WO2014054193A1 - 掘削機械の表示システム及び掘削機械 - Google Patents

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WO2014054193A1
WO2014054193A1 PCT/JP2012/080600 JP2012080600W WO2014054193A1 WO 2014054193 A1 WO2014054193 A1 WO 2014054193A1 JP 2012080600 W JP2012080600 W JP 2012080600W WO 2014054193 A1 WO2014054193 A1 WO 2014054193A1
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bucket
excavation
edge
machine
display
Prior art date
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PCT/JP2012/080600
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English (en)
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安曇 野村
正男 山村
大司 岩永
藤田　悦夫
英二 森永
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株式会社小松製作所
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Publication date
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Priority to US13/981,947 priority patent/US8914199B2/en
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
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    • E02F3/04—Dredgers; Soil-shifting machines mechanically-driven
    • E02F3/28—Dredgers; Soil-shifting machines mechanically-driven with digging tools mounted on a dipper- or bucket-arm, i.e. there is either one arm or a pair of arms, e.g. dippers, buckets
    • E02F3/36—Component parts
    • E02F3/42—Drives for dippers, buckets, dipper-arms or bucket-arms
    • E02F3/43—Control of dipper or bucket position; Control of sequence of drive operations
    • E02F3/435—Control of dipper or bucket position; Control of sequence of drive operations for dipper-arms, backhoes or the like
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
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    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
    • G02B2027/014—Head-up displays characterised by optical features comprising information/image processing systems

Definitions

  • the present invention relates to an excavating machine display system and an excavating machine equipped with the same.
  • an excavating machine such as a hydraulic excavator
  • a working machine including a bucket is driven to excavate a ground or the like to be worked.
  • the cutting edge position of a bucket is detected, and the relationship between the absolute position of the buried pipe and the absolute position of the bucket cutting edge is determined. Based on this relationship, excavation position / depth determination means performs excavation by the bucket. A technique is described in which the position and drilling depth are determined.
  • Patent Literature 1 can grasp the position of the bucket blade edge (excavation edge) from the side view. However, when the technique of Patent Document 1 is used, when the bucket swings through the bucket pin, the bucket blade edge (excavation edge) is hidden in the bucket in a top view.
  • Patent Document 1 may not provide the position of the bucket blade edge (excavation edge) accompanying the swinging of the bucket in an easily understandable manner.
  • An object of the present invention is to provide the operator of the excavating machine with an easy-to-understand understanding of the position of the excavation edge along with the swing of the bucket when the operator proceeds with the construction according to the design surface.
  • a display system for an excavating machine having a working machine including a bucket having an excavating edge and a main body part to which the working machine is attached, the information on the current position of the excavating machine, the main body part
  • a working machine state detection unit that detects information on the posture of the vehicle and information on the position of the excavation edge
  • a storage unit that stores position information on a target surface indicating design terrain and outer shape information of the bucket, and a current state of the excavation machine
  • a processing unit for displaying an image showing the target surface, the bucket, and an image showing the position of the excavation edge on a screen of a display device.
  • the processing unit displays an image showing the position of the excavation edge so that a relative position of the excavation edge with respect to an image showing the bucket when the excavation machine is viewed from above is shown. Is preferably displayed on the screen viewed from above.
  • the processing unit displays an image indicating the position of the excavation edge as an image of a line segment indicating the position of the excavation edge, and displays an image of the line segment indicating the position of the excavation edge. It is preferable to display in a manner different from the image showing the bucket.
  • the line segment indicates a cutting edge at the excavation edge.
  • an excavating machine comprising the excavating machine display system described above.
  • the present invention can provide the operator of the excavating machine with easy understanding of the position of the excavation edge accompanying the swing of the bucket when the operator of the excavating machine proceeds with the construction according to the design surface.
  • FIG. 1 is a perspective view of a hydraulic excavator 100 according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is a side view of the excavator 100.
  • FIG. 3 is a rear view of the excavator 100.
  • FIG. 4 is a block diagram illustrating a control system provided in the excavator 100.
  • FIG. 5 is a diagram showing the design terrain indicated by the design terrain data.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a guidance screen.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a guidance screen.
  • FIG. 8 is a diagram for explaining an example of a method for obtaining the current position of the excavation edge P3.
  • FIG. 9 is a diagram for explaining an example of a method for obtaining the current position of the excavation edge P3.
  • FIG. 10 is a diagram for explaining an example of a method for obtaining the current position of the excavation edge P3.
  • FIG. 10 is a flowchart showing a procedure for displaying the excavation edge P3 in top view.
  • FIG. 11 is an explanatory diagram illustrating a display example of the excavation edge P3.
  • FIG. 12 is a perspective view for explaining the rotation of the excavation edge P3.
  • FIG. 13 is a side view for explaining the target surface distance DAi.
  • FIG. 14 is a diagram illustrating an example in which the excavation edge portion P3 is displayed in a top view on the screen 42P of the display unit 42.
  • FIG. 15 is a diagram illustrating an example in which the excavation edge portion P3 is displayed in a top view on the screen 42P of the display unit 42.
  • FIG. 1 is a perspective view of a hydraulic excavator 100 according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is a side view of the excavator 100.
  • FIG. 3 is a rear view of the excavator 100.
  • FIG. 4 is a block diagram illustrating a control system provided in the excavator 100.
  • FIG. 5 is a diagram showing the design terrain indicated by the design terrain data.
  • a hydraulic excavator 100 as an excavating machine has a vehicle main body 1 and a work implement 2 as main body portions.
  • the vehicle main body 1 includes an upper swing body 3 and a traveling device 5.
  • the upper swing body 3 accommodates devices such as a power generation device and a hydraulic pump (not shown) inside the engine room 3EG.
  • the engine room 3EG is disposed on one end side of the upper swing body 3.
  • the excavator 100 uses, for example, an internal combustion engine such as a diesel engine as a power generation device, but the excavator 100 is not limited to this.
  • the hydraulic excavator 100 may include, for example, a so-called hybrid power generation device in which an internal combustion engine, a generator motor, and a power storage device are combined.
  • the upper swing body 3 has a cab 4.
  • the cab 4 is placed on the other end side of the upper swing body 3. That is, the cab 4 is arranged on the side opposite to the side where the engine room 3EG is arranged.
  • a display input device 38 and an operation device 25 shown in FIG. These will be described later.
  • the traveling device 5 has crawler belts 5a and 5b. The traveling device 5 travels by rotating the crawler belts 5a and 5b, and causes the excavator 100 to travel.
  • the work machine 2 is attached to the cab 4 side of the upper swing body 3.
  • the upper revolving unit 3 is on the front side where the work implement 2 and the cab 4 are arranged, and is on the side where the engine room 3EG is arranged.
  • the left side toward the front is the left of the upper swing body 3, and the right side toward the front is the right of the upper swing body 3.
  • the excavator 100 or the vehicle main body 1 is on the lower side of the traveling device 5 with respect to the upper swing body 3, and the upper side of the upper swing body 3 with respect to the traveling device 5.
  • the lower side is the vertical direction, that is, the gravity direction side
  • the upper side is the opposite side of the vertical direction.
  • the work machine 2 includes a boom 6, an arm 7, a bucket 8, a boom cylinder 10, an arm cylinder 11, and a bucket cylinder 12.
  • a base end portion of the boom 6 is swingably attached to a front portion of the vehicle main body 1 via a boom pin 13.
  • a base end portion of the arm 7 is swingably attached to a tip end portion of the boom 6 via an arm pin 14.
  • a bucket 8 is swingably attached to the tip of the arm 7 via a bucket pin 15.
  • a blade (tooth member) 8B is attached to the edge 8A of the concave portion of the bucket 8.
  • the tip of the blade 8B is a digging edge P3 where the work machine 2 generates a digging force.
  • the edge 8 ⁇ / b> A of the recess of the bucket 8 may not have the blade 8 ⁇ / b> B.
  • the edge 8 ⁇ / b> A of the recess of the bucket 8 is the excavation edge P ⁇ b> 3 that generates excavation force.
  • the bottom part of the recessed part of the bucket 8 is called the bottom part 8C, and the work machine 2 can level the ground by pressing the bottom part 8C against the ground surface.
  • the length of the boom 6, that is, the length from the boom pin 13 to the arm pin 14 is L1.
  • the length of the arm 7, that is, the length from the center of the arm pin 14 to the center of the bucket pin 15 is L2.
  • the length of the bucket 8, that is, the length from the center of the bucket pin 15 to the excavation edge portion P3 of the bucket 8 is L3.
  • the boom cylinder 10, the arm cylinder 11, and the bucket cylinder 12 shown in FIG. 1 are hydraulic cylinders that are driven by the pressure of hydraulic oil (hereinafter referred to as hydraulic pressure as appropriate).
  • the boom cylinder 10 drives the boom 6 to raise and lower it.
  • the arm cylinder 11 drives the arm 7 to swing around the arm pin 14.
  • the bucket cylinder 12 drives the bucket 8 to swing around the bucket pin 15.
  • a proportional control valve 37 shown in FIG. 3 is arranged between hydraulic cylinders such as the boom cylinder 10, the arm cylinder 11 and the bucket cylinder 12 and a hydraulic pump (not shown).
  • the work machine electronic control unit 26 to be described later controls the proportional control valve 37 to control the flow rate of the hydraulic oil supplied to the boom cylinder 10, the arm cylinder 11, and the bucket cylinder 12. As a result, the operations of the boom cylinder 10, the arm cylinder 11, and the bucket cylinder 12 are controlled.
  • the boom 6, the arm 7 and the bucket 8 are provided with a first stroke sensor 16, a second stroke sensor 17 and a third stroke sensor 18, respectively.
  • the first stroke sensor 16 detects the stroke length of the boom cylinder 10.
  • the display control device 39 (see FIG. 4), which will be described later, calculates the tilt angle ⁇ 1 of the boom 6 with respect to the Za axis of the vehicle body coordinate system, which will be described later, from the stroke length of the boom cylinder 10 detected by the first stroke sensor 16.
  • the second stroke sensor 17 detects the stroke length of the arm cylinder 11.
  • the display control device 39 calculates the tilt angle ⁇ 2 of the arm 7 with respect to the boom 6 from the stroke length of the arm cylinder 11 detected by the second stroke sensor 17.
  • the third stroke sensor 18 detects the stroke length of the bucket cylinder 12.
  • the display control device 39 calculates the inclination angle ⁇ 3 of the bucket 8 with respect to the arm 7 from the stroke length of the bucket cylinder 12 detected by the third stroke sensor 18.
  • the vehicle body 1 includes a work machine state detection unit 19.
  • the work machine state detection unit 19 detects the current position of the excavator 100, the posture of the vehicle body 1, and the current position of the excavation edge P3.
  • the work machine state detection unit 19 includes two antennas 21 and 22 (hereinafter referred to as GNSS antennas 21 and 22 as appropriate) for RTK-GNSS (Real Time Kinematic-Global Navigation Satellite Systems, GNSS is a global navigation satellite system). ), A three-dimensional position sensor 23, an inclination angle sensor 24, a first stroke sensor 16, a second stroke sensor 17, and a third stroke sensor 18.
  • the GNSS antennas 21 and 22 are installed in the vehicle main body 1, more specifically, the upper swing body 3.
  • the GNSS antennas 21 and 22 are installed apart from each other by a certain distance along the Ya axis of the vehicle body coordinate system described later.
  • the GNSS antennas 21 and 22 may be separated by a certain distance along the Xa axis of the vehicle body coordinate system, or may be separated by a certain distance in the plane of the Xa axis-Ya axis of the vehicle body coordinate system.
  • a signal corresponding to the GNSS radio wave received by the GNSS antennas 21 and 22 is input to the three-dimensional position sensor 23.
  • the three-dimensional position sensor 23 detects the positions of the installation positions P1 and P2 of the GNSS antennas 21 and 22.
  • the inclination angle sensor 24 detects an inclination angle ⁇ 4 in the width direction of the vehicle body 1 with respect to the direction in which gravity acts, that is, the vertical direction Ng (hereinafter referred to as a roll angle ⁇ 4 as appropriate).
