WO2023157744A1 - 情報取得システムおよび情報取得方法 - Google Patents
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- WO2023157744A1 WO2023157744A1 PCT/JP2023/004283 JP2023004283W WO2023157744A1 WO 2023157744 A1 WO2023157744 A1 WO 2023157744A1 JP 2023004283 W JP2023004283 W JP 2023004283W WO 2023157744 A1 WO2023157744 A1 WO 2023157744A1
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- bucket
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- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
- E02F—DREDGING; SOIL-SHIFTING
- E02F9/00—Component parts of dredgers or soil-shifting machines, not restricted to one of the kinds covered by groups E02F3/00 - E02F7/00
- E02F9/26—Indicating devices
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C15/00—Surveying instruments or accessories not provided for in groups G01C1/00 - G01C13/00
Definitions
- the present disclosure relates to an information acquisition system and an information acquisition method for acquiring information about working machines.
- Information-aided construction is the use of information and communication technology (ICT) in the construction and civil engineering business to achieve highly efficient and highly accurate construction.
- ICT information and communication technology
- GNSS Global Navigation Satellite Systems
- Machine guidance techniques have been proposed to provide differential information to a work machine cab monitor.
- a hydraulic excavator is one of the work machines.
- a hydraulic excavator may include a working machine that includes a boom, an arm, and a bucket.
- the boom, arm and bucket may in turn be pivotally supported by pins.
- Non-Patent Document 1 describes measuring the dimensions between pins and bucket dimensions of each movable part such as arm dimensions of an ICT hydraulic excavator.
- This disclosure proposes an information acquisition system and an information acquisition method that can more accurately acquire information on work machines for information-aided construction through simple work.
- the information acquisition system includes a work machine, a target section, a position measurement section, and an information acquisition section.
- the work machine has a base portion and a movable portion that is relatively movable with respect to the base portion.
- the target part is attached to the movable part.
- the position measuring section discretely measures the position of the target section that moves along with the relative movement of the movable section with respect to the base section, a plurality of times.
- the information acquisition unit acquires information about the working machine from the measurement result of the position of the target unit.
- an information acquisition method for acquiring information about work machines is proposed.
- the work machine has a base portion and a movable portion that is relatively movable with respect to the base portion.
- a target portion is attached to the movable portion of the work machine.
- the information acquisition method includes the following processes.
- the first process is to move the movable portion relative to the base portion.
- the second process is to discretely measure the position of the target portion that moves along with the relative movement of the movable portion with respect to the base portion, a plurality of times.
- a third process is to acquire information about the working machine from the measurement result of the position of the target portion.
- FIG. 1 is an external view of a hydraulic excavator;
- FIG. 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of an information acquisition system based on an embodiment;
- FIG. 1 is a block diagram showing a functional configuration of an information acquisition system;
- FIG. 4 is a flow diagram showing a flow of processing for acquiring information about a hydraulic excavator;
- FIG. 5 is a schematic side view showing the operation of the bucket when deriving the bucket dimensions.
- FIG. 10 is a schematic side view showing the motion of the arm when deriving the arm dimensions;
- FIG. 4 is a schematic side view showing the operation of the boom when deriving the boom dimensions;
- FIG. 11 is a schematic side view showing the operation of the bucket when deriving the bucket dimension in the second embodiment;
- FIG. 11 is a schematic diagram showing derivation of bucket dimensions in the second embodiment;
- FIG. 1 is an external view of a hydraulic excavator 100 as an example of a working machine from which information is acquired by an information acquisition system and an information acquisition method according to an embodiment.
- a hydraulic excavator 100 will be described as an example of a working machine.
- the hydraulic excavator 100 has a main body 1 and a work machine 2 that operates hydraulically.
- the main body 1 has a revolving body 3 and a traveling body 5 .
- the traveling body 5 has a pair of crawler belts 5Cr and a traveling motor 5M.
- the traveling motor 5M is provided as a drive source for the traveling body 5.
- the traveling motor 5M is a hydraulic motor operated by hydraulic pressure.
- the traveling body 5 is in contact with the ground.
- the traveling body 5 can travel on the ground by rotating the crawler belt 5Cr.
- the traveling body 5 may have wheels (tires) instead of the crawler belts 5Cr.
- the revolving body 3 is arranged on the running body 5 and supported by the running body 5 .
- the revolving body 3 is relatively movable with respect to the traveling body 5 .
- the revolving body 3 is mounted on the running body 5 so as to be able to revolve with respect to the running body 5 about the revolving axis RX.
- the revolving body 3 is mounted on the traveling body 5 via a revolving circle portion.
- the turning circle portion is arranged substantially in the center of the main body 1 in plan view.
- the turning circle portion has an annular general shape, and has internal teeth for turning on its inner peripheral surface.
- a pinion that meshes with the internal teeth is attached to a turning motor (not shown).
- the revolving body 3 can rotate relative to the traveling body 5 by rotating the revolving circle portion by transmitting the driving force from the revolving motor.
- the swing motor may be a hydraulic motor or an electric motor.
- the revolving body 3 has a cab 4.
- a crew member (operator) of the hydraulic excavator 100 rides on the cab 4 and steers the hydraulic excavator 100 .
- the cab 4 is provided with a driver's seat 4S on which an operator sits.
- An operator can operate the excavator 100 inside the cab 4 .
- the operator can operate the work implement 2 , can swivel the revolving body 3 with respect to the traveling body 5 , and can operate the excavator 100 to travel by the traveling body 5 .
- excavator 100 is operated from within cab 4 in the present disclosure, excavator 100 may be remotely operated wirelessly from a location away from excavator 100 .
- the front-back direction refers to the front-back direction of the operator seated on the driver's seat 4S.
- the direction facing the operator seated on the driver's seat 4S is the forward direction, and the direction behind the operator seated on the driver's seat 4S is the rearward direction.
- the left-right direction refers to the left-right direction of the operator seated on the driver's seat 4S.
- the right side and the left side when an operator sitting in the driver's seat 4S faces the front are the right direction and the left direction, respectively.
- the vertical direction refers to the vertical direction of the operator seated on the driver's seat 4S.
- the operator seated on the driver's seat 4S faces the lower side, and the upper side faces the operator's head.
- the side where the working machine 2 protrudes from the revolving body 3 is the front direction
- the direction opposite to the front direction is the rear direction.
- the right side and the left side in the horizontal direction are the right direction and the left direction, respectively, when viewed in the forward direction.
- the side with the ground is the lower side
- the side with the sky is the upper side.
- the revolving body 3 has an engine room 9 in which the engine is housed, and a counterweight provided at the rear part of the revolving body 3 .
- an engine that generates a driving force, a hydraulic pump that receives the driving force generated by the engine and supplies working oil to the hydraulic actuators, and the like are arranged.
- a handrail 19 is provided in front of the engine room 9 in the revolving body 3 .
- An antenna 21 is provided on the handrail 19 .
- Antenna 21 is, for example, a GNSS antenna.
- the antenna 21 has a first antenna 21A and a second antenna 21B provided on the revolving body 3 so as to be separated from each other in the horizontal direction.
- the work machine 2 is mounted on the revolving body 3 and supported by the revolving body 3 .
- the work implement 2 has a boom 6 , an arm 7 and a bucket 8 .
- the boom 6 is rotatably connected to the revolving body 3 .
- Arm 7 is rotatably connected to boom 6 .
- Bucket 8 is rotatably connected to arm 7 .
- Bucket 8 has a plurality of blades. A tip portion of the bucket 8 is referred to as a cutting edge 8a.
- the bucket 8 may not have blades.
- the tip of the bucket 8 may be formed of a straight steel plate.
- the base end of the boom 6 is connected to the revolving body 3 via a boom foot pin 13 (hereinafter referred to as "boom pin”).
- a base end portion of the arm 7 is connected to a tip end portion of the boom 6 via an arm connection pin 14 (hereinafter referred to as an arm pin).
- the bucket 8 is connected to the tip of the arm 7 via a bucket connecting pin 15 (hereinafter referred to as bucket pin).
- the boom pin 13, the arm pin 14, and the bucket pin 15 extend substantially laterally.
- the boom 6 is movable relative to the revolving body 3.
- the boom 6 is rotatable relative to the revolving body 3 around the boom pin 13 .
- Arm 7 is relatively movable with respect to boom 6 .
- the arm 7 is rotatable relative to the boom 6 around the arm pin 14 .
- Bucket 8 is relatively movable with respect to arm 7 .
- Bucket 8 is rotatable relative to arm 7 around bucket pin 15 .
- the arm 7 and the bucket 8 are integrally movable relative to the boom 6, specifically rotatable relative to each other, while the bucket 8 does not rotate relative to the arm 7.
- the boom 6, the arm 7 and the bucket 8 are integrally movable relative to the revolving structure 3 while the bucket 8 does not rotate relative to the arm 7 and the arm 7 does not rotate relative to the boom 6. , specifically relatively rotatable.
- the working machine 2 has a boom cylinder 10 , an arm cylinder 11 and a bucket cylinder 12 .
- a boom cylinder 10 drives the boom 6 .
- Arm cylinder 11 drives arm 7 .
- Bucket cylinder 12 drives bucket 8 .
- Each of the boom cylinder 10, the arm cylinder 11, and the bucket cylinder 12 is a hydraulic cylinder driven by hydraulic fluid.
- the work machine 2 constitutes a link mechanism in which a plurality of link members are connected via joints.
- the boom 6, arm 7 and bucket 8 each constitute a link member.
- the boom pin 13 corresponds to a joint that connects the revolving body 3 and the boom 6 .
- Arm pin 14 corresponds to a joint that connects boom 6 and arm 7 .
- Bucket pin 15 corresponds to a joint that connects arm 7 and bucket 8 .
- the bucket cylinder 12 is attached to the arm 7.
- the bucket 8 rotates with respect to the arm 7 by expanding and contracting the bucket cylinder 12 .
- the work implement 2 has a bucket link.
- the bucket link connects the bucket cylinder 12 and the bucket 8 .
- a controller 26 is mounted on the hydraulic excavator 100 .
- the controller 26 controls operations of the excavator 100 .
- FIG. 2 is a schematic diagram showing the schematic configuration of the information acquisition system based on the embodiment.
- a target unit 40 is attached to the excavator 100 .
- the target unit 40 is attached to one location on the excavator 100 .
- the target unit 40 is attached to one location of the work machine 2 .
