次元地形であっても精度よく掘削することができる。 ·

図 1 4のステップ S 1 7 5において現在の姿勢において掘削できる目標掘削地 形の構成面は存在しない旨が表示装置 4 6に表示された場合には、 オペレータが 上部旋回体 3を適宜旋回することにより、 パネルコンピュータ 4 5は、 改めて図 1 4の処理を実行して新らしく向いている油圧ショベルのバケツト動作面と 3次 元目標地形を構成する各小平面の法線方向とが予め設定されたある範囲の誤差内 で平行である構成面を選択して表示する。 もし適当な構成面が選択 ·表示されな い場合には、 オペレータは、 下部走行体を適当な方向に移動し、 さらに、 上部旋 回体を旋回することを繰り返すことにより、 目標掘削面を選択して表示すること ができる。

なお、 上記実施の形態はその詳細が上述の例に限定されず、 種々の変形が可能 である。 一例として、 上記実施の形態ではバケツトと車体を表示したが、 すくな くともバケツト先端の掘削部を表示すれば油圧ショベルの全体またはその一部分 を表示してもよい。 また、 現在向いている油圧ショベルのバケツト動作面と 3次 元目標地形を構成する各小平面の法線方向とが予め設定されたある範囲の誤差内 で平行である小平面が複数存在する場合、 目標掘削面の教示方法としてタツチパ ネルを採用し、 指で直接画面上に表示される三角ポリゴンを指定してもよい。 ま た、 現在向いている油圧ショベルのバケツト動作面と 3次元目標地形を構成する 各小平面の法線方向とが予め設定されたある範囲の誤差内で平行である小平面を 自動的に選択 ·設定するモードと、 最初からオペレータが自分で目標掘削面を選 択 ·設定するための設定切換モードスィッチを設けてもよい。 また、 フロント装 置の各部材間の相対角度を検出する手段として回動角を検出する角度計を用いた が、 シリンダのストロークを検出してもよい。 また、 検出したパケット先端の 3 次元位置を事務所のコンビユー夕 5 8に送信しているが、 特に事務所側での管理 が必要なければ 3次元位置データを送信しなくてもよい。

以上説明したように、 本実施の形態によれば、 油圧ショベルが移動するに応じ てまたバケツトが移動するに応じて、 そのバケツトの下方の掘削すべき地形形状 が変化する複雑な 3次元地形であつても、 現在の建設機械の位置に応じて目標掘 削面を教示することにより作業機の向いている方向を通過する縦断面の平面とこ の目標掘削面との 3次元上の交線を演算し、 その交線を前記表示装置に本体と作 業機とを同一画面上に表示するため、 オペレー夕は現在の建設機械の位置に応じ た目標掘削面を把握でき、 表示器に表示される目標掘削面と作業機を見ながら目 標掘削面に沿って作業機を動作させれば 3次元の目標地形を掘削できる。 また、 小平面の法線方向線と建設機械の作業機の向く方向線とが予め設定されたある範 囲の誤差内で平行である小平面を選択し、 この小平面を目標の掘削面として設定 し、 かつ上面から見下ろした画面を同一画面内に表示することによりォペレ一夕 が現在いずれの平面を掘削できるのかを容易に把握することが可能なため、 複雑 な 3次元地形における法面形成作業に於いても目標とする掘削面の把握が容易で かつ実際の掘削における作業効率を向上することができる。

以下、 図 1 7〜図 2 1を用いて本発明の他の実施の形態による建設機械の掘削 作業教示装置を油圧ショベルに適用した場合の例について説明する。

なお、 本実施の形態による建設機械の掘削作業教示装置を用いた作業位置計測 システムの構成は、 図 1に示したものと同様である。 また、 本発明の実施の形態 による建設機械の掘削作業教示装置を用いた油圧ショベルの外観は、 図 2に示し たものと同様である。 さらに、 G P S基準局としての役割を持つ事務所側システ ムの構成は、 図 3に示したものと同様である。 また、 パネルコンピュータ 4 5に おける 3次元位置演算処理の内容は、 図 4〜図 6に示したものと同様である。 次に図 1 7及び図 1 8に表示装置 4 6の表示部に表示される画面の表示例を示 す。