  • the width direction means the width direction of the bucket 8 and coincides with the width direction of the upper swing body 3, that is, the left-right direction.
  • the work implement 2 includes a tilt bucket described later, the width direction of the bucket and the width direction of the upper swing body 3 may not coincide with each other.
  • the hydraulic excavator 100 includes an operating device 25, a work implement electronic control device 26, a work implement control device 27, and a display system (hereinafter referred to as a display system as appropriate) 28 of an excavating machine.
  • the operating device 25 includes a work implement operation member 31, a work implement operation detection unit 32, a travel operation member 33, and a travel operation detection unit 34.
  • the work machine operation member 31 is a member for the operator to operate the work machine 2, and is, for example, a joystick or an operation lever.
  • the work machine operation detection unit 32 detects the operation content of the work machine operation member 31 and sends it as a detection signal to the work machine electronic control device 26.
  • the traveling operation member 33 is a member for an operator to operate traveling of the excavator 100, and is, for example, a joystick or an operation lever.
  • the traveling operation detection unit 34 detects the operation content of the traveling operation member 33 and sends it to the work machine electronic control device 26 as a detection signal.
  • the work machine electronic control device 26 includes a work machine side storage unit 35 including at least one of a RAM (Random Access Memory) and a ROM (Read Only Memory), and a calculation unit 36 such as a CPU (Central Processing Unit). .
  • the work machine electronic control device 26 mainly controls the work machine 2.
  • the work implement electronic control device 26 generates a control signal for operating the work implement 2 in accordance with the operation of the work implement operating member 31, and outputs the control signal to the work implement control device 27.
  • the work machine control device 27 has a proportional control valve 37, and the proportional control valve 37 is controlled based on a control signal from the work machine electronic control device 26.
  • the hydraulic oil having a flow rate corresponding to the control signal from the work machine electronic control device 26 flows out of the proportional control valve 37 and is supplied to at least one of the boom cylinder 10, the arm cylinder 11, and the bucket cylinder 12. Then, the boom cylinder 10, the arm cylinder 11 and the bucket cylinder 12 shown in FIG. 1 are driven according to the hydraulic oil supplied from the proportional control valve 37. As a result, the work machine 2 operates.
  • the display system 28 is a system for providing an operator with information for excavating the ground in the work area to form a shape like a design surface described later.
  • the display system 28 includes a display input device 38 as a display device, a display It has a control device 39 and a sound generator 46 including a speaker or the like for informing an alarm sound.
  • the display input device 38 includes a touch panel type input unit 41 and a display unit 42 such as an LCD (Liquid Crystal Display).
  • the display input device 38 displays a guidance screen for providing information for excavation. Various keys are displayed on the guidance screen.
  • An operator who is an operator can execute various functions of the display system 28 by touching various keys on the guidance screen.
  • the guidance screen will be described in detail later.
  • the display control device 39 executes various functions of the display system 28.
  • the display control device 39 is an electronic control device having a storage unit 43 including at least one of a RAM and a ROM, and a processing unit 44 such as a CPU.
  • the storage unit 43 stores work implement data.
  • the work machine data includes the above-described length L1 of the boom 6, the length L2 of the arm 7, and the length L3 of the bucket 8.
  • the work implement data includes the minimum value and the maximum value of the inclination angle ⁇ 1 of the boom 6, the inclination angle ⁇ 2 of the arm 7, and the inclination angle ⁇ 3 of the bucket 8.
  • the display control device 39 and the work machine electronic control device 26 can communicate with each other via a wireless or wired communication means.
  • the storage unit 43 of the display control device 39 stores design terrain data created in advance.
  • the design terrain data is information regarding the shape and position of the three-dimensional design terrain.
  • the design terrain indicates the target shape of the ground to be worked.
  • the display control device 39 displays a guidance screen on the display input device 38 based on the design terrain data and information such as detection results from the various sensors described above.
  • the design landform is composed of a plurality of design surfaces 45 each represented by a triangular polygon. In FIG. 5, only one of the plurality of design surfaces is denoted by reference numeral 45, and the other design surfaces are omitted.
  • the target work object is one or a plurality of design surfaces among these design surfaces 45.
  • the operator selects one or a plurality of design surfaces among these design surfaces 45 as the target surface 70.
  • the target surface 70 is a surface to be excavated from among the plurality of design surfaces 45.
  • the display control device 39 causes the display input device 38 to display a guidance screen for notifying the operator of the position of the target surface 70.
  • ⁇ Guidance screen> 6 and 7 are diagrams illustrating an example of a guidance screen.
  • the guidance screen shows the positional relationship between the target surface 70 and the excavation edge P3 of the bucket 8 and is used for guiding the work implement 2 of the excavator 100 so that the ground as the work target has the same shape as the target surface 70. It is a screen.
  • the guide screen includes a rough excavation mode guide screen (hereinafter appropriately referred to as a rough excavation screen 53) and a fine excavation mode guide screen (hereinafter appropriately referred to as a fine excavation screen 54). Including.
  • the rough excavation screen 53 includes a top view 53 a showing the design topography of the work area and the current position of the excavator 100, and a side view 53 b showing the positional relationship between the target surface 70 and the excavator 100.
  • a top view 53a of the rough excavation screen 53 expresses the design topography in a top view by a plurality of triangular polygons. More specifically, the top view 53a expresses the design terrain using a turning plane that is a plane on which the excavator 100 turns as a projection plane. Therefore, the top view 53a is an overhead view seen from directly above the excavator 100, and when the excavator 100 is inclined, the design surface is also inclined.
  • the target surface 70 selected as the target work object from the plurality of design surfaces 45 is displayed in a color different from that of the other design surfaces 45.
  • the current position of the excavator 100 is indicated by the excavator icon 61 in a top view, but may be indicated by other symbols.
  • the top view 53a includes information for causing the excavator 100 to face the target surface 70.
  • Information for causing the excavator 100 to face the target surface 70 is displayed as a target surface facing compass 73.
  • the target surface facing compass 73 is an icon indicating, for example, a facing direction with respect to the target surface 70 and a direction in which the excavator 100 is to be turned by rotating the arrow-shaped pointer 73I in the direction of the arrow R.
  • the operator of the excavator 100 can confirm the degree of confrontation with respect to the target surface 70 by the target surface confrontation compass 73.
  • the side view 53b of the rough excavation screen 53 is an image showing the positional relationship between the target surface 70 and the excavation edge P3 of the bucket 8, and distance information showing the distance between the target surface 70 and the excavation edge P3 of the bucket 8. Including. Specifically, the side view 53b includes a line 74 indicating a cross section of the design surface, a line 79 indicating a cross section of the target surface, and an icon 75 of the excavator 100 in a side view. A line 74 indicating a cross section of the design surface indicates a cross section of the design surface 45 other than the target surface 70. A line 79 indicating a cross section of the target surface indicates a cross section of the target surface 70.
  • a line 74 indicating the cross section of the design surface and a line 79 indicating the cross section of the target surface are, as shown in FIG. 5, an intersection line 80 between the plane 77 passing the current position of the excavation edge P3 of the bucket 8 and the design surface 45. It is calculated
  • the intersection line 80 is obtained by the processing unit 44 of the display control device 39. A method for obtaining the current position of the excavation edge P3 of the bucket 8 will be described later.
  • the line 79 indicating the cross section of the target surface is displayed in a color different from the line 74 indicating the cross section of the design surface.
  • the line type is changed to express a line 79 indicating the cross section of the target surface and a line 74 indicating the cross section of the design surface.
  • a region on the ground side with respect to the line 79 indicating the cross section of the target surface and a line 74 indicating the cross section of the design surface and the region on the air side with respect to these line segments are shown in different colors.
  • the difference in color is expressed by hatching a region on the ground side from the line 79 indicating the cross section of the target surface and the line 74 indicating the cross section of the design surface.
  • the distance information indicating the distance between the target surface 70 and the excavation edge P3 of the bucket 8 includes numerical information 83 and graphic information 84.
  • the numerical information 83 is a numerical value indicating the shortest distance between the excavation edge portion P ⁇ b> 3 of the bucket 8 and the target surface 70.
  • the graphic information 84 is information that graphically represents the distance between the excavation edge P3 of the bucket 8 and the target surface 70.
  • the graphic information 84 is a guide index for indicating the position of the excavation edge portion P3 of the bucket 8.
  • the graphic information 84 includes an index bar 84a and an index mark 84b indicating a position in the index bar 84a where the distance between the excavation edge portion P3 of the bucket 8 and the target surface 70 corresponds to zero. .
  • Each index bar 84a is turned on according to the shortest distance between the tip of the bucket 8 and the target surface 70. Note that the display on / off of the graphic information 84 may be changed by an operation of the operator of the excavator 100.
  • the relative positional relationship between the line 79 indicating the cross section of the target surface and the excavator 100 and the shortest distance between the excavation edge P3 of the bucket 8 and the line 79 indicating the cross section of the target surface are shown.
  • a numerical value is displayed.
  • the operator of the excavator 100 can easily excavate so that the current terrain becomes the designed terrain by moving the excavation edge P3 of the bucket 8 along the line 79 indicating the cross section of the target surface.
  • the rough excavation screen 53 displays a screen switching key 65 for switching the guide screen. The operator can switch from the rough excavation screen 53 to the fine excavation screen 54 by operating the screen switching key 65.
  • the delicate excavation screen 54 shown in FIG. 7 is displayed on the screen 42P of the display unit 42.
  • the fine excavation screen 54 shows the positional relationship between the target surface 70 and the excavator 100 in more detail than the rough excavation screen 53. That is, the fine excavation screen 54 shows the positional relationship between the target surface 70 and the excavation edge P3 of the bucket 8 in more detail than the rough excavation screen 53.
  • the delicate excavation screen 54 includes a front view 54 a showing the target surface 70 and the bucket 8, and a side view 54 b showing the target surface 70 and the bucket 8.
  • the front view 54a of the delicate excavation screen 54 includes an icon 89 indicating the bucket 8 as viewed from the front and a line 78 indicating a cross section of the target surface 70 as viewed from the front.
  • the front (front view) means that the bucket 8 shown in FIGS. 1 and 2 is viewed from the vehicle body 1 side, and is viewed in parallel with the Ya axis of the vehicle body coordinate system described later.
  • the side view 54b of the delicate excavation screen 54 includes an icon 90 of the bucket 8 in a side view, a line 74 indicating a cross section of the design surface, and a line 79 indicating a cross section of the target surface.
  • the front view 54a and the side view 54b of the delicate excavation screen 54 display information indicating the positional relationship between the target surface 70 and the bucket 8, respectively.
  • a side surface (side view) is a view from the extending direction of the bucket pin 15 shown in FIGS. 1 and 2 (the swinging central axis direction of the bucket 8), and is parallel to the Xa axis of the vehicle body coordinate system described later. To see.
  • the information indicating the positional relationship between the target surface 70 and the bucket 8 includes distance information 86a and angle information 86b.
  • the distance information 86a indicates the distance in the Za direction between the excavation edge portion P3 of the bucket 8 and the target surface 70. This distance is a distance between the closest position to the target surface 70 among the positions in the width direction of the excavation edge P3 of the bucket 8 and the target surface 70.
  • a mark 86 c indicating the closest position is displayed over the icon 89 of the front view of the bucket 8.
  • the angle information 86 b is information indicating the angle between the target surface 70 and the bucket 8. Specifically, the angle information 86b is an angle between an imaginary line segment passing through the excavation edge portion P3 of the bucket 8 and a line 78 indicating a cross section of the target surface.
  • information indicating the positional relationship between the target surface 70 and the bucket 8 includes distance information 87a and angle information 87b.
  • the distance information 87a indicates the shortest distance between the excavation edge P3 of the bucket 8 and the target surface 70, that is, the distance between the tip of the bucket 8 and the target surface 70 in the direction perpendicular to the target surface 70.
  • the angle information 87b is information indicating the angle between the target surface 70 and the bucket 8. Specifically, the angle information 87b displayed in the side view 54b is an angle between the bottom surface of the bucket 8 and a line 79 indicating a cross section of the target surface.