- a target portion 40 is attached to the cutting edge 8 a of the bucket 8 .
- the information acquisition system includes a position measurement unit 50.
- the position measuring section 50 measures the position of the target section 40 .
- the position measuring unit 50 discretely measures the position of the target unit 40 moving along with the movement of the bucket 8 a plurality of times.
- the position measurement section 50 measures the target section 40 at different positions at least twice.
- the position measurement unit 50 is, for example, a laser tracker, and in this case the target unit 40 is a target reflector.
- the laser tracker irradiates a laser beam L toward the target reflector.
- the target reflector When the target reflector is irradiated with the laser light L, the target reflector reflects the light in the same direction as the irradiation direction. The reflected light will return to the laser tracker.
- the laser tracker can obtain the distance between the laser tracker and the target reflector from the time at which the laser beam L returns from the target reflector. Also, the laser tracker recognizes the direction in which the laser beam L is irradiated by itself.
- the laser tracker can determine the three-dimensional position of the target portion 40 (target reflector) from the three-dimensional position of itself, the direction in which the laser beam L is irradiated, and the distance to the target reflector.
- the position measuring unit 50 is not limited to a laser tracker as long as it is a non-contact measuring device that can acquire the three-dimensional position of the target unit 40 .
- the position measurement unit 50 may be a total station.
- the position measuring unit 50 may be an imaging device represented by a stereo camera.
- the target unit 40 is a marker for facilitating recognition of the position of the target unit 40 in the captured image.
- the position measurement unit 50 may be realized by a combination of an arbitrary goniometer and a rangefinder.
- the information acquisition system includes an information acquisition unit 60.
- the information acquisition unit 60 is provided outside the hydraulic excavator 100, for example.
- the information acquisition unit 60 can communicate with the position measurement unit 50 via wireless or wired communication means.
- the information acquisition unit 60 is a computer including a CPU (Central Processing Unit), a non-volatile memory, a timer, and the like.
- the information acquisition unit 60 acquires information about the hydraulic excavator 100 from the measurement results obtained by discretely measuring the position of the target unit 40 multiple times.
- the information about excavator 100 acquired by information acquisition unit 60 includes, for example, the dimensions of work implement 2 of excavator 100 .
- the information about the excavator 100 may be position coordinate information of a predetermined portion of the excavator 100 in a three-dimensional space, distance information between two predetermined portions, and the like.
- the coordinate system of the three-dimensional space may be the ITRF (International Terrestrial Reference Frame) coordinate system.
- FIG. 3 is a block diagram showing the functional configuration of the information acquisition system.
- the target unit 40 is attached to one of the work implements 2 (the boom 6, the arm 7, and the bucket 8) of the hydraulic excavator 100. As shown in FIG.
- the position measurement unit 50 measures the three-dimensional position of the target unit 40 attached to the boom 6 , arm 7 or bucket 8 .
- the information acquisition section 60 includes an input section 61 , a rotation radius calculation section 65 , a vector processing section 66 and an output section 67 .
- FIG. 4 is a flow chart showing the flow of processing for acquiring information about the hydraulic excavator 100.
- the information about the hydraulic excavator 100 acquired by the following processing is used to accurately derive the position of the cutting edge 8a of the bucket 8 and improve the accuracy of the calculation of the position of the work implement 2 when performing information-aided construction. is a required parameter.
- the operator in the cab 4 of the hydraulic excavator 100 operates a predetermined operation lever (not shown) to obtain information on the bucket 8 and the arm 7 of the work machine 2.
- the boom 6 is operated.
- the hydraulic excavator 100 can be operated remotely, the operator does not get on the cab 4 of the hydraulic excavator 100 and operates the bucket 8, the arm 7, and the boom 6 of the working machine 2 from a place away from the hydraulic excavator 100.
- step S1 the rotation radius calculator 65 measures the position Pbk of the cutting edge 8a of the bucket 8 when only the bucket 8 of the working machine 2 is operated.
- FIG. 5 is a schematic side view showing the operation of the bucket 8 when deriving the dimensions of the bucket 8.
- FIG. 5 and FIGS. 6 to 8 described later each hydraulic cylinder 10, 11, 12, a bracket for connecting each hydraulic cylinder 10, 11, 12 to the boom 6, the arm 7 or the bucket 8, the bucket 8 and the arm 7 are omitted from the illustration.
- the target portion 40 is attached to the position of the cutting edge 8 a of the bucket 8 .
- the bucket 8 rotates relative to the arm 7 around the bucket pin 15 .
- boom 6 and arm 7 remain stationary.
- boom 6, arm 7 and bucket 8 only bucket 8 is moved.
- the main body 1, the boom 6, and the arm 7 are used as a base portion, and the bucket 8 is rotated as a movable portion.
- the bucket 8 moves relative to the arm 7 and moves relative to the boom 6 .
- Arm 7 does not move relative to boom 6 .
- the boom 6 does not move relative to the revolving body 3 .
- the bucket 8 may move in the dumping direction (the direction in which the bucket 8 separates from the vehicle body; in FIG. 5, the counterclockwise direction around the bucket pin 15).
- the position measurement unit 50 discretely measures the position of the moving target unit 40 a plurality of times (two or more times).
- the position measurement unit 50 measures a plurality of positions Pbk1, Pbk2, and Pbk3, which are three-dimensional positions of the target unit 40, at time intervals.
- the bucket 8 is stationary with respect to the arm 7 when the position measurement unit 50 measures the positions Pbk1, Pbk2, and Pbk3.
- the position measurement unit 50 acquires the three-dimensional position of the position Pbk1. After that, the bucket 8 is relatively rotated about the bucket pin 15, the target portion 40 of the cutting edge 8a of the bucket 8 is moved to the position Pbk2, and the bucket 8 is stopped. In that state, the position measurement unit 50 acquires the three-dimensional position of the position Pbk2. After that, the bucket 8 is relatively rotated about the bucket pin 15, the target portion 40 of the cutting edge 8a of the bucket 8 is moved to the position Pbk3, and the bucket 8 is stopped. In that state, the position measurement unit 50 acquires the three-dimensional position of the position Pbk3.
- the position measuring unit 50 does not measure the position of the target unit 40 while the target unit 40 is moving from the position Pbk1 to the position Pbk2.
- the position measurement unit 50 does not measure the position of the target unit 40 while the target unit 40 is moving from the position Pbk2 to the position Pbk3.
- the position measurement unit 50 acquires a plurality of three-dimensional positions of the target unit 40.
- the position measurement unit 50 outputs the acquired three-dimensional position information (position signal) of the target unit 40 to the input unit 61 of the information acquisition unit 60 .
- the radius-of-rotation calculator 65 calculates the coordinates of the bucket pin 15 and the mounting position of the bucket pin 15 and the target portion 40 by the method of least squares from a plurality of measurement results of the position of the target portion 40 obtained in step S1.
- the distance between the blade edge 8a of the bucket 8 and the distance between them are calculated.
- the radius-of-rotation calculator 65 minimizes the radius error from the positions Pbk1, Pbk2, and Pbk3, which are the three-dimensional positions of the target portion 40 moving on the arc centered on the bucket pin 15, to the center of the temporarily determined arc. and let the calculated center be the coordinates of the bucket pin 15 .
- the radius-of-rotation calculator 65 sets the radius of rotation of the target portion 40 to the distance between the bucket pin 15 and the cutting edge 8 a of the bucket 8 .
- a method of deriving the coordinates of the center of rotation and the radius of rotation from the three-dimensional position of the target portion 40 that rotates around the bucket pin 15 by the method of least squares is explained, for example, on the following website.
- step S ⁇ b>3 the vector processing unit 66 generates a vector Vb between the bucket pin 15 and the cutting edge 8 a of the bucket 8 .
- vector Vb is a vector having a start point at bucket pin 15 and an end point at cutting edge 8a of bucket 8 when working machine 2 is viewed from the side.
- step S4 the rotation radius calculator 65 measures the position Pa of the cutting edge 8a of the bucket 8 when the arm 7 of the working machine 2 is operated.
- FIG. 6 is a schematic side view showing the operation of the arm 7 when deriving the dimensions of the arm 7.
- the target portion 40 is attached to the position of the cutting edge 8 a of the bucket 8 .
- arm 7 and bucket 8 rotate relative to boom 6 around arm pin 14 .
- the boom 6 remains stationary.
- the arm 7 and bucket 8 are moved.
- the main body 1 and the boom 6 are used as base portions, and the arm 7 and the bucket 8 are used as movable portions to rotate.
- the arm 7 moves relative to the boom 6.
- Bucket 8 moves relative to boom 6 together with arm 7 .
- Bucket 8 does not move relative to arm 7 .
- the boom 6 does not move relative to the revolving body 3 .
- the relative position of bucket 8 to arm 7 remains constant. Only boom 6 and arm 7, which are connected via arm pin 14, move relative to each other.
- the movable portion has a link mechanism in which the arm 7 and the bucket 8 are connected via the bucket pin 15 .
- the arm 7 and the bucket 8 rotate relative to the boom 6 and the revolving body 3 around the arm pin 14 while maintaining their relative positions.
- the arm 7 may move in the dump direction (the direction in which the arm 7 separates from the vehicle body; counterclockwise direction around the arm pin 14 in FIG. 6).
- the bucket cylinder 12 may be positioned at either the extension side or the compression side stroke end.
- the position measurement unit 50 discretely measures the position of the moving target unit 40 a plurality of times (two or more times).
- the position measurement unit 50 measures a plurality of positions Pa1, Pa2, and Pa3, which are three-dimensional positions of the target unit 40, at time intervals.
- the arm 7 is stationary with respect to the boom 6 when the position measurement unit 50 measures the positions Pa1, Pa2, and Pa3.
- the position measurement unit 50 acquires the three-dimensional position of the position Pa1. After that, the arm 7 is relatively rotated around the arm pin 14 to move the target portion 40 of the cutting edge 8a of the bucket 8 to the position Pa2, and the arm 7 is stopped. In this state, the position measurement unit 50 acquires the three-dimensional position of the position Pa2. After that, the arm 7 is relatively rotated around the arm pin 14 to move the target portion 40 of the cutting edge 8a of the bucket 8 to the position Pa3, and the arm 7 is stopped. In this state, the position measurement unit 50 acquires the three-dimensional position of the position Pa3.
