WO2016052762A1

WO2016052762A1 - 作業車両、バケット装置及びチルト角度の取得方法

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Publication number: WO2016052762A1
Application number: PCT/JP2015/079327
Authority: WO
Inventors: 悠人藤井; 力岩村; 正暢関
Original assignee: 株式会社小松製作所
Priority date: 2015-10-16
Filing date: 2015-10-16
Publication date: 2016-04-07
Also published as: US9663917B2; CN106856661A; JPWO2016052762A1; US20170107688A1; DE112015000236B4; JP6058217B2; DE112015000236T5; KR20170045146A

Abstract

　油圧ショベル（ＣＭ）は、バケット（８）と、チルトシリンダ（３０）と、第４ストロークセンサ（１９）と、バケット情報演算部（２８２Ａ）とを備える。バケット（８）は、チルト軸（Ｊ４）を中心として回動可能である。チルトシリンダ（３０）は、チルト軸（Ｊ４）を中心としてバケット（８）を回動させる。第４ストロークセンサ（１９）は、チルトシリンダ（３０）のストローク長さを検出する。バケット情報演算部（２８２Ａ）は、第４ストロークセンサ（１９）によって検出されるストローク長さに基づいて、バケット（８）のチルト角度δを取得する。

Description

作業車両、バケット装置及びチルト角度の取得方法

　本発明は、作業車両およびバケット装置に関する。

　従来、チルト軸を中心として回動可能なチルト式バケットを備える作業車両が知られている。チルト式バケットは、バケットに連結されるチルトシリンダによって回動される。

　ここで、チルト軸を中心とするバケットの回転角度であるチルト角度を取得するために、バケットの傾斜角を検出する傾斜角センサを用いる手法が知られている（特許文献１参照）。

特開２０１４－５５４０７号公報

　傾斜角センサとして、例えば、バケットの動きに応じて液体中を移動する気泡の挙動に基づき、傾斜角度を検出する液式の傾斜角センサを用いた場合、バケットの姿勢次第では、チルト角度データを取得することが困難となる可能性がある。このように傾斜角センサでは、精度の良いチルト角度データ精度良く検出できない可能性がある。

　本発明は、上述の状況に鑑みてなされたものであり、チルト角度を精度良く検出可能な作業車両、バケット装置及びチルト角度の取得方法を提供することを目的とする。

　第１の態様に係る作業車両は、バケットと、チルトシリンダと、ストローク長検出部と、バケット情報演算部とを備える。バケットは、チルト軸を中心として回動可能である。チルトシリンダは、チルト軸を中心としてバケットを回動させる。ストローク長検出部は、チルトシリンダのストローク長さを検出する。バケット情報演算部は、ストローク長検出部によって検出されるストローク長さに基づいて、バケットのチルト角度を取得する。

　第１の態様に係る作業車両によれば、バケット情報演算部は、ストローク長検出部によって検出されたチルトシリンダのストローク長さを用いてバケットのチルト角度を検出できる。従って、作業車両の姿勢に関わらずチルト角度を精度良く検出することができる。

　第２の態様に係る作業車両は、第１の態様に係り、バケット情報演算部は、前記チルト軸の軸方向から前記チルトシリンダを見たときに、前記チルトシリンダの第１端部と前記チルト軸を結ぶ第１線分と、前記チルトシリンダの第２端部と前記チルト軸を結ぶ第２線分とが成す角度を算出し、前記成す角度を用いて前記チルト角度を算出する。

　第３の態様に係る作業車両は、第２の態様に係り、バケット情報演算部は、前記成す角度と前記バケットの基準位置における基準角度との差分を前記チルト角度として算出する。

　第４の態様に係る作業車両は、第１乃至３のいずれかの態様に係り、バケット情報演算部は、チルト角度に基づいてバケットの位置を特定する。

　第４の態様に係る作業車両によれば、バケットの位置を精度良く特定することができる。

　第５の態様に係る作業車両は、第１乃至４のいずれかの態様に係り、バケットを表示する表示部と、チルト角度に基づいて、バケットを表示部に表示させる表示コントローラとを備える。

　第５の態様に係る作業車両によれば、表示部においてバケットの姿勢を精度良く表示することができる。

　第６の態様に係る作業車両は、第１乃至第５のいずれかの態様に係り、チルトシリンダの第１端部は、バケットに連結されている。チルトシリンダの第２端部は、軸方向からチルトシリンダを見たときに、チルト軸とバケットの間に位置する。水平方向において、第１端部と第２端部の間隔は、第１端部とチルトシリンダの間隔以上である。

　第６の態様に係る作業車両によれば、バケットの単位チルト角度当たりにおけるチルトシリンダのストローク長さを長くすることができる。そのため、傾斜角度を精度良く算出できるので、チルト角度をより精度良く検出することができる。

　第７の態様に係る作業車両は、第１乃至第５のいずれかの態様に係り、チルトシリンダの第１端部は、バケットに連結されている。チルトシリンダの第２端部は、軸方向からチルトシリンダを見たときに、チルト軸を通る水平面を基準としてバケットの反対側に位置する。

　第７の態様に係る作業車両によれば、バケットの単位チルト角度当たりにおけるチルトシリンダのストローク長さを長くすることができる。そのため、傾斜角度を精度良く算出できるので、チルト角度をより精度良く検出することができる。