  • the delicate excavation screen 54 includes graphic information 84 that graphically indicates the distance between the excavation edge P3 of the bucket 8 and the target surface 70 described above. Similar to the graphic information 84 on the rough excavation screen 53, the graphic information 84 includes an index bar 84a and an index mark 84b. As described above, on the delicate excavation screen 54, the relative positional relationship between the lines 78 and 79 indicating the cross section of the target surface and the excavation edge portion P3 of the bucket 8 is displayed in detail. The operator of the excavator 100 moves the excavation edge P3 of the bucket 8 along the lines 78 and 79 indicating the cross section of the target surface so that the current terrain has the same shape as the three-dimensional design terrain. It can be excavated more easily. Note that a screen switching key 65 is displayed on the fine excavation screen 54 in the same manner as the rough excavation screen 53 described above. The operator can switch from the fine excavation screen 54 to the rough excavation screen 53 by operating the screen switching key 65.
  • a line 79 indicating the cross section of the target surface is calculated from the current position of the excavation edge P3 of the bucket 8.
  • the display control device 39 uses the global coordinate system ⁇ X, Y, Z based on the detection results of the three-dimensional position sensor 23, the first stroke sensor 16, the second stroke sensor 17, the third stroke sensor 18, the tilt angle sensor 24, and the like.
  • ⁇ The current position of the excavation edge P3 of the bucket 8 is obtained.
  • the current position of the excavation edge portion P3 of the bucket 8 is obtained as follows.
  • FIG. 8 and 9 are diagrams for explaining an example of a method for obtaining the current position of the excavation edge P3.
  • FIG. 8 is a side view of the excavator 100
  • FIG. 9 is a rear view of the excavator 100.
  • the display control device 39 uses the vehicle body coordinate system ⁇ Xa, Ya, Za with the installation position P1 of the GNSS antenna 21 described above as the origin. ⁇ .
  • the longitudinal direction of the hydraulic excavator 100 that is, the Ya axis direction of the coordinate system (vehicle body coordinate system) COM of the vehicle main body 1 is inclined with respect to the Y axis direction of the global coordinate system COG.
  • the coordinates of the boom pin 13 in the vehicle main body coordinate system COM are (0, Lb1, -Lb2), and are stored in the storage unit 43 of the display control device 39 in advance.
  • the upper swing body 3 turns in a plane parallel to the Xa-Ya plane.
  • the work implement 2 of the excavator 100 is driven by the boom cylinder 10, the arm cylinder 11, and the bucket cylinder 12, and the boom 6, the arm 7, and the bucket 8 move along the Ya-Za plane.
  • the boom cylinder 10, the arm cylinder 11, and the bucket cylinder 12 are driven, the arm 7 moves along the Ya-Za plane in the vehicle body coordinate system COM determined according to the attitude (tilt) of the vehicle body 1, and the bucket 8 Will move.
  • the three-dimensional position sensor 23 shown in FIG. 4 detects the installation positions P1 and P2 of the GNSS antennas 21 and 22 shown in FIG.
  • a unit vector in the Ya-axis direction is calculated from the detected coordinate positions of the installation positions P1 and P2 by Expression (1).
  • the vehicle main body coordinate system COM is obtained by rotating the vehicle body coordinate system COM about the Ya axis by the roll angle ⁇ 4 described above, and is expressed by the following equation (6).
  • the coordinates (xat, yat, zat) of the excavation edge P3 of the bucket 8 in the vehicle main body coordinate system COM are the inclination angles ⁇ 1, ⁇ 2, ⁇ 3 and the lengths L1, L2, L3 of the boom 6, the arm 7, and the bucket 8. And can be obtained by Equation (7), Equation (8) and Equation (9).
  • the excavation edge P3 of the bucket 8 is assumed to move in the Ya-Za plane of the vehicle body coordinate system COM.
  • the coordinates of the excavation edge portion P3 of the bucket 8 in the global coordinate system COG can be obtained by Expression (10).
  • the coordinates of the excavation edge P3 in the global coordinate system COG are the positions of the excavation edge P3.
  • the display control device 39 Based on the current position of the excavation edge P3 of the bucket 8 calculated as described above and the design terrain data stored in the storage unit 43, the display control device 39, as shown in FIG. And an intersection line 80 between the Ya-Za plane 77 passing through the excavation edge P3 of the bucket 8 is calculated. And the display control apparatus 39 displays the part which passes along the target surface 70 among this intersection 80 on the guidance screen as the line 79 which shows the cross section of the target surface mentioned above. Next, the display control device 39 shown in FIG. 4 displays the current position of the excavation edge P3 when excavating the ground on which the bucket 8 is a work target on the screen 42P of the display unit 42 of the display input device 38 in a top view. An example of display will be described.
  • FIG. 10 is a flowchart showing a procedure for displaying the excavation edge P3 in top view.
  • the display control device 39 more specifically, the processing unit 44 specifies the bucket size.
  • the bucket 8 can be attached to and detached from the arm 7, and the bucket 8 can be attached to the arm 7.
  • the storage unit 43 of the display control device 39 shown in FIG. 4 stores bucket outer shape information that is input from the input unit 41 and that specifies the dimensions of the bucket 8.
  • step S2 the processing unit 44 detects the current position of the excavator 100.
  • the display control device 39 detects the current position of the vehicle body 1 and the attitude of the vehicle body 1 based on the detection signal from the three-dimensional position sensor 23.
  • the working machine 2 of the excavator 100 includes the boom cylinder 10, the arm cylinder 11, and the bucket cylinder 12 with the boom 6, the arm 7, and the bucket 8 along the Ya-Za plane. And driven by.
  • the boom cylinder 10, the arm cylinder 11, and the bucket cylinder 12 are driven, the arm 7 moves along the Ya-Za plane in the vehicle body coordinate system COM determined according to the attitude (tilt) of the vehicle body 1, and the bucket 8 Will move. Therefore, the processing unit 44 detects the posture state of the work implement 2 based on the detection results of the three-dimensional position sensor 23, the first stroke sensor 16, the second stroke sensor 17, the third stroke sensor 18, the inclination angle sensor 24, and the like. (Step S3).
  • step S ⁇ b> 4 the processing unit 44 specifies the position of the excavation edge P ⁇ b> 3 of the bucket 8.
  • the coordinates (xat, yat, zat) of the excavation edge P3 of the bucket 8 in the vehicle main body coordinate system COM are the inclination angles ⁇ 1, ⁇ 2, ⁇ 3 and the length L1 of the boom 6, the arm 7, and the bucket 8.
  • L2 and L3 can be obtained by Expression (7), Expression (8) and Expression (9).
  • step S5 the processing unit 44 displays on the screen 42P of the display unit 42 an image showing the design terrain (target shape of the work target), the bucket 8 icon, and the position of the excavation edge P3.
  • the processing unit 44 sets a plurality of calculation points on the excavation edge portion P3 of the bucket 8 and calculates the distance between each calculation point and the target surface, so that the design landform (target target shape) and the bucket 8 are calculated. It can be displayed on the screen 42P of the display unit 42 so that the shortest distance from the excavation edge P3 can be understood.
  • FIG. 11 is an explanatory diagram illustrating a display example of the excavation edge P3. As shown in FIG. 11, the bucket 8 calculates a virtual line segment LS ⁇ b> 1 that passes through the tips of the plurality of blades 8 ⁇ / b> B and matches the widthwise dimension of the bucket 8.
  • the process part 44 reads the width direction dimension of the bucket 8 from the bucket external shape information specified in step S1, and calculates the virtual line segment LS1.
  • This virtual line segment LS1 is a line segment 8AL as an example of an image indicating the position of an excavation edge P3 described later.
  • the processing unit 44 equally divides the virtual line segment LS1 into a plurality of (for example, four) ranges, and sets five points indicating the boundary and both ends of each range as the first calculation point C1 and the second calculation point, respectively.
  • the division number i is a natural number, and i is 1, 2, 3, 4, 5 in this embodiment. That is, the first calculation point C1, the second calculation point C2, the third calculation point C3, the fourth calculation point C4, and the fifth calculation point C5 are defined as a plurality of specific positions in the width direction of the excavation edge P3 of the bucket 8. Show.
  • the processing unit 44 Based on the current position of the excavator 100 detected in step S2, the processing unit 44 performs the first calculation point C1, the second calculation point C2, the third calculation point C3, the fourth calculation point C4, and the fifth calculation.
  • the current position of the point C5 is calculated. Specifically, the processing unit 44 calculates the current position of the third third calculation point C3 by the above-described method for calculating the current position of the excavation edge P3 of the bucket 8. Then, the processing unit 44 determines other first calculation points C1, second calculation points C2, and fourth from the current position of the third calculation point C3 at the center, the width dimension of the bucket 8 and the extending direction of the virtual line segment LS1. The current positions of the calculation point C4 and the fifth calculation point C5 are calculated.
  • FIG. 12 is a perspective view for explaining the rotation of the excavation edge P3.
  • FIG. 13 is a side view for explaining the target surface distance DAi.
  • the bucket 8 is swingably attached to the tip of the arm 7 via the bucket pin 15.
  • the tip of the blade 8 ⁇ / b> B is centered on the bucket pin 15 of the bucket 8 from the uppermost end (slope) 71 of the target surface 70 toward the lowermost end (slope) 72 of the target surface. May rotate to draw an arc.
  • the line segment 8AL indicating the position of the excavation edge P3 also rotates to draw an arc.
  • the length L3 of the bucket 8 described above is the radius of the arc of this rotation.
  • step S4 the processing unit 44 determines each straight line MAi-MCi included in the intersection line Mi and the i-th calculation point.
  • the distance between Ci is calculated.
  • a perpendicular passing through the i-th calculation point Ci is calculated for each straight line MAi-MCi included in the intersection line Mi, and the distance between each straight line MAi-MCi and the i-th calculation point Ci is calculated. For example, as shown in FIG.
  • target surface distance DAi The shortest distance between the i-th calculation point Ci and the target line MAi (hereinafter referred to as “target surface distance DAi”) is calculated.
  • the processing unit 44 calculates DA5 from the distance DA1 shown in FIG. 11, and sets the shortest distance as the target surface distance DA1.
  • This target surface distance DA1 is displayed as the numerical information 83 shown in FIG.
  • the processing unit 44 displays an icon display (image) 8BL of the bucket 8 in a top view based on the bucket outer shape information specifying the dimensions of the bucket 8 stored in the storage unit 43.
  • the top surface (viewed from the top) means that the bucket 8 shown in FIGS. 1 and 2 is viewed from above in a direction parallel to the Za axis of the vehicle body coordinate system described above.
  • the processing unit 44 reads information on the dimensions of the bucket 8 such as the bucket width, the bucket length, and the bucket height from the bucket outer shape information specified in step S1, and projects the information in a direction parallel to the Za axis of the vehicle body coordinate system. Based on the outer shape information of the bucket 8, an image of the icon display 8BL of the bucket 8 in a top view is obtained.
  • the processing unit 44 displays an image indicating the position of the excavation edge P3 on the display unit 42P so that the relative position of the excavation edge P3 can be seen with respect to the icon display 8BL of the bucket 8 in a top view.
  • 14 and 15 are diagrams illustrating an example in which the excavation edge portion P3 is displayed in a top view on the screen 42P of the display unit 42.
  • FIG. 14 and 15 are diagrams illustrating an example in which the excavation edge portion P3 is displayed in a top view on the screen 42P of the display unit 42.
  • the delicate excavation screen 55 shown in FIGS. 14 and 15 is a top view 55a showing the design landform (target shape of the work target) and the bucket 8, and a side view 55b showing the line 79 showing the cross section of the target surface and the bucket 8. Including.
  • the top view 55a of the delicate excavation screen 55 includes a target surface 70 as viewed from above.
  • the side view 55b of the delicate excavation screen 55 includes an icon 90 of the bucket 8 in a side view, a line 74 indicating a cross section of the design surface, and a line 79 indicating a cross section of the target surface.
  • information indicating the positional relationship between the target surface 70 and the bucket 8 is displayed, respectively.