- the position measurement unit 50 does not measure the position of the target unit 40 while the target unit 40 is moving from the position Pa1 to the position Pa2.
- the position measurement unit 50 does not measure the position of the target unit 40 while the target unit 40 is moving from the position Pa2 to the position Pa3.
- the position measurement unit 50 acquires a plurality of three-dimensional positions of the target unit 40.
- the position measurement unit 50 outputs the acquired three-dimensional position information (position signal) of the target unit 40 to the input unit 61 of the information acquisition unit 60 .
- step S5 the rotation radius calculation unit 65 calculates the coordinates of the arm pin 14 and the distance between the arm pin 14 and the target unit 40 by using the least squares method from the plurality of measurement results of the position of the target unit 40 obtained in step S4. and the distance to the cutting edge 8a of the bucket 8 are calculated. This calculation can be performed in the same manner as the derivation of the coordinates of the center of rotation and the radius of rotation in step S2.
- step S6 the vector processing unit 66 generates a vector Va1 between the arm pin 14 and the cutting edge 8a of the bucket 8.
- vector Va1 is a vector having arm pin 14 as a starting point and cutting edge 8a of bucket 8 as an ending point when working machine 2 is viewed from the side.
- step S7 the vector processing unit 66 generates a vector Va, which is the difference obtained by subtracting the vector Vb generated in step S3 from the vector Va1 generated in step S6.
- vector Va is a vector having arm pin 14 as a starting point and bucket pin 15 as an ending point when work implement 2 is viewed from the side.
- step S8 the rotation radius calculator 65 measures the position Pb of the cutting edge 8a of the bucket 8 when the boom 6 of the working machine 2 is operated.
- FIG. 7 is a schematic side view showing the operation of the boom 6 when deriving the dimensions of the boom 6.
- the target portion 40 is attached to the position of the cutting edge 8 a of the bucket 8 .
- the boom 6 , the arm 7 and the bucket 8 rotate about the boom pin 13 with respect to the revolving body 3 .
- the main body 1 is used as a base portion, and the boom 6, the arm 7, and the bucket 8 are used as movable portions to rotate.
- the boom 6 moves relative to the revolving body 3.
- Arm 7 and bucket 8 move relative to revolving structure 3 together with boom 6 .
- Arm 7 does not move relative to boom 6 .
- Bucket 8 does not move relative to arm 7 .
- the relative position of bucket 8 to arm 7 remains constant.
- the relative position of the arm 7 with respect to the boom 6 remains constant. Only the rotating body 3 and boom 6, which are connected via boom pin 13, move relative to each other.
- the movable portion has a link mechanism in which the arm 7 and the bucket 8 are connected via a bucket pin 15 and the boom 6 and the arm 7 are connected via an arm pin 14 .
- the boom 6, the arm 7, and the bucket 8 rotate relative to the revolving body 3 around the boom pin 13 while maintaining their relative positions.
- the boom 6 may move in the boom raising direction (counterclockwise direction around the boom pin 13 in FIG. 7).
- the bucket cylinder 12 may be positioned at either the extension side or the compression side stroke end.
- the arm cylinder 11 may be positioned at either the extension side or the compression side stroke end.
- the position measurement unit 50 discretely measures the position of the moving target unit 40 a plurality of times (two or more times).
- the position measuring unit 50 measures a plurality of positions Pb1, Pb2, Pb3, which are the three-dimensional positions of the target unit 40, at time intervals.
- the position measuring unit 50 measures the positions Pb1, Pb2, Pb3, the boom 6 is stationary with respect to the revolving body 3.
- the position measurement unit 50 acquires the three-dimensional position of the position Pb1. After that, the boom 6 is relatively rotated about the boom pin 13, the target portion 40 of the cutting edge 8a of the bucket 8 is moved to the position Pb2, and the boom 6 is stopped. In that state, the position measurement unit 50 acquires the three-dimensional position of the position Pb2. After that, the boom 6 is relatively rotated about the boom pin 13, the target portion 40 of the cutting edge 8a of the bucket 8 is moved to the position Pb3, and the boom 6 is stopped. In that state, the position measurement unit 50 acquires the three-dimensional position of the position Pb3.
- the position measuring unit 50 does not measure the position of the target unit 40 while the target unit 40 is moving from the position Pb1 to the position Pb2.
- the position measurement unit 50 does not measure the position of the target unit 40 while the target unit 40 is moving from the position Pb2 to the position Pb3.
- the position measurement unit 50 acquires a plurality of three-dimensional positions of the target unit 40.
- the position measurement unit 50 outputs the acquired three-dimensional position information (position signal) of the target unit 40 to the input unit 61 of the information acquisition unit 60 .
- step S9 the turning radius calculator 65 calculates the coordinates of the boom pin 13 and the distance between the boom pin 13 and the target 40 by using the least squares method from the multiple measurement results of the position of the target 40 obtained in step S8. and the distance to the cutting edge 8a of the bucket 8 are calculated. This calculation can be performed in the same manner as the derivation of the coordinates of the center of rotation and the radius of rotation in step S2.
- step S10 the vector processing unit 66 generates a vector Vs1 between the boom pin 13 and the cutting edge 8a of the bucket 8.
- the vector Vs1 is a vector starting from the boom pin 13 and ending at the cutting edge 8a of the bucket 8 when the working machine 2 is viewed from the side.
- step S11 the vector processing unit 66 generates a vector Vs, which is the difference obtained by subtracting the vector Vb generated in step S3 and the vector Va generated in step S7 from the vector Vs1 generated in step S10.
- the vector Vs is a vector with the boom pin 13 as the starting point and the arm pin 14 as the starting point when the work implement 2 is viewed from the side.
- step S12 the vector processing unit 66 obtains the magnitude of the vector Vb and uses this as the distance between the cutting edge 8a of the bucket 8 and the bucket pin 15, that is, the dimension of the bucket 8.
- the vector processing unit 66 obtains the magnitude of the vector Va and uses it as the distance between the arm pin 14 and the bucket pin 15, that is, the dimension of the arm 7.
- FIG. The vector processing unit 66 obtains the magnitude of the vector Vs and uses it as the distance between the boom pin 13 and the arm pin 14, that is, the dimension of the boom 6.
- the output unit 67 outputs information (dimension signals) on the dimensions of the boom 6 , arm 7 and bucket 8 thus obtained to the controller 26 mounted on the hydraulic excavator 100 .
- the position measurement unit 50 measures the position of the target unit 40.
- the target portion 40 is attached to the cutting edge 8a of the bucket 8 as shown in FIGS. (FIG. 6), and moves along with the relative movement of the boom 6 with respect to the revolving body 3 (FIG. 7).
- the position measuring unit 50 discretely measures the position of the moving target unit 40 multiple times, for example, at least twice.
- the information acquisition unit 60 obtains the dimensions of the work implement 2 of the hydraulic excavator 100 from the measurement result of the position of the target unit 40 using the method of least squares. Get information about Since it is not necessary to directly measure the position of each pin by attaching a measurement target to the position of each pin in order to calculate the dimensions of the working machine 2, the work machine 2 of the hydraulic excavator 100 can be measured by simple work in a short time. Dimensional information can be obtained accurately. Based on this information, the position of the cutting edge 8a of the bucket 8 can be accurately derived, so the accuracy of calculation of the position of the work implement 2 in information-aided construction can be improved.
- the position measuring unit 50 measures the positions Pbk1, Pbk2, Pbk3 of the target unit 40 when the bucket 8 is stationary with respect to the arm 7.
- the position measurement unit 50 measures positions Pa1, Pa2, Pa3 of the target unit 40 when the arm 7 is stationary with respect to the boom 6 .
- the position measurement unit 50 measures positions Pb1, Pb2, Pb3 of the target unit 40 when the boom 6 is stationary with respect to the revolving structure 3 . Since the position of the stationary target portion 40 is measured, the measurement accuracy of the position of the target portion 40 can be improved, and information on the dimensions of the work implement 2 can be obtained more accurately. Since the position measurement unit 50 does not need to be designed to automatically track the target unit 40, an inexpensive information acquisition system can be realized.
- the position measurement unit 50 measures the position of the target unit 40 that moves as the arm 7 and the bucket 8 move relative to the boom 6 while maintaining their relative positions.
- the influence of disturbance caused by the relative movement of the bucket 8 with respect to the arm 7 can be reduced, and the dimensions of the arm 7 can be obtained more accurately.
- a position measurement unit 50 measures the position of the target unit 40 that moves as the boom 6, arm 7, and bucket 8 move relative to the revolving structure 3 while maintaining their relative positions. measures.
- the boom 6 is moved relative to the revolving structure 3
- the influence of disturbance caused by the relative movement of the arm 7 and the bucket 8 with respect to the boom 6 can be reduced, and the dimensions of the boom 6 can be obtained more accurately. can.
- the boom 6 is rotatable relative to the revolving body 3.
- arm 7 is rotatable relative to boom 6 .
- bucket 8 is rotatable relative to arm 7 .
- the target 40 can be attached to a rotating mechanical component such as the bucket 8 to measure the position of the target 40 as it moves along an arc. Information about the hydraulic excavator 100 can be obtained from the measurement result of the position of the target unit 40 .
- the information acquisition unit 60 acquires the center position of rotation of the rotating mechanical component.
- the information acquisition unit 60 can obtain the dimensions of the mechanical component from the acquired information on the center position of rotation.
- the bucket 8 rotates relative to the arm 7, and the center position of the rotation of the bucket 8 is the position of the bucket pin 15.
- the information acquisition section 60 acquires the distance between the bucket pin 15 and the target section 40 .
- the information acquisition unit 60 can obtain the dimensions of the bucket 8 from the acquired distance information.
- the arm 7 is connected to the boom 6 via an arm pin 14.
- Work machine 2 has a link mechanism in which boom 6 and arm 7 are connected via arm pin 14 and arm 7 and bucket 8 are connected via bucket pin 15 .
- the information acquisition unit 60 is configured to determine the position of the boom pin 13, which is the center position of the rotation of the boom 6 rotating with respect to the revolving structure 3, and the arm pin 14, which connects the boom 6 and the arm 7. get the distance.
- the information acquisition unit 60 can obtain the dimensions of the boom 6 from the acquired distance information.
- the information acquisition unit 60 acquires the distance between the arm pin 14 connecting the boom 6 and the arm 7 and the bucket pin 15 connecting the arm 7 and the bucket 8.