　第８の態様に係るバケット装置は、バケットと、チルトシリンダと、ストローク長検出部とを備える。バケットは、チルト軸を中心として回動可能である。チルトシリンダは、チルト軸を中心としてバケットを回動させる。ストローク長検出部は、チルトシリンダのストローク長さを検出する。

　第９の態様に係るチルト角度の取得方法は、チルト軸を中心としてバケットを回動させるチルトシリンダのストローク長さを検出する工程と、ストローク長さに基づいて、バケットのチルト角度を取得する工程とを有する。

　本発明によれば、チルト角度を精度良く検出可能な作業車両、バケット装置及びチルト角度の取得方法を提供することができる。

油圧ショベルを示す斜視図である。チルト軸に垂直な径方向から見たチルトシリンダ及びバケット周辺の構成を示す側断面図である。チルト軸に平行な軸方向から見たチルトシリンダ及びバケット周辺の構成を示す正面図である。油圧ショベルを模式的に示す側面図である。油圧ショベルを模式的に示す背面図である。油圧ショベルを模式的に示す平面図である。バケットを模式的に示す側面図である。バケットを模式的に示す正面図である。制御システムの機能構成を示すブロック図である。チルト角度の取得方法を説明するための模式図である。チルト角度の取得方法を説明するための模式図である。表示部の表示例を示す図である。チルト角度の取得方法を説明するためのフロー図バケットを模式的に示す側面図である。

　（油圧ショベルＣＭの全体構成）　以下、実施形態に係る作業車両の一例として油圧ショベルＣＭの構成について図面を参照しながら説明する。以下の説明では、グローバル座標系及びローカル座標系それぞれを参照しながら各構成の位置関係について説明する。

　グローバル座標系は、作業エリアに位置し、地球に固定された原点Ｐｇ（図４参照）を基準とする座標系である。グローバル座標系は、ＸｇＹｇＺｇ直交座標系によって規定される。Ｘｇ軸方向は水平面内の一方向であり、Ｙｇ軸方向は水平面内においてＸｇ軸方向と直交する方向であり、Ｚｇ軸方向はＸｇ軸方向及びＹｇ軸方向それぞれと直交する方向である。従って、Ｘｇ軸はＹｇＺｇ平面と直交し、Ｙｇ軸はＸｇＺｇ平面と直交し、Ｚｇ軸はＸｇＹｇ平面と直交する。ＸｇＹｇ平面は水平面と平行であり、Ｚｇ軸方向は鉛直方向である。また、Ｘｇ軸、Ｙｇ軸、及びＺｇ軸まわりの回動方向それぞれは、θＸｇ、θＹｇ及びθＺｇ方向である。

　ローカル座標系は、油圧ショベルＣＭの車両本体１に固定された原点Ｐ０（図４参照）を基準とする座標系である。ローカル座標系の基準位置である原点Ｐ０は、旋回体３の旋回中心ＡＸに位置する。ローカル座標系は、ＸＹＺ直交座標系によって規定される。Ｘ軸方向は所定の平面内の一方向であり、Ｙ軸方向は所定の平面内においてＸ軸方向と直交する方向であり、Ｚ軸方向はＸ軸方向及びＹ軸方向それぞれと直交する方向である。Ｘ軸はＹＺ平面と直交し、Ｙ軸はＸＺ平面と直交し、Ｚ軸はＸＹ平面と直交する。また、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸まわりの回動方向それぞれは、θｘ、θｙ、及びθｚ方向である。

　図１は、油圧ショベルＣＭの全体構成を示す斜視図である。油圧ショベルＣＭは、車両本体１と作業機２を備える。油圧ショベルＣＭには、掘削制御を実行する制御システム２００が搭載されている。

　以下の説明において、「前」「後」「左」「右」とは、車両本体１からみて作業機２の取付位置を前方向としたときの位置関係で定義される。前後方向は、Ｘ軸方向であり、左右方向は、Ｙ軸方向である。左右方向は、車両の幅方向（以下、「車幅方向」という。）に一致する。

　車両本体１は、旋回体３、運転室４及び走行装置５を有する。旋回体３は、走行装置５上に配置される。走行装置５は、旋回体３を支持する。旋回体３は、旋回軸ＡＸを中心に旋回可能である。運転室４には、オペレータが着座する運転席４Ｓが設けられる。オペレータは、運転室４において油圧ショベルＣＭを操作する。走行装置５は、一対の履帯５Ｃｒを有する。一対の履帯５Ｃｒの回転により、油圧ショベルＣＭは走行する。

　旋回体３は、エンジンや油圧ポンプなどが収容されるエンジンルーム９と、旋回体３の後部に設けられるカウンタウェイトとを有する。旋回体３には、エンジンルーム９の前方に手すり２２が設けられる。

　作業機２は、旋回体３に接続される。作業機２は、ブーム６、アーム７、バケット８、ブームシリンダ１０、アームシリンダ１１、バケットシリンダ１２及びチルトシリンダ３０を有する。

　ブーム６は、ブームピン１３を介して旋回体３に接続される。アーム７は、アームピン１４を介してブーム６に接続される。バケット８は、バケットピン１５及びチルトピン８０を介してアーム７に接続される。ブームシリンダ１０は、ブーム６を駆動する。アームシリンダ１１は、アーム７を駆動する。バケットシリンダ１２及びチルトシリンダ３０は、バケット８を駆動する。ブーム６の基端部は、旋回体３に接続される。ブーム６の先端部は、アーム７の基端部に接続される。アーム７の先端部は、バケット８の基端部に接続される。ブームシリンダ１０、アームシリンダ１１、バケットシリンダ１２及びチルトシリンダ３０それぞれは、作動油によって駆動される油圧シリンダである。