図 1 7は、 表示装置 4 6の表示部に表示される第 1の位置表示例を示している。 表示装置 4 6には、 第 1画面 4 6 aと、 第 2画面 4 6 bが表示される。 第 1画面 4 6 aには、 パネルコンピュータ 4 5における 3次元位置演算処理により求めら れた 3次元位置を用いて、 図 7に示すように油圧ショベルの車体 S及びバケツト Bのイラストを予め所定のメモリーに記憶された 3次元目標地形 G上の 3次元位 置に表示する。 また、 本実施の形態の掘削作業教示装置によって教示される目標 掘削面 T G (図中、 斜線を施した面） は、 他の掘削面に対して色を変えて表示す る。 表示装置 4 8に表示される表示画面は、 設定器 4 8を操作して視点を任意に 変えることが可能である。

また、 パネルコンピュータ 4 5は、 バケツトの向いている方向を通過する縦断 面の平面 （バケツト動作面すなわちフロント作業機の動作に伴いバケツ卜が動作 する上部旋回体に固定された平面） と 3次元の前記目標掘削面との 3次元上の交 線を演算し、 第 2画面 4 6 bに、 その交線と車体 Sとバゲット Bとを表示してォ ペレ一夕に作業状況を知らせる。

このように 3次元位置表示と断面表示を同時に表示することにより、 目標掘削 面 T Gに対する車体 Sゃバケット Bの位置関係を直感的に表示することができる。 図 1 8は、 表示装置 4 6の表示部に表示される第 2の位置表示例を示している。 第 1画面 4 6 aには、 視点を上面としたときの 2次元画像が表示される。 ォペレ —夕が設定器 4 8を用いて、 3次元の地形を構成する小平面の内目標の一面を設 定すると、 パネルコンピュータ 2 5は、 現在向いている油圧ショベルのバケツト の動作する方向 P L (パケット動作面を真上から見た直線） と、 設定された目標 小平面の法線の水平面への投影線 G Lと、 油圧ショベルの車体 Sの旋回中心〇も 表示する。

図 1 9は本実施の形態に用いる設定器 4 8の外観斜視図である。 設定器 4 8は、 表示装置 4 6への表示開始を ON/O F Fするスィッチ 4 8 aと、 手動で目標掘 削面を設定するための手動設定スィッチ 4 8 dと、 3次元表示の視点を移動する ためのジョイスティック 4 8 eと、 図 1 8に示した上から見た 2次元表示に表示 装置の画面を切り替えるための 2次元表示スィッチ 4 8 f と、 ¾ 1 7に示した 3 次元表示に表示装置の画面を切り替えるための 3次元表示スィッチ 4 8 gとを備 えている。

次に、 図 2 0に示すフローチャートを用いて、 本実施の形態による掘削面教示 装置としてのパネルコンピュータ 4 5の処理機能について説明する。

パネルコンピュータ 4 5は、 図 1 8に示した油圧ショベルの車体及びバケツト のイラストを予め所定のメモリ一に記憶された 3次元目標地形上の 3次元位置に 表示する際に、 掘削作業のガイダンスとなる油圧ショベルのバケツトの動作する 方向線及び車体中心位置及び目標掘削面の垂線の水平面への投影線を同一画面上 に表示する。