- the information acquisition unit 60 can obtain the dimensions of the arm 7 from the acquired distance information.
- an information acquisition method for acquiring information about the hydraulic excavator 100 is, for example, moving the bucket 8 relative to the arm 7 and moving the target portion 40 along with the movement of the bucket 8. is discretely measured a plurality of times, and a step S2 of acquiring the coordinates of the bucket pin 15 and the distance between the bucket pin 15 and the cutting edge 8a of the bucket 8 from the measurement result of the position of the target portion 40. It has
- the position measuring section 50 measures the position of the target section 40 when the movable section is stationary with respect to the base section, but the present invention is not limited to this.
- the position measurement unit 50 measures the position of the target unit 40 at time intervals while the movable unit is moving relative to the base unit, for example, while the bucket 8 is rotating relative to the arm 7 at a low speed. may be measured multiple times (twice or more). That is, also in this case, the position of the target portion 40 is measured discretely.
- the position measurement unit 50 preferably has a function of automatically tracking the moving target unit 40, and a laser tracker or an automatic tracking total station can be preferably applied.
- FIG. 8 is a schematic side view showing the operation of the bucket when deriving the bucket dimensions in the second embodiment.
- a hydraulic excavator 100 of the second embodiment further includes a vehicle body IMU (Inertial Measurement Unit) 31, a boom IMU 32, and an arm IMU 33 in addition to the configuration described in the first embodiment.
- vehicle body IMU Inertial Measurement Unit
- boom IMU Boom IMU
- arm IMU 33 in addition to the configuration described in the first embodiment.
- the vehicle body IMU 31 is attached to the revolving body 3 .
- the vehicle body IMU 31 measures the acceleration of the revolving body 3 in the longitudinal direction, the lateral direction and the vertical direction, and the angular velocity of the revolving body 3 in the longitudinal direction, the lateral direction and the vertical direction.
- Boom IMU 32 is attached to boom 6 .
- Arm IMU 33 is attached to arm 7 .
- the boom IMU 32 and arm IMU 33 measure the acceleration of the boom 6 and arm 7 in the longitudinal direction, the lateral direction and the vertical direction, and the angular velocity of the boom 6 and arm 7 in the longitudinal direction, the lateral direction and the vertical direction.
- the angle of the boom 6 with respect to the revolving structure 3 is calculated from the detection results of the boom IMU 32.
- the angle of arm 7 with respect to boom 6 is detected from the detection result of arm IMU 33 .
- a cylinder stroke sensor is attached to the bucket cylinder 12 (not shown in FIG. 8). The cylinder stroke sensor detects the amount of displacement of the cylinder rod of the bucket cylinder 12 with respect to the cylinder.
- the angle of the bucket 8 with respect to the arm 7 is calculated from the detection result of the cylinder stroke sensor.
- the boom IMU 32, the arm IMU 33, and the cylinder stroke sensor attached to the bucket cylinder 12 constitute an angle detection section that detects the angle of relative rotation of the movable section.
- the angle detection unit may be an IMU attached to the bucket link, a cylinder stroke sensor attached to the boom cylinder 10 and the arm cylinder 11, a potentiometer attached to the boom pin 13, the arm pin 14 or the bucket pin 15, or a rotary Any other sensor, such as an encoder, may also be included.
- the detection result of the angle detection section is input to the input section 61 ( FIG. 3 ) of the information acquisition section 60 .
- FIG. 9 is a schematic diagram showing derivation of bucket dimensions in the second embodiment.
- information about the hydraulic excavator 100 is acquired from the measurement result of the position of the target unit 40 by the position measurement unit 50 and the detection result of the angle by the angle detection unit.
- the dimensions of the bucket 8, that is, the distance between the cutting edge 8a of the bucket 8 and the bucket pin 15 are obtained from the measurement results when the bucket 8 rotates relative to the arm 7 shown in FIG. An example will be described.
- a virtual triangle is illustrated in FIG.
- One vertex of the virtual triangle is the bucket pin 15 .
- Another vertex of the virtual triangle is position Pbk1.
- a position Pbk1 is the position of the target portion 40 before the bucket 8 rotates around the bucket pin 15 .
- the remaining one vertex of the virtual triangle is at position Pbk3.
- a position Pbk3 is the position of the target portion 40 after the bucket 8 has rotated about the bucket pin 15 .
- One side of the imaginary triangle is the distance between the bucket pin 15 and the position Pbk1 and has a length a.
- the other side of the imaginary triangle is the distance between bucket pin 15 and position Pbk3 and has length b.
- the remaining side of the virtual triangle is the distance between positions Pbk1 and Pbk3 and has length c.
- the virtual triangle shown in FIG. 9 is an isosceles triangle.
- the virtual triangle has a base of length c and a pair of hypotenuses of length Lbk.
- the angle ⁇ bk is the apex angle of the isosceles triangle.
- the angle ⁇ bk can be detected by the cylinder stroke sensor of the bucket cylinder 12, the IMU attached to the bucket link, the potentiometer or rotary encoder attached to the bucket pin 15, or the like, as described above.
- the length Lbk is the distance between the cutting edge 8 a of the bucket 8 and the bucket pin 15 .
- the position measurement unit 50 measures the three-dimensional position of the position Pbk1 and the three-dimensional position of the position Pbk3.
- the length c can be calculated from the three-dimensional positions of the measured positions Pbk1 and Pbk3.
- the measurement result of the position of the target part 40 at two points measured discretely and the relative rotation of the bucket 8 with respect to the arm 7 from the first measurement of the position of the target part 40 to the second measurement of the position of the target part 40 , the distance between the cutting edge 8a of the bucket 8 and the bucket pin 15, that is, the dimension of the bucket 8 can be obtained.
- the three-dimensional position of the bucket pin 15 can be acquired from the three-dimensional positions of the positions Pbk1 and Pbk3 of the two target portions 40 and the dimensions of the bucket 8.
- the arm 7 is rotated relative to the boom 6 with the arm pin 14 as the center of rotation. 8a can be determined.
- the dimensions of the arm 7 can be obtained using the vector calculations described in the first embodiment.
- the boom 6 is rotated relative to the revolving body 3 with the boom pin 13 as the center of rotation. You can find the distance between The dimensions of the boom 6 can be obtained using the vector calculations described in the first embodiment.
- the parameters are derived from the three-dimensional position of the rotating target section 40 by the method of least squares, using the coordinates of the center of rotation and the radius of rotation as parameters.
- the offset amount of the angle detection section can also be added to the parameters.
- Parameters including the coordinates of the center of rotation, the radius of rotation, and the offset value of the angle detection unit can be obtained simultaneously from the three-dimensional position of the rotating target unit 40 by the method of least squares.
- the angle detection unit In order to improve the measurement accuracy of the angle detection unit, it is desirable to detect the angle when the work implement 2 is stationary. For example, by detecting the angle after the work implement 2 is stationary for 10 seconds or longer, the influence of vibration of the work implement 2 can be reduced, and the angle can be detected with high accuracy. On the other hand, since the work is stopped during the period in which the work implement 2 is stationary and the working efficiency is lowered, the period of time in which the work implement 2 is stationary may be, for example, 60 seconds or less, preferably 30 seconds or less.
- the hydraulic excavator 100 is given as an example of a working machine, but the hydraulic excavator 100 is not limited to a loading excavator, a mechanical rope excavator, and a swing motor that uses an engine as a power source but an electric motor. It can also be applied to other types of work machines such as a hybrid excavator, an electric excavator powered by electric power from a storage battery or an external power supply instead of an engine, and a bucket crane.