　作業機２は、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及び第４ストロークセンサ１９を有する。第１ストロークセンサ１６は、ブームシリンダ１０に配置され、ブームシリンダ１０のストローク長さ（以下、「ブームシリンダ長」という。）を検出する。第２ストロークセンサ１７は、アームシリンダ１１に配置され、アームシリンダ１１のストローク長さ（以下、「アームシリンダ長」という。）を検出する。第３ストロークセンサ１８は、バケットシリンダ１２に配置され、バケットシリンダ１２のストローク長さ（以下、「バケットシリンダ長」という。）を検出する。第４ストロークセンサ１９は、チルトシリンダ３０に配置され、チルトシリンダ３０のストローク長さ（以下、「チルトシリンダ長」という。）を検出する。

　第４ストロークセンサ１９は、本実施形態に係る「ストローク長検出部」の一例である。バケット８、チルトシリンダ３０及び第４ストロークセンサ１９は、本実施形態に係る「バケット装置」を構成する。

　ブーム６は、回動軸であるブーム軸Ｊ１を中心に旋回体３に対して回動可能である。アーム７は、ブーム軸Ｊ１と平行な回動軸であるアーム軸Ｊ２を中心にブーム６に対して回動可能である。バケット８は、ブーム軸Ｊ１及びアーム軸Ｊ２と平行な回動軸であるバケット軸Ｊ３を中心にアーム７に対して回動可能である。バケット８は、バケット軸Ｊ３と直交する回動軸であるチルト軸Ｊ４を中心にアーム７に対して回動可能である。ブームピン１３は、ブーム軸Ｊ１を有する。アームピン１４は、アーム軸Ｊ２を有する。バケットピン１５は、バケット軸Ｊ３を有する。チルトピン８０は、チルト軸Ｊ４を有する。

　ブーム軸Ｊ１、アーム軸Ｊ２、及びバケット軸Ｊ３それぞれは、Ｙ軸と平行である。チルト軸Ｊ４は、Ｙ軸と垂直である。ブーム６、アーム７及びバケット８それぞれは、θｙ方向に回動可能である。

　（バケット８の構成）
　次に、バケット８の構成について説明する。図２は、チルト軸Ｊ４に垂直な径方向から見たチルトシリンダ３０及びバケット８周辺の構成を示す側断面図である。図３は、チルト軸Ｊ４に平行な軸方向から見たチルトシリンダ３０及びバケット８周辺の構成を示す正面図である。

　図２では、基準位置に配置されたバケット８が図示されている。図３では、基準位置に配置されたバケット８が実線で図示され、左右のチルトエンド位置までチルトしたバケット８が破線で図示されている。バケット８の基準位置とは、チルト軸Ｊ４が水平面に含まれると想定したときにバケット８の上辺または下辺が水平面と平行となる状態でのバケット８の位置を言う。バケット８の基準位置では、バケット８のチルト角度が「０度」となる。チルトエンド位置とは、バケット８が最大チルト角度までチルトしたときのバケット８の位置を意味する。

　バケット８は、チルト式バケットである。作業機２は、バケット軸Ｊ３及びバケット軸Ｊ３と直交するチルト軸Ｊ４それぞれを中心にアーム７に対して回動可能なバケット８を有する。バケット８は、バケットピン１５のバケット軸Ｊ３を中心として回動可能にアーム７に支持されている。バケット８は、チルトピン８０のチルト軸Ｊ４を中心として回動可能にアーム７に支持される。

　バケット８は、接続部材９０を介して、アーム７の先端部に接続される。バケットピン１５は、アーム７と接続部材９０とを連結する。チルトピン８０は、接続部材９０とバケット８とを連結する。バケット８は、接続部材９０を介して、アーム７に回動可能に接続される。

　バケット８は、底板８１、背板８２、上板８３、側板８４及び側板８５を有する。底板８１、上板８３、側板８４及び側板８５によって、バケット８の開口部８６が形成される。

　バケット８は、上板８３の上部に設けられたブラケット８７を有する。ブラケット８７は、接続部材９０とチルトピン８０に連結される。

　接続部材９０は、プレート部材９１とブラケット９２，９３を有する。ブラケット９２は、プレート部材９１の上面に設けられる。ブラケット９３は、プレート部材９１の下面に設けられる。ブラケット９２は、アーム７と後述する第２リンク部材９５に連結される。ブラケット９３は、ブラケット８７の上部に設置され、チルトピン８０とブラケット８７に連結される。

　バケットピン１５は、接続部材９０のブラケット９２とアーム７の先端部とに連結される。チルトピン８０は、接続部材９０のブラケット９３とバケット８のブラケット８７とに連結される。これにより、アーム７に対して接続部材９０及びバケット８がバケット軸Ｊ３を中心に回動可能となり、接続部材９０に対してバケット８がチルト軸Ｊ４を中心に回動可能となっている。

　作業機２は、第１リンク部材９４と第２リンク部材９５とを有する。第１リンク部材９４は、第１リンクピン９４Ｐを介して、アーム７に回動可能に接続される。第２リンク部材９５は、第２リンクピン９５Ｐを介して、ブラケット９２に回動可能に接続される。