設定された目標掘削面をバケツトを操作して掘削する際、 バケツトの横幅があ るためバケツトの動作する方向線と目標掘削面の垂線の水平面への投影線がほぼ 平行の状態でなければバケツトのエッジが目標掘削面に食い込んだり、 目標掘削 面から浮くことになる。 そこで、 オペレータは表示装置の画面に表示されたバケ ッ卜の動作する方向線及び車体中心位置及び目標掘削面の垂線の水平面への投影 線を見ることにより、 車体をどちらの方向にどれだけ移動させれば最も掘削作業 に適しているか判断して車体を旋回動作したり、 下部走行体を操作してバケツト の動作する方向線と目標掘削面の垂線がほぼ平行の状態にすることができる。 バ ケットの動作する方向線と目標掘削面の垂線がほぼ平行となったら、 図 1 7若し くは図 1 8のサブ画面 4 6 bに示すバケツトの向いている方向を通過する縦断面 の平面と 3次元の目標掘削面との 3次元上の交線と車体及びバケツトとを表示し た画面を確認しながら、 目標掘削面を掘削作業することにより、 複雑な 3次元地 形であっても精度よく掘削することができる。

バケツ卜の動作する方向線と目標掘削面の垂線の水平面への投影線と平行でな い場合、 次のような手順で両者をほぼ平行にすることができる。 第 1は、 図 1 8 に示した表示装置 4 6の画像を見ながら、 オペレータは、 車体 Sの中心 Oを目標 掘削面の垂線の水平面への投影線 G Lに近づくように下部走行体を走行し、 次に、 バケツトの動作する方向線 P Lと目標掘削面の垂線の水平面への投影線 G Lがほ ぼ一致するように上部旋回体を旋回させることにより達成できる。 第 2には、 バ ケッ卜の動作する方向線 P Lと目標掘削面の垂線の水平面への投影線 G Lが平行 になるように上部旋回体を旋回させることにより達成できる。

ある目標掘削面をバケツトを操作して掘削する際、 バケツトの横幅があるため バケツトの動作する面と目標掘削面の垂線がほぼ平行の状態でなければバケツト のエッジが目標掘削面に食い込んだり、 目標掘削面から浮いてしまうことになる。 それに対して、 本実施の形態では油圧ショベルのバケツ卜の動作する方向線及び 車体中心位置及び目標掘削面の垂線の水平面への投影線を同一画面上に表示する ことにより、 上部旋回体の旋回方向や下部走行体の移動方向を直感的に把握でき、 車体の移動を容易にして、 作業効率を向上できるものである。

図 2 0において、 パネルコンピュータ 4 5は、 3次元表示における視点を初期 値に設定する （ステップ S 4 0 5 )。 次に設定器 4 8の 3次元表示開始スィッチ 4 8 aがオンか否かを判定し （ステップ S 4 1 0 )、 オンであればステップ S 4 1 5 に進む。 パネルコンピュータ 4 5は、 0 3受信機4 3 , 4 4からアンテナ 3 1， 3 2の位置データを取得し、 図 4〜図 6にて説明した方法によりバケツト 7の先 端位置の 3次元座標を演算する （ステップ S 4 1 5 )。 ステップ S 4 0 5， S 4 1 5の詳細は、 図 6のステップ S 1 0〜S 7 0にて説明したとおりである。

次に設定器 4 8のジョイスティック 4 8 eが操作されて視点が変更されたか否 かを判断し （ステップ S 4 2 0 )、 変更された場合には変更された視点位置に対し て 3次元表示における視点の演算を行う （ステップ S 4 2 5 )。 そして図 1 7に示 したように 3次元目標地形 Gと車体 Sとバゲット Bを表示装置 4 8の表示部に 3 元表示する （ステップ S 4 3 0 )。 次にバゲットの動作方向の演算を行う （ステツ プ S 4 3 5 )。

次に設定器により構成面が選択されたか否かを判定し （ステップ S 4 4 0 )、 選 択されるとステップ S 4 4 5に進む。 オペレー夕が図 1 9に示した設定器 4 8の 目標面設定スィッチ 4 8 dを用いて、 3次元の地形を構成する小平面の内目標の 一面を設定すると、 ステップ S 4 4 5に進むことになる。 構成面が選択されると、 画面表示モ一ドとして 2次元表示モードが選択されて いるか否かを判定する （ステップ S 4 4 5 )。 図 1 9に示した操作器 4 8の 2次元 表示スィッチ 4 8 fが押されると、 ステップ S 4 5 0に進み、 そうでないときは ステップ S 4 6 5に進む。