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Abstract
作業機械に関する情報を、簡便な作業でより正確に取得する。情報取得システムは、油圧ショベル(100)と、ターゲット部(40)と、位置計測部(50)と、情報取得部(60)とを備えている。油圧ショベル(100)は、旋回体(3)と、旋回体(3)に対して相対移動可能な作業機(2)とを有している。ターゲット部(40)は、作業機(2)に取り付けられている。位置計測部(50)は、作業機(2)の旋回体(3)に対する相対移動に伴って移動するターゲット部(40)の位置を、離散的に複数回計測する。情報取得部(60)は、ターゲット部(40)の位置の計測結果から、油圧ショベル(100)に関する情報を取得する。
Description
本開示は、作業機械に関する情報を取得するための情報取得システムおよび情報取得方法に関する。
情報化施工とは、建設土木事業における施工において、情報通信技術(ICT)の活用により、高効率かつ高精度な施工を実現するものである。情報化施工技術の一例として、トータルステーションまたはGNSS(Global Navigation Satellite Systems:全地球航法衛星システム)などの位置計測装置を用いて作業機械の位置を取得し、施工箇所の設計データと現況地形データとの差分に関する情報を作業機械の運転席モニタへ提供する、マシンガイダンス技術が提案されている。
作業機械の一つに油圧ショベルがある。油圧ショベルは、ブーム、アーム、及びバケットから構成される作業機を備えてよい。ブーム、アーム、及びバケットは、順にピンにより回動可能に支持されてよい。マシンガイダンス技術を用いた施工に関し、非特許文献1には、ICT油圧ショベルのアーム寸法など各可動部のピン間の寸法およびバケット寸法を測定することが記載されている。
国土交通省近畿地方整備局近畿技術事務所「マシンガイダンス技術(バックホウ編)の手引書」、2014年3月、p.29
トータルステーションなどを用いて作業機械における作業機の各ピンの位置をそれぞれ測定した結果からピン間の寸法を算出するには、各ピンの位置に計測ターゲットを取り付ける必要がある。この計測ターゲットの取付作業が煩雑な上、各ピンに手作業で計測ターゲットを取り付けるため取付精度が担保されていない。
本開示では、情報化施工のための作業機械に関する情報を、簡便な作業でより正確に取得できる、情報取得システムおよび情報取得方法が提案される。
本開示に従うと、情報取得システムが提案される。情報取得システムは、作業機械と、ターゲット部と、位置計測部と、情報取得部とを備えている。作業機械は、ベース部と、ベース部に対して相対移動可能な可動部とを有している。ターゲット部は、可動部に取り付けられている。位置計測部は、可動部のベース部に対する相対移動に伴って移動するターゲット部の位置を、離散的に複数回計測する。情報取得部は、ターゲット部の位置の計測結果から、作業機械に関する情報を取得する。
本開示に従うと、作業機械に関する情報を取得する情報取得方法が提案される。作業機械は、ベース部と、ベース部に対して相対移動可能な可動部とを有している。作業機械の可動部に、ターゲット部が取り付けられる。情報取得方法は、以下の処理を備えている。第1の処理は、可動部をベース部に対して相対移動させることである。第2の処理は、可動部のベース部に対する相対移動に伴って移動するターゲット部の位置を、離散的に複数回計測することである。第3の処理は、ターゲット部の位置の計測結果から、作業機械に関する情報を取得することである。
本開示に係る情報取得システムおよび情報取得方法によれば、作業機械に関する情報を、簡便な作業でより正確に取得することができる。
以下、実施形態について図に基づいて説明する。以下の説明では、同一部品には、同一の符号を付している。それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰り返さない。
<第1実施形態>
図1は、実施形態に基づく情報取得システムおよび情報取得方法によって情報が取得される作業機械の一例としての、油圧ショベル100の外観図である。実施形態においては、作業機械として、油圧ショベル100を例に挙げて説明する。
図1は、実施形態に基づく情報取得システムおよび情報取得方法によって情報が取得される作業機械の一例としての、油圧ショベル100の外観図である。実施形態においては、作業機械として、油圧ショベル100を例に挙げて説明する。
図1に示されるように、油圧ショベル100は、本体1と、油圧により作動する作業機2とを有している。本体1は、旋回体3と、走行体5とを有している。走行体5は、一対の履帯5Crと、走行モータ5Mとを有している。走行モータ5Mは、走行体5の駆動源として設けられている。走行モータ5Mは、油圧により作動する油圧モータである。
油圧ショベル100の動作時には、走行体5、より具体的には履帯5Crが、地面に接触している。走行体5は、履帯5Crの回転により地面を走行可能である。なお、走行体5が履帯5Crの代わりに車輪(タイヤ)を有していてもよい。
旋回体3は、走行体5の上に配置され、かつ走行体5により支持されている。旋回体3は、走行体5に対して相対移動可能である。旋回体3は、旋回軸RXを中心として走行体5に対して旋回可能に、走行体5に搭載されている。旋回体3は、走行体5上に、旋回サークル部を介して取り付けられている。旋回サークル部は、平面視した本体1の略中央部に配置されている。旋回サークル部は、円環状の概略形状を有しており、内周面に旋回用の内歯を有している。この内歯と噛み合うピニオンが、図示しない旋回モータに装着されている。旋回モータから駆動力が伝達されて旋回サークル部が回転することにより、旋回体3が走行体5に対して相対回転可能とされている。なお、旋回モータは油圧モータであってもよいし電動モータであってもよい。
旋回体3は、キャブ4を有している。油圧ショベル100の乗員(オペレータ)は、このキャブ4に搭乗して、油圧ショベル100を操縦する。キャブ4には、オペレータが着座する運転席4Sが設けられている。オペレータは、キャブ4内において油圧ショベル100を操作可能である。オペレータは、キャブ4内において、作業機2の操作が可能であり、走行体5に対する旋回体3の旋回操作が可能であり、また走行体5による油圧ショベル100の走行操作が可能である。油圧ショベル100は、本開示ではキャブ4内から操作されるが、油圧ショベル100から離れた場所から無線により遠隔操作されてもよい。
実施形態においては、キャブ4内の運転席4Sに着座したオペレータを基準として、油圧ショベル100の旋回体3における各部の位置関係について説明する。前後方向とは、運転席4Sに着座したオペレータの前後方向をいう。運転席4Sに着座したオペレータに正対する方向が前方向であり、運転席4Sに着座したオペレータの背後方向が後方向である。左右方向とは、運転席4Sに着座したオペレータの左右方向をいう。運転席4Sに着座したオペレータが正面に正対したときの右側、左側がそれぞれ右方向、左方向である。上下方向とは、運転席4Sに着座したオペレータの上下方向をいう。運転席4Sに着座したオペレータの足元側が下側、頭上側が上側である。
前後方向において、旋回体3から作業機2が突き出している側が前方向であり、前方向と反対方向が後方向である。前方向を視て左右方向の右側、左側がそれぞれ右方向、左方向である。上下方向において地面のある側が下側、空のある側が上側である。
旋回体3は、エンジン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している。エンジンルーム9には、駆動力を発生するエンジン、エンジンの発生する駆動力を受けて油圧アクチュエータに作動油を供給する油圧ポンプなどが配置されている。
旋回体3において、エンジンルーム9の前方に手すり19が設けられている。手すり19には、アンテナ21が設けられている。アンテナ21は、たとえばGNSS用のアンテナである。アンテナ21は、左右方向に互いに離れるように旋回体3に設けられた第1アンテナ21Aおよび第2アンテナ21Bを有している。
作業機2は、旋回体3に搭載されており、旋回体3によって支持されている。作業機2は、ブーム6と、アーム7と、バケット8とを有している。ブーム6は、旋回体3に回転可能に連結されている。アーム7は、ブーム6に回転可能に連結されている。バケット8は、アーム7に回転可能に連結されている。バケット8は、複数の刃を有している。バケット8の先端部を、刃先8aと称する。
なお、バケット8は、刃を有していなくてもよい。バケット8の先端部は、ストレート形状の鋼板で形成されていてもよい。
ブーム6の基端部は、ブームフートピン13(以下、ブームピンという)を介して旋回体3に連結されている。アーム7の基端部は、アーム連結ピン14(以下、アームピンという)を介してブーム6の先端部に連結されている。バケット8は、バケット連結ピン15(以下、バケットピンという)を介してアーム7の先端部に連結されている。ブームピン13、アームピン14およびバケットピン15は、略左右方向に延びている。
ブーム6は、旋回体3に対して相対移動可能である。ブーム6は、ブームピン13を中心に、旋回体3に対して相対回転可能である。アーム7は、ブーム6に対して相対移動可能である。アーム7は、アームピン14を中心に、ブーム6に対して相対回転可能である。バケット8は、アーム7に対して相対移動可能である。バケット8は、バケットピン15を中心に、アーム7に対して相対回転可能である。
アーム7およびバケット8は、バケット8がアーム7に対して相対回転しない状態で、一体的にブーム6に対して相対移動可能、具体的には相対回転可能である。ブーム6、アーム7およびバケット8は、バケット8がアーム7に対して相対回転せず、かつアーム7がブーム6に対して相対回転しない状態で、一体的に旋回体3に対して相対移動可能、具体的には相対回転可能である。
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とを有している。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は、バケット8を駆動する。ブームシリンダ10、アームシリンダ11、およびバケットシリンダ12のそれぞれは、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、複数のリンク部材が関節を介して接続されたリンク機構を構成している。ブーム6、アーム7およびバケット8は、それぞれリンク部材を構成している。ブームピン13は、旋回体3とブーム6とを接続する関節に相当する。アームピン14は、ブーム6とアーム7とを接続する関節に相当する。バケットピン15は、アーム7とバケット8とを接続する関節に相当する。
バケットシリンダ12は、アーム7に取り付けられている。バケットシリンダ12が伸縮することにより、アーム7に対してバケット8が回転する。作業機2は、バケットリンクを有している。バケットリンクは、バケットシリンダ12とバケット8とを連結している。
油圧ショベル100には、コントローラ26が搭載されている。コントローラ26は、油圧ショベル100の動作を制御する。
図2は、実施形態に基づく情報取得システムの概略構成を示す模式図である。油圧ショベル100には、ターゲット部40が取り付けられている。ターゲット部40は、油圧ショベル100の一箇所に取り付けられている。ターゲット部40は、作業機2の一箇所に取り付けられている。図2に示される例では、バケット8の刃先8aに、ターゲット部40が取り付けられている。
情報取得システムは、位置計測部50を備えている。位置計測部50は、ターゲット部40の位置を計測する。位置計測部50は、バケット8の移動に伴って移動するターゲット部40の位置を、離散的に複数回計測する。位置計測部50は、異なる位置にあるターゲット部40を、少なくとも2回計測する。位置計測部50は、たとえばレーザトラッカであり、この場合、ターゲット部40は、ターゲットリフレクタである。