  • the side view means viewing from the extending direction of the bucket pin 15 shown in FIGS. 1 and 2 (the direction of the swinging central axis of the bucket 8).
  • the display control device 39 of the present embodiment displays the side view 55b simultaneously with the top view 55a, so that when the operator proceeds with the construction according to the design surface, the excavation edge portion accompanying the swinging of the bucket 8 with respect to the operator Provides an easy-to-understand position.
  • the display control device 39 may display the top view 55a while hiding the side view 55b.
  • an icon 90 of the bucket 8 in a side view is displayed.
  • the excavation edge P3 is swung upward when the construction is advanced to the uppermost end (slope) of the target surface.
  • the line segment 8AL indicating the position of the excavation edge portion P3 is displayed on the screen 42 of the display unit 42 even if it is displayed simultaneously with the icon display 8BL of the bucket 8.
  • the bucket 8 shown in FIG. 15 swings the excavation edge P3 of the bucket 8 from the upper side to the lower side when proceeding from the uppermost end (slope) of the target surface to the lowermost end (slope) of the target surface. It is moving.
  • the line segment 8AL indicating the position of the excavation edge P3 comes to a position that cannot be originally seen by the icon display 8BL of the bucket 8. Therefore, when viewed from above in a direction parallel to the Za axis of the vehicle body coordinate system (when viewed from the top), the processing unit 44 displays the icon display 8BL of the bucket 8 and also displays the icon display of the bucket 8.
  • the line segment 8AL which is an image showing the position of the excavation edge P3, is always displayed on the display unit 42P so that the relative position of the excavation edge P3 with respect to 8BL can be seen. For this reason, the operator can recognize the position of the excavation edge P3 even if the excavation edge P3 is inside the icon display 8BL of the bucket 8.
  • the processing unit 44 obtains the relative position of the excavation edge P3 with respect to the icon display 8BL of the bucket 8 in the top view, and excavates.
  • the display unit 42 is instructed to display the image display layer indicating the position of the edge portion P3 on the display layer of the icon display 8BL of the bucket 8.
  • the line segment 8AL which is an image showing the excavation edge P3 is always displayed without being shielded by the icon display 8BL of the bucket 8.
  • the processing unit 44 transmits at least part of the icon display 8BL of the bucket 8 that overlaps with the image indicating the position of the excavation edge P3. It may be processed.
  • transmission process means erase
  • the line segment 8AL which is an image showing the excavation edge P3, is always displayed without being shielded by the icon display 8BL of the bucket 8.
  • the processing unit 44 preferentially displays the line segment 8AL indicating the position of the excavation edge P3 on the screen 55a in a top view rather than the icon display 8BL of the bucket 8 being displayed. For this reason, even when the excavation edge P3 comes to a position where it cannot be seen in the top view due to the outer shape of the bucket 8 and is hidden, the operator changes the position of the excavation edge P3 as shown in the top view 55a of FIG. The position of the excavation edge P3 can be grasped from the image shown (line segment 8AL). As a result, the excavating machine display system 28 can provide the operator with an easy-to-understand understanding of the position of the excavation edge portion P3 accompanying the swing of the bucket 8 when the operator proceeds with the construction according to the design surface.
  • the processing unit 44 preferentially displays the line segment 8AL on the screen 55a in a top view, which is an image showing the position of the excavation edge portion P3 over the icon display 8BL of the bucket 8 being displayed, and the target surface 70 is displayed simultaneously.
  • a top view which is an image showing the position of the excavation edge portion P3 over the icon display 8BL of the bucket 8 being displayed
  • the target surface 70 is displayed simultaneously.
  • the positions of the target surface 70, the icon display 8BL of the bucket 8 and the excavation edge P3 are changed. Since the line segment 8AL, which is an image to be displayed, is displayed at the same time, the operator can determine the position of the bucket 8 relative to the target surface 70 and the digging edge P3 relative to the target surface 70. It becomes easy to grasp the position intuitively.
  • the processing unit 44 displays the line segment 8AL, which is an image indicating the position of the excavation edge P3, in a mode different from the icon display 8BL of the bucket 8.
  • the processing unit 44 may display the icon display 8BL of the bucket 8 in a color different from the display color, and may highlight the line segment 8AL from the periphery. Further, the processing unit 44 may perform the highlighted display in which the line segment 8AL is conspicuous from the periphery as the line segment 8AL displayed with a width wider than the line width for displaying the icon display 8BL of the bucket 8.
  • the processing unit 44 may set the line segment 8AL displayed with a brightness brighter than the brightness for displaying the icon display 8BL of the bucket 8, and may highlight the line segment 8AL from the periphery.
  • the line segment 8AL which is an image indicating the position of the excavation edge portion P3, is indicated by a solid line, but is not limited thereto.
  • the line segment 8AL may be a virtual line such as a solid line, a broken line, a one-dot chain line, or a two-dot chain line.
  • the processing unit 44 uses the line segment 8AL as an image indicating the position of the excavation edge portion P3, but is not limited thereto.
  • a triangular mark or an arrow indicating the fourth calculation point C4 and the fifth calculation point C5 may be used.
  • the image indicating the position of the excavation edge portion P3 includes a symbol in which a pattern such as a dot, a character, or a line drawing is continuous or scattered, and the position of the excavation edge portion P3 can be determined at a glance.