2次元表示スィッチ 4 8 fが押されると、 図 1 8に示したように、 表示装置 4 6の第 1画面 4 6 aには、 視点を上面としたときの 2次元画像が表示される。 す なわち、 オペレー夕が設定器 4 8を用いて、 3次元の地形を構成する小平面の内 目標の一面を設定すると、 パネルコンピュータ 2 5は、 現在向いている油圧ショ ベルのバゲットの動作する方向 P L (バゲット動作面を真上から見た直線） と、 3次元目標地形を構成する各小平面の垂線の水平面への投影線 G Lを表示する。 また、 油圧ショベルの車体 Sの旋回中心 Oも表示される。

次にステップ S 4 4 0において選択された構成面の表示色を変更する （ステツ プ S 4 5 5 )。 すなわち、 3次元表示の場合には、 図 1 7に示したように目標掘削 面 T Gの表示色を他の構成面の表示色と変えて表示する。 また、 真上から見た 2 次元表示の場合には、 図 1 8に示したように目標掘削面 T Gの表示色を他の構成 面の表示色と変えて表示する。

そして、 バケツ卜動作方向と選択された構成面の 3次元上の交線を演算し （ス テツプ S 4 6 0 )、 図 2 0に示したように表示装置 4 6のサブ画面 4 6 bに車体側 面から見た 3次元上の交線， 車体 S及びパケット Bを表示する （ステップ S 4 6 5 )。

目標掘削面を設定したらオペレータは、 図 1 7に示したバケツ卜の向いている 方向を通過する縦断面の平面と 3次元の目標掘削面との 3次元上の交線と車体及 びバゲットとを表示した画面を確認しながら、 目標掘削面を掘削作業することに より、 複雑な 3次元地形であつても精度よく掘削することができる。

また、 図 2 1に示すように横方向にほぼ同じ方角で長い法面 Gを形成する作業 の場合、 走行体 Sを法面が走る方向に向けて順次移動しながら法面形成を行う。 この場合、 走行体 Sの移動する方向線 T Lを同一画面上に表示することにより、 法面 Gのはしる方向と走行体 Sの移動方向がほぼ平行であるかをオペレータは確 認することができ、 走行方向の微妙なずれにより逐一油圧ショベルの位置を修正 する手間が削減でき、 作業効率が向上する。

なお、 上記実施の形態はその詳細が上述の例に限定されず、 種々の変形が可能 である。 一例として、 上記実施の形態ではパケットと車体を表示したが、 少なく ともバケツト先端の掘削部を表示すれば油圧ショベルの全体またはその一部分を 表示してもよい。 また、 表示装置 4 6 , 5 9に表示される目標掘削面の垂線方向 線及び油圧ショベルなどの建設機械の作業機の動作する方向線及び車体中心位置、 走行体の方向線は各々表示色を変えて表示してもよい。 また、 目標掘削面付近の 複数の三角形ポリゴンの垂線方向線を同時に表示してもよい。 また、 目標掘削面 を他の三角形ポリゴンとは異なる表示色で表示または点滅してもよい。 一例とし て、 目標掘削面の教示方法として夕ツチパネルを採用し、 指で直接画面上に表示 される三角ポリゴンを指定してもよい。 また、 フロント装置の各部材間の相対角 度を検出する手段として回動角を検出する角度計を用いたが、 シリンダのスト口 ークを検出してもよい。 また、 検出したパケット先端の 3次元位置を事務所のコ ンビュー夕 5 8に送信しているが、 特に事務所側での管理が必要なければ 3次元 位置デ一夕を送信しなくてもよい。 さらに、 本実施形態では、 平面直角座標系を 使用しているが、 U T M座標系を使用してもよいものである。 U TM (Universa 1 Transverse Mercator' s proj ec t i on) 座標系とは、 地球を経度 6度ごとに 6 0 等分したゾーンに分けて投影するもので、 各ゾーンの中央経線を中央子午線とし、 これと赤道との交点をゾーンの原点とするものである。