レーザトラッカは、ターゲットリフレクタに向かってレーザ光Lを照射する。ターゲットリフレクタは、レーザ光Lが照射されると、照射された方向と同じ方向に光を反射する。その反射光は、レーザトラッカに戻ることになる。レーザトラッカは、ターゲットリフレクタからレーザ光Lが戻ってきた時間より、レーザトラッカとターゲットリフレクタとの距離を求めることができる。またレーザトラッカは、レーザ光Lを照射した方向を自身で把握している。レーザトラッカは、自身の三次元位置と、レーザ光Lを照射した方向と、ターゲットリフレクタまでの距離とから、ターゲット部40(ターゲットリフレクタ)の三次元位置を求めることができる。
位置計測部50は、ターゲット部40の三次元位置を取得できる非接触式の測定機であればよく、レーザトラッカに限られない。たとえば位置計測部50は、トータルステーションであってもよい。またたとえば位置計測部50は、ステレオカメラに代表される撮像装置であってもよく、この場合、ターゲット部40は、撮像画像中におけるターゲット部40の位置の認識を容易にするためのマーカであってもよい。またたとえば位置計測部50は、任意の角度計と距離計との組み合わせによって実現されてもよい。
情報取得システムは、情報取得部60を備えている。情報取得部60は、たとえば油圧ショベル100の外部に設けられている。情報取得部60は、無線または有線の通信手段を介して、位置計測部50と通信可能とされている。情報取得部60は、CPU(Central Processing Unit)、不揮発性メモリ、タイマなどを含んで構成されるコンピュータである。
情報取得部60は、ターゲット部40の位置を離散的に複数回計測した計測結果から、油圧ショベル100に関する情報を取得する。情報取得部60により取得される油圧ショベル100に関する情報は、たとえば、油圧ショベル100の作業機2の寸法を含む。油圧ショベル100に関する情報は、三次元空間における油圧ショベル100の所定部位の位置座標情報、2つの所定部位間の距離情報などであってよい。三次元空間の座標系は、ITRF(International Terrestrial Reference Frame)座標系であってよい。
図3は、情報取得システムの機能的構成を示すブロック図である。ターゲット部40は、油圧ショベル100のうち、作業機2(ブーム6、アーム7、バケット8)のいずれかの一箇所に取り付けられる。位置計測部50は、ブーム6、アーム7またはバケット8に取り付けられたターゲット部40の、三次元位置を計測する。
情報取得部60は、入力部61と、回転半径演算部65と、ベクトル処理部66と、出力部67とを備えている。
図4は、油圧ショベル100に関する情報を取得する処理の流れを示すフロー図である。図3に示される情報取得部60の各機能ブロックの機能と、各機能ブロックによって実現される、油圧ショベル100に関する情報を取得する処理との詳細について、以下に説明する。以下の処理によって取得される油圧ショベル100に関する情報は、情報化施工を実施するに当たり、バケット8の刃先8aの位置を正確に導出して、作業機2の位置の演算の精度を向上するために必要なパラメータである。図4に示す、油圧ショベル100に関する情報を取得する処理は、油圧ショベル100のキャブ4に搭乗しているオペレータが、所定の操作レバー(図示省略)を操作し作業機2のバケット8、アーム7、ブーム6を動作させることで実現する。なお、油圧ショベル100が遠隔操作することができる場合は、オペレータは油圧ショベル100のキャブ4に搭乗せず、油圧ショベル100から離れた場所から作業機2のバケット8、アーム7、ブーム6を動作させる。
ステップS1において、回転半径演算部65は、作業機2のバケット8のみを動作させるときの、バケット8の刃先8aの位置Pbkを計測する。
図5は、バケット8の寸法を導出するときのバケット8の動作を示す側面模式図である。なお、図5および後述する図6~8では、各油圧シリンダ10,11,12、各油圧シリンダ10,11,12をブーム6、アーム7またはバケット8に接続するためのブラケット、バケット8とアーム7とを接続するリンクは、図示を省略している。ターゲット部40は、バケット8の刃先8aの位置に取り付けられる。この状態で、バケットピン15を中心として、アーム7に対してバケット8が相対回転する。このとき、ブーム6およびアーム7は静止したままとされる。ブーム6、アーム7およびバケット8のうち、バケット8のみを移動させる。ここでは、本体1とブーム6とアーム7とをベース部とし、バケット8を可動部として回動させる。
バケット8は、アーム7に対して相対移動し、ブーム6に対して相対移動する。アーム7は、ブーム6に対して相対移動しない。ブーム6は、旋回体3に対して相対移動しない。バケットピン15を介して接続されたアーム7およびバケット8のみが、互いに相対移動する。図5に示されるように、バケット8はダンプ方向(バケット8が車体から離れる方向。図5においてはバケットピン15まわりの反時計回り方向)に移動してもよい。
バケット8のアーム7に対する相対回転に伴って、ターゲット部40は軌跡TBkに沿って移動する。ターゲット部40は、バケットピン15を中心とする円弧上を移動する。バケットピン15は、アーム7に対するバケット8の回転の中心位置をなす。移動するターゲット部40の位置を、位置計測部50が、離散的に複数回(2回以上)計測する。位置計測部50は、ターゲット部40の三次元位置である複数の位置Pbk1,Pbk2,Pbk3を、時間間隔を空けて計測する。
位置計測部50が位置Pbk1,Pbk2,Pbk3を計測するとき、バケット8はアーム7に対して静止している。位置計測部50が、位置Pbk1の三次元位置を取得する。その後、バケット8をバケットピン15を回転中心として相対回転移動させ、バケット8の刃先8aのターゲット部40を位置Pbk2に移動させて、バケット8を停止する。その状態で、位置計測部50が、位置Pbk2の三次元位置を取得する。その後、バケット8をバケットピン15を回転中心として相対回転移動させ、バケット8の刃先8aのターゲット部40を位置Pbk3に移動させて、バケット8を停止する。その状態で、位置計測部50が、位置Pbk3の三次元位置を取得する。
位置計測部50は、ターゲット部40が位置Pbk1から位置Pbk2へ移動している間は、ターゲット部40の位置を計測しない。位置計測部50は、ターゲット部40が位置Pbk2から位置Pbk3へ移動している間は、ターゲット部40の位置を計測しない。
位置計測部50は、ターゲット部40の複数の三次元位置を取得する。位置計測部50は、取得したターゲット部40の三次元位置情報(位置信号)を、情報取得部60の入力部61に出力する。
ステップS2において、回転半径演算部65は、ステップS1で得られたターゲット部40の位置の複数の計測結果から、最小二乗法により、バケットピン15の座標と、バケットピン15とターゲット部40の取り付けられたバケット8の刃先8aとの間の距離とを演算する。回転半径演算部65は、バケットピン15を中心とする円弧上を移動するターゲット部40の三次元位置である位置Pbk1,Pbk2,Pbk3から、仮決めした円弧の中心までの半径誤差を最小化するように計算し、計算された中心をバケットピン15の座標とする。回転半径演算部65は、ターゲット部40の回転半径を、バケットピン15とバケット8の刃先8aとの間の距離とする。
バケットピン15を中心として回転移動するターゲット部40の三次元位置から最小二乗法によって回転中心の座標と回転半径とを導出する方法については、たとえば、下記のWebサイトで解説されている。
”最小二乗法による球の推定”、[令和2年10月27日検索]、インターネット<URL:https://qiita.com/yujikaneko/items/955b4474772802b055bc>
ステップS3において、ベクトル処理部66は、バケットピン15と、バケット8の刃先8aとの間のベクトルVbを生成する。図5に示されるように、ベクトルVbは、作業機2を側方から見た場合に、バケットピン15を始点としバケット8の刃先8aを終点とするベクトルである。
ステップS3において、ベクトル処理部66は、バケットピン15と、バケット8の刃先8aとの間のベクトルVbを生成する。図5に示されるように、ベクトルVbは、作業機2を側方から見た場合に、バケットピン15を始点としバケット8の刃先8aを終点とするベクトルである。
ステップS4において、回転半径演算部65は、作業機2のアーム7を動作させるときの、バケット8の刃先8aの位置Paを計測する。
図6は、アーム7の寸法を導出するときのアーム7の動作を示す側面模式図である。ターゲット部40は、バケット8の刃先8aの位置に取り付けられる。この状態で、アームピン14を中心として、ブーム6に対してアーム7およびバケット8が回転する。このとき、ブーム6は静止したままとされる。ブーム6、アーム7およびバケット8のうち、アーム7およびバケット8を移動させる。ここでは、本体1とブーム6とをベース部とし、アーム7とバケット8とを可動部として回動させる。
アーム7は、ブーム6に対して相対移動する。バケット8は、アーム7と共に、ブーム6に対して相対移動する。バケット8は、アーム7に対して相対移動しない。ブーム6は、旋回体3に対して相対移動しない。アーム7に対するバケット8の相対位置は一定のままとされる。アームピン14を介して接続されたブーム6およびアーム7のみが、互いに相対移動する。可動部は、アーム7とバケット8とがバケットピン15を介して接続されたリンク機構を有している。アーム7とバケット8とは、互いの相対位置を維持したまま、アームピン14を中心として、ブーム6および旋回体3に対して相対回転する。
図6に示されるように、アーム7はダンプ方向(アーム7が車体から離れる方向。図6においてはアームピン14まわりの反時計回り方向)に移動してもよい。このとき、バケットシリンダ12が、伸び側または縮み側のいずれか一方のストロークエンドに位置していてもよい。
ブーム6に対するアーム7およびバケット8の相対回転に伴って、ターゲット部40は軌跡TAに沿って移動する。ターゲット部40は、アームピン14を中心とする円弧上を移動する。アームピン14は、ブーム6に対するバケット8の回転の中心位置をなす。移動するターゲット部40の位置を、位置計測部50が、離散的に複数回(2回以上)計測する。位置計測部50は、ターゲット部40の三次元位置である複数の位置Pa1,Pa2,Pa3を、時間間隔を空けて計測する。
位置計測部50が位置Pa1,Pa2,Pa3を計測するとき、アーム7はブーム6に対して静止している。位置計測部50が、位置Pa1の三次元位置を取得する。その後、アーム7をアームピン14を回転中心として相対回転移動させ、バケット8の刃先8aのターゲット部40を位置Pa2に移動させて、アーム7を停止する。その状態で、位置計測部50が、位置Pa2の三次元位置を取得する。その後、アーム7をアームピン14を回転中心として相対回転移動させ、バケット8の刃先8aのターゲット部40を位置Pa3に移動させて、アーム7を停止する。その状態で、位置計測部50が、位置Pa3の三次元位置を取得する。
位置計測部50は、ターゲット部40が位置Pa1から位置Pa2へ移動している間は、ターゲット部40の位置を計測しない。位置計測部50は、ターゲット部40が位置Pa2から位置Pa3へ移動している間は、ターゲット部40の位置を計測しない。
位置計測部50は、ターゲット部40の複数の三次元位置を取得する。位置計測部50は、取得したターゲット部40の三次元位置情報(位置信号)を、情報取得部60の入力部61に出力する。