  • the display system 28 of the excavating machine is a system for operating the work machine 2 including the bucket 8 that generates excavation force at the excavation edge P3 and the vehicle body 1 to which the work machine 2 is attached. It is.
  • the excavating machine display system 28 includes a work machine state detection unit 19, a storage unit 43, and a processing unit 44.
  • the work machine state detection unit 19 detects the current position of the excavator 100, the posture of the vehicle body 1, and the current position of the excavation edge P3.
  • the storage unit 43 stores target surface position information indicating the target shape to be worked and outer shape information of the bucket 8.
  • the processing unit 44 determines the bucket 8 when viewed from the upper surface of the excavator 100.
  • the positions of the icon display 8BL and the excavation edge P3 are obtained, and the target surface 70, the icon display 8BL of the bucket 8 and the image indicating the position of the excavation edge P3 are displayed on the screen 42P of the display unit 42.
  • an image indicating the position of the excavation edge P3 is indicated by a line segment 8AL.
  • the operator of the excavator 100 shows an image indicating the position of the excavation edge P3.
  • the position of the excavation edge P3 can be grasped by the line segment 8AL, and the state in which the excavation edge P3 of the bucket 8 moves can be confirmed on the screen 42P of the display unit 42.
  • the operator can perform the construction while confirming the position of the excavation edge portion P3 by visually recognizing the image showing the position of the excavation edge portion P3, for example, the line segment 8AL, so that the work efficiency is improved.
  • the operator can easily recognize the width of the bucket 8 by the length of the line segment AL.
  • the line segment AL indicates the cutting edge and the length of the blade 8B at the time of using the hydraulic excavator 100 is taken in at the above-described step S1
  • the operator performs construction according to the design surface, taking into account the degree of wear of the blade 8B. Can proceed.
  • the processing unit 44 of the present embodiment includes the above-described top view 55a and side view 55b, which are a top view (a view seen in parallel with the Za axis) and a side view (a view seen in parallel with the Xa axis) in the vehicle body coordinate system COM. ).
  • the processing unit 44 may display at least one of the top view 55a and the side view 55b as a top view (view viewed in parallel with the Z axis) and a side view (view viewed in parallel with the X axis) in the global coordinate system. Good.
  • each guidance screen is not limited to the above, and may be changed as appropriate.
  • some or all of the functions of the display control device 39 may be executed by a computer arranged outside the excavator 100.
  • the target work target is not limited to the plane as described above, but may be a point, a line, or a three-dimensional shape.
  • the input unit 41 of the display input device 38 is not limited to a touch panel type, and may be configured by operation members such as hard keys and switches.
  • the work machine 2 has the boom 6, the arm 7, and the bucket 8, but the work machine 2 is not limited to this, and any work machine having at least the bucket 8 may be used.
  • the first stroke sensor 16, the second stroke sensor 17, and the third stroke sensor 18 detect the inclination angles of the boom 6, the arm 7, and the bucket 8. Is not limited to these.
  • an angle sensor that detects the inclination angles of the boom 6, the arm 7, and the bucket 8 may be provided.
  • the bucket 8 is provided, but the bucket is not limited to this and may be a tilt bucket.
  • a tilt bucket is equipped with a bucket tilt cylinder. By tilting the bucket to the left and right, even if the excavator is on a sloping ground, it is possible to form the slope and flat ground freely and level the ground.
  • the bucket can also be rolled.

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Abstract

　掘掘削機械のオペレータが設計面にしたがって施工を進めるにあたって、オペレータに対してバケットの揺動に伴う掘削縁部の位置を理解しやすく提供すること。掘削機械の表示システムは、掘削機械の現在位置に関する情報を検出する作業機状態検出部と、処理部とを含む。この処理部は、掘削機械の現在位置に関する情報、本体部の姿勢に関する情報及び掘削縁部の位置の情報及びバケットの外形情報に基づいて、掘削機械を上面から見たときに、バケットのアイコン表示及び掘削縁部の位置を求めて、目標面、バケットのアイコン表示及び掘削縁部の位置を示す画像を表示装置の画面に表示する。

Description

掘削機械の表示システム及び掘削機械
　本発明は、掘削機械の表示システム及びこれを備えた掘削機械に関する。
　一般に、油圧ショベル等の掘削機械は、操作者であるオペレータが操作レバーを操作することで、バケットを含む作業機が駆動されて、作業対象の地面等を掘削する。例えば、特許文献１には、バケットの刃先位置が検出され、埋設管の絶対位置とバケット刃先の絶対位置との関係が決められ、この関係に基づき、掘削位置・深さ決定手段によりバケットによる掘削位置及び掘削深さが決定される技術が記載されている。
特開２００３－０５６０１０号公報
　油圧ショベル等の掘削機械を用い、施工対象の設計面の一部を目標面とし、これにしたがって、作業対象の地面を掘削する場合、掘削機械のオペレータは、目標面とバケット刃先（掘削縁部）との相対的な位置情報を特に必要とする。特許文献１の技術は、バケット刃先（掘削縁部）の位置を側面視による位置で把握できる。しかしながら、特許文献１の技術を用いると、バケットピンを介してバケットが揺動した場合、上面視ではバケットにバケット刃先（掘削縁部）が隠れてしまう。そして、オペレータは、把握できる側面視におけるバケット刃先（掘削縁部）の位置だけで、目標面とバケット刃先（掘削縁部）との相対的な位置情報を推測する必要がある。このため、特許文献１の技術は、バケットの揺動に伴うバケット刃先（掘削縁部）の位置を理解しやすく提供できない可能性がある。
　本発明は、掘削機械のオペレータが設計面にしたがって施工を進めるにあたって、オペレータに対してバケットの揺動に伴う掘削縁部の位置を理解しやすく提供することを目的とする。
　本発明によれば、掘削縁部を有するバケットを含む作業機と、前記作業機が取り付けられる本体部とを有する掘削機械の表示システムであって、前記掘削機械の現在位置に関する情報、前記本体部の姿勢に関する情報及び前記掘削縁部の位置の情報を検出する作業機状態検出部と、設計地形を示す目標面の位置情報及び前記バケットの外形情報を記憶する記憶部と、前記掘削機械の現在位置に関する情報、前記本体部の姿勢に関する情報及び前記掘削縁部の位置の情報及び前記バケットの外形情報に基づいて、前記掘削機械を上面から見たときに、前記バケット及び前記掘削縁部の位置を求めて、前記目標面、前記バケットを示す画像及び前記掘削縁部の位置を示す画像を表示装置の画面に表示する処理部と、を含む掘削機械の表示システムが提供される。
　本発明において、前記処理部は、前記掘削機械を上面から見た前記バケットを示す画像に対する前記掘削縁部の相対的な位置が分かるように前記掘削縁部の位置を示す画像を、前記掘削機械を上面から見た前記画面に常に表示することが好ましい。
　本発明において、前記処理部は、前記掘削縁部の位置を示す画像を前記掘削縁部の位置を示す線分の画像として表示し、前記掘削縁部の位置を示す線分の画像を、前記バケットを示す画像と異なる態様で表示することが好ましい。
　本発明において、前記線分は、前記掘削縁部における刃先を示すことが好ましい。
　本発明によれば、上述した掘削機械の表示システムを備えたことを特徴とする掘削機械が提供される。
　本発明は、掘削機械のオペレータが設計面にしたがって施工を進めるにあたって、オペレータに対してバケットの揺動に伴う掘削縁部の位置を理解しやすく提供することができる。
図１は、本実施形態に係る油圧ショベル１００の斜視図である。 図２は、油圧ショベル１００の側面図である。 図３は、油圧ショベル１００の背面図である。 図４は、油圧ショベル１００が備える制御系を示すブロック図である。 図５は、設計地形データによって示される設計地形を示す図である。 図６は、案内画面の一例を示す図である。 図７は、案内画面の一例を示す図である。 図８は、掘削縁部Ｐ３の現在位置を求める方法の一例を説明するための図である。 図９は、掘削縁部Ｐ３の現在位置を求める方法の一例を説明するための図である。 図１０は、掘削縁部Ｐ３を上面視で表示する手順を示すフローチャートである。 図１１は、掘削縁部Ｐ３の表示例を説明する説明図である。 図１２は、掘削縁部Ｐ３の回転を説明するための斜視図である。 図１３は、目標面距離ＤＡｉを説明するための側面図である。 図１４は、上面視で掘削縁部Ｐ３を表示した例を、表示部４２の画面４２Ｐに示す図である。 図１５は、上面視で掘削縁部Ｐ３を表示した例を、表示部４２の画面４２Ｐに示す図である。