　第１リンク部材９４の基端部が第１リンクピン９４Ｐを介してアーム７に接続される。第２リンク部材９５の基端部が第２リンクピン９５Ｐを介してブラケット９２に接続される。第１リンク部材９４の先端部と第２リンク部材９５の先端部とは、バケットシリンダトップピン９６を介して連結される。

　バケットシリンダ１２の先端部は、バケットシリンダトップピン９６を介して、第１リンク部材９４の先端部と第２リンク部材９５の先端部とに回動可能に接続される。接続部材９０は、バケットシリンダ１２の伸縮によってバケット８とともにバケット軸Ｊ３を中心として回動する。チルトピン８０のチルト軸Ｊ４は、バケット軸Ｊ３を中心とするバケット８の回動によってバケット８とともにバケット軸Ｊ３を中心にして回動する。

　チルトシリンダ３０は、図３に示すように、バケット８と接続部材９０とに連結される。チルトシリンダ３０の第１端部３０Ａは、バケット８に設けられたブラケット８８に回動可能に連結される。第１端部３０Ａは、第１シリンダ回動軸Ｊ５を中心として回動可能である。第１端部３０Ａは、チルトシリンダ３０のうちシリンダ本体の先端部である。ブラケット８８は、車幅方向においてチルト軸Ｊ４から離れた位置に配置される。ブラケット８８は、車幅方向におけるバケット８の上端部に配置されている。チルトシリンダ３０の第２端部３０Ｂは、接続部材９０に設けられたブラケット９７に回動可能に接続される。第２端部３０Ｂは、第２シリンダ回動軸Ｊ６を中心として回動可能である。ブラケット９７は、プレート部材９１の下面に設けられる。ブラケット９７は、正面視において略三角形状に形成される。

　ここで、チルトシリンダ３０の第１端部３０Ａは、バケット８が基準位置に配置されているとき、チルト軸Ｊ４とバケット８の間に位置する。すなわち、第１端部３０Ａは、チルト軸Ｊ４を通る水平面（ＸｇＹｇ平面）を基準としてバケット８と同じ側に位置している。第１端部３０Ａは、車幅方向においてチルト軸Ｊ４から離れている。

　また、チルトシリンダ３０の第２端部３０Ｂは、バケット８が基準位置に配置されているとき、チルト軸Ｊ４とバケット８の間に位置する。すなわち、第２端部３０Ｂは、チルト軸Ｊ４を通る水平面を基準としてバケット８と同じ側に位置している。第２端部３０Ｂは、車幅方向においてチルト軸Ｊ４から離れている。そのため、水平方向において、第１端部３０Ａと第２端部３０Ｂとの間隔Ｄ１は、第１端部３０Ａとチルト軸Ｊ４の間隔Ｄ２よりも大きい。これによって、間隔Ｄ１が間隔Ｄ２よりも小さい場合に比べて、バケット８の単位チルト角度当たりにおけるチルトシリンダ３０のストローク長さを長くすることができる。

　（油圧ショベルＣＭの姿勢）
　図４は、油圧ショベルＣＭを模式的に示す側面図である。図５は、油圧ショベルＣＭを模式的に示す背面図である。図６は、油圧ショベルＣＭを模式的に示す平面図である。

　以下の説明では、ブーム軸Ｊ１とアーム軸Ｊ２との距離をブーム長さＬ１とし、アーム軸Ｊ２とバケット軸Ｊ３との距離をアーム長さＬ２とし、バケット軸Ｊ３とバケット８の先端部８ａとの距離をバケット長さＬ３とする。バケット８の先端部８ａは、バケット８の刃先である。

　油圧ショベルＣＭは、位置検出装置２０を備える。位置検出装置２０は、車両本体１の現在位置を示す車両本体位置データＰと、車両本体１の姿勢を示す車両本体姿勢データＱとを検出する。車両本体位置データＰは、グローバル座標系における車両本体１の現在位置（Ｘｇ位置、Ｙｇ位置及びＺｇ位置）を示す情報を含む。車両本体姿勢データＱは、θＸｇ方向、θＹｇ方向及びθＺｇ方向に関する旋回体３の位置情報を含む。

　車両本体姿勢データＱは、水平面（ＸｇＹｇ平面）に対する旋回体３の左右方向における傾斜角度（ロール角）θ１と、水平面に対する旋回体３の前後方向における傾斜角度（ピッチ角）θ２と、グローバル座標の基準方位（例えば北）と旋回体３（作業機２）が向いている方位とがなす角度（ヨー角）θ３とを含む。

　位置検出装置２０は、アンテナ２１、位置センサ２３及び傾斜センサ２４を有する。アンテナ２１は、車両本体１の現在位置を検出するためのアンテナである。アンテナ２１は、ＧＮＳＳ（Global　Navigation　Satellite　Systems：全地球航法衛星システム）用のアンテナである。アンテナ２１は、受信した電波（ＧＮＳＳ電波）に応じた信号を位置センサ２３に出力する。

　位置センサ２３は、３次元位置センサ及びグローバル座標演算部を含む。位置センサ２３は、グローバル座標系におけるアンテナ２１の設置位置Ｐｒを検出する。グローバル座標演算部は、グローバル座標系におけるアンテナ２１の設置位置Ｐｒに基づき、車両本体１の現在位置を示す車両本体位置データＰを算出する。グローバル座標系は、作業エリアに設置された基準位置Ｐｇを基準とする３次元座標系である。図４に示すように、基準位置Ｐｇは、作業エリアに設定された基準杭の先端位置である。