ステップS5において、回転半径演算部65は、ステップS4で得られたターゲット部40の位置の複数の計測結果から、最小二乗法により、アームピン14の座標と、アームピン14とターゲット部40の取り付けられたバケット8の刃先8aとの間の距離とを演算する。この演算は、ステップS2における回転中心の座標と回転半径との導出と同様に、行うことができる。
ステップS6において、ベクトル処理部66は、アームピン14と、バケット8の刃先8aとの間のベクトルVa1を生成する。図6に示されるように、ベクトルVa1は、作業機2を側方から見た場合に、アームピン14を始点としバケット8の刃先8aを終点とするベクトルである。
ステップS7において、ベクトル処理部66は、ステップS6で生成されたベクトルVa1から、ステップS3で生成されたベクトルVbを引いた差であるベクトルVaを生成する。図6に示されるように、ベクトルVaは、作業機2を側方から見た場合に、アームピン14を始点としバケットピン15を終点とするベクトルである。
ステップS8において、回転半径演算部65は、作業機2のブーム6を動作させるときの、バケット8の刃先8aの位置Pbを計測する。
図7は、ブーム6の寸法を導出するときのブーム6の動作を示す側面模式図である。ターゲット部40は、バケット8の刃先8aの位置に取り付けられる。この状態で、ブームピン13を中心として、旋回体3に対してブーム6、アーム7およびバケット8が回転する。ここでは、本体1をベース部とし、ブーム6とアーム7とバケット8とを可動部として回動させる。
ブーム6は、旋回体3に対して相対移動する。アーム7およびバケット8は、ブーム6と共に、旋回体3に対して相対移動する。アーム7は、ブーム6に対して相対移動しない。バケット8は、アーム7に対して相対移動しない。アーム7に対するバケット8の相対位置は一定のままとされる。かつ、ブーム6に対するアーム7の相対位置は一定のままとされる。ブームピン13を介して接続された旋回体3およびブーム6のみが、互いに相対移動する。可動部は、アーム7とバケット8とがバケットピン15を介して接続され、ブーム6とアーム7とがアームピン14を介して接続された、リンク機構を有している。ブーム6とアーム7とバケット8とは、互いの相対位置を維持したまま、ブームピン13を中心として、旋回体3に対して相対回転する。
図7に示されるように、ブーム6はブーム上げ方向(図7においてはブームピン13まわりの反時計回り方向)に移動してもよい。このとき、バケットシリンダ12が、伸び側または縮み側のいずれか一方のストロークエンドに位置していてもよい。アームシリンダ11が、伸び側または縮み側のいずれか一方のストロークエンドに位置していてもよい。
旋回体3に対するブーム6、アーム7およびバケット8の相対回転に伴って、ターゲット部40は、軌跡TBに沿って移動する。ターゲット部40は、ブームピン13を中心とする円弧上を移動する。ブームピン13は、旋回体3に対するバケット8の回転の中心位置をなす。移動するターゲット部40の位置を、位置計測部50が、離散的に複数回(2回以上)計測する。位置計測部50は、ターゲット部40の三次元位置である複数の位置Pb1,Pb2,Pb3を、時間間隔を空けて計測する。
位置計測部50が位置Pb1,Pb2,Pb3を計測するとき、ブーム6は旋回体3に対して静止している。位置計測部50が、位置Pb1の三次元位置を取得する。その後、ブーム6をブームピン13を回転中心として相対回転移動させ、バケット8の刃先8aのターゲット部40を位置Pb2に移動させて、ブーム6を停止する。その状態で、位置計測部50が、位置Pb2の三次元位置を取得する。その後、ブーム6をブームピン13を回転中心として相対回転移動させ、バケット8の刃先8aのターゲット部40を位置Pb3に移動させて、ブーム6を停止する。その状態で、位置計測部50が、位置Pb3の三次元位置を取得する。
位置計測部50は、ターゲット部40が位置Pb1から位置Pb2へ移動している間は、ターゲット部40の位置を計測しない。位置計測部50は、ターゲット部40が位置Pb2から位置Pb3へ移動している間は、ターゲット部40の位置を計測しない。
位置計測部50は、ターゲット部40の複数の三次元位置を取得する。位置計測部50は、取得したターゲット部40の三次元位置情報(位置信号)を、情報取得部60の入力部61に出力する。
ステップS9において、回転半径演算部65は、ステップS8で得られたターゲット部40の位置の複数の計測結果から、最小二乗法により、ブームピン13の座標と、ブームピン13とターゲット部40の取り付けられたバケット8の刃先8aとの間の距離とを演算する。この演算は、ステップS2における回転中心の座標と回転半径との導出と同様に、行うことができる。
ステップS10において、ベクトル処理部66は、ブームピン13と、バケット8の刃先8aとの間のベクトルVs1を生成する。図7に示されるように、ベクトルVs1は、作業機2を側方から見た場合に、ブームピン13を始点としバケット8の刃先8aを終点とするベクトルである。
ステップS11において、ベクトル処理部66は、ステップS10で生成されたベクトルVs1から、ステップS3で生成されたベクトルVbとステップS7で生成されたベクトルVaとを引いた差であるベクトルVsを生成する。図7に示されるように、ベクトルVsは、作業機2を側方から見た場合に、ブームピン13を始点としアームピン14を始点とするベクトルである。
ステップS12において、ベクトル処理部66は、ベクトルVbの大きさを求め、これをバケット8の刃先8aとバケットピン15との間の距離、すなわちバケット8の寸法とする。ベクトル処理部66は、ベクトルVaの大きさを求め、これをアームピン14とバケットピン15との間の距離、すなわちアーム7の寸法とする。ベクトル処理部66は、ベクトルVsの大きさを求め、これをブームピン13とアームピン14との間の距離、すなわちブーム6の寸法とする。
出力部67は、求められたブーム6、アーム7、およびバケット8の寸法の情報(寸法信号)を、油圧ショベル100に搭載されたコントローラ26に出力する。
このようにして、油圧ショベル100に関する情報を取得する一連の処理を終了する(図4のEND)。
上述した説明と一部重複する記載もあるが、本実施形態の特徴的な構成および作用効果についてまとめて記載すると、以下の通りである。
図2に示されるように、位置計測部50は、ターゲット部40の位置を計測する。ターゲット部40はたとえば、図5~7に示されるようにバケット8の刃先8aに取り付けられており、バケット8のアーム7に対する相対移動に伴って移動したり(図5)、アーム7のブーム6に対する相対移動に伴って移動したり(図6)、ブーム6の旋回体3に対する相対移動に伴って移動したりする(図7)。
位置計測部50は、移動するターゲット部40の位置を、複数回、たとえば少なくとも2回、離散的に計測する。図3,4に示されるように、情報取得部60は、ターゲット部40の位置の計測結果から、最小二乗法の手法を用いて、油圧ショベル100の作業機2の寸法などの、油圧ショベル100に関する情報を取得する。作業機2の寸法を算出するために各ピンの位置に計測ターゲットを取り付けて各ピンの位置を直接計測しなくてもよいため、短時間の簡便な作業で、油圧ショベル100の作業機2の寸法の情報を正確に得ることができる。この情報に基づいて、バケット8の刃先8aの位置を正確に導出することができるので、情報化施工における作業機2の位置の演算の精度を向上することができる。
図5に示されるように、位置計測部50は、バケット8がアーム7に対して静止しているときに、ターゲット部40の位置Pbk1,Pbk2,Pbk3を計測する。図6に示されるように、位置計測部50は、アーム7がブーム6に対して静止しているときに、ターゲット部40の位置Pa1,Pa2,Pa3を計測する。図7に示されるように、位置計測部50は、ブーム6が旋回体3に対して静止しているときに、ターゲット部40の位置Pb1,Pb2,Pb3を計測する。静止しているターゲット部40の位置を計測するので、ターゲット部40の位置の計測精度を向上でき、作業機2の寸法の情報をより正確に得ることができる。位置計測部50を、ターゲット部40を自動追尾可能な仕様とする必要がないので、安価な情報取得システムを実現することができる。
図6に示されるように、アーム7とバケット8とが互いの相対位置を維持したままブーム6に対して相対移動することによって移動するターゲット部40の位置を、位置計測部50が計測する。アーム7をブーム6に対して相対移動させるときに、バケット8がアーム7に対して相対移動することによる外乱の影響を低減でき、アーム7の寸法をより正確に取得することができる。図7に示されるように、ブーム6とアーム7とバケット8とが互いの相対位置を維持したまま旋回体3に対して相対移動することによって移動するターゲット部40の位置を、位置計測部50が計測する。ブーム6を旋回体3に対して相対移動させるときに、アーム7およびバケット8がブーム6に対して相対移動することによる外乱の影響を低減でき、ブーム6の寸法をより正確に取得することができる。
図7に示されるように、ブーム6は、旋回体3に対して相対回転可能である。図6に示されるように、アーム7は、ブーム6に対して相対回転可能である。図5に示されるように、バケット8は、アーム7に対して相対回転可能である。バケット8のような回転する機械部品にターゲット部40を取り付けて、円弧上を移動するターゲット部40の位置を計測することができる。このターゲット部40の位置の計測結果から、油圧ショベル100に関する情報を取得することができる。
図4および図5~7に示されるように、情報取得部60は、回転する機械部品の回転の中心位置を取得する。情報取得部60は、取得された回転の中心位置の情報から、機械部品の寸法を求めることができる。
図4,5に示されるように、バケット8はアーム7に対して相対回転し、バケット8の回転の中心位置がバケットピン15の位置である。情報取得部60は、バケットピン15とターゲット部40との距離を取得する。情報取得部60は、取得された距離の情報から、バケット8の寸法を求めることができる。
図1に示されるように、アーム7は、アームピン14を介してブーム6に接続されている。作業機2は、ブーム6とアーム7とがアームピン14を介して接続され、アーム7とバケット8とがバケットピン15を介して接続された、リンク機構を有している。図4,7に示されるように、情報取得部60は、旋回体3に対して回転するブーム6の回転の中心位置であるブームピン13と、ブーム6とアーム7とを接続するアームピン14との距離を取得する。情報取得部60は、取得された距離の情報から、ブーム6の寸法を求めることができる。
図4,6に示されるように、情報取得部60は、ブーム6とアーム7とを接続するアームピン14と、アーム7とバケット8とを接続するバケットピン15との距離を取得する。情報取得部60は、取得された距離の情報から、アーム7の寸法を求めることができる。
図2,5~7に示されるように、ターゲット部40は、作業機2の一箇所に取り付けられている。油圧ショベル100に関する情報を取得するために複数のターゲットリフレクタを取り付けたり、ターゲットリフレクタを付け替えたりする必要がなくなる。作業を簡略化して作業工数を低減でき、かつ、取得する情報の精度を向上することができる。
図4に示されるように、油圧ショベル100に関する情報を取得する情報取得方法は、たとえば、バケット8をアーム7に対して相対移動させ、このバケット8の移動に伴って移動するターゲット部40の位置を離散的に複数回計測するステップS1と、ターゲット部40の位置の計測結果から、バケットピン15の座標と、バケットピン15とバケット8の刃先8aとの間の距離とを取得するステップS2とを備えている。
短時間の簡便な作業で、油圧ショベル100に関する情報をより正確に得ることができ、これらの情報に基づいて、バケット8の刃先8aの位置を正確に導出することができるので、情報化施工における作業機2の位置の演算の精度を向上することができる。