以上説明したように、 本実施の形態によれば、 油圧ショベルが移動するに応じ てまたバケツトが移動するに応じて、 そのバケツ卜の下方の掘削すべき地形形状 が変化する複雑な 3次元地形であっても、 現在の建設機械の位置に応じて目標掘 削面を教示することにより作業機の向いている方向を通過する縦断面の平面とこ の目標掘削面との三次元上の交線を演算し、 その交線を前記表示装置に車体と作 業機とを同一画面上に表示するため、 オペレータは現在の建設機械の位置に応じ た目標掘削面を把握でき、 表示器に表示される目標掘削面と作業機を見ながら目 標掘削面に沿って作業機を動作させれば三次元の目標地形を掘削できる。 また、 目標掘削面の垂線方向線と建設機械の作業機の向く方向線及び建設機械の中心位 置を上面から見下ろした画面を同一の画面に表示するため、 目標掘削面を掘削す るに好適な建設機械の設置位置を直感的に容易に把握できる。 さらに、 建設機械 の走行体の方向を示す方向線を同一画面上に表示する表示手段を有するため、 走 行動作により車体がどちらの方向に動作するかが直感的に把握でき、 走行動作が 無駄なく行え作業効率が向上する。 産業上の利用の可能性

本発明によれば、 複雑な 3次元地形における法面形成作業においても、 目標と する適切な掘削面の把握が容易であり、 かつ掘削時の作業効率を向上することが できる。

また、 本発明によれば、 複雑な 3次元地形における法面形成作業においても、 目標とする適切な掘削面の把握が容易であり、 かつ掘削時の車体の位置決めが容 易で、 作業効率を向上することができる。

Claims

請求の範囲

1 . 掘削用の作業機を動作させて 3次元の地形を 3次元の目標地形にする掘削作 業を行う建設機械の掘削作業教示装置において、

前記建設機械の作業機（1)の 3次元位置を計測する位置計測手段 (43， 44)と、 この位置計測手段の計測結果に応じて前記 3次元目標地形と前記作業機の位置 関係を表示する表示手段 (46)とを備え、

前記表示手段 (46)は、 前記 3次元目標地形を構成する多数の小平面と、 前記建 設機械の本体及び少なくとも前記作業機の先端部を含む前記建設機械の全体また は一部分のィラストを第 1画面（46a)として表示し、 かつその第 1画面において、 前記 3次元目標地形を構成する多数の小平面のうちその法線方向が前記作業機の 動作面と許容誤差の範囲内で平行であるものを目標掘削面として識別表示するこ とを特徴とする建設機械の掘削作業教示装置。

2 . 請求項 1記載の建設機械の掘削作業教示装置において、

前記表示手段は、 前記作業機の動作面と前記多数の小平面との交線、 前記建設 機械の全体または一部分のイラストを前記作業機の動作面における断面図である 第 2画面として、 前記第 1画面と同時に表示することを特徴とする建設機械の掘 削作業教示装置。

3 . 請求項 1記載の建設機械の掘削作業教示装置において、

前記表示手段は、 前記目標掘削面が複数あるときは、 前記作業機に最も近い距 離にあるものを識別表示することを特徴とする建設機械の掘削作業教示装置。

4. 請求項 1記載の建設機械の掘削作業教示装置において、

前記表示手段は、 前記目標掘削面が複数あるときは、 それらの法線方向が前記 作業機の動作面に最も近い距離にあるものから順番に色調を変えて表示すること を特徴とする建設機械の掘削作業教示装置。