　傾斜センサ２４は、旋回体３に設けられる。傾斜センサ２４は、ＩＭＵ（Inertial　Measurement　Unit）を有する。位置検出装置２０は、傾斜センサ２４を使って、ロール角θ１及びピッチ角θ２を含む車両本体姿勢データＱを取得する。

　図７は、バケット８を模式的に示す側面図である。図８は、バケット８を模式的に示す正面図である。

　以下の説明では、バケット軸Ｊ３とチルト軸Ｊ４の距離をチルト長さＬ４とし、側板８４と側板８５との距離をバケット８の幅Ｌ５とする。

　チルト角度δは、チルト軸を中心とするバケットの回転角度であり、ローカル座標系におけるＸＹ平面に対するバケット８の傾斜角度である。チルト角度δの取得方法については後述する。チルト軸角度εは、ローカル座標系におけるＸＹ平面に対するチルト軸Ｊ４の傾斜角度である。グローバル座標系の水平面に対するチルト軸Ｊ４の傾斜角度（チルト軸絶対角）は、後述するセンサコントローラ３２によって算出される。

　（制御システム２００の構成）
　図９は、油圧ショベルＣＭに搭載される制御システム２００の機能構成を示すブロック図である。

　制御システム２００は、位置検出装置２０、操作装置２５、作業機コントローラ２６、圧力センサ６６、制御弁２７、方向制御弁６４、表示コントローラ２８、表示部２９、入力部３６及びセンサコントローラ３２を備える。

　入力部３６は、オペレータによる入力操作を受け付ける。入力部３６としては、表示部２９上のタッチパネルなどが挙げられる。入力部３６は、オペレータの入力操作に基づく操作信号を生成して表示コントローラ２８に出力する。

　操作装置２５は、運転室４に配置される。操作装置２５は、オペレータによって操作される。操作装置２５は、作業機２を駆動するオペレータ操作を受け付ける。操作装置２５は、パイロット油圧方式の操作装置である。操作装置２５は、第１操作レバー２５Ｒと、第２操作レバー２５Ｌと、第３操作レバー２５Ｐとを有する。

　第１操作レバー２５Ｒは、例えば運転席４Ｓの右側に配置される。第２操作レバー２５Ｌは、例えば運転席４Ｓの左側に配置される。第３操作レバー２５Ｐは、例えば第１操作レバー２５Ｒに配置される。なお、第３操作レバー２５Ｐは、第２操作レバー２５Ｌに配置されてもよい。第１操作レバー２５Ｒ及び第２操作レバー２５Ｌでは、前後左右の動作が２軸の動作に対応している。

　第１操作レバー２５Ｒにより、ブーム６及びバケット８が操作される。第１操作レバー２５Ｒの前後方向の操作は、ブーム６の操作に対応し、前後方向の操作に応じてブーム６の下げ動作及び上げ動作が実行される。第１操作レバー２５Ｒの左右方向の操作は、バケット８の操作に対応し、左右方向の操作に応じてバケット８の掘削動作及び開放動作が実行される。第１操作レバー２５Ｒの左右方向の操作により、バケット軸Ｊ３を中心とするバケット８の回動が操作される。

　第２操作レバー２５Ｌにより、アーム７及び旋回体３が操作される。第２操作レバー２５Ｌの前後方向の操作は、アーム７の操作に対応し、前後方向の操作に応じてアーム７の開放動作及び掘削動作が実行される。第２操作レバー２５Ｌの左右方向の操作は、旋回体３の旋回に対応し、左右方向の操作に応じて旋回体３の右旋回動作及び左旋回動作が実行される。

　第３操作レバー２５Ｐにより、チルト軸Ｊ４を中心とするバケット８のチルト動作が操作される。

　操作装置２５の操作量に応じてパイロット油圧ライン４５０のパイロット油圧が調整され、これによって方向制御弁６４が駆動される。方向制御弁６４は、各油圧シリンダ（ブームシリンダ１０、アームシリンダ１１、バケットシリンダ１２、及びチルトシリンダ３０）に供給される作動油量を調整する。パイロット油圧ライン４５０には、パイロット油圧を検出する圧力センサ６６が配置される。圧力センサ６６の検出結果は、作業機コントローラ２６に出力される。制御弁２７は、電磁比例制御弁である。制御弁２７は、作業機コントローラ２６からの制御信号に基づいてパイロット油圧を調整する。

　センサコントローラ３２は、作業機角度演算部２８１Ａ、バケット情報演算部２８２Ａ及びチルト軸角度演算部２８３Ａを有する。

　作業機角度演算部２８１Ａは、第１ストロークセンサ１６の検出結果に基づいて取得されるブームシリンダ長から、車両本体１の垂直方向に対するブーム６の回動角度αを算出する。作業機角度演算部２８１Ａは、第２ストロークセンサ１７の検出結果に基づいて取得されるアームシリンダ長から、ブーム６に対するアーム７の回動角度βを算出する。作業機角度演算部２８１Ａは、第３ストロークセンサ１８の検出結果に基づいて取得されるバケットシリンダ長から、アーム７に対するバケット８の回動角度γを算出する。