　本発明を実施するための形態（実施形態）につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。以下の実施形態に記載した内容により本発明が限定されるものではない。また、以下の実施形態は、掘削機械の一例として油圧ショベルを説明するが、掘削機械は対象を掘削又は埋め戻す機能を有していれば油圧ショベルに限定されるものではない。
＜掘削機械の全体構成＞
　図１は、本実施形態に係る油圧ショベル１００の斜視図である。図２は、油圧ショベル１００の側面図である。図３は、油圧ショベル１００の背面図である。図４は、油圧ショベル１００が備える制御系を示すブロック図である。図５は、設計地形データによって示される設計地形を示す図である。本実施形態において、掘削機械としての油圧ショベル１００は、本体部としての車両本体１と作業機２とを有する。車両本体１は、上部旋回体３と走行装置５とを有する。上部旋回体３は、機関室３ＥＧの内部に、図示しない動力発生装置及び油圧ポンプ等の装置を収容している。機関室３ＥＧは、上部旋回体３の一端側に配置されている。
　本実施形態において、油圧ショベル１００は、例えばディーゼルエンジン等の内燃機関を動力発生装置としているが、油圧ショベル１００はこのようなものに限定されない。油圧ショベル１００は、例えば、内燃機関と発電電動機と蓄電装置とを組み合わせた、いわゆるハイブリッド方式の動力発生装置を備えるもの等であってもよい。
　上部旋回体３は、運転室４を有する。運転室４は、上部旋回体３の他端側に載置されている。すなわち、運転室４は、機関室３ＥＧが配置されている側とは反対側に配置されている。運転室４内には、図４に示す、表示入力装置３８及び操作装置２５が配置される。これらについては後述する。走行装置５は、履帯５ａ、５ｂを有している。走行装置５は、履帯５ａ、５ｂが回転することにより走行して、油圧ショベル１００を走行させる。作業機２は、上部旋回体３の運転室４側に取り付けられている。
　上部旋回体３は、作業機２及び運転室４が配置されている側が前であり、機関室３ＥＧが配置されている側が後である。前に向かって左側が上部旋回体３の左であり、前に向かって右側が上部旋回体３の右である。また、油圧ショベル１００又は車両本体１は、上部旋回体３を基準として走行装置５側が下であり、走行装置５を基準として上部旋回体３側が上である。油圧ショベル１００が水平面に設置されている場合、下は鉛直方向、すなわち重力の作用方向側であり、上は鉛直方向とは反対側である。
　作業機２は、ブーム６とアーム７とバケット８とブームシリンダ１０とアームシリンダ１１とバケットシリンダ１２とを有する。ブーム６の基端部は、ブームピン１３を介して車両本体１の前部に揺動可能に取り付けられている。アーム７の基端部は、アームピン１４を介してブーム６の先端部に揺動可能に取り付けられている。アーム７の先端部には、バケットピン１５を介してバケット８が揺動可能に取り付けられている。バケット８の凹部の縁部８Ａには、刃（ツース部材）８Ｂが取り付けられている。刃８Ｂの先端は、作業機２が掘削力を発生する掘削縁部Ｐ３である。バケット８の種類によっては、バケット８の凹部の縁部８Ａに刃８Ｂがない場合があり、この場合は、バケット８の凹部の縁部８Ａが掘削力を発生する掘削縁部Ｐ３である。また、バケット８の凹部の底部は尻部８Ｃと呼ばれ、作業機２は、尻部８Ｃを地表に押しつけることで整地することができる。
　図２に示すように、ブーム６の長さ、すなわち、ブームピン１３からアームピン１４までの長さは、Ｌ１である。アーム７の長さ、すなわち、アームピン１４の中心からバケットピン１５の中心までの長さはＬ２である。バケット８の長さ、すなわち、バケットピン１５の中心からバケット８の掘削縁部Ｐ３までの長さはＬ３である。
　図１に示すブームシリンダ１０とアームシリンダ１１とバケットシリンダ１２とは、それぞれ作動油の圧力（以下、適宜油圧という）によって駆動される油圧シリンダである。ブームシリンダ１０はブーム６を駆動して、これを昇降させる。アームシリンダ１１は、アーム７を駆動して、アームピン１４の周りを揺動させる。バケットシリンダ１２は、バケット８を駆動して、バケットピン１５の周りを揺動させる。ブームシリンダ１０、アームシリンダ１１及びバケットシリンダ１２等の油圧シリンダと図示しない油圧ポンプとの間には、図３に示す比例制御弁３７が配置されている。後述する作業機用電子制御装置２６が比例制御弁３７を制御することにより、ブームシリンダ１０、アームシリンダ１１及びバケットシリンダ１２に供給される作動油の流量が制御される。その結果、ブームシリンダ１０、アームシリンダ１１及びバケットシリンダ１２との動作が制御される。
　図２に示すように、ブーム６とアーム７とバケット８には、それぞれ第１ストロークセンサ１６と第２ストロークセンサ１７と第３ストロークセンサ１８が設けられている。第１ストロークセンサ１６は、ブームシリンダ１０のストローク長さを検出する。後述する表示制御装置３９（図４参照）は、第１ストロークセンサ１６が検出したブームシリンダ１０のストローク長さから、後述する車両本体座標系のＺａ軸に対するブーム６の傾斜角θ１を算出する。第２ストロークセンサ１７は、アームシリンダ１１のストローク長さを検出する。表示制御装置３９は、第２ストロークセンサ１７が検出したアームシリンダ１１のストローク長さから、ブーム６に対するアーム７の傾斜角θ２を算出する。第３ストロークセンサ１８は、バケットシリンダ１２のストローク長さを検出する。表示制御装置３９は、第３ストロークセンサ１８が検出したバケットシリンダ１２のストローク長さから、アーム７に対するバケット８の傾斜角θ３を算出する。
　車両本体１は、作業機状態検出部１９を備える。作業機状態検出部１９は、油圧ショベル１００の現在位置、車両本体１の姿勢、掘削縁部Ｐ３の現在位置を検出する。作業機状態検出部１９は、ＲＴＫ－ＧＮＳＳ（Real　Time　Kinematic　-　Global　Navigation　Satellite　Systems、ＧＮＳＳは全地球航法衛星システムをいう）用の２個のアンテナ２１、２２（以下、適宜ＧＮＳＳアンテナ２１、２２という）と、３次元位置センサ２３と、傾斜角センサ２４と、第１ストロークセンサ１６、第２ストロークセンサ１７及び第３ストロークセンサ１８とを有する。ＧＮＳＳアンテナ２１、２２は、車両本体１、より具体的には上部旋回体３に設置される。本実施形態において、ＧＮＳＳアンテナ２１、２２は、後述する車両本体座標系のＹａ軸に沿って一定距離だけ離して設置されている。ＧＮＳＳアンテナ２１、２２は、車両本体座標系のＸａ軸に沿って一定距離だけ離してもよく、車両本体座標系のＸａ軸－Ｙａ軸の面内で一定距離だけ離してもよい。
　ＧＮＳＳアンテナ２１、２２が受信したＧＮＳＳ電波に応じた信号は、３次元位置センサ２３に入力される。３次元位置センサ２３は、ＧＮＳＳアンテナ２１、２２の設置位置Ｐ１、Ｐ２の位置を検出する。図３に示すように、傾斜角センサ２４は、重力の作用する方向、すなわち鉛直方向Ｎｇに対する車両本体１の幅方向の傾斜角θ４（以下、適宜ロール角θ４という）を検出する。なお、本実施形態において、幅方向とは、バケット８の幅方向を意味しており、上部旋回体３の幅方向、すなわち左右方向と一致している。ただし、作業機２が後述するチルトバケットを備える場合には、バケットの幅方向と上部旋回体３の幅方向とが一致しないこともあり得る。
　油圧ショベル１００は、操作装置２５と、作業機用電子制御装置２６と、作業機制御装置２７と、掘削機械の表示システム（以下、適宜表示システムという）２８を備える。操作装置２５は、作業機操作部材３１と、作業機操作検出部３２と、走行操作部材３３と、走行操作検出部３４とを有する。作業機操作部材３１は、オペレータが作業機２を操作するための部材であり、例えば、ジョイスティック又は操作レバーである。作業機操作検出部３２は、作業機操作部材３１の操作内容を検出して、検出信号として作業機用電子制御装置２６へ送る。走行操作部材３３は、オペレータが油圧ショベル１００の走行を操作するための部材であり、例えば、ジョイスティック又は操作レバーである。走行操作検出部３４は、走行操作部材３３の操作内容を検出して、検出信号として作業機用電子制御装置２６へ送る。
　作業機用電子制御装置２６は、ＲＡＭ（Random　Access　Memory）及びＲＯＭ（Read　Only　Memory）の少なくとも一方を含む作業機側記憶部３５及びＣＰＵ（Central　Processing　Unit）等の演算部３６を有している。作業機用電子制御装置２６は、主として作業機２を制御する。作業機用電子制御装置２６は、作業機操作部材３１の操作に応じて作業機２を動作させるための制御信号を生成して、作業機制御装置２７に出力する。作業機制御装置２７は比例制御弁３７を有しており、作業機用電子制御装置２６からの制御信号に基づいて比例制御弁３７が制御される。作業機用電子制御装置２６からの制御信号に応じた流量の作動油が比例制御弁３７から流出し、ブームシリンダ１０、アームシリンダ１１及びバケットシリンダ１２の少なくとも１つに供給される。すると、図１に示すブームシリンダ１０、アームシリンダ１１及びバケットシリンダ１２は、比例制御弁３７から供給された作動油に応じて駆動される。その結果、作業機２が動作する。
＜表示システム２８＞
　表示システム２８は、作業エリア内の地面を掘削して後述する設計面のような形状に形成するための情報をオペレータに提供するためのシステムである。表示システム２８は、上述した第１ストロークセンサ１６、第２ストロークセンサ１７及び第３ストロークセンサ１８、３次元位置センサ２３及び傾斜角センサ２４の他に、表示装置としての表示入力装置３８と、表示制御装置３９と、警報音を報知させるためのスピーカ等を含む音発生装置４６とを有している。
　表示入力装置３８は、タッチパネル式の入力部４１と、ＬＣＤ（Liquid　Crystal　Display）等の表示部４２とを有する。表示入力装置３８は、掘削を行うための情報を提供するための案内画面を表示する。また、案内画面には、各種のキーが表示される。操作者であるオペレータ（油圧ショベル１００を点検又は修理する際はサービスマン）は、案内画面上の各種のキーに触れることにより、表示システム２８の各種の機能を実行させることができる。案内画面については後に詳細に説明する。
　表示制御装置３９は、表示システム２８の各種の機能を実行する。表示制御装置３９は、ＲＡＭ及びＲＯＭの少なくとも一方を含む記憶部４３、ＣＰＵ等の処理部４４を有する電子制御装置である。記憶部４３は、作業機データを記憶している。作業機データは、上述したブーム６の長さＬ１、アーム７の長さＬ２、バケット８の長さＬ３を含む。また、作業機データは、ブーム６の傾斜角θ１と、アーム７の傾斜角θ２と、バケット８の傾斜角θ３とのそれぞれの最小値及び最大値を含む。
　表示制御装置３９と作業機用電子制御装置２６とは、無線又は有線の通信手段を介して互いに通信可能となっている。表示制御装置３９の記憶部４３は、予め作成された設計地形データを記憶している。設計地形データは、３次元の設計地形の形状及び位置に関する情報である。設計地形は、作業対象となる地面の目標形状を示す。表示制御装置３９は、設計地形データ及び上述した各種のセンサからの検出結果等の情報に基づいて、案内画面を表示入力装置３８に表示させる。具体的には、図５に示すように、設計地形は、三角形ポリゴンによってそれぞれ表現される複数の設計面４５によって構成されている。なお、図５では、複数の設計面のうち１つのみに符号４５が付されており、他の設計面の符号は省略されている。目標作業対象は、これらの設計面４５のうち１つ又は複数の設計面である。オペレータは、これらの設計面４５のうち１つ又は複数の設計面を目標面７０として選択する。目標面７０は、複数の設計面４５のうち、これから掘削される面である。表示制御装置３９は、目標面７０の位置をオペレータに知らせるための案内画面を表示入力装置３８に表示させる。
＜案内画面＞
　図６、図７は、案内画面の一例を示す図である。案内画面は、目標面７０とバケット８の掘削縁部Ｐ３との位置関係を示し、作業対象である地面が目標面７０と同じ形状になるように油圧ショベル１００の作業機２を誘導するための画面である。図６及び図７に示すように、案内画面は、粗掘削モードの案内画面（以下、適宜粗掘削画面５３という）と、繊細掘削モードの案内画面（以下、適宜繊細掘削画面５４という）とを含む。
（粗掘削画面５３）
　図６に示す粗掘削画面５３は、表示部４２の画面４２Ｐに表示される。粗掘削画面５３は、作業エリアの設計地形と油圧ショベル１００の現在位置とを示す上面図５３ａと、目標面７０と油圧ショベル１００との位置関係を示す側面図５３ｂとを含む。粗掘削画面５３の上面図５３ａは、複数の三角形ポリゴンによって上面視による設計地形を表現している。より具体的には、上面図５３ａは、油圧ショベル１００が旋回する平面である旋回平面を投影面として設計地形を表現している。したがって、上面図５３ａは、油圧ショベル１００の真上から見た俯瞰図であり、油圧ショベル１００が傾いたときには設計面も傾くことになる。
　また、複数の設計面４５から目標作業対象として選択された目標面７０は、他の設計面４５と異なる色で表示される。なお、図６では、油圧ショベル１００の現在位置が上面視による油圧ショベルのアイコン６１で示されているが、他のシンボルによって示されてもよい。また、上面図５３ａは、油圧ショベル１００を目標面７０に対して正対させるための情報を含んでいる。油圧ショベル１００を目標面７０に対して正対させるための情報は、目標面正対コンパス７３として表示される。目標面正対コンパス７３は、例えば、矢印形状の指針７３Ｉが矢印Ｒ方向に回転して、目標面７０に対する正対方向と油圧ショベル１００を旋回させるべき方向とを示すアイコンである。油圧ショベル１００のオペレータは、目標面正対コンパス７３により、目標面７０への正対度を確認することができる。
　粗掘削画面５３の側面図５３ｂは、目標面７０とバケット８の掘削縁部Ｐ３との位置関係を示す画像と、目標面７０とバケット８の掘削縁部Ｐ３との間の距離を示す距離情報とを含む。具体的には、側面図５３ｂは、設計面の断面を示す線７４と、目標面の断面を示す線７９と、側面視による油圧ショベル１００のアイコン７５とを含む。設計面の断面を示す線７４は、目標面７０以外の設計面４５の断面を示す。目標面の断面を示す線７９は目標面７０の断面を示す。設計面の断面を示す線７４と目標面の断面を示す線７９とは、図５に示すように、バケット８の掘削縁部Ｐ３の現在位置を通る平面７７と設計面４５との交線８０を算出することにより求められる。交線８０は、表示制御装置３９の処理部４４が求める。バケット８の掘削縁部Ｐ３の現在位置を求める方法については後に説明する。