5 . 請求項 1記載の建設機械の掘削作業教示装置において、

前記目標掘削面の選択を自動設定モードから手動設定モードに切り換える切換 手段を更に備え、

前記表示手段は、 前記切換手段により手動設定モードに切り換えられると、 ォ ペレ一夕が選択した小平面を識別表示することを特徴とする建設機械の掘削作業 教示装置。

6 . 請求項 1記載の建設機械の掘削作業教示装置において、

前記表示手段は、 前記 3次元目標地形を構成する多数の小平面のうち前記建設 機械から所定距離の範囲内にあるものについて識別表示することを特徴とする建 設機械の掘削作業教示装置。

7 . 請求項 1記載の建設機械の掘削作業教示装置において、

前記表示手段は、 前記 3次元目標地形を構成する多数の小平面のうちその法線 方向が前記作業機の動作面と許容誤差の範囲内で平行になるものが存在しない場 合は、 その旨を表示することを特徴とする建設機械の掘削作業教示装置。

8 . 請求項 1記載の建設機械の掘削作業教示装置において、

前記表示手段 (46)は、 さらに、 前記第 1画面において、 前記 3次元目標地形を 構成する複数の小平面の内の目標掘削面の法線の水平面への投影線と現在向いて いる前記建設機械の作業機の動作する方向とを表示することを特徴とする建設機 械の掘削作業教示装置。

9 . 請求項 8記載の建設機械の掘削作業教示装置において、

前記表示手段は、 前記第 1画面に、 前記建設機械の車体の中心位置を同時に表 示することを特徴とする建設機械の掘削作業教示装置。

1 0 . 請求項 8記載の建設機械の掘削作業教示装置において、

前記表示手段は、 前記作業機の動作面と前記多数の小平面との交線、 前記建設 機械の全体または一部分のィラストを前記作業機の動作面における断面図である 第 2画面として、 前記第 1画面と同時に表示することを特徴とする建設機械の掘 削作業教示装置。

1 1 . 請求項 8記載の建設機械の掘削作業教示装置において、

前記表示手段は、 前記第 1画面に、 前記建設機械の走行体の移動する方向線を 同時に表示することを特徴とする建設機械の掘削作業教示装置。

1 2 . 掘削用の作業機を作動させて 3次元の地形を 3次元の目標地形にする掘削 作業を行う建設機械の掘削作業教示装置において、

前記建設機械の作業機（1)の 3次元位置を計測する位置計測手段（343， 44)と、 この位置計測手段の計測結果に応じて前記 3次元目標地形と前記作業機の位置 関係を表示する表示手段 (46)とを備え、

前記表示手段 (46)は、 前記 3次元目標地形を構成する多数の小平面と、 少なく とも前記作業機の先端部を含む前記建設機械の全体または一部分のイラストを第 1画面として表示し、 かつその第 1画面において、 前記 3次元目標地形を構成す る複数の小平面の内の目標掘削面の法線の水平面への投影線と現在向いている前 記建設機械の作業機の動作する方向とを表示することを特徴とする建設機械の掘 削作業教示装置。

1 3 . 請求項 1 2記載の建設機械の掘削作業教示装置において、

前記表示手段は、 前記第 1画面に、 前記建設機械の車体の中心位置を同時に表 示することを特徴とする建設機械の掘削作業教示装置。

1 4. 請求項 1 2載の建設機械の掘削作業教示装置において、

前記表示手段は、 前記作業機の動作面と前記多数の小平面との交線、 前記建設 機械の全体または一部分のィラストを前記作業機の動作面における断面図である 第 2画面として、 前記第 1画面と同時に表示することを特徴とする建設機械の掘 削作業教示装置。

1 5 . 請求項 1 2載の建設機械の掘削作業教示装置において、

前記表示手段は、 前記第 1画面に、 前記建設機械の走行体の移動する方向線を 同時に表示することを特徴とする建設機械の掘削作業教示装置。