　バケット情報演算部２８２Ａは、第４ストロークセンサ１９の検出結果に基づいて取得されるチルトシリンダ長から、ローカル座標系におけるＸＹ平面に対するバケット８のチルト角度δを算出する。

　ここで、図１０及び図１１は、バケット情報演算部２８２Ａによるチルト角度δの算出手法を説明するための模式図である。図１０では基準位置のバケット８が図示されており、図１１ではチルトされたバケット８が図示されている。

　バケット情報演算部２８２Ａは、チルトシリンダ３０の第１端部３０Ａとチルト軸Ｊ４を結ぶ第１線分ａの長さＭ１と、チルトシリンダ３０の第２端部３０Ｂとチルト軸Ｊ４を結ぶ第２線分ｂの長さＭ２とを記憶している。第１線分ａの長さＭ１は、第１シリンダ回動軸Ｊ５とチルト軸Ｊ４との直線距離である。第２線分ｂの長さＭ２は、第２シリンダ回動軸Ｊ６とチルト軸Ｊ４との直線距離である。また、バケット情報演算部２８２Ａは、バケット８が基準位置に配置されているときに、第１線分ａと第２線分ｂとが成す基準角度ω’（図１０参照）を記憶している。

　バケット情報演算部２８２Ａは、第４ストロークセンサ１９の検出結果に基づいてチルトシリンダ長を算出する。バケット情報演算部２８２Ａは、余弦定理を用いて、第１線分ａの長さＭ１、第２線分ｂの長さＭ２及びチルトシリンダ長から傾斜角度ω（図１１参照）を算出する。バケット情報演算部２８２Ａは、傾斜角度ωと基準角度ω’との差分値をチルト角度δとして取得する。図１０に示すようにバケット８が基準位置に配置されている場合には、傾斜角度ωと基準角度ω’とが一致するため、チルト角度は「０度」である。

　バケット情報演算部２８２Ａは、作業機角度演算部２８１Ａで算出された回動角度α～γと、傾斜センサ２４で取得される車両本体姿勢データＱと、チルト角度δとに基づいて、作業機２の動作平面におけるバケット８の外形及び位置を示すバケットデータＲを生成する。

　チルト軸角度演算部２８３Ａは、回動角度α～γと車両本体姿勢データＱとに基づいて水平面に対するチルト軸Ｊ４の角度（チルト軸絶対角）を算出する。具体的に、チルト軸角度演算部２８３Ａは、回動角度α～γに基づいてローカル座標系におけるチルト軸Ｊ４の角度（チルト軸角度ε）を算出し、チルト軸角度εと車両本体姿勢データＱとに基づいてグローバル座標系におけるチルト軸絶対角を算出する。

　センサコントローラ３２は、回動角度α～γ、チルト軸角度ε、チルト軸絶対角及びバケットデータＲを表示コントローラ２８及び作業機コントローラ２６それぞれに出力する。

　表示コントローラ２８は、位置検出装置２０から車両本体位置データＰと車両本体姿勢データＱを取得する。表示コントローラ２８は、センサコントローラ３２からバケットデータＲを取得する。表示コントローラ２８は、目標設計地形取得部２８３Ｃと目標設計地形演算部２８４Ａを有する。

　目標設計地形取得部２８３Ｃは、掘削対象の３次元の目標形状である立体設計地形を示す目標施工情報（３次元設計地形データＳ）を記憶している。３次元設計地形データＳは、目標設計地形データＴを生成するために必要とされる目標設計地形の座標データ及び角度データを含む。ただし、３次元設計地形データＳは、例えば無線通信装置を介して表示コントローラ２８に入力されてもよいし、外部メモリなどから表示コントローラ２８に入力されてもよい。

　目標設計地形演算部２８４Ａは、車両本体位置データＰ、車両本体姿勢データＱ、バケットデータＲ及び３次元設計地形データＳに基づいて、作業機２の動作平面における掘削対象の２次元の目標形状である目標設計地形を示す目標設計地形データＴを生成する。

　表示コントローラ２８は、目標設計地形データＴを作業機コントローラ２６に出力する。表示コントローラ２８は、目標設計地形演算部２８４Ａで生成した目標設計地形データＴに基づいて、表示部２９に目標設計地形を表示させる。また、表示コントローラ２８は、バケットデータＲに基づいて、目標設計地形に対する油圧ショベルＣＭの姿勢を表示部２９に表示させる。表示コントローラ２８は、バケットデータＲが更新されるたびに、表示部２９に表示される油圧ショベルＣＭの姿勢を更新する。表示コントローラ２８で生成される油圧ショベルＣＭの姿勢には、バケットの姿勢、作業機の姿勢、および車両本体の姿勢が含まれる。

　なお、表示コントローラ２８は、車両本体位置データＰ、車両本体姿勢データＱ及びバケットデータＲに基づいて、グローバル座標系で見たときのローカル座標の位置を算出可能である。表示コントローラ２８は、作業機コントローラ２６に出力する目標設計地形データＴをローカル座標に変換するが、それ以外の演算はグローバル座標系で行う。

　表示部２９は、例えばモニタである。表示部２９には、目標設計地形とそれに対する油圧ショベルＣＭの姿勢などが表示される。表示部２９は、情報化施工用のガイダンスモニタとしてのＨＭＩ（Human　Machine　Interface）モニタを含む。