上記の説明では、可動部がベース部に対して静止しているときに位置計測部50がターゲット部40の位置を計測する例を述べたが、これに限られるものではない。位置計測部50は、可動部がベース部に対して移動しているとき、たとえばバケット8がアーム7に対して低速で相対回転しているときに、時間間隔をあけて、ターゲット部40の位置を複数回(2回以上)計測してもよい。つまり、この場合もターゲット部40の位置を離散的に計測することになる。この場合の位置計測部50は、移動するターゲット部40を自動追尾する機能を備えるものが好ましく、レーザトラッカまたは自動追尾型トータルステーションを好適に適用することができる。
<第2実施形態>
図8は、第2実施形態におけるバケット寸法の導出時のバケットの動作を示す側面模式図である。第2実施形態の油圧ショベル100は、第1実施形態で説明した構成に加えて、車体IMU(Inertial Measurement Unit)31、ブームIMU32、アームIMU33をさらに備えている。
図8は、第2実施形態におけるバケット寸法の導出時のバケットの動作を示す側面模式図である。第2実施形態の油圧ショベル100は、第1実施形態で説明した構成に加えて、車体IMU(Inertial Measurement Unit)31、ブームIMU32、アームIMU33をさらに備えている。
車体IMU31は、旋回体3に取り付けられている。車体IMU31は、前後方向、左右方向および上下方向における旋回体3の加速度と、前後方向、左右方向および上下方向まわりの旋回体3の角速度とを計測する。ブームIMU32は、ブーム6に取り付けられている。アームIMU33は、アーム7に取り付けられている。ブームIMU32、アームIMU33のそれぞれは、前後方向、左右方向および上下方向におけるブーム6、アーム7の加速度と、前後方向、左右方向および上下方向まわりのブーム6、アーム7の角速度とを計測する。
ブームIMU32の検出結果から、旋回体3に対するブーム6の角度が算出される。アームIMU33の検出結果から、ブーム6に対するアーム7の角度が検出される。図8には図示しないバケットシリンダ12には、シリンダストロークセンサが取り付けられている。シリンダストロークセンサは、バケットシリンダ12におけるシリンダに対するシリンダロッドの変位量を検出する。シリンダストロークセンサの検出結果から、アーム7に対するバケット8の角度が算出される。ブームIMU32、アームIMU33およびバケットシリンダ12に取り付けられたシリンダストロークセンサは、可動部の相対回転の角度を検出する角度検出部を構成している。
角度検出部は、上述した例のほか、バケットリンクに取り付けられたIMU、ブームシリンダ10およびアームシリンダ11に取り付けられたシリンダストロークセンサ、ブームピン13、アームピン14またはバケットピン15に取り付けられたポテンショメータまたはロータリーエンコーダ、などの他の任意のセンサを含んでもよい。角度検出部の検出結果は、情報取得部60の入力部61(図3)に入力される。
図9は、第2実施形態におけるバケット寸法の導出を示す模式図である。第2実施形態では、位置計測部50によるターゲット部40の位置の計測結果と、角度検出部による角度の検出結果とから、油圧ショベル100に関する情報を取得する。図9では、図8に示されるアーム7に対してバケット8が相対回転するときの計測の結果から、バケット8の寸法、すなわちバケット8の刃先8aとバケットピン15との間の距離を取得する例について説明する。
図9には、仮想三角形が図示されている。仮想三角形の1つの頂点は、バケットピン15である。仮想三角形の他の1つの頂点は、位置Pbk1である。位置Pbk1は、バケットピン15を回転中心としてバケット8が回転移動する前の、ターゲット部40の位置である。仮想三角形の残りの1つの頂点は、位置Pbk3である。位置Pbk3は、バケットピン15を回転中心としてバケット8が回転移動した後の、ターゲット部40の位置である。仮想三角形の一辺は、バケットピン15と位置Pbk1との間の距離であり、長さaを有している。仮想三角形の他の一辺は、バケットピン15と位置Pbk3との間の距離であり、長さbを有している。仮想三角形の残りの一辺は、位置Pbk1と位置Pbk3との間の距離であり、長さcを有している。
バケット8はバケットピン15を中心に回転するので、長さaと長さbとは等しい。図9に示される仮想三角形は、二等辺三角形である。仮想三角形は、長さcの底辺と、長さLbkの一対の斜辺とを有している。角度θbkは、二等辺三角形の頂角である。角度θbkは、上述した通り、バケットシリンダ12のシリンダストロークセンサ、バケットリンクに取り付けられたIMU、バケットピン15に取り付けられたポテンショメータまたはロータリーエンコーダなどにより、検出することができる。長さLbkは、バケット8の刃先8aとバケットピン15との間の距離である。
位置計測部50は、位置Pbk1の三次元位置と、位置Pbk3の三次元位置とを計測する。計測された位置Pbk1,Pbk3の三次元位置より、長さcを演算することができる。
ここで、図9に示される仮想三角形について、余弦定理より、以下の式(1)が成立する。
上記の通り、a=b=Lbkであるので、代入して整理すると、長さLbkを求める以下の式(2)が得られる。
したがって、離散的に計測された2点のターゲット部40の位置の計測結果と、ターゲット部40の位置を1回目に計測したときから2回目に計測したときまでのアーム7に対するバケット8の相対回転の角度の検出結果とから、バケット8の刃先8aとバケットピン15との間の距離、すなわちバケット8の寸法を取得することができる。2つのターゲット部40の位置Pbk1,Pbk3の三次元位置と、バケット8の寸法とから、バケットピン15の三次元位置を取得することができる。
同様に、アームピン14を回転中心としてアーム7をブーム6に対して相対回転させ、そのときの2点のターゲット部40の位置と移動するアーム7のなす角度とから、アームピン14とバケット8の刃先8aとの間の距離を求めることができる。第1実施形態で説明したベクトル計算を用いて、アーム7の寸法を取得することができる。ブームピン13を回転中心としてブーム6を旋回体3に対して相対回転させ、そのときの2点のターゲット部40の位置と移動するブーム6のなす角度とから、ブームピン13とバケット8の刃先8aとの間の距離を求めることができる。第1実施形態で説明したベクトル計算を用いて、ブーム6の寸法を取得することができる。
上記の第1実施形態の説明では、回転中心の座標と回転半径とをパラメータとして、回転移動するターゲット部40の三次元位置から最小二乗法によってパラメータを導出した。第2実施形態で示した角度検出部を油圧ショベル100が備える場合には、角度検出部のオフセット量もパラメータに加えることができる。回転移動するターゲット部40の三次元位置から、最小二乗法によって、回転中心の座標、回転半径、および角度検出部のオフセット値を含むパラメータを、同時に求めることができる。
角度検出部の計測精度を向上するには、作業機2が静止しているときに角度を検出するのが望ましい。たとえば、作業機2を10秒以上静止させた後に角度を検出することで、作業機2の振動の影響を低減でき、角度を精度よく検出することができる。他方、作業機2を静止させる時間中は作業が停止しており作業効率が低下するので、作業機2を静止させる時間は、たとえば60秒以下、好ましくは30秒以下であってもよい。
上記の実施形態の説明では、作業機械の一例として油圧ショベル100を挙げているが、油圧ショベル100に限らず、ローディングショベル、機械式のロープショベル、エンジンを動力源とするが旋回モータを電動モータにしたハイブリッドショベル、エンジンの代わりに蓄電池の電力または外部給電を動力源とする電動ショベル、バケットクレーンなどの他の種類の作業機械にも適用可能である。
今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
1 本体、2 作業機、3 旋回体、5 走行体、6 ブーム、7 アーム、8 バケット、8a 刃先、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、13 ブームフートピン、14 アーム連結ピン、15 バケット連結ピン、26 コントローラ、31 車体IMU、32 ブームIMU、33 アームIMU、40 ターゲット部、50 位置計測部、60 情報取得部、61 入力部、65 回転半径演算部、66 ベクトル処理部、67 出力部、100 油圧ショベル、L レーザ光、Pa1~Pa3,Pb1~Pb3,Pbk1~Pbk3 位置、RX 旋回軸、Va,Va1,Vb,Vs,Vs1 ベクトル。
Claims (12)
- ベース部と、前記ベース部に対して相対移動可能な可動部とを有する、作業機械と、
前記可動部に取り付けられたターゲット部と、
前記可動部の前記ベース部に対する相対移動に伴って移動する前記ターゲット部の位置を、離散的に複数回計測する位置計測部と、
前記位置の計測結果から前記作業機械に関する情報を取得する情報取得部と、を備える、情報取得システム。 - 前記位置計測部は、前記可動部が前記ベース部に対して静止しているときに、前記ターゲット部の前記位置を計測する、請求項1に記載の情報取得システム。
- 前記可動部は、複数のリンク部材が関節を介して接続されたリンク機構を有し、
前記位置計測部は、前記複数のリンク部材が互いの相対位置を維持したまま前記ベース部に対して相対移動することに伴って移動する前記ターゲット部の前記位置を計測する、請求項1または請求項2に記載の情報取得システム。 - 前記可動部は、前記ベース部に対して相対回転可能である、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の情報取得システム。
- 前記ターゲット部は円弧上を移動する、請求項4に記載の情報取得システム。
- 前記情報は、前記ベース部に対する前記可動部の相対回転の中心位置を含む、請求項4または請求項5に記載の情報取得システム。
- 前記情報は、前記中心位置と前記ターゲット部との距離を含む、請求項6に記載の情報取得システム。
- 前記可動部は、複数のリンク部材が関節を介して接続されたリンク機構を有し、
前記情報は、前記中心位置と前記関節との距離を含む、請求項6または請求項7に記載の情報取得システム。 - 前記情報は、複数の前記関節間の距離を含む、請求項8に記載の情報取得システム。
- 前記位置計測部が前記ターゲット部の前記位置を1回目に計測したときから2回目に計測したときまでの前記可動部の相対回転の角度を検出する角度検出部をさらに備え、
前記情報取得部は、前記位置の計測結果と前記角度の検出結果とから前記情報を取得する、請求項4から請求項9のいずれか1項に記載の情報取得システム。 - 前記ターゲット部は、前記可動部の一箇所に取り付けられている、請求項1から請求項10のいずれか1項に記載の情報取得システム。
- ベース部と、前記ベース部に対して相対移動可能な可動部とを有し、前記可動部にターゲット部が取り付けられる作業機械に関する情報を取得する情報取得方法であって、
前記可動部を前記ベース部に対して相対移動させることと、
前記可動部の前記ベース部に対する相対移動に伴って移動する前記ターゲット部の位置を、離散的に複数回計測することと、
前記位置の計測結果から前記情報を取得することと、を備える、情報取得方法。
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JPH01271532A (ja) * | 1988-04-21 | 1989-10-30 | Komatsu Ltd | 作業機の位置測定システム |
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