　側面図５３ｂにおいて、目標面の断面を示す線７９は、設計面の断面を示す線７４と異なる色で表示される。なお、図６では線種を変えて、目標面の断面を示す線７９と設計面の断面を示す線７４とを表現している。また、側面図５３ｂでは、目標面の断面を示す線７９及び設計面の断面を示す線７４よりも地中側の領域と、これらの線分よりも空中側の領域とは異なる色で示される。図６では、目標面の断面を示す線７９及び設計面の断面を示す線７４よりも地中側の領域にハッチングを付することにより、色の違いを表現している。
　目標面７０とバケット８の掘削縁部Ｐ３との間の距離を示す距離情報は、数値情報８３とグラフィック情報８４とを含む。数値情報８３は、バケット８の掘削縁部Ｐ３と目標面７０との間の最短距離を示す数値である。グラフィック情報８４は、バケット８の掘削縁部Ｐ３と目標面７０との距離をグラフィックで示した情報である。グラフィック情報８４は、バケット８の掘削縁部Ｐ３の位置を示すための案内用の指標である。具体的には、グラフィック情報８４は、インデックスバー８４ａと、インデックスバー８４ａのうちバケット８の掘削縁部Ｐ３と目標面７０との間の距離がゼロに相当する位置を示すインデックスマーク８４ｂとを含む。インデックスバー８４ａは、バケット８の先端と目標面７０との最短距離に応じて、各インデックスバー８４ａが点灯するようになっている。なお、グラフィック情報８４の表示のオン／オフが油圧ショベル１００のオペレータの操作により変更可能とされてもよい。
　上述したように、粗掘削画面５３では、目標面の断面を示す線７９と油圧ショベル１００との相対位置関係及びバケット８の掘削縁部Ｐ３と目標面の断面を示す線７９との最短距離を示す数値が表示される。油圧ショベル１００のオペレータは、目標面の断面を示す線７９に沿ってバケット８の掘削縁部Ｐ３を移動させることによって、現在の地形が設計地形になるように、容易に掘削することができる。なお、粗掘削画面５３には案内画面を切り換えるための画面切換キー６５が表示される。オペレータは、画面切換キー６５を操作することにより、粗掘削画面５３から繊細掘削画面５４へ切り換えることができる。
（繊細掘削画面５４）
　図７に示す繊細掘削画面５４は、表示部４２の画面４２Ｐに表示される。繊細掘削画面５４は、粗掘削画面５３よりも目標面７０と油圧ショベル１００との位置関係を詳細に示している。すなわち、繊細掘削画面５４は、粗掘削画面５３よりも目標面７０とバケット８の掘削縁部Ｐ３との位置関係を詳細に示している。繊細掘削画面５４は、目標面７０とバケット８とを示す正面図５４ａと、目標面７０とバケット８とを示す側面図５４ｂとを含む。繊細掘削画面５４の正面図５４ａには、正面視によるバケット８を示すアイコン８９と、正面視による目標面７０の断面を示す線７８とが含まれる。正面（正面視）とは、図１、図２に示すバケット８を車両本体１側から見ることであり、後述する車両本体座標系のＹａ軸と平行に見ることである。
　繊細掘削画面５４の側面図５４ｂには、側面視によるバケット８のアイコン９０と、設計面の断面を示す線７４と、目標面の断面を示す線７９とが含まれる。また、繊細掘削画面５４の正面図５４ａと側面図５４ｂとには、それぞれ、目標面７０とバケット８との位置関係を示す情報が表示される。側面（側面視）とは、図１、図２に示すバケットピン１５の延在方向（バケット８の揺動中心軸方向）から見ることであり、後述する車両本体座標系のＸａ軸と平行に見ることである。
　正面図５４ａにおいて目標面７０とバケット８との位置関係を示す情報は、距離情報８６ａと角度情報８６ｂとを含む。距離情報８６ａは、バケット８の掘削縁部Ｐ３と、目標面７０との間のＺａ方向における距離を示したものである。この距離は、バケット８の掘削縁部Ｐ３の幅方向における位置のうち目標面７０に対する最近接位置と、目標面７０との間の距離である。正面図５４ａには、最近接位置を示すマーク８６ｃがバケット８の正面図のアイコン８９に重ねて表示される。角度情報８６ｂは、目標面７０とバケット８との間の角度を示す情報である。具体的には、角度情報８６ｂは、バケット８の掘削縁部Ｐ３を通る仮想線分と目標面の断面を示す線７８との間の角度である。
　側面図５４ｂにおいて、目標面７０とバケット８との位置関係を示す情報は、距離情報８７ａと角度情報８７ｂとを含む。距離情報８７ａは、バケット８の掘削縁部Ｐ３と目標面７０との間の最短距離、すなわち目標面７０の垂線方向におけるバケット８の先端と目標面７０との間の距離を示したものである。また、角度情報８７ｂは、目標面７０とバケット８との間の角度を示す情報である。具体的には、側面図５４ｂに表示される角度情報８７ｂは、バケット８の底面と目標面の断面を示す線７９との間の角度である。
　繊細掘削画面５４は、上述したバケット８の掘削縁部Ｐ３と目標面７０との距離をグラフィックで示すグラフィック情報８４を含む。グラフィック情報８４は、粗掘削画面５３のグラフィック情報８４と同様に、インデックスバー８４ａとインデックスマーク８４ｂとを有する。上述したように、繊細掘削画面５４では、目標面の断面を示す線７８、７９とバケット８の掘削縁部Ｐ３との相対位置関係が詳細に表示される。油圧ショベル１００のオペレータは、目標面の断面を示す線７８、７９に沿ってバケット８の掘削縁部Ｐ３を移動させることによって、現在の地形が３次元の設計地形と同じ形状になるように、さらに容易に掘削することができる。なお、繊細掘削画面５４には、上述した粗掘削画面５３と同様に画面切換キー６５が表示される。オペレータは、画面切換キー６５を操作することにより、繊細掘削画面５４から粗掘削画面５３へ切り換えることができる。
＜バケット８の掘削縁部Ｐ３の現在位置を求める方法＞
　目標面の断面を示す線７９はバケット８の掘削縁部Ｐ３の現在位置から算出される。表示制御装置３９は、３次元位置センサ２３、第１ストロークセンサ１６、第２ストロークセンサ１７、第３ストロークセンサ１８及び傾斜角センサ２４等の検出結果に基づき、グローバル座標系｛Ｘ、Ｙ、Ｚ｝でのバケット８の掘削縁部Ｐ３の現在位置を求める。本実施形態において、バケット８の掘削縁部Ｐ３の現在位置は、次のようにして求められる。
　図８、図９は、掘削縁部Ｐ３の現在位置を求める方法の一例を説明するための図である。図８は、油圧ショベル１００の側面図であり、図９は、油圧ショベル１００の背面図である。バケット８の掘削縁部Ｐ３の現在位置を求めるにあたって、表示制御装置３９は、図８に示すように、上述したＧＮＳＳアンテナ２１の設置位置Ｐ１を原点とする車両本体座標系｛Ｘａ、Ｙａ、Ｚａ｝を求める。本例では、油圧ショベル１００の前後方向、すなわち車両本体１の座標系（車両本体座標系）ＣＯＭのＹａ軸方向が、グローバル座標系ＣＯＧのＹ軸方向に対して傾斜しているものとする。また、車両本体座標系ＣＯＭでのブームピン１３の座標は（０、Ｌｂ１、－Ｌｂ２）であり、予め表示制御装置３９の記憶部４３に記憶されている。車両本体座標系ＣＯＭにおいて、油圧ショベル１００は、上部旋回体３がＸａ－Ｙａ平面と平行な平面を旋回する。車両本体座標系ＣＯＭにおいて、油圧ショベル１００の作業機２は、ブームシリンダ１０とアームシリンダ１１とバケットシリンダ１２とにより駆動され、ブーム６とアーム７とバケット８とがＹａ－Ｚａ平面に沿って移動する。ブームシリンダ１０とアームシリンダ１１とバケットシリンダ１２とが駆動すると、車両本体１の姿勢（傾き）に応じて定まる車両本体座標系ＣＯＭにおける、Ｙａ－Ｚａ平面に沿ってアーム７が移動し、バケット８が動くことになる。
　図４に示す３次元位置センサ２３は、図２に示すＧＮＳＳアンテナ２１、２２の設置位置Ｐ１、Ｐ２を検出する。検出された設置位置Ｐ１、Ｐ２の座標位置から、式（１）によってＹａ軸方向の単位ベクトルが算出される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　図８に示すように、ＹａとＺとの２つのベクトルで表される平面を通り、Ｙａと垂直なベクトルＺ’を導入すると、式（２）及び式（３）の関係が成り立つ。式（３）のｃは定数である。式（２）及び式（３）から、Ｚ’は式（４）のように表される。さらに、Ｙａ及びＺ’と垂直なベクトルをＸ’とすると、Ｘ’は式（５）で示すようになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　図９に示すように、車両本体座標系ＣＯＭは、これをＹａ軸周りに、上述したロール角θ４だけ回転させたものであるから、式（６）のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　また、第１ストロークセンサ１６、第２ストロークセンサ１７及び第３ストロークセンサ１８の検出結果から、上述したブーム６、アーム７、バケット８の現在の傾斜角θ１、θ２、θ３が算出される。車両本体座標系ＣＯＭ内におけるバケット８の掘削縁部Ｐ３の座標（ｘａｔ、ｙａｔ、ｚａｔ）は、傾斜角θ１、θ２、θ３及びブーム６、アーム７、バケット８の長さＬ１、Ｌ２、Ｌ３を用いて、式（７）、式（８）及び式（９）で求めることができる。バケット８の掘削縁部Ｐ３は、車両本体座標系ＣＯＭのＹａ－Ｚａ平面内を移動するものとする。グローバル座標系ＣＯＧにおけるバケット８の掘削縁部Ｐ３の座標は、式（１０）で求めることができる。グローバル座標系ＣＯＧにおける掘削縁部Ｐ３の座標が掘削縁部Ｐ３の位置である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
　表示制御装置３９は、上記のように算出したバケット８の掘削縁部Ｐ３の現在位置と、記憶部４３に記憶された設計地形データとに基づいて、図５に示すように、３次元設計地形とバケット８の掘削縁部Ｐ３を通るＹａ－Ｚａ平面７７との交線８０を算出する。そして、表示制御装置３９は、この交線８０のうち目標面７０を通る部分を上述した目標面の断面を示す線７９として案内画面に表示する。次に、図４に示す表示制御装置３９が、バケット８が作業対象となる地面を掘削するときの掘削縁部Ｐ３の現在位置を、上面視で表示入力装置３８の表示部４２の画面４２Ｐに表示させる例について説明する。
＜バケット８の掘削縁部Ｐ３の上面視表示＞
　図１０は、掘削縁部Ｐ３を上面視で表示する手順を示すフローチャートである。掘削縁部Ｐ３を図４に示す表示部４２の画面４２Ｐに表示させるにあたり、ステップＳ１において、表示制御装置３９、より具体的には処理部４４は、バケット寸法の特定を行う。作業機２は、アーム７にバケット８が脱着自在であり、アーム７に付け替えてバケット８を取り付けることができる。図４に示す表示制御装置３９の記憶部４３には、入力部４１から入力された、バケット８の寸法を特定するバケット外形情報が記憶されている。
　次に、ステップＳ２において、処理部４４は、油圧ショベル１００の現在位置を検出する。表示制御装置３９は、３次元位置センサ２３からの検出信号に基づいて、車両本体１の現在位置及び車両本体１の姿勢を検出する。
　上述したように、車両本体座標系ＣＯＭにおいて、油圧ショベル１００の作業機２は、ブーム６とアーム７とバケット８とがＹａ－Ｚａ平面に沿って、ブームシリンダ１０とアームシリンダ１１とバケットシリンダ１２とにより駆動される。ブームシリンダ１０とアームシリンダ１１とバケットシリンダ１２とが駆動すると、車両本体１の姿勢（傾き）に応じて定まる車両本体座標系ＣＯＭにおける、Ｙａ－Ｚａ平面に沿ってアーム７が移動し、バケット８が動くことになる。そこで、処理部４４は、３次元位置センサ２３、第１ストロークセンサ１６、第２ストロークセンサ１７、第３ストロークセンサ１８及び傾斜角センサ２４等の検出結果に基づき、作業機２の姿勢状態を検出する（ステップＳ３）。
　次に、ステップＳ４において、処理部４４は、バケット８の掘削縁部Ｐ３の位置を特定する。具体的には、車両本体座標系ＣＯＭ内におけるバケット８の掘削縁部Ｐ３の座標（ｘａｔ、ｙａｔ、ｚａｔ）は、傾斜角θ１、θ２、θ３及びブーム６、アーム７、バケット８の長さＬ１、Ｌ２、Ｌ３を用いて、式（７）、式（８）及び式（９）で求めることができる。
　次に、ステップＳ５において、処理部４４は、設計地形（作業対象の目標形状）と、バケット８のアイコンと、掘削縁部Ｐ３の位置を示す画像を表示部４２の画面４２Ｐに上面表示する。
　処理部４４は、バケット８の掘削縁部Ｐ３上の複数の計算点を設定し、各計算点と目標面との距離を算出することにより、設計地形（作業対象の目標形状）と、バケット８の掘削縁部Ｐ３と、の最短距離が分かるように、表示部４２の画面４２Ｐに表示することができる。図１１は、掘削縁部Ｐ３の表示例を説明する説明図である。図１１に示すように、バケット８は複数の刃８Ｂの先端を通りバケット８の幅方向寸法に一致する仮想線分ＬＳ１を演算する。なお、処理部４４は、バケット８の幅方向寸法をステップＳ１において特定したバケット外形情報から読み出して、仮想線分ＬＳ１を演算している。この仮想線分ＬＳ１は、後述する掘削縁部Ｐ３の位置を示す画像の例としての線分８ＡＬとなる。
　次に、処理部４４は、仮想線分ＬＳ１を、複数（例えば、４つ）の範囲に均等に分け、各範囲の境界及び両端を示す５つの点をそれぞれ第１計算点Ｃ１、第２計算点Ｃ２、第３計算点Ｃ３、第４計算点Ｃ４、第５計算点Ｃ５として設定する。分割数ｉは、自然数であり、本実施例ではｉは１、２、３、４、５である。すなわち、第１計算点Ｃ１、第２計算点Ｃ２、第３計算点Ｃ３、第４計算点Ｃ４、第５計算点Ｃ５は、バケット８の掘削縁部Ｐ３の幅方向における特定の複数の位置を示す。そして、ステップＳ２で検出された油圧ショベル１００の現在位置に基づいて、処理部４４は、第１計算点Ｃ１、第２計算点Ｃ２、第３計算点Ｃ３、第４計算点Ｃ４、第５計算点Ｃ５の現在位置を算出する。具体的には、処理部４４は、上述したバケット８の掘削縁部Ｐ３の現在位置の算出方法によって、中央の第３計算点Ｃ３の現在位置を算出する。そして、処理部４４は、中央の第３計算点Ｃ３の現在位置、バケット８の幅方向寸法及び仮想線分ＬＳ１の延在方向から他の第１計算点Ｃ１、第２計算点Ｃ２、第４計算点Ｃ４、第５計算点Ｃ５の現在位置を算出する。
　図１２は、掘削縁部Ｐ３の回転を説明するための斜視図である。図１３は、目標面距離ＤＡｉを説明するための側面図である。上述したように、アーム７の先端部には、バケットピン１５を介してバケット８が揺動可能に取り付けられている。バケット８は、例えば、目標面７０の法面の最上端（法肩）７１から目標面の最下端（法尻）７２に向かうにしたがって、バケット８のバケットピン１５を中心に刃８Ｂの先端が円弧を描くように回転することがある。これにより、掘削縁部Ｐ３の位置を示す線分８ＡＬも円弧を描くように回転する。そして上述したバケット８の長さＬ３は、この回転の円弧の半径となる。