　ここで、図１２は、表示コントローラ２８による表示部２９の表示例を示す図である。図１２に示すように、表示コントローラ２８は、斜視領域２９１、側面視領域２９２及びバケット姿勢表示領域２９３を表示部２９に表示する。表示コントローラ２８は、目標設計地形上の油圧ショベルＣＭを斜視領域２９１に表示する。表示コントローラ２８は、作業機２の動作平面と目標設計地形との交線２９４に対向する油圧ショベルＣＭを側面視領域２９２に表示する。表示コントローラ２８は、交線２９４に対向するバケット８の姿勢と、刃先線２９５と、矢印２９６とをバケット姿勢表示領域２９３に表示する。刃先線２９５は、バケット８の刃先８ａを模式的に示している。矢印２９６は、バケット８のうち交線２９４に最も近い部位を模式的に示している。

　表示コントローラ２８は、チルト角度δが更新されるたびに、バケット姿勢表示領域２９３におけるバケット８の姿勢を変更する。この際、表示コントローラ２８は、バケット８の姿勢に整合するようにバケット８の外形を変更してもよい。表示コントローラ２８は、バケット８が交線２９４に正対すると、交線２９４と正対コンパス２９７の色を変更する。正対コンパス２９７は、目標設計地形に対するバケット８の刃先８ａの角度を表示する。

　作業機コントローラ２６は、作業機制御部２６Ａと記憶部２６Ｃとを有する。作業機制御部２６Ａは、表示コントローラ２８から取得する目標設計地形データＴとバケットデータＲに基づいて、制御弁２７への制御指令を生成することによって作業機２の動作を制御する。作業機制御部２６Ａは、例えば、作業機２の動作の少なくとも一部を自動で制御する制限掘削制御を実行する。具体的に、作業機制御部２６Ａは、目標設計地形とバケット８の距離に応じて制限速度を決定し、作業機２が目標設計地形に接近する方向の速度が制限速度以下になるように作業機２を制御する。これによって、目標設計地形に対するバケット８の位置が制御されて、目標設計地形へのバケット８の侵入が抑制される。なお、作業機制御部２６Ａは、目標設計地形に沿ってバケット８を移動させる整地作業の一部を自動で制御してもよい。

　記憶部２６Ｃには、作業機制御部２６Ａが作業機の動作を制御するために必要な各種プログラムおよびデータが格納されている。

　（チルト角度δの取得方法）
　制御システム２００によるチルト角度δの取得方法について、図面を参照しながら説明する。図１３は、チルト角度δの取得方法を説明するためのフロー図である。

　ステップＳ１において、バケット情報演算部２８２Ａは、第４ストロークセンサ１９の検出結果に基づいて、チルトシリンダ３０のチルトシリンダ長を算出する。

　ステップＳ２において、バケット情報演算部２８２Ａは、余弦定理を用いて、第１線分ａの長さＭ１、第２線分ｂの長さＭ２及びチルトシリンダ長から傾斜角度ω（図１１参照）を算出する。

　ステップＳ３において、バケット情報演算部２８２Ａは、傾斜角度ωと基準角度ω’（図１０参照）との差分値をチルト角度δとして取得する。

　（特徴）
　（１）油圧ショベルＣＭ（作業車両の一例）は、バケット８と、チルトシリンダ３０と、第４ストロークセンサ１９（ストローク長検出部の一例）と、バケット情報演算部２８２Ａとを備える。バケット８は、チルト軸Ｊ４を中心として回動可能である。チルトシリンダ３０は、チルト軸Ｊ４を中心としてバケット８を回動させる。第４ストロークセンサ１９は、チルトシリンダ３０のストローク長さを検出する。バケット情報演算部２８２Ａは、第４ストロークセンサ１９によって検出されるストローク長さに基づいて、バケット８のチルト角度δを検出する。チルト角度δは、チルト軸Ｊ４に平行な軸方向からチルトシリンダ３０を見たときに、チルトシリンダ３０の第１端部３０Ａとチルト軸Ｊ４を結ぶ第１線分ａと、チルトシリンダ３０の第２端部３０Ｂとチルト軸Ｊ４を結ぶ第２線分ｂとが成す傾斜角度ωと所定の基準角度ω’との差分である。

　このように、バケット情報演算部２８２Ａは、第４ストロークセンサ１９によって検出されたチルトシリンダ３０のストローク長さを用いて余弦定理からバケット８のチルト角度δを取得できる。従って、油圧ショベルＣＭの姿勢に関わらずチルト角度δを精度良く取得することができる。

　（２）バケット情報演算部２８２Ａは、チルト角度δに基づいてバケット８の位置を検出する。従って、バケット８の位置を精度良く特定することができる。

　（３）油圧ショベルＣＭの表示コントローラ２８は、チルト角度δに基づいてバケット８を表示部２９に表示させる。従って、表示部２９においてバケット８の姿勢を精度良く表示することができる。

　（４）チルトシリンダ３０の第１端部３０Ａは、バケット８に連結される。チルトシリンダ３０の第２端部３０Ｂは、チルト軸Ｊ４の軸方向からチルトシリンダ３０を見たときに、チルト軸Ｊ４とバケット８の間に位置する。水平方向において、第１端部３０Ａと第２端部３０Ｂとの間隔Ｄ１は、第１端部３０Ａとチルト軸Ｊ４との間隔Ｄ２よりも大きい。従って、間隔Ｄ１が間隔Ｄ２よりも小さい場合に比べて、バケット８の単位チルト角度当たりにおけるチルトシリンダ３０のストローク長さを長くすることができる。そのため、傾斜角度ωを精度良く算出できるので、チルト角度δをより精度良く取得することができる。

　（他の実施形態）
　以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

　上記実施形態において、チルトシリンダ３０の第２端部３０Ｂは、図１０に示すようにチルト軸Ｊ４とバケット８の間に位置することとしたが、図１４に示すようにチルト軸Ｊ４を通る水平面（ＸｇＹｇ平面）を基準としてバケット８の反対側に位置していてもよい。この場合、水平方向において、第１端部３０Ａと第２端部３０Ｂとの間隔Ｄ３は、第１端部３０Ａとチルト軸Ｊ４との間隔Ｄ２よりも小さくてもよいし、第１端部３０Ａとチルト軸Ｊ４との間隔Ｄ２以上であってもよい。間隔Ｄ２は、第１端部３０Ａとチルト軸Ｊ４とを結ぶ第１線分ａの水平成分（水平方向における長さ）である。

　上記実施形態において、第１端部３０Ａと第２端部３０Ｂとの間隔Ｄ１は、図１１に示すように第１端部３０Ａとチルト軸Ｊ４の間隔Ｄ２よりも大きいこととしたが、間隔Ｄ２と同じであってもよいし、間隔Ｄ２より小さくてもよい

　上記実施形態において、バケット情報演算部２８２Ａは、第４ストロークセンサ１９の検出結果に基づくチルトシリンダ長さを用いて余弦定理からバケット８のチルト角度δを算出することとしたが、チルトシリンダ長さとチルト角度δとを対応付けた表を参照してチルト角度δを取得してもよい。この場合、余弦定理を用いてチルト角度δを算出する必要がないため、バケット情報演算部２８２Ａにおける演算処理を軽減することができる。

　上記実施形態において、ブーム６の回動角度α、アーム７の回動角度β、及びバケット８の回動角度γは、ストロークセンサによって検出されることとしたが、例えばロータリーエンコーダのような角度検出器で検出されてもよい。

　上記の実施形態では、作業車両として油圧ショベルＣＭを例に挙げて説明したが、ブルドーザ、ホイールローダ等の作業車両にも適用可能である。

　本発明によれば、チルト角度を精度良く取得可能であるため、作業車両分野において有用である。

１　車両本体
２　作業機
６　ブーム
７　アーム
８　バケット
１０　ブームシリンダ
１１　アームシリンダ
１２　バケットシリンダ
１６～１８　第１～第３ストロークセンサ
２６　作業機コントローラ
２６Ａ　作業機制御部
２６Ｂ　制限掘削制御受付禁止部
２８　表示コントローラ
２９　表示部
３０　チルトシリンダ
３２　センサコントローラ
３６　入力部
７０　チルト角度センサ

Claims

　チルト軸を中心として回動可能なバケットと、
　前記チルト軸を中心として前記バケットを回動させるチルトシリンダと、
　前記チルトシリンダのストローク長さを検出するストローク長検出部と、
　前記ストローク長検出部によって検出される前記ストローク長さに基づいて、前記バケットのチルト角度を取得するバケット情報演算部と、
を備える作業車両。
　前記バケット情報演算部は、前記チルト軸の軸方向から前記チルトシリンダを見たときに、前記チルトシリンダの第１端部と前記チルト軸を結ぶ第１線分と、前記チルトシリンダの第２端部と前記チルト軸を結ぶ第２線分とが成す角度を算出し、前記成す角度を用いて前記チルト角度を算出する、
請求項１に記載の作業車両。
　前記バケット情報演算部は、前記成す角度と前記バケットの基準位置における基準角度との差分を前記チルト角度として算出する、
請求項２に記載の作業車両。
　前記バケット情報演算部は、前記チルト角度に基づいて前記バケットの位置を特定する、
請求項１乃至３のいずれかに記載の作業車両。
　前記バケットを表示する表示部と、
　前記チルト角度に基づいて、前記バケットを前記表示部に表示させる表示コントローラと、
を備える請求項１乃至４のいずれかに記載の作業車両。
　前記チルトシリンダの前記第１端部は、前記バケットに連結されており、
　前記チルトシリンダの前記第２端部は、前記軸方向から前記チルトシリンダを見たときに、前記チルト軸と前記バケットの間に位置し、
　水平方向において、前記第１端部と前記第２端部の間隔は、前記第１線分以上である、
請求項１乃至５のいずれかに記載の作業車両。
　前記チルトシリンダの前記第１端部は、前記バケットに連結されており、
　前記チルトシリンダの前記第２端部は、前記軸方向から前記チルトシリンダを見たときに、前記チルト軸を通る水平面を基準として前記バケットの反対側に位置する、
請求項１乃至５のいずれかに記載の作業車両。
　チルト軸を中心として回動可能なバケットと、
　前記チルト軸を中心として前記バケットを回動させるチルトシリンダと、
　前記チルトシリンダのストローク長さを検出するストローク長検出部と、
を備えるバケット装置。
　チルト軸を中心としてバケットを回動させるチルトシリンダのストローク長さを検出する工程と、
　前記ストローク長さに基づいて、前記バケットのチルト角度を取得する工程と、
を有するチルト角度の取得方法。