　第ｉ計算点Ｃｉを通るＹａ－Ｚａ平面と、設計面４５との交線Ｍｉとした場合、ステップＳ４において、処理部４４は、交線Ｍｉに含まれる各直線ＭＡｉ－ＭＣｉと第ｉ計算点Ｃｉとの間の距離を算出する。ここでは、交線Ｍｉに含まれる各直線ＭＡｉ－ＭＣｉについて第ｉ計算点Ｃｉを通る垂線を算出し、各直線ＭＡｉ－ＭＣｉと第ｉ計算点Ｃｉとの間の距離が算出される。例えば、図１３に示すように、第ｉ計算点Ｃｉが目標領域Ａ１、Ａ２、Ａ３のうち目標領域Ａ１内に位置しているときには、第ｉ計算点Ｃｉを通る目標線ＭＡｉの垂線が算出され、第ｉ計算点Ｃｉと目標線ＭＡｉとの間の最短距離（以下、「目標面距離ＤＡｉ」と呼ぶ）が算出される。このようにして、処理部４４は、図１１に示す距離ＤＡ１からＤＡ５を算出し、最短距離を目標面距離ＤＡ１とする。この目標面距離ＤＡ１は、上述した図６に示す数値情報８３として表示される。
　処理部４４は、記憶部４３に記憶されている、バケット８の寸法を特定するバケット外形情報に基づいて、上面視でバケット８のアイコン表示（画像）８ＢＬを表示する。上面（上面視）とは、図１、図２に示すバケット８を、上述した車両本体座標系のＺａ軸と平行な方向で上から見ることである。処理部４４は、バケット８のバケット幅、バケット長さ、バケット高さ等の寸法の情報をステップＳ１において特定したバケット外形情報から読み出して、車両本体座標系のＺａ軸と平行な方向に投影したバケット８の外形の情報に基づいて、上面視でのバケット８のアイコン表示８ＢＬの画像を求める。処理部４４は、上面視でのバケット８のアイコン表示８ＢＬに対して、掘削縁部Ｐ３の相対的な位置が分かるように、掘削縁部Ｐ３の位置を示す画像を表示部４２Ｐに表示する。図１４及び図１５は、上面視で掘削縁部Ｐ３を表示した例を、表示部４２の画面４２Ｐに示す図である。
　図１４及び図１５に示す繊細掘削画面５５は、設計地形（作業対象の目標形状）とバケット８とを示す上面図５５ａと、目標面の断面を示す線７９とバケット８とを示す側面図５５ｂとを含む。繊細掘削画面５５の上面図５５ａには、上面視による目標面７０が含まれる。
　繊細掘削画面５５の側面図５５ｂには、側面視によるバケット８のアイコン９０と、設計面の断面を示す線７４と、目標面の断面を示す線７９とが含まれる。また、繊細掘削画面５４の上面図５５ａと側面図５５ｂとには、それぞれ、目標面７０とバケット８との位置関係を示す情報が表示される。側面視とは、図１、図２に示すバケットピン１５の延在方向（バケット８の揺動中心軸方向）から見ることである。本実施形態の表示制御装置３９は、側面図５５ｂを、上面図５５ａと同時表示することで、オペレータが設計面にしたがって施工を進めるにあたって、オペレータに対してバケット８の揺動に伴う掘削縁部の位置を理解しやすく提供している。表示制御装置３９は、側面図５５ｂを非表示として、上面図５５ａを表示するようにしてもよい。側面図５５ｂには、側面視によるバケット８のアイコン９０が表示されている。
　図１４に示すバケット８は、目標面の法面の最上端（法肩）へ施工を進めるにあたって、掘削縁部Ｐ３を上側へ振り上げている。この場合、上面図５５ａにおいて、掘削縁部Ｐ３の位置を示す線分８ＡＬは、バケット８のアイコン表示８ＢＬと同時表示されていても表示部４２の画面４２に表示される。
　図１５に示すバケット８は、目標面の法面の最上端（法肩）から目標面の最下端（法尻）へ施工を進めるにあたって、上側から下側へバケット８の掘削縁部Ｐ３を揺動している。この場合、上面図５５ａにおいて、掘削縁部Ｐ３の位置を示す線分８ＡＬは、バケット８のアイコン表示８ＢＬによって本来は見えない位置にくる。このため、車両本体座標系のＺａ軸と平行な方向で上から見たとき（上面から見たとき）に、処理部４４は、バケット８のアイコン表示８ＢＬを表示するとともに、バケット８のアイコン表示８ＢＬに対して、掘削縁部Ｐ３がある相対的な位置が分かるように、掘削縁部Ｐ３の位置を示す画像である、線分８ＡＬを表示部４２Ｐに常に表示する。このため、オペレータは、掘削縁部Ｐ３がバケット８のアイコン表示８ＢＬの内部にあっても、掘削縁部Ｐ３の位置を認識することができる。
　掘削縁部Ｐ３の位置を示す画像を表示部４２Ｐに常に表示するために、処理部４４は、上面視におけるバケット８のアイコン表示８ＢＬに対する、掘削縁部Ｐ３の相対的な位置を求めて、掘削縁部Ｐ３の位置を示す画像の表示レイヤーをバケット８のアイコン表示８ＢＬの表示レイヤーの上として、表示部４２に表示するよう指示する。これにより、掘削縁部Ｐ３を示す画像である、線分８ＡＬは、バケット８のアイコン表示８ＢＬに遮蔽されず、常に表示される。
　または、掘削縁部Ｐ３の位置を示す画像を表示部４２Ｐに常に表示するために、処理部４４は、掘削縁部Ｐ３の位置を示す画像と重なるバケット８のアイコン表示８ＢＬの少なくとも一部を透過処理してもよい。ここで、透過処理とは、掘削縁部Ｐ３が重なる一部のバケット８の表示を消す、又は透明な表示をすることをいう。これにより、掘削縁部Ｐ３を示す画像である、線分８ＡＬは、バケット８のアイコン表示８ＢＬに遮蔽されず、常に表示される。
　上述のように、処理部４４は、表示されているバケット８のアイコン表示８ＢＬよりも掘削縁部Ｐ３の位置を示す線分８ＡＬを優先的に画面５５ａに上面視で表示する。このため、掘削縁部Ｐ３がバケット８の外形によって本来は上面視で見えない位置にきて隠れてしまう場合でも、オペレータは、図１５の上面図５５ａに示すように掘削縁部Ｐ３の位置を示す画像（線分８ＡＬ）により、掘削縁部Ｐ３の位置を把握することができる。その結果、掘削機械の表示システム２８は、オペレータが設計面にしたがって施工を進めるにあたって、オペレータに対してバケット８の揺動に伴う掘削縁部Ｐ３の位置を理解しやすく提供することができる。
　また、処理部４４は、表示されているバケット８のアイコン表示８ＢＬよりも掘削縁部Ｐ３の位置を示す画像である、線分８ＡＬを優先的に画面５５ａに上面視で表示し、かつ目標面７０を同時表示する。バケット８が動くことにより、目標面７０に対するバケット８の位置が変わるが、図１４及び図１５を比較して分かるように、目標面７０、バケット８のアイコン表示８ＢＬ及び掘削縁部Ｐ３の位置を示す画像である、線分８ＡＬを同時表示していることから、オペレータは、目標面７０に対しての相対的なバケット８の位置及び目標面７０に対しての相対的な掘削縁部Ｐ３の位置を直感的に把握しやすくなる。
　なお、処理部４４は、掘削縁部Ｐ３の位置を示す画像である、線分８ＡＬをバケット８のアイコン表示８ＢＬと異なる態様で表示する。異なる態様として例えば、処理部４４は、バケット８のアイコン表示８ＢＬを表示する色とは異なる色で表示し、線分８ＡＬを周囲から目立たせた強調表示をしてもよい。また、処理部４４は、バケット８のアイコン表示８ＢＬを表示する線幅よりも太い幅で表示した線分８ＡＬとして、線分８ＡＬを周囲から目立たせた強調表示をしてもよい。あるいは、処理部４４は、バケット８のアイコン表示８ＢＬを表示する輝度よりも明るい輝度で表示した線分８ＡＬとし、線分８ＡＬを周囲から目立たせた強調表示をしてもよい。本実施形態では、掘削縁部Ｐ３の位置を示す画像である線分８ＡＬを実線で示したがこれに限られない。例えば、線分８ＡＬは、実線、破線、一点鎖線、二点鎖線等の仮想線であってもよい。
　処理部４４は、線分８ＡＬを、掘削縁部Ｐ３の位置を示す画像として使用したがこれに限られず、例えば上述した第１計算点Ｃ１、第２計算点Ｃ２、第３計算点Ｃ３、第４計算点Ｃ４、第５計算点Ｃ５を示す三角印又は矢印などを使用してもよい。このように、掘削縁部Ｐ３の位置を示す画像には、点、文字、線画等の絵柄が連続、または点在し、一見して掘削縁部Ｐ３の位置が判別できるシンボルを含む。
　以上説明したように、掘削機械の表示システム２８は、掘削縁部Ｐ３で掘削力を発生するバケット８を含む作業機２と、この作業機２が取り付けられる車両本体１とを動作させるためのシステムである。掘削機械の表示システム２８は、作業機状態検出部１９と、記憶部４３と、処理部４４と、を含む。作業機状態検出部１９は、油圧ショベル１００の現在位置、車両本体１の姿勢、掘削縁部Ｐ３の現在位置を検出する。記憶部４３は、作業対象の目標形状を示す目標面の位置情報及びバケット８の外形情報を記憶する。
　処理部４４は、油圧ショベル１００の現在位置に関する情報、車両本体１の姿勢、掘削縁部Ｐ３の現在位置及びバケット８の外形情報に基づいて、油圧ショベル１００の上面から見たときのバケット８のアイコン表示８ＢＬ及び掘削縁部Ｐ３の位置を求めて、目標面７０、バケット８のアイコン表示８ＢＬ及び掘削縁部Ｐ３の位置を示す画像を表示部４２の画面４２Ｐに表示する。ここで、掘削縁部Ｐ３の位置示す画像は、線分８ＡＬで示される。このようにすることで、掘削縁部Ｐ３がバケット８の外形によって本来は上面視で見えない位置にきて隠れてしまう場合でも、油圧ショベル１００のオペレータは、掘削縁部Ｐ３の位置を示す画像、例えば線分８ＡＬにより、掘削縁部Ｐ３の位置を把握することができ、バケット８の掘削縁部Ｐ３が移動する状態を表示部４２の画面４２Ｐで確認することができる。その結果、オペレータは、掘削縁部Ｐ３の位置を示す画像、例えば線分８ＡＬを視認することで、掘削縁部Ｐ３の位置を確認しながら施工を行うことができるので、作業効率が向上する。
　掘削縁部Ｐ３の位置は、線分８ＡＬで示される場合、線分ＡＬの長さで、オペレータがバケット８の幅を認識することが容易となる。また線分ＡＬが刃先を示し、上述したステップＳ１において、油圧ショベル１００を使用する時点の刃８Ｂの長さを取り込む場合、オペレータは、刃８Ｂの摩耗度合いを加味して、設計面にしたがって施工を進めることができる。
　本実施形態においては、上述した繊細掘削画面５５に上面図５５ａを表示する例を説明するが、粗掘削画面５３にこれを表示してもよい。なお、本実施形態の処理部４４は、上述した上面図５５ａ、側面図５５ｂは、車両本体座標系ＣＯＭおける上面図（Ｚａ軸と平行にみた図）、側面図（Ｘａ軸と平行にみた図）として表示した。処理部４４は、上面図５５ａ、側面図５５ｂの少なくとも１つを、グローバル座標系における上面図（Ｚ軸と平行にみた図）、側面図（Ｘ軸と平行にみた図）として表示してもよい。
　以上、本実施形態を説明したが、上述した内容により本実施形態が限定されるものではない。また、上述した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに、上述した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。さらに、本実施形態の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換又は変更を行うことができる。
　例えば、各案内画面の内容は上記のものに限られず、適宜、変更されてもよい。また、表示制御装置３９の機能の一部又はすべてが、油圧ショベル１００の外部に配置されたコンピュータによって実行されてもよい。また、目標作業対象は、上述したような平面に限らず、点、線又は３次元の形状であってもよい。表示入力装置３８の入力部４１は、タッチパネル式のものに限られず、ハードキーやスイッチなどの操作部材によって構成されてもよい。
　上記の実施形態では、作業機２は、ブーム６、アーム７、バケット８を有しているが、作業機２はこれに限られず、少なくともバケット８を有するものであればよい。また、上記の実施形態では、第１ストロークセンサ１６、第２ストロークセンサ１７及び第３ストロークセンサ１８によって、ブーム６、アーム７、バケット８の傾斜角を検出しているが、傾斜角の検出手段はこれらに限られない。例えば、ブーム６、アーム７、バケット８の傾斜角を検出する角度センサが備えられてもよい。
　上記の実施形態では、バケット８を有しているが、バケットはこれに限られず、チルトバケットであってもよい。チルトバケットとは、バケットチルトシリンダを備え、バケットが左右にチルト傾斜することで油圧ショベルが傾斜地にあっても、斜面、平地を自由な形に成形、整地をすることができ、低板プレートによる転圧作業もできるバケットである。
１　車両本体
２　作業機
３　上部旋回体
４　運転室
５　走行装置
８　バケット
８Ｂ　刃
１９　作業機状態検出部
２１、２２　アンテナ
２３　３次元位置センサ
２４　傾斜角センサ
２８　掘削機械の表示システム（表示システム）
３８　表示入力装置
３９　表示制御装置
４１　入力部
４２　表示部
４２Ｐ　画面
４３　記憶部
４４　処理部
４５　設計面
４６　音発生装置
７０　目標面
７８、７９　目標面の断面を示す線
８４　グラフィック情報
１００　油圧ショベル
Ｐ３　掘削縁部

Claims (5)

  1. 　掘削縁部を有するバケットを含む作業機と、前記作業機が取り付けられる本体部とを有する掘削機械の表示システムであって、
    　前記掘削機械の現在位置に関する情報、前記本体部の姿勢に関する情報及び前記掘削縁部の位置の情報を検出する作業機状態検出部と、
    　設計地形を示す目標面の位置情報及び前記バケットの外形情報を記憶する記憶部と、
    　前記掘削機械の現在位置に関する情報、前記本体部の姿勢に関する情報及び前記掘削縁部の位置の情報及び前記バケットの外形情報に基づいて、前記掘削機械を上面から見たときに、前記バケット及び前記掘削縁部の位置を求めて、前記目標面、前記バケットを示す画像及び前記掘削縁部の位置を示す画像を表示装置の画面に表示する処理部と、
    　を含む掘削機械の表示システム。
  2. 　前記処理部は、
    　前記掘削機械を上面から見た前記バケットを示す画像に対する前記掘削縁部の相対的な位置が分かるように前記掘削縁部の位置を示す画像を、前記掘削機械を上面から見た前記画面に常に表示する、請求項１に記載の掘削機械の表示システム。
  3. 　前記処理部は、
    　前記掘削縁部の位置を示す画像を前記掘削縁部の位置を示す線分の画像として表示し、前記掘削縁部の位置を示す線分の画像を、前記バケットを示す画像と異なる態様で表示する、請求項１又は２に記載の掘削機械の表示システム。
  4. 　前記線分は、前記掘削縁部における刃先を示す、請求項３に記載の掘削機械の表示システム。
  5. 　請求項１から４のいずれか１項に記載の掘削機械の表示システムを備えたことを特徴とする掘削機械。
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